JP2021105551A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定体の位置と位置検出信号との間の関係を直線的な関係にすることができる位置検出装置を提供する。【解決手段】光を発生させる発光手段と、発光手段から発光された光を受光した位置に応じた２つの電流信号を発生する受光手段と、２つの電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する２つの変換部と、２つの変換部それぞれから出力される電圧の差を位置検出信号として出力する減算部と、２つの変換部それぞれから出力される電圧を予め定められた割合で加算した合計電圧を出力可能なように、抵抗値を変更可能な可変抵抗器と、可変抵抗器からの出力電圧を加味した電圧が入力され、入力された電圧を積分した積分電圧を出力する積分回路と、積分電圧が印加される入力電極を有し、前記発光手段に当該積分電圧に応じた光度の光を発生させるトランジスタと、を備える位置検出装置。【選択図】図１

Description

本発明は、位置検出装置に関する。

例えば、特許文献１に記載された位置検出器は、以下のように構成されている。すなわち、発光手段と該発光手段からの光を受光し電気信号に変換する２個の受光手段もしくは受光面上の位置変位量に応じた２つの電気信号を発生する１個の受光手段と発光量制御手段と該受光手段からの２つの電気信号の加算値が一定となるよう該発光手段の光量を制御し該受光手段からの２つの電気信号の差を位置信号として出力する演算回路を備え該受光手段の受光面上の受光位置変位量を測定することにより測定対象物の位置の測定を行なうことを特徴とする。

特開昭６２−１９５５１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構成においては、被測定体の移動量と、被測定体の位置を検出するための位置検出信号である演算結果とが比例関係にならない。それゆえ、被測定体の位置と位置検出信号との間の関係が直線的にならず、被測定体の位置を精度高く検出することができないおそれがある。
本発明は、被測定体の位置と位置検出信号との間の関係を直線的な関係にすることができる位置検出装置を提供することを目的とする。

上記目的のもと完成させた本発明は、光を発生させる発光手段と、前記発光手段から発光された光を受光した位置に応じた２つの電流信号を発生する受光素子と、前記２つの電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する２つの変換部と、前記２つの変換部それぞれから出力される電圧の差を位置検出信号として出力する減算部と、前記２つの変換部それぞれから出力される電圧を予め定められた割合で加算した合計電圧を出力可能なように、抵抗値を変更可能な可変抵抗器と、前記可変抵抗器からの出力電圧を加味した電圧に基づいた電圧が印加される入力電極を有し、前記発光手段に当該電圧に応じた光度の光を発生させるトランジスタと、を備える位置検出装置である。
ここで、前記可変抵抗器からの出力電圧を加味した電圧が入力され、入力された電圧を積分した積分電圧を出力する積分回路をさらに備え、
前記トランジスタは、前記入力電極に前記積分電圧が印加され、当該積分電圧に応じた光度の光を発生させても良い。

本発明によれば、被測定体の位置と位置検出信号との間の関係を直線的な関係にすることができる。

第１の実施形態に係る位置検出装置の概略構成の一例を示す図である。 位置検出装置の発光部とＰＳＤとを固定した状態の一例を示す図である。 可動子の位置と、電圧差との間の関係の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る位置検出装置の概略構成の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、実施の形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る位置検出装置１の概略構成の一例を示す図である。
位置検出装置１は、光を発する発光部１０と、発光部１０に対向するように配置された半導体位置検出素子２０と、を備えている。

発光部１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ（Light Emitting Diode））、レーザであることを例示することができる。
半導体位置検出素子２０は、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置検出センサであることを例示することができる。以下、半導体位置検出素子２０を、「ＰＳＤ２０」と称する場合がある。ＰＳＤ２０は、発光部１０からの光の入射位置から両端部のそれぞれに設けられた電極までの距離に比例する抵抗によって、それぞれの電極から出力される電流が変化する素子である。

