JP4292495B2 - 回転要素の角位置を決定する軸ｌｅｄ位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は１９９８年４月１７日出願の米国特許願第０９/０６１，９３５号の優先権を主張する。
【０００２】
本願発明は一般的に移動要素の角位置の決定ができる装置に関する。特には全体サイズが縮小された位置検出装置を提供することができる軸整合ＬＥＤ源を利用した光学式位置検出装置に関する。
【０００３】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
限定サイズの回転モータのシャフトのごとき回転要素の回転位置の精密測定は、例えば、レーザ光ビーム角位置の制御用回転鏡の使用時等にしばしば必要となる。回転運動の検出に使用されるいくつかの異なる手法が存在する。これらの多くは利用形態によっては充分であるが、自身特有の欠点を備えていたり、使用形態によっては不充分なものである。
【０００４】
可変差動変換機(differential transformer)を利用した技術は不充分であることが発見されている。磁界の存在に対するその過敏な感度がその理由である。可変電位差計は過剰な物理的履歴現象特性を有していることが発見されている。特に、角位置の平衡または零近辺で使用されたときには振動あるいは微動が発生し、接触部の磨耗が問題となる。加えて、電位差計はその機械的運動のために使用寿命が限定される。
【０００５】
非常に正確ではあるものの静電検出システムでは静電システムを励起させるオシレータ回路の搭載が必要である。限定されたスペースにこの回路を搭載させることは困難であり、その結果として製造コストが押し上げられる。さらに、その移動式誘電蝶形部材は大きな慣性を有しており、小型化されているモータの全慣性の主要要因となっている。低慣性でもあり得る移動板状静電センサーはいくつかの別種類の欠点を有している。その欠点には放射方向のシャフト移動に対する高感度と温度による高出力ドリフトが含まれている。
【０００６】
光検出技術を利用した位置検出装置も、例えば、経時的ドリフト現象等の温度不安定性を抱えている。光検出装置は振動に対して鋭敏であり、比較的に小範囲の回転運動においてさえも実質的に非線形操作であることが多い。作像レンズと組み合わされたデフューザからの反射光を使用したその他の光学式装置は、製造コストの押し上げに通じる低信号発生タイプで低精度であり、しかも大型であることに関する諸問題を抱えている。１光源/２光電池光学式位置検出装置は放射方向のシャフトの動きに鋭敏である。角位置反復性に対するその影響のためにこの特徴は非常に重要である。シャフトの不都合な小さな放射方向移動でさえも検出装置の出力の精度に悪影響を及ぼすであろう。
【０００７】
本願の出願人に譲渡されている米国特許第５，６７１，０４３号に記載された位置検出装置は従来技術に関わる前述のほとんどの問題を克服する。それでも、その光学式検出装置のサイズを小型化することは望ましく、可能であれば、そのようなシステムの利点を損ねることなくその測定精度をさらに改善することが望ましい。
【０００８】
従って、本願発明の目的は、回転要素の角位置を正確に検出することができる光学式位置検出装置の提供である。
【０００９】
本願発明の別目的は、非常に小型サイズの位置検出装置を提供することである。特に回転軸の先端部を非常に小型化した回転位置検出装置を提供することである。
【００１０】
本願発明のさらに別目的は光学式位置検出装置の使用部品数を減らし、製造を簡素化し、製造コストを引き下げることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明の前出の目的及び他の目的並びに利点は以下において解説する本願発明の実施例によって達成される。
【００１２】
