專利名稱：電感式位置傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電感式位置傳感器，更具體地涉及一種具有相對可移動的標尺和讀取頭的電感式位置傳感器，標尺包括空間周期為T的空 間周期性導電或透磁特征序列，讀取頭包括面向標尺的驅動和感測繞 組，該驅動和感測繞組具有沿著標尺的空間周期為2T的空間周期性 配置。
背景技術：
在這種傳感器中，通過標尺的空間周期性特征從一個繞組耦合到 另一個繞組的信號沿著標尺隨讀取頭位置發生正弦變化，其空間周期 等于標尺的空間周期T。通過測量兩個或多個這種信號，得到相互移 位的兩個或多個正弦函數，根據這些正弦函數可以確定讀取頭沿著標 尺的位置。這種傳感器簡單、粗糙、尺寸較小。因為其多極繞組幾乎 對外部場幾乎不敏感，并且其自身不會產生可感知的遠場，所以外部 屏蔽通常是不必要的。不過，如果需要的話，印刷電路銅層提供與這 種低電感繞組一起使用高頻上的足夠屏蔽。在授予Meyer的美國專利5， 804， 963中公開了這種傳感器的第 一示例，其全部內容合并在此作為參考。所有的繞組，無論是施感(驅 動繞組)的還是感應(感測繞組)的，都在面向標尺整個寬度的同一 區域內交織，并且所有都具有相同的曲折形狀，該曲折形狀具有全Z 字形空間周期2T，即標尺空間周期T的兩倍。在該實施方式中，所有 標尺都起作用，特別是基于渦電流或透磁的較簡單的標尺，諸如導電 或鐵磁性齒輪或齒條。不幸的是，共享同一磁場的交織繞組之間的不 均勻直接耦合引起測量失真。如果標尺和讀取頭之間的間隙增大，則 因為這減弱了通過標尺的耦合，而不是直接耦合，所以失真加劇。
在授予Meyer的美國專利7， 015， 687中公開了這種傳感器的第 二示例，其全部內容合并在此作為參考。所有繞組也是具有全Z字形 空間周期2T的曲折形狀，但是交織的驅動繞組與交織的感測繞組分 離。因為這兩種繞組占據分離區域，所以大大減弱了它們之間的直接 磁耦合，因此使用閉合導線環路的通過標尺的耦合成為主要耦合。因 此，即使分離的曲折形繞組之間保留有一些直接耦合，對于不均勻直 接耦合，這種繞組配置也沒有第一實施方式那么靈敏。發明內容本發明的目的是克服或至少改進現有技術電感式傳感器的雖不 是全部但至少一些缺點。因此，這里公開了一種電感式傳感器，在其中，將面向標尺的繞 組全部劃分成至少一對相同繞組元件，其中每個繞組元件都在至少一 對相異繞組元件圖案的每一個內具有相同的相對位置，該相異繞組元 件圖案具有相同的形狀和等于NT+T/2的中心到中心距離，N為整數， 連接每個繞組的至少一對繞組元件，以使繞組元件的極性對于每個驅 動繞組是相反的，而對于每個感測繞組是相同的，或者對于每個驅動 繞組是相同，而對于每個感測繞組是相反的。因此，繞組元件圖案對中一個內的任意驅動繞組和任意感測繞組 之間的耦合，與該繞組元件圖案對中另一個內的耦合相反。因此，在 兩個繞組元件圖案內的任意驅動和任意感測繞組之間的不希望的直接 耦合具有相反的極性。只要這兩個繞組元件圖案相同，則這些直接耦 合相互抵消。如果使用印刷電路技術來構造讀取頭，則情況通常如此， 每個印刷電路都遠小于電路板面板的典型制造尺寸因此，例如過蝕 刻或欠蝕刻、層與層配準、層間分離以及縮放等工藝參數在單個印刷 電路內不會明顯變化。甚至對于不太重要的工藝參數，其對所有繞組 元件的效果仍然相同，直接耦合仍然會抵消。直接耦合抵消的優點是，通過標尺的耦合可以更弱，從而可以使間隙更大從機械角度來講，這是人們希望的，此外，由于較大的間隙平滑消除了由諸如導線邊緣 等突變特征引起的失真，所以對于精度也是需要的。對于顯然需要的、 一個繞組元件圖案內任意驅動和感測繞組之間的通過標尺的耦合，將反轉的耦合極性與NT+T/2的標尺移位進行組 合，從而對于任意位移，每個繞組元件圖案內的耦合信號的變化是相 同的。因此，來自每個繞組元件圖案的空間周期性耦合信號相互增強。 如果一個繞組元件圖案內的空間周期性耦合信號存在偏移，即該耦合 信號在一個空間周期T上具有非零平均值，則由于反轉的耦合極性，所以可有另一個繞組元件信號的偏移來抵消。