JPH04157309A - ２軸光位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は発光素子の光出力を結合光学系を介して遠隔位
置の被測定対象に投射し、その反射光を受光素子によっ
て受光することにより、被測定対象の変位を検出する２
軸光位置検出装置に関する。

（従来の技術） 遠隔位置にある対象物の変位を検出する装置としては、
各種電気的な検出器と電気的な信号手段を用いたものが
従来より存在する。

これらは、電気信号によって検出し、遠隔位置に伝送す
るものであるので、防爆性を要求される環境では、完全
シール等の防爆対策を施す必要があった。また伝送距離
が長くなると、伝送ケーブルによる電力損失が生じ、伝
送信号が微少信号では電磁干渉雑音の影響を受けやすか
った。

また、電気ケーブルは光ファイバとの比較では、重量と
耐熱性に劣るという問題があった。

これら問題を解決するものとして、光ファイバを伝送路
に用い、光によってその変位を検出する装置が種々提案
された。

その一つとして、伝送路に光ファイバを用い、検出器に
は符号化部を形成しているエンコーダの前後に投光部お
よび受光部を配置したものがある（　１９８５年１０月
　第２３回飛行殿シンポジウム、２Ｆ１０搭戦型光トラ
ンスデユーサの試作）。しかしながら、この提案の位置
検出部は透過光を用いているため、エンコーダプレート
の両側に上述のように投受光の光学系を配置する必要が
あり、小型化に難点があった。また、２軸の位置を検出
できる光位置検出装置は存在しなかった。

（発明が解決しようとする課題） そこで、本件発明者等は自己結合効果を有する半導体レ
ーザ（ＬＤ）を用いて、反射パターンにより対象物の変
位を検出し、光伝送ケーブルによヮてこれら光信号を送
受する装置を提案した。

これによれば、上述のすべての問題は解決されるものの
、価格およびＳ／Ｎの点で不充分であった。

すなわち、半導体レーザの自己結合効果を用いているの
で、レーザ光の偏波面を保持したまま光の伝送を行なわ
なければならず、特殊なファイバを用いる必要があり、
装置全体の価格を押し上げていた。また、自己結合効果
の信号を用いているため、基準出力光に対する信号光が
小さく、Ｓ／Ｎが小さかった。

本発明の目的は、上記諸問題を解決するため、発光素子
の出力光を遅延素子を含む結合光学系を介して対象物に
対し投光し、その反射光を同じ結合光学系を経由させて
受光素子に受光させ各ビットの反射の有無によってパタ
ーンを認識することにより対象物の変位を検出する光位
置検出装置を用い、これを２軸の変位機構の各軸に配置
することにより従来存在しなかった２軸の光位置検出装
置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明による２軸光位置検出
装置は変位部が直列に接続され、変位方向が９０度異な
る２軸の変位機構の各軸方向の変位を検出するため各軸
にそれぞれ光位置検出装置を配置し、前記光位置検出装
置は発光素子と、受光素子と、一方端には２つのポート
を、他方端には１つのポートをそれぞれ有し、前記２つ
のポートは前記発光素子の出力と前記受光素子の入力に
それぞれ接続された第１の分岐結合器と、前記第１の分
岐結合器の他方端のポートに接続された伝送用光ファイ
バケーブルと、一方端には１つのポートを、他方端には
多数のポートをそれぞれ有し、前記一方端のポートは前
記伝送用光ファイバケーブルの他端に接続された第２の
分岐結合器と、前記第２の分岐結合器の他端の多数のポ
ートにそれぞれ接続され、遅延時間がそれぞれ異なる遅
延素子群と、被測定物に取り付けられ、反射率の差によ
って形成される表面パターンを持つアブソリュートエン
コーダと、前記遅延素子群にそれぞれ接続され、前記各
遅延素子からの光出力を前記アブソリュートエンコーダ
のそれぞれ対応するビットのパターン上に集光させ、そ
の反射光を集光させた同一の光学素子に入射する光学素
子群とから構成し、前記各軸のアブソリュートエンコー
ダは前記それぞれの変位部に固定するとともに前記各ア
ブソリュートエンコーダに対面する光学系の入出射部は
前記変位部に従動しない部材に固定し、かつ、他の軸の
変位によって出力が変化しないように一方の軸のアブソ
リュートエンコーダの各ビットのパターンを測定方向と
９０度異なる方向に延設して構成しである。

