(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の部材に対する、第１の部材の測定軸方向の位置の測定に使用可能な位置検出装置であって、
前記測定軸に沿って延在し、かつ、スケールレイヤに略垂直な方向である深さ方向に相互に積み重ねられた第１及び第２のレイヤを有し、前記第１のレイヤは前記測定軸に沿った第１の空間変調パターンを形成する材料からなり、前記第２のレイヤは前記測定軸に沿った第２の空間変調パターンを形成する材料からなり、かつ、前記測定軸方向に沿ったアブソリュートレンジ上において前記第１の空間変調パターンとは異なる、スケールと、
前記第１及び第２のレイヤの前記第１及び第２の空間変調パターンにより変調される少なくとも１つのスケール検出場を生成するように構成され、第１及び第２の回路構成の使用に基づいて第１及び第２の位置信号成分を提供して、前記少なくとも１つのスケール検出場のための前記スケール検出場での第１の小信号検出深さ及び第２の小信号検出深さを提供する、前記スケールに対して前記深さ方向に配置された検出部を有する、前記測定軸の方向に沿って前記スケールに対して移動するリードヘッドと、を備え、
前記第１のレイヤは前記深さ方向において前記第２のレイヤよりも前記リードヘッドに近く、前記第１のレイヤの前記第１の空間変調パターンは前記第１の回路構成を用いて検出される支配的な第１の位置信号成分を与え、
前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンは、前記第２の回路構成を用いて検出される大きな第２の位置信号成分と、前記第１の回路構成を用いた場合の小さな第２の位置信号成分と、を与え、
前記第２の位置信号成分がアブソリュートレンジの対応する位置における前記第１の位置信号成分に対する複数の一意的な値を与える信号特性を含むように、前記第１及び第２の空間変調パターンが構成される、
位置検出装置。
【請求項２】
前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンは、前記第１の回路構成を用いた場合に、小さな第２の信号成分を与える、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのスケール検出場は、変化する場であり、
前記第１の回路構成は、前記スケール検出場の高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応し、
前記第２の回路構成は、前記スケール検出場の低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する、  
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の回路構成は、条件ａ）及び条件ｂ）の少なくとも１つに応じて動作し、
前記条件ａ）では、
前記第１の回路構成は、第１の時間に前記高周波側の時間周波数又は周波数レンジの第１のスケール検出場を提供し、
前記第２の回路構成は、第２の時間に前記低周波側の時間周波数又は周波数レンジの第２のスケール検出場を提供し、
前記リードヘッドは、前記第１の時間に前記第１の位置信号成分を検出し、前記第２の時間に前記第２の位置信号成分を検出し、
前記条件ｂ）では、
前記第１の回路構成は、前記高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する、制限又はフィルタリングされた高周波側の周波数レンジを用いて、前記少なくとも１つのスケール検出場の変調を検出し、
前記第２の回路構成は、前記低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する、制限又はフィルタリングされた低周波側の周波数レンジを用いて、前記少なくとも１つのスケール検出場の変調を検出する、
請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の回路構成は、前記条件ｂ）に従って動作し、
前記リードヘッドは前記高周波側及び低周波側の両方の時間周波数又は周波数レンジを同時に含む、変化するスケール検出場を生成するように構成される、
請求項４に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の回路構成は、
前記第１及び第２の空間変調パターンの材料に生じる渦電流のそれぞれに応答し、
前記第１及び第２の位置信号成分を与えるために前記少なくとも１つのスケール検出場を変調する、
請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項７】
前記第１のレイヤは、第１の表皮深さの少なくとも１倍の、前記深さ方向の厚みを有し、
前記第１の表皮深さは、前記第１の空間変調パターンを形成する材料と前記第１の回路構成に対応する前記高周波側の時間周波数又は周波数レンジとに基づいて決定される、
請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項８】
前記第１のレイヤは、第２の表皮深さの多くとも０．５倍の、前記深さ方向の厚みを有し、
前記第２の表皮深さは、前記第１の空間変調パターンを形成する材料と前記第２の回路構成に対応する前記低周波側の時間周波数又は周波数レンジとに基づいて決定される、
請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項９】
前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンを形成する材料の前記深さ方向の厚みは、前記第１のレイヤの前記第１の空間変調パターンを形成する材料の前記深さ方向の厚みの少なくとも２倍である、
請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項１０】
前記スケールは、ａ）均一なレイヤを形成する材料、及び、ｂ）前記測定軸に沿って延在し、かつ、前記第１及び第２のレイヤ間に位置する第３の空間変調パターンを形成する材料のいずれかからなる分離レイヤを更に備える、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１１】
前記分離レイヤは、均一なレイヤを形成する材料であり、
前記深さ方向の前記分離レイヤの厚みに加算される前記第１のレイヤの厚みは、第１の表皮深さの少なくとも１倍であり
前記第１の表皮深さは、前記均一なレイヤを形成する材料と前記第１の回路構成に対応する前記高周波側の時間周波数又は周波数レンジとに基づいて決定される、
請求項１０に記載の位置検出装置。
【請求項１２】
前記分離レイヤは、第３の空間変調パターンを形成する材料からなり、
前記分離レイヤの前記第３の空間変調パターンは、前記第１のレイヤの前記第１の空間変調パターンと関連して構成されることで、前記第２の回路構成を用いた場合に少なくとも前記第１の空間変調パターンの変調効果を部分的に無効化し、それによって、前記第２の回路構成を用いた場合に少なくとも前記第１の位置信号成分を部分的に無効化する、
請求項１０に記載の位置検出装置。
【請求項１３】
前記第１及び第３の空間変調パターンを形成する材料は同じ材料であり、
前記第１及び第３の空間変調パターンは、前記第１及び第３の空間変調パターンを形成する材料が前記リードヘッドと前記第２のレイヤとの間の前記深さ方向の複合深さが名目的に一定となるような補完物である、
請求項１２に記載の位置検出装置。
【請求項１４】
前記第１の空間変調パターンは周期的であり、かつ、波長Ｐを有し、
前記第３の空間変調は周期的であり、かつ、前記波長Ｐを有し、
前記第１及び第３の空間変調パターンは、空間位相にして約１８０°だけ、前記測定軸に沿ってシフトしている、
請求項１３に記載の位置検出装置。
【請求項１５】
前記第１及び第３の空間変調パターンのそれぞれは、ａ）前記深さ方向の材料厚み変調、及び、ｂ）前記深さ方向及び前記測定軸と交差する方向の材料幅変調のいずれかを含む、
請求項１３に記載の位置検出装置。
【請求項１６】
前記分離レイヤは、第３の空間変調パターンを形成する材料からなり、
前記分離レイヤの前記第３の空間変調パターンは、前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンと協働するように構成されることで、前記第２の回路構成を用いて検出される前記第２の位置信号成分における前記第２及び第３の空間変調パターンの複合変調効果を提供する、
請求項１０に記載の位置検出装置。
【請求項１７】
前記第１の空間変調パターンは周期的であり、かつ、波長Ｐを有し、
前記第２の空間変調パターンは、
ａ）前記アブソリュートレンジでの位置に対応する空間周期性を有する第１の位置信号成分に対する複数の一意的な位相関係値を与える、空間周期性を有する第２の位置信号成分を提供する、前記波長Ｐとは異なる波長Ｐ’を有する周期的パターン、
及び、
ｂ）前記アブソリュートレンジでの位置に対応する前記第１の位置信号成分に対する複数の一意的な位相関係値を与える第２の位置信号成分を提供するため、線形又は非線形に変化するパターン
