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.本发明涉及一种根据本发明所述的用于感应式位置测量装置的扫描元件，以用于确定扫描元件相对于能够以不同速度旋转的两个标度元件的位置以及涉及一种具有这种扫描元件的位置测量装置。
2.感应式位置测量装置例如用作角度测量设备，以用于确定相对彼此能旋转的机器部件的角度位置。在感应式位置测量装置中，激励迹线和接收器迹线通常例如以印制导线的形式施加在公共的、主要为多层的电路板上，该电路板例如与角度测量设备的定子固定连接。与该电路板相对的是标度元件，在标度元件上施加有刻度结构并且该标度元件与角度测量设备的转子抗扭地连接。如果将随时间变化的激励电流施加到激励迹线处，则在转子与定子之间的相对旋转期间在接收器线圈中产生与角度位置相关的信号。随后在评估电子仪器中进一步处理这些信号。
3.特别是在机器人的驱动装置中，感应式位置测量装置通常用作测量设备，以用于确定驱动轴的角度位置，并且同时用于精确确定输出轴的角度位置，其中，驱动轴的运动通过减速传动装置导入到输出轴中。在这种情况下，借助扫描元件测量角度位置或角度状态，该扫描元件包括在两侧处具有相应探测单元的电路板，使得能够由在电路板的两侧能旋转地布置的标度元件来确定相应的角度状态。


背景技术：

4.在jp 2006208239 a中，特别是根据该专利的图6，公开了一种具有两个转子且在转子之间布置有定子的位置测量装置。在该专利描述的位置测量装置例如用在螺旋测微器中。
5.在wo 2019/185336 a1中描述了一种扫描元件，该扫描元件具有布置在多层电路板上的传输线圈和传感器线圈，其中，该电路板具有被设计作为屏蔽物的层。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种用于感应式位置测量装置的紧凑且制造成本低但相对精确工作的扫描元件，通过该扫描元件能够确定两个标度元件的位置或角度状态。
7.根据本发明，该目的通过本发明所述的特征实现。
8.适合并用于感应式位置测量装置的扫描元件包括多层电路板，该多层电路板具有第一探测单元、第二探测单元和第一屏蔽层。第一探测单元布置在电路板的第一层和第二层中。第二探测单元布置在电路板的第三层和第四层中。第一屏蔽层布置在电路板的第五层中。此外，电路板具有布置在探测单元之间的几何中间平面。此外，电路板具有过孔，该过孔在平行于中间平面定向的方向上彼此错位布置。电路板的第五层被构造为，使得除了第一屏蔽层外并且相对于该第一屏蔽层电绝缘地布置有接片。该接片与过孔电接触，其中，该过孔因此通过接片彼此电连接。
9.第一屏蔽层的结构化能够通过蚀刻工艺实现，从而在第五层中产生与原始层电绝
缘的接片。替代地，屏蔽层能够通过加成方法制造，从而随后经由这种方式获得电路板的结构化层。
10.在本发明的另一设计方案中，探测单元具有至少一个激励迹线，其中，该至少一个激励迹线包括至少一个激励印制导线并且过孔中的至少一个过孔与激励印制导线电连接。
11.以有利的方式，扫描元件被设计成，使得第一探测单元具有第一激励迹线和第一接收器迹线并且第二探测单元具有第二激励迹线和第二接收器迹线。特别地，第一激励迹线和第二激励迹线能够电串联连接。第一接收器迹线和第二接收器迹线有利地在圆周方向上围绕轴线周向布置。第一接收器迹线包括第一接收器印制导线并且第二接收器迹线包括第二接收器印制导线。这些接收器印制导线分别具有周期性曲线。
12.在确定本发明对象的空间布置方面，能够首先限定第一方向x。第一方向x表示为在该方向上测量所需位置的方向(测量方向)。由于通过位置测量装置相关于围绕(旋转)轴线的旋转运动或摆动运动应分别测量在第一标度元件与扫描元件之间的第一相对角度状态并且同时测量在第二标度元件与扫描元件之间的第二角度状态，所以第一方向x是圆周方向或切线方向。
