专利名称：高分辨率、高速、小型化光学编码器的制作方法
技术领域：
本文所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 (channel)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， 光束被码尺上设置的由条或间隔组成的图案所中断。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电二极管上。光电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。典型的反射型光学编码器包括光探测器、光发射器和码盘或码尺。检测器通过处理由光探测器中所包括的光电二极管阵列提供的光电流，生成输出。一般来说，反射型光学编码器包括四个光电二极管通道，即A、A\、B和B\，这些光电二极管通道沿双通道光学编码器中的单一码道(track)布置。光电二极管被布置成使得分隔相邻光电二极管的间隙足够大，以防止或抑制这样的相邻光电二极管之间产生串扰。在现有技术中，随着光学编码器的分辨率提高，相邻光电二极管之间的间距减�。夥垂吹贾峦ǖ乐涞拇旁龃蟆Ｄ诓宓缏烦１挥迷谠隽亢途允衷硕嗦胂低持校渲校诓宓缏繁还乖煳哂惺致龀澹庑┦致龀寰哂斜仁淙氲降缏返幕≌夷Ｄ庑藕鸥叩钠德省Ｒ蛭烧庵帜诓宓缏诽峁┑氖涑鲎钪杖范ū嗦胂低车木沸裕运孀诺缏返哪诓逡蜃拥脑黾樱诓宓缏返木沸员涞酶庸丶�。不幸的是，由于大部分内插电路的架构(通常依靠大量的比较器)，由内插电路所提供的输出趋向于具有噪声并且含有由于比较器中的过多开关而产生的不期望的噪声尖峰。因此，用在运动编码器中的内插电路中的比较器通常采用大量的滞后(hysteresis)来提供对于噪声尖峰的免疫。然而，特别是在高内插因子时，滞后本身可能变为内插电路不精确的来源。参照图1，示出了现有技术的光学编码器系统10，其包括光发射器20 (通常是 LED)、设有孔31a-31f的码盘或码带30、以及包括光电二极管41a(A)和41b(A\)的光探测器40。在光学编码器10中，由光发射器20发射的经准直的光束22将光投射到码盘30上。 随着码盘或码带30沿着第一方向111或第二方向112旋转，经准直的光束22由设置在孔 31a-31f之间的遮蔽性的或光学不透明的部分间断(注意，码盘或码带30基本在由经准直的光束22在光束22从光发射器20朝向光探测器40传播时近似地限定的平面中旋转)。随着码盘或码带30在平面中沿着方向111或112旋转，经准直的光束22的部分50a和50b 经过孔31c和31d投射，并且扫描过光探测器40和光电二极管41b(A\)和41a(A)。随着码盘30沿着方向111或112移动，由光束部分50a和50b投射到光探测器40的第一竖直部分70上的光图案变化，并且由光电二极管41a和41b提供的输出信号相应地变化。一般采用这些输出信号来产生一对准三角信号(例如如图2中所示)，该信号之后被用来确定码盘 30的位置、速度和方向中的任何一者或多者。现在参照图2，示出了 “三角”信号A和A\，使用对于光学编码器领域的技术人员来说公知的电路和方法将它们相互比较并产生脉冲信号109。通常，也设置另一组光探测器 B和B\，其中光探测器B和B\相对于光探测器A和A\定位为异相90度，并且被用来产生另一个脉冲(在图2中未示出)。产生彼此异相90度的光探测器A和々\以及的脉冲。如图2所示，为了随后的内插处理，伪三角信号A和A\最好在其最大与最小部分之间是直线的或直的，但是它们在顶部或底部附近展现出弯曲的部分。这些弯曲的部分是由于不期望的电容效应，并且相当大地使得随后的内插尝试变得复杂。在图1中示出的这种类型的编码器中，主要根据终端用户的具体需要而确定和设置装置10的空间分辨率。更具体地，通常根据给定消费者或终端用户的特定需要而确定相邻的光探测器A和々\(分别为41a和41b)之间的距离或间隔。实现这种需求尤其在装置 10需要不常见的或者新的空间分辨率时需要对于晶片制作付出时间和努力。在现有技术中采用的、对由装置10提供的空间分辨率进行改变或调整的一种技术是采用设置在光发射器20与光探测器40之间的一个或多个标线(reticle)。图3示出了一个这样的布置，其中标线带60具有设置在其中的标线61和62。标线61和62被构造为与照射到其上的光束发生干涉，并且对它们进行调整以使得投射到光探测器40上的光的图案改变。对标线61和62被具体地构造为提供编码器10所期望的空间分辨率的程度、 量和类型。图4示出了常规现有技术的单一码道光学编码器10，其具有包括布置成双通道编码器的探测器A、A\、B*B\的光电二极管阵列20以及相关的码带30。由探测器(通道A)探测器B和B\ (通道B)生成的信号也被示于图4，其中通道B输出与通道A输出信号滞后90度的信号。(相对简单的电路被用于生成通道A和B的输出信号，该电路没有在图 4中示出，但是其对于本领域技术人员而言是公知的，因此无需在此进行进一步讨论。)