JPH03189563A - 光学式速度センサー及び光学式位置センサー - 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、光学式速度センサー及び光学式位置センサー
に関し、特に、スケール板の反射率又は透過率に基ず（
信号により、相対移動する二部材の相対速度及び相対位
置を検出する光学式速度センサー及び光学式位置センサ
ーに関する。

［従来の技術］ 工作機械の（ｉ置決め、光ディスクのトラッキング制御
又はリニアモータの速度制御等を行なうために、光学式
変位検出器（例えば、特開昭６１２１２７２７等）や静
電容量式変位検出器（例えば、特公昭６４−１１８８３
等）等が広く知られ且つ用いられている。そして、工作
機械等を効率良（位置決め等を行なうためには、まず可
能な限り高速に目的点の近傍に到達しておき、その後、
残りの微細な位置決めをより低速でおこなうことが多い
。この場合、移動物体の移動速度は、信号処理系等で定
まる所定の限界速度以内でなければならず、そのために
は速度検出手段により速度を検出できることが必要であ
る。　従来、回転変位における回転速度の検出や、直線
的変位の速度を回転変位の回転速度として変換してこれ
を検出する手段としてタコゼネレータ等が広（知られて
いる。

また、上記の光学式変位検出器等のエンコーダからは速
度に比例した間隔のパルスが得られるので、その周期を
検出することにより速度検出を行なうことも可能である
。更に、これらのエンコーダにおいては、排出されるパ
ルス間隔以内における速度を検出する手段として、変位
方向を検出するために設けられた９０度位相差のある正
弦波信号及び余弦波信号の信号処理することによる、応
答性の早い速度検出手段が知られている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、リニアモータ等によって高速駆動される
部材の位置決めや速度制御を行なう場合タコゼネレータ
等では応答性が足りないこと、また、９０度位相差のあ
る正弦波信号及び余弦波信号を信号処理する速度検出手
段にあっては、信は処理回路が複雑になり、検出系をコ
ンパクトにすることが困難という問題点があった。

また、位置センサーに関しては、前記光学式変位検出器
等が高精度の優れた検出器であるが高価であり、それほ
ど高精度であることを必要としない、簡易且つ安価な検
出器の需要を満たすものではなかった。

本発明は係る状況に鑑みなされたものであり、応答性に
優れた簡易な光学式速度センサー及び光学式位置センサ
ーを提供することを目的とする。

「課題を解決するだめの手段］ 本発明は、一つには、相対移動する一方の部材であって
、その相対移動方向に対して規則的に変化する反射率又
は透過率を有するスケール板と、相対移動する他方の部
材であるスライダー板と、前記スケール板に配設された
、前記スケール板を照射する光源と、前記光源により照
射された前記スケール板からの反射又は透過の光信号を
検出する検出器と、前、を備えたことを特徴とする光学
式移動に伴う前記光信号の変化分から、前、を備えたこ
とを特徴とする光学式速度を検出する演算処理手段とを
備えて、前記課題を達成したものであり、 二つには、前記スケール板は、反射部分と非反射部分又
は透過部分と非透過部分とが交互に繰り返し、前記スラ
イダー板に相対移動する方向に渡って線形的に変化する
反射率又は透過率を有するようにしたものであり、 三つには、前記スケール板は、前記スライダー板に対し
て相対移動する方向に渡って連続的且つ線形的に変化す
る反射率又は透過率を有するようにしたものである。

また本発明は、相対移動する一方の部材であって、その
相対移動方向に対して規則的に変化する反射率又は透過
率を有するスケール板と、相対移動する他方の部材であ
るスライダー板と、前記スライダー板に配設された、前
記スケール板を照射する光源と、前記光源により照射さ
れた前記スケール板からの反射又は透過の光信号を検出
する検出器と、前記スケール板上の相対移動方向にある
第１点と第２点との二点間における前記光信号の強度の
差を参照して、前記スケール板と前記スライダー板との
各相対位置における各前記光信号より、前、を備えたこ
とを特徴とする光学式位置を検出する演算処理手段とを
備えて、前記課題を達成するようにしたものである。

