專利名稱：位置測量設備以及標尺和用于制造標尺的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求I的前序部分的具有可電感式掃描的分度的標尺、根據(jù)權(quán)利要求15的前序部分的用于制造該標尺的方法、以及根據(jù)權(quán)利要求12的具有該標尺的
位置測量設備。
背景技術(shù)：
根據(jù)電感式測量原理工作的位置測量設備具有標尺，該標尺具有可電感式掃描的分度。該分度由彼此間隔開的導電分度元件的序列構(gòu)成。該分度在測量運行中被掃描單元掃描，該掃描單元具有至少一個激勵線圈和掃描線圈。這些線圈優(yōu)選平面地施加在電路板上。注入到激勵線圈處的激勵電流生成時變的電磁激勵場，該電磁激勵場與位置有關(guān)地受 到分度元件的布置影響，由此在掃描線圈中感應出與位置有關(guān)的掃描信號?？呻姼惺綊呙璧臉顺吆鸵噪姼蟹绞焦ぷ鞯奈恢脺y量設備所具有的優(yōu)點是，它們對污染是相對不敏感的。它們尤其是對標尺與掃描單元之間的空間中的諸如水和油之類的液體是不敏感的，由此該標尺和該位置測量設備特別適用于機床處的角度和長度測量。在EP 0 743 508 A2中描述了一種可電感式掃描的標尺和一種電感式位置測量設備。所闡述的是，分度元件由具有高電導率的金屬制成并且被施加在電路板材料、例如FR4上。該電路板材料由于其電絕緣性而特別適于作為分度元件的支承體。由于電路板材料的機械缺點，在EP 0 743 508 A2中提出，將分度元件直接施加到鋼襯底或殷鋼襯底上、也就是施加到導電金屬上，以便改善機械穩(wěn)定性。在EP 0 743 508 A2中作為使用金屬支承體的條件記載了，支承體的材料的電導率必須僅僅遠小于分度元件的材料的電導率。但是在實際中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在將常用鋼用作支承體的情況下掃描信號是相對小的，由此在實際中僅僅實現(xiàn)了可電感式掃描的標尺，其中分度元件被施加在電絕緣的支承體、尤其是電路板材料上。但是這樣的標尺難以制造成大長度的，并且由于電路板材料而不能抵抗環(huán)境影響。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務是，說明一種可電感式掃描的標尺，該標尺也可以簡單地制造成相對大長度的，對環(huán)境影響不敏感的，并且在電感式掃描的情況下可良好地分析、即生成
高掃描信號。根據(jù)本發(fā)明，該任務通過具有權(quán)利要求I的特征的標尺來解決。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的標尺具有至少一個以測量方向為走向的可電感式掃描的分度，所述分度由布置在測量方向上的彼此間隔開的分度元件的序列構(gòu)成。該標尺包括層堆疊，所述層堆疊僅僅由金屬層的序列構(gòu)成，其中金屬層的該序列具有至少一個支承體層和構(gòu)成分度元件的分度層。該支承體層布置在分度層與金屬襯底之間，并且由鐵磁的、尤其是軟磁的金屬構(gòu)成。該襯底的尺寸被確定為使得其決定性地確定層堆疊的機械特性。支承體層的材料優(yōu)選地為具有大于100的磁導率U r的鐵磁金屬，特別有利的是使用具有大于1000的磁導率Ii r的金屬。合適的鐵磁金屬尤其是Mu金屬，該Mu金屬是具有大致70-80%的鎳分量的軟磁鎳鐵合金。Mu金屬以商品名Mumetall銷售。替代于鎳鐵合金，還可以使用具有相對高的、尤其是大于100的磁導率的其他合金或鐵氧體鋼。在本發(fā)明中被充分利用的事實是，在電感式掃描的情況下生成交變場，并且對于標尺的效率而言重要的不僅僅是上面施加有分度元件的支承體層的電導率。同樣重要的是被用作支承體層的材料的磁導率。在本發(fā)明中，利用渦流的與所使用的材料的磁導率頻率有關(guān)的滲透深度。也就是說，尤其是在高磁導率材料的情況下，滲透深度是特別小的。滲透深度越小，則對于渦流來說有效電阻越高。因此可以抑制從一個分度元件到布置在其旁邊的分度元件形成的干擾渦流。在使用高磁導率的鐵磁金屬的情況下，金屬的電導率起到次要的作用。支承體層的磁導率高于襯底的磁導率。作為襯底優(yōu)選地使用優(yōu)質(zhì)鋼。為了該襯底決定性地確定整個層堆疊的機械特性以及由此標尺的機械特性，襯底的厚度是支承體層的厚度的多倍，尤其是襯底的厚度大于支 承體層的厚度的5至20倍。