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接觸式位移計的制作方法
【專利摘要】本發明提供了接觸式位移計。光投射單元以非平行光照射標尺。經過標尺上的多個狹縫的非平行光被光接收單元接收，并且輸出表示光接收量分布的光接收信號。基于光接收信號，光接收量處于光接收單元上的光接收量分布中的最大值或最小值處的多個位置被檢測為多個峰值位置。基于校正信息和檢測到的多個峰值位置，來計算參考位置和與檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個狹縫的位置之間的距離。校正信息表示多個峰值位置之間的距離和標尺上分別與多個峰值位置相對應的多個狹縫之間的距離的關系。
【專利說明】接觸式位移計

【技術領域】
[0001]本發明涉及使用接觸件的接觸式位移計。

【背景技術】
[0002]接觸式位移計具有在與對象的表面接觸的同時可在一個方向上移動的接觸件(例如，參見JP 2009-236498A)。JP 2009-236498A的接觸式位移計包括發光元件、線傳感器(line sensor)和活動標尺(moving scale)。活動標尺連接至接觸件。沿著接觸件可移動的方向在活動標尺中排列預定的圖案。
[0003]從發光元件發出的光穿過準直透鏡而變成基本平行的光，光隨后通過活動標尺并被提供給線傳感器。基于被線傳感器讀取的光接收信號，計算出接觸件的位移。
[0004]在JP 2009-236498A中，通過使用穿過活動標尺的光的干涉，可以以比線傳感器的像素更小的單位(亞像素單位)來計算接觸件的位移。然而，需要在發光元件和活動標尺之間設置用于使光準直的光學元件(例如，準直透鏡)，因此難以減小接觸式位移計在與接觸件的移動方向垂直的方向上的尺寸。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種接觸式位移計，其能夠減小在與接觸件的移動方向垂直的方向上的尺寸。
[0006](I)根據本發明的接觸式位移計包括:殼體；接觸件，其被配置為相對于殼體在一個方向上可移動；標尺，其具有在一個方向上排列的多個透光狹縫，并且被配置為與接觸件一起在一個方向上可移動；光投射單元，其以非平行光照射標尺；光接收單元，其接收通過標尺上的多個透光狹縫的非平行光，并且輸出表示光接收量分布的光接收信號；檢測單元，其檢測其中光接收量處于接收單元上的光接收量分布中的最大值或最小值處的多個位置作為多個峰值位置；以及計算單元，其基于由檢測單元檢測到的多個峰值位置以及校正信息，來計算參考位置和標尺上的多個透光狹縫中的與由檢測單元檢測到的至少一個峰值位置對應的至少一個透光狹縫的位置之間的距離，所述校正信息表示光接收單元上的光接收量分布中的多個峰值位置之間的距離和標尺上分別與多個峰值位置對應的多個透光狹縫之間的距離的關系，其中，光投射單元、標尺和光接收單元被設置為在與所述一個方向交叉的方向上排列。
[0007]在該接觸式位移計中，光透射單元以非平行光照射標尺。通過標尺上的多個透光狹縫的非平行光被光接收單元接收，并且輸出表示光接收量分布的光接收信號。基于從光接收單元輸出的光接收信號，其中光接收量處于光接收單元上的光接收量分布中的最大值或最小值處的多個位置被檢測為多個峰值位置。基于校正信息和檢測到的多個峰值位置，來計算參考位置和標尺上的多個透光狹縫中的與檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫的位置之間的距離。
[0008]校正信息表示光接收單元上的光接收量分布中的多個峰值位置之間的距離與標尺上分別與多個峰值位置相對應的多個透光狹縫之間的距離的關系。因此，即使在以非平行光照射標尺時，也可以計算出與峰值位置對應的透光狹縫的位置。因此，不需要在光投射單元和標尺之間設置用于使光準直的光學元件(例如，準直透鏡)。從而，可以減小接觸式位移計在與接觸件的移動方向垂直的方向上的尺寸。
[0009](2)標尺上的多個透光狹縫中的每一個可以被通過使用標識符來唯一地、可識別地排列，其中所述標識符基于包括該透光狹縫在內并具有預定位置關系的多個透光狹縫之間的距離，接觸式位移計可進一步設置有第一存儲單元，其存儲與標尺上的多個透光狹縫相關的多個標識符，并且計算單元可以基于由檢測單元檢測到的多個峰值位置和存儲在第一存儲單元中的多個標識符，來識別與由檢測單元檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫。
[0010]在這種情況下，可以基于多個標識符來識別多個透光狹縫中的每一個。因此，即使在標尺移動之前位于光照射范圍內的透光狹縫在標尺移動之后位于光照射范圍外時，也可以基于在標尺移動之前位于光照射范圍內的一個透光狹縫的位置和在標尺移動之后位于光照射范圍內的另一個透光狹縫的位置來計算接觸件的位移。因此，可以計算尺寸比從光投射單元到標尺的光的照射范圍大的接觸件的位移。
[0011](3)多個標識符中的每一個都可以包括具有預定位置關系的三個或三個以上的峰值位置之間的距離的比率。
[0012]根據該配置，即使在光接收單元的光接收面與標尺之間的平行度較低時，也可以識別分別與多個峰值位置對應的多個透光狹縫。因此，可以降低殼體、接觸件、光投射單元、光接收單元和標尺的組裝的精度。從而，降低了接觸式位移計的成本。
[0013](4)多個標識符中的每一個都可以包括相鄰峰值位置之間的距離。在這種情況下，可以容易地識別與多個峰值位置相對應的多個透光狹縫。
