单码道光学编码器的制作方法

专利名称：单码道光学编码器的制作方法
技术领域：
这里描述的本发明的各种实施例涉及光学编码器的领域，以及与其相关的组件、
装置、系统和方法。
背景技术：
光学编码器通常在诸如电动机控制系统中的闭环反馈控制的应用中用作动作探 测器。举例来说，许多光学编码器被构造为将旋转运动或者直线运动转化为双通道数字输 出，以用于位置编码。 许多光学编码器使用LED作为光源。在透射编码器中，通过位于LED上方的透镜等 机构将光准直为平行光束。与发射器相对的是通常由光电二极管阵列和信号处理器构成的 光探测器。当码尺(code scale)(诸如码盘或码带)在光发射器和光探测器之间移动时， 光束由设置在码尺上的条或者间隔的图案所中断。类似地，在反射或成像编码器中，LED上 方的透镜将光聚焦到码尺上。光被反射或者不被反射回布置在光探测器上方的透镜中。随 着码尺移动，与条和间隔相对应的明图案和暗图案的交替图案落到光敏二极管上。光敏二 极管探测这些图案并且由信号处理器处理相应的输出以产生数字波形。举例来说，这种编 码器输出用于提供与电动机的位置、速度和加速度有关的信息。 在一些三通道光学编码器中，所提供的索引通道(index channel)光探测器包括 光电二极管阵列I和I/，其中索引通道光探测器不与数据通道的轴线对准并且从其横向偏 移。这种编码器的实施需要增加表面面积以及封装尺寸，但是，鉴于在增加的表面面积上需 要光探测器，所以也遭受到码尺与光探测器之间的错位(misalignment)可能性增加的困 扰。因为需要专用的光学准直设备和步骤，所以在这种方法中制作成本和时间也通常会增 加。例如，见Leonard的美国专利No. 4， 451， 731。 在Bin Saidan等人的美国专利No. 7， 394， 061 (此后称作"'061专利")中公开
了双通道光学反射编码器。在'061专利中，通过相对复杂地处理对应于A、A/、B、B/数据 通道的信号，提供了第三索引通道输出信号。在这种编码器中，相当可观的资源和时间必须 专用于设计产生索引通道输出信号所需要的复杂的输出电路。此外，如果由光探测器所产 生的总电流不足以产生所需要的输出信号，那么由数据通道和索引通道所提供的输出可能 劣化。因此，至少某几对的A、A/、B、B/通道不能用于产生索引通道输出信号。在更高的分 辨率时，因为数据通道光探测器的宽度和相应的表面面积较小并且它们所产生的电流不足 以产生索引输出脉冲，因此'061专利的双通道设计失败。因此，需要额外的电子电路以增 加光电二极管电流。 市场上需要更小的并且更高分辨率的光学反射编码器。所需要的是能够在不使用 复杂、昂贵的信号处理输出电路的状态下提供更小、更高分辨率的光学反射编码器。
包括直接或间接地涉及本发明的技术领域的主题的各种专利包括但不限于以下 几个1984年5月29日，Leonard等人的美国专利No. 4， 451， 731 ;2008年6月10日，Foo等 人的美国专利No. 7， 182， 248 ;2008年11月11日，Ng等人的美国专利No. 7， 385， 178 ;2008年7月15日，Wong等人的美国专利No. 7， 400， 269 ;2008年7月1日，Saidan等人的美国
专利No. 7， 394， 061 ;2006年10月26日，Saxena等人的美国专利公开No. 2006/0237540 ;
以及2008年1月21日，0tsuka等人的美国专利公开No. 2008/0024797。 上述出版物的日期可能对应于优先权日期、申请日
公开日或者授权日中的任意
一个。在背景技术部分中列举的上述专利和专利申请并不是(也不能被理解为是)申请人
或其辩护人承认上述列表中的一个或多个出版物构成关于申请人的各种发明的现有技术。
这里所引用的所有的印刷出版物和专利都通过引用将其每一个的全部内容结合在这里。 在阅读和理解发明内容、具体实施例和权利要求之后，本领域的技术人员可以认
识到可以根据本发明的各种实施例的教导有利地修改这里所列的印刷出版物中所公开的
系统、装置、组件和方法中的至少一部分。

发明内容
在一些实施例中，提供了一种反射光学编码器，包括衬底，其具有上表面；光发 射器，其安装或连接到所述上表面并且构造为从所述光发射器发射光；单码道光探测器，其 安装或连接到所述上表面，所述单码道光探测器具有公共轴线，所述单码道光探测器具有 沿着所述公共轴线布置的交替排列的多对A和B数据通道光探测器和A/和B/数据通道光 探测器以及至少一对索引通道I和1/光探测器，其中，所述A和A/光探测器和所述B和B/ 光探测器彼此相位相差90度设置，以及码尺，其包括索引带和数据带并且构造为沿着所述 公共轴线运动，所述码尺相对于所述单码道光探测器定位并可操作地布置，使得从所述光 发射器发射的光的至少一部分从所述码尺朝向所述数据和索引通道光探测器反射。
