絕對位置測量設備的製作方法
2023-05-03 12:34:31
專利名稱：絕對位置測量設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種絕對位置測量設備，更具體地說，本發明涉及一種利用測微頭、測微計或空穴測試等測量主軸位置的絕對位置的測量設備。
背景技術：
在用於測量長度、尺寸或角度的小測量儀器中，例如測微頭、測微計，通過檢測可運動元件相對於固定元件的移動數量的信息，對測量目標進行測量。
用於測量可運動元件相對於固定元件的移動數量的方法包括增量類型和絕對類型，本申請人在日本專利申請平成3-79647中已經介紹了上述增量類型。
前者包括一固定元件、一能夠相對於所述固定元件運動的可運動元件以及一用於檢測周期信號的相位的靜電電容傳感器，所述周期信號來源於可運動元件的運動。在這種結構中，如圖10所示，如果可運動元件被移動，相對於可運動元件(主軸)的運動量而周期性改變的相位信號被位移傳感器檢測。通過計算這種相位信號的變化量，根據可運動元件的運動量和相位信號之間的關係，可以計算出可運動元件的運動量。
後者涉及檢測多個具有不同周期的起源於可運動元件的運動的相位信號。在這種結構中，如果可運動元件移動，檢測到兩個或多個具有不同周期的相位信號，從而主軸的絕對位置從這些相位信號的相位中被測量出來。
例如檢測一長周期的相位信號(非密相位信號，non-dense phase signal)和一短周期的相位信號(密相位信號，dense phase signal)。然後利用電路(相位變換電路、插值電路)獲得非密相位信號以及密相位信號在一個周期內的位置。從這些相位之間的關係，計算發生在非密相位信號周期內的密相位信號相位周期數。根據這個結果，從非密相位信號的相位中計算出高位數字(upper digits)，從密相位信號的相位中計算出低位數字(lowerdigits)。所計算出的高位數字和低位數字被加權和綜合。
用於確定發生在非密相位信號周期內的密相位信號的相位的周期數的方法涉及利用包含在非密相位信號一個周期內的密相相位信號的周期(步驟)數量分隔非密相位信號。
另一種方法涉及一種從記數脈衝中計算下數字的方法，通過分別計算密相位信號和基準信號之間的相位差獲得所述記數脈衝，還涉及將從非密相位信號中獲得的上數字與下數字進行合成。
然而增量類型具有如下問題(1)由於必須計算由可運動元件的運動所引起的相位信號，在可運動元件運動的同時，設備總是處於計算狀態。如果可運動元件運動的太快，相位信號高速變化，必須增加計算響應速度，以便高速計算這個相位信號的變化。
(2)一旦計算出錯，如果用戶沒有發現這個錯誤，則出現測量錯誤。為了校正測量，必須設定可運動元件的基準位置(零位調整)。
(3)一旦切斷動力，當在下次使用時，必須重新設定可運動元件的基準位置。
絕對類型具有下列問題(4)雖然必須準確地檢測非密或密相位信號之間的相位差，在一個寬範圍內仍然很難保證相位檢測的精度。為了計算絕對位置，要求一種用於計算在非密相位信號周期內的密相位信號的過程，利用適合於具有不同相位周期的相位信號的邏輯操作，利用非常複雜的操作步驟，稱量每個周期，對該相位信號進行合成。
(5)此外，相對於基準信號計算計數脈衝需要同步調製控制，這是非常複雜的。為了增加測量精度，可能利用三種不同模式的信號，即非密模式、中間模式和密模式。然而數據處理是如此複雜，數據顯示不能總是跟隨可運動元件的快速運動。如果試圖更高速地進行數據處理，則必須增加數據處理裝置的尺寸，則導致該方法不適合於手動工具類型的測量儀器。
發明內容
本發明已經解決了現有技術中所存在的問題。本發明的一個目的是提供一種絕對位置測量設備，利用結構簡單尺寸小的設備，能夠準確地檢測絕對位置。
為了實現上述目的，採用下述裝置，根據本發明第一方面，提供一種絕對位置測量設備，它包括一主體；可移動地設置在所述主體內的一可運動元件；一相位信號發源部分，根據所述可運動元件的運動量，用於產生兩個或多個具有不同周期的相位信號；一算術運算部分，用於對所述相位信號進行算術運算，獲得所述可運動元件的絕對位置，所述算術運算部分包括一相位信號處理部分，用於比較所述相位信號，從而獲得所述相位信號之間的相位差，還包括一絕對位置計算部分，用於根據相位信號處理部分所獲得的相位差計算所述可運動元件的絕對位置，其中，當在所述可運動元件的運動範圍內所述可運動元件的不同位置時，所述兩個或多個相位信號具有不同的相位差。
