(57)【要約】【課題】安価に位置検出器の直線性を改善することが可能な位置検出器を提供する。【解決手段】所定の幅Ｗおよび幅Ｗよりも大きな所定の長さＬの投光窓１１を有し、一定幅の平行光束を投光窓１１から投光する投光手段と、所定の幅Ｗおよび所定の長さＬの受光窓２１を有し、平行光束を受光窓２１により受光する受光手段と、受光手段の受光量に比例した大きさの位置信号を出力する光量検出手段と、受光窓２１の長さ方向に水平移動可能に保持され、測定対象の位置に応じて受光窓２１に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する遮蔽手段とを備え、受光窓２１の内側に、受光窓２１の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるように、受光窓２１の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成された受光窓の幅を長さ方向の位置に応じて変化させるマスク部を設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の幅および該幅よりも大きな所定の長さの投光窓を有し、一定幅の平行光束を該投光窓から投光する投光手段と、
前記所定の幅および前記所定の長さの受光窓を有し、前記平行光束を該受光窓により受光する受光手段と、
前記受光手段の受光量に比例した大きさの位置信号を出力する光量検出手段と、
前記受光窓の長さ方向に水平移動可能に保持され、測定対象の位置に応じて前記受光窓に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する遮蔽手段とを備え、
前記受光窓の内側に、前記受光窓の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるように、前記受光窓の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成された前記受光窓の幅を長さ方向の位置に応じて変化させるマスク部が設けられている
ことを特徴とする位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、アクチュエータなどの位置を検出する位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、製造現場において用途に応じ様々な方式のリニアアクチュエータが用いられている。例えば、電子部品の組み立てや実装、ピック＆プレースなどの作業においては比較的応答速度の速いリニアアクチュエータなどが用いられている。その可動範囲は１ｃｍから１０ｃｍ程度で、作業に要求される位置精度や応答速度に適した位置検出装置を用いて位置のフィードバック制御を行うことで高速で精密な作業を実現している。
【０００３】
位置検出装置は、その方式からアナログ型、デジタルエンコーダ型に、また検出原理から光、磁気、渦電流、差動変圧器、ポテンショメータ型などに、構成から接触型、透過型、反射型などに、それぞれ分類できる。
【０００４】
光を用いたデジタル型の位置検出装置としてはレーザ変位計やデジタルスケールが挙げられる。光を用いたデジタル型の位置検出装置は、最小分解能が高く、スケールが変形しない限り、ドリフトがなくリニアリティが良く、またロングストロークの測定が可能など利点が多いため、測定器や要求される位置決め精度が高い装置などに多用されている。しかし、センサー自体が高価であり、周辺回路として複雑で高価な専用ＩＣが必要となるなどの問題がある。
【０００５】
またデジタルスケールとして、磁気を用いたものがあるが同様に高価であり、アクチュエータを大電流で駆動した場合に発生するノイズの影響を光方式に比べて受け易い。
一方、アナログ型の位置検出装置で光を使うものとしては透過型のフォトインタラプタ、反射型のフォトリフレクタ、磁気を使ったものとしてはホール素子や磁気抵抗素子（ＡＭＲ：Ａｎｉｔｏｒｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、渦電流や差動変圧器の原理を利用したものなどがある。
【０００６】
アナログ型の位置検出装置は、デジタル型に比べてアクチュエータを大電流で駆動した場合に発生するノイズの影響を受け易い。しかし、光を使う方式は比較的アクチュエータのコイルに電流を流すことにより発生する電流ノイズの影響を受け難い。
【０００７】
特に投光器と受光器からなるファイバーユニットと発光部および光量検出部を内蔵したアンプユニットを分離し、ファイバーユニットとアンプユニットを光ファイバーで接続した光ファイバー型の位置検出装置（以下、「ファイバー型光センサー」と呼ぶ）は、光センサーおよび増幅器をアクチュエータコイルから離れた場所に設置できるのでアクチュエータ駆動電流ノイズの影響を全く受けない利点がある。
【０００８】
ファイバー型光センサーのファイバーユニットには透過型と反射型があり、透過型の一例として、図１に示すように、内部に設置された光ファイバー出射端１４からの光をレンズ１３で平行光束にし、その光を小型のミラーを配列したミラーアレイ１２，２２を介してレンズ２３の方向に変え、レンズ２３により平行光束をファイバー入射端２４に集光する受光器２で構成されるものがある。
【０００９】