在其他实施例中，提供了一种制作反射光学编码器的方法，包括提供具有上表面 的衬底；将光发射器安装或连接到所述上表面；将单码道光探测器安装或连接到所述上表 面，所述单码道光探测器具有与其相关的公共轴线，所述单码道光探测器具有沿着所述公 共轴线布置的交替排列的多对A和B数据通道光探测器和A/和B/数据通道光探测器，以 及至少一对索引通道I和1/光探测器，其中，所述A和A/与所述B和B/光探测器彼此相 位相差90度设置，以及相对于所述单码道光探测器定位并可操作地布置包括索引带和数 据带的码尺，使得所述码尺沿着所述公共轴线运动并且从所述光发射器发射的光的至少一 部分从所述码尺朝向所述数据和索引通道光探测器反射。 对于已经阅读和理解了说明书和附图的本领域的技术人员来说，这里公开的更多 实施例将会变得更加清楚。


通过以下说明、附图和权利要求可以使本发明的各种实施例的不同方面变得清 楚，其中图1图示了本发明的反射光学编码器10的第一实施例；图2图示了由图1的实施 例提供的示例性输出信号；图3图示了本发明的反射光学编码器10的第二实施例；图4图 示了由图3的实施例提供的示例性输出信号；图5图示了本发明的反射光学编码器10的第 三实施例；图6图示了由图5的实施例提供的示例性输出信号；图7图示了本发明的反射光 学编码器10的第四实施例；图8图示了由图7的实施例提供的示例性输出信号；附图不一 定相同比例。除非另有说明，附图中相同的附图标记表示相同的部分或步骤。
具体实施例方式
在本发明的各种实施例中，提供了单码道(track)反射光学编码器系统、装置以 及方法。 如这里所采用的，术语"单码道编码器"意思是光学编码器具有单码尺，该单码尺 具有形成或存在于其上或其中的数据或码的图案或条以及形成或存在于其上或其中的索 引的图案或条，其中数据和索引图案在单码道中沿着公共的单轴线一同移动，该单码道布 置在包括数据通道和索引通道光探测器的相应的单码道上方。 图1图示了反射光学编码器10的一个实施例，其中单码道光探测器48安装或者 连接到衬底的上表面上(在图1中未示出)。光发射器(也未示出)也被安装或连接到上 表面上并且构造为从该处发射光。单码道光探测器48具有公共轴线47。根据图l的实施 例，沿着公共轴线47布置的是交替排列的多对A和B数据通道光探测器以及A/和B/数据 通道光探测器24，以及至少一对索引通道I和1/光探测器20a和20b，索引通道I和1/光 探测器20a和20b布置在单码道光探测器48的相反端部43和45处。每对A和A/以及B 和B/数据通道光探测器24彼此之间相位相差90度布置。码尺(code scale) 30包括索引 带和数据带31和33，根据实际的具体应用，其被构造为沿着轴线49以向前和/或向后方向 移动。码尺30的轴线49至少与单码道光探测器47的相应轴线45粗略地一致并且平行。 码尺30相对于单码道光探测器48定位并且可操作地构造，使得由光发射器发射的光的至 少一部分从码尺30反射回来，朝向数据和索引通道光探测器24、20a和20b。
如图1的实施例中进一步所示，数据通道光探测器A、A/、B和B/(24)中的每个都 具有等于约"PD"(或者"光电探测器")的第一宽度，而索引通道I光探测器20b具有等于 约4倍PD的第二宽度，并且索引通道1/光探测器20a具有等于约3倍PD的第三宽度。如 图3、图5和图7所示，也可以采用其他宽度的索引通道光探测器I(20b)和I/(20a)。索 引通道光探测器I(20b)和I/(20a)的宽度被优选地选择，使得码尺30上的索引尺(index scale) 31的宽度以及索引通道光探测器I (20b)和I/(20a)的宽度的组合产生相对于由 数据通道光探测器A、 A/、 B和B/提供的输出信号22和24具有360度的宽度的输出脉冲 26(见图2)。在图1和图2的示例中，索引尺31具有等于6倍PD的宽度，而每对反射(或 者明)和不反射(或者暗)数据带33具有等于4倍PD的组合宽度。因此，图1中图示的 两个宽度的比(即，索引带31的宽度/明和暗的数据带对33的组合宽度)为1.5。也可以 预料到索引和数据带宽度的其他比例，诸如约2. 5(或者约10倍PD/4倍PD)、约3. 5(或者 约14倍PD/4倍PD)以及约4. 5 (或者约18倍PD/4倍PD)。 此外，如图1的实施例中进一步所示，索引通道光探测器1(20b)和1/(20a)的高 度H可以与独立的数据通道光探测器A、A/、B和B/的高度h不同。在图1的实施例中，数 据通道光探测器24具有第一高度h，而索引通道I光探测器20b具有等于约1. 5倍h的第 二高度，并且索引通道1/光探测器20a具有等于约0. 9倍h的第三高度。如图3、图5和图 7所示，也可以采用其他高度的索引通道光探测器I(20b)和l/(20a)。索引通道光探测器 1(20b)和1/(20a)的其他高度的示例包括具有独立的数据通道光探测器24的高度的约2 倍的高度，具有独立的数据通道光探测器的高度的约3倍的高度以及具有独立的数据通道 光探测器的高度的约4倍的高度。
