CN106840215A - 包括冗余相位信号的绝对位置编码器 - Google Patents

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Abstract

提供一种绝对位置编码器，其具有标尺、探测器和信号处理器，被配置为确定探测器沿着标尺的绝对位置。标尺包括信号调制标尺图案，所述信号调制标尺图案包括周期图案部件和渐进图案变化部件。探测器包括N个空间相位传感元件(比如，导电线圈)和至少一个参照传感元件，所述参照传感元件沿着测量轴线方向以一定距离间隔分开，所述距离对应于相对N个空间相位传感元件的第一个的360度的整数倍数的空间相位移动。来自第一参照传感元件的第一参照信号和来自N个空间相位传感元件的第一个的第一信号名义上包括来自周期图案部件的类似的信号贡献，并且两个信号间的差异是由于其来自渐进图案变化部件的信号贡献的差异。

Description

包括冗余相位信号的绝对位置编码器
技术领域
本发明一般涉及精密测量仪器，并且特别涉及可被用作手持仪器(比如卡尺)的绝对位置编码器。
背景技术
可获得各种位置传感器，比如光学式，电容式以及电感式传感器。这些传感器可在读头中采用发射器和接收器以测量其相对于标尺的运动。一些类型的传感器对污染敏感，导致在制造或者车间环境中使用它们是不切实际的。相比之下，电感式传感器可免受颗粒物，油，水和其他流体的污染。美国专利号6,011,389(‘389专利)，特此将其完整地作为参考合并于此，描述了一种可用于高准确度场合的感应电流位置传感器。美国专利号5,973,494(‘494专利)，特此将其完整地作为参考合并于此，描述了增量位置电感式卡尺以及线性标尺，包括信号发生和处理电路。美国专利号5,886,519，5,841,274，和5,894,678，特此将其每一个完整地作为参考合并于此，描述了绝对位置电感式卡尺以及采用感应电流传感器的电子卷尺。如这些专利所述，采用公知的印刷电路板技术所述的感应电流传感器是容易制造的。
不同感应电流传感器(以及其它类型的传感器)的实施例可被实施为增量或者绝对位置编码器。一般来说，增量位置传感器采用标尺，所述标尺允许读头相对于标尺的位移通过位移累加增量单元来确定，沿着标尺从初始点开始。然而，在特定的场合中，比如那些编码器使用在低能耗设备中的场合，更希望的是使用绝对位置编码器。绝对位置编码器提供独特的输出信号，或者信号组合，在沿着标尺的(读头的)每一个位置。它们不需要连续累加增量位移以便于识别位置。因此，绝对位置编码器允许各种节能方案。
除了针对绝对感应电流传感器的上述专利‘519,‘274和‘678，美国专利号3,882,482，5,965,879，5,279,044，5,237,391，5,442,166，4,964,727，4,414,754，4,109,389，5,773,820，5,010,655，6,335,618以及美国专利公开号2015/___________(序列号14/303，266，2014年6月12日提交；2014-08)也公开了各种编码器配置和/或绝对编码器相关的信号处理技术，特此将其每一个完整地作为参考合并于此。然而，这些公开的系统中很多未能够教导对测量误差具有稳定性的配置，所述测量误差是由于非期望的引入到读头和标尺之间的间隙变化，或者非期望的读头相对于标尺轴线的横滚，俯仰和/或偏航。比如，如图1所示，虽然读头164和标尺102之间被配置为沿着标尺102长度方向的保持特定的设计的(期望的)均匀间隙，以允许读头相对于标尺的滑移运动，使卡尺正常运行，但实际的间隙可比设计的间隙大或小，以及可由于比如制造缺陷沿着标尺轴线防线不均匀。如图1进一步所示，虽然读头164的轴线被设计为处于与标尺102的轴线平行的位置，但实际的读头轴线可由于比如制造缺陷绕着X，Y或者Z轴横滚，俯仰或者偏航。在间隙，横滚，俯仰或者偏航方面即使是微小的偏差也可导致在高精度绝对位置编码器比如卡尺中不希望的测量误差。希望的是，对这些类型的测量误差具有稳定性的绝对编码器改进构造。
发明内容
提供这篇概要以简化形式来介绍在下述具体实施方式中作进一步描述的概念选项。该概要既不意图识别要求保护的主题的关键特征，也不意图被用作帮助来确定要求保护的主题的范围。
电子绝对位置编码器被设置，可被实施的，比如，在高精度卡尺中。编码器包括标尺，所述标尺包括沿着测量轴线延伸的第一标尺轨道以及包括第一信号调制标尺图案。第一信号调制标尺图案包括周期图案部件和与周期图案部件组合或者叠加到其上的渐进图案变化部件。周期图案部件包括作为沿着第一标尺轨道的位置函数的周期区域调制或者周期材料特征调制中的至少一个。渐进图案变化部件包括作为在第一范围之上沿着第一标尺轨道的位置函数的渐进区域变化或者渐进材料特征变化中的至少一个。
电子绝对位置编码器进一步包括探测器，探测器包括沿着第一标尺轨道对齐的至少一个第一组传感元件(所述第一组传感元件形成读头)。第一组传感元件被配置为提供第一组探测器信号，所述第一组探测器信号响应包括周期和渐进图案部件的第一信号调制标尺图案，并且所述第一组探测器信号指示探测器沿着第一标尺轨道的位置。
电子绝对位置编码器还进一步包括信号处理器，所述信号处理器被配置为基于来自探测器的探测器信号确定探测器沿着标尺的绝对位置。
根据本发明的各种实施例，探测器的第一组传感元件包括N个空间相位传感元件(比如，导电线圈)以及附加地至少第一参照传感元件(比如，附加导电线圈)。N个空间相位传感元件被配置为提供N个各自的信号，并且位于其各自的沿着探测器上的测量轴线方向的N个位置。N个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第N个空间相位，以及沿着渐进图案变化部件对应的第N个位置。
附加的第一参照传感元件位于探测器上的第一参照位置，所述第一参照位置沿着测量轴线方向以第一参照距离间隔分开，所述第一参照距离对应于相对N个空间相位传感元件的第一空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动。第一空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第一空间相位的第一信号，以及沿着渐进图案变化部件的第一位置。
第一参照传感元件，位于探测器上的第一参照位置，因而提供对应于周期图案部件第一空间相位的第一参照信号，以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置。第一信号和第一参照信号名义上包括来自对应于第一空间相位的周期图案部件的类似信号贡献，(因为第一空间相位传感元件和第一参照传感元件是以360度的整数倍数空间相位移动的)以及第一信号和第一参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异。
第一信号和第一参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号。第一信号和第一参照信号之间的由于第一参照距离的差异是第一信号差异，所述第一信号差异指示用于通过第一组探测器信号展示出第一渐变信号变化的标尺因子M1，其中第一渐变信号变化是由于作为沿着第一标尺轨道探测器位置函数的渐变图案变化部件。
如上所述的由电子绝对位置编码器得出的标尺因子M1继而可被用于确定第一渐进信号变化的斜率，所述斜率可被用于计算读头相对于标尺的绝对位置。在现有技术的编码器中，非期望的引入到读头和标尺之间的间隙会引起渐进信号变化的斜率偏离意图的斜率，需要确定实际的斜率以便于补偿由于间隙偏差的测量误差。包括附加参照传感元件电子绝对位置编码器的新颖配置可以容易地测量读头具有的渐变信号变化的实际斜率，所述附加参照传感元件提供可用于计算标尺因子M1的冗余空间相位信号。
根据进一步的示例性实施例，探测器包括附加的第二参照传感元件，所述第二参照传感元件，在与N个空间相位传感元件的第二空间相位传感元件的合作下，提供指示渐变信号变化标尺因子M1的第二信号差异。更进一步，探测器可包括第三参照传感元件，所述第三参照传感元件，在与N个空间相位传感元件的第三空间相位传感元件的合作下，提供指示渐变信号变化标尺因子M1的第三信号差异。第一，第二和/或第三信号差异的组合继而可被用于在提高准确度的情况下确定渐变信号变化的标尺因子M1。
