CN104880141A - 用于力指示卡尺的位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卡尺，包括标尺构件、滑动器、滑动器位移传感器和力感测装置。所述力感测装置被构造成提供指示测量力的信号，并且包括制造在与所述滑动器位移传感器相同的电路板上的元件。在一个执行方案中，所述力感测装置包括制造在所述电路板的一个或多个金属层中的驱动和感测线圈。还包括附接至力致动器的信号调制元件(例如，金属芯部)，所述力致动器依据被施加的测量力的量进行移动。所述力致动器相对于线性移位的线圈移动，并且所附接的信号调制元件会影响线圈之间的电感耦合。可以利用来自线圈的所得到信号来确定所述信号调制元件的位置和对应的测量力。

Description

用于力指示卡尺的位移传感器

技术领域

本发明一般涉及精密测量仪器，特别涉及具有用于测量物体尺寸的可移动钳的卡尺。

背景技术

已知各种使用电子位置编码器的电子卡尺。这些编码器一般基于低功率电感、电容或磁性位置感测技术。一般而言，编码器可以包括读数头和标尺。读数头一般可以包括读数头传感器和读数头电子装置。读数头输出的信号沿着测量轴作为读数头传感器相对于标尺的位置的函数而变化。在电子卡尺中，标尺一般附至包括第一测量钳的细长的标尺构件，并且读数头附至沿着标尺构件可移动且包括第二测量钳的滑动器。因而，两个测量钳之间的距离的测量结果可以基于来自读数头的信号而确定。

示例性电子卡尺公开在共同转让的美国专利号RE37490、5,574,381和5,973,494中，其中每个专利的全部内容借此通过引用并入本文中。能够测量力的现有技术电子卡尺公开在美国专利出版物No.2003/0047009中(“'009出版物”)。如'009出版物描述的，使用现有卡尺的一个缺陷是可由测量钳施加的力的变化以及可作为结果而发生的测量结果的差异。特别当测量柔软物体时，物体的测量结果可以是不可靠的或不可重复的，因为一个人在卡尺的钳上或者可以施加较高的力，使得柔软物体“压缩过量”，或者施加较低的力，使得柔软物体“压缩不足”。作为一种解决方案，'009出版物公开的卡尺能够测量施加到物体的大小和力两者，其可以被分析以提供更可重复的测量结果。用将支架附接至读数头的应变计传感器来测量力。应变计传感器输出的信号涉及施加到由卡尺测量的物体的力的量，并且信号传递至印刷电路板。虽然'009出版物并未公开采用力测量，如此做所利用的构造需要使用和附接应变计传感器。另外，信号必须设法传递到印刷电路板，需要利用附加布线或其它联接技术。此外，可能需要专门的处理将来自应变计传感器的信号转换成用于卡尺的有用力读数。更经济的构造存在这样的需求：指示卡尺上的力的水平，同时最小化外部电子部件和附接到印刷电路板的需求，并且在卡尺应用的典型环境中可靠地操作。

发明内容

本发明内容设置为以简化的形式引入一种概念的选择，其在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并不意在确定所要求保护的主题的重要特征，也不意在用作辅助来确定所要求保护的主题的范围。

提供了一种电动卡尺，包括标尺构件、滑动器、滑动器位移传感器和力感测装置。所述标尺构件包括在测量期间位于工件上的第一测量表面。所述滑动器包括在测量期间位于工件上的第二测量表面。所述滑动器位移传感器被构造成提供响应于所述滑动器沿着所述标尺构件的位置的改变的位置信号，并且包括制造于电路板上的电信号感测元件，所述电路板承载在所述滑动器上。

所述测量力感测装置也位于所述滑动器上，并且包括力致动器、力元件位移传感器和力感测电路。所述力致动器相对于所述电路板移动。所述力元件位移传感器包括至少一个电信号感测元件和至少一个信号调制元件。所述至少一个电信号感测元件相对于所述电路板固定。所述至少一个信号调制元件联接到所述力致动器，并且接近所述至少一个电信号感测元件。所述力感测电路位于所述电路板上，并且联接到所述至少一个电信号感测元件。所述测量力感测装置被构造成提供一力信号，所述力信号响应于在测量过程期间通过所述第一测量表面和第二测量表面中的至少一个的由用户施加在工件上的测量力的改变。

在各种执行方案中，所述力致动器可以包括联接到力弹簧刚度弹簧(force spring rate spring)的刚性元件，所述力弹簧刚度弹簧的尺寸通过所述力致动器由用户加以改变而使测量力变化。所述至少一个信号调制元件可以联接到所述力致动器，并且可以被构造成对应于改变的尺寸且接近所述至少一个电信号感测元件而移动。所述至少一个电信号感测元件可以制造在承载于所述滑动器上的所述电路板的金属层中。所述力感测电路可以响应于所述至少一个信号调制元件相对于所述至少一个电信号感测元件的位置。

在各种执行方案中，所述至少一个电信号感测元件可以包括具有电感的可变电感元件，电感取决于所述至少一个信号调制元件的位置。所述力元件位移传感器可以进一步包括电感耦合到所述至少一个可变电感元件的至少一个电感驱动元件，其中所述电感耦合取决于所述至少一个信号调制元件的位置。所述至少一个信号调制元件可以包括有色金属导体或铁氧体材料中的至少一种。

