JPH0441284B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 技術分野 この発明は、回転体その他の運動体の変位量や
速度を検出するための回転センサに関する。

直線運動を歯車などを使つて回転運動に変える
事ができる。回転体の回転数や回転速度は、エン
コーダによつて測定できる。エンコーダにより、
直線運動、回転運動の速さ、変位を測定できる。

エンコーダを含め、回転運動の変位を測定する
ものをここで回転センサという。

回転センサは、回転量が限られている時は、ポ
テンシオメータなどを用いることもある。

また、磁気によつて、回転数を測るものもあ
る。これはデイスクと回転する測定体とを連結
し、デイスクに永久磁石を付けておき、デイスク
近傍にホール素子、サーチコイルなどを設けてお
くものである。永久磁石の接近、離隔によりホー
ル電圧や起電力が生じるから、これをカウントし
て回転数を知ることができる。

この他にも、多数の歯車を組合わせた機械的な
回転センサも存在する。

しかし、最も精度よく、迅速に測定できる回転
センサは、光を用いるものである。

(イ) 従来技術 光を用いる回転センサは、 (1) 発光素子 (2) 受光素子 (3) 円周面上に一定間隔で多数の開口を設けた回
転円板 などよりなる。発光素子と受光素子を円板の両側
に対向するように設置し、発光素子からの光が開
口を通つて受光素子に入るようにする。光は円板
の非開口の部分によつて遮断されるから、受光素
子の出力はこの時０である。開口と発光素子、受
光素子が線上に並ぶとき、受光素子の出力は１と
なる。

受光素子の出力には、開口の通過に対応するパ
ルスが生ずる。そこで、パルス数をカウントすれ
ば、発光素子と受光素子とを結ぶ光軸を横切つた
開口の数を知ることができる。こうして回転体の
変位、速さを計算できることになる。

発光素子として、発光ダイオード、レーザダイ
オードなどを用いることができる。受光素子とし
て、ホトダイオード、ホトセル、光電管など適当
な光電変換素子を使うことができる。

また、発光素子を含む駆動回路も一体化した光
電スイツチ（送信側）と、受光素子を含む増幅回
路も一体化した光電スイツチ（受信側）とを、円
板の両側に設けることもある。

このような回転センサは、カウントエラーを検
出できない、という欠点がある。

受光素子に於て得られたパルス信号は、カウン
タで計数するが、時として、計数もれを起す可能
性がある。また、ノイズによつて、誤つてカウン
トする可能性もある。

従来の回転センサは、カウントエラー検出機能
を持つていないので、カウントエラーがあつて
も、これを知る事ができない。

(ウ) 発明の構成 本発明は、回転円板の開口部に対して同位相で
ない位置に設けられた２つの受光素子を用いる。
必要であれば、発光素子も２つにする。

受光素子で受けた信号は、位相の異なる２つの
パルス信号列となるから、回転円板の回転方向が
分る。

位相の異なる２組の受信信号から、微分絶対値
波形を作り、これをカウンタで計算する。

カウンタの最下位ビツト（LSB：Least
Significant Bit）は、微分絶対値波形のパルス
の立上り（又は立下り）ごとに出力の値が変化す
る。

微分絶対値波形は、受信信号の立上りと立下り
で、短いパルスを生ずるものであり、これをカウ
ンタに入れるから、LSBは受信信号の立上り
（又は立下り）と同期して立上る（又は立下り）
はずである。

従つて、受信信号とLSBの出力は常に等しい
はずである。両者が一致すればカウントエラーが
なく、両者が不一致であればカウントエラーが発
生しているのである。

第１図は本発明の回転センサの略構成斜視図で
ある。

発光側ユニツト１と受光側ユニツト２とが互に
対向して設置されている。いずれも、２つのユニ
ツトが隣接して設けられている。ひとつのユニツ
トには発光素子、発光素子駆動回路或は、受光素
子、受信信号増幅器などを内蔵する。

発光側ユニツト１と受光側ユニツト２の間に
は、回転円板３が設けられる。回転主軸４は、速
度を測定すべき回転体、直線運動体と、直接、又
は歯車列などを介して連絡している。

回転円板３の円周上には、対称な位置に、数多
くの開口部５が穿たれている。開口部５を通して
発光側ユニツト１から受光側ユニツト２へ光が伝
達される。開口部５以外の遮光部６は、この光を
遮断する。つまり、発光素子と受光素子を結ぶ光
軸上に、開口部５、遮光部６が交代に現われる。

