DE102015016601A1

DE102015016601A1 - Verschiebungsmessvorrichtung und Verschiebungsmessverfahren

Info

Publication number: DE102015016601A1
Application number: DE102015016601.8A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Adachi; Youhei TOKU; Toshihiro Hasegawa
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-12-23
Also published as: CN105806201B; JP6609411B2; US9851224B2; CN105806201A; US20160209242A1; JP2016133374A; DE102015016601B4

Abstract

Ein Phasendetektor umfasst einen Abtastsignalgenerator, welcher dafür konfiguriert ist, ein Abtastsignal bei einer Flanke eines Maßstabsignals zu erzeugen, einen Zähler, welcher dafür konfiguriert ist, einen Zählwert gemäß einem Taktsignal zu jedem bestimmten Mal vorwärts zu zählen und den Zählwert zu einem durch das Abtastsignal angewiesenen Zeitpunkt auszugeben, eine Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung, welche dafür konfiguriert ist, zu ermitteln, ob eine Flankenpolarität des Maßstabsignals eine ansteigende Flanke oder eine fallende Flanke ist, und ein Anpassungssignal zu erzeugen, wenn die Flanke, von der aus das Abtastsignal erzeugt wird, die fallende Flanke ist und eine Anpassungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, bei Empfang des Anpassungssignals einen vorgegebenen Anpassungsbetrag zu dem von dem Zähler ausgegebenen Zählwert zu addieren.

