電容式線性編碼器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的電容式線性編碼器，涉及根據(jù)權(quán)利要求12的用于精確地利用這種線性編碼器來(lái)確定位置的方法，并且涉及根據(jù)權(quán)利要求15的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002]在要確定可沿直線路徑移動(dòng)的部件的位置(例如，機(jī)器組件在直線軸上的位置)的許多應(yīng)用領(lǐng)域中，需要用于精確的距離測(cè)量的線性編碼器。在這種情況下檢測(cè)到的位置可被用作測(cè)量用途的位置值，或者用于借助于具有位置控制回路的驅(qū)動(dòng)器來(lái)對(duì)組件定位。這種線性位置編碼器因此在諸如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)、大地測(cè)量裝置、機(jī)器人手臂或液壓致動(dòng)器的裝置中被發(fā)現(xiàn)。
[0003]為此，線性編碼器包括標(biāo)尺(scale)和用于掃描或讀取該標(biāo)尺的讀取頭，標(biāo)尺和讀取頭可彼此相對(duì)地沿進(jìn)給方向移動(dòng)，并且線性編碼器還包括用于調(diào)節(jié)測(cè)量過(guò)程并用于將讀取頭所生成的掃描信號(hào)分配到一位置的控制與評(píng)估單元。在這種情況下，根據(jù)需求和結(jié)構(gòu)可能性，沿進(jìn)給方向延伸的讀取頭固定并且標(biāo)尺可移動(dòng)(例如，通過(guò)將標(biāo)尺連接至要被檢測(cè)線性移動(dòng)的可移動(dòng)物體)；或者沿進(jìn)給方向延伸的標(biāo)尺固定地定位，而讀取頭相對(duì)于標(biāo)尺移動(dòng)，例如，依靠設(shè)置有讀取頭的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量滑軌在裝配至測(cè)量臺(tái)的標(biāo)尺上移動(dòng)的事實(shí)。原則上，不同的物理作用原理適于掃描目的，例如，諸如光學(xué)或電容式掃描。在這種情況下，與可比較的光學(xué)線性編碼器相比，電容式線性編碼器提供了功耗低和構(gòu)造更具成本效益的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]已知增量和絕對(duì)線性編碼器。對(duì)于絕對(duì)系統(tǒng)的情況來(lái)說(shuō)，可以依靠在整個(gè)測(cè)量區(qū)段上具有由唯一的代碼字組成的絕對(duì)位置編碼的標(biāo)尺，將位置直接分配給讀取頭相對(duì)于標(biāo)尺的每一個(gè)相對(duì)位置，其可通過(guò)控制與評(píng)估單元精確地分配一個(gè)位置。相反，在利用增量確定位置的線性編碼器的情況下，掃描信號(hào)不是唯一的，而是在整個(gè)測(cè)量區(qū)域上被重復(fù)多次。增量所對(duì)應(yīng)的距離被存儲(chǔ)在線性編碼器的控制與評(píng)估單元中。從而，在標(biāo)尺和讀取頭的相對(duì)移動(dòng)期間所涵蓋的距離和由此的相對(duì)位置可以通過(guò)倒計(jì)數(shù)該增量來(lái)確定。為了按絕對(duì)關(guān)系定位這種相對(duì)位置，作為絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的限定的零位置被用作相對(duì)移動(dòng)期間的基礎(chǔ)。這種零位置或零點(diǎn)由標(biāo)尺上(或者在固定標(biāo)尺情況下的讀取頭上)可由讀取頭檢測(cè)的位置基準(zhǔn)標(biāo)記物(marker)來(lái)限定。在電容式測(cè)量系統(tǒng)中，這種位置基準(zhǔn)標(biāo)記物通常基于磁或感應(yīng)作用原理，而非基于電容作用原理。
