JPH04351917A - Position detector - Google Patents

Position detector

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JPH04351917A
JPH04351917A JP12631491A JP12631491A JPH04351917A JP H04351917 A JPH04351917 A JP H04351917A JP 12631491 A JP12631491 A JP 12631491A JP 12631491 A JP12631491 A JP 12631491A JP H04351917 A JPH04351917 A JP H04351917A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
slit plate
light
sine
cosine
emitting diode
Prior art date
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Pending
Application number
JP12631491A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuo Nakayama
中山 信男
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP12631491A priority Critical patent/JPH04351917A/en
Publication of JPH04351917A publication Critical patent/JPH04351917A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain an extremely low-profile, high-resolution position detector such as a rotary encoder, a linear encoder and potentiometer. CONSTITUTION:An extremely low-profile microlens array 2 which consists of several semicylindrical lenses is mounted on a light emitting diode 1 so that the axial lines of the semicylindrical lenses can be perpendicular to the rotational direction of a rotary slit plate 3, and light flux passing through the opening 5 of the rotary slit plate 3 forms parallel beam perpendicular to the rotational direction of the rotary slit plate 3. A light receiving array 6 to which light flux passing through the rotary slit array 3 is illuminated outputs a signal such that the sine and cosine curves are formed with a secular change in the light receiving area through spindle-shaped windows 7, 8 for creating low- distortion sine and cosine waves to provide high resolution.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、ロータリエンコーダ、
リニアエンコーダ、ポテンションメータなどの位置検出
装置に関するものである。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a rotary encoder,
It relates to position detection devices such as linear encoders and potentiometers.

【0002】0002

【従来の技術】従来、位置検出装置としてのたとえばロ
ータリエンコーダを構成している回転スリット板と固定
スリット板の各開口部(窓)の形状は矩形であり、回転
スリット板が回転することによって発生する両開口部共
通の形状の時間変化は三角形を形成する。したがって、
ロータリエンコーダに発生する信号は発光ダイオードか
ら放射された光束が両スリット板が交差して生じる開口
部を通過して受光センサ上に照射される光束の形状に比
例するから、発生する電気信号も三角波になる。いま、
簡単のために回転スリット板、固定スリット板の開口部
の形状をともに同一寸法の正方形または長方形とし、回
転スリット板が回転すると図3(A)に示すように共通
の開口部分の形状Sは次式で示される。
[Prior Art] Conventionally, each opening (window) of a rotating slit plate and a fixed slit plate constituting a rotary encoder as a position detecting device, for example, has a rectangular shape. The time variation of the common shape of both openings forms a triangle. therefore,
The signal generated by the rotary encoder is proportional to the shape of the light flux emitted from the light emitting diode, which passes through the opening formed by the intersection of both slit plates and is irradiated onto the light receiving sensor, so the electrical signal generated is also a triangular wave. become. now,
For simplicity, the shapes of the openings of the rotating slit plate and the fixed slit plate are both square or rectangular with the same dimensions. When the rotating slit plate rotates, the shape S of the common opening part becomes as shown in FIG. 3(A). It is shown by the formula.

【0003】0003

【数1】[Math 1]

【0004】このように、形状Sの変化は一次関数で示
され、周期的に作図すると、図3(B)のように三角波
になる。また、従来のエンコーダでは、1個の発光ダイ
オードから放射される光線を1個の球面の光学レンズを
用いて2次元の範囲内で平行光線にするためには、使用
する光学レンズの肉厚を通常100 m程度に厚くしな
ければならなかった。
[0004] In this way, the change in the shape S is represented by a linear function, and when plotted periodically, it becomes a triangular wave as shown in FIG. 3(B). In addition, in conventional encoders, in order to convert the light rays emitted from one light emitting diode into parallel rays within a two-dimensional range using one spherical optical lens, the thickness of the optical lens used must be adjusted. Usually it had to be about 100 m thick.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の構
成においては、センサから発生する電気信号は三角波と
なり、サーボシステムに適した低歪正弦、余弦波曲線の
出力は原理的には得られず、高解像度を得ることはむつ
かしいという問題があった。また、2次元の範囲内で平
行光線を得るためには、使用する光学系を薄くできず、
エンコーダを超薄型に構成できないという問題もあった
[Problem to be solved by the invention] In the conventional configuration as described above, the electric signal generated from the sensor is a triangular wave, and in principle it is impossible to obtain an output with a low distortion sine or cosine wave curve suitable for a servo system. First, there was the problem that it was difficult to obtain high resolution. In addition, in order to obtain parallel rays within a two-dimensional range, the optical system used cannot be made thin;
Another problem was that the encoder could not be configured to be ultra-thin.

