扫描元件和具有该扫描元件的感应式位置测量装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于根据权利要求1的感应位置测量装置的扫描元件，位置测量装置用于位置确定扫描元件相对于两个具有不同速度的可移动的刻度元件。


背景技术：

2.感应式位置测量装置例如作为角度测量设备应用于确定可相对彼此旋转的机器部件的角度位置。在感应式位置测量装置中，激励导线和接收线路经常例如以印制导线的形式被施加在通常多层的共用电路板上，该电路板例如与角度测量设备的固定件固定连接。刻度元件位于该电路板对面，在刻度元件上施加分度结构，并且分度结构与角度测量设备的转动件抗扭地连接。当随时间变化的激励电流施加到激励导线处时，在转动件与固定件之间的相对转动期间，在接收线圈中产生与角度方位相关的信号。然后，这些信号在评估电子设备中被继续处理。
3.尤其在驱动机器人时，感应式位置测量装置经常被用于作为测量设备用于确定驱动轴的角度位置，并且同时用于精确确定从动轴的角度位置，其中，通过减速传动装置将驱动轴的运动引入到从动轴中。在这种情况下，借助于扫描元件测量角度方位或者角度位置，该扫描元件包括电路板，该电路板在其两面处具有相应的探测单元，从而能够分别确定可转动地布置在电路板的两侧的刻度元件的角度位置。
4.感应式位置测量装置还作为长度测量设备用于确定两个相对彼此尤其线性可移动的机器部件的位置。在该应用中，根据本发明的扫描元件也能够与布置在两侧的探测单元一起被使用。
5.在wo 2019/185336 a1中描述了一种具有发送线圈和传感器线圈的扫描元件，扫描元件布置在多层电路板上，其中，电路板具有构造为屏蔽的层。


技术实现要素：

6.因此，本发明的任务为，为感应式位置测量装置提供相对精确工作的和能低成本制造的扫描元件，通过该扫描元件能够实现两个刻度元件的位置的确定。
7.根据本发明，该任务通过权利要求1的特征实现。
8.适合并确定用于感应式位置测量装置的扫描元件包括具有第一探测单元和第二探测单元的多层电路板以及电子构件。特别地，第一探测单元布置在电路板的第一侧处，并且第二探测单元布置在电路板的第二侧处。第一探测单元具有第一激励线路和第一接收线路。第二探测单元具有第二激励线路和第二接收线路。另外，电路板具有第一屏蔽层以及第二屏蔽层和几何中心平面，该几何中心平面尤其布置在电路板的第一侧与第二侧之间的中心，其中，中心平面位于探测单元与屏蔽层之间。此外，多层电路板构造为，使得第一探测单元布置在第一层中和第二层中，并且此外，第二探测单元布置在第三层中和第四层中。屏蔽层的尺寸被确定或被测定为，使得想象的几何第一直线穿过或与第一探测单元和第一屏蔽层相交，而第一直线不穿过第二屏蔽层。在此，从第一探测单元出发，第一屏蔽层布置在中
心平面的另一侧。此外，假想的几何第二直线穿过或与第二探测单元和第二屏蔽层相交，而第二直线不穿过第一屏蔽层。从第二探测单元出发，第二屏蔽层布置在中心平面的另一侧。第一直线和第二直线正交于中心平面定向。
9.第一直线能够在第一激励线路的范围内或在第一接收线路的范围内穿过或与第一探测单元相交。第二直线能够在第二激励线路的范围内或在第二接收线路的范围内穿过或与第二探测单元相交。第一激励线路和第二激励线路包括激励印制导线，激励印制导线在电路板的不同层中(即在第一、第二、第三和第四层中)延伸。同样地，第一接收线路和第二接收线路包括在电路板的第一、第二、第三和第四层中延伸的接收印制导线。
10.关于本发明主题的空间布置的确定，首先能够限定第一方向x。第一方向x描述的方向是，在该方向上测量搜索的位置(测量方向)。第一方向x例如能够是圆周方向或切线方向。在这种情况下，能够相对于扫描元件参照围绕(转动)轴的转动或者回转运动通过位置测量在第一方向上测量刻度元件的角度位置。在线性的位置测量的情况下，第一方向x沿线性测量距离延伸。
11.此外，第二方向能够被限定为，使得第二方向正交于第一方向x伸展。