13.此外，能够限定正交于第一方向x延伸的第二方向y。
14.第三方向z与第一方向x正交并且同时与第二方向y正交。第三方向z平行于(旋转)轴线延伸，标度元件能够围绕该轴线相对于扫描元件旋转。此外，第三方向z正交于中间平面。电路板的各个层在第三方向z上彼此错位地布置。因此，过孔在第三方向z上或沿第三方向延伸。此外，过孔在第一方向x和/或在第二方向y上彼此错位地布置。
15.电路板的两个最大(外)表面通常彼此平行定向。中间平面特别地在电路板表面的正中间平行于该表面布置，使得特别是在第三方向z上，电路板的一个表面到中间平面之间的间距与电路板的另一个表面到中间平面之间的间距刚好一样大。
16.在本发明的另一设计方案中，第一激励迹线和第二激励迹线沿圆周方向或沿第一方向x延伸。
17.探测单元分别有利地具有至少一个接收器迹线，其中，接收器迹线中的至少一个接收器迹线包括至少一个接收器印制导线并且过孔中的至少一个过孔与接收器印制导线电连接。
18.扫描元件以有利的方式被设计成，使得第一探测单元具有第一接收器迹线并且第二探测单元具有第二接收器迹线，其中，第一接收器迹线和第二接收器迹线以及第一激励迹线和第二激励迹线沿圆周方向或沿第一方向x延伸。
19.在本发明的另一设计方案中，第一接收器印制导线具有带有第一周期长度λ1的周期性曲线，并且第二接收器印制导线具有带有第二周期长度λ2的周期性曲线。第二周期长度λ2大于或等于第一周期长度λ1(λ2≥λ1)。
20.接片有利地被电绝缘间隙所包围，并且电路板包括第二屏蔽层，该第二屏蔽层相关于接片在正交于中间平面定向的第三方向z上错位地布置，并此外与间隙重叠地布置。通过电路板的第五层的结构化，导电层被中断，从而在导电层中存在起到电绝缘作用的间隙。
21.在本发明的另一设计方案中，电路板包括布置在电路板的第六层中的第二屏蔽层，其中，几何中间平面布置在屏蔽层之间。
22.电路板有利地包括电子构件。特别地，电子构件中的至少一个电子构件能够是用
于产生激励电流的电路的组成部分，该激励电流能够经由接片被馈入到激励印制导线中的至少一个激励印制导线中。
23.第一激励迹线和第二激励迹线能够有利地利用激励电流通电，该激励电流通常具有随时间变化的电流强度(交流电流或混合电流)。能够借助电子构件产生激励电流，这表明能够由电子构件形成激励电流曲线。由于在电流强度与电压强度之间存在物理关系，因此对于激励电压当然也能够进行同样的考虑。
24.过孔中的至少一个过孔有利地被设计为盲孔(导电涂层盲孔)或埋孔(内过孔)。
25.在本发明的另一设计方案中，电子构件是评估电路的组成部分，其中能够进一步处理能够从至少一个接收器印制导线接收的信号。特别地，能够借助电子构件进一步处理能够由第一接收器迹线和第二接收器迹线产生的那些信号，该电子构件特别地形成了评估电路。
26.因此，电子构件能够是不同电子电路的元件或被分配给不同的电路。例如，确定的电子构件能够是用于产生激励电流的电路的元件，或者另外的电子构件能够是用于评估或进一步处理信号的另外的电路的元件。
27.在本发明的一个有利的设计方案中，第二探测单元和电子构件中的至少一个电子构件被布置在电路板的同一侧。在这种结构中，第二探测单元和电子构件在相同方向上相对于中间平面错位，使得中间平面不布置在第二探测单元与电子构件之间。
28.根据另一方面，本发明还包括具有扫描元件以及第一标度元件和第二标度元件的感应式位置测量装置。标度元件在第三方向z(与中间平面正交)上在电路板的两侧间隔开地布置。
29.有利地，第一标度元件具有第一直径d1并且第二标度元件具有第二直径d2，其中，第一直径d1大于第二直径d2(d1》d2)。
30.此外，标度元件能够围绕公共轴线相对于扫描元件能旋转地布置。
