專利名稱：位置編碼器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位置編碼器裝置，特別涉及用于位置編碼器的掃描裝置，所述位置編碼器應(yīng)用改進(jìn)的技術(shù)以結(jié)合來(lái)自多個(gè)(例如磁性)傳感器的傳感器信號(hào)以便獲得增量位置信息。
背景技術(shù)：
已知多種不同類型的位置編碼器。例如，已知光學(xué)編碼器系統(tǒng)，其中通過(guò)光學(xué)讀取頭讀取包括淺的和深的線條的標(biāo)尺。還已知磁性編碼器，其中通過(guò)包括一個(gè)或多個(gè)磁性 (例如，霍爾)傳感器的讀取頭單元讀取標(biāo)尺的變化的磁特性。一種已知類型的位置編碼器系統(tǒng)包括標(biāo)尺，其形成為標(biāo)尺記號(hào)的有規(guī)律重復(fù)的圖案。包括多個(gè)間隔傳感器的讀取頭被用來(lái)測(cè)量標(biāo)尺與讀取頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。特別地，結(jié)合來(lái)自讀取頭中的多個(gè)間隔開(kāi)的傳感器的傳感器信號(hào)，以便產(chǎn)生正弦和余弦(相位正交)信號(hào)，所述信號(hào)被內(nèi)插以便為小于一個(gè)周期的重復(fù)標(biāo)尺圖案提供讀取頭位置的精確測(cè)量。可以選擇地將這種增量位置信息與附加的、較粗略的絕對(duì)位置測(cè)量值結(jié)合起來(lái)。美國(guó)專利US4949289描述了一種通過(guò)適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合來(lái)自四個(gè)傳感器的信號(hào)產(chǎn)生正弦和余弦增量信號(hào)的方法。同時(shí)例如從US4595991已知提供一種編碼器裝置，其中結(jié)合六個(gè)傳感器的輸出以產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)，所述信號(hào)被內(nèi)插以提供更高分辨率的位置信息。 特別地，US4595991描述了一種技術(shù)，其中在結(jié)合之前利用預(yù)定的傅里葉系數(shù)加權(quán)六個(gè)傳感器的輸出。這種加權(quán)據(jù)說(shuō)減少了更高階(例如，第三)諧波分量對(duì)于最終正弦/余弦信號(hào)的影響，從而改善了內(nèi)插過(guò)程的分辨率。然而，US4595991的技術(shù)實(shí)施起來(lái)復(fù)雜，并且需要在結(jié)合傳感器信號(hào)之前對(duì)它們進(jìn)行精確的加權(quán)。這證明對(duì)于電子實(shí)施是困難的且昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種用于位置編碼器的掃描裝置包括用于產(chǎn)生多個(gè)傳感器信號(hào)的多個(gè)傳感器元件；用于產(chǎn)生至少第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)的求和單元，所述至少第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)提供關(guān)于掃描裝置與關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)的信息；其中所述第一求和信號(hào)由多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集產(chǎn)生，第二求和信號(hào)由多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集產(chǎn)生，其特征在于，所述多個(gè)傳感器元件相對(duì)彼此大致均勻地間隔開(kāi)，并且關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的每一周期設(shè)置N個(gè)傳感器元件，其中N是整數(shù)并且是3和4的倍數(shù)。因此本發(fā)明提供了用于位置編碼器的讀取頭或掃描裝置。所述掃描裝置包括多個(gè)傳感器元件，用于產(chǎn)生多個(gè)傳感器信號(hào)。例如，所述掃描裝置可以包括多個(gè)間隔開(kāi)的霍爾傳感器元件，它們均輸出電壓傳感器信號(hào)，所述信號(hào)表示被感測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。還設(shè)置求和單元，用于產(chǎn)生至少第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)，所述信號(hào)包含關(guān)于掃描裝置與關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)或相位的信息。所述求和單元由多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集產(chǎn)生第一求和信號(hào)，并且由多個(gè)傳感器信號(hào)的第二(不同)子集產(chǎn)生第二求和信號(hào)。特別地，所述求和單元可以通過(guò)添加和/或減去相應(yīng)子集的不同傳感器信號(hào)而產(chǎn)生每個(gè)求和信號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解，傳感器信號(hào)的子集指的是由多個(gè)傳感器元件產(chǎn)生的傳感器信號(hào)集的一些但不是所有的群組。正如下面更詳細(xì)解釋的。第一和第二子集可以包括共同傳感器信號(hào)，即第一和第二子集優(yōu)選不彼此排斥。還可以使得由多個(gè)傳感器元件產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)傳感器信號(hào)不形成所述第一或第二子集的一部分。因此本發(fā)明使用選定的傳感器信號(hào)子集來(lái)產(chǎn)生求和信號(hào)。這減輕了與US4595991 中所述類型的已知布置相關(guān)的各種缺點(diǎn)。特別地，本發(fā)明不需要計(jì)算傅里葉加權(quán)系數(shù)，也不使用集成電路，該集成電路具有實(shí)施所需傅里葉加權(quán)的多個(gè)不同數(shù)值的電阻器。事實(shí)上，本發(fā)明使用求和單元，該求和單元結(jié)合傳感器信號(hào)的選定子集來(lái)產(chǎn)生所需的求和信號(hào)。因此本發(fā)明比US4595991中所述類型的現(xiàn)有技術(shù)裝置實(shí)施起來(lái)更簡(jiǎn)單、更便宜。如上所述，所述掃描單元的多個(gè)傳感器元件相對(duì)彼此大致均勻地間隔開(kāi)，并且關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的每一周期設(shè)置N個(gè)均勻間隔的傳感器元件，其中N是整數(shù)并且是3和4的倍數(shù)。提供傳感器元件的這種布置使得能選擇傳感器信號(hào)的子集，所述子集基本不受上述第三諧波變量的影響。這比US494^89中所述類型的增量方案更有優(yōu)勢(shì)，在US494^89中描述了使用更少的傳感器(例如四個(gè)或五個(gè))，從而導(dǎo)致第三諧波對(duì)于所產(chǎn)生的增量信號(hào)有影響。在大多數(shù)實(shí)際編碼器系統(tǒng)中，根據(jù)本發(fā)明的第三諧波的抑制提供了充分的測(cè)量精度。然而，還可以抑制第五諧波。這可以通過(guò)關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的每一周期提供N個(gè)傳感器元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中N是4、3和5的倍數(shù)。有利地，隨著掃描裝置相對(duì)于關(guān)聯(lián)標(biāo)尺移動(dòng)，所述第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)周期地變化。