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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum berührungslosen
Messen der Größe von Artikeln
mittels eines optischen Abtastverfahrens und betrifft insbesondere
eine Vorrichtung zum Messen der Größen zweidimensional projizierter
Bilder der Artikel mit hoher Auflösung.
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Beim Messen von Größen von
Artikeln wird häufig
eine Vorrichtung zum Messen einer Größe eines projizierten Bildes
des Artikels mittels einer optischen Abtasteinheit angewendet, wobei
diese eine Lichtprojektionsvorrichtung und eine Photosensoreinrichtung
mit einem Photodetektor-Feld aufweist. Beim Messen der Größe eines
Artikels sendet die Lichtprojektionsvorrichtung einen im Wesentlichen parallelen
Lichtfluss in Richtung des Artikels aus und es wird von der Lichtprojektionsvorrichtung
ausgesandtes Licht, das auf die Photosensoreinrichtung auftrifft,
ohne dass es von dem Artikel gestört wurde, von einem oder mehreren
der Photodetektoren in dem Feld empfangen. Wenn der Artikel klein
ist, empfängt
eine große
Anzahl der Photodetektoren Licht, und wenn der Artikel groß ist, empfängt nur eine
geringe Anzahl der Photodetektoren Licht. Daher kann durch eine
geeignete Verarbeitung von Ausgangssignalen, die von den Photodetektoren
erzeugt werden, eine Größe des Artikels
in einer Richtung, in der die Photodetektoren angeordnet sind, gemessen werden.
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In einer derartigen Messvorrichtung
hängt die
Messauflösung
im Wesentlichen von einem Abstand der Photodetektoren in dem Feld
ab. D. h., wenn die Photodetektoren mit geringem Abstand angeordnet
sind, wird die Auflösung
höher.
Um daher die Messauflösung
zu verbessern, muss der Abstand der Photodetektoren verringert werden
und somit muss die Anzahl der Photodetektoren erhöht werden.
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Des weiteren ist es schwierig, eine
hohe Messauflösung
auf Grund der Tatsache zu erreichen, dass die Photodetektoren nicht
in dichter Weise so angeordnet werden können, dass sie sich überlappen.
Daher ist eine Messauflösung
auf einen Wert begrenzt, der einen mi nimalen Abstand der Photodetektoren
in dem Feld entspricht, und eine feinere Auflösung, als sie dem minimalen
Abstand der Photodetektoren entspricht, kann nicht erreicht werden,
sofern nicht ein spezielles optisches System, beispielsweise ein
vergrößerndes
optisches Systems, angewendet wird. Es ist jedoch darauf hinzuweisen,
dass ein derartiges spezielles optisches System dazu führt, dass
die Messvorrichtung im Aufbau kompliziert und daher teuer wird.
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung,
die zuvor genannten Probleme zu lösen und eine Messvorrichtung
bereitzustellen, die in präziser
Weise Größen von
Artikeln mit einer besseren Auflösung
messen kann als ein Abstand, mit dem mehrere Photodetektoren in
einem Feld angeordnet sind.
