CN103090799B - 位移检测装置和位移检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种位移检测装置、位移检测方法和计算机可读介质。光电式编码器包括发光元件、刻度尺、透镜、PDA和信号处理电路。该信号处理电路包括失真表、失真补偿电路和位置分析电路。该失真表是预先基于通过使用诸如透镜等的光学系统的设计值进行失真模拟所获得的失真信息计算得到的。该失真补偿电路基于该失真表和PDA的各PD的位置信息，通过虚拟地改变各PD的位置以消除因光学系统所引起的失真，从而对PDA的明/暗信号进行校正。该位置分析电路基于校正后的明/暗信号来分析刻度尺的位置。
Description
技术领域
本发明涉及适用于能够进行位置测量的增量型或绝对型的直线或旋转编码器等的位移检测装置、位移检测方法和计算机可读介质。
背景技术
光电式编码器是一种已知的通过读取刻度尺上的图案来进行位置测量的光学式位移检测装置(例如，参考专利文献1)。专利文献1的光电式编码器具有如下的三光栅型结构：来自光源的入射光经由三个光学光栅被输入至光接收元件，并且这三个光学光栅的其中一个相对于其它两个光学光栅可移动。
例如，三个光学光栅的其中一个、或者作为代替的光接收元件阵列被配置成如下：其光栅间距或排列间距根据投影干涉条纹的间距变化而在相对移动方向上逐渐改变，也就是说，光栅间距或排列间距随着相对于光源的距离增加而增大。通过这样的方案，防止了与刻度图案相对应的明/暗信号由于诸如透镜等的光学系统的像差而发生失真，由此抑制了位置信息的劣化。即便是干涉条纹中远离光源的部分也能够在不产生DC(直流)分量的情况下当作明/暗信号来对待，由此提高了信号检测效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-347465
然而，在专利文献1的结构中，需要针对因诸如透镜等的光学系统所引起的各失真图案来设计光接收元件阵列的排列间距 以及其它各项，这意味着提高刻度尺位置信息的检测精度所用的成本非常高。
发明内容
本发明的一个或多个典型实施例提供了可以通过以低成本消除因光学系统所引起的失真来提高刻度尺位置信息的检测精度的位移检测装置、位移检测方法和计算机可读介质。
根据典型实施例的一种位移检测装置，包括：刻度尺，其具有采用特定排列间距的刻度图案；光学系统，用于形成所述刻度图案的光学图像；光接收元件阵列，其具有多个光接收元件，其中所述光接收元件被配置成能够相对于所述刻度尺移动，并且用于检测所述刻度图案的图像并输出根据所述刻度图案的图像所获得的明/暗信号；失真补偿电路，用于基于各所述光接收元件的位置信息和根据所述光学系统的失真信息所获得的失真表，通过虚拟地改变各所述光接收元件的位置以消除因所述光学系统所引起的失真，从而对从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号进行校正；以及位置分析电路，用于使用校正后的明/暗信号来分析所述刻度尺的位置。
利用该结构，在无需物理地改变光接收元件阵列的各光接收元件的位置的情况下，可以通过从与刻度图案相对应的明/暗信号消除因光学系统所引起的失真来获得刻度尺的正确位置信息。这使得可以以低成本提高刻度尺位置信息的检测精度。
所述失真表可以是预先基于通过使用所述光学系统的设计值进行失真模拟所获得的失真信息计算得到的。
所述位移检测装置还可以包括：失真检测电路，用于基于各所述光接收元件的位置信息和从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号，来检测与所检测到的刻度图案的图像相对应的光接 收元件之间的虚拟间隔相对于光接收元件之间的间隔的偏移量Δpk，并且基于通过对所检测到的偏移量Δpk进行相加所获得的各失真信息Δei来生成所述失真表。
