(57)【要約】      （修正有）【課題】スケールパターンに交互に配置されたスケール要素（例えば、プレートと切欠きのような非金属板状特性部）を有するアブソリュート位置エンコーダスケールを提供する。【解決手段】少なくとも１つのスケール要素は、それぞれ異なる渦電流を提供するスケールパターンに沿って変化する特性（例えば、切欠き深さ）を有する。リードヘッド１６４の信号部１６６は、各渦電流に応答してアブソリュート位置信号を出力する。非金属板状特性部の変化する特性は、切欠き深さ、非導電性領域の広さ、切欠き領域の広さなどでもよい。変化する深さは例えば、スケール１０２上に、スケール１０２に沿って漸進的に深くなる切欠きが切削されたバルク材料（例えば、アルミニウム）で形成してもよい。金属板状特性部の変化する特性は、スケールのプレート高さ、プレート領域の広さを含んでもよい。【選択図】図１
2016004041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材の第２の部材に対する位置を測定軸に沿って測定するために利用可能な位置検出装置であって、
前記測定軸方向に延在するスケールパターンを有する部分を含むスケールと、
前記スケールに対して前記測定軸方向に摺動され、前記スケールパターンに渦電流を誘起する誘起部と前記渦電流に依存して変化する位置信号を出力する信号部と、を有するリードヘッドと、を備え、
前記スケールパターンは、
前記測定軸方向に周期的に配置される複数の第１のスケール要素領域と、
前記測定軸方向に周期的に配置され、かつ、前記複数の第１のスケール要素領域と交互に配置される複数の第２のスケール要素領域と、を備え、
前記第１のスケール要素領域は、第１タイプのスケール要素を有し、
前記第２のスケール要素領域は、スケール波長Ｐに従って前記第１及び第２のスケール要素領域が前記測定軸方向に周期的に繰り返すように配置され、
前記第２のスケール要素領域は、アブソリュート信号範囲内のそれぞれ異なる第２のスケール要素領域でそれぞれ異なる渦電流応答を提供するために、前記スケールパターンに沿ってアブソリュート信号範囲内で変化する特性を有する第２タイプのスケール要素を有し、
前記信号部は、前記渦電流のそれぞれに応答して、アブソリュート信号範囲内でのそれぞれの位置を一意的に示すために、アブソリュート信号範囲内で変化する信号特性を有するアブソリュート位置信号を出力する、
位置検出装置。
【請求項２】
前記アブソリュート信号範囲は、少なくとも前記スケール波長Ｐの１０倍である、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記第１タイプのスケール要素は金属板状特性部を有し、前記第２タイプのスケール要素は非金属板状特性部を有する、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記金属板状特性部は、前記第１のスケール要素領域のそれぞれで同じである、
請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記金属板状特性部は導電性プレート領域を有し、前記非金属板状特性部は少なくとも１つの非導電性領域又は導電体内の切欠き領域を有する、
請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記スケールパターンに沿った前記アブソリュート信号範囲内で変化する前記第２タイプのスケール要素の特性は、ａ）前記非導電性領域の広さ、ｂ）前記切欠き領域の広さ、又は、ｃ）前記切欠き領域の切欠き深さ、の少なくとも１つを含む、
請求項５に記載の位置検出装置。
【請求項７】
前記アブソリュート信号範囲内で変化する少なくとも１つの特性は、前記アブソリュート信号範囲内の線形関数として変化する、
請求項６に記載の位置検出装置。
【請求項８】
前記第２タイプのスケール要素は導電性領域を有し、前記非金属板状特性部は前記導電性領域に形成される、
請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項９】
前記スケールパターンは、プリント回路基板、除去された領域を有するパターンが形成された薄い金属シート、変形されることで形成された切欠きを有する成形された薄い金属シート、又は、一部を除去することにより切欠きが形成された金属部材の少なくとも１つを有するスケール部に形成される、
請求項８に記載の位置検出装置。
【請求項１０】
当該位置検出装置は最大測定範囲を有し、前記アブソリュート信号範囲は前記最大測定範囲に広がる、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１１】
当該位置検出装置は、最大測定範囲を有し、前記アブソリュート信号範囲は、前記最大測定範囲の第１の部分に広がる第１のアブソリュート信号範囲で示されてもよく、第２のアブソリュート信号範囲は、前記第１のアブソリュート信号範囲と同様に、前記最大測定範囲の第２の部分に広がり、
前記スケールは、前記最大測定範囲上でのアブソリュート位置を決定するアブソリュート信号範囲認識部を更に備える、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１２】
前記アブソリュート信号範囲認識部は、第２のスケールパターン又は前記スケールに沿った２値コード素子の少なくとも１つを有する、
請求項１１に記載の位置検出装置。
【請求項１３】
前記第１のスケール要素領域の前記第１タイプのスケール要素は、前記アブソリュート信号範囲内のそれぞれ異なる前記第１のスケール要素領域でそれぞれ異なる渦電流応答を提供するために、前記スケールパターンに沿って前記アブソリュート信号範囲内で変化する特性を有する、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１４】
前記第１タイプのスケール要素は前記第１のスケール要素領域のそれぞれで同じ非金属板状特性部を有し、前記第２タイプのスケール要素は金属板状特性部を有し、前記スケールパターンに沿って前記アブソリュート信号範囲内で変化する前記第２タイプのスケール要素の特性は、ａ）前記プレートの広さ、又は、ｂ）プレートの高さ、の少なくとも１つを含む、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１５】
前記信号部及び前記スケールパターンは、前記信号特性が前記アブソリュート信号範囲に渡り線形に変化するように構成される、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１６】
前記信号部及び前記スケールパターンは、少なくとも１つの出力信号がスケール波長Ｐの周期性を有するように構成され、
前記信号特性は、周期的な前記出力信号の振幅又はＤＣオフセットを含む、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１７】
前記第１のスケール要素領域のそれぞれの面積は、前記第２のスケール要素領域のそれぞれの面積と略同じである、
請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項１８】
第１の部材の第２の部材に対する位置を測定軸に沿って測定するために利用可能な位置検出装置で用いられるスケールであって、
前記測定軸方向に延在し、スケールパターンに渦電流を誘起する誘起部と前記渦電流に依存して変化する位置信号を出力する信号部と、を有する渦電流リードヘッドに応答するスケールパターンを備え、
前記スケールパターンは、
前記測定軸方向に周期的に配置される複数の第１のスケール要素領域と、
前記測定軸方向に周期的に配置され、かつ、前記複数の第１のスケール要素領域と交互に配置される複数の第２のスケール要素領域と、を備え、
前記第１のスケール要素領域は、第１タイプのスケール要素を有し、
前記第２のスケール要素領域は、スケール波長Ｐに従って前記第１及び第２のスケール要素領域が前記測定軸方向に周期的に繰り返すように配置され、
前記第２のスケール要素領域は、アブソリュート信号範囲内のそれぞれ異なる第２タイプのスケール要素領域でそれぞれ異なる渦電流応答を提供するために、前記スケールパターンに沿ってアブソリュート信号が変化する特性を有する第２タイプのスケール要素を有し、
前記スケールパターンは、前記渦電流リードヘッドの前記信号部に、前記渦電流のそれぞれに応答して、アブソリュート信号範囲内でのそれぞれの位置を一意的に示すために、アブソリュート信号範囲内で変化する信号特性を有するアブソリュート位置信号を出力させるように構成される、
スケール。
【請求項１９】
前記第１タイプのスケール要素は金属板状特性部を有し、前記第２タイプのスケール要素は金属板状特性部を有する、
請求項１８に記載のスケール。
【請求項２０】
前記金属板状特性部は導電性プレート領域を有し、前記非金属板状特性部は、非導電性領域又は導電体内の切欠き領域を有し、前記スケールパターンに沿った前記アブソリュート信号範囲内で変化する前記第２タイプのスケール要素の特性は、ａ）前記非導電性領域の広さ、ｂ）前記切欠き領域の広さ、又は、ｃ）前記切欠き領域の切欠き深さ、の少なくとも１つを含む、
請求項１９に記載のスケール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には精密測定機器に関し、特にノギスのような手持ち式の機器に用い得るアブソリュート型エンコーダスケールに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、光学式、静電容量式、磁気式、電磁誘導式の変換器のような、種々の動作又は位置の変換器が利用可能である。これらの変換器は、変換器の２つの部材間の動作を測定するため、しばしば様々な幾何学的構造中に設けられた送信器及び受信機を有し、典型的にはリードヘッド及びスケールを有する。ある光学式、静電容量式及び磁気式の変換器の欠点の一つは、汚れに敏感な傾向が有ることである。よって、このような変化器を製造環境や工場環境で用いることは、非現実的である。このような変換器を工場環境で用いるには、ちり、油及び強磁性粒子による汚染から変換器を保護するため、高価でときに信頼性の低い周辺密閉、又は、他の変換器の封止法が必要である。
【０００３】
米国特許第６，０１１，３８９（‘３８９特許）は、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り、高精度用途に使用可能な誘導電流位置変換器を開示している。米国特許第５，９７３，４９４（‘４９４特許）及び６，００２，２５０（‘２５０特許）は、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ものであり、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、５，８４１，２７４及び５，８９４，６７８は、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ものであり、電磁誘導式アブソリュート型ノギスと、誘導電流変換器を用いた電気式テープ計測器とを開示している。これらの特許に開示されるように、この誘導電流変換器は、既知のプリント基板回路を用いて容易に作製される。また、この変換器システムは、一般的には強磁性粒子、油、水及びその他の流体を含む粒子による汚染の影響を受けない。
【０００４】
上記で指摘したように、誘導電流変換器（上述の光学式、静電容量式、磁気式の変換器も同様に）の異なる態様は、インクリメンタル型又はアブソリュート型エンコーダのいずれに実装されてもよい。一般に、インクリメンタル型エンコーダは、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できるスケール構造を用いる。このようなエンコーダは、ある用途に適しており、特に商用電源が利用可能な場合に適している。しかし、エンコーダが低消費電力の装置で用いられるような用途では、アブソリュート型エンコーダを用いることがより望ましい。アブソリュート型エンコーダは、スケールに沿った各位置において、特有の出力信号又は信号の組み合わせを与える。それらは、位置を認識するための増分位置の蓄積を必要としない。よって、アブソリュート型エンコーダは、様々な電力保全計画を可能とする。上述したような、様々な光学式、静電容量式、磁気式及び電磁誘導式の技術を用いたアブソリュート型エンコーダの変形例が知られている。
【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エンコーダのついての‘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、かつ、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ものである。しかし、これら開示されたシステムの多くは、コンパクトなサイズ、高分解能、コスト、及び、アブソリュート型エンコーダのユーザが望む、概ね粒子（強磁性粒子、油、水及びその他の流体）による汚染の影響を受けない能力を含む構造安定性の信頼し得る組み合わせを提供する構造は教示していない。このような組み合わせを提供するアブソリュート型エンコーダの改良構成が望まれている。
【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１の部材の第２の部材に対する位置を測定軸に沿って測定するために利用可能な位置検出装置が提供される。位置検出装置は、スケールとリードヘッドとを有する。スケールは、測定軸方向に延在するスケールパターンを有する。リードヘッドは、スケールに対して測定軸方向に摺動され、スケールパターンに渦電流を誘起する誘起部と渦電流に依存して変化する位置信号を出力する信号部とを有する。渦電流の利用によって、位置検出装置は、概ね強磁性粒子、油、水及びその他の流体を含む粒子による汚染の影響を受けない。
【００１０】
スケールパターンは、複数の第１のスケール要素領域及び複数の第２のスケール要素領域を有する。複数の第１のスケール要素領域は、測定軸方向に周期的に配置され、かつ、第１のタイプのスケール要素を有する。第２のスケール要素領域は、測定軸方向に周期的に配置され、かつ、スケール波長Ｐに従って第１及び第２のスケール要素領域が測定軸方向に周期的に繰り返すように配置されるように、複数の第１のスケール要素領域と交互に配置される。第２のスケール要素領域は、アブソリュート信号範囲内でそれぞれ異なる第２タイプのスケール要素領域でのそれぞれ異なる渦電流応答を提供するために、スケールパターンに沿ってアブソリュート信号が変化する特性を有する第２タイプのスケール要素を有する。信号部は、渦電流のそれぞれに応答して、アブソリュート信号範囲内でのそれぞれの位置を一意的に示すためにアブソリュート信号範囲内で変化する信号特性を有するアブソリュート位置信号を出力する。他の実施例においては、アブソリュート信号範囲は、少なくともスケール波長Ｐの１０倍でもよい。
【００１１】
種々の実施例においては、第１のタイプのスケール要素は金属板状特性部（例えば、第１のスケール要素領域のそれぞれで同じ）を有し、第２のタイプのスケール要素は非金属板状特性部（例えば、スケールパターンに沿って第２のスケール要素領域のそれぞれで変化する特性を有する）を有してもよい。代わりとして、他の実施例においては、第１タイプのスケール要素は非金属板状特性部（例えば、第１のスケール要素領域のそれぞれで同じ）を有し、第２のタイプのスケール要素は金属板状特性部（例えば、スケールパターンに沿って第２のスケール要素領域のそれぞれで変化する特性を有する）を有してもよい。いずれの場合においても、金属板状特性部は導電性領域を有し、非金属板状特性部は非導電性領域又は導電体内の切欠き領域の少なくとも１つを有してもよい。
【００１２】
ある実施例においては、第２のタイプのスケール要素は非金属板状特性部を有し、変化するその特性は、ａ）非導電性領域の広さ、ｂ）切欠き領域の広さ、又は、ｃ）切欠き領域の切欠き深さ、の少なくとも１つを含んでもよい。代わりとして、ある実施例においては、第２のタイプのスケール要素は金属板状特性部を有し、変化するその特性は、ａ）プレート領域の広さ、又は、ｂ）プレートの高さ、の少なくとも１つを含んでもよい。いずれの場合においても（すなわち、第２のタイプのスケール要素がこのような金属板状特性部又は非金属板状特性部のいずれを有するかにかかわらず）、アブソリュート信号範囲内で変化する少なくとも１つの特性は、アブソリュート信号範囲内の関数（例えば線形関数）に従って変化してもよい。
【００１３】
種々の態様においては、変化する特性を有する第２タイプのスケール要素以外にも、第１タイプのスケール要素は、アブソリュート信号範囲内でそれぞれ異なる第１のスケール要素領域でそれぞれ異なる渦電流応答を提供するために、スケールパターンに沿ってアブソリュート信号範囲内で変化する特性を有してもよい。第１及び第２タイプのスケール要素はそれぞれ金属板状特性部及び非金属板状特性部を有し、あるいはその逆に、金属板状特性部及び非金属板状特性部の両方は、上述のように、スケールパターンに沿ってアブソリュート信号範囲内で変化する特性を有してもよい。
【００１４】
種々の態様においては、第２タイプのスケール要素は、導電性領域及び導電性領域に形成された非金属板状特性部を有してもよい。種々の態様においては、スケールパターンは、プリント回路基板、除去された領域を有するパターンが形成された薄い金属シート、変形されることで形成された切欠きを有する成形された薄い金属シート、又は、一部を除去することにより切欠きが形成された金属部材の少なくとも１つを有するスケール部に形成されてもよい。
【００１５】
ある態様においては、位置検出装置は、最大測定範囲及び最大測定範囲に広がるアブソリュート信号範囲を有してもよい。ある変形例においては、アブソリュート信号範囲は、最大測定範囲の第１の部分に広がる第１のアブソリュート信号範囲として示されてもよく、第２のアブソリュート信号範囲は、第１のアブソリュート信号範囲と同様に最大測定範囲の第２の部分に広がる。このような態様では、スケールは、最大測定範囲上でのアブソリュート位置を決定するアブソリュート信号範囲認識部を更に有してもよい。種々の構成においては、アブソリュート信号範囲認識部は、第２のスケールパターン又はスケールに沿った２値コード素子の少なくとも１つを有してもよい。
【００１６】
種々の態様においては、信号部及びスケールパターンは、少なくとも１つの出力信号がスケール波長Ｐの周期性を有してもよく、信号特性は、周期的な出力信号の振幅又はＤＣオフセットを含んでもよい。種々の態様においては、信号部及びスケールパターンは、信号特性がアブソリュート信号範囲上で線形に変化するように構成されてもよい。
【００１７】
種々の態様においては、リードヘッドの信号部が渦電流に依存して変化する位置信号を出力する１以上のセンサ部を有してもよい。具体的な例においては、スケール全長に沿ってＰ／４ずつ離れて設けられた４つのセンサ部（例えば、Ａ、Ｂ、Ａ’及びＢ’で示される出力信号用）が含まれてもよい。ある信号処理技術によれば、インクリメンタル位置信号はある数式（例えば、ｔａｎ−１（（Ａ−Ａ’）／（Ｂ−Ｂ’）））で決定できてもよく、アブソリュート位置信号は他の数式（例えば、Ａ＋Ｂ＋Ａ’＋Ｂ’）で決定できてもよい。
【００１８】
当然のことながら、本明細書で説明するような構成を有する位置検出装置は、従来のシステムに対して種々の利点を有する。例えば、本明細書でより詳細に説明するように、このような構成は、単一のリードヘッド信号部がインクリメンタル及びアブソリュート位置信号を決定できる信号を提供することができてもよい。換言すれば、このような構成は、インクリメンタル及びアブソリュート位置信号を決定するための、第２のスケールトラック、及び、これに対応した第２のスケールトラックを読み取るための第２のリードヘッド信号部を必要としない。また、このような構成は、所要電力が低くてもよい（例えば、第２のリードヘッド信号部への電力が必要ではないため）。更に、種々の態様においては、第２の同一直線上のスケールトラックを要しないので、より狭いスケールが利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、スケールパターンが付されたスケールを有する手持ち型ノギスの組立分解等角図である。
【図２】図２は、スケールパターンの複数の第１及び第２のスケール要素領域のスケール要素を示す図１のスケールの一部の等角図である。
【図３】図３Ａ〜３Ｃは、スケールパターンの変形例の側面図である。
【図４】図４は、スケールパターンに対する位置を検出するリードヘッドの部分の等角図である。
【図５】図５Ａ及び５Ｂは、リードヘッドの変形例の種々の動作原理を示す模式図である。
【図６】図６Ａ〜６Ｃは、図３Ａ〜３Ｃのスケールパターンとの組み合わせに用いられるリードヘッドからの出力信号を示す図である。
