专利名称：绝对位置测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种绝对位置测量设备，更具体地说，本发明涉及一种利用测微头、测微计或空穴测试等测量主轴位置的绝对位置的测量设备。
背景技术：
在用于测量长度、尺寸或角度的小测量仪器中，例如测微头、测微计，通过检测可运动元件相对于固定元件的移动数量的信息，对测量目标进行测量。
用于测量可运动元件相对于固定元件的移动数量的方法包括增量类型和绝对类型，本申请人在日本专利申请平成3-79647中已经介绍了上述增量类型。
前者包括一固定元件、一能够相对于所述固定元件运动的可运动元件以及一用于检测周期信号的相位的静电电容传感器，所述周期信号来源于可运动元件的运动。在这种结构中，如图10所示，如果可运动元件被移动，相对于可运动元件(主轴)的运动量而周期性改变的相位信号被位移传感器检测。通过计算这种相位信号的变化量，根据可运动元件的运动量和相位信号之间的关系，可以计算出可运动元件的运动量。
后者涉及检测多个具有不同周期的起源于可运动元件的运动的相位信号。在这种结构中，如果可运动元件移动，检测到两个或多个具有不同周期的相位信号，从而主轴的绝对位置从这些相位信号的相位中被测量出来。
例如检测一长周期的相位信号(非密相位信号，non-dense phase signal)和一短周期的相位信号(密相位信号，dense phase signal)。然后利用电路(相位变换电路、插值电路)获得非密相位信号以及密相位信号在一个周期内的位置。从这些相位之间的关系，计算发生在非密相位信号周期内的密相位信号相位周期数。根据这个结果，从非密相位信号的相位中计算出高位数字(upper digits)，从密相位信号的相位中计算出低位数字(lowerdigits)。所计算出的高位数字和低位数字被加权和综合。
用于确定发生在非密相位信号周期内的密相位信号的相位的周期数的方法涉及利用包含在非密相位信号一个周期内的密相相位信号的周期(步骤)数量分隔非密相位信号。
另一种方法涉及一种从记数脉冲中计算下数字的方法，通过分别计算密相位信号和基准信号之间的相位差获得所述记数脉冲，还涉及将从非密相位信号中获得的上数字与下数字进行合成。
然而增量类型具有如下问题(1)由于必须计算由可运动元件的运动所引起的相位信号，在可运动元件运动的同时，设备总是处于计算状态。如果可运动元件运动的太快，相位信号高速变化，必须增加计算响应速度，以便高速计算这个相位信号的变化。
(2)一旦计算出错，如果用户没有发现这个错误，则出现测量错误。为了校正测量，必须设定可运动元件的基准位置(零位调整)。
(3)一旦切断动力，当在下次使用时，必须重新设定可运动元件的基准位置。
绝对类型具有下列问题(4)虽然必须准确地检测非密或密相位信号之间的相位差，在一个宽范围内仍然很难保证相位检测的精度。为了计算绝对位置，要求一种用于计算在非密相位信号周期内的密相位信号的过程，利用适合于具有不同相位周期的相位信号的逻辑操作，利用非常复杂的操作步骤，称量每个周期，对该相位信号进行合成。
(5)此外，相对于基准信号计算计数脉冲需要同步调制控制，这是非常复杂的。为了增加测量精度，可能利用三种不同模式的信号，即非密模式、中间模式和密模式。然而数据处理是如此复杂，数据显示不能总是跟随可运动元件的快速运动。如果试图更高速地进行数据处理，则必须增加数据处理装置的尺寸，则导致该方法不适合于手动工具类型的测量仪器。

发明内容
本发明已经解决了现有技术中所存在的问题。本发明的一个目的是提供一种绝对位置测量设备，利用结构简单尺寸小的设备，能够准确地检测绝对位置。
为了实现上述目的，采用下述装置，根据本发明第一方面，提供一种绝对位置测量设备，它包括一主体；可移动地设置在所述主体内的一可运动元件；一相位信号发源部分，根据所述可运动元件的运动量，用于产生两个或多个具有不同周期的相位信号；一算术运算部分，用于对所述相位信号进行算术运算，获得所述可运动元件的绝对位置，所述算术运算部分包括一相位信号处理部分，用于比较所述相位信号，从而获得所述相位信号之间的相位差，还包括一绝对位置计算部分，用于根据相位信号处理部分所获得的相位差计算所述可运动元件的绝对位置，其中，当在所述可运动元件的运动范围内所述可运动元件的不同位置时，所述两个或多个相位信号具有不同的相位差。
