JP2018173407A - 位置検出器を用いた線形変位センサー - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも一層簡単な構成とすることができ、低コストで製造でき、改善された線形性および／または精度を得られる位置センサーデバイスを提供すること。
【解決手段】位置センサーデバイス１００は、フレーム１１０、直動案内軸受１２０、運動要素１３０、位置検出器１４０、光源１５０および位置表示放射体１６０を備える。運動要素１３０は、直動案内軸受１２０による案内で測定軸方向に沿った測定範囲を移動する。位置表示放射体１６０は、運動要素１３０と一緒に移動し、その放射体部材１６２は、光源光を吸収して励起光を出力し、位置検出器１４０上に励起光による測定光スポットを形成する。測定軸方向に沿った運動要素１３０の位置に応じて、測定光スポットは位置検出器１４０の検出軸方向に沿って移動する。位置検出器１４０は測定光スポットに応じた少なくとも一つの信号を出力し、この信号が測定軸方向での運動要素１３０の位置を表す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、線形変位センサーに関し、特に、位置検出器を用いて所望の測定信号を生成することが可能な線形変位検出手段の構成に関する。

従来、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）を使って位置を表す信号を提供する様々な変位センサーが知られている。このＬＶＤＴ形式のシステム構成によれば、限定された測定範囲（例えば、１０ｍｍ、５ｍｍまたはそれ以下）において、高精度または超高精度の測定（例えば、１マイクロメートルのレベルの精密さ、またはそれ以上の精密さ）が可能と考えられている。ＬＶＤＴは、２つの二次ソレノイドコイルに誘導電流を生じさせる１つの一次ソレノイドコイルを用いることができる。そして、各々の二次ソレノイドコイルの電流の強さは、これらのコイル内部を軸方向に移動する強磁性コアの位置に依存する。２つの二次ソレノイドコイルが極性を逆にして直列接続されている場合、それにより得られる差動信号に基づいて、強磁性コアの位置を決定することができる。

幾つかの用途においては、ＬＶＤＴ形式のセンサーからの信号に類似した正確な方法で線形変位信号を出力できるような光学変位センサーの提供が望まれている。この形式のシステム構成についての先行技術の１つが、特許文献１に開示されている。特許文献１は、光源と、２つの受光素子を有する検出器と、可動棒（可動ステム）と、を備えたセンサーを開示し、その可動棒には光源からの光を検出器に伝達するための孔が形成されている。また、可動棒は２つの案内部間をスライドできる。可動棒の機械的な遊びに対する測定感度を除くための手段として、可動棒には前記孔を覆うカバーが設けられており、このカバーは、２つの案内部間の中心点に関連する可動棒の端部（ステムエンド）の接触端に対して、実質的に対称になるように設計されている。

米国特許第４，３３８，７２２号公報 米国特許第４，８１２，６３５号公報

しかし、特許文献１においては、光源に関連した或る誤差に対する認識がない。このように特許文献１のデバイスを用いると、望ましくない信号非線形性および／または精度誤差を被る可能性がある。

また、特許文献２には、より優れた光源の構成として、位置センサーデバイスにおける均一照射の手段が開示されている。特許文献２のデバイスは、光源と、２つのフォトダイオードと、開口部付きの可動ダイヤフラムとを備える。２つのフォトダイオードは、光源からダイヤフラム上の開口部を通ってこれらのフォトダイオードに達する光の位置によって決定される信号を出力する。均一照射の手段は、光路に沿った補正フィルターを有し、より好ましくは、正常な距離からの光源光によって露光されたネガフィルムを有する。そのような用途に特化したフィルターは、名目上、一定の強度を有する照射光を出力する。しかし、特許文献２は測定軸に沿って一定の強度の光源光を提供できるが、光源に関連した或る他の誤差が認識されないままになっている。このように、特許文献１と同様に、特許文献２のデバイスについても、望ましくない信号非線形性および／または精度誤差を被る可能性がある。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、高精度の光学位置センサーデバイス、すなわち、上述したものよりも一層簡単な構成とすることができて、製造コストをより低くすることができ、また、改善された線形性および／または精度を提供できる位置センサーデバイスを提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る位置センサーデバイスは、フレームと、直動案内軸受と、運動要素と、位置検出器と、光源と、位置表示放射体とを備え、測定範囲における前記運動要素の位置に基づいて検出対象の位置又は変位量を検出する。前記直動案内軸受は、前記フレームに固定されている。前記運動要素は、前記案内軸受に案内され、測定軸方向に沿った測定範囲を移動する。前記位置検出器は、前記フレームに固定されており、また、当該位置検出器の検出軸方向に沿って設けられた光検出器を有する。この光検出器は、前記検出軸方向における光スポットの照射位置に応じた出力を提供する。前記光源は、光源光の経路に沿って第一波長域の光源光を出射するように構成され、少なくとも発光部を有する。前記位置表示放射体は、前記運動要素に固定され、かつ、前記運動要素と一緒に移動する。ここで、前記位置表示放射体は、前記第一波長域の光源光を吸収してこれに応じた第二波長域の励起光を出力する放射体部材を有する。また、前記位置表示放射体は、前記測定範囲での前記運動要素の位置に関わらず、前記光源光の経路に沿った前記光源光を受けるように配置され、かつ、測定スポット光の経路に沿って前記励起光を出力して前記位置検出器上に測定光スポットを形成するように配置されている。前記測定光スポットは、前記運動要素の前記測定軸方向での位置に応じて、前記位置検出器の前記検出軸方向に沿って移動する。そして、前記位置検出器は前記測定光スポットに応じて少なくとも１つの信号を出力し、前記少なくとも１つの信号は前記測定軸方向に沿った前記運動要素の位置を表す、ことを特徴とする。

