CN105806201B

CN105806201B - 位移测量装置和位移测量方法

Info

Publication number: CN105806201B
Application number: CN201610035807.8A
Authority: CN
Inventors: 安达聪; 徳洋平; 长谷川年洋
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2036-01-19
Also published as: DE102015016601B4; CN105806201A; JP6609411B2; DE102015016601A1; US20160209242A1; JP2016133374A; US9851224B2

Abstract

本发明涉及一种位移测量装置和位移测量方法。相位检测器包括：采样信号生成器，其被配置为在刻度信号的边沿处生成采样信号；计数器，其被配置为根据时钟脉冲每隔特定时间对计数值进行加计数，并且在所述采样信号所指示的定时输出计数值；边沿极性判断部，其被配置为判断所述刻度信号的边沿极性是上升沿还是下降沿，并且在生成所述采样信号的边沿的极性是下降沿的情况下，生成调整信号；以及调整器，其被配置为在接收到所述调整信号的情况下，向从所述计数器输出的计数值加上预定的调整量。

Description

位移测量装置和位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置和位移测量方法。具体地，本发明涉及用于基于根据可动元件相对于固定元件的相对位移而改变的检测信号来测量该相对位移的技术。

背景技术

已知有被称为编码器的、用于检测可动元件相对于固定元件的位移的位移测量装置(例如，日本特公平06-064100B、日本专利2909338B、日本专利2878913B和日本专利2738996B)。编码器已用于诸如数字游标卡尺、数字千分尺和数字指示器等的小型测量装置的位移检测器，并且广泛地用于进行移动台等的定位。

编码器例如是光学编码器、电容编码器和磁性编码器。将例示电容编码器。注意，在检测原理上光学编码器和磁性编码器与电容编码器本质相同。电容编码器包括主标尺和检测头，其中该检测头相对于主标尺能够相对移动，并且检测相对于主标尺的相对位移。通常，主标尺是固定元件并且检测头是可动元件，但这两者可以颠倒。在主标尺和检测头上配置有多个电极。根据主标尺和检测头之间的相对位移而在电极图案中产生周期性的容量变化。通过提取出该周期性的容量变化的信号来检测该位移。

提取电极处所产生的周期性的信号、即相位信号。通过进行采样、混合、低频滤波或二值化将该相位信号提取为周期性的方波信号CMP。该周期性的方波信号CMP在其边沿处具有相位信息。相位检测电路将该方波信号CMP的相位信息作为数字值输出。例如，如果循环计数器根据时钟进行加计数、并且在方波信号CMP的边沿的定时对计数值进行采样，则如此提取出相位信息作为数字值。然后，通过将相位信息与电极排列间隔进行比较，将相位信息转换成检测头的相对位移。通过对作为数字值的相位信息进行预定次数的采样，可以进行平均化处理以减少显示闪烁或者抵消放大器或比较器的偏移。

发明内容

如上所述，在方波信号CMP的边沿处对计数值进行采样的情况下，可以提取出相位信息作为数字值。

然而，需要判断何时对计数值进行采样，即是在方波信号CMP的上升沿的定时还是在方波信号CMP的下降沿的定时对计数值进行采样但不是在这两个定时都对计数值进行采样。

周期性的方波信号CMP在边沿处具有相位信息。如果上升沿例如等同于0°，则下降沿等同于180°。

如果在无需区分上升沿和下降沿的情况下对计数器值进行采样，则计数器值和相位之间的对应关系可能发生偏移。

在对多个采样值求平均的情况下，开始采样的边沿极性应被确定为上升沿或下降沿，而非这两者。

将参考图19和20来说明这种情况下的问题。

图19是示出采样使能信号ENB和周期性的方波信号CMP之间的关系的时序图。

采样使能信号ENB按特定周期、例如按100msec的间隔上升，并且通过采样使能信号ENB的上升而开始计数值的采样。

周期性的方波信号CMP保持与主标尺和检测头之间的相对位置相对应的相位信息，并且重复地上升和下降。在采样使能信号ENB上升之后，从周期性的方波信号CMP的上升起开始采样，并且在各边沿的定时对计数值进行预定次数的采样。这里，假定连续地对计数值进行四次采样，并且对这些值求平均。因而，在采样使能信号ENB上升之后，在周期性的方波信号CMP的从第一次上升起的各边沿的定时，采样信号四次变为ON(接通)，并且在采样信号变为ON的定时对计数值进行采样。

