JPH02181608A - 回転検出装置及び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３１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ハだ
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０．５μｍ、深さ約０，
１１μｍ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ｌＯ内の対物レンズ１４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ｌＯ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１０に戻る。ピット部
分からの反射レーザ光とピ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１八に選
ばれているので、ピット部分からの反射レーザ光とピ・
ット外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１
０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１０ｃｍ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〕

（課届を解決するための手段） 本発明は、一方の面にそれぞれの幅がほぼ等しい凹凸を
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と凸部の幅が前記光検出器のレ
ーザ光のビーム径とほぼ等しいか広く作られている。

（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部と凸部の境目の位置に来た
ときは、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部または凸部の中心部分にきたとき
は、レーザ光のほとんどがこの凹部または凸部のどちら
か一方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。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、回転円盤が１ス
リット分回転すると２サイクルの電気信号が得られ、非
常に高い分解能の回転検出器を実現することができる。

（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。１０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ｌＯ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、１１はレーザダイオード、１２はビームスプリッ
タ、１３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１．２μｍ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２．６μｍ（残った凸部は１．３μｍ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ｌＯ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ｌＯ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の凹部と凸部の境目にレーザ光のビーム
１５の中心が合った場合は、レーザ光の半分が凹部で反
射され、残りの半分が凸部で反射し、これらの２つのレ
ーザ光と合成されて光検出器１０に戻る。凹部からの反
射レーザ光と凸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１／４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ｔｓｏ”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１６から得ら
れる電気信号も小さくなる。スリット２２の凹部または
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、スリットの凹部および凸部の幅が１．３μｍで、レ
ーザ光のビーム径１．４μｍとほぼ等しいので、はとん
どのレーザ光が凹部または凸部で反射されて光検出器ｌ
Ｏ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ｌＯ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。凹部と凸部の境目は１組のスリッ
トに対して２箇所あるので、回転円盤２０の回転により
スリット２２がスリットの間隔（２，８μｍ）だけ回転
するごとに２回の強弱信号が得られる。

レーザ光のビーム径を１．４μｍの場合は、回転円盤２
０のスリットの凹部と凸部の幅を１．４μｍ以上とすれ
ば、光検出器ｌＯからより大きな振幅の電気信号が得ら
れる。しかし、凸部と凹部の幅を広くすると回転円盤の
周に刻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と凹部の幅をレー
ザ光のビーム径よりやや狭い１．３μｍとしている。直
径１０伽の回転円盤に約２１万スリツトを刻むことがで
き、１回転当り約２４万サイクルの電気信号が得られる
。

またスリットの形状を図示のように完全な矩形に作るこ
とは難しく、その形状によって凹部と凸部でのレーザ光
の反射のようすが変化するため、それぞれの位置にレー
ザ光のビームがきたとき、光検出器から得られる電気信
号の大きさが異なってくる。凹部と凸部の幅を僅かに変
えることによってこの電気信号の大きさを等しくするこ
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ピットと同様
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
の幅をほぼ等しくし、その幅をレーザ光のビーム径とほ
ぼ等しいか広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２回大きく変わる電気信号が得られ、スリットの間隔
を２．６μｍ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の回転検出装置
が得られる。

第２図は本発明の第２の実施例の構成図である。

１０は光検出器で、２０は回転円盤である。光検出器ｌ
Ｏ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が、回転円盤のプラスチック２１の一方の面
に放射状の高さ０．１１μｍ１幅１．３μｍの適当な長
さの「凸部」　（第２図はスリットのある面の反対側か
ら見た図なのでくぼんで見える部分）を間隔２．８μｍ
（残った凸部は１．８μｍ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て
いる。回転円盤のスリットの作り方が異なるが、凹凸の
幅は１．３μｍであり、第１の実施例と全く同じ作用、
効果が得られる。

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）　　１．８ａｍ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
はピットパタンが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、ピ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
タンバ）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）だ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（０，５μｍ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。

この原盤をもとに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２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２
．６μｍ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品である。

【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
の他の実施例を示す構成図、第３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４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。 １０：光検出器　　　　　ｌｌ：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ｌＢ：
フォトダイオード　２０：回転円盤２１； ２３： ３０： ４０＝ ４２； ５０： ５１： ５３； プラスチック 反射膜 円盤 検出器 検出用スリット フォトトランジスタ ＣＤ（コンパクトディスク） プラスチック　　５２８ビツト 反射膜　　　　　５４：保護膜 ２２ニスリツト ２４：保護膜 ３１ニスリツト ４１ｉ光源 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　第子丸　　　健 ２０　回転円１の−音ド 第 円盤 図 ５ｏｃｏ＜コカ！７トデイスク）の−４ｐ手続補正書（
自発） 平成

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。