JPH05196413A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】移動体の位置情報を受光素子の検出分解能以上
の精度で検出することができる位置検出装置を得るこ
と。 【構成】 該固定部と可動部との相対位置を検出する
際、該固定部は投光手段と該投光手段に対し、対向配置
した受光手段とを有し、該受光手段は光束の該相対移動
方向の入射位置検出が可能な複数の受光部とを有し、該
投光手段と該受光手段との間に、固定部に固定したマス
ク部材と該可動部に接続したスリット部材とを挟入し、
該マスク部材と該スリット部材はスリット開口部を有し
ており、該投光手段からの該スリット部材と該マスク部
材の双方のスリット開口部を通過した光束を該受光手段
の複数の受光部で検出し、複数の受光部からの出力信号
を利用して該可動部と該固定部との相対位置情報を検出
したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置検出装置に関し、特
に投光手段と受光手段とを有する検出部本体（固定部）
に対して相対的に移動する移動体（可動部）に関して設
けられたスリット手段の相対的位置情報を装置全体の小
型化を図りつつ高精度に検出するようにした位置検出装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より移動体に関して設けられた所定
のパターンを投光手段と受光手段を用いて光電的に読み
取ることにより、該移動体の移動量等の位置情報を検出
するようにした検出装置として所謂フォトリフレクタや
フォトインタラプタ等が知られている。

【０００３】又、レーザ光の干渉を利用し、サブミクロ
ン以下の計測を可能とした計測器が例えば特開昭５９−
１８７２０３号公報、特開昭６０−９３３１１号公報、
特開昭６０−９３３１２号公報等で提案されている。こ
のうちレーザを利用した計測器は装置全体が比較的大型
である為、大型の装置に用いられている。

【０００４】一方、フォトリフレクタやフォトインタラ
プタ等の検出装置は比較的小型である為、例えばレンズ
鏡筒等の小さな空間内に組み込まれて使用されている。

【０００５】又、この検出装置はいずれも移動体に関し
て設けられた所定ピッチのパターンの移動に基づく明信
号と暗信号の繰り返し信号を投光手段と受光手段とを用
いて検出することにより、移動体の移動量を検出してい
る。例えばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉ
ｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）等の位置検出センサを用いてその
検出面上に形成されたスリットの移動量を測定すること
により移動体の位置情報を検出するようにしている。

【０００６】図１１はこの種の従来の位置検出装置の要
部概略図である。

【０００７】同図において１１は投光素子で例えばｉＲ
ＥＤ（赤外発光ダイオード）等から成っている。１２は
ＰＳＤ等の受光素子で所定の長さの受光面１２ａを有し
ている。１３は移動体であり、その面上にはスリット１
３ａが設けられている。

【０００８】投光素子１１からの光束によりＰＳＤ１２
の受光面１２ａ上にスリット１３ａの像が投影される。
このとき移動体１３が図中矢印１４方向に移動するに伴
い受光面１２ａ上に投影されるスリット１３ａの像も移
動する。ＰＳＤ１２はその面上に投影されるスリット像
の位置に応じて電極Ａ及び電極Ｂからの出力比が変化す
るので、このときの変化量を測定することにより移動体
１３の移動量等の位置情報を検出している。

【０００９】図１１に示す位置検出装置では移動体１３
に複数のスリットを適切に設ければ受光面１２ａの検出
方向の長さ以上の移動量を検出することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１１に示す位置検出
装置における移動体１３の位置情報の検出精度は受光素
子１２の検出精度に依存している。即ち受光素子１２の
受光面１２ａ上に投影されるスリット像の位置情報をど
の程度細かく分解して検出することができるかの検出分
解能に依存してくる。

【００１１】一般に図１１に示す位置検出装置に用いる
ＰＳＤはその受光面をある一定以上の大きさを有するよ
うに構成する必要があるが受光面が大きくなってくると
多くの場合検出分解能が低下してくる。

