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CN110657826A - 用于感应位置编码器的标尺构造 - Google Patents

用于感应位置编码器的标尺构造 Download PDF

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CN110657826A CN201910572670.3A CN201910572670A CN110657826A CN 110657826 A CN110657826 A CN 110657826A CN 201910572670 A CN201910572670 A CN 201910572670A CN 110657826 A CN110657826 A CN 110657826A
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Abstract

一种感应类型位置编码器包括标尺、检测器部分和信号处理器。标尺沿测量轴线布置的信号调制元件(SME)的周期性图案，具有空间波长W1。图案中的一类SME包括相似的导电板或环路。检测器部分包括传感元件且磁场产生线圈产生变化磁通量。传感元件可以包括沿测量轴线布置的导电环路部分且配置为提供检测器信号，该检测器信号对通过邻近SME提供的变化磁通量上的局部效应做出响应。在各种实施方式中，第一类型的SME具有沿测量轴线方向的平均尺寸DSME，其大于DSEN且至少为0.55×W1且最大为0.8×W1，其提供有利的检测器信号特性。

Description

用于感应位置编码器的标尺构造
技术领域
本发明涉及测量仪器，且更具体涉及感应位置编码器，其可以用在精确 测量仪器中。
背景技术
各种编码器配置可以包括各种类型的光学、电容、磁性、感应、运动和 /或位置换能器。这些换能器使用在读取头中的发射器和接收器的各种几何配 置，以测量读取头和标尺之间的运动。
美国专利No.6,011,389(’389专利)描述了一种可用在高准确性应用中 的感应当前位置换能器；美国专利No.5,973,494(’494专利)和6,002,250 (’250专利)描述了增量型位置感应卡尺和直线标尺，包括信号产生和处理 电路；和美国专利No.5,886,519(’519专利)、5,841,274(’274专利)、和 5,894,678(’678专利)描述了使用感应电流换能器的绝对位置感应卡尺和电 子卷尺测量。美国专利申请No.15/245,560；15/850,457；和15/910,478公开 了卷绕构造改进，其用于增强感应位置编码器的准确性、鲁棒性和容易对准 性。所有前述文献通过引用全部并入本文。如这些专利和申请中所述的，感 应电流换能器可以使用印刷电路板技术制造且主要能免疫污染。然而，这种 系统会在提供用户期望的某些特性组合的能力方面受限，例如小型化、高分 辨率、准确性、低成本、对污染的鲁棒性等的组合。期望能提供这种特征的 改进组合的编码器构造。
发明内容
该部分内容用于提供在下文的进一步详细描述中所述的简化形式的原 理的选择。该部分内容目的不是给出要求保护主题的关键特征，也不是用于 确定要求保护主题的范围。
提供一种电子位置编码器，其可用于沿测量轴线方向测量两个元件之间 的相对位置。在各种实施方式中，电子位置编码器包括标尺、检测器部分和 信号处理结构。
标尺沿测量轴线方向延伸且包括周期性标尺图案，周期性标尺图案至少 包括第一类型的信号调制元件。周期性标尺图案具有空间波长W1。第一类 型的信号调制元件对应于空间波长W1沿测量轴线方向定位的相似导电板或 相似导电环路。检测器部分配置为安装在周期性标尺图案附近且沿测量轴线 方向相对于周期性标尺图案运动。在各种实施方式中，检测器部分包括磁场 产生线圈和一组传感元件。磁场产生线圈固定在基板上且围绕在操作期间与 信号调制元件的周期性标尺图案对准的内部区域。如在本文使用的，术语“围 绕”可以在各种实施方式中表示完全围绕或部分围绕。唯一的约束是，磁场 产生线圈配置为响应于线圈驱动信号在内部区域中产生变化磁通量，其方式 是支持根据本文公开和要求保护的原理的操作。该组传感元件沿测量轴线方 向布置且固定在基板上。该组传感元件的构件包括沿测量轴线方向具有额定 传感元件宽度尺寸DSEN的导电环路或导电环路部分，至少是针对与被磁场 产生线圈围绕的内部区域对准或重叠的传感元件部分。该组传感元件配置为 提供该检测器信号对通过标尺图案的邻近信号调制元件提供的变化磁通量的局部效应做出反应。信号处理结构操作地连接到检测器部分以提供线圈驱 动信号，且基于从检测器部分输入的检测器信号确定检测器部分和标尺图案 之间的相对位置，
