JP2799326B2 - ２軸光位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は発光素子の光出力を結合光学系を介して遠隔
位置の被測定対象に投射し、その反射光を受光素子によ
って受光することにより、被測定対象の変位を検出する
２軸光位置検出装置に関する。

（従来の技術） 遠隔位置にある対象物の変位を検出する装置として
は、各種電気的な検出器と電気的な信号手段を用いたも
のが従来より存在する。

これらは、電気信号によって検出し、遠隔位置に伝送
するものであるので、防爆性を要求される環境では、完
全シール等の防爆対策を施す必要があった。また伝送距
離が長くなると、伝送ケーブルによる電力損失が生じ、
伝送信号が微少信号では電磁干渉雑音の影響を受けやす
かった。

また、電気ケーブルは光ファイバとの比較では、重量
と耐熱性に劣るという問題があった。

これら問題を解決するものとして、光ファイバを伝送
路に用い、光によってその変位を検出する装置が種々提
案された。

その一つとして、伝送路に光ファイバを用い、検出器
には符号化部を形成しているエンコーダの前後に投光部
および受光部を配置したものがある（1985年10月 第23
回飛行機シンポジウム,2F10搭載型光トランスデューサ
の試作）。しかしながら、この提案の位置検出部は透過
光を用いているため、エンコーダプレートの両側に上述
のように投受光の光学系を配置する必要があり、小型化
に難点があった。また、２軸の位置を検出できる光位置
検出装置は存在しなかった。

（発明が解決しようとする課題） そこで、本件発明者等は自己結合効果を有する半導体
レーザ（LD）を用いて、反射パターンにより対象物の変
位を検出し、光伝送ケーブルによってこれら光信号を送
受する装置を提案した。これによれば、上述のすべての
問題は解決されるものの、価格およびS/Nの点で不充分
であった。すなわち、半導体レーザの自己結合効果を用
いているので、レーザ光の偏波面を保持したまま光の伝
送を行なわなければならず、特殊なファイバを用いる必
要があり、装置全体の価格を押し上げていた。また、自
己結合効果の信号を用いているため、基準出力光に対す
る信号光が小さく、S/Nが小さかった。

本発明の目的は、上記諸問題を解決するため、発光素
子の出力光を遅延素子を含む結合光学系を介して対象物
に対し投光し、その反射光を同じ結合光学系を経由させ
て受光素子に受光させ各ビットの反射の有無によってパ
ターンを認識することにより対象物の変位を検出する光
位置検出装置を用い、これを２軸の変位機構の各軸に配
置することにより従来存在しなかった２軸の光位置検出
装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明による２軸光位置検
出装置は変位部が直列に接続され、変位方向が90度異な
る２軸の変位機構の各軸方向の変位を検出するため各軸
にそれぞれ光位置検出装置を配置し、前記光位置検出装
置は発光素子と、受光素子と、一方端には２つのポート
を、他方端には１つのポートをそれぞれ有し、前記２つ
のポートは前記発光素子の出力と前記受光素子の入力に
それぞれ接続された第１の分岐結合器と、前記第１の分
岐結合器の他方端のポートに接続された伝送用光ファイ
バケーブルと、一方端には１つのポートを、他方端には
多数のポートをそれぞれ有し、前記一方端のポートは前
記伝送用光ファイバケーブルの他端に接続された第２の
分岐結合器と、前記第２の分岐結合器の他端の多数のポ
ートにそれぞれ接続され、遅延時間がそれぞれ異なる遅
延素子群と、被測定物に取り付けられ、反射率の差によ
って形成される表面パターンを持つアブソリュートエン
コーダと、前記遅延素子群にそれぞれ接続され、前記各
遅延素子からの光出力を前記アブソリュートエンコーダ
のそれぞれ対応するビットのパターン上に集光させ、そ
の反射光を集光させた同一の光学素子に入射する光学素
子群とから構成し、前記各軸のアブソリュートエンコー
ダは前記それぞれの変位部に固定するとともに前記各ア
ブソリュートエンコーダに対面する光学系の入出射部は
前記変位部に従動しない部材に固定し、かつ、他の軸の
変位によって出力が変化しないように一方の軸のアブソ
リュートエンコーダの各ビットのパターンを測定方向と
90度異なる方向に延設して構成してある。