根据更进一步的示例性实施例，标尺包括，除第一标尺轨道之外，沿着测量轴线方向的第二标尺轨道，所述第二标尺轨道包括与第一标尺轨道平行的第二信号调制标尺图案。第二信号调制标尺图案包括周期图案部件和与周期图案部件组合或者叠加到其上的渐进图案变化部件。探测器包括，除第一组传感元件之外，沿着第二标尺轨道对齐的域第一传感元件平行的第二组传感元件。第二组传感元件被配置为提供第二组探测器信号，所述第二组探测器信号响应第二信号调制标尺图案，并且所述第二组探测器信号指示探测器沿着第二标尺轨道的位置。第二组传感元件包括K个空间相位传感元件和附加地至少主要参照传感元件。主要参照传感元件位于探测器上以一定距离间隔分开的位置，所述距离对应于相对K个空间相位传感元件的主要空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动。主要空间相位传感元件提供对应于第二标尺轨道的周期图案部件的主要空间相位的主要信号，以及沿着第二标尺轨道的渐进图案变化部件的主要位置。主要参照传感元件被配置为提供对应于第二标尺轨道的周期图案部件的主要空间相位的主要参照信号，以及对应的沿着第二标尺轨道的渐进图案变化部件的主要参照位置。主要信号和主要参照信号名义上包括来自第二标尺轨道的周期图案部件的类似信号贡献，(因为主要空间相位传感元件和主要参照传感元件是以360度的整数倍数空间相位移动的)以及主要信号和主要参照信号的差异是由于其来自第二标尺轨道的渐变图案变化部件的信号贡献的差异。主要信号和主要参照信号之间的差异是主要信号差异，所述主要信号差异指示第二组探测器信号具有的第二渐变信号变化的标尺因子M2，其中第二渐变信号差异是由于沿着第二标尺轨道作为探测器位置函数的渐变图案变化部件。
如上所述的由电子绝对位置编码器得出的标尺因子M1和M2继而可被用于补偿(例如抵消)原本可由于读头相对于标尺测量轴线的横滚，俯仰和/或偏航出现的测量误差。比如，标尺因子M1和M2可被用于分别提供第一渐变信号变化的实际斜率和第二渐变信号变化的实际斜率，其中第一和第二渐变信号变化分别包括由于读头相对于标尺测量轴线的横滚，俯仰和/或偏航的误差成分。当M2倍配置为大致为等于M1的负值，M1和M2可被组合来抵消这些由于读头横滚，俯仰和/或偏航的误差成分。
附图说明
图1是手工工具卡尺的分解的等轴测视图，合并包括标尺和探测器(读头)的本发明的实施例。
图2是包括以空间波长"λ"间隔分开的四个标尺元件的标尺部分俯视图，包括传感元件(导电线圈)的探测器被定位为相对于该标尺产生探测器信号。
图3A-3C分别是示意性示出的来自三个不同探测器(比如在读头中)配置的探测器信号输出图，和与类似的信号调制标尺图案组合使用时一样。
图4是包括四个标尺元件的标尺部分俯视图，探测器被定位为相对于所述四个标尺元件产生包括冗余空间相位信号的探测器信号，所述探测器包括四个包括一个参照传感元件的传感元件，根据本发明的实施例所述参照传感元件被配置为提供冗余空间相位信号。
图5是根据本发明实施例的电子绝对位置编码器示例性部件的框图。
图6是示意性示出根据本发明的依赖于空间的DC偏移和依赖于空间的来自探测器(读头)的在标尺上作为位置函数的输出信号的相位位置的图表。
图7是包括六个标尺元件的标尺部分的俯视图，探测器被定位为相对于所述标尺部分包括两个冗余空间相位信号的探测器信号，所述探测器包括六个包括两个参照传感元件的传感元件，根据本发明的实施例所述两个参照传感元件分别被配置为提供两个冗余空间相位信号。
图8是包括六个标尺元件的标尺部分的俯视图，探测器被定位为相对于所述标尺部分产生包括三个冗余空间相位信号的探测器信号，所述探测器包括六个包括三个参照传感元件的传感元件，根据本发明的实施例所述三个参照传感元件分别被配置为提供三个冗余空间相位信号。
图9是包括第一标尺轨道和第二标尺轨道的标尺的部分的俯视图，探测器被定位为相对于所述标尺部分分别产生第一组探测器信号和第二组探测器信号，根据本发明所述探测器包括第一组传感元件和第二组传感元件。
具体实施方式
图1是手工工具型卡尺100的分解的等轴测视图，包括具有第一标尺轨道102a的标尺102，所述标尺沿着测量轴线(MA)延伸并包括信号调制标尺图案170。卡尺100是适于合并/集成根据本发明的电子绝对位置编码器的产品的一个示例。如图1所示，标尺102可包括基底168，信号调制标尺图案170可被形成在或者附连至基底168上，并且所述基底168可由具有基本上矩形截面的刚性或者半刚性条状物组成。一对横向突出的固定爪部108和110整体地形成在标尺102的第一端部112附近。对应的一对横向突出的活动爪部116和118形成在滑块组件120上，所述滑块组件包括读头(readhead)或者探测器164。在本说明书中，术语“读头”和“探测器”被可相互替换地以及同义地使用。
通过将物体放置在爪部108和116上的一对接合表面之间测量物体的外径。类似地，通过将爪部110和118放置在物体内测量物体的内径。爪部110和118的接合表面122被定位为接触被测量物体上的表面。接合表面122和114被定位为使得当爪部108和116的接合表面114彼此接触时，爪部110和118的接合表面122彼此对齐。在这个位置，卡尺100测量的内径和外径的零位置(未示出)都应该为零。
卡尺100还包括深度条126，所述深度条附连至滑块组件120。深度条126从标尺102处纵长地突出(被接收在滑块组件120中)并且终止于接合端部128。深度条126的长度使得当卡尺100在零位置时，接合端部128与标尺102的第二端部132平齐。通过将标尺102的第二端部132搁在其中形成有孔的表面上并且将深度条126延伸入孔内直至端部128触碰到孔的底部，卡尺100可以测量孔的深度。
不论是使用外部测量爪部108和116，内部测量爪部110和118，还是深度条126进行测量，被测尺寸都显示在常规的数字显示器138上，所述数字显示器138被安装在滑块组件120的覆盖件139上。一对按钮开关134和136也被安装在覆盖件139上。开关134打开和关闭滑块组件120的信号处理和显示电子电路166。开关136被用于将显示器138重置为0。
如图1所示，滑块组件120包括具有引导边缘142的基部140。当滑块组件120横跨标尺102时，引导边缘142与标尺102的侧边缘146接触。这确保了卡尺的准确操作。一对螺钉147使弹性压力条148偏置抵靠在标尺102的配合边缘以消除滑块组件120和标尺102之间的自由游隙。
深度条126插入到形成在标尺102底侧部的深度条凹槽152中。深度条凹槽152沿着标尺102底侧部延伸为深度条126提供间隙。深度条126被端部止动件154保持在深度条凹槽152中。端部止动件154在第二端部132处附连至标尺102的底侧部。端部止动件154也防止滑块组件在操作中在第二端部132处不经意地从标尺102脱离。
滑块组件120也包括在标尺102上方安装在基部140上的传感器组件(pickoffassembly)160。因而，基部140和传感器组件160作为单元移动。传感器组件160包括基底162，比如常规的印刷电路板。基底162在其下表面(所述下表面面对信号调制标尺图案170)支承涡流读头(探测器)164。信号处理和显示电子电路166安装在基底162的上表面上。弹性密封件163被压缩在覆盖件139和基底162之间以防止信号处理和显示电子电路166的污染。读头164的底侧部被薄的、耐用的绝缘涂层167(在一个特定的说明性示例中可能大约50mm厚)覆盖。保护绝缘层172(在一个特定的说明性示例中可能至多大约100mm厚)可覆盖信号调制标尺图案170。保护层172可包括印刷标记，如图1所示。
滑块组件120承载探测器164使得探测器通过空气间隙与标尺102略微地隔开，所处空气间隙形成在各自的绝缘涂层167和172之间。在一个特定的说明性示例中空气间隙可以是大约0.5mm数量级的。
此外参考图2，标尺102的第一标尺轨道102a沿着测量轴线(MA)方向延伸，并且包括信号调制标尺图案170，所述信号调制标尺图案170的一个区段在图2中通过四个标尺元件173a-173d示出。根据其信号感应功能，信号调制标尺图案170包括周期图案部件和渐进图案变化部件。周期图案部件和渐进图案变化部件分别在探测器164所包含的传感元件174中产生(或感应)信号(或信号贡献)。在本说明书中，术语“信号”和“信号贡献”可被可相互替换地使用，并且“信号”可指示在正常操作中不会被隔离的信号，即，由于比如暂时或者永久的连接配置可与其他信号组合或混合的信号。
