JP2767488B2 - 変位計 - Google Patents
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Description
れるレーザ測長計、リニアエンコーダ、ロータリエンコ
ーダ等の変位計に関し、詳しくは、可動物体の一方向の
移動量αからRsinθおよびRcosθ(但し、θ=2πα/
S、Sは所定周期)で変化する電気信号を得て、それら
2種の信号からθを求めることによりαを測定する変位
計に関する。
8),P.107〜108に紹介されている第10図に示したような
干渉縞計数型レーザ測長計は上述の変位計の1種であ
る。
波長λの直線偏光がビームスプリッタ2でλ/8板3およ
び固定コーナキューブ4を有する参照光路と移動コーナ
キューブ5を有する測長光路とに分岐され、参照光路に
分岐した参照光がλ/8板3を2回通ることによって円偏
光にされる。この円偏光の参照光と測長光路に分岐した
直線偏光の測長光とが再びビームスプリッタ2によって
合わされて2分割され、その2分割の一方がさらに偏光
ビームスプリッタ6により、測長光がその偏光面に対し
±45゜方向の分光となるように2分割されて、それによ
り3種の分割光が得られる。その3種の分割光がそれぞ
れフィルタ7および偏光板8を通ることにより移動コー
ナキューブ5の一方向の移動で干渉する位相が順次90゜
ずつずれた3種の干渉光とされ、それら3種の干渉光が
それぞれフォトダイオードのような検出器9に入射して
90゜ずつ位相差のある3種の電気信号に変換される。そ
の3種の電気信号がそれぞれ振幅と振幅の中心値を揃え
る演算増幅器10で増幅された後に順次位相の90゜ずれた
隣同志を組とする2組にされて、それら2組の電気信号
がそれぞれsin(x−y)の演算をする演算増幅器11に
入力されることにより90゜位相のずれたRsinθおよびRc
osθ(但し、Rは振幅、θ=2π(Lm−Lr)/λ、Lrは
一定の参照光路長、Lmは移動コーナキューブ5の一方向
の移動量αで2α変化する測長光路長、すなわち所定周
期S=λ/2)で変化する電気信号が得られる。この電気
信号は、順次位相が90゜ずれた3種の干渉縞信号の順次
隣合う信号の差から求めているから、レーザ光の強度変
動等の外乱の影響が相殺され、信号レベルの中心が常に
一定になって、干渉縞計数のミスを少なくでき、精度の
高い測定を可能にする。この両電気信号を、両電気信号
からパルス信号を得てカウンタで計算する比較回路,微
分回路,波形整形回路,オア回路,パルスカウンタから
成る計数回路を用いた信号処理回路12、またはA/D変換
器を含んで θ=tan-1(Rsinθ/Rcosθ) …(1) あるいはさらに の演算をするデジタル演算回路と、両電気信号からロジ
ック的にθ変化の方向を求める判別回路とから成る信号
処理回路12に入力して、θしたがってαと±の方向また
はLmを求める。
の干渉光を電気信号に変換する干渉縞計数型レーザ測長
計や2周波レーザを用いるヘテロダイン干渉測長計は勿
論、National Technical Report Vol.36,No.2,Apr.199
0,P.114〜120に紹介されているような磁気式や光学式の
ロータリエンコーダあるいはリニヤエコーダ等の変位計
もRsinθ,Rcosθの出力信号を得て、それら両信号を同
様に信号処理回路12で処理してθを求めることにより回
転角や直線変位量を測定している。
mの単位精度で求めるのに両信号のそれぞれに対しm個
の比較回路と2m個の微分回路および波形整形回路を必要
として、回路が複雑、高価となり、θを細かいπ/2mの
単位精度で求めることが困難と言う問題がある。それに
対して、前述のデジタル演算回路を用いた信号処理回路
12は、θを細かい単位精度で求めることはできるが、
(1)式や(2)式の演算を高速で行うために例えばMC
