JPH03187029A - 光ピックアップ - 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〕 本発明は光ピックアップの改良に係り、特に、光学式ロ
ータリエンコーダ装置に搭載して好適な光ピックアップ
に関する。

〔従来の技術〕

近年、各種のＦＡｌｌ器や０ＡＩＩ器は、ミクロンから
サブミクロンへと、−層高密度な位置決めが要求されつ
つある。このような情勢の中で、光学式ロータリエンコ
ーダ装置等の位置／速度検出装置が、市場の中で約８割
を占めるようになり、広く使用されている。かかる光学
式ロータリエンコーダ装置には、基準位置からの相対移
動量を検出するインクリメンタルタイプと絶対角度に対
応した絶対番地を検出するアブソリュートタイプとがあ
り、又、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、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。

第４図は、従来の透過型光学式インクリメンタルロータ
リエンコーダ装置（以下単に「エンコーダ装置」等と記
載することもある）２１の代表例を概略的に示す斜視図
である。この図に示すように、従来例のエンコーダ装置
２１は、発光素子群８と受光素子群１０との間に、ロー
タリエンコーダ円板２と固定スリット板９とが配置され
た構成になっている。

このロータリエンコーダ円板２には、径方向に長い所定
幅のスリット４とこのスリット４間のマスク部５とが、
交互に所定数、等ピッチでリング状に配置されたエンコ
ーダトラック３が形成されている。この円板２は、中心
穴６を軸受（図示せず）に軸支された入力軸７に固定さ
れ、例えば矢印にて図示の方向に一体的に回転する。

上記発光素子群８の例えばレーザ発振器である発光素子
８Ａ及び８Ｂ（以下同様にＡ相の方にＡを、Ｂ相の方に
Ｂを、夫々番号と共に付す）と、上記受光素子ｒ＃１０
の例えばフォトダイオードである受光素子１０Ａ及び１
０Ｂとのそれぞれの光路上に、この円板２のエンコーダ
トラック３のスリット４及び固定スリット板９のスリッ
ト９Ａ及び９Ｂが、それぞれ対応するように配置されて
いる。

発光素子８Ａ及び８Ｂからのレーザー光線ａ、ｂは、円
板２の表面上に光スポット１１Ａ及び光スポット１１Ｂ
として照射され、円板２の回転に伴い、スリット４及び
マスク部５により断続されたレーザ光線は、スリット９
Ａ及び９Ｂを通過して、受光素子１０Ａ及びＩＯＢに照
射してここで電気信号に変換され、光スポット１１Ａに
対応してＡ相検出信号、光スポット１１Ｂに対応してＢ
相検出信号として出力される。この際、この人相検出信
号とＢ相検出信号との位相差が電気角９０°となるよう
に、光スポット１１Ａ及び１１Ｂは、スリット４の長手
方向に対して所定の角度だけずらされている。

第５図は第４図の装置の検出信号波形を示す波形図であ
る。第５図（Ａ）、（Ｂ）に夫々示すように、人相及び
Ｂ相検出信号波形ａ及びｂは、互いに電気角９０°の位
相差を持つ同振幅の正弦波形である。そして、上記入力
軸７に直結された被測定物の駆動軸（図示せず）の回転
位置及び／又は速度は、ロータリエンコーダ円板２の１
回転当たり１回の検出信号である図示しないＺ相検出信
号出力と共に、Ａ相及びＢ相検出信号出力により検出さ
れる。

また、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時の透
過光の変化により、スリットやビットを検出する透過型
と、かかるロータリエンコーダ円板の回転時の反射光の
変化によりスリットやビットを検出する反射型とがある
。

反射型の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形成したスリットやビット（凹部
又は凸部）を、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
変えて読み取るものである。

第６図は、従来のオートフォーカス回路４１を使用した
反射型ロータリエンコーダ装置の１例を示す概略構成図
である。かかるエンコーダ装置２１は、図示の如く、ロ
ータリエンコーダ円板２２やレーザ読取装置（光ピック
アップ）２８を更に備えて構成されている。また、レー
ザ読取装置２８は、半導体レーザ発振器２９．ダレイテ
イング曙光板３０．コリメートレンズ３１．偏光ビーム
スプリッタ３２１士波長板３３．対物レンズ３４゜円柱
レンズ３７．フォトダイオード３８等から構成されてい
る。

