專利名稱：用于光學編碼器的多分辨率光電二極管傳感器陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及被用于多光學分辨率的光電二極管傳感器陣列。特別地，本發(fā)明涉及被用于多分辨率的用于光學編碼器的光電二極管傳感器陣列。
背景技術：
用于確定兩個可移動物體相對位置的光學編碼器是眾所周知的。有可能確定沿線性移動方向以及沿旋轉(zhuǎn)運動方向的相對位置。在這些系統(tǒng)中，通常將一個物體與掃描刻度連接，而將另一個物體與掃描單元連接。在線性編碼器的情況下使用有線性刻度的線性標度，而在旋轉(zhuǎn)編碼器的情況下使用有圓形刻度的碼盤。被用于線性移動或旋轉(zhuǎn)移動的掃描單元具有一個或多個照明源以及一個或多個光電檢測器元件。而檢測器元件例如光電二極管是經(jīng)常使用的。
在過去的幾年中，將多個相互交叉(interdigitated)的光電二極管作為檢測元件的線性和旋轉(zhuǎn)編碼器已變得越來越流行。有時這樣的檢測器裝置亦稱為定相陣列。這樣的編碼器和檢測器裝置在U.S.專利No.6,175,109中示出，其全部內(nèi)容在此引入作為參考。
已知上述檢測器裝置的實施例具有在半導體芯片上以陣列安排的光電二極管。光電二極管的安排必須以唯一方式為每個編碼器配置而定制/指定。這意味著光電二極管的所需幾何安排如它們的寬度和間距依賴于掃描配置，特別依賴于所掃描的掃描刻度的刻度周期。對于特定的測量分辨率，存在清晰的光電二極管的安排。相應地，如果需要改變掃描配置或編碼器的分辨率，將需要更改光電二極管陣列的設計以實現(xiàn)所需掃描配置或分辨率。在此情況下，為更改光電二極管陣列，大量的設計工作是有必要的。
為解決上述問題，歐洲專利說明EP 0 710 819 B1建議，對于具有不同刻度周期的幾種不同掃描刻度，應使用有多個光電二極管的單個光電二極管組件。為此目的，依據(jù)掃描刻度，僅必須激活所有可用光電二極管中的特定數(shù)量。為確定在每個情況下對于特定掃描刻度必須激活哪些光電二極管，適配過程是有必要的。這種系統(tǒng)的一個重要缺點是它需要復雜的ASIC以控制適配過程。另一個缺點是該系統(tǒng)的激活階部分將需要專門工具(tooling)盤使光照射到多重增量數(shù)據(jù)信號組上。此外，載體基片上的大量存儲器空間和相關電路是有必要的，而這與該系統(tǒng)可能的小型化是背道而馳的。
在EP 0 710 819中公開的系統(tǒng)的另一個缺點是用于確定絕對位置的該系統(tǒng)的索引傳感器。特別地，有與索引傳感器圖形匹配的開口圖形的盤允許光移動穿過索引傳感器。每次旋轉(zhuǎn)，光僅在一個點處完全照亮索引傳感器。在那些部分照亮索引傳感器的時間內(nèi)，信號明顯小于當所有索引傳感器被同時照亮時。
相應地，當允許檢測器陣列具有理想的小型尺寸時容易地更改檢測器陣列的分辨率是本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的另一目的是無需使用適配階段來更改檢測器陣列的分辨率。
本發(fā)明的另一目的是提高由檢測器陣列以多分辨率產(chǎn)生的絕對和相對位置信號的強度。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面涉及一種用于提供物體位置信息的光學編碼器，所述物體沿特定測量方向移動，所述編碼器包括發(fā)射光的光源和附著于相對光源移動的物體的數(shù)據(jù)軌跡，該數(shù)據(jù)軌跡接收光并包括特定分辨率的不同光學特性的多個交替區(qū)域。檢測系統(tǒng)接收來自數(shù)據(jù)軌跡的調(diào)制光并由所接收的光產(chǎn)生位置信號。檢測系統(tǒng)包括接收來自數(shù)據(jù)軌跡的調(diào)制光的光電二極管陣列和連接到光電二極管陣列并控制光電二極管陣列分辨率的分辨率選擇單元，其中與光電二極管陣列有關的所有光電二極管處于激活狀態(tài)，與分辨率選擇單元所選擇的分辨率無關。
本發(fā)明的第二方面涉及一種控制光學編碼器分辨率的方法，該編碼器用于提供物體位置信息，所述物體沿特定測量方向移動，其中光學編碼器包括發(fā)射光的光源和相對光源移動的數(shù)據(jù)軌跡。該方法包括將調(diào)制光從數(shù)據(jù)軌跡導向具有一分辨率的檢測器系統(tǒng)的多個光電二極管，該分辨率具有第一值，并包括將檢測系統(tǒng)的分辨率改變?yōu)榈诙?，在從第一值到第二值的改變過程中無需改變檢測系統(tǒng)的多個光電二極管的排列。
本發(fā)明的第三方面涉及一種用于提供物體位置信息的光學編碼器，所述物體沿特定測量方向移動。所述編碼器包括發(fā)射光的光源，數(shù)據(jù)軌跡附著于相對光源移動的物體，數(shù)據(jù)軌跡接收光并具有特定分辨率的不同光學特性的多個交替區(qū)域。檢測系統(tǒng)接收來自數(shù)據(jù)軌跡的光并由所接收的光產(chǎn)生索引信號。檢測系統(tǒng)包括接收來自數(shù)據(jù)軌跡的光并產(chǎn)生索引信號的索引光電二極管陣列和連接到索引光電二極管陣列并控制索引信號對比度的分辨率選擇單元。
