JP3900218B2

JP3900218B2 - Position detection device

Info

Publication number: JP3900218B2
Application number: JP23618297A
Authority: JP
Inventors: 康雄岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2017-09-01
Also published as: JPH1183430A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点光源を介して各種対象の絶対位置を検出するための位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、点光源を検出して得られる光源像を用いた位置検出装置には、受光素子として、半導体のＰＳＤ（光検出素子）やＣＣＤ（電荷結合素子）等が使われるが、分解能や精度が低く、応答速度も遅い。
半導体のＰＳＤは、アナログ出力であるので、本来は高分解能な検出を行えるはずであるが、雑音などがあるため低分解能になり、精度も特性の温度ドリフトなどがあるため、１０^-3ｍｍ程度が限界で、もう１桁精度を上げることは至難である。
【０００３】
一方、ＣＣＤやＣＭＯＳを用いた固体撮像素子は、半導体技術の進歩により、１つの画素寸法が、およそ１０年間で半分になり、１０μｍから５μｍ程度になつたが、０．１μｍ程度になるまでには、さらに長い年月を要するものと考えられる。
また、画素数を増やせば精度の方は高くなるが、素子の値段が高くなってしまう。また、ＣＣＤの場合、画素数が多くなると読み出しに時間がかかり、応答速度も遅くなる問題がある。また、低分解能、低精度の素子を単純に集積した位置検出装置は、全体として大型となり、実用にならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の光源像を用いた位置検出装置では、受光素子の分解能や精度に依存して、小型で高性能の装置を得ることが困難であった。
そこで本発明の目的は、簡単な構成により、高分解能、高精度で応答性の高い位置検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、位置検出対象物に取り付けた点光源と、前記点光源の光を集め結像させるレンズ系と、前記レンズ系の焦光面に配置される可動体と、前記可動体に設けられ、点光源からの光の焦光位置を検出する差動型受光素子と、前記可動体を前記焦光面内で直線移動させることにより、前記差動型受光素子の出力信号に基づいて、前記差動型受光素子に前記点光源の像が当たる状態に制御するアクチュエータと、前記可動体に設けたエンコード部と、前記エンコード部を検出することにより、前記可動体の位置を検出する絶対位置検出装置とを有して構成され、前記絶対位置検出装置の検出情報と前記差動型受光素子の差出力情報とに基づいて、前記点光源の位置を検出する一次元位置検出装置を具備し、前記絶対位置検出装置と前記アクチュエータとにより、前記差動型受光素子に微小振動を加え、前記絶対位置検出装置の出力の変化分と前記差動型受光素子の差出力の変化分から、前記差動型受光素子の差出力の位置変換特性値を決定し、前記差動型受光素子の差出力に前記位置変換特性値の現在値を作用させて出力する手段を備えてなることを特徴とする。
また本発明は、位置検出対象物に取り付けた点光源と、前記点光源の光を集め結像させるレンズ系と、前記レンズ系の焦光面に配置される可動体と、前記可動体に設けられ、点光源からの光の焦光位置を検出する差動型受光素子と、前記可動体を前記焦光面内で直線移動させることにより、前記差動型受光素子の出力信号に基づいて、前記差動型受光素子に前記点光源の像が当たる状態に制御するアクチュエータと、前記可動体に設けたエンコード部と、前記エンコード部を検出することにより、前記可動体の位置を検出する絶対位置検出装置とを有して構成され、前記絶対位置検出装置の検出情報と前記差動型受光素子の差出力情報とに基づいて、前記点光源の位置を検出する一次元位置検出装置を具備し、前記差動型受光素子を、前記可動体の直線移動方向と直交する方向に複数に分割し、分割された各差動型受光素子の信号を切り替え選択する手段を備えてなることを特徴とする。
また本発明は、位置検出対象物に取り付けた点光源と、前記点光源の光を集め結像させるレンズ系と、前記レンズ系の焦光面に配置される可動体と、前記可動体に設けられ、点光源からの光の焦光位置を検出する差動型受光素子と、前記可動体を前記焦光面内で直線移動させることにより、前記差動型受光素子の出力信号に基づいて、前記差動型受光素子に前記点光源の像が当たる状態に制御するアクチュエータと、前記可動体に設けたエンコード部と、前記エンコード部を検出することにより、前記可動体の位置を検出する絶対位置検出装置とを有して構成され、前記絶対位置検出装置の検出情報と前記差動型受光素子の差出力情報とに基づいて、前記点光源の位置を検出する一次元位置検出装置を具備し、１枚の板により前記可動体を形成し、前記１枚の板の中央部に前記差動型受光素子を設けるとともに、前記１枚の板の一端に前記アクチュエータのための可動子を設け、さらに前記１枚の板の他端にスケールパターンを形成して前記エンコード部を設けたことを特徴とする。
【０００６】
上述した本発明の位置検出装置において、アクチュエータの作動によって可動体を直線移動させ、点光源の光源像が差動型受光素子に結像する位置に移動させる。
この際、可動体に設けたエンコード部を絶対位置検出装置で読み取ることにより、可動体の移動量をエンコード部による分解能、精度のレベルで検出する。
また、点光源の光源像が差動型受光素子に結像することにより、差動型受光素子より出力される差出力により、差動型受光素子の視野の範囲内で、点光源の位置をより高分解能、高精度によって検出する。
そして、絶対位置検出装置による検出情報と差動型受光素子による差出力情報とを合成することにより、点光源の位置を算出する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による位置検出装置の実施の形態について説明する。
まず最初に、本発明の位置検出装置によって直線上を移動する位置検出対象物を検出する第１の形態について説明する。
