JPH07218291A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可動物体に配設される可動スケールの目盛り
ピッチを細分化した場合に目盛りを正確に読み取り、か
つ目盛りピッチ間に複数の受光素子を配設する。 【構成】 可動スケール６と受光部４との間に固定スケ
ール７設け、可動スケールの目盛りと同一の間隔の目盛
りを可動スケールの目盛りの配設方向と所定の角度をな
すように固定スケールに配設する。この結果、可動スケ
ールの目盛りに発光部３から光信号が照射された場合、
受光部では可動スケールの目盛りが固定スケールを介し
拡大されることから正確に検出できると共に、拡大され
た周期信号の１周期の間に複数の受光素子を配設でき、
分解能を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、等間隔に目盛りが付与
された物差しを可動物体に固定配設すると共に、物差し
に対し光信号を照射し照射された光信号の反射または透
過に基づいて目盛りの所定部分を検出して計数し物体の
移動位置を検出する位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に移動物体に物差しを固定し、空間
に固定したスリットを通してスリットを通過する目盛り
の数を読み取ればその移動距離を測定できる。このよう
な測定系を図１０に示す。同図において、１は物差しに
相当する格子で測定対象に固定されている。ここで、格
子１の透明部分とスリット２とが一致したとき双方を通
過する発光部３からの光量は最大となり、格子１がその
位置からその目盛りピッチの１／２だけ移動すると上記
光量は最小となる。したがってこのような光路に光電変
換素子からなる受光部４を配設しておけば、格子の移動
に伴い、光電変換素子からの出力からは、図１１に示す
ような周期信号が得られる。そしてこの周期の数を計数
すれば、格子１の移動距離、即ち測定対象の移動距離が
測定されその移動位置を検出することができる。

【０００３】また、１つのスリットの代わりに２つのス
リット２Ａ、２Ｂを用意し、互いに格子１の移動方向に
格子１のピッチの１／４だけ隔てて固定し、各々を通過
する光信号を光電変換素子で変換すれば、図１２に示す
ような各々のスリットに対応する出力波形Ａ及びこの出
力波形から１／４周期ずれた出力波形Ｂが得られる。し
たがってこの出力波形を利用して元の波形の１周期を４
分割したパルス信号を取り出すことができ、分解能を向
上させることができる。また、２つのスリットの利用に
より得られた２つの出力波形の位相の進みまたは遅れの
関係から格子の移動方向を得ることもできる。さらに、
図１２に示す信号出力波形Ａ，Ｂを加算及び減算するこ
とにより、元の出力波形に対し新たに１／８周期ずれた
信号を作成することができ、したがって元の波形の１周
期を８分割したパルス信号を取り出すことができ、分解
能をさらに向上させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の位置
検出装置は、格子の目盛り配設ピッチが粗い場合には正
確にその移動距離を測定することができる。しかしなが
ら格子の目盛り配設ピッチが例えば７０μｍのように細
かくなると、既存の光電変換素子では目盛りを読み取る
ことが不可能になり、したがって格子の移動位置を正確
に検出できないという問題があった。また、格子の目盛
り配設ピッチを細かくすると、この目盛りピッチ間には
複数の光電変換素子を配設できないことから、分解能を
向上させることができないという問題もあった。

【０００５】したがって本発明は、可動物体に配設され
る格子の目盛り配設ピッチを細かくした場合に目盛りを
正確に読み取ると共に、目盛りピッチ間に複数の光電変
換素子を配設して分解能を向上できる位置検出装置を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、等間隔かつ互いに平行に直線状の目
盛りが配設された物差しを直線可動する可動物体に可動
スケールとして固定配設すると共に、可動スケールに対
し光信号を照射する発光部と、可動スケールへ照射され
た後の光信号を受光する受光部とを備え、受光部の受光
出力に基づき可動物体の移動位置を検出する位置検出装
置において、可動スケールと受光部との間の光信号の通
路上に固定スケールを設け、可動スケールの目盛りと同
一の間隔を有しかつ互いが平行となる直線状の目盛りを
可動スケールの目盛りの配設方向と所定の角度をなすよ
うに上記固定スケールに配設したものである。また、固
定スケールを介し可動スケールの目盛りを周期信号とし
て検出する上記受光部を複数設けると共に、各受光部の
配設位置をそれぞれ周期信号の１周期の所定の各位置と
なるように定めるようにしたものである。また、各受光
部の出力信号を入力して１受光部の出力当たり複数の位
置検出信号を出力する信号処理部を設けたものである。

