专利名称：位置测量设备以及标尺和用于制造标尺的方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求I的前序部分的具有可电感式扫描的分度的标尺、根据权利要求15的前序部分的用于制造该标尺的方法、以及根据权利要求12的具有该标尺的
位置测量设备。
背景技术：
根据电感式测量原理工作的位置测量设备具有标尺，该标尺具有可电感式扫描的分度。该分度由彼此间隔开的导电分度元件的序列构成。该分度在测量运行中被扫描单元扫描，该扫描单元具有至少一个激励线圈和扫描线圈。这些线圈优选平面地施加在电路板上。注入到激励线圈处的激励电流生成时变的电磁激励场，该电磁激励场与位置有关地受 到分度元件的布置影响，由此在扫描线圈中感应出与位置有关的扫描信号。可电感式扫描的标尺和以电感方式工作的位置测量设备所具有的优点是，它们对污染是相对不敏感的。它们尤其是对标尺与扫描单元之间的空间中的诸如水和油之类的液体是不敏感的，由此该标尺和该位置测量设备特别适用于机床处的角度和长度测量。在EP 0 743 508 A2中描述了一种可电感式扫描的标尺和一种电感式位置测量设备。所阐述的是，分度元件由具有高电导率的金属制成并且被施加在电路板材料、例如FR4上。该电路板材料由于其电绝缘性而特别适于作为分度元件的支承体。由于电路板材料的机械缺点，在EP 0 743 508 A2中提出，将分度元件直接施加到钢衬底或殷钢衬底上、也就是施加到导电金属上，以便改善机械稳定性。在EP 0 743 508 A2中作为使用金属支承体的条件记载了，支承体的材料的电导率必须仅仅远小于分度元件的材料的电导率。但是在实际中已经发现，在将常用钢用作支承体的情况下扫描信号是相对小的，由此在实际中仅仅实现了可电感式扫描的标尺，其中分度元件被施加在电绝缘的支承体、尤其是电路板材料上。但是这样的标尺难以制造成大长度的，并且由于电路板材料而不能抵抗环境影响。

发明内容
因此，本发明的任务是，说明一种可电感式扫描的标尺，该标尺也可以简单地制造成相对大长度的，对环境影响不敏感的，并且在电感式扫描的情况下可良好地分析、即生成
高扫描信号。根据本发明，该任务通过具有权利要求I的特征的标尺来解决。根据本发明构造的标尺具有至少一个以测量方向为走向的可电感式扫描的分度，所述分度由布置在测量方向上的彼此间隔开的分度元件的序列构成。该标尺包括层堆叠，所述层堆叠仅仅由金属层的序列构成，其中金属层的该序列具有至少一个支承体层和构成分度元件的分度层。该支承体层布置在分度层与金属衬底之间，并且由铁磁的、尤其是软磁的金属构成。该衬底的尺寸被确定为使得其决定性地确定层堆叠的机械特性。支承体层的材料优选地为具有大于100的磁导率U r的铁磁金属，特别有利的是使用具有大于1000的磁导率Ii r的金属。合适的铁磁金属尤其是Mu金属，该Mu金属是具有大致70-80%的镍分量的软磁镍铁合金。Mu金属以商品名Mumetall销售。替代于镍铁合金，还可以使用具有相对高的、尤其是大于100的磁导率的其他合金或铁氧体钢。在本发明中被充分利用的事实是，在电感式扫描的情况下生成交变场，并且对于标尺的效率而言重要的不仅仅是上面施加有分度元件的支承体层的电导率。同样重要的是被用作支承体层的材料的磁导率。在本发明中，利用涡流的与所使用的材料的磁导率频率有关的渗透深度。也就是说，尤其是在高磁导率材料的情况下，渗透深度是特别小的。渗透深度越小，则对于涡流来说有效电阻越高。因此可以抑制从一个分度元件到布置在其旁边的分度元件形成的干扰涡流。在使用高磁导率的铁磁金属的情况下，金属的电导率起到次要的作用。支承体层的磁导率高于衬底的磁导率。作为衬底优选地使用优质钢。