12.第三方向z被定向为正交于第一方向x并且同时正交于第二方向y。第三方向z例如能够平行于(转动)轴延伸，刻度单元相对于扫描元件围绕该轴是可旋转的。此外，第三方向z与中心平面正交对齐。电路板的各个层在第三方向z上彼此偏移地布置。
13.中心平面关于第三方向z位于第一探测单元与第一屏蔽层之间，或者第一探测单元和第一屏蔽层布置在中心平面的两侧。因此，同样适用的是，中心平面关于第三方向z位于第二探测单元与第二屏蔽层之间，或者适用的是，第二探测单元和第二屏蔽层布置在中心平面的两侧。
14.有利的是，第一屏蔽层布置在电路板的第五层中并且第二屏蔽层布置在电路板的第六层中。替代地，第一屏蔽层能够布置在第一层中或者第二层中，并且第二屏蔽层布置在第三层中或者第四层中。
15.在本发明的另外的设计方案中，第一激励线路和第二激励线路沿第一方向x伸展。第一屏蔽层布置为在第二方向y上相对于第二激励线路偏移第一距离。替代地或者补充地，第二屏蔽层布置为在第二方向上相对于第一激励线路偏移第二距离。
16.在有利的方式中，在正交于中心平面定向的第三方向上，第一探测单元布置为相对于第一屏蔽层偏移一间距，其中，第二距离大于或等于该间距的25％并且小于或等于该间距的100％。替代地或补充地，第二探测单元布置为相对于第二屏蔽层偏移一间距，其中，第一距离大于或等于该间距的25％并且小于或等于该间距的100％。优选地，第二距离大于或等于该间距的33％并且小于或等于该间距的75％，和/或第一距离大于或等于该间距的33％并且小于或等于该间距的75％。
17.有利地，第一接收线路和第二接收线路沿第一方向x伸展。第一接收线路布置为在第二方向y上相对于第二接收线路偏移。
18.在本发明的另外的设计方案中，扫描元件被设计为，使得第一直线和第二直线穿过电子构件中的至少一个，替代地，第一直线和第二直线能够穿过一个或多个电子构件，然后，尤其当电路板在两侧配备有电子构件时。
19.在有利的方式中，电路板构造为，使得第一直线穿过第一探测单元的第一接收线
路和/或第二直线穿过第二探测单元的第二接收线路。
20.有利地，第一激励线路和第二激励线路沿第一方向x伸展，其中，第一激励线路在电路板上相对于第二激励线路参照第二方向y重叠地布置。换句话说，第一激励线路和第二激励线路的范围在第二方向y上重叠。特别地，该重叠能够达到几乎100％，使得第一激励线路相对于第二激励线路在第二方向上相对于第二激励线路实际上没有偏移地布置。
21.在本发明的另外的设计方案中，第一探测单元具有第三激励线路并且第二探测单元具有第四激励线路。第三激励线路布置为在第二方向上相对于第四激励线路偏移。
22.在有利的方式中，扫描元件构造为，使得第一激励线路和第二激励线路电串联连接。
23.有利的是，第一激励线路和第二激励线路能够利用激励电流被馈电激励(bestrombar)，该激励电流通常具有随时间变化的电流强度(交流电或混合电流)。能够借助于电子构件生成激励电流，即，该激励电流的曲线能够由电子构件成形。在电流强度与电压强度之间存在物理联系之后，当然也能够对激励电压进行相同的观察。
24.在本发明的另外的设计方案中，能够由第一接收线路和第二接收线路产生的信号借助于电子构件被继续处理，该电子构件尤其形成评估电路。
25.电子构件能够是不同电子电路的元件，或者与不同的电路相关联。例如，确定的电子构件能够是用于生成激励电流的电路的元件，或者其他的电子构件能够是用于评估或继续处理信号的其他电路的元件。
26.根据另一个方面，本发明还包括具有扫描元件以及第一刻度元件和第二刻度元件的感应式位置测量装置。刻度元件在第三方向z(正交于中心平面)上间隔地、在电路板的两侧布置。另外，刻度元件能够布置为围绕共同的轴相对于扫描元件是可旋转的。
27.从从属的权利要求中得出本发明的有利的设计方案。
附图说明
28.根据附图，从以下多个实施例的描述中得出根据本发明的扫描元件的其他细节和优点。
29.图1示出了包括扫描元件和第一刻度元件以及第二刻度元件的位置测量设备的透视图；
30.图2示出了扫描元件的第一侧的俯视图；
31.图3示出了扫描元件的第二侧的俯视图；
