JPH01170811A - 光学式位置および速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、可動体の位置あるいは速度制御を行うために
必要な位置情報信号および速度情報信号を得る光学式検
出器に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、可動体の位置検出あるいは速度検出には、機械的
、電気的あるいは光学的検出手段を用いた種々の検出装
置が使用されている。例えば、位置検出装置の代表的な
ものである光学式位置検出装置としては、等間隔に微細
なスリットを刻んだ１対のスケールを近接させて配置し
、両者の相対的移動によってスリットが重なる部分の位
相関係が変化した際に、上記スリットの交差部を通過す
る光の有無、即ち光の通過のＯＮ１０　Ｆ　Ｆを検出し
て、光が通過したスリットの数をディジタル的に計数し
、基準位置からの移動量を算定するリニアスケール方式
のものが知られている。

また、速度検出装置の代表的な位置検出装置としては、
永久磁石とヨークからなる磁気回路、および可動体が移
動する際に、上記磁気回路の発生する磁束を横切って移
動する巻線コイルを備え、この巻線コイルが磁束を横切
る速度に比例して誘起される起電圧を検出するものが知
られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上記従来のリニアスケール方式の位置検出装
置は、本質的にはディジタル的な位置信号を得るために
開発されたものであり、その不連続な位置信号を連続的
な制御を必要とする位置制御に利用した場合には幾つか
の弊害がある。例えば、位置制御の精度はスケールピン
チによって決定されるが、制御精度を向上するためにス
ケールピンチを細かくすると、これに伴って、光学的な
分解能を得るために必然的にスケール間の距離を近接さ
せる必要がある。さらに、スケール間の相対的な姿勢精
度の要求が厳しくなる等の問題が発生し、装置のコスト
アップを招来する共に、調整の困難さが増大することに
なる。また、上記の位置信号は不連続信号であるため、
単に、この位置信号を微分することによっては速度信号
を得ることが困難である等の問題点を有している。

一方、上記従来の速度検出装置は、磁気回路の磁界とコ
イルとにより速度検出を行うものであるため、比較的安
価な構造であるものの、磁気的外乱の影響を受は易く、
信号の質の点において問題がある。例えば、上記の速度
制御装置を情＠機器における記録再生ヘッドの速度検出
に使用する場合、情報機器に多用される電磁変換型のパ
ワーユニット、即ちモータ等から発生する漏洩磁界をノ
イズとして検出しがちであるという問題点を有している
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光学式位置および速度検出装置は、上記の問題
点を解決するために、光ビームを発する投光器と、この
投光器の光ビームを受けて電気信号に変換する光検出器
とが保持部材によって一体かつ対向配置に設けられ、投
光器と光検出器との間に、これら両者の対向方向と直交
するようにスリット板が設けられ、上記の投光器および
光検出器とスリット板とは可動体の移動に伴って相対移
動可能に設けられ、スリット板には、上記の相対移動方
向に対して勾配を有し、かつ可動体の可動領域にわたっ
て投光器の光ビームが光検出器に入射するようにスリッ
トが形成されると共に、上記光検出器の出力に基づいて
可動体の位置情報を出力する位置情報検出手段と、この
位置情報検出手段出力の位置情報を微分して可動体の速
度情報を出力する速度情報検出手段とを備えている構成
である。

〔作　用〕

上記の構成によれば、投光器から発せられた光ビームは
、スリット板のスリットを介して光検出器に入射され、
電気信号として取り出される。そして、位置情報検出手
段により、光検出器の出力に基づいて可動体の位置情報
が出力され、速度情報検出手段により、上記位置情報を
微分して可動体の速度情報が出力される。

ここで、可動体が所定方向に移動するときには、投光器
および光検出器とスリット板とが可動体の移動に伴って
相対移動可能に設けられると共に、スリット板のスリッ
トが、投光器および光検出器とスリット板との相対移動
方向に対して勾配を有し、かつ可動体の可動領域にわた
って投光器の光ビームが光検出器に入射するように形成
されていることにより、光検出器の受光面に入射する投
光器の光ビームは、投光器および光検出器とスリット板
との相対移動方向に対して直交する方向に移動する。従
って、光検出器、即ち位置情報検出手段からは可動体の
位置情報が連続量として得られる。そして、位置情報が
連続量となっているので、この位置情報を速度情報検出
手段にて単に微分することにより、可動体の速度情報が
得られる。

