专利名称：刻度尺和读取头设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种刻度尺读取系统，包括可相对相互移动的刻度尺和读取头。特别地，本发明涉及一种刻度尺读取系统，包括用于确定读取头相对于刻度尺的角对准的装置。
用于测量两个部件相对位移的刻度尺读取设备的已知形式包括具有限定图案的刻度尺标记的一个部件上的刻度尺，和在另一个部件上提供的读取头。光学刻度尺读取设备具有用于照明刻度尺的装置、以及响应于结果光图案产生刻度尺和读取头相对位移测度的读取头中的检测装置。具有周期性图案标记的刻度尺被称为递增式刻度尺，并且提供向上和向下计数的输出。可以向刻度尺提供参考标记，该参考标记在由读取头检测时，使得能够确定读取头的准确位置。刻度尺可以具有绝对代码标记，该绝对代码标记使得能够在刻度尺上的任何位置确定读取头的绝对位置。
刻度尺和读取头系统不限于光学系统。磁刻度尺读取系统也是已知的。
利用读取头的底盘高度(ride height)、斜度(pitch)、滚卷度(roll)和偏转(yaw)，可以相对于刻度尺调节该读取头。通过正确地使读取头同刻度尺对准，可以产生最优的信号。如果读取头是未对准的，则信号强度减小，并且不能检测某些参考标记或绝对代码。
已知的是，通过使用垫片(shim)使读取头相对于线性刻度尺对准。这是安置在刻度尺和读取头之间的隔离件，由此当读取头固定到适当的位置时，设定该读取头对准。然而，对于某些系统，由于物理限制，使用垫片是不实际的，而且对于其中刻度尺安装在环形部件上的旋转式刻度尺，垫片的使用是不实际的。在旋转式刻度尺上使用垫片具有这样的缺点，即，对于不同直径的刻度尺，需要不同的垫片设计。而且，对于小半径的旋转式刻度尺，使用垫片的安装变得困难。
在旋转式系统中，读取头的任何线性移位使得读取头读取倾斜的刻度尺部分。该读取头偏移的影响在具有小直径的旋转式刻度尺中是较大的。
本发明提供了一种用于确定读取头相对于刻度尺的角对准的设备，该设备包括读取头中的至少一个传感器，其中该至少一个传感器的至少一个输出取决于读取头相对于刻度尺的角对准。
该设备可以确定关于平行于刻度尺平面的轴的角对准。对于非线性刻度尺，该设备可以确定关于平行于同读取头相邻的刻度尺近似平面的轴的角对准、或者确定关于平行于同读取头相邻的刻度尺切线的轴的角对准。
该至少一个传感器可以包括至少一个光学检测器。在该情况中，读取头还包括光源。该至少一个光学检测器可以包括分裂检测器(splitdetector)。
该至少一个传感器可以包括至少一个接近度传感器，例如，电容、电感或磁传感器。
该刻度尺可以包括光学刻度尺。可替换地，该刻度尺可以包括磁刻度尺。该刻度尺可以包括线性或旋转式刻度尺。
读取头相对于刻度尺的角对准可以是斜度或滚卷度。可替换地，其可以是局部刻度尺平坦度。
该输出可以是电气输出。
该电气输出可以是电压输出。电气输出可以通过软件、电气仪表或指示器显示，以示出最优的对准，例如LED显示器。可替换地，可听信号，诸如蜂鸣器，可用于指出最优对准。
现将通过参考附图描述本发明，其中
图1是光学刻度尺和读取头的侧视图；图2是光学刻度尺和读取头的端视图；图3a、3b和3c是分别在零斜度以及向左侧和右侧倾斜的读取头的情况下，光学刻度尺和读取头的侧视图；图4是读取头中的电子装置的框图；图5是刻度尺和包括霍尔(Hall)传感器的读取头的侧视图；以及图6示出了具有平坦度误差的刻度尺。
图1和2说明了本发明的第一实施例的侧和端视图，并且示出了可沿x轴相互移动的刻度尺10和读取头12。
读取头12包括光源14、分裂检测器16和透镜18。来自光源14的光由刻度尺10反射，并且由透镜18成像到检测器16上。
图3a、3b和3c分别说明了相互平行以及在第一和第二方向中偏斜的刻度尺和读取头。在图3a中，读取头12平行于刻度尺10。这样，当读取头正确地同刻度尺角对准时，光均匀地落于分裂检测器的两半上，如检测器上的光强度分布20所示出的。在图3b和3c中，读取头分别相对于刻度尺偏斜，并且因此光不均匀地落于分裂检测器的两半上，如光强度分布22和24所示出的。
比较分裂检测器的两半的输出，以产生电压输出，该电压输出指出了倾斜的量和方向。图4说明了将来自分裂检测器的输出转换为斜度信号的电子装置的框图。
通过放大器30、32，将来自分裂检测器的两半16a、16b的输出转换为电压输出，并且在比较器34和缓冲器36处确定电压之间的差。使用窗口比较器38，当电压差处于预定的范围中时，使用LED 40产生信号。伏特计42用于给出电压输出。尽管图4示出了LED指示器和电压计，但是仅需要一个形式的指示装置。
电压输出可用于点亮读取头上的一个或多个LED，其指出斜度何时处于可接受的范围中。可替换地，电压输出可以发送到外部电压计，由此用户可以通过使用输出电压调节该斜度。电压输出可被发送到包括斜度指示器的软件。
电压输出可被发送到可听指示器，诸如蜂鸣器。因此用户可以通过使用指示装置指出斜度何时处于可接受的范围中，来调节斜度。
斜度指示器可以显示读取头相对于刻度尺的角位置的量值(例如，斜度或滚卷度)，或者指出应调节读取头的方向(例如，相关方向中的箭头显示)。
尽管上文的实施例描述了分裂检测器的使用，但是还可以使用任何能够检测成像光的位置的检测器。例如，可以使用像素检测器(pixellated detector)，诸如电荷耦合检测器(CCD)。