32.图4示出了根据第一实施例的扫描元件的细节剖视图；
33.图5示出了第一刻度元件的俯视图；
34.图6示出了第二刻度元件的俯视图；
35.图7示出了根据第二实施例的扫描元件的细节剖视图。
具体实施方式
36.根据图1，借助位置测量设备描述本发明，位置测量设备具有扫描元件1，扫描元件既能被用于检测第一刻度元件2的角度位置也能被用于检测第二刻度元件3的角度位置。两个刻度元件2、3布置为可围绕轴r相对于扫描元件1旋转。这样的位置测量设备能够例如被
应用在机器人的驱动装置中。然后，第二刻度元件3例如与马达的驱动轴抗扭地连接。驱动轴又与具有从动轴的减速传动装置连接。第一刻度元件2随着该从动轴转动。以这种方式，能够例如借助于第二刻度元件3执行角度调节以使马达换向，并且借助于第一刻度元件2执行较高精度的角度调节以定位机器人。
37.在图2和图3中分别以俯视图示出扫描元件1，扫描元件包括具有多层的电路板1.1以及安装在电路板1.1上的电子构件1.2(图3)。扫描元件1用于扫描第一刻度元件2以及同时用于扫描第二刻度元件3。由于这个原因，根据图2，在电路板1.1的第一侧上布置有第一探测单元1.11，并且根据图3在电路板1.1的第二侧上布置有第二探测单元1.12。在所述实施例中，电子构件1.2仅安装在第二侧上。替代地或者补充地，电路板1.1的第一侧也能够配备有电子构件。
38.第一探测单元1.11包括第一激励线路1.111、第一接收线路1.112、第三激励线路1.113、第三接收线路1.114和第五激励线路1.115。第二探测单元1.12包括第二激励线路1.121、第二接收线路1.122、第四激励线路1.123和第四接收线路1.124。
39.图4示出了穿过扫描元件1或者穿过电路板1.1的示意性局部剖视图，其中，为了清楚起见，电路板上的电绝缘材料没有阴影线。另外，为了更好地解释根据本发明的扫描元件1，图4非比例地实施。如上所述，电路板1.1构造为多层的。从几何角度看能为电路板1.1限定所谓的中心平面m，该中心平面布置为与电路板1.1的第一侧或者第二侧平行、在第一侧和第二侧的中间。此外，各个元件相互的几何关系能够借助于坐标系被限定。在此，第一方向x为以下方向，沿该方向通常应能进行位置或角度测量。在所述的实施例中，第一方向x对应圆周方向。轴r与第三方向z平行，第三方向z因此在此也能够被限定为轴向方向，其中，刻度元件2、3能够围绕轴旋转。第二方向y被定向为与第三方向z和第一方向x正交，在所述的实施例(角度测量)中也能被描述为径向方向。因此，由x轴和y轴构成的平面被定向为与中心平面m平行，并且第三方向z以及轴r正交于中心平面m延伸。
40.第一探测单元1.11布置在电路板1.1的第一层a中和电路板1.1的第二层b中，而第二探测单元1.12布置在第三层e中和第四层f中。第一层a最靠近电路板1.1的第一侧，并且第二层b其次靠近电路板1.1的第一侧。同理也适用于第三层e和第四层f相关于电路板1.1的第二侧。
41.第一探测单元1.11的激励线路1.111、1.113、1.115包括在第一层a中和第二层b中延伸的激励印制导线1.1111、1.1131、1.1151。与此类似地，第二探测单元1.12的激励线路1.121、1.123包括在第三层e中和在第四层f中延伸的激励印制导线1.1231、1.1231。
42.第一探测单元1.11的激励线路1.111、1.113、1.115将第一接收线路1.112和第三接收线路1.114包围。第二探测单元1.12的第二激励线路1.121和第四激励线路1.123将第二探测单元1.12的第二接收线路1.122包围。同样与第二探测单元1.12相关联的第四接收线路1.124一侧被第四激励线路1.123包围。激励线路1.111、1.121、1.113、1.115、1.121、1.123以及接收线路1.112、1.114、1.122、1.124沿第一方向x延伸。