Description

EINBEZIEHUNG DURCH QUERVERWEIS
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-007660 , eingereicht am 19. Januar 2015, deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch Querverweis einbezogen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Verschiebungsmessvorrichtung und ein Verschiebungsmessverfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen der relativen Verschiebung eines beweglichen Elements zu einem ortsfesten Element ausgehend von einem Erfassungssignal, welches in Abhängigkeit der relativen Verschiebung variiert.
2. Beschreibung der relevanten Technik
Bekannt ist eine Verschiebungsmessvorrichtung, welche die Verschiebung eines beweglichen Elements gegenüber einem ortsfesten Element erfasst und als Encoder oder Messwertgeber bezeichnet wird (z. B. JPH06-064100B , JP2909338B , JP2878913B und JP2738996B ). Encoder werden für Verschiebungsdetektoren kleiner Messvorrichtungen, wie zum Beispiel digitale Messschieber, digitale Mikrometer und digitale Gradmesser verwendet und werden verbreitet zum Positionieren von beweglichen Tischen oder dergleichen eingesetzt.
Encoder sind beispielsweise optische Encoder, kapazitive Encoder und magnetische Encoder. Ein kapazitiver Encoder wird beispielhaft erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass optische Encoder und magnetische Encoder hinsichtlich des Erfassungsprinzips dem kapazitiven Encoder im Wesentlichen gleich sind. Ein kapazitiver Encoder enthält einen Hauptmaßstab und einen Erfassungskopf, welcher relativ zu dem Hauptmaßstab bewegbar ist und die relative Verschiebung zu dem Hauptmaßstab erfasst. Im Allgemeinen ist der Hauptmaßstab ein ortsfestes Element, und der Erfassungskopf ist ein bewegliches Element, doch dies kann auch umgekehrt sein. Mehrere Elektroden sind an dem Hauptmaßstab und an dem Erfassungskopf angeordnet. Eine periodische Kapazitätsänderung wird in Elektrodenmustern in Abhängigkeit der relativen Verschiebung zwischen dem Hauptmaßstab und dem Erfassungskopf erzeugt. Durch Extrahieren des Signals der periodischen Kapazitätsänderung wird die Verschiebung ermittelt.
Das an den Elektroden erzeugte periodische Signal, also ein Phasensignal wird extrahiert. Das Phasensignal wird durch Abtasten, Mischen, Niederfrequenzfiltern oder Binarisieren als ein periodisches Rechtecksignal CMP extrahiert. Das periodische Rechtecksignal CMP trägt an seinen Flanken Phaseninformationen. Eine Phasendetektorschaltung gibt die Phaseninformationen des Rechtecksignals CMP als digitalen Wert aus. Wenn beispielsweise ein Schleifenzähler gemäß einer Taktvorgabe vorwärts zählt, und der Zählwert zum Takt von Flanken des Rechtecksignals CMP abgetastet wird, wird so die Phaseninformation als digitaler Wert extrahiert. Durch Vergleichen der Phaseninformationen mit einem Elektrodenanordnungsabstand werden dann die Phaseninformationen in die relative Verschiebung des Erfassungskopfs umgewandelt. Indem die Phaseninformationen eine vorgegebene Anzahl von Malen als ein digitales Signal abgetastet werden, können Verarbeiten zum Berechnen eines Mittelwerts durchgeführt werden, um Anzeigeflimmern zu reduzieren oder den Offset eines Verstärkers oder eines Komparators aufzuheben.
Wie oben beschrieben, können Phaseninformationen als ein digitales Signal extrahiert werden, wenn Zählwerte an Flanken eines Rechtecksignals CMP abgetastet werden.
Es muss jedoch bestimmt werden, wann der Zählwert abgetastet werden soll, z. B. entweder zum Zeitpunkt einer ansteigenden Flanke des Rechtecksignals CMP oder zum Zeitpunkt einer fallenden Flanke des Rechtecksignals, jedoch nicht beides.
Das periodische Rechtecksignal CMP trägt die Phaseninformationen an Flanken. Wenn die ansteigende Flanke, beispielsweise, gleich 0° ist, so ist die fallende Flanke gleich 180°.
Wenn die Zählwerte ohne Unterscheidung zwischen ansteigender Flanke und fallender Flanke abgetastet werden, kann die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Zählwert und der Phase verschoben sein.
Wenn mehrere Abtastwerte gemittelt werden, sollte die Flankenpolarität, von der aus das Abtasten gestartet wird, entweder auf eine ansteigende Flanke oder auf eine fallende Flanke festgelegt werden, jedoch nicht auf beides.
Das Problem in diesem Fall wird unter Bezugnahme auf die 19 und 20 beschrieben.
19 ist ein Zeitdiagramm, welches die Beziehung zwischen einem Abtast-Freigabesignal ENB und einem periodischen Rechtecksignal CMP darstellt.
Das Abtast-Freigabesignal ENB steigt mit einer gewissen Periode, beispielsweise in einem Intervall von 100 ms, und das Abtasten des Zählwerts wird durch das Ansteigen des Abtast-Freigabesignals ENB gestartet.
Das periodische Rechtecksignal CMP trägt die Phaseninformationen entsprechend der relativen Position zwischen dem Hauptmaßstab und dem Erfassungskopf und steigt und fällt wiederholt. Nachdem das Abtast-Freigabesignal ENB angestiegen ist, wird das Abtasten von dem Ansteigen des periodischen Rechtecksignals CMP aus gestartet, und die Zählwerte werden eine bestimmte Zahl von Malen zu dem Zeitpunkt der Flanken abgetastet. Hier wird angenommen, dass der Zählwert nacheinander vier Mal abgetastet wird und die Werte gemittelt werden. Also wird das Abtastsignal, nachdem das Abtast-Freigabesignal ENB angestiegen ist, vier Mal zum Zeitpunkt der Flanken des periodischen Rechtecksignals von dem ersten Anstieg aus EIN, und der Zählwert wird zu dem Zeitpunkt abgetastet, wenn das Abtastsignal EIN wird.
Eine Wartezeit tw wird erzeugt, nachdem das Abtast-Freigabesignal ENB angestiegen ist und bis das erste Ansteigen des periodischen Rechtecksignals auftritt. Wenn die erste Flanke des periodischen Rechtecksignals CMP nach Ansteigen des Abtast-Freigabesignals ENB eine ansteigende Flanke ist, übersteigt die Wartezeit tw maximal nicht eine halbe Periode des periodischen Rechtecksignals ENB, wie in 19 dargestellt.
Wenn jedoch die erste Flanke des periodischen Rechtecksignals CMP nach Ansteigen des Abtast-Freigabesignals ENB, wie in 20 dargestellt, eine fallende Flanke ist, überseigt die Wartezeit tw mindestens eine halbe Periode des periodischen Rechtecksignals. Im schlimmsten Falle kann sich die Wartezeit tw auf ungefähr eine Periode des periodischen Rechtecksignals tw ausdehnen. Wenn die Wartezeit tw lang ist, wird die Energie für diese Zeit verschwendet, was eine Lebensdauer einer Batterie beeinträchtigt, falls eine kleine Messvorrichtung von einer Batterie betrieben wird.
Wenn eine Periode eines periodischen Rechtecksignals CMP ungefähr 2 ms ist, scheint eine Periode der Wartezeit (2 ms) nichts auszumachen. Das Abtast-Freigabesignal ENB steigt jedoch in einem kurzen Intervall von, beispielsweise, 100 ms, und verschwenderischer Energieverbrauch bei jedem 100 ms-Intervall addiert sich zu einem großen Verlust.
Ferner beinhaltet die Schaltungsoperation, welche für die Verschiebungserfassung notwendig ist, für ungefähr 8 ms die Abtastoperation und einen kleinen Betrag an Berechnungsverarbeitung.
Somit wird der Schaltungsbetrieb für ungefähr 20 ms durchgeführt, nachdem das Abtast-Freigabesignal den EIN-Zustand annimmt, und während der Zeit (80 ms oder mehr) bis das nächste Abtast-Freigabesignal ENB den EIN-Zustand annimmt, wird der Schaltungsbetrieb kaum durchgeführt und der Energieverbrauch wird so weit wie möglich unterdrückt. Das bedeutet, dass der größte Energieverbrauch der Länge der Wartezeit tw zuzuschreiben ist, und eine Verschiebungsmessvorrichtung, welche extrem wenig Energie verbraucht, kann realisiert werden, wenn die Wartezeit tw kürzer wird.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Verschiebungsmessvorrichtung anzugeben, welche weniger Energie verbraucht.
Eine Verschiebungsmessvorrichtung einer Ausführungsform dieser Erfindung enthält:
einen Hauptmaßstab;
einen Erfassungskopf, welcher so angeordnet ist, dass er relativ zu dem Hauptmaßstab verschiebbar ist, und dafür konfiguriert ist, ein periodisches Signal auszugeben, welches eine entsprechend der relativen Verschiebung zu dem Hauptmaßstab veränderbare Phase hat;
einen Demodulator, welcher dafür konfiguriert ist, das periodische Signal in ein Rechtecksignal zu demodulieren, welches Phaseninformationen an einer Flanke hat; und
einen Phasendetektor, welcher dafür konfiguriert ist, die Phaseninformationen des Maßstabsignals zu einem Zeitpunkt der Flanke zu erfassen, wobei
der Phasendetektor enthält:
einen Abtastsignalgenerator, welcher dafür konfiguriert ist, ein Abtastsignal zu dem Zeitpunkt der Flanke des Maßstabsignals zu erzeugen;
einen Zähler, welcher dafür konfiguriert ist, einen Zählwert gemäß einem Taktsignal bei jedem bestimmten Mal vorwärts zu zählen und den Zählwert zu einem durch das Abtastsignal angewiesenen Zeitpunkt auszugeben;
eine Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung, welche dafür konfiguriert ist, zu ermitteln, ob eine Polarität der Flanke des Maßstabsignals eine ansteigende Flanke oder eine fallende Flanke ist, und ein Anpassungssignal zu erzeugen, wenn die Flanke, von der aus das Abtastsignal erzeugt wird, die fallende Flanke ist; und
