CN101275859B - 位置探测装置 - Google Patents

Abstract

一种位置探测装置，其包含刻度尺，传感器和控制部分。刻度尺具有沿着活动部分移动方向的在间隔处设置的多个光发射元件。传感器，其安装在部件上，探测来自事先指定范围内的至少一个元件的光，其中该范围比最大的一个间隔长，并以在探测范围内接收到光的位置为依据，输出光接收信号。控制部分单独地驱动元件，接收来自传感器的信号，并具有存储部分，用于存储刻度尺内元件位置的信息。在接收信号后，控制部分从存储部分中得到关于正在被驱动着的一个光发射元件所处位置的信息，并基于得到的信息和接收到的信号，计算部件的位置。

Description

位置探测装置

技术领域

本发明涉及位置探测装置，其用于探测可移动部件位置的绝对值。

作为常规的用于探测可移动部件位置的位置探测装置，例如线性或旋转编码器等的光学编码器是已知的。光学编码器具有例如裂缝或衍射槽等图案，该图案通过采用平版印刷或者其它技术形成在刻度尺上。编码器使安装在可移动部件上的光传感器使用光对图案进行辐照，并依据图案，基于循环的光接收信号来探测可移动部件的相对位置。为了探测可移动部件的绝对位置，需要执行被称为返回原点的操作，也就是说，在启动时将可移动部件移动到起始位置，以便其它传感器在起始位置处探测可移动部件。

JP 2004-191267A公开了一种位置探测装置，其包含刻度尺，在刻度尺上形成有绝对刻度标志。绝对刻度标志显示在之间的预定间隔处设置的刻度上的各个关于绝对位置的信息，以例如条形码等图案图形的方式。通过由安装在可移动部件上的图像传感器读取绝对刻度标志，以及基于读取由标志表示的信息来探测可移动部件的绝对位置，常规装置消除了执行返回原点操作的需求。

然而，该装置具有以下问题：对于可移动部件位置的高精确的探测，首先需要在刻度尺上形成多个精细图案图像，该精细图案图像在不同的绝对位置上显示各自的信息。因此，需要采用蚀刻或者其它技术精确地形成绝对刻度标志，因而，不能形成其尺寸无法被蚀刻装置处理的单一的长刻度尺。其每个具有不同绝对刻度标志的不同类型的短刻度尺，需要被连接在一起作为长刻度尺使用。这涉及了复杂的刻度尺制造工艺，导致了装置的高生产成本。

第二，在例如下面的情况下，作为绝对刻度标志的精细图案图像很容易被不正确地探测，所述情况是：刻度尺肮脏；振动；或者在刻度尺和图像传感器之间存在距离。

最后，其需要在可移动部件上安装包含光发射部分的图像传感器，从而导致复杂的布线或其它用于功率馈送的内部结构。

鉴于上述原因，本发明的一个特征是提供一种位置探测装置，其通过传感器精确地探测可移动部件的绝对位置，其中该传感器被安装在可移动部件上，用于接收从多个安装在刻度尺上的光发射元件选择性地辐照的光，且其消除了导致制造成本增加的复杂的制造工艺或复杂的内部结构。

发明内容

依据本发明的一个方面的位置探测装置包含刻度尺，传感器，以及控制部分。刻度尺具有多个光发射元件，其中该光发射元件沿着可移动部件移动的方向其间具有间隔地被设置。传感器被安装在可移动部件上。在预先设定探测范围内，传感器探测由至少一个光发射元件辐照的光，并根据在探测范围内接收到光的位置输出光接收信号，其中该预先设定的探测范围比最长的一个间隔长。控制部分单独地驱动光发射元件，并接收来自传感器的光接收信号。控制部分具有存储部分，用于存储刻度尺中光发射元件各自所处位置的信息。在接收到光接收信号后，控制部分从存储部分得到一个正在被驱动着的光发射元件所处位置的信息，并基于得到的信息和光接收信号来计算可移动部件的位置。