のいずれか一方からなる、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１８】
前記第１及び第２の空間変調パターンのそれぞれは、ａ）前記深さ方向の材料厚み変調、及び、ｂ）前記深さ方向及び前記測定軸と交差する方向の材料幅変調のいずれかを含む、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１９】
前記第１又は第２の空間変調パターンの前記材料厚み及び幅変調は、機械加工若しくは均一な材料の形成により作製され、又は、プリント回路基板作製技術を用いてプリント回路基板に作製される、
請求項１８に記載の位置検出装置。
【請求項２０】
前記第１及び第２のレイヤは、スケール材料のモノリシック片の加工部分からなり、又は、プリント回路基板の複数レイヤ中のレイヤからなる、
請求項１に記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密測定装置、及び、ノギスなどの手持ち式用具で利用されるアブソリュート型位置エンコーダ用スケールに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の光学式、静電容量式、磁気式及び電磁誘導式のトランスデューサ並びに種々の動き又は位置のトランスデューサが利用可能である。これらのトランスデューサは、リードヘッドとスケールとの間の動きを測定するため、送信器及び受信器の様々な幾何学的構造を利用する。磁気式及び誘導式のトランスデューサは、比較的汚れに強いものの、完全ではない。
【０００３】
米国特許第６，０１１，３８９（’３８９特許）は、高精度用途に使用可能な誘導電流位置トランスデューサを開示している。米国特許第５，９７３，４９４（’４９４特許）及び６，００２，２５０（’２５０特許）は、信号の生成及び処理を行う回路を有する電磁誘導式インクリメンタル型ノギス及びスケールを開示している。米国特許第５，８８６，５１９（’５１９特許）、５，８４１，２７４（’２７４特許）及び５，８９４，６７８（’６７８特許）は、電磁誘導式アブソリュート型ノギスと、誘導電流トランスデューサを用いた電気式巻尺とを開示している。上述のものは全て、その全体がここでの参照により本明細書に組み込まれるものである。これらの特許に開示されるように、この誘導電流トランスデューサは、プリント基板回路を用いて容易に作製され、かつ、汚染の影響をほとんど受けない。
【０００４】
上述のトランスデューサは、インクリメンタル型又はアブソリュート型位置エンコーダのいずれかとして実装されてもよい。インクリメンタル位置エンコーダは、スケールに沿った初期位置からの変位の増分単位の蓄積によって、スケールに対するリードヘッドの変位を決定する。反対に、アブソリュート位置エンコーダは、スケールに沿った各位置において、一意的な出力信号又は信号の組み合わせを与える。アブソリュート位置エンコーダは、位置を認識するための変位増分の蓄積を常に記録するための常時電源を必要としない。よって、アブソリュート型位置エンコーダは、様々な電力管理を可能とし、低電力用途にとって望ましい（例えば、手持ち式ノギス）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，０１１，３８９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９７３，４９４号明細書
【特許文献３】米国特許第６，００２，２５０号明細書
【特許文献４】米国特許第５，８８６，５１９号明細書
【特許文献５】米国特許第５，８４１，２７４号明細書
【特許文献６】米国特許第５，８９４，６７８号明細書
【特許文献７】米国特許第３，８８２，４８２号明細書
【特許文献８】米国特許第５，９６５，８７９号明細書
【特許文献９】米国特許第５，２７９，０４４号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，２３７，３９１号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，４４２，１６６号明細書
【特許文献１２】米国特許第４，９６４，７２７号明細書
【特許文献１３】米国特許第４，４１４，７５４号明細書
【特許文献１４】米国特許第４，１０９，３８９号明細書
【特許文献１５】米国特許第５，７７３，８２０号明細書
【特許文献１６】米国特許第５，０１０，６５５号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J. Lefebvre, C. Mandache and J. Letarte, "Pulsed eddy current empirical modeling," Advances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials, Quebec City, Canada, 2006.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のアブソリュート型誘導電流位置トランスデューサにかかる’５１９、’２７４及び’６７８特許に加えて、米国特許第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及び５，０１０，６５５も、種々のエンコーダの構成、及び／又は、アブソリュート型エンコーダに関連する信号処理技術を開示しており、各々その全体がここでの参照により本明細書に組み込まれる。しかし、これらの開示されたシステムは、ユーザが望むコンパクトなサイズ、高分解能、コスト、及び、汚染に対する堅牢性の組み合わせを提供する能力に限界が有る。こうした改善された組み合わせを提供するアブソリュート型エンコーダの構造が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この要約は、簡易化した形で概念の選択を紹介することで提供され、以下の詳細な説明においても開示されている。この要約は、クレームされた対象における重要な特徴を特定することを意図するものでなく、また、クレームされた対象の範囲を決定するのに役立つものとして用いることを意図するものでもない。
【０００９】
第２の部材に対する、第１の部材の測定軸方向の位置の測定に使用可能な位置検出装置が提供される。前記位置検出装置は、スケールとリードヘッドとを有する。前記スケールは、前記測定軸に沿って延在し、かつ、スケールレイヤに略垂直な方向である深さ方向に相互に積み重ねられた第１及び第２のレイヤを有する。前記第１のレイヤは前記測定軸に沿った第１の空間変調パターンを形成する材料からなる。前記第２のレイヤは前記測定軸に沿った第２の空間変調パターンを形成する材料からなり、かつ、前記測定軸に沿ったアブソリュートレンジ上において第１の空間変調パターンとは異なる。リードヘッドは、前記測定軸の方向に沿って前記スケールに対して移動可能である。前記リードヘッドは、前記スケールに対して前記深さ方向に配置された検出部を有し、前記第１及び第２のレイヤの前記第１及び第２の空間変調パターンにより変調される少なくとも１つのスケール検出場を生成する。前記検出部は、第１及び第２の回路構成の使用に基づいて第１及び第２の位置信号成分を提供して、前記少なくとも１つのスケール検出場のための前記スケール検出場での第１の小信号検出深さ及び第２の大信号検出深さを提供する。前記スケール及びリードヘッドは、以下の構成を有する。前記第１のレイヤは前記深さ方向において前記第２のレイヤよりも前記リードヘッドに近く、前記第１のレイヤの前記第１の空間変調パターンは前記第１の回路構成を用いて検出される支配的な第１の位置信号成分を与え、前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンは、前記第２の回路構成を用いて検出される大きな第２の位置信号成分と、前記第１の回路構成を用いた場合の小さな第２の位置信号成分と、を与え、前記第２の位置信号成分がアブソリュートレンジの対応する位置における前記第１の位置信号成分に対する複数の一意的な値を与える信号特性を含むように、前記第１及び第２の空間変調パターンが構成される。種々の態様においては、前記少なくとも１つのスケール検出場は、変化する場であり、前記第１の回路構成は、前記スケール検出場の高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応し、前記第２の回路構成は、前記スケール検出場の低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する。前記第１及び第２の回路構成の変形例が以下で開示され、これらを独立して、及び／又は、組み合わせて用いてもよい。前記スケールのパターン及び厚みの変形例が本明細書で開示され、前記第１及び第２の回路構成を用いて異なるスケールレイヤから引き出された信号を分離するように表皮効果を利用するため、これらを独立して、及び／又は、組み合わせて用いてもよい。種々の形態において、前記空間変調パターンの前記空間変調は、厚み、及び／又は、幅、及び／又は、材料変調の変化を含んでもよい。