如下所述，這種標(biāo)尺可以包括標(biāo)尺記號(hào)的周期性重復(fù)圖案。優(yōu)選地，所述第一求和信號(hào)包括正弦信號(hào)，第二求和信號(hào)包括余弦信號(hào)。換言之，隨著所述裝置的求和單元相對(duì)于關(guān)聯(lián)標(biāo)尺移動(dòng)，所述求和單元優(yōu)選產(chǎn)生一對(duì)正弦/余弦(正交相位)信號(hào)?？梢砸砸阎绞絻?nèi)插這種正弦/余弦信號(hào)以便提供掃描裝置和關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)或相位的測(cè)量。所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集優(yōu)選與所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集不同但重疊。換言之，從由多個(gè)傳感器元件產(chǎn)生的傳感器信號(hào)的集合中，優(yōu)選使用傳感器信號(hào)的至少兩個(gè)重疊子集來(lái)產(chǎn)生至少兩個(gè)求和信號(hào)。下面更詳細(xì)地介紹關(guān)于傳感器信號(hào)的合適子集的選擇。對(duì)于磁性編碼器，由掃描裝置讀取的關(guān)聯(lián)磁性標(biāo)尺可以包括一系列周期性重復(fù)的磁性特征。例如，有源磁性標(biāo)尺可以包括一系列規(guī)律重復(fù)的北極和南極。這種有源磁性標(biāo)尺的磁場(chǎng)輪廓通常正弦地改變。除了磁場(chǎng)強(qiáng)度的第一諧波變化之外，更高階的諧波將對(duì)由多個(gè)磁性傳感器元件感測(cè)的磁場(chǎng)有影響?？梢酝ㄟ^(guò)使用每一標(biāo)尺周期具有偶數(shù)個(gè)數(shù)目傳感器元件的掃描裝置來(lái)容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)偶數(shù)階諧波的抑制。為了抑制來(lái)自求和信號(hào)的第三諧波的影響而不必應(yīng)用傅里葉系數(shù)對(duì)傳感器信號(hào)加權(quán)，關(guān)聯(lián)標(biāo)尺每一周期所提供的傳感器元件的數(shù)目是3和4的倍數(shù)。有利地，掃描裝置包括至少12個(gè)傳感器元件。便利地，所述掃描裝置包括至少60 個(gè)傳感器元件。如果掃描裝置被布置成讀取線性標(biāo)尺，則傳感器元件可以被布置成覆蓋標(biāo)尺的多于一個(gè)周期，如下所述。可以有利地提供至少15個(gè)傳感器元件。有利地，所述多個(gè)傳感器的第一子集被選擇成使得當(dāng)通過(guò)求和單元將傳感器信號(hào)累加在一起時(shí)，第三諧波分量對(duì)第一求和信號(hào)的影響大致為零。便利地，所述多個(gè)傳感器的第二子集被選擇成使得當(dāng)通過(guò)求和單元將傳感器信號(hào)累加在一起時(shí)，(例如關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的變化磁場(chǎng)的)第三諧波分量對(duì)于第二求和信號(hào)的影響大致為零。換言之，對(duì)累加在一起以形成第一和第二求和信號(hào)的傳感器信號(hào)的適當(dāng)選擇能被用來(lái)抑制或大致減少任何第三諧波對(duì)那些求和信號(hào)的影響，而不管標(biāo)尺和掃描裝置的相對(duì)位置。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)如上所述關(guān)聯(lián)標(biāo)尺每一周期所提供的傳感器元件的數(shù)目是3和4的倍數(shù)時(shí)，這更容易實(shí)現(xiàn)。還應(yīng)當(dāng)注意，求和傳感器信號(hào)指的是傳感器信號(hào)的添加和/或減去。也可以使用類似的選擇過(guò)程來(lái)抑制第五諧波的影響，盡管如上所述通常需要標(biāo)尺的每一周期有更多的傳感器元件。下面將更詳細(xì)地描述不同的合適的結(jié)合方案。有利地，利用整數(shù)加權(quán)，通過(guò)累加傳感器信號(hào)的第一子集，求和單元產(chǎn)生第一求和信號(hào)。類似地，利用整數(shù)加權(quán)，通過(guò)累加傳感器信號(hào)的第二子集，求和單元產(chǎn)生第二求和信號(hào)。換言之，第一和/或第二子集的每一個(gè)的傳感器信號(hào)優(yōu)選在通過(guò)求和單元結(jié)合之前僅僅利用整數(shù)數(shù)值加權(quán)(例如，1或幻。有利地，所述整數(shù)數(shù)值是1。換言之，優(yōu)選在傳感器信號(hào)通過(guò)求和單元進(jìn)行累加以形成第一和第二求和信號(hào)時(shí)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行相同的加權(quán) (例如，+1或-1)。所述掃描裝置被構(gòu)造成讀取線性標(biāo)尺。所述線性標(biāo)尺或標(biāo)尺軌道可以包括一系列周期性重復(fù)的標(biāo)尺記號(hào)，諸如磁性標(biāo)尺記號(hào)，具有周期P。在這個(gè)例子中，所述掃描裝置優(yōu)選包括線性陣列的間隔開(kāi)的傳感器元件。有利地，所述傳感器元件彼此均勻地間隔開(kāi)。為了允許從標(biāo)尺明確地讀取正弦和余弦信息，有利地提供充足的傳感器元件以便同時(shí)讀取標(biāo)尺軌道的多于一個(gè)周期。有利地，所述多個(gè)傳感器元件被布置成覆蓋關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的至少1.25、 2. 5或者3. 25個(gè)周期。掃描裝置可以構(gòu)造成作為旋轉(zhuǎn)編碼器的一部分而操作。在這種旋轉(zhuǎn)編碼器中，旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺可以包括旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器，諸如磁偶極子。在這個(gè)例子中，掃描裝置優(yōu)選包括多個(gè)傳感器元件，它們與旋轉(zhuǎn)軸線大致等距地間隔開(kāi)并且彼此分離大致相等的角度。這種旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺的周期因此是360度，圍繞旋轉(zhuǎn)軸線以相等的角間隔提供N個(gè)傳感器元件(N是3和4的倍數(shù))。以這種方式，可以確定旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺相對(duì)于掃描裝置的絕對(duì)角度方位。有利地，掃描裝置是磁性掃描裝置。換言之，掃描裝置優(yōu)選包括多個(gè)磁性傳感器元件形式的傳感器元件。這種磁性傳感器元件可以是磁致電阻磁性元件或霍爾傳感器。磁性傳感器元件可以用來(lái)感測(cè)關(guān)聯(lián)磁性標(biāo)尺的磁場(chǎng)的變化。本發(fā)明的磁性掃描裝置可以與所謂的有源磁性標(biāo)尺一起使用，在所述有源磁性標(biāo)尺中，一系列磁極(北極/南極)提供所需的標(biāo)尺記號(hào)。優(yōu)選地，所述磁性掃描裝置適于與所謂的無(wú)源磁性標(biāo)尺一起使用，在所述無(wú)源磁性標(biāo)尺中，通過(guò)標(biāo)尺導(dǎo)磁率的局部區(qū)別而提供標(biāo)尺記號(hào)。掃描裝置優(yōu)選包括一個(gè)或多個(gè)磁體。所述一個(gè)或多個(gè)磁體包括永磁體(例如稀土金屬)和/或電磁體。有利地，所述多個(gè)傳感器元件位于磁體的磁場(chǎng)中。例如，所述多個(gè)傳感器元件可以毗鄰多個(gè)磁性傳感器元件設(shè)置。優(yōu)選地，關(guān)聯(lián)的無(wú)源磁性標(biāo)尺可以毗鄰多個(gè)傳感器元件設(shè)置并且也位于由磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中。