在采样使能信号ENB上升之后、并且直到周期性的方波信号CMP的第一次上升出现为止，产生等待时间tw。如图19所示，在采样使能信号ENB上升之后，如果周期性的方波信号CMP的第一个边沿是上升沿，则等待时间tw至多不会超过周期性的方波信号CMP的半个周期。

然而，如图20所示，在采样使能信号ENB上升之后，如果周期性的方波信号CMP的第一个信号是下降沿，则等待时间tw至少超过周期性的方波信号CMP的半个周期。在最差的情况下，等待时间tw可能延长周期性的方波信号CMP的约一个周期。如果等待时间tw长，则在该时间内无谓地消耗电力，并且这在电池所驱动的小型测量装置的情况下影响电池的寿命。

如果周期性的方波信号CMP的周期约为2msec，则似乎一个周期的等待时间(2msec)无关紧要。然而，采样使能信号ENB按例如100msec的短间隔上升，并且每隔100msec的浪费电力消耗加起来则为大的损耗。

此外，位移检测所需的电路操作是约8msec的采样操作和少量的计算处理。

因而，在采样使能信号变为ON之后进行约20msec的电路操作，并且在直到下一采样使能信号ENB变为ON之前的时间(80msec以上)内，几乎不进行电路操作且尽可能地抑制了电力消耗。也就是说，主要的电力消耗归因于等待时间tw的长度，并且在等待时间tw变得较短的情况下，可以实现消耗极低电力的位移测量装置。

本发明的目的是提供消耗较低电力的位移测量装置。

本发明的实施例的一种位移测量装置，包括：主标尺；检测头，其被设置成相对于所述主标尺能够发生相对位移，并且被配置为输出具有根据相对于所述主标尺的相对位移而改变的相位的周期性信号；解调器，其被配置为将所述周期性信号解调成在边沿处具有相位信息的矩形波的刻度信号；以及相位检测器，其被配置为在边沿的定时检测所述刻度信号的相位信息，其中，所述相位检测器包括：采样信号生成器，其被配置为在所述刻度信号的边沿的定时生成采样信号；计数器，其被配置为根据时钟脉冲每隔特定时间对计数值进行加计数，并且在所述采样信号所指示的定时输出计数值；边沿极性判断部，其被配置为判断所述刻度信号的边沿的极性是上升沿还是下降沿，并且在生成所述采样信号的边沿是下降沿的情况下生成调整信号；以及调整器，其被配置为在接收到所述调整信号的情况下，向从所述计数器输出的计数值加上预定的调整量。

本发明的实施例的位移测量装置还包括：平均计算执行器，其被配置为计算k个采样值的平均值，其中，所述计数器与基准信号同步，并且所述计数器是所述基准信号的k/2个周期为计数值的一次循环的循环计数器，所述采样信号生成器在采样变为启用后的所述刻度信号的边沿的定时连续k次生成采样信号，在采样变为启用后并且在所述刻度信号的第一个边沿是下降沿的情况下，所述边沿极性判断部生成所述调整信号，以及所述调整器向从所述计数器输出的计数值加上作为调整量的与所述计数器的一次循环的1/k相等的值，其中k是自然数。

本发明的实施例的位移测量装置还包括：平均计算执行器，其被配置为计算k个采样值的平均值，其中，所述计数器与基准信号同步，并且所述计数器是所述基准信号的(k+α)/2个周期为计数值的一次循环的循环计数器，所述采样信号生成器在采样变为启用后的所述刻度信号的边沿的定时连续k次生成采样信号，在采样变为启用之后并且在所述刻度信号的第一个边沿是下降沿的情况下，所述边沿极性判断部生成所述调整信号，以及所述调整器向从所述计数器输出的计数值加上作为调整量的与所述计数器的一次循环的1/(k+α)相等的值，其中k和α是自然数。

在本发明的实施例中，可以利用下降沿替换上升沿，以及可以利用上升沿替换下降沿。

本发明的实施例的一种位移测量装置的位移测量方法，所述位移测量装置包括：主标尺；检测头，其被设置成相对于所述主标尺能够发生相对位移，并且被配置为输出具有根据相对于所述主标尺的相对位移而改变的相位的周期性信号；解调器，其被配置为将所述周期性信号解调成在边沿处具有相位信息的矩形波的刻度信号；以及相位检测器，其被配置为在边沿的定时检测所述刻度信号的相位信息，所述位移测量方法包括以下步骤：根据时钟脉冲每隔特定时间对计数值进行加计数；在所述刻度信号的边沿的定时对计数值进行采样；判断所述刻度信号的边沿的极性是上升沿还是下降沿；以及在对所述计数值进行采样的定时的边沿的极性是下降沿的情况下，向采样得到的计数值加上预定的调整量。

