JP7130472B2 - 光学式角度センサ - Google Patents
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Description
このような光学式角度センサは、検出できる角度が高分解能であり、かつ、1度以上の広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、基準角度に基づき角度を検知できることが好ましい。ここで、基準角度とは、角度を算出する際に基準となる原点(絶対値)に相当する所定の角度である。
INC方式は、例えばスケールに設けられた一定ピッチのインクリメンタルパターン(INCパターン)を連続的に検出し、通過したINCパターンの数をカウントアップまたはカウントダウンすることで、測定対象における角度の変位を検出する方式である。
ABS方式は、例えば所定の方法にて原点となる基準角度を特定し、INC方式にて検出した角度と基準角度とを組み合わせることで、測定対象における角度の変位の絶対値を検出する方式である。また、他のABS方式として、例えばスケールにランダムに設けられたアブソリュートパターン(ABSパターン)を検出しABSパターンを解析することで、測定対象における角度の変位の絶対値を検出する方式もある。
したがって、このような構成によれば、演算手段における特定手段は、受光手段が反射手段と回折格子とを介した光に基づいて基準角度を特定するため、反射手段だけを介した光に基づいて基準角度を特定する場合と比較して、高精度に基準角度を特定することができる。
しかしながら、このような構成によれば、受光素子は、測定軸方向に沿って並設されるとともに直交方向に所定の大きさを有し、受光面において直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子を備えることで、PDA自体の大きさを小さくしなくとも、マスク格子とマスク格子との間の受光素子の領域が個別のPDAと同様に作用するため、光学式角度センサは、高分解能の測定結果を得ることができる。
以下、本発明の第1実施形態を図1から図5に基づいて説明する。
図1は、第1実施形態に係る光学式角度センサを示す斜視図である。
光学式角度センサ1は、図1に示すように、光を照射する光源2と、所定の軸を測定軸として回動するとともに光源2から照射された光を反射する反射手段3と、光源2から照射された光を受光する受光手段4と、光源2から照射された光を回折する回折格子5,6と、を備える。回折格子5,6は、所定の配置ピッチにて配置される複数の格子51を有する第1回折格子5と、所定の配置ピッチにて配置される複数の格子61を有する第2回折格子6と、を備える。光学式角度センサ1は、回動する物体を測定する測定器の内部に設けられている。
反射手段3は、回動する測定対象に取付けられている。反射手段3は、受光手段4と第1回折格子5と第2回折格子6と対向する反射面31を有する。反射手段3は、測定軸をY軸として、基準角度(原点)から±15度回動可能に設けられている。なお、以下の説明において、測定軸(Y軸)と平行な方向である測定軸方向をY方向として説明し、反射手段3の反射面31においてY軸と直交する方向をX軸とし、X軸と平行な方向を直交方向とする場合がある。
光源2と反射手段3とは、図2に示すように、第1回折格子5を挟んで互いに向かい合せて設置されている。反射手段3と第2回折格子6および受光手段4とは、互いに向かい合せて設置されている。受光手段4は、第1回折格子5と第2回折格子6と反射手段3とを介した光源2からの光を受光し、その光によって受光手段4上に生成された干渉縞Cを受光する。
受光手段4は、光源2から照射された平行光の幅よりも広い受光面を有し、図3に示すように、複数の受光素子40を備える。複数の受光素子40は、直交方向(X方向)に沿って並設されるとともに、光を受光して信号に変換する。また、複数の受光素子40は、複数の格子51,61(図1,2参照)の配置ピッチに対応して、X方向に沿って配置ピッチPにて並設されている。複数の受光素子40には、PDAが用いられる。PDAは、複数の干渉縞C(図2参照)を一度に測定することができる性質を持つ受光器である。なお、複数の受光素子40は、PDAに限らず、PSD(Position Sensitive Detector)やCCD(Charge-Coupled Device)等の任意の受光器を用いてもよい。
第1受光部41は、所定の受光素子40を含み、第2受光部42は、第1受光部41とは異なる他の受光素子40を含んで構成される。第1受光部41および第2受光部42は、隣接して配置されている。
複数の受光素子40は、直交方向であるX方向に沿って並設され、それぞれ90度位相がずれた位置に配置されている。そして、第1受光部41が含む受光素子40と第2受光部42が含む受光素子40とは、同数となるように配置されている。
図4に示すように、光学式角度センサ1は、受光手段4が受光した光を信号として演算する演算手段7をさらに備える。
演算手段7は、角度信号検出部70と、基準角度を特定する特定手段8と、反射手段3の傾斜角度を算出する角度算出部9と、を備える。