[0005]相反，EP 1173730 BI公開(kāi)了一種包括位置基準(zhǔn)標(biāo)記物的電容式線性編碼器，該位置基準(zhǔn)標(biāo)記物限定基于電容作用原理的零點(diǎn)。該線性編碼器包括具有矩形接收器電極的標(biāo)尺，該矩形接收器電極可借助于矩形接收板通過(guò)讀取頭以電容方式掃描。作為索引化絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置基準(zhǔn)標(biāo)記物，使用標(biāo)尺上彼此相鄰的兩個(gè)附加矩形接收器電極，與用于限定增量的其它接收器電極相比，所述兩個(gè)附加矩形接收器電極在進(jìn)給方向上具有更大寬度。該零點(diǎn)借助于在掃描這兩個(gè)附加接收器電極時(shí)出現(xiàn)的電容信號(hào)之差和之和兩種的聯(lián)合評(píng)估來(lái)索引化。
[0006]然而，特別是在具有相對(duì)較長(zhǎng)的測(cè)量區(qū)段的電容式線性編碼器的情況下，基于從零點(diǎn)開(kāi)始倒計(jì)數(shù)的增量的位置的絕對(duì)位置在本質(zhì)上易于出錯(cuò)，例如，作為有錯(cuò)誤的增量數(shù)量或在倒計(jì)數(shù)增量時(shí)的錯(cuò)誤的結(jié)果，例如，作為有噪聲或受干擾掃描信號(hào)的結(jié)果。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的線性編碼器的情況下，避免或補(bǔ)償這種有錯(cuò)誤的絕對(duì)位置值需要高精度制造并高精度安裝的標(biāo)尺、用于電氣屏蔽的復(fù)雜裝置(例如，如在EP 1173730 BI中提出的)和/或復(fù)雜的糾錯(cuò)措施。這種措施是昂貴的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的電容式線性編碼器。
[0008]本發(fā)明的另一目的是，提供一種包括改進(jìn)的電容式位置基準(zhǔn)標(biāo)記物的電容式線性編碼器。
[0009]本發(fā)明的另一目的是，提供一種具有簡(jiǎn)化的電氣屏蔽的電容式線性編碼器。
[0010]本發(fā)明的另一目的是，提供一種用于這種線性編碼器的用于確定位置的方法。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，這些目的借助于獨(dú)立權(quán)利要求書(shū)的特征化特征來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者這些解決方案借助于附屬權(quán)利要求的特征來(lái)開(kāi)發(fā)。
[0012]本發(fā)明涉及一種用于確定沿進(jìn)給方向的位置的電容式線性編碼器。該線性編碼器包括:具有特別是發(fā)射器電極的多個(gè)第一耦合電極的讀取頭、以及具有特別是接收器電極的多個(gè)第二耦合電極的標(biāo)尺，其中，所述標(biāo)尺和所述讀取頭可在所述進(jìn)給方向上彼此相對(duì)位移，并且所述標(biāo)尺可根據(jù)電容作用原理借助于所述讀取頭被掃描。而且，所述線性編碼器包括控制與評(píng)估單元。所述第一耦合電極具有彼此相對(duì)偏移的至少三個(gè)耦合信號(hào)相。換句話說(shuō)，所述第一耦合電極按至少三個(gè)組分類(lèi)，其中，每一個(gè)第一耦合電極都剛好與一組相關(guān)聯(lián)。優(yōu)選地使用在各個(gè)情況下彼此相對(duì)偏移四分之一的四個(gè)相。所述耦合信號(hào)相的序列或所述第一耦合電極的序列通過(guò)相排列來(lái)限定，使得在各個(gè)情況下，一系列相鄰的第一耦合電極形成相排列間隔，在下文中簡(jiǎn)稱(chēng)為P間隔，其中，所述讀取頭可選地具有數(shù)量為M的相同P間隔。在這種情況下，如根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的(例如，US 6940278 B2)，相排列被理解成意指這樣的原理，即，與相序列的最簡(jiǎn)單的可能性相比(其中，各個(gè)直接相鄰的第一耦合電極具有相應(yīng)的緊接著的下一相)，相的序列在與P間隔相對(duì)應(yīng)的特定區(qū)段上改變，其中在整個(gè)耦合電極系列上保持相的均勻分布。