阵列20中的相邻光电二极管之间的间隔和每一个光电二极管的宽度根据光学编码器所需的分辨率而被选择。当提高光学编码器10的分辨率时，要么相邻光电二极管之间的间距w被减小，要么每一个光电二极管沿公共轴15的宽度被减少，或者两者都被减�。贾鹿獾缍芗渚唳萍跣。渲校剖窍嗔诠獾缍艿那氨咴祷蚝蟊咴抵涞募渚�。注意，在图4所示的光学编码器10中，相邻光电二极管的前边缘或后边缘之间的间距ζ对应于在码尺上的一对相邻的明暗带的合计宽度的四分之一。因此，在限定每一个这样的带的沿公共轴15的长度的距离内，包含两个光电二极管。还要注意的是，在图4所示的光学编码器10中，沿单个码道或公共轴15布置的所有光电二极管被以A、A\、B*B\的次序或序列布置。讨论内插电路的两个授权专利是授予Snyder的、题为“hterpolation Methods and Circuits for Increasing the Resolution of Optical Encoders，，的美国专利No. 6，355，927以及授予Chee的、题为"Interpolator"的美国专利No. 6，816，091，上述专利的全文通过引用被分别并入本文中。图5示出了现有技术的内插电路120的框图。A、A\、B和B\斜坡信号被输入到信号生成电路140。信号生成电路140将A，A\，A/3，B，B\和B/3斜坡信号提供给比较器电路142。比较器电路142比较�。，Α/3，B, B\和B/3斜坡信号中的选定的对，并且在线 144上生成一组8个中间信号。中间信号被供应到逻辑电路150，所述逻辑电路150组合中间信号，并且生成如下所述的通道A和通道B输出信号。图6示出了现有技术的信号生成、比较器和逻辑电路的示意性框图，所述电路被配置来接收输出信号A、A\、B和B\，并且从其提供通道A和通道B的输出。信号生成电路 140包括衰减放大器220和222，其中每一个具有1/3增益。放大器220生成分数A/3斜坡信号，放大器222生成分数B/3斜坡信号。如果需要，A、A\、B和B\输入斜坡信号可以按比例缩放。但是，供应到比较器电路142的信号A、A\、B和扒斜坡信号，分数A/3斜坡信号以及分数B/3斜坡信号具有图7所示和如下所述的幅值和相位关系。比较器电路142包括比较器240，242，244，246，248，250，252和254。每一个比较器比较选定的一对斜坡信号，并且输出中间信号。具体地，比较器MO比较斜坡信号，并生成B-B\中间信号。类似地，比较器242输出间信号；比较器244输出A\_A 中间信号；比较器246输出B\-A中间信号；比较器248输出间信号；比较器250 输出A\-B/3中间信号；比较器252输出B/3-A中间信号；以及比较器2M输出A/3_B中间信号。如下所述，对于理想输入信号，中间信号在相位上是均勻分布的。逻辑电路150包括异或(exclusive OR)门270，272，274和276，以及或门280和 282.异或门270接收B-B\*A\-B\中间信号，并且向或门280提供输出。异或门272接收八\4和扒4中间信号，并且向或门280提供输出。或门280的输出是通道B输出信号。 异或门274接收Α/3-Β\*Α\-Β/3中间信号，并且向或门282提供输出。异或门276接收B/3-A和A/3-B中间信号，并且向或门282提供输出。或门282的输出是通道A输出信号。图7示出了由信号生成电路140提供的斜坡信号。斜坡信号包括A斜坡信号，A\斜坡信号，B斜坡信号，B\斜坡信号，A/3分数斜坡信号和B/3分数斜坡信号。可以看到，A 和B斜坡信号具有相等的幅值，并且相位相差90度。A和A\斜坡信号相位相差180度，并且B和B\斜坡信号相位相差180度。在图6所示的电路中，电压放大器被用于生成分数信号。在信号生成电路140中采用电压放大器的缺点之一是所生成的分数信号的范围受限于所使用的各种电压放大器的电压输出的不同幅值范围。各种电压放大器的输出受限于其具体的电路拓扑和架构、所使用的处理技术以及在操作期间向其提供的电源。此外，用于生成分数信号的电压放大器中的反馈电阻器增大了管芯尺寸。对于给定应用所需的内插因子的数量越多，需要利用额外的电压放大器生成的分数信号的数量越大。如果电压放大器没有正确匹配，内插信号的所得精确性可能受到影响。当内插编码器被用于高频应用中时，速度变为对于电压放大器的主要担心。需要的是能够克服上述问题中的至少一些的内插编码器。在阅读和理解了下面阐述的发明内容具体实施方式
和权利要求书之后，本领域技术人员将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