【００１０】
当然のことながら、本明細書で開示される構成は、先行技術に対して有利である。特に、スケールの信号レイヤの積層構造の使用も相俟って、同一線で隣接するスケールトラックを望むならば回避することができる点において、幅の狭いスケールを用いてロバストなアブソリュート位置検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、スケールを有する手持ち式ノギスの分解組立等角図である。
【図２】図２は、積層構造中の分離レイヤにより離間された第１及び第２の信号レイヤを示す、図１のスケールの部分等角図である。
【図３】図３は、リードヘッドの検出部の動作を示すスケール部の側面図である。
【図４】図４は、スケール部に対する位置を検出するリードヘッドの検出部を示す等角図である。
【図５Ａ】図５Ａは、リードヘッドの検出部の変形例の動作原理を示す模式図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、リードヘッドの検出部の変形例の動作原理を示す模式図である。
【図６Ａ】図６Ａは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。
【図６Ｇ】図６Ｇは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。
【図７】本明細書で開示した原理にかかる、積層構造中のレイヤを有するスケール部を含む位置検出装置を運転するためのルーティンの一実施の形態を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本件の図面では、当然のことながら、明確化のため、１以上のスケール機構のＺ軸の寸法を大きく表示している。一般に、図面は部分的に再現描写され、部分的に模式化されているものと見なし得る。本件開示に基づいて、当然のことながら、本明細書で開示される種々のスケールレイヤ構造で実現される信号分離及び／又は信号絶縁は、一般に、表皮効果に依存してもよい。同様に、表皮効果は、スケールレイヤの材料及びリードヘッドの動作周波数の両方に依存してもよい。例として、これに制限されるものではないが、種々の実施の形態において、種々のレイヤは、表皮深さの一部又は複数の表皮深さのオーダーの厚み（Ｚ軸寸法）を有してもよい。表皮深さは、実際の材料及び動作周波数に対し、マイクロメーターから数ミリメーターのオーダーであってもよい。本明細書で開示され、既知の分析及び／又は試験の方法で追加される、種々の動作原理及び技術に基づいて、当業者が実際の装置におけるＺの実寸法を決定してもよい。
【００１３】
図１は、スケール１７０を含む概ね矩形断面のスパー（柱材）を有するスケール部材１０２と、スライダアセンブリ１２０と、を有する手持ち式のノギス１００の組立分解等角図である。図２において更に説明するように、スケール１７０は、測定軸方向ＭＡ（Ｘ軸）に延在し、スケールレイヤにほぼ垂直な深さ方向（Ｚ方向）に互いに積み重ねられたレイヤ（例えば、信号変調／分離レイヤ）を有してもよい。既知のタイプのカバーレイヤ１７２（例えば、１００μｍ厚）は、スケール１７０を覆ってもよい。スケール部材１０２の第１の端部近傍のジョウ１０８及び１１０と、スライダアセンブリ１２０上の可動ジョウ１１６及び１１８は、既知の方法で対象物の寸法を測定するために用いられる。スライダアセンブリ１２０は、エンドストップ１５４によってスケール部材１０２下部のデプスバー用溝１５２に拘束されたデプスバー１２６を、任意に含んでもよい。デプスバー接触端１２８は、深さを測定する穴の中に挿入され得る。スライダアセンブリ１２０のカバー１３９は、オン／オフスイッチ１３４、ゼロ点設定スイッチ１３６及び測定表示部１３８を有してもよい。スライダアセンブリ１２０のベース１４０は、スケール部材１０２のサイドエッジ１４６と接触するガイドエッジ１２４と、測定のため、及び、スケール１７０に対してリードヘッド部１６４を移動させるために適正な配置を維持するように、弾性力バー１４８をスケール部材１０２の対向エッジに押し付けるねじ１４７と、を有する。
【００１４】
ベース１４０に搭載されるピックオフアセンブリ１６０は、本実施の形態においては、スケール１７０に対して深さ方向に配置された検出部１６７（例えば、場の生成や検出を行う巻線構造）が乗った基板１６２（例えば、プリント回路基板）と、信号処理／制御回路１６６と、を有するリードヘッド部１６４を有する。弾性シール１６３は、回路や結合部からの汚れを排除するために、カバー１３９と基板１６２との間で圧迫されてもよい。
【００１５】
具体的な一実施例においては、検出部１６７は、スケール１７０に対して深さ（Ｚ）方向に０．５ｍｍオーダーのギャップにて離間され、かつ、スケール１７０と平行にかつスケール１７０に対面するように配置される。同時に、リードヘッド部１６４及びスケール１７０は、トランスデューサ（例えば、図２について以下で詳述するような、変化する磁場の生成により動作する渦電流トランスデューサ）を構成してもよい。
【００１６】
図２は、深さ（Ｚ）方向に互いに積み重ねられた（並べられ、かつ、隣接した）信号レイヤＳＩＧＬ１及びＳＩＧＬ２を示す、図１のスケール１７０の一実施の形態の断面の等角図である。いくつかの実施例においては、この実施の形態は後述するように、信号レイヤＳＩＧＬ１及びＳＩＧＬ２間の任意的な分離レイヤＩＳＯＬを有するものとして解釈されてもよい。また、これに代えて、分離レイヤは、いくつかの実施の形態においては省略してもよく、スケール全体の厚みが低減される。また、他の実施の形態においては、レイヤＩＳＯＬの材料は、レイヤＳＩＧＬ１及び／又はレイヤＳＩＧＬ２に由来してもよい。それぞれの厚み寸法であるＴｉｓｏ、Ｔ１及びＴ２は、状況に応じて調整されてもよい（例えば、このような実施の形態において、レイヤＩＳＯＬが「無い」ものとして表現されるように、Ｔｉｓｏを厚みゼロとすることを含む）。後述のように、当然のことながら、レイヤＳＩＧＬ１、ＩＳＯＬ及びＳＩＧＬ２は、説明するような機構を有する概念的なレイヤである。種々の実施例においては、レイヤは分離して作製され、かつ、実際に「積み重ねられ」てもよい。また、概念的なレイヤの配置が「積層」に対応する場合には、レイヤは単一のピースとして作製されてもよい。
【００１７】
第１の信号レイヤＳＩＧＬ１は、ＰＡＴ１で表示される、測定軸に沿った第１の空間変調パターンを形成する材料からなる。概念的には、ＰＡＴ１は、複数の第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６に対して測定軸方向ＭＡに交互に配置され、波長Ｐで周期的に配置される複数の第１スケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ７として説明され得る。一実施の形態においては、各スケール要素領域は、Ｘ方向に波長Ｐの１／２の寸法を有する。他の実施の形態においては、第１及び第２のスケール要素領域の面積及び幅は、異なってもよい。ＰＡＴ１は、最も好適には、深さ（Ｚ）方向の材料厚み変調を含むものとして説明され得る。また、これに代えて、ＰＡＴ１は、深さ方向及び測定軸と交差する方向（Ｙ）の材料幅変調を含む（本実施の形態では、幅がゼロのプレート除去機構である）ものとして説明されてもよい。
【００１８】
図２の例では、第１スケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ７のそれぞれは、導電性プレート機構Ｐ１〜Ｐ７（種々の実施の形態において、渦電流を流すように動作し得る）を有する。第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６のそれぞれは、空洞又は切欠き領域Ｒ１〜Ｒ６、及び／又は、第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６のそれぞれを充填する非導電性材料で構成される「プレート除去」機構（種々の実施の形態において、渦電流をわずかに流し、又は、渦電流を流さないように動作し得る）を有してもよい。または、これに代えて、「プレート除去」機構は、プレート機構と比べて異なる導電性及び透磁率を有する導電材料で構成されてもよい。同様のスケール動作原理が、出願日が２０１４年６月１２日、発明の名称が「Absolute Position Encoder Scale Having Plates Alternating With Varying Recesses（変化する切欠きに対して繰り返して配置されたプレートを有するアブソリュート位置エンコーダスケール）」である、同一出願人の同時係属中の米国特許出願である出願番号１４／３０３，２６６（’２６６出願）でより詳しく開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものである。
【００１９】