また、位置検出装置１は、ＰＳＤ２０の一方の端部から出力される出力電流Ｉａを電圧Ｖａに変換する電流電圧変換回路３１と、ＰＳＤ２０の他方の端部から出力される出力電流Ｉｂを電圧Ｖｂに変換する電流電圧変換回路３２と、を備えている。
また、位置検出装置１は、電流電圧変換回路３２から出力された電圧Ｖｂから、電流電圧変換回路３１から出力された電圧Ｖａを減算する減算部４０を備えている。減算部４０は、電圧Ｖｂから電圧Ｖａを減算した電圧差ΔＶ（＝Ｖｂ−Ｖａ）を位置検出信号として出力する。

また、位置検出装置１は、発光部１０の光度を調整する光度調整部５０を有している。
光度調整部５０は、発光部１０に流れる電流を制御するトランジスタ６０と、トランジスタ６０のベース６１に電圧を印加する積分回路７０と、を備えている。また、位置検出装置１は、積分回路７０に印加する目標電圧を設定する目標電圧設定部８０を備えている。また、位置検出装置１は、電流電圧変換回路３１から出力された電圧Ｖａと、電流電圧変換回路３２から出力された電圧Ｖｂと、に応じた電圧を積分回路７０に印加する電圧印加部９０と、を備えている。

トランジスタ６０は、エミッタ６２が発光部１０に接続され、コレクタ６３が正電源電圧Ｖｃｃに接続されている。
積分回路７０は、増幅器７１と、ダイオード７２と、コンデンサ７３と、を有している。増幅器７１は、非反転入力端子が接地されている。そして、増幅器７１の反転入力端子には、電圧印加部９０からの出力電圧と、目標電圧設定部８０が設定した電圧と、を加算した電圧が印加される。

目標電圧設定部８０は、一方の端部が一定の正の電圧Ｖｅを出力する基準電圧回路８１に接続され、他方の端部が一定の負の電圧−Ｖｅを出力する基準電圧回路８２に接続され、外部から操作することで、一方の端部側の抵抗値と他方の端部側の抵抗値との比率を変更することが可能な可変抵抗器８３を有している。また、目標電圧設定部８０は、電圧印加部９０からの出力電圧との合流点８４と、可変抵抗器８３との間に設けられた抵抗８５を有している。また、目標電圧設定部８０は、一方の端部が一定の負の電圧−Ｖｅを出力する基準電圧回路８６に、他方の端部が積分回路７０に接続された抵抗８７を有している。
目標電圧設定部８０は、予め定められた負の電圧を目標電圧Ｖｍとして設定する。

電圧印加部９０は、一方の端部が抵抗９１を介して電流電圧変換回路３１に接続され、他方の端部が抵抗９２を介して電流電圧変換回路３２に接続されているとともに、外部から抵抗値を変更することが可能な可変抵抗器９３を有している。
以下、電圧印加部９０の可変抵抗器９３の両端子間に設けられた端子である出力端子９４の出力電圧をＶｃと称する場合がある。
出力電圧Ｖｃは、電流電圧変換回路３１から出力された電圧Ｖａと、電流電圧変換回路３２から出力された電圧Ｖｂとの合計電圧に基づく、正の電圧である。

以上のように構成された位置検出装置１において、光度調整部５０の積分回路７０の入力電圧は、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃと、目標電圧設定部８０により設定された目標電圧Ｖｍと、に基づく電圧Ｖｔである。
位置検出装置１の初期設定がされた直後の状態（初期状態）では、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃの絶対値が、目標電圧設定部８０にて設定された目標電圧Ｖｍの絶対値と等しくなるように設定され、これにより、電圧Ｖｔは、零（０（Ｖ））となっている。
初期状態から、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃの絶対値が変化し、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃの絶対値が、目標電圧設定部８０により設定された目標電圧Ｖｍの絶対値よりも小さくなると、電圧Ｖｔは、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃの絶対値と、目標電圧設定部８０により設定された目標電圧Ｖｍの絶対値との差（｜Ｖｍ｜−｜Ｖｃ｜）に相当する大きさの、負の電圧となる。
逆に、初期状態から、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃの絶対値が変化し、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃの絶対値が、目標電圧設定部８０により設定された目標電圧Ｖｍの絶対値よりも大きくなると、電圧Ｖｔは、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃの絶対値と、目標電圧設定部８０により設定された目標電圧Ｖｍの絶対値との差（｜Ｖｃ｜−｜Ｖｍ｜）に相当する大きさの、正の電圧となる。
なお、このように出力電圧Ｖｃの絶対値が変化する要因は、例えば、位置検出装置１の温度変化や経年変化である。