第一类型的信号调制元件包括在操作期间与内部区域对准或重叠的有 效区域。在各种实施方式中，有效区域配置为沿测量轴线方向具有平均尺寸 DSME，其中DSME大于沿测量轴线方向的额定传感元件宽度尺寸DSEN， 且DSME至少为0.55×W1且最大为0.8×W1。根据本文公开的原理，这种 构造提供有利的检测器信号特性(例如通过在检测器信号中提供更好信号对 噪声(S/N)比，和/或减小的误差分量)。
在一些实施方式中，平均尺寸DSME最大为1.6×DSEN。在一些实施 方式中，0.45×W1<DSEN<0.55×W1。在一些实施方式中，DSEN约为0.5 ×W1。在一些实施方式中，平均尺寸DSME至少为0.6×W1，或0.66×W1， 或0.7×W1(例如在检测器和标尺之间使用较大操作间隙时，和/或在第一类 型的信号调制元件包括相似导电板时，使用较大值的DSME可以是有利的)。
在各种实施方式中，第一类型的信号调制元件可以包括相似导电板。在 各种实施方式中，第一类型的信号调制元件可以包括相似导电环路。
在各种实施方式中，第二类型的信号调制元件沿测量轴线方向位于第一 类型的信号调制元件之间。第二类型的信号调制元件配置为与第一类型的信 号调制元件相比对变化磁通量具有相对更小的影响。在一些实施方式中，第 二类型的信号调制元件包括非导电材料区域。在一些这种实施方式中，第二 类型的信号调制元件包括非导电标尺基板区域，其中第一类型的信号调制元 件固定在非导电标尺基板上。
在各种实施方式中，检测器部分和标尺可以包括近似平面基板且检测器 部分可以配置为大致平行于周期性标尺图案安装，在其相应导体之间具有至 少为0.075×W1的额定操作间隙。在一些这种实施方式中，额定操作间隙可 以至少为0.15×W1。
在一些实施方式中，传感元件的导电环路或导电环路部分包括大致平行 的导体段，所述大致平行的导体段垂直于测量轴线方向取向且配置为对准或 重叠内部区域，且所述平行的导体段沿测量轴线方向按额定传感元件宽度尺 寸DSEN间隔开。在一些实施方式中，第一类型的信号调制元件的相似导电 板或相似导电环路可以分别包括垂直于测量轴线方向取向的大致平行的板 边缘或大致平行的导电环路段。这些平行板边缘或平行导电环路段界定了其 相关的信号调制元件的有效区域。在这种实施方式中，那些平行板边缘或平 行导电环路段沿测量轴线方向按平均尺寸DSME间隔开。
附图说明
图1是利用包括检测器部分和标尺的感应电子位置编码器的手动工具类 型卡尺的分解等轴视图。
图2是示意性地显示了代表性现有技术感应电子位置编码器的某些特征 的平面图，其作为与本文公开的各种原理相关的背景信息呈现。
图3是可用在例如如图1所示的电子位置编码器中的检测器部分和标尺 图案的第一示例性实施方式的平面图，以及显示了根据本文公开的原理的可 以作为其特征的各种尺寸。
图4是如图3所示的标尺图案和检测器部分的一部分的放大等轴视图， 包括可以与这种位置编码器中的信号调制元件的操作关联的磁通量和磁通 耦合特性的定性展示。
图5A和5B是平面示意图，示意性地显示了相应的感应电子位置编码 器实施方式，包括根据本文公开的原理的某些示例性尺寸。
具体实施方式
图1是包括标尺构件172和游标组件120的手动工具类型卡尺100的分 解等轴视图。标尺构件172可以包括大致矩形截面的纵梁(spar)，其包括定 位在其中的沟槽中的标尺170。游标组件120可以包括基部140、电子组件 160、和覆盖件150，如后文详述。电子组件160可以包括布置在基板162 上的检测器部分167和信号处理结构166。弹性密封件(未示出)可以被挤 压在覆盖件150和基板162之间，以防止污染影响电路和连接。标尺170、 检测器部分167和信号处理结构166协同工作，以提供感应电子位置编码器， 其可用于沿测量轴线方向MA测量两个元件之间(例如标尺构件172和游标 组件120之间)的相对位置。
在各种实施方式中，标尺170沿测量轴线方向MA(例如对应于x轴线 方向)延伸且包括信号调制标尺图案180，该信号调制标尺图案包括制造在 标尺基板上的信号调制元件SME(例如使用已知的印刷电路制造方法)。在 本文示出的各种实施方式中，信号调制标尺图案180可以替换地被称为周期 性标尺图案180，其在图1中被显示为具有空间波长W1。在示出的实施方 式中，已知类型的覆盖层174(例如100μm厚)覆盖标尺170(如图1中的 剖开部分所示)。
在各种实施方式中，卡尺100的机械结构和操作可以类似于某些现有电 子卡尺，例如共同受让的美国专利No.5,901,458；和/或6,400,138，和/或 RE37490，其每一个通过参考以其全部内容合并于本文。爪176和178接近 标尺构件172的第一端，且游标组件120上的可动爪146和148用于以已知 方式测量物体的尺寸。所测量的尺寸可以显示在数字显示器158上，该数字 显示器安装在电子组件160的覆盖件150中。覆盖件150还可以包括ON/OFF开关154和其他可选控制按钮(如果期望的话)，其致动包括在电子组件160 中的电路或元件。游标组件120的基部140可以包括各种已知元件，其配置 为沿标尺构件172的配合边缘对其进行引导，以确保适当对准以用于测量， 同时让游标组件120相对于标尺170运动。