[0013]所述第二耦合電極優(yōu)選地全部形成相同的形狀，就是說(shuō)，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上相同并且具有相同形狀和尺寸(寬度、長(zhǎng)度、厚度)。所述第一耦合電極的寬度和所述第二耦合電極的寬度彼此協(xié)調(diào)，其中，所述耦合電極的寬度被理解成意指在所述進(jìn)給方向上的最大或平均范圍，而且對(duì)應(yīng)地，所述耦合電極的長(zhǎng)度被理解成意指橫貫所述進(jìn)給方向的最大或平均范圍。借助于電容耦合，在所述控制與估算單元的控制下，在所述第一耦合電極與所述第二耦合電極之間交換在時(shí)間上變化的耦合信號(hào)。
[0014]在所述第一耦合電極與所述第二耦合電極之間交換耦合信號(hào)取決于所述標(biāo)尺相對(duì)于所述讀取頭的相對(duì)位置，為此，借助于對(duì)在所述第一耦合電極與所述第二耦合電極之間發(fā)送的耦合信號(hào)的信號(hào)評(píng)估和存儲(chǔ)在所述控制與評(píng)估單元中的信息，由所述控制與評(píng)估單元來(lái)確定作為所述讀取頭相對(duì)于所述標(biāo)尺的相對(duì)位置的位置。優(yōu)選地，所述耦合電極和耦合信號(hào)優(yōu)選地借助于它們的成形而彼此協(xié)調(diào)，使得所述耦合信號(hào)的正弦曲線通過(guò)所述標(biāo)尺相對(duì)于所述讀取頭的位移而生成。在這種情況下，所述位置確定根據(jù)增量測(cè)量原理來(lái)執(zhí)行。對(duì)于差分(differential)信號(hào)評(píng)估來(lái)說(shuō)，所述第二耦合電極被劃分成至少兩個(gè)彼此相反的類(lèi)型。在優(yōu)選地兩種類(lèi)型的情況下，所有“偶數(shù)”耦合電極運(yùn)送“正”耦合信號(hào)，而所有“奇數(shù)”耦合電極運(yùn)送與其相對(duì)的逆“負(fù)”耦合信號(hào)。在這種情況下，同一類(lèi)型的相應(yīng)的隔一個(gè)的第二耦合電極(換句話說(shuō)，在所述進(jìn)給方向上直接相鄰的所述第二耦合電極)彼此相反。對(duì)于所述標(biāo)尺的簡(jiǎn)單構(gòu)造來(lái)說(shuō)，一種類(lèi)型的所述第二耦合電極優(yōu)選地在相對(duì)于另一類(lèi)型的耦合電極按相反方向上對(duì)準(zhǔn)，就是說(shuō)，彼此相對(duì)地旋轉(zhuǎn)180°。
[0015]所述標(biāo)尺按無(wú)源方式具體實(shí)施，就是說(shuō)，所述標(biāo)尺與外部沒(méi)有電氣接觸，例如，采用供電線或信號(hào)線的形式。為了分接(tap off)所述耦合信號(hào)來(lái)說(shuō)，所述線性編碼器或所述標(biāo)尺包括用于在所述標(biāo)尺與所述讀取頭之間發(fā)送所述耦合信號(hào)的信號(hào)傳遞裝置。在這種情況下，借助于所述信號(hào)傳遞裝置發(fā)送耦合信號(hào)不取決于位置，像在所述第一耦合電極與第二耦合電極之間交換耦合信號(hào)一樣。
[0016]所述標(biāo)尺還具有至少一個(gè)位置基準(zhǔn)標(biāo)記物。所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物優(yōu)選為電容式，就是說(shuō)，所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物可根據(jù)與所述第二耦合電極相同的作用原理來(lái)掃描或檢測(cè)。在這種情況下，相應(yīng)的位置基準(zhǔn)標(biāo)記物借助于所述信號(hào)傳遞裝置形成。為此，一個(gè)或多個(gè)所述信號(hào)傳遞裝置被修改成在所述標(biāo)尺的限定位置基準(zhǔn)的位置處精確。為了標(biāo)識(shí)位置基準(zhǔn)標(biāo)記物，所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物可借助于由所述控制與評(píng)估單元控制的所述標(biāo)識(shí)信號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。