一方、上記のように、位置情報と速度情報とは光学的手
段によって得られるものであるから、これらの情報には
磁気的外乱ノイズが混入しない。

また、光ビームの位置検出を差動型の構成にて行う場合
には、光学的な外乱をもキャンセルすることができ、位
置および速度情報の質を向上することができる。さらに
、可動体の位置検出範囲は光検出器の検出範囲に応じて
スリソＩ−板のスリットの勾配を変更することにより、
任意に設定可能であり、汎用性も広がる。

尚、検出感度の直線性は、光検出器の受光量をモニター
し、投光器のドライバにフィードバンクして、常に一定
の光量を光検出器に供給する構成により、あるいは受光
量が低下するスリット位置での感度低下をスリットの幅
、またはスリットの勾配等を適当に変更して補正するこ
とにより、改善することができる。

〔実施例１〕 本発明の第１実施例を第１図乃至第４図に基づいて以下
に説・明する。

本発明に係る光学式位置および速度検出装置は、第１図
に示すように、可動体１の位置および速度を検出するよ
うに設けられており、可動体１は図示しない駆動手段に
よって矢印ＡＢ方向に直線移動し得るようになっている
。可動体１の側方には、この可動体１と平行に上記ＡＢ
力方向長平方向とする長方形のスリット板２が起立状態
に設けられている。このスリット板２は可動体１と一体
に設けられ、可動体１の移動に伴ってＡＢ力方向移動す
るようになっている。スリット板２には、その長平方向
に一定幅の直線長穴状を成すスリン）２ａがＡ方向上が
りに傾斜して形成されている。

可動体ｌの下方には、ベース板３が固定状態に設けられ
、このベース板３上には、相互に対向した立設部４ａ・
４ｂを有するコ形の保持部材４が設けられている。保持
部ｔｊＡ’　４における一方の立設部４ａは可動体１と
スリット板２との間に配され、他方の立設部４ｂはスリ
ット板２を介して立設部４ａと反対側に配されている。

上記立設部４ａにおけるスリット板２側の面には、発光
ダイオード（以下ＬＥＤと称する）からなり、光ビーム
を発する投光器５が設けられ、立設部４ｂにおけるスリ
ット板２側の面には、光検出器である光ビーム位置検出
器６が設けらている。そして、可動体１の移動範囲内に
おいて、投光器５から発せられた光ビームが、スリット
板２のスリット２ａを通じて光ビーム位置検出器６に入
射するように構成されている。

上記の光ビーム位置検出器６は、第２図に示すように、
例えばフォトダイオードから成る２個の光検出素子６ａ
・６ｂを備え、これら光検出素子６ａ・６ｂは可動体１
の移動方向と直交する方向、即ち上下方向に隣接して設
けられ、かつ光検出素子６ａ・６ｂの境界が投光器５の
中心と一致するように配されている。そして、後述する
ように光検出素子６ａ・６ｂの出力信号を差動して光ビ
ームの位置を検出していることにより、スリット板２の
スリット２ａを通過した光ビームのエネルギー的重心が
光検出素子６ａ・６ｂの境界に存在するようなスリット
板２の位置において、光検出素子６ａ・６ｂからの出力
が同一レベルとなるように構成されている。

−・方、光ビーム位置検出器６の光検出素子６ａ・６ｂ
は、第３図に示すように、位置情報検出手段である位置
信号検出回路１５と接続されている。この位置信号検出
回路１５は、入射した光ビームを光電変換することによ
って光検出素子６ａ・６ｂから送出される出力電流の変
化を電圧の変化に変換する電流電圧変換回路１１・１２
、電流電圧変換回路１２の出力電圧（光検出素子６ｂの
出力）−電流電圧変換回路１１の出力電圧（光検出素子
６ａの出力）の演算を行って、これら電流電圧変換回路
１１・１２の出力電圧の差をとり、位置情報としての位
置信号を出力する差動増幅回路１３、および上記電流電
圧変換回路１１・１２の出力電圧を加算して加算信号を
出力する加算回路１４とを備えている。そして、位置信
号検出回路１５には、上記差動増幅回路１３から構成さ
れる装置信号を微分して速度情報である速度信号を出力
する図示しない微分回路が接続されている。この微分回
路はＣＲ回路からなり、速度情報検出手段を構成してい
る。

