電容式線性編碼器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及根據權利要求1的前序部分的電容式線性編碼器，涉及根據權利要求12的用于精確地利用這種線性編碼器來確定位置的方法，并且涉及根據權利要求15的計算機程序產品。
【背景技術】
[0002]在要確定可沿直線路徑移動的部件的位置(例如，機器組件在直線軸上的位置)的許多應用領域中，需要用于精確的距離測量的線性編碼器。在這種情況下檢測到的位置可被用作測量用途的位置值，或者用于借助于具有位置控制回路的驅動器來對組件定位。這種線性位置編碼器因此在諸如坐標測量機(CMM)、大地測量裝置、機器人手臂或液壓致動器的裝置中被發現。
[0003]為此，線性編碼器包括標尺(scale)和用于掃描或讀取該標尺的讀取頭，標尺和讀取頭可彼此相對地沿進給方向移動，并且線性編碼器還包括用于調節測量過程并用于將讀取頭所生成的掃描信號分配到一位置的控制與評估單元。在這種情況下，根據需求和結構可能性，沿進給方向延伸的讀取頭固定并且標尺可移動(例如，通過將標尺連接至要被檢測線性移動的可移動物體)；或者沿進給方向延伸的標尺固定地定位，而讀取頭相對于標尺移動，例如，依靠設置有讀取頭的坐標測量機的測量滑軌在裝配至測量臺的標尺上移動的事實。原則上，不同的物理作用原理適于掃描目的，例如，諸如光學或電容式掃描。在這種情況下，與可比較的光學線性編碼器相比，電容式線性編碼器提供了功耗低和構造更具成本效益的優點。
[0004]已知增量和絕對線性編碼器。對于絕對系統的情況來說，可以依靠在整個測量區段上具有由唯一的代碼字組成的絕對位置編碼的標尺，將位置直接分配給讀取頭相對于標尺的每一個相對位置，其可通過控制與評估單元精確地分配一個位置。相反，在利用增量確定位置的線性編碼器的情況下，掃描信號不是唯一的，而是在整個測量區域上被重復多次。增量所對應的距離被存儲在線性編碼器的控制與評估單元中。從而，在標尺和讀取頭的相對移動期間所涵蓋的距離和由此的相對位置可以通過倒計數該增量來確定。為了按絕對關系定位這種相對位置，作為絕對基準點的限定的零位置被用作相對移動期間的基礎。這種零位置或零點由標尺上(或者在固定標尺情況下的讀取頭上)可由讀取頭檢測的位置基準標記物(marker)來限定。在電容式測量系統中，這種位置基準標記物通常基于磁或感應作用原理，而非基于電容作用原理。
[0005]相反，EP 1173730 BI公開了一種包括位置基準標記物的電容式線性編碼器，該位置基準標記物限定基于電容作用原理的零點。該線性編碼器包括具有矩形接收器電極的標尺，該矩形接收器電極可借助于矩形接收板通過讀取頭以電容方式掃描。作為索引化絕對基準點的位置基準標記物，使用標尺上彼此相鄰的兩個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，所述兩個附加矩形接收器電極在進給方向上具有更大寬度。該零點借助于在掃描這兩個附加接收器電極時出現的電容信號之差和之和兩種的聯合評估來索引化。
[0006]然而，特別是在具有相對較長的測量區段的電容式線性編碼器的情況下，基于從零點開始倒計數的增量的位置的絕對位置在本質上易于出錯，例如，作為有錯誤的增量數量或在倒計數增量時的錯誤的結果，例如，作為有噪聲或受干擾掃描信號的結果。在根據現有技術的線性編碼器的情況下，避免或補償這種有錯誤的絕對位置值需要高精度制造并高精度安裝的標尺、用于電氣屏蔽的復雜裝置(例如，如在EP 1173730 BI中提出的)和/或復雜的糾錯措施。這種措施是昂貴的。

【發明內容】

[0007]因此，本發明的目的是提供一種改進的電容式線性編碼器。
[0008]本發明的另一目的是，提供一種包括改進的電容式位置基準標記物的電容式線性編碼器。
[0009]本發明的另一目的是，提供一種具有簡化的電氣屏蔽的電容式線性編碼器。
[0010]本發明的另一目的是，提供一種用于這種線性編碼器的用于確定位置的方法。
[0011]根據本發明，這些目的借助于獨立權利要求書的特征化特征來實現，或者這些解決方案借助于附屬權利要求的特征來開發。
[0012]本發明涉及一種用于確定沿進給方向的位置的電容式線性編碼器。該線性編碼器包括:具有特別是發射器電極的多個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第二耦合電極的標尺，其中，所述標尺和所述讀取頭可在所述進給方向上彼此相對位移，并且所述標尺可根據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估單元。所述第一耦合電極具有彼此相對偏移的至少三個耦合信號相。換句話說，所述第一耦合電極按至少三個組分類，其中，每一個第一耦合電極都剛好與一組相關聯。優選地使用在各個情況下彼此相對偏移四分之一的四個相。所述耦合信號相的序列或所述第一耦合電極的序列通過相排列來限定，使得在各個情況下，一系列相鄰的第一耦合電極形成相排列間隔，在下文中簡稱為P間隔，其中，所述讀取頭可選地具有數量為M的相同P間隔。