図１は、本発明による位置検出装置の一次元位置検出装置の構成例を示す説明図であり、図２は、図１に示す一次元位置検出装置によって検出を行う位置検出対象物の位置検出可能域を示す説明図である。
【０００８】
本例の一次元位置検出装置は、位置検出対象物（図示省略）に取り付けた点光源１００と、この点光源１００の光を集め結像させるレンズ系１１０と、このレンズ系１１０の焦光面１１０Ａに配置される可動体１２０と、この可動体１２０に設けられ、点光源１００からの光の焦光位置を検出する差動型受光素子１３０と、可動体１２０を焦光面１００Ａ内で直線移動させるアクチュエータ１４０と、可動体１２０に設けたエンコード部１５０と、このエンコード部１５０によって可動体１２０の位置を検出する絶対位置検出装置１６０とを有する。
【０００９】
本例において、位置検出対象物は、図２の領域Ｅ１に示すような直線領域内を直線移動するものであり、この位置検出対象物に取り付けた点光源１００も領域Ｅ１内を直線移動する。この点光源１００は、例えばＬＥＤ等により構成されている。
レンズ系１１０は、点光源１００を集光結像させる球や円筒のレンズ、または反射鏡等の組み合わせにより形成されている。
【００１０】
また、可動体１２０は、全体として板状に形成され、レンズ系１１０の焦光面１１０Ａに上述した領域Ｅ１に対向する状態で配置されており、図示しないガイド機構によって、位置検出対象物（点光源１００）と同一方向に移動可能に支持されている。
可動体１２０は、その中央に差動型受光素子１３０を取り付けるとともに、可動体１２０の移動方向に対して、一方の端部にアクチュエータ１４０のための可動子１７０を設け、他方の端部にエンコード部１５０を設けたものである。
【００１１】
アクチュエータ１４０は、例えばヴォイスコイルモータ等のリニアモータより構成され、磁性材料よりなる可動子１７０に推力を付与し、可動体１２０を移動させるものである。このアクチュエータ１４０の動作は、差動型受光素子１３０の出力信号に基づいて制御され、差動型受光素子１３０に点光源１００からの光源像が当たる位置に可動体１２０を移動制御する。
エンコード部１５０は、例えば可動体１２０にエンコード板を取り付けることにより設けられている。エンコード板には、ストライプパターンおよびコードパターンのスケールパターンが設けられており、このスケールパターンを絶対位置検出装置１６０によって読み取ることにより、可動体１２０の絶対位置を検出するものである。
【００１２】
絶対位置検出装置１６０は、ＣＣＤやフォトダイオード等によってエンコード板のスケールパターンを撮像して解読し、可動体１２０の絶対位置情報Ａを出力するものである。なお、この絶対位置検出装置１６０の具体的な構成としては、例えば特開平６−０９４４１８号公報に開示される絶対位置検出装置を採用することができる。
【００１３】
図３は、差動型受光素子１３０の構成と作用を示す説明図である。
差動型受光素子１３０は、図３に示すように、同特性の２つの受光素子１３０Ｒ、１３０Ｌを可動体１２０の移動方向に沿って近接して並設配置したものである。なお、以下の説明において、受光素子１３０Ｒの出力をＲ、受光素子１３０Ｌの出力をＬとして説明する。
【００１４】
図４は、本例の一次元位置検出装置の回路構成を示すブロック図である。
この一次元位置検出装置は、差動型受光素子１３０の各受光素子１３０Ｒ、１３０Ｌの差出力（Ｒ−Ｌ）を得るための差動増幅器２１０と、各受光素子１３０Ｒ、１３０Ｌの和出力（Ｒ＋Ｌ）を得るための加算回路２２０と、差出力（Ｒ−Ｌ）、和出力（Ｒ＋Ｌ）及び絶対位置検出装置１６０からの出力Ａに基づいてアクチュエータ１４０を駆動制御するアクチュエータ制御回路２３０と、差出力ｖ＝（Ｒ−Ｌ）に後述する係数１／ｋを乗じて位置情報ｘ＝ｖ／ｋを得る乗算器２４０と、この位置情報ｘを絶対位置検出装置１６０からの出力Ａに加算し、絶対位置情報Ａ＋ｘとして出力する加算器２５０と、差出力（Ｒ−Ｌ）の絶対値がある値以下で和出力（Ｒ＋Ｌ）の絶対値がある値以上であることによって位置情報ｘが有効か否かを判定する判定回路２６０とを有する。
【００１５】
次に、以上のような一次元位置検出装置における機能と動作について詳細に説明する。
まず、アクチュエータ１４０により可動体１２０を動かし、差動型受光素子１３０の和出力（Ｒ＋Ｌ）が有為の大きさになる点光源像が差動型受光素子１３０に当たる位置、すなわち、図３に示すループ制御範囲を探す。
次に、差出カ（Ｒ−Ｌ）の正負に対応して、差出力が正負反転する方向に動かせばループ制御になり、差出力のゼロクロスポイントにおいて、点光源像が差動型受光素子１３０の中心位置に収斂する。
【００１６】
このフィードバックループ成立状態では、点光源１００が動いても、差動型受光素子１３０の出力に応じてアクチュエータ１４０により差動型受光素子１３０が点光源像に追従して移動制御され、常に点光源像を捉えることができる。
そのときの差出力は、ゼロクロスポイントの近辺（たとえば、図３では±０．５μｍの位置検出範囲内）にある。この状態での差出力（Ｒ−Ｌ＝ｖ）は、点光源像の中心点（光強度重心）と差動型受光素子１３０の中心線との距離ｘに比例しており、しかも近接配置の同特性受光素子同士であるから、直線度が極めて高い。よって、ｖ＝ｋｘとすることができる。ここでｋは位置変換係数である。
【００１７】
このように点光源像の中心点位置は、差動型受光素子１３０の中心線からの距離ｘ＝ｖ／ｋとして与えられ、差動型受光素子１３０の中心線の位置が差動型受光素子１３０に直結した撮像式絶対位置検出装置１６０の同時刻の出力Ａとして検出されるから、点光源像の中心点の絶対位置は、Ａ＋ｘ＝Ａ＋ｖ／ｋとして出力することができる。
【００１８】
差動型受光素子１３０からの出力ｘは、点光源像をできるだけ小さくして差動型受光素子１３０のｘ方向の幅を狭く、小さくすることにより、位置変換係数ｋやＳ／Ｎを大きくして、高分解能化や高速応答化を図ることが容易にできる。一方、アクチュエータ１４０により、狭小な検出範囲の差動型受光素子１３０を動かし、広範囲の検出を可能とし、撮像式絶対位置検出装置１６０により、差動型受光素子１３０の位置Ａを、高分解能、高精度、高速応答、高信頼度で検出する。これはあたかも多数の差動型受光素子を高分解能、高精度ピッチで並べた状態と等価になり、Ａ＋ｘは、差動型受光素子１３０単独では決して得られない高度な絶対位置情報となる。
