部分遮蔽光二极管的光学式编码器的制作方法

作者：张馨予

部分遮蔽光二极管的光学式编码器
1.本技术是申请号为201910932752.4、申请日为2019年9月29日、名称为“部分遮蔽光二极管的光学式编码器”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明有关一种光学式编码器，更特别有关一种能够减轻总谐波失真及光学放大不匹配的光学式编码器及其光二极管阵列配置。

背景技术：

3.光学式旋转编码器可应用于检测无限旋转轴的绝对位置或相对位置，例如应用于鼠标装置或打印机。
4.光学式旋转编码器具有编码盘(code disk)及光二极管阵列。该光二极管阵列用于接收来自编码盘的调变光以输出相位相差90度的差分正交信号。然而，该等差分正交信号会存在总谐波失真及相位差不正好等于90度的问题。此外，在包含差分索引(differential index)以确定绝对位置的实施方式中，还会因为光学放大不匹配(optical magnification mismatch)，而产生错误索引信号的问题。
5.有鉴于此，能够减轻甚至消除差分正交信号(differential quadrature signal)的总谐波失真及光学放大不匹配问题的光学式编码器实为所需。

技术实现要素：

6.本发明提供一种光学式编码器，其具有多组位置光二极管及一组索引光二极管相邻配置成沿第一方向延伸的光二极管阵列，通过部分遮蔽光二极管阵列两端的两组位置光二极管，藉以消除总谐波失真的问题。
7.本发明还提供一光学式编码器，其具有相邻配置的多组位置光二极管及一组索引光二极管，通过部分遮蔽索引光二极管的其中一者，藉以减轻光学放大不匹配的影响。
8.本发明提供一种包含光二极管阵列及不透光层的光学式编码器。所述光二极管阵列包含至少三组位置光二极管沿第一方向相邻配置，且每组位置光二极管具有第一光二极管、第二光二极管、第三光二极管及第四光二极管沿所述第一方向依序配置。所述至少三组位置光二极管包含第一组位置光二极管及最后一组位置光二极管分别配置于所述至少三组位置光二极管的两端。所述不透光层遮蔽于所述第一组位置光二极管及所述最后一组位置光二极管上，但不遮蔽于所述至少三组位置光二极管中的所述第一组位置光二极管及所述最后一组位置光二极管以外的位置光二极管上，其中，所述第一组位置光二极管的所述第一光二极管、所述第二光二极管、所述第三光二极管及所述第四光二极管被所述不透光层的遮蔽率依序变少，且所述最后一组位置光二极管的所述第一光二极管、所述第二光二极管、所述第三光二极管及所述第四光二极管被所述不透光层的遮蔽率依序变多。
9.本发明还提供一种包含光二极管阵列、第一索引光二极管、第二索引光二极管及不透光层的光学式编码器。所述光二极管阵列包含至少三组位置光二极管沿第一方向相邻
配置，且每组位置光二极管具有第一光二极管、第二光二极管、第三光二极管及第四光二极管沿所述第一方向依序配置。所述第一索引光二极管在所述第一方向上相邻配置于所述至少三组位置光二极管的两端的其中一端。所述第二索引光二极管在所述第一方向上相邻配置于所述第一索引光二极管。所述不透光层遮蔽于所述第二索引光二极管在所述第一方向上的两边缘的其中一者向内延伸的一部分并遮蔽于所述至少三组位置光二极管两端的第一组光二极管及最后一组光二极管的所述第一光二极管、所述第二光二极管、所述第三光二极管及所述第四光二极管上。