トランジスタ６０のベース６１に印加される電圧は、積分回路７０の入力電圧である電圧Ｖｔが時間について積分された電圧であり、符号が負から正または正から負に変換された（符号が反転された）電圧である。そして、トランジスタ６０のベース６１に印加された電圧に応じた電流により発光部１０が光を発生する。光源部１０が発生する光の光度は、トランジスタ６０のベース６１に印加される電圧が大きくなると、大きくなり、小さくなると、小さくなる。
そして、ＰＳＤ２０からの出力電流Ｉａ及び出力電流Ｉｂは、発光部１０からの光の光度に応じた大きさとなる。

また、発光部１０からの光の光度が大きくなると、ＰＳＤ２０からの出力電流Ｉａ及び出力電流Ｉｂが増加し、積分回路７０の入力電圧Ｖｔが大きくなるので、トランジスタ６０のベース６１に印加される電圧は小さくなる。逆に、発光部１０からの光の光度が小さくなると、ＰＳＤ２０からの出力電流Ｉａ及び出力電流Ｉｂが減少し、積分回路７０の入力電圧Ｖｔが小さくなるので、トランジスタ６０のベース６１に印加される電圧は大きくなる。
その結果、トランジスタ６０のベース６１に印加される電圧が自動的に調整され、発光部１０からの光の光度は、所定の光度となるように自動的に調整されることとなる。
これらの動作により、積分回路７０の入力電圧Ｖｔは、常に零（０（Ｖ））となるように自動的に調整されることとなる。言い換えると、電流電圧変換回路３１から出力される電圧Ｖａと、電流電圧変換回路３２から出力される電圧Ｖｂは、常に適正な電圧となるように自動的に調整されることとなる。
それゆえ、位置検出装置１は、温度変化や経年変化の影響を受けずに、被測定体の位置を精度高く検出することができる。

図２は、位置検出装置１の発光部１０とＰＳＤ２０とを固定した状態の一例を示す図である。
位置検出装置１は、発光部１０が実装された基板がリニアモータ１００の可動子１０１に固定され、ＰＳＤ２０が実装された基板がリニアモータ１００の固定子１０２に固定され、固定子１０２に対する可動子１０１の位置を検出することを例示することができる。

図３は、可動子１０１の位置ｘと、電圧差ΔＶとの間の関係の一例を示す図である。なお、位置ｘは、図２に示すように、ＰＳＤ２０の電気的中心と、発光部１０からの光の入射位置との間の距離である。
ＰＳＤ２０に、発光部１０からの光が入射すると、入射位置には光量に比例した電荷が発生する。この電荷は光電流として抵抗層に到達し、それぞれの電極までの距離に逆比例して分割され、出力電極により取り出される。
そして、光の入射位置と出力電極の電流の関係は以下の式（１）の通りとなる。
Ｖａ×（Ｌ−ｘ）＝Ｖｂ×（Ｌ＋ｘ）・・・（１）
なお、Ｌは、ＰＳＤ２０の抵抗長である。

