移動情報測定装置
【課題】移動体の曲面からの信号に関してデフォーカスによる信号振幅減少を低減し、移動情報の検出精度の低下を抑制する。
【解決手段】光源と、移動方向に曲面を備える移動体と、前記曲面からの集光された反射光または透過光を受講する受光素子と、を有する移動情報測定装置において、前記曲面が移動方向に複数種の曲率を備える。
【解決手段】光源と、移動方向に曲面を備える移動体と、前記曲面からの集光された反射光または透過光を受講する受光素子と、を有する移動情報測定装置において、前記曲面が移動方向に複数種の曲率を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体の移動情報として移動体の相対変位量や相対速度などを測定するための移動情報測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体の変位量を検出する方式として、移動体表面に光を照射し反射された光束を、光検出器にて受光し、移動体の移動に伴う反射光束の移動に基づき、移動体の位置を検出する方法がある。移動体表面の光照射領域内の反射率分布や、表面散乱により、光検出器上で反射光に強度分布が生じ、移動体の移動に伴い検出器面上の反射光の強度分布も移動するため、反射光強度分布の移動を光検出器にて検出する事で移動体の移動量を検出する。位置検出精度をより高める為に、移動体表面に凹面を形成し移動体表面の凹面の結像作用を利用して位置の検出精度を高める方法が、特許文献１に記載されている。
【０００３】
以下、図１３を用いて特許文献１に記載の位置検出装置について説明する。図１３は、特許文献１に記載の位置検出装置の構成について説明した図である。紙面垂直方向に移動する移動体１２０４の表面には、反射防止用塗装膜１２０５を塗布し、さらに集光機能を有する部材である凹面形状部１２０６には反射面用塗装膜を塗布してある。集光機能を有する凹面形状部８０６は移動体１２０４の基準位置に設けられ、測定装置１２０１は特定の位置に固定しておく。
【０００４】
移動体１２０４の表面上の凹面形状部１２０６が、この凹面形状部１２０６と対向する位置検出装置１２０１に対してある特定の位置まで移動すると、発光部１２０２からの光が、凹面形状部１２０６の表面で反射される。凹面形状部１２０６を除く移動体１２０４の面では、反射防止用塗装膜１２０５により、光は反射されない。
【０００５】
こうして、凹面形状部１２０６にて反射した光を集光し、受光部１２０３に導き、測定装置１２０１の内部での光電変換により、受光量に対応した電圧の変化を検出し、これを信号として受け取る回路により、移動体１２０４の位置を検出する。以上のように、移動体１２０４の表面に集光機能を有した凹面形状部１２０６を備えることで、反射光の拡散を少なくし、移動体１２０４の位置を精度よく検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２４９００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された位置検出装置では、以下のような問題がある。即ち、測定装置１２０１と移動体１２０４のｚ軸方向に対する位置関係は、移動体１２０４表面の凹面形状部１２０６によって、発光部１２０２から照射された光束が、受光部１２０３の表面にて焦点を結ぶように設定されている。そのため、移動体１２０４の移動に伴うｚ軸方向の変動や、測定装置１２０１の配置時に、移動体１２０４に対して、ｚ軸方向に配置位置ズレを起こすと、受光部１２０３上の光束がデフォーカス状態となる。
【０００８】
これにより、検出信号振幅が低下し、結果として位置の検出精度が低下してしまうという問題があった。このような問題に鑑みて、本発明の目的は、移動体の曲面からの信号に関し、デフォーカスによる信号振幅の減少を低減し、移動情報の検出精度の低下を抑制することが可能な移動情報測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、光源と、前記光源で照射され移動方向に曲面を備える移動体と、前記曲面からの集光された反射光または透過光を受光する受光素子と、を有する移動情報測定装置において、前記曲面が移動方向に複数種の曲率を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、移動体の曲面からの信号に関し、デフォーカスによる信号振幅の減少を低減し、移動情報の検出精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態である変位測定装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は第１の実施形態における移動体表面に形成した凹面の形状を示す図、（ｂ）はＺ軸方向の距離変動についての説明図である。
【図３】第１の実施形態における移動体表面の曲率の大小関係について示す図で、（ａ）は中心部の曲率よりも外縁部の曲率が小さい場合、（ｂ）は中心部の曲率よりも外縁部の曲率が大きい場合である。
【図４】（ａ）は第１の実施形態における光学パターン像の通過する様子を示した図、（ｂ）は各フォトダイオードの和信号を示す図、（ｃ）は差動出力を示す図である。
【図５】第１の実施形態におけるＺ軸方向の距離変動に対する検出電圧値を示した図である。
【図６】第２の実施形態における変位測定装置の構成を示す図である。
【図７】第３の実施形態における変位測定装置の構成を示す図である。
【図８】第４の実施形態における速度測定装置の構成を示す図である。
【図９】（ａ）は第４の実施形態におけるフォトダイオードアレイグループで先行して得られる信号を示す図、（ｂ）はそのときの移動体の位置を示す図、（ｃ）はフォトダイオードアレイグループで遅れて得られる信号を示す図、（ｄ）はそのときの移動体の位置を示す図である。
【図１０】第４の実施形態におけるデータに時間遅延を与えるプロセスのブロック図である。
【図１１】第５の実施形態における変位及び速度測定装置の構成を示す図である。
【図１２】反射型の曲面に替えて透過型の曲面を用いた装置構成を示す概念図である。
【図１３】従来例の速度測定装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
《第１の実施形態》
図１を用いて、本実施形態の変位測定装置の構成について説明する。移動体１０２は移動方向であるＹ軸方向に移動しており、波長λの光を出射する光源１０１からの発散光束となる照射光により照射される。移動体１０２には、表面上に移動方向断面の長さがＣである、凹面１０３が形成されている。発散光束は凹面１０３によって反射集光され、凹面１０３からの反射光を受光する受光素子としてのフォトダイオードアレイ上にて光学パターン像１０６となり結像される。
【００１４】
フォトダイオードアレイは、移動体１０２の移動方向に対して幅Ｐｄ／２、間隔がＰｄで配置されたフォトダイオードアレイ１０４及び、同様の構成で空間的に移動体の移動方向に対してＰｄ／２ずらして配置されたフォトダイオードアレイ１０５を備える。以上、本実施形態の変位測定装置の全体構成について説明した。
【００１５】
（移動体の曲面部）
次に、本発明の特徴である移動体１０２の表面に移動方向に沿って形成される曲面部として、凹面１０３を例に詳しく説明する。図１に示すように凹面１０３は移動方向にのみ曲面となっており、移動方向に直交する方向には曲面となっていないものとして説明するが、移動方向に直交する方向にも曲面を備える構成としても良い。ここで、曲面部である凹面１０３の曲率の大小は曲率半径の大小と逆の関係にあり（曲率半径をＲとすると曲率は１／Ｒ）、曲率が大きい場合は曲率半径が小さい場合に相当する。
【００１６】
図２（ａ）は移動体１０２の表面に形成される凹面の曲率について説明した図である。凹面１０３は、中心部２０１曲率と外縁部２０２の曲率が異なる形状であり、移動体１０２と、光源１０１及びフォトダイオードアレイが実装された検出器との、ｚ軸方向に対する相対的な距離変動変動と関連付けて決められている。また、凹面１０３の中心部２０１及び外縁部２０２の中間部２０３の形状は、中心部２０１形状および外縁部２０２形状が連続的に接続されるように形成されている。
【００１７】
図２（ｂ）は、移動体１０２と検出器との、ｚ軸方向に対する相対的な距離変動について説明した図である。移動体１０２が、ｚ軸方向にΔＺの変動量をもつとき、あるいは、移動体表面と変位検出装置のＺ軸方向の取り付け公差が、中心値に対して±ΔＺ／２であるような場合を考える。この場合、凹面の中心部２０１の曲率半径Ｒ１と、外縁部２０２の曲率半径Ｒ２との関係は、以下の条件式で示されることとなる。