ロータリエンコーダ円板２２は、中心孔２６を軸受（図
示せず）に軸支された入力軸２７に固定されて一体的に
回転する。この入力軸２７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２８により、エンコーダトラック２３
のビット２４と隣接ビット間のランド部２５とによる凹
凸パターンを読み取り、これにより駆動軸の回転速度や
位置を検出するのである。

半導体レーザ発振器２９からのレーザ光線は、ダレイテ
ィング偏光板３０により３本のビームに分けられる。こ
の３本ビームは、コリメートレンズ３１、偏光ビームス
プリッタ３２、十波長板３３、対物レンズ３４を通り、
ロータリエンコーダ円板２２のエンコーダトラック２３
に、ビット２４のピッチと等しいピッチの光スポット３
５Ａ、光スポット３５Ｆ、光スポット３５Ｂとして照射
される。

これら３つの光スポット３５Ａ　、　３５Ｆ　、　３５
Ｂを光スポット３５と総称する。中央の光スポット３５
Ｆは、オートフォーカスサーボ用及びエンコーダトラッ
ク２３の読み取り用に、両側の光スポット３５Ａ。

３５Ｂは、トラッキングサーボ用又は電気角で９０°位
相がずれたこのエンコーダトラック２３の読取り出力で
あるＡ、Ｂ各相の出力用に使用される。

第７図は、第６図の装置で使用されるロータリエンコー
ダ円板２２の例を示す構成図で、同図（Ａ）は平面図、
同図（Ｂ）は同図（Ａ）の部分拡大平面図、同図（Ｃ）
は同図（Ｂ）のＸ−Ｘ線拡大断面図である。

第７図において、ロータリエンコーダ円板２２は、コン
パクトディスク等の製造方法により製造された、凹部又
は凸部であるピット２４がその一表面に所定数、等間隔
にリング状に形成された、例えばポリカーボネート樹脂
等の透明プラスチック製の円板状の基板２２ａと、この
基板２２ａのピット２４が形成された表面にアルミニウ
ム等の金属の蒸着又はスパッタリングにより形成された
反射膜２２ｂと、この反射＄２２ｂに密着して積層され
た紫外線硬化樹脂等からなるｇＡｆ！膜２２膜上２ｃな
る。

以降の説明は、ビット２４が基板２２ａ側から見て、ピ
ット２４以外の平坦部分であるランド部２５に対して凸
部である例について述べる。

ピット２４の円周方向の長さは、ビット２４を基板２２
ａｌ！ｌから読み取るための後述する反射型光学式ロー
タリエンコーダ装置に備えたレーザ読取装置（図示せず
）からのレーザ光線による光スポット３５の径以上であ
り、径方向の幅は、光スポット３５の径より狭く、例え
ば略十に、又、高さは例えばレーザ光線の波長λの光学
的に略十相当に形成されている。又、＋９１接ビット間
のランド部２５の円周方向の長さは、ピット２４の円周
方向の長さと等しく形成されている。そして、ビット２
４と隣接ビット間のランド部２５とが交互にリング状に
、中心孔２６と同心円状に配置されたエンコーダトラッ
ク２３の凹凸パターンを、後述するレーザ読取装置によ
り読み取るのである。

以上のような構成のロータリエンコーダ円板２２は、本
発明の従来のオートフォーカス回路が使用された反射型
光学式ロータリエンコーダ装置に組み込まれて使用され
る。

ロータリエンコーダ円板２２の前記反射Ｍ２２ｂの表面
上で反射した３本ビームの反射光は、対物レンズ３４及
び十波長板３３を透過するが、この十波長板３３を２回
通過したことにより、入射光に対して位相が９０’変化
するため、偏光ビームスプリッタ３２では反射されずに
透過し、円柱レンズ３７にて集光されてフォトダイオー
ド３８で電気信号に変換され、オートフォーカス回路４
１に内蔵されている増幅器で増幅されてフォーカスサー
ボアクチュエータ３９に出力される。

かかる構成において、光スポット３５が隣接ピット間の
ランド部２５を照射した場合は、この反射光の殆んどが
フォトダイオード３８に入射する。

又、光スポット３５がピット２４上を照射した場合は、
このビット２４の頂部からの反射光とランド部２５から
の反射光とでは（１７４波長）×２の光路長の差が生じ
るため、この反射光は相互に干渉し合い、又、回折する
ことにより強度が大幅に減少する。かかる反射光の強度
変化が、フォトダイオード３８で電気信号に変換され、
フォーカスサーボアクチュエータ３９を駆動することに
より対物レンズ３４を上下に変位させ、正しい焦点位置
に微調整させようとしている０以上が、従来例のオート
フォーカス回路４１を使用した反射型光学式ロータリエ
ンコーダ装［２１における、ロータリエンコーダ円板２
２の入力軸２７への取付精度による面振れに対して、レ
ーザ光線の光スポット３５の焦点を円板２２の表面に追
従させる、いわゆるレーザ読取装置（光ピックアップ〉
２８のオートフォーカスの説明である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の装置が適用しているスリット方式は、光の回
折、干渉により、更なる高分解能化には、次のような理
由により限度がある。