【００１９】
以上のような本例の位置検出装置では、アクチュエータ１４０で移動する差動型受光素子１３０の絶対位置を高分解能、高精度で検出できる撮像式絶対位置検出装置１６０の位置検出情報Ａと、差動型受光素子１３０を小さくして狭小範囲のみで高分解能、高精度で検出できる差動型受光素子１３０の位置検出情報ｘとを合成（Ａ＋ｘ）することにより、測長範囲の大きな、高分解能、高精度の光源像一次元位置検出装置を得ることができる。
また、高分解能化のために小型にした差動型受光素子１３０の出力ｘは、素子が小さくなることによる効果で高速応答になり、このｘと例えば特開平６−０９４４１８号公報に開示される高速応答型撮像式絶対位置検出装置の出力Ａとを合成（Ａ＋ｘ）することにより、高速応答の光源像一次元位置検出装置を得ることができる。
【００２０】
次に図５は、本発明の第２の形態による位置検出装置によって平面上を移動する点光源（位置検出対象物）を検出する様子を示す説明図である。
上述した一次元位置検出装置によって、Ｘ−Ｙ平面上の領域Ｅ２を移動する点光源を検出することにより、レンズ系１１０の光軸からの検出位置のズレ量を算出し、点光源のＸ−Ｙ平面上の角度を検出することが可能である。
また、この場合の応用例として、上述した一次元位置検出装置を２つ設け、共通の点光源１００の位置をＸ−Ｙ平面上の異なる角度から個別に検出することにより、２つの位置検出出力（Ａ＋ｘ）からＸ−Ｙ平面上を移動する点光源の位置を算出することも可能である。
【００２１】
次に図６は、本発明の第３の形態による位置検出装置によって立体内を移動する点光源（位置検出対象物）を検出する様子を示す説明図である。
上述した一次元位置検出装置において、例えばレンズ系１１０に球レンズを用いることにより、位置検出装置の視野をＺ方向に拡張することにより、Ｘ−Ｙ−Ｚ空間内の領域Ｅ３を移動する点光源を検出する。そして、レンズ系１１０の光軸からの検出位置のズレ量を算出し、点光源のＸ−Ｙ平面上の角度を検出することが可能である。
また、この場合の応用例として、上述した一次元位置検出装置を３つ設け、共通の点光源１００の位置をＸ−Ｙ−Ｚ空間内の異なる角度から個別に検出することにより、３つの位置検出出力（Ａ＋ｘ）からＸ−Ｙ−Ｚ空間内を移動する点光源の位置を算出することも可能である。
【００２２】
次に、以上のような一次元位置検出装置の変形例について説明する。
まず、第１の変形例として、位置変換係数ｋの値が大きく変動し、固定しにくい場合の解決方法について説明する。
点光源の発光強度が変化したり、点光源とレンズの距離が変わり差動型受光素子１３０の受光量がその距離の逆二乗に比例して変化する、などによりｋの値は大きく変動するが、これは緩やかな変化であり、短い時間内ではほとんど変動しない。
【００２３】
そこで、アクチュエータ１４０により、Ａを微小変動（ウォブリング）させることにより、瞬時にその時のｋの値を決定する。時刻問隔が△ｔである二時点のＡ＋ｖ／ｋの変化分を△Ａ＋△ｖ／ｋとすると、△ｔ×（点光源像速度）＝△Ａ＋△ｖ／ｋが成り立つ。△ｔ間隔の三時点では、△Ａ₁ ＋△ｖ₁ ／ｋ、△Ａ₂ ＋△ｖ₂ ／ｋとすると、短時間△ｔでは速度は一定とみなし、△Ａ₁ ＋△ｖ₁ ／ｋ＝△Ａ₂ ＋△ｖ₂ ／ｋが成り立つことから、ｋ＝−（△ｖ₁ −△ｖ₂ ）／（△Ａ₁ −△Ａ₂ ）として刻々決定することができる。
【００２４】
このようにして、差動型受光素子１３０の出力特性の変動に対し、高信頼度が保証されている撮像式絶対位置検出装置１６０の位置検出情報出力Ａを基準として、瞬時に最新の特性値ｋを検出できる。
以上のように撮像式絶対位置検出装置１６０の位置検出情報Ａは高信頼度が保証されていることと、位置検出対象の点光源が静止状態とみなされるときに合成出力（Ａ＋ｘ）が一定不変であることから、可動体１２０をウォブリングし、Ａを少し変化させると、ｘのとるべき値が分かり、差動型受光素子１３０の出力ｘの特性を診断補正することができることとなり、高信頼度の出力ｘが得られ、高信頼度の点光源像一次元位置検出装置を得ることができる。
【００２５】
次に、第２の変形例として、さらに以上のような差動型受光素子の差出力の位置変換特性値ｋを蓄えることにより、過去の典型的なデータと比較することができることから、特性値の異常が判断でき、故障などの異常診断もでき、高信頼度な点光源の一次元位置検出装置を構成できる。
【００２６】
次に、第３の変形例として、点光源１００を高周波点滅し、図７に示すような処理により、点光源１００の光による信号成分のみを取り出すことにより、差動型受光素子１３０の図８に示すような信号処理工程が複雑にならない。また、不要な光などの影響をうけにくいため、どこででも使えるようになる。
図８（Ａ）は背景光がない場合の差動型受光素子１３０の出力信号例を示し、図８（Ｂ）は背景光がある場合の差動型受光素子１３０の出力信号例を示している。
【００２７】
図７において、点光源１００のパルス（図７（Ａ））に対応して、差動型受光素子１３０の出力信号を検知する周波数信号を図７（Ｃ）に示すように設定することにより、差動型受光素子１３０の出力信号（図７（Ｂ））に対し、背景光の信号成分（図７（Ｄ））と点光源光による信号成分（図７（Ｅ））とを分離する。これにより、図８（Ｂ）に示すように背景光がある場合にも、背景光がない場合と同様の処理が可能となる。
【００２８】
以上のように差動型受光素子１３０は点光源１００あたりの狭小範囲の光しか受けないため、不要な光による雑音成分が小さく、Ｓ／Ｎが高くなる。特に点光源追従動作時は、位置検出対象物に取り付けた点光源１００の周りの狭小範囲の反射光しか受けないため、一次元位置検出装置は外乱光の影響を受けにくく、どこででも使え、便利である。
また、点光源１００を固有高周波数で点滅させ、その固有周波数を検知し、ゲートタイミングを決め、差動型受光素子１３０の出力信号から点光源光１００による信号成分を取り出すことにより、不要な光による信号成分を取り除くことができ、さらに外乱光の影響を受けにくい一次元位置検出装置を提供できる。
【００２９】
次に、第４の変形例として、図９に示すように、差動型受光素子１３０の移動方向両側にそれぞれ副差動型受光素子１３２Ｌ、１３２Ｒを設けることにより、幅の狭い差動型受光素子１３０を高速度で動かし、点光源像を探索した場合に点光源像を見逃してしまったり、ループ制御から外れやすくなるという問題を解決することができる。