｜Ｒ１−Ｒ２｜≧ΔＺ 式―１
また凹面１０３の移動方向断面の寸法Ｃは、中心部２０１の曲率半径Ｒ１、外縁部２０２の曲率半径Ｒ２、から以下の条件式を満たすよう決定される。
【００１８】
Ｃ≦（Ｒ１＋Ｒ２）×√（λ／｜Ｒ１−Ｒ２｜） 式―２
ここで、式―２の導出に関し、反射型を透過型に置き換えて、図１２を用いて説明する。本発明においては、移動体の曲面部からの反射光を用いる他、移動体の曲面部からの透過光を用いるものであっても良い。
【００１９】
光源１０１の中心波長をλ、凹面１０３に相当するレンズの焦点深度をｄ、開口数をＮＡとすると、一般に以下の式が成立する。即ち、ｄ＝λ／ＮＡ／ＮＡ、ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθである。ここでnに関しては空気の屈折率としてｎ＝１である。焦点深度dに関しては｜Ｒ１−Ｒ２｜と等しいものとし、またＮＡに関しては移動方向断面の寸法をＣ０としてＮＡ＝Ｃ０／２／［（Ｒ１＋Ｒ２）／２］として考えると、Ｃ０＝（Ｒ１＋Ｒ２）×√（λ／｜Ｒ１−Ｒ２｜）となる。
【００２０】
ここで、曲率半径がＲ１の中央領域に対し、曲率半径がＲ２の周辺領域を更に大きくすることは好ましくないことから、移動方向断面の寸法ＣはＣ０以下が好ましく、式―２が導出される。
【００２１】
本実施形態によれば、検出器を移動体からの距離がＲ１からＲ２の間に配する事で、移動体と検出器との相対的な距離が最大｜Ｒ１−Ｒ２｜変動しても、デフォーカスによる信号振幅の減少を低減し、位置検出精度の低下を抑制することが可能となる。
【００２２】
ここで、曲面部における中心部２０１（曲率半径Ｒ１）と外縁部（曲率半径Ｒ２）との間の中間部は、連続的に曲率が変化するように設定されることが一般的に好ましいが、中間部において不連続な曲率を持たせても良い。
【００２３】
（移動体の曲面における複数種の曲率）
次に、図３を用いて、凹面１０３の中心部２０１の曲率半径Ｒ１と外縁部２０２の曲率半径Ｒ２の大小関係について説明する。図３（ａ）は、中心部２０１の曲率半径Ｒ１よりも外縁部２０２の曲率半径Ｒ２の方が小さい場合の、凹面１０３によって反射集光される光束の光路を示した図である。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が小さくなる場合は、外縁部２０２から反射された光束が結像する。一方、移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が大きくなる場合には、中心部２０１から反射された光束が結像する。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が上記範囲の中間の距離の場合、中間部から反射した光束が結像する。
【００２４】
図３（ｂ）は、中心部２０１の曲率半径Ｒ１よりも外縁部２０２の曲率半径Ｒ２の方が大きい場合の、凹面１０３によって反射集光される光束の光路を示した図である。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が小さくなる場合は、中心部２０１から反射された光束が結像する。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が大きくなる場合には、外縁部２０２から反射された光束が結像する。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が上記範囲の中間の距離の場合、中間部から反射した光束が結像する。
【００２５】
このように、凹面１０３は、移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離に対応した、結像に寄与する領域を持つ。
【００２６】
以下、移動体と変位検出器に関し、具体的な数値を例にとり、凹面形状の長さＣに関して説明を加える。一般的にエンコーダのような位置検出用途では、移動体であるスケールに対し、検出器のｚ軸方向の取り付け精度が、中心値に対してΔＺ＝±１ｍｍ程度を要求される。このとき｜Ｒ１−Ｒ２｜≧２ｍｍとなり、仮に｜Ｒ１―Ｒ２｜＝２ｍｍとする。検出器の設置位置が、移動体１０２からｚ軸方向に２ｍｍの位置であったとすると、式―２から凹面１０３の移動方向断面の寸法はＣ≦９０μｍとなる。検出器のフォトダイオードアレイで検出される受光量は、Ｃの大きさに依存するので、Ｃ＝９０μｍが好ましい。
【００２７】
定量的に具体例を示すと、光源として赤色ＬＥＤを用いる場合はλが６５０ｎｍであり、｜Ｒ１−Ｒ２｜を２ｍｍとすると、Ｒ１が３．５ｍｍ、Ｒ２が１．５ｍｍでＣが９０μｍとなる。Ｒ１が１．５ｍｍ、Ｒ２が３．５ｍｍの場合も同様である。
【００２８】
また、移動体が樹脂フィルムのような柔軟体である場合、樹脂フィルムの移動方向の変位に伴う該樹脂フィルムのｚ軸方向の振れにより、移動体である樹脂フィルムに対し、検出器のｚ軸方向の取り付け精度が、中心値に対してΔＺ＝±２ｍｍ程度を要求される。このとき、検出器の設置位置が移動体１０２からｚ軸方向に５ｍｍの位置であったとすると、式―２から凹面１０３の移動方向断面の寸法はＣ≦１５０μｍとなる。受光量は、Ｃの大きさに依存するので、Ｃ＝１５０μｍが好ましい。ここで挙げた樹脂フィルムには、例えば複写機やレーザービームプリンタに使用されるような転写ベルト等が挙げられるが、それに限るものではない。
【００２９】
移動体が樹脂フィルムのような柔軟体である場合、光源として赤色ＬＥＤを用いる場合λが６５０ｎｍであり、｜Ｒ１−Ｒ２｜を４ｍｍとすると、Ｒ１が８ｍｍ、Ｒ２が４ｍｍでＣが１５０μｍとなる。Ｒ１が４ｍｍ、Ｒ２が８ｍｍの場合も同様である。
以上、移動体１０２表面に形成する凹面１０３形状について具体的数値例を示し説明した。
【００３０】
（フォトダイオードアレイ上の光学パターン像の変位）
次に図１を用いて光学パターン像１０６の変位原理に関して説明する。検出器面に実装された光源発光部１０１から移動体１０２表面上の凹面１０３までの光路長をＬ１、該凹面１０３からフォトダイオードアレイ上の集光位置までの光路長をＬ２とする。このとき、移動体１０２と受光面上で結像した光束の移動量の関係は、移動体：受光部上結像光束＝１：（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で表される。図１に示す例では、光源１０１上の発光点から移動体１０２表面までの光路長Ｌ１と、移動体１０２からフォトダイオードアレイ上の結像位置までの光路長Ｌ２とが等しい。
【００３１】
その為、移動体１０２と結像位置のｙ軸方向に対する移動量の関係は、移動体：光源発光領域像＝１：２となる。上記の原理に基づいて、移動体１０２の移動に伴い、フォトダイオードアレイ表面に結像されたパターン像１０６は移動する。以上、移動体１０２の変位量とフォトダイオードアレイ表面に結像された光学パターン像１０６の変位量との関係について説明した。
【００３２】
（変位量検出方法）
以下、移動体変位量検出方法について詳しく説明する。はじめにフォトダイオードアレイの構成及び信号検出方法について説明する。移動体１０２の凹面１０３によってフォトダイオードアレイ上に光学パターン像１０６が結像される。光学パターン像１０６は、フォトダイオードアレイにより光電変換され、１次元の光強度が電圧値に変換される。そして、フォトダイオードアレイ１０４を成す複数のフォトダイオードの検出電圧値の和を取ることで空間フィルタ作用と合せて、フォトダイオードアレイ１０４の検出電圧値Ｖ１が決定される。
【００３３】
同様にフォトダイオードアレイ１０５を成す複数のフォトダイオードの検出電圧値の和を取ることで空間フィルタ作用と合せて、フォトダイオードアレイ１０５の検出電圧値Ｖ２が決定される。そして両フォトダイオードアレイ出力の差動により、（Ｖ１−Ｖ２）から、ある時刻における電圧値を変位測定装置は出力する。
【００３４】
次に、移動体１０２の移動に伴うフォトダイオードアレイ上の光学パターン像１０６の移動から、移動体１０２の変位量を検出する方法について説明する。図４は、移動体１０２の移動に伴うフォトダイオードアレイ上の光学パターン像１０６の移動と、フォトダイオードアレイにより検出される、検出電圧値の時間変化を示している。図４（ａ）は、フォトダイオードアレイ１０４およびフォトダイオードアレイ１０５上を光学パターン像１０６が通過していく様子を説明する図である。
