CN101498571A

CN101498571A - 测量设备

Info

Publication number: CN101498571A
Application number: CNA2009100072738A
Authority: CN
Inventors: 西辻丰; 木村义治
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2009-02-01
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2029-02-01
Also published as: US7765709B2; CN101498571B; JP2009180525A; EP2085742A1; US20090188122A1

Abstract

一种测量设备，其标尺座在多个排列在测量方向(Y方向)上的位置固定到基底上，在该测量方向上由标尺进行测量。狭缝设置在标尺座上，其位置是在标尺座固定到基底的位置之间。在标尺座固定到基底上的两个或更多个位置上，由标尺座支撑标尺。除了标尺座固定至基底的位置以外，基底和标尺座之间在适当位置，以及除了标尺座支撑标尺的位置以外，标尺和标尺座之间在适当位置，标尺座分别具有间隙。

Description

测量设备

技术领域

本发明涉及一种测量设备，并且更具体地涉及一种用于以高的精确度测量位移的测量设备，其适于用作一种包括基底、固定在基底上的标尺座、以及在标尺座上支撑的标尺的测量设备。

背景技术

在以高精确度测量测量设备的位移时，理想的是固定标尺的标尺座和固定标尺座的基底由制作标尺的同类材料制成，或由与制作标尺的材料具有相近物理性能的材料制成。例如，在标尺由玻璃制成的情况下，标尺座和基底理想地是由玻璃或石材制成。然而，从功能性、可加工性及生产成本角度考虑，在许多情况下，标尺座和基底由与标尺不同的材料制成。例如，标尺由玻璃制成，而标尺座由一种主要成分为铁的金属制成，基底是由石材制成的。在这种情况下，由于这三种材料的热膨胀系数彼此不同，当标尺座因温度变化而变形时，由于两者之间热膨胀系数的不同，标尺座的变形就会使标尺变形，导致需要的测量精度降低。与此相反，正如专利文献1所述，提出了一种方法，其中标尺座经由摩擦减小材料保持在合适的位置。

[专利文献1]JP-A-6-185950

然而，在专利文献1所述的方法中，由于标尺座与固定标尺座的轨道之间的热膨胀系数不同，标尺座不可避免地相对于轨道变形。此外，由于摩擦减小材料的影响，使得标尺易于相对于标尺座滑动，并且在标尺座因温度变化发生变形的情况下，就会引起一种担心，即这将使标尺原点相对于标尺座移动。

发明内容

本发明旨在解决相关工艺中固有的问题，并且其目的在于提供一种测量设备，通过防止标尺、标尺座和/或基底由于它们之间的热膨胀系数不同引起的热膨胀或收缩而导致标尺座变形，该测量设备能够高度精确地用标尺进行位移测量。

根据本发明的第一方面，提供了一种测量设备，包括：

基底；

在基底的多个位置上固定至基底的标尺座，基底位于由标尺实施测量的测量方向上；

支撑在标尺座上的标尺；以及

在位于标尺座固定至基底的位置之间的位置中，至少在标尺座中提供的狭缝；

其中，在标尺座固定至基底的两个或多个位置处，通过标尺座支撑标尺，并且其中，除了标尺座固定至基底的位置以外，基底和标尺座之间在适当位置，以及除了标尺座支撑标尺的位置以外，标尺和标尺座之间在适当位置，标尺座分别具有间隙。

根据本发明的第二方面，提供了一种如本发明第一方面所述的测量设备，进一步包括：

弹性元件，其按压标尺抵靠标尺座，从而被支撑在标尺座上

根据本发明的第三方面，提供一种如本发明第一或第二方面所述的测量设备，进一步包括：

摩擦减小材料，经由该摩擦减小材料标尺被支撑在标尺座上。

根据本发明的第四方面，提供一种如本发明第一至第三任一方面所述的测量设备，进一步包括：

在标尺座的一端提供的限制元件，用于在测量方向上限制标尺的运动。

根据本发明各方面，即使标尺、标尺座和基底是用不同材料制成的，却可以减小标尺座的变形。由此，可以使标尺保持高度精确地进行位移测量。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的测量设备的示意图；

图2A和2B示出集中在标尺座处的测量设备的部分构造的示意图；

图3示出集中在标尺座处的测量设备的部分的透视图；

图4示出在图3中画圆圈的部分IV的放大透视图；

图5示出集中在标尺座处的测量设备的部分构造的示意图；

图6A和6B示出沿着在图5中示出的VIA-VIA线和VIB-VIB线获得的截面图。

具体实施方式

下文将参照附图具体描述本发明的实施例。

现利用图1至6B描述本发明的第一实施例。图1所示为根据本发明的第一实施例的测量设备的示意图，图2A缸2B示出集中在标尺座处的测量设备的部分构造的示意图，图3示出集中在标尺座处的测量设备的部分的透视图，图4示出在图3中画圆圈的部分IV的放大透视图，图5示出集中在标尺座处的测量设备的部分构造的示意图，以及图6A和6B示出沿着在图5中示出的VIA-VIA线和VIB-VIB线获得的截面图。

