CN101368831B

CN101368831B - 绝对位置长度测量型编码器

Info

Publication number: CN101368831B
Application number: CN2008101714323A
Authority: CN
Inventors: 草野亘平
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: US20080252906A1; EP1980824A1; US7825368B2; JP4960133B2; CN101368831A; EP1980824B1; JP2008261701A

Abstract

一种绝对位置长度测量型编码器，包括具有增量轨迹、绝对轨迹和参考位置轨迹的刻度尺。所述增量轨迹具有包括按第一周期以相等间隔形成的第一明暗图案的增量图案。所述绝对轨迹具有表示绝对位置的绝对图案。所述参考位置轨迹具有包括按比所述第一周期长的第二周期以相等间隔形成的第二明暗图案的参考位置图案。光源向所述刻度尺发射测量光。光电检测器接收在所述刻度尺处反射或通过所述刻度尺透射的测量光。信号处理电路处理所述光电检测器的接收光信号，以检测所述刻度尺的绝对位置。

Description

绝对位置长度测量型编码器

技术领域

本发明涉及一种绝对位置长度测量型编码器。

背景技术

增量式编码器和绝对编码器是已知用于测量物体的移动距离的装置。增量式编码器测量相对移动距离，而绝对编码器允许绝对位置长度测量。

在光电编码器的情况下，增量式编码器具有增量轨迹，增量轨迹具有包括相等间隔的明暗图案的增量图案。基于这些图案，增量式编码器对明暗信号进行计数，以检测相对移动距离。另外，增量式编码器可以通过检测与上述具有相等间隔的明暗图案分开提供的原点检测图案，并然后检测从原点的相对移动距离，来检测绝对移动距离。然而，在测量之前，刻度尺必须被向右和/或向左方向移动，以读取原点检测图案。

另一方面，绝对编码器具有绝对轨迹，该绝对轨迹具有表示例如M序列码的伪随机代码的绝对图案，并且该绝对编码器检测通过关于对应目标读取的绝对图案而产生的绝对位置。与增量式编码器不同，绝对编码器不需要基于原点检测图案的任何原点检测，且可以从通电时所在(very)的位置开始测量，而不需要移动刻度尺。然而，绝对编码器具有比增量式编码器低的检测精度。

同样地，如例如在JP H7-286861A中所公开的，已知在绝对位置长度测量型编码器中，具有相等间隔的增量图案的增量轨迹和具有表示伪随机代码的绝对图案的绝对轨迹同时(in parallel)位于一个刻度尺上。这种编码器通过读取绝对轨迹上的绝对图案首先检测通电之后的绝对位置。然后，通过读取增量轨迹上的增量图案，该编码器检测从该位置的相对移动距离。这样，可以得到这样的绝对位置长度测量型编码器，其掩饰了增量式和绝对编码器的每一个的缺陷，而同时享有两者的优点。

然而，在如此配置的编码器中，因为增量图案具有更细密的明暗间距，所以没有定位误差地关于增量图案形成细密的绝对图案更加困难。另外，随着刻度尺的整个长度变得更长，在整个刻度尺上在绝对图案和增量图案之间保持相对相位关系更加困难。

因此，很难提供其中使用绝对和增量图案二者的更小的绝对位置长度测量型编码器。

发明内容

一种依据本发明的绝对位置长度测量型编码器，包括：刻度尺，包含形成于其中的具有包括按第一周期以相等间隔形成的第一明暗图案的增量图案的增量轨迹、形成于其中的具有表示绝对位置的绝对图案的绝对轨迹和形成于其中的具有包括按比第一周期长的第二周期以相等间隔形成的第二明暗图案的参考位置图案的参考位置轨迹；光源，用于向刻度尺发射测量光；光电检测器，用于接收在刻度尺处反射或通过刻度尺透射的测量光；以及信号处理电路，用于处理所述光电检测器的接收光信号，以检测所述刻度尺的绝对位置。其中，所述信号处理电路基于从所述绝对图案获得的信号来做出关于所述刻度尺位于所述第二周期中的哪一个的判断，并且基于所述判断结果、从所述参考位置图案获得的信号和从所述增量图案获得的信号来检测所述刻度尺的绝对位置。

