專利名稱：刻度尺和讀取頭系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種刻度尺和讀取頭系統(tǒng)。本發(fā)明具體涉及一種具有增量通 道和基準(zhǔn)標(biāo)記通道的刻度尺和讀取頭系統(tǒng)。本發(fā)明提供了用于校準(zhǔn)基準(zhǔn)信號 的裝置和方法。
背景技術(shù)：
已知用于測定兩個部件相對位移的刻度讀取裝置包括位于部件之一上 的具有確定圖案的刻度標(biāo)記的刻度尺和位于另一部件上的讀取頭。 一種可選 的刻度讀取裝置具有對刻度尺照射的裝置和讀取頭內(nèi)對產(chǎn)生的光圖案做出 反應(yīng)的檢測裝置，從而實(shí)現(xiàn)對刻度尺和讀取頭之間相對位移的測量。
已知具有間歇圖案的刻度標(biāo)記的刻度尺為增量刻度尺并且產(chǎn)生正交信 號。刻度尺可具有一個或兩個基準(zhǔn)標(biāo)記，其在被讀取頭檢測到時能夠使讀取 頭的精確位置被確定。為使基準(zhǔn)標(biāo)記信號有效，它相對于增量刻度的位置必 須已知。這樣，基準(zhǔn)標(biāo)記信號的中心和寬度相對于增量刻度是固定的。
在許多系統(tǒng)中，常見的是，來自基準(zhǔn)標(biāo)記檢測器的輸出差分電壓具有差 值固定的最高和最低電壓閾值。當(dāng)差分電壓位于這兩個水平之間時，基準(zhǔn)標(biāo) 記信號被輸出。通常通過調(diào)節(jié)讀取頭的幾何形狀來相對于增量通道調(diào)整基準(zhǔn) 標(biāo)記信號的相位，從而使增量通道和基準(zhǔn)標(biāo)記通道相對于;f皮此重新對齊?？?選地，信號被電子地調(diào)節(jié)以對齊增量通道和基準(zhǔn)標(biāo)記通道，例如來自基準(zhǔn)標(biāo) 記信號檢測器的電壓輸出可相對最高和最低電壓閾值被移動。
這種使用固定閾值的方法具有幾個缺陷。尤其是在校準(zhǔn)期間如果基準(zhǔn)標(biāo) 記信號的振幅變化，就得不到最佳結(jié)果。在不同讀取頭與刻度尺組合使用可 導(dǎo)致不同的系統(tǒng)增益時，就是如此。此外，某些測量系統(tǒng)對于增量通道和基
準(zhǔn)標(biāo)記通道使用相同的光源。這樣，增量通道首先被校準(zhǔn)從而實(shí)現(xiàn)100%的
信號強(qiáng)度，這可使得落在基準(zhǔn)標(biāo)記檢測器上的光級改變，從而改變了基準(zhǔn)標(biāo) 記信號的振幅?；鶞?zhǔn)標(biāo)記信號的這種振幅變化具有改變最高和最低電壓閾值 之間的信號寬度的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于校準(zhǔn)刻度測量裝置的方法，所述刻度測量裝置包括具 有形成增量圖案的刻度和至少一個刻度的刻度尺，其中讀取頭包括產(chǎn)生輸出 信號的增量檢測器和產(chǎn)生具有過零點(diǎn)的信號的刻度標(biāo)記檢測器，所述方法包
括以任何合適的順序進(jìn)行的下述步驟
(a) 相對于刻度尺移動讀取頭；
(b) 使用來自增量檢測器的輸出來確定輸出信號的預(yù)定相位；
(c) 使用來自刻度標(biāo)記檢測器的輸出來確定過零點(diǎn)；
(d) 確定在過零點(diǎn)的兩側(cè)上與來自增量檢測器的輸出信號的預(yù)定相位 對應(yīng)的來自刻度標(biāo)記檢測器的信號值；以及
(e) 使用步驟(d)確定的值來確定刻度標(biāo)記脈沖的寬度。 來自增量檢測器的輸出信號優(yōu)選為正交信號。預(yù)定相位的相位可位于每
個正交循環(huán)中的角位置。
優(yōu)選所述至少一個刻度為基準(zhǔn)標(biāo)記。來自刻度檢測器的信號可為電壓信 號，優(yōu)選為差分電壓信號?？潭葯z測器可為分割檢測器(雙象限檢測器)。
優(yōu)選對應(yīng)于來自增量檢測器的輸出信號中的預(yù)定相位的來自刻度檢測 器的輸出被存儲，例如存儲在存儲器中。如果在前一輸出和后一輸出之間沒 有檢測到過零點(diǎn)，則前一信號被對應(yīng)于來自增量檢測器的輸出信號中的預(yù)定 相位的后一信號所覆蓋。如果在前一輸出和后一輸出之間檢測到過零點(diǎn)，前 一信號不被對應(yīng)于來自增量檢測器的輸出信號內(nèi)的預(yù)定相位的后一信號所。
