JPH05333057A - サーボシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 サーボ系として利用できる検出範囲を拡大す
る。 【構成】 フォトダイオード７Ａおよび７Ｂのカソード
に逆バイアス電源１５の正極性側を接続し、その負極性
側を接地する。また、フォトダイオード７Ａ（７Ｂ）の
アノードに抵抗ＲＡ（ＲＢ）の一端を接続し、抵抗ＲＡ
（ＲＢ）の他端を接地する。スリット５ａを通過した光
がフォトダイオード７Ａおよび７Ｂの何れか一方に全て
照射された時に生ずる光電流Ｉｍａｘ（２・ｋ・Ｗ・Ｌ
Ｓ）と、逆バイアス電圧ＶＢと、抵抗ＲＡおよびＲＢの
抵抗値Ｒとの関係を、フォトダイオード７Ａおよび７Ｂ
の順方向電圧をＶＤとしたとき、Ｉｍａｘ＞（ＶＢ＋Ｖ
Ｄ）／Ｒとなるように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被検出物（例えば振
り子）に設けられたスリットを通過して照射される光を
第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとで
分割して受光し、この第１のフォトダイオードと第２の
フォトダイオードとに生ずる光電流の差に基づきスリッ
トの変位量を検出し、この検出変位量に基づきスリット
の位置を原点位置へ戻すべく被検出物に帰還をかけるサ
ーボシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種のサーボシステムとし
て、図３にその分解斜視図を、図４にその平面図を示す
ようなサーボ加速度計がある。同図において、１ａ，１
ｂは板バネ、２は基台、３はコイルホルダ、４はこのコ
イルホルダに巻回されたコイル、５はスリット板、６は
光源、７は２分割フォトダイオード、８ａおよび８ｂは
永久磁石、９および１０は永久磁石８ａ，８ｂの磁気回
路を構成するヨーク、１１および１２は側板、１３は背
面部材である。板バネ１ａ，１ｂの上面部は螺子１６−
１，１６−２により基台２に固定され、下面部はコイル
ホルダ３に固定されている。コイルホルダ３はスリット
板５に固定されている。スリット板５のほゞ中央部には
スリット５ａが開設されている。永久磁石８ａおよび８
ｂはヨーク９に固定されており、コイルホルダ３と併せ
て振り子１４をなすスリット板５を挾んで、ヨーク９と
ヨーク１０とが基台２に螺子１６−３〜１６−６により
固定されている。そして、板バネ１ａ，１ｂの上面部
左，右端面を切り込み１１ａ，１２ａに差し込んで、側
板１１，１２がヨーク９，１０の両側部に配置されてい
る。

【０００３】このサーボ加速度計によれば、入力加速度
αに応じて振り子１４が永久磁石８ａ，８ｂの作る磁界
中を図示ＡあるいはＢ方向へ運動することになるので、
この振り子１４の位置変位量ΔＸに応じた適当な電流ｉ
をコイル４に流すことにより、振り子１４を原点位置
（加速度零のときの位置）に押し戻すことができる。す
なわち、入力加速度αによって振り子１４に加わる力Ｆ
１に対し、これに平衡する力Ｆ２を発生させることによ
り、つまりＦ１＝Ｆ２となるように負帰還をかけること
により、振り子１４にΔＸ＝０となるように定点サーボ
をかけることができる。ここで、電流ｉは加速度αに比
例するため、この電流ｉの値に基づき、入力加速度αを
検出することができる。

【０００４】図５は図３および図４に示したメカ構造に
対し構築された電気回路図であり、光源６としてＬＥＤ
が抵抗Ｒ１を介して電源に接続されている。２分割フォ
トダイオード７のフォトダイオード７Ａ，７Ｂは高入力
ＯＰアンプ２１−１，２１−２を介して差動接続されて
おり、その差動出力がＯＰアンプ２１−３により増幅さ
れるものとなっている。すなわち、このＯＰアンプ２１
−３の増幅出力を変位検出回路２１の出力電圧Ｖ０と
し、応答性改善のために挿入された位相補償回路２２，
サーボアンプ２３を経由して電圧Ｖ１としたうえ、この
電圧Ｖ１をコイル４に印可するものとしている。したが
って、コイル４に電流ｉが流れ、変位したスリット５ａ
を原点位置に戻す力Ｆ２が発生し、加速度αによって振
り子１４に加わる力Ｆ１と平衡する。そして、このとき
の電流ｉが電流検出回路２４において検出され、ＯＰア
ンプ２４−１の出力として現れるため、このＯＰアンプ
２４−１の出力に基づき、入力加速度αを検出すること
ができる。