根据该编码器，不需要关于具有按第一周期于其中形成的明暗图案的增量图案精确地形成绝对图案，而是关于按比第一周期长的第二周期形成的参考位置图案以预定精确度形成绝对图案就足够了。因此，绝对图案可以容许与增量图案相比更大的位置误差，这可以引起更细密的增量图案，以及改进精度的编码器。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的整体结构的示意图；

图2是示出图1中的刻度尺12的结构的平面图；

图3是示出图1中的光电二极管阵列14的结构的平面图；

图4示出根据第一实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的操作；

图5是示出根据本发明的第二实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的整体结构的示意图；

图6是示出图5中的刻度尺12的结构的平面图；

图7是示出不具有阴影的图6中的刻度尺12的结构的平面图；

图8是示出图5中的光电二极管阵列14的结构的平面图；

图9是示出图5所示的刻度尺12中的ABS/参考位置结合刻度尺34的结构细节的示意图；

图10是示出图6中的刻度尺12中的ABS/参考位置结合刻度尺34的结构细节的示意图；

图11是示出根据本发明第三实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的刻度尺12的结构的示意图；

图12是示出根据本发明第四实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的刻度尺12的结构的示意图；

图13是示出根据本发明第五实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的刻度尺12的结构的示意图；

图14是示出根据本发明第六实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的刻度尺12的结构的示意图；

图15是示出根据本发明第七实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的刻度尺12的结构的示意图；

图16是示出根据本发明第八实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的刻度尺12的结构的示意图；并且

图17示出了实施例的变形。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的实施例。

【第一实施例】

图1是示出根据本发明第一实施例的绝对位置长度测量型光电编码器的整体结构的示意图。依据该实施例的绝对位置长度测量型光电编码器包括发光元件11、刻度尺12、透镜13、光电二极管阵列14和信号处理电路20。

发光元件11是诸如激光二极管的光源，其发射相干光。如图2所示，刻度尺12被配置为在透明玻璃基板上形成下述轨迹：增量轨迹301，具有按排列间距(pitch)Pi(例如40μm)形成的增量图案31，其包括相等间隔的明暗区域；以及绝对轨迹302，具有通常的绝对图案32，该图案以伪随机图案(在这种情况下，M序列码)表示绝对位置。

除此之外，刻度尺12还包括具有参考位置图案33的参考位置轨迹303，其每一个在长度测量方向上具有宽度Wr。参考位置图案33相对于绝对图案32具有预定的相位关系，且其按排列间距Pr(＞Pi)形成，具有相等间隔的明暗区域。即，绝对图案32表示参考位置图案33中的相等间隔图案的绝对位置。增量图案31的排列间距Pi被设置为小于参考位置图案33的排列间距Pr，例如，以整数的因数。在该实施例中，为了描述，假设Pr＝4Pi。例如，如果Pi＝40μm，则设置Pr为160μm。

因为遍及编码器的全长分别以相等间隔的排列间距(Pi，Pr)形成增量图案31和参考位置图案33，所以可以容易遍及该全长以精确的方式来形成它们。相反，因为在遍及编码器的全长中没有一个绝对图案32的区域相同，所以很难遍及该长度以精确的方式形成绝对图案32。

在这种情况中，在这里假定，如现有技术中的，编码器仅具有增量图案31和绝对图案32，而没有任何参考位置图案33。根据这样的编码器，例如，在刻度尺12的全长中，倘若增量图案31的排列间距是40μm，则绝对图案32必须具有小于该排列间距的一半的精确度，即小于±20μm。

