CN1826509A - 用于标尺标记的读出器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于度量衡学标尺或编码器(10)的参考标记检测器，所述度量衡学标尺或编码器具有可相对于所述参考标记检测器移动的模式化参考标记rm。所述检测器可以包含用于检测模式化参考标记的光电检测器阵列(20)，所述阵列至少包含A和B两组检测器元件，每组被组成为与模式化参考标记相关的模式。两组可以分成不同行的光电检测器或是光电检测器的相同行中的不同元件。所述模式优选的是不规律的。

Description

用于标尺标记的读出器
技术领域
本发明涉及用于检测参考标记或类似物的检测器，尤其(但非排他的)是在使用度量衡学的标尺或编码器和读出器实施测量期间。
背景技术
参考标记的检测曾在我们之前的专利公开No.PCT/GB02/00638中披露，该专利中所披露的内容通过参考结合于此。
参考标记允许读出器发现它的位置并且通常被分别提供给周期性的标尺标记，该周期性的标尺标记提供增量信号给读出器，用于确定位移量。参考标记能够是可被读出器识别的任何东西。在实践中，因为模式(pattern)制造简单，并且由于产生较少的错误读数而更加可靠，因此它被使用。当模式被使用时，读出器将会有一个类似的模式，从而，当标记和读出器对准时，读出器将提供一个更强的信号。
将参考标记和标尺标记结合的情况已在商业上被使用。在这种实例中，参考标记可以由缺少位(missing bits)的标尺的模式构成。来自周期性的标尺的增量信号在足够大的标尺的一部分上被读出，以补偿标尺的缺少位。
众所周知，为了提高精确度，标尺读出器使用两个检测器(例如光敏二极管，通常被称为分离检测器)去读一个标尺。所述两个光敏二极管一个相对于另一个在测量方向上有少量的偏移量。当使用这种配置时，一个光敏二极管的输出滞后(或超前)于另一个。一种众所周知的技术是从两个光敏二极管产生一个零交叉输出(在下面详细说明)，这提高了检测精确度。
发明内容
本发明提供一种用于度量衡学标尺或编码器的参考标记检测器，该度量衡学标尺或编码器具有可相对于所述参考标记检测器移动的模式化参考标记。所述检测器包含用于检测模式化参考标记的检测器阵列，所述检测器阵列包含至少两组检测器元件，每一组被组成为与所述模式化参考标记相关的模式。
优选地，每一组的每个元件有一个输出，来自一组中每个元件的每个输出与同一组中的其他元件进行求和，并且从来自第一组的和值输出中减去来自第二组的和值输出。
更优地，所述第一和第二组检测器的模式是不规律的。
优选地，所述检测器阵列包含两个元件行，第一行包含第一组检测器元件，第二行包含第二组检测器元件。
更优地，在使用中，在参考标记检测器相对于参考标记的移动方向上，第一行相对于第二行被偏移。
作为替换，所述检测器阵列包含一个单独的行，第一组检测器元件和第二组检测器元件包含该行中的检测器元件。
优选地，当参考标记在第一位置被检测时，第一组检测器元件被连接到一起以提供一个确切的(distinct)输出，并且当参考标记在与第一位置不同的位置被检测时，第二组被连接到一起以提供一个确切的输出。
更优地，所述第一和第二组检测器元件的位置与表达表(notionaltable)中的位置相应，所述表的第一行包含与所述参考标记的模式相应的高或低的值，所述表的第二行包含同样的值，但在行的方向上，第二行的值相对于第一行的值在表中的位置被偏移，来自第二行的每个值被第一行中直接位于该第二行的值之上的值减去，以对表中的每一个位置形成一个结果，在表中的每个结果的正高值的位置表示第一组检测器元件的位置，表中每个结果的负高值的位置表示第二组检测器元件的位置。
输出的求和以及和值的相减可以以数字形式完成。
