JP5058845B2 - 変位検出装置及びそれを有する光学機器 - Google Patents

変位検出装置及びそれを有する光学機器 Download PDF

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Description

本発明は被検体の移動量や回転量等の変位情報を測定する変位検出装置に関し、特に光学式スケールを用いて被測定物の相対的変位と絶対的変位を同時に検出する際に好適なものである。
従来より、被検体の移動量や回転量等の変位情報の検出を光学式スケールを利用して行う、変位検出装置が知られている(特許文献1、2)。
特許文献1、2では2つの反射面を所定の角度で対向配置したルーフミラーを複数個、1次元方向に配列した反射手段(マイクロレンズアレイ)を被検体に設けている。
そして照明手段からの光束を反射手段に投光し、反射手段で反射された光束を受光手段で受光することによって被検体の変位情報を検出している。
図12は従来の変位検出装置の一部分の要部概略図である。
図12において、センサ本体1には測定対象(被検物)との連結に用いられる回転軸2が設けられている。
回転軸2には、マイクロルーフアレイやルーフプリズムアレイを反射パターン3aとして背面に規則的に配列した透明体から成る反射素子3と、該センサ本体1に対する抜け止めとして抜け止め4とが一体に固定されている。
該反射素子3に対向する適切な位置に、投光素子(照明手段)5a及び第一の受光素子5bと、これらを隔てる遮光板5cとを内包したセンサ5が配される。
投光素子5aからの光束であって反射素子3の反射パターン3aからの反射光束を第1の受光素子5bで検出している。
そして第1の受光素子5bで検出された信号に基づいて回転軸2に設けられている被検物の回転情報(変位情報)を検出している。
図12に示す変位検出装置は、反射パターン3aを介した光束を受光することによって被検物に関する相対的変位情報を検出している。
特開2002−323347号公報 特開2003−337052号公報
図13は、図12において反射素子3のA方向からの視図である。図14は、該投光素子5aからの光束(検出光)が、該反射パターン3aで反射した後に、該受光素子5bで受光(検出)される時の光路を示す要部構成図である。図15は図12の反射素子3と抜け止め4の境界面4aにて反射される光路を示す要部構成図である。
図13に示すように、該反射素子3にはマイクロルーフアレイである反射パターン3aと、台形突起状で非反射部であるパターン3bとが規則的に配されている。
図14に示すように該受光素子5bは、投光素子5aからの光路であって、該反射パターン3aにより生成される光路6a上の、該投光素子5aからの拡散光が効果的に集光される位置に設けられている。該センサ5と該反射素子3との間隔ずれに対しても光線強度が確保できる構造を取っている。
また、反射素子3とセンサー5とが相対移動し、該反射素子3が非反射部であるパターン3bの位置に変位したとき、即ちパターン3bの位相に位置することがある。このときは、図15に示すように、非反射部3bを透過した光束は該抜け止め4の該反射素子3との境界面4aで反射して光路6bを形成する。この光路6bを形成する光束は、該受光素子5bに到達してしまう。そうすると、この光束は外乱光(迷光)となり反射パターン5aで効果的に集光された検出光に有害な影響を及ぼす。
図16はこのときの迷光を防止するときの一例の説明図である。
図16には、上述の該光路6bが、該受光素子5bに対して有害光とならない為の、一方法として該抜け止め7に反射面7aを生成した構成を表している。
投光素子5aからの光束であって、反射素子3の非反射部を透過した光束(迷光)が抜け止め7の一部に形成した反射面7aで反射し、第1の受光素子5bが位置している方向と異なる方向に反射させて第1の受光素子5bに入射しないようにしている。
図16に示す変位検出装置は、テレビ用のズームレンズやビデオカメラやデジタルカメラ等の光学機器に適用できる。
例えば、ズームレンズの駆動装置内に上述の変位検出装置を適用したとする。この場合、ズームレンズのズーム部やフォーカス部等の光学部材には固有の操作角が機構的な端部を有して設定されており、これらの光学部材の端衝突を回避する駆動制御が必要となる。