在该实施例中，如果以大于增量图案31的排列间距Pi的排列间距Pr形成参考位置图案33，则对于被设置成与参考位置图案33的排列间距Pr具有相同级别的绝对图案32来说，这样的位置精确度是足够的。以这种方式，绝对图案32可以容许更大的位置误差。例如，如果参考位置图案33的排列间距Pr为Pi的4倍，也就是160μm，则绝对图案32在刻度尺12的全长可以容许高达±80μm的位置误差。这意味着可以无需顾及绝对图案32的精确度来确定增量图案31的排列间距Pi。例如，排列间距Pi可以小于绝对图案32的位置精确度。因此，该实施例可以提供更细密的增量图案31的间距，这将提供编码器中的改进的精确度。

发光元件11照射刻度尺12。然后，通过刻度尺12传送的辐射光通过透镜13被投射至光电二极管阵列14上。

如图3中所示，光电二极管阵列14包括INC光电二极管阵列41、ABS光电二极管阵列42和参考位置光电二极管阵列43，其分别对应于增量轨迹301、绝对轨迹302和参考位置轨迹303。光电二极管阵列41至43中的每一个被配置成在其中分别以对应于相应图案31至33中的每一个的排列间距来布置光电二极管。

INC光电二极管阵列41具有4组光电二极管阵列，每一个分别具有90°的相位差，并且基于增量图案31检测明暗信号以输出具有90°的相位差的正交正弦波信号。ABS光电二极管阵列42输出通过在长度测量方向上扫描基于绝对图案的明暗信号所产生的信号。另外，对参考位置光电二极管阵列43设置长度测量方向上的尺度WPDR(WPDR＞Pr+Wr)，从而使得可以检测到至少一个或多个参考位置图案33。参考位置二极管阵列43输出通过在长度测量方向上扫描基于参考位置图案33的明暗信号所产生的信号。

现在返回到图1，下面将给出进一步的描述。以示例的方式，信号处理装置20包括噪声滤波器/放大器电路21、A/D转换器22、相对位置检测电路23、噪声滤波器/放大器电路24、A/D转换器25、绝对位置检测电路26、噪声滤波器/放大器电路27、A/D转换器28、参考位置检测电路29和绝对位置合成电路30。

噪声滤波器/放大器电路21去除由INC光电二极管阵列41提供的模拟输出信号(具有90°相位差的正交信号)中的噪声。然后，噪声滤波器/放大器电路21放大并输出模拟输出信号。A/D转换器22将从噪声滤波器/放大器电路21中输出的模拟输出信号转换为数字信号。通过对结果得到的数字信号(具有90°相位差)的幅值进行反正切计算，相对位置检测电路23输出指示刻度尺12的相对移动距离和移动方向的相对位置信号D2。

噪声滤波器/放大器电路24去除由ABS光电二极管阵列42提供的模拟输出信号(绝对位置信号)中的噪声。然后，噪声滤波器/放大器电路24放大并输出模拟输出信号。A/D转换器25将从噪声滤波器/放大器电路24中输出的模拟输出信号转换为数字信号。在这种情况下，转换后的数字信号包括由绝对图案32表示的M序列码的数据。

绝对位置检测电路26具有指示M序列码和由M序列码表示的绝对位置之间的关系的表格(未示出)。绝对位置检测电路26查阅该表格以输出指示刻度尺12的绝对位置的绝对位置信号D1。

噪声滤波器/放大器电路27去除由参考位置光电二极管阵列43提供的模拟输出信号中的噪声。然后，噪声滤波器/放大器电路27放大并输出模拟输出信号。A/D转换器28将从噪声滤波器/放大器电路27中输出的模拟信号转换为数字信号。然后，参考位置检测电路29输出指示在数字信号中包括的参考位置图案的参考位置的参考位置信号D3。