また、変位部が直列に接続され、変位方向が90度異な
る２軸の変位機構の各軸方向の変位を検出するため各軸
にそれぞれ光位置検出装置を配置し、前記光位置検出装
置は発光素子と、受光素子と、一方端には２つのポート
を、他方端には１つのポートをそれぞれ有し、前記２つ
のポートは前記発光素子の出力と前記受光素子の入力に
それぞれ接続された第１の分岐結合器と、前記第１の分
岐結合器の他方端のポートに接続された伝送用光ファイ
バケーブルと、一方端には１つのポートを、他方端には
多数のポートをそれぞれ有し、前記一方端のポートは前
記伝送用光ファイバケーブルの他端に接続された第２の
分岐結合器と、前記第２の分岐結合器の他端の多数のポ
ートにそれぞれ接続され、遅延時間がそれぞれ異なる遅
延素子群と、被測定物に取り付けられ、反射率の差によ
って形成される表面パターンを持つアブソリュートエン
コーダと、前記遅延素子群にそれぞれ接続され、前記各
遅延素子からの光出力を前記アブソリュートエンコーダ
のそれぞれ対応するビットのパターン上に集光させ、そ
の反射光を集光させた同一の光学素子に入射する光学素
子群とから構成し、前記各軸のアブソリュートエンコー
ダおよび前記各アブソリュートエンコーダに対面する光
学系の入出射部の少なくとも一方を前記それぞれの変位
部に固定するように構成してある。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明をさらに詳しく説明す
る。第１図は本発明に用いる光位置検出装置の実施例を
示すブロック図である。

投受光部は発光素子1,光学素子2,3,受光素子４および
２×１分岐結合器５より構成されている。

発光素子１の光出力は光学素子２によって集光され、
２×１分岐結合器５の２ポート側の一方のポート5aに導
かれる。分岐結合器５のポート5aに入射した光はさらに
ポート5cより光ファイバケーブル６に導かれる。

一方、光ファイバケーブル６より２×１分岐結合器５
のポート5cに入射した光は、ポート5bを経由して光学素
子３に導かれ、光学素子３によって受光素子４の受光面
に集光される。

位置検出部は１×ｎ分岐結合器7,遅延素子群8,光学素
子群９およびアブソリュートエンコーダ10より構成され
ている。

１×ｎ分岐結合器７により分岐させられ、ポート７−
１〜７−ｎにそれぞれ出射する光はそれぞれ遅延素子８
−１〜８−ｎによって異なる時間遅延させられる。すな
わち一定時間ずつ遅延した光遅延パルスが作られる。各
遅延素子８−１〜８−ｎより出射する光遅延パルスは各
光学素子９−１〜９−ｎによって集光され、それぞれア
ブソリュートエンコーダの表示パターンに照射される。

アブソリュートエンコーダ10の表示パターンはひとつ
のコードを形成する＃１〜＃ｎのビットパターンよりな
るビット列（ビットを桁方向に並べて形成した１列のビ
ット群、以下、これを「ビット列」という）を多数横に
配列して構成されている。表示パターンの各ビット列が
表すコードは被対象物の変位の絶対位置を示す。

光学素子９−１〜９−ｎよりそれぞれ出射される光は
各光学素子にそれぞれ対向するビット列の＃１〜＃ｎの
ビットパターン位置に当てられる。

第１図において、アブソリュートエンコーダ10が取り
つけられている被対象物の変位方向は紙面の表裏方向で
ある。したがって、被対象物が変位すると、ビット列は
横方向に移動し光学素子群から出射する光は、変位に対
応したビット列を照射することになる。以上により被対
象物の変位を検出することができる。

各ビットパターンの1,0の判別は反射率の差を利用し
ている。例えば、１を表示するビットパターンは反射率
の大きい面が、０を表示するビットパターンは反射率の
小さい面がそれぞれ用いられる。