【０００５】このサーボ加速度計においては、振り子１
４の位置変位量ΔＸを検出するために、スリット５ａと
光源６と２分割フォトダイオード７とにより変位検出機
構を構成している。図６はこの変位検出機構の要部を示
す平面図である。すなわち、原点位置において、スリッ
ト５ａを通過する光源６の光が、２分割フォトダイオー
ド７のフォトダイオード７Ａ（第１のフォトダイオー
ド）および７Ｂ（第２のフォトダイオード）にて等分に
分割して受光されるようになっている。このような状態
から、スリット５ａが矢印ＡあるいはＢ方向へ移動する
と、フォトダイオード７Ａおよび７Ｂへの入射光量に差
が生じる。すなわち、フォトダイオード７Ａへの入射光
量とフォトダイオード７Ｂへの入射光量との差分が、つ
まりフォトダイオード７Ａに生ずる光電流と７Ｂに生ず
る光電流との差が、振り子１４の位置変位量ΔＸとその
変位方向を示すことになる。

【０００６】図７はスリット５ａの変位量ΔＸに対する
フォトダイオード７Ａおよび７Ｂの光電流およびその光
電流差の変化特性を示すグラフである。同図（ａ）はフ
ォトダイオード７Ａおよび７Ｂの受光面を示し、同図
（ｂ）はこの受光面に対向するスリット５ａの原点位置
での停止状態を示し、同図（ｃ）はフォトダイオード７
Ａに生じる光電流ＩＬの変化特性、同図（ｄ）はフォト
ダイオード７Ｂに生じる光電流ＩＲの変化特性、同図
（ｅ）は光電流ＩＬとＩＲとの差（光電流差）Ｉの変化
特性を示す。この図において、ＬＤはフォトダイオード
７Ａおよび７Ｂの受光面長、Ｗはフォトダイオード７Ａ
および７Ｂの受光面幅、ＬＳはスリット５ａの半スリッ
ト長である。

【０００７】以下に、ΔＸを区間〜に分割して、各
区間におけるＩＬ，ＩＲおよびＩを数式で示す。なお、
以下では説明を簡略化するため、光源６は平行光源と
し、その輝度は一定であるとする。この場合、スリット
５ａを通過した光がフォトダイオード７に照射される光
の面積は２・ＬＳ・Ｗとなり、一定の光量として与えら
れる。また、下記数式において、ｋはフォトダイオード
７に照射される光の面積に対する光電流の変換係数であ
る。