如图1所示，检测器部分167可以包括沿测量轴线方向MA布置的一组 传感元件SETSEN和磁场产生线圈FGC。在一个具体示例性例子中，检测 器部分167可以与标尺170平行且面对地布置，且检测器部分167的面对标 尺170的正面可以与标尺170(和/或标尺图案180)沿Z轴线方向隔开约 0.5mm的间隙。检测器167的正面(例如它的组成导体)可以被绝缘涂层覆 盖。磁场产生线圈FGC和该组传感元件SETSEN的结构和操作在后文详述。
应理解，图1所示的卡尺100是各种应用中的一种，其通常实施电子位 置编码器，该电子位置编码器已经演进了多年以提供小型化、低功率操作(例 如用于长电池寿命)、高分辨率和高准确性测量、低成本、和对污染鲁棒性 等的相对优化的组合。任何这些因素中的甚至很小的改进都被高度期望，但 是难以实现，尤其是由于操作为了在各种应用中实现商业成功而带来的设计 限制条件。本文公开和要求保护的原理对多个这些因素提供了改善。
图2是示意性地显示了之前并入的’389专利中所示的代表性现有技术感 应电子位置编码器的某些特征的平面图，其作为与本文其他位置公开的各种 原理相关的背景信息给出。图2还包括附图标记标注，以显示相对应的附图 标记或符号，用于在本文包括的其他图中指示相对应的元件。在基于’389专 利的公开所作的以下的简要描述中，本发明的其他图中的相对应附图标记 在’389专利的原始附图标记之后的圆括号中示出。可以在’382专利中找到与 现有技术的图2有关的完整描述。因此，在本文中仅包括与本发明相关的’382 专利的教导中所包括的简要描述。就发明人能确定的而言，下文参考图2所 作的描述代表本领域已知和/或用在商业感应电子位置编码器中的常规推理 和常规设计实践。
如’389专利公开的，例如如图2所示的换能器包括至少两个基本上共面 的导线或绕组路径。发射器绕组102(FGC)形成大平面环路。在与发射器 绕组102基本上相同的平面中的接收器绕组104(SETSEN)按曲折或正弦 样式如箭头所示沿一个方向布置且随后如箭头所示沿相反方向布置，使得绕 组在其自身上方跨过，以形成插置在彼此之间的交替的环路106(SEN+)和 108(SEN-)，如所示的。结果，接收器绕组104(SETSEN)的每一个交替 环路106(SEN+)和108(SEN-)与邻近环路相比具有不同的绕组方向。通 过向发射器绕组102(FGC)施加交替(变化)电流，发射器绕组产生随时 间变化的磁场，延伸穿过接收器绕组104(SETSEN)的环路106(SEN+) 和108(SEN-)。
如果包括导电性物体(例如导电板114(SME)，在图2中的标尺图案上 的短虚线显示了其中的几个)的标尺或标尺图案112(180)(其一段通过边 缘给出，在图2作为显示为交替的长虚线和短虚线)运动靠近换能器，则通 过发射器绕组102(FGC)产生的变化磁场将在导电性物体中引起涡电流， 其又形成来自导电性物体的抵消变化发射器磁场的磁场。结果，接收器绕组 104(SETSEN)接收的磁通量被交替或中断，由此使得接收器绕组在接收器绕组104的输出端子V+和V-处输出非零EMF信号(电压)，其将随导电性 物体在“+”和“-”环路106(SEN+)和108(SEN)之间运动而改变极性。
相同极性的两个环路的位置之间(例如环路106(SEN+)的位置到下一 个环路106(SEN+)的位置之间)的距离被限定为换能器的节距(pitch)或 波长110(W1)。如果如上所述的导电性物体(例如导电板114(SME))靠 近接收器绕组104(SETSEN)且沿测量轴线300(MA)位置连续变化，则 由于环路106(SEN)和108(SEN)的周期性交替和通过导电性物体(例如导电板114(SME))造成的发射磁场的局部中断，从接收器绕组(SETSEN) 输出的信号的AC幅值将连续且周期性地随波长110(W1)改变。
‘389专利强调，如果导电性物体(例如导电板114(SME))比环路106 和/或108(SEN+，SEN-)小很多或大很多，则信号输出的幅值将很弱，且 难以获得高准确性。如果导电性物体具有的长度等于波长110(W1)的约一 半(即在物体可以正确地与环路106或108(SEN+或SEN-)一致定位时)， 则信号输出将具有大幅值，且由此对导电性物体(例如导电板114(SME)) 的位置最敏感。因此，优选本发明优选采用具有的长度等于波长110(W1) 一半的导电性物体(例如导电板114(SME))。
应理解，如图2所示且如上所述的发射器绕组102(FGC)和接收器绕 组104(SETSEN)是被指定为本文的检测器部分(例如如图1所示的检测 器部分167)的元件的现有技术实施方式的一个例子。标尺或标尺图案112 (180)是在本文被指定为标尺图案(例如如图1所示的标尺图案180)的现 有技术实施方式的一个例子。