優(yōu)選使用步驟(d)確定的值來確定刻度脈沖的中心。 刻度尺和讀取頭系統(tǒng)不限于光學(xué)系統(tǒng)。可以是其它系統(tǒng)，如磁性、電容 或電感刻度讀取系統(tǒng)。
這種校準(zhǔn)方法適用于與直線、旋轉(zhuǎn)和二維刻度尺一起使用。 本發(fā)明的第二個方面提供了用于校準(zhǔn)刻度尺測量裝置的裝置，其包括 刻度尺，其具有形成增量圖案的刻度和至少一個刻度； 讀取頭，其包括產(chǎn)生輸出信號的增量檢測器和產(chǎn)生具有過零點(diǎn)信號的刻 度標(biāo)^己4企測器；以及
邏輯控制器，其在讀取頭相對于刻度尺移動時能夠以任何合適的順序執(zhí) 行下述步驟
(a)使用來自增量檢測器的輸出來確定輸出信號的預(yù)定相位；(b)使用來自刻度標(biāo)記檢測器的輸出來確定過零點(diǎn)；
(c )確定在過零點(diǎn)的兩側(cè)上與來自增量檢測器的輸出信號的預(yù)定相位
對應(yīng)的來自刻度標(biāo)記檢測器的信號值；以及
(d)使用步驟(d)確定的值來確定刻度標(biāo)記脈沖的寬度。


下面將參照附圖示例性描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的刻度尺的平面圖2為圖1中的刻度尺使用的基準(zhǔn)標(biāo)記光學(xué)器件；
圖3示出分割檢測器及其輸出信號；
圖4示出帶有電壓閾值的差信號；
圖5示出帶有電壓閾值的不同振幅的兩個差信號；
圖6示出帶有不跨越過零點(diǎn)的電壓閾值的不同振幅的兩個差信號；
圖7示出用于本發(fā)明的增量檢測器和基準(zhǔn)標(biāo)記檢測器的輸出；以及
圖8為適用于本發(fā)明的方法的電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出已知的刻度讀取系統(tǒng)。它包括刻度尺IO和可相對刻度尺10移 動的讀取頭12?？潭瘸呔哂袃蓚€軌道，在第一軌道14中設(shè)有包括重復(fù)的亮 線16和暗線18的增量圖案。這就是已知的振幅刻度(amplitude scale )。還 有其它已知類型的增量刻度尺，如包括不同深度的線組成的重復(fù)圖案的相位 刻度尺。
還設(shè)置有第二軌道20。該軌道為基準(zhǔn)標(biāo)記并且具有作為基準(zhǔn)標(biāo)記的刻度 22。增量刻度尺的刻度標(biāo)記通常具有20微米的節(jié)距，而基準(zhǔn)標(biāo)記的刻度標(biāo) 記通常具有200微米的寬度。
盡管圖1中基準(zhǔn)標(biāo)記和增量圖案顯示位于不同的軌道中，但是可以將它 們置于同一軌道內(nèi)。國際專利申請WO 02/065061中公開了基準(zhǔn)標(biāo)記內(nèi)嵌在 增量刻度軌道內(nèi)的情況。
讀取頭12設(shè)有檢測增量圖案的增量檢測器系統(tǒng)24和檢測基準(zhǔn)標(biāo)記的基 準(zhǔn)標(biāo)記檢測器系統(tǒng)26。這些系統(tǒng)可使用共同或單獨(dú)的光源。適當(dāng)?shù)脑隽繖z測 器系統(tǒng)在歐洲專利EP0543513中公開。
圖2示出典型地用于檢測基準(zhǔn)標(biāo)記的光學(xué)器件。光源28設(shè)置在讀取頭12內(nèi)以照射刻度尺10。被刻度尺10反射的光被透鏡30或其它合適的光學(xué) 器件聚焦在基準(zhǔn)標(biāo)記檢測器上，如分割檢測器或雙象限檢測器26上?；鶞?zhǔn) 標(biāo)記可包括亮背景上的暗標(biāo)記。這種情形下基準(zhǔn)標(biāo)記檢測器將檢測讀取頭移 過基準(zhǔn)標(biāo)記時光強(qiáng)度的減小?？蛇x地，基準(zhǔn)標(biāo)記可包括暗背景下的亮標(biāo)記， 反之亦可。可使用其它光學(xué)系統(tǒng)來檢測基準(zhǔn)標(biāo)記。
