具有與變化凹進交錯的板的絕對位置編碼器標尺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及精密測量儀器，特別地涉及可以利用在諸如卡尺等手持式儀器中的絕對位置編碼器標尺。
【背景技術(shù)】
[0002]當前可用各種移動或位置換能器，諸如光學、電容、磁性或電感換能器。這些換能器常常涉及將傳送器和接收器放置在各種幾何構(gòu)造中，以測量換能器兩個構(gòu)件之間的運動，通常包括讀數(shù)頭和標尺。某些光學、電容和磁性換能器的一個缺點在于，它們趨于對污染敏感。因此，在制造或車間環(huán)境使用這樣的換能器是不切實際的。在車間環(huán)境中使用這樣的換能器需要昂貴且有時不可靠的環(huán)境密封或封裝換能器來保持灰塵、油和鐵磁顆粒防止污染換能器的其它方法。
[0003]其全部內(nèi)容借此通過引用并入本文中的美國專利號6，011，389(’389專利)描述了在高精度應用中可使用的感應電流位置換能器。各全部內(nèi)容借此通過引用并入本文中的美國專利號5，973，494 (’ 494專利)和6，002，250 (，250專利)描述了包括信號產(chǎn)生和處理電路的增量位置電感卡尺和線性標尺。各全部內(nèi)容借此通過引用并入本文中的美國專利號5，886，519,5, 841，274和5，894，678描述了使用該感應電流換能器的絕對位置電感卡尺和電子卷尺。如這些專利描述的，該感應電流換能器使用已知印刷電路板技術(shù)而容易制造。該換能器系統(tǒng)一般也免疫顆粒(包括鐵磁顆粒、油，水和其它流體)的污染。
[0004]如上面提到的，感應電流換能器(以及之前提到的光學、電容和磁性換能器)的不同執(zhí)行方案可以實施為任一增量或絕對位置編碼器。一般情況下，增量位置編碼器利用標尺結(jié)構(gòu)，這允許讀數(shù)頭相對于標尺的位移通過積累位移增量單位而確定，沿著標尺從初始點開始。這樣的編碼器對某些應用是合適的，特別是可用電力線的應用。然而，在某些應用中，諸如編碼器用于低耗電設(shè)備的應用，更期望使用絕對位置編碼器。絕對位置編碼器提供沿著標尺每個位置的獨特的輸出信號或信號組合。它們不需要增量位移的連續(xù)積累來識別位置。由此，絕對位置編碼器允許各種電源保護方案。已知各種絕對位置編碼器，使用各種光學、電容、磁性和電感技術(shù)，諸如上文描述的那些。
[0005]除了上文描述的’519 274和’678專利用于絕對感應電流換能器，美國專利號 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也公開了各種編碼器構(gòu)造和/或與絕對編碼器有關(guān)的信號處理技術(shù)，并且各全部內(nèi)容借此通過引用并入本文中。然而，這些公開的系統(tǒng)中的許多無法教導這樣的構(gòu)造:提供緊湊大小、高分辨率、成本和魯棒性的某些組合，包括絕對編碼器用戶所期望的一般免疫顆粒(例如，鐵磁顆粒、油、水和其它流體)污染的能力。提供這樣的組合的絕對編碼器的改進構(gòu)造將是可期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本
【發(fā)明內(nèi)容】
設(shè)置為以簡化的形式引入一種概念的選擇，其在下文的【具體實施方式】中進一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不意在確定所要求保護的主題的重要特征，也不意在用作輔助來確定所要求保護的主題的范圍。