图3是可用在例如如图1所示的电子位置编码器中的检测器部分367和 标尺图案380等的第一示例性实施方式的平面图，以及显示了根据本文公开 的原理的可以作为其特征的各种尺寸。检测器部分367和标尺图案380的各 种特征配置为实现本文公开和要求保护的各种设计原理。应理解，图3的某 些附图标记的部件3XX可以与图1和/或图2中类似附图标记的部件1XX对 应和/或提供相似操作或功能(例如检测器部分367提供与检测器部分167 相似的操作或功能)，且可以类似地理解，除非另有描述。
图3可以被认为是部分代表性的、部分示意性的。在图3的下部部分显 示了检测器部分367和标尺图案380的放大截面。在图3中，下文所述的各 种元件通过其形状或轮廓表示，且彼此叠加地显示以强调某些的几何关系。 应理解，各种元件可以存在于在沿z轴线方向的不同平面处的不同制造层上， 如按照需要提供各种操作间隙和/或隔绝层，如本领域技术人员基于以下描述 所能理解的。在本发明的图中，应理解，为了清楚，一个或多个元件的所示 出的x轴线、y轴线和/或z轴线尺寸可以被夸大，但是应理解它们目的不是 否定本文公开和要求保护的各种尺寸设计原理和关系。
标尺图案380的所示部分包括虚线轮廓所示的第一类型的信号调制元件 SME。周期性标尺图案380具有空间波长W1。在该实施方式中，第一类型 的信号调制元件SME包括相似的导电板(例如通过制造在印刷电路板上的 区域形成的，或通过从导电基板延伸的凸起区域形成的)。然而，在其他实 施方式中，它们可以包括相似的导电环路(例如通过印刷电路板上的迹线形 成)，如后文详述。在任一情况下，它们沿与空间波长W1对应的测量轴线方向MA定位。标尺图案380通常在标尺(例如如图1所示的标尺170)上 实施。在图3所示的实施方式中，大多数信号调制元件SME的y方向极值 隐藏在磁场产生线圈FGC的第一和第二窄长部分EP1和EP2下方。应理解 标尺图案380在操作期间相对于检测器部分367运动，如图1中可见。
在图3的例子中，标尺图案380具有沿y轴线方向的额定标尺图案宽度 尺寸NSPWD且包括沿测量轴线方向MA(例如对应于x轴线方向)周期性 布置的大致矩形信号调制元件SME。然而，更通常地，如果图案具有根据 沿x轴线方向的位置改变的空间特征，则标尺图案380可以包括各种替换的 空间调制图案，包括替换的信号调制元件构造，以便提供在检测器部分367 中的该组传感元件SETSEN的传感元件SEN(例如SEN14)中引起的取决 于位置的检测器信号(在一些实施方式中，也称为检测器信号分量)。
在各种实施方式中，检测器部分367配置为安装在标尺图案380附近， 且相对于标尺图案380沿测量轴线方向MA运动。检测器部分包括磁场产生 线圈FGC和一组传感元件SETSEN，其可以采取在各种实施方式中与各种 相应信号处理方案组合使用的各种替换构造，如本领域技术人员应理解的。 图3显示了代表性的单组传感元件SEN1-SEN24，其在实施方式中包括串联 连接的传感环路元件(替换地称为传感线圈元件或传感绕组元件)。在该实 施方式中，邻近环圈元件通过根据已知方法在各种层PCB上(例如通过引 线连接)形成的导体构造连接(例如图4所示)，使得它们具有相反的绕组 极性。即，如果第一环路对具有正极性检测器信号贡献的变化磁场做出响应， 则邻近环路通过负极性检测器信号贡献做出响应。具有正极性检测器信号贡 献的环路可以在本文中被指定为SEN+传感元件，且具有负极性检测器信号 贡献的环路可以在本文的各种情况下被指定为SEN-传感元件。在该实施方 式中，传感元件串联连接，使得它们的检测器信号或信号贡献相加，且“相 加”的检测器信号在检测器信号输出连接部SDS1和SDS2处输出到信号处 理结构(未示出)。
虽然图3显示了一组传感元件以避免视觉混乱，但是，应理解，在各种 实施方式中，有利的是将检测器配置为在不同空间相位位置(spatial phase position)提供一个或多个额外组传感元件(例如以提供正交信号(quadrature signal))，如本领域技术人员所应理解的。然而，应理解本文所述的传感元 件的构造仅是示例性的，且不是限制性的。作为一个例子，在一些实施方式 中，各传感元件环路可以向对应信号处理结构输出各个信号，例如2016年6 月30日提交的共同受让的美国专利申请No.15/199,723，该文献通过引用全部合并于本文。更通常地，在各种实施例中，各种已知传感元件构造可以用 于与本文公开和要求保护的原理组合，用于与各种已知标尺图案和信号处理 方案组合。
