JP3168281B2

JP3168281B2 - 移動体の移動基準位置検出方法および装置および移動基準位置検出用光学ユニット

Info

Publication number: JP3168281B2
Application number: JP13917792A
Authority: JP
Inventors: 寛小林; 晴彦町田; 友行山口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 2001-05-21
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: JPH0658777A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は移動体の移動基準位置
検出方法および装置、および移動基準位置検出用光学ユ
ニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】回転や平行移動を行う移動体の移動量を
検出することは、各種エンコーダーや精密制御の技術に
おいて広く行われている。このような移動量検出におい
ては、移動の基準となる「移動基準位置」の検出精度の
如何により移動量検出精度が左右される。「移動基準位
置」を検出する方法は従来から種々知られているが（例
えば、特開昭５５−１２４０３号公報、特開平２−８５
７１９号公報）、これら従来法で得られる基準位置信号
は「ピークの回りに広がりを持った山形の信号」で、信
号の広がり幅がかなり大きいため、移動基準位置の精度
を高めるのが容易でないという問題があった。

【０００３】発明者らは、先に移動基準位置を極めて高
精度に検出できる「移動体の移動基準位置検出方法」を
提案した（特願平３−５１６４８号）。この発明は、こ
の方法の改良に係るものであるので、以下に上記方法を
簡単に説明する。

【０００４】図４（Ａ）において、符号１は、細板状も
しくはベルト状の「移動体」を示している。移動体１は
矢印方向を移動方向として移動するが、図示のように基
準位置：Ａを境として、ピッチが互いに異なる２種の格
子パターンＰ１，Ｐ２が移動方向に互いに前後して形成
されている。

【０００５】移動体１に単色光Ｌを照射すると、反射光
（回折の０次光Ｌ₀）の外に「格子パターンによる回折
光」が発生する。格子パターンＰ１，Ｐ２は互いにピッ
チが異なるから、各格子パターンによる回折光の回折角
は互いに異なる。図４（Ｉ）において符号Ｌ₁₁は格子パ
ターンＰ１による＋１次の回折光を示し、符号Ｌ₂₁，Ｌ
₂₂は、それぞれ、格子パターンＰ２による＋１次と−１
次の回折光を示している。図４（Ａ）に図示されてはい
ないが、格子パターンＰ１による−１次の回折光も発生
することは言うまでもない。同図に示すようにフォトセ
ンサーＰＳ１，ＰＳ２を、それぞれ回折光Ｌ₁₁，Ｌ₂₁を
受光するように配置し、単色光Ｌを照射しつつ移動体１
を矢印方向へ移動させる。

【０００６】すると、単色光Ｌは先ず、格子パターンＰ
１のみを照射するから、最初は０次光の他には、格子パ
ターンＰ１による回折光Ｌ₁₁が発生してフォトセンサー
ＰＳ１により受光される。移動体がさらに移動して、格
子パターンＰ１，Ｐ２の境目の部分Ａが単色光Ｌの照射
領域に入ると、格子パターンＰ１，Ｐ２の双方から回折
光が発生し、回折光Ｌ₁₁，Ｌ₂₁が、それぞれフォトセン
サーＰＳ１，ＰＳ２により受光される。移動体１が更に
矢印方向へ移動すると、やがて単色光Ｌは格子パターン
Ｐ２のみを照射するようになり、回折光Ｌ₂₁のみがフォ
トセンサーＰＳ２で検出されるようになる。

【０００７】移動体１が上記の如く移動するのに伴い、
フォトセンサーＰＳ１，ＰＳ２の出力が時間とともに、
それぞれ図４（Ｂ），（Ｃ）のように変化することは容
易に理解されよう。図４（Ｂ）において符号Ｈ１で示す
差をフォトセンサーＰＳ１の出力の「変化幅」と呼び、
同図（ＩＩＩ）のＨ２をフォトセンサーＰＳ２の出力の
「変化幅」と呼ぶ。格子パターンＰ１，Ｐ２による回折
効率は必ずしも等しいとは限らないので、一般には変化
幅Ｈ１，Ｈ２は互いに等しくはない。

【０００８】フォトセンサーＰＳ１，ＰＳ２の出力は図
４（Ａ）に示すように基準位置信号発生回路１０に入力
される。基準位置信号発生回路１０は図４（Ｄ）に示す
如き構成となっており、抵抗Ｒ１，Ｒ２を適当に調整す
ることにより、フォトセンサーＰＳ１，ＰＳ２の「出力
の変化幅が互いに略等しくなる」ように調整される。こ
のように調整された出力はコンパレーター１１０に入力
される。図４（Ｅ）に示す信号Ｓ１，Ｓ２は上記の如
く、変化幅が互いに略等しくなるように調整された出力
である。