以這種方式，標(biāo)尺的磁導(dǎo)率的變化改變由所述多個(gè)傳感器元件所檢測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。無(wú)源磁性標(biāo)尺具有以下優(yōu)勢(shì)它們不像有源磁性標(biāo)尺，它們?cè)谑褂弥胁粫?huì)變得去磁。無(wú)源磁性標(biāo)尺因此通常更適于用在惡劣的環(huán)境中。如上所述，第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)可以是周期地改變的例如正弦/余弦信號(hào)。所述掃描裝置便利地包括內(nèi)插單元，用于插入第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)以便提供內(nèi)插的位置輸出。可以根據(jù)需要設(shè)置由內(nèi)插單元應(yīng)用的內(nèi)插因子。如上所述，可以使用第一和第二求和信號(hào)來(lái)提供增量或相對(duì)位置信息。例如，第一和第二求和信號(hào)的內(nèi)插可以提供掃描裝置相對(duì)于周期性變化的標(biāo)尺圖案的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)或相位。這種信息本身不提供對(duì)于線性編碼器系統(tǒng)的絕對(duì)位置的測(cè)量。掃描裝置因此便利地還包括絕對(duì)標(biāo)尺讀取器，其用于從關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的絕對(duì)標(biāo)尺軌道讀取數(shù)據(jù)位以便提供絕對(duì)位置信息。例如，關(guān)聯(lián)的標(biāo)尺可以包括毗鄰絕對(duì)標(biāo)尺軌道的周期性變化的(增量)軌道。所述絕對(duì)標(biāo)尺軌道可以包括一系列代碼字，它們唯一地限定絕對(duì)位置。所述掃描裝置有利地進(jìn)一步包括位置計(jì)算單元，用于結(jié)合內(nèi)插的位置輸出與絕對(duì)位置信息以便提供增強(qiáng)分辨率的絕對(duì)位置信息。換言之，從第一和第二求和信號(hào)提供的高分辨率的信息可以與由絕對(duì)位置標(biāo)尺讀取器提供的通常較粗略的信息相結(jié)合。以這種方式，可以產(chǎn)生更精細(xì)分辨率的絕對(duì)位直fe息。有利地，求和單元和/或多個(gè)傳感器元件被設(shè)置在共同基片上。例如，單硅晶片可以提供實(shí)施求和單元所必需的多個(gè)霍爾傳感器和電路。所述掃描裝置還可以結(jié)合在殼體或類似物上以便提供可以附接至機(jī)床部件的讀取頭。還可以根據(jù)本發(fā)明設(shè)置位置編碼器裝置，其包括上述類型的掃描裝置以及標(biāo)尺。 根據(jù)需要還可以提供合適的殼體或外罩。根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種用于測(cè)量位置的方法，所述方法包括以下步驟 (i)從多個(gè)傳感器元件接收多個(gè)傳感器信號(hào)，以及(ii)從多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集產(chǎn)生第一求和信號(hào)，并且從多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集產(chǎn)生第二求和信號(hào)，其特征在于，所述多個(gè)傳感器元件大致均勻地彼此間隔開(kāi)，并且關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的每一周期提供N個(gè)傳感器元件，其中N是整數(shù)并且是3和4的倍數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于位置編碼器的掃描裝置，其包括用于產(chǎn)生多個(gè)傳感器信號(hào)的多個(gè)傳感器元件；求和單元，用于產(chǎn)生至少第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)， 所述求和信號(hào)提供關(guān)于掃描裝置與關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)的信息；其中通過(guò)所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集產(chǎn)生第一求和信號(hào)，并且通過(guò)所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集產(chǎn)生第二求和信號(hào)，其中所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集被選擇成使得當(dāng)通過(guò)求和單元將傳感器信號(hào)累加在一起時(shí)，第三諧波分量對(duì)于第一求和信號(hào)的影響大致為零。優(yōu)選地，多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集被選擇成使得當(dāng)通過(guò)求和單元將傳感器信號(hào)累加在一起時(shí)，第三諧波分量對(duì)于第二求和信號(hào)的影響大致為零。在這里還描述了一種用于位置編碼器的的掃描裝置，其包括用于產(chǎn)生多個(gè)傳感器信號(hào)的多個(gè)傳感器元件；求和單元，用于產(chǎn)生至少第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)，所述求和信號(hào)提供關(guān)于掃描裝置與關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)的信息；其中通過(guò)所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集產(chǎn)生所述第一求和信號(hào)，并且通過(guò)所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集產(chǎn)生第二求和信號(hào)。所述掃描裝置還包括上述特征的任何一個(gè)或多個(gè)。


現(xiàn)在將僅僅借助例子并參照附圖描述本發(fā)明，其中圖1顯示了本發(fā)明的磁性位置測(cè)量裝置；
圖2更詳細(xì)地顯示了圖1中裝置的傳感器陣列和磁性標(biāo)尺；圖3顯示了圖1和圖2所示裝置的高程度方框圖；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于結(jié)合15個(gè)傳感器信號(hào)的方案；圖5顯示了用于實(shí)施圖4中求和方案的電子電路；圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于結(jié)合傳感器信號(hào)的另外的方案；圖7顯示了本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器裝置；圖8是圖7的編碼器的另外的視圖；圖9概括了與圖7和8所示旋轉(zhuǎn)編碼器一起使用的求和方案；圖10顯示了用于實(shí)施圖9概括的求和方案的電子電路；圖11顯示了圖9中的求和方案如何減少第三諧波；圖12顯示了用于旋轉(zhuǎn)編碼器的另一求和方案；圖13顯示了圖12中的求和方案如何減少第三諧波；圖14顯示了圖12中的求和方案如何減少第五諧波；圖15顯示了可以沿著具有絕對(duì)和增量標(biāo)尺軌道的線性標(biāo)尺移動(dòng)的讀取頭；圖16是圖15的讀取頭和標(biāo)尺的橫截面視圖；圖17顯示了使用圖16的讀取頭來(lái)產(chǎn)生增量和絕對(duì)位置數(shù)據(jù)；圖18顯示了四個(gè)另外的求和方案；圖19A-19D顯示了應(yīng)用微分求和方案產(chǎn)生的正弦信號(hào)；圖20A-20D顯示了應(yīng)用本發(fā)明的求和方案產(chǎn)生的正弦信號(hào)；以及圖21A-21D顯示了應(yīng)用本發(fā)明的另外的求和方案產(chǎn)生的正弦信號(hào)。