具有與變化凹進(jìn)交錯(cuò)的板的絕對(duì)位置編碼器標(biāo)尺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及精密測(cè)量?jī)x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(duì)位置編碼器標(biāo)尺。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前可用各種移動(dòng)或位置換能器，諸如光學(xué)、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(cè)量換能器兩個(gè)構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)，通常包括讀數(shù)頭和標(biāo)尺。某些光學(xué)、電容和磁性換能器的一個(gè)缺點(diǎn)在于，它們趨于對(duì)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(shí)際的。在車間環(huán)境中使用這樣的換能器需要昂貴且有時(shí)不可靠的環(huán)境密封或封裝換能器來(lái)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?jī)?nèi)容借此通過引用并入本文中的美國(guó)專利號(hào)6，011，389(’389專利)描述了在高精度應(yīng)用中可使用的感應(yīng)電流位置換能器。各全部?jī)?nèi)容借此通過引用并入本文中的美國(guó)專利號(hào)5，973，494 (’ 494專利)和6，002，250 (，250專利)描述了包括信號(hào)產(chǎn)生和處理電路的增量位置電感卡尺和線性標(biāo)尺。各全部?jī)?nèi)容借此通過引用并入本文中的美國(guó)專利號(hào)5，886，519,5, 841，274和5，894，678描述了使用該感應(yīng)電流換能器的絕對(duì)位置電感卡尺和電子卷尺。如這些專利描述的，該感應(yīng)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(yīng)電流換能器(以及之前提到的光學(xué)、電容和磁性換能器)的不同執(zhí)行方案可以實(shí)施為任一增量或絕對(duì)位置編碼器。一般情況下，增量位置編碼器利用標(biāo)尺結(jié)構(gòu)，這允許讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺的位移通過積累位移增量單位而確定，沿著標(biāo)尺從初始點(diǎn)開始。這樣的編碼器對(duì)某些應(yīng)用是合適的，特別是可用電力線的應(yīng)用。然而，在某些應(yīng)用中，諸如編碼器用于低耗電設(shè)備的應(yīng)用，更期望使用絕對(duì)位置編碼器。絕對(duì)位置編碼器提供沿著標(biāo)尺每個(gè)位置的獨(dú)特的輸出信號(hào)或信號(hào)組合。它們不需要增量位移的連續(xù)積累來(lái)識(shí)別位置。由此，絕對(duì)位置編碼器允許各種電源保護(hù)方案。已知各種絕對(duì)位置編碼器，使用各種光學(xué)、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(duì)感應(yīng)電流換能器，美國(guó)專利號(hào) 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(duì)編碼器有關(guān)的信號(hào)處理技術(shù)，并且各全部?jī)?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(wú)法教導(dǎo)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(duì)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(duì)編碼器的改進(jìn)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(jiǎn)化的形式引入一種概念的選擇，其在下文的【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不意在確定所要求保護(hù)的主題的重要特征，也不意在用作輔助來(lái)確定所要求保護(hù)的主題的范圍。