差動型受光素子１３０が副差動型受光素子１３２Ｌ、１３２Ｒの幅まで広がったかのように機能し、点光源像を高速度で探索でき、ループ制御から外れにくくすることができる。さらに例えば点光源１００がレンズ系１１０に近づいて、点光源像が大きくなり、差動型受光素子１３０の差出力の位置変換係数ｋの値が小さくなり過ぎて、ｖ／ｋが粗くなるとき、副差動型受光素子１３２Ｌ、１３２Ｒに切り替えて動作させることができる。
【００３０】
これは特に上述した図５及び図６で示す形態のように、点光源１００が平面上や立体内を移動するような構成において、点光源１００の差動型受光素子１３０と接離する方向（Ｙ方向）の移動領域を広げることができ、視野の広い位置検出装置を提供する上で有利に機能するものとなる。
【００３１】
次に、第５の変形例として、レンズが球で図６のＺ方向の動作域を大きくした場合、差動型受光素子１３０のＺ方向の寸法が大きくなり、受光素子の応答周波数が下がるという問題を解決するものである。
図１０に示すように、Ｚ方向に８等分された受光素子列１３４Ｌ、１３４Ｒを形成することにより、最大信号が得られる１つの組みを選択すれば、８倍の応答周波数が得られる。
【００３２】
次に、第６の変形例として、板状の可動体１２０の中心に差動型受光素子１３０を配置し、その両側にアクチュエータ１４０と撮像式絶対位置検出装置１６０とを図１１に示すように配置することにより、差動型受光素子１３０とアクチュエータ１４０とが近接して剛性が高まり、ループ制御特性周波数が高くなり、また差動型受光素子１３０と撮像式絶対位置検出装置１６０とが近接し、差動型受光素子１３０の中心線の位置を現す出力情報Ａに温度による伸縮誤差などが入りにくくなり、信頼度の高い装置を構成できる。
【００３３】
さらに、以上のような各構成において、レンズ系の縮小倍率を大きくすることにより、点光源像の移動範囲が、位置検出対象物に取り付けた点光源の動作範囲に縮小率を掛けた大きさになり、長さや量の極めて小さな点光源一次元位置検出装置にすることができ、点光源像の速度も加速度も縮小率を掛けた大きさになることから、可動体を動かすアクチュエータ１４０の電力も極めて小さくすることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の位置検出装置は、点光源のレンズ系による焦光面に配置される可動体に、点光源像を検出する差動型受光素子と、絶対位置検出装置によって読み取られるエンコード部とを設け、可動体をアクチュエータによって直線移動することにより、差動型受光素子に点光源像が当たる状態に制御し、絶対位置検出装置の検出情報と差動型受光素子の差出力情報とに基づいて、前記点光源の位置を検出する一次元位置検出装置を具備したものである。
このため、差動型受光素子の絶対位置を高分解能、高精度で検出できる絶対位置検出装置の検出情報と、狭小範囲で点光源像を高分解能、高精度で検出する差動型受光素子の検出情報とを合成することにより、多数の受光素子を設けることなく、簡易な構成で、しかも測長範囲の大きく、高分解能、高精度、かつ高速応答性の位置検出装置を提供することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による位置検出装置の一次元位置検出装置の構成例を示す説明図である。
【図２】図１に示す一次元位置検出装置によって検出を行う位置検出対象物の位置検出可能域を示す説明図である。
【図３】図１に示す一次元位置検出装置に設けられる差動型受光素子の構成と作用を示す説明図である。
【図４】図１に示す一次元位置検出装置の回路構成を示すブロック図である。
【図５】図１に示す一次元位置検出装置によって検出を行う位置検出対象物が平面上を移動する場合の位置検出可能域を示す説明図である。
【図６】図１に示す一次元位置検出装置によって検出を行う位置検出対象物が立体空間中を移動する場合の位置検出可能域を示す説明図である。
【図７】図１に示す一次元位置検出装置によって点光源を検出する場合に背景光を除去するための信号処理を示すタイミングチャートである。
【図８】（Ａ）は背景光がない場合の差動型受光素子の出力信号例を示し、（Ｂ）は背景光がある場合の差動型受光素子の出力信号例を示す波形図である。
【図９】図１に示す一次元位置検出装置の差動型受光素子の両側に副差動型受光素子を設けた例を示す説明図である。
【図１０】図１に示す一次元位置検出装置の差動型受光素子をその移動方向と直角方向に複数に分割した例を示す説明図である。
【図１１】図１に示す一次元位置検出装置の構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１００……点光源、１１０……レンズ系、１１０Ａ……焦光面、１２０……可動体、１３０……差動型受光素子、１３０Ｒ、１３０Ｌ……受光素子、１４０……アクチュエータ、１５０……エンコード部、１６０……絶対位置検出装置、１７０……可動子、２１０……差動増幅器、２２０……加算回路、２３０……アクチュエータ制御回路、２４０……乗算器、２５０……加算器、２６０……判定回路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position detection device for detecting the absolute position of various objects via a point light source.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a position detection device using a light source image obtained by detecting a point light source, a semiconductor PSD (light detection element), a CCD (charge coupled device) or the like is used as a light receiving element. Is low and response speed is slow.