【０００７】

【作用】可動スケールと受光部との間の光信号の通路上
に固定スケールが設けられ、この固定スケールには、可
動スケールの目盛りと同一の間隔の目盛りが可動スケー
ルの目盛りの配設方向と所定の角度をなすように配設さ
れる。この結果、可動スケールの目盛りが拡大して受光
されることから、可動スケールの目盛り配設ピッチを細
分化した場合でも目盛りを正確に読み取ることができ、
したがって可動物体の微細な移動を正確に検出できる。
また、複数の各受光部は固定スケールを介し検出される
可動スケールの１目盛り配設間隔に相当する１周期信号
内の所定の位置にそれぞれ配設される。この結果、複数
の受光部から位置検出信号が出力されることから、分解
能の向上が可能になる。また、信号処理部において１受
光部の出力当たり複数の位置検出信号が出力されること
からさらに分解能が向上する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明について図面を参照して説明す
る。図７は本発明に係る位置検出装置の原理を説明する
ための説明図であり、本装置は、後述の可動物体に固定
配設される可動スケール６の目盛り部６Ａに対し、発光
部３から光信号を照射して透過させ、この透過光を受光
部４で読み取って可動物体の移動位置を検出するもので
ある。このように可動スケール６の目盛り部６Ａ内の目
盛りを読み取る場合に本実施例装置では、可動スケール
６と受光部との間に固定スケール７を配設する。そして
固定スケール７の目盛り部７Ａの目盛り配設間隔を可動
スケール６の目盛り部６Ａと同一間隔にすると共に、配
設角度を可動スケール６の目盛り部６Ａの配設角度に対
し一定角度を持たせるように配設する。すると、可動ス
ケール６の目盛り部６Ａが拡大されて受光部４で受光す
ることができる。

【０００９】図８はこのような目盛りの拡大状況を示す
モアレ縞と呼称される現象の発生状況を説明するための
図である。ここで、可動スケール６及び固定スケール７
の各目盛り部６Ａ，７Ａの目盛り配設ピッチをＰ、各目
盛り部６Ａ，７Ａの目盛り配設角度をθとすると、発生
するモアレ縞の波長ＬはＰ／θとなり、各目盛りの配設
ピッチＰが１／θに拡大される。このようにして可動ス
ケール６の目盛り部６Ａが拡大されて受光部４で受光さ
れることから、可動スケール６の目盛りピッチが短い場
合でも受光部４で確実に受光することができる。また、
可動スケール６の目盛り部６Ａの目盛り配設ピッチ内に
複数の受光素子からなる受光部を配設でき、この結果、
各受光素子では各々位相の異なる光信号が受光できるこ
とから、これらの位相の異なる光信号を組み合わせるこ
とにより、目盛り部６Ａの配設ピッチ内をさらに細かく
分割でき、したがって分解能を向上させることができ
る。

【００１０】次に図９は可動スケール６の目盛りを読み
取るセンサ部の配置構成を示す図であり、同図（ａ）は
透過型センサ部、同図（ｂ）は反射型センサ部の各構成
を示している。図９（ａ）の透過型センサ部は、上述し
た発光部３、受光部４、及び固定スケール７の他に、コ
リメータレンズ８が発光部３と可動スケール６との間に
配設される。そして発光部３からの光信号をコリメータ
レンズ８により集光して可動スケール６及び固定スケー
ル７の各目盛り部６Ａ，７Ａを透過させ、この透過光を
受光部４で受光させると共にその受光出力に基づき、こ
の光信号と直交して移動する可動スケール６の移動距離
が求められる。

【００１１】また図９（ｂ）の反射型センサ部は、上述
した発光部３、受光部４、及び固定スケール７の他に、
コリメータレンズ８及びビームスプリッタ９が設けられ
ている。そして発光部３からの光信号をコリメータレン
ズ８により集光してビームスプリッタ９へ照射し、この
反射光を固定スケール７の目盛り部７Ａに照射させる。
そしてこの照射光は、固定スケール７で反射されてビー
ムスプリッタ９を介し受光部４で受光される。一方、ビ
ームスプリッタ９への入射光はそのまま可動スケール６
の目盛り部６Ａに照射され、ここで反射されてビームス
プリッタ９へ入射し、さらにここで反射されて受光部４
で受光される。そして各光路からの入射光に応じた受光
出力を発生する受光部４の出力にに基づき、入射光と直
交して移動する可動スケール６の移動距離が求められ
る。

