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接触式位移计的制作方法
【专利摘要】本发明提供了接触式位移计。光投射单元以非平行光照射标尺。经过标尺上的多个狭缝的非平行光被光接收单元接收，并且输出表示光接收量分布的光接收信号。基于光接收信号，光接收量处于光接收单元上的光接收量分布中的最大值或最小值处的多个位置被检测为多个峰值位置。基于校正信息和检测到的多个峰值位置，来计算参考位置和与检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个狭缝的位置之间的距离。校正信息表示多个峰值位置之间的距离和标尺上分别与多个峰值位置相对应的多个狭缝之间的距离的关系。
【专利说明】接触式位移计

【技术领域】
[0001]本发明涉及使用接触件的接触式位移计。

【背景技术】
[0002]接触式位移计具有在与对象的表面接触的同时可在一个方向上移动的接触件(例如，参见JP 2009-236498A)。JP 2009-236498A的接触式位移计包括发光元件、线传感器(line sensor)和活动标尺(moving scale)。活动标尺连接至接触件。沿着接触件可移动的方向在活动标尺中排列预定的图案。
[0003]从发光元件发出的光穿过准直透镜而变成基本平行的光，光随后通过活动标尺并被提供给线传感器。基于被线传感器读取的光接收信号，计算出接触件的位移。
[0004]在JP 2009-236498A中，通过使用穿过活动标尺的光的干涉，可以以比线传感器的像素更小的单位(亚像素单位)来计算接触件的位移。然而，需要在发光元件和活动标尺之间设置用于使光准直的光学元件(例如，准直透镜)，因此难以减小接触式位移计在与接触件的移动方向垂直的方向上的尺寸。


【发明内容】

[0005]本发明的目的在于提供一种接触式位移计，其能够减小在与接触件的移动方向垂直的方向上的尺寸。
[0006](I)根据本发明的接触式位移计包括:壳体；接触件，其被配置为相对于壳体在一个方向上可移动；标尺，其具有在一个方向上排列的多个透光狭缝，并且被配置为与接触件一起在一个方向上可移动；光投射单元，其以非平行光照射标尺；光接收单元，其接收通过标尺上的多个透光狭缝的非平行光，并且输出表示光接收量分布的光接收信号；检测单元，其检测其中光接收量处于接收单元上的光接收量分布中的最大值或最小值处的多个位置作为多个峰值位置；以及计算单元，其基于由检测单元检测到的多个峰值位置以及校正信息，来计算参考位置和标尺上的多个透光狭缝中的与由检测单元检测到的至少一个峰值位置对应的至少一个透光狭缝的位置之间的距离，所述校正信息表示光接收单元上的光接收量分布中的多个峰值位置之间的距离和标尺上分别与多个峰值位置对应的多个透光狭缝之间的距离的关系，其中，光投射单元、标尺和光接收单元被设置为在与所述一个方向交叉的方向上排列。
[0007]在该接触式位移计中，光透射单元以非平行光照射标尺。通过标尺上的多个透光狭缝的非平行光被光接收单元接收，并且输出表示光接收量分布的光接收信号。基于从光接收单元输出的光接收信号，其中光接收量处于光接收单元上的光接收量分布中的最大值或最小值处的多个位置被检测为多个峰值位置。基于校正信息和检测到的多个峰值位置，来计算参考位置和标尺上的多个透光狭缝中的与检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝的位置之间的距离。
[0008]校正信息表示光接收单元上的光接收量分布中的多个峰值位置之间的距离与标尺上分别与多个峰值位置相对应的多个透光狭缝之间的距离的关系。因此，即使在以非平行光照射标尺时，也可以计算出与峰值位置对应的透光狭缝的位置。因此，不需要在光投射单元和标尺之间设置用于使光准直的光学元件(例如，准直透镜)。从而，可以减小接触式位移计在与接触件的移动方向垂直的方向上的尺寸。
[0009](2)标尺上的多个透光狭缝中的每一个可以被通过使用标识符来唯一地、可识别地排列，其中所述标识符基于包括该透光狭缝在内并具有预定位置关系的多个透光狭缝之间的距离，接触式位移计可进一步设置有第一存储单元，其存储与标尺上的多个透光狭缝相关的多个标识符，并且计算单元可以基于由检测单元检测到的多个峰值位置和存储在第一存储单元中的多个标识符，来识别与由检测单元检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝。
[0010]在这种情况下，可以基于多个标识符来识别多个透光狭缝中的每一个。因此，即使在标尺移动之前位于光照射范围内的透光狭缝在标尺移动之后位于光照射范围外时，也可以基于在标尺移动之前位于光照射范围内的一个透光狭缝的位置和在标尺移动之后位于光照射范围内的另一个透光狭缝的位置来计算接触件的位移。因此，可以计算尺寸比从光投射单元到标尺的光的照射范围大的接触件的位移。
[0011](3)多个标识符中的每一个都可以包括具有预定位置关系的三个或三个以上的峰值位置之间的距离的比率。
[0012]根据该配置，即使在光接收单元的光接收面与标尺之间的平行度较低时，也可以识别分别与多个峰值位置对应的多个透光狭缝。因此，可以降低壳体、接触件、光投射单元、光接收单元和标尺的组装的精度。从而，降低了接触式位移计的成本。
[0013](4)多个标识符中的每一个都可以包括相邻峰值位置之间的距离。在这种情况下，可以容易地识别与多个峰值位置相对应的多个透光狭缝。