利用這種結構，如果可運動元件運動，相位信號發源部分產生具有不同周期的相位信號，算術運算部分對該相位信號進行算術運算。此時，相位信號發源部分所產生的相位信號首先被算術運算部分內的相位信號處理部分處理，從而獲得相位差。由於這個相位差在可運動元件的不同位置是變化的，可運動元件的絕對位置可以唯一地從相位差中獲得。因此根據相位信號處理部分所獲得的相位差，利用絕對位置計算部分計算出可運動元件的絕對位置。利用數字模式將該絕對位置顯示在顯示部分上，從而可以知道可運動元件的絕對位置。
在現有技術中，通過對非密和密相位信號進行算術運算，通過計算非密相位信號周期內的密相位信號的周期數，獲得上數字。此外從密相位信號內獲得下數字，對上數字和下數字進行合成。然而在本發明中，僅從相位差中獲得絕對值。因此通過使算術運算部分的結構簡單化可以使設備結構更緊湊，確保快速算術運算，降低成本。
根據本發明的第二個方面，在本發明第一方面確定的絕對位置測量設備中，最好用絕對位置計算部分計算周期數，即所述任一個相位信號在所述相位差基礎上距基準點的周期數，計算對應於基於所述周期數的相位變化量的所述可運動元件的運動量，計算所述可運動元件對應於任何一個所述相位信號相位變化的數量的運動量，通過對所述可運動元件基於該周期數的運動量和所述可運動元件對應於任何一個所述相位信號相位變化量的運動量進行合成，計算可運動元件的總運動量，從而計算可運動元件的絕對位置。
利用這種結構，首先計算任一個相位信號距基準點的周期數。在可運動元件的不同位置，所述相位信號處理部分所獲得的相位差是變化的，因此具有適合於不同周期數的寬度。因此任何一個相位信號的周期數被唯一地確定為例如根據相位差所獲得的「第N個周期」。如果確定了周期數N，任何一個已經通過N個周期的相位信號的相位變化量被獲得。然後，根據周期數N和可運動元件每周期的運動量，已經經歷N個周期的可運動元件的運動量可以被獲得。根據任何一個相位信號和可運動元件每周期的運動量，可運動元件從第N個周期移動到任何一個相位信號的運動量可以被獲得。通過將運動了N個周期的可運動元件的運動量和可運動元件從第N個周期運動到任何一個相位信號的運動量進行合成，獲得可運動元件的總的運動量。
根據本發明，直接反應可運動元件的絕對位置的相位信號是任何一個相位信號，只要求該相位信號精確。通過比較任何一個相位信號獲得相位差，其它相位信號被用於根據所述相位差獲得周期數，只要誤差範圍不引起錯讀周期數，就能被允許。因此具有產生相位信號並檢測相位信號而無需任何精確操作的結構，省去了處理步驟，降低了成本。
根據本發明第三個方面，在本發明第一方面確定的絕對位置測量設備中，最好絕對位置計算部分計算周期數，即所述任一個相位信號在所述相位差基礎上距基準點的周期數，根據基於周期數的相位變化量和所述任一個相位信號的相位變化量計算總的相位變化量，在總相位變化量的基礎上，計算可運動元件的絕對位置。
利用這種結構，計算出所述任一個相位信號距基準點的周期數。在可運動元件的不同位置，所述相位信號處理部分所獲得的相位差是變化的，因此具有適合於不同周期數的寬度。因此任何一個相位信號的周期數被唯一地確定為例如根據相位差所獲得的「第N個周期」。如果確定了周期數N，任何一個已經通過N個周期的相位信號的相位變化量被獲得。然後，根據這個相位變化量和任何一個相位信號，獲得任何一個相位信號距基準點的總相位。根據總相位和可運動元件對應於任何一個相位信號的節距，可以確定可運動元件的絕對位置。
在現有技術中，通過將從所有非密信號和密信號中獲得位置數據進行合成，獲得可運動元件的絕對位置。因此要求所有非密信號和密信號非常精確，以高精度進行相位信號處理，導致工作困難，成本高。
然而在本發明中，直接反應可運動元件的絕對位置的相位信號是任一個相位信號，只要求該信號精確，通過比較任何一個相位信號獲得相位差，其它相位信號被用於根據所述相位差獲得周期數，只要誤差範圍不引起錯讀周期數，就能被允許。因此具有產生相位信號並檢測相位信號而無需任何精確操作的結構，省去了處理步驟，降低了成本。
根據本發明第四個方面，在本發明第一方面確定的絕對位置測量設備中，最好所述主運動元件是一個通過轉動能夠沿軸線方向向前或向後運動的主軸，所述相位信號發源部分包括兩組旋轉編碼器，所述旋轉編碼器具有固定在所述主體上的定子以及面對所述定子的轉子，所述轉子與所述主軸可轉動地連接，所述兩組轉子具有不同的轉動相位，在所述主軸的可運動區域內，當所述主軸處於不同的位置時，具有不同的相位差。
利用這種結構，如果主軸轉動，主軸沿軸線方向向前或向後運動，每個轉子都與主軸一起轉動。當主軸停止轉動時，利用定子檢測兩個轉子相對於定子的相對轉動相。此時，由於兩個轉子在主軸處於不同位置時具有不同的相位差，根據所述相位差，可以確定主軸的絕對位置。
