專利名稱：具有熱膨脹補償?shù)墓鈱W測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及線性位移和角位移的光學測量裝置，更具體地，涉及下述的光學測量裝置，該光學測量裝置包括分度尺，其具有至少兩種碼道(track)，增量碼道和絕對碼道；以及檢測單元，其具有用于測量相對位置的裝置和用于測量絕對位置的裝置。
背景技術(shù)：
已知下述的光學測量裝置，其包括具有增量碼道和絕對碼道的分度尺；以及具有用于測量相對位置的裝置和用于測量絕對位置的裝置的檢測單元。
US 5,235,181A公開了一種具有這些特征的光學測量裝置。為了測量相對位置，所述檢測單元包括第一光電發(fā)射器、測讀標線板(sensinggraticule)以及光電檢測器裝置，并且為了測量絕對位置，所述檢測單元還包括第二光電發(fā)射器以及光電檢測器的CCD型線性傳感器。用于測量相對位置的裝置和用于測量絕對位置的裝置在空間上沿該檢測單元相對于分度尺的相對位移的方向分離。
已知下述的測量裝置，在該測量裝置中，分度尺安裝在保護模(protective profile)上，該保護模進而安裝在第一固定物體(例如，底座)上，并且在該測量裝置中，檢測單元包括包含有用于測量相對位置和絕對位置的裝置的定位模塊，所述定位模塊安裝在安裝支架(attachment support)上，該安裝支架進而安裝在第二物體(例如，相對于底座位移的滑塊)上。還已知下述的光學測量裝置，其中測讀標線板以及光電檢測器的線性傳感器設(shè)置在支承件上，該支承件通過粘合裝置安裝在定位模塊上。
這些類型的光學測量裝置可能存在的問題在于當溫度變化時，會產(chǎn)生測量誤差。這是由于分度尺的熱膨脹系數(shù)與支承件的熱膨脹系數(shù)通常不同的事實而導致的，在分度尺的膨脹與由于支承件的膨脹而導致的測讀標線板和光電檢測器的線性傳感器之間間隔的變化之間不存在對應(yīng)關(guān)系。
存在其它類型的測量系統(tǒng)，其中已對解決膨脹所導致的問題進行了嘗試。因此，例如DE 199 19 042 A1公開了一種測量系統(tǒng)，其包括具有第一熱膨脹系數(shù)的分度尺；以及傳感器頭，該傳感器頭包括相互分離并設(shè)置在具有第二熱膨脹系數(shù)的支承體上的兩個傳感器單元。該測量系統(tǒng)還包括估測單元，其根據(jù)分度尺相對于兩個傳感器單元的相對運動來獲得溫度，并考慮所述溫度下的熱膨脹的影響，對測量結(jié)果進行補償。
US 5,182,867 A公開了一種測量裝置，用于估測第一物體和第二物體之間的相對位置，其包括安裝在第一物體上的探測單元以及安裝在支承件上的分度尺，該支承件固定在第二物體上。通過添加熱膨脹系數(shù)與該支承件不同的輔助支承件，來避免由于第二物體的熱膨脹系數(shù)與該支承件的熱膨脹系數(shù)之間的差異而導致的測量的無規(guī)律性。選擇該支承件和輔助支承件的熱膨脹系數(shù)、彈性模量以及橫截面積，使得所述支承件和所述輔助支承件的組合結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)基本上與第二物體的熱膨脹系數(shù)相同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光學測量裝置，其使熱膨脹導致的誤差最小。
本發(fā)明的光學測量裝置是下述的類型，其包括具有增量碼道和絕對碼道的分度尺；以及包括用于測量相對位置的裝置和用于測量絕對位置的裝置的檢測單元。該用于測量相對位置的裝置包括第一光電發(fā)射器、測讀標線板以及光電檢測器裝置，而該用于測量絕對位置的裝置包括第二光電發(fā)射器以及光電檢測器的線性傳感器。
用于測量相對位置的裝置和用于測量絕對位置的裝置在空間上沿該檢測單元相對于分度尺的相對位移的方向分離，并且該檢測單元包括定位模塊，該定位模塊包括支承件，在該支承件中設(shè)置有該測讀標線板和光電檢測器的線性傳感器。該支承件通過粘合裝置安裝在該定位模塊上。
該支承件的材料與該分度尺的材料不同，并且該支承件、粘合裝置以及定位模塊的物理特性使得該支承件的等效熱膨脹系數(shù)與分度尺的熱膨脹系數(shù)基本相同。
