位置检测装置、透镜装置、摄像系统和机床装置制造方法
【专利摘要】公开了位置检测装置、透镜装置、摄像系统和机床装置。位置检测装置（100）包括：刻度盘（10），包括在以预定点为中心的圆上沿着圆周周期性形成的图案；传感器单元（20），相对于刻度盘（10）能相对移动；以及信号处理器（40），处理传感器单元（20）的输出信号以获得被检物的位置信息，并且，传感器单元（20）包括第一检测器（21）和第二检测器（22），并且信号处理器（40）基于从第一检测器（21）输出的第一检测信号和从第二检测器（22）输出的第二检测信号来减小位置信息中包含的因刻度盘（10）的旋转中心与所述预定点之间的差异所致的误差成分。
【专利说明】位置检测装置、透镜装置、摄像系统和机床装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及检测位置的位置检测装置(编码器)。
【背景技术】
[0002]传统上，旋转编码器(位置检测装置)是已知的，其通过读取附着于被检物的旋转轴并被配置成与被检物的旋转相应地旋转的刻度盘(scale)的预定图案来检测被检物的位置(旋转位移)。在旋转编码器中，当刻度盘的旋转中心和图案中心相互偏移时，具有以每旋转为一周期的正弦波的特性的周期性误差(偏心误差)发生。
[0003]日本专利特开(“JP”)6-58771号公报公开了一种位置检测装置，其包括布置在相对于旋转轴彼此相差180度的位置处的两个传感器，并且通过对从两个传感器获得的信号取平均来校正偏心误差。
[0004]JP6-58771中公开的位置检测装置可校正偏心误差以提高检测精度。然而，其要求两个传感器布置在相对于旋转轴彼此偏移180度的位置处。这导致了传感器的保持构件的大小的增大，这妨碍了位置检测装置的小型化。
【发明内容】
[0005]本发明提供了小型高精度位置检测装置、透镜装置、摄像系统和机床装置(machine tool apparatus)0
[0006]作为本发明的一个方面的一种位置检测装置被配置成检测被检物的位置，并且包括:刻度盘，包括在以预定点为中心的圆上沿着圆周周期性形成的图案，该刻度盘被配置成根据被检物的位移而旋转；传感器单元，相对于刻度盘能相对移动；以及信号处理器，被配置成处理传感器单元的输出信号以获得被检物的位置信息，传感器单元包括:第一检测器，被配置成检测在开始于刻度盘的所述预定点的半直线上的径向上与所述预定点相距第一距离的第一区域中形成的第一部分图案；以及第二检测器，被配置成检测在与所述预定点相距第二距离的第二区域中形成的第二部分图案，第二距离不同于第一距离，并且信号处理器被配置成基于从第一检测器输出的第一检测信号和从第二检测器输出的第二检测信号来减小位置信息中包含的因刻度盘的旋转中心与所述预定点之间的差异所致的误差成分。
[0007]作为本发明的另一方面的一种透镜装置包括在光轴方向上能移位的透镜，以及所述位置检测装置。
[0008]作为本发明的另一方面的一种摄像系统包括所述透镜装置和摄像装置，所述摄像装置包括被配置成对经由透镜形成的光学图像执行光电转换的摄像元件。
[0009]作为本发明的另一方面的一种机床装置包括:机床，包括机械手臂和被配置成输送待组装的对象物的输送机中的至少一者；以及被配置成检测机床的位置和姿势中的至少一者的所述位置检测装置。
[0010]通过以下参照附图对示范性实施例的描述，本发明的更多特征和方面将变得清/E.ο
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是第一实施例中的编码器(位置检测装置)的示意性配置图。
[0012]图2是示出第一实施例中的编码器的截面(传感器与刻度盘之间的位置关系)的图。
[0013]图3Α和3Β是第一实施例和第三实施例中的光接收部的配置图。
[0014]图4是第一实施例中的信号处理器的框图。
[0015]图5是第一实施例中的刻度盘的旋转角度与误差的关系图。
[0016]图6是示出第一实施例中的传感器与刻度盘之间的位置关系的图。
[0017]图7是第一实施例中的刻度盘的旋转角度与误差的关系图。
[0018]图8是第二实施例中的信号处理器的框图。
[0019]图9是第三实施例中的编码器(位置检测装置)的示意性配置图。
[0020]图10是第三实施例中的信号处理器的框图。
[0021]图1lA至IlD是第三实施例中的刻度盘的旋转角度与误差的关系图。
[0022]图12是第四实施例中的摄像装置(摄像系统)的示意性配置图。
【具体实施方式】
[0023]下面将参考附图描述本发明的示范性实施例。在附图中，将用相同的标号来指示相同的元素并且将省略对其的描述。
[0024](第一实施例)