［作用コ 前もってスケール板の各位置の反射率又は透過率の特性
を求めておき、スケール板とスライダー板とが相対移動
すると、スケール板の反射率又は透過率がスケール板上
の位置に依存して規則的に変化するので前記スケール板
から反射又は透過する光信号が変化し、検出器により前
記光信号を検出し、演算手段によりＡ７ｉ記光信号の変
化分から相対移動速度を求める。

また、前記スケール板は、反射部分と非反射部分とが交
互に繰り返し又は透過部分と非透過部分とが交互に繰り
返して構成され、前記スライダー板に相対移動する方向
に渡って平均的には線形的に変化する反射率又は透過率
を有するので、前記光信号がスライダー板の移動に伴い
線形的に変化する。

また、前記スケール板は、反射率又は透過率が連続的且
つ線形的に変化するように構成されているので、前記光
信号がスライダー板の移動に伴い線形的に変化する。

また、前もってスケール板の各位置の反射率又は透過率
の特性、及び前記スケール板上の相対移動方向にある二
点間の距離と前記光信号の強度と強度の差を求めておき
、スケール板とスライダー板とが相対移動すると、スケ
ール板の反射率又は透過率が位置に依存して規則的に変
化する前記スケール板からの反射又は透過の光信号を検
出器により検出し、演算処理手段により前記二点間にお
ける前記光信号の強度の差を参照して、相対位置を検出
する。

［実施例］ 以下図面を参照して１本発明の実施例を詳細に説明する
。しかし、本実施例によって本発明が限定されるもので
はない。

第１図は本発明の光学式速度センサーの一実施例の構成
図を示す。相対移動する一方の部材であるスケール板１
０と、それに対し相対移動する他方の部材であるスライ
ダー板１２が対向して設けられている。スライダー板１
２には、スケール板１０を照射する光源１４、光源１４
によって照射されたスケール板１０から反射する光信号
を検出し信号処理する検出器１６、及び、光源１４及び
検出器１６系の保護板である窓板２０とが含まれる。光
源１４はＬＥＤ素子又は半導体レーザである。検出器１
６には、スケール板１０から反射された光信号を受光す
る受光素子１８及び受光素子１８の出力を増幅するプリ
アンプ等（図示省略）が含まれる。窓板２０は、第４図
に示されるように、光源１４からの照射光３０が透過す
る光源側窓２２と、反射光が透過する受光側窓２４を含
むスケール板１０はガラス板で構成されており、スライ
ダー１２に近い側の表面には、第２図に示されるように
、スライダー板１２との相対移動方向に渡って、長さＣ
の周期毎にＣｒ蒸着された反射部分２６と反射部分２６
とが交互に配置されている。反射部分２６は順に各々β
＋、Ｉ２２、Ｉ３・・β。−２、β。−１及びＩ２゜の
幅を有し、従って非反射部分２８は順に氾−Ｑ３、Ｑ−
氾２、ｎ−４２、・・・℃−βｎ−２−１２−βｎ−１
及びトペ。の幅を有している。非反射部分２８は透過体
であっても吸収体であっても構わない。長さ℃は例えば
、２００μｍ、幅、９．、Ｉ２．、Ｑ　３”’Ｑ　ｎ−
２、１２１−＋及び！。は各々１μｍ、２μｍ、３μｍ
、・・・１９８μｍ、１９９μｍ及び２００μｍである
。第３図にスケール板の位置Ｘに対する反射率が示され
ている。

