光学编码器和其操作方法与流程

本发明大体上涉及一种用于使用传感器装置检测其位置和运动的设备和方法，且更具体地说，涉及一种用于使用光学编码器传感器检测其位置和运动的设备和方法。

背景技术：

光学编码器适用于许多应用中。举例来说，光学编码器可用于通过将物理位置转换为与此类位置相对应的电信号来确定对象的位置、运动或角度。在比较旋转机构(例如机器人臂)中，在旋转机构的接合部处要求两个光学编码器以检测或测量旋转机构的位置或旋转角度，且确定旋转机构的位置或旋转角度是否已达到受限位置或角度。然而，更多光学编码器的使用将增加成本，其将转而降低在市场中的竞争力。

技术实现要素：

在一或多个实施例中，提供具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的译码光盘。译码光盘包含第一孔口和第二孔口。第一孔口从译码光盘的第一表面穿透译码光盘到译码光盘的第二表面。第一孔口具有第一宽度。第二孔口从译码光盘的第一表面穿透译码光盘到译码光盘的第二表面。第二孔口具有第二宽度。第二孔口的第二宽度不同于第一孔口的第一宽度。

在一或多个实施例中，编码器包含光发射器、光学传感器和不透明板。光发射器具有发光区域。光学传感器具有面向发光区域的光学感测区域。不透明板安置于发光区域与光学感测区域之间。不透明板包含第一孔口和第二孔口。第一孔口穿透不透明板。第一孔口/狭槽具有第一宽度。第二孔口穿透不透明板。第二孔口具有第二宽度。第二孔口的第二宽度不同于第一孔口的第一宽度。

在一或多个实施例中，确定对象的位置的方法包含确定参考时间周期；将第一信号的第一时间周期与参考时间周期相比较；和根据第一时间周期与参考时间周期之间的比较来确定对象的位置。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下实施方式最佳地理解本发明的方面。应注意，各种特征可能未按比例绘制，且各种特征的尺寸可出于论述的清晰起见而任意增大或减小。

图1说明根据本发明的一些实施例的可旋转机构的透视图；

图2说明根据本发明的一些实施例的图1中的可旋转机构的部分的放大视图；

图3a说明根据本发明的一些实施例的光学编码器的透视图；

图3b说明根据本发明的一些实施例的图3a中的光学编码器的光盘的俯视图；

图4a说明通过根据本发明的一些实施例的光检测器输出的波形；

图4b说明通过根据本发明的一些实施例的光检测器输出的波形；且

图5说明根据本发明的一些实施例的操作图1中的可旋转机构的方法的流程图。

贯穿附图和实施方式使用共同参考编号以指示相同或类似元件。本发明将结合随附图式从以下实施方式更显而易见。

具体实施方式

下文详细论述本发明的实施例的结构、制造和用途。然而，应了解，所述实施例阐明可实施于广泛多种特定上下文中的许多可应用概念。应理解，以下公开内容提供实施各种实施例的不同特征的许多不同实施例或实例。下文出于论述的目的而描述组件和设备的特定实例。当然，这些组件和设备仅为实例且不希望为限制性的。

下文使用特定语言公开附图中所说明的实施例(或实例)。然而，将理解，实施例或实例并不希望为限制性的。如相关领域中的一般技术者通常将想到，本发明实施例的任何更改和修饰，以及公开于本文中的原理的任何其它应用处于本发明的范围内。

另外，本发明可在各种实例中重复参考数字和/或字母。此重复是出于简单和清晰的目的，且本身并不指示所论述的各种实施例与/或配置之间的关系。

图1说明根据本发明的一些实施例的可旋转机构100的透视图。在一些实施例中，可旋转机构100为机器人臂或机器人臂的部分。可旋转机构100包含第一末端部分100a和与所述第一末端部分100a相对的第二端部分100b。可旋转机构100进一步包含马达110、齿轮减速器120、驱动板130、螺杆140和接合点150。

齿轮减速器120连接到可旋转机构100的第一末端部分100a且安装到马达110以变换马达110的转速。这些马达110和齿轮减速器120提供用于可旋转机构100的多个不同驱动器。驱动板130可旋转地安装到可旋转机构100的第一末端部分100a。螺杆140连接到可旋转机构100的第一末端部分100a，其中可旋转机构100的第二末端部分100b使用由马达110产生的动力来驱动接合点150旋转或移动。

