JP3998644B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学的に物体の位置情報を検出する反射型の位置検出装置に関するものである。

光学系を用いて対象物の伝送（移動）を検出する場合、検出精度を上げるために、空間的コヒーレンス性の高い点光源あるいはコヒーレンス長の長いＬＤ等を用いることで、エンコーダ等のスケール位置を読み取っている。さらに精度を上げるためには、反射型ではなく、透過型での伝送検知が行われている（例えば、特許文献１参照。）。

図１２はこのような透過型の位置検出装置の構成例を示す図である。発光素子１１から出た光はレンズ１３、光学絞り１４を通り、図の矢印方向に移動するベルト等の被検出物１５を通過して、受光素子１２に至る。そして、この受光素子１２の出力から被検出物１５の位置情報を検出することができる。

上記の透過型は、発光部から受光部までに一定の距離が必要になる。そこで、透過型より精度は落ちるが、反射型の装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

図１３はこのような反射型の位置検出装置の構成例を示す図である。発光素子１１、受光素子１２を有する反射型エンコーダの構成となっている。被検出物１５には反射面と非反射面があり、反射面で反射した光を検知することで位置情報を得ている。

上記の反射型は、被検出物１５の移動方向と同じ方向に受発光素子を設置しており、被検出物１５が進行方向以外の方向（特に図１３で上下方向）に変動すると、検出誤差が大きくなる。さらには、受光可能なエリアから外れると、検出することができなくなる。図１４はそのときの側面図、図１５は上面図である。
特開平１１−１６６８０９号公報 特開２００２−２２４９５号公報

しかしながら、上記のような従来の位置検出装置にあっては、発光素子にＬＤを用いると光学系の価格が高くなり、対象物の距離変動によって検出精度が落ちてしまう。

ＬＥＤ等を用いた場合は、コストは下がるが、インコヒーレンス性が高く、精度が悪くなってしまう。

また、透過型ではサイズが大型となり、面付けの自由度が小さい。反射型エンコーダとして使用するためには、固定スケールが必要となる。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、安価な構成で、検出精度が高く、また小型化が可能で、取り付けの自由度の大きい反射型の位置検出装置を提供することを目的としている。

本発明に係る位置検出装置は、次のように構成したものである。

（１）発光素子から出て被検出物で反射した光を受光素子により受光して前記被検出物の位置を検出する反射型の位置検出装置であって、前記被検出物は、反射率の異なる部分が所定の間隔で配列され、前記発光素子と前記受光素子の少なくとも何れか一方と前記被検出物との間に、複数の透過部と遮光部とを有する光学絞りを配置し、前記光学絞りと被検出物との間に、前記光学絞りによる光学パターンを前記被検出物へ投影可能なレンズを配置したことを特徴とする位置検出装置。
（２）前記光学絞りは、前記透過部の幅Ｘと前記Ｘと遮光部の幅の合計Ｙとの比率Ｘ／Ｙが０＜Ｘ／Ｙ≦０．５であることを特徴とする前記（１）に記載の位置検出装置。
（３）前記光学絞りの前記各透過部は、一定幅を有し、前記各透過部を透過する光量あるいは前記レンズを透過後の前記各透過部に対応する部分の光量が略等しくなるように設定された形状を有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の位置検出装置。
（４）前記発光素子と前記受光素子は、前記被検出物の進行方向に対して垂直な同一ライン上に設置したことを特徴とする前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の位置検出装置。
（５）前記受光素子は、前記発光素子による前記被検出物における投影範囲より広い受光範囲を有することを特徴とする前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の位置検出装置。

本発明によれば、安価な構成で、検出精度が高く、また小型化が可能で、取り付けの自由度が大きくなるという効果がある。

図１は本発明に係る位置検出装置の概略の構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

同図において、１はＬＥＤ等の発光素子、２はフォトダイオード等の受光素子、３は複数の透過部を有する光学絞り、４、５はそれぞれ発光側、受光側のレンズ、６は被検出物である。

ここで、被検出物６は、スケールを有する。ここでいうスケールとは、反射率大の部分と反射率小の部分が所定の間隔で配列している領域をいう。従って、被検出物６は、移動対象物がスケールを有する場合には、移動対象物自体がなり得る。また、移動対象物がスケールを有しない場合には、スケールを有する器具を移動対象物へ設置することで被検出物６とする。

上記の反射型位置検出装置は、受発光素子と被検出物６の間に光学絞り３が配置されており、発光素子１の発光部分より光を照射し、光学絞り３を介した光の透過像を被検出物６へ結像させる。そして、この光学絞り３と被検出物６との間に光学絞り３による光学パターンを、被検出物６へ投影可能なレンズ４が配置されている。光学絞り３は後述するように、透過部と遮光部を有するが、光学絞り３において透過部と遮光部の配列する方向と、被検出物において反射率大の部分と小の部分の配列する方向は、略同一となるよう設置されている。