利用这种结构，如果可运动元件运动，相位信号发源部分产生具有不同周期的相位信号，算术运算部分对该相位信号进行算术运算。此时，相位信号发源部分所产生的相位信号首先被算术运算部分内的相位信号处理部分处理，从而获得相位差。由于这个相位差在可运动元件的不同位置是变化的，可运动元件的绝对位置可以唯一地从相位差中获得。因此根据相位信号处理部分所获得的相位差，利用绝对位置计算部分计算出可运动元件的绝对位置。利用数字模式将该绝对位置显示在显示部分上，从而可以知道可运动元件的绝对位置。
在现有技术中，通过对非密和密相位信号进行算术运算，通过计算非密相位信号周期内的密相位信号的周期数，获得上数字。此外从密相位信号内获得下数字，对上数字和下数字进行合成。然而在本发明中，仅从相位差中获得绝对值。因此通过使算术运算部分的结构简单化可以使设备结构更紧凑，确保快速算术运算，降低成本。
根据本发明的第二个方面，在本发明第一方面确定的绝对位置测量设备中，最好用绝对位置计算部分计算周期数，即所述任一个相位信号在所述相位差基础上距基准点的周期数，计算对应于基于所述周期数的相位变化量的所述可运动元件的运动量，计算所述可运动元件对应于任何一个所述相位信号相位变化的数量的运动量，通过对所述可运动元件基于该周期数的运动量和所述可运动元件对应于任何一个所述相位信号相位变化量的运动量进行合成，计算可运动元件的总运动量，从而计算可运动元件的绝对位置。
利用这种结构，首先计算任一个相位信号距基准点的周期数。在可运动元件的不同位置，所述相位信号处理部分所获得的相位差是变化的，因此具有适合于不同周期数的宽度。因此任何一个相位信号的周期数被唯一地确定为例如根据相位差所获得的“第N个周期”。如果确定了周期数N，任何一个已经通过N个周期的相位信号的相位变化量被获得。然后，根据周期数N和可运动元件每周期的运动量，已经经历N个周期的可运动元件的运动量可以被获得。根据任何一个相位信号和可运动元件每周期的运动量，可运动元件从第N个周期移动到任何一个相位信号的运动量可以被获得。通过将运动了N个周期的可运动元件的运动量和可运动元件从第N个周期运动到任何一个相位信号的运动量进行合成，获得可运动元件的总的运动量。
根据本发明，直接反应可运动元件的绝对位置的相位信号是任何一个相位信号，只要求该相位信号精确。通过比较任何一个相位信号获得相位差，其它相位信号被用于根据所述相位差获得周期数，只要误差范围不引起错读周期数，就能被允许。因此具有产生相位信号并检测相位信号而无需任何精确操作的结构，省去了处理步骤，降低了成本。
根据本发明第三个方面，在本发明第一方面确定的绝对位置测量设备中，最好绝对位置计算部分计算周期数，即所述任一个相位信号在所述相位差基础上距基准点的周期数，根据基于周期数的相位变化量和所述任一个相位信号的相位变化量计算总的相位变化量，在总相位变化量的基础上，计算可运动元件的绝对位置。
利用这种结构，计算出所述任一个相位信号距基准点的周期数。在可运动元件的不同位置，所述相位信号处理部分所获得的相位差是变化的，因此具有适合于不同周期数的宽度。因此任何一个相位信号的周期数被唯一地确定为例如根据相位差所获得的“第N个周期”。如果确定了周期数N，任何一个已经通过N个周期的相位信号的相位变化量被获得。然后，根据这个相位变化量和任何一个相位信号，获得任何一个相位信号距基准点的总相位。根据总相位和可运动元件对应于任何一个相位信号的节距，可以确定可运动元件的绝对位置。
在现有技术中，通过将从所有非密信号和密信号中获得位置数据进行合成，获得可运动元件的绝对位置。因此要求所有非密信号和密信号非常精确，以高精度进行相位信号处理，导致工作困难，成本高。
然而在本发明中，直接反应可运动元件的绝对位置的相位信号是任一个相位信号，只要求该信号精确，通过比较任何一个相位信号获得相位差，其它相位信号被用于根据所述相位差获得周期数，只要误差范围不引起错读周期数，就能被允许。因此具有产生相位信号并检测相位信号而无需任何精确操作的结构，省去了处理步骤，降低了成本。
根据本发明第四个方面，在本发明第一方面确定的绝对位置测量设备中，最好所述主运动元件是一个通过转动能够沿轴线方向向前或向后运动的主轴，所述相位信号发源部分包括两组旋转编码器，所述旋转编码器具有固定在所述主体上的定子以及面对所述定子的转子，所述转子与所述主轴可转动地连接，所述两组转子具有不同的转动相位，在所述主轴的可运动区域内，当所述主轴处于不同的位置时，具有不同的相位差。
