专利名称：位置测量装置的扫描单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置测量装置的扫描单元。
背景技术：
如比如在IJS 2004/0263846 Al中所说明的一样的位置测量装置用 于测量长度及位移，并且尤其在加工机械上用于测量工具关于有待加 工的工件的相对运动，在坐标测量机上并且更多地也在半导体工业上 用于晶片的定位。
对位置测量装置的要求越来越高，现在不断要求位置测量的更高 的分辨率以及更高的精度和可再现性。在这种情况下，应该存在紧凑 的机械结构并且测量值产生及测量值传输应该简单且无干扰，
紧凑的结构和无干扰的测量值产生及测量值传输使越来越多的电 气元件集成在扫描单元本身中。因此，为此越来越多地使用传感器芯 片，在所述传感器芯片中在最小的空间中布置一排扫描传感器，比如 在使用能够光电扫描的标尺时的光敏探测器，以及信号处理器件比如 A/D-转换器、放大器、微处理器及接口。此外，有待由所述位置测量 装置的扫描单元扫描的测量刻度越来越精细并且所述扫描单元相对于 标尺的移动速度越来越高，这导致由所述信号处理器器件处理的扫描 信号的频率显著提高。对这种处理来说所必需的放大器产生较多热量。 由此在所述扫描单元中产生越来越多的热量。这种热量一方面以不利 方式影响电气元件本身，因为这降低了使用寿命并且随着时间的推移 特性数据发生变化。另一方面，所述热量也对所述扫描单元的机械结 构产生不利影响，因为所述扫描单元的部件不确定地膨胀，这会导致 测量误差。
发明内容
因此，本发明的任务是说明一种扫描单元，利用该扫描单元能够
达到高测量精度。
按本发明，该任务通过权利要求1所述特征得到解决。 利用本发明，能够实现扫描单元的紧凑结构，其中也能够实现高
测量精度及能够再现的位置测量。这一点通过位置测量装置的用于对标尺的测量刻度进行扫描的扫
描单元来实现，所述扫描单元具有
至少一个设在所述扫描单元的内腔中的产生热量的电气元件；
基体，该基体能够固定地安装在待测的物体上，并且其中所述基
体以第一接触面在待测的物体的笫一位置上相接触；
具有第二接触面的接触元件，该第二接触面在安装所述基体时在
待测的物体的第二位置上相接触，以及
导热路径，该导热路径设计用于将在电气元件上产生的热量从所 述扫描单元的内腔传递到所述接触元件上，
在从属权利要求中说明了本发明的有利的改进方案.
如果所述第二接触面构造为弹性柔性的，则获得特别有利的结构。 为此，所述第二接触面是有弹性的板的一部分，该板构造为能够朝待 测的物体的第二位置的方向弹性偏移，作为替代方案，所述第二接触 面或者说所述接触元件可以借助于弹性的器件柔性地布置在所述基体 上.这些弹性的器件可以同时行使在所述接触元件和基体之间的密封 功能。
所述第二接触面优选是能够拆下的盖板的组成部分，所述盖板将 所述扫描单元的内腔盖住.
所述笫一接触面在未安装的状态中相对于所述笫二接触面缩进. 由此所述第一接触面只有在所述第二接触面已经接触到待测的物体之 后才接触到所述待测的物体。
优选所述接触元件相对于所述基体绝热地布置，从而不会将排出 的热量传递到所述基体上。
从产生热量的电气元件到所述接触元件的导热路径优选包括构造 为弹性的导热元件。优选该导热元件也构造为电绝缘的。这个导热元 件尤其夹紧地布置在所述产生热量的电气元件和所述接触元件之间. 所述导热元件在此一方面接触所述电气元件并且另一方面传递热量地 接触所述接触元件。
所述一同确定位置测量的精度的扫描板优选固定在所述基体上。
借助于实施例对本发明进行详细解释。其中 图l是具有扫描单元的长度测量装置时透视图；图2是按图1的扫描单元的剖面A-A;
图3是按图1的扫描单元在安装到待测的物体上的状态中的剖面
图4是第二种扫描单元的原理图的横截面；
图5是笫三种扫描单元的原理图的横截面；
图6是将扫描单元安装到待测的物体上的状态的示意图，并且
图7是将扫描单元安装到待测的物体上的状态的另外的示意图。
具体实施例方式