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Um die zuvor genannte Aufgabe zu
lösen, umfasst
eine Vorrichtung zum Messen von Größen von Artikeln gemäß der vorliegenden
Erfindung:
eine Lichtprojektionsvorrichtung zum Projizieren
von Licht von einer Seite eines Artikels aus in Richtung des Artikels;
eine
Photosensoreinrichtung, die auf der anderen Seite des Artikels angeordnet
ist und mehrere Photodetektoren aufweist, die in einem Array in
einer ersten Richtung angeordnet sind, so dass von der Lichtprojektionsvorrichtung
projiziertes Licht, das auf die Photosensoreinrichtung ohne Störung durch
den Artikel auftrifft, von einem oder mehreren Photodetektoren empfangen
wird;
eine Antriebseinrichtung zum Hin- und Herbewegen des
Artikels, der Lichtprojektionsvorrichtung und der Photosensoreinrichtung
relativ zueinander in einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der
ersten Richtung steht;
eine Verschiebeeinrichtung zum Verschieben
der Photosensoreinrichtung in der ersten Richtung auf mindestens
eine erste und eine zweite Position, die voneinander durch einen
Abstand getrennt sind, der kleiner als ein Abstand ist, mit dem
die Photodetektoren in dem Array angeordnet sind;
eine Steuereinrichtung
zum Steuern der Antriebseinrichtung und der Verschiebeeinrichtung
so, dass der Artikel und die Lichtprojektionsvorrichtung und die Photosensoreinrichtung
durch die Antriebseinrichtung in einer Vorwärtsrichtung verfahren werden,
wobei die Photosensoreinrichtung sich in der ersten Position befindet,
und so dass der Artikel und die Lichtprojektionsvorrichtung und
die Photosensoreinrichtung durch die Antriebseinrichtung in einer
Rückwärtsrichtung
verfahren werden, wenn sich die Photosensoreinrichtung in der zweiten
Position befindet; und
eine Signalverarbeitungseinrichtung
zum Verarbeiten von Ausgangssignalen, die von den Photodetektoren durch
Ansteuerung mittels eines Steuersignals, das von der Steuereinrichtung
geliefert wird, erzeugt werden, um eine Größe des Artikels mit einer Auflösung zu
messen, die besser ist als der Abstand, mit dem die Photodetektoren
in dem Array angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
sind die Photodetektoren in einem einzelnen Array mit einem Abstand
L angeordnet und der Abstand D zwischen der ersten Position und
der zweiten Position der Photosensoreinrichtung ist auf die Hälfte des
Abstandes L festgelegt. Damit kann eine effektive Auflösung gleich
L/2 erreicht werden. Im Allgemeinen kann der Abstand D auf nL +
L/2 (n = 0, 1, 2,...) festgelegt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht, die eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zeigt;
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2 ist
eine Seitenansicht davon;
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3 ist
eine Querschnittsansicht davon, wobei ein Teil des vorderen Bereiches
weggeschnitten ist;
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4 ist
eine schematische Ansicht, die die Anordnung von Photodetektoren
darstellt;
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5 ist
eine schematische Ansicht, die eine Anordnung von Photodetektoren
einer weiteren Ausführungsform
zeigt;
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6 ist
ein Blockdiagramm, die die Messvorrichtung darstellt;
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7a bis 7d sind Signalformen für die Erläuterung
der Funktionsweise der Messvorrichtung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Weiteren wird die vorliegende
Erfindung detailliert mit Bezug zu den Ausführungsformen erläutert, die
in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind.
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1 ist
eine Draufsicht, die eine Ausführungsform
der Vorrichtung zum Messen von Größen von Artikeln zeigt und 2 ist eine Seitenansicht davon.
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3 ist
eine Querschnittsansicht der Messvorrichtung, wobei ein Teil des
vorderen Bereiches ausgeschnitten ist. Auf einem oberen Bereich
eines Gehäuses 1 ist
eine transparente Glasplatte 2 angeordnet, auf der ein
zu vermessender Artikel W angeordnet ist, und es ist eine Bedientafel 3 an
einen vorderen Bereich des Gehäuses 1 vorgesehen.
Auf dem oberen Bereich des Gehäuses 1 ist
ein Rahmen 4 mit einem oberen horizontalen Bereich 4a,
einem unteren horizontalen Bereich 4b und senkrechten Stäben 4c,
die senkrecht aus beiden Seiten der Glasplatte 2 hervorstehen,
angeordnet. Der Rahmen 4 ist in der X-Richtung in Bezug
auf die Glasplatte 2 vor und zurück bewegbar.