[0014](5)計算單元可以計算由檢測單元檢測到的多個峰值位置中的至少兩個峰值位置之間的距離，基于所識別的至少一個透光狹縫來識別與至少兩個峰值位置相對應的至少兩個透光狹縫，計算表示了所計算出的至少兩個峰值位置之間的距離與所識別的至少兩個透光狹縫之間的距離的關系的值來作為校正信息，以及基于計算出的校正信息來計算參考位置和與由檢測單元檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫的位置之間的距離。
[0015]在這種情況下，基于多個峰值位置中的至少兩個峰值位置之間的距離和與這些峰值位置對應的至少兩個透光狹縫之間的距離來計算校正信息。因此，即使在光接收單元的光接收面與標尺之間的平行度較低時以及在光接收單元的光接收面和標尺之間的平行度隨著接觸件的移動而變化時，也可以正確地計算出透光狹縫的位置。因此，可以降低殼體、接觸件、光投射單元、光接收單元和標尺的組裝精度。從而，可以降低接觸式位移計的成本。
[0016](6)接觸式位移計還可以包括:第二存儲單元，其預先存儲有校正信息，該校正信息表示光接收單元上的光接收量分布中的多個峰值位置之間的距離和標尺上分別與多個峰值位置相對應的多個透光狹縫之間的距離的關系，其中，可以基于存儲在第二存儲單元中的校正信息來計算參考位置和與由檢測單元檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫的位置之間的距離。
[0017]在這種情況下，可以容易地基于預先存儲在第二存儲單元中的校正信息來快速地計算出透光狹縫的位置。
[0018](7)接觸式位移計還可以包括:第二存儲單元，其預先存儲有校正信息，該校正信息表示光接收單元上的光接收量分布中的多個峰值位置之間的距離和標尺上分別與多個峰值位置相對應的多個透光狹縫之間的距離的關系，其中，計算單元可以基于存儲在第二存儲單元中的校正信息，將由檢測單元檢測到的多個峰值位置校正為與多個透光狹縫相對應的多個位置，并且基于校正后的多個位置和存儲在第一存儲單元中的多個標識符，來識別與由檢測單元檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫。
[0019]在這種情況下，可以容易地基于預先存儲在第二存儲單元中的校正信息來快速且容易地計算出透光狹縫的位置。此外，通過使用校正后的多個峰值位置之間的距離，可以高精度地識別與至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫。
[0020](8)檢測單元可以對從光接收單元輸出的光接收信號的光接收量分布執行數據處理，從而以比光接收單元的像素小的單位來檢測多個峰值位置。在這種情況下，可以以高精度計算接觸件的位移。
[0021](9)參考位置可以是光投射單元的光軸在標尺上的位置。在這種情況下，可以容易地設置參考位置。
[0022](10)殼體可具有在一個方向上延伸的形狀。在這種情況下，接觸式位移計整體上具有長且窄的形狀。因此，可以通過窄空間來對測量對象的位移進行測量。此外，可以容易地保持和攜帶接觸式位移計。
[0023]根據本發明，可以減小接觸式位移計在與接觸件的移動方向垂直的方向上的尺寸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是示出根據本發明第一實施例的接觸式位移計的結構的框圖。
[0025]圖2A和圖2B是示出圖1的接觸式位移計的殼體的示圖。
[0026]圖3是示出標尺上的多個狹縫的配置的示意圖。
[0027]圖4示出了圖3的標尺的一部分的放大平面圖。
[0028]圖5示出了圖3的標尺的另一部分的放大平面圖。
[0029]圖6示出了圖3的標尺的又一部分的放大平面圖。
[0030]圖7A是示出由光接收數據表示的光接收量分布的示圖，以及圖7B示出了其放大圖。
[0031]圖8是示出光投射單元、標尺和光接收單元的關系的示意圖。
[0032]圖9是示出光接收面的范圍D內的光接收量分布的多個峰值位置的示意圖。
[0033]圖10是用于描述用于狹縫的絕對位置的計算方法的示圖。
[0034]圖11是示出位移計算處理的流程圖。
[0035]圖12是用于描述第二實施例中的狹縫的標號的識別方法的示圖。
[0036]圖13是用于描述第四實施例中的狹縫的標號的識別方法的示圖。

【具體實施方式】
[0037][I]第一實施例
[0038](I)接觸式位移計的結構
[0039]圖1是示出根據本發明第一實施例的接觸式位移計的結構的框圖。圖2A和圖2B是示出圖1的接觸式位移計100的殼體的示圖。圖2A示出了殼體內的結構，并且圖2B是圖2A的部分A的放大圖。下文將參照圖1以及圖2A和圖2B，給出根據本實施例的接觸式位移計100的描述。
[0040]如圖1所示，接觸式位移計100包括殼體10、接觸件20、光投射單元30、光接收單元40、標尺50、控制單元60和顯示單元70。光投射單元30、光接收單元40和標尺50容納在殼體10中。此外，如圖2A和圖2B所不，軸11、彈黃12、標尺保持部13和光學系統保持部14容納在殼體10中。
[0041]在該示例中，殼體10具有與接觸件20的直徑基本相同的直徑。因此，接觸式位移計100整體上具有長且窄的形狀。因此，可以通過窄空間來測量測量對象的位移。此外，可以容易地保持和攜帶接觸式位移計100。