探测器164和信号调制标尺图案170可形成涡流换能器，所述涡流换能器在一个实施中通过产生变化的磁场来运行。在一些实施例中可通过在传感元件174中提供变化的电流提供变化的磁场，以在位于变化的磁场内部的信号调制标尺图案170的一个或者多个相邻标尺元件173a-173d中产生循环电流(被称为涡流)。标尺元件173a-173d由导电材料形成，比如金属(比如铜)盘。探测器164的传感元件174的有效电感被各自的传感元件173a-173d的各自的涡流影响，以对应地提供绝对位置探测器信号，所述绝对位置探测器信号具有沿着第一标尺轨道102a的绝对信号范围变化的信号特征，以独特地指示传感元件174沿着绝对信号范围的各自的位置。
如上所述，信号调制标尺图案170包括周期图案部件和渐进图案变化部件。在图2中，周期图案部件指的是由沿着四个标尺元件173a-173d测量轴线方向(MA)的周期布置提供的周期区域调制，所述四个标尺元件以空间波长L＝λ等距地间隔分开。周期图案部件因而产生指示沿着第一标尺轨道102a的周期增量的信号贡献。周期图案部件包括作为沿着第一标尺轨道102a位置的函数的周期区域调制。周期图案部件可能可选地或者附加地指的是周期材料特征调制，所述周期材料特征调制通过配置标尺元件173a-173d以在其信号响应方面具有相同的材料特征而提供。比如，标尺元件173a-173d可用具有相同信号响应特征的相同金属材料包覆，其沿着第一标尺轨道102a周期性地出现。总而言之，周期图案部件包括作为沿着第一标尺轨道102a位置的函数的周期区域调制或者周期材料特征调制中的至少一个。
在图2中，渐进图案变化部件，另一方面，指的是渐进区域变化，所述渐进区域变化通过在绝对信号范围之上沿着第一标尺轨道102a逐渐变化标尺元件173a-173d的有效宽度尺寸W(i)提供，其中i表示沿着测量轴线MA的第i个标尺元件。在图2中，有效宽度尺寸W(i)从左到右，从标尺元件173a到标尺元件173d根据变化的占空比以恒定的空间波长L＝λ逐渐减少。在各种示例性实施例中，有效宽度尺寸W在相邻的标尺元件之间优选地变化至多5％和更优选地变化至多2％。变化的有效宽度尺寸W(i)根据W(i)提供不同的涡流响应(或者对探测器信号的不同涡流效应)。渐进图案变化部件因而产生沿着第一标尺轨道102a变化的信号贡献。也就是说，渐进图案变化部件包括作为沿着第一标尺轨道102a的位置的函数的渐进区域变化。在其他实施例中，渐进区域变化可由逐渐变化标尺元件173a-173d的其他尺寸提供，比如其沿着Y轴的有效长度尺寸和/或其沿着Z轴的有效深度/高度尺寸(比如通过将标尺元件173a-173d形成凹陷部/凸起部)。更进一步，渐进区域变化(比如有效宽度/长度/深度/高度尺寸的变化)中的任意一个或更多个可被结合以形成另一类型的渐进区域变化。渐进图案变化部件可能可选地或者附加地指的是渐进材料特征变化，所述渐进材料特征变化通过配置标尺元件173a-173d以在其对探测器信号响应的作用方面具有变化的材料特征(比如，采用不同的金属材料，和/或不同的厚度，或这些材料的混合物等)提供。总而言之，渐进图案变化部件包括作为沿着第一标尺轨道102a的位置函数的渐进区域变化或者渐进材料特征变化中的至少一个。
在各种实施中，标尺102和/或信号调制标尺图案179可采用各种技术制造。比如，在一个实施中基底168可以是导电块体材料(比如铝)。周期图案部件和渐进图案变化部件因而以组合或叠加的方式被提供，通过成形机加工或者以其他方法形成基底168，以提供第一信号调制标尺图案170。比如，标尺元件173a-173d通过机加工或冲压或蚀刻基底168形成为凸起的区域，并且其被周期性地布置以提供周期图案部件，同时标尺元件173a-173d的一个或更多个尺寸和/或材料特征沿着绝对信号范围变化因而提供渐进图案变化部件。在另一实施中，基底168可以是非导电印刷电路板基底，带有沉积或叠压到其上的导电(比如铜)层。周期图案部件和渐进图案变化部件因而以组合或叠加的方式被提供，通过机加工或者以其他方法形成导电层，以提供第一信号调制标尺图案170。比如，标尺元件173a-173d通过光刻胶制图(photoresist patterning)或蚀刻形成为导电区域，并且其被周期性地布置以提供周期图案部件，同时标尺元件173a-173d的一个或更多个尺寸和/或材料特征沿着绝对信号范围变化因而提供渐进图案变化部件。
图3A-3C分别是示意性示出的来自三个不同传感元件174(比如，和在三个读头探测器的不同实施例中使用时一样)的探测器信号输出图，和与对于三个图类似的信号调制标尺图案170组合使用时一样。图3A示出了来自信号传感元件174的空间周期探测器信号输出(由明显的有效电感表示，单位为nH)的包络线(envelope)，所述信号传感元件174是包括3个线匝的导电线圈，其中标尺元件173a-173d的有效宽度尺寸W(i)沿着在绝对信号范围之上的位置(mm)沿着第一标尺轨道102a的该示例变化1％。空间周期探测器信号的包络线特征在于略微地减少的上信号峰值USP1以及沿着曲线更陡峭地减少的下信号峰值，峰间幅值(peak-to-peak amplitude)PP1在绝对信号范围之上沿着第一标尺轨道102a强烈变化(向增加的位置增加)。第一标尺102a的该示例的由于周期图案部件的周期探测器信号主要地促成峰间幅值PP1，所述峰间幅值包括DC偏移值DC1，所述DC偏移值DC1在绝对信号范围之上沿着第一标尺轨道102a变化。
图3B示出了来自包括信号传感元件174的探测器164的探测器信号输出，所述信号传感元件174是包括10个线匝的导电线圈，其中标尺元件173a-173d的有效宽度尺寸W(i)沿着在第一标尺轨道102a的该示例的绝对信号范围之上的位置(mm)以1％变化。探测器信号输出特征在于沿着略微弯曲的线下降的上信号峰值USP2以及类似地沿着略微弯曲的线下降的下信号峰值LSP2，峰间幅值PP2在绝对信号范围之上沿着第一标尺轨道102a轻微变化。第一标尺102a的该示例的由于周期图案部件的周期探测器信号主要地促成峰间幅值PP2，所述峰间幅值包括DC偏移值DC2，所述DC偏移值DC2沿着略微弯曲的线在绝对信号范围之上沿着第一标尺轨道102a变化(减少)。在图3B中，峰间幅值PP2的变化比峰间幅值PP1的变化明显小。然而，DC偏移值DC2以略微非线性的方式变化。
图3C示出了来自包括信号传感元件174的探测器164的探测器信号输出，所述信号传感元件174是包括7个线匝的导电线圈，其中标尺元件173a-173d的有效宽度尺寸W(i)沿着在第一标尺轨道102a的该示例的绝对信号范围之上的位置(mm)变化0.25％。探测器信号输出特征在于沿着基本直线下降的上信号峰值USP3以及类似地沿着基本直线下降的下信号峰值LSP3，峰间幅值PP3在绝对信号范围之上沿着第一标尺轨道102a仅轻微变化。第一标尺102a的该示例的由于周期图案部件的周期探测器信号主要地促成峰间幅值PP3，所述峰间幅值包括DC偏移值DC3，所述DC偏移值DC3沿着基本直线在绝对信号范围之上沿着第一标尺轨道102a变化(减少)。
已被发现的是，一种配置，，其中当DC偏移值在绝对信号范围之上沿着标尺轨道基本线性地变化时峰间幅值PP基本恒定，这种配置对测量误差具有高度抗性(较不敏感)，所述测量误差是由于探测器164和标尺102之间的非期望的间隙。更一般地，DC偏移值和峰间幅值二者可以从标尺轨道的一端到另一端大幅地变化。仔细的传感器设计可以减少峰间幅值变化(比如，如图3B或3C所示)。同样地，仔细的标尺设计可以使DC变化高度线性(比如，如图3C所示)。已经被确定的是，小的峰间幅值变化和线性的DC偏移变化对于准确的绝对位置测量是希望的特性。在各种布置中，DC偏移值的变化在沿着标尺轨道102a相同位置变化之上可至少和周期探测器信号的峰间幅值的变化一样大(优选地至少2倍大小)。