次に前記実施例の作用について説明する。

第５図に示されるように、光源１４からの照射光３０に
より照射されるスケール板１０の照射範囲３４は、長さ
βの数倍に渡るようにしである。

従って照射範囲３４で反射した反射光３２をすべて受光
することにより、スライダー板１０の平均反射率は、第
５図で示される平均反射率３６を有するとみなすことが
出来る。ここで、位置ｘ＝０において平均反射率がゼロ
でないのは、照射光３０等の迷光等によるバックグラウ
ンドを示すものであるが、光信号の変化分より速度を検
出する本発明においては大きい意味はない。ここで重要
なことは、平均反射率３６を位置Ｘにたいして線形的に
変化させるようにすることである。このことは、長さβ
、幅Ｅｒ　　（ｉ＝１．２・・・ｎ）、光源１４又は受
光素子１８とスケール板１０との距離、及び照射範囲３
４等の諸量の間の関係を設定することにより可能である
。このように位置Ｘに対して線形的に平均反射率が変化
するようにし、且つ、単位相対移動量当たりの光信号の
変化分を前もって光学式変位検出器等の変位検出手段を
用いて求めておくことで、光信号の強度の変化分より相
対移動量を求めることが出来る。

即ち、単位長さΔＸ当たりの光信号の強度変化ΔＩを、
第５図を用いて又は実験的に求めておき、位置ｘ１にお
ける光信号の強度工１．単位時間ΔｔＩ７）ｆｉの移動
位置ｘ２における光信号の強度Ｉ２を測定することによ
り、求める速度■は、ｖ＝（ｘ−−ｘ　　１　）／Δｔ ＝ΔＸ　・　（Ｉｚ　　　Ｉ＋）／ΔＩによって得られ
る。ここで、ｘ２、ｘｌの値それ自身を速度Ｖを測定す
る毎に直接求める必要はなく、第５図に示される位置Ｘ
と、平均反射率又は光信号の強度との関係が既知であれ
ば良い。

演算処理手段４０においては、ある任意の位置Ｘにおけ
る速度を求めようとする場合、その位置Ｘの光信号の強
度工をアドレス１に記憶し、単位時間Δｔを計数してそ
の時の光信号の強度工゛を求めてアドレス２に記憶し、
■°とＩの差（Ｉ’−Ｉ）を演算して、既知量である比
例計数を乗算して速度■を演算する。また、次の速度測
定に備え、単位時間へｔの計数を絶えず組数し、（■１
）の演算の後アドレス２にあるデータｒ　をデータ■と
してアドレス１に移送し次のデータ１の取り込みに備え
る。なお、次のような速度検出も可能である。即ち、絶
えず単位時間Δｔを計数する代わりに、速度検出を欲す
るときに光信号の強度が所定量、例えば前記Δ■、たけ
変化するまでの時間ｔを計数し、速度■を、■＝ΔＸ・
／Ｌとして求めるものである。

前記実施例により、複雑な信号処理回路を用いることな
く、応答性に優れた簡易な速度センサーを提供すること
が出来る。

次に、第６図及び第７図にスケール板ＩＯの他の実施例
を示す。第６図に示されるスケール板１０の片側表面全
体は、Ｃｒ蒸着されて反射部分２６を構成し、反射部分
２６の反射率は第７図に示されるようにスケール板１０
の位置Ｘに対し線形的に変化するように作成されている
。このようなスケール板１０の作成は、Ｃｒ蒸着のスパ
ッタリング量を一定にした下で、蒸着されるスケール板
１０を一定の加速度で送ることによって可能である。移
動速度は、第２図で示されるスライダー１０の場合と同
様に求めることが出来る。このようなスケール板１０の
構成とすることにより、複雑な信号処理を必要としない
ため、検出器のコンパクト化がなされ、且つ応答性にす
ぐれた速度センサーを提供することが出来る。

次に、本発明の光学式位置センサー及び／又は光学式速
度センサーの一実施例を第８図乃至第１０図を参照して
説明する。

第８図に示したようにスケール板１０上には、第２図に
示したのと同様の反射部分２６と非反射部分２８とで構
成されるパターン（Ａ）とパターン（Ｂ）とが、並列に
設けられている。パターン（Ａ）とパターン（Ｂ）とは
、第９図に示されるように相互に逆方向に平均反射率が
増減するようになっている。スケール板１０には更に、
相対移動方向に第１点と第２点を各々中心にした反射部
分２６　（ａ）、２６　（ｂ）とからなるパターン（Ｃ
）が設けられている。パターン（Ｃ）はスケール板上の
位置を検出するだめのものであり、第１点と第２点の二
点間の長さはしてある。