本願発明の光学式位置検出装置は好適にはスキャナーの一端近辺に配置される。本願発明はスキャナーの一部を成すシャフトの１端に固定されたブロック（遮断）部材を利用する。このブロック部材は、少なくとも１対の対角的に配置され、電気的に接続された光センサーによる一体のＬＥＤ源からの光の受領を、部分的に妨害するように利用される。光ブロック部材は少なくとも１対の対角的に配置された光ブロック部品で構成されており、該光ブロック部品のそれぞれの部分は前記複数のセンサーの一つの前記感光面の所定の形状と実質的にマッチするよう形状化されている。
【００１３】
本願発明の機能においては、その光源が光センサーに可能な限り接近していることが重要である。さらに、シャフトに固定されて共に回転する光ブロック部材も光センサーに可能な限り近接して配置されていることも非常に重要である。その光源は全部の光センサーを同時に照射できる均質で広角な光界を提供するタイプのものである。そのようにして、本願発明の位置検出装置のサイズはコンパクト化が可能となる。またさらに、光センサーへの光源の接近によって受領光の強度が増加し、信号強度が増強される。これら全ては、光ブロック部材と単一の光源との間及び光ブロック部材と光センサーとの間に障害物が存在せず、単一の光源からの光が、光ブロック部材のブロックしない光センサー部分を他の物体を通過することなく直接的に照射することで達成される。
【００１４】
本願発明は広角光源の利用によって１個のＬＥＤ光源で賄うことができる。１個のＬＥＤ源は、光源が光センサーに非常に接近していようとも４個全ての光センサーを同時的に照射する。光センサーに照射される光は円周的に均等である。このことは高精度の達成にとって非常に重要である。インクレメンタル角で光ブロック部材が回転するとき、それは新たなインクレメンタル光センサー領域をカバー（遮蔽）したり、カバーしなかったりする。光センサーから提供される電気線形出力信号の変化を直線的にするため、この新インクレメンタル領域は先行インクレメンタル領域と同じ信号変化を提供しなければならない。これには光強度が円周的に均等で、本願発明に利用されるようなＬＥＤ源を要する。
【００１５】
この光ブロック部材が回転あるいは振動するとき、４個の光センサーの２つからさらに大きな領域を露出させ、残りの２つの光センサーからはさらに小さな領域を露出させる。これら光センサーの、一方のペアの電気線形出力信号の合計出力は増加し、他方のペアの電気線形出力信号の合計出力は減少する。これら合計出力は差動増幅器の両側に接続され、最終的双方向線形出力が提供される。この交差接続技術はシャフトの見かけの横方向及び軸方向運動に対する光センサーの感度を大きく低減させる効果を提供する。
【００１６】
本願発明の利用中に光センサーは単一の光源からそれらの利用面に投射される全放射エネルギーに見合った出力電流を発生させる。強度が同じであれば光センサーの出力は光を受ける面積と比例する。直径的に対面する光センサーペアの電流は合計され、差動増幅器の両側に接続されて最終出力が提供される。光センサーからの最終出力は回転式または振動式シャフトの角位置（回転角）を表す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本願発明のさらなる理解を図るため、本願発明の実施例を添付の図面を利用して詳述する。
【００１８】
本願発明の光学式位置検出装置を組み入れて成る移動式磁気スキャナー１０等の回転装置を含んだ本願発明の好適実施例を示す図１と図２を説明する。この光学式位置検出装置は移動式磁気スキャナーを利用して説明されているが、この実施例及び本願発明の他の実施例は、回転または振動を検出するのに必要とされるどのような装置であっても利用が可能である。
【００１９】
移動式磁性スキャナー１０は、スキャナー本体を構成するコイル容器１６内で回転または振動のために搭載された回転シャフトあるいはシャフト構造体１４を含んでいる。このシャフト構造体はベアリング１８と２０のペアによって保持されている。移動式磁気スキャナーの詳細は本願発明の理解にとって必須ではないため、残余の部材の説明は省略する。
【００２０】
