位移检测装置、标尺校准方法和标尺校准程序

摘要

本发明涉及一种位移检测装置、标尺校准方法和标尺校准程序，所述位移检测装置包括：标尺，其具有光学格子；检测单元，其被配置为能够在扫描方向上相对于所述标尺移动，所述检测单元至少包括设置在所述扫描方向上以根据所述光学格子检测位置信息的第一检测部、第二检测部和第三检测部；以及计算部，用于通过基于所述检测单元所检测到的位置信息来确定所述检测部的位置并计算测量误差，来获得针对所述标尺的刻度的自校准曲线；其中，所述检测单元被设置为，所述第一检测部和所述第二检测部之间的距离与所述第二检测部和所述第三检测部之间的距离互不相同并且不形成整数倍的关系。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于直线编码器、旋转编码器等的位移 检测装置、标尺校准方法和标尺校准程序。

背景技术

通常在出厂之前对诸如编码器等位移测量装置的测量误差 进行评估。诸如激光干涉仪等高精度位移传感器用作误差评估 的基准。由此获得的误差数据以出厂前检查表的形式与编码器 一起出厂，以用作用于保证编码器性能的重要数据。

然而，当编码器的标尺附着于机床、测量装置等应用时， 根据标尺的材料和长度以及固定方法，编码器的标尺可能会产 生变形。在一些情况下，标尺所产生的变形可能会引起相对于 所要求的规格而言无法忽视程度的测量误差，由此将会破坏预 先评估出的误差数据的可靠性。

作为解决该问题的方法，考虑在用户的应用中设置基准位 移传感器以对编码器的测量误差进行机上校准。尽管如此，不 期望由于位移传感器的设置所需的人力以及高精度位移传感器 的价格给用户造成负担。

另一方面，例如，已知一种在这类位移检测装置中的针对 标尺的刻度上的测量误差的自校准的方法(JP2008224578A以及 "Satoshi Kiyono,"Intelligent Precision Measurement",The Japan Society for Precision Engineering,2009,Vol.75,No.1, pp.89-90")。使用这些自校准的方法使得可以对编码器的测量误 差进行校准，而无需在应用中设置高精度位移传感器。

然而，当如JP2008224578A以及"Satoshi Kiyono, "Intelligent Precision Measurement",The Japan Society for Precision Engineering,2009,Vol.75,No.1,pp.89-90"所公开的那 样，以预定距离的间隔来设置多个传感器时，测量误差的采样 间隔变得与传感器排列的间距相同。由此，无法正确地对周期 的长度不大于排列间距的两倍的测量误差进行校正，因此，允 许进行校准的测量误差的频率受到限制。

尽管可以考虑减小传感器排列间距来解决这个问题，但是 需要将使得传感器在物理上互不干扰的这样一种最小距离作为 排列间距。由此，传感器排列间距的减小受到限制。

此外，使用诸如激光干涉仪等高精度位移传感器或者预备 基准传感器等并不合适，因为这样的配置变得无意义的昂贵。 在由于安装时标尺的变形等导致无法忽视程度的测量误差的情 况下，可能需要重新设置基准位移传感器，并且仍然需要大量 的费用和人力。

发明内容

完成本发明来解决这一问题，并且本发明的目的在于提供 一种位移检测装置、标尺校准方法和标尺校准程序，其可以简 单且低成本地实现而无需任何激光干涉仪或基准标尺等，从而 可以精确地校准刻度上的测量误差。

根据本发明的位移检测装置，包括：标尺，其具有光学格 子；检测单元，其被配置为可以在扫描方向上相对于所述标尺 移动，所述检测单元具有设置在所述扫描方向上以根据所述光 学格子检测位置信息并至少包括第一检测部、第二检测部和第 三检测部的n个检测部(n是不小于3的整数)；以及计算部，用于 通过基于所述检测单元所检测到的位置信息确定所述检测部的 位置并计算测量误差，来获得针对所述标尺的刻度的自校准曲 线；其中，所述检测单元被设置为，所述第一检测部和所述第 二检测部之间的距离与所述第二检测部和所述第三检测部之间 的距离互不相同并且不形成整数倍的关系；以及所述计算部通 过重复在所述扫描方向上移动所述检测单元的操作，直到所述 第一至第三检测部中的一个检测部所检测到的位置信息被另一 个检测部检测到，并且基于所检测到的位置信息以及检测到所 述位置信息的检测部之间的距离计算测量误差，来获得所述标 尺的刻度上的自校准曲线。