附图说明

图1示出了依据本发明实施例的位置探测装置中所配置的移动机械装置的倾斜透视图；

图2A示出了位置探测装置的侧剖视图；

图2B示出了从配置在位置探测装置中的光接收装置输出的光接收信号图；

图3示出了位置探测装置中配置的控制部分的框图；以及

图4A和4B示出了控制部分执行的方法步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了依据本发明实施例的位置探测装置中所配置的移动机械装置30的倾斜透视图。移动机械装置30包含螺杆31，引导轴32，电机33，以及框架34和35。机械装置30使可移动部件20沿着方向X往复运动。

杆31由框架34和35可旋转地支撑，其中杆31的轴与方向X平行。杆31被拧入部件20的螺孔23。轴32被固定到框架34和35，并且其平行于杆31布置。轴32穿过部件20内的孔24。电机33固定到框架34。电机33被驱动以选择性地向前或反方向地旋转杆31。

杆31的旋转使部件20沿方向X移动。

在框架34和35之间安装了刻度尺1，其中该刻度尺的长度与方向X平行。举例来说，刻度尺1是玻璃环氧板，其具有沿着其长度以规则的间距形成的多个孔11。安装板21被固定到部件20。板21具有安装在其底部上的光接收装置2。举例来说，装置2是配置有768个光接收元件的CMOS图像传感器。作为选择地，除CMOS图像传感器之外的成像装置也适用于作为装置2，例如CCD图像传感器。装置2按照这样的方式排列，即，使得光接收元件沿着方向X对齐。板21在刻度尺1上从部件20的侧表面延伸。装置2被设置为与刻度尺1的上表面相对。刻度尺1和装置2都被包含在权利要求的位置探测装置内。

图2A示出了位置探测装置的侧剖视图。图2B示出了从装置2输出的光接收信号的图。多个光发射元件3(3A，3B，3C，3D，...)被设置在各个孔11内。举例来说，元件3是LED。元件3沿着刻度尺1的长度以间距36相等地间隔，其中该间距与孔11之间的各个间隔相对应。装置2被安装在板21的底部，其在探测范围22内接收来自元件3的光。对方向X而言，范围22比间距36长。在元件3以不相等的间距相间隔的情况下，范围22被设置为比最长的一个间距更长。

依据光接收元件所接收的光的量，装置2输出光接收信号。更具体地说，以光接收元件排列顺序的每个光接收元件所接收到的光的量为依据，装置2输出电压的电平作为光接收信号。当元件3B和3C被安置在范围22内时，装置2输出具有如图2B所示波形的光接收信号。

装置2以这样的方式被安装在板21上，即，沿方向X使得范围22的中心位置与沿方向X的部件20的中心位置相对应。

应注意到每个孔11被形成为长方形，并且具有与方向X平行的边，这防止了由于孔11沿方向X的形状的不规则而引起的装置2所接收到光的量的可能的波动。

图3示出了位置探测装置中所配置的控制部分5的框图。控制部分5具有CPU 51，存储器52，LED驱动器53，以及A/D转换器54。存储器52，驱动器53，以及转换器54被连接到CPU 51。CPU 51发送数据到配置在机械装置30内的运动控制部分40，并从其接收数据。具体地，在部件20的检测位置上，CPU 51发送数据到部分40。部分40对检测到的位置和目标位置进行比较，并驱动电机33。部分40向CPU51发送显示电机33驱动方向的方向数据。

存储器52与权利要求的存储部分相对应。存储器52保存元件3位于刻度尺1内的各个位置(下面仅称为所处位置)的信息。更具体地说，存储器52保存关于其绝对位置的信息作为每个元件3的所处位置，也就是说，其距刻度尺1上原点的距离的绝对值。在存储器52中，沿着方向X向前的方向，以上升的顺序分别为元件3分配数字。另外，存储器52具有计数器C，其被分配到存储器中预先指定的存储空间。计数器C计数的数字被用于识别元件3中的特定的一个。