eine Anpassungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, bei Empfang des Anpassungssignals einen vorgegebenen Anpassungsbetrag zu dem von dem Zähler ausgegebenen Zählwert zu addieren.
Die Verschiebungsmessvorrichtung der Ausführungsform dieser Erfindung enthält ferner:
eine Mittelwertberechnungsausführeinrichtung, welche dafür konfiguriert ist, einen Mittelwert einer Anzahl k von Abtastwerten zu berechnen, bei der
der Zähler sich mit einem Referenzsignal synchronisiert und ein Schleifenzähler ist, bei dem k/2 Perioden des Referenzsignals ein Zyklus des Zählwerts sind,
der Abtastsignalgenerator das Abtastsignal nacheinander k Mal zum Zeitpunkt der Flanke des Maßstabsignals nach Freigabe des Abtastens erzeugt,
die Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung das Anpassungssignal erzeugt, nachdem das Abtasten freigegeben ist und wenn eine erste Flanke des Maßstabsignals die fallende Flanke ist, und
die Anpassungseinrichtung einen Wert, welcher äquivalent zu 1/k eines Zyklus des Zählers ist, als Anpassungsbetrag zu dem von dem Zähler ausgegebenen Zählwert addiert, wobei k eine natürliche Zahl ist.
Die Verschiebungsmessvorrichtung der Ausführungsform dieser Erfindung enthält ferner:
eine Mittelwertberechnungsausführeinrichtung, welche dafür konfiguriert ist, einen Mittelwert einer Anzahl k von Abtastwerten zu berechnen, wobei
der Zähler sich mit einem Referenzsignal synchronisiert und ein Schleifenzähler ist, bei dem (k + α)/2 Perioden des Referenzsignals ein Zyklus des Zählwerts sind,
der Abtastsignalgenerator das Abtastsignal nacheinander k Mal zum Zeitpunkt der Flanke des Maßstabsignals nach Freigabe des Abtastens erzeugt,
die Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung das Anpassungssignal erzeugt, nachdem das Abtasten freigegeben ist und wenn eine erste Flanke des Maßstabsignals die fallende Flanke ist, und
die Anpassungseinrichtung einen Wert, welcher äquivalent zu 1/(k + α) eines Zyklus des Zählers ist, als Anpassungsbetrag zu dem von dem Zähler ausgegebenen Zählwert addiert, wobei k und α natürliche Zahlen sind.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann eine ansteigende Flanke durch eine fallende Flanke ersetzt werden, und
kann eine fallende Flanke durch eine ansteigende Flanke ersetzt werden.
Ein Verschiebungsmessverfahren einer Ausführungsform dieser Erfindung für eine Verschiebungsmessvorrichtung, umfassend einen Hauptmaßstab, einen Erfassungskopf, welcher so angeordnet ist, dass er relativ zu dem Hauptmaßstab verschiebbar ist, und dafür konfiguriert ist, ein periodisches Signal auszugeben, welches eine entsprechend der relativen Verschiebung zu dem Hauptmaßstab veränderbare Phase hat, einen Demodulator, welcher dafür konfiguriert ist, das periodische Signal in ein Rechtecksignal zu demodulieren, welches Phaseninformationen an einer Flanke hat, und einen Phasendetektor, welcher dafür konfiguriert ist, die Phaseninformationen des Maßstabsignals zu einem Zeitpunkt der Flanke zu erfassen, wobei das Verschiebungsmessverfahren enthält:
Vorwärtszählen eines Zählwerts gemäß einem Taktsignal bei jedem bestimmten Mal;
Abtasten des Zählwerts zum Zeitpunkt der Flanke des Maßstabsignals;
Ermitteln, ob eine Polarität der Flanke des Maßstabsignals eine ansteigende Flanke oder eine fallende Flanke ist; und
Addieren eines vorgegebenen Anpassungsbetrags zu dem abgetasteten Zählwert, wenn die Polarität der Flanke zum Zeitpunkt des Abtastens des Zählwerts die fallende Flanke ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, welches den gesamten Encoder darstellt;
2 ist ein Diagramm, welches ein an einem Hauptmaßstab vorgesehenes Elektrodenmuster darstellt;
3 ist ein Diagramm, welches ein an einem Erfassungskopf vorgesehenes Elektrodenmuster darstellt;
4 ist ein Graph, welcher Änderungen eines Kapazitätswerts zwischen einer Übertragungselektrode und einer Erfassungselektrode darstellt;
5 ist ein Graph, welcher Änderungen des Kapazitätswerts zwischen der Übertragungselektrode und der Erfassungselektrode darstellt;
6 ist ein Graph, welcher Ergebnisse darstellt, die durch Subtrahieren eines Erfassungssignals B2 von einem Erfassungssignal B1 gewonnen wurden;
7 ist ein Graph, welcher Ergebnisse darstellt, die durch Addieren der Erfassungssignale B1 und B2 gewonnen wurden;
8 ist ein Blockdiagramm eines Signalprozessors;
9 ist ein Blockdiagramm eines feinen Phasendetektors;
10 ist ein Diagramm, welches einen Zustand darstellt, in dem ein Zähler vorwärts zählt;
11 ist ein Diagramm, welches einen Zustand darstellt, in dem ein Zählwert zu einem Zeitpunkt einer Flanke eines Maßstabsignals CMP abgetastet wird;
12 ist ein Diagramm, welches einen Zustand darstellt, in dem ein Zählwert zu einem Zeitpunkt einer Flanke eines Maßstabsignals CMP abgetastet wird;
13 ist ein Diagramm, welches einen Zustand darstellt, in dem ein Mittelwert aus vier Zählwerten berechnet wird;
14 ist ein Diagramm, welches einen Zustand darstellt, in dem ein Mittelwert aus vier Zählwerten berechnet wird;
15 ist ein Diagramm, welches einen Zustand darstellt, in dem ein Mittelwert aus vier Zählwerten berechnet wird;
16 ist ein Diagramm, welches eine Anpassungsverarbeitung darstellt;
17 ist ein Diagramm, welches einen Zustand darstellt, in dem ein Mittelwert aus zwei Zählwerten berechnet wird;
18 ist ein Diagramm, welches einen Zustand darstellt, in dem ein Mittelwert aus zwei Zählwerten berechnet wird;
19 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Beziehung zwischen einem Abtast-Freigabesignal ENB und einem periodischen Rechtecksignal CMP darstellt; und
20 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Beziehung zwischen einem Abtast-Freigabesignal ENB und einem periodischen Rechtecksignal CMP darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsformen dieser Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die den Elementen in den Zeichnungen zugeordneten Bezugszeichen beschrieben.
(Erste beispielhafte Ausführungsform)
Ein Ziel dieser Erfindung ist es, eine Wartezeit tw so weit wie möglich zu verkürzen, wenn die Phaseninformation von einem binarisierten Phasensignal als ein digitaler Wert extrahiert wird.
Obwohl es in dieser Erfindung hauptsächlich um Signalverarbeitung geht, wird zunächst ein Konfigurationsbeispiel einer Verschiebungsmessvorrichtung (Encoder) beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung auf geeignete Weise angewendet werden kann.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird ein kapazitiver Absolutwertgeber als Verschiebungsmessvorrichtung (Encoder) 100 beschrieben.
1 ist ein Diagramm, welches die Konfiguration des gesamten Encoders 100 darstellt.
Der Encoder 100 enthält einen Hauptmaßstab 22, einen Erfassungskopf 21, einen Signalprozessor 200 und eine Anzeige 17.
Die Längsrichtung des Hauptmaßstabs 22 ist eine x-Richtung der Messachse.
Der Hauptmaßstab 22 und der Erfassungskopf 21 haben jeweils ein Elektrodenmuster zur Positionserfassung auf den einander gegenüberliegenden Flächen.
2 ist ein Diagramm, welches das auf dem Hauptmaßstab 22 angeordnete Elektrodenmuster darstellt.
3 ist ein Diagramm, welches das auf dem Erfassungskopf 21 angeordnete Elektrodenmuster darstellt.
Der Hauptmaßstab 22 enthält erste Empfangselektroden 24a, zweite Empfangselektroden 24b, erste Sendeelektroden 25a und zweite Sendeelektroden 25b.
In 2 haben die ersten Empfangselektroden 24a jeweils eine nach unten zeigende dreieckige Form und sind in einem bestimmten Abstand (Pr) entlang der Längsrichtung des Hauptmaßstabs 22 angeordnet.
Die Empfangselektroden 24b dagegen haben jeweils eine nach oben zeigende dreieckige Form und sind in einem bestimmten Abstand (Pr) entlang der Längsrichtung des Hauptmaßstabes 22 angeordnet.
Die ersten Empfangselektroden 24a und die zweiten Empfangselektroden 24b sind so angeordnet, dass sie ineinander eingreifen.
Die ersten Sendeelektroden 25a sind parallel zu den ersten Empfangselektroden 24a angeordnet. Die erste Sendeelektrode 25a und die erste Empfangselektrode 24a sind eins zu eins verbunden. Die ersten Sendeelektroden 25a sind mit einem bestimmten Abstand (Pt1) entlang der Längsrichtung des Hauptmaßstabs 22 angeordnet. Die zweiten Sendeelektroden 25b dagegen sind parallel zu den zweiten Empfangselektroden 24b angeordnet. Die zweite Sendeelektrode 25b und die zweite Empfangselektrode 24b sind eins zu eines verbunden. Die zweiten Sendeelektroden 25b sind mit einem bestimmten Abstand (Pt2) entlang der Längsrichtung des Hauptmaßstabs 22 angeordnet. Der Anordnungsabstand Pt1 der ersten Sendeelektrode 25a und der Anordnungsabstand Pt2 der zweiten Sendeelektrode 25b unterscheiden sich von dem Anordnungsabstand Pr der Empfangselektroden 24a und 24b, was später beschrieben wird. Es sei darauf hingewiesen, dass angenommen wird, dass Pr > Pt2 > Pt1.