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Auf dem oberen horizontalen Bereich 4a des Rahmens 4 ist
eine Photosensoreinrichtung 5 mit mehreren Photodetektoren 6 und
einer Platine bzw. Platte 7, auf der die Photodetektoren 6 in
einem Array angeordnet sind, vorgesehen. Die Photodetektoren 6 können beispielsweise
als Photodioden und Phototransistoren ausgebildet sein und sind
mit gleichem Abstand in der Y-Richtung, die senkrecht zur X-Richtung
steht, angeordnet, um ein Array mit einem Abstand L zu bilden, wie
dies in 4 gezeigt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform
sind die Photodetektoren 6 mit einem Abstand L von 4 mm
angeordnet. Erfindungsgemäß sind die
Photodetektoren 6 auf der Platine 7 angeordnet
und die Platine 7 ist in dem oberen horizontalen Bereich 4a so
vorgesehen, dass diese in der Y-Richtung zwi schen einer ersten Position und
einer zweiten Position, die entsprechend einem Abstand D in der
Y-Richtung beabstandet sind, bewegbar ist. In der vorliegenden Ausführungsform
ist der Abstand D auf die Hälfte
des Abstandes L des Photodetektorarrays festgelegt (D = L/2 = 2
mm). Eine Platinenverschiebeeinrichtung zum Bewegen der Platine 7 kann
durch einen beliebigen konventionellen Antriebsmechanismus mit einer
linearen Führung
und einem Elektromagneten oder einem Zylinder oder einer Kurvenstange
gebildet sein.
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Auf dem unteren horizontalen Bereich 4b des
Rahmens 4 ist eine Lichtprojektionsvorrichtung 8 angeordnet,
die eine Platine 9 und mehrere lichtemittierende Elemente 10,
etwa lichtemittierende Dioden, aufweist, die in der Platine 9 als
ein Array angeordnet sind. Das Array der lichtemittierenden Elemente 10 liegt
parallel zu dem Array der Photodetektoren 6 der Photosensoreinrichtung 5,
so dass von den lichtemittierenden Elementen 10 ausgesendete
Lichtstrahlen durch die Glasplatte 2 laufen und auf die
Photodetektoren 6 der Photosensoreinrichtung 5 auftreffen.
In der vorliegenden Ausführungsform
ist die Anzahl der lichtemittierenden Elemente 10 gleich
der Anzahl der Photodetektoren 6, und von entsprechenden
lichtemittierenden Elementen 10 ausgesandte Lichtstrahlen
fallen selektiv auf die entsprechenden Photodetektoren 6.
Zu diesem Zwecke werden lichtabschirmende Platten zwischen aufeinanderfolgenden
lichtemittierenden Elementen 10 vorgesehen. Der Einfachheit
halber sind die lichtabschirmenden Platten in den Zeichnungen nicht
gezeigt.
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In der vorliegenden Ausführungsform
wird der Rahmen 4 in der X-Richtung über eine Entfernung vor- und
zurückbewegt,
die ausreichend viel länger
als eine Größe des Artikels
W in der X-Richtung ist. Daher werden die Photosensoreinrichtung 5 und
die Lichtprojektionsrichtung 8, die auf dem Rahmen 4 angeordnet
sind, in der X-Richtung hin- und herbewegt, um den Artikel W optisch
abzutasten.
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6 ist
eine schematische Ansicht, die den Aufbau der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
zeigt. Eine Rahmenantriebseinrichtung 11 zum Hin- und Herbewegen
des Rahmens 4 relativ zu der Glasplatte 2 und
eine Platinenverschiebeeinrichtung 12 zum Verschieben der
Platine 7 der Photosensoreinrichtung 5 in der
Y-Richtung sind mit einer Steuerschaltung 13 ebenso wie
diverse Bedienungsschalter und Knöpfe und einer Anzeigetafel,
die auf der Bedientafel 3 vorgesehen ist, den Photodetektoren 6 und
den lichtemittierenden Elementen 10 verbunden. Ausgangssignale,
die von den Photodetektoren 6 erzeugt werden, werden einer
Signalverarbeitungsschaltung 14 zugeleitet. In der Signalverarbeitungsschaltung 14 werden
diese Ausgangssignale in geeigneter Weise entsprechend der Steuerung
eines Steuerungssignals, das von der Steuerschaltung 13 geliefert
wird, verarbeitet.