【図７】図７Ａ〜７Ｃは、図６Ａ〜６Ｃの出力信号と図３Ａ〜３Ｃのスケールパターンとに対応する、結果として生じたアブソリュート位置信号を示す図である。
【図８】図８Ａ〜８Ｃは、図３Ａ〜図３Ｃで示したものの他のスケールパターン変形例の図である。
【図９】図９は、図３Ａ〜図３Ｃで示したものに類似するロータリー又は角度スケールパターンの実施の形態の図である。
【図１０】図１０は、スケールと連携して利用される２つのスケールパターンの図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、スケールパターン１７０が付されたスケール１０２を有する手持ち型ノギス１００の組立分解等角図である。図１に示すように、スケール１０２は、スケールパターン１７０が形成され又は取り付けられ、かつ、一般的に矩形断面を有する剛性又は半剛性のバーで構成される基板１６８を有していてもよい。横方向への一対の突出部である固定ジョウ１０８及び１１０は、スケール１０２の第１の端部１１２の近傍に一体的に形成される。対応する横方向への一対の突出部である移動ジョウ１１６及び１１８は、リードヘッド１６４を有するスライダアセンブリ１２０上に形成される。
【００２１】
対象物の外形寸法は、ジョウ１０８及び１１６上の一対の測定面１１４の間に対象物を配置することで測定される。同様に、対象物の内寸は、ジョウ１１０及び１１８を対象物内に配置することで測定される。ジョウ１１０及び１１８の測定面１２２は、測定対象物の表面に接するように配置される。測定面１２２及び１１４は、ジョウ１０８及び１１６の測定面１１４が互いに接する場合に、ジョウ１１０及び１１８の測定面１２２が互いに重なるように配置される。この位置、すなわちゼロ点（図示せず）では、ノギス１００で測定される外形寸法及び内寸の双方がゼロとなる 。
【００２２】
また、ノギス１００は、スライダアセンブリ１２０に取り付けられたデプスバー１２６を有する。デプスバー１２６は、スケール１０２から長手方向に突出し、測定端１２８で終端している。デプスバー１２６は、ノギス１００がゼロ点にあるときに、測定端１２８とスケール１０２の第２の端部１３２とが丁度重なるような長さになっている。穴が形成された表面上にスケール１０２の第２の端部１３２を置き、測定端１２８が穴の底に接するまでデプスバー１２６を穴へ向けて延ばすことで、ノギス１００は穴の深さを測定することができる。
【００２３】
測定が外側測定ジョウ１０８及び１１６、内側測定ジョウ１１０及び１１８、又はデプスバー１２６を用いて行われようが、測定寸法は、スライダアセンブリ１２０のカバー１３９に設けられた従来のデジタルディスプレイ１３８に表示される。また、一対の押しボタンスイッチ１３４及び１３６が、カバー１３９に設けられる。スイッチ１３４は、スライダアセンブリ１２０の信号処理／表示電気回路１６６をオン／オフする。スイッチ１３６はディスプレイ１３８をゼロにリセットするために用いられる。
【００２４】
図１に示すように、スライダアセンブリ１２０はガイド端１４２が設けられたベース１４０を有する。ガイド端１４２は、スライダアセンブリ１２０がスケール１０２をまたぐときに、スケール１０２のサイドエッジ１４６に接する。これにより、ノギス１００の正確な動作が保証される。一対のねじ１４７は、スライダアセンブリ１２０とスケール１０２との間のあそびを除去するため、スケール１０２の対となるエッジに対して弾性圧力バー１４８を付勢する。
【００２５】
デプスバー１２６は、スケール１０２の下面に形成されたデプスバー溝１５２に挿入される。デプスバー溝１５２は、デプスバー１２６用の空間を設けるためにスケール１０２の下面に延在している。デプスバー１２６は、エンドストップ１５４により、デプスバー溝１５２内に保持される。エンドストップ１５４は、スケール１０２の第２の端部１３２における下面に取り付けられる。また、エンドストップ１５４は、動作中に第２の端部１３２において、スライダアセンブリ１２０がスケール１０２から不用意に脱落することを防止する。
【００２６】
また、スライダアセンブリ１２０は、スケール１０２上方のベース１４０に設けられた ピックオフアセンブリ１６０を有する。よって、ベース１４０とピックオフアセンブリ１６０とは、一体として動作する。ピックオフアセンブリ１６０は、従来のプリント回路基板のような基板１６２を有する。基板１６２は、その下側面に渦電流リードヘッド１６４を担持する。信号処理／表示電気回路１６６は、基板１６２の上面に設けられる。弾性シール１６３は、信号処理／表示電気回路１６６の汚染を防止するために、カバー１３９と基板１６２との間で圧縮される。リードヘッド１６４の下部は、薄く、高耐久性の絶縁性コーティング１６７（例えば、具体的例示においては、約５０ｍｍの厚みである）で覆われる。
【００２７】
スケール１０２は、測定軸方向ＭＡに沿って延在するスケールパターン１７０を有する。図２について以下でより詳しく説明するように、スケールパターン１７０は、測定軸方向ＭＡに沿って周期的に配置された第１及び第２のスケール要素領域を有してもよく、第１及び第２のスケール要素領域はそれぞれ第１及び第２のタイプのスケール要素を含んでもよい。保護絶縁層１７２（例えば、具体的例示においては、約１００ｍｍの厚みである）がスケールパターン１７０を覆ってもよい。保護層１７２は、図１に示すように、印字されたマーキングを含むことができる。
【００２８】
スライダアセンブリ１２０は、絶縁性コーティング１６７及び１７２の間のエアギャップによってスケール１０２から少し離れるように、リードヘッド１６４を駆動する。具体的例示においては、エアギャップは約０．５ｍｍオーダーである。リードヘッド１６４とスケールパターン１７０とは、共に、ある態様においては、磁場の変化の生成により動作する渦電流変換器を構成する。以下でより詳しく説明するように、変化する磁場に置かれたスケールパターン１７０のスケール要素では、磁場の変化が渦電流として知られている循環電流を誘導する。
【００２９】
図２は、スケールパターン１７０の複数の第１及び第２のスケール要素領域のスケール要素を示す図１のスケール１０２の一部の等角図である。図２では、図示された複数の第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ７は、測定軸方向ＭＡに沿って周期的に配置される。また、図示された複数の第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６は、測定軸方向ＭＡに沿って周期的に配置され、かつ、スケール波長Ｐに従って第１及び第２のスケール要素領域が測定軸方向ＭＡに沿って周期的に繰り返すように、複数の第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ７と交互に配置される。図２の例では、第１及び第２のスケール要素領域のそれぞれの面積はほぼ同様であってもよく、各領域の測定軸方向ＭＡの寸法は、スケール波長Ｐの１／２とほぼ等しい。当然のことながら、他の実施の形態においては、面積と第１及び第２の領域の幅とは異なってもよい。
【００３０】
第１のスケール要素領域のそれぞれは第１タイプのスケール要素を有し、第２のスケール要素領域のそれぞれは第２タイプのスケール要素を有する。より具体的には、図２の例では、含まれる第１タイプのスケール要素は金属板状特性部であり、図示された第１スケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ７のそれぞれは、各導電性プレート領域Ｐ１〜Ｐ７を有する。第２タイプのスケール要素は非金属板状特性部であり、図示された第２スケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６それぞれは、各切欠き領域Ｒ１〜Ｒ６を有する。他の態様においては、非金属板状特性部の他の例として、第２スケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６のそれぞれは、非導電性領域を含むことができる。
【００３１】
以下でより詳しく説明するように、切欠き領域Ｒ１〜Ｒ６は、アブソリュート信号範囲で、それぞれ異なる第２スケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６においてそれぞれ異なる渦電流を与えるために、スケールパターンに沿ってアブソリュート信号範囲内で変化する特性を有する。より具体的には、図２に示すように、各切欠き領域Ｒ１〜Ｒ６の切欠き深さは、図示した最初の切欠き領域Ｒ１から最後の切欠き領域Ｒ６に向かって増加することが示されている。以下でより詳しく説明するように、切欠き領域の深さの相違は、異なる渦電流応答をもたらす。これに対応して、各渦電流に応答するリードヘッドの信号部は、アブソリュート信号範囲でのそれぞれの位置を一意に示すために、アブソリュート信号範囲内で変化する信号特性を有するアブソリュート位置信号を出力してもよい。
【００３２】
種々の態様において、スケール１０２及び／又はスケールパターン１７０は、様々な技術を利用して作製されてもよい。例えば、ある態様においては、基板１６８は導電性バルク材料（例えばアルミニウム）により形成されてもよい。このような場合、切欠き領域Ｒ１〜Ｒ６は漸進的に深くなる水平切削部を基板１６８に設けることで形成されてもよい。そして、基板１６８は、図１について上述した保護層１７２で覆われてもよい。
【００３３】
図３Ａ〜３Ｃは、スケールパターン３７０Ａ〜３７０Ｃの異なる変形例の側面図である。当然のことながら、スケールパターン３７０Ａ〜３７０Ｃは、図２のスケールパターン１７０と同様の信頼できる特性を有し、以下に別途記載するものを除いて同様に動作するもとして理解される。図３Ａ〜３Ｃに示すように、スケールパターン３７０Ａ〜３７０Ｃは、それぞれ複数の第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ９と、複数の第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ８とを有する。スケールパターン１７０と同様に、スケールパターン３７０Ａ〜３７０Ｃでは、図示された複数の第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ９と図示された複数の第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ８とは、測定軸方向に沿って周期的に配置される。また、第１及び第２のスケール要素領域は、第１及び第２のスケール要素領域がスケール波長Ｐに従って測定軸方向ＭＡに沿って周期的に繰り返すように交互に配置される。第１及び第２のスケール要素領域のそれぞれの幅はほぼ同様であり、スケール波長Ｐの１／２とほぼ等しい。
【００３４】
図３Ａに示すように、スケールパターン３７０Ａでは、図示した第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ９のそれぞれは、導電性プレート領域Ｐ１Ａ〜Ｐ９Ａのそれぞれを有し、第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ８のそれぞれは、切欠き領域Ｒ１Ａ〜Ｒ８Ａのそれぞれを有する。各切欠き領域Ｒ１Ａ〜Ｒ８Ａの切欠き深さは、直線状の破線３１０Ａで示されるように、最初の切欠き領域Ｒ１から最後の切欠き領域Ｒ８に向かって、線形関数に従って増加することが示されている。導電性プレート領域Ｐ１Ａ〜Ｐ９Ａは、第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ９のそれぞれで同様であることが示されている。以下で図６Ａ及び７Ａについてより詳しく説明するように、ある態様においては、本構成では、リードヘッドセンサ部の出力信号が、上方の信号ピークは概ね水平直線に沿うが、下方の信号ピークは曲線に概ね沿うものになる。結果として得られるアブソリュート位置信号特性もカーブする。
【００３５】
図３Ｂに示すように、スケールパターン３７０Ｂでは、図示した第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ９のそれぞれは、導電性プレート領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ９Ｂのそれぞれを有し、第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ８のそれぞれは、切欠き領域Ｒ１Ｂ〜Ｒ８Ｂのそれぞれを有する。各切欠き領域Ｒ１Ｂ〜Ｒ８Ｂの切欠き深さは、曲線状の破線３１０Ｂで示されるように、最初の切欠き領域Ｒ１から最後の切欠き領域Ｒ８に向かって、曲線関数に従って増加することが示されている。導電性プレート領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ９Ｂは、第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ９のそれぞれで同様であることが示されている。以下で図６Ｂ及び７Ｂについてより詳しく説明するように、ある態様においては、本構成では、リードヘッドセンサ部の出力信号が、上方の信号ピークは概ね水平直線に沿うが、下方の信号ピークは下方に傾く直線に概ね沿うものになる。結果として得られるアブソリュート位置信号もスケール波長Pの若干の周期性を有しながらも概ね直線となり下方に傾く。
【００３６】
図３Ｃに示すように、スケールパターン３７０Ｃでは、図示した第１のスケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ９のそれぞれは、導電性プレート領域Ｐ１Ｃ〜Ｐ９Ｃのそれぞれを有し、第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ８のそれぞれは切欠き領域Ｒ１Ｃ〜Ｒ８Ｃのそれぞれを有する。各切欠き領域Ｒ１Ｃ〜Ｒ８Ｃの切欠き深さは、曲線状の破線矢印３１０Ｃで示されるように、最初の切欠き領域Ｒ１Ｃから最後の切欠き領域Ｒ８Ｃに向かって、曲線関数に従って増加することが示されている。更に、この態様では、導電性プレート領域Ｐ１Ｃ〜Ｐ９Ｃの高さは、直線状の破線矢印３０９Ｃで示されるように、図示した最初の導電性プレート領域Ｐ１Ｃから最後の導電性プレート領域Ｐ９Ｃに向かって、ほぼ線形関数に従って減少する。しかし、当然のことながら、他の実施の形態で示すように、望ましい非線形関数を代わりに用いてもよい。当然のことながら、導電性プレート領域の高さが減少する場合でも、リードヘッドはスケールパターン３７０Ｃに対してレベルＬ１にて移動を継続する。例えば、リードヘッドが高さＬ２の導電性プレート領域Ｐ９Ｃの上方に有るとき、リードヘッドの距離は、通常のギャップ距離に距離ＤＬ１Ｌ２＝Ｌ１−Ｌ２を足した距離になる。図６Ｃ及び図７Ｃについて以下でより詳細に説明するように、ある態様においては、本スケールパターン３７０Ｃの構成では、リードヘッドセンサ部からの出力信号が、上方の信号ピークが下方に傾いた直性に概ね沿い、且つ下方の信号ピークも同様に下方に傾いた直線に概ね沿うものになるので、ピーク間の差異が測定範囲内で相対的に一定の大きさになる。結果として得られるアブソリュート信号も線形且つ下方に傾く。
【００３７】
図４は、スケールパターン４７０に対する位置を検出するリードヘッド４０５の部分の等角図である。当然のことながら、スケールパターン４７０は、以下で別途記載することを除き、スケールパターン１７０及び３７０Ａ〜３７０Ｃの１つ以上と同様の特性を有し、かつ同様に動作するものとして理解される。図４に示すように、リードヘッド４０５は、スケールパターン４７０内で渦電流を誘起するための誘起部４３０Ａ及び４３０Ｂと、渦電流に依存して変化する位置信号を出力する第１及び第２のセンサ部４１０Ａ及び４１０Ｂとを有する。第１及び第２のセンサ部４１０Ａ及び４１０Ｂは、リードヘッド４０５の信号部４１０の一部として含まれる。ここでの説明を簡略するために、信号部４１０がセンサ部を２つだけ有するものとして示したが、当然のことながら、以下で図６Ａ〜６Ｃ及び７Ａ〜７Ｃについてより詳しく説明するように、他の態様においては異なる数のセンサ部を用いてもよい（例えば、Ｐ／４ずつ間隔を空けた４つのセンサチャネル）。
【００３８】
以下でより詳しく説明するように、リードヘッド４０５の第１及び第２のセンサ部４１０Ａ及び４１０Ｂと誘起部４３０Ａ及び４３０Ｂとは、ある態様においては、プリント回路基板の金属層に作製される同一平面上の誘導コイルで構成されてもよい（例えば、図１のスライダアセンブリ１２０のプリント回路基板１６２）。ある態様においては、プリント回路基板は、少なくとも２つの金属層を有してもよい。図４に示すように、最初の又は最上部の層は、一連のノードＮ１〜Ｎ４を位置検出／駆動回路に接続する配線を有してもよい（例えば、スライダアセンブリ１２０の信号処理／表示電気回路１６６に含まれてもよい）。
【００３９】
ノードＮ１は、位置信号ＳＥＮ１を供給し得る信号線ＳＬ１と接続される。ノードＮ２は、位置信号ＳＥＮ２を供給し得る信号線ＳＬ２と接続される。ノードＮ３Ａ及びＮ３Ｂは互いに接続され、誘起信号ＤＲＶを受け取り得る信号線ＳＬ３に接続される共通ノードＮ３として参照される。ノードＮ４は、グランドＧＮＤと接続される信号線ＳＬ４と接続される。
【００４０】
図４に更に示すように、プリント回路基板の第２又は下側の金属層は、第１及び第２のセンサ部４１０Ａ及び４１０Ｂと、誘起部４３０Ａ及び４３０Ｂとを有してもよい（例えば、プリントされた同一平面上の誘導コイル）。誘起部４３０Ａ及び４３０Ｂは、実施例においては、一体としてリードヘッド４０５の単一の誘起部とみなされてもよい。図４に示すように、第１のセンサ部４１０Ａの一端はノードＮ１と接続され（すなわち、位置信号ＳＥＮ１を供給する）、他端はノードＮ４と接続される（すなわち、グランドＧＮＤと接続される）。第２のセンサ部４１０Ｂの一端はノードＮ２と接続され（すなわち、位置信号ＳＥＮ２を供給する）、他端はノードＮ４と接続される（すなわち、グランドＧＮＤと接続される）。誘起部４３０Ａの一端はノードＮ３Ａと接続され（すなわち、誘起信号ＤＲＶを受け取る）、他端はノードＮ４と接続される（すなわち、グランドＧＮＤと接続される）。誘起部４３０Ｂの一端はノードＮ３Ｂと接続され（すなわち、誘起信号ＤＲＶを受け取る）、他端はノードＮ４と接続される（すなわち、グランドＧＮＤと接続される）。リードヘッド４０５の動作とスケールパターン４７０は、図５Ａに関連して以下でより詳しく説明する。
【００４１】
図４に示すように、スケールパターン４７０は、第１のスケール要素領域のそれぞれに導電性プレート領域Ｐ１〜Ｐ３を有し、かつ、第２のスケール要素領域のそれぞれに切欠き領域Ｒ１〜Ｒ３を有する。以下で図５Ａに関連してより詳細に説明するように、切欠き領域Ｒ１〜Ｒ３の１つがセンサ部４１０Ａの下で正中する位置となるようにリードヘッド４０５が動く場合、各切欠き領域は位置信号ＳＥＮ１に影響を及ぼす。同様に、切欠き領域Ｒ１〜Ｒ３の１つがセンサ部４１０Ｂの下で正中する位置となるようにリードヘッドが動く場合、各切欠き領域は位置信号ＳＥＮ２に影響を及ぼす。以下で図５Ａに関連してより詳細に設明するように、位置信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２の間の差異を、リードヘッド４０５に対するスケールパターン４７０の位置の決定に用いてもよい。この差異は、コモンモードエラーに対する改善された線形性とロバスト性を提供し得る。
【００４２】
当然のことながら、図４の例は、簡略化のため、リードヘッド信号部４１０がスケール全長に沿ってＰ／２だけ離れて設けられた２つのセンサ部４１０Ａ及び４１０Ｂを有するものとして示しているが、他の態様においては、異なる数（例えば、１、３、４など）のセンサ部が含まれてもよい。例えば、他の構成では、リードヘッドの信号部がスケール全長に沿ってＰ／４ずつ離れて設けられた４つのセンサ部（例えば、Ａ、Ｂ、Ａ’及びＢ’で示される出力信号用）を有してもよい。以下で図６Ａ〜６Ｃ及び７Ａ〜７Ｃについてより詳しく説明するように、ある信号処理技術によれば、このような構成例では、インクリメンタル位置信号はある数式（例えば、ｔａｎ−１（（Ａ−Ａ’）／（Ｂ−Ｂ’）））で決定できてもよく、アブソリュート位置信号は他の数式（例えば、Ａ＋Ｂ＋Ａ’＋Ｂ’）で決定できてもよい。
【００４３】