在本發明中，兩個轉子與主軸一起轉動獲得相位信號，因此具有這樣的優點，即兩個轉子在主軸處於不同位置時具有不同的相位差。也就是當一個轉子在可運動元件的運動範圍內變化R個周期，另一個轉子的變化周期數是R+1或R-1。
根據本發明第五個方面，在本發明第四方面確定的絕對位置測量設備中，最好所述主軸被可轉動地獨立地穿過所述轉子的轉動中心，在所述主軸的外表面上設置兩個鍵槽，所述轉子上配置有與所述鍵槽嚙合的鍵，設置兩個鍵槽，從而在所述主軸的可運動區域內，在所述主軸的不同位置，所述兩個轉子具有不同的轉動周期，具有不同的相位差。
根據這種結構，如果主軸轉動，通過鍵與主軸的鍵槽嚙合，每個轉子也轉動。兩個轉子以不同的轉動周期轉動，在所述主軸的可運動區域內，在主軸處於不同位置時具有不同的相位差，根據轉子的相位差，可以確定主軸的絕對位置。
根據本發明第六個方面，在本發明第五方面確定的絕對位置測量設備中，最好在所述主軸的軸線方向，所述兩個鍵槽具有不同的螺旋升角。
利用這種結構，由於兩個鍵槽具有不同的螺旋升角，如果主軸轉動，兩個轉子以不同的轉動周期轉動，因此當主軸處於不同的位置時，兩個轉子具有不同的相位差。根據轉子的相位差，可以確定主軸的絕對位置。
根據本發明第七個方面，在本發明第五方面確定的絕對位置測量設備中，最好兩個鍵槽中一個鍵槽平行於所述主軸的軸線方向被線性設置，另一個鍵槽圍繞所述主軸的軸線被螺旋地設置。
利用這種結構，利用線性設置的鍵槽而轉動的轉子和利用螺旋設置的鍵槽而轉動的轉子可以具有不同的轉動周期。
因此線性設置在主軸上的鍵槽更容易以高精度工作，螺旋設置的鍵槽或多或少更難以以高精度工作。在現有技術中，由於要求獲得多個精確的相位信號，很難通過設置難以工作的槽來使轉子轉動。然而在本發明的絕對位置測量設備中，僅需要任何一個相位信號準確地對應於主軸的轉動，其它相位信號的精度只要能夠根據相位差確定該任何一個轉子的周期數就行。因此利用簡單地在主軸上準確地加工出鍵槽，就可以增加測量的精度。
根據本發明第八個方面，在本發明第四方面確定的絕對位置測量設備中，最好所述兩組旋轉編碼器包括一公用定子和兩個分別位於所述定子兩側的轉子。
根據這種結構，從與定子的一個表面相對的轉子獲得一個相位信號，從與定子的另一個表面相對的轉子獲得其它相位信號。因此，利用一個公用定子和兩個轉子，獲得兩個不同的相位信號並計算出相位差，從而確定出主軸的絕對位置。
在本發明中，僅僅需要一個定子，因此可以減少元件數量，使結構緊湊，降低成本。
根據本發明第九個方面，在本發明第四方面確定的絕對位置測量設備中，最好兩組旋轉編碼器包括兩個定子和兩個位於所述定子之間的轉子。
利用這種結構，位於兩個定子之間的兩個轉子被鄰近地設置。從而在主軸上的鍵槽的加工範圍可以縮小，可以在主軸上加工出絲槓，但是難以在相同區域加工出絲槓和鍵槽。為了使測量設備結構緊湊，希望絲槓之外的部分儘可能地小。利用本發明，能夠縮小鍵槽被加工的範圍，使測量設備結構緊湊。
根據本發明第十個方面，在本發明第四方面確定的絕對位置測量設備中，最好所述兩個轉子包括第一轉子和第二轉子，所述主軸獨立地可轉動地穿過第一轉子和第二轉子的中心，在所述主軸的外表面上設置一第一鍵和第二鍵，所述第一轉子具有與所述第一鍵嚙合的第一鍵槽，所述第二轉子具有與所述第二鍵嚙合的第二鍵槽，所述兩個鍵槽被如此設置，從而在所述主軸的可運動區域內，在所述主軸的不同位置，兩個轉子具有不同的轉動周期，不同的相位差。
根據這種結構，如果主軸轉動，通過第一鍵和第一鍵槽之間的嚙合，第一轉子轉動。如果第一轉子轉動，利用第二鍵和第二鍵槽之間的嚙合，第二轉子轉動。從而在所述主軸的可運動區域內，在所述主軸的不同位置，兩個轉子具有不同的轉動周期，不同的相位差，從而根據這兩個轉子之間的相位差，確定主軸的絕對位置。
根據本發明第11個方面，在本發明第10方面確定的絕對位置測量設備中，最好在所述主軸的軸線方向，所述第一鍵槽和第二鍵槽具有不同的螺旋升角。
利用這種結構，如果主軸轉動，兩個轉子以不同的轉動周期轉動。也就是第一轉子相對於主軸的轉動相位被第一鍵槽的螺旋升角確定，第二轉子相對於第一轉子的相位被第二鍵槽確定。因此由於兩個鍵槽具有不同的螺旋升角，因此當主軸處於不同得到位置時，兩個轉子具有不同的相位差。根據轉子的相位差，可以確定主軸的絕對位置。
根據本發明第12個方面，在本發明第10方面確定的絕對位置測量設備中，最好所述第一鍵槽平行於所述主軸的軸線方向被線性設置，第二鍵槽圍繞所述主軸的軸線被螺旋地設置。