支承件和分度尺使用不同的材料是很重要的。在原理上，很明顯，保持分度尺的膨脹與測讀標線板和定位模塊之間的間隔之間的對應(yīng)關(guān)系的直接解決方案是對分度尺和支承件使用相同的材料，這意味著熱膨脹系數(shù)也將相同。然而，用于分度尺的玻璃的彈性模量不夠高，這意味著定位模塊的膨脹使得支承件容易變形。雖然可以嘗試并使定位模塊的膨脹的影響最小，但是支承件的厚度會增大很多。
在本發(fā)明的光學測量裝置中，并不認為定位模塊對支承件的影響是必須最小化的負面影響，而是將其結(jié)合為必須考慮的另一因素，以使得由定位模塊、支承件和粘合裝置形成的集合具有下述的特性，該特性使得支承件的等效熱膨脹系數(shù)與分度尺的熱膨脹系數(shù)基本相同。
此外，在本發(fā)明的光學測量裝置中，可以使熱膨脹的影響最小，而不需要添加其它元件。
以下將根據(jù)附圖及其詳細說明來描述本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點和特征。


圖1是光學測量裝置的立體圖。
圖2是圖1的光學測量裝置的分度尺和檢測單元的一部分的立體示意圖。
圖3是圖1的光學測量裝置的分度尺、支承件、測讀標線板以及光電檢測器的線性傳感器的剖視圖。
圖4是圖1的光學測量裝置的分度尺、測讀標線板以及光電檢測器的線性傳感器的立體圖。
圖5是圖1的光學測量裝置的一部分的立體圖，其中可以看到將支承件固定在定位模塊上的粘合裝置。
圖6是第一立體示意圖，其中示出了本發(fā)明的光學測量裝置的定位模塊、粘合裝置以及支承件。
圖7是第二立體示意圖，其中示出了本發(fā)明的光學測量裝置的定位模塊、粘合裝置以及支承件。
圖8是在無膨脹的第一情形下以及在有膨脹的第二情形下，定位模塊、粘合裝置以及支承件的立體示意圖。
圖9是粘合裝置以及定位模塊和支承件施加給所述粘合裝置的力的立體示意圖。
圖10是圖9中的粘合裝置的側(cè)視圖。
具體實施例方式
參照圖1到5，本發(fā)明的光學測量裝置1是下述的類型，其包括具有增量碼道和絕對碼道的玻璃分度尺2；以及檢測單元。該檢測單元包括用于測量相對位置的裝置，其包括第一光電發(fā)射器6、測讀標線板7和光電檢測器裝置8；以及用于測量絕對位置的裝置，其包括第二光電發(fā)射器9和光電檢測器11的CCD型線性傳感器。
參照圖1，裝置1測量線性位移，并且在所示實施例中，分度尺2安裝在保護模3上，該保護模3本身安裝在第一固定物體(圖中未示出)上，例如底座。該檢測單元包括定位模塊10，其包含有用于測量相對位置和絕對位置的裝置。定位模塊10安裝在安裝支架5上，該安裝支架5進而安裝在第二物體(圖中未示出)上，例如相對于底座位移的滑塊。
參照圖2，用于測量相對位置的裝置和用于測量絕對位置的裝置在空間上沿檢測單元相對于分度尺2的相對位移的方向分離。該檢測單元包括定位模塊10，其包括支承件30，在該支承件30中設(shè)置有測讀標線板7和光電檢測器11的線性傳感器。支承件30通過粘接裝置20安裝在定位模塊10上。
支承件30的材料與分度尺2的材料不同，并且支承件30、粘合裝置20以及定位模塊10的物理特性使得支承件30的等效熱膨脹系數(shù)α30e與分度尺2的熱膨脹系數(shù)α2基本相同。邏輯上，要考慮的熱膨脹系數(shù)α2是分度尺2安裝在保護模3上時的熱膨脹系數(shù)，因為自由分度尺2的熱膨脹系數(shù)可能與安裝在保護模3上時所述分度尺2的熱膨脹系數(shù)不同。
考慮圖6和7中以示意的方式表示的由定位模塊10、粘合裝置20以及支承件30形成的集合。定位模塊10具有橫截面積A10、長度L10、彈性模量E10以及熱膨脹系數(shù)α10。粘合裝置20具有縱向截面積A20、厚度t、剪切模量G20以及熱膨脹系數(shù)α20。支承件30具有橫截面積A30，長度L30、彈性模量E30以及熱膨脹系數(shù)α30。
盡管可以按照另一方式設(shè)置粘合裝置20，例如設(shè)置在定位模塊10的整個下表面上，或者形成圍繞所述定位模塊10的側(cè)條，但是在本示例的實施例中，粘合裝置20設(shè)置在支承件30的端部。
在裝配本發(fā)明的裝置1的基準條件中，在基準溫度T0(通常為20攝氏度)下，當將定位模塊10安裝在支承件30上時，粘合裝置20不受應(yīng)力作用。