【００３５】
光学パターン像１０６は、Ｐｄ周期で互い違いに配列されたフォトダイオードアレイ１０４及びフォトダイオードアレイ１０５を通過する。図４（ｂ）は、光学パターン像１０６の移動に伴い、フォトダイオードアレイにて検出される電圧値Ｖ１および電圧値Ｖ２について説明する図である。実線は、光学パターン像１０６の移動に伴うフォトダイオードアレイ１０４で検出される電圧値の変化を表している。フォトダイオードアレイ１０４は、間にフォトダイオードアレイ１０５を挟んでいる為、図４（ｂ）に示すように、飛び飛びの出力電圧値Ｖ１を得る。
【００３６】
破線は、光源パターン像１０６の移動に伴うフォトダイオードアレイ１０５で検出される電圧値の変化を表している。同様にフォトダイオードが互い違いに配列されている為、Ｖ２も飛び飛びの出力電圧値を得る。図４（ｃ）は、光学パターン像の移動に伴う、フォトダイオード１０４及びフォトダイオード１０５の差動出力（Ｖ１−Ｖ２）を取った検出電圧値を示した図である。Ｖ１・Ｖ２は、図４（ｂ）のように位相が１８０度ズレた凸型波形の為、差動をとることで図４（ｃ）のように１周期の信号波形を得ることができる。
【００３７】
したがって、移動体１０２の移動に伴い、検出器で検出される出力電圧変化の周期の数をカウントすることで、フォトダイオードアレイ上の光学パターン像１０６の移動量を検出できる。これより、前述した移動体１０２と、検出された光学パターン像１０６の移動量に基づき、移動体の変位量を検出することができる。以上、移動体１０２の凹面１０３により結像された光源発光領域像を利用した変位測定装置の説明をした。
【００３８】
図５で、移動体１０２に本発明の凹面１０３を用いた場合での移動体表面と変位検出装置のＺ軸方向の距離（Ｇａｐ）変動に対する検出電圧値を実線で示す。また、理想的な曲率を持つ凹面を用いた場合での移動体表面と変位検出装置のＺ軸方向の距離変動に対する検出電圧値を破線で示している。Ｇａｐが、理想的な曲率を持つ凹面の曲率に近づくにつれ信号振幅は近くなる。
【００３９】
しかし、その領域を除いた広い範囲で理想的な曲率を持つ凹面に比べて信号振幅をおよそ５割増加することができる。こうして、Ｇａｐオフセット／変動等を起因とするデフォーカスによる信号振幅減少を抑制し、Ｇａｐ変動による位置検出精度を改善することが可能となる。
【００４０】
以上、本実施形態によれば、移動体１０２と検出器とのｚ軸方向の相対的な距離変動ΔＺの範囲において、凹面１０３が、検出器との相対距離に対応した、光束を結像させる領域をもつことができる。言い換えると、凹面１０３がΔＺの間隔にかけて累進焦点あるいは多重焦点をもつ曲面となるので、変動による受光面上の光束のデフォーカスによる信号振幅低下を防ぎ検出精度の低下を抑制する。
【００４１】
本実施形態によれば、移動方向に沿って形成される曲面部を移動方向に一つだけ備えることで、移動方向における位置の絶対値を検出するためにこの曲面部を用いることができる。
【００４２】
《第２の実施形態》
本実施形態の変位測定装置について、図６を用いて説明する。本実施形態では第１の実施形態で説明した変位測定装置における、移動体１０２表面に凹面１０３を周期的に複数個設けたものである。凹面１０３の周期Ｐｌは、複数個の受光領域を持つ検出器において、移動体の移動方向に対して隣り合った受光領域の中心間距離即ちフォトダイオードアレイの周期Ｐｄと対応しており、以下の条件式を見たす。
【００４３】
Ｐｌ＝［Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）］×Ｐｄ×ｋ 式―３
ｋは正の整数である。これは複数の凹面によって結像される光学パターン像１０６が、加算検出するフォトダイオードの配列周期Ｐｄの整数倍で結像されることを意味する。Ｌ１＝Ｌ２でｋ＝１の場合、Ｐ１＝Ｐｄ／２となる。凹面１０３の周期Ｐｌは、
図１２に示したＣと等しいあるいはＣよりやや大きい値となり、例えばＰｌ＝１００μｍとする。
【００４４】
本実施形態によれば、光学パターン像１０６を複数のフォトダイオードで検出し、その加算電圧値であるフォトダイオードアレイの出力電圧値が増加することで、信号振幅を増加させることができる。図６では光学パターン像１０６の間隔Ｐｅがフォトダイオードアレイの配列周期Ｐｄの２倍の間隔（Ｐｅ＝２×Ｐｄ）となるように、光学パターン像１０６が結像される。変位測定の原理については、第１の実施形態で説明している為、省略する。
【００４５】
《第３の実施形態》
本実施形態である変位測定装置について、図７を用いて説明する。本実施形態は、第２の実施形態で説明した変位測定装置における光源の発光部を複数にし、その光学パターン像１０６の配列周期Ｐｅが、フォトダイオードアレイの配列周期Ｐｄと結像倍率を関連付けた以下の値となるように配置したものである。
【００４６】
Ｐｅ＝Ｌ１／［Ｌ２／（ｍ×Ｐｄ）］ 式―４
ｍは正の整数で、加算検出する同相のフォトダイオードアレイを成すフォトダイオードの数よりも小さく、図７では、ｍ≦３となる。ここではｍ＝１、Ｌ１＝Ｌ２であり、移動体１０２表面の凹面１０３により、光学パターン像１０６の間隔Ｐｅが、フォトダイオードアレイ周期Ｐｄと等しい間隔（Ｐｅ＝Ｐｄ）で、フォトダイオードアレイ上に結像する。こうして、加算検出する複数のフォトダイオード上に、それぞれの光源による光学パターン像１０６が生成される。
【００４７】
そのため、該複数のフォトダイオードで検出された加算電圧値であるフォトダイオードアレイの出力電圧値が増加し、信号振幅を増加させることができる。変位測定の原理については、第１の実施形態にて説明している為、省略する。
【００４８】
《第４の実施形態》
第１乃至第３の実施形態で説明した変位測定装置を用い、移動体の速度を測定する本実施形態における測定装置について、図８を用いて説明する。本実施形態における速度測定装置は、複数の発光部８０１、及び、フォトダイオードアレイグループ８０２及びフォトダイオードアレイグループ８０３を持つ。フォトダイオードアレイグループ８０２は、フォトダイオードアレイ８０４及び、差動検出用のフォトダイオードアレイ８０５から成る。
【００４９】
フォトダイオードアレイグループ８０３は、フォトダイオードアレイ８０６及び、差動検出用のフォトダイオードアレイ８０７から成る。各フォトダイオードアレイグループは、間隔Ｄだけ離されて配置されている。各フォトダイオードアレイグループ上に生成された周期的な光学パターン像１０６は、フォトダイオードアレイにより光電変換され、１次元の光強度が電圧値に変換される。
【００５０】
そして、フォトダイオードアレイ８０４を成す複数のフォトダイオード検出電圧値の和としてフォトダイオードアレイ８０４の検出電圧値Ｖ１が決定される。同様にフォトダイオードアレイ８０５を成す複数のフォトダイオード検出電圧値の和としてフォトダイオードアレイ８０５の検出電圧値Ｖ２が決定される。そして（Ｖ１−Ｖ２）を、ある時刻における電圧値をとしてフォトダイオードアレイグループ８０２は出力する。フォトダイオードアレイグループ８０３においても同様にある時刻における電圧値が出力される。
【００５１】
（移動速度検出）
次に移動情報として移動速度を検出する検出方法について説明する。移動体１０２がＹ軸方向に移動しているとする。このときフォトダイオードアレイグループ８０２によって先行して光学パターン像１０６の移動による変位信号が検出される。続いて、これと同位置における光学パターン像１０６の移動による変位信号が、フォトダイオードアレイグループ間隔Ｄと、移動体の速度に依存した時間だけ遅延して、フォトダイオードアレイグループ８０３により検出される。
【００５２】
図９を用いて速度の検出方法について具体的に説明する。図９（ａ）はフォトダイオードアレイグループ６０２により先行して検出された、ある時刻間の移動体の移動に伴う検出出力の変動データＰ１である。また、図９（ｂ）はＰ１データ取得時刻間中の時刻ｔ１における移動体の位置を示す図である。図９（ｃ）は、フォトダイオードアレイグループ６０２に対し、遅れてフォトダイオードアレイグループ６０３により検出された、ある時刻間の移動体の移動に伴う検出出力の変動データＰ２である。
【００５３】
また、図９（ｄ）はＰ２データ取得時刻間中の時刻ｔ２における移動体の位置を示す図である。時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、移動体１０２は、距離Ｄ／｛（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１｝だけ移動する。図１０はデータに所定時間遅延を与えるプロセスのブロック図である。検出出力変動データＰ１及び検出出力変動データＰ２は比較器７０１にて、時刻に対する電圧値同士が比較される。
