專利名稱：光學(xué)編碼設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于感測位置和/或運(yùn)動的光學(xué)編碼器件。
背景技術(shù)：
光學(xué)編碼器用在各種情況下來判斷物體相對于某一基準(zhǔn)的位置和/或運(yùn)動。光學(xué)編碼器通常用在機(jī)械系統(tǒng)中作為測量和跟蹤運(yùn)動部件之間運(yùn)動的廉價(jià)的和可靠的方式。例如，當(dāng)在諸如紙張的圖像介質(zhì)上打印圖像或者從介質(zhì)掃描圖像時，諸如打印機(jī)、掃描儀、影印機(jī)、傳真機(jī)、繪圖儀和其它成像系統(tǒng)通常使用光學(xué)編碼器來跟蹤圖像介質(zhì)的運(yùn)動。
一般而言，光學(xué)編碼器包括與“碼輪”或者“碼帶”協(xié)同工作的某形式的光學(xué)發(fā)射器/檢測器對。碼輪一般是圓形并且能夠用來檢測旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，例如打印機(jī)或者復(fù)印機(jī)中送紙鼓的運(yùn)動。相反，碼帶一般呈線性形式，并且能夠用來檢測線性運(yùn)動，例如打印機(jī)和打印頭的位置和速度。取決于光學(xué)編碼器的形式，這樣的碼輪和碼帶一般含有狹槽和條帶的規(guī)則圖案。
盡管光學(xué)編碼器已經(jīng)證明是可靠的技術(shù)，但是還存在很大的簡化制造操作、減少制造工序數(shù)目、減少部件數(shù)目和減小工作空間的產(chǎn)業(yè)壓力。因而，需要與光學(xué)編碼器有關(guān)的新技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
在以下實(shí)施例中，本公開的新穎系統(tǒng)和設(shè)備消除了對碼輪/碼帶的需要。通過將線性光學(xué)器件結(jié)合到編碼器的發(fā)射器和檢測器中，然后施加某種智能后處理，可以形成沒有碼輪/碼帶的可靠的光學(xué)編碼器。
在第一方面，提供一種光學(xué)編碼設(shè)備，其用于檢測機(jī)械裝置的位置和/或運(yùn)動，該設(shè)備包括碼尺、具有一個或者多個部分的編碼器殼體、和嵌在編碼器殼體中的光檢測傳感器，其中，光檢測傳感器能夠感測由重疊在光檢測傳感器上的碼尺所產(chǎn)生的圖案，并且其中，光檢測傳感器包括光檢測元件的n×m二維陣列，其中，n和m都是大于4的整數(shù)。
在第二方面，提供一種光學(xué)編碼設(shè)備，其用于檢測機(jī)械裝置的位置和/或運(yùn)動，該設(shè)備包括碼尺；編碼器殼體，其具有一個或者多個部分；光檢測裝置，其嵌在編碼器殼體內(nèi)，并且用于感測由碼尺產(chǎn)生的二維圖案；連接到光檢測裝置的處理裝置，用于補(bǔ)償碼尺相對于編碼器殼體的對準(zhǔn)誤差，并且用于確定碼尺相對于編碼器殼體的運(yùn)動。
在第三方面，提供一種校準(zhǔn)機(jī)械裝置的方法，該機(jī)械裝置具有光學(xué)編碼設(shè)備，其中，光學(xué)編碼設(shè)備包括碼尺、編碼器殼體和光檢測傳感器，其中，光檢測傳感器包含具有至少4×4元件的光檢測元件二維陣列。該方法包括基于由光檢測傳感器檢測的運(yùn)動來補(bǔ)償對準(zhǔn)誤差的步驟。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)的描述時，能夠最佳理解示例性實(shí)施例。強(qiáng)調(diào)的是各種特征不一定是按比例繪制的。事實(shí)上，出于論述清楚的目的，尺寸可能有任意增大或者減小。類似的參考標(biāo)號在任何可行之處都表示類似的元件。
圖1示出用于本公開的方法和系統(tǒng)的基于反射的光學(xué)編碼器；圖2示出用于本公開方法和系統(tǒng)的示例性檢測器；圖3A示出具有重疊的第一投影碼尺圖案的圖2的示例性檢測器；圖3B示出對于圖3A的示例情況，受影響的檢測元件；圖3C示出對于圖3A的示例，用于檢測有關(guān)碼尺的運(yùn)動和方向的受影響檢測元件的示例性子集；圖4A示出具有重疊的第二投影碼尺圖案的圖2的示例性檢測器；圖4B示出對于圖4A的示例，受影響的檢測元件；圖4C示出對于圖4A的示例，用于對有關(guān)碼尺的運(yùn)動和方向進(jìn)行檢測的受影響檢測元件的示例性子集；和圖5是概要示出根據(jù)本公開的示例性處理的流程圖。
具體實(shí)施例方式
