专利名称：相位差调整装置及方法以及应用该相位差调整装置的感测装置的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种调整装置及其调整方法，特别有关于一种相位差调整装置及方法，其中，应用上述相位差调整装置的感测装置，亦一并揭露。
背景技术：
一般的位置-角度感测装置，例如磁性尺、光学尺、雷射干涉仪、旋转编码器...等，均会根据位置-角度感测装置的读头位置的变化，而输出二个具有相位差的弦波信号；以输出信号为二正交弦波信号的光学尺为例，理论上光学尺所输出的弦波信号为二相位差为90°的弦波信号，若此光学尺的所能量测的最小距离为0.01公分，则输出的弦波信号的周期即相对应于0.01公分，待测物体每相对运动0.01公分时，输出的弦波信号即经过一完整周期，但由于机构组装的误差等原因使得输出的弦波信号并非相差90°，亦即待测物相对运动0.01公分时，输出的弦波信号并非完整经过一整个周期，进而影响光学尺的精度，唯有使用高精密度的组装零件与技术才能提高光学尺的精度，但却使得光学尺的成本提高不少。
另一方面为了提高位置-角度感测装置的分辨率，习知做法为使用电子细分割电路，由于感测装置根据读头位置的变化，而输出的弦波信号的周期，与该感测装置所能解析的最小距离相同，利用电子细分割电路接收感测装置所输出的弦波信号，将感测装置所产生的弦波信号的周期变�。沟酶胁庾爸每梢越馕龅礁〉木嗬耄缱酉阜指畹谋堵视咴蚋胁庾爸玫姆直媛室灿撸杂诟胁庾爸盟涑龅亩鱿也ㄐ藕诺南辔徊畹囊笠灿�。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一目的为，提供一相位差调整方法，可依使用者的需求，调整两信号的相位差。
本发明的第二目的为，提供一相位差调整装置，搭配上述相位调整方法，调整两信号的相位差。
本发明的第三目的为，提供一感测装置，根据上述调整装置及方法，提高感测装置的精度，此外使得感测装置得以搭配更高倍率的电子细分割电路以提高感测装置的分辨率。
为达到上述第一目的，本发明提出一种相位差调整方法，适用于调整一第一信号S1(θ)与一第二信号S2(θ+φ+Δφ)，使其产生与第一信号S1(θ)的相位差为φ的信号，其中，θ和θ+φ+Δφ分别表示第一信号S1和第二信号S2的相位，相位差调整方法包括下列步骤(a)变化一第一增减率a1的值，以改变第一信号S1(θ)的振幅而得到一第一调整信号SD1＝a1×S1(θ)；(b)变化一第二增减率a2的值，以改变第二信号S2(θ+φ+Δφ)的振幅而得到一第二调整信号SD2＝a2×S2(θ+φ+Δφ)；(c)将第一调整信号SD1加上第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝a1×S1(θ)+a2×S2(θ+φ+Δφ)；(d)检测第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差；当第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差不为φ，则重复上述步骤(a)～(d)，直到第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差为φ。
为达到上述第二目的，本发明提出一种相位差调整装置，适用于调整一第一信号S1(θ)与一第二信号S2(θ+φ+Δφ)，使其产生与第一信号S1(θ)的相位差为φ的信号，其中，θ和θ+φ+Δφ分别表示第一信号S1和第二信号S2的相位，相位差调整装置，包括一调整装置，接收第一信号S1(θ)与第二信号S2(θ+φ+Δφ)，以进行一调整程序；其中，调整程序包括变化一第一增减率a1的值，以改变第一信号S1(θ)的振幅而得到一第一调整信号SD1＝a1×S1(θ)；变化一第二增减率a2的值，以改变第二信号S2(θ+φ+Δφ)的振幅而得到一第二调整信号SD2＝a2×S2(θ+φ+Δφ)；将第一调整信号SD1加上第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝a1×S1(θ)+a2×S2(θ+φ+Δφ)；一相位差检出装置，耦接第一信号S1(θ)和第三调整信号SD3，用以检测第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差。