在各种执行方案中，所述至少一个可变电感元件可以包括至少两个平面线圈，所述至少两个平面线圈制造在承载于所述滑动器上的所述电路板的金属层中。在一个执行方案中，所述至少两个平面线圈可以关于彼此对称，并且当处于停靠位置时，所述信号调制元件可以覆盖所述至少两个平面线圈中的每个的大约一半。

在各种执行方案中，所述至少一个可变电感元件可以包括平面信号线圈，并且所述电感驱动元件可以包括平面驱动线圈，所述平面驱动线圈制造在承载于所述滑动器上的所述电路板的金属层中。所述平面信号线圈和所述平面驱动线圈可以被构造成包围一共享面积。在一个执行方案中，所述电路板可以包括两层，其中所述平面信号线圈和所述平面驱动线圈可以制造在所述电路板的同一金属层中。在其它执行方案中，所述电路板可以包括四层，并且所述平面信号线圈和所述平面驱动线圈可以制造在所述电路板的不同金属层中。

在各种执行方案中，所述滑动器位移传感器可以接收来自驱动电路的位置驱动信号，并且所述驱动电路还可以将力驱动信号提供给所述力元件位移传感器。在一个执行方案中，所述位置驱动信号和所述力驱动信号可以提供于所述驱动电路的不同时钟周期期间。

在各种执行方案中，承载于所述滑动器上的所述电路板可以在所述电路板的安装区域抵接所述滑动器。另外，所述滑动器位移传感器的电信号感测元件可以在位于远离所述安装区域的第一横向方向上的标尺区域中交叠所述标尺构件。此外，所述力元件位移传感器的至少一个电信号感测元件可以布置在位于远离所述安装区域的相反横向方向上的区域中。将要理解的是，在该构造中，除其通常的滑动器功能外，所述金属滑动器还可以起作用来屏蔽所述两个位移传感器彼此的信号。

附图说明

图1是手工具类型卡尺的分解视图，其包括标尺和滑动器，其中力元件位移传感器的信号调制元件附接至第一实施方式的力致动器组件。

图2是图1的力致动器组件的分解视图，附接有信号调制元件。

图3是附接有信号调制元件的力致动器组件第二实施方式的等距视图。

图4A和4B是图示响应于信号调制元件的力元件位移传感器第一实施方式的视图。

图5A-5D是图示响应于信号调制元件的力元件位移传感器第二实施方式的视图。

图6是图示力元件位移传感器的各种操作原理的示意图。

具体实施方式

图1是手工具类型卡尺100的分解视图，其中信号调制元件250附接至第一实施方式的力致动器组件182。在该示例中，卡尺100包括滑动器位移传感器158(例如，磁性或电感传感器组件)和标尺基板125，标尺基板125包括沿着细长的标尺构件102定位在沟槽127中的标尺轨道126(图示了每个的切掉部分)。将要理解的是，在其它实施方式中，可以利用其它类型的滑动器位移传感器158(例如，电容，等)。滑动器组件170包括附接至滑动器130的电子组件160。滑动器位移传感器158包括在电子组件160中。卡尺100的通用机械结构和物理操作类似于某些现有电子卡尺，诸如共同转让的美国专利号5,901,458的电子卡尺，其全部内容借此通过引用并入本文中。标尺构件102是刚性或半刚性的杆，其可以包括各种沟槽和/或并入大致矩形的横截面中的其它特征。标尺基板125可以刚性地结合在沟槽127中，并且标尺轨道126可以包括标尺元件，以类似于在已知电子卡尺中使用的且如先前并入的RE37490和5,901,458专利以及共同转让的美国专利号6,400,138(其全部内容通过引用并入本文中)所描述的方式，标尺元件与包括于电子组件160中的滑动器位移传感器158的相应元件(未示出)共同操作。

一对钳108和110一体地形成在标尺构件102的第一端附近。对应的一对钳116和118形成在滑动器130上。通过将工件放置在钳108和116的一对接合表面114之间来测量工件的外侧尺寸。类似地，通过将钳110和118的一对接合表面122放置在工件的相对内部表面上来测量工件的内侧尺寸。在有时被称为零位置的位置上，接合表面114彼此抵接，接合表面122对准，并且由卡尺100测量的外侧尺寸和内侧尺寸两者可以指示为零。

被测量尺寸可以显示在数字显示器144上，其安装在卡尺100的电子组件160的盖140内。电子组件160还可以包括推动按钮开关141(例如，“原点”开关)、力状态指示器142(例如，两色光或三色光)和信号处理和显示电路板150。力阈值设定操作更详细地描述在2012年12月5日提交的标题为“System and Method for Setting Measurement Force Thresholds in a ForceSensing Caliper”的共同未决和共同转让的美国专利申请序列号13/706,225(后文为“'225申请”)中，其全部内容借此通过引用并入本文中。如'225申请中描述的，在一个执行方案中，推动按钮开关141可以用作设定力阈值的工艺的一部分，并且力状态指示器142可以用于提供力阈值信号(例如，当力在期望的测量范围内时为“绿”，并且当力已超过期望的测量范围时为“红”。)