[0042]接觸件20以相對于殼體10在一個方向上可移動的方式附接至軸11的一端。軸11包括球軸承。此外，標尺保持部13經由彈簧12附接至軸11的另一端。標尺50由長板件制成，并被標尺保持部13所保持。標尺50例如由玻璃形成。
[0043]如圖2B所示，光學系統保持部14具有兩個支撐件14a和14b，這兩個支撐件14a和14b朝向接觸件20平行延伸。光投射單元30和電路31附接至光學系統保持部14的一個支撐件14a的內表面。電路31向光投射單元30提供電能。另一方面，光接收單元40經由電路基板41附接至光學系統保持部14的另一個支撐件14b的內表面。標尺50被配置在光學系統保持部14的兩個支撐件14a和14b之間。
[0044]在這種狀態下，軸11、彈簧12、標尺保持部13和光學系統保持部14容納在殼體10中。因此，在殼體10中，光投射單元30和光接收單元40彼此相對且標尺50置于它們之間。標尺50被配置為基本垂直于光投射單元30的光軸。標尺50具有多個狹縫。每個狹縫均被賦予具體的標號。稍后將描述標尺50上的多個狹縫的配置。
[0045]例如，光投射單元30是LED(發光二極管)。光投射單元30可以是諸如LD(激光二極管)之類的另一種發光元件。光投射單元30沒有設置有諸如準直透鏡之類的用于使光準直的光學元件。因此，從光投射單元30發出的光經過標尺50上的一部分狹縫同時以預定角度擴展，從而被光接收單元40所接收。
[0046]光接收單元40是具有在一個方向上排列的多個光接收元件的線傳感器。多個光接收元件構成多個像素。在該示例中，每個光接收元件都是CM0S(互補金屬氧化物半導體)。每個光接收元件可以是諸如CCD (電荷耦合器件)之類的另一種元件。光接收單元40具有由在一個方向上排列的多個像素組成的光接收面。光接收單元40的光接收面被配置為基本垂直于光投射單元30的光軸。表示光接收面上的光接收量分布的模擬電信號(下文稱為光接收信號)從光接收單元40通過電路基板41輸出至圖1的控制單元60。
[0047]在該示例中，圖1的控制單元60設置在連接在殼體10和顯示單元70之間的纜線中。因此，可以減小殼體10的尺寸。如圖1所示，控制單元60包括CPU(中央處理單元)61、存儲器62和A/D (模擬/數字)轉換器63。
[0048]通過A/D轉換器63，從光接收單元40輸出的光接收信號被轉換為數字信號，同時以固定的采樣周期被采樣。從A/D轉換器63輸出的數字信號被順序存儲在存儲器62中作為表示光接收量分布的光接收數據。此外，稍后描述的用于接觸件20的位移計算程序被存儲在存儲器62中，并且存儲器62中還存儲有接觸件20的位移計算處理所使用的位置計算數據。
[0049]存儲在存儲器62中的光接收數據被提供給CPU61。CPU61基于從存儲器62提供的光接收數據和存儲在存儲器62中的位置計算數據來執行接觸件20的位移計算程序。這使得執行了位移計算處理以計算接觸件20的位移。顯示單元70例如通過七段指示器來配置。顯示單元70可以通過點矩陣指示器來配置。CPU61在顯示單元70上顯示通過位移計算處理而計算出的接觸件20的位移。
[0050]在該示例中，通過一組殼體10、接觸件20、光投射單元30、光接收單元40、標尺50和控制單元60來配置一個測量頭100H。多個測量頭100H可以連接至一個顯示單元70。根據這種結構，多個測量頭100H的多個接觸件20分別與測量對象的多個部分接觸，從而允許同時對測量對象的多個部分的厚度進行測量。此外，基于多個測量頭100H的測量值，可以獲得測量對象的厚度的最大值、最小值和平均值或者測量對象的平整度等來作為評價值。
[0051]表示測量值或評價值的數據被存儲在存儲器62中。此外，CPU61可以通過接口(未示出)將該數據提供到外部。在該示例中，CPU61可以將BCD( 二進制編碼的十進制)輸出提供給外部可編程控制器。此外，CPU61可以利用外部個人計算機或可編程控制器執行符合RS-232C標準的串行通信。
[0052](2)標尺上的狹縫
[0053]圖3是示出標尺50上的多個狹縫的配置的示意圖。圖4示出了圖3的標尺50的一部分的放大平面圖。圖5示出了圖3的標尺50的另一部分的放大平面圖。圖6示出了圖3的標尺50的又一部分的放大平面圖。在圖3至圖6中，通過線來示出狹縫。
[0054]如圖3至圖6所示，在本實施例中，在標尺50上形成40個狹縫si至s40，從而以該順序進行布置。狹縫Si至s40分別被賦予具體的標號I至40。狹縫的標號不限于本實施例中所示的這些標號。
[0055]狹縫Si至s40被布置為使得相鄰狹縫之間的距離每過預定數量的狹縫就發生變化。在本實施例中，狹縫Si至s40被布置為使得相鄰狹縫之間的距離每過5個狹縫就發生變化。即，當 k = 1,2,…，10 時，狹縫 s(4Xk-3)、s(4Xk-2)、s(4Xk_l)、s(4Xk)和s(4Xk+l)之間的距離為mk。
[0056]例如，各個狹縫sl、s2、s3、s4和s5之間的距離為ml，以及各個狹縫s5、s6、s7、s8和s9之間的距離為m2。相鄰狹縫之間的距離ml至mlO大于圖1的光投射單元30所發出的光的波長。在本實施例中，各個距離ml至mlO是不同的。注意，盡管在本示例中沒有設置第41個狹縫s41，但也可以設置。
[0057]在順序布置的5個狹縫中的兩端處的狹縫之間的距離如下進行定義。當k =1,2,…，9時，狹縫s(4Xk-3)和s(4Xk+l)之間的距離為Mlk，并且狹縫s (4X k_2)和s(4Xk+2)之間的距離為M2k。此外，狹縫s (4X k_l)和s(4Xk+3)之間的距離為M3k，并且狹縫s (4 Xk)和s(4Xk+4)之間的距離為M4k。