附图说明

图1是示出编码器整体的图；

图2是示出主标尺上所设置的电极图案的图；

图3是示出检测头上所设置的电极图案的图；

图4是示出发送电极和检测电极之间的容量值的变化的曲线图；

图5是示出发送电极和检测电极之间的容量值的变化的曲线图；

图6是示出通过从检测信号B1中减去检测信号B2所获得的结果的曲线图；

图7是示出通过将检测信号B1和检测信号B2相加所获得的结果的曲线图；

图8是信号处理器的功能框图；

图9是示出细相位检测器的功能框图；

图10是示出计数器进行加计数的状态的图；

图11是示出在刻度信号CMP的边沿的定时对计数值进行采样的状态的图；

图12是示出在刻度信号CMP的边沿的定时对计数值进行采样的状态的图；

图13是示出根据四个计数值来计算平均值的状态的图；

图14是示出根据四个计数值来计算平均值的状态的图；

图15是示出根据四个计数值来计算平均值的状态的图；

图16是示出调整处理的图；

图17是示出根据两个计数值来计算平均值的状态的图；

图18是示出根据两个计数值来计算平均值的状态的图；

图19是示出采样使能信号ENB和周期性的方波信号CMP之间的关系的时序图；以及

图20是示出采样使能信号ENB和周期性的方波信号CMP之间的关系的时序图。

具体实施方式

将参考附图和赋予附图中的各元素的附图标记来说明本发明的实施例。

第一典型实施例

本发明的目的是：在从二值化后的相位信号提取相位信息作为数字值的情况下，尽可能地缩短等待时间tw。

尽管本发明的要点在于信号处理，但首先将说明可适当地应用本发明的位移测量装置(编码器)的结构示例。

在本典型实施例中，将例示绝对型电容编码器作为位移测量装置(编码器)100。

图1是示出编码器100整体的结构的图。

编码器100包括主标尺22、检测头21、信号处理器200和显示器17。

检测头21以与主标尺22存在微小间隙的状态与主标尺22相对配置，并且是以在主标尺22的长边方向上可移动的方式设置的。

主标尺22的长边方向是测量轴x方向。

主标尺22和检测头21各自在彼此相对的表面上具有位置检测所用的电极图案。

图2是示出主标尺22上所设置的电极图案的图。

图3是示出检测头21上所设置的电极图案的图。

主标尺22包括第一接收电极24a、第二接收电极24b、第一发送电极25a和第二发送电极25b。

在图2中，第一接收电极24a各自具有倒三角形形状，并且沿着主标尺22的长边方向按一定间距(Pr)排列。

另一方面，第二接收电极24b各自具有正三角形形状，并且沿着主标尺22的长边方向按一定间距(Pr)排列。

第一接收电极24a和第二接收电极24b被配置成彼此啮合。

第一发送电极25a是以与第一接收电极24a平行的方式排列的。第一发送电极25a和第一接收电极24a是以一对一的方式连接的。第一发送电极25a沿着主标尺22的长边方向按一定间距(Pt1)配置。另一方面，第二发送电极25b是以与第二接收电极24b平行的方式排列的。第二发送电极25b和第二接收电极24b是以一对一的方式连接的。第二发送电极25b沿着主标尺22的长边方向按一定间距(Pt2)配置。如下所述，第一发送电极25a的排列间距Pt1和第二发送电极25b的排列间距Pt2不同于接收电极24a和24b的排列间距Pr。注意，假定Pr>Pt2>Pt1。

接着，将参考图3来说明检测头21侧的电极图案。

检测头21包括发送电极23、第一检测电极26a、第一检测电极26b、第二检测电极27a和第二检测电极27b。

发送电极23沿着测量轴方向按一定间距Pt0排列。发送电极23与主标尺22侧的第一接收电极24a和第二接收电极24b电容耦合。

这里，八个发送电极23构成一个单位(一组)。

换句话说，发送电极23是每隔七个电极共通地连接的。

例如，第一个发送电极23跳过第二个电极～第八个电极而共通地连接至第九个发送电极，并且跳过第十个电极～第十六电极而共通地连接至第十七个发送电极(由于以下以相同方式连接，因此省略了说明)。