図５Ａ及び５Ｂは、リードヘッドの変形例の種々の動作原理を示す模式図である。図５Ａは、図４のリードヘッド４０５の動作原理の具体例であるリードヘッド５０５Ａの種々の動作原理を示す模式図である。図５Ａに示すように、ある態様においては、リードヘッド５０５Ａは、第１及び第２のセンサ部５１０Ａ及び５１０Ｂと、誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂとを有してもよい。第１及び第２のセンサ部５１０Ａ及び５１０Ｂは、信号部５１０の一部として含まれ、誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂは、リードヘッド５０５Ａの誘起部５３０の一部として含まれてもよい。ある具体的態様の例においては、第１及び第２のセンサ部５１０Ａ及び５１０Ｂと誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂとは、全てプリント回路基板（例えば、図１のスライダアセンブリ１２０のプリント回路基板１６２）上にプリントされたプレーナ型スパイラルコイルにより構成されてもよい。種々の態様においては、センサ部及び誘起部はプリント回路基板の同じ又は異なる金属層に形成されてもよい。例えば、２つの金属層を有するプリント回路基板では、センサ部及び誘起部が全て同じ金属層に（図４の構成に示されるように）形成されてもよい。他の例のように、４つの金属層を有するプリント回路基板では、センサ部及び誘起部は異なる金属層に形成されてもよい。具体的な態様例においては、複数のスケール要素５７０Ｅを有するスケールパターン５７０は、導電性バルク材料（例えば、アルミニウム）により形成されてもよい。
【００４４】
具体的な態様例においては、誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂは、選択された波形パターン（例えば、正弦波、パルス共振回路による疑似正弦波）で（例えば、ノードＮ３の誘起信号ＤＲＶによって）駆動されてもよい。誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂの駆動で、センサ部５１０Ａ及び５１０Ｂのそれぞれで電圧が誘導されてもよい。具体的な態様例においては、スケール要素５７０Ｅでの渦電流は、スケール要素５７０Ｅの線形位置に依存して、それぞれ誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂと第１及び第２のセンサ部５１０Ａ及び５１０Ｂとの誘導結合に影響してもよい。よって、第１及び第２のセンサ部５１０Ａ及び５１０Ｂは、ある態様においては、可変インダクタンス要素としてみなしてもよく、そのインダクタンスはスケール要素５７０Ｅの位置に依存する。
【００４５】
図２〜４について上述したように、スケールパターン５７０は、測定軸方向ＭＡに沿って交互に入れ替わる、第１及び第２タイプのスケール要素５７０Ｅ（例えば、プレート領域及び切欠き領域）を有してもよい。ここでの図示及び説明を簡略化する目的のため、図５Ａでは、単一のスケール要素５７０Ｅのみが示されている（例えば、第１及び第２のセンサ部５１０Ａ及び５１０Ｂ及び誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂに最も近いプレート領域又は切欠き領域のいずれかを表示している）。
【００４６】
具体的例示のように、スケール要素５７０Ｅが誘起部５３０Ａ及び第１のセンサ部５１０Ａと並んだ場合、その誘導結合に影響する。反対に、スケール要素５７０Ｅが誘起部５３０Ｂ及び第２のセンサ部５１０Ｂと並んだ場合、その誘導結合に影響する。それに応じて、誘導結合への影響は、位置信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２のそれぞれの大きさに影響する。このように、位置信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２（ノードＮ１及びＮ２で測定されるように）の差異は、スケール要素５７０Ｅの位置及び対応するスケールパターン５７０を示しうる。当然のことながら、このような渦電流リードヘッドを用いた構成の具体的利点は、位置検出装置が切削油、水、その他の流体、粉塵、強磁性粒子その他の汚染物質に対して概ね反応しなくなることである。更に、開示された構成は、位置検出装置として用い得る他のセンサ構成よりも、使用電力が少なく、かつ低価格とすることができる。
【００４７】
ある態様においては、誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂは、互いに鏡像関係で、共通電流源（例えば、ノードＮ３での誘起信号ＤＲＶからの）及び共通グランド（例えば、ノードＮ４）を共有する、隣接した同一平面上のコイルより構成される。このような態様では、電流は誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂで反対方向（すなわち、それぞれで反時計回り及び時計回り）に流れるので、全体のインダクタンスは最大となる。また、互いに鏡像関係となるように誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂを作製することで、位置信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２が相対的に対称になることを保証するのに役立つ。また、抵抗を最小化し、かつ、これに対応して要求される駆動電力量を最小化するために、誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂはプリント回路基板の最厚の金属層に形成されてもよい。ある態様では、誘起部５３０Ａ及び５３０Ｂは、動作中にスケールパターン５７０に最も近づく金属層に形成されてもよい。
【００４８】
種々の態様においては、生じ得る様々な不均衡に対応するため、スケールパターン５７０の幅はリードヘッド５０５Ａの幅よりもやや大きくなるように形成されてもよい。更に、スケール要素５７０Ｅのそれぞれの長さは、応答信号（位置信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２間の相違で決まるような）の範囲と線形性を最大化するために、リードヘッド５０５Ａの全長のほぼ半分としてもよい。
【００４９】
図５Ａに示す態様が、分離した信号を供給する第１及び第２のセンサ部５１０Ａ及び５１０Ｂ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、第１及び第２のセンサ部５１０Ａ及び５１０Ｂは、一出力の単一コイルに統合されてもよいし、それぞれが分離した信号を出力する追加のセンサ部が含まれてもよい（例えば、４センサ部構成）。以下で図５Ｂについてより詳細に説明するように、他の変形例においては、単一の導電回路が誘起部及びセンサ部の両方の機能を担ってもよく、このセンサ部の複素インピーダンスの変化が位置信号を供給してもよい。
【００５０】
図５Ｂは、単一の導電回路が誘起部及びセンサ部の両方の機能を担うリードヘッド５０５Ｂの種々の動作原理を示す模式図である。種々の態様においては、リードヘッドは１以上のこのような導電回路（例えば、Ｐ／４ずつ離れた４つの導電回路）を有してもよい。図５Ａと同様に、ここでの図示及び説明を簡略化する目的のため、単一のスケール要素５７０Ｅのみが示されている（例えば、単一の導電回路のみを有するもとして示されるリードヘッド５０５Ｂに最も近いプレート領域又は切欠き領域のいずれかを表示している）。 よって、図５Ｂに示すように、かつ、「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」でより詳細に説明されるように、リードヘッド５０５Ｂとターゲットであるスケール要素５７０Ｅは、単純な２パート回路として具現化されてもよい。説明されるように、渦電流センサのインピーダンスに影響する主要な変数は、物理的寸法やセンサコイルの構成、駆動周波数（ω）、ターゲットの導電性（σ）、ターゲットの透磁率（μ）、ターゲットの異常、ターゲットに対するセンサのギャップと配置である。
【００５１】
図５Ｂに示すように、左側のリードヘッド５０５Ｂの図示した回路は、誘起部及びセンサ部の両方として機能し、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５７０Ｅは、ターゲット回路として示されており、実効インダクタンスＬｔ及び抵抗Ｒｔを有する。スケール要素５７０Ｅの実効的なターゲット値は、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１】
2016004041.tif 000003
値ｋは、以下の式で表される。
【数２】
2016004041.tif 000004
値ｋは、０≦ｋ≦１であり、ギャップが減少するにつれて増加する。スケール要素５７０Ｅとの結合によるリードヘッド５０５Ｂの複素インピーダンスの変化は、スケール要素５７０Ｅ及び対応するスケールパターン５７０に対するリードヘッド５０５Ｂの位置を決定するために用い得る、対応する位置信号を与えてもよい。
【００５２】
図６Ａ〜６Ｃは、それぞれ図３Ａ〜３Ｃのスケールパターンの組み合わせに用いられるリードヘッドからの出力信号を示す図である。図７Ａ〜７Ｃは、結果として生じたアブソリュート位置信号を示す図である。図６Ａ〜６Ｃの出力信号の特性をよりよく示すため、図３Ａ〜３Ｃのスケールパターンの拡大版に対する信号を示している。より具体的には、図３Ａ〜３Ｃについて、上述と同じ特性に応じてスケールパターンが連続し、それぞれが第１及び第２のスケール要素領域ＦＺ及びＳＺを有するスケール波長Ｐを５０個分覆うスケールパターンのバージョンが示されている。 具体的例示のように、このようなスケールパターンを利用する位置検出装置は、アブソリュート信号範囲が広がる５０スケール波長の最大測定範囲を有するものとして定義されてもよい。当然のことながら、他の態様においては、スケールパターンと対応する最大測定範囲は、スケール波長数よりも大きくても小さくてもよい。
【００５３】
他の態様においては、図６Ａ〜６Ｃの出力信号はリードヘッドの信号部の１つのセンサ部の出力を代表するものであってもよい。図４について上述したように、リードヘッドの信号部は、渦電流によって変化する位置信号を出力する１以上のセンサ部を有してもよい。ある具体的例示のように、リードヘッドの信号部がスケール全長に沿ってＰ／４ずつ離れて設けられた４つのセンサ部（例えば、Ａ、Ｂ、Ａ’及びＢ’で示される出力信号用）を有してもよい。これに対応して、図６Ａ〜６Ｃの信号は１つのセンサ部からの３つの出力信号の１つを示してもよい。
【００５４】
ある信号処理技術によれば、このような構成例では、インクリメンタル位置信号はある数式（例えば、ｔａｎ−１（（Ａ−Ａ’）／（Ｂ−Ｂ’））で決定できてもよく、アブソリュート位置信号は他の数式（例えば、Ａ＋Ｂ＋Ａ’＋Ｂ’）で決定できてもよい。当然のことながら、このような数式は、いかなる信号処理の組み合わせ及び物理的回路の組み合わせ（例えば、信号の和であるアブソリュート位置信号は、信号処理及び／信号線の物理的回路の組み合わせから決定されてもよい）によって組み込まれてもよい。
【００５５】
図６Ａに、リードヘッド出力信号６００Ａを示し、図７Ａに図３Ａのスケールパターン３７０Ａに対応する対応アブソリュート位置信号７００Ａを示す。図３Ａについて上述したように、スケールパターン３７０Ａでは、切欠き領域Ｒ１Ａ〜Ｒ８Ａのそれぞれの切欠き深さは、図示した最初の切欠き領域Ｒ１から最後の切欠き領域Ｒ８に向かって、線形関数に従って増加する。一方、導電性プレート領域Ｐ１Ａ〜Ｐ９Ａは同じままで維持される。図６Ａに示すように、本構成は、ギャップの増大に対するリードヘッド信号の非線形応答に依存して、上方の信号ピーク（例えば、各導電性プレート領域の上方で正中しているリードヘッドセンサ部に対応するもの）は概ね水平直線に沿い、下方の信号ピーク（例えば、各切欠き領域の上方で正中しているリードヘッドセンサ部に対応するもの）は概ね曲線に沿う、リードヘッド信号部からの出力信号６００Ａ（例えば、リードヘッド信号部のセンサ部からのもの）になる。また、図７Ａに示すように、結果として得られたアブソリュート位置信号７００Ａは、スケールパターン３７０Ａの端部近傍でなだらかになるスロープ状に曲がり、それに応じて、スケールパターン３７０Ａの端部近傍でのアブソリュート位置を正確に決定することが難しくなる。
【００５６】
図６Ｂに、リードヘッド出力信号６００Ｂを示し、図７Ｂに図３Ｂのスケールパターン３７０Ｂに対応する対応アブソリュート位置信号７００Ｂを示す。図３Ｂについて上述したように、スケールパターン３７０Ｂでは、切欠き領域Ｒ１Ｂ〜Ｒ８Ｂのそれぞれの切欠き深さは、図示した最初の切欠き領域Ｒ１から最後の切欠き領域Ｒ８に向かって、曲線関数に従って増加する。一方、導電性プレート領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ９Ｂは同じままで維持される。図６Ｂに示すように、本構成は、ギャップの増大に対するリードヘッド信号の非線形反応答に依存して、上方の信号ピーク（例えば、各導電性プレート領域の上方で正中しているリードヘッドセンサ部に対応するもの）は概ね水平直線に沿い、下方の信号ピーク（例えば、各切欠き領域の上方で正中しているリードヘッドセンサ部に対応するもの）は概ね下方に傾いた直線に沿う、リードヘッド信号部からの出力信号６００Ｂになる。また、図７Ｂ（信号特性をよりよく示すために、Ｘ軸が３つのスケール波長Ｐの分までに減少されている）に示すように、結果として得られたアブソリュート位置信号７００Ｂは、同様に下方に傾斜するものの、スケール波長Ｐの若干の周期性を有する。当然のことながら、アブソリュート位置信号７００Ｂは、アブソリュート位置信号７００Ａと比べて、相対的に一貫性がある（すなわち、信号７００Ｂ全体として、スケールパターン３７０Ｂの端部近傍で著しく減少するスロープを有していない）。
【００５７】
図６Ｃに、リードヘッド出力信号６００Ｃを示し、図７Ｃに図３Ｃのスケールパターン３７０Ｃに対応する対応アブソリュート位置信号７００Ｃを示す。図３Ｃについて上述したように、スケールパターン３７０Ｃでは、切欠き領域Ｒ１Ｃ〜Ｒ８Ｃのそれぞれの切欠き深さは、図示した最初の切欠き領域Ｒ１から最後の切欠き領域Ｒ８にかけて曲線関数に従って増加し、導電性プレート領域Ｐ１Ｃ〜Ｐ９Ｃの高さは、図示した最初の導電性プレート領域Ｐ１Ｃから最後の導電性プレート領域Ｐ９Ｃに向かって、ほぼ線形関数に従って、又は必要に応じて非線形関数に従って減少する。図６Ｃに示すように、本構成は、ギャップの増大に対するリードヘッド信号の非線形反応答に依存して、上方の信号ピーク（例えば、各導電性プレート領域の上方で正中しているリードヘッドセンサ部に対応するもの）は概ね下方に傾く直線に沿い、下方の信号ピーク（例えば、例えば、各切欠き領域の上方で正中しているリードヘッドセンサ部に対応するもの）も概ね同様に下方に傾いた直線に沿い、これによりピーク間の差異が測定範囲内で相対的に一定の大きさであるリードヘッド信号部からの出力信号６００Ｃになる。また、図７Ｃに示すように、結果として得られるアブソリュート位置信号７００Ｃは、概ね線形であり、かつ、下方に傾いている。
【００５８】
当然のことながら、インクリメンタル及びアブソリュート位置信号の両者を決定できる信号を提供するという単一のリードヘッド信号部の能力は、ここで説明する位置検出装置の更なる有利点である。より具体的には、インクリメンタル及びアブソリュート位置信号を決定するために、ここで述べるような構成は、第２のスケールトラック、及び、これに対応した第２のスケールトラックを読み取るための第２のリードヘッド信号部を必要としない。また、このような構成は、所要電力が低くてもよい（例えば、第２のリードヘッド信号部への電力が必要ではないため）。更に、種々の態様においては、第２の同一直線上のスケールトラックを要しないので、より狭いスケールが利用されてもよい。
【００５９】
当然のことながら、上述の変形例のように、他のリードヘッド、回路、信号処理をここで開示された種々のスケールに用いてもよい。例えば、ここで開示された原理に従ってインクリメンタル及びアブソリュート信号を提供するために、先に組み込んだ参照特許‘４９４及び３８９’に開示された種々のリードヘッドを、ここで開示された種々のスケール構成に連動させるように適応させてもよい。したがって、当然のことながら、上述の回路及び信号処理は、例示に過ぎず、これに限定されるものではない。
【００６０】
図８Ａ〜８Ｇは、それぞれ図３Ａ〜図３Ｃについて上述したもの以外のスケールパターン８７０Ａ〜８７０Ｇの変形例の図である。スケールパターン８７０Ａ〜８７０Ｇのそれぞれは、第１スケール要素領域ＦＺ及び第２スケール要素領域ＳＺのそれぞれを有する。図８Ａに、スケールパターン８７０Ａの側面図が示されている。スケールパターン８７０Ａでは、第１スケール要素領域ＦＺのそれぞれは、スケールパターン８７０Ａの全体にわたって相対的に同じ高さの各導電性プレート領域を有する。第２スケール要素領域ＳＺのそれぞれは、各切欠き領域を有する。各切欠き領域の切欠き深さは、図３Ａの構成と同様に、線形関数に従って、スケールパターンに沿って左側から右側に向けて増加する。
【００６１】
図８Ｂに、スケールパターン８７０Ｂの側面図が示されている。スケールパターン８７０Ｂでは、第１スケール要素領域ＦＺのそれぞれは、スケールパターン８７０Ｂの全体にわたって相対的に底部までの切欠き深さが同じ各切欠き領域を有する。第２スケール要素領域ＳＺのそれぞれは、各導電性プレート領域を有する。導電性プレート領域のそれぞれの高さは、線形関数に従って、スケールパターンに沿って左側から右側に向けて増加する。当然のことながら、上述したある他のスケールパターンは、変化する第２タイプのスケール要素として非金属板状特性部（例えば、切欠き領域）を有する一方で、スケールパターン８７０Ｂは、第２タイプのスケール要素がプレート高さが変化する金属板状特性部であるのに対して第１のスケール要素が一定で維持される非金属板状特性部を示す。
【００６２】
図８Ｃ〜図８Ｇは、それぞれスケールパターン８７０Ｃ〜８７０Ｇの平面図である。スケールパターン８７０Ｃ〜８７０Ｇのそれぞれは、センサ／スケールトラック幅Ｗ１Ｃ〜Ｗ１Ｇと関連して示されている。スケールパターン８７０Ｃ〜８７０Ｇのそれぞれでは、態様に依存して、暗い領域は変化しているプレート又は切欠き領域を示している。例えば、種々の態様においては、暗い領域は、金属ブロックの放電加工、ＰＣＢのエッチング、薄い金属シートプレス加工などで形成される穴を示していてもよい。他の例のように、種々の態様において、暗い領域は、他の部位が非導電性になるようにPCB上に形成された、又は、くぼみとなるような残し加工、プレス加工、若しくはエッチングなどによる、導電性プレート領域を示してもよい。
【００６３】
図８Ｃに示すように、スケールパターン８７０Ｃでは、スケール要素領域ＦＺ及びＳＺの両方で変化するプレート及び／又は切欠き領域が示され、同時に、変化する領域はスケールパターンに沿って左側から右側に向けて振幅が増加する正弦波状関数に従って示される。図８Ｄ及び８Ｅに示すように、スケールパターン８７０Ｄ及び８７０Ｅでは、変化するプレート及び／又は切欠き領域は各第２のスケール要素領域ＳＺ内に示され、第１スケール要素領域ＦＺは、一定で維持される。スケールパターン８７０Ｄでは、変化する領域は、いくつかの同様の大きさで水平方向を長手方向とする長円形によって示され、形状の個数はスケールパターンに沿って左側から右側に向けて増加する。スケールパターン８７０Ｅでは、変化する領域は、スケールパターンに沿って左側から右側に向けて高さが増加する、垂直方向を長手方向とする長円形で示される。
【００６４】
図８Ｆに示すように、スケールパターン８７０Ｆでは、スケール要素領域ＦＺ及びＳＺの両方で変化するプレート及び／又は切欠き領域が示され、変化する領域はスケールパターンに沿って左側から右側に向けて振幅が増加する正弦波状関数に従って示される。図８Ｇに示すように、スケールパターン８７０Ｇでは、各第１のスケール要素領域ＦＺは同じであり、各第２のスケール要素領域ＳＺは、各導電性プレート領域を有する。図示するように、各導電性プレート領域の面積は一定だが、渦電流に対する実効抵抗が細分割数に基づき変化するように、細分割してもよい。当然のことながら、このような構成では、各プレート導電性領域の追加の再分割は一般的に抵抗を増加させ、渦電流とこれにともなう信号の貢献（すなわち、減算）を減少させる。
【００６５】
図９Ａ〜９Ｂは、他に、既述した図３Ｃ〜３Ｃ及び／又は８Ａもしくは８Ｂの類似した線形スケールと同様に機能するものとして理解できるロータリー又は角度スケールパターンの実施の形態を示す図である。よって、ここでは、顕著な差異点及び／又は主要な要素のみを説明する。スケールパターン９７０Ａ及び９７０Ｂのそれぞれは、第１のスケール要素領域ＦＺ及び第２のスケール要素ＳＺを有する。本実施の形態では、領域は角度領域であり、角度周期又は波長Ｐに従って配置される。図９Ａに示すように、スケールパターン９７０Ａの側面図が示されており、スケールパターン９７０Ａを有するスケールは回転測定軸方向ＭＡを有し、中心回転軸ＲＡに対して回転又は変位する。スケールパターン９７０Ａでは、第１のスケール要素領域ＦＺのそれぞれは、スケールパターン９７０Ａの全体にわたって同じ高さ（半径）の各導電性プレート領域を有する。第２のスケール要素領域ＳＺのそれぞれは、半径方向の各切欠き領域を有する。各切欠き領域の半径方向の切欠き深さは、図３Ａの構成と類似して、第２のスケール要素領域ＳＺ１から始まって第２のスケール要素領域ＳＺ８で終わるように、スケールパターンの時計回り方向に増加する。必要であれば、ＳＺ８及びＳＺ１の間のステップ変化で生じる不明確性を解決するために、（例えば）ＳＺ８、ＦＺ１及びＳＺ１の間の信号の遷移のトラックを維持するために信号処理が用いられてもよい。上述と類似の（又は、先に挙げた‘３８９特許の図１８及び１９に関連する開示事項と類似の）リードヘッドは、先に述べた原理と類似の態様でインクリメンタル及びアブソリュート信号を検出するために、スケールパターン９７０Ａの外周に沿って、又は、外周の周りに配置されてもよい。
