JPS6139626B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、周波数変調式角速度・角変位検出器
に関するものである。

従来、サーボモータを用いて位置制御を行う場
合、第１図に示すような構成が一般的である。即
ち、サーボモータ１によつて駆動されるギヤヘツ
ド２の出力側にポテンシヨメータ３を設け、これ
によつて検出した変位を位置設定値と比較して、
それらの差が零になるようにパワーアンプ４を介
してサーボモータ１を駆動し、またサーボモータ
１の速度を検出するタコジユネレータ５を用いて
速度のマイナーループを構成していた。

しかし、位置検出用のポテンシヨメータの取付
けや機械的なフルスケールは、対象に応じてその
都度検討しなければならず、そのため最近は第２
図に示すような構成が採られている。これは、サ
ーボモータ１により駆動されるギヤヘツド２の出
力側における前記ポテンシヨメータに代えて、サ
ーボモータ１にオプテイカル・ロータリエンコー
ダ６を付設し、これにより発信する位置パルスか
ら波形整形・位相弁別回路７における位相弁別に
よつて得られる正転パルス及び逆転パルスを、位
置設定パルスが送られるアツプダウンカウンタ８
に加えて計数させ、その出力をＤ／Ａ変換器９を
通してパワーアンプ４に送るようにしたものであ
る。

本発明は、上記ロータリーエンコーダと同等の
低慣性を有する角速度・角変位検出器を提供しよ
うとするものであり、さらに具体的には、ロータ
リーエンコーダにタコジユネレータの機能をも具
備させることにより慣性が大きい前記タコジユネ
レータを省略し、また検出速度範囲を電子回路の
クロツク周波数により簡単に変更可能とした角速
度・角変位検出器を提供しようとするものであ
る。

以下第３図を参照して本発明の実施例について
詳述する。

第３図に示す角速度・角変位検出器は、主とし
て検出部１０、光源駆動部２０、復調部３０、及
び角変位演算部４０によつて構成される。検出部
１０においては、多数のスリツト１２を放射方向
に切設したスリツト円板１１が回転可能に支持さ
れ、このスリツト円板１１の回転軸１３には被測
定軸が連結される。上記スリツト円板１１には、
そのスリツト部分を挾んで光源群１４と受光素子
１５が対設され、スリツト円板１１における一周
のスリツト数をＮ〔Ｐ／rev〕、従つてスリツトピ
ツチの角度が２π／Ｎ〔rad〕である場合、第４
図に示すように、光源群１４における同一特性の
ｎ個の光源（例えば発光ダイオード）１６は、
２π／Ｎ（１／ｎ＋Ｋ）〔rad〕（但し、Ｋは０，±１
，±２， …）の間隔で配置される。

上記各光源１６は、光源駆動部２０におけるｎ
ビツトのリングカウンタ２１の各ビツトに接続さ
れ、リングカウンタ２１の出力状態によつて点灯
または滅灯するものであり、そのリングカウンタ
２１により連続したｈビツト（ｈ＜ｎ，通常ｈ≒
ｎ／２が好ましい。）をオンにした状態で、クロ
ツク発生器２２からのｃなる周波数のシフトパ
ルスによりリングカウンタがシフトされ、従つて
点灯している光源群の中心が２π／Ｎ（１／ｎ＋Ｋ）・
ｃ 〔rad／sec〕の角速度で２π／Ｎ（１＋Ｋ）〔rad〕の
範 囲を繰返し運動することになる。ここに、２π／Ｎ・ ＫはスリツトのピツチのＫ倍であり、スリツトと
光源の位相関係についてはＫピツチずらして考え
てもよいから、光源の中心部分は２π／Ｎ・１／ｎ・
ｃ 〔rad／sec〕の角速度で２π／Ｎ〔rad〕（１ピツチ分
） の範囲を繰返し運動していると見て良く、見方を
変えれば角速度２π／Ｎ・１／ｎ・１／ｃ〔rad／sec
〕で連続 して回転していると考えることもできる。

従つて、スリツトが静止しているとき受光素子
１５に到達する光量の大きさは、 ２π／Ｎ・ｃ／ｎ〔rad／sec〕／２π／Ｎ〔rad
〕＝ｃ／ ｎ〔Hz〕 なる周波数で変化する。

