专利名称：用于角度测量装置的结构单元和相应的角度测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的用于角度测量装置的结构单元以及根据权利要求7的带有两个可彼此相对转动的构件的角度测量装置，该结构单元包括支承元件和在其上固定的分度盘。
背景技术：
这种角度测量装置用于测量轴经过一次或多次旋转的转动运动。在此，转动运动增量地或绝对地被确定，所发出的测量值取决于一序列计数脉冲、计数器值或代码字。与齿条或丝杠相结合，利用这种角度测量装置也可测量直线运动。角度测量装置尤其对于机床或者加工中心既被用于测量直线运动又被用于测量旋转运动。转动角度精确到很小的角秒上的确定，例如对于机床的圆工作台或摆动头、车床的C轴线而言是重要的，而在印刷机的印刷机构中也是重要的。因为在使用光学的测量原理时可获得极其精确的测量结果，所以这种角度测量装置经常装备有光学的测量系统。在此，大多使用透明的分度盘，在其上施加角度划分或者角度刻度。在精确的测量结果的意义上，分度盘须被准确地固定在待测量的构件上。就此而论，热影响可能引起问题。由公开文献JP 2000-329586 A2已知一种角度测量装置，其带有在轴向的粘合间隙中具有较高的弹性的粘合连接，使得由热膨胀效应引起的应力可被吸收。以该方式，分度盘的变形应被阻止。然而，如此软的、带有较小弹性模量的粘合材料的使用具有如下缺点，S卩，对于极其准确的测量，不能持久可靠地确保分度盘的精确的固定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于角度测量装置的结构单元或一种开头所提及的类型的角度测量装置，其极其耐用且其提供持久精确的测量结果。根据本发明，该目的通过提供带有权利要求1或者7的特征的一种用于角度测量装置的结构单元或一种角度测量装置来实现。相应地，用于角度测量装置的结构单元包括分度盘和支承元件。分度盘由带有第一线膨胀系数的第一材料制成，而支承元件由带有第二线膨胀系数的第二材料制成。支承元件的材料的第二线膨胀系数以相对较大的程度区别于分度盘的材料的第一线膨胀系数， 使得第二线膨胀系数与第一线膨胀系数之间的差至少为3 · ΙΟ"6 · K—1。分度盘借助于粘合连接被固定在支承元件上。该粘合连接具有轴向的粘合剂层和径向的粘合剂层，其中，轴向的粘合剂层布置在轴向的间隙中，而径向的粘合剂层布置在径向的间隙中。在此，轴向的间隙和径向的间隙相应地处在支承元件与分度盘之间。两个粘合剂层包括不同的粘合材料。 换言之，即粘合剂层由不同的材料构成。轴向上和径向上关于间隙的特性涉及到分度盘的几何的旋转轴线。因此，在分度盘上的角度刻度的线条通常径向地定向，相应地那么轴向垂直于这些线条取向。
显示出，在第二线膨胀系数与第一线膨胀系数之间的差大于3 · ΙΟ-6· Γ1的情况下利用传统的粘合连接不再确保分度盘在支承元件处的持久的且在测量操作方面精确的连接。例如，环形的主体或环段几何形状或圆段几何形状的主体可理解为分度盘，该主体设有角度划分或者角度刻度。关于偏离环形的形状，轴向上和径向上的概念可有意义地应用。尤其地，当支承元件的材料的第二线膨胀系数与分度盘的材料的第一线膨胀系数之间的差至少为4 · IO-6 · K—1、尤其大于6 · IO-6 · K-1时，本发明具有优点。此外，尤其根据 DIN ISO 7991测量的中间的热线膨胀系数在下面可理解为线膨胀系数。在此，分度盘的材料的线膨胀系数可小于支承元件的材料的线膨胀系数。尤其地， 分度盘的材料的线膨胀系数可小于10_5 · K—1、尤其小于5 · 10_6 · K-1或小于4 · 10_6 · K-1。在本发明的另一设计方案中，粘合连接这样设计，S卩，相应地在经时效硬化的状态中和在根据DIN 1343的正常状态中轴向的粘合剂层的弹性模量小于径向的粘合剂层的弹性模量。