特にミラーアレイ１２，２２を用いた形式のファイバーユニットは、レンズ１３，２３とミラーアレイ１２，２２だけの簡単な構成で一定幅の平行光束を作ることができる。図２に示すように投光器１と受光器２を対向させ、平行光束の長手方向に遮蔽板３を移動させることにより、遮蔽板３の位置に比例して光量検出部の光量が変化する。このため、アンプユニットの出力も遮蔽板３を移動させることにより、位置に応じて光量検出部の光量が変化し、位置検出装置として利用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２５８１３９号公報
【特許文献２】特開平１−２６７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、投光器１で作り出された一定幅の平行光束の光強度分布は必ずしも一様にならないという問題があった。
特に投光器１で作り出す平行光束の幅を広げるためにはミラーアレイ１２の幅も広げる必要があり、必然的にレンズ１３の口径が大きくなるため更に周辺光量が低下する。
レンズ１３の周辺光量が低下した場合に投光器１で作り出した平行光束の光強度分布は平行光束の長手方向の中心で最大となり両端に近くなるほど低下する。
【００１２】
また、受光器２はミラーアレイ２２により投光器１で作り出した平行光束の向きをレンズ２３の方向に変え、レンズ２３により平行光束を光ファイバー入射端２４に集光するが、受光器２のレンズ周辺における周辺光量の低下の影響で光強度は更に低下する。
したがって、投光器１と受光器２を対向させ、平行光束の長手方向に遮蔽板３を移動させることにより光量検出部の受光量も変化するが、前述の通り、光強度分布が一様でないため、光量検出部の受光量は遮蔽板３の位置に比例しない。
よってアンプユニットの出力も遮蔽板３の位置に比例して変化しないため位置検出装置の直線性が低下し、正確な位置検出ができないという課題があった。
【００１３】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、安価に位置検出装置の直線性を改善して、正確な位置を検出することが可能な位置検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、この発明の位置検出装置は、所定の幅および幅よりも大きな所定の長さの投光窓を有し、一定幅の平行光束を投光窓から投光する投光手段と、所定の幅および所定の長さの受光窓を有し、平行光束を受光窓により受光する受光手段と、受光手段の受光量に比例した大きさの位置信号を出力する光量検出手段と、受光窓の長さ方向に水平移動可能に保持され、測定対象の位置に応じて受光窓に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する遮蔽手段とを備え、受光窓の内側に、受光窓の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるように、受光窓の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成された受光窓の幅を長さ方向の位置に応じて変化させるマスク部が設けられているものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、上記のように構成したので、単純な光学系で光強度のばらつきがあっても、受光窓の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるため、遮蔽板の位置と光センサーの出力は比例し、安価に位置検出装置の直線性を改善でき、正確な位置検出が可能となる。また、受光窓の幅を決定する際にも、複雑な計算を行うことなく、遮蔽板を受光窓の長さ方向に移動させたときの光量検出部の光センサー出力の変化により簡単に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る位置検出装置の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１に示す投光器と受光器の間に遮蔽板が配置された状態の概略構成を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る位置検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】レンズの周辺光量の低下について示す説明図である。
【図５】レンズの周辺光量の低下による光強度の低下について示す説明図である。
【図６】光量検出部の光センサー出力の直線性について示した説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る位置検出装置における光強度の補正について示した説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係る位置検出装置における光強度の補正による光センサー出力の直線性を示す説明図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る位置検出装置のマスク部を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る位置検出装置の概略構成を示す側面図である。また、図２は、図１に示す投光器１と受光器２の間に遮蔽板３が配置された状態を示す概略構成を示す説明図であり、図２（ａ）は図１と同じく側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の受光器２についての一部上面図である。また、図３は、この発明の実施の形態１に係る位置検出装置の全体構成を示すブロック図である。
