CN109696112A - 用于电感式绝对位置编码器的紧凑型伪随机标尺和读头 - Google Patents

Abstract

一种绝对位置编码器包括标尺和覆盖标尺的检测器。标尺包括波长为Wf的周期性图案和具有位长度Wcode的代码图案。检测器包括周期性图案传感器的集合和代码图案传感器的M个集合，M至少为二。配置原理包括：a)Wcode大于Wf并且至多为M*Wf，以及b)代码图案传感器的集合沿着测量轴定位在相应的对准位置处，被配置为使得当代码图案在单个方向上移动时，它通过相继的对准间隔移动以与相继的对准位置对准，每个相继的对准间隔至多为Wf。提供信号处理以基于代码检测器信号的M个相应的集合以及基于由于周期性图案而在周期性图案感测元件中产生的空间周期性信号来确定绝对位置。

Description

用于电感式绝对位置编码器的紧凑型伪随机标尺和读头

技术领域

本发明一般涉及精密测量仪器，并且尤其涉及使用电感式感测原理的绝对位置编码器。

背景技术

各种光学、电容、磁性和电感式换能器(transducer)以及移动或位置换能器可用。这些换能器使用读头中的发送器和接收器的各种几何配置来测量读头与标尺之间的移动。已知电感式传感器是最免受颗粒、油、水和其它流体污染影响的传感器类型之一。通过引用整体上并入本文的美国专利No.6,011,389('389专利)描述了一种可以用在高精度应用中的感应电流位置换能器。各自通过引用整体上并入本文的美国专利No.5,973,494和6,002,250描述了增量位置电感式卡尺和线性标尺，包括信号生成和处理电路。各自通过引用整体上并入本文的美国专利No.5,886,519、5,841,274、5,894,678、6,400,138和8,309,906描述了绝对位置电感式卡尺和使用感应电流换能器的电子卷尺。如这些专利中所描述的，可以使用已知的印刷电路板技术容易地制造感应电流换能器。

感应电流换能器(以及其它类型的换能器)的不同实现方式可以被实现为或者增量或者绝对位置编码器。一般而言，增量位置编码器利用允许读头相对于标尺的位移的标尺，该位移通过累积位移的增量单位来确定，从沿着标尺的初始点开始。但是，在某些应用(诸如编码器用在低功耗设备中)中，更期望使用绝对位置编码器。绝对位置编码器沿着标尺在(读头的)每个位置提供唯一的输出信号或信号组合。它们不需要连续累积增量位移以识别位置。因此，绝对位置编码器允许各种功率节省方案，以及其它优点。除了上面引用的专利之外，美国专利No.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和5,010,655也公开了与绝对编码器相关的各种编码器配置和/或信号处理技术，并且每个专利都通过引用整体上并入本文。

如本文所使用的，术语“轨道”或“标尺轨道”一般是指标尺或标尺图案的区域，其沿着测量轴方向延伸并且具有沿着横向于测量轴的方向的近似恒定的宽度和位置。在沿着测量轴方向的相对运动期间，标尺轨道一般位于下方并与检测器的特定集合对准。检测器响应于下方的标尺轨道中的标尺元件的图案以生成取决于沿着轨道的检测器位置的位置信号。

用于将绝对(ABS)位置编码到编码器中的常用技术是使用与增量或周期性标尺轨道平行布置的二进制代码标尺轨道的集合。为了避免位置模糊并使用增量或周期性标尺轨道的插值模拟测量来进行高分辨率测量，二进制代码标尺轨道有必要具有至少与周期性标尺轨道的空间波长一样精细的空间分辨率或测量分辨率。在那种情况下，每个唯一代码值明确地识别特定的相邻周期性波长。因而，最低有效二进制轨道通常具有等于或小于增量轨道的周期性波长的代码位长度。

在期望减小横向于测量轴方向的标尺宽度的紧凑型应用中，通常使用“N位”伪随机代码，其是串行二进制代码，其中沿着测量轴方向布置的每个N个相邻代码位的集合表示沿着测量轴方向的唯一位置(其中N是整数)。(这与“平行”二进制代码形成对比，“平行”二进制代码对于每个二进制数字使用沿着横向于测量轴方向的方向布置在宽标尺上的分开的代码轨道)。对于串行二进制代码，沿着测量轴方向移动一位，移动到下一个代码值(包括沿着测量轴方向布置的N位)。与上面的二进制代码描述类似，为了避免位置模糊并使用增量或周期性标尺轨道的插值模拟测量来进行高分辨率测量，伪随机码标尺轨道一般有必要具有至少与周期性轨道的空间波长一样精细的空间分辨率或测量分辨率。在那种情况下，每个唯一代码值明确地识别特定的相邻周期性波长。否则，操作可能不是在所有情况下都可靠，或者可能需要不期望的复杂读头信号处理等。由此，伪随机标尺轨道通常具有等于或小于增量轨道的周期性波长(这里被称为Wf)的代码位长度(在本文称为Wcode)，特别是在使用电感式感测技术的编码器中。例如，在先前并入的美国专利No.5,841,274中详细描述了电感式绝对编码器中的伪随机代码系统的各种实现。

但是，在绝对编码器中实现二进制串行代码轨道(例如，伪随机代码轨道)的已知技术不是对于所有应用都适用的或理想的。在各种实现中，用户期望对上面概述的已知编码器系统进行改进，以提供紧凑尺寸、测量范围、分辨率、操作稳健性、降低的电子复杂性和较低成本的改进组合。提供这种改进组合的绝对编码器的配置将是期望的。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。该发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