图4是包括信号调制标尺图案170的标尺轨道102a的部分的俯视图，喜好调制标尺图案包括四个标尺元件173a-173d。信号调制标尺图案170包括周期图案部件和渐进图案变化部件，所述周期图案部件由四个标尺元件173a-173d周期性布置提供，所述渐进图案变化部件由标尺元件173a-173d的变化的有效宽度尺寸W(i)提供。比如，四个标尺元件173a-173d的配置可与用于产生如上所述的图3C中的探测器信号输出的配置类似。
图4还图示了探测器164，所述探测器包括四个传感元件A，B，C和RA，被配置为提供一组探测器信号，所述一组探测器信号响应信号调制标尺图案170，并且指示探测器164沿着标尺轨道102a的位置。
图5是根据本发明实施例的电子绝对位置编码器示例性部件的框图。图1中类似地公开的元件以图1中使用的相同的附图标记识别，所述图1图示了合并电子绝对位置编码器的卡尺100。电子绝对位置编码器100包括标尺102和探测器164，所述标尺102和探测器164一起形成换能器。电子绝对位置编码器100包括适合的用户界面特征，比如显示屏138和用户可操作开关134、136。电子绝对位置编码器可附加地包括电源165。所有这些元件联接到信号处理器(或信号处理和控制单元)，所述信号处理器可作为信号处理和显示电子电路(信号处理器)166被实施。信号处理器166接收来自探测器164的探测器信号并且采用接收的探测器信号来确定探测器164沿着标尺轨道102a的绝对位置。
返回参考图4，传感元件包括N(在这个示例中为3)个空间相位传感元件A，B和C，以及第一参照传感元件RA。空间相位传感元件被配置为提供N(3)个各自的信号，并且位于其各自的沿着探测器164上的测量轴线(MA)方向的N(3)个位置。N个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第N个空间相位，以及沿着渐进图案变化部件对应的第N个位置。
在图4的示例中，空间相位传感元件A，B和C分别以其间相等的间隔距离(SEP)沿着探测器测量轴线MA定位。如图4中所示，间隔距离SEP等于(2/3)*λ。空间相位传感元件A，B和C分别传感周期图案部件0、240和120度的空间相位，以及沿着渐进图案部件的对应的第一、第二和第三位置。
简要地，探测器164相对于信号调制标尺图案170的增量位置由在每个位置将探测器信号转换为正弦和余弦分量信号继而取反正切确定。绝对位置由对探测器信号取平均确定，所述探测器信号分别给出特定于每个位置的独特的绝对位置值。将被理解的是这种位置计算公式可通过任意信号处理和物理电路组合的组合实施(比如，绝对位置信号，所述绝对位置信号是多个信号的和(平均)，可从信号处理和/或多个信号线的物理电路组合中确定)。
典型地，对于增量和绝对位置二者的准确确定，探测器信号展示出的渐进信号变化的斜率必须为已知。比如，斜率名义上设计为特定值并且用于纠正增量位置确定过程中空间相位之间的错配或者用于确定特定于每个位置的独特的绝对位置值。然而，实际的斜率可能由于制造变化性，动态变化性和环境变化性偏离名义上的设计值。虽然可以独立校正每个编码器单元以确定其实际斜率，但这样会是繁琐和昂贵的。本发明的各种实施例允许以对于用户易懂的方式简单确定每个编码器单元的实际斜率。
特别地，根据各种实施例的信号调制标尺图案170包括至少一个参照传感元件，所述参照传感元件被特别地配置和定位以产生冗余空间相位信号，所述冗余空间相位信号可以用于计算探测器信号展示出的渐进信号变化的标尺因子(比如斜率)。在图4中，第一参照传感元件RA位于探测器164上的第一参照位置，所述第一参照位置沿着测量轴线MA方向以第一参照距离(RDim)间隔分开，所述第一参照距离(RDim)对应于相对第一空间相位传感元件A的360度的整数倍数的空间相位移动，提供对应于周期图案部件的第一空间相位(比如，0度)的第一信号和沿着渐进图案变化部件的第一位置。
第一参照传感元件RA被配置为提供对应于周期图案部件第一空间相位的第一参照信号(比如，0度)，以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置。应被注意的是，因为第一信号和第一参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献，第一信号和第一参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异。
第一信号和第一参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器166的独立输入信号。第一信号和第一参照信号之间的由于第一参照距离RDim差异是第一信号差异，所述第一信号差异指示用于通过探测器信号展示出的第一渐变信号变化的标尺因子M1，其中第一渐变信号变化是由于作为沿着标尺轨道102a的探测器164位置函数的的渐变图案变化部件。第一信号差异可由信号处理器166确定，或者通过差分放大器直接作用于第一空间相位传感元件A和第一参照传感元件RA的输出。以这种方式得出的标尺因子M1继而可被用于直接提供探测器信号的渐进信号变化的斜率，所述探测器信号分别由传感元件组A，B，C和RA提供。以这种方式配置的电子绝对位置编码器因而可以确定每次测量中的斜率。如此，不需要斜率的先验知识，也不需要昂贵的校准过程来单独确定每个编码器单元的斜率。
仍然参考图4，信号调制标尺图案170的周期图案部件根据空间波长L＝λ布置，也就是说，形成周期图案部件的标尺元件173a-173d根据空间波长L＝λ布置。说明性实施例中的传感元件A，B，C和RA基本彼此相同并且每一个都包括导电线圈，所述导电线圈包括多个近似于平面的线匝。导电线圈的电感或者电感耦合对其相对于信号调制标尺图案170的周期图案部件的位置作出响应。在各种实施例中，导电线圈沿着测量轴线(MA)方向的最大尺寸为至多1.4L和最小0.6L。
标尺因子M1与依赖于空间的DC偏移量的斜率成比例，即其等于斜率乘以空间波长λ乘以第一空间相位传感元件A和第一参照传感元件RA之间的多个空间波长λ。DC偏移量变化可表达为DC(x)，所述DC(x)是根据以下关系式沿着测量轴线MA的位置x的线性函数：
DC(x)＝mx+b
其中m是标尺因子M1确定的斜率，以及b是任意但恒定的值。
在各种示例性实施例中，导电线圈包括至少6个和至多11个近似于平面的线匝。在进一步的示例性实施例中，导电线圈包括至少7个和至多10个近似于平面的线匝。比如，至少近似于平面的线匝中一些可由窄的导体形成，所述窄的导体以印刷电路板的单层上的螺旋构造形成。
信号处理器166被配置为，基于一组第一探测器信号之间的第一关系值，将探测器164沿着标尺轨道102a的绝对位置确定到小于周期图案部件空间波长L＝λ的第一分辨率，所述一组第一探测器信号展示出用于第一渐进信号变化的第一标尺因子M1和第一信号变化。也就是说，绝对位置确定到第一分辨率从可能包括探测器164的绝对位置的形成周期图案部件的多个空间波长中识别一个空间波长(λ)。信号处理器166进一步被配置为基于探测器信号之间的第二关系值将探测器164沿着第一标尺轨道102a的绝对位置确定到小于第一分辨率的第二分辨率。第二关系值指示探测器164在周期图案部件的一个(当前)空间波长(λ)之内的空间相位位置，其已经由如上所述的第一分辨率绝对位置确定识别。
图6是图示确定绝对位置的概念的图表，首先确定到第一分辨率(找到一个空间波长)，然后确定到第二分辨率(在所述一个空间波长内找到绝对位置)。图6示出了依赖于空间的DC偏移量(左侧的垂直轴线)和来自探测器164的作为位置函数(纵向轴线)的依赖于空间的探测器信号输出的相位位置(右侧的垂直轴线)。根据各种实施例的信号处理器166可采用DC偏移位置测量，由具有斜率的线310表示，来从可能包括绝对值的多个空间波长中选择一个空间波长。信号处理器166继而可采用相位位置测量，由线320表示，来识别在选择的一个波长之内特定的相位位置从而在选择的一个波长之内确定绝对位置。如从线320中明显地示出，只有在一个空间波长之内相位位置是依赖于位置的，即第二分辨率绝对位置确定只有在一个空间波长之内可被采用，所述一个空间波长通过第一分辨率绝对位置识别。
