JP5292002B2 - 測長装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による測長装置に関する。

例えば特許文献１に記載されているこのような測長装置は、長さと移動距離を測定するのに役立っており、特に被加工物に対する工具の相対運動を測定するための加工機械の場合、すなわち座標測定機械の場合は、半導体産業にも使用される。

この場合、測定尺としてスケールが使用され、このスケールは、環境の及ぼす影響以前にケーシング内に保護された状態で設けられている。ケーシング内の温度変化により、スケール材料に依存してスケールの長さが変化する。このように長さが変化すると測定は失敗する。

このような温度変化をできるだけ小さく維持するために、特許文献２によれば、室内を調節された冷却媒体で環流させることにより、カプセル化された測長装置の室内の温度を抑制することが提案されている。

これにより、スケールが工作機械の温度レベルを受入れることが達せられる。この場合、測長装置の電気構成部品、それ自体により生じる温度変化を考慮しないことが短所である。

測長装置への要求は常に高く、高解像度、ならびに高精度および位置測定の再現性が絶えず要求される。その際、機械的構造がコンパクトでなければならず、かつ測定値の発生と測定値の伝達が容易でありかつフェールセーフでなければならない。

このような要求には、保護された状態で格納され、かつカプセル化された測長装置が必要である。高解像度にすることは、常にわずかで、かつ測定長さの全長にわたり一定の走査距離が前提となっている。このことは、一方では、１００μｍの相対的に短い走査距離によって、他方では、スケールおよび／またはケーシングにおける走査ユニットの案内によって達せられ、その際、走査ユニットの案内を邪魔されずにかつ正確に行うために、帯行体は測定方向でのみ堅い結合部を介して走査ユニットに結合されている。この結合により、他の全ての方向で、測定方向での走査ユニットの正確な案内と運動に対する反作用も無く、帯行体は運動することができる。

小型の構造とフェールセーフな測定値の発生と測定値の伝達は、走査ユニットそれ自体においてはますます電気構成部品の集積が前提となっている。従って、これに対して付加された状態でセンサーチップが使用され、小さい空域に対しては走査センサーアレー、例えば光電的に走査可能なスケールの場合の感光性の検出器、ならびに例えばＡ／Ｄコンバータ、増幅器、マイクロプロセッサ及びインターフェースユニットのような信号処理手段が設けられている。このことから、走査ユニット内の熱の発生が増大し、この熱の発生によって、必要な短い走査距離によりスケールは過度に強く加熱される。このような加熱により、スケールの長さは変化し、かつ測定は失敗する。
独国特許出願公開第２９２９９８９号明細書 独国特許出願公開第１０１６４４０４号明細書 欧州特許第０７３３８８２号明細書

本発明の根底をなす課題は、高い測定精度を備えた測長装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば請求項１の特徴により解決される。

本発明により、測長装置の小型な構造が可能になり、高い測定精度と再生可能な位置測定が可能である。

電気構成部品に発生した熱を帯行体に伝達するために、熱を出す走査ユニットの電気構成部品、特にセンサーチップと帯行体の間に熱伝導部材を備えることにより、電気構成部品と帯行体の間に熱伝導路が形成される。帯行体はケーシング外部で組立領域になり、従って熱は帯行体に沿ってさらに外側へ導出される。熱伝導路に関係した構成部品は、熱抵抗をわずかに備えている。熱伝導部材は、少なくとも測定方向に対して横方向での、従って走査ユニットと帯行体の間にある結合を許容する方向での、走査ユニットと帯行体の間の相対運動を許容するように設計されている。したがって本発明により、センサーチップからケーシングの外側の方向での熱伝導路が効果的に形成される。

