[發明專利]光學編碼器

有效

• 申請號: 202010089885.2
• 申請日: 2020-02-13
• 公開（公告）號: CN113124911B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: 羅英哲;周明杰;李耀輝;陳易呈
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: G01D5/347
• 分類號: G01D5/347;G02F7/00
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 李芳華

一種光學編碼器，包含對應設置的編碼盤以及檢光器。檢光器用以接收光線。檢光器包含至少一感光組件，且感光組件排列形成至少一感光陣列。感光陣列的寬度對應于光學編碼器的一個細分割周期。

技術領域

本發明關于一種編碼器，特別是一種具有高分辨率的光學編碼器。

背景技術

編碼器是利用光學或磁性或是機械接點的方式感測位置，并將位置轉換為電信號后輸出給驅動器，作為驅動器控制位置時的反饋信號。依運動方式可分為旋轉編碼器或是線性編碼器。旋轉編碼器可以將旋轉位置或旋轉量轉換成模擬或是數字電信號，一般會裝在旋轉對象上，如馬達軸。線性編碼器則是以類似方式將線性位置或線性位移量轉換成電信號。目前，編碼器廣泛應用于工具機、機器人、半導體設備而做為伺服馬達定位的感測模塊，并且編碼器的精準度會直接影響到機械設備的定位表現。

對于光學編碼器來說，編碼盤(光柵盤)具有圖案化的可透光區塊。當光源照射時，檢光器與編碼盤之間的相對運動會使得檢光器接收到不同的光量，并且根據光量的變化判斷出線性位移量或旋轉角度。不透光區塊和可透光區塊的數量與圖案決定了光學編碼器的分辨率。然而，由于過小的可透光區塊可能引發繞射干擾問題，故通過增加可透光區塊數量來提升分辨率的方式有物理上的限制。

現有的光學編碼器當中，由于硅基光電二極管在紅外線波長范圍具有良好的量子效率與光電響應率，檢光器會采用硅基光電二極管來解析光能量信號。在高階編碼器中，會將檢光器內的硅基光電二極管(PD)再區分為編碼區(Coding)與細分割區(Interpolator)兩種PD軌道區塊，其中編碼區的PD透過編碼盤上明暗的編碼(Binary或Gray?code)，讓光源端發出的光束在通過編碼盤時，形成穿透或不穿透光束，再讓檢光器上編碼區的各個PD反應出高光功率或低光功率的能量狀態，最后搭配系統端的邏輯譯碼，以換算出目前角度。細分割區的PD則依據編碼區最細編碼PD的周期為單位，通過細分割PD的設計以產生一弦波信號，再進行信號的細分割，以達成編碼器總分辨率(bits)為編碼區加細分割區分辨率的總和結果。目前公知的細分割區解析作法，為將細分割區PD接收的模擬弦波信號，再經過高階模擬數字轉換器(ADC)，才能將此弦波模擬信號轉換成數字信號，以解析出更細的角度位置。然而，依據不同編碼器產品的規格，若為達成高細分割分辨率時(例如24-bit/rev.)，此時就需要使用相對高階的ADC，才能達成，例如若編碼區分辨率為10bits，此時細分割區分辨率就需為14bits，故須至少采用分辨率為14bits的ADC，惟ADC價格隨分辨率快速上升，而會產生成本問題。

發明內容

鑒于以上的問題，本發明公開一種光學編碼器，有助于解決高階ADC制造成本過高，而使得高分辨率的光學編碼器難以廣泛應用于業界的問題。

本發明所公開的光學編碼器包含對應設置的一編碼盤以及一檢光器。檢光器用以接收光線。檢光器包含至少一感光組件，且感光組件排列形成至少一感光陣列。感光陣列的寬度對應于光學編碼器的一個細分割周期。

本發明另公開的光學編碼器包含一編碼盤、一檢光器以及一感測電路。檢光器用以接收光線。檢光器對應編碼盤設置。檢光器包含多個感光組件，且這些感光組件排列形成多個感光陣列。感測電路電性連接于感光陣列，以使每個感光組件的收光量被量化而具有數字灰階特性。

根據本發明所公開的光學編碼器，主要采用可達成高密度組件布局、可積體化的感光組件，例如CMOS或CCD感光組件。以CMOS為例，可構成感光陣列以接收光信號，相比公知光學編碼器采用硅基光電二極管，CMOS感光組件具有可高度電路積體化的特質，可輕易達成高信噪比(SNR)，且具有成熟的制造工藝，近年來隨著制程技術的提升，CMOS在非可見光波段的響應率也已提升至硅基光電二極管的水平，因此采用CMOS感光組件的高分辨率光學編碼器將可擁有更好的市場競爭力。