在下面詳細(xì)的說明中，出于說明和非限制性的目的，為了提供對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的完整理解，闡述了公開具體細(xì)節(jié)的示例性實(shí)施例。然而，受益于本公開的本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，根據(jù)本發(fā)明但脫離了此處公開的具體細(xì)節(jié)的其它實(shí)施例仍然在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。而且，可能省略了對公知的設(shè)備和方法的描述，以免使示例性實(shí)施例的描述不清楚。這樣的方法和設(shè)備顯然在本技術(shù)教導(dǎo)的范圍內(nèi)。
光學(xué)編碼器一般分成兩類基于透射的光學(xué)編碼器和基于反射的光學(xué)編碼器。以下公開主要針對基于反射的光學(xué)編碼器。然而，應(yīng)該理解到，有關(guān)思想易于應(yīng)用到基于透射的編碼器。
圖1示出第一基于反射的光學(xué)編碼器100?；诜瓷涞木幋a器100包括安裝在襯底110上并且封裝在光學(xué)殼體120中的光學(xué)發(fā)射器122和光學(xué)檢測器132，其中光學(xué)殼體120通常由某種形式的樹脂或者玻璃制成。示例性光學(xué)殼體120具有兩個穹頂形透鏡124和132，其中第一透鏡124直接在光學(xué)發(fā)射器122的上方，第二透鏡132直接在光學(xué)檢測器134的上方。碼尺193(即，碼輪、碼帶等)位于殼體120上方的本體190上，并且在本實(shí)施例中是扁平的線性移動的本體或者旋轉(zhuǎn)盤。從檢測器134到后處理器(未示出)設(shè)置鏈路，以便能夠正確獲取到達(dá)檢測器134的光信號。
在操作中，由光學(xué)發(fā)射器122發(fā)射的光能夠由第一透鏡124聚焦，然后傳播到在位置195處的碼尺193。如果碼尺193定位成沿著傳播光的路徑150存在著反射狹槽/條帶，則傳播的光將反射到第二透鏡132，然后由第二透鏡132聚焦到能夠檢測到該光的光學(xué)檢測器134。如果碼尺193定位成沿著傳播的光的路徑150不存在反射狹槽/條帶，則透射光將被有效地阻擋，并且光學(xué)檢測器134能夠檢測到不存在光。如果碼尺193構(gòu)造成在位置195同時存在反射和非反射條帶的組合，則碼尺193能夠反射與反射和非反射條帶的圖案相匹配的光，使得圖案有效地投影到光學(xué)檢測器134上。
一般地，應(yīng)該理解到，光學(xué)編碼器的安裝是一項(xiàng)精密和耗時的任務(wù)。例如，必須以高對準(zhǔn)精度來安裝典型的光學(xué)編碼器，不這樣做會導(dǎo)致光學(xué)編碼器在效果上產(chǎn)生故障。因而，與安裝精密的光學(xué)編碼器有關(guān)的制造成本會很大。
為了克服這個問題，本公開的方法和系統(tǒng)的發(fā)明者已經(jīng)研制出高柔性光感測檢測器，其不僅解決了大多數(shù)對準(zhǔn)問題，而且也提供了很多其它優(yōu)點(diǎn)。圖2圖示了用于本公開的方法和系統(tǒng)的示例性光感測檢測器200。如在圖2中所示，光感測檢測器200包括光檢測元件210的陣列，其中每個光檢測元件210能夠獨(dú)立地感測光，將所感測的光轉(zhuǎn)換成電學(xué)量(例如，電流、電壓或者電阻)并且將該電學(xué)量送至外部裝置(諸如具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號處理器/控制器)。盡管示例性光感測檢測器200包括光檢測元件210的10×10陣列，但是應(yīng)該理解到這樣陣列的大小可以變化到2×2之小(或者更實(shí)用的4×4陣列)，或者根據(jù)使用的特定情況也可以超過100×100元件。此外，光檢測元件210陣列的總大小(W1×H1)還能夠根據(jù)需要或者另外由使用特定情況所要求而改變。
如將在以下所示，圖2的光感測檢測器200不僅能夠用來減輕對準(zhǔn)誤差，還具有一些其它重要的優(yōu)點(diǎn)。
例如，與一維運(yùn)動相反，光感測檢測器200能夠用來感測二維運(yùn)動，這一點(diǎn)其它光學(xué)編碼器是受到限制的。此外，光感測檢測器200能夠用來以足夠的精確度水平檢測任何角度的偏心運(yùn)動，以確保光學(xué)編碼器的精確和可靠的操作。而且，光感測檢測器200能夠用來檢測碼尺相對于編碼器本體的旋轉(zhuǎn)。