信号处理和显示电路板150可以包括读数头信号处理和控制电路159。如图1示出的，信号处理和显示电路板150的底表面可以安装成在标尺构件102的任一侧抵接滑动器130的顶表面。

力测量装置180包括安装到滑动器130的各种部件。如下文将要更详细地描述的，力测量装置180包括力感测装置，它在该特定实施方式中由第一实施方式的力致动器组件182和力元件位移传感器200提供。力元件位移传感器200包括位移信号元件205、信号调制元件250和力致动器元件252的布置。如下文关于图6将要更详细地描述的，位移信号元件205的布置制造于电路板150的一个或多个金属层中，并且生成指示信号调制元件250位置的电信号。读数头信号处理和控制电路159包括力感测电路，力感测电路从位移信号元件205的布置接收力感测信号用于确定力测量结果。读数头信号处理和控制电路159还可以提供驱动信号给位移信号元件205的布置，这将在下文关于图6更详细地进一步描述。

在一个实施方式中，信号调制元件250包括附接至力致动器元件252的期望材料，其机械地联接到力致动器组件182或成为力致动器组件182的一部分。在另一实施方式中，信号调制元件250可以包括与力致动器元件252相同的材料和/或可以包括它的一部分。力致动器组件182包括拇指轮191、力致动器主体192、引导杆/支撑件194和致动器力弹簧刚度弹簧196。当用户在拇指轮191上推动以移动滑动器130朝向标尺构件102的第一端时，力致动器元件252和附接的信号调制元件250相对于位移信号元件205的布置被向前推动以引导的方式沿着卡尺测量轴方向移动。信号调制元件250布置有接近位移信号元件205的相对较小的间隙，使得它们沿着测量轴方向感测其相对位置，这将在下文关于图6更详细地描述。将要理解的是，信号调制元件250的位置对应于致动器力弹簧刚度弹簧196的压缩或延伸，并且因此指示对应的测量力。

在各种执行方案中，电路板150可以在电路板150的一个或多个安装区域抵接滑动器130。更具体地，如图1示出的，电路板150具有安装区域157A和157B，安装区域157A和157B抵接位于滑动器130上的对应安装区域137A和137B。另外，滑动器位移传感器158的电信号感测元件(未示出)可以交叠位于远离安装区域157A的第一横向方向D1上的标尺轨道126中的标尺构件102。此外，力元件位移传感器200的位移信号元件205的布置的(如将在下文关于图4A、4B和5A-5D更详细地描述的)至少一个电信号感测元件可以布置在位于远离安装区域157A的相反横向方向D2上的区域之中。将要理解的是，在该构造中，除其通常的滑动器功能之外，金属滑动器130还可以起作用来屏蔽滑动器位移传感器158和力元件位移传感器200彼此的同步信号。

在各种执行方案中，致动器力弹簧刚度弹簧196可以是单个弹簧，或者可以由分开的弹簧刚度弹簧部196A和196B组成，这将在下文关于图2更详细地描述。如图1示出的，致动器力弹簧刚度弹簧196围绕着引导杆/支撑件194，引导杆/支撑件194接收在滑动器130的引导杆/支撑孔195内。当用户在拇指轮191上推动以移动滑动器130朝向标尺构件102的第一端时，致动器力弹簧刚度弹簧196(或是图2的弹簧刚度弹簧部196A)被压缩。如将在下文更详细地描述的，致动器力弹簧刚度弹簧196(或是弹簧部196A和196B)的利用允许力的平缓增加或降低发生在一定范围的位置上。重要的是，当在测量工艺期间尝试施加控制以提供期望量的力时，这导致用户的更好控制和更好“感知”。

图2是图1的力致动器组件182的分解视图。如图2图示的，在一个执行方案中，引导杆/支撑件194可以束缚在致动器力弹簧刚度弹簧196的两个弹簧部196A和196B之间，在一些实施方式中这也可以是两个分开的弹簧。两个致动器力弹簧刚度弹簧部196A和196B围绕着引导杆/支撑件194，并且抵接固定到引导杆/支撑件194的间隔器196C(例如，C夹环)。在该构造中，当用户在拇指轮191上推动以移动滑动器130朝向标尺构件102的第一端时，致动器力弹簧刚度弹簧部196A被压缩(例如，针对工件的外侧尺寸的测量结果)，类似于图1的致动器力弹簧刚度弹簧196的操作。然而，当用户在相反的方向上移动拇指轮191时(即，以倒转滑动器130的方向朝向标尺构件102的相对端)，致动器弹簧刚度弹簧部196B被压缩(例如，针对工件的内侧尺寸的测量结果。)以这种方式，通过利用弹簧刚度弹簧部196A和196B使双向测量构造得以实现。