這是有利的，因為更容 易確定無偏移信號的空間相位和幅度。此外，因為來自相互移位了 T/2 的每個繞組元件圖案的貢獻趨向于是彼此相反的，所以減少了由不均 勻的通過標尺的耦合而造成的空間周期T的測量失真。優選地，每個繞組的至少一對繞組元件是串聯的。這使相同電流 經過同一驅動繞組的驅動繞組元件，由此消除了兩個繞組元件圖案之 間的電流失配影響。這還使感測繞組獲取的電壓信號最大。在繞組元件圖案之間需要有最小分離，以避免從一個圖案的驅動 繞組到另一個圖案的感測繞組的不希望的交叉耦合。有利地，鄰近導 電平面形式的屏蔽削弱了繞組元件之間的互感。這允許圖案之間的分 離更小，因此得到更短的傳感器。在優選實施例中，所有面向標尺的繞組交織在一起。這允許使用 任意類型的標尺，特別是渦電流或透磁的標尺，標尺趨向于更簡單且 更牢固，例如導電或鐵磁性齒條或齒輪。此外，因為所有繞組在標尺 上完全延伸，所以標尺可以很窄。在優選實施例中，將面向標尺的交織的驅動繞組與面向標尺的交 織的感測繞組分開，即，驅動和感測繞組不共享相同的區域，這大大 減弱了兩者之間的直接磁耦合。取而代之的是，通過標尺中的導電環 路發生耦合。這是用于從使用印刷電路技術實現的電感式傳感器中得 到最佳精度的最優解決方案。因此，這種實施方式非常適于數字指示 器，該數字指示器需要對于大約lmm的標尺周期T而精確到大約1 微米的傳感器。然而，這種實施方式也適于較低精度的測量工具，諸 如測徑器(caplier)，該測徑器具有較大的傳感器標尺周期，以允許標 尺和讀取頭之間的較大間隙以及較大間隙變化。 根據本發明的傳感器的一個重要特征是，其性能上的改進僅僅由 于其特有的繞組配置。除此之外，其功能是不變的，因而允許使用例如上面所提到的美國專利7， 015， 687中所描述的現有傳感器電子設 備。
圖1示出了所有繞組交織在一起的實施方式的、在渦電流型標尺 上的讀取頭的繞組配置。圖2示出了具有分離的交織驅動和感測繞組的實施方式的、在梯 狀導電標尺上的繞組配置。
具體實施方式
圖1中示出了根據本發明的傳感器的第一實施方式。該傳感器包 括沿路徑x相對可移動的平坦標尺10，標尺10位于具有透視性地示 出的四個繞組101、 102、 103、 104的平坦讀取頭100的下面，因為四 個繞組位于或接近面向標尺的一側，即從上方看時，位于讀取頭100 的下面。標尺10具有空間周期性的導電屏11序列，導電屏11序列沿 路徑x (即，沿標尺方向)具有空間周期T。將每個繞組10K 102、 103、 104劃分成面向標尺10的兩個分離 的相同繞組元件，分別為IOIA和101B、102A和102B、103A和103B、 104A和104B。彼此移位T/4的繞組元件IOIA、 102A、 103A、 104A 在第一繞組元件圖案A中交織在一起，彼此移位T/4的繞組元件 IOIB、 102B、 103B、 104B在與第一繞組元件圖案A相同的第二繞組 元件圖案B中交織在一起。圖案B從圖案A移位了 NT+T/2, N為 整數。因此，在一個圖案和另一個之間，標尺的屏11的相對位置移動 T/2:參考每個圖案，圖案A下面的屏位于圖案B下面的屏之間的區 域中。面向標尺的每個繞組元件的磁極性在沿著標尺的每個周期T內反 轉一次，因此每2T具有相同的極性。因此，面向標尺的每個繞組元 件都具有沿著標尺周期為2T的空間周期性配置。為了清楚起見，并 且為了避免附圖擁擠，可以具有任意長度的圖1中所示的繞組元件只延伸了一個繞組周期2T，因此只具有兩個相反旋轉的環路，即每個具有兩種磁極性。繞組102和104是驅動繞組，繞組101和103是感測繞組。驅動 繞組102和104分別通過連接器112、 122和114、 124連接到驅動電 路(未示出)。感測繞組101和103分別通過連接器111、 121和113、 123連接到感測電路(未示出)。從連接112開始，驅動繞組102進入其第一繞組元件102A，在左 環路順時針轉動，而在右環路逆時鐘轉動，離開并進入其第二繞組元 件102B，在左環路順時針轉動，而在右環路逆時鐘轉動，離開并回到 其回行連接122。