従属請求項には、本発明の有利な実施形態が挙げられている。

本発明を実施例を用いて詳しく説明する。

本発明には、光学測長装置が示しており、この測長装置により相対位置を測定方向Ｘで互いに向かい合って移動可能な二つの物体１および２を測定しなければならない。その際、透明なスケール２０は、スケール２０に対して測定方向Ｘで運動可能な走査ユニット１０により走査される。スケール２０は、走査ユニット１０により透過光で走査される測定目盛２１を有している。この目的で、走査ユニット１０は、光束を放射する照明ユニット１１を備えており、前記光束は平行化された状態でスケール２０を通り、さらに透明な走査板１２を通って進み、最後にはセンサーチップ１３の感光性走査センサー１３３に当たる。その際光束はスケール２０の測定目盛２１の位置に依存して変調される。

スケール２０はケーシング２２の内側に設けられており、このケーシングは他方では測定されるべき物体２、例えば工作機械のベットに固定されている。その際、スケール２０は、公知の方法で、例えば粘着あるいは固着によりケーシング２２に結合している。ケーシング２２は、その長手方向、すなわち測定方向Ｘで延びるように溝を備えており、この溝は、屋根状に傾斜した唇状シール体２３により密封されており、この唇状シール体を通って、剣状の中心部分を備えた帯行体１４は貫通する。帯行体１４は組立領域１４１を備えており、この組立領域と共に、帯行体は機械床２に対して摺動可能な物体１、例えば工作機械のキャリッジに固定可能である。

走査ユニット１０は、正確な平行案内を行うためにケーシング２２にあるスケール２０および／またはケーシング２２に沿って案内されている。図示した実施例において、走査ユニット１０はローラを介して互いに垂直に整向された二つのスケール２０の表面に沿って案内されており、その際、バネは押付力を発生させるのに役立っている。

走査ユニット１０と帯行体１４の間には、連結体１５が設けられており、この連結体は
走査ユニット１０をＸ方向では堅く連結し、かつこのＸ方向に対して横方向では帯行体１４に連結している。この手段により、帯行体１４の誤った方向付けは走査ユニット１０へ伝達されない。連結体１５は概略的にしか示していない。連結体は例えば測定方向で堅いスプリングワイヤとしての特許文献１による周知の方法で、あるいは球連結体としての特許文献３による周知の方法で形成されている。

センサーチップ１３は、感光性の走査センサー１３３のアレーを備えており、このセンサーアレーは測定目盛２１に位置依存して変調された照明ユニット１１の光を受光し、位置依存した走査信号ＳＡを発生させる。センサーチップ１３は、電気構成部品であり、この電気構成部品は走査信号ＳＡをさらに処理する集積回路を内蔵している。センサーチップ１３は、信号を処理するための集積手段１３４として、例えばＡ／Ｄコンバータ、増幅器、マイクロプロセッサ及びインターフェースユニットを備えており、このインターフェースユニットは走査信号ＳＡを処理し、出力信号ＳＤへと変え、この出力信号は接続導線１７に印加され、かつ外部に向かって案内される。測定目盛２１が絶対コードであると、センサーチップ１３は、走査信号ＳＡを処理して、二桁以上の絶対デジタルコードワードＳＤにし、この絶対デジタルコードワードは、シリアルインターフェースユニットを介してセンサーチップ１３の出力においてビットシリアルに供給される。測長装置を付随電子装置へ電気的に接続するために、帯行体１４は接続方法を有する。この接続方法は図示した例において、帯行体１４内にあるコネクタ１６である。センサーチップ１３の出力信号ＳＤは、接続導線１７を介してこのコネクタ１６に導出される。接続導線１７の担持体としては、フレキシブル導体１８が役立っており、このフレキシブル導体は走査ユニット１０から帯行体１４に案内されている。フレキシブル導体１８は、走査ユニット１０と帯行体１４の間における、連結体１５により許された動きをできる限り反動無く妨げないように構成されている。

位置を定義している二桁以上のコードワードＳＤに関する、センサーチップ１３内に集積された走査信号ＳＡの信号処理により、広範囲に及ぶフェールセーフ測定値の発生が保証されており、エラーを受付けない、デジタル位置測定値ＳＤのシリアル伝送はセンサーチップ１３から出発するようにして可能になる。小さい空間でのこのような集積された信号処理を行う場合、相対的に高いエネルギーが必要であり、したがって損失熱が発生するのは都合が悪い。