[0025]首先，参考图1和图2，将描述本发明的第一实施例中的编码器(位置检测装置)。图1是第一实施例中的编码器100的示意性配置图。图2是示出编码器100的截面(传感器与刻度盘之间的位置关系)的图。编码器100是检测被检物的位置(位移)的位置检测装置，并且尤其是反射型光学增量编码器。
[0026]如图1所示，编码器100包括刻度盘10、传感器20和信号处理器40。刻度盘10包括在以预定点(图案中心或刻度盘10的旋转中心)为中心的圆上沿着圆周周期性形成的图案，并且刻度盘10伴随着被检物的位移而旋转。刻度盘10附着于旋转轴30 (待测物的旋转轴)。传感器20 (传感器单元)附着于固定构件(图中未示出)，并且相对于刻度盘10能相对移动。这种配置使得传感器20能够检测旋转轴30的旋转角度(刻度盘10与传感器20之间的相对角度)。
[0027]在刻度盘10上，形成具有反射部(图1中的黑色部分)和非反射部(图1中的白色部分)的轨道11 (图案)。如图2所示，传感器20包括两个光接收部21和22和光源23。图2示出了从与旋转轴30垂直的方向看来刻度盘10与传感器20之间的位置关系。从光源23发出的光被轨道11的反射部反射，然后到达光接收部21 (第一检测器)和光接收部22 (第二检测器)。
[0028]从光源23到光接收部21和22的路径中的光到达轨道11的位置是轨道11上的读取位置。以下，从轨道11的图案中心O到轨道11的读取位置的长度(距离)被称为“检测半径”。如图2所示，从光源23到光接收部21和22的路径的检测半径，即开始于刻度盘10的预定点(图案中心O)的半直线上的径向半径(距离)，分别由符号rl和r2表示。如上所述，此实施例的传感器20 (传感器单元)包括光接收部21 (第一检测器)，该光接收部21被配置成检测在开始于轨道11的预定点的半直线上的径向上与图案中心O相距第一距离(半径rl)的区域(第一区域)中形成的图案(第一部分图案)。传感器20还包括光接收部22，该光接收部22被配置成检测在与图案中心O相距第二距离(半径r2)的区域(第二区域)中形成的图案(第二部分图案)，其中第二距离(半径r2)不同于第一距离(半径rl )。
[0029]光接收部21和22中的每一个包括排列在长度测量方向(与图2的纸面正交的方向)上的多个光接收元件。刻度盘10和传感器20之间的相对位置的位移使得每个光接收元件反射的光的强度依据位移量而改变。传感器20对于光接收部21和22中的每一个把各反射光中的每一个的强度作为两相位伪正弦信号输出。
[0030]图3B是光接收部21和22的示意性配置图。在此实施例中，如图3B所示，光接收元件的每四个相邻输出被分类成A(+)、B(+)、A(_)和B(-)这四种类型。基于表达式A=A(+)-A(-)和B=B(+)-B(-)，输出两相位伪正弦信号A和B。在轨道11的图案周期是λ并且每个光接收元件在角度检测方向(长度测量方向)上的宽度是d的情况下，满足2 λ ^ 4d的关系，因为轨道11的图案的图像在每个光接收元件上被放大两倍。
[0031]随后，参考图4，将描述此实施例中的信号处理器40。图4是信号处理器40的框图。信号处理器40处理传感器20的输出信号以获得被检物的位置信息。此外，如后文所述，信号处理器40被配置成基于从光接收部21 (第一检测器)输出的第一检测信号和从光接收部22 (第二检测器)输出的第二检测信号来减小被检物的位置信息中包含的刻度盘10的偏心误差(由于偏心引起的误差)。在此实施例中，“偏心误差”指的是刻度盘10的预定点(图案中心O)与旋转中心之间的差异(位置的差异)，也就是说，当刻度盘10的预定点与旋转中心之间存在位移( 偏心)时生成的误差。虽然此实施例中利用“虚拟地减小偏心误差”这个表述来给出描述，但信号处理器40不实际减小偏心误差，而是减小由位置信息中包含的偏心误差生成的误差成分。结果，获得如下效果:可以获得与在减小(或消除)偏心误差的情况下执行位置检测时获得的相同或相似的位置信息。
[0032]如图4所示，信号处理器40包括A/D转换器41、相位检测处理单元42、角度检测处理单元43、偏心检测处理单元44和角度校正处理单元45。在此配置中，信号处理器40基于传感器20的输出信号检测已被校正了偏心误差的角度(位移)。
[0033]随后，将描述信号处理器40的角度检测操作。首先，A/D转换器41对与光接收部21和22相对应的两对两相位正弦信号(模拟信号)采样以将它们转换成数字信号。然后，相位检测处理单元42对于经采样的两对两相位正弦信号(数字信号)执行反正切计算以确定相位。由于两相位正弦信号相当于正弦信号“sin”和余弦信号“cos”，所以可通过执行反正切计算来确定相位。以下将在把与光接收部21和22相对应的相位(第一检测信号和第二检测信号)分别表示为Θ I和Θ 2的情况下给出描述。