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，提供了本發(fā)明的磁性位置測(cè)量裝置的橫截面視圖。所述裝置包括讀取頭，所述讀取頭包括殼體2，所述殼體2通過(guò)螺釘連接件6緊固至加工機(jī)床的第一部分4。包括15個(gè)間隔開(kāi)的磁性傳感器元件的傳感器陣列8位于所述殼體2內(nèi)。傳感器陣列的每個(gè)磁性傳感器提供輸出或傳感器信號(hào)，通過(guò)處理電子件10分析所述傳感器信號(hào)。加工機(jī)床的第二部分12可以相對(duì)于機(jī)床的第一部分4移動(dòng)并且承載磁性標(biāo)尺14，所述磁性標(biāo)尺14包括周期性磁化的橡膠磁體。位于傳感器陣列8與磁性標(biāo)尺14之間的間隔(通常稱為騎跨高度)優(yōu)選做得盡可能的小以便最大化傳感器陣列8中的磁場(chǎng)。還優(yōu)選最小化當(dāng)加工機(jī)床的第一和第二部分相對(duì)于彼此移動(dòng)時(shí)騎跨高度的變化。參照?qǐng)D2，提供了上述參照?qǐng)D1所述的磁性傳感器陣列8與磁性標(biāo)尺14的示意性視圖。傳感器陣列8包括15個(gè)等距分布的磁性傳感器元件16。磁性標(biāo)尺14具有周期或間
距(pitch)p，磁性傳感器元件16彼此間隔磁性標(biāo)尺14的斜度ρ的^·。因此可見(jiàn)，傳感器陣列8的磁性傳感器元件16覆蓋磁性標(biāo)尺14的1+周期。圖2還示出了磁通量密度18的正交分量；這可以看成具有沿著磁性標(biāo)尺14的(周期P的)正弦變化。為傳感器陣列8提供15個(gè)磁性傳感器元件使得可以在磁性標(biāo)尺的1 +周期上測(cè)量磁通量密度。這允許可以從磁性傳感器信號(hào)的兩個(gè)子集產(chǎn)生余弦和正弦信號(hào) (即具有90度相位差或周期ρ的+的信號(hào))，如下將要詳述。參照?qǐng)D3，顯示了參照?qǐng)D1和2描述的磁性位置測(cè)量裝置的高程度方塊圖。產(chǎn)生于磁性標(biāo)尺14的磁通量密度B的變化由傳感器陣列8的15個(gè)磁性傳感器元件16感測(cè)。所述傳感器陣列8因此可以被看成掃描單元30的一部分，其產(chǎn)生15個(gè)磁性傳感器信號(hào)S1-S15 ； 即，通過(guò)傳感器陣列8的每個(gè)磁性傳感器元件16產(chǎn)生磁性傳感器信號(hào)。然后將所述磁性傳感器信號(hào)S1-S15傳送給求和單元34。所述求和單元34應(yīng)用下面參照?qǐng)D4所述的求和方案分別由磁性傳感器信號(hào)的第一和第二子集產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)。諸如已知類型的內(nèi)插器等評(píng)估單元36被用來(lái)產(chǎn)生一信號(hào)，該信號(hào)表示加工機(jī)床的第一和第二部分的相對(duì)位置的改變。來(lái)自評(píng)估單元36的信號(hào)按照需要被傳送給控制器或顯示單元38。圖4顯示了如何根據(jù)本發(fā)明結(jié)合15個(gè)磁性傳感器信號(hào)(S1-S15)的第一和第二子集以便產(chǎn)生上述所需的正弦和余弦信號(hào)。特別地，圖4是被結(jié)合以分別提供正弦和余弦信號(hào)的傳感器信號(hào)的兩個(gè)子集的列表。在圖4中，“ + ”表示將各自的傳感器信號(hào)添加至其它傳感器信號(hào)以形成正弦或余弦信號(hào)，“_”表示從其它傳感器信號(hào)減去相應(yīng)的傳感器信號(hào)以形成最終正弦或余弦信號(hào)，“未使用”表示在產(chǎn)生最終正弦或余弦信號(hào)中沒(méi)有使用特定的傳感器信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意，余弦信號(hào)的產(chǎn)生方式與正弦信號(hào)相同，但是傳感器相對(duì)于用來(lái)產(chǎn)生正
弦信號(hào)的傳感器偏移標(biāo)尺周期的+。還應(yīng)當(dāng)注意，磁性傳感器信號(hào)S3和S13實(shí)際上沒(méi)有使
用，因此不需要首先物理地產(chǎn)生。參照?qǐng)D5，顯示了適于用來(lái)實(shí)施圖4所概括的求和方案的電子電路。圖5所示的 15個(gè)磁性傳感器元件H1-H15相應(yīng)于上面參照?qǐng)D2所描述的15個(gè)等距分布的磁性傳感器元件。磁性傳感器元件H1-H15分別產(chǎn)生被施加至放大器V1-V15的輸入的模擬傳感器信號(hào) S1-S15。本例子中的放大器V1-V15的每一個(gè)具有相同的倍率。放大器V1-V15的選擇輸出借助電阻器R施加至兩個(gè)操作放大器Al和A2的倒相輸入及非倒相輸入。經(jīng)由另外的電阻器R’將操作放大器Al和A2的輸出反饋給它們的倒相輸入，同時(shí)非倒相輸入經(jīng)由相應(yīng)的電阻器R”連接至地面。根據(jù)圖4所概括的方案選擇施加至操作放大器Al和A2的輸入上的傳感器信號(hào)。 特別地，結(jié)合放大的模擬傳感器信號(hào)S1、S2、S11和S12并經(jīng)由相應(yīng)的電阻器R施加至操作放大器Al的非倒相輸入上。所述放大的模擬傳感器信號(hào)S5、S6、S7和S8被結(jié)合并且經(jīng)由電阻器R施加至操作放大器Al的倒相輸入。來(lái)自操作放大器Al的輸出Ua是正弦信號(hào)。所述放大的模擬傳感器信號(hào)S4、S5、S14和S15被結(jié)合并且經(jīng)由電阻器R施加至操作放大器 A2的非倒相輸入。所述放大的模擬傳感器信號(hào)S8、S9、S10和Sll被結(jié)合并且經(jīng)由電阻器R 施加至操作放大器A2的倒相輸入。來(lái)自操作放大器A2的輸出是隊(duì)，其代表余弦信號(hào)。然后將正弦和余弦信號(hào)傳輸至已知類型的內(nèi)插器。通過(guò)這種內(nèi)插器內(nèi)插的結(jié)果依賴于許多因素，例如，正弦信號(hào)和余弦信號(hào)的幅度、 偏移、相位和諧波扭曲。通常稱作細(xì)分誤差(SDE)的內(nèi)插精度的測(cè)量是用內(nèi)插產(chǎn)生的位置與周期內(nèi)實(shí)際位置之間的差別并且通常每個(gè)周期P都重復(fù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，圖4所概括的求和方案可以選擇地應(yīng)用參照?qǐng)D5所述的電路實(shí)施，其減少或大致消除了第三諧波扭曲對(duì)正弦和余弦信號(hào)的影響。當(dāng)信號(hào)被內(nèi)插以產(chǎn)生位置信息時(shí)，正弦/余弦信號(hào)質(zhì)量的這種改進(jìn)可以極大地改善所獲得的內(nèi)插精度的測(cè)量(即，SDE)。應(yīng)當(dāng)注意，之前已經(jīng)在US4595991中描述了減小第三諧波扭曲的影響，但是在先技術(shù)是復(fù)雜的，并且需要計(jì)算傅里葉系數(shù)，所述傅里葉系數(shù)被用來(lái)在六個(gè)傳感器信號(hào)被結(jié)合以提供必須的正弦/余弦信號(hào)之前對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行加權(quán)。本發(fā)明通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)的均勻加權(quán)的子集進(jìn)行加和減而提供了一種產(chǎn)生正弦/余弦信號(hào)的簡(jiǎn)單的方法。均勻加權(quán)的傳感器信號(hào)的結(jié)合還具有以下優(yōu)勢(shì)用在電子電路中的不同電阻器R均具有相同的電阻值， 從而降低了電路制造的費(fèi)用以及復(fù)雜性。上述方案允許完全消除或者至少充分地減少第三諧波對(duì)于正弦和余弦信號(hào)的影響。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種方案還減少了一些更高階諧波的影響。例如，以上方案將還減小第五和第七諧波的幅度大約73%。在大多數(shù)實(shí)際情況中，參照?qǐng)D1-5描述的方案充分地改進(jìn)了正弦/余弦信號(hào)的質(zhì)量，以致當(dāng)它們被內(nèi)插時(shí)，能獲得充分精確的位置信息。然而，可能有一些情況還需要完全去除第15諧波。參照?qǐng)D6，示出了用于產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)的傳感器信號(hào)結(jié)合方案，在所述正弦和余弦信號(hào)中，顯著減少或消除了第13和第15諧波。所述方案每一磁性標(biāo)尺周期ρ需要60
