特開 2016-45208 積層構造中のレイヤを有するアブソリュート型位置エンコーダ用スケール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-45208(P2016-45208A)

(43)【公開日】2016年4月4日

(54)【発明の名称】積層構造中のレイヤを有するアブソリュート型位置エンコーダ用スケール

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20160307BHJP

   G01B 7/00 20060101ALI20160307BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/245 110R

   G01D5/245 110K

   G01B7/00 101F

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】60

(21)【出願番号】特願2015-163451(P2015-163451)

(22)【出願日】2015年8月21日

(31)【優先権主張番号】14/466,865

(32)【優先日】2014年8月22日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】テッド ステイトン クック

【テーマコード（参考）】

2F063

2F077

【Ｆターム（参考）】

2F063AA02

2F063BA30

2F063CA34

2F063DA01

2F063DA05

2F063DB04

2F063DD04

2F063EA02

2F063GA03

2F063GA08

2F063GA65

2F063GA66

2F063GA69

2F077AA30

2F077CC02

2F077CC08

2F077NN05

2F077NN06

2F077NN22

2F077PP06

2F077QQ05

2F077RR29

2F077TT82

(57)【要約】

【課題】幅の狭いスケールを用いてロバストなアブソリュート位置検出装置を提供する。
【解決手段】アブソリュート型位置エンコーダは、積層構造中の第１及び第２のレイヤを有する。リードヘッドは、第１（上部）及び第２（下部）の信号レイヤの空間変調パターンに対して、測定軸に沿って移動する。検出部は、信号レイヤを検出するため、１以上のスケール検出場を生成する。高周波スケール検出場は、上部信号レイヤパターンに対する位置を検出するための第１の制限深さを与える。低周波スケール検出場は、下部信号レイヤパターンに対する位置を検出するための、より深い第２の検出深さを与える。いくつかの実施の形態においては、第１及び第２のレイヤ間の分離レイヤは、第１のレイヤを補完する空間変調パターンを含むことで、第２の回路構成を用いる第２のレイヤに対する位置を検出する場合の信号効果を無効化する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第２の部材に対する、第１の部材の測定軸方向の位置の測定に使用可能な位置検出装置であって、
前記測定軸に沿って延在し、かつ、スケールレイヤに略垂直な方向である深さ方向に相互に積み重ねられた第１及び第２のレイヤを有し、前記第１のレイヤは前記測定軸に沿った第１の空間変調パターンを形成する材料からなり、前記第２のレイヤは前記測定軸に沿った第２の空間変調パターンを形成する材料からなり、かつ、前記測定軸方向に沿ったアブソリュートレンジ上において前記第１の空間変調パターンとは異なる、スケールと、
前記第１及び第２のレイヤの前記第１及び第２の空間変調パターンにより変調される少なくとも１つのスケール検出場を生成するように構成され、第１及び第２の回路構成の使用に基づいて第１及び第２の位置信号成分を提供して、前記少なくとも１つのスケール検出場のための前記スケール検出場での第１の小信号検出深さ及び第２の小信号検出深さを提供する、前記スケールに対して前記深さ方向に配置された検出部を有する、前記測定軸の方向に沿って前記スケールに対して移動するリードヘッドと、を備え、
前記第１のレイヤは前記深さ方向において前記第２のレイヤよりも前記リードヘッドに近く、前記第１のレイヤの前記第１の空間変調パターンは前記第１の回路構成を用いて検出される支配的な第１の位置信号成分を与え、
前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンは、前記第２の回路構成を用いて検出される大きな第２の位置信号成分と、前記第１の回路構成を用いた場合の小さな第２の位置信号成分と、を与え、
前記第２の位置信号成分がアブソリュートレンジの対応する位置における前記第１の位置信号成分に対する複数の一意的な値を与える信号特性を含むように、前記第１及び第２の空間変調パターンが構成される、
位置検出装置。

【請求項2】

前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンは、前記第１の回路構成を用いた場合に、小さな第２の信号成分を与える、
請求項１に記載の位置検出装置。

【請求項3】

前記少なくとも１つのスケール検出場は、変化する場であり、
前記第１の回路構成は、前記スケール検出場の高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応し、
前記第２の回路構成は、前記スケール検出場の低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する、
請求項１に記載の位置検出装置。

【請求項4】

前記第１及び第２の回路構成は、条件ａ）及び条件ｂ）の少なくとも１つに応じて動作し、
前記条件ａ）では、
前記第１の回路構成は、第１の時間に前記高周波側の時間周波数又は周波数レンジの第１のスケール検出場を提供し、
前記第２の回路構成は、第２の時間に前記低周波側の時間周波数又は周波数レンジの第２のスケール検出場を提供し、
前記リードヘッドは、前記第１の時間に前記第１の位置信号成分を検出し、前記第２の時間に前記第２の位置信号成分を検出し、
前記条件ｂ）では、
前記第１の回路構成は、前記高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する、制限又はフィルタリングされた高周波側の周波数レンジを用いて、前記少なくとも１つのスケール検出場の変調を検出し、
前記第２の回路構成は、前記低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する、制限又はフィルタリングされた低周波側の周波数レンジを用いて、前記少なくとも１つのスケール検出場の変調を検出する、
請求項３に記載の位置検出装置。

【請求項5】

前記第１及び第２の回路構成は、前記条件ｂ）に従って動作し、
前記リードヘッドは前記高周波側及び低周波側の両方の時間周波数又は周波数レンジを同時に含む、変化するスケール検出場を生成するように構成される、
請求項４に記載の位置検出装置。

【請求項6】

前記第１及び第２の回路構成は、
前記第１及び第２の空間変調パターンの材料に生じる渦電流のそれぞれに応答し、
前記第１及び第２の位置信号成分を与えるために前記少なくとも１つのスケール検出場を変調する、
請求項３に記載の位置検出装置。

【請求項7】

前記第１のレイヤは、第１の表皮深さの少なくとも１倍の、前記深さ方向の厚みを有し、
前記第１の表皮深さは、前記第１の空間変調パターンを形成する材料と前記第１の回路構成に対応する前記高周波側の時間周波数又は周波数レンジとに基づいて決定される、
請求項３に記載の位置検出装置。

【請求項8】

前記第１のレイヤは、第２の表皮深さの多くとも０．５倍の、前記深さ方向の厚みを有し、
前記第２の表皮深さは、前記第１の空間変調パターンを形成する材料と前記第２の回路構成に対応する前記低周波側の時間周波数又は周波数レンジとに基づいて決定される、
請求項３に記載の位置検出装置。

【請求項9】

前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンを形成する材料の前記深さ方向の厚みは、前記第１のレイヤの前記第１の空間変調パターンを形成する材料の前記深さ方向の厚みの少なくとも２倍である、
請求項３に記載の位置検出装置。

【請求項10】

前記スケールは、ａ）均一なレイヤを形成する材料、及び、ｂ）前記測定軸に沿って延在し、かつ、前記第１及び第２のレイヤ間に位置する第３の空間変調パターンを形成する材料のいずれかからなる分離レイヤを更に備える、
請求項１に記載の位置検出装置。

【請求項11】

前記分離レイヤは、均一なレイヤを形成する材料であり、
前記深さ方向の前記分離レイヤの厚みに加算される前記第１のレイヤの厚みは、第１の表皮深さの少なくとも１倍であり
前記第１の表皮深さは、前記均一なレイヤを形成する材料と前記第１の回路構成に対応する前記高周波側の時間周波数又は周波数レンジとに基づいて決定される、
請求項１０に記載の位置検出装置。

【請求項12】

前記分離レイヤは、第３の空間変調パターンを形成する材料からなり、
前記分離レイヤの前記第３の空間変調パターンは、前記第１のレイヤの前記第１の空間変調パターンと関連して構成されることで、前記第２の回路構成を用いた場合に少なくとも前記第１の空間変調パターンの変調効果を部分的に無効化し、それによって、前記第２の回路構成を用いた場合に少なくとも前記第１の位置信号成分を部分的に無効化する、
請求項１０に記載の位置検出装置。

【請求項13】

前記第１及び第３の空間変調パターンを形成する材料は同じ材料であり、
前記第１及び第３の空間変調パターンは、前記第１及び第３の空間変調パターンを形成する材料が前記リードヘッドと前記第２のレイヤとの間の前記深さ方向の複合深さが名目的に一定となるような補完物である、
請求項１２に記載の位置検出装置。

【請求項14】

前記第１の空間変調パターンは周期的であり、かつ、波長Ｐを有し、
前記第３の空間変調は周期的であり、かつ、前記波長Ｐを有し、
前記第１及び第３の空間変調パターンは、空間位相にして約１８０°だけ、前記測定軸に沿ってシフトしている、
請求項１３に記載の位置検出装置。

【請求項15】

前記第１及び第３の空間変調パターンのそれぞれは、ａ）前記深さ方向の材料厚み変調、及び、ｂ）前記深さ方向及び前記測定軸と交差する方向の材料幅変調のいずれかを含む、
請求項１３に記載の位置検出装置。

【請求項16】

前記分離レイヤは、第３の空間変調パターンを形成する材料からなり、
前記分離レイヤの前記第３の空間変調パターンは、前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンと協働するように構成されることで、前記第２の回路構成を用いて検出される前記第２の位置信号成分における前記第２及び第３の空間変調パターンの複合変調効果を提供する、
請求項１０に記載の位置検出装置。

【請求項17】

前記第１の空間変調パターンは周期的であり、かつ、波長Ｐを有し、
前記第２の空間変調パターンは、
ａ）前記アブソリュートレンジでの位置に対応する空間周期性を有する第１の位置信号成分に対する複数の一意的な位相関係値を与える、空間周期性を有する第２の位置信号成分を提供する、前記波長Ｐとは異なる波長Ｐ’を有する周期的パターン、
及び、
ｂ）前記アブソリュートレンジでの位置に対応する前記第１の位置信号成分に対する複数の一意的な位相関係値を与える第２の位置信号成分を提供するため、線形又は非線形に変化するパターン
のいずれか一方からなる、
請求項１に記載の位置検出装置。

【請求項18】

前記第１及び第２の空間変調パターンのそれぞれは、ａ）前記深さ方向の材料厚み変調、及び、ｂ）前記深さ方向及び前記測定軸と交差する方向の材料幅変調のいずれかを含む、
請求項１に記載の位置検出装置。

【請求項19】

前記第１又は第２の空間変調パターンの前記材料厚み及び幅変調は、機械加工若しくは均一な材料の形成により作製され、又は、プリント回路基板作製技術を用いてプリント回路基板に作製される、
請求項１８に記載の位置検出装置。

【請求項20】

前記第１及び第２のレイヤは、スケール材料のモノリシック片の加工部分からなり、又は、プリント回路基板の複数レイヤ中のレイヤからなる、
請求項１に記載の位置検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、精密測定装置、及び、ノギスなどの手持ち式用具で利用されるアブソリュート型位置エンコーダ用スケールに関する。

【背景技術】

【0002】

種々の光学式、静電容量式、磁気式及び電磁誘導式のトランスデューサ並びに種々の動き又は位置のトランスデューサが利用可能である。これらのトランスデューサは、リードヘッドとスケールとの間の動きを測定するため、送信器及び受信器の様々な幾何学的構造を利用する。磁気式及び誘導式のトランスデューサは、比較的汚れに強いものの、完全ではない。

【0003】

米国特許第６，０１１，３８９（’３８９特許）は、高精度用途に使用可能な誘導電流位置トランスデューサを開示している。米国特許第５，９７３，４９４（’４９４特許）及び６，００２，２５０（’２５０特許）は、信号の生成及び処理を行う回路を有する電磁誘導式インクリメンタル型ノギス及びスケールを開示している。米国特許第５，８８６，５１９（’５１９特許）、５，８４１，２７４（’２７４特許）及び５，８９４，６７８（’６７８特許）は、電磁誘導式アブソリュート型ノギスと、誘導電流トランスデューサを用いた電気式巻尺とを開示している。上述のものは全て、その全体がここでの参照により本明細書に組み込まれるものである。これらの特許に開示されるように、この誘導電流トランスデューサは、プリント基板回路を用いて容易に作製され、かつ、汚染の影響をほとんど受けない。

【0004】

上述のトランスデューサは、インクリメンタル型又はアブソリュート型位置エンコーダのいずれかとして実装されてもよい。インクリメンタル位置エンコーダは、スケールに沿った初期位置からの変位の増分単位の蓄積によって、スケールに対するリードヘッドの変位を決定する。反対に、アブソリュート位置エンコーダは、スケールに沿った各位置において、一意的な出力信号又は信号の組み合わせを与える。アブソリュート位置エンコーダは、位置を認識するための変位増分の蓄積を常に記録するための常時電源を必要としない。よって、アブソリュート型位置エンコーダは、様々な電力管理を可能とし、低電力用途にとって望ましい（例えば、手持ち式ノギス）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許第６，０１１，３８９号明細書

【特許文献2】米国特許第５，９７３，４９４号明細書

【特許文献3】米国特許第６，００２，２５０号明細書

【特許文献4】米国特許第５，８８６，５１９号明細書

【特許文献5】米国特許第５，８４１，２７４号明細書

【特許文献6】米国特許第５，８９４，６７８号明細書

【特許文献7】米国特許第３，８８２，４８２号明細書

【特許文献8】米国特許第５，９６５，８７９号明細書

【特許文献9】米国特許第５，２７９，０４４号明細書

【特許文献10】米国特許第５，２３７，３９１号明細書

【特許文献11】米国特許第５，４４２，１６６号明細書

【特許文献12】米国特許第４，９６４，７２７号明細書

【特許文献13】米国特許第４，４１４，７５４号明細書

【特許文献14】米国特許第４，１０９，３８９号明細書

【特許文献15】米国特許第５，７７３，８２０号明細書

【特許文献16】米国特許第５，０１０，６５５号明細書

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】J. Lefebvre, C. Mandache and J. Letarte, "Pulsed eddy current empirical modeling," Advances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials, Quebec City, Canada, 2006.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述のアブソリュート型誘導電流位置トランスデューサにかかる’５１９、’２７４及び’６７８特許に加えて、米国特許第３，８８２，４８２、５，９６５，８７９、５，２７９，０４４、５，２３７，３９１、５，４４２，１６６、４，９６４，７２７、４，４１４，７５４、４，１０９，３８９、５，７７３，８２０及び５，０１０，６５５も、種々のエンコーダの構成、及び／又は、アブソリュート型エンコーダに関連する信号処理技術を開示しており、各々その全体がここでの参照により本明細書に組み込まれる。しかし、これらの開示されたシステムは、ユーザが望むコンパクトなサイズ、高分解能、コスト、及び、汚染に対する堅牢性の組み合わせを提供する能力に限界が有る。こうした改善された組み合わせを提供するアブソリュート型エンコーダの構造が望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この要約は、簡易化した形で概念の選択を紹介することで提供され、以下の詳細な説明においても開示されている。この要約は、クレームされた対象における重要な特徴を特定することを意図するものでなく、また、クレームされた対象の範囲を決定するのに役立つものとして用いることを意図するものでもない。