[0034]角度检测处理单元43 (位置检测处理单元)基于由相位检测处理单元42确定的相位ΘI来检测角度。相位ΘI对于轨道11的每一对反射部和非反射部从O连续变化到2 π，然后紧接在角度检测处理单元43开始从随后一对反射部和非反射部读取信号之前从2π转变到O。角度检测处理单元43通过检测该转变来计算相位变化量(相移量)以基于相位变化量来确定角度。
[0035]例如，将描述如下情况:轨道11在360度中具有90个周期，也就是说，相位2 π的偏移相当于4度。在此情况下，假定π/2的初始相位在其在角度增大的方向上转变两个周期之后变成3 π /2，总共5 π的相位变化发生，从而通过将相位转换成角度可以确定该相位变化相当于20度的角度。更概括地说，可通过以固定的间隔检测相位，然后累积最新相位与紧接在检测最新相位之前检测的相位之间的差异，来确定相位变化量。在第i次检测相位0i时观察到的相位变化量s (i)作为直到该次为止的相位变化量由以下表达式(I)表示，其中满足S(O)=O和Θ (O)=O的关系，并且符号i表示自然数。
[0036]s (i) =s (i_l) + ( Θ (i)- Θ (i_l))…⑴
[0037]然后，角度检测处理单元43依据轨道11的周期将相位变化量s (i)转换成角度(位置)。在符号k表示轨道11的周期与角度的比率的情况下，角度被表示为k.s(i)。如上所述，角度检测处理单元43 (位置检测处理单元)基于从光接收部21输出的第一检测信号来获得被检物的位置信息。
[0038]偏心检测处理单元44 (偏心误差计算单元)利用检测半径rl和r2以及相位Θ I和Θ 2来计算相位Θ I中包含的误差el。现在参考图5，将对与光接收部21和22相对应的检测角度中包含的误差给予描述，其中ε表示偏心量。图5是刻度盘10的旋转角度与误差的关系图。在图5中，点线(A)指示由光接收部21获得的角度中包含的误差，实线(B)指示由光接收部22获得的角度中包含的误差。虚线(C)指示点线(A)与实线(B)之间的差巳升。
[0039]在此实施例中，与光接收部21和22相对应的半径(检测半径)分别是rl和r2。对于光接收部21和22，轨道11上的读取位置的角度以旋转轴30为基准彼此相等。从而，由光接收部21和22引起的检测误差的最大值分别是ε/rl和ε/r2。旋转角度与检测误差之间的关系包括对于刻度盘10的一次旋转在一个周期内具有相同相位的误差轮廓(profile)。在当检测半径为r并且偏心率为ε时检测角度中包含的误差是e的情况下，误差e由以下表达式(2)表不。在表达式(2)中,符号α是常数。
[0040]e=( ε /r).sin ( θ + α )…⑵
[0041]图5中的虚线(C)指示的差异可通过确定两个误差之间的差异，也就是分别与光接收部21和22相对应的相位Θ I与相位Θ 2之间的差异Θ 1- Θ 2来获得。在此情况下，利用表达式(2)由以下的表达式(3)来表示差异Θ1-Θ2。
[0042]Θ 1- Θ 2= ( ε /rl- ε /r2).sin ( θ + α )...⑶
[0043]虚线(C)指示的差异还具有如下误差轮廓:其相位与点线(A)和点线(B)的每一个的相位相同，并且其振幅与点线(A)和点线(B)的每一个的振幅不同。点线(A)指示的振幅与点线(B)指示的振幅的比率仅取决于检测半径rl和r2。因此，可如以下表达式(4)所表示那样计算误差el (偏心误差)。
[0044]el=( ε /rl).sin (θ+α) = (θ 1-Θ2).(r2/ (r2~rl))...(4)
[0045]如上所述，偏心检测处理单元44 (偏心误差计算单元)基于从光接收部21输出的第一检测信号、从光接收部22输出的第二检测信号、半径rl (第一距离)和半径r2 (第二距离)来计算偏心误差。
[0046]角度校正处理单元45 (位置校正单元)从由角度检测处理单元43确定的角度k*s(i)中减去由偏心检测处理单元44确定的误差el以确定校正角度(已被减小了偏心误差的角度)。换言之，角度校正处理单元45 (位置校正单元)从由角度检测处理单元43获得的位置信息中减去由偏心检测处理单元44计算出的偏心误差来获得校正位置信息。结果，此实施例的信号处理器40可减小误差(偏心误差)从而以更高精度检测角度。
[0047]虽然在此实施例中，光接收部21和22在轨道11上的读取位置的角度相对于旋转轴30是彼此相等的，但本实施例不限于此。即使当光接收部21和22在轨道11上的读取位置彼此不同时(即使当角度彼此不同时)，也可以指定由相对于偏心的检测角度之间的相对位移量引起的由光接收部21检测到的旋转角度与由光接收部22检测到的旋转角度之间的相对偏量。因此，即使在此情况下也可以执行偏心误差校正。
