CN1975340B - 具有正弦型光检测器输出信号的光学编码器 - Google Patents

具有正弦型光检测器输出信号的光学编码器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学编码器，它包括亮组成元素和暗组成元素交替构成的光学编码器图案，以及包括光发射器和光传感器的光学单元，光发射器向编码器图案提供光，光传感器包括光检测器，光检测器接收来自光学编码器图案的光并响应于其而输出正弦型信号，所述正弦型信号表示光传感器与编码器图案之间的相对运动。在一种实施例中，光检测器具有菱形、变体菱形或沙漏形形状。在另一种实施例中，光学编码器图案的亮组成元素和暗组成元素中至少一项具有菱形、变体菱形或沙漏形形状。

Description

具有正弦型光检测器输出信号的光学编码器
技术领域
本发明涉及具有正弦型光检测器输出信号的光学编码器。
背景技术
光学编码器用于在各种各样的场合中对物体相对于某个参考物的运动和/或位置进行检测。光学编码经常用于机械系统中作为对运动元件的运动进行测量和跟踪的便宜而可靠的方式。例如，打印机、扫描仪、复印机、传真机、绘图机以及其他成像系统经常采用光学编码，在将图像打印到介质上或从介质上扫描图像时，对图像介质(例如纸张)的运动进行跟踪。
用于光学编码的一种常见技术是使用光学传感器和光学编码器图案(或编码介质)。光学传感器聚焦在光学编码器图案的表面上。随着传感器相对于光学编码器图案(或编码介质)的运动，或者是随着编码器图案相对于光学传感器的运动，光学传感器对经过光学编码器图案透射或由其反射的光的图案进行读取以检测运动。
通常的光学编码器图案是亮暗组成元素构成的交替序列。随着编码器与传感器彼此相对运动，图案中一个组成元素到下一个组成元素之间的转变可以通过光学方式检测到。例如，编码器图案可以是不透明材料中孔或光学透明窗组成的交替图案。在这种情况下，光学传感器可以检测到经过孔或窗时从暗到亮的转变。
图1图示了基本的光学编码器100，它包括光学单元103和光控制元件(光学编码器图案)105，光学单元103包括光发射器101和光传感器102，光控制元件105布置在光发射器101与光传感器102之间。光发射器101是包括例如一个或多个发光二极管的光源。通常，光传感器102包括一个或多个光检测器，例如光电二极管或电荷耦合器件(CCD)。光学单元103和光学编码器图案105可以在光学编码器图案105的纵向以线性方式彼此相对运动。
在一种常见的应用中，光学单元103安装在打印机的打印头上，光学编码器图案105固定到打印机壳体，在打印头运动时，光学单元103沿编码器图案105的长度方向运动。随着光学单元103沿光学编码器图案105的长度方向运动，来自光发射器101的、从光学编码器图案105穿过(或由其反射)的光由光传感器102的一个或多个光检测器感知以产生一个或多个信号，所述信号表示光学单元103和光学编码器图案105之间的相对运动。之后，打印机使用来自光传感器102的一个或多个输出信号，来帮助对打印过程中打印头和/或纸张的运动进行控制。
图2A一图2B图示了当光学编码器图案105和光学单元103(包括光检测器220)彼此相对运动时，形成于码带210上的光学编码器图案105、光传感器102的光检测器220以及由光检测器220产生的输出信号之间的关系。
由图2A可见，光学编码器图案105是矩形“亮”组成元素230和“暗”组成元素240构成的交替图案，光检测器220也具有矩形形状.在许多情况下，亮组成元素230包括光透射区域，光透射区域可以是码带210中的透明区域或缝隙，使得来自光发射器101的光可以穿过码带210的亮组成元素230到达光传感器102，但是可以被暗组成元素240阻挡而不能到达光传感器102.在另一种可替换结构中，亮组成元素230包括光反射区域，光反射区域可以是白色的或光亮的，使得来自光发射器101的光可以从码带210的亮组成元素230反射回光传感器102，但是可以被暗组成元素240吸收而不能反射到光传感器102.下面的讨论对这些结构中的任一种都同样适用.