[0007]提供了一種位置感測(cè)設(shè)備，其可用于測(cè)量第一構(gòu)件沿著測(cè)量軸關(guān)于第二構(gòu)件的位置。所述位置感測(cè)設(shè)備包括標(biāo)尺和讀數(shù)頭。所述標(biāo)尺包括沿著所述測(cè)量軸方向延伸的標(biāo)尺圖案。所述讀數(shù)頭可沿著所述測(cè)量軸方向相對(duì)于所述標(biāo)尺圖案移動(dòng)，并且包括勵(lì)磁所述標(biāo)尺圖案中的渦流的勵(lì)磁部和輸出取決于渦流而變化的位置信號(hào)的信號(hào)部。由于渦流的利用，所述位置感測(cè)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(biāo)尺圖案包括多個(gè)第一標(biāo)尺元件區(qū)和多個(gè)第二標(biāo)尺元件區(qū)。所述多個(gè)第一標(biāo)尺元件區(qū)沿著所述測(cè)量軸方向周期性地布置，并且所述第一標(biāo)尺元件區(qū)包括第一類型的標(biāo)尺元件。所述多個(gè)第二標(biāo)尺元件區(qū)沿著所述測(cè)量軸方向周期性地布置并且與所述多個(gè)第一周期標(biāo)尺元件區(qū)交錯(cuò)，使得所述第一標(biāo)尺元件區(qū)和第二標(biāo)尺元件區(qū)根據(jù)標(biāo)尺波長(zhǎng)P沿著所述測(cè)量軸方向周期性地重復(fù)。所述第二標(biāo)尺元件區(qū)包括第二類型的標(biāo)尺元件，所述第二類型的標(biāo)尺元件具有沿著所述標(biāo)尺圖案在絕對(duì)信號(hào)范圍內(nèi)變化的特性，以在所述絕對(duì)信號(hào)范圍內(nèi)提供不同各自第二標(biāo)尺元件區(qū)的不同各自渦流響應(yīng)。所述讀數(shù)頭的信號(hào)部響應(yīng)于各自渦流，以輸出使信號(hào)特性沿著所述絕對(duì)信號(hào)范圍變化的絕對(duì)位置信號(hào)，以獨(dú)特地指示沿著所述絕對(duì)信號(hào)范圍的各自位置。在各種執(zhí)行方案中，所述絕對(duì)信號(hào)范圍可以是標(biāo)尺波長(zhǎng)P的至少10倍。
[0009]在各種執(zhí)行方案中，所述第一類型的標(biāo)尺元件可以包括板特征(例如，在所述第一標(biāo)尺元件區(qū)的每個(gè)中是相同的)，并且所述第二類型的標(biāo)尺元件可以包括板消除特征(例如，具有的特性沿著所述標(biāo)尺圖案在所述第二標(biāo)尺元件區(qū)的每個(gè)中是變化的)?？商娲?，在其它執(zhí)行方案中，所述第一類型的標(biāo)尺元件可以包括板消除特征(例如，沿著所述標(biāo)尺圖案在所述第一標(biāo)尺元件區(qū)的每個(gè)中是相同的)，并且所述第二類型的標(biāo)尺元件可以包括板特征(例如，具有的特性在所述第二標(biāo)尺元件區(qū)的每個(gè)中是變化的)。在任一情況下，所述板特征可以括導(dǎo)電板面積，并且所述板消除特征可以包括位于導(dǎo)體中的非導(dǎo)電面積或凹進(jìn)面積中的至少一個(gè)。
[0010]在所述第二類型的標(biāo)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(gè):a)非導(dǎo)電面積的量，b)凹進(jìn)面積的量，或c)凹進(jìn)面積的凹進(jìn)深度?？商娲兀谒龅诙愋偷臉?biāo)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(gè):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(biāo)尺元件是否包括這樣的板特征或板消除特征)，在絕對(duì)信號(hào)范圍內(nèi)變化的至少一個(gè)特性可以沿著所述絕對(duì)信號(hào)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(biāo)尺元件之外，所述第一類型的標(biāo)尺元件也可以具有沿著所述標(biāo)尺圖案在所述絕對(duì)信號(hào)范圍內(nèi)變化的特性，以在所述絕對(duì)信號(hào)范圍內(nèi)提供不同各自第一標(biāo)尺元件區(qū)的不同各自渦流響應(yīng)。在所述第一類型的標(biāo)尺元件和第二類型的標(biāo)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(biāo)尺圖案在所述絕對(duì)信號(hào)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(biāo)尺元件可以包括導(dǎo)電區(qū)域，并且所述板消除特征可以形成在所述導(dǎo)電區(qū)域中。在各種這樣的構(gòu)造中，所述標(biāo)尺圖案可以形成在標(biāo)尺部中，所述標(biāo)尺部包括至少一個(gè):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(jìn)；或金屬材料件，包括因去除金屬材料而形成的凹進(jìn)。
[0013]在一個(gè)執(zhí)行方案中，所述位置感測(cè)設(shè)備可以具有最大測(cè)量范圍，并且所述絕對(duì)信號(hào)范圍可以在所述最大測(cè)量范圍上延伸。在可替代的執(zhí)行方案中，所述絕對(duì)信號(hào)范圍可以指定為在所述最大測(cè)量范圍的第一部上延伸的第一絕對(duì)信號(hào)范圍，類似于所述第一絕對(duì)信號(hào)范圍，第二絕對(duì)信號(hào)范圍在所述最大測(cè)量范圍的第二部上延伸。在這樣的執(zhí)行方案中，所述標(biāo)尺可以進(jìn)一步包括絕對(duì)信號(hào)范圍識(shí)別部，得以在所述最大測(cè)量范圍上確定絕對(duì)位置。在各種構(gòu)造中，所述絕對(duì)信號(hào)范圍識(shí)別部可以包括沿著所述標(biāo)尺的第二標(biāo)尺圖案或二進(jìn)制代碼元件中的至少一個(gè)。
