JPH06341858A

JPH06341858A - 光学式変位検出装置

Info

Publication number: JPH06341858A
Application number: JP15622993A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Takagi; 正明高木; Nobuhiko Hosohata; 伸彦細畠
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1993-06-02
Filing date: 1993-06-02
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】光学式変位検出装置の検出誤差を補正する。【構成】光学式変位検出装置は一対のスリット３ａ，
３ｂが形成された円盤１と、該円盤１に入射光を照射す
る固定光源４ａ，４ｂを備えている。さらに、一対のス
リット３ａ，３ｂに対応して一対の固定受光素子５ａ，
５ｂを含んでいる。受光素子５ａはスリット３ａを透過
した光スポット７ａの移動軌跡に沿って配置された長手
受光面６ａを備えており、該光スポット７ａの受光位置
に応じた差動検出信号Ｘａ，Ｙａを出力する。同様に、
他の受光素子５ｂも一対の差動検出信号Ｘｂ，Ｙｂを出
力する。一方のスリット３ａからの光スポット７ａと他
方のスリット３ｂからの光スポット７ｂは夫々対応する
長手受光面６ａ，６ｂに沿って互いに相反する方向に移
動する。処理回路８は両固定受光素子５ａ，５ｂから出
力された検出信号Ｘａ，Ｙａ，Ｘｂ，Ｙｂを処理して円
盤１の変位情報を出力するとともに、該変位情報からス
リットの位置ズレに基く誤差を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式変位検出装置に関
する。より詳しくは、移動体の表面に形成されたスリッ
トの位置ズレによる検出誤差を補正する構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から様々な形式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
号公報には螺旋状スリットが形成された回転円盤を利用
した構造が開示されている。図９に示す様に、この構造
の光学式回転変位検出装置は、回転軸１０１を中心にし
て回転可能に円盤１０２が取り付けられている。円盤１
０２は金属等の遮光材料からなり、その表面には回転中
心から周方向に沿って、螺旋状のスリット１０３が形成
されている。円盤１０２の上面には入射光を照射する光
源（図示せず）が固定配置されている。又、円盤１０２
を介して光源と正対する位置に受光素子１０４が固定配
置されている。受光素子１０４は円盤１０２の径方向に
沿って配置された長手受光面１０５を備えており、円盤
１０２の回転に伴なって径方向に移動する螺旋状スリッ
ト１０３からの透過光スポット１０６を受光し、回転変
位の検出信号を出力する。

【０００３】図１０に円盤１０２の回転角と検出信号出
力との関係を示す。円盤１０２の回転に伴なって螺旋状
スリット１０３を透過する光スポット１０６は長手形状
の受光面１０５に沿って移動する。受光素子は光スポッ
トの受光位置に応じた検出信号を出力する。例えば、受
光素子としてＰＳＤ等の一次元位置検出素子を用いた場
合、受光面における光スポットの重心位置に対応した検
出信号を出力する。何等誤差要因を含まない場合、回転
角と検出信号はリニアな関係になる。