[0014](5)计算单元可以计算由检测单元检测到的多个峰值位置中的至少两个峰值位置之间的距离，基于所识别的至少一个透光狭缝来识别与至少两个峰值位置相对应的至少两个透光狭缝，计算表示了所计算出的至少两个峰值位置之间的距离与所识别的至少两个透光狭缝之间的距离的关系的值来作为校正信息，以及基于计算出的校正信息来计算参考位置和与由检测单元检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝的位置之间的距离。
[0015]在这种情况下，基于多个峰值位置中的至少两个峰值位置之间的距离和与这些峰值位置对应的至少两个透光狭缝之间的距离来计算校正信息。因此，即使在光接收单元的光接收面与标尺之间的平行度较低时以及在光接收单元的光接收面和标尺之间的平行度随着接触件的移动而变化时，也可以正确地计算出透光狭缝的位置。因此，可以降低壳体、接触件、光投射单元、光接收单元和标尺的组装精度。从而，可以降低接触式位移计的成本。
[0016](6)接触式位移计还可以包括:第二存储单元，其预先存储有校正信息，该校正信息表示光接收单元上的光接收量分布中的多个峰值位置之间的距离和标尺上分别与多个峰值位置相对应的多个透光狭缝之间的距离的关系，其中，可以基于存储在第二存储单元中的校正信息来计算参考位置和与由检测单元检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝的位置之间的距离。
[0017]在这种情况下，可以容易地基于预先存储在第二存储单元中的校正信息来快速地计算出透光狭缝的位置。
[0018](7)接触式位移计还可以包括:第二存储单元，其预先存储有校正信息，该校正信息表示光接收单元上的光接收量分布中的多个峰值位置之间的距离和标尺上分别与多个峰值位置相对应的多个透光狭缝之间的距离的关系，其中，计算单元可以基于存储在第二存储单元中的校正信息，将由检测单元检测到的多个峰值位置校正为与多个透光狭缝相对应的多个位置，并且基于校正后的多个位置和存储在第一存储单元中的多个标识符，来识别与由检测单元检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝。
[0019]在这种情况下，可以容易地基于预先存储在第二存储单元中的校正信息来快速且容易地计算出透光狭缝的位置。此外，通过使用校正后的多个峰值位置之间的距离，可以高精度地识别与至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝。
[0020](8)检测单元可以对从光接收单元输出的光接收信号的光接收量分布执行数据处理，从而以比光接收单元的像素小的单位来检测多个峰值位置。在这种情况下，可以以高精度计算接触件的位移。
[0021](9)参考位置可以是光投射单元的光轴在标尺上的位置。在这种情况下，可以容易地设置参考位置。
[0022](10)壳体可具有在一个方向上延伸的形状。在这种情况下，接触式位移计整体上具有长且窄的形状。因此，可以通过窄空间来对测量对象的位移进行测量。此外，可以容易地保持和携带接触式位移计。
[0023]根据本发明，可以减小接触式位移计在与接触件的移动方向垂直的方向上的尺寸。

【专利附图】

【附图说明】
[0024]图1是示出根据本发明第一实施例的接触式位移计的结构的框图。
[0025]图2A和图2B是示出图1的接触式位移计的壳体的示图。
[0026]图3是示出标尺上的多个狭缝的配置的示意图。
[0027]图4示出了图3的标尺的一部分的放大平面图。
[0028]图5示出了图3的标尺的另一部分的放大平面图。
[0029]图6示出了图3的标尺的又一部分的放大平面图。
[0030]图7A是示出由光接收数据表示的光接收量分布的示图，以及图7B示出了其放大图。
[0031]图8是示出光投射单元、标尺和光接收单元的关系的示意图。
[0032]图9是示出光接收面的范围D内的光接收量分布的多个峰值位置的示意图。
[0033]图10是用于描述用于狭缝的绝对位置的计算方法的示图。
[0034]图11是示出位移计算处理的流程图。
[0035]图12是用于描述第二实施例中的狭缝的标号的识别方法的示图。
[0036]图13是用于描述第四实施例中的狭缝的标号的识别方法的示图。

【具体实施方式】
[0037][I]第一实施例
[0038](I)接触式位移计的结构
[0039]图1是示出根据本发明第一实施例的接触式位移计的结构的框图。图2A和图2B是示出图1的接触式位移计100的壳体的示图。图2A示出了壳体内的结构，并且图2B是图2A的部分A的放大图。下文将参照图1以及图2A和图2B，给出根据本实施例的接触式位移计100的描述。
[0040]如图1所示，接触式位移计100包括壳体10、接触件20、光投射单元30、光接收单元40、标尺50、控制单元60和显示单元70。光投射单元30、光接收单元40和标尺50容纳在壳体10中。此外，如图2A和图2B所不，轴11、弹黃12、标尺保持部13和光学系统保持部14容纳在壳体10中。
[0041]在该示例中，壳体10具有与接触件20的直径基本相同的直径。因此，接触式位移计100整体上具有长且窄的形状。因此，可以通过窄空间来测量测量对象的位移。此外，可以容易地保持和携带接触式位移计100。