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Beim Messen wird der Artikel W auf
die Glasplatte 2 gesetzt und ein Startschalter, der auf
der Bedientafel 3 vorgesehen ist, wird betätigt. Dann
werden die lichtemittierenden Elemente 10 eingeschaltet,
um damit Lichtstrahlen in Richtung der entsprechenden Photodetektoren 6 auszusenden,
wie dies in 7a gezeigt
ist. Zunächst
befindet sich die Platine 7 der Photosensoreinrichtung 5 in
der ersten Position, wie dies in 7b gezeigt
ist. Die Steuerschaltung 13 liefert ein Ansteuersignal
zu der Rahmenantriebseinrichtung 11, um den Rahmen 4 in
der X-Richtung nach vorne zu bewegen, wie dies in 7c gezeigt ist. Während der Vorwärtsbewegung werden
die parallelen Lichtstrahlen von den lichtemittierenden Elementen 10 in
Richtung des Artikels W durch die Glasplatte 2 hindurch
geschickt und die Lichtstrahlen, die auf die Photosensoreinrichtung 5 ohne
Störung
durch den Artikel W auftreffen, werden von einem oder mehreren Photodetektoren 6 empfangen
und es werden Ausgangssignale von den Photodetektoren 6 der
Signalverarbeitungsschaltung 14 zugeleitet und darin gespeichert.
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Nachdem die Vorwärtsbewegung des Rahmens 4 beendet
ist, liefert die Steuerschaltung 13 ein Verschiebesignal
zu der Platinenverschiebeeinrichtung 12 und die Platine 7 der
Photosensoreinrichtung 5 wird in der Y-Richtung in die
zweite Position verschoben, wie dies in 7c gezeigt ist. Danach liefert die Steuerschaltung 14 ein
Ansteuersignal zu der Rahmenantriebseinrichtung 11, um
den Rahmen 4 rückwärts in der
X-Richtung zu bewegen, wie dies in 7b gezeigt
ist. Während
dieser Rückwärtsbewegung
werden von den Photodetektoren 6 erzeugte Ausgangssignale
der Signalverarbeitungsschaltung 14 zugeleitet und darin
gespeichert. Wenn der Rahmen 4 in die anfängliche
Ausgangsposition gefahren ist, wird die Bewegung des Rahmens 4 angehalten und
die lichtemittierenden Elemente 10 werden abgeschaltet,
wie dies in 7a gezeigt
ist, und danach wird die Platine 7 der Photosensoreinrichtung 5 rückwärts in die
erste Position gefahren.
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Auf diese Weise kann der Artikel
W optisch sowohl in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung abgetastet
werden. In der Signalverarbeitungsschaltung 14 wird ein
Zeitintervall T von einem Zeitpunkt, an dem zumindest ein Photodetektor
kein Licht empfängt
(diese Sachlage ist als L-Pegel in 7d gekennzeichnet)
bis zu einem Zeitpunkt, an dem alle Photodetektoren Licht empfangen
(diese Sachlage ist als H-Pegel in 7d bezeichnet),
ermittelt. Da die Geschwindigkeit V, mit der der Rahmen 4 gefahren
wird, konstant und bekannt ist, kann eine Größe Sx des Artikels W in der
X-Richtung als eine Entfernung, über
die sich der Rahmen 4 während
des Zeitintervalls T bewegt hat, gemessen werden (Sx = V × T). Wenn
alternativ die Rahmenantriebseinrichtung 11 einen Puls-
bzw. einen Schrittmotor aufweist, kann eine Entfernung, über die
sich der Rahmen 4 während
des besagten Zeitintervalls T bewegt hat, durch Zählen der
Anzahl der Pulse, mit denen der Rahmen 4 während des
besagten Zeitintervalls T verfahren wurde, ermittelt werden. Die
Photodetektoren 6 werden lediglich in der Y-Richtung verschoben,
und eine Größe des Artikels
W in der X-Richtung kann aus den Ausgangssignalen von den Photodetektoren 6 während der
Vorwärts-
und/oder der Rückwärtsbewegung
ermittelt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, eine endgültige Größe des Artikels
W in der X-Richtung als einen Durchschnittswert zwischen zwei Größen zu ermitteln,
die aus einem Zeitintervall T1, das in der Vorwärtsbewegung
erhalten wird, und einem Zeitintervall T2,
das in der Rückwärtsbewegung
erhalten wird, berechnet wird, wie dies in 7d dargestellt ist, worin das Ausgangssignal
der Photosensoreinrichtung 5 gezeigt ist.