在一些实施方式中，提供了一种高分辨率、高速、单一码道光学编码器，包括光发射器，其配置用于从其发射光；多个具有前边缘和后边缘的光探测器或光电二极管，其沿单一码道和公共轴线布置，以形成单一码道光探测器，所述单一码道光探测器具有沿着所述公共轴线布置的多对A和A\数据通道光探测器以及B和B\数据通道光探测器，所述A和 B光探测器和所述A\和B\光探测器分别被布置来生成相位彼此相差90度的输出信号，所述A，A\，B和扒光探测器分别生成第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号；信号生成电路，其至少包括第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器，其中，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器配置来分别接收对应于所述A，A\，B和B\光探测器的所述第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号作为到其的输入， 所述第一电流放大器被配置来提供完整A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号，所述第二电流放大器被配置来提供完整々\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号，所述第三电流放大器被配置来提供完整B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号，所述第四电流放大器被配置来提供完整B\输出斜坡信号和分数B\输出斜坡信号，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器都没有处于可操作连接所述输入和与其相应的输出的反馈环中的电阻器，所述电流放大器中的每一个生成完整和分数输出斜坡信号；比较器电路，其配置用于接收所述A和分数A输出斜坡信号、所述A\和分数A\输出斜坡信号、 所述B和分数B输出斜坡信号以及所述B\和分数B\输出斜坡信号的多个信号对作为到其的输入，并从其提供中间输出信号；以及逻辑电路，其配置用于从所述比较电路接收所述中间信号，并且基于所述中间信号生成通道A和通道B输出方波或脉冲信号。在其他实施方式中，提供了一种制造高分辨率、高速、单一码道光学编码器的方法，包括提供光发射器，其配置用于从其发射光；提供多个具有前边缘和后边缘的光探测器或光电二极管，其沿单一码道和公共轴线布置以形成单一码道光探测器，所述单一码道光探测器具有沿着所述公共轴线布置的多对A和A\数据通道光探测器以及B和B\数据通道光探测器，所述A和B光探测器和所述A\和B\光探测器分别被布置来生成相位彼此相差90度的输出信号，所述A，A\，B和B\光探测器分别生成第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号；提供信号生成电路，其至少包括第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器，其中，所述第一电流放大器、 第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器配置来分别接收对应于所述A，A\, B 和B\光探测器的所述第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号作为到其的输入，所述第一电流放大器被配置来提供完整A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号，所述第二电流放大器被配置来提供完整A\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号，所述第三电流放大器被配置来提供完整B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号，所述第四电流放大器被配置来提供完整B\输出斜坡信号和分数B\输出斜坡信号，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器都没有处于可操作连接所述输入和与其相应的输出的反馈环中的电阻器，所述电流放大器中的每一个生成完整和分数输出斜坡信号；提供比较器电路，其配置用于接收所述A和分数A输出斜坡信号、 所述A\和分数A\输出斜坡信号、所述B和分数B输出斜坡信号以及所述B\和分数B\输出斜坡信号的多个信号对作为到其的输入，并从其提供中间输出信号；以及提供逻辑电路， 其配置用于从所述比较电路接收所述中间信号，并且基于所述中间信号生成通道A和通道 B输出方波或脉冲信号。