位置檢測設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種位置檢測設(shè)備。位置檢測器檢測可動構(gòu)件相對于固定構(gòu)件的位置，其包括：信號檢測器，用于檢測周期信號，所述周期信號分別表示與所述可動構(gòu)件相對于所述固定構(gòu)件的位置有關(guān)的預(yù)定值，并且所述周期信號根據(jù)該位置的變化按不同周期改變；信號處理器，用于基于所述信號檢測器所檢測到的周期信號來生成位移信號，并且在按預(yù)定周期切換所生成的位移信號的情況下順次輸出所述位移信號；位置計(jì)算器，用于基于所述位移信號來計(jì)算所述可動構(gòu)件相對于所述固定構(gòu)件的位置；以及可靠性判斷單元，用于在所述預(yù)定周期內(nèi)所述可動構(gòu)件的位移量大于預(yù)定閾值的情況下，判斷為所述位置計(jì)算器所計(jì)算出的位置的可靠性低。
【專利說明】位置檢測設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及檢測可動構(gòu)件相對于固定構(gòu)件的位置的位置檢測設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)上，作為用于測量物體的移動距離的設(shè)備，已知有可以測量絕對位置的絕對 式編碼器以及測量相對移動距離的增量式編碼器。
[0003] 日本特開平08-304113公開了游標(biāo)（Vernier)型絕對式編碼器。該編碼器被配置 為具有由間距不同的格子圖案構(gòu)成的主軌道和至少一個(gè)子軌道。該編碼器基于由各軌道之 間的間距差而產(chǎn)生的檢測信號之間的略微偏移來進(jìn)行一次循環(huán)間隔的絕對化。
[0004] 另外，日本特開平05-45151公開了游標(biāo)型絕對式編碼器中與絕對化的定時(shí)有關(guān) 的發(fā)明。該編碼器被配置為具有按細(xì)間距和粗間距形成的軌道。在根據(jù)這些軌道進(jìn)行絕對 化的情況下，該編碼器在速度下降為在細(xì)間距的增量測量中沒有發(fā)生誤檢測的速度的定時(shí) 進(jìn)行絕對化。
[0005] 然而，日本特開平08-304113所公開的絕對式編碼器存在以下問題。通常，在根據(jù) 由多個(gè)軌道而產(chǎn)生的信號計(jì)算絕對位置的情況下，需要確保由絕對式編碼器的各軌道而產(chǎn) 生的信號之間的同步。這是因?yàn)槿缦碌那疤幔河啥鄠€(gè)軌道而產(chǎn)生的信號是在測量對象物體 的位置保持相同或保持在給定容許范圍內(nèi)的情況下所獲得的信號。假定編碼器以時(shí)分方式 檢測由多個(gè)軌道而產(chǎn)生的信號。在這種情況下，如果測量對象物體處于移動狀態(tài)，則由多個(gè) 軌道而產(chǎn)生的各信號變?yōu)闇y量對象物體的不同位置處的信號。這違背了上述前提，從而導(dǎo) 致編碼器無法計(jì)算正確的絕對位置的問題。另外，還可利用通過使用采樣/保持電路等來 確保多個(gè)軌道信號之間的同步的方法。然而，這樣產(chǎn)生了由于添加電路而導(dǎo)致成本增加以 及花費(fèi)更多時(shí)間來保持信號的問題。
[0006] 另外，日本特開平05-45151所公開的絕對式編碼器存在以下問題。日本特開平 05-45151中的誤檢測不是基于編碼器以時(shí)分方式檢測由多個(gè)軌道而產(chǎn)生的信號的前提，因 而僅在間距細(xì)的增量測量中發(fā)生誤檢測。然而，為了計(jì)算正確的絕對位置，由多個(gè)軌道而產(chǎn) 生的各信號是給定容許范圍內(nèi)測量對象物體的位置處的信號很重要。因此，即使在細(xì)間距 的增量測量中不存在誤檢測，也不能認(rèn)為編碼器確保了由多個(gè)軌道而產(chǎn)生的信號之間的同 步，因此無法計(jì)算出正確的絕對位置。也就是說，如果編碼器基于細(xì)間距的增量測量的誤檢 測來判斷絕對位置的計(jì)算，則編碼器計(jì)算出錯(cuò)誤的絕對位置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種位置檢測設(shè)備，用于檢測可動構(gòu)件相對于固定構(gòu)件的位置，所述 位置檢測設(shè)備包括：信號檢測器，用于檢測多個(gè)周期信號，其中，所述多個(gè)周期信號分別表 示與所述可動構(gòu)件相對于所述固定構(gòu)件的位置有關(guān)的預(yù)定值，并且所述多個(gè)周期信號根據(jù) 該位置的變化按不同周期改變；信號處理單元，用于基于所述信號檢測器所檢測的多個(gè)周 期信號來生成多個(gè)位移信號，并且在按預(yù)定周期切換所生成的多個(gè)位移信號的情況下順次 輸出所述多個(gè)位移信號；位置計(jì)算單元，用于基于所述多個(gè)位移信號來計(jì)算所述可動構(gòu)件 相對于所述固定構(gòu)件的位置；以及可靠性判斷單元，用于在所述預(yù)定周期內(nèi)所述可動構(gòu)件 的位移量大于預(yù)定閾值的情況下，判斷為所述位置計(jì)算單元所計(jì)算出的位置的可靠性低。