角度信号検出部70は、受光手段4に照射された光に基づき角度を算出するための周期的な信号を干渉縞から検出する。
信号検出部81は、第1受光部41と第2受光部42とのそれぞれから信号を検出する。
基準角度判定部82は、信号検出部81にて検出された信号に基づいて基準角度を判定する。基準角度判定部82は、信号検出部81が第1受光部41と第2受光部42とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定する。本実施形態では、所定の信号を検出した場合とは、信号検出部81が第1受光部41と第2受光部42とのそれぞれから同じ強度の信号を検出した場合である。
具体的には、図5(A)は、受光手段4の概略図であり、角度信号検出部70と信号検出部81が受光手段4から検出する信号を示している。図5(B)は、基準角度判定部82が信号検出部81による信号に基づいて基準角度を特定する方法を示す図である。図5(B)(1)は、信号検出部81が検出した受光手段4に照射された光の受光強度を示し、図5(B)(2)は、角度信号検出部70が検出した反射手段3の傾斜角度を算出するための信号を示す。以下、図5に基づいて光学式角度センサ1における基準角度を特定する方法を説明する。
図5(A)に示すように、信号検出部81は、第1受光部41に光が照射された場合は第1信号Tを検出し、第2受光部42に光が照射された場合は第2信号Sを検出する。また、角度信号検出部70は、複数の受光素子40から反射手段3の傾斜角度を算出するための信号を検出する。
ここで、複数の受光素子40は、X方向に沿って1/4ずつずらして配置されている。このため、角度信号検出部70は、複数の受光素子40から1/4周期ずつ位相がずれた信号を検出する。
反射手段3を反射した反射光は、反射手段3の傾きに応じて受光手段4の受光面上を測定軸方向(X方向)に沿って移動する。すなわち、反射手段3を反射した光は、反射手段3の傾きに応じて第1受光部41と第2受光部42との受光面上を移動する。
(1)光学式角度センサ1は、特定手段8により基準角度を特定することができ、角度算出部9により受光手段4が受光した光と特定手段8により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出することができる。したがって、光学式角度センサ1は、検出できる角度が高分解能であるとともに、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、かつ、基準角度を特定し、角度の絶対値を検出することができる。
(3)受光手段4は、第1受光部41と、第2受光部42と、を備え、基準角度判定部82は、信号検出部81が第1受光部41と第2受光部42とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、その信号を検出した位置を基準角度として特定することができる。したがって、光学式角度センサ1は、検出できる角度が高分解能であるとともに、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、かつ、基準角度を特定し、角度の絶対値を検出することができる。
(5)受光手段4における複数の受光素子40は、X方向に沿って並設されているため、PDAをX方向に沿って並設することで容易に製造することができる。また、複数の受光素子40は、X方向に沿って並設されることで受光手段4に照射される干渉縞Cから角度を算出するための信号を読み取ることができる。
(6)第1受光部41が含む受光素子40と第2受光部42が含む受光素子40とは、同数であることで、演算手段7は、第1受光部41および第2受光部42から同じ強度の信号を得ることができる。
以下、本発明の第2実施形態を図6から図8に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
前記第1実施形態では、受光手段4は、第1受光部41と、第2受光部42と、を備えていた。
本実施形態では、図6に示すように、光学式角度センサ1Aにおける受光手段4Aは、複数の受光部として、第1受光部41Aと、第2受光部42Aと、第3受光部43Aと、を備える点で前記第1実施形態と異なる。
また、前記第1実施形態では、特定手段8は基準角度判定部82を備えていた。
本実施形態では、演算手段7Aにおける特定手段8Aは、基準角度判定部82を備えず、基準信号出力部83Aと、基準角度演算部84Aと、を備える点で前記第1実施形態と異なる。
具体的には、図7(A)は、受光手段4Aの概略図であり、角度信号検出部70と信号検出部81Aとが受光手段4Aから検出する信号を示している。図7(B)は、基準信号出力部83Aと基準角度演算部84Aとが角度信号検出部70と信号検出部81Aとによる信号に基づいて基準角度を特定する方法を示す図である。図7(B)(1)は、信号検出部81Aが検出した受光手段4Aに照射された光の受光強度を示し、図7(B)(2)は、角度信号検出部70が検出した反射手段3の傾斜角度を算出するための信号を示す。また、図8は、前記光学式角度センサにおける基準角度を特定する方法を示すフローチャートである。