類似地，驅動繞組104從連接114開始，經過其繞 組元件104A和104B，對于兩個繞組元件，在左環路順時針轉動，而 在右環路逆時針轉動。因此，每個驅動繞組102或104連接為在其面 向標尺10的兩個繞組元件102A和102B或104A和104B中具有相同 的繞組極性。從連接111開始，感測繞組101進入其第一繞組元件IOIA，在左 環路逆時針轉動，而在右環路順時鐘轉動，離開并進入其第二繞組元 件101B，在左環路順時針轉動，而在右環路逆時鐘轉動，離開并回到 其回行連接121。對于驅動繞組103，類似地，從連接113開始，并經 過兩個繞組元件103A和103B，在每個左環路和每個右環路中彼此相 反地轉動。因此，每個感測繞組101或103連接為在其面向標尺10 的兩個繞組元件101A和101B或103A和103B中具有相反的繞組極 性。箭頭示出了圖案A的繞組元件101A、 102A、 103A、 104A和圖 案B的繞組元件IOIB、 102B、 103B、 104B的最左邊導線中的繞組 極性。在圖1中所示的實施方式中，圖案A或B外部的繞組導線布局 為使與其他繞組的耦合最小，即使此耦合比圖案A或B內的耦合弱 得多。為了進一步減少不希望的耦合，讀取頭100可以具有導電屏(未 示出)，用于覆蓋盡可能多的讀取頭面積，并位于與繞組平行的平面內， 從而平坦繞組位于此屏與標尺之間的區域中。屏必須與平坦繞組足夠 接近，以減弱不必要的耦合，但不是太近而削弱通過標尺的耦合。屏與繞組的平面間距約為0.5T是最優的。這允許更緊湊的讀取頭繞組配 置。具體地，可以顯著地減小圖案A和B之間的分離。屏的存在還 有利于抑制繞組和電路其他部分(未示出)之間的耦合，電路其他部 分通常也位于讀取頭上，但位于遠離標尺的一側。如果讀取頭是一側 具有繞組、另一側具有電路其他部分的印刷電路，則可以使用埋層 (buried layer )作為屏。通過測量從每個驅動繞組102、 104耦合到每個感測繞組101、 103 的信號的幅度，圖1中所示的實施方式進行操作。鄰近的標尺導電屏 ll的存在改變了耦合，即信號幅度。因此，隨著標尺沿讀取頭100的 位置變化，從每個驅動繞組102、 104到每個感測繞組101、 103的耦 合以空間周期T周期性地改變。精度要求是，所有耦合以正弦方式在 相同范圍內變化。為此，應該存在從每個驅動繞組到每個感測繞組的 相同直接耦合，并且通過標尺的所有耦合應該一致。這對于例如唯一一個繞組元件圖案A或B內直接耦合和通過標 尺的耦合都是難以實現的。例如，在繞組元件圖案A中，從最右邊的 驅動繞組元件104A到最左邊感測繞組元件101A的直接耦合明顯比其 他耦合弱，這是因為繞組元件IOIA和104A分得比較開。對于通過標 尺10的耦合也是如此，同樣是因為繞組元件101A和104A分得比較 開只有接近圖案A中間的屏11對這些繞組元件之間的耦合具有顯 著影響。這可以通過形成更長的圖案來改進，以使來自末端的不均勻 耦合貢獻變得相對不重要。另一個改進是使感測繞組元件沿標尺比驅 動繞組元件更長或更短，以在無法消除的情況下減弱來自末端的耦合， 從而產生更一致的耦合。此外，由于直接耦合是占優勢，所以即使耦 合中微小的不同都會導致一個繞組元件圖案內顯著的信號失真。本實施方式提供了消除直接耦合并實現更一致的通過標尺的耦 合簡單方式。兩個繞組元件圖案A和B具有相同形狀，并且距離足 夠遠，以避免從一個圖案的驅動繞組到另一個的感測繞組的交叉耦合。 驅動繞組102的繞組元件102A、 102B以及驅動繞組104的繞組元件 104A、 104B具有相同的繞組極性。感測繞組101的繞組元件IOIA、 101B以及感測繞組103的繞組元件103A、 103B具有相反的極性。在 兩個繞組元件圖案中，感測繞組極性相反，而驅動繞組極性相同。因 此，在兩個繞組元件圖案中，直接耦合是彼此相反的，而因為NT+T/2 的相互標尺移位，所以每個繞組元件圖案中的通過標尺而耦合的空間 周期性信號變化相互增強。針對本實施方式，可以看出，作為位移函 數的、 一個繞組圖案內從任意驅動繞組到任意感測繞組的通過標尺而 耦合的信號具有偏移，即在一個空間周期上具有非零平均值。