[0008] 本發(fā)明可以提供能夠在實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的小型化的同時(shí)、防止錯(cuò)誤的絕對位置計(jì)算 的高度可靠的位置檢測設(shè)備。
[0009] 通過以下參考附圖對典型實(shí)施例的說明，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是示出第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0011] 圖2是ABS編碼器的截面圖。
[0012] 圖3是標(biāo)尺部的平面圖。
[0013] 圖4是光接收單元的平面圖。
[0014] 圖5是絕對位置計(jì)算的流程圖。
[0015] 圖6A是示出第一相對位置信號和第二相對位置信號以及游標(biāo)信號的圖。
[0016] 圖6B是示出第一相對位置信號和第二相對位置信號以及游標(biāo)信號的圖。
[0017] 圖6C是示出第一相對位置信號和第二相對位置信號以及游標(biāo)信號的圖。
[0018] 圖6D是示出第一相對位置信號和第二相對位置信號以及游標(biāo)信號的圖。
[0019] 圖7A是示出同步計(jì)算中的波形的變化的圖。
[0020] 圖7B是示出同步計(jì)算中的波形的變化的圖。
[0021] 圖7C是示出同步計(jì)算中的波形的變化的圖。
[0022] 圖7D是示出同步計(jì)算中的波形的變化的圖。
[0023] 圖8是用于說明同步計(jì)算中的誤差成分的圖。
[0024] 圖9是示出信號獲取時(shí)的第一相對位置信號和游標(biāo)信號之間的關(guān)系的圖。
[0025] 圖10是示出第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0026] 圖11是示出信號獲取時(shí)的第一相對位置信號和第二相對位置信號以及游標(biāo)信號 之間的關(guān)系的圖。
[0027] 圖12是示出第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 現(xiàn)在將根據(jù)附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0029] 第一實(shí)施例
[0030] 以下將參考圖1來說明本發(fā)明的位置檢測設(shè)備的第一實(shí)施例。
[0031] 圖1是示出第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的框圖。參考圖1，ABS計(jì)算單元（位置計(jì)算單 元）102是如下計(jì)算單元，其中該計(jì)算單元基于從ABC傳感器輸出的信號來計(jì)算作為可動構(gòu) 件相對于固定構(gòu)件的位置的絕對位置Pabs。標(biāo)尺切換單元（切換單元）103在從ABC傳感 器104輸出的由兩種類型的軌道圖案而產(chǎn)生的兩種類型的信號輸出之間進(jìn)行切換。ABS傳 感器（信號檢測器）104是如下絕對位置傳感器，其中該絕對位置傳感器輸出用于計(jì)算可動 構(gòu)件相對于固定構(gòu)件的絕對位置的信號。后面將說明ABS傳感器104的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其輸出 信號。AD轉(zhuǎn)換器105將從ABS傳感器104輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。ABS可靠性判 斷單元（可靠性判斷單元）106是如下可靠性判斷單元，其中該可靠性判斷單元判斷ABS計(jì) 算單元所計(jì)算出的絕對位置的可靠性?？煽啃曰鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)保持單元107是諸如EEPROM等的 非易失性存儲器，其中該非易失性存儲器存儲并保留用于判斷絕對位置的可靠性的數(shù)據(jù)。 ABS確定單元101是如下絕對位置確定單元，其中該絕對位置確定單元基于ABS可靠性判斷 單元所獲得的判斷結(jié)果來確定ABS計(jì)算單元102所計(jì)算出的絕對位置Pabs。ABS確定單元 101、ABS計(jì)算單元102和ABS可靠性判斷單元106配置在例如單個(gè)CPU內(nèi)。
[0032] 接著將說明本實(shí)施例的操作。