该组传感元件SETSEN和磁场产生线圈FGC的各种构件可以固定在基 板上(例如图1的基板162)。磁场产生线圈FGC可以被描述为围绕内部区 域INTA，该内部区域INTA具有沿x轴线方向的额定线圈区域长度尺寸 NCALD，和沿y轴线方向的约YSEP的额定线圈区域宽度尺寸。内部区域 INTA在操作期间对准信号调制元件SME的周期性标尺图案380，如大致示出的。在所示实施方式中，磁场产生线圈FGC包括围绕内部区域INTA的单 匝。然而，应理解，在各种其他实施方式中，磁场产生线圈FGC可以包括 多匝，和/或曲折行进以操作地围绕(例如操作地部分围绕)与标尺图案380 对准的内部区域INTA，以及操作地围绕(例如操作地部分围绕)与包括其 他标尺图案的标尺轨道对准的其他内部区域，如所并入的文献公开的。在任 何情况下，在操作中，磁场产生线圈FGC响应于线圈驱动信号在内部区域 INTA中产生变化磁通量。在所示实施方式中，第一和第二连接部分CP1和 CP2可以用于将来自信号处理结构(例如图1的信号处理结构166)的线圈 驱动信号连接到磁场产生线圈FGC。
该组传感元件SETSEN(例如传感元件SEN1-SEN24)沿x轴线方向(例 如对应测量轴线方向MA)布置且固定在基板上(例如图1的基板162)。如 图3所示，该组传感元件的构件包括导电环路或导电环路部分(例如 SEN1-SEN24)，其沿x轴线方向(测量轴线方向MA)具有额定传感元件宽 度尺寸DSEN(至少对于对准或重叠于内部区域INTA的那部分传感元件)。 在图3的例子中，每一个传感元件SEN具有沿y轴线方向的额定传感元件 宽度尺寸NSEWD，其中至少大部分额定传感元件宽度尺寸NSEWD沿y轴 线方向被包括在额定线圈区域宽度尺寸YSEP中。该组传感元件SETSEN的 构件配置为提供检测器信号，该检测器信号对通过标尺图案380的邻近信号 调制元件SME(例如一个或多个信号调制元件SME)提供的变化磁通量上的局部效应做出响应。信号处理结构(图1的信号处理结构166等)可以配 置为基于来自检测器部分367的检测器信号输入确定该组传感元件SETSEN 相对于标尺图案380的位置。通常，磁场产生线圈FGC和该组传感元件 SETSEN等可以根据已知原理(例如针对感应编码器)操作，例如所并入文 献中所述的。
在各种实施方式中，磁场产生线圈FGC和传感元件SEN彼此绝缘(例 如位于印刷电路板的不同层中等)。在一个这种实施方式中，传感元件SEN 的额定传感元件宽度尺寸NSEWD有利地大于额定线圈区域宽度尺寸YSEP 且延伸超过窄长部分EP1或EP2的内部边缘，超过的量限定为重叠尺寸。 此外，磁场产生线圈FGC可以有利地配置为使得窄长部分EP1和EP2沿y 轴线方向的迹线宽度大于对应的重叠尺寸。在各种实施方式中，窄长部分 EP1和EP2可以被制造在印刷电路板的第一层上，且传感元件SEN可以包 括被制造在印刷电路板(其包括与第一层不同的层)的一层或多层中的导电 环路，至少是在重叠尺寸附近。
如之前所示，在一些实施方式中，磁场产生线圈FGC可以包括制造在 印刷电路板上的一个或多个导电迹线，且该组传感元件SETSEN中的构件 SEN可以包括通过制造在印刷电路板上的导电迹线形成的磁通量传感环路 或环路部分。如上针对图1所述的，在各种实施方式中，检测器部分367可 以被包括在各种类型的测量仪器中(例如卡尺、微米计、仪表、线性标尺等)。 例如，检测器部分367可以固定到游标构件，且标尺图案380可以固定到具有与x轴线方向重合的测量轴线的梁或纵梁构件。在这种构造中，游标构件 可以可动地安装在梁或纵梁构件上且在沿x轴线方向和y轴线方向延伸的平 面中沿测量轴线方向MA可动，z轴线方向正交于该平面。
对于图3的下部部分中示出的检测器部分367和标尺图案380的放大截 面，其显示了该组传感元件SETSEN的三个示例性构件SEN14、SEN15和 SEN16和两个示例性信号调制元件SME，以磁场产生线圈FGC的一些部分 为边界。在该实施方式中，传感元件可以通过在电路板的第一和第二层上制 造的迹线形成，在它们之间具有绝缘体层。“第一层”迹线显示为实线，且 “第二层”迹线显示为虚线。小箭头显示了通过从磁场产生线圈FGC引起 的变化磁场而在迹线中感应出的电流流动方向。可以看到，传感元件SEN14 的特征可以是由于其相关的电流方向造成的“SEN+”极性环路，且邻近传 感元件SEN15的特征可以是由于其相关的“相反极性”电流方向造成的 “SEN-”极性环路。下一个邻近传感元件SEN16的特征可以再次是“SEN+” 极性环路，且如此等等。图3的放大截面所示的各种元件的特征可以是尺寸 DSEN和DSME与空间波长W1之间的关系。
DSEN是用于传感元件SEN的与内部区域INTA对准或重叠的部分的、 沿测量轴线方向MA的额定传感元件宽度尺寸。可见，其是与沿y轴线方向 的尺寸YSEP的跨度重合的、传感元件SEN的部分。在各种实施方式中， 额定传感元件宽度尺寸DSEN可以被认为是用于与内部区域INTA对准或重 叠的部分的、传感元件SEN最大宽度处的尺寸。用于传感元件SEN的其他 构造的尺寸DSEN的额外例子显示在图5A和5B中。
