JPH02136712A - 光電式アブソリュートエンコーダ - 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、ロボットなどのＦＡ機器やプリンタ、複写機
などのＯＡ機器の回転機構の回転数・回転方向・位置・
角度などを制御するためのセンサーとして用いられるア
ブソリュートエンコーダに関する。

従来の技術 回転体の回転数や回転方向、絶対的位置や角度を検出す
る光電式アブソリュートエンコーダにおいて、最も一般
的構成である回転盤に多数の投受光素子対を並べる方法
に対し、高分解能化や低価格化のため、前記受光素子に
多数の素子を一体化したアレイを用いる方法（Ｊ、Ｉ　
ＥＲＥ、Ｖｏ　ｌ。

５５、Ｎｏ、４．Ａｐｒｉｌ　　１９８５）、光フアイ
バ一対を多数差べてそれに光を送り込んで信号を取り出
す方法（特開昭５８−１２１００号）などに対して、−
個の光源で光走査によって信号を取り出す方法が提案さ
れている。

本発明は後者に関するものである。

以下その代表例である位置計測用の光電式エンコーダ装
置（特開昭５８−１３２８９２号）にもとづいて従来例
を説明する。

第９図は上記従来例の具体的構成を示すものである。

１０１はリニアの符号板で、１０１ａは符号面である。

１０２は移動体で、対物レンズ１０３とトラッキングミ
ラー１０４が一体化されている。

１０５は回折格子、１０６，１１０はレンズ、１０７は
ビームスプリッタ、１０８は１／４波長板、１０９は回
転プリズム、１１１は受光素子である。−点鎖線は光の
経路を、矢印は進む方向を表す。

第１０図は符号板１０１の部分拡大図で、ＰＬは位置情
報を示す符号で、ＰＬ部をさらに拡大した（ｂ）で示す
ビットが刻まれている。Ｓｌ、８２はそれぞれ移動方向
、光走査方向を示す。

以上によって構成されたエンコーダの信号の取りだし動
作について説明する。

レーザ光は回折格子１０５で３つに分けられて回転プリ
ズム１０９で紙面の上下に振られ、走査光きなる。首記
走査光はトラッキングミラー１０４で９０度屈曲され、
対物レンズ１０３で絞られて符号板１０１の符号面１０
１ａに光スポットを結ぶ。前記光のスポットは第１０図
の８２方向にビット面ＰＬ上を動（。符号面１０１で反
射あるいは回折された光は、同経路を逆行し、１／４波
長板１０８を通って信号光のみ取り出し、ビームスプリ
ッタ１０７で受光素子１１１へ送られ光電変換され電気
信号となる。こうして得られた電気信号は、回路処理を
へて位置信号、フォーカス及びトラック制御信号となる
。前記制御信号は、符号面１０１ａ上に一定の光スポッ
トを形成し確実に符号をトレースするための信号である
。

この様な構成によって得られる効果は、光スポットが非
常に小さいので高分解能が可能であり、移動体に光学系
を一体にすると小型化ができることである。その応用例
としてロータリエンコーダが示されている。

そこで発明者は本構成でロータリゴーンコーダが容易に
できるかを検討した。

その結果次の点で本構成では困難あることを確認した。

まず、走査光を得る方法であるが、第９図の構成におい
ては十分絞られた平行光、例えばＨｅ　−Ｎｅレーザ光
の場合は可能であるが、半導体レーザを用いた場合、レ
ーザ光が拡がり角を持つため走査光を絞りこむことがで
きない。小型にするためには半導体レーザを用いたコン
パクトな構成にする必要がある。そこで、コンパクトデ
スク装置で公知の光ピツクアップ機構と同様の機構を、
その一つの手段として挙げである。

第１１図が別の構成の光走査機構の例である。

図において、同一機能部品については同一番号で示しで
ある。１１２は読みとりヘッド、１１３は電磁石である
。

光走査は磁気的に読みとりヘッド１１２をＳ２方向に振
動させることによって行われる。

発明が解決しようとする課題 しかし、通常光ピックアップ機構における走査周波数は
数十Ｈｚにすぎず、この値を引き上げることは機械力学
的に難しい。本構成では、可動部の重量がさらに増すた
め走査周波数は極端に低くなる。走査周波数が低いとロ
ータリーエンコーダの許容回転速度が低くなり実用上問
題である。

この理由は後で説明する。

次に回転盤の構成に関してであるが、これについては、
コンパクトデスクで公知のピット符号で情報が刻まれて
おり、ここを光走査することで同様の信号が得られると
説明されている。

