JPS6026166B2 - 光電式位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、回転あるいは回転振動する物体の位置を光
電的に追跡検出する装置に係るものである。

まず、この発明に至る直接の背景から説明する。

一般的な分光器では、回折格子やプリズム等の分光素子
を回転変位させることによって出力波長を変化させる訳
であるが、その際、分光素子の位置から出力波長を間接
的に謙取るようになっている。従来の分光器における上
記分光素子の位置検出手段は、分光素子と機械的に蓮繁
しているサインバー機構の送りネジの位置あるいはカム
の位置をポテンショメータ等で検出する機構となってい
る。この機構では、分光素子を高速で回転変位させるこ
とはできないため、ゆっくりした波長走査しか行なえな
い。′本発明者らは、ある必要性から、分光素子をトー
ションバーで支持し、これを電磁駆動機構によって高速
で回転振動させ（例えばＩＫ比程度）、波長走査を高速
で繰返すようにした分光器を開発した。

この分光器の場合、分光素子の位置検出として上記従来
の技術はまったく使用できず、新たな位置検出装置の開
発が要求された。この発明の目的は、上記の回折格子の
ごとく高速で回転振動あるいは回転する物体に対して、
非接触でその位置を検出する位置検出装置を提供するに
ある。

ところで、運動する物体の変位あるいは位置を非接触で
検出する技術として、光を利用する光電的な機構が知ら
れている。

例えば、回転あるいは直線的に往復運動する物体に、９
０度の位相差を伴う２系統のスリット列を形成したスリ
ット板を取付けるとともに、このスリット板を挟んで投
光器と２系統の受光器を固定配置し、上記物体の変位、
すなわちスリット板の変位に伴って２系統の上記受光器
からそれぞれ得られるパルス信号について、その位相差
を弁別して変位方向を検出するとともに、パルス数をカ
ウントして変位量を検出する機構がある。また、これに
加えて、上記スリット板の適宜位置に上記とは別の単一
のスリットを形成するとともに、これに対応する投光器
と受光器を固定配置し、この受光器かち得られるパルス
信号を位置基準信号とすることによって、スリット板の
変位量だけでなく位置情報を得ることができる。この機
構は、対象物体が大きく、その駆動機構も大規模で、し
かも変位量が大きなものに対しては非常に適している。

しかし、上述した回折格子のように、対象物体が小さく
て、変位量もづ、さく、しかもその変位を高い分解能で
検出するのには支障が多い。すなわち、対象物体が小さ
いと、それに取付け得るスリット板の大きさも極端に制
限され、小さなスリット板に小さなピッチで非常に細い
スリット列を設けることになる。すると、このスリット
を通して受光器に受光される光量も微少となり、光電子
増倍管のような高感度だが高価な受光器を用いないとそ
の光を検出できなくなる。換言すると、安価で低感度な
受光器を用いるのであれば、スリット幅を小さくするに
は制限があり、したがって高分解能は実現し難いのであ
る。この発明は上記の問題点を解消するもで、対象物体
には光反射面を設け、４・ごな変位を光学てこの原理で
拡大するとともに、この光反射面への入射光路および反
射光路にそれぞれスリット板を設け、このスリット板の
スリット列の設けかたを工夫することにより、受光器に
対して充分な検出光量が得られるようにした位置検出装
置が提供するものである。

以上、この発明を上述のように分光器の波長論取機構に
適用した実施例につい、図面に基づき詳細に説明する。

第１図は分光器の概略と本発明の装置の全体的な平面図
であり、第２図は本発明の装置をより詳細に示す斜視図
である。まず第１図において二点鎖線で囲まれた部分は
分光器で、一応これについて説明すると、光源から出た
白色光はしンズ２によってスリット３に集められ、その
スリット３を通過した光は平面鏡４を経てコリメーティ
ングミラ−５に至り、そして回折格子６に照射され、そ
こで分光された光のある特定の波長のものがフオーカッ
シングミラ−７に至り、平面鏡８を介して、スリット８
から装置外に出射される訳である。回折格子６は軸１０
を中心として矢印方向に適宜量往復回動するもので、ス
リット９から出る光の波長は、回折格子６の軸１０を中
心とする角度位置に対応する。この回折格子６の角度位
置を非接触で検出するのが本発明の装置であり、次にこ
れについて説明する。第１図および第２図において、光
源１１から出た光はしンズ１２を経て第１のスリット板
１３に照射され、このスリット板１３に上、下２段に設
けられたスリット列２０，２３（その詳細な態様につい
ては後述）を通過した光は、回折格子６の裏面に設けた
平面鏡１４で反射し、レンズ１５を経て第２のスリット
板１６に至る。