[0042]接触件20以相对于壳体10在一个方向上可移动的方式附接至轴11的一端。轴11包括球轴承。此外，标尺保持部13经由弹簧12附接至轴11的另一端。标尺50由长板件制成，并被标尺保持部13所保持。标尺50例如由玻璃形成。
[0043]如图2B所示，光学系统保持部14具有两个支撑件14a和14b，这两个支撑件14a和14b朝向接触件20平行延伸。光投射单元30和电路31附接至光学系统保持部14的一个支撑件14a的内表面。电路31向光投射单元30提供电能。另一方面，光接收单元40经由电路基板41附接至光学系统保持部14的另一个支撑件14b的内表面。标尺50被配置在光学系统保持部14的两个支撑件14a和14b之间。
[0044]在这种状态下，轴11、弹簧12、标尺保持部13和光学系统保持部14容纳在壳体10中。因此，在壳体10中，光投射单元30和光接收单元40彼此相对且标尺50置于它们之间。标尺50被配置为基本垂直于光投射单元30的光轴。标尺50具有多个狭缝。每个狭缝均被赋予具体的标号。稍后将描述标尺50上的多个狭缝的配置。
[0045]例如，光投射单元30是LED(发光二极管)。光投射单元30可以是诸如LD(激光二极管)之类的另一种发光元件。光投射单元30没有设置有诸如准直透镜之类的用于使光准直的光学元件。因此，从光投射单元30发出的光经过标尺50上的一部分狭缝同时以预定角度扩展，从而被光接收单元40所接收。
[0046]光接收单元40是具有在一个方向上排列的多个光接收元件的线传感器。多个光接收元件构成多个像素。在该示例中，每个光接收元件都是CM0S(互补金属氧化物半导体)。每个光接收元件可以是诸如CCD (电荷耦合器件)之类的另一种元件。光接收单元40具有由在一个方向上排列的多个像素组成的光接收面。光接收单元40的光接收面被配置为基本垂直于光投射单元30的光轴。表示光接收面上的光接收量分布的模拟电信号(下文称为光接收信号)从光接收单元40通过电路基板41输出至图1的控制单元60。
[0047]在该示例中，图1的控制单元60设置在连接在壳体10和显示单元70之间的缆线中。因此，可以减小壳体10的尺寸。如图1所示，控制单元60包括CPU(中央处理单元)61、存储器62和A/D (模拟/数字)转换器63。
[0048]通过A/D转换器63，从光接收单元40输出的光接收信号被转换为数字信号，同时以固定的采样周期被采样。从A/D转换器63输出的数字信号被顺序存储在存储器62中作为表示光接收量分布的光接收数据。此外，稍后描述的用于接触件20的位移计算程序被存储在存储器62中，并且存储器62中还存储有接触件20的位移计算处理所使用的位置计算数据。
[0049]存储在存储器62中的光接收数据被提供给CPU61。CPU61基于从存储器62提供的光接收数据和存储在存储器62中的位置计算数据来执行接触件20的位移计算程序。这使得执行了位移计算处理以计算接触件20的位移。显示单元70例如通过七段指示器来配置。显示单元70可以通过点矩阵指示器来配置。CPU61在显示单元70上显示通过位移计算处理而计算出的接触件20的位移。
[0050]在该示例中，通过一组壳体10、接触件20、光投射单元30、光接收单元40、标尺50和控制单元60来配置一个测量头100H。多个测量头100H可以连接至一个显示单元70。根据这种结构，多个测量头100H的多个接触件20分别与测量对象的多个部分接触，从而允许同时对测量对象的多个部分的厚度进行测量。此外，基于多个测量头100H的测量值，可以获得测量对象的厚度的最大值、最小值和平均值或者测量对象的平整度等来作为评价值。
[0051]表示测量值或评价值的数据被存储在存储器62中。此外，CPU61可以通过接口(未示出)将该数据提供到外部。在该示例中，CPU61可以将BCD( 二进制编码的十进制)输出提供给外部可编程控制器。此外，CPU61可以利用外部个人计算机或可编程控制器执行符合RS-232C标准的串行通信。
[0052](2)标尺上的狭缝
[0053]图3是示出标尺50上的多个狭缝的配置的示意图。图4示出了图3的标尺50的一部分的放大平面图。图5示出了图3的标尺50的另一部分的放大平面图。图6示出了图3的标尺50的又一部分的放大平面图。在图3至图6中，通过线来示出狭缝。
[0054]如图3至图6所示，在本实施例中，在标尺50上形成40个狭缝si至s40，从而以该顺序进行布置。狭缝Si至s40分别被赋予具体的标号I至40。狭缝的标号不限于本实施例中所示的这些标号。
[0055]狭缝Si至s40被布置为使得相邻狭缝之间的距离每过预定数量的狭缝就发生变化。在本实施例中，狭缝Si至s40被布置为使得相邻狭缝之间的距离每过5个狭缝就发生变化。即，当 k = 1,2,…，10 时，狭缝 s(4Xk-3)、s(4Xk-2)、s(4Xk_l)、s(4Xk)和s(4Xk+l)之间的距离为mk。
[0056]例如，各个狭缝sl、s2、s3、s4和s5之间的距离为ml，以及各个狭缝s5、s6、s7、s8和s9之间的距离为m2。相邻狭缝之间的距离ml至mlO大于图1的光投射单元30所发出的光的波长。在本实施例中，各个距离ml至mlO是不同的。注意，尽管在本示例中没有设置第41个狭缝s41，但也可以设置。
[0057]在顺序布置的5个狭缝中的两端处的狭缝之间的距离如下进行定义。当k =1,2,…，9时，狭缝s(4Xk-3)和s(4Xk+l)之间的距离为Mlk，并且狭缝s (4X k_2)和s(4Xk+2)之间的距离为M2k。此外，狭缝s (4X k_l)和s(4Xk+3)之间的距离为M3k，并且狭缝s (4 Xk)和s(4Xk+4)之间的距离为M4k。