【００１２】次に図４は本装置が配設される機構部の断
面図であり、また図５はこの機構部の斜視図である。図
４及び図５において、１０は可動物体である可動レー
ル、１１は可動レール１０を直線移動させるための超音
波振動子、１２は上述したセンサ部である。即ち、超音
波振動子１１が固有振動を行うと、この固有振動に応じ
て振動子１１の周辺部の各部と可動レール１０との接触
及び非接触動作が繰り返し行われ、この結果、可動レー
ル１０の矢印方向（図４）への直線移動が行われる。可
動レール１０上には可動スケール６が設けられており、
可動レール１０の直線移動に伴って同様に直線移動す
る。そして移動する可動スケール６の目盛り部６Ａに
は、この可動レール１０の図中上側に配設された透過型
センサ部１２の発光部３から光信号が照射され、この透
過光が可動スケール６の図中下側に配設された固定スケ
ール７を介して受光部４で受光される。

【００１３】この結果、可動スケール６及び固定スケー
ル７の各目盛り部６Ａ，７Ａの配設角度が異なるように
配設されていれば、上述のモアレ縞の発生現象により、
可動スケール６の目盛り部６Ａに付与された目盛りを拡
大して受光部４で受光することができ、したがって直線
移動する可動スケール６の目盛りの配設ピッチが短い場
合でもこれを容易に識別できることから可動レール１０
の移動位置を正確に求めることができる。

【００１４】次に図６（ａ）は、本装置の第１の実施例
を模式的に示す斜視図である。ここで、可動レール６の
目盛り部６Ａの目盛り配設ピッチを固定レール７の目盛
り部７Ａの目盛り配設ピッチと同一間隔とし、かつ各目
盛りの配設角度を所定角度ずらして配設する。そして受
光部４には後述するフォトインタラプタ４Ａを１個設け
るようにする。また、図６（ｂ）は、本装置の第２の実
施例を模式的に示す斜視図であり、受光部５には後述す
る複数のフォトダイオード５Ａ〜５Ｃを設けると共に、
光信号の受光により各フォトダイオード５Ａ〜５Ｃを流
れる電流を電圧信号に変換する電流・電圧変換回路５ａ
〜５ｃを設けるようにする。

【００１５】次に図１は上述した第１の実施例装置の要
部構成を示すブロック図である。この第１実施例装置の
センサ部１２には、上述したようにフォトインタラプタ
４Ａが設けられ、受光部４での光信号の受光の有無に応
じ、フォトインタラプタ４Ａから電圧信号が出力され
る。この電圧信号は信号処理部１３の増幅器１４で増幅
されたうえ、２値化回路１５により所定のしきい値で２
値化される。そして２値化された２値化信号の立ち上が
り及び立ち下がりでパルス信号生成回路１６により位置
検出パルス信号ａが生成され、このパルス信号ａが可動
レール１０の移動位置検出用として用いられる。したが
って上述のモアレ縞の発生現象により、フォトインタラ
プタ４Ａの出力電圧信号は、可動スケール６の目盛り配
設ピッチが拡大された周期信号として出力され、この結
果正確な位置検出パルス信号ａが得られることから、こ
のパルス信号ａを計数すれば可動レールの正確な移動位
置を検出することが可能になる。

【００１６】また図１（ｂ）は、上述の第２の実施例装
置の要部構成を示すブロック図である。この第２実施例
装置のセンサ部１２には、上述したようにフォトダイオ
ード５Ａ〜５Ｃ、及びフォトダイオード５Ａ〜５Ｃの各
々の電流を電圧信号に変換する電流・電圧変換回路５ａ
〜５ｃが設けられている。そして変換された各電圧信号
は、それぞれ信号処理部１３の各増幅器１４Ａ〜１４Ｃ
で増幅されたうえ、各２値化回路１５Ａ〜１５Ｃにより
所定のしきい値で２値化される。パルス信号生成回路１
７は、２値化された各２値化信号の立ち上がり及び立ち
下がりでパルス信号を生成すると共に生成したパルス信
号を合成して位置検出パルス信号ｂとして出力する。