此外，本发明还提供一种度量衡学标尺或编码器，其具有：周期性标记，用于增量测量操作；标尺读出器，用于通过读取所述周期性标记来确定所述读出器相对于所述标尺的位移。所述标尺包括模式化参考标记，所述标尺读出器包括包含检测器阵列的参考标记检测器，所述阵列包含至少两组检测器元件，每一组具有分别处理的输出，并且包含当所述参考标记被参考标记检测器检测时用于从所述元件的输出产生信号的装置，该信号具有与零相交的值。
优选地，所述用于产生信号的装置包括对在所述至少两组的第一组中的每个元件的输出进行求和以产生第一和值输出，以及对所述至少两组的第二组的输出进行求和以产生第二和值输出，然后，从第一和值输出减去第二和值输出。
所述阵列可以组成为至少两行，并且所述组中的第一组可以包括在所述行中的一行中，第二组可以包括在所述两行的另一行中。
作为替换，所述阵列可以组成为一个单独的行，并且第一和第二组元件可以包含在该单独的行中。
优选地，所述参考标记包含缺少的位或添加到所述标尺或编码器的周期性标记的位。
因此，本发明的实施例提供了一种参考标记读出器，其具有单独的模式化检测器元件阵列和当参考标记被检测时的零交叉输出。以这种方式，能从单行检测器获得零交叉输出。
上述检测器可以是光敏二极管或光敏二极管集成块。可以使用差值放大器将和值输出相减。
附图说明
下面将通过实例并参考附图对本发明的实施例进行具体描述，附图中：
图1a和b表示本发明的一种参考标记读出器的布置；
图2a、b和c表示本发明的另一种参考标记读出器的布置；
图3表示图2a、b和c所示的读出器中使用的部件的电路原理图；
图4、5、6和7表示替代的参考标记读出器的布置。
具体实施方式
图1a示出了参考标记读出器20以及结合在增量标尺10中的参考标记rm的新颖布置。
在这种布置中，标尺10有透光区域12和不透光区域14交替的周期性标记，例如，玻璃上铬膜(chrome on glass)。利用与参考标记检测器20相邻的常规的读出器(未示出)，以常规的方法使用这些标记来产生位移指示信号。在这种布置中，标尺能够沿着箭头X的方向移动，并且在实际中，它也能够向相反方向移动。为了简明，仅对在X方向的移动进行了描述。
结合到周期性标尺标记12和14中的是参考标记rm。在本例中，该标记是7个周期长。所述参考标记能够从增量标尺完全分开，在这种情况下，能够使用任何大小或形状的模式。参考标记读出器20有一个点光源22，来自点光源22的光穿过透光区域12传播并到达检测器的行A和B上。检测器的每一行由7个光敏二极管元件1-7构成。当所述标尺相对于检测器移动时，光通常以极小的影响落在检测器元件上。所使用的检测器元件与参考标记rm的模式有关。参考标记rm具有模式1100101，在此，“1”表示透光区域12，“0”表示不透光区域14。因此，每一行只有检测器1、2、5和7被监测，它们对应当参考标记1100101与由那些被监测的检测器形成的相应模式相符时被照亮的检测器元件。
当参考标记与每一检测器元件相符时，而不是大量无效地光落在那些检测器上，每一检测器被完全照亮并在输出VA和VB产生一个突然地增量。
在本例中，检测器的行A和B被错开一个检测器元件的宽度排列，因此信号峰值VA和VB也是错开的。为提高精确度，在差值放大器24将信号VB从信号VA减去，以提供一个总的输出信号VOUT。注意，VOUT在一个确切的点与零相交，并且该零交叉点能够用于提供精确的位置信息。
在该实施例中，可以把一个掩模放置在检测器元件之上，并且所有检测器都能够被监测。这种变型将获得与附图中的布置一样的结果。作为替换，未监测的检测器3、4和6能够全部忽略。
尽管图1a和1b中所示的布置是令人满意的，但该布置能够被改良。图2a、b和c举例说明了本发明一个改良的实例。
