JPS60239621A - Deviation convertor - Google Patents

Deviation convertor

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JPS60239621A
JPS60239621A JP9711084A JP9711084A JPS60239621A JP S60239621 A JPS60239621 A JP S60239621A JP 9711084 A JP9711084 A JP 9711084A JP 9711084 A JP9711084 A JP 9711084A JP S60239621 A JPS60239621 A JP S60239621A
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JP
Japan
Prior art keywords
phase
filter
light
image sensor
output
Prior art date
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Pending
Application number
JP9711084A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yutaka Ono
裕 小野
Hajime Kuwabara
一 桑原
Mitsuhiro Nikaido
二階堂 光宏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Hokushin Electric Corp
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Publication date
Application filed by Yokogawa Hokushin Electric Corp filed Critical Yokogawa Hokushin Electric Corp
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Publication of JPS60239621A publication Critical patent/JPS60239621A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a deviation convertor of high resolving capacity and prompt response, by using a linear phase filter as a filter for removing higher hormonics involved in an input from an image sensor. CONSTITUTION:An output signal of an image sensor 4 is removed of its higher hormonics in a linear phase filter 61. Namely, in the filter 61, as group delay time becomes constant (A phase changes linearly against a frequency) in a constant frequency range, a phase error does not occur in a filter output, if the group delay time is assumed constant within a range: fsig=F0+ or -DELTAf, where DELTAf is defined as a fluctuation range of output frequency fsig. The output signal of the filter 61 is calculated on its phase shift quantity by the reference clock fC in a phase measuring circuit 7.

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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an improvement in a signal processing circuit in a displacement transducer that detects mechanical displacement using light.

(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。
(Prior Art) A displacement converter described in Japanese Patent Application No. 58-86391 is a type of optical displacement converter that improves the resolution and response speed of a conventional rotary encoder. This uses a photodiode divided into multiple parts as a light-receiving element that receives light that has passed through a light-transmitting slit, and a phase plate having light-transmitting slits arranged at a predetermined pitch is installed on the photodiode.
FIG. 2 is an explanatory diagram of its configuration. In this figure, 1 is a code plate, 11 is a plurality of translucent slits arranged in the circumferential direction with predetermined bits on the code plate 1, 3 is a light source, and 30 is a light beam from this light source 3 converted into a flat beam. 4 is an image sensor that receives the bright slit image from the light source 3 that has passed through the transparent slit 11. Here, for the sake of explaining the operation briefly, a photodiode divided into four parts is used. 43 and 44, and a phase plate 2 having slit holes arranged at a predetermined pitch is installed on the photodiode. SW+ to SW4 are switches that sequentially take out signals from each of the four divided photodiodes 41 to 44 at a constant timing. 5 is an amplifier that amplifies the signal from the image sensor 4 that is applied via each switch SW + to SW4; 6 is an amplifier 5;
This is a bandpass filter that extracts the fundamental wave component of the output signal from the .

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。
FIG. 3 shows light-transmitting slits 21°, 22.
23.24 and photodiodes 41 to 44 divided into four
FIG. As shown in this figure, the arrangement pitch of the light-transmitting slits 21, 22, 23° 24 (indicated by the solid line 'g) is the same as that of the four-part photodiode 41 (42, 43°).
,44<indicated by a broken line'? The translucent slits (indicated by diagonal lines) that are equal to the array pitch of j) and provided in the code plate 1
It is formed so that the arrangement pitch P of 11 is r5/4P. Incidentally, the slit width of each of the slit holes 21 to 24 is set to P/2 here.

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。
The operation of the apparatus configured as described above will now be described with reference to the operational waveform diagram of FIG. 4.

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。
The light from the light source 3 becomes a parallel beam at the lens 3o, passes through the light-transmitting slit 11 of the code plate 1 and the light-transmitting slits i~21-24 of the phase plate 2, and is transmitted to the 4-split photodiode 4.
1 to 44'', the image of the transparent slit 11 is formed. Each switch SW + -SW4 is
) are sequentially turned on and off (on time is the key), and signals from each photodiode 1z41 to 44 are sequentially taken out. Amplifier 5 amplifies this signal. As a result, the output signal e5 of the amplifier 5 is as shown in FIG.
), a step waveform is formed in which the magnitude changes stepwise each time each switch SW + to SW 4 is turned on. When such a staircase waveform e5 is applied to the bandpass filter 6, a sine wave signal e6 as shown in FIG. 4(f) is obtained. The fundamental frequency of this sine wave signal e6 corresponds to the repetition frequency for sequentially driving each of the switches SW+ to SWa. Here, when the code plate 1 rotates according to the displacement to be measured, each photodiode 41
The image formed on ~44 moves, and the bandpass filter 6
The phase of the sine wave obtained from (g and e6 is the amount of movement of the image,
That is, in accordance with the displacement of the code plate, it is shifted by Φ, for example, as shown by the broken line. Code plate 1 has transparent slit 1
When the rotation J is increased by 1 pitch P of the arrangement pitch of 1, the phase shift ff)G of the sine wave signal e6 becomes 2π.

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。
Therefore, by measuring this phase shift mΦ using a counting circuit or the like, it is possible to determine the rotation angle within the arrangement pitch P of the light-transmitting slits 11 formed in the code plate 1.

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
A displacement transducer with such a configuration has a relatively simple configuration,
Although it has the advantage of having high resolution, high-speed response, and being unaffected by changes in the intensity of the light source and changes in sensitivity of the elements constituting the image sensor, it has the following problems.