68020のCPUを20MHzで駆動し、ノンウエートで追従する
高速のメモリを配して、MC68882の高速演算素子を使っ
たとしても、θやRを得るのに最低でも10μsec以上の
時間が掛かり、θ変化の方向を求める判別回路が10MHz
程度の変化まで追従できるとしても、総合的な処理速度
がデジタル演算回路の演算速度により0.1MHz以下になっ
てしまうと言う問題がある。なお、A/D変換器がオフセ
ットバイナリを出力するものでは、Rsinθ,Rcosθの振
幅の中心値がオフセット値Dを持つから、デジタル演算
回路は(1),(2)式ではなくて θ=tan-{Rsinθ−D)/(Rcosθ−D)} …(3) の演算を行うことになり、そのために演算速度はさらに
遅くなる。
であり、R sinθ,R cosθの信号処理回路を簡単安価に
構成することができて、θを細かい単位で精度で高速に
求めることができる変位計の提供を目的とする。
よびRcosθ(但し、θ=2πα/S、Sは所定周期)で変
化する電気信号を得て、それら2種の信号からθを求め
ることによりαを測定する変位計において、前記2種の
信号をデジタル変換した2種のデジタル信号を読み出し
信号として予め前記2種のデジタル信号の種々の組合わ
せに対応する種々の値(但し、値は0≦θ=−nk
π<kπののデジタル値、nは後記カウント数、kは
2または1もしくは1/2)を記憶しているメモリから
対応した値を読み出すと共に、値が増加から減少ま
たは減少から増加する回数をカウントしてnを求め、そ
れら値とnからθを求めることを特徴とする変位計に
あり、この構成によって前記目的を達成する。
θの信号を処理してθを求める信号処理回路がRsinθ,R
cosθのデジタル変換信号を(1)式や(3)式から得
られる種々の値を予め記憶したメモリから対応する
値を読み出すのに利用して、(1),(2)式や
(3),(4)式の演算処理は行わないから、信号処理
回路を簡単に安価に構成することができ、しかもθを細
かい単位精度で高速に求めることができる。
明する。
1例を示すブロック回路図、第2図はRsinθ,Rcosθの
サージュグラフ、第3図および第4図はメモリおよび
Rメモリのメモリ内容の例を示すメモリグラフ、第5図
はクリア回路の例を示すブロック回路図、第6図および
第8図はそれぞれアップダウン判別回路の例を示すブロ
ック回路図、第7図および第9図はそれぞれ第6図およ
び第8図の判別回路の機能を説明するためのリサージュ
グラフである。
したようなRsinθおよびRcosθの信号をデジタル変換す
るA/D変換器であり、これには例えば8ビット構成ある
いはそれ以上のビット構成のデジタル信号に変換するも
のが用いられる。これについては、Rsinθ,Rcosθを8
ビットで表し、且つθも同じく8ビットで表すとした場
合、第2図のリサージュグラフで、0≦θ<2πのθを
8ビットで表せばθのLSBが2π/256となり、0≦θ<
πにしたがってまたπ≦θ<2πのθを8ビットで表せ
ばθのLSBが2π/512となり、0≦θ<π/2,π/2≦θ<
π,π≦θ<3π/2,3π/2≦θ<2πのθをそれぞれ8
ビットで表せばθのLSBが2π/1024と言ったように、Rs
inθ,Rcosθおよびθを8ビットで表しても大抵の変位
計の目的に対して十分満足し得る細かい単位精度でθを
求めることができる。しかし、θが求められるために
は、αの変化したがって第2図のP点の移動により同じ
8ビット内で少なくとも2個θが続けて得られて、それ
によりP点の移動方向が方向か方向かの判別がなさ
れることが必要であり、その必要を満たして且つ早いα
の変化速度に対応し得るのは、0≦θ<2πのθを8ビ
ット、あるいはLSBを2π/256以上に細かくしようとす
ればそれ以上のビットで表すことである。また、0≦θ
<2πのθを8ビット等で表した場合にはRsinθ,Rcos