一方の電流電圧変換回路１１は増幅器７、抵抗Ｒ１・Ｒ
２およびコンデンサＣ１からなり、増幅器７の反転入力
端子に上記光検出素子６ａが接続されている。他方の電
流電圧変換回路１２は増幅器８、抵抗Ｒ３・Ｒ４および
コンデンサＣ２からなり、増幅器８の反転入力端子に上
記光検出素子６ｂが接続されている。差動増幅回路１３
は差動増幅器９および抵抗Ｒ５・Ｒ６・Ｒ７・Ｒ８がら
なり、差動増幅器９の反転入力端子に抵抗Ｒ５を介して
電流電圧変換回路１１が接続され、非反転入力端子に抵
抗Ｒ６を介して電流電圧変換回路１２が接続されている
。加算回路１４は増幅器１０および抵抗Ｒｑ　　・Ｒ＋
ｏ−Ｒ＋＋　’　Ｒ＋ｚからなり、増幅器１０の反転入
力端子に抵抗Ｒ７・Ｒ１゜を介して電流電圧変換回路１
１・１２が接続されている。そして、加算回路１４の出
力である加算信号は投光器５の図示しないドライバにフ
ィードバックされており、加算回路１４への入力電圧、
即ち両光検出素子６ａ・６ｂの出力の加算値が一定とな
るように制御されている。

上記の構成において、投光器５から投射された光ビーム
は、スリット板２のスリット２ａを通過して光ビーム位
置検出器６に達し、各光検出素子６ａ・６ｂに入射する
。この入射光は光検出素子６ａ・６ｂにて光電変換され
、入射光の光量に応じたレベルの電気信号として取り出
され、対応する電流電圧変換回路１１・１２へ入力され
る。各電流電圧変換回路１１・１２では、光検出素子６
ａ・６ｂの出力の電流変化を電圧変化に変換し、差動増
幅回路１３と加算回路１４とに出力する。

差動増幅回路１３では、入力された電流電圧変換回路１
１・１２の差をとり、位置信号を作成する。また、この
位置信号は後段の微分回路に入力され、微分されて速度
信号そして取り出される。

ここで、可動体１が所定のゼロ点位置にあるときには、
投光器５から投射された光ビームのエネルギー重心は光
検出素子６ａ・６ｂの境界に存在する。従ってこのとき
には、光検出素子６ａ・６ｂからの出力は同一レベルと
なり、第４図に示すように、差動増幅回路１３出力の位
置信号のレベルはゼロとなる。

次に、スリット板２が可動体１の移動に伴い、上記のゼ
ロ点位置からＡ方向に移動していくと、スリ・ノド板２
のスリット２ａがＡ方向上がりに傾斜していることによ
り、スリット２ａを通過して光ビーム位置検出器６へ入
射する投光器５からの光ビームの光量は、上側の光検出
素子６ａに対しては減少していき、下側の光検出素子６
ｂに対しては増加していくことになる。従って、差動増
幅回路１３出力の位置信号のレベルは子方向に増加して
いき、このレベルから可動体１の位置を知ることができ
る。また、上記位置信号の微分値によって可動体１の速
度を知ることができる。

一方、スリット板２が可動体１の移動に伴い、ゼロ点位
置からＢ方向に移動していくと、光ビーム位置検出器６
へ入射する投光器５からの光ビームの光量は、上側の光
検出素子６ａに対しては増加していき、下側の光検出素
子６ｂに対しては減少していくことになる。従って、差
動増幅回路１３出力の位置信号のレベルは一方向に減少
していき、上記と同様に、このレベルから可動体１の位
置を知ることができる。また、上記位置信号の微分値に
よって可動体１の速度を知ることができる。

尚、上記の実施例におていは、可動体１にスリットｖｉ
、２を一体に設けた構成ムこついて述べているが、逆に
、可動体１に投光器５および光ビーム位置検出器６を搭
載し、スリット板２を固定した構成にも当然に適用し得
る。また、スリット板２は、金属板にスリット２ａを形
成したもの、あるいは透明基板にスリット２ａの部位を
除いて非透光性の膜をコーティングしたようなものでも
よく、本発明の趣旨に沿って種々の応用が可能である。

〔実施例２〕 本発明の第２実施例を第１図乃至第３図、第５図および
第６図に基づいて以下に説明する。尚、前記第１実施例
と同一の機能を有する部材には同一の符号を付記し、そ
の説明を省略しである。

本実施例に係る光学式位置および速度検出装置は、前記
の第１図および第２図に示すスリット板２に代わるもの
として、第５図に示すように、互いに逆の勾配を有する
一対のスリット１６ａ・１６ｂの形成されたスリット板
１６を備えている。