本發(fā)明的第四方面涉及一種控制光學編碼器索引信號的方法，該編碼器用于提供物體位置信息，所述物體沿特定測量方向移動，其中光學編碼器包括發(fā)射光的光源和相對光源移動的數(shù)據(jù)軌跡并具有給定分辨率。該方法包括將來自數(shù)據(jù)軌跡的光導向索引光電二極管陣列的多個光電二極管，并無需改變索引光電二極管陣列的光電二極管的安排而改變索引光電二極管陣列的一個或多個光電二極管的激活狀態(tài)以形成索引信號。
本方面的每個方面都提供了容易更改檢測器分辨率同時允許檢測器陣列具有理想的小型尺寸的優(yōu)點。
本發(fā)明的每個方面都提供了不需要適配階段就可為特定分辨率來確定陣列中欲激活的光電二極管的優(yōu)點。消除對激活階段的需要提供了附加優(yōu)點，即不需要可能在EP 0 710 819中所述系統(tǒng)需要的專門工具盤使光被允許照射到多重增量數(shù)據(jù)信號組上。
當與附圖一起考慮時，通過參照以下具體描述會變得較容易理解，本發(fā)明的這些和其它特點以及優(yōu)點將被理解為是相同的。
附圖簡述

圖1示意性地示出依照本發(fā)明有光電二極管陣列的編碼器的實施例的側視圖；圖2為圖1的有光電二極管陣列的編碼器的放大視圖；圖3示意性地示出當為提供1012的分辨率和1012的分辨率盤圖形而配置時的圖1的編碼器和光電二極管陣列；圖4示意性地示出圖3的編碼器和光電二極管陣列的傳輸門電路的放大視圖；圖5示意性地示出圖3的編碼器和光電二極管陣列的索引和增量光電二極管的放大視圖；圖6示意性地示出當為提供506的分辨率和506的分辨率盤圖形而配置時的圖1的編碼器和光電二極管陣列；圖7示意性地示出圖6的編碼器和光電二極管陣列的傳輸門電路的放大視圖；圖8示意性地示出圖6的編碼器和光電二極管陣列的索引和增量光電二極管的放大視圖；圖9示意性地示出當為提供253的分辨率和253的分辨率盤圖形而配置時的圖1的編碼器和光電二極管陣列；圖10示意性地示出圖10的編碼器和光電二極管陣列的傳輸門電路的放大視圖；圖11示意性地示出圖10的編碼器和光電二極管陣列的索引光電二極管的放大視圖；圖12A示意性地示出圖1-11的索引陣列的頂視圖；圖12B-D示意性地示出當為提供分別用于1012、506和253的分辨率盤圖形的索引信號而配置時圖1-11的索引陣列的被激活光電二極管的頂視圖；圖13A-B示意性地示出與圖1-12和14-17的編碼器一起使用的處理電子設備的實施例；圖14示意性地示出依照本發(fā)明的磁性編碼器和檢測器陣列的實施例的側視圖；圖15示意性地示出當為提供1012的分辨率和1012的分辨率盤圖形而配置時的圖14的磁性編碼器和檢測器陣列；圖16示意性地示出當為提供506的分辨率和506的分辨率盤圖形而配置時的圖14的磁性編碼器和檢測器陣列；圖17示意性地示出當為提供253的分辨率和253的分辨率盤圖形而配置時的圖14的磁性編碼器和檢測器陣列；以及圖18示意性地示出依照本發(fā)明的光學編碼器和檢測器陣列的第二實施例的側視圖。
優(yōu)選實施例詳述圖1示意性地示出依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的光學編碼器的橫截面。特別地，所示光學編碼器是產(chǎn)生關于兩個旋轉(zhuǎn)物體運動的位置信息的旋轉(zhuǎn)編碼器100。例如，旋轉(zhuǎn)編碼器100可在應用中與無刷電機一起使用。
光學編碼器100包括如圖1-3、5、6、8、9和11中所示的有單個數(shù)據(jù)軌跡104的碼輪102，碼輪102安裝在繞軸線旋轉(zhuǎn)并沿測量方向移動/旋轉(zhuǎn)的軸上。例如，旋轉(zhuǎn)軸可以是無刷DC電機的轉(zhuǎn)子。此外，光學編碼器100具有用于光電掃描數(shù)據(jù)軌跡104的掃描單元106。如圖1中所示，掃描單元106包括光源110和優(yōu)選為聚光鏡或聚焦透鏡的透鏡112。應指出，由于機械構造的細節(jié)對于那些本領域的普通技術人員來說是眾所周知的，編碼器100的結構僅示意性地示出。
如圖1和2中所示，由光源110發(fā)射的光114由聚光透鏡112準直并通過相對光源110旋轉(zhuǎn)的碼輪102上的數(shù)據(jù)軌跡104傳輸。由旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)軌跡104調(diào)制的光116由檢測系統(tǒng)120的光電檢測器陣列118接收。檢測信號在估算單元中進行處理，該單元未在圖1和2中示出。
如圖1-3、5、6、8、9和11中所示，數(shù)據(jù)軌跡104包括不同光學特性的交替區(qū)域的增量圖形，如交替的透明條122和非透明條124。當配置光學編碼器100使其使用入射光數(shù)據(jù)軌跡時，數(shù)據(jù)軌跡由高反射率和低反射率的交替區(qū)域組成是有可能的。另外，光電檢測器陣列118由增量光電二極管陣列126以及索引光電二極管陣列128和130組成。光電二極管陣列126、128和130分別包括多個光電二極管132、134和136，它們在附著于PC板139的Opto-ASIC半導體芯片138上的分離陣列中被安排。
如圖3-11中所示，增量光電二極管陣列126具有九十六個光電二極管132，其中相鄰光電二極管是相互等角度安排的，并且成組的光電二極管對向一近似9.2°如9.22°的角度，這樣，單獨的光電二極管具有對應于所需最高分辨率如1012的間距。相鄰光電二極管132之間的直線間隔為常數(shù)。由于限定光電二極管最大寬度的特定鑄造(foundry)過程設計原則，相鄰光電二極管132之間的最小間隔為近似五微米。每套或組的四個光電二極管在碼盤圖形的一個光柵周期中被安排。每組中的相鄰光電二極管彼此相對進行安排以使在相鄰光電二極管的輸出信號之間產(chǎn)生90°的相位延遲。相應地，四個相鄰光電二極管具有0°、90°、180°和270°的相對相位位置。這些相位不同的信號在圖3、5、6、8、9和11中被稱為A！、B、A和B！信號。
