專利名稱：探測旋轉(zhuǎn)和直線運動的光編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分涉及一種也稱作光編碼器的定量探測旋轉(zhuǎn)和直線運動的光學(xué)裝置。
光編碼器用于探測運動物體的旋轉(zhuǎn)和直線運動的旋轉(zhuǎn)角或長度和方向。這類裝置的基本部件有發(fā)射體系統(tǒng)、掃描板，它一般為掃描盤或掃描標尺和檢測器系統(tǒng)。發(fā)射體系統(tǒng)一般由發(fā)光二極管組成。由激光二極管發(fā)射的光束被掃描板調(diào)制。這個板與運動物體連接并具有一周期性的開孔樣板。檢測系統(tǒng)探測被掃描板調(diào)制的激光二極管的發(fā)射信號并在輸出端提供有關(guān)計數(shù)脈沖和運動方向的信息。
迄今為止的光編碼器的型式由一只具有附屬光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)光二極管，掃描板和具有計值邏輯的檢測器陣列構(gòu)成。發(fā)射體一側(cè)產(chǎn)生一束盡可能均勻照射檢測器陣列的光束。檢測器陣列由安置在直線運動方向或?qū)πD(zhuǎn)運動正切方向的至少兩只光電二極管組成。光電二極管的間距為掃描盤周期的1/4，兩相鄰光電二極管的信號彼此90°相移。光電二極管的輸出信號在分析電路里合適地預(yù)處理，以便提供運動的位置和方向。
兩直線安排的光電二極管對確定位置和方向足夠了?？墒窃趥鹘y(tǒng)技術(shù)里廣泛流傳具有四個直線安置的光電二極管，像例如在US-A-4,654 525內(nèi)描述的。這種安排以及與光電二極管耦合的分析電路附加地允許補償激光二極管的光強度起伏。
因此迄今為止的系統(tǒng)限于在檢測器一側(cè)安置許多光電接收器。這種限制由于許多原因有缺點。所以光編碼器首先必須具有節(jié)省占地的結(jié)構(gòu)。因此一開始在檢測器方面這個要求就很難滿足。
因此本發(fā)明的任務(wù)是提供一臺定量探測直線和旋轉(zhuǎn)運動的在檢測器方面能簡單制造的光學(xué)裝置，尤其是，本發(fā)明的任務(wù)是提供一臺只用一個光電接收器運行的這種裝置。
根據(jù)本發(fā)明此項任務(wù)是如此解決的，即本發(fā)明涉及的定量探測直線和旋轉(zhuǎn)運動的光學(xué)裝置，具有一個發(fā)光裝置，一個包含透光區(qū)和不透光區(qū)的掃描裝置，一個檢測裝置以及一個與檢測裝置耦合的分析電路，其中，發(fā)光裝置至少具有兩只相鄰安置在直線運動方向上的或?qū)πD(zhuǎn)運動正切方向上的發(fā)光器，具有相同或不同的時鐘頻率的脈沖運行的發(fā)光體是可控制的，其光束交替地射到檢測器上，檢測器裝置具有一只如此大且如此定位的光電接收器，以至所有發(fā)光器的光束是可通過它探測的，且設(shè)計了為分離來自不同光發(fā)射器信號的分析電路，由此可推斷出位置和運動方向。
優(yōu)先光電接收器和分析電路在單一半導(dǎo)體芯片內(nèi)集成。
發(fā)射體所加時鐘頻率比掃描板的調(diào)制頻率高得多，即以此頻率運動物體在運動時正常地通過光束穿過掃描孔。
在本發(fā)明的第1實施例為發(fā)光體提供一控制設(shè)備，該控制設(shè)備是這樣設(shè)計的，即它用相同的時鐘頻率但有一定相移例如可以為90°的控制脈沖來控制發(fā)光體。
在本發(fā)明的第2實施例為發(fā)光體提供一控制裝置，該控制設(shè)備是這樣設(shè)計的，即它可以用不同時鐘頻率的控制脈沖控制發(fā)光體。
主要用垂直諧振腔發(fā)射裝置，尤其是VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)作發(fā)光器，因為其特征為特別低的發(fā)散和高亮度。
本發(fā)明光編碼器突出優(yōu)點是它能用單一光電接收器運行。
本發(fā)明的實施例依靠附圖詳細說明如下，這些附圖是

圖1示出本發(fā)明的光學(xué)裝置的實施例的透視示意圖；圖1B示出對圖1裝置的示意俯視圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明第1實施結(jié)構(gòu)的發(fā)射器11和12的光脈沖序列；圖3根據(jù)本發(fā)明第2實施結(jié)構(gòu)的發(fā)射器11和12的光脈沖序列。
在圖1示意描繪了本發(fā)明光編碼器的一實施例。發(fā)光裝置1具有發(fā)射光束11A和12A的兩發(fā)光器11和12。發(fā)光器11和12主要是垂直腔面發(fā)射激光二極管(VCSEL)，因為其特征為特別好的發(fā)射特性，尤其是低的發(fā)散度和高的亮度。在這種情況下可以放棄其它的光學(xué)元件如用于激光束聚焦的透鏡。
光束11A和12A用于確定運動物體的旋轉(zhuǎn)或直線運動的位置和方向。為此目的光束穿過固定在運動體上的掃描盤2并且其運動猶如成像顯示。掃描盤在探測旋轉(zhuǎn)運動時多半是圓形的掃描盤而探測直線運動時多半是一掃描標尺。描繪了例如如箭頭方向所示運動的掃描板2的一部分。它具有一個由透光區(qū)21、掃描孔和不透光區(qū)22組成的周期性的孔樣板。通過透光區(qū)21光束11A和12A在一定的掃描板2位置可以完全穿過并射到光電接收器上。光電接收器3的接收面積是如此之大，以至可以完全探測兩光束。未圖示的分析電路與光電接收器連接。在分析電路內(nèi)信號處理成提供運動位置和方向的輸出信號。分析電路和光電接收器可以集成到單一半導(dǎo)體芯片上。
