JP2707749B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光を用いて回転変位量あるいは直線
変位量を検出する光学式エンコーダに関する。

〔従来の技術〕

従来の光学式エンコーダとしては、例えば特開昭63−
90717号公報に示されるものがある。この従来例におい
ては回析格子によりレーザダイオードのレーザ光から０
次光と±１次の回析光の３つのビームを形成し、各レー
ザビームをエンコード板に照射する。これらのレーザビ
ームはエンコード板によって反射され、４分割ディテク
タ及びその斜め両側に配置された２個のディテクタによ
って検出される。そして、これらのディテクタの出力か
らエンコード板に形成したパターンに対応したエンコー
ド（Ａ相）出力、このエンコード出力と位相が90度ずれ
たＢ相出力、及びエンコード板の１回転毎の同期出力を
得ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来例においては、エンコード板
にパターンを形成する際、１つのパターンの長さ（エン
コード板の移動方向と交差する方向の長さ）を他のパタ
ーンの長さよりも長くして、かつ３つのレーザビームの
中の１つがこのパターンのみを照射するように構成され
る。ここで、従来例における３つのレーザビームは、回
析格子によるレーザダイオードのビーム光から形成され
る０次光と±１次の回析光であるため、そのビーム間隔
は数十μｍ程度である。このため、従来例のように３つ
のレーザビームの中の１つが、上記のパターンのみを照
射するには、レーザダイオードを含む光学ピックアップ
の取り付けを高精度に行う必要がある。さらに、エンコ
ード板が移動したときに、レーザビームが上記以外のパ
ターンを照射することがないように、エンコード板の取
り付けも高精度に行う必要がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、エンコー
ド板の取り付け時、及びレーザ光を照射する照射手段の
取り付け時に要求される精度を緩和することができ、こ
れにより製造過程における取り付け作業を容易にするこ
とが可能な光学式エンコーダを提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明による光学式エンコ
ーダは、 移動方向と交差する方向に略同一長さを有するパター
ンが、前記移動方向に所定の間隔で繰り返し形成される
とともに、前記パターン中の基準となる特定のパターン
の反射率を他のパターンの反射率と異ならせたエンコー
ド板と、 前記エンコード板のパターンに、前記エンコード板の
変位量を検出するための第１のレーザ光と、前記エンコ
ード板自身の移動回数を検出するための第２のレーザ光
とを照射する照射手段と、 前記エンコード板のパターンによって反射された前記
第１、第２のレーザ光を受光し、この受光したレーザ光
の強さに応じた信号を出力する複数の受光素子と、 前記受光素子からの複数の出力信号に基づいて前記エ
ンコード板の変位量の情報を含むエンコード信号、およ
び前記エンコード板自身の移動回数の情報を含む基準信
号、を出力する出力手段と を有し、前記第１、第２のレーザ光を共に前記パターン
の前記長さ範囲内に照射するようにしたことを特徴とす
る。

〔作用〕

上記のように構成された光学式エンコーダによれば、
エンコード板の移動に伴なって出力される基準信号が、
エンコード板に形成されたパターンの反射率の変化から
検出される。すなわち、このエンコード板のパターンに
照射される第１、第２のレーザ光は、エンコード板の移
動方向と交差する方向のパターンの長さの範囲内にあれ
ば良い。このため、エンコード板の取り付け及びレーザ
光を照射する照射手段の取り付け時の精度を、複数のレ
ーザ光が上記の範囲内に照射される程度の精度に緩和す
ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を図面に基づいて説明す
る。なお、第１の実施例では、本発明を回転変位量を検
出する光学式ロータリーエンコーダとして適用した例に
ついて示している。

第１図は、第１の実施例の構成の概要を示す構成図で
ある。

第１図において、エンコード板21には半径方向に所定
の長さを有するパターン11が、円周方向に所定の間隔で
形成されている。このエンコード板21の構造を第２図
（ａ），（ｂ）に示す。第２図（ａ），（ｂ）に示すよ
うに、エンコード板21はガラス基板15とこのガラス基板
15にフォトエッチングによって形成されたシリコン（S
i）からなるパターン11と、さらにこのパターン11を被
覆するように形成された保護膜としての酸化シリコン
（SiO₂）16とからなる。このパターン11は、半径方向Ａ
の長さが1mm,円周方向Ｂの幅が3.6μｍであり、かつ円
周方向Ｂに3.6μｍ間隔で繰り返し形成されている。こ
こで、本実施例ではパターン11をガラス基板15上に形成
する際、全パターン11の中の１つのパターン11aを銅（C
u）によって形成している。このため、１つのパターン1
1aの反射率だけが残りの全てのパターンの反射率と異な
ったものになっている。