利用這種結構，利用線性設置的鍵槽而轉動的第一轉子和利用螺旋設置的鍵槽而轉動的第二轉子具有不同的轉動周期。也就是第一轉子的轉動周期與主軸的相同，第二轉子的轉動周期與第一轉子的轉動周期不同。
由於第一鍵槽被線性設置，第二鍵槽被螺旋地設置，可以獲得與本發明第六方面相同的效果。也就是通過簡單地在主軸上準確地加工出線性鍵槽，實現準確地測量。
根據本發明第13個方面，在本發明第四方面確定的絕對位置測量設備中，最好所述相位信號發源部分包括發射電極，沿所述定子的圓周方向等間距地設置，用於從相位調製器中接收相位信號，該相位調製器產生一固定頻率的基準信號，該信號每360/n偏移(n是一個自然數)；一耦合電極，被設置在所述轉子上，與相應圓周位置上的發射電極靜電耦合；接收電極，被設置在定子上，與所述耦合電極靜電耦合；相位信號處理部分，用於將來自所述接收電極的電信號轉換成轉子的相位。
利用這種結構，相位調製器產生一固定頻率的基準信號，該相位調製後信號被發送到定子的發射電極。由於發射電極在相應的周邊位置與轉子的耦合電極靜電耦合，由於利用基準信號對轉子的轉動相位進行調製，耦合電極上產生電勢。此時出現在耦合電極上的電勢取決於與發射電極的耦合。耦合電極也與定子上的接收電極耦合，接收電極接收到耦合電極上的電勢的變化。接收電極所接收到的電勢變化被發送到相位信號處理部分進行相位處理。檢測與基準信號的偏差，轉子相對於定子的轉動數量作為相對相位被檢測。因此通過比較相對相位，獲得相位差，從而獲得主軸的絕對位置。
圖1是符合本發明一個實施例的絕對位置測量設備的橫截面視圖；圖2A是顯示了本發明實施例內的一定子的視圖；圖2B是顯示了本發明實施例內的一轉子的視圖；圖3是表示本發明實施例中的第一轉子和第二轉子的相位變化的圖表；圖4是顯示本發明實施例內的第一轉子和第二轉子的相位變化以及第一轉子的周期數變化的圖表；圖5是根據本發明實施例內有用的相位信號計算絕對位置的方框圖；圖6是符合本發明第二實施例的絕對位置測量設備的橫截面視圖；圖7A～7D是用於舉例說明在本發明中所使用的第一鍵槽和第二鍵槽的視圖；圖8是本發明的絕對位置測量設備的視圖，其中槽被設置在轉動的圓柱體上；圖9是顯示了在本發明的絕對位置測量設備中根據相位信號計算絕對位置的不同示例的方框圖；圖10是顯示現有技術中相位信號的變化的圖表。
具體實施例方式
下文將結合附圖介紹本發明優選實施例。
(第一實施例)圖1顯示了具有作為本發明一個實施例的絕對位置測量設備的測微頭。
這個測微頭包括一主體1、一作為可運動元件的主軸2、一包含作為相位信號產生部分的旋轉編碼器3A和3B以及一相位調製器的振蕩電路6、算術運算部分7和顯示部分10。
主體1是圓柱形並具有一通孔11，在通孔11一端的內圓周上具有內螺紋12。在通孔11內設置一中間分隔板13，它在通孔11的另一端分隔出一空間。
主軸2上具有與主體1上的內螺紋12嚙合的絲槓21，並在一端配備有旋鈕部分22。如果這個旋鈕部分22轉動，主軸2在軸向方向利用主體1的內螺紋12和絲槓21之間的嚙合向前和向後運動。在整個行程轉動50圈，主軸2向前或向後移動25毫米。也就是每一螺距移動0.5毫米。
主軸2上設置兩個鍵槽23A和23B，其中第一鍵槽23A平行於主軸2的軸線方向線性地設置，第二鍵槽23B設置成螺旋形環繞主軸2。
其中第二鍵槽23B的螺旋升角與第一鍵槽23A的不同，如下文所述，主軸2每轉動一圈，第二鍵槽23B相對於第一鍵槽23A具有7.272度轉動相位差。
設置兩組旋轉編碼器3A和3B，其中包括第一旋轉編碼器3A和第二旋轉編碼器3B。第一旋轉編碼器3A和第二旋轉編碼器3B的結構相同。
也就是說，旋轉編碼器3A和3B包括一固定在主體1上的定子4以及兩個相對於定子4的轉子5A和5B，所述轉子被設置成可以獨立於定子2而轉動。
定子4具有一插入孔41，主軸2通過孔41被插入一個盤的中心，如圖2A所示，定子4還包括以規則間距設置的發射電極42以及一接收電極43，接收電極43象環那樣被設置，沿圓周方向與發射電極42同心。設置兩組發射電極42，每組具有8個電極。相位調製後的信號從相位調製器6被發送到發射電極42，接收電極43向算術運算部分7發送信號。
轉子5A和5B具有通孔51，主軸2通過孔51插入盤中心。此外轉子5A和5B包括彼此相對的耦合電極52，電極52被設置成橫跨定子4的發射電極42和接收電極43，如圖2B所示，並與4個相應的發射電極42靜電耦合。