为了该衬底决定性地确定整个层堆叠的机械特性以及由此标尺的机械特性，衬底的厚度是支承体层的厚度的多倍，尤其是衬底的厚度大于支 承体层的厚度的5至20倍。通过为支承体层和分度层的层序列设置相对厚的衬底，将衬底的机械特性施加给由所有层构成的复合体。通过该措施，可以对于支承体层使用具有非常高磁导率的材料，所述材料于是也可以是相对软的和机械稳定的。所述材料和厚度比例优选地被选择为使得层堆叠以及由此标尺具有结果得到的热膨胀系数，该结果得到的热膨胀系数仅仅不显著地偏离衬底的热膨胀系数、尤其是仅仅偏差最大为±1X KT6IT1的值。该衬底优选地具有大致10 X KT6IT1的热膨胀系数并且标尺由此具有大致QXKT6ITi至IlXKr6IT1的结果得到的热膨胀系数。在一个优选的构型中，在衬底的一侧上设置支承体层和分度层的层序列，并且在衬底的另一侧上设置至少一个补偿层，所述补偿层对抗由于双金属效应而造成的层堆叠的弯曲。该补偿层优选地由与支承体层相同的金属构成，尤其是也由铁磁金属构成，该铁磁金属尤其是具有大于100、优选大于1000的磁导率y ro当借助于辊轧覆层、尤其是冷轧覆层将这些层彼此连接时，可以获得层堆叠的这些层的特别紧密的和稳定的复合体。这样的标尺可以用于角度测量设备和长度测量设备形式的位置测量设备。由于这样构造的标尺也可以容易地以带状制造，因此该标尺特别适用于大长度的长度测量设备。当根据本发明构造的带状标尺例如被施加到滚筒的内周界或外周界上时，该标尺也可以有利地用在角度测量设备中。为了对根据本发明构造的标尺进行粘接施加，可以在底侧上通过粘合剂、尤其是粘接带对所述层堆叠进行补充，所述粘接带为了良好的处理可以被实施为双面粘接带。此外，利用本发明将说明一种位置测量设备，其对环境影响是相对不敏感的并且生成可良好分析的扫描信号。这样的位置测量设备在权利要求12中说明。因此，该位置测量设备具有标尺，该标尺具有以测量方向为走向的可电感式扫描的分度，所述分度由布置在测量方向上的彼此间隔开的分度元件的序列构成。该标尺包括层堆叠，该层堆叠仅仅由金属层的序列构成，其中金属层的该序列具有至少一个支承体层和构成分度元件的分度层。该支承体层布置在分度层与金属衬底之间，并且是铁磁金属。支承体层的磁导率高于衬底的磁导率，支承体层的材料尤其是具有大于100、优选大于1000的磁导率该衬底的尺寸被确定为使得其决定性地确定层堆叠的机械特性。另外，该位置测量设备包括用于对标尺的分度进行扫描的扫描单元，其中该扫描单元具有用于产生电磁交变场的激励单元和用于探测与分度元件位置有关地调制的电磁交变场的探测器单元。该激励单元优选 地由至少一个平面激励线圈构成，并且探测器单元由至少一个平面扫描线圈构成。在一个特别有利的构型中，在衬底的一侧上设置支承体层和分度层的层序列，并且在衬底的另一侧上设置至少一个补偿层，所述补偿层优选地由与支承体层相同的材料构成并且是铁磁金属。该扫描单元具有包围其的屏蔽体，其中该屏蔽体被构造为使得其与补偿层形成闭合的磁环。为此，补偿层的金属的磁导率尤其是大于100、优选大于1000。本发明的另一任务在于，说明一种用于简单地制造对环境影响不敏感的可电感式扫描的标尺的方法。该任务根据本发明通过具有权利要求15的特征的方法来解决。因此，通过由金属层的序列形成作为层堆叠的纯金属复合体来提供该标尺。该层堆叠是具有下列层序列的层堆叠
金属衬底、支承体层和分度层，
