DE69310651T2

DE69310651T2 - Verfahren zum Feststellen der Nullpunkte von Positionsgebern

Info

Publication number: DE69310651T2
Application number: DE69310651T
Authority: DE
Inventors: Akihito Nakayama
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1993-09-13
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2013-09-14
Also published as: US5534692A; US5955728A; US6049087A; EP0588585A1; EP0588585B1; US6049075A; DE69310651D1

Description

Diese Erfindung betriffi das Feststellen von Ursprungs- oder Nullpunkten unter Benutzung von Positionsgebern beispielsweise zum Fokussieren einer Linse eines optischen Systems, zum Positionieren eines Arbeitstisches einer Werkzeugmaschine oder dergl..
EP-A-0 063 466 offenbart ein Verfahren zum Erfassen der Position eines sich bewegenden Körpers. Ein Pulsgenerator erzeugt Pulssignale, die einen Einheitsbetrag der Bewegung des sich bewegenden Körpers darstellen. Ein Referenzsignalgenerator erzeugt ein Referenzsignal wenn der sich bewegende Körper einen Referenzbereich erreicht hat. Zahlen sind entsprechend den vorbestimmten Positionen des sich bewegenden Körpers innerhalb des Referenzbereiches vorgegeben, und eine der vorbestimmten Positionen wird als eine Referenzposition gewählt.
Die Pulssignale werden entsprechend der Referenzzahl gezählt, die der Referenzposition entspricht, so daß die vorbestimmten Positionen des sich bewegenden Körpers durch Pulszählungen dargestellt werden. Die Pulszählung wird mit den vorgegebenen Zahlen verglichen, so daß die Position des sich bewegenden Körpers erfaßt wird.
In einer Referenzposition wird der sich bewegende Körper mit einer konstanten Kraft gegen einen mechanischen Halt für ein vorgegebenes Zeitintervall getrieben. Falls die Referenzzählung in dieser Position innerhalb eines begrenzten Bereiches der Zählung ist, die dieser Position entspricht, wird die Referenzzählung durch die Zählung ersetzt, die der Position entspricht. Falls der Positionszähler außerhalb des begrenzten Bereichs ist, wird die Vorrichtung angehalten.
Andere Verfahren zum Erfassen der Position sind in der GB-A-2 187 582 offenbart, in welcher ein Referenzpositionsgeber gebraucht wird, und ferner in der JP-A-61-151713.
Es ist allgemein bekannt, daß wenn der Tisch einer Werkzeugmaschine oder dergl., die ein Werkstück darauf positioniert hat, um einen bestimmten Abstand in einer X-Achsen- oder Y- Achsenrichtung versetzt wird, der Abstand einer solchen Versetzung herkömmlicherweise unter Benutzung eines Positionsgebers, wie einer Linearskala, gemessen wird, so daß die Position des Werkstückes auf dem Tisch ermittelt werden kann. Solche Positionsgeber können eine bewegbare Einheit, die auf dem Tisch (der Tisch in diesem Beispiel ist das Objekt, das gemessen werden soll) verankert ist und eine stationäre Einheit aufweisen, die mit der Basis des Positionsgebers verankert ist. Wenn der Tisch versetzt wird, wird die bewegbare Einheit auch in Bezug auf die stationäre Einheit versetzt. Die Länge der Versetzung des Tisches wird basierend auf der Relativbewegung zwischen der bewegbaren und der stationären Einheit berechnet.
Zum Abschluß der oberen Messung wurde früher vorgeschlagen, daß die Referenzposition für den Positionsgeber, der für das Setzen der Meßposition auf einen absoluten Wert, d. h. zum Feststellen des Ursprungs- oder Nullpunktes benutzt wird, wie folgt erfaßt wird. Eine Lichtabschirmplatte ist fest mit der bewegbaren Einheit verbunden, und ein Endpunktsensor, wie eine Lichtschranke, ist in Nachbarschaft zu dem Positionsgeber positioniert. Wenn die Abschirmplatte mit der bewegbaren Einheit zu dem Endpunkt der Versetzung der bewegbaren Einheit hin versetzt wird, schheidet die Abschirmplatte das Licht der Lichtschranke letztlich ab, so daß folglich das Ausgangssignal des Endpunktsensors, der beispielsweise dadurch von einem Auszu einem Einzustand geschaltet werden kann, verändert. Hierfür war es üblich, daß der Anderungspunkt des Ausgangssignals des Endpunktsensors als der Referenzpunkt oder Nullpunkt des Positionsgebers betrachtet wurde.
Um auf diese Art und Weise die Position des Positionsgebers auf einen absoluten Wert zu setzen, war es erforderlich, daß ein externer Endpunktsensor benutzt wurde, wie eine Lichtschranke, um die Referenzposition für den absoluten Wert festzustellen. Folglich macht dies das Positionserfaßsystem als ganzes sperrig. Derartige Systeme verursachen auch andere Probleme einschl. relativ hoher Herstellungskosten.
Ferner können bei der Benutzung eines Endpunktsensors einige Veränderungen in dem Ausgangssignal des Endpunktsensors aufgrund von Temperaturschwankungen, Umgebungsveränderungen usw. ermittelt werden. Solche Veränderungen können Veränderungen der Positionserfassungen ergeben, die basierend auf dem oben erwähnten Referenzpunkt gemacht werden. Folglich leidet die Genauigkeit dieses Positionierpunktes.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zum Feststellen eines Ursprungs- oder Nullpunktes eines Positionsgebers in einem System zur Bestimmung der Position eines Objektes bereitgestellt, wobei das Objekt innerhalb eines Versetzbereiches versetzbar ist, und wobei das System Haltemittel in der Nähe eines Endes des Versetzbereiches beinhaltet, und wobei der Positionsgeber ein Ausgangssignal erzeugen kann, das die Position des Objektes anzeigt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aulweist: Versetzen des Objektes in einen an das Haltemittel angrenzenden Bereich, wobei das Objekt mit einer konstanten Kraft in diesem angrenzenden Bereich gehalten wird; Erfassen des Nullpunktes des Positionsgebers basierend auf der Position des Objekts wenn es an das Haltemittel angrenzt; und Setzens des Nullpunktes des Positionsgebers; dadurch gekennzeichnet, daß der Erfassungsschritt, während das Objekt in dem zu dem Haltemittel angrenzenden Bereich gehalten wird, die Schritte des Erlangens einer Abweichung des nachgewiesenen Nullpunktes von dem zuvor nachgewiesenen Nullpunkt und des Erfassens des nachgewiesenen Nullpunkts, wenn die Abweichung Null oder geringer als ein vorbestimmter Wert wird, beinhaltet; und der Nullpunkt des Positionsgebers auf den ermittelten Nullpunkt gesetzt wird.
Vorzugsweise führt der Positionsgeber seinen Betrieb unter Benutzung mehrerer sich wiederholender oder repetitiv periodischer Signale aus.
Vorzugsweise sind die repetitiv periodischen Signale in mehrere Phasen zerlegbar und der Erfassungsschritt beinhaltet das Speichern einer ersten Phase der repetitiv periodischen Signale als Referenzdaten in einem Speichermedium, wobei die erste Phase dem Positionsgeber, der bei dem festgestellten Nullpunkt positioniert ist, entspricht, das Bestimmen der zweiten Phase des repetitiv periodischen Signals, welches der nachfolgenden Feststellung des Nullpunkts des Positionsgebers entspricht, das Vergleichen der gespeicherten Referenzdaten mit der zweiten Phase des repetitiv periodischen Signals und das Berichtigen der Nullpunktdaten, die durch das nachfolgende Erfassen entsprechend dem Vergleich bestimmt worden sind.
Vorzugsweise können die repetitiv periodischen Signale aus Sinus- und Cosinuswellen bestehen.
Vorzugsweise ist der Positionsgeber ein linearer Positionsgeber.
Vorzugsweise wird der lineare Positionsgeber in Verbindung mit einem Antriebsmechanismus mit einem Direktantriebsmotor benutzt.
