JPS60237317A

JPS60237317A - 変位変換器

Info

Publication number: JPS60237317A
Application number: JP9365184A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kuwabara; 一桑原; Yutaka Ono; 裕小野; Mitsuhiro Nikaido; 二階堂　光宏
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1984-05-10
Filing date: 1984-05-10
Publication date: 1985-11-26

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
換器における直線性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置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　Ｗ　ａ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−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−γ甲に対して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。

光源３からの光は、レンズ３０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
を王とする）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ｅ、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　＋〜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が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
すように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ｅ６の位相シフト量は２πとなる。

したがって、この位相のシフト量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８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１００〜１
０００程度内挿する動作をなすものである。すなわち、
正弦波信号ｅ６を、帰還回路に１／Ｎ（Ｎは分周比）分
周器７２を有したフェーズロックドループ（ＰＬＬ）７
１に印加し、ここでＮ倍された信号ｆｓｌｈと、基準ク
ロック（この基準クロックはイメージセンサ４の駆動信
号として用いられる）ｆｃを同時パルス禁止回路８を通
した後、アップダウンカウンタ９に与えるようにしたも
のである。ＰＬＬ７１でＮ倍された信号ｒｓｔｗの周波
数がｆＣより高くなる方向（ｒｃ＋八ｆへへコード板１
が回転すると、アップダウンカウンタ９はアップカウン
トし、また、ｆｓｉＱがｒｅより低くなる方向（ｆｃ−
Δｆ）へコード板１が回転すると、ダウンカウントする
。

したがって、アップダウンカウンタ９の出力から、位相
シフト量、すなわちコード板１の回転角を、例えば、分
周比Ｎを１０００とすれば、１Ｐ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
センサを構成覆る素子の感度変化等の影響を受けないと
いう特徴を有するが、下記の様な非直線誤差の問題を有
している。

第６図は従来の通常形エンコーダの具体例を示した要部
説明図である。理解を容易にするために図では直線形で
表現している。コード板６０１にはスリット６１１が一
様のピッチＰで設番プられ、位相板６０２にはピッチＰ
で配列された４つのスリットの組６２１Ａ〜６２１Ｄ、
６２２Ａ〜６２２Ｄ、６２３Ａ〜６２３Ｄ　（一部のみ
図示）、６２４Ａ〜６２４Ｄ　（図示せず）がそれぞれ
フォトダイオード６４１，６４２．６４３　（一部のみ
図示）、６４４（図示せず）に対応し、スリット組同士
の境目の部分でピッチをＰ／４だけ増して、設けられて
いる。なお、各スリット孔のスリット幅は第３図の場合
と同様、Ｐ／２である。

第７図＜Ａ）は前記コード板６０１の変位に対して前記
フォトダイオード６４１〜６４４のそれぞれから異った
位相で出力される信号波形を示す動作波形図である（変
位速度が一定の場合にはタイムチャートも同一波形とふ
る）。フォトダイオードに入る光量はコード板６０１と
位相板６０２の開口面積に比例するので、コード板６０
１の変位がピッチＰ増加する度に同一の三角波の繰り返
し波形が現われる。理想的な三角波形は波形７０１（点
線）であるが、実際には光の洩れなどにより波形７０２
（実線）のようになる。この波形７０２は基本波のほか
に３．５．７．９．１１．・・・次の空間高調波を含ん
でいるので第４図の正弦波信号ｅ６のシフト量φは変位
に比例せず、前記高調波成分の影響を受けた値となる。

この結果上記の変位変換器では出力に非直線誤差を生じ
る。

−第７図（Ｂ）は最も影響の大きい３次空間高調波の波
形を示した線図で、前記コード板６０１の変位に対して
スリット６１１および位相板６０２のスリットの一つを
通過する光量に対応するフォトダイオード出力の３次空
間高調波成分の波形を示すチャートである。ｂｌ、　ｂ
２．　ｂ３．　ｂ４はコード板６０１が特定の位置にあ
るときに位相板６０２の各スリット組６２１Ａ〜６２１
Ｄ、６２２Ａ〜６２２Ｄ、６２３Ａ〜６２３Ｄ、６２４
Ａ〜６２４Ｄがそれぞれとる位相上の位置である。各ス
リット組に属するそれぞれ４つのスリットは位相が同一
なので、各フォトダイオード６４１〜６４４からは第７
図（Ｂ）の波形（１スリツト孔に対応）の４倍の振幅の
３次空間高調波が出力される。非直線誤差の原因となる
このような高調波はできるだけ減少させることが望まし
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
、光を利用して機械的な変位を検出する変位変換器の非
直１ｌＡＷＡ差を小さく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）本発明における第１の発明の変位変換器はピッチＰ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バンドパスフィルタ、こ
のバンドパス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
するとともに、前記位相板はスリット孔の間隔が互いに
ピッチＰの整数倍からＰ／　（４ｎ　＋２）（但しｎは
正の整数）ずれて位置するスリット対を各受光素子に対
応して備えることにより、前記受光素子からの出力信号
に含まれる（２ｎ＋１）欠字間高調波を除去するように
したことを特徴とする。

