CN109075690A - 位置编码器 - Google Patents

Abstract

一线性编码器具有一静止部件及一运动部件，并且测量及编码在所述静止部件及所述运动部件之间沿着一线性范围的一相对位移。所述编码器包括多个机器敏感元件，以一预定图案布置在所述多个部件的其中一个上；及多个均匀放置的传感器，沿着所述其他部件沿着整个所述线性范围，从而测量及编码所述位移。所述编码器可以是一绝对编码器，并且可以基于磁性或光学或任何其他类型的感测。

Description

位置编码器

发明领域及背景技术

本发明，在一些实施例中，涉及一种位置编码器，更具体地但不限于，涉及与一马达，例如一线性马达，相关联使用的一种编码器，并且应用于一磁性绝对线性编码器。

在例如用于工具机及工业机器人的线性伺服马达的设备中，定位准确度需要要超过加工准确度。用于例如半导体芯片制造的应用的加工技术需要不断提高加工准确度，因此所需的定位准确度也在提高。为了进行高准确度定位，需要一种精确的位置测量装置，并提供线性编码器以满足定位要求。

一种线性编码器是一传感器、换能器或读取磁头，与编码位置的一刻度或图案配对。所述传感器读取所述刻度以将编码位置转换为一模拟或数字信号，然后可以通过一数字读出头(DRO)、驱动器或运动控制器将其解码到一个位置。传统上，所述刻度在待测量的一轨迹的整个长度上延伸，所述传感器在测量位置的所述刻度上移动。大多数可用的线性编码器提供一DRO头与所述移动元件固定，提供数字或模拟信号，所述信号通过电缆传输到驱动器或运动控制器。相同的电缆也用于为所述DRO处理电子设备提供电能。因此，所述电缆在一端固定到所述驱动器，并且在其另一端与所述移动元件一起移动。所述移动元件通常执行高速运动循环，因此所述移动电缆是系统故障的一主要因素。

所述编码器可以是增量式或绝对式。所述增量编码器能够在通电时检测相对于其初始位置的运动，而所述绝对编码器能够测量实际位置。线性编码器技术可以基于例如光学、磁性、电感、电容及涡流感测。要被感测的元件被布置为由可由所述感测元件感测的任何东西组成的一刻度，包含一光学刻度、一磁性刻度、一电感刻度、一电容刻度及能够在感测线圈中感应涡流的一刻度。美国专利6492911及7126495讨论了电容线性编码器。在前者中，图32示出了一静止刻度，并且图33B给出了一形状。所引用技术的所述电容编码器给出一模拟信号图案。线性编码器用于例如计量仪器，运动系统及高精度工具机以及制造设备，从数字卡尺及坐标测量机到平台，CNC铣床及工业机器人，以及制造龙门台到高精度半导体步进机。

磁性编码器可以基于增量原理构建，但通常在分辨率及准确度方面具有缺点。由于磁场随距离减小，因此磁性传感器必须放置在比所述图案的周期更小或至少在相同范围内的一距离处。将磁性传感器放置在非常接近静磁元件的位置需要一精确且昂贵的机械设计。因此，周期长度及周期数受限于可实现的机械精度。

旋转及线性定位编码装置都是可用。

2008年5月28日Villaret等人提交的美国专利No.8,492,704公开了一种编码器及方法，用于精确地指示一第一构件相对于一第二构件的所述位置，通过利用在所述第一构件的一单个轨道上承载的多个机器敏感元件的一图案；所述机器敏感元件位于所述第一个构件的所述轨道上的连续增量旋转中，并且每个代表二进制值“0”及“1”中的一个；并且“n”个传感器，其中“n”大于“3”，由所述第二构件承载在所述第一构件的轨道附近的多个间隔位置处，并与所述第一构件的多个机器敏感元件对齐。因此，每个传感器感测每个机器敏感元件的二进制值，与其对齐以产生对应于与其对齐的所述机器敏感元件的二进制值的一输出，由此所有传感器的所述输出构成一二进制代码，优选地是一格雷码，“n”个比特识别所述第一构件相对于所述第二构件的所述位置。图3涉及一种线性编码器。形成所述格雷码的所述多个机器敏感元件是静态的，并且均匀间隔的多个传感器在所述运动部件上。所述多个机器敏感部件实际上是已经拉直的所述转子上的多个可检测元件，给出与转子版本相同的准确度的绝对位置测量，但是一距离限制为由所述转子圆周形成的360度圆。

所述编码长度受限于在整个可测量距离上向所述多个传感器提供一可分辨信号的需求。所述信号要求可以分辨依特定应用所要求的分辨率水平。增加相同准确度的长度需要相当大的成本增加。可能需要可检测图案的一第二轨道或图案的一重复周期，或者连接可能需要具有更多数量的比特的一测量信号。

已知技术需要一移动电缆向所述多个传感器提供电流并从所述多个传感器获得所述多个信号，因为所述多个传感器位于所述运动部件上。需要一种专门设计的移动电缆，其是一种昂贵的组件并且具有一相对高的故障率或破损概率。所述电缆还可能导致振动及其他速度扰动。一电缆链可以影响运动的平滑度，平滑度对于例如需要沉积一均匀墨水层的印刷等应用尤其重要。

许多现有技术具有两个用于定标的轨道，一第一轨道提供具有一低分辨率的一绝对位置，并且一第二轨道在一高分辨率轨道的一周期内提供一高分辨率位置。上述专利US8492704，其教示一种旋转系统，具有一单个轨道，但是在旋转情况下，所述整个圆周的一有限长度允许以循环间隔重复定位。然而，在没有自然周期的情况下，例如在线性情况下，也是需要一绝对位置。

