CN101344380B - 长度测量装置 - Google Patents
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Abstract
长度测量装置由壳装的刻度尺(20)和扫描单元(10)的对刻度尺(20)进行扫描的传感器芯片(13)构成。随动件(14)通过耦合机构(15)沿测量方向X刚性地且横交于测量方向可活动地耦合在扫描单元(10)上。有针对性地将由传感器芯片(13)所产生的热量从刻度尺(20)传递到随动件(14)。为此在传感器芯片(13)上耦接有导热元件(19)，该导热元件通往随动件(14)并构造成柔性的，以补偿耦合机构(15)所允许的运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种长度测量装置。
背景技术
例如DE 29 29 989 A所述的，这样一种类型的长度测量机用于测量长度以及行程，并且特别是在加工机器中用于测量刀具相对于待加工的工件的相对运动，并且在坐标测量机中得到应用，并且也在半导体工业中得到越来越多的应用。
在这种情况中刻度尺用作尺度。为了防止外界环境的影响将刻度尺设置在壳体中。在壳体内部温度的变化会根据刻度尺材料引起刻度尺的长度的变化。这些长度的变化导致测量误差。
为了使这种温度的变化尽可能的小，根据DE 101 64 404 A1建议对有外壳的长度测量装置的内腔室进行温度调节。其措施是经调节的冷却介质流过该内腔室。通过这一措施应达到刻度尺具有机床的温度水平。其中的缺点是，其中并未考虑由于长度测量装置的电元器件本身所产生的温度变化。
通常所要求的分辨率越高，位置测量的精度和可重复性越高对长度测量装置的要求也越来越高。在这种情况中应具有一种结构紧凑以及一种简单和抗干扰的测量值生成和测量值传输装置。
这些要求需要具有外壳的长度测量装置，并且刻度尺有保护地设置。高的分辨率规定了越来越小的，并且在整个测量长度上恒定的扫描距离。这一方面通过小的100μm的比较小的扫描距离，并且另一方面通过扫描单元在刻度尺和/或壳体上导引达到，其中，为了扫描单元的无干扰的精确导引，随动件通过仅沿着测量方向为刚性的耦合机构耦合在扫描单元上。这种耦合机构使得随动件沿所有其它方向的运动成为可能，同时对扫描单元沿测量方向的精确导引和运动没有反作用。
一种紧凑的结构和一种抗干扰的测量值生成以及测量值传输装置要求将越来越多的电元器件集成在扫描单元本身中。为此使用越来越多的传感器芯片。一系列的扫描传感器，例如可光电扫描的刻度尺中的光敏探测器，以及信号处理机构，例如A/D变换器，放大器，微处理器和接口都以最小的空间设置在这些传感器芯片中。其结果是在扫描单元中产生越来越多的热量。由于要求扫描距离要小，这种热产生过度地加热了刻度尺。这种加热导致刻度尺的长度发生变化，并且导致测量不精确。
发明内容
本发明的任务是提供一种具有高的测量精确度的长度测量装置。
根据本发明这个任务通过一种用于测量两个物体的相对位置的长度测量装置得以完成。其中为了所述测量，该长度测量装置的壳体能固定在所述物体中的一个物体上，并且长度测量装置的随动件能固定在所述物体中的另一个物体上，其中该长度测量装置具有
-在所述壳体中的刻度尺，
-相对于刻度尺和壳体单元沿测量方向X能够移动的扫描单元，其中，所述扫描单元设置在壳体内，并具有至少一个产生热的电元器件；
-所述随动件，该随动件通过沿测量方向X为刚性的、而横交于测量方向X为柔性的耦合机构固定在扫描单元上，并且该随动件朝向设置在壳体外的安装区域延伸；
根据本发明设置一种导热元件，这个导热元件被构造用于将在电元器件上产生的热传递到随动件上，并且这个导热元件允许在随动件和扫描单元之间至少横交于测量方向X进行相对运动。
采用本发明可使长度测量装置的结构紧凑，其中，也可达到高的测量精确度和位置测量的可重复性。