第２の信号レイヤＳＩＧＬ２は、第１の信号レイヤからの類推によって理解し得る。第２の信号レイヤＳＩＧＬ２は、測定軸に沿ったアブソリュートレンジ上の第１の空間変調パターンＰＡＴ１とは異なった、測定軸に沿った第２の空間変調パターンＰＡＴ２を構成する材料からなる。本実施の形態では、複数のスケール要素領域ＦＺ１’〜ＦＺ６’は、プレート機構ＰＸ’（Ｘ＝１〜６）を有し、複数のスケール要素領域ＳＺ１’〜ＳＺ５’が有するプレート除去機構ＲＸ’（Ｘ＝１〜６）に対して交互に、かつ、測定軸に沿って波長Ｐ’で周期的に配置される。上記のアブソリュートレンジについては、ここでは、凡そ（Ｐ×Ｐ’）／｜Ｐ−Ｐ’｜のアブソリュートレンジが与えられる。これは、ＰＡＴ２が、空間周期性を有する第２の位置信号成分（周期Ｐ’又は波長Ｐ’を有する）を与えるように動作するためである。かつ、第２の位置信号成分が、ＰＡＴ１が空間周期性を有する第１の位置信号成分（周期Ｐ又は波長Ｐを有する）を与えるように動作するアブソリュートレンジでの対応する位置において、空間周期性を有する第１の位置信号成分に対する複数の一意的な位相関係値を与えるためである。一意的な位相関係値は、ＰＡＴ１の構成から得られる周期的信号のそれぞれの周期を区別すること、アブソリュートレンジでの個々の位置を一意的に示し、かつ、更に高精度のアブソリュート位置測定を実現するために既知の方法（例えば、正弦波直交信号補間法を含む）によって個々の信号周期を補間することを可能とする。
【００２０】
より一般的には、変形例（例えば、図６Ｃ、６Ｄ、６Ｇについて説明するように）においては、第２のレイヤの第２の空間変調パターンは、変化（線形又は非線形の変化）していてもよい。当該変化により、アブソリュートレンジでの位置に対応する、第１の位置信号成分と関連した複数の一意的な値（例えば、一意的な信号振幅又は一意的な第２の位置信号関係値）をもたらす信号特性を有する、第２の位置信号成分が与えられる。
【００２１】
種々の実施例においては、スケール１７０は、レイヤが概念的に「積み重ねられ」るように、導電性バルク材料（例えば、アルミニウム、鉄、銅など）で形成されてもよい。また、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１及び第２の信号レイヤＳＩＧＬ２（及び、レイヤＩＳＯＬ）は、同じ又は異なるプロセスを用いて別個に（例えば、プリント回路基板のパターンレイヤとして）形成され、積み重ねられるなどして作製されてもよい。
【００２２】
図３は、図２のスケール１７０の一実施の形態の断面の概略側面図であり、検出部１６７の一実施の形態に含まれる、模式的に図示された検出部ＳＮ１〜ＳＮ３の動作及び機構を示す。種々の実施例において、検出部ＳＮ１〜ＳＮ３、すなわち”ＳＮＸ”（Ｘ＝１〜３）は、それぞれ単一の検出部ＳＮＸ’（Ｘ＝１〜３）を有してもよく、又は、それぞれ差動ペア検出部ＳＮＸ’／ＳＮＸ−Ｄ（Ｘ＝１〜３）を有してもよい（例えば、以下で図４を参照して説明する）。いずれの場合においても、検出部は、その構成に対応した、模式的に示される出力信号ＳＥＮＸ（Ｘ＝１〜３）を提供する。
【００２３】
一般的に言えば、動作時には、信号処理／制御回路１６６と検出部１６７とは、第１及び第２のレイヤの第１及び第２の空間変調パターンによって変調され得る少なくとも１つのスケール検出場を生成するように構成される。かつ、信号処理／制御回路１６６と検出部１６７とは、第１及び第２の回路構成の使用（例えば、第１及び第２の回路及び／又は動作構成、及び／又は信号処理／制御回路１６６に含まれる信号処理ルーティン）に基づいて第１及び第２の位置信号成分を与えるように構成され、少なくとも１つのスケール検出場での第１の小信号検出深さと第２の小信号検出深さを提供する。
【００２４】
図３では、場ＦＩＥＬＤＣ１又はＦＩＥＬＤＣ１’は、第１の小信号検出深さをもたらす場又は場の成分を模式的に示している。第１のレイヤＳＩＧＬ１は、深さ方向において、第２のレイヤＳＩＧＬ２よりもリードヘッド及び／又は検出部１６７に近いので、第１のレイヤＳＩＧＬ１の第１の空間変調パターンＰＡＴ１は、場ＦＩＥＬＤＣ１又はＦＩＥＬＤＣ１’に対応する第１の回路構成を用いて検出される支配的な位置信号成分をもたらす。第２のレイヤＳＩＧＬ２は、第１の回路構成を用いて検出される信号において、少ない又は僅かな第２の位置信号成分を提供できるように、場ＦＩＥＬＤＣ１又はＦＩＥＬＤＣ１’の検出レンジ上に部分的又は全体的に広がるように設計されてもよい。場ＦＩＥＬＤＣ２は、第２の回路構成を用いることで得られる第２の小信号検出深さをもたらす場又は場の成分を模式的に示し、少なくとも第２のレイヤＳＩＧＬ２の一部を含む。この場合、第２のレイヤＳＩＧＬ２の第２の空間変調パターンＰＡＴ２は、第２の回路構成を用いて検出される、大きな第２の位置信号成分をもたらす。
【００２５】
種々の実施例においては、第１の回路構成は、場又は場の成分ＦＩＥＬＤＣ１又はＦＩＥＬＤＣ１’が第１レイヤＳＩＧＬ１を超える深さまで達しないように、又は、最大でも分離レイヤＩＳＯＬを超えないように設計される。このような場合、第１の空間変調パターンＰＡＴ１の信号効果は、第１の回路構成を用いて検出される第１の位置信号成分によって正確に表され、リードヘッドの位置はＰＡＴ１（少なくとも、ＰＡＴ１の局所的周期以内にて）に対して比較的正確に表され得る。更に、既述したように、ＰＡＴ１の信号の寄与は、第１の回路構成を用いることで、スケールに対するリードヘッドの何れの特定位置においても、正確に分離される。その結果、第２の回路構成の使用により得られる第２の小信号検出深さを用いて決定される信号へのＰＡＴ１の寄与を、信号処理／制御回路１６６が予測及び／又は補償できるようにする情報が（例えば、以前の分析及び／又はキャルブレーションに基づいて）与えられる。よって、リードヘッドの位置がＰＡＴ２に対して比較的正確に表されるように、及び／又は、第１の位置信号成分に対する複数の一意的な値をもたらす第２の位置信号成分の信号の特性又は関係がアブソリュートレンジにおいて正確に決定できるように、信号処理／制御回路１６６は、第２の空間変調パターンＰＡＴ２に起因する所望の第２の位置信号成分を実質的に分離し得る。
【００２６】
変形例においては、上記に代えて又は上述の予測及び補償に加えて、分離レイヤＩＳＯＬは、場ＦＩＥＬＤＣ２と第２の回路構成を用いる場合に、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１の第１の空間変調の効果を無効化するための第３の空間変調（図２又は３では不図示）を有するように、形成されてもよい。例えば、分離レイヤＩＳＯＬは、図６Ｆについて以下で説明するように、補完パターン機構（例えば、ＰＡＴ１と逆の空間位相の）を有してもよい。
【００２７】
種々の実施の形態においては、上記の効果及び動作は、以下で説明する種々の構成により達成されてもよい。リードヘッドは、少なくとも、変化する場であるスケール検出場を提供する。第１の回路構成は、スケール検出場の高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する。第２の回路構成は、スケール検出場の低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する。種々の実施例においては、第１及び第２の回路構成は、ａ）及びｂ）の少なくとも１つに応じて動作してもよい。ａ）では、第１の回路構成が第１の時間における高周波側の時間周波数又は周波数レンジでの第１のスケール検出場を提供し、第２の回路構成が第２の時間における低周波側の時間周波数又は周波数レンジでの第２のスケール検出場を提供し、リードヘッドが第１の時間における第１の位置信号成分及び第２の時間における第２の位置信号成分を検出する。また、ｂ）では、第１の回路構成が、高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する高周波側の制限又はフィルタリングされた周波数レンジを用いて、少なくとも１つのスケール検出場の変調を検出し、第２の回路構成が低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する低周波側の制限又はフィルタリングされた周波数レンジを用いて、少なくとも１つのスケール検出場の変調を検出する。検出時において、上述の「ａ」動作は、スケール検出場の「入力」又は「送信」の間にスケール検出場に含まれる周波数の制限又はフィルタリングに対応するものである。上述の「ｂ」動作は、スケール検出場の「出力」又は「受信」の間にスケール検出場で検出される周波数の制限又はフィルタリングに対応するものである。このような制限又はフィルタリングを適用する方法は既知であり、かつ、いくつかの実施の形態においては別々に又は組み合わせて行われてもよい。いくつかの実施の形態においては、第１及び第２の回路構成は、ｂ）に応じて動作し、リードヘッドは高周波側及び低周波側の時間周波数又は周波数レンジを両方とも同時に有する、変化するスケール検出場を生成するように構成される。
【００２８】
当然のことながら、表皮深さ効果は、本明細書で開示される原理に応じて動作する設計において、利用及び使用され得る。表皮深さδは、以下の通りに近似される。
【数１】
0006537931.tif 000002
上式において、ρは材料の抵抗率、ｆは動作周波数（例えば、時間周波数又は上述の周波数）、μｒは材料の比透磁率、μ０は真空の透磁率である。