[0017]換句話說(shuō)，借助于位于所述標(biāo)尺的所限定的位置處的位置基準(zhǔn)標(biāo)記物，在各個(gè)情況下限定位置基準(zhǔn)，以參照該位置?？蛇x地，位置基準(zhǔn)標(biāo)記物用于限定所述標(biāo)尺的絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)，例如，零點(diǎn)或其它絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)，由此，所述增量確定位置可按絕對(duì)關(guān)系定位。因此可選地，絕對(duì)基準(zhǔn)由所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物中的一個(gè)提供，由此，所述位置可按例如從零點(diǎn)開(kāi)始的絕對(duì)關(guān)系來(lái)確定。另外或另選地，一個(gè)或多個(gè)位置基準(zhǔn)標(biāo)記物用于驗(yàn)證按絕對(duì)關(guān)系定位的所述位置，就是說(shuō)，所述絕對(duì)位置可借助于所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物或多個(gè)位置基準(zhǔn)標(biāo)記物來(lái)檢查。換句話說(shuō)，這種位置基準(zhǔn)標(biāo)記物在各個(gè)情況下都提供位置基準(zhǔn)，基于該位置基準(zhǔn)，在第一耦合電極與第二耦合電極之間發(fā)送的耦合信號(hào)以及絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，可以確定按照絕對(duì)關(guān)系確定的位置的錯(cuò)誤。在這種情況下，絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)優(yōu)選地由根據(jù)本發(fā)明的電容式位置基準(zhǔn)標(biāo)記物形成，例如，通過(guò)用于驗(yàn)證的所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物本身或者通過(guò)第二位置基準(zhǔn)標(biāo)記物。
[0018]如果所述標(biāo)尺具有多個(gè)位置基準(zhǔn)標(biāo)記物，則所述多個(gè)位置基準(zhǔn)標(biāo)記物在進(jìn)給方向上按限定的方式分布在所述標(biāo)尺上，就是說(shuō)，所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物在所述標(biāo)尺的所有區(qū)域中按限定距離被發(fā)現(xiàn)。在此情況下，遵守最小密度，就是說(shuō)，在整個(gè)標(biāo)尺上平均地和/或所述標(biāo)尺每單位長(zhǎng)度的每區(qū)段地，存在最小數(shù)量的位置基準(zhǔn)標(biāo)記物，其中，可選地，不超出所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物之間的最大距離。所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物之間的單個(gè)距離以及相應(yīng)地每一個(gè)單個(gè)位置基準(zhǔn)標(biāo)記物與零點(diǎn)之間的距離被存儲(chǔ)在所述控制與評(píng)估單元中。優(yōu)選地，所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物在整個(gè)標(biāo)尺上的分布是均勻的，就是說(shuō)，所述位置基準(zhǔn)標(biāo)記物在所述進(jìn)給方向上的相對(duì)于彼此的距離是恒定的，就是說(shuō)，所有位置基準(zhǔn)標(biāo)記物彼此都處于相同的距離，在該情況下，單個(gè)距離值被存儲(chǔ)在所述控制與評(píng)估單元中。
[0019]在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述線性編碼器包括具有電容作用原理的信號(hào)傳遞裝置，其被具體實(shí)施為傳遞電極。在這種情況下，針對(duì)每個(gè)類(lèi)型的第二耦合電