利用这种结构，如果主轴转动，主轴沿轴线方向向前或向后运动，每个转子都与主轴一起转动。当主轴停止转动时，利用定子检测两个转子相对于定子的相对转动相。此时，由于两个转子在主轴处于不同位置时具有不同的相位差，根据所述相位差，可以确定主轴的绝对位置。
在本发明中，两个转子与主轴一起转动获得相位信号，因此具有这样的优点，即两个转子在主轴处于不同位置时具有不同的相位差。也就是当一个转子在可运动元件的运动范围内变化R个周期，另一个转子的变化周期数是R+1或R-1。
根据本发明第五个方面，在本发明第四方面确定的绝对位置测量设备中，最好所述主轴被可转动地独立地穿过所述转子的转动中心，在所述主轴的外表面上设置两个键槽，所述转子上配置有与所述键槽啮合的键，设置两个键槽，从而在所述主轴的可运动区域内，在所述主轴的不同位置，所述两个转子具有不同的转动周期，具有不同的相位差。
根据这种结构，如果主轴转动，通过键与主轴的键槽啮合，每个转子也转动。两个转子以不同的转动周期转动，在所述主轴的可运动区域内，在主轴处于不同位置时具有不同的相位差，根据转子的相位差，可以确定主轴的绝对位置。
根据本发明第六个方面，在本发明第五方面确定的绝对位置测量设备中，最好在所述主轴的轴线方向，所述两个键槽具有不同的螺旋升角。
利用这种结构，由于两个键槽具有不同的螺旋升角，如果主轴转动，两个转子以不同的转动周期转动，因此当主轴处于不同的位置时，两个转子具有不同的相位差。根据转子的相位差，可以确定主轴的绝对位置。
根据本发明第七个方面，在本发明第五方面确定的绝对位置测量设备中，最好两个键槽中一个键槽平行于所述主轴的轴线方向被线性设置，另一个键槽围绕所述主轴的轴线被螺旋地设置。
利用这种结构，利用线性设置的键槽而转动的转子和利用螺旋设置的键槽而转动的转子可以具有不同的转动周期。
因此线性设置在主轴上的键槽更容易以高精度工作，螺旋设置的键槽或多或少更难以以高精度工作。在现有技术中，由于要求获得多个精确的相位信号，很难通过设置难以工作的槽来使转子转动。然而在本发明的绝对位置测量设备中，仅需要任何一个相位信号准确地对应于主轴的转动，其它相位信号的精度只要能够根据相位差确定该任何一个转子的周期数就行。因此利用简单地在主轴上准确地加工出键槽，就可以增加测量的精度。
根据本发明第八个方面，在本发明第四方面确定的绝对位置测量设备中，最好所述两组旋转编码器包括一公用定子和两个分别位于所述定子两侧的转子。
根据这种结构，从与定子的一个表面相对的转子获得一个相位信号，从与定子的另一个表面相对的转子获得其它相位信号。因此，利用一个公用定子和两个转子，获得两个不同的相位信号并计算出相位差，从而确定出主轴的绝对位置。
在本发明中，仅仅需要一个定子，因此可以减少元件数量，使结构紧凑，降低成本。
根据本发明第九个方面，在本发明第四方面确定的绝对位置测量设备中，最好两组旋转编码器包括两个定子和两个位于所述定子之间的转子。
利用这种结构，位于两个定子之间的两个转子被邻近地设置。从而在主轴上的键槽的加工范围可以缩小，可以在主轴上加工出丝杠，但是难以在相同区域加工出丝杠和键槽。为了使测量设备结构紧凑，希望丝杠之外的部分尽可能地小。利用本发明，能够缩小键槽被加工的范围，使测量设备结构紧凑。
根据本发明第十个方面，在本发明第四方面确定的绝对位置测量设备中，最好所述两个转子包括第一转子和第二转子，所述主轴独立地可转动地穿过第一转子和第二转子的中心，在所述主轴的外表面上设置一第一键和第二键，所述第一转子具有与所述第一键啮合的第一键槽，所述第二转子具有与所述第二键啮合的第二键槽，所述两个键槽被如此设置，从而在所述主轴的可运动区域内，在所述主轴的不同位置，两个转子具有不同的转动周期，不同的相位差。
根据这种结构，如果主轴转动，通过第一键和第一键槽之间的啮合，第一转子转动。如果第一转子转动，利用第二键和第二键槽之间的啮合，第二转子转动。从而在所述主轴的可运动区域内，在所述主轴的不同位置，两个转子具有不同的转动周期，不同的相位差，从而根据这两个转子之间的相位差，确定主轴的绝对位置。
根据本发明第11个方面，在本发明第10方面确定的绝对位置测量设备中，最好在所述主轴的轴线方向，所述第一键槽和第二键槽具有不同的螺旋升角。
利用这种结构，如果主轴转动，两个转子以不同的转动周期转动。也就是第一转子相对于主轴的转动相位被第一键槽的螺旋升角确定，第二转子相对于第一转子的相位被第二键槽确定。因此由于两个键槽具有不同的螺旋升角，因此当主轴处于不同得到位置时，两个转子具有不同的相位差。根据转子的相位差，可以确定主轴的绝对位置。
