CN101825482B - 用于测量设备的读头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量设备的读头，所述读头包括刻度光栅(11)，和用于通过所述光栅(11)照亮刻度尺(2)的光发射器(10)。所述读头可相对于所述刻度尺(2)移动，在所述刻度尺(2)和所述光栅(11)之间的第一相互作用之后，在相对于所述刻度尺(2)的确定距离处的平面中得到具有调制周期的光分配。在所述平面中，设置具有不同于但接近于所述调制周期的周期的光栅(12)，作为所述光栅(12)和所述调制周期之间的叠加的结果，得到对应于所述刻度尺(2)的图像的具有图像周期的新的光分配。所述读头(1)还包括和所述图像相互作用的另一个光栅(13)。

Description

用于测量设备的读头

技术领域

本发明涉及用于测量设备的读头，该测量设备还包括刻度尺，该读头可相对于所述刻度尺移动，并且能够确定所述移动。

现有技术

从现有技术(诸如那些在申请人的专利文献EP1722200B1和EP1775558A1中公开的)中已知用于测量设备的读头。所述读头可沿平行于所述测量设备的刻度尺的运动方向相对于该刻度尺移动，该设备设计成确定所述读头沿所述运动方向相对于所述刻度尺的相对位置。

此类型的读头通常包括至少一个具有确定的周期的刻度光栅；光发射器，该光发射器发出光束以照亮刻度尺；以及分析器，该分析器接收在所述刻度尺上透射或反射的光的至少一部分，该分析器能够从接收的光产生可以用来确定读头相对于所述刻度尺的移动的电信号。例如，如文献EP0207121B1所述，刻度尺包括多个周期标记并且光发射器通过刻度光栅照亮所述刻度尺，刻度光栅和刻度尺之间的相互作用从而产生具有调制周期的光分配，光分配相对于刻度尺投射在确定平面中，分析器应该设置在该确定平面的附近。

所述投射光分配的周期和产生其的相对于刻度尺的距离取决于刻度光栅的刻度周期、刻度尺的周期标记以及刻度光栅和刻度尺之间的相对距离。另外，已知所述光投射的区域的深度与它们的周期成比例，因此分析器在理想位置的定位越临界(critical)，待由所述分析器系统分析的投射周期越小。

此外，这些类型的设备中所要求的精确度的需求水平需要刻度光栅和调制的投射光分配尽可能接近刻度尺定位或产生。

然而，并不总是可以或易于相对于刻度尺在一定距离处设置分析器，在该刻度尺处投射光呈现所需的对比度和调制，无论是因为以上给出的理由还是因为分析器的物理存在能够妨碍照亮刻度尺并且导致不需要的阴影，结果都必须在更远离刻度尺的位置放置所述分析器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量设备的读头，所述读头使分析器能够布置在任意位置中，所述任意位置允许能够最佳地投射待在环境中接收的光，在所述环境中所述分析器的布置不会影响照亮刻度尺或导致不需要的阴影，从而确保维持对此类型的设备的精确度要求。

本发明的读头包括具有确定周期的刻度光栅；光发射器，以通过所述刻度光栅照亮所述设备的刻度尺，从而产生所述第一刻度光栅和所述刻度尺之间的第一相互作用，所述第一相互作用产生具有调制周期的光分配，相对于所述刻度尺在确定距离处观测所述光分配，并且当所述读头相对于所述刻度尺移动时，所述光分配按比例移动；以及分析器，以在由所述发射器发出的光在所述刻度尺上透射或反射之后，接收所述光的至少一部分。

