JPH0618287A

JPH0618287A - 光学式変位検出装置

Info

Publication number: JPH0618287A
Application number: JP20030392A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Takagi; 正明高木; Tatsuki Goto; 竜樹後藤; Nobuhiko Hosohata; 伸彦細畠
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1994-01-25
Anticipated expiration: 2016-08-06
Also published as: JP3195655B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光学式変位検出装置の光源光利用効率を改善
するとともに、検出信号の直線性及びＳ／Ｎ比を改善す
る。【構成】光学式変位検出装置は、光束１１を放射する
固定光源９と、該光束１１をスポット１２に集光するレ
ンズ部材１０と、回転角に応じて連続的に変化する頂角
４を有するプリズム帯３が延設された円形の変位板１
と、該プリズム帯３を介してスポット１２を受光する固
定受光素子１３とからなる。光束１１を通過する様にプ
リズム帯３を回転変位させる事により、その頂角４が変
化しスポット１２を偏向させるとともに、スポット１２
の受光位置の変化に従って差動検出信号Ａ，Ｂを出力す
る様にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触の光学式ポテンシ
ョメータあるいは光学式変位検出装置に関する。より詳
しくは、変位に応じて入射光束を偏向させる為の光学的
な構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から様々な構造の光学式変位検出装
置が知られている。例えば、特開昭６０−２２５０２４
号公報には螺旋状のスリットが形成された回転変位板を
利用した構造が開示されている。図６に示す様に、この
従来例は回転軸１０１に固定された回転変位板１０２を
備えており、その表面には周方向に沿って螺旋状にスリ
ット１０３が形成されている。回転変位板１０２の上方
には固定光源１０４が配置されているとともに、回転変
位板１０２の下方には受光素子１０５が固定配置されて
いる。受光素子１０５の表面には回転変位板１０２の半
径方向に沿って受光面１０６が設けられている。

【０００３】変位板１０２の回転に伴なって、スリット
１０３を透過する平行光束が半径方向に沿って移動す
る。受光素子１０５は移動する透過光束の受光位置に基
いて回転変位を表わす検出信号を出力する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】変位検出の分解能及び
回転変位に対する検出信号の直線性（リニアリティ）を
向上させる為には螺旋状スリット１０３の幅を狭くする
必要がある。しかしながら、スリット幅を狭める程透過
光量が小さくなる。従って、受光量が減少しＳ／Ｎ比が
悪化するという課題がある。受光量の減少を補う為、光
源の発光量を増やすと、消費電流が増大するという問題
が生じる。受光量を確保する為にスリット幅を広げる
と、受光面の有効領域が制限され、ダイナミックレンジ
が狭くなり前述した様に分解能が低下する。又、光源の
発光分布に含まれるムラやバラツキ等の悪影響を受け易
くなり前述した様にリニアリティが悪化する。

【０００５】図７を参照して上述した従来構造の課題あ
るいは問題点をさらに具体的に説明する。この構造で
は、光源からの平行入射光１０７を螺旋状のスリット１
０３に照射する。螺旋状スリット１０３の移動に伴ない
透過光１０８が受光面１０６に沿って移動する。この移
動に従って検出信号が出力される。図から明らかな様
に、スリット１０３の開口幅Ｐがそのまま受光面１０６
上に投影される為、受光面１０６の両端部側が有効に活
用できない。即ち、透過光１０８の光学的重心１０９が
受光面１０６の端部側に近づくと透過光１０８の一部分
が受光面から外れてしまう。この限界は受光面１０６の
端部からＰ／２の位置である。従って、両端側合わせて
Ｐの幅分だけ使用できなくなり、受光面１０６の有効領
域はＬ−Ｐとなってしまう。但し、Ｌは受光面１０６の
全長寸法である。全長寸法Ｌに対して有効領域の寸法が
Ｌ−Ｐに限定される為、分解能も（Ｌ−Ｐ）／Ｌの割合
で低下する。又、平行入射光１０７の強度分布が均一で
ない場合には、透過光１０８の重心１０９がスリット１
０３の開口中心からずれてしまい、検出信号のリニアリ
ティが悪化する事になる。スリット１０３の開口幅Ｐを
狭くすれば上述した問題点はある程度抑制できるが、受
光量自体が減少しＳ／Ｎ比が劣化する。受光量の減少を
補う為光源の発光量を増やすと、消費電流が増加すると
ともに光源の寿命も短くなってしまう。