DSME是沿信号调制元件SME(第一类型)的“有效区域”的测量轴 线方向MA的平均尺寸。信号调制元件SME的有效区域EffR在这里被限定 为与内部区域INTA的y轴线尺寸对准或重叠以及与传感元件SEN的y轴线 尺寸对准或重叠的部分。有效区域EffR在传感元件SEN中产生主信号调制 效果。可见，其是用于如图3所示实施方式的与沿y轴线方向的尺寸YSEP 的跨度重合的那部分信号调制元件SME，因为磁场产生线圈FGC的内部区 域INTA的尺寸YSEP小于传感元件SEN的y轴线尺寸且被包括在其中。在 各种实施方式中，信号调制元件SME的平均尺寸DSME可以被认为是信号 调制元件SME的有效区域EffR的面积除以有效区域EffR的y轴线方向尺 寸。用于信号调制元件SME的其他构造的尺寸DSME的额外例子现在图5A 和5B中。
之前参考图2所述的，对于传感元件(例如传感元件SEN)来说常规的 是具有0.5×W1的额定传感元件宽度尺寸DSEN。在各种实施方式中，这种 尺寸可以是有利的。进而，如之前参考图2所述的，对于信号调制元件(例 如信号调制元件SME)来说也常规的是具有0.5×W1的平均宽度尺寸DSME， 和/或也常规的是平均宽度尺寸DSME与额定传感元件宽度尺寸DSEN相同。
与如上所述的现有技术的设计实践相反，应理解在根据本文公开的原理 的一些实施例中，不是必须要让额定传感元件尺寸DSEN等于0.5×W1。出 于某些应用的各种原因可以选择小于或大于0.5×W1的额定传感元件尺寸 DSEN，且可以提供足够的信号和准确性。例如，在一些实施方式中，DSEN 可以是在大于0.45×W1且小于0.55×W1的范围内的任何大小。当然，在 一些实施方式中，DSEN可以为约0.5×W1。
不管额定传感元件尺寸DSEN的尺寸如何，与现有技术设计实践相反， 根据本文公开和要求保护的原理，如果信号调制元件SME的平均宽度尺寸 DSME大于额定传感元件尺寸DSEN，则也是有利的，且也满足与空间波长 W1有关的某些情况。具体说，发明人已经确定，如果信号调制元件SME 的有效区域配置为沿测量轴线方向具有平均尺寸DSME，其中DSME大于 沿测量轴线方向的额定传感元件宽度尺寸DSEN，且DSME至少为0.55× W1且最大为0.8×W1，则也是有利的。与根据现有技术设计原理的构造相 比，这种构造提供有利的检测器信号特性(例如在检测器信号中，提供更好 的信号对噪声(S/N)比，和或减小的误差分量)。在一些这种实施方式中， 如果平均尺寸DSME最大为1.6×DSEN，则也可以是有利的。在一些实施 方式中，如果平均尺寸DSME至少为0.6×W1，或在其他实施方式中至少为 0.66×W1，或在其他实施方式中至少为0.7×W1，则也可以是有利。例如， 在检测器部分367和标尺图案380之间使用较大操作间隙时和/或在第一类型 的信号调制元件SME包括导电板时(参考图4在后文详述)，使用平均尺寸 DSME的较大值是有利的。
图4是如图3所示的标尺图案380和检测器部分367的一部分的放大等 轴视图，包括可以与这种位置编码器中的信号调制元件SME的操作关联的 磁通量和磁通耦合特性的定性展示。
图4显示了信号调制元件SME对通过如前所述的磁场产生线圈FGC提 供的所产生的变化磁场GCMF的响应。如图4所示，在磁场产生线圈FGC 中的所施加的线圈驱动信号电流Igen产生变化磁场GCMF，其感应地耦合 到信号调制元件SME。信号调制元件SME示意性地在图4中被显示为导电 环路。响应于所耦合的变化磁场GCMF，在信号调制元件SME中产生感应电流Iind，其产生通过磁通线(包括图4中的箭头的磁通线)表示的感应磁 场。所示磁通线代表通过中央磁通线CFL表示的中央磁通量CF，和通过闭 合的边缘磁通线MFL1-MFL3表示的边缘磁通线MF，其均被显示为环绕信 号调制元件SME的导电环路。
通常来说，应理解，该组传感元件SETSEN的构件产生信号(或信号贡 献)，其对如上所述的所示出的感应变化磁通量做出响应。具体说，所产生 的信号对通过其内部环路区域有效地耦合的磁通量的量做出响应，以产生信 号贡献或信号分量，其在图4的传感元件SEN14中表示为电流Isense。如图 4所示，在各种实施方式中，检测器部分367和标尺图案380可以近似是平 面的(例如它们可以包括近似平面基板或形成在近似平面基板上)，且检测 器部分367可以配置为大致平行于周期性标尺图案380安装，在它们的相应 导体之间具有额定操作间隙GapZ。例如，在各种实施方式中，额定操作间 隙GapZ可以至少为0.075×W1，有助于实际组装和对准公差。在一些这种 实施方式中，额定操作间隙可以至少为0.15×W1。如图4所示，在操作间 隙的实际范围内，中央磁通量CF通常通过传感元件SEN14有效地耦合。然 而，由于操作间隙，边缘磁通量MF中的至少一些可能无法有效地通过传感 元件SEN14耦合。例如，在用于操作间隙GapZ的相对较大的尺寸的情况下， 如图4中夸大显示的，边缘磁通线MFL1-MFL3完全没有通过传感元件 SEN14耦合，且不对电流Isense有贡献。结果，对于图4定性地示出的构造， 被传感元件SEN14感测的信号调制元件SME的有效宽度Weff(通过图4中 的虚线条表示)仅对应于耦合的中央磁通线CFL。