JP2551276B2 - 光学式位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、移動体の位置変化を
非接触で検出する際に、受光素子として光位置検知素子
を用いた光学式位置検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近時、高い耐久性，信頼性をもって、物
体の位置変化を検出するため、電気的接触を用いる可変
抵抗器を用いた位置検出装置に代わり、移動体より放射
あるいは移動体で反射，透過される光を抵抗層を備えた
光位置検知素子で受光し、この光位置検知素子での受光
位置により、非接触に前記移動体の位置変化を検出する
光学式位置検出装置が用いられている。

【０００３】このような光学式位置検出装置の例とし
て、特開昭６１−２７４２１７号公報，特開平２−２２
１８１１号公報に開示されている光学式位置検出装置が
知られている。このような従来の光学式位置検出装置に
ついて図面に基づき説明する。

【０００４】図９は上記特開昭６１−２７４２１７号公
報に示された従来の光学式位置検出装置の構成図であ
り、図１０は特開平２−２２１８１１号公報に示された
従来の別の光学式位置検出装置の検出部の構成図であ
り、以下にこの２つの従来例を例にとり説明する。

【０００５】まず、図９から説明する。図９の２は光
源、７は１次元光位置検知素子であり、この１次元光位
置検知素子７と光源２との間には、移動スリット板３０
が配置されている。移動スリット板３０は図中の矢印Ｙ
１方向に移動可能になっており、「Ｚ」字形に形成され
た移動スリット３１を有している。

【０００６】この移動スリット板３０上には、固定スリ
ット板３２が配置されている。この固定スリット板３２
は光源２の光軸を含み、１次元光位置検知素子７と平行
な固定スリット３３が形成されている。固定スリット３
３と移動スリット３１は互いに交差するように、配置さ
れている。

【０００７】１０は検出回路であり、１０１，１０２は
それぞれ電流電圧変換回路であり、それぞれ１次元光位
置検知素子７のリード７１，７２からの電流出力ｉ１，
ｉ２が入力され、この電流出力ｉ１，ｉ２をそれぞれ電
圧Ｖ１，Ｖ２に変換するものである。

【０００８】これらの電流電圧変換回路１０２，１０３
の出力電圧Ｖ１，Ｖ２は加算回路１０３に入力するとと
もに、減算回路１０４にも入力されるようになってい
る。加算回路１０３の出力は増幅回路１０５を経て割算
回路１０６に入力されるようになっている。

【０００９】また、割算回路１０６には、減算回路１０
４の出力も入力されるようになっており、減算回路１０
４の出力と加算回路１０５の出力との割算を割算回路１
０６で行うようになっている。なお、１０７は発光回路
であり、光源２を駆動するようになっている。

【００１０】次に、動作について説明する。発光回路１
０７により、光源２が駆動されて発光する。この光源２
の光は固定スリット板３２の方向に投射すると、１次元
光位置検知素子７には、投射光のうち、固定スリット板
３２の固定スリット３３と移動スリット板３０の移動ス
リット３１の交差領域を通過する光のみが到達する。

【００１１】したがって、移動スリット板３０が移動す
ると、移動スリット３１と固定スリット３３との交差領
域も移動し、１次元光位置検知素子７上での受光位置が
移動スリット板３０の位置により変化する。

【００１２】１次元光位置検知素子７は表面に抵抗層を
もち、抵抗層の両端に検出電極を配置したフォトダイオ
ードであり、検知素子上での光の受光位置Ｘは、この両
端電極に接続したリード７１，７２からの出力電流ｉ
１，ｉ２より、 Ｘ＝Ｌ×（ｉ１−ｉ２）／（ｉ１＋ｉ２） ……（１） で与えられる。この（１）式におけるＬは１次元光位置
検知素子７の受光長である。