A semiconductor PSD is an analog output, so it should be able to detect with high resolution. However, it has low resolution due to noise, etc., and there is a temperature drift of about ^10-3 mm in accuracy. However, it is difficult to increase the accuracy by another digit.
[0003]
On the other hand, with solid-state imaging devices using CCDs and CMOSs, due to advances in semiconductor technology, the size of one pixel has been halved in about 10 years, from about 10 μm to about 5 μm, but to about 0.1 μm. Is considered to take a longer time.
Further, if the number of pixels is increased, the accuracy becomes higher, but the price of the element becomes higher. Further, in the case of a CCD, there is a problem that when the number of pixels increases, it takes time to read out and the response speed becomes slow. In addition, a position detection device that simply integrates low-resolution and low-precision elements is large in size as a whole and is not practical.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional position detection device using the light source image, it is difficult to obtain a small and high-performance device depending on the resolution and accuracy of the light receiving element.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a position detection device with high resolution, high accuracy, and high responsiveness with a simple configuration.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention provides a point light source attached to a position detection target, a lens system that collects and images light from the point light source, a movable body disposed on a focal plane of the lens system, A differential light receiving element provided on the movable body for detecting a focal position of light from a point light source, and an output of the differential light receiving element by linearly moving the movable body within the focal plane. Based on the signal, the position of the movable body is detected by detecting an actuator that controls the differential light-receiving element so that the image of the point light source is in contact with the encoder, an encoder section provided on the movable body, and the encoder section. A one-dimensional position for detecting the position of the point light source based on detection information of the absolute position detection device and difference output information of the differential light receiving element. comprising a detection device, the absolute position A minute vibration is applied to the differential light-receiving element by the detection device and the actuator, and the differential light-receiving element is calculated from the change in the output of the absolute position detection device and the change in the difference output of the differential light-receiving element. Means for determining a position conversion characteristic value of the difference output, and outputting the difference output of the differential type light receiving element by applying the current value of the position conversion characteristic value to the difference output .
The present invention also provides a point light source attached to a position detection target, a lens system for collecting and imaging light from the point light source, a movable body disposed on a focal plane of the lens system, and the movable body. A differential light-receiving element that detects a focal position of light from a point light source, and by linearly moving the movable body in the focal plane, based on an output signal of the differential light-receiving element, An absolute position for detecting the position of the movable body by detecting an actuator that controls the differential light-receiving element so that the image of the point light source is in contact with the encoder, an encoder section provided on the movable body, and the encoder section. And a one-dimensional position detection device that detects the position of the point light source based on detection information of the absolute position detection device and difference output information of the differential light receiving element. The differential light receiving element Divided into a plurality in a direction perpendicular to the linear movement direction of the body, it is characterized in that it comprises means for selecting the switching signals of the respective differential photodetector divided.
The present invention also provides a point light source attached to a position detection target, a lens system for collecting and imaging light from the point light source, a movable body disposed on a focal plane of the lens system, and the movable body. A differential light-receiving element that detects a focal position of light from a point light source, and by linearly moving the movable body in the focal plane, based on an output signal of the differential light-receiving element, An absolute position for detecting the position of the movable body by detecting an actuator that controls the differential light-receiving element so that the image of the point light source is in contact with the encoder, an encoder section provided on the movable body, and the encoder section. And a one-dimensional position detection device that detects the position of the point light source based on detection information of the absolute position detection device and difference output information of the differential light receiving element. The movable body is formed by a single plate The differential light receiving element is provided at the center of the single plate, a mover for the actuator is provided at one end of the single plate, and a scale is provided at the other end of the single plate. The encoding unit is provided by forming a pattern.
[0006]
In the position detection apparatus of the present invention described above, the movable body is linearly moved by the operation of the actuator, and is moved to a position where the light source image of the point light source is formed on the differential light receiving element.
At this time, the encoder provided in the movable body is read by the absolute position detection device, so that the moving amount of the movable body is detected at a level of resolution and accuracy by the encoder.
In addition, when the light source image of the point light source is formed on the differential light receiving element, the position of the point light source can be adjusted within the range of the visual field of the differential light receiving element by the difference output output from the differential light receiving element. Detect with higher resolution and higher accuracy.
Then, the position of the point light source is calculated by combining the detection information from the absolute position detection device and the difference output information from the differential light receiving element.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the position detection apparatus according to the present invention will be described below.
First, a first mode for detecting a position detection object moving on a straight line by the position detection device of the present invention will be described.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration example of a one-dimensional position detection device of the position detection device according to the present invention, and FIG. 2 shows the position detection of a position detection object detected by the one-dimensional position detection device shown in FIG. It is explanatory drawing which shows a possible range.
[0008]
The one-dimensional position detection apparatus of this example includes a point light source 100 attached to a position detection target (not shown), a lens system 110 that collects and images light from the point light source 100, and a focal plane of the lens system 110. A movable body 120 arranged at 110A, a differential light receiving element 130 provided on the movable body 120 for detecting the focal position of light from the point light source 100, and the movable body 120 in a straight line within the focal plane 100A. An actuator 140 to be moved, an encoding unit 150 provided on the movable body 120, and an absolute position detection device 160 that detects the position of the movable body 120 by the encoding unit 150 are provided.
[0009]
In this example, the position detection object moves linearly within a linear area as shown in the area E1 of FIG. 2, and the point light source 100 attached to the position detection object also moves linearly within the area E1. The point light source 100 is composed of, for example, an LED.
The lens system 110 is formed by a combination of a sphere, a cylindrical lens, a reflecting mirror, or the like that focuses and images the point light source 100.
[0010]
Further, the movable body 120 is formed in a plate shape as a whole, and is disposed on the focal surface 110A of the lens system 110 so as to face the region E1 described above. The light source 100) is supported so as to be movable in the same direction.
The movable body 120 has a differential light receiving element 130 attached to the center thereof, and a movable element 170 for the actuator 140 is provided at one end with respect to the moving direction of the movable body 120, and the other end is encoded. A portion 150 is provided.