轉子5A和5B被設置在轉動圓筒54A和54B的外側，可以獨立於主軸2而轉動，如圖1所示，轉動的圓筒體54A和54B具有主軸2可以穿過的插入孔541。圍繞轉動圓筒54A和54B的插入孔541內圓周，設置分別與主軸2的鍵槽23A和23B嚙合的鍵55A和55B。利用主體1的一個腔的另一側的內壁以及分隔板13，迫使轉動圓筒54A和54B靠向定子4。
因此，如果主軸2轉動，利用鍵55A和55B與鍵槽23A和23B之間的嚙合，轉動圓筒54A和54B轉動，轉子5A和5B也同時轉動。
在這個實施例中，在第一旋轉編碼器3A和第二旋轉編碼器3B之間設置一個定子4，如圖1所示，兩個轉子5A和5B設置在定子4的兩側。定子4幾乎被固定在主體1的一個腔的中心。
也就是發射電極42和接收電極43被設置在一個定子4的兩個表面上。第一旋轉編碼器3A由定子4的一個端面4A以及第一轉子5A組成，第二旋轉編碼器3B由定子4的另一個端面4B以及第二轉子5B組成。
此外，第一轉子5A被設置在第一轉動圓筒54A上，第一轉動圓筒54A的第一鍵55A與第一鍵槽23A嚙合。第二轉子5B被設置在第二轉動圓筒54B上，第二轉動圓筒54B的第二鍵55B與第二鍵槽23B嚙合。
在這個實施例中，如果轉子5A和5B轉動半圈(180度)，則獲得一個周期的相位變化。因此，如果主軸2轉動50圈，如上所述，第一轉子5A改變100個周期。因此為了第一轉子5A和第二轉子5B在任何時間都有不同的相位差，在第一轉子5A轉動100個周期時，第二轉子5B必須從99個周期變化到100個周期。因此第二轉子5B可以每99周期(也就是第二轉子轉動49.5圈)產生一360度相位差。如上所述，第二鍵槽23B具有一周期差。
對於第一鍵槽23A來說，主軸2每轉動半圈，出現360(度)÷99(周期)＝3.6363(度/周期)。採用這種方式，設置第一鍵槽23A和第二鍵槽23B，因此如圖3所示，隨著轉子5A和5B相對於定子4的轉動數量的變化，相位θ1和θ2(轉子5A的轉動相位θ1以及轉子5B的轉動相位θ2)被改變。任何時間，轉子5A和5B之間的相位差在主軸2的一可動區域內任一時刻都發生變化，並具有圖4所示的關係。
如圖5所示，振蕩電路6包括用于振蕩出一個固定周期的基準信號的基準信號振蕩器61以及一被用作相位調製器對來自基準信號振蕩器61的基準信號進行相位調製的相位調製發生器62。
相位調製發生器62將來自基準信號振蕩器61的基準信號調製成8相交流信號，相位每隔45°發生一次偏移。該信號被發送到對應於接收電極43的電極。
在這種結構中，如果主軸2轉動，則主軸2沿軸線方向前後運動，轉子5A和5B轉動。因此設置在定子4上的每個發射電極42的電勢被相位調製發生器62調製，從而在發射電極42的靜電耦合的組合的作用下，設置在轉子5A和5B上的耦合電極52的電勢變化。耦合電極52電勢的變化表現為接收電極43的電勢變化。
下文將介紹算術運算部分7，該算術運算部分處理來自編碼器3A和3B的相位信號，從而計算出主軸2的絕對位置。
如圖5所示，算術運算部分7包括相位信號處理部分8和絕對位置計算部分9。
相位處理部分8用於處理起源於第一編碼器3A和第二編碼器3B的相位信號，從而獲得相位差。相位處理部分8包括將來自第一編碼器3A的相位信號輸入的第一積分電路81A和將來自第二編碼器3B的相位信號輸入的第二積分電路81B，相位處理部分8還包括相位比較部分82以及相位差計算部分83。
相位比較部分82將積分電路81A、81B解調後的信號與來自基準信號振蕩器61的基準信號進行比較，從而檢測轉子5A和5B相對於定子4的轉動數量，將其作為相對於基準信號的偏移，並計算第一轉子5A的相位θ1以及第二轉子5B的相位θ2。
相位差計算部分83計算從相位比較部分82獲得的相位θ1和θ2之間的相位差Δθ，並將其發送到絕對位置計算部分9。
絕對位置計算部分9包括一周期相位計算部分91、一周期運動量計算部分92、一相位運動量計算部分93以及一運動量合成部分94。
每次從第一轉子5A和第二轉子5B的相位相匹配的基準點開始，第一轉子5A的相位增加一個周期，周期相位計算部分91分配周期數N，並具有一個相位差周期數表911，如圖4所示，它表示周期數N和相位差Δθ之間的關係。由於在主軸2的不同位置，相位差Δθ不同，所以，在不同的周期數，具有不同的相位差Δθ寬度。即，相位差周期數表911存儲被事先計算的與相位差Δθ對應的周期數，因此當相位差Δθ從k到1度時，周期數是N，當相位差Δθ從m到n度時，周期數是(N+1)，依次類推。
因此在周期相位差計算部分91內，通過查閱相位差周期數表911，根據相位差Δθ，確定出第一轉子5A的唯一的周期數N。然後根據被確定的周期數N，獲得已經經歷N個周期的第一轉子5A與基準點的相位變化量θ1N，即，θ1N＝N×360°。