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Wenn eine Größe des Artikels W in der X-Richtung
aus den Ausgangssignalen der Photodetektoren 6 während der
Vorwärts-
und/oder Rückwärtsbewegung
des Rahmens 4 berechnet wird, wird eine Größe des Artikels
W mit einer Auflösung
gemessen, die identisch ist zum Abstand L des Photodetektorarrays.
In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Auflösung 4 mm.
Erfindungsgemäß wird jedoch
nach der Vonwärtsbewegung
des Rahmens 4 in der X-Richtung die Platine 7,
auf der die Photodetektoren 6 in einen Array angeordnet
sind, in der Y-Richtung um einen Abstand verschoben, der gleich der
Hälfte
des Abstandes L ist (L/2 = 2 mm). Damit wird ein scheinbarer Abstand
des Photodetektors 6 auf die Hälfte des tatsächlichen
Abstandes L verringert. In der vorliegenden Ausführungsform kann eine Größe des Artikels
in der Y-Richtung mit einer effektiven Auflösung von 2 mm gemessen werden,
indem eine Größe des Artikels
W in der Y-Richtung aus den Ausgangssignalen berechnet wird, die
von den Photodetektoren 6 während der Vorwärts- und
Rückwärtsbewegung
erzeugt werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform
ist die Anzahl der lichtemittierenden Elemente 10 gleich
der Anzahl der Photodetektoren 6 und die lichtemittierenden
Elemente und die Photodetektoren sind so angeordnet, dass eine eins
zu eins Zuordnung erreicht wird. Jedoch ist es erfindungsgemäß nicht
notwendig, die lichtemittierenden Elemente 10 und die Photodetektoren 6 in
der oben beschriebenen Weise anzuordnen. Ferner ist es erfindungsgemäß nicht
immer erforderlich, parallele Lichtstrahlen gleichzeitig aus allen
lichtemittierenden Elementen 10 auszusenden. Beispielsweise
können
die lichtemittierenden Elemente 10 nacheinander eingeschaltet
werden und Ausgangssignale, die von den Photodetektoren 6 geliefert
werden, können
nacheinander erhalten werden.
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Es sollte beachtet werden, dass eine
Auflösung
für das
Messen einer Größe des Artikels
W in der X-Richtung nicht von vornherein definiert ist, sondern
durch diverse Faktoren bestimmt ist, etwa die Bewegungsgeschwindigkeit
des Rahmens 4 und einer Abtastperiode, mit der die Ausgangssignale
von den Photodetektoren 6 aufgenommen werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
kann nicht nur die Größe des Artikels
in der X- und Y-Richtung, sondern auch eine Konfiguration des Randes
eines zweidimensionalen Bildes des Artikels gemessen werden, da
der Artikel zweidimensional in der X- und Y-Richtung abgetastet
wird.
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In einer Modifizierung der obigen
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist
die Platine 7, auf der die Photodetektoren 6 angeordnet
sind, so angeordnet, dass diese über
eine Entfernung gleich ¾ des
Abstandes L, mit dem die Photodetektoren als Array angeordnet sind,
bewegbar ist, und die Platine 7 wird um ein ¼ des Abstandes
L bei jeder Bewegung des Rahmens 4 verschoben. Dann kann
ein scheinbarer Abstand der Photodetektoren 6 zu L/4 werden
und eine Größe des Artikels
W in der Y-Richtung kann mit einer Auflösung von L/4, d. h. 1 mm, gemessen
werden.
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Ferner kann eine Photosensoreinrichtung auf
einem der senkrechten Stäbe 4c vorgesehen werden
und eine Lichtprojektionsvorrichtung wird auf dem anderen senkrechten
Stab 4c angeordnet; eine Höhe des Artikels W kann gemessen
werden, indem Ausgangssignale, die von der auf dem senkrechten Stab 4c vorgesehenen
Photosensoreinrichtung geliefert werden, verarbeitet werden.
