JP2655121B2 - 光エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ディスクドライブや磁
気ディスクドライブ等のように例えばディスクのドライ
ブを行う際にその半径位置を検出するためのエンコーダ
に係わり、詳細には光学的に半径位置を検出するための
光エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ等の情報処理装置に使用さ
れる磁気ディスクの高速アクセス性と、光ディスクの特
徴とする記憶容量の大きさの双方を兼ね備えた外部記憶
装置が求められており、その研究が急速に進展してい
る。このような次世代の外部記憶装置としては、高速転
送レート、高速ランダムアクセスならびに大容量という
条件を満たし、かつ媒体の保存に優れ、非接触で媒体の
耐久性に優れたものという観点から光記録を使用する光
ディスクが有望となっている。

【０００３】光ディスク装置をディスクの内周から外周
に高速でアクセスするには、ディスクの半径位置を正確
に計測し、粗シーク動作でまず目標トラックの±４０ト
ラック以内に入れることが重要である。例えばトラック
ピッチを１．２μｍとすると、±５０μｍ以内の精度で
アクセスが行われるようにすることになる。

【０００４】ディスクの内周から外周までの距離の測定
は、ディスク自体の偏心を考慮したトラック数をカウン
トするものと、インクリメント（増加）型のスケールを
読み出す方法とがある。性能を優先させる設計では、後
者のスケールを用いる方法が採用されている。このよう
な従来のインクリメント型のスケールあるいは光学式の
光エンコーダでは、距離の測定のピッチとして１００μ
ｍ程度のものを入手するのは簡単であった。このような
光エンコーダでは、平行光を入射して、透過光をＡ、Ｂ
２相の受光センサで得るようにしている。

【０００５】図５は、従来のこのような光エンコーダと
して特開昭６４−８８３１４号公報で提案されたものを
示したものである。レーザ等の光ビーム発生源１１から
射出された光ビームはコリメータレンズ１２に入射され
て平行光となる。この平行光は、前方に配置されたスリ
ット１３を部分的に透過し、所定幅の光束となる。この
光束が、リニアエンコーダ１４を通過する。リニアエン
コーダ１４は、光束の透過部と非透過部の比が同一でピ
ッチの異なる格子が繰り返されている格子トラックが表
面に設けられた長尺状のスケールである。リニアエンコ
ーダ１４のこの格子トラックで回折された複数の回折光
は、収束レンズ１５に入射する。これら回折光は、多分
割光センサ１６上に到達する。多分割光センサ１６は、
０次、±１次、±２次、……の各回折光の検出を行うよ
うになっている。

【０００６】図６は、この多分割光センサの出力を用い
た位置検出のための回路部分を表わしたものである。±
１次光あるいは±２次光の同次数の正負の回折光が選択
される。一例として、一次光の出力をＳ₊₁とＳ_-1とす
る。これら両信号２１、２２を減算器２３に入力して、
回折光の間隔を決定する信号２４を得る。この信号２４
をサンプルホールド回路２５に入力して、値をホールド
してこれをＡ／Ｄ変換器２７でディジタルデータ２８に
変換するようになっている。

【０００７】変換されたディジタルデータ２８は照合回
路２９に入力される。照合回路２９は、記憶回路３１と
接続されている。記憶回路３１には、リニアエンコーダ
１４の各格子のパターンに対応した正負の１次回折光の
間の距離が、対応する位置データと共に予め記憶されて
いる。照合回路２９は、これらの各１次回折光間の距離
のデータとＡ／Ｄ変換器２７から得られた読み出しの行
われている箇所のディジタルデータ２８とを照合し、一
致した各回折光間の距離のデータに対応するスケールの
位置データを出力することになる。