【００６６】
図９Ｂに示すように、スケールパターン９７０Ｂの等角図が示されており、パターン９７０Ｂを有するスケールは回転測定軸方向ＭＡを有し、中心回転軸ＲＡに対して回転又は変位する。スケールパターン９７０Ｂは、センサ／スケールトラック幅Ｗ１Ｒと関連して示されている。スケールパターン９７０Ｂでは、第１のスケール要素領域ＦＺのそれぞれは、同じ軸高の各導電性プレート領域（例えば、導電性プレート領域は回転軸ＲＡに対して同一平面上で垂直である）を有する。第２のスケール要素領域ＳＺのそれぞれは、軸方向の各切欠き領域を有する。各切欠き領域の軸方向の切欠き深さは、図９Ａの構成と類似して、第２のスケール要素領域ＳＺ１などから始まるように、スケールパターンの時計回り方向に増加するものとして示されている。必要であれば、隣接する切欠き間のステップ変化で生じる不明確性を解決するために、導電性プレート領域Ｐ１とその隣接切欠き近傍での信号の遷移のトラックを維持するために信号処理が用いられてもよい。上述と類似の（又は、先に挙げた‘３８９特許の図１６及び１７に関連する開示事項と類似の）プレーナ型リードヘッドは、先に述べた原理と類似の態様でインクリメンタル及びアブソリュート信号を検出するために、スケールパターン９７０Ａの一部に、トラック幅Ｗ１Ｒ内でスケールパターン９７０Ｂと軸方向で面するように配置されてもよい。
【００６７】
図１０は、アブソリュート位置を決定するためにスケール１００２と連携して利用される２つのスケールパターン１０７０Ａ及び１０７０Ｂを示す図である。図１０に示すように、スケールパターン１０７０Ａは、３つのスケールパターン部ＳＰＰ、ＳＰＰ’及びＳＰＰ’’を有する。種々の態様においては、スケールパターン部ＳＰＰ、ＳＰＰ’及びＳＰＰ’’のそれぞれは、既述したスケールパターン（例えば、図３Ａのスケールパターン３７０Ａ）のいずれかと同様でもよい。スケールパターン部ＳＰＰ、ＳＰＰ’及びＳＰＰ’’のそれぞれは、第１のスケール要素領域ＦＺ及び第２のスケール要素領域ＳＺのそれぞれを有する。
【００６８】
第１のスケール要素領域ＦＺのそれぞれは、スケールパターン１０７０Ａの全体にわたって同じ高さの各導電性プレート領域を有する。より具体的には、スケールパターン部ＳＰＰ、ＳＰＰ’及びＳＰＰ’’の第１のスケール要素領域ＦＺは、導電性プレート領域Ｐ１〜Ｐ８、Ｐ１’〜Ｐ８’及びＰ１’’〜Ｐ８’’をそれぞれ有する。第２のスケール要素領域ＳＺのそれぞれは、各切欠き領域を有する。より具体的には、スケールパターン部ＳＰＰ、ＳＰＰ’及びＳＰＰ’’の第２のスケール要素領域ＳＺは、切欠き領域Ｒ１〜Ｒ８、Ｒ１’〜Ｒ８’及びＲ１’’〜Ｒ８’’をそれぞれ有する。各切欠き領域の切欠き深さは、図３Ａの構成と同様に、各スケールパターン部ＳＰＰ、ＳＰＰ’及びＳＰＰ’’に沿って左から右に向かって増加する。
【００６９】
スケールパターン１０７０Ａは、最大測定範囲ＭＭＲ上に広がるように示されている。スケールパターン部ＳＰＰ、ＳＰＰ’及びＳＰＰ’’のぞれぞれは、各最大信号範囲ＭＭＲ上に広がるように示されている。より具体的には、スケールパターン部ＳＰＰは、最大測定範囲ＭＭＲの第１の部分に広がる第１のアブソリュート信号範囲ＡＳＲ上に広がっている。これに対応して、スケールパターン部ＳＰＰ’は最大測定範囲ＭＭＲの第２の部分に広がる第２のアブソリュート信号範囲ＡＳＲ’上に広がり、スケールパターン部ＳＰＰ’’は最大測定範囲ＭＭＲの第３の部分に広がる第３のアブソリュート信号範囲ＡＳＲ’’上に広がっている。
【００７０】
また、種々の態様においては、スケールパターン１０７０Ｂは、既述したスケールパターン（例えば、図３Ａのスケールパターン３７０Ａ）のいずれかと同様でもよい。スケールパターン１０７０Ｂは、第１のスケール要素領域ＦＺ及び第２のスケール要素領域Ｓ Ｚを有し、第１のスケール要素領域ＦＺのそれぞれはスケールパターン１０７０Ｂの全体にわたって同じ高さの各導電性プレート領域Ｐ１Ｍ〜Ｐ９Ｍを有し、第２のスケール要素領域ＳＺのそれぞれは、各切欠き領域Ｒ１Ｍ〜Ｒ８Ｍを有する。切欠き領域Ｒ１Ｍ〜Ｒ８Ｍのそれぞれの切欠き深さは、図３Ａの構成と同様に、線形関数に従ってスケールパターンの左から右に向かって増加するものとして示される。
【００７１】
図１０の実施の形態では、スケールパターン１０７０Ｂは、アブソリュート信号範囲ＡＳＲ、ＡＳＲ’及びＡＳＲ’’の中で位置信号と関連するものを決定できるアブソリュート信号範囲認識部として機能してもよい。このように、スケールパターン１０７０Ｂは、本質的に「粗い」スケールパターンとして機能でき、スケールパターン１０７０Ａのスケールパターン部ＳＰＰ、ＳＰＰ’及びＳＰＰ’’は、それぞれ「中間の」又は「細かい」スケールパターンとして機能できる。変形例においては、第２のスケールパターン１０７０Ｂよりも、アブソリュート信号範囲認識部として他のメカニズムを用いてもよい（例えば、２値コード素子をスケール１００２に適用してもよい）。
【００７２】
ある実施例においては、アブソリュート信号範囲認識部用の２値コード素子（又は、孤立したスケールパターン）は、他のスケール素子と同様の技術を用いて作製されてもよい。例えば、２値コードは、複数のリードヘッドが読み取りに用いられるスケールの２値コード列に配置される、導電性プレート及び切欠き領域のような２つの深さのスケール要素の列を用いて形成されてもよい。他の例のように、更に高次のコード（例えば、３＋変化 ）を適用するために、更なる導電性プレート領域の高さ及び切欠き領域の深さの変化を利用してもよい。
【００７３】
当然のことながら、これらの例は、例に過ぎず、これに限られない。上述した他のコンポーネントは、この開示に基づいて当業者により理解されるように、他の配置としてもよいし、上述とは異なる他の形状をとってもよい。例えば、上述のスケールパターンのいくつかが切欠き領域を有する一方で、他のタイプの非金属板状特性部（例えば、非導電性領域）を代わりに用いてもよい。一般に、非金属板状特性部は、変化し得る特性として、非導電性領域の広さ、切欠き領域の広さ、切欠き領域の切欠き深さなどを含んでもよい。金属板状特性部には、変化し得る特性として、プレート領域の広さ、プレート高さなどが含まれてもよい。
【００７４】
他の例のように、あるスケールパターンはバルク材料（例えば、アルミニウム）を漸進的に深くなるように切削することで形成できる一方、 他の態様では、他の作製技術を用いてもよい。より具体的には、種々の態様において、あるスケールパターンは、少なくともプリント回路基板、除去された領域を有するパターンが形成された薄い金属シート、薄い金属シートを変形させることで形成された切欠きを有する成形された金属シート、金属部材を除去することで形成された切欠きを有する金属部材などを有するスケール部に形成されてもよい。
【００７５】
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。さらなる実施の形態を提供するために種々の特許及び出願を取り入れるのに必要であれば、実施の形態の態様は変更することが可能である。
【００７６】
上記の詳細な説明に照らして、これらの及び他の変更を実施の形態に行うことができる。一般に、以下のクレームにおいて使用される用語は、クレーム及び明細書に開示された特定の実施の形態に制限されると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】
2016004041.tif 000005
【図２】
2016004041.tif 000006
【図３Ａ】
2016004041.tif 000007
【図３Ｂ】
2016004041.tif 000008
【図３Ｃ】
2016004041.tif 000009
【図４】
2016004041.tif 000010
【図５Ａ】
2016004041.tif 000011
【図５Ｂ】
2016004041.tif 000012
【図６Ａ】
2016004041.tif 000013
【図６Ｂ】
2016004041.tif 000014
【図６Ｃ】
2016004041.tif 000015
【図７Ａ】
2016004041.tif 000016
【図７Ｂ】
2016004041.tif 000017
【図７Ｃ】
2016004041.tif 000018
【図８Ａ】
2016004041.tif 000019
【図８Ｂ】
2016004041.tif 000020
【図８Ｃ】
2016004041.tif 000021
【図８Ｄ】
2016004041.tif 000022
【図８Ｅ】
2016004041.tif 000023
【図８Ｆ】
2016004041.tif 000024
【図８Ｇ】
2016004041.tif 000025
【図９Ａ】
2016004041.tif 000026
【図９Ｂ】
2016004041.tif 000027
【図１０】
2016004041.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月26日(2015.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
【図１】図１は、スケールパターンが付されたスケールを有する手持ち型ノギスの組立分解等角図である。
【図２】図２は、スケールパターンの複数の第１及び第２のスケール要素領域のスケール要素を示す図１のスケールの一部の等角図である。
【図３】図３Ａ〜３Ｃは、スケールパターンの変形例の側面図である。
【図４】図４は、スケールパターンに対する位置を検出するリードヘッドの部分の等角図である。
【図５】図５Ａ及び５Ｂは、リードヘッドの変形例の種々の動作原理を示す模式図である。
【図６】図６Ａ〜６Ｃは、図３Ａ〜３Ｃのスケールパターンとの組み合わせに用いられるリードヘッドからの出力信号を示す図である。
【図７】図７Ａ〜７Ｃは、図６Ａ〜６Ｃの出力信号と図３Ａ〜３Ｃのスケールパターンとに対応する、結果として生じたアブソリュート位置信号を示す図である。
【図８】図８Ａ〜８Ｇは、図３Ａ〜図３Ｃで示したものの他のスケールパターン変形例の図である。
【図９】図９Ａ及び９Ｂは、図３Ａ〜図３Ｃで示したものに類似するロータリー又は角度スケールパターンの実施の形態の図である。
【図１０】図１０は、スケールと連携して利用される２つのスケールパターンの図である。
【外国語明細書】
Title of Invention: ABSOLUTE POSITION ENCODER SCALE HAVING PLATES ALTERNATING WITH VARYING RECESSES
Technical Field
[0001]
The invention relates generally to precision measurement instruments, and particularly to absolute position encoder scales that may be utilized in handheld instruments such as calipers.
Background Art
[0002]
Various movement or position transducers are currently available, such as optical, capacitive, magnetic, and inductive transducers.  These transducers often involve placing a transmitter and a receiver in various geometric configurations to measure movement between two members of the transducer, typically including a read head and a scale.  One drawback of certain optical, capacitive, and magnetic transducers is that they tend to be sensitive to contamination.  Therefore, using such transducers in most manufacturing or shop environments is impractical.  Using such transducers in a shop environment requires expensive and sometimes unreliable environmental seals or other methods of encapsulating the transducer to keep dust, oils, and ferromagnetic particles from contaminating the transducer.  
[0003]
U.S. Patent No. 6,011,389 (the '389 patent, Patent Literature 1), which is hereby incorporated herein by reference in its entirety, describes an induced current position transducer usable in high accuracy applications.  U.S. Patent Nos. 5,973,494 (the '494 patent, Patent Literature 2) and 6,002,250 (the '250 patent, Patent Literature 3), which are each hereby incorporated herein by reference in their entireties, describe incremental position inductive calipers and linear scales, including signal generating and processing circuits.  U.S. Patent Nos. 5,886,519 (Patent Literature 4), 5,841,274 (Patent Literature 5), and 5,894,678 (Patent Literatures 4 to 6), which are each hereby incorporated herein by reference in their entireties, describe absolute position inductive calipers and electronic tape measures using this induced current transducer.  As described in these patents, this induced current transducer is readily manufactured using known printed circuit board technology.  This transducer system is also generally immune to contamination by particles, including ferromagnetic particles, oil, water, and other fluids.
[0004]
As noted above, different implementations of the induced current transducer (as well as the previously noted optical, capacitive, and magnetic transducers) may be implemented as either incremental or absolute position encoders.  In general, incremental position encoders utilize a scale structure that allows the displacement of a read head relative to a scale to be determined by accumulating incremental units of displacement, starting from an initial point along the scale.  Such encoders are suitable for certain applications, particularly those where line power is available.  However, in certain applications, such as those where encoders are used in low power consumption devices, it is more desirable to use absolute position encoders.  Absolute position encoders provide a unique output signal, or combination of signals, at each position along a scale.  They do not require continuous accumulation of incremental displacements in order to identify a position.  Thus, absolute position encoders allow various power conservation schemes.  A variety of absolute position encoders are known, using various optical, capacitive, magnetic and inductive technologies, such as those described above. 
Citation List
Patent Literature
[0005]
Patent Literature 1: U.S. Patent No. 6,011,389
Patent Literature 2: U.S. Patent No. 5,973,494
Patent Literature 3: U.S. Patent No. 6,002,250
Patent Literature 4: U.S. Patent No. 5,886,519
Patent Literature 5: U.S. Patent No. 5,841,274
Patent Literature 6: U.S. Patent No. 5,894,678
Patent Literature 7: U.S. Patent No. 3,882,482
Patent Literature 8: U.S. Patent No. 5,965,879
Patent Literature 9: U.S. Patent No. 5,279,044
Patent Literature 10: U.S. Patent No. 5,237,391
Patent Literature 11: U.S. Patent No. 5,442,166
Patent Literature 12: U.S. Patent No. 4,964,727
Patent Literature 13: U.S. Patent No. 4,414,754
Patent Literature 14: U.S. Patent No. 4,109,389
Patent Literature 15: U.S. Patent No. 5,773,820
Patent Literature 16: U.S. Patent No. 5,010,655
Non Patent Literature
[0006]
Non Patent Literature 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.