【0009】

第２の部材に対する、第１の部材の測定軸方向の位置の測定に使用可能な位置検出装置が提供される。前記位置検出装置は、スケールとリードヘッドとを有する。前記スケールは、前記測定軸に沿って延在し、かつ、スケールレイヤに略垂直な方向である深さ方向に相互に積み重ねられた第１及び第２のレイヤを有する。前記第１のレイヤは前記測定軸に沿った第１の空間変調パターンを形成する材料からなる。前記第２のレイヤは前記測定軸に沿った第２の空間変調パターンを形成する材料からなり、かつ、前記測定軸に沿ったアブソリュートレンジ上において第１の空間変調パターンとは異なる。リードヘッドは、前記測定軸の方向に沿って前記スケールに対して移動可能である。前記リードヘッドは、前記スケールに対して前記深さ方向に配置された検出部を有し、前記第１及び第２のレイヤの前記第１及び第２の空間変調パターンにより変調される少なくとも１つのスケール検出場を生成する。前記検出部は、第１及び第２の回路構成の使用に基づいて第１及び第２の位置信号成分を提供して、前記少なくとも１つのスケール検出場のための前記スケール検出場での第１の小信号検出深さ及び第２の大信号検出深さを提供する。前記スケール及びリードヘッドは、以下の構成を有する。前記第１のレイヤは前記深さ方向において前記第２のレイヤよりも前記リードヘッドに近く、前記第１のレイヤの前記第１の空間変調パターンは前記第１の回路構成を用いて検出される支配的な第１の位置信号成分を与え、前記第２のレイヤの前記第２の空間変調パターンは、前記第２の回路構成を用いて検出される大きな第２の位置信号成分と、前記第１の回路構成を用いた場合の小さな第２の位置信号成分と、を与え、前記第２の位置信号成分がアブソリュートレンジの対応する位置における前記第１の位置信号成分に対する複数の一意的な値を与える信号特性を含むように、前記第１及び第２の空間変調パターンが構成される。種々の態様においては、前記少なくとも１つのスケール検出場は、変化する場であり、前記第１の回路構成は、前記スケール検出場の高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応し、前記第２の回路構成は、前記スケール検出場の低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する。前記第１及び第２の回路構成の変形例が以下で開示され、これらを独立して、及び／又は、組み合わせて用いてもよい。前記スケールのパターン及び厚みの変形例が本明細書で開示され、前記第１及び第２の回路構成を用いて異なるスケールレイヤから引き出された信号を分離するように表皮効果を利用するため、これらを独立して、及び／又は、組み合わせて用いてもよい。種々の形態において、前記空間変調パターンの前記空間変調は、厚み、及び／又は、幅、及び／又は、材料変調の変化を含んでもよい。

【0010】

当然のことながら、本明細書で開示される構成は、先行技術に対して有利である。特に、スケールの信号レイヤの積層構造の使用も相俟って、同一線で隣接するスケールトラックを望むならば回避することができる点において、幅の狭いスケールを用いてロバストなアブソリュート位置検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、スケールを有する手持ち式ノギスの分解組立等角図である。

【図2】図２は、積層構造中の分離レイヤにより離間された第１及び第２の信号レイヤを示す、図１のスケールの部分等角図である。

【図3】図３は、リードヘッドの検出部の動作を示すスケール部の側面図である。

【図4】図４は、スケール部に対する位置を検出するリードヘッドの検出部を示す等角図である。

【図5A】図５Ａは、リードヘッドの検出部の変形例の動作原理を示す模式図である。

【図5B】図５Ｂは、リードヘッドの検出部の変形例の動作原理を示す模式図である。

【図6A】図６Ａは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。

【図6B】図６Ｂは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。

【図6C】図６Ｃは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。

【図6D】図６Ｄは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。

【図6E】図６Ｅは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。

【図6F】図６Ｆは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。

【図6G】図６Ｇは、スケール部の変形例とこれに対応する位置信号成分とを示す図である。

【図7】本明細書で開示した原理にかかる、積層構造中のレイヤを有するスケール部を含む位置検出装置を運転するためのルーティンの一実施の形態を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本件の図面では、当然のことながら、明確化のため、１以上のスケール機構のＺ軸の寸法を大きく表示している。一般に、図面は部分的に再現描写され、部分的に模式化されているものと見なし得る。本件開示に基づいて、当然のことながら、本明細書で開示される種々のスケールレイヤ構造で実現される信号分離及び／又は信号絶縁は、一般に、表皮効果に依存してもよい。同様に、表皮効果は、スケールレイヤの材料及びリードヘッドの動作周波数の両方に依存してもよい。例として、これに制限されるものではないが、種々の実施の形態において、種々のレイヤは、表皮深さの一部又は複数の表皮深さのオーダーの厚み（Ｚ軸寸法）を有してもよい。表皮深さは、実際の材料及び動作周波数に対し、マイクロメーターから数ミリメーターのオーダーであってもよい。本明細書で開示され、既知の分析及び／又は試験の方法で追加される、種々の動作原理及び技術に基づいて、当業者が実際の装置におけるＺの実寸法を決定してもよい。

【0013】

図１は、スケール１７０を含む概ね矩形断面のスパー（柱材）を有するスケール部材１０２と、スライダアセンブリ１２０と、を有する手持ち式のノギス１００の組立分解等角図である。図２において更に説明するように、スケール１７０は、測定軸方向ＭＡ（Ｘ軸）に延在し、スケールレイヤにほぼ垂直な深さ方向（Ｚ方向）に互いに積み重ねられたレイヤ（例えば、信号変調／分離レイヤ）を有してもよい。既知のタイプのカバーレイヤ１７２（例えば、１００μｍ厚）は、スケール１７０を覆ってもよい。スケール部材１０２の第１の端部近傍のジョウ１０８及び１１０と、スライダアセンブリ１２０上の可動ジョウ１１６及び１１８は、既知の方法で対象物の寸法を測定するために用いられる。スライダアセンブリ１２０は、エンドストップ１５４によってスケール部材１０２下部のデプスバー用溝１５２に拘束されたデプスバー１２６を、任意に含んでもよい。デプスバー接触端１２８は、深さを測定する穴の中に挿入され得る。スライダアセンブリ１２０のカバー１３９は、オン／オフスイッチ１３４、ゼロ点設定スイッチ１３６及び測定表示部１３８を有してもよい。スライダアセンブリ１２０のベース１４０は、スケール部材１０２のサイドエッジ１４６と接触するガイドエッジ１２４と、測定のため、及び、スケール１７０に対してリードヘッド部１６４を移動させるために適正な配置を維持するように、弾性力バー１４８をスケール部材１０２の対向エッジに押し付けるねじ１４７と、を有する。

【0014】

ベース１４０に搭載されるピックオフアセンブリ１６０は、本実施の形態においては、スケール１７０に対して深さ方向に配置された検出部１６７（例えば、場の生成や検出を行う巻線構造）が乗った基板１６２（例えば、プリント回路基板）と、信号処理／制御回路１６６と、を有するリードヘッド部１６４を有する。弾性シール１６３は、回路や結合部からの汚れを排除するために、カバー１３９と基板１６２との間で圧迫されてもよい。

【0015】

具体的な一実施例においては、検出部１６７は、スケール１７０に対して深さ（Ｚ）方向に０．５ｍｍオーダーのギャップにて離間され、かつ、スケール１７０と平行にかつスケール１７０に対面するように配置される。同時に、リードヘッド部１６４及びスケール１７０は、トランスデューサ（例えば、図２について以下で詳述するような、変化する磁場の生成により動作する渦電流トランスデューサ）を構成してもよい。

【0016】

図２は、深さ（Ｚ）方向に互いに積み重ねられた（並べられ、かつ、隣接した）信号レイヤＳＩＧＬ１及びＳＩＧＬ２を示す、図１のスケール１７０の一実施の形態の断面の等角図である。いくつかの実施例においては、この実施の形態は後述するように、信号レイヤＳＩＧＬ１及びＳＩＧＬ２間の任意的な分離レイヤＩＳＯＬを有するものとして解釈されてもよい。また、これに代えて、分離レイヤは、いくつかの実施の形態においては省略してもよく、スケール全体の厚みが低減される。また、他の実施の形態においては、レイヤＩＳＯＬの材料は、レイヤＳＩＧＬ１及び／又はレイヤＳＩＧＬ２に由来してもよい。それぞれの厚み寸法であるＴｉｓｏ、Ｔ１及びＴ２は、状況に応じて調整されてもよい（例えば、このような実施の形態において、レイヤＩＳＯＬが「無い」ものとして表現されるように、Ｔｉｓｏを厚みゼロとすることを含む）。後述のように、当然のことながら、レイヤＳＩＧＬ１、ＩＳＯＬ及びＳＩＧＬ２は、説明するような機構を有する概念的なレイヤである。種々の実施例においては、レイヤは分離して作製され、かつ、実際に「積み重ねられ」てもよい。また、概念的なレイヤの配置が「積層」に対応する場合には、レイヤは単一のピースとして作製されてもよい。

【0017】

第１の信号レイヤＳＩＧＬ１は、ＰＡＴ１で表示される、測定軸に沿った第１の空間変調パターンを形成する材料からなる。概念的には、ＰＡＴ１は、複数の第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６に対して測定軸方向ＭＡに交互に配置され、波長Ｐで周期的に配置される複数の第１スケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ７として説明され得る。一実施の形態においては、各スケール要素領域は、Ｘ方向に波長Ｐの１／２の寸法を有する。他の実施の形態においては、第１及び第２のスケール要素領域の面積及び幅は、異なってもよい。ＰＡＴ１は、最も好適には、深さ（Ｚ）方向の材料厚み変調を含むものとして説明され得る。また、これに代えて、ＰＡＴ１は、深さ方向及び測定軸と交差する方向（Ｙ）の材料幅変調を含む（本実施の形態では、幅がゼロのプレート除去機構である）ものとして説明されてもよい。

【0018】

図２の例では、第１スケール要素領域ＦＺ１〜ＦＺ７のそれぞれは、導電性プレート機構Ｐ１〜Ｐ７（種々の実施の形態において、渦電流を流すように動作し得る）を有する。第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６のそれぞれは、空洞又は切欠き領域Ｒ１〜Ｒ６、及び／又は、第２のスケール要素領域ＳＺ１〜ＳＺ６のそれぞれを充填する非導電性材料で構成される「プレート除去」機構（種々の実施の形態において、渦電流をわずかに流し、又は、渦電流を流さないように動作し得る）を有してもよい。または、これに代えて、「プレート除去」機構は、プレート機構と比べて異なる導電性及び透磁率を有する導電材料で構成されてもよい。同様のスケール動作原理が、出願日が２０１４年６月１２日、発明の名称が「Absolute Position Encoder Scale Having Plates Alternating With Varying Recesses（変化する切欠きに対して繰り返して配置されたプレートを有するアブソリュート位置エンコーダスケール）」である、同一出願人の同時係属中の米国特許出願である出願番号１４／３０３，２６６（’２６６出願）でより詳しく開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものである。

【0019】

第２の信号レイヤＳＩＧＬ２は、第１の信号レイヤからの類推によって理解し得る。第２の信号レイヤＳＩＧＬ２は、測定軸に沿ったアブソリュートレンジ上の第１の空間変調パターンＰＡＴ１とは異なった、測定軸に沿った第２の空間変調パターンＰＡＴ２を構成する材料からなる。本実施の形態では、複数のスケール要素領域ＦＺ１’〜ＦＺ６’は、プレート機構ＰＸ’（Ｘ＝１〜６）を有し、複数のスケール要素領域ＳＺ１’〜ＳＺ５’が有するプレート除去機構ＲＸ’（Ｘ＝１〜６）に対して交互に、かつ、測定軸に沿って波長Ｐ’で周期的に配置される。上記のアブソリュートレンジについては、ここでは、凡そ（Ｐ×Ｐ’）／｜Ｐ−Ｐ’｜のアブソリュートレンジが与えられる。これは、ＰＡＴ２が、空間周期性を有する第２の位置信号成分（周期Ｐ’又は波長Ｐ’を有する）を与えるように動作するためである。かつ、第２の位置信号成分が、ＰＡＴ１が空間周期性を有する第１の位置信号成分（周期Ｐ又は波長Ｐを有する）を与えるように動作するアブソリュートレンジでの対応する位置において、空間周期性を有する第１の位置信号成分に対する複数の一意的な位相関係値を与えるためである。一意的な位相関係値は、ＰＡＴ１の構成から得られる周期的信号のそれぞれの周期を区別すること、アブソリュートレンジでの個々の位置を一意的に示し、かつ、更に高精度のアブソリュート位置測定を実現するために既知の方法（例えば、正弦波直交信号補間法を含む）によって個々の信号周期を補間することを可能とする。

【0020】

より一般的には、変形例（例えば、図６Ｃ、６Ｄ、６Ｇについて説明するように）においては、第２のレイヤの第２の空間変調パターンは、変化（線形又は非線形の変化）していてもよい。当該変化により、アブソリュートレンジでの位置に対応する、第１の位置信号成分と関連した複数の一意的な値（例えば、一意的な信号振幅又は一意的な第２の位置信号関係値）をもたらす信号特性を有する、第２の位置信号成分が与えられる。

【0021】

種々の実施例においては、スケール１７０は、レイヤが概念的に「積み重ねられ」るように、導電性バルク材料（例えば、アルミニウム、鉄、銅など）で形成されてもよい。また、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１及び第２の信号レイヤＳＩＧＬ２（及び、レイヤＩＳＯＬ）は、同じ又は異なるプロセスを用いて別個に（例えば、プリント回路基板のパターンレイヤとして）形成され、積み重ねられるなどして作製されてもよい。

【0022】

図３は、図２のスケール１７０の一実施の形態の断面の概略側面図であり、検出部１６７の一実施の形態に含まれる、模式的に図示された検出部ＳＮ１〜ＳＮ３の動作及び機構を示す。種々の実施例において、検出部ＳＮ１〜ＳＮ３、すなわち”ＳＮＸ”（Ｘ＝１〜３）は、それぞれ単一の検出部ＳＮＸ’（Ｘ＝１〜３）を有してもよく、又は、それぞれ差動ペア検出部ＳＮＸ’／ＳＮＸ−Ｄ（Ｘ＝１〜３）を有してもよい（例えば、以下で図４を参照して説明する）。いずれの場合においても、検出部は、その構成に対応した、模式的に示される出力信号ＳＥＮＸ（Ｘ＝１〜３）を提供する。