Vorzugsweise kann der lineare Positionsgeber in Verbindung mit einem optischen Antriebsmittel für eine Videokamera verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Gerätes mit: einem Positionsgeber; einem Objekt, welche innerhalb eines Versetzbereiches versetzbar ist; Haltemitteln in der Nähe eines Endes des Versetzbereiches, wobei der Positionsgeber derart angeordnet ist, daß er ein Ausgangssignal erzeugt, das die Position des Objektes anzeigt; Mitteln zum Versetzen des Objektes in einen an die Haltemittel angrenzenden Bereich und Positionssteuermitteln, die derart angeordnet sind, daß das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines bevorzugten Positionserfassungssystems zum Ausführen eines Verfahrens, das die Erfindung zum Feststellen eines Nullpunktes eines Positionsgebers ausführt;
Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel einer optischen Linearskala und des Objektes des Systems der Fig. 1 dar;
Fig. 3 ist ein Graph, der periodische Signale beispielhaft darstellt, die von Lichtempfangselementen in der optischen Linearskala ausgegeben werden;
Fig. 4 ist ein Graph, der die periodischen Signale darstellt, die von den Lichtempfangselementen in der optischen Linearskala ausgegeben werden, sowie deren invertierten Signale;
Fig. 5 ist ein Graph, der acht unterteilte Phasen der periodischen Signale der Fig. 4 darstellt, die von den Lichtempfangselementen in der optischen Linearskala ausgegeben werden;
Fig. 6 ist eine Tabelle, die die Beziehung der Werte von den Signalen der in Fig. 5 gezeigten periodischen Signale sowie die Beziehung zwischen den Signalen und den Phasen zeigt;
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das eine beispielhafte Schrittsequenz zum Feststellen der Position eines Endpunktes mit angedrücktem Kontakt, der durch die Anwendung einer konstanten Kraft verursacht ist, darstellt;
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, das eine beispielhafte Sequenz der Schritte gemäß der Erfindung zum Feststellen der Position eines Endpunktes durch Bestätigen eines Haltepunktes des Objektes bei einem mechanischen Anhalter darstellt;
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm, das eine beispielhafte Sequenz der Schritte gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt zum Feststellen der Position eines Endpunktes mit Regelung der Phasen nach der Bestätigung eines Haltepunktes des Objektes bei einem mechanischen Anhalter;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines optischen Systems einer Videokamera zum Ausüben eines Verfahrens, das die Erfindung ausführt;
Fig. 11 zeigt ein Magnetowiderstands(MR)-Elementmuster eines MR-Sensors und einen linear magnetisierten Magneten, der in der Videokamera der Fig. 10 benutzt ist;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm eines anderen bevorzugten Positionserfassungssystems zum Ausüben eines Verfahrens, das die Erfindung zum Feststellen des Nullpunktes eines Positionsgebers ausführt;
Fig. 13 stellt eine optische Linearskala und einen Endpunktsensor des Systems der Fig. 12 dar;
Fig. 14 ist eine Tabelle, die die digitalen Signale φ a und φ b zeigt, die von einem Vergleicher erhalten werden, der in dem System der Fig. 12 benutzt wird, und Phasen P0 bis P3 solcher Signale;
Fig. 15 ist ein Graph der vier Phasen zeigt, die durch Dividieren der periodischen Ausgangssignale der Fig. 3 ermittelt werden;
Fig. 16 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft Zustände der Signale in einer Schrittfolge des Feststellens eines Endpunkts zeigt;
Fig. 17 ist ein Flußdiagramm, das eine bevorzugte Schrittfolge des Feststellens eines Endpunktes zeigt und
Fig. 18 ist eine Schnittansicht eines anderen Beispiels eines optischen Systems einer Videokamera zum Ausüben eines Verfahrens, das die Erfindung ausführt.
Es werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Obwohl die unten beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele zur Zeit bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung darstellen, ist es klar, daß der Umfang der Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausfuhrungsformen begrenzt sein soll.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels eines Positionserfassungssystems zum Ausfuhren eines Verfahrens, das die Erfindung zum Feststellen des Nullpunktes eines Positionsgebers ausfuhrt. Das Positionserfassungssystem der Fig. 1 weist eine optische Linearskala 10, ein zu messendes Objekt 12, einen mechanischen Anhalter 14 (Stopper), zwei Invertierverstärker 18 und 20, einen Vergleicher 16, einen Phasendiskriminator 22, eine CPU 24, einen Pulsgenerator 26, ein Positionszähler 28, ein EEPROM 30, eine Antriebsschaltung 32 und einen Direktantriebslinearmotor 33 auf Das in diesem Beispiel zu messende Objekt ist der Tisch einer Werkzeugmaschine zum Halten eines Werkstückes darauf oder dergl..
Die optische Linearskala 10, die als ein Positionsgeber in diesem Ausfuhrungsbeispiel dient, wird nun mit Bezug zu dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 2 erläutert. In dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel beinhaltet die optische Linearskala 10 eine Schlitzplatte 40, ein Lichtemittierelement 42 und zwei Lichtempfangselemente 44, 46 und eine Meßplatte 12a. Die Schlitzplatte 40, das Lichtemittierelement 42 und die zwei Lichtempfangselemente 44, 46 bilden zusammen eine stationäre Einheit. Die Meßplatte 12a bildet eine bewegbare Einheit, die sich zusammen mit dem in Fig. 1 gezeigten Objekt bewegt, in diesem Beispiel der Arbeitstisch einer Werkzeugmaschine. Die bewegbare Einheit ist in der durch die Pfeilspitzen des Pfeils A angezeigten Richtung verschieb- bzw. -setzbar.
Wie in Fig. 2 gezeigt, hat in dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel die Schlitzplatte 14 mehrere Schlitze 11, die gleichmäßig entlang ihrer Länge in einem vorbestimmten Abstand λ (µm) angeordnet sind. Die Meßplatte 12a ist parallel zu der Schlitzplatte 40 angeordnet und hat zwei Schlitze 15, 17, welche in einem Abstand von λ/4 voneinander beabstandet sind. Das Lichtemittierelement 42 kann beispielsweise eine Lumineszenzdiode (LED) sein und die Lichtempfangselemente 44, 46 können beispielsweise lichtelektrische Umwandlungselemente (Solarbatterien) sein. Die Lichtabgabe des Lichtemittierelementes 42 wird über einen Schlitz 11 und die Schlitze 15 und 17 zu den Lichtempfangselementen 44 bzw. 46 übertragen. Die Lichtempfangselemente 44 und 46 erzeugen Ausgangssignale Asinθ bzw. Acosθ in Form von repetitiv periodischen Signalen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Lichtempfangselemente 44 und 46 der Fig. 2 sind direkt mit den Eingangsanschlüssen des in Fig. 1 gezeigten Vergleichers 16 verbunden und ferner über die Invertierverstärker 18 und 20 mit den Eingangsanschlüssen des Vergleichers 16, wobei die Invertierverstärker 18 und 20 (jeder davon hat eine Verstärkung von -1) die Ausgangssignale Asinθ und Acosθ von den Lichtempfangselementen 44 und 46 in Ausgangssignale -Asinθ und -Acosθ invertieren. Die vier oben erwähnten Signale (Asinθ, Acosθ, -Asinθ und -Acosθ), die in Fig. 4 gezeigt sind, werden in den Vergleicher 16 eingegeben.
Die Ausgangsanschlüsse des Vergleichers 16 sind an den Phasendiskriminator 22 angeschlossen, der sowohl an die CPU 24 als auch an den Puisgenerator 26 angeschlossen ist. Der Phasendiskriminator 22 empfängt das Ausgangssignal des Vergleichers 16 und gibt ein Phasendatensignal PHD (unten beschrieben) sowohl an die CPU 24 als auch den Pulsgenerator 26 aus.
