刻度尺和读取头系统.pdf

一种用于校准刻度测量装置的方法。刻度尺具有形成增量图案的刻度标记和至少一个刻度标记。读取头包括产生输出信号的增量检测器和产生具有过零点的信号的刻度标记检测器。读取头相对于刻度尺移动。来自增量检测器的输出用来确定输出信号的预定相位并且在过零点的两侧上与来自增量检测器的输出信号的预定相位对应的来自刻度标记检测器的信号值被确定。这些值用来确定刻度标记脉冲的宽度。

1、  一种用于校准刻度测量装置的方法，所述刻度测量装置包括刻度尺，所述刻度尺具有形成增量图案的刻度标记和至少一个刻度标记，其中读取头包括产生输出信号的增量检测器和产生具有过零点的信号的刻度标记检测器，所述方法包括以任何合适的顺序进行的下述步骤：
(a)相对于所述刻度尺移动所述读取头；
(b)使用来自增量检测器的输出来确定输出信号的预定相位；
(c)使用来自刻度标记检测器的输出来确定过零点；
(d)确定在过零点的两侧上与来自增量检测器的输出信号的预定相位对应的来自刻度标记检测器的信号值；以及
(e)使用步骤(d)确定的值来确定刻度标记脉冲的宽度。

2、  如权利要求1所述的方法，其中，来自增量检测器的输出信号为正交信号。

3、  如权利要求2所述的方法，其中，所述预定相位的相位处于每个正交循环内的角位置。

4、  如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个刻度标记为基准标记。

5、  如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，来自刻度标记检测器的信号为差分电压信号。

6、  如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述刻度标记检测器为分割检测器。

7、  如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对应于来自增量检测器的输出信号的预定相位的来自刻度标记检测器的输出被存储。

8、  如权利要求7所述的方法，其中，对应于来自增量检测器的输出信号的预定相位的来自刻度标记检测器的输出被存储在存储器内。

9、  如权利要求7或8所述的方法，其中，如果在前一和后一输出之间没有检测到过零点，则被存储的前一输出被对应于来自增量检测器的输出信号的预定相位的后一输出覆盖。

10、  如权利要求7-9中任一项所述的方法，其中，如果在前一和后一的输出之间检测到过零点，则被存储的前一输出不被对应于来自增量检测器的输出信号的预定相位的后一输出覆盖。

11、  如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(d)确定的值用于确定刻度标记脉冲的中心。

12、  一种用于校准刻度测量装置的装置，包括：
刻度尺，其具有形成增量图案的刻度和至少一个刻度；
读取头，其包括产生输出信号的增量检测器和产生具有过零点信号的刻度标记检测器；以及
逻辑控制器，其在读取头相对于刻度尺移动时能够以任何合适的顺序执行下述步骤：
(a)使用来自增量检测器的输出来确定输出信号的预定相位；
(b)使用来自刻度标记检测器的输出来确定过零点；
(c)确定在过零点的两侧上与来自增量检测器的输出信号的预定相位对应的来自刻度标记检测器的信号值；以及
(d)使用步骤(d)确定的值来确定刻度标记脉冲的宽度。