通過為支承體層和分度層的層序列設置相對厚的襯底，將襯底的機械特性施加給由所有層構(gòu)成的復合體。通過該措施，可以對于支承體層使用具有非常高磁導率的材料，所述材料于是也可以是相對軟的和機械穩(wěn)定的。所述材料和厚度比例優(yōu)選地被選擇為使得層堆疊以及由此標尺具有結(jié)果得到的熱膨脹系數(shù)，該結(jié)果得到的熱膨脹系數(shù)僅僅不顯著地偏離襯底的熱膨脹系數(shù)、尤其是僅僅偏差最大為±1X KT6IT1的值。該襯底優(yōu)選地具有大致10 X KT6IT1的熱膨脹系數(shù)并且標尺由此具有大致QXKT6ITi至IlXKr6IT1的結(jié)果得到的熱膨脹系數(shù)。在一個優(yōu)選的構(gòu)型中，在襯底的一側(cè)上設置支承體層和分度層的層序列，并且在襯底的另一側(cè)上設置至少一個補償層，所述補償層對抗由于雙金屬效應而造成的層堆疊的彎曲。該補償層優(yōu)選地由與支承體層相同的金屬構(gòu)成，尤其是也由鐵磁金屬構(gòu)成，該鐵磁金屬尤其是具有大于100、優(yōu)選大于1000的磁導率y ro當借助于輥軋覆層、尤其是冷軋覆層將這些層彼此連接時，可以獲得層堆疊的這些層的特別緊密的和穩(wěn)定的復合體。這樣的標尺可以用于角度測量設備和長度測量設備形式的位置測量設備。由于這樣構(gòu)造的標尺也可以容易地以帶狀制造，因此該標尺特別適用于大長度的長度測量設備。當根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的帶狀標尺例如被施加到滾筒的內(nèi)周界或外周界上時，該標尺也可以有利地用在角度測量設備中。為了對根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的標尺進行粘接施加，可以在底側(cè)上通過粘合劑、尤其是粘接帶對所述層堆疊進行補充，所述粘接帶為了良好的處理可以被實施為雙面粘接帶。此外，利用本發(fā)明將說明一種位置測量設備，其對環(huán)境影響是相對不敏感的并且生成可良好分析的掃描信號。這樣的位置測量設備在權(quán)利要求12中說明。因此，該位置測量設備具有標尺，該標尺具有以測量方向為走向的可電感式掃描的分度，所述分度由布置在測量方向上的彼此間隔開的分度元件的序列構(gòu)成。該標尺包括層堆疊，該層堆疊僅僅由金屬層的序列構(gòu)成，其中金屬層的該序列具有至少一個支承體層和構(gòu)成分度元件的分度層。該支承體層布置在分度層與金屬襯底之間，并且是鐵磁金屬。支承體層的磁導率高于襯底的磁導率，支承體層的材料尤其是具有大于100、優(yōu)選大于1000的磁導率該襯底的尺寸被確定為使得其決定性地確定層堆疊的機械特性。另外，該位置測量設備包括用于對標尺的分度進行掃描的掃描單元，其中該掃描單元具有用于產(chǎn)生電磁交變場的激勵單元和用于探測與分度元件位置有關(guān)地調(diào)制的電磁交變場的探測器單元。該激勵單元優(yōu)選 地由至少一個平面激勵線圈構(gòu)成，并且探測器單元由至少一個平面掃描線圈構(gòu)成。在一個特別有利的構(gòu)型中，在襯底的一側(cè)上設置支承體層和分度層的層序列，并且在襯底的另一側(cè)上設置至少一個補償層，所述補償層優(yōu)選地由與支承體層相同的材料構(gòu)成并且是鐵磁金屬。該掃描單元具有包圍其的屏蔽體，其中該屏蔽體被構(gòu)造為使得其與補償層形成閉合的磁環(huán)。為此，補償層的金屬的磁導率尤其是大于100、優(yōu)選大于1000。本發(fā)明的另一任務在于，說明一種用于簡單地制造對環(huán)境影響不敏感的可電感式掃描的標尺的方法。該任務根據(jù)本發(fā)明通過具有權(quán)利要求15的特征的方法來解決。因此，通過由金屬層的序列形成作為層堆疊的純金屬復合體來提供該標尺。該層堆疊是具有下列層序列的層堆疊
金屬襯底、支承體層和分度層，
其中該襯底的尺寸被確定為使得其決定性地確定復合體、即層堆疊以及因此標尺的機械特性。支承體層的磁導率高于襯底的磁導率。作為支承體層使用鐵磁金屬、尤其是軟磁金屬，所述金屬優(yōu)選地具有大于100的磁導率特別優(yōu)選具有大于1000的磁導率為了提供用于大長度的長度測量系統(tǒng)的標尺，由金屬帶形成所述層堆疊，所述金屬帶借助于輥軋覆層、尤其是借助于冷軋覆層彼此連接。然后，這樣形成的層堆疊可以作為復合體被進一步處理。如果需要，則可以進行表面處理并且該復合體例如可以通過剪裁被置于所需的尺寸。分度元件通過公知的結(jié)構(gòu)化方法、例如光化學刻蝕工藝由分度層形成。關(guān)于磁導率的所有說明都涉及位置測量設備的運行、即在激勵電流的頻率大于IMHz的情況下的運行。