つまり、被検出物６は図６に示すようなスケールを有し、反射率大の部分と結像された透過像が重なる場合に光が反射され、レンズ５により受光素子２の受光部へ入射する。逆に、被検出物６の反射率小の部分と結像された透過像が重なる場合は光の反射が少ないため、受光素子２へ入射する光量は小さくなる。この最大光量の差あるいは比を検知することにより、被検出物６の位置情報を読むことができる。

また、発光素子側のレンズ４は、上述のように光学絞り３を透過した像をスケールヘ結像させるものであり、受光側のレンズ５は、その投光像の範囲より広い受光範囲となるように設定している。そのように設定することで、被検出物が進行方向以外に変動した場合においても、投影範囲が受光範囲に含まれるため、検出できない不具合を発生させることなく検出可能となる。

例えば、受光レンズの大きさを大きくすることや、レンズから結像点までの距離を発光側より大きく設定ことなどにより実現できる。図１１に投影範囲より受光範囲を広く設定した場合の一例を示す。図１１において、被検出物が進行方向以外に変動（図１１中、被検出物６の上下）した場合においても、投影範囲が受光範囲に含まれ、検出が可能となっている。

上記構成により、発光素子１に、空間的コヒーレンス性の高い点光源もしくはコヒーレンス長の長いＬＤ等を用いなくても通常のＬＥＤ等の使用で精度良く位置検出が可能である。

図２は光学絞り３の一例を示す図である。光学絞り３は、透過部と遮光部から形成され、透過部の透過率は１００％に近いほど、遮光部の透過率は０％に近いほど好ましい。また、光学絞りとしては、遮光部材に細隙を設けてもよく、透過部材に反射材料や吸収材料により遮光部を設けてもよく、透過部と遮光部が形成されていればよい。この光学絞り３は透過部と遮光部が所定の間隔で交互に繰り返され、透過部の形成されるピッチは、被検出物における反射率大の部分が形成されるピッチと同一であり、透過部の幅Ｘと前記Ｘと遮光部の幅の合計Ｙとの比率Ｘ／Ｙは０＜Ｘ／Ｙ≦０．５とする。

ここで、光学絞りの透過部と遮光部が同じ幅である場合（つまり、Ｘ／Ｙ＝０．５のとき）、図８の（ａ）のような光学分布を有する光源と組み合わせたときの理想的な発光分布は、図８の（ｂ）の点線に示すような発光分布となる。光学絞りの透過部を通過した光学パターンが被検出物の反射率大の部分と重なる場合に最大光量となり、反射率小の部分と重なる場合に最小光量となる。

しかし、実際は図８の（ａ）に示されるような発光素子からの発光分布は、図８の（ｂ）の実線に示すようになり、各透過部を通過した光学パターンは、各透過部幅より広がっている。そのため、被検出物へ結像された投影像も広がりを有するようになる。従って、図４の（ａ）に示すように、被検出物における反射率小の部分を中心に結像した場合にも、反射率大の部分にも投影像がかかるため、その部分での反射光により、最小光量値が上記の理想的な発光分布を有した場合と比較して、大きくなる。逆に、最大光量値は、理想発光分布の場合と比較して小さくなる。このため、理想発光分布の場合より、検出される最大光量と最小光量の差が小さくなり、受光素子による受光光量を電気信号へ変換して検出する場合において、Ｓ／Ｎが小さくなり、検出精度が悪くなる。

そこで、図３に示す光学絞り３の他の一例として、透過部幅を狭くすることにより（つまり、Ｘ／Ｙ＜０．５のとき）、図４の（ｂ）に示すように、被検出物における反射率小の部分を中心に結像した場合に、反射率大の部分には投影像がかからないようにすることができる。従って、全体の光量値は小さくなるものの、Ｓ／ＮはＸ／Ｙ＝０．５のときよりも大きい値が得られ、より検出精度を向上させることができる。また、Ｘ／Ｙを小さくするほど検出されるＳ／Ｎは向上が望まれるが、Ｘ／Ｙの下限値は、検出に十分な光量が得られる値であればよく、各装置の条件に依存する。

また、図７に示すように、光学絞り３とＬＥＤ等の光源との距離を離すかあるいは光源のサイズを小さくすることによっても、光学絞り３より透過する光の配光分散を低減することができる。図７の（１）において、発光素子１の発光部分の幅をａ_０、光学絞り３との距離をｂ_０、配向の角度をθ_０とする。ｂ_０を大きくしてｂ_１とした場合の配向の角度をθ_１とすると、図７の（２）に示すように、θ_１＜θ_０である。ａ_０を小さくしてａ_１とした場合の配向の角度をθ_２とすると、図７の（３）に示すように、θ_２＜θ_０である。また、上記ａ_１かつｂ_１とした場合の配向の角度をθ_３とすると、図７の（４）に示すように、θ_３＜θ_１、θ _３ ＜θ _２ となる。