首先，将利用图1描述根据第一实施例的测量设备的总体结构。

如图1所示，测量设备100例如为图像测量机，并包括可在基底110上沿Y方向移动的平台130。另外，基底110上设有龙门架。该龙门架是由竖立在基底110上的一对立柱132和横梁134组成，横梁以这样的方式提供，从而可在该对立柱132之间延伸。立柱132支撑横梁134，设置在横梁134上的滑块136沿横梁134移动(在X方向)。图像测量光学系统138设置在滑块136上，并且图像测量光学系统138具有CCD照相机。另外，图像测量光学系统138沿Z方向在滑块136上移动。如上文所述的测量设备100使得图像测量光学系统138通过由平台130和滑块136组成的移动机构，相对待测物体的X、Y及Z方向上的特定位置高度精确地移动，以观察待测物体的细微图像，从而能够由观察得到的图像信息进行特定距离结构的测量。

另外，如图1所示，在基底110与平台130之间提供标尺座112。标尺座112在多个位置固定在基底110上，并且标尺116在多个位置支撑在标尺座112上。也就是说，测量设备100包括基底110、固定在基底110上的标尺座112以及支撑在标尺座112上的标尺116。另外，在Y方向上，在标尺116上提供其组成测量方向的刻度，用于由检测器(未示出)读出，从而测量沿Y方向移动的平台130的位移。即标尺座112在多个位置固定在基底110上，该位置处于测量方向(Y方向)上，在该测量方向上根据标尺116进行测量。另外，在该实施例中，基底110、标尺座112以及标尺116是由各自不同的材料制成，基底110由石材制成，标尺座112由主要成分为铁的金属制成，而标尺116由玻璃制成。

接下来将通过图2A和2B描述标尺座112与其相关元件之间的关系。

如图2A和2B所示，标尺座112上设有多个狭缝114(图中所示为4个狭缝)和用来将标尺座112固定至基底110的多个固定孔118(图中所示为3个固定孔)。狭缝114位于固定孔118所处的位置P1、P2、P3之间。另外，切口部分112A设置在标尺座112上用于支撑标尺116。未示出的螺栓插入固定孔118中，以将标尺座112固定至基底110上。第一紧固片122与第二紧固片124、125由机械螺钉126在提供固定孔118的位置P1、P2、P3固定至标尺座112上，且P1、P2、P3沿Y方向排成一线以将标尺116支撑在标尺座112的切口部分112A内。也就是说，狭缝114设置在位置P1、P2、P3之间的标尺座112上，在此处标尺座112固定至基底110上。另外，在位置P1、P2、P3处标尺116由标尺座112支撑。此外，除了标尺座112固定至基底110的位置P1、P2和P3之外，间隙S1设在标尺座112与基底110之间的适当位置。另外，除了标尺座112支撑标尺116的位置以外，间隙S2、S3以类似的方式设在标尺座112与标尺116之间的适当位置。下文将更详细地描述上述元件。

另外，如图2A和2B所示，凸出部分120提供在标尺座112的一端，并设在邻近设置第一紧固片122的位置(在图2A和2B中看为左端)。凸出部分120是用来限制支撑在标尺座112切口部分112A中的标尺116沿测量方向(Y方向)向左移动的装置。在该实施例中，由于标尺116的原点设置在图2A和2B的左侧，所以凸出部分120限制标尺116的原点向图2A和2B的左侧移动。

接下来将详细描述图4所示的狭缝114和第二紧固片125，图4所示为图3中圆圈部分IV的放大形式。

如图4所示，狭缝114构成为使狭缝从标尺座112的顶部至底部两个方向以宽度为S切割出，标尺座112在Y方向上是一整体。由此，即便标尺座112在Y方向上膨胀或收缩，膨胀或收缩的量都可以由间隙S吸收。另外，即使设有多个狭缝114，标尺座112的直线性仍可以保持在高水平。在这里，即使将标尺座112分割为多块，如本实施例所述，也可以防止标尺116受到标尺座112的热膨胀或收缩的影响。然而，由于分割的块需要支撑标尺116，这就引起了麻烦的操作，其中分割的块必须定位得非常精确并具有很高的直线性，以便于连接至基底110上。