Chitayat的专利US5907200公开了沿着所述运动路径分布的可寻址的多个霍尔传感器，及一组固定在所述移动元件上的等距磁铁，其沿着与所述多个霍尔传感器相邻的所述路径滑动。然后，每个霍尔传感器信号在所述移动元件的一位置范围内从一第一值转变到一第二值。所述绝对位置根据所述传感器地址及所述多个传感器的所述模拟或数字值计算。对于每对传感器，存在一个位置过渡范围。一个过渡范围由两个霍尔传感器之间的所述距离定义。因此，通过霍尔传感器测量的精度来定义高分辨率位置值的计算。因此，通过所述霍尔传感器测量的所述精度来定义一高分辨率位置值的计算。因此，如果例如用10比特模拟到数字装置评估所述霍尔传感器信号，则所述最大分辨率可以等于两个磁体之间的所述距离的1/1024。

发明内容

本发明的目的是提供一种无电缆的绝对编码器，其能够产生高分辨率位置信息以一数量大量减少的传感元件，所述传感元件位于静态元件上。

本发明基本上涉及但不限于一线性编码器，其实施例通过沿着整个线性路径提供检测器来避免移动电缆的需要。所述无源元件，即所述图案，沿着由所述多个探测器覆盖的所述路径的所述整个长度相对于所述多个探测器移动。可以通过个体或群组寻址来区分所述多个检测器，并且在所述整个轨迹上的任何一点上，能够解码所述图案及所述运动部件的所述位移。

在一个实施例中，所述路径为线性，但是本发明更普遍地适用于任何路径形状。例如，所述圆形路径可以用于旋转编码器，在这种情况下，本实施例特别适用于在直接驱动马达中常见的大直径的情况。

在本实施例的布置中，沿着所述路径提供所述多个传感器的一对准。对于所述运动元件的一给定位置，一第一数量的多个传感器与机器敏感元件接近，因此变为激活，所述多个传感器的其余部分不与所述机器敏感元件接近，并且不活动。因此，在所述运动元件的任何给定位置，一些传感器是激活的并且一些传感器是不活动的。这与Villaret的美国专利No.8,492,704的现有技术形成对比，其中所有传感器始终处于激活，因为所述多个机器敏感元件沿着所述路径布置并且所述多个传感器总是在一个元件或另一个元件附近。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种用于一线性位置测量装置的线性编码器，所述线性位置测量装置具有一静止部件及一运动部件，所述编码器设计成测量及编码所述静止部件及所述运动部件之间沿着一第一行进终点位置与一第二行进终点位置之间的一线性行进范围的一相对位移，所述编码器包括：

多个机器敏感元件，以一预定图案布置在所述多个部件中的一第一个上，所述图案包括沿其一长度变化的一特性；及

多个均匀放置的传感器，沿着所述多个部件中的一第二个布置，所述多个部件中的所述第二个沿着所述第一行进终点位置与所述第二行进终点位置之间的一整个所述线性行进范围，从而测量及编码所述位移。

在一个实施例中，所述第一个部件是所述运动部件，并且所述第二个部件是所述静止部件。

在一个实施例中，所述预定图案的一长度短于所述整个范围。

在一个实施例中，所述多个均匀放置的传感器中的每一个具有一唯一位址。

在一个实施例中，所述多个所述均匀放置的传感器包括由光学，磁性，电感，电容，光电及涡流传感器组成的传感器组中的一个。

在一个实施例中，所述多个机器敏感元件是由光学元件，磁性元件，电感元件，电容元件及金属场扰动元件组成的一群组中的一个。

在一个实施例中，所述预定图案定义了一系列重复片段，每个片段包括所述特性的一个变化周期。

在一个实施例中，所述多个片段分布在相等于一预定数量的所述均匀间隔的传感器的一长度上。

在一个实施例中，所述机器敏感元件具有一第二改变特性。

多个示例性实施例可以包括一附加机器敏感元件放置再所述图案外部，用以向所述多个传感器指示所述长度的一起点。

根据本发明的一第二方面，提供了一种在一总线性位移长度上对两个部件之间的一相对位移进行绝对线性编码的方法，所述方法包括：

提供在所述总位移长度上间隔分布的多个传感器；

提供多个机器敏感元件的一预定图案，所述图案包括沿着所述图案在距离上变化的一特性；

在所述位移长度上相对于所述多个传感器线性地位移所述图案；及

使用所述多个传感器测量所述位移。

在一个实施例中，所述多个传感器均匀地分布在所述位移长度上。

所述方法可以包括延伸所述图案延伸超过一长度，所述长度相等于一预定数量的所述均匀分布的传感器。

所述方法可以包括提供一附加机器敏感元件于所述图案的一第一端，以指示一图案起点或终点于所述多个均匀分布的传感器。

在一个实施例中，所述图案位于一线性马达的一运动部件中，并且所述多个传感器位于所述线性马达的一静止部件上。

所述方法可以包括为所述多个传感器中的每一个提供单独的寻址。

在一个实施例中，所述图案的一长度短于所述位移长度。

在一个实施例中，所述附加机器敏感元件是所述预定图案的一第一机器敏感元件的一重复。

所述方法的多个传感器可以是多个磁性传感器，多个霍尔传感器，多个光传感器，多个电感传感器及多个电容传感器，以及可能有的任何其它合适的传感器。

所述方法包括：

检测当前与多个机器敏感元件接近的多个传感器作为多个激活的传感器；

基于多个激活的传感器的一位置来计算一第一绝对低分辨率位置；

计算一N个比特的一代码，通过设定所述N个比特中的每一个设置为所述多个激活的传感器为N的一布尔输出值，从而所述代码定义一中等分辨率位置相对于所述多个激活的传感器中的一个；及