[0048]例如，将描述如下情况:如图6所示，刻度盘10和传感器20之间相对于与旋转轴30平行地通过光源23的轴有旋转倾斜(当在刻度盘10与传感器20之间有角度差异φ时)。在此情况下，与光接收部21和22相对应的读取位置与在其不具有旋转倾斜时出现的那些相比有偏移。
[0049]图7是当存在如图6所示的旋转倾斜时观察到的刻度盘10的旋转角度与误差的关系图。在图7中，点线(A)指示由光接收部21获得的检测角度中包含的误差，并且点线(B)指示由光接收部22获得的检测角度中包含的误差。如图7所示，相位Θ1和Θ2的误差轮廓分别包含与读取位置在圆周方向(长度测量方向)上的偏移量相对应的偏量Cl和c2。在φ是与光接收部21和22相对应的读取位置之间的角度差异的情况下，满足关系(p=cl-c2。与表达式(2)的情况一样,相位Θ1和Θ 2的误差轮廓由以下表达式(5)和(6)表不。
[0050]( ε /rl).sin( θ + α I) +cl...(5)
[0051]( ε /r2).sin ( θ + a 2)+c2...(6)
[0052]在表达式(5)和(6)中，由于由传感器20的倾斜引起的圆周方向上的检测位置的偏移量与检测旋转角度相比足够小，所以满足关系α?~α2。因此，如以下表达式(7)所表示那样来近似相位Θ I和Θ 2之间的差异Θ 1- Θ 2。与光接收部21相对应的相位误差可通过以下表达式(8)来确定。
[0053]
Θ1-Θ2~(ε/r1-ε/r2)*sin(0+al)+9...(7)
[0054]
(￡/rl).sin(0+a)=(01-02-tp).(r2/(r2-rl))...(8)
[0055]如果在刻度盘10和传感器20之间有对齐误差，则作为表达式(7)的最大值和最小值的平均值的项(角度差异φ)具有不是零的值。在此实施例中，对这个量(角度差异φ)的确定允许检测并校正( 减小)读取位置的偏移量，也就是对齐偏移。如上所述，信号处理器40还能够减小在长度测量方向，也就是与刻度盘10的径向垂直的方向上的半径rl (第一距离)的区域(第一区域)与半径r2 (第二距离)的区域(第二区域)之间的差异(位置的差异)。此差异是由圆周方向上半径rl和r2的区域之间的位置偏移引起的误差。在表达式(7)中使用作为满足关系a I ~ a 2的项得出的(ε /rl- ε /r2).sin( θ + a I)项允许检测偏心量以校正(减小)偏心误差。
[0056](第二实施例)
[0057]接下来，参考图8，将描述本发明的第二实施例中的编码器(位置检测装置)。图8是此实施例中的编码器的信号处理器40a的不意性配置图。信号处理器40a与第一实施例的信号处理器40的不同之处在于其使用校正表来校正检测位置，即减小偏心误差。从而，如图8所示，信号处理器40a包括校正表46 (校正值存储单元)。
[0058]校正表46预先存储多个位置(位置信息)，即多个检测角度，和与每个位置(位置信息)相对应的校正值(要用于减小偏心误差的值)。角度校正处理单元45基于由角度检测处理单元43获得的位置信息，即角度(检测角度)，和校正表46中存储的校正值，来确定误差(偏心误差)已被校正的角度，即校正位置信息。
[0059]在j是由角度检测处理单元43确定的角度，c(j)是校正表46中存储的与角度j相对应的校正值，并且X (j)是由角度校正处理单元45确定的校正角度的情况下，校正角度x(j)可如以下表达式(9)所表示那样来确定。
[0060]x(j)=j_c(j)…(9)
[0061 ] 在此实施例中，可通过存储由角度检测处理单元43检测到的角度j和由偏心检测处理单元44确定的误差e (校正值c(j))的组合来将校正值存储在校正表46中。另外，不是将角度j及其相应校正值的所有组合存储在校正表46中，而是可以间拔(thin)(忽略)一些值而不存储它们。在此情况下，与角度相对应的校正值c (j)可不存在。为了应对这种情形，例如，利用校正表46中存储的与角度k和I (k〈j〈l)相对应的校正值c(k)和c(l)，角度校正处理单元45通过线性插值来确定与角度j相对应的校正值c (j)以执行如以下表达式(10)表示的校正。
[0062]c(j) = (c(k).(l-j)+c(l).(j-k))/(l_k)…(10)
[0063]可执行对函数的拟合来减小校正表46中要存储的数据量。误差e (偏心误差)对于刻度盘10的每一次旋转有一个周期，并且检测半径r是常数。这使得可以如以下表达式
(11)所表示那样近似地确定误差e。
[0064]e= ε/r.sin (j+α )…(11)
[0065]在此情况下，校正表46只需要存储偏心量ε和常数α的值。
[0066](第三实施例)