さらに、保持部材４の立設部４ｂには、上記各スリット
１６ａ・１６ｂに対応する光ビーム位置検小器１７・１
８が設けられている。光ビーム位置検出器１７は可動体
１の移動方向であるＡＢ方向と垂直を成す方向に光検出
素子１７ａ・１７ｂを有しており、光ビーム位置検出器
１８は同様に光検出素子１８ａ・１８ｂを有している。

そして、上記の光検出素子１７ａ・１７ｂおよび光検出
素子１８ａ・１８ｂは、前記光検出素子６ａ・６ｂと同
様に、それぞれ第３図に示す位置信号検出回路１５と接
続され、各光ビーム位置検出器１７・１８と対応する位
置信号検出回路１５の差動増幅回路１３から位置信号Ｘ
−Ｙが出力されるようになっている。

即ち、位置信号Ｘは光ビーム位置検出器１７と対応する
差動増幅回路１３から出力される一方、位置信号Ｙは光
ビーム位置検出器１８と対応する差動増幅回路１３から
出力され、第５図および第３図に示す構成から明らかな
ように、位置信号Ｘ・Ｙは、第６図に示すように、可動
体１の移動に対して逆の極性をもって出力される。従っ
て、最終的な位置信号は、上記位置信号Ｘ−Ｙを差動し
て得られる。また、得られた位置信号を微分することに
より速度信号が得られるようになっている。

このような構成における利点は、移動方向と直交する方
向の外乱変位によって発生するノイズ、即ち可動体１の
走行精度の不足あるいは振動等によって発生するノイズ
が位置信号に混入するのを抑制し得ることである。例え
ば、上述のような外乱により、スリット板１６と光ビー
ム位置検出器１７・１８が相対的に可動体１の移動方向
と直交する方向に変位し、第６図に示すように、光ビー
ム位置検出器１７・１８と対応する各差動増幅回路１３
からの位置信号ｘ−ｙに破線にて示す外乱信号が生じた
とする。しかしながら、これら外乱信号は同位相となる
ので、再位置信号Ｘ−Ｙの差動によって得られる位置信
号、およびこの位置信号を微分して得られる速度信号に
は混入することがない。従って、さらに良質の位置信号
と速度信号とを得ることができる。

尚、上記の実施例では、光ビーム位置検出器６として２
分割受光素子型の光検出器を使用しているが、このよう
な構成に限定されるものではなく、例えば、浜松ホトニ
クス社製のＰＳＤ光検出器等の非分割型の光検出器を使
用することも可能である。この光検出器は、上記のよう
に可動体１の移動方向と直交する方向に移動する光ビー
ムに対し、この光ビームを受光した位置に対応する信郵
が出力されるようになっており、ビーム光位置検出器６
としての機能と差動増幅回路１３としての機能とを兼ね
備えている。従って、このような光検出器を使用した場
合には、構成の簡略化を図ることができ、かつ変位−位
置信号の直線性がさらに改善される。

〔実施例３〕 本発明の第３実施例を第１図乃至第３図および第７図に
基づいて以下に説明する。

本実施例に係る光学式位置および速度検出装置は、前記
第１図および第２図に示したスリット板２に代わるもの
として、第７１ｇ　（ａ）に示すスリット板１９、ある
いは同図（ｂ）に示すスリット板２０を使用している。

スリット板１９は、可動体１の可動域の両端部に向かっ
てスリン）１９ａが連続的に急勾配を成し、湾曲状に形
成されている。また、スリット板２０は、可動体１の可
動域の両端部に向けてスリット２０ａの幅が広く形成さ
れている。そして、このようなスリット１９ａあるいは
スリット２０ａの形状により、受光量の低下にて生じる
検出感度の低下を防止している。

即ち、一般に、投光器５に使用するＬＥＤ等の発光素子
は、はぼガウス型の発光強度分布を有している。従って
、前記第２図に示すように、スリット２ａが一定幅に形
成されているスリット板２において、スリット板２がＡ
またはＢ方向に移動し、スリット２ａの端部付近が投光
器５と対向している場合には、スリット２ａの中央部付
近が投光器５と対向している場合と比較して、スリット
２ａを通過して光ビーム位置検出器６に入射する光量が
必然的に少なくなり、各光検出素子６ａ・６ｂの出力が
低下する。このように光検出素子６ａ・６ｂの出力が低
下すると、これらの差動出力である差動増幅回路１３か
らの位置信号も当然小さくなる。このため、可動体１の
可動域端部において、変位−位置信号の直線性が失われ
ることになる。