【００５４】
ここで、最適なデータの時間遅延量Ｔ＝ｔ２−ｔ１が検出出力変動データＰ１に与えられている場合、比較器７０１による比較の結果、各フォトダイオードアレイグループの時刻に対する強度変動データが一致する。一致しない場合、速度検知回路は時間遅延回路に対して時間遅延量に対する補正値が与えられる。そして、補正された時間遅延量が与えられた検出出力変動データＰ１を用いて、再び比較器７０１にて比較を行う。
【００５５】
上記ループにより、速度検知回路は測定時刻差Ｔを決定する。そして、フォトダイオードアレイグループ間隔Ｄから、以下の関係式−７を用いて移動体１０２の速度Ｖを求めることができる。
Ｖ＝ Ｄ／Ｔ／｛（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１｝ 式−７
例えば、移動体１０２表面に形成された凹面１０３の形状にムラがあり、検出される信号振幅が１周期ごとに異なってしまうような場合でも、本速度検出方式であれば速度の検出を行うことができる。本実施形態では、第３の実施形態における変位測定装置を基本系として、速度測定装置を構成した例を説明したが、これに限らず、第１、第２の実施形態の変位測定装置からなる速度測定装置を構成しても良い。
【００５６】
また、フォトダイオードアレイ構成に関しても、第１乃至第３の実施形態で説明したように、差動検出型のフォトダイオードアレイ構成に限定されるものではない。さらに、図９に示すように、フォトダイオードアレイグループを同一基板上に配置せず、第１乃至第３の実施形態において説明した変位測定装置を、所定間隔Ｄだけ離して２つ配置しても良い。ただし、この場合の速度算出式は、変位測定装置のフォトダイオードグループの中心間隔Ｄにおける通過時間Ｔから、Ｖ＝Ｄ／Ｔにより求められる。
【００５７】
なお、本実施形態において上述した所定距離間隔を通過する移動体の通過時間を基に相対速度を検出する替わりに、所定時間における移動体の変位量を基に相対速度を検出することもできる。
【００５８】
《第５の実施形態》
本実施形態である変位測定装置について、図１１を用いて説明する。図１１は第２の実施形態で説明した変位測定装置について、式―２から与えられるＣの値を径とし、内周部の曲率半径をＲ１、外周部の曲率半径をＲ２とした凹面１１０４を、移動体１０２の表面に周期的に形成したものである。検出器は、Ｙ軸方向の変位量を検出する為のフォトダイオードアレイ１０４及びフォトダイオードアレイ１０５に加え、Ｘ軸方向の変位量を検出する為のフォトダイオードアレイ１１０２及びフォトダイオードアレイ１１０３を持つ。
【００５９】
凹面１１０４の配列周期は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに式―３で与えられる周期である。これにより得られる光学パターン像１１０１は、凹面の配列周期の （Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１ 倍の配列周期で、Ｘ軸及びＹ軸方向に斑点模様のように生成される。これにより、移動体１１０５がＹ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向へ変位したとしても、フォトダイオードアレイ１１０２及びフォトダイオードアレイ１１０３を用い、第１の実施形態で説明した方法と同じ原理で変位を検出することができる。
【００６０】
また、Ｘ軸及びＹ軸方向それぞれの変位量の比から、Ｘ−Ｙ平面内での移動体１１０５の移動方向ベクトルを求める事もできる。速度についても同様に第４の実施形態で説明した方法と同じ原理でＹ軸方向に加えてＸ軸方向の速度も検出する事ができる。さらに、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の検出速度比から、Ｘ−Ｙ平面内での速度方向ベクトルを検出することができる。
【００６１】
（変形例）
以上、移動体の曲面部に関して中心部と周辺部で曲率を異ならせた実施形態を説明したが、本発明はこれに限らず、曲面部において全体として異なる任意の第１領域と第２領域（部分的に重複領域があっても良い）で曲率を異ならせるようにしても良い。
【００６２】
また、移動情報測定として移動量、移動速度を測定する実施形態を説明したが、移動情報として移動加速度を測定する測定装置であっても良い。移動加速度は、例えば
所定時間における移動体の移動速度の変位量を基に算出が可能である。このように本発明において測定される移動体の移動情報としては、移動量、移動速度、移動加速度の少なくとも一つが含まれることは勿論、更には移動量に関連して、位置の相対値だけでなく位置の絶対値を検出する場合も含まれる。なお、各実施形態で記載した技術事項を本発明の範囲内で適宜組み合わせて用いても良いことは勿論である。
【符号の説明】
【００６３】
１０１・・光源、１０２・・移動体、１０３・・凹面、１０４、１０５・・フォトダイオードアレイ、１０６・・光学パターン像、２０１・・中心部、２０２・・外縁部、２０３・・中間部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体の移動情報として移動体の相対変位量や相対速度などを測定するための移動情報測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体の変位量を検出する方式として、移動体表面に光を照射し反射された光束を、光検出器にて受光し、移動体の移動に伴う反射光束の移動に基づき、移動体の位置を検出する方法がある。移動体表面の光照射領域内の反射率分布や、表面散乱により、光検出器上で反射光に強度分布が生じ、移動体の移動に伴い検出器面上の反射光の強度分布も移動するため、反射光強度分布の移動を光検出器にて検出する事で移動体の移動量を検出する。位置検出精度をより高める為に、移動体表面に凹面を形成し移動体表面の凹面の結像作用を利用して位置の検出精度を高める方法が、特許文献１に記載されている。
【０００３】
以下、図１３を用いて特許文献１に記載の位置検出装置について説明する。図１３は、特許文献１に記載の位置検出装置の構成について説明した図である。紙面垂直方向に移動する移動体１２０４の表面には、反射防止用塗装膜１２０５を塗布し、さらに集光機能を有する部材である凹面形状部１２０６には反射面用塗装膜を塗布してある。集光機能を有する凹面形状部８０６は移動体１２０４の基準位置に設けられ、測定装置１２０１は特定の位置に固定しておく。
【０００４】
移動体１２０４の表面上の凹面形状部１２０６が、この凹面形状部１２０６と対向する位置検出装置１２０１に対してある特定の位置まで移動すると、発光部１２０２からの光が、凹面形状部１２０６の表面で反射される。凹面形状部１２０６を除く移動体１２０４の面では、反射防止用塗装膜１２０５により、光は反射されない。
【０００５】
こうして、凹面形状部１２０６にて反射した光を集光し、受光部１２０３に導き、測定装置１２０１の内部での光電変換により、受光量に対応した電圧の変化を検出し、これを信号として受け取る回路により、移動体１２０４の位置を検出する。以上のように、移動体１２０４の表面に集光機能を有した凹面形状部１２０６を備えることで、反射光の拡散を少なくし、移動体１２０４の位置を精度よく検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２４９００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された位置検出装置では、以下のような問題がある。即ち、測定装置１２０１と移動体１２０４のｚ軸方向に対する位置関係は、移動体１２０４表面の凹面形状部１２０６によって、発光部１２０２から照射された光束が、受光部１２０３の表面にて焦点を結ぶように設定されている。そのため、移動体１２０４の移動に伴うｚ軸方向の変動や、測定装置１２０１の配置時に、移動体１２０４に対して、ｚ軸方向に配置位置ズレを起こすと、受光部１２０３上の光束がデフォーカス状態となる。
【０００８】