【００１２】この為、所定の大きさのＰＳＤ等の受光素
子を用いて図１１で示す装置により移動体の位置情報の
検出を行う場合には受光素子の検出分解能以上の精度で
位置情報検出することはできないという問題点があっ
た。

【００１３】これに対して本出願人は特願平２−２６５
９３７号において複数のスリットを所定の周期で設けた
マスク部材とスリット部材との２つの部材を利用するこ
とにより装置全体の小型化を図りつつ、移動体の位置情
報を受光素子の検出分解能以上の精度で検出することが
できる移動体の位置検出装置を提案している。

【００１４】本発明は本出願人が先に提案した位置検出
装置を更に改良し、例えば受光手段に複数の受光部を設
けると共に該複数の受光部に対応させてスリット部材又
は／及びマスク部材に複数のスリット開口部を設け、該
複数の受光部からの出力信号を利用することにより受光
部からの出力される信号の非線形性を補正し、高精度な
位置検出が可能な位置検出装置の提供を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、固定部と該固定部に対して相対移動をする可動部を
有し、該固定部と可動部との相対位置を検出する位置検
出装置において、該固定部は投光手段と該投光手段に対
し、所定距離を隔て対向配置した受光手段とを有し、該
受光手段は光束の該相対移動方向の入射位置検出が可能
な複数の受光部とを有し、該投光手段と受光手段との間
に、固定部に固定したマスク部材と該可動部に接続した
スリット部材とを挟入し、該マスク部材と該スリット部
材は該相対移動方向に略直角な開口を設けたスリット開
口部を有しており、該投光手段からの光束のうち該スリ
ット部材と該マスク部材の双方のスリット開口部を通過
した光束を該受光手段の複数の受光部で検出し、該受光
手段の複数の受光部からの出力信号を利用して該可動部
と該固定部との相対位置情報を検出したことを特徴とし
ている。

【００１６】特に前記スリット部材と前記マスク部材と
に設けられたスリット開口部の開口周期は互いに異なっ
ていることや、前記スリット部材とマスク部材には複数
の組のスリット開口部が設けられていることや、前記ス
リット部材には前記受光手段の複数の受光部に対応した
複数の組のスリット開口部が設けられており、該複数の
組のスリット開口部の開口位相は互いに異なっているこ
とや、前記マスク部材には前記受光手段の複数の受光部
に対応した複数の組のスリット開口部が設けられてお
り、該複数の組のスリット開口部の開口位相は互いに異
っていること等を特徴としている。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部斜視図、図２
は図１の主要部の概略図、図３〜図７は図１の一部分の
説明図、図８は本発明の位置検出装置の検出原理の説明
図である。

【００１８】図中１は受光手段であり、矢印１０２で示
す方向に移動する不図示の移動体（可動部）の位置情報
の検出を行う為の例えば図３に示すように受光面１ａ上
に所定の大きさの受光面積を有する２つの受光部１ｂ，
１ｃを有している。受光手段１の受光部１ｂ，１ｃは例
えばＰＳＤ等より成っており、光束の入射位置に応じた
位置信号を出力している。

【００１９】２は投光手段であり、受光手段１と所定の
間隔を隔てて対向配置されている。投光手段２は発光ダ
イオードや半導体レーザ等から成り、所定の大きさの光
束を投光系２ａを介して受光手段１方向に投光してい
る。受光手段１と投光手段２は検出部本体（固定部）の
一要素を構成し、保持部材（不図示）により対向するよ
うにして一体的に構成されている。

【００２０】３はスリット部材であり、矢印１０２方向
に移動可能となるように不図示の可動部（移動体）に関
して設けられており、その面上には例えば図４に示すよ
うな２つのスリット開口部３ｂ，３ｃが設けられてい
る。４はマスク部材であり、その面上には図６に示すよ
うな２つのスリット開口部４ｂ，４ｃが設けられてい
る。５は検出回路である。

【００２１】発光手段２は検出回路よりリード線６を介
して電源が与えられ、又受光手段１の２つの受光部１
ｂ，１ｃからの出力はそれぞれリード線７ｂ，７ｃを介
して検出回路５へ入力されている。