[0011]
The actuator 140 is composed of, for example, a linear motor such as a voice coil motor, and applies a thrust to the mover 170 made of a magnetic material to move the movable body 120. The operation of the actuator 140 is controlled based on the output signal of the differential light receiving element 130, and moves and controls the movable body 120 to a position where the light source image from the point light source 100 hits the differential light receiving element 130.
The encoding unit 150 is provided by attaching an encoding plate to the movable body 120, for example. The encode plate is provided with a stripe pattern and a code pattern scale pattern, and the absolute position of the movable body 120 is detected by reading the scale pattern with the absolute position detection device 160.
[0012]
The absolute position detection device 160 captures and decodes the scale pattern of the encode plate with a CCD, a photodiode or the like, and outputs the absolute position information A of the movable body 120. As a specific configuration of the absolute position detection device 160, for example, an absolute position detection device disclosed in JP-A-6-094418 can be employed.
[0013]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration and operation of the differential light receiving element 130.
As shown in FIG. 3, the differential light receiving element 130 is configured by arranging two light receiving elements 130 </ b> R and 130 </ b> L having the same characteristics close to each other along the moving direction of the movable body 120. In the following description, the output of the light receiving element 130R is R, and the output of the light receiving element 130L is L.
[0014]
FIG. 4 is a block diagram showing a circuit configuration of the one-dimensional position detection apparatus of this example.
This one-dimensional position detection apparatus includes a differential amplifier 210 for obtaining a difference output (R−L) between the light receiving elements 130R and 130L of the differential light receiving element 130, and a sum output (R + L) of the light receiving elements 130R and 130L. ), An actuator control circuit 230 that drives and controls the actuator 140 based on the difference output (R−L), the sum output (R + L), and the output A from the absolute position detection device 160, and the difference output Multiplier 240 that obtains position information x = v / k by multiplying v = (R−L) by a coefficient 1 / k to be described later, and this position information x is added to output A from absolute position detection device 160 to obtain absolute Whether or not the position information x is valid when the absolute value of the difference output (RL) is less than a certain value and the absolute value of the sum output (R + L) is greater than or equal to a certain value. Judgment And a decision circuit 260 that.
[0015]
Next, functions and operations in the one-dimensional position detection apparatus as described above will be described in detail.
First, the movable body 120 is moved by the actuator 140, and the position where the point light source image at which the sum output (R + L) of the differential light receiving element 130 has a significant magnitude hits the differential light receiving element 130, that is, the position shown in FIG. Find the loop control range.
Next, in response to the positive / negative of the output power (R−L), if the differential output is moved in the direction of positive / negative reversal, loop control is performed, and the point light source image of the differential light receiving element 130 is obtained at the zero cross point of the differential output. Converge to the center position.
[0016]
In this feedback loop establishment state, even if the point light source 100 moves, the differential light receiving element 130 is controlled to move following the point light source image by the actuator 140 according to the output of the differential light receiving element 130, and is always a point light source. I can capture the image.
The difference output at that time is in the vicinity of the zero cross point (for example, within a position detection range of ± 0.5 μm in FIG. 3). The difference output (R−L = v) in this state is proportional to the distance x between the center point (light intensity centroid) of the point light source image and the center line of the differential light receiving element 130, and in the proximity arrangement. Since the light receiving elements have the same characteristics, the linearity is extremely high. Therefore, v = kx can be set. Here, k is a position conversion coefficient.
[0017]
Thus, the center point position of the point light source image is given as the distance x = v / k from the center line of the differential light receiving element 130, and the position of the center line of the differential light receiving element 130 is the differential light receiving element. Since it is detected as the output A at the same time of the imaging-type absolute position detection device 160 directly connected to 130, the absolute position of the center point of the point light source image can be output as A + x = A + v / k.
[0018]
The output x from the differential light receiving element 130 increases the position conversion coefficient k and S / N by making the point light source image as small as possible and reducing the width of the differential light receiving element 130 in the x direction. Thus, high resolution and high speed response can be easily achieved. On the other hand, the differential type light receiving element 130 having a narrow detection range is moved by the actuator 140 to enable a wide range of detection, and the position A of the differential type light receiving element 130 is set to a high resolution by the imaging type absolute position detection device 160. Detects with high accuracy, fast response, and high reliability. This is equivalent to a state in which a large number of differential light-receiving elements are arranged at a high resolution and high-precision pitch, and A + x is advanced absolute position information that can never be obtained by the differential light-receiving element 130 alone.
[0019]
In the position detection apparatus of this example as described above, the position detection information A of the imaging absolute position detection apparatus 160 that can detect the absolute position of the differential light receiving element 130 moved by the actuator 140 with high resolution and high accuracy, and the difference By combining the position detection information x of the differential light receiving element 130 that can be detected with high resolution and high accuracy only in a narrow range by reducing the dynamic light receiving element 130 (A + x), high resolution with a large measuring range is achieved. A highly accurate light source image one-dimensional position detection apparatus can be obtained.
Further, the output x of the differential type light receiving element 130 that has been downsized for high resolution has a high-speed response due to the effect of the small element, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-094418. By combining (A + x) the output A of the high-speed response type imaging absolute position detection device, a high-speed response light source image one-dimensional position detection device can be obtained.
[0020]
Next, FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state in which a point light source (position detection object) moving on a plane is detected by the position detection device according to the second embodiment of the present invention.
By detecting the point light source moving in the region E2 on the XY plane by the above-described one-dimensional position detection device, the amount of deviation of the detection position from the optical axis of the lens system 110 is calculated, and the X-point of the point light source is calculated. An angle on the Y plane can be detected.
Further, as an application example in this case, two position detection outputs are provided by providing the above-described two one-dimensional position detection devices and individually detecting the position of the common point light source 100 from different angles on the XY plane. It is also possible to calculate the position of the point light source moving on the XY plane from (A + x).
[0021]
Next, FIG. 6 is explanatory drawing which shows a mode that the point light source (position detection target object) which moves in the solid is detected with the position detection apparatus by the 3rd form of this invention.