しかし、コンパクトデスクとは信号の読みとりに於いて
本質的な違いがある。前者はピット列の情報を直列に読
み取るのに対し、本構成では、第１０図（ｂ）に示す様
に並列（ＳＺ方向）に読み取ることになる。隣合った信
号の間（トラック間）は無信号であり独立している。

今、測定方向くＳ２）に移動している状態で読み取る場
合を考えると、走査途中に隣と跨って走査することはｉ
ｌ！けられない。その時前記無信号域を通過することに
なり、前後の信号と継ながりのない誤った情報になる。

′そこで本発明では、従来例で説明した構成における問
題点を解決する。即ち、光走査機構の走査周波数の向上
と、回転盤の符号の構成に工夫をこらすことによって、
ロータリーエンコーダ古して実用可能な小型・高分解能
の光電式アブソリュートエンコーダを提供するものであ
る。

課題を解決するための手段 本発明における光学式位置検出機構は、前記回転盤の符
号面に対向し前記符号面に光スポットを形成する対物レ
ンズと、前記対物レンズの光軸に対し４５度傾いて配置
される平面ビームスプリッタと、前記平面ビームスプリ
ッタの４５度の傾斜面に対向して配置されたコリメータ
レンズからなる光学系が音叉の一端に取り付けられ、前
記音叉の他端に取りつけられたマグネットと、ベースに
固定されたソレノイドコイルにより構成される音叉駆動
部により光走査機構を形成し、前記光走査機構の外にあ
って、コリメータレンズに対向した位置に半導体レーザ
が設けられ、前記ビームスプリッタに対向し前記対物レ
ンズの光軸上に受光素子が配置され、レーザ光の入射方
向と光走査方向を同一方向としたものである。

作用 音叉を用いて走査周波数を上げることによってエンコー
ダの許容回転数が高（なる。光源からの光の入射方向と
光走査方向を一致させたことにより光学系が簡単になり
、光路長も短くなって光のロスが減る。一方走査振幅及
び方向が固定されるのでフォーカス制御、トラック制御
は不必要となる。

実施例 以下、本発明の実施例について図面を参照しなから説明
する。

第１図は本発明の一実施例のアブソリュートエンコーダ
の破断斜視図を示すものである。

第１図において、■は光走査機構で、音叉１ａと光ピツ
クアップ１ｂとマグネット１ｃとソレノイドコイル１ｄ
からなる音叉駆動部と支持台１ｅとで構成され、２は光
源で半導体レーザ、３は受光素子、４は回転盤、５は駆
動及び信号処理回路、６は軸受ハウジング、７は軸受、
８は電気コネクター、９は回転軸、１０はカバーである
。

なお、光走査機構１．半導体レーザ２．受光素子３で光
学的位置検出機構を構成している。

また、光走査機構ｌは光ピツクアップｌｂにより軸受ハ
ウジング６に取りつけられ、半導体レーザ２および受光
素子３は軸受ハウジング６に直接取りつけられ、回転盤
４は回転軸９に、駆動及び信号処理回路５は軸受ハウジ
ング６に柱１１を介して積みあげて取りつけられる。

第２図は前記光ピックアップ１ｂ内部の構成を示す断面
図である。

１２はコリメータレンズ、１３はビームスプリッタ、１
４は対物レンズ、１５はコリメータレンズ１２、ビーム
スプリッタ１３、対物レンズ１４を保持する国体であり
、音叉１ａに取り付けるためのものである。

第２図の構成について説明する。なお第１図と同じ部分
には同一の番号を付けである。

半導体レーザ３は回転軸９を中心とした径方向に光軸が
来るように置かれており、光走査方向と一致している。

半導体レーザ３を出た光はコリメータレンズ１２を通っ
て平行光になり、ビームスプリッタ１３に入り一方は入
射と同じ方向へ、他方は９０度屈曲されて対物レンズ１
４に入り、回転盤４の符号面上に焦点を結び、符号面で
反射された光は、逆に対物レンズ１４を通ってビームス
プリッタ１３に入り、一方は９０度屈曲されて半導体レ
ーザ２へ戻り、他方は受光素子３へ至る。

この様な構成にしたことによって、光走査による光軸の
変動はほとんど無視できる。したがって光量変動がなく
安定した出力が得られる。また光は回転盤４の符号面上
を半径方向に直線で動くことができるので、符号を忠実
にトレースできる。

一方、光走査により生じる光路長の変動は焦点の位置変
動をもたらし、光量変動に繋がる恐れがあるが、走査振
幅を数百μｍこ抑えることによって、前記符号面近傍上
に焦点を結ぶようにすれば出力変動への影響は無視出来
、常に安定した出力が得られることがわかった。