根据本发明第12个方面，在本发明第10方面确定的绝对位置测量设备中，最好所述第一键槽平行于所述主轴的轴线方向被线性设置，第二键槽围绕所述主轴的轴线被螺旋地设置。
利用这种结构，利用线性设置的键槽而转动的第一转子和利用螺旋设置的键槽而转动的第二转子具有不同的转动周期。也就是第一转子的转动周期与主轴的相同，第二转子的转动周期与第一转子的转动周期不同。
由于第一键槽被线性设置，第二键槽被螺旋地设置，可以获得与本发明第六方面相同的效果。也就是通过简单地在主轴上准确地加工出线性键槽，实现准确地测量。
根据本发明第13个方面，在本发明第四方面确定的绝对位置测量设备中，最好所述相位信号发源部分包括发射电极，沿所述定子的圆周方向等间距地设置，用于从相位调制器中接收相位信号，该相位调制器产生一固定频率的基准信号，该信号每360/n偏移(n是一个自然数)；一耦合电极，被设置在所述转子上，与相应圆周位置上的发射电极静电耦合；接收电极，被设置在定子上，与所述耦合电极静电耦合；相位信号处理部分，用于将来自所述接收电极的电信号转换成转子的相位。
利用这种结构，相位调制器产生一固定频率的基准信号，该相位调制后信号被发送到定子的发射电极。由于发射电极在相应的周边位置与转子的耦合电极静电耦合，由于利用基准信号对转子的转动相位进行调制，耦合电极上产生电势。此时出现在耦合电极上的电势取决于与发射电极的耦合。耦合电极也与定子上的接收电极耦合，接收电极接收到耦合电极上的电势的变化。接收电极所接收到的电势变化被发送到相位信号处理部分进行相位处理。检测与基准信号的偏差，转子相对于定子的转动数量作为相对相位被检测。因此通过比较相对相位，获得相位差，从而获得主轴的绝对位置。


图1是符合本发明一个实施例的绝对位置测量设备的横截面视图；图2A是显示了本发明实施例内的一定子的视图；图2B是显示了本发明实施例内的一转子的视图；图3是表示本发明实施例中的第一转子和第二转子的相位变化的图表；图4是显示本发明实施例内的第一转子和第二转子的相位变化以及第一转子的周期数变化的图表；图5是根据本发明实施例内有用的相位信号计算绝对位置的方框图；图6是符合本发明第二实施例的绝对位置测量设备的横截面视图；图7A～7D是用于举例说明在本发明中所使用的第一键槽和第二键槽的视图；图8是本发明的绝对位置测量设备的视图，其中槽被设置在转动的圆柱体上；图9是显示了在本发明的绝对位置测量设备中根据相位信号计算绝对位置的不同示例的方框图；图10是显示现有技术中相位信号的变化的图表。
具体实施例方式
下文将结合附图介绍本发明优选实施例。
(第一实施例)图1显示了具有作为本发明一个实施例的绝对位置测量设备的测微头。
这个测微头包括一主体1、一作为可运动元件的主轴2、一包含作为相位信号产生部分的旋转编码器3A和3B以及一相位调制器的振荡电路6、算术运算部分7和显示部分10。
主体1是圆柱形并具有一通孔11，在通孔11一端的内圆周上具有内螺纹12。在通孔11内设置一中间分隔板13，它在通孔11的另一端分隔出一空间。
主轴2上具有与主体1上的内螺纹12啮合的丝杠21，并在一端配备有旋钮部分22。如果这个旋钮部分22转动，主轴2在轴向方向利用主体1的内螺纹12和丝杠21之间的啮合向前和向后运动。在整个行程转动50圈，主轴2向前或向后移动25毫米。也就是每一螺距移动0.5毫米。
主轴2上设置两个键槽23A和23B，其中第一键槽23A平行于主轴2的轴线方向线性地设置，第二键槽23B设置成螺旋形环绕主轴2。
其中第二键槽23B的螺旋升角与第一键槽23A的不同，如下文所述，主轴2每转动一圈，第二键槽23B相对于第一键槽23A具有7.272度转动相位差。
设置两组旋转编码器3A和3B，其中包括第一旋转编码器3A和第二旋转编码器3B。第一旋转编码器3A和第二旋转编码器3B的结构相同。
也就是说，旋转编码器3A和3B包括一固定在主体1上的定子4以及两个相对于定子4的转子5A和5B，所述转子被设置成可以独立于定子2而转动。
定子4具有一插入孔41，主轴2通过孔41被插入一个盘的中心，如图2A所示，定子4还包括以规则间距设置的发射电极42以及一接收电极43，接收电极43象环那样被设置，沿圆周方向与发射电极42同心。设置两组发射电极42，每组具有8个电极。相位调制后的信号从相位调制器6被发送到发射电极42，接收电极43向算术运算部分7发送信号。