【０００４】同様な原理に基く光学式直線変位検出装置
も知られており、例えば特開昭６２−６３８１６号公報
に開示されている。図１１に示す様に、光学式直線変位
検出装置は直線変位可能な移動板２０１を利用してい
る。移動板２０１は金属等の遮光材料からなり、その表
面には変位方向に斜行して、直線状のスリット２０２が
形成されている。移動部材２０１の上面側には入射光を
照射する光源（図示せず）が固定配置されている。又、
移動板２０１の下面側には光源と正対する位置に受光素
子２０３が固定配置されている。受光素子２０３は移動
板２０１の変位方向に直交して配置された長手形状の受
光面２０４を備えており、移動板２０１の直線変位に伴
なって直交方向に移動するスリット２０２からの透過光
スポットを受光し、直線変位の検出信号を出力する。図
から明らかな様に、直線変位量と検出信号出力はリニア
な関係にある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した光学式変位検
出装置は回転型及び直線型の何れであっても、基本的に
１本のスリットと対応する１個の受光素子とから構成さ
れている。検出精度を高める為にはスリットと受光素子
の相対的位置関係を精密に設定する必要がある。しかし
ながら、様々な誤差要因により相対的な位置ズレを完全
に除去する事は困難である。例えば、回転型の場合回転
軸に対する螺旋状スリットの偏心を完全に除去する事は
困難である。この為、何等対策を施さないと検出信号に
偏心誤差が含まれるという課題がある。又、直線型につ
いてもスリットと受光素子との相対的な位置関係にはズ
レが生じる。例えば移動板が直線変位する時直交方向の
ガタが生じると検出信号に大きな誤差が含まれる事にな
り解決すべき課題となっている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決する為、本発明は回転円盤の偏心や直線移動板
のガタによる位置ズレ等を吸収可能な補償構造を提供す
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
は基本的な構成要素として移動部材と、固定光源と、固
定受光素子と、処理回路とを備えている。移動部材の表
面には所定のスリットが形成されている。固定光源は該
移動部材に入射光を照射する。受光素子は該スリットを
透過した光スポットの移動軌跡に沿って配置された長手
受光面を備え、該光スポットの受光位置に応じた検出信
号を出力する。処理回路は該検出信号を処理して該移動
部材の変位情報を出力する。本発明の特徴事項として、
光学式変位検出装置は一対のスリット及び対応する一対
の固定受光素子を含んでいる。一方のスリットからの光
スポットと他方のスリットからの光スポットは夫々対応
する長手受光面に沿って互いに相補的な方向に移動す
る。該処理回路は両固定受光素子から出力された検出信
号を処理して前記移動体の変位情報からスリットの位置
ズレに基く誤差を除去する補正手段を含む。

【０００７】本発明の一態様によれば、前記移動部材は
回転する円盤からなる。又、前記一対のスリットは夫々
周方向に沿って形成されている。さらに、前記一対の固
定受光素子は各々径方向に沿って配置された長手受光面
を有し、差動的に変化する内側及び外側検出信号を出力
する。なお、内側検出信号は長手受光面の内側から出力
される信号を意味し、外側検出信号は逆に長手受光面の
外側から出力される信号を意味する。両検出信号は光ス
ポットの受光位置に応じて差動的に変化する。加えて、
前記補正手段は一対の固定受光素子から出力された内側
検出信号同志及び外側検出信号同志を夫々加算する事を
特徴とする。具体的には、前記一対のスリットは該円盤
の回転軸に関し対称的に配置された同形状の螺旋状スリ
ットである。あるいは前記一対のスリットは該円盤の回
転軸に関し対称的な位置に一部重複して設けられた曲率
の異なる螺旋状スリットであっても良い。さらには、前
記一対のスリットは該円盤の回転軸に関し片面側に並列
配置された曲率の異なる螺旋状スリットでも良い。この
場合には、前記固定光源は該一対のスリットを共通に照
射する事ができる。

【０００８】

【作用】本発明にかかる光学式変位検出装置は一対のス
リット及び対応する一対の固定受光素子を備えた点に特
徴がある。一対のスリットは偏心やガタ等の位置ズレに
対して相補的な関係にあり、一方のスリットからの光ス
ポットと他方のスリットからの光スポットは夫々対応す
る長手受光面に沿って互いに相反する方向に移動する。
従って、両固定受光素子から出力された検出信号は互い
に逆方向の誤差成分を含む。両検出信号を処理する事に
より誤差を相殺可能とし、変位情報からスリットの位置
ズレに基く誤差を除去する事ができる。

【０００９】

【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
装置の第１実施例を示す模式的な斜視図であり、回転検
出を行なうものである。金属等の遮光性材料からなる円
盤１は回転軸２に固着されており回転変位可能である。
この回転軸２は図示しない検出対象物に接続されてい
る。円盤１の表面には中心から周方向に沿って徐々に拡
大する螺旋状のスリット３ａ，３ｂが一対形成されてい
る。これらのスリット３ａ，３ｂは金属等の遮光性材料
からなる円盤１をエッチングする事により形成できる。
あるいは、これに代えて透明ガラス板からなる円盤の表
面にマスクを介して金属等の遮光材料を真空蒸着し螺旋
状のスリットパタンを形成しても良い。さらには、光学
樹脂材料を射出成形し円筒レンズの帯状スリットパタン
を形成しても良い。

