JP2014025756A - Position detector - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、アクチュエータなどの位置を検出する位置検出装置に関するものである。 The present invention relates to a position detection device that detects the position of an actuator, for example.
近年、製造現場において用途に応じ様々な方式のリニアアクチュエータが用いられている。例えば、電子部品の組み立てや実装、ピック&プレースなどの作業においては比較的応答速度の速いリニアアクチュエータなどが用いられている。その可動範囲は1cmから10cm程度で、作業に要求される位置精度や応答速度に適した位置検出装置を用いて位置のフィードバック制御を行うことで高速で精密な作業を実現している。 In recent years, various types of linear actuators have been used in production sites according to applications. For example, a linear actuator having a relatively high response speed is used in operations such as assembly and mounting of electronic parts and pick and place. The movable range is about 1 cm to 10 cm, and high-speed and precise work is realized by performing position feedback control using a position detection device suitable for position accuracy and response speed required for work.
位置検出装置は、その方式からアナログ型、デジタルエンコーダ型に、また検出原理から光、磁気、渦電流、差動変圧器、ポテンショメータ型などに、構成から接触型、透過型、反射型などに、それぞれ分類できる。 The position detection device is based on the analog type and digital encoder type from the system, the light, magnetism, eddy current, differential transformer, potentiometer type, etc. from the detection principle, and the contact type, transmission type, reflection type, etc. Each can be classified.
光を用いたデジタル型の位置検出装置としてはレーザ変位計やデジタルスケールが挙げられる。光を用いたデジタル型の位置検出装置は、最小分解能が高く、スケールが変形しない限り、ドリフトがなくリニアリティが良く、またロングストロークの測定が可能など利点が多いため、測定器や要求される位置決め精度が高い装置などに多用されている。しかし、センサー自体が高価であり、周辺回路として複雑で高価な専用ICが必要となるなどの問題がある。 Examples of the digital position detection device using light include a laser displacement meter and a digital scale. Digital type position detectors using light have high minimum resolution, good linearity as long as the scale is not deformed, and many advantages such as long stroke measurement. It is often used for high precision devices. However, the sensor itself is expensive, and there is a problem that a complicated and expensive dedicated IC is required as a peripheral circuit.
またデジタルスケールとして、磁気を用いたものがあるが同様に高価であり、アクチュエータを大電流で駆動した場合に発生するノイズの影響を光方式に比べて受け易い。
一方、アナログ型の位置検出装置で光を使うものとしては透過型のフォトインタラプタ、反射型のフォトリフレクタ、磁気を使ったものとしてはホール素子や磁気抵抗素子(AMR:Anitorpic Magneto Resistance)、巨大磁気抵抗素子(GMR:Giant Magneto Resistance)、渦電流や差動変圧器の原理を利用したものなどがある。
Some digital scales use magnetism, but are similarly expensive, and are more susceptible to noise generated when the actuator is driven with a large current compared to the optical system.
On the other hand, analog type position detection devices that use light include transmissive photointerrupters, reflective photoreflectors, and those that use magnetism as Hall elements and magnetoresistive elements (AMRs), giant magnetism. There is a resistance element (GMR: Giant Magneto Resistance), an element using an eddy current or a principle of a differential transformer.
アナログ型の位置検出装置は、デジタル型に比べてアクチュエータを大電流で駆動した場合に発生するノイズの影響を受け易い。しかし、光を使う方式は比較的アクチュエータのコイルに電流を流すことにより発生する電流ノイズの影響を受け難い。 Analog type position detection devices are more susceptible to noise generated when an actuator is driven with a large current than in a digital type. However, the method using light is relatively insensitive to current noise generated by passing a current through the coil of the actuator.
特に投光器と受光器からなるファイバーユニットと発光部および光量検出部を内蔵したアンプユニットを分離し、ファイバーユニットとアンプユニットを光ファイバーで接続した光ファイバー型の位置検出装置(以下、「ファイバー型光センサー」と呼ぶ)は、光センサーおよび増幅器をアクチュエータコイルから離れた場所に設置できるのでアクチュエータ駆動電流ノイズの影響を全く受けない利点がある。 In particular, a fiber unit consisting of a projector and a receiver and an amplifier unit with a built-in light emitting unit and light intensity detector are separated, and an optical fiber type position detector (hereinafter referred to as a “fiber type optical sensor”) in which the fiber unit and amplifier unit are connected by optical fibers. Is advantageous in that it is not affected by actuator drive current noise at all because the optical sensor and the amplifier can be installed at a location away from the actuator coil.