本发明的读头还包括第二刻度光栅，所述第二刻度光栅相对于所述刻度尺设置在基本上等于所述确定距离的第二距离处，并且所述第二刻度光栅包括略微不同于且接近于所述调制周期的第二周期，导致在所述第二距离处并且作为所述第二周期和所述调制周期之间的空间叠加的结果，产生光分配，所述光分配与具有基本上大于所述刻度尺的增量周期的图像周期的所述刻度尺的图像对应，并且当所述读头相对于所述刻度尺移动时，所述光分配按比例移动。所述读头还包括第三刻度光栅，所述第三刻度光栅具有基本上大于所述刻度尺的周期的第三周期，所述第三刻度光栅相对于所述第二刻度光栅设置在其中的平面以第三距离设置在所述发射器和所述第一刻度光栅之间，并且所述第三刻度光栅被所述光发射器照亮，从而在所述第三光栅和具有所述图像周期的所述刻度尺的图像之间产生第二相互作用，作为该第二相互作用的结果，可以得到具有读出周期的光分配，相对于可以发现具有所述图像周期的所述刻度尺的图像的平面在确定距离处观测所述光分配，当所述读头相对于所述刻度尺移动时，所述光分配按比例移动，所述分析器设置或大约设置在获得具有所述读出周期的所述光分配的所述平面中。

结果，相对于设置有所述第二刻度光栅的所述平面在确定距离处，得到相对于所述刻度尺移动所述读头的光图像的投射。所述分析器设置在所述位置中或在所述位置的附近，确保所述分析器接收代表所述读头相对于所述刻度尺的移动的光，因此得到更远离所述刻度尺的所述分析器的可能的新布置，因此使能够除去或减小所述分析器的物理存在遮挡照亮所述刻度尺和/或导致所述刻度尺上的不需要的阴影的风险。

根据附图及其详述将使发明的这些和其他优点以及特征变得明显。

附图说明

图1示出了本发明的读头的实施方式；

图2示出了本发明的读头的第一优选实施方式；

图3示出了本发明的读头的第三实施方式；

图4示出了本发明的读头的第四实施方式。

具体实施方式

图1示出了本发明的读头1的实施方式，该读头1被设计成用于在测量设备100中使用。所述设备100除读头1之外还包括刻度尺2，该刻度尺2包括具有确定的增量周期P2沿运动方向X布置的多个周期标记(图中未示出)，所述读头1可沿基本上平行于所述刻度尺2的运动方向X相对于该刻度尺2移动。读头1包括具有第一周期P11的第一刻度光栅11，该第一刻度光栅11相对于刻度尺2设置在第一距离Z11处；光发射器10，以通过刻度光栅11照亮刻度尺2；以及分析器140，该分析器40接收透过或反射在刻度尺2上的光的至少一部分，该分析器40被设计成根据接收到的光产生电信号，所述电信号能够用于确定读头1相对于刻度尺2的移动。优选地分析器140接收反射在刻度尺2上的光，并且在下文中详细的公开内容将涉及这种结构(和图)。然而，本发明并不限于这种结构，在分析器140接收透过所述刻度尺2的光而不是反射在该刻度尺2上的光的情况下，也能够使用该结构。

当读头1沿运动方向X相对于刻度尺2移动时，作为第一刻度光栅11和刻度尺2之间的第一相互作用11的结果，相对于所述刻度尺2在确定距离Zm处得到光分配，光分配呈现具有调制周期Pm的调制，并且当读头1相对于刻度尺2移动时，该光分配也按比例移动。所述调制周期Pm和所述确定距离Zm由下列方程式确定：

$\mathrm{Pm}=\frac{P11*P2}{n*P2-m*P11}$

$\mathrm{Zm}=Z11*\frac{n*\mathrm{Pm}}{P11}$

其中：

P2-＞刻度尺2的增量周期。

P11-＞第一刻度光栅11的周期。

Pm-＞调制周期。

Z11-＞刻度光栅11和刻度尺2之间的距离。

Zm-＞在产生具有调制周期Pm的光投射处相对于刻度尺2的距离。

n和m-＞整数，优选分别与1和-1对应。

优选第一距离Z11也与塔尔博特距离T的整倍数对应，结果得到以调制周期Pm调制的光的最大对比度。塔尔博特距离T由下列方程式确定：

T＝P11＊P2/(n＊m＊λ)