[0067]接下来，参考图9，将描述本发明的第三实施例中的编码器(位置检测装置)。图9是此实施例中的编码器10a的示意性配置图。编码器10a是被配置成检测刻度盘1a与传感器20之间的相对位移(相对位置)的绝对型编码器(绝对型位置检测装置)。
[0068]如图9所示，此实施例的刻度盘1a设有轨道12 (第一轨道)和轨道13 (第二轨道)。轨道12和13相对于传感器20彼此结合地移位。轨道12具有节距Pl (第一周期)的光栅图案(第一图案)和节距Ρ2 (第二周期)的光栅图案(第二图案)，并且节距Pl和Ρ2是彼此不同的(节距Pl的光栅图案和节距Ρ2的光栅图案被复用)。轨道13具有节距Ql (第三周期)的光栅图案(第三图案)和节距Q2 (第四周期)的光栅图案(第四图案)，并且节距Ql和Q2是彼此不同的(节距Ql的光栅图案和节距Q2的光栅图案被复用)。
[0069] 轨道12的光栅图案具有每旋转544个周期的节距Pl和每旋转128个周期的节距Ρ2。类似地，轨道13的光栅图案具有每旋转495个周期的节距Ql和每旋转132个周期的节距Q2。在此实施例中，光接收部21和22检测刻度盘1a与传感器20之间的相对位移以将光接收元件的输出分类成A(+)、B(+)、A(_)和B(-)这四种类型。然后，光接收部21和22利用A=A(+)-A(_)和B=B(+)-B(_)的关系输出两相位伪正弦信号A和B。在此实施例中，传感器20具有选择光接收元件的阵列的功能。此功能使得传感器20能够选择性地检测节距Pl和P2和节距Ql和Q2。
[0070]随后，参考图3A和3B，将描述读取每个节距的光栅图案的方法。图3A和3B是光接收部21和22的配置图。图3A示出了当读取节距Pl的光栅图案时观察到的光接收元件与其相应的输出之间的关系。为了在读取节距Pl的光栅图案时生成彼此正交的两相位伪正弦信号，必须输出仅偏移了 P1/2的位置处的光接收量。因此，如图3A所示，光接收元件的每两个相邻输出按A(+)、B(+)、A(_)和B(-)的顺序排列。类似地，如图3B所示，当读取节距P2的光栅图案时，光接收元件的每四个相邻输出按A(+)、B(+)、A(_)和B(-)的顺序排列。这些配置使得对于每个节距可输出两相位伪正弦信号。
[0071]传感器20把光接收部21和22上的特定位置处的反射光的强度作为信号输出。因此，即使当传感器20的检测周期和刻度盘1a上形成的每个图案的周期(节距)彼此略有偏移时，传感器20也输出具有与在刻度盘1a上形成的图案的节距相对应的周期的信号。从而，在传感器20的检测周期为Pl的情况下，光接收部21输出节距Pl的两相位伪正弦信号，并且光接收部22输出节距Ql的两相位伪正弦信号。类似地，在传感器20的检测周期为4XP1的情况下，光接收部21输出节距P2的两相位伪正弦信号，并且光接收部22输出节距Q2的两相位伪正弦信号。如上所述，光接收部21 (第一检测器)检测轨道12 (的图案)，并且光接收部22 (第二检测器)检测轨道13 (的图案)。
[0072]随后，参考图10，将描述此实施例中的信号处理器40b的操作。图10是信号处理器40b的框图。由于在此实施例中检测与轨道12和13的四种类型的节距相对应的信号，所以信号处理器40b的操作与第一实施例的信号处理器40和第二实施例的信号处理器40a的操作不同。
[0073]首先，在传感器20的检测周期被设定为Pl的情况下，传感器20被配置成输出与轨道12和13中包括的节距Pl和Ql的图案(光栅图案)相对应的两对两相位伪正弦信号。然后，Α/D转换器41对四个信号采样。随后，在传感器20的检测周期被设定为4XP1的情况下，Α/D转换器41对与在轨道12和13上形成的节距P2和Q2的图案相对应的两对两相位伪正弦信号进行采样。
[0074]相位检测处理单元42基于被Α/D转换器41采样的四对两相位伪正弦信号确定四个相位Θ PU Θ QU Θ P2和Θ Q2。与第一和第二实施例类似，四个相位Θ PU Θ QU Θ P2和Θ Q2是通过反正切计算确定的。绝对型检测处理单元47对于四个相位0 PU Θ Q1、ΘΡ2和9Q2执行游标计算以确定角度。
[0075]随后，参考图1lA至11D，将描述刻度盘1a的角度(旋转角度)与相位之间的关系。图1lA至IlD是刻度盘1a的旋转角度与相位的关系图。在图1lA至IlD中，水平轴指示角度，垂直轴指示与角度相对应的相位。
[0076]图1lA和IlB示出了相位Θ Pl和θ P2。相位Θ Pl和θ P2是分别与以每旋转544个周期和每旋转128个周期在轨道12上形成的节距Pl和P2相对应的相位。从而，相位Θ Pl的相位是相位ΘΡ2的大约四倍那么长。从而，如以下表达式(12)所表示的，通过将相位ΘΡ2乘以四然后用2π归一化该值来确定相位信号ΘΡ3。另外，如以下表达式(13)所表不的，确定相位差/[目号ΘΡ4,其是相位Θ Pl与相位ΘΡ3之间的相位差。