進(jìn)一步，光感測檢測器200能夠用來檢測特定碼尺上可能出現(xiàn)的具體形狀。例如，特定的碼帶可以由整個長度上的交替的矩形條帶和窗口組成，但是另外含有一個或者多個獨(dú)特的圖案(例如，正方形、星形、圓形等)以表示位置數(shù)據(jù)(諸如，中心或者位置基準(zhǔn))。這樣的形狀信息還使處理器能夠確定特定的型號或者改型改進(jìn)，因?yàn)榭梢院羞@樣的信息例如寫在碼尺上的特定窗口形狀、條形碼或者甚至一系列字母數(shù)字符號。
圖3A圖示了在碼尺投影310重疊在檢測器200上的情況下圖2的檢測器200。這種示例性系統(tǒng)的特定碼尺構(gòu)造成相對于檢測器210在左右方向上運(yùn)動，并且如由圖3A的構(gòu)造可知，碼尺的運(yùn)動只影響有限數(shù)量的光檢測元件(即，5×10子陣列)。
圖3B更清楚地示出了受影響的光檢測元件320(如陰影所示)，并且進(jìn)一步表示圖3A的碼尺310偏移了線性距離D1，該距離是能夠由對檢測器200進(jìn)行監(jiān)視的處理器識別的距離。可以理解，如果只是所選數(shù)量的光檢測元件320受到影響，則對檢測器200進(jìn)行監(jiān)視的處理器不必監(jiān)視每個檢測元件。相反，由于碼尺運(yùn)動僅僅影響了一百個檢測元件的中的五十個，監(jiān)視碼尺運(yùn)動的處理器能夠通過僅僅監(jiān)視五十個所受影響的檢測元件320來在不惡化性能的情況下消除許多不必要的處理。
參照圖3C，應(yīng)該理解到，不是必須通過受影響的所有五十個檢測元件320來監(jiān)視碼尺運(yùn)動。因而，圖3C圖示了用來監(jiān)視碼尺運(yùn)動和方向的檢測元件330的示例性最小子集(如陰影所示)。盡管圖3C的示例中僅使用了四個檢測元件330，但應(yīng)該理解到可以用更多的檢測元件帶來冗余性、更高的可靠性或者一些其它所需特征。還應(yīng)該理解到，所選的檢測元件不必是連續(xù)的，而是可以在五十個受影響的檢測元件320中分布成任何有用的圖案。此外，盡管在一些實(shí)施例中，所使用的檢測元件的數(shù)目和圖案可以基于進(jìn)行必要操作所需的最小數(shù)目的檢測元件而選擇，但是也可以應(yīng)用其它標(biāo)準(zhǔn)，包括與優(yōu)化處理、可靠性和功能有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。
圖4A圖示了在第二碼尺投影410重疊在檢測器200上的情況下圖2的檢測器200。本示例性系統(tǒng)的特定碼尺構(gòu)造成相對于檢測器200(和有關(guān)編碼器本體)在偏心方向上移動，并且從圖4A的構(gòu)造可知，碼尺運(yùn)動僅僅影響了有限數(shù)量的光檢測元件。
圖4B更清楚地圖示了圖4A中受影響的光檢測元件420。完全受影響的(即完全露出和完全遮蔽的)那些光檢測元件用深的陰影表示，受到部分影響的那些光檢測元件用淺的陰影表示。圖4A的碼尺410偏移了線性距離D2和角度偏移θ2，這兩個量都能夠由對檢測器200進(jìn)行監(jiān)視的處理器識別。
又如之前實(shí)施例那樣，可以理解，如果只是所選數(shù)目的光檢測元件420受到影響，則對檢測器200進(jìn)行監(jiān)視的處理器不必監(jiān)視每個檢測元件。進(jìn)一步，如圖4C所示，應(yīng)該理解到，不是需要所有受影響的檢測元件420監(jiān)視碼尺運(yùn)動，而是可以基于任意數(shù)量的功能標(biāo)準(zhǔn)(諸如處理、冗余性、可靠性等)來選擇監(jiān)視碼尺運(yùn)動和方向所用的檢測元件430的子集。
盡管圖3A和圖4A針對的是一個方向碼尺運(yùn)動，但是應(yīng)該理解到通過改變碼尺使之包括窗口的二維陣列，圖2的檢測器200(在處理器的支持下)通過監(jiān)視重疊在檢測器200上方的窗口的相對運(yùn)動，能夠用來感測沿著二維的運(yùn)動和方向，但是注意，所有的檢測元件210將可能在操作中受到影響。
此外，參照圖3A和圖4A，應(yīng)該理解到假定檢測元件210的相對分辨率大到足以檢測單個碼尺窗口的相對形狀，則能夠檢測到碼尺的旋轉(zhuǎn)。即，如果當(dāng)碼尺從θ＝0的角度(圖3A)旋轉(zhuǎn)到θ＝θ2(圖4A)的角度時檢測元件的即時數(shù)量和圖案會變化，則能夠通過適當(dāng)?shù)暮筇幚韽臋z測器200獲得角度信息。
