JP3512440B2 - 変位センサ - Google Patents
変位センサInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は変位センサに関し、特
に、単一のセンサモジュールで複数自由度の運動の変位
を非接触で検出することのできる変位センサに関する。 【0002】 【従来の技術】従来、精密工作機械でワークの位置出し
を行ったり、顕微鏡で試料の位置出しを行うために、各
種の位置出し装置が使用されている。このような位置出
し装置は、その目的に応じて、1自由度から複数自由度
の運動を行うものまで様々なものが使用されている。 【0003】例えば、1自由度の位置出し装置にあって
も、単なる直線往復運動をするものの他に、図6に示さ
れるような傾動運動を行うものもある。即ち、図6の位
置出し装置は、ハンドル10を介してウォームギア11
を回動すると、これに噛合する円弧状のホイールギア1
2が取付けられた移動体13が基台14上のガイド曲面
15に沿って傾動するものであり、光学機器のミラーの
位置出し等に使用されるものである。 【0004】また、複数自由度の位置出し装置では、X
YステージやXYZステージのような直交運動を行うも
のの他に、図7に示されるような直線運動と回転運動と
を組み合わせたものもある。即ち、図7の位置出し装置
は、リニアガイド16,17によって構成されたXYス
テージ上に回転テーブル18が設けられたもので、2自
由度の直線運動と1自由度の回転運動とを複合的に行う
ものである。 【0005】このような各種位置出し装置をサーボ制御
する場合には、変位センサが必要となる。変位センサと
しては従来、図8に示されるポテンショメータ型の変位
センサや、図9に示されるリニアスケール型の変位セン
サが知られている。 【0006】図8のポテンショメータ型の変位センサで
は、移動体に抵抗体19を取付ける一方これに摺接する
ブラシ20を基台に固定して可変抵抗器を構成し、電源
21から流れる電流を電流計22により測定して変位を
検出するものである。 【0007】また、図9のリニアスケール型の変位セン
サでは、移動体に取付けられるガラス板23に微細なス
リット24を写真焼付により形成し、基台にはフォトイ
ンタラプタ25を固定して、移動体の移動にともなうパ
ルスの発生をカウントして変位を検出するものである。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
ポテンショメータ型やリニアスケール型の変位センサで
は、1自由度の変位しか検出することができなかったの
で、例えば前記図7の位置出し装置ではX,Y,回転の
3個の変位センサが必要となる等、各自由度の運動毎に
1個ずつの変位センサが必要であるという問題点があっ
た。また、直線運動に対しては直線状の抵抗体やスケー
ルを、回転運動に対しては円盤状の抵抗体やスケールを
用いているので、運動の種類に応じた専用品の変位セン
サが必要であるという問題点もあった。 【0009】また、ポテンショメータ型の変位センサで
は、抵抗体とブラシが接触していたので、摺動摩擦抵抗
により移動体の円滑な運動を妨げたり、周囲環境によっ
ては接点が劣化して接触不良を起こすという問題点があ
った。また、完全に均質な抵抗体を用いないと、抵抗体
の精度がそのまま位置検出精度となるので、直線性が悪
いという問題点もあった。 【0010】また、リニアスケール型の変位センサで
は、相対的な移動量をパルスでカウントしているので、
相対的な変位量を検出することはできても、絶対位置を
知ることはできないという問題点があった。また、スリ
ットの間隔に応じた分解能しか得られないという問題点
もあった。 【0011】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、極めて簡易な構成でありながら、多自由度の変位量
の絶対値を単一のセンサモジュールにて、非接触で高精
度に検出することのできる変位センサを提供することを
目的とする。 【0012】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の変位センサは、第1光ビームおよびこの第1
光ビームの照射方向に対して所定角度傾斜した第2光ビ
ームを発生する光源と、前記第1光ビームおよび第2光
ビームを受光し、これらの入射位置に応じた信号を出力
する受光手段と、前記受光手段の出力に基づいて前記光
源と前記受光手段との位置関係を示す直線および回転変
