专利名称：磁性编码器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性编码器装置，特别是涉及包括一系列在磁性标尺部件中形成的凹槽的无源磁性标尺轨道。
背景技术：
很多不同类型的位置编码器是已知的。这些位置编码器包括光学系统，其中包括亮线和暗线的标尺由光学读取头读取。磁性编码器也是已知的，其中标尺的变化磁性特性由包含一个或多个磁性(例如霍尔)传感器的读取头单元读取。增量式和绝对式编码器装置是已知的。增量式编码器通常读取包括规律重复图案的相关联(associated)标尺，所述标尺允许测量所述标尺和读取头之间的任意相对移动。 绝对式编码器装置读取包括非周期性序列的标度标志的标尺，所述标尺编码一系列唯一) 码字，根据所述码字可以确定读取头相对于标尺的绝对位置。还已知提供有包括增量式标尺轨道的编码器标尺，所述增量式标尺轨道临近绝对式(编码)轨道。于是，可以兼有通常由增量式编码器系统获得的较高的位置精度和与能够测量绝对位置关联的益处(例如在给设备上电后在不需要任何相对移动的情况下快速确定位置的能力)。此前还已有描述(例如参见US5279044和冊2002/08422；3)如何将绝对数据嵌入增量式标尺轨道。具体地说，这些文件描述了设置有一系列光学线条(亮线或暗线)的光学标尺。增量式标尺省略了这些线条中的特定线条以以离散码字或伪随机码的形式提供编码与绝对位置相关的信息的数据比特。在DE10104855中描述了具有不同宽度的齿在编码绝对角位置中的应用。US5461311描述了一种增量式磁性编码器，其中标度标志形成为位于磁性材料杆中的非磁性区。一对间隔开的磁性传感器检测所述杆的任意增量运动。在一个实施方式中，使用具有不同深度的第一磁性部件和第二磁性部件来提供沿着标尺的一个或多个点处的位置参考标记(起始位置)。这允许在所述标尺的参考标记移动通过所述磁性传感器时确定一个或多个参考位置。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于磁性编码器装置的磁性标尺，所述磁性标尺包括包括多个凹槽的标尺部件，所述标尺部件限定无源磁性标尺轨道，所述无源磁性标尺轨道能够由相关联磁性标尺读取头单元进行读�。龆喔霭疾郯ㄖ辽俚谝话疾劾嘈偷陌疾酆偷诙疾劾嘈偷陌疾郏霰瓿卟考谒龅谝话疾劾嘈偷陌疾鄣奈恢玫拇判蕴匦圆煌谒霰瓿卟考谒龅诙疾劾嘈偷陌疾鄣奈恢玫拇判蕴匦裕渲校霰瓿卟考芯晕恢眯畔ⅲ鼍晕恢眯畔⑽辽僖桓霭恍蛄惺荼忍氐穆胱值男问剑渲校魉鍪荼忍赜伤霰瓿卟考陌疾劾刺峁鍪�
4比特在所述凹槽为所述第一凹槽类型时取第一值，并且在所述凹槽为所述第二凹槽类型时取第二值，其中所述多个凹槽的中点沿着所述标尺部件的长度基本等距间隔开。于是，本发明提供了一种无源磁性标尺轨道，所述磁性标尺轨道能够由相关联磁性标尺读取头单元进行读�。渲行纬芍辽倭街植煌嘈偷陌疾�。第一凹槽类型的凹槽布置成使所述标尺部件的局部磁性特性不同于第二凹槽类型的凹槽。应当注意的是，“无源的”磁性标尺轨道无论如何没有进行磁化，但是具有影响由相关联磁性标尺读取头单元的磁体产生的磁场的局部磁导率变化。这应该与其中嵌入有南磁极和北磁极的“有源的”磁性标尺相反。使用在所述标尺部件中形成的不同凹槽类型来编码所述标尺部件中的不同数据比特值(例如，多个逻辑“1”和“2”)。