通过在扫描单元的产生热的电元器件，特别是传感器芯片和随动件之间设置一种导热元件，在电元器件和随动件之间提供了一种导热通道，以便将在电元器件上生成的热量传递到随动件上。随动件在壳体的外部通到安装区域，这样热量会继续沿着随动件传到外部。参加导热通道的构件具有小的传热阻力。此外，导热元件是如此设计的，即它允许在扫描单元和随动件之间至少横交于测量方向的相对运动，也就是在这样的一些方向中，即位于扫描单元和随动件之间的耦合机构所允许的那些方向。也就是说采用本发明，有针对性地从传感器芯片朝着壳体外的方向提供了导热通道。
本发明还涉及一些有利的方案。
附图说明
借助实施例对本发明进行更加详细的说明。
这些附图是：
图1：长度测量装置的纵向截面图。
图2：根据图1的长度测量装置的A-A截面图。
图3：截面详图。
图4：图3中B-B的俯视图。
具体实施方式
用光学的长度测量装置作为例子对本发明进行说明。用这个长度测量装置对两个沿测量方向X可相对移动的物体1和2的相对位置进行测 量。在这种情况中，沿测量方向X相对于刻度尺20可运动的扫描单元10对透明的刻度尺20进行扫描。该刻度尺20具有测量分度21。扫描单元10用透射光对测量分度进行扫描。为此，扫描单元10具有照明单元11。该照明单元发射出一种光束。这个光束对准地通过刻度尺20和进一步地通过透明的扫描板12延伸，并且最后打到传感器芯片13的光敏扫描传感器133上。在这种情况中，与刻度尺20上的测量分度21位置相关地对光束进行调制。
刻度尺20设置在壳体22的内部。壳体又固定在待测量物体2上，例如固定在机床的床身上。其中，刻度尺20以已公开的方式和壳体22连接，例如通过粘接或者夹紧。壳体22沿着它的纵向方向沿测量方向X延伸地具有槽缝。这个槽缝通过屋顶形倾斜的密封唇23封闭。随动件14用剑形的中间件穿过该密封唇。随动件14具有安装区域141。用这个安装区域可将随动件固定在相对于床身2可移动的物体1上，例如机床的滑块上。
为了沿刻度尺20进行精确的平行导引，扫描单元10在这个刻度尺20上和/或壳体22上被导引。在所示实施例中，扫描单元10通过滚子在刻度尺20的两个彼此垂直的表面上被导引，其中，弹簧用于产生压紧力。
在扫描单元10和随动件14之间设置耦合机构15。该耦合机构将扫描单元10沿测量方向X刚性地并且横交于测量方向柔性地耦合到随动件14上。通过这一措施使随动件14的错误取向不会传递到扫描单元10。图中仅简单地示出耦合机构15。它是按照本身已公开的方式，例如按照DE 29 29 989 A1设计成沿测量方向的刚性的弹簧丝，或者根据DE 0 733882 B1设计成球耦合机构。
传感器芯片13具有一列光敏扫描传感器133。这些扫描传感器接收照明单元11的与测量分度21位置相关地调制的光，并且生成与位置有关的电扫描信号SA。传感器芯片13是一种电元器件。它包括集成的开关电路。该电路继续处理扫描信号SA。传感器芯片13具有作为用于信号处理的集成机构134，例如A/D转换器、放大器、微处理器，也包括接口单元，它们将扫描信号SA处理和转换成输出信号SD。这些输出信号位于输出线路17上，并且向外输送。若测量分度21是绝对的代码，则传感器芯片13将扫描信号SA处理成绝对的多位的数字代码字SD。 这个数字代码字通过串行的接口单元以位串方式提供到传感器芯片13的输出端。为了将长度测量装置电连接到后续的电子设备上，随动件14具有连接的措施。在所示的实施例中这个措施就是随动件14中的插接连接机构16。传感器芯片13的输出信号SD通过连接导线17被输送到这个插接连接机构16。柔性导体18用作连接导线17的支架。这个柔性导体从扫描单元10通往随动件14。这个柔性导体18是如此设计的，即它尽可能无反作用地允许耦合机构15所允许的在扫描单元10和随动件14之间进行的运动。
通过扫描信号SA与确定了位置的多位的代码字SD的集成在传感器芯片13中的信号处理，在很大程度上保证了抗干扰的测量值生成，并且这使得从传感器芯片13开始的对干扰不敏感地连续传输数字位置测量值SD成为可能。在最小的空间中的如此类型的集成的信号处理的缺点是能量需求比较高，并且因此所生成的热损耗也比较高。