然而， 正如對于直接耦合一樣，該偏移受到來自另一個圖案內耦合的信號的 偏移的補償。這是有利的，因為更容易確定無偏移信號的空間相位和 幅度。如果兩個圖案A和B是相同的，則每個圖案A和B內從每個驅 動繞組102、 104到每個感測繞組101、 103的直接耦合可以相互抵消。 如果采用印刷電路技術來構造讀取頭100,則通常如此，這是因為每 個印刷電路遠小于電路板面板的典型制造尺寸例如過蝕刻或欠蝕刻、 層與層配準、層間分離以及縮放等的工藝參數在單個印刷電路內不會 發生明顯變化。甚至對于不太重要的工藝參數，對所有繞組元件的影 響仍然相同，從而得到大體上相同的繞組元件圖案。為達到更高的精 度，可以使用陶瓷基板上的薄膜電路或集成電路來代替低成本的印刷 電路。在圖1中示出的實施方式中，通過標尺的不均勻耦合也得到補償。 假定兩個相同繞組元件中的同一相對標尺特征位置，作為沿著標尺的 讀取頭位置的函數的、由每個繞組元件圖案產生的失真將是相同的。 實際上，由于每個繞組元件圖案A、 B中的標尺特征11的相對位置都 移動了半個標尺間距，即T/2，則兩個失真或至少空間周期T的基波 分量相互補償。最有可能在兩個繞組元件圖案之間改變的一個參數是 與標尺的局部間隙。這將導致較小的補償程度，但是在本實施方式中， 來自直接耦合的未補償失真同樣比來自通過標尺的耦合的未補償失真 更嚴重。 '驅動繞組102、 104的各個串聯繞組元件102A和102B以及104A
和104B分別承載相同的電流，從而消除了兩個繞組圖案A和B之間 的驅動電流失配的影響。所有四個繞組元件IOIA、 102A、 103A、 104A在繞組元件圖案A 中交織以及所有四個繞組元件IOIB、 102B、 103B、 104B在繞組元件 圖案B中交織，這樣的優點在于，具有高耦合度的小型讀取頭僅需要 更普通且更簡單的渦電流類型的窄標尺。本實施方式中的標尺IO包括具有導電區域11的絕緣基板，但是 諸如齒條的具有三維圖案的勻質導電標尺也可以起作用。還可以用一 個或若干個透磁元件來取代標尺導線，該透磁元件增強而并非減弱鄰 近繞組元件之間的耦合。導電和透磁區域交替的標尺也是可行的。因 此，本實施方式在需要小型、簡單、堅實的標尺的應用中是最優的， 并具有足夠的精度。圖2中示出了根據本發明的傳感器的第二實施方式。傳感器包括 可沿著路徑x移動的、位于讀取頭(略圖未示出)下面的標尺20，讀 取頭具有位于標尺上或接近面向標尺的一側的四個繞組201、 202、 203、 204。平坦梯狀標尺20可以導電，并具有空間周期性開口 22序 列，該開口22序列沿路徑x (即沿著標尺)具有空間周期T。每個繞組201、 202、 203、 204劃分成面向標尺20的兩個分離的 相同繞組元件，分別為繞組元件201C和201D、繞組元件202C和 202D、繞組元件203C和203D、以及繞組元件204C和204D。沿著標 尺彼此移位T/4的繞組元件201C、 202C、 203C、 204C成對地交織在 繞組元件圖案C中，沿著標尺彼此移位T/4的繞組元件201D、 202D、 203D、 204D成對地交織在與圖案C相同的繞組元件圖案D中。圖 案C和圖案D沿著標尺相互移位NT+T/2， N為整數。因此，標尺開 口 22相對于每個圖案C或D的位置移位T/2:參考每個圖案，圖案C 下面的標尺開口位于圖案D下面的標尺幵口的相對位置之間的區域 中。每個繞組元件201C、 201D、 202C、 202D、 203C、 203D、 204C、 204D的磁極性在沿標尺20的每個周期T中反轉一次，因此每2T具 有相同的極性。因此，每個繞組元件都具有沿著標尺的空間周期為2T 的空間周期性配置。繞組202和204是驅動繞組，繞組201和203是感測繞組。驅動 繞組202和204分別通過連接器212、 222和214、 224連接到驅動電 路(未示出)。感測繞組201和203分別通過連接器211、 221和213、 223連接到感測電路(未示出)。