【０００８】このようにスケールの位置に応じて回折格
子の間隔を設定しておき、読み出した位置の回折格子の
間隔からスケールの位置を求めるようにした光エンコー
ダは、特開昭６２−８１５２８号公報や、特開昭６３−
３１１１２１号公報にも開示されている。これらの光エ
ンコーダは、それ自体が独立したリニア位置検出を行う
ことができ、あるいはロータリ式の光エンコーダであれ
ば回転位置を検出することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示した光エンコーダでは、予め±１次光や±２次光の回
折光の間隔を求めておき、実際に測定した間隔と比較し
てリニアエンコーダの位置を検出するようにしているの
で、図５に示したように減算器２３、サンプルホールド
回路２５、Ａ／Ｄ変換器２７や記憶装置が必須のものと
なる。また、各次数のビーム出力の応答を予め記憶して
おいて、これを照合するための演算装置が必要である。

【００１０】更に従来のこのような光エンコーダでは、
多分割光センサ１６から得られる相互の出力を基にし
て、リニアエンコーダの位置を５０μｍ以下のピッチで
検出しようとすると、ピッチを小さくしなければならな
い。この結果として、ｍ次回折光の間隔が大きくなりす
ぎ、従来の多分割光センサ１６では十分対応することが
できなかった。また、多分割光センサ１６自体が高価で
あり、更に±ｍ次回折光の間隔を照合するための記憶回
路の設定についても、専用のＩＣ回路を作成する等の複
雑さがあった。

【００１１】そこで本発明の目的は、簡単な装置構成で
リニアエンコーダのピッチの１／４以下といった細かな
移動量を検出可能な光エンコーダを提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、（イ）測定対象に対して往復動自在に配置され、所
定の間隔で光ビームを透過するためのスリットが刻まれ
たリニアエンコーダと、（ロ）このリニアエンコーダの
２つのスリットに対してそれぞれ固定位置から個別に光
ビームを入射させる光ビーム入射手段と、（ハ）これら
の光ビームの±１次回折光の差分をそれぞれ求める差分
演算手段と、（ニ）これら２つの差分演算手段の演算出
力を基にしてリニアエンコーダの移動方向と移動量を判
別する移動判別部とを光エンコーダに具備させる。

【００１３】すなわち請求項１記載の発明では、例えば
光ディスクの半径方向に往復動自在にリニアエンコーダ
を配置し、固定位置から２つの光ビームをこの別々のス
リットに入射させる。そして、それぞれの±１次回折光
を光センサ等の手段で検出し、それぞれの差分を差分演
算手段によって演算する。これによって得られたそれぞ
れの光ビームについての演算出力は９０度位相がずれた
信号となっているので、これらを移動判別部に入力し、
例えばポインティング・デバイスとしてのマウスの移動
方向および移動量の検出と同様に移動方向と移動量の検
出を行う。

【００１４】この光エンコーダでは、位相差を解析して
位置を判別することによって、リニアエンコーダのスリ
ット間隔の１／４倍の細かさで移動量の検出が可能にな
る。

【００１５】請求項２記載の発明では、リニアエンコー
ダはガラス基板に金属膜を成膜し、前記した往復動の方
向に所定の間隔でエッチングによって前記スリットを形
成したものであることを特徴としている。これにより、
リニアエンコーダのスリット間隔を細かく設定すること
ができ、移動量の検出ピッチを非常に細かくすることが
可能になる。

【００１６】請求項３記載の発明では、光ビーム入射手
段は、収束された光ビームを遮光する遮光板に２つの細
孔を所定の間隔を置いて配置したものであることを特徴
としている。これにより、２つの光ビームを容易に得る
ことがでる。

【００１７】請求項４記載の発明では、遮光板の細孔
は、リニアエンコーダのスリットのピッチの０．８倍か
ら１．２倍の直径であることを特徴としている。

【００１８】遮光板の細孔の径がスリットのピッチより
も十分大きな場合には、リニアエンコーダを出た１次回
折光の分布は０次回折光の分布と同様となり、前記した
差分演算手段による差分を求めることができなくなる。
しかしながら、遮光板の細孔の径をスリットのピッチの
０．８倍から１．２倍の直径にすると、１次回折光の分
散する角度自体は同一であるもののその光量分布が顕著
に異なるようになり、光ビームの±１次回折光の差分を
差分演算手段によって検出したとき移動方向と移動量の
検出を良好に行えるようになる。