この位置検出装置は、投光器１と受光器２からなるファイバーユニット４１と発光部５、光量検出部６を内蔵したアンプユニット４２、および投光器１から受光器２に投光される光を遮蔽する遮蔽板３を具備し、ファイバーユニット４１とアンプユニット４２は光ファイバー４で接続される。
【００１８】
投光器１と受光器２は同じ形状の投光窓１１と受光窓２１を有しており、その投光窓１１と受光窓２１の形状は、所定の幅Ｗおよび該幅Ｗよりも大きな所定の長さＬとで構成される矩形状である（図２（ｂ）参照）。そして、それら投光器１の投光窓１１と受光器２の受光窓２１は、光束方向からから見て一致するように対向して配置される。
投光器１は光ファイバー４で導波された光ファイバー出射端１４からの光をレンズ１３で平行光束にし、その平行光束の向きを小型のミラーを配列したミラーアレイ１２で受光器２の方向に変えて投光する。
【００１９】
また受光器２は、投光器１からの平行光束を受光し、その光の向きを小型のミラーを配列したミラーアレイ２２でレンズ２３の方向に反射し、レンズ２３により平行光束を光ファイバー入射端２４に集光する。
またアンプユニット４２はＬＥＤなどの光源の光を光ファイバー４で投光器１に導波する発光部５と、受光器２で光ファイバー４に集光されて導波された光を光センサーで受光し、光量に比例した値を出力する光量検出部６とからなる。
【００２０】
遮蔽板３は、平行光束に対し垂直で受光窓２１の幅方向がＷよりも大きな面を有し、かつ受光窓２１の長さ方向（ｘ方向）に水平移動可能に保持されている。遮蔽板３は、測定対象の位置に応じて水平移動し、受光窓に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する。遮蔽板３が受光窓２１の一端に達して平行光束を遮り始める点（ｘ＝０）から、遮蔽板３が受光窓２１の他の一端に達して平行光束を全て遮る点（ｘ＝Ｌ）までに、光量検出部６に達する光量は最大値（Ｐｍａｘ）から０まで変化する。
【００２１】
したがって、レンズ１３からミラーアレイ１２およびミラーアレイ２２を経由したレンズ２３までの光学的な経路において、これらの各素子の光強度分布が均一ならば、遮蔽板３の移動量に比例して受光器２の受光量が変化し、光量検出部６で検出される光量も直線性が良く、精度が良い位置検出装置として利用することができる。
【００２２】
しかしながら、投光器１で作り出された一定幅の平行光束は以下の要因によりその光強度分布は必ずしも一様にならない。
１．レンズの収差、周辺光量の低下
２．ミラーアレイの反射率むら
３．部品の組み立て精度
【００２３】
ここで、上記「２．ミラーアレイの反射率むら」については、熱による変形が少なく成型精度の高い樹脂にアルミを蒸着することにより、反射率を均一にすることが可能であり、改善できる。また、上記「３．部品の組み立て精度」についても組み立て精度を管理することで改善できる。
【００２４】
しかし、上記の「１．レンズ１３の収差、周辺光量の低下」については安価な単レンズで良好に補正することは難しい。図４は、レンズの収差、周辺光量の低下について示す説明図である。この図４に示すように、レンズ１３の端（周辺）部分ではレンズ１３の中央部分を透過した光に比べると、光量が低下してしまう。特に投光器１で作り出す平行光束の幅を広げるためにはミラーアレイ１２の幅を広げる必要があり、必然的にレンズ１３の口径が大きくなるため更に周辺光量が低下する。
【００２５】
図５は、レンズの周辺光量の低下による光強度の低下について示す説明図である。図５に示すように、レンズ１３の周辺光量が低下した場合に投光器１で作り出した平行光束の光強度は平行光束の長手方向（窓の長さ方向）の中心（ｘ＝Ｌ／２）で最大となり、両端（ｘ＝０，Ｌ）に近づくほど低下する。
また受光器２はミラーアレイ２２により投光器１で作り出した平行光束の向きをレンズ２３の方向に変え、レンズ２３により平行光束を光ファイバー入射端２４に集光するため、受光器２のレンズ２３の周辺光量の低下の影響で光強度は更に低下する。
【００２６】
よって、投光器１と受光器２を対向させ、平行光束の長手方向に遮蔽板３を移動させることにより光量検出部６の受光量も変化するが、前述の通り光強度分布が受光窓２１の長さ方向の位置ごとに一様でないため、図６に示すように光量検出部６の光センサー出力ｅ（ｘ）は遮蔽板３の位置に比例せず、また、光強度にむらがあるため出力も低下する。なお、図６に示された上側の一点鎖線は、受光窓２１の変位ｘ（ｘ＝０〜Ｌ）における光強度がすべてＰｍａｘである場合の光センサ出力を示しており、下側の一点鎖線は、リニアリティが劣化していることを示すための補助線である。
したがって、アンプユニット４２の出力も遮蔽板３の位置に比例して変化しないため位置検出装置の直線性が低下し、正確な位置検出ができない。
【００２７】
そこで本願発明における光強度分布のむらによる位置検出装置の直線性低下を改善する方法について以下に述べる。