図１と図２に示す光学式位置検出装置は移動式磁気スキャナーの１端２２に隣接して配置され、他端２４は好適にはシャフトの端部２５に取り付けられた鏡（図示せず）を有している。この鏡は通常手段で、一般的にスキャナー出力シャフトと呼称されるシャフトの端部２５に固定される。検出対象となるのはこの鏡の回転または振動である。他の部材はシャフトに固定されている。“回転”及び“振動”なる用語は本明細書中では互換性を有して使用されており、シャフト１４の回転あるいは振動を表す。また、“回転”あるいは“振動”なる用語は完全回転あるいは一部回転の両方並びに完全振動あるいは一部振動の両方を表し、さらに、弓状、旋回等をも表す。そのような回転運動は直線的な運動と互換性があり、平面の運動は立体運動と互換性がある。
【００２１】
本願発明の光学式位置検出装置１２の種々な部材を詳細に説明する。図示のごとく蝶形ブロック部材３０（図３Ａ及び図３Ｂ）はシャフトの端部３２に固定される。蝶形ブロック部材３０は図１、図２、図３Ａ及び図３Ｂに示すように放射方向に延び出ており、それぞれ２要素光電池４２と４４のペアを構成する４つの大型扇状光センサー３４、３６、３８及び４０を部分的にブロックする。そのような２要素光電池４２の１つは図４にて明瞭に図示されている。光電池４２及び４４は直径方向で円弧状にシャフト周囲に配置されている。ブロック部材に対するこの光電池４２と４４の位置は図２に示されている。光電池４２と４４の感光領域（光センサー３４、３６、３８及び４０）は、不透明材料で提供される蝶形ブロック部材によって部分的にカバーされている。
【００２２】
蝶形ブロック部材３０はシャフトに固定されて共に回転する。加えて、ブロック部材３０の裏面は約０.００５から０.０１０インチである短距離Ａだけ光電池面から離れて配置される。これによって電池表面に投射されるシャープな陰縁が提供される。その結果、迷光が蝶形ブロック部材背後から漏れることがなくなり、照明領域と非照明領域との間のコントラストに悪影響が及ばない。さらに、蝶形ブロック部材３０の外径は充分に大きいものであって感光領域とオーバーラップし、シャフト１４の不都合な放射方向移動に関連する問題の排除に貢献する。
【００２３】
シャフト１４と軸方向に整合され、長手方向に延びているのは１個のＬＥＤ源４６であり、蝶形部材３０によって遮断されていない４個の光センサー３４、３６、３８及び４０の部分を照明する。本願発明の機能にとってＬＥＤ光源４６が、例えば約０.１から０.１５インチである距離Ｂで光センサーに可能な限り接近して提供されていることは非常に重要である。ＬＥＤ光源４６は４個全ての光センサーを同時に照明できる均等広角光界を提供しなければならない。そうすることで位置検出装置のサイズはコンパクト化する。さらに、光センサーに対する光源４６の近接性は受領放射光の強度を増強し、信号発生を増加させる。これら全ては妨害要素を介さずに達成される。
【００２４】
以下においてＬＥＤ源の詳細な説明をする。１個のＬＥＤ源４６が本願発明では使用される。ＬＥＤ源４６はスキャナーケース２１に固定され、回転軸と直接に整合される。ＬＥＤ源は光電池配列に向かって直接的に光を照射する。ＬＥＤケース２１内には実際の放射源である小型チップ４７が提供されている。チップ４７は透明エポキシ樹脂製の湾曲窓４９で覆われている。窓４９の屈折特性と相俟ってこの小型チップサイズはＬＥＤを点状光源として作用させる。光は光ブロック部材と複数の光センサーに向けて前方に全角均等強度にて照射される。すなわち広角照射である。このことは本願発明の位置検出装置の全体的な機能の理解に重要である。広角光源の利用によって１個のＬＥＤ光源で済み、可能な限りコンパクトなサイズとするためにＬＥＤ源４６が光センサーと非常に近接している時でさえも４個全ての光センサーを同時に照明することができる。さらに、光センサーを照明する光は円周的に均等である。このことは高精度の達成に重要である。蝶形ブロック部材３０がインクレメント角で回転するとき、新インクレメント光センサー領域を遮蔽したり、露出させたりする。出力を線状にするため、その新インクレメント領域は先行インクレメント領域と同じ信号変化を発生させなければならない。これには光強度が円周的に均等であることを要し、本願発明に利用されるごときＬＥＤ源４６を要する。
