JPS62112013A - 光電式変位検出装置 - Google Patents

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］ 本発明は回転体の回転速度及び回転位置、あるいは直線
的移動体の移動速度及び移動位置等を検出するための光
電式変位検出装置の改良に関するものである。

［従来の技術１ 上記のような光電式変位検出装置ｕの一〇として、回転
軸の殿械的回転角を電気的パルス信号に変換して検出す
る従来の光電式ロークリ・エンコーダの要部を第６図に
示した。同図において、光源１からでた光は、回転軸２
に取り付けられた回転スリット板３と、この回転スリッ
ト板に対向する固定スリット板４とのスリットの位置関
係によりスリッ！〜板３，４を透過又は遮断される。こ
の光の変化を受けて受光素子５から電気信号が出力され
る。そして、固定スリンｌ−板４に設けた二つのスリッ
トＡ、Ｂを通った光による電気信号を波形整形した出力
は、第７図に示したように、９０°の情相差をもった二
つの方形波信号（２）、、（３）となる。これらの方形
波信号（２＞、（３）算出力を加算することにより、回
転軸２の回転角が検出される。また方形波信号（２）、
（３）算出力に基づいて、方向判別回路で回転方向を判
別して、検出結果に基づき回転角を増加又は減少させる
目安とする。更に、固定スリット板４に設けた零信号ス
リットＣを通る光により回転の原点基準信号（１）を得
る。

［発明が解決しようとする問題点コ このような従来の充電式〇−タリ・エンコーダでは、回
転速度が低くなったり、回転が停止したりすると、所要
の信号が得られなくなり、正確な検出ができなくなる。

そのため、第７図の（４）に示すように、前記のスリッ
トＡ、Ｂによる各信号出力（２）、（３）の立上がり、
立下がり時点においてパルスを発生させることにより、
回転角検出の分解能を４倍に高めている。

しかしながら、より以上の高い分解能を得るためには、
回転スリット板３のスリット数、即ち分割数を多くしな
ければならないが、これは製造上極めて困難であり、分
割数を多くするには限界があるという問題があった。

以上は充電式ロータリ・エンコーダについて述べたが、
光電式リニア・エンコーダについても同様のことが言え
る。

本発明の目的は、回転スリット板のごとき移動スリブ１
〜仮の分割スリット数をそれほど多くすることなく、分
解能の高い変位検出を行うことがでざる光電式変位検出
装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記の問題点を解決するための本発明の構成を、実施例
に対応する第１図（Ａ）、（Ｂ）〜第５図を参照して以
下に説明する。

まず、第１の発明の光電式変位検出装置は、所定のピッ
チで列設された多数の移動スリット３ａを有して光源１
よりの光を受ける移動スリット板３と、前記移動スリッ
ト３ａのピッチよりも僅かに異なる所定のピッチをもっ
て列設された所定の数の固定スリット４ａを有する固定
スリット板４と、前記移動及び固定の両スリットの列を
透過した前記光源１よりの光の帯列を受光する固体イメ
ージセンサ７と、該固体イメージセンサを駆動するセン
サ駆動回路８と、該固体イメージセンサの受光出力に基
づいて検出用数値信号を出力する信号変換回路９と、前
記センサ駆動回路８を制御する駆動回路制御手段１０と
、前記検出用数１１ＴＩ信号に基づいて検出データを口
出する検出データ演算手段１１とを具備するものである
。

また、第２の発明の光電式変位検出装置は、上記の構成
から固定スリット板４を除いて代りに、移動スリット３
ａのピッチよりも僅かに異なる所定のピッチをもって並
ぶ固定スリットの列に対応する論理値データを記憶する
論理値データ記憶手段１２を協え、該論理値データと信
号変換回路９からの検出用数値信号とに基づいて検出デ
ータ演輝手段１１により検出データを算出するように構
成したものである。

［発明の作用］ 前記第１の発明の構成になる光電式変位検出装置は、固
定スリット４ａの列が移動スリット３ａのピッチ幅を拡
大して読みとるバー二■の働きをする。そして、両スリ
ット３ａ、４ａを通った透過光は、少しずつ幅の異なっ
た光の帯のパターンとなる。このパターンを固体イメー
ジセンサ７で受光し、該パターンの動ぎを信号変換回路
９を介して検出データ演算手段１１により数値計算して
、該パターンの移動距離を算出する。これにより、移動
スリット板３の変位が拡大された形で検出される。即ち
、移動スリット３ａの１ピツチを更に分割した分割能を
もつ変位検出が行われる。

