包括冗余相位信号的绝对位置编码器制造技术

技术编号:15635153 阅读:81 留言:0更新日期:2017-06-14 18:58
提供一种绝对位置编码器,其具有标尺、探测器和信号处理器,被配置为确定探测器沿着标尺的绝对位置。标尺包括信号调制标尺图案,所述信号调制标尺图案包括周期图案部件和渐进图案变化部件。探测器包括N个空间相位传感元件(比如,导电线圈)和至少一个参照传感元件,所述参照传感元件沿着测量轴线方向以一定距离间隔分开,所述距离对应于相对N个空间相位传感元件的第一个的360度的整数倍数的空间相位移动。来自第一参照传感元件的第一参照信号和来自N个空间相位传感元件的第一个的第一信号名义上包括来自周期图案部件的类似的信号贡献,并且两个信号间的差异是由于其来自渐进图案变化部件的信号贡献的差异。

【技术实现步骤摘要】
包括冗余相位信号的绝对位置编码器
本专利技术一般涉及精密测量仪器,并且特别涉及可被用作手持仪器(比如卡尺)的绝对位置编码器。
技术介绍
可获得各种位置传感器,比如光学式,电容式以及电感式传感器。这些传感器可在读头中采用发射器和接收器以测量其相对于标尺的运动。一些类型的传感器对污染敏感,导致在制造或者车间环境中使用它们是不切实际的。相比之下,电感式传感器可免受颗粒物,油,水和其他流体的污染。美国专利号6,011,389(‘389专利),特此将其完整地作为参考合并于此,描述了一种可用于高准确度场合的感应电流位置传感器。美国专利号5,973,494(‘494专利),特此将其完整地作为参考合并于此,描述了增量位置电感式卡尺以及线性标尺,包括信号发生和处理电路。美国专利号5,886,519,5,841,274,和5,894,678,特此将其每一个完整地作为参考合并于此,描述了绝对位置电感式卡尺以及采用感应电流传感器的电子卷尺。如这些专利所述,采用公知的印刷电路板技术所述的感应电流传感器是容易制造的。不同感应电流传感器(以及其它类型的传感器)的实施例可被实施为增量或者绝对位置编码器。一般来说,增量位置传感器采用标尺,所述标尺允许读头相对于标尺的位移通过位移累加增量单元来确定,沿着标尺从初始点开始。然而,在特定的场合中,比如那些编码器使用在低能耗设备中的场合,更希望的是使用绝对位置编码器。绝对位置编码器提供独特的输出信号,或者信号组合,在沿着标尺的(读头的)每一个位置。它们不需要连续累加增量位移以便于识别位置。因此,绝对位置编码器允许各种节能方案。除了针对绝对感应电流传感器的上述专利‘519,‘274和‘678,美国专利号3,882,482,5,965,879,5,279,044,5,237,391,5,442,166,4,964,727,4,414,754,4,109,389,5,773,820,5,010,655,6,335,618以及美国专利公开号2015/___________(序列号14/303,266,2014年6月12日提交;2014-08)也公开了各种编码器配置和/或绝对编码器相关的信号处理技术,特此将其每一个完整地作为参考合并于此。然而,这些公开的系统中很多未能够教导对测量误差具有稳定性的配置,所述测量误差是由于非期望的引入到读头和标尺之间的间隙变化,或者非期望的读头相对于标尺轴线的横滚,俯仰和/或偏航。比如,如图1所示,虽然读头164和标尺102之间被配置为沿着标尺102长度方向的保持特定的设计的(期望的)均匀间隙,以允许读头相对于标尺的滑移运动,使卡尺正常运行,但实际的间隙可比设计的间隙大或小,以及可由于比如制造缺陷沿着标尺轴线防线不均匀。如图1进一步所示,虽然读头164的轴线被设计为处于与标尺102的轴线平行的位置,但实际的读头轴线可由于比如制造缺陷绕着X,Y或者Z轴横滚,俯仰或者偏航。在间隙,横滚,俯仰或者偏航方面即使是微小的偏差也可导致在高精度绝对位置编码器比如卡尺中不希望的测量误差。希望的是,对这些类型的测量误差具有稳定性的绝对编码器改进构造。
技术实现思路
提供这篇概要以简化形式来介绍在下述具体实施方式中作进一步描述的概念选项。该概要既不意图识别要求保护的主题的关键特征,也不意图被用作帮助来确定要求保护的主题的范围。电子绝对位置编码器被设置,可被实施的,比如,在高精度卡尺中。编码器包括标尺,所述标尺包括沿着测量轴线延伸的第一标尺轨道以及包括第一信号调制标尺图案。第一信号调制标尺图案包括周期图案部件和与周期图案部件组合或者叠加到其上的渐进图案变化部件。周期图案部件包括作为沿着第一标尺轨道的位置函数的周期区域调制或者周期材料特征调制中的至少一个。渐进图案变化部件包括作为在第一范围之上沿着第一标尺轨道的位置函数的渐进区域变化或者渐进材料特征变化中的至少一个。电子绝对位置编码器进一步包括探测器,探测器包括沿着第一标尺轨道对齐的至少一个第一组传感元件(所述第一组传感元件形成读头)。