元件3被连接到LED驱动器53。CPU 51向驱动器53输出关于每个元件3的驱动数据。基于该驱动数据，驱动器53单独地驱动每个元件3。

装置2被连接到A/D转换器54。转换器54将从装置2输出的光接收信号转换成数字信号，并将数字信号输入到CPU 51。

图4A和4B示出了控制部分5执行方法步骤的流程图。当电源开启时，CPU 51设置计数器C为1(步骤S1)，并且对由计数器C计数的数字所识别的第C个元件3进行驱动(步骤S2)。CPU 51读取从装置2输出的光接收信号，以决定光接收信号的电平是否超过预定的阈值电平(步骤S3)。当光接收信号没有超过阈值电平时，CPU 51对计数器C进行递增(步骤4)。CPU 51重复从步骤S2到S4的序列直至光接收信号超过阈值电平。

当光接收信号超过阈值电平时，CPU 51从存储器52得到正在被驱动着的一个元件S3的所处位置的信息(步骤5)，并且读取光接收信号在范围22内达到峰值电平的位置，下面称之为峰值电平位置(步骤S6)。根据得到的信息以及读取的峰值电平位置，CPU 51计算部件20中心的绝对位置(步骤S7)，并且将计算结果输出到部分40作为当前的位置数据(步骤S8)。

在步骤6中读取峰值电平位置时，通过利用两个光接收元件的光接收信号的电平，CPU 51首先确定阈值电平和光接收信号波形的上升和下降沿相交的各个位置，其中每个相交位置位于上述两个光接收元件之间。

特别地，对于波形的上升沿，上升沿跨过阈值电平的相交位置b1由下面的公式计算：b1＝p{n+(ya-y1)/(y2-y1)}，其中n，n+1是分别分配给紧挨着位于相交位置前和后的光接收元件的数字；y1，y2是光接收元件n，n+1各自的光接收信号的电平；p是装置2的光接收元件间隔的间距；以及ya是阈值电平。下降沿跨过阈值电平的相交位置b2以相似的方式计算，并且获得峰值电平位置作为位置b1和b2之间的中间点。

与装置2的光接收元件相间隔的间距所给定的解析度相比，以上述方式计算峰值电平位置能以更高的解析度探测部件20的位置。其还能够用于减少由于光的量的波动的负面效果，其中该波动是由于潜在的对光发射元件3的功率供给不足或其它因素引起的。

然后，CPU 51等待直到部分40开始移动部件20(步骤S9)，以及当部件20开始移动时，从部分40发送的方向数据中读取部件20移动的方向(步骤S10)。

当部件20以向前的方向移动时，CPU 51驱动由计数器C的计数数字识别的第C个元件3，和沿着向前方向与其相邻的第(C+1)个元件3(步骤S11，S12)。此时，CPU 51对计数器C进行递增(步骤S13)。

当部件20以向后的方向移动时，CPU 51驱动由计数器C的计数数字标识的第C个元件3，和沿着向后方向与其相邻的第(C-1)个元件3(步骤S11，S14)。此时，CPU 51对计数器C进行递减(步骤S15)。

在对两个光发射元件进行驱动后，CPU 51从存储器52中得到关于正在被驱动着的光发射元件的各个位置的信息(步骤S16)，并读取范围22内的光接收信号的峰值电平位置(步骤S17)。根据得到的位置信息和读取的峰值电平位置，CPU 51计算部件20中心的绝对位置(步骤S18)，并将计算结果输出到部分40作为当前的位置数据(步骤S19)。CPU 51重复步骤S9到S19的循环，直至部件20停止(步骤S20)。

在步骤S7和S18中计算部件20中心的绝对位置时，CPU 51对得到的正在被驱动的光发射元件所处的位置，向其加上或者从中减去从装置2的中心位置到峰值电平位置的距离。在步骤S18中，在光接收信号包含两个峰值电平的情况下，CPU 51计算从装置2的中心位置到与两个峰值电平位置的中间位置相对应的光接收元件位置的距离，并且对两个光发射元件各自所处位置之间的中间位置加上或从中减去该距离。与装置2的解析度相比，对两个峰值电平位置之间的中间位置的计算能使部件20的位置以更高的解析度被计算。

通过执行上述方法，位置探测装置采用简单的构造对部件20的绝对位置进行探测。另外，使得步骤S9到S19循环的时间段比部件20行进间距36长度的一半的时间更短，从而使装置2能继续接收如下的光，其中该光来自两个正在被驱动的光发射元件中的一个，且其位于部件20运动方向向前的位置。这使得能对部件20连续的探测，而不会失去装置2从其接收光的光发射元件的跟踪。