[0058]例如，狹縫Si和s5之間的距離為M11，以及狹縫s5和s9之間的距離為M12。此夕卜，狹縫s2和s6之間的距離為M21，以及狹縫s6和和slO之間的距離為M22。在本實施例中，各個距離Mll至M19、M21至M29、M31至M39以及M41至M49是不同的。
[0059]接下來，上述距離中的每兩個相鄰距離的比率如下進行定義。當k = 1，2，...，8時，Ml (k+1) /Mlk,M2 (k+1) /M2k、M3 (k+1) /M3k 和 M4 (k+1) /M4k 分別為 Nlk、N2k、N3k 和 N4k。
[0060]例如，M12/M11為 Nil，以及 M13/M12 為 N12。此外，M22/M21 為 N21,以及 M23/M22為N22。各個比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48被預先計算出并作為位置計算數據存儲在圖1的存儲器62中。
[0061]各個比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48是不同的。因此，指定上述比率能夠在位移計算處理中識別出來自光投射單元30的光經過的狹縫。注意，當各個比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48不同時，狹縫si至s40之間的距離ml至mlO可以不是都不同。
[0062](3)光接收量峰值的位置檢測
[0063]來自光投射單元30的光經過標尺50上包括的多個狹縫Si至s40中的一部分狹縫，然后入射到光接收單元40上。因此，在由存儲在存儲器62中的光接收數據表示的光接收量分布中，出現多個峰值(下文稱為光接收量峰值)，這些峰值分別與來自光投射單元30的光所經過的多個狹縫相對應。
[0064]圖7A是示出由光接收數據所表示的光接收量分布的示圖，以及圖7B示出了圖7A的部分B的放大圖。在圖7A和圖7B中，水平軸表示光接收單元40中的像素的位置(下文成為像素位置)，以及垂直軸表示光接收量。
[0065]通過對圖7A的光接收量分布執行數據處理，以小于光接收單元40的像素的單位(亞像素單位)來檢測多個光接收量峰值的位置。以下，將光接收量峰值的位置稱為峰值位置。圖7B示出了像素位置pi至pll處的光接收量的分布。
[0066]這里，當沒有對光接收量分布執行數據處理時，像素位置p7是峰值位置。實際的峰值位置位于像素位置P6和p7之間。然后，對光接收量分布執行數據處理，從而以亞像素單位計算出真正的峰值位置pi。
[0067]為了以亞像素單位來檢測真正的峰值位置pi，可以通過各種已知方法來使用數據處理。例如，可以對光接收量分布執行重心處理，從而檢測出真正的峰值位置pi。可選地，可以將諸如拋物線之類的各種曲線擬合至光接收量分布，從而檢測出真正的峰值位置pi。
[0068]圖8是示出光投射單元30、標尺50和光接收單元40的關系的示意圖。如圖8所示，來自光投射單元30的光通過在標尺50的范圍C內的多個狹縫，同時以預定角度擴展，并且在光接收單元40的光接收面的范圍D內入射。
[0069]如上所述，通過使用光接收數據的數據處理，以亞像素單位來檢測光接收面的范圍D內的光接收量分布中的多個峰值位置。所檢測到的多個峰值位置分別與標尺50的范圍C內的多個狹縫相對應。
[0070]圖9是示出光接收面的范圍D內的光接收量分布中的多個峰值位置的示意圖。圖9的水平軸表示光接收單元40中的像素位置。在圖9中，通過黑色圓圈來表示對光接收數據進行數據處理所檢測到的多個峰值位置gl至gl7。
[0071](4)狹縫的識別
[0072]不清楚整個標尺50的哪個部分是標尺50的光所經過的部分(在圖8中通過箭頭C所表示的范圍)。因此，光經過的狹縫是不清楚的，并且圖9所示的各個峰值位置gl至gl7所對應的狹縫是不清楚的。在本實施例中，通過以下方法來識別狹縫。
[0073]如圖9所示，計算預定數量的順序布置的峰值位置中的兩端處的峰值位置之間的距離。在本實施例中，計算順序布置的5個峰值位置中的兩端處的峰值位置gl和g5之間的距離LI。此外，計算順序布置的5個峰值位置中的兩端處的峰值位置g5和g9之間的距離L2。此外，計算順序布置的5個峰值位置中的兩端處的峰值位置g9和gl3之間的距離L3。
[0074]接下來，計算距離L2相對于距離LI的比率Rl。此外，計算距離L3相對于距離L2的比率R2。利用預先存儲在圖1的存儲器62中的多個比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48來檢查所計算的比率Rl和R2。
[0075]這里，從多個比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48中提取出最接近比率Rl和R2的兩個比率。因此，可以識別光所經過的多個狹縫的標號，并且分別將多個峰值位置gl至gl7與光經過的多個狹縫相關聯。
[0076]作為一個示例，如果比率N25和N26分別最接近于比率Rl和R2，則狹縫之間的距離M25、M26和M27 (圖5)分別與峰值位置之間的距離L1、L2和L3相對應。因此，峰值位置gl至gl7分別對應于狹縫sl8至s34。此外，光所經過的多個狹縫的標號分別被識別為18至34。
[0077](5)接觸件的絕對位置