■スリットの微細化に伴ない、光量が減少する。

■光の回折や干渉により、信号の劣化が生じる。

■スリット幅やスリット間隔に限度があり、軸負荷に弱
い。

なお、従来はＣＤ（コンパクトディスク；登録量ＩＩ）
と同等の光ピックアップを使用していたが、従来のＣＤ
の光量比は、回折格子により、第２図（Ａ）図示の如く
ディスク２２の表面に生じる光スポット１１Ａ、１１Ｂ
、ＩＩＣに分割される光量比（０次：１次ニー１次）を
、第９図（Ａ）に示すように、６０％：２０％：２０％
としている。この場合、ロータリエンコーダに使用する
際には、従来の光ピックアップを機械的に９０’回転さ
せて使用しくそのためスペース効率は悪くなる〉、且つ
２相出力を得るために、１次、−１次を夫々Ａ相、Ｂ相
として使用している。又、Ｏ次回行光は、フォーカス制
御及びＺ相検出に使用していた。この場合、従来の光量
比では、Ｏ次回行光のクロストークの影響により、Ａ相
、Ｂ相の２相正弦波出力が乱されてしまうという問題点
もあった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光ピックアップは、半導体レーザより出力され
るコヒーレントな光を回折格子により３ビームに分割し
、この３ビームを対物レンズによリディスク上に所定の
間隔で１直線上に集光させ、このディスク表面で反射し
た光を受光素子で検出して電気信号に変換する構成を有
し、上記回折格子を３ビームのスポット（０次、１次、
−１次）の光量比が１：２：２の比率又は同比率になる
よう構成したものである。

〔実施例〕

本発明の光ピックアップは、光の回折や干渉による影響
を逆利用し、Ｈ，Ｐ、＾（Ｍｉｃｒｏ　Ｐｉｔｔｏ　Ａ
ｒｒｅｙ）Ｄｉｓｃによる高分解能を実現し、複数のマ
イクロビットアレイ群を持つ光反射板を有し、光ピック
アップにより反射光を利用して電気角９０°の位相差を
持つ正弦波形のＡ相及びＢ相検出信号を出力する位置及
び／又は速度検出装置に搭載して好適な光ピックアップ
を提供するものである。以下、本発明の一実施例につい
て、図面を参照し乍ら説明する。

第１図は、本発明の光ピックアップの一実施例を示す概
略構成図である。この図において、前記従来装置と同一
構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明を省略
する。

図中、２２はディスク（ロータリエンコーダ円板）、２
９は半導体レーザ発振器、３１はコリメートレンズ、３
２はハーフプリズム（偏光ビームスプリッタ）、３４は
対物レンズ、３６は凹レンズ、３７は円筒（円柱〉レン
ズ、３８はフォトディテクタ（フォトダイオード）、４
０はラメラ−型回折格子である。また、１１Ａ〜１１Ｃ
はディスク２２の表面に生じる光スポットであり、これ
は第２図（Ｂ）に模式的に示すように、円板上法線方向
に形成される。

本発明のように、ラメラ−型回折格子４０を用いた場合
、Ｏ次回行光（回折しない直進光〉のエネルギーは　４
Ｓｉｎ’（ωを十θ／２）ｃｏｓ’（θ／２）で求めら
れ、この中でｓｉｎ’（ωを十θ／２）は高い周波数の
光に影響を及し、０次光の強度はｃｏｓ’（θ／２）で
求められる。これにより、ラメラ−型回折格子４０は第
３図に示すような形状となり、光の波長をλ、ラメラ−
型回折格子の深さをｈとすると、上記エネルギーのｓｉ
ｎ’（ωｔ＋θ／２）のθは、　θ＝（２π／λ）（ｎ
−ｆ）ｈ　　で求められる。θ／２をＯ。