其中

P2-＞刻度尺2的增量周期。

P11-＞第一刻度光栅11的周期。

λ-＞由发射器10发射的光的波长。

n和m-＞整数，优选分别与1和-1对应。

本发明的读头1还包括第二刻度光栅12，该第二刻度光栅12相对于刻度尺2设置在基本上等于确定距离Zm的第二距离Z12处，并且该第二刻度光栅12包括略微不同于并且接近于调制周期Zm的第二周期P12，结果是，由于第二周期P12和调制周期Pm的叠加，相对于刻度尺2在所述第二距离Z12处得到新的调制光分配，该新的调制光分配与所述刻度尺2的图像相对应但是具有基本上大于所述刻度尺2的增量周期P2的图像周期Pi，并且当读头1相对于刻度尺2移动时，该新的调制光分配按比例移动。所述图像周期Pi由以下方程式限定：

$\mathrm{Pi}=\frac{\mathrm{Pm}*P12}{\mathrm{Pm}-P12}$

其中：

Pi-＞刻度尺2的图像周期。

P12-＞第二刻度光栅12的周期。

Pm-＞调制周期。

结果，相对于刻度尺2的读头1的增量周期P2的移动和所述刻度尺2的图像的图像周期Pi的移动相对应。

读头1还包括具有第三周期P13的第三刻度光栅13，该第三周期P13约等于图象周期Pi并且基本上大于刻度尺的周期P2，该第三刻度光栅13相对于设置有第二刻度光栅12的平面以第三距离Z13设置在发射器10和刻度光栅11之间，结果是由发射器10发出并且透过第三光栅13的光与刻度尺2的图像相互作用，在第二光栅12设置在其中的平面上得到该相互作用，并且，作为所述第二相互作用12的结果，得到具有读出周期P1的光分配，相对于设置有所述第二刻度光栅12的平面在附加距离Z1处观测该光分配，并且当刻度尺2的图像移动时该光分配按比例移动，进而当读头1相对于刻度尺2移动时该光分配按比例移动。结果，相对于刻度尺2的读头1的增量周期P2的移动与读出周期P1的移动相对应。读出周期P1和在此产生所述读出周期P1的相对于刻度尺2的图像的附加距离Z1取决于第三周期P13、图像周期Pi以及相对于所述刻度尺2的图像的第三距离Z13，所述第三刻度光栅13设置在该第三距离Z13处：

$P1=\frac{P13*\mathrm{Pi}}{n^{\′}*\mathrm{Pi}-m^{\′}*P13}$

$Z1=Z13*\frac{n^{\′}*P1}{P13}$

其中：

P13-＞第三刻度光栅13的周期。

Pi-＞刻度尺的图像周期。

Pl-＞读出周期。

Z13-＞第三光栅13和产生刻度尺的图像的平面之间的距离。

Z1-＞相对于产生刻度尺的图像的平面的距离，在该距离处观测以读出周期P1调制的光。

n’和m’-＞整数，优选分别与1和-1相对应。

因而设置有分析器140的特定位置Z1取决于光栅13和刻度尺2的图像之间的距离，而不取决于读头1和刻度尺2之间的距离。

分析器140优选包括具有结构光电二极管(图中未示出)的矩阵的光电探测器装置131，该光电探测器装置131具有特定的第四周期P14，该光电探测器装置131被设计成接受并且产生来自具有读出周期P1的光分配的反映读头1的移动的电信号。代替结构光电二极管的矩阵，所述分析器140还可以包括光电探测器装置131和具有第四周期P14的第四刻度光栅14，其中该光电探测器装置131将它们接收的光转换成电信号，该电信号可以用来确定读头1相对于刻度尺2的移动，以便将读出周期P1调整为可以由光电探测器装置131接受的周期。

在图2所示的第一优选实施方式中，发射器10倾斜地照亮刻度尺2，并且第一和第二刻度光栅11和12面向所述刻度尺2。第一刻度光栅11的第一周期P11优选等于刻度尺2的增量周期P2的两倍，并且第二周期不同于但接近于所述第一周期P11，相对于刻度尺2设置在相同距离Z11、Z12处的光栅11和12形成单个元件。分析器140还包括根据第四周期P14布置的结构光电二极管的矩阵，所述光电二极管的矩阵和第三光栅13相对于产生具有图像周期Pi的刻度尺2的图像的平面设置在相同距离Z14、Z13处。在所述优选实施方式中，刻度尺的增量周期P2大约等于20微米且第一周期P11大约等于40微米，得到40微米的调制周期Pm。第二周期P12大约等于34.5微米，得到大约等于250微米的图像周期Pi。第三周期和第四周期P13和P14大约等于500微米。