また、前記第２の発明の構成になる変位検出装置は、所
要の固定スリットの列に相当する論理値データが記憶手
段１２に記憶されている。他方、移動スリット３ａの列
の透過光が固体イメージセンサ７に入射され、該イメー
ジセンサ７の受光出力に基づいて信号変換回路９から検
出用数値信号が出力される。この検出用数値信号と上記
の論理値データとに基づいて検出データ演算手段１１に
より検出用データが算出される。従って、固定スリット
板を実装していなくても、所要の固定スリン１〜の作用
が容易に適用されて、前述と同様の高分解能をもった変
位検出が行われる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例の光′上式［」−タリ・エンコー
ダについて詳■Ｉに説明する。第１図（△）において、
１．２及び３はそれぞれ第６図に同０１翼で示したと同
様の光源、回転軸、及び移動スリット板としての回転ス
リン１〜板である。４は回転スリット板３のスリン１−
ビツヂよりも僅かに短い所定のスリットピッチで固定ス
リットが設けられた固定スリブ１〜板、６は上記両スリ
ット板３，４を透過した光を受けるレンズ、７はレンズ
６を通った光を受ける固体イメージセンサとしてのＣＣ
Ｄ（電荷結合形）イメージセンサである。８はこのイメ
ージセンサ７の駆動回路、９はイメージセンサ７から算
出力に基づいて検出用数値信号を出力する信号変換回路
、１１はこの数値信号に基づいて検出データを算出する
検出データ演停手段、１０ｔよセンサ駆動回路８をＩ１
１制御する駆動回路＋＋、＋Ｉ　１１１手段である。こ
の制御手段１０と上記の演算手段１１とはマイクロコン
ピュータＭＣ１を構成している。

本実施例に４３いては、固定スリット板４における固定
スリット４ａのピッチ（１ピツチはスリン１〜透過部の
幅＋非透過部の幅）を、回転スリット板３における回転
スリット３ａのピッチよりも所定の比率で僅かに短くし
である。そして、固定スリット４ａが回転スリット３ａ
（主尺として働り）に対して副尺（バーニヤ）の働きを
するようにする。このことを、第２図を参照して更に具
体的に説明すると、同図における（ａ）の矢印は光源１
からの人！′）ｊ光、（ｂ）（ま回転スリブ１〜３８の
列、（ｂｌは回転スリット３ａの列がスリットピッチの
１／２０だけ移動した状態、（Ｃ）は固定スリンｈ　４
　ａの列をそれぞれ示したものである。この固定スリッ
ト４ａは、回転スリット３ａの（ｎ−１）ピッチの長さ
をｎ等分した長さのスリットピッチを待つようにしであ
る。第２図の例ではｎ−１０とし、固定スリット４ａの
ピッチ幅は回転スリット３ａの９ピツチの長さを１０等
分した良さどした。これにより固定スリン１−４８の列
は回転スリット３ａのピッチ幅を拡大して読み取るバー
ニヤの作用を寸゛るらのとなる。十−記の「）の値はか
かるバー２４１作用を１ｊるのに適切な５〜２０７度の
自然数が用いられる。第２図の（ｄ）は、（ｂ）の回転
スリット列ど（Ｃ）の固定スリン！・列とを通った光の
帯のパターン、また（ｄｉは（ｂｌの回転スリブ１〜列
と（Ｃ）の固定スリット列とを通った光の帯のパターン
である。パターン（ｄ＞と（ｄ′）の比較かられかるＪ
、゛）に、各パターンは少しずつ幅の５’ｉ！なった光
の帯の列となっている。これらの光列パターン（ｄ）、
（ｄａのそれぞれの光の帯の幅ｌ−を縦軸に、イの尤の
帯の中心位置を横軸にとってグラフで表わすと、それぞ
れの光の帯の検出データは、第２図の（ｆ）に示したよ
うに三角波形状に並ぶ特性曲線となる１、この図形から
れかるように、回転スリブｈ　３が（ｂ）の状態から（
ｂ′）の状態に僅かに回転すると、それに伴い（ｆ）の
待＋１曲線も移動する。