【００１０】円盤１の上方片面側には例えばＬＥＤ等か
らなる光源４ａが固定配置されている。この光源４ａは
その表面に固着された投光レンズを介して略平行な光を
円盤１の表面片側に照射する。一方円盤１の下方には光
源４ａと整合して受光素子５ａが固定配置されている。
その表面に設けられた受光面６ａは円盤１の径方向に沿
った長手形状を有する。円盤１の回転変位に伴なって螺
旋状スリット３ａを透過した光スポット７ａは径方向に
移動し受光面６ａにより受光される。受光素子５ａは例
えばＰＳＤ等の一次元位置検出素子からなり、一対の出
力端子に検出信号Ｘａ，Ｙａを出力する。径方向内側端
子から出力された内側検出信号Ｘａと径方向外側端子か
ら出力された外側検出信号Ｙａは光スポット７ａの受光
位置に応じて差動的に変化する。この検出信号Ｘａ，Ｙ
ａは処理回路８に入力される。

【００１１】同様に、円盤１の他の片側上方にも光源４
ｂが固定配置されている。円盤１の下方にはこの光源４
ｂと整合して受光素子５ｂが固定配置されている。その
表面に設けられた受光面６ｂは円盤１の径方向に沿った
長手形状を有する。円盤１の回転変位に伴なって螺旋状
スリット３ｂからの光スポット７ｂは径方向に移動し長
手受光面６ｂにより受光される。この受光素子５ｂもＰ
ＳＤ等の一次元位置検出素子からなり、一対の出力端子
に内側検出信号Ｘｂ及び外側検出信号Ｙｂを出力する。
光スポット７ｂの受光位置に応じて差動的に変化する一
対の検出信号Ｘｂ，Ｙｂは前述した処理回路８に入力さ
れる。処理回路８は入力された４個の検出信号Ｘａ，Ｙ
ａ，Ｘｂ，Ｙｂを処理して円盤１の変位情報を表わす出
力が得られる。この処理回路８は円盤１の回転変位情報
からスリット３ａ，３ｂの位置ズレに基く誤差を除去す
る補正手段を含んでいる。具体的には、この補正手段は
一対の固定受光素子５ａ，５ｂから出力された内側検出
信号Ｘａ，Ｘｂ同志及び外側検出信号Ｙａ，Ｙｂ同志を
夫々加算処理して偏心誤差を相殺する様にしている。

【００１２】図２は、図１に示した一対の螺旋状スリッ
ト３ａ，３ｂのパタン形状を示す模式的な平面図であ
る。図示する様に、一方のスリット３ａはＲ＝ａθ＋Ｒ
₀で表わされる螺旋形状を有している。なお、本発明は
この数式で表わされる厳密な螺旋形状に限られるもので
はなく、周方向に沿って徐々に拡大してゆく螺旋形状に
類するものであれば良い。なお、上記数式中θは円盤１
の回転角を表わし、ａは曲率を表わす係数であり、Ｒ₀
は定数である。他方のスリット３ｂはＲ＝ａ（θ−π）
＋Ｒ₀で表わされる螺旋形状を有している。従って、本
例では一対のスリット３ａ，３ｂは回転軸２の中心Ｐに
関し対称的に配置された同形状の螺旋状スリットであ
る。