在第二优选实施方式中，第一周期P11和第二周期P12可以等于且略微不同于并接近于增量周期P2的两倍，所述周期P11和P12能够小于或大于所述增量周期P2(例如，20微米的增量周期P2以及周期P11和P12大约等于37或43.5微米)，周期P13和P14保持大约等于500微米。当然，除了500微米，它们也可以具有不同周期并且甚至可以相对于产生具有图像周期Pi的刻度尺2的图像的平面放置在不同的距离处。

图3和4示出了本发明的两个其它不同实施方式。在所述实施方式中，光垂直地落到刻度尺2上，并且为了实现光垂直地落到刻度尺2上，读头1包括立方体4，优选偏振立方体。第一刻度光栅11和第二刻度光栅12也形成单个元件，设置在面向刻度尺2的立方体4的面上，这些光栅设置在所述立方体4和所述刻度尺2之间。

在图3所示的第三实施方式中，分析器140设置在立方体4的与面向刻度尺2的面41相反的面42上，并且第三刻度光栅13设置在所述立方体4的侧面43、44上，发射器10面向所述第三刻度光栅13设置。

在图4所述的第四实施方式中，第三刻度光栅13设置在立方体4的与面向刻度尺2的面41相反的面42上，发射器10在第三刻度光栅13上的基本垂直面中发光。分析器140设置在所述立方体4的侧面43、44中的一面上。

Claims (14)

1.用于测量设备的读头，所述测量设备还包括具有增量周期(P2)的刻度尺(2)，

所述读头(1)可沿基本上平行于所述刻度尺(2)的运动方向(X)相对于该刻度尺(2)移动，并且所述读头(1)包括：

具有确定的光栅周期(P11)的第一刻度光栅(11)，所述第一刻度光栅(11)相对于所述刻度尺(2)设置在第一距离(Z11)处，

光发射器(10)，所述光发射器(10)通过所述第一刻度光栅(11)照亮所述刻度尺(2)，在所述第一刻度光栅(11)和所述刻度尺(2)之间产生第一相互作用(11)，所述第一相互作用(11)因此给出具有调制周期(Pm)的光分配，相对于所述刻度尺(2)在确定距离(Zm)处观测所述光分配，并且当所述读头(1)相对于所述刻度尺(2)移动时所述光分配按比例移动，以及

分析器(140)，所述分析器(140)适合于根据该分析器(140)接收的光产生代表所述移动的电信号，

其特征在于：

所述读头(1)还包括第二刻度光栅(12)，所述第二刻度光栅(12)具有不同于且接近于所述调制周期(Pm)的第二光栅周期(P12)，所述第二刻度光栅(12)相对于所述刻度尺(2)设置在基本上等于所述确定距离(Zm)的第二距离(Z12)处，导致在所述第二距离(Z12)处并且作为所述第二周期(P12)和所述调制周期(Pm)之间的空间叠加的结果，新的光分配与具有大于所述刻度尺(2)的所述增量周期(P2)的图像周期(Pi)的所述刻度尺(2)的图像相对应，并且当所述读头(1)相对于所述刻度尺(2)移动时所述新的光分配按比例移动，

所述读头(1)还包括第三刻度光栅(13)，所述第三刻度光栅(13)具有大于所述刻度尺(2)的所述增量周期(P2)的第三周期(P13)，所述第三刻度光栅(13)相对于设置所述第二刻度光栅(12)的平面以第三距离(Z13)设置在所述发射器(10)和所述第一刻度光栅(11)之间，并且所述第三刻度光栅(13)被所述光发射器(10)照亮，从而在所述第三光栅(13)和具有图像周期(Pi)的被投射到所述第二刻度光栅(12)上的所述刻度尺(2)的图像之间产生第二相互作用(12)，作为所述第二相互作用(12)的结果得到具有读出周期(P1)的光分配，相对于产生具有图像周期(Pi)的所述刻度尺(2)的图像的所述平面在附加距离(Z1)处观测所述光分配，并且当所述读头(1)相对于所述刻度尺(2)移动时所述光分配按比例移动，所述分析器(140)设置在或近似设置在得到具有所述读出周期(P1)的所述光分配的平面中。