假設(shè)溫度升高，并且溫度T0升高到另一溫度T0+ΔT。如圖8所示，定位模塊10和支承件30的長度增大。然而，所述長度增大并不是自由的，而是受到它們所安裝到的單元的影響，這意味著各種材料不是由其對應(yīng)的膨脹系數(shù)約束的，而是由“有條件的”膨脹系數(shù)約束的。
由于溫度的變化，粘合裝置20發(fā)生變形，如圖9所示。對于平衡狀態(tài)，其中F10為定位模塊10施加在粘合裝置20上的力，F(xiàn)30為支承件30施加在粘合裝置20上的力，下式成立F10＝-F30(1)在定位模塊10的狀態(tài)分析中，可以得到以下方程ΔL10=L10·α10·ΔT+F10·L10E10·A10...(2)]]>所述方程組合了由于溫度升高而導致的長度變化以及由于作用在其上的力而導致的長度變化(胡克定律)的影響。
類似地，對于支承件30可以得到ΔL30=L30·α30·ΔT+F30·L30E30·A30...(3)]]>
當考慮由于粘合裝置20中產(chǎn)生的剪切而導致的變形狀態(tài)(圖10中示出了該狀態(tài))，并對剪切應(yīng)力使用胡克定律時，可以得到F30A20=G20·arctg(L10+ΔL10)-(L30+ΔL30)2t...(4)]]>該方程右側(cè)的分子中出現(xiàn)的表達式與圖10中所示的值m相對應(yīng)。
認為以下值是已知的A10定位模塊10的橫截面積L10定位模塊10的長度E10定位模塊10的彈性模量α10定位模塊10的膨脹系數(shù)A20粘合裝置20的縱向截面積t粘合裝置20的厚度G20粘合裝置20的剪切模量α20粘合裝置20的膨脹系數(shù)A30支承件30的橫截面積L30支承件30的長度E30支承件30的彈性模量α30支承件30的膨脹系數(shù)ΔT溫度變化以下值仍然是未知的ΔL10定位模塊10的長度變化ΔL30支承件30的長度變化F10施加在定位模塊10上的力F30施加在支承件30上的力由于存在四個方程和四個變量，所以該方程組是確定的，因此可以獲得這些未知變量的值。
可以根據(jù)以下表達式獲得等效膨脹系數(shù)ΔL10＝L10·α10e·ΔT (5)ΔL30＝L30·α30e·ΔT (6)
因此，在選擇所考慮變量的適當值時，可以使支承件30的等效熱膨脹系數(shù)α30e等于分度尺2的熱膨脹系數(shù)α2。注意，在選擇不同變量的值時，存在大量不同的可能性，可以選擇在每一種情況下被認為最適合的材料和尺寸(例如，用于支承件30的不同材料、所述支承件30的尺寸變化、粘合裝置的厚度變化，等等)。這意味著可以存在多種變化策略，同時具有多種選擇。
因此，可以看到，當實施該解決方案時，可以將由定位模塊10和支承件30施加的拉伸或壓縮的影響看作是由于溫度變化而導致的膨脹和收縮之外的分量。簡言之，已確定了影響支承件30的膨脹的變量，并且已提出了考慮到所述變量的解決方案。
以下示出了本發(fā)明該實施例的特定解決方案。在所述特定解決方案中，對定位模塊10、粘合裝置20以及支承件30的物理特性選擇以下的值

當考慮10攝氏度的溫度差異時，這些方程如下所示F10＝-F30(7)ΔL10=46×10-3·30×10-6·10+F10·46×10-314.5×109·50×10-6...(8)]]>ΔL30=46×10-3·6.3×10-6·10+F30·46×10-3303×109·5×10-6...(9)]]>F3013×10-6=300×106·arctg(46×10-3+ΔL10)-(46×10-3+ΔL30)20.6×10-6...(10)]]>求解該方程組，可以得到
ΔL10＝12.1×10-6[m] ΔL30＝3.7×10-6[m]F10＝-27.2[N]F30＝27.2[N]根據(jù)這些值，可以使用以下方程計算等效膨脹系數(shù)α10e和α30e12.1×10-6＝46×10-3·α10e·10 (11)3.7×10-6＝46×10-3·α30e·10 (12)根據(jù)這些方程可以獲得以下結(jié)果α10e＝26.2×10-6[m/(mK)] α30e＝8.1×10-6[m/(mK)]與所期望的一樣，支承件30的等效膨脹系數(shù)α30e的值基本上與玻璃分度尺2的膨脹系數(shù)相同。這可以通過適當?shù)倪x擇材料及其尺寸來實現(xiàn)。
