JPS60239621A

JPS60239621A - 変位変換器

Info

Publication number: JPS60239621A
Application number: JP9711084A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ono; 裕小野; Hajime Kuwabara; 一桑原; Mitsuhiro Nikaido; 二階堂　光宏
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1984-05-15
Filing date: 1984-05-15
Publication date: 1985-11-28

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
換器におけ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
列す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に所定ビツヂで円周方
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イ１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からの光く
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　＋〜ＳＷ４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　＋〜ＳＷ４を介しＵ　ＥｒＪ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′ｇ）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′？ｊ）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ｒ５／４Ｐとなるよう形成さ
れている。なあ、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。

光源３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
ブｉ〜２１〜２４を通過し、４分割フォトダイオード４
１〜４４」二に透光スリット１１の像を結像さじる。各
スイッチＳ　Ｗ　＋　−Ｓ　Ｗ４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
間を王とする）し、各フォトダイオ−１ｚ４１〜４４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　４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　＋〜Ｓ　Ｗ　ａ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
べき変位に応じて回転すると、各フォトダイオード４１
〜４４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（ｇ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、例えば破線に示す
ようにΦだけシフトする。コード板１が透光スリット１
１の配列ピッチの１ピッチＰ分だ番プ回転Ｊると、正弦
波信号ｅ６の位相シフトｆｆ）Ｇよ２πとなる。

したがって、この位相のシフトｍΦを計数回路などによ
って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Ｐ以内の回転角度をめるこ
とができる。

このような構成の変位変換器は比較的部１１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
ジセンナ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［１−バスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）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
ＦＭ変調されて、例、ｔ：ば５ｋＨｚ±２ｋＨｚの範囲
で変化するので、上記フィルタ６の位相特性が周波数に
対して非直線であると、第５図に示すように変位出力に
誤差を生じる。すなわち、仮にイメージしンサ４の出力
周波数ｆ０でフィルタ出力とイメージセンサ４の出力信
号の位相が一致する場合に、イメージセンナ４の出力周
波数がΔｆ変化すると、フィルタの群遅延時間が周波数
によって変化するため、フィルタの出力（ｆｆｉ号（点
線）には△ｆに対応して△ｔ＝Δ丁の位相遅れが生じる
〈第５図（ａ））。

逆にイメージセンサ４の出力周波数が一△ｆ変化すると
、フィルタの出カイ３号にはΔ［−八Ｔ′の位相遅れが
生じる（第５図（ｂ））。このような遅延時間の違いは
変位出力にお（プるＱｇｔ差の原因となるので、できる
だけ小さくすることか好ましい。

（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
、出力におけるダイナミック誤差の無い、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ビッヂ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啄、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から基本波成
分を抽出するリニアフェーズフィルタ、このりニアフェ
ーズフィルタの出力信号と前記イメージセンサの駆動信
号と同期する基準クロックを入力し前記基本波成分の位
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
定手段を具備したことを特長とする。

（作用）イメージセンサからの出力に含まれる高調波を取り除く
フィルタとしてリニアフェーズフィルタを用いることに
より、フィルタにおける位相誤差を無くして、ダイナミ
ック誤差の無い変位変換器を実現することができる。

（実施例）以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。

第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。６１はイメージセンサ４（
第２図参照）の出力信号が加わるリニアフェーズフィル
タ、７はこのリニアフェーズフィルタ６１の出力信号の
位相シフトｍを基準クロックｆｃにより計数づる＠路な
どから構成される位相測定回路、８は基準クロックｆｃ
に同期した走査信号を前記イメージセンサ４に送る分周
＠路などからなるスイッチ駆動回路である。

次にその動作を説明する。イメージセンサ４の出力信号
はリニアフェーズフィルタ６１において高調波成分を取
り除かれる。第６図はりニアフェーズフィルタのゲイン
特性（ａ）ｃｉ、ｉよび群遅延時間特性（ｂ）を示す特
性曲線図である。（ｂ）から明らかなようにリニアフェ
ーズフィルタでは一定の周波数範囲ｒ群遅延時間が一定
（１なわち位相が周波数に対して直線的に変化ンとなる
ので、イメージセンサ４の出力周波数ｆ５１９の変動範
囲をΔ［とすると、ｆｓｔｇ＝ｆ□±Δｆの範囲で群遅
延時間を一定とすれば、フィルタ出力において位相誤差
は生じない。リニアフェーズフィルタ６１の出力信号は
位相測定回路７において基準クロックｒｃによりその位
相シフトｍを高分解能で計数される。

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、出力のダイナミック誤差の無
い変位変換器を簡単な構成で実現できる。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
従来のフィルタの動作特性を示すための動作波形図、第
６図はりニアフェーズフィルタの動作特性を示すための
特性曲線図である。１・・・コード板、２・・・位相板、３・・・光源、４
・・・イメージセンサ、７・・・位相測定手段、８・・
・スイッチ駆動回路、１１・・・透光スリット、２１〜
２４・・・スリット孔、４１〜４４・・・受光素子、６
１・・・リニアフェーズフィルタ、ＳＷＩ〜ＳＷ４・・
・スイッチ手段、ｆＣ・・・基準クロック。

Claims

【特許請求の範囲】

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すスイッチ
手段とで構成されるイメージセンナ、このイメージセン
サから得られる信号から基本波成分を抽出するリニアフ
ェーズフィルタ、このリニアフェーズフィルタの出力信
号と前記イメージセンサの駆動信号と同期する基準クロ
ックを入力し前記基本波成分の位相シフト量に基づいて
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。