【００２９】
これにより、種々の実施例では、第１の回路構成は場又は場の成分ＦＩＥＬＤＣ１が第１のレイヤＳＩＧＬ１を超えた位置で大きくならないように設けられる。このような一実施の形態においては、第１のレイヤは、第１の表皮深さの少なくとも１倍、又は２倍以上の、深さ方向の厚みＴ１を有する。なお、第１の表皮深さは、第１の空間変調パターンＰＡＴ１を形成する材料と、第１の回路構成に対応する高周波側の時間周波数又は周波数レンジと、に基づいて決定される。分離レイヤＩＳＯＬは、第１の回路構成を用いる場合に、（もし、望むならば）第２の信号レイヤＳＩＧＬ２のＰＡＴ２の信号変調効果を遮断するためのマージンを与えるように用いられてもよい。このような一実施の形態では、分離レイヤは均一なレイヤを形成する材料からなり、深さ方向の分離レイヤの厚みＴｉｓｏに加算される第１のレイヤの厚みＴ１は、少なくとも第１の表皮深さの１倍、又は２倍以上である。なお、第１の表皮深さは、均一なレイヤを形成する材料と、第１の回路構成に対応する高周波側の時間周波数又は周波数レンジと、に基づいて決定される。
【００３０】
もちろん、上述の原理によれば、場又は場の成分ＦＩＥＬＤＣ２が第１のレイヤＳＩＧＬ１及び／又は分離レイヤＩＳＯＬを超える深さで大きくなるように、かつ、場又は場の成分ＦＩＥＬＤＣ２が少なくとも第２のレイヤＳＩＧＬ２の空間変調領域を含むように、第２の回路構成が構成されなければならない。このような場合、第１のレイヤＳＩＧＬ１及び／又は分離レイヤＩＳＯＬは、第２の回路構成と関連した表皮深さを超えることはできない。このような一実施の形態では、第１のレイヤは、多くとも第２表皮深さの０．５倍、又は０．３倍以下の、深さ方向の厚みＴ１を有する。なお、第２の表皮深さは、第１の空間変調パターンＰＡＴ１を形成する材料と、第２の回路構成に対応する低周波側の時間周波数又は周波数レンジと、に基づいて決定される。もし、分離レイヤＩＳＯＬを用いる場合、このような一実施の形態では、深さ方向の分離レイヤの厚みＴｉｓｏに加算される第１のレイヤの厚みＴ１は、多くとも第２の表皮深さ０．５倍、又は０．３倍以下である。一部の実施の形態では、第２の回路構成の使用により得られる信号への第１の空間変調パターンの影響が、第２の空間変調パターンの影響と比べて低減されるように、第２のレイヤの第２の空間変調パターンを形成する材料の深さ方向の厚みＴ２は、第１のレイヤの第１の空間変調パターンを形成する材料の深さ方向の厚みＴ１の、少なくとも２倍、又は３倍以上となる。
【００３１】
種々の実施の形態においては、レイヤＳＩＧＬ１、ＩＳＯＬ及びＳＩＧＬ２の材料は、導電性及び／又は高透磁率の材料であってもよい。種々の実施例では、リードヘッド１６４は空間変調パターンにより生じるインダクタンス及び／又はインピーダンスの変動に起因する信号の変動を検出してもよい。ある実施例においては、もしスケール材料が低透磁率かつ導電性である場合には、渦電流が信号の変化の主たる原因となる。一方、スケール材料が高透磁率である場合には、磁気回路効果が信号の変化の主たる原因となる。
【００３２】
当然のことながら、Ｚ方向に配置又は積み重ねられたレイヤを有するスケールは、スケールトラックを横に並べて同等のスケールを構成するのに比べて、幅の狭いスケールを実現できる点で有利である。更に、他の製造オプションを適用してもよい。
【００３３】
種々の実施の形態では、測定サイクルのあらゆる時点において、様々な検出部ＳＮＸの１つ又は全部は、本明細書に開示される原理に基づいて明示される所望の信号処理スキームに応じて、上述の第１及び／又は第２の回路構成を用いて信号を与え得る。図３に示す実施の形態においては、検出部ＳＮ１及びＳＮ２は、Ｄ１＝５／４Ｐの測定軸に沿った間隔を有する。かつ、検出部ＳＮ１及びＳＮ２は、第１の回路構成を用いて動作することで、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１の波長Ｐに対応する直交信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２を与えてもよい。直交信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２は、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１の要素又は周期に対するリードヘッドの変位及び／又は位置を決定するために、既知の方法によって処理されてもよい。同様に、検出部ＳＮ２及びＳＮ３は、Ｄ２＝５／４Ｐ’の間隙を有し、第２の回路構成を用いて動作することで、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２の波長Ｐ’に対応する直交信号ＳＥＮ２及びＳＥＮ３を与えてもよい。直交信号ＳＥＮ２及びＳＥＮ３は、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２の要素又は周期に対するリードヘッドの変位及び／又は位置を決定するために、既知の方法によって処理されてもよい。上述したように、第１及び第２の回路構成を用いて決定された信号間の位相差は、約（Ｐ×Ｐ’）／｜Ｐ’−Ｐ｜のアブソリュートレンジ上でのアブソリュート位置測定を得るために処理された信号である位相差であってもよい。
【００３４】
図４は、図３又は本開示の範囲内の他の様々な実施の形態において示される、１以上の検出部ＳＮＸ（Ｘ＝１〜３）として利用できる、検出部ＳＮＸの一実施の形態を示す部分等角配線図である。わかりやすくするため、図４では、単一の差動検出部ＳＮＸのみを示している。検出部ＳＮＸは、信号処理／制御回路１６６に制御される駆動端子ＤＲＶとグランド端子ＧＮＤとに接続される励磁巻線４３０Ａ及び４３０Ｂ（場の極性が逆の）を有する。また、検出部ＳＮＸは、グランド端子と接続され、端子ＳＬ１及びＳＬ２を介して信号処理／制御回路１６６に接続される位置信号成分ＳＥＮＸ’及びＳＥＮＸ−Ｄ’をそれぞれ出力する、第１及び第２の信号巻線４１０Ａ及び４１０Ｂ（一括して４１０）を有する。ある実施例においては、種々の巻線は、プリント回路基板（例えば、図１のプリント回路基板１６２）の１以上の金属レイヤに作製されてもよい。種々の実施例においては、Ｙ方向の位置ずれに対する感度を低減するため、スケール部１７０の幅（Ｙ寸法）は検出部ＳＮＸの幅よりも大きくてもよい。スケール要素（例えば、ＰＸ及び／又はＲＸ）の長さ（Ｘ方向の寸法）は、生じる信号（例えば、位置信号成分ＳＥＮＸ’及びＳＥＮＸ−Ｄ’の間の差によって決定される等）を最大化するため、４１０Ａ（又は４１０Ｂ）とほぼ同じ（例えば、検出部ＳＮＸのトータルの長さの半分）にしてもよい。
【００３５】
検出部ＳＮＸの電気的接続と動作及びスケール部１７０の一実施の形態は、図５Ａに模式的に示され、かつ、図４及び５Ａを参照して以下で説明される。
【００３６】
第１の回路構成を用いて動作する場合（例えば、第１の周波数、又は、高周波側のより高い駆動周波数、及び／又は、信号フィルタリング周波数）において、第１のレイヤＳＩＧＬ１の切欠き領域Ｒ１〜Ｒ３の１つが信号巻線４１０Ａ（または、４１０Ｂ）の直下となるように検出部ＳＮＸが移動したときは、励磁巻線４３０Ａ（または、４３０Ｂ）と信号巻線４１０Ａ（または、４１０Ｂ）との間の結合は、導電性及び／又は透磁性の材料の不存在又は離隔による影響をそれほど受けず、位置信号成分ＳＥＮＸ’（または、ＳＥＮＸ−Ｄ’）は対応する第１の極性値を有する。反対に、第１のレイヤＳＩＧＬ１のプレート領域Ｐ１〜Ｐ３の１つが信号巻線４１０Ａ（または４１０Ｂ）の直下となるように検出部が移動する場合、励磁巻線４３０Ａ（または、４３０Ｂ）と信号巻線４１０Ａ（または、４１０Ｂ）との間の結合は、導電性及び／又は透磁性の材料の接近による影響を大きく受け（例えば、透磁率により増強されるか、あるいは、渦電流効果により低減される）、位置信号成分ＳＥＮＸ’（または、ＳＥＮＸ−Ｄ’）は対応する第２の極性値を有する。したがって、位置信号成分ＳＥＮＸ’及びＳＥＮＸ−Ｄ’の差は、スケール部１７０の第１の信号レイヤＳＩＧＬ１のパターンの、検出部ＳＮＸに対する位置を決定するのに利用されてもよい（少なくとも１波長以内）。差動信号は、あるコモンモードエラーの除去により、線形性及び堅牢性の改善のために与えられてもよい。先に述べたように、第２の回路構成を用いて動作する場合（例えば、第２の周波数、又は、低周波側の駆動周波数、及び／又は、信号フィルタリング周波数）において、検出部ＳＮＸに関する場は、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２を貫通してもよいし、スケール部１７０の第２の信号レイヤＳＩＧＬ２のパターンの検出部ＳＮＸに対する位置を決定するのに利用できる信号成分を与えてよい（少なくとも１波長以内）。
【００３７】
種々の実施例においては、励磁巻線４３０は、選択された波形（正弦波、パルス共鳴回路による疑似正弦波、又は、「矩形波」パルスなど）で（例えば、ノードＮ３の励磁信号ＤＲＶによって）駆動されてもよい。検出部と協働する第１及び第２の回路構成（それぞれ信号処理回路及び／又はルーティンを有する）を用いるための種々の原理、及び、図４及び５Ａに示す接続関係は、本明細書に開示され、かつ、当業者が本開示に基づいて実施し得る。