[0007]提供了一種位置感測設(shè)備，其可用于測量第一構(gòu)件沿著測量軸關(guān)于第二構(gòu)件的位置。所述位置感測設(shè)備包括標尺和讀數(shù)頭。所述標尺包括沿著所述測量軸方向延伸的標尺圖案。所述讀數(shù)頭可沿著所述測量軸方向相對于所述標尺圖案移動，并且包括勵磁所述標尺圖案中的渦流的勵磁部和輸出取決于渦流而變化的位置信號的信號部。由于渦流的利用，所述位置感測設(shè)一般免疫顆粒的污染，包括鐵磁顆粒、油、水和其它流體。
[0008]所述標尺圖案包括多個第一標尺元件區(qū)和多個第二標尺元件區(qū)。所述多個第一標尺元件區(qū)沿著所述測量軸方向周期性地布置，并且所述第一標尺元件區(qū)包括第一類型的標尺元件。所述多個第二標尺元件區(qū)沿著所述測量軸方向周期性地布置并且與所述多個第一周期標尺元件區(qū)交錯，使得所述第一標尺元件區(qū)和第二標尺元件區(qū)根據(jù)標尺波長P沿著所述測量軸方向周期性地重復。所述第二標尺元件區(qū)包括第二類型的標尺元件，所述第二類型的標尺元件具有沿著所述標尺圖案在絕對信號范圍內(nèi)變化的特性，以在所述絕對信號范圍內(nèi)提供不同各自第二標尺元件區(qū)的不同各自渦流響應。所述讀數(shù)頭的信號部響應于各自渦流，以輸出使信號特性沿著所述絕對信號范圍變化的絕對位置信號，以獨特地指示沿著所述絕對信號范圍的各自位置。在各種執(zhí)行方案中，所述絕對信號范圍可以是標尺波長P的至少10倍。
[0009]在各種執(zhí)行方案中，所述第一類型的標尺元件可以包括板特征(例如，在所述第一標尺元件區(qū)的每個中是相同的)，并且所述第二類型的標尺元件可以包括板消除特征(例如，具有的特性沿著所述標尺圖案在所述第二標尺元件區(qū)的每個中是變化的)。可替代地，在其它執(zhí)行方案中，所述第一類型的標尺元件可以包括板消除特征(例如，沿著所述標尺圖案在所述第一標尺元件區(qū)的每個中是相同的)，并且所述第二類型的標尺元件可以包括板特征(例如，具有的特性在所述第二標尺元件區(qū)的每個中是變化的)。在任一情況下，所述板特征可以括導電板面積，并且所述板消除特征可以包括位于導體中的非導電面積或凹進面積中的至少一個。
[0010]在所述第二類型的標尺元件包括這樣的板消除特征的執(zhí)行方案中，所述變化的特性可以包括至少一個:a)非導電面積的量，b)凹進面積的量，或c)凹進面積的凹進深度?？商娲?，在所述第二類型的標尺元件包括板特征的執(zhí)行方案中，所述變化的特性可以包括至少一個:a)板面積的量，或b)板高度。在任一情況下(即，所述第二類型的標尺元件是否包括這樣的板特征或板消除特征)，在絕對信號范圍內(nèi)變化的至少一個特性可以沿著所述絕對信號范圍根據(jù)一函數(shù)(例如，線性函數(shù))變化。
[0011]在各種執(zhí)行方案中，除具有變化的特性的所述第二類型的標尺元件之外，所述第一類型的標尺元件也可以具有沿著所述標尺圖案在所述絕對信號范圍內(nèi)變化的特性，以在所述絕對信號范圍內(nèi)提供不同各自第一標尺元件區(qū)的不同各自渦流響應。在所述第一類型的標尺元件和第二類型的標尺元件分別包括板特征和板消除特征的情況下，反之亦然，所述板特征和板消除特征兩者可以由此具有沿著所述標尺圖案在所述絕對信號范圍內(nèi)變化的特性。
[0012]在各種執(zhí)行方案中，所述第二類型的標尺元件可以包括導電區(qū)域，并且所述板消除特征可以形成在所述導電區(qū)域中。在各種這樣的構(gòu)造中，所述標尺圖案可以形成在標尺部中，所述標尺部包括至少一個:印刷電路板；包括去除面積的圖案化薄金屬片，形成的薄金屬片包括因所述薄金屬片變形而形成的凹進；或金屬材料件，包括因去除金屬材料而形成的凹進。
