JPH02181607A - 回転検出装置に用いる回転円盤の製造方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は電動機などにより回転位置や速度を制御するた
めに回転体の位置や速度を検出する回転検出装置及び回
転円盤の製造方法に関する。

（従来の技術） 従来から用いられている回転検出装置としては、第５図
に示す光学式パルスエンコーダと呼ばれる方式が代表的
である。円周方向に光が透過する部分と遮断する部分が
同じ幅で交互に並んだ回転スリット３１が記録され円盤
３０と、この回転スリットの回転を光学的に読み取る検
出器４０から構成され、円盤３０が回転を検出したい回
転体（被回転検出体、図示していない。）に結合される
。検出器４０は発光ダイオードなどの光源４１と検出用
固定スリット４２と光信号を電気信号に変換するフォト
トランジスタ４３とからなる。円盤３０が回転し、回転
スリット８１と検出用固定スリット４２の透過部が一致
すれば光源４１からの光のフォトトランジスタ４３に到
達し、それぞれの透過部と遮断部が一致すると光源４１
からの光がフォトトランジスタ４３に到達しなくなる。

このようにして円盤に記録された回転スリットの動きが
光源４１からフォトトランジスタ４３へ到達する光の強
弱となり、フォトトランジスタ４３により電気信号に変
換される。

円盤が１スリット分に対応する分だけ回転する事に１回
大きさが変化するパルス状の電気信号が得られることか
らパルスエンコーダと呼ばれている。この基本的な構成
では正転でも逆転でも同一な電気信号となってしまうた
め、回転方向を識別するためにスリット間隔の１／４だ
けずらせた検出用固定スリットを持つ２組の検出器を使
い、２相の電気信号が得られるようにした光学式２相パ
ルスエンコーダが多く使われている。またパルスエンコ
ーダはパルスの数から相対的な位置は検出できるが絶対
的な位置が検出できないため、１回転に１回だけパルス
を発生する零位置検出器を備えたものである。

このようなパルスエンコーダとして、磁性体の円盤にＳ
極とＮ極を交互に磁化することによって記録した磁気的
なスリットを用いた磁気式パルスエンコーダも使われて
いるが、光学式パルスエンコーダはスリットが細かくで
き、１回転当りのパルス数が多く、すなわち分解能が高
くできる。

（発明が解決しようとする課題） 最近ロボットなどの駆動において、従来はサーボモータ
の回転をギア減速して駆動していたのに対し、ギアを取
り除きサーボモータで直接駆動（ダイレクトドライブ）
することが注目されている。ギアによるあそびや、剛性
の低下などが無くなり、高精度で速い動作が可能になる
。このような直接駆動に用いるサーボモータは非常に低
速回転となり、このモータの回転制御には、ギア付きに
くらべてギアの減速化に相当する分、高い分解能を有す
る回転検出装置が要求される。

光学式パルスエンコーダにおいてもスリットの間隔が数
十μｍ以下になると光の回折現象の影響が無視できなく
なり、回転スリットと検出用固定スリットの間隔を非常
に接近させなければならず、回転検出装置としての機械
的な組立が非常に難しくなる。直径１０ｃｍの円盤とし
てスリット間隔を５０μｍとする約ｅ、ｏｏｏスリット
である。

一方、回転円盤を用いて非常に高い密度でデータを記録
する方法として、音楽の記録用のＣＤ（コンパクトディ
スク）や映像の記録用のＬＤ（レーザディスク）などに
用いられている光デイスク方式と呼ばれる方法がある。