【００２５】
本願発明に利用されるＬＥＤ源４６の１例はＬ２６９０ＬＥＤであるが、これには限定されない。ＬＥＤ源４６はほぼ均等強度で球の全内部を照明するように設計されている。
【００２６】
蝶形ブロック部材３０が回転（振動）するとき、光センサー３６と３８の２つからはさらに大きな領域を露出させ、他の２つの光センサー３４と４０からはさらに小さな領域を露出させる。この光センサーは直径的に交差して接続されており、一方のペアの合計出力が増加して他方のペアの合計出力は減少する。これら合計出力は差動増幅器の両側に接続されて最終的な双方向線状出力が提供される。この合算技術は米国特許第５，６７１，０４３号に記述されたものと同じである。交差接続技術は見かけの横方向及び軸方向の動きに対するセンサー感度を大きく低減させる効果を提供する。従って、本願発明の位置検出装置はシャフト１４の曲現象に対して耐久性があり、シャフトの回転に対応する出力を発生させない現象を防止する。
【００２７】
特に図３Ａと図３Ｂに示すように、蝶形ブロック部材３０は好適にはプラスチック射出成型技術にて低コストで提供される。その他の方法と材料であっても構わない。プラスチック材料はさほど剛性が高くないので、この蝶形ブロック材３０は補強材４８を含んでおり、剛性を高めて共振周波数を高めている。これら補強材４８は図３Ｂに示されている。ブロック部材３０はキー溝５０をも含んでおり、ブロック部材５０をシャフト１４と簡単に整合させる。蝶形部材３０の整合によって光電池配列４５の光電池４２と４４に関する適正な整合が提供される。
【００２８】
図５は光センサー（活性あるいは有効領域）３４と３６で構成される２要素光電池配列４５の１つの光電池４２を図示している。これら光電池は図５に示すように光電池ボード構造体に接続されている。図４には図示されていないが、２要素光電池４４は実質的には光電池４２と同一である。光電池４２と４４は好適には通常のウェハーリトグラフィ技術で製造されるシリコンチップの形態で提供される。光電池活性領域あるいは光センサー３４、３６、３８及び４０は扇型であり、蝶形ブロック部材の形状と合致する。この形状で本願発明の光学式位置検出装置１２にシャフト角に関する線状出力を発生させる。図５はさらに光電池チップ４２と４４のプリント回路ボード５２への接続を図示している。チップからボードへの接続は製造の容易性からワイヤが利用されている。
【００２９】
光電池ボード５６はカスタムデザインされている。活性光電池領域（感光領域）は扇型であり、蝶形ブロック部材３０の形状とマッチするように製造される。扇型の角度は位置検出装置の意図する角度範囲よりも少々広めになっている。少々の範囲外は製造誤差を考慮して必要である。しかし、扇型を広すぎて、４分円で提供することは望ましいことではない。なぜなら、追加された露出電池領域は不要だからである。それらは不都合なシステムノイズの原因となる。
【００３０】
シャフト１４が限定された回転角で回転または振動するとき、共に回転するブロック部材３０はＬＥＤ源４６からの光の一部が２要素光電池４２と４４のペアに到達することを妨害する。ブロック部材３０は図２に示すように完全回転したときＬＥＤ源４６からの光が直径方向で向き合った光センサー３４と４０に到達することを完全及び同時に妨害するように形状化されている。完全シャフト回転での他端において、ブロック部材３０は光が光センサー３６と３８に到達することを妨害する。シャフト１４の零位置で、それぞれの光センサー３４、３６、３８及び４０の半分はカバーされる。
【００３１】
シャフト１４が回転するとき、あるいは振動するとき、光センサー３４、３６、３８及び４０はブロックされた状態となりあるいは非ブロック状態となる。ブロック部材３０はＬＥＤ源３６からの光を反射せずに吸収する。よって、ブロック部材３０は非反射で非透明な材料製である。
【００３２】