Basierend auf den Phasendaten PHD fuhrt der Puisgenerator 26 entweder einen Aufwärtszähl- Puls oder einen Abwärtszähl-Puls dem Positionszähler 28 zu. Der Positionszähler 28 ist bidirektional angeschlossen, um Daten zu und von der CPU 24 zu übertragen. Spezieller fuhrt der Positionszähler 28 Positionszähldaten CD der CPU 24 zu, während die CPU 24 vorgewählte Daten PRD dem Positionszähler 28 zuführt.
Der in Fig. 1 gezeigte mechanische Anhalter 14 ist vorzugsweise neben dem zu messenden Objekt 12 verankert und derart positioniert, daß das Objekt 12 bezüglich einer Versetzung durch den Direktantriebslinearmotor 33 jenseits einer bestimmten Position in der Minus(-)- Richtung, wie durch den Pfeil A angezeigt, zwangsläufig angehalten wird.
Wie es sich aus der künstlichen Sicht des Fachmanns ergibt, kann durch die Beziehung der Werte der vier Signale Asinθ, Acosθ, -Asinθ und -Acosθ, die in Fig. 4 gezeigt sind, ein Zeitintervall λ in die in Fig. 5 gezeigten acht Phasen unterteilt werden. In Fig. 5 sind die acht Phasen mit den Zahlen 1 bis 8 bezeichnet; die Beziehung der Werte der Eingangssignale des Vergleichers 16, die durch die Phasenreferenzzahlen dargestellt sind, sind in der Tabelle der Fig. 6 aufgelistet.
Der in Fig. 1 gezeigte Phasendiskriminator 22 decodiert die Beziehung der Werte, die durch den Vergleicher 16 ausgegeben werden, basierend auf den vier Eingangssignalen dort hinein in Phasensignale 1 bis 8, wie sie in Fig. 6 aufgelistet sind, und gibt das Signal PHD aus, das die geeignete Phasenbeziehung 1 bis 8 darstellt.
Der Pulsgenerator 26 der Fig. 1 bestimmt die Bewegungsrichtung des Objektes basierend auf der Phaseninvertierkante und der Phasenbeziehung vor und nach einer derartigen Invertierung und erzeugt entsprechend der Bestimmung einer Plus-Richtungsversetzung oder Minus- Richtungsversetzung entweder einen Aulwärtszähl-Puls oder einen Abwärtszähl-Puls.
Der in Fig. 1 gezeigte Positionszähler 28 dient als Auf/Ab-Zähler, der seine Zählwerte um 1 vergrößert abhängig von einem Aulwärtszähl-Puls des Pulsgenerators 26 oder der seinen Zählwert um 1 erniedrigt abhängig von einem Abwärtszähl-Puls, wodurch er ein Zähldatensignal CD erzeugt, das die Position des Objektes anzeigt. Die Positionszähldaten CD werden der CPU 24 zugeführt.
Der Positionszähler 28 ist so ausgebildet, daß er vorgegebene Daten in Abhängigkeit von den vorgegebenen Daten PRD, die von der CPU 24 übertragen werden, empfangen kann. Ein EE- PROM 30, das als externes Speichermedium dient, ist an die CPU 24 angeschlossen, so daß irgendwelche Daten darin in der CPU 24 gespeichert werden können, sogar wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist.
Die CPU 24 ist an die Antriebsschaltung 32 angeschlossen, und der Direktantriebslinearmotor 33 wird über die Antriebsschaltung 32 betätigt, wodurch das Objekt in der geeigneten Richtung versetzt wird, wie es durch die Pfeilspitzen des Pfeiles A angezeigt ist. Auf diese Art und Weise steuert die CPU 24 den Antrieb des Objektes 12 und dadurch seine Position.
Nun wird das Positionsfeststellverfahren des obigen Systems mit Bezug zu einigen Betriebsbeispielen erläutert.
Zuerst wird eine Erläuterung mit Bezug zu den Fig. 1 und 7 gegeben. Fig. 7 ist ein Flußdiagramm einer beispielhaften Schrittfolge zum Feststellen des Endpunktes der Bewegung des Objektes bei Anwendung einer konstanten Schubkraft auf das Objekt 12, nachdem es den Anhalter 14 erreicht hat. In dieser Folge wird das Objekt 12, dessen Position zu messen ist, fest gegen den mechanischen Anhalter 14 durch eine konstante Schubkraft gepreßt, die durch den in Fig. 1 gezeigten Direktantriebslinearmotor 33 erzeugt wird. Dann wir die Position des Objektes 12 als eine Referenzposition zum Feststellen des Ursprungs bestimmt.
Vor dem Setzen der Position des Objektes 12 auf einen absoluten Wert ist seine Position, die der Position der bewegbaren Einheit 12a des Positionsgebers entspricht, unbestimmt. Um eine absolute Position zu bestimmen, wird das Objekt 12 fest gegen den mechanischen Anhalter 14 gepreßt, wie es bei den Schritten S7-1 und S7-2 der Folge der Fig. 7 gezeigt ist.
Zuerst übermittelt die CPU 24 der Antriebsschaltung 32 einen Befehl, um das Objekt 12 entgegen dem mechanischen Anhalter 14 über einen Abstand zu versetzen, der dem vollen Weg in Minus(-)-Richtung, wie es durch den Pfeil A in Fig. 1 angezeigt ist, entspricht. Schließlich wird das Objekt 12 an den Anhalter 14 angestoßen und dadurch zu einem Halt bei der Position des Anhalters 14 gebracht. Bei Beendigung einer solchen Versetzung (Schritt S7-3) erreicht bei Schritt S7-4 die Antriebsschaltung 32, daß der Direktantriebslinearmotor 33 eine konstante Kraft oder eine Schubkraft in der Richtung erzeugt, die das Objekt 12 gegen den mechanischen Anhalter 14 preßt. Als Ergebnis wird das Objekt 12 mechanisch gegen den Anhalter 14 durch die Schubkraft des Direktantriebslinearmotors 33 gepreßt. Bei Schritt S7-5 wird eine konstante Schubkraft für ein festes Zeitintervall aufgebracht.
Bei Schritt S7-6 führt, nachdem ein festes Zeitintervall abgelaufen ist, die CPU 24 vorgegebene Daten PRD dem Positionszähler 28 der Fig. 1 zu, um dadurch den Positionszähler 28 zu löschen, so daß die Position des Objektes 12 auf einen absoluten Wert, wie unten beschrieben, gesetzt wird. Bei Schritt S7-7 wird, nachdem der Positionszähler 28 gelöscht worden ist, die konstante Schubkraft, die durch den Direktantriebslinearmotor 33 entgegen dem mechanischen Anhalter 14 ausgeübt wird, gelöst und das Verfahren wird in seiner normalen Betriebsart weitergeführt.
Ist der Positionszähler 28 einmal gelöscht, wird die Position des mechanischen Anhalters 14 der Nullpunkt (Ursprung) 0 oder eine absolute Position. Nach Beendigung der Folge der Fig. 7 bedeuten die baten (PRD) in dem Positionszähler 28 die absolute Position des Objektes 12 in Bezug auf den Nullpunkt, d. h. den Anhalter 14. Die verläßliche und reproduzierbare Positionsfeststellung wird in diesem System durch mechanisches Anpressen des Objektes 12 gegen den Anhalter 14 erhöht unter Benutzung einer konstanten Schubkraft unter den selben Bedingungen jedesmal, wenn der Nullpunkt bestimmt werden soll. Da ferner der Direktantriebslinearmotor 33 zwangsweise das Objekt 12 gegen den mechanischen Anhalter 14 durch Erzeugung einer konstanten Schubkraft preßt, werden keine Positionsschwankungen in der Nullpunktbestimmung, trotz gelegentlich kleiner Störungen, d. h. Störungen die kleiner als die konstante Schubkraft sind, die zum Zeitpunkt des Feststellens der Position des Objektes bei dem mechanischen Anhalter 14 sind, auftreten. Dadurch hat dieses System den zusätzlichen Vorteil, daß der Schutz der Genauigkeit der absoluten Positionsbestimmung vor Fehlern, die durch Störungen auftreten können, verbessert ist.
Das nächste Verfahren wird anhand der Fig. 1 und 8 erläutert. Fig. 8 ist ein Flußdiagramm einer beispielhaften Schrittfolge zum Feststellen der Position des Endpunktes der Versetzung eines Objektes durch Bestätigung, daß das Objekt bei dem mechanischen Anhalter 14 angehalten hat. In dieser Folge wird Bestätigung darüber erlangt, daß das Objekt 12 vollständig angehalten und bei dem mechanischen Anhalter 14 ist oder daß irgendeine Veränderung in der Position des Objektes kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Solch eine Position wird als eine Halteposition des Objektes 12 bei dem mechanischen Anhalter 14, d. h. dem Nullpunkt (Ursprungspunkt) angesehen.
Zuerst, wie bei den Schritten S8-1 und S8-2 in Fig. 8 gezeigt, übermittelt die CPU 24 der Fig. 1 der Antriebsschaltung 32 einen Befehl, um das Objekt 12 gegen den mechanischen Anhalter 14 über eine Entfernung zu versetzen, die dem vollen Weg in Minus(-)-Richtung, wie es durch den Pfeil A angezeigt ist, äquivalent ist, so daß der Direktantriebslinearmotor 33 das Objekt 12 versetzen wird, bis es eindeutig gegen den mechanischen Anhalter 14 anschlägt.
