JPH0217413A - 反射型光学式エンコーダ板 - 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、半導体レーザ光線により回転又は直線速度や
位置を検出する光学式エンコーダ装置に使用する光学式
エンコーダ板に関する。

（従来の技術） 近年、光学式ロータリエンコーダ装置等の光学式エンコ
ーダ装置は広く使用されている。この光学式ロータリエ
ンコーダ装装置は、この装置の入力軸を被測定物の駆動
軸と直結することにより、この駆動軸の回転速度や位置
を光学的に検出するものである。

この光学式ロータリエンコーダ装置には、スリットやビ
ットを形成したロータリエンコーダ円板の回転による透
過光の変化によりこのスリットやビットを検出する透過
型と、スリットやビットを形成したロータリエンコーダ
円板の回転による反射光の変化によりこのスリットやビ
ットを検出する反射型とがある。

この反射型光学式ロータリエンコーダ装置は、ロータリ
エンコーダ円板の表面に光ディスク、コンパクトディス
ク等の製造方法により刻んだスリットやビット（凹部又
は凸部）をこの円板の円周方向に所定のパターンでリン
グ状に配置したエンコーダトラックを、レーザ読取装置
により、レーザ光線の反射光の強弱の変化を電気信号に
変えて読取るものである。

第５図は、反射型光学式ロータリエンコーダ装置で使用
する従来のロータリエンコーダ円板の例を示す説明図で
、同図（Ａ）は平面図、同図（Ｉ３）は同図＜Ａ＞のビ
ット部分の部分拡大平面図、同図（Ｃ）はビット部分の
部分拡大断面図、同図（Ｄ＞はこのロータリエンコーダ
円板を使用した反射型光学式ロータリエンコーダ装置の
出力波形図である。

第５図（Ａ）、　　（Ｂ）、（Ｃ）に示す如く、ロータ
リエンコーダ円板１′の片側表面には、光ディスク、コ
ンパクトディスク等の製造方法により刻んだビット（凹
部又は凸部、ここでは四部の例で説明する）３′をこの
円板の円周方向に所定数、等間隔でリング状に配置した
エンコーダトラック２′が形成されている。このビット
３′の円板の円周方向の断面形状は矩形であり、深さは
後述するレーザ読取装置のレーザ光線の波長λの１／４
であり、レーザ光線の光スポット６の直径（ａ　ｉ　ｒ
ｙｄｉｓｋ径）ωより幅は狭く、例えば０．２５ωに、
長さは長く形成されている。又、ビット３′とビット３
′の間のランド部４の幅は、上記ω以上、例えばωと同
じに形成されている。又、５は中心穴である。

以上のような構成のロータリエンコーダ円板１′は、反
射型光学式ロータリエンコーダ装置に組込まれ使用され
る。

第２図は、反射型光学式ロータリエンコータ装置の例を
示す概略構成図である。

従来例のロータリエンコーダ円板１′は、中心穴５を軸
受（図示せず）に軸支された入力軸７に固定され一体的
に回転する。この入力軸７は、被測定物の駆動軸（図示
せず）と直結され、これにより回転駆動される。そして
、レーザ読取装置８により、上記ロータリエンコーダ円
板１′のエンコーダトラック２′のビット３′とランド
部４とによる凹凸パターンを検出し、これによりこの駆
動軸の回転速度や位置を検出するのである。

即ち、このレーザ読取装置８は、半導体レーザ発振器９
、偏向ビームスプリッタ１１．１／４波長板１２、対物
レンズ１３、フォトダイオード１５、レンズ１０．１４
等から構成されており、半導体レーザ発振器９からのレ
ーザ光線はレンズ１０、偏向ビームスプリッタ１１．１
／４波長板１２、対物レンズ１３を通り、前記ロータリ
エンコーダ円板１′のエンコーダトラック２′に光スポ
ット６として照射され、ここで反射したレーザ光線は対
物レンズ１３．１／４波長板１２を通り、入射光と９０
°位相が異なるため偏向ビームスプリッタ１１で反射さ
れず通過し、レンズ１４を通ってフォトトランジスタ１
５で検出される。このエンコーダトラック２′からの反
射光は、光スポット６が前記ランド部４を照射した時と
ビット３′を照射した時とでは、強弱の差が生じる。即
ち、光スポット６がビット３′を照射した時は、ビット
３′の底部からの反射光とランド部４からの反射光とで
は（１／４波長）ｘ２の光路長の差が生じるため、反射
光は相互に干渉し強度が減少する。この反射光の強弱は
フォトトランジスタ１５で電気信号に変換され、増幅器
１６を介してパルス信号として出力される。

