TWI408335B - 線性編碼器 - Google Patents

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Description

線性編碼器
本發明有關於根據申請專利範圍第1項之序言的線性編碼器。
如德國專利案號25 10 341 C2中所述之此種線性編碼器係用來測量長度及距離，尤其用於用來測量工具相對於欲處理之工件的相對移動之處理機械中、於座標測量機械中，以及亦逐漸用於半導體領域中。
於此，受到環境保護之具有測量刻度的尺用作測量表示，並且置於在測量方向中線性延伸之殼體中。為了簡單且有經濟效益的製造，殼體為以非磁性材料所製造之模壓外型，尤其係鋁。在測量位置期間，由掃描滑座掃描遞增式或絕對式編碼之測量刻度。針對此目的，沿著相互垂直延伸的兩引導面線性引導掃描滑座並將其抵壓兩引導面。此引導確實有用，因其確保掃描滑座(尤其係掃描板)間之固定掃描距離，並且在整個測量長度上保持尺，其保證掃描信號之良好品質。掃描滑座之引導與欲測量之物件的引導解耦合，其中在欲測量之物件與掃描滑速之間設置具有耦合件的抓持器，該耦合件將掃描滑座在測量方向中堅固地且在測量方向之橫向中彈性地耦合至抓持器。在先前技術中，藉由彈簧臂(德國專利案號23 49 944 A1)或藉由數個壓力彈簧，將掃描滑座壓抵尺的互相垂直延伸之兩 引導面，其中各引導面設有自己的彈簧(德國專利案號28 10 341 C2)，其之壓力朝向個別的引導面。規則為這些互相垂直定位之彈簧配置在掃描滑座與抓持器之間，這導致掃描滑座與抓持器之間的距離會影響壓力。因此需將安裝容限選擇成特別小。
線性編碼器之需求不斷地增加，也持續需要更高解析度，以及更大準確度與位置測量之重現性。有鑑於此，應提供一種小巧之機械結構，並應以具經濟效益之方法產生線性編碼器。
本發明係根據產生具有高測量準確度的線性編碼器之目的，其可以具經濟效益之方法產生。
根據本發明，藉由申請專利範圍第1項之特徵達成此目的。
這些需求要求具有保護性容納之尺的封裝線性編碼器。高解析度需要持續更短的掃描距離，其在整個測量距離上為固定。這係藉由在尺上引導掃描滑座來達成，其中為了不受干擾之精確引導，掃描滑座透過耦合件耦合至抓持器，該耦合件僅在一方向中為堅固的。在所有其他方向中，此耦合件允許抓持器的移動，而不會導致測量方向中掃描滑座之精確引導與移動的反應。對於精確直線引導，在尺的互相垂直延伸之兩面上引導掃描滑座，並將掃描滑座壓抵著這兩面，其中藉由在掃描滑座之至少一第一元件與 設置在非磁性殼體上的第二元件間的磁力來提供壓力。
透過本發明可有構造小巧之線性編碼器，並亦能獲得高測量準確度及可重現之位置測量。
藉由根據本發明所體現之線性編碼器，掃描滑座壓抵尺之壓力與其之安裝無關。掃描滑座與抓持器間之距離不影響壓力。
尺上之掃描滑座的引導保證相關於測量刻度之確切平行的引導，因尺的表面準確地對齊測量刻度的路線。
在附屬項中敘述本發明之有利的實施例。
將在範例實施例的輔助下更詳細解釋本發明。
將藉由光學線性編碼器的範例來呈現本發明，其意圖測量兩物件1及2之相對位置，其可在測量方向X中相互位移。在此過程中，由掃描滑座10掃描透明尺20，其尤其以玻璃製成，可在測量方向X中相較於尺20移動掃描滑座10。尺20具有測量刻度21，其由掃描滑座之入射光加以掃描。針對此目的，掃描滑座10具有照明單元11，其發射光束，穿過尺20並最後落在掃描滑座20的光敏掃描感測器12。在過程中，將光束調變為尺20上之測量刻度21的位置之函數。
尺20設置在殼體22，其則固定至欲測量之物件2上，例如機械工具的機床。在此情況中，尺20係以已知的方式與殼體22連接，例如藉由黏接或夾箝。殼體22具有 在其縱向方向中在測量方向X中延伸的狹縫，由以屋頂形狀的方式傾斜之密封凸緣封住狹縫，並且有具有劍形中央件的抓持器13延伸穿過狹縫。抓持器13具有安裝區131，藉由其抓持器13可附接至物件1，例如為機器工具的滑座，其可相較於機床2位移。