31.有利地，第一探测单元具有第三接收器迹线并且第二探测单元具有第四接收器迹线。特别地，第三接收器迹线随后能够包括第三接收器印制导线，其中，第三接收器印制导线具有周期性曲线并且第三接收器印制导线的周期长度小于第一接收器印制导线的第一周期长度λ1。此外，第四接收器迹线能够包括第四接收器印制导线，其中，第四接收器印制导线具有周期性曲线并且第四接收器印制导线的周期长度大于第二接收器印制导线的第二周期长度λ2。
32.在本发明的另一设计方案中，第一探测单元具有第三激励迹线并且第二探测单元具有第四激励迹线。
33.中间平面相对于第三方向z位于第一探测单元与第一屏蔽层之间。因此同样适用于，中间平面相对于第三方向z位于第二探测单元与第二屏蔽层之间，得出或者适用于，第二探测单元和第二屏蔽层布置在中间平面的两侧。
34.此外，电子构件中的至少一个电子构件能够布置在距轴线比第二标度元件的外轮廓更远的距离处。随后将至少一个电子构件径向布置在第二标度元件的外部。
35.本发明的有利改进方案能够在从属权利要求中找到。
附图说明
36.根据本发明的扫描元件的更多细节和优点从参考附图的实施例的以下描述中获得。
37.图1示出包括扫描元件，第一标度元件和第二标度元件的位置测量装置的立体图，
38.图2示出扫描元件的第一侧的俯视图，
39.图3示出扫描元件的第一侧的详细视图，
40.图4示出扫描元件的第二侧的俯视图，
41.图5示出扫描元件的第二侧的详细视图，
42.图6示出通过扫描元件的详细截面图p-p，
43.图7示出扫描元件的第二侧的另一详细视图，
44.图8示出在有过孔的区域中电路板的第五层的俯视图，
45.图9示出在两个过孔的区域中穿过扫描元件的详细截面，
46.图10示出第一标度元件的俯视图，
47.图11示出第二标度元件的俯视图。
具体实施方式
48.根据图1基于具有扫描元件1的位置测量装置来描述本发明，该扫描元件能够用于检测第一标度元件2的角度状态和第二标度元件3的角度状态。两个标度元件2，3都能够相对于扫描元件1围绕轴线r旋转地布置。这种位置测量装置能够用于例如机器人的驱动装置中。随后第二标度元件3例如与马达的驱动轴抗扭地连接。该驱动轴又与具有输出轴的减速传动装置连接。第一标度元件2随着该输出轴旋转。以这种方式，例如，能够借助于第二标度元件3来执行用以将马达换向的角度状态并且借助于第一标度元件2来执行用以定位机器人的相对高精确度的角度状态。
49.扫描元件1包括具有多个层的电路板1.1和安装在电路板1.1上的电子构件1.2。扫描元件1用于扫描第一标度元件2并且同时扫描第二标度元件3。在所提出的实施例中，电子构件1.2仅安装在第二侧上。然而，替代地或补充地，电路板1.1的第一侧也能够配备有电子构件。
50.为了确定角度信息，第一探测单元1.11被布置在电路板1.1的第一侧上并且第二探测单元1.12被布置在电路板1.1的第二侧上。在图1中，仅能够看到第二探测单元1.12的位于外部第四层f上的那些结构(见图6和图9)。
51.此外，在图2和图3中(图3是根据图2的第一探测单元1.11的放大细节图)示出了第一探测单元1.11位于电路板1.1外部第一层a中和电路板1.1的第二层b中的那些结构。第一探测单元1.11包括第一激励迹线1.111、第一接收器迹线1.112、第三激励迹线1.113、第三接收器迹线1.114和第五激励迹线1.115。第一接收器迹线1.112包括第一接收器印制导线1.1121。
52.在图4和图5中示出了电路板1.1的另一侧，使得第二探测单元1.12是可见的。图5示出了第二探测单元1.12放大的细节图。此外，在图4和图5中示出了第二探测单元1.12的位于电路板1.1的外部第四层f中和电路板1.1的第三层e中的那些结构。第二探测单元1.12包括第二激励迹线1.121、第二接收器迹线1.122、第四激励迹线1.123、第四接收器迹线
1.124和第六激励迹线1.125。第二接收器迹线1.122包括第二接收器印制导线1.1221。