提供了一种电子绝对位置编码器，其可以例如在高精度电子数字指示器、千分尺、线性标尺、线性量规等中实现。它还可以适用于各种旋转实现方式(例如，测量轴方向遵循圆形或圆弧，并且标尺是位于旋转元件上的圆形或弯曲轨道。)

编码器包括沿着测量轴方向延伸的标尺、检测器和信号处理配置，该信号处理配置基于由检测器提供的检测器信号确定检测器沿着标尺的绝对位置。

标尺包括信号调制标尺图案，信号调制标尺图案包括周期性图案和绝对位置代码图案。周期性图案具有空间波长Wf并且沿着测量轴方向在标尺上的周期性标尺轨道中延伸。绝对位置代码图案具有代码位长度Wcode，并且沿着测量轴方向在标尺上的代码标尺轨道中延伸。绝对代码图案被配置为提供绝对代码范围ACR，其中每N个连续代码位的组唯一地识别绝对代码范围ACR内的对应绝对位置。

检测器被配置为安装在标尺附近，检测器和标尺之间沿着测量轴方向具有相对运动。检测器一般包括场生成配置，该场生成配置包括生成改变的磁场的至少一个导电回路、以及包括相应的导电回路的感测元件，该导电回路接收改变的磁场的至少一部分并生成取决于标尺的相邻部分上的信号调制标尺图案的对应信号。

感测元件包括周期性图案感测元件的集合和代码图案感测元件的M个集合，其中M是至少为2的整数。该周期性图案感测元件的集合被布置成覆盖周期性图案(例如，覆盖并面向周期性标尺轨道)并提供取决于标尺的相邻部分上的周期性图案的空间周期性检测器信号的集合，其中该周期性图案感测元件的集合的每个成员提供具有相应空间相位的相应周期性信号。代码图案感测元件的M个集合被布置成覆盖绝对位置代码图案(例如，覆盖并面向代码标尺轨道)，并且它们提供代码检测器信号的M个相应的集合。代码图案感测元件的M个集合包括代码图案感测元件的至少第一和第二集合，其包括沿着测量轴方向间隔开的至少N个部件，以感测标尺的相邻部分上的至少N个连续代码位并提供对应的第一和第二代码检测器信号集合。

根据本文公开的原理，上面概述的元件的组合进一步配置如下：

Wcode大于Wf；至多为M*Wf；

代码图案感测元件的集合沿着测量轴方向位于相应的代码对准位置处，被配置为使得当绝对位置代码图案沿着测量轴相对于检测器在单个方向上移动时，它通过相继的对准间隔移动，以便与每个相继的对准位置对准或重新对准，并且每个相继的对准间隔至多为Wf；以及

电子绝对位置编码器还包括信号处理配置，该信号处理配置输入M个相应的代码检测器信号集合，并且基于M个相应的代码检测器信号集合以至少与Wf一样精细的分辨率确定标尺的相邻部分的绝对位置，并且还至少基于空间周期性检测器信号以至少与0.1*Wf一样精细的分辨率确定标尺的相邻部分的绝对位置。以下更详细地公开可以由信号处理配置使用的示例性操作或原理。

其中Wcode大于Wf的绝对编码器系统在伪随机代码型绝对编码器中是不常见的，并且对于磁性或电感型绝对编码器而言特别罕见。如前面所指示的，Wcode通常等于或小于增量轨道的周期性波长Wf，以避免上面概述的位置模糊问题。但是，根据本文公开的原理，当Wcode大于Wf时，通过分析由代码图案感测元件的M个集合提供的信号来确定相对于具有优于Wcode的分辨率的检测器的代码位置，克服了位置模糊问题。这是根据下面更详细描述的原理使用上面概述的各种特征来实现的。这种绝对编码器系统在某些实现中提供某些优点，特别是在Wf小(例如，小于5mm或2mm或1mm或更小)并且期望相对大的绝对范围(例如，Wf的几十或几百倍)的实现方式中，和/或减小检测器维度和/或代码位处理复杂性或尺寸特别重要的实现方式中(例如，在小量规壳体内等)。下面更详细地解释这些和其它优点。

附图说明

图1和2是包括使用第一已知代码感测配置的已知绝对编码器系统的部分的图。

图3是包括示出在图1和2中所示的绝对编码器系统的变体中可以使用的第二已知代码感测配置的某些方面的图。

图4是示出绝对编码器系统中的某些特征和参数关系的部分示意性等距视图，以图示在某些实现中可能与现有技术设计和图1-3中所示的代码感测配置相关联的各种问题，与可以根据本文公开的各种原理提供的优点形成对比。

图5是图示在使用代码图案感测元件的两个集合的实现中如何可以根据本文公开的原理感测和处理数字位置代码的某些方面的示意性表示，以便以比由代码位长度提供的分辨率更准确的分辨率来解析编码位置。

图6是图示在使用代码图案感测元件的三个集合的实现中如何可以根据本文公开的原理感测和处理数字位置代码的某些方面的示意性表示，以便以比由代码位长度提供的分辨率更准确的分辨率来解析编码位置。

图7是信号处理配置的一个实现的示例性部件的框图，图示了如何可以根据本文公开的原理感测和处理数字位置代码的某些方面，以便以比由代码位长度提供的分辨率更准确的分辨率来解析编码位置。

具体实施方式

图1和2是包括已知电感型绝对编码器系统400的部分的图，其使用第一已知代码感测配置。图1和2的图在先前并入的美国专利No.5,841,274('274专利)中公开。在各种实现中，根据本文公开的原理，'274专利中教导的感测原理和信号处理可以与本文公开的原理组合使用。这里简要概述绝对编码器系统400的各个方面。附加的相关联细节、解释和教导在'274专利中可以获得。