【０００９】コンパレーター１１では、入力してくる信
号Ｓ１，Ｓ２を減算処理する。入力信号の極性は、Ｓ１
が「正」となり、Ｓ２が「負」となる（またはその逆で
ある）。図４（Ｅ）に破線で示す０レベルが｜Ｓ１｜と
｜Ｓ２｜の等価レベルである。このためコンパレーター
１１で減算処理を行うと、信号Ｓ１，Ｓ２の交差点の左
側では｛Ｓ１−Ｓ２｝、右側では｛Ｓ２−Ｓ１｝とな
る。信号Ｓ１，Ｓ２は、互いに変化幅が略等しいため、
演算処理の結果は図４（Ｆ）に実線で示すようなステッ
プ状の信号となる。この信号を「基準位置信号」と呼
ぶ。基準位置信号のステップの立ち下がりは、図４
（Ｅ）における信号Ｓ１，Ｓ２の交差部に対応する。こ
のステップの立ち下がり部は、移動体１における基準位
置：Ａに必ずしも厳密に対応するものではないが、発生
位置は基準位置を含む極めて狭い空間領域であり、従っ
て基準位置信号を移動体の基準位置と対応させることに
より、極めて高い精度で移動体の基準位置を検出でき
る。

【００１０】なお、コンパレーター１１における減算処
理の極性を入れ替えるか、あるいはコンパレーター１１
の出力を反転すれば、基準位置に対応してステップ状に
立ち上がる基準位置信号を得ることができる。

【００１１】さて、移動体の表面に照射する単色光は、
原理的には、集束光束、平行光束、発散光束のいずれの
態様でもよいが、実用的な観点からすると、あまり発散
性が強くない光束であることが望ましい。発散性の強い
光の場合、フォトセンサーに入射する１次光の強度が小
さくなり高い検出精度を得るのが難しいからである。

【００１２】単色光源として一般的なＬＤやＬＥＤから
の光は、一般的に発散性が強いから集光レンズを介して
発散性を弱め、平行光束あるいは、これに近い光束もし
くは集束光束として移動体表面に照射するのが良い。

【００１３】このように、単色光源と移動体との間に集
光レンズを配するには、そのためのスペースが必要であ
るが、単に単色光源と移動体との間にレンズを配する
と、移動体表面と単色光源との間の距離が大きくなり、
移動体を含めた検出装置全体が大型化しやすい。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑みてなされたものであって、移動体の移動基準位
置を精度良く検出でき、検出装置の小型化が可能な、移
動体の移動基準位置検出方法および、この方法を実施す
るための装置、さらに移動基準位置検出用光学ユニット
の提供を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明の移動体の移動
基準位置検出方法は「基準位置を境として、ピッチの異
なる２種の格子パターンを移動方向に形成された移動体
に、単色光源からの単色光を集光レンズを介して照射
し、２種の格子パターンのそれぞれによる回折光を別個
に受光し得る位置に設けられた２個のフォトセンサーの
出力を、その変化幅が略等しくなるように調整してコン
パレーターに入力させることにより、基準位置に対応し
てステップ的に変化する基準位置信号を発生させ、移動
体における基準位置を検出する移動基準位置検出方法」
であって、以下の点を特徴とする。

【００１６】即ち、「移動体表面に直交する方向と、移
動体表面の移動方向とに直交する方向に光軸を実質的に
平行にして集光レンズを配し、この集光レンズを介して
単色光源と反射面とを対向させ、単色光源からの光束を
集光レンズにより集光し、反射面により反射して移動体
に照射する」のである（請求項１）。

【００１７】上記請求項１記載の方法においては、反射
面による反射光束が「移動体表面に直交し、集光レンズ
光軸を含む面内」で移動体表面に照射されるようにする
ことができ（請求項２）、特に、「反射面による反射光
束が、移動体表面に略直交するように照射される」よう
にすることができる（請求項３）。これら請求項２また
は３記載の方法においては、２個のフォトセンサーを
「反射面による反射光束の、移動体表面に対する入射面
の同じ側」に配備してもよく（請求項４）、あるいは、
上記２個のフォトセンサーを「反射面による反射光束
の、移動体表面に対する入射面を介して、互いに逆側」
に配備してもよい（請求項５）。