本發(fā)明的優(yōu)點和細節(jié)從下面根據(jù)附圖對實施例的描述中得出。圖I示出電感式位置測量設備的透視 圖2示出根據(jù)圖I的位置測量設備的標尺；
圖3a示出用于制造標尺的第一方法步驟；
圖3b示出用于制造標尺的第二方法步驟；
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的標尺的另一構(gòu)型；
圖5示出具有圖4中所示的標尺的位置測量設備。
具體實施例方式圖I中示出具有根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的標尺I的位置測量設備的原理構(gòu)造的透視圖。標尺I具有分度，該分度可以由以小間隔與其相對的掃描單元2來掃描。為了在測量方向X上進行位置測量，在標尺I與掃描單元2之間進行相對移動。分度由在測量方向X上彼此間隔開的導電分度元件12的周期性序列構(gòu)成。在所示的實施例中，分度元件12被構(gòu)造為平面的和矩形的，但是分度元件也可以具有其他形狀、例如圓形或三角形。此外，分度元件12的完全平面的形狀不是條件，分度元件也可以被構(gòu)造成閉合的線圈。此外，僅僅能夠在分度元件12中分別形成渦流，所述渦流對從掃描單元2發(fā)出的激勵場產(chǎn)生反作用。掃描單元2在圖I中僅僅示意性示出，以便闡述電感式掃描在與標尺I協(xié)作的情況下的功能。掃描單元2具有至少一個尤其是平面激勵線圈21形式的激勵單元，該激勵單元由控制單元3這樣饋送激勵電流，使得在分度元件12的區(qū)域中生成時變電磁激勵場。該激勵電流例如具有幾MHz的頻率。激勵線圈21被在空間上布置為使得其在相對的分度元件12序列中形成盡可能均勻的電磁場。除此之外，掃描單元2具有尤其是平面掃描線圈22形式的至少一個探測器單元。激勵線圈21的實施和空間布置是這樣的，即在掃描線圈22的區(qū)域中生成盡可能均勻的場 走向。為此，掃描線圈22位于激勵線圈21之內(nèi)。由激勵線圈21生成的激勵場在分度元件12中生成渦流，該渦流起到抵抗該激勵場的反向場的作用。在掃描線圈22中，由于分配給該掃描線圈的激勵場而感應出電壓，該電壓取決于與導電分度元件12的相對位置。分度元件12在測量方向X上在空間上布置為使得這些分度元件與位置有關(guān)地影響激勵場。因此，激勵線圈21在測量方向X上取決于分度元件12的相對位置地與掃描線圈22電感式耦合。電磁交變場由分度元件12在測量方向X上與位置有關(guān)被調(diào)制，由此在掃描線圈22中感應出的電壓也與位置有關(guān)地變化。在至少一個掃面線圈22中感應出的電壓被輸送給分析單元4，該分析單元4由此形成與位置有關(guān)的電信號。特別有利地，激勵線圈21和掃描線圈22的布置是施加在共同的支承體23上的印制導線的形式。如圖I中示意性示出的那樣，這些印制導線布置在支承體23的如下側(cè)上該側(cè)以小掃描間隔與分度元件12的序列相對。支承體23例如可以被構(gòu)造成電路板。在此，標尺I的分度元件12優(yōu)選地布置在與激勵線圈21和掃描單元22所在的平面平行取向的平面中。通常以未示出的方式在掃描單元2中設置多個彼此相移的掃描線圈，以便產(chǎn)生多個彼此相移的掃描信號、例如彼此相移90°的掃描信號。為清楚起見，在圖I中未示出該構(gòu)型。標尺I由層堆疊10構(gòu)成，該層堆疊10由金屬復合體、即由金屬層101、102、103的序列構(gòu)成，如在圖2中進一步示出的那樣。該構(gòu)型所具有的特別優(yōu)點是，標尺I在測量運行中對環(huán)境介質(zhì)特別不敏感。層堆疊10的層101、102、103彼此固定連接、即彼此不可移動。層堆疊10的金屬層101、102、103的序列具有至少一個支承體層102，該支承體層102是鐵磁金屬。該金屬優(yōu)選地為軟磁的。在該連續(xù)的支承體層102上施加分度層101，該分度層101在進行結(jié)構(gòu)化以后形成標尺I的在測量方向X上彼此間隔開的分度元件12。作為該分度元件12的材料使用例如銅、鋁、銀、金的金屬或含有這些金屬的合金。