在这种结构中，作为用于获取输出数据的间隔的采样间隔 可以设置为小于检测单元的检测部之间的距离，从而能够获得 具有更精细的刻度的自校准曲线。因此，可以利用一种低成本 的配置来精确地校准测量误差。

在本发明的一个实施方式中，所述第一检测部和所述第二 检测部之间的距离与所述第二检测部和所述第三检测部之间的 距离的差值小于所述n个检测部在物理上能够设置的最小距离 d。

在本发明另一实施方式中，所述计算部使所述检测单元在 所述扫描方向上往返移动，并获取所述位置信息。

在本发明另一实施方式中，还包括：存储单元，用于存储 所述自校准曲线；其中，所述计算部通过参考存储在所述存储 单元中的所述自校准曲线来校正所述刻度的测量误差。

根据本发明的标尺校准方法是一种位移检测装置的标尺校 准方法，其中，所述位移检测装置包括：标尺，其具有光学格 子；检测单元，其被配置为可以在扫描方向上相对于所述标尺 移动，所述检测单元具有用于根据所述光学格子检测位置信息 并至少包括第一检测部、第二检测部和第三检测部的n个检测部 (n为不小于3的整数)，所述第一检测部和所述第二检测部之间 的距离与所述第二检测部和所述第三检测部之间的距离互不相 同并且不形成整数倍的关系；以及计算部，其用于通过基于所 述检测单元所检测到的位置信息确定所述检测部的位置并计算 测量误差，来获得针对所述标尺的刻度的自校准曲线；所述标 尺校准方法包括：重复在所述扫描方向上移动所述检测单元的 操作，直到所述第一至第三检测部中的一个检测部所检测到的 位置信息被另一个检测部检测到；通过基于所检测到的位置信 息以及检测到所述位置信息的检测部之间的距离计算测量误 差，来获得针对所述标尺的刻度的自校准曲线；以及通过参考 所获得的自校准曲线来校正所述光学格子的位置信息。

根据本发明的标尺校准程序是一种用于使计算机执行位移 检测装置的标尺校准方法的标尺校准程序；所述位移检测装置 包括：标尺，其具有光学格子；检测单元，其被配置为可以在 扫描方向上相对于所述标尺移动，所述检测单元具有用于根据 所述光学格子检测位置信息并至少包括第一检测部、第二检测 部和第三检测部的n个检测部(n为不小于3的整数)，所述第一检 测部和所述第二检测部之间的距离与所述第二检测部和所述第 三检测部之间的距离互不相同并且不形成整数倍的关系；以及 计算部，用于通过基于所述检测单元所检测到的位置信息确定 所述检测部的位置并计算测量误差，以获得针对所述标尺的刻 度的自校准曲线；所述程序包括：重复在所述扫描方向上移动 所述检测单元的操作，直到所述第一至第三检测部中的一个检 测部所检测到的位置信息被另一个检测部检测到；通过基于所 检测到的位置信息以及检测到该位置信息的检测部之间的距离 计算测量误差，来获得针对所述标尺的刻度的自校准曲线；以 及通过参考所获得的自校准曲线来校正所述光学格子的位置信 息。