转子5A和5B具有通孔51，主轴2通过孔51插入盘中心。此外转子5A和5B包括彼此相对的耦合电极52，电极52被设置成横跨定子4的发射电极42和接收电极43，如图2B所示，并与4个相应的发射电极42静电耦合。
转子5A和5B被设置在转动圆筒54A和54B的外侧，可以独立于主轴2而转动，如图1所示，转动的圆筒体54A和54B具有主轴2可以穿过的插入孔541。围绕转动圆筒54A和54B的插入孔541内圆周，设置分别与主轴2的键槽23A和23B啮合的键55A和55B。利用主体1的一个腔的另一侧的内壁以及分隔板13，迫使转动圆筒54A和54B靠向定子4。
因此，如果主轴2转动，利用键55A和55B与键槽23A和23B之间的啮合，转动圆筒54A和54B转动，转子5A和5B也同时转动。
在这个实施例中，在第一旋转编码器3A和第二旋转编码器3B之间设置一个定子4，如图1所示，两个转子5A和5B设置在定子4的两侧。定子4几乎被固定在主体1的一个腔的中心。
也就是发射电极42和接收电极43被设置在一个定子4的两个表面上。第一旋转编码器3A由定子4的一个端面4A以及第一转子5A组成，第二旋转编码器3B由定子4的另一个端面4B以及第二转子5B组成。
此外，第一转子5A被设置在第一转动圆筒54A上，第一转动圆筒54A的第一键55A与第一键槽23A啮合。第二转子5B被设置在第二转动圆筒54B上，第二转动圆筒54B的第二键55B与第二键槽23B啮合。
在这个实施例中，如果转子5A和5B转动半圈(180度)，则获得一个周期的相位变化。因此，如果主轴2转动50圈，如上所述，第一转子5A改变100个周期。因此为了第一转子5A和第二转子5B在任何时间都有不同的相位差，在第一转子5A转动100个周期时，第二转子5B必须从99个周期变化到100个周期。因此第二转子5B可以每99周期(也就是第二转子转动49.5圈)产生一360度相位差。如上所述，第二键槽23B具有一周期差。
对于第一键槽23A来说，主轴2每转动半圈，出现360(度)÷99(周期)＝3.6363(度/周期)。采用这种方式，设置第一键槽23A和第二键槽23B，因此如图3所示，随着转子5A和5B相对于定子4的转动数量的变化，相位θ1和θ2(转子5A的转动相位θ1以及转子5B的转动相位θ2)被改变。任何时间，转子5A和5B之间的相位差在主轴2的一可动区域内任一时刻都发生变化，并具有图4所示的关系。
如图5所示，振荡电路6包括用于振荡出一个固定周期的基准信号的基准信号振荡器61以及一被用作相位调制器对来自基准信号振荡器61的基准信号进行相位调制的相位调制发生器62。
相位调制发生器62将来自基准信号振荡器61的基准信号调制成8相交流信号，相位每隔45°发生一次偏移。该信号被发送到对应于接收电极43的电极。
在这种结构中，如果主轴2转动，则主轴2沿轴线方向前后运动，转子5A和5B转动。因此设置在定子4上的每个发射电极42的电势被相位调制发生器62调制，从而在发射电极42的静电耦合的组合的作用下，设置在转子5A和5B上的耦合电极52的电势变化。耦合电极52电势的变化表现为接收电极43的电势变化。
下文将介绍算术运算部分7，该算术运算部分处理来自编码器3A和3B的相位信号，从而计算出主轴2的绝对位置。
如图5所示，算术运算部分7包括相位信号处理部分8和绝对位置计算部分9。
相位处理部分8用于处理起源于第一编码器3A和第二编码器3B的相位信号，从而获得相位差。相位处理部分8包括将来自第一编码器3A的相位信号输入的第一积分电路81A和将来自第二编码器3B的相位信号输入的第二积分电路81B，相位处理部分8还包括相位比较部分82以及相位差计算部分83。
相位比较部分82将积分电路81A、81B解调后的信号与来自基准信号振荡器61的基准信号进行比较，从而检测转子5A和5B相对于定子4的转动数量，将其作为相对于基准信号的偏移，并计算第一转子5A的相位θ1以及第二转子5B的相位θ2。
相位差计算部分83计算从相位比较部分82获得的相位θ1和θ2之间的相位差Δθ，并将其发送到绝对位置计算部分9。
绝对位置计算部分9包括一周期相位计算部分91、一周期运动量计算部分92、一相位运动量计算部分93以及一运动量合成部分94。
每次从第一转子5A和第二转子5B的相位相匹配的基准点开始，第一转子5A的相位增加一个周期，周期相位计算部分91分配周期数N，并具有一个相位差周期数表911，如图4所示，它表示周期数N和相位差Δθ之间的关系。由于在主轴2的不同位置，相位差Δθ不同，所以，在不同的周期数，具有不同的相位差Δθ宽度。即，相位差周期数表911存储被事先计算的与相位差Δθ对应的周期数，因此当相位差Δθ从k到1度时，周期数是N，当相位差Δθ从m到n度时，周期数是(N+1)，依次类推。