円盤に記録されたピットをレーザ光で光学的読み取る方
法である。

第６図にＣＤ（コンパクトディスク）の原理を示す。５
０はＣＤ（コンパクトディスク）の一部であり、拡大し
て示しである。透明なプラスチック５１の円盤の一方の
面にピット５２と呼ばれる幅約０．５μｍ１深さ約０．
１１　ａｍの凹部が刻まれ（第６図はピットのある面の
反対側から見た図なので突き出して見える部分）、その
表面に反射膜５３が付けられている。さらにその外側に
は保護膜５４が付けられている。ピット５２を読み取る
光検出器１０（光ピツクアップと呼ばれる）のレーザダ
イオード１１から発射された波長的０．７８μｍのレー
ザ光は、ビームスプリッタ１２を通り、コリメータレン
ズ１３により平行光となり、さらに対物レンズ１４を通
して、ピッド５２のある面の反対側からディスクに照射
される。レーザ光は光検出器ＩＯ内の対物レンズｌ４に
よってピット位置で焦点を結ぶように調整され、ピット
位置でのレーザ光のビーム１５の直径は約１．４μｍに
しぼられている。このレーザ光は反射膜５３により反射
され、光検出器１０内の対物レンズ１４、コリメータレ
ンズ１３を通り、ビームスプリッタ１２で向きが変えら
れ、フォトダイオード１３に導かれて電気信号に変換さ
れる。ピット５２がないところにレーザ光が当った場合
は、レーザ光のほとんどが反射されて大きな電気信号が
得られる。

ピット５２部分にレーザ光が当った場合は、レーザ光の
ビーム径に対してピットの幅が半分以下しかないため、
ピット部から反射するレーザ光とピット外から反射する
レーザ光とが合成されて光検出器ｌＯに戻る。ピット部
分からの反射レーザ光とビット外からの反射レーザ光と
ではピットの深さの２倍だけ光路差を生じる。ピット５
２の深さはプラスチック内のレーザ光の波長の１／４に
選ばれているので、ピット部分からの反射レーザ光とビ
ット外からの反射レーザ光とはｉｓｏ”位相が異なり、
それぞれが干渉して打消し合う。したがって光検出器ｌ
Ｏに戻るレーザ光の光量は非常に減少し、得られる電気
信号も小さくなる。このようにしてピット５２の有無が
電気信号の大小に変換されて読み取られる。ピットは円
周上につぎつぎと並び、さらに半径方向のピッチ（トラ
フピッチ）１．６μｍでらせん状に並べられ、円盤上に
非常に多数のピットが記録されている。これらの多数の
ピットにより、ピットの有無とその長短の組合せで音楽
のデータが記録され、それを読み取ることによって音楽
を再生する。ＣＤ（コンパクトディスク）の規格ではピ
ット長およびピットとピットの間の長さは最少０．９μ
ｍとなっている。したがって直径１０ｃａの円盤の外周
に最大約１７万ピツトの記録できる可能性を有している
。

この技術を利用すれば高分解能な回転検出装置を構成す
ることが可能だが、幅の狭いピットに対してレーザ光の
ビームが正確に当るように半径方向の追従（トラッキン
グ）させなければならず、対物レンズを半径方向に移動
させる機構などが必要で、構造が複雑になる欠点がある
。また回転検出器は電動機などに取り付けて使用するた
め、振動の影響で追従（トラッキング）できなくなる恐
れがあり、信頼性を高くすることが難しい。

本発明は以上述べた点を考慮してなされ、光ブライスフ
の技術を利用して、高い分解能を持ち、なおかつ構造が
簡単で信頼性の高い回転検出装置を得ることを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、一方の面にそれぞれ幅の異なる凹凸を放射状
に刻んだスリットが記録された回転円盤と、このスリッ
トをレーザ光で読み取る光検出器から構成され、スリッ
トを形成する凹部または凸部のどちらか一方の狭い方の
幅が前記光検出器のレーザ光のビーム径より狭く作られ
ている。

（作　用） 本発明の回転検出装置の回転円盤では、凹凸が円周方向
にはわずかの幅しか持たないが半径方向には十分な長さ
のスリットを形成しているため、光検出器に半径方向の
追従（トラッキング）機能が必要なく、振動などによっ
て追従（トラッキング）できなくなり読み取りを失敗す
る心配はまったくない。