そのためには、変位検出において光学部材の絶対角度位相の判別が重要となってくる。
このような背景と、変位検出装置に求められる外径,全長方向の大きさの制約から、上述の絶対位相検出を行う為の検出機構としては、例えば図17の構成が考えられる。
図17において、反射部材8は絶対角度検出用の反射手段であり、該投光素子5aからの拡散光を反射させて、第二の受光素子9に導光する位置に配されている。該第二の受光素子9は該センサ5の第1の受光素子5bと同一面に配されている。
図18は反射部材8のパターンの説明図である。
該反射部材8は、絶対位相判別の為に所定の反射強度の変化を有した反射面8aと非反射部8bの2つのエリアに分割されるパターンを有している。
該反射面8aのそれぞれの位相の反射の有無に応じて、該第二の受光素子9からの出力信号は2値で出力される。
しかしながら第1、第2の受光手段を同一面に配置し、装置全体の小型化を図ると図19に示されるように、該反射面7aが生成する光路7bが、反射部材8の該反射面8aが生成する光路8bに重なる場合がある。そうすると、該第2の受光素子9に入射し、第2の受光素子9の受光感度を低下させてしまう。
投光素子5aからの光束であって、反射素子8の反射面8aで反射された光束は第2の受光素子9で受光される。これにより被検体の絶対的変位量を検出するが、このような迷光があると被検体の絶対的変位量の検出制度が低下してくる場合がある。
このように、反射部材8で反射しないで第2の受光素子9に入射する迷光は、抜け止め7の反射面7aで反射された光束に限らない。
例えば反射素子3の非反射面3bを透過しないで反射された光束も、第2の受光素子9に入射してくる場合もある。
又、投光素子、第1、第2の受光素子を収納保持する筐体の内壁面で反射する光束も第2の受光素子9に入射してくる場合もある。
本発明は、反射素子の光路上の位置を適切に設定することにより、装置全体の小型化を図りつつ、被検物の相対的変位の検出と、絶対角度位相の検出を高精度に行うことができる変位検出装置及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。
本発明に係る変位検出装置は、発散性の光束を相対移動する被検物に照射する照明手段、該被検物に設けられ、該照明手段からの光束を該照明手段側へ反射させる反射部と、非反射部を繰り返し形成した第1の反射手段、該第1の反射手段で反射された光束を受光する第1の受光手段、該被検物に設けられ、該照明手段からの光束を該照明手段側へ反射させる反射部と、非反射部を有する非透光性の第2の反射手段、該第1の受光手段と同一面上に設けられ、該第2の反射手段で反射された光束を受光する第2の受光する第2の受光手段、該第1の反射手段を介して該第1、第2の受光手段と対向する側に配置され、該第1の反射手段の非反射部を通過した光束を、該第1の受光手段が配置されている位置の方向とは異なる方向に反射させる反射面を有する迷光防止手段、とを有し、該第2の反射手段は該照明手段からの光束であって、該第1の反射手段の非反射部を透過し、該迷光防止手段の一部で反射し、該第2の受光手段が配置されている位置の方向に反射される光束の光路上に配置されていることを特徴とする。
また、上記変位検出装置を用いた画像形成装置も本発明の他の一側面を構成する。
本発明によれば、反射素子の光路上の位置を適切に設定することにより、装置全体の小型化を図りつつ、被検物の相対的変位の検出と、絶対角度位相の検出を高精度に行うことができる変位検出装置及びそれを有する光学機器が得られる。
本発明の変位検出装置及びそれを有する光学機器の各実施例を図面を用いて説明する。
本発明の変位検出装置は、被検物と相対移動するセンサ側に設けた照明光源(照明手段)から発散性の光束を被検物に照射する。
被検物に関しては第1の反射手段が設けられている。第1の反射手段は、照明手段からの光束を照明手段側へ反射させる反射部と非反射部を繰り返し形成したパターンを有している。照明手段側には第1の反射手段で反射された光束を受光し、被検物の相対的変位量を検出する第1の受光手段が設けられている。
又被検物に関して第2の反射手段が設けられている。第2の反射手段は、照明手段からの光束を照明手段側へ反射させる反射部と非反射部を有する非透光性の部材より成っている。又第2の受光手段は第1の受光手段と同一面上に設けられ、第2の反射手段で反射された光束を受光し、該被検物の絶対的変位量を検出している。