在圖6中示意性示出的實施例中，粘合裝置20設(shè)置在支承件30的兩個端部，并且在這兩個端部處，所述粘合裝置20具有縱向截面積A20、厚度t、剪切模量G20以及熱膨脹系數(shù)α20。然而，在第二實施例中，在各個端部使用不同的粘合劑。更具體地，在一個端部使用剛性粘合劑，即具有高剪切模量G的粘合劑，而在另一端部使用柔性粘合劑，即具有低剪切模量G的粘合劑?？梢酝ㄟ^與第一實施例相似的計算，獲得該第二實施例中所涉及的變量之間的關(guān)聯(lián)。
在該第二實施例中，支承件30的最接近于點40(在該點處，由相對位移產(chǎn)生的運動被傳遞到定位模塊10)的端部上的粘合裝置20為剛性粘合劑裝置，而另一端部上的粘合裝置20為柔性粘合裝置。圖5所示的點40為一個球，第二物體(通常為安裝在底座上的滑塊)通過該球?qū)⑵揭七\動傳遞到定位模塊10。結(jié)果，支承件30通過剛性點(與剛性粘合劑相對應(yīng))和柔性點(與柔性粘合劑相對應(yīng))安裝在定位模塊10上。通過將剛性點定位為接近于點40(其為固定基準點)，可以使定位模塊10的膨脹產(chǎn)生的影響最小，由于所述剛性點來自點40，所以對于由定位模塊10的膨脹作用而導致的相同溫度升高，所述剛性點將相對于點40產(chǎn)生位移。
在一優(yōu)選實施例中，支承件30具有高彈性模量E30以及小于分度尺2的熱膨脹系數(shù)α2的熱膨脹系數(shù)α30。這確保了在溫度升高的情況下，定位模塊10的材料(其具有非常高的熱膨脹系數(shù)α10)的拉伸應(yīng)力使支承件30拉伸，以使所述支承件30的等效膨脹與分度尺2的膨脹相同。為了確保產(chǎn)生這種效果，所述支承件30的橫截面積A30不是任意的，而是必須進行選擇，以使該集合的影響為所要求的影響。
更具體地，在一優(yōu)選實施例中，支承件30由氧化鋁制成，氧化鋁實際上為具有高彈性模量E30以及小于分度尺2的熱膨脹系數(shù)α2的熱膨脹系數(shù)α30的材料。
如圖2到5中所示，在所示實施例中，支承件30包括其中容納有光電檢測器11的CCD型線性傳感器的第一腔；以及其中容納有測讀標線板7的第二腔。光電檢測器11的所述線性傳感器和所述測讀標線板7剛性地安裝在支承件30上。
還可以將測讀標線板7蝕刻在支承件30本身上，而不是將其容納在形成在支承件30中的腔中。
雖然本發(fā)明特別針對具有分度尺、增量碼道和絕對碼道以及檢測單元(具有用于測量相對位置和絕對位置的裝置)的光學測量裝置，但是本發(fā)明的范圍還包括其中需要保持由于膨脹作用而導致的兩個傳感器元件之間的間隔的變化與分度尺的膨脹之間的對應(yīng)關(guān)系的任何類型的測量裝置。
權(quán)利要求
1.一種光學測量裝置，其包括分度尺(2)，其具有增量碼道和絕對碼道；以及檢測單元，其包括用于測量相對位置的裝置，其包括第一光電發(fā)射器(6)、測讀標線板(7)和光電檢測器裝置(8)，以及用于測量絕對位置的裝置，其包括第二光電發(fā)射器(9)和光電檢測器(11)的線性傳感器，所述用于測量相對位置的裝置和所述用于測量絕對位置的裝置在空間上沿所述檢測單元相對于所述分度尺(2)的相對位移的方向分離，并且所述檢測單元包括定位模塊(10)，該定位模塊包括其中設(shè)置有測讀標線板(7)和光電檢測器(11)的線性傳感器的支承件(30)，所述支承件(30)通過粘合裝置(20)安裝在所述定位模塊(10)上，所述光學測量裝置的特征在于所述支承件(30)的材料與所述分度尺(2)的材料不同，并且所述支承件(30)、所述粘合裝置(20)以及所述定位模塊(10)的物理特性使得所述支承件(30)的等效熱膨脹系數(shù)(α30e)與所述分度尺(2)的熱膨脹系數(shù)(α2)基本相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學測量裝置，其中所述物理特性為所述定位模塊(10)的橫截面積(A10)、長度(L10)、彈性模量(E10)和熱膨脹系數(shù)(α10)；所述粘合裝置(20)的縱向截面積(A20)、厚度(t)、剪切模量(G20)和熱膨脹系數(shù)