【００２２】次に図１の各要素の詳細について説明す
る。

【００２３】図３は受光手段１の投光手段２に対向する
受光面１ａの詳細図である。該受光面１ａには矢印１０
２で示すスリット部材３のスリット移動方向に光束の入
射位置検出が可能な互いに独立したＰＳＤより成る２つ
の受光部１ｂ，１ｃを設けている。

【００２４】図４はスリット部材３の正面図である。ス
リット部材３にはスリット部材３の矢印１０２で示すス
リット移動方向と直交する向きにスリット開口を有する
２つのスリット開口部３ｂ，３ｃを設けている。図５は
図４のＡ部分の拡大説明図である。

【００２５】スリット開口部３ｂ，３ｃの開口部（３ｂ
１，３ｂ２，３ｂ３・・・，３ｃ１，３ｃ２・・・）の
スリット幅は共にａ、開口部（３ｂ１，３ｂ２・・・，
３ｃ１，３ｃ２・・・）のピッチは共にＰｓである。

【００２６】２つのスリット開口部３ｂ，３ｃはスリッ
ト移動方向（１０２）に図５に示すようにφだけ位相を
ずらして配置している。このときの位相差φは略φ＝Ｐ
ｓ／２となるようにしている。

【００２７】図６はマスク部材４の正面図である。マス
ク部材４には矢印１０２で示すスリット移動方向と直交
する向きにスリット開口を有する２つのスリット開口部
４ｂ，４ｃを設けている。

【００２８】図７は図６のＢ部分の拡大図である。スリ
ット開口部４ｂとスリット開口部４ｃの開口部（４ｂ
１，４ｂ２・・・４ｃ１，４ｃ２・・・）のスリット幅
は共にスリット部材３のスリット幅と同じである。開口
部（４ｂ１，４ｂ２・・・４ｃ１，４ｃ２）のピッチは
スリット部材３の開口部のピッチとは異なるが共にＰｍ
である。ここでマスク部材４の開口部のピッチＰｍはス
リット部材３の開口部のピッチＰｓとは異なっている。
又２つのスリット開口部４ｂ，４ｃはスリット移動方向
に同相となっている。

【００２９】次に図８を用いて本発明の移動体（スリッ
ト部材３）の位置情報の検出原理を説明する。

【００３０】尚、図８ではスリット部材３の一方のスリ
ット開口部を３ａとして、又マスク部材４の一方のスリ
ット開口部を４ａとして示している。

【００３１】又、図８において投光手段２は省略してい
るが投光手段２からの光束はスリット部材３のスリット
開口部３ａの上方からマスク部材４のスリット開口部４
ａが配列されている領域に照射されている。

【００３２】今、受光手段１とスリット部材３との位置
関係、即ちマスク部材４とスリット部材３との位置関係
が図８（Ａ）に示す位置にあったとする。

【００３３】スリット部材３のスリット開口部３ａとマ
スク部材４のスリット開口部４ａの周期は各々異ってお
り、このときの周期は図８（Ａ）においてはマスク部材
４の複数のスリット開口部４ａのうちスリット開口部４
ａ１のみがスリット部材３の複数のスリット開口部３ａ
のうちの１つのスリット開口部３ａ１と一致するように
設定されている。即ち双方のスリット開口部３ａ，４ａ
のうちの１つのみが互いに一致するように設定されてい
る。

【００３４】この為、図８（Ａ）においては投光手段
（不図示）からの光束はスリット開口部３ａ１とスリッ
ト開口部４ａ１を通過し受光手段１の受光面１ａ上に入
射し、受光面１ａ上の所定位置にスリット像を形成す
る。

【００３５】次にスリット部材３が例えば矢印１０２Ｂ
方向に僅かに移動したとする。そうすると今度はマスク
部材４のスリット開口部４ａ２のみがスリット部材３の
スリット開口部３ａ２と一致するようになる。従って受
光手段１の受光面１ａ上には位置検出方向の前とは異っ
た位置にスリット開口部３ａ２とスリット開口部４ａ２
を通過した光束によるスリット像が形成される。