光ピックアップ22はこのエンコード板21のパターン11
にレーザ光を照射するとともに、パターン11によって反
射されたレーザ光を受光する。すなわち、光ピックアッ
プ22は、レーザダイオードを備えた光源61からレーザ光
を発光し、このレーザ光を回析格子22a,コリメータレン
ズ22b,ビームスプリッタ22cおよび対物レンズ22dを介し
てパターン11に照射する。そして、このパターン11によ
る反射ビーム光が対物レンズ22dとビームスプリッタ22c
によって取り出され、集光レンズ22fとシリンドリカル
レンズ22gとを介して複数のフォトダイオードからなる
受光部40に与えられる。

なお、本実施例では、光源61から発光されるレーザ光
から回析格子22aによって０次光と±１次の回析光の３
つのレーザ光12,13,14が形成される。これらのレーザ光
12,13,14はコリメータレンズ22bによって平行光にさ
れ、さらに対物レンズ22dによって集光された後にエン
コード板21のガラス基板15側からパターン11に照射され
る。また、対物レンズ22dはレーザ光の焦点距離を調整
することができるように図示しない支持機構によってエ
ンコード板21の光軸方向に移動可能に支持されており、
駆動コイル22eが駆動されたとき光軸方向に移動するよ
うになっている。

オートパワーコントロール（APC）駆動回路23は、光
源61のレーザダイオードを駆動してレーザダイオードか
らレーザ光を発光させるとともに、周囲温度の変化など
によって変動するレーザ光の発光出力の調整を行う。こ
のAPC駆動回路の回路図を第６図に示す。

第６図において、光ピックアップ22の光源61はレーザ
ダイオード61bとこのレーザダイオードが発光するレー
ザ光を受光するフォトダイオード61aとによって構成さ
れている。このフォトダイオード61aの出力信号は、検
出回路62によって検出され、反転増幅回路63に入力され
る。反転増幅回路63ではこの出力信号に対してツェナー
ダイオード63bによって設定される電圧がオフセットと
して与えられる。このときレーザダイオード61bの発光
出力が可変抵抗22hによって設定される基準値よりも大
きくなると反転増幅回路63から電流制御回路64のトラン
ジスタ64aに与えられる信号によって、レーザダイオー
ド61bを流れる電流が抑制され、発光出力は低下する。
逆にレーザダイオード61bの発光出力が基準値よりも小
さくなるとトランジスタ64aによってレーザダイオード6
1bに流れる電流が増加されて、発光出力が上昇する。こ
のようにして、レーザダイオード61bが発光するレーザ
光の発光出力は、可変抵抗22hによって設定される基準
値に一定に保たれる。

フォーカスサーボ回路24は、例えばエンコード板21が
回転したときに面振れが生じたとしても、レーザ光が常
にパターン11上に焦点を結ぶようにレーザ光の焦点位置
を調節する。このフォーカスサーボ回路24の回路図を第
７図に示す。

第７図において、受光部40の４つのフォトダイオード
はレーザ光の焦点がパターン11上に結ばれているときに
等しい検出出力が生じるように配置されている。すなわ
ち、受光部40は第５図に示すように、中央に配置された
４つのフォトダイオード43a〜43dとその両側に配置され
た２つのフォトダイオード41,42によって構成される。
この受光部40は、第５図に示す如く、レーザ光12,13,14
がパターン11上に焦点を結んでいるときに、その１つの
レーザ光14が４つのフォトダイオード43a〜43dの中央に
照射され、残りの２つのレーザ光12,13がそれぞれ両側
に配置されたフォトダイオード41,42に照射されるよう
に配置されている。