【００１８】請求項６記載の「移動基準位置検出用光学
ユニット」は、上記請求項１〜５に記載された方法の実
施に用いられる光学ユニットであって、ロッドミラー
と、２個のフォトセンサーと、保持体とを有する。「ロ
ッドミラー」は、集光レンズを介して入射してくる光束
を移動体表面へ向けて反射する反射面を「斜め端面」と
して有する。「２個のフォトセンサー」は、移動体表面
の各格子パターンによる回折光を受光するためのもので
ある。「保持体」は、上記ロッドミラーと２個のフォト
センサーとを、一体的に保持する。

【００１９】請求項７記載の装置は、請求項１記載の移
動体の移動基準位置検出方法を実施する装置であって、
移動体が、「周面の最大曲率方向へ、基準位置を境とし
て、ピッチの異なる２種の格子パターンを形成され、軸
の回りに回転する円柱体」であり、光源および集光レン
ズと、請求項６記載の移動基準位置検出用光学ユニット
とを有することを特徴とする。

【００２０】

【作用】この発明では、単色光源からの光束は集光レン
ズを介して反射面に入射し、反射面により反射されて移
動体表面に照射される。集光レンズの光軸は「移動体表
面に直交する方向と、移動体表面の移動方向と」に直交
する方向に平行であるから、単色光源から移動体表面に
到る「必要な光路長」を確保しつつ、光源、集光レン
ズ、反射面と移動体表面との距離を小さくできる。

【００２１】

【実施例】図１は、この発明の方法を「円柱状の移動体
の移動基準位置検出」に適用した実施例を説明するため
の図である。この場合、移動体の移動は回転である。図
１（Ａ）において、移動体１０は円柱状で回転軸１１に
固定され、回転軸１１と一体に回転するようになってい
る。移動体１０の周面には、その最大曲率方向に、ピッ
チの異なる２種の格子パターンＰ１０，Ｐ２０が、基準
位置Ａ１を境にして形成されている。

【００２２】符号１５で示す集光レンズは、その光軸を
回転軸１１と平行にして移動体１０の表面近傍に、装置
空間に固定して設けられている。従って、集光レンズ１
５の光軸と回転軸１１の軸とを含む平面は移動体１０の
表面と直交する。また、回転軸１１が回転するとき、移
動体１０の周面は回転軸１１に直交する方向へ移動する
のであるから、集光レンズ１５の光軸は「移動体表面に
直交する方向と、移動体表面の移動方向とに直交する」
方向になっている。

【００２３】集光レンズ１５の一方の側の光軸上には、
単色光源であるＬＤ１３が固定的に配備され、他方の側
の光軸上に固定的に設けられたロッドミラー１７の反射
面１７Ａと集光レンズ１５を介して対向している。ロッ
ドミラー１７は棒状体の一端面を、長手方向に対して４
５度に傾くように形成し、この端面を反射面１７Ａとし
て研磨したものであり、長手方向が集光レンズ１５の光
軸と平行になり、且つ上記反射面１７Ａの法線が、集光
レンズ光軸と回転軸１１の軸とを含む平面内にあるよう
に配備される。

【００２４】従って、ＬＤ１３を発光させると、放射さ
れる発散性の単色光束は集光レンズ１５により集光され
てロッドミラー１７の反射面１７Ａに入射し、同反射面
により反射され、移動体１０の周面の格子パターン形成
部に、上記周面に直交するように照射される。

【００２５】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の状態を回転軸
方向からみた状態を示す。格子パターンＰ１０による回
折の１次光Ｌ₁₁と、格子パターンＰ２０による回折の１
次光Ｌ₂₁は、図のように、集光レンズ光軸と回転軸の軸
とを含む平面に対して傾いて発生するので、これらを受
光する位置にフォトダイオード１９Ａ，１９Ｂを配備す
る。

【００２６】ＬＤ１３を発光させつつ回転軸１１を回転
させ、フォトセンサー１９Ａ，１９Ｂの出力を図４に即
して説明したように処理すれば、基準位置Ａ１が照射さ
れるとき、図４（Ｆ）に即して説明したような「基準位
置信号」が発生し、基準位置を検出することができる。

