JPS60239620A - 変位変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光を利用して機械的な変位を検出する変位変
換器にあ（プる信号処理回路の改良に関するものである
。

（従来の技術） このような光学式の変位変換器の一種として従来からあ
るロータリーエンコーダの分解能および応答速度を改良
したものが特願昭５８−８６３９１号記載の変位変換器
である。これは、透光スリットを通った光を受光する受
光素子として、複数分割したフォトダイオードを使用す
るとともに、このフォトダイオード上に所定ピッチで配
列でる透光スリットを有する位相板を設置したもので、
第２図はその構成説明図である。この図において、１は
コード板、１１はこのコード板１に所定ピッチで円周方
向に複数個配列する透光スリット、３は光源、３０はこ
の光源３からの光ビームを平行ビームにするためのレン
ズ、４は透光スリット１１を通った光源３からの光〈ス
リット像）を受光するイメージセンサで、ここでは動作
を簡単に説明する都合上、４分割したフォトダイオード
４１゜４２．４３．４４と、このフォトダイオード上に
所定ピッチで配列するスリット孔を有する位相板２を設
置したものを示す。Ｓ　Ｗ　＋〜ＳＷａは４分割した各
フォトダイオード４１〜４４からの信号を一定のタイミ
ングで、順次取り出すスイッチである。５は各スイッチ
Ｓ　Ｗ　＋〜Ｓ　’Ａ’　４を介して印加されるイメー
ジセンサ４からの信号を増幅する増幅器、６は増幅器５
からの出力信号の基本波成分を抽出するバンドパスフィ
ルタである。

第３図は、位相板２に設けた透光スリット２１゜２２．
２３．２４と、４分割したフォトダイオード４１〜４４
の配列関係を示す図である。この図に示すように、透光
スリット２１．２２，２３゜２４（実線で示す）の配列
ピッチは、４分割フォトダイオード４１．４２．４３．
４４　（破線で示す）の配列ピッチと等しく、また、コ
ード板１に設けられた透光スリット（斜線で示す）１１
の配列ピッチＰに対して５／４Ｐとなるよう形成されて
いる。なお、各スリット孔２１〜２４のスリット幅はこ
こではＰ／２にしである。

このように構成した装置の動作を、次に第４図の動作波
形図を参照しながら説明する。

光＋１ｊｉ３からの光は、レンズ３ｏで平行ビームとな
り、コード板１の透光スリット１１および位相板２の透
光スリット２１〜２４を通過し、４分割フォトダイオー
ド４１〜４４上に透光スリット１１の像を結像させる。

各スイッチＳ　Ｗ　＋〜Ｓ　Ｗ　ａは第４図（ａ）〜（
ｄ）に示すようなタイミングで順次オン、オフ（オン時
間を゛「とする）し、各フォトダイオード４１〜４４か
らの信号を順次取り出す。増幅器５はこの信号を増幅す
る。この結果、増幅器５の出力信号ｅ５は、第４図（ｅ
）に示すように、各スイッチＳ　Ｗ　＋〜Ｓ　Ｗ　ａが
オンとなる時間ごとに大きさが階段状に変化する階段波
形となる。このような階段波形ｅ５をバンドパスフィル
タ６に加えると、第４図（ｆ）に示すような正弦波信号
ｅ６が得られる。この正弦波信号ｅ６の基本波周波数は
、各スイッチＳ　Ｗ　＋〜ＳＷａを順次駆動するくり返
し周波数に一致する。ここで、コード板１が測定すべぎ
変位に応じて回転すると、各フォトダイオード４１〜４
４上に結像する像が移動し、バンドパスフィルタ６から
得られる正弦波信号ｅ６の位相が、像の移動量、すなわ
ち、コード板の変位に応じて、例えば破線に示ずように
Φだけシフトする。コード板１が透光スリット１１の配
列ピッチの１ピッチＰ分だけ回転すると、正弦波信号ｅ
６の位相シフト量は２πとなる。