そこで、上記のようなスリット１９ａ・２０ａを有する
スリット板１９・２０拍使用することにより、スリット
１９ａ・２０ａの端部（−１近が投光器５と対向してい
る場合における光ビーム位置検出器６への入射光量を確
保し、光位置検出器６の受光量の低下により位置検出感
度が低下されるという事態を回避している。

従って、本実施例に係る構成は、限られたスペースに収
めるような小型の光学式位置および速度検出装置におい
て、良好な直線性を保持し、かつダイナミックレンジの
広い検出を行う場合に有利である。

〔発明の効果〕

本発明の光学式位置および速度検出装置は、以上のよう
に、光ビームを発する投光器と、この投光器の光ビーム
を受けて電気信号に変換する光検出器とが保持部材によ
って一体かつ対向配置に設けられ、投光器と光検出器と
の間に、これら両者の対向方向と直交するようにスリッ
ト板が設けられ、上記の投光器および光検出器とスリッ
ト板とは可動体の移動に伴って相対移動可能に設けられ
、スリット板には、上記の相対移動方向に対して勾配を
有し、かつ可動体の可動領域にわたって投光器の光ビー
ムが光検出器に入射するようにスリットが形成されると
共に、上記光検出器の出力に基づいて可動体の位置情報
を出力する位置情報検出手段と、この位置情報検出手段
出力の位置情報を微分して可動体の速度情報を出力する
速度情報検出手段とを備えている構成である。

それゆえ、位置情報を連続量として得ることができ、こ
の位置情報を単に微分することにより速度情報を得るこ
とができるようになっている。そして、簡単な構成であ
るから、少ない部品点数にて、小型に形成することがで
きると共に、低コストにて作製することができる。加え
て、外乱の混入を抑制し得るので、良質の位置情報と速
度信号とを得ることができる。これにより、小型情報機
器の記録再生ヘッド等における可動体を制御するための
制御信号検出センサとして適用し得る等の効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の一実施例を示すものであっ
て、第１図は光学式位置および速度検出装置の概略構成
を示す斜視図、第２図は第１図に示したスリット板、投
光器および光ビーム位置検出器の構成と位置関係を示す
説明図、第３図は位置信号検出回路を示す回路図、第４
図は位置信号を示すグラフ、第５図および第６図は他の
実施例を示すものであって、第５図はスリット板および
光ビーム位置検出器の構成と位置関係を示す説明図、第
６図は第５図に示した各光ビーム位置検出器と対応する
位置信号を示すグラフ、第７図はその他の実施例を示す
ものであって、同図（ａ）はスリット板を示す正面図、
同図（ｂ）はその他のスリット板を示す正面図である。 １は可動体、２・１６・１９・２０はスリット板、２ａ
・１６ａ・１９ａ・２０ａはスリット、４は保持部材、
５は投光器、６・１７・１８は光ビーム位置検出器（光
検出器）、６ａ・６ｂ・１７ａ１７ｂ１８ａ１８ｂは光
検出素子、１１・１２は電流電圧変換回路、１３ば差動
増幅回路、１４は加算回路、１５は位置信号検出回路（
位置情報検出手段）である。 ′１ＩＳ５ｉ！ｉ 第　６図 第７　図（ａ） ｑ ９ａ 第７図（ｂ） 十 ０ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光ビームを発する投光器と、この投光器の光ビーム
   を受けて電気信号に変換する光検出器とが保持部材によ
   って一体かつ対向配置に設けられ、投光器と光検出器と
   の間に、これら両者の対向方向と直交するようにスリッ
   ト板が設けられ、上記の投光器および光検出器とスリッ
   ト板とは可動体の移動に伴って相対移動可能に設けられ
   、スリット板には、上記の相対移動方向に対して勾配を
   有し、かつ可動体の可動領域にわたって投光器の光ビー
   ムが光検出器に入射するようにスリットが形成されると
   共に、 上記光検出器の出力に基づいて可動体の位置情報を出力
   する位置情報検出手段と、 この位置情報検出手段出力の位置情報を微分して可動体
   の速度情報を出力する速度情報検出手段とを備えている
   ことを特徴とする光学式位置および速度検出装置。