径向的粘合剂层的径向间隙的宽度有利地大于轴向的粘合剂层的轴向间隙的宽度。在本发明的另一设计方案中，第一材料(分度盘由其制成)可以是玻璃材料或玻璃陶瓷材料，而第二材料(支承元件由其制成)属于金属材料组。在优选的实施形式变体中，根据DIN ISO 3585的硼硅玻璃、铝硅玻璃或硼铝硅玻璃可被用作分度盘的材料。第二材料(支承元件由其制成)可包括带有大于6 · 10_6 · Γ1或大于7 · 10_6 · Γ1的第二线膨胀系数的钢合金。用于角度测量装置的结构单元可如此构造，即，支承元件设计成具有凸肩的轴，且轴向的粘合剂层布置在凸肩与分度盘之间的轴向的间隙中。尤其地，支承元件有利地可设计成空心轴。根据另一方面，本发明包括一种带有第一构件和第二构件的角度测量装置，其中， 构件可围绕轴线彼此相对转动。在此，包括分度盘和支承元件的结构单元关联于第一构件。 分度盘借助于粘合连接固定在支承元件上。用于探测分度盘的探测单元关联于第二构件。 分度盘由带有第一线膨胀系数的第一材料制成，而支承元件由带有第二线膨胀系数的第二材料制成。第二线膨胀系数与第一线膨胀系数之间的差至少为3 · ΙΟ"6 · K—1。粘合连接具有轴向的粘合剂层和径向的粘合剂层，其中，相应地在支承元件与分度盘之间轴向的粘合剂层布置在轴向的间隙中，而径向的粘合剂层布置在径向的间隙中。两个粘合剂层包括不同的粘合材料。有利地，角度测量装置如此构造，即，在第二构件处布置有探测电路板，在其上装配有带有集成电路的传感器元件。在此，带有集成电路的传感器元件以与分度盘小于1mm、 尤其小于0. 5mm、有利地小于0. 25mm的轴向间距来布置。以有利的方式，角度测量装置包括一种结构，在其中在第二构件处布置有光源，其中，分度盘布置在光源与带有集成电路的传感器元件之间。相应地，如此设计的角度测量装置根据透射光原理工作。有利地，传感器元件除了集成电路附加地还具有光电元件。这种传感器元件也可称作所谓的Opto-ASIC (ASIC =专用集成电路)，其具有成排的光电元件和用于评估由光电元件产生的电信号的专用集成电路。此外，角度测量装置可包括结构单元，其选择性具有如它在结构单元的可能的实施方式的描述中所说明的特征。本发明的附加的有利的设计方案可由从属权利要求得悉。
本发明的另外的特征和优点在两个实施例的下面的描述中根据附图变得清楚。其中图1显示了通过角度测量装置的部分截面图，图2显示了角度测量装置的结构单元的详细视图，图3显示了根据另一实施例的角度测量装置的结构单元的详细视图。
具体实施例方式在图1中示出了通过角度测量装置的部分纵截面。该角度测量装置包括第一构件，其在介绍的实施例中可被称作转子1。转子1可围绕轴线A相对于第二构件转动，其中， 第二构件此处设计成定子2。角度测量装置的结构单元(也参见图2)包括带有凸肩1.41的支承元件1.4(此处构造成空心轴)，其空心柱形的内腔可设置用于抗扭地容纳待测量的轴。此外，在其上施加有角度刻度1. 31的分度盘1. 3借助于粘合连接固定在转子1处或者在支承元件1. 4处。 分度盘1. 3由带有第一线膨胀系数α 1. 3的玻璃材料制成。轴线A同时是分度盘1. 3的几何旋转轴线。此外，在由带有第二线膨胀系数α 1. 4的较硬的钢制成的支承元件1. 4处固定有滚动轴承5的内圈。因此，角度测量装置的结构单元关联于角度测量装置的第一构件， 即转子1。此外，在图2中为了清楚起见仅在较小的部分区域中示出了角度刻度1. 31。通常， 角度刻度1.31在旋转360°的区域上布置。角度刻度1.31可设计为增量的角度划分或为绝对的角度编码。定子2包括壳体2. 1，其由两个零件构成，其中，两个零件在端侧具有槽或者通道 2. 11。通过孔2. 12，壳体2. 