【0023】

一般的に言えば、動作時には、信号処理／制御回路１６６と検出部１６７とは、第１及び第２のレイヤの第１及び第２の空間変調パターンによって変調され得る少なくとも１つのスケール検出場を生成するように構成される。かつ、信号処理／制御回路１６６と検出部１６７とは、第１及び第２の回路構成の使用（例えば、第１及び第２の回路及び／又は動作構成、及び／又は信号処理／制御回路１６６に含まれる信号処理ルーティン）に基づいて第１及び第２の位置信号成分を与えるように構成され、少なくとも１つのスケール検出場での第１の小信号検出深さと第２の小信号検出深さを提供する。

【0024】

図３では、場ＦＩＥＬＤＣ１又はＦＩＥＬＤＣ１’は、第１の小信号検出深さをもたらす場又は場の成分を模式的に示している。第１のレイヤＳＩＧＬ１は、深さ方向において、第２のレイヤＳＩＧＬ２よりもリードヘッド及び／又は検出部１６７に近いので、第１のレイヤＳＩＧＬ１の第１の空間変調パターンＰＡＴ１は、場ＦＩＥＬＤＣ１又はＦＩＥＬＤＣ１’に対応する第１の回路構成を用いて検出される支配的な位置信号成分をもたらす。第２のレイヤＳＩＧＬ２は、第１の回路構成を用いて検出される信号において、少ない又は僅かな第２の位置信号成分を提供できるように、場ＦＩＥＬＤＣ１又はＦＩＥＬＤＣ１’の検出レンジ上に部分的又は全体的に広がるように設計されてもよい。場ＦＩＥＬＤＣ２は、第２の回路構成を用いることで得られる第２の小信号検出深さをもたらす場又は場の成分を模式的に示し、少なくとも第２のレイヤＳＩＧＬ２の一部を含む。この場合、第２のレイヤＳＩＧＬ２の第２の空間変調パターンＰＡＴ２は、第２の回路構成を用いて検出される、大きな第２の位置信号成分をもたらす。

【0025】

種々の実施例においては、第１の回路構成は、場又は場の成分ＦＩＥＬＤＣ１又はＦＩＥＬＤＣ１’が第１レイヤＳＩＧＬ１を超える深さまで達しないように、又は、最大でも分離レイヤＩＳＯＬを超えないように設計される。このような場合、第１の空間変調パターンＰＡＴ１の信号効果は、第１の回路構成を用いて検出される第１の位置信号成分によって正確に表され、リードヘッドの位置はＰＡＴ１（少なくとも、ＰＡＴ１の局所的周期以内にて）に対して比較的正確に表され得る。更に、既述したように、ＰＡＴ１の信号の寄与は、第１の回路構成を用いることで、スケールに対するリードヘッドの何れの特定位置においても、正確に分離される。その結果、第２の回路構成の使用により得られる第２の小信号検出深さを用いて決定される信号へのＰＡＴ１の寄与を、信号処理／制御回路１６６が予測及び／又は補償できるようにする情報が（例えば、以前の分析及び／又はキャルブレーションに基づいて）与えられる。よって、リードヘッドの位置がＰＡＴ２に対して比較的正確に表されるように、及び／又は、第１の位置信号成分に対する複数の一意的な値をもたらす第２の位置信号成分の信号の特性又は関係がアブソリュートレンジにおいて正確に決定できるように、信号処理／制御回路１６６は、第２の空間変調パターンＰＡＴ２に起因する所望の第２の位置信号成分を実質的に分離し得る。

【0026】

変形例においては、上記に代えて又は上述の予測及び補償に加えて、分離レイヤＩＳＯＬは、場ＦＩＥＬＤＣ２と第２の回路構成を用いる場合に、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１の第１の空間変調の効果を無効化するための第３の空間変調（図２又は３では不図示）を有するように、形成されてもよい。例えば、分離レイヤＩＳＯＬは、図６Ｆについて以下で説明するように、補完パターン機構（例えば、ＰＡＴ１と逆の空間位相の）を有してもよい。

【0027】

種々の実施の形態においては、上記の効果及び動作は、以下で説明する種々の構成により達成されてもよい。リードヘッドは、少なくとも、変化する場であるスケール検出場を提供する。第１の回路構成は、スケール検出場の高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する。第２の回路構成は、スケール検出場の低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する。種々の実施例においては、第１及び第２の回路構成は、ａ）及びｂ）の少なくとも１つに応じて動作してもよい。ａ）では、第１の回路構成が第１の時間における高周波側の時間周波数又は周波数レンジでの第１のスケール検出場を提供し、第２の回路構成が第２の時間における低周波側の時間周波数又は周波数レンジでの第２のスケール検出場を提供し、リードヘッドが第１の時間における第１の位置信号成分及び第２の時間における第２の位置信号成分を検出する。また、ｂ）では、第１の回路構成が、高周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する高周波側の制限又はフィルタリングされた周波数レンジを用いて、少なくとも１つのスケール検出場の変調を検出し、第２の回路構成が低周波側の時間周波数又は周波数レンジに対応する低周波側の制限又はフィルタリングされた周波数レンジを用いて、少なくとも１つのスケール検出場の変調を検出する。検出時において、上述の「ａ」動作は、スケール検出場の「入力」又は「送信」の間にスケール検出場に含まれる周波数の制限又はフィルタリングに対応するものである。上述の「ｂ」動作は、スケール検出場の「出力」又は「受信」の間にスケール検出場で検出される周波数の制限又はフィルタリングに対応するものである。このような制限又はフィルタリングを適用する方法は既知であり、かつ、いくつかの実施の形態においては別々に又は組み合わせて行われてもよい。いくつかの実施の形態においては、第１及び第２の回路構成は、ｂ）に応じて動作し、リードヘッドは高周波側及び低周波側の時間周波数又は周波数レンジを両方とも同時に有する、変化するスケール検出場を生成するように構成される。

【0028】

当然のことながら、表皮深さ効果は、本明細書で開示される原理に応じて動作する設計において、利用及び使用され得る。表皮深さδは、以下の通りに近似される。

【数1】

上式において、ρは材料の抵抗率、ｆは動作周波数（例えば、時間周波数又は上述の周波数）、μ_ｒは材料の比透磁率、μ_０は真空の透磁率である。

【0029】

これにより、種々の実施例では、第１の回路構成は場又は場の成分ＦＩＥＬＤＣ１が第１のレイヤＳＩＧＬ１を超えた位置で大きくならないように設けられる。このような一実施の形態においては、第１のレイヤは、第１の表皮深さの少なくとも１倍、又は２倍以上の、深さ方向の厚みＴ１を有する。なお、第１の表皮深さは、第１の空間変調パターンＰＡＴ１を形成する材料と、第１の回路構成に対応する高周波側の時間周波数又は周波数レンジと、に基づいて決定される。分離レイヤＩＳＯＬは、第１の回路構成を用いる場合に、（もし、望むならば）第２の信号レイヤＳＩＧＬ２のＰＡＴ２の信号変調効果を遮断するためのマージンを与えるように用いられてもよい。このような一実施の形態では、分離レイヤは均一なレイヤを形成する材料からなり、深さ方向の分離レイヤの厚みＴｉｓｏに加算される第１のレイヤの厚みＴ１は、少なくとも第１の表皮深さの１倍、又は２倍以上である。なお、第１の表皮深さは、均一なレイヤを形成する材料と、第１の回路構成に対応する高周波側の時間周波数又は周波数レンジと、に基づいて決定される。

【0030】

もちろん、上述の原理によれば、場又は場の成分ＦＩＥＬＤＣ２が第１のレイヤＳＩＧＬ１及び／又は分離レイヤＩＳＯＬを超える深さで大きくなるように、かつ、場又は場の成分ＦＩＥＬＤＣ２が少なくとも第２のレイヤＳＩＧＬ２の空間変調領域を含むように、第２の回路構成が構成されなければならない。このような場合、第１のレイヤＳＩＧＬ１及び／又は分離レイヤＩＳＯＬは、第２の回路構成と関連した表皮深さを超えることはできない。このような一実施の形態では、第１のレイヤは、多くとも第２表皮深さの０．５倍、又は０．３倍以下の、深さ方向の厚みＴ１を有する。なお、第２の表皮深さは、第１の空間変調パターンＰＡＴ１を形成する材料と、第２の回路構成に対応する低周波側の時間周波数又は周波数レンジと、に基づいて決定される。もし、分離レイヤＩＳＯＬを用いる場合、このような一実施の形態では、深さ方向の分離レイヤの厚みＴｉｓｏに加算される第１のレイヤの厚みＴ１は、多くとも第２の表皮深さ０．５倍、又は０．３倍以下である。一部の実施の形態では、第２の回路構成の使用により得られる信号への第１の空間変調パターンの影響が、第２の空間変調パターンの影響と比べて低減されるように、第２のレイヤの第２の空間変調パターンを形成する材料の深さ方向の厚みＴ２は、第１のレイヤの第１の空間変調パターンを形成する材料の深さ方向の厚みＴ１の、少なくとも２倍、又は３倍以上となる。

【0031】

種々の実施の形態においては、レイヤＳＩＧＬ１、ＩＳＯＬ及びＳＩＧＬ２の材料は、導電性及び／又は高透磁率の材料であってもよい。種々の実施例では、リードヘッド１６４は空間変調パターンにより生じるインダクタンス及び／又はインピーダンスの変動に起因する信号の変動を検出してもよい。ある実施例においては、もしスケール材料が低透磁率かつ導電性である場合には、渦電流が信号の変化の主たる原因となる。一方、スケール材料が高透磁率である場合には、磁気回路効果が信号の変化の主たる原因となる。

【0032】

当然のことながら、Ｚ方向に配置又は積み重ねられたレイヤを有するスケールは、スケールトラックを横に並べて同等のスケールを構成するのに比べて、幅の狭いスケールを実現できる点で有利である。更に、他の製造オプションを適用してもよい。

【0033】

種々の実施の形態では、測定サイクルのあらゆる時点において、様々な検出部ＳＮＸの１つ又は全部は、本明細書に開示される原理に基づいて明示される所望の信号処理スキームに応じて、上述の第１及び／又は第２の回路構成を用いて信号を与え得る。図３に示す実施の形態においては、検出部ＳＮ１及びＳＮ２は、Ｄ１＝５／４Ｐの測定軸に沿った間隔を有する。かつ、検出部ＳＮ１及びＳＮ２は、第１の回路構成を用いて動作することで、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１の波長Ｐに対応する直交信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２を与えてもよい。直交信号ＳＥＮ１及びＳＥＮ２は、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１の要素又は周期に対するリードヘッドの変位及び／又は位置を決定するために、既知の方法によって処理されてもよい。同様に、検出部ＳＮ２及びＳＮ３は、Ｄ２＝５／４Ｐ’の間隙を有し、第２の回路構成を用いて動作することで、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２の波長Ｐ’に対応する直交信号ＳＥＮ２及びＳＥＮ３を与えてもよい。直交信号ＳＥＮ２及びＳＥＮ３は、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２の要素又は周期に対するリードヘッドの変位及び／又は位置を決定するために、既知の方法によって処理されてもよい。上述したように、第１及び第２の回路構成を用いて決定された信号間の位相差は、約（Ｐ×Ｐ’）／｜Ｐ’−Ｐ｜のアブソリュートレンジ上でのアブソリュート位置測定を得るために処理された信号である位相差であってもよい。

【0034】

図４は、図３又は本開示の範囲内の他の様々な実施の形態において示される、１以上の検出部ＳＮＸ（Ｘ＝１〜３）として利用できる、検出部ＳＮＸの一実施の形態を示す部分等角配線図である。わかりやすくするため、図４では、単一の差動検出部ＳＮＸのみを示している。検出部ＳＮＸは、信号処理／制御回路１６６に制御される駆動端子ＤＲＶとグランド端子ＧＮＤとに接続される励磁巻線４３０Ａ及び４３０Ｂ（場の極性が逆の）を有する。また、検出部ＳＮＸは、グランド端子と接続され、端子ＳＬ１及びＳＬ２を介して信号処理／制御回路１６６に接続される位置信号成分ＳＥＮＸ’及びＳＥＮＸ−Ｄ’をそれぞれ出力する、第１及び第２の信号巻線４１０Ａ及び４１０Ｂ（一括して４１０）を有する。ある実施例においては、種々の巻線は、プリント回路基板（例えば、図１のプリント回路基板１６２）の１以上の金属レイヤに作製されてもよい。種々の実施例においては、Ｙ方向の位置ずれに対する感度を低減するため、スケール部１７０の幅（Ｙ寸法）は検出部ＳＮＸの幅よりも大きくてもよい。スケール要素（例えば、ＰＸ及び／又はＲＸ）の長さ（Ｘ方向の寸法）は、生じる信号（例えば、位置信号成分ＳＥＮＸ’及びＳＥＮＸ−Ｄ’の間の差によって決定される等）を最大化するため、４１０Ａ（又は４１０Ｂ）とほぼ同じ（例えば、検出部ＳＮＸのトータルの長さの半分）にしてもよい。

【0035】

検出部ＳＮＸの電気的接続と動作及びスケール部１７０の一実施の形態は、図５Ａに模式的に示され、かつ、図４及び５Ａを参照して以下で説明される。

【0036】

第１の回路構成を用いて動作する場合（例えば、第１の周波数、又は、高周波側のより高い駆動周波数、及び／又は、信号フィルタリング周波数）において、第１のレイヤＳＩＧＬ１の切欠き領域Ｒ１〜Ｒ３の１つが信号巻線４１０Ａ（または、４１０Ｂ）の直下となるように検出部ＳＮＸが移動したときは、励磁巻線４３０Ａ（または、４３０Ｂ）と信号巻線４１０Ａ（または、４１０Ｂ）との間の結合は、導電性及び／又は透磁性の材料の不存在又は離隔による影響をそれほど受けず、位置信号成分ＳＥＮＸ’（または、ＳＥＮＸ−Ｄ’）は対応する第１の極性値を有する。反対に、第１のレイヤＳＩＧＬ１のプレート領域Ｐ１〜Ｐ３の１つが信号巻線４１０Ａ（または４１０Ｂ）の直下となるように検出部が移動する場合、励磁巻線４３０Ａ（または、４３０Ｂ）と信号巻線４１０Ａ（または、４１０Ｂ）との間の結合は、導電性及び／又は透磁性の材料の接近による影響を大きく受け（例えば、透磁率により増強されるか、あるいは、渦電流効果により低減される）、位置信号成分ＳＥＮＸ’（または、ＳＥＮＸ−Ｄ’）は対応する第２の極性値を有する。したがって、位置信号成分ＳＥＮＸ’及びＳＥＮＸ−Ｄ’の差は、スケール部１７０の第１の信号レイヤＳＩＧＬ１のパターンの、検出部ＳＮＸに対する位置を決定するのに利用されてもよい（少なくとも１波長以内）。差動信号は、あるコモンモードエラーの除去により、線形性及び堅牢性の改善のために与えられてもよい。先に述べたように、第２の回路構成を用いて動作する場合（例えば、第２の周波数、又は、低周波側の駆動周波数、及び／又は、信号フィルタリング周波数）において、検出部ＳＮＸに関する場は、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２を貫通してもよいし、スケール部１７０の第２の信号レイヤＳＩＧＬ２のパターンの検出部ＳＮＸに対する位置を決定するのに利用できる信号成分を与えてよい（少なくとも１波長以内）。