ファイバー型光センサーのファイバーユニットには透過型と反射型があり、透過型の一例として、図1に示すように、内部に設置された光ファイバー出射端14からの光をレンズ13で平行光束にし、その光を小型のミラーを配列したミラーアレイ12,22を介してレンズ23の方向に変え、レンズ23により平行光束をファイバー入射端24に集光する受光器2で構成されるものがある。
The fiber unit of the fiber type optical sensor has a transmission type and a reflection type. As an example of the transmission type, as shown in FIG. 1, the light from the optical
特にミラーアレイ12,22を用いた形式のファイバーユニットは、レンズ13,23とミラーアレイ12,22だけの簡単な構成で一定幅の平行光束を作ることができる。図2に示すように投光器1と受光器2を対向させ、平行光束の長手方向に遮蔽板3を移動させることにより、遮蔽板3の位置に比例して光量検出部の光量が変化する。このため、アンプユニットの出力も遮蔽板3を移動させることにより、位置に応じて光量検出部の光量が変化し、位置検出装置として利用することができる。
In particular, a fiber unit of the type using the
しかしながら、投光器1で作り出された一定幅の平行光束の光強度分布は必ずしも一様にならないという問題があった。
特に投光器1で作り出す平行光束の幅を広げるためにはミラーアレイ12の幅も広げる必要があり、必然的にレンズ13の口径が大きくなるため更に周辺光量が低下する。
レンズ13の周辺光量が低下した場合に投光器1で作り出した平行光束の光強度分布は平行光束の長手方向の中心で最大となり両端に近くなるほど低下する。
However, there is a problem that the light intensity distribution of the parallel light flux having a constant width produced by the
In particular, in order to increase the width of the parallel light beam produced by the
When the amount of light around the
また、受光器2はミラーアレイ22により投光器1で作り出した平行光束の向きをレンズ23の方向に変え、レンズ23により平行光束を光ファイバー入射端24に集光するが、受光器2のレンズ周辺における周辺光量の低下の影響で光強度は更に低下する。
したがって、投光器1と受光器2を対向させ、平行光束の長手方向に遮蔽板3を移動させることにより光量検出部の受光量も変化するが、前述の通り、光強度分布が一様でないため、光量検出部の受光量は遮蔽板3の位置に比例しない。
よってアンプユニットの出力も遮蔽板3の位置に比例して変化しないため位置検出装置の直線性が低下し、正確な位置検出ができないという課題があった。
The
Accordingly, the amount of light received by the light quantity detector changes by moving the
Therefore, since the output of the amplifier unit does not change in proportion to the position of the
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、安価に位置検出装置の直線性を改善して、正確な位置を検出することが可能な位置検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a position detection device that can improve the linearity of the position detection device at low cost and detect an accurate position. Objective.
上記目的を達成するため、この発明の位置検出装置は、所定の幅および幅よりも大きな所定の長さの投光窓を有し、一定幅の平行光束を投光窓から投光する投光手段と、所定の幅および所定の長さの受光窓を有し、平行光束を受光窓により受光する受光手段と、受光手段の受光量に比例した大きさの位置信号を出力する光量検出手段と、受光窓の長さ方向に水平移動可能に保持され、測定対象の位置に応じて受光窓に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する遮蔽手段とを備え、受光窓の内側に、受光窓の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるように、受光窓の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成された受光窓の幅を長さ方向の位置に応じて変化させるマスク部が設けられているものである。 In order to achieve the above object, a position detection device according to the present invention has a projection window having a predetermined width and a predetermined length larger than the width, and projects a parallel luminous flux having a predetermined width from the projection window. A light receiving window having a light receiving window having a predetermined width and a predetermined length, and receiving a parallel light beam by the light receiving window; and a light amount detecting means for outputting a position signal having a magnitude proportional to the amount of light received by the light receiving means. And a shielding means for shielding part or all of the parallel light flux that enters the light receiving window according to the position of the measurement object, and is held inside the light receiving window. The width of the light receiving window, which is thick near the center in the length direction of the light receiving window and thin near the end in the length direction, is long so that the received light intensity is constant regardless of the position in the length direction. A mask portion that is changed according to the position in the vertical direction is provided.
この発明によれば、上記のように構成したので、単純な光学系で光強度のばらつきがあっても、受光窓の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるため、遮蔽板の位置と光センサーの出力は比例し、安価に位置検出装置の直線性を改善でき、正確な位置検出が可能となる。また、受光窓の幅を決定する際にも、複雑な計算を行うことなく、遮蔽板を受光窓の長さ方向に移動させたときの光量検出部の光センサー出力の変化により簡単に求めることができる。 According to this invention, since it is configured as described above, even if there is a variation in light intensity with a simple optical system, the light intensity received is constant regardless of the position in the length direction of the light receiving window. The position of the plate and the output of the optical sensor are proportional, and the linearity of the position detection device can be improved at low cost, thereby enabling accurate position detection. In addition, when determining the width of the light receiving window, it can be easily obtained by changing the light sensor output of the light amount detection unit when the shielding plate is moved in the length direction of the light receiving window without performing complicated calculations. Can do.
