CN1779419A - 具有热膨胀补偿的光学测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光学测量装置，包括：分度尺(2)，其具有增量码道和绝对码道；以及检测单元，其包括包含第一光电发射器(6)、测读标线板(7)和光电检测器装置(8)的用于测量相对位置的装置以及包含第二光电发射器(9)和光电检测器(11)的线性传感器的用于测量绝对位置的装置。该检测单元包括定位模块(10)，其具有其中设置有测读标线板(7)和光电检测器(11)的线性传感器的支承件(30)，该支承件(30)通过粘合装置(20)安装在该定位模块(10)上。该支承件(30)、粘合装置(20)以及定位模块(10)的物理特性使得支承件(30)的等效热膨胀系数(α_30e)与分度尺(2)的热膨胀系数(α₂)基本相同。

Description

具有热膨胀补偿的光学测量装置

技术领域

本发明涉及线性位移和角位移的光学测量装置，更具体地，涉及下述的光学测量装置，该光学测量装置包括：分度尺，其具有至少两种码道(track)，增量码道和绝对码道；以及检测单元，其具有用于测量相对位置的装置和用于测量绝对位置的装置。

背景技术

已知下述的光学测量装置，其包括：具有增量码道和绝对码道的分度尺；以及具有用于测量相对位置的装置和用于测量绝对位置的装置的检测单元。

US 5,235,181A公开了一种具有这些特征的光学测量装置。为了测量相对位置，所述检测单元包括第一光电发射器、测读标线板(sensinggraticule)以及光电检测器装置，并且为了测量绝对位置，所述检测单元还包括第二光电发射器以及光电检测器的CCD型线性传感器。用于测量相对位置的装置和用于测量绝对位置的装置在空间上沿该检测单元相对于分度尺的相对位移的方向分离。

已知下述的测量装置，在该测量装置中，分度尺安装在保护模(protective profile)上，该保护模进而安装在第一固定物体(例如，底座)上，并且在该测量装置中，检测单元包括包含有用于测量相对位置和绝对位置的装置的定位模块，所述定位模块安装在安装支架(attachment support)上，该安装支架进而安装在第二物体(例如，相对于底座位移的滑块)上。还已知下述的光学测量装置，其中测读标线板以及光电检测器的线性传感器设置在支承件上，该支承件通过粘合装置安装在定位模块上。

这些类型的光学测量装置可能存在的问题在于：当温度变化时，会产生测量误差。这是由于分度尺的热膨胀系数与支承件的热膨胀系数通常不同的事实而导致的，在分度尺的膨胀与由于支承件的膨胀而导致的测读标线板和光电检测器的线性传感器之间间隔的变化之间不存在对应关系。

存在其它类型的测量系统，其中已对解决膨胀所导致的问题进行了尝试。因此，例如DE 199 19 042 A1公开了一种测量系统，其包括：具有第一热膨胀系数的分度尺；以及传感器头，该传感器头包括相互分离并设置在具有第二热膨胀系数的支承体上的两个传感器单元。该测量系统还包括估测单元，其根据分度尺相对于两个传感器单元的相对运动来获得温度，并考虑所述温度下的热膨胀的影响，对测量结果进行补偿。

US 5,182,867 A公开了一种测量装置，用于估测第一物体和第二物体之间的相对位置，其包括安装在第一物体上的探测单元以及安装在支承件上的分度尺，该支承件固定在第二物体上。通过添加热膨胀系数与该支承件不同的辅助支承件，来避免由于第二物体的热膨胀系数与该支承件的热膨胀系数之间的差异而导致的测量的无规律性。选择该支承件和辅助支承件的热膨胀系数、弹性模量以及横截面积，使得所述支承件和所述辅助支承件的组合结构的热膨胀系数基本上与第二物体的热膨胀系数相同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学测量装置，其使热膨胀导致的误差最小。

本发明的光学测量装置是下述的类型，其包括：具有增量码道和绝对码道的分度尺；以及包括用于测量相对位置的装置和用于测量绝对位置的装置的检测单元。该用于测量相对位置的装置包括第一光电发射器、测读标线板以及光电检测器装置，而该用于测量绝对位置的装置包括第二光电发射器以及光电检测器的线性传感器。

用于测量相对位置的装置和用于测量绝对位置的装置在空间上沿该检测单元相对于分度尺的相对位移的方向分离，并且该检测单元包括定位模块，该定位模块包括支承件，在该支承件中设置有该测读标线板和光电检测器的线性传感器。该支承件通过粘合装置安装在该定位模块上。