以下、図7と図8を用いて光学式角度センサ1Aにおける基準角度を特定する方法を説明する。
反射手段3を反射した光は、反射手段3の傾きに応じて受光手段4Aの受光面上を測定軸方向(X方向)に沿って移動する。すなわち、反射手段3を反射した光は、反射手段3の傾きに応じて第1受光部41Aと第2受光部42Aと第3受光部43Aの受光面上を移動する。
角度算出部9は、図7(B)(2)に示すように、角度信号算出部70が検出したA相信号,a相信号,B相信号,b相信号と、基準角度と、に基づいて反射手段3の傾斜角度を算出する。
(7)特定手段8Aにおける基準角度演算部84Aは、基準信号出力部83Aにより出力された第1基準信号O1および第2基準信号O2に基づいて、第1基準信号O1および第2基準信号O2の一方の基準信号が検出され他方の基準信号が検出されるまでの間に角度信号検出部70により検出された角度を算出するための信号から、演算により基準角度を特定することができる。したがって、光学式角度センサ1Aは、第1実施形態のように演算をせずに基準角度を特定する場合と比較して、高精度に基準角度を特定することができる。
以下、本発明の第3実施形態を図9に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図9は、第3実施形態に係る光学式角度センサにおける受光手段を示す図である。
具体的には、図9は、受光手段4Bの概略図であり、信号検出部81が受光手段4Bから検出する信号を示している。
本実施形態では、図9に示すように、光学式角度センサ1Bにおける複数の受光素子40Bは、受光手段4Bの受光面において測定軸方向と平行な方向である測定軸方向に沿って並設されるとともに直交方向に所定の大きさを有し、所定の数ずつ直交方向に沿って配置され、受光素子40Bは、受光面において直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子Mを備える点で、前記第1実施形態と異なる。
複数のマスク格子Mは、4つの受光素子40Bのそれぞれにおいて、他の受光素子40Bとは90度位相をずらして配置されている。このように複数のマスク格子Mを配置することで、マスク格子Mとマスク格子Mの間の受光素子40Bの各領域は、前記第1実施形態における測定軸方向に沿って並設された複数の受光素子40と同様に信号を取得し、基準角度を特定することができる。
(10)受光素子40Bは、測定軸方向(Y方向)に沿って並設されるとともに直交方向に所定の大きさを有し、受光面において直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子Mを備えることで、PDA自体の大きさを小さくしなくとも、マスク格子Mとマスク格子Mとの間の受光素子40Bの領域が個別のPDAと同様に作用するため、光学式角度センサ1Bは、高分解能の角度を算出することができる。
以下、本発明の第4実施形態を図10に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図10は、第4実施形態に係る光学式角度センサにおける受光手段を示す図である。
前記第1実施形態から前記第3実施形態では、特定手段8,8A,8Bは、角度信号検出部70からの信号と信号検出部81,81Aからの信号とに基づき基準角度を特定していた。
(12)特定手段は、位置特定センサ8Cからの信号に基づき、演算をしなくとも容易に基準角度を特定することができる。
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、光学式角度センサ1,1A~1Cは測定器に設けられていたが、測定器ではなく、その他のものに設けられていてもよく、どのようなものに設けられるかは特に限定されるものではない。
前記各実施形態では、光源2の光は、第1回折格子5に照射され、第1回折格子5を介した回折光を反射手段3は反射していたが、図11に示す光学式角度センサ1Dのように、反射手段3は、光源2からの光を反射し、第1回折格子5は、反射手段3を反射した反射光を回折してもよい。
要するに、受光手段は、反射手段を介した光源から照射された光を受光し、演算手段における特定手段は、受光手段が受光した光に基づいて基準角度を特定することができれば、受光手段に照射される光の経路は、どのようなものであってもよい。
前記各実施形態では、光学式角度センサ1,1A~1Dは、Y軸を測定軸としていたが、図12に示す光学式角度センサ1Eのように、Y軸だけではなくX軸も測定軸とし、2軸の光学式角度センサであってもよい。
また、前記第2実施形態では、受光手段4Aの第3受光部43Aは、角度信号検出部70にて検出される信号が1周期以内となるように受光素子40を含んでいたが、1周期以上となるように受光素子40を含んでいてもよい。
また、前記第1実施形態の基準角度判定部82は、信号検出部81が第1受光部41と第2受光部42とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定していたが、信号検出部が第1受光部と第2受光部とのそれぞれから異なる所定の信号を検出したと判定した場合であってもよい。要するに、基準角度判定部は、信号検出部が第1受光部と第2受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定することができればよい。