[0033] ABS確定單元101請求ABS計(jì)算單元102計(jì)算絕對位置Pabs。在從ABS確定單元 101接收到絕對位置計(jì)算請求時(shí)，ABS計(jì)算單元102向標(biāo)尺切換單元103輸出用以從ABS傳 感器104順次輸出由兩種類型的軌道圖案而產(chǎn)生的信號的命令。標(biāo)尺切換單元103向ABS 傳感器104發(fā)出用以順次輸出由兩種類型的軌道圖案而產(chǎn)生的信號的指示。ABS傳感器104 根據(jù)來自標(biāo)尺切換單元103的指示來順次輸出由兩種類型的軌道圖案而產(chǎn)生的信號。ADR 換器105將從該ABC傳感器輸出的由兩種類型的軌道圖案而產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 并且將這些數(shù)字信號輸出至ABS計(jì)算單元102。該ABS計(jì)算單元基于由兩種類型的軌道圖 案而產(chǎn)生的信號來計(jì)算絕對位置Pabs，并且將該絕對位置Pabs輸出至ABS確定單元101。 后面將說明絕對位置計(jì)算方法。另一方面，ABS計(jì)算單元102將絕對位置計(jì)算信息輸出至 ABS可靠性判斷單元106。ABS可靠性判斷單元106基于該絕對位置計(jì)算信息和可靠性基 準(zhǔn)數(shù)據(jù)保持單元107所保持的可靠性判斷基準(zhǔn)數(shù)據(jù)來判斷ABS計(jì)算單元102所計(jì)算出的絕 對位置Pabs的可靠性，并且將該判斷結(jié)果輸出至ABS確定單元101。后面將說明絕對位置 計(jì)算信息和絕對位置可靠性判斷。ABS確定單元101基于從ABS可靠性判斷單元106輸出 的與絕對位置Pabs的可靠性有關(guān)的判斷結(jié)果來判斷是否確定ABS計(jì)算單元102所計(jì)算出 的絕對位置Pabs。在確定絕對位置Pabs的情況下，ABS可靠性判斷單兀106確定ABS計(jì)算 單元102所計(jì)算出的絕對位置。在沒有確定絕對位置Pabs的情況下，ABS可靠性判斷單元 106請求ABS計(jì)算單元102重新計(jì)算絕對位置Pabs。ABS計(jì)算單元102根據(jù)來自ABS確定 單元101的請求來重新計(jì)算絕對位置Pabs。該設(shè)備執(zhí)行以上處理，直到確定了絕對位置為 止。
[0034] 接著將說明ABS傳感器104的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其輸出信號。
[0035] 圖2是ABS傳感器（信號檢測器）104的截面圖。參考圖2,可動構(gòu)件21是可以在 作為相對于紙面的垂直方向的X軸方向上移動的可動部。固定構(gòu)件22是用作可動構(gòu)件21 的絕對位置的基準(zhǔn)的構(gòu)件。光源201是例如LED的發(fā)光單元。標(biāo)尺部202包括兩個(gè)軌道圖 案203a和203b，其中這兩個(gè)軌道圖案203a和203b各自按狹縫數(shù)彼此不同的等間隔形成 在標(biāo)尺部202的整個(gè)長度上。光接收單元204a和204b分別接收從光源201發(fā)射的并且被 軌道圖案203a和203b反射的光束。各光接收單元例如由光電二極管陣列構(gòu)成。信號處理 電路（信號處理單元）205處理光接收單元204a和204b所接收到的信號并且根據(jù)來自標(biāo) 尺切換單元103的切換信號來輸出由軌道圖案203a和203b的其中一個(gè)而產(chǎn)生的信號。注 意，本實(shí)施例例示了可動構(gòu)件21包括標(biāo)尺部202、并且固定構(gòu)件22包括光源201以及光接 收單元204a和204b的結(jié)構(gòu)。然而，本實(shí)施例不限于此，并且可以具有固定構(gòu)件和可動構(gòu)件 的其中一個(gè)配備有標(biāo)尺部202、并且另一構(gòu)件配備有光源201以及光接收單元204a和204b 的結(jié)構(gòu)。這同樣適用于后面要說明的實(shí)施例。
[0036] 圖3是本實(shí)施例中的標(biāo)尺部202的平面圖。圖3示出反射型狹縫圖案（反射型圖 案陣列）作為示例。標(biāo)尺部202被配置為具有第一軌道圖案203a和第二軌道圖案203b這 兩個(gè)軌道圖案。在來自光源201的光入射到軌道圖案203a和203b的反射部（黑色部）的 情況下，該光被反射至光接收單元204a和204b。第一軌道圖案203a的反射部是按P1的等 間隔形成的。第二軌道圖案203b的反射部是按P2的等間隔形成的。在本實(shí)施例中，P1被 設(shè)置為在標(biāo)尺全長Lmax(最大位移）內(nèi)配置40個(gè)反射部、即在全長L內(nèi)（在最大位移內(nèi)） 配置40個(gè)周期。另外，P2被設(shè)置為在標(biāo)尺全長Lmax內(nèi)配置39個(gè)反射部、即在全長L內(nèi)配 置39個(gè)周期。