耦合件14配置在掃描滑座10及抓持器13之間，在測量方向X中堅固地並且與測量方向X橫向地彈性地將掃描滑座10耦合至抓持器13。有鑑於此，抓持器13的錯誤對準不會牽連至掃描滑座10。僅示意性顯示耦合件14。在本身已知的方式，可將耦合件14設計成例如根據歐洲專利案號0 733 882 B1之球耦合件，其中由相較於測量方向垂直延伸的抓持器13的一面與相較於測量方向垂直延伸的掃描滑座10的一面之間的磁力箝住並保持鐵磁材料製成的球。
將掃描滑座10以確切平行引導方式沿著尺20引導於其上。針對此，掃描滑座10係藉由在尺20的兩面201及202上之引導元件151至155支撐著，該兩面相互垂直對齊。這兩面之一為承受測量刻度21的表面201，而另一面為與表面201垂直延伸之尺20的窄側邊202。引導元件可為滑動元件，但尤其係滾輪或滾筒151至155，坐落於球軸承上。
藉由磁性元件161與261還有162與262之間的配合，將掃描滑座10推抵尺20的面201及202。此壓擠力係藉由掃描滑座10之至少一第一元件161及162以及設置 在殼體22上的至少一第二元件261及262之間的磁力所提供。磁性材料一詞定義為鐵磁或永久磁性之材料。第一元件尤其為永久磁鐵161及162，以及第二元件261及262為以鐵磁材料所製成並附加至殼體22之元件。永久磁鐵尤其以NdFeB所製成。
殼體22由非磁性材料所製成，其尤其為以鋁所製成的模壓外型。此之優點為可在外型22上形成各種功能性元件而無需額外的努力，例如尺20的支承件或插口，以及用於附接至物件2之密封凸緣的容置件。本發明利用此可能性，其中在殼體22中形成用來引入帶子261及262的溝渠231及232。帶子261與262以鐵磁鋼製成。
透過引導元件，尤其係坐落於球軸承上的數個滾筒151、152及153，在面201上支承掃描滑件10。掃描滑座10於面201上之壓力Fz係與此面201垂直定位，並且由固定於掃描滑座10中的磁鐵161及推入溝渠231中的鋼帶261之相互作用而產生。鋼帶261在測量方向X中與面201水平延伸，並相對磁鐵161設置，亦即在約0.8 mm的距離。壓力Fz大約為2.3 N。
與此垂直地，藉由引導元件，尤其係坐落於球軸承上的數個滾筒154及155，在面202上支承掃描滑件10。掃描滑座10於面202上之壓力Fy係與此面202垂直定位，並且由固定於掃描滑座10中的磁鐵162及推入溝渠232中的鋼帶262之相互作用而產生。鋼帶262在測量方向Y中與面202水平延伸，並相對磁鐵161設置，亦即在約 0.8 mm的距離。壓力Fy大約為1.8 N。
相關於磁鐵162對稱地配置這兩滾筒154及155，以及相關於磁鐵161對稱地配置這兩滾筒151及153，其中滾筒152配置在磁鐵161的X位置中，其對應於第1圖中所呈現之剖面位置。滾筒151至155的空間配置，以及磁力所產生的壓力Fy及Fz規劃成使得作用於個別滾筒151至155的力量大約相同，在範例中約0.8 N。由磁力產生之壓力Fy及Fz的方位及大小為使從這兩壓力所導致之力量Fr至少延伸大約穿過掃描滑座10之重心S。
磁鐵161及162的大小與強度，還有與對應鋼帶261及262之距離選擇使得磁力改變盡可能地小，即使在改變距離的情況下。因此，距離被置於磁力－距離特性範圍中，其盡可能地平穩。
在掃描滑座10之口袋狀插口17中有利地發生磁鐵161及162的保持。如第1圖中的剖面呈現中所示，舉磁鐵162的例子而言，插口的體現方式為可將磁鐵162推入插口17中並使磁鐵162扣入其中。在插入狀態中，由彈性舌件18之突出部分181保持住磁鐵162。因此，磁鐵162扣入插口17中。
在該詳細說明的範例中，掃描滑座10的第一元件為至少一永有性磁鐵161及162，亦即針對壓力Fx之永有性磁鐵161，以及針對壓力Fy之永有性磁鐵162。第二元件為引入溝渠231及232中之兩鋼帶261及262。取代此，鋼帶261及262亦可黏接至殼體22內部。進一步的變 化可為以磁帶取代鋼帶，亦即帶狀永久性磁鐵，其被引入殼體之溝渠中或黏至殼體，且連同掃描滑座之永久性磁鐵，或鐵磁元件，產生所需之磁力。
本發明不限於光學掃描原理。尺之掃描亦可為電容性、磁性、或電感性，針對其適當體現測量刻度與掃描感測器。