在图中以光学的长度测量装置为例示出了本发明，利用该长度测 量装置测量两个能够沿测量方向X相对移动的物体1和2的相对位置。 在此，由能够相对于标尺3沿测量方向X移动的扫描单元IO对该标尺 3进行扫描。所述标尺3具有测量刻度8，该测量刻度8由所述扫描单 元10以入射光进行扫描.接下来对按本发明构成的扫描单元10的不 同变型方案进行详细解释，下面用附图标记IO和相应的变型方案的编 号作为索引来表示所述扫描单元的不同的变型方案，
图1到3示出了扫描单元10.1的第一变型方案。所述扫描单元10.1 包括未示出的照明单元，该照明单元发出光束，光束打到刻度尺3上， 并在那里被测量刻度8所反射并且继续穿过扫描板4.1并且最后打到光 敏的扫描传感器5.1上。所述扫描单元10的光束在这过程中依赖于位 置被所述标尺3上的测量刻度8所调制。所述扫描板4.1以公知的方式 具有与所产生的光束相匹配的扫描刻度。
比如构造为Opto-Asic的扫描传感器5.1处于印制电路板6.1上。 在所述印制电路板6.1上还有其它的用于处理扫描信号的电气元件，比 如A/D-转换器、放大器7.1、微处理器或者说接口单元。这些其它的电 气元件也可以与所述扫描传感器一起构造在Opto-Asic中。
为了实现所述扫描单元10.1的紧凑结构，所迷电气元件5.1、 7.1 受保护地布置在所述扫描单元10.1的内腔15.1中.由于所述测量刻度 8的小刻度周期以及所述扫描单元10.1相对于标尺3的高移动速度， 产生高频的周期性的扫描信号，所述扫描信号必须继续由其它的电气 元件尤其所述放大器7.1低噪声地进行处理。所述用于处理扫描信号的 电气元件-其中仅仅示范性地示意示出和注明了所述放大器7.1-具有高 能量需求并且因此产生较多的热损耗。所述扫描单元10.1具有基体11.1，在所述基体11.1上固定着扫描 板4.1 。所述扫描传感器5.1检测所述标尺3和扫描板4.1之间的相对位 置，因而所述扫描板4.1是所述扫描单元10.1的确定精度的元件。所 述扫描板4.1能够借助于所述基体11.1固定地安装在待测的物体1中 的一个上。这种安装作业尤其应该以刚性方式进行，因此在所述基体 11.1和待测的物体1之间实现面接触。这种接触在所示出的实施例中 通过螺栓14.1来完成。
所述具有产生热量的电气元件7.1的印制电路板6.1绝热地安装在 所述基体11.1上并且能够与所述基体11.1 一起操纵。这可以通过以下 方式来实现，即所述印制电路板6.1本身由导热能力小的材料制成并且 /或者所述印制电路板6.1通过绝热的器件和/或以尽可能少的接触固定 在所述基体11.1上。从所述产生热量的电气元件7.1开始，设置通往 所述扫描单元10.1的接触元件12.1的导热路径。这条导热路径在实施 例中具有导热元件13.1，该导热元件13,1设计用于将在所述电气元件 7.1上产生的热量从所述扫描单元10.1的内腔15.1传递给所述接触元 件12.1。在所示出的实施例中，所述导热元件13.1是弹性柔性的电绝 缘的部件，该部件一方面尽可能紧密和大面积地接触所述电气元件7.1 并且另一方面尽可能紧密和大面积地接触所述接触元件12.1。为此， 所述导热元件13.1面状地布置和夹紧在所述电气元件7.1和接触元件 12.1之间。所述导热元件13.1在实施例中是导热薄膜，尤其是有导热 能力的也作为Softtherm-薄膜提供的聚合物薄膜。
所述基体ll.l尤其构造为实心的并且具有接触面111.1，所述接触 面111.1借助于作为紧固件的螺栓14.1在安装时在第一位置1.11及1.12 上与待测的物体l相接触。
所述接触元件12.1在所示出的实施例中构造为所述扫描单元10.1 的盖板，该盖板相对于所述基体11.1的接触面111.1是柔性的，使得 其在安装时没有干扰。尽管如此为了在安装所述基体11.1时与待测的 物体1之间实现良好的导热接触，所述接触元件12.1的接触面121.1 构造为凸出的并且是弹性柔性的。这种柔性通过薄板比如刚刚提到的 盖板的面状的弯曲或者说压花(Pragung)来实现。如可以在图2中看 出，这个凸出的接触面121.1在空间上处于所述基体11.1的两个彼此 隔开的接触面111.1之间。所述基体11.1的接触面111.1在这种情况下
7平行于所述凸出的接触元件12.1的接触面121.1来布置.