抵抗９１の抵抗値と、可変抵抗器９３の一方の端部と出力端子９４との間の抵抗値と、を加算した抵抗値をＲ１とする。また、抵抗９２の抵抗値と、可変抵抗器９３の他方の端部と出力端子９４との間の抵抗値と、を加算した抵抗値をＲ２とする。
出力端子９４の出力電圧Ｖｃは、以下の式（２）の通りとなる。
Ｖｃ＝（Ｒ２×Ｖａ＋Ｒ１×Ｖｂ）／（Ｒ１＋Ｒ２）・・・（２）
ここで、光度調整部５０においては、上述したように、出力電圧Ｖｃが一定となるように発光部１０の光度をフィードバック制御するから、計算の便宜上、定数を１と置くと、以下の式（３）が成立する。
Ｖｃ＝（Ｒ２×Ｖａ＋Ｒ１×Ｖｂ）／（Ｒ１＋Ｒ２）＝１・・・（３）

式（１）と、式（３）とにより、Ｖａ、Ｖｂを求めると、Ｖａは以下の式（４）、Ｖｂは以下の式（５）の通りとなる。
Ｖａ＝（Ｌ＋ｘ）／（Ｌ＋ｘ×（Ｒ２−Ｒ１）／（Ｒ１＋Ｒ２））・・・（４）
Ｖｂ＝（Ｌ−ｘ）／（Ｌ＋ｘ×（Ｒ２−Ｒ１）／（Ｒ１＋Ｒ２））・・・（５）

そして、電圧差ΔＶは、以下の式（６）の通りとなる。
ΔＶ＝Ｖｂ−Ｖａ＝−２ｘ／（Ｌ＋ｘ×（Ｒ２−Ｒ１）／（Ｒ１＋Ｒ２））・・・（６）
式（６）により、Ｒ１＝Ｒ２である場合には、ΔＶ＝−２ｘ／Ｌとなるので、電圧差ΔＶは、可動子１０１の位置ｘに完全に比例する。
それゆえ、Ｒ１＝Ｒ２となるように、可変抵抗器９３の出力端子９４の位置、言い換えれば、端子間の抵抗値を調整することにより、図３に示すように、電圧差ΔＶと可動子１０１の位置ｘとの間の関係を直線的な関係にすることが可能となる。

例えばリニアモータ１００に位置検出装置１を組み付ける際に、作業者は、以下のようにすることを例示することができる。
例えば、１（Ｖ）印加することで、固定子１０２に対して可動子１０１を１（ｍｍ）移動させることが可能な治具を用いる。
そして、この治具を用いて１（Ｖ）印加したときの電圧差ΔＶ１と、２（Ｖ）印加したときの電圧差ΔＶ２とが比例関係（ΔＶ１＝ΔＶ２／２）になるように、端子間の抵抗値を変更すると良い。

このように、位置検出装置１によれば、抵抗９１と抵抗９２との個体差により、抵抗９１の抵抗値と抵抗９２の抵抗値とが異なっていたとしても、可変抵抗器９３の端子間の抵抗値を変更することで、Ｒ１＝Ｒ２とすることができる。それゆえ、位置検出装置１によれば、可変抵抗器９３を備えていない構成と比較して、確度高く電圧差ΔＶと位置ｘとの間の関係を直線的な関係にすることが可能となる。その結果、位置検出装置１によれば、被測定体である可動子１０１の位置を精度高く検出することができる。

また、第１の実施形態に係る位置検出装置１によれば、発光部１０からの光の光度が、電圧印加部９０の出力電圧Ｖｃと目標電圧設定部８０にて設定された目標電圧とによって規定されることとなる。
目標電圧設定部８０は、一方の端部側の抵抗値と他方の端部側の抵抗値との比率、つまり、端子間の抵抗値を変更することが可能な可変抵抗器８３を有している。それゆえ、例えばリニアモータ１００に位置検出装置１を組み付ける作業者は、以下のようにすることで、発光部１０からの光の光度を調整することが可能である。