图7是包括信号调制标尺图案170'的标尺轨道102a'的部分的俯视图，该信号调制标尺图案包括六个标尺元件173a-173f。信号调制标尺图案170'包括周期图案部件和渐进图案变化部件，所述周期图案部件由六个标尺元件173a-173f周期性布置提供，所述渐进图案变化部件由标尺元件173a-173f的变化的有效宽度尺寸W(i)提供。图7还图示了探测器164'，所述探测器包括被配置为提供一组探测器信号的六个传感元件A，B，C，D，RA和RC，所述探测器信号组响应信号调制标尺图案170'，并且指示探测器164'沿着标尺轨道102a'的位置。
传感元件包括N(在这个示例中为4)个空间相位传感元件A，B，C和D，第一参照传感元件RA，以及第二参照传感元件RC。空间相位传感元件被配置为提供N(4)个各自的信号，并且位于其各自的沿着探测器164上的测量轴线(MA)方向的N(4)个位置。N个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第N个空间相位，以及沿着渐进图案变化部件对应的第N个位置。
在图7的示例中，空间相位传感元件A，B，C和D分别以其间相等的间隔距离(SEP)沿着探测器164'的测量轴线MA定位，以分别传感周期图案部件0、270、180和90度的空间相位，以及沿着渐进图案部件的对应的第一(0)、第二(270)、第三(180)和第四(90)位置。如图7中所示，间隔距离SEP等于(3/4)*λ。
第一参照传感元件RA位于探测器164上的第一参照位置，所述第一参照位置沿着测量轴线MA方向以第一参照距离(RDim1)间隔分开，所述第一参照距离(RDim1)对应于相对第一空间相位传感元件A的360度的整数倍数的空间相位移动，所述第一空间相位传感元件A提供对应于周期图案部件的第一空间相位(比如，0度)的第一信号，和沿着渐进图案变化部件的第一位置。第一参照传感元件RA被配置为提供对应于周期图案部件第一空间相位(比如，0度)的第一参照信号，以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置。第一信号和第一参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献，第一信号和第一参照信号之间的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异。
第一信号和第一参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器166的独立输入信号。第一信号和第一参照信号之间的由于第一参照距离RDim1的差异是第一信号差异，所述第一信号差异指示探测器信号具有的渐变信号变化的标尺因子M1，其中渐变信号变化是由于作为沿着标尺轨道102a'的探测器164'位置函数的渐变图案变化部件。
第二参照传感元件RC位于探测器164'上的第二参照位置，所述第二参照位置沿着测量轴线MA方向以第二参照距离(RDim2)间隔分开，所述第二参照距离(RDim2)对应于相对第二空间相位传感元件C的360度的整数倍数的空间相位移动，所述第二空间相位传感元件C提供对应于周期图案部件的第二空间相位(比如，180度)的的第二信号，和沿着渐进图案变化部件的第二位置。如图7中所示，RDim2等于4*SEP。第二参照传感元件RC被配置为提供对应于周期图案部件第二空间相位的第二参照信号(比如，180度)，以及沿着渐进图案变化部件的对应的第二参照位置，使得第二信号和第二参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献，第二信号和第二参照信号之间的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异。
第二信号和第二参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器166的独立输入信号。第二信号和第二参照信号之间的由于第二参照距离RDim2的差异是第二信号差异，所述第二信号差异指示用于通过探测器信号展示出的渐变信号变化的标尺因子M1，其作为沿着标尺轨道102a'的探测器164'位置函数。
用于渐变信号变化的标尺因子M1可至少部分基于第一和第二信号差异的组合确定，所述第一和第二信号差异分别基于第一和第二参照传感元件RA和RC得出。
在该实施例中，探测器164'包括六个传感元件，所述传感元件包括两个参照传感元件RA和RC，分别被配置为提供两个冗余空间相位信号，所述冗余空间相位信号用于得出第一和第二差异，所述第一和第二差异可被组合(比如，求平均)得出用于渐进信号变化的标尺因子M1。
比如，第一差异潜在地具有空间周期差异误差，所述空间周期差异误差具有作为探测器164'位置函数的空间相位E1(0相位)，以及第二差异潜在地具有类似的空间周期差异误差，所述空间周期差异误差具有空间相位E2(180相位)。因此，对第一和第二差异求和或求平均往往取消或抑制在作为结果的标尺因子M1中潜在的空间周期差异误差(比如，如图3A所示的峰间幅值变化导致的误差)。
图8是包括信号调制标尺图案170”的标尺轨道102a”的部分的俯视图，该信号调制标尺图案包括四个标尺元件173a-173f。信号调制标尺图案170”包括周期图案部件和渐进图案变化部件，所述周期图案部件由六个标尺元件173a-173f周期性布置提供，所述渐进图案变化部件由标尺元件173a-173f的变化的有效宽度尺寸W(i)提供。图8还图示了探测器164，所述探测器包括被配置为提供探测器信号组的六个传感元件A，B，C，D，RA，RB和RC，所述探测器信号组响应信号调制标尺图案170”，并且指示探测器164”沿着标尺轨道102a”的位置。
传感元件包括N(在这个示例中为3)个空间相位传感元件A，B和C，第一参照传感元件RA，第二参照传感元件RB，以及第三参照传感元件RC。空间相位传感元件被配置为提供N(3)个各自的信号，并且位于其各自的沿着探测器164”上的测量轴线(MA)方向的N(3)个位置。N个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第N个空间相位，以及沿着渐进图案变化部件对应的第N个位置。
在图8的示例中，空间相位传感元件A，B和C分别以其间相等的间隔距离(SEP)沿着探测器164”的测量轴线MA定位，以分别传感周期图案部件0，240和120度的空间相位，以及沿着渐进图案部件的对应的第一，第二和第三位置。如图8中所示，间隔距离SEP等于(2/3)*λ。
第一参照传感元件RA位于探测器164”上的第一参照位置，所述第一参照位置沿着测量轴线MA方向以第一参照距离(RD1)间隔分开，所述第一参照距离(RDim1)对应于相对第一空间相位传感元件A的360度的整数倍数的空间相位移动，所述第一空间相位传感元件A提供对应于周期图案部件的第一空间相位(比如，0度)的第一信号，和沿着渐进图案变化部件的第一位置。第一参照传感元件RA被构造为提供对应于周期图案部件第一空间相位(比如，0度)的第一参照信号，以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置。第一信号和第一参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献，第一信号和第一参照信号之间的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异。
第一信号和第一参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器166的独立输入信号。第一信号和第一参照信号之间的由于第一参照距离RD1的差异是第一信号差异，所述第一信号差异指示探测器信号具有的渐变信号变化的标尺因子M1，其中渐变信号变化是由于作为沿着标尺轨道102a”的探测器164”位置函数的渐变图案变化部件。