In the above-described one-dimensional position detection apparatus, a point light source that moves in the region E3 in the XYZ space by expanding the field of view of the position detection apparatus in the Z direction by using, for example, a spherical lens for the lens system 110. Is detected. Then, it is possible to calculate the shift amount of the detection position from the optical axis of the lens system 110 and detect the angle of the point light source on the XY plane.
In addition, as an application example in this case, three positions described above are provided, and the position of the common point light source 100 is individually detected from different angles in the XYZ space, thereby providing three positions. It is also possible to calculate the position of the point light source moving in the XYZ space from the detection output (A + x).
[0022]
Next, a modified example of the one-dimensional position detection apparatus as described above will be described.
First, as a first modification, a solution when the value of the position conversion coefficient k varies greatly and is difficult to fix will be described.
Although the light intensity of the point light source changes, the distance between the point light source and the lens changes, and the amount of light received by the differential light receiving element 130 changes in proportion to the inverse square of the distance, the value of k varies greatly. This is a gradual change and hardly fluctuates within a short time.
[0023]
Therefore, the value of k at that time is instantaneously determined by causing the actuator 140 to slightly change (wobble) A. If the change in A + v / k at two time points when the time interval is Δt is ΔA + Δv / k, then Δt × (point light source image speed) = ΔA + Δv / k. Assuming that ΔA ₁ + Δv ₁ / k and ΔA ₂ + Δv ₂ / k at three time points of Δt, the speed is considered constant for a short time Δt, and ΔA ₁ + Δv ₁ / k = ΔA ₂ + Δv ₂ / k holds, and can be determined as k = − (Δv ₁ −Δv ₂ ) / (ΔA ₁ −ΔA ₂ ).
[0024]
In this way, the latest characteristic value is instantaneously determined with reference to the position detection information output A of the imaging type absolute position detection device 160 for which high reliability is guaranteed with respect to fluctuations in the output characteristics of the differential light receiving element 130. k can be detected.
As described above, the position detection information A of the imaging type absolute position detection device 160 is guaranteed to be highly reliable, and the combined output (A + x) is constant when the point light source to be detected is regarded as a stationary state. Therefore, when wobbling the movable body 120 and slightly changing A, the value to be taken of x can be known, and the characteristics of the output x of the differential light receiving element 130 can be diagnosed and corrected. Output x can be obtained, and a highly reliable point light source image one-dimensional position detection apparatus can be obtained.
[0025]
Next, as a second modification, since the position conversion characteristic value k of the differential output of the differential light receiving element as described above is stored, it can be compared with past typical data. Abnormality can be determined, abnormality diagnosis such as failure can be performed, and a highly reliable point light source one-dimensional position detection apparatus can be configured.
[0026]
Next, as a third modification, the point light source 100 blinks at a high frequency, and only the signal component due to the light from the point light source 100 is extracted by the process shown in FIG. The signal processing process as shown in FIG. In addition, since it is difficult to be affected by unnecessary light, it can be used anywhere.
FIG. 8A shows an output signal example of the differential light receiving element 130 when there is no background light, and FIG. 8B shows an output signal example of the differential light receiving element 130 when there is background light. Yes.
[0027]
In FIG. 7, the frequency signal for detecting the output signal of the differential light receiving element 130 corresponding to the pulse of the point light source 100 (FIG. 7A) is set as shown in FIG. The signal component of the background light (FIG. 7D) and the signal component of the point light source light (FIG. 7E) are separated from the output signal of the differential light receiving element 130 (FIG. 7B). Thereby, even when there is background light as shown in FIG. 8B, the same processing as when there is no background light is possible.
[0028]
As described above, since the differential light receiving element 130 receives only a narrow range of light per the point light source 100, the noise component due to unnecessary light is small and the S / N is high. In particular, during a point light source tracking operation, only a narrow range of reflected light around the point light source 100 attached to the position detection object is received, so the one-dimensional position detection device is less susceptible to disturbance light and can be used anywhere. It is.
Further, by causing the point light source 100 to blink at a natural high frequency, detecting the natural frequency, determining the gate timing, and extracting the signal component of the point light source light 100 from the output signal of the differential light receiving element 130, unnecessary light is obtained. Thus, it is possible to provide a one-dimensional position detection device that can remove the signal component caused by the above and is less susceptible to disturbance light.
[0029]
Next, as a fourth modification, as shown in FIG. 9, by providing the sub-differential light receiving elements 132L and 132R on both sides in the moving direction of the differential light receiving element 130, respectively, a narrow differential light receiving. When the element 130 is moved at a high speed and the point light source image is searched, the problem that the point light source image is missed or it is easy to be out of the loop control can be solved.
The differential light receiving element 130 functions as if it extends to the width of the sub-differential light receiving elements 132L and 132R, the point light source image can be searched at a high speed, and it is difficult to be out of loop control. Further, for example, when the point light source 100 approaches the lens system 110, the point light source image becomes large, the value of the position conversion coefficient k of the differential output of the differential light receiving element 130 becomes too small, and v / k becomes rough. The sub-differential light receiving elements 132L and 132R can be switched to operate.
[0030]
This is particularly true in the configuration in which the point light source 100 moves on a plane or in a three-dimensional shape as shown in FIG. 5 and FIG. The movement area in the Y direction can be widened, and this functions advantageously in providing a position detector with a wide field of view.
[0031]
Next, as a fifth modification, when the lens is a sphere and the operating range in the Z direction in FIG. 6 is increased, the dimension of the differential light receiving element 130 in the Z direction increases, and the response frequency of the light receiving element decreases. It solves the problem.
As shown in FIG. 10, by forming the light receiving element rows 134L and 134R equally divided in the Z direction, a response frequency of 8 times can be obtained by selecting one set that can obtain the maximum signal.
[0032]
Next, as a sixth modification, a differential light receiving element 130 is arranged at the center of a plate-shaped movable body 120, and an actuator 140 and an imaging type absolute position detection device 160 are arranged on both sides thereof as shown in FIG. As a result, the differential light receiving element 130 and the actuator 140 are close to each other and rigidity is increased, the loop control characteristic frequency is increased, and the differential light receiving element 130 and the imaging absolute position detecting device 160 are close to each other. The output information A showing the position of the center line of the differential light receiving element 130 is less likely to cause expansion and contraction errors due to temperature, and a highly reliable device can be configured.