编码器系统400包括读头402(其包括检测器，该检测器包括下面描述的场生成器和感测元件)，其安装在标尺404附近，检测器和标尺之间沿着测量轴方向MA相对运动。标尺部件404沿着测量轴方向MA延伸，并包括信号调制标尺图案。信号调制标尺图案包括周期性图案或“精细波长标尺”418，其具有空间波长304，在周期性标尺轨道中沿着测量轴MA的方向延伸。读头402的接收器绕组414和416提供周期性图案感测元件的集合，该集合与场生成发送器绕组412一起操作，以提供“精细波长换能器”410。简而言之，场发生发送器绕组412利用改变的电流被驱动，以生成通过接收器绕组414和416的磁场，接收器绕组414和416是“扭曲的”导电回路，其接收改变的磁场并且理想地响应于在没有周期性图案418的磁通干扰器170的情况下改变的磁场而产生空值输出。但是，由于周期性图案418的信号调制效应，接收器绕组414和416产生取决于相邻周期性图案418的位置的空间周期性信号。将认识到的是，由于它们在读头402上的不同位置(例如，在所示的实现中提供“正交”信号，如本领域中已知的)，接收器绕组414和416中的每一个产生具有相应空间相位的相应周期性信号。

信号调制标尺图案还包括绝对位置代码图案或“二进制代码标尺”458，其在代码标尺轨道中沿着测量轴MA的方向延伸。在各种实现方式中，代码图案458具有沿着测量轴MA的代码位长度，该长度大致与边缘到边缘距离308一致。在下面的描述中，代码位长度有时被称为代码位长度Wcode。

读头402的“平衡对”457提供代码图案感测元件的集合，该集合与场发生发送器绕组452一起操作，以提供“二进制代码转换器”450。在所示实现方式中，使用N位二进制代码，其中N＝8。简而言之，利用改变的电流驱动场发生发送器绕组452，以生成通过8个平衡对457的改变的磁场，其中8个平衡对457是“扭曲的”导电回路(每个包括正极性回路454和负极性回路456)，它在没有绝对位置代码图案458的磁通干扰器170的情况下，响应于改变的磁场而接收改变的磁场并理想地产生空输出。但是，由于绝对位置代码图案458的信号调制效应，八个代码图案感测元件的集合(即，八个平衡对457的集合)产生对应的代码检测器信号的集合，这取决于绝对位置代码图案或“二进制代码标尺”458的相邻部分上的N个连续代码位。在所示的实现中，二进制代码标尺458包括上部459和下部459'。如图所示，对于每个代码位，通量调制器或干扰器170可以位于上部或下部之一当中，并且可以在其它部分中省略，以在覆盖平衡对457中创建期望极性的信号。正电压(例如，高于阈值或参考电平)可以与逻辑“1”对应，并且负电压可以与逻辑“0”对应。

图2示出了连接到读头402的信号生成与处理电路240的示例性实现方式。在图2中，具有与图1中相同编号的那些元件可以是相似或完全相同的，并且可以基于先前的描述来理解。这里简要概述信号发生与处理电路240的各个方面。附加的相关联细节、解释和教导在'274专利中可以获得。

简而言之，关于精细波长换能器410，信号发生器250如前面所概述的那样驱动场生成发送器绕组412。接收器绕组414或416中所得的信号可以由开关243选择并由前置放大器245放大并输入到采样与保持电路260，并由A/D转换器246转换。然后微处理器241可以根据已知的正交信号处理方法分析空间周期性信号值及其关系，以在由“二进制代码换能器”450(或450')指示的本地空间波长304内提供高分辨率内插位置测量，如下面进一步描述的。

简而言之，关于二进制代码换能器450，信号发生器250如前面所概述的那样驱动场生成发送器绕组452。在所示的实现方式中，通过在数字控制单元244的控制下开关242的操作来选择发送器绕组412或452。但是，在其它实现方式中，如'274专利中所指示的，单个发送器绕组可以被配置为供换能器410和450(或450')两者使用。在任何情况下，二进制代码换能器450(或450')的平衡对457中结果所得的八个信号都可以输入到采样与保持电路460，由前置放大器262放大，并且同时由采样与保持电路464捕获。如图所示，数字控制单元244可以随后通过控制采样和保持电路460中的各种开关来选择采样信号，使得每个信号可以由A/D转换器246转换。然后，微处理器241可以分析各种代码位信号值(例如，通过将它们与二进制信号阈值进行比较)并使用预定逻辑来分析代码位值之间的关系，以确定对应的绝对位置代码字。'274专利教导了使用这种代码位信号值和/或它们的逻辑关系来识别沿着测量轴MA的特定绝对位置的各种替代方法，其分辨率为1代码位长度。因此，这里不必重复这些方法。但是，值得注意的是，在'274专利的所有情况下，教导绝对位置代码的分辨率(即，其代码位长度)不大于，并且优选地小于，空间波长304。否则，绝对代码将不会明确地与精细波长标尺418的特定波长或周期对应，从而导致一个波长的潜在位置误差或不确定性，尽管存在由精细波长换能器410提供的子波长分辨率。在图1和2中所示的优选示例中，代码位长度或边缘到边缘距离308仅为空间波长304的一半，以提供误差容限并且明确地将特定的绝对位置代码与空间波长304的特定周期相关联，尽管存在潜在的信号测量误差等。在上面概述的条件下，'274专利教导了粗分辨率绝对位置代码可以与空间波长304的特定周期内的高分辨率内插位置测量结合，以提供高分辨率绝对位置测量，如本领域普通技术人员将容易理解地。