第５図（Ｄ）は、この出力波形図で、前記光スポット６
の中心が、ランド部４の中央に来た時出力が最も大きく
、ビット３′の中央に来た特設も小さい。

上記のような構成の反射型光学式ロータリエンコーダ装
置は、被測定物の駆動軸により回転駆動されたロータリ
エンコーダ円板１′のエンコータトラック２′の凹凸パ
ターンをパルス信号として出力し、これによりこの駆動
軸の回転速度や位置を検出するのである。

なお、上記ビット３′の幅は、レーザ光線の光スポット
６の光強度分布が中心が最も強く周辺が弱いガウス分布
であるから、その直径（ａｉｒｙｄｉｓｋ径）ωの０．
２５倍程度が反射光の干渉が最も多いｉ適値であり、こ
の条件の場合（第５図（Ｃ）参照）に対称形の良好な出
力波形が得られる（第５図（Ｄ）参照）ことが実験によ
り分かった。

（発明が解決しようとする課題） 一般に、レンズ収差が無く、かつ、レンズに入射する光
の強度分布がレンズ面で一様である場合、集光された光
スポット６の直径（ａｉｒｙ　ｄｉｓｋ系）ωは次式で
与えられる。

λ ω＝１．２２Ｘ　　　　　　　　　　　・・・・・・（
１）ＮＡ ここで、λはレーザ光線の波長、ＮＡはレンズ開口数で
ある。

（１）式から分かるように、光スポット６の直径ωは、
レーザ光線の波長λとレンズ開口数ＮＡによる。又、こ
の光スポット６の直径ωは、フォーカス状態、すなわち
前記ロータリエンコーダ円板１′の表面のビット３′に
最良の状態でこの光スポット６の焦点が合わされた場合
には（１）式で与えられるが、焦点がずれた場合にはω
の値は変わる。更に、レンズに入射する光の強度分布に
よってもωの値は変化する。

上記従来例において、ロータリエンコーダ円板１′は入
力軸７への取付精度により面振れが生じ、その結果、前
記対物レンズ１３からエンコーダトラック２′上のレー
ザ光線の光スポツト６迄の距離が変動し、光スポット６
の直径ω及び光強度分布が変わり反射光の干渉のバラン
スがくずれるため、出力変動が生じる。

上記対策として、レーザ光線の光スポット６の焦点をエ
ンコーダトラック２′に追従させる、いわゆるフォーカ
スサーボをかける場合もあるが、上記面振れ、サーボ特
性等の精度に限界がある。

又、上記対策として、ビット３′の幅を前記最適値より
広くとると、反射光の干渉条件が変わり、その出力波形
は第５図（Ｄ）の対称形の波形から歪んだ波形となる。

この歪波形は、電気回路処理により１パルスを数倍のパ
ルス数に分割して検出精度を上げる場合に、波形処理が
誼しくなる。

又、ビット３゛の幅を前記最適値より狭くとると、出力
が減少する。

又、ランド部４の幅を狭くとると、出力がやはり減少し
、ビット３′の幅とランド部４の幅が略等しくなると、
ビット３′とランド部４との区別が付かなくなる。

以上述べたように、上記従来例のビット形状の場合は、
ビット３′の幅とランド部４の幅と光スポット６の直径
ωとの間には厳しい関係があり、この関係がずれた場合
には良好な出力が得られない。

光学式エンコーダ装置に用いられる光学系の設計におい
ては、レーザ光線の波長λ、レンズ開口数ＮＡ、光の強
度分布等にある程度の自由度を持たせることが望ましい
。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、光学系の
設計の自由度を大きくし、かつ、而振れ、サーボ特性等
の精度に依存した出力変動を小さくしたロータリエンコ
ーダ円板等の反射型光学式エンコーダ装置に使用する反
射型光学式エンコーダ板を提供することを目的とするも
のである。

（課題を解決するための手段） 本発明の反射型光学式エンコーダ板は、被測定物の回転
又は直線運動と応動するエンコーダ板の表面にビット（
四部又は凸部）を所定のパターンで配置したエンコーダ
トラックを形成し、このエンコーダトラックをレーザ読
取装置によりレーザ光線の反射光の強弱の変化を電気信
号に変えて読取ることにより、前記被測定物の回転又は
直線速度や位置を検出する反射型光学式エンコーダ装置
に使用する反射型光学式エンコーダ板において、前記ビ
ットのこの板の運動方向又はこれと直角方向の断面形状
は板面からこのビットの壁面迄の深さが連続的に変化し
た形状であるよう構成したものである。