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))。
In a displacement transducer with the above configuration, a band pass filter (BPF) or a [1-pass filter (LP) is used to remove harmonic components from the stepped output waveform of the image sensor.
F), but since the output frequency from the image sensor 4 is FM modulated depending on the rotational speed and direction of the code plate 1, and changes within a range of, for example, t: 5kHz±2kHz, the above-mentioned filter 6 If the phase characteristic of is non-linear with respect to frequency, an error will occur in the displacement output as shown in FIG. That is, if the phases of the filter output and the output signal of the image sensor 4 match at the output frequency f0 of the image sensor 4, and the output frequency of the image sensor 4 changes by Δf, the group delay time of the filter changes depending on the frequency. Therefore, the output of the filter (ffi (dotted line)) has a phase delay of Δt=Δt corresponding to Δf (FIG. 5(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。
Conversely, when the output frequency of the image sensor 4 changes by 1 Δf, a phase delay of Δ[-8T' occurs in the output No. 3 of the filter (FIG. 5(b)). Such a difference in delay time causes a Qgt difference in the displacement output, so it is preferable to minimize it as much as possible.

(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。
(Problems to be Solved by the Invention) The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and realizes a displacement transducer using light that detects mechanical displacement without dynamic errors in output. The purpose is to

(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。
(Means for Solving the Problems) The displacement converter of the present invention includes a code plate in which a plurality of transparent slits are formed arranged in a predetermined bit, and a light beam that projects parallel light onto the transparent slits of the code plate. This image is an image sensor consisting of a plurality of light-receiving elements, a phase plate having slit holes placed on each light-receiving element and arranged at a predetermined pitch, and a switch means for sequentially extracting signals from each light-receiving element. A linear phase filter extracts the fundamental wave component from the signal obtained from the sensor, and a reference clock synchronized with the output signal of the linear phase filter and the drive signal of the image sensor is input, and the phase shift of the fundamental wave component is calculated based on the phase shift of the fundamental wave component. The present invention is characterized by comprising phase measuring means for measuring the displacement of the code plate.

(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。
(Function) By using a linear phase filter as a filter for removing harmonics contained in the output from the image sensor, it is possible to eliminate phase errors in the filter and realize a displacement converter without dynamic errors.

(実施例) 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。(Example) The present invention will be explained in detail below using the drawings.

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。
FIG. 1 shows one embodiment of the displacement transducer according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a main part configuration of an improved signal processing circuit in the displacement converter shown in the figure. 61 is the image sensor 4 (
7 is a phase measuring circuit that counts the phase shift m of the output signal of the linear phase filter 61 using a reference clock fc, and 8 is a reference clock. fc
This is a switch drive circuit consisting of a frequency dividing line and the like that sends a scanning signal synchronized with the image sensor 4 to the image sensor 4.

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。
Next, its operation will be explained. A linear phase filter 61 removes harmonic components from the output signal of the image sensor 4. FIG. 6 is a characteristic curve diagram showing gain characteristics (a) ci, i and group delay time characteristics (b) of the beam near-phase filter. As is clear from (b), in the linear phase filter, the r-group delay time is constant within a certain frequency range (1, that is, the phase changes linearly with the frequency, so the output frequency f519 of the image sensor 4 changes). If the range is Δ[, then if the group delay time is constant within the range of fstg=f□±Δf, no phase error will occur in the filter output. The phase shift m is counted with high resolution.

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。
In the above embodiment, a four-division photodiode is used, but the number of divisions may be three or more.

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
Furthermore, although each of the above embodiments assumes application to a rotary encoder, it can also be applied to a linear displacement encoder.

(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。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, a displacement converter with no dynamic error in output can be realized with a simple configuration using a method of detecting mechanical displacement using light. It also has features such as high resolution and fast response.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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。
FIG. 1 is an explanatory diagram of the main part configuration of one embodiment of the displacement converter according to the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of the configuration of a conventional displacement converter, and FIG. 3 is a partial explanation of the displacement converter of FIG. 2. Figure 4 is the second
Figure 5 is an operating waveform diagram to explain the operation of the device shown in Figure 5. Figure 5 is an operating waveform diagram to illustrate the operating characteristics of a conventional filter. Figure 6 is a characteristic curve diagram to illustrate the operating characteristics of a near-phase filter. be. 1... Code plate, 2... Phase plate, 3... Light source, 4
...Image sensor, 7...Phase measurement means, 8...
・Switch drive circuit, 11...transparent slit, 21~
24... Slit hole, 41-44... Light receiving element, 6
1...Linear phase filter, SWI~SW4...
- Switch means, fC... reference clock.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 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。
A code plate on which a plurality of light-transmitting slits are formed arranged at a predetermined pitch, a light source that projects parallel light to the light-transmitting slits of the code plate, a light-receiving element divided into multiple parts, and a light-receiving element installed on each of the light-receiving elements at a predetermined pitch. An image sensor consisting of a phase plate having slit holes arranged in a phase plate and a switch means for sequentially extracting signals from each light receiving element, a linear phase filter for extracting a fundamental wave component from a signal obtained from this image sensor, and a linear phase filter for extracting a fundamental wave component from a signal obtained from this image sensor. A displacement converter comprising phase measuring means for inputting a reference clock synchronized with an output signal of a phase filter and a drive signal of the image sensor and measuring the displacement of the code plate based on the amount of phase shift of the fundamental wave component.
JP9711084A 1984-05-15 1984-05-15 Deviation convertor Pending JPS60239621A (en)

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