在一个示例构造中，卡尺100的一般操作可以描述如下。卡尺可以开始于位置调零。在位置调零处，卡尺一般在双向测量范围的中间，其中致动器力弹簧刚度弹簧部196A和196B每个偏置得大致相等，并且信号调制元件250大致在位移信号元件205的布置的范围中间(即，这将在下文关于图6更详细地描述)。当用户推动拇指轮191以压缩弹簧刚度弹簧部196A时，可以到达极限位置L-extmeas。极限位置L-可以对应于外部测量力极限(例如，针对工件的外部尺寸的测量)。例如，压缩的弹簧部196A可以到达其实体高度，并且防止在增加被施加力时信号调制元件250的进一步偏转，防止有意义的力测量结果。这也可以或可替代地对应于到达位移信号元件205感测范围的第一端的信号调制元件250。

类似地，当拇指轮191在相反方向上由用户移动时，可以到达极限位置I-intmeas。极限位置I-intmeas可以对应于内部测量结果极限(例如，针对工件的内部尺寸的测量。)这也可以或可替代地对应于到达位移信号元件205感测范围的第二端的信号调制元件250。位移信号元件205的布置的感测范围的末端可以由所得到的感测信号具有期望的线性度或根据其它标准的区域的极限来限定。弹簧部196A和196B的不期望范围可以通过如下手段限定：弹簧或者因为它们大约已经到达其实体高度而对力相对不敏感，或者到达使感测信号变得不可接受地非线性的点，等。

在一个具体示例执行方案中，当信号调制元件250的位置由已经到达对应于极限位置L-extmeas或I-intmeas的位置的位移信号元件205的布置加以感测时，读数头信号处理和控制电路159可以激活“红”或“脱离范围”力状态指示器(亮光)142。在正常操作期间，读数头信号处理和控制电路159可以构造成通常感测信号调制元件250的位置并且将位置转换成力测量结果。在各种执行方案中，所得到的力测量结果可以以多种格式呈现给用户(例如，作为显示器上的力读数，当到达力极限时作为各种其它类型的指示器，等)

如在并入的'225申请中更详细地描述的，将要理解的是，虽然图2的双向测量构造图示为实现有两个致动器力弹簧刚度弹簧部196A和196B，但也可以实施其它构造。例如，在替代实施方式中，可以利用永久地附接在两端的单个致动器力弹簧刚度弹簧。这样的构造将允许必要的力通过在相同的弹簧上牵拉或推动而实现。在一个具体示例图示中，其中测量的是工件的外尺寸，力在3到5N的范围内时，这样的弹簧能够被压缩2-4mm。针对工件的内部尺寸的测量结果，力在3到5N的范围内时，弹簧能够伸展2-4mm。一般而言，关于这样的实施方式和/或图2的实施方式，在某些具体执行方案中，实验已经确定，可以可期望地使用0.25N/mm到6N/mm等级的弹簧，以便提供某些符合人体工程学的特点。应当理解的是，虽然在使用卡尺时施加受控力，但一般手的某些手指抓握卡尺标尺(因而相对于卡尺固定手的大部分)，手指还可以环绕滑动器，并且拇指可以相对于手移动以相对于滑动器调整力致动器。因而，相对于手的其余部分，便捷的拇指行进量受到限制。一般而言，0.25N/mm极限确保有用的力变化量可以相对于手的其余部分提供在便利和舒适的拇指行进量内，而6N/mm的上限确保拇指小运动下的力变化不会如此大以至于用户容易和稳定的控制过于敏感，即使对于在测量力下可以偏转和/或蠕变的工件亦如此。换句话说，实验已经确定，该弹簧刚度范围为用户提供可期望的测量感知。在各种实施方式中，信号调制元件250和位移信号元件205的布置可以做成相应的大小。将要理解的是，通过使用杠杆或齿轮或其它已知的机械元件，手指位移和力之间的关系可以改变，使得其它弹簧刚度(例如，在0.05到20N/mm的范围内)可以用在其它实施方式中。在一些实施方式中，可以使用其它弹簧类型(例如，弹性聚合物材料)来提供力弹簧刚度弹簧。

图3是力致动器组件382的第二实施方式的分解视图，附接有力元件位移传感器300的信号调制元件350。将要理解的是，力致动器组件382、力元件位移传感器300和相关联卡尺100'的各种部件可以类似于图1和2的力致动器组件182、力元件位移传感器200和相关联卡尺100的同样编号的部件，并且将要理解以除下文描述的其它方式的类似方式来运行。如图3示出的，力测量组件380可以包括力元件位移传感器300和力致动器组件382。力测量组件380的各种部件示出为安装到卡尺100'的滑动器130'。

力元件位移传感器300包括位移信号元件305、信号调制元件350、力致动器元件352和行进极限销398的布置。力致动器元件352包括内部表面352A和352B，内部表面352A和352B可以接触行进极限销398，以建立力致动器元件352的运动极限。如将在下文关于图6更详细地描述的，位移信号元件305的布置制造于承载在滑动器130'上的电路板150'的一个或多个金属层中，并且生成指示信号调制元件350位置的电信号。力感测电路(例如，作为读数头信号处理和控制电路159的一部分)从位移信号元件305的布置接收力感测信号用于确定力测量结果。