所述位移检测装置还可以包括：失真检测电路，用于基于各所述光接收元件的位置信息和从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号，提取与以位于位置xi处的各光接收元件为中心的规定区域Ri相对应的部分明/暗信号并利用光接收元件原点OPDA计算与各所述规定区域Ri相对应的部分明/暗信号的相位φi；通过计算所计算出的各相位φi和与以位于失真基准位置xa的无失真的光接收元件为中心的规定区域Ra相对应的部分明/暗信号的相位φa之间的差，来计算各失真信息Δei；以及基于所计算出的失真信息Δei来生成所述失真表。
所述刻度尺的刻度图案可以形成在多个轨道上；所述光学系统和所述光接收元件阵列可以具有与所述多个轨道相对应的多个光学系统和多个光接收元件；以及所述失真补偿电路可以使用如下失真表来校正与所述多个轨道相对应的明/暗信号，其中在该失真表中，以与所述多个轨道中的一个轨道相对应的光学系统的失真信息相等的方式来对与其它轨道相对应的光学系统的失真信息进行修正。
所述失真补偿电路可以使用如下失真表来校正所述明/暗信号，其中该失真表是基于与所述一个轨道相对应的光学系统的失真信息和与所述其它轨道相对应的光学系统的失真信息之间的差而生成的。
所述位移检测装置还可以包括：存储单元，用于存储所述失真表。
根据典型实施例，一种位移检测装置的位移检测方法，所述位移检测装置包括：刻度尺，其具有采用特定排列间距的刻 度图案；光学系统，用于形成所述刻度图案的光学图像；光接收元件阵列，其具有多个光接收元件，其中所述光接收元件被配置成能够相对于所述刻度尺移动，并且用于检测所述刻度图案的图像并输出根据所述刻度图案的图像所获得的明/暗信号；失真补偿电路，用于对从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号进行校正；以及位置分析电路，用于基于校正后的明/暗信号来分析所述刻度尺的位置，所述位移检测方法包括：通过检测所述刻度图案的图像来获取所述明/暗信号；基于各所述光接收元件的位置信息和根据所述光学系统的失真信息所获得的失真表，通过虚拟地改变各所述光接收元件的位置以消除因所述光学系统所引起的失真，从而对所获取的明/暗信号进行校正；以及基于校正后的明/暗信号来分析所述刻度尺的位置。
根据典型实施例，一种存储有用于使计算机执行位移检测的程序的非瞬态计算机可读介质，所述计算机对位移检测装置进行控制，其中所述位移检测装置包括：刻度尺，其具有采用特定排列间距的刻度图案；光学系统，用于形成所述刻度图案的光学图像；光接收元件阵列，其具有多个光接收元件，其中所述光接收元件被配置成能够相对于所述刻度尺移动，并且用于检测所述刻度图案的图像并输出根据所述刻度图案的图像所获得的明/暗信号；失真补偿电路，用于对从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号进行校正；以及位置分析电路，用于基于校正后的明/暗信号来分析所述刻度尺的位置，所述位移检测包括：通过检测所述刻度图案的图像来获取所述明/暗信号；基于各所述光接收元件的位置信息和根据所述光学系统的失真信息所获得的失真表，通过虚拟地改变各所述光接收元件的位置以消除因所述光学系统所引起的失真，从而对所获取的明/暗信号进行校正；以及基于校正后的明/暗信号来分析所述刻度尺的位 置。
根据本发明的典型实施例，可以通过以低成本消除因光学系统所引起的失真来提高刻度尺位置信息的检测精度。
附图说明
图1是示出作为根据本发明第一实施例的位移检测装置的光电式编码器的整体结构的概述图。
图2是用于说明图1的刻度尺的结构的平面图。
图3是用于说明图1的光电二极管阵列的结构的平面图。
图4是用于说明图1的光电二极管阵列的结构的平面图。
图5是用于说明光电式编码器中的刻度图案图像、PDA的位置、输出明/暗信号和光学系统的失真的关系的图。
图6是用于说明光电式编码器中所使用的失真表的图。
图7是用于说明光电式编码器的失真补偿电路中的失真校正的图。