因此在周期相位差计算部分91内，通过查阅相位差周期数表911，根据相位差Δθ，确定出第一转子5A的唯一的周期数N。然后根据被确定的周期数N，获得已经经历N个周期的第一转子5A与基准点的相位变化量θ1N，即，θ1N＝N×360°。
周期数运动量计算部分92计算主轴2运动到利用周期相位差计算部分91所获得的相位变化差值θ1N时的运动量D1N。由于主轴2的每周期运动节距为0.25毫米，所以，(从基准点直到周期数N时主轴的运动量D1N)＝0.25×(θ1N÷360)，因此获得从基准点开始直到N个周期的主轴的运动量D1N。
利用相位比较部分82所获得的第一转子5A的相位θ1，相位运动量计算部分93计算主轴运动量D1，即经历N个周期后又运动了相位θ1后的主轴2的运动量，换句话说，获得了主轴2转动相位θ1时主轴的运动量D1。
(当转动相位θ1时，主轴运动量D1)＝0.25×(θ1÷360)因此获得当主轴2转过相位θ1时主轴的运动量D1。
运动量合成部分94分别对利用周期运动量计算部分92和相位运动量计算部分93所获得的经历从基准点直到周期数N的主轴运动量D1N以及当转过相位θ1时的主轴运动量D1进行合成，获得主轴2距基准点的总运动量D1N。
(主轴2距基准点的总运动量D1A)＝D1N+D1因此获得主轴2距基准点的总运动量D1A。
运动量合成部分94具有零位调整数据941，预先存储主轴2的零位调整位置和基准点之间的差。
因此通过从主轴2距基准点的运动量推导出零位调整位置，获得主轴2的绝对位置。
绝对位置信号被发送到显示部分10上并在显示部份上显示。
因此，如上所述的第一实施例的绝对位置测量设备具有如下效果。
在第一实施例中，利用经过N个周期的第一转子5A的相位变化量θ1N，获得转动了θ1N的主轴2的运动量D1N，利用第一转子5A的相位信号θ1，获得主轴2在第一转子5A的一个周期的运动量D1，因此通过将这两个运动量相加，获得主轴2的总运动量D1A。
反映主轴2的绝对位置的相位是第一转子5A的相位信号，相位差仅被用于计算第一转子5A的周期数。因此以第二转子5B的相位检测精度，误差宽度只要不引起周期数被错读就可以。这样作的优点是，能够补偿第二键槽23B被螺旋设置所引起的困难。
在现有技术中，通过合成从所有非密信号和密信号获得的数据，获得可运动元件的绝对位置。因此要求准确地产生非密和密信号，精确加工相位检测部分，增加了元件的加工难度，导致成本增加。
然而在本实施例中，反映主轴2绝对位置的信号是第一转子5A的相位信号，因此仅仅需要第一转子5A精确地产生相位信号。不要求产生第二转子5B的相位信号以及检测相位信号的结构的精度，从而可以减少工作步骤，降低成本。
在这个实施例中，用下面方式构成旋转编码器3发射电极42和接收电极43被设置在定子4的两个表面上，第一转子5A和第二转子5B面对定子4的两个表面，因此仅需要一个定子4，因此需要的元件数量更少，成本更低。
(第二实施例)图6显示了根据本发明第二实施例的微测头。
第二实施例的基本元件与第一实施例中的相同，因此用相同的附图标记表示相同的元件，并省略相同元件的介绍。
第一实施例和第二实施例不同之处在于，它利用两个定子4。换句话说，第一定子4A被固定在主体1的一个腔的另一侧的内壁上，第二定子4B被固定在主体1的分隔板13上。第一转子5A相对于第一定子4A设置，第二转子5B相对于第二定子4B设置。因此，第一和第二转子5A和5B被夹在第一和第二定子4A和4B之间。此外转动圆筒54A和54B的键55A和55B设置成靠得很近。
利用这种结构，两个转子5A和5B被相邻设置。采用这种方式，键槽23A和23B在主轴2的一更狭窄的范围内被加工出。主轴2上加工有丝杠21，但是难以在相同区域加工出丝杠21和键槽23A和23B。为了减少测微计体积，非丝杠21的部分被制造得尽可能短。在这个实施例中，在最小区域内加工键槽23A和23B，使微测计自身最小化。
本发明的绝对位置测量设备并不局限于上述实施例，在不脱离本发明的精神和实质范围内可以进行各种修改。
例如键槽23A和23B的形状可以是如图7A-7D所示形状。图7A显示丝杠21是一个右手螺旋，第二键槽23B是右手螺旋，第二键槽23B的实线和虚线表示通过转动而实现的前进(后退)状态。图7B、7C和7D，显示丝杠21是右手螺旋或左手螺旋，第二键槽23B是右手螺旋或左手螺旋等各种情况的组合。