【0006】本発明は上記問題を解決するもので、発光
ダイオードから放射される光線が、スリット板の移動方
向に対して垂直な方向の1次元的平行光線を形成するよ
うに複数の半筒型レンズよりなるマイクロレンズアレイ
を開発採用し、この1次元的平行光線がスリット板の開
口部を通過して照射される受光面積の時間変化がサーボ
システムに適した低歪正弦、余弦波曲線を形成するため
の専用パターンの窓を備えた受光センサアレイを開発採
用し、超薄型、高精度、高分解能を得ることができる位
置検出装置を提供することを目的とするものである。
The present invention solves the above problem by using a plurality of semi-cylindrical diodes so that the light rays emitted from the light emitting diodes form one-dimensional parallel rays in a direction perpendicular to the moving direction of the slit plate. We have developed and adopted a microlens array consisting of lenses, and this one-dimensional parallel light beam passes through the opening of the slit plate and the time change in the light receiving area forms a low distortion sine and cosine wave curve suitable for servo systems. The purpose of this project is to develop and employ a light-receiving sensor array equipped with a window with a special pattern to provide a position detection device that is ultra-thin, has high precision, and has high resolution.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の位置検出装置は、発光ダイオードに、スリ
ット板の移動方向に対して垂直な方向に軸線を有する複
数の半筒型レンズよりなるマイクロレンズアレイを装着
して、スリット板の移動方向に対して垂直な方向に平行
な1次元的平行光線をスリット板に向って放射させ、上
記スリット板の開口部を通過した光束が照射される受光
センサアレイは、その受光面積の時間変化が正弦、余弦
曲線を形成するような専用パターンをもった窓を備えた
構成にしたものである。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the position detection device of the present invention includes a light emitting diode, and a plurality of semi-cylindrical lenses each having an axis in a direction perpendicular to the moving direction of the slit plate. A microlens array consisting of a microlens array made of The light-receiving sensor array has a window having a dedicated pattern such that the time change of the light-receiving area forms a sine or cosine curve.

【0008】[0008]

【作用】上記構成により、発光ダイオードに装着された
複数の半筒型レンズよりなるマイクロレンズアレイから
スリット板の移動方向に対して垂直な方向に平行に形成
される1次元的平行光線がスリット板に向って放射され
、スリット板の開口部を通過した1次元的平行光線の光
束は、低歪正弦、余弦波発生用窓を通して受光センサア
レイに照射される。したがって受光センサアレイ上の受
光面積の時間変化が低歪正弦、余弦波曲線になるので、
受光センサアレイの出力は、従来のような三角波曲線と
は異なり、正弦、余弦基本波に対して2次、3次成分が
減少した低歪正弦、余弦波となり、高分解能が得られて
、DCサーボモータなどの高速位置決め制御が容易とな
る。しかも発光ダイオードに装着されるマイクロレンズ
アレイは1次元的平行光線を発光させる複数の半筒型レ
ンズで構成するので、従来のように、2次元の平行光線
にするために光学レンズを肉厚によるような必要性はな
く、全体として超薄型に構成できる。
[Operation] With the above configuration, one-dimensional parallel light rays formed in parallel in a direction perpendicular to the moving direction of the slit plate from the microlens array consisting of a plurality of semi-cylindrical lenses attached to the light emitting diode are transmitted to the slit plate. A one-dimensional parallel beam of light that is emitted toward the slit plate and passes through the opening of the slit plate is irradiated onto the light-receiving sensor array through a low-distortion sine and cosine wave generation window. Therefore, the time change of the light-receiving area on the light-receiving sensor array becomes a low-distortion sine and cosine wave curve.
Unlike the conventional triangular wave curve, the output of the light receiving sensor array is a low-distortion sine and cosine wave with reduced secondary and tertiary components relative to the sine and cosine fundamental waves, and high resolution is obtained. High-speed positioning control of servo motors, etc. becomes easier. Moreover, the microlens array attached to the light emitting diode is composed of multiple semi-cylindrical lenses that emit one-dimensional parallel light beams, so unlike conventional methods, the optical lens has to be thickened to produce two-dimensional parallel light beams. There is no need for such a configuration, and the overall structure can be made extremely thin.

【0009】[0009]

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照しながら
説明する。図1は本発明の一実施例の位置検出装置とし
てのロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a rotary encoder as a position detection device according to an embodiment of the present invention.