圖3示出分割檢測器26及其輸出。當(dāng)讀取頭相對刻度尺并因而相對基 準(zhǔn)標(biāo)記沿箭頭A所示的方向移動時，光將首先落在分割卩險測器的一個半部K 上并且接著落在另一半部J上。分割檢測器26的兩個半部K、 J的輸出32、 34彼此偏移。這二個輸出可一皮加合以產(chǎn)生和信號36或作差以形成差信號38。
圖3中的和信號36典型地用于選通(gate)差信號中的過零點(diǎn)39。和信
圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)的方法，其中通過將差信號38與過零點(diǎn)39附近的
兩個電壓閾值Vp V2比較來產(chǎn)生基準(zhǔn)標(biāo)記信號。這些電壓閾值V!、 V2之間 具有固定距離。當(dāng)電壓位于闊值電壓Vi、 V2之間時，基準(zhǔn)標(biāo)記信號被輸出。
當(dāng)校準(zhǔn)光學(xué)測量裝置時，基準(zhǔn)標(biāo)記信號與增量通道同步。這確保了基準(zhǔn) 標(biāo)記信號的中心位于相對于增量輸出的一定位置處并且基準(zhǔn)標(biāo)記信號具有 預(yù)定的寬度。
校準(zhǔn)測量裝置的 一種方法是調(diào)整讀取頭的幾何形狀，使得增量通道和基 準(zhǔn)標(biāo)記通道相對于彼此重新對齊。
在另一種相對于增量通道調(diào)節(jié)基準(zhǔn)標(biāo)記信號的相位的方法中，差信號被
電子地調(diào)節(jié)。因此差信號相對于限定基準(zhǔn)標(biāo)記轉(zhuǎn)換點(diǎn)的電壓閾值V!、 V2上
移或下移。在圖4中，第二組電壓閾值Vr、 V2，相對于差信號位于不同位置。 位于閾值Vi、 V2和V,'、 V 之間的基準(zhǔn)標(biāo)記信號W、 W，在其相位改變時其 寬度基本上保持相同。
但是，這種對齊基準(zhǔn)標(biāo)記信號和增量通道的方法具有幾個缺陷。如果差 信號的振幅變化，就得不到最佳結(jié)果。例如在開放的測量系統(tǒng)中，可存在不 同的讀取頭和刻度尺組合，這就導(dǎo)致不同的系統(tǒng)增益。(即，當(dāng)讀取頭與不
同類型刻度尺一同使用時差信號的振幅可變化)。 一些測量系統(tǒng)中，增量通 道和基準(zhǔn)信號通道使用相同的光源。在這種情況下，增量通道首先被校準(zhǔn)， 以在安裝后實(shí)現(xiàn)100%的信號強(qiáng)度。這可使落在分割檢測器上的光級改變， 從而改變了所產(chǎn)生的差信號的振幅。
圖5示出了來自分割檢測器的取自不同光振幅的兩個差信號40、 42。兩個信號都使用相同的電壓閾值v卜v2?？梢钥闯觯鶞?zhǔn)標(biāo)記脈沖對于兩個 信號具有不同的寬度w、 w，。因此閾值的固定電壓間距在信號的振幅可變
化的情形下并不理想。
為減少差信號振幅變化的情形下基準(zhǔn)標(biāo)記信號與增量信號之間的相位
差，閾值V!、 V2應(yīng)盡可能地接近過零點(diǎn)39。
如圖6所示，閾值V和V2沒有跨過差信號40、 42的過零點(diǎn)，導(dǎo)致用于 差信號振幅40、 42的寬度為W、 W，的基準(zhǔn)標(biāo)記脈沖〗皮此相位偏移。
本發(fā)明提供了 一種相對于增量通道校準(zhǔn)基準(zhǔn)標(biāo)記信號的方法，而不具有 現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
圖7示出了來自增量通道的輸出和來自基準(zhǔn)信號分割檢測器的差信號。 來自增量通道的輸出包括正弦和余弦增量信號44、 46。示出的來自差信號的 輸出是差信號48的中心部分，可被視為線性的。
在該實(shí)施例中，優(yōu)選具有360。長并且以增量通道的45。為中心的基準(zhǔn)標(biāo) 記脈沖。以45°為中心的360。脈沖始于-135。并延伸至225。。
在該校準(zhǔn)方法中，讀取頭越過刻度尺包含基準(zhǔn)標(biāo)記的部分并且來自增量 和基準(zhǔn)標(biāo)記信號的輸出被監(jiān)控。