当组装读取头时，可以使透镜的位置调节为，对于读取头的零斜度来说检测器的输出是零电压。因此可以在任何系统上直接使用该读取头。
图5说明了本发明的第二实施例，其中使用了非光学斜度检测器。图5说明了铁磁刻度尺10，例如，钢，和读取头12。刻度尺读取系统可以是磁系统或光学系统。可以在读取头中提供两个磁传感器，例如霍尔传感器50、52，以及偏置磁体51、53，其沿刻度尺长度方向隔开。当霍尔传感器测量离开刻度尺的距离时，如果刻度尺和读取头是平行的，则来自霍尔传感器的电压输出将是相等的。如果读取头和刻度尺相互倾斜，则两个传感器的输出可用于确定斜度的方向和量。可以使用如图4中描述的相似的电子装置。两个霍尔传感器可由差分霍尔传感器替换。
可以以相似的方式，使用测量离开刻度尺距离的任何其他传感器。例如，可以使用电容传感器对或者电感传感器对来测量斜度。
尽管上文的实施例描述了读取头和刻度尺之间的斜度的测量，但是还可以通过使分裂检测器或两个检测器转动90°(即，因此检测器横切刻度尺)用于测量翻转角。本发明具有这样的优点，即，其允许测量一个轴的角取向时独立于其他的轴和底盘高度，即，可以独立于滚卷度、偏转和底盘高度，来测量斜度。
已知刻度尺的平坦度在某些读取头系统中引起读取误差。
本发明还可用于测量将刻度尺施加到表面上的平坦度。图6说明了线性刻度尺10，其中已由刻度尺下面的污垢62引起了波动60。本发明的读取头可用于安装检查，以检测将引起局部斜度误差的刻度尺的不均匀。读取头沿刻度尺的长度行进，以检查刻度尺的斜度在整个刻度尺长度上处于可接受的限制中。该方法具有这样的优点，即，其是快速的和非接触的。
本发明还可用于校准程序。例如，如果读取头具有电气信号幅度和斜度之间的可量化的关系，则读取头斜度的测量可用于补偿对电气信号幅度的影响。
本发明适于同线性和旋转式刻度尺一起使用。其还适于同二维刻度尺一起使用。本发明可以同递增式刻度尺和绝对刻度尺一起使用。
权利要求
1.一种用于确定读取头相对于刻度尺的角对准的设备，所述设备包括读取头中的至少一个传感器，其中所述至少一个传感器的至少一个输出取决于所述读取头相对于所述刻度尺的所述角对准。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个传感器包括至少一个光学检测器。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述读取头包括光源。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述至少一个光学检测器包括分裂检测器。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个传感器包括至少一个接近度传感器。
6.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述刻度尺包括光学刻度尺。
7.如权利要求1～5中的任何一项权利要求所述的设备，其中所述刻度尺包括磁刻度尺。
8.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述刻度尺包括旋转式刻度尺。
9.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述刻度尺包括线性刻度尺。
10.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述读取头相对于所述刻度尺的所述角对准包括斜度。
11.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述读取头相对于所述刻度尺的所述角对准包括滚卷度。
12.如权利要求1～9中的任何一项权利要求所述的设备，其中所述读取头相对于所述刻度尺的所述角对准包括局部刻度尺平坦度。
13.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述输出产生视觉显示。
14.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述输出产生可听信号。
15.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述输出用于指出所述刻度尺和所述读取头的相对对准何时出于最优范围中。
16.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述输出用于指出所述读取头相对于所述刻度尺的所需调节方向。
17.如任何一项前述权利要求所述的设备，其中所述输出用于指出所述读取头相对于所述刻度尺的所述角位置的量值。
全文摘要
一种用于确定读取头相对于刻度尺的角对准的设备。该设备包括刻度尺和读取头。该读取头具有至少一个传感器，该传感器产生取决于读取头相对于刻度尺的角对准的输出。
文档编号G01D5/244GK1973184SQ200580020407
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月21日 优先权日2004年6月21日
发明者西蒙·艾略特·麦克亚当 申请人:瑞尼斯豪公司