第一组传感元件被配置为提供第一组探测器信号,所述第一组探测器信号响应包括周期和渐进图案部件的第一信号调制标尺图案,并且所述第一组探测器信号指示探测器沿着第一标尺轨道的位置。电子绝对位置编码器还进一步包括信号处理器,所述信号处理器被配置为基于来自探测器的探测器信号确定探测器沿着标尺的绝对位置。根据本专利技术的各种实施例,探测器的第一组传感元件包括N个空间相位传感元件(比如,导电线圈)以及附加地至少第一参照传感元件(比如,附加导电线圈)。N个空间相位传感元件被配置为提供N个各自的信号,并且位于其各自的沿着探测器上的测量轴线方向的N个位置。N个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第N个空间相位,以及沿着渐进图案变化部件对应的第N个位置。附加的第一参照传感元件位于探测器上的第一参照位置,所述第一参照位置沿着测量轴线方向以第一参照距离间隔分开,所述第一参照距离对应于相对N个空间相位传感元件的第一空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动。第一空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第一空间相位的第一信号,以及沿着渐进图案变化部件的第一位置。第一参照传感元件,位于探测器上的第一参照位置,因而提供对应于周期图案部件第一空间相位的第一参照信号,以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置。第一信号和第一参照信号名义上包括来自对应于第一空间相位的周期图案部件的类似信号贡献,(因为第一空间相位传感元件和第一参照传感元件是以360度的整数倍数空间相位移动的)以及第一信号和第一参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异。第一信号和第一参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号。第一信号和第一参照信号之间的由于第一参照距离的差异是第一信号差异,所述第一信号差异指示用于通过第一组探测器信号展示出第一渐变信号变化的标尺因子M1,其中第一渐变信号变化是由于作为沿着第一标尺轨道探测器位置函数的渐变图案变化部件。如上所述的由电子绝对位置编码器得出的标尺因子M1继而可被用于确定第一渐进信号变化的斜率,所述斜率可被用于计算读头相对于标尺的绝对位置。在现有技术的编码器中,非期望的引入到读头和标尺之间的间隙会引起渐进信号变化的斜率偏离意图的斜率,需要确定实际的斜率以便于补偿由于间隙偏差的测量误差。包括附加参照传感元件电子绝对位置编码器的新颖配置可以容易地测量读头具有的渐变信号变化的实际斜率,所述附加参照传感元件提供可用于计算标尺因子M1的冗余空间相位信号。根据进一步的示例性实施例,探测器包括附加的第二参照传感元件,所述第二参照传感元件,在与N个空间相位传感元件的第二空间相位传感元件的合作下,提供指示渐变信号变化标尺因子M1的第二信号差异。更进一步,探测器可包括第三参照传感元件,所述第三参照传感元件,在与N个空间相位传感元件的第三空间相位传感元件的合作下,提供指示渐变信号变化标尺因子M1的第三信号差异。第一,第二和/或第三信号差异的组合继而可被用于在提高准确度的情况下确定渐变信号变化的标尺因子M1。根据更进一步的示例性实施例,标尺包括,除第一标尺轨道之外,沿着测量轴线方向的第二标尺轨道,所述第二标尺轨道包括与第一本文档来自技高网
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包括冗余相位信号的绝对位置编码器

【技术保护点】
一种电子绝对位置编码器,所述电子绝对位置编码器包括:标尺,所述标尺包括第一标尺轨道,所述第一标尺轨道沿着测量轴线方向延伸并且包括第一信号调制标尺图案,所述第一信号调制标尺图案包括周期图案部件和渐进图案变化部件,所述周期图案部件包括作为沿着第一标尺轨道的位置函数的周期区域调制或周期材料特征调制中的至少一个,所述渐进图案变化部件与周期图案部件组合或者叠加到所述周期图案部件上并且包括作为沿着第一标尺轨道在第一范围之上的位置函数的渐进区域变化或渐进材料特征变化中的至少一个。探测器,所述探测器至少包括沿着第一标尺轨道对齐的第一组传感元件,第一组传感元件被配置为提供第一组探测器信号,所述第一组探测器信号响应第一信号调制标尺图案并且所述第一探测器信号指示探测器沿着第一标尺轨道的位置;并且信号处理器,所述信号处理器被配置为基于通过探测器提供的探测器信号确定探测器沿着标尺的绝对位置,其中:第一组传感元件包括N个空间相位传感元件和附加地至少第一参照传感元件,其中:N个空间相位传感元件被配置为提供N个各自的信号,并且位于其各自的沿着探测器测量轴线方向的N个位置,N个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第N个空间相位和沿着渐进图案变化部件的对应的第N个位置。