在上述实施例中，第一键槽23A是直线型的，第二键槽23B是螺旋的，但是两个键槽都可以设置成螺旋形的。
在上述实施例中，相位信号处理部分8中，设置有两个积分电路，包括第一积分电路81A和第二积分电路81B。但是可以仅设置一个积分电路。例如当主轴2停止运动时，首先可以接收来自第一旋转编码器3A的信号，然后接收来自第二旋转编码器3B的信号。利用一个积分电路，能够减少元件数量，缩小设备尺寸。
在上述实施例中，在主轴2上设置键槽23A和23B，在转子5A和5B的转动圆筒54A和54B上设置键槽55A和55B。相反，如图8所示，键可以被设置在主轴2上，键槽可以被设置在转动圆筒54A和54B上。
在图8中，第一转子5A被独立于主轴2可转动地设置，第二转子5B被独立于第一转子5A转动地设置在第一转子5A的外侧。第一转子5A具有第一转动圆筒57A，第二转子5B具有第二转动圆筒57B。
主轴2上设置有垂直于主轴2轴线方向的第一键24A。第一转子5A上配备有沿平行于主轴2轴向方向直线延伸的第一键槽56A，第二键槽24B位于其外侧。第二转动圆筒57B配备有其螺旋升角和第一键槽56A不同的第二键槽56B。利用这种结构，第一键24A与第一键槽56A啮合，第二键24B与第二键槽56B啮合。主轴2每转动一圈，相对于第一键槽56A，第二键槽56B的转动相位差为7.272度。
利用这种结构，通过使第一转子5A和第二转子5B根据主轴2得转动而转动，可以获得第一转子5A和第二转子5B之间的相位差。第一键槽56A可以不是线性的，但是其螺旋升角和第二键槽56B的螺旋升角不同，在主轴2的不同运动区域具有不同的相位差。
在上述实施例中，设置两组旋转编码器，但是也可以设置三组或更多的旋转编码器。如果使用三组或更多的旋转编码器，可以获得不同周期的三个相位信号。如果三个相位信号的相位差值不同，由于在本发明中获得主轴2的绝对位置，主轴2的可运动区域可以比使用两组旋转编码器时的更长。
主轴2的丝杠12的节距以及第一转子5A和第二转子5B的周期并不局限于上述实施例，可以被设置成不同的值。
在上述实施例中，转动了θ1N的主轴2的运动量D1N从经历了N个周期的第一转子5A的相位变化量θ1N中获得，主轴2在第一转子5A的一个周期内的运动量D1从第一转子5A相位信号θ1中获得，因此通过将这两个运动量相加，获得主轴2距基准点的总运动量D1N。然而可以想到使用其它的计算主轴2绝对位置的方法。例如利用合成部分95，经历N个周期的第一转子5A的相位变化量θ1N以及第一转子5A的相位信号θ1可以被相加，从而获得第一转子5A距基准点的总相位变化量θ1A，如图9所示，然后，在相位位置转换部分96内计算主轴2的位置。
也可以使用上述实施例之外的不同的用于测量周期数的方法。例如在相位计算部分91内，利用关系表达式，周期数N可以从相位差Δθ中被获得。此外利用关系表达式，无需获得周期数，可以直接从相位差Δθ中获得总相位θ1A。
本发明的绝对位置测量设备并不局限于通过转动使可运动元件运动。例如，可以是卡尺的滑动或千分表的主轴运动。实质上，只要能检测到与可运动元件的运动量相符的相位差，就适用于本发明的绝对位置测量设备。
用于检测相位的部分并不局限于静电电容类型，也可以是光电或磁场类型。
如上所述，利用本发明，绝对位置测量设备可以利用更小的尺寸和简单结构就可以准确地检测绝对位置。
权利要求
1.一种绝对位置测量设备，包括一主体；可移动地设置在所述主体内的一可运动元件；一相位信号发源部分，根据所述可运动元件的运动量，用于产生两个或多个具有不同周期的相位信号；一算术运算部分，用于对所述相位信号进行算术运算，获得所述可运动元件的绝对位置，所述算术运算部分包括一相位信号处理部分，用于比较所述相位信号，从而获得所述相位信号之间的相位差，还包括一绝对位置计算部分，用于根据相位信号处理部分所获得的相位差，计算所述可运动元件的绝对位置，其中，当所述可运动元件在其运动范围内处于不同位置时，所述两个或多个相位信号具有不同的相位差。
2.一种根据权利要求1所述绝对位置测量设备，其特征在于所述绝对位置计算部分在所述相位差基础上，计算与任一所述相位信号相对应的、距一基准点的周期数，计算对应于基于所述周期数的相位变化量的所述可运动元件的运动量，计算所述可运动元件对应于任何一个所述相位信号相位变化量的运动量，通过对所述可运动元件基于该周期数的运动量和所述可运动元件对应于任何一个所述相位信号相位变化量的运动量进行合成，计算可运动元件的总运动量，从而计算可运动元件的绝对位置。