基于绝对位置信号D1、相对位置信号D2和参考位置信号D3，绝对位置合成电路30计算刻度尺12的细密绝对位置。参照图4，下面将描述绝对位置合成电路30的操作。绝对位置信号D1具有关于刻度尺12的绝对位置的信息。由于绝对图案32是相对于参考位置图案33以预定精确度形成的，所以可以通过根据绝对位置信号D1获得绝对位置来确定刻度尺12关于参考位置图案33位于哪一周期Pr(图4中的(1))。

在关于参考位置图案33确定了一个周期Pr后，检测关于参考位置信号D3的信号量。然后，能够确定刻度尺12关于增量图案31位于哪一周期中(图4中的(2))。由于增量图案31和参考位置图案33是以各自的相等间隔的明暗图案形成的，所以即使排列间距Pr与Pi之间的比率较高，也可以容易地将这些图案之间的位置精确度保持在较高级别。因此，通过确定刻度尺12关于参考位置图案33所位于的周期并检测关于参考位置信号D3的信号量，可以确定刻度尺12关于增量图案31位于哪一周期中。其后，可以通过对由增量图案31获得的相对位置信号D2的明暗区域计数来计算并输出刻度尺12的绝对位置。

从上述中可以看出，根据该实施例，基于由绝对图案32获得的绝对位置信号D1，检测刻度尺12相对于参考位置图案33的绝对位置。然后，根据基于参考位置图案33的参考位置信号D3和基于增量图案31的相对位置信号D2，可以获得刻度尺12的精确绝对位置信息。绝对图案32不需要具有关于与以细密方式形成的增量图案31的位置精确度，相反，以关于具有更大排列间距的参考位置图案33的预定的位置精确度来形成绝对图案32就足够了。因此，该实施例可以提供增量图案31的更细密的间距，这将提供编码器的改进的精确度。

【第二实施例】

现在参考图5至图10，下面将描述根据本发明第二实施例的绝对位置长度测量型光电编码器。在图5至图10中，相同的参考数字表示与第一实施例相同的组件，并且将在这里省略对其的具体描述。

图5是示出第二实施例的整体结构的示意图，并且图6示出刻度尺12的平面结构。如图6中所示，该实施例与第一实施例的不同在于其包括具有ABS/参考位置结合图案34的ABS/参考位置结合轨迹304，而不是绝对图案32和参考位置图案33，在本实施例中这两种类型的图案被结合为一个轨迹。如图6中所示，利用在一个轨迹中布置的下述两种类型的图案来形成ABS/参考位置结合轨迹304：表示伪随机图案的绝对图案32’和以大于增量图案31的排列间距Pi的排列间距Pr在绝对图案32’的间隙中布置的参考位置图案33’。此外，在图6中参考位置图案33’具有阴影，这是为了清楚地示出的目的，因为能够容易地将绝对图案32’和参考位置图案33’相互区别。如图7所示，在实际的刻度尺中，在刻度尺12上以相同材料形成绝对图案32’和参考位置图案33’，它们的不同仅仅在于形状。如上所述，在该实施例中，由于刻度尺12中仅包括两排轨迹，所以与其中包含了三排轨迹的第一实施例相比，该刻度尺12可被容易地制作得更小。

此外，与如上配置的刻度尺12对应，如图8所示，光电二极管阵列14包括INC光电二极管阵列41和ABS/参考位置光电二极管阵列44，其分别与增量轨迹301和ABS/参考位置结合图案轨迹304的每个对应。

此外，如图5所示，对于基于增量图案31的信号处理(21至23)，该实施例的信号处理电路20具有与第一实施例相似的结构。另一方面，如上所述的基于ABS/参考位置结合图案34的信号与第一实施例的不同在于，上述信号经由噪声滤波器/放大器电路24和A/D转换器25而被输入到分离电路201。分离电路201具有将ABS/参考位置结合图案34中的由参考位置图案33’提供的信号与由绝对图案32’提供的信号相分离的作用。可通过在基于图案34的信号和参考位置图案33’的设计值之间的相关计算来实现这些信号之间的这样的分离。即，作为相关计算的结果，可获得基于参考位置图案33’的那些信号。作为相关计算，可以采用乘法型和减法型。由参考位置图案33’提供的分离信号被输入到参考位置检测电路29，该电路继而输出参考位置信号D3。