圖5是概要示出使用和校準(zhǔn)光學(xué)編碼器(諸如具有上述相配部件的光學(xué)編碼器)的示例性操作的流程圖。處理在步驟502開始，在步驟502，將編碼器本體安裝在用作諸如打印頭或者打印鼓的特定裝置上。接著，在步驟504，還安裝有關(guān)碼尺(例如，碼帶或者碼輪)。控制進(jìn)行到步驟506。
在步驟506，碼尺相對于編碼器本體運(yùn)動，以確定編碼器本體中檢測器的單個檢測元件的響應(yīng)性。示例性檢測器可以是n×m陣列(諸如在圖2-圖4C中所示的10×10陣列)器件。然而，如上所述，檢測器的大小、形狀和分辨率能夠依實(shí)施例不同而變化，這一點(diǎn)會是有用的或者有利的。接著，在步驟508，確定由步驟506的動作影響的檢測元件的數(shù)目。控制進(jìn)行到步驟510。
在步驟510，基于步驟506的動作能夠確定一些其它有用的特性，包括線性失調(diào)、角度失調(diào)、碼尺相對于編碼器本體的相對角運(yùn)動、碼尺和/或使用碼尺的裝置的型號/改型、碼尺窗口的形狀、碼尺條帶的形狀、碼尺運(yùn)動屬性(例如，一維、二維、偏心)等?？刂七M(jìn)行到步驟512。
在步驟512，選擇檢測器中適合組的檢測元件供使用。在各種實(shí)施例中，這樣的組可以是使用中所影響到的檢測元件的總數(shù)目(包括或者不包括受到部分影響的檢測元件)，或者也可以是基于減少工序的標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化性能的標(biāo)準(zhǔn)、冗余性/可靠性標(biāo)準(zhǔn)、各種標(biāo)準(zhǔn)的折衷或者一些其它有用標(biāo)準(zhǔn)而定的某個子集。
在步驟514，對包括步驟502和504的碼尺和編碼器本體的裝置進(jìn)行操作來檢測任何一維運(yùn)動、二維運(yùn)動、偏心運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動等。這樣的操作一直持續(xù)到所需或期望的時刻，并且控制繼續(xù)到處理停止的步驟550。
盡管在此處公開了示例性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以明白，根據(jù)本技術(shù)教導(dǎo)可以有許多改變形式并仍在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。因而本實(shí)施例除了所附的權(quán)利要求范圍之外不受限制。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)編碼設(shè)備，其用于檢測機(jī)械裝置的位置和/或運(yùn)動，所述設(shè)備包括碼尺；編碼器殼體，其具有一個或者多個部分；和光檢測傳感器，其嵌在所述編碼器殼體中，其中，所述光檢測傳感器能夠感測由重疊在所述光檢測傳感器上的所述碼尺所產(chǎn)生的圖案，并且其中，所述光檢測傳感器包括光檢測元件的n×m二維陣列，其中，n和m都是大于4的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)編碼設(shè)備，還包括處理器件，其連接到所述光檢測傳感器，并且能夠確定由每個光檢測元件所接收的光量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件構(gòu)造成基于從所述光檢測傳感器接收的信號確定所述碼尺相對于所述編碼器殼體的線性偏移和角度偏移中至少一項(xiàng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件構(gòu)造成基于從所述光檢測傳感器接收的信號確定所述碼尺相對于所述編碼器殼體的二維運(yùn)動。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件構(gòu)造成基于從所述光檢測傳感器接收的信號檢測至少兩個不同窗口形狀或者兩個不同條帶形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件構(gòu)造成檢測所述碼尺相對于所述編碼器本體的旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件構(gòu)造成確定所述光檢測傳感器的當(dāng)所述碼尺相對于所述編碼器本體改變位置時改變狀態(tài)的受影響的光檢測元件組，其中，所述受影響的光檢測元件組是所述光檢測傳感器的光檢測元件的總數(shù)目的子集。