圖1B內(nèi)以頂視圖形式描繪了圖1A的裝置。這圖示出了掃描板2的位置，其中兩束從劃陰線的發(fā)光器11和12射出的光束穿過掃描孔21并射到光電接收器3的接收面上。正如人們了解的那樣，在運動方向激光二極管11和12的總寬度大體相當于掃描孔21的寬度。因此激光二極管恰好處于掃描孔內(nèi)。另外表示激光二極管之間距即其各自的前緣間的距離約為掃描盤周期的1/4。
如果現(xiàn)在掃描板在一定方向運動，則激光二極管之一的光束越來越多被不透光區(qū)22遮斷，而另一激光二極管的光束仍然完全穿過。因此，這可以理解為，通過分析電路激光二極管信號的時間上分離是必要的。
為此目的控制激光二極管脈沖運行，以便因此在分析電路內(nèi)實現(xiàn)信號分離。信號頻率比掃描盤的調(diào)制頻率高許多，即比由于運動物體的運動掃描孔通過光束的頻率高許多。
在圖2描繪了脈沖運行的第1實施例。在這里激光二極管用相同的脈沖頻率控制，可是激光二極管12的脈沖序列具有對激光二極管11的脈沖序列的90°的相位滯后。在每一循環(huán)周期分析電路接收從光電接收器3來的兩相繼的短脈沖序列。相位超前和滯后的脈沖輸入到不同的分析電路的分析通道。因此兩分析通道包含按照時間變化有90°相移的信號。
在圖2兩脈沖序列的脈沖高度是相同的并且不隨時間變化，即掃描盤停止。如果現(xiàn)在盤運動，則兩脈沖序列之一的強度下降，因為相應(yīng)的激光二極管的光束遮蔽增加。因為分析電路知道相位超前的脈沖來源于激光二極管11，所以分析電路能根據(jù)確定那個脈沖序列減弱來推斷運動方向。而且從強度下降的速度以及信號的其它變化分析電路可以求出運動的速度和距離。
脈沖在不同分析通道上的分布可以通過包含在分析電路內(nèi)的電子開關(guān)例如在應(yīng)用觸發(fā)器條件下處理。
在圖3描繪了脈沖運行的第2實施例。在這里激光二極管用不同的脈沖頻率控制。例如正如所示的那樣，激光二極管11用第1頻率f1控制而激光二極管12用第2頻率f2控制，f2比f1高約1倍。在這里脈沖序列輸入到不同的分析通道。脈沖序列的分離可以例如通過帶通濾波器實現(xiàn)。
在該方案中分析電路依靠脈沖頻率識別激光二極管并因此有能力對運動方向作出判斷。
本發(fā)明并不限于只具有兩只發(fā)光器的應(yīng)用。它也可以應(yīng)用多于兩只直線安置的發(fā)光器，例如根據(jù)圖2的實施例它們放出相繼的彼此相移約90°的脈沖序列，或根據(jù)圖3的實施例具有相應(yīng)數(shù)目的不同的時鐘頻率。
權(quán)利要求
1.定量探測直線或旋轉(zhuǎn)運動的光學(xué)裝置，具有一個發(fā)光裝置(1)，一個包含透光區(qū)(21)和不透光區(qū)(22)的掃描裝置(2)，一個檢測裝置(3)以及一個與檢測裝置連接的分析電路，其特征為發(fā)光裝置(1)至少具有兩只發(fā)光器(11，12)，它們相鄰安置在直線運動的方向上或?qū)πD(zhuǎn)運動正切的方向上，脈沖運行的發(fā)光器(11，12)可用相同的或不同的時鐘頻率控制，檢測裝置(3)具有一只如此大和如此定位的光電接收器，以至所有發(fā)光器的光束可通過它檢測，以及配置用于分離來自不同發(fā)光器信號的分析電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中發(fā)光器(11，12)基本上處于掃描孔(21)的寬度內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，還具有用于如此配置發(fā)光器的控制裝置，以至它用相同時鐘頻率但有一定相移的控制脈沖控制發(fā)光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)裝置，其中相移約為90°。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的光學(xué)裝置，其中分析電路包含用于分離相移脈沖的電子轉(zhuǎn)換開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，此外具有用于如此配置發(fā)光器的控制裝置，以至它用不同時鐘頻率的控制脈沖來控制發(fā)光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光學(xué)裝置，其中分析裝置包含用于分離不同脈沖頻率的脈沖序列的帶通濾波器。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的光學(xué)裝置，其中光電接收器和分析電路集成于單一的半導(dǎo)體芯片內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中發(fā)光器(11，12)是VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于定量探測直線運動或旋轉(zhuǎn)運動的光學(xué)裝置,其中使運動成象的具有透光區(qū)(21)和不透光區(qū)(22)的掃描盤(2)被兩只發(fā)光器(11,12)的光束(11A,12A)透過,并且透過的光照射到單一光電接收器(3)上。發(fā)光器受到脈沖運行控制。脈沖在與光電接收器耦合的分析電路內(nèi)被彼此分離。
文檔編號G01B11/00GK1250884SQ9912036
公開日2000年4月19日 申請日期1999年9月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月21日
發(fā)明者H·哈斯, M·豪斯霍爾特, F·默爾梅爾 申請人:奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體股份有限兩合公司