Summary of Invention
Technical Problem
[0007]
In addition to the '519; '274, and '678 patents described above for the absolute induced current transducer, U.S. Patent Nos. 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, and 5,010,655 (Patent Literatures 7 to 16), also disclose various encoder configurations and/or signal processing techniques relevant to absolute encoders, and are each hereby incorporated herein by reference in their entirety.  However, many of these disclosed systems fail to teach configurations which provide certain combinations of compact size, high resolution, cost and robustness, including an ability to be generally immune to contamination by particles (e.g., ferromagnetic particles, oil, water, and other fluids) desired by users of absolute encoders.  Improved configurations of absolute encoders that provide such combinations would be desirable.
Solution to Problem
[0008]
This summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described below in the Detailed Description.  This summary is not intended to identify key features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used as an aid in determining the scope of the claimed subject matter.  
[0009]
A position sensing device is provided that is usable to measure a position of a first member with respect to a second member along a measuring axis.  The position sensing device includes a scale and a read head.  The scale includes a scale pattern that extends along the measuring axis direction.  The read head is movable relative to the scale pattern along the measuring axis direction and includes an excitation portion that excites the eddy currents in the scale pattern and a signal portion that outputs position signals that vary depending on the eddy currents.  Due to the utilization of eddy currents, the position sensing device is generally immune to contamination by particles, including ferromagnetic particles, oil, water, and other fluids.
[0010]
The scale pattern includes a plurality of first scale element zones and a plurality of second scale element zones.  The plurality of first scale element zones is arranged periodically along the measuring axis direction, and the first scale element zones include a first type of scale element.  The plurality of second scale element zones is arranged periodically along the measuring axis direction and is interleaved with the plurality of first periodic scale element zones such that the first and second scale element zones repeat periodically along the measuring axis direction according to a scale wavelength P.  The second scale element zones include a second type of scale element having a characteristic that is varied in an absolute signal range along the scale pattern to provide a different respective eddy current response in different respective second scale element zones in the absolute signal range.  The signal portion of the read head is responsive to the respective eddy currents to output absolute position signals having a signal characteristic that varies along the absolute signal range to uniquely indicate respective positions along the absolute signal range.  In various implementations, the absolute signal range may be at least 10x the scale wavelength P.
[0011]
In various implementations, the first type of scale element may include a plate feature (e.g., which is the same in each of the first scale element zones) and the second type of scale element may include a plate abatement feature (e.g., having a characteristic that is varied in each of the second scale element zones along the scale pattern).  Alternatively, in other implementations the first type of scale element may include a plate abatement feature (e.g., which is the same in each of the first scale element zones along the scale pattern) and the second type of scale element may include a plate feature (e.g., having a characteristic that is varied in each of the second scale element zones).  In either case, the plate feature may include a conductive plate area and the plate abatement feature may include at least one of a non-conductive area or a recessed area in a conductor.  
[0012]
In an implementation where the second type of scale element includes such a plate abatement feature, the characteristic that is varied may include at least one of a) the amount of the non-conductive area, b) the amount of the recessed area, or c) the recess depth of the recessed area.  Alternatively, in an implementation where the second type of scale element includes a plate feature, the characteristic that is varied may include at least one of a) the amount of the plate area, or b) the plate height.  In either case (i.e., whether the second type of scale element includes such plate features or plate abatement features), at least one characteristic that is varied in the absolute signal range may be varied according to a function (e.g., a linear function) along the absolute signal range.  
[0013]
In various implementations, in addition to the second type of scale element having a characteristic that is varied, the first type of scale element may also have a characteristic that is varied in the absolute signal range along the scale pattern to provide a different respective eddy current response in different respective first scale element zones in the absolute signal range.  In a case where the first and second types of scale elements respectively include plate features and plate abatement features, or vice versa, both the plate features and plate abatement features may thus have characteristics that are varied in the absolute signal range along the scale pattern.
[0014]
In various implementations, the second type of scale element may include a conductive region and the plate abatement feature may be formed in the conductive region.  In various such configurations, the scale pattern may be formed in a scale portion including at least one of a printed circuit board, a patterned thin metal sheet including removed areas, a formed thin metal sheet including recesses formed by deformation of the thin metal sheet, or a metal material piece including recesses formed by removal of the metal material.
[0015]
In one implementation, the position sensing device may have a maximum measuring range and the absolute signal range may extend over the maximum measuring range.  In an alternative implementation, the absolute signal range may be designated as a first absolute signal range that extends over a first portion of the maximum measuring range, with a second absolute signal range that is similar to the first absolute signal range extending over a second portion of the maximum measuring range.  In such an implementation, the scale may further include an absolute signal range identification portion that enables a determination of absolute position over the maximum measuring range.  In various configurations, the absolute signal range identification portion may include at least one of a second scale pattern or binary code elements along the scale.  
[0016]
In various implementations, the signal portion and the scale pattern may be configured such that at least one output signal is periodic at the scale wavelength P and the signal characteristic may include an amplitude or DC offset of the periodic output signal.  In various implementations, the signal portion and the scale pattern may be configured such that the signal characteristic of the absolute position signals varies linearly over the absolute signal range.  
[0017]
In various implementations, the signal portion of the read head may include one or more sensor portions that output position signals that vary depending on the eddy currents.  As one specific illustrative example, four sensor portions (e.g., for which the output signals are designated as A, B, A′ and B′) may be included that are spaced by P/4 along the length of the scale.  According to certain signal processing techniques, an incremental position signal may be able to be determined by one formula (e.g., tan-1((A-A′)/(B-B′))) while an absolute position signal may be able to be determined by another formula (e.g., A+B+A′+B′).
[0018]
It will be appreciated that a position sensing device including configurations such as those described herein will have various advantages over certain prior systems.  For example, as will be described in more detail herein, such configurations may allow a single read head signal portion to provide signals that allow both incremental and absolute position signals to be determined.  In other words, such configurations may not require a second scale track and corresponding second read head signal portion for reading the second scale track in order to determine both incremental and absolute position signals.  Such configurations may also have lower power requirements (e.g., due to not requiring power for a second read head signal portion).  In addition, in various implementations a narrower scale may be utilized in that a second co-linear scale track may not be required.
Brief Description of Drawings
[0019]
[Fig. 1]
Figure 1 is an exploded isometric view diagram of a hand tool type caliper including a scale with a scale pattern.