其中，当第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差不为φ，则相位差检出装置驱动调整装置重复调整程序，直到相位差检出装置侦测出第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差为φ。
为达到上述第三目的，本发明提出一种感测装置，包括一信号产生装置，感测一待测物的位置-角度，并且输出一第一信号S1(θ)及一第二信号S2(θ+φ+Δφ)；一调整装置，接收第一信号S1(θ)与第二信号S2(θ+φ+Δφ)，以进行一调整程序；其中，上述调整程序包括变化一第一增减率a1的值，以改变第一信号S1(θ)的振幅而得到一第一调整信号SD1＝a1×S1(θ)；变化一第二增减率a2的值，以改变第二信号S2(θ+φ+Δφ)的振幅而得到一第二调整信号SD2＝a2×S2(θ+φ+Δφ)；将第一调整信号SD1加上第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝a1×S1(θ)+a2×S2(θ+φ+Δφ)；一相位差检出装置，耦接第一信号S1(θ)和第三调整信号SD3，用以检测第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差。
其中，当第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差不为φ，则相位差检出装置驱动调整装置重复调整程序，直到相位差检出装置侦测出第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差为φ。
其中，本发明的感测装置，更包括一振幅调整装置，用以调整第三调整信号SD3的振幅而得一第四调整信号SD4；一振幅差检出装置，耦接第四调整信号SD4与第一信号S1(θ)，当两者之间有振幅差出现时，振幅差检出装置则驱动振幅调整装置连续调整第三调整信号SD3的振幅，直到第四调整信号SD4与第一信号S1(θ)两者的振幅相同。
本发明具有以下两点优点
一、节省成本仅需一般的组装零件与技术配合本发明后，便可有效提高光学尺的精度，不需使用高精密度的组装零件与技术。
二、有效提高感测装置的分辨率使用电子细分割电路配合本发明，所能提升的分辨率可以达到最高。
三、相位差调整弹性高本发明所能调整的待调整的相位误差Δφ可为正或负，而且调整后的相位差φ不限于90°，大大地提高设计电路的弹性。
图1显示本发明的相位差调整方法流程图。
图2显示本发明的相位差调整装置。
图3显示调整装置的电路示意图。
图4显示具有振幅调整功能的相位差调整装置。
图5显示具有相位差及振幅调整的感测装置方块图。
图6显示光学尺所输出的弦波信号。
图7A显示电子细分割的结果示意图。
图7B显示电子细分割的结果示意图。
图号说明20相位差调整装置 21调整装置 22相位差检出装置210 OP放大器23振幅检出装置 24振幅调整装置50感测装置51信号产生装置 52读取装置具体实施方式
假设，位置-角度感测装置所输出信号的第一及第二信号分别为sinθ及sin(θ+φ+Δφ)；φ为理想的相位差，Δφ为待调整的相位误差。以下将说明相位差调整原理sin(θ++Δ)＝sin(θ+)cosΔ+cos(θ+)sinΔ(1)因此
又sin(θ++Δ)＝sinθcos(+Δ)+cosθsin(+Δ)(3)因此 (4)代入(1)得sin(θ+)＝a1·sinθ+a2·sin(θ++Δ) (5)其中， 因此A·sin(θ+)＝sin(θ++Δ)+k·sinθ (6)其中， 由(5)式可看出，只要将第一信号sinθ乘上参数a2，再加上乘上参数a1的第二信号sin(θ+φ+Δφ)，便可得到具有理想相位差的sin(θ+φ)；其中，当 时，代入(5)式，便可得到Asin(θ+φ)，而A＝1；但若a1或a2不等于上述之值时，则所得到的Asin(θ+φ)信号中的A将不等于1。
图1显示本发明的相位差调整方法流程图。用以调整一第一信号S1(θ)与一第二信号S2(θ+φ+Δφ)，使其产生与第一信号S1(θ)的相位差为φ的信号，其中，θ和θ+φ+Δφ分别表示第一信号S1和第二信号S2的相位，本发明所揭露的相位差调整方法，包括下列步骤步骤100变化一第一增减率a1的值，以改变第一信号S1(θ)的振幅而得到一第一调整信号SD1＝a1×S1(θ)；然后执行步骤110。