结合所述第一绝对低分辨率位置值与所述第二相对中等分辨率位置值以计算一绝对中等分辨率位置。

当所述多个传感器输出模拟值，所述方法更包括：

当所述相应的传感器模拟输出值处于一范围，所述范围指示其处于具有所述第一特性的一机器敏感元件的一预定接近范围内时，将每个模拟输出设定为一第一布尔值，否则为第二值；及

从所述多个传感器的模拟输出计算一高分辨率位置。

根据本发明的一第三方面，提供一种用于一线性位置测量反馈装置的线性编码器，所述线性位置测量反馈装置的线性编码器具有一静止部件及一运动部件，所述编码器设计成测量及编码所述静止部件及所述运动部件之间沿着一第一行进终点位置与一第二行进终点位置之间的一线性行进范围的一相对位移，所述编码器包括：

多个机器敏感元件，以一预定图案布置在所述多个部件中的一第一个上；及

多个均匀放置的传感器，沿着所述多个部件中的一第二个布置，并且布置成使得在任何给定时间仅所述多个传感器的一子集处于感测接近一机器敏感元件。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可用于实践或测试本发明的实施方案，但下文描述了示例性方法和/或材料。如有冲突，将控制专利说明书，包括定义。另外，材料，方法和实施例仅是说明性的，并非旨在限制。

本发明实施例的方法和/或系统的实现可以涉及手动，自动或其组合地执行或完成所选任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际仪器和设备，可以通过硬件，软件或固件或使用操作系统的组合来实现若干所选任务。

例如，根据本发明实施例的用于执行所选任务的硬件可以实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施例的所选任务可以实现为由计算机使用任何合适的操作系统执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施例中，根据本文描述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器执行，诸如用于执行多个指令的计算平台。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如磁性硬盘和/或可移动介质。可选地，还提供网络连接。还可选地提供显示器和/或用户输入设备，例如键盘或鼠标。

附图的数个视图的简要说明

仅通过举例的方式，本文中参考附图描述了本发明的一些实施例。现在详细地具体参考附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于说明性讨论本发明的实施例的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实施本发明的实施例。

在附图中：

图1是示出应用于具有一负载的一线性马达的一线性编码器的一简图；

图2是示出一现有技术线性编码器的简图；

图3是示出根据本发明一第一实施例的一线性编码器的一简图；

图4是示出根据本发明多个实施例的使用不同分辨率水平计算位置的过程的一简化流程图；

图5是示出根据本发明一实施例的一处理方法的一简化示意图；及

图6是示出根据本发明一实施例基于电感检测的一线性编码器的简化示意图。

具体实施方式

本发明，在一些实施例中，涉及一位置编码器及反馈装置，更具体地但不限于，涉及与一马达，例如一线性马达，相关联使用的一种编码器，并且特别应用于一磁性绝对线性编码器。所述编码器可以用于一线性马达、一步进马达、一致动器或需要测量线性位置并且通常传输到一控制器的任何其他用途的位置测量或换向切换。

本实施例提供了一系列传感器，其布置在一静态元件上，在所述运动元件的所述线性行进的所述整个范围内，在此进一步称为所述移动路径，以及固定在一单个轨道上的一移动元件上的多个敏感元件的一图案，例如，磁性元件，其位置可由所述传感器检测，以测量所述运动元件及所述静态元件之间的相对位置。

多个敏感元件及多个传感器可以是任何类型，其中多个敏感元件可以具有至少两个特性，并且多个传感器的输出提供取决于接近的所述敏感元件的特性的一值。

例如，以下是可能的多个敏感元件及多个传感器的一非详尽列表：

●通过磁传感器感测的永久磁铁及空气；

●通过磁传感器感测的两个极性的永久磁铁；

●通过电感传感器感测的金属齿；

●通过涡流传感器感测的导电齿；

●通过光学装置感测的反射及非反射光学表面；

在本文中，优选的实施例是参考所描述的一第一静态元件及第二运动元件。必须理解的是，本发明也可以适用于当所述第一元件是移动的及第二元件是静态的。

在一个实施例中，所述机器敏感元件可以是被动的并且固定到所述运动元件，因此不需要移动电缆，从而既节省成本又提高了可靠性。在这个实施例中，所述多个传感器可以直接安装在一印刷电路板上，并且可以提供用于电源及信号的静态连接。

多个传感器可以是单独可寻址的，或者可以分成许多可寻址的群组。一电子处理单元能够读出多个传感器的所述输出值，并且还能够检测多个传感器的激活或不活动的状态。

由于所述编码器不需要一移动电缆或电缆链，因此本实施例给予一更简单及更经济的线性马达。

如在上述专利US8492704中已知的旋转情况的优点可以扩展到线性情况。所述旋转情况提供绝对位置，但仅在一单一次旋转中，并且本实施例不仅从旋转的情况展开到线性情况，而且允许一长度刻度比旋转情况的所述单一周期旋转长。本实施例可以使用一磁性系统，其结果与现有技术的光学刻度系统大致相同，但成本要低得多。使用一磁性系统的多种传统系统包含一电缆链，所述电缆链本身是一昂贵的部件并且易于发生故障。

在固定到所述运动元件的一编码器头上，所述多个机器敏感元件被布置为沿着所述移动路径的多个连续机器敏感单元。每个机器敏感单元包含根据一预定义的图案设置的多个机器敏感元件。所述图案可以如上文参考2008年5月28日提交的Villaret等人的美国专利No.8,492,704中所述进行设计。如其中所公开的，一图案设计可以定义N个传感器。数字N将所述敏感单元的一长度定义为两个传感器之间的距离的N倍。

所述预定义的图案定义了一给定数量的连续片段长度，每个片段具有长度及特性。在每个片段位置处，可以固定所述指定长度及特性的一机器敏感元件。通常，一些机器敏感单元具有固定到每个片段的一个机器敏感元件，而其他机器敏感单元可以具有固定到多个片段的一较少数量的敏感元件。通常，可以定义两个片段属性，这取决于所述传感器类型。例如是：