在第一個步驟中，增量正弦/余弦信號被監(jiān)控。當(dāng)增量正弦/余弦信號在 225。時(這發(fā)生在正弦=余弦并且都為負(fù)值時)，來自差信號的相應(yīng)輸出被 存儲在存儲器內(nèi)。每當(dāng)增量信號位于225。時這都重復(fù)發(fā)生。每次差信號(對 應(yīng)于增量通道中的225。)被存儲時，之前的存儲信號就被覆蓋。當(dāng)檢測到差 信號中的過零點(diǎn)時，前一對應(yīng)于225。的電壓信號不被覆蓋并且接下來對應(yīng)于 225。的信號被存儲。這兩個值被存儲在存儲器內(nèi)并且最終被用作V！和V2閾 值。這就產(chǎn)生了以45。為中心并且跨過差信號的過零點(diǎn)的360。寬的脈沖。因 此在圖7中Vc和Vd植被用作Vi和V2閾值。
盡管圖7輸出了具有OV的過零點(diǎn)和具有正電壓和負(fù)電壓的電壓VA-Vg，實(shí)際上過零點(diǎn)的電壓和VA-V(j都不必需為零、正或負(fù)，而是受到系統(tǒng) 的電源限制。
如果讀取頭相對于刻度尺的行進(jìn)方向掉轉(zhuǎn)，該方法同樣適用。這種情形 下閾值將選擇兩個相同的值。
這種方法的其它優(yōu)點(diǎn)在于，校準(zhǔn)總是產(chǎn)生所需寬度(本實(shí)施例中為360°) 的集中脈沖，與刻度節(jié)距無關(guān)。這不像現(xiàn)有技術(shù)的方法，它們使用取決于信 號節(jié)距的電壓閾值偏移。該方法使得可選擇基準(zhǔn)標(biāo)記脈沖的任何中心和寬度不限于該實(shí)施例中的參數(shù)。
該校準(zhǔn)方法適用于產(chǎn)生差信號的任何基準(zhǔn)信號檢測器，不限于分割^r測器。
可使用產(chǎn)生正交信號的任何增量系統(tǒng)。正交信號不限于正弦波的一部 分，它可例如由三角波構(gòu)成。
圖8示出適用于本發(fā)明的電路圖。來自分割檢測器26的兩個半部的輸 出被放大器50、 52放大，并且通過放大器54作差形成差信號56。當(dāng)它們對 應(yīng)于增量輸出中的特定值時，該信號穿過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器58并且信號被存 儲在存儲器60內(nèi)。如上所述，存儲器內(nèi)跨過過零點(diǎn)的兩個值被用作閾值。 這些值從存儲器輸出至數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器62、 64,在此它們形成V +和V-即差信號的電壓閾值。該V +和V-閾值與差信號在比較器66、 68內(nèi)^C結(jié) 合，以產(chǎn)生基準(zhǔn)標(biāo)記信號。
圖8的實(shí)施方式示出的存儲器60和DAC 62、 64可被其它合適的部件取 代，如易失性電子電位計(E2POT)。圖8的實(shí)施方式中的部件如ADC58可 被設(shè)置在外部結(jié)構(gòu)設(shè)備中，而不是在讀取頭內(nèi)。
本發(fā)明的基準(zhǔn)標(biāo)記校準(zhǔn)可在邏輯控制器內(nèi)進(jìn)行，如微控制器、微定序器 或狀態(tài)機(jī)內(nèi)的遝輯電路。
盡管說明書和附圖是關(guān)于反射系統(tǒng)，本發(fā)明也適用于透射系統(tǒng)。
該校準(zhǔn)方法適用于直線、旋轉(zhuǎn)和二維刻度尺。
該校準(zhǔn)方法不限于適用于光學(xué)測量系統(tǒng)。它也適用于非光學(xué)系統(tǒng)如電 容、電感或磁性測量系統(tǒng)。磁性測量系統(tǒng)可例如使用微分霍爾傳感器或磁阻 傳感器來檢測差信號。它也適用于不同的增量檢測器和基準(zhǔn)標(biāo)記檢測器類 型，如光學(xué)增量系統(tǒng)和磁性基準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1. 一種用于校準(zhǔn)刻度測量裝置的方法，所述刻度測量裝置包括刻度尺，所述刻度尺具有形成增量圖案的刻度標(biāo)記和至少一個刻度標(biāo)記，其中讀取頭包括產(chǎn)生輸出信號的增量檢測器和產(chǎn)生具有過零點(diǎn)的信號的刻度標(biāo)記檢測器，所述方法包括以任何合適的順序進(jìn)行的下述步驟(a)相對于所述刻度尺移動所述讀取頭；(b)使用來自增量檢測器的輸出來確定輸出信號的預(yù)定相位；(c)使用來自刻度標(biāo)記檢測器的輸出來確定過零點(diǎn)；(d)確定在過零點(diǎn)的兩側(cè)上與來自增量檢測器的輸出信號的預(yù)定相位對應(yīng)的來自刻度標(biāo)記檢測器的信號值；以及(e)使用步驟(d)確定的值來確定刻度標(biāo)記脈沖的寬度。