在图3中，示出编号以容易地对发送电极的数量进行计数。

将驱动信号Sd供给至发送电极23。准备彼此偏移了45°的八个相位的周期信号a～h作为驱动信号Sd。(将八个相位的周期信号a～h按相位顺序编号为相位编号0～7。)

然后，将彼此偏移了45°的八个相位的周期信号a～h分别供给至构成一组的八个发送电极23。这些驱动信号Sd更具体是利用高频脉冲进行斩波后的信号并且是由发送波形生成电路220(图8)生成的信号。将驱动信号Sd的电位的时间变化表示为以下表达式：

Vn＝Asin2π{(t/T)-(n/8)}

其中：A表示驱动信号Sd的振幅，T表示驱动信号Sd的周期，并且n表示相位编号(0,1,2,...7)。

在将驱动信号Sd供给至发送电极23的情况下，产生沿发送电极23的排列方向(测量轴x方向)周期性地进行振荡的电场图案。

周期性的电场图案的间距Wt是发送电极23的间距Pt0的8倍。

将间距Wt设置为接收电极24a和24b的间距Pr的N倍。(N是正整数。)

优选N是诸如1、3或5等的奇数，并且在本典型实施例中，假定N＝3。

因而，接收电极24a和24b中的三个或四个恒定地与八个连续的发送电极23电容耦合。然后，接收电极24a和24b所接收到的信号(的相位)要由彼此电容耦合的发送电极23与接收电极24a和24b的组合来确定，但根据检测头21相对于主标尺22的相对位置而改变。

第一检测电极26a和26b是具有周期Wr1的连续的正弦状电极，并且被配置成与主标尺22侧的第一发送电极25a电容耦合。通过以彼此啮合的方式配置彼此偏移了半个周期的两个正弦状电极26a和26b，形成一对第一检测电极26a和26b。后面将说明第一检测电极26a和26b的周期Wr1与第一发送电极25a的排列间距Pt1之间的关系。

第二检测电极27a和27b是具有周期Wr2的连续的正弦状电极，并且被配置成与主标尺22侧的第二发送电极25b电容耦合。通过以彼此啮合的方式配置彼此偏移了半个周期的两个正弦状电极27a和27b，形成一对第二检测电极27a和27b。后面将说明第二检测电极27a和27b的周期Wr2与第二发送电极25b的排列间距Pt2之间的关系。

在本典型实施例中，假定编码器是绝对型编码器，并且检测到诸如粗略周期(粗刻度)、中间周期(中刻度)和精细周期(细刻度)等的三个等级的相位变化。

换句话说，第一发送电极25a的间距Pt1和第二发送电极25b的间距Pt2略不同于接收电极24a和24b的间距Pr，并且第一发送电极25a和第二发送电极25b相对于接收电极24a和24b分别具有偏移D1和偏移D2。

如下所述，利用从基准位置x0开始的测量方向的距离x的函数来分别表示偏移D1和D2：

D1(x)＝(Pr-Pt1)x/Pr

D2(x)＝(Pr-Pt2)x/Pr

由于偏移D1和D2，因此在第一接收电极24a和第二接收电极24b处产生的电场图案发送至第一发送电极25a和第二发送电极25b的情况下，添加了与长周期λ1和λ2相对应的变化。(假定偏移D1所引起的长周期是λ1，并且偏移D2所引起的长周期是λ2。)

然后，假定第一检测电极26a和26b的周期以及第二检测电极27a和27b的周期例如分别为Wr1(＝3Pt1)和Wr2(＝3Pt2)。

第一检测电极26a和26b以及第二检测电极27a和27b与三个第一发送电极25a和三个第二发送电极25b电容耦合，并且可以提取第一发送电极25a和第二发送电极25b中产生的容量变化作为检测电流。