センサーチップ１３は、熱伝導部材１９を介して帯行体１４と接続している。センサーチップ１３において発生する熱を帯行体１４に伝達させるために、熱伝導部材１９、ならびに一方ではセンサーチップ１３における、他方では帯行体１４における熱伝導部材１９の接触部は、良好な熱移行と良好な熱伝導が保証されているように構成されている。帯行体１４と走査ユニット１０の間の相対運動を少なくとも測定方向Ｘに対して横方向でできるだけ反動無く妨げないように、熱伝導部材１９は設計されている。このために、熱伝導部材１９は可撓なあるいは曲がり易い部分１９１を備えている。この部分１９１は図示した例では帯状であり、かつ熱伝導が良好な材料、好ましくは銅から成る。帯形状を基にして、相対的に大きな横断面、従って良好な熱伝導にもかかわらず、なお十分な可撓性を得ることが可能である。測定方向Ｘに対して横方向での反動が無い良好な平衡状態は、可撓な部分１９１がＺ方向での間隔変化を可能にするかあるいは平衡化するように、可撓な部分１９１が湾曲部、特に複数の湾曲部を有していることにより得られる。しかしながら、本発明は、部分１９４の帯形状に限定されておらず、代替的には、標準ワイヤ、特に標準ワイヤの束、あるいは可動にかつ良好に熱が伝導するように互いに連結したチェーン肢節体、蛇腹体、良好に熱伝導する媒体で満たされた蛇腹体、もしくは良好に熱伝導する弾性的な合成樹脂部分があり、その際、全ての構造にあって熱伝導部材１９の材料としては、電気的に絶縁された材料も使用することができる。

熱伝導部材１９をセンサーチップ１３に良好に熱伝導するように結合することは、図3に拡大した状態で示してある。センサーチップ１３として、特に、セラミックケーシング１３２を備えたケース化されたセンサーチップ１３が使用されており、そのカバーは透明であり、かつ公知の方法で走査板１２として機能を果たす。センサーチップ１３は、回路基板３０上で電気的に接触しており、その際、フレキシブル導体１８はコネクタ１６に案内している電気的接続導線１７により、再度回路基板３０に接続している。回路基板３０の一方の側において、センサーチップ１３は電気的に接触しており、回路基板３０の他方の側において、熱伝導部材１９の可撓な部分１９１は良好に熱伝導するように接触している。センサーチップ１３と熱伝導部材１９の可撓な部分１９１の間の熱伝達に合わせて、貫通接触部の様式の熱伝導体１９２が設けられている。この貫通接触部は、回路基板３０の孔内に取付けられた熱伝導率の高い材料であるか、あるいは楔状の部材であるか、あるいは複数の貫通接触部から構成されている。熱伝導体１９２は、熱伝導部材１９の堅い部分と、センサーチップ１３と可撓な部分１９１の良好に熱伝導する接続部とを形成している。可撓な部分１９１は、堅い熱伝導する部分１９２では大きな面であり、かつ好ましくはろう付けあるいは接着により、良好に熱伝導するように接続されている。

センサーチップ１３における良好に熱伝導する熱伝導部材１９の接続は、センサーチップ１３におけるあるいはセンサーチップ１３を担持する担持体における、熱伝導部材１９の可撓な部分１９１の直接の接続によって、例えばできるだけ大きな面のろう付けによって行われる。この熱伝導する接続は、ある面において直接、特にケーシングされていない
センサーチップ１３の下面において、あるいはケーシングされているケーシング１３２の下面において直接行われる。この場合、ケーシングの下面は、熱を発生させるシップ領域に直接相対している面である。良好に熱伝導するセンサーチップ１３と熱伝導部材１９の間の接続は、熱伝達抵抗を小さく維持するために、接続面が５ｍｍ^２未満である場合に達せられる。