图8是示出作为根据本发明第二实施例的位移检测装置的光电式编码器的整体结构的概述图。
图9是示出对光电式编码器中所使用的失真校正方法进行说明所用的刻度图案的间距偏移的示意图。
图10是示出对作为根据本发明第三实施例的位移检测装置的光电式编码器的失真校正方法进行说明所用的刻度图案图像的相位偏移的示意图。
图11是示出作为根据本发明第四实施例的位移检测装置的光电式编码器的刻度尺和光电二极管阵列如何配置的平面图。
图12是示出光电式编码器的信号处理电路的内部结构的框图。
图13A和13B是用于说明光电式编码器中所使用的失真表 和失真校正方法的图。
具体实施方式
以下将参考附图来详细说明根据本发明实施例的位移检测装置、位移检测方法和存储在计算机可读介质中的位移检测程序。
实施例1
图1是示出作为根据本发明第一实施例的位移检测装置的光电式编码器1的整体结构的概述图。根据第一实施例的光电式编码器包括发光元件11、刻度尺12、透镜13、光电二极管阵列(光接收元件阵列；以下简称为PDA)14、和信号处理电路20。
发光元件11例如是LED。如图2所示，例如以在透明玻璃基板上形成具有排列间距p恒定(例如，40μm)的明/暗增量图案(以下称为INC图案)31的增量轨道(以下称为INC轨道)301的方式，配置刻度尺12。
发光元件11照射刻度尺12，并且透过刻度尺12的照射光经由透镜13被投射到PDA14上。结果，在PDA 14上形成INC轨道301的INC图案31的图像，并且根据INC图案31的图像来获得明/暗信号。
如图3所示，PDA 14具有被配置成与INC轨道301相对应的多个光电二极管(以下简称为PD)41。例如，PDA 14具有相位彼此相差90°的四组PD 41，并且PDA 14检测与INC图案31相对应的明/暗信号并输出相位差为90°的4相正弦信号。
如图4所示，PDA 14由按长度测量方向间距PPDA配置的多个(n=1,2,…,N个)PD 41构成。由xi来表示PDA 14中的第i个PD 41相对于被设置于PDA 14的任意位置处的PD原点OPDA的位置，并且由yi来表示第i个PD 41的输出。
例如，信号处理电路20包括(均未示出的)噪声滤波器、放大电路、A/D转换器和相对位置检测电路等。例如，信号处理电路20还包括失真表21，其中失真表21是预先基于通过使用诸如透镜13等的光学系统的设计值进行失真模拟所获得的失真信息Δei计算得到的。失真表21被存储在信号处理电路20内所设置的存储单元(未示出)中，并且根据需要被读取至失真补偿电路22内并进行参考。
信号处理电路20还包括失真补偿电路22和位置分析电路23。失真补偿电路22基于失真表21和PDA 14的各PD 41的位置信息，通过虚拟地改变各PD 41的位置以消除因光学系统所引起的失真，从而对PDA 14的明/暗信号进行校正。位置分析电路23基于校正后的明/暗信号来分析刻度尺12的位置。
例如，噪声滤波器消除来自各PD 41的模拟输出信号(相位差为90°的4相信号)的噪声。放大电路放大该噪声消除后的信号并输出所产生的信号。A/D转换器将放大后的模拟输出信号转换成数字信号。相对位置检测电路根据如此获得的数字信号(相位差为90°的4相信号)生成相位差为90°的2相信号并对这些2相信号进行反正切运算等，由此输出表示刻度尺12的相对移动长度和相对移动方向的信号。
在以上配置成的光电式编码器中，以图5所示的方式再现如图4所示配置成的PDA14的输出明/暗信号。也就是说，在刻度尺12的实际INC图案31的刻度图案图像因光学系统而失真的情况下，产生了失真刻度图案图像。将相应的输出明/暗信号表示为数值数据，即各PD 41的位置xi以及它们的输出yi。
由于如上所述、输出明/暗信号包含因光学系统所引起的失真，因此如果基于这种输出明/暗信号来检测刻度尺12的位置，则光电式编码器的检测精度下降。因此，根据因光学系统所引 起的失真来生成如图6所示的失真表21，其中由xi来表示各PD41的位置并且由Δei来表示该位置处的失真信息。该失真表是预先基于通过使用光学系统的设计值进行失真模拟所获得的失真信息计算得到的。