在另外的实施方式中，提供了一种编码由具有单一码道和公共轴线的光学编码器所生成的光学信号的方法，包括从光发射器朝向码尺发射光；从所述码尺反射由所述光发射器发射的所述光的至少一部分，所述码尺包括交替的基本反射光的数据带和基本不反射光的数据带，所述码尺被配置来沿所述公共轴线行进；用多个光探测器或光电二极管检测从所述码尺反射的所述光的至少一部分，其中，所述多个光探测器或光电二极管具有前边缘和后边缘，其沿所述单一码道和所述公共轴线布置，以形成单一码道光探测器，所述单一码道光探测器具有沿着所述公共轴线布置的多对A和A\数据通道光探测器以及B和 B\数据通道光探测器，所述A和B光探测器和所述A\和B\光探测器分别生成相位彼此相差90度的输出信号，所述A，A\，B和B\光探测器分别生成第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号；从所述第一输出信号被提供作为到其的输入的第一电流放大器生成完整A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号，作为其输出；从所述第二输出信号被提供作为到其的输入的第二电流放大器生成完整A\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号，作为其输出；从所述第三输出信号被提供作为到其的输入的第三电流放大器生成完整B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号，作为其输出；从所述第四输出信号被提供作为到其的输入的第四电流放大器生成完整B\输出斜坡信号和分数B\输出斜坡信号，作为其输出，其中，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器都没有处于可操作连接所述输入和与其相应的输出的反馈环中的电阻器，所述电流放大器中的每一个生成完整和分数输出斜坡信号。在阅读和理解了本说明书和附图之后，对于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，可以了解本发明的各种实施例的不同方面，在附图中图1示出了现有技术的光学编码器系统10 ；图2示出了“三角”信号A和A\ ；图3示出了具有布置在光发射器20和光探测器40的现有技术的光学编码器10 ；图4示出了具有空间分辨率X" /4的现有技术的光学编码器10的一个实施方式；图5示出了现有技术的信号生成，比较器和逻辑电路120 ；图6示出了另一现有技术的信号生成，比较器和逻辑电路120 ；图7示出了由图6的电路120生成的输出信号；图8示出了根据一个实施方式的一个电流放大器电流101 ；图9示出了信号生成，比较器和逻辑电路120的一个实施方式；
图10示出了信号生成，比较器和逻辑电路120的另一个实施方式；以及图11示出了由图9的电路120提供的输出信号的一个实施方式。附图不一定按比例。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
马聚ο
具体实施例方式在本发明的各种实施例中，提供了单一码道反射型光学编码器系统、装置以及方法。当在本文中使用时，术语“单一码道编码器”意思是具有单一码尺的光学编码器， 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图案或条，其中，数据图案和索引图案在单一码道中沿着公共的单一轴线一起行进，该单一码道布置在包括数据通道光探测器和索引通道光探测器的相应的单一码道上。现在参考图8，其中示出了电流放大器电路101的一个实施方式，所述电流放大器电路101被配置来接收对应于光探测器A的输出信号A，并且提供两个输出斜坡信号，即完整输出斜坡信号A和分数输出斜坡信号A/3。本领域技术人员可以理解，输出信号A和A/3 的幅值由FET 103和105的预定特性确定。注意，电流放大器101的FET 103和105不包含具有电阻器的反馈环，所述电阻器以可操作方式连接到输入和与之对应的输出上。电流放大器101生成完整输出斜坡信号A和分数输出斜坡信号A/3。对于输出信号A、A\、B和 B\中的每一者设置相应的电流放大器，每一个这样的电流放大器提供完整输出斜坡信号和至少一个分数输出斜坡信号。依据所用的具体电流放大器的设计，可以由其提供多于一个的分数输出信号，并且由其提供的一个或多个分数输出信号的幅值可以根据编码器的需要而被调节。例如，由电流放大器提供的这一个或多个分数输出斜坡信号可以具有完整斜坡信号A、A\、B或扒的幅值的1/2、1/3、1/6或任何其他期望的分数。现在参考图9和10，其中示出了包含电流放大器140、比较器电路142和逻辑电路 150的电路130的两个实施方式。图9示出了信号生成、比较器和逻辑电路的示意性框图的一个实施方式，其被配置来接收输入信号A、A\、B和B\，并且从其提供通道A和通道B输出。信号生成电路140包括第一电流放大器133、第二电流放大器135、第三电流放大器137和第四电流放大器139， 这些电流放大器中的每一者提供1仏^\』或扒)或1/3(Α/3，Α/3，Β/3或B/3)的增益。 根据图8中所示的电路，类似地，第一电流放大器133生成完整A输出斜坡信号并且还生成分数A/3斜坡信号。根据图8中所示的电路，类似地，第二电流放大器135生成完整A\输出斜坡信号并且还生成分数A/3斜坡信号。根据图8中所示的电路，类似地，第三电流放大器 137生成完整B输出斜坡信号并且还生成分数B/3斜坡信号。根据图8中所示的电路，类似地，第四电流放大器139生成完整B\输出斜坡信号并且还生成分数B/3斜坡信号。注意， 如上面结合图8所讨论的，根据手边的应用的需要，A、A\、B和B\输入斜坡信号可被按比例缩放。如果需要，可以通过使A和B斜坡信号反相来生成斜坡信号。但是，供应到比较器电路142的A、A\、B和B\斜坡信号以及分数A/3和分数B/3斜坡信号具有图11所示以及下面所述的幅值和相位关系。