個(gè)均勻間隔開(kāi)的磁性傳感器元件，并且需要充足的磁性傳感器以覆蓋磁性標(biāo)尺的周期，
從而允許產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)。因此需要總共75個(gè)磁性傳感器元件。圖6的結(jié)合方案因此包括傳感器信號(hào)的兩個(gè)重疊的子集，用于分別產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)。參照?qǐng)D1-6所述的例子與所謂的線性編碼器相關(guān)，其中讀取頭沿著磁性標(biāo)尺的長(zhǎng)度移動(dòng)。然而，本發(fā)明同樣適用于所謂的旋轉(zhuǎn)編碼器。參照?qǐng)D7，顯示了本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器裝置。所述旋轉(zhuǎn)編碼器包括讀取頭，所述讀取頭包括殼體70，所述殼體能被緊固至加工機(jī)床(未示出)的底座。包括12個(gè)磁性傳感器的傳感器陣列72與處理電子件74 一起位于殼體70內(nèi)，所述電子件74用于分析由傳感器陣列72的磁性傳感器所產(chǎn)生的傳感器信號(hào)。磁性致動(dòng)器76設(shè)置成毗鄰讀取頭殼體70。磁性致動(dòng)器76可以包括圓柱形或圓錐形徑向極化的磁體。在使用時(shí)，所述磁性致動(dòng)器76被緊固至機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸線78并且布置成與其一起旋轉(zhuǎn)。參照?qǐng)D8，顯示了與旋轉(zhuǎn)軸線78 —起的圖7的旋轉(zhuǎn)編碼器的示意性視圖。特別地， 圖8顯示了傳感器陣列72的12個(gè)磁性(霍爾)傳感器元件H1-H12相對(duì)于磁性致動(dòng)器76 的布置。由磁性致動(dòng)器76產(chǎn)生的磁通量密度在旋轉(zhuǎn)軸線78上具有正弦分布并且由傳感器陣列72的磁性傳感器元件H1-H12感測(cè)。12個(gè)磁性傳感器元件H1-H12相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線78 均間隔大致相等的距離并且彼此角分離30°。參照?qǐng)D9，顯示了用于由傳感器信號(hào)S1-S12產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)的求和方案，傳感器信號(hào)S1-S12通過(guò)以上參照?qǐng)D8描述的磁性傳感器元件H1-H12產(chǎn)生?？梢?jiàn)，由傳感器信號(hào)的結(jié)合產(chǎn)生余弦信號(hào)，上述結(jié)合相對(duì)于產(chǎn)生正弦信號(hào)的結(jié)合偏移90度。還應(yīng)當(dāng)注意， 用于旋轉(zhuǎn)編碼器的圖9所示方案類似于圖4所示用于線性系統(tǒng)的方案。如上所述，設(shè)置在線性編碼器實(shí)施例中的三個(gè)附加的磁性傳感器元件H13-H15使得能夠從線性標(biāo)尺產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)，所述線性標(biāo)尺具有磁場(chǎng)變化的多個(gè)重復(fù)周期。在旋轉(zhuǎn)編碼器中，僅僅需要12 個(gè)磁性傳感器元件H1-H12，原因是僅僅測(cè)量來(lái)自單個(gè)可旋轉(zhuǎn)磁體的磁場(chǎng)。參照?qǐng)D10，顯示了電路，其適于實(shí)施圖9所示的求和方案。磁性傳感器元件H1-H12 分別產(chǎn)生應(yīng)用于放大器V1-V12的輸入的模擬傳感器信號(hào)S1-S12。本例子的每個(gè)放大器V1-V12具有相同的倍率。借助電阻器R將放大器V1-V12的選擇輸出應(yīng)用于兩個(gè)操作放大器Al和A2的倒相及非倒相輸入。借助另外的電阻器R’將操作放大器Al和A2的輸出反饋至它們的倒相輸入，同時(shí)非倒相輸入借助相應(yīng)的電阻器R”連接至地面。根據(jù)圖9所概括的方案選擇施加于操作放大器Al和A2的輸入的傳感器信號(hào)。特別地，放大的模擬傳感器信號(hào)Si、S2、Sll和S12被結(jié)合并且經(jīng)由相應(yīng)的電阻器R施加至操作放大器Al的非倒相輸入。放大的模擬傳感器信號(hào)S5、S6、S7和S8被結(jié)合并且借助相應(yīng)的電阻器R施加至操作放大器Al的倒相輸入。來(lái)自操作放大器Al的輸出Ua是正弦信號(hào)。 放大的模擬傳感器信號(hào)S2、S3、S4和S5被結(jié)合并且經(jīng)由相應(yīng)的電阻器R施加至操作放大器A2的非倒相輸入。放大的模擬傳感器信號(hào)S8、S9、S10和Sll被結(jié)合并且借助相應(yīng)的電阻器R施加至操作放大器A2的倒相輸入。來(lái)自操作放大器A2的輸出是Ub，其代表余弦信號(hào)。然后可以將正弦和余弦信號(hào)傳送給已知類型的內(nèi)插器。參照?qǐng)D11，顯示了圖9的求和方案如何具有抑制第三諧波的效果。特別地，圖11 顯示了 12個(gè)磁性傳感器元件H1-H12如何檢測(cè)正弦變化的具有周期ρ的磁場(chǎng)110。該周期 P相應(yīng)于第一諧波對(duì)于磁場(chǎng)輪廓影響的周期。第三諧波影響112通過(guò)定義具有的周期為周期P的三分之一。圖9概括的用于產(chǎn)生余弦信號(hào)的傳感器方案被顯示在圖11中。產(chǎn)生用來(lái)產(chǎn)生余弦信號(hào)的傳感器信號(hào)的傳感器元件(即，元件H2-H5以及H8-H11)以實(shí)心圓顯示在圖11中，而不用來(lái)產(chǎn)生余弦信號(hào)的傳感器元件被顯示為空心圓。在結(jié)合來(lái)自元件H2-H5 以及H8-H11的信號(hào)時(shí)所使用的信號(hào)也被設(shè)置成毗鄰相應(yīng)的傳感器元件。以所示方式結(jié)合傳感器信號(hào)具有以下效果，即不管磁場(chǎng)輪廓的相位或相對(duì)位置， 第三諧波信號(hào)112對(duì)余弦信號(hào)的影響總是大致為零。所有的偶數(shù)諧波以及是3的倍數(shù)的奇數(shù)諧波(例如，第9諧波，第15諧波等等)也大致被抑制了。第五和第七諧波對(duì)余弦信號(hào)的影響也充分地減小了(例如減小了大于70%)。對(duì)于正弦信號(hào)也提供了類似改進(jìn)，所述正弦信號(hào)是通過(guò)結(jié)合傳感器信號(hào)的子集產(chǎn)生的，這些傳感器信號(hào)相對(duì)于提供余弦信號(hào)的那些傳感器信號(hào)偏移了 90度。接上，可見(jiàn)，優(yōu)選磁場(chǎng)變化的每一周期ρ設(shè)置不少于12的等距間隔開(kāi)的磁性傳感器元件。這是因?yàn)榇笾孪谌C波影響(同時(shí)仍然能夠測(cè)量第一諧波)所需的均勻間隔的傳感器元件的數(shù)目?jī)?yōu)選是4和3的倍數(shù)。參照?qǐng)D7-11描述的旋轉(zhuǎn)編碼器允許完全消除或者至少充分減少第三諧波對(duì)正弦和余弦信號(hào)的影響。然而，如上所述，對(duì)于相應(yīng)的線性編碼器，存在還需要移除第15諧波的特定情況。參照?qǐng)D12，顯示了用于在旋轉(zhuǎn)編碼器中產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)的傳感器信號(hào)結(jié)合方案，其中顯著地減小或消除了第三和第五諧波。所述方案使用60個(gè)磁性傳感器元件，所述傳感器元件圍繞磁性致動(dòng)器的中心旋轉(zhuǎn)軸線均勻分布。