传感器芯片13通过导热元件19和随动件14连接。导热元件19以及导热元件19与传感器芯片13和随动件14的接触是如此设计的，即保证良好的传热和良好的导热，为的是将在传感器芯片13上产生的热传递到随动件14上。导热元件19是为此而设计的，即至少在横交于测量方向X的方向上尽可能无反作用地允许随动件14和扫描单元10之间的相对运动。为此，导热元件19具有至少一个柔性的或者可弯曲的段191。在所示的实例中这个段191是带状的，并且是由具有良好的导热性能的材料，例如铜制成。由于是带状的，所以虽然有比较大的截面，并且因此有良好的导热能力，还是可以达到仍然足够的柔性。通过下述措施达到沿横交于测量方向X的方向的一种良好的无反作用的补偿，即可弯曲的段191具有弯转部，特别是具有多个弯转部；并且这个可弯曲的段191能进行或者能补偿沿Z方向的距离变化。但是本发明并不局限于段191的带形状。代替地也可以使用绞合线，特别是绞合线束，或者运动地和导热良好地彼此连接的链节，膜盒，一种能用良好导热的介质充满的膜盒，或者一种能良好导热的弹性塑料件，其中，在所有的实施形式中作为导热元件的材料也可以是电绝缘的材料。
图3放大地示出导热元件19在传感器芯片13上的良好的导热耦合。例如装有外壳的传感器芯片13用作传感器芯片13，该传感器芯片具有陶瓷外壳132，它的盖板是透明的，并且以已公开的方式用作扫描板12。 传感器芯片13在印制电路板30上电接触，其中，柔性导体18用通向插接连接机构16的电连接导线17又和印制电路板30连接。在印制电路板30的一侧传感器芯片13电接触，并且在印制电路板30的另一侧导热元件19的柔性段191导热良好地接触。为了在传感器芯片13和导热元件19的柔性段191之间进行热传递，设置了贯穿触通(Durch-kontaktierung)形式的热导体192。这个贯穿触通可以是设置在印制电路板30的孔中的高热传导的材料，或者是柱形的元件，或者由多个贯穿触通构成。热导体192形成导热元件19的刚性的段，并且形成传感器芯片13的下侧面和柔性段191的良好的导热连接。柔性段191在刚性的导热段192上尽可能大面积地，并且导热良好地耦合，例如通过钎焊或者粘接。
导热元件19在传感器芯片13上的导热良好的耦合可替代地通过导热元件19的柔性段191直接连接在传感器芯片13上，或者直接连接在支承传感器芯片13的支架上完成，例如通过尽可能大面积的焊接。这种导热良好的耦合可直接在表面上，特别是在没有壳体的传感器芯片的下侧面，或者在有壳体的传感器芯片13的壳体132的下侧面进行。在这种情况中，下侧面是和产生热的芯片区域直接对置的表面。当耦合表面大于5毫米2，以使传热阻力保持小时，则实现传感器芯片13和导热元件19之间的良好的导热耦合。
导热元件19在随动件14上导热良好的耦合，为的是将由传感器芯片13产生的热传递到这个随动件14上。这种耦合又可通过焊接进行，或者如图2所示的，通过紧固螺钉的紧固大面积地接触随动件14的壁而实现。
在随动件14中设置馈通件。通过该馈通件将柔性导体18从扫描单元10导向插接连接机构16。在这个馈通件的壁上耦接有导热元件19。这样做有下述好处，即导热元件19特别地节省空间，并且其受到保护地安装。由传感器芯片13所产生的，并且通过导热元件19输送到随动件14的热量被随动件14所吸收。随动件14从壳体22的内腔室向外通往安装区域141，并且由这样的材料构成，这种材料导热性良好，这样所吸收的热量通过随动件14输送到壳体22的外部。
通过导热元件19将由传感器芯片13所产生的热量有针对性地传递到实心的随动件14。随动件14特别适合于散热，因为它构造成特别稳 定地安装到待测量的物体1上，并且它通常由金属，例如铝，也就是导热良好的材料构成。随动件14从壳体22的内腔室通往外部，这样，通过导热元件19输送到随动件14的热量也沿着这个方向，也就是离开刻度尺20被输送。
在未示出的方式中，下述措施可能是有利的，将导热元件19和必要时的随动件14在壳体22之内延伸的区域中相对于壳体22的内腔室构造成绝热的，例如设置绝热覆层，例如氯丁橡胶适用于此，因为这种橡胶是柔性的，并且在柔性段191的区域中不会妨碍活动性。这个覆层也可以是一层涂层。通过这一措施可以达到由传感器芯片13所吸收的热量有针对性地被传递到壳体22的外部，并且壳体22的内腔室不会被过度加热。这样就有针对性地建立起相对于环境绝热的从传感器13到壳体22之外的环境的导热通道。