刻度尺和读取头系统
技术领域
本发明涉及一种刻度尺和读取头系统。本发明具体涉及一种具有增量通道和基准标记通道的刻度尺和读取头系统。本发明提供了用于校准基准信号的装置和方法。
背景技术
已知用于测定两个部件相对位移的刻度读取装置包括位于部件之一上的具有确定图案的刻度标记的刻度尺和位于另一部件上的读取头。一种可选的刻度读取装置具有对刻度尺照射的装置和读取头内对产生的光图案做出反应的检测装置，从而实现对刻度尺和读取头之间相对位移的测量。
已知具有间歇图案的刻度标记的刻度尺为增量刻度尺并且产生正交信号。刻度尺可具有一个或两个基准标记，其在被读取头检测到时能够使读取头的精确位置被确定。为使基准标记信号有效，它相对于增量刻度的位置必须已知。这样，基准标记信号的中心和宽度相对于增量刻度是固定的。
在许多系统中，常见的是，来自基准标记检测器的输出差分电压具有差值固定的最高和最低电压阈值。当差分电压位于这两个水平之间时，基准标记信号被输出。通常通过调节读取头的几何形状来相对于增量通道调整基准标记信号的相位，从而使增量通道和基准标记通道相对于彼此重新对齐。可选地，信号被电子地调节以对齐增量通道和基准标记通道，例如来自基准标记信号检测器的电压输出可相对最高和最低电压阈值被移动。
这种使用固定阈值的方法具有几个缺陷。尤其是在校准期间如果基准标记信号的振幅变化，就得不到最佳结果。在不同读取头与刻度尺组合使用可导致不同的系统增益时，就是如此。此外，某些测量系统对于增量通道和基准标记通道使用相同的光源。这样，增量通道首先被校准从而实现100％的信号强度，这可使得落在基准标记检测器上的光级改变，从而改变了基准标记信号的振幅。基准标记信号的这种振幅变化具有改变最高和最低电压阈值之间的信号宽度的效果。
发明内容
本发明提供了用于校准刻度测量装置的方法，所述刻度测量装置包括具有形成增量图案的刻度和至少一个刻度的刻度尺，其中读取头包括产生输出信号的增量检测器和产生具有过零点的信号的刻度标记检测器，所述方法包括以任何合适的顺序进行的下述步骤：
(a)相对于刻度尺移动读取头；
(b)使用来自增量检测器的输出来确定输出信号的预定相位；
(c)使用来自刻度标记检测器的输出来确定过零点；
(d)确定在过零点的两侧上与来自增量检测器的输出信号的预定相位对应的来自刻度标记检测器的信号值；以及
(e)使用步骤(d)确定的值来确定刻度标记脉冲的宽度。
来自增量检测器的输出信号优选为正交信号。预定相位的相位可位于每个正交循环中的角位置。
优选所述至少一个刻度为基准标记。来自刻度检测器的信号可为电压信号，优选为差分电压信号。刻度检测器可为分割检测器(双象限检测器)。
优选对应于来自增量检测器的输出信号中的预定相位的来自刻度检测器的输出被存储，例如存储在存储器中。如果在前一输出和后一输出之间没有检测到过零点，则前一信号被对应于来自增量检测器的输出信号中的预定相位的后一信号所覆盖。如果在前一输出和后一输出之间检测到过零点，前一信号不被对应于来自增量检测器的输出信号内的预定相位的后一信号所覆盖。
优选使用步骤(d)确定的值来确定刻度脉冲的中心。
刻度尺和读取头系统不限于光学系统。可以是其它系统，如磁性、电容或电感刻度读取系统。
这种校准方法适用于与直线、旋转和二维刻度尺一起使用。
本发明的第二个方面提供了用于校准刻度尺测量装置的装置，其包括：
刻度尺，其具有形成增量图案的刻度和至少一个刻度；
读取头，其包括产生输出信号的增量检测器和产生具有过零点信号的刻度标记检测器；以及
逻辑控制器，其在读取头相对于刻度尺移动时能够以任何合适的顺序执行下述步骤：
(a)使用来自增量检测器的输出来确定输出信号的预定相位；
(b)使用来自刻度标记检测器的输出来确定过零点；
(c)确定在过零点的两侧上与来自增量检测器的输出信号的预定相位对应的来自刻度标记检测器的信号值；以及