比较器电路142包括比较器240，242，244，246，248，250，252和254。每一个比较器比较选定的一对斜坡信号，并且输出中间信号。具体地，比较器MO比较斜坡信号，并生成B-B\中间信号。类似地，比较器242输出间信号；比较器244输出A\_A 中间信号；比较器246输出B\-A中间信号；比较器248输出间信号；比较器250 输出A\-B/3中间信号；比较器252输出B/3-A中间信号；比较器2M输出A/3_B中间信号。如下所述，对于理想的输入信号，中间信号在相位上是均勻分布的。逻辑电路150包括异或门270，272，274和276，以及或门280和282。异或门270 接收B-B\和A\-B\中间信号，并且向或门280提供输出。异或门272接收A\_A和B\_A中间信号，并且向或门280提供输出。或门观0的输出是通道B输出信号。异或门274接收 A/3-B\*A\-B/3中间信号，并且向或门282提供输出。异或门276接收B/3_A和A/3_B 中间信号，并且向或门282提供输出。或门282的输出是通道A输出信号。图11示出了由信号生成电路140提供的斜坡信号。斜坡信号包括A斜坡信号， A\斜坡信号，B斜坡信号，B\斜坡信号，A/3分数斜坡信号和B/3分数斜坡信号。可以看到，A和B斜坡信号具有相等的幅值，并且相位相差90度。A和A\斜坡信号相位相差180 度，并且B和B\斜坡信号相位相差180度。在图9所示的电路中，没有使用电压放大器来生成分数信号，而是使用电流放大器133，135，137和139来代替它们。这样做消除了在信号生成电路140中使用电压放大器的缺点，从而使得所生成的分数信号的范围不受限于使用不同电压放大器的电压输出幅值的摆动(swing)。在电流放大器133，135，137和139中没有使用反馈电阻器来生成分数信号，这使得管芯尺寸显著减�。⑶一瓜擞肫ヅ涞缪狗糯笃飨喙氐奈侍猓佣岣吡怂媚诓逍藕诺木沸�。这使得图9和10的电路更好地适用于高频内插编码器应用。图10示出了信号生成、比较器和逻辑电路的示意性框图的另一个实施方式，其被配置来接收输入信号A、A\、B和B\，并且从其提供通道A和通道B输出。信号生成电路140 包括第一电流放大器133、第二电流放大器135、第三电流放大器137和第四电流放大器 139，这些电流放大器中的每一者提供1 (A、A\、B或B\)、1/m或1/n (其中，m和η是整数) 的增益。根据图8中所示的电路，类似地，第一电流放大器133生成完整A输出斜坡信号并且还生成分数A/m斜坡信号和分数Α/η斜坡信号。根据图8中所示的电路，类似地，第二电流放大器135生成完整Α\输出斜坡信号并且还生成分数A/m斜坡信号和分数A/n斜坡信号。根据图8中所示的电路，类似地，第三电流放大器137生成完整B输出斜坡信号并且还生成分数B/m斜坡信号和分数Β/η斜坡信号。根据图8中所示的电路，类似地，第四电流放大器139生成完整Β\输出斜坡信号并且还生成分数B/m斜坡信号和分数B/n斜坡信号。注意，如上面结合图8所讨论的，根据手边的应用的需要，A、A\、B和B\输入斜坡信号可被按比例缩放。如果需要，可以通过将A和B斜坡信号反相来生成A\和B\斜坡信号。比较器和逻辑电路142/150可以包括比较器和OR或M)R门，或任何本领域技术人员已知的其他合适的比较器和逻辑电路。根据本文提出的实施方式、教导和公开中的至少一些，可以修改的编码器的一个实例是AVAGO TECHNOLOGIES AEDT-9340编码器。该编码器的数据页被包括在与本申请同一日递交的信息公开声明 information Disclosure Statement)中，标题为〃 AEDT-9340 Series ；High Temperature 115°C ； 1250/2500 CPR 6—Channel Coummutation Encoder",其全文被并入本文。现在将会理解的是，本文所提出和公开的各种实施方式是简单的并且易于实现， 并且可以利用任何合适的工艺技术诸如CMOS或BiCMOS进行集成。在本文所公开的电流放大器实施方式中，不需要在电压放大器中反馈电阻器所要求的高表面电阻和消耗面积的电阻器。电流放大器编码器的各种实施方式非常适用于高速应用。不同于在信号生成电路中使用电压放大器的编码器的大反馈电阻和光电二极管电容特性(这限制了电压放大器的带宽)，电流放大器不受这样的限制的影响，因为其没有反馈电阻器。而且，本文所公开的电流放大器编码器的各种实施方式可以以小的管芯尺寸来实现，并且较之电压放大器可以被容易得多地彼此匹配。