在该失真表21中，例如，失真信息Δei表示在采用任意设置的失真基准位置xa的情况下、PDA 14的各PD 41的位置xi应当虚拟地偏移的程度。失真基准位置xa可以是PDA 14所检测到的刻度图案的失真等于0的位置，并且很可能位于与透镜13的中心相对应的位置附近。
失真补偿电路22基于失真表21和PDA 14的各PD 41的位置信息，通过例如以图7所示的方式虚拟地改变各PD 41的位置来对明/暗信号进行校正。也就是说，虚拟地认为例如PDA 14的第i个PD 41的位置xi基于失真表21已偏移了Δei而到达位置xi-Δei。
失真补偿电路22输出校正后的明/暗信号，其中yi表示位置已虚拟地改变为xi-Δei的第i个PD 41的输出。位置分析电路23基于由失真补偿电路22以上述方式校正后的输出明/暗信号来分析刻度尺12的位置。
如上所述，在以上配置成的根据第一实施例的光电式编码器中，可以使用预先基于光学系统的已知失真信息Δei所准备的失真表21来从PDA 14的输出明/暗信号中消除失真。结果，可以以低成本从刻度图案图像消除失真，由此可以提高输出位置信息(位置信号)的精度。可以利用光电式编码器1的处理器(未示出)来执行位移检测程序。可以将该位移检测程序存储在图中未示出的存储器中。
实施例2
图8是示出作为根据本发明第二实施例的位移检测装置的光电式编码器的整体结构的概述图。如图8所示，根据第二实施 例的光电式编码器与根据第一实施例的光电式编码器的不同之处在于：信号处理电路20A包含用于生成失真表21的失真检测电路19。
在第一实施例中，使用预先基于根据光学系统的设计值所获得的失真信息Δei计算得到的失真表21。另一方面，在根据第二实施例的光电式编码器中，例如，使用测量操作期间失真检测电路19所生成的失真表21来进行失真校正。
如上所述，例如，刻度尺12的INC图案31是以作为设计刻度间距的排列间距p形成的。如图9所示，由xn(n=1,2,…,N)来表示PDA 14的各PD 41的虚拟位置，并且由pi来表示位于虚拟位置xi和xi+1处的PD 41之间的排列间距。在这种情况下，由p1、p2、…、pN-1来表示与INC图案31的图像相对应的虚拟排列间距。
PDA 14的各PD 41的位置信息是根据设计值预先已知的。因此，失真检测电路19根据PDA 14中的与INC图案31的图像相对应的输出明/暗信号，来检测与包含因光学系统所引起的失真的INC图案31的图像相对应的邻近的PD 41之间的虚拟间距偏移量Δpk。
失真检测电路19通过对虚拟间距偏移量Δpk进行相加来获得各失真信息Δei，由此获得失真表21。例如，假定由pk来表示位于位置xk和xk+1处的PD之间的排列间距并且失真基准位置是位置xa+1。那么，可以根据以下公式(1)来计算失真信息Δei。
公式1
失真补偿电路22使用由失真检测电路19基于如此计算出的失真信息Δei已生成的失真表21，通过虚拟地改变PDA 14的各PD 41的位置来从PDA 14的输出明/暗信号消除失真。因此，第 二实施例提供了与第一实施例相同的优点，并且还可以通过例如在测量操作期间分析刻度图案图像来从明/暗信号消除失真，并输出高度精确的位置信号以反馈至该测量。因而，根据第二实施例的光电式编码器可以通过容易地对明/暗信号进行校正来适应具有不同失真图案的刻度图案图像。
实施例3
图10是示出对作为根据本发明第三实施例的位移检测装置的光电式编码器的失真校正方法进行说明所用的刻度图案图像的相位偏移的示意图。根据第三实施例的光电式编码器的基本结构与根据第二实施例的光电式编码器(参见图8)相同。
尽管在第二实施例中、通过对间距偏移量Δpi进行相加来计算各失真信息Δei，但在第三实施例中，基于刻度图案图像的相位来计算各失真信息Δei。如图10所示，失真检测电路19从与INC图案31相对应的明/暗信号中提取与以位于位置xi处的各PD 41为中心的规定区域Ri相对应的部分明/暗信号。