【０００８】区間 〔−（ＬＤ＋ＬＳ）≦ΔＸ≦−
（ＬＤ−ＬＳ）〕 ＩＬ＝ｋ・Ｗ（ΔＸ＋ＬＤ＋ＬＳ） ＩＲ＝０ Ｉ＝ｋ・Ｗ（ΔＸ＋ＬＤ＋ＬＳ）

【０００９】 区間 〔−（ＬＤ−ＬＳ）＜ΔＸ＜−ＬＳ〕 ＩＬ＝２・ｋ・Ｗ・ＬＳ ＩＲ＝０ Ｉ＝２・ｋ・Ｗ・ＬＳ

【００１０】区間 〔−ＬＳ≦ΔＸ≦ＬＳ〕 ＩＬ＝−ｋ・Ｗ・（ΔＸ−ＬＳ） ＩＲ＝ｋ・Ｗ・（ΔＸ＋ＬＳ） Ｉ＝−２・ｋ・Ｗ・ΔＸ

【００１１】区間 〔ＬＳ＜ΔＸ＜ＬＤ−ＬＳ〕 ＩＬ＝０ ＩＲ＝２・ｋ・Ｗ・ＬＳ Ｉ＝−２・ｋ・Ｗ・ＬＳ

【００１２】 区間 〔ＬＤ−ＬＳ≦ΔＸ≦ＬＤ＋ＬＳ〕 ＩＬ＝０ ＩＲ＝−ｋ・Ｗ・（ΔＸ−ＬＤ−ＬＳ） Ｉ＝ｋ・Ｗ・（ΔＸ−ＬＤ−ＬＳ）

【００１３】この変位検出機構において、サーボ系とし
て利用できる検出範囲は、区間〜までの範囲、つま
り、−（ＬＤ−ＬＳ）＜ΔＸ＜ＬＤ−ＬＳの範囲に限定
されている。すなわち、このサーボ加速度計において
は、区間に振り子のセンタ（スリット５ａのセンタ）
が位置するときに負帰還となるサーボ系を構成し、仮に
サーボ系の追従速度を上回る大きな加速度が入力された
ときには、区間と区間に振り子のセンタが位置する
可能性がある。このとき、サーボ系は正帰還となるか
ら、電源がＯＦＦされない限り、振り子のセンタはその
後も区間と区間にとどまることになる。したがっ
て、サーボ系として利用できる検出範囲は、−（ＬＤ−
ＬＳ）＜ΔＸ＜ＬＤ−ＬＳの範囲に限定される。

【００１４】このため、従来においては、最大入力加速
度、過渡応答を考慮し、振り子のセンタが区間，区間
に入らないようにストッパを付けたり、ＬＤ寸法を大
きくしたりＬＳ寸法を小さくするなどして〜の区間
幅を広げるなどの対策を施していた。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のサーボ加速度計によると、〜の区間幅の
寸法そのものが小さいため（数ｍｍ程度）、両側からス
トッパの位置を調整する必要があり、部品点数の増加と
調整工数に手間と技術が必要であるという問題があっ
た。また、ＬＤ寸法を大きくすることは、フォトダイオ
ード７のチップサイズを大きくすることになるので、コ
ストアップの要因となり、好ましくない。また、ＬＳ寸
法を小さくすることは、フォトダイオード７に照射する
光の絶対量を小さくすることになるので、限界がある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するためになされたもので、上述したサーボシス
テムにおいて、逆バイアス電源を設けて第１および第２
のフォトダイオードのカソードに逆バイアス電圧ＶＢを
印可するものとし、第１のフォトダイオードのアノード
にその他端が接地された第１の抵抗の一端を接続するも
のとし、また第２のフォトダイオードのアノードにその
他端が接地された第２の抵抗の一端を接続するものと
し、さらに、スリットを通過した光が第１および第２の
フォトダイオードの何れか一方に全て照射された時に生
ずる光電流Ｉｍａｘ（２・ｋ・Ｗ・ＬＳ）と、逆バイア
ス電圧ＶＢと、第１および第２の抵抗の抵抗値Ｒとの関
係を、第１および第２のフォトダイオードの順方向電圧
をＶＤとしたとき、Ｉｍａｘ＞（ＶＢ＋ＶＤ）／Ｒとな
るように設定したものである。

【００１７】

【作用】したがってこの発明によれば、ＩＣ＝（ＶＢ＋
ＶＤ）／Ｒとした場合、第１のフォトダイオード（第２
のフォトダイオード）に生ずる光電流ＩＲ（ＩＬ）がＩ
Ｃ以上の時には順バイアス状態となり、第１のフォトダ
イオード（第２のフォトダイオード）がＯＮ状態となる
から、第１のフォトダイオード（第２のフォトダイオー
ド）のアノードと第１の抵抗（第２の抵抗）との接続点
電位が（ＶＢ＋ＶＤ）なる電圧でクリップされる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係るサーボシステムを詳細に
説明する。

【００１９】図１はこのサーボシステムの一実施例を示
すサーボ加速度計の電気回路図であり、図５に示した従
来の電気回路図に対応し、図３および図４に示したメカ
構造に対して構築される。同図において、図５と同一符
号は同一あるいは同等構成要素を示し、その説明は省略
する。

【００２０】このサーボ加速度計においては、変位検出
回路２１’に逆バイアス電源１５を設け、フォトダイオ
ード７Ａおよび７Ｂのカソードに逆バイアス電圧ＶＢを
印可するものとしている。すなわち、フォトダイオード
７Ａおよび７Ｂのカソードに逆バイアス電源１５の正極
性側を接続し、逆バイアス電源１５の負極性側を接地し
ている。また、フォトダイオード７Ａのアノードに抵抗
ＲＡの一端を接続し、抵抗ＲＡの他端を接地するものと
したうえ、フォトダイオード７Ａのアノードと抵抗ＲＡ
との接続点Ｐ１に生ずる電圧をＯＰアンプ２１−１の非
反転入力へ与えるものとしている。また、フォトダイオ
ード７Ｂのアノードに抵抗ＲＡと同一抵抗値Ｒの抵抗Ｒ
Ｂの一端を接続し、抵抗ＲＢの他端を接地するものとし
たうえ、フォトダイオード７Ｂのアノードと抵抗ＲＢと
の接続点Ｐ２に生ずる電圧をＯＰアンプ２１−２の非反
転入力へ与えるものとしている。