周期數運動量計算部分92計算主軸2運動到利用周期相位差計算部分91所獲得的相位變化差值θ1N時的運動量D1N。由於主軸2的每周期運動節距為0.25毫米，所以，(從基準點直到周期數N時主軸的運動量D1N)＝0.25×(θ1N÷360)，因此獲得從基準點開始直到N個周期的主軸的運動量D1N。
利用相位比較部分82所獲得的第一轉子5A的相位θ1，相位運動量計算部分93計算主軸運動量D1，即經歷N個周期後又運動了相位θ1後的主軸2的運動量，換句話說，獲得了主軸2轉動相位θ1時主軸的運動量D1。
(當轉動相位θ1時，主軸運動量D1)＝0.25×(θ1÷360)因此獲得當主軸2轉過相位θ1時主軸的運動量D1。
運動量合成部分94分別對利用周期運動量計算部分92和相位運動量計算部分93所獲得的經歷從基準點直到周期數N的主軸運動量D1N以及當轉過相位θ1時的主軸運動量D1進行合成，獲得主軸2距基準點的總運動量D1N。
(主軸2距基準點的總運動量D1A)＝D1N+D1因此獲得主軸2距基準點的總運動量D1A。
運動量合成部分94具有零位調整數據941，預先存儲主軸2的零位調整位置和基準點之間的差。
因此通過從主軸2距基準點的運動量推導出零位調整位置，獲得主軸2的絕對位置。
絕對位置信號被發送到顯示部分10上並在顯示部份上顯示。
因此，如上所述的第一實施例的絕對位置測量設備具有如下效果。
在第一實施例中，利用經過N個周期的第一轉子5A的相位變化量θ1N，獲得轉動了θ1N的主軸2的運動量D1N，利用第一轉子5A的相位信號θ1，獲得主軸2在第一轉子5A的一個周期的運動量D1，因此通過將這兩個運動量相加，獲得主軸2的總運動量D1A。
反映主軸2的絕對位置的相位是第一轉子5A的相位信號，相位差僅被用於計算第一轉子5A的周期數。因此以第二轉子5B的相位檢測精度，誤差寬度只要不引起周期數被錯讀就可以。這樣作的優點是，能夠補償第二鍵槽23B被螺旋設置所引起的困難。
在現有技術中，通過合成從所有非密信號和密信號獲得的數據，獲得可運動元件的絕對位置。因此要求準確地產生非密和密信號，精確加工相位檢測部分，增加了元件的加工難度，導致成本增加。
然而在本實施例中，反映主軸2絕對位置的信號是第一轉子5A的相位信號，因此僅僅需要第一轉子5A精確地產生相位信號。不要求產生第二轉子5B的相位信號以及檢測相位信號的結構的精度，從而可以減少工作步驟，降低成本。
在這個實施例中，用下面方式構成旋轉編碼器3發射電極42和接收電極43被設置在定子4的兩個表面上，第一轉子5A和第二轉子5B面對定子4的兩個表面，因此僅需要一個定子4，因此需要的元件數量更少，成本更低。
(第二實施例)圖6顯示了根據本發明第二實施例的微測頭。
第二實施例的基本元件與第一實施例中的相同，因此用相同的附圖標記表示相同的元件，並省略相同元件的介紹。
第一實施例和第二實施例不同之處在於，它利用兩個定子4。換句話說，第一定子4A被固定在主體1的一個腔的另一側的內壁上，第二定子4B被固定在主體1的分隔板13上。第一轉子5A相對於第一定子4A設置，第二轉子5B相對於第二定子4B設置。因此，第一和第二轉子5A和5B被夾在第一和第二定子4A和4B之間。此外轉動圓筒54A和54B的鍵55A和55B設置成靠得很近。
利用這種結構，兩個轉子5A和5B被相鄰設置。採用這種方式，鍵槽23A和23B在主軸2的一更狹窄的範圍內被加工出。主軸2上加工有絲槓21，但是難以在相同區域加工出絲槓21和鍵槽23A和23B。為了減少測微計體積，非絲槓21的部分被製造得儘可能短。在這個實施例中，在最小區域內加工鍵槽23A和23B，使微測計自身最小化。
本發明的絕對位置測量設備並不局限於上述實施例，在不脫離本發明的精神和實質範圍內可以進行各種修改。
例如鍵槽23A和23B的形狀可以是如圖7A-7D所示形狀。圖7A顯示絲槓21是一個右手螺旋，第二鍵槽23B是右手螺旋，第二鍵槽23B的實線和虛線表示通過轉動而實現的前進(後退)狀態。圖7B、7C和7D，顯示絲槓21是右手螺旋或左手螺旋，第二鍵槽23B是右手螺旋或左手螺旋等各種情況的組合。
在上述實施例中，第一鍵槽23A是直線型的，第二鍵槽23B是螺旋的，但是兩個鍵槽都可以設置成螺旋形的。
在上述實施例中，相位信號處理部分8中，設置有兩個積分電路，包括第一積分電路81A和第二積分電路81B。但是可以僅設置一個積分電路。例如當主軸2停止運動時，首先可以接收來自第一旋轉編碼器3A的信號，然後接收來自第二旋轉編碼器3B的信號。利用一個積分電路，能夠減少元件數量，縮小設備尺寸。
