具有与变化凹进交错的板的绝对位置编码器标尺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及精密测量仪器，特别地涉及可以利用在诸如卡尺等手持式仪器中的绝对位置编码器标尺。
【背景技术】
[0002]当前可用各种移动或位置换能器，诸如光学、电容、磁性或电感换能器。这些换能器常常涉及将传送器和接收器放置在各种几何构造中，以测量换能器两个构件之间的运动，通常包括读数头和标尺。某些光学、电容和磁性换能器的一个缺点在于，它们趋于对污染敏感。因此，在制造或车间环境使用这样的换能器是不切实际的。在车间环境中使用这样的换能器需要昂贵且有时不可靠的环境密封或封装换能器来保持灰尘、油和铁磁颗粒防止污染换能器的其它方法。
[0003]其全部内容借此通过引用并入本文中的美国专利号6，011，389(’389专利)描述了在高精度应用中可使用的感应电流位置换能器。各全部内容借此通过引用并入本文中的美国专利号5，973，494 (’ 494专利)和6，002，250 (，250专利)描述了包括信号产生和处理电路的增量位置电感卡尺和线性标尺。各全部内容借此通过引用并入本文中的美国专利号5，886，519,5, 841，274和5，894，678描述了使用该感应电流换能器的绝对位置电感卡尺和电子卷尺。如这些专利描述的，该感应电流换能器使用已知印刷电路板技术而容易制造。该换能器系统一般也免疫颗粒(包括铁磁颗粒、油，水和其它流体)的污染。
[0004]如上面提到的，感应电流换能器(以及之前提到的光学、电容和磁性换能器)的不同执行方案可以实施为任一增量或绝对位置编码器。一般情况下，增量位置编码器利用标尺结构，这允许读数头相对于标尺的位移通过积累位移增量单位而确定，沿着标尺从初始点开始。这样的编码器对某些应用是合适的，特别是可用电力线的应用。然而，在某些应用中，诸如编码器用于低耗电设备的应用，更期望使用绝对位置编码器。绝对位置编码器提供沿着标尺每个位置的独特的输出信号或信号组合。它们不需要增量位移的连续积累来识别位置。由此，绝对位置编码器允许各种电源保护方案。已知各种绝对位置编码器，使用各种光学、电容、磁性和电感技术，诸如上文描述的那些。
[0005]除了上文描述的’519 274和’678专利用于绝对感应电流换能器，美国专利号 3，882，482、5，965，879、5，279，044、5，237，391、5，442，166、4，964，727、4，414，754、4，109, 389、5，773，820和5，010，655也公开了各种编码器构造和/或与绝对编码器有关的信号处理技术，并且各全部内容借此通过引用并入本文中。然而，这些公开的系统中的许多无法教导这样的构造:提供紧凑大小、高分辨率、成本和鲁棒性的某些组合，包括绝对编码器用户所期望的一般免疫颗粒(例如，铁磁颗粒、油、水和其它流体)污染的能力。提供这样的组合的绝对编码器的改进构造将是可期望的。
【发明内容】
[0006]本
【发明内容】
设置为以简化的形式引入一种概念的选择，其在下文的【具体实施方式】中进一步描述。本
【发明内容】
并不意在确定所要求保护的主题的重要特征，也不意在用作辅助来确定所要求保护的主题的范围。
[0007]提供了一种位置感测设备，其可用于测量第一构件沿着测量轴关于第二构件的位置。所述位置感测设备包括标尺和读数头。所述标尺包括沿着所述测量轴方向延伸的标尺图案。所述读数头可沿着所述测量轴方向相对于所述标尺图案移动，并且包括励磁所述标尺图案中的涡流的励磁部和输出取决于涡流而变化的位置信号的信号部。由于涡流的利用，所述位置感测设一般免疫颗粒的污染，包括铁磁颗粒、油、水和其它流体。
[0008]所述标尺图案包括多个第一标尺元件区和多个第二标尺元件区。所述多个第一标尺元件区沿着所述测量轴方向周期性地布置，并且所述第一标尺元件区包括第一类型的标尺元件。所述多个第二标尺元件区沿着所述测量轴方向周期性地布置并且与所述多个第一周期标尺元件区交错，使得所述第一标尺元件区和第二标尺元件区根据标尺波长P沿着所述测量轴方向周期性地重复。所述第二标尺元件区包括第二类型的标尺元件，所述第二类型的标尺元件具有沿着所述标尺图案在绝对信号范围内变化的特性，以在所述绝对信号范围内提供不同各自第二标尺元件区的不同各自涡流响应。所述读数头的信号部响应于各自涡流，以输出使信号特性沿着所述绝对信号范围变化的绝对位置信号，以独特地指示沿着所述绝对信号范围的各自位置。在各种执行方案中，所述绝对信号范围可以是标尺波长P的至少10倍。
[0009]在各种执行方案中，所述第一类型的标尺元件可以包括板特征(例如，在所述第一标尺元件区的每个中是相同的)，并且所述第二类型的标尺元件可以包括板消除特征(例如，具有的特性沿着所述标尺图案在所述第二标尺元件区的每个中是变化的)。可替代地，在其它执行方案中，所述第一类型的标尺元件可以包括板消除特征(例如，沿着所述标尺图案在所述第一标尺元件区的每个中是相同的)，并且所述第二类型的标尺元件可以包括板特征(例如，具有的特性在所述第二标尺元件区的每个中是变化的)。在任一情况下，所述板特征可以括导电板面积，并且所述板消除特征可以包括位于导体中的非导电面积或凹进面积中的至少一个。