在这种方式中，所述标尺的各凹槽限定了数据比特， 所述数据比特在所述凹槽为所述第一凹槽类型时取第一值(例如为“0”)，并且在所述凹槽为第二凹槽类型时取第二值(例如“1”)。然后采用一系列或一序列的所述数据比特(即一系列凹槽)来形成形成描述所述标尺部件上的唯一或绝对位置的码字(即通过形成不同类型凹槽的适当图案)。沿着所述标尺部件可以形成多个所述码字。在这种方式中，可以在所述标尺中嵌入绝对位置数据的同时可以使用凹槽的常规图案来获得增量位置数据。于是，本发明克服了需要提供分开的并排的增量式和绝对式标尺轨道，以结合增量式测量的精确度优势和能够确定绝对位置的能力。相反，使用单标尺轨道来同时提供绝对和增量信息。如上所述，本申请先前已经在W02002/084223(其主要描述了基于光学的编码器系统)中概述了如何可以在增量式轨道中嵌入绝对式数据。然而，本发明人认识到如何通过设置不同凹槽类型的凹槽来有利地实施结合的绝对式和增量式无源磁性编码器装置。例如，不同深度、宽度或轮廓的凹槽可以用来提供多层次的标尺标志编码。采用这种方式设置不同类型凹槽减少了增量信号的退化，所述增量信号的退化可以由省略一些凹槽来编码必需数据的同时仍然允许提取绝对数据比特所导致。本发明以码字形式编码绝对位置数据，因而比在USM61311中所述类型的参考标记沿着标尺位于一个或一些位置的增量式系统有利。具体地说，如下所述，本发明的绝对位置码字可以由多元件磁性标尺读取头单元进行读取(不同于USM61311)，不需要所述标尺相对于所述标尺读取头单元的任何移动。因此所述标尺的所述绝对位置在任何需要的时候 (例如上电等)都可以确定，不需要所述标尺读取头单元相对于所述标尺的任何移动。另外，所述多个凹槽的中点在所述标尺部件的长度上基本等距间隔开。在这种方式中，不同于DE10104855所述的旋转式编码器，在从中可以提取增量信号(正弦(Sin)/余弦(Cos))的所述标尺编码器上形成重复的凹槽图案。由于没有从所述标尺部件省略凹槽是优选的，因此与具有相同凹槽的规律重复图案的纯粹增量式标尺相比，这些增量信号的振幅没有显著减小。如上所述，相比，所述第一凹槽类型的凹槽对所施加的磁场具有与所述第二凹槽类型的凹槽不同的影响，因此可以探测到不同的凹槽类型。优选的是，所述第一凹槽类型的凹槽具有不同于所述第二凹槽类型的凹槽的深度。有利的是，所述第一凹槽类型的凹槽具有不同于所述第二凹槽类型的凹槽的宽度。方便的是，所述第一凹槽类型的凹槽具有不同于所述第二凹槽类型的凹槽的形状或横截面轮廓。各凹槽类型可以设置成单走向(trend) 或者可以包括一系列的子槽(sub-groove)。例如，第一系列的缺口(例如圆点)或微细的子槽可以共同形成第一凹槽类型的凹槽，而第二系列的缺口或微细的子槽可以共同形成第二凹槽类型的凹槽。有利的是，所述第一凹槽类型的凹槽可以用不同于所述第二凹槽类型的凹槽的材料填充。例如，具有第一磁导率的充填材料可以填充所述第一凹槽类型的凹槽，而具有第二磁导率的充填材料可以填充所述第二凹槽类型的凹槽。在这样的实例中，所述凹槽可以在物理学上是相同的，但是可以由填充所述凹槽的材料的不同磁导率提供对所施加的磁场的不同影响。方便的是，所述磁性标尺包括多个二进制数据比特。所述第一凹槽类型的凹槽可以限定具有逻辑“1”值的二进制数据比特。所述第二凹槽类型的凹槽则可以限定具有逻辑 “0”值的二进制数据比特。与特定凹槽类型关联的逻辑值可以任意选择。