增量光電二極管陣列126包括與源自光電二極管132的導線142互連的十六個導線140以及三個增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元144、146和148。
如圖3、4、6、7、9和10中所示，每個增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元144、146和148都包括與一組十六個導線140和四個輸出信號線152連接的十六個導線150。
每個增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元144、146和148分別具有開關信號線154、156和158。通過十六個半導體開關160，開關信號線154、156和158有選擇地根據(jù)其相應的增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元而連接到導線150。每個半導體開關160總具有傳導或非傳導狀態(tài)。半導體開關160被用于將十六個導線140的不同組合與四個輸出信號線152連接。輸出信號線152中的每個都遞送相位不同的增量掃描信號A、B、A！和B！。應指出，當上述開關為半導體開關時，其它開關是可能的，如包括金屬鏈接的開關。
如圖3、5、6、8、9、11和12A中所示，索引光電二極管陣列128及其相關的十四個光電二極管134產(chǎn)生第一索引信號Z，而索引光電二極管陣列130及其十四個光電二極管136產(chǎn)生第二索引信號Z！。索引光電二極管陣列128和130的單獨光電二極管由啟動光電二極管陣列126的單獨光電二極管130的相同信號來啟動，其被激活以實現(xiàn)所需編碼器分辨率。
索引信號Z和Z！基于編碼器的完整旋轉(zhuǎn)而提供唯一圖形。特別地，用電子方法來比較并處理索引信號Z和Z！從而給每個編碼器100的分辨率一個輸出脈沖，這絕對地定位了所有其它編碼器信號。由于在用于Z信號的碼盤圖形具有開口的任何地方，用于Z！信號的碼盤圖形具有不透明區(qū)，并且反之亦然，因此索引信號Z和Z！在本質(zhì)上是差動的。這樣的差動本質(zhì)消除了共模噪音。索引信號Z和Z！被用于確定絕對信息。這種唯一圖形是由專門的光學圖形產(chǎn)生的，對其進行最優(yōu)化以實現(xiàn)在單個光學周期和在任何其它時間出現(xiàn)的“背景”信號之間有最大對比度的脈沖。應指出，這個限定依賴于光學周期。為了允許在選擇欲依照本發(fā)明檢測的分辨率時的靈活性，有必要基于所選分辨率來改變索引信號從而可使用每個分辨率的不同最優(yōu)化圖形。因此，根據(jù)欲檢測的唯一圖形是否需要這個信號，來自陣列128和136的檢測器的信號被發(fā)送到輸出信號上。
安排索引光電二極管陣列128的十四個光電二極管136以使當它們通過數(shù)據(jù)軌跡104中相應的開口或條122被完全照亮時，產(chǎn)生或形成單個大的索引脈沖。類似地，安排索引光電二極管陣列130的光電二極管134以使當它們通過數(shù)據(jù)軌跡104中相應的開口或條122被完全照亮時，產(chǎn)生或形成單個大的索引脈沖。由索引光電二極管陣列128和130接收的光不被調(diào)制。選擇索引光電二極管陣列128和130的角寬度以使為一定范圍的分辨率而實現(xiàn)索引信號之間好的對比度。光電二極管134和136中的每個具有近似為68微米的寬度。在相鄰光電二極管134和136之間提供非傳導材料以使相鄰光電二極管具有近似為5.8微米的間隔。以對應于最高所需分辨率如1012的一個數(shù)據(jù)場(360°e)的間距(pitch)來安排索引光電二極管陣列128和130中的每個。光電二極管134和136具有等于光電二極管132四倍間距的徑向間距。由于碼盤上不同的掃描結構，導致不同的索引信號形式Z、Z！。由于可能以不同分辨率來使用碼盤，為了實現(xiàn)所使用的特定碼盤102的最佳對比度索引脈沖，本發(fā)明有選擇地激活十四個光電二極管134和十四個光電二極管136。對不同增量分辨率，產(chǎn)生這些信號的通用原理對于索引信號光電二極管陣列128和130卻是公用的。
應指出，在如圖1-13A-B中所示的角光學編碼器的情況下，光電二極管陣列126、128和130應具有公用的軸。陣列126、128和130之間的角關系不需要為特殊值，但必須是穩(wěn)定的并具有已知的值。
索引陣列128、130和增量陣列126之間的隱含關系為，單獨索引陣列元件134、136的徑向間距為增量陣列元件132間距的四倍或一個數(shù)據(jù)周期的寬度。由于用于所有可能編碼器分辨率的索引陣列圖形必須由索引檢測器元件134、136的相同陣列組成，每個分辨率都需要不同的組合以實現(xiàn)來自可用檢測器元件的最大單個信號。