本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以构造上述的新颖的电流放大器编码器的多种不同的组合、排列和变化，但是这些不必在此进行明确公开。本发明的各种实施方式解决了一定的问题并且具有一定的优点。在一些实施方式中，管芯尺寸可以被制造得更�。嗦肫魉俣瓤梢员惶岣撸圃斐杀究梢员唤档停琁C设计时间可以被减少和简化，并且单一码道光学编码器的尺寸和成本可以被维持或甚至被减�。� 同时提高了编码器的空间分辨率。通常，反射型光学编码器中的集成电路是反射型光学编码器系统中的单个的最昂贵的部件。本文所公开的单一码道构造所允许的小的覆盖区 (footprint)和尺寸允许构建具有高分辨率的小的编码器。尽管编码器的尺寸和覆盖区更小，光学反射型编码器的各种实施方式还允许获得前所未有的更高的分辨率。各种实施方式是相对简单的并易于实现，并且得到更小的封装、降低了管芯和组装成本、使用常规和简单的电子电路并消除了对于电路再设计的需要。本发明的范围也包括制造本文描述的各种部件、装置和系统的方法。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，尤其可以想到结合单一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、排列、改变以及修改仍然落入本发明的范围内。
权利要求
1.一种高分辨率、高速、单一码道光学编码器，包括光发射器，被配置成从其发射光；多个具有前边缘和后边缘的光探测器或光电二极管，其沿单一码道和公共轴线布置， 以形成单一码道光探测器，所述单一码道光探测器具有沿着所述公共轴线布置的多对A和 A\数据通道的光探测器以及B和B\数据通道的光探测器，所述A和B光探测器和A\和 B\光探测器分别被布置来生成相位彼此相差90度的输出信号，所述A、A\、B和B\光探测器分别生成第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号；信号生成电路，其至少包括第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器，其中，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器被配置成分别接收与所述A、A\、B和B\光探测器相对应的所述第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号作为对其的输入，所述第一电流放大器被配置来提供完整A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号，所述第二电流放大器被配置来提供完整A\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号，所述第三电流放大器被配置来提供完整B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号，所述第四电流放大器被配置来提供完整 B\输出斜坡信号和分数B\输出斜坡信号，这些电流放大器中的每一者生成完整输出斜坡信号和分数输出斜坡信号，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器都不具有处于反馈环中的下述电阻器所述电阻器以可操作的方式连接到所述输入和与其相应的输出；比较器电路，其被配置来接收成对的所述A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号、所述 A\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号、所述B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号以及所述B\输出斜坡信号和分数B\输出斜坡信号作为对其的输入，并被配置成从其提供中间输出信号；以及逻辑电路，其被配置来从所述比较器电路接收所述中间信号，并基于所述中间信号生成通道A和通道B的输出方波或脉冲信号。
2.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，这些分数输出斜坡信号中的至少一些对应于这些完整输出斜坡信号的幅值的约1/3。
3.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，这些分数输出斜坡信号中的至少一些对应于这些完整输出斜坡信号的幅值的约1/6。
4.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由CMOS器件实现。
5.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由BiCMOS器件实现。