在这种方式中，使用不同凹槽类型来编码二进制数据。所述标尺可以由一系列的至少两种(例如相邻的)二进制数据比特来提供二进制码字形式的至少一个码字。有利的是，由一系列的至少两种二进制数据比特形成多个所述二进制码字。各二进制码字方便地描述所述磁性标尺上的唯一位置。换言之，所述码字可以提供绝对位置信息。所述码字可以离散(即非重叠的)的码字或者可以形成为其中所述唯一码字叠加的伪随机码。应当注意的是，尽管以上描述指称可以编码二进制数据的第一和第二凹槽类型， 但是本发明可以采用第三凹槽类型的凹槽或者另外凹槽类型的凹槽。在这种方式中，各凹槽可以限定三种或更多种状态的任一种状态。这样的布置可以用来减少限定绝对位置所需要的码字的长度。优选的是，所述标尺部件包括磁性材料。例如，所述标尺部件可以由铁磁性材料例如钢形成。有利的是，所述标尺部件是基本细长的以提供线性(非旋转式)磁性标尺。所述标尺部件可以包括基本平坦或细长的线性基底。有利的是，所述标尺部件包括具有基本圆形的截面的棒或丝。所述多个凹槽中的各凹槽可以围绕所述棒或丝的周围延伸。如下文所解释的，提供本发明的棒形(例如钢棒)的标尺部件可以使其能够用于液压缸等。所述多个凹槽可以是空的。换言之，没有使用固体材料填充凹槽。有利的是，所述多个凹槽至少部分地填充有一种或多种材料。优选的是，填充凹槽的任意材料具有不同于所述标尺部件的磁性特性。例如，可以使用非磁性材料来填充在磁性(例如铁磁性)标尺部件中形成的凹槽。可以根据本发明有利地提供编码器装置(例如线性编码器装置)，所述编码器装置包括上述类型的磁性标尺。所述编码器装置还可以包括磁性标尺读取头单元。所述磁性标尺读取头单元优选包括磁体和多个磁场强度(例如霍尔效应)传感器。可以设置至少4、 8、10、16、20或31个磁场强度传感器。如上所述，所述磁性标尺的所述凹槽的所述中点隔开一个比特长度(L)。所述磁性标尺读取头可以方便地包括多个间隔开的磁场强度传感器，所述磁场强度传感器的间距可以布置成每比特长度设置M个磁场强度传感器，其中M是大于或等于1的整数值。换言之， 所述凹槽间隔的间距可以是多个所述磁场强度传感器的间距。如上所述，所述磁性标尺优选地包括多个码字，各码字包括由N个间隔开的凹槽所限定的N个数据比特。所述磁性标尺读取头单元的多个间隔开的磁场强度传感器则可以
6方便地包括足够的磁场强度传感器以同时读取至少N个数据比特，其中，N是大于或等于2 的整数值。优选的是，N大于3、4、5、6、7或10。有利的是，N是13或13以上。如下文所详细解释的，绝对或增量(正弦/余弦)数据可以由通过所述多个磁场强度传感器产生的信号生成。这种数据分析可以由适当的处理电路执行。有利的是，所述编码器包括由所述多个磁场强度传感器产生的信号生成绝对和增量数据的电路。尽管以上布置可以使用相同的传感器来测量增量和绝对数据，但是分开的增量式和绝对式传感器可以可替代地设置以读取相同的信号轨道。于是，在此描述了用于磁性编码器装置的磁性标尺。所述磁性标尺包括标尺部件， 所述标尺部件包括多个凹槽，所述标尺部件限定编码绝对位置信息的无源磁性标尺轨道， 所述无源磁性标尺轨道由相关联磁性标尺读取头单元进行读�。渲校霰瓿卟考乃龆喔霭疾壑辽侔ǖ谝话疾劾嘈偷陌疾酆偷诙疾劾嘈偷陌疾郏渲校霰瓿卟考谒龅谝话疾劾嘈偷陌疾鄣奈恢玫拇判蕴匦圆煌谒霰瓿卟考谒龅诙疾劾嘈偷陌疾鄣奈恢玫拇判蕴匦�。