【００１９】請求項５記載の発明では、遮光板は、光ビ
ームの進行方向と直交する平面内で回転自在に配置さ
れ、回転角によって細孔を通過する２つの光ビームの間
隔がリニアエンコーダへ到達した箇所でスリットのピッ
チの整数倍に調整可能であることを特徴としている。遮
光板を回転自在に配置することで、細孔の間隔や光学系
の配置を厳密に設定しなくても、２つの光ビームの間隔
をリニアエンコーダへ到達した箇所においてスリットの
ピッチの整数倍に調整することが可能になる。

【００２０】

【実施例】以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

【００２１】図１は本発明の一実施例における光エンコ
ーダを使用した光ディスク装置の要部を表わしたもので
ある。光ディスク４１を構成する面と所定の距離だけ離
れた平行な面内には、１対のレール４２、４３が配置さ
れており、これらと転接するローラ４４〜４６によって
移動台４７が矢印４９方向に移動自在に配置されてい
る。移動台４７のほぼ中央位置には対物レンズアクチェ
ータ５１が配置されており、対物レンズ５２を射出した
光ビーム５３を分離式光ヘッド５４に導くようになって
いる。また、対物レンズアクチェータ５１には細長い平
板状のリニアエンコーダ５５の一端が固定されており、
移動台４７の移動に伴って矢印４９方向に移動するよう
になっている。このリニアエンコーダ５５は、図示しな
い部材に固定された光エンコーダ５６に設けられたスリ
ット５７に往復動自在に挿入されている。

【００２２】分離式光ヘッド５４は、光ビームを出射す
るレーザダイオード等の光ビーム発生源６１を備えてお
り、出射された光ビーム５３はコリメータレンズ６２で
平行光にされた後、ハーフミラー６３をその一部が直進
し、反射ミラー６４によって９０度偏向された後、対物
レンズ５２に入射される。光ディスク４１上の情報を読
み取った反射光はこの対物レンズ５２から逆方向に進行
して反射ミラー６４に到達し、９０度偏向された後、ハ
ーフミラー６３で反射され、読取素子６６に入射して情
報の読み取りが行われることになる。

【００２３】ところでこの光ディスク装置では、光ビー
ム発生源６１からハーフミラー６３に入射される光ビー
ムのうちこれによって反射される本来不要な光ビームを
用いて光ディスク４１の半径位置の検出を行うようにな
っている。すなわち、ハーフミラー６３によて反射され
９０度偏向された光ビーム５３Ｅは光エンコーダ５６の
収束レンズ６８に入射し、この収束した光ビームを回折
させリニアエンコーダ５５に照射して光センサ６９によ
って検出することで、次に説明するように半径位置の検
出が行われる。

【００２４】図２は、本実施例の光エンコーダによる光
ディスクの半径位置の検出原理を説明するためのもので
ある。光エンコーダ５６の収束レンズ６８に入射した光
ビーム５３Ｅは、反射ミラー７１によってリニアエンコ
ーダ５５の方向に反射される。リニアエンコーダ５５は
細長い平板状の細長いガラス板にクロム等の金属膜を成
膜して所定のピッチＰで平行なスリットをエッチングで
形成したもので、これらのスリットに入射した波長λの
光ビーム５３Ｅの回折光を光センサ６９に照射させるよ
うになっている。

【００２５】一般に、±ｍ次光の回折角θは次の（１）
式で表わすことができる。 θ_m ＝sin ^-1（ｍλ／Ｐ） ……（１） 本実施例ではビーム光軸に対して±１次光の回折光のみ
を検出し、９０度位相がずれたエンコード出力を得るよ
うにしている。