[0078]利用上述方法，識別出分別與光接收量分布中的多個峰值位置對應的多個狹縫的標號。此時，已知標尺50上的多個狹縫之間的距離，但不知每個狹縫的絕對位置。通過以下方法來計算標尺50上的任何狹縫的絕對位置。
[0079]圖10是用于描述狹縫的絕對位置的計算方法的示圖。在圖10的方法中，計算來自光投射單元30的光所經過的任何狹縫sq的絕對位置。這里，狹縫sq的絕對位置是從光投射單元30的光軸30ο至狹縫sq的距離Mx。
[0080]預先選擇狹縫sq設置于其間的兩個狹縫sp和sr。在圖10的示例中，狹縫sp和sr是位于狹縫sq兩側的狹縫。利用上述方法，識別出狹縫sp、sq和sr的標號，因此也可以識別出距離Mq。通過使來自光投射單元30的光經過狹縫sp至sr，光接收量分布中的各峰值出現在分別與狹縫SP至sr相對應的峰值位置gp、gq和gr處。
[0081]已知光軸30ο在光接收單元40的光接收面上的位置(下文稱為光軸位置)Ρ0。基于光接收數據，計算從光軸位置PO到峰值位置gq的距離LX，并且計算峰值位置gp和gr之間的距離Lq。隨后，距離Lq相對于距離Mq的比率(Lq/Mq)被計算出作為倍率(multiplicat1n rate) R0此后,將Lx除以倍率R,從而計算出距離Mx。
[0082]已知每個狹縫與接觸件20的尖端之間的距離。因此，基于狹縫sq的絕對位置，可以計算出接觸件20的絕對位置。根據用于狹縫的絕對位置的上述計算方法，即使在標尺50隨著接觸件20的移動而相對于光接收單元40的光接收面傾斜的情況下，也可以正確地計算出接觸件20的絕對位置。
[0083]當圖1的接觸件20與測量對象的表面接觸時，接觸件20發生了位移。從在接觸件20與測量對象的表面接觸時接觸件20的絕對位置中減去在接觸件20與測量對象的表面接觸之前接觸件20的絕對位置，從而計算出接觸件20的位移。
[0084]如上所述，基于各個狹縫Si至s40的絕對位置的變化來計算接觸件20的位移。因此，可以基于在接觸件20與測量對象的表面接觸之前任意狹縫的位置、在接觸件20與測量對象的表面接觸之后另一任意狹縫的位置以及所述狹縫之間的距離來計算接觸件20的位移。
[0085]因此，即使當一些狹縫由于接觸件20與測量對象的表面接觸而移出來自光投射單元30的光的照射范圍時，也可以通過計算另一狹縫的絕對位置來計算接觸件20的位移。因此，可以計算如下的接觸件20的位移:該接觸件20的尺寸大于從光投射單元30到標尺的光的照射范圍。
[0086](6)位移計算處理
[0087]圖11是示出位移計算處理的流程圖。參照圖11，將給出CPU61執行的接觸件20的位移計算處理的描述。
[0088]CPU61從存儲在圖1的存儲器62中的數字信號中獲取光接收數據(步驟SI)。接下來，CPU61基于光接收數據來檢測光接收量分布中的多個峰值位置(步驟S2)。通過對光接收數據所示的光接收量分布執行數據處理來檢測峰值位置，并且檢測光接收量達到真正峰值的位置。
[0089]隨后，CPU61基于多個峰值位置來識別光經過的狹縫的標號(步驟S3)。在本實施例中，計算圖9的距離LI至L3，并且也計算比率Rl和R2。利用預先存儲在存儲器62中的多個比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48來核對計算出的比率Rl和R2，從而將多個峰值位置與光經過的多個狹縫相關聯。此外，識別出光經過的多個狹縫的標號。
[0090]此后，CPU61確定任意狹縫sq的校正量(步驟S4)。在本實施例中，校正量是倍率R0根據圖10的光投射單元30的光軸30ο到狹縫sq的距離來確定校正量。在確定校正量的過程中，測量兩個峰值位置gp和gr (峰值位置gq位于其間)之間的距離Lq。計算距離Lq相對于兩個狹縫sp和sr (狹縫sq位于其間)之間的距離Mq的比率，從而確定校正量。[0091 ] 接下來，CPU61基于峰值位置gq和所確定的校正量來識別狹縫sq的絕對位置(步驟S5)。在識別狹縫sq的絕對位置的過程中，計算從光軸位置PO到峰值位置gq的距離Lx。通過將距離Lx除以倍率R，計算出從光投射單元30的光軸30ο到狹縫sq的距離Mx，并且識別狹縫sq的絕對位置。
[0092]最后，CPU61計算接觸件20的位移(步驟S6)。在本實施例中，計算來自光投射單元30的光經過的多個狹縫的絕對位置，并且計算分別與多個狹縫的絕對位置相對應的接觸件20的多個絕對位置。對計算出的接觸件20的多個絕對位置求平均，從而計算出接觸件20的絕對位置。計算接觸件20的絕對位置的變化，從而計算出接觸件20的位移。
[0093]因此，可以高精度地計算接觸件20的位移。此外，即使在由于狹縫粘有灰塵等原因而沒有檢測到與標尺50上的狹縫相對應的峰值位置時，也可以減小計算出的接觸件20的位移的誤差。
[0094]此外，由于標尺50具有預定厚度，所以通過處于接近光軸30ο位置處的狹縫的光的折射小于通過遠離光軸30ο的位置處的狹縫的光的折射。因此，在接近光軸30ο的位置處的狹縫的絕對位置的計算的精度高于在遠離光軸30ο的位置處的狹縫的絕對位置的計算的精度。
[0095]為此，在計算接觸件20的絕對位置的過程中，使接近光軸30ο的位置處的狹縫的絕對位置的權重大于遠離光軸30ο的位置處的狹縫的絕對位置的權重，然后對接觸件20的多個絕對位置求平均。因此，可以更加精確地計算接觸件20的絕對位置。
[0096](7)效果