θの振幅が1/2程度にまで減少してもθをθのLSBの単位
精度で得ることができるのに対して、0≦θ<πや0≦
θ<π/2のθを8ビット等で表した場合にはRsinθ,Rco
sθの振幅が減少すると得られるθの実際上の単位精度
がθのLSBよりも粗いものになり易い。このことは、Rsi
nθ,Rcosθのビット数を増やさずにθのビット数だけを
増やした場合も同様である。したがって好ましいのは、
Rsinθ,Rcosθと0≦θ<2πのθを同じビット数で表
すようにすることである。
πまでの変化にしたがって変化する種々のRsinθ,Rcos
θのデジタル信号の組合わせから(3)式または(1)
式によって得られるような値をRsinθ,Rcosθのデジ
タル信号で読み出し得るように記憶しているメモリで
ある。第3図のメモリグラフは、第2図のリサージュグ
ラフと同様、8ビットのRsinθ,Rcosθで指定されるア
ドレスに0≦θ<2πのθを8ビットで表した値が中
央を中心に反時計回りに次第に増大するように記憶され
ているメモリの例を示している。この例に限らずメ
モリ22は、先に述べたように8ビット以外のビット数で
表した値を記憶したものでも、0≦θ<πあるいは0
≦θ<π/2のθを8ビット等で表した値を記憶したも
のでも、Rsinθ,Rcosθの値が順に並んでいないもので
もよい。この例ではR値が127を超えるときはRsinθま
たはRcosθがA/D変換の8ビットの範囲を超えてオーバ
ーフローしていることを示す。
デジタル信号の組合わせから(4)式または(2)式に
よって得られるようなR値をRsinθ,Rcosθのデジタル
信号で読み出し得るように記憶しているRメモリであ
る。第4図のメモリグラフも、第2図のリサージュグラ
フと同様、8ビットのRsinθ,Rcosθで指定されるアド
レスに8ビットで表したR値が中央から外側に行く程次
第に増大するように記憶されているRメモリ23の例を示
している。Rメモリ23もこの例に限らず、R値が8ビッ
ト以外のビット数で表されていても、Rsinθ,Rcosθの
値が順に並んでいないものでもよいことは勿論である。
位置を0とし、そこから第2図のリサージュグラフの
方向または方向に変化する 値に変換して出力するクリア回路である。これは第5図
に示したように、トランスペアレントラッチ回路24aと
フルアダー24bとから成っている。トランスペアレント
ラッチ回路24aは、▲▼信号がローレベルの
0のときは常にメモリ22からの値の補数を出力し、
▲▼信号がハイレベルの1に変わるとそのと
きの補数をラッチして出力する。そしてフルアダー24b
は、メモリ22からの値とトランスペアレントラッチ
回路24aからの補数と最下位キャリーイン(High)とを
加算した結果の は▲▼信号が0のときは(−)の結果常
に0で、▲▼信号が1になると1になったと
きのメモリ22の出力値とそれ以後の出力値との差を与
える。
るアップダウン判別回路である。これには第6図や第8
図に示したような構成のものが用いられる。
ア回路24の出力値を 次のクロックによる出力値を の上位2ビットMSBとMSB−1が第1表の真理値表の横列
に示した関係となるときは、アンドゲートのAND2,AND3
がカウンタコントロール信号S0,S1としてそれぞれ同じ
横列に示した信号を出力するものである。
1を、アンドゲートのAND1が0をそれぞれ1クロックラ
ッチ回路25aに出力する。1クロックラッチ回路25aは次
の によるNOR2とAND1の出力を入力されたときに先に入力し
たNOR2の出力の1をナンドゲートのNAND2に、AND1の出
力の0をナンドゲートのNAND1にそれぞれ出力する。NAN
D1とNAND2には のMSB,MSB−1が共に1であることによるNOR2の出力の
0とAND1の出力の1もそれぞれ入力される。それによっ
てNAND1は1を、NAND2は0を出力する。両出力を入力し