本発明における第２の発明の変位変換器はピッチＰ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バンドパスフィルタ、こ
のバンドパス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
するとともに、前記位相板の前記各受光素子に対応する
２ｎ本（但しｎは正の整数）のスリット孔が互いにピッ
チＰの整数倍からＰ／６．Ｐ／１０．Ｐ／ｊ４．・・・
、Ｐ／（４ｎ＋２）ずれた間隔のスリット対をそれぞれ
１，２，４．・・・２７＋−１対形成するように配列す
ることにより、前記受光素子からの出力信号に含まれる
３、５，７．・・・、（２ｎ＋１＞欠字間高調波を除去
するようにしたことを特徴とする。

（作用）上記の手段を用いて、位相板の各スリット対を介して各
受光素子に入射する光に含まれる１８００位相の異なる
空間高調波成分同士を互に相殺させることにより、受光
素子の出力信号に含まれる空間高調波成分を消去し、変
位変換器の直線性を改善することができる。

（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、従来
例で説明した第２図の変位変換器において使用される位
相板２のスリット配列を変えたものの要部構成説明図で
ある。第６図の場合と同様に直線形で表現している。１
０１はコード板、１１１はこのコード板１０１にピッチ
Ｐで設けられたスリット、１４１，１４２，１４３　＜
一部のみ図示）、１４４（図示せず）は４分割されたフ
ォトダイオード、１０２は位相板、１２１Ａ〜１２１Ｄ
、１２２Ａ〜１２２Ｄ、１２３Ａ〜１２３Ｄ（一部のみ
図示）、１２４Ａ〜１２４Ｄ　（図示せず）はそれぞれ
前記フォトダイオード１４１，１４２．１４３．１４４
に対応（対向）してこの位相板１０２に設けられたスリ
ット孔である。フォトダイオード１４１に対応する位相
板１０２のスリット孔１２１Ａ〜１２１Ｄにおいて、ス
リット孔１２１Ａと１２１８＃に（Ｆス！Ｊｙト孔１２
１Ｃと１２１Ｄの間隔はＰ１スリット孔１２１Ｂと１２
１０の間隔はＰ十Ｐ／６＝７Ｐ／６となっている。この
配列関係はフォトダイオード１４２，１４３．１４４に
対応するスリット孔についても同様で、この結果スリッ
ト孔１２１Ｄと１２２Ａ。

１２２Ｄと１２３Ａ、１２３Ｄと１２４Ａの間隔は１３
Ｐ／１２となる。各スリット孔のスリット幅は第６図と
同様、Ｐ／２である。

なお、各スリット組内のピッチはＰからＰ／６だけずれ
ていればよく、例えばスリット孔１２１Ｂと１２１０の
間隔は５Ｐ／６でも構わない。

第７図（Ｃ）は前記コード板１０１の変位に対してスリ
ット１１１および位相板１０２のスリット孔の一つを通
過する光ｌに対応するフォトダイオード出力の３次空間
高調波成分の波形を示す動作波形図である。ｃｌ、　Ｃ
２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，’ｃ６．　Ｃ７゜Ｃ８はコード
板１０１が特定の位置にあるときに位相板１０２の各ス
リット孔１２１Ａと１２１Ｂ。

１２１Ｃと１２１Ｄ、１２２Ａと１２２Ｂ、１２２Ｃと
１２２Ｄ、　１２３．、Ａと１２３Ｂ、１２３Ｃと１２
３Ｄ、１２４Ａと１２４Ｂ、１２４Ｃと１２４０がそれ
ぞれとる位相上の位置である。すなわち、フォトダイオ
ード１４１に対応するスリット組においてスリット孔１
２１Δ、１２１Ｂ（位相ｃｌ）とスリット孔１２１Ｂ、
１２１Ｄ（位相Ｃ２）とは位相的にＰ／６のずれがあり
、これは３次高調波については１８０°の位相差となる
ので相殺される。この結果、フォトダイオード１４１の
出力から３次高調波は検出されない。これはフォトダイ
オード１．４２，１４３，１４４からの出力についても
同様である。

上記のような構成の変位変換器によれば、第４図の正弦
波信号ｅ６のシフト量φは、非直線誤差への影響が最も
大きい３次高調被成分を除去するので、直線性が大幅に
向上する。

なお上記の実施例ではスリット孔１２１Ａ、１２１Ｂと
１２１０．’１２１Ｄの間に位相のずれＰ／６を設けた
が、スリット孔１２１Ａと１２１Ｂおよびスリット孔１
２１Ｃと１２１Ｄの間の位相のずれをＰ／６とし、スリ
ット孔１２１Ａと１２１Ｃおよびスリット孔１２１Ｂと
１２１Ｄの間の位相を一致させてもよい。すなわち、一
つのフォトダイオードに対応するスリット群の半分と残
りの半分との間にＰ／６の位相のずれがあればよい。