第二参照传感元件RB位于探测器164”上的第二参照位置，所述第二参照位置沿着测量轴线MA方向以第二参照距离(RD2)间隔分开，所述第二参照距离(RD2)对应于相对第二空间相位传感元件B的360度的整数倍数的空间相位移动，所述第二空间相位传感元件B提供对应于周期图案部件的第二空间相位(比如，240度)的第二信号和沿着渐进图案变化部件的第二位置。第二参照传感元件RB被配置为提供对应于周期图案部件第二空间相位的第二参照信号(比如，240度)，以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置，使得第二信号和第二参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献，第二信号和第二参照信号之间的差异是其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异造成的。
第二信号和第二参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器166的独立输入信号。第二信号和第二参照信号之间的由于第二参照距离RD2的差异是第二信号差异，所述第二信号差异指示用于通过探测器信号展示出的沿着标尺轨道102a”的探测器164”位置函数的渐变信号变化的标尺因子M1。
第三参照传感元件RC位于探测器164”上的第三参照位置，所述第三参照位置沿着测量轴线MA方向以第三参照距离(RD3)间隔分开，所述第三参照距离(RD3)对应于相对第三空间相位传感元件C的360度的整数倍数的空间相位移动，所述第三空间相位传感元件C提供对应于周期图案部件的第三空间相位(比如，120度)的第三信号和沿着渐进图案变化部件的第三位置。第三参照传感元件RC被配置为提供对应于周期图案部件第三空间相位的第三参照信号(比如，120度)，以及沿着渐进图案变化部件的对应的第三参照位置，第三信号和第三参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献，第三信号和第三参照信号之间的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异。
第三信号和第三参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器166的独立输入信号。第三信号和第三参照信号之间的由于第三参照距离RD3的差异是第三信号差异，所述第三信号差异指示用于通过探测器信号展示出的作为沿着标尺轨道102a”的探测器164”位置函数的渐变信号变化的标尺因子M1。
标尺因子M1可至少部分基于第一，第二和第三信号差异的组合确定，所述第一和第二信号差异分别基于第一，第二和第三参照传感元件RA，RB和RC得出。
在该实施例中，探测器164”包括六个传感元件，所述传感元件包括三个参照传感元件RA，RB和RC，分别被配置为提供三个冗余空间相位信号，所述冗余空间相位信号用于得出第一，第二和第三差异，所述第一，第二和第三差异可被组合(比如，求平均)得出渐进信号变化的标尺因子M1。
比如，第一差异潜在地具有空间周期差异误差，所述空间周期差异误差具有作为探测器164”位置函数的空间相位E1(0相位)，第二差异潜在地具有类似的空间周期差异误差，所述空间周期差异误差具有空间相位E2(240相位)，以及第三差异潜在地具有类似的空间周期差异误差，所述空间周期差异误差具有空间相位E3(120相位)。因此，对第一，第二和第三差异求和或求平均往往取消或抑制作为结果的标尺因子M1中潜在的空间周期差异误差(比如，如图3A所示的峰间幅值变化导致的误差)。
图9是包括第一标尺轨道102A和第二标尺轨道102B的标尺102的部分的俯视图，包括第一组传感元件(A，B，C，RA)和第二组传感元件(A'，B'，C'，RA')的探测器164A相对于该标尺的部分被定位为分别产生第一组探测器信号和第二组探测器信号。
第一标尺轨道102A沿着测量轴线(MA)延伸并且包括，包括有周期图案部件和渐变图案变化部件的第一信号调制标尺图案170A，所述周期图部件由五个标尺元件273a-273e的周期布置提供，所述渐进图案变化部件由沿着第一标尺轨道102A作为位置函数的标尺元件273a-273e的变化有效宽度尺寸W(i1)提供。第二标尺轨道102B沿着测量轴线(MA)延伸并且包括，包括有周期图案部件和渐变图案变化部件的第二信号调制标尺图案170B，所述周期图部件由五个标尺元件373a-373e的周期布置提供，所述渐进图案变化部件由沿着第二标尺轨道102B作为位置函数的标尺元件373a-373e的变化有效宽度尺寸W(i2)提供。
探测器164A包括第一组传感元件A，B，C，RA，以其间相等的间隔距离(SEP)定位并且沿着第一标尺轨道102A对齐，所述第一组传感元件被配置为提供第一组探测器信号，所述第一组探测器信号响应第一信号调制标尺图案170A，并且所述第一组探测器信号指示探测器164A沿着第一标尺轨道102A的位置。探测器164A包括第二组传感元件A'，B'，C'，RA'，以其间相等的间隔距离(SEP)定位并且沿着第二标尺轨道102A'对齐，所述第二组传感元件被配置为提供第二组探测器信号，所述第二组探测器信号响应第二信号调制标尺图案170B，并且所述第二组探测器信号指示探测器164A沿着第一标尺轨道102B的位置。如图9中所示，间隔距离SEP等于(2/3)*λ。
信号处理器166被配置为基于由第一组和第二组传感元件提供的第一组和第二组探测器信号确定探测器164A沿着标尺102a的绝对位置。第一组传感元件包括N(比如3)个空间相位传感元件A，B，和C，以及附加地至少主要参照传感元件RA，其中：第二组传感元件包括K(比如3)个空间相位传感元件A'，B'和C'，和附加地至少主要参照传感元件RA'。
第一组传感元件A，B，C和RA被类似于上述图4中图示的传感元件A，B，C和RA配置和布置。
第二组传感元件的K(3)个空间相位传感元件A'，B'和C'被配置为提供K个各自的信号并且位于其各自的沿着探测器164A的测量轴线(MA)的K个位置(比如，0、240和120相位移动的位置)。K个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第K个空间相位，以及沿着渐进图案变化部件对应的第K个位置。
主要参照传感元件RA'位于探测器164A上的主要参照位置，所述主要参照位置沿着测量轴线方向以主要参照距离(RD2)间隔分开，所述主要参照距离(RD2)对应于相对K个空间相位传感元件的主要空间相位传感元件A'的360度的整数倍数的空间相位移动，所述主要空间相位传感元件A'提供对应于周期图案部件的主要空间相位的主要信号和渐进图案变化部件的主要位置；
主要参照传感元件RA'被配置为提供对应于周期图案部件主要空间相位的主要参照信号以及沿着渐进图案变化部件的对应的主要参照位置，使得主要信号和主要参照信号名义上包括来自第二标尺轨道102B的周期图案部件的类似信号贡献，并且主要信号和主要参照信号的差异是由于其来自第二标尺轨道102B的渐变图案变化部件的信号贡献的差异。
主要信号和主要参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器166的独立输入信号，以及主要信号和主要参照信号之间的由于主要参照距离RD2的差异是主要信号差异，所述主要信号差异指示第二组探测器信号具有的第二渐变信号变化的标尺因子M2，其中第二渐变信号差异是由于渐变图案变化部件沿着第二标尺轨道102B作为探测器164A位置函数。
根据各种实施例，第二组探测器信号具有的第二渐进信号变化的标尺因子M2大约等于第一组探测器信号具有的第一渐进信号变化的标尺因子M1的负值。这可被实现，比如，通过设置K＝N并且使第一和第二组传感元件彼此相类似，并且进一步使第一信号调制标尺图案170A的渐进图案变化部件和第二信号调制标尺图案170B的渐进图案变化部件彼此相类似但沿着测量轴线(MA)的方向极性相反。在图9的说明性示例中，两个信号调制标尺图案170A和170B的渐进图案变化部件极性相反，使得第一组标尺元件273a-273e的有效宽度尺寸W(i1)从左到右减少，同时第二组标尺元件373e-373a的有效宽度尺寸W(i1)朝相反的方向从右到左减少。
第一和第二信号调制标尺图案170A和170B中每一个的周期图案部件根据空间波长L＝λ布置；根据进一步的实施例，第一组传感元件(A，B，C，RA)与第二组传感元件(A'，B'，C'，RA')沿着测量轴线(MA)方向以等于空间波长L＝λ的一半的距离，即以λ/2错开。