ぞの結果、フォーカス制御やトラック制御は必要なくな
り、前記制御に必要な可動部が走査機構から消えるため
、構造が簡単且つ堅牢にできる。

本実施例では前記光走査振幅を約４００μｍこ設定した
。

なお、コリメータレンズ１２を光走査機構１に一体とせ
ずに半導体レーザ２の近くに置く方法でも同様の効果が
得られ、音叉の質量を軽くし共振周波数を高める効果が
期待できるが、コリメータレンズ１２とビームスプリッ
タ１３の間の光の損失が多くなる点で不利である。

次に回転盤４の構成について説明する。

第３図は実施例の回転盤４の符号面を拡大した図である
。

回転盤はソーダガラスで作られており、４ａ（斜線部）
が反射面、４ｂが透過面である。４ａはクロムの蒸着膜
で作られている。Ｐは１ビツトの幅で１０μｍ、１６Ｆ
が符号の全幅を示す。ＤＯ−ＤＩ４は符号面の各々のビ
ットを示す、符号は交番２進信号で構成されている。Ｏ
は回転中心である。

本実施例では、符号面は位置信号を示す部分と信号処理
に必要なガイド部分に分かれている。位置信号は１２ビ
ツトでガイド信号は信号の最初と最後に２ビツトずつ計
４ビット設けてある。

この様な構成にしたのは、正しい位置信号を得るための
もので、その役割は信号処理の所で説明する。

なお、本実施例では１ビツトの符号の幅Ｐを１０μｍこ
したが、この幅はこの値に限定されるものではなく、光
スポットの径及び光走査の振幅により制限され、実用上
は５μＩＩ〜２０μ■の範囲が適当である。５μ−以下
では前記円盤のフレや符号の印刷誤差等を吸収出来ず、
２０μｍ以上では分解能に制約が出て（る。なお、本実
施例では符号として交番２進信号を用いたがそれに限定
するものではない。しかし、実験によれば前記符号が最
も誤差が少ない。もちろんビットによる符号では安定し
た信号は出力できなかった。

第１図、第２図、第３図、及び第４図の光の経路を示す
概念図に基づき、光走査による信号の取りだしについて
説明する。

第４図において、ａは光ピツクアップの振れ方向、ｂは
光路、Ｃは符号面、ｄは光軸で回転軸心ｆとＯで交わり
、ｅとｄとｆを含む面内にあって回転盤の面に垂直な光
軸を示す。

音叉駆動部の駆動コイル１ｄに、音叉１ａの共振周波数
に相当する発振入力を加えて音叉１ａを共振させる。本
実施例では３００Ｈｚに設定した。

すると光ピツクアップｌｂが振れる。その方向は第４図
のａの矢印の方向であり、光のスポットも回転盤４上の
符号面Ｃをａの矢印の方向に動く。

その光の軌跡を第３図のｇに示し、（ｎ　％　Ｃｎ＋４
は前記光の軌跡の振幅のピークを示す。ただし軌跡は円
盤がＶなる速度で動いたと仮定した場合のものであり、
光は常にある直線上を動く。

第５図はかかる動作の結果得られる受光素子３の信号出
力を光の軌跡の時間経過とともに示したものである。

前記出力が得られるためには、分解角θ内に光走査の１
サイクル以上が必ず含まれることが必須条件である。何
故なら、従来例のところでも述べたが、走査光は必ず隣
と跨って走査する時が存在するから、その時の位置信号
は、隣りあった位置のいずれかを表すものでなければな
らないからである。当然この間に無信号域の存在するビ
ット符号では正常な信号が得られないことは言うまでも
ない。

この条件を満足するロータリーエンコーダの回転速度Ｖ
は次の式で求める事ができる。

Ｖ≦Ｒｆθ　（ｍ／ｓ） ここで、Ｒ：符号面の平均半径、ｆ：光走査周波数であ
る。従って、ｆが高ければロータリーエンコーダの許容
回転数は高（出来ることが分かる。

この速度以上では光走査の１サイクル中に２つ以上の符
号面を跨って走査するため、位置信号の誤差が大きくな
る。

図において出力のハイレベルが第３図における４ａに相
当し、Ｄθ〜［）＋Ｓは符号面の各々ビットに相当する
。この図の様に検出信号はＣｎ→Ｃｎ＋１と（：　ｎ　
＋　１→Ｃｎ＋２の光走査方向が逆なため、各々のビッ
トが全（反動した信号が交互に列なった直列信号として
得られる。従って得られた信号から位置信号を得るため
には、この２つの信号のいずれかを選択し、さらに直列
信号から並列信号に変換する必要がある。