其中该衬底的尺寸被确定为使得其决定性地确定复合体、即层堆叠以及因此标尺的机械特性。支承体层的磁导率高于衬底的磁导率。作为支承体层使用铁磁金属、尤其是软磁金属，所述金属优选地具有大于100的磁导率特别优选具有大于1000的磁导率为了提供用于大长度的长度测量系统的标尺，由金属带形成所述层堆叠，所述金属带借助于辊轧覆层、尤其是借助于冷轧覆层彼此连接。然后，这样形成的层堆叠可以作为复合体被进一步处理。如果需要，则可以进行表面处理并且该复合体例如可以通过剪裁被置于所需的尺寸。分度元件通过公知的结构化方法、例如光化学刻蚀工艺由分度层形成。关于磁导率的所有说明都涉及位置测量设备的运行、即在激励电流的频率大于IMHz的情况下的运行。


本发明的优点和细节从下面根据附图对实施例的描述中得出。图I示出电感式位置测量设备的透视 图2示出根据图I的位置测量设备的标尺；
图3a示出用于制造标尺的第一方法步骤；
图3b示出用于制造标尺的第二方法步骤；
图4示出根据本发明的标尺的另一构型；
图5示出具有图4中所示的标尺的位置测量设备。
具体实施例方式图I中示出具有根据本发明构造的标尺I的位置测量设备的原理构造的透视图。标尺I具有分度，该分度可以由以小间隔与其相对的扫描单元2来扫描。为了在测量方向X上进行位置测量，在标尺I与扫描单元2之间进行相对移动。分度由在测量方向X上彼此间隔开的导电分度元件12的周期性序列构成。在所示的实施例中，分度元件12被构造为平面的和矩形的，但是分度元件也可以具有其他形状、例如圆形或三角形。此外，分度元件12的完全平面的形状不是条件，分度元件也可以被构造成闭合的线圈。此外，仅仅能够在分度元件12中分别形成涡流，所述涡流对从扫描单元2发出的激励场产生反作用。扫描单元2在图I中仅仅示意性示出，以便阐述电感式扫描在与标尺I协作的情况下的功能。扫描单元2具有至少一个尤其是平面激励线圈21形式的激励单元，该激励单元由控制单元3这样馈送激励电流，使得在分度元件12的区域中生成时变电磁激励场。该激励电流例如具有几MHz的频率。激励线圈21被在空间上布置为使得其在相对的分度元件12序列中形成尽可能均匀的电磁场。除此之外，扫描单元2具有尤其是平面扫描线圈22形式的至少一个探测器单元。激励线圈21的实施和空间布置是这样的，即在扫描线圈22的区域中生成尽可能均匀的场 走向。为此，扫描线圈22位于激励线圈21之内。由激励线圈21生成的激励场在分度元件12中生成涡流，该涡流起到抵抗该激励场的反向场的作用。在扫描线圈22中，由于分配给该扫描线圈的激励场而感应出电压，该电压取决于与导电分度元件12的相对位置。分度元件12在测量方向X上在空间上布置为使得这些分度元件与位置有关地影响激励场。因此，激励线圈21在测量方向X上取决于分度元件12的相对位置地与扫描线圈22电感式耦合。电磁交变场由分度元件12在测量方向X上与位置有关被调制，由此在扫描线圈22中感应出的电压也与位置有关地变化。在至少一个扫面线圈22中感应出的电压被输送给分析单元4，该分析单元4由此形成与位置有关的电信号。特别有利地，激励线圈21和扫描线圈22的布置是施加在共同的支承体23上的印制导线的形式。如图I中示意性示出的那样，这些印制导线布置在支承体23的如下侧上该侧以小扫描间隔与分度元件12的序列相对。支承体23例如可以被构造成电路板。在此，标尺I的分度元件12优选地布置在与激励线圈21和扫描单元22所在的平面平行取向的平面中。通常以未示出的方式在扫描单元2中设置多个彼此相移的扫描线圈，以便产生多个彼此相移的扫描信号、例如彼此相移90°的扫描信号。为清楚起见，在图I中未示出该构型。标尺I由层堆叠10构成，该层堆叠10由金属复合体、即由金属层101、102、103的序列构成，如在图2中进一步示出的那样。该构型所具有的特别优点是，标尺I在测量运行中对环境介质特别不敏感。层堆叠10的层101、102、103彼此固定连接、即彼此不可移动。层堆叠10的金属层101、102、103的序列具有至少一个支承体层102，该支承体层102是铁磁金属。