于是，在此描述了一种用于磁性编码器装置的磁性标尺，所述磁性标尺包括标尺部件，所述标尺部件包括多个凹槽，所述标尺部件限定由相关联磁性标尺读取头单元读取的无源磁性标尺轨道，所述多个凹槽至少包括第一凹槽类型的凹槽和第二凹槽类型的凹槽，其中，所述标尺部件在所述第一凹槽类型的凹槽的位置的磁性特性不同于所述标尺部件在所述第二凹槽类型的凹槽的位置的磁性特性，其中，所述标尺部件带有绝对位置信息， 所述绝对位置信息为至少一个包含一序列数据比特的码字的形式，其中，各所述数据比特由所述标尺部件的凹槽提供，所述数据比特在所述凹槽为所述第一凹槽类型时取第一值， 并且在所述凹槽为所述第二凹槽类型时取第二值。所述磁性标尺可以进一步包括上述特征中的任意一个或多个。
现在将通过参考附图仅以举例方式描述本发明。图1展示了磁性标尺读取头单元和磁性标尺或载体，图2展示了具有一系列凹槽的标尺，所述一系列凹槽具有两种不同的凹槽深度，图3展示了 31个布置来读取图2的所述标尺的霍尔传感器，图4展示了具有一系列凹槽的标尺，所述一系列凹槽具有两种不同的凹槽宽度，图5展示了其中省略了一定凹槽以限定绝对位置信息的标尺，图6显示了形成具有一系列凹槽的标尺的棒，所述一系列凹槽具有两种不同的深度，图7展示了第一读取头电路，和图8展示了第二读取头电路。
具体实施例方式参考图1，示意性地展示了编码器装置2，所述编码器装置2包括磁性标尺读取头单元6和具有一系列标记或凹槽(未示出)的铁磁性标尺或载体4。所述标尺读取头单元 6包括永久磁体8和带有多个(例如31个)霍尔传感器的传感器基底10。所述霍尔传感器在一条线上沿着X-轴均勻间隔开，并且所述传感器基底10布置成与所述标尺4基本平行。所述标尺读取头单元6还包括电子处理电路，为清楚目的，所述电子处理电路没有在图 1中示出。图2是在图1中示意性展示的所述标尺4的部分的放大图。所述标尺4包括由铁磁性材料形成的包括一系列凹槽的基底。所述凹槽沿着所述标尺4的长度基本等距间隔开。在所述基底上形成全深度凹槽16和低深度(半深度)凹槽18以限定不同的二进制数据比特。例如，全深度凹槽可以限定逻辑“1”，而半深度凹槽限定逻辑“0”。所述凹槽具有定义为两个凹槽的中心之间的最小距离的比特长度L。二进制字(具有字长N)于是可以由N个(例如7个)全深度凹槽和半深度凹槽的适当序列构成。因而，所述标尺4包括一系列的所述字，其优选布置成具有所限定字长的比特的任意亚序列在所述标尺4上只出现一次。本领域技术人员应当知晓能够用来形成凹槽的很多技术，例如蚀刻、切割、激光束蒸发等。参考图3，展示的是所述标尺读取器单元靠近所述标尺4的部分的31个霍尔传感器30。所述传感器30均勻地线性布置，并检测在相关联永久磁体(未在图3中示出)的磁场中由形成在所述基底中的所述凹槽16和凹槽18造成的变化。图3所示的传感器装置包括4 个霍尔传感器/标尺比特长度L。为了使图3所示的所述传感器和标尺对准(alignment)， 可以从所述标尺中读取8个数据比特。提供31个霍尔传感器确保了从所述标尺总是能够读取至少7个数据比特(即，在该实施例中为全字)，而不管所述读取头单元相对于所述标尺的位置如何。采用这种方式，可以针对所述标尺和标尺读取头单元的任意相对位置测量绝对位置。所述读取头单元的电子学(将在下文中参考图7和图8进行更详细的描述)评价来自每个所述霍尔传感器30的信号。于是可以测定提供在标尺的靠近所述标尺读取头的部分的不同凹槽类型的序列，从而允许测定二进制数据序列或字。