【０００６】入射光の利用効率を高める為、スリットに
代えてシリンドリカルレンズを利用した従来構造が、例
えば特開昭６２−１４２２２３号公報に開示されてい
る。図８に示す様に、直線方向に移動する変位板２０１
の表面には移動方向に対して斜めに配置されたシリンド
リカルレンズ２０２が設けられている。変位板２０１の
上方には光源２０３が固定配置されているとともに、変
位板２０１の下方には受光素子２０４が固定配置されて
いる。受光面２０５は変位板２０１の移動方向と直交す
る様に設けられた長手形状を有している。光源２０３か
らの平行入射光はシリンドリカルレンズ２０２によって
集光され、受光面２０５の上に結像２０６を投影する。
結像２０６は変位板２０１の直線変位に応じて受光面２
０５の長手方向に移動する。

【０００７】図６に示した従来例と異なり、図８の従来
例では平行入射光を集光するので受光量が増加するとい
う利点がある。しかしながら、この従来構造では、シリ
ンドリカルレンズ２０２以外の領域を通過する入射光を
遮断する為遮光膜２０７を形成しなければならない。こ
の為、加工コストが高くなるとともに、遮光膜の亀裂や
剥離等が生じ信頼性が劣るという課題がある。さらに、
シリンドリカルレンズ２０２の焦点位置に受光面を配置
する為、変位板２０１と受光素子２０４の間のスペース
をある程度確保する必要があり、実装上不利になるとい
う課題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は入射光の利用効率を改善して受光量
を増大させるとともに、製造及び加工の容易な変位板構
造を提供する事を目的とする。かかる目的を達成する為
に以下の手段を講じた。即ち、本発明にかかる光学式変
位検出装置は、光束を放射する固定光源と、該光束をス
ポットに集光するレンズ部材と、連続的に変化する頂角
を有するプリズム帯が延設された変位部材と、該プリズ
ム帯を介してスポットを受光する固定受光素子とから構
成されている。

【０００９】

【作用】変位部材の上に形成されたプリズム帯は固定光
源からの光束を通過する様に変位する。通過地点におけ
るプリズム帯の頂角が連続的に変化し、光束を屈折して
スポットを偏向させる。この為、スポットの受光位置が
変化し、これに応じて固定受光素子は変位部材の変位あ
るいは位置情報を示す検出信号を出力する。好ましく
は、固定受光素子は偏向を受けたスポットの移動方向に
沿って配置された受光面を有するとともに、スポットの
受光位置に応じて差動的に変化する検出信号を出力す
る。又、上述した変位部材は、該プリズム帯が表面に沿
って一体的に形成された透明変位板から構成されてい
る。

【００１０】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる光学式変位検出
装置の一実施例を示す模式的な斜視図である。円盤形状
の変位板１は回転軸２に固定されている。その表面には
円弧状にプリズム帯３が形成されている。この例では変
位板１はプラスチック等の透明材料からなり、プリズム
帯３は射出成型等により一体的に形成できる。プリズム
帯３は連続的に変化する頂角４を有している。本例で
は、プリズム帯３の一端５側で、プリズム頂面６は半径
方向外側に傾斜している。一端５から離れるに従って頂
角４の傾斜は緩やかになり中央部７では頂面６が略平坦
になっている。さらに、他端８側に近づくにつれ、頂角
４は逆に半径方向内側に傾斜していく。なお、本実施例
ではプリズム帯３は円弧状に形成されているが、必ずし
もこれに限られるものではなく完全な輪状に形成しても
良い。又、頂角４の変化モードも本例に限られるもので
はなく、適宜光学式変位検出装置の使用目的等に応じて
設定する事ができる。