10.本发明还提供一种包含光二极管阵列、第一索引光二极管、第二索引光二极管及不透光层的光学式编码器。所述光二极管阵列包含至少三组位置光二极管沿第一方向相邻配置，且每组位置光二极管具有第一光二极管、第二光二极管、第三光二极管及第四光二极管沿所述第一方向依序配置。所述至少三组位置光二极管包含第一组位置光二极管及最后一组位置光二极管分别配置于所述至少三组位置光二极管的两端。所述第一索引光二极管在所述第一方向上相邻配置于所述至少三组位置光二极管的所述两端的其中一端。所述第二索引光二极管在所述第一方向上相邻配置于所述第一索引光二极管。所述透光层遮蔽于所述第一组位置光二极管及所述最后一组位置光二极管上和所述第二索引光二极管在所述第一方向上的两边缘的其中一者向内延伸的一部分，但不遮蔽于所述至少三组位置光二极管中的所述第一组位置光二极管及所述最后一组位置光二极管以外的位置光二极管上，其中，所述第一组位置光二极管的所述第一光二极管、所述第二光二极管、所述第三光二极管及所述第四光二极管被所述不透光层的遮蔽率依序变少，且所述最后一组位置光二极管的所述第一光二极管、所述第二光二极管、所述第三光二极管及所述第四光二极管被所述不透光层的遮蔽率依序变多。
11.本发明实施例中，所述第一组位置光二极管与所述最后一组位置光二极管上方的不透光层为彼此镜像对称或不对称。
12.为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。
附图说明
13.图1是本发明实施例的光学式编码器的示意图；
14.图2是本发明实施例的光学式编码器的光二极管阵列及编码狭缝的示意图；
15.图3是本发明实施例的光学式编码器的光二极管的输出电流的示意图；
16.图4a是本发明实施例的光学式编码器的索引光二极管及编码狭缝的尺寸示意图；
17.图4b是本发明实施例的光学式编码器的索引光二极管的输出电流及其差分的示意图；
18.图5是本发明实施例的光学式编码器的索引光二极管的输出电流及其差分在光影像轮廓小于二极管时的示意图；
19.图6是本发明另一实施例的光学式编码器的光二极管阵列的示意图；
20.图7是使用图6的光学式编码器的配置消除错误索引信号的示意图；
21.图8是本发明实施例的光学式编码器的索引光二极管的输出电流及其差分在光影像轮廓大于二极管时的示意图；
22.图9；是本发明再一实施例的光学式编码器的光二极管阵列的示意图；
23.图10是使用图9的光学式编码器的配置消除错误索引信号的示意图。
24.附图标记说明
25.100
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光学式编码器
[0026]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基板
[0027]
10
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检测芯片
[0028]
11
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光源
[0029]
121、122
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透镜
[0030]
13
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光二极管阵列
[0031]
15
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信号处理电路
[0032]
20
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编码盘
[0033]
30
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马达
具体实施方式
[0034]
本发明提供一种通过部分遮蔽光二极管阵列，以减轻总谐波失真及光学放大不匹配影响的光学式编码器。本发明可同时适用于穿透式光学编码器及反射式光学编码器。
[0035]
请参照图1所示，其为本发明实施例的光学式编码器100的示意图。光学式编码器100包含配置于基板9上的检测芯片10以及编码盘(code disk)20相对检测芯片10而设置，其中编码盘20上设置有多个编码狭缝(code slits)，包括如图2所示的位置狭缝(ab slit)及索引狭缝(index slit)。图1中显示编码盘20是受到马达30的控制而顺时针或逆时针旋转，但本发明并不以此为限。根据不同应用，编码盘20可实施成编码条(code stripe)而与所述检测芯片10进行线性相对运动。