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る位置検出装置の概略構成を示す側面図である。また、図2は、図1に示す投光器1と受光器2の間に遮蔽板3が配置された状態を示す概略構成を示す説明図であり、図2(a)は図1と同じく側面図、図2(b)は図2(a)の受光器2についての一部上面図である。また、図3は、この発明の実施の形態1に係る位置検出装置の全体構成を示すブロック図である。
この位置検出装置は、投光器1と受光器2からなるファイバーユニット41と発光部5、光量検出部6を内蔵したアンプユニット42、および投光器1から受光器2に投光される光を遮蔽する遮蔽板3を具備し、ファイバーユニット41とアンプユニット42は光ファイバー4で接続される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 is a side view showing a schematic configuration of a position detection apparatus according to
This position detection device includes a
投光器1と受光器2は同じ形状の投光窓11と受光窓21を有しており、その投光窓11と受光窓21の形状は、所定の幅Wおよび該幅Wよりも大きな所定の長さLとで構成される矩形状である(図2(b)参照)。そして、それら投光器1の投光窓11と受光器2の受光窓21は、光束方向からから見て一致するように対向して配置される。
投光器1は光ファイバー4で導波された光ファイバー出射端14からの光をレンズ13で平行光束にし、その平行光束の向きを小型のミラーを配列したミラーアレイ12で受光器2の方向に変えて投光する。
The
The
また受光器2は、投光器1からの平行光束を受光し、その光の向きを小型のミラーを配列したミラーアレイ22でレンズ23の方向に反射し、レンズ23により平行光束を光ファイバー入射端24に集光する。
またアンプユニット42はLEDなどの光源の光を光ファイバー4で投光器1に導波する発光部5と、受光器2で光ファイバー4に集光されて導波された光を光センサーで受光し、光量に比例した値を出力する光量検出部6とからなる。
The
In addition, the
遮蔽板3は、平行光束に対し垂直で受光窓21の幅方向がWよりも大きな面を有し、かつ受光窓21の長さ方向(x方向)に水平移動可能に保持されている。遮蔽板3は、測定対象の位置に応じて水平移動し、受光窓に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する。遮蔽板3が受光窓21の一端に達して平行光束を遮り始める点(x=0)から、遮蔽板3が受光窓21の他の一端に達して平行光束を全て遮る点(x=L)までに、光量検出部6に達する光量は最大値(Pmax)から0まで変化する。
The shielding
したがって、レンズ13からミラーアレイ12およびミラーアレイ22を経由したレンズ23までの光学的な経路において、これらの各素子の光強度分布が均一ならば、遮蔽板3の移動量に比例して受光器2の受光量が変化し、光量検出部6で検出される光量も直線性が良く、精度が良い位置検出装置として利用することができる。
Accordingly, in the optical path from the
しかしながら、投光器1で作り出された一定幅の平行光束は以下の要因によりその光強度分布は必ずしも一様にならない。
1.レンズの収差、周辺光量の低下
2.ミラーアレイの反射率むら
3.部品の組み立て精度
However, the light intensity distribution of the constant-width parallel light beam produced by the
1. 1. Lens aberration and decrease in peripheral
ここで、上記「2.ミラーアレイの反射率むら」については、熱による変形が少なく成型精度の高い樹脂にアルミを蒸着することにより、反射率を均一にすることが可能であり、改善できる。また、上記「3.部品の組み立て精度」についても組み立て精度を管理することで改善できる。 Here, “2. Unevenness of reflectance of mirror array” can be made uniform and improved by vapor-depositing aluminum on a resin with little deformation due to heat and high molding accuracy. In addition, “3. Assembly accuracy of parts” can be improved by managing the assembly accuracy.