●南极或北极磁铁

●磁铁或没有磁铁

●反射或吸收光学表面

●齿或无齿

机器敏感单元可以是定义所述多个机器敏感元件的布置的多个虚拟对象。每当一机器敏感元件未安装在一敏感单元的一片段处时，在那个片段位置处不需要物理支撑材料。

一传感器间隔可以设定为等于所述敏感单位长度的1/N。

一编码器头可以包含一足够数量的敏感单元，确保在任何时候一机器敏感元件的附近始终至少有N个传感器。对于每个传感器，可以根据一路径方向上的一放置顺序分配一位址。对所述编码器头及多个机器敏感元件的放置的进一步要求是，在每个位置，模数为N的激活的传感器的所有位址都覆盖了0到N-1的范围，即，在任何位置及在0到N-1范围内的任何数字n处，存在一激活的传感器，其位址A满足模数(A，N)＝n。

如果一机器敏感元件的所有片段都装有机器敏感元件，则机器敏感单元的最小数量为1。

当所述编码器头沿着所述路径移动时，接近多个敏感元件的多个传感器输出与所述机器敏感元件的所述特性相关的一模拟值。在运动元件的移动期间，接近一给定传感器的所述机器敏感元件的所述特性因此可以在一第一特性与一第二特性之间变化。然后，所述传感器的所述模拟值输出可以从一第一值范围转换到一第二值范围。

优选地，不在任何敏感元件附近的所述多个传感器，在此进一步称为“不活动的”，可以输出一预定义的值。

在一第一步骤中，一电子处理单元为每个传感器推导出一个二进制值，指示所述传感器输出值处于一第一或第二值范围内。将所述多个激活的传感器的所述二进制值组合以给出在一组N个激活的传感器的范围内的一第一粗略位置值的一格雷码特征。

应当注意的是，上述美国专利8,492,704具有图3中的一线性实施例。如其中所公开的，所述多个传感器优选地位于所述多个移动元件上，并且所述多个机器敏感元件的图案被复制若干次以覆盖所述移动路径的整个长度。在另一方面，美国专利8,492,704的实施例不提供绝对但增量位置，并且所获得的位置仅相对于所述图案的一个未知周期。

相比之下，本实施例可以具有在所述整个待测量长度上延伸的多个传感器，并且只有与机器敏感元件相对的那些传感器在任何给定时间都是激活的。

所述绝对位置可以分为三个步骤计算：

1)检查多个传感器的激活或不活动的状态，从而计算一第一低分辨率位置。下面将描述一种用于检测多个激活的传感器的方法。所述位置的低分辨率大约是N个传感器间隔的长度，并且所述位置数据是表示一激活的传感器位置的一高精度值；

2)通过读取从N个激活的传感器的所述二进制值而获得的所述代码来确定一第二中等分辨率位置。所述第二中等分辨率通过N个传感器间隔的一长度除以所述特定图案的可能代码的一数量来定义；及

3)通过读取所述传感器输出模拟值来计算一高分辨率位置。

由于所述整个图案的所述形状是已知的，所述多个传感器信号可以显示所述托架的所述确切长度，并且所述托架区域外的其他多个传感器仍然是不活动的。应当注意的是，一传感器可以是激活的，意思是可操作的，或者不活动的意思是不可操作的。

在一个实施例中，一传感器输出一模拟值。然而，输出多个数字值的多个传感器，例如多个数字霍尔传感器，也是适用的。在那种情况下，仅适用上述步骤1及2，并且所述位置数据可以仅具有中等分辨率。

在一个实施例中，所述多个传感器沿着一个或多个印刷电路板上的所述路径均匀分布。在一第一个选择中，多个印刷电路导电条将所述多个传感器信号直接传送到所述电子处理单元。在第二个选择中，许多传感器组成群组互连。对于每个群组，一中间处理单元从所述多个传感器收集输出并且通过一通信线路发送它们。一群组可以定义为在一给定长度上延伸，并且可以通过并置较小的多个PCB模块将所述多个传感器设置在所述整个路径上，每个模块收集多个传感器。这样一种模块化概念允许使用一单个模块化设计用于各种路径长度。

本实施例可用于使用三个不同的准确度水平，一路线准确度、一中等准确度及一高分辨率准确度来确定一位置。

所述编码器可以测量沿着包含一静止元件的一路径移动的一第一元件的所述位置。多个传感器沿着所述路径固定到所述静止元件，通常以等距间隔。一编码器头固定到所述第一，运动元件，并且一图案定义一机器敏感单元的多个片段。

若干个这些机器敏感元件可以提供可变或固定长度的多个片段，并且可以提供一个、两个或更多个特性，这些特性可以改变以提供所述图案。所述多个机器敏感元件可以固定在接近所述路径的所述编码器头上，以便于对所述多个传感器敏感。所述多个传感器及所述多个机器敏感元件的所述位置、长度及特性沿所述路径定义。

寻找位置的所述方法涉及检测当前与所述多个机器敏感元件接近的那些传感器作为多个激活的传感器。现在，可以简单地基于所述多个激活的传感器的位置来计算一第一绝对低分辨率位置。

可以提供多个重复的片段以重复所述图案，允许从所述多个片段的每一个分别估计一给定位移，条件是选择多个片段之间的一适当距离。

在多个模拟传感器的情况下，当相应的所述传感器模拟输出值的一范围内时，所述范围指示其处于具有所述一第一特性的一机器敏感元件的一预定接近范围内，可以将每个模拟输出设置为一第一布尔值。

然后可以使用N个比特来计算一代码，通过将N个比特中的每一个设置为所述多个激活的传感器中的相应一个的一布尔输出值N。因此，所述代码定义了相对于所述多个激活的传感器其中之一的一中等分辨率位置。