[0037] 圖4是光接收單元204a的平面圖。在這種情況下，光接收單元204b和光接收單 元204a這兩者具有相同的結(jié)構(gòu)。光接收單元204a具有在水平方向上按等間隔配置的16 個(gè)光電二極管401?416。光電二極管401、405、409和413彼此電連接。將該組稱為a相。 另外，將光電二極管402、406、410和414的組稱為b相。同樣，將光電二極管403、407、411 和415的組以及光電二極管404、408、412和416的組分別稱為c相和d相。將基于以下 的前提來說明本實(shí)施例：光接收單元204a中的四個(gè)光電二極管的間隔（例如，光電二極管 401?404的間隔）是第一軌道圖案203a的反射部的間隔P1的兩倍。在這種情況下，由于 從光源201到第一軌道圖案203a的反射部的距離是從光源201到光接收單元204a的距離 的兩倍，因此光接收單元204a所接收到的反射光的寬度是反射部的寬度的兩倍。因而，光 接收單元204a中的四個(gè)光電二極管的間隔與第一軌道圖案203a的一個(gè)周期相對應(yīng)。
[0038] 在光接收單元204a接收到從光源201發(fā)射的并且被第一軌道圖案203a反射的光 的情況下，a相、b相、c相和d相的各光電二極管組輸出與所接收到的光量相對應(yīng)的光電 流。在這種情況下，隨著標(biāo)尺部202在X軸方向上移動，標(biāo)尺部202的a相、b相、c相和d 相的各光電二極管組進(jìn)行工作，以使得b相、c相和d相以a相為基準(zhǔn)分別輸出根據(jù)90°、 180°和270°的相位關(guān)系而改變的電流（周期信號）。信號處理電路205通過使用電流/ 電壓轉(zhuǎn)換器來將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓。然后，信號處理電路205通過使用差分放大器來獲 得a相和c相之間的差分成分以及b相和d相之間的差分成分。隨后，信號處理電路205 根據(jù)a相和c相之間的差分成分以及b相和d相之間的差分成分，來生成均是由第一軌道 圖案203a而產(chǎn)生的并且彼此偏移90度的相位的、作為A相位移信號的第一 A相位移信號 SlrA和作為B相位移信號的第一 B相位移信號SlrB。光接收單兀204b還利用相同方法生 成均是由第二軌道圖案203b而產(chǎn)生的、作為A相位移信號的第二A相位移信號S2rA和作 為B相位移信號的第二B相位移信號S2rB。
[0039] 在這種情況下，信號處理電路205根據(jù)來自標(biāo)尺切換單元103的切換信號來輸出 第一 A相位移信號SlrA和第一 B相位移信號SlrB或者第二A相位移信號S2rA和第二B 相位移信號S2rB。利用上述操作，ABS傳感器104根據(jù)來自標(biāo)尺切換單元103的切換信號 來將第一 A相位移信號SlrA和第一 B相位移信號SlrB或者第二A相位移信號S2rA和第 二B相位移信號S2rB輸出至AD轉(zhuǎn)換器105。
[0040] 接著將說明絕對位置計(jì)算方法。
[0041] ABS計(jì)算單元102計(jì)算絕對位置。在示出絕對位置計(jì)算的圖5的流程圖的步驟 S501中，該ABS計(jì)算單元開始處理。然后該處理進(jìn)入步驟S502。
[0042] 在步驟S502中，ABS計(jì)算單元校正第一 A相位移信號SlrA和第一 B相位移信號 SlrB。在這種情況下，第一 A相位移信號SlrA和第一 B相位移信號SlrB有時(shí)在信號偏移和 信號振幅方面彼此不同。通過無改變地使用這些信號來進(jìn)行絕對位置計(jì)算，這將導(dǎo)致在所 計(jì)算出的絕對位置Pabs中產(chǎn)生誤差。因此需要校正這些信號。在本實(shí)施例中，如上所述， 光接收單元204a中的四個(gè)光電二極管的間隔（例如，光電二極管401?404的間隔）是第 一軌道圖案203a的反射部的間隔P1的兩倍。因此，如下表不第一 A相位移信號SlrA和第 一 B相位移信號SlrB。
[0043] SlrA:alXC0S Θ +sl. . . (1)
[0044] SlrB:a2XSIN Θ +s2. . . (2)
[0045] 其中，al和si分別是第一 A相位移信號SlrA的振幅和偏移，a2和s2分別是第一 B相位移信號SlrB的振幅和偏移，并且Θ是信號的相位。給出第一 A相位移信號SlrA的 最大值、最小值、信號振幅和平均值分別為sl+al、sl-al、al和si。同樣，給出B相位移信 號SlrB的最大值、最小值、信號振幅和平均值分別為s2+a2、s2-a2、a2和s2。在通過使用 這些值來校正通過表達(dá)式（1)和（2)所表不的第一 A相位移信號SlrA和第一 B相位移信 號SlrB的情況下，通過以下來分別表不校正之后的第一 A相位移信號SlcA和第一 B相位 移信號SlcB。