また回転円盤が回転して、光検出器から出されるレーザ
光のビームがスリットの凹凸のどちらか幅の狭い部分の
位置に来たときは、レーザ光のビームがこの幅よりも大
きいため、凹部と凸部の両方からの反射光が生じてそれ
ぞれが干渉し、光検出器にはほとんどレーザ光が戻らず
、得られる電気信号も小さい。これに対してレーザ光の
ビームがスリットの凹凸のどちらか幅の広い部分にきた
ときは、レーザ光のほとんどがこの部分で反射されて光
検出器に戻り、得られる電気信号も大きい。

従って回転円盤が１スリット分回転すると１サイクルの
電気信号が得られる。スリットの間隔を小さくでき、た
くさんのスリットを記録することが可能で、非常に高い
分解能の回転検出器が得られる。

（実施例） 第１図は本発明の回転検出装置の第１の実施例の構成図
である。ｌＯは光検出器で、２０は回転円盤であり、大
きく分けてこの二つの部分から成る。

回転円盤２０は説明のためにその一部を拡大して示した
。光検出器１０はＣＤ（コンパクトディスク）などの光
ディスクの光検出器（光ピツクアップ）と同様な構成で
あり、ｉｔはレーザダイオード、１２はビームスプリッ
タ、１８はコリメータレンズ、１４は対物レンズ、１５
はレーザ光のビーム、１６はフォトダイオードである。

回転円盤２０は図示していない被回転検出体の回転軸に
結合され、被回転検出体の回転にともなって回転する。

２１はプラスチック、２２はスリット、２３は反射膜、
２４は保護膜である。スリット２２は、回転円盤のプラ
スチック２１の一方の面に放射状の深さ０．１１μｍ１
幅０．４μｍの適当な長さの凹部（第１図はスリットの
ある面の反射側から見た図なので突き出して見える部分
）を間隔１．５μｍ（残った凸部は１．１μｍである。

）で刻み、その凹凸のある表面に反射膜２３を付けるこ
とによって作られた凹凸によるスリットである。

光検出器１０のレーザダイオード１１から発射された波
長的０．７８μｍのレーザ光は、ビームスプリッタ１２
を通り、コリメータレンズ１３により平行光となり、さ
らに対物レンズ１４を通して、スリット２２のある面の
反対側から回転円盤２０に照射される。

レーザ光は対物レンズ１４によってスリット２２の位置
で焦点を結ぶように調整され、スリット２２の位置での
レーザ光のビーム１５の直径は約１．４μｍにしぼられ
ている。このレーザ光は反射膜２３により反射され、光
検出器１０に戻り、対物レンズ１４、コリメータレンズ
１３を通り、ビームスプリッタ１２で向きが変えられ、
フォトダイオード１６に導かれて電気信号に変換される
。スリット２２の凹部の中心にレーザ光のビーム１５の
中心が合った場合は、レーザ光のビーム径が約１．４μ
ｍに対して、スリットの凹部の幅が０゜４μｍで。半分
以下であるため、凹部から反射するレーザ光と凹部から
反射するレーザ光とが合成されて光検出器１０に戻る。

凹部からの反射レーザ光と凹部からの反射レーザ光とで
は凹部の深さの２倍だけ光路差を生じる。凹部の深さ０
゜１１μｍはプラスチック２１内のレーザ光の波長のｌ
ハに選ばれているので、凹部からの反射レーザ光と凸部
からの反射レーザ光とは１８０”位相が異なり、それぞ
れが干渉して打消し合う。したがって光検出器１０に戻
るレーザ光の光量は非常に減少し、フォトダイオード１
６から得られる電気信号も小さくなる。スリット２２の
凹部と凹部の間、すなわち凸部の中心にレーザ光のビー
ム１５の中心が合った場合は、スリットの凸部の幅が１
．１μｍで、レーザ光のビーム径１．４μｍとほぼ等し
いので、はとんどのレーザ光が凸部で反射されて光検出
器ｌＯに戻り、フォトダイオード１Ｂからは大きな電気
信号が得られる。このようにして、スリット２２を形成
する凸凹を光検出器１０により電気信号の大小に変換し
て読み取ることができ、回転円盤２０の回転によりスリ
ット２２がスリットの間ｆｉ　（１，５μｍ）だけ回転
するごとに１回の強弱信号が得られる。