可替代地，作为在基于图案34的信号和绝对图案32’的设计值之间的相关计算的结果，可获得基于绝对图案32’的那些信号。

现在参考图9和图10，下面将描述根据本实施例的ABS/参考位置结合图案34的示范性结构。图9示出了第一结构。在该第一结构中，在图9的上部示出的绝对图案32’和参考位置图案33’被结合到一排轨迹中，其导致了如图9的下部示出的结构。当这些图案被结合时，绝对图案32’和参考位置图案33’中的一些相互重叠(箭头A所指示的区域)。在第一结构中，在重叠区域中省略绝对图案32’，而是改为在每一个该位置(箭头A所指示)处形成参考位置图案33’的每一个。以这种方式，当在箭头A所指示的区域中省略绝对图案32’(擦除)时，只要参考位置图案33’的设计值(包括关于每一箭头A的位置的信息)对于绝对位置检测电路26来说是已知的，就可以检测绝对位置，好像该绝对图案32’没有被省略一样。

图10示出第二结构。在这种情况下，如图10的上部所示，如果存在其中绝对图案32’和参考位置图案33’中的一些相互重叠的区域，则如图10的下部所示，减小绝对图案32’的尺寸，并将其形成为消除任何重叠区域，而不是省略这样的重叠区域。

【第三实施例】

图11示出依据本发明第三实施例的绝对位置检测型编码器的结构。其整体结构基本上与第一实施例(图1)相同，并在此省略对其的描述。

该实施例与第一实施例的不同在于在增量轨迹301的两侧提供两种类型的轨迹：参考位置轨迹303A和303B(相应地，虽然未示出，但是在光电二极管阵列14上也提供两个参考位置光电二极管阵列43)。根据该结构，如果刻度尺12倾斜(偏转)，则由偏转导致的那些误差可以通过平均基于这两种类型的图案、参考位置图案33A和33B中的每个的信号来补偿。

【第四实施例】

图12示出根据本发明第四实施例的绝对位置检测型编码器的结构。其整体结构基本上与第一实施例(图1)相同，并在此省略对其的描述。

该实施例与上述实施例的不同在于，在增量轨迹301的两侧形成与第二实施例中相似的ABS/参考位置结合轨迹304A和304B。根据该结构，如果刻度尺12倾斜(偏转)，则由偏转导致的那些误差可以通过平均基于这两种类型的图案、ABS/参考位置图案34A和34B中的每个的信号来补偿。

【第五实施例】

图13示出根据本发明第五实施例的绝对位置检测型编码器的结构。其整体结构基本上与第一实施例(图1)相同，并在此省略对其的描述。

第五实施例涉及对第一实施例的修改。具体地，一片参考位置图案33并非是如图1所示的由单个图案形成，而是由以不等间隔排列的多个图案S1-S4形成。

其每一个都由这样的不等间隔的图案S1-S4形成的多个参考位置图案33分别被排列为具有宽度Wr，且具有间距Pr。例如在JP H07-318371A中公开了这样的图案S1-S4，且在其中其被用作原点检测图案。同样，在该实施例中，具有这样的图案S1-S4的参考位置图案33也用于允许上述绝对图案32的更大的位置误差，且也可用作原点检测图案。

【第六实施例】

图14示出根据本发明第六实施例的绝对位置检测型编码器的结构。其整体结构基本上与第一实施例(图1)相同，并在此省略对其的描述。第六实施例是对第二实施例的修改。具体地，不以如图6和图7中所示的单个图案来形成第二实施例中的一片参考位置33’，而是由以不等间隔排列的多个图案S1-S4形成。其它结构与第二实施例相同。