信号调制元件350附接至力致动器元件352，力致动器元件352机械地联接到力致动器组件382或者成为力致动器组件382的一部分。力致动器组件382包括拇指轮391、力致动器主体392和平行四边形弹簧悬架396，这是与利用弹簧刚度弹簧196的图1和2执行方案的主要差异。在图3的构造中，当用户在拇指轮391上推动以移动滑动器130'朝向卡尺100'的标尺构件的第一端时，力致动器元件352和附接的信号调制元件350被向前推动以相对于位移信号元件305的布置移动。信号调制元件350的相应位置由位移信号元件305的布置感测，这将在下文关于图6更详细地描述。

关于平行四边形弹簧悬架396的操作，当用户在拇指轮391上推动以移动滑动器130'朝向卡尺100'的标尺构件的第一端时，平行四边形弹簧悬架396向前弯曲(例如，针对工件的外侧尺寸的测量结果)。当用户在相反的方向上移动拇指轮391时(即，以倒转滑动器130'的方向朝向卡尺100'的标尺构件的相对端)，平行四边形弹簧悬架396向后弯曲(例如，针对工件的内侧尺寸的测量结果。)在一个执行方案中，通过使行进极限销398接触力致动器元件352的内部表面352A和352B而建立的运动极限可以类似于上文关于图2描述的极限位置L-extmeas和I-intmeas运行。以这种方式，双向测量构造通过利用平行四边形弹簧悬架396而得以实现，并且无需引导支撑等。

类似于上文关于图1和2描述的力弹簧刚度弹簧196的使用，平行四边形弹簧悬架396的使用允许力的更平缓增加或降低发生在更大范围的位置上。重要的是，这导致在测量工艺期间在尝试施加控制以提供期望量的力时用户的更好控制和更好感知。另外，使用平行四边形弹簧悬架396可以减少所需要部分的数量，并且可以与滑动器130'更一体地进行感知。

图4A和4B是图示响应于信号调制元件的力元件位移传感器400第一实施方式的视图。如图4A示出的，力元件位移传感器400包括位移信号元件405和信号调制元件450的布置。如将在下文更详细地描述的，在一个执行方案中，位移信号元件405的布置可以由制造于印刷电路板(例如，滑动器组件170的印刷电路板150)的金属层中的共面电感线圈组成。在一个执行方案中，印刷电路板可以包括至少两个金属层。如图4A图示的，第一层或顶层可以包括用于将一系列节点N1-N4连接到力感测和驱动电路(例如，这可以包括在读数头信号处理和控制电路159中)的迹线。

如图4A示出的，节点N1联接到可以提供感测信号SEN1的信号线SL1。节点N2联接到可以提供感测信号SEN2的信号线SL2。节点N3A和N3B联接在一起，并且可以称为共同节点N3，共同节点N3联接到可以接收驱动信号DRV的信号线SL3。节点N4联接到信号线SL4，信号线SL4联接到地面GND。

信号调制元件450可以由期望材料(例如，有色金属导体、铁氧体材料，等)组成，它在位于位移信号元件405的布置下面的范围RG内可移动，以便增强或破坏接近位移信号元件405而产生的场。范围RG可以具有第一端E1和第二端E2。如将在下文关于图6更详细地描述的，当信号调制元件450接近范围RG的第一端E1时，它可以主要影响感测信号SEN1，而当信号调制元件450接近范围RG的第二端E2时，它可以主要影响感测信号SEN2。如还将在下文关于图6更详细地描述的，可以利用感测信号SEN1和SEN2之间的差来确定位于位移信号元件405的下一布置下面的信号调制元件450的位置。差提供了与共同模式误差的改进的线性度和耐用性。

如图4B示出的，印刷电路板的第二层或下金属层可以包括位移信号元件405的布置(例如，如印刷的共面电感线圈)。位移信号元件405的布置包括第一信号感测元件410、第二信号感测元件420和信号驱动元件430A和430B(一起被称为信号驱动元件430)。第一信号感测元件410的一端联接到节点N1(即，提供感测信号SEN1)，而另一端联接到节点N4(即，连接到地面GND)。第二信号感测元件420的一端联接到节点N2(即，提供感测信号SEN2)，而另一端联接到节点N4(即，连接到地面GND)。信号驱动元件430A的一端联接到节点N3A(即，接收驱动信号DRV)，而另一端联接到节点N4(即，连接到地面GND)。信号驱动元件430B的一端联接到节点N3B(即，接收驱动信号DRV)，而另一端联接到节点N4(即，连接到地面GND)。位移信号元件405和信号调制元件450的布置的操作将在下文关于图6更详细地描述。

图5A-5D是图示响应于信号调制元件的力元件位移传感器500第二实施方式的视图。如图5A示出的，力元件位移传感器500包括位移信号元件505和信号调制元件550的布置。将要理解的是，位移信号元件505的布置的某些方面可以类似于图4A和4B的位移信号元件405的布置，并且除下文描述的其它方式可以类似地进行操作。对于图5A-5D的执行方案，在一个执行方案中，位移信号元件505的布置可以制造于印刷电路板(例如，滑动器组件170的印刷电路板150)的四个金属层中。如图5A示出的，第一层或顶金属层可以包括用于将一系列节点N1-N4连接到力感测和驱动电路(例如，这可以包括在读数头信号处理和控制电路159中)的迹线。