【００２１】また、このサーボ加速度計においては、ス
リット５ａを通過した光がフォトダイオード７Ａおよび
７Ｂの何れか一方に全て照射された時に生ずる光電流Ｉ
ｍａｘ（２・ｋ・Ｗ・ＬＳ）と、逆バイアス電圧ＶＢ
と、抵抗ＲＡおよびＲＢの抵抗値Ｒとの関係を、フォト
ダイオード７Ａおよび７Ｂの順方向電圧をＶＤとしたと
き、Ｉｍａｘ＞（ＶＢ＋ＶＤ）／Ｒとなるように設定し
ている。

【００２２】したがって、本実施例によれば、ＩＣ＝
（ＶＢ＋ＶＤ）／Ｒとした場合、フォトダイオード７Ａ
（７Ｂ）は光電流ＩＬ（ＩＲ）がＩＬ（ＩＲ）＜ＩＣの
とき逆バイアス状態となるが、ＩＬ（ＩＲ）＞ＩＣのと
きには順バイアス状態となり、フォトダイオード７Ａ
（７Ｂ）がＯＮ状態となるから、フォトダイオード７Ａ
（７Ｂ）のアノードと抵抗ＲＡ（ＲＢ）との接続点Ｐ１
（Ｐ２）の電位が（ＶＢ＋ＶＤ）なる電圧でクリップさ
れる。

【００２３】これにより、スリット５ａの変位量ΔＸに
対する接続点Ｐ１およびＰ２の電圧変化は、すなわちこ
の電圧変化により実際に検出される光電流ＩＬおよびＩ
Ｒは、図２に示すような変化特性となる。