步骤110变化一第二增减率a2的值，以改变第二信号S2(θ+φ+Δφ)的振幅而得到一第二调整信号SD2＝a2×S2(θ+φ+Δφ)；然后执行步骤120。
步骤120将第一调整信号SD1加上第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝a1×S1(θ)+a2×S2(θ+φ+Δφ)；然后执行步骤130。
步骤130检测第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差；当第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差不为φ，则执行步骤100；当第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差为φ，则执行步骤130。
步骤140输出第三调整信号SD3。
图2显示本发明的相位差调整装置。如图所示，相位差调整装置20包括一调整装置21，接收第一信号S1(θ)与第二信号S2(θ+φ+Δφ)，以进行一调整程序；其中，调整程序包括变化一第一增减率a1的值，以改变第一信号S1(θ)的振幅而得到一第一调整信号SD1＝a1×S1(θ)；变化一第二增减率a2的值，以改变第二信号S2(θ+φ+Δφ)的振幅而得到一第二调整信号SD2＝a2×S2(θ+φ+Δφ)；将第一调整信号SD1加上第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝a1×S1(θ)+a2×S2(θ+φ+Δφ)。
一相位差检出装置22，耦接第一信号S1(θ)和第三调整信号SD3，用以检测第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差；其中，当第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差不为φ，则相位差检出装置22驱动调整装置21重复调整程序，直到相位差检出装置22侦测出第三调整信号SD3与第一信号S1(θ)的相位差为φ。
图3显示调整装置的电路示意图。如图所示，调整装置21包括一回授电阻R3；一OP放大器210，其非反相输入端耦接一参考接地，其反相输入端和输出端之间耦接回授电阻R3，其输出端用以输出第三调整信号SD3＝Asin(θ+φ)；一第一电阻R1，一端耦接OP放大器210的反相输入端，另一端耦接第一信号的反相值-S1(θ)＝-sinθ；一第二电阻R2，一端耦接OP放大器210的反相输入端，另一端耦接第二信号的反相值-S2(θ+φ+Δφ)＝-sin(θ+φ+Δφ)；以及一可变电阻Rd，一端耦接OP放大器210的反相输入端，另一端耦接第一信号S1(θ)＝sinθ。
OP放大器210所输出的第三调整信号SD3＝Asin(θ+φ)的推导如下 令R1＝R2＝R3、k=R3(Rd-R1R1Rd)=Rd-R1Rd,]]>透过调整可变电阻Rd的值，以变化k的值，如此，便可得到一与第一信号sinθ的相位差为φ的Asin(θ+φ)，其中，A不等于1。
图4显示具有振幅调整功能的相位差调整装置。如图所示，一振幅调整装置24，用以调整第三调整信号SD3的振幅而得一第四调整信号SD4；一振幅差检出装置23，耦接第四调整信号SD4与第一信号S1(θ)，当两者之间有振幅差出现时，振幅差检出装置23则驱动振幅调整装置24，连续调整第三调整信号SD3的振幅，直到第四调整信号SD4与第一信号S1(θ)两者的振幅相同。
图5显示具有相位差及振幅调整的感测装置方块图。如图所示，感测装置50包括一信号产生装置51，感测一待测物的位置-角度，并且输出一第一信号S1(θ)及一第二信号S2(θ+φ+Δφ)予相位差调整装置20；第三调整信号SD3经过振幅调整后，与第一信号S1(θ)均输入至读取装置52，读取装置52可根据第一信号S1(θ)与第四调整信号SD4做相关的信号处理。
信号产生装置51可为磁性尺、光学尺、雷射干涉仪或是旋转编码器；其中，磁性尺、光学尺或雷射干涉仪用以测量待测物的位置；旋转编码器用以测量待测物的角度。