然后可以将所述第一绝对低分辨率位置值与所述第二相对中分析率位置值组合以计算一绝对中等分辨率位置。

最后，可以从多个传感器的所述模拟输出来计算一高分辨率位置。

众所周知，在本实施例中安装有多个传感器或多个机器敏感元件的多个印刷电路板可能受到加热，因此必须避免或补偿它们的膨胀。

本文提出了多个解决方案，例如将所述多个传感器固定到对热膨胀敏感性较低的一材料，或者在一第二示例中将所述PCB本身固定或粘合到一温度不敏感的支撑件或在一第三示例中，在所述PCB上提供多个小孔，至少有一些接近所述传感器敏感区域，并在穿过这些孔的支撑材料中提供多个固定销，使得所述PCB以与所述支撑材料相同的方式膨胀。

在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明不一定限于其应用于以下描述中阐述的构造细节和组件和/或方法的布置和/或者在附图和/或示例中示出。本发明能够具有其他实施例或者能够以各种方式实践或实施。

现在参照附图，图1是示出具有一现有技术的线性编码器的一线性系统10的示意图，所述线性编码器包括一读取头15a及一刻度15b。所述线性系统具有一静止部件12及一移动托架11。所述移动托架11通过两个线性轴承13a及13b在所述静止部件12上滑动。所述读取头在其上部固定到所述移动托架11，而其下部沿着并靠近所述刻度15b移动。所述读取头的所述下部包含用于所述线性编码器的所述多个传感器，以感测所述刻度图案。所述刻度沿着并且靠近所述读取头下部的所述路径粘合到所述静止部件。所述电缆链16用于提供电力所给述读取头并且发送位置数据或信号到所述系统控制器(未示出)。所述电缆链通过一夹具16a固定到所述基座14，并且其端部固定到所述移动的读取头15a。

在这种系统中，所述电缆链是成本及故障的主要因素。因此，希望提供一种不需要一电缆链的一线性编码器。特别地，现有线性马达的实施方式，其中所述电绕组在所述静止部分上，并且不需要用于所述马达的一电缆链，例如Chitayat的专利5,925,943中所示。如其所公开的，无电缆编码器可以提供一完全无电缆的解决方案。

图2示出了2008年5月28日Villaret等人所提交的美国专利No.8,492,704的图3中的线性编码器。一种线性编码器30利用多个机器敏感元件31，如图所示，在这种情况下是多个光学元件，其承载在所述可移动构件32上的一单个线性轨道上。所述多个传感器36.1..36.5，其是光传感器，固定在所述固定构件34上的一线性阵列中。

在图2中，可移动构件32上的所述多个机器敏感元件31也是光学元件，例如透光或非透光元件，并且排列成一直线。它们被分成三个相似的周期，分别如38a、38b及38c处所示，每个周期包括20个增量位置或扇区41。

固定构件34承载五个传感器36.1-36.5，所述传感器也排成一行并彼此相等地间隔开。在所述可移动构件32相对于所述固定构件34的所述初始位置，五个传感器36.1-36.5的所述阵列在所述光学元件的一个周期的所述长度上延伸，即通过38a、38b或38c表示的一个时期的所述图案的所述长度。

图2中所示的图案是线性的及周期性的。周期38a-38c中的每一个可以被视为一旋转编码器的一拉直版本。

在均匀分布的多个传感器的示例中，考虑以一个周期为模数的位置。在这个情况下，所述术语在这种情况下，对于n个传感器来说，术语“均匀分布”意味着所述感测位置x(i)通过多个传感器验证了所述关系

[(x(i+1)-x(i))modulo L]＝±L/n，对于从1到n的所有i。其中L是所述图案的一个周期的所述长度。所述图案可以被安排成在读出时产生一格雷码。格雷码是一种二进制代码，其中两个连续值仅通过一单一数字改变，并且在编码器中很有用，因为它提供了一纠错元素。

在图2中描述的布置提供基于多个敏感元件的一单个轨道的一格雷码输出，而其他系统通常使用多个轨道及数个传感器阵列。此外，由于所述多个传感器均匀地分布，因此可以提供一标准尺寸的简单商用传感器。

在图2描述的布置中，所述测量位置相对于一个图案周期。因此，所述位置信息以一个周期长度为模数，并且所述绝对位置可以通过从一初始位置开始的增量来计算。因此，这种布置无法提供一绝对编码器。

在另一方面，这种布置不需要一移动电缆链，但是所述移动元件比所述移动路径长，因此占据大量空间及大量敏感元件，导致高成本及大多数不实用的大体积系统。

现在参考图3，其示出了根据本发明一第一优选实施例的一编码器。在图3中，一线性装置50再次具有一静止元件53及一运动元件54。所述运动元件可以在所述静止部件53上或接近的一线性路径上滑动。所述运动部件54具有以一预定图案布置在一单个轨道上的一系列的机器敏感元件56a及56b。敏感元件56a具有一第一特性，例如北磁极性，并且敏感元件56b具有一第二特性，例如南磁极性。等距放置的传感器58(58.1-58.12)布置在一PCB52上，固定到所述静止部件并且沿所述整个线性路径延伸，使得多个传感器覆盖两部分的所有相对运动。

如上所述，本实施例是关于多个静止及运动元件描述，因此有利地提供了一无电缆编码器。移动线材昂贵，是机械振动的来源并且可能遭受机械故障。然而，所述多个机器敏感元件在所述静止元件上并且所述多个传感器在所述移动元件上的一实施例也是能做到的。