Nachfolgend wird das Elektrodenmuster auf der Seite des Erfassungskopfs 21 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Der Erfassungskopf 21 enthält Übertragungselektroden 23, eine erste Erfassungselektrode 26a, eine erste Erfassungselektrode 26b, eine zweite Erfassungselektrode 27a und eine zweite Erfassungselektrode 27b.
Die Übertragungselektroden 23 sind mit einem bestimmten Abstand Pt0 entlang der Richtung der Messachse angeordnet. Die Übertragungselektrode 23 ist mit der ersten Empfangselektrode 24a und der zweiten Empfangselektrode 24b auf der Seite des Hauptmaßstabs 22 kapazitätsgekoppelt.
Hier bilden acht Übertragungselektroden 23 eine Einheit (eine Gruppe).
Mit anderen Worten: Die Übertragungselektrode 23 ist alle sieben Elektroden gemeinsam verbunden.
Beispielsweise ist die erste Übertragungselektrode 23 zusammen mit der neunten Übertragungselektrode verbunden, wobei die Elektroden Zwei bis Acht ausgelassen wurden, und ist zusammen mit der siebzehnten Übertragungselektrode verbunden, wobei die Elektroden Zehn bis Sechzehn ausgelassen wurden (die folgende Beschreibung entfällt, da die Verbindung ähnlich ist).
In 3 sind die Zahlen angegeben, um die Anzahl von Übertragungselektroden leicht zu zählen.
Ein Ansteuersignal Sd wird der Übertragungselektrode 23 zugeführt. Die Periodensignale a bis h von acht Phasen, welche jeweils um 45° zueinander versetzt sind, sind als das Ansteuersignal Sd aufbereitet. (Die Periodensignale a bis h von acht Phasen sind in der Reihenfolge der Phasen als Phasennummern 0 bis 7 nummeriert.)
Dann werden die Periodensignale a bis h von acht Phasen, welche um 45° zueinander versetzt sind, jeweils den acht Übertragungselektroden 23 zugeführt, welche eine Gruppe bilden. Diese Ansteuersignale Sd sind, genauer gesagt, Signale, welche um einen Hochfrequenzimpuls gekürzt sind und durch eine Übertragungswellenformerzeugungsschaltung 220 (8) erzeugt werden. Die Zeitänderung des Potentials des Ansteuersignals Sd wird als den folgenden Ausdruck dargestellt: Vn = Asin2π{t/T) – (n/8)} wobei A die Amplitude des Ansteuersignals Sd repräsentiert, T eine Periode des Ansteuersignals Sd repräsentiert und n eine Phasennummer (0, 1, 2, ...7) repräsentiert.
Wenn das Ansteuersignal Sd der Übertragungselektrode 23 zugeführt wird, wird ein elektrisches Feldmuster erzeugt, welches in Anordnungsrichtung der Übertragungselektrode 23 (x-Richtung der Messachse) periodisch oszilliert.
Ein Abstand Wt des periodischen elektrischen Feldmusters beträgt das Achtfache des Abstands Pt0 der Übertragungselektrode 23.
Der Abstand Wt ist auf das N-fache des Abstands Pr der Empfangselektroden 24a und 24b gesetzt. (N ist eine positive ganz Zahl).
Vorzugsweise ist N eine ungerade Zahl, wie 1, 3, oder 5, und bei dem Ausführungsbeispiel wird N = 3 angenommen.
Somit sind drei oder vier der Empfangselektroden 24a und 24b mit den acht durchgängigen Übertragungselektroden 23 konstant kapazitiv gekoppelt. Dann ist das Signal (die Phase des Signals), welches von den Empfangselektroden 24a und 24b empfangen wird, durch die Kombination der Übertragungselektrode 23 und der Empfangselektroden 24a und 24b zu bestimmen, welche kapazitiv miteinander gekoppelt sind, wird jedoch in Abhängigkeit der relativen Position des Erfassungskopfs 21 zu dem Hauptmaßstab 22 geändert.
Die ersten Erfassungselektroden 26a und 26b sind fortlaufende sinusförmige Elektroden mit einer Periode Wr1 und sind so angeordnet, dass sie mit der ersten Sendeelektrode 25a auf der Seite des Hauptmaßstabs 22 kapazitiv gekoppelt sind. Durch derartiges Anordnen zweier sinusförmiger Elektroden 26a und 26b, welche um eine halbe Periode voneinander versetzt sind, dass sie miteinander in Kontakt stehen, wird ein Paar der ersten Erfassungselektroden 26a und 26b gebildet. Die Beziehung zwischen der Periode Wr1 der ersten Erfassungselektroden 26a und 26b und dem Anordnungsabstand Pt1 der ersten Sendeelektrode 25a wird später beschrieben.
Die zweiten Erfassungselektroden 27a und 27b sind fortlaufende sinusförmige Elektroden mit einer Periode Wr2 und sind so angeordnet, dass sie mit der zweiten Sendeelektrode 25b auf der Seite des Hauptmaßstabs 22 kapazitiv gekoppelt sind. Durch Anordnen der beiden sinusförmigen Elektroden 27a und 27b, welche um eine halbe Periode voneinander versetzt sind, dass sie miteinander in Kontakt stehen, wird ein Paar der zweiten Erfassungselektroden 27a und 27b gebildet. Die Beziehung zwischen der Periode Wr2 der zweiten Erfassungselektroden 27a und 27b und dem Anordnungsabstand Pt2 der zweiten Sendeelektrode 25b wird später beschrieben.
Bei der beispielhaften Ausführungsform wird angenommen, dass der Encoder ein Absolutencoder ist, und dass drei Stufen von Phasenänderungen, wie eine grobe Periode (grober Maßstab), eine mittlere Periode (mittlerer Maßstab) und eine feine Periode (feiner Maßstab) erfasst werden.
Mit anderen Worten: Der Abstand Pt1 der ersten Sendeelektrode 25a und der Abstand Pt2 der zweiten Sendeelektrode unterscheiden sich leicht von dem Abstand Pr der Empfangselektroden 24a und 24b, die erste Sendeelektrode 25a und die zweite Sendeelektrode 25b haben einen Versatz D1 bzw. einen Versatz D2 gegenüber den Empfangselektroden 24a und 24b.
Der Versatz D1 und der Versatz D2 werden jeweils mit der Funktion des Abstands x der Messrichtung von der Referenzposition x0 wie folgt repräsentiert: D1(x) = (Pr – Pt1)x/Pr D2(x) = (Pr – Pt2)x/Pr
Durch den Versatz D1 und den Versatz D2 wird, wenn die an den ersten und zweiten Empfangselektroden 24a und 24b erzeugten elektrischen Feldmuster an die ersten und zweiten Sendeelektroden 25a und 25b übertragen werden, die Änderung entsprechend langer Perioden λ1 und λ2 addiert. (Es wird angenommen, dass eine lange Periode durch den Versatz D1 λ1 ist und eine lange Periode durch den Versatz S2 λ2 ist.)
Weiter wird angenommen, dass die Periode der ersten Erfassungselektroden 26a und 26b und die Periode der zweiten Erfassungselektroden 27a und 27b beispielsweise Wr1 (= 3Pt1) bzw. Wr2 (= 3pt2) sind.
Die ersten Erfassungselektroden 26a und 26b und die zweiten Erfassungselektroden 27a und 27b sind mit drei ersten Sendeelektroden 25a und drei zweiten Sendeelektroden 25b kapazitiv gekoppelt, und die in der ersten Sendeelektrode 25a und der zweiten Sendeelektrode 25b erzeugte Kapazitätsänderung kann als ein Erfassungsstrom extrahiert werden.
Die Übertragungselektrode 23 wird als über die Empfangselektroden 24a und 24b und die Sendeelektroden 25a und 25a kapazitiv mit den Erfassungselektroden 26a, 26b, 27a und 27b gekoppelt betrachtet.
Beispielsweise wird beschrieben, wie die Kapazität zwischen einer der Übertragungselektroden 23 und der anderen der ersten Erfassungselektroden (26a) in Abhängigkeit der Position x verändert wird.
Die Kapazität wird durch Cn(B1) repräsentiert. Die Kapazität Cn(B1) wird wie folgt repräsentiert und in dem Graph der 4 dargestellt: Cn(B1) = Bsin2π{(x/λ1) – (n/8)} + Csin2π{(x/Pr) – (3n/8)} + D, wobei B die Amplitude der langen Periode ist, C die Amplitude der kurzen Periode (pr) ist und D ein Versatzwert ist.
Ähnlich wird beschrieben, wie die Kapazität zwischen einer der Übertragungselektroden 23 und der anderen der ersten Erfassungselektroden (26b) in Abhängigkeit der Position x verändert wird.
Eine der ersten Erfassungselektroden (26a) ist von der anderen (26b) um eine halbe Periode verschoben, und die lange Periode (λ1) ist eine umgekehrte Phase.
Die Kapazität ist durch Cn(B2) repräsentiert.
Die Kapazität Cn(B2) wird wie folgt repräsentiert und in einem Graph der 5 dargestellt: Cn(B2) = –Bsin2π{(x/λ1) – (n/8)} + Csin2π{(x/Pr) – (3n/8)} + D
Die Kapazität ist die Funktion der Position x, und welche Phase der Übertragungselektroden 23 stark mit der Erfassungselektrode 26a, 26b zu koppeln ist, wird in Abhängigkeit von x verändert.
Die ersten Erfassungselektroden 26a und 26b sind mit der Übertragungselektrode 23 kapazitiv gekoppelt, und in die ersten Erfassungselektroden 26a und 26b wird eine Spannung induziert.
Die Änderung der induzierten Spannung wird als Erfassungssignale B1 und B2 extrahiert und wie folgt repräsentiert: [Ausdruck 1]
Die durch die zweiten Erfassungselektroden 27a und 27b erfassten Erfassungssignale C1 und C2 werden ähnlich repräsentiert.
Hierbei wird angenommen, dass die lange Periode (λ1) der Erfassungssignale B1 und B2 mehrmals das Zehnfache der kurzen Periode (Pr) beträgt.
Ferner wird angenommen, dass die lange Periode (λ2) der Erfassungssignale C1 und C2 mehrmals das Zehnfache der langen Periode (λ1) der Erfassungssignale B1 und B2 beträgt.
Dann kann die Phasenverschiebung auf allen Stufen der groben Periode (grober Maßstab), der mittleren Periode (mittlerer Maßstab) und der feinen Periode (feiner Maßstab) durch Berechnen der folgenden Ausdrücke gewonnen werden:
(grober Maßstab): C1 – C2 (mittlerer Maßstab): B1 – B2 (feiner Maßstab): (B1 + B2) – (C1 + C2)
In diesem Zusammenhang sind die Ergebnisse von [B1 – B2] in 6 dargestellt, und die Ergebnisse von [B1 + B2] sind in 7 dargestellt.
Basierend auf Ausdruck 1, werden auch das grobe Signal, das mittlere Signal und das feine Signal beispielsweise wie folgt repräsentiert:
[Ausdruck 2]