光检测器220产生取决于其从光学编码器图案105接收到光量的输出信号。随着光学编码器图案105和光学单元103(包括光检测器220)彼此相对运动，光检测器220接收到的光量也发生变化，从光检测器220对准光学编码器图案105的暗组成元素240时的几乎没有光，到光检测器220对准光学编码器图案105的亮组成元素230时的最大光量。设光学编码器图案105与光学单元103以恒定速率彼此相对运动，则图2B示出了光检测器220的输出信号。
由图2B可见，光检测器220的输出信号是梯形信号，具有平的顶部、平的底部、以及顶部与底部之间恒定的斜率。图2A-图2B的结构专门针对的是线性码带210。在某些情况下，用圆形的码盘来取代码带210，在这样的情况下，亮组成元素230和暗组成元素240，或者光检测器220，具有梯形而不是矩形的形状。在任一种情况下，光检测器220都产生图2B所示的梯形输出信号。
但是，图2A-图2B所示的结构存在某些缺点。特别是，从反馈系统或控制系统的立场来看，光检测器的梯形输出信号是非常不理想的。在作为顶部和底部的“平坦点(flat spot)”，光检测器不输出与光传感器和光学编码器图案之间相对运动有关的任何有用信息。此外，梯形输出信号实际上是一系列斜坡函数，而斜坡函数是公知不可微分的。所以不能获得加速度。从反馈系统或控制系统的立场来看，如果光检测器的输出信号替换成大体上正弦性质将会更好。
因此，需要一种光学编码器，它的(多个)光检测器响应于光学编码器图案与光传感器之间的相对运动产生大体上正弦型输出信号。
发明内容
在一种示例实施例中，一种光学编码器包括光学编码器图案和光学单元，光学编码器图案包括亮组成元素和暗组成元素的交替图案；光学单元包括：向所述编码器图案提供光的光发射器以及包括光检测器的光传感器，所述光检测器接收来自所述光学编码器图案的光并相应于其而输出正弦型信号，所述正弦型信号表示所述光传感器与所述编码器图案之间的相对运动，其中，所述光检测器具有菱形、变体菱形中的一种形状。
在另一种示例实施例中，一种光学编码器包括光学编码器图案和光学单元，光学编码器图案包括亮组成元素和暗组成元素的交替图案；光学单元包括：向所述编码器图案提供光的光发射器，以及包括光检测器的光传感器，所述光检测器接收来自所述光学编码器图案的光并相应于其而输出正弦型信号，所述正弦型信号表示所述光传感器与所述编码器图案之间的相对运动，其中，所述亮组成元素和所述暗组成元素中至少一项具有菱形、变体菱形以及沙漏形中的一种形状。
附图说明
在结合附图进行阅读时，根据下面详细描述可以对这些示例实施例有最佳的理解。应当强调，各种特征不一定是按比例绘制的。事实上，为了讨论清楚，尺寸可能进行了任意的增大或减小。只要可应用和可实践，相同的标号表示相同的元件。
图1示出了基本的光学编码器；
图2A图示了光学编码器的组成元素，该光学编码器包括光学编码器图案和光检测器；
图2B图示了图2A的光学编码器图案和包括光检测器的光学单元彼此相对运动时，光检测器产生的输出信号；
图3图示了菱形的几种示例；
图4图示了变体菱形的几种示例；
图5图示了沙漏形的几种示例；
图6A-图6B图示了光学编码器的组成元素，该光学编码器包括布置在光检测器上的调制盘；
图6C图示了当光学编码器图案与包括图6A-图6B中光检测器的光学单元彼此相对运动时，光检测器产生的输出信号；
图7图示了包括菱形光检测器的光学编码器的组成元素；
图8A-图8D示出了用于一通道、二通道和三通道光学编码器的各种菱形光检测器布置；
图9图示了包括菱形光学编码器图案组成元素的光学编码器的组成元素；
图10A-图10D图示了用于码带的编码器图案，其中亮组成元素和暗组成元素具有各种形状；
图11A-图11D图示了用于码盘的编码器图案，其中亮组成元素和暗组成元素具有各种形状。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，为了说明性而非限制性的目的，对公开了具体细节的示例实施例进行阐述以便提供对本发明的完整理解。但是，对于受益于此处公开内容的本领域普通技术人员而言，根据脱离此处公开的具体细节而仍然处于权利要求范围内的那些本发明其他实施方式是显而易见的。此外，对公知装置和方法的描述可能略去以免使示例实施例的说明含糊。这些方法和装置显然在本发明的范围内。
此外，此处所用的术语“菱形”指的是不带直角的菱形形状，其示例如图3所示.此处所用的术语“变体菱形”指的是这样的六边形：它具有四条长边(“A边”)和两条短边(“B边”)，所述长边具有基本相同的长度(A)且成对连接在一起形成钝角，所述短边彼此平行延伸并各自具有短于长度A的长度(B)，每条B边连接到一对A边形成锐角.变体菱形的示例如图4所示.变体菱形可以通过这样的方式获得：采用所述的菱形，并用直线截断菱形两个锐角顶角中的每一个，所述直线基本上平行于经过菱形其余两个钝角顶角的线.此处所用的术语“沙漏形”指的是这样的六边形：它具有四条边(“A边”)和两条边(“B边”)，所述四条边都具有基本相同的长度(A)并成对连接在一起形成优角(reflexangle)，所述两条边彼此平行延伸并各具有相同的长度(B)，每条B边连接到一对A边形成锐角.沙漏形的示例如图5所示.应当理解，在实际中理想的形状是不能产生的，例如，角度通常是经过圆整而非完美的尖锐形状，边的长度不是精确相同等等.这些等同物当然落在上述术语的含义范围内.