[0013]在一個執(zhí)行方案中，所述位置感測設(shè)備可以具有最大測量范圍，并且所述絕對信號范圍可以在所述最大測量范圍上延伸。在可替代的執(zhí)行方案中，所述絕對信號范圍可以指定為在所述最大測量范圍的第一部上延伸的第一絕對信號范圍，類似于所述第一絕對信號范圍，第二絕對信號范圍在所述最大測量范圍的第二部上延伸。在這樣的執(zhí)行方案中，所述標尺可以進一步包括絕對信號范圍識別部，得以在所述最大測量范圍上確定絕對位置。在各種構(gòu)造中，所述絕對信號范圍識別部可以包括沿著所述標尺的第二標尺圖案或二進制代碼元件中的至少一個。
[0014]在各種執(zhí)行方案中，所述信號部和所述標尺圖案可以被構(gòu)造成使得至少一個輸出信號在所述標尺波長P下是周期的，并且所述信號特性可以包括所述周期輸出信號的振幅或直流偏移。在各種執(zhí)行方案中，所述信號部和所述標尺圖案可以被構(gòu)造成使得所述絕對位置信號的信號特性在所述絕對信號范圍上線性地變化。
[0015]在各種執(zhí)行方案中，所述讀數(shù)頭的信號部可以包括一個或多個傳感器部，所述一個或多個傳感器部輸出的位置信號取決于渦流而變化。如一個具體說明性示例，可以包括沿著所述標尺的長度隔開P/4的四個傳感器部(例如，其中所述輸出信號被指定為A、B、A’和B’)。根據(jù)某些信號處理技術(shù)，增量位置信號可以能夠通過一個公式(例如，tar^GA-A’V^-B’)))確定，而絕對位置信號可以能夠通過另一公式(例如，A+B+A’ +B’)確定。
[0016]將要了解的是，包括諸如本文中描述的構(gòu)造的位置感測設(shè)備將具有優(yōu)于某些現(xiàn)有系統(tǒng)的各種優(yōu)點。例如，如將要在本文中更詳細地描述的，這樣的構(gòu)造可以允許單個讀數(shù)頭信號部提供允許確定增量位置信號和絕對位置信號兩者的信號。換句話說，這樣的構(gòu)造可以不需要第二標尺軌道和相應的第二讀數(shù)頭信號部來讀取所述第二標尺軌道以便確定增量位置信號和絕對位置信號兩者。這樣的構(gòu)造也可以具有低功耗要求(例如，由于不需要用于第二讀數(shù)頭信號部的功耗)。另外，在各種執(zhí)行方案中，可以利用窄標尺，在于可以不需要第二共線性標尺軌道。
【附圖說明】
[0017]圖1是手工具類型卡尺的分解等距視圖，包括具有標尺圖案的標尺。
[0018]圖2是一部分圖1標尺的等距視圖，圖示的標尺元件在標尺圖案的第一標尺元件區(qū)和第二標尺元件區(qū)中。
[0019]圖3A-3C是標尺圖案的可替代實施例的側(cè)視圖。
[0020]圖4是用于感測相對于標尺圖案位置的一部分讀數(shù)頭的等距視圖。
[0021]圖5A和5B是圖示讀數(shù)頭可替代實施例的各種操作原理的示意圖。
[0022]圖6A-6C分別是與圖3A-3C標尺圖案組合使用的讀數(shù)頭輸出信號的視圖。
[0023]圖7A-7C分別是所得到絕對位置信號的視圖，對應于圖6A-6C的輸出信號和圖3A-3C的標尺圖案。
[0024]圖8A-8G是除圖3A-3C之外的標尺圖案可替代實施例的視圖。
[0025]圖9A-9B是模擬圖3A-3C的旋轉(zhuǎn)或帶角度標尺圖案的實施例的視圖。
[0026]圖10是結(jié)合用在標尺上的兩個標尺圖案的視圖。
【具體實施方式】
[0027]圖1是手工具類型卡尺100的分解等距視圖，包括具有標尺圖案170的標尺102。如圖1示出的，標尺102可以包括基板168，標尺圖案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橫截面的剛性或半剛性桿組成。一對橫向突起的固定的鉗108和110 —體地形成在標尺102的第一端112附近。相應的一對橫向突起的可移動鉗116和118形成在包括讀數(shù)頭164的滑動器組件120上。
[0028]物體的外側(cè)尺寸通過將物體放置在鉗108和116上的一對接合表面114之間進行測量。類似地，物體的內(nèi)側(cè)尺寸通過將鉗