[0046] SlcA: {(alXCOS Θ +sl)-sl} X a2=al X a2 X COS Θ . . . (3)
[0047] SlcB: {(a2 X SIN Θ +S2) -s2} X al=al X a2 X SIN Θ · · . (4)
[0048] 結(jié)果，去除了第一 A相位移信號SlrA和第一 B相位移信號SlrB的偏移，以獲得信 號振幅相同的第一 A相位移信號SlcA和第一 B相位移信號SlcB。
[0049] 在步驟S502中ABS計(jì)算單元以上述方式校正了第一 A相位移信號SlrA和第一 B 相位移信號SlrB的情況下，該處理進(jìn)入步驟S503。
[0050] 在步驟S503中，ABS計(jì)算單元通過使用校正之后的第一 A相位移信號SlcA和第一 B相位移信號SlcB來進(jìn)行反正切計(jì)算，以計(jì)算圖6A所示的信號Atanl。在這種情況下，第一 軌道圖案203a是相對于標(biāo)尺全長Lmax具有40個(gè)周期的圖案。因此信號Atanl相對于標(biāo) 尺總長具有80個(gè)周期。然后ABS計(jì)算單元根據(jù)Atanl計(jì)算具有振幅Vmax并且相對于標(biāo)尺 總長具有40個(gè)周期的第一相對位置信號Incl。更具體地，ABS計(jì)算單元通過向信號Atanl 施加增益以使其具有振幅Vmax/2并且在相位為180°?360°時(shí)將Vmax/2與該信號相加 來計(jì)算第一相對位置信號Incl，其中在第一 B相位移信號SlrB的相位為0°的情況下信號 水平為〇。結(jié)果，如圖6B所示，第一相對位置信號Incl變?yōu)橄鄬τ跇?biāo)尺全長Lmax具有40 個(gè)周期的鋸齒波。
[0051] 圖6A、6B、6C和6D各自的橫軸表不相對于標(biāo)尺全長Lmax的位置，并且其縱軸表不 相應(yīng)的信號水平。
[0052] 在步驟S503中計(jì)算出第一相對位置信號Incl之后，該處理進(jìn)入步驟S504。
[0053] 在步驟S504中，ABS計(jì)算單元校正第二A相位移信號S2rA和第二B相位移信號 S2rB〇
[0054] 由于光接收單元204b和光接收單元204a具有彼此相同的結(jié)構(gòu)，因此光接收單元 204b中的四個(gè)光電二極管的間隔（例如，光電二極管401?404的間隔）是第一軌道圖案 203a的反射部的間隔P1的兩倍。在這種情況下，第一軌道圖案203a的反射部的間隔P1不 同于第二軌道圖案203b的反射部的間隔P2。因此，光接收單元204b中的四個(gè)光電二極管 的間隔（例如，光電二極管401?404的間隔）不是第二軌道圖案203b的反射部的間隔P2 的兩倍。由于該原因，第二A相位移信號S2rA和第二B相位移信號S2rB彼此偏移90°的 相位。
[0055] 因此，通過以下來分別表不第二A相位移信號S2rA和第二B相位移信號S2rB。
[0056] S2rA:blXC0S Θ +tl. . . (5)
[0057] S2rB: b2 X SIN ( θ + α ) +t2. · · (6)
[0058] 其中，bl和tl分別是第二A相位移信號S2rA的振幅和偏移，b2和t2分別是第 二B相位移 /[目號S2rB的振幅和偏移，Θ是彳目號的相位，并且α是相位偏移量。在ABS計(jì) 算單元以與步驟S502的處理相同的方式校正第二Α相位移信號S2rA和第二Β相位移信號 S2rB的情況下，通過以下來表示校正之后的第二A相位移信號S2cA'和第二B相位移信號 S2cB，。
[0059] S2cA/ : {(blXCOS Θ +tl)-tl} Xb2=bl Xb2XC0S θ . . . (7)
[0060] S2cB，： {(b2XSIN( θ+α )+t2)_t2} Xbl=blXb2XSIN( θ+α )· · · (8)
[0061] 結(jié)果，去除了第二A相位移信號S2rA的偏移tl和第二B相位移信號S2rB的偏移 t2,以獲得信號振幅相同的第二A相位移信號S2cA'和第二B相位移信號S2cB'。
[0062] 接著，將通過使用表達(dá)式（7)和（8)來說明使第二A相位移信號S2cA'和第二B 相位移信號S2cB'具有90°的相位差的處理。
[0063] 通過以下來分別表示表達(dá)式（7)和（8)的差以及和。
[0064] blXb2X (SIN( θ+a )-C0S Θ )
[0065] =blXb2X2XSIN{(a-90)/2} XC0S{ θ+(α+90)/2}. ·· (9)
[0066] blXb2X (SIN( Θ+a )+C0S θ )
[0067] =blXb2X2XC0S{(a-90)/2} XSIN{ Θ+(a+90)/2}. · · (10)
[0068] 根據(jù)表達(dá)式（9)和（10)，相位差為90°。