第一参照传感元件位于探测器上的第一参照位置,所述第一参照位置沿着测量轴线方向以第一参照距离间隔分开,所述第一参照距离对应于相对N个空间相位传感元件的第一空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动,所述第一空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第一空间相位的第一信号和沿着渐进图案变化部件的第一位置;第一参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件第一空间相位的第一参照信号以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置,使得第一信号和第一参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献并且第一信号和第一参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异;并且第一信号和第一参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号,并且第一信号和第一参照信号之间的由于第一参照距离的差异是第一信号差异,所述第一信号差异指示用于通过第一组探测器信号展示出的第一渐变信号变化的标尺因子M1,其中第一渐变信号变化是由于作为沿着第一标尺轨道的探测器位置函数的渐变图案变化部件。...

【技术特征摘要】
2015.09.30 US 14/871,3861.一种电子绝对位置编码器,所述电子绝对位置编码器包括:标尺,所述标尺包括第一标尺轨道,所述第一标尺轨道沿着测量轴线方向延伸并且包括第一信号调制标尺图案,所述第一信号调制标尺图案包括周期图案部件和渐进图案变化部件,所述周期图案部件包括作为沿着第一标尺轨道的位置函数的周期区域调制或周期材料特征调制中的至少一个,所述渐进图案变化部件与周期图案部件组合或者叠加到所述周期图案部件上并且包括作为沿着第一标尺轨道在第一范围之上的位置函数的渐进区域变化或渐进材料特征变化中的至少一个。探测器,所述探测器至少包括沿着第一标尺轨道对齐的第一组传感元件,第一组传感元件被配置为提供第一组探测器信号,所述第一组探测器信号响应第一信号调制标尺图案并且所述第一探测器信号指示探测器沿着第一标尺轨道的位置;并且信号处理器,所述信号处理器被配置为基于通过探测器提供的探测器信号确定探测器沿着标尺的绝对位置,其中:第一组传感元件包括N个空间相位传感元件和附加地至少第一参照传感元件,其中:N个空间相位传感元件被配置为提供N个各自的信号,并且位于其各自的沿着探测器测量轴线方向的N个位置,N个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第N个空间相位和沿着渐进图案变化部件的对应的第N个位置。第一参照传感元件位于探测器上的第一参照位置,所述第一参照位置沿着测量轴线方向以第一参照距离间隔分开,所述第一参照距离对应于相对N个空间相位传感元件的第一空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动,所述第一空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第一空间相位的第一信号和沿着渐进图案变化部件的第一位置;第一参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件第一空间相位的第一参照信号以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置,使得第一信号和第一参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献并且第一信号和第一参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异;并且第一信号和第一参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号,并且第一信号和第一参照信号之间的由于第一参照距离的差异是第一信号差异,所述第一信号差异指示用于通过第一组探测器信号展示出的第一渐变信号变化的标尺因子M1,其中第一渐变信号变化是由于作为沿着第一标尺轨道的探测器位置函数的渐变图案变化部件。2.根据权利要求1所述的电子绝对位置编码器,其中由于渐进图案变化部件的第一渐进信号变化包括由于周期图案部件的周期探测器信号的DC偏移值中的渐进变化。3.