この移動距離は、回転スリット３と固定スリット４のピ
ッチ幅の比により決定される。第２図の例ではこの比が
１０：９であるから、回転スリッ１−３が（ｂ）から（
ｂ′）のように１／２０ピツチ移動すると、（ｆ）の特
性曲線は９／２０ピツチ分移動する。これにより、回転
スリット３ａの動きを９倍拡大してとらえることができ
る。

上記の光列パターン（ｄ）あるいは（ｄｌは、レンズ６
を通して回転スリット３ａよりも細かい画素ピッチをも
つＣＯＤイメージセンサ７によりそれぞれ受光される。

その結果、第２図（ｄ）のパターンは、イメージセンサ
７算出力から信号変換回路９を介して第２図の（ｅ）に
示したようなビット単位からなる数値信号として扱われ
るようになる。かかる数値信号に基づいて、検出データ
演算手段１１により最小二乗法などの数値処理を行うこ
とにより、第２図（ｆ）のような特性曲線を求め、該曲
線の谷点Ｂや頂点Ｔの移動距離を算出することにより、
回転スリット板３の微小変位を拡大して検出できる。こ
れにより、回転スリット板３のスリット数をそれほど多
くすることなく分解能の高い回転位置検出が行われる。

上述の処理手順を表わすフローチャートを第４図に示す
。

次に、本発明の他の実施例を第１図（Ｂ）により説明す
る。上記の実施例では固定スリット板４を用いたが、固
定スリブ１〜板４を用いずに前記の固定スリット４ａの
列に相当する第３図の（ｄ）に示すような波形の論理値
データをマイクロコンピュータＭＣ２の論理値データ記
憶手段１２に入力する。また、回転スリット３ａの透過
光を受光したイメージセンサ７算出力から信号変換回路
９を介して、第３図の（Ｃ）に示すようなビット単位か
らなる数値信号を１！７る。そして、この数値信号（Ｃ
）と前記の固定スリット列に相当する論理値データ（ｄ
）との論理積を演算手段１１で求めることにより、第２
図（ｅ）と同等の第３図（ｅ）に示したようなビット単
位からなる数値データが得られる。以後、この数値デー
タ（ｅ）に基づき前記の実施例と同様にして分解能の高
い回転位置検出が行われる。上記のように本実施例では
、固定スリット板を実装することなく、所定の固定スリ
ットの作用をする論理値データを用いて演算処理するこ
とにより、固定スリット板を用いたと同等の結果が得ら
れる。本実施例における処理手順を表わすフローチャー
トを第５図に示す。

次に具体的な数値例を述べると、前述の実施例において
回転スリット３ａの設定数を５００とした。また、ＣＯ
Ｄイメージセンサ７は２０４８の画素〈１画素１３μｍ
＝”ｔビット）を有するものを用いた。また、イメージ
センサ７による分解能を上げるため、レンズ６により回
転スリット３ａの１ピツチが１４２ビツトになるように
拡大した。

そして、回転スリンｈ　３　ａ’が１／２０ピツチ、即
ち回転スリット板３が（１１５００）Ｘ　（１／２０）
＝１／１００００回転だけ変位したとすると、第２図（
ｆ）の特性曲線の谷点Ｂや頂点Ｔは６４ビツト（固定ス
リット４ａの１／２ピッチ分）移動づる。この移動ｍは
、演算手段１１で少なくとも１ビット単位で求めること
ができるから、本実施例の光電式ロータリ・エンコーダ
は少なくとも１回転当たり６４Ｘ１０’パルスの検出分
解能をもつことになる。

なお、上述の実施例では固定スリットのピッチを移動ス
リットのピッチよりも僅かに短くしたが、逆に僅かに長
くしてもよく、要は両者のピッチを僅かに異ならしめれ
ばよい。

また、上）ホの実施例は光電式ロータリ・エンコーダで
あったが、本発明は光電式リニア・エンコーダに対して
も同様に適用することができる。この場合、リニア・エ
ンコーダにおける移動スリットが前）ホの回転スリット
の作用をする。