これにより、検出信号振幅が低下し、結果として位置の検出精度が低下してしまうという問題があった。このような問題に鑑みて、本発明の目的は、移動体の曲面からの信号に関し、デフォーカスによる信号振幅の減少を低減し、移動情報の検出精度の低下を抑制することが可能な移動情報測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、光源と、前記光源で照射され移動方向に曲面を備える移動体と、前記曲面からの集光された反射光または透過光を受光する受光素子と、を有する移動情報測定装置において、前記曲面が移動方向に複数種の曲率を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、移動体の曲面からの信号に関し、デフォーカスによる信号振幅の減少を低減し、移動情報の検出精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態である変位測定装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は第１の実施形態における移動体表面に形成した凹面の形状を示す図、（ｂ）はＺ軸方向の距離変動についての説明図である。
【図３】第１の実施形態における移動体表面の曲率の大小関係について示す図で、（ａ）は中心部の曲率よりも外縁部の曲率が小さい場合、（ｂ）は中心部の曲率よりも外縁部の曲率が大きい場合である。
【図４】（ａ）は第１の実施形態における光学パターン像の通過する様子を示した図、（ｂ）は各フォトダイオードの和信号を示す図、（ｃ）は差動出力を示す図である。
【図５】第１の実施形態におけるＺ軸方向の距離変動に対する検出電圧値を示した図である。
【図６】第２の実施形態における変位測定装置の構成を示す図である。
【図７】第３の実施形態における変位測定装置の構成を示す図である。
【図８】第４の実施形態における速度測定装置の構成を示す図である。
【図９】（ａ）は第４の実施形態におけるフォトダイオードアレイグループで先行して得られる信号を示す図、（ｂ）はそのときの移動体の位置を示す図、（ｃ）はフォトダイオードアレイグループで遅れて得られる信号を示す図、（ｄ）はそのときの移動体の位置を示す図である。
【図１０】第４の実施形態におけるデータに時間遅延を与えるプロセスのブロック図である。
【図１１】第５の実施形態における変位及び速度測定装置の構成を示す図である。
【図１２】反射型の曲面に替えて透過型の曲面を用いた装置構成を示す概念図である。
【図１３】従来例の速度測定装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
《第１の実施形態》
図１を用いて、本実施形態の変位測定装置の構成について説明する。移動体１０２は移動方向であるＹ軸方向に移動しており、波長λの光を出射する光源１０１からの発散光束となる照射光により照射される。移動体１０２には、表面上に移動方向断面の長さがＣである、凹面１０３が形成されている。発散光束は凹面１０３によって反射集光され、凹面１０３からの反射光を受光する受光素子としてのフォトダイオードアレイ上にて光学パターン像１０６となり結像される。
【００１４】
フォトダイオードアレイは、移動体１０２の移動方向に対して幅Ｐｄ／２、間隔がＰｄで配置されたフォトダイオードアレイ１０４及び、同様の構成で空間的に移動体の移動方向に対してＰｄ／２ずらして配置されたフォトダイオードアレイ１０５を備える。以上、本実施形態の変位測定装置の全体構成について説明した。
【００１５】
（移動体の曲面部）
次に、本発明の特徴である移動体１０２の表面に移動方向に沿って形成される曲面部として、凹面１０３を例に詳しく説明する。図１に示すように凹面１０３は移動方向にのみ曲面となっており、移動方向に直交する方向には曲面となっていないものとして説明するが、移動方向に直交する方向にも曲面を備える構成としても良い。ここで、曲面部である凹面１０３の曲率の大小は曲率半径の大小と逆の関係にあり（曲率半径をＲとすると曲率は１／Ｒ）、曲率が大きい場合は曲率半径が小さい場合に相当する。
【００１６】
図２（ａ）は移動体１０２の表面に形成される凹面の曲率について説明した図である。凹面１０３は、中心部２０１曲率と外縁部２０２の曲率が異なる形状であり、移動体１０２と、光源１０１及びフォトダイオードアレイが実装された検出器との、ｚ軸方向に対する相対的な距離変動変動と関連付けて決められている。また、凹面１０３の中心部２０１及び外縁部２０２の中間部２０３の形状は、中心部２０１形状および外縁部２０２形状が連続的に接続されるように形成されている。
【００１７】
図２（ｂ）は、移動体１０２と検出器との、ｚ軸方向に対する相対的な距離変動について説明した図である。移動体１０２が、ｚ軸方向にΔＺの変動量をもつとき、あるいは、移動体表面と変位検出装置のＺ軸方向の取り付け公差が、中心値に対して±ΔＺ／２であるような場合を考える。この場合、凹面の中心部２０１の曲率半径Ｒ１と、外縁部２０２の曲率半径Ｒ２との関係は、以下の条件式で示されることとなる。
｜Ｒ１−Ｒ２｜≧ΔＺ 式―１
また凹面１０３の移動方向断面の寸法Ｃは、中心部２０１の曲率半径Ｒ１、外縁部２０２の曲率半径Ｒ２、から以下の条件式を満たすよう決定される。
【００１８】
Ｃ≦（Ｒ１＋Ｒ２）×√（λ／｜Ｒ１−Ｒ２｜） 式―２
ここで、式―２の導出に関し、反射型を透過型に置き換えて、図１２を用いて説明する。本発明においては、移動体の曲面部からの反射光を用いる他、移動体の曲面部からの透過光を用いるものであっても良い。
【００１９】
光源１０１の中心波長をλ、凹面１０３に相当するレンズの焦点深度をｄ、開口数をＮＡとすると、一般に以下の式が成立する。即ち、ｄ＝λ／ＮＡ／ＮＡ、ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθである。ここでnに関しては空気の屈折率としてｎ＝１である。焦点深度dに関しては｜Ｒ１−Ｒ２｜と等しいものとし、またＮＡに関しては移動方向断面の寸法をＣ０としてＮＡ＝Ｃ０／２／［（Ｒ１＋Ｒ２）／２］として考えると、Ｃ０＝（Ｒ１＋Ｒ２）×√（λ／｜Ｒ１−Ｒ２｜）となる。
【００２０】
ここで、曲率半径がＲ１の中央領域に対し、曲率半径がＲ２の周辺領域を更に大きくすることは好ましくないことから、移動方向断面の寸法ＣはＣ０以下が好ましく、式―２が導出される。
【００２１】
本実施形態によれば、検出器を移動体からの距離がＲ１からＲ２の間に配する事で、移動体と検出器との相対的な距離が最大｜Ｒ１−Ｒ２｜変動しても、デフォーカスによる信号振幅の減少を低減し、位置検出精度の低下を抑制することが可能となる。
【００２２】
ここで、曲面部における中心部２０１（曲率半径Ｒ１）と外縁部（曲率半径Ｒ２）との間の中間部は、連続的に曲率が変化するように設定されることが一般的に好ましいが、中間部において不連続な曲率を持たせても良い。
【００２３】
（移動体の曲面における複数種の曲率）
次に、図３を用いて、凹面１０３の中心部２０１の曲率半径Ｒ１と外縁部２０２の曲率半径Ｒ２の大小関係について説明する。図３（ａ）は、中心部２０１の曲率半径Ｒ１よりも外縁部２０２の曲率半径Ｒ２の方が小さい場合の、凹面１０３によって反射集光される光束の光路を示した図である。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が小さくなる場合は、外縁部２０２から反射された光束が結像する。一方、移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が大きくなる場合には、中心部２０１から反射された光束が結像する。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が上記範囲の中間の距離の場合、中間部から反射した光束が結像する。
【００２４】
図３（ｂ）は、中心部２０１の曲率半径Ｒ１よりも外縁部２０２の曲率半径Ｒ２の方が大きい場合の、凹面１０３によって反射集光される光束の光路を示した図である。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が小さくなる場合は、中心部２０１から反射された光束が結像する。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が大きくなる場合には、外縁部２０２から反射された光束が結像する。移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離が上記範囲の中間の距離の場合、中間部から反射した光束が結像する。
【００２５】
このように、凹面１０３は、移動体１０２と検出器のｚ軸方向の相対的な距離に対応した、結像に寄与する領域を持つ。