各ビットパターンで反射した光はそれぞれ照射した光
学素子と同じ光学素子に戻り、遅延素子群８を経由して
分岐結合器７により結合され、光ファイバケーブル６に
導かれる。この径路で再度遅延素子群を通るため、各ビ
ット対応の反射光遅延パルス間の時間間隔はさらに大き
くなり、分岐結合器７でそれぞれ一定時間ずつ遅延させ
られた並列光パルスはシリアル光パルスに変換される。
光ファイバケーブル６を通ったシリアル光パルスは、分
岐結合器５を経由し、さらに光学素子３を通って受光素
子４に入射する。

受光素子４で受光したシリアル光パルスは図示しない
処理部等によってそのコードが読み出され、絶対位置が
検出される。

第３図は、光パルスの動作タイミングを説明するため
のタイミングチャートである。

クロックに基づきゲートが開かれ、ゲート時間だけ発
光素子１より光源パルスが出力される。この光源パルス
は分岐結合器７によって＃１〜＃ｎの光パルスに分岐さ
れ、遅延素子群８によって往復遅延させられ、受光素子
に入射する光は受光パルス＃１〜＃ｎとなる。入射した
ビットパターンに反射がなければ、そのビットパターン
による受光パルスはでない。

シリアルデータが読み込まれると、再度ゲートが開か
れ光源パルスが出力されて位置検出動作が繰り返され
る。

第２図は本発明による２軸光位置検出装置の第１の実
施例を示す図である。

この例は互いに直角方向に変位する操縦桿40に適用し
たものである。第１図で示す光位置検出装置をφ方向と
θ方向に設置してある。

φ方向は40a部を支点に左右に位置変化する。θ方向
は40bを支点に前後に位置変化する。φ方向の変位を検
出するためのアブソリュートエンコーダ20の表示パター
ンは40a部の上側の前面に貼設されている。

一方、θ方向の変位を検出するためのアブソリュート
エンコーダ30の表示パターンは40b部の上側の後面に突
出した突出平面の上に貼設されており、それぞれ測定方
向に対しては他軸の変化の影響を受けない位置関係とな
っている。

アブソリュートエンコーダ20の表示パターンは上下方
向がビット列になっており、その直角方向（測定方向）
に多数のビット列が並んでいる。

光学素子群19は操縦桿40の筐体（図示してない）に設
置されており、アブソリュートエンコーダ20の表示パタ
ーンのビット列の方向に配置されている。

上述の筐体は操縦桿40に従動することはない。操縦桿
40がφ方向に操作されると、ビット列が動くので、動い
た位置のビット列のビットパターンがコード光学素子群
19に読み込まれ、操縦桿40のφ方向の絶対位置を検出で
きる。

この表示パターン20の位置はθ方向の支点の下側にあ
り、θ方向の操縦桿40の操作に対し影響を受けない場所
である。

操縦桿40がθ方向に操作された場合、θ方向の支点は
上にあり、表示パターン20は全く影響を受けない。

光学素子群19は遅延素子群18に接続され、さらに１×
ｎ分岐結合器17に接続されている。１×ｎ分岐結合器17
は光ファイバケーブル16を経由して第２図（ｂ）に示す
分岐結合器15に接続され、光学素子12および13を介して
発光素子11および受光素子14に接続されている。

アブソリュートエンコーダ30の表示パターンはφ方向
がビット列になっており、その直角方向（測定方向）に
多数のビット列が並んでいる。

光学素子群29は操縦桿40の筐体（図示してない）に設
置されており、アブソリュートエンコーダ30の表示パタ
ーンのビット列の方向に配置されている。

上述の筐体も操縦桿40に従動することはない。操縦桿
40がθ方向に操作されると、φ方向の変位位置検出と同
様θ方向の絶対位置を検出できる。この表示パターン30
はφ方向の操縦桿40の操作に対し影響を受けない位置関
係になっていることはθ方向の表示パターンの設置位置
と同様である。