第１０図に示される窓板２０には、光源側窓２２と受光
側窓２４ａ、２４ｂ及び２４ｃとが設けられている。受
光窓２４ａはパターン（Ａ）からの反射光を検出するた
めのものであり、その受光素子が１８ａである。同様に
して、受光窓２４ｂ、受光素子１８ｂは、パターン（Ｂ
）に、受光窓２４ｃ、受光素子１８ｃは、パターン（Ｃ
）に対応する。スライダー板１２については、特に図示
していないが、受光素子１８が複数ある検出器であるこ
とを除けば、第１図に示されるものと同じである。

なお、第８図には、パターン（Ａ）とパターン（Ｂ）と
が並列に設けられた構成を示しているが両パターンが共
に設けられることが位置検出に必須であるわけではない
。パターン（Ａ）かパターン（Ｂ）のいずれかのパター
ンとパターン（Ｃ）とが設けられていることが必須であ
る。パターン（Ａ）とパターン（Ｂ）とが並列に設けら
ているのは、後述するように光信号の差動信号等を求め
ることを可能にするためである。

次に上記実施例の作用について説明する。

スケール板１０上のパターン（Ａ）、パターン（Ｂ）が
第９図に示される平均反射率（Ａ）、（Ｂ）を有し、位
置Ｘに対して線形的に変化する。

そして、平均反射率（Ａ）、（Ｂ）の単位長さ当たりの
変化率は既知であるから、単位長さ当たりの光信号の変
化分を求めておくことができる。また、第１点の位置な
ｘ＋、第２点の位置をｘ２とすると、その二点間の長さ
Ｌは既知であり、且つＸ　＝Ｘ　＋　、　Ｘ　＝　Ｘ　
ａにおける各々の光信号の強度１１、■２も既知である
。ここで任意の位置Ｘにおける光信号の強度工を求める
ことにより、位置Ｘの値は次のように求められる。即ち
、便宜的に第１点を始点とし、パターン（Ｂ）による検
出光信号を用いるとして、位置Ｘは、 Ｘ＝Ｘ　　、　　＋ ＣＸ２−Ｘ　　＋）　　−Ｉ／　　（■　２−Ｉ　　ｌ
）”　Ｘ　　ｌ＋　　　Ｌ−Ｉ　／　　（Ｉ　　２　　
　Ｉ　　＋　　）から求められる。

次にパターン（Ａ）とパターン（Ｂ）の両パターンの用
途について述べる。例えば、各パターンからの光信号の
和が一定になるように、光源１４の駆動電流等を制御す
るのに用いることができるまた、光信号の強度が大きい
ものが必要な場合に光源の駆動電流を上げることなく、
左半分での位置検出等においてはパターン（Ａ）の光信
号を採用し、右半分での検出においてはパターン（Ｂ）
の光信号を採用することによって、強い光信号を得るこ
とができる。その他、両パターンからの光信号の差動信
号を作成することにより、検出信号の安定化を図ること
ができる。

上記実施例では位置Ｘの検出について説明してきたが、
第８図に示されるスケール板１０を用いれば、第２図で
説明したのと同様にスライダー板１２との相対速度の検
出も当然可能である。従つて、第８図に示されるスケー
ル板１０を用いることにより、速度と変位とを個別に求
めることができるのみならず、速度と変位の両者を一つ
のスケール板１０を用いて求めることもできる。その場
合、元厚１４や検出器１６を速度と位置の各検出用に別
に設ける必要がなく、コンパクトな構成とすることがで
きる。更に、速度と位置の情報を一個の測定器から得ら
れることができる結果、速度に基すいた位置の制御、位
置に基ずいた速度の制御等、相対移動する二個の部材を
有機的に制御することが可能となる。

上記実施例によれば、複雑な信号処理回路を用いること
なく、応答性に優れた簡易な速度センサーを提供するこ
とが出来るとともに、必要に応じて位置と速度との相関
的制御も可能となる。