すなわち、作業者は、１（Ｖ）印加することで、固定子１０２に対して可動子１０１を１（ｍｍ）移動させることが可能な治具を用いる。そして、作業者は、この治具を用いて１（Ｖ）印加したときの電圧差ΔＶが、予め定められた規定値（例えば１（Ｖ））となるように、可変抵抗器８３の端子間の抵抗値を変更すると良い。このように、第１の実施形態に係る位置検出装置１によれば、例えば、固定子１０２に対して可動子１０１が所定値（例えば１（ｍｍ）移動したときの、電圧差ΔＶが規定値（例えば１（Ｖ））となるように、確度高く合わせることができる。

また、目標電圧設定部８０は、外部から抵抗値を変更可能な可変抵抗器８３を有し、積分回路７０に入力される電圧を調整可能な可変電圧部に加えて、基準電圧回路８６と抵抗８７とを有し、積分回路７０に固定電圧を入力する固定電圧部を備えている。これにより、例えば、可変抵抗器８３の抵抗値が操作されて、抵抗８５に印加される電圧が最も大きくなった場合であっても、積分回路７０に入力される電圧が負の電圧となることが抑制される。その結果、第１の実施形態に係る位置検出装置１によれば、基準電圧回路８６と抵抗８７とを有していない構成と比較して、確度高く発光部１０から発光させることができる。

以上、説明したように、第１の実施形態に係る位置検出装置１は、光を発生させる発光手段の一例としての発光部１０と、発光部１０から発光された光を受光した位置に応じた２つの電流信号を発生する受光素子の一例としてのＰＳＤ２０と、を備えている。また、位置検出装置１は、２つの電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する２つの変換部の一例としての電流電圧変換回路３１及び電流電圧変換回路３２と、電流電圧変換回路３１及び電流電圧変換回路３２それぞれから出力される電圧の電圧差ΔＶを位置検出信号として出力する減算部４０と、を備えている。また、位置検出装置１は、電流電圧変換回路３１及び電流電圧変換回路３２それぞれからの電圧を予め定められた割合（例えば１：１）で加算した合計電圧（Ｖａ＋Ｖｂ）を出力可能なように、外部から抵抗値を変更可能な可変抵抗器９３を備えている。また、位置検出装置１は、可変抵抗器９３からの出力電圧Ｖｃを加味した電圧に基づいた電圧が印加される入力電極の一例としてのベース６１を有し、発光部１０に当該電圧に応じた光度の光を発生させるトランジスタ６０と、を備えている。

このように構成された位置検出装置１によれば、可変抵抗器９３を備えていない構成と比較して、確度高く、被測定体（例えば可動子１０１）の位置ｘと、位置検出信号との間の関係を直線的な関係にすることができる。それゆえ、位置検出装置１によれば、被測定体の位置を精度高く検出することができる。

ここで、可変抵抗器９３からの出力電圧を加味した電圧が入力され、入力された電圧を積分した積分電圧を出力する積分回路７０をさらに備え、トランジスタ６０は、ベース６１に積分電圧が印加され、当該積分電圧に応じた光度の光を発生させると良い。積分回路７０を用いることで、トランジスタ６０に、可変抵抗器９３からの出力電圧Ｖｃを加味した積分電圧に基づいた光度の光を発生させることが可能となる。
ただし、可変抵抗器９３からの出力電圧を加味した電圧に基づいた電圧をトランジスタ６０のベース６１に印加するのは、積分回路７０に限定されない。

＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態に係る位置検出装置２の概略構成の一例を示す図である。
第２の実施形態に係る位置検出装置２は、第１の実施形態に係る位置検出装置１に対して、目標電圧設定部８０に相当する目標電圧設定部２８０が異なる。以下、位置検出装置２について、位置検出装置１と異なる点について説明する。位置検出装置２と位置検出装置１とで、同じ機能を有するものについては同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