在图4中可见，甚至在操作间隙GapZ减小时，例如通过传感元件SEN14耦合边缘磁通线MFL3，有 效宽度Weff也仍然小于信号调制元件SME的平均尺寸DSME。由此，与如 上参考图2所述的现有技术教导相反，信号调制元件SME有利地具有平均 尺寸DSME，该平均尺寸DSME大于额定传感元件宽度尺寸DSEN，以便具 有与传感元件SEN的额定传感元件宽度尺寸DSEN对应的有效宽度Weff， 以便在其沿测量轴线方向运动经过传感元件时产生最大信号变化。例如，在 一些实施方式中，希望的是，尺寸DSEN和尺寸Weff约为0.5×W1，根据 前述讨论，其意味着，在一些这种实施方式中，在使用实际操作间隙GapZ 时，信号调制元件SME的平均尺寸DSME会期望地至少为0.6×W1。
作为进一步的考虑，应理解，检测器信号中各种空间谐波(例如会在传 感电流Isense中引起)的空间滤波也可以取决于有效宽度Weff，而不是信号 调制元件SME的平均尺寸DSME。例如，在检测器部分367中的传感元件 SEN的尺寸DSEN为约0.5×W1时，从检测器信号主要消除偶数空间谐波。 然而，对应于0.33×W1等的奇数空间谐波会保留。如果期望对三次空间谐 波进行滤波，则希望的是尺寸Weff为约0.66×W1，根据前述讨论，其意味 着信号调制元件SME的平均尺寸DSME可以期望地为至少0.66×W1，或至 少0.7×W1，或更大，以便产生能提供期望空间滤波的期望尺寸Weff。
应理解，在信号调制元件SME为导电板，而不是如图4所示的导电环 路时，响应于所产生的变化磁场GCMF在这种导电板中会产生“同心”涡 电流的分布。这些涡电流操作地与如图4所示的感应电流Iind相当。然而， 如果导电板具有与图4所示的导电环路SME相同的平均尺寸DSME，则由 于其涡电流的所分布的“同心”图案，其“等效当前位置(equivalentcurrent location)”将在导电板的边缘以内某处，与关联于相似尺寸的导电环路相比， 实现甚至更小的有效宽度Weff。因此，尤其期望的是导电板类型的信号调制 元件SME具有朝向如上所述的期望范围的较大值端的平均尺寸DSME。
图5A和5B是平面示意图，示意性地显示了相应的感应电子位置编码 器实施方式，显示了之前参考图3所述的尺寸DSEN和DSME的进一步例 子。应理解，图5A和5B的某些附图标记的部件5XX可以对应于和/或提供 相似操作或如类似附图标记的图3的部件3XX那样工作，且可以类似地理 解，除非另有描述。
在如图3所示的实施方式中，传感元件SEN的导电环路或导电环路部 分包括大致平行的导体段，所述导体段沿y轴线方向取向(垂直于测量轴线 方向)，且配置为对准或重叠于内部区域INTA，且平行的导体段沿测量轴线 方向按额定传感元件宽度尺寸DSEN间隔开。此外，第一类型的信号调制元 件SME的相似导电板(或相似的导电环路)包括大致平行的板边缘(或大 致平行的导电环路段)，其沿y轴线方向取向(垂直于测量轴线方向)。那些平行板边缘(或平行导电环路段)界定了其相关信号调制元件SME的有效 区域。在这种实施方式中，那些平行板边缘(或平行导电环路段)沿测量轴 线方向按平均尺寸DSME间隔开。然而，在各种实施方式中，沿传感元件 SEN和/或信号调制元件SME的y轴线方向延伸的边界不必是直的或平行的。
图5A和5B显示了空间波长W1和之前所述的尺寸DSEN和DSME， 其应用于图5A中的信号调制元件SME的非直边界轮廓，和图5B中的传感 元件的非直边界轮廓。还示出了信号调制元件SME的之前所述的有效区域 EffR。如之前所述，DSEN是针对传感元件SEN的与内部区域INTA对准或 重叠的那部分的、沿测量轴线方向MA的额定传感元件宽度尺寸。可见，其是与沿y轴线方向的尺寸YSEP的跨度重合的、传感元件SEN的部分。在 各种实施方式中，额定传感元件宽度尺寸DSEN可以被认为是用于与内部区 域INTA对准或重叠的部分的、传感元件SEN最大宽度处的尺寸。DSME是 沿信号调制元件SME(第一类型)的有效区域EffR的测量轴线方向MA的 平均尺寸。
信号调制元件SME的有效区域EffR在这里被限定为与内部区域INTA 的y轴线尺寸对准或重叠以及与传感元件SEN的y轴线尺寸对准或重叠的 部分。有效区域EffR在传感元件SEN中产生主信号调制效果。可见，其是 用于如图5A和5B所示实施方式的与沿y轴线方向的尺寸YSEP的跨度重 合的那部分信号调制元件SME，因为磁场产生线圈FGC的内部区域INTA 的尺寸YSEP小于传感元件SEN的y轴线尺寸且被包括在其中。然而，在 所有实施方式中并不都是如此，且有效区域EffR的前述定义更常见。在各 种实施方式中，信号调制元件SME的平均尺寸DSME可以被认为是信号调 制元件SME的有效区域EffR的面积除以有效区域EffR的y轴线方向尺寸。