【００１７】次に図２及び図３は、上述の第２の実施例
装置の各部の動作を示す波形図である。即ち、図２
（ａ）の波形図の例は、固定スケール７を介し受光部５
で拡大検出される可動スケール６の目盛り部６Ａの検出
状況を示す図であり、図中「０゜」〜「３６０゜」の１
周期の信号が目盛り部６Ａの１つの目盛りに相当する。
ここで、１周期の波形信号のうち「０゜」に相当する位
置及び「９０゜」に相当する位置に各々フォトダイオー
ド５Ａ及び５Ｂを配設するものとすれば、各フォトダイ
オード５Ａ，５Ｂに流れる電流を電圧信号に変換する各
電流・電圧変換回路５ａ，５ｂの出力信号は、各々図２
（ｂ），図２（ｃ）に示すように９０゜位相の異なった
電圧信号として出力される。

【００１８】このような各電圧信号は上述の各増幅器１
４Ａ，１４Ｂで増幅されたうえ、各２値化回路１５Ａ，
１５Ｂで２値化されて図２（ｄ），図２（ｅ）に示すよ
うな２値化信号が得られる。そしてパルス信号発生回路
１７は、各２値化信号を入力すると、各２値化信号の立
ち上がり及び立ち下がりで所定時間幅のパルス信号を生
成すると共に、これらを合成して図２（ｆ）に示すよう
な位置検出パルス信号ｂを得る。

【００１９】このように可動スケール６の目盛り部６Ａ
が拡大検出できることから、拡大された可動スケール６
の１目盛りに相当する１周期の信号の「０゜」及び「９
０゜」の各位置に複数のフォトダイオード５Ａ及び５Ｂ
を配設することができ、したがって各フォトダイオード
の出力信号を検出すれば、１目盛り間が２つに細分化で
き分解能を向上させることが可能になる。また、パルス
信号発生回路１７により、１つのフォトダイオード出力
に対し２つの位置検出パルスが生成され、したがって図
２（ｆ）に示すように、１周期の信号間が均等に〜
の４つに分割できることから目盛り部６Ａの１目盛り間
を４分割でき、従って分解能をさらに向上させることが
できる。

【００２０】また、図３（ａ）に示す１周期の波形信号
のうち「０゜」，「１２０゜」及び「２４０゜」の各位
置に各々フォトダイオード５Ａ〜５Ｃを配設するものと
すれば、各フォトダイオード５Ａ〜５Ｃに流れる電流を
電圧信号に変換する各電流・電圧変換回路５Ａ〜５Ｃの
出力信号は、各々図３（ｂ）〜図３（ｃ）に示すように
各々位相が１２０゜異なった電圧信号として出力され
る。

【００２１】このような各電圧信号が各増幅器１４Ａ〜
１４Ｃで増幅され各２値化回路１５Ａ〜１５Ｂで２値化
されると、図３（ｅ）〜図３（ｇ）に示すような２値化
信号が得られる。ここでパルス信号発生回路１７は、各
２値化信号を入力すると、各２値化信号の立ち上がり及
び立ち下がりで所定時間幅のパルス信号を生成すると共
に、これらを合成して図３（ｈ）に示すような位置検出
パルス信号ｂを得る。

【００２２】即ち、可動スケール６の目盛り部６Ａを固
定スケール７を介して検出すると拡大検出できることか
ら、拡大された可動スケール６の１目盛りに相当する１
周期の信号の「０゜」，「１２０゜」及び「２４０゜」
の各位置に複数のフォトダイオード５Ａ〜５Ｃを配設す
ることができ、したがって各フォトダイオードの出力信
号を検出すれば、１目盛り間が３つに細分化でき分解能
を向上させることが可能になる。また、パルス信号発生
回路１７により、１つのフォトダイオード出力に対し２
つの位置検出パルスが生成され、したがって図３（ｈ）
に示すように１周期の信号間が均等に〜の６つに分
割できることから目盛り部６Ａの１目盛り間を６分割で
き、従って分解能をさらに向上させることができる。