6.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由半导体集成电路器件实现。
7.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，所述A\和B\光探测器在沿所述公共轴线和单一码道的任何位置处都不是彼此相邻布置的。
8.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，个体A，B,々\和 B\光探测器的宽度在约1微米到约2微米的范围内。
9.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，沿所述单一码道和所述公共轴线布置的相邻光探测器或光电二极管之间的间距大于或等于各个所述光探测器或光电二极管的宽度。
10.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，所述光探测器或光电二极管被沿所述单一码道和所述公共轴线布置，以形成由(A，B，A\，B\)限定的光探测器或光电二极管的序列图案或重复序列图案。
11.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，所述光探测器或光电二极管被沿所述单一码道和所述公共轴线布置，以形成由(A、A\、B，B\)限定的光探测器或光电二极管的序列图案或重复序列图案。
12.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，所述光探测器或光电二极管被沿所述单一码道和所述公共轴线布置，以形成由(A，B\，A\，B)限定的光探测器或光电二极管的序列图案或重复序列图案。
13.如权利要求1所述的高分辨率、高速、单一码道光学编码器，其中，所述光探测器或光电二极管被沿所述单一码道和所述公共轴线布置，以形成由(A，B，A\，B\)限定的光探测器或光电二极管的序列图案或重复序列图案。
14.一种制造高分辨率、高速、单一码道光学编码器的方法，包括提供光发射器，所述光发射器被配置成从其发射光；提供多个具有前边缘和后边缘的光探测器或光电二极管，这些光探测器或光电二极管沿单一码道和公共轴线布置，以形成单一码道光探测器，所述单一码道光探测器具有沿着所述公共轴线布置的多对A和A\数据通道光探测器以及B和B\数据通道光探测器，所述 A和B光探测器和所述A\和B\光探测器分别被布置来生成相位彼此相差90度的输出信号，所述A、A\、B*B\光探测器分别生成第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号；提供信号生成电路，其至少包括第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器，其中，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器被配置来分别接收与所述A、A\、B和B\光探测器相对应的所述第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号作为对其的输入，所述第一电流放大器被配置来提供完整A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号，所述第二电流放大器被配置来提供完整A\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号，所述第三电流放大器被配置来提供完整B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号，所述第四电流放大器被配置来提供完整B\输出斜坡信号和分数扒输出斜坡信号，这些电流放大器中的每一者生成完整输出斜坡信号和分数输出斜坡信号，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器都不具有处于反馈环中的下述电阻器所述电阻器以可操作的方式连接到所述输入和与其相应的输出；提供比较器电路，其被配置来接收成对的所述A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号、 所述A\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号、所述B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号以及所述B\输出斜坡信号和分数B\输出斜坡信号作为对其的输入，并被配置成从其提供中间输出信号；以及提供逻辑电路，其被配置来从所述比较器电路接收所述中间信号，并且基于所述中间信号生成通道A和通道B的输出方波或脉冲信号。
15.如权利要求14所述的方法，其中，这些分数输出斜坡信号中的至少一些对应于这些完整输出斜坡信号的幅值的约1/3。