（実　施　例） 第１図は、本発明の反射型光学式エンコーダ板の一実施
例を示す説明図で、反射型光学式ロータリエンコーダ装
置で使用するロータリエンコーダ円板の例であり、同図
（Ａ）は平面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のビット部分
の部分拡大平面図、同図（Ｃ）はビット部分の部分拡大
断面図、同図＜Ｄ）はこのロータリエンコーダ円板を使
用した反射型光学式ロータリエンコーダ装置の出力波形
図である。

第１図（Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）に示す如く、ロータリエ
ンコーダ円板１の片側表面には、光ディスク、コンパク
トディスク等の製造方法により刻んだピッ１〜（凹部又
は凸部、ここでは四部の例で説明する）３をこの円板の
円周方向に所定数、等間隔でリング状に配置したエンコ
ーダトラック２が形成されている。このビット３の円板
の円周方向の断面形状は、板面を底辺とする二等辺三角
形であり、頂点の深さは前記レーザ読取装置のレーザ光
線の波長λの３／８であり、レーザ光線の光スポット６
の直径（ａｉｒｌ／　ｄｉｓｋ径）ωに対して幅は０．
４ω〜　ω、例えば０，７ωに、長さは長く形成されて
いる。又、ビット３とビット３の間のランド部４の幅は
、上記ω以上、例えば０）と同じに形成されている。又
、５は中心穴である。

以上のような構成のロータリエンコーダ円板１は、反射
型光学式ロータリエンコーダ装置に組込まれ使用される
。

第２図は、反射型光学式ロータリエンコーダ装置の例を
示す概略構成図である。

本発明の一実施例のロータリエンコータ円板１は、中心
穴５を軸受（図示せず）に軸支された入力軸７に固定さ
れ一体的に回転する。この入力軸７は、被測定物の駆動
軸（図示せず）と直結され、これにより回転駆動される
。そして、レーザ読取装置８により、上記ロータリエン
コーダ円板１のエンコーダトラック２のビット３とラン
ド部４とによる凹凸パターンを検出し、これによりこの
駆動軸の回転速度や位置を検出するのである。

即ち、レーザ読取装置８は、前記のように構成されてお
り、半導体レーザ発振器９からのレーザ光線はレンズ１
０、偏向ビームスプリッタ１１．１／４波長板１２、対
物レンズ１３をそれぞれ通り、前記ロータリエンコーダ
円板１のエンコーダトラック２に光スポット６として照
射され、ここで反射したレーザ光線は対物レンズ１３．
１／４波長板１２を通り、入射光と９０°位相が異なる
ため偏向ビームスプリッタ１１で反射されず通過し、レ
ンズ１４を通ってフォトトランジスタ１６で検出される
。このエンコーダトラック２からの反射光は、光スポッ
ト６が前記ランド部４を照射した時とビット３を照射し
た時とでは、強弱の差が生じる。即ち、光スポット６が
ビット３を照射した時は、板面からビット３の壁面迄の
深さは円板の円周方向に連続的に変化しているなめ、反
射光は相互に干渉し強度が減少する。この反射光の強弱
はフォトトランジスタ１５で電気信号に変換され、増幅
器１６を介してパルス信号として出力される。

第１図（Ｄ）は、この出力波形図で、前記光スポット６
の中心が、ランド部４の中央に来た時出力が最も大きく
、ビ・ｙト３の中央に来た特設も小さい。

上記のような構成の反射型光学式ロータリエンコーダ装
置は、被測定物の駆動軸により回転駆動されなロータリ
エンコーダ円板１のエンコーダトラック２の凹凸パター
ンをパルス信号として出力し、これによりこの駆動軸の
回転速度や位置を検出するのである。

なお、上記光スポット６の中心がビット３の中央に来た
場合の反射光強度とこのピッｌ−３の幅との関係は、例
えば第３図の如くである。

第３図は、本発明の一実施例のロータリエンコーダ円板
１を組込んだ反射型光学式ロータリエンコーダ装置にお
いて、光スポット６の中心がビット３の中央に来た場合
の反射光強度とこのピッ１へ３の幅との関係グラフ（実
測値）で、縦軸は光ススポット６の中心がランド部４の
中央に来た場合の反射光強度を１００（％）とした光ス
ポット６の中心がビット３の中央に来た場合の反射光強
度の相対値であり、横軸は前記光スポット６の直径（ａ
ｉｒｙ　ｄｉｓｋ径）ωの倍数で表わしたビット３の幅
である。