如此选择所述接触元件12.1的材料，使得其具有良好的导热能力。 所述接触元件12.1可以相对于所述基体11.1绝热地布置，比如通过设 置绝热的中间件。这些中间件可以同时作为在所述接触元件12.1和所 述基体11,1之间的密封件起作用。
图3示意示出了接触元件12.1的柔性的接触面121.1的功能。所述 基体11.1的确定精度的接触面111.1通过螺栓14.1与待测的物体1连 接。在安装扫描单元10.1时，所述接触元件12，1的接触面121.1也与 待测的物体l相接触。为了在不影响所述基体11.1的定位的情况下保 证大面积的且紧密的接触，所述接触面121.1沿紧固方向也就是沿垂直 于所述接触面121.1的方向是弹性柔性的.因为处于接触元件12.1的 接触面121.1和电气元件7.1之间的导热元件13.1在所述接触元件12.1 的具有柔性的方向上是柔性的，所以保证了热传导。通过这些措施， 提供了从所述电气元件7.1经由所述导热元件13.1直到具有良好导热 性能的接触面121.1且继续直到待测的物体1的可靠的导热路径。所述 扫描单元10.1的热量由此有针对性地朝在此作为冷却源起作用的待测 的物体1的方向导送。冷却源在此意味着，所述待测的物体1的热质 量(thermische Masse)大于所述扫描单元10.1的热质量并且因此从所 迷扫描单元10.1导入待测的物体1中的热量得到良好分布， 一方面由 此保证良好地从所述扫描单元10.1上排出热量并且另一方面由于热量 分布也仅仅微不足道地提高待测的物体1的温度。所述接触面111.1 一 方面在安装平面中与所述接触面121.1彼此隔开地布置并且另一方面 如借助于图4可以看出的一样通过所述盖板的缩进的结构来隔开。
在测量工作中，也就是在将所述扫描单元10.1安装到待测的物体 1上时，所述接触元件12.1在第二位置1.2上与待测的物体1之间有良 好的导热接触，从而可以将热量输出给所述待测的物体l.
所迷热量导出也还可以以未示出的方式通过以下方法得到支持， 即在所述待测的物体1上设置冷却件。这些冷却件可以是散热片或者 是被冷却介质从中流过的通道。
扫描单元10.2的第二实施例在图4中以橫截面的形式示意示出。 所述接触元件12.2又由盖板构成，该盖板将所述扫描单元10.2的内腔 15.2盖住。与上面所说明的第一实施方式所不同的是，这里所述接触元件12.2本身没有构造为有弹性的，而是保证所述接触面121.2的柔 性，方法是所述接触元件12.2通过有弹性的器件16.2能够偏移地支承 在所述基体11.2上。所述有弹性柔性的器件16.2在实施例中也承担在 所述接触元件12.2和基体11.2之间进行可靠密封的功能.其它示出的 元件如扫描板4.2、扫描传感器5.2、印制电路板6.2、电气元件7.2、 导热元件13.2和所述基体11.2上的接触面111.2相应于第一实施方式。
图5示出了扫描单元10.3的第三变型方案。所示出的元件如扫描 板4.3、印制电路板6.3、导热元件13.3及电气元件7.3相应于第一实施 方式。所述扫描单元10.3包括照明单元，该该照明单元发出光束，光 束打到所述标尺3上，在那里被测量刻度8所反射并且进一步穿过扫 描板4.3并且最后打到光敏的扫描传感器5.3上。所述光束在这过程中 依赖于位置被所述标尺3上的测量刻度8所调制.所述扫描板4.3以公 知的方式具有与所产生的光束相匹配的周期性的扫描刻度.