如图5A示出的，在类似于图4A的构造中，节点N1、N2、N3和N4联接到分别与信号SEN1、SEN2、DRV和GND相关联的信号线SL1、SL2、SL3和SL4。节点N3是由联接在一起的节点N3A和N3B表示的组合节点。如图5A指示的，信号调制元件550在位于位移信号元件505的布置下面的范围RG内可移动。信号调制元件550的位置可以根据感测信号SEN1和SEN2之间的差确定，这将在下文关于图6更详细地描述。

图5B、5C和5D图示位移信号元件505的布置的部件，其可以分别制造于印刷电路板的第二、第三和第四金属层中。如图5B和5C示出的，第一信号感测元件部510A和510B可以是分别制造于印刷电路板的第二和第三金属层中的平面线圈部。信号感测元件部510A和510B每个的一端联接到延伸通过各层的共同节点N1X。信号感测元件部510A的另一端联接到节点N1(即，提供感测信号SEN1)，并且信号感测元件部510B的另一端联接到节点N4(即，联接到地面GND)。

如另在图5B和5C中示出的，第二信号感测元件部520A和520B可以是分别制造于印刷电路板的第二和第三金属层中的平面线圈部。信号感测元件部520A和520B的每个的一端联接到延伸通过各层的共同节点N2X。信号感测元件部520A的另一端联接到节点N2(即，提供感测信号SEN2)，并且信号感测元件部520B的另一端联接到节点N4(即，联接到地面GND)。

如图5D示出的，一对信号驱动元件530A和530B可以是制造于印刷电路板的第四金属层中的平面线圈。在各种执行方案中，印刷电路板的第四金属层可以是在操作期间最接近信号调制元件550的层。对于将信号驱动元件530A和530B制造成最厚金属层的层，还可以可期望减少驱动信号驱动元件530A和530B的电阻和对应需要的功率。信号驱动元件530A的一端联接到节点N3A(即，接收驱动信号DRV)，而另一端联接到节点N4(即，连接到地面GND)。类似地，信号驱动元件530B的一端联接到节点N3B(即，接收驱动信号DRV)，而另一端联接到节点N4(即，连接到地面GND)。位移信号元件505和信号调制元件550的布置的操作将在下文关于图6更详细地描述。

图6是图示力元件位移传感器600的各种操作原理的示意图，其可以图示图1-5D任何力元件位移传感器200-500的操作原理。如图6示出的，在一个执行方案中，力元件位移传感器600可以包括位移信号元件605和信号调制元件650的布置。位移信号元件605的布置可以包括第一信号感测元件610和第二信号感测元件620以及信号驱动元件630A和630B。在一个具体示例执行方案中，第一信号感测元件610和第二信号感测元件620以及信号驱动元件630A和630B均可以由印刷在印刷电路板(例如，滑动器组件170的印刷电路板150)上的平面螺旋线圈组成。在各种执行方案中，信号感测元件和信号驱动元件可以制造于印刷电路板的相同或不同金属层中。例如，在具有两个金属层的印刷电路板中，信号感测元件和信号驱动元件均可以制造于相同的金属层中(例如，这由图4A和4B的构造图示)。作为另一示例，在具有四个金属层的印刷电路板中，信号感测元件和信号驱动元件可以制造于不同金属层中(例如，这由图5A-5D的构造图示)。信号调制元件650可以由芯部(例如，有色金属导体，诸如铝或铜，或者铁氧体材料，等)组成。如上文关于图1和2描述的，信号调制元件650可以沿着平行于印刷电路板平面的线机械地移位，其中位移量与由用户施加以测量物体的测量力的量相关联。

在一个具体示例执行方案中，信号驱动元件630A和630B可以以选择波形图案(例如，正弦、具有脉冲固有电路(pulsed resident circuit)的准正弦，等)被(例如，节点N3处的驱动信号DRV)驱动。信号驱动元件630A和630B的驱动可以分别在第一信号感测元件610和第二信号感测元件620上感应出电压。在一个具体示例执行方案中，取决于信号调制元件650的线性位置，信号调制元件650中的涡流可以影响信号驱动元件630A和630B分别到第一信号感测元件610和第二信号感测元件620的电感耦合。在某些执行方案中，第一信号感测元件610和第二信号感测元件620可以因而被称为可变电感元件，其中电感取决于信号调制元件650的位置。

作为具体图示性示例，如果信号调制元件650处于主要位于信号驱动元件630A和第一信号感测元件610之间的范围的第一端，则它将主要影响电感耦合。反过来，如果信号调制元件650处于主要位于信号驱动元件630B和第二信号感测元件620之间的范围的第二端，则它将主要影响电感耦合。电感耦合的效果将因此影响各自感测信号SEN1和SEN2的量值。以这种方式，感测信号SEN1和SEN2(即，在节点N1和N2处测量)之间的差异可以指示信号调制元件650的位置，并且因而指示由用户施加用于测量物体的测量力的量。将要理解的是，利用电感耦合的构造的一个特定优点在于，传感器一般可以制成对污染物诸如切削油、水、其它流体、灰尘、铁磁颗粒等不敏感。另外，相比能够用于在卡尺上确定测量力的其它传感器构造，所公开的构造可以使用更小的功率，并且可以更便宜地生产。