したがって、この位相のシフト化Φを測定することによ
って、コード板１に形成された透光スリット１１の配列
ピッチ２以内の回転角度をめることができる。

第５図は、このような位相シフト量測定回路の一例をし
めず構成ブロック図である。この回路はバンドパスフィ
ルタ６から得られる正弦波信号ｅ６の位相を、位相測定
回路７に加わる基準クロックｆＣにより１００〜１００
０程度内拝する動作をなすものである。基準クロックｆ
ｃは分周回路８および駆動回路９を介して各スイッチ手
段にも加えられている。この結果、位相測定回路７の出
力から、位相シフトｍ１すなわちコード板１の回転角θ
を、Ｐの１／１０００といった高い分解能で内挿するこ
とができる。

このような構成の変位変換器は比較的簡単な構成で、高
分解能、高速応答性を有し、光源の強度変化やイメージ
センサを構成する素子の感度変化等の影響を受けないと
いう特長を有するが、下記の様な問題点を有している。

上記の構成のような変位変換器ではイメージセンサの階
段状の出力波形から高調波成分を除去するために、バン
ドパスフィルタ＜ＢＰＦ）やローパスフィルタ（ＬＰＦ
）を用いる必要があるが、イメージセンサ４からの出力
周波数はコード板１の回転速度および回転方向により、
例えば５にト（２±２ｋ　Ｈｚの範囲で変化するので、
上記フィルタの位相特性が周波数に対して非直線である
と、変位出力に誤差を生じる。そこでこれらのフィルタ
としては周波数に対する位相の変化がリニア（すなわち
群遅延０間が周波数に対して一定〉なりニアフェーズ型
フィルタを用いることが必要となる。またこの位相特性
は周囲温度に対しても安定でなければいけない。しかし
このようなフィルタを構成するためには高精度・高安定
の回路素子の使用および調整を必要とするという問題点
がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
、高安定・高精度のりニアフェーズフィルタを使用せず
に出力の位相誤差を無くすことができる、機械的な変位
を検出する光利用の変位変換器を実現することを目的と
している。

（問題点を解決するための手段） 本発明の変位変換器は所定ピッチで配列する複数個の透
光スリットが形成されたコード板、このコード板の透光
スリットに平行な光を投射させる光源、複数分割した受
光素子とこの各受光素子上に設置され所定ピッチで配列
するスリット孔を有した位相板と各受光素子からの信号
を順次取出ずスイッチ手段とで構成されるイメージセン
サ、このイメージセンナから得られる信号と基準信号の
間の位相差をめる位相差検出回路、この位相差検出回路
の出力が加わる低域フィルタ、この低域フィルタの出力
により出力周波数が制御される電圧制御発振回路、この
電圧側ｍ発振回路の出力に同期して前記各スイッチ手段
を順次駆動するスイッチ駆動回路、前記電圧制御発振回
路の出力信号の位相シフトｍに基づいて前記コード板の
変位をめる位相測定手段を具備したことを特徴とする。

（作用） 上記の手段を用いて、イメージセンサの出力信号の位相
および周波数が基準信号と一致するように電圧制御発揚
回路の出力を負帰還制御すれば、電圧制御発振回路の出
力信号の位相シフトｍから前記コード板の変位をめるこ
とができる。