该金属优选地为软磁的。在该连续的支承体层102上施加分度层101，该分度层101在进行结构化以后形成标尺I的在测量方向X上彼此间隔开的分度元件12。作为该分度元件12的材料使用例如铜、铝、银、金的金属或含有这些金属的合金。分度元件12的材料具有高电导率，但是不是铁磁的。分度层101以及由此分度元件12的材料的磁导率U r大致为I。此外，层堆叠10包括衬底103，在衬底103上设置支承体层102和分度层101的序列。该衬底103的尺寸被确定为使得其决定性地确定层堆叠10的机械特性。为此，衬底103的厚度是支承体层102的厚度的多倍——尤其是5至20倍——以及分度层101的厚度的多倍。厚度比例被选择为使得标尺I的热膨胀系数主要由衬底103来确定。支承体层102的磁导率高于衬底103的磁导率。支承体层102的金属的磁导率Pr为尽可能高的，尤其是大于100、有利地大于1000。作为衬底103的材料选择具有高抗拉强度和高Rpa2屈服极限的不锈优质钢、尤其是不锈和可硬化的优质钢。通过调质处理，机械特性得到改善，形状稳定性、挠性和韧性得到提高。如果使用带状的衬底103，则该衬底可以由于带的挠性而被卷起以用于运输或仓储，而不导致弹性形变。通过提供层102和101与衬底103的牢固复合体来将这些有利的机械特性转移到整个层堆叠10以及由此转移到标尺I。直接布置在分度元件12之下并且由具有高磁导率材料制成的连续的支承体层 102所具有的优点是，至少基本上抑制了从一个分度元件12到布置在其附近的分度元件12
形成的干扰涡流。对此的前提条件是，支承体层102的厚度根据所选材料被选择为足够大
的。该厚度应当是涡流的渗透深度S的多倍、例如5倍
权利要求
1.一种具有能电感式扫描的分度的标尺，所述分度由布置在测量方向(X)上的分度元件(12)的序列构成，其中所述标尺(1，I. I)包括层堆叠(10，10. 1)，所述层堆叠(10，10. I)由金属层(101，102，103，104)的序列构成，并且金属层(101，102，103，104)的所述序列具有至少一个支承体层(102)和形成分度元件(12)的分度层(101 )， 其特征在于， 支承体层(102)布置在分度层(101)与金属衬底(103)之间，其中衬底(103)的尺寸被确定为使得所述衬底决定性地确定层堆叠(10，10. I)的机械特性，并且支承体层(102)是铁磁金属。
2.根据权利要求I所述的标尺，其特征在于，支承体层(102)的磁导率大于衬底(103)的磁导率。
3.根据权利要求I或2所述的标尺，其特征在于，支承体层(102)的材料是软磁金属。
4.根据前述权利要求之一所述的标尺，其特征在于，支承体层(102)的材料是具有大于100、尤其是大于1000的磁导率li r的金属。
5.根据前述权利要求之一所述的标尺，其特征在于，分度层(101)的材料具有近似为I的磁导率U p尤其是包含金属铜、铝、金或银中的至少一种。
6.根据前述权利要求之一所述的标尺，其特征在于，衬底(103)由优质钢构成。
7.根据前述权利要求之一所述的标尺，其特征在于，衬底(103)的厚度是支承体层(102)的厚度的多倍。
8.根据前述权利要求之一所述的标尺，其特征在于，在衬底(103)的一侧上设置支承体层(102)和分度层(101)的层序列，并且在衬底(103)的另一侧上设置至少一个补偿层(104)，所述补偿层(104)对抗由于双金属效应而造成的层堆叠(10，10. I)的挠曲。
9.根据权利要求8所述的标尺，其特征在于，补偿层(104)由铁磁金属构成。
10.根据前述权利要求之一所述的标尺，其特征在于，借助于辊轧覆层将层堆叠(10. I)的层(101，102，103，104)彼此连接。