所述多个传感器58简单地安装在一印刷电路板上，所述印刷电路板具有用于信号记电源的内置连接。

如图3所示，所述多个传感器通过PCB上的多个导电条，通过图3的线57示意性地示出，连接到一电子处理单元55。

所述多个均匀放置的传感器可以各自具有一唯一位址，其中所述位址可以硬连线到所述PCB的所述多个导电条中。

所述多个均匀放置的传感器58可以是磁性传感器，在这种情况下，所述多个机器敏感元件56可以是磁铁。所述多个均匀放置的磁性传感器可以方便地是多个霍尔传感器。通常，多个磁性线性编码器可以采用主动磁化或无源-可变磁阻-刻度，并且可以使用感测线圈或霍尔效应或磁阻读取头来感测位置。

从相对粗糙到相对精细的不同的分辨率水平是可以获得的。如果所述多个传感器不是多个光传感器，则所述刻度周期或测量间隔通常在几百微米到几毫米的范围内，可以允许分辨率为微米级。

或者，所述多个传感器可以是如上图2中的多个光传感器，并且可以例如采用光闸/莫尔条纹，衍射或全息原理。典型的增量刻度周期或测量间隔可以从几百毫米到亚微米范围变化，并且在插值之后可以提供像一纳米一样精细的分辨率。

本实施例可以通过所述测量间隔的大小来去除施加在所述分辨率的任何依赖性。

作为另一种选择，感测可以使用多个电感传感器。电感技术众所周知对污染物有抵抗力。所述多个机器敏感元件可以由一金属中的多个孔或通过延伸齿所形成，并且所述多个传感器可以是以高频操作的一系列电感器。

多个电容传感器是另一种选择。多个电容线性编码器通过感测一读取器及刻度之间的电容来工作。典型应用是数字卡尺。其中一个缺点是对不均匀污垢的敏感性，这可以局部改变相对介电常数。

作为另一种替代方案，所述多个传感器可以是多个涡流传感器，例如美国专利No.3,820,110中所公开的。

再次参考图3，所述编码器头51固定到运动元件54。在图3的特定示例中，定义了两个敏感单元59a及59b。所述敏感单元59a完全安装有八个机器敏感元件56a或56b。所述敏感单元59b仅安装有一个机器敏感元件56a。

每当所述托架长度是所述机器敏感单元长度的倍数时，所述编码器头可包含多个机器敏感单元。然后，所述激活的传感器的数量可以大于为所述特定图案定义的最小N值，并且可以获得所述位置的多个读数。所述多个读数可以有利地用于符合安全规定及标准，其要求检测位置读数的任何不精确性。

参考图3，位址1至12例如被分配给所述多个传感器58。所述敏感单位长度是两个传感器之间距离的N＝4倍。

在一第一步骤中，所述处理单元检测所述多个激活的传感器。在优选实施例中，多个机器敏感元件是北极及南极磁铁。在这种情况下，所述多个传感器是多个霍尔传感器，在北极磁铁前面输出一正值，在南极磁铁前面输出一负值，并且不在任何磁铁前面时输出一接近零值，即不激活。

所述处理单元可以选择N＝4个激活的传感器。在图4中，例如，可以选择位置2、3、4及5的多个激活的传感器58.2、58.3、58.4及58.5。

对于每个选择的传感器，如果输出为正，则归属为一布尔值V1，如果为负，则归属为0。然后计算数字代码：

从2008年5月28日Villaret等人提交的上述美国专利No.8,492,704中可知，根据一预处理表，所述编码器的所述图案可以提供相对于所述多个激活的传感器其中之一的一中等精度位置。每个传感器的所述精确位置也可以预加载在所述处理单元中。因此，可以计算出一中等绝对位置。

为了获得一高分辨率位置，可以使用所述多个传感器输出的所述模拟值。如在US8,492,704中那样，传感器灵敏度被设计成确保当在具有不同特性的多个机器敏感元件前面时，在两个值范围之间的中间值处存在至少两个传感器输出的模拟值。然后可以使用所公开的插值演算法来计算绝对一高分辨率位置。

在一个实施例中，所述敏感单元在等于N＝7个均匀间隔的传感器的一长度上延伸。这样的配置在一个敏感元件长度内提供98个位置的一中等分辨率，其表示一有效使用的七个比特可能代码(127)。可以使用任何其他数字，并且参考国际专利申请No.WO2013/098803A1，用于使用多个传感器的比特推导。

与US 8,492,704相反，所述激活的传感器的组随位置而变化。

另一方面，如果所述激活的传感器的数量大于N，即N+p，然后有多种组合可供选择一组N个激活的传感器，因此一相同数量的所述绝对位置的读数可以计算出来。

由于每个传感器在所述线性轨道上的位置的固有不准确性，可能需要对轨道进行一初始校准。所述校准可以在初始设置之后或在制造期间提供，或者可以在每个单独的机器起点处编程，和/或根据最终用户的要求。

根据多个传感器的类型，可以使用各种不同的布置及方法来检测所述多个激活的传感器。

对于一给定图案，一固定数量N的激活的传感器可以用来计算一代码。

多个激活的传感器被定义为沿着其行进长度接近所述编码器头。所述行进长度是两个最末端机器敏感元件之间的所述路径长度。

在一种布置中，所述编码器头被设计成在所述传感器间隔的倍数P的一长度上延伸，P大于或等于N。多个激活的传感器的数量可以从数量P到P+1变化，特别是在编码器头端与多个传感器完全对齐的情况下。

所述处理单元检测那些不接近一机器敏感元件的传感器，具有一空读出值V₀并且因此是不活动的。所述多个激活的传感器可以被找到，通过从一给定侧开始扫描所有传感器并找到具有与V₀不同的模拟值的所述第一传感器。所述范围从所述第一传感器延伸到具有远离V₀值的最后传感器。可能发生在一特定位置，左或右激活的传感器的所述模拟值具有相同的V₀值，不是因为它是不活动的，而是因为所述多个传感器处于一过渡范围内。