(grober Maßstab): C1 – C2 = K₁cos2π( x / λ₁ – t / T) (mittlerer Maßstab): B1 – B2 = K₂cos2π( x / λ₁ – t / T) (feiner Maßstab): (B1 + B2) – (C1 + C2) = K₃cos2π( x / Pr – t / T)

Hierbei wird angenommen, dass beispielsweise die Zeit des Nulldurchgangspunkts des Signals tθ des feinen Maßstabs ist, und die folgenden Ausdrücke werden aufgestellt:
[Ausdruck 3]

2π( x / Pr – t₀ / T) = π / 2

[Ausdruck 4]

x = ( 1 / 4 + t₀ / T)Pr

Durch Zählen der Zeit von einer Referenzzeit, wenn die Phase des Referenzsignals 0 ist, bis zu dem Nulldurchgangspunkt tθ mit einem Zähler oder dergleichen wird die Position x des Erfassungskopfs 21 berechnet.
Es folgt eine Beschreibung des Signalprozessors 200.
8 ist ein Blockdiagramm, welches den Signalprozessor 200 darstellt.
Der Signalprozessor 200 enthält eine Steuerschaltung 210, eine Übertragungswellenform-Erzeugungsschaltung 220, einen Demodulator 230, einen Phasendetektor 300, eine Kombinierschaltung 270 und einen Istmaßkonverter 280.
Die Steuerschaltung 210 steuert den Zeitablauf der Operationen des gesamten Systems durch Zuführen eines Antriebssteuersignals, eines Taktsignals und eines Rückstellsignals an die Schaltungen.
Die Steuerschaltung 210 enthält einen Taktgeber 211. Mit dem Taktgeber 211 wird der Anzeigeaktualisierungszyklus der Anzeige 17 so gesteuert, dass er eine bestimmte intermittierende Periode ist (beispielweise ein Intervall von 100 ms). Dann werden die Zustände EIN und AUS der Schaltungsoperationen so gesteuert, dass die Phasendaten extrahiert, kombiniert und in jedem Anzeigeaktualisierungszyklus angezeigt werden. Die Steuerschaltung 210 führt der Übertragungswellenform-Erzeugungsschaltung 220, dem Demodulator 230, dem Phasendetektor 300, der Kombinierschaltung 270 und dem Istmaßkonverter 280 das Freigabesignal ENB zu, welches in einem Intervall von 100 ms ansteigt und für eine vorgegebene Zeit andauert.
Die Übertragungswellenform-Erzeugungsschaltung 220 erzeugt die Periodensignale a bis h von acht Phasen, welche um 45° voneinander verschoben sind, und führt die Signale den Übertragungselektroden 23 als das Ansteuersignal Sd zu.
Der Demodulator 230 enthält einen Demodulator 231 des groben Maßstabs, einen Demodulator 232 des mittleren Maßstabs und einen Demodulator 233 des feinen Maßstabs.
Die Erfassungssignale C1 und C2 von den zweiten Erfassungselektroden 27a und 27b werden dem Demodulator 231 des groben Maßstabs zugeführt.
Somit moduliert der Demodulator 231 des groben Maßstabs das durch „C1 – C2” gewonnene grobe Maßstabssignal.
Die Erfassungssignale B1 und B2 von den ersten Erfassungselektroden 26a und 26b werden dem Demodulator 232 des mittleren Maßstabs.
Somit moduliert der Demodulator 232 des mittleren Maßstabs das durch „B1 – B2” gewonnene mittlere Maßstabssignal.
Die Erfassungssignale B1, B2, C1 und C2 von den ersten Erfassungselektroden 26a und 26b und den zweiten Erfassungselektroden 27a und 27b werden dem Demodulator 233 des feinen Maßstabs zugeführt.
Somit moduliert der Demodulator 233 des feinen Maßstabs das durch „(B1 + B2) – (C1 + C2)” gewonnene feine Maßstabssignal.
Insbesondere wird bei der Demodulation das Abtasten, Mischen, Niederfrequenzfiltern oder Binarisieren an der Übertragungswellenform in einer Chop-Frequenz ausgeführt. Somit wird das Rechtecksignal CMP mit der Phaseninformation an der Flanke erzeugt. Mit anderen Worten: Ein grobes Maßstabsignal (CMP-COA), ein mittleres Maßstabsignal (CMP-MDE) und ein feines Maßstabsignal (CMP-FIN) werden gewonnen.
Der Phasendetektor 300 enthält einen groben Phasendetektor 310, einen mittleren Phasendetektor 320 und einen feinen Phasendetektor 330.
Das grobe Maßstabsignal (CMP-COA) wird dem groben Phasendetektor 310 zugeführt.
Das mittlere Maßstabsignal (CMP-MED) wird dem mittleren Phasendetektor 320 zugeführt.
Das feine Maßstabsignal (CMP-FIN) wird dem feinen Phasendetektor 330 zugeführt.
Nachfolgend wird der Phasendetektor 300 ausführlich beschrieben.
Der grobe Phasendetektor 310, der mittlere Phasendetektor 320 und der feine Phasendetektor 330 haben grundsätzlich die gleiche Konfiguration, und hier wird der feine Phasendetektor 330 beispielhaft beschrieben.
9 ist ein Blockdiagramm, welches den feinen Phasendetektor 330 darstellt.
Der feine Phasendetektor 330 enthält einen Zähler 331, eine Abtastzeitsteuerung 340, eine Phasenanpassungseinrichtung 350 und eine Mittelwertberechnungseinrichtung 360.
Der Zähler 331 ist ein Schleifenzähler und zählt in Abhängigkeit des Taktsignals hoch.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform soll ein Zyklus des Zählers 331 vier Perioden des Periodensignals betragen. (Eine Periode des Periodensignals ist gleich einer Periode des Maßstabsignals CMP. Das heißt, dementsprechend ist ein Zyklus des Zählers 331 ebenfalls gleich vier Perioden des Maßstabsignals CMP.) Dies basiert auf der Annahme, dass der Mittelwert von vier Zählwerten die Phaseninformation in dem feinen Phasendetektor 330 sein soll. Ein Zyklus des Zählers 331 ist nicht notwendigerweise gleich exakt vier Perioden des Periodensignals und muss lediglich vier Perioden oder mehr des Periodensignals betragen.
Wenn beispielsweise ein Mittelwert von zwei Zählwerten die Phaseninformation in dem groben Phasendetektor 310 oder dem mittleren Phasendetektor 320 sein soll, muss ein Zyklus des Zählers zwei Perioden des Referenzsignals betragen.
Wenn also die Anzahl der Zählwerte, die zum Ermitteln des Mittelwerts k ist, muss ein Zyklus des Zählers k/2 Perioden des Referenzsignals betragen.
Hier wird angenommen, dass der Zähler 331 ein 10-Bit-Zähler ist. (Wie oben beschrieben, können 10 oder mehr Bits verwendet werden.) Mit anderen Worten: Der Zähler 331 zählt derart, dass er vier Perioden des Referenzsignals Sd0 in 1023 aufteilt. Dies ist äquivalent dazu, dass eine Periode des Periodensignals durch 8 Bit (256) geteilt wird. Somit sind die Zählwerte der niederwertigen 8 Bits äquivalent dazu, dass Phasenwerte in einer Periode als digitale Werte basierend auf einem Zyklus des Referenzsignals Sd0 angegeben werden. 10 zeigt den Zustand, in dem der Zähler 331 hochzählt. Es sei darauf hingewiesen, dass niederwertige Bits von Bit0 bis Bit3 der Papierbreite wegen ausgelassen werden.
Wenn beispielsweise die Steuerschaltung 210 ein Startsignal mit einem vorgegebenen Intervall (beispielsweise mit einem Intervall von 100 ms) generiert, beginnen die Übertragungswellenform-Erzeugungsschaltung 220, der Demodulator 230 und der Phasendetektor auf das Startsignal hin zu arbeiten. Mit anderen Worten: Auf das Startsignal hin erzeugt die Übertragungswellenform-Erzeugungsschaltung 220 das Ansteuersignal Sd, und der Zähler 331 beginnt von Null aus hochzuzählen. Somit synchronisiert sich der Zähler 331 bei einer Phase Nummer 0 (Periodensignal a) mit dem Referenzsignal Sd0. Der Zählwert wird an die Phasenanpassungseinrichtung 350 ausgegeben.
Das feine Maßstabsignal (CMP-FIN) von dem Demodulator 233 des feinen Maßstabs und das Freigabesignal ENB von der Steuerschaltung 210 mit einem Intervall von 100 ms werden der Abtastzeitsteuerschaltung 340 zugeführt.
Die Abtastzeitsteuerschaltung 340 weist, basierend auf dem feinen Maßstabsignal (CMP-FIN) und dem Freigabesignal ENB, den Zähler 331 an, den Zählwert auszugeben, und weist, falls notwendig, die Phasenanpassungseinrichtung 350 an, die Phase anzupassen.
Die Abtastzeitsteuerschaltung 340 enthält einen Abtastsignalgenerator 341 und eine Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung 342.
Das Freigabesignal ENB von der Steuerschaltung 210 und das feine Maßstabsignal (CMP-FIN) von dem Demodulator 233 des feinen Maßstabs werden dem Abtastsignalgenerator 341 zugeführt.
Der Abtastsignalgenerator 341 erzeugt ein Abtastsignal, welcher nach Ansteigen des Freigabesignals ENB zum Zeitpunkt der Flanken des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) vier Mal ansteigt.
Da der durch Mitteln der vier Abtastwerte gewonnene Mittelwert die Phaseninformation zum Ermitteln der Phase des feinen Maßstabsignals darstellt, wird das Abtastsignal so eingestellt, dass es vier Mal ansteigt.
Um die Phase des mittleren Maßstabssignals (CMP-MED) oder des groben Maßstabsignals (CMP-CAO) zu ermitteln, steigt das Abtastsignal beispielsweise zwei Mal an, wenn der Mittelwert aus zwei Abtastwerten berechnet wird.