根据权利要求2所述的电子绝对位置编码器,其中第一标尺轨道和第一组传感元件被配置为使得DC偏移值中的渐进变化至少与沿着第一标尺轨道在相同位置变化的周期探测器信号的峰间幅值的变化一样大。4.根据权利要求3所述的电子绝对位置编码器,其中:周期图案部件根据空间波长L布置;传感元件彼此基本相同并且每一个都包括导电线圈,所述导电线圈包括多个近似于平面的线匝,其中导电线圈的电感或者电感耦合对其相对于周期图案部件的位置作出响应;并且导电线圈沿着测量轴线方向的最大尺寸为至多1.4L和最小0.6L。5.根据权利要求4所述的电子绝对位置编码器,其中导电线圈包括至少6个和至多11个近似于平面的线匝。6.根据权利要求4所述的电子绝对位置编码器,其中渐进图案变化部件包括沿着标尺元件的测量轴线方向在有效宽度尺寸W内的渐进区域变化,所述标尺元件形成根据空间波长L布置的周期图案部件。7.根据权利要求1所述的电子绝对位置编码器,其中:信号处理器被配置为基于第一组探测器信号之间的第一关系值沿着标尺将探测器的绝对位置确定到小于周期图案部件空间波长L的第一分辨率,所述第一组探测器信号展示出第一信号变化和用于第一渐进信号变化的第一标尺因子M1;并且信号处理器进一步被配置为基于探测器信号之间的第二关系值沿着标尺将探测器的绝对位置确定到小于第一分辨率的第二分辨率,其中第二关系值指示探测器在周期图案部件的当前空间波长之内的空间相位位置,所述当前空间波长由第一分辨率绝对位置指示。8.根据权利要求7所述的电子绝对位置编码器,其中:N个空间相位传感元件包括第二空间相位传感元件和第三空间相位传感元件,所述第二空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第二空间相位的第二信号和沿着渐进图案变化部件的第二位置,所述第三空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第三空间相位的第三信号和沿着渐进图案变化部件的第三位置;忽略360度的整数倍数的空间相位移动,第二空间相位与第一空间相位相差120度,第三空间相位移动与第一空间相位移动相差240度;所述至少第一参照传感元件进一步包括第二和第三参照传感元件,其中:第二参照传感元件位于探测器上的第二参照位置,所述第二参照位置沿着测量轴线方向以第二参照距离间隔分开,所述第二参照距离对应于相对第二空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动,并且第二参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件的第二空间相位以及沿着渐进图案变化部件的对应的第二参照位置的第二参照信号使得第二信号和第二参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献并且第二信号和第二参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异,第二信号和第二参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号,并且第二信号和第二参照信号之间的由于第二参照距离的差异是第二信号差异,所述第二信号差异指示用于第一渐变信号变化的标尺因子M1,其中第一渐变信号差异是由于作为沿着第一标尺轨道的探测器位置函数的渐变图案变化部件;第三参照传感元件位于探测器上的第三参照位置,所述第三参照位置沿着测量轴线方向以第三参照距离间隔分开,所述第三参照距离对应于相对第三空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动,并且第三参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件的第三空间相位以及沿着渐进图案变化部件的对应的第三参照位置的第三参照信号使得第三信号和第三参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献并且第三信号和第三参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异;并且第三信号和第三参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号,并且第三信号和第三参照信号之间的由于第三参照距离的差异是第三信号差异,所述第三信号差异指示用于第一渐变信号变化的标尺因子M1,其中第一渐变信号差异是由于作为沿着第一标尺轨道的探测器位置函数的渐变图案变化部件;并且用于第一渐变信号变化的标尺因子M1至少部分地基于...

【专利技术属性】
技术研发人员:TS库克
申请(专利权)人:株式会社三丰
类型:发明
国别省市:日本,JP

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