【００２４】この場合、区間〜に分割して、ＩＬ，
ＩＲおよびＩを数式で示すと次のようになる。

【００２５】区間 〔−（ＬＤ＋ＬＳ）≦ΔＸ≦Ｉ
Ｃ／（ｋ・Ｗ）−（ＬＤ＋ＬＳ）〕 ＩＬ＝ｋ・Ｗ（ΔＸ＋ＬＤ＋ＬＳ） ＩＲ＝０ Ｉ＝ｋ・Ｗ（ΔＸ＋ＬＤ＋ＬＳ）

【００２６】区間 〔ＩＣ／（ｋ・Ｗ）−（ＬＤ＋
ＬＳ）＜ΔＸ＜−ＬＳ〕 ＩＬ＝ＩＣ ＩＲ＝０ Ｉ＝ＩＣ

【００２７】 区間 〔−ＬＳ≦ΔＸ＜ＩＣ／（ｋ・Ｗ）−ＬＳ〕 ＩＬ＝ＩＣ ＩＲ＝ｋ・Ｗ・（ΔＸ＋ＬＳ） Ｉ＝ＩＣ−ｋ・Ｗ・（ΔＸ＋ＬＳ）

【００２８】区間 〔ＩＣ／（ｋ・Ｗ）−ＬＳ≦ΔＸ
≦−ＩＣ／（ｋ・Ｗ）＋ＬＳ〕 ＩＬ＝−ｋ・Ｗ・（ΔＸ−ＬＳ） ＩＲ＝ｋ・Ｗ・（ΔＸ＋ＬＳ） Ｉ＝−２・ｋ・Ｗ・ΔＸ

【００２９】 区間 〔−ＩＣ／（ｋ・Ｗ）＋ＬＳ＜ΔＸ≦＋ＬＳ〕 ＩＬ＝−ｋ・Ｗ・（ΔＸ−ＬＳ） ＩＲ＝ＩＣ Ｉ＝−ｋ・Ｗ・（ΔＸ−ＬＳ）−ＩＣ

【００３０】区間 〔ＬＳ＜ΔＸ＜−ＩＣ／（ｋ・
Ｗ）＋ＬＤ＋ＬＳ〕 ＩＬ＝０ ＩＲ＝ＩＣ Ｉ＝−ＩＣ

【００３１】区間 〔−ＩＣ／（ｋ・Ｗ）＋ＬＤ＋Ｌ
Ｓ≦ΔＸ≦ＬＤ＋ＬＳ〕 ＩＬ＝０ ＩＲ＝−ｋ・Ｗ・（ΔＸ−ＬＤ−ＬＳ） Ｉ＝ｋ・Ｗ・（ΔＸ−ＬＤ−ＬＳ）

【００３２】この変位検出機構において、サーボ系とし
て利用できる検出範囲は、区間〜までの範囲、つま
り、ＩＣ／（ｋ・Ｗ）−（ＬＤ＋ＬＳ）＜ΔＸ＜−ＩＣ
／（ｋ・Ｗ）＋ＬＤ＋ＬＳの範囲である。この検出範囲
を従来例よりも広くするための条件は、ＬＤ−ＬＳ＜−
ＩＣ／（ｋ・Ｗ）＋ＬＤ＋ＬＳであり、この不等式を解
くと、２・ＬＳ＞ＩＣ／（ｋ・Ｗ）となる。２・ＬＳ・
ｋ・Ｗ＝Ｉｍａｘであり、ｋ・Ｗ＞０であることから、
Ｉｍａｘ＞ＩＣ＝（ＶＢ＋ＶＤ）／Ｒという条件が得ら
れた。

【００３３】すなわち、本実施例によると、Ｉｍａｘ＞
ＩＣ＝（ＶＢ＋ＶＤ）／Ｒとなるような関係に各値を設
定することにより、ＬＤを大きくしたり、ＬＳを小さく
したりすることなく、サーボ系として利用できる検出範
囲を拡大することができる。また、検出範囲が拡大する
ことにより、ストッパの調整が簡略化され、廃止するこ
とも可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように本
発明によれば、逆バイアス電源を設けて第１および第２
のフォトダイオードのカソードに逆バイアス電圧ＶＢが
印可され、第１のフォトダイオードのアノードにその他
端が接地された第１の抵抗の一端が接続され、また第２
のフォトダイオードのアノードにその他端が接地された
第２の抵抗の一端が接続され、さらにＩｍａｘ＞（ＶＢ
＋ＶＤ）／Ｒとなるような関係に各値が設定されている
ので、フォトダイオードの受光面長（ＬＤ）を大きくし
たり、スリット長（ＬＳ）を小さくしたりすることな
く、サーボ系として利用できる検出範囲を拡大すること
ができる。また、検出範囲が拡大することにより、スト
ッパの調整が簡略化され、廃止することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサーボシステムの一実施例を示す
サーボ加速度計の電気回路図。

【図２】このサーボ加速度計においてスリットの変位量
ΔＸに対する接続点Ｐ１およびＰ２の電圧変化により検
出されるフォトダイオードの光電流および光電流差の変
化特性を示す図。

【図３】このサーボ加速度計の分解斜視図。

【図４】このサーボ加速度計の平面図。

【図５】このサーボ加速度計のメカ構造に対して構築さ
れた従来の電気回路図。

【図６】このサーボ加速度計の変位検出機構の要部を示
す平面図。

【図７】スリットの変位量ΔＸに対するフォトダイオー
ドの光電流および光電流差の変化特性を示す図。

【符号の説明】

４ コイル ５ スリット板 ５ａ スリット ６ 光源 ７ ２分割フォトダイオード ７Ａ フォトダイオード ７Ｂ フォトダイオード １４ 振り子 １５ 逆バイアス電源 ＲＡ 抵抗 ＲＢ 抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出物に設けられたスリットを通過し
   て照射される光を第１のフォトダイオードと第２のフォ
   トダイオードとで分割して受光し、この第１のフォトダ
   イオードと第２のフォトダイオードとに生ずる光電流の
   差に基づき前記スリットの変位量を検出し、この検出変
   位量に基づき前記スリットの位置を原点位置へ戻すべく
   前記被検出物に帰還をかけるサーボシステムにおいて、 前記第１および第２のフォトダイオードのカソードに逆
   バイアス電圧ＶＢを印可する逆バイアス電源と、 前記第１のフォトダイオードのアノードにその一端が接
   続されその他端が接地された第１の抵抗と、 前記第２のフォトダイオードのアノードにその一端が接
   続されその他端が接地された第２の抵抗とを備え、 前記スリットを通過した光が前記第１および第２のフォ
   トダイオードの何れか一方に全て照射された時に生ずる
   光電流Ｉｍａｘと、前記逆バイアス電圧ＶＢと、前記第
   １および第２の抵抗の抵抗値Ｒとの関係が、前記第１お
   よび第２のフォトダイオードの順方向電圧をＶＤとした
   とき、Ｉｍａｘ＞（ＶＢ＋ＶＤ）／Ｒとなるように設定
   されていることを特徴とするサーボシステム。