图6A-图6B图示了光传感器602中将要用于对一种或多种原理进行说明的有关部分，所述原理有助于理解下面将要说明的本发明实施例。光传感器602包括布置在光检测器620上的调制盘(reticle)650。由图6A可见，光检测器620包括矩形的光敏区域651，而调制盘650中具有菱形开口，用于使来自光学编码器图案的光可以供给光检测器620。
图6C图示了当光传感器602在光学编码器中工作时，光检测器620产生的输出信号，在所述光学编码器中光传感器602相对于光学编码器图案运动。由图6C可见，光检测器620的输出信号是正弦形信号。如前所述，这样的正弦形输出信号是期望的。
但是，图6A-图6B的光传感器602也有缺点。特别是与图1中通常的已有光学编码器中所用的通常的光传感器相比，它需要额外的元件即调制盘650。这需要对已有光学传感器进行完全更换，并且带有调制盘的光学编码器成本当然比没有调制盘的类似器件成本更高。另外，增加调制盘需要对用于光学编码器的已有封装进行设计和制造方面的改变，这样也需要另外的工艺成本。
因此，图7示出了光学编码器700的有关部分，光学编码器700可以产生正弦型输出信号，同时避免了上述图6A-6B中结构的某些缺点。光学编码器700包括光学单元(见图1)和码带710上的光学编码器图案705。光学单元包括光发射器和光传感器。光发射器可以与图1的光学编码器101中一样，而光传感器包括菱形光检测器720。在一种可替换实施例中，光检测器720具有变体菱形。光学编码器图案705是由矩形的亮组成元素730和暗组成元素740构成的交替图案。
在许多情况下，亮组成元素730包括光透射区域，光透射区域可以是码带710上的透明区域或缝隙，使得来自光发射器的光可以穿过码带710的亮组成元素730到达光传感器，但是可以被暗组成元素740阻挡而不能到达光传感器。在另一种可替换结构中，亮组成元素730包括光反射区域，光反射区域可以是白色的或光亮的，使得来自光发射器的光可以从码带710的亮组成元素730反射回光传感器，但是光可以被暗组成元素740吸收而不能反射到光传感器。下面的讨论对这些结构中的任一种都同样适用。
光检测器720产生取决于其从光学编码器图案705接收到光量的输出信号。随着光学编码器图案705和光学单元(包括光检测器720)彼此相对运动，光检测器720接收到的光量也发生变化，从光检测器720对准光学编码器图案705的暗组成元素740时的几乎没有光，到光检测器720对准光学编码器图案705的亮组成元素730时的最大光量。设光学编码器图案705与光学单元以恒定速率彼此相对运动，则光检测器720的输出信号与图6C所示一样。由图6C可见，光检测器720的输出信号是正弦形信号。
图8A-图8D示出了对于一通道、二通道和三通道光学编码器，用于光传感器802A、802B、802C和802D的各种菱形光检测器结构。光传感器802A、802B、802C和802D各包括几个变体菱形光检测器720。由图7和图8A-图8D可见，在各个光传感器802A、802B、802C和802D中，排列在相同行中的光检测器720的间距与码带710中亮组成元素730的间距一样(p＝w)。
尽管上面参考图7和图8A-图8D说明的实施例专门针对的是采用线性码带的情况，但是在某些情况下，用圆形的码盘来取代码带710，在这样的情况下，亮组成元素730和暗组成元素740具有梯形而不是矩形的形状，使得光检测器720产生图6C所示的正弦型输出信号。