從連接212開始，驅動繞組202進入其第一繞組元件202C，在其 進入的第一環路中逆時針轉動，離開并進入其第二繞組元件202D，在 其進入的第一環路中順時針轉動，并回到其回行連接222。對于驅動 繞組204，類似地，從連接214開始，經過其繞組元件204C，在進入 的第一環路中逆時針轉動，然后進入繞組元件204D，在進入的第一環 路中順時針轉動。因此，連接了每個驅動繞組，以便在其面向標尺20 的兩個繞組元件中具有相反的繞組極性。這些相反的驅動繞組元件的 極性在圖2中通過四個箭頭示出，每個驅動繞組元件下面有一個箭頭。從連接211開始，感測繞組201進入其第一繞組元件201C，離開 并直接進入其第二繞組元件201D，離開并回到其回行連接221。對于 驅動繞組203，類似地，從連接213開始，經過兩個繞組元件203C和 203D。有目的地將繞組元件201C、 201D的繞組元件圖案C和D以及 203C、 203D進行互連，從而不同于驅動繞組，以使每個感測繞組在 面向標尺的每個繞組元件中具有相同的繞組極性。這些相同的感測繞 組元件的極性在圖2中通過四個箭頭示出，每個感測繞組元件下面有 一個箭頭。本實施方式的特征在于具有分離的驅動和感測繞組。驅動繞組元 件202和204在兩個繞組元件圖案C和D中交織，即驅動繞組元件 202C和204C在圖案C中，驅動繞組元件202D和204D在圖案D中。 類似地，感測繞組元件201和203在兩個繞組元件圖案C和D中交織， 即感測繞組元件201C和203C在圖案C中，感測繞組元件201D和 203D在圖案D中。不同于圖1中所示的實施方式，圖2中驅動繞組 和感測繞組沒有交織在一起。感測繞組和驅動繞組是分離的，沿著標 尺相互并排地延伸。感測繞組元件201C、 203C和201D、 203D分別沿著標尺比驅動
繞組元件202C、 204C和202D、 204D延伸得更遠，并限定了沿著繞 組元件圖案C和D的標尺的范圍。因此，感測繞組201C和201D、 以及203C和203D分別在繞組元件圖案C和D相遇的位置處直接連 接。保持驅動繞組元件202C和204D、以及202C和204D足夠短， 以避免與另一個圖案的感測繞組元件的交叉耦合。為了進一步減弱不想要的耦合，覆蓋繞組元件圖案C和D的導電 屏(圖2中未示出)可以位于與繞組平行的平面內，以使平坦繞組位 于此屏與標尺之間的區域中。這允許更緊湊的繞組元件圖案。具體地， 可以將為了避免一個圖案的驅動繞組元件和另一個圖案的感測繞組元 件的末端之間的交叉耦合而需要的分離減小。屏的存在還有利于抑制 繞組和通常也位于讀取頭上遠離標尺的一側的電路其他部分(未示出) 之間的耦合。在圖2中所示的實施方式中，對于繞組元件201C、201D或202C、 202D或203C、 203D或204C、 204D與其連接器211、 221或212、 222 或213、 223或214、 224之間的互連加上驅動繞組元件202C和202D 之間以及驅動繞組元件204C和204D之間的互連，只是示意性地示出 以用于描述。實際上，這些互連的位置可以與讀取頭的遠離標尺的一 側的電路其他部分(未示出)在一起，即面向觀看者。因此，通過位 于讀取頭兩側之間、例如作為印刷電路中的埋層的導電屏將這些互連 從面向標尺的繞組元件屏蔽開來，其中印刷電路具有位于面向標尺一 側的繞組以及位于遠離標尺一側的電路其他部分。因此，只要避免了 位于遠離標尺的讀取頭側的驅動和感測互連之間的任意顯著的直接耦 合，這些互連就不會降低傳感器的精度。在面向標尺20的讀取頭一側，在靠近每個繞組元件圖案C或D 或者在其中對這些互連進行布線，以便保持它們在電氣上盡可能相似。 為此，精確地在每個圖案中的同一相對位置上，將驅動繞組圖案C和 D的每個驅動繞組元件202C、 204C和202D、 204D連接到電路其他 部分，例如，如圖2所示，對于驅動繞組元件202C和202D，在頂部 以及中間稍左，對于驅動繞組元件204C和204D，在頂部以及中間的 稍右。為此，靠近圖案C和D相遇的位置，對感測繞組的互連進行布