本発明の位置センサーデバイスの構成によれば、従来のデバイスよりも一層簡単な構成となり、低コストで製造でき、改善された線形性および／または精度を発揮することができる。例えば、本発明では、固定側であるフレームに光源を取り付けて、移動側である運動要素に蛍光材料などの放射体を取り付けて、放射体が、光源光によって励起されて、蛍光を発光し、その蛍光（本書では励起光と呼ぶ。）による光スポットを固定側に取り付けられた光検出器（検出器アレイなど）が検出するように構成されている。従って、光源を移動側に設ける必要がなく、運動要素を軽量化・簡略化できるとともに、放射体を少なくとも光源光の経路上に配置するだけでよく、放射体に対する光源光の照射位置を厳格に定める必要がない。また、光検出器は、光源光とは波長域の異なる励起光の検出に適するものを選択でき、検出する必要のない光源光についてはフィルターなどを用いて容易に遮断できるので、光源光による検出誤差の影響がほとんど無くなる。

（Ａ），（Ｂ）は、第一実施形態に係る位置センサーデバイスを測定軸方向に直交する方向から見た断面で示した概略構成図である。 第二実施形態に係る位置センサーデバイスを測定軸方向に直交する方向から見た断面で示した概略構成図である。 第三実施形態に係る位置センサーデバイスを測定軸方向に直交する方向から見た断面で示した概略構成図である。

図１（Ａ），（Ｂ）は、第一実施形態に係る位置センサーデバイス１００を測定軸方向に直交する方向から見た断面で示した概略構成図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の部分拡大図である。位置センサーデバイス１００は、フレーム１１０と、直動案内軸受１２０と、運動要素（棒状のステム）１３０と、位置検出器１４０と、光源１５０と、位置表示放射体１６０と、信号処理・制御部１７０と、コネクター１８０とを備える。他の実施形態において、位置検出器１４０および信号処理・制御部１７０を回路基板（またはフレキシブル・プリント回路）１７５に収容してもよいし、および／または、接続してもよい。このような回路基板（またはフレキシブル・プリント回路）１７５は、位置センサーデバイス１００の様々な素子を相互に連結している。

フレーム１１０の断面形状は図１（Ａ）のように測定軸方向ＭＡに細長い。フレーム１１０は、測定軸方向ＭＡに沿った内部空間を有し、その内部空間の一端は開口している。フレームの他端にはコネクター１８０が取り付けられている。棒状の運動要素１３０は、その先端部がフレーム１１０の開口部から突き出た状態で、その大半がフレーム１１０の内部空間に収納されている。直動案内軸受１２０は、フレーム１１０内部における一端の開口部付近の内壁に固定されており、ちょうど、フレーム１１０と運動要素１３０との間に位置している。運動要素１３０は、直動案内軸受１２０の案内によって、測定軸方向ＭＡに移動自在であり、フレーム１１０から突き出た運動要素１３０の先端部が、測定軸方向ＭＡに沿った測定範囲ＭＲを進退可能になっている。位置検出器１４０は、例えば、回路基板１７５を介してフレーム１１０に固定されている。また、位置検出器１４０は、当該位置検出器１４０の検出軸方向ＳＡに沿って設けられた光検出器１４１を有する。この光検出器１４１は、検出軸方向ＳＡにおける光スポットの照射位置に応じた出力を提供する。光源１５０は、例えば、レーザーダイオード、ＶＣＳＥＬまたはＬＥＤなどの発光部１５１を有する。発光部１５１を、電源接続ライン１５２を介して回路基板に接続してもよい。光源１５０は、光源光の経路ＳＬＰに沿って第一波長域の光源光１５３を出射するように構成されている。光源１５０は、出射した光源光１５３がフレーム１１０内の棒状の運動要素１３０の他端部を照射するように、配置されている。ここで、種々の実施形態においては、例えば、光源をフレーム１１０又は回路基板１７５に搭載することによって、光源をフレーム１１０に固定してもよい。図１（Ａ），（Ｂ）に示す実施形態では、光源光の経路ＳＬＰは測定軸方向ＭＡに向けられ、その経路上には、運動要素１３０に搭載された偏光素子１５５が設けられている。偏光素子１５５は反射面を有し、この反射面が光源光の経路ＳＬＰを位置表示放射体１６０に向ける。