レーザ光のビーム径を１．４μｍとした場合の回転円盤
２０のスリットの凹部と凸部の幅の比と光検出器ｌＯか
ら得られる電気信号の振幅（変調度）の関係を第２図に
示した。従来の光学式パルスエンコーダのスリットと同
じようにスリットの凹部と凸部の幅が等しい場合（幅の
比が１の場合）は、得られる電気信号の振幅が非常に小
さい。スリットの凹部の幅が０，４μｍ程度で、凸部の
幅が広いほど、言い換えればスリットの間隔が長いほど
得られる電気信号の振幅が大きいことがわかる。しかし
、凸部の幅を広くすると回転円盤の周に刻まめるスリッ
トの数が少なくなり、回転検出装置としての分解能が高
くできなくなるため、分解能と得られる電気信号の振幅
との兼合いから凸部の幅を凹部の幅の２倍以上に選ぶと
良い。直径１０ｃｍの回転円盤に約２１万スリツトを刻
むことができる。

以上述べたように本発明の実施例によれば、ＣＤ（コン
パクトディスク）やＬＤ（レーザディスク）などの光デ
ィスクの技術を利用した非常に高分解能な回転検出装置
を得ることができる。光ディスクにおけるビットと同様
な凹凸と反射膜によって形成されたスリットを用いるこ
とによって半径方向の追従（トラッキング）の必要がな
くなり、構造が簡単になり回転検出装置としての信頼性
が大幅に向上する。またスリットを形成する凹部と凸部
の幅を変え、凹凸の幅の狭い部分の幅をレーザ光のビー
ム径より狭くすることによって、光検出器からは１スリ
ツトに対応する分だけ回転円盤が回転するごとに振幅が
１回大きく変わる電気信号が得られ、スリットの間隔を
１．５μｍ程度まで小すくでキ、従来の光学式パルスエ
ンコーダに対して一桁以上高い分解能の回転検出装置が
得られる。

第３図は本発明の第２の実施例の構成図である。

ｌＯは光検出器で、２０は回転円盤である。光検出器１
０は第１図に示した第１の実施例と同一である。

回転円盤２０も第１の実施例と同一の構成であるが、ス
リット２２の凹部の幅が１．１μｍであり、間隔が１．
５μｍで変わらないので凸部の幅が０．４μｍとなり、
スリットの凹部と凸部の幅の関係が逆である。光検出器
ｌＯから照射されるレーザ光のビーム１５の中心がスリ
ット２２の凹部の中心に合った場合は、凹部の幅がレー
ザ光のビームはぼ等しいので、はとんどのレーザ光が凹
部で反射されて光検出器ｌ口に戻り、大きな電気信号が
得られる。スリット２２の凹部と凹部の間、すなわち、
凸部の中心にレーザ光のビーム１５の中心が合った場合
は、スリットの凸部の幅がレーザ光のビーム径の半分以
下であるため、凸部から反射するレーザ光と凹部から反
射するレーザ光とが干渉し、得られる電気信号が小さい
。スリットの凹凸と得られる電気信号の関係も逆になる
が、第１の実施例と同様に、スリット２２を形成する凸
凹を光検出器１０により電気信号の大小に変換して読み
取ることができる。

第４図は本発明の第３の実施例の構成図である。

ｌＯは光検出器で、２０は回転円盤である。光検出器は
第１、第２の実施例と同一である。回転円盤２０も第１
、第２の実施例と同一の構成であるが、その製造方法が
異なりスリット２２のがスリットのある面からみて凸部
（第４図はピットのある面は反対側から見た図なのでく
ぼんで見える部分）となっているが、その凸部の幅は０
．４μｍであり、間隔が１．５μｍであるので凹部の幅
が１．１μｍとなり、スリットの凹部と凸部の幅の関係
は第２の実施例と同じである。したがって第２の実施例
と同様に、光検出器ＩＯから照射されるレーザ光のビー
ム１５の中心がスリット２２の凸部と凸部の間の凹部の
中心に合った場合は、凹部の幅がレーザ光のビーム径と
ほぼ等しいので、はとんどのレーザ光が凹部で反射され
て光検出器ｌＯに戻り、大きな電気信号が得られ、スリ
ット２２の凸部の中心にレーザ光のビーム１５の中心が
合った場合は、スリットの凸部の幅がレーザ光のビーム
径の半分以下であるため、凸部から反射するレーザ光と
凹部から反射するレーザ光とが干渉し、得られる電気信
号は小さい。スリット２２を形成する凹凸を光検出器ｌ
Ｏにより電気信号の大小に変換して読み取ることができ
る。