16.如权利要求14所述的方法，其中，这些分数输出斜坡信号中的至少一些对应于这些完整输出斜坡信号的幅值的约1/6。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由CMOS器件实现。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由BiCMOS器件实现。
19.如权利要求14所述的方法，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由半导体集成电路器件实现。
20.如权利要求14所述的方法，其中，沿所述单一码道和所述公共轴线布置的相邻光探测器或光电二极管之间的间距大于或等于各个所述光探测器或光电二极管的宽度。
21.一种对由具有单一码道和公共轴线的光学编码器所生成的光学信号进行编码的方法，包括从光发射器朝向码尺发射光；从所述码尺反射由所述光发射器发射的光的至少一部分，所述码尺包括交替的基本反射光的数据带和基本不反射光的数据带，所述码尺被配置成沿所述公共轴线行进；用多个光探测器或光电二极管检测从所述码尺反射的光的至少一部分，其中，所述多个光探测器或光电二极管具有前边缘和后边缘，其沿所述单一码道和所述公共轴线布置， 以形成单一码道光探测器，所述单一码道光探测器具有沿着所述公共轴线布置的多对A和 A\数据通道光探测器以及B和B\数据通道光探测器，所述A和B光探测器和所述A\和 B\光探测器分别生成相位彼此相差90度的输出信号，所述A、A\、B和B\光探测器分别生成第一输出斜坡信号、第二输出斜坡信号、第三输出斜坡信号和第四输出斜坡信号；从第一电流放大器生成完整A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号作为其输出，其中， 所述第一输出信号被作为对所述第一电流放大器的输入而提供；从第二电流放大器生成完整A\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号作为其输出，其中，所述第二输出信号被作为对所述第二电流放大器的输入而提供；从第三电流放大器生成完整B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号作为其输出，其中， 所述第三输出信号被作为对所述第三电流放大器的输入而提供；从第四电流放大器生成完整B\输出斜坡信号和分数B\输出斜坡信号作为其输出，其中，所述第四输出信号被作为对所述第四电流放大器的输入而提供，其中，这些电流放大器中的每一者生成完整输出斜坡信号和分数输出斜坡信号，所述第一电流放大器、第二电流放大器、第三电流放大器和第四电流放大器都不具有处于反馈环中的下述电阻器所述电阻器以可操作方式连接到所述输入和与其相应的输出。
22.如权利要求21所述的方法，还包括使用比较器电路来接收成对的所述A输出斜坡信号和分数A输出斜坡信号、所述A\输出斜坡信号和分数A\输出斜坡信号、所述B输出斜坡信号和分数B输出斜坡信号以及所述B\输出斜坡信号和分数B\输出斜坡信号作为对其的输入，并从其提供中间输出信号。
23.如权利要求21所述的方法，还包括使用逻辑电路来从所述比较器电路接收所述中间信号，并基于所述中间信号而生成通道A和通道B的输出方波或脉冲信号。
24.如权利要求21所述的方法，其中，这些分数输出斜坡信号中的至少一些对应于这些完整输出斜坡信号的幅值的约1/3。
25.如权利要求21所述的方法，其中，这些分数输出斜坡信号中的至少一些对应于这些完整输出斜坡信号的幅值的约1/6。
26.如权利要求21所述的方法，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由CMOS器件实现。
27.如权利要求21所述的方法，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由BiCMOS器件实现。
28.如权利要求21所述的方法，其中，所述信号生成电路、所述比较器电路和所述逻辑电路由半导体集成电路器件实现。
全文摘要
本发明涉及高分辨率、高速、小型化光学编码器，公开了单一码道反射型光学编码器的各种实施方式，其在其信号生成电路中布置有电流放大器。在本文中公开的各种实施方式中消除了电压放大器和其相关的反馈电阻器，使得管芯尺寸减小并提高了编码器信号精确性和性能，尤其是在高速下。本发明公开的单一码道光学编码器构造允许提供小封装的非常高分辨率的反射型光学编码器。还公开了制造和使用这样的光学编码器的方法。
文档编号G01D5/34GK102313567SQ20111019403
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者严恩丘, 钟民拓 申请人:安华高科技 Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司
专业数控铣床产品供应商
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