所述扫描传感器5.3处于印制电路板6.3上。在所述印制电路板6.3 上还有其它的用于处理扫描信号的电气元件，比如A/D-转换器、放大 器7.3、微处理器或者说接口单元。
为了实现所述扫描单元10.3的紧凑结构，所述电气元件5.3、 7.3 布置在所述扫描单元10.3的内腔15.3中。由于所述测量刻度8的小刻 度周期以及所述扫描单元10.3相对于标尺3的高移动速度，产生高频 的周期性的扫描信号，所述扫描信号必须继续由其它的电气元件尤其 所述放大器7.3低噪声地进行处理。所述用于处理扫描信号的电气元件 -其中仅仅示范性地注明所述放大器7.3-具有高能量需求并且因此产生 较多的热损耗。
所述扫描单元10.3具有基体11.3，在所迷基体11.3上固定着所述 扫描板4.3。所述扫描传感器5.3检测所述标尺3和扫描板4.3之间的相 对位置，因而所述扫描板4.3是所述扫描单元10.3的确定精度的元件。 所述扫描板4.3能够借助于所述基体11.3固定地安装在待测的物体1.3 中的一个上。这种安装作业尤其应该以刚性方式进行，因此在第一位 置上在所述基体11.3和待测的物体1.3之间实现面接触。这种接触在 所示出的实施例中通过螺栓14.3来完成。
所述具有产生热量的电气元件7.3的印制电路板6.3绝热地安装在 所述基体11.3上并且能够与所述基体11.3 —起操纵。从所述产生热量的电气元件7.3开始，设置通往所述扫描单元10.3的接触元件12.3的 导热路径。这条导热路径具有导热元件13.3，该导热元件13.3设计用 于将在所述电气元件7.3上产生的热量从所述扫描单元10.3的内腔15.3 传递给所述接触元件12.3。在所示出的实施例中，所述导热元件13.3 是弹性柔性的电绝缘的部件，该部件一方面尽可能大面积地接触所述 电气元件7，3并且另一方面尽可能大面积地接触所述接触元件12.3。所 述导热元件13.3在实施例中是导热薄膜，尤其是也作为Softtherm-薄 膜提供的有导热能力的聚合物薄膜。
所述扫描单元10.3通过将所述基体11.3安装在待测的物体1上来 位置固定地进行固定。在此所述基体11.3以第一接触面111.3在笫一 位置上与待测的物体1相接触并且所述接触元件12.3以第二接触面 121.3在第二位置上与待测的物体1相接触。所述接触元件12.3的接触 面121.3，也就是所述第二接触面121.3对安装来说是弹性柔性的，也 就是说是有弹性的，由此一方面保证与待测的物体1之间可靠的面接 触并且另一方面在安装时没有导致机械的重复测定以及对所述基体 11.3的反作用，所述有弹性的柔性在实施例中通过所述接触元件12.3 的某个区域的蛇曲形的结构来实现.
图6和7示意示出了扫描单元10.4，该扫描单元10.4具有所述基 体11.4的两个彼此垂直布置的接触面111.4和111.5。这能够借助于这 些接触面111.4或111.5中任一个接触面选择安装到待测的物体1上。 在每种这样的安装方案中，通过接触元件12.4、 12.5的同样彼此垂直 布置的接触面121.4及121.5来保证这些接触面121.4、 121.5中的至少 一个接触面与所述待测的物体1相接触用于导热和散热。
在图6中，所述基体11.4的接触面111.4平行于所述接触元件12.4 的接触面121.4来布置。所述基体11.4的接触面111.4在与所述接触元 件12.4的接触面121.4隔开的情况下接触待测的物体1。该间距应该尽 可能地大，用于避免将热量导入所述基体11.4中。在所述基体11.4和 所述接触元件12.4之间的绝热可以通过待测的物体1的适宜的结构得 到进一步提高。在按图6的实施例中，与所述基体11.4接触的位置为 此和与所述接触元件12.4接触的位置隔开，并且所述待测的物体1具 有槽的形式的隔开结构。在按图7的实施例中，所述接触的位置还进 一步彼此隔开，并且同样实现了待测的物体1的本体上的隔开。
权利要求
1. 位置测量装置的用于对标尺(3)的测量刻度(8)进行扫描的扫描单元，具有至少一个设在所述扫描单元(10.1、10.2、10.3)的内腔(15.1、15.2、15.3)中的产生热量的电气元件(7.1、7.2、7.3)；基体(11. 1、11.2、11.3、11.4)，该基体能够固定地安装在待测的物体(1)上，并且其中所述基体(11.1、11.2、11.3、11.4)以第一接触面(111.1、111.2、111.3、111.4、111.5)在所述待测的物体(1)的第一位置(1.11、1.12)上相接触，并且具有带有第二接触面(121.1、121.2、121.3、121.4、121.5)的接触元件(12.1、12.2、12.3、12.4、12.5)，所述第二接触面(121.1、121.2、121.3、121.4、121.5)在安装所述基体(11.1、11.2、11.3、11.4)时在所述待测的物体(1)的第二位置(1.2)上相接触，以及导热路径(13. 1、13.2、13.3)，该导热路径设计用于将在所述电气元件(7.1、7.2、7.3)上产生的热量从所述扫描单元(10.1、10.2、10.3、10.4)的内腔(15.1、15.2、15.3)传递给所述接触元件(12.1、12.2、12.3、12.4、12.5)。
2. 按权利要求l所述的扫描单元，其特征在于，所述第二接触面 (121.1、 121.2、 121.3、 121.4、 121,5)构造为弹性柔性的.