【0010】図1において、1は発光ダイオード、2は
発光ダイオード1に装着された複数の半筒型レンズより
なる超薄型のマイクロレンズアレイであり、このマイク
ロレンズアレイ2は半筒型レンズの軸線が回転スリット
板3の回転方向に対して垂直な方向になるように発光ダ
イオード1に装着されており、このマイクロレンズアレ
イ2を通して回転スリット板3の回転方向に対して垂直
な方向に平行な1次元的平行光線4が形成されて、回転
スリット板3に向って放射される。5は回転スリット板
3に形成された開口部で、マイクロレンズアレイ2から
放射される1次元的平行光線4を通過させるように、た
とえば0.9 °のピッチのスリット(近似矩形)に構
成されている。
In FIG. 1, 1 is a light emitting diode, and 2 is an ultra-thin microlens array consisting of a plurality of semi-cylindrical lenses attached to the light emitting diode 1. It is attached to the light emitting diode 1 so that its axis is perpendicular to the direction of rotation of the rotating slit plate 3, and through this microlens array 2, a light beam parallel to the direction perpendicular to the direction of rotation of the rotating slit plate 3 is mounted. A one-dimensional parallel beam 4 is formed and radiated towards the rotating slit plate 3. Reference numeral 5 denotes an opening formed in the rotating slit plate 3, which is configured to have a slit (approximately rectangular shape) with a pitch of 0.9°, for example, so as to allow the one-dimensional parallel light ray 4 emitted from the microlens array 2 to pass through. ing.

【0011】6は回転スリット板3を介し発光ダイオー
ド1に対向して配置された受光センサアレイ、7,8は
受光センサアレイ6の表面に形成され、受光面積の時間
変化がサーボシステムに適した低歪正弦、余弦曲線を形
成するための専用パターンの紡錘形の窓であり、これら
低歪正弦、余弦波発生用窓7,8は回転スリット板3の
開口部5に対応してピッチ0.9 °で、かつ正弦、余
弦波曲線として互いに90°の位相ずれをもつように形
成されている。
Reference numeral 6 denotes a light-receiving sensor array disposed opposite to the light-emitting diode 1 via the rotating slit plate 3; 7 and 8 are formed on the surface of the light-receiving sensor array 6, and the time change of the light-receiving area is suitable for a servo system. These are spindle-shaped windows with a special pattern for forming low-distortion sine and cosine curves, and these low-distortion sine and cosine wave generation windows 7 and 8 have a pitch of 0.9 in correspondence with the openings 5 of the rotating slit plate 3. 90 degrees, and are formed as sine and cosine wave curves with a phase shift of 90 degrees.

【0012】図2は受光センサアレイ6に形成される低
歪正弦、余弦波発生用窓7,8の形状を示したものであ
り、それぞれ回転スリット板3の中心側に対応する位置
に形成された小円弧部と、回転スリット板3の円周側に
対応する位置に形成される大円弧部と、それらの両端同
士を連結する斜線部との組み合わせにより形成されてお
り、全体として紡錘形に構成されている。また、小円弧
部の弦長a、大円弧部の弧長b、両弦間の距離cは回転
スリット板3の径の大きさや窓7,8が対応する回転ス
リット板3の径方向の位置に適合する値に設定され、こ
れら窓7,8はそれぞれのビッチλが0.9 °で配設
されるとともに、正弦、余弦出力用として90°の位置
ずれをもたせるために、λ/4ピッチの0.225 °
のずれをもって配設されている。
FIG. 2 shows the shapes of the low distortion sine and cosine wave generation windows 7 and 8 formed in the light receiving sensor array 6, each formed at a position corresponding to the center side of the rotating slit plate 3. It is formed by a combination of a small circular arc part, a large circular arc part formed at a position corresponding to the circumferential side of the rotary slit plate 3, and a diagonal line part connecting both ends of these parts, and the whole has a spindle shape. has been done. In addition, the chord length a of the small circular arc portion, the arc length b of the large circular arc portion, and the distance c between both chords depend on the diameter of the rotating slit plate 3 and the radial position of the rotating slit plate 3 to which the windows 7 and 8 correspond. These windows 7 and 8 are arranged with a respective pitch λ of 0.9°, and in order to provide a 90° positional shift for sine and cosine outputs, windows 7 and 8 are arranged with a pitch of λ/4. 0.225°
They are arranged with a deviation of .

【0013】このような形状の低歪正弦余弦波発生用窓
7,8により受光センサアレイ6の正弦、余弦波出力は
、正弦、余弦基本波に対する2次、3次成分が−50d
B以下の低歪正弦、余弦波で出力させることができる。 したがって、この回転スリット板3の1回転で発生する
400 パルスによる各正弦、余弦波出力を電気的に2
56 個に分割すれば、102400パルス/回転の高
分解能でDCサーボモータなどの高速位置決め制御を容
易に行える。
Due to the low distortion sine and cosine wave generation windows 7 and 8 having such a shape, the sine and cosine wave outputs of the light receiving sensor array 6 are such that the second and third order components with respect to the fundamental sine and cosine waves are -50d.
It is possible to output low distortion sine and cosine waves of B or less. Therefore, each sine and cosine wave output due to 400 pulses generated in one rotation of the rotating slit plate 3 is electrically divided into two
If divided into 56 parts, high-speed positioning control of a DC servo motor or the like can be easily performed with a high resolution of 102,400 pulses/rotation.