[0097]在本實施例中，光投射單元30利用非平行光照射標尺50，并且已經過標尺50上的多個狹縫的非平行光被光接收單元40所接收。在這種情況下，可以通過使用如下的倍率R來計算與任意峰值位置相對應的狹縫的絕對位置，其中該倍率R表示光接收單元40上的光接收量分布中的多個峰值位置之間的距離與分別與多個峰值位置相對應的標尺50上的多個狹縫之間的距離的關系。因此，不需要在光投射單元30和標尺50之間提供用于使光準直的光學元件(例如，準直透鏡)。從而，可以減小接觸式位移計100在與接觸件20的移動方向垂直的方向上的尺寸。
[0098]此外，在本實施例中，標尺50上的多個狹縫中的每一個狹縫都可以通過使用基于包括該狹縫在內并具有預定位置關系的多個狹縫之間的距離的標識符而被唯一地、可識別地排列。因此，基于所檢測的多個峰值位置中的具有預定關系的多個峰值位置之間的距離的比率，來識別與多個峰值位置相對應的狹縫的位置。因此，即使在光接收單元40的光接收面與標尺50之間的平行度(parallelism)較低時或者在光接收單元40的光接收面與標尺50之間的平行度隨著接觸件20的移動而變化時，也可以正確地識別標尺50上的每個狹縫。
[0099]此外，在識別出標尺50上的每個狹縫之后，計算出用于計算任意狹縫的位置的倍率R，并且基于倍率R來計算任意狹縫與光投射單元30的光軸30ο之間的距離。因此，即使在光接收單元40的光接收面與標尺50之間的平行度較低時或者在光接收單元40的光接收面與標尺50之間的平行度隨著接觸件20的移動而變化時，也可以正確地計算接觸件20的絕對位置。
[0100]因此，可以降低組裝殼體10、接觸件20、光投射單元30、光接收單元40和標尺50的精度。從而，降低了接觸式位移計的成本。
[0101][2]第二實施例
[0102](I)位移計算處理
[0103]將給出根據第二實施例的接觸式位移計100與根據第一實施例的接觸式位移計100的區別的描述。
[0104]在本實施例中，預先在圖1的存儲器62中將基于光投射單元30、光接收單元40和標尺50之間的距離而設置的倍率存儲為位置計算數據。此外，在存儲器62中存儲圖3至圖6的標尺50上的狹縫之間的39個距離ml至mlO，以對應于狹縫si至s40的排列。
[0105]例如，預先存儲在存儲器62中的倍率為多個峰值位置之間的距離相對于光投射單元30的光軸30ο附近的各狹縫之間的距離的倍率。該倍率是光投射單元30和光接收單元40之間的距離相對于光投射單元30和標尺50之間的距離的比率，其是已知的。
[0106]在本實施例中，在圖11的步驟S3中，通過代替圖10的方法的以下方法來識別光經過的狹縫的標號。圖12是用于描述第二實施例中的狹縫標號的識別方法的示圖。在圖12的示例中，通過黑色圓圈來表示分別與光經過的多個狹縫相對應的多個峰值位置gl至gl7。
[0107]如圖12所示，計算相鄰的峰值位置gl至gl7之間的距離al至al6。接下來，將從光軸位置PO到峰值位置gl至gl7中的每一個的距離除以存儲器62中存儲的倍率，從而分別將距離al至al6校正為距離bl至bl6。
[0108]利用預先存儲在存儲器62中的標尺50上的多個距離ml至mlO的排列來檢查所校正的距離bl至bl6的排列。因此，可以識別出光經過的多個狹縫的標號，并且分別將多個峰值位置gl至gl7與光經過的多個狹縫相關聯。
[0109]如上所述，在該示例中，預先存儲在存儲器62中的倍率是多個峰值位置之間的距離相對于光投射單元30的光軸30ο附近的各狹縫之間的距離的倍率。然而，由于從光投射單元30發出的光以預定角度擴展，所以遠離光軸30ο的位置中的實際倍率稍大于(例如，2%左右)光軸30ο附近的倍率。
[0110]為此，與遠離光軸30ο的位置中的峰值位置之間的距離的排列相比，接近光軸30ο的位置中的峰值位置之間的距離的排列以更高的精度符合距離ml至mlO的排列。因此，光軸30ο附近的峰值位置之間的距離的排列的權重可以更大，并且可以利用多個距離ml至mlO的排列來檢查峰值位置之間的距離的排列。
[0111]圖11中的本實施例的步驟S4至S6的處理類似于第一實施例中的步驟S4至S6的處理。在步驟S4中，計算多個峰值位置之間的距離相對于各狹縫之間的距離的倍率作為任意狹縫sq的校正量。
[0112]在作為根據與光軸30ο相距的距離而確定的倍率方面，在步驟S4中計算出的倍率不同于預先存儲在存儲器62中的倍率。通過使用根據與光軸30ο相距的距離而確定的倍率，在步驟S5中能夠正確地識別狹縫sq的位置。
[0113](2)效果
[0114]在本實施例中，在存儲器62中預先存儲標尺50上的多個狹縫之間的距離，以對應于多個狹縫的排列。利用預先存儲在存儲器62中的多個狹縫之間的距離來檢查各峰值位置之間的多個距離，從而識別與多個峰值位置相對應的狹縫的位置。在這種情況下，可以容易地識別分別與多個峰值位置相對應的多個狹縫。
[0115][3]第三實施例
[0116](I)位移計算處理
[0117]將給出根據第三實施例的接觸式位移計100與根據第二實施例的接觸式位移計100的區別的描述。
[0118]與光投射單元30的光軸30ο垂直的方向被稱為光軸垂直方向。本實施例中的殼體10、接觸件20、光投射單元30、光接收單元40和標尺50以相對較高的精度組裝。具體地，光接收單元40的光接收面相對于光軸垂直方向的平行度較高，接觸件20和標尺50相對于光軸垂直方向的平行度較高，且接觸件20和標尺50在相對于光軸垂直方向保持平行度的狀態下移動。因此，基于光投射單元30、光接收單元40、接觸件20和標尺50之間的相對位置關系來唯一地設置用于計算任意狹縫的位置的倍率。