在测量操作时，也就是当将随动件14的安装区域141安装到待测量的物体1上时随动件14和待测量的物体1导热地接触，这样，热也能传递到这个待测量的物体上。以一种未示出的方式，散热也还可通过下述措施得到支持，即在随动件14上，也就是在壳体22的外部和/或在随动件14的安装区域141和待测量的物体1之间设置冷却机构。这些冷却机构可以是散热肋，或者是一种冷却介质流过的通道。
为了避免通过随动件14将电干扰输入到传感器芯片13，有必要地对导热元件19进行电绝缘，以阻止随动件14和导热件19之间的特别是电接触。这可以通过中间层达到。这个中间层设置在随动件14和导热元件19之间，并且由一种材料构成，这种材料一方面使得导热件19和随动件14导热良好地耦合，并且另一方面又是电绝缘的。这种材料例如是一种陶瓷膜。
在所示的实施例中，导热件19平行地，并且不依赖于柔性导体18地被导引。当人们将导热元件19的柔性段191集成到柔性导体18(例如在电绝缘的可弯曲的柔性薄膜之上或者之内的导线)中时，人们可替代地得到一种紧凑的结构。这种集成看起来可以是这样的，即除了电连接导线17外，人们还在电绝缘的柔性导体18上设置导热元件19的柔性段191，或者使用一种多层的柔性导体18，其中，连接导线17具有导电层，并且另一个与该导电层电绝缘的层形成导热元件19的柔性段191，其中，这个层一方面和传感器芯片13有导热良好的接触，并且另 一方面和随动件14有导热良好的接触。
本发明也可在这样的长度测量装置中使用，即在这种长度测量装置中，刻度尺构造成反射的，并且传感器芯片13与照明单元11设置在同一侧。刻度尺也可构造成电磁、电容或者感应式的，其中，然后传感器芯片13包括有适配的传感器元件，以生成与位置有关的扫描信号。传感器芯片13也可以未示出的方式构造成多部件的，其中，根据本发明对所有结构部件或者仅对其中之一进行散热，因此本发明普遍地涉及扫描单元10的产生热的电元器件的有针对性的散热问题。
重新总结一下，本发明涉及一种用于测量两个物体1、2的相对位置的长度测量装置，它具有：
-在壳体22中的刻度尺20；
-相对于刻度尺20和壳体22单元沿测量方向X可移动的扫描单元10，其中，所述扫描单元10设置在壳体22内，并具有至少一个产生热的电元器件13；
-随动件14，该随动件通过沿测量方向X为刚性的、并且横交于该测量方向为柔性的耦合机构15固定在扫描单元10上，并且该随动件向设置在壳体22外部的安装区域141延伸，其特征在于导热元件19，这个导热元件被构造用于将在电元器件13上产生的热传递到随动件14上，并且这个导热元件允许在随动件14和扫描单元10之间至少横交于测量方向X进行相对运动。
以有利的方式电元器件是传感器芯片13。该传感器芯片具有用于扫描刻度尺20和生成扫描信号SA的扫描传感器133，以及用于将这些扫描信号SA处理成位置测量值SD的机构134，其中，传感器芯片13的位置测量值SD是作为输出信号以一种多位数字代码字的形式以位串方式提供的。
特别是导热元件19一方面导热良好地耦合在电元器件13上，并且另一方面导热良好地耦合在随动件14上。
随动件14具有设置在壳体22外的且用于将随动件14固定在待测量物体1的安装区域141，并且随动件14由一种导热性良好的材料构成，以便将由导热元件19吸收的热量传递到安装区域141。
若导热元件19具有至少一个柔性可弯曲的段191，并且该段特别是带形的，则是有利的。
例如铜适合用作导热元件19的良好的导热材料。
下述措施是有利的，即电元器件13设置在印制电路板30上，并且导热元件19具有第一段192和后续的第二段191，第一段192从电元器件13穿过印制电路板30，第二段191从第一段192出发通往随动件14，并且允许在随动件14和扫描单元10之间横交于测量方向X进行相对运动。
当电元器件13设置在印制电路板30上时，导热元件19可以是柔性导体18的组成部分。该柔性导体从扫描单元10通往随动件14。在这种情况中，柔性导体18包括电连接导线17，用于将位置测量值SD从传感器芯片13传输到安装区域141的插接连接机构16，以及包括构成为导热元件19的导线，该导线一方面导热地和传感器芯片13耦合，燕且另一方面导热地和随动件14耦合。