[0077]θΡ3=Μ0?(θΡ2Χ4, 2 31)— (12)
[0078]Θ P4=M0D ( Θ Pl- θ P3, 2 π )…(13)
[0079]在表达式(12)和(13)中，符号M0D(x，y)表示X除以y的余数。在此情况下，分别如图1lC和IlD所不那样确定相位信号ΘΡ3和相位差信号θ P4。由于相位信号θ P3是通过取每旋转128个周期的相位Θ P2的四倍获得的，所以其被确定为每旋转512个周期的信号。相位差信号ΘΡ4被确定为每旋转32个周期的信号，这是每旋转544个周期的信号与每旋转512个周期的信号之间的周期差异。
[0080]相位θ P2和相位差信号θ P4分别具有128个周期和32个周期，而另一方面，如表达式(12)所表示，相位差信号ΘΡ4是通过将相位ΘΡ2乘以四来计算出的值。因此，误差的量也变成四倍，从而相位差信号ΘΡ4中包含的误差大于相位ΘΡ2中包含的误差。为了应对此情况，如以下表达式(14)所表示的，确定与相位ΘΡ2具有相同精度的32个周期的信号θ Ρ5。
[0081 ] Θ P5=R0UND ((4 X Θ P4- θ P2) / (2 π )) X 2 π /4+ θ Ρ2/4…(14)
[0082]在表达式(14)中，符号ROUND(x)表示将χ舍入到最近整数。
[0083]类似地,还对于544个周期的相位Θ Pl和32个周期的信号ΘΡ5，如以下表达式 (15)所表示的，确定与相位Θ Pl具有相同精度的32个周期的信号ΘΡ6。
[0084]Θ P6=R0UND ((17 X Θ P5- Θ Pl) / (2 Ji)) X 2 π /17+ θ Ρ1/17…(15)
[0085]相位Θ Ql和Θ Q2分别具有每旋转495个周期和每旋转132个周期。因此，如以下表达式(16)所表示的，通过将相位Θ Q2乘以四然后用2 π归一化该值来确定相位信号Θ Q3。然后，如以下表达式(17)所表不的,确定相位Θ Ql与相位信号Θ Q3的相位差信号Θ Q4。另外,如以下表达式(18)所表不的,确定与相位QQ2具有相同精度的信号Θ Q5。此外，如以下表达式(19)所表不的,确定与相位QQl具有相同精度的信号Θ Q6。
[0086]0Q3=MOD(0Q2X4，2 3i)...(16)
[0087]Θ Q4=M0D ( Θ Q3- Θ Ql, 2 π )...(17)
[0088]θ Q5=R0UND ((4 X θ Q4- θ Q2) / (2 π )) X 2 π /4+ θ Q2/4…(18)
[0089]θ Q6=R0UND ((15 X θ Q5- θ Ql) / (2 Ji)) X 2 π /15+ θ Q1/15…(19)
[0090]由于信号ΘΡ6和0Q6分别具有每旋转32个周期和每旋转33个周期，所以如以下表达式(20)所表示那样确定信号ΘΡ6与0Q6之间的相位差Θ7。
[0091]Θ 7=M0D ( Θ Q6-θ Ρ6, 2 )…(20)
[0092]相位差Θ 7表示角度，因为其是每旋转I个周期的信号，而每旋转I个周期是每旋转32个周期的信号与每旋转33个周期的信号之间的周期差异。然而，相位差Θ7与信号ΘΡ6和0Q6的每一个相比具有更大的误差。为了应对此情况，如以下表达式(21)和(22)所表示那样确定分别与信号ΘΡ6和0Q6具有相同精度的信号ΘΡ8和0Q8。信号ΘΡ8和Θ Q8的每一个是每旋转一个周期的信号，其表示角度。
[0093]Θ P8=R0UND ((32 X Θ 7- θ P6) / (2 π )) X 2 π /32+ θ Ρ6/32...(21)
[0094]θ Q8=R0UND ((33 X θ 7- θ Q6) / (2 π )) X 2 π /33+ θ Q6/33...(22)
[0095]偏心检测处理单兀44基于信号θ Ρ8和QQ8确定偏心误差。由于信号θ Ρ8和Θ Q8表示角度，所以当它们不具有偏心时满足θ Ρ8= Θ Q8的关系，而另一方面，当它们具有偏心时包含取决于偏心的误差。与表达式(3)的情况一样,信号θ P8与信号0Q8之间的差异θ P8-Θ Q8由以下表达式(23)表不。
[0096]θ P8- Θ Q8= ( ε /rl- ε /r2) sin ( θ + α )…(23)
[0097]在表达式(23)中，可以假定与光接收部21相对应的信号ΘΡ8包含由以下表达式
(24)表示的误差。偏心检测处理单元44计算此误差。
[0098]ε /rl.sin (θ+α) = (θ Ρ8_ θ Q8) (r2/ (r2~rl))…(24)
[0099]角度校正处理单元45确定一角度，其中从信号ΘΡ8中减去由偏心检测处理单元44确定的误差(偏心误差)。这一系列操作允许确定校正了误差的位置(减小了误差的位置)。