位量を求める演算手段と、を具備するものである。 【0013】 【作用】すなわち、本発明は、第1光ビームおよびこの
第1光ビームの照射方向に対して所定角度傾斜した第2
光ビームを受光手段で受光し、受光手段からこれらの入
射位置に応じた信号を出力し、この出力に基づいて光源
と受光手段との位置関係を示す直線および回転変位量を
演算手段で求める。 【0014】 【実施例1】まず、本発明の具体的な実施例を説明する
前に、本発明の概要を説明する。本発明の変位センサで
は、光源は基台に固定され、受光手段は移動体に取付け
られる。移動体が移動すると、受光手段に入射する光ビ
ームの入射位置が変化する。演算手段は、受光手段の出
力から受光手段と光源との変位を求める。以下添付図面
を参照して本発明に係る変位センサの実施例を説明す
る。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号
を付し、重複する説明を省略する。 【0015】まず、本発明の実施例1を説明する。図1
は変位センサを模式的に示す斜視図であり、図2は変位
センサの基本構成を示すブロック図である。図示の通り
この変位センサは、光ビーム2,3を発生する光源1
と、前記光ビーム2,3の入射位置に応じた信号を出力
する受光手段4と、前記受光手段4の出力から同受光手
段4と前記光源1との変位を求める演算手段5とから構
成されている。 【0016】光源1は、2本の平行な光ビーム2,3を
発するものであって、光束の収束性を高めるため光ディ
スク装置のピックアップ等と同様の半導体レーザで構成
されている。また、通常の自然光を収束した光ビームを
用いても良いが、この場合には、外部の光源装置から光
ファイバ等の導光手段でビーム2,3を導くと良い。 【0017】受光手段4は、2次元CCDやCMD等の
高分解能の撮像素子であって、受光面に微細な受光セル
が多数配置され、光ビーム2,3が入射すると入射位置
に応じた信号を出力するものである。具体的には、光ビ
ーム2,3の入射したセル番地情報等を出力する。な
お、受光手段4は光ビーム2,3の波長の光にのみ感応
するようにしておけば誤動作を減少させることができ
る。 【0018】演算手段5は、マイクロプロセッサであっ
て、受光手段4から出力されたセル番地情報を絶対位置
(移動体のXY座標位置など)に変換したり、後述する
ように、2本の光ビーム2,3から移動体の回転角度を
算出するものである。 【0019】このように構成された変位センサの使用に
際しては、光源1を基台に固定するとともに、受光手段
4を移動体に取付ける。光源1からの光ビーム2が受光
手段4に当たると、その入射位置に応じたセル番地が出
力される。そして、移動体が移動すると、受光手段4に
入射する光ビーム2の入射位置に応じて、出力されるセ
ル番地が変化する。従って演算手段4は、新旧のセル番
地の差から移動体の変位を求めることができる。 【0020】さらに、光源1からはもう1本の光ビーム
3が出射している。そこで図3に示すように、光ビーム
3の入射点Bの番地から光ビーム2の入射点Aの番地を
引き算すれば、そのベクトルの向きから移動体の回転角
度(角度変位)を求めることができる。 【0021】以上のように本実施例によれば、光ビーム
2のセル番地から移動体の移動位置を検出し、光ビーム
2,3のセル番地から移動体の回転角度を検出すること
ができる。従って、前述の図7のような位置出し装置に
おけるX,Y,回転の3自由度の変位を1個の変位セン
サで検出することができる。 【0022】 【実施例2】次に、本発明の実施例2を説明する。図4
は実施例2の変位センサを模式的に示す斜視図である。
図示の通りこの実施例では、光ビーム3を光ビーム2に
対して既知の角度で斜め方向に出射するようにした点が
前記実施例1と異なっている。このように光ビーム2,
3を非平行にすると、図5に示されるように、光ビーム
2の入射点Aから光ビーム3の入射点Bまでのベクトル
Vの大きさは、光源1から受光手段4までの距離に比例
して変化する。 【0023】本実施例によれば、実施例1のXY方向の
2軸の並進運動と回転変位に加えてZ方向(図7の位置
出し装置では高さ方向に相当)の変位をも検出すること
ができる、4自由度の変位センサを提供することができ
る。 【0024】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば次のように実施しても良い。 (1)上記実施例では2本の光ビームを用いたが、1本
の光ビームのみを用いてもXY方向の2自由度の変位セ