Wie danach bei den Schritten S8-3 und S8-4 gezeigt ist, bestimmt die CPU 24, nachdem die Versetzung des Objektes 12 beendet ist, den Wert des Positionszählers 28 als POS (n). Die darauffolgenden Schritte S8-5 bis S8-7 bilden eine Schleife. Die Direktantriebslinearmotor 33 preßt das Objekt 12 gegen den mechanischen Anhalter 14, während eine konstante Schubkraft erzeugt wird, die eine derartige Wirkung beibehält, bis die Position des Objekts 12 bis zum Ablauf eines festen Zeitintervalls unverändert bleibt, d. h. bis ein vollständiger Halt des Objekts 12 bei der Position des mechanischen Anhalters 14 eingetreten ist (Schritte S8-4 bis S8-6).
Dann preßt der Direktantriebslinearmotor 33 mechanisch das Objekt 12 gegen den Anhalter 14, während eine konstante Schubkraft erzeugt wird und behält diese Wirkung bei, bis die Positionsveranderung (DIF) des Objekts 12 geringer als ein vorbestimmter Wert wird, sogar nachdem ein festes Zeitintervall abgelaufen ist (S8-7 und S8-8).
Ein (nicht gezeigter) Positionsgeber kann verwendet werden, um zu bestätigen, daß das Objekt 12 zu einem vollständigen Halt gekommen ist oder daß die Verringerung einer Positionsverän derung einen vorbestimmten Wert unterschritten hat. Nachdem diese Bedingung bei den Schritten S8-9 und S8-10 erfüllt worden ist, löscht die CPU 24 den Positionszähler 28 und löst die konstante Schubkraft des Linearmotor 33, so daß die Folge dadurch beendet wird.
Gemäß dem oben in Verbindung mit Fig. 8 erläuterten Verfahren ist es möglich, ein genaueres Feststellen des Nullpunkts zu erreichen, als wenn die Folge der Fig. 7 benutzt wird. Sogar wenn der mechanische Anhalter 14 von einem Typ ist, der nicht vollkommen starr ist, wie ein Polsterelement, kann das Feststellen des Nullpunkts mit erhöhter Verläßlichkeit und Reproduzierbarkeit durch Übernahme der Folge der Fig. 8 ausgeflihrt werden. Auch in Bezug auf den Schutz vor Ungenäuigkeiten, die von Störungen hertühren, ist eine große Verbesserung erreichbar, da sogar dann, wenn das Objekt 12 durch eine Störung bewegt wird, die größer als die Schubkraft ist, die durch den Linearmotor 33 während des Feststellens seiner Position erzeugt wird, während es gegen den mechanischen Anhalter 14 gepreßt wird, irgendeine sich ergebende Versetzung des Positionsgebers (nicht gezeigt) erfaßt wird. Unter diesen Umständen kann das Feststellen des Nullpunkts unter Benutzung des mechanischen Anhalters 14 wie der ausgeführt werden, so daß dadurch die Verläßlichkeit der Nullpunktsbestimmung erhöht wird, sogar gegenüber großen Störungen.
Ein weiteres Beispiel wird nun anhand der Fig. 1 und 9 erläutert. Fig. 9 ist ein Flußdiagramm einer exemplarischen Folge zur Phasenregelung periodischer Signale, wenn der Endpunkt eines Objektes erfaßt wird, das sich hin- und herbewegt mittels Anwendung einer konstanten Kraft oder Schubkraft auf das Objekt.
Beim Einstellen der Nullpunktspositionsfeststellung während dieser Folge wird die Phase eines periodischen Signals, das die Position des Objektes 12 in Bezug auf den mechanischen Anhalter 14 darstellt, wie es in dem EEPROM 30 der Fig. 1 gespeichert ist, verglichen mit der Phase eines periodischen Signals, das die Position des Objekts 12 in Bezug auf den mechanischen Anhalter 14 nach einer Einstellung darstellt. Eine Berichtigung wird auf der Basis des Ergebnisses dieses Vergleichs ausgeführt, um dadurch die Genauigkeit der Nullpunktsbestimmung sehr zu erhöhen.
Schritte S9-1 bis S9-5 der in Fig. 9 gezeigten Folge entsprechen den zuvor erwähnten Schritten S7-1 bis S7-5, wie sie in Verbindung mit Fig. 7 oben erläutert worden sind. Kurz gesagt, wird das Verfahren in der folgenden Art und Weise ausgeführt.
In diesem Abschnitt der Folge verursacht die Antriebsschaltung 32 der Fig. 1, daß der Direktantriebslmearmotor 33 das Objekt 12 in Minus(-)-Richtung antreibt, bis es gegen den mechanischen Anhalter 14 anstößt und verursacht darauffim, daß der Linearmotor 33 eine konstante Schubkraft erzeugt, so daß das Objekt 12 gegen den Anhalter 14 gepreßt wird; die Halteposition des Objektes ist dann bestimmt als Referenzposition zur Feststellen des Nullpunkts.
Vor dem Setzen der Position des Objekts auf einen absoluten Wert ist die Position des Objektes 12, die der Position der bewegbaren Einheit 12a entspricht, unbestimmt. Bei den Schritten S9-1 bis S9-2 der Folge in Fig. 9 übermittelt die CPU 24 der Fig. 1, um das Objekt 12 fest gegen den mechanischen Anhalter zu pressen, der Antriebsschaltung 32 einen Befehl, so daß das Objekt 12 zu dem mechanischen Anhalter 14 hin versetzt wird, über einen Abstand der dem vollen Weg in Minus(-)-Richtung äquivalent ist, wie es durch den Pfeil A in Fig. 1 angezeigt ist. Folglich stößt das Objekt 12, dessen Position zu messen ist, gegen den Anhalter 14 und wird dadurch zu einem Halt bei der Position des Anhalters 14 gebracht.
Bei Beendigung der obigen Zuführung (Schritt S9-3) und um das Objekt 12 gegen den mechanischen Anhalter 14 (Schritt S9-4) zu pressen, verursacht die Antriebsschaltung 32 beim Direktantriebsschritt, daß der Linearmotor 33 eine konstante Schubkraft in der Minus(-)- Richtung erzeugt. Als Resultat wird das Objekt 12 mechanisch gegen den Anhalter 14 durch die Schubkraft des Direktantriebslinearmotor 33 gepreßt. Bei Schritt S9-5 wird die konstante Schubkraft für ein festes Zeitintervall ausgeübt.
Daraufhin, während des Nullpunkt-Feststell-Einstell-Zustands, wie bei den Schritten S9-6 und S9-7 gezeigt, lädt die CPU 24 die Phasendaten von dem Phasendiskriminator 22 der Fig. 1 und schreibt die Phasendaten in das EEPROM 30 der Fig. 1. Wenn dies die Ausgangseinstellung ist, ist die Abweichung 0 und der Einstellzustand wird beendet.
Wenn der absolute Wert der Nullpunktsposition während irgendeines Betriebes verschieden von dem Ausgangseinstellzustand gesetzt wird, d. h. zum Zeitpunkt des Starts oder des Zurücksetzens des Systems, wie bei Schritt S9-8 gezeigt, vergleicht die CPU 24 die Daten, die dann von dem Phasendiskriminator 22 geladen werden, mit den Daten, die zuvor in das EEPROM 30 während des Einstellzustands geschrieben worden sind. Beim Ausführen des Vergleichs berechnet die CPU 24 irgendeine Abweichung basierend auf der Annahme, daß die Position des Objekts 12 während des Ausgangseinstellzustands nach der Einstellung wenigstens innerhalb einer Versetzung von ±λ/2 der Phase bestimmt ist.
Beispielsweise in dem System der Fig. 1, bei dem Signale in acht Phasen 1 bis 8 unterteilt sind, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, und angenommen, daß Phase-1-Daten während des Eingangseinstellzustands beim Start des Systems mit dem Objekt 12, das gegen den mechanischen Anhalter 14 gepreßt worden ist, erlangt worden sind, ist, falls Phase-1-Daten später ermittelt worden sind, d. h. wenn der Nullpunkt in einen darauffolgenden Betrieb festgestellt wurde, dann die Abweichung 0. In anderen Worten wurde der selbe Nullpunkt festgestellt.
Wenn jedoch Phase-2-Daten erfaßt wurden, wenn der Nullpunkt während eines darauffolgenden Betriebs festgestellt wurde, bedeutet dies eine Abweichung von 1. Falls in gleicher Weise Phase-3-Daten bestimmt wurden, bedeutet dies eine Abweichung von 2. Falls Phase-4-Daten bestimmt wurde, ist die Abweichung 3. Die Abweichung ist in gleicher Weise -1, falls Phase-8-Daten ermittelt wurden, die Abweichung ist -2, falls Phase-7-Daten ermittelt wurden und die Abweichung ist -3, falls Phase-6-Daten ermittelt wurden.