しかしながら、操縦桿40がφ方向に最大限操作された
場合、表示パターン30は影響を受ける可能性がある。

そこで操縦桿40がφ方向に最大限操作されたとして
も、各光学素子が照射する位置がそのビットパターンよ
り外れないように各ビットパターンのビット列方向の領
域を拡大してある。このように構成することにより、何
れ方向の測定においても誤読取りを最大限防止できる。

なお、θ方向の光学素子群29の接続構成はφ方向のそ
れと同様である。

第４図は本発明による２軸光位置検出装置の第２の実
施例を示す図である。

この実施例は操縦桿のφ方向およびθ方向の変位を検
出するアブソリュートエンコーダおよび光学系の入出射
部が固定される位置が第１の実施例とは異なっている。
他の構成は第１の実施例と変わらないので省略してあ
る。

この実施例は各軸が他の軸の変位の影響を受けること
のない例である。

実際に装置を構成する場合、第１または第２の実施例
の何れかを適用するかは適用される対象物の仕様に左右
されることになる。

アブソリュートエンコーダ42および光学素子群43はθ
方向の変位を、アブソリュートエンコーダ44および光学
素子群45はφ方向の変位をそれぞれ検出する。

光学素子群45は操縦桿41の基部41aの前面に固着され
ており、この部分は操縦桿41がいずれの軸に操作されて
も影響を受けない。アブソリュートエンコーダ44は操縦
桿41の中間部41bの前面に固着されており、操縦桿41の
θ方向の操作の影響は受けず、操縦桿41のφ方向の操作
に従ってφ方向に変位する。

したがって、θ方向の操作の影響を受けることなく操
縦桿41のφ方向の変位を検出できる。

光学素子群43は操縦桿41の中間部41bの側面に固着さ
れており、この部分は操縦桿41がθ方向に操作されても
影響を受けず、また、φ方向の操作にしたがってφ方向
に変位する。

アブソリュートエンコーダ42は操縦桿41の把持部41c
の側面に固着されており、操縦桿41のθ方向の操作にし
たがってθ方向に変位し、φ方向の操作に従ってφ方向
に変位する。

したがって、結果的にφ方向の操作の影響を受けずに
θ方向の変位を検出でき、第１の実施例のように誤読取
を防止するためにアブソリュートエンコーダ42のパター
ンをビット列方向に拡大する必要はない。

（発明の効果） 以上、説明したように本発明は光信号によって被対象
物の変位を検出し、光ファイバケーブルを介して光信号
の投光および受光を行う構成であるので、防爆性，電磁
干渉および重量等の問題を解決できることは勿論、エン
コーダ上のパターンの反射の有無を受光素子で検出する
構成であるので透過光を用いた装置に比較し、位置検出
部を設ける光学系の部品点数は少なく済み、小型化が可
能となる。

また、受光専用の素子を用いているため、自己結合効
果の半導体レーザを用いた装置と比較した場合、部品点
数は少し多くなるものの特殊な光ファイバ（偏波保持フ
ァイバ）を使用する必要がなくコストダウンが可能で伝
送距離も長くできる。さらに、光学素子群を２軸測定対
象物に固着できないものに対しては、第１の実施例を採
用し、光学素子群も２軸測定対象物に固着できる場合は
第２の実施例を採用することにより種々の２軸の変動機
構に幅広く適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる光位置検出装置の実施例を示す
ブロック図，第２図は本発明による２軸光位置検出装置
の第１の実施例を示す概略斜視図，第３図は装置の動作
を説明するためのタイミングチャート，第４図は本発明
による２軸光位置検出装置の第２の実施例を示す概略斜
視図である。 1,11,21……発光素子 2,3,12,13,22,23……光学素子 4,14,24……受光素子 5,15,25……第１の分岐結合器 6,16,26……光ファイバケーブル 7,17,27……第２の分岐結合器 8,18,28……遅延素子群 9,19,29,43,45……光学素子群 10,20,30,42,44……アブソリュートエンコーダ 40,41……操縦桿