【００１３】そこで、この電流ｉ１，ｉ２をそれぞれ電
流電圧変換回路１０１，１０２で電圧Ｖ１，Ｖ２に変換
し、加算回路１０３で（Ｖ１＋Ｖ２）を求めるととも
に、減算回路１０４で（Ｖ１−Ｖ２）を求め、増幅回路
１０５で所定のゲイン１／Ｇを加算結果（Ｖ１＋Ｖ２）
に掛けた後、割算回路１０６に出力する。この割算回路
１０６には、減算回路１０４からの減算結果（Ｖ１−Ｖ
２）も入力されており、したがって、割算回路１０６
は、 ＶＸ＝Ｇ×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｖ１＋Ｖ２） ……（２） の割算を行い、移動スリット板３０の位置に対応し、１
次元光位置検知素子７の受光位置Ｘに相当する位置出力
ＶＸを得る。

【００１４】次に、図１０について説明する。この図１
０は別の従来の光学式位置検出装置の検出部の構造図で
あり、図中の８は移動軸９と一体に形成され、その一部
に反射鏡１２を構成した移動部材である。

【００１５】この反射鏡１２と光源２との間には投射凸
レンズ３４が配置されており、この投射凸レンズ３４に
よる光源２の像面に偏向凸レンズ３５が置かれている。
この偏向凸レンズ３５の位置にあるみかけ上の光源２の
対物凸レンズ３６による像面に１次元光位置検知素子７
が置かれている。

【００１６】移動部材８は固定部材３７により摺動支持
されており、固定部材３７には、バネ３８が装着されて
おり、このバネ３８により移動部材８に反力を与えるよ
うになっている。

【００１７】次に、図１０の動作について説明する。光
源２の投射光は投射凸レンズ３４により移動部材８の反
射鏡１２に向かって投射され、反射鏡１２で９０°偏向
されて、偏向凸レンズ３５の主面位置に結像する。

【００１８】このとき、移動部材８が位置変化すると、
反射位置が移動部材８の移動方向に変化するため、偏向
凸レンズ３５の主平面でのレンズ光軸からの像位置は、
移動部材８の位置により異なる。偏向凸レンズ３５の主
平面での光源２の像は、さらに対物凸レンズ３６によ
り、１次元光位置検知素子７上に結像される。

【００１９】したがって、光源２の像の偏向凸レンズ３
５の主平面での像位置は１次元光位置検知素子７に拡大
投影され、１次元光位置検知素子７上での光源２の像位
置の変化は移動部材８の位置変化が拡大されたものとな
る。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光学式
位置検出装置においては、図９に示されるスリット光学
系や、図１０に示される結像光学系を用いていたため、
以下のような課題があった。

【００２１】すなわち、図９に示すスリット光学系にお
いては、光源２からの投射光のうち、固定スリット３３
と移動スリット３１の交差領域を通過する光のみが１次
元光位置検知素子７に入射するため、光源２の光束利用
率が極めて低いとともに、１次元光位置検知素子７での
照度が低く、電流信号ｉ１，ｉ２が非常に小で、１次元
光位置検知素子７の温度変化による暗電流成分が無視で
きず、１次元光位置検知素子７の位置検出のＳ／Ｎ比が
非常に悪く、逆に照度を上げようと光源２の放射強度を
上げると、光源２の寿命が短くなるといった課題があっ
た。

【００２２】一方、図１０の結像光学系においては、ス
リット光学系より光束利用率はよいものの、１次元光位
置検知素子７上での像が大きいため、１次元光位置検知
素子７の受光長を有効に利用できず、また、移動部材８
の移動距離が大きくなると、光源２の像面が偏向凸レン
ズ３５の主平面と一致しなくなり、１次元光位置検知素
子７上での像がぼける。

【００２３】加えて、対物凸レンズ３６に対する光入射
角度が大きくなって、対物凸レンズ３６の収差の影響が
無視できなくなり、１次元光位置検知素子７上での像形
状が歪んで、位置検出誤差が大きくなるという課題があ
った。