3. 按权利要求2所述的扫描单元，其特征在于，所述第二接触面 (121.1、 121.3、 121.4、 121.5)构造为弹性的板，该板构造为能够朝待测的物体(1)的第二位置(1.2)的方向弹性地偏移，
4. 按权利要求2所述的扫描单元，其特征在于，所述第二接触面 (121.2)借助于有弹性的器件(16.2)柔性地布置在所述基体(11.2)上。
5. 按权利要求2所述的扫描单元，其特征在于，所述第二接触面 (121.1、 121.2、 121.3、 121.4、 121.5)是可拆下的盖板的組成部分，该盖板将所述扫描单元(10.1、 10.2、 10.3)的内腔(15.1、 15.2、 15.3)盖住。
6. 按权利要求3所述的扫描单元，其特征在于，所述笫二接触面 (121.1、 121.2、 121，3、 121.4、 121.5)是可拆下的盖板的組成部分,该盖板将所述扫描单元(10.1、 10.2、 10.3)的内腔(15.1、 15.2、 15.3)盖住。
7. 按权利要求4所述的扫描单元，其特征在于，所述第二接触面 (121.1、 121.2、 121.3、 121.4、 121.5)是可拆下的盖板的组成部分，该盖板将所述扫描单元(10.1、 10.2、 10.3)的内腔(15.1、 15.2、 15.3)盖住。
8. 按权利要求2所述的扫描单元，其特征在于，所述第一接触面 (111.1、111.2、111.3 )在未安装的状态中相对于所述笫二接触面U21.1、121.2、 121,3)缩进。
9. 按权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述接触元件 (12.1、 12.2、 12.3、 12.4、 12.5)相对于所述基体Ul.l、 11.2、 11.3、11.4)绝热地布置。
10. 按权利要求2所述的扫描单元，其特征在于，所述接触元件 (12,1、 12.2、 12.3、 12.4、 12.5)相对于所述基体(11.1、 11.2、 11.3、11.4)绝热地布置。
11. 按权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，所述导热路径 包括处于所述电气元件(7.1、 7.2、 7.3)和所述接触元件(12.1、 12.2、 12.3)之间的导热元件(13.1、 13.2、 13.3)，该导热元件构造为有弹 性的并且一方面与所述电气元件(7.1、 7.2、 7.3)相接触并且另一方面 与所述接触元件(12.1、 12.2、 12.3)相接触。
12. 按权利要求2所述的扫描单元，其特征在于，所述导热路径 包括处于所述电气元件(7.1、 7.2、 7.3)和所述接触元件(12.1、 12.2、 12.3)之间的导热元件(13.1、 13.2、 13.3)，该导热元件构造为有弹 性的并且一方面与所述电气元件(7.1、 7.2、 7.3)相接触并且另一方面 与所述接触元件(12.1、 12.2、 12.3)相接触，
13. 按权利要求1所述的扫描单元，其特征在于，在所述基体(11.1、 11.2、 11.3)上固定着扫描板(4.1、 4.2、 4.3)。
14. 按权利要求2所述的扫描单元，其特征在于，在所述基体(11.1、 11.2、 11.3)上固定着扫描板(4.1、 4.2、 4.3)。
全文摘要
本发明涉及一种位置测量装置的扫描单元。扫描单元(10.1)具有支承扫描板(4.1)的基体(11.1)，所述扫描单元(10.1)通过该基体(11.1)可安装在待测的物体(1)上。构造所述扫描单元(10.1)，从而借助于导热元件(13.1)将该扫描单元(10.1)的电气元件(7.1)的热量从内腔(15.1)通过导热路径传导给接触元件(12.1)的外面的接触面(121.1)。在将所述扫描单元(10.1)安装到待测的物体(1)上时，这个接触面(121.1)与用作冷却源的待测的物体(1)进行紧密接触。为了在对安装不产生负面影响的情况下保证所述接触面(121.1)与待测的物体(1)进行可靠的接触，所述接触面(121.1)构造为弹性柔性的。
文档编号G01B11/02GK101451822SQ20081018167
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者M·库勒, S·唐多夫 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司