【００２６】
以下、移動体と変位検出器に関し、具体的な数値を例にとり、凹面形状の長さＣに関して説明を加える。一般的にエンコーダのような位置検出用途では、移動体であるスケールに対し、検出器のｚ軸方向の取り付け精度が、中心値に対してΔＺ＝±１ｍｍ程度を要求される。このとき｜Ｒ１−Ｒ２｜≧２ｍｍとなり、仮に｜Ｒ１―Ｒ２｜＝２ｍｍとする。検出器の設置位置が、移動体１０２からｚ軸方向に２ｍｍの位置であったとすると、式―２から凹面１０３の移動方向断面の寸法はＣ≦９０μｍとなる。検出器のフォトダイオードアレイで検出される受光量は、Ｃの大きさに依存するので、Ｃ＝９０μｍが好ましい。
【００２７】
定量的に具体例を示すと、光源として赤色ＬＥＤを用いる場合はλが６５０ｎｍであり、｜Ｒ１−Ｒ２｜を２ｍｍとすると、Ｒ１が３．５ｍｍ、Ｒ２が１．５ｍｍでＣが９０μｍとなる。Ｒ１が１．５ｍｍ、Ｒ２が３．５ｍｍの場合も同様である。
【００２８】
また、移動体が樹脂フィルムのような柔軟体である場合、樹脂フィルムの移動方向の変位に伴う該樹脂フィルムのｚ軸方向の振れにより、移動体である樹脂フィルムに対し、検出器のｚ軸方向の取り付け精度が、中心値に対してΔＺ＝±２ｍｍ程度を要求される。このとき、検出器の設置位置が移動体１０２からｚ軸方向に５ｍｍの位置であったとすると、式―２から凹面１０３の移動方向断面の寸法はＣ≦１５０μｍとなる。受光量は、Ｃの大きさに依存するので、Ｃ＝１５０μｍが好ましい。ここで挙げた樹脂フィルムには、例えば複写機やレーザービームプリンタに使用されるような転写ベルト等が挙げられるが、それに限るものではない。
【００２９】
移動体が樹脂フィルムのような柔軟体である場合、光源として赤色ＬＥＤを用いる場合λが６５０ｎｍであり、｜Ｒ１−Ｒ２｜を４ｍｍとすると、Ｒ１が８ｍｍ、Ｒ２が４ｍｍでＣが１５０μｍとなる。Ｒ１が４ｍｍ、Ｒ２が８ｍｍの場合も同様である。
以上、移動体１０２表面に形成する凹面１０３形状について具体的数値例を示し説明した。
【００３０】
（フォトダイオードアレイ上の光学パターン像の変位）
次に図１を用いて光学パターン像１０６の変位原理に関して説明する。検出器面に実装された光源発光部１０１から移動体１０２表面上の凹面１０３までの光路長をＬ１、該凹面１０３からフォトダイオードアレイ上の集光位置までの光路長をＬ２とする。このとき、移動体１０２と受光面上で結像した光束の移動量の関係は、移動体：受光部上結像光束＝１：（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１で表される。図１に示す例では、光源１０１上の発光点から移動体１０２表面までの光路長Ｌ１と、移動体１０２からフォトダイオードアレイ上の結像位置までの光路長Ｌ２とが等しい。
【００３１】
その為、移動体１０２と結像位置のｙ軸方向に対する移動量の関係は、移動体：光源発光領域像＝１：２となる。上記の原理に基づいて、移動体１０２の移動に伴い、フォトダイオードアレイ表面に結像されたパターン像１０６は移動する。以上、移動体１０２の変位量とフォトダイオードアレイ表面に結像された光学パターン像１０６の変位量との関係について説明した。
【００３２】
（変位量検出方法）
以下、移動体変位量検出方法について詳しく説明する。はじめにフォトダイオードアレイの構成及び信号検出方法について説明する。移動体１０２の凹面１０３によってフォトダイオードアレイ上に光学パターン像１０６が結像される。光学パターン像１０６は、フォトダイオードアレイにより光電変換され、１次元の光強度が電圧値に変換される。そして、フォトダイオードアレイ１０４を成す複数のフォトダイオードの検出電圧値の和を取ることで空間フィルタ作用と合せて、フォトダイオードアレイ１０４の検出電圧値Ｖ１が決定される。
【００３３】
同様にフォトダイオードアレイ１０５を成す複数のフォトダイオードの検出電圧値の和を取ることで空間フィルタ作用と合せて、フォトダイオードアレイ１０５の検出電圧値Ｖ２が決定される。そして両フォトダイオードアレイ出力の差動により、（Ｖ１−Ｖ２）から、ある時刻における電圧値を変位測定装置は出力する。
【００３４】
次に、移動体１０２の移動に伴うフォトダイオードアレイ上の光学パターン像１０６の移動から、移動体１０２の変位量を検出する方法について説明する。図４は、移動体１０２の移動に伴うフォトダイオードアレイ上の光学パターン像１０６の移動と、フォトダイオードアレイにより検出される、検出電圧値の時間変化を示している。図４（ａ）は、フォトダイオードアレイ１０４およびフォトダイオードアレイ１０５上を光学パターン像１０６が通過していく様子を説明する図である。
【００３５】
光学パターン像１０６は、Ｐｄ周期で互い違いに配列されたフォトダイオードアレイ１０４及びフォトダイオードアレイ１０５を通過する。図４（ｂ）は、光学パターン像１０６の移動に伴い、フォトダイオードアレイにて検出される電圧値Ｖ１および電圧値Ｖ２について説明する図である。実線は、光学パターン像１０６の移動に伴うフォトダイオードアレイ１０４で検出される電圧値の変化を表している。フォトダイオードアレイ１０４は、間にフォトダイオードアレイ１０５を挟んでいる為、図４（ｂ）に示すように、飛び飛びの出力電圧値Ｖ１を得る。
【００３６】
破線は、光源パターン像１０６の移動に伴うフォトダイオードアレイ１０５で検出される電圧値の変化を表している。同様にフォトダイオードが互い違いに配列されている為、Ｖ２も飛び飛びの出力電圧値を得る。図４（ｃ）は、光学パターン像の移動に伴う、フォトダイオード１０４及びフォトダイオード１０５の差動出力（Ｖ１−Ｖ２）を取った検出電圧値を示した図である。Ｖ１・Ｖ２は、図４（ｂ）のように位相が１８０度ズレた凸型波形の為、差動をとることで図４（ｃ）のように１周期の信号波形を得ることができる。
【００３７】
したがって、移動体１０２の移動に伴い、検出器で検出される出力電圧変化の周期の数をカウントすることで、フォトダイオードアレイ上の光学パターン像１０６の移動量を検出できる。これより、前述した移動体１０２と、検出された光学パターン像１０６の移動量に基づき、移動体の変位量を検出することができる。以上、移動体１０２の凹面１０３により結像された光源発光領域像を利用した変位測定装置の説明をした。
【００３８】
図５で、移動体１０２に本発明の凹面１０３を用いた場合での移動体表面と変位検出装置のＺ軸方向の距離（Ｇａｐ）変動に対する検出電圧値を実線で示す。また、理想的な曲率を持つ凹面を用いた場合での移動体表面と変位検出装置のＺ軸方向の距離変動に対する検出電圧値を破線で示している。Ｇａｐが、理想的な曲率を持つ凹面の曲率に近づくにつれ信号振幅は近くなる。
【００３９】
しかし、その領域を除いた広い範囲で理想的な曲率を持つ凹面に比べて信号振幅をおよそ５割増加することができる。こうして、Ｇａｐオフセット／変動等を起因とするデフォーカスによる信号振幅減少を抑制し、Ｇａｐ変動による位置検出精度を改善することが可能となる。
【００４０】
以上、本実施形態によれば、移動体１０２と検出器とのｚ軸方向の相対的な距離変動ΔＺの範囲において、凹面１０３が、検出器との相対距離に対応した、光束を結像させる領域をもつことができる。言い換えると、凹面１０３がΔＺの間隔にかけて累進焦点あるいは多重焦点をもつ曲面となるので、変動による受光面上の光束のデフォーカスによる信号振幅低下を防ぎ検出精度の低下を抑制する。
【００４１】
本実施形態によれば、移動方向に沿って形成される曲面部を移動方向に一つだけ備えることで、移動方向における位置の絶対値を検出するためにこの曲面部を用いることができる。
【００４２】
《第２の実施形態》
本実施形態の変位測定装置について、図６を用いて説明する。本実施形態では第１の実施形態で説明した変位測定装置における、移動体１０２表面に凹面１０３を周期的に複数個設けたものである。凹面１０３の周期Ｐｌは、複数個の受光領域を持つ検出器において、移動体の移動方向に対して隣り合った受光領域の中心間距離即ちフォトダイオードアレイの周期Ｐｄと対応しており、以下の条件式を見たす。
【００４３】
Ｐｌ＝［Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）］×Ｐｄ×ｋ 式―３
ｋは正の整数である。これは複数の凹面によって結像される光学パターン像１０６が、加算検出するフォトダイオードの配列周期Ｐｄの整数倍で結像されることを意味する。Ｌ１＝Ｌ２でｋ＝１の場合、Ｐ１＝Ｐｄ／２となる。凹面１０３の周期Ｐｌは、