このとき第2の反射手段は照明手段からの光束であって、第1の反射手段を介して第2の受光手段が配置されている位置の方向に反射される光束の光路上に配置されている。
又は図16に示すような抜け止め7の一部を反射面7aとした迷光防止手段を用いるときには第2の反射手段の位置を次の如く設定している。
第1の反射手段を介して第1、第2の受光手段と対向する側に迷光防止手段を配置する。このとき迷光防止手段の反射面は第1の反射手段の非反射部を通過した光束を、第1の受光手段が配置されている位置の方向とは異なる方向に反射させている。
そして第2の反射手段は照明手段からの光束であって、第1の反射手段の非反射部を透過し、迷光防止手段の一部で反射し、第2の受光手段が配置されている位置の方向に反射される光束の光路上に配置している。
次に本発明の各実施例について説明する。図11は本発明の変位検出装置を光学機器としてテレビ用のズームレンズ(テレビレンズ)に適用したときの要部概略図である。
図11において100は駆動装置であり、テレビレンズ101の鏡筒外周に装着されている。駆動装置100はテレビレンズ101を構成するズーム部又はフォーカス部又は絞り装置等の可動の光学部材の変位情報を検出するための変位検出装置を内蔵している。
次に本発明に係る光学機器に適用可能な変位検出装置の構成について説明する。
図1は実施例1の変位検出装置の全体の要部構成図である。
図において10はマイクロルーフアレイやルーフプリズムアレイ等を規則的に配置した反射パターン10aを背面に有する透明体から成る反射素子(第1の反射手段)である。反射素子10は、変位検出装置を構成する固定の筐体11に対し回動する回転軸12に一体に連結され固定されている。
反射素子10に対向する筐体11内の位置には、拡散光を発する照射光源(照明手段)(照射手段)13が設けられている。また、照射光源13の回転軸側には相対位置の変位量を検出するための検出手段(第1の受光手段)(相対位置検出手段)14が、外周側には絶対位置の変位量を検出するための検出手段(第2の受光手段)(絶対位置検出手段)15が配置されている。
照射光源13、相対位置検出手段14、絶対位置検出手段15はセンサ基板16上の同一面に配されている。
また、反射素子10と絶対位置検出手段15の間で対向する位置には、図18で説明したような反射部8a、非反射部8bの2つのエリアに分割された、反射素子10と共に回転するリング状のパターンより成る反射部材17が、配置されている。
該反射素子10は、図13での説明と同様に反射部と非反射部(光透過部)とのパターンが規則的に配されており、非反射部の角度位相において検出光は該反射素子10を透過する。この為、反射素子10には透過する検出光を以下に詳述する角度に設定した反射面18aを有する迷光防止部材18が配置されている。
図2は、該迷光防止部材18が反射素子10の非反射部の角度位相の時に、非反射部を通過した光束が該迷光防止部材18の一部で反射され導光する反射光路を示す要部概略図である。
図3は該迷光防止部材18に敷設された反射面18aの反射角α’と各要素との距離、角度関係を表した概略図である。
図2において照明光源13からの光束は反射部材17で反射し、光路17aを形成し絶対位置の変位量を検出するための検出手段15に入射している。
又図2に示すように、該照射光源13からの拡散光が該迷光防止部材18の反射面18aで反射される光路19aは絶対位置検出手段15に到達しない光路をとるように、反射面18aの角度αが定められている。
更に、迷光防止手段18の該反射面18a以外の面で反射される反射光束の光路19bに関しては、非透光性の反射部材(第2の反射手段)17が位置し、該反射部材17自体が遮光効果を発揮することによって、該絶対位置検出手段15に到達しないように設定している。
図3において、該照射光源13の中心から該反射素子10への主光線方向を縦軸に取った時の光線の傾きをθとする。該照射光源13から該反射素子10迄の距離をD、該反射素子10の厚みをD、該筐体11内部の屈折率n、該反射素子10の屈折率をnとそれぞれ表す。