位置表示放射体１６０は、例えば、偏光素子１５５の表面に取り付ける方法などによって、運動要素１３０に固定され、運動要素１３０と一緒に移動する。本実施形態では、位置表示放射体１６０は特に簡単な構成であり、例えば、偏光素子１５５の表面に取り付けられた蛍りん光材充填樹脂などの放射体部材１６２からなる。なお、本書で蛍りん光とは、蛍光またはりん光を指す。放射体部材１６２は第一波長域の光を吸収して、これに反応して放射体部材１６２内で励起光１６３を生成して出力する。生成された励起光１６３は、第二波長域の光を含む。位置表示放射体１６０は、測定範囲ＭＲ内での運動要素１３０の位置に関わらず、光源光の経路ＳＬＰに沿った光源光１５３を受光するように配置され、かつ、測定スポット光の経路ＭＳＰに沿って励起光１６３を出力して位置検出器１４０上に測定光スポットＭＳを形成するように配置されている。本実施形態では、放射体部材１６２の大きさを比較的小さくして、放射体部材１６２と位置検出器１４０との間の距離を短くしてもよい。その結果、測定光スポットＭＳの大きさを小さく維持できるので、測定スポット光の経路ＭＳＰ上にレンズまたは制限用の開口部を配置しなくても済む。また、位置検出器１４０は、第二波長域の光を透過させるとともに、少なくとも光源光１５３の第一波長域を含むその他の不要な光を遮って検出されないようにするフィルター１４２を備える。

測定光スポットＭＳは、測定軸方向ＭＡにおける運動要素１３０の位置に応じて、位置検出器１４０の検出軸方向ＳＡに沿って移動する。位置検出器１４０は測定光スポットＭＳに応じて少なくとも一つの信号を出力し、その少なくとも一つの信号が測定軸方向ＭＡに沿った運動要素１３０の位置を表す。コネクター１８０は、出力ケーブル１８１を信号処理・制御部１７０に接続するように構成されている。信号処理・制御部１７０は、位置検出器１４０からの少なくとも一つの信号に基づく１または複数の位置表示信号を、ホストコンピューター又はディスプレイ等に出力するように構成されている。

様々な実施形態において、ＹＡＧ−Ｃｅ^＋系の蛍光体、光輝性半導体ナノ粒子もしくはナノ結晶体、Ｑ粒子蛍光体（一般に、量子ドットや半導体量子ドットと呼ばれる。）または亜鉛酸化物ナノロッドなどの１または複数の従来の蛍りん光部材を用いて放射体部材１６２を構成してもよい。

放射体部材１６２は、測定範囲ＭＲに渡って、比較的同一の強度を維持する測定光スポットＭＳを提供することが好ましい。これによって、測定光スポットＭＳの強度変動に起因する望ましくない誤差がかなり縮小される。

様々な実施形態において、位置検出器として、２つの差動信号を出力する位置検出器を用いて、２つの信号の関係によって測定軸方向ＭＡにおける運動要素の位置を表してもよい。例えば、具体例の一つとして、差動信号Ａ，Ｂを使って、位置を（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の関係で表すことができる。このような関係は、測定光スポットＭＳの平均的なエネルギー強度の変動に比較的影響を受けにくいという傾向があるので好ましい。このような位置検出器の動作については、米国特許第７，８９４，０７９号公報を参照することで理解することができる。