要するに、第1受光部は、測定軸方向に並設される2つ以上の受光素子を含み、第2受光部は、第1受光部とは異なるとともに第1受光部の直交方向に並設される他の2つ以上の受光素子を含んでいればよい。
2 光源
3 反射手段
4,4A~4B 受光手段
40,40B 受光素子
41,41A 第1受光部
42,42A 第2受光部
43A 第3受光部
5 第1回折格子(回折格子)
6 第2回折格子(回折格子)
7,7A 演算手段
70 角度信号検出部
8,8A 特定手段
81,81A 信号検出部
82 基準角度判定部
83A 基準信号出力部
84A 基準角度演算部
9 角度算出部
Claims (12)
- 光を照射する光源と、所定の軸を測定軸として回動するとともに前記光源から照射された光を反射する反射手段と、前記光源から照射された光を受光する受光手段と、前記受光手段が受光した光を信号として演算する演算手段と、を備える光学式角度センサであって、
前記受光手段は、
前記反射手段を介した前記光源から照射された光を受光し、
前記演算手段は、
前記受光手段が受光した光に基づいて基準角度を特定する特定手段と、
前記受光手段が受光した光と前記特定手段により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出する角度算出部と、を備え、
前記受光手段は、
前記光を受光して信号に変換する複数の受光素子と、
複数の前記受光素子を含むとともに前記受光手段の受光面において前記測定軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の受光部と、を備え、
前記複数の受光部は、
所定の前記受光素子を第1受光部とし、
前記第1受光部とは異なる他の前記受光素子を第2受光部とし、
前記特定手段は、
前記第1受光部と前記第2受光部とのそれぞれから信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部にて検出された信号に基づいて前記基準角度を判定する基準角度判定部と、を備え、
前記基準角度判定部は、
前記信号検出部が前記第1受光部と前記第2受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、該信号を検出した位置を前記基準角度として特定すること特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項1に記載された光学式角度センサにおいて、
前記基準角度判定部は、
前記信号検出部が前記第1受光部と前記第2受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したと判定した場合、該信号を検出した位置を前記基準角度として特定すること特徴とする光学式角度センサ。 - 光を照射する光源と、所定の軸を測定軸として回動するとともに前記光源から照射された光を反射する反射手段と、前記光源から照射された光を受光する受光手段と、前記受光手段が受光した光を信号として演算する演算手段と、を備える光学式角度センサであって、
前記受光手段は、
前記反射手段を介した前記光源から照射された光を受光し、
前記演算手段は、
前記受光手段が受光した光に基づいて基準角度を特定する特定手段と、
前記受光手段が受光した光と前記特定手段により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出する角度算出部と、を備え、
前記受光手段は、
前記光を受光して信号に変換する複数の受光素子と、
複数の前記受光素子を含むとともに前記受光手段の受光面において前記測定軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の受光部と、を備え、
前記複数の受光部は、
所定の前記受光素子を第1受光部とし、
前記第1受光部とは異なる他の前記受光素子を第2受光部とし、
前記第1受光部および前記第2受光部とは異なる他の前記受光素子を第3受光部とし、
前記第1受光部および前記第3受光部は隣接して配置され、前記第2受光部および前記第3受光部は隣接して配置され、
前記演算手段は、
前記複数の受光素子により変換された信号に基づいて角度を算出するための信号を検出する角度信号検出部を備え、
前記特定手段は、
前記第1受光部と前記第2受光部と前記第3受光部のそれぞれから信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部により検出された信号に基づき、前記第1受光部と前記第3受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したときには第1基準信号を出力し、前記第2受光部と前記第3受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したときには第2基準信号を出力する基準信号出力部と、