（実施例） 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。

＠１図は本発明に係わる変位変換器の一実施例で、第２
図の変位変換器における信号処理回路を改良したものを
示す要部構成説明図である。１０１は基準りＯツクｆｃ
を分周する分周回路、１０２はこの分周回路１０１の出
力信号すなわち基準信号ｆＲとイメージセンサ４の出力
信号Ｔｏの間の位相差を検出プる位相差検出回路で例え
ば乗枠型のもの、１０３はこの位相差検出回路１０２の
出力信号を平均化する低域フィルタ、１０４はこの低域
フィルタ１０３の出力により出力周波数が制御される電
圧制御発揚回路（ＶＣＯ）、９はこの電圧制御発振回路
１０４の出力信号に同期してイメージセンυ４の各スイ
ッチＳ　Ｗ　＋〜Ｓ　Ｗ　４に４相の駆動信号を送るス
イッチ駆動回路（前出）、１０５は前記基準クロックｆ
ｃが加えられ、計数回路などを用いて前記電圧制御回路
１０４の出力信号の位相シフト泄を検出する位相測定回
路である。位相差検出回路１０２、低域フィルタ１０３
、電圧制御発揚回路１０４、スイッチ駆動回路９および
イメージセンサ４はフェーズロックループを構成してい
る。

このような構成の処理回路の動作を次に説明する。イメ
ージセンサ４からの出力信号ｆｏと基準信号［Ｒとの間
に位相差があると、電圧制御発振回路１０４は低域フィ
ルタ１０３からの出力により、この位相差を打消すよう
に周波数を変化させる。すなわち、フェーズロックルー
プにおける負帰還により、信号ｆｏは基準信＠ｆＲに位
相ロック（周波数および位相が一致少さねる。電圧制御
発振回路１０４の出力信号の位相はコード板１の変位θ
に対応してシフトするから、この位相シフト邑を位相測
定回路１０５において基準りＯツクｆｃにより計測すれ
ば、高分解能の変位出力を得ることができる。

上記のような構成の信号処理回路を用いれば、フェーズ
ロックループ構成をとることにより、高精度・高分解能
のリニアフェーズフィルタを使用せずに高分解能・高速
の変位変換器を実現することができる。

なお上記の実施例では４分割フォトダイオードを用いた
が、分割する数は３以上の複数個であればよい。

また上記の各実施例ではいずれもロータリーエンコーダ
への適用を想定しているが、直線変位形にも適用できる
。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、光を利用して機械的
な変位を検出する方式で、高安定・高精度のりニアフェ
ーズフィルタを使用せずに出力の位相誤差を無くすこと
ができる変位変換器を簡単な構成で実現することができ
る。さらに高分解能、高速応答などの特長も備えている
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる変位変換器の一実施例の要部構
成説明図、第２図は従来の変位変換器の構成説明図、第
３図は第２図の変位変換器の部分説明図、第４図は第２
図の装置の動作を説明するための動作波形図、第５図は
位相シフト量測定回路の従来例をしめす構成ブロック図
である。 １・・・コード板、２・・・位相板、３・・・光源、４
・・・イメージセンサ、９・・・スイッチ駆動回路、１
１・・・透光スリット、２１〜２４・・・スリット孔、
４１〜４４・・・受光素子、１０２・・・位相差検出回
路、１０３・・・低域フィルタ、１０４・・・電圧制御
発振回路、１０５・・・位相測定手段、Ｓ　Ｗ　＋〜Ｓ
　Ｗ　４・・・スイッチ手段、「０・・・イメージセン
サから得られる信号、ｆＲ・・・基準信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定ピッチで配列する複数個の透光スリットが形成され
   たコード板、このコード板の透光スリットに平行な光を
   投射させる光源、複数分割した受光素子とこの各受光素
   子上に設置され所定ピッチで配列するスリット孔を有し
   た位相板と各受光素子ハロうの信号を順次取出すスイッ
   チ手段とで構成されるイメージセンサ、このイメージセ
   ンサから得られる信号と基準信号の間の位相差をめる位
   相差検出回路、この位相差検出回路の出力が加わる低域
   フィルタ、この低域フィルタの出力により出力周波数が
   制御される電圧制御発振回路、この電圧制御発振回路の
   出力に同期して前記各スイッチ手段を順次駆動するスイ
   ッチ駆動回路、前記電圧制御発振回路の出力信号の位相
   シフト間に基づいて前記コード板の変位をめる位相測定
   手段を具備した変位変換器。