JPS60107521A - 回転センサ - 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】 （ア）技術分野 この発明は、回転体その他の運動体の変位置や速度を検
出するだめの回転センサに関する。

直線運動を歯車などを使って回転連動に変える事ができ
る。回転体の回転数や回転速度は、エンコーダによって
測定できる。エンコーダにょシ、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。

捷た、磁気によって、回転数を測るものもある。

これはディスクと回転する測定体とを連結し、ディスク
に永久磁石を付けておき、ディ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
れをカク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だ機械的な回転セン
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って受
光素子に入るようにする。光は円板の非開口の部分によ
って遮断されるから、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っ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。

まだ、発光素子を含む駆動回路も一体化した光電スイッ
チ（送信側）と、受光素子を含む増幅回路も一体化しだ
光電スイッチ（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、カタンクで計数
するが、時として、計数もれを起す可能性がある。また
、ノイズによって、誤ってカウントする可能性もある。

従ｆｆｉの回転センサは、カウントエラー検出機能を持
っていないので、カウントエラーがあっても、これを知
る事ができない。

（つ）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（
ｉｇ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、これをカタンクで計算する。

カクンタの最下位ビット（ＬＳＢ：ＬｅａｓｔＳｉｇｎ
ｉｆｉｃａｎｔ　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、これをカクンタに入れるか
ら、ＬＳＢは受信信号の立上り（又は立下り）と同期し
て立−Ｌる（又は立下り）はずである。

従って、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々く、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。

発光側ユニット１と受光側ユニット２とが互に対向して
設置されている。いずれも、２つのユニットが隣接して
設けられている。ひとつのユニットには発光素子、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。

発光側ユニット１と受光側ユニット２の間（（は、回転
円板３が設けられる。回転主軸４ば、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ット
１から受光側ユニット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。つまシ、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十β）ｎ二３６０°　０） である。ｎが大きければ、精度が上る。

受光側ユニット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によって異なる。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１コ部５に対応する位置
にある時、発光側ユニット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）　Ｉｒｊ：、前受光ユニツ）ａの第１受光素子１
１の受信信号を例示する。（ｂ）は後受光ユニツ）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。

遅れ時間をも″とする。

前後受光ユニノ）ａ、ｂの間隔をｄとする。回転円′＃
ｉ、３の、中心軸から開口部５の中心捷での距離をＲ１
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Ｃオン時間という）針Ｔ
ｎ、’“０”である長さくオフ時間という）をＴｆニす
ると、 α＝ΩＴｎ　（３） β＝ΩＴｆ　ｔ４＋ 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、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）ａ、ｂの間隔ｄは、
回転主軸４の中心に関する円弧に沿う弧長を意味する。

υ／　Ｔ　ｏが（整数）又は（整数＋Ａ）であれば、パ
ルス列（ａ）、（ｂ）によって、回１版円Ａ反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、パルス列すがａより先行する
方向を逆方向と呼ぶことにする。

パルス列すを微分し、Δｂとする。捷たパルス列すを反
転しく６）、これの微分をとってΔ石とする。

これらとパルス列ａの積を演算する。

順方向信号Ｅｌ逆方向信号Ｅ２は、 Ｅ１＝ａ・Δｂ（７） Ｅ２＝ａ・Δｂ（８） によって与える。Ｅｌ−１、Ｅ２−０　であれば順方向
に回転している。Ｅｌ−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。

前受光側ユニットａの第１受光素子１１、後受光側ユニ
ツ）ｂの第２受光素子１２の光電流は増幅器１３．１４
によって増幅され、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口伝の場合、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−シブオア
ゲート１５の２人力に入れる。これは排他論理和を計算
するもので、２人力が同一であれば出力Ｃけ０、異なれ
ば出力Ｃが１となる。

ｃ　＝　ａ−ｂ　＋　ａ−百　（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−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、圧力Ｃのパルス波形を示す。

パルス波形ＣＵ、ａパルスの立−Ｌす、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
。壕だ排他論理和出力といってもよい。