また、該照射光源13の中心からの主光線方向に直交する軸を横軸と取る時、該照射光源13から該絶対位相検出手段15までの横軸での最短距離をXS2、該絶対位置検出手段15の横軸での長さをLS2とそれぞれ表している。
該反射面18aの傾きをα、該照射光源13から該反射面18aの傾きが生成される起点迄の横方向の距離をD、該絶対位置検出手段15から該反射素子10までの距離をDとする。
該絶対位置検出手段15に該反射面18aにて生成される光路が迷光となって被らないようにする為に、該反射面18aの傾きαは、
Figure 0005058845
と定めれば、図2に示す光路19aとして実現可能となる。
また、この時の該反射面18aを設ける範囲は、上式が等価となる時の照射角をθとした時、横軸の範囲が
Figure 0005058845
の範囲で設けられていれば良い。
また該反射面18aは、上述の反射角度αを設ける以外にも、図4のように曲率を有する反射面18bとして設ける事によっても同様に目的を果たす事が出来る。
図4に示すように、該絶対位置検出手段15上の、該照射手段13から該絶対位置検出手段15の端までの距離XS2+LS2の位置となる点から、該迷光防止部材18と該反射素子10との境界面上で、Dの位置となる点とを結ぶ直線を定義する。
この直線に対して、該照射光源13の反対側になるように曲率中心Oを配することで、該反射面18bが生成する反射光路20に示すように、該絶対位置検出手段15,及び該相対位置検出手段14への迷光が生じない光路が生成可能となる。
この時の、該迷光防止部材18の材料は、りん青銅やアルミニウム合金のように、加工面の仕上げ精度に応じて良好な反射面が生成できる部材を選定する事で、部品構成を単純化でき、且つ容易に製作することが可能となる。
本実施例は、マイクロルーフアレイやルーフプリズムアレイを用いた高精度の変位検出を行う相対位置検出手段14と、エッジの判別を行う絶対位置検出手段15とを、一つの照射光源13からの拡散光を導光する事で検出を行う変位検出装置である。このとき、迷光から生じる光路の重複による検出コントラストの低下を防ぐ事の出来る反射角を有する迷光防止部材18を用いている。そして絶対位置検出用の反射部材とを適切に配することで、必要な検出光のみを活用する事を可能としている。従って、高い検出コントラストを維持出来る事で、高精度な電気分割の検出が行え、変位検出装置の精度を高める事が可能となる。
図5は本発明の実施例2の要部概略図である。
図5の実施例2は実施例1の迷光防止部材18とは反射特性が異なる、りん青銅より成る迷光防止部材21を示している。迷光防止部材21以外の変位検出装置の装置構成は実施例1と同様である。
迷光防止部材21には、該反射素子10の非反射部を透過してきた検出光を反射させる反射面21aが敷設され、該反射面21aには公知の反射光量を低減する反射防止塗料が全面に塗布されている。又は反射面21aが拡散面又は面に酸化被膜が施されている。
該反射防止塗料は、入射した検出光の光量を減じて反射させる為、従来の課題で説明した図16に示す光路6bのような、該絶対位置検出手段9に入射する反射光路の光量(反射率)は低減されている。
従って、実施例1で説明したような、該迷光防止部材18の反射面18aの反射角αを迷光してこないように詳細に定義する事無く、該絶対位置検出手段15に入射する迷光の光量を減ずる事で、有害性を低減する事が可能となる。
該反射防止塗料の他にも、該迷光防止部材21にアルミニウム合金を用いた場合には、陽極酸化による酸化被膜処理(アルマイト処理)(反射防止処理)を施す事が良い。又はつや消し処理を施すことで反射率を低減した良好な反射防止面を生成することも可能である。
実施例2によれば、該迷光防止部材21が生成する反射光路の光量を低減する事により、該迷光防止部材21の反射面角度生成の簡略化や、該反射部材17の形状を、該絶対位置検出手段15の検出光路17aのみを確保すれば良い大きさに、小型化が容易となる。
従って、構造の簡易化、軽量化が容易となる。
図6は本発明の実施例3の要部概略図である。
図6の実施例3の変位検出装置では、筐体23及び反射部材24以外は、実施例1または2で詳述した図1または図5の構成物と同一である。この為、同一の構成については同記号を用いて説明する。
図7は実施例3の構成における筐体23の内壁部25を反射する、迷光の様子を説明する図である。筐体23内には照明光源13、第1、第2の受光手段14、15が収納保持されている。