[0119]可以基于從光投射單元30發出的光的擴展角度來計算根據與光軸30ο相距的距離而確定的倍率。在本實施例中，已知根據與光軸30ο相距的距離而確定的倍率。具體地，將示出根據與光軸30ο相距的距離而確定的倍率的表格在圖1的存儲器62中預先存儲為位置計算數據。這里，表格示出了與光軸30ο的距離和倍率的對應關系。可選地，將用于計算根據與光軸30ο的距離而確定的倍率的數學表達式預先存儲在存儲器62中作為位置計算數據。
[0120]在本實施例的步驟S4中，基于存儲器62中存儲的表格或表達式，將根據與光軸30ο的距離而確定的倍率確定為用于狹縫的校正量。在隨后的步驟S5中，基于所確定的校正量來識別狹縫sq的位置。在識別狹縫sq的位置的過程中，如圖10所示來計算從光軸位置PO到峰值位置gq的距離Lx。通過將距離Lx除以峰值位置gq處的倍率，計算出從光投射單元30的光軸30ο到狹縫sq的距離Mx，并且識別出狹縫sq的絕對位置。
[0121]此后，執行步驟S6的處理。本實施例中的S6的處理類似于第二實施例中的步驟S6的處理。
[0122](2)效果
[0123]在本實施例中，預先在存儲器62中存儲根據與光軸30ο的距離而確定的、多個狹縫之間的距離相對于多個峰值位置之間的距離的倍率。因此，基于預先存儲在存儲器62中的倍率，可以容易且快速地計算狹縫的位置。
[0124][4]第四實施例
[0125](I)位移計算處理
[0126]將給出根據第四實施例的接觸式位移計100與根據第三實施例的接觸式位移計100的區別的描述。
[0127]本實施例中的殼體10、接觸件20、光投射單元30、光接收單元40和標尺50以相對較高的精度組裝。因此，基于光投射單元30、光接收單元40、接觸件20和標尺50之間的相對位置關系來唯一地設置用于計算任意狹縫的位置的倍率。
[0128]在本實施例中，以圖11的步驟S1、S2、S4、S3、S5和S6的順序來執行位移計算處理。在本實施例的步驟S4中，基于存儲器62中存儲的表格或表達式，將根據與光軸30ο相距的距離而確定的倍率確定為用于狹縫的校正量。在隨后的步驟S3中，通過代替圖12的方法的以下方法來識別狹縫的標號。
[0129]圖13是用于描述第四實施例中的狹縫標號的識別方法的示圖。在圖13的示例中，通過黑色圓圈來表示分別與光經過的多個狹縫相對應的多個峰值位置gl至gl7。
[0130]如圖13所示，測量相鄰的峰值位置gl至gl7之間的距離al至al6。接下來，將從光投射單元30的光軸位置30ο到峰值位置gl至gl7中的每一個的距離除以計算出的在峰值位置gl至gl7的每一個峰值位置處的倍率，從而分別將距離al至al6校正為距離cl至cl6。在標尺50被來自光投射單元30的平行光照射的情況下，距離Cl至cl6與峰值位置gl至gl7之間的距離al至al6相對應。
[0131]利用預先存儲在存儲器62中的標尺50上的多個距離ml至mlO的排列來檢查所校正的距離Cl至cl6的排列。因此，可以識別出光經過的多個狹縫的標號，并且分別將多個峰值位置gl至gl7與光經過的多個狹縫相關聯。
[0132]此后，執行步驟S5和S6的處理。本實施例中的步驟S5和S6的處理類似于第三實施例中的步驟S5和S6的處理。
[0133](2)效果
[0134]在本實施例中，預先在存儲器62中存儲根據與光軸30ο的距離而確定的、多個狹縫之間的距離相對于多個峰值位置之間的距離的倍率。因此，基于預先存儲在存儲器62中的倍率，可以容易且快速地計算任意狹縫的位置。此外，在本實施例中，通過使用校正的多個峰值位置之間的距離，可以以高精度識別與任意峰值位置相對應的狹縫。
[0135][5]其他實施例
[0136](I)在上述實施例中，標尺50具有多個狹縫，但是本發明不限于此。標尺50可具有另外多個透光狹縫來代替所述多個狹縫。
[0137](2)在上述實施例中，控制單元60設置于連接在殼體10和顯示單元70之間的線纜中，但本發明不限于此。當殼體10具有充分大的容納空間時，控制單元60可容納在殼體10中。可選地，控制單元60可容納在不同于殼體10的殼體中。
[0138](3)在上述實施例中，以標尺50上的光軸30ο的位置作為基準，將狹縫sq的位置計算為絕對位置，但本發明不限于此。也可以以標尺50上的任意位置作為基準，將狹縫sq的位置計算為絕對位置。
[0139](4)在上述實施例中，光接收量峰值是光接收量中通過來自光投射單元30的光經過狹縫而出現在光接收量分布中的最大峰值，但本發明不限于此。光接收量峰值可以是光接收量中通過來自光投射單元30的光被除了標尺50上的狹縫之外的部分(遮光部)遮蔽而出現在光接收量分布中的最小峰值。
[0140](5)在第一實施例中，利用預先存儲的多個比率來檢查兩個比率Rl和R2，從而分別將多個峰值位置與光經過的多個狹縫相關聯，但本發明不限于此。可以利用預先存儲的多個比率來檢查一個比率Rl或R2，從而分別將多個峰值位置與光經過的多個狹縫相關聯。
[0141](6)在第一實施例中，計算峰值位置gp和gr之間的距離Lq相對于狹縫sp和sr之間的距離Mq的比率，從而確定校正量，但本發明不限于此。以與第三或第四實施例類似的方式，可以預先在存儲器62中存儲示出根據與光軸30ο的距離而確定的倍率的表格或者用于計算根據與光軸30ο的距離而確定的倍率的數學表達式。在這種情況下，代替倍率R，基于存儲在存儲器62中的表格或表達式，將根據與光軸30ο相距的距離而確定的倍率確定為用于狹縫的校正量。