11.根据权利要求10所述的标尺，其特征在于，借助于冷轧覆层将层堆叠(10，10.I)的层(101，102，103，104)彼此连接。
12.一种位置测量设备，具有根据前述权利要求之一所述的标尺(1，I. I)并且具有用于扫描标尺(I)的分度兀件(12)的扫描单兀(2),其中扫描单兀(2)具有用于产生电磁交变场的激励单元(21)和用于探测与分度元件(12)位置有关地调制的电磁交变场的探测器单元(22)。
13.根据权利要求12所述的位置测量设备，其特征在于，所述激励单元由至少一个平面激励线圈(21)构成，并且所述探测器单元由至少一个平面扫描线圈(22 )构成。
14.根据权利要求12或13所述的位置测量设备，其特征在于， 在衬底(103)的一侧上设置支承体层(102)和分度层(101)的层序列， 在衬底(103)的另一侧上设置至少一个由铁磁金属构成的补偿层(104)，以及 扫描单元(2)具有屏蔽体(7)，其中所述屏蔽体(7)被构造为使得其与补偿层(104) —起形成磁环(8)。
15.一种用于通过形成由金属层(101，102，103，104)的序列构成的层堆叠(10，10. I)来制造标尺(1，I. I)的方法，所述标尺(1，I. I)具有布置在测量方向(X)上的分度元件(12)的序列，其中所述层堆叠(101，102，103，104)具有至少一个支承体层(102)和形成分度元件(12)的分度层(101)， 其特征在于， 提供具有金属衬底(103)、支承体层(102)和分度层(101)的层序列的复合体，其中衬底(103)的尺寸被确定为使得其决定性地确定层堆叠(10，10. I)的复合体的机械特性，以及 作为支承体层(102)使用铁磁金属。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，作为支承体层(102)使用软磁金属。
17.根据权利要求15或16之一所述的方法，其特征在于，作为支承体层(102)使用具有大于100、尤其是大于1000的磁导率Ii r的金属。
18.根据前述权利要求15至17之一所述的方法，其特征在于，层堆叠(10，10.I)由金属 >带构成，所述金属带借助于辊轧覆层彼此连接。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述辊轧覆层是冷轧覆层。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，通过在辊轧覆层以后使分度层(101)结构化来形成分度元件(12)。
全文摘要
位置测量设备以及标尺和用于制造标尺的方法。本发明涉及具有可电感式扫描的标尺(1)的位置测量设备。该位置测量设备具有用于扫描标尺(1)的分度元件(12)的扫描单元(2)，为此扫描单元(2)具有用于生成电磁交变场的激励单元(2)和用于探测与分度元件(12)位置有关地调制的电磁交变场的探测器单元(22)。标尺(1)由优选通过冷轧覆层提供的层堆叠(10)构成，该层堆叠(10)具有决定性地确定标尺(1)的机械特性的衬底(103)、由具有高磁导率的铁磁金属构成的支承体层(102)以及位于其上的形成分度元件(12)的分度层(101)，该分度层由良好导电的材料构成。
文档编号G01B7/30GK102749023SQ201210117319
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者A.弗兰克, M.O.蒂曼, M.霍伊曼 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司