【００３８】
図４及び５Ａに示す実施例が、分離信号をもたらす第１及び第２の信号巻線４１０Ａ及び４１０Ｂを示している一方で、当然のことながら、変形例においては、これらの巻線は単一の出力を有する単一のコイルとして接続され、又は、更なる信号を供給するため、Ｘ方向に適切な間隔にて複製されるなどしてもよい。更に、他の実施の形態においては、 他の検出素子（例えば、ホールセンサ）を巻線４１０の代わりに用いてもよい。故に、説明した実施の形態は例示に過ぎず、これに限定されるものではない。
【００３９】
図５Ｂは、検出部ＳＮＸ’及びスケール部１７０の電気的接続及び動作の一実施の形態を示す模式図である。ここでは、単一の巻線又は検出部が励磁部及び信号部の両方の機能を発揮できるように、リードヘッド１６４’の回路構成が用いられる。種々の実施例においては、リードヘッドは、このような回路及び検出部を１以上有してもよい。ここでは、図及び説明を簡略化するため、検出部ＳＮＸ’に近接する単一のスケール要素ＰＸ（あるいは、ＲＸ、又は、ＰＸ’もしくはＲＸ’に対応する信号生成機構）のみを表示している。図５Ｂに示すように、検出部ＳＮＸ’及び対象スケール領域「ＰＸ」は、例えば 「Lefebvre, C. Mandache and J. Letarte, “Pulsed eddy current empirical modeling”, Advances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials, Quebec City, Canada, 2006」に示されるように、２パート回路としてモデル化することができる。  この文献で記載されるように、渦電流センサのインピーダンスに影響する、いくつかのキーとなる変数が存在する。その変数とは、センサコイル（例えばＳＮＸ’）の寸法及び構成、センサの動作周波数、対象スケール要素ＰＸの伝導度及び透磁率、対象スケール要素ＰＸの不規則性、対象スケール要素ＰＸに対するセンサのギャップ及び配置である。
【００４０】
図５Ｂに示す回路は、励磁部と信号部とを有し、リードヘッド１６４’の検出部ＳＮＸ’が回路の左側（すなわち、信号部）に含まれる。この回路は、等価インダクタンスＬｓ、抵抗Ｒｓを有し、電圧源Ｖ（ｔ）により駆動される。右側のスケール要素「ＰＸ」は、実効インダクタンスＬｔ及び抵抗Ｒｔを有し、検出部ＳＮＸ’との間で相互インダクタンスＭを生じる。スケール要素「ＰＸ」にかかるこれらの実効インダクタンスの値は、σ、μ、ωとシステム構成に依存する。２つの回路の結合は、センサ−ターゲットの近接度（例えば、ギャップとリードヘッド１６４’に対する「ＰＸ」のＸ軸方向での位置）に依存し、かつ、相互インダクタンスＭが反映される。相互インダクタンスＭは、以下の式で表される。
【数２】
0006537931.tif 000003
値ｋは、以下の式で表される。
【数３】
0006537931.tif 000004
値ｋは、ギャップが減少するにつれて増加する。スケール要素「ＰＸ」との位置依存性の結合に起因する検出部ＳＮＸ’の信号及び／又は複素インピーダンスの変化は、スケール要素「ＰＸ」及び対応するスケール部１７０に対する検出部ＳＮＸ’の位置を決定するために用い得る、スケール要素「ＰＸ」に対応した位置信号成分を与え得る。
【００４１】
図６Ａ〜６Ｇは、スケール６７０Ａ〜６７０Ｇ及び／又は構成レイヤの空間変調パターン、検出部１６７の典型例、これに対応する信号成分の種々の実施の形態の部分模式図である。レイヤ間にギャップを設けて図示しているが、当然のことながら、レイヤ同士はなんらのギャップもなく隣接している。図６Ａに、スケール部６７０Ａの垂直断面図（Ｙ軸に沿った断面）を示す。スケール部６７０Ａは、図２〜４のスケール部１７０と同様であり、その構造及び動作は記述した事項に基づいて理解され得る。第１及び第２の信号レイヤＳＩＧＬ１Ａ及びＳＩＧＬ２Ａは、分離レイヤＩＳＯＬＡ（例えば、レイヤ間のシールドとして振る舞う）によって隔てられている。分離レイヤＩＳＯＬＡは、図６Ｂ〜６Ｆに関して以下で詳述するように、第３の空間変調パターンを含む分離レイヤを形成するための成形又はパターニングされた材料と比較して、全体的に幅及び厚みが一定の矩形及び／又は均一なレイヤを形成する材料からなる。位置信号成分６８０Ａについて検討すると、検出部１６７が第１の回路構成（例えば、「第１の回路構成」ラベルで示されるように）によって動作する場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ａに対応する第１の位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ａは、対応する（例えば、直交信号を供給するための）空間位相及びオフセットを有する個々の検出部１６７により与えられ得る。検出部１６７が第２の回路構成（例えば、「第２の回路構成」ラベルで示されるように）によって動作する場合、第２のスケールパターンＰＡＴ２Ａに対応する第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｂは、対応する空間位相及びオフセットを有する個々の検出部１６７により与えられ得る。既に説明したように、第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ａは、第２の回路構成を用いる場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ａの影響から第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ａを分離する信号処理を必要としてもよい。信号成分は、空間的な周期性変動（例えば、第１及び第２のスケールパターンＰＡＴ１Ａ及びＰＡＴ２Ａにおいて、切欠き部と交互に配置される導電性プレート領域に起因するもの）を呈する。より具体的には、種々の実施例においては、位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ａ及びＳＳＩＧＬ２Ａは、それぞれリードヘッド１６４の信号処理／制御部からの出力の典型例である。信号の種々の特性及び関連するアブソリュート位置の決定ついては、既に説明した。
【００４２】
図６Ｂにおいては、スケール部６７０Ｂの垂直断面図はスケール部６７０Ａと同様であり、その構造及び動作は、分離レイヤＩＳＯＬＢとその信号の効果を除いて、既述の説明に基づいて理解され得る。分離レイヤＩＳＯＬＢは、図６Ｂの下部におけるレイヤの平面図に示すように、大よそテーパ状の幅と一定の厚みを有する第３の空間変調パターンを形成した材料からなる。検出部１６７が第１の回路構成（例えば、「第１の回路構成」ラベルで示されるように）によって動作する場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｂに対応する第１の位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ｂは、対応する（例えば、直交信号を供給するための）空間位相及びオフセットを有する個々の検出部１６７によりもたらされ得る。検出部１６７が第２の回路構成（例えば、「第２の回路構成」ラベルで示されるように）によって動作する場合、分離レイヤパターンＰＡＴ３Ｂ及びパターンＰＡＴ２Ｂは、双方ともに、信号の効果をもたらし得る。また、対応する第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｂは、対応する空間位相及びオフセットを有する個々の検出部１６７によりもたらされ得る。すなわち、分離レイヤの第３の空間変調パターンは、第２のレイヤの第２の空間変調パターンと共に動作するように構成され、第２の回路構成を用いて検出される第２の位置信号成分において、第２及び第３の空間変調パターンの複合変調効果をもたらす。これにより、位置信号成分６８０Ｂは、分離レイヤＩＳＯＬＢの第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂによる影響に対応する第３の位置信号の効果ＥＩＳＯＬＢの影響を含めて、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｂの第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｂに対応する第１の位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ｂ、及び、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｂの第２のスケールパターンＰＡＴ２Ｂに対応する第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｂを示す。説明のため、位置信号成分６８０Ｂの左端部分において、コントラスト／信号振幅が小さく、かつ、ＤＣレベルが高くなるように、第２位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｂの正弦波状の変動が示されている。