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件還構(gòu)造成基于所述受影響的檢測元件組的每個元件來至少檢測所述碼尺相對于所述編碼器本體的位置變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件還構(gòu)造成基于所述受影響的檢測元件組的元件子集來至少檢測所述碼尺相對于所述編碼器本體的位置變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件還構(gòu)造成基于所述光檢測元件組的檢測元件的最少的可行數(shù)目來至少檢測所述碼尺相對于所述編碼器本體的位置變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述處理器件還構(gòu)造成至少使用所述受影響的檢測元件組內(nèi)的多個檢測元件來補(bǔ)償所述碼尺相對于所述編碼器本體的失調(diào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，每個檢測元件等于或者小于所述碼尺的投影窗口的寬度的一半。
13.一種光學(xué)編碼設(shè)備，其用于檢測機(jī)械裝置的位置和/或運(yùn)動，所述設(shè)備包括碼尺；編碼器殼體，其具有一個或者多個部分；和光檢測裝置，其嵌在所述編碼器殼體內(nèi)，并且用于感測由所述碼尺產(chǎn)生的二維圖案。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)編碼設(shè)備，還包括連接到所述光檢測裝置的處理裝置，用于補(bǔ)償所述碼尺相對于所述編碼器殼體的對準(zhǔn)誤差，并且用于確定所述碼尺相對于所述編碼器殼體的運(yùn)動。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述光檢測裝置和處理裝置能夠檢測以下當(dāng)中至少一個所述碼尺相對于所述編碼器本體的失調(diào)、所述碼尺相對于所述編碼器本體的二維運(yùn)動、所述碼尺相對于所述編碼器本體的偏心運(yùn)動和所述碼尺相對于所述編碼器本體的旋轉(zhuǎn)。
16.一種校準(zhǔn)機(jī)械裝置的方法，所述機(jī)械裝置具有光學(xué)編碼設(shè)備，其中，所述光學(xué)編碼設(shè)備包括碼尺、編碼器殼體和光檢測傳感器，并且其中，所述光檢測傳感器包含具有至少4×4元件的光檢測元件二維陣列，所述方法包括基于由所述光檢測傳感器檢測的運(yùn)動補(bǔ)償對準(zhǔn)誤差。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，補(bǔ)償對準(zhǔn)誤差包括下述第一步驟相對于所述編碼器本體移動所述碼尺，并且確定由所述運(yùn)動影響的所述光檢測傳感器的第一組光檢測元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，補(bǔ)償對準(zhǔn)誤差包括選擇第二組光檢測元件以用于確定碼尺相對于所述編碼器本體的運(yùn)動，其中，所述第二組光檢測元件的每個元件都能在所述第一組光檢測元件中找到。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述補(bǔ)償對準(zhǔn)誤差的步驟包括補(bǔ)償角度對準(zhǔn)誤差。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述補(bǔ)償對準(zhǔn)誤差的步驟包括補(bǔ)償線性偏移誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光學(xué)編碼設(shè)備，其用于檢測機(jī)械裝置的位置和/或運(yùn)動，該設(shè)備包括碼尺、具有一個或者多個部分的編碼器殼體、和嵌在編碼器殼體中的光檢測傳感器，其中，光檢測傳感器能夠感測由重疊在光檢測傳感器上的碼尺所產(chǎn)生的圖案，并且其中，光檢測傳感器包括光檢測元件的n×m二維陣列，其中，n和m都是大于4的整數(shù)。
文檔編號G01D5/34GK101055195SQ20071009810
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者塞弗·巴哈里·賽丹, 葉騰宏, 陳強(qiáng)孫, 成金常, 葉秦宏 申請人:安華高科技杰納勒爾Ip(新加坡)私人有限公司