该支承件的材料与该分度尺的材料不同，并且该支承件、粘合装置以及定位模块的物理特性使得该支承件的等效热膨胀系数与分度尺的热膨胀系数基本相同。

支承件和分度尺使用不同的材料是很重要的。在原理上，很明显，保持分度尺的膨胀与测读标线板和定位模块之间的间隔之间的对应关系的直接解决方案是对分度尺和支承件使用相同的材料，这意味着热膨胀系数也将相同。然而，用于分度尺的玻璃的弹性模量不够高，这意味着定位模块的膨胀使得支承件容易变形。虽然可以尝试并使定位模块的膨胀的影响最小，但是支承件的厚度会增大很多。

在本发明的光学测量装置中，并不认为定位模块对支承件的影响是必须最小化的负面影响，而是将其结合为必须考虑的另一因素，以使得由定位模块、支承件和粘合装置形成的集合具有下述的特性，该特性使得支承件的等效热膨胀系数与分度尺的热膨胀系数基本相同。

此外，在本发明的光学测量装置中，可以使热膨胀的影响最小，而不需要添加其它元件。

以下将根据附图及其详细说明来描述本发明的这些和其它优点和特征。

附图说明

图1是光学测量装置的立体图。

图2是图1的光学测量装置的分度尺和检测单元的一部分的立体示意图。

图3是图1的光学测量装置的分度尺、支承件、测读标线板以及光电检测器的线性传感器的剖视图。

图4是图1的光学测量装置的分度尺、测读标线板以及光电检测器的线性传感器的立体图。

图5是图1的光学测量装置的一部分的立体图，其中可以看到将支承件固定在定位模块上的粘合装置。

图6是第一立体示意图，其中示出了本发明的光学测量装置的定位模块、粘合装置以及支承件。

图7是第二立体示意图，其中示出了本发明的光学测量装置的定位模块、粘合装置以及支承件。

图8是在无膨胀的第一情形下以及在有膨胀的第二情形下，定位模块、粘合装置以及支承件的立体示意图。

图9是粘合装置以及定位模块和支承件施加给所述粘合装置的力的立体示意图。

图10是图9中的粘合装置的侧视图。

具体实施方式

参照图1到5，本发明的光学测量装置1是下述的类型，其包括：具有增量码道和绝对码道的玻璃分度尺2；以及检测单元。该检测单元包括：用于测量相对位置的装置，其包括第一光电发射器6、测读标线板7和光电检测器装置8；以及用于测量绝对位置的装置，其包括第二光电发射器9和光电检测器11的CCD型线性传感器。

参照图1，装置1测量线性位移，并且在所示实施例中，分度尺2安装在保护模3上，该保护模3本身安装在第一固定物体(图中未示出)上，例如底座。该检测单元包括定位模块10，其包含有用于测量相对位置和绝对位置的装置。定位模块10安装在安装支架5上，该安装支架5进而安装在第二物体(图中未示出)上，例如相对于底座位移的滑块。

参照图2，用于测量相对位置的装置和用于测量绝对位置的装置在空间上沿检测单元相对于分度尺2的相对位移的方向分离。该检测单元包括定位模块10，其包括支承件30，在该支承件30中设置有测读标线板7和光电检测器11的线性传感器。支承件30通过粘接装置20安装在定位模块10上。

支承件30的材料与分度尺2的材料不同，并且支承件30、粘合装置20以及定位模块10的物理特性使得支承件30的等效热膨胀系数α_30e与分度尺2的热膨胀系数α₂基本相同。逻辑上，要考虑的热膨胀系数α₂是分度尺2安装在保护模3上时的热膨胀系数，因为自由分度尺2的热膨胀系数可能与安装在保护模3上时所述分度尺2的热膨胀系数不同。

考虑图6和7中以示意的方式表示的由定位模块10、粘合装置20以及支承件30形成的集合。定位模块10具有横截面积A₁₀、长度L₁₀、弹性模量E₁₀以及热膨胀系数α₁₀。粘合装置20具有纵向截面积A₂₀、厚度t、剪切模量G₂₀以及热膨胀系数α₂₀。支承件30具有横截面积A₃₀，长度L₃₀、弹性模量E₃₀以及热膨胀系数α₃₀。

尽管可以按照另一方式设置粘合装置20，例如设置在定位模块10的整个下表面上，或者形成围绕所述定位模块10的侧条，但是在本示例的实施例中，粘合装置20设置在支承件30的端部。