【0037】

種々の実施例においては、励磁巻線４３０は、選択された波形（正弦波、パルス共鳴回路による疑似正弦波、又は、「矩形波」パルスなど）で（例えば、ノードＮ３の励磁信号ＤＲＶによって）駆動されてもよい。検出部と協働する第１及び第２の回路構成（それぞれ信号処理回路及び／又はルーティンを有する）を用いるための種々の原理、及び、図４及び５Ａに示す接続関係は、本明細書に開示され、かつ、当業者が本開示に基づいて実施し得る。

【0038】

図４及び５Ａに示す実施例が、分離信号をもたらす第１及び第２の信号巻線４１０Ａ及び４１０Ｂを示している一方で、当然のことながら、変形例においては、これらの巻線は単一の出力を有する単一のコイルとして接続され、又は、更なる信号を供給するため、Ｘ方向に適切な間隔にて複製されるなどしてもよい。更に、他の実施の形態においては、 他の検出素子（例えば、ホールセンサ）を巻線４１０の代わりに用いてもよい。故に、説明した実施の形態は例示に過ぎず、これに限定されるものではない。

【0039】

図５Ｂは、検出部ＳＮＸ’及びスケール部１７０の電気的接続及び動作の一実施の形態を示す模式図である。ここでは、単一の巻線又は検出部が励磁部及び信号部の両方の機能を発揮できるように、リードヘッド１６４’の回路構成が用いられる。種々の実施例においては、リードヘッドは、このような回路及び検出部を１以上有してもよい。ここでは、図及び説明を簡略化するため、検出部ＳＮＸ’に近接する単一のスケール要素ＰＸ（あるいは、ＲＸ、又は、ＰＸ’もしくはＲＸ’に対応する信号生成機構）のみを表示している。図５Ｂに示すように、検出部ＳＮＸ’及び対象スケール領域「ＰＸ」は、例えば 「Lefebvre, C. Mandache and J. Letarte, “Pulsed eddy current empirical modeling”, Advances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials, Quebec City, Canada, 2006」に示されるように、２パート回路としてモデル化することができる。 この文献で記載されるように、渦電流センサのインピーダンスに影響する、いくつかのキーとなる変数が存在する。その変数とは、センサコイル（例えばＳＮＸ’）の寸法及び構成、センサの動作周波数、対象スケール要素ＰＸの伝導度及び透磁率、対象スケール要素ＰＸの不規則性、対象スケール要素ＰＸに対するセンサのギャップ及び配置である。

【0040】

図５Ｂに示す回路は、励磁部と信号部とを有し、リードヘッド１６４’の検出部ＳＮＸ’が回路の左側（すなわち、信号部）に含まれる。この回路は、等価インダクタンスＬｓ、抵抗Ｒｓを有し、電圧源Ｖ（ｔ）により駆動される。右側のスケール要素「ＰＸ」は、実効インダクタンスＬｔ及び抵抗Ｒｔを有し、検出部ＳＮＸ’との間で相互インダクタンスＭを生じる。スケール要素「ＰＸ」にかかるこれらの実効インダクタンスの値は、σ、μ、ωとシステム構成に依存する。２つの回路の結合は、センサ−ターゲットの近接度（例えば、ギャップとリードヘッド１６４’に対する「ＰＸ」のＸ軸方向での位置）に依存し、かつ、相互インダクタンスＭが反映される。相互インダクタンスＭは、以下の式で表される。

【数2】

値ｋは、以下の式で表される。

【数3】

値ｋは、ギャップが減少するにつれて増加する。スケール要素「ＰＸ」との位置依存性の結合に起因する検出部ＳＮＸ’の信号及び／又は複素インピーダンスの変化は、スケール要素「ＰＸ」及び対応するスケール部１７０に対する検出部ＳＮＸ’の位置を決定するために用い得る、スケール要素「ＰＸ」に対応した位置信号成分を与え得る。

【0041】

図６Ａ〜６Ｇは、スケール６７０Ａ〜６７０Ｇ及び／又は構成レイヤの空間変調パターン、検出部１６７の典型例、これに対応する信号成分の種々の実施の形態の部分模式図である。レイヤ間にギャップを設けて図示しているが、当然のことながら、レイヤ同士はなんらのギャップもなく隣接している。図６Ａに、スケール部６７０Ａの垂直断面図（Ｙ軸に沿った断面）を示す。スケール部６７０Ａは、図２〜４のスケール部１７０と同様であり、その構造及び動作は記述した事項に基づいて理解され得る。第１及び第２の信号レイヤＳＩＧＬ１Ａ及びＳＩＧＬ２Ａは、分離レイヤＩＳＯＬＡ（例えば、レイヤ間のシールドとして振る舞う）によって隔てられている。分離レイヤＩＳＯＬＡは、図６Ｂ〜６Ｆに関して以下で詳述するように、第３の空間変調パターンを含む分離レイヤを形成するための成形又はパターニングされた材料と比較して、全体的に幅及び厚みが一定の矩形及び／又は均一なレイヤを形成する材料からなる。位置信号成分６８０Ａについて検討すると、検出部１６７が第１の回路構成（例えば、「第１の回路構成」ラベルで示されるように）によって動作する場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ａに対応する第１の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ａ}は、対応する（例えば、直交信号を供給するための）空間位相及びオフセットを有する個々の検出部１６７により与えられ得る。検出部１６７が第２の回路構成（例えば、「第２の回路構成」ラベルで示されるように）によって動作する場合、第２のスケールパターンＰＡＴ２Ａに対応する第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}は、対応する空間位相及びオフセットを有する個々の検出部１６７により与えられ得る。既に説明したように、第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ａ}は、第２の回路構成を用いる場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ａの影響から第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ａ}を分離する信号処理を必要としてもよい。信号成分は、空間的な周期性変動（例えば、第１及び第２のスケールパターンＰＡＴ１Ａ及びＰＡＴ２Ａにおいて、切欠き部と交互に配置される導電性プレート領域に起因するもの）を呈する。より具体的には、種々の実施例においては、位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ａ}及びＳ_{ＳＩＧＬ２Ａ}は、それぞれリードヘッド１６４の信号処理／制御部からの出力の典型例である。信号の種々の特性及び関連するアブソリュート位置の決定ついては、既に説明した。

【0042】

図６Ｂにおいては、スケール部６７０Ｂの垂直断面図はスケール部６７０Ａと同様であり、その構造及び動作は、分離レイヤＩＳＯＬＢとその信号の効果を除いて、既述の説明に基づいて理解され得る。分離レイヤＩＳＯＬＢは、図６Ｂの下部におけるレイヤの平面図に示すように、大よそテーパ状の幅と一定の厚みを有する第３の空間変調パターンを形成した材料からなる。検出部１６７が第１の回路構成（例えば、「第１の回路構成」ラベルで示されるように）によって動作する場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｂに対応する第１の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｂ}は、対応する（例えば、直交信号を供給するための）空間位相及びオフセットを有する個々の検出部１６７によりもたらされ得る。検出部１６７が第２の回路構成（例えば、「第２の回路構成」ラベルで示されるように）によって動作する場合、分離レイヤパターンＰＡＴ３Ｂ及びパターンＰＡＴ２Ｂは、双方ともに、信号の効果をもたらし得る。また、対応する第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}は、対応する空間位相及びオフセットを有する個々の検出部１６７によりもたらされ得る。すなわち、分離レイヤの第３の空間変調パターンは、第２のレイヤの第２の空間変調パターンと共に動作するように構成され、第２の回路構成を用いて検出される第２の位置信号成分において、第２及び第３の空間変調パターンの複合変調効果をもたらす。これにより、位置信号成分６８０Ｂは、分離レイヤＩＳＯＬＢの第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂによる影響に対応する第３の位置信号の効果Ｅ_{ＩＳＯＬＢ}の影響を含めて、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｂの第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｂに対応する第１の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｂ}、及び、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｂの第２のスケールパターンＰＡＴ２Ｂに対応する第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}を示す。説明のため、位置信号成分６８０Ｂの左端部分において、コントラスト／信号振幅が小さく、かつ、ＤＣレベルが高くなるように、第２位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}の正弦波状の変動が示されている。これは、当該位置において、第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂの幅が広い方の端部の影響が、大きなシールディング及び／又は信号の効果を第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｂに与えることによるものである。位置信号成分６８０Ｂの右端部分において、コントラスト／信号振幅が大きく、かつ、ＤＣレベルが低くなるように、第２位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}の正弦波状の変動が示されている。これは、当該位置において、第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂの幅が狭い方の端部の影響が、小さなシールディング及び／又は信号の効果を第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｂに与えることによるものである。当然のことながら、信号の効果Ｅ_{ＩＳＯＬＢ}は説明のために図示したものであり、信号として分離される必要はない。更に、既に説明したように、第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}は、第２の回路構成を用いる場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ａの影響から第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}を分離する信号処理を必要としてもよい。

【0043】

一実施例においては、様々な位置における分離レイヤＩＳＯＬＢの第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂにより生じる信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}における信号の差は、スケール部６７０Ｂの粗いアブソリュートレンジを示すために解析されてもよい。一方、信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｂ}とＳ_{ＳＩＧＬ２Ｂ}との間の長波長うなりの周波数は、中程度のアブソリュートレンジ（例えば、特定の波長Ｐを認識する精度）を示すために利用されてもよく、第１の信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｂ}は、高解像及び正確性のための特定の波長以内のインクリメンタル位置を示すのに利用されてもよい。種々の実施例においては、第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｂは、成形された導電体として形成されてもよく、例えばプリント基板回路上に形成され、又は、材料シートにおいてより厚くなっている一段高い部分として打ち抜かれ、エッチングされ若しくは形成されるなどしてもよい。

【0044】

図６Ｆでは、スケール部６７０Ｆの垂直断面図はスケール部６７０Ｂと類似しており、その構造及び動作は、分離レイヤＩＳＯＬＦの設計とその信号の効果を除いて、既述の説明に基づいて理解され得る。特に、スケール部６７０Ｆは、第２の回路構成を用いる場合に第１の空間変調パターンの変調効果を少なくとも部分的に無効化し、よって第２の回路構成を用いる場合に第１の位置信号成分を少なくとも部分的に無効化するために、第１のレイヤの第１の空間変調パターンと関連するように分離レイヤの第３の空間変調パターンが構成される一例を提供する。この具体的な実施の形態では、分離レイヤＩＳＯＬＦは、大よそ第１と第３の空間変調パターンが補完し合うように、第３の空間変調パターンを形成した材料からなり、第１及び第３の空間変調パターンを形成する材料の深さ方向に沿った複合厚みがリードヘッドと第２のレイヤとの間で名目的に一定となる。いくつかの実施の形態においては、第１及び第３のレイヤは、同じ材料で形成される。種々の実施の形態では、第１及び第３のレイヤの補完パターンは、第３のレイヤのパターンを第１のレイヤのパターンの写真のネガのようなものとして思い描けるような、「幅補完」であってもよい。本実施の形態においては、パターンは「厚み補完」である。すなわち、垂直断面図に示すように、第１の空間変調パターンは周期的かつ波長Ｐを有する厚みパターンである。第３の空間変調パターンは周期的かつ波長Ｐを有する厚みパターンである。第１及び第３の空間変調パターンは、空間位相にして約１８０°だけ、測定軸に沿って互いにシフトしている。

【0045】

検出部１６７が第１の回路構成により動作する場合には、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｆに対応する第１の信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｆ}が与えられ得る。検出部１６７が第２の回路構成により動作する場合には、分離レイヤパターンＰＡＴ３Ｆ及びパターンＰＡＴ２Ｆは、双方ともに、信号の効果をもたらす。位置信号成分６８０Ｆは、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｆの第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｆに対応する第１の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｆ}と、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｆの第２のスケールパターンＰＡＴ２Ｆに対応する第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｆ}と、を示す。分離レイヤＩＳＯＬＦの第３のスケールパターンＰＡＴ３Ｆの影響又は効果により、第２の回路構成を用いて得られる信号でのＰＡＴ１Ｆの影響を効果的に無効化できる。すなわち、ＰＡＴ２Ｆの効果を分離して第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｆ}を与える信号処理の必要がない。ＰＡＴ２Ｆの効果の分離はＰＡＴ３Ｆにより与えられる。繰り返すが、第１及び第３の空間変調パターンは厚み補完を形成するので、第１及び第３の空間変調パターンは、両パターンレイヤを実際に貫通する場による互いの空間変調効果を効果的に相殺する。

【0046】

図６Ｃに、スケール部６７０Ａ及びＢのあるレイヤと同じように動作するレイヤを示す、スケール部６７０Ｃの垂直断面図を示す。本構造及び動作においては、上述の説明に基づいて理解することが可能であり、かつ、以下の更なる説明と組み合わせてもよい。第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｃと、これに関連する第１の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｃ}（位置信号成分６８０Ｃ中で示されている）とは、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ａと、これに関連する第１の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ａ}と同様又は同一である。第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｃと、これに関連する第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｃ}とは、図６Ｂを参照して説明した分離レイヤＩＳＯＬＢと、これに関連する信号の効果Ｅ_{ＩＳＯＬＢ}と同様又は同一である。すなわち、これは、大よそテーパ状の幅と一定の厚みを有する第２の空間変調パターンを形成する材料からなる。検出部１６７が第１の回路構成により動作する場合、第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｃに対応する第１の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｃ}が与えられる。検出部１６７が第２の回路構成により動作する場合、パターンＰＡＴ２Ｃ（図６ＢのＰＡＴ３Ｂと同様の）は、第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｃ}を与える。第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｃ}は、既に説明したように、第２の回路構成を用いる場合に第１のスケールパターンＰＡＴ１Ａの効果を分離するための信号処理を必要とする。分離レイヤＩＳＯＬＣは、もし存在する場合には、全体的に幅及び厚みが一定の矩形及び／又は均一なレイヤを形成する材料からなる。