また、変位部が直列に接続され、変位方向が９０度異な
る２軸の変位機構の各軸方向の変位を検出するため各軸
にそれぞれ光位置検出装置を配置し、前記光位置検出装
置は発光素子と、受光素子と、一方端には２つのポート
を、他方端には１つのポートをそれぞれ有し、前記２つ
のポートは前記発光素子の出力と前記受光素子の入力に
それぞれ接続された第１の分岐結合器と、前記第１の分
岐結合器の他方端のポートに接続された伝送用光ファイ
バケーブルと、一方端には１つのポートを、他方端には
多数のポートをそれぞれ有し、前記−方端のポートは前
記伝送用光ファイバケーブルの他端に接続された第２の
分岐結合器と、前記第２の分岐結合器の他端の多数のポ
ートにそれぞれ接続され、遅延時間がそれぞれ異なる遅
延素子群と、被測定物に取り付けられ、反射率の差によ
って形成される表面パターンを持つアブソリュートエン
コーダと、前記遅延素子群にそれぞれ接続され、前記各
遅延素子からの光出力を前記アブソリュートエンコーダ
のそれぞれ対応するビットのパターン上に集光させ、そ
の反射光を集光させた同一の光学素子に入射する光学素
子群とから構成し、前記各軸のアブソリュートエンコー
ダおよび前記各アブソリュートエンコーダに対面する光
学系の入出射部の少なくとも一方を前記それぞれの変位
部に固定するように構成しである。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第１図は本発明に用いる光位置検出装置の実施例を示す
ブロック図である。

投受光部は発光素子１．光学素子２，３．受光素子４お
よび２×１分岐結合器５より構成されている。

発光素子１の光出力は光学素子２によって集光され、２
×１分岐結合器５の２ポート側の一方のポー）５ａに導
かれる。分岐結合器５のポート５ａに入射した光はさら
にポート５ｃより光ファイバケーブル６に導かれる。

一方、光ファイバケーブル６より２×１分岐結合器５の
ポート５ｃに入射した光は、ポート５ｂを経由して光学
素子３に導かれ、光学素子３によって受光素子４の受光
面に集光される。

位置検出部はｌＸｎ分岐結合器７．遅延素子群８、光学
素子群９およびアブソリュートエンコーダ１０より構成
されている。

ｌｘＨ分岐結合器７により分岐させられ、ポート７−１
〜？−ｎにそれぞれ出射する光はそれぞれ遅延素子８−
１〜８−ｎによって異なる時間遅延させられる。すなわ
ち一定時間ずつ遅延した光遅延パルスが作られる。各遅
延素子８−１〜８−ｎより出射する光遅延パルスは各光
学素子９−１〜９−ｎによって集光され、それぞれアブ
ソリュートエンコーダの表示パターンに照射される。

アブソリュートエンコーダ１０の表示パターンはひとつ
のコードを形成する＃１〜＃ｎのビットパターンよりな
るビット列（ビットを桁方向に並べて形成した１列のビ
ット群、以下、これを「ビット列」という）を多数積に
配列して構成されている。表示パターンの各ビット列が
表すコードは被対象物の変位の絶対位置を示す。

光学素子９−１〜９−ｎよりそれぞれ出射される光は各
光学素子にそれぞれ対向するビット列の＃ｌ〜＃ｎのビ
ットパターン位置に当てられる。

第１図において、アブソリュートエンコーダ１０が取り
つけられている被対象物の変位方向は紙面の表裏方向で
ある。したがって、被対象物が変位すると、ビット列は
横方向に移動し光学素子群から出射する光は、変位に対
応したビット列を照射することになる。以上により被対
象物の変位を検出することができる。