43.接收线路1.112、1.114、1.122、1.124中的每个分别包括至少两个接收印制导线1.1121、1.1141、1.1221、1.1241。此外，第一探测单元1.11的接收印制导线1.1121、1.1141利用压力接触在电路板1.11中的不同层延伸，即在第一层a中和在第二层b中，以使得不期望的短路在交叉点处被避免。同样地也适用于第二探测单元1.12的接收印制导线1.1221、
1.1241，其中，接收印制导线1.1221、1.1241在第三层e中和第四层f中延伸。接收印制导线1.1121、1.1141、1.1221、1.1241具有空间周期性曲线，该曲线基本被设计为正弦形或者正弦式。在所述的实施例中，处于其中一个或者相同的接收线路1.112、1.114、1.122、1.124中的接收印制导线1.1121、1.1141、1.1221、1.1241布置为彼此偏移整个正弦周期的1/4(沿第一方向x偏移π/2或90
°
)。接收印制导线1.1121、1.1141、1.1221、1.1241电连接为，使得他们最终能够关于第一方向x上的位置确定来提供相位偏移90
°
的信号。
44.在所述的实施例中，电路板1.1还包括第五层c和第六层d。第一屏蔽层1.13处于第六层d中，并且第二屏蔽层1.14处于第五层c中。在此，屏蔽层1.13、1.14是相对大面积的铜层，该铜层部分被中断或者部分被移除。
45.第一屏蔽层1.13的尺寸被确定为，使得能够产生第一直线g1，第一直线被定向为正交于中心平面m并且平行于第三方向z，第一直线穿过或与第一探测单元1.11以及第一屏蔽层1.13相交。此外，第一直线g1还穿过电子构件1.2。但同时，第一直线g1没有穿过第二屏蔽层1.14。此外，从第一探测单元1.11出发，第一屏蔽层1.13布置在中心平面m的另一侧，即从第一探测单元1.11的角度来看在中心平面m的另一侧上。
46.另外，第二屏蔽层1.14的尺寸被确定为，使得能够产生第二直线g2，第二直线被定向为正交于中心平面m，既穿过第二探测单元1.12也穿过第二屏蔽层1.14。第二直线g2没有穿过第一屏蔽层1.13。从第二探测单元1.12出发，第二屏蔽层1.14布置在中心平面m的另一侧。
47.电路板1.1尤其构建为，使得第一直线g1穿过第一探测单元1.11的第一接收线路1.112，并且第二直线g2穿过第二探测单元1.12的第二接收线路1.122。
48.通过描述的布置，第一屏蔽层1.13关于第三方向z以间距t位于第一探测单元1.11的后方(或者在第三方向z上与第一探测单元1.11偏移间距t)。在此，间距t大于电路板1的厚度的一半。同样的情况适用于第二屏蔽层1.14相对于第二探测单元1.12的相对布置。在所述的实施例中，间距t为2mm，其中，该间距在第三方向z上延伸。
49.第一接收线路1.112布置为在第二方向y上相对于第二接收线路1.122具有偏移y。相反地，在所述的实施例中，第一激励线路1.111在第二方向y上与第二激励线路1.121没有任何偏移，因此使得第一激励线路1.111布置为在第二方向y上相对于第二激励线路1.121在电路板1.1上没有偏移。
50.第一屏蔽层1.13关于第二方向y没有达到第二激励线路1.121，而是在第二方向y上在第一屏蔽层1.13与第二激励线路1.121之间(径向)存在第一距离a1。同样在第二方向y上在第二屏蔽层1.14与第一激励线路1.111之间存在第二距离a2。因此，第一屏蔽层1.13布置为相对于第二激励线路1.121偏移第一距离a1，并且此外，第二屏蔽层1.14布置为相对于第一激励线路1.111偏移第二距离a2。示出了，当第一距离a1和/或第二距离a2取在25％t与100％t之间(0.25t≤a1≤1t；0.25t≤a2≤1t)的值，则能够一同获得测量信号的高质量以及因此高测量精度。在所述的实施例中，适用a1＝a2。
51.图5示出了第一刻度元件2的俯视图。同样地，图6示出了第二刻度元件3的俯视图。刻度元件2、3分别由基座组成，在所述的实施例中该基座由环氧树脂制成，并且其上分别布置有两个分度线路2.1、2.2；3.1、3.2。分度线路2.1、2.2；3.1、3.2构造为环形，并且布置为在基座上以不同的直径关于轴r同心。分度线路2.1、2.2；3.1、3.2分别由交替布置的导电分