图2说明根据本发明的一些实施例的通过红色正方形圈出的图1中的马达110的部分的放大视图。如图2中所示，光学编码器115连接到马达110中的一个。光学编码器115包含具有机械中断以测量旋转或线性位置的成对光检测器与光发射器。举例来说，光学编码器115具有环115r，所述环具有多个孔口(或透明部分)115h且设置于光检测器与光发射器(图中未示)之间。如果通过光发射器发射的光通过光检测器经由孔口115h或环115r的透明部分检测到，那么通过例如光检测器产生具有第一电压电平的信号。如果由光发射器发射的光被环115r阻挡，那么通过例如光检测器产生具有第二电压电平的信号。在一些实施例中，第一电压电平不同于第二电压电平。举例来说，第一电压电平为逻辑值“1”而第二电压电平为逻辑值“0”。因为马达110周期性地旋转，所以光发射器与光检测器之间的周期性中断随马达110旋转而发生，其将产生如图4a或图4b的下部部分所展示的波形的脉冲流式传输。

图3a说明本发明的一些实施例中的光学编码器300的透视图；在一些实施例中，光学编码器300可安置于图1中的可旋转机构100的第二末端部分100b处。举例来说，光学编码器300可连接到或邻近于图1中的可旋转机构100的接合点150。光学编码器300包含光盘(也可被称作“编码光盘”)310、光发射器320和光检测器(也可被称作“光电检测器”、“光传感器”或“光学传感器”)330。

光发射器320具有发光区域且经配置以产生光。在一些实施例中，光发射器320可为激光二极管(ld)、发光二极管(led)、竖直腔面发光激光器(vcsel)二极管、边缘发光激光二极管或其它照明组件。

光检测器330具有面朝光发射器320的发光区域的光学感测区域。光检测器330经配置以接收或检测从光发射器320产生的光且响应于所接收或检测到的光而产生信号。在一些实施例中，如果由光发射器320发射的光通过光检测器330检测或接收到，那么光检测器330经配置以产生具有第一电压电平的信号。在一些实施例中，如果由光发射器320发射的光并未由光检测器330接收或检测到，那么光检测器330经配置以产生具有第二电压电平的信号。在一些实施例中，第一电压电平高于第二电压电平。替代地，第一电压电平可根据设计要求而低于第二电压电平。在一些实施例中，光检测器330可包含pin二极管(包含p型半导体区域、纯质半导体区域和n型半导体区域)或光电二极管或光电晶体管。

光盘310安置于光发射器320与光检测器330之间。在一些实施例中，光盘310由不透明材料形成。参考图3b，其说明在本发明的一些实施例中的光学编码器300的光盘310的俯视图，所述光盘具有第一组孔口(或狭槽)310a、310b、310c、310d、310e和310f和第二孔口(或狭槽)311。在一些实施例中，第一组孔口和第二孔口可由允许光穿过的透明材料替换。

第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f从光盘310的表面穿透光盘310到光盘310的相对表面。第一组孔口

310a、310b、310c、310d、310e和310f邻近于光盘310的边缘而设置。第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f彼此分离。举例来说，孔口310a邻近于孔口310b且与孔口310b分离。在一些实施例中，第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f的宽度大体上相同。在一些实施例中，第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f中的任何两个相邻孔口之间的距离大体上相同。举例来说，孔口310a与孔口310b之间的距离与孔口310b与孔口310c之间的距离大体上相同。如图3b中所示，孔口310a位于第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f的一个末端处，且孔口310e位于第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f的另一末端处。举例来说，孔口310a邻近于第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f中的仅一个孔口(即，孔口310b)，且孔口310e邻近于第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f中的仅一个孔口(即，孔口310f)。

第二孔口311从光盘310的表面穿透光盘310到光盘310的相对表面。第二孔口311位于孔口310a与孔口310e之间。如图3b中所示，第二孔口311比孔口310e更接近孔口310a。举例来说，第二孔口311与孔口310a之间的距离小于第二孔口311与孔口310e之间的距离。在一些实施例中，第二孔口311与孔口310a之间的距离与第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f中的任何两个相邻孔口之间的距离大体上相同。在一些实施例中，第二孔口311的宽度大于第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f中的每一个的宽度。

在一些实施例中，光盘310包含定位第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f以及第二孔口311的第一区域31a和不具有孔口的第二区域31b。举例来说，第二区域31b包含孔口310e与第二孔口311之间的区域。第二区域31b的长度(或弧形长度)大于第一区域31a中的任何两个相邻孔口之间的距离。

如图3a中所示，如果由光发射器320发射的光l1由光检测器330经由光盘310的第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f以及第二孔口311中的任一个检测到，那么由例如光检测器330产生具有第一电压电平的信号。如果由光发射器320发射的光l1被光盘310(例如在光盘310的两个相邻孔口或第二部分31b之间的光盘310的不透射部分)阻挡，那么由例如光检测器330产生具有第二电压电平的信号。在一些实施例中，第一电压电平高于第二电压电平。举例来说，第一电压电平为逻辑值“1”而第二电压电平为逻辑值“0”。替代地，根据不同设计要求，第一电压电平可为逻辑值“0”而第二电压电平可为逻辑值“1”。因为光盘310旋转，所以光发射器320与光检测器330之间的周期性中断随光盘310旋转而发生，其将产生如图4a或图4b的上部部分所展示的波形的脉冲流式传输。