目標電圧設定部２８０は、目標電圧設定部８０に対して、可変抵抗器８３及び抵抗８５を備えていない点が異なる。
つまり、積分回路７０の増幅器７１の反転入力端子には、電圧印加部９０からの出力電圧と、基準電圧回路８６及び抵抗８７を介して印加される電圧とを加算した電圧が印加される。その結果、トランジスタ６０のベース６１には、電圧印加部９０からの出力電圧Ｖｃと、基準電圧回路８６の負の電圧−Ｖｅ及び抵抗８７の抵抗値により定まる目標電圧Ｖｍとに応じた積分電圧が自動的に印加され、発光部１０からの光の光度は、この積分電圧に応じた光度に自動的に調整されることとなる。
これらの動作により、積分回路７０の入力電圧Ｖｔは、常に零（０（Ｖ））となるように自動的に調整されることとなる。言い換えると、電流電圧変換回路３１から出力される電圧Ｖａと、電流電圧変換回路３２から出力される電圧Ｖｂは、常に適正な電圧となるように自動的に調整されることとなる。
それゆえ、位置検出装置１は、温度変化や経年変化の影響を受けずに、被測定体の位置を精度高く検出することができる。

第２の実施形態に係る位置検出装置２においても、Ｒ１＝Ｒ２となるように、可変抵抗器９３の出力端子９４の位置を調整することにより、図３に示すように、電圧差ΔＶと可動子１０１の位置ｘとの間に直線性を得ることが可能である。
それゆえ、第２の実施形態に係る位置検出装置２によれば、抵抗９１と抵抗９２との個体差により、抵抗９１の抵抗値と抵抗９２の抵抗値とが異なっていたとしても、可変抵抗器９３の端子間の抵抗値を変更することで、Ｒ１＝Ｒ２とすることができる。その結果、位置検出装置２によれば、可変抵抗器９３を備えていない構成と比較して、確度高く、被測定体（例えば可動子１０１）の位置ｘと、位置検出信号（電圧差ΔＶ）との間の関係を直線的な関係にすることができる。それゆえ、位置検出装置２によれば、被測定体の位置を精度高く検出することができる。

位置検出装置１において、電圧印加部９０が有する抵抗９１の抵抗値は１０ｋ（Ω）、抵抗値９２の抵抗値は１０ｋ（Ω）、可変抵抗器９３の抵抗値（調整幅）は０〜５００（Ω）であり、目標電圧設定部８０が有する抵抗８５の抵抗値は１００ｋ（Ω）、抵抗８７の抵抗値は２０ｋ（Ω）、可変抵抗器８３の抵抗値（調整幅）は０〜１０ｋ（Ω）、電圧Ｖｅは１０（Ｖ）である、ことを例示することができる。

１，２…位置検出装置、１０…発光部、２０…半導体位置検出素子、３１…電流電圧変換回路、３２…電流電圧変換回路、５０…光度調整部、６０…トランジスタ、６１…ベース、６２…エミッタ、６３…コレクタ、７０…積分回路、８０，２８０…目標電圧設定部、８３…可変抵抗器、９０…電圧印加部、９３…可変抵抗器

Claims (2)

1. 光を発生させる発光手段と、
   前記発光手段から発光された光を受光した位置に応じた２つの電流信号を発生する受光素子と、
   前記２つの電流信号をそれぞれ電圧信号に変換する２つの変換部と、
   前記２つの変換部それぞれから出力される電圧の差を位置検出信号として出力する減算部と、
   前記２つの変換部それぞれから出力される電圧を予め定められた割合で加算した合計電圧を出力可能なように、抵抗値を変更可能な可変抵抗器と、
   前記可変抵抗器からの出力電圧を加味した電圧に基づいた電圧が印加される入力電極を有し、前記発光手段に当該電圧に応じた光度の光を発生させるトランジスタと、
   を備える位置検出装置。
2. 前記可変抵抗器からの出力電圧を加味した電圧が入力され、入力された電圧を積分した積分電圧を出力する積分回路をさらに備え、
   前記トランジスタは、前記入力電極に前記積分電圧が印加され、当該積分電圧に応じた光度の光を発生させる
   請求項１に記載の位置検出装置。

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