【第七实施例】

图15示出根据本发明第七实施例的绝对位置检测型编码器的结构。其整体结构基本上与第一实施例(图1)相同，并在此省略对其的描述。

第七实施例是对第三实施例的修改。具体地，不以如图11中所示的单个图案来形成第三实施例中的一片参考位置33A和33B，而是由以不等间隔排列的多个图案S1-S4来形成。其它结构与第三实施例相同。

【第八实施例】

图16示出根据本发明第八实施例的绝对位置检测型编码器的结构。其整体结构基本上与第一实施例(图1)相同，并在此省略对其的描述。第七实施例是对第四实施例的修改。具体地，不以如图12中所示的单个图案来形成第四实施例中的一片参考位置33’，而是由以不等间隔排列的多个图案S1-S4来形成。其它结构与第四实施例相同。

【其它实施例】

虽然已描述如上的本发明的实施例，但是本发明不意欲被局限于所公开的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其做出各种其它的改变和添加。例如，虽然在透射型光电编码器的上下文中描述了上述实施例，但如图17中所示，发光元件11可被置于与作为发光元件11的反射型光学系统的透镜13和光电二极管阵列14的相同端。

对相关申请的交叉引用

本申请基于并要求之前于2007年4月11日提交的日本专利申请NO.2007-104122的优先权，其全部内容通过参照而被合并于此。

Claims

1.一种绝对位置长度测量型编码器，包括：

刻度尺，包含形成于其中的具有包括按第一周期以相等间隔形成的第一明暗图案的增量图案的增量轨迹、形成于其中的具有表示绝对位置的绝对图案的绝对轨迹和形成于其中的具有包括按比所述第一周期长的第二周期以相等间隔形成的第二明暗图案的参考位置图案的参考位置轨迹；

光源，用于向所述刻度尺发射测量光；

光电检测器，用于接收在所述刻度尺处反射或通过所述刻度尺透射的所述测量光；以及

信号处理电路，用于处理所述光电检测器的接收光信号，以检测所述刻度尺的绝对位置，

其中，所述信号处理电路基于从所述绝对图案获得的信号来做出关于所述刻度尺位于所述第二周期中的哪一个的判断，

并且基于所述判断结果、从所述参考位置图案获得的信号和从所述增量图案获得的信号来检测所述刻度尺的绝对位置。

2.根据权利要求1所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，所述第一周期小于所述绝对图案的位置精确度。

3.根据权利要求1所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，利用小于相对于所述参考位置图案的所述第二周期的精确度的一半的精确度来形成所述绝对图案。

4.根据权利要求3所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，所述第一周期小于所述绝对图案的位置精确度。

5.根据权利要求1所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，所述第一周期以整数的因数小于所述第二周期。

6.根据权利要求1所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，所述每一绝对图案表示所述每一参考位置图案的绝对位置。

7.根据权利要求1所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，所述参考位置图案包括在所述增量图案的两侧提供的第一和第二参考位置图案。

8.根据权利要求1所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，所述绝对图案和所述参考位置图案被形成在同一轨迹上。

9.根据权利要求8所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，所述绝对图案包括第一和第二绝对图案，并且所述参考位置图案包括第一和第二参考位置图案，所述第一绝对图案和所述第一参考位置图案形成的结合轨迹与所述第二绝对图案和所述第二参考位置图案形成的结合轨迹被提供在所述增量图案的两侧。

10.根据权利要求8所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，在其中所述绝对图案和所述参考位置图案相互重叠的区域中，擦除所述绝对图案。

11.根据权利要求8所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，减小所述绝对图案的尺寸，并以所述绝对图案和所述参考位置图案相互不重叠的方式形成所述绝对图案。

12.根据权利要求1所述的绝对位置长度测量型编码器，其中，以不等间隔排列的多个图案形成单元，且按第二周期以相等间隔排列该单元以形成所述参考位置图案。