'274专利的教导认识到了图1和2中所示的代码感测布置的一个潜在问题。特别地，当八个平衡对457在二进制代码标尺458的代码元件之间的中间位置处对准时，如图1中所示，然后处于代码值之间的过渡处的平衡对457的信号值可以产生“空值”或未定义的信号值。例如，图1中左起第一、第三、第四、第七和第八平衡对457举例说明了这种情况。'274专利教导了通过排除与代码字中相邻代码位之间的“无代码值过渡”和“所有代码值过渡”对应的某些代码值，可以获得对这个问题的一种解决方案。在这种情况下，虽然在各个位置出现各种未定义的信号值，但是有可能沿着标尺对所有代码值进行逻辑解码。但是，出于各种应用中的各种原因，这可以是不切实际或不可靠的。因此，'274专利还教导了下面参考图3概述的解决方案。

图3是示出在绝对编码器系统800中可用的第二已知代码感测配置的某些方面的图，在一些实现中，绝对编码器系统800可以是图1和2中所示的绝对编码器系统的变体。在先前并入的'274专利中公开了图3的图，用于解决上面概述的问题，其中在代码值之间的过渡处的一个或多个平衡对857(类似或完全相同的平衡对457，如上所述)的信号值(例如，在二进制代码标尺458中)可以产生“空值”或未定义的信号值。周期性信号λ810可以用来表示沿着图1和2中所示的精细标尺418的周期性图案的周期性空间相位位置。如图3中所示，代码位长度或边缘到边缘距离308可以假设等于(或小于)空间波长304。如'274专利中所描述的，在图3中所示的二进制标尺换能器中，代码感测配置包括平衡对827的第一集合821和平衡对827的第二集合823。特别地，第一集合821和第二集合823偏移代码位长度或边缘到边缘距离308的一半。因此，如果集合821或823中的一个位于代码标尺元件(例如，如图1中所示)之间的过渡处，那么另一个集合821或823将与代码标尺元件对准。因此，虽然集合821或823中的一个可能具有未定义的代码信号，但另一个集合821或823将具有充分定义的所有代码信号。

'274专利还指出了用于确定集合821或823中的哪一个应当在任何特定位置使用的方法。基本上，'274专利指出，精细波长换能器(例如，图1和2中所示的精细波长换能器410)可以用于确定应当使用集合821或823中的哪一个。在所示的示例中，其中假设精细波长304等于代码位长度或边缘到边缘距离308，那么，当接收器绕组之一(例如，图1和2中所示的接收器绕组414或416)的电压振幅为正时，应当使用集合821或823中的第一个。相反，当接收器绕组的振幅为负时，应当使用集合821或823中的另一个。'274专利没有教导确定应当使用集合821或823中的哪一个的任何其它方法。

图4是示出绝对编码器系统100中的某些特征和参数关系的部分示意性等距分解视图，以示出在某些实现方式中可能与图1-3中所示的现有技术设计和代码感测配置相关联的各种问题，与如果绝对编码器系统100结合根据本文公开的原理的各种特征时可以提供的某些优点相比。将认识到的是，出于说明的目的，夸大了某些图案维度(例如，Wcode和304-也称为Wf)。

所示的绝对编码器系统100包括读头102(其包括信号处理电路或配置140)、检测器105(包括场生成器112和周期性图案感测元件110')和代码图案感测元件150'(下面描述)，检测器105安装在标尺104附近，检测器105和标尺104之间沿着测量轴方向MA相对运动。标尺构件104沿着测量轴方向MA延伸，并包括信号调制标尺图案。信号调制标尺图案包括周期性图案118(图4中仅示出其一部分)，具有空间波长304，在周期性轨道118'中沿着测量轴MA的方向延伸。周期性图案感测元件110'包括读头102的接收器绕组114和116，接收器绕组114和116提供两个周期性图案感测元件的集合，该集合与场生成发送器绕组112一起操作以提供精细波长测量，如先前参考图1和2中的类似元件所概述的那样。简而言之，用改变的电流驱动场生成发送器绕组112，以生成通过接收器绕组114和116的改变的磁场，接收器绕组114和116是“扭曲的”导电回路(与图1和2中所示的接收器绕组414和416类似或完全相同地布置)，它接收改变的磁场，并且理想地在没有周期性图案118的磁通干扰器170的情况下响应于改变的磁场而产生空值输出。但是，由于周期性图案118的信号调制效应，接收器绕组114和116产生取决于相邻周期性图案118的位置的空间周期性信号。将认识到的是，由于它们沿着读头102的不同位置(例如，为了提供“正交”信号，如图1和2中的类似元件所示，并且如本领域中已知的那样)，接收器绕组114和116(116未示出)中的每一个被配置为产生具有相应空间相位的相应周期性信号。