在這種情況下，如根據現有技術已知的(例如，US 6940278 B2)，相排列被理解成意指這樣的原理，即，與相序列的最簡單的可能性相比(其中，各個直接相鄰的第一耦合電極具有相應的緊接著的下一相)，相的序列在與P間隔相對應的特定區段上改變，其中在整個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選地全部形成相同的形狀，就是說，它們在結構上相同并且具有相同形狀和尺寸(寬度、長度、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調，其中，所述耦合電極的寬度被理解成意指在所述進給方向上的最大或平均范圍，而且對應地，所述耦合電極的長度被理解成意指橫貫所述進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間上變化的耦合信號。
[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取決于所述標尺相對于所述讀取頭的相對位置，為此，借助于對在所述第一耦合電極與所述第二耦合電極之間發送的耦合信號的信號評估和存儲在所述控制與評估單元中的信息，由所述控制與評估單元來確定作為所述讀取頭相對于所述標尺的相對位置的位置。優選地，所述耦合電極和耦合信號優選地借助于它們的成形而彼此協調，使得所述耦合信號的正弦曲線通過所述標尺相對于所述讀取頭的位移而生成。在這種情況下，所述位置確定根據增量測量原理來執行。對于差分(differential)信號評估來說，所述第二耦合電極被劃分成至少兩個彼此相反的類型。在優選地兩種類型的情況下，所有“偶數”耦合電極運送“正”耦合信號，而所有“奇數”耦合電極運送與其相對的逆“負”耦合信號。在這種情況下，同一類型的相應的隔一個的第二耦合電極(換句話說，在所述進給方向上直接相鄰的所述第二耦合電極)彼此相反。對于所述標尺的簡單構造來說，一種類型的所述第二耦合電極優選地在相對于另一類型的耦合電極按相反方向上對準，就是說，彼此相對地旋轉180°。
[0015]所述標尺按無源方式具體實施，就是說，所述標尺與外部沒有電氣接觸，例如，采用供電線或信號線的形式。為了分接(tap off)所述耦合信號來說，所述線性編碼器或所述標尺包括用于在所述標尺與所述讀取頭之間發送所述耦合信號的信號傳遞裝置。在這種情況下，借助于所述信號傳遞裝置發送耦合信號不取決于位置，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一樣。
[0016]所述標尺還具有至少一個位置基準標記物。所述位置基準標記物優選為電容式，就是說，所述位置基準標記物可根據與所述第二耦合電極相同的作用原理來掃描或檢測。在這種情況下，相應的位置基準標記物借助于所述信號傳遞裝置形成。為此，一個或多個所述信號傳遞裝置被修改成在所述標尺的限定位置基準的位置處精確。為了標識位置基準標記物，所述位置基準標記物可借助于由所述控制與評估單元控制的所述標識信號來標識。
[0017]換句話說，借助于位于所述標尺的所限定的位置處的位置基準標記物，在各個情況下限定位置基準，以參照該位置。可選地，位置基準標記物用于限定所述標尺的絕對基準點，例如，零點或其它絕對基準點，由此，所述增量確定位置可按絕對關系定位。因此可選地，絕對基準由所述位置基準標記物中的一個提供，由此，所述位置可按例如從零點開始的絕對關系來確定。另外或另選地，一個或多個位置基準標記物用于驗證按絕對關系定位的所述位置，就是說，所述絕對位置可借助于所述位置基準標記物或多個位置基準標記物來檢查。換句話說，這種位置基準標記物在各個情況下都提供位置基準，基于該位置基準，在第一耦合電極與第二耦合電極之間發送的耦合信號以及絕對基準點的基礎上，可以確定按照絕對關系確定的位置的錯誤。在這種情況下，絕對基準點優選地由根據本發明的電容式位置基準標記物形成，例如，通過用于驗證的所述位置基準標記物本身或者通過第二位置基準標記物。
[0018]如果所述標尺具有多個位置基準標記物，則所述多個位置基準標記物在進給方向上按限定的方式分布在所述標尺上，就是說，所述位置基準標記物在所述標尺的所有區域中按限定距離被發現。在此情況下，遵守最小密度，就是說，在整個標尺上平均地和/或所述標尺每單位長度的每區段地，存在最小數量的位置基準標記物，其中，可選地，不超出所述位置基準標記物之間的最大距離。所述位置基準標記物之間的單個距離以及相應地每一個單個位置基準標記物與零點之間的距離被存儲在所述控制與評估單元中。優選地，所述位置基準標記物在整個標尺上的分布是均勻的，就是說，所述位置基準標記物在所述進給方向上的相對于彼此的距離是恒定的，就是說，所有位置基準標記物彼此都處于相同的距離，在該情況下，單個距離值被存儲在所述控制與評估單元中。
[0019]在優選實施方式中，所述線性編碼器包括具有電容作用原理的信號傳遞裝置，其被具體實施為傳遞電極。在這種情況下，針對每個類型的第二耦合電