[0036]
检测芯片10包含光源11及光二极管阵列13。光源11例如是发光二极管或激光二极管，用于发出可辨识光谱(例如，但不限于，红外光)通过透镜121照明编码盘20上的编码狭缝。在反射式光学编码器中，编码狭缝对入射光进行调变并产生反射光经过另一透镜122传递至光二极管阵列13。在穿透式光学编码器中，光源11与光二极管阵列13可不配置于同一封装结构，而分别配置于编码盘20的两相对侧。
[0037]
必须说明的是，虽然图1显示透镜121、122与检测芯片10分离，但其仅用以说明但非用以限定本发明。其他实施方式中，透镜121和/或122可配置于检测芯片10内，用以调整(例如引导和缩放)光路。
[0038]
请参照图2所示，其为本发明实施例的光学式编码器100的光二极管阵列13及编码狭缝的示意图。为了说明，图2显示一些编码盘20上的编码狭缝，不同实施方式中编码盘20上可形成整圈的编码狭缝，其包含多个位置狭缝(显示为ab slit)及至少一个索引狭缝index slit，该索引狭缝index slit可用以标示起始角度、终止角度或特定角度。
[0039]
光二极管阵列13包含至少三组位置光二极管(例如图1显示为6组，但并不以此为限)沿第一方向(例如x方向)相邻配置，且每组位置光二极管具有第一光二极管i、第二光二极管ii、第三光二极管iii及第四光二极管iv沿所述第一方向依序配置。所述至少三组位置光二极管包含第一组位置光二极管(例如最左侧的光二极管组)及最后一组位置光二极管(例如最右侧的光二极管组)分别配置于所述至少三组位置光二极管的两端。本发明中，第
一方向例如是多个光二极管的排列方向或是编码盘20的切线方向。
[0040]
请同时参照图1至图3所示，图3是本发明实施例的光学式编码器100的各光二极管的输出电流的示意图。本实施例中，第一光二极管i与第二光二极管ii的输出光电流的相位正交，例如第一光二极管i产生图1的信号a+并在图3显示为sinp；第二光二极管ii产生图1的信号b+并在图3显示为cosp。第一光二极管i与第三光二极管iii的输出光电流的相位反相，例如第三光二极管iii产生图1的信号a-并在图3显示为sinm。第二光二极管ii与第四光二极管iv的输出光电流的相位反相，例如第四光二极管iv产生图1的信号b-并在图3显示为cosm。必须说明的是，光电流信号可为斜坡信号(ramp signal)，而并不限于图3所示的弦波信号。
[0041]
光学式编码器100还包含信号处理电路15根据信号a+、a-、b+及b-产生两个频道信号cha、chb以供下游电路(例如处理器)判断编码盘20的旋转角度。产生两个频道信号cha、chb的方法为已知且并非本发明的主要特征，故于此不予赘述。
[0042]
本实施例中，所述至少三组位置光二极管的第一光二极管i、第二光二极管ii、第三光二极管iii及第四光二极管iv在第一方向具有相同的第一宽度(例如d2/4)，并在垂直所述第一方向的第二方向(例如图2的y方向)具有相同高度h。更详言之，每一个位置光二极管具有相同的感光面积(或称主动区)。
[0043]
本实施例中，光二极管阵列13还包含两索引光二极管在第一方向上相邻配置于所述至少三组位置光二极管的两端的其中一端，例如第一索引光二极管index_m-在第一方向上相邻配置于所述至少三组位置光二极管的两端的其中一端，例如图2显示为左端，以产生图1的信号i-并在图3显示为indexm。第二索引光二极管index_m+在第一方向上相邻配置于第一索引光二极管index_m-，例如图2显示为左端，以产生图1的信号i+并在图3显示为indexp。信号处理电路15还用于根据信号i+及i-产生频道信号chi，例如计算其差分运算，但并不以此为限。
[0044]