[0033]
Further, in each of the above-described configurations, by increasing the reduction magnification of the lens system, the moving range of the point light source image becomes a size obtained by multiplying the operating range of the point light source attached to the position detection target by the reduction rate. Thus, the point light source one-dimensional position detection device with extremely small length and amount can be obtained, and the speed and acceleration of the point light source image are multiplied by the reduction rate, so that the electric power of the actuator 140 for moving the movable body can be reduced. It can be made extremely small.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the position detection apparatus of the present invention is read by the differential light receiving element for detecting the point light source image and the absolute position detection apparatus on the movable body arranged on the focal plane by the lens system of the point light source. An encoder is provided, and the movable body is linearly moved by an actuator to control the differential light receiving element so that the point light source image is in contact with the detection information of the absolute position detection device and the difference output information of the differential light receiving element. And a one-dimensional position detecting device for detecting the position of the point light source.
Therefore, the detection information of the absolute position detection device that can detect the absolute position of the differential light receiving element with high resolution and high accuracy, and the differential light receiving element that detects the point light source image with high resolution and high accuracy in a narrow range. By synthesizing the detection information, it is possible to provide a position detecting device with a simple configuration, a large measuring range, high resolution, high accuracy, and high speed response without providing a large number of light receiving elements. effective.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration example of a one-dimensional position detection apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a position detectable region of a position detection target detected by the one-dimensional position detection device shown in FIG. 1;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration and operation of a differential light receiving element provided in the one-dimensional position detection apparatus shown in FIG.
4 is a block diagram showing a circuit configuration of the one-dimensional position detection apparatus shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a position detectable region when a position detection target to be detected by the one-dimensional position detection apparatus shown in FIG. 1 moves on a plane.
6 is an explanatory diagram showing a position detectable region when a position detection target to be detected by the one-dimensional position detection device shown in FIG. 1 moves in a three-dimensional space. FIG.
7 is a timing chart showing signal processing for removing background light when a point light source is detected by the one-dimensional position detection apparatus shown in FIG. 1; FIG.
8A is a waveform diagram illustrating an example of an output signal of a differential light receiving element when there is no background light, and FIG. 8B is a waveform diagram illustrating an example of an output signal of the differential light receiving element when there is background light. is there.
9 is an explanatory diagram showing an example in which sub-differential light receiving elements are provided on both sides of the differential light receiving element of the one-dimensional position detection apparatus shown in FIG. 1;
10 is an explanatory view showing an example in which the differential light receiving element of the one-dimensional position detection device shown in FIG. 1 is divided into a plurality of parts in a direction perpendicular to the moving direction.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a structure of the one-dimensional position detection device shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Point light source, 110 ... Lens system, 110A ... Focusing surface, 120 ... Movable body, 130 ... Differential type light receiving element, 130R, 130L ... Light receiving element, 140 ... Actuator, 150 ... Encoding unit 160... Absolute position detection device 170... Movable element 210... Differential amplifier 220 .. addition circuit 230 .. actuator control circuit 240. ... determination circuit.

Claims

A point light source attached to the position detection object;
A lens system for collecting and imaging light from the point light source;
A movable body disposed on the focal surface of the lens system;
A differential light-receiving element that is provided on the movable body and detects a focal position of light from a point light source;
An actuator that controls the state in which the image of the point light source strikes the differential light receiving element based on an output signal of the differential light receiving element by linearly moving the movable body in the focal plane;
An encoding unit provided on the movable body;
An absolute position detection device configured to detect the position of the movable body by detecting the encoding unit,
Based on the detection information of the absolute position detection device and the difference output information of the differential light receiving element, comprising a one-dimensional position detection device that detects the position of the point light source ,
The absolute position detection device and the actuator apply a minute vibration to the differential light receiving element, and the difference between the output change of the absolute position detection device and the difference output of the differential light receiving element A position conversion characteristic value of a difference output of the type light receiving element is determined, and a means for outputting a current value of the position conversion characteristic value to a difference output of the differential type light receiving element is output.
A position detecting device characterized by that.

A memory for storing a position conversion characteristic value of a differential output of the differential light receiving element, and comparing a current characteristic value with a past typical characteristic value read from the memory; position detecting apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises means for diagnosing an abnormality in the output.

A point light source attached to the position detection object;
A lens system for collecting and imaging light from the point light source;
A movable body disposed on the focal surface of the lens system;
A differential light-receiving element that is provided on the movable body and detects a focal position of light from a point light source;
An actuator that controls the state in which the image of the point light source strikes the differential light receiving element based on an output signal of the differential light receiving element by linearly moving the movable body in the focal plane;
An encoding unit provided on the movable body;
An absolute position detection device configured to detect the position of the movable body by detecting the encoding unit,
Based on the detection information of the absolute position detection device and the difference output information of the differential light receiving element, comprising a one-dimensional position detection device that detects the position of the point light source,
The differential type light receiving element is divided into a plurality of directions in a direction orthogonal to the linear movement direction of the movable body, and comprises means for switching and selecting signals of the divided differential type light receiving elements.
A position detecting device characterized by that.

A point light source attached to the position detection object;
A lens system for collecting and imaging light from the point light source;
A movable body disposed on the focal surface of the lens system;
A differential light-receiving element that is provided on the movable body and detects a focal position of light from a point light source;
An actuator that controls the state in which the image of the point light source strikes the differential light receiving element based on an output signal of the differential light receiving element by linearly moving the movable body in the focal plane;
An encoding unit provided on the movable body;
An absolute position detection device configured to detect the position of the movable body by detecting the encoding unit,
Based on the detection information of the absolute position detection device and the difference output information of the differential light receiving element, comprising a one-dimensional position detection device that detects the position of the point light source,
The movable body is formed by a single plate, the differential light receiving element is provided at the center of the single plate, and a mover for the actuator is provided at one end of the single plate, A scale pattern is formed on the other end of the one plate to provide the encoding unit.
A position detecting device characterized by that.