53.在图6中示出了根据穿过扫描元件1或电路板1.1的截面线p-p的示意性局部截面图，其中，为了清楚起见，省略了电路板1.1的电绝缘材料的阴影线。此外，为了根据本发明的扫描元件1的更好的可说明性，图6的局部截面图未按比例绘制。如上所述，电路板1.1由多层构成。从几何学上考虑，能够为电路板1.1限定所谓的中间平面m，该中间平面平行于电路板1.1的第一侧或第二侧布置在第一侧与第二侧的正中间。此外，能够借助坐标系限定各个元件彼此的几何关系。在此，第一方向x是沿该方向应进行常规的位置测量或角度测量的方向。在提出的实施例中，第一方向x对应于圆周方向。能够围绕轴线r旋转的标度元件2，3平行于第三方向z延伸，因此第三方向z在此也能够被限定为轴向方向。第二方向y正交于第三方向z和第一方向x定向，该第二方向也能够被称作径向方向。因此，由x轴和y轴夹紧的平面平行于中间平面m定位并且第三方向z和轴线r正交于中间平面m延伸。
54.第一探测单元1.11布置在电路板1.1的第一层a和电路板1.1的第二层b中，同时第二探测单元1.12布置在第三层e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第二靠近电路板1.1的第一侧。相对于电路板1.1的第二侧，这同样适用于第四层f和第三层e。
55.第一探测单元1.11的激励迹线1.111，1.113，1.115包括在第一层a中延伸的激励印制导线1.1111，1.1131，1.1151。与此类似，第二探测单元1.12的激励迹线1.121，1.123，1.125包括在第四层f中延伸的激励印制导线1.1211，1.1231，1.1251。
56.此外，电路板1.1还包括第五层d和第六层c。第一屏蔽层1.13位于第五层d中，第二屏蔽层1.14位于第六层c中。这里的屏蔽层1.13，1.14是相对大面积的铜层。
57.第一探测单元1.11的激励迹线1.111，1.113，1.115包围第一接收器迹线1.112或第三接收器迹线1.114。
58.第二探测单元1.12的激励迹线1.121，1.123，1.125包围第二接收器迹线1.122或第四接收器迹线1.124。激励迹线1.111，1.113，1.115，1.121，1.123，1.125和接收器迹线1.112，1.114，1.122，1.124都沿圆周方向或沿第一方向x延伸。
59.在所提出的实施例中，接收器迹线1.112，1.114，1.122，1.124中的每一个分别包括接收器印制导线1.1121，1.1141，1.1221，1.1241，这些接收器印制导线在圆周方向上错位地布置，使得它们能够传送对应于四个相位偏移的信号的偏移量。在图中，属于一个且相同的接收器迹线1.112，1.114，1.122，1.124的接收器印制导线1.1121，1.1141，1.1221，1.1241仅设有一个附图标记。因此，例如，第一接收器迹线1.112的所有接收器印制导线1.1121仅设有一个附图标记。此外，与过孔连接的第一探测单元1.11的第一接收器印制导线1.1121在电路板1.1的不同层中延伸，从而避免在交叉点处不希望的短路。这同样适用于第二探测单元1.12的接收器印制导线1.1221，1.1241。尽管严格来说，第一接收器印制导线和第二接收器印制导线1.1121，1.1221中的每一个由多个导体段组成，导体段分别分布在两个平面或层上并且彼此串连，但是在下文中这种结构被统称为接收器印制导线1.1221，1.1241。
60.接收器印制导线1.1121，1.1141，1.1221，1.1241具有基本上为正弦形或正弦式的空间周期曲线。第一接收器迹线1.112的接收器印制导线1.1121具有周期长度λ1(图3)，同时第二接收器迹线1.122的接收器印制导线1.1221具有周期长度λ2(图5)。在所提出的实施
例中，在接收器迹线1.112，1.114，1.122，1.124的内部，相邻的接收器印制导线1.1121，1.1141，1.1221，1.1241彼此偏移完整正弦周期的1/8(沿圆周方向或第一方向x偏移4/π或45