Nach der Berechnung der Abweichung bei Schritt S9-9 der Folge in Fig. 9 gibt die CPU 24 die berechnete Abweichung in den Positionszähler 28 der Fig. 1. Bei Beendigung der Folge S9-9 bezeichnet der Wert des Positionszählers 28 die absolute Position des entsprechenden Nullpunkts. Im Beispiel der Fig. 5, wo die vier Signale Asinθ, Acosθ, -Asinθ und -Acoseθ) des repetitiv periodischen Signals nur in acht Phasen unterteilt sind, kann es anschließend im Einstellzustand möglich sein, irgendeine Phasenabweichung (entsprechend einer Veränderung des Nullpunkts) die größer als ±3λ/8 ist, richtig zu erfassen. Dennoch ist es durch Erhöhung der Zahl der Unterteilungen möglich, ein verbessertes System zu realisieren, das eine maximale Phasenabweichung von ±λ/2 anschließend an der Einstell-Betriebsart berichtigen kann.
Die Folge der Fig. 9 ist ein beispielhafter Fall einer Phasenregelung zur Feststellen des Endpunktes mit gepreßtem Kontakt zwischen dem Objekt und dem Anhalter 14 bei Anwendung einer konstanten Kraft oder Schubkraft. Diese Folge kann kombiniert werden mit der Endpunktfeststellfolge der Fig. 8, die den Schritt des Bestätigens des Haltens des Objekts 12 bei dem mechanischen Anhalter 14 beinhaltet. Durch Kombinierung der zwei Folgen kann eine weitere große Verbesserung in der Feststellfähigkeit realisiert werden.
Wie oben zum Zweck der Begrenzung des Versetzbereiches des zu messenden Objekts 12 erlaubt, kann der in Fig. 1 gezeigte Direktantriebslinearmotor 33 mit einem mechanischen Anhalter 14 bei jedem Ende dessen Versetzbereiches ausgerüstet werden. In Systemen, die einen Motor 33 des erwähnten Typs benutzen, ist häufig eine hohe Positionsauflösung erforderlich.
Damit wird die Feststellen des Nullpunktes, d. h. das Setzen der Ausgangsposition auf einen absoluten Wert vorzugsweise durch das System ausgeführt, das die oben erwähnten repetitiv periodischen Signale und die Folge der Flußdiagramme der Fig. 7, 8 oder 9 benutzt. Folglich wird es möglich, ein System bei verringerten Kosten und von geringerer Größe herzustellen, während eine hohe Genauigkeit und wiederholbare Positionserfassung sichergestellt ist.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines Positionfeststellgerätes für ein optisches System einer Videokamera, bei welchem das Nullpunktsfeststellverfahren das die Ertindung ausführt, angewandt werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein magnetischer MR-Sensor 100 mit einem Magneto- Widerstandselement (magnetoresistives Element) als ein Positionsfeststellmittel verwendet. Dieses optische Linsenssystem weist einen Linearmotor 112, eine Linse 120, einen mechanischen Anhalter 114, eine Referenzachse 126, ein Lager 130, einen MR-Sensor 100 und eine CCD 129 auf, die von einem Gehäuse 110 aufgenommen sind.
Der MR-Sensor 100 ist gegenüber dem Magneten 140 angeordnet und ist fest in der Innenfläche des Gehäuses 110 verankert, während der Magnet 140 fest an dem Lager 130 verankert ist. Der MR-Sensor 100 erzeugt periodische Schwingungsform-Ausgangssignale Asinθ und Acosθ pro Magnetisierungsabstand λ (Schrittwerte) des Magneten 140.
In diesem Ausführungsbeispiel kann der Linearmotor 112 ein Schwingspulen- Direktantriebsmotor sein, der einen Magneten 150, ein Magnetjoch 152 und eine Spule 154 beinhaltet. Wenn der Linearmotor 112 betätigt wird, werden das Lager 130 und der daran verankerte Magnet 140 mit der Linse 120 in der durch den Pfeil A angezeigten Richtung versetzt.
In Fig. 10 dient der magnetische NIR-Sensor 100 als ein Positionsfeststeller. Wie in Fig. 11 gezeigt, weist der MR-Sensor 100 einen Magneten 200 und einen MR-Musteraufhehmer 210 auf, der dem Magneten 200 gegenüberliegend angeordnet ist. Der Magnet 200 ist mit einem Intervall λ, das von der Größenordnung von einigen 100 µm sein kann, linear magnetisiert. Der MR-Musteraufhehmer 210 besteht aus Magneto-Widerstandselementmustem x, y, die in einem Intervall von λ/2 (regelmäßig) angeordnet sind.
Die Magneto-Widerstandselementmuster x, y sind in Serie an eine Gleichspannungsquelle ±Vcc angeschlossen und erzeugen sinusförmige repetitiv periodische Signale bei der Masse- Mitte Ao gemäß der Bewegung des Magneten 200, die durch die Versetzung des Lagers 130, das dem Objekt 12 in Fig. 1 entspricht, verursacht wird. In einer Anordnung, bei der zwei solcher Magnet-Widerstandsmuster 210 mit einer Lageabweichung von λ/4 angeordnet sind, werden Signale Asine und Acose, die eine Periode λ und eine Amplitude A haben, erzeugt. Auf diese Art und Weise kann der MR-Sensor 100 das selbe Ausgangssignal wie das der zuvor erwähnten optischen Linearskala 10, gezeigt in Fig. 1 und 2, erzeugen.
Wenn ein Schwingspulenlinearmotor in dem Positionsfeststellgerät der Fig. 10 verwendet wird, ist der selbe Nullpunktfeststellalgorithmus, der in Verbindung mit dem Gerät der Fig. 1 verwendet wird, auch benutzbar. Demgemäß ist es möglich, ein wenig kostendes, geringe Größe aufweisendes System zu realisieren, das verläßlich wiederholbar ist und das eine hohe Positionsgenauigkeit aufweist.
In einem optischen System für eine Videokamera kann, wie beschrieben, Genauigkeit in der Größenordnung von Mikrometern erforderlich sein. Solche Erfordernisse können durch Einsatz des Aufbaus der Fig. 10 in der Videokamera erfüllt werden, wobei verbesserte Eigenschaften, einschl. Verbesserungen in der absoluten Positionsgenauigkeit und verläßliche wiederholbare Positionsbestimmungen, erreicht werden, wodurch die Fokussierfünktion des optischen Systems verbessert wird.
In den in Fig. 1 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen wird das Feststellen des Nullpunkts zum Setzen der Position auf einen absoluten Wert zur Zeit des Anlaufens des Systembetriebs oder des Zurucksetzens des Systems oder, falls erforderlich, während des Betriebs ausgeführt. Wie es durch den Fachmann erkannt wird, ist das Aufzeichnungsmedium nicht begrenzt auf die Benutzung des zuvor erwähnten EEPROM.
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm eines weiteren bevorzugten Positionsfeststell systems, das aus gebildet ist, ein Nullpunktfeststellverfahren auszuführen, das die vorliegende Erfindung ausführt, wobei die Teuschaltungen und Elemente, die in der Funktion denen in Fig. 1 entsprechen, mit den selben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Ein Positionsfeststellsystem gemäß Fig. 12 kann eine optische Linearskala 70, ein zu messen des Objekt 12, einen Endpunktsensor 51, zwei Vergleicher 52 und 53, einen Phasendiskriminator 55, eine CPU 24, einen Puisgenerator 26, einen Positionszähler 56, ein EEPROM 30, eine Antriebsschaltung 32 und einen Direktantriebsmotor 33 aufweisen. In diesem Beispiel kann das Objekt 12 beispielsweise ein Tisch einer Werkzeugmaschine zum Halten eines Werkstückes darauf oder dergl. sein.
Fig. 13 ist eine Darstellung der optischen Linearskala 70 der Fig. 12. Die optische Linearskala 70 der Fig. 13 unterscheidet sich von der optischen Linearskala 10 der Fig. 2 dadurch, daß sie einen Endpunktsensor 51 und eine Lichtabschirmplatte 13 auf einer Seite beinhaltet. Die anderen Konstruktionen entsprechen denen der in Fig. 2 gezeigten optischen Linearskala 10.