1、2‧‧‧物件
10‧‧‧掃描滑座
11‧‧‧照明單元
12‧‧‧光敏掃描感測器
13‧‧‧抓持器
14‧‧‧耦合件
17‧‧‧插口
18‧‧‧彈性舌件
20‧‧‧尺
21‧‧‧測量刻度
22‧‧‧殼體
151－155‧‧‧引導元件
161、261、162、262‧‧‧磁性元件
181‧‧‧突出部分
201及202‧‧‧面
231及232‧‧‧溝渠
在此顯示：第1圖，其為與測量方向橫向之線性編碼器的部分剖面圖，以及第2圖，其為第1圖之線性編碼器之掃描滑座及殼體的一部分之透視平面圖。
1、2‧‧‧物件
10‧‧‧掃描滑座
11‧‧‧照明單元
12‧‧‧光敏掃描感測器
13‧‧‧抓持器
17‧‧‧插口
18‧‧‧彈性舌件
22‧‧‧殼體
131‧‧‧安裝區
161、261、162、262‧‧‧磁性元件
181‧‧‧突出部分
201及202‧‧‧面
231及232‧‧‧溝渠
Fy、Fz‧‧‧壓力
S‧‧‧重心

Claims (12)

  1. 一種測量兩物件(1及2)之相對位置的線性編碼器，包含：殼體(22)，由非磁性材料製成，並且於測量方向X中縱向延伸；於該殼體(22)中之尺(20)；用於掃描該尺(20)之測量刻度(21)的掃描滑座(10)，其中該掃描滑座(10)耦合至抓持器(13)，其在測量方向X中堅固地並且在其橫向中彈性地附接至該兩物件之一(1)，以及其中在該尺(20)的兩引導面(201及202)上於該測量方向X中線性引導該掃描滑座(10)，該兩引導面互相垂直延伸，並且該掃描滑座(10)壓抵該兩引導面，其特徵在於：壓力(Fx及Fy)係藉由該掃描滑座(10)之至少一第一元件(161及162)與設置在該非磁性殼體(22)上的第二元件(261及262)之間的磁力所產生。
  2. 如申請專利範圍第1項之線性編碼器，其中該第二元件為磁性材料所製成的至少一帶子(261及262)。
  3. 如申請專利範圍第2項之線性編碼器，其中至少一溝渠(231及232)已被切割於該殼體(22)中，將該帶子(261及262)推入其中。
  4. 如申請專利範圍第3項之線性編碼器，其中該殼體(22)為鋁製成之模壓外型，其中已形成至少一溝渠(231及232)。
  5. 如申請專利範圍第2項之線性編碼器，其中帶子(261及262)分別與該兩引導面(201及202)之一平行延伸。
  6. 如申請專利範圍第2項之線性編碼器，其中該個別帶子為鋼帶(261及262)。
  7. 如申請專利範圍第1項之線性編碼器，其中透過在該尺(20)之該些引導面(201及202)的每一面上之複數個引導元件(151至155)引導該掃描滑座(10)。
  8. 如申請專利範圍第7項之線性編碼器，其中至少大約相同的壓力施加於該些引導元件(151至155)的每一個之上。
  9. 如申請專利範圍第1項之線性編碼器，其中該至少一第一元件為永久性磁鐵(161及162)。
  10. 如申請專利範圍第9項之線性編碼器，其中於該掃描滑座(10)中設置針對該永久性磁鐵(161及162)的插口(17)，可將該永久性磁鐵(161及162)插入並扣定於該插口(17)中。
  11. 如申請專利範圍第10項之線性編碼器，其中該插口(17)具有含有使該永久性磁鐵(161及162)之突出部分(181)扣入的彈性舌件(18)。
  12. 如申請專利範圍上述任一項中之線性編碼器，其中將第一鋼帶(261)推入與該尺(20)的第一引導面(201)平行之該機殼(20)的溝渠(231)中，以及此鋼帶(261)相對於該掃描滑座(10)之第一永久性磁鐵(161 )定位，以及在該第一引導面(201)上產生該掃描滑座(10)之壓力的形式之垂直磁力(Fz)，以及將第二鋼帶(262)推入與該尺(20)的第二引導面(202)平行之該機殼(20)的溝渠(232)中，以及此鋼帶(262)相對於該掃描滑座(10)之第二永久性磁鐵(162)定位，以及在該第二引導面(202)上產生壓力的形式之該掃描滑座(10)的垂直磁力(Fy)。
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