如在圖13A中示意性地示出，來自增量陣列126的信號A、A！、B、B！由轉(zhuǎn)移阻抗放大器200放大。然后，互補信號A、A！、B、B！通過比較器201來相互比較。類似地，由索引陣列128和130產(chǎn)生的信號Z和Z！由轉(zhuǎn)移阻抗放大器202放大并由比較器203比較。然后將來自比較器201、203的信號饋給數(shù)據(jù)處理元件204。數(shù)據(jù)處理元件204由十六個定相模擬電壓信號產(chǎn)生用于1X、2X、4X和8X檢測的頻率的輸出所需要的所有十六個合適的定相輸出206。輸出206被導向數(shù)字邏輯電路部分214，它將輸出信號206和來自內(nèi)插部分216的設定內(nèi)插選擇組合起來以通過組合每個都相互偏差90°的四個基本(不考慮所選分辨率)信號而生成較高頻率信號。如圖13A中所示，產(chǎn)生了來自芯片138的幾個輸出信號。例如，輸出了偏差90°的兩個數(shù)字的50％占空度的數(shù)字脈沖218和220。另外，產(chǎn)生了由信號AB或信號A！B！門控的單個數(shù)字索引脈沖222。應指出，為了測試和估算的目的，在由斜線分離的輸出端上的標記表示的輸出片230、232、234處，有三種可能的編制視圖可能性，如數(shù)字輸出、模擬測試模式1和模擬測試模式2。
陣列126、128和130分辨率的選擇以及電子設備中的許多其它可選項是通過芯片138的串行的測試和可編程接口212完成的。
圖13B中所示的單末端(ended)通信部分224對于所有分辨率來說是相同的。通信部分224產(chǎn)生電學上每個相位偏移120°的三個信號。所述三個信號通常作為索引信號上升沿的基準并用于對準編碼器安裝在其上的電機(的電刷軸線)。準共?；鶞市盘栐谌齻€單末端通信信號之間實現(xiàn)的方式在U.S.專利No.5,936,236和6,175,169中被描述，其每個的全部內(nèi)容在此引入作為參考。應指出，產(chǎn)生共?；鶞市盘柕纳鲜龇椒赏ㄟ^使用CMOS技術來實現(xiàn)。
記住光電二極管陣列126、128和130的以上描述，以下將描述當使用相同光電二極管陣列126、128和130的同時改變分辨率的能力。特別地，優(yōu)選地總有固定數(shù)量和排列的索引信號光電二極管134和136。應指出，在以上和以下討論中，分辨率N意味著被掃描數(shù)據(jù)軌跡104的完整圓周具有總數(shù)為N的交替的透明條122和非透明條124。
在當數(shù)據(jù)軌跡具有1012的分辨率時實現(xiàn)1012的分辨率的情況下，增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元144通過Opto-ASIC半導體芯片138的分辨率選擇邏輯電路產(chǎn)生并沿開關信號線154發(fā)送的激活信號被激活。增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元144一收到激活信號就打開和關閉單元144的半導體開關160以使十六個導線140的特定組合與四個輸出信號線152連接。在實現(xiàn)1012的分辨率的情況下，增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元144將光電二極管132分組以使每四個連續(xù)且相鄰的光電二極管形成一組。如圖3和4中所示，每組的四個光電二極管與輸出信號線152連接以使來自該組第一光電二極管的信號被發(fā)送到A！輸出信號線152，來自該組第二光電二極管的信號被發(fā)送到B輸出信號線152，來自該組第三光電二極管的信號被發(fā)送到An輸出信號線152并且來自該組第四光電二極管的信號被發(fā)送到B！輸出信號線152。如圖3和4中所示，這樣連接的結果是許多光電二極管132與每第四個光電二極管132互相交叉，而作為一個光電二極管的組的每個都被接(buss)到單個輸出信號線152上。
另外，索引分辨率選擇單元153為特定分辨率而選擇索引陣列128、130的光電二極管中的特定者，其中在選擇時所有光電二極管是處于激活狀態(tài)的。這樣的選擇是通過開關信號線154和開關160’完成的。對于所有分辨率，激活的光電二極管1、14和15被永久連接到開關信號線154、156、158?？紤]到剩余的激活二極管，光電二極管2和12具有連接到開關信號線156和158的兩個分離的線和開關160’。光電二極管3、8和10具有連接到開關信號線154和158的分離的線和開關160’。光電二極管4通過開關160’被連接到開關線154。光電二極管5、6和11通過開關160’連接到開關線156而光電二極管9通過開關160’連接到開關線158。當需要1012的分辨率時，如圖3、5和12B中所示，索引分辨率選擇單元153通過開關線154來激勵特定開關160’以使僅選擇索引光電二極管陣列128、130的光電二極管第1、3、4、9、10、13和14。對特定分辨率，開關信號線154和開關160經(jīng)過一串口通過外部提供的編碼來編程。光電二極管陣列128和130的分辨率由為陣列126選擇分辨率的相同編碼編程信號來選擇并與該相同編碼設定信號同時被選擇。
應指出，索引二極管陣列中通過分辨率選擇單元153為特定分辨率而激活的光電二極管是通過為特定分辨率而確定對索引信號進行最優(yōu)化的光電二極管的組合來確定的。換句話說，選擇光電二極管是為了為特定分辨率而給出單個大的中心信號與最小緊鄰信號的最大比?？蓽蕚溆嬎銠C程序以當匹配盤圖形經(jīng)過它們時比較光電二極管的所有組合并選擇有最佳比的組合。