たナンドゲートのNAND3は1をアンドゲートのAND2に出
力する。NAND2の出力の0はアンドゲートのAND3にも入
力される。そして、AND2,AND3には▲▼信号
の1も入力されているから、AND2はS0として1を出力
し、AND3はS1として0を出力する。第1表の第2段以下
についても同様に説明され、 のMSB,MSB−1が0,1や1,0のときと のMSB,MSB−1が0,1や1,0のときは常にS0,S1が0,1とな
る。そして▲▼信号が0のときはS0,S1は共
に0になる。この▲▼信号はクリア回路24に
入力するものと同じものに限らず、別のものでもよい。
カウンタコントロール信号S0,S1の0,0はバイナリカウン
タ26を0にクリアし、1,1はアップカウントさせ、1,0は
ダウンカウントさせ、0,1はバイナリカウンタ26の並列
入出力を短絡させてカウントさせないようにするロード
である。
ットで2πを表した値を記憶したものであり、したが
ってバイナリカウンタ26のLSBが2πに相当して、順次
読み出される値の間隔すなわち の差が常にπ/2以下に相当する条件の場合、第7図のリ
サージュグラフに示したように、 がP1からP2へ方向の変化で0を越え、 が第1象限で、 がQ1からQ2へ方向の変化で0を越えたと判別するもの
である。したがってこの場合、判別が行われるためには
Rsinθ,Rcosθの周波数がの読み出し等を行うクロッ
ク(CK)周波数の1/4以下であることを必要とする。
sθの周波数が上述の2倍になっても判別が行われるよ
うに、 の差が常にπ以下である条件にして、第9図のリサージ
ュグラフに示したように、 が より小であったら、 がP1からP2へ方向の変化で0を超え、1が第1また
は第2象限で、 より大きかったら、がQ1からQ2へ方向の変化で0を
越えたと判別するものである。この判別回路25の動作を
第2表の真理値表も参照して以下説明する。
入力されると共に、インバータのINV1で反転されて1ク
ロックラッチ回路25bの出力に戻る結果 に変換する。この が大小比較器25cに入力されて、大小比較器25cは第2表
に示した がYESの1かNoの0かの信号をNOR3,AND4およびナンドゲ
ートのNAND4に出力する。NAND4にはINV1から のMSBの反転信号も入力される。したがって、 が0基準で第1または第2象限の値であれば、 のMSBが第2表の第1〜4段のように0であり、 のMSBを反転した が第2表の第1段や第3段のように0であれば、NAND4
の入力が1,0となるから出力のアップ/ダウン信号が1
となり、NOR3の入力が0,0で出力が1,AND4の入力が0,0で
出力が0となるからノアゲートのNOR4の出力の▲
▼信号が0となる。また が第2表の第2段や第4段のように1であれば、NAND4
の入力が1,1となるからアップ/ダウン信号が0、NOR3
の入力が0,1で出力が0,AND4の入力が0,1で出力が0とな
るから▲▼信号が1となる。
の入力が0,0となるから出力のアップ/ダウン信号が1
となり、NOR3の入力が1,0で出力が0、AND4の入力が1,0
で出力が0であるからNOR4の出力の▲▼信号が
1となる。また が第2表の第6段や第8段のように1であれば、NAND4
の入力が1,0となるからアップ/ダウン信号が1、NOR3
の入力が1,1で出力が0、AND4の入力が1,1で出力が1で
あるから▲▼信号が0となる。これによって第
2表のカウンタコントロール信号が得られ、このアップ
/ダウン信号と▲▼信号の1,1の組合せがバイ
ナリカウンタ26をアップカウントさせ、0,1の組合せが
ダウンカウントさせ、1,0の組合せがバイナリカウンタ2
6の並列入出力を短絡させてカウントさせないようにす
るロードである。
に安定したカウンタコントロール信号を出力することが
重要であるから、それを満足させるために、第6図や第