[0058]例如，狭缝Si和s5之间的距离为M11，以及狭缝s5和s9之间的距离为M12。此夕卜，狭缝s2和s6之间的距离为M21，以及狭缝s6和和slO之间的距离为M22。在本实施例中，各个距离Mll至M19、M21至M29、M31至M39以及M41至M49是不同的。
[0059]接下来，上述距离中的每两个相邻距离的比率如下进行定义。当k = 1，2，...，8时，Ml (k+1) /Mlk,M2 (k+1) /M2k、M3 (k+1) /M3k 和 M4 (k+1) /M4k 分别为 Nlk、N2k、N3k 和 N4k。
[0060]例如，M12/M11为 Nil，以及 M13/M12 为 N12。此外，M22/M21 为 N21,以及 M23/M22为N22。各个比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48被预先计算出并作为位置计算数据存储在图1的存储器62中。
[0061]各个比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48是不同的。因此，指定上述比率能够在位移计算处理中识别出来自光投射单元30的光经过的狭缝。注意，当各个比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48不同时，狭缝si至s40之间的距离ml至mlO可以不是都不同。
[0062](3)光接收量峰值的位置检测
[0063]来自光投射单元30的光经过标尺50上包括的多个狭缝Si至s40中的一部分狭缝，然后入射到光接收单元40上。因此，在由存储在存储器62中的光接收数据表示的光接收量分布中，出现多个峰值(下文称为光接收量峰值)，这些峰值分别与来自光投射单元30的光所经过的多个狭缝相对应。
[0064]图7A是示出由光接收数据所表示的光接收量分布的示图，以及图7B示出了图7A的部分B的放大图。在图7A和图7B中，水平轴表示光接收单元40中的像素的位置(下文成为像素位置)，以及垂直轴表示光接收量。
[0065]通过对图7A的光接收量分布执行数据处理，以小于光接收单元40的像素的单位(亚像素单位)来检测多个光接收量峰值的位置。以下，将光接收量峰值的位置称为峰值位置。图7B示出了像素位置pi至pll处的光接收量的分布。
[0066]这里，当没有对光接收量分布执行数据处理时，像素位置p7是峰值位置。实际的峰值位置位于像素位置P6和p7之间。然后，对光接收量分布执行数据处理，从而以亚像素单位计算出真正的峰值位置pi。
[0067]为了以亚像素单位来检测真正的峰值位置pi，可以通过各种已知方法来使用数据处理。例如，可以对光接收量分布执行重心处理，从而检测出真正的峰值位置pi。可选地，可以将诸如抛物线之类的各种曲线拟合至光接收量分布，从而检测出真正的峰值位置pi。
[0068]图8是示出光投射单元30、标尺50和光接收单元40的关系的示意图。如图8所示，来自光投射单元30的光通过在标尺50的范围C内的多个狭缝，同时以预定角度扩展，并且在光接收单元40的光接收面的范围D内入射。
[0069]如上所述，通过使用光接收数据的数据处理，以亚像素单位来检测光接收面的范围D内的光接收量分布中的多个峰值位置。所检测到的多个峰值位置分别与标尺50的范围C内的多个狭缝相对应。
[0070]图9是示出光接收面的范围D内的光接收量分布中的多个峰值位置的示意图。图9的水平轴表示光接收单元40中的像素位置。在图9中，通过黑色圆圈来表示对光接收数据进行数据处理所检测到的多个峰值位置gl至gl7。
[0071](4)狭缝的识别
[0072]不清楚整个标尺50的哪个部分是标尺50的光所经过的部分(在图8中通过箭头C所表示的范围)。因此，光经过的狭缝是不清楚的，并且图9所示的各个峰值位置gl至gl7所对应的狭缝是不清楚的。在本实施例中，通过以下方法来识别狭缝。
[0073]如图9所示，计算预定数量的顺序布置的峰值位置中的两端处的峰值位置之间的距离。在本实施例中，计算顺序布置的5个峰值位置中的两端处的峰值位置gl和g5之间的距离LI。此外，计算顺序布置的5个峰值位置中的两端处的峰值位置g5和g9之间的距离L2。此外，计算顺序布置的5个峰值位置中的两端处的峰值位置g9和gl3之间的距离L3。
[0074]接下来，计算距离L2相对于距离LI的比率Rl。此外，计算距离L3相对于距离L2的比率R2。利用预先存储在图1的存储器62中的多个比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48来检查所计算的比率Rl和R2。
[0075]这里，从多个比率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的两个比率。因此，可以识别光所经过的多个狭缝的标号，并且分别将多个峰值位置gl至gl7与光经过的多个狭缝相关联。
[0076]作为一个示例，如果比率N25和N26分别最接近于比率Rl和R2，则狭缝之间的距离M25、M26和M27 (图5)分别与峰值位置之间的距离L1、L2和L3相对应。因此，峰值位置gl至gl7分别对应于狭缝sl8至s34。此外，光所经过的多个狭缝的标号分别被识别为18至34。
[0077](5)接触件的绝对位置