圖12的結(jié)合方案包括分別用于產(chǎn)生正弦和余弦信號(hào)的傳感器信號(hào)的兩個(gè)重疊的子集。現(xiàn)在將參照?qǐng)D13和14解釋應(yīng)用該方案的第三和第五諧波的抑制。圖13為清楚起見(jiàn)僅顯示了磁性傳感器元件的一半，所述傳感器元件被用來(lái)實(shí)施圖12所概括的方案。特別地，傳感器元件H1-H13在圖13中顯示為圓。實(shí)心圓代表用來(lái)產(chǎn)生余弦信號(hào)的傳感器，而空心圓表示不用于此目的的傳感器。因?yàn)閮H僅顯示傳感器元件 H1-H30，所以圖13中的所有傳感器元件提供了被加在一起以形成余弦信號(hào)的信號(hào)；即，它們具有正號(hào)(+)。應(yīng)當(dāng)注意，求和方案的另一半(即應(yīng)用傳感器元件H31-H60)是相對(duì)的，并且與顯示的一半對(duì)稱，并且從其它傳感器信號(hào)中減去那些選擇的傳感器信號(hào)；即，它們具有負(fù)號(hào)㈠。同樣如圖13所示，其示出了第一諧波132的一半在磁場(chǎng)強(qiáng)度中的變化。也示出了第三諧波134的1 +周期對(duì)于磁場(chǎng)的影響?？梢?jiàn)，應(yīng)用傳感器元件的選擇子集，第三諧波對(duì)
于結(jié)合信號(hào)的凈影響將總是為零，原因是第三諧波的整個(gè)周期被同時(shí)感測(cè)。接著參照?qǐng)D14，示出了移除第五諧波對(duì)信號(hào)的影響。特別地，傳感器元件H1-H30 在圖4中顯示為圓，其具有代表用來(lái)提供余弦信號(hào)的傳感器的實(shí)心圓。也顯示了第一諧波 132和第五諧波140對(duì)結(jié)合信號(hào)的影響。第五諧波信號(hào)140被細(xì)分成三部分A、B和C。部分C超過(guò)第五諧波的一個(gè)周期，因此平均影響是零。部分B為相反的符號(hào)，并且第五諧波的平均影響是零。類似地，部分A為相反符號(hào)，因此第五諧波對(duì)結(jié)合信號(hào)的凈影響同樣是零。因此正如參照?qǐng)D13和14所解釋的，圖12所概括的結(jié)合方案可以被看作大致消除了來(lái)自結(jié)合傳感器信號(hào)的第三和第五諧波的影響。特別地，第三、第五、第九和第15諧波的幅度被大致消除了。第7、第11、第13和第17的幅度(相對(duì)于第一諧波而言)也被分別減小至大約12^^23%, %和20%。應(yīng)當(dāng)注意，每一磁場(chǎng)變化周期應(yīng)用至少420個(gè)(即， 4X3X5X7)間隔開(kāi)的傳感器元件，可以大致消除第三、第五和第七諧波。然而，在這種系統(tǒng)中，大量的附加磁性傳感器元件在成本上是禁止的，因?yàn)閷@得測(cè)量精度的相對(duì)小的改進(jìn)。如上參照?qǐng)D1-12概述的實(shí)施例應(yīng)用了所謂的有源磁性標(biāo)尺，所述標(biāo)尺由磁化 (N-S)材料區(qū)域形成。然而，本發(fā)明還可以應(yīng)用于編碼器系統(tǒng)，所述編碼器系統(tǒng)應(yīng)用所謂的無(wú)源磁性標(biāo)尺。而且，上述線性編碼器系統(tǒng)僅僅提供了相對(duì)或增量位置信息。換言之，可以分析所述正弦/余弦信號(hào)(例如，內(nèi)插)以便高精度地確定標(biāo)尺與讀取頭之間的位置的任何相對(duì)改變。正如以下將要描述的，根據(jù)本發(fā)明確定的這種高分辨率的增量位置信息可以與絕對(duì)位置的(例如較粗略的)測(cè)量相結(jié)合。參照?qǐng)D15，示出了讀取頭150，其可以沿著標(biāo)尺152的長(zhǎng)度移動(dòng)。標(biāo)尺152由磁性材料(例如鋼)形成并且包括與絕對(duì)標(biāo)尺軌道156平行的增量標(biāo)尺軌道154。所述增量標(biāo)尺軌道IM包括一系列周期性重復(fù)的標(biāo)尺記號(hào)，諸如凹槽或凸起。絕對(duì)標(biāo)尺軌道156包括一系列代碼化標(biāo)尺記號(hào)，這也可以由凹槽或凸起提供。所述絕對(duì)標(biāo)尺軌道156的標(biāo)尺記號(hào)以已知方式對(duì)一系列代碼字進(jìn)行編碼，所述代碼字限定沿著標(biāo)尺152的絕對(duì)位置。參照?qǐng)D16，提供了穿過(guò)讀取頭150和標(biāo)尺152的橫截面的示意圖。讀取頭150包括集成電路部分160，所述集成電路部分160承載多個(gè)霍爾傳感器元件(在圖16中未顯示) 和永磁體162。集成電路部分160位于永磁體162與標(biāo)尺152之間。集成電路部分160的霍爾傳感器元件被用來(lái)檢測(cè)由磁體162產(chǎn)生的磁場(chǎng)的變化，所述變化是由于標(biāo)尺152的標(biāo)尺記號(hào)產(chǎn)生的。換言之，由標(biāo)尺記號(hào)(例如，凹槽/凸起)提供的標(biāo)尺軌道152的導(dǎo)磁性的改變通過(guò)集成電路部分160的霍爾傳感器元件感測(cè)。參照?qǐng)D17，顯示了使用讀取頭150來(lái)讀取標(biāo)尺152。特別地，圖17顯示了集成電路部分160的霍爾傳感器元件。所述集成電路部分160包括用于讀取增量標(biāo)尺軌道IM的霍爾傳感器元件的第一子集170以及用于讀取絕對(duì)標(biāo)尺軌道156的霍爾傳感器元件的第二子集172。
霍爾傳感器元件的第一子集170均勻地間隔開(kāi)并且所述傳感器元件的輸出被結(jié)合，使得當(dāng)讀取頭150沿著標(biāo)尺152通過(guò)時(shí)產(chǎn)生正弦和余弦(正交相位)信號(hào)174。應(yīng)用已知技術(shù)內(nèi)插這些正弦和余弦信號(hào)174以便提供相對(duì)位置的精細(xì)增量測(cè)量。下面將更詳細(xì)地描述霍爾傳感器元件的第一子集170的布置以及它們產(chǎn)生的信號(hào)被結(jié)合的方式?；魻杺鞲衅髟牡诙蛹?72平行地讀取在絕對(duì)標(biāo)尺軌道156中編碼的一系列數(shù)據(jù)位并產(chǎn)生信號(hào)176。數(shù)據(jù)位“1”通過(guò)標(biāo)尺記號(hào)(例如，凹槽/凸起)的序列和標(biāo)尺記號(hào)的缺少而編碼，位“0”由兩次缺少標(biāo)尺記號(hào)的序列表示。應(yīng)當(dāng)注意，利用第二組172的多個(gè)霍爾傳感器元件讀取來(lái)自絕對(duì)標(biāo)尺軌道156的每個(gè)信息位，但是同時(shí)僅僅使用來(lái)自這種霍爾傳感器元件的一個(gè)選定對(duì)的數(shù)據(jù)。以這種方式，可以更可靠地讀取來(lái)自絕對(duì)標(biāo)尺軌道156 的代碼信息。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識(shí)到各種其它方法，通過(guò)這些方法可以將絕對(duì)位置數(shù)據(jù)編碼到絕對(duì)標(biāo)尺軌道中以及從其中讀取。由霍爾傳感器元件的第二組172確定的粗略的絕對(duì)位置信息與由霍爾傳感器元件的第一組170確定的精細(xì)增量位置信息相結(jié)合以提供更精細(xì)分辨率的絕對(duì)位置信息 178。通過(guò)這種方式，可以通過(guò)由增量測(cè)量獲得的更精細(xì)(子位長(zhǎng)度)分辨率來(lái)改善由絕對(duì)位置測(cè)量所提供的粗略分辨率。雖然圖17顯示了單個(gè)集成電路部分160提供霍爾傳感器元件的第一和第二子集， 但是這種傳感器組可以形成在單獨(dú)的基片上。用于分析來(lái)自霍爾傳感器元件的第一和第二組的信號(hào)的處理電路也可以設(shè)置在集成電路部分160上，或者可以提供單獨(dú)的處理電子件以執(zhí)行一些或者全部信號(hào)分析。參照?qǐng)D18，顯示了四個(gè)方案，可以利用這些方案來(lái)結(jié)合來(lái)自霍爾傳感器元件第一組170的信號(hào)，從而產(chǎn)生圖17的正弦/余弦信號(hào)174。所述方案假設(shè)增量標(biāo)尺軌道154的每個(gè)周期提供12個(gè)霍爾傳感器元件。圖18所概括的方案A是基于已知方案(現(xiàn)有技術(shù))，其被用來(lái)結(jié)合來(lái)自39個(gè)霍爾傳感器的傳感器信號(hào)，所述傳感器讀取增量標(biāo)尺軌道的3. 25個(gè)周期。在這種結(jié)合方案中， 由讀取標(biāo)尺的三個(gè)周期的霍爾傳感器元件產(chǎn)生正弦信號(hào)。特別地，依次彼此增加或減去來(lái)自六個(gè)相鄰傳感器元件塊的傳感器信號(hào)。余弦信號(hào)應(yīng)用相同的結(jié)合圖案，但是偏移標(biāo)尺周期的四分之一。圖18所概括的方案B是基于以上參照?qǐng)D4和圖9-11所描述的方案的結(jié)合方案， 但是延伸至使用來(lái)自布置在增量標(biāo)尺軌道巧4的3. 25個(gè)周期上的霍爾傳感器元件的信號(hào)。方案Cl類似于方案B，但是使用在標(biāo)尺的2. 5個(gè)周期上分布的30個(gè)磁性傳感器元