また、光学絞り３の他の例として、図５に示すように、透過部の形状を変化させることによっても、検出の精度を向上させることができる。ここで、各透過部の形状は同じ幅とし、光源の発光分布を考慮して、各透過部を透過する光量が等しくなるように、設定している。

図５は各透過部幅ｔが一定で、長さｈを調整した透過部Ｒ１〜Ｒ５を有する光学絞り３の一例を示す図である。図８の（ａ）のような光学分布を有する光源と組み合わせた場合の、光学絞り３を透過した光学パターンの光量と位置の関係を図５の（ｂ）に示す。実際の発光分布を実線、理想の発光分布を点線で示す。各透過部の長さｈ１〜ｈ５は、光源の発光分布を考慮して、各透過部Ｒ１〜Ｒ５に対応する光量Ｒ１〜Ｒ５が同一となるように設定される。

図５においては、透過部の形状を矩形としたが、本発明は矩形に限らず、各透過部を透過する光量が等しくなるように設定されることで達成される。また、上記においては、伴わせてレンズ４を用いた場合も、図５の（ｂ）に示す光学パターンを維持することを前提としたが、レンズ４と光学絞り３との関係を考慮して、被検出物へ結像される光学パターンにおいて各透過部に対応する部分の光量を略等しくすることをねらいとする。従って、レンズ４を伴わせて用いる場合においては、レンズ透過後の各透過部に対応する部分の光量、あるいは被検出物へ結像される光学パターンにおける各透過部に対応する部分の光量が等しくなるように、各透過部の形状を設定する。

さらに好ましい形態とするには、被検出物の進行方向に対して受発光素子の並ぶラインが垂直となるように設置する。つまり、発光素子と受光素子は、被検出物の進行方向に対して垂直な同一ライン上に設置する。図９はその場合の受発光素子と被検出物の位置関係を示す上面図である。また、図１０は図９のＡ−Ａ′線断面図を示す。

ここで、図１４に示すように、以前より一般的な態様である、被検出物の移動方向と同じ方向に受発光素子を設置した場合は、被検出物が進行方向以外に変動することにより（特に図１４中、被検出物６の上下）、検出誤差が大きくなり、さらには受光可能なエリアから外れ、検出できない問題が発生してしまう。一方、図９及び図１０に示すような位置関係となるように配置した場合、被検出物の進行方向以外の変動（図１０中、被検出物６の上下）によっても、図１０に示されるように、受光できる光量は低下しても、必要なＳ／Ｎを得ることができる。

また、受光部を２分割以上の受光素子にした場合、それぞれの受光部への光量の比から、対象物の傾きをも検知することができる。

また、発光側のレンズ４として楕円レンズを用い、光学絞りの透過部と遮光部の並ぶ方向と楕円レンズの短軸方向を揃えて配置することも、検出精度向上に有効な手段である。当該構成とすることにより、光学絞りの透過部の長さ方向に投影範囲を大きくすることができるため、被検出物が進行方向以外へのずれによる受光量の減少を軽減することができる。つまり、被検出物の進行方向以外のずれに対してより安定したＳ／Ｎを確保できる。

そして、以上のような構成の位置検出装置は、ＬＤや精度の高いアライメントを必要とするスケールを用いない安価な構成であり、かつ検出精度が高く、また小型化が可能で、取り付けの自由度が大きなものとなる。

すなわち、本発明において、次のような効果を得ることができる。

（１）発光部にＬＥＤ等が使用可能なので、コスト面で有利である。

（２）発光部にＬＥＤ等が使用可能なので、受光部とあわせた波長の選択を自由にすることができる。

（３）光学絞りとＬＥＤ等の光源との距離を離すことにより、光学絞りより透過する光の配光分散が低減でき、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

（４）光学絞りの透過部を複数有することにより、受発光素子と被検出物との間の検出距離変動に対する精度の低下を防ぐことができる。また、光学絞りの透過部を複数有することにより、従来の反射型と比較して、出力が大きくなり扱いやすくなる。

（５）各透過部の形状を、各透過部を透過する光量が同じとなるように一定幅を有する形状とすることにより、精度の向上を図ることができる。

（６）発光側のレンズにより、光学絞りを透過した光学パターンをスケールヘ結像させた投光範囲より、受光範囲を広く設定することにより、被検出物の距離変動に対してもＳ／Ｎを安定させることができる。受光範囲を広く設定する方法としては、受光レンズの大きさを大きくすること、受光レンズから結像点までの距離を発光側より大きくすること、受光素子を大きくすることなどがあり、使用態様に適切な方法をとることができる。