1的两个零件刚性地彼此拧紧，其中，设有0型圈6用于接合面的密封。对于测量操作，壳体2. 1通常刚性地固定在机件处。在壳体2. 1中存在所谓的探测单元2. 2，其包括LED2. 22、聚光器2. 23、带有集成电路的传感器元件2. M和探测电路板2. 21。带有集成电路的传感器元件2. M相应地电气地装配在探测电路板2. 21上。在带有集成电路的传感器元件2. M(此处为所谓的Opto-ASIC) 与分度盘1. 3之间存在比较小的空隙，使得传感器元件2. 24与分度盘1. 3之间的轴向间距 Da可为仅仅较小的100 μ m。充当光源的LED2. 22发送光通过聚光器2. 23且之后通过分度盘1. 3。在此，LED2. 22、聚光器2. 23和带有集成电路的传感器元件2. 24关联于定子2， 即角度测量装置的第二构件。而分度盘1.3(如已提及的那样)被固定在可转动的支承元件1. 4处。分度盘1. 3 (其即布置在光源2. 22与传感器元件2. 24之间)，通过其角度刻度 1. 31可对应于支承元件1. 4的角度位置调整射入的光。经调整的光最终打到传感器元件2. 24的光电探测器上。通过该探测产生光电信号，其包含关于支承元件1. 4的角度位置的信息。光电式产生的信号通过传感器元件2. M的集成电路被进一步处理。最终，经进一步处理的位置信号通过电缆发出到另外的设备处，例如到机器的控制装置处。联结器3的零件通过螺纹连接与壳体2. 1固定地相连接。此外，联结器3的另一零件也固定在探测单元2. 2处。滚动轴承5的外圈同样固定在探测单元2. 2处。在实践中，待测量的轴和机件(在其处壳体2. 1被刚性地装配)彼此不精确地取向。在使用联结器3的情况下，待测量的轴可刚性地且抗扭地装配在角度测量装置的支承元件1. 4处，而壳体2. 1可固定地加在该机件处。为了密封环形的间隙，相应地设置有密封部4。在带有有效率的集成电路的传感器元件2. 24的操作期间，须考虑不可忽略的局部的放热。对于该情况，即，分度盘1. 3处于静止状态而带有集成电路的传感器元件2. 24 被通电，通过狭窄的空隙或者通过传感器元件2. 24与分度盘1. 3之间的较小的间距Da可导致明显的局部的到分度盘1. 3中的热输入。在使用传统的玻璃作为用于分度盘1. 3的材料的情况下，由于那种材料比较高的线膨胀系数，这导致在分度盘1. 3上的角度刻度1. 31 的局部变形。为了避免该缺点，现在选择专门的透明的玻璃材料用于分度盘1.3，其具有仅3. 25 · 10_6 · K—1的第一线膨胀系数α 1. 3(根据ISO 7991)。通过使支承元件1. 4由带有大约8 · ΙΟ"6 · K—1的第二线膨胀系数α 1. 4的钢制成，它显著地区别于分度盘1. 3的第一线膨胀系数α 1. 3。第二线膨胀系数α 1. 4与第一线膨胀系数α 1. 3之间的差此处即为 4. 75 · IO"6 · IT1 (α 1. 4- α 1. 3 = 4. 75 · 1(Γ6 · Γ1)。随着使用上面所描述的玻璃材料，分度盘1. 3由带有有效率的集成电路的传感器元件2. M的热输入引起的变形可显著降低。然而，结果是传统的粘合连接(其具有环形的轴向的粘合间隙)不持久地保持，或者在较长的操作之后出现分度盘1. 3的大到不允许的