【００１１】変位板１の上方にはプリズム帯３を照射す
る様に光源９が固定配置されている。光源９は例えばＬ
ＥＤ等から構成する事ができる。光源９の前面にはレン
ズ１０が取り付けられており、光源光束１１をスポット
１２として集光する。従来と異なり、光源光を集光して
利用するので利用効率が改善できる。又、光源９はプリ
ズム帯３の移動軌跡をカバーできるだけの光源面積を有
していれば良く小型化可能である。即ち、プリズム帯３
は円弧状に形成されているので、変位板１の半径方向に
関し移動軌跡は一定である。これに対して、図６に示し
た従来例ではスリット１０３は螺旋状に形成されており
その移動領域全体をカバーする為に光源は半径方向に沿
って広い発光面積を必要としていた。

【００１２】プリズム帯３を介して光源９と対向する位
置には受光素子１３が固定配置されている。受光素子１
３には変位板１の半径方向に沿って長手形状の受光面１
４が設けられている。受光面１４はスポット１２に応じ
て検出信号を出力する。本例では、受光素子１３は二端
子型のＰＳＤからなり、スポット１２の受光位置に従っ
て差動的に変化する一対の検出信号Ａ，Ｂを出力する。
一対の検出信号Ａ，Ｂは処理回路１５により（Ａ−Ｂ）
／（Ａ＋Ｂ）の演算処理を施され、変位板１の変位ある
いは位置を表わす出力信号を生成する。

【００１３】次に、図２を参照して図１に示す光学式変
位検出装置の動作を詳細に説明する。本図はプリズム帯
３の他端部８近傍を変位板１の半径方向に沿って切断し
た断面構造を表わしている。光源９に取り付けられたレ
ンズ１０の光軸１６はプリズム帯３を貫通し受光面１４
の中点１７に整合している。光源９からの集光光束１１
はプリズム帯３によって屈折され、スポット１２は受光
面１４の長手方向外端側に結像する。この時の屈折角δ
は以下の数式１により表わされる。

【数１】なお数式１中、ｎはプリズム帯３の相対屈折角を表わ
し、φはプリズム帯３の頂角を表わしている。数式１で
はラジアン単位で表わされた頂角φが１に比べて遥かに
小さい場合を仮定している。

【００１４】次に、受光面１４の中点１７からスポット
１２の結像位置までの距離Δは、プリズム帯３の基準面
から受光面１４までの距離をＳとすると、以下の数式２
で表わされる。

【数２】従って、プリズム帯３の頂角φに対するスポット１２の
結像位置Δの関係は数式１及び数式２を用いて、以下の
数式３の様に表わされる。

【数３】上記の数式３から明らかな様に、スポット１２の結像位
置Δは略頂角φに比例しリニアな関係が得られる。数式
３の関係は頂角φが小さい場合に近似的に成立し、厳密
には数式１及び数式２から理解される様にリニアではな
い。しかしながら、実用的には頂角φをある程度小さく
設定し十分な検出信号の直線性が保証できる。

【００１５】前述した様にプリズム帯３の頂角φは変位
板１の回転角θに比例して変化する様に設定されてい
る。従って、回転角θとスポット１２の結像位置はリニ
アな関係にある。例えば、図３は変位板１が反時計方向
に回転してプリズム帯３の中間部分が光軸１６に整合し
た状態を示している。この時には、回転に伴なって頂角
φが減少しプリズム頂面６は略水平状態にある。従っ
て、集光光束１１は偏向を受けず、スポット１２は受光
面１４の中点１７に結像される。