【００３６】このとき図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように
スリット部材３ａの移動量に比べて受光手段１の受光面
１ａ上に形成されるスリット像の変化量の方がはるかに
大きい。即ち受光手段１はスリット部材３の移動量を拡
大した（増幅した）状態で位置情報を検出することがで
きる。

【００３７】この為、本実施例では受光手段１の有する
固有の位置検出精度（位置分解能）よりも高精度に移動
体（スリット部材３）の位置情報を検出することができ
る。

【００３８】更にスリット部材３を図中矢印１０２Ｂ方
向へ移動させると、今度はマスク部材４のスリット開口
部４ａ３とスリット部材３のスリット開口部３ａ３のみ
が一致するようになる。

【００３９】以下同様にしてスリット部材３を同図
（Ｃ）、（Ｄ）に示すように矢印１０２Ｂ方向へ移動さ
せると受光手段１の受光面１ａ上に形成されるスリット
像の位置はマスク部材４のスリット開口部４ａを用いて
示すと、順次 4a3 →4a4 →4a5 →4a6 →4a1 →4a2 →・・・ と周期的に変化していく。

【００４０】本実施例ではこのときの受光面１ａ上に形
成されるスリット像の位置変化の周期を制御手段でカウ
ントしてスリット像が形成される位置情報を検出する。
そして受光手段１、即ち検出部本体に対するスリット部
材３の相対的な移動量を求めている。

【００４１】図８においてスリット部材３を矢印１０２
Ｂと逆方向の矢印１０２Ａ方向に移動させたときは受光
手段１の受光面１ａ上に形成されるスリット像の位置変
化は前述と同様に、マスク部材４のスリット開口部４ａ
を用いて示すと、順次 4a1 →4a6 →4a5 →4a4 →4a3 →4a2 →4a1 → 4a6 →
・・・・・・・・ と周期的に変化していく。従って前述と同様にすれば検
出部本体に対するスリット部材３の相対的な移動を求め
ることができる。

【００４２】本実施例においてスリット部材３に関して
設けた初期位置検出手段７を用いればスリット部材３の
初期位置が求められスリット部材３の絶対位置情報を検
出することができる。

【００４３】尚、本実施例においてスリット部材３を固
定させ、その代わりに受光手段１と投光手段２を有する
検出部本体を矢印１０２方向に移動させても検出部本体
とスリット部材３（移動体）との相対的位置情報を検出
することができる。

【００４４】次に本実施例における位置検出装置の動作
を各図に基づき説明する。スリット部材３に接続されて
いる不図示の可動部の移動によりスリット部材３は不図
示の固定部に一体的に固定されている受光手段１、投光
手段２、マスク部材４に対して相対移動する。受光手段
１内の一方の受光部１ｂには投光手段２からの光束のう
ちスリット部材の一方のスリット開口部３ｂとマスク部
材の一方のスリット開口部４ｂの双方を通過した光束が
入射し、また受光手段１内の他方の受光部１ｃには投光
手段２からの光束のうちスリット部材３の他方のスリッ
ト開口部３ｃとマスク部材の他方のスリット開口部４ｃ
の双方を通過した光束が入射する。

【００４５】従って、可動部の移動によるスリット部材
３の移動により受光手段１からは受光部１ｂ，１ｃから
２つの独立した位置信号ｘ_B ，ｘ_C が得られる。

【００４６】図９は可動部位置と位置信号ｘ_B ，ｘ_C と
の関係を示したものである。スリット部材３に設けられ
た２組のスリット開口部３ｂ，３ｃ間の位相はφ（＝Ｐ
_S ／２）だけずれているために位置信号ｘ_B と位置信号
ｘ_C との間の位相もφ（＝Ｐ_S ／２）だけずれる。

