JPH0263169B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、軸の回転変位の検出器に関するもの
であり、例えば、ロボツトアームの支承軸、ある
いはエンジン等の原動機の回転軸に結合されてそ
の回動角度の検出に供され、この検出信号は前記
検出対象の回動角位置や回転速度の制御系におけ
る帰還信号やその表示に用いられる。

従来の技術 この種の検出器には、ロータリエンコーダやレ
ゾルバ等がある。中でもレゾルバは高い分解能を
もつにもかかわらず、比較的構造が簡単で、しか
も角度情報がその搬送波の周期ごとに取出せる特
徴を有している。

すなわち、レゾルバはステータの直交する２方
向の極にそれぞれ第１、第２のコイルを巻装し、
その内部で回転するロータには第３のコイルを巻
装し、第１、第２のコイルには相互に90度位相の
異なる搬送波Va、Vb、 Va＝V₂sinωt Vb＝V₂cosωt を供給して各極から搬送波Va、Vbに対応した磁
束を放射させるようにしたものである。ここに、
V₂は搬送波の振幅、ωは角周波数を表す。した
がつて、このロータを被測定軸と結合して回動さ
せると、その回動角度θに応じてそれぞれの放射
磁速のうちロータと鎖交する磁束の割合が変わ
り、その結果、第３のコイルには回動角度θに応
じて位相の変わる位相信号Vc Vc＝K₂V₂cosωtsinθ ＋K₂V₂sinωtcosθ ＝K₃V₂sin（ωt＋θ） が誘起されることになる。ここに、K₂、K₃は比
例係数を表す。しかしながら、レゾルバは上記の
ように電磁的な信号発生手段を用いているため
に、そのコイルおよびコイルからの信号取出用ロ
ータリトランス等を必要とし、小型化するに際し
て制約を受けること、また、ロータの慣性モーメ
ントもロータリエンコーダに比べて大きいことな
どの問題をもつ。また、製作に際して所定の磁束
分布を得るにはコイルの形状、配置位置に厳しい
精度が要求され、結果的に高価となる問題点もあ
る。

このようなレゾルバの欠点は、電磁的な信号発
生手段を採用していることに起因したものであ
り、その解決には光電的な信号発生手段の採用が
考えられる。

その種のものとしては、例えば米国特許第
3306159号に開示されたものがある。これは、回
転軸に固着した偏光板の一部分と対向状態に、第
１〜第４の４個の静止偏光板を配設し、その各静
止偏光板は相互にその透過軸を45度づつずらして
おき、その各静止偏光板と前記回転偏光板の各々
の外側で光源と受光部を対向配設したものであ
る。

以上のものにおいて、光源からの光は、回転偏
光板を通り、続いて第１〜第４の静止偏光板の各
一つを経由してそれぞれの受光部に達するが、こ
のとき、各受光部に達する光量は、回転偏光板と
各第１〜第４の静止偏光板の透過軸の交り角によ
り変わる。すなわち、光の透過率は、交り角の倍
角のコサイン関数に対応して変わる。したがつ
て、今、回転偏光板が角度θだけ回動すると、そ
の回転偏光板と第１〜第４の静止偏光板との各交
り角は、それぞれθ、θ＋45゜、θ＋90゜、θ＋
135゜となり、その結果、それぞれの透過率は、
cos2θ、−sin2θ、−cos2θ、sin2θに対応し、各受光
部にもそれらと対応した出力が発生する。ただ
し、上記透過率は、必ず０より大であり、したが
つて、上記透過率を厳密に表わすと、交り角が90
度の場合、すなわち直交位透過率と上記した透過
率の和となり、各受光部も直交位透過率に対応し
た直流成分を含む。

次に、各受光部出力には、搬送波sinωt、
cosωt、−sinωt、−cosωtが乗算され、その後加算
される。したがつて、前記の直流成分はこの加算
により相殺され、加算出力は、位相が回転偏光板
の回転角θの倍角に対応して変わるsin（ωt＋2θ）
となる。

発明が解決しようとする課題 しかし、これにおいては、第１〜第４の偏光板
をその透過軸が45度づつずれた状態に正確に配置
しておく必要があるが、それには、検出器の組
立、調整技術に熟練を要し、かつ多大の作業時間
を要することが避けられない。