また図8は実施例3の構成に関して、該反射素子10が非反射部の角度位相の時に、該迷光防止部材18、及び該筐体23の内壁に敷設した遮光部(遮光溝)26が導光する反射光路26aを示す要部の説明図である。
該照射光源13からの検出光は、該反射素子10の非反射部の位相で該反射素子10を透過して、筐体23の内部構造の様々な個所で反射して迷光となる。
反射した迷光の内、検出素子15に入り込んで検出精度に影響を及ぼす迷光が有害光となる。その中でも機構部品に一次反射したものは特に光量が強く、影響が大きいが、機構部品に複数回反射する光路に関しては光量が低下していく為、影響は徐々に軽微になる。
実施例1や2では、一次反射する迷光を防いでいる。これに対して、実施例3は二次反射する迷光も更に防いでいる。
図7に示すように、該反射部材24の生成する絶対位置を検出する為の光路24aに被る光路が生成されると、該絶対位置検出手段15への有害光となる。
具体的には、該筐体23の内壁部25を複数回反射して生成された反射光路25aと、該迷光防止部材18の反射光路が該内壁部25に反射して生成される反射光路18bとが、有害光となる。
このような反射光路25aを効果的に防ぐ手段として、図8に示すように該筐体23に公知の遮光溝形状を有する遮光部26を敷設する事で反射光路26aを生成し、該絶対位置検出手段15への有害光を防ぐことが可能となる。
この時の検出光の反射面は、実施例1または2で詳述した該迷光防止部材18の反射面、或いは該反射防止塗料21が塗布された反射面が生成する反射光路においても、同様の効果を発揮する。
また、遮光部26の遮光形状は図8に示した遮光溝形状のほかにも、階段上、波形状など、反射光路生成上、検出光の検出素子側へ導光しない光路を生成できるものであれば、形状を問わず敷設可能である。
実施例3によれば、筐体23内部の反射光路から生じる有害光を減ずる事ができる。これにより、検出光の明暗のコントラストをより高く維持する事が可能となり、該絶対位置検出手段からの出力値の電気分割を高い精度で行う事を経て高分解能を実現することができる。
尚、本実施例では実施例1、2の構成に加えて、又は実施例1、2とは全く独立に前述の如く構成しても良い。
図9は本発明の実施例4の要部概略図である。
図9は実施例4を適用する変位検出装置全体の構成図であり、図10は実施例4による反射光路生成を説明する為の要部詳細図である。
筐体27以外の構成は実施例3で詳述した構成と同一である為、同記号を用いて説明する。
実施例4は、実施例3と同様に、二次反射する迷光を防いでいる。
図7で示したように、筐体内反射を経て有害光となる光路は反射光路25aと反射光路18bである。
本実施例では、これらの反射光路28aを効果的に防ぐ手段として、図9に示すように筐体27に、遮光部28を設けている。
図10に示すように、図7における反射光路25aは筐体27に敷設された遮光部28により、反射光路28aへと変化させている。これにより該絶対位置検出手段15への有害光となる光路と辿らなくすることが可能となる。
また、反射光路18bが筐体27に反射する領域には、筐体27の一部を反射面29にしている。この反射面29で、反射光路18bの二次反射を押えた反射光路29aへと変化させることで、該絶対位置検出手段15への有害光となる光路を辿らなくしている。
実施例4においても、実施例3の場合と同様に、筐体内部の反射光路から生じる有害光を減ずる事で、検出光の明暗のコントラストをより高く維持する事ができる。
その結果、該絶対位置検出手段15からの出力値の電気分割を高い精度で行う事ができ、変位検出装置として高分解能の検出が行える効果が得られる。
上述の説明では、本発明の好ましい実施例について述べたが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは云うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