信号调制标尺图案还包括绝对位置代码图案158(图4中仅示出其一部分)，在代码标尺轨道158'中沿着测量轴MA的方向延伸。代码图案158具有沿着测量轴MA的代码位长度Wcode。代码图案感测元件150'可以包括N个代码图案感测元件的至少第一和第二集合，用于感测N位代码字。图4中示出了一个这样的集合，其中N＝6。为了说明的清晰，图4中未示出附加的代码图案元素集合。但是，将理解的是，一般包括至少第二集合(例如，以类似于图3中所示的配置，包括第一和第二集合821和823)。更一般地，代码图案感测元件150'可以包括M个集合的代码图案感测元件集合，它们被布置成覆盖绝对代码位置图案158，并且提供M个代码检测器信号集合，其中M是至少为2的整数。在各种实现方式中，每个代码感测元件157可以类似于图1和2中所示的平衡对457。M个相应的代码图案感测元件集合被布置成覆盖绝对代码位置图案158，并且根据先前概述的原理，与场生成发送器绕组112结合操作，以提供取决于绝对位置代码图案158的相邻部分上的N个连续代码位的M个代码检测器信号集合。

现在将描述绝对编码器系统100的实际实现方式中的各种参数关系。在图4中示意性地表示了量规壳体腔或开口GHC。将理解的是，在各种实现方式中，可能需要将标尺104和读头102定位或密封在量规壳体腔GHC中。常常实际需要的是，量规壳体和量规壳体腔的维度被最小化(例如，在千分表或线性量规等中)。标尺通常安装到轴承系统并在量规壳体腔GHC内部沿着测量轴方向MA被引导。因此，这种量规中的测量范围至多是图4中所示的行程范围TR，这是沿着测量轴方向MA的量规壳体腔GHC的维度与总标尺长度Lscale之间的差异。此外，这种量规中的测量范围至多是图4中所示的操作范围OR，这是总标尺长度Lscale与所需的检测器长度Ldet之间的差异。因此，对于量规壳体腔GHC的给定维度和标尺长度Lscale，减小检测器长度Ldet将增加量规的可用测量范围-这是量规的非常期望的特点。在各种实现中，如果Ldet至多为20毫米或16毫米或甚至更小，其将会是期望的。

但是，前述还假设由N位绝对代码位置图案158提供的绝对代码范围ACR不是限制因素。即，还要求N位绝对代码位置图案158提供等于或超过量规的期望可用测量范围的绝对代码范围ACR。一般而言，本文所述类型的N位代码的近似绝对代码范围ACR近似为其指示增加代码中的位数和/或增加Wcode提供增加绝对代码范围ACR的手段。

但是，在一些应用中，可能不期望增加代码位的数量N。例如，在各种实现方式中，可以用于在信号处理配置140中处理代码传感器信号的连接和/或电路系统可能受到实际考虑的限制，诸如空间、成本或允许的测量样本处理时间。例如，在一些应用中，已经发现可能期望使用N位代码，其中N＝6或更小。进一步加剧该问题，在诸如图4中表示的量规应用中，周期性图案的空间波长304(下面也称为精细空间波长Wf)可能受到提供高分辨率和准确度的需要的限制(例如，10微米或5微米或甚至1微米或更小的数量级)。在这种情况下，给定实际信号插值水平，空间波长可以被限制为2毫米或1毫米或甚至更小。在这种情况下，代码检测器信号的集合必须提供比这些小空间波长更好的分辨率和准确度。'274专利和其它已知的绝对编码器系统教导这是通过使Wcode等于或小于空间波长304(即，Wf)来实现的，在'274专利中Wf一般被预期是大约5毫米的量级。但是，对于1毫米的空间波长Wf，这意味着'274专利和其它已知的绝对编码器系统的教导指示用于6位代码的绝对代码范围ACR大约是64毫米，这对于广泛的应用而言太小了，因此一般是不可接受的。

图4指示上面概述的问题的解决方案。特别地，图4示出了Wcode的维度，其大于空间波长Wf，这与'274专利以及使用磁性或电感型感测技术的其它已知的绝对编码器系统的教导相矛盾。在图4中所示的特定实现中，这种特定实现方式可以在Wf＝1毫米的情况下使用，并且将用于6位代码的绝对代码范围ACR增加到大约96毫米，这对于广泛的应用是足够的。但是，这仅仅是说明性的，而不是限制性的。更一般而言，根据下面更详细描述的原理，如本文所公开和要求保护的，使用导电回路作为传感器的绝对位置编码器被配置为使得Wcode大于Wf(例如，1.25Wf或1.5Wf或2Wf或更多)并且当使用M个代码图案感测元件集合时至多为M*Wf。下面更详细地描述M个代码图案感测元件集合的布置和相关的信号处理，以克服现有技术的缺陷和约束并允许使用其中Wcode大于Wf的配置。

图5是图示根据本文公开的原理如何可以感测和处理数字位置代码的某些方面的示意性表示500，以便以比由代码位长度Wcode提供的分辨率更准确的分辨率来解析编码位置。图5表示使用两个代码图案感测元件集合的第一实现方式(即，M等于2)。代码图案感测元件的每个集合由其部件中的单个部件表示。代码图案感测元件的第一集合由集合一的代表性感测元件RSES1表示。代码图案感测元件的第二集合由集合二的代表性感测元件RSES2表示。

根据本公开的原理，代码图案感测元件的M个集合沿着测量轴方向定位在相应的代码对准位置(CAP)处，被配置为使得当绝对位置代码图案沿着测量轴相对于检测器在单个方向移动时，它通过相继的对准间隔移动，以便与每个相继的对准位置对准或重新对准，并且每个相继的对准间隔至多为Wf。这个原理在图5中由相应的代码对准位置CAP1和相应的代码对准位置CAP2表示，代码对准位置CAP1在作为代表性感测元件RSES1的中线的参考位置处指示，并且代码对准位置CAP2在作为代表性感测元件RSES2的中线的参考位置处指示。如图5中所示，这些代码对准位置相差对准间隔Dcap12，这是绝对位置代码图案558为了从CAP1处的对准移动到CAP2处的对准所必须移动的间隔。一般而言，还可以定义相继的对准间隔Dcap21，它与继续在相同方向上从CAP2处的对准移动到CAP1处的对准的绝对位置代码图案558相关联。在图5中所示的特定实现方式中，Dcap12等于Wcode/2，并且Dcap12＝Dcap21。但是，在各种其它实现方式中，Dcap12可以与Dcap12不同，只要两个对准间隔都不大于Wf即可。