在1012的分辨率的情況下，使1012-計數(shù)盤經(jīng)過圖5中所示的十四個光電二極管。在測試所有的可行組合之后，當激勵標號為1、3、4、8、10、13和14的七個光電二極管時確定最佳比發(fā)生。當盤圖形和傳感器圖形重疊時，這種組合導致來自七個光電二極管的中心信號。當所述盤接近和離開中心位置時，盤圖形和兩個二極管的最大值是一致的。結果為7∶2的信號與非信號比。這個差異允許電子設備僅處理具有單個數(shù)據(jù)周期的所需寬度的中心信號但是七個二極管的強度。
在506的分辨率的情況下，它具有為1024方案單獨光電二極管兩倍寬度的數(shù)據(jù)周期。為了補償數(shù)據(jù)周期的長度，將十四個單獨光電二極管中的相鄰者成對分組。每對分組光電二極管被當作506分辨率方案的單個光電二極管。因此，必須為七個這樣的成對/分組光電二極管來確定最佳索引信號。最佳信號與非信號比被證明是四組光電二極管1&2、5&6、11&12和13&14的506分辨率配置選擇。結果為4∶1的信號與非信號比。
在253的分辨率的情況下，它具有為1024方案單獨光電二極管四倍寬度的數(shù)據(jù)周期。然而，十四個單獨光電二極管的陣列僅為3.5倍的253分辨率周期的寬度。由于不可能將相鄰檢測器彼此分成3.5組，因此通過將相鄰檢測器分組以使253分辨率檢測器為三倍的253分辨率周期的寬度而同時在253分辨率的間距上隔開來實現(xiàn)折中。作為結果，形成了四組的四個虛擬光電二極管，其中每個虛擬光電二極管都具有等于真實光電二極管3/4的寬度。基于以上構造，當選擇四組中的三個時發(fā)現(xiàn)最佳比發(fā)生。這三組對應于光電二極管1、2&3；8、9&10和12、13&14。結果為3∶1的信號與非信號比。
應指出，分辨率可從1012、506和253分辨率的任何之一變?yōu)槠渌直媛实娜魏沃弧＠?，當使用其它碼輪102或其它用于碼輪102的分辨率時，對于增量光電二極管陣列126來說，其它分辨率是可能的。這樣的分辨率是通過在相應的增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元中激活半導體開關160并將它們都開關到傳導狀態(tài)以簡單地選擇必要的分辨率而實現(xiàn)的。這樣，無需改變光電二極管陣列126的光電二極管安排而改變了分辨率。通過先前所提的相同Opto-ASIC半導體芯片138中實現(xiàn)的分辨率選擇邏輯電路來激活半導體開關160。
改變光電二極管陣列126分辨率的一個實例在圖6-8中示出。在這個實例中，通過沿分辨率開關線156發(fā)送激活信號來實現(xiàn)506的分辨率，所述激活信號導致增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元146打開和關閉單元146的半導體開關160以使十六個導線140的特定組合與四個輸出信號線152連接。特別地，增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元146在光電二極管陣列126中限定光電二極管132的分組以使每八個連續(xù)且相鄰的光電二極管形成一組。這樣，形成了十二個八個光電二極管組。如圖7中所示，每組的八個光電二極管與輸出信號線152連接以使來自該組首先兩個光電二極管的信號被發(fā)送到A！輸出信號線152，來自該組第二對光電二極管的信號被發(fā)送到B輸出信號線152，來自該組第三對光電二極管的信號被發(fā)送到A輸出信號線152并且來自該組第四對光電二極管的信號被發(fā)送到B！輸出信號線152。大體上，光電二極管的成對使對應于產(chǎn)生輸出信號A！、A、B！和B的光電二極管的檢測器區(qū)域的有效尺寸增加到兩倍，并由此使陣列的分辨率減小到1/2。另外，如圖6、8和12C中所示，通過分辨率開關線156由索引分辨率選擇單元153僅選擇索引陣列128和130的光電二極管第1、2、5、6和11-14。
在另一實例中，通過沿分辨率開關線158發(fā)送激活信號來實現(xiàn)253的分辨率，所述激活信號導致增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元148打開和關閉單元148的半導體開關160以使十六個導線140的特定組合與四個輸出信號線152連接。特別地，增量數(shù)據(jù)分辨率選擇單元148在光電二極管陣列126中限定光電二極管132的組以使每十六個連續(xù)且相鄰的光電二極管形成一組。這樣，形成了六組的十六個光電二極管。如圖9和10中所示，每組的十六個光電二極管與輸出信號線152連接以使來自該組第一的四個光電二極管的信號被發(fā)送到A！輸出信號線152，來自該組第二的四個光電二極管的信號被發(fā)送到B輸出信號線152，來自該組第三的四個光電二極管的信號被發(fā)送到A輸出信號線152并且來自該組第四的四個光電二極管的信號被發(fā)送到B！輸出信號線152。另外，如圖9、11和12A中所示，通過分辨率開關線158和開關160’由索引分辨率選擇單元153僅選擇索引陣列128和130的光電二極管第1-3、8-10和12-14。
盡管以上實例說明了改變增量光電二極管陣列126的分辨率，然而亦有可能選擇可用索引光電二極管134、136的適當組合以便于產(chǎn)生有適當分辨率的索引信號。