(d)使用步骤(d)确定的值来确定刻度标记脉冲的宽度。
附图说明
下面将参照附图示例性描述本发明的优选实施方式，其中：
图1为现有技术的刻度尺的平面图；
图2为图1中的刻度尺使用的基准标记光学器件；
图3示出分割检测器及其输出信号；
图4示出带有电压阈值的差信号；
图5示出带有电压阈值的不同振幅的两个差信号；
图6示出带有不跨越过零点的电压阈值的不同振幅的两个差信号；
图7示出用于本发明的增量检测器和基准标记检测器的输出；以及
图8为适用于本发明的方法的电路图。
具体实施方式
图1示出已知的刻度读取系统。它包括刻度尺10和可相对刻度尺10移动的读取头12。刻度尺具有两个轨道，在第一轨道14中设有包括重复的亮线16和暗线18的增量图案。这就是已知的振幅刻度(amplitude scale)。还有其它已知类型的增量刻度尺，如包括不同深度的线组成的重复图案的相位刻度尺。
还设置有第二轨道20。该轨道为基准标记并且具有作为基准标记的刻度22。增量刻度尺的刻度标记通常具有20微米的节距，而基准标记的刻度标记通常具有200微米的宽度。
尽管图1中基准标记和增量图案显示位于不同的轨道中，但是可以将它们置于同一轨道内。国际专利申请WO 02/065061中公开了基准标记内嵌在增量刻度轨道内的情况。
读取头12设有检测增量图案的增量检测器系统24和检测基准标记的基准标记检测器系统26。这些系统可使用共同或单独的光源。适当的增量检测器系统在欧洲专利EP0543513中公开。
图2示出典型地用于检测基准标记的光学器件。光源28设置在读取头12内以照射刻度尺10。被刻度尺10反射的光被透镜30或其它合适的光学器件聚焦在基准标记检测器上，如分割检测器或双象限检测器26上。基准标记可包括亮背景上的暗标记。这种情形下基准标记检测器将检测读取头移过基准标记时光强度的减小。可选地，基准标记可包括暗背景下的亮标记，反之亦可。可使用其它光学系统来检测基准标记。
图3示出分割检测器26及其输出。当读取头相对刻度尺并因而相对基准标记沿箭头A所示的方向移动时，光将首先落在分割检测器的一个半部K上并且接着落在另一半部J上。分割检测器26的两个半部K、J的输出32、34彼此偏移。这二个输出可被加合以产生和信号36或作差以形成差信号38。
图3中的和信号36典型地用于选通(gate)差信号中的过零点39。和信号36与固定电压阈值V相比并且该阈值以上的电压用于确定过零点。
图4示出了现有技术的方法，其中通过将差信号38与过零点39附近的两个电压阈值V₁、V₂比较来产生基准标记信号。这些电压阈值V₁、V₂之间具有固定距离。当电压位于阈值电压V₁、V₂之间时，基准标记信号被输出。
当校准光学测量装置时，基准标记信号与增量通道同步。这确保了基准标记信号的中心位于相对于增量输出的一定位置处并且基准标记信号具有预定的宽度。
校准测量装置的一种方法是调整读取头的几何形状，使得增量通道和基准标记通道相对于彼此重新对齐。
在另一种相对于增量通道调节基准标记信号的相位的方法中，差信号被电子地调节。因此差信号相对于限定基准标记转换点的电压阈值V₁、V₂上移或下移。在图4中，第二组电压阈值V₁’、V₂’相对于差信号位于不同位置。位于阈值V₁、V₂和V₁’、V₂’之间的基准标记信号W、W’在其相位改变时其宽度基本上保持相同。
但是，这种对齐基准标记信号和增量通道的方法具有几个缺陷。如果差信号的振幅变化，就得不到最佳结果。例如在开放的测量系统中，可存在不同的读取头和刻度尺组合，这就导致不同的系统增益。(即，当读取头与不同类型刻度尺一同使用时差信号的振幅可变化)。一些测量系统中，增量通道和基准信号通道使用相同的光源。在这种情况下，增量通道首先被校准，以在安装后实现100％的信号强度。这可使落在分割检测器上的光级改变，从而改变了所产生的差信号的振幅。