信号处理器166被配置为将探测器164A沿着标尺102的绝对位置确定到小于空间波长L＝λ的第一分辨率，基于第三组探测信号之间的第三关系值，所述第三组探测信号具有依赖于第一和第二渐进信号变化的第三信号变化，以及第三渐进信号变化的第三标尺因子M3，所述第三标尺因子至少部分基于第一信号差异和主要信号差异确定。比如，标尺因子M3可由组合(比如，求平均)第一信号差异和主要信号差异得出，并且可用作从多个空间波长中选择一个空间波长，所述多个空间波长形成第一和第二信号调制标尺图案170A和170B中一者或者二者的周期图案部件，如果可能包括探测器164的绝对位置。
信号处理器166进一步被配置为基于对应的探测器信号之间的第四关系值将探测器164A沿着标尺的绝对位置确定到小于第一分辨率的第二分辨率。第四关系值指示在第一和第二信号调制标尺图案170A和170B中至少一个的周期图案部件的当前空间波长之内的探测器164A的空间相位位置，其已由如上所述的第一分辨率绝对位置识别。参考图6如上所述，信号处理器166继而可以将绝对位置首先确定到第一分辨率(找到一个空间波长)，然后确定到第二分辨率(在所述一个空间波长内找到绝对位置)。
上述的各种实施例可以被组合来提供进一步的实施例。本说明书中涉及的所有美国专利和美国专利申请都完整地作为参考合并于此。这些实施例的方面可以被修改，如果有必要使用各种专利和申请的概念以提供更进一步的实施例。
鉴于以上具体化的描述可以对实施例做出这些和其他变化。一般地，在以下权利要求中，采用的术语不应该被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应该被解释为包括所有可能的实施例，连同这些权利要求给定权利的全范围的等价物。

Claims (15)

1.一种电子绝对位置编码器，所述电子绝对位置编码器包括:
标尺，所述标尺包括第一标尺轨道，所述第一标尺轨道沿着测量轴线方向延伸并且包括第一信号调制标尺图案，所述第一信号调制标尺图案包括周期图案部件和渐进图案变化部件，所述周期图案部件包括作为沿着第一标尺轨道的位置函数的周期区域调制或周期材料特征调制中的至少一个，所述渐进图案变化部件与周期图案部件组合或者叠加到所述周期图案部件上并且包括作为沿着第一标尺轨道在第一范围之上的位置函数的渐进区域变化或渐进材料特征变化中的至少一个。
探测器，所述探测器至少包括沿着第一标尺轨道对齐的第一组传感元件，第一组传感元件被配置为提供第一组探测器信号，所述第一组探测器信号响应第一信号调制标尺图案并且所述第一探测器信号指示探测器沿着第一标尺轨道的位置；并且
信号处理器，所述信号处理器被配置为基于通过探测器提供的探测器信号确定探测器沿着标尺的绝对位置，
其中：
第一组传感元件包括N个空间相位传感元件和附加地至少第一参照传感元件，其中：
N个空间相位传感元件被配置为提供N个各自的信号，并且位于其各自的沿着探测器测量轴线方向的N个位置，N个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第N个空间相位和沿着渐进图案变化部件的对应的第N个位置。
第一参照传感元件位于探测器上的第一参照位置，所述第一参照位置沿着测量轴线方向以第一参照距离间隔分开，所述第一参照距离对应于相对N个空间相位传感元件的第一空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动，所述第一空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第一空间相位的第一信号和沿着渐进图案变化部件的第一位置；
第一参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件第一空间相位的第一参照信号以及沿着渐进图案变化部件的对应的第一参照位置，使得第一信号和第一参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献并且第一信号和第一参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异；并且
第一信号和第一参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号，并且第一信号和第一参照信号之间的由于第一参照距离的差异是第一信号差异，所述第一信号差异指示用于通过第一组探测器信号展示出的第一渐变信号变化的标尺因子M1，其中第一渐变信号变化是由于作为沿着第一标尺轨道的探测器位置函数的渐变图案变化部件。
2.根据权利要求1所述的电子绝对位置编码器，其中由于渐进图案变化部件的第一渐进信号变化包括由于周期图案部件的周期探测器信号的DC偏移值中的渐进变化。
3.根据权利要求2所述的电子绝对位置编码器，其中第一标尺轨道和第一组传感元件被配置为使得DC偏移值中的渐进变化至少与沿着第一标尺轨道在相同位置变化的周期探测器信号的峰间幅值的变化一样大。
4.根据权利要求3所述的电子绝对位置编码器，其中：
周期图案部件根据空间波长L布置；
传感元件彼此基本相同并且每一个都包括导电线圈，所述导电线圈包括多个近似于平面的线匝，其中导电线圈的电感或者电感耦合对其相对于周期图案部件的位置作出响应；并且
导电线圈沿着测量轴线方向的最大尺寸为至多1.4L和最小0.6L。
5.根据权利要求4所述的电子绝对位置编码器，其中导电线圈包括至少6个和至多11个近似于平面的线匝。
6.根据权利要求4所述的电子绝对位置编码器，其中渐进图案变化部件包括沿着标尺元件的测量轴线方向在有效宽度尺寸W内的渐进区域变化，所述标尺元件形成根据空间波长L布置的周期图案部件。
7.根据权利要求1所述的电子绝对位置编码器，其中：
信号处理器被配置为基于第一组探测器信号之间的第一关系值沿着标尺将探测器的绝对位置确定到小于周期图案部件空间波长L的第一分辨率，所述第一组探测器信号展示出第一信号变化和用于第一渐进信号变化的第一标尺因子M1；并且
信号处理器进一步被配置为基于探测器信号之间的第二关系值沿着标尺将探测器的绝对位置确定到小于第一分辨率的第二分辨率，其中第二关系值指示探测器在周期图案部件的当前空间波长之内的空间相位位置，所述当前空间波长由第一分辨率绝对位置指示。
8.根据权利要求7所述的电子绝对位置编码器，其中：
N个空间相位传感元件包括第二空间相位传感元件和第三空间相位传感元件，所述第二空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第二空间相位的第二信号和沿着渐进图案变化部件的第二位置，所述第三空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第三空间相位的第三信号和沿着渐进图案变化部件的第三位置；
忽略360度的整数倍数的空间相位移动，第二空间相位与第一空间相位相差120度，第三空间相位移动与第一空间相位移动相差240度；
所述至少第一参照传感元件进一步包括第二和第三参照传感元件，其中：
第二参照传感元件位于探测器上的第二参照位置，所述第二参照位置沿着测量轴线方向以第二参照距离间隔分开，所述第二参照距离对应于相对第二空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动，并且第二参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件的第二空间相位以及沿着渐进图案变化部件的对应的第二参照位置的第二参照信号使得第二信号和第二参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献并且第二信号和第二参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异，第二信号和第二参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号，并且第二信号和第二参照信号之间的由于第二参照距离的差异是第二信号差异，所述第二信号差异指示用于第一渐变信号变化的标尺因子M1，其中第一渐变信号差异是由于作为沿着第一标尺轨道的探测器位置函数的渐变图案变化部件；