実施例1の変位検出装置の構成図である。 反射板が導出する反射光路の説明図である。 各部要素の距離と角度の定義を定めた図である。 実施例1における、反射面の別の定義方法の要部説明図である。 実施例2の変位検出装置の構成図である。 実施例3の変位検出装置の構成図である。 筐体内反射による反射光路の説明図である。 実施例3における、遮光溝形状が生成する反射光路の要部説明図である。 実施例4の変位検出装置の構成図である。 実施例4における、遮光溝形状が生成する反射光路の要部説明図である。 本発明の光学機器の置の説明図である。 従来の光学式検出を行う変位検出装置の断面図である。 反射素子であるマイクロルーフアレイのパターン要部の説明図である。 反射素子の反射部(マイクロルーフアレイ部)の反射光路の説明図である。 反射素子の非反射部(台形突起部)の反射光路の説明図である。 抜け止めの反射面に所定の角度をつけた時の反射光路の説明図である。 従来の光学式検出で相対位置検出と絶対位置検出の双方を行う変位検出装置の構造断面図である。 絶対位相検出に用いる反射面において、二値出力の為の反射パターンの説明図である。 第二の受光素子に到達する反射光路の寸法、角度関係を説明する要部詳細図である。
符号の説明
10 反射素子
3a、10a 反射パターン
5a 投光素子
5b 第1の受光素子
6a 第1の受光素子へ集光する光路
6b、6b′ 第2の受光素子方向へ導光される光路
8、17、24 反射部材
9 第2の受光素子
13 照射光源
14 相対位置検出手段
15 絶対位置検出手段
17a、24a 絶対位置検出用の反射光
18、21 迷光防止部材
19a、19b 迷光防止部材の反射光
26、28 遮光部
26a、28a、29a 筐体内反射光
29 筐体反射面

Claims (6)

  1. 発散性の光束を相対移動する被検物に照射する照明手段、
    該被検物に設けられ、該照明手段からの光束を該照明手段側へ反射させる反射部と、非反射部を繰り返し形成した第1の反射手段、
    該第1の反射手段で反射された光束を受光する第1の受光手段、
    該被検物に設けられ、該照明手段からの光束を該照明手段側へ反射させる反射部と、非反射部を有する非透光性の第2の反射手段、該第1の受光手段と同一面上に設けられ、該第2の反射手段で反射された光束を受光する第2の受光する第2の受光手段、
    該第1の反射手段を介して該第1、第2の受光手段と対向する側に配置され、該第1の反射手段の非反射部を通過した光束を、該第1の受光手段が配置されている位置の方向とは異なる方向に反射させる反射面を有する迷光防止手段、とを有し、
    該第2の反射手段は該照明手段からの光束であって、該第1の反射手段の非反射部を透過し、該迷光防止手段の一部で反射し、該第2の受光手段が配置されている位置の方向に反射される光束の光路上に配置されていることを特徴とする変位検出装置。
  2. 前記迷光防止手段には、前記照明手段からの光束であって、前記第1の反射手段を透過した発散性の反射率を低減する反射防止塗料又は酸化被膜が施されていることを特徴とする請求項1に記載の変位検出装置。
  3. 前記照明手段と第1の受光手段と第2の受光手段はいずれも筐体内に保持されており、該筐体内の内壁部には、該第1の反射手段の非反射部を通過した光束であって、該筐体の内壁部で反射する光束を減ずる遮光溝形状が施されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の変位検出装置。
  4. 前記照明手段と第1の受光手段と第2の受光手段はいずれも筐体内に保持されており、該筐体の内壁部には、該第1の反射手段の非反射部を通過した光束であって、該筐体の内壁部で反射する光束が該第1の受光手段又は第2の受光手段に入射するのを防止する遮光部又は反射面の少なくとも1つが設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の変位検出装置。
  5. 前記第1の受光手段で受光される光束より前記被検物の相対的変位量を検出し、前記第2の受光手段で受光される光束より前記被検物の絶対的変位量を検出することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の変位検出装置。
  6. 光学部材の変位情報を検出するための請求項1乃至のいずれか1項に記載の変位検出装置を有することを特徴とする光学機器。
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