ンサを構成することができる。また、2次元CCDに代
えて1次元CCDを用いれば1自由度(直線運動のみ)
の変位センサをより安価に提供することができる。 (2)上記実施例では2本の光ビームを用いたが、偏平
なビーム1本でも同等の効果を得ることができる。 (3)上記実施例では2本のビームを同時に照射してい
たが、規定のタイミングで交互に照射し、これと同期し
て受光手段から入射位置情報を取り込むようにすれば、
2本の光ビームを混同することがない。 (4)受光手段としては、2次元PSD等を用いても良
い。 (5)光源と受光手段とは、どちらを移動体に取付けて
も良いことはいうまでもない。 【0025】 【発明の効果】以上説明したように本発明の変位センサ
によれば、光源を基台に固定し、受光手段を移動体に取
付けて、受光手段に入射する光ビームの入射位置から移
動体の変位を検出するようにしたので、光源と受光手段
とは相互に非接触で何等の力も及ぼさず、移動体の微弱
な動きを妨げることがない。 【0026】そして、光源と受光手段との間は光ビーム
が通れば良いので、相互距離の遠近に関わらず適用でき
るとともに、ガラス等の隔壁が存在しても変位を計測す
ることができる。 【0027】また、従来の変位センサと異なり、移動体
の動きが直線運動であるか回転運動であるかに関わら
ず、1種類の変位センサを汎用的に使用することができ
る。 【0028】さらに、1自由度の運動しか検知できなか
った従来の変位センサと異なり、多自由度の変位量の絶
対値を単一のセンサモジュールにて高精度に検出するこ
とができるという優れた効果がある。
に、単一のセンサモジュールで複数自由度の運動の変位
を非接触で検出することのできる変位センサに関する。 【0002】 【従来の技術】従来、精密工作機械でワークの位置出し
を行ったり、顕微鏡で試料の位置出しを行うために、各
種の位置出し装置が使用されている。このような位置出
し装置は、その目的に応じて、1自由度から複数自由度
の運動を行うものまで様々なものが使用されている。 【0003】例えば、1自由度の位置出し装置にあって
も、単なる直線往復運動をするものの他に、図6に示さ
れるような傾動運動を行うものもある。即ち、図6の位
置出し装置は、ハンドル10を介してウォームギア11
を回動すると、これに噛合する円弧状のホイールギア1
2が取付けられた移動体13が基台14上のガイド曲面
15に沿って傾動するものであり、光学機器のミラーの
位置出し等に使用されるものである。 【0004】また、複数自由度の位置出し装置では、X
YステージやXYZステージのような直交運動を行うも
のの他に、図7に示されるような直線運動と回転運動と
を組み合わせたものもある。即ち、図7の位置出し装置
は、リニアガイド16,17によって構成されたXYス
テージ上に回転テーブル18が設けられたもので、2自
由度の直線運動と1自由度の回転運動とを複合的に行う
ものである。 【0005】このような各種位置出し装置をサーボ制御
する場合には、変位センサが必要となる。変位センサと
しては従来、図8に示されるポテンショメータ型の変位
センサや、図9に示されるリニアスケール型の変位セン
サが知られている。 【0006】図8のポテンショメータ型の変位センサで
は、移動体に抵抗体19を取付ける一方これに摺接する
ブラシ20を基台に固定して可変抵抗器を構成し、電源
21から流れる電流を電流計22により測定して変位を
検出するものである。 【0007】また、図9のリニアスケール型の変位セン
サでは、移動体に取付けられるガラス板23に微細なス
リット24を写真焼付により形成し、基台にはフォトイ
ンタラプタ25を固定して、移動体の移動にともなうパ
ルスの発生をカウントして変位を検出するものである。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
ポテンショメータ型やリニアスケール型の変位センサで
は、1自由度の変位しか検出することができなかったの
で、例えば前記図7の位置出し装置ではX,Y,回転の
3個の変位センサが必要となる等、各自由度の運動毎に
1個ずつの変位センサが必要であるという問題点があっ
た。また、直線運動に対しては直線状の抵抗体やスケー
ルを、回転運動に対しては円盤状の抵抗体やスケールを
用いているので、運動の種類に応じた専用品の変位セン
サが必要であるという問題点もあった。 【0009】また、ポテンショメータ型の変位センサで
は、抵抗体とブラシが接触していたので、摺動摩擦抵抗