回転円板３の中心に関する開口部ひとつあたり
の中心角α、遮光部ひとつあたりの中心角βは、
それぞれ全て等しい。開口部５の円周上の分布数
ｎは、１以上であればよいが、ふつうは数十〜数
百程度である。

（α＋β）ｎ＝360° ……(1) である。ｎが大きければ、精度が上る。

受光側ユニツト２の内、回転円板３の回転方向
に関し前方にあるものをａ、後方にあるものをｂ
とする。

第２図に示すように、開口部５、遮光部６を横
切る時間がａ、ｂによつて異なる。前方(a)の受光
素子を第１受光素子、後方(b)の受光素子を第２受
光素子と呼ぶ。

回転円板３の開口部５は、第１受光素子から、
第２受光素子の方へ動く。受光素子が開口部５に
対応する位置にある時、発光側ユニツト１からの
光が到達するから、光電流が流れる。これを適当
に増幅すると、光電流の有、無に対応し、“１”、
“０”の二値をとるパルス信号列が得られる。

２つの受光素子の位置が異なるから、パルス信
号列は位相が異なる。

第４図は各部分に於けるパルス波形図を示す。
(a)は前受光ユニツトａの第１受光素子１１の受信
信号を例示する。(b)は後受光ユニツトｂの第２受
光素子１２の受信信号を例示する。

同一のパルス列であるが、ｂの方が遅れてい
る。遅れ時間をυとする。

前後受光ユニツトａ、ｂの間隔をｄとする。回
転円板３の、中心軸から開口部５の中心までの距
離をＲ、回転円板３の角速度をΩとする。

ｄ＝RΩυ ……(2) で与えられる。ｄ、Ｒは一定である。

角速度Ωは、遅れ時間υに反比例する。遅れ時
間υは一定ではない。

しかし、第１受光素子１１の信号と、第２受光
素子１２の信号の遅れを、位相という観点からみ
れば一定である。

パルスの値が“１”である長さ（オン時間とい
う）をTn、“０”である長さ（オフ時間という）
をTfとすると、 α＝ΩTn ……(3) β＝ΩTf ……(4) で与えられる。パルス列の一周期Toは To＝Tn＋Tf ……(5) で定義する。遅れ時間υのToに対する比は、 υ／To＝ｄ／（α＋β）Ｒ ……(6) で与えられる。これは一定値である。

厳密に言えば、前後の受光ユニツトａ、ｂの間
隔ｄは、回転主軸４の中心に関する円弧に沿う孤
長を意味する。

υ／Toが（整数）又は（整数＋1/2）であれ
ば、パルス列(a)、(b)によつて、回転円板３の回転
方向を決定することができない。

しかし、υ／Toがそうでない時、２つのパル
ス列(a)、(b)により回転方向を決定できる。

回転方向の検出回路として、公知のものがあ
る。第４図ａ、ｂのように、パルス列ａがｂより
先行する方向を順方向とし、パルス列ｂがａより
先行する方向を逆方向と呼ぶことにする。

パルス列ｂを微分し、Δbとする。またパルス
列ｂを反転し(b)、これの微分をとつてΔとす
る。これらとパルス列ａの積を演算する。

順方向信号E1、逆方向信号E2は、 E1＝ａ・Δb ……(7) E2＝a.Δ ……(8) によつて与える。E1＝１、E2＝０であれば順方
向に回転している。E1＝０、E2＝１であれば逆
方向に回転している。

さて、本発明はカウントミス検出回路を与える
ことが目的である。

第３図はカウントミス検出回路の一例を示す。

前受光側ユニツトａの第１受光素子１１、後受
光側ユニツトｂの第２受光素子１２の光電流は増
幅器１３，１４によつて増幅され、“０”と“１”
のパルス列に整形される。既に述べたように順方
向回転の場合、パルス列ａの方が早い。

増幅器１３，１４の出力ａ、ｂをエクスクルー
シブオアゲート１５の２入力に入れる。これは排
他論理和を計算するもので、２入力が同一であれ
ば出力ｃは０、異なれば出力ｃが１となる。

ｃ＝・ｂ＋ａ・ ……(9) である。ａ、ｂは同一パルス列で、遅れ時間υが
あるだけである。エクスクルーシブオアｃの出力
は、ａパルスの立上り、立下りからυだけ１で、
その他の場合は０である。第４図ｃに、出力ｃの
パルス波形を示す。