【００２３】一般に受光部５に設けられるフォトダイオ
ードの素子数をｎとすると、上述のモアレ縞による可動
スケール６の１目盛りに相当する１周期信号間に配置さ
れる素子数は、ｎが偶数の場合はπ・ｍ／ｎ（ｍ＝０〜
ｎ−１）となり、ｎが偶数の場合は２π・ｍ／ｎ（ｍ＝
０〜ｎ−１）となる。したがって、上述の１周期信号間
に配設される素子数をＮとした場合、分解能は可動スケ
ール６の１目盛りピッチの１／２Ｎまで向上する。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、可
動スケールと受光部との間の光信号の通路上に固定スケ
ールを設けると共に、この固定スケールに、可動スケー
ルの目盛りと同一の間隔の目盛りが可動スケールの目盛
りの配設方向と所定の角度をなすように配設するように
したので、可動スケールの目盛りが拡大して受光され、
可動スケールの目盛り配設ピッチを細分化した場合でも
目盛りを正確に読み取ることが可能となり、したがって
可動物体の微細な移動を正確に検出できる。また、固定
スケールを介し検出される可動スケールの１目盛り配設
間隔に相当する１周期信号内の所定の位置に各受光部の
位置を定めるようにしたので、各受光部から位置検出信
号が出力され、この結果、可動物体の微細な移動を検出
する場合にその分解能を向上させることができる。ま
た、信号処理部において１受光部の出力当たり複数の位
置検出信号が出力されることからさらに分解能が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る位置検出装置の第１実施例及び第
２実施例を示すブロック図である。

【図２】上記第２実施例装置の各部動作を示すタイミン
グチャートである。

【図３】上記第２実施例装置の各部動作を示すタイミン
グチャートである。

【図４】上記各実施例装置が適用される装置の断面図で
ある。

【図５】上記各実施例装置が適用される装置の斜視図で
ある。

【図６】上記各実施例装置の構成を模式的に示す斜視図
である。

【図７】上記各実施例装置の位置検出原理を模式的に示
す説明図である。

【図８】モアレ縞の発生原理を説明する説明図である。

【図９】上記各実施例装置において用いられる各センサ
部の構成を示す図である。

【図１０】従来装置における位置検出原理を模式的に示
す図である。

【図１１】従来装置の位置検出原理による位置信号の波
形図である。

【図１２】従来装置の位置検出原理による位置信号の波
形図である。

【符号の説明】

３ 発光部 ４，５ 受光部 ４Ａ フォトインタラプタ ５Ａ〜５Ｃ フォトダイオード ５ａ〜５ｃ 電流・電圧変換回路 ６ 可動スケール ６Ａ，７Ａ 目盛り部 ７ 固定スケール ８ コリメータレンズ ９ ビームスプリッタ １０ 可動レール １２ センサ部 １３ 信号処理部 １４，１４Ａ〜１４Ｃ 増幅器 １５，１５Ａ〜１５Ｃ ２値化回路 １６，１７ パルス生成回路 ａ，ｂ 位置検出パルス信号

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 等間隔かつ互いに平行に直線状の目盛り
   が配設された物差しを直線可動する可動物体に可動スケ
   ールとして固定配設すると共に、前記可動スケールに対
   し光信号を照射する発光部と、前記可動スケールへ照射
   された後の光信号を受光する受光部とを備え、前記受光
   部の受光出力に基づき前記可動物体の移動位置を検出す
   る位置検出装置において、 前記可動スケールと受光部との間の光信号の通路上に固
   定スケールを設け、前記可動スケールの目盛りと同一の
   間隔を有しかつ互いが平行となる直線状の目盛りを可動
   スケールの目盛りの配設方向と所定の角度をなすように
   前記固定スケールに配設し、前記受光部は前記固定スケ
   ールを介し前記可動スケールの目盛りを拡大された周期
   信号として検出することを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の位置検出装置において、 前記固定スケールを介し前記可動スケールの目盛りを周
   期信号として検出する前記受光部を複数設けると共に、
   各受光部の配設位置をそれぞれ前記周期信号の１周期の
   所定の各位置となるように定めることを特徴とする位置
   検出装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の位置検出装置において、 前記各受光部の出力信号を入力して１受光部の出力当た
   り複数の位置検出信号を出力する信号処理部を設けたこ
   とを特徴とする位置検出装置。