发送电极23被视为经由接收电极24a和24b以及发送电极25a和25b与检测电极26a、26b、27a和27b电容耦合。

例如，将说明发送电极23中的任一个和第一检测电极中的另一个(26a)之间的容量如何根据位置x而改变。

利用Cn(B1)来表示该容量。

容量Cn(B1)在图4的曲线图中示出并且被表示如下：

Cn(B1)＝Bsin2π{(x/λ1)-(n/8)}+Csin2π{(x/Pr)-(3n/8)}+D

其中：B是长周期的振幅，C是短周期(pr)的振幅，并且D是偏移值。

同样，将说明发送电极23中的任一个和第一检测电极中的另一个(26b)之间的容量如何根据位置x而改变。

第一检测电极其中之一(26a)相对于另一个(26b)偏移了半个周期，并且长周期(λ1)是反相。

利用Cn(B2)来表示该容量。

容量Cn(B2)在图5的曲线图中示出并且被表示如下：

Cn(B2)＝-Bsin2π{(x/λ1)-(n/8)}+Csin2π{(x/Pr)-(3n/8)}+D

该容量是位置x的函数，并且发送电极23中的哪个相位与检测电极26a、26b强耦合根据x而改变。

第一检测电极26a和26b与发送电极23电容耦合，并且在第一检测电极26a和26b中感应出电压。

提取该感应电压的变化作为检测信号B1和B2，并且将该变化表示如下：

表达式1

以相同方式表示第二检测电极27a和27b所检测到的检测信号C1和C2。

这里，假定检测信号B1和B2的长周期(λ1)是短周期(Pr)的数十倍。

此外，假定检测信号C1和C2的长周期(λ2)是检测信号B1和B2的长周期(λ1)的数十倍。

然后，通过计算以下表达式，可以以粗略周期(粗刻度)、中间周期(中刻度)和精细周期(细刻度)的所有等级来获取相位位移：

(粗刻度):C1-C2

(中刻度):B1-B2

(细刻度):(B1+B2)-(C1+C2)

关于这一点，在图6中示出[B1-B2]的结果，并且在图7中示出[B1+B2]的结果。

基于表达式1，例如还将粗刻度信号、中刻度信号和细刻度信号表示如下：

表达式2

粗刻度：

中刻度：

细刻度：

这里，例如假定细刻度信号的过零点的时间为t0，并且以下表达式成立：

表达式3

表达式4

通过利用计数器等对从基准信号的相位为0的基准时间起直到过零点t0为止的时间进行计时，来计算检测头21的位置x。

将说明信号处理器200。

图8是示出信号处理器200的功能框图。

信号处理器200包括控制电路210、发送波形生成电路220、解调器230、相位检测器300、合成电路270和实际大小转换器280。

控制电路210通过向电路供给驱动控制信号、时钟信号和复位信号来控制系统整体的操作定时。

控制电路210包括计时器211。利用计时器211，将显示器17的显示刷新周期控制成一定的间歇周期(例如，100msec的间隔)。然后，对电路操作的ON(接通)和OFF(断开)进行控制，以使得在各显示刷新周期中提取、合成并显示相位数据。控制电路210将按100msec的间隔上升并且持续了预定时间的使能信号ENB供给至发送波形生成电路220、解调器230、相位检测器300、合成电路270和实际大小转换器280。

发送波形生成电路220生成彼此偏移了45°的八个相位的周期信号a～h，并且将这些信号作为驱动信号Sd供给至发送电极23。

解调器230包括粗刻度解调器231、中刻度解调器232和细刻度解调器233。

将来自第二检测电极27a和27b的检测信号C1和C2输入至粗刻度解调器231。

因而，粗刻度解调器231对通过“C1-C2”所获得的粗刻度信号进行解调。

将来自第一检测电极26a和26b的检测信号B1和B2输入至中刻度解调器232。

因而，中刻度解调器232对通过“B1-B2”所获得的中刻度信号进行解调。

将来自第一检测电极26a和26b以及第二检测电极27a和27b的检测信号B1、B2、C1和C2输入至细刻度解调器233。

因而，细刻度解调器233对通过“(B1+B2)-(C1+C2)”所获得的细刻度信号进行解调。

具体地，在解调时，以斩波频率对发送波形进行采样、混合、低频滤波或二值化。因而，生成在边沿处具有相位信息的矩形的周期信号CMP。换句话说，获得粗刻度信号(CMP-COA)、中刻度信号(CMP-MED)和细刻度信号(CMP-FIN)。