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5 ist
eine Draufsicht, die eine Anordnung der Photodetektoren 6 in
der Photosensoreinrichtung 5 einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
zeigt. Es sollte beachtet werden, dass die Photodetektoren 6 nicht
in einem einzelnen Array mit einem Abstand angeordnet werden könnten, der
kleiner als die Größe eines
Photodetektors in der Y-Richtung ist, da die Photodetektoren nicht
miteinander überlappen
können.
In der vorliegenden Ausführungsform
werden die Photodetektoren 6 in zwei Reihen angeordnet,
und eine der beiden Reihen wird in der Y-Richtung um die Hälfte des Abstandes
L verschoben. Dann sind die Photodetektoren 6 in einer
zickzackförmigen
Weise angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Abstand L
der Photodetektoren 6 in jeder Reihe auf 4 mm festgelegt
und die beiden Reihen werden um L/2 = 2 mm in der Y-Richtung verschoben.
Daher beträgt
eine Auflösung
der Photosensoreinrichtung 5 2 mm. Wenn diese Photosensoreinrichtung 5 verwendet wird
und die Platine 7, die die Photodetektoren 6 trägt, über eine
Entfernung von 1 mm verschoben wird, kann eine Auflösung von
1 mm erreicht werden.
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Wenn allgemein Photodetektoren unter
einem Abstand L angeordnet sind, um n Reihen zu bilden, die relativ
in der Y-Richtung um einen Abstand L/n (n ≥ 2) verschoben werden, und wenn
die Photosensoreinrichtung 5 in der Y-Richtung über eine
Entfernung von L/2n verschoben wird, kann die Messung mit einer
Auflösung
gleich L/2n ausgeführt
werden.
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In der oben erläuterten Ausführungsform
ist die Photodetektoreinrichtung 5 auf dem oberen horizontalen
Bereich 4a des Rahmens 4 und die Lichtprojektionsvorrichtung 8 ist
auf dem unteren horizontalen Bereich 4 des Rahmens 4 vorgesehen.
Erfindungsgemäß kann die
Photodetektoreinrichtung 5 auf dem unteren horizontalen
Bereich 4b des Rahmens 4 und die Lichtprojektionsvorrichtung 8 auf
dem oberen horizontalen Bereich 4b des Rahmens 4 angeordnet
sein. Ferner ist in der obigen Ausführungsform der Artikel W auf
der stationären
Glasplatte 2 angeordnet und der Rahmen 4 wird
vor- und zurückbewegt,
um den Artikel W optisch abzutasten.
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Erfindungsgemäß kann der Artikel W vor- und
zurückbewegt
werden, während
der Rahmen 4 stationär
bleibt. Ferner ist in der obigen Ausführungsform die Lichtprojektionsvorrichtung 8 mittels
mehrerer lichtemittierender Elemente gebildet, erfindungsgemäß kann die
Lichtprojektionsvorrichtung jedoch auch durch Kombination einer
einzelnen Lichtquelle und Glasfasern gebildet sein. Ferner kann
die Platine 9, auf der die lichtemittierenden Elemente 10 vorgesehen
sind, in der Y-Richtung über
eine Entfernung von L/2 in Verbindung mit dem Verschieben der Photosensoreinrichtung 5 verschoben
werden.
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Wie zuvor erläutert ist, besitzt die erfindungsgemäße Messvorrichtung
die Fähigkeit,
Größen von Artikeln
präzise
mit einer höheren
Auflösung
zu messen, wobei eine kleinere Anzahl an Photodetektoren verwendet
wird, indem der Artikel und die Photosensoreinrichtung und die Lichtprojektionsvorrichtung vor
und zurück
in der X-Richtung bewegt werden und indem das Photodetektorarray
in der Y-Richtung, die senkrecht zu der X-Richtung steht, in aufeinanderfolgenden
Phasen der Vor- und Zurückbewegung
verschoben wird.