图4a说明根据表示本发明的一些实施例的波形的时序图。在一些实施例中，图4a的上部部分所展示的波形v300由图3a中的光学编码器300的光检测器330产生，而图4a的下部部分所展示的波形v115由图2中的光学编码器115的光检测器产生。如图4a中所示，波形v300具有第一电压电平(逻辑值“1”)和第二电压电平(逻辑值“0”)。如果由图3a中的光发射器320发射的光l1由光检测器330经由光盘310的第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f以及第二孔口311中的任一个检测到，那么由例如光检测器330产生具有第一电压电平的信号。如果由光发射器320发射的光l1被光盘310阻挡，那么由例如光检测器330产生具有第二电压电平的信号。脉冲的第一电压电平的周期t1为孔口在光发射器320与光检测器330之间的周期。脉冲的第二电压电平的周期t2为光盘310的不透明部分在光发射器320与光检测器330之间的周期。在一些实施例中，周期t1等同于周期t2。在一些实施例中，周期t1或t2表示图1中所展示的接合点150的旋转角度。因此，接合点150的旋转角度可经由由光学编码器300的光检测器330产生的波形v300导出或获得。

在一些实施例中，如图1中所示，因为齿轮减速器120连接到马达110以变换马达110的转速，故光学编码器300(连接到接合点150)的光盘的角速度小于光学编码器115(连接到马达110)的环的角速度。因此，由编码器115的光检测器产生的脉冲的频率高于由编码器300的光检测器330产生的脉冲的频率。根据本发明的一些实施例，如图4a中所示，编码器300的光检测器330产生一个脉冲而编码器115的光检测器产生五个脉冲。举例来说，由编码器115的光检测器产生的脉冲的频率与由编码器300的光检测器330产生的脉冲的频率的比率为约5∶1。在一些实施例中，可根据不同设计要求来调整由编码器115的光检测器产生的脉冲的频率与由编码器300的光检测器330产生的脉冲的频率的比率。

因为光学编码器115的环的孔口具有大体上共同宽度且光学编码器300的光盘310的第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f具有大体上共同宽度，故当光盘310在第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f的一个末端与第一组孔口310a、310b、310c、310d、310e和310f的另一末端之间(即，在孔口310a到孔口310e之间)的范围内旋转时，由编码器115的光检测器产生的脉冲的频率与由编码器300的光检测器330产生的脉冲的频率的比率保持在5∶1。在此情况下，接合点150在一个工作范围中操作，且接合点150的旋转尚未达到受限角度。换句话说，在接合点150在所述工作范围中操作时，一旦编码器115的光检测器产生五个脉冲(或根据不同实施例的其它数目的脉冲)，那么由编码器300的光检测器330产生的信号的电压电平将变换(从逻辑值“1”到逻辑值“0”或从逻辑值“0”到逻辑值“1”)。

在光盘310保持顺时针旋转直到第二孔口311位于光发射器320与光检测器330之间时，即使编码器115的光检测器产生五个或多于五个脉冲(如图4a的周期t3中所示)，由编码器300的光检测器330产生的信号也将维持在第一电压电平(逻辑值“1”)。在此情况下，接合点150的旋转已沿顺时针方向达到受限角度且应终止。

类似地，在光盘310保持逆时针旋转直到光盘310的第二区域31b位于光发射器320与光检测器330之间时，即使编码器115的光检测器产生五个或多于五个脉冲(如图4b的周期t4中所示)，由编码器300的光检测器330产生的信号也将维持在第二电压电平(逻辑值“0”)。在此情况下，接合点150的旋转已沿逆时针方向达到受限角度且应终止。

在一些现存方法中，在旋转机构的接合部处要求两个光学编码器，其中一个光学编码器用于检测或测量旋转机构的位置或旋转角度，且另一个用于确定所述旋转机构的位置或旋转角度是否已达到受限位置或角度。然而，两个光学编码器的使用将增加制造成本。根据本发明的一些实施例，如图1到图4b中所示，旋转角度或位置和受限角度或位置二者皆可通过使用包含带有具有不同宽度(即，第一组孔口中的每一个的宽度和第二孔口的宽度)的孔口的光盘310的单个光学编码器310确定。因此，可降低可旋转机构100的整体制造成本。

图5说明展示根据本发明的一些实施例的操作图1中的可旋转机构100的方法的流程图。在一些实施例中，图5中所展示的方法可用于根据不同设计要求而操作其它可旋转机构。

参考s51，在可旋转机构100开始操作时，连接到接合点150的光学编码器300的光盘310随马达110旋转而开始旋转，且随后检测到在光学编码器300的光检测器330的输出处的信号。在一些实施例中，在光学编码器300的光检测器330的输出处的信号为如图4a和图4b中所展示的数字信号。替代地，在光学编码器300的光检测器330的输出处的信号可为模拟信号，且随后由模拟到数字转换器转换为数字信号。