在一个执行方案中，信号驱动元件630A和630B可以由彼此镜象且共享(例如，来自节点N3处的驱动信号DRV的)共同电流源和(例如，节点N4处的)共同地面的两个相邻的共面线圈组成。在这样的执行方案中，电流可以在相反的方向上流过信号驱动元件630A和630B(即，分别逆时针和顺时针)，使得总电感被最大化。将信号驱动元件630A和630B制造成彼此镜象也有助于确保感测信号SEN1和SEN2将相对对称。信号驱动元件630A和630B也可以以最大厚度制造于印刷电路板的金属层中，以最小化电阻并因此最小化所需要的驱动功率的量。在一个执行方案中，信号驱动元件630A和630B可以制造于在操作期间将最接近信号调制元件650的金属层中。

在各种执行方案中，位移信号元件605的布置可以制造成配合在由位于卡尺100相关联部分(例如，拇指部分)中的可用空间指示的覆盖区域内。在一个具体示例执行方案中，尺寸可以相对较小(例如，12mm×6mm)，图4A、4B和5A-5D图示的构造可以做成配合该尺寸。

在各种执行方案中，信号调制元件650的宽度可以制成稍大于位移信号元件605的布置的宽度，以容纳可能发生的各种错位。另外，信号调制元件650的长度可以是位移信号元件605的布置的总组合长度的大约一半，以最大化(例如，如由感测信号SEN1和SEN2之间的差确定的)响应信号的范围和线性度。在位移信号元件605的布置的总尺寸大约为12mm×6mm的具体示例执行方案中，信号调制元件650可以制成稍大于6mm×6mm。另外，信号调制元件650的近似运动范围可以制成从-3mm位置(即，其中它主要位于第一信号感测元件610和信号驱动元件630A之间)到+3mm位置(其中它主要位于第二信号感测元件620和信号驱动元件630B之间)。

信号调制元件650可以由各种材料(例如，有色金属导体、铁氧体材料，等)制成。虽然有色金属材料可以增加电感耦合，但在某些执行方案中，关于感测信号SEN1和SEN2的差的振幅，这样的构造在实验上已确定会导致较低的总整体效果。因而，在某些执行方案中，可以可期望地利用有色金属导体(例如，铝、铜，等)，这会降低电感耦合，但却导致感测信号SEN1和SEN2的差的较大振幅。在一个具体示例执行方案中，取决于电导率和驱动频率，芯厚度还可以制成皮肤深度的若干倍。

在各种执行方案中，力元件位移传感器600可以接收来自提供用于主滑动器位移传感器(例如，滑动器位移传感器158)的滑动器驱动信号的同一驱动电路(例如，作为读数头信号处理和控制电路159的一部分)的力驱动信号DRV。在一个执行方案中，在针对驱动电路的不同时钟周期期间可以提供滑动器驱动信号和力驱动信号，以避免各种信号之间的任何交叉干扰。一般而言，将要理解的是，所公开的构造允许单个电路板(例如，电路板150)包含位移信号元件605的布置和滑动器位移传感器158的所有需要的部件和相关联的控制电路。

虽然图6所示的执行方案示出提供分开的信号的第一信号感测元件610和第二信号感测元件620，但应当理解的是在替代执行方案中，第一信号感测元件610和第二信号感测元件620可以组合成具有单个输出的单个线圈。在另一替代执行方案中，单个电信号感测元件可以执行驱动元件和感测元件两者的功能。在该信号感测元件内复杂阻抗的改变可以提供位移信号。

上文描述的各种实施方式可组合以提供其它实施方式。在该说明书中参考的所有的美国专利和美国专利申请的全部内容通过引用并入本文中。如果有必要采用各种专利和申请的概念来提供其它实施方式，则可修改实施方式的各方面。

根据上文详述的说明可对各实施方式做出这些和其它改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而是应该被解释为包括所有可能的实施方式，连同这样的权利要求所享有的等同物的完全范围。

Claims (20)

1.一种电动卡尺，包括：

标尺构件，所述标尺构件包括在测量期间位于工件上的第一测量表面；

滑动器，所述滑动器包括在测量期间位于工件上的第二测量表面；

滑动器位移传感器，所述滑动器位移传感器被构造成提供响应于所述滑动器沿着所述标尺构件的位置的改变的位置信号，所述滑动器位移传感器包括制造于电路板上的电信号感测元件，所述电路板承载在所述滑动器上；

测量力感测装置，所述测量力感测装置位于所述滑动器上，所述测量力感测装置包括：

力致动器，所述力致动器相对于所述电路板移动；

力元件位移传感器，所述力元件位移传感器包括：

至少一个电信号感测元件，所述至少一个电信号感测元件相对于所述电路板固定；

至少一个信号调制元件，所述至少一个信号调制元件联接到所述力致动器，并且接近所述至少一个电信号感测元件；和

力感测电路，所述力感测电路位于所述电路板上，并且联接到所述至少一个电信号感测元件。

2.如权利要求1所述的卡尺，其中：所述测量力感测装置被构造成提供一力信号，所述力信号响应于在测量过程期间通过所述第一测量表面和第二测量表面中的至少一个的由用户施加在工件上的测量力的改变。