【0047】

図６Ｅは、パターンＰＡＴ２Ｅの第２の空間変調パターンが幅変調ではなく厚み変調を含むことを除き、スケール部６７０Ｃのレイヤと同様に形成され、かつ動作し得るレイヤを示す、スケール部６７０Ｅの垂直断面図として理解できる。すなわち、これは、大よそ厚みがテーパ状で幅が一定の第２の空間変調パターンを形成する材料からなる。レイヤの一端の厚い材料は、レイヤの薄い一端と比べて、例えば全レイヤを貫通する場に対して、より大きな渦電流効果をもたらす。検出部１６７が第１の回路構成により動作する場合、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｅ及び第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｅに対応する第１の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ１Ｅ}（位置信号成分６８０Ｅ中で示されている）が与えられる。検出部１６７が第２の回路構成により動作する場合、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｅと第１のスケールパターンＰＡＴ２Ｅとは、第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｅ}を与える。第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｅ}は、既に説明したように、第２の回路構成を用いる場合に第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｅの効果を分離するための信号処理を必要とする。分離レイヤＩＳＯＬＥは、もし存在する場合には、全体的に幅及び厚みが一定の矩形及び／又は均一なレイヤを形成する材料からなる。これは自由に選択可能なものとして考えることができ、第１及び第２のレイヤの一体化部として考えることもできる。

【0048】

図６Ｄは、第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｄの第２の空間変調パターンとパターンＰＡＴ２Ｄとが切欠き又は薄いスケール要素に沿った厚みテーパと同様の厚み変調を含むことを除き、スケール部６７０Ａのレイヤと同様に形成され、かつ動作し得るレイヤを示す、スケール部６７０Ｄの垂直断面図として理解できる。すなわち、これは、切欠きタイプのスケール要素において、大よそテーパ状の厚みと一定の幅を有する第２の空間変調パターンを形成する材料からなる。このような構成は、上記で本明細書に組み込んだ’２６６特許出願でより詳細に説明されている。レイヤの一端の薄い切欠きは、切欠きの深さが最大となる位置（高い信号コントラスト又は振幅が与えられる位置）でのレイヤの端部と比べて、隣接するプレートタイプの要素（低い信号コントラスト又は振幅が与えられる位置）に近似した信号を与える。本実施の形態では、第２の位置信号成分Ｓ_{ＳＩＧＬ２Ｄ}（位置信号成分６８０Ｄ中で示されている）は、既に説明したように、第２の回路構成を用いる場合に第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｄ及び第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｄの効果を分離するための信号処理を必要とする。分離レイヤＩＳＯＬＤは、もし存在する場合には、全体的に幅及び厚みが一定の矩形及び／又は均一なレイヤを形成する材料からなる。これは自由に選択可能なものとして考えることができ、第１及び第２のレイヤの一体化部として考えることもできる。

【0049】

図６Ｇは、本名明細書で説明するアブソリュート位置信号原理を充たすため、リードヘッドの構成変形例が対応する第２のスケール変調パターンと関連して用いられる一実施の形態を示す。スケール部６７０Ｇでは、第１の信号レイヤＳＩＧＬ１Ｇと、これに対応する第１のスケールパターンＰＡＴ１Ｇ（すなわち、Ｘ及びＺ軸に対する断面において示されている）とは、スケール６７０Ａと同様である。第２の信号レイヤＳＩＧＬ２Ｇは、第２のスケールパターンＰＡＴ２Ｇに対応するものであり（すなわち、破線図で示したパターンＰＡＴ１Ｇの部分平面図と共に、図６Ｇ下部の平面図として示されている）、２つの正弦波状形状の領域のトラックを含む。この２つのトラックは、Ｘ方向でそれぞれ異なる長さ又は「周期」（例えば、Ｐｃ１、Ｐｃ３など）を有する。既述した積層スケールレイヤと同様に、第１の信号レイヤは第２の信号レイヤの上に積み重ねられている。ＰＡＴ２Ｇの２つのトラックを載置及び／又は並べることで、検出部ａ−ｈ（例えば、上述のように、検出部ＳＮＸと同様の各構成）を構成する部材検出部セットＳＮＱ１及びＳＮＱ２を構成する。部材検出部（部材ａと部材ｈ）間の間隔は固定され、正弦波状部の異なる長さ（例えばＰｃ１）は異なる位相関係を有する信号を与える。この信号は、どの正弦波状部を検出しているかを認識するために用いることができる。ＰＡＴ２Ｇの２つのトラックは、アブソリュートレンジを拡張し、及び／又は、潜在的な信号の曖昧さを解消するという関係を有する。このため、種々の検出部（検出部ａ−ｈの一部又は全部）は、第１の回路構成を用いることで、ＰＡＴ１Ｇに対応する第１の位置信号成分を与えるように動作できる。種々の検出部（検出部ａ−ｈの一部又は全部）は、第２の回路構成を用いることで、ＰＡＴ２Ｇに対応する第２の位置信号成分を与えるように動作できる。第２の位置信号成分は、アブソリュートレンジで対応する位置において、第１の位置信号成分に関連する複数の一意的な値を与える信号特性を有する。

【0050】

図７は、本明細書で開示した原理にかかる、積層構造中のレイヤを有するスケール部を含む位置検出装置を運転するためのルーティン７００の一実施の形態を示すフロー図である。図７に示すように、ブロック７１０では、位置検出装置（例えば、手持ち式ノギス）は、第１のレイヤの第１の空間変調が、スケール検出場のパラメータが第１の値（例えば、第１の時間周波数）である場合に比較的大きくなり、スケール検出場のパラメータが第２の値（例えば、第１の時間周波数よりも小さい第２の時間周波数）である場合に比較的小さくなる第１の位置信号成分を与えるスケール検出場を空間変調するように動作する。ブロック７２０では、位置検出装置は、第２のレイヤの第２の空間変調が、スケール検出場のパラメータが第２の値（例えば、第２の時間周波数）である場合に比較的大きくなり、スケール検出場のパラメータが第１の値（例えば、第１の時間周波数）である場合に比較的小さくなる第２の位置信号成分を与えるスケール検出場を空間変調するように動作する。ブロック７３０では、第２の位置信号成分の信号特性が、アブソリュートレンジでの対応する位置における一意的な位置の値を決定するために（第１の位置信号成分と独立して、又は、組み合されて）利用される。

【0051】

上述の種々の成分は、当然のことながら、当業者は本明細書での開示に基づいて、上記とは異なる配置としてもよいし、異なる形態及び組み合わせとしてもよい。例えば、開示したスケールパターンは、これに代えて、ロータリーエンコーダを形成するために、円形の測定軸に追随する湾曲した構成としてもよい。他の例としては、上述のスケールパターンは切欠き領域を有していたが、他の種類のプレート除去機構を用いてもよい（例えば、非導電性領域）。一般に、プレート除去機構は、変化しうる特性として、非導電性領域の大きさ、切欠きの領域の大きさ、切欠き領域の切欠き深さなどを有していてもよい。プレート部は、変化しうる特性として、プレート領域の大きさ、プレート高さなどを有していてもよい。

【0052】

他の例としては、アブソリュート信号レンジ認識部（又は、これに代えて、独立型のスケールパターン）用の２値コード素子は、他のスケール素子のような同様の技術を用いて形成されてもよく、複数のリードヘッドセンサがこのようなコードを読みとるために用いられてもよい。他の例としては、プレート領域又は切欠き領域の深さの更なる変化を、より高次のコード（例えば。３以上の変化）を実装するために用いてもよい。

【0053】

上述の種々の実施の形態は、更なる実施の形態を提供するために組み合わせることができる。この明細書において参照される全ての米国特許及び米国特許出願は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。例えば、例示したリードヘッド１６４と付随する検出部及び回路については、当然のことながら、上記において組み込んだ参照特許’４９４及び’３８９で開示される他のリードヘッド、回路及び信号処理を本明細書において開示される種々のスケール構成と協働するように適用することができる。本明細書において開示したリードヘッド、回路及び信号処理は、例示に過ぎず、これに限られない。

【0054】

一般に、以下の特許請求の範囲では、使用される用語は、特許請求の範囲及び明細書に開示された特定の実施の形態に特許請求の範囲を制限するものとして解釈されるべきではなく、そのようなクレームの権利範囲と等価な全範囲にわたってとりうるすべての実施の形態を包含するものとして解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】

【図6G】

【図7】

【外国語明細書】

Title of Invention: ABSOLUTE POSITION ENCODER SCALE HAVING LAYERS IN A STACKED CONFIGURATION

Technical Field
[0001]
The invention relates to precision measurement instruments, and to absolute position encoder scales that may be utilized in handheld instruments such as calipers.

Background Art
[0002]
Various optical, capacitive, magnetic and inductive transducers, and movement or position transducers are available. These transducers use various geometric configurations of a transmitter and a receiver in a read head to measure movement between the read head and a scale. Magnetic and inductive transducers are relatively robust to contamination, but not perfectly so.
[0003]
U.S. Pat. No. 6,011,389 (the '389 patent) describes an induced current position transducer usable in high accuracy applications, U.S. Pat. Nos. 5,973,494 (the '494 patent) and 6,002,250 (the '250 patent) describe incremental position inductive calipers and linear scales, including signal generating and processing circuits, and U.S. Pat. Nos. 5,886,519 (the '519 patent), 5,841,274 (the '274 patent), and 5,894,678 (the '678 patent) describe absolute position inductive calipers and electronic tape measures using this induced current transducer. All of the foregoing are hereby incorporated herein by reference in their entireties. As described in these patents, this induced current transducer may be manufactured using printed circuit board technology and is largely immune to contamination.
[0004]
The transducers outlined above may be implemented as either incremental or absolute position encoders. Incremental position encoders determine the displacement of a read head relative to a scale by accumulating incremental units of displacement, starting from an initial point along the scale. In contrast, absolute position encoders provide a unique output signal, or combination of signals, at each position along a scale. They do not require continuous power for constantly recording accumulation of incremental displacements in order to identify a position. Thus, absolute position encoders allow power conservation and are preferred for low power applications (e.g., handheld calipers).

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, 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, the disclosed systems are limited in their ability to provide combinations of compact size, high resolution, cost and robustness to contamination desired by users. Configurations of absolute encoders that provide such improved 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 comprises first and second layers that extend along the measuring axis and that are stacked on one another along a depth direction that is approximately normal to the scale layers, the first layer comprising material forming a first spatial modulation pattern along the measuring axis, and the second layer comprising material forming a second spatial modulation pattern along the measuring axis that is different than the first spatial modulation pattern over an absolute range along the measuring axis. The read head is movable relative to the first and second layers along the measuring axis direction, and comprises a sensing portion arranged along the depth direction relative to the scale and configured to produce at least one scale sensing field that may be modulated by the first and second spatial modulation patterns of the first and second scale layers. The sensing portion may be used to provide first and second position signal components based on using first and second circuit configurations to provide a first smaller signal-sensing depth and a second larger signal-sensing depth for the at least one scale sensing field. The scale and read head have a configuration wherein: the first layer is closer to the read head along the depth direction than the second layer, and the first spatial modulation pattern of the first layer provides a dominant first position signal component sensed using the first circuit configuration; and the second spatial modulation pattern of the second layer provides a significant second position signal component sensed using the second circuit configuration and a less significant second position signal component when using the first circuit configuration;. In some embodiments, the spatial modulation pattern of the second layer provides an insignificant second position signal component when using the first circuit configuration. In various embodiments, the at least one scale sensing field is a changing field and the first circuit configuration corresponds to a higher temporal frequency or frequency range of a scale sensing field, and the second circuit configuration corresponds to a lower temporal frequency or frequency range of a scale sensing field. Various alternatives for the first and second circuit configuration are disclosed below, and may be used separately and/or in combination. Various alternatives for scale layer patterns and/or thicknesses are disclosed herein, and may be used separately and/or in combination to exploit skin depth effects to separate signals derived from different scale layers using the first and second circuit configurations. The spatial modulations of the spatial modulation patterns may comprise thickness, and/or width, and/or material modulation variations, in various embodiments.
[0010]
It will be appreciated that the configurations disclosed herein have advantages over prior systems. In particular, a robust absolution position sensing device may be provided using a narrower scale, in that co-linear side-by-side scale tracks may be avoided if desired, due in part to using the disclosed stacked configuration(s) for the signal layers of the scale.

Brief Description of Drawings
[0011]
[Fig. 1]
FIGURE 1 is an exploded isometric view diagram of a hand tool type caliper including a scale.
[Fig. 2]
FIGURE 2 is an isometric view diagram of a portion of the scale of FIGURE 1 illustrating first and second signal layers separated by an isolation layer in a stacked configuration.
[Fig. 3]
FIGURE 3 is a side view diagram of a scale portion illustrating operation with respect to sensing portions of a read head.
[Fig. 4]
FIGURE 4 is an isometric diagram of a sensing portion of a read head for sensing a position relative to a scale portion.
[Fig. 5A]
FIGURE 5A is a schematic diagram illustrating operating principle of an alternative embodiment of a sensing portion of a read head.
[Fig. 5B]
FIGURE 5B is a schematic diagram illustrating operating principle of an alternative embodiment of the sensing portion of the read head.
[Fig. 6A]
FIGURE 6A is a diagram of an alternative embodiment of scale portions and corresponding position signal components.
[Fig. 6B]
FIGURE 6B is a diagram of an alternative embodiment of the scale portions and corresponding position signal components.
[Fig. 6C]
FIGURE 6C is a diagram of an alternative embodiment of the scale portions and corresponding position signal components.
[Fig. 6D]
FIGURE 6D is a diagram of an alternative embodiment of the scale portions and corresponding position signal components.
[Fig. 6E]
FIGURE 6E is a diagram of an alternative embodiment of the scale portions and corresponding position signal components.
[Fig. 6F]
FIGURE 6F is a diagram of an alternative embodiment of the scale portions and corresponding position signal components.
[Fig. 6G]
FIGURE 6G is a diagram of an alternative embodiment of the scale portions and corresponding position signal components.
[Fig. 7]
FIGURE 7 is a flow diagram illustrating one exemplary embodiment of a routine for operating a position sensing device including a scale portion having layers in a stacked configuration, according to principles disclosed herein.