しかし、上記の「1.レンズ13の収差、周辺光量の低下」については安価な単レンズで良好に補正することは難しい。図4は、レンズの収差、周辺光量の低下について示す説明図である。この図4に示すように、レンズ13の端(周辺)部分ではレンズ13の中央部分を透過した光に比べると、光量が低下してしまう。特に投光器1で作り出す平行光束の幅を広げるためにはミラーアレイ12の幅を広げる必要があり、必然的にレンズ13の口径が大きくなるため更に周辺光量が低下する。
However, it is difficult to satisfactorily correct the above “1. Aberration of
図5は、レンズの周辺光量の低下による光強度の低下について示す説明図である。図5に示すように、レンズ13の周辺光量が低下した場合に投光器1で作り出した平行光束の光強度は平行光束の長手方向(窓の長さ方向)の中心(x=L/2)で最大となり、両端(x=0,L)に近づくほど低下する。
また受光器2はミラーアレイ22により投光器1で作り出した平行光束の向きをレンズ23の方向に変え、レンズ23により平行光束を光ファイバー入射端24に集光するため、受光器2のレンズ23の周辺光量の低下の影響で光強度は更に低下する。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a decrease in light intensity due to a decrease in the amount of light around the lens. As shown in FIG. 5, the light intensity of the parallel light beam produced by the
The
よって、投光器1と受光器2を対向させ、平行光束の長手方向に遮蔽板3を移動させることにより光量検出部6の受光量も変化するが、前述の通り光強度分布が受光窓21の長さ方向の位置ごとに一様でないため、図6に示すように光量検出部6の光センサー出力e(x)は遮蔽板3の位置に比例せず、また、光強度にむらがあるため出力も低下する。なお、図6に示された上側の一点鎖線は、受光窓21の変位x(x=0〜L)における光強度がすべてPmaxである場合の光センサ出力を示しており、下側の一点鎖線は、リニアリティが劣化していることを示すための補助線である。
したがって、アンプユニット42の出力も遮蔽板3の位置に比例して変化しないため位置検出装置の直線性が低下し、正確な位置検出ができない。
Therefore, the amount of light received by the light quantity detector 6 is also changed by making the
Therefore, since the output of the
そこで本願発明における光強度分布のむらによる位置検出装置の直線性低下を改善する方法について以下に述べる。
図2に示す受光器2の受光窓21の変位xを通過する光束の光ファイバー入射端24における光強度をp(x)とする。この光強度p(x)の変化は遮蔽板3が受光窓21の変位xにあるときの光センサー出力e(x)を微分することにより求めることができ、変位xと光強度p(x)の関係を示したものが、図5である。
このようにして求めた光ファイバー入射端24における光強度p(x)は、図5に示すように、変位xがL/2付近(窓の長さ方向の中央部分付近)で最大(最大値Pmax)となり、長さ方向の端付近(x=0,L)は最小(Pmin)となる。そこで、変位xの位置にかかわらずに光強度を一定にするために、図7に示すように、長さ方向(x=0〜L)の全ての位置において光強度がPminとなるように補正する。
Therefore, a method for improving the linearity degradation of the position detection device due to the unevenness of the light intensity distribution in the present invention will be described below.
The light intensity at the optical
As shown in FIG. 5, the light intensity p (x) at the optical
これにより、光強度p(x)を変位xで積分した光センサー出力e(x)は変位xに比例するようになるため、全体に出力値は少し下がるものの図8に示すように位置検出装置の直線性を改善できる。なお、図8に示された上側の一点鎖線は、受光窓21の変位x(x=0〜L)における光強度がすべてPmaxである場合を示しており、下側の一点鎖線は、受光窓21の変位x(x=0〜L)における光強度をすべてPminとなるように補正したことにより光出力が若干低下しているもののリニアリティが改善されることを示している。
As a result, the optical sensor output e (x) obtained by integrating the light intensity p (x) with the displacement x is proportional to the displacement x, so that the output value is slightly lowered as a whole, but the position detection device as shown in FIG. Can improve the linearity. 8 indicates the case where the light intensity at the displacement x (x = 0 to L) of the
次に光ファイバー入射端24における光強度p(x)を変位xによらず一定にする具体的な方法について以下に説明する。
受光窓21の変位xにおける光束の光ファイバー入射端24における光強度p(x)は受光窓21の幅に比例する。そこで、図9に示すように受光窓21の本来の幅をWとして、受光窓21の変位xにおける設定すべき窓幅w(x)を光強度p(x)の値を用いて、以下の式(1)により算出する。
w(x)=W×Pmin/p(x) (1)
そして、変位xにおける窓幅が算出した設定すべき窓幅w(x)になるように、受光窓21の内側にマスク部25を設ける。
Next, a specific method for making the light intensity p (x) at the optical
The light intensity p (x) at the optical
w (x) = W × Pmin / p (x) (1)
The
ここで、式(1)を用いて、光強度p(x)が最小値Pminになる変位x(x=0,L)における設定すべき窓幅w(x)を算出すると、Wとなるため、マスク部25は設けなくてよい。
また同様に、光強度p(x)が最大のPmaxとなる変位x(x=L/2)における設定すべき窓幅w(x)はW×Pmin/Pmaxとなる。
すなわち、マスク部25は、図9に示すように、受光窓21の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成され、受光窓21の幅を長さ方向の位置に応じて変化させたものであり、受光窓21の幅が、変位x=0,L付近でW、変位x=L/2付近でW×Pmin/Pmaxとなり、その間の変位xにおいても(1)式を満たすように調整することにより、受光窓21の長さ方向の位置によらず、光量検出部6で受光する光強度が一定になる。
Here, if the window width w (x) to be set at the displacement x (x = 0, L) at which the light intensity p (x) is the minimum value Pmin is calculated using Expression (1), W is obtained. The
Similarly, the window width w (x) to be set at the displacement x (x = L / 2) at which the light intensity p (x) is the maximum Pmax is W × Pmin / Pmax.