【００４７】従って、可動部位置が３２，３４，３６，
３８の領域では位置信号ｘ_B の信号を利用して位置検出
し、位置信号ｘ_B の使用値の最大値ｘ_Bmax、最小値ｘ
_Bminを決定する。可動部位置が３３，３５，３７の領域
では位置信号ｘ_C の信号を利用して位置検出し、位置信
号ｘ_C の使用値の最大値ｘ_Cmax、最小値ｘ_Cminを決定す
る。また領域、３２，３３，３４，３５，３６，３７，
３８の長さは位置信号の周期Ｐ_S の１／２である。

【００４８】図１０は検出回路５内の位置検出の過程を
示すフローチャート図である。図９、図１０を用いて本
実施例の検出回路の動作を示す。

【００４９】まず最初にステップ５１で位置検出装置が
使用開始されるとステップ５２により固定部に対して可
動部の位置が不図示の例えばメカ的なつきあて等の方法
でリセット位置３１に移動され、このとき検出回路５内
の位置データ変数ｘ及びカウンタ変数Ｉに０が代入され
る。この後ステップ５３で検出回路５内の変数Ｘ_B に位
置信号ｘ_Bが取り込まれる。

【００５０】ステップ５４では可動部の移動によりステ
ップ５３で取り込まれた変数Ｘ_B がｘ_Bmax以下であれば
ステップ５５へ、変数Ｘ_B がｘ_Bmaxより大きければステ
ップ５８へ進みカウンタ変数Ｉに１が加算されステップ
６０へ進む。

【００５１】ステップ５５では可動部の移動によりステ
ップ５３で取り込まれた変数Ｘ_B がｘ_Bmin以上であれば
ステップ５６へ、変数Ｘ_B がｘ_Bminより小さければステ
ップ５９へ進みカウンタ変数Ｉから１が引かれステップ
６０へ進む。

【００５２】ステップ５６では位置データ変数ｘをｘ＝
Ｘ_B ＋Ｉ×Ｐ_S ／２として計算し、ステップ５７で位置
データ変数ｘを出力し、ステップ５３へ進む。

【００５３】一方、ステップ６０で検出回路５内の変数
Ｘ_C に位置信号ｘ_C が取り込まれる。ステップ６１では
可動部の移動によりステップ６０で取り込まれた変数Ｘ
_C がｘ_Cmax以下であればステップ６２へ、変数Ｘ_C がｘ
_Cmaxより大きければステップ６５へ進みカウンタ変数Ｉ
に１が加算されステップ５３へ進む。

【００５４】ステップ６２では可動部の移動によりステ
ップ６０で取り込まれた変数Ｘ_C がｘ_Cmin以上であれば
ステップ６３へ、変数Ｘ_C がｘ_Cminより小さければステ
ップ６６へ進みカウンタ変数Ｉから１が引かれステップ
５３へ進む。

【００５５】ステップ６３では位置データ変数ｘをｘ＝
Ｘ_C＋Ｉ×Ｐ_S ／２として計算し、ステップ６４で位置
データ変数ｘを出力し、ステップ６０へ進む。検出回路
５が以上のような処理を随時行うことにより、リセット
位置３１からの現在の位置ｘを得ることができる。

【００５６】本実施例では、１つの可動部に対して２つ
の位相が異なった位置信号が得られ、これら２つの位置
信号のうち線形領域にある方のデータを選択的に使用し
位置を検出するので常にどの位置ででも高精度に位置を
検出できる。またスリット部材の長さを長くするだけで
長い移動量の検出も可能である。

【００５７】尚、本実施例においては （イ）マスク部材４の２つの受光部１ｂ，１ｃに対応す
る２つのスリット開口部４ｂ，４ｃの位相は同じでスリ
ット部材３の２つの受光部１ｂ，１ｃに対応するスリッ
ト開口部３ｂ，３ｃの位相を異なるように設けている
が、逆にスリット部材３の２つの受光部１ｂ，１ｃに対
応するスリット開口部３ｂ，３ｃの位相は同じでマスク
部材４の２つの受光部１ｂ，１ｃに対応するスリット開
口部４ｂ，４ｃの位相を異なるように設けてもよい。