相位检测器300包括粗相位检测器310、中相位检测器320和细相位检测器330。

将粗刻度信号(CMP-COA)输入至粗相位检测器310。

将中刻度信号(CMP-MED)输入至中相位检测器320。

将细刻度信号(CMP-FIN)输入至细相位检测器330。

将详细说明相位检测器300。

粗相位检测器310、中相位检测器320和细相位检测器330具有基本相同的结构，并且这里将例示细相位检测器330。

图9是示出细相位检测器330的功能框图。

细相位检测器330包括计数器331、采样定时控制器340、相位调整器350和平均值计算器360。

计数器331是循环计数器，并且根据时钟脉冲进行加计数。

在本典型实施例中，计数器331的一次循环是周期信号的四个周期。(周期信号的一个周期等于刻度信号CMP的一个周期。也就是说，计数器331的一次循环还相应地等于刻度信号CMP的四个周期。)

这基于在细相位检测器330中四个计数值的平均值是相位信息这一假设。计数器331的一次循环不必严格等于周期信号的四个周期，并且仅需是周期信号的四个周期以上。

例如，在粗相位检测器310或中相位检测器320中两个计数值的平均值是相位信息的情况下，计数器的一次循环是基准信号的两个周期。

因而，在用于计算平均值的计数值的数量是k的情况下，计数器的一次循环是基准信号的k/2个周期。

这里，假定计数器331是10位的计数器。(如上所述，可以使用10位以上。)换句话说，计数器331以对基准信号Sd0的四个周期进行1023分割的方式进行计数。这等同于将周期信号的一个周期以8位(256)来分割。因而，低阶8位的计数值等同于以基准信号Sd0的循环为基准来将一个周期内的相位值表示为数字值。图10示出计数器331进行加计数的状态。注意，为了方便纸张宽度，省略了低阶位bit0～bit3。

例如，在控制电路210按预定间隔(例如，按100msec的间隔)生成启动信号的情况下，发送波形生成电路220、解调器230和相位检测器300响应于该启动信号而开始工作。换句话说，响应于该启动信号，发送波形生成电路220生成驱动信号Sd，并且计数器331从0开始进行加计数。因而，计数器331在相位编号0(周期信号a)处与基准信号Sd0同步。将计数值输出至相位调整器350。

将来自细刻度解调器233的细刻度信号(CMP-FIN)和来自控制电路210的具有100mse间隔的使能信号ENB输入至采样定时控制器340。

采样定时控制器340基于细刻度信号(CMP-FIN)和使能信号ENB来指示计数器331输出计数值，并且在需要的情况下指示相位调整器350调整相位。

采样定时控制器340包括采样信号生成器341和边沿极性判断部342。

将来自控制电路210的使能信号ENB和来自细刻度解调器233的细刻度信号(CMP-FIN)输入至采样信号生成器341。

采样信号生成器341生成在使能信号ENB上升之后细刻度信号(CMP-FIN)的边沿的定时处上升四次的采样信号。

由于通过对四个采样值进行平均所获得的平均值是用于检测细刻度信号的相位的相位信息，因此将采样信号设置成上升四次。

例如，为了检测中刻度信号(CMP-MED)或粗刻度信号(CMP-COA)的相位，在根据两个采样值来计算平均值的情况下，采样信号上升两次。

没有区分细刻度信号(CMP-FIN)的边沿是上升沿还是下降沿。

例如，如图11所示，在使能信号ENB上升之后、并且在细刻度信号(CMP-FIN)的第一个边沿是上升沿的情况下，采样信号从上升沿起上升四次。

这与背景技术相同。

另一方面，如图12所示，在使能信号ENB上升之后、并且在细刻度信号(CMP-FIN)的第一个边沿是下降沿的情况下，在这种情况下采样信号从下降沿起上升四次。将以这种方式生成的采样信号供给至计数器331。

计数器331在采样信号的定时输出计数值。

将来自控制电路210的使能信号ENB和来自细刻度解调器233的细刻度信号(CMP-FIN)输入至边沿极性判断部342。

边沿极性判断部342判断紧挨在使能信号ENB上升之后出现的细刻度信号(CMP-FIN)的边沿极性。然后，在紧挨在使能信号ENB上升之后出现的细刻度信号(CMP-FIN)的边沿极性是下降沿的情况下，边沿极性判断部342将调整信号输出至相位调整器350。例如，在图11的情况下，紧挨在使能信号ENB上升之后出现的细刻度信号(CMP-FIN)的边沿极性是上升沿。在这种情况下，调整信号保持LOW(低)电平。