線，對于感測繞組201C和201D，該布線在底部并且稍微偏左，而對 于感測繞組203C和203D在底部并且稍微偏右。應注意的是，因為這 些感測繞組元件也直接在圖案C和D相遇的位置互連，所以每個互連 分別針對兩個相同的繞組元件201C和201D以及203C和203D。對 于其間沒有導線的驅動繞組元件，顯然不是如此。即使在靠近這些感測繞組的末端對這些互連進行布線，這些互連 也可能仍然充分接近自身所在圖案的驅動繞組元件而受其影響，從而 必須在另一個圖案中對該影響進行補償。這是通過在另一個圖案中重 復這些互連的軌跡來實現的在圖案D中同一相對位置處將位于圖案 C中的與繞組201的互連再現為軌跡281，以及類似地，在圖案C中 同一相對位置處將位于圖案D中的與繞組203的互連再現為軌跡273。 對于圖案D內的直接互連，將感測繞組元件203C和203D之間的直 接互連再現為圖案C中的軌跡253，對于圖案C中的直接互連，將其 再現為圖案D中的軌跡263。對于元件201C和201D之間的互連，兩 個軌跡承載相反的電流，并相互疊加，因此不需要補償。簡而言之， 在另一個圖案中對一個圖案中的所有未補償的電流承載軌跡進行復 制，以在兩個圖案中得到相同的耦合條件。通過測量從每個驅動繞組202、 204耦合到每個感測繞組201 、203 的信號的幅度，圖2中所示的實施方式進行操作。由每個驅動繞組202、 204在其下面的部分標尺20中感應的電流繞著開口 22循環流動，并 且在每個感測繞組201、 203中感應出電壓信號因此這種導電梯狀標 尺用作分離的驅動和感測繞組之間的耦合器。因此，隨著標尺開口22 的相對于繞組的位置變化，從每個驅動繞組202、 204到每個感測繞組 201、 203的耦合以空間周期T變化。精度的要求是所有耦合以正弦方 式在相同范圍內變化。為此，應該存在從每個驅動繞組到每個感測繞 組的相同的殘余直接耦合，并且通過標尺的所有耦合應該一致。因為較大的間隙可以平滑消除由諸如導線邊緣的突變特征導致 的諧波失真，所以可以通過諸如準正弦繞組布局的已知技術和/或通過 增大標尺和讀取頭之間的間隙，減少耦合函數的空間諧波。然而，較 大的間隙減弱了耦合，從而應該相應地減弱直接耦合。
即使本實施方式中分離的驅動和感測繞組之間的直接耦合顯著 地比第一實施方式中交織的驅動和感測繞組之間的耦合弱，該直接耦 合也仍然存在。此外，因為在這個實施方式中，對于給定的間隙，通 過標尺的耦合受到只延伸到標尺寬度一半的繞組的消弱，而不是第一 實施方式中的延伸到整個標尺寬度，所以對于給定量的直接耦合，失 真將更大，。除了兩個繞組元件圖案C和D必須相同的要求以外，應該不存在 從一個圖案的驅動繞組元件到另一個中的感測繞組元件的交叉耦合。為此，保持驅動繞組元件202C、 204C以及202D、 204D足夠短，并 且將其保持在其圖案C或D的中間，以避免從一個圖案的驅動繞組到 另一個的感測繞組的交叉耦合。相反地，感測繞組元件201C、 203C 或201D、 203D沿著整個圖案C或D延伸。因為感測繞組元件的末端 與驅動繞組的距離剛好等于感測繞組與另一個圖案的距離如果一個 圖案中的驅動繞組元件與另一個中的感測繞組元件之間存在可以忽略 的交叉耦合，則在同一個圖案內，從驅動繞組到感測繞組元件末端的 耦合也可以忽略，所以最小化了每個圖案C或D內的直接耦合中的差 異。作為代替，使驅動繞組更長會帶來相同的有利之處。相對較高的 驅動繞組電感將產生較低的功耗，而本實施方式中的較長的感測繞組 產生較強的耦合信號。驅動繞組還是感測繞組中哪個應該較長取決于 對于給定應用而言哪個特性更加重要。本實施方式提供消除直接耦合并得到更一致的通過標尺的耦合 的簡單方法。驅動繞組202的繞組元件202C和202D以及驅動繞組 204的繞組元件204C和204D具有相反的繞組極性。感測繞組201的 繞組元件201C和201D以及感測繞組203的繞組元件203C和203D 具有相同的繞組極性。總而言之，在兩個繞組元件圖案中驅動繞組的 極性相反，而兩個圖案中的感測繞組極性相同。因此，在兩個圖案中 的直接耦合彼此相反，而因為標尺相互移位NT+T/2，所以在每個圖 案中通過標尺耦合的空間周期信號變化相互增強。