（７）透過部の並ぶ方向と被検出物のスケールパターンの並ぶ方向を同じとし、被検出物の進行方向に対して受発光素子の並ぶラインが垂直となるように設置することで、検出距離の変動に対しても、安定した精度を確保することができる。

（８）受光部を２分割以上の受光素子とすることで、位置の検出のみならず、対象物の傾きも検知することが可能となる。

なお、本発明は、上述のようにコヒーレントな光源のみならず、インコヒーレントな光源においても精度良く位置検出を行うことができる。従って、安価なＬＥＤを用いることができるが、本発明はＬＥＤに限定されるものではない。また、レンズ４及び５についても限定されるものではなく、種々の形状のレンズ、例えば回転非球面レンズ、楕円レンズ、球面レンズ、フレネルレンズなどを用いることができる。さらに応用して、位置検出以外の用途にも使用しうるものである。

次に、上記の実施の形態に基づく具体的な実施例について説明する。

光源の発光素子としてＧａＡｌＡｓの赤外ＬＥＤを用い、チップサイズ０．４ｍｍ、ピーク発光波長８８０ｎｍとした。受光素子にはＳｉホトトランジスタを用い、チップサイズ０．７ｍｍ、ピーク感度波長８８０ｎｍとした。被検出物は、ピッチ０．１６９ｍｍ、反射幅、遮光幅０．０８４ｍｍのスケール（１５０ＬＰＩ相当）とした。被検出物と受発光素子との配置関係は、垂直とした。

また、透過部は複数使用し、ピッチ０．１６９ｍｍ、デューティ０．３７５とし、光源から１．２２ｍｍ離した。発光側のレンズは、光学絞りより該レンズまでと、該レンズより被検出物までの距離を同じとし、受光側のレンズは、受光可能な範囲を大きくした。つまり、発光側の設定距離よりも遠い位置に距離設定をした。

なお、上記の各部品間の配置に関して、受発光部の位置は、光学中心からそれぞれ２ｍｍの位置に配置した。

そして、この条件により、検出距離の変動（図１０及び図１１における上下方向の変動）±０．４ｍｍに対して、Ｓ／Ｎを０．３以上確保できた。この結果、±０．００６ｍｍ以下の位置検出精度、１０ｋＨｚの読み取り速度を確保することができた。

なお、本実施例におけるＳ／Ｎの値は、受光光量を電気信号へ変換して検出した値を用い、［信号の最大値と最小値の差］／［（信号の最大値と最小値の差）＋（信号の最小値）］で算出した。

本発明は、複写機、リニアエンコーダ、ロータリーエンコーダ、プリンタ、カードリーダー、テープ送り制御機構等に広く利用することができる。

本発明に係る位置検出装置の構成を示す説明図 光学絞りの一例を示す図 光学絞りの他の例を示す図 発光素子による投影像を示す説明図 光学絞りの他の例を示す図 被検出物の反射面を示す図 光学絞りによる配光分散を示す説明図 発光素子の発光分布を示す説明図 被検出物と受発光素子の位置関係を示す上面図 図９のＡ−Ａ′線断面図 投影範囲と受光範囲を示す説明図 従来例の構成を示す図 他の従来例を示す構成図 従来例を示す側面図 従来例を示す上面図

符号の説明

１ 発光素子
２ 受光素子
３ 光学絞り
４ レンズ
５ レンズ
６ 被検出物

Claims (5)

1. 発光素子から出て被検出物で反射した光を受光素子により受光して前記被検出物の位置を検出する反射型の位置検出装置であって、前記被検出物は、反射率の異なる部分が所定の間隔で配列され、前記発光素子と前記受光素子の少なくとも何れか一方と前記被検出物との間に、複数の透過部と遮光部とを有する光学絞りを配置し、
   前記光学絞りと被検出物との間に、前記光学絞りによる光学パターンを前記被検出物へ投影可能なレンズを配置したことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記光学絞りは、前記透過部の幅Ｘと前記Ｘと遮光部の幅の合計Ｙとの比率Ｘ／Ｙが０＜Ｘ／Ｙ≦０．５であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記光学絞りの前記各透過部は、一定幅を有し、前記各透過部を透過する光量あるいは前記レンズを透過後の前記各透過部に対応する部分の光量が略等しくなるように設定された形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
4. 前記発光素子と前記受光素子は、前記被検出物の進行方向に対して垂直な同一ライン上に設置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の位置検出装置。
5. 前記受光素子は、前記発光素子による前記被検出物における投影範囲より広い受光範囲を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の位置検出装置。

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