3.如权利要求2所述的卡尺，其中：所述力致动器包括联接到力弹簧刚度弹簧的刚性元件，所述力弹簧刚度弹簧的尺寸通过所述力致动器由用户加以改变而使测量力变化。

4.如权利要求3所述的卡尺，其中：所述至少一个信号调制元件联接到所述力致动器，并且被构造成对应于改变的尺寸且接近所述至少一个电信号感测元件而移动。

5.如权利要求1所述的卡尺，其中：所述至少一个电信号感测元件制造在承载于所述滑动器上的所述电路板的金属层中。

6.如权利要求1所述的卡尺，其中：所述力感测电路响应于所述至少一个信号调制元件相对于所述至少一个电信号感测元件的位置。

7.如权利要求6所述的卡尺，其中：所述至少一个电信号感测元件包括具有电感的可变电感元件，电感取决于所述至少一个信号调制元件的位置。

8.如权利要求7所述的卡尺，其中：所述力元件位移传感器进一步包括电感耦合到所述至少一个可变电感元件的至少一个电感驱动元件，其中所述电感耦合取决于所述至少一个信号调制元件的位置。

9.如权利要求8所述的卡尺，其中：所述至少一个信号调制元件包括有色金属导体或铁氧体材料中的至少一种。

10.如权利要求8所述的卡尺，其中：所述至少一个可变电感元件包括至少两个平面线圈，所述至少两个平面线圈制造在承载于所述滑动器上的所述电路板的金属层中。

11.如权利要求10所述的卡尺，其中：所述至少两个平面线圈关于彼此对称。

12.如权利要求11所述的卡尺，其中：当处于停靠位置时，所述至少一个信号调制元件覆盖所述至少两个平面线圈中的每个的大约一半。

13.如权利要求8所述的卡尺，其中：所述至少一个可变电感元件包括平面信号线圈，并且所述至少一个电感驱动元件包括平面驱动线圈，所述平面驱动线圈制造在承载于所述滑动器上的所述电路板的金属层中。

14.如权利要求13所述的卡尺，其中：

所述平面信号线圈和所述平面驱动线圈被构造成包围一共享面积；

所述电路板包括两层；并且

所述平面信号线圈和所述平面驱动线圈制造在所述电路板的同一金属层中。

15.如权利要求13所述的卡尺，其中：

所述平面信号线圈和所述平面驱动线圈被构造成包围一共享面积；

所述电路板包括四层；并且

所述平面信号线圈和所述平面驱动线圈制造在所述电路板的不同金属层中。

16.如权利要求1所述的卡尺，其中：

承载于所述滑动器上的所述电路板在所述电路板的安装区域抵接所述滑动器；

所述滑动器位移传感器的电信号感测元件在位于远离所述安装区域的第一横向方向上的标尺区域中交叠所述标尺构件；并且

所述力元件位移传感器的至少一个电信号感测元件布置在位于远离所述安装区域的相反横向方向上的区域中。

17.一种电动卡尺，包括：

标尺构件，所述标尺构件包括在测量期间位于工件上的第一测量表面；

滑动器，所述滑动器包括在测量期间位于工件上的第二测量表面；

滑动器位移传感器，所述滑动器位移传感器被构造成提供响应于所述滑动器沿着所述标尺构件的位置的改变的位置信号，所述滑动器位移传感器包括制造于印刷电路板的金属层中的至少一个位移传感器部件，所述印刷电路板承载在所述滑动器上；和

测量力感测装置，所述测量力感测装置位于所述滑动器上，并且被构造成提供一力信号，所述力信号响应于在测量过程期间通过所述第一测量表面和第二测量表面中的至少一个的由用户施加在工件上的测量力的改变，所述测量力感测装置包括力元件位移传感器，所述力元件位移传感器包括制造于印刷电路板的金属层中的至少一个位移传感器部件，所述印刷电路板承载在所述滑动器上。

18.如权利要求17所述的卡尺，其中：所述测量力感测装置包括：

力致动器，所述力致动器包括联接到力弹簧刚度弹簧的刚性元件，所述力弹簧刚度弹簧的尺寸通过所述力致动器由用户加以改变而使测量力变化；和

至少一个信号调制元件，所述至少一个信号调制元件联接到所述力致动器，并且被构造成对应于改变的尺寸且接近所述力元件位移传感器的制造于印刷电路板的金属层中的至少一个位移传感器部件而移动。

19.如权利要求17所述的卡尺，其中：

承载于所述滑动器上的所述电路板在所述电路板的安装区域抵接所述滑动器；

所述滑动器位移传感器的制造于印刷电路板的金属层中的至少一个位移传感器部件在位于远离所述安装区域的第一横向方向上的标尺区域中交叠所述标尺构件；并且

所述力元件位移传感器的制造于印刷电路板的金属层中的至少一个位移传感器部件布置在位于远离所述安装区域的相反横向方向上的区域中。

20.如权利要求17所述的卡尺，其中：所述测量力感测装置包括力感测电路，所述力感测电路位于所述电路板上并且联接到所述力元件位移传感器的制造于印刷电路板的金属层中的至少一个位移传感器部件。