パルス波形ｃは、ａパルスの立上り、立下りご
とに１つ生じるので、仮に微分絶対値出力と呼ぶ
こともできる。また排他論理和出力といつてもよ
い。

微分絶対値出力ｃは、ａ、ｂパルス列の２倍の
周波数をもつている。

出力ｃをカウンタ１６のクロツク入力CKに入
力する。パルスの列の数はカウンタで計算するの
であるから、従来の回転センサもカウンタを使つ
ている。

カウンタ１６は一方向のカウンタでもよい。

しかし、回転数を積算して、回転変位を求める
必要がある場合で、しかも順逆回転する可能性が
ある時、アツプダウンカウンタを用いる方がよ
い。アツプダウン指示入力端子の切換えは、先述
の順逆方向信号E1、E2によつて行う。

カウンタ１６がｎビツトカウンタであるとすれ
ば、出力は、最下位ビツトからO₁、O₂…、Onと
なる。これを、デコーダ／ドライバ回路へ入れ
て、回転数を直接、表示することもできる。ま
た、Ｄ／Ａ変換して、なんらかの関連装置の制御
信号として使うこともできる。

微分絶対値出力ｃをカウンタのクロツク入力
CKに入力するから、出力ｃの立上り時に、最下
位ビツトのO₁が変化する。O₁は出力ｃの半分の
周波数になる。

最下位ビツトO₁が立上る時に、第２位ビツト
O₂の値が変化する。このように、（ｎ−１）位ビ
ツトの出力が立上る時、ｎ位ビツトの値が変化す
る。

カウントエラーが全くなければ、微分絶対値出
力ｃの立上り時に必ずO₁の値が変化する。出力
ｃが立上つた時にO₁が変化しないことがある。
又、出力ｃが立上らないのに、O₁が変化するこ
ともある。ノイズが入つて、これにより、O₁が
変化するのである。

これがカウントエラーである。

この他にも、カウンタ内でのO₁からO₂、…
On_-1からOnへの、倍々のシフトについてエラー
が起ることもある。しかし、こういうカウンタ内
でのカウントエラーが発生する可能性は少い。本
発明は、このようなカウントエラーを対象としな
い。

本発明は、微分絶対値出力ｃから、カウンタの
O₁の間のカウントエラーを問題にする。

第４図に於て、第１受光素子１１の増幅された
パルス列(a)を、３０，３１、…とする。第２受光
素子１２の増幅されたパルス列(b)を４０，４１、
…とする。微分絶対値出力(c)は５０，５１、…と
する。

出力ｃをカウンタに入力し、最下位ビツトO₁
の出力をｄとする。これは、ｃの立上りで変化す
るから、第４図ｃ、ｄに於て、(c)の５０で立上
り、５１で立下る正常パルス６１がO₁出力ｄに
現われる。

５２，５３に対応して、パルス６２も正常パル
スとして現われる。

カウンタが誤動作して、ｃでのパルス変化がな
いのに、ノイズ等によりｄ出力にエラーパルス６
３が生じたとする。

逆に、ｃで５６，５７のパルスがあるのに、ｄ
出力はこれに応答せず、パルスとなるべき（破線
で示す）ところ６５が0Vで徒過することもある。

また、ｃに於てパルスが存在しないのに、ノイ
ズ等により、カウンタが動作したとする。これは
すぐにリセツトされず、次のパルス６０によつて
リセツトされたとする。すると、ｄ出力にはエラ
ーパルス６７が出現する。

さて、カウントエラー検出のために、最下位ビ
ツトLSB（ここではO₁）の出力ｄと、パルス列ａ
との排他論理和ｅをとる。

エクスクルーシブオアゲート１７の出力ｅは ｅ＝・ｄ＋ａ・ ……(10) によつて表わされる。これは、ａ、ｄが等しけれ
ば０、異なれば１である。

カウンタの最下位ビツトLSB出力ｄが正常パ
ルス６１，６２，６４，６６を生じている時、
ａ、ｄは等しいので、ｅ出力は０である。

LSB出力ｄがエラーパルス６３を生じている
時、ｄとａは異なるから、ｅ出力にはエラー信号
７０が生ずる。

LSB出力ｄがカウント洩れを起こし、パルス
６５が発生しなかつた時、ａとｄは異なるので、
ａパルス３３に等しい長さのエラー信号７１が発
生する。

LSB出力ｄがミスカウントしてｄパルス６７
が生じた時は、これ以後、ａとｄは不一致が続く
ので、ｅ出力は連続的に１となる（７２の立上
り）。

第５図はエラー検出回路の他の例を示す。

これは、パルス例ａ、ｂを使つて、パルス列ａ
の微分を求め、さらに微分の絶対値を求めるもの
である。第３図の例に於てエクスクルーシブオア
ゲート１５を用いたが、ここを少し変える。