以上で述べてきた実施例においては、信号光としてスケ
ール板ｌＯからの反射光３２を検出するものであったが
、受光素子１８を光源１４とスケール板１０の反対側に
設置することにより、透過光を検出する構成でも良いこ
とはいうまでもない。その場合、非透過部分は、反射体
又は吸収体のいずれでも良い。

また、本実施例は直線的移動の速度又は位置を検出する
ことについて示したが、ロータリーエンコーグのような
回転移動の速度又は位置を検出する場合にも本発明が適
用できることは言うまでもない。

［効果］ 以上の通り本発明によれば、スケール板を相対移動方向
に対して規則的に変化する反射率又は透過率を有するよ
うにしたので、応、容性に優れた簡易な光学式速度セン
サー及び光学式位置センサーを提供することができる。

また、スケール板を相対移動方向に対して線形的に変化
する反射率又は透過率を有するようにしたので、応答性
に優れた簡易な光学式速度センサ及び光学式位置センサ
ーを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光学式速度センサーの一実施例
の構成図である。 第２図は、その実施例におけるスケール板の、反射部分
と非反射部分との交互の繰り返しパターンを示した図で
ある。 第３図は、第２図で示されるスケール板の反射率と位置
の関係を示す線図である。 第４図は、検出器における窓板の平面図である第５図は
、第３図に示される特性を有するスケール板を、図示さ
れている照明範囲に渡り照射したとする場合のスケール
板の平均反射率と位置の関係を示す線図である。 第６図は、他の実施例におけるスケール板の側面図であ
る 第７図は、第６図で示されるスケール板の反射率と位置
の関係を示す線図である。 第８図は、本発明に係る光学式位置センサ又は／及び光
学式速度センサーの一実施例のスケール板のパターンを
示す図であるある。 第９図は、第８図に示されるパターン（Ａ）とパターン
（Ｂ）の平均反射率と位置との関係を示す線図である。 第１０図は、第８図で示される実施例における窓板の平
面図である。 第１１図は、透過光を検出するタイプの本発明に係る光
学式速度センサーの一実施例の構成図である。 １０　・・・ １２　・・・ １４　・・・ １６　・・・ ２６　・・・ ２８・・・ ４０　・・・ スケール板 スライダー板 光源 検出器 反射部分 非反射部分 演算処理手段 第 Ｓ 図 第 ０ 図 ムＯ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）相対移動する一方の部材であって、その相対移動
   方向に対して規則的に変化する反射率又は透過率を有す
   るスケール板と、 相対移動する他方の部材であるスライダー板と前記スケ
   ール板に配設された、前記スケール板を照射する光源と
   、 前記光源により照射された前記スケール板からの反射又
   は透過の光信号を検出する検出器と、前記スケール板と
   前記スライダー板との相対移動に伴う前記光信号の変化
   分から、前記スケール板と前記スライダー板との相対速
   度を検出する演算処理手段と、を備えたことを特徴とす
   る光学式速度センサー。
2. （２）前記スケール板は、反射部分と非反射部分又は透
   過部分と非透過部分とが交互に繰り返し、前記スライダ
   ー板に相対移動する方向に渡って線形的に変化する反射
   率又は透過率を有することを特徴とする、請求項（１）
   に記載の光学式速度センサー。
3. （３）前記スケール板は、前記スライダー板に対して相
   対移動する方向に渡って連続的且つ線形的に変化する反
   射率又は透過率を有することを特徴とする、請求項（１
   ）に記載の光学式速度センサー。
4. （４）相対移動する一方の部材であって、その相対移動
   方向に対して規則的に変化する反射率又は透過率を有す
   るスケール板と、 相対移動する他方の部材であるスライダー板と前記スラ
   イダー板に配設された、前記スケール板を照射する光源
   と、 前記光源により照射された前記スケール板からの反射又
   は透過の光信号を検出する検出器と、前記スケール板上
   の相対移動方向にある第１点と第２点との二点間におけ
   る前記光信号の強度の差を参照して、前記スケール板と
   前記スライダー板との各相対位置における各前記光信号
   より、前記スケール板と前記スライダー板との相対位置
   を検出する演算処理手段と、を備えたことを特徴とする
   光学式位置センサー。