在反射光学编码器10的各种实施例中，可以相对于相应的数据通道光探测器24
的高度增加索引通道光探测器I(20b)和索引通道光探测器I/(20a)的高度H，以便于在不
需要提供额外的电子电路以增加由I和I/光探测器提供的电流的情况下，从对应于索引通
道光探测器I(20b)和I/(20a)的通道I比较器25提供足够的电压输出。 根据这里所公开的教导，本领域的技术人员现在理解可以采用实际上无限数目的
索引通道光探测器、数据通道光探测器、码盘以及索引和数据码带的宽度和高度的排列和组合。 已经发现在反射光学单码道编码器中，除非索引通道光探测器I(20b)和索引 通道光探测器I/(20a)中至少一者的高度至少为相应的数据通道光探测器24的高度的 1. 5倍，否则不可靠地能获得超过约100LPI、超过约200LPI、超过约250LPI和/或超过约 300LPI的线每英寸(LPI)分辨率。 注意，如这里所采用的，术语"分辨率"表示在随后使用诸如数字信号处理器 (DSP)、处理器、微处理器、CPU、特定用途集成电路(ASIC)以及集成电路(IC)或者其他适 合的信号处理或计算电子电路对编码器10所提供的输出信号22、24和26执行任何插值之 前，由光学编码器10所达到的基础分辨率。这种插值技术可以进一步扩展由编码器10所 提供的基础或基本分辨率。如图1的实施例中进一步所示，A和A/数据通道、B和B/数据 通道以及I和1/索引通道中的每个都可操作地分别连接到通道A比较器21、通道B比较器 23以及通道I比较器25，并将A和A/、 B和B/以及I和1/模拟信号对分别提供给通道A 比较器21、通道B比较器23以及通道I比较器25。如图2所示，比较器21、23和25比较 由单码道光探测器48提供给它们的各个模拟信号对，并且从其提供数字输出信号22、24和 26。 现在参照图2，可见通道A比较器21通过比较由数据通道A和A/递送的模拟信 号来提供数字输出信号22。随着码尺30在单码道光探测器48上方移动并且由光发射器 发射的光随后反射到沿着公共轴线47布置的通道A和A/光探测器上，输出信号22是对应 于由码尺30上的数据带33反射的探测光的一串输出脉冲。类似地，通道B比较器23通过 比较由数据通道B和B/递送的模拟信号来提供数字输出信号24。随着码尺30在单码道光 探测器48上方移动并且由光发射器发射的光随后反射到沿着公共轴线47布置的通道B和 B/光探测器上，输出信号22是对应于由码尺30上的数据带33反射的探测光的一串输出脉 冲。如图2所示，输出信号22和24相对于彼此相位相差约90度。通道I比较器25通过 比较由索引通道I和1/递送的模拟信号来提供数字输出信号26。输出信号26为索引输出 脉冲，其宽度基本大于由通道A和B比较器21和23所提供的数据输出脉冲22和24，并且 在一个实施例中具有相对于数据输出脉冲22和24的宽度接近360度的宽度。
图1的索引带31以在对应于数据带33的交替的条和窗口区域的顶端并排布置的 六条不透明区域为特征。当码尺30相对于单码道光探测器48移动时，通过索引通道I光 探测器20b和索引通道1/光探测器20a产生模拟信号。否则，索引通道I光探测器20b产 生高水平的信号。当索引带33的六个不透明区域与索引通道I光探测器20b的光电二极 管对准时，产生低水平的信号。 参照图2，当模拟光电二极管I信号27与模拟光电二极管1/信号29都彼此交叉 时，通过数字处理来产生通道I的数字输出信号26。相同的原理应用到图4、图6和图8中图示的数字索引通道输出信号26。 注意，可以一同构造图1的实施例的光发射器、单码道光探测器48以及码尺30，以 允许编码器20提供超过约100线每英寸(LPI)、约150LPI、约200LPI或者约300LPI的分辨率。 在各种实施例中，反射光学编码器IO可以包括单穹顶透镜(其包括光学透明材 料)，也可以包括布置在光发射器与单码道光探测器38之间的光学不透明的光学屏障，该 光学屏障构造为防止或抑制杂散光撞击到单码道光探测器38上。数据通道光探测器24以 及索引通道光探测器20a和20b可以被布置在单个集成电路管芯上。其上布置有光发射器 和单码道光探测器48的衬底可以为印刷电路板、引线板、包括塑料、由聚合物制成或者包 括任何其他适合的成分和材料。 现在参照图3，图示了反射光学编码器10的另一个实施例，其中单码道光探测器 48被安装或者以其他方式连接到衬底的上表面(在图3中未示出)。光发射器(也未示 出)也被安装或连接到上表面上并且构造为以某种方式从该处发射光。单码道光探测器48 具有公共轴线47。