Ob die Flanke des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) eine ansteigende Flanke oder eine fallende Flanke ist, wird nicht unterschieden.
Nach Ansteigen des Freigabesignals ENB, beispielsweise, und wenn die erste Flanke des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) eine ansteigende Flanke ist, steigt das Abtastsignal vier Mal von der ansteigenden Flanke aus, wie in 11 dargestellt.
Dies ist ähnlich zum Stand der Technik.
Wenn dagegen, wie in 12 dargestellt, nach Ansteigen des Freigabesignals ENB die erste Flanke des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) eine fallende Flanke ist, steigt das Abtastsignal in diesem Fall vier Mal von der fallenden Flanke aus. Das auf diese Weise erzeugte Abtastsignal wird dem Zähler 331 zugeführt.
Der Zähler 331 gibt den Zählwert zum Zeitpunkt des Abtastsignals aus.
Das Freigabesignal ENB von der Steuerschaltung 210 und das feine Maßstabsignal (CMP-FIN) von dem Feindemodulator 233 werden der Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung 342 zugeführt.
Die Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung 342 ermittelt die Flankenpolarität des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN), welches direkt nach dem Ansteigen des Freigabesignals ENB erscheint. Wenn die Flankenpolarität des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN), welches direkt nach dem Ansteigen des Freigabesignals ENB erscheint, eine fallende Flanke ist, gibt die Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung 342 das Anpassungssignal an die Phasenanpassungseinrichtung 350 aus. Beispielsweise ist die Flankenpolarität des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN), welches direkt nach Ansteigen des Freigabesignals ENB erscheint, im Falle der 11 eine ansteigende Flanke. In diesem Fall hält das Anpassungssignal den Pegel LOW.
Dagegen ist die Flankenpolarität des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN), welches direkt nach Ansteigen des Freigabesignals ENB erscheint, im Falle der 12 eine fallende Flanke.
In diesem Fall führt die Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung 342 der Phasenanpassungseinrichtung 350 das Anpassungssignal mit Pegel HIGH zu.
Die Phasenanpassungseinrichtung 350 passt den Zählwert von dem Zahler 331 in Abhängigkeit des Anpassungssignals von der Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung 342 an.
Wenn die Flankenpolarität des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN), welches direkt nach Ansteigen des Freigabesignals ENB erscheint, eine fallende Flanke ist, gibt die Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung 342 das Anpassungssignal an die Phasenanpassungseinrichtung 350 aus (12).
Wenn die Phasenanpassungseinrichtung 350 das Anpassungssignal empfängt, addiert sie einen Anpassungsbetrag zu dem Zählwert von dem Zähler 331.
Hier ist der Anpassungsbetrag eine halbe Periode des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN).
Da der Zähler 331 so eingestellt ist, dass ein Zyklus des Zählers (1024) äquivalent zu vier Perioden ist, ist die halbe Periode des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) als Anpassungsbetrag äquivalent zu 128 in einem Zählerwert.
Der Wert wird binär durch „0010000000” repräsentiert.
Mit anderen Worten: Basierend auf einem Zyklus des Zählers muss der Anpassungsbetrag 1/8 eines Zyklus des Zählers sein.
Wenn ein Zyklus des Zählers 360° (2π) ist, muss der Anpassungsbetrag 45° (π/4) sein.
Der Zählwert wird entsprechend der Flankenpolarität zu dem Zeitpunkt, zu dem das Abtasten beginnt, angepasst.
Der so angepasste Zählwert wird an eine Mittelwertberechnungseinrichtung 360 ausgegeben.
Wenn kein Anpassungssignal von der Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung 342 empfangen wird, gibt die Phasenanpassungseinrichtung 350 den Zählwert direkt von dem Zähler 331 an die Mittelwertberechnungseinrichtung 360 aus.
Die Mittelwertberechnungseinrichtung 360 berechnet den Mittelwert der von der Phasenanpassungseinrichtung 350 zugeführten Zählwerte.
Die Mittelwertberechnungseinrichtung 360 enthält einen Datenpuffer 361 und eine Berechnungsausführeinrichtung 362.
Der Datenpuffer 361 puffert die von der Phasenanpassungseinrichtung 350 zugeführten Zählwerte vier Mal und sendet die vier Zählwerte an die Berechnungsausführeinrichtung 362.
Die Berechnungsausführeinrichtung 362 berechnet einen Mittelwert der vier von dem Puffer 361 zugeführten Zählwerte. Das bedeutet, dass die vier Zählwerte addiert und durch Vier geteilt werden.
13 zeigt den Zustand, in dem der Mittelwert aus den vier Zählwerten berechnet wird.
Wenn die vier Zählwerte entsprechend dem Zeitpunkt des Abtastsignals genommen und gemittelt werden, ist der Wert, welcher in dem Diagramm durch ein Dreieck angezeigt ist, äquivalent zu dem Mittelwert.
In dem Fall der 13 beginnt das Abtasten von der ansteigenden Flanke aus, und der Wert wird direkt in der Nachverarbeitung (z. B. Kombinationsverarbeitung oder Istmaßumwandlung) verwendet.
Die folgenden Fälle führen zu Problemen, welche unter Bezugnahme auf die 14 und 15 beschrieben werden.
In 14 wird das Problem dargestellt, bei dem die Phase nicht durch die Phasenanpassungseinrichtung 350 angepasst ist.
In 14 ist die erste Flanke des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN), welche direkt nach dem Ansteigen des Freigabesignals ENB erscheint, eine fallende Flanke.
Wie oben beschrieben, steigt das Abtastsignal von der fallenden Flanke aus, welches in diesem Fall die erste Flanke des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) ist, vier Mal. Die Zählwerte des Zählers 331 werden entsprechend dem Abtastsignal genommen.
Dann berechnet die Berechnungsausführeinrichtung 362 den Mittelwert der vier Zählwerte.
Der Mittelwert ist durch ein Dreieck in 14 angezeigt.
Im Fall der 14 wird jedoch das Abnehmen der Zählwerte von der fallenden Flanke des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) aus gestartet.
Der auf diese Weise berechnete Mittelwert hat eine Verschiebung im Vergleich zu dem Fall, in dem das Abtasten von der ansteigen Flanke aus gestartet wird.
Wenn der Wert direkt in der Nachverarbeitung (z. B. Kombinationsverarbeitung oder Istmaßumwandlung) verwendet wird, wird somit ein Fehler in dem Messwert erzeugt.
Dieses Problem wird mit dem Fall der 15 verglichen. In 15 wird das Abnehmen der Zählwerte zurückgehalten, nachdem das Freigabesignal ENB den EIN-Zustand annimmt und bis die ansteigende Flanke des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) erscheint. Der Mittelwert der vier Zählwerte ist in dem Diagramm durch ein Dreieck mit durchgezogener Linie angezeigt. (Der Wert des Falls der 14 ist zum Vergleich durch ein Dreieck mit gestrichelter Linie angezeigt).
Beim Vergleichen des Mittelwerts der 14 mit demjenigen der 15 ist das feine Maßstabsignal (CMP-FIN) um eine halbe Periode verschoben.
Somit muss, wie in 16 gezeigt, ein Wert addiert werden, der äquivalent zu einer halben Periode des feinen Maßstabsignals (CMP-FIN) ist. Die Phasenanpassungseinrichtung 350 führt die Verarbeitung durch.
Zwar ist die Zahl der zu mittelnden Abtastwerte in obigem Beispiel vier, doch kann der Anpassungsbetrag auf ähnliche Weise addiert werden, wenn die Zahl der zu mittelnden Abtastwerte eine andere Zahl als vier ist, beispielsweise 2, 3, 5, 6, ....
Beim Vergleich der 17 mit 18 wird beispielsweise deutlich, dass der Anpassungsbetrag der gleiche ist, wenn die Zahl der zu mittelnden Abtastwerte Zwei ist.
In diesem Fall muss der Anpassungsbetrag, ausgehend von einem Zyklus des Zählers, 1/4 eines Zyklus des Zählers sein.
Wenn eine Periode des Zählers 360° (2π) ist, muss der Anpassungsbetrag 90° (π/2) sein.
Wenn die Zahl der Zählwerte zum Berechnen eines Mittelwerts k ist, ist ein Zyklus des Zählers k/2 Perioden des Referenzsignals.
Somit ist der Anpassungsbetrag [ein Zyklus des Zählers/k].
Der grobe Phasendetektor 310 und der mittlere Phasendetektor 320 ermitteln die Phase ähnlich wie der feine Phasendetektor 330.
Die erfassten Signalphaseninformationen werden gewichtet und durch die Kombinationsschaltung 270 kombiniert.
Die Ausgabe von der Kombinationsschaltung 270 wird durch den Istmaßkonverter 280 in einen Istmaßwert umgewandelt. Der durch den Istmaßkonverter 280 gewonnene Istmaßwert wird auf der Anzeige 17 angezeigt.
Die vorliegende beispielhafte Ausführungsform mit der obigen Konfiguration hat die folgenden Wirkungen:

(1) Üblicherweise wurde der Beginn des Abtastens der Phaseninformationen zurückgehalten, bis eine ansteigende Flanke des Abtastsignals CMP erscheint. Somit wurden Zeit und Energie nutzlos verbraucht.

Dagegen wird bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform das Abtasten der Phaseninformationen nicht nur von einer ansteigenden Flanke aus, sondern auch von einer fallenden Flanke aus gestartet. Somit liegt die Wartezeit tw schätzungsweise innerhalb höchstens einer halben Periode des Maßstabsignals CMP. Wenn beispielsweise die Phaseninformationen durch Mitteln von vier Zählwerten gewonnen werden, ist es möglich, die Energieeffizienz um ungefähr 10% zu steigern.
Im Übrigen verbraucht ein kapazitiver Absolutencoder weniger Energie als andere Arten von Encoder, beispielsweise ein photoelektrischer oder ein magnetischer Encoder. Außerdem enthält der kapazitive Encoder zwar einen Phasendiskriminierungs-Encoder und einen Spannungsvergleichs-Encoder, doch verbraucht der Phasendiskriminierungs-Encoder weniger Energie als der andere. Dadurch verbraucht die Verschiebungsmessvorrichtung der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform extrem wenig Energie.

(2) Wenn das Abtasten des Zählwerts von einer fallenden Flanke aus gestartet wird, werden Unstimmigkeiten in der Nachverarbeitung (Kombinationsverarbeitung oder Istmaßumwandlung) erzeugt, und ein falscher Messwert wird angezeigt. Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform jedoch wird die Anpassungsberechnung entsprechend der Flankenpolarität zum Zeitpunkt des Beginns des Abtastens ausgeführt. Wenn das Abtasten des Zählwerts von einer fallenden Flanke aus gestartet wird, ist somit der angepasste Wert der gleiche wie der Wert, wenn das Abtasten des Zählwerts von einer ansteigenden Flanke aus gestartet wird.