本発明は、偏光板の配置に際して、多数の偏光
板を位置決め調整しなければならない問題点を解
決しようとするものである。

課題を解決するための手段 本発明は、前記問題点を解決するために、偏光
板の透過軸の位置調整を２ケ所に減少したもので
あり、透過軸を45度ずらして大小２枚の偏光板を
重ね合わせ、重合部分と非重合部分を形成した第
１の板体と、相互に透過軸を45度ずらして第１、
第２の偏光板が固定され、前記第１の板体の非重
合部分と対向して配設された第２の板体と前記第
１の板体の非重合部分と前記第２の板体の第１、
第２の偏光板をはさんでそれぞれ対向して配設さ
れた第１の光源と第１の受光部および第２の光源
と第２の受光部と、前記第１の板体の重合部分を
はさんで対向して配設された第３の光源と第３の
受光部および第４の光源と第４の受光部と、前記
第１と第３の光源に正弦波状に変化する交流点灯
信号を、前記第２と第４の光源に前記正弦波状に
変化する交流点灯信号と90度の位相差を有する交
流点灯信号をそれぞれ送出する点灯制御部と、前
記第１、第２、第３、第４のの受光部出力e₁、
e₂、e₃、e₄を入力してe₀＝（e₁＋e₂−（e₃＋e₄）の
演算を行う演算部とからなる。

尚、上記第１、第２の受光部を各別に配設する
代わりに、第１、第２の光源と対向させて共用の
受光部を設け、同様に上記第３、第４の受光部を
各別に配設する代わりに、第３、第４の光源と対
向させて共用の受光部を設け、演算部に前記第１
と第２の光源の共用受光部と前記第３と第４の光
源の共用受光部の出力（e₁＋e₂）、（e₃＋e₄）を入
力してe₀＝（e₁＋e₂）−（e₃＋e₄）の演算を行わせて
も同様である。また、第１、第２の受光部、ある
いは第３、第４の受光部のいずれか一方を共用受
光部とし、他方は各別の受光部とし、受光部出力
e₁、e₂と（e₃＋e₄）、あるいは受光部出力（e₁＋
e₂）とe₃、e₄を演算部に入力してe₀＝（e₁＋e₂）−
（e₃＋e₄）の演算を行なわせても同様である。

作 用 第１、第２の板体が相対的に回動変位θを生じ
ると、第１の板体の非重合部分の偏光板と第２の
板体の第１、第２の偏光板の各透過軸との交り角
がθだけずれ、その結果、それぞれの光の透過率
α₁、α₂は次のように変化する。

α₁＝（H₀−H₉₀）cos²θ＋H₉₀ ＝K₁cos2θ＋K₂ …… α₂＝（H₀−H₉₀）cos²（θ＋45゜）＋H₉₀ ＝K₁cos2（θ＋45゜）＋K₂ ＝−K₁sin2θ＋K₂ …… ここに、H₀：平行位透過率 H₉₀：直交位透過率 K₁＝（1/2）（H₀−H₉₀） K₂＝（1/2）（H₀−H₉₀） このとき、第１の板体の重合部分の透過率α₃
は、第２の板体の回動変位θとは無関係に一定で
あり、次のとおりである。

α₃＝（H₀−H₉₀）cos²45゜＋H₉₀＝K₂ …… したがつて、第１の板体の非重合部分を第２の
板体の第１、第２の偏光板を挟んで一側に配置さ
れた光源からの光量は、それぞれの透過率α₁、α₂
倍されて他側に配置された受光部に達し、また、
重合部分を挟んで一側に配置された光源からの光
量は、一定の透過率α₃倍されて他例に配置された
受光部に達する。

さて、第１、第３の光源と、第２、第４の光源
はそれぞれ相互に位相が90度ずれた周期的信号、
例えば正弦波よりなる点灯信号、Ｂ（Asinωt＋
１）、Ｂ（Acosωt＋１）により発光量が制御され、
それぞれ次のような光量C₁、C₃、C₂、C₄を発光
する。