根据图3的实施例，沿着公共轴线47布置的是交替排列的多对A和B数 据通道光探测器以及A/和B/数据通道光探测器24，以及两个索引通道1/光探测器20a和 一个索引通道I光探测器20b，索引通道I和1/光探测器20a和20b布置在单码道光探测 器48的相反端部43和45处。每对A和A/以及B和B/数据通道光探测器24彼此之间相 位相差90度设置。码尺30包括索引带和数据带31和33，根据实际的具体应用，其被构造 为沿着轴线49以向前和/或向后方向移动。码尺30的轴线49至少与单码道光探测器47 的相应轴线45粗略地一致并且平行。码尺30相对于单码道光探测器48定位并且可操作 地构造，使得由光发射器发射的光的至少一部分从码尺30反射回来，朝向数据和索引通道 光探测器24、20a和20b 。 如图3的实施例中进一步所示，数据通道光探测器A、A/、B和B/(24)中的每个都 具有等于约"PD"(或者"光电探测器")的第一宽度，而索引通道I光探测器20b具有等于 约PD的第一宽度，并且索引通道1/光探测器20a具有等于约4倍PD的第二宽度。
如图3的实施例中进一步所示，索引通道光探测器I(20b)和I/(20a)的高度H与 独立的数据通道光探测器A、A/、B和B/的高度h不同。在图3的实施例中，数据通道光探 测器24具有第一高度h，而索引通道I光探测器20b和索引通道1/光探测器20a具有等于 约1.5倍h的第二高度。注意，在图3中图示的实施例中，索引通道I/光探测器包括两个 分离的光电探测器20a，该光电探测器中的每个都具有PD的宽度并且分开PD的距离。在图 3中图示的实施例中，索引带31的宽度为6倍PD，而数据带的宽度为2倍PD。
如图3中进一步地所示，A和A/数据通道、B和B/数据通道以及I和1/索引通道 中的每个都可操作地分别连接到通道A比较器21、通道B比较器23以及通道I比较器25， 并将A和A/、 B和B/以及I和1/模拟信号对分别提供给通道A比较器21、通道B比较器 23以及通道I比较器25。如图4所示，比较器21、23和25比较由单码道光探测器48提供 给它们的各个模拟信号对，并且从其提供数字输出信号22、24和26。 现在参照图4，可见通道A比较器21通过比较由数据通道A和A/递送的模拟信 号来提供数字输出信号22。随着码尺30在单码道光探测器48上方移动并且由光发射器 发射的光随后反射到沿着公共轴线47布置的通道A和A/光探测器上，输出信号22是对应于由码尺30上的数据带33反射的探测光的一串输出脉冲。类似地，通道B比较器23通过 比较由数据通道B和B/递送的模拟信号来提供数字输出信号24。随着码尺30在单码道光 探测器48上方移动并且由光发射器发射的光随后反射到沿着公共轴线47布置的通道B和 B/光探测器上，输出信号24是对应于由码尺30上的数据带33反射的探测光的一串输出脉 冲。如图4所示，输出信号22和24相对于彼此相位相差约90度。通道I比较器25通过 比较由索引通道I和1/递送的模拟信号来提供数字输出信号26。输出信号26为索引输出 脉冲，其宽度基本大于由通道A和B比较器21和23所提供的数据输出脉冲22和24，并且 具有相对于数据输出脉冲22和24的宽度接近360度的宽度。 注意，可以一同构造图3的实施例的光发射器、单码道光探测器48以及码尺30， 以允许编码器20提供超过约100线每英寸(LPI)、超过约150LPI、超过约200LPI、超过约 250LPI或者超过约300LPI的分辨率。 现在参照图5，图示了反射光学编码器10的另一个实施例，其中单码道光探测器 48被安装或者以其他方式连接到衬底的上表面(在图5中未示出)。光发射器(也未示 出)也被安装或连接到上表面上并且构造为以某种方式从该处发射光。单码道光探测器48 具有公共轴线47。根据图5的实施例，沿着公共轴线47布置的是交替排列的多对A和B数 据通道光探测器以及A/和B/数据通道光探测器24，四个索引通道I光探测器20a布置在 单码道光探测器48的中间部41中并且在单码道光探测器48的相反端部43和45处分别 布置两个索引通道1/光探测器20a。每对A和A/以及B和B/数据通道光探测器24彼此 之间相位相差90度设置。码尺30包括索引带和数据带31和33，根据实际的具体应用，其 被构造为沿着轴线49以向前和/或向后方向移动。码尺30的轴线49至少与单码道光探 测器47的相应轴线45粗略地一致并且平行。码尺30相对于单码道光探测器48定位并且 可操作地构造，使得由光发射器发射的光的至少一部分从码尺30反射回来，朝向数据和索 引通道光探测器24、20a和20b。 如图5的实施例中进一步所示，数据通道光探测器A、A/、B和B/(24)中的每个都 具有等于约"PD"(或者"光电探测器")的第一宽度，而索引通道I光探测器20b具有等于 约4倍PD的宽度，并且每个索引通道1/光探测器20a具有等于约2倍PD的宽度。