から９０°まで変化させたときの、０次光の強度変化を
第８図に示す、この図を基に、θの値を任意に選定する
ことにより、所望の光量を得ることができる。そこで、
θ／２を６０〜７０°　（より正確には約６３°）とす
ることにより、０次回行光を２０％とすると、＋１次、
−１次の回折光は０次回行光の残りの％づつとなり、夫
々、０次：２０％、＋１次＝４０％、−１次＝４０％と
なる（第２図（＾）参照）、このようにθの値を選定し
て光ピックアップを構成することにより、０次回行光の
クロストークの影響がなくなり、±１次の再回折光によ
り安定した２相出力が得られるようになる。

また同様に、θ／２を４５〜５５°　（より正確には約
５１°）とすることにより、Ｏ次回行光を３３％（より
正確には３３★％であり、以下間ｉｍ）とすると、第２
図（Ｂ）に示すように、夫々０次：３３％、＋１次＝３
３％、−１次＝３３％となる。

この場合、クロストークの点では上記第１実施例に比べ
てクロストークの影響は悪化するが、従来例よりは優れ
ており、実際の使用にも全く支障を来さない、しかも、
この第２実施例では、フォーカスサーボ系が安定し、外
部負荷に強くなるという利点がある。

また、各々のビームスポットを夫々３３％にすることに
より、Ｏ次回行光を光ピックアップのフォーカス制御に
用いると共に、同時に３相出力を取出すことが可能とな
り、各移相差を、電気角で６０°となるように回折格子
角度を調整することにより、大型モータを直接駆動する
こともでき、超低速回転が可能となる。

〔発明の効果〕

以上のような構成よりなる本発明の光ピックアップは、
次のような優れた特長を有している。

（１）従来例における３ビームスポツトの光量比では、
Ｏ次回行光のクロストークの影響によりＡ相。

Ｂ相の２相正弦波出力が乱されてしまったが、かかる問
題点が解消され、更なる高分解能化が図れた。

■従来の光ピックアップにおいて、回折格子及び受光素
子を同方向に９０°回転させることによっても本発明の
光ピックアップを実現できるので、従来の光学部品が流
用可能であり、非常に安価に実現できる。

■３つのビームスポット（０次、１次、−１次）の光量
比を同比率にした回折格子を使用した場合には、フォー
カスサーボ系が安定し、外部負荷に強くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ピックアップの一実施例を示す概略
構成図、第２図（＾）、　（Ｂ）は夫々従来及び本発明
の光ピックアップによりディスク表面に生じる光スポッ
トを模式的に示す原理図、第３図は本発明の光ピックア
ップを構成するラメラ−型回折格子の拡大部分断面図、
第４図は従来の透過型光学式インクリメンタルロータリ
エンコーダ装置の代表例を１ＩｑＩ的に示す斜視図、第
５図（Ａ）、　（Ｂ）は第４図の装置の検出信号波形を
示す波形図、第６図は従来のオートフォーカス回路を使
用した反射型ロータリエンコーダ装置の１例を示す概略
構成図、第７図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）は第６図の
装置で使用されるロータリエンコーダ円板の夫々平面図
１部分拡大平面図、及び同図（Ｂ）のＸ−Ｘ線拡大断面
図、第８図はθ／２をＯｏから９０°まで変化させたと
きの０次光の強度変化を示す特性図、第９図（＾）及び
ＣＢ）、　（Ｃ）は夫々従来及び本発明第１゜第２実賄
例の光ピックアップによりディスク表面に生じる光スポ
ットの光量分布図、第１０図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明第
２実施例の一応用例としての３相出力の信号波形を示す
波形図である。 １・・・光ピックアップ、１１Ａ〜１１Ｃ・・・光スポ
ット、２２・・・ディスク、２９・・・半導体レーザ発
振器、３１・・・コリメートレンズ、３２・・・ハーフ
プリズム、３４・・・対物レンズ、３６・・・凹レンズ
、３７・・・円柱（円筒）レンズ、３８・・・フォトデ
ィテクタ、４０・・・ラメラ−型回折格子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体レーザより出力されるコヒーレントな光を回折
   格子により３ビームに分割し、この３ビームを対物レン
   ズによりディスク上に所定の間隔で１直線上に集光させ
   、このディスク表面で反射した光を受光素子で検出して
   電気信号に変換する構成を有する光ピックアップにおい
   て、上記３ビームのスポット（０次、１次、−１次）の
   光量比を１：２：２の比率又は同比率にした回折格子を
   使用したことを特徴とする光ピックアップ。