【００１３】円盤１が例えば矢印で示す様に時計方向に
回転すると一方の光スポット７ａは長手受光面６ａに沿
って径方向外側に移動する。この時他方の光スポット７
ｂは長手受光面６ｂに沿って同じく径方向外側に移動す
る。この様に、一対の光スポット７ａ，７ｂは互いに相
反する方向に移動する。今、仮に偏心誤差があるとし、
螺旋状スリット３ａのＲ₀の値が他の螺旋状スリット３
ｂのＲ₀の値より大きい場合を考える。この時には一方
の外側検出信号Ｙａに正の誤差が現われ、他方の外側検
出信号Ｙｂに負の誤差が現われる。従って、両外側検出
信号Ｙａ，Ｙｂを加算処理する事により、正負の誤差が
互いに相殺される。同様に、両内側検出信号Ｘａ，Ｘｂ
を互いに加算処理する事により、偏心誤差が除かれる。
これらの加算結果をＹ，Ｘとすると、両者の差分をとる
事により誤差が除かれた回転変位情報を得る事ができ
る。なお、図から明らかな様に、回転角の検出範囲は各
螺旋状スリットの抜き角φに応じて決まっており、本例
では両螺旋状スリット３ａ，３ｂが同一形状を有するの
で重複は不可能であり１８０°以下の比較的狭い検出角
範囲となっている。

【００１４】図３は一対の螺旋状スリット３ａ，３ｂの
他のパタン例を示す模式的な平面図である。本例では一
方の螺旋状スリット３ａはＲ＝ａθ＋Ｒ₁で表わされ
る。他方の螺旋状スリット３ｂはＲ＝ｂ（θ−π）＋Ｒ
₂で表わされる。螺旋状スリット３ａの曲率を表わす係
数ａは他の螺旋状スリット３ｂの曲率を表わす係数ｂよ
りも大きい。又、螺旋状スリット３ａの定数Ｒ₁は他の
螺旋状スリット３ｂの定数Ｒ₂よりも大きい。従って、
一対のスリット３ａ，３ｂは円盤１の回転軸２に関し対
称的な位置に一部重複して設ける事ができ、各スリット
の抜き角φを１８０°より大きくできる。従って、検出
角範囲は図２の例よりも大きく設定する事が可能であ
る。

【００１５】図４は、一対の螺旋状スリット３ａ，３ｂ
のさらに他のパタン例を示す模式的な平面図である。本
例では一対のスリット３ａ，３ｂは円盤１の回転軸２に
関し片面側に並列配置された曲率の異なる螺旋形状を有
する。従って、対応する受光面６ａ，６ｂも片側に配置
可能であり、単一の固定光源（図示せず）を用いて一対
のスリットを共通に照射する事ができるという利点があ
る。これに対し、図２及び図３に示した先の例では一対
の受光素子が回転軸２に対して互いに反対側に配置され
ている為、固定光源も分離せざるを得ない。本例では一
方の螺旋状スリット３ａはＲ＝ａθ＋Ｒ₁で表わされ、
他方の螺旋状スリット３ｂはＲ＝−ｂθ＋Ｒ₂で表わさ
れる。一方の螺旋状スリット３ａに対して他方の螺旋状
スリット３ｂは曲率が小さく且つ逆向きとなっている。
例えば矢印で示す様に円盤１が時計方向に回転すると一
方の光スポット７ａは受光面６ａに沿って径方向外側に
移動し、他方の光スポット７ｂは受光面６ｂに沿って径
方向内側に移動する。両光スポット７ａ，７ｂの移動方
向は互いに相反し、先の例と同様である。但し、螺旋状
スリット３ｂについては螺旋方向が逆向きであるので、
これに対応して内側検出信号Ｘｂと外側検出信号Ｙｂの
関係は径方向に関し逆転している。本例においても、一
方の受光面６ａの外側検出信号Ｙａに正の偏心誤差が含
まれると、他方の受光面６ｂの外側検出信号Ｙｂには負
の偏心誤差が現われる。従って、両方の外側検出信号Ｙ
ａ，Ｙｂを加算する事により正負偏心誤差が互いに相殺
できる。内側検出信号Ｘａ，Ｘｂについても同様であ
る。