[Fig. 2]
Figure 2 is an isometric view diagram of a portion of the scale of Figure 1 illustrating scale elements in first and second scale element zones of the scale pattern.
[Fig. 3]
Figures 3A-3C are side view diagrams of alternative embodiments of a scale pattern.
[Fig. 4]
Figure 4 is an isometric diagram of portions of a read head for sensing a position relative to a scale pattern.
[Fig. 5]
Figures 5A and 5B are schematic diagrams illustrating various operating principles of alternative embodiments of a read head.
[Fig. 6]
Figures 6A-6C are diagrams of output signals from a read head as used in combination with the scale patterns of Figures 3A-3C, respectively.
[Fig. 7]
Figures 7A-7C are diagrams of resulting absolute position signals as corresponding to the output signals of Figures 6A-6C and scale patterns of Figures 3A-3C, respectively.
[Fig. 8]
Figures 8A-8G are diagrams of alternative embodiments of scale patterns in addition to those of Figures 3A-3C.
[Fig. 9]
Figures 9A-9B are diagrams of embodiments of rotary or angular scale patterns analogous to those of Figures 3A-3C.
[Fig.10]
Figure 10 is a diagram of two scale patterns utilized in conjunction on a scale.
Description of Embodiments
[0020]
Figure 1 is an exploded isometric view diagram of a hand tool type caliper 100 including a scale 102 with a scale pattern 170.  As shown in Figure 1, the scale 102 may include a substrate 168, which the scale pattern 170 may be formed on or attached to, and which may consist of a rigid or semi-rigid bar having a generally rectangular cross section.  A pair of laterally projecting, fixed jaws 108 and 110 are integrally formed near a first end 112 of the scale 102.  A corresponding pair of laterally projecting movable jaws 116 and 118 are formed on a slider assembly 120 which includes a read head 164.  
[0021]
The outside dimensions of an object are measured by placing the object between a pair of engagement surfaces 114 on the jaws 108 and 116.  Similarly, the inside dimensions of an object are measured by placing the jaws 110 and 118 within an object.  The engagement surfaces 122 of the jaws 110 and 118 are positioned to contact the surfaces on the object to be measured.  The engagement surfaces 122 and 114 are positioned so that when the engagement surfaces 114 of the jaws 108 and 116 are contacting each other, the engagement surfaces 122 of the jaws 110 and 118 are aligned with each other.  In this position, the zero position (not shown), both the outside and inside dimensions measured by the caliper 100 should be zero.  
[0022]
The caliper 100 also includes a depth bar 126 which is attached to the slider assembly 120.  The depth bar 126 projects longitudinally from the scale 102 and terminates at an engagement end 128.  The length of the depth bar 126 is such that the engagement end 128 is flush with a second end 132 of the scale 102 when the caliper 100 is at the zero position.  By resting the second end 132 of the scale 102 on a surface in which a hole is formed and extending the depth bar 126 into the hole until the end 128 touches the bottom of the hole, the caliper 100 is able to measure the depth of the hole.  
[0023]
Whether a measurement is made using the outside measuring jaws 108 and 116, the inside measuring jaws 110 and 118, or the depth bar 126, the measured dimension is displayed on a conventional digital display 138, which is mounted in a cover 139 of the slider assembly 120.  A pair of push button switches 134 and 136 are also mounted in the cover 139.  The switch 134 turns on and off a signal processing and display electronic circuit 166 of the slider assembly 120.  The switch 136 is used to reset the display 138 to zero.  
[0024]
As shown in Figure 1, the slider assembly 120 includes a base 140 with a guiding edge 142.  The guiding edge 142 contacts a side edge 146 of the scale 102 when the slider assembly 120 straddles the scale 102.  This ensures accurate operation of the caliper 100.  A pair of screws 147 bias a resilient pressure bar 148 against a mating edge of the scale 102 to eliminate free play between the slider assembly 120 and the scale 102.  
[0025]
The depth bar 126 is inserted into a depth bar groove 152 formed on an underside of the scale 102.  The depth bar groove 152 extends along the underside of the scale 102 to provide clearance for the depth bar 126.  The depth bar 126 is held in the depth bar groove 152 by an end stop 154.  The end stop 154 is attached to the underside of the scale 102 at the second end 132.  The end stop 154 also prevents the slider assembly 120 from inadvertently disengaging from the scale 102 at the second end 132 during operation.  
[0026]
The slider assembly 120 also includes a pickoff assembly 160 mounted on the base 140 above the scale 102.  Thus, the base 140 and pickoff assembly 160 move as a unit.  The pickoff assembly 160 includes a substrate 162, such as a conventional printed circuit board.  The substrate 162 bears an eddy current read head 164 on its lower surface.  A signal processing and display electronic circuit 166 is mounted on an upper surface of the substrate 162.  A resilient seal 163 is compressed between the cover 139 and the substrate 162 to prevent contamination of the signal processing and display electronic circuit 166.  The underside of the read head 164 is covered by a thin, durable, insulative coating 167 (e.g., which in one specific illustrative example may be approximately 50 mm thick).  
[0027]
The scale 102 includes a scale pattern 170 extending along the measuring axis direction MA.  As will be described in more detail below with respect to Figure 2, the scale pattern 170 may include first and second scale element zones arranged periodically along the measuring axis direction MA, and which may respectively include first and second types of scale elements.  A protective insulating layer 172 (e.g., which in one specific illustrative example may be at most approximately 100 mm thick) may cover the scale pattern 170.  The protective layer 172 can include printed markings, as shown in Figure 1.  
[0028]
The slider assembly 120 carries the read head 164 so that it is slightly separated from the scale 102 by an air gap formed between the insulative coatings 167 and 172.  In one specific illustrative example the air gap may be approximately on the order of 0.5 mm.  Together, the read head 164 and the scale pattern 170 form an eddy current transducer which operates in one implementation by generating changing magnetic fields.  The changing magnetic fields induce circulating currents, known as eddy currents, in some of the scale elements of the scale pattern 170 that are placed within the changing magnetic field, as will be described in more detail below.  
[0029]
Figure 2 is an isometric view diagram of a portion of the scale 102 of Figure 1 illustrating scale elements in a plurality of first and second scale element zones of the scale pattern 170.  In Figure 2, an illustrated plurality of first scale element zones FZ1-FZ7 is arranged periodically along the measuring axis direction MA.  An illustrated plurality of second scale element zones SZ1-SZ6 is also arranged periodically along the measuring axis direction MA and is interleaved with the plurality of first periodic scale element zones FZ1-FZ7 such that the first and second scale element zones repeat periodically along the measuring axis direction MA according to a scale wavelength P.  In the example of Figure 2, the areas of each of the respective first and second scale element zones may be approximately the same, such that the dimension along the measuring axis direction MA of each is approximately equal to 1/2 of the scale wavelength P.  It will be appreciated that in other embodiments the areas and widths of the first and second scale element zones may differ.  
[0030]
Each of the first scale element zones includes a first type of scale element and each of the second scale element zones includes a second type of scale element.  More specifically, in the example of Figure 2, the first type of scale element that is included is a plate feature, wherein each of the illustrated first scale element zones FZ1-FZ7 includes a respective conductive plate area P1-P7.  The second type of scale element is a plate abatement feature, wherein each of the illustrated second scale element zones SZ1-SZ6 includes a respective recessed area R1-R6.  In another implementation, as another example of a plate abatement feature, a non-conductive area could be included within each of the second scale element zones SZ1-SZ6.
[0031]
As will be described in more detail below, the recessed areas R1-R6 each have a characteristic that is varied in an absolute signal range along the scale pattern to provide a different respective eddy current response in different respective second scale element zones SZ1-SZ6 in an absolute signal range.  More specifically, as illustrated in Figure 2, the recess depth of each of the recessed areas R1-R6 is shown to increase from the first illustrated recessed area R1 to the last illustrated recessed area R6.  As will be described in more detail below, this difference in recessed depth provides different eddy current responses, and a signal portion of a read head that is responsive to the respective eddy currents may correspondingly output absolute position signals having a signal characteristic that varies along an absolute signal range to uniquely indicate respective positions along the absolute signal range.
[0032]
In various implementations, the scale 102 and/or scale pattern 170 may be fabricated utilizing various techniques.  For example, in one implementation the substrate 168 may be formed from a conducting bulk material (e.g., aluminum).  In such a case, the recessed areas R1-R6 may be formed by making progressively deeper horizontal cuts in the substrate 168.  The substrate 168 may then be covered by the protective layer 172 described above with respect to Figure 1.
[0033]
Figures 3A-3C are side view diagrams of different alternative embodiments of scale patterns 370A-370C.  It will be appreciated that the scale patterns 370A-370C may have certain characteristics that are similar to those of the scale pattern 170 of Figure 2, and will be understood to operate similarly except as otherwise described below.  As shown in Figures 3A-3C, the scale patterns 370A-370C each include a plurality of first scale element zones FZ1-FZ9 and a plurality of second scale element zones SZ1-SZ8.  Similar to the scale pattern 170, in the scale patterns 370A-370C the illustrated plurality of first scale element zones FZ1-FZ9 and the illustrated plurality of second scale element zones SZ1-SZ8 are arranged periodically along the measuring axis direction MA.  The first and second scale element zones are also interleaved such that the first and second scale element zones repeat periodically along the measuring axis direction MA according to a scale wavelength P.  The width of each of the first and second scale element zones is approximately the same, such that the width of each is approximately equal to 1/2 of the scale wavelength P.
[0034]
As shown in Figure 3A, in the scale pattern 370A each of the illustrated first scale element zones FZ1-FZ9 includes a respective conductive plate area P1A-P9A, and each of the illustrated second scale element zones SZ1-SZ8 includes a respective recessed area R1A-R8A.  The recess depth of each of the recessed areas R1A-R8A is shown to increase from the first illustrated recessed area R1 to the last illustrated recessed area R8 according to a linear function, as indicated by a straight dotted-line arrow 310A.  The conductive plate areas P1A-P9A are shown to be the same in each of the first scale element zones FZ1-FZ9.  As will be described in more detail below with respect to Figures 6A and 7A, in one implementation this configuration results in an output signal from a read head sensor portion for which the upper signal peaks generally fall along a straight horizontal line, while the lower signal peaks generally fall along a curved line, and a resulting absolute position signal characteristic is also curved.
[0035]
As shown in Figure 3B, in the scale pattern 370B each of the illustrated first scale element zones FZ1-FZ9 includes a respective conductive plate area P1B-P9B, and each of the illustrated second scale element zones SZ1-SZ8 includes a respective recessed area R1B-R8B.  The recess depth of each of the recessed areas R1B-R8B is shown to increase from the first illustrated recessed area R1 to the last illustrated recessed area R8 according to a curved function, as indicated by a curved dotted-line arrow 310B.  The conductive plate areas P1B-P9B are shown to be the same in each of the first scale element zones FZ1-FZ9.  As will be described in more detail below with respect to Figures 6B and 7B, in one implementation this configuration results in an output signal from a read head sensor portion for which the upper signal peaks generally fall along a straight horizontal line, while the lower signal peaks generally fall along a straight line that is angled downward, and the resulting absolute position signal is also generally angled downward but is also somewhat periodic at the scale wavelength P.  
[0036]
As shown in Figure 3C, in the scale pattern 370C each of the illustrated first scale element zones FZ1-FZ9 includes a respective conductive plate area P1C-P9C, and each of the illustrated second scale element zones SZ1-SZ8 includes a respective recessed area R1C-R8C.  The recess depth of each of the recessed areas R1C-R8C is shown to increase from the first illustrated recessed area R1C to the last illustrated recessed area R8C according to a curved function, as indicated by a curved dotted-line arrow 310C.  In addition, in this implementation a height of the conductive plate areas P1C-P9C is shown to decrease from the first illustrated conductive plate area P1C to the last conductive plate area P9C according to an approximately linear function, as indicated by a straight dotted-line arrow 309C.  However, it will be appreciated that a desired nonlinear function may alternatively be used, as indicated in other embodiments herein.  It will be appreciated that even though the height of the conductive plate areas decreases, the read head will continue to move at a level L1 with respect to the scale pattern 370C.  For example, once the read head is over the conductive plate area P9C that has a height of L2, the distance of the read head will be the normal gap distance plus a distance DL1L2 = L1-L2.  As will be described in more detail below with respect to Figures 6C and 7C, in one implementation this configuration of the scale pattern 370C results in an output signal from a read head sensor portion for which the upper signal peaks generally fall along a straight line that is angled downward, and the lower signal peaks generally fall along a straight line that is similarly angled downward, with the peak-to-peak differences thus having a relatively constant amplitude along the measuring range, and the resulting absolute position signal also being approximately linear and angled downward.
[0037]
Figure 4 is an isometric diagram of portions of a read head 405 for sensing a position relative to a scale pattern 470.  It will be appreciated that the scale pattern 470 may have similar characteristics and will be understood to operate similarly to one or more of the scale patterns 170 and 370A-370C, except as otherwise described below.  As shown in Figure 4, the read head 405 includes excitation portions 430A and 430B for exciting eddy currents in the scale pattern 470, and first and second sensor portions 410A and 410B that output position signals that vary depending on the eddy currents.  The first and second sensor portions 410A and 410B are included as part of a signal portion 410 of the read head 405.  While for purposes of simplifying the present explanation the signal portion 410 is illustrated as having only two sensor portions, it will be appreciated that in other implementations a different number of sensor portions may be utilized (e.g., four sensor channels spaced by P/4), as will be described in more detail below with respect to Figures 6A-6C and 7A-7C.
[0038]
As will be described in more detail below, the first and second sensor portions 410A and 410B and the excitation portions 430A and 430B of the read head 405 may in one implementation consist of co-planar inductive coils that are fabricated in a metal layer of a printed circuit board (e.g., a printed circuit board 162 of the slider assembly 120 of Figure 1).  In one implementation, the printed circuit board may include at least two metal layers.  As illustrated in Figure 4, a first or top layer may include traces for connecting a series of nodes N1-N4 to position sensing and driving circuitry (e.g., as may be included in the signal processing and display electronic circuit 166 of the slider assembly 120).  
[0039]
The node N1 is coupled to a signal line SL1 which may provide a position signal SEN1.  The node N2 is coupled to a signal line SL2 which may provide a position signal SEN2.  The nodes N3A and N3B are coupled together and may be referenced as a common node N3 which is coupled to a signal line SL3 which may receive an excitation signal DRV.  The node N4 is coupled to a signal line SL4 which is coupled to ground GND.
[0040]
As further shown in Figure 4, a second or lower metal layer of the printed circuit board may include the first and second sensor portions 410A and 410B and the excitation portions 430A and 430B (e.g., as printed co-planar inductive coils).  The excitation portions 430A and 430B may in some instances be referenced together as a single excitation portion of the read head 405.  As illustrated in Figure 4, one end of the first sensor portion 410A is coupled to the node N1 (i.e., as providing the position signal SEN1) while the other end is coupled to the node N4 (i.e., as connected to ground GND).  One end of the second sensor portion 410B is coupled to the node N2 (i.e., as providing the position signal SEN2) while the other end is coupled to the node N4 (i.e., as connected to ground GND).  One end of the excitation portion 430A is coupled to the node N3A (i.e., as receiving the excitation signal DRV) while the other end is coupled to the node N4 (i.e., as connected to ground GND).  One end of the excitation portion 430B is coupled to the node N3B (i.e., as receiving the excitation signal DRV) while the other end is coupled to the node N4 (i.e., as connected to ground GND).  The operation of the read head 405 and the scale pattern 470 will be described in more detail below with respect to Figure 5A.
[0041]
As shown in Figure 4, the scale pattern 470 includes conductive plate areas P1-P3 in respective first scale element zones, and recessed areas R1-R3 in respective second scale element zones.  As will be described in more detail below with respect to Figure 5A, when the read head 405 is moved so that one of the recessed areas R1-R3 becomes primarily centered under the sensor portion 410A, the respective recessed area may primarily affect the position signal SEN1.  Similarly, if the read head is moved so that one of the recessed areas R1-R3 becomes primarily centered under the sensor portion 410B, the respective recessed area may primarily affect the position signal SEN2.  As will also be described in more detail below with respect to Figure 5A, the differential between the position signals SEN1 and SEN2 may be utilized to determine the position of the scale pattern 470 relative to the read head 405.  A differential may provide for improved linearity and robustness from common-mode errors.