第６図は、第５図で得られた信号から位置信号を得るた
めの処理回路のブロック図である。

Ａ−１は各部の信号波形を示す番号である。

各ブロックの機能を図に基づいて説明する。

６１は第１図の受光素子３による光電変換による信号検
出回路、６２は前記信号を増幅してデジタル化するため
の増幅波形整形回路、６３は検出信号の選別に必要な信
号Ｅ及びトリガー信号と検出信号の選別に必要な信号Ｃ
をつくる波形変換回路、６４は検出信号を取り出す比較
器、６５は直列信号を並列信号に変換する直／並変換回
路、６６は発振器、６７は検出信号の選別に必要な信号
りをつくる波形整形回路、６８は前記信号ＥとＤから検
出信号の選別に必要な信号Ｆをつくる識別信号発生回路
、６９は前記信号ＦとＣから検出信号の選別に必要な信
号と、直列信号を並列信号に変換するのに必要な同期ク
ロックパルス信号を発生させるために必要なトリガー信
号Ｇをつ（る比較器、７０は前記トリガー信号Ｇの立ち
上りのタイミングをすらず遅延回路、７１は同期パルス
信号を発生するパルス発生回路、７２は音叉の駆動回路
である。

なお、波形変換回路６３．比較器６４．波形整形回路６
７、識別信号発生回路６８．比較器６９で検出信号を選
択する回路を構成する。また、比較器６９．遅延回路７
０．パルス発生器７１．直／並変換回路６５で直列の検
出信号を並列信号に変換する為の同期クロックパルス信
号を発生する回路と、それを用いて並列信号を得て位置
信号とする回路を構成する。

次に位置信号を得る過程を説明する。

第７図は検出信号を得る過程を説明するための信号波形
である。図中の破線はパルスの立ち上りの位置を示す。

Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇは前記検出信号の選別に必要な信号
、Ｂは発振出力信号、Ａはデジタル化された検出信号、
Ｈは選別された検出信号である。

前記検出信号への立ち上りを利用して信号Ｃをつくり、
その２つの矩形波の中心を表す信号Ｅを得る。この位置
は光走査の撮幅のピークの位置第３図の（＝＊　Ｃｎｒ
　Ｃｎｒｌ、　Ｃｎｒ−２，Ｃｎ＋３．−・）と一致す
る。又この位置は発振出力信号Ｂと位相遅れΔ（＜９０
”）をもつことが確認されている。

検出信号Ａは信号Ｅのピークとピークの間に有って１つ
置きに同一信号がくるので、信号Ｅのピークを発振出力
信号Ｂを変換した信号りの位相関係を利用して、立ち上
りか立ち下がりのいずれかに区別し信号Ｆを得、信号Ｃ
と比較して信号Ｇを得る。信号Ｇは同期クロックパルス
信号■のトリガー信号となり、又検出信号Ａから検出信
号Ｈを得る比較信号となる。

なお、信号Ｉと信号Ｆとを比較してもよいが、ノイズの
影響を少なくするためには比較時間を最小限にした方が
良い。

次に検出信号Ｈから位置の信号に変換する過程を説明す
る。

第８図は前記検出信号Ｈと同期クロックパルス信号！の
タイミングを表す図である。

検出信号Ｈの内、変換するのは１４ビツト分であり最初
の２ビットｊ部は変換しない。この信号は前述の信号円
盤の信号面の構成で述べたごと（、前記トリガー信号の
発生とタイミングのズレによる読みとりミスの防止とそ
の調整の為に設けられたもので、常に［）＋Ｓがハイレ
ベル、Ｄ１４がローレベルとなる。遅延回路１０がその
役割を果たし、第８図のΔｔがその時間である。さらに
残り１４ビツトの内の２ビツト１部は、光走査異常−例
えば、振幅が信号の幅以下になった場合や偏った場合−
によるエラー検出に用いるもので読みとり間違いを判断
する信号となる。ｋ部の１２ビツトが位置を示す信号と
なる。

この様な構成によって正確な位置信号を得ることができ
ると共に、自ら異常を判断する信号を一部有し、例えば
読み取るパルスの位置をかえることで、信号の一部を取
り出すことも可能となり、−古本実施例では一種類の信
号の例を示したが、光走査の振幅の範囲にあれば、一種
類以上の信号を同時に読むことも可能であり、それが別
の制御信号であっても構わない。勿論、本説明の中で述
べたごとく、１２ビツトの信号に必要な符号の全幅が僅
か１６０μｍで、従来例と比較して劣るものの、高密度
の信号を書き込むことが可能であり高分解能化の目的を
十分満足できる。