°
)地布置。接收器印制导线1.1121，1.1141，1.1221，1.1241以这样的方式电连接，即它们一方面传送0
°
和90
°
信号并且另一方面传送45
°
和135
°
信号。从0
°
和90
°
信号能够确定第一位置信号并且从45
°
和135
°
信号能够确定相对于第一位置信号冗余的第二位置信号。
61.在所提出的实施例中，第二周期长度λ2大于第一周期长度λ1。
62.此外，根据图4和图5，电路板1.1具有镀通孔1.15，1.16。因此，镀通孔1.15，1.16贯穿电路板1.1的整个厚度。借助镀通孔1.15，第一接收器迹线1.112的第一接收器印制导线1.1121与布置在中间平面m的另一侧上的电子构件1.2电连接。为此目的，通过在第二层b中延伸的印制导线，建立与在图6中不可见的第一接收器印制导线1.1121的电接触，以用于镀通孔1.15。镀通孔1.15穿过第一屏蔽层1.13和第二屏蔽层1.14，其中，屏蔽层1.13，1.14被构造成为，即屏蔽层不与镀通孔1.15电连接。在第三层e中，现在建立至在该层中延伸的印制导线的接触，经由该印制导线与另一个镀通孔最终共同建立至电子构件1.2的接触。另一个镀通孔1.16将在第二层b中延伸的第一接收器印制导线1.1121与第四层f连接。经由在图中不可见的印制导线建立至电子构件1.2的电接触。
63.第一接收器迹线1.112在第二方向y上相对于第二接收器迹线1.122重叠地布置。
64.如图7至图9所示，第六激励迹线1.125连接到过孔1.17，1.19的端部，第四激励迹线1.123连接到另外的过孔1.18，1.20的端部。过孔1.17，1.18，1.19，1.20被设计作为盲孔并终止于电路板1.1的第五层d中。根据图8，最初被设计为连续铜层的第五层d被构造为，使得在x，y平面中除了第一屏蔽层1.13之外还布置有接片1.131，1.132。通过间隙s接片1.131，1.132相关于(或相对于)第一屏蔽层1.13电绝缘，在该间隙中第五层d的材料(此处例如铜)已被去除。第一接片1.131与过孔1.17，1.18电接触。由于第一接片1.131由导电材料构成，过孔1.17，1.18通过第一接片1.131彼此电连接。这同样适用于过孔1.19，1.20和第二接片1.132。可替代地，过孔1.17，1.18，1.19，1.20能够被设计成为埋孔并在第五层d与第三层e之间建立连接，其中，经由附加的微孔能够实现第四层f到第三层e的连接。
65.图9示出了沿穿过扫描元件1或穿过电路板1.1的截面线q-q的示意性局部截面图。因此，截面线特别地穿过过孔1.17，1.18和接片1.131。通过这种布置在第四激励迹线1.123与第六激励迹线1.125之间建立电连接。
66.在第三方向相对于第一屏蔽层1.13错位地布置的第二屏蔽层1.14至少在接片1.131，1.132附近区域中是连续的，使得第二屏蔽层与间隙s重叠布置。通过该措施，第一屏蔽层1.13的结构化不会导致两个屏蔽层1.13，1.14的屏蔽功能的显著降低。
67.此外，根据图9的过孔1.18经由导电层1.20和经由另外的镀通孔1.21与电子构件1.2连接。
68.在图10中，第一标度元件2以俯视图示出。第二标度元件3在图11中同样以俯视图示出。标度元件2，3具有盘形形态，其中，第一标度元件2具有第一直径d1并且第二标度元件3具有第二直径d2。第一直径d1大于第二直径d2(d1》d2)。
69.标度元件2，3分别由基板组成，在所示的实施例中，该基板由环氧树脂制成并且在标度元件上分别布置两个刻度迹线2.1，2.2；3.1，3.2。该刻度迹线2.1，2.2；3.1，3.2被设计为环形，并且在基板上以不同的直径相对于轴线r同心地布置。该刻度迹线2.1，2.2；3.1，