[0042]
It will be appreciated that while for simplicity the example of Figure 4 has illustrated a configuration in which the read head signal portion 410 includes two sensor portions 410A and 410B that are spaced by P/2 along the length of the scale, in other implementations different numbers of sensor portions may be included (e.g., 1, 3, 4, etc.)  For example, in another configuration the signal portion of the read head may include four sensor portions (e.g., for which the output signals are designated as A, B, A′ and B′) that are spaced by P/4 along the length of the scale.  As will be described in more detail below with respect to Figures 6A-6C and 7A-7C, according to certain signal processing techniques, in such an example configuration an incremental position signal may be able to be determined by one formula (e.g., tan-1((A-A′)/(B-B′))) while an absolute position signal may be able to be determined by another formula (e.g., A+B+A′+B′).
[0043]
Figures 5A and 5B are schematic diagrams illustrating various operating principles of alternative embodiments of a read head.  Figure 5A is a schematic diagram illustrating various operating principles of a read head 505A, which may be illustrative of the operating principles of the read head 405 of Figure 4.  As shown in Figure 5A, in one implementation the read head 505A may include first and second sensor portions 510A and 510B and excitation portions 530A and 530B.  The first and second sensor portions 510A and 510B are included as part of a signal portion 510, while the excitation portions 530A and 530B are included as part of an excitation portion 530 of the read head 505A.  In one specific example implementation, the first and second sensor portions 510A and 510B and the excitation portions 530A and 530B may all consist of planar spiral coils that are printed on a printed circuit board (e.g., the printed circuit board 162 of the slider assembly 120 of Figure 1).  In various implementations, the sensor portions and excitation portions may be fabricated in the same or different metal layers of the printed circuit board.  For example, in a printed circuit board with two metal layers, the sensor portions and excitation portions may all be fabricated in the same metal layer (e.g., as illustrated by the configuration of Figure 4).  As another example, in a printed circuit board with four metal layers, the sensor portions and excitation portions may be fabricated in different metal layers.  In one specific example implementation, a scale pattern 570 including a plurality of scale elements 570E may be formed from a conducting bulk material (e.g., aluminum).  
[0044]
In one specific example implementation, the excitation portions 530A and 530B may be driven (e.g., by an excitation signal DRV at the node N3) with a selected waveform pattern (e.g., sinusoidal, quasi-sinusoidal with a pulsed resonant circuit, etc.)  The driving of the excitation portions 530A and 530B may induce voltage on the first and second sensor portions 510A and 510B, respectively.  In one specific example implementation, eddy currents in the scale element 570E may affect the inductive coupling of the excitation portions 530A and 530B to the first and second sensor portions 510A and 510B, respectively, depending on the linear position of the scale element 570E.  The first and second sensor portions 510A and 510B may thus in certain implementations be referenced as variable inductance elements, wherein the inductance depends on the position of the scale element 570E.
[0045]
As described above with respect to Figures 2-4, the scale pattern 570 may include first and second types of scale elements 570E (e.g., plate areas and recessed areas) which alternate periodically along the measuring axis direction MA.  For purposes of simplifying the present illustration and explanation, in Figure 5A only a single scale element 570E is illustrated (e.g., representing either a plate area or a recessed area) that is proximate to the first and second sensor portions 510A and 510B and the excitation portions 530A and 530B.  
[0046]
As a specific illustrative example, if the scale element 570E is primarily aligned with the excitation portion 530A and the first sensor portion 510A, it will primarily affect that inductive coupling.  Conversely, if the scale element 570E is primarily aligned with the excitation portion 530B and the second sensor portion 510B, it will primarily affect that inductive coupling.  The effect on the inductive coupling will correspondingly affect the magnitudes of the respective position signals SEN1 and SEN2.  In this manner, the difference between the position signals SEN1 and SEN2 (i.e., as measured at the nodes N1 and N2), may be indicative of the position of the scale element 570E and the corresponding scale pattern 570.  It will be appreciated that one particular advantage of a configuration utilizing an eddy current read head in this manner is that the position sensing device may generally be made to be insensitive to contaminants such as cutting oil, water, other fluids, dust, ferromagnetic particles, etc.  In addition, the disclosed configuration may use less power and may be less expensive to produce than other sensor configurations that could be utilized for a position sensing device.
[0047]
In one implementation, the excitation portions 530A and 530B may consist of two adjacent, co-planar coils that are mirror images of each other and which share a common current source (e.g., from the excitation signal DRV at node N3) and a common ground (e.g., at node N4).  In such an implementation, the current may flow in opposite directions through the excitation portions 530A and 530B (i.e., counterclockwise and clockwise, respectively) so that the total inductance is maximized.  Fabricating the excitation portions 530A and 530B to be mirror images of each other also helps ensure that the position signals SEN1 and SEN2 will be relatively symmetric.  The excitation portions 530A and 530B may also be fabricated in the metal layer of the printed circuit board with the greatest thickness so as to minimize resistance and correspondingly minimize the amount of driving power required.  In one implementation, the excitation portions 530A and 530B may be fabricated in the metal layer that will be closest to the scale pattern 570 during operation.  
[0048]
In various implementations, the width of the scale pattern 570 may be made to be slightly larger than the width of the read head 505A, so as to accommodate for various misalignments that may occur.  In addition, the length of each scale element 570E may be approximately half of the total combined length of the read head 505A, so as to maximize the range and linearity of the response signal (e.g., as determined by the differential between the position signals SEN1 and SEN2).  
[0049]
While the implementation shown in Figure 5A shows first and second sensor portions 510A and 510B which provide separate signals, it should be appreciated that in alternative implementations, the first and second sensor portions 510A and 510B may be combined into a single coil with a single output, or additional sensor portions may be included that each provide separate signals (e.g., a four-sensor portion configuration).  As will be described in more detail below with respect to Figure 5B, in another alternative implementation, a single conductive circuit may perform the function of both an excitation portion and a sensor portion, and a change in complex impedance within this sensor portion may provide a position signal.
[0050]
Figure 5B is a schematic diagram illustrating various operating principles of a read head 505B in which a single conductive circuit may perform the function of both an excitation portion and a sensor portion.  In various implementations, a read head may include one or more such conductive circuits (e.g., four conductive circuits spaced by P/4).  Similar to Figure 5A, for purposes of simplifying the present illustration and explanation, only a single scale element circuit 570E is described (e.g., representing either a plate area or a recessed area) that is proximate to the read head 505B, which is illustrated as including only a single conductive circuit.  As shown in Figure 5B, the read head 505B and target scale element 570E can thus be modeled as a simple two-part circuit, as described in more detail in 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 (Non patent Literature 1).  As described, some of the key variables that affect the impedance of an eddy current sensor are the physical dimensions and composition of the sensor coil; the drive frequency (ω); the conductivity of the target (σ); the magnetic permeability of the target (μ); the irregularities in the target; and the gap and alignment of the sensor to the target.  
[0051]
As shown in Figure 5B, the illustrated circuit of the read head 505B on the left functions as both the excitation portion and the sensor portion, and has an inductance Ls, resistance Rs, and is driven by a voltage source V(t).  The scale element 570E on the right is illustrated as a target circuit and has an effective inductance Lt and resistance Rt.  The effective target values for the scale element 570E depend on σ, μ, ω and the system geometry.  The coupling of the two circuits depends on the sensor-to-target proximity and is reflected in the mutual inductance M.  The mutual inductance M is expressed by a following expression.
2016004041.tif 000029
The value of k is expressed by a following expression.
2016004041.tif 000030
The value of k increases as the gap decreases.  A change in complex impedance in the read head 505B due to the coupling with the scale element 570E may provide a corresponding position signal that may be utilized to determine a position of the read head 505B relative to the scale element 570E and the corresponding scale pattern 570.  
[0052]
Figures 6A-6C are diagrams of output signals from a read head as used in combination with the scale patterns of Figures 3A-3C, respectively, and Figures 7A-7C are diagrams of resulting absolute position signals.  In order to better illustrate the characteristics of the output signals of Figures 6A-6C, the signals are shown for extended versions of the scale patterns of Figures 3A-3C.  More specifically, the signals are shown for versions of the scale patterns that cover 50 scale wavelengths P, including 50 each of the first and second scale element zones FZ and SZ, with the scale patterns continuing according to the same characteristics described above with respect to Figures 3A-3C.  As a specific illustrative example, a position sensing device utilizing such scale patterns may be defined as having a 50-scale wavelength maximum measuring range over which the absolute signal range extends.  It will be appreciated that in other implementations, the scale pattern and corresponding maximum measuring range may extend over a larger or smaller number of scale wavelengths.
[0053]
In various implementations, the output signals of Figures 6A-6C may be representative of the output of one sensor portion of the signal portion of the read head.  As described above with respect to Figure 4, the signal portion of the read head may include one or more sensor portions that output position signals that vary depending on the eddy currents.  As one specific illustrative example, four sensor portions (e.g., for which the output signals are designated as A, B, A′ and B′) may be included that are spaced by P/4 along the length of the scale.  The signals of Figures 6A-6C may correspondingly represent one of these output signals from one of the sensor portions.  
[0054]
According to certain signal processing techniques, an incremental position signal may be able to be determined by one formula (e.g., tan-1((A-A′)/(B-B′))) while an absolute position signal (e.g., as indicated by the signals of Figures 7A-7C) may be able to be determined by another formula (e.g., A+B+A′+B′).  It will be appreciated that such formulas may be implemented by any combination of signal processing and physical circuit combinations (e.g., the absolute position signal which is a sum of the signals may be determined from signal processing and/or a physical circuit combination of the signal lines).  
[0055]
Figure 6A illustrates a read head output signal 600A and Figure 7A illustrates a corresponding absolute position signal 700A corresponding to the scale pattern 370A of Figure 3A.  As described above with respect to Figure 3A, in the scale pattern 370A the recess depth of each of the recessed areas R1A-R8A increases from the first illustrated recessed area R1 to the last illustrated recessed area R8 according to a linear function, while the conductive plate areas P1A-P9A remain the same.  As shown in Figure 6A, this configuration results in the output signal 600A from the read head signal portion (e.g., from a single sensor portion of the read head signal portion) wherein the upper signal peaks (e.g., corresponding to the read head sensor portion being centered over each of the conductive plate areas) generally fall along a straight horizontal line, while the lower signal peaks (e.g., corresponding to the read head sensor portion being centered over each of the recessed areas) generally fall along a curved line, depending on the nonlinear response of the read head signals to an increasing gap, for example.  As shown in Figure 7A, the resulting absolute position signal 700A is also curved with the slope becoming flatter near the end of the scale pattern 370A, which correspondingly increases the difficulty for accurately determining the absolute position near the end of the scale pattern 370A.  
[0056]
Figure 6B illustrates a read head output signal 600B and Figure 7B illustrates a corresponding absolute position signal 700B corresponding to the scale pattern 370B of Figure 3B.  As described above with respect to Figure 3B, in the scale pattern 370B the recess depth of each of the recessed areas R1B-R8B increases from the first illustrated recessed area R1 to the last illustrated recessed area R8 according to a curved function, while the conductive plate areas P1B-P9B remain the same.  As shown in Figure 6B, this configuration results in the output signal 600B from the read head signal portion wherein the upper signal peaks (e.g., corresponding to the read head sensor portion being centered over each of the conductive plate areas) generally fall along a straight horizontal line, while the lower signal peaks (e.g., corresponding to the read head sensor portion being centered over each of the recessed areas) generally fall along a straight line that is angled downward.  As shown in Figure 7B (for which the x-axis has been reduced to three scale wavelengths P in order to better illustrate the signal characteristics), the resulting absolute position signal 700B is also generally angled downward in a similar manner but is also somewhat periodic at the scale wavelength P.  It will be appreciated that the absolute position signal 700B is also relatively consistent in comparison to the absolute position signal 700A (i.e., the overall signal 700B does not have a significantly decreasing slope near the end of the scale patterns 370B).
[0057]
Figure 6C illustrates a read head output signal 600C and Figure 7C illustrates a corresponding absolute position signal 700C corresponding to the scale pattern 370C of Figure 3C.  As described above with respect to Figure 3C, in the scale pattern 370C the recess depth of each of the recessed areas R1C-R8C increases from the first illustrated recessed area R1 to the last illustrated recessed area R8 according to a curved function, and a height of the conductive plate areas P1C-P9C decreases from the first illustrated conductive plate area P1C to the last conductive plate area P9C according to an approximately linear function, or nonlinear function, if desired.  As shown in Figure 6C, this configuration results in the output signal 600C from the read head signal portion wherein the upper signal peaks (e.g., corresponding to the read head sensor portion being centered over each of the conductive plate areas) generally fall along a straight line that is angled downward, and the lower signal peaks (e.g., corresponding to the read head sensor portion being centered over each of the recessed areas) generally fall along a straight line that is similarly angled downward, with the peak-to-peak differences thus having a relatively constant amplitude along the measuring range.  As shown in Figure 7C, the resulting absolute position signal 700C is also generally linear and angled downward.  
[0058]
It will be appreciated that the ability of a single read head signal portion to provide signals that allow both incremental and absolute position signals to be determined is a further advantage of the position sensing device described herein.  More specifically, in order to determine both incremental and absolute position signals, configurations such as those described herein do not require a second scale track and corresponding second read head signal portion for reading the second scale track.  Such configurations may also have lower power requirements (e.g., due to not requiring power for a second read head signal portion).  In addition, in various implementations a narrower scale may be utilized in that a second co-linear scale track is not required.
[0059]
It should be appreciated that other read head(s), circuits and signal processing may be in used with the various scales disclosed herein, as alternatives to those outlined above.  For example, various read heads and circuits disclosed in the previously incorporated '494 and '389 patent references may be adapted to work in conjunction with various scale configurations disclosed herein, in order to provide incremental and absolute position signals according to principles disclosed herein.  Thus, it will appreciated that the read heads, circuits and signal processing outlined above are exemplary only, and not limiting.  
[0060]
Figures 8A-8G are diagrams of alternative embodiments of scale patterns 870A-870G, respectively, which are illustrated in addition to those previously described with respect to Figures 3A-3C.  Each of the scale patterns 870A-870G includes respective first scale element zones FZ and second scale element zones SZ.  As shown in Figure 8A, a side view diagram of the scale pattern 870A is illustrated.  In the scale pattern 870A, each of the first scale element zones FZ includes a respective conductive plate area of the same height relative to the overall scale pattern 870A.  Each of the second scale element zones SZ includes a respective recessed area.  The recess depth of each of the recessed areas is shown to increase from left to right along the scale pattern according to a linear function, similar to the configuration of Figure 3A.  
[0061]
As shown in Figure 8B, a side view diagram of the scale pattern 870B is illustrated.  In the scale pattern 870B, each of the first scale element zones FZ includes a respective recessed area of the same depth relative to the bottom of the overall scale pattern 870B.  Each of the second scale element zones SZ includes a respective conductive plate area.  The height of each of the conductive plate areas is shown to increase from left to right along the scale pattern according to a linear function.  It will be appreciated that while certain other scale patterns described above have had a plate abatement feature (e.g., a recessed area) as the second type of scale element that was varied, the scale pattern 870B illustrates a configuration in which the first type of scale element is a plate abatement feature that remains constant while the second type of scale element is a plate feature for which the plate height is varied.  
[0062]
Figures 8C-8G are plan view diagrams of the scale patterns 870C-870G, respectively.  Each of the scale patterns 870C-870G is illustrated relative to a sensor/scale track width W1C-W1G, respectively.  In each of the scale patterns 870C-870G, the dark areas may represent varying plate or recessed areas, depending on the implementation.  For example, in various implementations the dark areas may represent holes that are machined, formed through electrical discharge machining in a metal block, etched in a PCB, stamped in a thin metal sheet, etc.  As another example, in various other implementations the dark areas may represent conductive plate areas formed on a PCB that is non-conductive elsewhere, or the remainder machined, stamped or etched to be recessed, etc.