また上記の実施例ではスリット孔の位相をＰ／６ずらす
ことにより３次の空間高調波を除去しているが位相をＰ
／１０ずらせば同様に５次の空間高調波を除去すること
ができる。一般にＰ／（４ｎ＋２）の位相ずれを設ける
ことにより、（２ｎ＋１）次の空間高調波を除去するこ
とができる。

本発明に係る変位変換器の第２の実施例は、第１図の位
相板１０２のスリット孔１２１Ａと１２１Ｃの間の位相
ずれをＰ／６とし、スリット孔１２１Ｂと１２１Ａおよ
びスリット孔１２１Ｄと１２１Ｃの位相ずれをＰ／１０
とすることにより、第３次および第５次の空間高調波を
除去するものである。第８図はその動作を説明するため
の動作波形図で、前記コード板１０１の変位に対してス
リット１１１および位相板１０２のスリット孔の一つを
通過する光量に対応するフォトダイオード出力の３次（
実線）および５次（点線）の空間高調波成分の波形を示
している。ｄｌ、　ｄ２．　ｄ３．　ｄ４はコード板１
０１が特定の位置にあるときに位相板１０２のフォトダ
イオード１４１に対応するスリット１２１Ａ、１２１Ｂ
、１２１Ｃ，１２１Ｄがそれぞれとる位相上の位置であ
る。すなわち、３次空間高調波は位相ｄ１とｄ３におい
て相殺され、５ｉ□、、！、よや相、１お、２、位相、
３おｔｉ４゜組８合わせで相殺される。この結果、フォ
トダイオード１４１からの出力に３次および５次の空間
高調波は含まれない。フォトダイオード１４２〜１４４
についても同様である。

上記の実施例では各フォトダイオードに対応する位相板
のスリット孔を４本用いて３次および、５次の空間高調
波を除去したが、前記スリット孔を８本用いれば３．５
．７次の空間高調波を除去することができる。すなわち
、一般的に　２ｎ本（但しｎは正の整数）のスリット孔
を、互いにＰ／６．Ｐ／１０．、Ｐ／１４．−、Ｐ／　
（４ｎ　＋２）ずれた位相のスリット対がそれぞれ１．
２．４゜・・・２ｎ−１対形成されるように配列するこ
とにより、前記フォトダイオードからの出力信号に含ま
れる３、５．７．・・・、（２ｎ＋１）欠字間高調波を
除去することができる。

なお上記の実施例では４相形（４検出器形）の場合につ
いて説明したが、一般的には２相以上について可能であ
る。

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非直線誤差の少い変位変換器を
簡単な構成で実現することができる。

【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の一例をしめず構成ブロッ
ク図、第６図は従来の通常形エンコーダの具体例を示し
た要部説明図、第７図（△）（Ｂ）は第６図装置の動作
を説明するだめの動作説明図、第７図（Ｃ）は第１図装
置の動作を説明するための動作説明図、第８図は本発明
の第２の実施例に係る変位変換器の動作を説明するため
の動作波形図である１、１０１・・・コード板、２，１
０２・・・位相板、３・・・光源、４・・・イメージセ
ンサ、６・・・バンドパスフィルタ、ｉｌ、ｉｉｌ・・
・透光スリット、１４１〜１４４・・・受光素子、１２
１Ａ〜１２１Ｄ、１２２Ａ〜１２２Ｄ、１２３Ａ〜１２
３Ｄ、１２４Ａ〜１２４Ｄ・・・スリット孔、ＳＷ＋〜
８Ｗａ・・・スイッチ手段、φ・・・位相シフト量。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ピッチＰ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
光を投射ぎせる光源、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バン
ドパスフィルタ、このバンドパス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するとともに、前記位相板はスリッ
ト孔のｗｌ隔が互いにピッチＰの整数倍からＰ／　（４
ｎ　＋２）（但しｎは正の整数）ずれて位置するスリッ
ト対を各受光素子に対応して備えることにより、前記各
受光素子からの出力信号に含まれる（２＋１＋１）欠字
間高調波を除去するようにしたことを特徴とする変位変
換器。
（２）位相板のスリット孔を互いにピッチＰの整数倍か
らＰ／６ずれた間隔のスリット対で構成することにより
、受光素子からの出力信号に含まれる第３欠字間１ｉ１
調波を除去した特許請求のｍｎ第１項記載の変位変換器
。
（３）ピッチＰ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
光素子上に設置ぎ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バン
ドパスフィルタ、このバンドパス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するとともに、前記位相板の前記各
受光素子に対応する２ｎ本（但しｎは正の整数）のスリ
ット孔が互いにピッチＰの整数倍からＰ’／６．Ｐ／１
０゜Ｐ／１４．−、Ｐ／　（４ｎ　＋２＞ずれた間隔の
スリット対をそれぞれ１，２，４．・・・２７１−１対
形成するように配列することにより、前記受光素子から
の出力信号に含まれる３、５．７．・・・。（２ｎ＋１＞欠字間高調波を除去するようにしたことを
特徴とする変位変換器。