图5示出了来自分割检测器的取自不同光振幅的两个差信号40、42。两个信号都使用相同的电压阈值V₁、V₂。可以看出，基准标记脉冲对于两个信号具有不同的宽度W、W’。因此阈值的固定电压间距在信号的振幅可变化的情形下并不理想。
为减少差信号振幅变化的情形下基准标记信号与增量信号之间的相位差，阈值V₁、V₂应尽可能地接近过零点39。
如图6所示，阈值V₁和V₂没有跨过差信号40、42的过零点，导致用于差信号振幅40、42的宽度为W、W’的基准标记脉冲彼此相位偏移。
本发明提供了一种相对于增量通道校准基准标记信号的方法，而不具有现有技术的缺陷。
图7示出了来自增量通道的输出和来自基准信号分割检测器的差信号。来自增量通道的输出包括正弦和余弦增量信号44、46。示出的来自差信号的输出是差信号48的中心部分，可被视为线性的。
在该实施例中，优选具有360°长并且以增量通道的45°为中心的基准标记脉冲。以45°为中心的360°脉冲始于-135°并延伸至225°。
在该校准方法中，读取头越过刻度尺包含基准标记的部分并且来自增量和基准标记信号的输出被监控。
在第一个步骤中，增量正弦/余弦信号被监控。当增量正弦/余弦信号在225°时(这发生在正弦＝余弦并且都为负值时)，来自差信号的相应输出被存储在存储器内。每当增量信号位于225°时这都重复发生。每次差信号(对应于增量通道中的225°)被存储时，之前的存储信号就被覆盖。当检测到差信号中的过零点时，前一对应于225°的电压信号不被覆盖并且接下来对应于225°的信号被存储。这两个值被存储在存储器内并且最终被用作V₁和V₂阈值。这就产生了以45°为中心并且跨过差信号的过零点的360°宽的脉冲。因此在图7中V_C和V_D值被用作V₁和V₂阈值。
尽管图7输出了具有0V的过零点和具有正电压和负电压的电压V_A-V_G，实际上过零点的电压和V_A-V_G都不必需为零、正或负，而是受到系统的电源限制。
如果读取头相对于刻度尺的行进方向掉转，该方法同样适用。这种情形下阈值将选择两个相同的值。
这种方法的其它优点在于，校准总是产生所需宽度(本实施例中为360°)的集中脉冲，与刻度节距无关。这不像现有技术的方法，它们使用取决于信号节距的电压阈值偏移。该方法使得可选择基准标记脉冲的任何中心和宽度不限于该实施例中的参数。
该校准方法适用于产生差信号的任何基准信号检测器，不限于分割检测器。
可使用产生正交信号的任何增量系统。正交信号不限于正弦波的一部分，它可例如由三角波构成。
图8示出适用于本发明的电路图。来自分割检测器26的两个半部的输出被放大器50、52放大，并且通过放大器54作差形成差信号56。当它们对应于增量输出中的特定值时，该信号穿过模拟-数字转换器58并且信号被存储在存储器60内。如上所述，存储器内跨过过零点的两个值被用作阈值。这些值从存储器输出至数字-模拟转换器62、64，在此它们形成V+和V-即差信号的电压阈值。该V+和V-阈值与差信号在比较器66、68内被结合，以产生基准标记信号。
图8的实施方式示出的存储器60和DAC 62、64可被其它合适的部件取代，如易失性电子电位计(E²POT)。图8的实施方式中的部件如ADC58可被设置在外部结构设备中，而不是在读取头内。
本发明的基准标记校准可在逻辑控制器内进行，如微控制器、微定序器或状态机内的逻辑电路。
尽管说明书和附图是关于反射系统，本发明也适用于透射系统。
该校准方法适用于直线、旋转和二维刻度尺。
该校准方法不限于适用于光学测量系统。它也适用于非光学系统如电容、电感或磁性测量系统。磁性测量系统可例如使用微分霍尔传感器或磁阻传感器来检测差信号。它也适用于不同的增量检测器和基准标记检测器类型，如光学增量系统和磁性基准标记系统等。