在以上實施例中，較低分辨率506和253是通過以二的倍數(shù)將光電二極管132分組而產(chǎn)生的。當然，通過以整數(shù)N個光電二極管132形成分組、參照圖1-13A-B的實施例使用以上討論的相同原理，其它分辨率是可能的，其中N＝3，4，5，…，等。
應指出，上述實施例的一個優(yōu)點是連接到四個輸出信號A、A！、B和B！之一的光電二極管132的總數(shù)為常數(shù)，與為光學編碼器100選擇的分辨率無關。另外，對于每個所選分辨率，所有光電二極管132由光學編碼器100來使用。這與在EP 0 710 819中描述的系統(tǒng)形成直接對比，在EP 0 710 819中陣列元件是基于掃描光電池組件和估算光電池組件輸出的適配階段而激活的。在先前所述的實施例中，當采用總數(shù)為96的光電二極管132時，四個輸出信號中的每個將具有與之有關的24個光電二極管。對于任何分辨率，維持每個信號的光電二極管的恒定數(shù)量改進了以后的信號處理。
另一方面，已描述了上述光學編碼器100，其中分辨率之間的切換是在應用控制機構之后的光學編碼器100的運算期間進行的。亦有可能在制造期間在任何點處以一次性判決來切換分辨率。不論開關的模式，本發(fā)明的實施例欲使經(jīng)過切換的信號快速運算，這樣可使切換運算的速度為慢。
應理解，在此描述的本發(fā)明的形式欲被當作優(yōu)選實施例，并且零件形狀、尺寸和安排上的各種變化可以被采用，而不背離本發(fā)明的精神或權利要求的范圍。例如，本發(fā)明不局限于旋轉(zhuǎn)編碼器。有線性安排的數(shù)據(jù)軌跡的線性編碼器亦是可用的。通過使用相鄰光電二極管的不同分組，如大于四組，本發(fā)明可適用于其它分辨率。另外，傳感器陣列可以是與Opto-ASIC芯片分離的半導體傳感器芯片的形式。此外，在本發(fā)明的基礎上可實現(xiàn)不同的光學原理，比如如圖1中所述的傳輸光安排以及反射光安排如，圖18中所示的安排。
在圖14和15中示意性示出的另一變化中，圖1-13的光學編碼器被改變以產(chǎn)生引用與先前所述編碼器100相同原理的磁性編碼器300。應指出，圖14-17使用相同的數(shù)字來表示參照圖1-13描述和示出的相同元件。在磁性編碼器300中，光源是不必要的。另外，安裝于軸的可旋轉(zhuǎn)碼輪302的數(shù)據(jù)軌跡304包括具有不同磁特性的交替區(qū)域。檢測器陣列318及其增量檢測器陣列326以及索引檢測器陣列328和330分別類似于檢測器陣列118、126、128和130，其中光電二極管132、134、136已被磁場檢測器332、334、336取代。半導體芯片338和電路以類似于圖13A-B中所示的方式來處理檢測器陣列326產(chǎn)生的信號并處理和控制磁性編碼器300的分辨率。
在先前所提圖18的反射光安排中，圖1-13的光學編碼器被改變以產(chǎn)生引用與先前所述編碼器100相同原理的光學編碼器400。應指出，圖18使用相同的數(shù)字來表示參照圖1-13描述和示出的相同元件。在光學編碼器400中，光源110被安裝于半導體芯片138或PC板139以使掃描單元106’包括檢測器陣列118。另外，放置反射透鏡402以使碼輪102位于光源110和反射透鏡402之間。這樣，來自光源110的光經(jīng)過可旋轉(zhuǎn)碼輪102被反射透鏡402反射回來通過碼輪102，這樣它到達檢測器陣列118及其增量檢測器陣列126以及索引檢測器陣列128和130。半導體芯片138和電路以類似于圖13A-B中所示的方式來處理檢測器陣列126產(chǎn)生的信號并處理和控制光學編碼器400的分辨率。
權利要求
1.一種用于提供沿特定測量方向移動的物體的位置信息的光學編碼器，該編碼器包括發(fā)射光的光源；附著于相對所述光源移動的物體的數(shù)據(jù)軌跡，所述數(shù)據(jù)軌跡接收所述光并包括特定分辨率的不同光學特性的多個交替區(qū)域；接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的調(diào)制光并由所述接收的光而產(chǎn)生位置信號的檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括每個都接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的所述調(diào)制光的光電二極管陣列；以及連接到所述光電二極管陣列并控制和選擇所述光電二極管陣列分辨率的分辨率選擇單元，其中與所述光電二極管陣列有關的所有光電二極管處于激活而與所述分辨率選擇單元所選擇的分辨率無關。
2.權利要求1的光學編碼器，其中所述不同光學特性的多個交替區(qū)域包括特定分辨率的交替的透明區(qū)域和非透明區(qū)域。
3.權利要求1的光學編碼器，其中所述分辨率選擇單元通過控制對應于產(chǎn)生輸出信號的所述光電二極管陣列的光電二極管的檢測器區(qū)域的有效尺寸來控制所述分辨率。
4.權利要求1的光學編碼器，其中所述分辨率選擇單元在所述光電二極管陣列中限定光電二極管的組。
5.權利要求4的光學編碼器，其中所述光電二極管組由單個光電二極管組成。
6.權利要求5的光學編碼器，其中所述光電二極管陣列的所述分辨率為1012。
7.權利要求4的光學編碼器，其中所述光電二極管組包括至少兩個相鄰的光電二極管。
8.權利要求7的光學編碼器，其中所述光電二極管陣列的所述分辨率為506。