【００２４】また、移動距離が大きくなると、偏向凸レ
ンズ３５と１次元光位置検知素子７間の距離を長くとら
ざるを得ず、偏向凸レンズ３５も大径のレンズを使用せ
ざるを得なくなり、装置が大型化し、高価になるといっ
た課題もあり、大きな位置変位の測定には不向きであっ
た。

【００２５】この発明は上記のような課題を解消するた
めになされたもので、位置検出精度が向上し、大変位の
検出に対しても、小型で安価、かつ長寿命の光学式位置
検出装置を得ることを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光学式位
置検出装置は、固定部材に固定された光源と、この光源
からの投射光を平行光束に変換するコリメータ手段と、
この平行光束に対し移動軸が平行であるとともに固定部
材に対して摺動自在に支持され偏向コンデンサ手段を備
えた移動部材と、この移動部材と近接対向するととも
に、移動軸に平行に固定部材に配置された１次元光位置
検知素子とを設けたものである。

【００２７】

【作用】この発明においては、光源の投射光をコリメー
タ手段により平行光束に変換し、移動部材に備えた偏向
コンデンサ手段により平行光束を略直角方向に偏向させ
るとともに、１次元光位置検知素子上に集光させ、移動
部材の固定部材に対する位置を１次元光位置検知素子上
の光入射位置により検出する。

【００２８】

【実施例】以下、この発明の光学式位置検出装置の実施
例について図面に基づき説明する。図１はその一実施例
の構成を示す断面図であり、片軸型の変位センサに応用
した例を示すものであり、また、図２〜図６はその光学
系の一部の斜視図である。この図１〜図６において、図
９，図１０と同一または相当部分には、同一符号を付し
て述べることにする。

【００２９】この発明における１次元光位置検知素子上
の光入射位置により移動部材の固定部材に対する位置の
検出手段としての検出回路の構成は図９で示した従来例
と同等であるが、位置検出部の構造が従来の光学式位置
検出装置とは異なるものである。

【００３０】図１における１は固定部材としてのケース
である。また、２は光源である。この光源２として、Ｌ
ＥＤ（発光ダイオード）を用いた場合を示している。こ
の光源２は回路基板１０ｂに取り付けられている。この
回路基板１０ｂはケース１に固定されている。

【００３１】コリメータレンズ３の焦点位置が光源２上
に来るように、このコリメータレンズ３が配置されてい
る。このコリメータレンズ３はスリット部材４に支持固
定されている。スリット部材４は光源２との光軸を合わ
せるように、光源２の外周面に嵌合して固定されてい
る。このスリット部材４は光源２とともに回路基板１０
ｂに固定される。

【００３２】また、５は光源２からの投射光をコリメー
タレンズ３で変換された平行光束である。この平行光束
は偏向コンデンサ手段６で直角に偏向されるようになっ
ている。

【００３３】偏向コンデンサ手段６は図１では、直角プ
リズム部６１とその斜面を除く一面に片凸レンズ部６２
を一体に形成したプリズムレンズを用いた場合を示して
いる。この偏向コンデンサ手段６，コリメータレンズ３
はポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ），ポリカー
ボネイト（ＰＣ）などの光学プラスチックで成型された
プラスチック成型品を用いれば、安価にできる。

【００３４】一方、１次元光位置検知素子７は、後述す
る移動部材８の移動方向と平行で、かつ片凸レンズ６２
の焦点位置に受光面がくるように、回路基板１０ａに取
り付けられている。回路基板１０ａは回路基板１０ｂと
同じく、ケース１に固定されている。

【００３５】１次元光位置検知素子７としては、大きな
受光長さをもつ素子を安価に製作できるアモルファスシ
リコンからなる光位置検知素子がよく、この場合、光源
２としてのＬＥＤは受光感度，発光効率の点より緑色あ
るいは赤色の可視光ＬＥＤを用いるのがよい。