将理解的是，在实践中，代表性感测元件RSES1和RSES2以及它们所表示的相应感测元件集合可以沿着读头上的测量轴方向覆盖或交错(例如，以类似于图3中为传感器元件集合821和823所示的方式)。它们在图5中是分开的，这仅仅是为了更清楚地说明这里描述的操作原理。对于绝对位置代码图案558也是如此，应当理解为绝对位置代码图案558表示标尺上相同且唯一的代码图案。照此，图5中所示的绝对位置代码图案558在其每个代表性实例中都沿着测量轴方向MA定位在相同位置。出于说明的目的，所示的绝对位置代码图案558仅包括沿着测量轴方向MA交替的代码位值。将理解的是，各种代码字可以具有相同的相邻代码位。但是，如本文前面所指示的，绝对位置码图案一般应当在每个代码字中的相邻码位之间具有至少一个过渡。因此，所示的绝对位置代码图案558对于说明与这种代码相关的重要原理是有用的。

图示的信号电平SL1(或SL2)代表沿着测量轴方向MA在代表性感测元件RSES1(或RSES2)与绝对代码图案558之间的各种相对位置处的代码信号幅度。为了更容易地比较在任何位置处的代表性代码信号幅度CSM1与CSM2，SL1(或SL2)中的实线指示由绝对位置代码图案558的代码位的所示极性产生的信号，而与由绝对码位置图案558所示的信号相比，SL1(或SL2)中的虚线指示由代码位的反转极性产生的信号，并且在其间指示“加倍的”代码信号幅度CSM1和CSM2。由于对准间隔Dcap12等于Wcode/2，因此代表性感测元件RSES1和RSES2的信号电平SL1和SL2的响应相对于彼此移位与绝对位置码图案558沿着测量轴方向MA移动的量相同的量。在图5中指示示例性代码参考位置CRP。在这个代码参考位置CRP处，代表性感测元件RSES1位于代码元件之间的过渡处，因此输出平衡或未定义的信号幅度“Undef”。这些信号幅度Undef之间的距离是Wcode，如图所示。相反，在这个代码参考位置CRP处，代表性感测元件RSES2直接在代码元件上对准，并输出最大可能的信号幅度。如图5中所示，信号电平SL1和SL2在距离Wcode上经历这些信号幅度之间的完整周期。

图5还示出了在由参考线RL1表示的代码位置和由参考线RL2表示的代码位置之间，代表性感测元件RSES2的信号幅度将大于代表性感测元件RSES1的信号幅度，如由带阴影的较大信号幅度区域LS2所表示的(其以Wcode的位置改变周期性地重复，如由较大信号幅度区域LS2'所示，等等)。类似地，在由参考线RL2表示的代码位置和由参考线RL3表示的代码位置之间，代表性感测元件RSES1的信号幅度将大于代表性感测元件RSES2的信号幅度，如由带阴影的较大信号幅度区域LS1所表示的(其以Wcode的位置改变周期性地重复，如由较大信号幅度区域LS1'所示，等等)。

因而，将理解的是，对于这种实现，如果执行信号处理以确定感测元件的第一和第二集合(由代表性感测元件RSES1和RSES2表示)中的哪一个表现出(一个或多个)最大信号幅度，那么绝对代码位置可以用大约Wcode/2的分辨率确定(在理想或接近理想的信号的情况下)，如由沿着较大信号幅度区域LS1和/或LS2的测量轴方向MA的位置分辨率或长度所指示的。下面进一步描述可以由信号处理配置用于确定哪个感测元件集合表现出(一个或多个)最大信号幅度的示例性操作或原理。

如前面所指示的，在根据本公开的各种实现中，每个对准间隔(例如，Dcap12、Dcap21)可以是至多Wf(或优选地稍小，以提供更稳健的误差容限)。因而，对于这种特定实现，Wcode大于Wf，并且可以是至多2*Wf，或者优选地稍小。如前面所指出的，其中Wcode大于Wf的绝对编码器系统在伪随机码型绝对编码器中是不常见的，并且关于在磁性或电感型绝对编码器中使用这种代码特别不常见。

图6是示意性表示600，图示如何可以根据本文公开的原理感测和处理数字位置代码的某些方面，以便以比由代码位长度Wcode提供的分辨率更准确的分辨率来解析编码位置。图6基本上类似于图5，并且可以类推地理解。因此，这里将仅描述显著的差异。