により移動体の円滑な運動を妨げたり、周囲環境によっ
ては接点が劣化して接触不良を起こすという問題点があ
った。また、完全に均質な抵抗体を用いないと、抵抗体
の精度がそのまま位置検出精度となるので、直線性が悪
いという問題点もあった。 【0010】また、リニアスケール型の変位センサで
は、相対的な移動量をパルスでカウントしているので、
相対的な変位量を検出することはできても、絶対位置を
知ることはできないという問題点があった。また、スリ
ットの間隔に応じた分解能しか得られないという問題点
もあった。 【0011】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、極めて簡易な構成でありながら、多自由度の変位量
の絶対値を単一のセンサモジュールにて、非接触で高精
度に検出することのできる変位センサを提供することを
目的とする。 【0012】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の変位センサは、第1光ビームおよびこの第1
光ビームの照射方向に対して所定角度傾斜した第2光ビ
ームを発生する光源と、前記第1光ビームおよび第2光
ビームを受光し、これらの入射位置に応じた信号を出力
する受光手段と、前記受光手段の出力に基づいて前記光
源と前記受光手段との位置関係を示す直線および回転変
位量を求める演算手段と、を具備するものである。 【0013】 【作用】すなわち、本発明は、第1光ビームおよびこの
第1光ビームの照射方向に対して所定角度傾斜した第2
光ビームを受光手段で受光し、受光手段からこれらの入
射位置に応じた信号を出力し、この出力に基づいて光源
と受光手段との位置関係を示す直線および回転変位量を
演算手段で求める。 【0014】 【実施例1】まず、本発明の具体的な実施例を説明する
前に、本発明の概要を説明する。本発明の変位センサで
は、光源は基台に固定され、受光手段は移動体に取付け
られる。移動体が移動すると、受光手段に入射する光ビ
ームの入射位置が変化する。演算手段は、受光手段の出
力から受光手段と光源との変位を求める。以下添付図面
を参照して本発明に係る変位センサの実施例を説明す
る。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号
を付し、重複する説明を省略する。 【0015】まず、本発明の実施例1を説明する。図1
は変位センサを模式的に示す斜視図であり、図2は変位
センサの基本構成を示すブロック図である。図示の通り
この変位センサは、光ビーム2,3を発生する光源1
と、前記光ビーム2,3の入射位置に応じた信号を出力
する受光手段4と、前記受光手段4の出力から同受光手
段4と前記光源1との変位を求める演算手段5とから構
成されている。 【0016】光源1は、2本の平行な光ビーム2,3を
発するものであって、光束の収束性を高めるため光ディ
スク装置のピックアップ等と同様の半導体レーザで構成
されている。また、通常の自然光を収束した光ビームを
用いても良いが、この場合には、外部の光源装置から光
ファイバ等の導光手段でビーム2,3を導くと良い。 【0017】受光手段4は、2次元CCDやCMD等の
高分解能の撮像素子であって、受光面に微細な受光セル
が多数配置され、光ビーム2,3が入射すると入射位置
に応じた信号を出力するものである。具体的には、光ビ
ーム2,3の入射したセル番地情報等を出力する。な
お、受光手段4は光ビーム2,3の波長の光にのみ感応
するようにしておけば誤動作を減少させることができ
る。 【0018】演算手段5は、マイクロプロセッサであっ
て、受光手段4から出力されたセル番地情報を絶対位置
(移動体のXY座標位置など)に変換したり、後述する
ように、2本の光ビーム2,3から移動体の回転角度を
算出するものである。 【0019】このように構成された変位センサの使用に
際しては、光源1を基台に固定するとともに、受光手段
4を移動体に取付ける。光源1からの光ビーム2が受光
手段4に当たると、その入射位置に応じたセル番地が出
力される。そして、移動体が移動すると、受光手段4に
入射する光ビーム2の入射位置に応じて、出力されるセ
ル番地が変化する。従って演算手段4は、新旧のセル番
地の差から移動体の変位を求めることができる。 【0020】さらに、光源1からはもう1本の光ビーム
3が出射している。そこで図3に示すように、光ビーム
3の入射点Bの番地から光ビーム2の入射点Aの番地を
引き算すれば、そのベクトルの向きから移動体の回転角