如图5的实施例中进一步所示，索引通道光探测器I(20b)和I/(20a)的高度H与 独立的数据通道光探测器A、A/、B和B/的高度h不同。在图5的实施例中，数据通道光探 测器24和索引通道I光探测器20b具有第一高度h，而索引通道1/光探测器20a具有等于 约2倍h的第二高度。注意，在图5中图示的实施例中，索引通道I/光探测器包括两个分 离的光电探测器20a，该光电探测器中的每个都具有宽度PD，而索引通道I光探测器包括四 个分离的光电探测器20b，该光电探测器中的每个具有宽度PD。在图5中图示的实施例中， 索引带31的宽度为6倍PD，而数据带的宽度为2倍PD。 以与图1和图3中示出的方式相似的方式，图5的A和A/数据通道、B和B/数据 通道以及I和1/索引通道中的每个都可操作地分别连接到通道A比较器21、通道B比较器 23以及通道I比较器25，并将A和A/、 B和B/以及I和1/模拟信号对分别提供给通道A 比较器21、通道B比较器23以及通道I比较器25。如图6所示，比较器21、23和25比较 由单码道光探测器48提供给它们的各个模拟信号对，并且从其提供数字输出信号22、24和 26。
现在参照图6，可见通道A比较器21通过比较由数据通道A和A/递送的模拟信 号来提供数字输出信号22。随着码尺30在单码道光探测器48上方移动并且由光发射器 发射的光随后反射到沿着公共轴线47布置的通道A和A/光探测器上，输出信号22是对应 于由码尺30上的数据带33反射的探测光的一串输出脉冲。类似地，通道B比较器23通过 比较由数据通道B和B/递送的模拟信号来提供数字输出信号24。随着码尺30在单码道 光探测器48上方移动并且由光发射器发射的光随后反射到沿着公共轴线47布置的通道B 和B/光探测器上，所以输出信号22是对应于由码尺30上的数据带33反射的探测光的一 串输出脉冲。如图6所示，输出信号22和24相对于彼此相位相差约90度。通道I比较器 25通过比较由索引通道I和1/递送的模拟信号来提供数字输出信号26。输出信号26为 索引输出脉冲，其宽度基本大于由通道A和B比较器21和23所提供的数据输出脉冲22和 24，并且具有相对于数据输出脉冲22和24的宽度接近360度的宽度。
注意，可以一同构造图5的实施例的光发射器、单码道光探测器48以及码尺30， 以允许编码器20提供超过约100线每英寸(LPI)、超过约150LPI、超过约200LPI、超过约 250LPI和/或超过约300LPI的分辨率。 现在参照图7，图示了反射光学编码器10的另一个实施例，其中单码道光探测器 48被安装或者以其他方式连接到衬底的上表面(在图7中未示出)。光发射器(也未示 出)也被安装或连接到上表面上并且构造为以某种方式从该处发射光。单码道光探测器48 具有公共轴线47。沿着公共轴线47布置的是交替排列的多对A和B数据通道光探测器以 及A/和B/数据通道光探测器24，两个索引通道I光探测器20b布置在单码道光探测器48 的相反端部43和45处，并且单索引通道1/光探测器20a具有沿着平行于公共轴线47的 方向布置、但是从数据通道光探测器24横向偏离并且不沿着公共轴线47的主轴。每对A 和A/以及B和B/数据通道光探测器24彼此之间相位相差90度设置。码尺30包括索引 带和数据带31和33，根据实际的具体应用，其被构造为沿着轴线49以向前和/或向后方向 移动。码尺30的轴线49至少与单码道光探测器47的相应轴线45粗略地一致并且平行。 码尺30相对于单码道光探测器48定位并且可操作地构造，使得由光发射器发射的光的至 少一部分从码尺30反射回来，朝向数据和索引通道光探测器24、20a和20b。
如图7的实施例中进一步所示，数据通道光探测器A、A/、B和B/(24)中的每个都 具有等于约"PD"的第一宽度，而索引通道I光探测器20b具有等于约4倍PD的宽度。索 引通道1/光探测器20a的宽度等于约1倍PD。 如图7的实施例中进一步所示，索引通道光探测器I (20b)与独立的数据通道光探 测器A、 A/、 B和B/的高度h不同。如图7所示，索引通道I光探测器20b的高度H等于约 1. 5倍的h，而索引通道1/光探测器20a具有等于约0. 4倍的h的高度。注意，在图7中图 示的实施例中，索引通道1/光探测器包括一个分离的光电探测器20a，而索引通道I光探测 器20b包括两个分离的光电探测器20b，该光电探测器中的每个分别具有约4倍PD的宽度 和1倍PD的宽度。在图7中图示的实施例中，索引带31的宽度为6倍PD，而数据带的宽度 为2倍PD。 以与图1和图3中示出的方式相似的方式，图7的A和A/数据通道、B和B/数据 通道以及I和1/索引通道中的每个都可操作地分别连接到通道A比较器21、通道B比较器 23以及通道I比较器25，并将A和A/、 B和B/以及I和1/模拟信号对分别提供给通道A