在图2a、b和c中使用的部件与图1a和1b中的类似，但是，在图2a、b和c中只使用一行检测器20’。参考标记1100101被再次使用，但布置和监测相应检测器元件的方式是不同的。参考标记模式写入在图2c中表的第二行。在该表的下一行相同的模式被向左偏移一个位置(该模式能够偏移一个位置以上并且能够向右偏移)。每次同一列的两行相减并且在最底下的行给出结果。该结果指示了检测器元件的模式。现在，在最底行的“1”值指示相应的检测器元件(即元件3、6和8)连接到输出A，在该行的“-1”值指示相应的检测器元件(即元件1、5和7)连接到输出B。当1100101参考标记被检测时，这些连接的输出结果是输出VA和VB。当输出相减时，再次获得与零相交的信号VOUT。在该方式中，所述检测器元件模式与所述参考标记模式相关。
在本读出器的实例中，由于使用只有一个单行的检测器，因此该读出器不易受偏差未对准的影响，并且制造成本更低廉。
图3示出处理来自图2a和b的检测器20’的信号的方式的简化电路原理图。同样的方案也适用于图1a和b所示的布置。检测器元件以光电检测器二极管D1-D8的形式示出。为把电流输出转换成电压VA，二极管D3、D6和D8被连接到放大器26A的输入端。类似地，二极管D1、D5和D7被连接到放大器26B。所述放大器26A和26B的输出连接到差值放大器24的输入端，差值放大器24从VA减去VB以产生输出信号VOUT。在本例中，二极管D2和D4没有使用，并连接到0V，但通过比较来自每一(或任何)未使用元件的信号，可以使用它们来判定参考标记的位置。
在本例中，VOUT信号的振幅被用于激活更深层次的电路(未示出)，当VOUT与零相交时该电路产生一个信号。
除差值放大器24之外，还示出了和值放大器28。该放大器将电压VA和VB相加产生电压VCOUT。当所有单独的光敏二极管被照亮时，即，当检测器遇到全部为“1”的块时(在本例中)，VA和VB将处于最大值。VCOUT能够用于检测在标尺上的控制标记，例如终点挡板。其他的VCOUT的值，例如零、最大值的1/2、3/4能够被用于指示其他控制标记。
图4示出一个用于处理由检测器20’产生的信号的替代布置。电压信号VA和VB被馈送给两个单独的模数转换器(A-D)30A和30B。这些转换器A-D又馈送给微处理器34，微处理器34提供参考脉冲输出。所述微处理器可以用于在不需要A-D 30A和30B的情况下，把电压信号VA和VB转换成数字形式。在进一步的变型中(未示出)，每个检测器元件可以直接连接到微处理器，这样，每个元件的每个输出可以被单独处理，例如，适当地进行求和或根据算法进行处理。为了得到零交叉点并由此从读出器得到精确的位置数据，必需使来自通道A和B的信号平衡。
图5、6和7示出检测器20和标尺10的替代配置。在图5中，使用一个能够反射的标尺10，并且光源22与检测器块20在同一侧面。所述参考标记能够反射并且标尺的背景不反射，或反之亦然。所述光源22能够在块20的中部。
图6示出一个平行光束光源，其产生通过标尺10上的透明参考标记的光。图7示出一个漫射光源28，其产生光，所述光通过标尺10上的参考标记以及成像装置，例如针孔、缝隙或透镜26。所述光从所述成像装置传播到检测器20。
在图5、6和7中，可以使用与上面所描述的同样的检测器布置。
对所描述和举例说明的实例的许多修改和变型将是显而易见的。举例说明了与增量标尺结合为一体的参考标记。然而，分开的参考标记可以被提供，并且不需用增量标尺来使用本发明，这是可能的。可以标尺是固定的，而读出器被移动，或反之亦然。两者可以相对于彼此移动。关于光和光源描述了本发明。所述光可以是：点光源，例如激光器二极管；面光源，例如LED；漫射光，例如LED阵列或自然光。所使用的光可以会聚于一点、发散、平行或漫射。所述光可以是不可见的，它可以是红外线或电磁波谱的其他部分。本发明能够使用光检测器之外的其他形式的检测器，例如，可以采用使用磁性参考标记的磁性检测器。模式为1100101的模式化参考标记被举例说明，然而，任何可识别模式都能够被使用。在其上构成模式的标尺不需以直线方式延伸，如已示出的，而能够是旋转的或弓形的标尺(编码器)或两维空间的标尺，例如坐标网格。在实际中，表示一个标记的能透射/能反射和不能透射/不能反射部分的“1”和“0”的24位序列被证明是令人满意的。象这样一个序列的例子是110101010110100100110011。