レンズ１２，１５等からなるこの光学系は、スリット板
１３のスリット列による明暗像をスリット板１６上に１
対１の倍率で結像させるように設定されている。スリッ
ト板１６には上、中、下３段にスリット列３１，３２，
３３が設けられていて、各段のスリット列３１３３２，
３３から漏れた光は、それぞれ別個ののレンズ４１，４
２，４３によって集光され、それぞれ別個の受光器（フ
オトトランジスタ等）５１，５２，５３に導入される。
２つのスリット板１３および１６のスリット列の詳細な
態様をそれぞれ第３図および第４図に示す（なお、これ
は第２図の概略図とは一致していない）。

まずスリット板１３の上段のスリット列２川ま、長さ約
２そで幅ｄの多数のスリットがピッチ２ｄで配列されて
いる。またスリット板１６の上段、中段のスリット列３
１，３２は、長さそで幅ｄの複数のスリットが上記と等
しいピッチ２ｄで配列されていて、特に、スリット列３
１と３２ではスリットの配列が１／４ピッチだけずらせ
てある。さらに、スリット板１３の下段のスリット列１
３とスリット板１６の下段のスリット列３３はまったく
等しいものであって、長さそで幅ｄの複数のスリットが
、周期性を有しない不規則な間隔で配列されている。そ
して上記光学系により、スリット板１３の明暗像が、恰
も第３図のスリット板１３を第４図のスリット板１６の
上に重ねたように、スリット板１６上に結ばれる。すな
わち、長さ２そのスリット列２０の明暗像が、スリット
板１６における長さその上段のスリット列３１および中
段のスリット列３２の部分に対応し、スリット列２３の
明暗像がスリット列３３の部分に対応する。以上の構成
において、図示しない駆動機構により回折格子６が軸１
０を中心として適宜角度範囲内で回転振動するが、その
とき、回折格子６と一体の平面鏡１４も回転変位するの
で、レンズ１２、スリット板１３から平面鏡１４への入
射光軸Ａと、平面鏡１４からしンズ１５、スリット板１
６側への反射光軸Ｂとの角度関係が変化する。

これは光軸Ａと平面鏡１４の交点を通り、第１図の紙面
に垂直な軸を中心として、スリット板１３が回動するの
と光学的に等価である（このため、スリット板１３を上
記軸を中心とする円弧状に湾曲させている。）したがっ
て、平面鏡１４が軸１０を中心に微少角回転変位したと
き、スリット板１６上に結ばれたスリット板１３の明暗
像は、光軸Ｂに直角で第１図の紙面に平行な方向、すな
わちスリットの配列方向に移動する。

この現象を第３図および第４図で示すスリット板１３，
１６で説明すると、第４図のスリット板１６上に第３図
のスリット板１３の明暗像が上述のように結んでおり、
その明暗像がスリット板１６上を図面の左右方向に移動
するのである。そこで、スリット列２０の像（明かるし
、部分）がスリット列３１を通過することによる光を観
測してみると、スリット列２０の像が１ピッチ移動する
ごとに、明暗が１回づつ観測できる訳である。スリット
列３２を通過する光についても同様な明暗が観測できる
が、スリット列３１とスリット列３２とでは、スリット
の配列を１／４ピッチずらせてあるから、上記のように
観測される明暗の連続も、スリット列３１側とスリット
列３２側とでは１／４周期ずれる。つなわち、平面鏡１
４がある方向に回転変位したいる状態では、受光器５１
および５２の出力を波形整形した信号は、それぞれ第５
図のａとｂに示すように、上述の明暗に対応したパルス
信号で、しかも両者の間で９０度の位相差を伴った信号
となる。

そして周知のように、この２系統の信号の位相差を弁別
すれば（どちらの位相が進んでいるか）、平面鏡１４の
変位方向が分り、受光器５１または５２の出力パルス数
を、変位方向に応じてアップカウントあるいはダウンカ
ウントすることによって、平面鏡１４の変位量（位置）
を検出することができる。この回路技術は良く知られて
いるので、詳説しない。また、平面鏡１４の基準位置は
次のようにして検出することができる。

スリット列２３とスリット列３３は等しいパターンで、
しかも周期性のない不規則な配列パターンであるので、
平面鏡１４がある一定の位置にきたときのみ、スリット
列２３の明暗像がスリット列３３と合致し、そのとき受
光器５３の出力レベルが極端に大きくなるが、それ以外
では、スリット列３３から光が通過してもその光量は非
常に少ない。第５図のｃは受光器５３の出力レベルの変
化を示し、この図からも明かなように、受光器５３の出
力レベルが、適宜に設定した基準レベルＳを越えたとき
に出力信号を発するようにすれば、平面鏡１４が所定の
基準位置にきたとき、この世力力信号が発生する。そし
て、説明を分光器に戻すと、受光器５３側から基準位置
信号が出力されたとき、そのときの回折格子６の位置に
よって決まる出力波長（予め調べて設定しておく）をカ
ウンタにプリセットし、このプリセットした値に、上述
のように回折格子６の変位方向および変位量に対応した
値を順次アップカウントあるいはダウンカウントするよ
うに構成すれば、回折格子６が基準位置を通過する毎に
カウントミス等が修正され、正確な波長読取りが行なえ
る。また、回折格子６の駆動機構について触れると、回
折格子を高速で回転振動させる機構として、回折格子を
トーションバ一等で支持し、電磁駆動機構と回折格子の
振動系を関連づけ、回折格子の振動系の固有振動数で励
振する方式が知られている。