これは、当該位置において、第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂの幅が広い方の端部の影響が、大きなシールディング及び／又は信号の効果を第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｂに与えることによるものである。位置信号成分６８０Ｂの右端部分において、コントラスト／信号振幅が大きく、かつ、ＤＣレベルが低くなるように、第２位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｂの正弦波状の変動が示されている。これは、当該位置において、第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂの幅が狭い方の端部の影響が、小さなシールディング及び／又は信号の効果を第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｂに与えることによるものである。当然のことながら、信号の効果ＥＩＳＯＬＢは説明のために図示したものであり、信号として分離される必要はない。更に、既に説明したように、第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｂは、第２の回路構成を用いる場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ａの影響から第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｂを分離する信号処理を必要としてもよい。
【００４３】
一実施例においては、様々な位置における分離レイヤＩＳＯＬＢの第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂにより生じる信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｂにおける信号の差は、スケール部６７０Ｂの粗いアブソリュートレンジを示すために解析されてもよい。一方、信号成分ＳＳＩＧＬ１ＢとＳＳＩＧＬ２Ｂとの間の長波長うなりの周波数は、中程度のアブソリュートレンジ（例えば、特定の波長Ｐを認識する精度）を示すために利用されてもよく、第１の信号成分ＳＳＩＧＬ１Ｂは、高解像及び正確性のための特定の波長以内のインクリメンタル位置を示すのに利用されてもよい。種々の実施例においては、第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂは、成形された導電体として形成されてもよく、例えばプリント基板回路上に形成され、又は、材料シートにおいてより厚くなっている一段高い部分として打ち抜かれ、エッチングされ若しくは形成されるなどしてもよい。
【００４４】
図６Ｆでは、スケール部６７０Ｆの垂直断面図はスケール部６７０Ｂと類似しており、その構造及び動作は、分離レイヤＩＳＯＬＦの設計とその信号の効果を除いて、既述の説明に基づいて理解され得る。特に、スケール部６７０Ｆは、第２の回路構成を用いる場合に第１の空間変調パターンの変調効果を少なくとも部分的に無効化し、よって第２の回路構成を用いる場合に第１の位置信号成分を少なくとも部分的に無効化するために、第１のレイヤの第１の空間変調パターンと関連するように分離レイヤの第３の空間変調パターンが構成される一例を提供する。この具体的な実施の形態では、分離レイヤＩＳＯＬＦは、大よそ第１と第３の空間変調パターンが補完し合うように、第３の空間変調パターンを形成した材料からなり、第１及び第３の空間変調パターンを形成する材料の深さ方向に沿った複合厚みがリードヘッドと第２のレイヤとの間で名目的に一定となる。いくつかの実施の形態においては、第１及び第３のレイヤは、同じ材料で形成される。種々の実施の形態では、第１及び第３のレイヤの補完パターンは、第３のレイヤのパターンを第１のレイヤのパターンの写真のネガのようなものとして思い描けるような、「幅補完」であってもよい。本実施の形態においては、パターンは「厚み補完」である。すなわち、垂直断面図に示すように、第１の空間変調パターンは周期的かつ波長Ｐを有する厚みパターンである。第３の空間変調パターンは周期的かつ波長Ｐを有する厚みパターンである。第１及び第３の空間変調パターンは、空間位相にして約１８０°だけ、測定軸に沿って互いにシフトしている。
【００４５】
検出部１６７が第１の回路構成により動作する場合には、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｆに対応する第１の信号成分ＳＳＩＧＬ１Ｆが与えられ得る。検出部１６７が第２の回路構成により動作する場合には、分離レイヤパターンＰＡＴ３Ｆ及びパターンＰＡＴ２Ｆは、双方ともに、信号の効果をもたらす。位置信号成分６８０Ｆは、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｆの第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｆに対応する第１の位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ｆと、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｆの第２のスケールパターンＰＡＴ２Ｆに対応する第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｆと、を示す。分離レイヤＩＳＯＬＦの第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｆの影響又は効果により、第２の回路構成を用いて得られる信号でのＰＡＴ１Ｆの影響を効果的に無効化できる。すなわち、ＰＡＴ２Ｆの効果を分離して第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｆを与える信号処理の必要がない。ＰＡＴ２Ｆの効果の分離はＰＡＴ３Ｆにより与えられる。繰り返すが、第１及び第３の空間変調パターンは厚み補完を形成するので、第１及び第３の空間変調パターンは、両パターンレイヤを実際に貫通する場による互いの空間変調効果を効果的に相殺する。
【００４６】
図６Ｃに、スケール部６７０Ａ及びＢのあるレイヤと同じように動作するレイヤを示す、スケール部６７０Ｃの垂直断面図を示す。本構造及び動作においては、上述の説明に基づいて理解することが可能であり、かつ、以下の更なる説明と組み合わせてもよい。第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｃと、これに関連する第１の位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ｃ（位置信号成分６８０Ｃ中で示されている）とは、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ａと、これに関連する第１の位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ａと同様又は同一である。第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｃと、これに関連する第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｃとは、図６Ｂを参照して説明した分離レイヤＩＳＯＬＢと、これに関連する信号の効果ＥＩＳＯＬＢと同様又は同一である。すなわち、これは、大よそテーパ状の幅と一定の厚みを有する第２の空間変調パターンを形成する材料からなる。検出部１６７が第１の回路構成により動作する場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｃに対応する第１の位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ｃが与えられる。検出部１６７が第２の回路構成により動作する場合、パターンＰＡＴ２Ｃ（図６ＢのＰＡＴ３Ｂと同様の）は、第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｃを与える。第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｃは、既に説明したように、第２の回路構成を用いる場合に第１のスケールパターンＰＡＴ１Ａの効果を分離するための信号処理を必要とする。分離レイヤＩＳＯＬＣは、もし存在する場合には、全体的に幅及び厚みが一定の矩形及び／又は均一なレイヤを形成する材料からなる。
【００４７】