偏心率。在包括支承元件1. 4和分度盘1. 3的结构单元的装配的进程中，此时首先将第一粘合材料(在介绍的实施例中为较低粘度的粘合材料)轴向地涂覆到支承元件1. 4的凸肩 1. 41 上。之后进行分度盘1. 3在支承元件1. 4上的非常准确的定位，使得分度盘1. 3相对于支承元件1. 4的轴线A的偏心率处在预先给定的公差界限之下。一旦该定位结束，第一粘合材料可被照射以紫外线，这引起第一粘合材料的硬化。以该方式，在凸肩与分度盘1. 3 之间的轴向的间隙Μ中产生轴向的粘合剂层1. 1。因此，分度盘1. 3被固定在支承元件1. 4 处的精确的位置中。为了建立极其能负载的粘合连接，此时径向的粘合剂层1. 2由与轴向的粘合剂层 1. 2的粘合材料相区别的粘合材料制成。首先，为了该目的第二粘合材料被引入到分度盘 1. 3与支承元件1. 4之间的环形的径向间隙Sr中。紧接着通过紫外线进行第二粘合材料的时效硬化，从而产生径向的粘合剂层1.2。在该阶段中，然后结构单元的粘合结束。结构单元的两个粘合剂层1. 1,1. 2如此地制造，即，相应地在时效硬化的状态中轴向的粘合剂层1. 1的弹性模量El小于径向的粘合剂层1. 2的弹性模量Ε2。根据第二实施例(图幻存在经修改的支承元件1.4'，其带有具有环形的凹口 1.411的凸肩1.41'。凹口 1.411被第一粘合材料填满，使得在该处存在较厚的轴向的粘合剂层1.1'。轴向的粘合剂层1.1'也延伸到凸肩1.41'的径向相邻的区域中，不仅向内
7而且向外。在这些区域中轴向的间隙极�。沟梅侄扰�1.3可被放置在以高精度平行于凸肩1.41'的平面定向的平面中。以该方式，在角度测量装置的操作中分度盘1.3的摇摆运动结果上是可忽略地小。对于环形的凹口 1.411替代地或补充地，也可将例如槽添加到凸肩1.41'中。此外，在第二实施例中可使用与在第一实施例中相同的粘合材料。因此，此处也如此地制造结构单元的两个粘合剂层1. 1' >1.2,即，相应地在经时效硬化的状态中轴向的粘合剂层1. 1'的弹性模量El小于径向的粘合剂层1. 2的弹性模量E2。轴向的和径向的间隙&i、Sa'、Sr在图中未按比例示出。尤其地，轴向的间隙Μ、 Sa'在实际中可设计成明显更�。沟迷谕贾兄嵯虻募湎�&i、Sa'即被夸大地显示，以便可更好地说明实施例。
权利要求
1.一种用于角度测量装置的结构单元，其包括由带有第一线膨胀系数(α 1. 3)的第一材料制成的分度盘(1. 3)，以及由带有第二线膨胀系数(α 1.4)的第二材料制成的支承元件(1.4，1.4')，其中所述第二线膨胀系数(α 1.4)与所述第一线膨胀系数(α 1.3)之间的差至少为 3 · 10_6 · Κ—1，并且所述分度盘(1. 3)借助于粘合连接被固定在所述支承元件(1. 4，1. 4')上，其中所述粘合连接具有轴向的粘合剂层(1. 1，1. Γ )和径向的粘合剂层(1.2)，并且相应地在所述支承元件(1. 4,1.4')与所述分度盘(1. 3)之间所述轴向的粘合剂层(1. 1,1. 1')布置在轴向的间隙(Sa，Sa')中， 所述径向的粘合剂层(1.2)布置在径向的间隙(Sr)中， 并且所述两个粘合剂层(1. 1,1. 1' ；1.2)包括不同的粘合材料。
2.根据权利要求1所述的用于角度测量装置的结构单元，其特征在于，所述分度盘 (1.3)的材料的第一线膨胀系数(α 1.3)小于所述支承元件(1.4，1.4')的材料的第二线膨胀系数(α 1.4)。
3.根据权利要求2所述的用于角度测量装置的结构单元，其特征在于，所述分度盘 (1. 3)的材料的第一线膨胀系数(α 1. 3)小于5 · ΙΟ"6 · Γ1。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于角度测量装置的结构单元，其特征在于，相应地在经时效硬化的状态中所述轴向的粘合剂层(1. 1,1. 1')的弹性模量(El)小于所述径向的粘合剂层(1.2)的弹性模量(Ε2)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于角度测量装置的结构单元，其特征在于，由其制成所述分度盘(1. 的所述第一材料是玻璃材料或玻璃陶瓷材料，而由其制成所述支承元件(1. 4,1.4')的所述第二材料是金属材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于角度测量装置的结构单元，其特征在于，所述支承元件(1.4，1.4')设计成具有凸肩(1.41，1.41')的轴，而所述轴向的粘合剂层 (1.1，1.1')布置在所述凸肩(1.41，1.41')与所述分度盘(1.3)之间的轴向的间隙(Sa， Sa')中。