Claims (11)
1.用于测量两个物体(1、2)的相对位置的长度测量装置，其中为了所述测量，该长度测量装置的壳体(22)能固定在所述物体中的一个物体(2)上，并且长度测量装置的随动件(14)能固定在所述物体中的另一个物体(1)上，
其中该长度测量装置具有
-在所述壳体(22)中的刻度尺(20)，
-相对于刻度尺(20)和壳体(22)单元沿测量方向X能够移动的扫描单元(10)，其中，所述扫描单元(10)设置在壳体(22)内，并具有至少一个产生热的电元器件(13)；
-所述随动件(14)，该随动件通过沿测量方向X为刚性的、而横交于测量方向X为柔性的耦合机构(15)固定在扫描单元(10)上，并且该随动件朝向设置在壳体(22)外的安装区域(141)延伸，其特征在于导热元件(19)，这个导热元件被构造用于将在电元器件(13)上产生的热传递到随动件(14)上，并且这个导热元件允许在随动件(14)和扫描单元(10)之间至少横交于测量方向X进行相对运动。
2.按照权利要求1所述的长度测量装置，其特征在于，电元器件是传感器芯片(13)，该传感器芯片具有用于扫描刻度尺(20)和生成扫描信号(SA)的扫描传感器(133)，以及用于将上述扫描信号(SA)处理成位置测量值(SD)的机构(134)。
3.按照权利要求2所述的长度测量装置，其特征在于，传感器芯片(13)的位置测量值(SD)是作为输出信号以多位数字代码字形式以位串方式提供的。
4.按照权利要求1所述的长度测量装置，其特征在于，导热元件(19)一方面导热良好地耦合在电元器件(13)上，并且另一方面导热良好地耦合在随动件(14)上。
5.按照权利要求4所述的长度测量装置，其特征在于，随动件(14)具有设置在壳体(22)外的安装区域(141)，用于将随动件(14)固定在另一个物体(1)上；并且随动件(14)由导热性良好的材料制成，以便将由导热元件(19)吸收的热量传递到安装区域(141)。
6.按照权利要求1所述的长度测量装置，其特征在于，导热元件(19)具有至少一个柔性的可弯曲的段(191)。
7.按照权利要求6所述的长度测量装置，其特征在于，上述柔性的段(191)是带形的。
8.按照权利要求1所述的长度测量装置，其特征在于，导热元件(19)具有铜材料。
9.按照权利要求1所述的长度测量装置，其特征在于，电元器件(13)设置在印制电路板(30)上，并且导热元件(19)具有第一段(192)和后续的第二段(191)，其中第一段从电元器件(13)穿过印制电路板(30)，而第二段从第一段(192)出发通往随动件(14)并允许在随动件(14)和扫描单元(10)之间横交于测量方向X进行相对运动。
10.按照权利要求1所述的长度测量装置，其特征在于，电元器件(13)设置在印制电路板(30)上，并且导热元件是柔性导体的组成部分，该柔性导体从扫描单元(10)通往随动件(14)。
11.按照权利要求10所述的长度测量装置，其特征在于，，电元器件是传感器芯片(13)，该传感器芯片具有用于扫描刻度尺(20)和生成扫描信号(SA)的扫描传感器(133)，以及用于将上述扫描信号(SA)处理成位置测量值(SD)的机构(134)，其中导热元件(19)一方面导热良好地耦合在电元器件(13)上，并且另一方面导热良好地耦合在随动件(14)上，其中随动件(14)具有设置在壳体(22)外的安装区域(141)，用于将随动件(14)固定在另一个物体(1)上；并且随动件(14)由导热性良好的材料制成，以便将由导热元件(19)吸收的热量传递到安装区域(141)，其中柔性导体(18)包括电连接导线(17)，用于将位置测量值(SD)从传感器芯片(13)传输到安装区域(141)的插接连接机构(16)，以及包括构造成导热元件(19)的导线，该导线一方面导热地耦合到传感器芯片(13)上，并且另一方面导热地耦合到随动件(14)上。
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