(α20)；以及所述支承件(30)的橫截面積(A30)、長度(L30)、彈性模量(E30)和熱膨脹系數(shù)(α30)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學測量裝置，其中所述粘合裝置(20)設(shè)置在所述支承件(30)的端部上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學測量裝置，其中所述支承件(30)的最接近下述點(40)的端部上的粘合裝置(20)為剛性粘合裝置，其中在該點(40)處，由相對位移產(chǎn)生的運動被傳遞到所述定位模塊(10)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項所述的光學測量裝置，其中所述支承件(30)具有高彈性模量(E30)以及比所述分度尺(2)的熱膨脹系數(shù)(α2)小的熱膨脹系數(shù)(α30)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學測量裝置，其中所述支承件(30)由氧化鋁制成。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項所述的光學測量裝置，其中所述支承件(30)包括其中容納有光電檢測器(11)的所述線性傳感器的第一腔，以及其中容納有所述測讀標線板(7)的第二腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任意一項所述的光學測量裝置，其中所述支承件(30)包括其中容納有光電檢測器(11)的所述線性傳感器的腔，并且所述測讀標線板(7)蝕刻在所述支承件(30)本身上。
9.一種用于光學測量裝置(1)的檢測單元的定位模塊，所述光學測量裝置(1)包括具有增量碼道和絕對碼道的分度尺(2)，所述檢測單元包括用于測量相對位置的裝置，其包括第一光電發(fā)射器(6)、測讀標線板(7)和光電檢測器裝置(8)，以及用于測量絕對位置的裝置，其包括第二光電發(fā)射器(9)和光電檢測器(11)的線性傳感器，并且所述定位模塊(10)包括其中設(shè)置有所述測讀標線板(7)和光電檢測器(11)的所述線性傳感器的支承件(30)，所述支承件(30)通過粘合裝置(20)安裝在所述定位模塊(10)上，所述定位模塊的特征在于所述支承件(30)的材料與所述分度尺(2)的材料不同，并且所述支承件(30)、所述粘合裝置(20)以及所述定位模塊(10)的物理特性使得所述支承件(30)的等效熱膨脹系數(shù)(α30e)與所述分度尺(2)的熱膨脹系數(shù)(α2)基本相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的定位模塊，其中所述物理特性為所述定位模塊(10)的橫截面積(A10)、長度(L10)、彈性模量(E10)和熱膨脹系數(shù)(α10)；所述粘合裝置(20)的縱向截面積(A20)、厚度(t)、剪切模量(G20)和熱膨脹系數(shù)(α20)；以及所述支承件(30)的橫截面積(A30)、長度(L30)、彈性模量(E30)和熱膨脹系數(shù)(α30)。
全文摘要
一種光學測量裝置，包括分度尺(2)，其具有增量碼道和絕對碼道；以及檢測單元，其包括包含第一光電發(fā)射器(6)、測讀標線板(7)和光電檢測器裝置(8)的用于測量相對位置的裝置以及包含第二光電發(fā)射器(9)和光電檢測器(11)的線性傳感器的用于測量絕對位置的裝置。該檢測單元包括定位模塊(10)，其具有其中設(shè)置有測讀標線板(7)和光電檢測器(11)的線性傳感器的支承件(30)，該支承件(30)通過粘合裝置(20)安裝在該定位模塊(10)上。該支承件(30)、粘合裝置(20)以及定位模塊(10)的物理特性使得支承件(30)的等效熱膨脹系數(shù)(α
文檔編號G01D5/26GK1779419SQ200510123348
公開日2006年5月31日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者伊格納西奧·亞歷杭德雷, 何塞·哈維爾·孫蘇內(nèi)吉, 胡安·卡洛斯·烏拉 申請人:菲高合作社