可以了解的是，当第一索引光二极管index_m-相邻配置于所述至少三组位置光二极管的右端时，第二索引光二极管index_m+则配置并相邻于第一索引光二极管index_m-的右端。本发明通过将所有光二极管配置在相同轨道(track)上，可缩小光二极管阵列13占据的面积并简化制成。
[0045]
本实施例中，两索引光二极管index_m-及index_m+的每一者在第一方向的第二宽度(例如d2)大于位置光二极管(光二极管i至光二极管iv)的第一宽度(例如d2/4)，例如所述第二宽度大于或等于所述第一宽度的4倍。两索引光二极管index_m-及index_m+的输出电流indexm与indexp经过比较(举例说明于后)，则可确定编码盘20的绝对或参考角度。
[0046]
相对位置光二极管及索引光二极管，编码盘20的编码狭缝包含多个位置狭缝(显示为ab slit)及至少一个索引狭缝index slit，该索引狭缝的宽度大于位置狭缝。一种实施方式中，编码狭缝形成暗区(例如非反射区或非穿透区)而狭缝间的区域形成亮区(例如光反射区或穿透区)。另一种实施方式中，编码狭缝形成亮区而狭缝间的区域形成暗区，根据不同应用而定。
[0047]
一种非限定的实施方式中，位置狭缝的狭缝宽度及狭缝间距(即相邻位置狭缝间的距离)d3分别等于位置光二极管的第一宽度的2倍，例如d3＝(d2/2)；而索引狭缝的狭缝宽度d1等于索引光二极管的第二宽度的1.5倍，例如d1＝(1.5
×
d2)。
[0048]
其他实施方式中，不论位置狭缝的狭缝宽度d3是否等于位置光二极管的第一宽度的2倍，位置狭缝投射(反射光或穿透光，视编码器的型式而定)至光二极管阵列13的光影像轮廓等于位置光二极管的第一宽度的2倍。或者，不论索引狭缝的狭缝宽度d1是否等于索引光二极管的第二宽度的1.5倍，索引狭缝投射(反射光或穿透光，视编码器的型式而定)至光二极管阵列13的光影像轮廓等于索引光二极管的第二宽度的1.5倍。本实施例中，该光影像轮廓的大小受到透镜121及122的倍率及组件相对距离而定。优选地，编码狭缝投射至光二极管阵列13的光影像轮廓匹配光二极管尺寸。
[0049]
于运作期间，当索引狭缝index slit通过位置光二极管的上方时，会造成总谐波失真，尤其是边缘两组位置光二极管对总谐波失真的贡献成分最大。因此，本发明还提供不透光层，其可阻挡光源11所发出的光谱，用于遮蔽于所述第一组位置光二极管及所述最后一组位置光二极管上方。如图2所示的遮蔽区，第一组位置光二极管(例如图2最左侧光二极管组)的第一光二极管i、第二光二极管ii、第三光二极管iii及第四光二极管iv被所述不透光层遮蔽的遮蔽率依序变少；但最后一组位置光二极管(例如图2最右侧光二极管组)的第一光二极管i、第二光二极管ii、第三光二极管iii及第四光二极管iv被所述不透光层遮蔽的遮蔽率依序变多。
[0050]
一种非限定的实施方式中，所述第一组位置光二极管的第一光二极管i、第二光二极管ii、第三光二极管iii及第四光二极管iv分别被所述不透光层遮蔽85％～95％、65％～75％、45％～55％及25％～35％；而所述最后一组位置光二极管的第一光二极管i、第二光二极管ii、第三光二极管iii及第四光二极管iv分别被所述不透光层遮蔽25％～35％、45％～55％、65％～75％及85％～95％。
[0051]
此外，位置狭缝(显示ab slit)及索引狭缝index slit经过光学组件(例如图1显示配置于编码盘20与光二极管阵列13之间的透镜121和/或122)投射至光二极管阵列13的光影像轮廓(optical image profile)，经光学倍率调整可被放大或缩小(例如倍率可大于或小于1)，而使得光影像轮廓不匹配位置光二极管及索引光二极管，而使得位置光二极管的光电流信号干扰索引光二极管的光电流信号。如前所述，此处所说的投射可为穿透或反射。
[0052]