今、スリツト円板１１がω〔rad／sec〕なる角
速度で光源の回転と同一方向に回転すれば、光源
とスリツトの相対速度は、 ２π／Ｎ・１／ｎ・ｃ−ω であり、 ω≡ｋ・２π／Ｎ・ｃ／ｎ（ｋ＜１、一般的には
ｋ＜ 0.4） とすれば、出力周波数は、 ＝ｃ／ｎ−ｋ・ｃ／ｎ となり、ここで、ｃ／ｎ≡_０とおけば、 ＝_０−ｋ_０ となる。また、逆に回転する場合は、 ＝１／ｎｃ＋ｋ／ｎｃ＝_０＋ｋ_０ となる。これは、スリツトの回転角速度ωによつ
て周波数変調されており、この信号を復調すれ
ば、回転角速度に比例した直流信号を得ることが
できる。

第３図の復調部３０におけるプリアンプ３１、
バンドパスフイルタ３２及び周波数変調式復調器
３３は、受光素子１５からの被変調パルス信号を
増幅した後、高い周波数のリツプルを除去し、さ
らにその信号を復調して角速度出力を得るもので
ある。

一方、第２図に例示したような一般のインクレ
メンタルなロータリーエンコーダにおいては、ス
リツトのピツチに関して90゜位相をずらして投受
光器を二対設け、これらの出力の位相関係から回
転方向を検出し、アツプダウンカウンタの増減を
行つている。第３図における角変位演算部４０
は、これに相当する機能を、上記受光素子１５か
らの被変調パルス信号を用いて実現するものであ
る。

即ち、バンドパルスフイルタ３２から出力され
る上記被変調パルス信号は、コンパレータ等から
なる波形整形回路４１において波形整形した後、
アツプダウンカウンタ４２に送られ、その立上り
部分でカウンタをインクレメントさせる。また、
前記クロツク発生器２２からのクロツクパルス
（ｃ）を分周回路４３において２／ｎに分周す
ることにより、周波数_０なる基準パルスをつく
り、その立上り部でカウンタ４２をデクレメント
させる。

第５図は、変調度に応じてカウンタの出力が変
化する状態を示すものである。このカウンタ４２
の出力をラツチ回路４４に入力し、_０なるパル
スの立下り部でラツチすれば、スリツトの１ピツ
チ分の角変位で１変化する角変位出力信号を得る
ことができ、Ｄ／Ａ変換器４５によつてアナログ
出力を得ることができる。一般にインクレメンタ
ルエンコーダと同様に、1/2ピツチ毎に値を更新
するには、上記基準パルス、被変調パルスを微分
し、それらの立上り及び立下りの双方を利用する
と同時に、基準パルスからΔτ（＝ｎ／２ｃ）だけ遅 延してラツチすればよい。

また、アツプダウンカウンタ４２の出力をＤ／
Ａ変換器４６において直接Ｄ／Ａ変換し、その出
力をローパスフイルタ４７にかければ、１ピツチ
以下の変位にも比例したアナログ出力を得ること
ができる。

上述した実施例では、光源または受光素子にお
ける多数の素子配列をスリツト円板１１のスリツ
ト配列に沿う円弧状にするが、円弧を直線で近似
できるような短い区間に必要個数の素子を配置す
る必要がある。これらは、IC製造技術を用いて
容易に製作可能であるが、専用素子を製作使用す
るよりも、直線状に複数の光源または受光素子を
等間隔に配置した市販の量産品を利用するのが一
層有利である。

第６図及び第７図はこのような素子を利用可能
にした実施例を示すもので、この実施例の検出部
５０では、多数のスリツト５２を放射方向に切設
したスリツト円板５１に、上記スリツト５２に対
して若干湾曲傾斜したスリツト５８を有する固定
スリツト板５７を重設し、これらのスリツト部分
を挾んで光源群５４とスリツト５５とを対設して
いる。上記固定スリツト板５７におけるスリツト
５８は、スリツト円板５１の回転に伴つてモアレ
縞が半径方向に移動するように配設したものであ
る。また、光源群５４はモアレ縞５９に直角、即
ちスリツト円板５１の半径方向に配設している。
モアレ縞５９のピツチは、固定スリツト板５７に
おけるスリツト５８のパターンにより容易に調整
できるので、それと市販の素子アレイのピツチと
の関係は容易に合わせることができる。