7.一种带有第一构件(1)和第二构件O)的角度测量装置，其特征在于，所述构件(1， 2)能够围绕轴线(A)彼此相对转动，其中所述第一构件(1)关联有包括分度盘(1. 3)和支承元件(1. 4,1.4')的结构单元，其中，所述分度盘(1. 借助于粘合连接被固定在所述支承元件(1.4，1.4')上， 所述第二构件(2)关联有用于探测所述分度盘(1.3)的探测单元O. 2)，并且所述分度盘(1.3)由带有第一线膨胀系数(a 1. 的第一材料制成，而所述支承元件 (1.4,1.4')由带有第二线膨胀系数(α 1.4)的第二材料制成，其中所述第二线膨胀系数(α 1.4)与所述第一线膨胀系数(α 1.3)之间的差至少为 3 · 1(Γ6 · Γ1，其中所述粘合连接具有轴向的粘合剂层(1. 1,1. 1')和径向的粘合剂层(SaAa')，并且相应地在所述支承元件(1. 4,1.4')与所述分度盘(1. 3)之间所述轴向的粘合剂层(1. 1,1. 1')布置在轴向的间隙(Sa，Sa')中， 所述径向的粘合剂层(1.2)布置在径向的间隙(Sr)中，并且所述两个粘合剂层(1. 1,1. 1' ；1.2)包括不同的粘合材料。
8.根据权利要求7所述的角度测量装置，其特征在于，在所述第二构件( 处布置有探测电路板(2. 21)，在所述探测电路板(2. 21)上装配有带有集成电路的传感器元件(2. 24)， 且带有所述集成电路的所述传感器元件0.24)以到所述分度盘(1. 小于Imm的距离 (Da)布置。
9.根据权利要求8所述的角度测量装置，其特征在于，在所述第二构件( 处布置有光源(2. 22)，而所述分度盘(1. 3)布置在所述光源(2. 22)与带有所述集成电路的所述传感器元件(2. 24)之间。
10.根据权利要求8或9所述的角度测量装置，其特征在于，所述传感器元件(2.24)除了所述集成电路之外还具有光敏元件。
全文摘要
本发明涉及一种用于角度测量装置的结构单元，其包括由带有第一线膨胀系数(α1.3)的第一材料制成的分度盘(1.3)以及由带有第二线膨胀系数(α1.4)的第二材料制成的支承元件(1.4，1.4′)。第二线膨胀系数(α1.4)与第一线膨胀系数(α1.3)之间的差至少为3·10-6·K-1。分度盘(1.3)借助于粘合连接被固定在支承元件(1.4，1.4′)上，其中，该粘合连接具有轴向的粘合剂层(1.1，1.1′)和径向的粘合剂层(1.2)。轴向的粘合剂层(1.1，1.1′)和径向的粘合剂层(1.2)相应地在支承元件(1.4，1.4′)与分度盘(1.3)之间布置在轴向的间隙(Sa，Sa′)或者径向的间隙(Sr)中。两个粘合剂层(1.1，1.2)包括不同的粘合材料。此外，本发明还涉及一种带有该结构单元的角度测量装置。
文档编号G01D5/347GK102334013SQ200980157703
公开日2012年1月25日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年2月27日
发明者A·巴特莱希纳, J·米特雷特, Z·马里克 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司
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