然后，失真检测电路19通过使用PD原点OPDA来计算与INC图案31的各规定区域Ri相对应的部分明/暗信号的相位φi。然后，失真检测电路19根据以下公式(2)通过计算所计算出的各相位φi和与以失真基准位置xa为中心的规定区域Ra相对应的部分明/暗信号的相位φa之间的差来计算各失真信息Δei，并且生成如上所述的失真表21。
公式2
Δei＝φi-φa···(2)
如上所述，由于根据第三实施例的光电式编码器通过基于与各规定区域Ri相对应的部分明/暗信号的相位φi计算各失真信息Δei来对明/暗信号进行校正、并且基于所计算出的失真信息 Δei来生成失真表21，因此根据第三实施例的光电式编码器相对于根据第二实施例的光电式编码器的优点在于：包含在偏移量Δpi中的误差没有累积。这样使得可以以更高的精度获得位置信息。
实施例4
图11是示出作为根据本发明第四实施例的位移检测装置的光电式编码器的刻度尺和光电二极管阵列如何配置的平面图。如图11所示，根据第四实施例的光电式编码器与根据第三实施例的光电式编码器在配置上的不同之处在于：前者的刻度尺12A具有多个(N个)轨道。
例如，刻度尺12A配置有具有绝对图案(以下称为ABS图案)32的轨道A和具有INC图案31的轨道B。该光电式编码器包括光学系统以及分别与轨道A和B相对应的PDA 14A和14B。
如图12所示，信号处理电路20B包括失真检测电路19A、失真补偿电路22以及针对各轨道A和B的位置分析电路23A和23B。失真检测电路19A基于从各PDA 14A和14B供给的明/暗信号来计算两组失真信息Δei，并且通过计算这两组失真信息Δei之间的差来生成失真表21。失真补偿电路22例如从与轨道A相对应的明/暗信号中消除失真。
在以上配置成的光电式编码器中，期望根据轨道A和B所获得的位置信息具有相同值。然而，在用于检测轨道A和B的刻度图案图像的光学系统造成不同失真的情况下，由于各失真之间的差异而导致在与各轨道A和B相对应地生成的位置信息之间发生误差(轨道间误差)，并且这些误差使得无法进行正确的位置检测。
如图13A所示，失真检测电路19A基于因各光学系统所引起的失真来计算失真信息Δei，其中该失真信息Δei表示位于PDA 14A和14B各自中的位置xi处的各PD 41的与轨道A或B相对应的失真21a或21b。在本实施例中，使用轨道B作为基准轨道，并且对与轨道A相对应的失真进行修正使之等于与轨道B相对应的失真。
计算与各轨道A和B相对应的两组失真信息Δei，计算这两组失真信息Δei之间的差，由此生成如图13B所示的失真表21。失真补偿电路22通过参考失真表21来对PDA 14A的输出明/暗信号进行校正。也就是说，失真补偿电路22使例如第i个PD 41的位置虚拟地从xi改变为xi-Δei，并且将位置改变后的PD 41的输出yi用于校正后的明/暗信号中。
由于例如对与轨道A相对应的失真进行校正使之等于与轨道B相对应的失真，因此可以抑制由于因光学系统所引起的失真图案而分别在通过轨道A和B所获得的位置信息中出现的轨道间误差。这使得即使在具有多个轨道的光电式编码器中也可以以高精度获得位置信息。
Claims (8)
1.一种位移检测装置，包括：
刻度尺，其具有采用特定排列间距的刻度图案；
光学系统，用于形成所述刻度图案的光学图像，其中所述光学系统包括发光元件，和用于形成所述刻度图案的光学图像的透镜；
光接收元件阵列，其具有多个光接收元件，其中所述光接收元件被配置成能够相对于所述刻度尺移动，并且用于检测所述刻度图案的图像并输出根据所述刻度图案的图像所获得的明/暗信号；其特征在于，所述位移检测装置还包括
失真补偿电路，用于基于各所述光接收元件的位置信息和根据所述光学系统的失真信息所获得的失真表，通过虚拟地改变各所述光接收元件的位置以消除因所述光学系统所引起的失真，从而对从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号进行校正；以及