C₁＝C₃＝Ｅ（Dsinωt＋１） C₂＝C₄＝Ｅ（Dcosωt＋１） …… ここに、Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅは比例係数 このC₁、C₂、C₃、C₄は、第１、第２の板体を
介する際、それぞれ前記の透過率α₁、α₂、α₃、α₃
倍され、各対応する第１〜第４の受光部に達し、
そこで受光量に対応した電気信号e₁〜e₄に変換さ
れる。すなわち、 e₁＝K₃sinωtcos2θ＋K₄cos2θ ＋K₅sinωt＋K₆ e₂＝−K₃cosωtsinθ−K₄sin2θ ＋K₅cosωt＋K₆ e₃＝K₅sinωt＋K₆ e₄＝K₅cosωt＋K₆ …… ここに、光量と電気信号の変換係数をβとおく
と、 K₃＝DEK₁β K₄＝EK₁β K₅＝DEK₁β K₆＝EK₂β そして、これら受光部の出力は演算部におい
て、次のように演算され、第１、第２の板体の相
対回動変位θに対応した位置ずれをもつ出力e₀が
形成される。

e₀＝e₁＋e₂−（e₃＋e₄） ＝K₃（sinωtcos2θ−cosωtsin2θ） ＋K₄（cos2θ）＝K₃sin（ωt−2θ） ＋K₅（cos2θ−sin2θ …… ここで、点灯光源の周波数は、回動変位速度に
比べて十分高くしてあり、出力e₀をハイパスフイ
ルタを介することにより式の２項を除去した位
相信号となる。

尚、上記は第１〜第４の光源ごとに受光部を対
向させたが、第１と第２の光源、第３と第４の光
源の光量C₁とC₂、C₃C₄をそれぞれの共通の受光
部により受光させると、演算の一部である出力の
加算e₁＋e₂、e₃＋e₄を受光部で行なわせることが
できる。

実施例 以下、実施例として、第１の板体を大小２枚の
偏光円板の重ね合わせにより形成し、第２の板体
を２枚の偏光板の並列配置により形成し、４個の
光源と４個の受光部を用いたものを例にとり、本
発明を詳細に説明する。

実施例の構成部分を示す第１，２図において、
１は回動自在に支承された軸であり、軸１上には
大径の偏光円板１１と小径の偏光円板１２とを相
互に透過軸を45度ずらして同心状態で重合させた
第１の板体１０が一体的に固着されている。

その第１の板体の外周側に位置する大径の偏光
円板１１のみからなる非重合部分と対向して第２
の板体４０が配設され、第２の板体４０には、相
互に透過軸を45度ずらして第１、第２の偏光板４
１，４２が固定されている。そして、その第１、
第２の偏光板４１，４２と第１の板体１０の非重
合部分とを挟んで対向状態に第１、第２の光源２
１，２２と第１、第２の受光部３１，３２（但
し、３２は図示されていない。）が配設されてい
る。

また、第１の板体１０の内周側に位置する大径
と小径の偏光円板１１，１２の重合部分を挟んで
対向状態に第３、第４の光源２３，２４と第３、
第４の受光部３３，３４が配置されている。

しかして、この機構部においては、大小径の偏
光円板１１，１２の重合に際して透過軸を45度に
組立調整することと、第２の板体において第１、
第２の偏光板４１，４２の透過軸を45度だけずら
して組立調整することの二つの調整操作のみとな
る。

次に、第３図は前記第１〜第４の光源２１〜２
４の発光量を制御する点灯制御部と、前記第１〜
第４の受光部３１〜３４の出力を演算して第１の
板体１０の回動変位を算出する演算部の実施例で
あり、第１，２図と同番号を付した光源２１〜２
４、受光部３１〜３４は第１，２図と同一のもの
である。

先ず、点灯制御部５０は、第１、第３の光源２
１，２３、第２、第４の光源２２，２４に相互間
に90度の位相差を有する正弦波信号よりなる周期
的点灯信号、Ｂ（Asinωt＋１）、Ｂ（Acosωt＋１）
を送出し、前記式に示す光量C₁〜C₄を発光さ
せる。

次に、演算部６０は、前記第１と第３、第２と
第４の受光部３１と３３、３２と３４の出力差を
算出する第１、第２の加減回路６１，６２と、そ
の両加減回路の和を算出する第３の加減回路６３
とからなる。