[0010]在所述第二类型的标尺元件包括这样的板消除特征的执行方案中，所述变化的特性可以包括至少一个:a)非导电面积的量，b)凹进面积的量，或c)凹进面积的凹进深度。可替代地，在所述第二类型的标尺元件包括板特征的执行方案中，所述变化的特性可以包括至少一个:a)板面积的量，或b)板高度。在任一情况下(即，所述第二类型的标尺元件是否包括这样的板特征或板消除特征)，在绝对信号范围内变化的至少一个特性可以沿着所述绝对信号范围根据一函数(例如，线性函数)变化。
[0011]在各种执行方案中，除具有变化的特性的所述第二类型的标尺元件之外，所述第一类型的标尺元件也可以具有沿着所述标尺图案在所述绝对信号范围内变化的特性，以在所述绝对信号范围内提供不同各自第一标尺元件区的不同各自涡流响应。在所述第一类型的标尺元件和第二类型的标尺元件分别包括板特征和板消除特征的情况下，反之亦然，所述板特征和板消除特征两者可以由此具有沿着所述标尺图案在所述绝对信号范围内变化的特性。
[0012]在各种执行方案中，所述第二类型的标尺元件可以包括导电区域，并且所述板消除特征可以形成在所述导电区域中。在各种这样的构造中，所述标尺图案可以形成在标尺部中，所述标尺部包括至少一个:印刷电路板；包括去除面积的图案化薄金属片，形成的薄金属片包括因所述薄金属片变形而形成的凹进；或金属材料件，包括因去除金属材料而形成的凹进。
[0013]在一个执行方案中，所述位置感测设备可以具有最大测量范围，并且所述绝对信号范围可以在所述最大测量范围上延伸。在可替代的执行方案中，所述绝对信号范围可以指定为在所述最大测量范围的第一部上延伸的第一绝对信号范围，类似于所述第一绝对信号范围，第二绝对信号范围在所述最大测量范围的第二部上延伸。在这样的执行方案中，所述标尺可以进一步包括绝对信号范围识别部，得以在所述最大测量范围上确定绝对位置。在各种构造中，所述绝对信号范围识别部可以包括沿着所述标尺的第二标尺图案或二进制代码元件中的至少一个。
[0014]在各种执行方案中，所述信号部和所述标尺图案可以被构造成使得至少一个输出信号在所述标尺波长P下是周期的，并且所述信号特性可以包括所述周期输出信号的振幅或直流偏移。在各种执行方案中，所述信号部和所述标尺图案可以被构造成使得所述绝对位置信号的信号特性在所述绝对信号范围上线性地变化。
[0015]在各种执行方案中，所述读数头的信号部可以包括一个或多个传感器部，所述一个或多个传感器部输出的位置信号取决于涡流而变化。如一个具体说明性示例，可以包括沿着所述标尺的长度隔开P/4的四个传感器部(例如，其中所述输出信号被指定为A、B、A’和B’)。根据某些信号处理技术，增量位置信号可以能够通过一个公式(例如，tar^GA-A’V^-B’)))确定，而绝对位置信号可以能够通过另一公式(例如，A+B+A’ +B’)确定。
[0016]将要了解的是，包括诸如本文中描述的构造的位置感测设备将具有优于某些现有系统的各种优点。例如，如将要在本文中更详细地描述的，这样的构造可以允许单个读数头信号部提供允许确定增量位置信号和绝对位置信号两者的信号。换句话说，这样的构造可以不需要第二标尺轨道和相应的第二读数头信号部来读取所述第二标尺轨道以便确定增量位置信号和绝对位置信号两者。这样的构造也可以具有低功耗要求(例如，由于不需要用于第二读数头信号部的功耗)。另外，在各种执行方案中，可以利用窄标尺，在于可以不需要第二共线性标尺轨道。
【附图说明】
[0017]图1是手工具类型卡尺的分解等距视图，包括具有标尺图案的标尺。
[0018]图2是一部分图1标尺的等距视图，图示的标尺元件在标尺图案的第一标尺元件区和第二标尺元件区中。
[0019]图3A-3C是标尺图案的可替代实施例的侧视图。
[0020]图4是用于感测相对于标尺图案位置的一部分读数头的等距视图。
[0021]图5A和5B是图示读数头可替代实施例的各种操作原理的示意图。
[0022]图6A-6C分别是与图3A-3C标尺图案组合使用的读数头输出信号的视图。
[0023]图7A-7C分别是所得到绝对位置信号的视图，对应于图6A-6C的输出信号和图3A-3C的标尺图案。
[0024]图8A-8G是除图3A-3C之外的标尺图案可替代实施例的视图。
[0025]图9A-9B是模拟图3A-3C的旋转或带角度标尺图案的实施例的视图。
[0026]图10是结合用在标尺上的两个标尺图案的视图。
【具体实施方式】
[0027]图1是手工具类型卡尺100的分解等距视图，包括具有标尺图案170的标尺102。如图1示出的，标尺102可以包括基板168，标尺图案170可以形成或附接到基板168上，并且基板168可以由具有大致矩形横截面的刚性或半刚性杆组成。一对横向突起的固定的钳108和110 —体地形成在标尺102的第一端112附近。相应的一对横向突起的可移动钳116和118形成在包括读数头164的滑动器组件120上。
[0028]物体的外侧尺寸通过将物体放置在钳108和116上的一对接合表面114之间进行测量。类似地，物体的内侧尺寸通过将钳