假设信号产生装置51为输出信号为二正交弦波信号的光学尺装置时，光学尺所输出的二弦波信号因机构组装等误差因此并未彼此正交，则透过本发明的相位差调整装置20，便可使第一信号与第三调整信号SD3的相位差为90°再经过振幅调整装置24及振幅差检出装置23之后，即可得到一第四调整信号SD4，此时，第四调整信号SD4与第一信号的相位差为90°而且振幅相同，再将第一信号S1(θ)及第四调整信号SD4输入读取装置52，此时，读取装置52可为一电子细分割电路，根据所接收到的信号，将周期变小，以提高光学尺的分辨率。
图6显示输出信号为二正交弦波信号的光学尺所输出的弦波信号。如图所示，光学尺所输出的二弦波信号的相位差应为90°，但因其它的外在因素所影响，光学尺实际上所输出的二弦波信号分别为sinθ及sin(θ+φ+Δφ)。
图7A和图7B显示电子细分割的结果示意图。图7A显示sinθ信号经过电子细分割后的方波波形；图7B显示sin(θ+φ)信号经过电子细分割后的方波波形；如图所示，电子细分割电路将所接收到的二弦波信号周期变�。坏钡缱酉阜指畹缏匪邮盏降南也ㄐ藕畔辔晃蟛钣∈保蛩芊指畹闹芷谝不嵊。嗉吹缱酉阜指畹谋堵士梢杂撸绱吮隳苡行嵘庋С叩姆直媛省�
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1.一种相位差调整方法，适用于调整一第一信号S1(θ)与一第二信号S2(θ++Δ)，使其产生与上述第一信号S1(θ)的相位差为的信号，其特征在于，θ和θ++Δ分别表示上述第一信号S1和第二信号S2的相位，上述方法包括下列步骤(a)变化一第一增减率a1的值，以改变上述第一信号S1(θ)的振幅而得到一第一调整信号SD1＝a1×S1(θ)；(b)变化一第二增减率a2的值，以改变上述第二信号S2(θ++Δ)的振幅而得到一第二调整信号SD2＝a2×S2(θ++Δ)；(c)将上述第一调整信号SD1加上上述第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝a1×S1(θ)+a2×S2(θ++Δ)；(d)检测上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差；当上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差不为，则重复上述步骤(a)～(d)，直到上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差为。
2.一种相位差调整装置，适用于调整一第一信号S1(θ)与一第二信号S2(θ++Δ)，使其产生与上述第一信号S1(θ)的相位差为的信号，其特征在于，θ和θ++Δ分别表示上述第一信号S1和第二信号S2的相位，上述相位差调整装置，包括一调整装置，接收上述第一信号S1(θ)与第二信号S2(θ++Δ)，以进行一调整程序；其中，上述调整程序包括变化一第一增减率a1的值，以改变上述第一信号S1(θ)的振幅而得到一第一调整信号SD1＝a1×S1(θ)；变化一第二增减率a2的值，以改变上述第二信号S2(θ+φ+Δφ)的振幅而得到一第二调整信号SD2＝a2×S2(θ+φ+Δφ)；将上述第一调整信号SD1加上上述第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝a1×S1(θ)+a2×S2(θ+φ+Δφ)；一相位差检出装置，耦接上述第一信号S1(θ)和第三调整信号SD3，用以检测上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差；其中，当上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差不为φ，则上述相位差检出装置驱动上述调整装置重复上述调整程序，直到上述相位差检出装置侦测出上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差为φ。
3.如权利要求2所述的相位差调整装置，其特征在于，上述调整装置包括一回授电阻；一OP放大器，其非反相输入端耦接一参考接地，其反相输入端和输出端的间耦接上述回授电阻；一第一电阻，一端耦接上述OP放大器的反相输入端，另一端耦接上述第一信号的反相值-S1(θ)；一第二电阻，一端耦接上述OP放大器的反相输入端，另一端耦接上述第二信号的反相值-S2(θ+φ+Δφ)；以及一可变电阻Rd，一端耦接上述OP放大器的反相输入端，另一端耦接上述第一信号S1(θ)；透过调整上述可变电阻Rd的值，以变化上述第一增减率a1的值。