[0078]利用上述方法，识别出分别与光接收量分布中的多个峰值位置对应的多个狭缝的标号。此时，已知标尺50上的多个狭缝之间的距离，但不知每个狭缝的绝对位置。通过以下方法来计算标尺50上的任何狭缝的绝对位置。
[0079]图10是用于描述狭缝的绝对位置的计算方法的示图。在图10的方法中，计算来自光投射单元30的光所经过的任何狭缝sq的绝对位置。这里，狭缝sq的绝对位置是从光投射单元30的光轴30ο至狭缝sq的距离Mx。
[0080]预先选择狭缝sq设置于其间的两个狭缝sp和sr。在图10的示例中，狭缝sp和sr是位于狭缝sq两侧的狭缝。利用上述方法，识别出狭缝sp、sq和sr的标号，因此也可以识别出距离Mq。通过使来自光投射单元30的光经过狭缝sp至sr，光接收量分布中的各峰值出现在分别与狭缝SP至sr相对应的峰值位置gp、gq和gr处。
[0081]已知光轴30ο在光接收单元40的光接收面上的位置(下文称为光轴位置)Ρ0。基于光接收数据，计算从光轴位置PO到峰值位置gq的距离LX，并且计算峰值位置gp和gr之间的距离Lq。随后，距离Lq相对于距离Mq的比率(Lq/Mq)被计算出作为倍率(multiplicat1n rate) R0此后,将Lx除以倍率R,从而计算出距离Mx。
[0082]已知每个狭缝与接触件20的尖端之间的距离。因此，基于狭缝sq的绝对位置，可以计算出接触件20的绝对位置。根据用于狭缝的绝对位置的上述计算方法，即使在标尺50随着接触件20的移动而相对于光接收单元40的光接收面倾斜的情况下，也可以正确地计算出接触件20的绝对位置。
[0083]当图1的接触件20与测量对象的表面接触时，接触件20发生了位移。从在接触件20与测量对象的表面接触时接触件20的绝对位置中减去在接触件20与测量对象的表面接触之前接触件20的绝对位置，从而计算出接触件20的位移。
[0084]如上所述，基于各个狭缝Si至s40的绝对位置的变化来计算接触件20的位移。因此，可以基于在接触件20与测量对象的表面接触之前任意狭缝的位置、在接触件20与测量对象的表面接触之后另一任意狭缝的位置以及所述狭缝之间的距离来计算接触件20的位移。
[0085]因此，即使当一些狭缝由于接触件20与测量对象的表面接触而移出来自光投射单元30的光的照射范围时，也可以通过计算另一狭缝的绝对位置来计算接触件20的位移。因此，可以计算如下的接触件20的位移:该接触件20的尺寸大于从光投射单元30到标尺的光的照射范围。
[0086](6)位移计算处理
[0087]图11是示出位移计算处理的流程图。参照图11，将给出CPU61执行的接触件20的位移计算处理的描述。
[0088]CPU61从存储在图1的存储器62中的数字信号中获取光接收数据(步骤SI)。接下来，CPU61基于光接收数据来检测光接收量分布中的多个峰值位置(步骤S2)。通过对光接收数据所示的光接收量分布执行数据处理来检测峰值位置，并且检测光接收量达到真正峰值的位置。
[0089]随后，CPU61基于多个峰值位置来识别光经过的狭缝的标号(步骤S3)。在本实施例中，计算图9的距离LI至L3，并且也计算比率Rl和R2。利用预先存储在存储器62中的多个比率Nll至N18、N21至N28、N31至N38以及N41至N48来核对计算出的比率Rl和R2，从而将多个峰值位置与光经过的多个狭缝相关联。此外，识别出光经过的多个狭缝的标号。
[0090]此后，CPU61确定任意狭缝sq的校正量(步骤S4)。在本实施例中，校正量是倍率R0根据图10的光投射单元30的光轴30ο到狭缝sq的距离来确定校正量。在确定校正量的过程中，测量两个峰值位置gp和gr (峰值位置gq位于其间)之间的距离Lq。计算距离Lq相对于两个狭缝sp和sr (狭缝sq位于其间)之间的距离Mq的比率，从而确定校正量。[0091 ] 接下来，CPU61基于峰值位置gq和所确定的校正量来识别狭缝sq的绝对位置(步骤S5)。在识别狭缝sq的绝对位置的过程中，计算从光轴位置PO到峰值位置gq的距离Lx。通过将距离Lx除以倍率R，计算出从光投射单元30的光轴30ο到狭缝sq的距离Mx，并且识别狭缝sq的绝对位置。
[0092]最后，CPU61计算接触件20的位移(步骤S6)。在本实施例中，计算来自光投射单元30的光经过的多个狭缝的绝对位置，并且计算分别与多个狭缝的绝对位置相对应的接触件20的多个绝对位置。对计算出的接触件20的多个绝对位置求平均，从而计算出接触件20的绝对位置。计算接触件20的绝对位置的变化，从而计算出接触件20的位移。
[0093]因此，可以高精度地计算接触件20的位移。此外，即使在由于狭缝粘有灰尘等原因而没有检测到与标尺50上的狭缝相对应的峰值位置时，也可以减小计算出的接触件20的位移的误差。
[0094]此外，由于标尺50具有预定厚度，所以通过处于接近光轴30ο位置处的狭缝的光的折射小于通过远离光轴30ο的位置处的狭缝的光的折射。因此，在接近光轴30ο的位置处的狭缝的绝对位置的计算的精度高于在远离光轴30ο的位置处的狭缝的绝对位置的计算的精度。
[0095]为此，在计算接触件20的绝对位置的过程中，使接近光轴30ο的位置处的狭缝的绝对位置的权重大于远离光轴30ο的位置处的狭缝的绝对位置的权重，然后对接触件20的多个绝对位置求平均。因此，可以更加精确地计算接触件20的绝对位置。
[0096](7)效果