分度元件12的材料具有高電導率，但是不是鐵磁的。分度層101以及由此分度元件12的材料的磁導率U r大致為I。此外，層堆疊10包括襯底103，在襯底103上設置支承體層102和分度層101的序列。該襯底103的尺寸被確定為使得其決定性地確定層堆疊10的機械特性。為此，襯底103的厚度是支承體層102的厚度的多倍——尤其是5至20倍——以及分度層101的厚度的多倍。厚度比例被選擇為使得標尺I的熱膨脹系數(shù)主要由襯底103來確定。支承體層102的磁導率高于襯底103的磁導率。支承體層102的金屬的磁導率Pr為盡可能高的，尤其是大于100、有利地大于1000。作為襯底103的材料選擇具有高抗拉強度和高Rpa2屈服極限的不銹優(yōu)質(zhì)鋼、尤其是不銹和可硬化的優(yōu)質(zhì)鋼。通過調(diào)質(zhì)處理，機械特性得到改善，形狀穩(wěn)定性、撓性和韌性得到提高。如果使用帶狀的襯底103，則該襯底可以由于帶的撓性而被卷起以用于運輸或倉儲，而不導致彈性形變。通過提供層102和101與襯底103的牢固復合體來將這些有利的機械特性轉(zhuǎn)移到整個層堆疊10以及由此轉(zhuǎn)移到標尺I。直接布置在分度元件12之下并且由具有高磁導率材料制成的連續(xù)的支承體層 102所具有的優(yōu)點是，至少基本上抑制了從一個分度元件12到布置在其附近的分度元件12
形成的干擾渦流。對此的前提條件是，支承體層102的厚度根據(jù)所選材料被選擇為足夠大
的。該厚度應當是渦流的滲透深度S的多倍、例如5倍
權(quán)利要求
1.一種具有能電感式掃描的分度的標尺，所述分度由布置在測量方向(X)上的分度元件(12)的序列構(gòu)成，其中所述標尺(1，I. I)包括層堆疊(10，10. 1)，所述層堆疊(10，10. I)由金屬層(101，102，103，104)的序列構(gòu)成，并且金屬層(101，102，103，104)的所述序列具有至少一個支承體層(102)和形成分度元件(12)的分度層(101 )， 其特征在于， 支承體層(102)布置在分度層(101)與金屬襯底(103)之間，其中襯底(103)的尺寸被確定為使得所述襯底決定性地確定層堆疊(10，10. I)的機械特性，并且支承體層(102)是鐵磁金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的標尺，其特征在于，支承體層(102)的磁導率大于襯底(103)的磁導率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的標尺，其特征在于，支承體層(102)的材料是軟磁金屬。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的標尺，其特征在于，支承體層(102)的材料是具有大于100、尤其是大于1000的磁導率li r的金屬。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的標尺，其特征在于，分度層(101)的材料具有近似為I的磁導率U p尤其是包含金屬銅、鋁、金或銀中的至少一種。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的標尺，其特征在于，襯底(103)由優(yōu)質(zhì)鋼構(gòu)成。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的標尺，其特征在于，襯底(103)的厚度是支承體層(102)的厚度的多倍。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的標尺，其特征在于，在襯底(103)的一側(cè)上設置支承體層(102)和分度層(101)的層序列，并且在襯底(103)的另一側(cè)上設置至少一個補償層(104)，所述補償層(104)對抗由于雙金屬效應而造成的層堆疊(10，10. I)的撓曲。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的標尺，其特征在于，補償層(104)由鐵磁金屬構(gòu)成。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的標尺，其特征在于，借助于輥軋覆層將層堆疊(10. I)的層(101，102，103，104)彼此連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的標尺，其特征在于，借助于冷軋覆層將層堆疊(10，10.I)的層(101，102，103，104)彼此連接。