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，來自增量4企測器的輸出信號為正 交信號。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述預(yù)定相位的相位處于每個正 交循環(huán)內(nèi)的角位置。
4、 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少一個刻度標(biāo) i己為基準(zhǔn)才示"i己。
5、 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，來自刻度標(biāo)記檢測器 的信號為差分電壓信號。
6、 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述刻度標(biāo)記檢測器 為分割檢測器。
7、 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，對應(yīng)于來自增量檢測 器的輸出信號的預(yù)定相位的來自刻度標(biāo)記檢測器的輸出被存儲。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，對應(yīng)于來自增量檢測器的輸出信 號的預(yù)定相位的來自刻度標(biāo)記檢測器的輸出被存儲在存儲器內(nèi)。
9、 如權(quán)利要求7或8所迷的方法，其中，如果在前一和后一輸出之間 沒有檢測到過零點(diǎn)，則被存儲的前一輸出被對應(yīng)于來自增量檢測器的輸出信 號的預(yù)定相位的后一輸出覆蓋。
10、 如權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，如果在前一和后一 的輸出之間檢測到過零點(diǎn)，則被存儲的前一輸出不被對應(yīng)于來自增量檢測器的輸出信號的預(yù)定相位的后一輸出覆蓋。
11、 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟(d)確定的值用于確定刻度標(biāo)記脈沖的中心。
12、 一種用于校準(zhǔn)刻度測量裝置的裝置，包括 刻度尺，其具有形成增量圖案的刻度和至少一個刻度；讀取頭，其包括產(chǎn)生輸出信號的增量檢測器和產(chǎn)生具有過零點(diǎn)信號的刻 度標(biāo)記檢測器；以及邏輯控制器，其在讀取頭相對于刻度尺移動時能夠以任何合適的順序執(zhí) 行下述步驟(a) 使用來自增量檢測器的輸出來確定輸出信號的預(yù)定相位；(b) 使用來自刻度標(biāo)記檢測器的輸出來確定過零點(diǎn)；(c) 確定在過零點(diǎn)的兩側(cè)上與來自增量檢測器的輸出信號的預(yù)定相位 對應(yīng)的來自刻度標(biāo)記檢測器的信號值；以及(d) 使用步驟(d)確定的值來確定刻度標(biāo)記脈沖的寬度。
全文摘要
一種用于校準(zhǔn)刻度測量裝置的方法?？潭瘸呔哂行纬稍隽繄D案的刻度標(biāo)記和至少一個刻度標(biāo)記。讀取頭包括產(chǎn)生輸出信號的增量檢測器和產(chǎn)生具有過零點(diǎn)的信號的刻度標(biāo)記檢測器。讀取頭相對于刻度尺移動。來自增量檢測器的輸出用來確定輸出信號的預(yù)定相位并且在過零點(diǎn)的兩側(cè)上與來自增量檢測器的輸出信號的預(yù)定相位對應(yīng)的來自刻度標(biāo)記檢測器的信號值被確定。這些值用來確定刻度標(biāo)記脈沖的寬度。
文檔編號G01D5/26GK101300463SQ200680041390
公開日2008年11月5日 申請日期2006年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月7日
發(fā)明者科林·基思·豪利 申請人:瑞尼斯豪公司