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新井 裕 東京都八王子市めじろ台２―２ めじろ 台マンション112号 (72)発明者 中沢 裕 東京都八王子市久保山町１―39―２―２ ―305 (72)発明者 内川 五十六 岐阜県各務原市川崎町１番地 川崎重工 業株式会社岐阜工場内 (72)発明者 奥山 由身 岐阜県各務原市川崎町１番地 川崎重工 業株式会社岐阜工場内 (72)発明者 西出 健一 東京都狛江市和泉本町１丁目35番１号 東京航空計器株式会社内 (72)発明者 野島 義雄 東京都狛江市和泉本町１丁目35番１号 東京航空計器株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−141315（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−159604（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−40334（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01D 5/26 - 5/38 G06F 3/033 - 3/037 370

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変位部が直列に接続され、変位方向が90度
   異なる２軸の変位機構の各軸方向の変位を検出するため
   各軸にそれぞれ光位置検出装置を配置し、前記光位置検
   出装置は発光素子と、受光素子と、一方端には２つのポ
   ートを、他方端には１つのポートをそれぞれ有し、前記
   ２つのポートは前記発光素子の出力と前記受光素子の入
   力にそれぞれ接続された第１の分岐結合器と、前記第１
   の分岐結合器の他方端のポートに接続された伝送用光フ
   ァイバケーブルと、一方端には１つのポートを、他方端
   には多数のポートをそれぞれ有し、前記一方端のポート
   は前記伝送用光ファイバケーブルの他端に接続された第
   ２の分岐結合器と、前記第２の分岐結合器の他端の多数
   のポートにそれぞれ接続され、遅延時間がそれぞれ異な
   る遅延素子群と、被測定物に取り付けられ、反射率の差
   によって形成される表面パターンを持つアブソリュート
   エンコーダと、前記遅延素子群にそれぞれ接続され、前
   記各遅延素子からの光出力を前記アブソリュートエンコ
   ーダのそれぞれ対応するビットのパターン上に集光さ
   せ、その反射光を集光させた同一の光学素子に入射する
   光学素子群とから構成し、前記各軸のアブソリュートエ
   ンコーダは前記それぞれの変位部に固定するとともに前
   記各アブソリュートエンコーダに対面する光学系の入出
   射部は前記変位部に従動しない部材に固定し、かつ、他
   の軸の変位によって出力が変化しないように一方の軸の
   アブソリュートエンコーダの各ビットのパターンを測定
   方向と90度異なる方向に延設したことを特徴とする２軸
   光位置検出装置。
2. 【請求項２】変位部が直列に接続され、変位方向が90度
   異なる２軸の変位機構の各軸方向の変位を検出するため
   各軸にそれぞれ光位置検出装置を配置し、前記光位置検
   出装置は発光素子と、受光素子と、一方端には２つのポ
   ートを、他方端には１つのポートをそれぞれ有し、前記
   ２つのポートは前記発光素子の出力と前記受光素子の入
   力にそれぞれ接続された第１の分岐結合器と、前記第１
   の分岐結合器の他方端のポートに接続された伝送用光フ
   ァイバケーブルと、一方端には１つのポートを、他方端
   には多数のポートをそれぞれ有し、前記一方端のポート
   は前記伝送用光ファイバケーブルの他端に接続された第
   ２の分岐結合器と、前記第２の分岐結合器の他端の多数
   のポートにそれぞれ接続され、遅延時間がそれぞれ異な
   る遅延素子群と、被測定物に取り付けられ、反射率の差
   によって形成される表面パターンを持つアブソリュート
   エンコーダと、前記遅延素子群にそれぞれ接続され、前
   記各遅延素子からの光出力を前記アブソリュートエンコ
   ーダのそれぞれ対応するビットのパターン上に集光さ
   せ、その反射光を集光させた同一の光学素子に入射する
   光学素子群とから構成し、前記各軸のアブソリュートエ
   ンコーダおよび前記各アブソリュートエンコーダに対面
   する光学系の入出射部の少なくとも一方を前記それぞれ
   の変位部に固定するように構成したことを特徴とする２
   軸光位置検出装置。