【0014】なお、以上の説明では主としてロータリエ
ンコーダを例にとって説明したが、その他の位置検出装
置、たとえば回転スリット板の代わりに直線状スリット
板を採用することによって、超小型、超薄型のリニアエ
ンコーダまたはボテンションメータなどへ応用できるこ
とはもちろんである。
In the above explanation, the rotary encoder was mainly used as an example, but by using other position detection devices, for example, a linear slit plate instead of a rotating slit plate, an ultra-small and ultra-thin linear encoder can be used. Of course, it can be applied to encoders, potentiometers, etc.

【0015】[0015]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、複数の
半筒型レンズよりなるマイクロレンズアレイを用い、半
筒型レンズの軸線がスリット板の移動方向に対して垂直
な方向になるように配置することにより、スリット板の
開口部を通過する光束はスリット板の移動方向に対して
垂直な方向に均一的に形成される1次元的平行光線で得
られるので、マイクロレンズアレイを、従来のように2
次元の範囲内で平行光線を得るようにした光学レンズに
比べて、超薄型に構成できる。さらに、受光センサアレ
イの出力信号は、受光面積の時間変化が正弦、余弦波曲
線を形成するような低歪正弦余弦波発生用窓を通して得
られるので、解像度は高く、高分解能のエンコーダが容
易に得られる。そのため、応用例として高分解能DCサ
ーボモータ制御用などに用いることができ、その適用範
囲は広い。
As described above, according to the present invention, a microlens array consisting of a plurality of semi-cylindrical lenses is used, and the axis of the semi-cylindrical lenses is perpendicular to the moving direction of the slit plate. By arranging the microlens array in this manner, the light flux passing through the opening of the slit plate can be obtained as a one-dimensional parallel light beam that is uniformly formed in a direction perpendicular to the direction of movement of the slit plate. 2 as before
Compared to optical lenses that obtain parallel rays within a dimensional range, it can be configured to be ultra-thin. Furthermore, the output signal of the light-receiving sensor array is obtained through a low-distortion sine-cosine wave generation window in which the time change of the light-receiving area forms a sine and cosine wave curve, so the resolution is high and a high-resolution encoder can be easily installed. can get. Therefore, as an example of application, it can be used for high-resolution DC servo motor control, and its range of application is wide.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明の一実施例の位置検出装置としてのロー
タリエンコーダの構成を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a rotary encoder as a position detection device according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のロータリエンコーダにおける受光センサ
アレイの低歪正弦、余弦波発生用窓の平面図である。
2 is a plan view of a low distortion sine and cosine wave generation window of the light receiving sensor array in the rotary encoder of FIG. 1; FIG.

【図3】回転スリット板が回転することにより発生する
回転スリット板と固定スリット板の両開口部共通の形状
の従来の時間変化を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the conventional temporal change in the common shape of the openings of both the rotating slit plate and the fixed slit plate, which is caused by the rotation of the rotating slit plate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1        発光ダイオード 2        半筒型レンズよりなるマイクロレン
ズアレイ3        回転スリット板 4        一次元的平行光線 5        回転スリット板開口部(近似矩形)
6        受光センサアレイ
1 Light emitting diode 2 Microlens array consisting of a semi-cylindrical lens 3 Rotating slit plate 4 One-dimensional parallel light ray 5 Rotating slit plate opening (approximate rectangle)
6 Light receiving sensor array

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  発光ダイオードに装着されて、スリッ
ト板の開口部を通過する光束が上記スリット板の移動方
向に対して垂直な方向に平行光線を形成するように軸線
が上記垂直方向に配置された複数の半筒型レンズよりな
るマイクロレンズアレイと、上記スリット板の開口部を
通過した光束を照射される受光面積の時間変化が正弦、
余弦曲線を形成するような低歪正弦、余弦波発生用窓を
もった受光センサアレイとを備えたことを特徴とする位
置検出装置。
1. The light emitting diode is attached to a light emitting diode, and the axis thereof is arranged in the perpendicular direction so that the light beam passing through the opening of the slit plate forms a parallel light beam in a direction perpendicular to the moving direction of the slit plate. The microlens array consisting of a plurality of semi-cylindrical lenses and the light receiving area irradiated with the light beam passing through the aperture of the slit plate change over time as a sine,
A position detection device characterized by comprising a light receiving sensor array having a window for generating low distortion sine and cosine waves forming a cosine curve.
JP12631491A 1991-05-30 1991-05-30 Position detector Pending JPH04351917A (en)

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