[0069] 在這種情況下，由于表達(dá)式（9)和（10)的振幅不同，因此ABS計(jì)算單元對這些振 幅進(jìn)行校正以計(jì)算信號振幅相同的第二A相位移信號S2cA和第二B相位移信號S2cB?？?以通過將表達(dá)式（9)乘以作為表達(dá)式（10)的振幅的一部分的C0S{( a-90)/2}并且將表達(dá) 式（10)乘以作為表達(dá)式（9)的振幅的一部分的SINK a-90)/2}來獲得以下的表達(dá)式（11) 和（12)。
[0070] 第二A相位移信號S2cA :
[0071] blXb2X2XSIN{(a -90)/2} X COS {( a -90)/2} XC0S{ Θ +(a +90)/2}. . . (11)
[0072] 第二B相位移信號S2cB :
[0073] blXb2X2XSIN{(a -90)/2} XC0S{(a -90)/2} XSIN{ Θ +(a +90)/2}. ·· (12)
[0074] 結(jié)果，去除了第二A相位移信號S2rA和第二B相位移信號S2rB的偏移，以獲得fg 號振幅相同的第二A相位移信號S2cA和第二B相位移信號S2cB。
[0075] 在步驟S504中ABS計(jì)算單元以上述方式校正了第二A相位移信號S2rA和第二B 相位移信號S2rB的情況下，該處理進(jìn)入步驟S505。
[0076] 在步驟S505中，ABS計(jì)算單元通過使用校正之后的第二A相位移信號S2cA和第二 B相位移信號S2cB進(jìn)行與步驟S503相同的計(jì)算來計(jì)算第二相對位置信號Inc2。在這種情 況下，第二軌道圖案203b是相對于標(biāo)尺全長Lmax具有39個(gè)周期的圖案。因此，如圖6C所 示，第二相對位置信號Inc2變?yōu)橄鄬τ跇?biāo)尺全長Lmax具有39個(gè)周期的鋸齒波。圖6A、6B、 6C和6D各自的橫軸表不相對于標(biāo)尺全長Lmax的位置，并且其縱軸表不相應(yīng)的信號水平。
[0077] 在步驟S505中計(jì)算出第二相對位置信號Inc2之后，該處理進(jìn)入步驟S506。
[0078] 在步驟S506中，ABS計(jì)算單元通過計(jì)算第一相對位置信號Incl和第二相對位置 信號Inc2之間的差、并且在該差為負(fù)值的情況下加上Vmax，來獲得圖6D所示的游標(biāo)信號 Pvl。在這種情況下，由于第一相對位置信號Incl和第二相對位置信號Inc2的相對于標(biāo)尺 全長Lmax的周期差為1，因此游標(biāo)信號Pvl是相對于標(biāo)尺全長Lmax具有1個(gè)周期的鋸齒 波。
[0079] 在步驟S506中計(jì)算出游標(biāo)信號Pvl之后，該處理進(jìn)入步驟S507。
[0080] 在步驟S507中，ABS計(jì)算單元計(jì)算絕對位置Pabs。
[0081] 在這種情況下，SlrA、SlrB、S2rA和S2rB包含由于干擾等所引起的噪聲成分，因 而根據(jù)SlrA、SlrB、S2rA和S2rB所計(jì)算出的第一相對位置信號Incl和第二相對位置信號 Inc2也包含噪聲成分。另外，第一相對位置信號Incl和第二相對位置信號Inc2由于與 SlrA、SlrB、S2rA和S2rB有關(guān)的信號獲取延遲以及信號獲取延遲時(shí)間期間可動構(gòu)件21的 移動而發(fā)生相位偏移。為了校正由于這些噪聲成分和相位偏移量所引起的誤差成分E，ABS 計(jì)算單元進(jìn)行游標(biāo)信號Pvl和第一相對位置信號Incl的同步計(jì)算。ABS計(jì)算單元進(jìn)行上 述同步計(jì)算，以計(jì)算出通過對作為高階信號的游標(biāo)信號Pvl和作為低階信號的第一相對位 置信號Incl進(jìn)行合成所得的信號作為表示絕對位置的信號水平Vabs。ABS計(jì)算單元根據(jù) Vabs計(jì)算Pabs。后面將說明根據(jù)Vabs計(jì)算Pabs的方法。
[0082] 圖7A、7B、7C和7D示出波形因同步計(jì)算而如何改變。
[0083] 圖7A、7B、7C和7D各自的橫軸表示相對于標(biāo)尺全長Lmax的位置，并且其縱軸表示 相應(yīng)的信號水平。另外，設(shè)Vmax是信號水平的最大值并且N1是與從標(biāo)尺的開始點(diǎn)開始計(jì) 數(shù)的特定周期相對應(yīng)的區(qū)域，則將標(biāo)尺全長Lmax內(nèi)的周期數(shù)（最大數(shù)N1)定義為Nlmax。 在本實(shí)施例中，由于第一軌道圖案203a相對于標(biāo)尺的標(biāo)尺全長Lmax具有40個(gè)周期，因此 Nlmax是40,并且N1是1?40的范圍內(nèi)的自然數(shù)。