図６Ｅは、パターンＰＡＴ２Ｅの第２の空間変調パターンが幅変調ではなく厚み変調を含むことを除き、スケール部６７０Ｃのレイヤと同様に形成され、かつ動作し得るレイヤを示す、スケール部６７０Ｅの垂直断面図として理解できる。すなわち、これは、大よそ厚みがテーパ状で幅が一定の第２の空間変調パターンを形成する材料からなる。レイヤの一端の厚い材料は、レイヤの薄い一端と比べて、例えば全レイヤを貫通する場に対して、より大きな渦電流効果をもたらす。検出部１６７が第１の回路構成により動作する場合、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｅ及び第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｅに対応する第１の位置信号成分ＳＳＩＧＬ１Ｅ（位置信号成分６８０Ｅ中で示されている）が与えられる。検出部１６７が第２の回路構成により動作する場合、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｅと第１のスケールパターンＰＡＴ２Ｅとは、第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｅを与える。第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｅは、既に説明したように、第２の回路構成を用いる場合に第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｅの効果を分離するための信号処理を必要とする。分離レイヤＩＳＯＬＥは、もし存在する場合には、全体的に幅及び厚みが一定の矩形及び／又は均一なレイヤを形成する材料からなる。これは自由に選択可能なものとして考えることができ、第１及び第２のレイヤの一体化部として考えることもできる。
【００４８】
図６Ｄは、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｄの第２の空間変調パターンとパターンＰＡＴ２Ｄとが切欠き又は薄いスケール要素に沿った厚みテーパと同様の厚み変調を含むことを除き、スケール部６７０Ａのレイヤと同様に形成され、かつ動作し得るレイヤを示す、スケール部６７０Ｄの垂直断面図として理解できる。すなわち、これは、切欠きタイプのスケール要素において、大よそテーパ状の厚みと一定の幅を有する第２の空間変調パターンを形成する材料からなる。このような構成は、上記で本明細書に組み込んだ’２６６特許出願でより詳細に説明されている。レイヤの一端の薄い切欠きは、切欠きの深さが最大となる位置（高い信号コントラスト又は振幅が与えられる位置）でのレイヤの端部と比べて、隣接するプレートタイプの要素（低い信号コントラスト又は振幅が与えられる位置）に近似した信号を与える。本実施の形態では、第２の位置信号成分ＳＳＩＧＬ２Ｄ（位置信号成分６８０Ｄ中で示されている）は、既に説明したように、第２の回路構成を用いる場合に第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｄ及び第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｄの効果を分離するための信号処理を必要とする。分離レイヤＩＳＯＬＤは、もし存在する場合には、全体的に幅及び厚みが一定の矩形及び／又は均一なレイヤを形成する材料からなる。これは自由に選択可能なものとして考えることができ、第１及び第２のレイヤの一体化部として考えることもできる。
【００４９】
図６Ｇは、本名明細書で説明するアブソリュート位置信号原理を充たすため、リードヘッドの構成変形例が対応する第２のスケール変調パターンと関連して用いられる一実施の形態を示す。スケール部６７０Ｇでは、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｇと、これに対応する第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｇ（すなわち、Ｘ及びＺ軸に対する断面において示されている）とは、スケール６７０Ａと同様である。第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｇは、第２のスケールパターンＰＡＴ２Ｇに対応するものであり（すなわち、破線図で示したパターンＰＡＴ１Ｇの部分平面図と共に、図６Ｇ下部の平面図として示されている）、２つの正弦波状形状の領域のトラックを含む。この２つのトラックは、Ｘ方向でそれぞれ異なる長さ又は「周期」（例えば、Ｐｃ１、Ｐｃ３など）を有する。既述した積層スケールレイヤと同様に、第１の信号レイヤは第２の信号レイヤの上に積み重ねられている。ＰＡＴ２Ｇの２つのトラックを載置及び／又は並べることで、検出部ａ−ｈ（例えば、上述のように、検出部ＳＮＸと同様の各構成）を構成する部材検出部セットＳＮＱ１及びＳＮＱ２を構成する。部材検出部（部材ａと部材ｈ）間の間隔は固定され、正弦波状部の異なる長さ（例えばＰｃ１）は異なる位相関係を有する信号を与える。この信号は、どの正弦波状部を検出しているかを認識するために用いることができる。ＰＡＴ２Ｇの２つのトラックは、アブソリュートレンジを拡張し、及び／又は、潜在的な信号の曖昧さを解消するという関係を有する。このため、種々の検出部（検出部ａ−ｈの一部又は全部）は、第１の回路構成を用いることで、ＰＡＴ１Ｇに対応する第１の位置信号成分を与えるように動作できる。種々の検出部（検出部ａ−ｈの一部又は全部）は、第２の回路構成を用いることで、ＰＡＴ２Ｇに対応する第２の位置信号成分を与えるように動作できる。第２の位置信号成分は、アブソリュートレンジで対応する位置において、第１の位置信号成分に関連する複数の一意的な値を与える信号特性を有する。
【００５０】
図７は、本明細書で開示した原理にかかる、積層構造中のレイヤを有するスケール部を含む位置検出装置を運転するためのルーティン７００の一実施の形態を示すフロー図である。図７に示すように、ブロック７１０では、位置検出装置（例えば、手持ち式ノギス）は、第１のレイヤの第１の空間変調が、スケール検出場のパラメータが第１の値（例えば、第１の時間周波数）である場合に比較的大きくなり、スケール検出場のパラメータが第２の値（例えば、第１の時間周波数よりも小さい第２の時間周波数）である場合に比較的小さくなる第１の位置信号成分を与えるスケール検出場を空間変調するように動作する。ブロック７２０では、位置検出装置は、第２のレイヤの第２の空間変調が、スケール検出場のパラメータが第２の値（例えば、第２の時間周波数）である場合に比較的大きくなり、スケール検出場のパラメータが第１の値（例えば、第１の時間周波数）である場合に比較的小さくなる第２の位置信号成分を与えるスケール検出場を空間変調するように動作する。ブロック７３０では、第２の位置信号成分の信号特性が、アブソリュートレンジでの対応する位置における一意的な位置の値を決定するために（第１の位置信号成分と独立して、又は、組み合されて）利用される。
【００５１】
上述の種々の成分は、当然のことながら、当業者は本明細書での開示に基づいて、上記とは異なる配置としてもよいし、異なる形態及び組み合わせとしてもよい。例えば、開示したスケールパターンは、これに代えて、ロータリーエンコーダを形成するために、円形の測定軸に追随する湾曲した構成としてもよい。他の例としては、上述のスケールパターンは切欠き領域を有していたが、他の種類のプレート除去機構を用いてもよい（例えば、非導電性領域）。一般に、プレート除去機構は、変化しうる特性として、非導電性領域の大きさ、切欠きの領域の大きさ、切欠き領域の切欠き深さなどを有していてもよい。プレート部は、変化しうる特性として、プレート領域の大きさ、プレート高さなどを有していてもよい。
【００５２】
他の例としては、アブソリュート信号レンジ認識部（又は、これに代えて、独立型のスケールパターン）用の２値コード素子は、他のスケール素子のような同様の技術を用いて形成されてもよく、複数のリードヘッドセンサがこのようなコードを読みとるために用いられてもよい。他の例としては、プレート領域又は切欠き領域の深さの更なる変化を、より高次のコード（例えば。３以上の変化）を実装するために用いてもよい。
【００５３】
上述の種々の実施の形態は、更なる実施の形態を提供するために組み合わせることができる。この明細書において参照される全ての米国特許及び米国特許出願は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。例えば、例示したリードヘッド１６４と付随する検出部及び回路については、当然のことながら、上記において組み込んだ参照特許’４９４及び’３８９で開示される他のリードヘッド、回路及び信号処理を本明細書において開示される種々のスケール構成と協働するように適用することができる。本明細書において開示したリードヘッド、回路及び信号処理は、例示に過ぎず、これに限られない。
【００５４】
一般に、以下の特許請求の範囲では、使用される用語は、特許請求の範囲及び明細書に開示された特定の実施の形態に特許請求の範囲を制限するものとして解釈されるべきではなく、そのようなクレームの権利範囲と等価な全範囲にわたってとりうるすべての実施の形態を包含するものとして解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図７】
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