在上述實施例中，在主軸2上設置鍵槽23A和23B，在轉子5A和5B的轉動圓筒54A和54B上設置鍵槽55A和55B。相反，如圖8所示，鍵可以被設置在主軸2上，鍵槽可以被設置在轉動圓筒54A和54B上。
在圖8中，第一轉子5A被獨立於主軸2可轉動地設置，第二轉子5B被獨立於第一轉子5A轉動地設置在第一轉子5A的外側。第一轉子5A具有第一轉動圓筒57A，第二轉子5B具有第二轉動圓筒57B。
主軸2上設置有垂直於主軸2軸線方向的第一鍵24A。第一轉子5A上配備有沿平行於主軸2軸向方向直線延伸的第一鍵槽56A，第二鍵槽24B位於其外側。第二轉動圓筒57B配備有其螺旋升角和第一鍵槽56A不同的第二鍵槽56B。利用這種結構，第一鍵24A與第一鍵槽56A嚙合，第二鍵24B與第二鍵槽56B嚙合。主軸2每轉動一圈，相對於第一鍵槽56A，第二鍵槽56B的轉動相位差為7.272度。
利用這種結構，通過使第一轉子5A和第二轉子5B根據主軸2得轉動而轉動，可以獲得第一轉子5A和第二轉子5B之間的相位差。第一鍵槽56A可以不是線性的，但是其螺旋升角和第二鍵槽56B的螺旋升角不同，在主軸2的不同運動區域具有不同的相位差。
在上述實施例中，設置兩組旋轉編碼器，但是也可以設置三組或更多的旋轉編碼器。如果使用三組或更多的旋轉編碼器，可以獲得不同周期的三個相位信號。如果三個相位信號的相位差值不同，由於在本發明中獲得主軸2的絕對位置，主軸2的可運動區域可以比使用兩組旋轉編碼器時的更長。
主軸2的絲槓12的節距以及第一轉子5A和第二轉子5B的周期並不局限於上述實施例，可以被設置成不同的值。
在上述實施例中，轉動了θ1N的主軸2的運動量D1N從經歷了N個周期的第一轉子5A的相位變化量θ1N中獲得，主軸2在第一轉子5A的一個周期內的運動量D1從第一轉子5A相位信號θ1中獲得，因此通過將這兩個運動量相加，獲得主軸2距基準點的總運動量D1N。然而可以想到使用其它的計算主軸2絕對位置的方法。例如利用合成部分95，經歷N個周期的第一轉子5A的相位變化量θ1N以及第一轉子5A的相位信號θ1可以被相加，從而獲得第一轉子5A距基準點的總相位變化量θ1A，如圖9所示，然後，在相位位置轉換部分96內計算主軸2的位置。
也可以使用上述實施例之外的不同的用於測量周期數的方法。例如在相位計算部分91內，利用關係表達式，周期數N可以從相位差Δθ中被獲得。此外利用關係表達式，無需獲得周期數，可以直接從相位差Δθ中獲得總相位θ1A。
本發明的絕對位置測量設備並不局限於通過轉動使可運動元件運動。例如，可以是卡尺的滑動或千分表的主軸運動。實質上，只要能檢測到與可運動元件的運動量相符的相位差，就適用於本發明的絕對位置測量設備。
用於檢測相位的部分並不局限於靜電電容類型，也可以是光電或磁場類型。
如上所述，利用本發明，絕對位置測量設備可以利用更小的尺寸和簡單結構就可以準確地檢測絕對位置。
權利要求
1.一種絕對位置測量設備，包括一主體；可移動地設置在所述主體內的一可運動元件；一相位信號發源部分，根據所述可運動元件的運動量，用於產生兩個或多個具有不同周期的相位信號；一算術運算部分，用於對所述相位信號進行算術運算，獲得所述可運動元件的絕對位置，所述算術運算部分包括一相位信號處理部分，用於比較所述相位信號，從而獲得所述相位信號之間的相位差，還包括一絕對位置計算部分，用於根據相位信號處理部分所獲得的相位差，計算所述可運動元件的絕對位置，其中，當所述可運動元件在其運動範圍內處於不同位置時，所述兩個或多個相位信號具有不同的相位差。
2.一種根據權利要求1所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述絕對位置計算部分在所述相位差基礎上，計算與任一所述相位信號相對應的、距一基準點的周期數，計算對應於基於所述周期數的相位變化量的所述可運動元件的運動量，計算所述可運動元件對應於任何一個所述相位信號相位變化量的運動量，通過對所述可運動元件基於該周期數的運動量和所述可運動元件對應於任何一個所述相位信號相位變化量的運動量進行合成，計算可運動元件的總運動量，從而計算可運動元件的絕對位置。
3.一種根據權利要求1所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述絕對位置計算部分在所述相位差基礎上，計算與任一所述相位信號相對應的、距一基準點的周期數，根據基於周期數的相位變化量和任一個所述相位信號的相位變化量計算總的相位變化量，在總相位變化量的基礎上，計算可運動元件的絕對位置。