[0014]在各種執(zhí)行方案中，所述信號(hào)部和所述標(biāo)尺圖案可以被構(gòu)造成使得至少一個(gè)輸出信號(hào)在所述標(biāo)尺波長(zhǎng)P下是周期的，并且所述信號(hào)特性可以包括所述周期輸出信號(hào)的振幅或直流偏移。在各種執(zhí)行方案中，所述信號(hào)部和所述標(biāo)尺圖案可以被構(gòu)造成使得所述絕對(duì)位置信號(hào)的信號(hào)特性在所述絕對(duì)信號(hào)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(hào)部可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器部，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器部輸出的位置信號(hào)取決于渦流而變化。如一個(gè)具體說(shuō)明性示例，可以包括沿著所述標(biāo)尺的長(zhǎng)度隔開P/4的四個(gè)傳感器部(例如，其中所述輸出信號(hào)被指定為A、B、A’和B’)。根據(jù)某些信號(hào)處理技術(shù)，增量位置信號(hào)可以能夠通過一個(gè)公式(例如，tar^GA-A’V^-B’)))確定，而絕對(duì)位置信號(hào)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(cè)設(shè)備將具有優(yōu)于某些現(xiàn)有系統(tǒng)的各種優(yōu)點(diǎn)。例如，如將要在本文中更詳細(xì)地描述的，這樣的構(gòu)造可以允許單個(gè)讀數(shù)頭信號(hào)部提供允許確定增量位置信號(hào)和絕對(duì)位置信號(hào)兩者的信號(hào)。換句話說(shuō)，這樣的構(gòu)造可以不需要第二標(biāo)尺軌道和相應(yīng)的第二讀數(shù)頭信號(hào)部來(lái)讀取所述第二標(biāo)尺軌道以便確定增量位置信號(hào)和絕對(duì)位置信號(hào)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(hào)部的功耗)。另外，在各種執(zhí)行方案中，可以利用窄標(biāo)尺，在于可以不需要第二共線性標(biāo)尺軌道。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是手工具類型卡尺的分解等距視圖，包括具有標(biāo)尺圖案的標(biāo)尺。
[0018]圖2是一部分圖1標(biāo)尺的等距視圖，圖示的標(biāo)尺元件在標(biāo)尺圖案的第一標(biāo)尺元件區(qū)和第二標(biāo)尺元件區(qū)中。
[0019]圖3A-3C是標(biāo)尺圖案的可替代實(shí)施例的側(cè)視圖。
[0020]圖4是用于感測(cè)相對(duì)于標(biāo)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(shí)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(biāo)尺圖案組合使用的讀數(shù)頭輸出信號(hào)的視圖。
[0023]圖7A-7C分別是所得到絕對(duì)位置信號(hào)的視圖，對(duì)應(yīng)于圖6A-6C的輸出信號(hào)和圖3A-3C的標(biāo)尺圖案。
[0024]圖8A-8G是除圖3A-3C之外的標(biāo)尺圖案可替代實(shí)施例的視圖。
[0025]圖9A-9B是模擬圖3A-3C的旋轉(zhuǎn)或帶角度標(biāo)尺圖案的實(shí)施例的視圖。
[0026]圖10是結(jié)合用在標(biāo)尺上的兩個(gè)標(biāo)尺圖案的視圖。
【具體實(shí)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(biāo)尺圖案170的標(biāo)尺102。如圖1示出的，標(biāo)尺102可以包括基板168，標(biāo)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(duì)橫向突起的固定的鉗108和110 —體地形成在標(biāo)尺102的第一端112附近。相應(yīng)的一對(duì)橫向突起的可移動(dòng)鉗116和118形成在包括讀數(shù)頭164的滑動(dòng)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(duì)接合表面114之間進(jìn)行測(cè)量。類似地，物體的內(nèi)側(cè)尺寸通過將鉗