【００２７】図２は、移動体が平板状（板やベルト）で
ある場合に、この発明の方法を適用した実施例を示して
いる。移動体１０には、その移動方向（矢印方向）に、
基準位置Ａ２を境として、互いにピッチの異なる２種の
格子パターンＰ１１，Ｐ２１が形成されている。集光レ
ンズ１５は、その光軸を「移動体表面に直交する方向
と、移動体表面の移動方向とに直交する」即ち、図面に
直交する方向に平行にして配備され、その光軸上にＬＤ
（図示されず）とロッドミラー１７とが、集光レンズ１
５を介して配備される。ＬＤ１３と集光レンズ１５とロ
ッドミラー１７および、これらの相対的な位置関係は図
１の実施例の場合と同様である。

【００２８】格子パターンＰ１１からは回折の１次光Ｌ
₁₁と−１次光Ｌ₁₂が、照射光入射面に関して対称的に発
生し、格子パターンＰ２１からは回折の１次光Ｌ₂₁と−
１次光Ｌ₂₂が、照射光入射面に関して対称的に発生す
る。この実施例では、２個のフォトセンサー１９Ａ，１
９Ｂは、上記１次光Ｌ₁₁，Ｌ₂₁を受光するように設けら
れているが、例えばフォトセンサー１９Ｂの方を、−１
次光Ｌ₂₂を受光するように、即ち、２個のフォトセンサ
ーが、移動体表面への照射光の入射面に関して逆側に位
置するように配備することもできる。

【００２９】ＬＤ１３を発光させつつ、移動体を矢印方
向へ移動させ、フォトセンサー１９Ａ，１９Ｂの出力を
図４に即して説明したように処理すれば、基準位置Ａ２
が照射されるとき「基準位置信号」が発生し、基準位置
を検出することができる。

【００３０】図３は、請求項６に記載した移動基準位置
検出用光学ユニットの１実施例を示している。この実施
例は、図１に示した実施例におけるロッドミラー１７と
２個のフォトセンサー１９Ａ，１９Ｂとを保持体により
一体化して、移動基準位置検出用光学ユニットとした例
である。従って、繁雑を避けるため、混同の慮がないと
思われるものに就いては図１におけると同一の符号を用
いる。

【００３１】図３（Ａ）において符号５０が保持体を示
す。符号５３は保持体の一部をなすスライダーを示す。
スライダー５３は保持体５０の本体部分に対して摺動可
能となっている。図３（Ａ）に図示されていないロッド
ミラーと２個のフォトセンサーとは、保持体５０に保持
されて一体化され、全体として「移動基準位置検出用光
学ユニット」を構成する。

【００３２】図３（Ｂ）は保持体５０の本体部の側面図
であり、同図（Ｃ）は（Ｂ）図のｃ−ｃ断面図である。
保持体５０の本体部には、図３（Ｃ）に示すように、図
の横方向に孔５１が貫通するとともに、上下方向には比
較的大きな孔５２が貫通し、孔５２の上部は、スライダ
ー５３が摺動する溝５４に連結している。図３（Ｃ）に
示すように、左右方向に貫通する孔５１には、図の左方
からロッドミラー１７が嵌め込まれる。嵌め込まれたロ
ッドミラー１７は、位置調整されたのち、図３（Ｂ）に
示す螺子孔５５に、図示されない固定螺子を捩じ込んで
固定する。

【００３３】ＬＤ１３からの光束は集光レンズ１５によ
り集光され、孔５１の右方から指し込んでロッドミラー
１７の反射面により反射され、孔５２を通って移動体１
０の表面に照射される。移動体表面の格子パターンによ
る回折の１次光は、孔５２を通って溝５４の部分に射出
する。

【００３４】溝５４には、図３（Ａ）に示すようにスラ
イダー５３が嵌め込まれて摺動可能であるが、この摺動
方向は、図３（Ｃ）に示すように、孔５１および５２に
直交する方向である。２個のフォトセンサー（図示され
ず）は、スライダー５３の裏面側（孔５２を介して移動
体に対向する側）に固定される。図３（Ａ）に示す、ス
ライダー５３の１対の長孔５３Ａは、フォトセンサーの
リード電極を引きだすためのものであり、２個のフォト
センサーはこれら１対の長孔５３Ａの間の部分におい
て、長孔５３Ａの長手方向に並べて設けられ、スライダ
ー５３の摺動により最適位置へ配備される。この摺動に
よる位置調節は、図３（Ｂ）に示す螺子孔５６に螺装さ
れた調整螺子（図示されず）により行い、調整後は、螺
子孔５７に螺装される固定螺子（図示されず）により固
定される。