然而，可能会检测到这种情况，由于检测到的多个激活的传感器的数量可能低于所述预定义的值P。如果P等于N，则检测到的激活信号的数量为N-1，无论所述处理单元是在右侧还是左侧选择一附加的霍尔传感器，结果都无关紧要，由于这两个传感器输出相同的V₀值，并且以机器敏感单位长度隔离，因此如果两者都激活，则通常具有相同的输出值。在P大于N的情况下，则所述处理单元可以选择N个激活的传感器。

在一第二种布置中，所述编码器头行进长度设计为传感器间隔的倍数P加上一传感器间隔的一相当小的部分。此外，所述编码器头行进长度的一个末端可以设计为安装有所述图案的所述最长机器元件，具有一长度长于所述传感器间隔并且产生一个不同于V₀的一值给接近的多个传感器。

在这种情况下，多个激活的传感器的数量是常数P，大于或等于N。如果P＝N，则两端的所述多个激活的传感器可以具有相同的值，并且可以通过与上述第一种布置相同的考虑来解决所述情况。

如果P>N，则所述处理单元总是能够选择N个激活的传感器，从第一个激活的传感器计数第N个传感器。

在一第三种布置中，一给定特性A的一附加机器敏感元件可以放置在所述编码器头延伸之外，具有所述传感器间隔的倍数X的一长度，对于所述给定图案，X大于多个激活的传感器的最大可能数量，其中所述多个激活的传感器接近具有特性A的一机器传感器元件。通过检测接近所述附加机器元件的X或更多个激活的传感器，可以找到所述多个激活的传感器的范围限制。

本领域技术人员可以想到各种其他布置及方法来定位及选择所述多个激活的传感器。

由于所述多个传感器在一静止元件上，实际上所述多个传感器可以直接安装在一印刷电路板上，并且提供用于电源及信号的静态连接。

现在参考图4，其示出计算基于位置的低、中等及高分辨率位置的一过程的一简化流程图。

在一优选实施例中，所述处理单元可以是一微控制器或一FPGA，能够进行所述编码器的各种计算。

启动81代表开始所述处理单元的所述位置计算程序的事件。所述事件可以是例如来自一主计算机或通过通信线路接收的驱动器的一请求。

在模块82中，所述处理单元使用上文描述的方法之一执行对所述多个激活的传感器的搜索。

在模块83中，所述处理单元选择N个激活的传感器，使得它们的位址模数N覆盖所述范围从0到N-1。

在模块84中，所述处理单元使用以下方程式计算一代码：

V是所述激活的传感器输出的多个布尔值，当一激活的传感器接近第一特性的机器元件时V＝1，否则V＝0。然后，处理单元读取相对于所述多个传感器S0的一中等分辨率位置，其中位址满足模数(位址，N)＝n₀，其中n₀是小于N的一预定义的整数，即0≤n₀<N。所述相对位置通过为所述编码器的所述选定图案建立的一预定义的表来给定。

在模块85中，所述绝对中等分辨率位置通过将所述传感器S0的所述低分辨率位置数据加到所述中等分辨率相对位置来计算。这样的一低分辨率位置可能已经以高精度预先记录，使用所述特定编码器设计的数据或在一校准过程中。

在模块86中，多个激活的传感器的转换模拟输出的所述模拟值是通过类似于US8,492,704中描述的演算法处理。

现在参考图5，图5是示出基于涡流检测的一线性编码器的简化图。所述运动部件具有一PCB 90，其上是布置成形成图案96的一条交替的金属92及非金属94元件。在所述静止部件上是一PCB 98，其上安装有多个线圈100。当所述多个线圈进入所述金属的测量接近度时，在所述线圈中产生并且检测到涡流。

现在参考图6，图6是示出基于电感检测的一线性编码器的简化图。运动部件具有一PCB 110，其上是带有多个孔114的一金属条112，所述多个孔中没有金属存在，布置形成图案。在所述静止部件上是一PCB 118，其上安装有多个线圈120。当所述多个线圈进入所述多个孔的测量接近度时，电感减小了线圈中的谐振并且可以被检测到。

如上所述，所述多个传感器可以安装到一PCB。然而，PCB可以是热敏感的，并且当所述线性马达变热时，所述多个传感器可能由于下面的PCB的膨胀而改变位置。如果所述多个传感器起点的位置改变，则精确的测量会被破坏。有许多方法可以解决问题。例如，所述多个传感器可以固定到对热不敏感的一材料的一下方固定层上。或者，所述PCB可以安装在一选定的单个位置，使得PCB膨胀与所述线性马达的整体膨胀相匹配。这个替代方案的一变型为所述PCB提供切口部分，在每个切口部分中安装一传感器并且将其固定到对温度稳定的一下方材料板上。许多其他解决方案对于本领域技术人员来说是显而易见的。

一实施例可以提供一磁性绝对线性编码器，其可以提供与一光学绝对编码器相同或更高水平的分辨率，同时在坚固性、耐用性及成本方面做出改进。

可以预计的是在本申请的一专利成熟期间，将开发许多相关的传感器及线性驱动器以及线性马达，并且相应术语的范围旨在包括所有这些新技术的先验。

术语“包括”、“包含”、“包括”、“包括”、“具有”及其结合意味着“包括但不限于”。

术语“由...组成”表示“包括但限于”。

如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”包含复数形式，除非上下文另有明确说明。

应当理解，为了清楚起见，在单独的实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供，并且以上描述应被解释为好像所述组合是明确书写的。相反，为了简洁起见，在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供，或者适合于本发明的任何其他描述的实施方案，并且以上描述是被解释为好像这些单独的实施例是明确写出的。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的必要特征，除非所述实施例在没有那些元件的情况下不起作用。

尽管已经结合本发明的具体实施方案描述了本发明，但显然许多替代，修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这些替代、修改和变化。