Folglich kann eine präzise Verschiebungsmessvorrichtung realisiert werden, welche weder Zeit noch Energie verschwendet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene beispielhafte Ausführungsform beschränkt, und kann modifiziert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Der anwendbare Bereich dieser Erfindung ist nicht auf einen kapazitiven Encoder oder einen Linearbewegungsencoder beschränkt.
So lange es sich um einen Encoder handelt, welcher eine absolute Position ausgehend von der Phaseninformation berechnen kann, kann die vorliegende Erfindung auf einen photoelektrischen oder einen magnetischen Encoder ebenso wie auf einen Drehwertgeber angewendet werden.
Bei der obigen Ausführungsform wird angenommen, dass das Abtasten als Standard von einer ansteigenden Flanke aus gestartet wird und die Nachverarbeitung (Kombinationsverarbeitung oder Istmaßumwandlung) durchgeführt wird.
Wenn das Abtasten von einer fallenden Flanke aus gestartet wird, wird somit der Konsistenz mit dem Standard wegen der Anpassungsbetrag addiert, und umgekehrt. Das heißt, es wird angenommen, dass das Abtasten als Standard von einer fallenden Flanke aus gestartet wird und die Nachverarbeitung (Kombinationsverarbeitung oder Istmaßumwandlung) durchgeführt wird. in diesem Fall muss der Anpassungsbetrag addiert werden, wenn das Abtasten von einer ansteigenden Flanke aus gestartet wird.
Zwar zählt der Schleifenzähler vorwärts, und es kann die gleiche Theorie auf den Schleifenzähler angewendet werden, welcher rückwärts zählt. Es ist offensichtlich, dass der technische Umfang der vorliegenden Erfindung diese Art von Modifikation einschließt.
Es wurde beschrieben, dass der Anpassungsbetrag vor dem Berechnen des Mittelwerts zu dem Zählwert addiert wird. Der Anpassungsbetrag kann nach dem Berechnen des Mittelwerts addiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015-007660 [0001]
JP 06-064100 B [0003]
JP 2909338 B [0003]
JP 2878913 B [0003]
JP 2738996 B [0003]

Claims

Eine Verschiebungsmessvorrichtung, umfassend: einen Hauptmaßstab; einen Erfassungskopf, welcher so angeordnet ist, dass er relativ zu dem Hauptmaßstab verschiebbar ist, und dafür konfiguriert ist, ein periodisches Signal auszugeben, welches eine entsprechend der relativen Verschiebung zu dem Hauptmaßstab veränderbare Phase hat; einen Demodulator, welcher dafür konfiguriert ist, das periodische Signal in ein Rechtecksignal zu demodulieren, welches Phaseninformationen an einer Flanke hat; und einen Phasendetektor, welcher dafür konfiguriert ist, die Phaseninformationen des Maßstabsignals zu einem Zeitpunkt der Flanke zu erfassen, wobei der Phasendetektor umfasst: einen Abtastsignalgenerator, welcher dafür konfiguriert ist, ein Abtastsignal zu dem Zeitpunkt der Flanke des Maßstabsignals zu erzeugen; einen Zähler, welcher dafür konfiguriert ist, einen Zählwert gemäß einem Taktsignal zu jedem bestimmten Mal vorwärts zu zählen und den Zählwert zu einem durch das Abtastsignal angewiesenen Zeitpunkt auszugeben; eine Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung, welche dafür konfiguriert ist, zu ermitteln, ob eine Polarität der Flanke des Maßstabsignals eine ansteigende Flanke oder eine fallende Flanke ist, und ein Anpassungssignal zu erzeugen, wenn die Flanke, von der aus das Abtastsignal erzeugt wird, die fallende Flanke ist; und eine Anpassungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, bei Empfang des Anpassungssignals einen vorgegebenen Anpassungsbetrag zu dem von dem Zähler ausgegebenen Zählwert zu addieren.
Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Mittelwertberechnungsausführeinrichtung, welche dafür konfiguriert ist, einen Mittelwert einer Anzahl k von Abtastwerten zu berechnen, wobei der Zähler sich mit einem Referenzsignal synchronisiert und ein Schleifenzähler ist, bei dem k/2 Perioden des Referenzsignals ein Zyklus des Zählwerts sind, der Abtastsignalgenerator das Abtastsignal nacheinander k Mal zum Zeitpunkt der Flanke des Maßstabsignals nach Freigabe des Abtastens erzeugt, die Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung das Anpassungssignal erzeugt, nachdem das Abtasten freigegeben ist und wenn eine erste Flanke des Maßstabsignals die fallende Flanke ist, und die Anpassungseinrichtung einen Wert, welcher äquivalent zu 1/k eines Zyklus des Zählers ist, als Anpassungsbetrag zu dem von dem Zähler ausgegebenen Zählwert addiert, wobei k eine natürliche Zahl ist.
Verschiebungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Mittelwertberechnungsausführeinrichtung, welche dafür konfiguriert ist, einen Mittelwert einer Anzahl k von Abtastwerten zu berechnen, wobei der Zähler sich mit einem Referenzsignal synchronisiert und ein Schleifenzähler ist, bei dem (k + α)/2 Perioden des Referenzsignals ein Zyklus des Zählwerts sind, der Abtastsignalgenerator das Abtastsignal nacheinander k Mal zum Zeitpunkt der Flanke des Maßstabsignals nach Freigabe des Abtastens erzeugt, die Flankenpolaritätsermittlungseinrichtung das Anpassungssignal erzeugt, nachdem das Abtasten freigegeben ist und wenn eine erste Flanke des Maßstabsignals die fallende Flanke ist, und die Anpassungseinrichtung einen Wert, welcher äquivalent zu 1/(k + α) eines Zyklus des Zählers ist, als Anpassungsbetrag zu dem von dem Zähler ausgegebenen Zählwert addiert, wobei k und α natürliche Zahlen sind.
Verschiebungsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine ansteigende Flanke durch eine fallende Flanke ersetzt wird, und eine fallende Flanke durch eine ansteigende Flanke ersetzt wird.
Verschiebungsmessung für eine Verschiebungsmessvorrichtung, umfassend einen Hauptmaßstab, einen Erfassungskopf, welcher so angeordnet ist, dass er relativ zu dem Hauptmaßstab verschiebbar ist, und dafür konfiguriert ist, ein periodisches Signal auszugeben, welches eine entsprechend der relativen Verschiebung zu dem Hauptmaßstab veränderbare Phase hat, einen Demodulator, welcher dafür konfiguriert ist, das periodische Signal in ein Rechtecksignal zu demodulieren, welches Phaseninformationen an einer Flanke hat, und einen Phasendetektor, welcher dafür konfiguriert ist, die Phaseninformationen des Maßstabsignals zu einem Zeitpunkt der Flanke zu erfassen, wobei das Verschiebungsmessverfahren umfasst: Vorwärtszählen eines Zählwerts gemäß einem Taktsignal zu jedem bestimmten Mal; Abtasten des Zählwerts zum Zeitpunkt der Flanke des Maßstabsignals; Ermitteln, ob eine Polarität der Flanke des Maßstabsignals eine ansteigende Flanke oder eine fallende Flanke ist; und Addieren eines vorgegebenen Anpassungsbetrags zu dem abgetasteten Zählwert, wenn die Polarität der Flanke zum Zeitpunkt des Abtastens des Zählwerts die fallende Flanke ist.