對于本實施方式， 還可以看出，作為位移的函數，從一個圖案內的任意驅動繞組到任意 感測繞組的通過標尺的耦合信號具有偏移，即在一個空間周期T上具正如對于直接耦合一樣，該偏移受到另一個圖 案內耦合信號的偏移的補償。這是有利的，因為更容易確定無偏移信 號的空間相位和幅度。如果兩個圖案相同，在每個圖案C和D內，從每個驅動繞組202、 204到每個感測繞組201、 203的直接耦合相互抵消。如果采用印刷電 路技術來構造讀取頭100 (未示出)，則通常如此，因為每個印刷電路 遠小于印刷電路板面板的典型制造尺寸例如過蝕刻或欠蝕刻、層與 層配準、層間分離以及縮放等的工藝參數在單個印刷電路內不會發生 明顯變化。甚至對于不太重要工藝參數，對所有繞組的影響也仍然相 同，并產生大體上相同繞組元件圖案。為了更高的精度，可以使用陶 瓷基板上的薄膜電路或集成電路來代替低成本的印刷電路。串聯的驅動繞組202的繞組元件202C和202D以及204C和204D 承載相同電流，從而消除了兩個繞組圖案C和D之間的驅動電流失配 的影響。在圖2中示出的實施方式中，不均勻的通過標尺的耦合得到補償。 假定兩個相同繞組元件中相同的相對標尺特征位置，作為沿著標尺的 讀取頭位置的函數由每個繞組元件圖案產生的失真將是相同的。實際 上，由于每個繞組元件圖案C、 D中的標尺特征22的相對位置都移動 了半個標尺間距，即T/2，所以兩個失真或至少空間周期T的基波分 量相互補償。最有可能在繞組元件圖案之間改變的一個參數是與標尺 的局部間隙，但是其影響受到限制即使間隙中的局部變化高達T/10 (在這種傳感器中認為這是極限情況)，補償程度仍然能除去一半以上 的測量誤差。通過仔細布局，每個圖案C或D內的耦合已經非常一致 了，因此獲得的精度仍然很好。然而，本實施方式的主要優點是，允 許讀取頭和標尺之間較大的間隙，因為較大的間隙平滑消除了諸如標 尺或讀取頭上的導線邊緣的突發特性所產生的失真，所以這對精度也 有利。因此，本實施方式非常適于使用印刷電路技術來制造小型讀取 頭，例如適合刻度盤指示器或數字計量器(digital gage)，對于大約lmm 的標尺周期T以及大約為lmm的間隙，精度大約為1微米。然而， 本實施方式也適于讀取頭與標尺之間的間隙和未對準容限較大的較低精度的測量工具，諸如測徑器和改進線性編碼器(retro-fit linear encoder):對于大約為2mm的標尺周期和高達0.5mm的間隙，精度 保持在IO微米內。許多其他標尺圖案是可能的，只要沿著標尺長度不發生顯著耦 合，因為這會導致圖案C和D之間的耦合。作為對具有開口的平坦導 電梯狀標尺的替代，還可以使用具有相互隔離的導電環路組的絕緣標 尺。通過圍繞標尺環路或開口的電流環路的電耦合可以由通過諸如鐵 氧體磁棒的、以間距T設置的透磁元件的磁耦合來代替。根據本發明的傳感器的一個重要優點是，其更好的性能僅由于其 原始繞組配置。除此之外，到驅動和感測電路的連接數量保持相同， 并且其功能不變。這允許例如美國專利7， 015， 617中所描述的現有 傳感器電子設備的使用。由于消除了來自直接耦合的偏移以及來自通 過標尺的耦合的偏移，所以這些電子設備甚至可以簡化和/或變得更精 確周期性的耦合信號，即理想的正弦波，在標尺經過讀取頭的恒速 運動期間不存在偏移，即平均值為0。本發明的范圍不局限于這里所描述的實施方式，而可以存在許多 變體。驅動和感測繞組的數量可以大于2。可以存在多對相同的繞組 元件圖案，尤其是在較長的讀取頭中。標尺可以圓周路徑x上移動， 諸如在旋轉編碼器中。標尺和讀取頭可以是共軸圓柱，并具有軸向或 圓周路徑。雖然將上面所描述的傳感器構思為用于在多個標尺周期T 上進行測量的增量傳感器，但是其良好的線性性、緊湊的設計以及高 工作頻率(無需具有鐵氧體磁心線繞線圈)使其可良好地可用作絕對 傳感器，即，采用比T短的測量范圍，可用于通常使用差分變壓器 (LVDT)或半橋電感式位置傳感器或換能器的應用中。
權利要求