前記基準信号出力部により前記第1基準信号および前記第2基準信号が出力された場合、前記第1基準信号および前記第2基準信号の一方の基準信号が出力され他方の基準信号が出力されるまでの間に前記角度信号検出部により検出された信号に基づいて、演算により前記基準角度を特定する基準角度演算部と、を備え、
前記角度算出部は、前記角度信号検出部が検出した信号と前記基準角度演算部により演算された前記基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出することを特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項3に記載された光学式角度センサにおいて、
前記第3受光部は、
前記角度信号検出部が周期的な信号を検出する場合、
前記基準信号出力部から出力される前記第1基準信号および前記第2基準信号までの間の前記角度信号検出部が検出する信号が1周期以内となるように前記受光素子を含んでいることを特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項3または請求項4に記載された光学式角度センサにおいて、
前記基準信号出力部は、
前記信号検出部により検出された信号に基づき、前記第1受光部と前記第3受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには前記第1基準信号を出力し、前記第2受光部と前記第3受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには前記第2基準信号を出力することを特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記複数の受光素子は、
前記直交方向に沿って並設されることを特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記複数の受光素子は、
前記受光手段の受光面において前記測定軸方向と平行な方向である測定軸方向に沿って並設されるとともに前記直交方向に所定の大きさを有し、所定の数ずつ前記直交方向に沿って配置され、
前記受光素子は、
前記受光面において前記直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子を備えることを特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項7に記載された光学式角度センサにおいて、
前記第1受光部は、前記測定軸方向に並設される2つ以上の前記受光素子を含み、
前記第2受光部は、前記第1受光部とは異なるとともに前記第1受光部の直交方向に並設される他の2つ以上の前記受光素子を含み、
前記複数のマスク格子は、
前記2つ以上の受光素子のそれぞれにおいて、他の前記受光素子とは90度位相をずらして配置されていることを特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項8に記載された光学式角度センサにおいて、
前記第1受光部は、前記測定軸方向に並設される4の倍数の数の前記受光素子を含み、
前記第2受光部は、前記第1受光部とは異なるとともに前記第1受光部の直交方向に並設される他の4の倍数の数の前記受光素子を含んでいることを特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項1から請求項9のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記第1受光部が含む前記受光素子と前記第2受光部が含む前記受光素子とは、
同数であることを特徴とする光学式角度センサ。 - 光を照射する光源と、所定の軸を測定軸として回動するとともに前記光源から照射された光を反射する反射手段と、前記光源から照射された光を受光する受光手段と、前記受光手段が受光した光を信号として演算する演算手段と、を備える光学式角度センサであって、
前記受光手段は、
前記反射手段を介した前記光源から照射された光を受光し、
前記演算手段は、
前記受光手段が受光した光に基づいて基準角度を特定する特定手段と、
前記受光手段が受光した光と前記特定手段により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出する角度算出部と、を備え、
前記受光手段は、
前記受光手段の受光面における前記光の位置を特定する位置特定センサを備え、
前記特定手段は、
前記位置特定センサからの信号に基づき基準角度を特定することを特徴とする光学式角度センサ。 - 請求項1から請求項11のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記光源から照射された光を回折する回折格子を備え、
前記受光手段は、
前記反射手段と前記回折格子とを介した光を受光することを特徴とする光学式角度センサ。
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