8図の1クロックラッチ回路25aや25bをCK信号の立上り
で動作させ、バイナリカウンタ26を立下りで動作させる
とよい。また、バイナリカウンタ26はカウント値nのLS
Bが のMSBの1つ上位に相当するから、メモリ22が2πを
8ビット等で表した値を記憶しているものに限らず、
πやπ/2を8ビット等で表した値を記憶しているもの
であっても、同様にnと の並びで (kは2または1もしくは1/2)が示されることにな
る。そしてメモリ22がπやπ/2を8ビット等で表した
値を記憶しているものである場合は、Rsinθ,Rcosθ
の応答周波数が2πを8ビット等で表したものである場
合の1/2や1/4になる。
ッチ回路、27bはRメモリ23の出力のR値を保持するラ
ッチ回路、28aはラッチ回路27aに保持された 値とn値を出力する出力バッファ、28bはラッチ回路27b
に保持されたR値を出力する出力バッファ、I1〜I3はバ
ッファ、OR1,OR2はオアゲート、NOR1はノアゲートであ
る。出力バッファ8aの出力するn値と 値とから前述のようにθが求められる。
し、得られるθの精度が低下する場合を考慮して、Rメ
モリ23の出力するR値の上位2ビットが0となった場合
は、NOR1およびOR1を介し警告信号ALARMが出力されて警
告が行われる。また、Rsinθ,Rcosθの振幅が増大してA
/D変換器21a,21bの最大許容値を超えるようになる場合
もA/D変換器21a,21bからオーバーフロー信号OFが出力さ
れ、OR2,OR1を介しALARMが出力されて警告が行われる。
さらに、Rメモリ23の出力するR値のMSBが1となった
場合も、先に述べたように実質的にRsinθ,Rcosθがオ
ーバーフローしているから、OR1を介しALARMが出力され
て警告がなされる。
システム社製MP−7684を用い、メモリ22およびRメモ
リ23に64Kバイド、45nsecのSRAMメモリの富士通社製MB8
1C84A−45を用いた。これらに掛かった費用はCPUを用い
る場合の1/4であった。メモリ22には0≦θ<2πを
8ビットで表した値をメモリし、Rメモリ23には8ビ
ットで表したR値をメモリした。スイッチングキャパシ
タ方式のA/D変換器21a,21bを13MHzで駆動して、メモ
リ22、Rメモリ23から8ビットの値、R値が13MHzの
処理時間で得られた。8ビットの値の分解能はR値の
上位2ビットが共に0にならない限り2π/256であっ
た。クリア回路24と後段のラッチ回路27aに4個の高速
タイプのTTLから成るICを用いた。これは、16MHzの値
の変化に対して確実にクリア機能を果した。アップダウ
ン制御回路25を第6図の構成にして、1クロックラッチ
回路25aにカウンタ用ICを用いた。そしてバイナリカウ
ンタ26に74AS869を用いた。これにより16MHzのCK周波数
で全く問題なくアップ/ダウンを判別しnをカウントで
きた。これによれば、Rsinθ,Rcosθの4MHzまで変化速
度に追従できる。1クロックラッチ回路25aにDラッチ
回路を2個直接接続したものを用いた場合も同様であっ
た。アップダウン判別回路25を第8図の構成にして、1
クロックラッチ回路25bに25aと同様のものを、大小比較
器25cに74F686を用いた。そしてバイナリカウンタ26に
カウンタアレイの74F669を用いた。これによって16MHz
のCK周波数で同様にアップ/ダウンを判別してnをカン
ウトできた。これによれば、Rsinθ,Rcosθのπの位相
変化に対して8MHzまでの変化速度に追従できる。これ
は、大小比較器25cが1クロックラッチ回路とDラッチ
回路とを用いて出力を反転し、クリア回路のように74F2
83などにより演算を行って、キャリーC8をモニターする
ものであっても変わらない。
プログラマブルアレイ論理(PAL)に収めるのに非常に