Description of Embodiments
[0012]
Throughout the figures of this disclosure, it should be appreciated that the z-axis dimensions of one or more scale features may be exaggerated for clarity. The drawings may generally be regarded as partly representational, partly schematic. It will be understood based on this disclosure that the signal separation and or signal isolation achieved by the various scale layer structures disclosed herein may generally depend upon skin depth effects. Skin depth effects, in turn, depend upon both scale layer materials and read head operating frequencies. By way of example, and not by way of limitation, in various embodiments, various layers may have thicknesses (z-axis dimensions) on the order of a portion of a skin depth, or multiple skin depths. A skin depth may be on the order of micrometers to several millimeters, for practical materials and operating frequencies. One of ordinary skill in the art may determine actual z-dimensions in a practical device based on the various operating principles and teachings disclosed herein, supplemented by known methods of analysis and/or testing.
[0013]
FIGURE 1 is an exploded isometric view diagram of a hand tool type caliper 100 including a scale member 102 having a spar of roughly rectangular cross-section including a scale 170, and slider assembly 120. As further described with respect to FIGURE 2, the scale 170 may include layers (e.g., signal modulating and isolation layers) extending along the measuring axis direction MA (the X axis) and stacked on one another along a depth direction (the Z direction) that is approximately normal to the scale layers. A known type of cover layer 172 (e.g., 100 μm thick) may cover the scale 170. Jaws 108 and 110 near a first end of the scale member 102 and movable jaws 116 and 118 on the slider assembly 120 are used to measure dimensions of objects in a known manner. The slider assembly 120 may optionally include a depth bar 126, restrained in a depth bar groove 152 under the scale member 102, by an end stop 154. The depth bar engagement end 128 may extend into a hole to measure its depth. A cover 139 of the slider assembly 120 may include on/off switch 134 and zero-setting switch 136 and a measurement display 138. A base 140 of the slider assembly 120 includes a guiding edge 142 which contacts a side edge 146 of the scale member 102, and screws 147 bias a resilient pressure bar 148 against a mating edge of the scale member 102 to insure proper alignment for measuring, and for moving a read head portion 164 relative to the scale 170.
[0014]
A pickoff assembly 160 mounted on the base 140 holds the read head portion 164 which in this embodiment includes substrate 162 (e.g., a printed circuit board) that carries a sensing portion 167 (e.g., a field generating and sensing winding configuration) arranged along the depth direction relative to the scale 170, and a signal processing and control circuit 166. A resilient seal 163 may be compressed between the cover 139 and the substrate 162 to exclude contamination from the circuitry and connections. The sensing portion 167 may be covered by an insulative coating.
[0015]
In one specific illustrative example the sensing portion 167 may be arranged parallel with and facing the scale 170 separated by a gap on the order of 0.5 mm along the depth (Z) direction. Together, the read head portion 164 and the scale 170 may form a transducer (e.g., an eddy current transducer which operates by generating changing magnetic fields, as will be described in more detail below with respect to FIGURE 2).
[0016]
FIGURE 2 is an isometric diagram of a section of one embodiment of the scale 170 of FIGURE 1 illustrating signal layers SIGL1 and SIGL2, "stacked" on (e.g., aligned and adjacent to) one another along the depth (Z) direction. In some implementations, this embodiment may be interpreted to include an optional isolation layer ISOL between the signal layers SIGL1 and SIGL2, as described below. Alternatively, the isolation layer may be omitted in some embodiments and the overall thickness of the scale reduced, or in other embodiments the material shown in the layer ISOL may be attributed to the layer SIGL1 and/or the layer SIGL2, and their imputed thickness dimensions Tiso, T1 and T2 adjusted accordingly (e.g., including assigning Tiso a thickness of zero, such that the layer ISOL is represented as "absent" for such an embodiment). With respect to the following description, the layers SIGL1, ISOL and SIGL2 will be understood to be conceptual layers including features as described. In various implementations, the layers may be fabricated separately and actually "stacked", or may be fabricated as a single piece, in which case they are conceptual layers whose arrangement corresponds to a "stack", etc.
[0017]
The first signal layer SIGL1 comprises a material forming a first spatial modulation pattern referred to as PAT1 along the measuring axis. Conceptually, PAT1 may be described as a plurality of first scale element zones FZ1-FZ7 alternating with a plurality of second scale element zones SZ1-SZ6 along the measuring axis direction MA, arranged periodically according to a wavelength P. In one embodiment each scale element zone has an X dimension of 1/2 of the wavelength P. In other embodiments the areas and widths of the first and second scale element zones may differ. PAT1 may be best described as comprising material thickness modulations along the depth (Z) direction, or alternatively, may be described as comprising material width modulations along a direction (Y) transverse to the depth direction and the measuring axis (e.g., zero width plate abatement features are provided, in this embodiment).
[0018]
In the example of FIGURE 2, each of the first scale element zones FZ1-FZ7 includes a conductive plate feature P1-P7 (which may operate to carry eddy currents, in various embodiments). Each of the second scale element zones SZ1-SZ6 includes a "plate abatement" feature comprising a respective void or recessed area R1-R6, and/or a non-conductive material filling each of the second scale element zones SZ1-SZ6 (which may operate to carry lesser or no eddy currents, in various embodiments). Alternatively, the "plate abatement" feature may comprise a conductive material, provided that it has a different conductivity and magnetic permeability compared to that of the plate feature(s). Similar scale operating principles are described in more detail in co-pending and commonly assigned U.S. Patent App. Ser. No. 14/303,266, filed June 12, 2014, entitled "Absolute Position Encoder Scale Having Plates Alternating With Varying Recesses" (the '266 application ), which is hereby incorporated by reference in its entirety.
[0019]
The second signal layer SIGL2 may be understood by analogy with the first signal layer. It comprises material forming a second spatial modulation pattern PAT2 along the measuring axis that is different than the first spatial modulation pattern PAT1 over an absolute range along the measuring axis. A plurality of scale element zones FZ1'-FZ6' carry plate features PX' (X=1-6), alternating with a plurality of scale element zones SZ1'-SZ5' carrying plate abatement features RX' (X=1-6), all arranged periodically along the measuring axis according to a wavelength P', in this embodiment. Regarding the absolute range referred to above, an absolute range of approximately (P*P')/|P'-P| may be provided in this case, because PAT2 may operate to provide a spatially periodic second position signal component (having a period or wavelength P') that provides a plurality of unique phase relationship values relative to a spatially periodic first position signal component at corresponding positions along the absolute range, where PAT1 operates to provide the spatially periodic first position signal component (having a period or wavelength P). The unique phase relationship values allow respective periods of periodic signals resulting from the configuration of PAT1 to be distinguished from one another, to uniquely indicate respective positions along the absolute signal range, and to further interpolate within respective signal periods according to known methods (e.g., including sinusoidal quadrature signal interpolation methods) to provide high resolution absolute position measurements.
[0020]
More generally, in alternative implementations (e.g., as described with respect to FIGURES 6C, 6D, 6G), the second spatial modulation pattern of the second layer may be configured to include a variation (e.g., linear or non-linear variation) to provide a second position signal component that includes a signal characteristic that provides a plurality of unique values (e.g., unique signal amplitude or unique second position signal relationship values) relative to the first position signal component at corresponding positions along the absolute range.
[0021]
In various implementations, the scale 170 may formed from a conducting bulk material (e.g., aluminum, steel, copper, etc.), such that the layers are conceptually "stacked", or the first and second signal layers SIGL1 and SIGL2 (and the layer ISOL) may be fabricated separately utilizing similar or different processes (e.g., as patterned layers in a printed circuit board) and then laminated together, or the like.
[0022]
FIGURE 3 is a schematic side view diagram of a section of one embodiment of the scale 170 of FIGURE 2, illustrating operation and features with respect to schematically illustrated sensing portions SN1-SN3 included in one embodiment of a sensing portion 167. In various implementations the sensing portions SN1-SN3 or "SNX" (X=1-3) may comprise a single sensing portion SNX' (X=1-3), respectively, or may comprise differential pair sensing portions SNX'/SNX-D (X=1-3), respectively (e.g., as outlined below with reference to FIGURE 4). In any case, the sensing portions provide schematically represented output signals SENX (X=1-3) corresponding to their configuration.
[0023]
In operation, generally speaking, the signal processing and control circuit 166 and sensing portion 167 are configured to produce at least one scale sensing field that may be modulated by the first and second spatial modulation patterns of the first and second layers, and to provide first and second position signal components based on using first and second circuit configurations (e.g., first and second circuits and/or operating configurations and/or signal processing routines included in the signal processing and control circuit 166) to provide a first smaller signal-sensing depth and a second smaller signal-sensing depth for the at least one scale sensing field.
[0024]
In FIGURE 3, field FIELDC1 or FIELDC1' schematically represent the fields or field components that provide the first smaller signal-sensing depth. Since the first layer SIGL1 is closer than the second layer SIGL2 to the read head and/or the sensing portion 167 along the depth direction, the first spatial modulation pattern PAT1 of the first layer SIGL1 will provides a dominant first position signal component sensed using the first circuit configuration that corresponds to the field FIELDC1 or FIELDC1'. The second layer SIGL2 may be design to lie partially or entirely beyond the sensing range of the field FIELDC1 or FIELDC1', such that it may provide a less significant or insignificant second position signal component in the signal that is sensed using the first circuit configuration. The field FIELDC2 schematically represents the field or field component that provides a second smaller signal-sensing depth that is provided using the second circuit configuration, and includes at least part of the second layer SIGL2. In this case, the second spatial modulation pattern PAT2 of the second layer SIGL2 provides a significant second position signal component sensed using the second circuit configuration.
[0025]
In various implementations, the first circuit configuration may be designed such that the field or field component FIELDC1 or FIELDC1' does not reach a depth past the first layer SIGL1, or at most not past the isolation layer ISOL. In such a case, the signal effects of the first spatial modulation pattern PAT1 are accurately indicated by the first position signal component sensed using the first circuit configuration, and the read head position may be relatively precisely indicated relative to PAT1 (at least within a local period of PAT1). Furthermore, as outlined above, the signal contribution of PAT1 is accurately isolated at any particular position of the read head relative to the scale using the first circuit configuration. As a result, this provides information that allows the signal processing and control circuit 166 to predict and/or compensate the PAT1 signal contributions to the signals determined using the second smaller signal-sensing depth that is provided using the second circuit configuration (e.g., based on previous analysis and/or calibration). Consequently, the signal processing and control circuit 166 may substantially isolate the desired second position signal component that is due to second spatial modulation pattern PAT2, such that the read head position may be relatively precisely indicated relative to PAT2, and/or the signal characteristic or relationship of the second position signal component that provides a plurality of unique values relative to the first position signal component may be accurately determined along the absolute range.
[0026]
In an alternative implementation, instead of, or in addition to the prediction and compensation outlined above, the isolation layer ISOL may be formed with a third spatial modulation (not shown in FIGURES 2 or 3) that is intended to nullify the effects of the first spatial modulation of the first signal layer SIGL1 when using the field FIELDC2 and the second circuit configuration. For example it may include complementary pattern features (e.g., of opposite spatial phase to those of PAT1), as described below with respect to FIGURE 6F.
[0027]
In various embodiments, the effects and operation outlined above may be achieved by the various configuration outlined following. The read head may be configured to provide at least a scale sensing field that is a changing field and the first circuit configuration corresponds to a higher temporal frequency or frequency range of a scale sensing field, and the second circuit configuration corresponds to a lower temporal frequency or frequency range of a scale sensing field. In various implementations, the first and second circuit configurations may operate according to at least one of one of a) or b), comprising: a) the first circuit configuration provides a first scale sensing field at the higher temporal frequency or frequency range at a first time, the second circuit configuration provides a second scale sensing field at the lower temporal frequency or frequency range at a second time, and the read head senses the first position signal component at the first time and the second position signal component at the second time, or b) the first circuit configuration senses the modulation of the at least one scale sensing field using a higher limited or filtered frequency range which corresponds to the higher temporal frequency or frequency range, and the second circuit configuration senses the modulation of the at least one scale sensing field using a lower limited or filtered frequency range which corresponds to the lower temporal frequency or frequency range. In one sense, operations "a" outlined above correspond to limiting or filtering the frequencies included in the scale sensing field(s) during the "input" or "transmission" of the scale sensing field, and operations "b" outlined above correspond to limiting filtering the frequencies sensed in the scale sensing field(s) during the "output" or "receiving" of the scale sensing field. Methods for implementing such limiting or filtering are known, and are sufficient separately, or may be used in combination in some embodiments. In some embodiments, the first and second circuit configurations operate according to b), and the read head is configured to generate a changing scale sensing field that simultaneously includes both the higher and lower temporal frequencies or frequency ranges.
[0028]
It will be understood that skin depth effects may be exploited and used in designs that operate according to the principles disclosed herein. The skin depth δ may be approximated by