与此相反，在本实施例中，虽然设置了狭缝114，但是没有分割标尺座112。也就是说，本实施例具有一个优点，即将标尺座112定位在基底110上以便将前者固定到后者上，就如同将不带任何狭缝的标尺座连接到基底上一样地容易。应注意，狭缝114以这种方式设置，即非常靠近以致与支撑标尺116的第一紧固片122和第二紧固片124、125的位置相邻，如图2A、2B、3所示。由此，狭缝114以这种方式设置，即两个狭缝114处于第一紧固片122与第二紧固片124之间，两个狭缝114处于第二紧固片124与第二紧固片125之间。

如图4所示，第二紧固片125由与第一和第二紧固片122、124相同的弹性元件构成，例如可以使用片簧。由此，第二紧固片125由两个机械螺钉126连接到标尺座112上，以对标尺116施加合适的压力，用于通过标尺座112得到稳定的支撑(这对第一紧固片122与第二紧固片124同样适用)。

在第二紧固片124、125上，中间部分被切掉，其两端处的用于按压标尺116的其余部分在远端具有弯曲部分124A、125A，该弯曲部分124A、125A朝向标尺116变大。另外，第一紧固片122的中间部分没有切割。由此，第一紧固片122能以比第二紧固片124、125大的力按压标尺116。也就是说，即使当标尺116膨胀或收缩时，标尺116也很难滑动，尽管标尺116易于在第二紧固片124、125附近滑动。因此，即使标尺116膨胀或收缩，也不施加大幅度的应力而是被吸收。另外，如图4所示，被第一紧固片122和第二紧固片124、125压靠的标尺116通过摩擦减小材料128支撑在标尺座112上。由此，标尺座112与标尺116容易相对彼此滑动，而且即使当标尺116膨胀或收缩时，也不防碍标尺116的膨胀或收缩，所以就有可能防止对标尺116施加额外的应力。

接下来将通过图6A、6B描述基底110与标尺座112之间及标尺座112与标尺116之间限定的间隙，图6A、6B为沿图5所示的两条线的截面图。

图6A所示的截面图为处于第一紧固片122中心的位置P1的截面图，第一紧固片122沿Y方向用两个机械螺钉126连接就位。用于将标尺座112连接到基底110上的固定孔118存在于此位置。另外，摩擦减小材料128与标尺座112上的切口部分112A邻接，进一步，标尺116与摩擦减小材料128邻接。然后，用机械螺钉126固定的第一紧固片122的弯曲部分122A构造成可以按压标尺116的方式。即在该位置没有间隙，而且标尺116被摩擦减小材料128按压抵靠第一紧固片122，并被支撑在标尺座112上。

图6B中示出的位置为两个狭缝114之间的中间位置(参照图5)，该两个狭缝114位于第一紧固片122与按压抵靠标尺116的第二紧固片124之间。在这里，在基底110(未示出)与标尺座112之间存在间隙S1(在Z方向)，在标尺座112与摩擦减小材料128之间也存在间隙S2(在X方向)。另外，标尺座112与标尺116的下表面(在Z方向)之间存在间隙S3。也就是说，具有不同于间隙S1的凹陷部分设置在面向基底110的标尺座112中，具有不同于间隙S2、S3的凹陷部分分别设置在标尺座112的切口部分112A中的X方向和Y方向上，除了标尺座112上支撑标尺116的位置(Y方向的位置)以外，标尺座112面向基底110在适当位置。也就是说，在图6B所示的位置，标尺座112以这种方式构成，即不接触基底110和标尺116。由此，除了那些支撑在标尺座112上的位置以外，标尺116不受标尺座112的膨胀或收缩的影响，而且标尺座112也不受基底110的膨胀或收缩的影响。

接下来将描述本发明的测量设备的功能。

如上文所述，基底110、标尺座112和标尺116由不同种类的材料制成。具体地，基底110是由热膨胀系数约为5×10^-6/K的石材制成，标尺座112由热膨胀系数约为12×10^-6/K的铁制成，标尺116由热膨胀系数约为8×10^-6/K的玻璃制成。由此，当发生温度变化时，由于热膨胀系数不同，各材料的膨胀或收缩量各自不同。然而，多个狭缝114设在标尺座112上，其位置处在标尺座112支撑标尺116的位置之间。由此，即使标尺座112的材料的热膨胀系数较高，标尺座112的膨胀或收缩的效应也可以通过这样设置的狭缝114而减小，从而使防止标尺座112上支撑标尺116的位置变化成为可能。

另外，间隙S1、S2、S3分别设置在基底110的标尺座112之间和在标尺座112与标尺116之间，标尺座位于狭缝114之间。因此，温度变化引起的膨胀或收缩导致的摩擦力不会从基底110传递至标尺座112或从标尺座112传递至间隙S1、S2、S3所在的部分的标尺116上。由此，可以避免由于基底110和标尺座112的膨胀或收缩而对标尺116施加的不必要的应力。

