JP2021105552A - Position detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、位置検出装置に関する。 The present invention relates to a position detecting device.
例えば、特許文献1に記載された位置検出装置は、以下のように構成されている。すなわち、光源と、この光源の発光を受光しうる位置に配置された半導体位置検出素子とを有する位置検出装置において、周囲温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の温度検出信号に対応した基準信号を出力する基準信号発生回路と、基準信号発生回路からの基準信号に基づいて前記光源の駆動電流を制御する駆動電流制御部とを備えたことを特徴とする。 For example, the position detecting device described in Patent Document 1 is configured as follows. That is, in a position detecting device having a light source and a semiconductor position detecting element arranged at a position capable of receiving light emission of the light source, the temperature detecting means for detecting the ambient temperature and the temperature detecting signal of the temperature detecting means are supported. It is characterized by including a reference signal generation circuit that outputs the reference signal, and a drive current control unit that controls the drive current of the light source based on the reference signal from the reference signal generation circuit.
例えば、特許文献1に記載された位置検出装置において、被測定体の位置を精度高く検出するには、検出素子の受光位置に応じた2つの電流に応じた位置検出信号が、被測定体の位置に応じて予め定められた値となることが望まれる。
本発明は、位置検出信号が、被測定体の位置に応じて予め定められた値となるよう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。
For example, in the position detection device described in Patent Document 1, in order to detect the position of the object to be measured with high accuracy, the position detection signal corresponding to the two currents corresponding to the light receiving position of the detection element is used for the object to be measured. It is desired that the value becomes a predetermined value according to the position.
An object of the present invention is to provide a position detection device capable of causing a position detection signal to have a predetermined value according to the position of an object to be measured.
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加算した合計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、前記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、抵抗値を変更可能な可変抵抗器を有し、前記積分回路に入力される電圧が予め定められた電圧となるように設定可能な目標電圧設定手段と、を備える位置検出装置である。
ここで、前記目標電圧設定手段は、前記可変抵抗器を有し、前記積分回路に入力される電圧を調整可能な可変電圧部と、当該積分回路に固定電圧を入力する固定電圧部と、を備えていても良い。
The present invention completed for the above object has a light emitting means for generating light, a light receiving element for generating two current signals according to the position where the light emitted from the light emitting means is received, and the above two currents. Two conversion units that convert signals into voltage signals, a subtraction unit that outputs the difference between the voltages output from each of the two conversion units as a position detection signal, and a voltage output from each of the two conversion units. It has an integrator circuit that inputs a voltage that takes into account the added total voltage and outputs an integrated voltage that integrates the input voltage, and an input electrode to which the integrated voltage is applied, and the light emitting means responds to the integrated voltage. A target voltage setting means that has a transistor that generates light of a different luminosity, a variable resistor whose resistance value can be changed, and can be set so that the voltage input to the integrating circuit becomes a predetermined voltage. It is a position detection device provided with.
Here, the target voltage setting means includes a variable voltage unit that has the variable resistor and can adjust the voltage input to the integrating circuit, and a fixed voltage unit that inputs a fixed voltage to the integrating circuit. You may have it.
本発明によれば、位置検出信号が、被測定体の位置に応じて予め定められた値となるようにすることができる位置検出装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a position detection device capable of setting a position detection signal to a predetermined value according to the position of the object to be measured.
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。
図1は、実施の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。
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a position detection device 1 according to an embodiment.
The position detecting device 1 includes a
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。
It can be exemplified that the
It can be exemplified that the semiconductor
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。
Further, the position detection device 1 uses a current-
Further, the position detection device 1 includes a
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。
Further, the position detection device 1 has a luminous
The luminous
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。
In the
The integrating
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と、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。
The target
The target
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。
One end of the
Hereinafter, the output voltage of the
The output voltage Vc is a positive voltage based on the total voltage of the voltage Va output from the current-
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。
In the position detecting device 1 configured as described above, the input voltage of the
In the state immediately after the initial setting of the position detection device 1 (initial state), the absolute value of the output voltage Vc of the
From the initial state, the absolute value of the output voltage Vc of the
On the contrary, the absolute value of the output voltage Vc of the
The factor that causes the absolute value of the output voltage Vc to change in this way is, for example, a temperature change or a secular change of the position detection device 1.
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。
The voltage applied to the
Then, the output current Ia and the output current Ib from the
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。
Further, when the luminous intensity of the light from the
As a result, the voltage applied to the
By these operations, the input voltage Vt of the integrating
Therefore, the position detecting device 1 can detect the position of the object to be measured with high accuracy without being affected by the temperature change and the aging change.
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。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a state in which the
In the position detection device 1, the substrate on which the
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。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the position x of the
When light from the
The relationship between the incident position of light and the current of the output electrode is as shown in the following equation (1).