[0084] 圖7A示出Incl、Pvl、Incl/Nlmax的波形。從Pvl的波形中減去傾斜度與Pvl的 傾斜度相同的Incl/Nlmax，這將生成圖7B所示的具有誤差成分E的階梯波形。通過等式 (13)來表示圖7B所示的波形的信號水平Vb'。在這種情況下，利用Vmax/Nlmax來表示階 梯波形的一級的信號水平。
[0085] Vb' =Pvl-(Incl/Nlmax). . . (13)
[0086] 通過四舍五入去除圖7B所示的波形的誤差成分E，這將獲得圖7C所示的波形。通 過以下來表示圖7C所示的波形的信號水平Vb。
[0087] Vb=Round[{Pvl-(Incl/Nlmax)}X (Nlmax/Vmax)]X (Vmax/Nlmax)... (14)
[0088] 其中，Round□是用于四舍五入至小數(shù)點(diǎn)后第一位的函數(shù)。
[0089] 另外，可以通過以下來表示誤差成分E。
[0090] E={Pvl-(Incl/Nlmax)}-Vb... (15)
[0091] 如圖7D所示的，將Incl/Nlmax的波形與圖7C所示的波形相加，這將生成表示誤 差成分E被去除的絕對位置的信號水平Vabs。ABS計(jì)算單元根據(jù)等式（16)來執(zhí)行該同步 計(jì)算。
[0092] Vabs=Vb+(Incl/Nlmax). . . (16)
[0093] 通過以下，根據(jù)絕對位置的信號水平Vabs來表示絕對位置Pabs。
[0094] Pabs=VabsX (Lmax/Vmax). . . (17)
[0095] 在步驟S507中計(jì)算出絕對位置Pabs之后，該處理進(jìn)入步驟S508以終止該處理。
[0096] 利用上述操作，可以計(jì)算出絕對位置Pabs。
[0097] 接著將說明絕對位置計(jì)算信息和絕對位置的可靠性判斷。
[0098] 圖8是圖7C的波形的放大圖。在這種情況下，Emax表示通過等式（14)可以去除 的誤差成分E的最大值。由于通過根據(jù)等式（14)四舍五入來去除誤差成分E，因此Emax是 Vmax/Nlmax的一半，并且通過以下來表示。
[0099] Emax=Vmax/(NlmaxX 2) · · · (18)
[0100] Vbrl表示通過使用等式（13)在絕對位置Pabsl處計(jì)算出的信號水平。另外，Vbl 和Vbl'表示通過使用等式（14)在絕對位置Pabsl處計(jì)算出的信號水平。在這種情況下， Vbl表示通過根據(jù)等式（14)適當(dāng)?shù)厝コ`差成分E所獲得的信號水平，并且Vbl'表示在誤 差成分E超過Emax并且無法去除適當(dāng)?shù)恼`差成分E的情況下的信號水平。
[0101] 在通過等式（14)計(jì)算出Vbl的情況下，通過等式（16)計(jì)算出絕對位置作為絕對 位置Pabsl。在根據(jù)等式（14)計(jì)算出Vbl'的情況下，根據(jù)等式（16)計(jì)算出絕對位置作為 相對于位置Pabsl偏移了 Lmax/Nlmax的位置Pabsl'。
[0102] 利用上述操作，發(fā)生絕對位置的誤計(jì)算。根據(jù)等式（18)，通過等式（19)來表示防 止絕對位置的誤計(jì)算的誤差成分E。
[0103] E<Emax=Vmax/(NlmaxX2). . . (19)
[0104] 作為誤差成分E，可考慮以下：由SlrA、SlrB、S2rA和S2rB中包含的噪聲成分而 產(chǎn)生的誤差成分En ;以及在信號獲取延遲時(shí)間Ts期間可動構(gòu)件21移動時(shí)產(chǎn)生的誤差成分 Em。等式（20)表示誤差成分E、由諸如干擾等的噪聲成分而產(chǎn)生的誤差成分En和在信號獲 取延遲時(shí)間Ts期間可動構(gòu)件21移動時(shí)產(chǎn)生的誤差成分Em之間的關(guān)系。
[0105] E=En+Em. . . (20)
[0106] 在這種情況下，由于游標(biāo)信號Pvl是第一相對位置信號Incl和第二相對位置信號 Inc2之間的差，因此可以根據(jù)等式（13)通過等式（21)來表示第一相對位置信號Incl的噪 聲成分Enl、第二相對位置信號Inc2的噪聲成分En2和由于這些噪聲成分而產(chǎn)生的誤差成 分En之間的關(guān)系。
[0107] En=EnlX {(Nlmax-1)/Nlmax}+En2. . . (21)
[0108] Enl和En2是預(yù)先通過測量所計(jì)算出的并且作為固定值保持在可靠性基準(zhǔn)數(shù)據(jù)保 持單元107中。因此，可以通過以下給出的等式（22)來表示作為可變因子的誤差成分Em。
[0109] 在這種情況下，可以將誤差成分Em視為由于第二相對位置信號Inc2以第一相對 位置信號Incl為基準(zhǔn)的偏移所引起的信號水平的變化量。