9.權利要求4的光學編碼器，其中所述光電二極管組包括至少四個相鄰的光電二極管。
10.權利要求9的光學編碼器，其中所述光電二極管陣列的所述分辨率為253。
11.權利要求4的光學編碼器，其中所述光電二極管組之一對應于第一輸出信號的第一相位，而所述組的第二個對應于第二輸出信號的第二相位。
12.權利要求4的光學編碼器，其中所述光電二極管組之一對應于第一輸出信號的第一相位，所述組的第二個對應于第二輸出信號的第二相位，所述組的第三個對應于第三輸出信號的第三相位并且所述組的第四個對應于第四輸出信號的第四相位。
13.權利要求12的光學編碼器，其中所述第一相位為0°，所述第二相位為90°，所述第三相位為180°并且所述第四相位為270°。
14.權利要求5的光學編碼器，其中所述光電二極管組之一對應于第一輸出信號的第一相位，所述組的第二個對應于第二輸出信號的第二相位，所述組的第三個對應于第三輸出信號的第三相位并且所述組的第四個對應于第四輸出信號的第四相位。
15.權利要求14的光學編碼器，其中所述第一相位為0°，所述第二相位為90°，所述第三相位為180°并且所述第四相位為270°。
16.權利要求7的光學編碼器，其中所述光電二極管組之一對應于第一輸出信號的第一相位，所述組的第二個對應于第二輸出信號的第二相位，所述組的第三個對應于第三輸出信號的第三相位并且所述組的第四個對應于第四輸出信號的第四相位。
17.權利要求16的光學編碼器，其中所述第一相位為0°，所述第二相位為90°，所述第三相位為180°并且所述第四相位為270°。
18.權利要求9的光學編碼器，其中所述光電二極管組之一對應于第一輸出信號的第一相位，所述組的第二個對應于第二輸出信號的第二相位，所述組的第三個對應于第三輸出信號的第三相位并且所述組的第四個對應于第四輸出信號的第四相位。
19.權利要求18的光學編碼器，其中所述第一相位為0°，所述第二相位為90°，所述第三相位為180°并且所述第四相位為270°。
20.權利要求1的光學編碼器，其中所述檢測器系統(tǒng)進一步包括通過將輸出從所述光電二極管陣列連接到多個輸出線的多個開關而連接到所述分辨率選擇單元的開關信號線，其中每個輸出線都具有與之有關的特定的相位延遲。
21.權利要求1的光學編碼器，其中由所述分辨率選擇單元控制的所述光電二極管的所述分辨率對應于所述數(shù)據(jù)軌跡的所述特定分辨率。
22.權利要求1的光學編碼器，其中所述數(shù)據(jù)軌跡相對于所述光源旋轉(zhuǎn)。
23.權利要求1的光學編碼器，其中所述數(shù)據(jù)軌跡被安裝在附著于旋轉(zhuǎn)軸的碼輪上。
24.權利要求1的光學編碼器，其中所述光電二極管陣列在Opto-ASIC半導體芯片上安排。
25.一種控制光學編碼器分辨率的方法，該編碼器用于提供物體位置信息，所述物體沿特定測量方向移動，所述光學編碼器包括發(fā)射光的光源、相對所述光源移動的數(shù)據(jù)軌跡，該方法包括將來自所述數(shù)據(jù)軌跡的調(diào)制光導向具有一具有第一值的分辨率的檢測系統(tǒng)的多個光電二極管，以及將所述檢測系統(tǒng)的所述分辨率改變?yōu)榈诙?，在從所述第一值到所述第二值的所述改變過程中不改變所述檢測系統(tǒng)的所述多個光電二極管的安排。
26.權利要求25的方法，其中所述改變所述分辨率包括改變對應于產(chǎn)生輸出信號的許多所述多個光電二極管的檢測器區(qū)域的有效尺寸。
27.權利要求25的方法，其中所述改變包括限定所述多個光電二極管的組。
28.權利要求27的方法，其中所述多個光電二極管的所述組包括至少兩個相鄰的光電二極管。
29.權利要求27的方法，其中所述多個光電二極管的所述組包括至少四個相鄰的光電二極管。
30.權利要求28的方法，進一步包括由從所述被限定的光電二極管組之一產(chǎn)生的信號產(chǎn)生第一相位的第一輸出信號；以及由從所述被限定的光電二極管組的第二個產(chǎn)生的信號產(chǎn)生第二相位的第二輸出信號。
31.權利要求28的方法，進一步包括由從所述被限定的光電二極管組之一產(chǎn)生的信號產(chǎn)生第一相位的第一輸出信號；由從所述被限定的光電二極管組的第二個產(chǎn)生的信號產(chǎn)生第二相位的第二輸出信號；由從所述被限定的光電二極管組的第三個產(chǎn)生的信號產(chǎn)生第三相位的第三輸出信號；以及由從所述被限定的光電二極管組的第四個產(chǎn)生的信號產(chǎn)生第四相位的第四輸出信號。
32.權利要求31的方法，其中所述第一相位為0°，所述第二相位為90°，所述第三相位為180°并且所述第四相位為270°。
33.一種用于提供沿特定測量方向移動的物體的位置信息的光學編碼器，該編碼器包括發(fā)射光的光源；附著于相對所述光源移動的物體的數(shù)據(jù)軌跡，所述數(shù)據(jù)軌跡接收所述光并包括特定分辨率的不同光學特性的多個交替區(qū)域；接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的光并由所述接收的光而產(chǎn)生索引信號的檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的所述光并產(chǎn)生索引信號的索引光電二極管陣列；以及連接到所述索引光電二極管陣列并控制所述索引信號對比度的分辨率選擇單元，其中與所述光電二極管陣列有關的所有光電二極管處于激活狀態(tài)而與所述分辨率選擇單元所選擇的分辨率無關。