与图6A-图6B的结构相比，图7A和图8A-图8D的结构具有这样的优点，即不需要单独的调制盘，它们不需要对用于光学编码器的已有封装进行设计和制造方面的改变。
在其他实施例中，不是将矩形形状的光束从光学编码器图案传递到菱形光检测器上，而是在码带或码盘上的光学编码器图案中设置一个或多个菱形(或变体菱形，或沙漏形)开口，以便将菱形(或变体菱形，或沙漏形)的光供给到矩形的光检测器上。
因此，图9示出了另一种光学编码器900的有关部分，光学编码器900可以产生正弦型输出信号。光学编码器900包括光学单元(见图1)和码带910上的光学编码器图案905。光学单元包括光发射器和光传感器。光发射器可以与图1的光学编码器101中一样。光传感器包括一个或多个矩形的光检测器920。光学编码器图案905是由变体菱形亮组成元素930和沙漏形暗组成元素构成的交替图案。在一种可替换实施例中，亮组成元素930具有菱形或沙漏形。
在许多情况下，亮组成元素930包括光透射区域，光透射区域可以是码带910上的透明区域或缝隙，使得来自光发射器的光可以穿过码带910的亮组成元素930到达光传感器，但是可以被暗组成元素940阻挡而不能到达光传感器。在另一种可替换结构中，亮组成元素930包括光反射区域，光反射区域可以是白色的或光亮的，使得来自光发射器的光可以从码带910的亮组成元素930反射回光传感器，但是光可以被暗组成元素740吸收而不能反射到光传感器。下面的讨论对这些结构中的任一种都同样适用。
光检测器920产生取决于其从光学编码器图案905接收到光量的输出信号。随着光学编码器图案905和光学单元(包括光检测器920)彼此相对运动，光检测器920接收到的光量也发生变化，从光检测器920对准光学编码器图案905的暗组成元素940时的几乎没有光，到光检测器920对准光学编码器图案905的亮组成元素930时的最大光量。设光学编码器图案905与光学单元以恒定速率彼此相对运动，则光检测器920的输出信号与图6C所示一样。由图6C可见，光检测器920的输出信号是正弦形信号。
图10A-图10D图示了用于码带910的光学编码器图案1005A、1005B、1005C和1005D，其中亮组成元素930和暗组成元素940是菱形(或变体菱形，或沙漏形)。每个光学编码器图案1005A、1005B、1005C和1005D包括几个具有菱形、变体菱形和/或沙漏形的亮组成元素930。具体地说，在图10A中，亮组成元素930具有变体菱形，而暗组成元素940具有沙漏形。在图10B中，亮组成元素930具有沙漏形，而暗组成元素940具有变体菱形。在图10C中，光学编码器图案1005C包括由变体菱形亮组成元素930和沙漏形亮组成元素930构成的交替图案，以及由沙漏形暗组成元素940和变体菱形暗组成元素940构成的交替图案。在图10D中，亮组成元素930都具有变体菱形。在图10A-图10C的光学编码器图案1005A-1005C中，码带轨迹高度为1h，而在图10D的光学编码器图案1005D中，码带轨迹高度为2h，其中H/h为整数值，H是光检测器920的高度，h为一个菱形、变体菱形或沙漏形的高度。
由图10A-10D可见，在各个光学编码器图案1005A、1005B、1005C和1005C中，亮组成元素930的间距与码带910的光检测器920的间距一样.每个亮组成元素930在其最宽处的宽度与相邻亮组成元素930之间的间距之比约为0.84.此外，每个亮组成元素930在其最窄处的宽度与相邻亮组成元素930之间的间距之比约为0.16.