[0100]此实施例的编码器10a是能够检测绝对位置的绝对位置检测装置。此实施例中使用的“绝对位置”指的是图案(或其上具有图案的待测物)相对于检测器(传感器单元)的相对位置或者移动的待测物相对于固定部的相对位置。绝对位置检测装置是在由检测器执行的测量中能够检测它们之间的相对位置(此实施例中使用的“绝对位置”)的装置。另一方面，与此实施例中描述的绝对型位置检测装置不同的第一和第二实施例的编码器是在检测器进行的测量中只能够检测位置偏移(位置的变化)的增量型编码器。增量型位置检测装置能够还基于单独设置的原点检测装置(能够唯一地确定相对位置的装置)的检测结果来确定绝对位置。
[0101]在此实施例中，与第一实施例的情况一样，当光接收部21和22的读取位置在轨道11上偏移时，在表达式(23)中发生偏量。为了应对此情况，编码器10a可被配置成检测和校正该偏量。可替代地，可以像第二实施例的情况中那样使用校正表来校正误差。
[0102](第四实施例)
[0103]接下来，参考图12，将描述本发明的第四实施例。此实施例涉及一种包括上述每个实施例中的编码器(位置检测装置)的透镜装置(透镜镜筒)。图12是此实施例中的摄像装置(摄像系统)的示意性配置图。
[0104]在图12中，标号51表不透镜单兀,标号52表不驱动透镜(透镜)、标号53表不传感器单元，标号54表示CPU,并且标号55表示摄像元件。传感器单元53对应于上述每个实施例的传感器20。CPU54对应于每个实施例的信号处理器(信号处理器40a、40b和40c中的每一个)。位置检测装置(编码器)被配置成检测驱动透镜52的位置(位移)。摄像元件55对经由透镜单元51 (驱动透镜52)形成的被摄物图像(光学图像)进行光电转换。透镜单元51、传感器单元53和CPU54设在透镜装置(透镜镜筒)中，而摄像元件55设在摄像装置的主体中。如上所述，此实施例的透镜装置被配置成相对于摄像装置的主体可更换。然而，本实施例不限于此，而是也适用于由透镜装置和摄像装置的主体一体构成的摄像装置(摄像系统)。
[0105]构成透镜单元51的驱动透镜52例如是用于自动聚焦的聚焦透镜并且在Y方向上能移位，Y方向是朝着光轴OA的方向(光轴方向)。驱动透镜52可以是其他驱动透镜,例如变焦透镜。上述每个实施例中的位置检测装置的柱状体50 (可动部)连接到被配置成对驱动透镜52进行驱动的致动器(图中未示出)。由致动器或由手引起的柱状元件50绕着光轴OA的旋转使得刻度盘10相对于传感器单元53有相对位移。此相对位移使得驱动透镜52被在作为光轴方向的Y方向(箭头方向)上驱动。从位置检测装置(编码器)的传感器单元53获得的取决于驱动透镜52的位置(位移)的信号(编码器信号)输出到CPU54。CPU54生成驱动信号来将驱动透镜52移动到期望的位置，并且驱动透镜52基于驱动信号被驱动。
[0106]每个实施例的位置检测装置也适用于除了透镜装置或摄像装置以外的各种装置。例如，可由包括诸如机械手臂或输送待组装的对象物的输送机之类的可动构件的机床和检测机床的位置或姿势的每个实施例的位置检测装置来构成机床装置。这使得能够通过以高精度检测机械手臂或输送机的位置来进行高度精确的加工。
[0107](其他实施例)
[0108]本发明的实施例也可由读出并执行记录在存储介质(例如非暂态计算机可读存储介质)上的计算机可执行指令以执行本发明的上述实施例中的一个或多个的功能的系统或装置的计算机来实现，或者由通过系统或装置的计算机例如从存储介质读出并执行计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或多个的功能而执行的方法来实现。计算机可包括中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)或其他电路中的一个或多个，并且可包括分开的计算机或分开的计算机处理器的网络。计算机可执行指令可例如从网络或存储介质提供给计算机。存储介质可包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储装置、光盘(例如致密盘(CD)、数字多功能盘(DVD)或蓝光盘(BD) ?)、闪存设备、存储卡等等中的一个或多个。
[0109]根据上述每个实施例，由于可在径向相邻布置多个传感器来校正偏心误差，所以可以将传感器的保持构件小型化。另外，在必要时，可以检测并校正每个传感器的倾斜(每个传感器相对于朝着开始于图案中心的半直线的方向的附着倾斜)。从而，根据每个实施例，可以提供小型高精度的位置检测装置、透镜装置、摄像系统和机床装置。