在装配本发明的装置1的基准条件中，在基准温度T₀(通常为20摄氏度)下，当将定位模块10安装在支承件30上时，粘合装置20不受应力作用。

假设温度升高，并且温度T₀升高到另一温度T₀+ΔT。如图8所示，定位模块10和支承件30的长度增大。然而，所述长度增大并不是自由的，而是受到它们所安装到的单元的影响，这意味着各种材料不是由其对应的膨胀系数约束的，而是由“有条件的”膨胀系数约束的。

由于温度的变化，粘合装置20发生变形，如图9所示。对于平衡状态，其中F₁₀为定位模块10施加在粘合装置20上的力，F₃₀为支承件30施加在粘合装置20上的力，下式成立：

F₁₀＝-F₃₀       (1)

在定位模块10的状态分析中，可以得到以下方程：

${\mathrm{\ΔL}}_{10}=L_{10}\·{\mathrm{\α}}_{10}\·\mathrm{\ΔT}+\frac{F_{10}\·L_{10}}{E_{10}\·A_{10}}...\left(2\right)$

所述方程组合了由于温度升高而导致的长度变化以及由于作用在其上的力而导致的长度变化(胡克定律)的影响。

类似地，对于支承件30可以得到：

${\mathrm{\ΔL}}_{30}=L_{30}\·{\mathrm{\α}}_{30}\·\mathrm{\ΔT}+\frac{F_{30}\·L_{30}}{E_{30}\·A_{30}}...\left(3\right)$

当考虑由于粘合装置20中产生的剪切而导致的变形状态(图10中示出了该状态)，并对剪切应力使用胡克定律时，可以得到：

$\frac{F_{30}}{A_{20}}=G_{20}\·\mathrm{arctg}\frac{\frac{(L_{10}+{\mathrm{\ΔL}}_{10})-(L_{30}+{\mathrm{\ΔL}}_{30})}{2}}{t}...\left(4\right)$

该方程右侧的分子中出现的表达式与图10中所示的值m相对应。

认为以下值是已知的：

A₁₀定位模块10的横截面积

L₁₀定位模块10的长度

E₁₀定位模块10的弹性模量

α₁₀定位模块10的膨胀系数

A₂₀粘合装置20的纵向截面积

t粘合装置20的厚度

G₂₀粘合装置20的剪切模量

α₂₀粘合装置20的膨胀系数

A₃₀支承件30的横截面积

L₃₀支承件30的长度

E₃₀支承件30的弹性模量

α₃₀支承件30的膨胀系数

ΔT温度变化

以下值仍然是未知的：

ΔL₁₀定位模块10的长度变化

ΔL₃₀支承件30的长度变化

F₁₀施加在定位模块10上的力

F₃₀施加在支承件30上的力

由于存在四个方程和四个变量，所以该方程组是确定的，因此可以获得这些未知变量的值。

可以根据以下表达式获得等效膨胀系数：

ΔL₁₀＝L₁₀·α_10e·ΔT          (5)

ΔL₃₀＝L₃₀·α_30e·ΔT          (6)

因此，在选择所考虑变量的适当值时，可以使支承件30的等效热膨胀系数α_30e等于分度尺2的热膨胀系数α₂。注意，在选择不同变量的值时，存在大量不同的可能性，可以选择在每一种情况下被认为最适合的材料和尺寸(例如，用于支承件30的不同材料、所述支承件30的尺寸变化、粘合装置的厚度变化，等等)。这意味着可以存在多种变化策略，同时具有多种选择。

因此，可以看到，当实施该解决方案时，可以将由定位模块10和支承件30施加的拉伸或压缩的影响看作是由于温度变化而导致的膨胀和收缩之外的分量。简言之，已确定了影响支承件30的膨胀的变量，并且已提出了考虑到所述变量的解决方案。

以下示出了本发明该实施例的特定解决方案。在所述特定解决方案中，对定位模块10、粘合装置20以及支承件30的物理特性选择以下的值：

定位模块10强化ABS		粘合装置20硅型		支承件30氧化铝(Al2O3)
						A10	50×10-6[m2]	A20	13×10-6[m2]	A30	5×10-6[m2]
L10	46×10-3[m]	t	0.6×10-3[m]	L30	46×10-3[m]
						E10	14.5×109[Pa]	G20	300×106[Pa]	E30	303×109[Pa]
α10	30×10-6[m/(mK)]	α20	67×10-6[m/(mK)]	α30	6.3×10-6[m/(mK)]