12.一種位置測量設備，具有根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的標尺(1，I. I)并且具有用于掃描標尺(I)的分度兀件(12)的掃描單兀(2),其中掃描單兀(2)具有用于產(chǎn)生電磁交變場的激勵單元(21)和用于探測與分度元件(12)位置有關(guān)地調(diào)制的電磁交變場的探測器單元(22)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的位置測量設備，其特征在于，所述激勵單元由至少一個平面激勵線圈(21)構(gòu)成，并且所述探測器單元由至少一個平面掃描線圈(22 )構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的位置測量設備，其特征在于， 在襯底(103)的一側(cè)上設置支承體層(102)和分度層(101)的層序列， 在襯底(103)的另一側(cè)上設置至少一個由鐵磁金屬構(gòu)成的補償層(104)，以及 掃描單元(2)具有屏蔽體(7)，其中所述屏蔽體(7)被構(gòu)造為使得其與補償層(104) —起形成磁環(huán)(8)。
15.一種用于通過形成由金屬層(101，102，103，104)的序列構(gòu)成的層堆疊(10，10. I)來制造標尺(1，I. I)的方法，所述標尺(1，I. I)具有布置在測量方向(X)上的分度元件(12)的序列，其中所述層堆疊(101，102，103，104)具有至少一個支承體層(102)和形成分度元件(12)的分度層(101)， 其特征在于， 提供具有金屬襯底(103)、支承體層(102)和分度層(101)的層序列的復合體，其中襯底(103)的尺寸被確定為使得其決定性地確定層堆疊(10，10. I)的復合體的機械特性，以及 作為支承體層(102)使用鐵磁金屬。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，作為支承體層(102)使用軟磁金屬。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16之一所述的方法，其特征在于，作為支承體層(102)使用具有大于100、尤其是大于1000的磁導率Ii r的金屬。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求15至17之一所述的方法，其特征在于，層堆疊(10，10.I)由金屬 >帶構(gòu)成，所述金屬帶借助于輥軋覆層彼此連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述輥軋覆層是冷軋覆層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于，通過在輥軋覆層以后使分度層(101)結(jié)構(gòu)化來形成分度元件(12)。
全文摘要
位置測量設備以及標尺和用于制造標尺的方法。本發(fā)明涉及具有可電感式掃描的標尺(1)的位置測量設備。該位置測量設備具有用于掃描標尺(1)的分度元件(12)的掃描單元(2)，為此掃描單元(2)具有用于生成電磁交變場的激勵單元(2)和用于探測與分度元件(12)位置有關(guān)地調(diào)制的電磁交變場的探測器單元(22)。標尺(1)由優(yōu)選通過冷軋覆層提供的層堆疊(10)構(gòu)成，該層堆疊(10)具有決定性地確定標尺(1)的機械特性的襯底(103)、由具有高磁導率的鐵磁金屬構(gòu)成的支承體層(102)以及位于其上的形成分度元件(12)的分度層(101)，該分度層由良好導電的材料構(gòu)成。
文檔編號G01B7/30GK102749023SQ201210117319
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者A.弗蘭克, M.O.蒂曼, M.霍伊曼 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司