各ビットパターンの１．０の判別は反射率の差を利用し
ている。例えば、１を表示するビットパターンは反射率
の大きい面が、０を表示するビットパターンは反射率の
小さい面がそれぞれ用いられる。

各ビットパターンで反射した光はそれぞれ照射した光学
素子と同じ光学素子に戻り、遅延素子群８を経由して分
岐結合器７により結合され、光ファイバケーブル６に導
かれる。この径路で再度遅延素子群を通るため、各ビッ
ト対応の反射光遅延パルス間の時間間隔はさらに大きく
なり、分岐結合器７でそれぞれ一定時間ずつ遅延させら
れた並列光パルスはシリアル光パルスに変換される。光
ファイバケーブル６を通ったシリアル光パルスは、分岐
結合器５を経由し、さらに光学素子３を通って受光素子
４に入射する。

受光素子４で受光したシリアル光パルスは図示しない処
理部等によってそのコードが読み出され、絶対位置が検
出される。

第３図は、光パルスの動作タイミングを説明するための
タイミングチャートである。

クロックに基づきゲートが開かれ、ゲート時間だけ発光
素子１より光源パルスが出力される。この光源パルスは
分岐結合器７によって＃１〜＃ｎの光パルスに分岐され
、遅延素子群８によって往復遅延させられ、受光素子に
入射する光は受光パルス＃１〜＃ｎとなる。入射したビ
ットパターンに反射がなければ、そのビットパターンに
よる受光パルスはでない。

シリアルデータが読み込まれると、再度ゲートが開かれ
光源パルスが出力されて位置検出動作が繰り返される。

第２図は本発明による２軸光位置検出装置の第１の実施
例を示す図である。

この例は互いに直角方向に変位する操縦枠４０に通用し
たものである。第１図で示す光位置検出装置をφ方向と
θ方向に設置しである。

φ方向は４０ａ部を支点に左右に位置変化する。

θ方向は４０ｂ部を支点に前後に位置変化する。

φ方向の変位を検出するためのアブソリュートエンコー
ダ２０の表示パターンｊｅｔ　４０　ａ部の上側の前面
に貼設されている。

一方、θ方向の変位を検出するためのアブソリュートエ
ンコーダ３０の表示パターンは４０ｂ部の上側の後面に
突出した突出平面の上に貼設されており、それぞれ測定
方向に対しては他軸の変化の影響を受けない位置関係と
なっている。

アブソリュートエンコーダ２０の表示パターンは上下方
向がビット列になっており、その直角方向（測定方向）
に多数のビット列が並んでいる。

光学素子群１９は操縦枠４０の筐体（図示してない）に
設置されており、アブソリュートエンコーダ２０の表示
パターンのビット列の方向に配置されている。

上述の筐体は操縦枠４０に従動することはない。

操縦枠４０がφ方向に操作されると、ビット列が動（の
で、動いた位置のビット列のビットパターンがコード光
学素子群１９に読み込まれ、操縦枠４０のφ方向の絶対
位置を検出できる。

この表示パターン２０の位置はθ方向の支点の下側にあ
り、θ方向の操縦枠４０の操作に対し影響を受けない場
所である。

操縦枠４０がθ方向に操作された場合、θ方向の支点は
上にあり、表示パターン２０は全く影響を受けない。

光学素子群１９は遅延素子群１８に接続され、さらにｌ
Ｘｎ分岐結合器１７に接続されている。

ｌＸｎ分岐結合器１７は光ファイバケーブル１６を経由
して第２図（ｂｌに示す分岐結合器１５に接続され、光
学素子１２および１３を介して発光素子１１および受光
素子１４に接続されている。