図２は、第二実施形態に係る位置センサーデバイス２００を測定軸方向に直交する方向から見た断面で示した概略構成図であり、前述の実施形態の図１（Ｂ）に類似しており、図１（Ｂ）に示したものを図２に示した構成要素の配置に置き換えることができる。特に説明がない場合は、図１（Ａ）、（Ｂ）において１ＸＸで表した連番の符号と同様に、図２において同じ「ＸＸ」の接尾部を持つ２ＸＸで表した連番の符号は、前述の実施形態と類似する又は同一の構成であることを示す。このように、位置センサーデバイス２００の動作については、概ね、図１（Ａ）、（Ｂ）と同様に理解され、動作に関する特定の事項および／または相違点のみをここで説明する。

図２と図１（Ｂ）との主な相違点は、位置表示放射体２６０が位置表示放射体１６０よりも多くの構成要素を含む点にあり、位置表示放射体２６０は、前述の位置検出器１４０の一部として説明したフィルター１４２と類似の機能を発揮するフィルター２４２を含んでいる。

図２に示すように、位置センサーデバイス２００は、放射体部材２６２と、屈折率分布型レンズ２６４と、フィルター２４２とを有する位置表示放射体２６０を備える。図２の実施形態では、光源光の経路ＳＬＰが、測定軸方向ＭＡに向けられ、その経路上に、運動要素２３０に搭載された偏光素子２５５が配置されている。偏光素子２５５は、反射面を有し、この反射面が光源光の経路ＳＬＰを位置表示放射体２６０に向ける。

本実施形態では、位置表示放射体２６０が運動要素２３０に固定され、１つの組立構成になっている。図２に示すように、位置表示放射体２６０は、屈折率分布型レンズ２６４の入射表面に固定された放射体部材２６２を有し、この放射体部材２６２は、例えば、蛍りん光材充填樹脂などで構成される。また、屈折率分布型レンズ２６４の出射表面にはフィルター２４２が固定されている。上述した説明と同様に、放射体部材２６２は、第一波長域の光源光２５３を吸収して、これに反応して放射体部材２６２内で励起光２６３を生成して出力する。生成された励起光２６３は、屈折率分布型レンズ２６４を通過する。屈折率分布型レンズ２６４は、位置検出器２４０上に測定光スポットＭＳを形成するため、測定スポット光の経路ＭＳＰに沿って励起光２６３の焦点を合わせる。放射体部材２６２で発光した励起光２６３は、第二波長域の光を含む。フィルター２４２は、第二波長域の光を透過させるとともに、少なくとも光源光２５３の第一波長域を含むその他の不要な光を遮って検出されないようにする。位置表示放射体２６０は、測定範囲ＭＲ内での運動要素２３０の位置に関わらず、光源光の経路ＳＬＰに沿った光源光２５３を受光するように配置され、かつ、測定スポット光の経路ＭＳＰに沿って励起光２６３を出力して位置検出器２４０上に測定光スポットＭＳを形成するように配置されている。

図３は、第三実施形態に係る位置センサーデバイス３００を測定軸方向に直交する方向から見た断面で示した概略構成図である。特に説明がない場合は、図１（Ａ）、（Ｂ）において１ＸＸで表した連番の符号と同様に、図３において同じ「ＸＸ」の接尾部を持つ３ＸＸで表した連番の符号は、前述の実施形態と類似する又は同一の構成であることを示す。このように、位置センサーデバイス３００の動作については、概ね、図１（Ａ）、（Ｂ）と同様に理解され、動作に関する特定の事項および／または相違点のみをここで説明する。

図３と図１（Ｂ）との主な相違点は、前述の位置表示放射体１６０および位置検出器１４０と比較して、位置表示放射体３６０が位置検出器３４０から離れている点にある。そして、測定スポット光の経路ＭＳＰ上に焦点レンズ構成３９０が配置され、この焦点レンズ構成３９０は、位置検出器３４０上に所望の大きさの測定光スポットＭＳを形成するため、測定スポット光の経路ＭＳＰに沿って励起光２６３の少なくとも一部について、その焦点を合わせる。いくつかの実施形態において、焦点レンズ構成３９０に制限用の開口部（不図示）を設けて、励起光３６３に含まれる不要な光線を既知の原理に従って取り除いてもよい。また、制限用の開口部は、測定光スポットＭＳの大きさを調整するのに役立つ。いくつかの実施形態において、焦点レンズ構成３９０をテレセントリック系の結像光学構成としてもよい。テレセントリック系の結像光学構成は、位置表示放射体３６０（例えば放射体部材３６２）の像を位置検出器３４０上に形成し、既知のテレセントリック系の結像原理に従った測定光スポットＭＳを形成することができる。