Claims (14)

1.一种用于度量衡学标尺或编码器的参考标记检测器，所述度量衡学标尺或编码器具有可相对于所述参考标记检测器移动的模式化参考标记，所述检测器包含用于检测所述模式化参考标记的检测器阵列，所述检测器阵列包含至少两组检测器元件，每一组被组成为与所述参考标记的模式相关的模式。
2.如权利要求1所述的参考标记检测器，其中，每一组的每个元件有一个输出，来自一组中每个元件的每个输出与同一组中的其他元件进行求和，并且从来自第一组的和值输出中减去来自第二组的和值输出。
3.如权利要求2所述的参考标记检测器，其中，所述第一和第二组检测器的模式是不规则的。
4.如权利要求1至3任一项所述的参考标记检测器，其中，所述检测器阵列包含两个元件行，第一行包含第一组检测器元件，第二行包含第二组检测器元件。
5.如权利要求4所述的参考标记检测器，其中，在使用中，在参考标记检测器相对于参考标记的移动方向上，第一行相对于第二行被偏移。
6.如权利要求1、2或3任一项所述的参考标记检测器，其中，所述检测器阵列包含一个单独的行，第一组检测器元件和第二组检测器元件包含该行中的检测器元件。
7.如权利要求6所述的参考标记检测器，其中，当所述参考标记在第一位置被检测时，第一组检测器元件被连接到一起以提供一个确切的输出，并且当所述参考标记在与第一位置不同的位置被检测时，第二组被连接到一起以提供一个确切的输出。
8.如权利要求7所述的参考标记检测器，其中，所述第一和第二组检测器元件的位置与表达表中的位置相应，所述表的第一行包含与所述参考标记的模式相应的高或低的值，所述表的第二行包含同样的值，在行的方向上，第二行的值相对于第一行的值在表中的位置被偏移，来自第二行的每个值被第一行中直接位于该第二行的值之上的值减去，以对表中的每一个位置形成一个结果，在表中的每个结果的正高值的位置表示第一组检测器元件的位置，表中每个结果的负高值的位置表示第二组检测器元件的位置。
9.如权利要求3至8任一项所述的参考标记检测器，当从属于权利要求2时，所述输出的求和以及和值的相减是以数字形式完成的。
10.一种度量衡学标尺或编码器，其具有：周期性标记，用于增量测量操作，以及标尺读出器，用于通过读取所述周期性标记来确定所述读出器相对于所述标尺的位移，所述标尺包括模式化参考标记，所述标尺读出器包括包含检测器阵列的参考标记检测器，所述阵列包含至少两组检测器元件，每一组具有分别处理的输出，并且包含当所述参考标记被参考标记检测器检测时用于从所述元件的输出产生信号的装置，该信号具有与零相交的值。
11.如权利要求10所述的度量衡学标尺或编码器，其中，所述产生信号的装置包括对在所述至少两组的第一组中的每个元件的输出进行求和以产生第一和值输出，以及对所述至少两组的第二组的输出进行求和以产生第二和值输出，然后，从第一和值输出减去第二和值输出。
12.如权利要求10所述的度量衡学标尺或编码器，其中，所述阵列形成为至少两行，并且所述组中的第一组包括在所述行的一行中，第二组包括在所述两行的另一行中。
13.如权利要求10所述的度量衡学标尺或编码器，其中，所述阵列形成为一个单独的行，并且第一和第二组元件包含在该单独的行中。
14.如权利要求10至13任一项所述的度量衡学标尺或编码器，其中，所述参考标记包含缺少的位或添加到所述标尺或编码器的周期性标记的位。
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