アブソリュートエンコーダ３０の表示パターンはφ方向
がビット列になっており、その直角方向（測定方向）に
多数のビット列が並んでいる。

光学素子群２９は操縦桿４０の筐体（図示してない）に
設置されており、アブソリュートエンコーダ３０の表示
パターンのビット列の方向に配置されている。

上述の筐体も操縦桿４０に従動することはない。

操縦桿４０がθ方向に操作されると、φ方向の変位位置
検出と同様θ方向の絶対位置を検出できる。

この表示パターン３０はφ方向の操縦桿４０の操作に対
し影響を受けない位置関係になっていることはθ方向の
表示パターンの設置位置と同様である。

しかしながら、操縦桿４０がφ方向に操作された場合、
表示パターン３０は影響を受ける。

そこで操縦桿４０がφ方向に最大限操作されたとしても
、各光学素子が照射する位置がそのビットパターンより
外れないように各ビットパターンのビット列方向の領域
を拡大しである。このように構成することにより、何れ
方向の測定においても誤読取りを最大限防止できる。

なお、θ方向の光学素子群２９の接続構成はφ方向のそ
れと同様である。

第４図は本発明による２軸光位置検出装置の第２の実施
例を示す図である。

この実施例は操縦桿のφ方向およびθ方向の変位を検出
するアブソリュートエンコーダおよび光学系の入出射部
が固定される位置が第１の実施例とは異なっている。他
の構成は第１の実施例と変わらないので省略しである。

この実施例は各軸が他の軸の変位の影響を受けることの
ない例である。

実際に装置を構成する場合、第１または第２の実施例の
何れかを適用するかは適用される対象物の仕様に左右さ
れることになる。

アブソリュートエンコーダ４２および光学素子群４３は
θ方向の変位を、アブソリュートエンコーダ４４および
光学素子群４５はφ方向の変位をそれぞれ検出する。

光学素子群４５は操縦桿４１の基部４１ａの前面に固着
されており、この部分は操縦桿４１がいずれの軸に操作
されても影響を受けない。アブソリュートエンコーダ４
４は操縦桿４１の中間部４１ｂの前面に固着されており
、操縦桿４１のθ方向の操作の影響は受けず、操縦桿４
１のφ方向の操作に従ってφ方向に変位する。

したがって、θ方向の操作の影響を受けることなく操縦
桿４１のφ方向の変位を検出できる。

光学素子群４３は操縦桿４１の中間部４１ｂの側面に固
着されており、この部分は操縦桿４１がθ方向に操作さ
れても影響を受けず、また、φ方向の操作にしたがって
φ方向に変位する。

アブソリュートエンコーダ４２は操縦桿４１の把持部４
１ｃの側面に固着されており、操縦桿４１のθ方向の操
作にしたがってθ方向に変位し、φ方向の操作に従って
φ方向に変位する。

したがって、結果的にφ方向の操作の影響を受けずにθ
方向の変位を検出でき、第１の実施例のように誤読取を
防止するためにアブソリュートエンコーダ４２のパター
ンをビット列方向に拡大する必要はない。

（発明の効果） 以上、説明したように本発明は光信号によって被対象物
の変位を検出し、光ファイバケーブルを介して光信号の
投光および受光を行う構成であるので、防爆性、電磁干
渉および重量等の問題を解決できることは勿論、エンコ
ーダ上のパターンの５反射の有無を受光素子で検出する
構成であるので透過光を用いた装置に比較し、位置検出
部に設ける光学系の部品点数は少なく済み、小型化が可
能となる。

また、受光専用の素子を用いているため、自己結合効果
の半導体レーザを用いた装置と比較した場合、部品点数
は少し多くなるものの特殊な光ファイバ（偏波保持ファ
イバ）を使用する必要がなくコストダウンが可能で伝送
距離も長くできる。