光センサー３４、３６、３８及び４０はそれらの活性面に照射する全放射エネルギーに対応する出力電流を発生させる。強度が一定であれば、光センサーの出力は光に露出された面積に比例する。直径的に対面する光センサーのペアの電流は合算され、差動増幅器の両側に接続されて最終出力を発生させる。この合算技術は米国特許第５，６７１，０４３号に詳細に解説されている。光電池ペアの交差接続はロータシャフトの放射方向移動による誤差にも対処させる。この誤差の補正は、直径方向交差接続された露出領域の合算が蝶形部材の並進移動時に一定であることで可能である。このことは、蝶形ブロック部材３０によってカバーされている光電池領域の微分幾何(differential geometry)によって理解される。従って、放射方向並進移動はシャフト回転に対応する出力を発生させない。
【００３３】
同様な補正は見かけの軸シャフト移動に対しても起こる。しかし、この補正効果は少々異なる方法で現われ、照射システムの対称オンアクシス(on-axis)幾何の結果である。このことは、蝶形部材が零位置にあるときの動きを考察することで説明できる。もし蝶形部材が軸方向に移動すれば、すなわち、回転軸に沿って移動すれば、４つ全ての光電池の露出領域にて小さいが等しい変化が発生するであろう。前述の合算-差動増幅器技術により、最終出力信号に対しては変化は生じず、軸方向移動に対する感度は発生しない。光センサーからの最終出力は回転式（振動式）シャフト１４の角位置（回転角）を表す。
【００３４】
本願発明は実施例を介して説明されているが、「請求の範囲」内での変更は可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本願発明の好適実施例の光学式位置検出装置を採用した移動式磁気スキャナーの断面図である。
【図２】図２は図１の移動式磁気スキャナーのＩＩ-ＩＩ線に沿った箇所の前面図である。
【図３】図３Ａと図３Ｂは本願発明の光学式位置検出装置で利用される光電池の感光領域を部分的にカバーするように利用される蝶形ブロック部材のそれぞれ側面図と前面図である。
【図４】図４は本願発明の光学式位置検出装置で利用される２要素光電池の一方の前面図である。
【図５】図５は本願発明で利用されるＰＣボードキャリヤを含んだ光電池ボード構造体の前面図である。

Claims (11)

1. スキャナーを駆動するための回転要素の角位置を決定する位置検出装置（１０）であって、
   前記回転要素は、内部を貫通し更に一端を越えて長手方向に伸びる長軸を有しており、
   当該位置検出装置（１０）は、限定された回転角で一部回転もしくは一部振動する回転要素の角位置を決定する装置であって、
   本位置検出装置は、
   前記長軸の延長上に中心が一致する位置に配置されて、実質的に該長軸に沿った方向に均等な広角光を提供し、長軸上で点光源を構成する単一の光源（４６）と、
   前記単一の光源（４６）から直接的に光を受領するように前記長軸を中心として少なくとも１対の対角的に配置され前記回転要素の周囲で整合されている、電気的に接続された複数の光センサー（４２、４４）とを含んでおり、
   前記複数の光センサー（４２、４４）のそれぞれは前記長軸の周囲にて前記単一の光源（４６）から前記長軸の方向に離れて配置されており、前記単一の光源（４６）から照射される光が円周的に均等に各光センサー（４２，４４）に到達し、前記複数の光センサー（４２、４４）のそれぞれは電気線形出力信号を提供し、
   本位置検出装置はさらに、前記複数の光センサー（４２、４４）に照射する前記単一の光源（４６）からの光の一部を周期的にブロックするため、前記回転要素に接続されて前記長軸の周囲を前記回転要素と共に一部回転もしくは一部振動する蝶形の光ブロック部材（３０）を含んでおり、
   前記蝶形の光ブロック部材（３０）は、前記単一の光源（４６）から前記複数の光センサー（４２，４４）に対して照射される前記広角光の一部をブロックし、前記光ブロック部材（３０）の不在の領域では前記光センサー（４２，４４）を前記単一の光源（４６）の広角光にさらすものであり、
   前記光センサー（４２，４４）の出力する電気線形出力信号は前記光ブロック部材（３０）の回転位置と相関関係にあり、