この４つのフォトダイオード43a〜43dの出力信号V₀〜
Vdは、加算回路71に入力されてフォトダイオード43a,43
dの出力信号Va,Vdが加算され、またフォトダイオード43
b,43cの出力信号Vb,Vcが加算される。これらの加算信号
（Va＝Vd），（Vb＋Vc）は減算回路72に入力されて、フ
ォーカスエラー信号FE＝（Va＋Vd）−（Vb＋Vc）が演算
される。ここで、本実施例においては非点収差法によっ
てフォーカスエラー信号FEを作成しており、レーザ光の
形状の変化によって焦点整合状態を検出することができ
る。すなわち、レーザ光の焦点がパターン11上に結ばれ
ているとき、フォーカスエラー信号FEの値は零となる。
また、焦点距離が近すぎる場合には、レーザ光の形状が
第８図（ａ）に示すように変化し、フォーカスエラー信
号FEは負の値となる。逆に焦点距離が遠すぎる場合に
は、レーザ光の形状が第８図（ｂ）に示すように変化
し、フォーカスエラー信号FEは正の値となる。このフォ
ーカスエラー信号FEの値が零ではないとき、フォーカス
エラー信号FEは反転増幅回路73によってゲイン調整が行
なわれ、位相補償回路74によって位相補償が行なわれた
後、アクチュエータ制御回路75に入力される。アクチュ
エータ駆動回路75ではフォーカスエラー信号FEの値が零
となるように駆動コイル22eに流れる電流を制御して対
物レンズ22dの位置を調節する。

信号処理回路25はレーザ光12,13が受光部40のフォト
ダイオード41,42に照射されたとき、これらの出力信号
からエンコード出力（Ｚ相出力,A相出力,B相出力）を形
成する。この信号処理回路25の回路図を第３図に示す。

第３図において、フォトダイオード41,42の出力信号
は反射光検出回路51に入力され、さらに反転増幅回路52
に入力される。そしてこの反転増幅回路52によってゲイ
ンが調整されることにより、第４図（ａ）に示す電圧信
号が得られる。これらの電圧信号31,32は比較回路53に
入力され、電圧信号31はＺ相出力及びＡ相出力のスレッ
ショルドレベルと比較され、電圧信号32はＢ相出力のス
レッショルドレベルと比較される。この結果、比較回路
53から第４図（ｂ）に示すエンコード出力（Ｚ相出力,A
相出力,B相出力）が得られる。ここで、Cuからなるパタ
ーン11aの反射率がSiによる他のパターン11の反射率よ
りも高く、Ｚ相出力のスレッショルドレベルはこのCuか
らなるパターン11aの反射光のみを検出するように設定
されているので、Ｚ相出力はエンコード板21が１回転す
るごとに１つのパルス信号が出力される基準点信号とな
る。また、Ａ相出力,B相出力は互いに位相が90度ずれた
信号であり、エンコード板21の回転角度、及び回転方向
の検出に用いられる。

上記のように構成された本実施例においては、エンコ
ード板21の全パターン11の中の１つのパターン11aのみ
をCuによって形成し、他のパターン11をSiによって形成
することにより、１つのパターン11aの反射率を他のパ
ターン11の反射率よりも高くして、Ｚ相出力を作り出し
ている。このＺ相出力に加えて、Ａ相及びＢ相出力、さ
らにフォーカスエラー信号FEは３つのビーム光12,13,14
がエンコード板21のパターン11に照射されている限り作
成することができる。ここで、本実施例においては、パ
ターン11の半径方向の長さを1mmに設定しているので、
エンコード板21を図示しない回転軸に取り付ける際、パ
ターン11の中心と回転の中心とのずれが最大500μｍ以
内であれば、レーザ光12,13,14がパターン11からはずれ
ることがない。このため、エンコード板21の回転軸への
取付誤差許容範囲が広がり、製造過程における取付作業
を容易にすることができる。

また、本実施例においては、レーザダイオード61bの
レーザ光から回析格子22aによって０次光と±１次の回
析光の３つのレーザ光12,13,14を取り出している。この
３つのレーザ光12,13,14の相対的な位置関係は回析格子
22aによって決定され、変化することはない。このた
め、本実施例では相対的な位置関係が固定された３つの
ビーム光12,13,14によって第４図（ａ）に示すような出
力波形が得られるように光ピックアップ22を取り付ける
必要かある。しかし、光ピックアップ22の取り付け誤
差，レーザ光の間隔のバラツキ等によって光ピックアッ
プ22は取り付け後に位置合わせを必要とする。このとき
光ピックアップ22をレーザ光13を中心として回転させる
ことによって、簡単に位置合わせを行うことができる。