図２に示す受光器２の受光窓２１の変位ｘを通過する光束の光ファイバー入射端２４における光強度をｐ（ｘ）とする。この光強度ｐ（ｘ）の変化は遮蔽板３が受光窓２１の変位ｘにあるときの光センサー出力ｅ（ｘ）を微分することにより求めることができ、変位ｘと光強度ｐ（ｘ）の関係を示したものが、図５である。
このようにして求めた光ファイバー入射端２４における光強度ｐ（ｘ）は、図５に示すように、変位ｘがＬ／２付近（窓の長さ方向の中央部分付近）で最大（最大値Ｐｍａｘ）となり、長さ方向の端付近（ｘ＝０，Ｌ）は最小（Ｐｍｉｎ）となる。そこで、変位ｘの位置にかかわらずに光強度を一定にするために、図７に示すように、長さ方向（ｘ＝０〜Ｌ）の全ての位置において光強度がＰｍｉｎとなるように補正する。
【００２８】
これにより、光強度ｐ（ｘ）を変位ｘで積分した光センサー出力ｅ（ｘ）は変位ｘに比例するようになるため、全体に出力値は少し下がるものの図８に示すように位置検出装置の直線性を改善できる。なお、図８に示された上側の一点鎖線は、受光窓２１の変位ｘ（ｘ＝０〜Ｌ）における光強度がすべてＰｍａｘである場合を示しており、下側の一点鎖線は、受光窓２１の変位ｘ（ｘ＝０〜Ｌ）における光強度をすべてＰｍｉｎとなるように補正したことにより光出力が若干低下しているもののリニアリティが改善されることを示している。
【００２９】
次に光ファイバー入射端２４における光強度ｐ（ｘ）を変位ｘによらず一定にする具体的な方法について以下に説明する。
受光窓２１の変位ｘにおける光束の光ファイバー入射端２４における光強度ｐ（ｘ）は受光窓２１の幅に比例する。そこで、図９に示すように受光窓２１の本来の幅をＷとして、受光窓２１の変位ｘにおける設定すべき窓幅ｗ（ｘ）を光強度ｐ（ｘ）の値を用いて、以下の式（１）により算出する。
ｗ（ｘ）＝Ｗ×Ｐｍｉｎ／ｐ（ｘ）          （１）
そして、変位ｘにおける窓幅が算出した設定すべき窓幅ｗ（ｘ）になるように、受光窓２１の内側にマスク部２５を設ける。
【００３０】
ここで、式（１）を用いて、光強度ｐ（ｘ）が最小値Ｐｍｉｎになる変位ｘ（ｘ＝０，Ｌ）における設定すべき窓幅ｗ（ｘ）を算出すると、Ｗとなるため、マスク部２５は設けなくてよい。
また同様に、光強度ｐ（ｘ）が最大のＰｍａｘとなる変位ｘ（ｘ＝Ｌ／２）における設定すべき窓幅ｗ（ｘ）はＷ×Ｐｍｉｎ／Ｐｍａｘとなる。
すなわち、マスク部２５は、図９に示すように、受光窓２１の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成され、受光窓２１の幅を長さ方向の位置に応じて変化させたものであり、受光窓２１の幅が、変位ｘ＝０，Ｌ付近でＷ、変位ｘ＝Ｌ／２付近でＷ×Ｐｍｉｎ／Ｐｍａｘとなり、その間の変位ｘにおいても（１）式を満たすように調整することにより、受光窓２１の長さ方向の位置によらず、光量検出部６で受光する光強度が一定になる。
【００３１】
そして、受光窓２１の幅Ｗを式（１）により算出した設定すべき窓幅ｗ（ｘ）になるようにマスク部２５を設けることにより、受光窓２１の変位ｘを通過する光束の光ファイバー入射端２４における光強度ｐ（ｘ）を、ｘの位置にかかわらず一定値のＰｍｉｎとすることができ、光強度ｐ（ｘ）を変位ｘで積分したアンプユニット４２の光センサー出力ｅ（ｘ）は変位ｘに比例して変化するため位置検出装置の直線性を改善することができる。
【００３２】
以上のように、実施の形態１によれば、所定の幅および幅よりも大きな所定の長さの投光窓１１を有し、一定幅の平行光束を投光窓１１から投光する投光手段１と、所定の幅および所定の長さの受光窓２１を有し、平行光束を受光窓２１により受光する受光手段２と、受光手段２の受光量に比例した大きさの位置信号を出力する光量検出手段６と、受光窓２１の長さ方向に水平移動可能に保持され、測定対象の位置に応じて受光窓２１に入る平行光束の一部または全てを遮蔽する遮蔽手段３とを備え、受光窓２１の内側に、受光窓２１の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるように、受光窓２１の長さ方向の中央部分付近が厚く、長さ方向の端付近が薄く形成された受光窓の幅を長さ方向の位置に応じて変化させるマスク部２５を設けたことにより、単純な光学系で光強度のばらつきがあっても、受光窓２１の長さ方向の位置によらず受光する光強度が一定になるため、遮蔽板３の位置と光センサーの出力は比例し、安価に位置検出装置の直線性を改善でき、正確な位置検出が可能となる。また、受光窓２１の幅を決定する際にも、複雑な計算を行うことなく遮蔽板３を長さ方向に移動させたときの光量検出部６の光センサー出力の変化により簡単に求めることができる。
【００３３】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  投光器
１１  投光窓
１２，２２  ミラーアレイ
１３，２３  レンズ
１４  光ファイバー出射端
２  受光器
２１  受光窓
２４  光ファイバー入射端
２５  マスク部
３  遮蔽板
４  光ファイバー
４１  ファイバーユニット
４２  アンプユニット
５  発光部
６  光量検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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