图5A和5B还显示了尺寸DSPC，其等于W1减去DSME。用第一种方 式描述，尺寸DSPC可以被描述为对应于第一类型的信号调制元件SME之 间的“非信号调制空间”。然而，更通常的是用于周期性标尺图案的各种其 他实施方式的第二种描述方式，尺寸DSPC可以被描述为对应于沿测量轴线 方向位于第一类型的信号调制元件SME之间的第二类型的信号调制元件。 第二类型的信号调制元件配置为与第一类型的信号调制元件SME相比对变 化磁通量具有相对更小的影响。例如，在一些实施方式中，第二类型的信号 调制元件包括非导电材料区域。在一些这种实施方式中，第二类型的信号调 制元件包括非导电标尺基板区域，其中第一类型的信号调制元件SME包括 制造和/或固定在非导电标尺基板上的导体。作为另一例子，在一些实施方式 中，第二类型的信号调制元件可以包括导电材料的“更深凹入”的区域，以 用于形成标尺图案，第一类型的信号调制元件SME可以包括导电材料的“不凹入”的区域。
尽管已经显示和描述了本发明的优选实施方式，基于本发明，本领域技 术人员可以理解特征的所示和所述布置和操作顺序的许多变化。各种替换形 式可以用于执行本文公开的原理。
如上所述的各种实施方式可组合以提供进一步的实施方式。所有在本说 明书中引用的美国专利和美国专利申请通过引用全部并入本文。如果必要， 实施方式的一些方面可改变，以采用各种专利和申请的原理，以提供进一步 实施方式。可根据上述详细描述对实施方式做出这些和其他改变。通常，在 权利要求中，所使用的术语不应理解为是将权利要求限制为说明书和权利要 求中公开的具体实施方式，而是应该立即为包括权利要求所涵盖的所有可能 实施方式以及等效形式的全部范围。

Claims (10)

1.一种电子位置编码器，能用于沿测量轴线方向测量两个元件之间的相对位置，该电子位置编码器包括：
标尺，沿测量轴线方向延伸，其包括周期性标尺图案，所述周期性标尺图案至少包括第一类型的信号调制元件，其中周期性标尺图案具有空间波长W1，且第一类型的信号调制元件包括对应于空间波长W1沿测量轴线方向定位的相似的导电板或相似导电环路；
检测器部分，配置为安装在周期性标尺图案附近且沿测量轴线方向相对于周期性标尺图案运动，检测器部分包括：
磁场产生线圈，固定在基板上，磁场产生线圈围绕内部区域，该内部区域在操作期间对准信号调制元件的周期性标尺图案，磁场产生线圈响应于线圈驱动信号在内部区域中产生变化磁通量；和
一组传感元件，沿测量轴线方向布置且固定在基板上，该组传感元件的构件包括导电环路或导电环路部分，所述导电环路或导电环路部分对于与内部区域对准或重叠的传感元件部分具有沿测量轴线方向的额定传感元件宽度尺寸DSEN，其中该组传感元件配置为提供检测器信号，该检测器信号对通过标尺图案的邻近信号调制元件提供的变化磁通量上的局部效应做出响应；和
信号处理结构，其操作地连接到检测器部分以提供线圈驱动信号，且基于从检测器部分输入的检测器信号确定检测器部分和标尺图案之间的相对位置，
其中:
第一类型的信号调制元件包括在操作期间与内部区域对准或重叠的有效区域，且有效区域具有沿测量轴线方向的平均尺寸DSME，其中DSME大于DSEN，且DSME至少为0.55×W1且最大为0.8×W1。
2.如权利要求1所述的电子位置编码器，其中平均尺寸DSME最大为1.6×DSEN。
3.如权利要求1所述的电子位置编码器，其中0.45×W1<DSEN<0.55×W1。
4.如权利要求1所述的电子位置编码器，其中平均尺寸DSME至少为0.6×W1。
5.如权利要求1所述的电子位置编码器，其中第一类型的信号调制元件包括相似导电板。
6.如权利要求1所述的电子位置编码器，其中第二类型的信号调制元件沿测量轴线方向位于第一类型的信号调制元件之间，且配置为与第一类型的信号调制元件相比对变化磁通量具有相对更小的影响。
7.如权利要求6所述的电子位置编码器，其中第二类型的信号调制元件包括以下中的至少一个：a)非导电材料区域，或b)非导电标尺基板区域，其中第一类型的信号调制元件固定在非导电标尺基板上。
8.如权利要求1所述的电子位置编码器，其中检测器部分和标尺包括近似平面的基板且检测器部分配置为大致平行于周期性标尺图案安装，在其相应导体之间具有至少为0.075×W1的额定操作间隙。
9.如权利要求1所述的电子位置编码器，其中传感元件的导电环路或导电环路部分包括垂直于测量轴线方向且配置为对准或重叠内部区域的大致平行的导体段，且所述平行的导体段沿测量轴线方向按额定传感元件宽度尺寸DSEN间隔开。
10.如权利要求1所述的电子位置编码器，其中第一类型的信号调制元件的相似导电板或相似导电环路分别包括大致平行的板边缘或大致平行的导电环路段，所述大致平行的板边缘或大致平行的导电环路段垂直于测量轴线方向且界定出它们的有效区域，且这些平行的板边缘或平行的导电环路段沿测量轴线方向按平均尺寸DSME间隔开。
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