この機構において、回折格子の振動状態を検出して電磁
駆動機構の駆動方向を切換える信号として、上記受光器
５１，５２の出力の位相差弁別によって得られる変位方
向検出信号を利用すれば、そのための別個の検出系を設
ける必要がなくなる。次に、本発明のその他の実施態様
について説明する。

上誌実施例では光学系の倍率を１として説明したが、こ
の倍率が１でない場合には、スリット板１６上における
スリット板１３のスリット列の明暗像が、スリット板１
６のスリット列のスリット幅、間隔と等しくなるように
、両スリット板のスリットの大きさ、間隔を適宜に異な
らせれば良い。すなわち、光学系の倍率に合わせて両ス
リット板のスリット列が適宜比率の相似なパターンとな
る。またト上記実施例では、スリット板１３のスリット
列２川ま、スリット板１６の２つの系統のスリット列３
１および３２に対応する大きなものとなっているが、こ
のスリット列２０をスリット列３１に対応する部分とス
リット列３２に対応する部分に分離しても良いのは勿論
であり、そして、実施例ではスリット板１６のスリット
列３１と３２側でのみ位相差を作り出すようにしている
が、これは上記のように分離するスＩＪット列２０によ
っても作り出すことができ、また両スリット板の総合で
作り出しても同じである。以上詳細に説明したように、
本発明の光電式位置検出装置によれば、対象物体に対し
ては、それに反射鏡を取付けるか、あるいは反射鏡面を
形成するだけで良く、前述した分光器の回折格子のよう
に微少であって、高速で運動する対象物体にもほとんど
問題なく本発明を適用することができる。

また、対象物体の大きさによってスリット板の大きさが
制限されることはなく、しかも光学てこの原理で対象物
体の変位が拡大される。さらに、受光器側において単一
のスリットから漏れる光を検出するのではなく、複数の
スリットから漏れる光を集光して検出するので、充分な
検出光星が得られる。これらは、対象物体の微少な変位
を高分解館で検出するのに有効に作用するのである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は分光器
の概略と本発明の装置の全体的な平面説明図、第２図は
本発明の装置をより詳細に示す斜視説明図、第３図およ
び第４図は同上装置におけるスリット板の詳細図、第５
図は同上装置の出力説明図である。 ６…対象物体（回折格子）、１２，１５，４１，４２，
４３…レンズ、１３…第１のスリット板、１４・・・反
射鏡、１６・・・第２のスリット板、５１，５２，５３
・・・受光器。 第１図 弊２図 図 ｈ 漆 繁ム図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転あるいは回転振動する対象物体に反射鏡を設け
   、光源から上記反射鏡に対する入射光路中に第１のスリ
   ツト板を介在させるとともに、上記反射鏡からの反射光
   路中に第２のスリツト板を介在させ、これら光路中に設
   けた適宜なレンズ系によつて第１のスリツト板の明暗像
   を第２のスリツト板上に結ばせるように構成し； 上記
   第１および第２のスリツト板にはそれぞれ互に対応する
   ３系統のスリツト列を設けるとともに、第２のスリツト
   板の出射側には３系統の各スリツト列にそれぞれ対応し
   て、各スリツト列から出射する光を集光して受光する３
   系統の受光器を設け； 上記２つのスリツト板の第１系
   統のスリツト列は互に相似なパターンで、複数のスリツ
   トを周期性のない不規則なパターンで配列したものであ
   り、上記対象物体がある一定位置にきたときのみ、第１
   のスリツト板の第１系統のスリツト列の明暗像が第２の
   スリツト板の第１系統のスリツト列に合致して、第１系
   統の受光器から出力信号が発せられるように構成し；
   上記第１のスリツト板の第２，３系統のスリツト列は多
   数の等しい幅のスリツトを等しいピツチで配列したもの
   であり、上記第２のスリツト板の第２，３系統のスリツ
   ト列は、第１のスリツト板の上記第２，３系統のスリツ
   ト列とは相似なパターンで複数本のスリツトを配列した
   ものであり、上記対象物体が変位することによつて、第
   １系統の受光器および第２系統の受光器から互に約９０
   度の位相差を伴うパルス列が出力されるよう構成し；
   上記第１系統の受光器の出力から上記対象物体の基準位
   置を検出するとともに、上記第２，３系統の受光器の出
   力から上記対象物体の変位方向および変位量を検出する
   ようにした光電式位置検出装置。