位置分析电路，用于使用校正后的明/暗信号来分析所述刻度尺的位置，
其中所述失真补偿电路用于通过消除包括透镜在内的所述光学系统引起的信号失真，从而对从所述光接收元件阵列输出的所述明/暗信号进行校正。
2.根据权利要求1所述的位移检测装置，其中，所述失真表是预先基于通过使用所述光学系统的设计值进行失真模拟所获得的失真信息计算得到的。
3.根据权利要求1所述的位移检测装置，其中，还包括：
失真检测电路，用于基于各所述光接收元件的位置信息和从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号，来检测与所检测到的刻度图案的图像相对应的光接收元件之间的虚拟间隔相对于光接收元件之间的间隔的偏移量Δpk，并且基于通过对所检测到的偏移量Δpk进行相加所获得的各失真信息Δei来生成所述失真表。
4.根据权利要求1所述的位移检测装置，其中，还包括：
失真检测电路，用于基于各所述光接收元件的位置信息和从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号，提取与以位于位置xi处的各光接收元件为中心的规定区域Ri相对应的部分明/暗信号并利用光接收元件原点OPDA计算与各所述规定区域Ri相对应的部分明/暗信号的相位φi；通过计算所计算出的各相位φi和与以位于失真基准位置xa的无失真的光接收元件为中心的规定区域Ra相对应的部分明/暗信号的相位φa之间的差，来计算各失真信息Δei；以及基于所计算出的失真信息Δei来生成所述失真表。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的位移检测装置，其中，
所述刻度尺的刻度图案形成在多个轨道上；
所述光学系统和所述光接收元件阵列具有与所述多个轨道相对应的多个光学系统和多个光接收元件；以及
所述失真补偿电路使用如下失真表来校正与所述多个轨道相对应的明/暗信号，其中在该失真表中，以与所述多个轨道中的一个轨道相对应的光学系统的失真信息相等的方式来对与其它轨道相对应的光学系统的失真信息进行修正。
6.根据权利要求5所述的位移检测装置，其中，所述失真补偿电路使用如下失真表来校正所述明/暗信号，其中该失真表是基于与所述一个轨道相对应的光学系统的失真信息和与所述其它轨道相对应的光学系统的失真信息之间的差而生成的。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的位移检测装置，其中，还包括：
存储单元，用于存储所述失真表。
8.一种位移检测装置的位移检测方法，所述位移检测装置包括：刻度尺，其具有采用特定排列间距的刻度图案；光学系统，用于形成所述刻度图案的光学图像，其中所述光学系统包括发光元件，和用于形成所述刻度图案的光学图像的透镜；光接收元件阵列，其具有多个光接收元件，其中所述光接收元件被配置成能够相对于所述刻度尺移动，并且用于检测所述刻度图案的图像并输出根据所述刻度图案的图像所获得的明/暗信号；失真补偿电路，用于对从所述光接收元件阵列输出的明/暗信号进行校正；以及位置分析电路，用于基于校正后的明/暗信号来分析所述刻度尺的位置，所述位移检测方法包括：
通过检测所述刻度图案的图像来获取所述明/暗信号；其特征在于，所述位移检测方法还包括
基于各所述光接收元件的位置信息和根据所述光学系统的失真信息所获得的失真表，通过虚拟地改变各所述光接收元件的位置以消除因所述光学系统所引起的失真，从而对所获取的明/暗信号进行校正；以及
基于校正后的明/暗信号来分析所述刻度尺的位置，
其中所述失真补偿电路用于通过消除包括透镜在内的所述光学系统引起的信号失真，从而对从所述光接收元件阵列输出的所述明/暗信号进行校正。
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