微分絶対値出力Ｃは、ａ、ｂパルス列の２倍の周波数を
もっている。

出力ｃをカウンタ１６のタロツク入力ＣＫに入力する。

パルス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っている。

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、アップダ
ウン力タンクを用いる方がよい。

アツプダクン指示入力端子の切換えは、先述の順逆方向
信号Ｅ１、Ｅ２によって行う。

カウンタ１６がｎビットカウンタであるとすれば、出力
は、最下位ビットから０１、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。まだ、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をカウンタのクロック入力ＣＫに入力
するから、出力Ｃの立上り時に、最下位ピッ′トの０１
が変化する。ｏｌは出力Ｃの半分の周波数になる。

最下位ビットＯＩが立上る時に、第２位ビット０２の値
が変化する。このように、（ｎ７１）位ビットの出力が
立上る時、１位ビットの値が変化する。

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０１の値が変化する。出力Ｃが立上った時
にＯＩが変化しないことがある。

又、出力Ｃが立上らないのに、０１が変化することもあ
る。ノイズが入って、これにより、ＯＩ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０１から０２．０、−１か
らＯｎへの、倍々のシフ）［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ＯＩ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１
２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、最下位ビット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５１で立上り、５２で
立下る正常パルス６１が０１出力ｄに現ゎれる。

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６３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ＱＶで徒過することもある。

壕だ、Ｃに於てパルスが存在しないのＫ、ノイズ等によ
り、カウンタが動作したとする。これはすぐにリセット
されず、次のＣパルス６０によってリセットされたとす
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だめに、最下位ビットＬＳ
Ｂ（ここでＵ、ＯＩ）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−シブオアゲート１７の出力ｅｆｉｅ　＝　
ａ−ｄ　＋　ａ−ｄ　ｉｌｏｌによって表わされる。こ
れは、ａ、ｄが等しければ０１異なれば１である。

カタンクの最下位ピッ）ＬＳＢ出力出力圧常パルス６１
．６２．６４．６６を生じている時、ａ、ｄは等しいの
で、ｅ出力はＯである。

ＬＳＢ出力出力圧ラーパルス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出力出力圧クント洩れを起こし、パルス６５が発
生しなかった時、ａとｄｌｌ′ｉ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出力出力圧スカウントして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、パルス列ａ、ｂを使って、パルス列ａの微分を
め、さらに微分の絶対値をめるものである。第３図の例
に放てエクスクル−シダオアゲート１５を用いだが、こ
こを少し変える。

パルス列θ、ｂを３状態出力の差動増幅器１８に入れる
。これの出力Ｃ′は ｃ’　＝　ａ−ｂ　（ＩＩ） 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　＝　ｌ　ｃ’ｌ　（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、Ｊ：す″、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、テジタルコンバレータを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
ルス列すがある時、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−ｕ　）（１３）ｃ　＝　ａ−
ｂ　＋　ａ−ｂ　（１４）と書くことができる。

（１）効　果 回転センサに放て、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）川　途 回転体の回転変位、回転速度を測定する回転センサー般
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
）Ｘ（’、４）でなければ良いのである。

また、発光側、受光側ユニット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。

光ファイバの端面だけを対向させておき、光ファイバの
他端に発光素子、受光素子を配置してもよい。

（力）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つあって、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、パルス列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
すが先行することもある。

この場合、カクンタ１６はアップダウンカクンタを用い
ると良い。

さらに最下位ビｙトＬＳＢと、パルス列すとの排他論理
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
つか使って、ＬＳＢの出力ｄと、パルス列す、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
）ａ、ｂの位置関係例を示す略正面図。 第３図は受光側ユニットのカウントエラー検出回路側図
。 第４図は受信側ユニットのカク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図はカクントエラー検出回路の他の例を示す回路図
。 １　発光側ユニット ２　、、、、　、、、、、、受光側ユニット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 １２　第２受光素子 １３．１４　増　幅　器 １５　エクスクル−シブオアゲート １６　カ　り　ン　タ １１・−エクスクル−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. 発光素子と、発光素子の光を回転に比例しだ繰返し周波
   数で透過又は反射する回転円板と、透過光又は反射光を
   検出するだめ位相が異なる位置て設けられた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を計算するカ
   クンタと、受光素子出力ａ、ｂの内先行する記号と、前
   記カクンタの最下部ピッ）ＬＳＢの出力ｄとの排他論理
   和を演算する回路とよりなる事を特徴とする回転センサ
   。