なお、その他の構成は前記実施例と変るところ
がないため、その説明を省略する。

上記両実施例においては、光源群１４，５４に
おける点灯部分を移動させる場合について説明し
たが、受光素子１５，５５の受光点を移動させて
も同様な効果を期待することができる。この場
合、前記スリツト円板１１，５１に均一光を投射
し、太陽電池、フオトダイオード等のように蓄積
効果のない受光素子、またはCCD等の蓄積効果
のある受光素子を用いることができる。但し、蓄
積効果のある受光素子を用いた場合、変位出力に
最大1/2ピツチ分の誤差が生じる。

以上に詳述した本発明の検出器によれば、以下
に列記するような効果を期待することができる。

(1) 角速度及び角変位の双方を同時にそれぞれア
ナログ量として検出することができ、これによ
り１台の検出器をタコジユネレータとポテンシ
ヨメータの２種類の検出器として機能させるこ
とができ、しかも低速でもリツプルのない極性
のある角速度信号が得られるばかりでなく、エ
ンコーダの１ピツチ以下（例えば100分の１）
の測定もできる高分解能な角変位出力を得るこ
とができ、さらに、特に、既知のインクレメン
タルエンコーダのように回転変位を計測するた
めの投受光器を別個に設けなくても、方向をも
含めて簡単に検出することができる。

(2) 被測定系の負荷はスリツト円板のみであるか
ら、慣性が小さく、被測定系に影響を与えな
い。

(3) 速度検出範囲は光源の移動速度によつて定ま
り、これはリングカウンタのクロツクｃで簡
単に変更できる。従つて、検出範囲の変更が極
めて容易であり、応用範囲が広くなる。

(4) 一般に低速域の検出を行う場合、低速用タコ
ジユネレータは極数が多いので慣性が大きくな
り、価格も高い欠点がある。しかし、本発明の
検出器によれば低速域でも高速域と同様に使用
することができる。

(5) 出力の周波数特性は_０によつて定まるの
で、スリツトの数と光源の速度の選定により広
範囲に選択できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はサーボモータを用いて位置
制御を行う既知の装置の構成図、第３図は本発明
の実施例の構成図、第４図はその要部詳細図、第
５図ａ〜ｅは本発明の装置によつて処理される信
号の波形図、第６図は本発明の他の実施例におけ
る検出部の各部を離間した状態で示す構成図、第
７図はスリツトの配列状態を示す説明図である。 １１，５１……スリツト円板、１２，５２……
スリツト、１４，５４……光源群、１５，５５…
…受光素子、１６……光源、３０……復調部、４
０……角変位演算部、５７……固定スリツト板、
５８……スリツト、５９……モアレ縞。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定軸に連結するスリツト円盤に多数のス
   リツトを放射方向に切設し、このスリツト部分を
   挟んで、光軸と受光素子とを、その光源の点灯部
   分または受光素子の受光点が基準パルスにより順
   次スリツト円板の回転方向に、移動するようにし
   て対設し、上記受光素子の出力を復調して角速度
   出力をアナログ量として得る復調部と、上記受光
   素子の出力と上記基準パルスに基づいて角変位出
   力を得る角変位演算部とを設け、上記角変位演算
   部を、受光素子からの出力と基準パルスによつて
   インクレメント及びデクレメントされるアツプダ
   ウンカウンタと、アツプダウンカウンタからの出
   力をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換
   器の出力から角変位出力をアナログ連続量として
   得るためのフイルターとを備えたものとして構成
   したことを特徴とする周波数変調式角速度・角変
   位検出器。 ２ 被測定軸に連結するスリツト円板に多数のス
   リツトを放射方向に切設し、このスリツト円板に
   対し、その回転に伴つてモアレ縞が半径方向に移
   動するようにスリツトを切設した固定スリツト板
   を重設し、これらのスリツト部分を挟んで、光源
   と受光素子とを、その光源の点灯部分または受光
   素子の受光点が基準パルスにより順次スリツト円
   板の半径方向に移動するようにして対設し、上記
   受光素子の出力を復調して角速度出力をアナログ
   量として得る復調部と、上記受光素子の出力と上
   記基準パルスに基づいて角変位出力を得る角変位
   演算部とを設け、上記角変位演算部を、受光素子
   からの出力と基準パルスによつてインクレメント
   及びデクレメントされるアツプダウンカウンタ
   と、アツプダウンカウンタからの出力をＤ／Ａ変
   換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換器の出力から
   角変位出力をアナログ連続量として得るためのフ
   イルターとを備えたものとして構成したことを特
   徴とする周波数変調式角速度・角変位検出器。