図１２に示したＣと等しいあるいはＣよりやや大きい値となり、例えばＰｌ＝１００μｍとする。
【００４４】
本実施形態によれば、光学パターン像１０６を複数のフォトダイオードで検出し、その加算電圧値であるフォトダイオードアレイの出力電圧値が増加することで、信号振幅を増加させることができる。図６では光学パターン像１０６の間隔Ｐｅがフォトダイオードアレイの配列周期Ｐｄの２倍の間隔（Ｐｅ＝２×Ｐｄ）となるように、光学パターン像１０６が結像される。変位測定の原理については、第１の実施形態で説明している為、省略する。
【００４５】
《第３の実施形態》
本実施形態である変位測定装置について、図７を用いて説明する。本実施形態は、第２の実施形態で説明した変位測定装置における光源の発光部を複数にし、その光学パターン像１０６の配列周期Ｐｅが、フォトダイオードアレイの配列周期Ｐｄと結像倍率を関連付けた以下の値となるように配置したものである。
【００４６】
Ｐｅ＝Ｌ１／［Ｌ２／（ｍ×Ｐｄ）］ 式―４
ｍは正の整数で、加算検出する同相のフォトダイオードアレイを成すフォトダイオードの数よりも小さく、図７では、ｍ≦３となる。ここではｍ＝１、Ｌ１＝Ｌ２であり、移動体１０２表面の凹面１０３により、光学パターン像１０６の間隔Ｐｅが、フォトダイオードアレイ周期Ｐｄと等しい間隔（Ｐｅ＝Ｐｄ）で、フォトダイオードアレイ上に結像する。こうして、加算検出する複数のフォトダイオード上に、それぞれの光源による光学パターン像１０６が生成される。
【００４７】
そのため、該複数のフォトダイオードで検出された加算電圧値であるフォトダイオードアレイの出力電圧値が増加し、信号振幅を増加させることができる。変位測定の原理については、第１の実施形態にて説明している為、省略する。
【００４８】
《第４の実施形態》
第１乃至第３の実施形態で説明した変位測定装置を用い、移動体の速度を測定する本実施形態における測定装置について、図８を用いて説明する。本実施形態における速度測定装置は、複数の発光部８０１、及び、フォトダイオードアレイグループ８０２及びフォトダイオードアレイグループ８０３を持つ。フォトダイオードアレイグループ８０２は、フォトダイオードアレイ８０４及び、差動検出用のフォトダイオードアレイ８０５から成る。
【００４９】
フォトダイオードアレイグループ８０３は、フォトダイオードアレイ８０６及び、差動検出用のフォトダイオードアレイ８０７から成る。各フォトダイオードアレイグループは、間隔Ｄだけ離されて配置されている。各フォトダイオードアレイグループ上に生成された周期的な光学パターン像１０６は、フォトダイオードアレイにより光電変換され、１次元の光強度が電圧値に変換される。
【００５０】
そして、フォトダイオードアレイ８０４を成す複数のフォトダイオード検出電圧値の和としてフォトダイオードアレイ８０４の検出電圧値Ｖ１が決定される。同様にフォトダイオードアレイ８０５を成す複数のフォトダイオード検出電圧値の和としてフォトダイオードアレイ８０５の検出電圧値Ｖ２が決定される。そして（Ｖ１−Ｖ２）を、ある時刻における電圧値をとしてフォトダイオードアレイグループ８０２は出力する。フォトダイオードアレイグループ８０３においても同様にある時刻における電圧値が出力される。
【００５１】
（移動速度検出）
次に移動情報として移動速度を検出する検出方法について説明する。移動体１０２がＹ軸方向に移動しているとする。このときフォトダイオードアレイグループ８０２によって先行して光学パターン像１０６の移動による変位信号が検出される。続いて、これと同位置における光学パターン像１０６の移動による変位信号が、フォトダイオードアレイグループ間隔Ｄと、移動体の速度に依存した時間だけ遅延して、フォトダイオードアレイグループ８０３により検出される。
【００５２】
図９を用いて速度の検出方法について具体的に説明する。図９（ａ）はフォトダイオードアレイグループ６０２により先行して検出された、ある時刻間の移動体の移動に伴う検出出力の変動データＰ１である。また、図９（ｂ）はＰ１データ取得時刻間中の時刻ｔ１における移動体の位置を示す図である。図９（ｃ）は、フォトダイオードアレイグループ６０２に対し、遅れてフォトダイオードアレイグループ６０３により検出された、ある時刻間の移動体の移動に伴う検出出力の変動データＰ２である。
【００５３】
また、図９（ｄ）はＰ２データ取得時刻間中の時刻ｔ２における移動体の位置を示す図である。時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、移動体１０２は、距離Ｄ／｛（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１｝だけ移動する。図１０はデータに所定時間遅延を与えるプロセスのブロック図である。検出出力変動データＰ１及び検出出力変動データＰ２は比較器７０１にて、時刻に対する電圧値同士が比較される。
【００５４】
ここで、最適なデータの時間遅延量Ｔ＝ｔ２−ｔ１が検出出力変動データＰ１に与えられている場合、比較器７０１による比較の結果、各フォトダイオードアレイグループの時刻に対する強度変動データが一致する。一致しない場合、速度検知回路は時間遅延回路に対して時間遅延量に対する補正値が与えられる。そして、補正された時間遅延量が与えられた検出出力変動データＰ１を用いて、再び比較器７０１にて比較を行う。
【００５５】
上記ループにより、速度検知回路は測定時刻差Ｔを決定する。そして、フォトダイオードアレイグループ間隔Ｄから、以下の関係式−７を用いて移動体１０２の速度Ｖを求めることができる。
Ｖ＝ Ｄ／Ｔ／｛（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１｝ 式−７
例えば、移動体１０２表面に形成された凹面１０３の形状にムラがあり、検出される信号振幅が１周期ごとに異なってしまうような場合でも、本速度検出方式であれば速度の検出を行うことができる。本実施形態では、第３の実施形態における変位測定装置を基本系として、速度測定装置を構成した例を説明したが、これに限らず、第１、第２の実施形態の変位測定装置からなる速度測定装置を構成しても良い。
【００５６】
また、フォトダイオードアレイ構成に関しても、第１乃至第３の実施形態で説明したように、差動検出型のフォトダイオードアレイ構成に限定されるものではない。さらに、図９に示すように、フォトダイオードアレイグループを同一基板上に配置せず、第１乃至第３の実施形態において説明した変位測定装置を、所定間隔Ｄだけ離して２つ配置しても良い。ただし、この場合の速度算出式は、変位測定装置のフォトダイオードグループの中心間隔Ｄにおける通過時間Ｔから、Ｖ＝Ｄ／Ｔにより求められる。
【００５７】
なお、本実施形態において上述した所定距離間隔を通過する移動体の通過時間を基に相対速度を検出する替わりに、所定時間における移動体の変位量を基に相対速度を検出することもできる。
【００５８】
《第５の実施形態》
本実施形態である変位測定装置について、図１１を用いて説明する。図１１は第２の実施形態で説明した変位測定装置について、式―２から与えられるＣの値を径とし、内周部の曲率半径をＲ１、外周部の曲率半径をＲ２とした凹面１１０４を、移動体１０２の表面に周期的に形成したものである。検出器は、Ｙ軸方向の変位量を検出する為のフォトダイオードアレイ１０４及びフォトダイオードアレイ１０５に加え、Ｘ軸方向の変位量を検出する為のフォトダイオードアレイ１１０２及びフォトダイオードアレイ１１０３を持つ。
【００５９】
凹面１１０４の配列周期は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに式―３で与えられる周期である。これにより得られる光学パターン像１１０１は、凹面の配列周期の （Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１ 倍の配列周期で、Ｘ軸及びＹ軸方向に斑点模様のように生成される。これにより、移動体１１０５がＹ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向へ変位したとしても、フォトダイオードアレイ１１０２及びフォトダイオードアレイ１１０３を用い、第１の実施形態で説明した方法と同じ原理で変位を検出することができる。
【００６０】
また、Ｘ軸及びＹ軸方向それぞれの変位量の比から、Ｘ−Ｙ平面内での移動体１１０５の移動方向ベクトルを求める事もできる。速度についても同様に第４の実施形態で説明した方法と同じ原理でＹ軸方向に加えてＸ軸方向の速度も検出する事ができる。さらに、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の検出速度比から、Ｘ−Ｙ平面内での速度方向ベクトルを検出することができる。