4.一種根據權利要求1所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述主運動元件是一個通過轉動能夠沿軸線方向向前或向後運動的主軸，所述相位信號發源部分包括兩組旋轉編碼器，所述旋轉編碼器具有固定在所述主體上的定子以及面對所述定子的轉子，所述轉子與所述主軸的轉動相關聯地轉動設置，其中，所述兩組轉子具有不同的轉動周期，在所述主軸的可運動區域內，當所述主軸處於不同的位置時，具有不同的相位差。
5.一種根據權利要求4所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述主軸可轉動地、獨立地穿過所述轉子的轉動中心，在所述主軸的外表面上設置有兩個鍵槽，所述轉子上配置有與所述鍵槽嚙合的鍵，所述兩個鍵槽設置成使所述兩個轉子具有不同的轉動周期，並且在所述主軸的可運動區域內，在所述主軸的不同位置，具有不同的相位差。
6.一種根據權利要求5所述絕對位置測量設備，其特徵在於在所述主軸的軸線方向，所述兩個鍵槽具有不同的螺旋升角。
7.一種根據權利要求5所述絕對位置測量設備，其特徵在於兩個鍵槽中一個鍵槽平行於所述主軸的軸線方向被線性設置，另一個鍵槽圍繞所述主軸的軸線被螺旋地設置。
8.一種根據權利要求6所述絕對位置測量設備，其特徵在於兩個鍵槽中一個鍵槽平行於所述主軸的軸線方向被線性設置，另一個鍵槽圍繞所述主軸的軸線被螺旋地設置。
9.一種根據權利要求4所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述兩組旋轉編碼器包括一公用定子和夾著所述定子的兩個轉子。
10.一種根據權利要求4所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述兩組旋轉編碼器包括兩個定子和位於所述兩個定子之間的兩個轉子。
11.一種根據權利要求4所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述兩個轉子包括第一轉子和第二轉子，所述主軸獨立地可轉動地穿過第一轉子和第二轉子的轉動中心，在所述主軸的外表面上設置有一第一鍵，所述第一轉子具有與所述第一鍵嚙合的第一鍵槽和在所述第一轉子外表面上設置的第二鍵，所述第二轉子具有與所述第二鍵嚙合的第二鍵槽，其中所述兩個鍵槽被如此設置，從而兩個轉子具有不同的轉動周期，在所述主軸的可運動區域內，在所述主軸的不同位置，具有不同的相位差。
12.一種根據權利要求11所述絕對位置測量設備，其特徵在於在所述主軸的軸線方向，所述第一鍵槽和第二鍵槽具有不同的螺旋升角。
13.一種根據權利要求11所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述第一鍵槽平行於所述主軸的軸線方向被線性設置，第二鍵槽圍繞所述主軸的軸線被螺旋地設置。
14.一種根據權利要求12所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述第一鍵槽平行於所述主軸的軸線方向被線性設置，第二鍵槽圍繞所述主軸的軸線被螺旋地設置。
15.一種根據權利要求4所述絕對位置測量設備，其特徵在於所述相位信號發源部分包括發射電極，沿所述定子的圓周方向等間距地設置，用於從一相位調製器中接收相位信號，該相位調製器產生一固定頻率的基準信號，該信號每隔360/n被進行一次偏移，n是一個自然數；一耦合電極，設置在所述轉子中，與相應圓周位置上的發射電極靜電耦合；一接收電極，設置在定子中，與所述耦合電極靜電耦合；和一相位信號處理部分，用於將來自所述接收電極的電信號轉換成轉子的轉動相位。
全文摘要
一種絕對位置測量設備，包括一主體、可移動地設置在所述主體內的主軸、兩組旋轉編碼器、一算術運算部分和一顯示部分。該轉動編碼器產生兩個對應於主軸運動量的、周期不同的相位信號。算術運算部分對所述相位信號進行算術運算，獲得主軸的絕對位置。顯示部分採用數字模式顯示該絕對位置。在主軸的不同位置，兩組相位信號具有不同的相位差。所述算術運算部分包括一相位信號處理部分，用於比較兩組相位信號，從而獲得不同相位信號之間的相位差，用於計算主軸絕對位置的絕對位置計算部分根據相位信號處理部分所獲得的相位差計算所述可運動元件的絕對位置。
文檔編號G01D5/249GK1432792SQ0310387
公開日2003年7月30日 申請日期2003年1月11日 優先權日2002年1月11日
發明者佐佐木康二 申請人:三豐株式會社