Der Endpunktsensor 51 bestimmt die Zeitsteuerung zum Messen des Nullpunkts in dem System der Fig. 12. Der Endpunktsensor 51 beinhaltet ein Lichtschrankensystem mit einem Lichtemittierelement 60, einem Schlitzelement 62 und einem Lichtempfangselement 64. Der Lichtstrahl des Lichtemittierelements 60 wird über einen Schlitz 63 in dem Schlitzelement 62 zu dem Lichtempfangselement 64 übertragen. Das Lichtemittierelement 60 kann eine LED oder dergl. sein und das Lichtempfangselement 64 kann ein fotoelektrisches Umwandlungselement (Solarbatterie) oder dergl. sein.
Die Abschirmplatte 13 ist fest in einer Meßplatte 12a verankert. Wenn die Platte 12a nach rechts entgegen der in Fig. 12 dargestellten Endposition versetzt wird, bewegt sich die Abschirmplatte 13 zwischen das Lichtemittierelement 60 und den Schlitz 63, so daß dadurch der Lichtaustritt des Lichtemittierelements 60 durchquert wird, so daß das Lichtempfangselement 64 ein Kantensignal EDGE erzeugt. Der Endpunktsensor 51 erfaßt die Endpunktposition abhängig von der Erzeugung eines solchen Kantensignais oder einer Veränderung des Zustands des Signals EDGE.
Die in Fig. 13 gezeigten Lichtempfangselemente 44, 46 sind jeweils an die Minusanschlüsse der Vergleicher 52, 53, die in Fig. 12 gezeigt sind, angeschlossen. Die Plusanschlüsse der Vergleicher 52, 53 sind an Masse angeschlossen und deren Ausgangsanschlüsse sind an eine Signalverriegelungs- oder Signalspeicherschaltung 54 und an einen Phasendiskriminator 55 ange schlossen. Die Signalspeicherschaltung 54 ist an den Endpunktsensor 51 angeschlossen. Das Kantensignal EDGE des Endpunktsensors 51 dient als ein Signaispeichersignal, um die Arbeitsweise der Signalspeicherschaltung 54 zeitlich zu steuern.
Der Phasendiskriminator 55 ist über einen Pulsgenerator 26 an einen Positionszähler 56 angeschlossen, an welchen der Endpunktsensor 51 auch angeschlossen ist. Wenn das Kantensignal EDGE, das von dem Endpunktsensor 51 ausgegeben wird, auf seinen niedrigen Pegel geht wie es in Fig. 16 gezeigt ist, wird ein Löschsignal CS dem Positionszähler 56 zugeführt. Die Signalspeicherschaltung 54 und der Positionszähler 56 sind an die CPU 24 angeschlossen, an die ein EEPROM 30, das als ein externer Speicher oder ein Speichermedium dient, auch angeschlossen ist. Die CPU 24 ist an eine Antriebs- oder Ansteuerschaltung 32 angeschlossen, und ein Direktantriebsmotor 33 wird über die Antriebsschaltung 32 abhängig von einem Befehlssignal von der CPU 24 betätigt, so daß dadurch das Objekt 12 in die durch den Pfeil A angezeigten Richtungen versetzt wird. Auf diese Art und Weise steuert die CPU 24 die Richtung des Antriebs des Objektes 12 und dessen Position.
Entsprechend dem Versatz der Schlitzplatte 12a erzeugen die Lichtempfangselemente 44, 46 Ausgangssignale in Form von repetitiv periodischen Signalen Asinθ und Acosθ der Periode λ (µm) wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die absolute Position des Objektes 12 kann unter Benutzung der Signale Asinθ und Acosθ gemäß dem folgenden Verfahren festgestellt werden.
Wie es in Fig. 12 dargestellt ist, werden die Signale Asinθ und Acosθ mit einem Massepegel durch die Vergleicher 52 und 53 jeweils verglichen, wodurch zwei Digitalsignale 4) a und 4) b erzeugt werden. Insbesondere ist das Digitalsignal 4) a das Resultat des Vergleichs des Signals Asinθ mit dem Massepegel und ist das Digitalsignal 4) b das Resultat des Vergleichs des Signals Asinθ mit dem Massepegel.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Digitalsignale φ a und φ b, betrachtet man sie zusammen, in vier Phasen P0 bis P3 unterteilt, wie es in Fig. 14 und 15 gezeigt ist. Der Phasendiskriminator 55 der Fig. 12 stellt ein Ausgangssignal bestehend aus der geeigneten Phase der vier Phasen P0 bis P3 bereit.
Der Pulsgenerator 26 in Fig. 12 erzeugt Aufwärtszähl- und Abwärtszähl-Pulse, wie es in Fig. 16 gezeigt ist, gemäß den Veränderungen in den Phasen PO bis P3 als ein Eingangssignal des Phasendiskriminators 55 und auch gemäß der Plus- oder Minus-Richtung des Versatzes des Objektes. Die Aufvärtszähl- oder Abwärtszähl-Pulse werden dem Positionszähler 56 zugeführt.
Der Positionszähler 56, der in dem Beispiel in Fig. 12 gezeigt ist, ist ein Auf/Ab-Zähler, der seinen Zählwert um 1 erhöht oder erniedrigt abhängig von entweder einem Aufwärtszähl-Puls oder einem Abwärtszähl-Puls. Der Zählwert oder Zählerstand wird in die CPU 24 eingegeben, die dann die Position des Objektes gemäß der Zählung bestimmt. Wie oben beschrieben, kann der Zählwert in dem Positionszähler 56 abhängig von einem Löschsignal CS gelöscht werden, so daß, wenn das Ausgangssignal des Endpunktsensors 51 auf seinen niedrigen Pegel (vgl. Fig. 16) geht, die Daten oder der Zählwert auf 0 gelöscht wird.
Die Digitalsignale φ a und φ b werden in die Signaispeicherschaltung 54 eingegeben und darin abhängig von dem Signalspeichersignal RS gespeichert, das von dem Endpunktsensor 51 erlangt wurde, d. h. in Synchronisation mit der ansteigenden Kante (Flanke) des Signals EDGE von dem Endpunktsensor 51.
Ein bevorzugtes Positionsfeststellverfahren wird nun unter Benutzung des oben beschriebenen Systems erläutert. Die folgende Erläuterung wird mit Bezug zu den Fig. 12, 13, 15, 16 und 17 gemacht.
Wie oben detailliert erläutert, ist Fig. 12 ein Blockdiagramm des Positionsfeststellsystems zum Ausfiihren eines Verfahrens, das die vorliegende Erfindung ausführt und Fig. 16 ist ein Zeitdiagramm, das während einer Endpunktfeststellfolge beispielhafte Zustände verschiedener Signale von dem System der Fig. 12 zeigt und wie diese Signale verändert werden. Fig. 17 ist ein Flußdiagramm einer beispielhaften Schrittfolge zum Feststellen der Position eines Endpunktes. In der folgenden Erläuterung wird angenommen, daß die Position des Endpunktsensors 51 der Fig. 12 außerhalb des normalen Versatzbereiches des Objektes 12 in seiner Minus(-)-Richtung ist.
Bei den Schritten S1 und S2 der Folge in Fig. 17 versetzt der Direktantriebslinearmotor 33 das Objekt 12 in Minus-Richtung bis das Kantenausgangssignal EDGE von dem Endpunktsensor 51 auf seinen niedrigen Pegel geht. In diesem Zustand durchquert die in Fig. 13 gezeigte Abschirmplatte 13 den Lichtstrahl des Lichtemittierelementes 60 des Endpunktsensors 51.
Daraufhin versetzt in den Schritten S3 und S4 der Folge in Fig. 17 der Direktantriebslinearmotor 33 das Objekt 12 in Plus(+)-Richtung, bis das Ausgangssignal des Endpunktsensors 51 auf einen hohen Pegel geht, wobei das Licht von der Lichtemittierquelle 60 des Endpunktsensors 51 nicht mehr durch die Abschirmplatte 13 in Fig. 13 abgeschirmt wird.
Während der Schritte S1 bis S4 geht das Kantenausgangssignal EDGE von dem Endpunktsensor 51 auf seinen niedrigen Pegel, wie es in Fig. 16 gezeigt ist, woraufhin der Zählwert des Positionszähler 56 in Fig. 12 gelöscht wird. Daraufhin werden die Daten (Pegel) der Digitalsignale φ a, φ b durch die Signalspeicherschaltung 54 gespeichert abhängig von dem Signaispeichersignal RS (Fig. 12 und 16), das synchron mit der ansteigenden Kante des Signals EDGE von dem Endpunktsensor 51 auftritt. Die Veränderung im Pegel des Ausgangssignals des Endpunktsensors 51 wird dadurch als die Nullpunktreferenzposition bestimmt.
In dem beispielhaften Diagramm der Fig. 16, wo die Daten (Pegel) der Digitalsignale φ a, φb durch die Signalspeicherschaltung 54 gespeichert sind, ist der Pegel des Digitalsignals φ a hoch, wohingegen der des Digitalsignals φ b niedrig ist. Dadurch ist, wie oben in Bezug zu Fig. 15 erläutert, die gespeicherte Phase Pl.