[0110] 因此，如果將在獲取到SlrA、SlrB、S2rA和S2rB之前所經(jīng)過的時(shí)間內(nèi)可動構(gòu)件21 的移動量定義為Λ Pv，則通過等式（22)來表示誤差成分Em。
[0111] Em=N2max X Vmax X ΔΡν/Lmax. . . (22)
[0112] 在這種情況下，通過使用等式（19)、（20)、（21)和（22)消除E、Em和En將獲得以 下表達(dá)式。
[0113]

【權(quán)利要求】
1. 一種位置檢測設(shè)備，用于檢測可動構(gòu)件相對于固定構(gòu)件的位置，所述位置檢測設(shè)備 包括： 信號檢測器，用于檢測多個(gè)周期信號，其中，所述多個(gè)周期信號分別表示與所述可動構(gòu) 件相對于所述固定構(gòu)件的位置有關(guān)的預(yù)定值，并且所述多個(gè)周期信號根據(jù)該位置的變化按 不同周期改變； 信號處理單元，用于基于所述信號檢測器所檢測的多個(gè)周期信號來生成多個(gè)位移信 號，并且在按預(yù)定周期切換所生成的多個(gè)位移信號的情況下順次輸出所述多個(gè)位移信號； 位置計(jì)算單元，用于基于所述多個(gè)位移信號來計(jì)算所述可動構(gòu)件相對于所述固定構(gòu)件 的位置；以及 可靠性判斷單元，用于在所述預(yù)定周期內(nèi)所述可動構(gòu)件的位移量大于預(yù)定閾值的情況 下，判斷為所述位置計(jì)算單元所計(jì)算出的位置的可靠性低。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置檢測設(shè)備，其中，還包括數(shù)據(jù)保持單元，所述數(shù)據(jù)保持單 元用于存儲所述可動構(gòu)件相對于所述固定構(gòu)件的最大位移、以及所述最大位移內(nèi)的所述多 個(gè)周期信號的周期數(shù)， 其中，所述預(yù)定閾值是基于所述多個(gè)周期信號中的各周期信號的所述最大位移以及所 述最大位移內(nèi)的所述多個(gè)周期信號的周期數(shù)來確定的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置檢測設(shè)備，其中，還包括數(shù)據(jù)保持單元，所述數(shù)據(jù)保持單 元用于存儲所述多個(gè)周期信號中的各周期信號的噪聲、所述可動構(gòu)件相對于所述固定構(gòu)件 的最大位移、以及所述最大位移內(nèi)的所述多個(gè)周期信號的周期數(shù)， 其中，所述預(yù)定閾值是基于所述多個(gè)周期信號中的各周期信號的噪聲、所述最大位移、 以及所述最大位移內(nèi)的所述多個(gè)周期信號的周期數(shù)來確定的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置檢測設(shè)備，其中，在所述可靠性判斷單元判斷為可靠性 低的情況下，所述位置計(jì)算單元在下一預(yù)定周期的定時(shí)獲取從所述信號處理單元輸出的位 移信號，并且重新計(jì)算位置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置檢測設(shè)備，其中，還包括驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元用于驅(qū) 動所述可動構(gòu)件， 所述驅(qū)動單元控制所述可動構(gòu)件的驅(qū)動，從而將所述預(yù)定周期內(nèi)所述可動構(gòu)件的位移 量設(shè)置為不大于所述預(yù)定閾值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置檢測設(shè)備，其中，所述信號檢測器包括： 多個(gè)反射圖案陣列，其位于在所述固定構(gòu)件和所述可動構(gòu)件的其中一個(gè)上并分別具有 不同的周期， 光源，其固定至所述固定構(gòu)件和所述可動構(gòu)件中的另一個(gè)，以及 多個(gè)光接收單元，其固定至所述固定構(gòu)件和所述可動構(gòu)件中的所述另一個(gè)，并且被配 置為分別接收從所述光源發(fā)射的并且被所述多個(gè)反射圖案陣列反射的光。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的位置檢測設(shè)備，其中，還包括切換單元，所述切 換單元用于將切換信號輸出至所述信號處理單元，以使所述信號處理單元在按所述預(yù)定周 期切換基于所述多個(gè)周期信號所生成的多個(gè)位移信號的情況下順次輸出所述多個(gè)位移信 號。
【文檔編號】G01D5/347GK104101369SQ201410145631
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月12日
【發(fā)明者】重田潤二 申請人:佳能株式會社