【００５８】（ロ）マスク部材４の２つの受光部１ｂ，
１ｃに対応するスリット開口部４ｂ，４ｃの位相が異な
りスリット部材３の２つの受光部１ｂ，１ｃに対応する
スリット開口部３ｂ，３ｃの位相も異なるようにして設
けても良い。

【００５９】（ハ）受光手段として２つの受光部からの
出力信号を用いて位置検出を行っているが、３つ以上の
受光部からの互いに位相のずれた出力信号を用いて位置
検出を行っても良い。

【００６０】（ニ）受光手段１、発光手段２、マスク部
材４が固定部に固定されスリット部材３が可動部に接続
され移動しているが逆にスリット部材が固定され受光手
段１、発光手段２、マスク部材４が一体的に可動部に接
続され移動しても良い。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば以上のように受光手段に
複数の受光部を設けると共に、該複数の受光部に対応さ
せてスリット部材又は／及びマスク部材に複数のスリッ
ト開口部を設け、該複数の受光部からの出力信号を利用
することにより受光部からの出力される信号の非線形性
を補正し、高精度な位置検出が可能な位置検出装置を達
成することができる。

【００６２】特に本発明によれば、可動部の移動に対し
て複数の位相の異なった位置情報が得られ、これらが互
いに非線形部分を補いながら位置を検出できるために高
精度な位置検出装置が得られる。又、スリット部材を長
くすることによりどんな長い移動量でも高精度に位置を
検出できるといった特長がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部斜視図

【図２】 図１の主要部の概略図

【図３】 図１の受光手段の説明図

【図４】 図１のスリット部材の説明図

【図５】 図４のＡ部分の拡大図

【図６】 図１のマスク部材の説明図

【図７】 図６のＢ部分の拡大図

【図８】 本発明の位置検出装置の検出原理の説明図

【図９】 本発明における可動部位置と位置信号との
関係を示す説明図

【図１０】 本発明における検出回路の位置検出のフロ
ーチャート

【図１１】 従来の位置検出装置の要部概略図

【符号の説明】

１ 受光手段 ２ 投光手段 ３ スリット部材 ４ マスク部材 ５ 検出回路 １ｂ，１ｃ 受光部 ３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃ スリット開口部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定部と該固定部に対して相対移動をす
   る可動部を有し、該固定部と可動部との相対位置を検出
   する位置検出装置において、該固定部は投光手段と該投
   光手段に対し、所定距離を隔て対向配置した受光手段と
   を有し、該受光手段は光束の該相対移動方向の入射位置
   検出が可能な複数の受光部とを有し、該投光手段と該受
   光手段との間に、固定部に固定したマスク部材と該可動
   部に接続したスリット部材とを挟入し、該マスク部材と
   該スリット部材は該相対移動方向に略直角な開口を設け
   たスリット開口部を有しており、該投光手段からの光束
   のうち該スリット部材と該マスク部材の双方のスリット
   開口部を通過した光束を該受光手段の複数の受光部で検
   出し、該受光手段の複数の受光部からの出力信号を利用
   して該可動部と該固定部との相対位置情報を検出したこ
   とを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記スリット部材と前記マスク部材とに
   設けられたスリット開口部の開口周期は互いに異なって
   いることを特徴とする請求項１の位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記スリット部材とマスク部材には複数
   の組のスリット開口部が設けられていることを特徴とす
   る請求項２の位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記スリット部材には前記受光手段の複
   数の受光部に対応した複数の組のスリット開口部が設け
   られており、該複数の組のスリット開口部の開口位相は
   互いに異っていることを特徴とする請求項１又は２の位
   置検出装置。
5. 【請求項５】 前記マスク部材には前記受光手段の複数
   の受光部に対応した複数の組のスリット開口部が設けら
   れており、該複数の組のスリット開口部の開口位相は互
   いに異っていることを特徴とする請求項１又は２の位置
   検出装置。