さらに、光学素子群を２軸測定対象物に固着できないも
のに対しては、第１の実施例を採用し、光学素子群も２
軸渕定対象物に固着できる場合は第２の実施例を採用す
ることにより種々の２軸の変動機構に幅広く通用できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる光位置検出装置の実施例を示す
ブロック図、第２図は本発明による２軸光位置検出装置
の第１の実施例を示す概略斜視図。 第３図は装置の動作を説明するためのタイミングチャー
ト第４図は本発明による２軸光位置検出装置の第２の実
施例を示す概略斜視図である６ｉ、ｉｉ、２１・・・発
光素子 ２．３．１２，１３，２２．２３・・・光学素子４．１
４．２４・・・受光素子 ５．１５．２５・・・第１の分岐結合器６．１６．２６
・・・光ファイバケーブル７．１７．２７・・・第２の
分岐結合器８．１８．２８・・・遅延素子群 ９．１９，２９，４３．４５・・・光学素子群１０．２
０，３０，４２．４４ ・・・アブソリュートエンコーダ ４０．４１・・・操縦桿 特許出願人　　　防衛庁技術研究本部長特許出願人　　
　川ｌＩ！重工業株式会社特許出願人　　　東京航空計
器株式会社代理人　　弁理士　井　ノ　ロ　　　壽第３
図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）変位部が直列に接続され、変位方向が９０度異な
   る２軸の変位機構の各軸方向の変位を検出するため各軸
   にそれぞれ光位置検出装置を配置し、前記光位置検出装
   置は発光素子と、受光素子と、一方端には２つのポート
   を、他方端には１つのポートをそれぞれ有し、前記２つ
   のポートは前記発光素子の出力と前記受光素子の入力に
   それぞれ接続された第１の分岐結合器と、前記第１の分
   岐結合器の他方端のポートに接続された伝送用光ファイ
   バケーブルと、一方端には１つのポートを、他方端には
   多数のポートをそれぞれ有し、前記一方端のポートは前
   記伝送用光ファイバケーブルの他端に接続された第２の
   分岐結合器と、前記第２の分岐結合器の他端の多数のポ
   ートにそれぞれ接続され、遅延時間がそれぞれ異なる遅
   延素子群と、被測定物に取り付けられ、反射率の差によ
   って形成される表面パターンを持つアブソリュートエン
   コーダと、前記遅延素子群にそれぞれ接続され、前記各
   遅延素子からの光出力を前記アブソリュートエンコーダ
   のそれぞれ対応するビットのパターン上に集光させ、そ
   の反射光を集光させた同一の光学素子に入射する光学素
   子群とから構成し、前記各軸のアブソリュートエンコー
   ダは前記それぞれの変位部に固定するとともに前記各ア
   ブソリュートエンコーダに対面する光学系の入出射部は
   前記変位部に従動しない部材に固定し、かつ、他の軸の
   変位によって出力が変化しないように一方の軸のアブソ
   リュートエンコーダの各ビットのパターンを測定方向と
   ９０度異なる方向に延設したことを特徴とする２軸光位
   置検出装置。
2. （２）変位部が直列に接続され、変位方向が９０度異な
   る２軸の変位機構の各軸方向の変位を検出するため各軸
   にそれぞれ光位置検出装置を配置し、前記光位置検出装
   置は発光素子と、受光素子と、一方端には２つのポート
   を、他方端には１つのポートをそれぞれ有し、前記２つ
   のポートは前記発光素子の出力と前記受光素子の入力に
   それぞれ接続された第１の分岐結合器と、前記第１の分
   岐結合器の他方端のポートに接続された伝送用光ファイ
   バケーブルと、一方端には１つのポートを、他方端には
   多数のポートをそれぞれ有し、前記一方端のポートは前
   記伝送用光ファイバケーブルの他端に接続された第２の
   分岐結合器と、前記第２の分岐結合器の他端の多数のポ
   ートにそれぞれ接続され、遅延時間がそれぞれ異なる遅
   延素子群と、被測定物に取り付けられ、反射率の差によ
   って形成される表面パターンを持つアブソリュートエン
   コーダと、前記遅延素子群にそれぞれ接続され、前記各
   遅延素子からの光出力を前記アブソリュートエンコーダ
   のそれぞれ対応するビットのパターン上に集光させ、そ
   の反射光を集光させた同一の光学素子に入射する光学素
   子群とから構成し、前記各軸のアブソリュートエンコー
   ダおよび前記各アブソリュートエンコーダに対面する光
   学系の入出射部の少なくとも一方を前記それぞれの変位
   部に固定するように構成したことを特徴とする２軸光位
   置検出装置。