また、例えばパターン11上にゴミが付着していたり、
パターン11の欠落等の欠陥があった場合には、出力波形
が乱れて誤差を生じる可能性がある。本実施例によれ
ば、このような場合には光ピックアップ22を半径方向に
移動させることにより、パターン11の欠陥等を簡単に回
避することができる。この調整範囲は（パターンの長さ
1mm）−（偏心量）となり、例えば偏心量が±200μｍの
場合は、調整範囲は600μｍとなる。

次に本発明の第２の実施例について第９図から第11図
を用いて説明する。

前述の第１実施例においては、１つのパターン11aをC
uによって形成して、このパターン11aの反射率を他のSi
からなるパターン11の反射率よりも高くして、Ｚ相出力
を得るものであった。これに対して第２実施例では、第
９図に示すように１つのパターン11b（Siからなる）を
半径方向にスリット状に形成することにより、このパタ
ーン11bによる反射光を減少させて、すなわちパターン1
1bの反射率を他のパターン11の反射率よりも低くして、
Ｚ相出力を得るものである。第２実施例のその他の構成
については信号処理回路25の比較回路を除いて前述の第
１実施例と同様である。そして上記の場合に信号処理回
路25の反転増幅回路52から出力される電圧波形は、第10
図に示すものとなる。そこで、第２実施例の比較回路11
1は第１実施例における比較回路53にXORゲート111aを付
加することにより、パターン11bによって減少された反
射光に対応する電圧波形が表われたときにＺ相出力とし
てパルス信号が出力されるように構成されている。

なお、第１及び第２実施例では、Si及びCuによってパ
ターン11を形成したが、パターン11の材質はこれに限定
されるものではなく、目的とする反射率を実現できるも
のならば良い。

また、第１及び第２実施例ではパターン11の半径方向
の長さを1mmに設定していたが、この長さはエンコード
板21の大きさや取り付け誤差の誤差の許容範囲等から適
宜設定すれば良いものである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、複数のレーザ光は、エ
ンコード板の移動方向と交差する方向のパターンの長さ
範囲内を照射するようにすれば良いため、エンコード板
の取り付け時や光ピックアップの取り付け時の精度を緩
和することができる。このため、光学式エンコーダを製
造する際の取り付け作業を容易にすることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成の概要を示す構成
図、第２図（ａ）はエンコード板に形成されたパターン
の大きさを説明する説明図、第２図（ｂ）はエンコード
板の構造を示す断面図、第３図は第１図に示す信号処理
回路の回路図、第４図（ａ），（ｂ）は信号処理回路の
作用を説明する説明波形図、第５図は受光部を構成する
フォトダイオードの配置図、第６図は第１図に示すオー
トパワーコントロール駆動回路の回路図、第７図は第１
図に示すフォーカスサーボ回路の回路図、第８図
（ａ），（ｂ）は焦点が合っていない時のレーザ光の形
状を説明する説明図、第９図は本発明の第２実施例のエ
ンコード板に形成されたパターンの形状を説明する説明
図、第10図は第２実施例の信号処理回路の作用を説明す
る説明波形図、第11図は第２実施例における信号処理回
路の比較回路の回路図である。 11,11a……パターン,21……エンコード板,22……光ピッ
クアップ,23……オートパワーコントロール駆動回路,24
……フォーカスサーボ回路,25……信号処理回路,40……
受光部,61……光源。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動方向と交差する方向に略同一長さを有
   するパターンが、前記移動方向に所定の間隔で繰り返し
   形成されるとともに、前記パターン中の基準となる特定
   のパターンの反射率を他のパターンの反射率と異ならせ
   たエンコード板と、 前記エンコード板のパターンに、前記エンコード板の変
   位量を検出するための第１のレーザ光と、前記エンコー
   ド板自身の移動回数を検出するための第２のレーザ光と
   を照射する照射手段と、 前記エンコード板のパターンによって反射された前記第
   １、第２のレーザ光を受光し、この受光したレーザ光の
   強さに応じた信号を出力する複数の受光素子と、 前記受光素子からの複数の出力信号に基づいて前記エン
   コード板の変位量の情報を含むエンコード信号、および
   前記エンコード板自身の移動回数の情報を含む基準信
   号、を出力する出力手段と を有し、前記第１、第２のレーザ光を共に前記パターン
   の前記長さ範囲内に照射するようにしたことを特徴とす
   る光学式エンコーダ。