根据本发明，使得简单且低成本地进行配置就能够精确地 校准标尺的刻度上的测量误差成为可能。

附图说明

根据下述的具体说明以及附图将更全面地理解本发明，这 些内容仅作描述用，而不用于限制本发明，其中：

图1是示出构成根据本发明的实施方式的位移检测装置的 光电编码器的结构的示意图。

图2是用于解释针对标尺的刻度的自校准的基本原理的图。

图3是用于解释基本原理的图。

图4是用于解释光电编码器中的检测单元的结构的图。

图5是用于解释检测单元中的步进的图。

图6是用于基于根据本发明的实施例和比较例的检测单元 的仿真模型来对操作进行解释的图。

图7是用于基于根据实施例的检测单元的仿真模型来对操 作进行解释的图。

图8是用于对构成根据本发明的另一实施方式的位移检测 装置的光电编码器中的检测单元的结构进行解释的图。

具体实施方式

以下参考附图来具体说明根据本发明实施方式的位移检测 装置、标尺校准方法和标尺校准程序。

图1是示出构成根据本发明实施方式的位移检测装置的光 电编码器的构造的示意图。如图1所示，光电编码器100包括标 尺10、检测单元20以及计算部30。例如，在本实施方式中光电 编码器100形成为反射型。

例如，标尺10由带状标尺构成，并具有用于对构成检测单 元20的检测部21、22和23(第一、第二和第三检测部)的测量点 的位置进行检测的位置信息。对标尺10进行设置以使得从检测 单元20的检测部21~23照射的光线朝向检测部21~23反射。顺便 提及，可以设置n个检测部，其中n是不小于3的整数。

如图1所示，标尺10包括胶片状矩形板11、以及设置在板11 上的轨迹12。板11的长度方向是在进行测量时标尺10相对于检 测单元20的移动方向(扫描方向X)。

轨迹12由图案12a构成。图案12a是以预定间距(例如，微米 量级)的间隔沿着扫描方向X排列的图案，从而周期性地设置亮 部和暗部。

检测单元20形成为使得检测单元20能够在扫描方向X上相 对于标尺10移动。检测部21~23各自检测来自标尺10的位置信 息。例如，对各个检测部21~23进行设置，以使得：第一检测 部21的测量点和第二检测部22的测量点之间的距离为物理上可 以设置的最小距离d，第二检测部22的测量点和第三检测部23 的测量点之间的距离为大于最小距离d的距离α_id(i=2,3…,n-1)。 顺便提及，α_i是大于1的非整数常数。

具体来说，各个检测部21~23将光线照射到标尺10(轨迹12) 上，并接收来自标尺10的反射光。检测单元20基于各个检测部 21~23所接收到的光线来检测各个检测部21~23的测量点的位 置信息。

计算部30基于检测到的位置信息来确定各个检测部21~23 的测量点的位置。计算部30对各个检测部21~23所检测到的标 尺10的刻度上的测量误差进行计算，并获得精度曲线(自校准曲 线)。例如，计算部30由计算机的内置CPU构成，该CPU将获得 的自校准曲线存储在存储部31中、从存储部31读取标尺校准程 序并执行程序，从而执行例如参考自校准曲线来对标尺10的刻 度上的测量误差进行校正的处理或者完成各种操作。

图2和图3是用于解释标尺刻度的自校准的基本原理的图。 如图2所示，准备检测单元200，其包括沿标尺209并排设置的检 测部201和检测部202，其中标尺209具有因变形所造成的间距位 移。例如，将检测部201和202的测量点之间的距离设为d，将检 测部201和202的输出分别设为m₁(x)和m₂(x)。这里，假设f(x)是 测量误差，则将输出m₁(x)给出为m₁(x)=x+f(x)，并且将输出m₂(x) 给出为m₂(x)=(x+d)+f(x+d)。

为了进行测量，检测单元200以预定间距的间隔沿扫描方向 X(逐步)移动，并且逐步地对检测部201和202的输出m₁(x)和 m₂(x)进行采样。在扫描标尺209的整个长度所需步数为n、且检 测单元200所设置的各次步进的量为D_STEP的情况下，检测部201 和202在第i步进(i=0,1，...,n)时的输出m₁(D _STEP·i)和m₂(D _STEP·i)由 以下表达式(1)和(2)分别给出。