where, ρ = resistivity of the material, f = operating frequency (e.g., the temporal frequency or frequencies outlined above), μ_r = relative magnetic permeability of the material, and μ₀=permeability of free space.
[0029]
Thus, in various implementations, the first circuit configuration may be implemented such that the field or field component FIELDC1 is not significant at a depth past the first layer SIGL1. In one such embodiment, the first layer has a thickness T1 along the depth direction that is at least one times a first skin depth, or two times, or more, wherein that first skin depth is determined based on a material forming the first spatial modulation pattern PAT1 and the higher temporal frequency or frequency range corresponding to the first circuit configuration. An isolating layer ISOL may be used (if desired) to provide a margin for shielding out the signal modulating effect of PAT2 of the second signal layer SIGL2 when using the first circuit configuration. In one such embodiment, the isolating layer is a material forming a uniform layer, and a thickness of the first layer T1 added to a thickness of the isolating layer Tiso along the depth direction is at least one times a first skin depth, or two times, or more, wherein that first skin depth is determined based on the material forming the uniform layer and the higher temporal frequency or frequency range corresponding to the first circuit configuration.
[0030]
Of course, according to principles outlined above, the second circuit configuration must be implemented such that the field or field component FIELDC2 is significant at a depth beyond the first layer SIGL1 and/or the isolation layer ISOL, and including at least a spatially modulated part of the second layer SIGL2. In such a case, the first layer SIGL1 and/or the isolation layer ISOL cannot exceed the skin depth associated with the second circuit configuration. In one such embodiment, the first layer has a thickness T1 along the depth direction that is at most 0.5 times a second skin depth, or 0.3 times, or less, wherein that second skin depth is determined based on a material forming the first spatial modulation pattern PAT1 and the lower temporal frequency or frequency range corresponding to the second circuit configuration. If an isolating layer ISOL is used, in one such embodiment, a thickness of the first layer T1 added to a thickness of the isolating layer Tiso along the depth direction is at most 0.5 times the second skin depth, or 0.3 times, or less. In some embodiments, the thickness T2 along the depth direction of the material forming the second spatial modulation pattern of the second layer is at least two times, or three times or more, a thickness T1 along the depth direction of the material forming the first spatial modulation pattern of the first layer, such that the influence of the first spatial modulation pattern on the signal obtained using the second circuit configuration is reduced relative to the influence of the second spatial modulation pattern.
[0031]
In various implementations, the material of the layers SIGL1, ISOL and SIGL2 may be conducting and/or high magnetic permeability material. In various implementations the read head 164 may sense the signal variations due to the inductance and/or impedance variations created by the spatial modulation patterns. In certain implementations, if the scale material is conductive with low magnetic permeability, then eddy currents may primarily be responsible for signal changes, while if the scale material has high magnetic permeability, then magnetic circuit effects may primarily be responsible for signal changes.
[0032]
It will be appreciated that a scale with layers aligned or stacked along the Z direction is advantageous in that a narrower scale may be achieved as compared to comparable side-by-side scale tracks. In addition, different fabrication options may be available.
[0033]
In various embodiments, at various times in a measurement cycle one or all of the various sensing portions SNX may provide signals using the first and/or second circuit configurations outlined above, according to various desired signal processing schemes that will be apparent based on the principles disclosed herein. In the embodiment shown in FIGURE 3, the sensing portions SN1 and SN2 have a spacing of D1=5/4P) along the measuring axis, and may be operated using the first circuit configuration to provide quadrature signals SEN1 and SEN2 corresponding to the wavelength P of the first signal layer SIGL1, which may be processed according to known methods to determine displacement and/or position of the read head relative to the features or periods of the first signal layer SIGL1. Similarly, the sensing portions SN2 and SN3 have a spacing of D2=5/4P'), and may be operated using the second circuit configuration and related signal processing as outlined above to provide quadrature signals SEN2 and SEN3 corresponding to the wavelength P' of the second signal layer SIGL2, which may be processed according to known methods to determine displacement and/or position of the read head relative to the features or periods of the second signal layer SIGL2. As outlined previously, a phase difference between the signals determined using the first and second circuit configuration may exhibit a phase difference that may be signal processed to provide an absolute position measurement over an absolute range of approximately (P*P')/|P'-P|.
[0034]
FIGURE 4 is an isometric and partially schematic diagram showing one embodiment of a sensing portion SNX usable as one or more of the sensing portions SNX (X=1-3) shown in FIGURE 3, or otherwise in various embodiments within the scope of this disclosure. For clarity, only a single differential sensing portion SNX is illustrated in FIGURE 4. The sensing portion SNX includes field excitation windings 430A and 430B (of opposite field polarity) connected to a drive terminal DRV controlled by the signal processing and control circuit 166 and the ground terminal GND, and first and second signal windings 410A and 410B (together 410) connected to the ground terminal and that output position signal components SENX' and SENX-D' connected to the signal processing and control circuit 166 through the terminals SL1 and SL2, respectively. The various windings may in one implementation be fabricated in one or more metal layers of a printed circuit board (e.g., a printed circuit board 162 of FIGURE 1). In various implementations, the width (Y dimension) of the scale portion 170 may be larger than the width of the sensing portion SNX, to reduce sensitivity to Y direction misalignments. The length (X dimension) of each scale element (e.g., PX, and/or RX) may be approximately the same as 410A (or 410B) (e.g., half of the total combined length of the sensing portion SNX, so as to maximize the resulting signal (e.g., as determined by the differential between the position signal components SENX' and SENX-D).
[0035]
One embodiment of the electrical connection and operation of the sensing portion SNX and the scale portion 170 is shown schematically in FIGURE 5A, and outlined below with reference to FIGURES 4 and 5A.
[0036]
When operated using the first circuit configuration (e.g., using a first or higher driving and/or signal filtering frequency), and when the sensing portion SNX is moved so that one of the recessed areas R1-R3 of the first signal layer SIGL1 becomes primarily centered under the signal winding 410A (alternatively, 410B), the coupling between the excitation winding 430A (alternatively, 430B) and the signal windings 410A (alternatively, 410B) may be affected to a lesser degree due to the absence or remoteness of the a conductive and/or magnetically permeable material, and the position signal component SENX' (alternatively, SENX'-D) will have a corresponding first polarity value. Conversely, when the sensing portion is moved so that one of the plate areas P1-P3 of the first signal layer SIGL1 becomes primarily centered under the signal winding 410A (alternatively, 410B), the coupling between the excitation winding 430A (alternatively, 430B) and the signal windings 410A (alternatively, 410B) may be affected to a greater degree (e.g., either enhanced by magnetic permeability or reduced due to eddy current effects) due to the proximity of the conductive and/or magnetically permeable material, and the position signal component SENX' (alternatively SENX-D) will have a corresponding second polarity value. Accordingly, the differential between the position signal components SENX' and SENX-D may be utilized to determine the position of the pattern of the first signal layer SIGL1 of the scale portion 170 relative to the sensing portion SNX (at least within one wavelength). A differential signal may provide for improved linearity and robustness by the elimination of certain common-mode errors. As previously outlined, when operated using the second circuit configuration (e.g., using a second or lower driving and/or signal filtering frequency), the field(s) associated with sensing portion SNX may penetrate to the second signal layer SIGL2, and provide a signal component that may be utilized to determine the position of the pattern of the second signal layer SIGL2 of scale portion 170 relative to the sensing portion SNX (at least within one wavelength).
[0037]
In various implementations, the excitation windings 430 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, or a "square wave" pulse, etc.) Various principles for using first and second circuit configurations (which may include respective signal processing circuits and/or routines) in conjunction with the sensing portions and connections shown in FIGURE 4 and FIGURE 5A, are disclosed herein, and may be implemented by one of ordinary skill in the art based on this disclosure.
[0038]
While the implementation shown in FIGURES 4 and 5A shows first and second signal windings 410A and 410B which provide separate signals, it should be appreciated that in alternative implementations they may be connected into a single coil with a single output, or they may be replicated at the appropriate spacing along the X direction to provide additional signals, or the like. Furthermore, in other embodiments, other sensing elements (e.g., hall sensors) may be used instead of the windings 410. Thus, the illustrated embodiment is exemplary only, and not limiting.
[0039]
FIGURE 5B is a schematic diagram illustrating one embodiment of the electrical connection and operation of a sensing portion SNX' and a scale portion 170, in which a circuit configuration of a read head 164' is used to allow a single winding or sensing portion to perform the function of both an excitation portion and a signal portion. In various implementations, a read head may include one or more such circuits and sensing portions. For purposes of simplifying the present illustration and explanation, only a single scale element PX (or alternatively RX, or the signal generating feature(s) corresponding to PX' or RX') is shown that is proximate to the sensing portion SNX'. As shown in FIGURE 5B, the sensing portion SNX' and target scale element "PX" can be modeled as a simple two part circuit, for example, 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. As described therein, some of the key variables that affect the impedance of an eddy current sensor are the physical dimensions and composition of the sensor coil (e.g., SNX'); the drive frequency of the sensor; the conductivity and magnetic permeability of the target scale element PX; irregularities in the target scale element PX; and the gap and alignment of the sensor to the target scale element PX.
[0040]
As shown in FIGURE 5B, the illustrated circuit including the sensing portion SNX' of the circuits of read head 164' on the left functions as both an excitation portion and a signal portion, and has an equivalent inductance Ls, resistance Rs, and is driven by a voltage source V(t). The scale element "PX" on the right is represented by its effective inductance Lt and resistance Rt, and forms a mutual inductance M with the sensing portion SNX'. These effective impedance values for the scale element "PX" depend on σ, μ, ω, and the system geometry. The coupling of the two circuits depends on the sensor-to-target proximity (e.g., the gap and the position of "PX" along the X direction relative to the read head 164') and is reflected in the mutual inductance M.
The mutual inductance M is expressed by a following expression.

The value of k is expressed by a following expression.