図示しないが、第３の実施例のスリットの凸部の幅を１
．ｌｕｍとして、凸部と凸部の間の凹部の幅を０．４μ
ｍとしても同様にスリットの凹凸を電気信号に変換する
ことができる。

なお、本発明の実施例として、回転円盤に透明なプラス
チックに凹凸を刻み、その面に反射膜を付けたＣＤ（コ
ンパクトディスク）やＬＤ（レーザディスク）と同じ構
成の例で説明したが、金属円盤に凹凸を刻んで直接反射
させる構造としても可能である。また反射膜を付けずに
レーザ光が回転円盤を透過するようにし、回転円盤に刻
まれた凹凸（厚さの差）によって透過したレーザ光の位
相が変化して干渉することを利用して、透過レーザ光の
強弱を光検出器で読み取る構成であってもよい。

これらの本発明の回転検出器の回転円盤を製造するには
ＣＤ（コンパクトディスク）やＬＤ（レーザディスク）
を製造するのとほとんど同様な方法が使える。ＣＤ（コ
ンパクトディスク）ではまずはじめに原盤を作る。表面
を研磨した硝子などの円盤にフォトレジスト材を一様な
厚さで塗布し、この円盤を回転させながら、０．５μｍ
程度にレンズで集光したレーザ光ビームを、記録するピ
ットパタンに応じ、断続的に照射する。それと同時に、
レーザ光ビームを、円盤の１回転に対してピットの半径
方向のピッチ（トラックピッチ）１．６μｍの割合で、
半径方向に移動させる。円盤のフォトレジスト材にはピ
ットバタンか露光跡として刻まれる。これを現像すると
、ピットに対応する部分のフォトレジスト材が除去され
て、ビットが凹部となって現れ、原盤が完成する。

この原盤にニッケルなどの金属をメツキしたのち、原盤
を除去して、原盤の型（スタンパ）を作る。この型（ス
タンパ）を用いて、プラスチックを射出形成などにより
成形し、原盤と同じ凹凸を持つ複製を作る。この凹凸の
ある面に、アルミニュウムなどを蒸着し、反射膜を付け
る。さらにプラスチックの保護膜を付けてＣＤ（コンパ
クトディスク）ができあがる。

本発明の回転円盤の原盤を作るには、表面を研磨した硝
子などの円盤にフォトレジスタ材を一様な厚さで塗布し
た円盤に対するレーザ光ビームの断続的な照射を一定周
波数とし、円盤をこの断続周波数を分周した回転数を制
御し、レーザ光ビームの断続周波数と円盤の回転数の同
期をとる。レーザ光のビーム径は０．４μｍ程度とし、
レーザ光ビームの半径方向の移動は非常に小さく　（０
，１μｍ程度）する。したがって、円盤にはレーザ光ビ
ームが円盤の周には断続周波数と回転数の比できまる一
定の数だけ一定間隔で照射され、円盤が一回転するとほ
とんど同じ位置で半径方向に僅か（０，１μｍ程度）で
けずれた位置に照射される。

この半径方向のずれはレーザ光ビーム径（０，４μｍ程
度）に対して小さいので半径方向につながった形となり
、この繰り返しにより円盤の中心のに対して放射状のス
リットが露光跡として刻まれる。

レーザ光ビームの断続の時間を制御することによってス
リットの幅が制御できる。これを現像することによって
凹凸により形成されたスリットを有する原盤が完成する
。フォトレジスト材の特性（ネガ、ポジ）を変えれば凹
凸の関係を逆にすることができる。