[数学式1]

m₁(D_STEP·i)=D_STEP·i+f(D_STEP·i)…(1)

[数学式2]

m₂(D_STEP·i)=D_STEP·i+d+f(D_STEP·i+d)…(2)

由此，可以发现，与输出m₁(D _STEP·i)相比，输出m₂(D_STEP·i) 具有d的偏移。顺便提及，需要通过某种方法预先获得检测部201 和202的测量点之间的距离d。

如图3所示，当检测单元200在扫描方向X中的一个方向(例 如，沿图中向右的方向)上逐步移动时，对各次步进的量进行控 制，以使得检测部201的输出m₁(D_STEP)对准检测部202的输出 m₂(0)，其中检测部201设置在移动方向的后侧，检测部202设置 在移动方向的前侧并与检测部201相距一个步长的距离。在这种 情况下，检测部201和202的测量点之间的距离d是已知的。因此， 当检测部201的输出变成与前次步进时检测部202的输出相等 时，各次步进的量变得与测量点之间的距离d相等，使得下述表 达式(3)成立。

[数学式3]

D_STEP=d    …(3)

顺便提及，当检测单元200第一次逐步移动时(当i=1时)， 需要使检测部201的输出对准初始位置时检测部202的输出。因 此，期望标尺209是绝对标尺，但是根据位置信息检测方法，标 尺209可以为增量标尺。

第i步进(i=0,1，...,n)的测量误差f(d·i)可以根据上述表达式 (1)和(3)而表达为下述表达式(4)。

[数学式4]

f(d·i)=m₁(d·i)-d·i    …(4)

在上述表达式(4)中，在将采样位置用作测量基准的情况 下，基于检测部201的输出来计算测量误差。如果在各次步进完 成之后得到检测部201的输出并基于该输出来对上述表达式(4) 进行计算，则能够得到标尺209的整个长度上的测量误差f(d·i)， 并且基于该测量误差f(d·i)能够得到自校准曲线。

尽管当使用这种自校准曲线来对标尺209的刻度进行校正 时可以提高编码器的精确度，但上述基本原理的配置不能用来 校准更高频率的高精度刻度的测量误差，这是因为测量点之间 的距离d的减小受到限制。因此，根据本实施方式的位移检测装 置使用具有至少三个检测部的检测单元20来进行如下自校准。

图4是用于解释光电编码器中检测单元的结构的图。图5是 用于对检测单元中的步进进行解释的图。尽管图1所示的检测单 元20形成为具有第一到第三检测部21~23，但检测单元20可以 形成为具有更多数量的检测部。因此，这里将基于检测单元20 具有n(n是不小于3的整数)个检测部的假定来进行说明。

如图4中所示，检测单元20具有n个检测部，即，第1检测部 21到第n检测部n。对于从第1检测部21到第n检测部n，各个检测 部的测量点之间的距离被设置为d、α₂d、α₃d、…、α_n-1d。α_i是 预先计算出的大于1的非整数常数。

首先，获取在初始位置时各个检测部21-n的测量点处的输 出数据。然后，以如下方式获取第一次步进中的测量点处的输 出数据：在基于在初始位置时所获得的输出数据对各次步进的 量进行控制的情况下，使检测单元20在扫描方向X逐步移动， 由此使得，例如，第一次步进时第一检测部21的测量点处的输 出对准初始位置时第二检测部22的测量点处的输出。

然后，以如下方式获取第二次步进中的测量点处的输出数 据：同样在基于第一步进时所获得的输出数据对各次步进的量 进行控制的情况下，使检测单元20逐步移动，由此使得，例如， 第二次步进时第一检测部21的测量点处的输出对准第一次步进 时第二测量部22的测量点处的输出。

以如下方式进一步获取第三次步进中测量点处的输出数 据：类似地，在基于在初始位置时所获得的输出数据对各次步 进的量进行控制的情况下，使检测单元20逐步移动，由此使得， 例如，第三次步进时第一检测部21的测量点处的输出对准初始 位置时第三测量部23的测量点处的输出。