2.根据权利要求1所述的读头，其中，所述第一刻度光栅(11)和所述第二刻度光栅(12)相对于所述刻度尺(2)设置在相同距离(Z11，Z12)处。

3.根据权利要求2所述的读头，其中，所述第一刻度光栅(11)的所述光栅周期(P11)等于所述刻度尺(2)的所述增量周期(P2)的两倍，并且所述第二刻度光栅(12)的所述第二周期(P12)不同于且接近于所述第一刻度光栅(11)的所述周期(P11)。

4.根据权利要求3所述的读头，其中，所述第二周期(P12)小于所述第一刻度光栅(11)的所述周期(P11)。

5.根据权利要求4所述的读头，其中，所述增量周期(P2)大约等于20微米，所述第一刻度光栅(11)的所述光栅周期(P11)大约等于40微米，并且所述第二周期(P12)大约等于34.5微米。

6.根据权利要求2所述的读头，其中，所述第一刻度光栅(11)的所述周期(P11)和所述第二刻度光栅(12)的所述第二周期(P12)彼此相等并且不同于并接近于所述增量周期(P2)的两倍。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的读头，其中，所述第一刻度光栅(11)和所述第二刻度光栅(12)形成单个元件。

8.根据权利要求2所述的读头，其中，所述第一距离(Z11)是等于由方程式T＝P11*P2/(n*m*λ)限定的塔尔博特距离T的整数倍，其中λ对应于由所述光发射器(10)发射的光的波长，n和m对应于整数，P2为所述刻度尺(2)的所述增量周期(P2)，P11为所述第一刻度光栅(11)的所述光栅周期(P11)。

9.根据权利要求1所述的读头，其中，所述第三光栅(13)的所述第三周期(P13)等于所述图像周期(Pi)的两倍，并且所述分析器(140)和所述第三光栅(13)相对于产生具有所述图像周期(Pi)的所述刻度尺(2)的图像的所述平面设置在相同距离(Z13，Z14)处。

10.根据权利要求9所述的读头，其中，所述分析器(140)包括光电探测器装置(131)，所述光电探测器装置(131)具有特定的第四周期(P14)并具有结构光电二极管的矩阵，所述光电探测器装置(131)适合于根据它们接收的光产生电信号。

11.根据权利要求1所述的读头，其中，所述发射器(10)的布置使所述光能够倾斜地落到所述刻度尺(2)上，并且其中所述第一和第二刻度光栅(11，12)面向所述刻度尺(2)，所述第二光栅(12)接收反射在所述刻度尺(2)上的光。

12.根据权利要求1所述的读头，其中，所述光以基本上竖直的方式落在所述刻度尺(2)上，所述读头(1)包括偏振立方体(4)，并且所述第一和第二刻度光栅(11，12)设置在面向所述刻度尺(2)的所述立方体(4)的第一面(41)上，所述第三刻度光栅(13)设置在面向所述发射器(10)的所述立方体(4)的侧面(43，44)上，并且所述分析器(140)设置在与所述立方体(4)的所述第一面(41)相反的第二面(42)上。

13.根据权利要求1所述的读头，其中，所述光以基本上竖直的方式落到所述刻度尺(2)上，所述读头(1)包括偏振立方体(4)，并且所述第一和第二刻度光栅(11，12)设置在面向所述刻度尺(2)的所述立方体(4)的第一面(41)上，所述第三刻度光栅(13)设置在与所述立方体(4)的所述第一面(41)相反的第二面(42)上并且面向所述发射器(10)，并且所述分析器(140)设置在所述立方体(4)的侧面(43，44)上。

14.测量设备，所述测量设备包括刻度尺(2)，其特征在于，所述测量设备还包括根据前述权利要求中的任一项所述的读头(1)。

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