パルス列ａ、ｂを３状態出力の差動増幅器１８
に入れる。この出力c′は c′＝ａ−ｂ ……（11） で与えられるから、パルスａの微分である。

これを絶対値回路１９に入れる。

出力ｃは ｃ＝｜c′｜ ……（12） である。これは第４図ｃの波形に等しい。

実際には、３状態出力の差動増幅器１８は、作
り難い。そこで、微分波形c′を得るため、ｂパル
スを全く用いず、コンデンサ、抵抗による微分回
路により、ａパルスから微分c′を作るようにして
もよい。

そうではなくて、デジタルコンパレータを２つ
用いて、これの出力のアンドを取るようにしても
よい。

結局、微分絶対値出力ｃは、パルス列ａに対し
ては微分絶対値と言えるが、パルス列ａと、これ
より遅延したパルス列ｂがある時、ｃはａ、ｂの
排他論理和出力と言うのが最も適当である。

時間変数をｔとし、パルス列変化をａ(t)で表現
すると ｂ(t)＝ａ（ｔ−υ） ……（13） ｃ＝・ｂ＋ａ・ ……（14） と書くことができる。

(エ) 効 果 回転センサに於て、本発明によれば、カウント
エラーを検出することができる。

(オ) 用 途 回転体の回転変位、回転速度を測定する回転セ
ンサ一般に使うことができる。

この例では、発光素子を２つ、受光素子を２つ
用いている。受光素子は２つなければならない。
しかし、発光素子の光に拡がりがあれば、発光素
子はひとつでもよい。両方の受光素子へ光を投射
できるからである。

２つの受光素子は隣接していなくてもよい。離
れていてもよい。(6)式で表わされる遅れυ／To
が、（整数）×（1/2）でなければ良いのである。

また、発光側、受光側ユニツト１，２の中に必
ずしも発光素子、受光素子が存在しなくてもよ
い。光フアイバの端面だけを対向させておき、光
フアイバの他端に発光素子、受光素子を配置して
もよい。

(カ) 反射型センサ 以上に説明したものは、回転円板に開口部と、
遮光部を交互に設け、発光、受光素子を回転円板
の両側に設けたものである。透過型センサと仮に
呼ぶことができる。

さらに、本発明は、反射型センサにも適用でき
る。

回転円板に鏡面のような反射部と、黒体のよう
な非反射部を交互に設ける。発光素子、受光素子
は回転円板に関し同じ側に並べ、円板に対し、入
射光、反射光がそれぞれの素子に対応するように
角度調節する。

本発明は、受光素子が２つあつて、発光素子の
光が回転円板により受光素子へ断続的に到達する
ように配置すればよいのである。

(キ) 順逆に回転しうる場合 この例では、パルス例ａ、ｂの内、ａが先行す
るものとしていた。回転円板が順逆に回転する場
合は、パルス列ｂが先行することもある。

この場合、カウンタ１６はアツプダウンカウン
タを用いると良い。

さらに最下位ビツトLSBと、パルス列ｂとの
排他論理和を演算しなくてはならない。これは、
先程述べた順方向信号E1、逆方向信号E2を使い、
ゲート素子をいくつか使つて、LSBの出力ｄと、
パルス列ｂ、ａを切換えるようにして構成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転センサの略構成斜視図。
第２図は回転円板の開口部、遮光部と前、後受光
ユニツトａ、ｂの位置関係例を示す略正面図。第
３図は受光側ユニツトのカウントエラー検出回路
例図。第４図は受信側ユニツトのカウントエラー
検出回路の各部分に於けるパルス波形図。第５図
はカウントエラー検出回路の他の例を示す回路
図。 １……発光側ユニツト、２……受光側ユニツ
ト、３……回転円板、４……回転主軸、５……開
口部、６……遮光部、１１……第１受光素子、１
２……第２受光素子、１３，１４……増幅器、１
５……エクスクルーシブオアゲート、１６……カ
ウンタ、１７……エクスクルーシブオアゲート、
１８……差動増幅器、１９……絶対値回路、３０
〜７２……パルス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発光素子と、発光素子の光を回転に比例した
   繰返し周波数で透過又は反射する回転円板と、透
   過光又は反射光を検出するため位相が異なる位置
   に設けられた２つの受光素子と、２つの受光素子
   の増幅された出力ａ、ｂの排他論理和ｃを演算す
   る回路と、排他論理和ｃのパルスを計数するカウ
   ンタと、受光素子出力ａ、ｂの内先行する信号
   と、前記カウンタの最下位ビツトの出力ｄとの排
   他論理和を演算しカウントエラーを検出する回路
   とよりなる事を特徴とする回転センサ。