【００１６】図５は本発明にかかる光学式変位検出装置
の第２実施例を示す模式的な平面図であり、直線型に適
用したものである。図示する様に、移動板１１は所定の
直線軸２０に沿って直線変位する。移動板１１の表面に
は直線軸２０に対して斜行し且つ互いに対称的な一対の
直線スリット１３ａ，１３ｂが形成されている。又、直
線軸２０と直交する方向に沿って長手受光面１６ａ，１
６ｂを有する一対の受光素子が固定配置されている。こ
の一対の受光素子を照射する様に固定光源（図示せず）
が配置されている。矢印で示す様に直線移動板１１が右
方向に直線変位すると一方の光スポット１７ａは直交方
向内側に移動する。同様に、他方の光スポット１７ｂも
直交方向内側に移動する。従って、両光スポット１７
ａ，１７ｂは互いに相反する方向に移動する。今、仮に
直交方向にガタが発生すると、例えば一方の受光面１６
ａの外側検出信号Ｙａには正の誤差が現われ、他方の受
光面１６ｂの外側検出信号Ｙｂには負の誤差が現われ
る。両外側検出信号Ｙａ，Ｙｂを互いに加算処理する事
により、正負誤差成分は相殺され、正味の外側検出信号
Ｙが得られる。内側検出信号Ｘａ，Ｘｂについても同様
であり、加算処理を行なう事により正負誤差成分が相殺
された正味の内側検出信号Ｘが得られる。これらの検出
信号の差分Ｙ−Ｘを演算する事により移動板１１の直線
変位情報が得られる。

【００１７】図６は、図１に示した処理回路８の具体的
な構成例を示す模式的な回路ブロック図である。図示す
る様に、一方の受光素子５ａから出力された内側検出信
号Ｘａと他方の受光素子５ｂから出力された内側検出信
号Ｘｂは増幅器Ａ１により互いに加算増幅され誤差の除
去された内側検出信号Ｘが得られる。同様に、一方の受
光素子５ａの外側検出信号Ｙａと他方の受光素子５ｂの
外側検出信号Ｙｂは増幅器Ａ２により互いに加算増幅さ
れ誤差の除去された外側検出信号Ｙが得られる。これら
一対の検出信号Ｘ，Ｙは差動増幅器Ａ３により差分処理
され、円盤１の回転情報を表わす出力Ｙ−Ｘが得られ
る。なお、一対の検出信号Ｘ，Ｙの加算結果Ｘ＋Ｙは自
動光量制御器ＡＰＣに入力され、光源４ａ，４ｂの発光
量を一定に制御する。

【００１８】図７は偏心と検出誤差との関係を示す幾何
図である。図示する様に螺旋状スリット３はＲ＝ａθ＋
Ｒ₀で表わされている。この螺旋の中心Ｓと円盤１の回
転中心Ｐとの間には偏心δが含まれる。図の幾何学的な
関係から明らかな様に、光スポット７の位置を表わす半
径距離ｒと螺旋距離Ｒとの間にはｒ²＝Ｒ²＋δ²＋２
Ｒδｃｏｓθの関係がある。又、ｒの動径角ωとＲの動
径角θとの間にはＲｃｏｓθ＝ｒｃｏｓω−δの関係が
ある。上記３個の関係式からｒとωの関係ｒ＝ｆ（ω）
を解析的に導く事は可能である。ｒ＝ｆ（ω）の関係式
にはδが含まれ、これを解析する事により偏心δと位置
誤差との関係を明らかにする事ができる。