センサーチップ１３から生じる熱を帯行体１４に伝達するために、熱伝導部材１９は、
帯行体１４において良好に熱伝導するように接続されている。同様にこの接続は、ろう付けによって行われるかあるいは図２で示したように、締付ネジを介した締付による帯行体１４の内壁への大きな面の接触により行われる。

帯行体１４内には、貫通案内部が形成されており、この貫通案内部を通って、フレキシブル導体１８は走査ユニット１０からコネクタ１６に案内されている。この貫通案内部の内壁に沿って、熱伝導部材１９が接続されている。これにより、熱伝導部材１９が特に場所をとらず、かつ保護された状態で収納されているという長所が得られる。センサーチップ１３から生じ、熱伝導部材１９を介して帯行体１４まで運ばれる熱は、帯行体１４により収容される。帯行体１４は、ケーシング２２の内部から外部に向かって組立領域めで案内され、かつ良好に熱伝導している材料から成っており、従って収容された熱は帯行体１４を経由してケーシング２２の外部へ搬送される。

熱伝導部材１９により、センサーチップ１３から生じた熱は、中実の帯行体１４に対して集中的に伝達される。帯行体１４は特に熱排出に向いている。なぜなら帯行体は測定すべき物体１への取付けに関して、特に安定して構成されており、かつ通常金属、例えばアルミニウム、従って良好に熱伝導する材料から構成されているからである。帯行体１４はケーシング２２の内部から外部に向かって案内され、従って熱伝導部材１９を介して帯行体１４に案内される熱は、この方向で、従ってスケール２０から離間するように伝導される。

示していない方法において、熱伝導部材１９、ならびに場合によっては帯行体１４は、ケーシング２２の内側で延在している領域内で、ケーシング２２の内部に対して熱絶縁するように形成されており、例えば熱絶縁している被覆部を備えており、これには例えばネオプレンが向いている。というのもネオプレンは可撓であり、従って可撓な部分１９１の領域内では妨げにならないからである。この被覆部はコーティングであってもよい。それにより、センサーチップ１３から生じる熱は、ケーシング２２の外側に集中的に伝達され、ケーシング２２の内部はそれほど加熱されない。湾曲部に比べて熱絶縁された、センサーチップ１３からケーシング２２の外側の周囲部への熱伝導路が形成されると効果的である。

測定作動中に、従って帯行体１４の組立領域１４１が測定すべき物体１に取付けられていると、帯行体１４は、測定すべき物体１と熱伝導接触を行い、従って測定すべき物体にも熱が与えられる。示していない方法において、熱導出は、帯行体１４に、しかもケーシング２２の外側に、および／または帯行体１４の組立領域１４１と測定すべき物体１の間に冷却手段を設けることにより促進される。この冷却手段は冷却フィンあるいは冷却媒体が通って流れる管路であってもよい。

帯行体１４を介してセンサーチップ１３への電気的障害の接続を回避するためには、特に帯行体１４と熱伝導部材１９の間の電気的接触を防ぐために、熱伝導部材１９を電気的に絶縁することが必要不可欠である。このことは中間層を通ることにより達せられ、この中間位置は帯行体１４と熱伝導部材１９の間に設けられており、かつ一方では熱伝導部材１９を帯行体１４に接続するために良好に熱伝導していて、他方では電気的に絶縁している材料からできている。この材料は例えばセラミック箔である。

図示した実施例において、熱伝導部材１９は平行であり、かつフレキシブル導体１８（電気的に絶縁され、かつ湾曲可能なフレキシブル箔上あるいは中にある回路基板）から独立して案内されている。熱伝導部材１９の可撓な部分１９１がフレキシブル導体１８内に組み込まれると、代替的に小型化した構造が維持される。この一体化は、電気的接続導線１７以外に、伝導部材１９の可撓な部分１９１が電気的に絶縁されたフレキシブル導体１８上に設けられるかあるいは多層のフレキシブル導体１８が使用されるように見える。その際、電気的に伝導する層は、接続導線１７を有しており、そのうちの電気的に絶縁された他の層は、熱伝導部材１９の可撓な部分１９１を形成しており、その際、この層は一方ではセンサーチップ１３に良好に熱伝導するように接触しており、他方では帯行体１４に良好に熱伝導するように接触している。