Als nächstes wird bei Schritt S5 der Folge, die in Fig. 17 gezeigt ist, eine Entscheidung getroffen, ob das Gerät in dem augenblicklichen Betrieb in einem Ausgangseinstellzustand betrieben wird, um den Nullpunkt zu bestimmen, oder in einem tatsächlichen Nullpunktfeststellzu stand, der typischerweise darauffolgend auftreten würde. Falls das Ergebnis des Entscheidungsschrittes S5 ergibt, daß ein Ausgangs-Nullpunkt-Einstellzustand-Betrieb im Fortschreiten ist, wird das Verfahren bei Schritt S6 der Folge fortgeführt.
Falls mit Schritt S6 fortgefahren wird, werden die Daten der Digitalsignale φ a, φ b, die durch die Signalspeicherschaltung 54 in Fig. 12 gespeichert sind, geladen und dann die Werte der Daten in das EEPROM 30 der Fig. 12 (das ein externes Speichermedium ist) geschrieben, wobei der Nullpunkteinstellzustand abgeschlossen ist. Dieser Fall stellt die Ausgangsbestimmung des Nullpunktes dar, wobei die Positionsabweichung 0 ist.
Mit Bezug zu dem Obigen wird mit Schritt S7 fortgefahren, wenn irgend ein anderer Zustand als der Ausgangs-Nullpunkt-Einstellzustand im Fortschreiten ist. Im Schritt S7 vergleicht die CPU 24 der Fig. 12 die Einstelldaten, die in das EEPROM 30 geschrieben oder in diesem gespeichert sind, mit den Daten, die momentan in den Signalspeicher 54 eingegeben werden und berechnet die Positionsabweichung des Endpunktes, falls eine auftritt.
Falls die Endpunktabweichung anschließend an den Einstellzustand kleiner ist als ± λ/2 (λ ist die in den Fig. 13 und 15 gezeigte periodische Wellenlänge), vergleicht die CPU 24 die Einstellzustandsdaten, die in das EEPROM 30 geschrieben worden sind, mit den Daten, die in die Signalspeicherschaltung 54 eingegeben werden, und berechnet die Positionsabweichung zwischen den Endpunktdaten, die während des Ausgangseinstellzustands bei Schritt S6 bestimmt worden sind, und den momentanen Endpunktdaten.
Wenn die Einstellzustandsdaten, die in das EEPROM 30 geschrieben worden sind, mit den Daten, die momentan in die Signalspeicherschaltung 54 eingegeben werden, zusammenfallen, ist die Positionsabweichung 0. Dennoch, falls die Einstellzustandsdaten, die in das EEPROM 30 geschrieben worden sind, eine Abweichung von einer Phase von den Daten, die in die Signalspeicherschaltung 54 eingegeben werden, autweisen, kann die Abweichung entweder eine +1 Phase oder eine -1 Phase darstellen, abhängig von der Richtung des Versatzes. In anderen Worten, stellen die Werte der +1 Phase oder -1 Phase Positionsabweichungen dar.
Da in dem Beispiel der Fig. 16 die Phase P1 in der Signalspeicherschaltung 54 gespeichert ist, während des Ausgangseinstellzustands bei Schritt S6 der Folge in Fig. 17, werden Daten, die der Phasen Pl entsprechen, in dem EEPROM 30 gespeichert. Bei Schritt 87, die den Betrieb in einem anderen Zustand als dem Ausgangseinstellzustand darstellt, wird irgendeine Abweichung von den Daten in dem EEPROM 30 während des Schrittes S6 berechnet und die Daten in die Signalspeicherschaltung 54 eingegeben. Falls beispielsweise die Daten, die bei Schritt S7 bestimmt worden sind, der Phase P0 entsprechen, ist die Abweichung eine -1 Phase in Bezug auf die Daten, die in das EEPROM 30 bei Schritt S6 geschrieben worden sind. Die darauffolgenden Positionsdaten können dann berichtigt werden, indem zu dem Zählwert des Positionszählers 56 der Fig. 12 -1 addiert wird.
Falls der Wert, der bei Schritt 7 bestimmt worden ist, der Phase P1 entspricht, ist die Abweichung 0. Falls der Wert der im Schritt S7 bestimmt worden ist, der Phase P2 entspricht, ist die Abweichung +1. Um eine solche Abweichung zu berichtigen, wird der Wert +1 dem Zählwert des Positionszählers 56 hinzuaddiert. Zur Zeit des Anschaltens der Stromversorgung ist der Wert X des Zählwertes in dem Positionszähler 56 der Fig. 12 ein unbestimmter Wert. Deshalb wird, wie es bei Schritt S8 der in Fig. 17 gezeigten Folge gezeigt ist, das Objekt 12 auf eine zur Benutzung gewunschte Position oder auf eine vorbestimmte Position in der Plus-Richtung versetzt, wie es durch den Pfeil A in Fig. 12 angezeigt ist. Dann ist, wie es bei Schritt S9 der Folge gezeigt ist, die Position des Objektes 12 durch einen Wert dargestellt, der durch Addierung der Abweichung, die in Schritt 7 bestimmt worden ist, zu dem Wert des Positionszählers 56 erlangt. Beim Ausfiihren der Folge der Fig. 17 kann die Positionsveränderung des Endpunktes zur Zeit der Positionierung des Objektes 12 nach dem Ausgangseinstellzustand berichtigt werden, falls sie innerhalb eines minimalen Abweichbereiches von ±λ/2 liegt. Auch kann im Prinzip durch Ausführung dieser Folge der Quantisierungsfehler, der sich aus dem Vergleich- oder Digitalisierungsschritt ergibt, beseitigt werden.
Da dennoch in diesem Ausführungsbeispiel die Periode X des periodischen Signals nur in vier Segmente unterteilt wird, ist die maximal nachweisbare Abweichung in dem Bereich von zwei Phasen oder ±λ/4. In anderen Worten, während eine Berichtigung innerhalb eines Abweichbereiches von ±λ/2 theoretisch erreichbar ist, ist in der Praxis, in der das periodische Signal nur in vier Phasen unterteilt wird, die maximale berichtigbare Veränderung ±λ/4. Dennoch wird in der Praxis, wenn ein Positionsfeststellsystem unter Benutzung eines Direktantriebsmotors oder eines Linearmotors aufgebaut wird, die Periode λ des periodischen Signals in eine Zahl unterteilt, die sehr viel größer als vier ist. Dadurch kann die maximal korrigierbare Veränderung anschließend an den Einstellzustand ±λ/2 sein.
Unter Hinweis auf das obige in Verbindung mit der Erläuterung der Fig. 9 und 4 bis 6 ist in dem Fall, bei dem eine Periode in acht Phasen unterteilt wird, die Abweichung anschließend an den Schritt S7 (Einstellzustand) der Folge in Fig. 17 bis zu einer maximalen Abweichung von ±3λ/8 korrigierbar.
Mit anderen Worten kann der Korrekturbereich durch Erhöhung der Zahl der Unterteilungen der Periode der periodischen Signale, die erzeugt werden, erweitert werden und es ist theoretisch möglich ein System zu realisieren, das Positionsabweichungen bis zu einer maximalen Veränderung von ±λ/2 feststellen kann.
Fig. 18 ist eine Schnittansicht eines optischen Linsensystems für eine Videokamera, für die ein Nullpunktfeststellverfahren, das die Erfindung ausführt, angewandt werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Endpunktsensor 115 anstatt des mechanischen Anhalters 114 vorgesehen, der in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 benutzt wurde. Der weitere Aufbau ist der selbe wie der in dem Ausführungsbeispiel; das in Fig. 10 gezeigt ist.
Allgemein ist hohe Auflösung, hohe Genauigkeit und verläßliche Positionsfeststellung in jedem Positionsfeststellgerät erforderlich, das einen Direktantriebsmotor benutzt, wie auch in Videokameras oder dergl.. Derartige Erfordernisse können durch Anwendung des Ausführungsbeispiels der Fig. 12, 17 und 18 für ein Präzisionsgerät erfüllt werden, bei dem die Nullpunktpositionsfeststellung verbessert ist und dadurch die Eigenschaften des Systems verbessert worden sind.
Auch in den Ausführungsbeispielen der Fig. 12, 17 und 18 wird die Feststellung des Nullpunktes zum Setzen der Position eines Objektes auf einen richtigen absoluten Wert zur Zeit des Anlaufens oder Zutücksetzen des Systems ausgeführt oder, falls erforderlich, wieder nach einem solchen Betrieb.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung wurde für den Zweck der Erläuterung und Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, daß sich die Erfindung in dieser genau offenbarten Form erschöpft oder begrenzt und offensichtlich sind viele Modifikationen und Veränderungen im Lichte der oben angegebenen Lehre möglich. Beispielsweise ist das Aufzeichnungsspeichermedium nicht auf die Benutzung eines EEPROMs begrenzt.