请参照图4a-图4b所示，如果光影像轮廓恰好等于光二极管阵列13的尺寸，例如位置狭缝及狭缝间距的光影像轮廓(显示为d3)等于位置光二极管的第一宽度(d2/4)的2倍及索引狭缝的光影像轮廓(显示为d1)等于索引光二极管的第二宽度的1.5倍时，会如图4b所示显示单一索引输出，例如将第二索引光二极管index_m+的输出光电流m+减去第一索引光二极管index_m-的输出光电流m-而得(亦可反向计算)。如此可得到正确的基准位置或角度。
[0053]
图4a中，当光学组件的放大倍率刚好等于1时，则表示位置狭缝及狭缝间距的宽度等于位置光二极管的第一宽度的2倍，且索引狭缝的宽度等于索引光二极管的第二宽度的1.5倍。
[0054]
然而，当光影像轮廓不等于光二极管阵列13的尺寸时，则会发生干扰，如图5及图8所示。本发明中，提供不透光层(可与遮蔽于位置光二极管上的不透光层同时制作)遮蔽于第二索引光二极管index_m+在第一方向上的两边缘的其中一者向内延伸的一部分，以消除光电流间的干扰(crosstalk)。
[0055]
例如图5显示为当光影像轮廓小于光二极管阵列13的尺寸时的干扰情形，所述小于包括位置狭缝及狭缝间距d3的光影像轮廓小于位置光二极管的第一宽度的2倍和/或索引狭缝d1的光影像轮廓小于索引光二极管的第二宽度的1.5倍。从图5可看出存在两个错误索引信号。此时，将不透光层遮蔽于第二索引光二极管index_m+在第一方向上远离第一索引光二极管index_m-的边缘向内延伸的一部分，如图6所示。经过配置此左侧不透光层后，从图7可看出原本在图5的虚线内的光电流m+被压抑而消除了错误索引信号。
[0056]
例如图8显示为当光影像轮廓大于光二极管阵列13的尺寸时的干扰情形，所述大于包括位置狭缝及狭缝间距d3的光影像轮廓大于位置光二极管的第一宽度的2倍和/或索引狭缝d1的光影像轮廓大于索引光二极管的第二宽度的1.5倍。从图8可看出存在两个错误索引信号。此时，将不透光层遮蔽于第二索引光二极管index_m+在第一方向上相邻第一索引光二极管index_m-的边缘向内延伸的一部分，如图9所示。经过配置此右侧不透光层后，从图10可看出原本在图8的虚线内的光电流m+被压抑而消除了错误索引信号。
[0057]
必须说明的是，上述实施例的倍数(例如2及1.5倍)仅为例示，并非用以限定本发明。当光影像轮廓大于或小于光二极管阵列13的尺寸时，即可通过遮蔽部分第二索引光二极管index_m+以消除光电流干扰。
[0058]
本发明中，当光影像轮廓与光二极管阵列13的尺寸差异愈大时，所述不透光层(即图6及图9的遮蔽区ii)的遮蔽面积愈大，即索引光二极管的感光面或主动区(其下方配置一个或多个光二极管)被遮蔽的面积愈大。本发明中，不透光层不遮蔽于第一索引光二极管index_m-及所述至少三组位置光二极管中第一组位置光二极管及最后一组位置光二极管(即图6及图9的遮蔽区i)以外的位置光二极管上。所述不透光层可使用溅镀或涂布等已知工艺制作，并无特定限制。
[0059]
必须说明的是，虽然上述实施例中，光二极管阵列两端的两位置光二极管组的第一光二极管、第二光二极管、第三光二极管及第四光二极管的遮蔽率是以阶梯变化为例进行说明，但本发明并不以此为限。其他实施例中，所述光二极管阵列两端的两位置光二极管组的遮蔽率分别是以平滑的变化依序减少及增加，而并非在光二极管之间以阶梯式变化。
[0060]
综上所述，当具有较大面积的索引狭缝通过位置光二极管时，会使得输出光电流产生明显的总谐波失真的情形；同时，若从编码狭缝投射至光二极管阵列的光影像轮廓的尺寸、形状、弧度和/或间距与光二极管阵列不匹配时，位置光二极管的光电流信号会干扰索引光二极管的光电流信号，而产生错误索引信号(例如图5及图8)。因此，本发明提出一种通过部分遮蔽两侧的位置光二极管(例如图2、图6及图9)以减轻总谐波失真的光学式编码器，和/或通过遮蔽部分索引光二极管(例如图6及图9)以消除错误索引信号的光学式编码器。
[0061]
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。