本発明は測長装置にも使用することでき、この測長装置の場合、スケールは反射するように形成されており、センサーチップ１３は照明ユニット１１と同じ側にある。同様に、スケールは、磁気的に、容量に関して、あるいは誘導的に走査可能に構成されており、この場合、位置依存した走査信号を発生させるために、センサーチップ１３は適合したセンサー部材を備えている。センサーチップ１３は、示していない方法で、数部分に分かれて構成されており、その際、これらの構成部品の全てあるいはただ一つだけが、本発明によれば加熱され、そのために本発明は走査ユニット１０の熱を生じる電気構成部品の効果的な熱導出に適用される。

再度要約すると、本発明は二つの物体１および２の相対位置を測定するための測長装置であって、
−ケーシング２２内のスケール２０を備えており、
−スケール２０とケーシング２２のユニットに対して測定方向Ｘで移動可能な走査ユニット１０を備えていて、この場合、走査ユニット１０がケーシング２２内に設けられており、かつ少なくとも一つの熱を発生する電気構成部品１３を有しており、
−帯行体１４を備えていて、この帯行体が、測定方向Ｘで堅くかつ帯行体に対して横方向に可撓な連結体１５を介して、走査ユニット１０に固定されており、かつケーシング２２の外部に設けられた組立領域１４１に対して延びている測長装置において、
電気構成部品１３で発生した熱を帯行体１４に伝達するように、
かつ測定方向Ｘに対して少なくとも横方向での、帯行体１４と走査ユニット１０の間の相対運動を許容するように設計されている熱伝導部材１９を備えていることを特徴とする測長装置に関する。

有利な方法において、前記電気構成部品はセンサーチップ１３であり、このセンサーチップは、スケール２０を走査し、かつ走査信号ＳＡを発生させるための走査センサー１３３、ならびにこの走査信号ＳＡを処理して位置測定値ＳＤにするための手段１３４を備えており、その際センサーチップ１３からの位置測定値ＳＤは、二桁以上のデジタルコードワードの形式の出力信号としてビットシリアルに供給される。

特に、熱伝導部材１９は、一方では電気構成部品１３に良好に熱伝導するように結合しており、他方では帯行体１４に良好に熱伝導するように結合している。

帯行体１４はケーシング２２の外部に設けられた、測定すべき物体１に帯行体１４を固定するための組立領域１４１を備えており、熱伝導部材１９から収容された熱を組立領域１４１に伝達するために、帯行体１４は良好に熱伝導する材料でできている。

熱伝導部材１９がフレキシブルで可撓な、特に帯状の少なくとも一つの部分１９１を備えていると有利である。

良好に熱伝導する熱伝導部材１９用の材料としては、例えば銅が適している。

電気構成部品１３が回路基板３０に設けられていて、熱伝導部材１９が、電気構成部品１３から回路基板３０を介して案内される第一の部分１９２と、後続する第二の部分１９２を備えており、この第二の部分が第一の部分１９２から出発して帯行体１４に案内され、かつ測定方向Ｘに対して横方向での帯行体１４と走査ユニット１０の間の相対運動を許容すると有利である。

電気構成部品１３が回路基板３０上に設けられていると、熱伝導部材１９は、走査ユニット１０から帯行体１４に案内されている、回路基板３０の構成部品である。この場合、フレキシブル導体１８は、センサーチップ１３から組立領域１４１のコネクタ１６へ位置測定値ＳＤを伝達するための電気的接続導線１７と、一方では、センサーチップ１３に熱伝導するように結合しており、他方では、帯行体１４に熱伝導するように結合している、熱伝導部材１９として形成された導線とを備えている。