その他については、位置センサーデバイス３００は、前述の位置センサーデバイス１００と同様に動作するものと理解される。

位置表示放射体３６０は、測定範囲ＭＲ内での運動要素３３０の位置に関わらず、光源光の経路ＳＬＰに沿った光源光３５３を受光するように配置され、かつ、測定スポット光の経路ＭＳＰに沿って励起光３６３を出力するように配置されている。また、焦点レンズ構成３９０は、測定範囲ＭＲ内での運動要素３３０の位置に関わらず、位置検出器３４０上に測定光スポットＭＳを形成するのに十分な大きさを測定軸方向ＭＡに関して有するように構成されている。

以上、本発明についての好ましい実施形態を説明したが、ここに図示および説明された構成の配置や動作手順についての多くの変形例が、本書の内容に基づいて当業者に明らかであろう。ここに開示した構成要素および／または動作についての様々な代替形態や組み合わせを、本書に開示された原理を実施するために使用してもよい。例えば、位置検出器の大きさに応じて、反射素子や偏光素子を追加して、光源光の経路および／または測定スポット光の経路の向きを変えてもよい。また、光源および位置検出器および／または他の構成要素の位置および／または姿勢を適宜変更してもよい。種々の実施形態では、光ファイバーの端部を光源として用いてもよく、その場合は、光ファイバーを、位置検出器の外側の光出力装置に、内部および／または外側に引き回して接続することができる。位置検出器には、複数の検出素子を並べた位置検出器アレイを用いてもよい。または、位置検出器には、形成されたマスクまたは開口部を有する光検出器を用いてもよい。光検出器の形成されたマスクまたは開口部は、これらマスクまたは開口部に対する光検出器の位置に応じて、測定スポット光を部分的に除去することができる。

なお、上述の様々な実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。

Claims (7)

1. フレームと、
   前記フレームに固定される直動案内軸受と、
   測定軸方向に沿った測定範囲を前記直動案内軸受に案内されて移動する運動要素と、
   検出軸方向に沿って設けられて前記検出軸方向における光スポットの照射位置に応じた出力を提供する光検出器を有し、前記フレームに固定される位置検出器と、
   所定の経路に沿って第一波長域の光源光を出射する発光部を少なくとも有する光源と、
   前記運動要素に固定され、かつ、前記運動要素と一緒に移動する位置表示放射体と、
   を備え、前記測定範囲での前記運動要素の位置に基づいて検出対象の位置を検出する位置センサーデバイスであって、
   前記位置表示放射体は、前記第一波長域の光を吸収してこれに応じた第二波長域の励起光を出力する放射体部材を有するとともに、
   前記位置表示放射体は、前記測定範囲での前記運動要素の位置に関わらず、前記光源光の経路に沿った前記光源光を受けるように配置され、かつ、測定スポット光の経路に沿って前記励起光を出力して前記位置検出器上に測定光スポットを形成するように配置され、
   前記測定光スポットは、前記運動要素の前記測定軸方向での位置に応じて、前記位置検出器の前記検出軸方向に沿って移動し、
   前記位置検出器は前記測定光スポットに応じて少なくとも１つの信号を出力し、前記少なくとも１つの信号は前記測定軸方向に沿った前記運動要素の位置を表す、
   ことを特徴とする位置センサーデバイス。
2. 請求項１記載の位置センサーデバイスにおいて、前記位置表示放射体は、放射体部材を有し、前記放射体部材は、蛍りん光部材、光輝性半導体ナノ粒子、ナノ結晶体、量子ドットおよびナノロッドからなる群より選ばれる１つを含むことを特徴とする位置センサーデバイス。
3. 請求項１または２記載の位置センサーデバイスにおいて、前記位置表示放射体は、前記励起光が焦点を結んで前記位置検出器に前記測定光スポットを形成するように配置された屈折率分布型レンズを含むことを特徴とする位置センサーデバイス。
4. 請求項１または２記載の位置センサーデバイスにおいて、さらに、前記位置検出器と前記位置表示放射体との間において前記フレームに固定されたレンズを備え、
   前記レンズは、前記励起光が焦点を結んで前記位置検出器上に前記測定光スポットを形成するように配置されていることを特徴とする位置センサーデバイス。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の位置センサーデバイスにおいて、さらに、前記測定スポット光の経路上に前記光源光を除くフィルターが設けられ、前記フィルターを通った前記励起光によって前記位置検出器上に前記測定光スポットが形成されることを特徴とする位置センサーデバイス。
6. 請求項５記載の位置センサーデバイスにおいて、前記フィルターは、前記位置表示放射体の一部を構成することを特徴とする位置センサーデバイス。
7. 請求項５記載の位置センサーデバイスにおいて、前記フィルターは、前記位置検出器の一部を構成することを特徴とする位置センサーデバイス。

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