34.權利要求33的光學編碼器，其中所述不同光學特性的多個交替區(qū)域包括特定分辨率的交替的透明區(qū)域和非透明區(qū)域。
35.權利要求33的光學編碼器，進一步包括接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的所述光并產(chǎn)生第二索引信號的第二光電二極管陣列。
36.權利要求33的光學編碼器，其中為了最優(yōu)化所述需要信號，所述分辨率選擇單元有選擇地激活在所述索引光電二極管陣列中的光電二極管。
37.權利要求36的光學編碼器，其中所述編碼軌跡的所述特定分辨率為1012。
38.權利要求36的光學編碼器，其中所述編碼軌跡的所述特定分辨率為506。
39.權利要求36的光學編碼器，其中所述編碼軌跡的所述特定分辨率為253。
40.權利要求33的光學編碼器，其中所述數(shù)據(jù)軌跡相對于所述光源旋轉(zhuǎn)。
41.權利要求33的光學編碼器，其中所述數(shù)據(jù)軌跡被安裝在附著于旋轉(zhuǎn)軸的碼輪上。
42.權利要求33的光學編碼器，其中所述索引光電二極管陣列安排在Opto-ASIC半導體芯片上。
43.一種控制光學編碼器索引信號的方法，該編碼器用于提供物體位置信息，所述物體沿特定測量方向移動，所述光學編碼器包括發(fā)射光的光源、相對所述光源移動并具有給定分辨率的數(shù)據(jù)軌跡，該方法包括將來自所述數(shù)據(jù)軌跡的光導向索引光電二極管陣列的多個光電二極管；以及無需改變所述索引光電二極管陣列的所述光電二極管的安排而改變所述索引光電二極管陣列的一個或多個所述光電二極管的激活狀態(tài)以形成索引信號。
44.權利要求43的方法，其中所述改變導致基于所述數(shù)據(jù)軌跡所述分辨率的所述索引信號的最優(yōu)化。
45.一種用于提供沿特定測量方向移動的物體的位置信息的光學編碼器，該編碼器包括發(fā)射光的光源；附著于相對所述光源移動的物體的數(shù)據(jù)軌跡，所述數(shù)據(jù)軌跡接收所述光并包括特定分辨率的不同光學特性的多個交替區(qū)域；接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的調(diào)制光并由所述接收的光而產(chǎn)生位置信號和索引信號的檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的所述調(diào)制光的光電二極管陣列；接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的光并產(chǎn)生索引信號的索引光電二極管陣列；以及連接到所述光電二極管陣列并控制所述光電二極管陣列的分辨率和控制所述索引信號對比度的分辨率選擇單元。
46.一種控制光學編碼器分辨率的方法，該編碼器用于提供物體位置信息，所述物體沿特定測量方向移動，所述光學編碼器包括發(fā)射光的光源、相對所述光源移動的數(shù)據(jù)軌跡，該方法包括將來自所述數(shù)據(jù)軌跡的調(diào)制光導向具有一分辨率的檢測系統(tǒng)的多個光電二極管，該分辨率具有第一值；將來自所述數(shù)據(jù)軌跡的光導向索引光電二極管陣列的多個光電二極管；將所述檢測系統(tǒng)的所述分辨率改變?yōu)榈诙?，在從所述第一值到所述第二值的所述改變過程中無需改變所述檢測系統(tǒng)的所述多個光電二極管的安排；無需改變所述索引光電二極管陣列的所述光電二極管的安排而改變所述索引光電二極管陣列的一個或多個所述光電二極管的激活狀態(tài)以形成索引信號。
47.一種用于提供沿特定測量方向移動的物體的位置信息的磁性編碼器，該編碼器包括附著于相對檢測系統(tǒng)移動的物體的數(shù)據(jù)軌跡，所述數(shù)據(jù)軌跡包括特定分辨率的不同磁特性的多個交替區(qū)域；接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的磁能并由所述接收的磁能而產(chǎn)生位置信號的檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括接收來自所述數(shù)據(jù)軌跡的所述磁能的檢測器陣列；以及連接到所述檢測器陣列并控制和選擇所述檢測器陣列分辨率的分辨率選擇單元，其中與所述檢測器陣列有關的所有檢測器處于激活而與所述分辨率選擇單元所選擇的分辨率無關。
全文摘要
一種控制光學編碼器分辨率的方法，該編碼器用于提供物體位置信息，所述物體沿特定測量方向移動，其中光學編碼器包括發(fā)射光的光源和相對該光源移動的數(shù)據(jù)軌跡。該方法包括將來自數(shù)據(jù)軌跡的調(diào)制光導向具有一分辨率的檢測系統(tǒng)的多個光電二極管，該分辨率具有第一值；以及將檢測系統(tǒng)的分辨率改變?yōu)榈诙?，在從第一值到第二值的改變過程中無需改變檢測系統(tǒng)的多個光電二極管的安排。
文檔編號G01D5/347GK1417633SQ0215025
公開日2003年5月14日 申請日期2002年11月6日 優(yōu)先權日2001年11月6日
發(fā)明者R·E·弗蘭克林, R·M·福爾塞斯 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司