3.一种根据权利要求1所述绝对位置测量设备，其特征在于所述绝对位置计算部分在所述相位差基础上，计算与任一所述相位信号相对应的、距一基准点的周期数，根据基于周期数的相位变化量和任一个所述相位信号的相位变化量计算总的相位变化量，在总相位变化量的基础上，计算可运动元件的绝对位置。
4.一种根据权利要求1所述绝对位置测量设备，其特征在于所述主运动元件是一个通过转动能够沿轴线方向向前或向后运动的主轴，所述相位信号发源部分包括两组旋转编码器，所述旋转编码器具有固定在所述主体上的定子以及面对所述定子的转子，所述转子与所述主轴的转动相关联地转动设置，其中，所述两组转子具有不同的转动周期，在所述主轴的可运动区域内，当所述主轴处于不同的位置时，具有不同的相位差。
5.一种根据权利要求4所述绝对位置测量设备，其特征在于所述主轴可转动地、独立地穿过所述转子的转动中心，在所述主轴的外表面上设置有两个键槽，所述转子上配置有与所述键槽啮合的键，所述两个键槽设置成使所述两个转子具有不同的转动周期，并且在所述主轴的可运动区域内，在所述主轴的不同位置，具有不同的相位差。
6.一种根据权利要求5所述绝对位置测量设备，其特征在于在所述主轴的轴线方向，所述两个键槽具有不同的螺旋升角。
7.一种根据权利要求5所述绝对位置测量设备，其特征在于两个键槽中一个键槽平行于所述主轴的轴线方向被线性设置，另一个键槽围绕所述主轴的轴线被螺旋地设置。
8.一种根据权利要求6所述绝对位置测量设备，其特征在于两个键槽中一个键槽平行于所述主轴的轴线方向被线性设置，另一个键槽围绕所述主轴的轴线被螺旋地设置。
9.一种根据权利要求4所述绝对位置测量设备，其特征在于所述两组旋转编码器包括一公用定子和夹着所述定子的两个转子。
10.一种根据权利要求4所述绝对位置测量设备，其特征在于所述两组旋转编码器包括两个定子和位于所述两个定子之间的两个转子。
11.一种根据权利要求4所述绝对位置测量设备，其特征在于所述两个转子包括第一转子和第二转子，所述主轴独立地可转动地穿过第一转子和第二转子的转动中心，在所述主轴的外表面上设置有一第一键，所述第一转子具有与所述第一键啮合的第一键槽和在所述第一转子外表面上设置的第二键，所述第二转子具有与所述第二键啮合的第二键槽，其中所述两个键槽被如此设置，从而两个转子具有不同的转动周期，在所述主轴的可运动区域内，在所述主轴的不同位置，具有不同的相位差。
12.一种根据权利要求11所述绝对位置测量设备，其特征在于在所述主轴的轴线方向，所述第一键槽和第二键槽具有不同的螺旋升角。
13.一种根据权利要求11所述绝对位置测量设备，其特征在于所述第一键槽平行于所述主轴的轴线方向被线性设置，第二键槽围绕所述主轴的轴线被螺旋地设置。
14.一种根据权利要求12所述绝对位置测量设备，其特征在于所述第一键槽平行于所述主轴的轴线方向被线性设置，第二键槽围绕所述主轴的轴线被螺旋地设置。
15.一种根据权利要求4所述绝对位置测量设备，其特征在于所述相位信号发源部分包括发射电极，沿所述定子的圆周方向等间距地设置，用于从一相位调制器中接收相位信号，该相位调制器产生一固定频率的基准信号，该信号每隔360/n被进行一次偏移，n是一个自然数；一耦合电极，设置在所述转子中，与相应圆周位置上的发射电极静电耦合；一接收电极，设置在定子中，与所述耦合电极静电耦合；和一相位信号处理部分，用于将来自所述接收电极的电信号转换成转子的转动相位。
全文摘要
一种绝对位置测量设备，包括一主体、可移动地设置在所述主体内的主轴、两组旋转编码器、一算术运算部分和一显示部分。该转动编码器产生两个对应于主轴运动量的、周期不同的相位信号。算术运算部分对所述相位信号进行算术运算，获得主轴的绝对位置。显示部分采用数字模式显示该绝对位置。在主轴的不同位置，两组相位信号具有不同的相位差。所述算术运算部分包括一相位信号处理部分，用于比较两组相位信号，从而获得不同相位信号之间的相位差，用于计算主轴绝对位置的绝对位置计算部分根据相位信号处理部分所获得的相位差计算所述可运动元件的绝对位置。
文档编号G01D5/249GK1432792SQ0310387
公开日2003年7月30日 申请日期2003年1月11日 优先权日2002年1月11日
发明者佐佐木康二 申请人:三丰株式会社