図から分るように、上記反射光強度はビット３の幅がω
の０．４〜１倍の間で略１０％程度となっているから、
この装置の光学系の設計に自由度があり、又、本発明の
一実施例のロータリエンコーダ円板１が入力軸７への取
付精度により面振れが生し、その結果前記対物レンズ１
３からエンコーダトラック２上のレーザ光線の光スポツ
ト６違の距離が変動し、光スポット６の直径ω及び光強
度分布が変わっても、この面振れ量がある限度以内であ
れば出力変動は少ない。

又、前記エンコーダトラック２のビット３のピッチが粗
くても良い場合は、第４図の如くこのビット３の幅を０
以上にすることも出来る。

第４図は、本発明の反射型光学式エンコーダ板の他の実
施例を示す説明図で反射型光学弐他ロータリエンコーダ
装置で使用するロータリエンコーダ円板の例であり、同
図＜Ａ＞はビット部分の部分拡大断面図、同図（Ｂ）は
このロータリエンコーダ円板を使用した反射型光学式ロ
ータリエンコーダ装置の出力波形図である６ 第４図（Ａ＞に示す如く、このビットの幅をωｎ（ｎ＞
１）、頂点の深さを３７８λｎとすれば、断面積の大き
なビットとなり、ビット欠落等の少ない生産性の良いロ
ータリエンコーダ円板となる。

なお、上記説明では、ビット３の円板の円周方向の断面
形状は、板面を底辺とする二等辺三角形で説明したが、
これに限定されるものではなく、例えば釣鐘形等板面か
らビットの壁面迄の深さが円板の円周方向に連続的に変
化した形状であれば良い。

又、上記説明では、ビット３がロータリエンコーダ円板
１の片側表面に形成された場合について説明したが、両
側表面に形成しても良い。

又、上記反射型光学式ロータリエンコーダ装置は、その
ロータリエンコーダ円板１のエンコーダトラック２が等
間隔にビット３を配置したパターンのインクリメンタル
型で説明したが、ロータリエンコーダ円板上に同心円状
に形成した複数のエンコーダトラックのビットで２進符
号のコードパターンを形成し、この複数のエンコーダト
ラックに対応した複数のレーザ読取装置により、この２
進符号のコードパターンを読取るアブソリュート型でも
応用出来る。

このアブソリュート型のロータリエンコーダ円板のエン
コーダトラックのビットは、長さはこの円板の円周方向
に長く、円板の径方向の断面形状には本発明の要件を適
用すれば良い。

又、上記説明は被測定物の回転運動を検出する反射型光
学式ロータリエンコーダ装置について説明したが、直線
運動を検出する反射型光学式リニアエンコーダ装置につ
いても応用出来る。

（発明の効果） 以上の構成よりなる本発明の反射型光学式エンコーダ板
は、これを使用した反射型光学式エンコーダ装置の光学
系の設計に自由度があり、又、出力変動が少なく対称形
の出力波形が得られるから、装置を高精度に構成するこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の反射型光学式エンコーダ板の一実施例
である反射型光学式ロータリエンコーダ装置で使用する
ロータリエンコーダ円板の例を示す説明図、第２図は本
発明の一実施例及び従来例のロータリエンコーダ円板を
使用した反射型光学式ロータリエンコーダ装置の例を示
す概略構成図、第３図は本発明の一実施例の反射光強度
とビット幅との関係グラフ（実測値）、第４図は本発明
の反射型光学式エンコーダ板の他の実施例である反射型
光学式ロータリエンコーダ装置で使用するロータリエン
コーダ円板の例を示す説明図、第５図、は従来のロータ
リエンコーダ円板の例を示す説明図である。 １．１′・・・ロータリエンコーダ円板、２．２′・・
・エンコーダトラック、 ３．３′・・・ビット、４・・・ランド部、６・・・光
スポット、 ８・・・レーザ読取装置、λ・・・レーザ光線の波長、
ω・・・光スポットの直径（ａｉｒｙ　ｄｉｓｋ径）。 特許出願人　　日本ビクター株式会社 代表者　垣本邦夫 ｌｆｚ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定物の回転又は直線運動と応動するエンコーダ板の
   表面にビット（凹部又は凸部）を所定のパターンで配置
   したエンコーダトラックを形成し、このエンコーダトラ
   ックをレーザ読取装置によりレーザ光線の反射光の強弱
   の変化を電気信号に変えて読取ることにより、前記被測
   定物の回転又は直線速度や位置を検出する反射型光学式
   エンコーダ装置に使用する反射型光学式エンコーダ板に
   おいて、前記ビットのこの板の運動方向又はこれと直角
   方向の断面形状は板面からこのビットの壁面迄の深さが
   連続的に変化した形状であることを特徴とする反射型光
   学式エンコーダ板。