度(角度変位)を求めることができる。 【0021】以上のように本実施例によれば、光ビーム
2のセル番地から移動体の移動位置を検出し、光ビーム
2,3のセル番地から移動体の回転角度を検出すること
ができる。従って、前述の図7のような位置出し装置に
おけるX,Y,回転の3自由度の変位を1個の変位セン
サで検出することができる。 【0022】 【実施例2】次に、本発明の実施例2を説明する。図4
は実施例2の変位センサを模式的に示す斜視図である。
図示の通りこの実施例では、光ビーム3を光ビーム2に
対して既知の角度で斜め方向に出射するようにした点が
前記実施例1と異なっている。このように光ビーム2,
3を非平行にすると、図5に示されるように、光ビーム
2の入射点Aから光ビーム3の入射点Bまでのベクトル
Vの大きさは、光源1から受光手段4までの距離に比例
して変化する。 【0023】本実施例によれば、実施例1のXY方向の
2軸の並進運動と回転変位に加えてZ方向(図7の位置
出し装置では高さ方向に相当)の変位をも検出すること
ができる、4自由度の変位センサを提供することができ
る。 【0024】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば次のように実施しても良い。 (1)上記実施例では2本の光ビームを用いたが、1本
の光ビームのみを用いてもXY方向の2自由度の変位セ
ンサを構成することができる。また、2次元CCDに代
えて1次元CCDを用いれば1自由度(直線運動のみ)
の変位センサをより安価に提供することができる。 (2)上記実施例では2本の光ビームを用いたが、偏平
なビーム1本でも同等の効果を得ることができる。 (3)上記実施例では2本のビームを同時に照射してい
たが、規定のタイミングで交互に照射し、これと同期し
て受光手段から入射位置情報を取り込むようにすれば、
2本の光ビームを混同することがない。 (4)受光手段としては、2次元PSD等を用いても良
い。 (5)光源と受光手段とは、どちらを移動体に取付けて
も良いことはいうまでもない。 【0025】 【発明の効果】以上説明したように本発明の変位センサ
によれば、光源を基台に固定し、受光手段を移動体に取
付けて、受光手段に入射する光ビームの入射位置から移
動体の変位を検出するようにしたので、光源と受光手段
とは相互に非接触で何等の力も及ぼさず、移動体の微弱
な動きを妨げることがない。 【0026】そして、光源と受光手段との間は光ビーム
が通れば良いので、相互距離の遠近に関わらず適用でき
るとともに、ガラス等の隔壁が存在しても変位を計測す
ることができる。 【0027】また、従来の変位センサと異なり、移動体
の動きが直線運動であるか回転運動であるかに関わら
ず、1種類の変位センサを汎用的に使用することができ
る。 【0028】さらに、1自由度の運動しか検知できなか
った従来の変位センサと異なり、多自由度の変位量の絶
対値を単一のセンサモジュールにて高精度に検出するこ
とができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1による変位センサを模式的に
示す斜視図である。 【図2】本発明の実施例1による変位センサの基本構成
を示すブロック図である。 【図3】実施例1の変位センサの動作を説明するための
図である。 【図4】本発明の実施例2による変位センサを模式的に
示す斜視図である。 【図5】実施例2の変位センサの動作を説明するための
図である。 【図6】変位センサが使用される位置出し装置の一例を
一部を破断して示す正面図である。 【図7】変位センサが使用される位置出し装置の他の例
を示す斜視図である。 【図8】従来のポテンショメータ型の変位センサを説明
する模式図である。 【図9】従来のリニアスケール型の変位センサを説明す
る模式図である。 【符号の説明】 1 光源 2,3 光ビーム 4 受光手段 5 演算手段
示す斜視図である。 【図2】本発明の実施例1による変位センサの基本構成
を示すブロック図である。 【図3】実施例1の変位センサの動作を説明するための
図である。 【図4】本発明の実施例2による変位センサを模式的に
示す斜視図である。 【図5】実施例2の変位センサの動作を説明するための
図である。 【図6】変位センサが使用される位置出し装置の一例を
一部を破断して示す正面図である。 【図7】変位センサが使用される位置出し装置の他の例
を示す斜視図である。 【図8】従来のポテンショメータ型の変位センサを説明
する模式図である。 【図9】従来のリニアスケール型の変位センサを説明す