【００３６】また、８は移動軸９が接合されるととも
に、偏向コンデンサ手段６を支持固定する移動部材であ
る。移動軸９は摺動軸受１１に支承されており、摺動軸
受１１はケース１に固定されている。この移動軸９とと
もに、移動部材８はケース１内において、平行光束５の
光軸方向に摺動移動することができるようになってい
る。

【００３７】移動軸９の先端を被測定物体（図示せず）
に押し当てて、Ｐ点からＰ１点にその位置変位を計測す
る場合には、通常ケース１と移動部材８の間にバネを挾
んで、移動軸９に反力を与えておくことが一般的である
が、ここでは、特に図示していない。

【００３８】次に、動作について説明する。図１におい
て、光源２より放射された光はコリメータレンズ３、ス
リット部材４を透過して、所定径の平行光束５となっ
て、移動部材８の片面に固定された偏向コンデンサ手段
６に入射する。

【００３９】この偏向コンデンサ手段６への入射光はま
ず直角プリズム部６１の斜面で９０°偏向され、次に片
凸レンズ部６２により、１次元光位置検知素子７の受光
面上に集束する。したがって、１次元光位置検知素子７
の光入射位置は移動部材８の移動量に等しくなり、ＸＰ
からＸＰ１の位置に集光され、従来装置と同様に、その
電流出力ｉ１，ｉ２が回路基板１０ａ，１０ｂ上の検出
回路１０（図１では図示せず）に導かれ、光入射位置Ｘ
に相当する位置出力ＶＸが上記（２）式に示す数式で計
算され、出力される。

【００４０】この実施例においては、１次元光位置検知
素子７の集光径は片凸レンズ（コンデンサレンズ）部６
２とコリメータレンズ３の各焦点距離ｆcn，ｆclの比ｆ
cn／ｆclで与えられ、たとえば、ｆcn／ｆcl＝１であれ
ば、光源２の大きさがそのまま１次元光位置検知素子７
に投影されるため、光源２からの放射光のほとんどが１
次元光位置検知素子７上に導かれる。

【００４１】したがって、光束利用率が極めてよく、１
次元光位置検知素子７上での照度を光源２の駆動電流を
それほど大きくしなくても十分大きくとれるため、１次
元光位置検知素子７の暗電流などの誤差が無視でき、１
次元光位置検知素子７の位置検出のＳ／Ｎ比が向上し、
あわせて１次元光位置検知素子７の集光径が小さくでき
るため、受光長の端部まで有効に利用できることで、位
置検出精度が上げられるとともに、光源２の寿命も長く
できて、長期に亘り、精度のよい位置検出ができるとい
う利点がある。

【００４２】また、光学系が簡単で、コリメータレンズ
３や偏向コンデンサ手段６に短焦点のＮ型のものが使用
できるため、装置を小型で、かつ安価にできるという利
点がある。

【００４３】次に、図２〜図６に示す図１の実施例に用
いることができる光学系、すなわち、偏向コリメータ手
段６について説明する。まず、図２に示す偏向コンデン
サ手段６は直角プリズム部６１と片凸レンズ部６２を一
体化したプリズムレンズであるが、直角プリズム部６１
の斜面に反射鏡を形成すれば、斜面の背後に空間を設け
る必要がなくなる。

【００４４】次に、図３に示す偏向コンデンサ手段６に
ついて述べる。この図３では、図２の片凸レンズ部６２
の代わりに片凸円筒レンズ部６３を形成したもので、１
次元光位置検知素子７上には、素子の受光軸と軸が直交
し、長さが入射平行光束５の径に等しい短冊状スポット
が得られる。

【００４５】この図３の実施例では、１次元光位置検知
素子７の受光軸と移動部材８の移動軸の平行度が多少悪
くても、また、移動部材８に移動方向と直角方向のいわ
ゆるガタがあっても、スポットが１次元光位置検知素子
７の受光面を外れることがないという利点がある。