[0097]在本实施例中，光投射单元30利用非平行光照射标尺50，并且已经过标尺50上的多个狭缝的非平行光被光接收单元40所接收。在这种情况下，可以通过使用如下的倍率R来计算与任意峰值位置相对应的狭缝的绝对位置，其中该倍率R表示光接收单元40上的光接收量分布中的多个峰值位置之间的距离与分别与多个峰值位置相对应的标尺50上的多个狭缝之间的距离的关系。因此，不需要在光投射单元30和标尺50之间提供用于使光准直的光学元件(例如，准直透镜)。从而，可以减小接触式位移计100在与接触件20的移动方向垂直的方向上的尺寸。
[0098]此外，在本实施例中，标尺50上的多个狭缝中的每一个狭缝都可以通过使用基于包括该狭缝在内并具有预定位置关系的多个狭缝之间的距离的标识符而被唯一地、可识别地排列。因此，基于所检测的多个峰值位置中的具有预定关系的多个峰值位置之间的距离的比率，来识别与多个峰值位置相对应的狭缝的位置。因此，即使在光接收单元40的光接收面与标尺50之间的平行度(parallelism)较低时或者在光接收单元40的光接收面与标尺50之间的平行度随着接触件20的移动而变化时，也可以正确地识别标尺50上的每个狭缝。
[0099]此外，在识别出标尺50上的每个狭缝之后，计算出用于计算任意狭缝的位置的倍率R，并且基于倍率R来计算任意狭缝与光投射单元30的光轴30ο之间的距离。因此，即使在光接收单元40的光接收面与标尺50之间的平行度较低时或者在光接收单元40的光接收面与标尺50之间的平行度随着接触件20的移动而变化时，也可以正确地计算接触件20的绝对位置。
[0100]因此，可以降低组装壳体10、接触件20、光投射单元30、光接收单元40和标尺50的精度。从而，降低了接触式位移计的成本。
[0101][2]第二实施例
[0102](I)位移计算处理
[0103]将给出根据第二实施例的接触式位移计100与根据第一实施例的接触式位移计100的区别的描述。
[0104]在本实施例中，预先在图1的存储器62中将基于光投射单元30、光接收单元40和标尺50之间的距离而设置的倍率存储为位置计算数据。此外，在存储器62中存储图3至图6的标尺50上的狭缝之间的39个距离ml至mlO，以对应于狭缝si至s40的排列。
[0105]例如，预先存储在存储器62中的倍率为多个峰值位置之间的距离相对于光投射单元30的光轴30ο附近的各狭缝之间的距离的倍率。该倍率是光投射单元30和光接收单元40之间的距离相对于光投射单元30和标尺50之间的距离的比率，其是已知的。
[0106]在本实施例中，在图11的步骤S3中，通过代替图10的方法的以下方法来识别光经过的狭缝的标号。图12是用于描述第二实施例中的狭缝标号的识别方法的示图。在图12的示例中，通过黑色圆圈来表示分别与光经过的多个狭缝相对应的多个峰值位置gl至gl7。
[0107]如图12所示，计算相邻的峰值位置gl至gl7之间的距离al至al6。接下来，将从光轴位置PO到峰值位置gl至gl7中的每一个的距离除以存储器62中存储的倍率，从而分别将距离al至al6校正为距离bl至bl6。
[0108]利用预先存储在存储器62中的标尺50上的多个距离ml至mlO的排列来检查所校正的距离bl至bl6的排列。因此，可以识别出光经过的多个狭缝的标号，并且分别将多个峰值位置gl至gl7与光经过的多个狭缝相关联。
[0109]如上所述，在该示例中，预先存储在存储器62中的倍率是多个峰值位置之间的距离相对于光投射单元30的光轴30ο附近的各狭缝之间的距离的倍率。然而，由于从光投射单元30发出的光以预定角度扩展，所以远离光轴30ο的位置中的实际倍率稍大于(例如，2%左右)光轴30ο附近的倍率。
[0110]为此，与远离光轴30ο的位置中的峰值位置之间的距离的排列相比，接近光轴30ο的位置中的峰值位置之间的距离的排列以更高的精度符合距离ml至mlO的排列。因此，光轴30ο附近的峰值位置之间的距离的排列的权重可以更大，并且可以利用多个距离ml至mlO的排列来检查峰值位置之间的距离的排列。
[0111]图11中的本实施例的步骤S4至S6的处理类似于第一实施例中的步骤S4至S6的处理。在步骤S4中，计算多个峰值位置之间的距离相对于各狭缝之间的距离的倍率作为任意狭缝sq的校正量。
[0112]在作为根据与光轴30ο相距的距离而确定的倍率方面，在步骤S4中计算出的倍率不同于预先存储在存储器62中的倍率。通过使用根据与光轴30ο相距的距离而确定的倍率，在步骤S5中能够正确地识别狭缝sq的位置。
[0113](2)效果
[0114]在本实施例中，在存储器62中预先存储标尺50上的多个狭缝之间的距离，以对应于多个狭缝的排列。利用预先存储在存储器62中的多个狭缝之间的距离来检查各峰值位置之间的多个距离，从而识别与多个峰值位置相对应的狭缝的位置。在这种情况下，可以容易地识别分别与多个峰值位置相对应的多个狭缝。
[0115][3]第三实施例
[0116](I)位移计算处理
[0117]将给出根据第三实施例的接触式位移计100与根据第二实施例的接触式位移计100的区别的描述。
[0118]与光投射单元30的光轴30ο垂直的方向被称为光轴垂直方向。本实施例中的壳体10、接触件20、光投射单元30、光接收单元40和标尺50以相对较高的精度组装。具体地，光接收单元40的光接收面相对于光轴垂直方向的平行度较高，接触件20和标尺50相对于光轴垂直方向的平行度较高，且接触件20和标尺50在相对于光轴垂直方向保持平行度的状态下移动。因此，基于光投射单元30、光接收单元40、接触件20和标尺50之间的相对位置关系来唯一地设置用于计算任意狭缝的位置的倍率。