る模式図である。 【符号の説明】 1 光源 2,3 光ビーム 4 受光手段 5 演算手段
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平3−273102(JP,A)
特開 平3−59404(JP,A)
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
G01B 11/00 - 11/30
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】【請求項1】 第1光ビームおよびこの第1光ビームの
照射方向に対して所定角度傾斜した第2光ビームを発生
する光源と、 前記第1光ビームおよび第2光ビームを受光し、これら
の入射位置に応じた信号を出力する受光手段と、 前記受光手段の出力に基づいて前記光源と前記受光手段
との位置関係を示す直線および回転変位量を求める演算
手段と、 を具備することを特徴とする変位センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20889793A JP3512440B2 (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 変位センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20889793A JP3512440B2 (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 変位センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0743114A JPH0743114A (ja) | 1995-02-10 |
JP3512440B2 true JP3512440B2 (ja) | 2004-03-29 |
Family
ID=16563947
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20889793A Expired - Fee Related JP3512440B2 (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 変位センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3512440B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103206927A (zh) * | 2013-04-01 | 2013-07-17 | 湖北三江航天万峰科技发展有限公司 | 一种物体旋转角度测量系统及测量方法 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006189541A (ja) * | 2005-01-05 | 2006-07-20 | Pentax Corp | 二次元位置検出装置 |
CN113175889B (zh) * | 2021-05-28 | 2023-03-14 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 飞艇囊体应变在线监测装置 |
-
1993
- 1993-07-30 JP JP20889793A patent/JP3512440B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103206927A (zh) * | 2013-04-01 | 2013-07-17 | 湖北三江航天万峰科技发展有限公司 | 一种物体旋转角度测量系统及测量方法 |
CN103206927B (zh) * | 2013-04-01 | 2016-02-03 | 湖北三江航天万峰科技发展有限公司 | 一种物体旋转角度测量系统及测量方法 |
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Publication number | Publication date |
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JPH0743114A (ja) | 1995-02-10 |
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