1. 一種電感式位置傳感器，具有相對可移動的標尺和讀取頭，所 述標尺包括空間周期為T的空間周期性的導電或透磁特征序列，所述讀取頭包括面向所述標尺、且具有沿著所述標尺的空間周期為2T的 空間周期性配置的驅動和感測繞組，其中，將面向標尺的所述繞組全 部劃分成至少一對相同繞組元件，每個繞組元件在至少一對相異繞組 元件圖案之一內具有相同的相對位置，所述相異繞組元件圖案具有相 同的形狀，并且中心到中心的距離等于NT+T/2, N為整數，每個繞組 的至少一對繞組元件連接為對于每個驅動繞組極性相反而對于每個感 測繞組極性相同，或者對于每個驅動繞組極性相同而對于每個感測繞 組進行相反。
2. 如權利要求1所述的傳感器，其中，每個繞組的至少一對繞組 元件串聯。
3. 如權利要求1所述的傳感器，其中，所有繞組元件共享相同的 區域，并且在每個繞組元件圖案內交織在一起。
4. 如權利要求1所述的傳感器，其中，在每個繞組元件圖案內， 交織的驅動繞組元件與交織的感測繞組元件分離。
5. 如權利要求1所述的傳感器，其中，在每個繞組元件圖案內， 兩個驅動繞組沿著所述標尺相互移位T/2，在每個繞組元件圖案內， 兩個感測繞組沿著所述標尺相互移位T/2，在每個繞組元件圖案內， 兩個驅動繞組沿著標尺相對于兩個感測繞組移位T/4。
6. —種電感式傳感器，包括-標尺，具有空間周期為T的空間周期性的導電或透磁特征序列， 驅動繞組，被劃分成位置在空間上與所述標尺相鄰的第一和第二相同驅動繞組元件，所述驅動繞組元件以等于NT+T/2的距離彼此分離，其中N是整數，感測繞組，被劃分成第一和第二相同感測繞組元件，所述驅動繞組元件的位置在空間上與所述標尺相鄰并且與所述驅動繞組元件中的 各個元件相鄰，彼此連接的繞組元件具有極性，其中，所述繞組元件中的三個連 接以具有第一極性，所述驅動繞組中的一個連接以具有相反的第二極 性。
7. 如權利要求6所述的電感式傳感器，其中，選擇N，以使在第 一和第二驅動繞組元件之間存在可忽略的耦合。
8. 如權利要求6所述的電感式傳感器，其中，各個驅動繞組元件 和感測繞組元件的位置為彼此之間的空間距離是T/4。
9. 如權利要求6所述的電感式傳感器，其中，各個驅動繞組元件 和感測繞組元件是交織的。
10. 如權利要求9所述的電感式傳感器，其中，具有第二極性的所 述繞組元件是感測驅動元件。
11. 一種在電感式傳感器中用于減弱驅動繞組和感測繞組之間的 直接耦合的方法，所述驅動繞組和感測繞組都與具有空間周期T的空 間周期性導電或透磁特征序列的標尺相鄰，所述方法包括將所述驅動繞組劃分成第一和第二相同驅動繞組元件，并將驅動 繞組元件沿著標尺以等于NT+T/2的距離彼此分離，其中N是整數，將所述感測繞組劃分成第一和第二相同感測繞組元件，并使所述 感測繞組位于與所述驅動繞組元件中各個元件相鄰的位置，連接繞組元件中的每一個，以具有極性，其中，連接所述驅動繞 組中的三個以具有第一極性，并連接所述驅動繞組中的一個以具有相 反的第二極性。
12. 如權利要求11所述的方法，還包括選擇整數N的值，以使第 一和第二驅動繞組元件之間的電感耦合可忽略。
全文摘要
一種電感式位置傳感器，具有標尺(20)以及讀取頭，該標尺(20)具有間距為T的空間周期性的導電或透磁特征(22)序列，該讀取頭具有面向標尺且沿著標尺的空間周期為2T的驅動繞組(202、204)以及感測繞組(201、203)。將繞組(201-204)中的每一個分成兩個相同的繞組元件(201A-204A，201B-204B)，其中每對繞組元件都在兩個相同的繞組元件圖案(A、B)內具有相同的相對位置，該繞組元件圖案沿著標尺具有NT+T/2的中心到中心的距離，N為整數，此外，連接每個繞組的至少一對繞組元件，使每個繞組中的繞組元件對于驅動繞組極性相反而對于感測繞組相同，或者對于驅動繞組相同而對于感測繞組相反。由此，兩個圖案中的直接耦合相互抵消，而通過標尺的空間周期信號相互增強。
文檔編號G01D5/20GK101144725SQ20071013665
公開日2008年3月19日 申請日期2007年7月18日 優先權日2006年7月19日
發明者漢斯·烏爾里希·邁爾 申請人:先進傳感技術有限公司