【００３５】このようにしてロッドミラーと２個のフォ
トセンサーとが保持体により一体化される。ＬＤ１３を
発光させれば、単色光は集光レンズ１５を介して孔５１
に指し込み、ロッドミラー１７の反射面により反射さ
れ、孔５２を通って移動体１０の表面を照射する。格子
パターンにより発生する回折の１次光は孔５２を通り、
スライダー５３の裏面側に配備された２個のフォトセン
サーの一方もしくは双方に受光され、移動体の移動基準
位置が照射されるとき「基準位置信号」が発生する。

【００３６】図３（Ａ）に示す、ロッドミラーと２個の
フォトセンサーを一体的に保持した保持体５０（移動基
準位置検出用光学ユニット）と、ＬＤ１３および集光レ
ンズ１５は、移動体１０および図示されない基準位置信
号発生回路と組み合わせられて、請求項７に記載された
「移動体の移動基準位置検出装置」の１実施例を構成す
る。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、移動
体の移動基準位置検出方法および装置および移動基準位
置検出用光学ユニットを提供できる。この発明は、上述
の如く単色光源からの光を集光レンズで集光して移動体
表面へ照射できるので、検出精度を高くでき、移動体照
射光の光路を屈曲させることにより、光源と移動体の距
離を短く設定できるので移動体の移動基準位置検出装置
を小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の方法の１実施例を説明するため
の図である。

【図２】請求項１記載の方法の別実施例を説明するため
の図である。

【図３】請求項６記載の移動基準位置検出用光学ユニッ
トの１実施例を説明するための図である。

【図４】従来技術を説明するための図である。

【符号の説明】

１０移動体Ｐ１０，Ｐ２０格子パターンＡ１基準位置１３ＬＤ（単色光源）１５集光レンズ１９Ａ，１９Ｂフォトセンサー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−196481（ＪＰ，Ａ) 特開平３−15719（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/26 - 3/38 G01B 11/00 - 11/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基準位置を境として、ピッチの異なる２種
の格子パターンを移動方向に形成された移動体に、単色
光源からの単色光を集光レンズを介して照射し、上記２
種の格子パターンのそれぞれによる回折光を別個に受光
し得る位置に設けられた２個のフォトセンサーの出力
を、その変化幅が略等しくなるように調整してコンパレ
ーターに入力させることにより、上記基準位置に対応し
てステップ的に変化する基準位置信号を発生させて、上
記移動体における基準位置を検出する移動基準位置検出
方法であって、移動体表面に直交する方向と、移動体表面の移動方向と
に直交する方向に光軸を実質的に平行にして集光レンズ
を配し、この集光レンズを介して単色光源と反射面とを
対向させ、上記単色光源からの光束を上記集光レンズに
より集光し、上記反射面により反射して移動体に照射す
ることを特徴とする、移動体の移動基準位置検出方法。
【請求項２】請求項１記載の、移動体の移動基準位置検
出方法において、反射面による反射光束が、移動体表面に直交し、集光レ
ンズ光軸を含む面内で移動体表面に照射されることを特
徴とする、移動体の移動基準位置検出方法。
【請求項３】請求項２記載の、移動体の移動基準位置検
出方法において、反射面による反射光束が、移動体表面に略直交するよう
に照射されることを特徴とする、移動体の移動基準位置
検出方法。
【請求項４】請求項２または３記載の、移動体の移動基
準位置検出方法において、２個のフォトセンサーが、反射面による反射光束の、移
動体表面に対する入射面の同じ側に配備されていること
を特徴とする移動体の移動基準位置検出方法。
【請求項５】請求項２または３記載の、移動体の移動基
準位置検出方法において、２個のフォトセンサーが、反射面による反射光束の、移
動体表面に対する入射面を介して、互いに逆側に配備さ
れていることを特徴とする移動体の移動基準位置検出方
法。
【請求項６】請求項１または２または３または４または
５記載の、移動体の移動基準位置検出方法の実施に用い
られる移動基準位置検出用光学ユニットであって、集光レンズを介して入射してくる光束を移動体表面へ向
けて反射する反射面を斜め端面として有するロッドミラ
ーと、回折光を受光するための２個のフォトセンサーと
を、保持体により一体化したことを特徴とする移動基準
位置検出用光学ユニット。
【請求項７】請求項１記載の、移動体の移動基準位置検
出方法を実施する装置であって、移動体が、周面の最大曲率方向へ、基準位置を境として
ピッチの異なる２種の格子パターンを形成され、軸の回
りに回転する円柱体であり、光源と、集光レンズと、請求項６記載の移動基準位置検
出用光学ユニットとを有することを特徴とする移動体の
移動基準位置検出装置。