11比较器21、通道B比较器23以及通道I比较器25。如图8所示，比较器21、23和25比较 由单码道光探测器48提供给它们的各个模拟信号对，并且从其提供数字输出信号22、24和 26。 现在参照图8，可见通道A比较器21通过比较由数据通道A和A/递送的模拟信号 来提供数字输出信号22。随着码尺30在单码道光探测器48上方移动并且由光发射器发射 的光随后反射到沿着公共轴线47布置的通道A和A/光探测器上，所以输出信号22是对应 于由码尺30上的数据带33反射的探测光的一串输出脉冲。类似地，通道B比较器23通过 比较由数据通道B和B/递送的模拟信号来提供数字输出信号24。随着码尺30在单码道 光探测器48上方移动并且由光发射器发射的光随后反射到沿着公共轴线47布置的通道B 和B/光探测器上，所以输出信号22是对应于由码尺30上的数据带33反射的探测光的一 串输出脉冲。如图8所示，输出信号22和24相对于彼此相位相差约90度。通道I比较器 25通过比较由索引通道I和1/递送的模拟信号来提供数字输出信号26。输出信号26为 索引输出脉冲，其宽度基本大于由通道A和B比较器21和23所提供的数据输出脉冲22和 24，并且具有相对于数据输出脉冲22和24的宽度接近360度的宽度。
注意，可以一同构造图7的实施例的光发射器、单码道光探测器48以及码尺30， 以允许编码器20提供超过约100线每英寸(LPI)、超过约150LPI、超过约200LPI、超过约 250LPI和/或超过约300LPI的分辨率。 本发明的各种实施例解决某些问题并具有某些优点。在一些实施例中，鉴于可以 沿着单码道布置两个数据通道和一个索引通道并且可以将对应于三个通道的光电探测器 阵列布置在一个集成电路管芯上，单码道光探测器48允许降低编码器的尺寸和成本。通 常，反射光学编码器中的集成电路为反射光学编码器中唯一的最昂贵的组件。由在这里所 公开的单码道构造所允许的小的覆盖区和尺寸允许构造小的并具有高分辨率的编码器。此 外，因为使用这里所公开的单码道光探测器可以减小数据通道和索引通道光探测器的表面 面积，所以可以使其上由发射器和码尺散布光线的区域更小。因为只采用了一个探测器码 道，所以可以减小对于码尺与光探测器之间的辐射错位的敏感性。因此，可以减小码尺与光 探测器之间的错位，并且由于不需要特殊的设备来将码尺与光发射器对准，所以可以减小 制作和组装成本。因为没有增强电流输出或者执行复杂的逻辑操作以产生索引通道输出 信号所必须使用的额外的电路，所以一些实施例消除了现有技术中所需要的复杂的电子电 路。虽然编码器的尺寸和覆盖区更小，但是光学反射编码器的各种实施例也允许实现比此 前可能实现的分辨率更高的分辨率。各种实施例相对简单并且容易实施，允许使用比此前 可能使用的光发射区域更小的光发射区域，导致更小的封装，减小了码盘和光探测器光电 二极管阵列对于错位的敏感性，减小了模具和组装成本，使用传统和简单的电子电路，并且 消除了对于电路设计的需要。此外，在一些实施例中，因为索引通道I和1/不与数据通道 A、A/、B和B/共享光电二极管，所以可以根据实际的具体应用产生不同的索引脉冲宽度。
已经制作的这里所描述的各种组件、装置和系统及其制作方法包括在本发明的范 围内。举例来说，提供了一种制作反射光学编码器的方法，其包括提供具有上表面的衬底； 将光发射器安装或连接到上表面；将单码道光探测器安装或连接到上表面，该单码道光探 测器具有公共轴线以及与公共轴线相联系的运动方向，该单码道光探测器具有沿着公共轴 线布置的交替排列的多对A和B数据通道光探测器和A/和B/数据通道光探测器，以及至少一对索引通道I和1/光探测器，其中A和A/以及B和B/光探测器彼此相位相差90度 设置，并且相对于单码道光探测器定位并可操作地布置码尺，该码尺包括索引和数据带，因 此码尺沿着公共轴线运动并且从光发射器发射的光的至少一部分从码尺朝向数据和索引 通道光探测器反射。这种方法可以还包括将每个数据通道光探测器设置为第一宽度，并且 索引通道I光探测器和索引通道1/光探测器中的至少一者设置为第二宽度，第二宽度是第 一宽度的约1. 5倍、2倍、3倍或4倍或者等于第一宽度。 除了上述实施例之外，可以预料到本发明的各种实施例。例如，可以明确地预料到 结合单码道和上文中所描述的实施例的其他特征的透射光学编码器。 上述实施例应该被认为是本发明的示例，而不是对本发明的范围的限制。除了本 发明的上述实施例之外，对于详细说明书和附图的回顾将会引出存在本发明的其他实施 例。因此，这里没有明确地陈述的本发明前述实施例的许多结合、置换、改变以及修改仍然 落入本发明的范围内。
1权利要求