[0119]可以基于从光投射单元30发出的光的扩展角度来计算根据与光轴30ο相距的距离而确定的倍率。在本实施例中，已知根据与光轴30ο相距的距离而确定的倍率。具体地，将示出根据与光轴30ο相距的距离而确定的倍率的表格在图1的存储器62中预先存储为位置计算数据。这里，表格示出了与光轴30ο的距离和倍率的对应关系。可选地，将用于计算根据与光轴30ο的距离而确定的倍率的数学表达式预先存储在存储器62中作为位置计算数据。
[0120]在本实施例的步骤S4中，基于存储器62中存储的表格或表达式，将根据与光轴30ο的距离而确定的倍率确定为用于狭缝的校正量。在随后的步骤S5中，基于所确定的校正量来识别狭缝sq的位置。在识别狭缝sq的位置的过程中，如图10所示来计算从光轴位置PO到峰值位置gq的距离Lx。通过将距离Lx除以峰值位置gq处的倍率，计算出从光投射单元30的光轴30ο到狭缝sq的距离Mx，并且识别出狭缝sq的绝对位置。
[0121]此后，执行步骤S6的处理。本实施例中的S6的处理类似于第二实施例中的步骤S6的处理。
[0122](2)效果
[0123]在本实施例中，预先在存储器62中存储根据与光轴30ο的距离而确定的、多个狭缝之间的距离相对于多个峰值位置之间的距离的倍率。因此，基于预先存储在存储器62中的倍率，可以容易且快速地计算狭缝的位置。
[0124][4]第四实施例
[0125](I)位移计算处理
[0126]将给出根据第四实施例的接触式位移计100与根据第三实施例的接触式位移计100的区别的描述。
[0127]本实施例中的壳体10、接触件20、光投射单元30、光接收单元40和标尺50以相对较高的精度组装。因此，基于光投射单元30、光接收单元40、接触件20和标尺50之间的相对位置关系来唯一地设置用于计算任意狭缝的位置的倍率。
[0128]在本实施例中，以图11的步骤S1、S2、S4、S3、S5和S6的顺序来执行位移计算处理。在本实施例的步骤S4中，基于存储器62中存储的表格或表达式，将根据与光轴30ο相距的距离而确定的倍率确定为用于狭缝的校正量。在随后的步骤S3中，通过代替图12的方法的以下方法来识别狭缝的标号。
[0129]图13是用于描述第四实施例中的狭缝标号的识别方法的示图。在图13的示例中，通过黑色圆圈来表示分别与光经过的多个狭缝相对应的多个峰值位置gl至gl7。
[0130]如图13所示，测量相邻的峰值位置gl至gl7之间的距离al至al6。接下来，将从光投射单元30的光轴位置30ο到峰值位置gl至gl7中的每一个的距离除以计算出的在峰值位置gl至gl7的每一个峰值位置处的倍率，从而分别将距离al至al6校正为距离cl至cl6。在标尺50被来自光投射单元30的平行光照射的情况下，距离Cl至cl6与峰值位置gl至gl7之间的距离al至al6相对应。
[0131]利用预先存储在存储器62中的标尺50上的多个距离ml至mlO的排列来检查所校正的距离Cl至cl6的排列。因此，可以识别出光经过的多个狭缝的标号，并且分别将多个峰值位置gl至gl7与光经过的多个狭缝相关联。
[0132]此后，执行步骤S5和S6的处理。本实施例中的步骤S5和S6的处理类似于第三实施例中的步骤S5和S6的处理。
[0133](2)效果
[0134]在本实施例中，预先在存储器62中存储根据与光轴30ο的距离而确定的、多个狭缝之间的距离相对于多个峰值位置之间的距离的倍率。因此，基于预先存储在存储器62中的倍率，可以容易且快速地计算任意狭缝的位置。此外，在本实施例中，通过使用校正的多个峰值位置之间的距离，可以以高精度识别与任意峰值位置相对应的狭缝。
[0135][5]其他实施例
[0136](I)在上述实施例中，标尺50具有多个狭缝，但是本发明不限于此。标尺50可具有另外多个透光狭缝来代替所述多个狭缝。
[0137](2)在上述实施例中，控制单元60设置于连接在壳体10和显示单元70之间的线缆中，但本发明不限于此。当壳体10具有充分大的容纳空间时，控制单元60可容纳在壳体10中。可选地，控制单元60可容纳在不同于壳体10的壳体中。
[0138](3)在上述实施例中，以标尺50上的光轴30ο的位置作为基准，将狭缝sq的位置计算为绝对位置，但本发明不限于此。也可以以标尺50上的任意位置作为基准，将狭缝sq的位置计算为绝对位置。
[0139](4)在上述实施例中，光接收量峰值是光接收量中通过来自光投射单元30的光经过狭缝而出现在光接收量分布中的最大峰值，但本发明不限于此。光接收量峰值可以是光接收量中通过来自光投射单元30的光被除了标尺50上的狭缝之外的部分(遮光部)遮蔽而出现在光接收量分布中的最小峰值。
[0140](5)在第一实施例中，利用预先存储的多个比率来检查两个比率Rl和R2，从而分别将多个峰值位置与光经过的多个狭缝相关联，但本发明不限于此。可以利用预先存储的多个比率来检查一个比率Rl或R2，从而分别将多个峰值位置与光经过的多个狭缝相关联。
[0141](6)在第一实施例中，计算峰值位置gp和gr之间的距离Lq相对于狭缝sp和sr之间的距离Mq的比率，从而确定校正量，但本发明不限于此。以与第三或第四实施例类似的方式，可以预先在存储器62中存储示出根据与光轴30ο的距离而确定的倍率的表格或者用于计算根据与光轴30ο的距离而确定的倍率的数学表达式。在这种情况下，代替倍率R，基于存储在存储器62中的表格或表达式，将根据与光轴30ο相距的距离而确定的倍率确定为用于狭缝的校正量。