【００２６】すなわち、リニアエンコーダ５５の隣接し
た２つのスリットを通過したそれぞれ±１次光の回折光
は、光センサ６９の４つのセンサエレメント６９Ａ〜６
９Ｄのいずれかに到達する。このうち一方の１対のセン
サエレメント６９Ａ、９６Ｂの出力は第１のオペアンプ
７３に入力されて差分がとられ、Ａ相の検出信号７４が
得られる。他方の１対のセンサエレメント６９Ｃ、９６
Ｄの出力は第２のオペアンプ７５に入力されて同様に差
分がとられ、Ｂ相の検出信号７６が得られる。これらの
検出信号７４、７６は移動判別部７７に入力され、後に
説明するようにリニアエンコーダ５５の移動量と移動方
向が求められることになる。

【００２７】そこで、本実施例の光エンコーダではリニ
アエンコーダ５５の２つのスリットに光ビーム５３Ｅを
選択的に入射させるために、反射ミラー７１とリニアエ
ンコーダ５５の間に通過する光ビームの間隔を調整する
ためのビーム間隔調整装置７８を回動自在に配置してい
る。

【００２８】図３は、このビーム間隔調整装置を中心と
した光エンコーダの要部を表わしたものである。反射ミ
ラー７１とリニアエンコーダ５５の間には、ビーム間隔
調整装置７８が配置されている。ビーム間隔調整装置７
８は、回動自在に配置された遮光板としての円板７８Ａ
と、これを回動させるためのレバー７８Ｂから構成され
ている。円板７８Ａには、リニアエンコーダ５５のピッ
チＰよりもやや広い間隔で２つの細孔８１、８２が開け
られている。調整者がレバー７８Ｂを適宜回転させて、
これらの細穴８１、８２を結ぶ直線が水平方向とのなす
角度を変化させることによって細孔８１、８２の水平方
向における長さをピッチＰと光学的に等しく調整するこ
とができる。ここで光学的にとは、光ビームが平行光以
外の場合（本実施例の場合には収束光）に、細孔８１、
８２を通過した２つの光ビームの間隔が距離と共に変わ
ることを配慮したものである。

【００２９】なお、細孔８１、８２の直径をＲとする
と、前記したピッチＰとの関係は、前記したように次の
（２）式で示される範囲となることが好ましい。 ０．８Ｒ＜Ｐ＜１．２Ｒ ……（２）

【００３０】図４は、図２に示した２つのオペアンプか
ら出力される信号波形を表わしたものである。図４
（ａ）はＡ相の検出信号７４を示し、同図（ｂ）はＢ相
の検出信号７６を示している。このように両信号７４、
７６は９０度だけ位相がずれるので、立ち上がりあるい
は立ち下がりの順序によって、図１に示した移動台４７
の移動方向を検出することができる。また、両信号７
４、７６の信号パルスの数を計数することによって移動
量を粗いステップで求めることができる他、これらの信
号７４、７６がＨ（ハイ）レベルとなっているかＬ（ロ
ー）レベルとなっているかの組み合わせが１周期に４通
り存在するので、これを判別することでリニアエンコー
ダ５５のピッチＰの４分の１のピッチ精度で微細な移動
量を検出することもできる。このような測定は、論理回
路やカウンタを用いて簡単に構成することができる。

【００３１】なお、実施例では細孔８１、８２の水平方
向における長さを光学的にピッチＰと等しくなるように
レバー７８Ｂを用いて調整したが、一般には３倍以上の
整数倍に調整することも可能である。

【００３２】また実施例ではガラス基板にクロム等の金
属膜を成膜したスリットの１次回折光を使用したが、他
の方法で作成したスリットを使用してもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、測定対象に対してリニアエンコーダを往復動
自在に配置し、固定位置から２つの光ビームをこの別々
のスリットに入射させ、それぞれの±１次回折光を光セ
ンサ等の手段で検出し、これらの差分を差分演算手段に
よって演算した結果を用いてリニアエンコーダの移動方
向と移動量の検出を行うようにした。差分演算手段の演
算出力は９０度位相がずれた信号となっているので、こ
れにより、移動方向を求めることができ、また、２つの
演算出力を比較することにより、リニアエンコーダのス
リット間隔の１／４倍の細かさで移動量の検出が可能に
なる。