如果在各次步进时基于第二检测部22到第n检测部n的测量 点处获得的输出数据来对各次步进的量进行控制的情况下使检 测单元20逐步移动，以使得例如第一检测部21的测量点处的输 出对准第二检测部22到第n检测部n的测量点处的输出，则将出 现采样间隔小于距离d(例如，间隔(α₂-1)·d<d)的区域。

此外，当在标尺的整个长度上重复上述步进时，可以随机 获得小于距离d的采样间隔。因此，尽管从检测部21到检测部n 的各个检测部的测量点之间的距离都被配置为不小于d，但能够 以不大于d的采样间隔来计算测量误差，并且能够获得自校准曲 线来校正标尺的位置信息。

尽管用于计算测量误差的测量基准为采样位置，但是可以 基于已知的测量点距离d到α_n-1d来反算出所有的采样位置。这 样，可以在不使用任何昂贵的配置的情况下形成根据本实施方 式的位移检测装置，并能够简单、低成本并且精确地对刻度的 测量误差进行校准。

下面将利用实施例来具体说明上述结构。图6是用于基于根 据本发明的实施例以及比较例的检测单元的仿真模型来对操作 进行解释的图。图7是用于基于根据实施例的检测单元的仿真模 型来对操作进行解释的图。

如图6中所示，根据本实施例的检测单元20具有三个检测 部，其中，第一检测部21和第二检测部22的测量点之间的距离d 被设置为10mm，第二检测部22和第三检测部23的测量点之间的 距离α₂d被设置为12.5mm。

另一方面，根据比较例的检测单元20A具有两个检测部， 其中，第一检测部21和第二检测部22的测量点之间的距离d被设 置为10mm。由此，检测单元20形成为使得上述参数满足n=3， d=1和α₂=1.25，相反，检测单元20A形成为使得上述参数满足n=2 和d=1。

以如下方式模拟出在100mm的范围内所得到的采样点位 置，即：检测单元20或20A各自逐步移动，以使得第一检测部 21的测量点处的输出对准第二检测部22和第三检测部23的测量 点处的输出。结果，从60mm之后的移动区域明显看出，根据本 实施例的检测单元20的采样间隔是2.5mm，相反，根据比较例 的检测单元20A的采样间隔在整个区域上为10mm。

这表明，本实施例中的采样间隔是比较例中的采样间隔的 1/4。即，这表明，即使测量点之间的距离大于等于10mm，也 可以计算出采样间隔小于等于10mm时的测量误差。因此，与比 较例相比，可以精确地校准刻度的测量误差。

顺便提及，在图6所示的示例中，本实施例中的采样间隔在 0~60mm的移动区域内并不总是2.5mm。因此，明显看出，可以 进一步得到更高的精确度。因此期望配置为如下：检测单元20 在标尺10的检测范围中往返移动，以增加如图7所示的采样位 置。

具体来说，在前向路径中以上述方式获得采样位置，并以 如下方式在后向路径中增加采样位置：逐步移动检测单元20， 以使得例如第三检测部23的测量点处的输出对准在前向路径中 所获得的第一检测部21和第二检测部22的测量点处的输出。这 样，能够在标尺的检测范围的整个长度上将采样间隔设置为 2.5mm。

尽管如上描述了本发明的实施方式，但本发明不限于此， 可以在不背离本发明的主旨的情况下进行各种改变、添加等。 例如，光电编码器可以是直线型或旋转型。如图8中所示，检测 单元20的至少三个检测部21、22和23可由已分隔为至少三个光 接收区域的一个光接收元件阵列来构成，并使得例如测量点之 间的距离d~α_n-1d(图8中d和α₂d)形成为如上所描述的那样。此 外，本发明并不仅应用于具有周期性光学格子的增量标尺，还 适用于具有伪随机编码图案的绝对标尺以及具有以上两种标尺 或其中一种标尺的多轨标尺。