The value of k increases as the gap decreases. A change in signal and/or complex impedance in the sensing portion SNX' due to the position-depending coupling with the scale element "PX" may provide a corresponding position signal component that may be utilized to determine a position of the sensing portion SNX' relative to the scale element "PX" and the corresponding scale portion 170.
[0041]
FIGURES 6A-6G are partial schematic diagrams of portions of various embodiments of scales 670A-670G and/or the spatial modulation patterns of their constituent layers, representative sensing portions 167, and illustrative corresponding signal components. Where gaps are shown between layers, for clarity, it will be understood that the layers may abut one another without any gap. In FIGURE 6A, a side view cross-section diagram (looking along the Y direction) of a scale portion 670A is illustrated. The scale portion 670A is similar to the scale portion 170 of FIGURES 2-4, and its structure and operation may be understood based on previous description. The first and second signal layers SIGL1A and SIGL2A are separated by an isolation layer ISOLA (e.g., acting as a shield between the layers). The isolation layer ISOLA is generally a material forming a rectangular and/or uniform layer with a consistent width and thickness, as compared to a shaped or patterned material forming an isolation layer including a third spatial modulation pattern, as will be described in more detail below with respect to FIGURES 6B and 6F. 19Regarding the position signal components 680A, when the sensing portions 167 are operated by the first circuit configuration(s) (e.g. as indicated by the "1st Circuit Config." labels) the first position signal component SSIGL1A corresponding to the first scale pattern PAT1A may be provided by respective sensing portions 167 with their corresponding spatial phase or offset (e.g. to provide quadrature signals.) When the sensing portions 167 are operated by the second circuit configuration(s) (e.g. as indicated by the "2nd Circuit Config." labels), the second position signal component SSIGL2B corresponding to the second scale pattern PAT2A may be provided by respective sensing portions 167 with their corresponding spatial phase or offset. The second position signal components SSIGL2A may require signal processing, as previously disclosed, to isolate them from the effects of the first scale pattern PAT1A, when using the second circuit configuration. The signal components show spatially periodic variations (e.g., resulting from the conductive plate areas alternating with the recessed areas in the first and second scale patterns PAT1A and PAT2A). More specifically, in various implementations each of the position signal components SSIGL1A and SSIGL2A may be representative of the output from a signal processing and control portion of the read head 164. Various characteristics of the signals and the related determination of absolute position have been previously described.
[0042]
In FIGURE 6B, a side view cross-section diagram of a scale portion 670B is similar to the scale portion 670A, and its structure and operation may be understood based on previous description, except with regard to the isolation layer ISOLB and its signal effects. The isolation layer ISOLB is generally a material forming third spatial modulation pattern having a tapering width and constant thickness, as shown in a plan view of that layer at the bottom of FIGURE 6B. When the sensing portions 167 are operated by the first circuit configuration(s) (e.g., as indicated by the "1st Circuit Config." labels) the first position signal component SSIGL1B corresponding to the first scale pattern PAT1B may be provided by respective sensing portions 167 with their corresponding spatial phase or offset (e.g., to provide quadrature signals). When the sensing portions 167 are operated by the second circuit configuration(s) (e.g., as indicated by the "2nd Circuit Config." labels), the isolation layer pattern PAT3B and the pattern PAT2B may both provide signal effects and the corresponding second position signal component SSIGL2B may be provided by respective sensing portions 167 with their corresponding spatial phase or offset. That is, the third spatial modulation pattern of the isolating layer is configured to work in combination with the second spatial modulation pattern of the second layer to provide a combined modulation effect of the second and third spatial modulation patterns in the second position signal component sensed using the second circuit configuration. Thus, the position signal components 680B illustrate a first position signal component SSIGL1B corresponding to the first scale pattern PAT1B of the first signal layer SIGL1B, and a second position signal component SSIGL2B corresponding to the second scale pattern PAT2B of the second signal layer SIGL2B, including the influence of a third position signal effect EISOLB corresponding to the effects of the third scale pattern PAT3B of the isolation layer ISOLB. By way of explanation, at the far left of the position signal components 680B, the sinusoidal variations of the second position signal component SSIGL2B are shown to have low contrast/signal amplitude and a higher "DC" level due to the effects of the wider end of the third scale pattern PAT3B providing a significant amount of "shielding" and/or signal effect at that location for the second signal layer SIGL2B. At the far right of the position signal components 680B, the sinusoidal variations of the second position signal component SSIGL2B are shown to have high contrast/signal amplitude and a lower "DC" level due to the effects of the narrow end of the third scale pattern PAT3B providing a smaller amount of "shielding" and/or signal effect at that location for the second signal layer SIGL2B. It should be appreciated that the signal effect EISOLB is shown for purposes of explanation, and need not be isolated as a signal. Furthermore, the second position signal component SSIGL2B may require signal processing, as previously disclosed, to isolate it from the effects of the first scale pattern PAT1A and provide a position signal similar to that shown when using the second circuit configuration.
[0043]
In one implementation, the signal differences in the signal component SSIGL2B caused by the third scale pattern PAT3B of the isolation layer ISOLB at various positions may be analyzed for indicating a coarse absolute range for the scale portion 670B, while the long wavelength beat frequency between the signal components SSIGL1B and SSIGL2B may be utilized for indicating a medium absolute range (e.g., to an accuracy that identifies a particular wavelength P), and the first position signal component SSIGL1B may be utilized for indicating an incremental position within that particular wavelength to a high resolution an accuracy. In various implementations, the third scale pattern PAT3B may be formed as a shaped conductor, e.g., as formed on a printed circuit board, or stamped or etched or formed as a raised portion of greater thickness in a material sheet, or the like.
[0044]
In FIGURE 6F, a side view cross-section diagram of a scale portion 670F is analogous to the scale portion 670B, and its structure and operation may be understood based on that previous description, except with regard to the design of isolation layer ISOLF and its signal effects. In particular, the scale portion 670F provides one example of an embodiment wherein the third spatial modulation pattern of the isolating layer is configured in relation to the first spatial modulation pattern of the first layer to at least partially nullify the modulation effect of the first spatial modulation pattern when using the second circuit configuration and thereby at least partially nullify the first position signal component when using the second circuit configuration. In this particular embodiment, the isolation layer ISOLF is generally a material forming a third spatial modulation pattern wherein the first and third spatial modulation patterns are complements such that a combined thickness along the depth direction of the material forming the first and third spatial modulation patterns is nominally constant between the read head and the second layer. In some embodiments, the first and third layers are formed of the same material. In various embodiments, the complementary patterns of the first and third layers may be "width complements", such that the third layer pattern can be visualized something like a photographic negative of the first layer pattern. In the present embodiment, the patterns are "thickness complements". That is, as illustrated in the side cross-section view, the first spatial modulation pattern is a thickness pattern that is periodic and has a wavelength P, the third spatial modulation is a thickness pattern that is periodic and has the wavelength P, and the first and third spatial modulation patterns are shifted along the measuring axis by approximately 180 degrees of spatial phase shift relative to one another.
[0045]
When the sensing portions 167 are operated by the first circuit configuration, the first position signal component SSIGL1F corresponding to the first scale pattern PAT1F may be provided. When the sensing portions 167 are operated by the second circuit configuration, the isolation layer pattern PAT3F and the pattern PAT2F may both provide signal effects. Thus, the position signal components 680F illustrate a first position signal component SSIGL1F corresponding to the first scale pattern PAT1F of the first signal layer SIGL1F, and a second position signal component SSIGL2F corresponding to the second scale pattern PAT2F of the second signal layer SIGL2F, wherein the influence or effects corresponding to the third scale pattern PAT3F of the isolation layer ISOLF effectively nullify the influence of PAT1F on the signal obtained using the second circuit configuration. That is, no signal processing may be needed to isolate the effect of PAT2F and provide the second position signal component SSIGL2F because PAT3F provides that isolation. To reiterate, because the first and third spatial modulation patterns form thickness complements, they effectively cancel each other's spatial modulation effects for fields that effectively penetrate both pattern layers.
[0046]
In FIGURE 6C, a side view cross-section diagram of a scale portion 670C showing layers which operate similarly to certain layers is shown in the scale portions 670A and 670B. Its structure and operation may be understood based on previous description, taken in combination with the following further explanation. The first signal layer SIGL1C and its related first position signal component SSIGL1C (shown in position signal components 680C) are similar or identical to the first signal layer SIGL1A and its related first position signal component SSIGL1A. The second signal layer SIGL2C and its related second position signal component SSIGL2C are similar or identical to the isolation layer ISOLB and its related signal effect EISOLB outlined with reference to FIGURE 6B. That is, it is generally a material forming a second spatial modulation pattern having a tapering width and constant thickness. When the sensing portions 167 are operated by the first circuit configuration, the first position signal component SSIGL1C corresponding to the first scale pattern PAT1C may be provided. When the sensing portions 167 are operated by the second circuit configuration, the pattern PAT2C (similar to PAT3B of FIGURE 6B) may provide the second position signal component SSIGL2C , which may require signal processing, as previously disclosed, to isolate it from the effects of the first scale pattern PAT1A, when using the second circuit configuration. The isolation layer ISOLC, if present, is generally a material forming a rectangular and/or uniform layer with a consistent width and thickness. It may be consider optional, or as an integrated part of the first or second layers.
[0047]
FIGURE 6E may be understood as a side view cross-section diagram of a scale portion 670E showing layers which may be formed and operated similarly to the layers of the scale portion 670C, except that the second spatial modulation pattern of the pattern PAT2E includes a thickness modulation rather than a width modulation. That is, it is generally a material forming a second spatial modulation pattern having a tapering thickness and constant width. The thicker material at one end of the layer may provide more eddy current effects compared to the thinner end of the layer, for example, for a field that penetrates the entire layer. When the sensing portions 167 are operated by the first circuit configuration, the first position signal component SSIGL1E (shown in position signal components 680E) corresponding to the first signal layer SIGL1E and the first scale pattern PAT1E may be provided. When the sensing portions 167 are operated by the second circuit configuration, the second signal layer SIGL2E and the pattern PAT2E may provide the second position signal component SSIGL2E, which may require signal processing, as previously disclosed, to isolate it from the effects of the first scale pattern PAT1E, when using the second circuit configuration. The isolation layer ISOLE, if present, is generally a material forming a rectangular and/or uniform layer with a consistent width and thickness. It may be considered optional, or as an integrated part of the first or second layers.
[0048]
FIGURE 6D may be understood as a side view cross-section diagram of a scale portion 670D showing layers which may be formed and operated similarly to the layers of the scale portion 670A, except that the second spatial modulation pattern of the second signal layer SIGL2D and the pattern PAT2D includes a thickness modulation similar to a thickness taper along its recessed or thinner scale elements. That is, it is generally a material forming a second spatial modulation pattern having a tapering thickness and constant width in its recess-type scale elements. Such configurations are described in more detail in the previously incorporated '266 application. The thinner recesses at one end of the layer may provide a signal more similar to their adjacent plate-type elements (where a low periodic signal contrast or amplitude is provided) as compared to the end of the layer where the recess depth is maximum (where a higher periodic signal contrast or amplitude is provided). In this embodiment, the second position signal component SSIGL2D (shown in position signal components 680D) may require signal processing, as previously disclosed, to isolate it from the effects of the first signal layer SIGL1D and the first scale pattern PAT1D, when using the second circuit configuration. The isolation layer ISOLD, if present, is generally a material forming a rectangular and/or uniform layer with a consistent width and thickness. It may be considered optional, or as an integrated part of the first or second layers.
[0049]
FIGURE 6G shows an embodiment wherein an alternative read head configuration is used in conjunction with a corresponding second scale modulation pattern to fulfill the absolute position signal principles disclosed herein. In the scale portion 670G, a first signal layer SIGL1G and corresponding first scale pattern PAT1G (i.e., shown in a side view relative to the x and z axes) are similar to those of the scale portion 670A. A second signal layer SIGL2G, corresponding to the second scale pattern PAT2G (shown in a plan view in the lower part of FIGURE 6G, with a plan view of a portion of the pattern PAT1G shown in dashed outline) includes two tracks of sinusoidally shaped areas, which may have different individual lengths or "periods" (e.g., Pc1, Pc3, and so on) along the X direction. Similarly to previous stacked scale layers, the first signal layer is stacked on the second signal layer. Overlaying and/or aligned with the two tracks of PAT2G are sensing portion sets SNQ1 and SNQ2 comprising member sensing portions a-h (e.g., each of which may be similar to the sensing portion SNX, described previously). Since the spacings between the member sensing portions (e.g., member a and member h) are fixed, the different lengths (e.g., Pc1) of the sinusoidal portions may provide signals having different phase relationships, which can be used to identify which sinusoidal portion is being sensed. The two tracks of PAT2G may have a relationship that extends the absolute range and/or resolves potential signal ambiguities. As such, various sensing portions (e.g., some or all of sensing portions a-h) may be operated using a first circuit configuration to provide a first position signal component corresponding to PAT1G, and various sensing portions (e.g., some or all of sensing portions a-h) may be operated using a second circuit configuration to provide a second position signal component corresponding to PAT2G, wherein the second position signal component includes a signal characteristic that provides a plurality of unique values relative to the first position signal component at corresponding positions along the absolute range.
[0050]
FIGURE 7 is a flow diagram illustrating one exemplary embodiment of a routine 700 for operating a position sensing device including a scale portion having layers in a stacked configuration, according to principles disclosed herein. As shown in FIGURE 7, at a block 710, a position sensing device (e.g., a hand tool type caliper) is operated wherein a first spatial modulation of a first layer spatially modulates a scale sensing field that provides a first position signal component relatively more when a parameter of the scale sensing field has a first value (e.g., a first temporal frequency) and relatively less when the parameter of the scale sensing field has a second value (e.g., a second temporal frequency that is lower than the first temporal frequency). At a block 720, the position sensing device is operated wherein a second spatial modulation of a second layer spatially modulates a scale sensing field that provides a second position signal component relatively more when a parameter of the scale sensing field has the second value (e.g., the second temporal frequency) and relatively less when the parameter of the scale sensing field has the first value (e.g., the first temporal frequency). At a block 730, a signal characteristic of the second position signal component is utilized (e.g., either independently or in combination with a signal characteristic of the first position signal component) to determine a unique position value at a corresponding position along an absolute range.
[0051]
The various components described above may be positioned differently and take other forms and combinations than those outlined above, as will be appreciated by one of ordinary skill in the art based on this disclosure. For example, the disclosed scale patterns may alternatively be formed in a curved configuration to follow a circular measuring axis, to form a rotary encoder. As another example, while several of the above described scale patterns include recessed areas, other types of plate abatement features may be used (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.
[0052]
As another example, binary code elements for an 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, and multiple read head sensors may be utilized to read such a code. 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).
[0053]
The various embodiments outlined 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. For example, with respect to the example read heads 164 and associated sensing portions and circuits, it will be appreciated that other read head(s), circuits and signal processing disclosed in the previously incorporated '494 and '389 patent references may be adapted to work in conjunction with various scale configurations disclosed herein. The read heads, circuits and signal processing outlined herein are exemplary only, and not limiting.
[0054]
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 embodiments formed in accordance with the teachings herein 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 comprising first and second layers that extend along the measuring axis and that are stacked on one another along a depth direction that is approximately normal to the scale layers, the first layer comprising material forming a first spatial modulation pattern along the measuring axis, and the second layer comprising material forming a second spatial modulation pattern along the measuring axis that is different than the first spatial modulation pattern over an absolute range along the measuring axis; and
a read head for being moved relative to the scale along a direction of the measuring axis, the read head comprising a sensing portion arranged along the depth direction relative to the scale and configured to produce at least one scale sensing field that may be modulated by the first and second spatial modulation patterns of the first and second layers and provide first and second position signal components based on using first and second circuit configurations to provide a first smaller signal-sensing depth and a second smaller signal-sensing depth for the at least one scale sensing field;
and configured wherein:
the first layer is closer to the read head along the depth direction than the second layer, and the first spatial modulation pattern of the first layer provides a dominant first position signal component sensed using the first circuit configuration;
the second spatial modulation pattern of the second layer provides a significant second position signal component sensed using the second circuit configuration and a less significant second position signal component when using the first circuit configuration; and
the first and second spatial modulation patterns are configured such that the second position signal component includes a signal characteristic that provides a plurality of unique values relative to the first position signal component at corresponding positions along the absolute range.

[Claim 2]
The position sensing device of Claim 1, configured wherein the second spatial modulation pattern of the second layer provides an insignificant second position signal component when using the first circuit configuration.

[Claim 3]
The position sensing device of Claim 1, wherein the at least one scale sensing field is a changing field and the first circuit configuration corresponds to a higher temporal frequency or frequency range of the scale sensing field, and the second circuit configuration corresponds to a lower temporal frequency or frequency range of the scale sensing field.

[Claim 4]
The position sensing device of Claim 3, wherein the first and second circuit configurations are operate according to at least one of one of a) or b), comprising:
a) the first circuit configuration provides a first scale sensing field at the higher temporal frequency or frequency range at a first time, the second circuit configuration provides a second scale sensing field at the lower temporal frequency or frequency range at a second time, and the read head senses the first position signal component at the first time and the second position signal component at the second time, or
b) the first circuit configuration senses the modulation of the at least one scale sensing field using a higher limited or filtered frequency range which corresponds to the higher temporal frequency or frequency range, and the second circuit configuration senses the modulation of the at least one scale sensing field using a lower limited or filtered frequency range which corresponds to the lower temporal frequency or frequency range.

[Claim 5]
The position sensing device of Claim 4, wherein the first and second circuit configurations operate according to b), and the read head is configured to generate a changing scale sensing field that simultaneously includes both the higher and lower temporal frequencies or frequency ranges.

[Claim 6]
The position sensing device of Claim 3, wherein the first and second circuit configurations are responsive to respective eddy currents that arise in a material of the first and second spatial modulation patterns and modulate the at least one scale sensing field in order to provide the first and second position signal components.

[Claim 7]
The position sensing device of Claim 3, wherein the first layer has a thickness along the depth direction that is at least one times a first skin depth, wherein that first skin depth is determined based on a material forming the first spatial modulation pattern and the higher temporal frequency or frequency range corresponding to the first circuit configuration.

[Claim 8]
The position sensing device of Claim 3, wherein the first layer has a thickness along the depth direction that is at most 0.5 times a second skin depth, wherein that second skin depth is determined based on a material forming the first spatial modulation pattern and the lower temporal frequency or frequency range corresponding to the second circuit configuration.

[Claim 9]
The position sensing device of Claim 3, wherein a thickness along the depth direction of the material forming the second spatial modulation pattern of the second layer is at least two times a thickness along the depth direction of the material forming the first spatial modulation pattern of the first layer.
[Claim 10]
The position sensing device of Claim 1, wherein the scale further comprises an isolating layer comprising one of a) a material forming a uniform layer, or b) a material forming a third spatial modulation pattern, that extends along the measuring axis and is located between the first and second layers.

[Claim 11]
The position sensing device of Claim 10, wherein the isolating layer is a material forming a uniform layer, and a thickness of the first layer added to a thickness of the isolating layer along the depth direction is at least one times a first skin depth, wherein that first skin depth is determined based on the material forming the uniform layer and the higher temporal frequency or frequency range corresponding to the first circuit configuration.

[Claim 12]
The position sensing device of Claim 10, wherein:
the isolating layer is a material forming a third spatial modulation pattern; and
the third spatial modulation pattern of the isolating layer is configured in relation to the first spatial modulation pattern of the first layer to at least partially nullify the modulation effect of the first spatial modulation pattern when using the second circuit configuration and thereby at least partially nullify the first position signal component when using the second circuit configuration.

[Claim 13]
The position sensing device of Claim 12, wherein:
the material forming the first and third spatial modulation patterns is the same material; and
the first and third spatial modulation patterns are complements such that a combined thickness along the depth direction of the material forming the first and third spatial modulation patterns is nominally constant between the read head and the second layer.

[Claim 14]
The position sensing device of Claim 13, wherein the first spatial modulation pattern is periodic and has a wavelength P, the third spatial modulation is periodic and has the wavelength P, and the first and third spatial modulation patterns are shifted along the measuring axis by approximately 180 degrees of spatial phase shift relative to one another.

[Claim 15]
The position sensing device of Claim 13, wherein each of the first and third spatial modulation patterns comprise one of a) material thickness modulations along the depth direction, or b) material width modulations along a direction transverse to the depth direction and the measuring axis.

[Claim 16]
The position sensing device of Claim 10, wherein:
the isolating layer is a material forming a third spatial modulation pattern; and
the third spatial modulation pattern of the isolating layer is configured work in combination with the second spatial modulation pattern of the second layer to provide a combined modulation effect of the second and third spatial modulation patterns in the second position signal component sensed using the second circuit configuration.

[Claim 17]
The position sensing device of Claim 1, wherein the first spatial modulation pattern is periodic and has a first wavelength P, and the second spatial modulation pattern comprises at least one of a) a periodic pattern that has a second wavelength P′ different than the wavelength P to provide a spatially periodic second position signal component that provides a plurality of unique phase relationship values relative to a spatially periodic first position signal component at corresponding positions along the absolute range, or b) a pattern that varies linearly or nonlinearly to provide a second position signal component that provides a plurality of unique signal amplitude values relative to the first position signal component at corresponding positions along the absolute range.

[Claim 18]
The position sensing device of Claim 1, wherein each of the first or second spatial modulation patterns comprise one of a) material thickness modulations along the depth direction, or b) material width modulations along a direction transverse to the depth direction and the measuring axis.

[Claim 19]
The position sensing device of Claim 18, wherein the material thickness or width modulations of the first or second spatial modulation patterns are fabricated by machining or forming a homogeneous material, or in printed circuit board materials using printed circuit board fabrication techniques.

[Claim 20]
The position sensing device of Claim 1, wherein the first and second layers comprise fabricated portions of a monolithic piece of scale material, or comprise layers in multilayer printed circuit board.

1. Abstract
An absolute position encoder scale includes first and second layers in a stacked configuration. A read head moves relative to spatial modulation patterns of first (top) and second (lower) signal layers along a measuring axis, and a sensing portion produces one or more scale sensing fields to sense the signal layers. A higher frequency scale sensing field may provide a first limited sensing depth to sense position relative to the top signal layer pattern, and a lower frequency field may provide a second deeper sensing depth to sense position relative to the lower signal layer pattern. In some embodiments, an isolation layer between the first and second layers may include a spatial modulation pattern that complements the first layer pattern, to nullify its signal effects when sensing position relative to the second layer pattern using the second sensing depth.
2. Representative Drawing
Fig. 4