【００３４】また、請求項２記載の発明では、リニアエ
ンコーダはガラス基板に金属膜を成膜し、所定の間隔で
エッチングによってスリットを形成したので、リニアエ
ンコーダのスリット間隔を細かく設定することができ、
移動量の検出ピッチを非常に細かくすることが可能にな
る。

【００３５】更に、請求項３記載の発明では、光ビーム
入射手段は、収束された光ビームを遮光する遮光板に２
つの細孔を所定の間隔を置いて配置したので、２つの光
ビームを容易に得ることがでる。

【００３６】また、請求項４記載の発明では、遮光板の
細孔は、リニアエンコーダのスリットのピッチの０．８
倍から１．２倍の直径のものにしたので、１次回折光の
差分を差分演算手段によって検出したとき移動方向と移
動量の検出を良好に行えるようになる。

【００３７】更に、請求項５記載の発明で遮光板は、光
ビームの進行方向と直交する平面内で回転自在に配置し
たので、細孔の間隔や光学系の配置を厳密に設定しなく
ても、２つの光ビームの間隔をリニアエンコーダへ到達
した箇所においてスリットのピッチの整数倍に調整する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における光エンコーダを使用
した光ディスク装置の要部を表わした概略構成図であ
る。

【図２】本実施例の光エンコーダによる光ディスクの半
径位置の検出原理を示した原理図である。

【図３】ビーム間隔調整装置を中心とした本実施例の光
エンコーダの要部を表わした斜視図である。

【図４】図２に示した２つのオペアンプから出力される
信号波形を表わした波形図である。

【図５】従来提案された光エンコーダの一例を示す斜視
図である。

【図６】図５に示した多分割光センサの出力を用いた位
置検出のための回路部分を表わしたブロック図である。

【符号の説明】

４１ 光ディスク ４２、４３ レール ４７ 移動台 ５１ 対物レンズアクチェータ ５２ 対物レンズ ５３ 光ビーム ５４ 分離式光ヘッド ５５ リニアエンコーダ ５６ 光エンコーダ ６３ ハーフミラー ６８ 収束レンズ ６９ 光センサ ６９Ａ〜６９Ｄ センサエレメント ７３ 第１のオペアンプ ７４ Ａ相の検出信号 ７５ 第２のオペアンプ ７６ Ｂ相の検出信号 ７７ 移動判別部 ７８ ビーム間隔調整装置 ８１、８２ 細孔

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象に対して往復動自在に配置さ
   れ、所定の間隔で光ビームを透過するためのスリットが
   刻まれたリニアエンコーダと、 このリニアエンコーダの２つのスリットに対してそれぞ
   れ固定位置から個別に光ビームを入射させる光ビーム入
   射手段と、 これらの光ビームの±１次回折光の差分をそれぞれ求め
   る差分演算手段と、 これら２つの差分演算手段の演算出力を基にして前記リ
   ニアエンコーダの移動方向と移動量を判別する移動判別
   部とを具備することを特徴とする光エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記リニアエンコーダはガラス基板に金
   属膜を成膜し、前記往復動の方向に所定の間隔でエッチ
   ングによって前記スリットを形成したものであることを
   特徴とする請求項１記載の光エンコーダ。
3. 【請求項３】 前記光ビーム入射手段は、収束された光
   ビームを遮光する遮光板に２つの細孔を所定の間隔を置
   いて配置したものであることを特徴とする請求項１記載
   の光エンコーダ。
4. 【請求項４】 前記細孔は、前記リニアエンコーダのス
   リットのピッチの０．８倍から１．２倍の直径であるこ
   とを特徴とする請求項３記載の光エンコーダ。
5. 【請求項５】 前記遮光板は、光ビームの進行方向と直
   交する平面内で回転自在に配置され、回転角によって細
   孔を通過する２つの光ビームの間隔が前記リニアエンコ
   ーダへ到達した箇所で前記スリットのピッチの整数倍に
   調整可能であることを特徴とする請求項３記載の光エン
   コーダ。