【００４６】次に、図４の偏向コンデンサ手段について
述べる。この図４では、入射光軸に対し、４５°傾けた
反射鏡１２と片凸レンズ１３を組み合わせたもので、反
射鏡１２で平行光束５を９０°偏向し、片凸レンズ１３
で１次元光位置検知素子７上に集光する。

【００４７】反射鏡１２を移動部材８の表面にメッキな
どで形成すれば、より光学系が安価にできる。また、片
凸レンズ１３の代わりに、片凸円筒レンズを用いてもよ
い。

【００４８】次に、図５の偏向コンデンサ手段について
述べる。この図５では、１次元光位置検知素子７上に焦
点をもつ放物面鏡１４を用いて、平行光束５を９０°偏
向するとともに、１次元光位置検知素子７上に集束させ
るようにしたものであり、放物面鏡１４を前述のごと
く、移動部材８の表面に形成すれば、さらに光学系を安
価にできる。

【００４９】図６の偏向コンデンサ手段の場合は、１次
元光位置検知素子７上に焦点をもつ片側放物面鏡１５を
用いたものであり、図３の場合と同様に短冊状のスポッ
トが得られる。

【００５０】次に、この発明の光学式位置検出装置の第
２の実施例について説明する。図７はこの第２の実施例
の構成を示す断面図である。この図７において、図１と
同一または相当部分には、同一符号を付して述べる。こ
の図７の実施例は両軸型の変位センサに応用した例を示
すものであり、平行光束５を移動部材８の移動軸からオ
フセットして配置しており、移動軸９を移動部材８を通
して固定し、左右どちらの側でも変位を検出できるよう
にしている。

【００５１】また、光源２からの放射光をスリット部材
４を透過させた後、ケース１に固定させた偏向コンデン
サ手段６の片凸レンズ部６２の側から入射して、これを
コリメータレンズとして、平行光束５とし、この光束を
直角プリズム部６１で移動軸と光軸が平行となるよう
に、９０°偏向させ、移動部材８に固定された偏向コン
デンサ手段６に入射させている。

【００５２】この実施例では、コリメータ手段とコンデ
ンサ手段に同じ光学部品を用いることができるという利
点があるとともに、光源２と１次元光位置検知素子７を
一つの回路基板１０ａ上に固定でき、回路基板が節約で
きるという利点がある。

【００５３】図８はこの発明の光学式位置検出装置の第
３の実施例の構成を示す断面図である。この図８の場合
は、自動車のショックアブソーバの変位の検出に応用し
た場合を示すものである。

【００５４】この図８において、１６はシリンダ内筒，
１７はシリンダ外筒で、いずれもシリンダ底部材１８で
両端を固定されて、シリンダ室を形成しており、１９は
切断面が直角プリズムとなるリング状プリズムの外周面
にレンズが一体的に形成されたリング状プリズムレンズ
であり、一方のシリンダ底部材１８の片端に固定されて
おり、２０は車体とシャーシ側に各々取り付けられる取
付けリングである。

【００５５】また、２１はピストン部であり、ピストン
軸２２が接続され、ピストン軸２２は保護筒２３に固定
され、シリンダの一方のシリンダ底部材１８に設けられ
た摺動軸受１１で摺動しつつ、シール２４でシールされ
て、シリンダ内筒１６内をピストン部２１が変位するこ
とにより、自動車の振動が吸収される。

【００５６】保護筒２３の上底部には、ピストン軸２１
と光軸が平行となるように、コリメータレンズが一体化
された平行光源２が回路基板１０ｂに取り付けられて固
定されており、保護筒２３の筒内面には、受光軸がシリ
ンダ移動方向と平行となるように、１次元光位置検知素
子７が回路基板１０ａに取り付けられて固定されてい
る。２５は回路基板１０ａ，１０ｂからのリード引出部
である。