当考虑10摄氏度的温度差异时，这些方程如下所示：

                    F₁₀＝-F₃₀                 (7)

${\mathrm{\ΔL}}_{10}=46\×{10}^{-3}\·30\×{10}^{-6}\·10+\frac{F_{10}\·46\×{10}^{-3}}{14.5\×{10}^9\·50\×{10}^{-6}}...\left(8\right)$

${\mathrm{\ΔL}}_{30}=46\×{10}^{-3}\·6.3\×{10}^{-6}\·10+\frac{F_{30}\·46\×{10}^{-3}}{303\×{10}^9\·5\×{10}^{-6}}...\left(9\right)$

$\frac{F_{30}}{13\×{10}^{-6}}=300\×{10}^6\·\mathrm{arctg}\frac{\frac{(46\×{10}^{-3}+{\mathrm{\ΔL}}_{10})-(46\×{10}^{-3}+{\mathrm{\ΔL}}_{30})}{2}}{0.6\×{10}^{-6}}...\left(10\right)$

求解该方程组，可以得到：

ΔL₁₀＝12.1×10^-6[m]     ΔL₃₀＝3.7×10^-6[m]

F₁₀＝-27.2[N]            F₃₀＝27.2[N]

根据这些值，可以使用以下方程计算等效膨胀系数α_10e和α_30e：

12.1×10^-6＝46×10^-3·α_10e·10                     (11)

3.7×10^-6＝46×10^-3·α_30e·10                      (12)

根据这些方程可以获得以下结果：

α_10e＝26.2×10^-6[m/(mK)]   α_30e＝8.1×10^-6[m/(mK)]

与所期望的一样，支承件30的等效膨胀系数α_30e的值基本上与玻璃分度尺2的膨胀系数相同。这可以通过适当的选择材料及其尺寸来实现。

在图6中示意性示出的实施例中，粘合装置20设置在支承件30的两个端部，并且在这两个端部处，所述粘合装置20具有纵向截面积A₂₀、厚度t、剪切模量G₂₀以及热膨胀系数α₂₀。然而，在第二实施例中，在各个端部使用不同的粘合剂。更具体地，在一个端部使用刚性粘合剂，即具有高剪切模量G的粘合剂，而在另一端部使用柔性粘合剂，即具有低剪切模量G的粘合剂。可以通过与第一实施例相似的计算，获得该第二实施例中所涉及的变量之间的关联。

在该第二实施例中，支承件30的最接近于点40(在该点处，由相对位移产生的运动被传递到定位模块10)的端部上的粘合装置20为刚性粘合剂装置，而另一端部上的粘合装置20为柔性粘合装置。图5所示的点40为一个球，第二物体(通常为安装在底座上的滑块)通过该球将平移运动传递到定位模块10。结果，支承件30通过刚性点(与刚性粘合剂相对应)和柔性点(与柔性粘合剂相对应)安装在定位模块10上。通过将刚性点定位为接近于点40(其为固定基准点)，可以使定位模块10的膨胀产生的影响最小，由于所述刚性点来自点40，所以对于由定位模块10的膨胀作用而导致的相同温度升高，所述刚性点将相对于点40产生位移。

在一优选实施例中，支承件30具有高弹性模量E₃₀以及小于分度尺2的热膨胀系数α₂的热膨胀系数α₃₀。这确保了在温度升高的情况下，定位模块10的材料(其具有非常高的热膨胀系数α₁₀)的拉伸应力使支承件30拉伸，以使所述支承件30的等效膨胀与分度尺2的膨胀相同。为了确保产生这种效果，所述支承件30的横截面积A₃₀不是任意的，而是必须进行选择，以使该集合的影响为所要求的影响。

更具体地，在一优选实施例中，支承件30由氧化铝制成，氧化铝实际上为具有高弹性模量E₃₀以及小于分度尺2的热膨胀系数α₂的热膨胀系数α₃₀的材料。

如图2到5中所示，在所示实施例中，支承件30包括：其中容纳有光电检测器11的CCD型线性传感器的第一腔；以及其中容纳有测读标线板7的第二腔。光电检测器11的所述线性传感器和所述测读标线板7刚性地安装在支承件30上。

还可以将测读标线板7蚀刻在支承件30本身上，而不是将其容纳在形成在支承件30中的腔中。

虽然本发明特别针对具有分度尺、增量码道和绝对码道以及检测单元(具有用于测量相对位置和绝对位置的装置)的光学测量装置，但是本发明的范围还包括其中需要保持由于膨胀作用而导致的两个传感器元件之间的间隔的变化与分度尺的膨胀之间的对应关系的任何类型的测量装置。