4.如权利要求2所述的相位差调整装置，其特征在于，更包括一振幅调整装置，用以调整上述第三调整信号SD3的振幅而得一第四调整信号SD4；一振幅差检出装置，耦接上述第四调整信号SD4与上述第一信号S1(θ)，当两者之间有振幅差出现时，上述振幅差检出装置则驱动上述振幅调整装置连续调整上述第三调整信号SD3的振幅，直到上述第四调整信号SD4与上述第一信号S1(θ)两者的振幅相同。
5.一种感测装置，其特征在于，包括一信号产生装置，用以感测一待测物的状态，并且输出一第一信号S1(θ)及一第二信号S2(θ+φ+Δφ)；一调整装置，接收上述第一信号S1(θ)与第二信号S2(θ+φ+Δφ)，以进行一调整程序；其中，上述调整程序包括变化一第一增减率a1的值，以改变上述第一信号S1(θ)的振幅而得到一第一调整信号SD1＝a1×S1(θ)；变化一第二增减率a2的值，以改变上述第二信号S2(θ+φ+Δφ)的振幅而得到一第二调整信号SD2＝a2×S2(θ+φ+Δφ)；将上述第一调整信号SD1加上上述第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝a1×S1(θ)+a2×S2(θ+φ+Δφ)；一相位差检出装置，耦接上述第一信号S1(θ)和第三调整信号SD3，用以检测上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差；其中，当上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差不为φ，则上述相位差检出装置驱动上述调整装置重复上述调整程序，直到上述相位差检出装置侦测出上述第三调整信号SD3与上述第一信号S1(θ)的相位差为φ。
6.如权利要求5所述的感测装置，其特征在于，更包括一读取装置，接收上述第一信号S1(θ)及上述第三调整信号SD3，用以提高上述位置-角度感测装置的分辨率。
7.如权利要求5所述的感测装置，其特征在于，上述调整装置，包括一回授电阻；一OP放大器，其非反相输入端耦接一参考接地，其反相输入端和输出端之间耦接上述回授电阻；一第一电阻，一端耦接上述OP放大器的反相输入端，另一端耦接上述第一信号的反相值-S1(θ)；一第二电阻，一端耦接上述OP放大器的反相输入端，另一端耦接上述第二信号的反相值-S2(θ+φ+Δφ)；以及一可变电阻Rd，一端耦接上述OP放大器的反相输入端，另一端耦接上述第一信号S1(θ)；透过调整上述可变电阻Rd之值，以变化上述第一增减率a1的值。
8.如权利要求5所述的感测装置，其特征在于，更包括一振幅调整装置，用以调整上述第三调整信号SD3的振幅而得一第四调整信号SD4；一振幅差检出装置，耦接上述第四调整信号SD4与上述第一信号S1(θ)，当两者之间有振幅差出现时，上述振幅差检出装置则驱动上述振幅调整装置连续调整上述第三调整信号SD3的振幅，直到上述第四调整信号SD4与上述第一信号S1(θ)两者的振幅相同。
9.如权利要求5所述的感测装置，其特征在于，上述信号产生装置为磁性尺、光学尺、雷射干涉仪其中之一，用以感测上述待测物的位置状态。
10.如权利要求5所述的感测装置，其特征在于，上述信号产生装置为旋转编码器用以感测上述待测物的角度状态。
11.如权利要求6所述的感测装置，其特征在于，上述读取装置为电子细分割电路。
全文摘要
一种相位差调整装置，用以调整一第一信号S1(θ)与一第二信号S2(θ+φ+Δφ)，使其产生与第一信号S1(θ)之间的相位差为φ的信号，包括一调整装置，调整第一及第二信号的振幅而得到一第一及第二调整信号SD1、SD2，将第一调整信号SD1加上第二调整信号SD2，而得到一第三调整信号SD3＝SD1+SD2；一相位差检出装置，用以检测第三调整信号SD3与第一信号S1的相位差；其中，相位差调整装置的相位差调整方法及应用该相位差调整装置的感测装置，亦一并揭露。
文档编号G01B11/00GK1566899SQ0314652
公开日2005年1月19日 申请日期2003年7月3日 优先权日2003年7月3日
发明者杨景荣, 高清芬, 陈誉元 申请人:财团法人工业技术研究院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