【００５７】次に、この図８の第３の実施例の動作につ
いて説明する。光源２はスリット部材４を介して、光軸
方向に移動するシリンダ底部材１８に固定されたリング
状プリズムレンズ１９に細径の平行光束５を投射する。
リング状プリズムレンズ１９に入射した平行光束５はプ
リズムレンズ１９の斜辺面で９０°偏向された後、部分
的には円筒レンズとして作用するプリズムレンズのレン
ズ部により集束されて、近接する１次元光位置検知素子
７上に軸が受光軸と直交し、長さがほぼ平行光束５の径
に等しい短冊状スポットとして集光する。

【００５８】したがって、シリンダがピストンに対して
変位すると、１次元光位置検知素子７上の受光位置は、
その変位に対して１対１に変化し、１次元光位置検知素
子７の信号が回路基板１０ａ，１０ｂ上の検出回路１０
（図９の検出回路と同）で処理され、位置電圧出力ＶＸ
がリード引出部２５より外部に出力される。

【００５９】なお、上記各実施例では、各々非測定物体
に移動軸を当てて変位を計測する直線変位センサと自動
車のショックアブソーバの変位検出に応用した場合を示
したが、一般的な直線変位の検出に有効に利用できるこ
とは云うまでもない。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、光源
の放射光をコリメータ手段により平行光束に変換し、移
動部材に備えた偏向コンデンサ手段により略直角方向に
平行光束を偏向させるとともに、１次元光位置検知素子
上に集光させ、移動部材の固定部材に対する位置を１次
元光位置検知素子上の光入射位置により検出するように
したので、位置検出精度が高く、大変位の検出に対して
も、小型で安価にでき、かつ長寿命であるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による光学式位置検出装置
の構成を示す断面図である。

【図２】同上実施例に適用できる偏向コンデンサ手段の
第２の実施例の構成を示す斜視図である。

【図３】同上実施例に適用できる偏向コンデンサ手段の
第２の実施例の斜視図である。

【図４】同上実施例に適用できる偏向コンデンサ手段の
第３の実施例の斜視図である。

【図５】同上実施例に適用できる偏向コンデンサ手段の
第４の実施例の斜視図である。

【図６】同上実施例に適用できる偏向コンデンサ手段の
第５の実施例の斜視図である。

【図７】この発明の第２の実施例の光学式位置検出装置
の構成を示す断面図である。

【図８】この発明の第３の実施例の光学式位置検出装置
の構成を示す断面図である。

【図９】従来の光学式位置検出装置の構成図である。

【図１０】従来の別の光学式位置検出装置の検出部の構
成図である。

【符号の説明】

１ ケース ２ 光源 ３ コリメータレンズ ４ スリット部材 ５ 平行光束 ６ 偏向コンデンサ手段 ６１ 直角プリズム部 ６２ 片凸レンズ部 ６３ 片凸円筒レンズ部 ７ １次元光位置検知素子 ８ 移動部材 ９ 移動軸 １０ 検出回路 １１ 摺動軸受 １２ 反射鏡 １３ 片凸レンズ １４ 放物面鏡 １５ 片側放物面鏡 １９ リング状プリズム

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定部材に固定された光源と、この光源
   の放射光を平行光束に変換するコリメータ手段と、この
   平行光束に対し移動軸が平行であるとともに前記固定部
   材に対して摺動自在に支持された移動部材と、この移動
   部材と近接対向するとともに前記移動軸に平行に前記固
   定部材に配置された１次元光位置検知素子と、前記移動
   部材に前記平行光束を略直角方向に偏向させるとともに
   前記１次元光位置検知素子上に集光させる偏向コンデン
   サ手段と、前記移動部材の前記固定部材に対する位置を
   前記１次元光位置検知素子上の光入射位置により検出す
   る検出手段とを備えた光学式位置検出装置。