[0063]
As shown in Figure 8C, in the scale pattern 870C the varying plate and/or recessed areas are illustrated in both types of scale element zones FZ and S, simultaneously, and the varying areas are illustrated according to a sinusoidal-like function that increases in amplitude from left to right along the scale pattern.  As shown in Figures 8D and 8E, in the scale patterns 870D and 870E, the varying plate and/or recessed areas are illustrated in each of the second scale element zones SZ while the first scale element zones FZ remain constant.  In the scale pattern 870D, the varying areas are illustrated according to a number of similarly-sized horizontally-oriented oval shapes, wherein the number of shapes increases from left to right along the scale pattern.  In the scale pattern 870E, the varying areas are illustrated according to a vertically oriented oval shape with a height that increases from left to right along the scale pattern.
[0064]
As shown in Figure 8F, in the scale pattern 870F the varying plate and/or recessed areas are illustrated in both types of scale element zones FZ and S, simultaneously, and the varying areas are illustrated according to a sinusoidal-like function that increases in amplitude from left to right along the scale pattern.  As shown in Figure 8G, in the scale pattern 870G each of the first scale element zones FZ is the same while each of the second scale element zones SZ includes a respective conductive plate area.  As illustrated, the area of each conductive plate area may be fairly constant while subdivisions may be made to occur in a number such that the effective resistance offered to the eddy currents varies based on the number of subdivisions.  It will be appreciated that in such a configuration the additional subdivisions in each plate conductive area will generally increase the resistance and decrease the eddy currents and their associated signal contributions (i.e., subtractions).
[0065]
Figures 9A-9B are diagrams of embodiments of rotary or angular scale patterns which may otherwise be understood as operating similarly to the previously described analogous linear scales of Figures 3A-3C and/or 8A or 8B.  Therefore, only significant differences and/or key elements will be described here.  Each of the scale patterns 970A and 970B includes respective first scale element zones FZ and second scale element zones SZ.  In these embodiments, the zones are angular zones, arranged according to the angular period or wavelength P.  As shown in Figure 9A, a side view diagram of the scale pattern 970A is illustrated, wherein the scale including the pattern 970A has a circular measuring axis direction MA and rotates or displaces about a central rotation axis RA.  In the scale pattern 970A, each of the first scale element zones FZ includes a respective conductive plate area of the same height (radius) relative to the overall scale pattern 970A.  Each of the second scale element zones SZ includes a respective radially recessed area.  The radial recess depth of each of the recessed areas is shown to increase in a clockwise direction around the scale pattern, beginning with the second scale element zone SZ1 and ending with the second scale element zone SZ8, analogous to the configuration of Figure 3A.  Signal processing may be used to keep track of the signal transition between SZ8, FZ1 and SZ1 (for example), to resolve any ambiguity which may arise at the step change between SZ8 and SZ1, if needed.  It will be understood that a read head analogous to those outlined above (or analogous to those disclosed in relation to Figures 18 and 19 in the previously incorporated '389 patent) may be located along or around the outer perimeter of the scale pattern 970A, in order to sense incremental and absolute signals in a manner analogous to previously outlined principles. 
[0066]
As shown in Figure 9B, an isometric diagram of the scale pattern 970B is illustrated, wherein the scale including the pattern 970B has a circular measuring axis direction MA and rotates or displaces about a central axis RA.  The scale pattern 970B is illustrated relative to a sensor/scale track width W1R.  In the scale pattern 970B, each of the first scale element zones FZ includes a respective conductive plate area of the same axial height (e.g., the conductive plate areas are coplanar perpendicular to the rotation axis RA).  Each of the second scale element zones SZ includes a respective axially recessed area.  The axial recess depth of each of the recessed areas is shown to increase in a clockwise direction around the scale pattern, beginning with the second scale element zone SZ1, and so on, analogous to the configuration of Figure 9A.  Signal processing may be used to keep track of the signal transition in the vicinity of the conductive plate P1 and its adjacent recesses, to resolve any ambiguity which may arise at the step change between its adjacent recesses, if needed.  It will be understood that a planar read head analogous to those outlined above (or analogous to those disclosed in relation to Figures 16 and 17 in the previously incorporated '389 patent) may be located axially facing the scale pattern 970B in the track width W1R, along a portion of the of the scale pattern 970B, in order to sense incremental and absolute signals in a manner analogous to previously outlined principles. 
[0067]
Figure 10 is a diagram of two scale patterns 1070A and 1070B utilized in conjunction on a scale 1002 to determine an absolute position.  As shown in Figure 10, the scale pattern 1070A is formed from three scale pattern portions SPP, SPP′ and SPP″.  In various implementations, each of the scale pattern portions SPP, SPP′ and SPP″ may be similar to any of the previously described scale patterns (e.g., scale pattern 370A of Figure 3A).  Each of the scale pattern portions SPP, SPP′ and SPP″ includes respective first scale element zones FZ and second scale element zones SZ.  
[0068]
Each of the first scale element zones FZ includes a respective conductive plate area of the same height relative to the overall scale pattern 1070A.  More specifically, the first scale element zones FZ of the scale pattern portions SPP, SPP′ and SPP″ include conductive plate areas P1-P8, P1′-P8′ and P1″-P8″, respectively.  Each of the second scale element zones SZ includes a respective recessed area.  More specifically, the second scale element zones SZ of the scale pattern portions SPP, SPP′ and SPP″ include recessed areas R1-R8, R1′-R8′ and R1″-R8″, respectively.  The recess depth of each of the recessed areas is shown to increase from left to right along each respective scale pattern portion SPP, SPP′ and SPP″, similar to the configuration of Figure 3A.  
[0069]
The scale pattern 1070A is shown to extend over a maximum measuring range MMR.  Each of the scale pattern portions SPP, SPP′ and SPP″ is shown to extend over a respective portion of the maximum signal range MMR.  More specifically, the scale pattern portion SPP extends over a first absolute signal range ASR that extends over a first portion of the maximum measuring range MMR.  Correspondingly, the scale pattern portion SPP′ extends over a second absolute signal range ASR′ that extends over a second portion of the maximum measuring range MMR, and the scale pattern portion SPP″ extends over a third absolute signal range ASR″ that extends over a third portion of the maximum measuring range MMR.
[0070]
In various implementations, the scale pattern 1070B may also be similar to any of the previously described scale patterns (e.g., scale pattern 370A of Figure 3A).  The scale pattern 1070B includes first scale element zones FZ and second scale element zones S, wherein each of the first scale element zones FZ includes a respective conductive plate area P1M-P9M that are each of the same height relative to the overall scale pattern 1070B, and each of the second scale element zones SZ includes a respective recessed area R1M-R8M.  The recess depth of each of the recessed areas R1M-R8M is shown to increase from left to right along the scale pattern according to a linear function, similar to the configuration of Figure 3A.  
[0071]
In the implementation of Figure 10, the scale pattern 1070B may function as an absolute signal range identification portion that enables a determination of which absolute signal range ASR, ASR′ or ASR″ a position signal is associated with.  In this manner, the scale pattern 1070B may essentially function as a "coarse" scale pattern, while the scale pattern portions SPP, SPP′ and SPP″ of the scale pattern 1070A may each essentially function as "medium" or "fine" scale patterns.  In an alternative implementation, rather than a second scale pattern 1070B, other mechanisms may be utilized for an absolute signal range identification portion (e.g., binary code elements may be utilized along the scale 1002).  
[0072]
In one implementation, binary code elements for the absolute signal range identification portion (or alternatively for a stand-alone scale pattern) may be formed utilizing similar techniques as the other described scale elements.  For example, a binary code may be formed utilizing a sequence of scale elements of two depths, such as conductive plate areas and recessed areas, arranged in a binary code sequence on the scale, which multiple read head sensors may be utilized to read.  As another example, additional variations in the heights of the plate areas or depths of the recessed areas may be utilized to implement even higher order codes (e.g., utilizing 3+ variations).
[0073]
It will be appreciated that these examples are exemplary only and not limiting.  The various components described above may be positioned differently and take other forms than those outlined above, as will be appreciated by one of ordinary skill in the art based on this disclosure.  For example, while several of the above described scale patterns include recessed areas, other types of scale elements may alternatively be utilized as plate abatement features (e.g., non-conductive areas).  In general, for plate abatement features a characteristic that may be varied may include the amount of a non-conductive area, the amount of a recessed area, the recess depth of a recessed area, etc.  For plate features, a characteristic that may be varied may include the amount of the plate area, the plate height, etc. 
[0074]
As another example, while it was noted above that certain scale patterns could be formed by making progressively deeper cuts in a bulk material (e.g., aluminum), in other implementations other fabrication techniques may be utilized.  More specifically, in various implementations certain scale patterns may be formed in a scale portion including at least one of a printed circuit board, a patterned thin metal sheet including removed areas, a formed thin metal sheet including recesses formed by deformation of the thin metal sheet, a metal material piece including recesses formed by removal of the metal material, etc.
[0075]
The various embodiments described above can be combined to provide further embodiments.  All of the U.S. patents and U.S. patent applications referred to in this specification are incorporated herein by reference, in their entirety.  Aspects of the embodiments can be modified, if necessary to employ concepts of the various patents and applications to provide yet further embodiments.
[0076]
These and other changes can be made to the embodiments in light of the above-detailed description.  In general, in the following claims, the terms used should not be construed to limit the claims to the specific embodiments disclosed in the specification and the claims, but should be construed to include all possible embodiments along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled.  
[Claim 1]
A position sensing device usable to measure a position of a first member with respect to a second member along a measuring axis, the position sensing device comprising:
a scale including a portion comprising a scale pattern extending along the measuring axis direction; and
a read head for being moved relative to the scale pattern along the measuring axis direction, the read head comprising an excitation portion that excites the eddy currents in the scale pattern, and a signal portion that outputs position signals that vary depending on the eddy currents; wherein:
the scale pattern comprises:
a plurality of first scale element zones arranged periodically along the measuring axis direction, wherein the first scale element zones include a first type of scale element; and
a plurality of second scale element zones arranged periodically along the measuring axis direction and interleaved with the plurality of first periodic scale element zones such that the first and second scale element zones repeat periodically along the measuring axis direction according to a scale wavelength P, wherein the second scale element zones include a second type of scale element having a characteristic that is varied in an absolute signal range along the scale pattern to provide a different respective eddy current response in different respective second scale element zones in the absolute signal range; and
the signal portion is responsive to the respective eddy currents to output absolute position signals having a signal characteristic that varies along the absolute signal range to uniquely indicate respective positions along the absolute signal range.
[Claim 2]
The position sensing device of Claim 1, wherein the absolute signal range is at least 10x the scale wavelength P.
[Claim 3]
The position sensing device of Claim 1, wherein the first type of scale element comprises a plate feature and the second type of scale element comprises a plate abatement feature.  
[Claim 4]
The position sensing device of Claim 3, wherein the plate feature is the same in each of the first scale element zones.
[Claim 5]
The position sensing device of Claim 3, wherein the plate feature comprises a conductive plate area and the plate abatement feature comprises at least one of a non-conductive area or a recessed area in a conductor.  
[Claim 6]
The position sensing device of Claim 5, wherein the characteristic of the second type of scale element that is varied in the absolute signal range along the scale pattern comprises at least one of a) the amount of the non-conductive area, b) the amount of the recessed area, or c) the recess depth of the recessed area.
[Claim 7]
The position sensing device of Claim 6, wherein at least one characteristic that is varied in the absolute signal range is varied as a linear function along the absolute signal range.  
[Claim 8]
The position sensing device of Claim 3, wherein the second type of scale element comprises a conductive region and the plate abatement feature is formed in the conductive region.  
[Claim 9]
The position sensing device of Claim 8, wherein the scale pattern is formed in a scale portion comprising at least one of a printed circuit board, a patterned thin metal sheet including removed areas, a formed thin metal sheet including recesses formed by deformation of the thin metal sheet, or a metal material piece including recesses formed by removal of the metal material.
[Claim 10]
The position sensing device of Claim 1, wherein the position sensing device has a maximum measuring range and the absolute signal range extends over the maximum measuring range.  
[Claim 11]
The position sensing device of Claim 1, wherein the position sensing device has a maximum measuring range and the absolute signal range is designated as a first absolute signal range that extends over a first portion of the maximum measuring range, with a second absolute signal range that is similar to the first absolute signal range extending over a second portion of the maximum measuring range, and the scale further comprises an absolute signal range identification portion that enables a determination of absolute position over the maximum measuring range.  
[Claim 12]
The position sensing device of Claim 11, wherein the absolute signal range identification portion comprises at least one of a second scale pattern or binary code elements along the scale.  
[Claim 13]
The position sensing device of Claim 1, wherein the first type of scale element in the first scale element zones has a characteristic that is varied in the absolute signal range along the scale pattern to provide a different respective eddy current response in different respective first scale element zones in the absolute signal range.  
[Claim 14]
The position sensing device of Claim 1, wherein the first type of scale element comprises a plate abatement feature that is the same in each of the first scale element zones, the second type of scale element comprises a plate feature, and the characteristic of the second type of scale element that is varied in the absolute signal range along the scale pattern comprises at least one of a) the amount of the plate area, or b) the plate height.  
[Claim 15]
The position sensing device of Claim 1, wherein the signal portion and the scale pattern are configured such that the signal characteristic varies linearly over the absolute signal range.
[Claim 16]
The position sensing device of Claim 1, wherein the signal portion and the scale pattern are configured such that at least one output signal is periodic at the scale wavelength P and the signal characteristic comprises an amplitude or DC offset of the periodic output signal.
[Claim 17]
The position sensing device of Claim 1, wherein the area of each first scale element zone is approximately the same as the area of each second scale element zone.
[Claim 18]
A scale for use in a position sensing device usable to measure a position of a first member with respect to a second member along a measuring axis, the scale comprising:
a scale pattern extending along the measuring axis direction, the scale pattern being responsive to an eddy current read head that includes an excitation portion that excites the eddy currents in the scale pattern and a signal portion that outputs position signals that vary depending on the eddy currents; wherein:
the scale pattern comprises:
a plurality of first scale element zones arranged periodically along the measuring axis direction, wherein the first scale element zones include a first type of scale element; and
a plurality of second scale element zones arranged periodically along the measuring axis direction and interleaved with the plurality of first periodic scale element zones such that the first and second scale element zones repeat periodically along the measuring axis direction according to a scale wavelength P, wherein the second scale element zones include a second type of scale element having a characteristic that is varied in an absolute signal range along the scale pattern to provide a different respective eddy current response in different respective second scale element zones in the absolute signal range; and
the scale pattern is configured so as to cause a signal portion of an eddy current read head to output absolute position signals having a signal characteristic that varies along the absolute signal range to uniquely indicate respective positions along the absolute signal range.
[Claim 19]
The scale of Claim 18, wherein the first type of scale element comprises a plate feature and the second type of scale element comprises a plate abatement feature.  
[Claim 20]
The scale of Claim 19, wherein the plate feature comprises a conductive plate area, the plate abatement feature comprises at least one of a non-conductive area or a recessed area in a conductor, and the characteristic of the second type of scale element that is varied in the absolute signal range along the scale pattern comprises at least one of a) the amount of the non-conductive area, b) the amount of the recessed area, or c) the recess depth of the recessed area.  
1. Abstract
An absolute position encoder scale is provided having scale elements (e.g., plates and plate abatement features such as recesses) which alternate along the scale pattern.  At least one of the scale elements has a characteristic (e.g., a recess depth) that is varied along the scale pattern to provide a different respective eddy current response.  A signal portion of a read head is responsive to the respective eddy currents to output absolute position signals.  For the plate abatement features, the characteristic that may be varied may be a recess depth, an amount of a non-conductive area, an amount of a recessed area, etc.  As a varying depth example, the scale may be formed from a bulk material (e.g., aluminum) in which progressively deeper recessed depths are cut along the scale.  For plate features, the characteristic that may be varied may include a plate height, an amount of a plate area, etc.
2. Representative Drawing
Fig. 1
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