なおまた、上述の実施例では、固体イメージセンサとし
てＣＯＤイメージセンサを用いたが、ＭＯＳ又はＣＩＤ
のごとき固体イメージセンサを用いてもよい。

更に、上述の実施例ではイメージセンサの前にレンズを
配置したが、イメージセンサの画素ピッチが十分に細か
いものを用いればレンズを省略してもよい。

更にまた、上述の実施例ではマイクロコンピュータを用
いたが、これに代え他の適宜の情報処理装置を用いても
よい。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の光電式変位検出装置は、固
定スリットのピッチを移動スリットのピッチよりも僅か
に異なるように設定し、上記両スリットを透過した光の
帯列を固体イメージセンサで受光し、該受光出力に基づ
いて検出用数値信号を出力するようにしたので、固定ス
リット列が移動スリット列のピッチ幅を拡大して読みと
るバーニヤの作用をして、移動スリットの１ピツチを更
に分割した分解能をもつ変位検出を行うことができる。

従って、移動スリン］・板のスリット数をそれほど多く
しなくても、高分解能の微妙変位検出を行うことができ
る。

また、特許請求の範囲（２）の発明によると、上記のよ
うな作用をする固定スリットの列に相当する論理値デー
タを論理値データ記憶手段に記憶させておいて、移動ス
リット列の透過光を受けるイメージセンサ算出力から得
られる検出用数値信号と上記の論理値データとに基づい
て検出データを算出するようにしたので、固定スリット
板を実装することなく、所要の固定スリブ１〜の作用を
容易に適１ｆｌ　ｕ得て、重連ど同様の高分解能をもっ
た変位検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Δ＞、（Ｂ）はそれぞれ本発明の異なる実施例
の概要を示す説明図、第２図及び第３図はこれらの実施
例の動作を説明する説明図、第４図及び第５図はそれぞ
れ第１図（△）又は第１図（Ｂ）の実施例に対応するフ
ローチャート、第６図は従来の光電弐〇−タリ・エンコ
ーダのｖＡ要を示す斜視図、第７図は該エンコーダの動
作を説明する信号波形図である。 １・・・光源、３・・・移動スリット板としての回転ス
リット板、３ａ・・・移動スリン１−とじての回転スリ
ット、４・・・固定スリット板、４ａ・・・固定スリッ
ト、７・・・固体イメージセンサとしてのＣＯＤイメー
ジセンサ、８・・・センサ駆動回路、９・・・信号変換
回路、１０・・・駆動回路制御手段、１１・・・検出デ
ータ演算手段、１２・・・論理値データ記憶手段、ＭＯ
＋及びＭＣ２・・・マイクロコンピュータ。 第！　図　（Ａ） 第４　図 ＠５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定のピッチで列設された多数の移動スリットを
   有して光源よりの光を受ける移動スリット板と、前記移
   動スリットのピッチよりも僅かに異なる所定のピッチを
   もって列設された所定の数の固定スリットを有する固定
   スリット板と、前記移動及び固定の両スリットの列を透
   過した前記光源よりの光の帯列を受光する固体イメージ
   センサと、該固体イメージセンサを駆動するセンサ駆動
   回路と、該固体イメージセンサの受光出力に基づいて検
   出用数値信号を出力する信号変換回路と、前記センサ駆
   動回路を制御する駆動回路制御手段と、前記検出用数値
   信号に基づいて検出データを算出する検出データ演算手
   段とを具備することを特徴とする光電式変位検出装置。
2. （２）所定のピッチで列設された多数の移動スリットを
   有して光源よりの光を受ける移動スリット板と、前記移
   動スリットの列を透過した前記光源よりの光の帯列を受
   光する固体イメージセンサと、該固体イメージセンサを
   駆動するセンサ駆動回路と、該固定イメージセンサの受
   光出力に基づいて検出用数値信号を出力する信号変換回
   路と、前記センサ駆動回路を制御する駆動回路制御手段
   と、前記移動スリットのピッチよりも僅かに異なる所定
   のピッチをもつて並ぶ固定スリットの列に対応する論理
   値データを記憶する論理値データ記憶手段と、前記検出
   用数値信号及び前記論理値データに基づいて検出データ
   を算出する検出データ演算手段とを具備することを特徴
   とする光電式変位検出装置。