作为对比，在图12的情况下，紧挨在使能信号ENB上升之后出现的细刻度信号(CMP-FIN)的边沿极性是下降沿。

在这种情况下，边沿极性判断部342将处于HIGH(高)电平的调整信号供给至相位调整器350。

相位调整器350根据来自边沿极性判断部342的调整信号来调整来自计数器331的计数值。

在紧挨在使能信号ENB上升之后出现的细刻度信号(CMP-FIN)的边沿极性是下降沿的情况下，边沿极性判断部342将调整信号输出至相位调整器350(图12)。

在接收到调整信号的情况下，相位调整器350向来自计数器331的计数值加上调整量。

这里，调整量是细刻度信号(CMP-FIN)的半个周期。

由于计数器331被设置成计数器的一次循环(1024)等同于四个周期，因此作为调整量的细刻度信号(CMP-FIN)的半个周期等同于计数器值128。

以二进制方式将该值表示为“0010000000”。

换句话说，以计数器的一次循环为基准，调整量为计数器的一次循环的1/8。

在计数器的一次循环为360°(2π)的情况下，调整量为45°(π/4)。

根据开始采样时的边沿极性来调整计数值。

将这样进行调整后的计数值输出至平均值计算器360。

在没有从边沿极性判断部342接收到调整信号的情况下，相位调整器350将来自计数器331的计数值直接输出至平均值计算器360。

平均值计算器360计算从相位调整器350供给的计数值的平均值。

平均值计算器360包括数据缓冲器361和计算执行器362。

数据缓冲器361对从相位调整器350供给的计数值进行四次缓存，并且将这四个计数值发送至计算执行器362。

计算执行器362计算从缓冲器361供给的四个计数值的平均值。也就是说，将这四个计数值相加并且除以4。

图13示出根据四个计数值来计算平均值的状态。

在根据采样信号的定时获取四个计数值并且对这四个计数值求平均的情况下，图中的三角形所表示的值等同于平均值。

在图13的情况下，从上升沿起开始采样，并且在后处理(例如，合成处理或实际大小转换)中直接使用该值。

以下情况会导致问题，将参考图14和15来进行说明。

在图14中，示出相位调整器350没有调整相位的问题。

在图14中，紧挨在使能信号ENB上升之后出现的细刻度信号(CMP-FIN)的第一个边沿是下降沿。

如上所述，在这种情况下，从作为细刻度信号(CMP-FIN)的第一个边沿的下降沿起采样信号上升四次。根据采样信号来获取计数器331的计数值。

然后，计算执行器362计算这四个计数值的平均值。

在图14中利用三角形示出该平均值。

然而，在图14的情况下，从细刻度信号(CMP-FIN)的下降沿起开始计数值的获取。

这样所计算出的平均值与从上升沿起开始采样的情况相比存在偏移。

因而，在将该值直接用在后处理(合成处理或实际大小转换)中的情况下，在测量值中产生偏移。

将该问题与图15的情况进行比较。在图15中，在使能信号ENB变为ON之后、细刻度信号(CMP-FIN)的上升沿出现之前，暂停计数值的获取。在该图中利用实线的三角形来表示四个计数值的平均值。(为了比较，利用虚线的三角形示出图14的情况的值。)

通过将图14的平均值与图15的平均值进行比较，细刻度信号(CMP-FIN)偏移了半个周期。

因而，如图16所示，要加上与细刻度信号(CMP-FIN)的半个周期等同的值。相位调整器350进行该处理。

尽管在上述示例中要进行平均的样本数是4，但在要进行平均的样本数是除4以外的数量、例如2、3、5、6、…的情况下，可以同样加上调整量。

例如，通过将图17与图18进行比较，很明显，在要进行平均的样本数是2个的情况下，调整量相同。

在这种情况下，以计数器的一次循环为基准，调整量是计数器的一次循环的1/4。

在计数器的一个周期是360°(2π)的情况下，调整量是90°(π/2)。

在用以计算平均值的计数值的数量是k的情况下，计数器的一次循环是基准信号的k/2个周期。

因而，调整量是[计数器的一次循环/k]。

粗相位检测器310和中相位检测器320以与细相位检测器330相同的方式检测相位。

合成电路270对所检测到的数字相位信息进行加权并合成。

实际大小转换器280将来自合成电路270的输出转换成实际大小值。将实际大小转换器280所获取到的实际大小值显示在显示器17上。

具有上述结构的本典型实施例具有以下效果：

(1)传统上，在刻度信号CMP的上升沿出现之前，暂停开始相位信息的采样。因而，无谓地消耗了时间和电力。

作为对比，在本典型实施例中，相位信息的采样不仅从上升沿起开始而且还从下降沿起开始。因而，等待时间tw在被估计得最大的情况下处于刻度信号CMP的半个周期内。例如，在通过对四个计数值进行平均来获得相位信息的情况下，可以使电力效率提高约10％。