   前記蝶形の光ブロック部材（３０）は前記単一の光源（４６）に近接した１面と、前記複数の光センサー（４２、４４）に近接した別面とを有しており、該光ブロック部材（３０）と前記複数の光センサー（４２、４４）との間の間隙にはいかなる障害物も存在せず、
   前記蝶形の光ブロック部材（３０）は、少なくとも１対の対角的に配置された光ブロック部品で構成されており、光ブロック部品のそれぞれは前記長軸から放射状に延びる扇形形状を有しており、それぞれの光ブロック部品は外周部において相互に接続しておらず、
   前記光ブロック部材（３０）の別面と前記光センサー（４２，４４）との間の間隙は十分に小さく、前記光センサー（４２，４４）に前記光ブロック部材（３０）のシャープな陰縁が提供されるものであり、
   前記複数の光センサー（４２、４４）のそれぞれは所定の形状を有した感光面を含んでおり、前記複数の光センサー（４２、４４）の一つの感光面の形状は、前記光ブロック部材（３０）の光ブロック部品の扇形形状と実質的にマッチするように形成されており、
   前記感光面の扇形の角度は、この位置検出装置（１０）が意図するところの前記限定された回転角度よりも少々広めになっており、
   本位置検出装置はさらに、前記少なくとも１対の対角的に配置され電気的に接続された光センサー（４２，４４）のそれぞれの前記電気線形出力信号を入力として受領するとともに、前記回転要素の放射方向移動による誤差及び回転要素の軸方向移動による誤差をキャンセルして回転要素の角位置の正確な測定値を提供するためにそれぞれの出力を合算する出力手段（５２）を含んでいることを特徴とする位置検出器。
2. 前記複数の光センサーは４体の扇形光センサーで構成され、２対で対角的に配置されており、電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記単一の光源は、１個の点光源として機能する光発生器と、該光発生器をカバーする湾曲窓とを含んでいることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
4. 前記湾曲窓は、前記単一の点光源を蝶形の光ブロック部材と複数の光センサーに向けて前方に全角的に均等な強度で光を提供する点光源として作用させ、前記単一の点光源を広角光発生器として作用させることのできる屈折特性を備えていることを特徴とする請求項３記載の位置検出装置。
5. 前記蝶形の光ブロック部材（３０）は、自身の剛性を維持する手段を含んでおり、当該剛性維持手段は少なくとも１つの剛性リブを含んでいることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
6. 前記蝶形の光ブロック部材の別面と前記光センサーとの間の間隙は、０．１２７ｍｍから０．２５４ｍｍであることを特徴とする請求項１または５に記載の位置検出装置。
7. 前記単一の光源と前記光センサーとの間の間隙は、２．５４ｍｍから３．８１ｍｍであることを特徴とする請求項１または５に記載の位置検出装置。
8. 前記蝶形の光ブロック部材はプラスチック製であることを特徴とする請求項５記載の位置検出装置。
9. 前記蝶形の光ブロック部材は非反射で不透明な材料製であることを特徴とする請求項５記載の位置検出装置。
10. 前記蝶形の光ブロック部材のそれぞれの光ブロック部品は、前記複数の光センサーの１つの感光面の所定形状よりも少々大きめであることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
11. 前記単一の光源と前記光センサーとの間には前記光ブロック部材を除いていかなる障害物も存在せず、それゆえに前記単一の光源からの光は、少なくとも該光ブロック部材がブロックしない光センサー部分に対して他の物体を通過することなく直接的に照射され、
    前記光ブロック部材の別面と前記光センサーとの間の間隙は、０．１２７ｍｍから０．２５４ｍｍであり、
    前記単一の光源と前記光センサーとの間の間隙は、２．５４ｍｍから３．８１ｍｍ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。

Images