[0110]虽然已参照示范性实施例描述了本发明，但要理解本发明不限于所公开的示范性实施例。以下权利要求的范围应赋予最宽解释以涵盖所有这种修改及等同结构和功能。
【权利要求】
1.一种检测被检物的位置的位置检测装置，所述位置检测装置包括: 刻度盘，包括在以预定点为中心的圆上沿着圆周周期性形成的图案，所述刻度盘被配置成根据所述被检物的位移而旋转； 传感器单元，相对于所述刻度盘能相对移动；以及 信号处理器，被配置成处理所述传感器单元的输出信号以获得所述被检物的位置信息， 其中，所述传感器单元包括: 第一检测器，被配置成检测在开始于所述刻度盘的所述预定点的半直线上的径向上与所述预定点相距第一距离的第一区域中形成的第一部分图案；以及 第二检测器，被配置成检测在与所述预定点相距第二距离的第二区域中形成的第二部分图案，所述第二距离不同于所述第一距离，并且 特征在于所述信号 处理器被配置成基于从所述第一检测器输出的第一检测信号和从所述第二检测器输出的第二检测信号来减小所述位置信息中包含的因所述刻度盘的旋转中心与所述预定点之间的差异所致的误差成分。
2.根据权利要求1所述的位置检测装置，特征在于所述信号处理器被配置成还减小所述刻度盘的圆周方向上的相距所述第一距离的第一区域和相距所述第二距离的第二区域之间的差异。
3.根据权利要求1所述的位置检测装置，特征在于所述信号处理器包括: 位置检测处理单元，被配置成基于所述第一检测信号获得所述位置信息， 偏心误差计算单元，被配置成基于所述第一检测信号、所述第二检测信号、所述第一距离和所述第二距离来计算因所述刻度盘的所述旋转中心与所述预定点之间的差异所致的偏心误差，以及 位置校正单元，被配置成从由所述位置检测处理单元获得的位置信息中减去由所述偏心误差计算单元计算出的偏心误差以获得校正位置信息。
4.根据权利要求3所述的位置检测装置，特征在于所述偏心误差计算单元被配置成利用以下表达式来计算所述偏心误差:
el= ( Θ 1- Θ 2).(r2/ (r2-rl))， 其中el是所述偏心误差，Θ I是所述第一检测信号，Θ 2是所述第二检测信号，rl是所述第一距离，并且r2是所述第二距离。
5.根据权利要求1所述的位置检测装置，特征在于所述信号处理器包括: 位置检测处理单元，被配置成基于所述第一检测信号获得所述位置信息， 校正值存储单元，被配置成存储所述位置信息和与所述位置信息相对应的校正值，以及 位置校正单元，被配置成基于由所述位置检测处理单元获得的位置信息和所述校正值存储单元中存储的校正值来获得校正位置信息。
6.根据权利要求1所述的位置检测装置，特征在于所述位置检测装置是绝对型位置检测装置。
7.根据权利要求1所述的位置检测装置，特征在于所述在以预定点为中心的圆上沿着圆周周期性形成的图案包括具有第一周期的第一图案和具有不同于所述第一周期的第二周期的第二图案。
8.根据权利要求1所述的位置检测装置，特征在于: 所述刻度盘包括第一轨道和第二轨道， 所述第一检测器被配置成检测所述第一轨道，并且 所述第二检测器被配置成检测所述第二轨道。
9.一种透镜装置，包括: 在光轴方向上能移位的透镜；以及 根据权利要求1至8的任何一项所述的位置检测装置，所述位置检测装置被配置成检测所述透镜的位置。
10.一种摄像系统，包括: 透镜装置，包括: 在光轴方向上能移位的透镜； 被配置成检测所述透镜的位置的位置检测装置，所述位置检测装置包括: 刻度盘，包括在以 预定点为中心的圆上沿着圆周周期性形成的图案，所述刻度盘被配置成根据被检物的位移而旋转； 传感器单元，相对于所述刻度盘能相对移动；以及 信号处理器，被配置成处理所述传感器单元的输出信号以获得所述被检物的位置信息， 其中，所述传感器单元包括: 第一检测器，被配置成检测在开始于所述刻度盘的所述预定点的半直线上的径向上与所述预定点相距第一距离的第一区域中形成的第一部分图案；以及 第二检测器，被配置成检测在与所述预定点相距第二距离的第二区域中形成的第二部分图案，所述第二距离不同于所述第一距离，并且 特征在于所述信号处理器被配置成基于从所述第一检测器输出的第一检测信号和从所述第二检测器输出的第二检测信号来减小所述位置信息中包含的因所述刻度盘的旋转中心与所述预定点之间的差异所致的误差成分，以及 摄像装置，包括被配置成对经由所述透镜形成的光学图像执行光电转换的摄像元件。
11.一种机床装置，包括: 机床，包括机械手臂或用于输送待组装的对象物的输送机；以及根据权利要求1至8的任何一项所述的位置检测装置，所述位置检测装置被配置成检测所述机床的位置和姿势中的至少一者。
【文档编号】B23Q17/24GK104048686SQ201410086802
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】中村仁 申请人:佳能株式会社