3.2包括刻度结构，刻度结构分别由交替布置的导电刻度区域2.11，2.21；3.11，3.21和非导电刻度区域2.12，2.22；3.12，3.22的周期性序列组成。作为导电刻度区域2.11，2.21；3.11，3.21的材料，在所示实例中将铜施加到基板上。反之，在非导电刻度区域2.12，2.22；3.12，3.22中，基板没有被涂层。通过具有分别两个刻度迹线2.1，2.2；3.1，3.2的布置，能够分别完全确定标度元件2，3的角度状态。第一标度元件2的最外面的刻度迹线2.2沿圆周线具有最大数量的刻度区域2.21，2.22，从而由此能够实现关于角度状态的测量的最大分辨率。
70.在根据图1的组装状态下，扫描元件1和标度元件2，3分别以轴向间距或气隙彼此面对，从而在标度元件2，3与扫描元件1之间发生相对旋转的情况下，在接收器印制导线1.1121，1.1141，1.1221，1.1241中分别通过感应效应能够产生与相应的角度位置相关的信号。形成相应信号的先决条件是，激励印制导线1.1111，1.1131，1.1151，1.1211，1.1231，1.1251在相应的扫描的刻度结构区域中，产生随时间变化的电磁激励场。在所示的实施例中，激励印制导线1.1111，1.1131，1.1151，1.1211，1.1231，1.1251被设计作为多个平面平行的、由电流穿过的单个印制导线。扫描元件1具有带有电子构件1.2的电子电路，这些电子构件经由e层和f层彼此电连接。例如，电子电路还能够包括asic模块。扫描元件1的电子电路不仅用作评估元件，还用作激励控制元件，在激励控制元件的控制下产生或生成激励电流，该激励电流随后流过激励印制导线1.1111，1.1131，1.1151，1.1211，1.1231，1.1251。激励印制导线1.1111，1.1131，1.1151，1.1211，1.1231，1.1251因此通过一个且相同的激励控制元件通电。在此，第一激励迹线1.111和第二激励迹线1.121串联地电连接。在此，从作为用于产生激励电流的电路的组成部分的电子构件1.2出发，经由在导电层1.20上的镀通孔1.21并经由两个接片1.131，1.132实现供电，使得经由这些接片1.131，1.132引导激励电流。以此方式，激励电流能够经由接片1.131，1.132馈入激励印制导线1.1211，1.1231，1.1251中。
71.如果激励迹线1.111，1.113，1.115，1.121，1.123，1.125通电，在激励印制导线1.1111，1.1131，1.1151，1.1211，1.1231，1.1251周围形成管状或圆柱状定向的电磁场。产生的电磁场的磁场线围绕激励迹线1.111，1.113，1.115，1.121，1.123，1.125延伸，其中，磁场线的方向以已知的方式和方法与激励印制导线1.1111，1.1131，1.1151，1.1211，1.1231，1.1251中的电流方向相关。在导电部分区域2.11，2.21；3.11，3.21的区域中诱导出涡流，从而分别实现与角度状态相关的场调制。相应地能够通过接收器迹线1.112，1.114，1.122，1.124分别测量相对角度状态。接收器印制导线对1.1121，1.1141，1.1221，1.1241在其接收器迹线1.112，1.114，1.122，1.124内以这样的方式布置，即它们分别传送相位偏差为90
°
的信号，使得旋转方向也能够被确定。由接收器迹线1.112，1.114，1.122，1.124产生的信号借助形成评估电路的一些电子构件1.2进一步处理。
72.通过第一屏蔽层1.13和第二屏蔽层1.14能够在很大程度上避免对两个探测单元1.11，1.12在测量精度方面的负面影响。特别地，防止了所不允许的大量串扰信号，但同时避免了激励场的过度衰减。此外，抑制了通过电子构件1.2或来自外部源的探测单元1.11，1.12的电磁干扰。