除了它表示使用三个代码图案感测元件集合(即，M等于3)而不是如图5中的两个集合的第二实现之外，图6类似于图5。类似于图5，每个代码图案感测元件集合分别由其成员中的单个部件，RSES1、RSES2和RSES3，表示。根据本公开的原理，M个代码图案感测元件集合沿着测量轴方向定位在相应的代码对准位置(CAP)处，被配置为使得当绝对位置代码图案沿着测量轴相对于检测器在单个方向上移动时，它通过相继的对准间隔移动，以便与每个相继的对准位置对准或重新对准，并且每个相继的对准间隔至多为Wf。这个原理在图6中由相应的代码对准位置CAP1、CAP2和CAP3表示，它们分别在作为对应代表性感测元件RSES1、RSES2和RSES3的中线的参考位置处指示。如图6中所示，CAP1与CAP2相差对准间隔Dcap12，并且CAP2与CAP3相差对准间隔Dcap23。在图6中所示的这种特定实现中，Dcap12＝Dcap23＝Wcode/3。Dcap12是绝对位置代码图案558为了从CAP1处的对准移动到CAP2处的对准而必须移动的间隔。Dcap23是绝对位置代码图案558为了从CAP2处的对准移动到CAP3处的对准而必须移动的间隔。一般而言，还可以定义相继的对准间隔Dcap31，它与继续在相同方向上从CAP3处的对准移动到CAP1处的相继代码位或字的重新对准的绝对位置代码图案558相关联，等等。在图6中所示的特定实现中，Dcap12＝Dcap23＝Dcap31＝Wcode/3。但是，在各种其它实现中，所有对准间隔不需要相同，只要每个对准间隔不大于Wf即可。

将理解的是，在实践中，代表性感测元件RSES1、RSES2和RSES3以及它们表示的相应感测元件集合可以沿着读头上的测量轴方向覆盖或交错(例如，以类似于图3中为传感器元件集合821和823所示的方式)，从而覆盖单个绝对位置代码图案558。它们在图5中是分开的，这仅仅是为了更清楚地说明这里描述的操作原理。绝对位置代码图案558应当被理解为表示相同且唯一的代码图案。

图示的信号电平SL1、SL2和SL3以及所指示的代码信号幅度类似于图5中所示的那些。由于对准间隔Dcap12和Dcap23等于Wcode/3，因此代表性感测元件RSES1、RSES2和RSES3的信号电平SL1、SL2和SL3的响应相对于彼此移位与绝对位置码图案558沿着测量轴方向MA移动的量相同的量。因此，图6示出了在由参考线RL1表示的代码位置和由参考线RL2表示的代码位置之间，代表性感测元件RSES2的信号幅度将大于代表性感测元件RSES1和RSES3的信号幅度，如由带阴影的较大信号幅度区域LS2所表示的(其以Wcode的位置改变周期性地重复，如由较大信号幅度区域LS2'所示，等等)。类似地，在由参考线RL2表示的代码位置和由参考线RL3表示的代码位置之间，代表性感测元件RSES3的信号幅度将大于代表性感测元件RSES1和RSES2的信号幅度，如由带阴影的较大信号幅度区域LS3所表示的(其以Wcode的位置改变周期性地重复，如由较大信号幅度区域LS3'所示，等等)。类似地，在由参考线RL3表示的代码位置和由参考线RL4表示的代码位置之间，代表性感测元件RSES1的信号幅度将大于代表性感测元件RSES2和RSES3的信号幅度，如由带阴影的较大信号幅度区域LS1所表示的(其以Wcode的位置改变周期性地重复，如由较大信号幅度区域LS1'所示，等等)。

因而，将理解的是，对于这种实现，如果执行信号处理以确定第一、第二和第三感测元件集合(由代表性感测元件RSES1、RSES2和RSES3表示)中的哪一个表现出(一个或多个)最大信号幅度，那么绝对代码位置可以用大约Wcode/3的分辨率确定(在理想或接近理想的信号的情况下)，如由沿着较大信号幅度区域LS1、LS2和/或LS3的测量轴方向MA的位置分辨率或长度所指示的。在各种实现中，可以通过比较它们的总和绝对信号值或求和的平方信号值等来确定表现出最大信号幅度的集合。但是，这些比较方法仅仅是示例性的，而不是限制性的。

图7是信号处理配置的一个实现的示例性部件的框图700，示出了如何可以根据本文公开的原理感测和处理数字位置代码的某些方面，以便以比由代码位长度提供的分辨率更准确的分辨率来解析编码位置。

如图7中所示，信号处理配置输入N个代码检测器信号的M个相应集合(在所示的实现中，M＝2，N＝6)，分别与在Set1信号输入和Set2信号输入处输入的第一和第二代码检测器信号集合对应。可以根据先前概述的原理从第一和第二代码图案感测元件集合(例如，分别为Set1和Set2)生成信号(例如，可以以与在采样与保持电路464上提供的方式类似的方式提供信号，如参考图2所描述的)。然后可以沿着两条平行的信号路径路由信号。一条路径通向比较器阵列771，比较器阵列771将信号与数字信号参考电压进行比较，并将信号数字化为二进制代码信号。沿着另一条路径，Set1信号被路由到Set1整流器电路773并且Set2信号被路由到Set2整流器电路774。整流器电路773和774将Set1和Set2信号的幅度输出到Set1求和电路775和Set2求和电路776。Set1求和电路775和Set2求和电路776将它们的Set1和Set2求和信号输出到比较与控制电路777，比较与控制电路777根据已知方法确定哪个信号更大。然后，比较与控制电路777将基于那个确定的开关控制信号输出到开关阵列778，并将基于那个确定的位置代码对准信号输出到绝对位置确定电路或例程779。例如，如果Set1求和信号更大，那么被发送到开关阵列778的开关控制信号使其输出与Set1对应的二进制代码信号作为绝对位置代码值，然后将其发送到绝对位置确定电路779。由比较与控制电路777发送到位置确定电路或例程779的位置代码对准信号是在这种情况下指示Set1已提供绝对位置代码值的信号，这使得位置确定电路或例程779将Set1代码图案感测元件集合的代码对准位置与那个(Set1)绝对位置代码值相关联。相反，如果Set2求和信号更大，那么被发送到开关阵列778的开关控制信号使其输出与Set2对应的二进制码信号作为绝对位置代码值，然后将其发送到绝对位置确定电路779。由比较与控制电路777发送到位置确定电路或例程779的位置代码对准信号是在这种情况下指示Set2已提供绝对位置代码值的信号，这使得位置确定电路或例程779将Set2代码图案感测元件集合的代码对准位置与那个(Set2)绝对位置代码值相关联。在任一种情况下，位置确定电路或例程779都被配置为输入对应的代码图案感测元件集合的绝对代码位置值和代码对准位置，并确定与检测器(例如，参考图4描述的检测器105)相邻的标尺部分的绝对位置。当根据本文先前公开的原理配置代码图案感测元件集合时，位置确定电路或例程779可以基于对应的代码检测器信号集合以至少与Wf一样精细的粗分辨率确定绝对位置。由于这足以指示在标尺的相邻部分上的周期性图案的波长Wf的特定周期内的绝对位置，因此位置确定电路或例程779还可以根据已知方法基于空间周期性检测器信号以至少与0.1*Wf一样精细的精细分辨率确定标尺的相邻部分的绝对位置。