顺便提及，绝对型电容编码器与例如光电编码器或磁性编码器的其它类型的编码器相比，消耗更少的电力。此外，尽管电容编码器包括相位鉴别型编码器和电压比较型编码器，但相位鉴别型编码器与电压比较型编码器相比消耗更少的电力。根据这些事实，本典型实施例的位移测量装置消耗极低的电力。

(2)在计数值的采样从下降沿起开始的情况下，在后处理(合成处理或实际大小转换)中产生不一致，并且显示不正确的测量值。然而，在本典型实施例中，根据开始采样时的边沿极性来进行调整计算。因而，在从下降沿起开始计数值的采样的情况下，调整后的值与从上升沿起开始计数值的采样的情况下的值相同。

因而可以实现没有无谓地消耗时间和电力的精确的位移测量装置。

本发明不限于上述典型实施例，并且可以在没有背离本发明的范围的情况下进行修改。

本发明的可应用范围不限于电容编码器或线性移动型编码器。

只要是可以基于相位信息来计算绝对位置的编码器，本发明就可应用于光电编码器或磁性编码器以及旋转编码器。

在上述实施例中，假定作为标准从上升沿起开始采样，并且进行后处理(合成处理或实际大小转换)。

因而，在从下降沿起开始采样的情况下，为了与标准一致而加上调整量，反之亦然。也就是说，假定作为标准从下降沿开始采样，并且进行后处理(合成处理或实际大小转换)。在这种情况下，在从上升沿起开始采样的情况下，需要加上调整量。

尽管循环计数器进行加计数，但相同的理论还可应用于进行减计数的循环计数器。显而易见，本发明的技术范围包括这种变形。

说明了在计算平均值之前向计数值加上调整量。可以在计算出平均值之后加上调整量。

Claims

1.一种位移测量装置，包括：

主标尺；

检测头，其被设置成相对于所述主标尺能够发生相对位移，并且被配置为输出具有根据相对于所述主标尺的相对位移而改变的相位的周期性信号；

解调器，其被配置为将所述周期性信号解调成在边沿处具有相位信息的矩形波的刻度信号；以及

相位检测器，其被配置为在边沿的定时检测所述刻度信号的相位信息，

其中，所述相位检测器包括：

采样信号生成器，其被配置为在所述刻度信号的边沿的定时生成采样信号；

计数器，其被配置为根据时钟脉冲每隔特定时间对计数值进行加计数，并且在所述采样信号所指示的定时输出计数值；

边沿极性判断部，其被配置为判断所述刻度信号的边沿的极性是上升沿还是下降沿，并且在生成所述采样信号的边沿是下降沿的情况下生成调整信号；以及

调整器，其被配置为在接收到所述调整信号的情况下，向从所述计数器输出的计数值加上预定的调整量，

平均计算执行器，其被配置为计算k个采样值的平均值；

其中，所述计数器与基准信号同步，并且所述计数器是所述基准信号的k/2个周期为计数值的一次循环的循环计数器，

所述采样信号生成器在采样变为启用后的所述刻度信号的边沿的定时连续k次生成采样信号，

在采样变为启用后并且在所述刻度信号的第一个边沿是下降沿的情况下，所述边沿极性判断部生成所述调整信号，以及

所述调整器向从所述计数器输出的计数值加上作为调整量的与所述计数器的一次循环的1/k相等的值，其中k是自然数。

2.一种位移测量装置，包括：

主标尺；

其中，所述相位检测器包括：

平均计算执行器，其被配置为计算k个采样值的平均值，

其中，所述计数器与基准信号同步，并且所述计数器是所述基准信号的(k+α)/2个周期为计数值的一次循环的循环计数器，

在采样变为启用之后并且在所述刻度信号的第一个边沿是下降沿的情况下，所述边沿极性判断部生成所述调整信号，以及

所述调整器向从所述计数器输出的计数值加上作为调整量的与所述计数器的一次循环的1/(k+α)相等的值，其中k和α是自然数。

3.根据权利要求1或2所述的位移测量装置，其中，

利用下降沿替换上升沿，以及

利用上升沿替换下降沿。