一种反射光学编码器，包括衬底，其具有上表面；光发射器，其安装或连接到所述上表面并且构造为从所述光发射器发射光；单码道光探测器，其安装或连接到所述上表面，所述单码道光探测器具有公共轴线，所述单码道光探测器具有沿着所述公共轴线布置的交替排列的多对A和B数据通道光探测器和A/和B/数据通道光探测器以及至少一对索引通道I和I/光探测器，其中，所述A和A/光探测器和所述B和B/光探测器彼此相位相差90度设置，以及码尺，其包括索引带和数据带并且构造为沿着所述公共轴线运动，所述码尺相对于所述单码道光探测器定位并可操作地布置，使得从所述光发射器发射的光的至少一部分从所述码尺朝向所述数据和索引通道光探测器反射。
2. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，每个所述数据通道光探测器都具有 第一宽度，并且所述索引通道I光探测器和所述索引通道I/光探测器中的至少一者具有第 二宽度，所述第二宽度是第一宽度的约1. 5倍、约2倍、约3倍或约4倍或者等于所述第一 宽度。
3. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，每个所述数据通道光探测器都具有 第一高度，并且所述索引通道I光探测器和所述索引通道1/光探测器中的至少一者具有第 二高度，所述第二高度大于或等于第一高度的约1.5倍。
4. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，每个所述数据通道光探测器都具有 第一高度，并且所述索引通道I光探测器和所述索引通道I/光探测器中的至少一者具有第 二高度，所述第二高度大于或等于第一高度的约2倍。
5. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，每个所述数据通道光探测器都具有 第一高度，并且所述索引通道I光探测器和所述索引通道1/光探测器中的至少一者具有第 二高度，所述第二高度大于或等于第一高度的约3倍。
6. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，每个所述数据通道光探测器都具有 第一高度，并且所述索引通道I光探测器和所述索引通道1/光探测器中的一者具有第三高 度，所述第三高度小于或等于所述第一高度和所述第二高度。
7. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，所述索引通道I光探测器和所述索引 通道1/光探测器中的一者的第三高度约为所述第一高度的0. 9倍。
8. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，在所述码尺上的反射和不反射数据 带对具有组合的第一宽度，并且在所述码尺上的所述索引带具有第二宽度，所述第二宽度 至少为所述第一宽度的约1. 5倍。
9. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，在所述码尺上的反射和不反射数据 带对具有第一宽度，并且在所述码尺上的所述索引带具有第二宽度，所述第二宽度至少为 所述第一宽度的约2.5倍。
10. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，在所述码尺上的反射和不反射数据 带对具有第一宽度，并且在所述码尺上的所述索引带具有第二宽度，所述第二宽度至少为 所述第一宽度的约3.5倍。
11. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，所述索引通道I光探测器和所述索 引通道1/光探测器中的至少一者包括至少两个分离的光探测器。
12. 根据权利要求11所述的反射光学编码器，其中，每个所述数据通道光探测器具有 第一宽度，并且所述索引通道I光探测器和所述索引通道1/光探测器中的至少一者具有第 二宽度，所述第二宽度大于或等于所述第一宽度，并且所述至少两个分离的光探测器分隔 开约为所述第一宽度的距离。
13. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，每个所述数据通道光探测器具有第 一宽度，并且所述索引通道I光探测器和所述索引通道I/光探测器中的至少一者包括至少 四个相邻的分离的光探测器，每个这样的所述分离的光探测器具有所述第一宽度。
14. 根据权利要求13所述的反射光学编码器，其中，所述至少四个相邻的分离的光探 测器位于所述单码道光探测器的中部。
15. 根据权利要求14所述的反射光学编码器，其中，所述索引通道I光探测器包括所述 至少四个相邻的分离的光探测器，并且所述索引通道1/光探测器至少包括第一对和第二 对的两个相邻的分离的光探测器，每个这样的所述分离的光探测器具有所述第一宽度，所 述第一对和所述第二对分别位于所述单码道光探测器的第一末端和第二末端。
16. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，所述索引通道I光探测器和所述索 引通道1/光探测器中的至少一者具有沿着平行于所述公共轴线的方向布置的主轴。
17. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，所述索引通道I光探测器和所述索 引通道1/光探测器中的至少一者从所述数据通道光探测器横向地偏移并且不沿着所述公 共轴线布置。
18. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，A和A/数据通道、B和B/数据通道 以及I和1/索引通道中的每个都可操作地分别连接到通道A比较器、通道B比较器以及通 道I比较器，并且将A和A/、 B和B/以及I和1/的模拟信号对递送给所述通道A比较器、 所述通道B比较器以及所述通道I比较器。
19. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，所述通道A比较器、所述通道B比较 器以及所述通道I比较器中的每一者都构造为根据分别递送到其上的所述A和A/、B和B/ 以及I和1/的模拟信号对之间的比较来从其提供数字高和低的输出信号。
20. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，一同构造所述光发射器、所述单码 道光探测器以及所述码尺，以允许所述编码器提供超过约100线每英寸(LPI)、超过约150 线每英寸(LPI)、超过约200线每英寸(LPI)、超过约300线每英寸(LPI)或者超过约400 线每英寸(LPI)的分辨率。
21. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，还包括单穹顶透镜，其包括光学透明的材料。
22. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，还包括光学不透明的光屏障，其布置在所 述光发射器与所述单码道光探测器之间，所述光屏障构造为防止或抑制杂散光撞击所述单 码道光探测器。
23. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，所述数据通道光探测器和所述索引 通道光探测器布置在单管芯上。
24. 根据权利要求1所述的反射光学编码器，其中，所述衬底为印刷电路板、引线框，包 括塑料或由聚合物形成。
25. —种制作反射光学编码器的方法，包括提供具有上表面的衬底； 将光发射器安装或连接到所述上表面；将单码道光探测器安装或连接到所述上表面，所述单码道光探测器具有与其相关的公 共轴线，所述单码道光探测器具有沿着所述公共轴线布置的交替排列的多对A和B数据通 道光探测器和A/和B/数据通道光探测器，以及至少一对索引通道I和1/光探测器，其中， 所述A和A/与所述B和B/光探测器彼此相位相差90度设置，以及相对于所述单码道光探测器定位并可操作地布置包括索引带和数据带的码尺，使得所 述码尺沿着所述公共轴线运动并且从所述光发射器发射的光的至少一部分从所述码尺朝 向所述数据和索引通道光探测器反射。
26. 根据权利要求25所述的方法，还包括，将每个所述数据通道光探测器设置为第一 高度，并且将所述索引通道I光探测器和所述索引通道I/光探测器中的至少一者设置为第 二高度，所述第二高度是所述第一高度的约1. 5倍或者约2倍或者等于所述第一高度。
27. 根据权利要求25所述的方法，还包括，将所述码尺设置为交替的明和暗、反射和不 反射数据带的对，所述数据带的对具有第一宽度，至少一个码带具有第二宽度，所述第二宽 度与所述第一宽度之间的比值为约1. 5倍、约2. 5倍或约3. 5倍。
全文摘要
本发明提供了一种单码道光学编码器。公开了具有至少三个沿单码道的公共轴线布置的通道(两个数据通道以及一个索引通道)的反射光学编码器的各种实施例。这里公开的单码道构造允许在小的封装中提供非常高分辨率的反射光学编码器。此外，单码道构造减小了和码尺与光探测器之间的错位有关的问题，允许使用相对简单的电子电路被用来处理输出，并且减小了制作、组装、集成电路以及编码器的成本。也公开了制作以及使用这种光学编码器的方法。
文档编号G01D5/347GK101762289SQ20091026206
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月23日 优先权日2008年2月19日
发明者仲·民·托尔, 滕库·诺拉曼·宾·滕库·阿布德·阿兹, 赛丹·塞弗·巴哈里 申请人:安华高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司