発明の効果 以上の説明により本発明によれば、−個の半導体レーザ
を光源として、音叉を基に光走査機構を構成して走査周
波数をあげるとともに、光の入射方向と光走査方向を一
致させ、光学系を単純化して光路長を短＜シ、光のロス
を少な（することによって余分な制御機構が省略でき、
さらに検出用の円盤の符号をスリット状にして交番２進
で形成し、回路処理を工夫することがロータリーエンコ
ーダへの実用が可能となり、本来の目的である小型・高
分解能の光電式アブソリュートエンコーダが実現できる
。

さらに、機構部の構成が非常に簡素化されて部品も少な
くコストが現在の市販品のｌ／１０以下にできるコスト
メリットもある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例にかかる光電式アブソリュート
エンコーダを示す破断斜視図、第２図は第１図の光ピツ
クアップの回転軸方向の断面図、第３図は本発明の回転
盤の符号面の部分拡大図、第４図は第１図の光の経路を
示す概念図、第５図は検出信号の信号波形図、第６図は
本発明の信号処理のための電子回路のブロック図、第７
図は第６図の電子回路の信号処理を説明するための信号
波形図、第８図は直列信号を並列信号に変換する過程を
説明する図、第９図は従来例の光走査による光電式アブ
ソリュートエンコーダの構成図、第１０図は第９図の符
号板の部分拡大図、第１１図は第９図の従来例の別構成
の光走査機構を示す図である。 １・・・・・・光走査機構、１ａ・・・・・・音叉、１
ｂ・・・・・・光ピツクアップ、１ｃ・・・・・・マグ
ネット、１ｄ・・・・・・ソレノイドコイル、２・・・
・・・半導体レーザ、３・・・・・・受光素子、４・・
・・・・回転盤、４ａ・・・・・・反射面、５・・・・
・・電子回路、９・・・・・・回転軸、１２・・・・・
・コリメータレンズ、１３・・・・・・ビームスプリッ
タ、１４・・・・・・対物レンズ。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第 図 ４ａ−ｍ＝反射［有］ ４ｂ−−一透邑吻 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 Δを匡正時開 第 図 第 図 （ａ） （ｂ） ｇ１８閉

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転体の回転軸に固定された回転位置を示す光の
   反射が可能な符号を有する回転盤と、前記回転盤の符号
   面に対向して設けてある１個のレーザ光源を有し、符号
   面を光走査することによって、符号面からの戻り光を受
   光素子により光電変換して電気信号として検出する光学
   的位置検出機構と、前記光学的位置検出機構から得られ
   た電気信号を、回転位置信号に変換し前記位置信号を出
   力する電子回路からなる光電式アブソリュートエンコー
   ダにおいて、前記光学的位置検出機構は、前記回転盤の
   符号面に対向し前記符号面に光スポットを形成する対物
   レンズと、前記対物レンズの光軸に対し４５度傾いて配
   置される平面ビームスプリッタと、前記平面ビームスプ
   リッタの４５度の傾斜面に対向して配置されたコリメー
   タレンズからなる光学系が音叉の一端に取り付けられ、
   前記音叉の他端に取り付けられたマグネットと、ベース
   に固定されたソレノイドコイルにより構成される音叉駆
   動部により光走査機構を形成し、前記光走査機構の外に
   あってコリメータレンズに対向した位置に半導体レーザ
   が設けられ、前記ビームスプリッタに対向し前記対物レ
   ンズの光軸上に受光素子が配置され、レーザ光の入射方
   向と光走査方向が同一方向である光電式アブソリュート
   エンコーダ。
2. （２）前記回転盤は、１種又はそれ以上の回転位置を示
   す符号あるいは制御する為の符号を交番２進コード化し
   てスリット状に同心円で形成してあり、それぞれの符号
   の最初と最後に１ビット以上のガイド符号が設けてある
   請求項１記載の光電式アブソリュートエンコーダ。
3. （３）前記電子回路は、前記光学的位置検出機構から得
   られた検出信号はアナログの直列信号であり、前記直列
   信号を増幅してデジタル信号に変換する回路と、前記デ
   ジタル信号から検出用の信号を選別する回路と、前記検
   出用の信号を並列信号に変換する為の同期クロックパル
   ス信号を発生する回路と、それを用いて前記検出用の信
   号を並列信号に変換し、回転位置信号を得る回路によっ
   て構成される請求項１記載の光電式アブソリュートエン
   コーダ。