Va × (L−x) = Vb × (L + x) ・ ・ ・ (1)
L is the resistance length of the
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)
The resistance value obtained by adding the resistance value of the
The output voltage Vc of the
Vc = (R2 x Va + R1 x Vb) / (R1 + R2) ... (2)
Here, in the luminous
Vc = (R2 x Va + R1 x 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)
When Va and Vb are obtained by the formulas (1) and (3), Va is as shown in the following formula (4) and Vb is as shown in the following formula (5).
Va = (L + x) / (L + xx (R2-R1) / (R1 + R2)) ... (4)
Vb = (L-x) / (L + xx (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。
Then, the voltage difference ΔV is as shown in the following equation (6).
ΔV = Vb-Va = -2x / (L + xx (R2-R1) / (R1 + R2)) ... (6)
According to the equation (6), when R1 = R2, ΔV = -2x / L, so that the voltage difference ΔV is completely proportional to the position x of the
Therefore, as shown in FIG. 3, the voltage difference ΔV and the
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。
For example, when assembling the position detection device 1 to the
For example, a jig capable of moving the
Then, using this jig, the voltage difference ΔV1 when 1 (V) is applied and the voltage difference ΔV2 when 2 (V) is applied are in a proportional relationship (ΔV1 = ΔV2 / 2) between the terminals. It is good to change the resistance value of.
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。
As described above, according to the position detection device 1, even if the resistance value of the
また、実施の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。
Further, according to the position detection device 1 according to the embodiment, the luminous intensity of the light from the
The target
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、実施の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。
That is, the operator uses a jig capable of moving the
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不安定な電圧となることが抑制される。その結果、実施の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、安定して発光部10から発光させることができる。
Further, the target
以上、説明したように、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加算した合計電圧(Va+Vb)を加味した電圧Vtが入力され、入力された電圧Vtを積分した積分電圧を出力する積分回路70と、積分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に当該積分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。また、位置検出装置1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に入力される電圧が予め定められた電圧となるように設定可能な目標電圧設定手段の一例としての目標電圧設定部80を備えている。
As described above, the position detection device 1 generates two current signals, one is a
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83を備えていない構成と比較して、確度高く、位置検出信号が、被測定体(例えば可動子101)の位置に応じて予め定められた値となるよう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。
According to the position detection device 1 configured in this way, the accuracy is high as compared with the configuration without the
ここで、目標電圧設定部80は、積分回路70に入力される電圧を調整可能な可変電圧部の一例としての、基準電圧回路81,82、可変抵抗器83及び抵抗85と、積分回路70に固定電圧を入力する固定電圧部の一例としての基準電圧回路86及び抵抗87と、を備えている。これにより、安定して発光部10から発光させることができる。
Here, the target
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。
In the position detection device 1, the resistance value of the
1…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…目標電圧設定部、83…可変抵抗器、85,87…抵抗、86…基準電圧回路、90…電圧印加部、93…可変抵抗器 1 ... position detection device, 10 ... light emitting unit, 20 ... semiconductor position detection element, 31 ... current / voltage conversion circuit, 32 ... current / voltage conversion circuit, 50 ... photometric adjustment unit, 60 ... transistor, 61 ... base, 62 ... emitter, 63 ... Collector, 70 ... Integrator circuit, 80 ... Target voltage setting unit, 83 ... Variable resistor, 85, 87 ... Resistance, 86 ... Reference voltage circuit, 90 ... Voltage application unit, 93 ... Variable resistor
Claims (2)
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加算した合計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、
前記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、
抵抗値を変更可能な可変抵抗器を有し、前記積分回路に入力される電圧が予め定められた電圧となるように設定可能な目標電圧設定手段と、
を備える位置検出装置。 Light emitting means to generate light and
A light receiving element that generates two current signals according to the position where the light emitted from the light emitting means is received, and a light receiving element.
Two converters that convert the two current signals into voltage signals, respectively.
A subtraction unit that outputs the difference in voltage output from each of the two conversion units as a position detection signal, and a subtraction unit.
An integrator circuit that outputs an integrated voltage that is obtained by inputting a voltage that takes into account the total voltage obtained by adding the voltages output from each of the two conversion units and integrating the input voltage.
A transistor having an input electrode to which the integrated voltage is applied and causing the light emitting means to generate light having a luminous intensity corresponding to the integrated voltage.
A target voltage setting means that has a variable resistor whose resistance value can be changed and can be set so that the voltage input to the integrating circuit becomes a predetermined voltage.
A position detector comprising.
請求項1に記載の位置検出装置。 The target voltage setting means has the variable resistor and includes a variable voltage unit that can adjust the voltage input to the integrating circuit and a fixed voltage unit that inputs a fixed voltage to the integrating circuit. The position detection device according to claim 1.
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