原盤をもとにＣＤ（コンパクトディスク）と同様に複製
して、回転検出装置の回転円盤を大量に安価に製造する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、ＣＤ（コンパクトデ
ィスク）やＬＤ（レーザディスク）などの光ディスクの
技術を利用した非常に高分解能で信頼性の高い回転検出
装置を得ることができる。

光ディスクにおいて必要であった半径方向の追従（トラ
ッキング）の必要がなくなり、構造が簡単になり回転検
出装置としての信頼性が大幅に向上する。またスリット
を形成する凹部と凸部の幅とレーザ光のビーム径との関
係を適切に選んだことにより、回転円盤がスリットの間
隔に対応する分だけ回転するごとに振幅が１回大きく変
わる電気信号が得られるとともに、スリットの間隔を１
．５μｍ程度まで小さくでき、従来の光学式パルスエン
コーダに対して一桁以上高い分解能が得られる。

また、本発明の基本的な構成要素はほとんど光デイスク
用を適用でき、回転円盤も光ディスクと同様に量産が可
能であり、高分解能で信頼性が高く、かつ安価な回転検
出装置が実現できる。

なお、従来の光学式パルスエンコーダと同様に、複数の
光検出器を備えて、２相パルスや、１回転に１回のパル
スを発生できるようにすることは容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図は本発明
を説明するための図、第３図、第４図は本発明の他の実
施例を示す構成図、第５図は従来の光学式回転検出装置
（光学式パルスエンコーダ）の構成図、第６図は本発明
に最も近い技術のＣＤ（コンパクトディスク）の構成図
である。 １旧光検出器　　　　　１１：レーザダイオード１２：
ビームスブリツタ １３：コリメータレンズ １４：対物レンズ　　　　１５：レーザ光ビーム１８：
フォトダイオード　２０：回転円盤２１ニブラスチツク
　　　２２ニスリット２３：反射膜　　　　　　２４：
保護膜３０：円盤　　　　　　　３１ニスリット４０：
検出器　　　　　　４１：光源 ４２：検出用スリット ４３：フォトトランジスタ ５０：ＣＤ （コンパクトディスク） ５１ニブラスチツク ５２：ピット ５３：反射膜 ５４：保護膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の面に凹凸が刻まれた回転円盤と、前記凹凸
   をレーザ光で読み取る光検出器から構成され、前記凹凸
   が円盤の中心に対して放射状に並んでスリットを形成し
   、なおかつ前記スリットを形成する凹部と凸部の幅が異
   なり、凹部または凸部のどちらか一方の狭い方の幅が前
   記光検出器から照射されるレーザ光のビーム径より狭く
   、被回転検出体に結合された回転円盤が前記スリットの
   間隔に対応する分だけ回転するごとに１回の強弱信号が
   光検出器から得られるようにしたことを特徴とする光学
   式の回転検出装置。
2. （２）前記凹凸で形成されたスリットを有する回転円盤
   の製造において、表面を研磨した硝子などの円盤にフォ
   トレジスト材を一様な厚さで塗布した円盤を回転させな
   がら、レーザ光のビームを断続的に照射し、その断続周
   波数を一定周波数とし、前記円盤を前記断続周波数を分
   周した回転数に制御してレーザ光のビームの断続周波数
   と円盤の回転数の同期をとり、これと同時にレーザ光の
   ビームを半径方向にゆっくりと移動させ、前記円盤が１
   回転する間に移動する距離を前記レーザ光のビーム径に
   対して小さくすることによって、前記レーザ光ビームが
   前記円盤に断続周波数と回転数の比できまる一定の回数
   だけ一定間隔で照射され、前記円盤が一回転するとほと
   んど同じ位置で半径方向に僅かだけずれた位置に照射さ
   れて半径方向につながった形となり、この繰り返しによ
   って前記円盤の中心に対して放射状のスリットを露光跡
   として刻み、これを現像し凹凸により形成されたスリッ
   トを有する原盤を作成し、前記原盤を基にして複製を作
   ることによって前記回転円盤を製造することを特徴とす
   る回転円盤の製造方法。