对于所述标尺的在图2 和3所示的部分，所述读取头单元因而可以提取二进制码序列“1100101”。然后将该亚序列与在所述标尺上与各种比特图案的位置有关的对照表贮存信息比较，并因此提供所述标尺相对于所述读取头的绝对位置的测量。采用这种方式测定的绝对位置的基本分辨率等于一个比特长度(L)，在最好的情况中，所述基本分辨率可以提高到所述传感器的间隔。为了解释所述读取头的操作，来自各个不同霍尔传感器的信号可以表示为Hi ； i = 1— (4 ‘ N+3)(1)其中，N是二进制序列的字长，并且有4个霍尔传感器/比特长度(L)。尽管在本实例中描述的是4个霍尔传感器/比特长度(L)，但是可以设置更多或更少的传感器/比特长度。通过首先生成多个和信号(summed signal) (Si)，由所述霍尔传感器信号(Hi)提取绝对位置信息。下文概述两个适当的求和方案(summation scheme)的实例，但是可以使用其他的求和方案。可以用来由所述霍尔传感器信号(Hi)生成和信号(Si)的求和方案的第一个实例可以描述如下Si = Hi-Hit2 ； i = 1 — 4 ‘ N(2)可以选择性地使用第二求和方案
Si = Η「Η +1-Η +2+Η +3 ；i = Ι·.· (4 · N)(3)在每个实例中，产生一系列的和信号(S1至、.N)。在相关联标尺中编码的数据比特的二进制值于是可以由所述和信号的适当组的值获得。例如，第一绝对数据比特的值可以由一个适当的和信号S1至、得到，第二绝对数据比特的值可以由一个和信号&至S8得到，等等。下文参考图7和8详细描述由这种方式的和信号提取绝对数据。除了提取绝对数据，已发现和信号(Si)还可以生成能够用来增加编码器分辨率的两个周期性(正弦/余弦)信号。这些信号类似于通过直接结合霍尔传感器而在增量式系统中产生的增量(正交相位)信号，但是不同的是由用来生成绝对数据的和信号的结合提取。应当注意的是，为了生成这样的增量信号，等式(3)的第二求和方案通常是优选的，因为与等式O)的第一求和方案相比，所述等式(3)的第二求和方案在较大程度上降低了所述永久磁体的磁场中任何不均勻性的影响。然而，求和方案中任意一个都可以使用。可以使用由上述求和方案中的任一个产生的和信号(Si)来生成两个由以下式子表示的周期性变化的信号(正弦和余弦)，所述两个周期性变化的信号各自具有等于比特长度(L)的周期
权利要求
1.一种用于磁性编码器装置的磁性标尺，所述磁性标尺包括包括多个凹槽的标尺部件，所述标尺部件限定无源磁性标尺轨道，所述无源磁性标尺轨道由相关联磁性标尺读取头单元进行读�。龆喔霭疾郯ㄖ辽俚谝话疾劾嘈偷陌疾酆偷诙疾劾嘈偷陌疾郏霰瓿卟考谒龅谝话疾劾嘈偷陌疾鄣奈恢玫拇判蕴匦圆煌谒霰瓿卟考谒龅诙疾劾嘈偷陌疾鄣奈恢玫拇判蕴匦裕渲校霰瓿卟考芯晕恢眯畔ⅲ鼍晕恢眯畔⑽辽僖桓霭恍蛄惺荼忍氐穆胱值男问剑渲校魉鍪荼忍赜伤霰瓿卟考陌疾厶峁鍪荼忍卦谒霭疾畚龅谝话疾劾嘈褪比〉谝恢担⑶以谒霭疾畚龅诙疾劾嘈褪比〉诙担渲兴龆喔霭疾鄣闹械阊刈潘霰瓿卟考某ざ然镜染嗟丶涓艨�。
2.如权利要求1所述的磁性标尺，其中，所述第一凹槽类型的凹槽具有不同于所述第二凹槽类型的凹槽的深度。
3.如前述权利要求中任一项所述的磁性标尺，其中，所述第一凹槽类型的凹槽具有不同于所述第二凹槽类型的凹槽的宽度。