参考s52，在光学编码器300的光检测器330的输出处的信号经检查以确定所输出信号是否为具有恒定周期的脉冲信号。

参考s53，如果所输出信号为具有恒定周期的脉冲信号(例如具有如图4a中所示的周期t1或t2的脉冲)，那么可旋转机构100在一个工作范围中操作，且接合点150的旋转角度可经由由光学编码器300的光检测器330产生的波形而获得或导出。

参考s54，如果由编码器300的光检测器330产生的信号维持在固定电压电平处(如图4a的周期t3或图4b的周期t4中所示)，那么即使连接到马达110的编码器115的光检测器产生预定数目个脉冲(例如五个或多于五个脉冲)，也将确定接合点150的旋转已达到受限角度(基于连接到马达110的编码器115的信号)。

参考s55，如果固定电压电平为逻辑值“1”(如图4a的周期t3中所示)，那么将确定接合点150已沿顺时针方向达到受限角度。参考s56，接合点150的旋转终止且随后马达110开始在相对方向上旋转以使接合点150的位置复位。

参考s57，如果固定电压电平为逻辑值“0”(如图4b的周期t4中所示)，那么将确定接合点150已沿逆时针方向达到受限角度。参考s58，接合点150的旋转终止且随后马达110开始以相对方向旋转以使接合点150的位置复位。

如本文中所使用，术语“大约”、“大体上”、“实质的”和“约”用以描述和解释小变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形明确发生的实例以及其中事件或情形极近似于发生的实例。举例来说，当结合数值使用时，所述术语可指代小于或等于彼数值的±10％的变化范围，例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或者小于或等于±0.05％的变化范围。举例来说，如果两个数值之间的差小于或等于所述值的平均值的±10％(例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或者小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”或“约”相同或相等。举例来说，“大体上”平行可指代相对于0°来说小于或等于±10°的角度变化的范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或小于或等于±0.05°的变化范围。举例来说，“大体上”垂直的可指代相对于90°来说小于或等于±10°的角度变化的范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或小于或等于±0.05°的角度变化的范围。

如果两个表面之间的位移不大于5μm、不大于2μm、不大于1μm或不大于0.5μm，那么可认为所述两个表面共面或大体上共面。

如本文中所使用，术语“导电(conductive)”、“导电(electricallyconductive)”和“导电率”指代传送电流的能力。导电材料通常指示呈现对于电流的流动的极小或零阻力的那些材料。电导率的一个度量为西门子每米(s/m)。通常，导电材料为具有大于大约10⁴s/m(例如至少10⁵s/m或至少10⁶s/m)的电导率的一种材料。材料的电导率有时可随温度而变化。除非另外规定，否则材料的电导率是在室温下测量。

除非上下文另外明确地规定，否则如本文中所使用，单数术语“一(a/an)”和“所述”可包含多个指代物。在对一些实施例的描述中，提供在另一组件“上”或“上方”的组件可涵盖前一组件直接在后一组件上(例如，与后一组件物理接触)的情况以及一或多个介入组件位于前一组件与后一组件之间的情况。

尽管已参考本发明的特定实施例描述且说明本发明，然而这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清楚地理解，可作出各种改变，且可在实施例内替代等效组件而不脱离如由所附权利要求书所限定的本发明的真实精神和范围。所述说明可不必按比例绘制。归因于制造过程的类中的变量，本发明中的艺术再现与实际设备之间可存在区别。可存在并未特定说明的本发明的其它实施例。应将本说明书和图式视为说明性而非限制性的。可作出修改，以使特定情形、材料、物质组成、方法或工艺适应于本发明的目标、精神和范围。所有此类修改希望在此处附加的权利要求书的范围内。尽管已参考按特定次序执行的特定操作来描述本文中所公开的方法，但可理解，在不脱离本发明的教示的情况下，可组合、细分，或重新定序这些操作以形成等效方法。因此，除非在本文中特定指示，否则操作的次序和分组并非对本发明的限制。

符号说明

310e孔口

31a第一区域

31b第二区域

100可旋转机构

100a第一末端部分

100b第二末端部分

110马达

115光学编码器

115r环

115h孔口

120齿轮减速器

130驱动板

140螺杆

150接合点

300光学编码器

310光盘

310a孔口

310b孔口

310c孔口

310d孔口

310f孔口

311孔口

320光发射器

330光检测器

l1光

s51步骤

s52步骤

s53步骤

s54步骤

s55步骤

s56步骤

s57步骤

s58步骤

t1周期

t2周期

t3周期

t4周期

v115波形

v300波形