Claims

1. Verfahren zum Feststellen eines Nullpunktes eines Positionsgebers (10; 100) in einem System zur Bestimmung der Position eines Objekts (12; 130), welches innerhalb eines Versetzbereiches versetzbar ist, wobei das System Haltemittel (14; 114) in der Nähe eines Endes des Versetzbereiches beinhaltet, und wobei der Positionsgeber ein Ausgangssignal erzeugen kann, das die Position des Objektes anzeigt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Versetzen (S8-1 bis S9-3) des Objektes (12; 130) in einen an das Haltemittel (14; 114) angrenzenden Bereich, wobei das Objekt mit einer konstanten Kraft in diesem angrenzenden Bereich gehalten wird; und

Erfassen (S8-4 bis S8-8) des Nullpunktes des Positionsgebers (10; 100) basierend auf der Position des Objekts (12; 130), wenn es an das Haltemittel (14; 114) angrenzt; und

Setzen (S8-9) des Nullpunktes des Positionsgebers (10; 100);

dadurch gekennzeichnet, daß der Erfassungsschritt während das Objekt (12; 130) in dem zu dem Haltemittel angrenzenden Bereich gehalten wird, die Schritte des Erlangens (S8-7) einer Abweichung des nachgewiesenen Nullpunkts von dem zuvor nachgewiesenen Nullpunkt und des Erfassens (S8-8) des nachgewiesenen Nullpunkts, wenn die Abweichung Null oder geringer als ein vorbestimmter Wert wird, beinhaltet; und

der Nullpunkt des Positionsgebers auf den ermittelten Nullpunkt gesetzt wird (S8-9).

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Positionsgeber(10; 100) die Position des Objekts (12; 130) mittels mehrerer repetitiv periodischer Signale feststellt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die repetitiv periodischen Signale aus Sinus- und Cosinuswellen bestehen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem:

die repetitiv periodischen Signale in mehrere Phasen zerlegbar sind; und der Erfassungsschritt das Speichern (S9-7) einer ersten Phase der repetitiv periodischen Signale als Referenzdaten in einem Speichermedium (30), wobei die erste Phase dem Positionsgeber (10; 100), der bei dem festgestellten Nullpunkt positioniert ist, entspricht, das Bestimmen einer zweiten Phase des repetitiv periodischen Signals, welches der nachfolgenden Feststellung des Nullpunkts des Positionsgebers (10; 100) entspricht,

das Vergleichen der gespeicherten Referenzdaten mit der zweiten Phase des repetitiv periodischen Signals, und

das Berichtigen (S9-9) der Nullpunktsdaten, die durch das nachfolgende Erfassen entsprechend dem Vergleich bestimmt worden sind, aufweist.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansptüche, bei dem der Positionsgeber (10; 100) ein linearer Positionsgeber ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Objekt (12) durch einen Antriebsmechanismus versetzt wird, der einen Direktantriebsmotor (33) aufweist, und bei dem der lineare Positionsgeber (10) in Verbindung mit diesem Antriebsmechanismus benutzt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Objekt (130) durch ein Antriebsmittel (112) für ein Optik-Element einer Videokamera versetzt wird, und der lineare Positionsgeber (100) in Verbindung mit dem Antriebsmittel (112) verwendet wird.

8. Gerät mit: einem Positionsgeber (10; 100); einem Objekt (12; 130), welches innerhalb eines Versetzbereiches versetzbar ist; Haltemitteln (14; 114) in der Nähe eines Endes des Versetzbereiches, wobei der Positionsgeber derart angeordnet ist, daß er ein Ausgangssignal erzeugt, das die Position des Objektes anzeigt; Mitteln (33; 112) zum Versetzen des Objekts in einen an die Haltemittel angrenzenden Bereich und Positionssteuermitteln (20-32), die derart angeordnet sind, daß das Verfahren, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird. Gerät gemäß Anspruch 8, ferner mit einem Positionsgeber zum Anzeigen einer Störung des Angrenzens des Objektes an das Haltemittel, wobei das Steuermittel abhängig von dieser Anzeige das Verfahren zum Feststellen des Nullpunktes des Positionsgebers wiederholt.