4.如前述权利要求中任一项所述的磁性标尺，其中，所述第一凹槽类型的凹槽具有不同于所述第二凹槽类型的凹槽的横截面轮廓。
5.如前述权利要求中任一项所述的磁性标尺，其中，所述第一凹槽类型的凹槽限定具有逻辑“0”值的二进制数据比特，并且所述第二凹槽类型的凹槽限定具有逻辑“1”值的二进制数据比特。
6.如前述权利要求6中任一项所述的磁性标尺，其中，各码字包括由一系列的至少两个二进制数据比特形成的二进制码字。
7.如前述权利要求中任一项所述的磁性标尺，其中，所述标尺部件包含磁性材料。
8.如前述权利要求中任一项所述的磁性标尺，其中，所述标尺部件是细长的从而提供线性磁性标尺。
9.如前述权利要求中任一项所述的磁性标尺，其中，所述标尺部件包括棒，并且所述多个凹槽中的每一个围绕所述棒的周围延伸。
10.如前述权利要求中任一项所述的磁性标尺，其中，所述多个凹槽是空的。
11.如权利要求1至9中任一项所述的磁性标尺，其中，所述多个凹槽至少部分地填充有一种或多种材料。
12.编码器装置，所述编码器装置包括磁性标尺读取头单元和前述权利要求所述的磁性标尺，所述磁性标尺读取头单元包括磁体和多个磁场强度传感器。
13.如权利要求12所述的编码器装置，其中，所述磁性标尺的所述凹槽的中点间隔开比特长度(L)，并且所述磁性标尺读取头包括多个间隔开的磁场强度传感器，其中，将所述磁场强度传感器的间隔布置成每个比特长度设置M个磁场强度传感器，其中M为大于或等于1的整数值。
14.如权利要求13所述的编码器装置，其中，所述磁性标尺包括多个码字，每个码字包括由N个间隔开的凹槽限定的N个数据比特，其中所述多个间隔开的磁场强度传感器包括足以同时读取至少N个数据比特的磁场强度传感器，其中，N是大于或等于2的整数值。
15.如权利要求12至14中任一项所述的编码器装置，其中，所述编码器装置包括由信号生成绝对和增量数据的电路，所述信号由所述多个磁场强度传感器产生。
全文摘要
本发明描述了一种用于磁性编码器装置的磁性标尺(4；62)。所述磁性标尺(4；62)包括具有多个凹槽(16；18；42；44)的标尺部件。所述标尺部件限定无源磁性标尺轨道，所述无源磁性标尺轨道可以由相关联磁性标尺读取头单元(6；76)进行读取。所述多个凹槽包括至少第一凹槽类型的凹槽(16；42)和第二凹槽类型的凹槽(18；44)，所述标尺部件在所述第一凹槽类型的凹槽(16；42)的位置的磁性特性不同于所述标尺部件在所述第二凹槽类型的凹槽(18；44)的位置的磁性特性。所述标尺部件布置成带有或编码绝对位置信息，所述绝对位置信息为至少一个包含一序列数据比特的码字的形式，其中，各所述数据比特由所述标尺部件的凹槽提供，所述数据比特在所述凹槽为所述第一凹槽类型的凹槽(16；42)时取第一值(1)，并且在所述凹槽为所述第二凹槽类型的凹槽(18；44)时取第二值(0)，其中所述多个凹槽(16；42；18；44)的中点沿着所述标尺部件(4；62)的长度基本等距地间隔开。因此，可以从所述磁性标尺(4；62)提取增量和绝对位置信息。
文档编号G01D5/245GK102301205SQ201080005716
公开日2011年12月28日 申请日期2010年1月21日 优先权日2009年1月27日
发明者格雷戈尔·多尔萨克 申请人:Rls梅里那技术公司, 瑞尼斯豪公司
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