第三参照传感元件位于探测器上的第三参照位置，所述第三参照位置沿着测量轴线方向以第三参照距离间隔分开，所述第三参照距离对应于相对第三空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动，并且第三参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件的第三空间相位以及沿着渐进图案变化部件的对应的第三参照位置的第三参照信号使得第三信号和第三参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献并且第三信号和第三参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异；并且第三信号和第三参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号，并且第三信号和第三参照信号之间的由于第三参照距离的差异是第三信号差异，所述第三信号差异指示用于第一渐变信号变化的标尺因子M1，其中第一渐变信号差异是由于作为沿着第一标尺轨道的探测器位置函数的渐变图案变化部件；并且
用于第一渐变信号变化的标尺因子M1至少部分地基于第一，第二和第三信号差异的全部的组合确定。
9.根据权利要求7所述的电子绝对位置编码器，其中：
N个空间相位传感元件包括第二空间相位传感元件、第三空间相位传感元件和第四空间相位传感元件，所述第二空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第二空间相位的第二信号和沿着渐进图案变化部件的第二位置，所述第三空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第三空间相位的第三信号和沿着渐进图案变化部件的第三位置，所述第四空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的第四空间相位的第四信号和沿着渐进图案变化部件的第四位置；
忽略360度的整数倍数的空间相位移动，第二空间相位与第一空间相位相差180度，第三空间相位移动与第一空间相位移动相差90度，以及第四空间相位移动与第一空间相位移动相差270度；
所述至少第一参照传感元件进一步包括第二参照传感元件，其中：
第二参照传感元件位于探测器上的第二参照位置，所述第二参照位置沿着测量轴线方向以第二参照距离间隔分开，所述第二参照距离对应于相对第二空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动，并且第二参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件的第二空间相位以及沿着渐进图案变化部件的对应的第二参照位置的第二参照信号使得第二信号和第二参照信号名义上包括来自周期图案部件的类似信号贡献并且第二信号和第二参照信号的差异是由于其来自渐变图案变化部件的信号贡献的差异，第二信号和第二参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号，以及第二信号和第二参照信号之间的由于第二参照距离的差异是第二信号差异，所述第二信号差异指示用于第一渐变信号变化的标尺因子M1，其中第一渐变信号差异是由于作为沿着第一标尺轨道的探测器位置函数渐变图案变化部件；并且
用于第一渐变信号变化的标尺因子M1至少部分地基于第一和第二信号差异的组合确定。
10.根据权利要求1所述的电子绝对位置编码器，其中：
标尺进一步包括第二标尺轨道，所述第二标尺轨道沿着测量轴线方向延伸并且包括第二信号调制标尺图案，其包括周期图案部件和渐进图案变化部件，所述周期图案部件包括作为沿着第二标尺轨道的位置函数的周期区域调制或周期材料特征调制中的至少一个，所述渐进图案变化部件与周期图案部件组合或者叠加到周期图案部件上并且包括作为沿着第二标尺轨道在第二范围之上的位置函数的渐进材料特征变化或渐进区域变化中的至少一个；
探测器进一步包括沿着第二标尺轨道对齐的第二组传感元件，第二组传感元件被配置为提供第二组探测器信号，所述第二组探测器信号响应第二信号调制标尺图案并且所述第二探测器信号指示探测器沿着第二标尺轨道的位置；并且
信号处理器被配置为基于探测器第一组和第二组传感元件提供的探测器信号确定探测器沿着标尺的绝对位置，
其中：
第二组传感元件包括K个空间相位传感元件和附加的至少主要参照传感元件，其中：
K个空间相位传感元件被配置为提供K个各自的信号并且在探测器上沿着探测器测量轴线方向位于其各自的K个位置，K个位置每一个对应于传感周期图案部件的独特的第K个空间相位以及沿着第二标尺轨道的渐进图案变化部件对应的第K个位置；
主要参照传感元件位于探测器上的主要参照位置，所述主要参照位置沿着测量轴线方向以主要参照距离间隔分开，所述主要参照距离对应于相对K个空间相位传感元件的主要空间相位传感元件的360度的整数倍数的空间相位移动，所述主要空间相位传感元件提供对应于周期图案部件的主要空间相位的主要信号和沿着第二标尺轨道的渐进图案变化部件的主要位置；
主要参照传感元件被配置为提供对应于周期图案部件的主要空间相位的主要参照信号以及沿着第二标尺轨道的渐进图案变化部件的对应的主要参照位置使得主要信号和主要参照信号名义上包括来自第二标尺轨道的周期图案部件的类似信号贡献，并且主要信号和主要参照信号的差异是由于其来自第二标尺轨道的渐变图案变化部件的信号贡献的差异；并且
主要信号和主要参照信号不是静态地彼此相连并且它们促成信号处理器的独立输入信号，并且主要信号和主要参照信号之间的由于主要参照距离的差异是主要信号差异，所述主要信号差异指示用于通过第二组探测器信号展示出的第二渐变信号变化的标尺因子M2，其中第二渐变信号差异是由于作为沿着第二标尺轨道的探测器位置函数的渐变图案变化部件。
11.根据权利要求10所述的电子绝对位置编码器，其中：
M2大约等于M1的负值；
第一和第二信号调制标尺图案中每一个的周期图案部件根据空间波长L布置；
K＝N，并且第一组和第二组传感元件彼此相类似；并且
第一信号调制标尺图案的渐进图案变化部件和第二信号调制标尺图案的渐进图案变化部件彼此相类似但沿着测量轴线方向极性相反。
12.根据权利要求11所述的电子绝对位置编码器，其中：
第一和第二信号调制标尺图案中每一个的周期图案部件具有相同的空间波长L；
第一组和第二组传感元件沿着测量轴线方向以等于空间波长L的一半的距离彼此错开。
13.根据权利要求12所述的电子绝对位置编码器，其中：
N＝K＝3，并且忽略360度的整数倍数的空间相位移动，第一组传感元件的N个空间相位传感元件沿着测量轴线方向以对应于120度的空间相位移动的距离隔开，并且第二组传感元件的K个空间相位传感元件沿着测量轴线方向以对应于120度的空间相位移动的距离隔开。
14.根据权利要求11所述的电子绝对位置编码器，其中：
信号处理器被配置为基于第三组探测器信号之间的第三关系值沿着标尺将探测器的绝对位置确定到小于空间波长L的第一分辨率，所述第三组探测器信号展示出依赖于第一和第二渐进信号变化的第三信号变化，以及用于第三渐进信号变化的第三标尺因子M3，所述第三标尺因子至少部分基于第一信号差异和主要信号差异确定；并且
信号处理器进一步被配置为基于探测器信号之间的第四关系值沿着标尺将探测器的绝对位置确定到小于第一分辨率的第二分辨率，其中第四关系值指示在第一和第二信号调制标尺图案中至少一个的周期图案部件的当前空间波长之内的探测器空间相位位置，所述当前空间波长由第一分辨率绝对位置指示。
15.根据权利要求11所述的电子绝对位置编码器，其中：
第一渐进信号变化包括周期探测器信号的DC偏移值中的渐进变化，所述周期探测器信号的DC偏移值由于第一信号调制标尺图案的周期图案部件通过第一组探测器信号提供；
第二渐进信号变化包括周期探测器信号的DC偏移值中的渐进变化，所述周期探测器信号的DC偏移值由于第二信号调制标尺图案的周期图案部件通过第二组探测器信号提供；并且
第一和第二标尺轨道以及第一组和第二组传感元件被配置为使得DC偏移值中的渐进变化至少与沿着第一或第二标尺轨道在相同位置变化之上的对应的周期探测器信号的峰间幅值的变化一样大。
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