度区域2.11、2.21；3.11、3.21和不导电分度区域2.12、2.22；3.12、3.22的周期性序列组成。在已示出的实施例中，铜作为导电分度区域2.11、2.21；3.11、3.21的材料被施加在基座上。相反地，在不导电分度区域2.12、2.22；3.12、3.22中基座没有被镀层。刻度元件2、3的角度位置能够分别完全通过分别具有两个分度线路2.1、2.2；3.1、3.2的布置来确定。第一刻度元件2的最外部的分度线路2.2具有沿圆周线的分度区域2.11、2.21的最多数量，使得能够通过这些分度区域实现关于角度位置的测量的最高分辨率。
52.根据图1，在装配的状态下，扫描元件1和刻度元件2、3分别存在轴向距离或者气隙，使得在刻度元件2、3与扫描元件1之间相对转动时，在接收印制导线1.1121、1.1141、1.1221、1.1241中通过感应作用能够分别产生与相应的角度方位相关的信号。形成相应的信号的前提是，使得激励印制导线1.1111、1.1131、1.1141、1.1211、1.1231在各自被扫描的分度结构的区域中产生随时间变化的电磁激励场。在所述的实施例中，激励印制导线1.1111、1.1131、1.1141、1.1211、1.1231构造为多个平面平行的载流的单独印制导线。扫描元件1具有电子电路，电子电路具有电子构件1.2，电子构件经由层e和层f互相电连接。电子电路例如也能包括专用集成电路模块(asic-baustein)。扫描元件1的电子电路不仅作为评估元件工作，还作为激励控制元件工作，在激励控制元件的控制下产生或生成激励电流，然后，激励电流流经激励印制导线1.1111、1.1131、1.1141、1.1211、1.1231。因此，通过一个或相同的激励控制元件馈电激励激励印制导线1.1111、1.1131、1.1141、1.1211、1.1231。在此，第一激励线路1.111和第二激励线路1.121电串联连接。
53.激励线路1.111、1.121、1.113、1.115、1.121、1.123被馈电激励，因此，在围绕激励印制导线1.1111、1.1131、1.1141、1.1211、1.1231构造管状或圆柱状的定向电磁场。产生的电磁场的场力线围绕激励线路1.111、1.121、1.113、1.115、1.121、1.123延伸，其中，场力线的方向以已知的类型和方式取决于激励印制导线1.1111、1.1131、1.1141、1.1211、1.1231中的电流方向。在导电分度区域2.11、2.21；3.11、3.21的范围中通过感应引起涡流，使得相应地根据角度位置调制场。相应地，能够分别通过接收线路1.112、1.114、1.122、1.124测量相对角度位置。接收印制导线对1.1121、1.1141、1.1221、1.1241在其接收线路1.112、1.114、1.122、1.124中布置为，使得接收线路分别提供相位偏移90
°
的信号，从而能够确定旋转方向。由接收线路1.112、1.114、1.122、1.124产生的信号借助于形成评估电路的电子构件1.2中的一些被继续处理。
54.通过第一屏蔽层1.13和第二屏蔽层1.14的特殊尺寸和布置能够很大程度上防止两个探测单元1.11、1.12关于测量精度的消极影响。
55.特别地，防止串扰信号的不允许的高值，但同时避免激励场的太高的衰减。此外，通过电子构件1.2或由外部电源抑制探测单元1.11、1.12的电磁干扰。
56.图7示出了根据第二实施例的扫描元件1’的设计方案。第二实施例的电路板1.1’仅具有四层a、b、c、d。在该实施例中，第一屏蔽层1.13处于第三层e中，并且第二屏蔽层1.14处于第二层b中。在此，间距t’基本上也大于电路板1’的厚度的一半。
57.替代地，第一屏蔽层1.13也能够布置在第一层a中和/或第二屏蔽层1.14布置在第四层f中。