効率のよいロジック系であり、通常では高速タイプのTT
L3個を必要とするところを1個のPALに収めることがで
き、小型化と節電を実現できる。さらにA/D変換器21a,2
1b以降をLCA化すれば、一層の小型化および節電と高信
頼性を容易に得ることができる。
して駆動することができ、2π/256の精度でθを求める
ことができた。これは、従来の変位計が高々2MHz程度の
処理速度で、しかも最高精度でも2π/127程度の位相分
解能であることからすると、6倍以上高速で、2倍以上
の精度が得られることになる。また、実施例の回路で
は、入力信号に対してゲイン調整しか行わず、他のアナ
ログ回路が全くないことから、電気的に位相計数値の非
直線性が発生することがないと言う従来法にない優れた
効果も得られる。
れるRsinθ,Rcosθの信号を従来の変位計のようにリア
ルタイムで演算処理してθを求めることは行わず、Rsin
θ,Rcosθの信号を予め求められたθの値を記憶してい
るメモリから対応するθの値を読み出すのに用いている
から、高速で高精度のθを求めることができて、しかも
信号処理回路を低コスト、コンパクトに構成することが
でき、電力消費も少なくできると言う優れた効果が得ら
れる。
例を示すブロック回路図、第2図はRsinθ,Rcosθのリ
サージュグラフ、第3図および第4図はメモリおよび
Rメモリのメモリ内容の例を示すメモリグラフ、第5図
はクリア回路の例を示すブロック回路図、第6図および
第8図はそれぞれアップダウン判別回路の例を示すブロ
ック回路図、第7図および第9図はそれぞれ第6図およ
び第8図の判別回路の機能を説明するためのリサージュ
グラフ、第10図は変位計の1例を示す概要構成図であ
る。 1……安定化レーザ、2……ビームスプリッタ 3……λ/8板、4……固定コーナキューブ 5……移動コーナキューブ 6……偏光ビームスプリッタ 7……フィルタ、8……偏光板 9……検出器、10……増幅器 11……演算増幅器、12……信号処理回路 21a,21b……A/D変換器、22……メモリ 23……Rメモリ、24……クリア回路 24a……トランスペアレントラッチ回路 24b……フルアダー回路 25……アップダウン判別回路 25a,25b……1クロックラッチ回路 25c……大小比較器、26……バイナリカウンタ 27a,27b……ラッチ回路 28a,28b……出力バッファ
Claims (4)
- 【請求項1】可動物体の一方向の移動量αからRsinθお
よびRcosθ(但し、θ=2πα/S、Sは所定周期)で変
化する電気信号を得て、それら2種の信号からθを求め
ることによりαを測定する変位計において、前記2種の
信号をデジタル変換した2種のデジタル信号を読み出し
信号として予め前記2種のデジタル信号の種々の組合わ
せに対応する種々の値(但し、値は0≦=θ−nk
π<kπののデジタル値、nは後記カウント数、kは
2または1もしくは1/2)を記憶しているメモリから
対応した値を読み出すと共に、値が増加から減少ま
たは減少から増加する回数をカウントしてnを求め、そ
れら値とnからθを求めることを特徴とする変位計。 - 【請求項2】前記2種のデジタル信号を読み出し信号と
して予め前記2種のデジタル信号の種々の組合わせに対
応する種々のR値(但し、R値はRのデジタル値)を記
憶しているRメモリから対応するR値を読み出して、読
み出したR値が所定値以下のときに警告がなされる特許
請求の範囲第1項記載の変位計。 - 【請求項3】前記可動物体がレーザ測長計の移動反射物
体である特許請求の範囲第1項記載の変位計。 - 【請求項4】前記可動物体がロータリエンコーダやリニ
アエンコーダ等の等ピッチで被検出部を有するスケール
板である特許請求の範囲第1項記載の変位計。
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