件。方案C2是方案Cl的變型并且應(yīng)用在標(biāo)尺的周期上分布的18個(gè)磁性傳感器元件。
雖然方案C2使用比方案Cl更少的磁性傳感器元件，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)對(duì)來(lái)自這些磁性傳感器元件的一些的信號(hào)進(jìn)行兩次加權(quán)而獲得大致類似的性能。在圖18中通過(guò)“x2”表示方案C2的兩次加權(quán)的傳感器信號(hào)。下面將通過(guò)顯示由上述結(jié)合方案的一些產(chǎn)生的最終正弦信號(hào)，參照?qǐng)D19-21顯示本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。另外，已經(jīng)計(jì)算了對(duì)于最終波形的每一個(gè)的所謂的細(xì)分誤差(SDE)。所述細(xì)分誤差實(shí)際上是對(duì)與任何位置測(cè)量有關(guān)的誤差的測(cè)量，所述位置測(cè)量通過(guò)內(nèi)插取自相關(guān)波形。在下面所概括的例子中，假設(shè)標(biāo)尺間距或周期是4mm。
參照?qǐng)D19A-19D，顯示了波形，所述波形通過(guò)標(biāo)尺每個(gè)周期有效地利用四個(gè)傳感器元件差別讀取標(biāo)尺而產(chǎn)生。這種方案類似于圖18所示方案A。圖19A顯示了正弦信號(hào)，其通過(guò)與標(biāo)尺間隔0. 3mm并且0度斜度的讀取頭產(chǎn)生。 17 μ m的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖19B顯示了利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)0. 3mm并且斜度為2度。38. 5μπι的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖19C顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)1.0mm并且斜度為0度。2μπι的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖19D顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)1.0mm并且斜度為2度。35 μ m的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。參照?qǐng)D20A-20D，顯示了當(dāng)應(yīng)用以上述參照?qǐng)D4所示方式布置的15個(gè)磁性傳感器元件讀取標(biāo)尺時(shí)所產(chǎn)生的波形。圖20A顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)0. 3mm并且斜度為0度。2. 6μπι的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖20Β顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)0. 3mm并且斜度為2度。37 μ m的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖20C顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)1.0mm并且斜度為0度。0.03 μ m的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖20D顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)1.0mm并且斜度為2度。35 μ m的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。參照?qǐng)D21A-21D，顯示了當(dāng)應(yīng)用根據(jù)圖18的方案C2布置的18個(gè)磁性傳感器元件讀取標(biāo)尺時(shí)所產(chǎn)生的波形。圖21A顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)0. 3mm并且斜度為0度。2. 6μπι的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖21Β顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)0. 3mm并且斜度為2度。8. 2μπι的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖21C顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)1.0mm并且斜度為0度。0.03 μ m的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。圖21D顯示利用讀取頭產(chǎn)生的正弦信號(hào)，所述讀取頭與標(biāo)尺間隔開(kāi)1.0mm并且斜度為2度。1.3ym的細(xì)分誤差與這樣的信號(hào)相關(guān)。從圖20A-20D可以看出，參照?qǐng)D4描述的結(jié)合方案與圖19A-19D所示類型的差別方案相比減小了細(xì)分誤差。特別地，如果讀取頭相對(duì)于標(biāo)尺的斜度減小，則這種方案提供了顯著的改進(jìn)。圖21A-21D顯示了如何應(yīng)用圖18的結(jié)合方案C2減小斜度變化的影響。應(yīng)當(dāng)注意，雖然上述例子是磁性的，但是本發(fā)明可以應(yīng)用于其它類型的編碼器，例如，光學(xué)編碼器、電容編碼器等等。
權(quán)利要求
1.一種用于位置編碼器的掃描裝置，包括用于產(chǎn)生多個(gè)傳感器信號(hào)的多個(gè)傳感器元件；用于產(chǎn)生至少第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)的求和單元，所述求和信號(hào)提供關(guān)于所述掃描裝置與關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)的信息；其中由所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集產(chǎn)生所述第一求和信號(hào)，并且由所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集產(chǎn)生第二求和信號(hào)；其特征在于，所述多個(gè)傳感器元件相對(duì)彼此大致均勻地間隔開(kāi)，并且關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的每一周期設(shè)置N個(gè)傳感器元件，其中N是整數(shù)并且是3和4的倍數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描裝置，其特征在于，當(dāng)所述掃描裝置相對(duì)于關(guān)聯(lián)標(biāo)尺移動(dòng)時(shí)，所述第一求和信號(hào)和所述第二求和信號(hào)周期地改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的掃描裝置，其特征在于，所述第一求和信號(hào)包括正弦信號(hào)，所述第二求和信號(hào)包括余弦信號(hào)。