【００１９】図８にそのシミュレーション結果を示す。
このグラフは横軸に回転角をとり、縦軸に位置誤差をと
ってある。この位置誤差は理想出力に対する実際の出力
の差を％単位で表わしたものである。なお、このシミュ
レーションに用いられた螺旋状スリットはＲ＝３θ／π
＋９で表わされる。単位はmmであり、１２０°の回転変
位で光スポットは約２mm移動する。カーブＡは１個の螺
旋状スリットと１個の受光素子を採用した場合で偏心δ
が０．２mmの時の誤差をシミュレートしたものである。
グラフから明らかな様に、偏心により６％程度の誤差が
生じる。カーブＢは同じく１個の螺旋状スリットと１個
の受光素子を組み合わせた場合で偏心δは０．１mmであ
る。この時にも約３％程度の誤差が生じる。一方カーブ
Ｃは２個の螺旋状スリットと２個の受光素子を組み合わ
せて用いた場合であり、パラメータである偏心δは０．
２mmに設定されている。本発明に従って偏心補正を行な
うと誤差は０．１％以下まで改善できる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、一
対のスリット及び対応する一対の固定受光素子を組み合
わせる事により、両固定受光素子から出力された検出信
号を処理して変位情報からスリットの位置ズレに基く誤
差を除去する事が可能になるという効果が得られる。特
に回転変位検出に応用した場合移動部材の偏心による誤
差を除去できる。又、直線変位検出に応用した場合移動
部材のガタに起因す誤差を除去する事が可能である。

【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第１実施
例を示す模式的な斜視図である。

【図２】一対のスリットのパタン例を示す平面図であ
る。

【図３】一対のスリットの他のパタン例を示す平面図で
ある。

【図４】一対のスリットのさらに他のパタン例を示す平
面図である。

【図５】本発明にかかる光学式変位検出装置の第２実施
例を示す平面図である。

【図６】図１に示した光学式変位検出装置に含まれる処
理回路の具体的な構成例を示すブロック図である。

【図７】回転円盤の偏心と位置誤差との関係を示す幾何
図である。

【図８】偏心と位置誤差との関係と示すグラフである。

【図９】従来の光学式回転変位検出装置の一例を示す平
面図である。

【図１０】図９に示した光学式回転変位検出装置の回転
角と出力との関係を示すグラフである。

【図１１】従来の光学式直線変位検出装置の一例を示す
平面図である。

【符号の説明】

１円盤２回転軸３ａスリット３ｂスリット４ａ光源４ｂ光源５ａ受光素子５ｂ受光素子６ａ受光面６ｂ受光面７ａ光スポット７ｂ光スポット８処理回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のスリットが形成された移動部材
と、該移動部材に入射光を照射する固定光源と、該スリ
ットを透過した光スポットの移動軌跡に沿って配置され
た長手受光面を備え該光スポットの受光位置に応じた検
出信号を出力する固定受光素子と、該検出信号を処理し
て該移動部材の変位情報を出力する処理回路とからなる
光学式変位検出装置において、一対のスリット及び対応する一対の固定受光素子を含ん
でおり、一方のスリットからの光スポットと他方のスリ
ットからの光スポットは夫々対応する長手受光面に沿っ
て互いに相補的な方向に移動し、該処理回路は両固定受光素子から出力された検出信号を
処理して前記移動体の変位情報からスリットの位置ズレ
に基く誤差を除去する補正手段を含む事を特徴とする光
学式変位検出装置。
【請求項２】前記移動部材は回転する円盤からなり、
前記一対のスリットは夫々周方向に沿って形成されてお
り、前記一対の固定受光素子は各々径方向に沿って配置
された長手受光面を有し差動的に変化する内側及び外側
検出信号を出力し、前記補正手段は一対の固定受光素子
から出力された内側検出信号同志及び外側検出信号同志
を夫々加算する事を特徴とする請求項１記載の光学式変
位検出装置。
【請求項３】前記一対のスリットは、該円盤の回転軸
に関し対称的に配置された同形状の螺旋状スリットであ
る事を特徴とする請求項２記載の光学式変位検出装置。
【請求項４】前記一対のスリットは、該円盤の回転軸
に関し対称的な位置に一部重複して設けられた曲率の異
なる螺旋状スリットである事を特徴とする請求項２記載
の光学式変位検出装置。
【請求項５】前記一対のスリットは、該円盤の回転軸
に関し片面側に並列配置された曲率の異なる螺旋状スリ
ットであり、前記固定光源は、該一対のスリットを共通
に照射するものである事を特徴とする請求項２記載の光
学式変位検出装置。