[0142](7)在第二實施例中，預先存儲在存儲器62中的倍率是多個峰值位置之間的距離相對于光投射單元30的光軸30ο附近的狹縫之間的距離的倍率，但本發明不限于此。預先存儲在存儲器62中的倍率可以是多個峰值位置之間的距離相對于處于任意位置的狹縫之間的距離的倍率。
[0143][6]權利要求的各個組成元件和實施例的各個部分之間的對應關系
[0144]以下，將描述權利要求的各個組成元件和實施例的各個部分之間的對應關系的示例，但本發明不限于以下示例。
[0145]在上述實施例中，殼體10是殼體的示例,接觸件20是接觸件的示例，狹縫si至s40是狹縫的示例,標尺50是標尺的示例,光投射單元30是光投射單元的示例，以及光接收單元40是光接收單元的示例。CPU61是檢測單元、計算單元和處理設備的示例，存儲器62是第一和第二存儲單元的示例，以及接觸式位移計100是接觸式位移計的示例。
[0146]作為權利要求的各個組成元件，還可以使用具有權利要求中描述的結構或功能的各種其他元件。
[0147]本發明可以有效地應用于各種接觸式位移計。
【權利要求】
1.一種接觸式位移計，包括: 殼體； 接觸件，其以在一個方向上可移動的方式被所述殼體支撐； 標尺，其具有在所述一個方向上排列的多個透光狹縫，并且被配置為與所述接觸件一起在所述一個方向上可移動； 光投射單元，其以非平行光照射所述標尺； 光接收單元，其接收通過所述標尺上的所述多個透光狹縫的所述非平行光，并且輸出表示光接收量分布的光接收信號； 檢測單元，其檢測其中光接收量處于所述接收單元上的光接收量分布中的最大值或最小值處的多個位置作為多個峰值位置；以及 計算單元，其基于由所述檢測單元檢測到的所述多個峰值位置以及校正信息，來計算參考位置和所述標尺上的所述多個透光狹縫中的與由所述檢測單元檢測到的至少一個峰值位置對應的至少一個透光狹縫的位置之間的距離，所述校正信息表示所述光接收單元上的光接收量分布中的多個峰值位置之間的距離和所述標尺上分別與所述多個峰值位置對應的多個透光狹縫之間的距離的關系， 其中，所述光投射單元和所述光接收單元設置在所述殼體中，使得所述光投射單元、所述標尺和所述光接收單元在與所述一個方向交叉的方向上排列。
2.根據權利要求1所述的接觸式位移計，其中， 所述標尺上的所述多個透光狹縫中的每一個透光狹縫被通過使用標識符來唯一地、可識別地排列，所述標識符基于包括該透光狹縫在內并具有預定位置關系的所述多個透光狹縫之間的距離， 所述接觸式位移計進一步設置有第一存儲單元，所述第一存儲單元存儲與所述標尺上的所述多個透光狹縫相關的多個標識符，以及 所述計算單元基于由所述檢測單元檢測到的所述多個峰值位置和存儲在所述第一存儲單元中的所述多個標識符，來識別與由所述檢測單元檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫。
3.根據權利要求2所述的接觸式位移計，其中，所述多個標識符中的每一個都包括具有預定位置關系的三個或三個以上的峰值位置之間的距離的比率。
4.根據權利要求2所述的接觸式位移計，其中，所述多個標識符中的每一個都包括相鄰峰值位置之間的距離。
5.根據權利要求3所述的接觸式位移計，其中，所述計算單元 計算由所述檢測單元檢測到的所述多個峰值位置中的至少兩個峰值位置之間的距離，基于所識別的至少一個透光狹縫來識別與所述至少兩個峰值位置相對應的至少兩個透光狹縫， 計算表示了所計算出的至少兩個峰值位置之間的距離與所識別的至少兩個透光狹縫之間的距離的關系的值，來作為校正信息，以及 基于計算出的所述校正信息來計算參考位置和與由所述檢測單元檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫的位置之間的距離。
6.根據權利要求3所述的接觸式位移計，還包括: 第二存儲單元，其預先存儲有校正信息，該校正信息表示所述光接收單元上的光接收量分布中的多個峰值位置之間的距離和所述標尺上分別與所述多個峰值位置相對應的多個透光狹縫之間的距離的關系， 其中，基于存儲在所述第二存儲單元中的所述校正信息來計算參考位置和與由所述檢測單元檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫的位置之間的距離。
7.根據權利要求2所述的接觸式位移計，還包括: 第二存儲單元，其預先存儲有校正信息，該校正信息表示所述光接收單元上的光接收量分布中的多個峰值位置之間的距離和所述標尺上分別與所述多個峰值位置相對應的多個透光狹縫之間的距離的關系， 其中，所述計算單元基于存儲在所述第二存儲單元中的所述校正信息，將由所述檢測單元檢測到的多個峰值位置校正為與多個透光狹縫相對應的多個位置，并且基于校正后的多個位置和存儲在所述第一存儲單元中的所述多個標識符，來識別與由所述檢測單元檢測到的至少一個峰值位置相對應的至少一個透光狹縫。
8.根據權利要求1所述的接觸式位移計，其中，所述檢測單元對從所述光接收單元輸出的光接收信號的光接收量分布執行數據處理，從而以比所述光接收單元的像素小的單位來檢測多個峰值位置。
9.根據權利要求1所述的接觸式位移計，其中，所述參考位置是所述光投射單元的光軸在所述標尺上的位置。
【文檔編號】G01B11/02GK104344786SQ201410389919
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月8日 優先權日:2013年8月9日
【發明者】桂田雅章 申請人:株式會社其恩斯