另外，标尺座112固定在基底110上的位置P1、P2、P3和标尺116支撑在标尺座112上的位置在Y方向是相同的，Y方向是测量方向，在该方向上由标尺116进行测量。由此，标尺116不是支撑在标尺座112上而是支撑在基底110上。也就是说，标尺116相对于基底110安装的精度可以提高，而且基底110和标尺座112的膨胀或收缩的效应可以进一步减小。因此，例如可以便于对标尺116膨胀或收缩量的校正。

另外，由于标尺座112是整体构置的，所以将标尺座112连接到测量设备100上就变得很容易，并且对标尺116的支撑可以容易地实现精确的直线性。

此外，因为第一紧固片122和第二紧固片124、125是由弹性元件制成，所以可以防止对标尺116施加额外的压力，并且可以防止标尺116变形和出现裂纹。

另外，即使基底110和标尺座112的膨胀或收缩传递至标尺116，或者即使标尺116自身发生膨胀或收缩，标尺116在Y方向上的运动也受到邻近第一紧固片122的凸出部分120的限制。在该实施例中，由于标尺116的原点存在于凸出部分120侧，所以标尺116的原点向凸出部分120侧的运动就被有效地限制住。

进一步，第一紧固片122施加的压力大于第二紧固片124、125施加的压力。由此，与标尺116由第一紧固片122紧固的部分相比，标尺116更多地在其由第二紧固片124、125支撑的部分滑动。由此，在该实施例中，标尺116原点的运动可以被抑制到最小水平，而标尺116的原点就可以由此保持在恒定的位置而不受温度变化引起的各元件膨胀或收缩的影响。由于上述情况的发生，因为设置在标尺座112与标尺116之间的摩擦减小材料128的作用，在任何情况下都没有额外的应力施加到标尺116上。由此，即使标尺116发生膨胀或收缩，其膨胀或收缩量可被容易地校正以将其保持在合适的水平。

换句话说，根据本发明，即使基底110、标尺座112和标尺116由不同类型的材料制成，标尺座112的变形都能得以减小。由此，通过标尺116进行的位移测量就可以保持在高度精确的水平上。就是说，即使基底、标尺座和标尺是由不同材料制成，但也能保持测量的高度精确性，因此可以从可加工性、价格或成本、功能性、工艺性能、适用性等观点为基底、标尺座和标尺选择光学材料，因而可以同时获得高度精确的测量和低价格的测量设备。

虽然根据第一实施例对本发明进行了描述，但是不用说，本发明并不局限于该实施例。即不用说，只要不脱离本发明的精神和范围，本发明可以在设计上进行各种改进和修改。

例如，虽然在实施例中，标尺座112支撑标尺116在固定标尺座112的位置上，但是本发明并非局限于此。标尺可以支撑在两个或多个固定标尺座的位置上。

另外，例如，虽然实施例中描述的测量设备100应用于图像测量机，但是本发明并不限于此，而是可以将其应用于一种用来高度精确地测量各种位移的测量设备。由于这种情况发生，不必说本发明不仅可以应用在Y方向也可以应用在X、Z方向。

另外，例如，虽然在实施例中，狭缝114设置在邻近紧固片的位置，但是本发明并不局限于此。此外，设置狭缝的数量可以根据第一和第二紧固片的位置和距离而增加或减少，第一和第二紧固片的位置和距离根据标尺的长度而变化，并且狭缝的切割宽度也可以改变。第一和第二紧固片的数量并不限于实施例中的数量。而且，基底110、标尺座112和标尺116的材料并不限于实施例中描述的材料。

Claims

1.一种测量设备，包括：

基底；

在基底的多个位置上固定至基底的标尺座，该基底位于由标尺实施测量的测量方向上；

支撑在标尺座上的标尺；以及

在位于标尺座固定至基底的位置之间的位置中，至少在标尺座中提供的狭缝，

其中，在标尺座固定至基底的两个或多个位置处，通过标尺座支撑标尺，和

其中，除了标尺座固定至基底的位置以外，基底和标尺座之间在适当位置，以及除了标尺座支撑标尺的位置以外，标尺和标尺座之间在适当位置，标尺座分别具有间隙。

2.根据权利要求1所述的测量设备，进一步包括弹性元件，其按压标尺抵靠标尺座，从而被支撑在标尺座上。

3.根据权利要求1或2所述的测量设备，进一步包括摩擦减小材料，经由该摩擦减小材料标尺支撑在标尺座上。

4.根据权利要求1或2所述的测量设备，进一步包括在标尺座的一端提供的限制元件，用于在测量方向上限制标尺的运动。