在与装置2的长度相比，部件20在CPU 51读取光接收信号的循环时间段(也就是说，步骤S9到S19的循环的时间段)中行进的距离足够地短，并且行进距离的波动足够小的情况下，可以无需读取步骤S10中由部分40发送的方向数据，而从峰值电平位置的移动方向指出部件20运动的方向。

例如，当在步骤S6中读取光接收信号的峰值电平位置时，正在被驱动的光发射元件(或第一主要光发射元件)，以及位于第一主要光发射元件两侧的光发射元件(或第一次要光发射元件)，在部件20开始移动后被驱动。当部件20向右移动时，峰值电平位置在装置2内向左移动。当新的峰值电平波形出现在装置2的右侧末端时，峰值电平位置到达装置2的左侧末端。然后，第一主要光发射元件(或第二主要光发射元件)右侧的光发射元件，以及第二主要光发射元件(或第二次要光发射元件)两侧的光发射元件被驱动。这使得能连续探测部件20位置。当部件20向左移动时，以相同的方法可以对部件20的位置进行连续地探测。

另外，在刻度尺1形成后对光发射元件各自所处的位置进行测量，以及随后在存储器52中存储测量值，这消除了在刻度尺1内精确安置光发射元件的需求，从而简化了位置探测装置的制造方法。此外，通过连接多个具有相同形状的刻度尺1，能容易地形成长的刻度尺。

作为选择地，可以为控制部分5配置如下的输入装置，即，通过该输入装置，对位置探测装置投入使用之后测量的光发射元件各自的所处位置进行输入以更新存储器52的内容。如此提供这样的输入装置能应对刻度尺1随时间的变形。然而，在部分5没有配置输入装置的情况下，通过如下方法可以获得相似的效果，即，使装置2顺序地测量每个相邻的光发射元件对之间的间隔，从而确定以作为原点的刻度尺1末端上的其中一个光发射元件的位置为参考的光发射元件的各自的绝对位置，并且以可更新的方式在存储器52中存储测量结果。

上面对本发明进行了描述，很明显，能对相同的发明进行多种方式的改变。这样的改变并不被认为是对本发明精神和范围的背离，且这些对本领域的技术人员来说是明显的修改将被规定为包含在下面的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种位置探测装置，用于探测适于沿预定方向移动的可移动部件的绝对位置，该位置探测装置包含：

刻度尺，其具有沿着所述方向位于其间的间隔处的多个光发射元件；

传感器，其安装在可移动部件上，用于探测从预定探测范围内的至少其中一个光发射元件辐照的光，其中该探测范围比最大的一个所述间隔长，以及用于根据在该探测范围内接收到光的位置来输出光接收信号；以及

控制部分，其用于单独地驱动光发射元件，并从传感器接收光接收信号，控制部分具有存储部分，用于存储关于刻度尺中光发射元件各自所处位置的信息，

其中，在收到光接收信号时，控制部分从存储部分中得到关于正在被驱动的至少其中一个光发射元件所处位置的信息，并基于得到的信息和光接收信号，计算可移动部件的位置。

2.如权利要求1所述的位置探测装置，

其中控制部分以可更新的方式，在存储部分中存储关于刻度尺中光发射元件各自所处位置的信息。

3.如权利要求2所述的位置探测装置，

其中，基于当相邻的光发射元件对被驱动时接收到的光接收信号，控制部分更新存储部分的内容。

4.如权利要求1到3任一项所述的位置探测装置，

其中传感器在如下时间段内输出光接收信号，所述时间段比可移动部件行进所述间隔的一半长度的时间短。

5.如权利要求4所述的位置探测装置，其中控制部分：

在可移动部分开始移动前，顺序地驱动各光发射元件，以及

在可移动部分开始移动后，在各光发射元件中，对传感器从其接收光的主要光发射元件进行驱动，并对与主要光发射元件相邻地设置的次要光发射元件进行驱动。

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