[0142](7)在第二实施例中，预先存储在存储器62中的倍率是多个峰值位置之间的距离相对于光投射单元30的光轴30ο附近的狭缝之间的距离的倍率，但本发明不限于此。预先存储在存储器62中的倍率可以是多个峰值位置之间的距离相对于处于任意位置的狭缝之间的距离的倍率。
[0143][6]权利要求的各个组成元件和实施例的各个部分之间的对应关系
[0144]以下，将描述权利要求的各个组成元件和实施例的各个部分之间的对应关系的示例，但本发明不限于以下示例。
[0145]在上述实施例中，壳体10是壳体的示例,接触件20是接触件的示例，狭缝si至s40是狭缝的示例,标尺50是标尺的示例,光投射单元30是光投射单元的示例，以及光接收单元40是光接收单元的示例。CPU61是检测单元、计算单元和处理设备的示例，存储器62是第一和第二存储单元的示例，以及接触式位移计100是接触式位移计的示例。
[0146]作为权利要求的各个组成元件，还可以使用具有权利要求中描述的结构或功能的各种其他元件。
[0147]本发明可以有效地应用于各种接触式位移计。
【权利要求】
1.一种接触式位移计，包括: 壳体； 接触件，其以在一个方向上可移动的方式被所述壳体支撑； 标尺，其具有在所述一个方向上排列的多个透光狭缝，并且被配置为与所述接触件一起在所述一个方向上可移动； 光投射单元，其以非平行光照射所述标尺； 光接收单元，其接收通过所述标尺上的所述多个透光狭缝的所述非平行光，并且输出表示光接收量分布的光接收信号； 检测单元，其检测其中光接收量处于所述接收单元上的光接收量分布中的最大值或最小值处的多个位置作为多个峰值位置；以及 计算单元，其基于由所述检测单元检测到的所述多个峰值位置以及校正信息，来计算参考位置和所述标尺上的所述多个透光狭缝中的与由所述检测单元检测到的至少一个峰值位置对应的至少一个透光狭缝的位置之间的距离，所述校正信息表示所述光接收单元上的光接收量分布中的多个峰值位置之间的距离和所述标尺上分别与所述多个峰值位置对应的多个透光狭缝之间的距离的关系， 其中，所述光投射单元和所述光接收单元设置在所述壳体中，使得所述光投射单元、所述标尺和所述光接收单元在与所述一个方向交叉的方向上排列。
2.根据权利要求1所述的接触式位移计，其中， 所述标尺上的所述多个透光狭缝中的每一个透光狭缝被通过使用标识符来唯一地、可识别地排列，所述标识符基于包括该透光狭缝在内并具有预定位置关系的所述多个透光狭缝之间的距离， 所述接触式位移计进一步设置有第一存储单元，所述第一存储单元存储与所述标尺上的所述多个透光狭缝相关的多个标识符，以及 所述计算单元基于由所述检测单元检测到的所述多个峰值位置和存储在所述第一存储单元中的所述多个标识符，来识别与由所述检测单元检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝。
3.根据权利要求2所述的接触式位移计，其中，所述多个标识符中的每一个都包括具有预定位置关系的三个或三个以上的峰值位置之间的距离的比率。
4.根据权利要求2所述的接触式位移计，其中，所述多个标识符中的每一个都包括相邻峰值位置之间的距离。
5.根据权利要求3所述的接触式位移计，其中，所述计算单元 计算由所述检测单元检测到的所述多个峰值位置中的至少两个峰值位置之间的距离，基于所识别的至少一个透光狭缝来识别与所述至少两个峰值位置相对应的至少两个透光狭缝， 计算表示了所计算出的至少两个峰值位置之间的距离与所识别的至少两个透光狭缝之间的距离的关系的值，来作为校正信息，以及 基于计算出的所述校正信息来计算参考位置和与由所述检测单元检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝的位置之间的距离。
6.根据权利要求3所述的接触式位移计，还包括: 第二存储单元，其预先存储有校正信息，该校正信息表示所述光接收单元上的光接收量分布中的多个峰值位置之间的距离和所述标尺上分别与所述多个峰值位置相对应的多个透光狭缝之间的距离的关系， 其中，基于存储在所述第二存储单元中的所述校正信息来计算参考位置和与由所述检测单元检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝的位置之间的距离。
7.根据权利要求2所述的接触式位移计，还包括: 第二存储单元，其预先存储有校正信息，该校正信息表示所述光接收单元上的光接收量分布中的多个峰值位置之间的距离和所述标尺上分别与所述多个峰值位置相对应的多个透光狭缝之间的距离的关系， 其中，所述计算单元基于存储在所述第二存储单元中的所述校正信息，将由所述检测单元检测到的多个峰值位置校正为与多个透光狭缝相对应的多个位置，并且基于校正后的多个位置和存储在所述第一存储单元中的所述多个标识符，来识别与由所述检测单元检测到的至少一个峰值位置相对应的至少一个透光狭缝。
8.根据权利要求1所述的接触式位移计，其中，所述检测单元对从所述光接收单元输出的光接收信号的光接收量分布执行数据处理，从而以比所述光接收单元的像素小的单位来检测多个峰值位置。
9.根据权利要求1所述的接触式位移计，其中，所述参考位置是所述光投射单元的光轴在所述标尺上的位置。
【文档编号】G01B11/02GK104344786SQ201410389919
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2013年8月9日
【发明者】桂田雅章 申请人:株式会社其恩斯