That is, as shown in FIG. 9, the
そして、受光窓21の幅Wを式(1)により算出した設定すべき窓幅w(x)になるようにマスク部25を設けることにより、受光窓21の変位xを通過する光束の光ファイバー入射端24における光強度p(x)を、xの位置にかかわらず一定値のPminとすることができ、光強度p(x)を変位xで積分したアンプユニット42の光センサー出力e(x)は変位xに比例して変化するため位置検出装置の直線性を改善することができる。
Then, by providing the
以上のように、実施の形態1によれば、所定の幅および幅よりも大きな所定の長さの投光窓11を有し、一定幅の平行光束を投光窓11から投光する投光手段1と、所定の幅および所定の長さの受光窓21を有し、平行光束を受光窓21により受光する受光手段2と、受光手段2の受光量に比例した大きさの位置信号を出力する光量検出手段6と、受光窓21の長さ方向に水平移動可能に保持され、測定対象の位置に応じて受光窓21に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する遮蔽手段3とを備え、受光窓21の内側に、受光窓21の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるように、受光窓21の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成された受光窓の幅を長さ方向の位置に応じて変化させるマスク部25を設けたことにより、単純な光学系で光強度のばらつきがあっても、受光窓21の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるため、遮蔽板3の位置と光センサーの出力は比例し、安価に位置検出装置の直線性を改善でき、正確な位置検出が可能となる。また、受光窓21の幅を決定する際にも、複雑な計算を行うことなく遮蔽板3を長さ方向に移動させたときの光量検出部6の光センサー出力の変化により簡単に求めることができる。
As described above, according to the first embodiment, the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, any constituent element of the embodiment can be modified or any constituent element of the embodiment can be omitted within the scope of the invention.
1 投光器
11 投光窓
12,22 ミラーアレイ
13,23 レンズ
14 光ファイバー出射端
2 受光器
21 受光窓
24 光ファイバー入射端
25 マスク部
3 遮蔽板
4 光ファイバー
41 ファイバーユニット
42 アンプユニット
5 発光部
6 光量検出部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記所定の幅および前記所定の長さの受光窓を有し、前記平行光束を該受光窓により受光する受光手段と、
前記受光手段の受光量に比例した大きさの位置信号を出力する光量検出手段と、
前記受光窓の長さ方向に水平移動可能に保持され、測定対象の位置に応じて前記受光窓に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する遮蔽手段とを備え、
前記受光窓の内側に、前記受光窓の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるように、前記受光窓の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成された前記受光窓の幅を長さ方向の位置に応じて変化させるマスク部が設けられている
ことを特徴とする位置検出装置。 A light projecting unit having a light projection window having a predetermined width and a predetermined length larger than the width, and projecting a parallel light flux having a constant width from the light projection window;
A light receiving means having a light receiving window of the predetermined width and the predetermined length, and receiving the parallel light flux by the light receiving window;
A light amount detecting means for outputting a position signal having a magnitude proportional to the amount of light received by the light receiving means;
A shielding unit that is held so as to be horizontally movable in the length direction of the light receiving window and shields part or all of the parallel light flux that enters the light receiving window according to the position of the measurement target;
Inside the light receiving window, the light receiving window has a thick central portion in the length direction and a length near the end so that the received light intensity is constant regardless of the position in the length direction of the light receiving window. A position detecting device characterized in that a mask portion is provided that changes the width of the light receiving window formed thinly according to the position in the length direction.
Priority Applications (2)
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JP2012164786A JP2014025756A (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | Position detector |
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Citations (2)
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JP2002198568A (en) * | 2000-12-27 | 2002-07-12 | Sunx Ltd | Light projecting unit and photoelectric sensor |
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Patent Citations (2)
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