4.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集與所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集不同但是重疊。
5.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，包括至少12個(gè)傳感器元件。
6.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集被選擇成使得當(dāng)所述傳感器信號(hào)由求和單元累加在一起時(shí)，所述第三諧波分量對(duì)所述第一求和信號(hào)的影響大致是零。
7.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，所述第一和/或第二子集的每一個(gè)的傳感器信號(hào)在通過(guò)所述求和單元結(jié)合之前優(yōu)選僅被加權(quán)整數(shù)數(shù)值。
8.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，所述掃描裝置用于讀取線性標(biāo)尺，所述線性標(biāo)尺包括一系列周期性重復(fù)的標(biāo)尺記號(hào)，其中所述掃描裝置包括間隔開(kāi)的傳感器元件的線性陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的掃描裝置，其特征在于，所述多個(gè)傳感器元件被布置成覆蓋關(guān)聯(lián)線性標(biāo)尺的多于1個(gè)的周期。
10.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，所述掃描裝置用于讀取旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺，所述掃描裝置包括多個(gè)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線大致等距間隔開(kāi)的傳感器元件，并且所述多個(gè)傳感器元件彼此分離大致相等的角度。
11.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，所述多個(gè)傳感器元件包括多個(gè)磁性傳感器元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的掃描裝置，其特征在于，包括一磁體，其中所述多個(gè)傳感器元件位于所述磁體的磁場(chǎng)中。
13.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，包括一內(nèi)插單元，用于內(nèi)插所述第一求和信號(hào)和所述第二求和信號(hào)，以提供內(nèi)插的位置輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的掃描裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括絕對(duì)位置標(biāo)尺讀取器， 用于從關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的絕對(duì)標(biāo)尺軌道讀取數(shù)據(jù)位以提供絕對(duì)位置信息，所述掃描裝置進(jìn)一步包括位置計(jì)算單元，用于結(jié)合所述內(nèi)插的位置輸出和所述絕對(duì)位置信息以提供增強(qiáng)分辨率的絕對(duì)位置信息。
15.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置，其特征在于，所述求和單元和所述多個(gè)傳感器元件的其中至少之一被設(shè)置在公共基片上。
16.一種位置編碼器裝置，包括根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的掃描裝置以及標(biāo)尺。
17.一種用于測(cè)量位置的方法，包括以下步驟(i)從多個(gè)傳感器元件接收多個(gè)傳感器信號(hào)，以及(ii)從所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集產(chǎn)生第一求和信號(hào)，以及從所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集產(chǎn)生第二求和信號(hào)，其特征在于，所述多個(gè)傳感器元件相對(duì)于彼此大致均勻地間隔開(kāi)，并且關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的每一周期設(shè)置N個(gè)傳感器元件，其中N是整數(shù)并且是3和 4的倍數(shù)。
18.一種用于位置編碼器的掃描裝置，包括用于產(chǎn)生多個(gè)傳感器信號(hào)的多個(gè)傳感器元件；用于產(chǎn)生至少第一求和信號(hào)和第二求和信號(hào)的求和單元，所述求和信號(hào)提供關(guān)于所述掃描裝置與關(guān)聯(lián)標(biāo)尺的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)的信息；其中由所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集產(chǎn)生所述第一求和信號(hào)，并且由所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集產(chǎn)生第二求和信號(hào)；其特征在于，所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第一子集被選擇成使得當(dāng)所述傳感器信號(hào)通過(guò)求和單元累加在一起時(shí)，第三諧波分量對(duì)所述第一求和信號(hào)的影響大致是零。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的掃描裝置，其特征在于，所述多個(gè)傳感器信號(hào)的第二子集被選擇成使得當(dāng)所述傳感器信號(hào)通過(guò)求和單元累加在一起時(shí)，第三諧波分量對(duì)所述第二求和信號(hào)的影響大致是零。
全文摘要
描述了一種用于位置編碼器的掃描裝置(150)，其包括用于產(chǎn)生多個(gè)傳感器信號(hào)(S)的多個(gè)傳感器元件(16；H)。還提供求和單元(34)，用于產(chǎn)生至少第一求和信號(hào)(Sin)和第二求和信號(hào)(Cos)，所述求和信號(hào)提供關(guān)于掃描裝置與關(guān)聯(lián)標(biāo)尺(14；152)的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)的信息。所述第一求和信號(hào)(Sin)由多個(gè)傳感器信號(hào)(S)的第一子集產(chǎn)生，所述第二求和信號(hào)(Cos)由多個(gè)傳感器信號(hào)(S)的第二子集產(chǎn)生。所述多個(gè)傳感器元件(16；H)相對(duì)彼此大致均勻地間隔開(kāi)，并且關(guān)聯(lián)標(biāo)尺(14)的每一周期(p)設(shè)置N個(gè)傳感器元件，其中N是整數(shù)并且是3和4的倍數(shù)。以這種方式，抑制了第三諧波對(duì)于求和信號(hào)(Sin/Cos)的影響。
文檔編號(hào)G01D5/36GK102341674SQ201080010455
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
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