将认识到的是，虽然图7中所示的信号处理配置是用于使用由两个代码图案感测元件集合(即，M＝2)提供的信号的实现，但是可以通过在M为3或4或更多的实现中复制整流和求和信号路径以直接的方式调整它以处理来自附加代码图案感测元件集合的信号。

应当认识到的是，上面概述的原理可以应用于各种其它实施例。可以组合上述各种实施例，以提供进一步的实施例。本说明书中提及的所有美国专利均通过引用整体上并入本文。如果有必要采用各种专利的概念，那么可以修改实施例的各方面，以提供更进一步的实施例。

鉴于以上详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于说明书中公开的具体实施例，而应当被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求有资格的等同物的全部范围。

Claims (10)

1.一种电子绝对位置编码器，包括：

标尺，沿着测量轴方向延伸并且包括信号调制标尺图案，包括：

周期性图案，具有在标尺上的周期性标尺轨道中沿着测量轴方向延伸的空间波长Wf；以及

绝对位置代码图案，具有在标尺上的代码标尺轨道中沿着沿着测量轴方向延伸的测量轴方向的代码位长度Wcode，其中所述绝对位置代码图案被配置为提供绝对代码范围ACR，其中每N个连续代码位的组唯一地识别绝对码范围ACR内的对应绝对位置，

检测器，被配置为安装在所述标尺附近，检测器和标尺之间沿着测量轴方向具有相对运动，所述检测器包括场生成配置，所述场生成配置包括生成改变的磁场的至少一个导电回路，以及包括相应的导电回路的感测元件，所述导电回路接收改变的磁场的至少一部分并生成取决于标尺的相邻部分上的信号调制标尺图案的对应信号，所述感测元件包括：

周期性图案感测元件的集合，被布置成覆盖周期性图案并提供取决于标尺的所述相邻部分上的周期性图案的空间周期性检测器信号的集合，其中所述周期性图案感测元件的集合的每个成员提供具有相应空间相位的相应的周期性信号；以及

代码图案感测元件的M个集合，被布置成覆盖绝对位置代码图案并提供代码检测器信号的M个相应的集合，其中M是至少为2的整数，并且所述M个集合包括代码图案感测元件的至少第一和第二集合，其包括沿着测量轴方向间隔开的至少N个部件，以感测标尺的所述相邻部分上的至少N个连续代码位并提供对应的代码检测器信号的第一和第二集合；以及

其中：

Wcode大于Wf，并且至多为M*Wf；

代码图案感测元件的集合沿着测量轴方向位于相应的代码对准位置处，被配置为使得当绝对位置代码图案沿着测量轴相对于检测器在单个方向上移动时，其通过相继的对准间隔移动，以便与每个相继的对准位置对准或重新对准，并且每个相继的对准间隔至多为Wf；以及

所述电子绝对位置编码器还包括信号处理配置，所述信号处理配置输入所述代码检测器信号的M个相应的集合，并且基于所述代码检测器信号的M个相应的集合以至少与Wf一样精细的分辨率确定标尺的所述相邻部分的绝对位置，并且还至少基于空间周期性检测器信号以至少与0.1*Wf一样精细的分辨率确定标尺的所述相邻部分的绝对位置。

2.如权利要求1所述的电子绝对位置编码器，其中M为2，并且代码检测器信号的第一和第二集合各自提供至少N个代码检测器信号。

3.如权利要求1所述的电子绝对位置编码器，其中M至少为3。

4.如权利要求1所述的电子绝对位置编码器，所述代码检测器信号的M个集合中的每一个集合提供至少N个代码检测器信号。

5.如权利要求1所述的电子绝对位置编码器，其中Wf至多为2mm，并且N至多为8。

6.如权利要求5所述的电子绝对位置编码器，其中M为2并且Wcode至少为1.25Wf并且至多为1.75*Wf。

7.如权利要求5所述的电子绝对位置编码器，其中所述检测器沿着测量轴方向具有至多20毫米的维度Ldet。

8.如权利要求5所述的电子绝对位置编码器，其中Wf至多为1mm并且N至多为6。

9.如权利要求1所述的电子绝对位置编码器，其中每个相继的对准间隔是a)近似相同，或者b)近似Wcode/M中的至少一个。

10.如权利要求1所述的电子绝对位置编码器，其中所述检测器和所述标尺被配置为通过生成改变的磁场来操作的涡流换能器。