【００１６】図４に示す様に、さらに変位板１が反時計
方向に回転すると、プリズム帯３の頂面６は逆に変位板
１の半径方向内側に向かって傾斜する。この状態では、
集光光束１１がプリズム帯３によって半径方向内側に屈
折偏向され、スポット１２は受光面１４の半径方向内端
側に結像される。この様に、プリズム帯３が他端８側か
ら一端５側に向かって変位するに従い、スポット１２は
受光面１４の外端側から内端側に向かって略直線的に移
動する。受光素子はこの移動量を電気信号として出力し
変位板１の変位情報あるいは位置情報が得られる。

【００１７】図５は本発明にかかる光学式変位検出装置
の他の実施例を示す模式的な断面図である。図１に示す
実施例と基本的に同一の構成を有しており、対応する部
分には対応する参照番号を付して理解を容易にしてい
る。異なる点は、光源９が集光光束ではなく平行光束２
１を光軸１６に沿って放射している事である。これと関
連して、変位板１と受光面１４との間に集光レンズ２０
が介在している。平行光束２１はプリズム帯３によって
屈折された後、集光レンズ２０を介して受光面１４の上
にスポットを結像する。本例では、平行光束２１を偏向
しているので、図１の実施例に比べるとプリズム帯３の
収差を抑制でき、検出信号のリニアリティが一層改善さ
れる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、光
束を通過する様にプリズム帯を変位させる事によりその
頂角が変化しスポットを偏向させるとともに、集光スポ
ットの受光位置の変化に応じて検出信号を出力する様に
している。従来の螺旋スリットを利用した方式に比べ、
プリズム帯を用いると円弧状に配列できるので光源光の
照射位置を限定でき、光源の小型化が可能になるという
効果がある。又、光源光をスポットとして集光した状態
で受光検出を行なうので、従来のスリットを利用した構
造に比較し受光量を増大でき検出信号のＳ／Ｎ比が改善
できるという効果がある。又、光源光の発光分布に局部
的なバラツキがあってもこれを集光して利用するので平
均的に見ると受光量を一定化でき直線性が改善されると
いう効果がある。さらに、スポットとして結像されるの
で、従来のスリットを利用した投影方式に比べ、受光面
全長を有効受光領域として最大限に活用でき分解能も向
上するという効果がある。加えて、プリズム帯はプラス
チックス等の成形加工により容易に作成でき、シリンド
リカルレンズの様な特殊な円筒曲面加工ではなく平面の
組み合わせであり、シリンドリカルレンズの様に偏肉に
はならないのでヒケ等による寸法精度の低下等がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式変位検出装置の一実施例
を示す模式的な斜視図である。

【図２】図１に示す実施例の動作を説明する為の断面図
である。

【図３】同じく動作を説明する為の断面図である。

【図４】同じく動作を説明する為の断面図である。

【図５】本発明にかかる光学式変位検出装置の他の実施
例を示す模式的な断面図である。

【図６】従来の光学式変位検出装置の一例を示す斜視図
である。

【図７】図６に示す従来例の問題点を説明する為の模式
図である。

【図８】従来の光学式変位検出装置の他の例を示す模式
的な斜視図である。

【符号の説明】

１変位板２回転軸３プリズム帯４頂角６頂面９光源１０レンズ１１光束１２スポット１３受光素子１４受光面１５処理回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光束を放射する固定光源と、該光束をス
ポットに集光するレンズ部材と、連続的に変化する頂角
を有するプリズム帯が延設された変位部材と、該プリズ
ム帯を介してスポットを受光する固定受光素子とからな
り、光束を通過する様に該プリズム帯を変位させる事に
よりその頂角が変化しスポットを偏向させるとともに、
スポットの受光位置の変化に従って検出信号を出力する
様にした光学式変位検出装置。
【請求項２】前記受光素子は該スポットの移動方向に
沿って配置された受光面を有するとともにスポットの受
光位置に応じて差動的に変化する検出信号を出力する請
求項１記載の光学式変位検出装置。
【請求項３】前記変位部材は、該プリズム帯が表面に
沿って一体的に形成された透明変位板からなる請求項１
記載の光学式変位検出装置。