【００６１】
（変形例）
以上、移動体の曲面部に関して中心部と周辺部で曲率を異ならせた実施形態を説明したが、本発明はこれに限らず、曲面部において全体として異なる任意の第１領域と第２領域（部分的に重複領域があっても良い）で曲率を異ならせるようにしても良い。
【００６２】
また、移動情報測定として移動量、移動速度を測定する実施形態を説明したが、移動情報として移動加速度を測定する測定装置であっても良い。移動加速度は、例えば
所定時間における移動体の移動速度の変位量を基に算出が可能である。このように本発明において測定される移動体の移動情報としては、移動量、移動速度、移動加速度の少なくとも一つが含まれることは勿論、更には移動量に関連して、位置の相対値だけでなく位置の絶対値を検出する場合も含まれる。なお、各実施形態で記載した技術事項を本発明の範囲内で適宜組み合わせて用いても良いことは勿論である。
【符号の説明】
【００６３】
１０１・・光源、１０２・・移動体、１０３・・凹面、１０４、１０５・・フォトダイオードアレイ、１０６・・光学パターン像、２０１・・中心部、２０２・・外縁部、２０３・・中間部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源で照射され移動方向に曲面を備える移動体と、
前記曲面からの集光された反射光または透過光を受光する受光素子と、
を有する移動情報測定装置において、
前記曲面が移動方向に複数種の曲率を備えることを特徴とする移動情報測定装置。
【請求項２】
前記光源の中心波長をλ、前記曲面の中心部の曲率半径をＲ１、外縁部の曲率半径をＲ２とし、前記受光素子を前記移動体の表面からの距離がＲ１とＲ２の間となるように配するとき、前記移動体の移動方向断面の長さＣを、以下の条件式を満たすようにしたことを特徴とする請求項１に記載の移動情報測定装置。
Ｃ≦（Ｒ１＋Ｒ２）×√（λ／｜Ｒ１−Ｒ２｜）
【請求項３】
前記移動体の表面と、前記光源および前記受光素子が実装された検出器の面との間隔の変動量をΔＺとするとき、以下の条件式を満たすようにしたことを特徴とする請求項２に記載の移動情報測定装置。
｜Ｒ１−Ｒ２｜≧ΔＺ
【請求項４】
前記曲面は前記光源からの照射光を反射させる曲面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の移動情報測定装置。
【請求項５】
前記曲面は前記光源からの照射光を透過させる曲面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の移動情報測定装置。
【請求項６】
前記曲面は移動方向に周期的に複数個設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項に記載の移動情報測定装置。
【請求項７】
前記曲面は、前記曲面の中心部から前記曲面の外縁部に渡り、連続的に曲率が変化することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項に記載の移動情報測定装置。
【請求項８】
前記受光素子は、複数個の受光領域を持ち、前記移動体の移動方向に対して、隣り合った受光領域の中心間距離がＰｄであるとき、
前記曲面は、以下の条件を満たすように前記移動体の表面上に配列されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の移動情報測定装置。
Ｐｌ＝［Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）］×Ｐｄ×ｋ
ただしＰｌは、前記曲面の配列周期、ｋは正の整数である。
【請求項９】
前記受光素子は、前記移動体の移動方向に設けられる他に、これに直交する方向にも設けられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の移動情報測定装置。
【請求項１０】
所定時間における前記移動体の変位量、或いは、所定距離間隔を通過する前記移動体の通過時間から、前記移動体と前記受光素子との間の相対速度を検出することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか1項に記載の移動情報測定装置。
【請求項１１】
前記移動体の移動量、移動速度、移動加速度、位置の絶対値の少なくとも一つを移動情報として測定することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか1項に記載の移動情報測定装置。
【請求項１】
光源と、
前記光源で照射され移動方向に曲面を備える移動体と、
前記曲面からの集光された反射光または透過光を受光する受光素子と、
を有する移動情報測定装置において、
前記曲面が移動方向に複数種の曲率を備えることを特徴とする移動情報測定装置。
【請求項２】
前記光源の中心波長をλ、前記曲面の中心部の曲率半径をＲ１、外縁部の曲率半径をＲ２とし、前記受光素子を前記移動体の表面からの距離がＲ１とＲ２の間となるように配するとき、前記移動体の移動方向断面の長さＣを、以下の条件式を満たすようにしたことを特徴とする請求項１に記載の移動情報測定装置。
Ｃ≦（Ｒ１＋Ｒ２）×√（λ／｜Ｒ１−Ｒ２｜）
【請求項３】
前記移動体の表面と、前記光源および前記受光素子が実装された検出器の面との間隔の変動量をΔＺとするとき、以下の条件式を満たすようにしたことを特徴とする請求項２に記載の移動情報測定装置。
｜Ｒ１−Ｒ２｜≧ΔＺ
【請求項４】
前記曲面は前記光源からの照射光を反射させる曲面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の移動情報測定装置。
【請求項５】
前記曲面は前記光源からの照射光を透過させる曲面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の移動情報測定装置。
【請求項６】
前記曲面は移動方向に周期的に複数個設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項に記載の移動情報測定装置。
【請求項７】
前記曲面は、前記曲面の中心部から前記曲面の外縁部に渡り、連続的に曲率が変化することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項に記載の移動情報測定装置。
【請求項８】
前記受光素子は、複数個の受光領域を持ち、前記移動体の移動方向に対して、隣り合った受光領域の中心間距離がＰｄであるとき、
前記曲面は、以下の条件を満たすように前記移動体の表面上に配列されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の移動情報測定装置。
Ｐｌ＝［Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）］×Ｐｄ×ｋ
ただしＰｌは、前記曲面の配列周期、ｋは正の整数である。
【請求項９】
前記受光素子は、前記移動体の移動方向に設けられる他に、これに直交する方向にも設けられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の移動情報測定装置。
【請求項１０】
所定時間における前記移動体の変位量、或いは、所定距離間隔を通過する前記移動体の通過時間から、前記移動体と前記受光素子との間の相対速度を検出することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか1項に記載の移動情報測定装置。
【請求項１１】
前記移動体の移動量、移動速度、移動加速度、位置の絶対値の少なくとも一つを移動情報として測定することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか1項に記載の移動情報測定装置。
【図１２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１８１０１８（Ｐ２０１２−１８１０１８Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４２０７２（Ｐ２０１１−４２０７２）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]