以上のものにおいて、軸１がθだけ回動変位す
ると、第１の板体１０も一体的にθだけ回動し、
第１、第２の偏光板４１，４２と偏光板１１の非
重合部分との透過軸の交り角がそれぞれθ、（θ
＋45゜）となり、その透過率α₁、α₂は前記、
式のように回動変位θに応じて変化したものとな
る。

他方、第１の板体１０の重合部の透過率は、軸
１の回動変位θとは無関係に一定であり、前記
式のようになる。

したがつて、第１〜第４の光源２１〜２４から
発光された光量C₁〜C₄は、それぞれα₁〜α₃倍さ
れて各対応する第１〜第４の受光部３１〜３４に
達し、受光部３１〜３４はその受光量に対応した
前記式に示す電気信号e₁〜e₄を発生する。

そして、その各受光部出力e₁〜₄は演算部６０
に導入され、先ず、（e₁−e₃）、（e₂−e₄）が演算
された後、その和（e₁−e₃）＋（e₂−e₄）が第３の
加減回路６３により算出され、前記式に示す出
力e₀が形成される。

尚、上記実施例において、光源と受光部は直接
発光素子と受光素子を用いた場合を例示したが、
これらと光フアイバーを用いて構成しても同様で
ある。

また、演算部６０の各受光部出力に対する演算
の順序は上記実施例に限られるものでなく、前記
式の演算式を満たすものであればよい。

また、上記実施例は第１〜第４の光源に対し各
受光部を対向させた場合を例示したが、第１と第
２、第３と第４の光源と各共通の受光部を対向さ
せ、（e₁＋e₂）、（e₃＋e₄）の出力を直接発生させ
てもよい。

また、上記実施例においては、第１の板体１０
を軸１に固着して回動変位させた場合を例示した
が、第２の板体４０の第１、第２の偏光板をドー
ナツツ状とし、円板の異なる半径上に設け、それ
を軸に固着して回動変位させても同様である。

発明の効果 以上のとおりであり、本発明は、２枚の偏光板
を重合させた部分と非重合の部分とを有する第１
の板体の非重合部分に対して第２の板体の２枚の
偏光板を対向させ、その間の透過光量の変化およ
び第１の板体の重合部の透過光量を電気信号に変
換して処理し、第１と第２の板体の回動変位に対
応した出力を形成するので、偏光板の透過軸の調
整は、２対の偏光板に対して行なうだけでよく、
全体の組立調達が簡略化され、作業性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の機構部の実施例を示す正面
図、第２図は第１図の左側面図、第３図は本発明
の点灯制御部、演算部の実施例を示すブロツク線
図である。 １０：第１の板体、４０：第２の板体、２０：
光源、３０：受光部、６０：演算部、５０：点灯
制御部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 透過軸を45度ずらして大小２枚の偏光板を重
   ね合わせ、重合部分と非重合部分を形成した第１
   の板体と、相互に透過軸を45度ずらして第１、第
   ２の偏光板が固定され、前記第１の板体の非重合
   部分と対向して配設された第２の板体と、前記第
   １の板体の非重合部分と前記第２の板体の第１、
   第２の偏光板をはさんでそれぞれ対向して配設さ
   れた第１の光源と第１の受光部および第２の光源
   と第２の受光部と、前記第１の板体の重合部分を
   はさんで対向して配設された第３の光源と第３の
   受光部および第４の光源と第４の受光部と、前記
   第１と第３の光源に正弦波状に変化する交流点灯
   信号を、前記第２と第４の光源に前記正弦波状に
   変化する交流点灯信号と90度の位相差を有する交
   流点灯信号をそれぞれ送出する点灯制御部と、前
   記第１、第２、第３、第４の受光部出力e₁、e₂、
   e₃、e₄を入力してe₀＝（e₁＋e₂）−（e₃＋e₄）の演算
   を行う演算部とからなる光電式変位検出器。 ２ 第１の受光部と第２の受光部および第３の受
   光部と第４の受光部のいずれか一方の対、または
   両方の対が共用の受光部からなる特許請求の範囲
   第１項に記載の光電式変位検出器。