本说明书中提及的所有出版物，专利和专利申请均通过引用整体并入本说明书中，其程度如同每个单独的出版物，专利或专利申请被具体和单独地指出通过引用并入本文。另外，本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考文献可用作本发明的现有技术。在使用章节标题的范围内，它们不应被解释为必然限制。

Claims (25)

1.一种用于一线性位置测量装置的线性编码器，所述线性位置测量装置具有一静止部件及一运动部件，所述编码器设计成测量及编码所述静止部件及所述运动部件之间沿着一第一行进终点位置与一第二行进终点位置之间的一线性行进范围的一相对位移，所述编码器包括：

多个机器敏感元件，以一预定图案布置在所述多个部件中的一第一个上，所述图案包括沿其一长度变化的一特性；及

多个均匀放置的传感器，沿着所述多个部件中的一第二个布置，所述多个部件中的所述第二个沿着所述第一行进终点位置与所述第二行进终点位置之间的一整个所述线性行进范围，从而测量及编码所述位移。

2.如权利要求1所述的线性编码器，其特征在于：所述第一个部件是所述运动部件，并且所述第二个部件是所述静止部件。

3.如权利要求1或2所述的线性编码器，其特征在于：所述预定图案的一长度短于所述整个范围。

4.如权利要求1至3任一项所述的线性编码器，其特征在于：所述多个均匀放置的传感器中的每一个具有一唯一位址。

5.如权利要求1、2、3或4任一项所述的线性编码器，其特征在于：所述多个均匀放置的传感器包括由光学，磁性，电感，电容，光电及涡流传感器组成的传感器组中的一个。

6.如权利要求5所述的线性编码器，其特征在于：所述多个机器敏感元件是由光学元件，磁性元件，电感元件，电容元件及金属场扰动元件组成的一群组中的一个。

7.如前述权利要求中任一项所述的线性编码器，其特征在于：所述预定图案定义了一系列重复片段，每个片段包括所述特性的一个变化周期。

8.如权利要求7所述的线性编码器，其特征在于：所述多个片段分布在相等于一预定数量的所述均匀间隔的传感器的一长度上。

9.如权利要求7所述的线性编码器，其特征在于：所述多个片段分布在一长度上，所述长度选定用以提供所述位移的多个读数。

10.如前述权利要求中任一项所述的线性编码器，其特征在于：所述机器敏感元件具有一第二改变特性。

11.如权利要求7所述的线性编码器，更包括一附加机器敏感元件放置再所述图案外部，用以向所述多个传感器指示所述长度的一起点。

12.权利要求1及3至10任一项所述的线性编码器，其特征在于：所述第一个部件是所述静止部件，并且所述第二个部件是所述运动部件。

13.一种在一总线性位移长度上对两个部件之间的一相对位移进行绝对线性编码的方法，所述方法包括：

提供在所述总位移长度上间隔分布的多个传感器；

提供多个机器敏感元件的一预定图案，所述图案包括沿着所述图案在距离上变化的一特性；

在所述位移长度上相对于所述多个传感器线性地位移所述图案；及

使用所述多个传感器测量所述位移。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述多个传感器均匀地分布在所述位移长度上。

15.如权利要求13所述的方法，包括延伸所述图案延伸超过一长度，所述长度相等于一预定数量的所述均匀分布的传感器。

16.如权利要求14所述的方法，包括提供一附加机器敏感元件于所述图案的一第一端，以指示一图案起点或终点于所述多个均匀分布的传感器。

17.如权利要求13至15任一项所述的方法，其特征在于：所述图案位于一线性马达的一运动部件中，并且所述多个传感器位于所述线性马达的一静止部件上。

18.如权利要求13至16任一项所述的方法，包括为所述多个传感器中的每一个提供单独的寻址。

19.如权利要求13至17任一项所述的方法，其特征在于：所述图案的一长度短于所述位移长度。

20.如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述附加机器敏感元件是所述预定图案的一第一机器敏感元件的一重复。

21.如权利要求13至19任一项所述的方法，其特征在于：所述多个传感器包括由多个磁性传感器，多个霍尔传感器，多个光传感器，多个电感传感器及多个电容传感器组成的一群组中的一个。

22.如权利要求13所述的方法，包括：

检测当前与多个机器敏感元件接近的多个传感器作为多个激活的传感器；基于多个激活的传感器的一位置来计算一第一绝对低分辨率位置；

计算一N个比特的一代码，通过设定所述N个比特中的每一个设置为所述多个激活的传感器为N的一布尔输出值，从而所述代码定义一中等分辨率位置相对于所述多个激活的传感器中的一个；及

结合所述第一绝对低分辨率位置值与所述第二相对中等分辨率位置值以计算一绝对中等分辨率位置。

23.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述多个传感器输出模拟值，所述方法包括：

当所述相应的传感器模拟输出值处于一范围，所述范围指示其处于具有所述第一特性的一机器敏感元件的一预定接近范围内时，将每个模拟输出设定为一第一布尔值，否则为第二值；及

从所述多个传感器的模拟输出计算一高分辨率位置。

24.一种用于一线性位置测量反馈装置的线性编码器，所述线性位置测量反馈装置的线性编码器具有一静止部件及一运动部件，所述编码器设计成测量及编码所述静止部件及所述运动部件之间沿着一第一行进终点位置与一第二行进终点位置之间的一线性行进范围的一相对位移，所述编码器包括：

多个机器敏感元件，以一预定图案布置在所述多个部件中的一第一个上；及

多个均匀放置的传感器，沿着所述多个部件中的一第二个布置，并且布置成使得在任何给定时间仅所述多个传感器的一子集处于感测接近一机器敏感元件。

25.如权利要求24所述的线性编码器，其特征在于：所述第二个部件是所述静止部件。