測長装置の縦断面図である。 図１による測長装置のＡ−Ａ横断面図である。 横断面図の詳細図である。 図３のＢ−Ｂ平面図である。

符号の説明

１ 物体
２ 物体
１０ 走査ユニット
１３ 電気構成部品、センサーチップ
１４ 帯行体
１５ 連結体
１６ コネクター
１９ 熱伝導部材
２０ スケール
２２ ケーシング
３０ 回路基板
１３３ 走査センサー
１４１ 組立領域
１９１ フレキシブルな部分
ＳＤ 位置測定値
Ｘ 測定方向

Claims (11)

1. 二つの物体（１，２）の相対位置を測定するための測長装置であって、
   −ケーシング（２２）内のスケール（２０）を備えており、
   −スケール（２０）とケーシング（２２）のユニットに対して測定方向Ｘで移動可能な走査ユニット（１０）を備えていて、この場合、走査ユニット（１０）がケーシング（２２）内に設けられており、かつ少なくとも一つの熱を発生する電気構成部品（１３）を有しており、
   −帯行体（１４）を備えていて、この帯行体が、測定方向Ｘで堅くかつ帯行体に対して横方向に可撓な連結体（１５）を介して、走査ユニット（１０）に固定されており、かつケーシング（２２）の外部に設けられた組立領域（１４１）に対して延びている測長装置において、
   電気構成部品（１３）で発生した熱を帯行体（１４）に伝達するように、
   かつ測定方向Ｘに対して少なくとも横方向での、帯行体（１４）と走査ユニット（１０）の間の相対運動を許容するように設計されている熱伝導部材１９を備えていることを特徴とする測長装置。
2. 電気構成部品がセンサーチップ（１３）であり、このセンサーチップが、スケール（２０）を走査し、かつ走査信号（ＳＡ）を発生させるための走査センサー（１３３）、ならびにこの走査信号（ＳＡ）を処理して位置測定値（ＳＤ）にするための手段（１３４）を備えていることを特徴とする請求項１記載の測長装置。
3. センサーチップ（１３）からの位置測定値（ＳＤ）が、二桁以上のデジタルコードワードの形式の出力信号としてビットシリアルに供給されることを特徴とする請求項２記載の測長装置。
4. 熱伝導部材（１９）が、一方では電気構成部品（１３）に良好に熱伝導するように結合しており、他方では帯行体（１４）に良好に熱伝導するように結合していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の測長装置。
5. 帯行体（１４）が、ケーシング（２２）の外部に設けられた、測定すべき物体（１）に帯行体（１４）を固定するための組立領域（１４１）を備えており、熱伝導部材（１９）から収容された熱を組立領域（１４１）に伝達するために、帯行体（１４）が良好に熱伝導する材料でできていることを特徴とする請求項４記載の測長装置。
6. 熱伝導部材（１９）がフレキシブルで可撓な少なくとも一つの部分（１９１）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の測長装置。
7. フレキシブルな部分（１９１）が帯状であることを特徴とする請求項６記載の測長装置。
8. 熱伝導部材１９が銅の材料を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の測長装置。
9. 電気構成部品（１３）が回路基板（３０）に設けられていて、熱伝導部材（１９）が、電気構成部品（１３）から回路基板（３０）を介して案内される第一の部分（１９２）と、後続する第二の部分（１９１）を備えており、この第二の部分が第一の部分（１９２）から出発して帯行体（１４）に案内され、かつ測定方向Ｘに対して横方向での帯行体（１４）と走査ユニット（１０）の間の相対運動を許容することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の測長装置。
10. 電気構成部品（１３）が回路基板（３０）上に設けられており、熱伝導部材が、走査ユニット（１０）から帯行体（１４）に案内されている回路基板（３０）の構成部品であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の測長装置。
11. フレキシブル導体（１８）が、センサーチップ（１３）から組立領域（１４１）のコネクタ（１６）へ位置測定値（ＳＤ）を伝達するための電気的接続導線（１７）と、一方では、センサーチップ（１３）に熱伝導するように結合しており、他方では、帯行体（１４）に熱伝導するように結合している、熱伝導部材（１９）として形成された導線とを備えていることを特徴とする請求項１０記載の測長装置。

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