尽管上面参考图9和图10A-图10D说明的实施例专门针对的是采用线性码带的情况，但是在某些情况下，用圆形的码盘来取代码带910，在这样的情况下，光检测器920具有梯形而不是矩形的形状，使得光检测器920产生图6C所示的正弦型输出信号。
图11A-图11D图示了用于码盘1110的编码器图案，其中亮组成元素1130和暗组成元素1140是菱形(或变体菱形，或沙漏形)。每个光学编码器图案1105A、1105B、1105C和1105D包括几个具有变体菱形的亮组成元素1130。具体地说，在图11A中，亮组成元素1130具有变体菱形，而在图11B中暗组成元素1140具有变体菱形。图11C和图11D示出了光学编码器图案1105C和1105D，这些光学编码器的图案与光学编码器图案1105A和1105B分别相同，只是图11C和图11D针对具有用于产生索引位置信号的单独的索引通道的三通道码盘。在图11A-图11D的光学编码器图案1105A-1105D中，码带轨迹高度为2h，其中H/h为整数值，H是光检测器920的高度，h为一个菱形、变体菱形或沙漏形的高度。
与图6A-图6B的结构相比，图9-图11D的结构具有这样的优点，即不需要单独的调制盘，它们不需要对用于光学编码器的已有封装进行设计和制造方面的改变。此外，在许多情况下，可以用上述新的码带或码盘对本领域中已有的光学编码器容易地进行翻新以产生期望的正弦形输出信号。
根据上述实施例，其中，光检测器的光敏区域具有菱形(或变体菱形)，或者光学编码器图案的亮组成元素和暗组成元素中至少其一具有菱形(或变体菱形，或沙漏形)，光检测器可以输出正弦型信号，而无需对给光学编码器增加调制盘或其他附加元件，也无需对光学编码器的封装进行任何改变。同时，从反馈系统或控制系统的立场来看，光检测器的正弦型输出信号是非常期望的。
尽管此处公开了多种示例实施例，但是本领域普通技术人员明白，根据本发明可以有许多变型，它们仍然处在权利要求的范围内。因此，这些实施例不应被限制在权利要求的范围之外。

Claims (11)

1.一种光学编码器，包括：
光学编码器图案，包括亮组成元素和暗组成元素的交替图案；以及
光学单元，包括：
光发射器，向所述编码器图案提供光，和
光传感器，包括光检测器，所述光检测器接收来自所述光学编码器图案的光并相应于所接收的光量而输出正弦型信号，所述正弦型信号表示所述光传感器与所述编码器图案之间的相对运动，
其中，所述光检测器具有菱形、变体菱形以及沙漏形中的一种形状。
2.根据权利要求1所述的光学编码器，还包括码带，其中，所述光学编码器图案设置在所述码带上，其中所述光学编码器图案的所述亮组成元素和所述暗组成元素各具有矩形形状。
3.根据权利要求1所述的光学编码器，还包括码盘，其中，所述光学编码器图案设置在所述码盘上，其中所述光学编码器图案的所述亮组成元素和所述暗组成元素各具有梯形形状。
4.根据权利要求1所述的光学编码器，还包括第二光检测器，所述第二光检测器具有菱形、变体菱形和沙漏形中的一种形状。
5.一种光学编码器，包括：
光学编码器图案，包括亮组成元素和暗组成元素的交替图案；以及
光学单元，包括：
光发射器，向所述编码器图案提供光，和
光传感器，包括光检测器，所述光检测器接收来自所述光学编码器图案的光并相应于所接收的光量而输出正弦型信号，所述正弦型信号表示所述光传感器与所述编码器图案之间的相对运动，
其中，所述亮组成元素和所述暗组成元素中至少一项具有菱形、变体菱形以及沙漏形中的一种形状。
6.根据权利要求5所述的光学编码器，还包括码带，其中，所述光学编码器图案设置在所述码带上，其中所述光检测器具有矩形形状。
7.根据权利要求5所述的光学编码器，还包括码盘，其中，所述光学编码器图案设置在所述码盘上，其中所述光检测器具有梯形形状。
8.根据权利要求5所述的光学编码器，其中，每个所述亮组成元素在其最宽部分的宽度与相邻亮组成元素之间的间距之比为0.84。
9.根据权利要求5所述的光学编码器，其中，每个所述亮组成元素在其最窄部分的宽度与相邻亮组成元素之间的间距之比为0.16。
10.根据权利要求5所述的光学编码器，其中，所述亮组成元素中至少一个具有沙漏形状。
11.根据权利要求5所述的光学编码器，其中，所述亮组成元素包括由具有变体菱形和沙漏形形状的组成元素构成的交替图案。
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