Claims (10)

1、一种光学测量装置，其包括：

分度尺(2)，其具有增量码道和绝对码道；以及

检测单元，其包括

用于测量相对位置的装置，其包括第一光电发射器(6)、测读标线板(7)和光电检测器装置(8)，以及

用于测量绝对位置的装置，其包括第二光电发射器(9)和光电检测器(11)的线性传感器，

所述用于测量相对位置的装置和所述用于测量绝对位置的装置在空间上沿所述检测单元相对于所述分度尺(2)的相对位移的方向分离，并且

所述检测单元包括定位模块(10)，该定位模块包括其中设置有测读标线板(7)和光电检测器(11)的线性传感器的支承件(30)，所述支承件(30)通过粘合装置(20)安装在所述定位模块(10)上，

所述光学测量装置的特征在于：所述支承件(30)的材料与所述分度尺(2)的材料不同，并且

所述支承件(30)、所述粘合装置(20)以及所述定位模块(10)的物理特性使得所述支承件(30)的等效热膨胀系数(α_30e)与所述分度尺(2)的热膨胀系数(α₂)基本相同。

2、根据权利要求1所述的光学测量装置，其中所述物理特性为：

所述定位模块(10)的横截面积(A₁₀)、长度(L₁₀)、弹性模量(E₁₀)和热膨胀系数(α₁₀)；

所述粘合装置(20)的纵向截面积(A₂₀)、厚度(t)、剪切模量(G₂₀)和热膨胀系数(α₂₀)；以及

所述支承件(30)的横截面积(A₃₀)、长度(L₃₀)、弹性模量(E₃₀)和热膨胀系数(α₃₀)。

3、根据权利要求2所述的光学测量装置，其中

所述粘合装置(20)设置在所述支承件(30)的端部上。

4、根据权利要求3所述的光学测量装置，其中

所述支承件(30)的最接近下述点(40)的端部上的粘合装置(20)为刚性粘合装置，其中在该点(40)处，由相对位移产生的运动被传递到所述定位模块(10)。

5、根据前述权利要求中的任意一项所述的光学测量装置，其中

所述支承件(30)具有高弹性模量(E₃₀)以及比所述分度尺(2)的热膨胀系数(α₂)小的热膨胀系数(α₃₀)。

6、根据权利要求5所述的光学测量装置，其中

所述支承件(30)由氧化铝制成。

7、根据前述权利要求中的任意一项所述的光学测量装置，其中

所述支承件(30)包括其中容纳有光电检测器(11)的所述线性传感器的第一腔，以及其中容纳有所述测读标线板(7)的第二腔。

8、根据权利要求1到6中的任意一项所述的光学测量装置，其中

所述支承件(30)包括其中容纳有光电检测器(11)的所述线性传感器的腔，并且所述测读标线板(7)蚀刻在所述支承件(30)本身上。

9、一种用于光学测量装置(1)的检测单元的定位模块，

所述光学测量装置(1)包括具有增量码道和绝对码道的分度尺(2)，

所述检测单元包括

用于测量相对位置的装置，其包括第一光电发射器(6)、测读标线板(7)和光电检测器装置(8)，以及

用于测量绝对位置的装置，其包括第二光电发射器(9)和光电检测器(11)的线性传感器，并且

所述定位模块(10)包括其中设置有所述测读标线板(7)和光电检测器(11)的所述线性传感器的支承件(30)，所述支承件(30)通过粘合装置(20)安装在所述定位模块(10)上，

所述定位模块的特征在于所述支承件(30)的材料与所述分度尺(2)的材料不同，并且

所述支承件(30)、所述粘合装置(20)以及所述定位模块(10)的物理特性使得所述支承件(30)的等效热膨胀系数(α_30e)与所述分度尺(2)的热膨胀系数(α₂)基本相同。

10、根据权利要求9所述的定位模块，其中所述物理特性为：

所述定位模块(10)的横截面积(A₁₀)、长度(L₁₀)、弹性模量(E₁₀)和热膨胀系数(α₁₀)；

所述粘合装置(20)的纵向截面积(A₂₀)、厚度(t)、剪切模量(G₂₀)和热膨胀系数(α₂₀)；以及

所述支承件(30)的横截面积(A₃₀)、长度(L₃₀)、弹性模量(E₃₀)和热膨胀系数(α₃₀)。

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