JPH045128B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は光学式エンコーダに関し、更に詳しく
は常に一定径のビームスポツトをスリツト上に得
ることのできる光学式エンコーダに関する。

（従来技術） ロータリーエンコーダは、各種機器の回転数を
正確に検出するための装置であり、NC工作機
械、ロボツト等の位置制御や、OA関連機器の複
写機、プリンタ等の制御に多用されている。ロー
タリーエンコーダには光学式のものと磁気記録式
のものがある。第１図は光学式エンコーダの構造
を示す図、第２図は磁気記録式エンコーダの構造
を示す図である。第１図において、１はスリツト
Ｓが一定間隔で規則正しく配列された回転円板、
２は回転円板１と同様のスリツトが同様に配列さ
れた固定板、３は回転円板１を回転させる回転
軸、４は回転円板１に光ビームを照射する光源、
５，５′は回転円板１に対し光源４と反対側に設
けられた受光素子、６は該受光素子５，５′の出
力を処理して出力パルスをつくる波形整形回路で
ある。光源４としては例えばLEDが用いられ、
受光素子５，５′としては例えばフオトトランジ
スタが用いられる。このように構成された装置に
おいて、光源４から光ビームを照射すると、受光
素子５，５′は略正弦波状の電圧を波生する。こ
の電圧を波形整形回路６で波形整形して所定の処
理を行うと、回転円板１の回転数と関連した出力
パルスを得ることができる。

第２図において、１１はモータ、１２は回転
軸、１３は該回転軸１２の先端に取付けられた回
転ドラムで、その円周部には磁気記録媒体が塗付
されている。１４は該回転ドラム１３に近接して
配された磁気センサ、１５，１５′は該磁気セン
サ１４の出力を受けるコンパレータである。この
ように構成された装置において、モータ１１を回
転させると回転ドラム１３もそれに応じて回転す
る。この結果、磁気センサ１４は、第１図に示す
受光素子５，５′と同様の複数個の略正弦波状電
圧を発生する。これらの発生電圧は、比較器１
５，１５′で互いに比較され、図に示すような２
相のパルスを発生する。これらパルスを処理して
モータ１１の回転数と関連した出力パルスを得る
ことができる。

上述したような従来装置によれば、第１図に示
す光学式エンコーダの場合、スリツトＳが配置さ
れる回転円板１の直径が40mm程度のもので、その
分解能は5000パルス／回転程度が限度である。一
方、第２図に示す磁気式エンコーダの場合も、同
程度の大きさのものであれば、数千パルス／回転
程度が限度である。このように分解能が制限され
る原因は、光学式エンコーダの場合を例にとると
以下のとおりである。

スリツト幅を細くすると、分解能は向上する
がスリツトを通過する光量が減少するので、
Ｓ／Ｎ比が悪くなる。

回転円板が面ブレすることに伴い、スリツト
上のビームスポツト径が変化するので、Ｓ／Ｎ
比が悪くなる。

（発明の目的） 本発明はこのような点に鑑みてなされたもので
あつて、その目的は分解能を更に向上させた光学
式エンコーダを実現することにある。

（発明の構成） このような目的を達成する本発明は、隣り合う
スリツトパターン同志で反射率の異なる一定ピツ
チのパターンが形成された回転円板に光ビームを
照射し、その反射光乃至は透過光を波形整形して
出力パルスを取出すようにした光学式エンコーダ
において、光ビームを光学系とその焦点が調節で
きる駆動機構が付属した対物レンズを介して前記
回転円板に照射すると共に、その反射光を複数個
の分割された受光素子で受け、各分割された受光
素子の出力を合成して制御信号をつくり、この制
御信号を用いて前記対物レンズの駆動機構を駆動
し回転円板上に一定径のビームスポツトを得ると
共に、該制御信号を波形整形して出力パルスを取
出すように構成したことを特徴とするものであ
る。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第３図は本発明の一実施例を示す構成図であ
る。図において、２１はその内部に回転円板や光
学系が封入された外枠、２２は回転軸、２３は該
回転軸２２と固着された回転円板、２４，２４′
は回転軸２２を支える軸受である。

２５は光源、２６は該光源２５の出射光を受け
て平行光に変換するコリメータレンズ、２７は該
コリメータレンズ２６の通過光を受けるハーフミ
ラー、２８は該ハーフミラー２７の通過光を受け
て回転円板２３のスリツト上にビームスポツトを
結ぶ対物レンズである。該対物レンズ２８は、そ
の周囲が鏡胴２９により固着され、鏡胴２９の外
周部には焦点調節用の駆動コイル３０が巻回され
ている。

即ち、駆動コイル３０に流す電流を調節するこ
とにより、鏡胴２９を即ち対物レンズ２８を図の
光軸方向に移動させることができるようになつて
いる。

３１は、ハーフミラー２７で反射される回転円
板２３からの反射光を受けるシリンドリカルレン
ズ、３２は該シリンドリカルレンズの通過光を受
けて受光量に応じた電気信号を発生する受光素子
である。該受光素子３２は後述するように、複数
個の分割された受光素子よりなりたつている。３
３は光源２５を駆動する光源駆動回路、３４は受
光素子３２の出力を受けてフオーカスエラー（焦
点誤差）を検出するフオーカスエラー検出回路、
３５は該フオーカスエラー検出回路３４の出力を
受けてフオーカス調節用駆動コイル３０を駆動す
るコイル駆動回路、３６はフオーカスエラー検出
回路３４の出力を波形整形してパルス出力を得る
波形整形回路である。

回路円板２３のスリツトは、第１図の従来例に
示すような打ち抜き穴である必要はなく、第４図
に示すように、隣り合うスリツトパターン同志で
反射率の異なる一定ピツチのパターンであればよ
い。第４図は基板上にアルミ蒸着によりスリツト
パターンを形成した例である。図において、４１
は基板、４２は例えばアルミ蒸着部である。基板
４１の材料としては、例えばガラス板が用いられ
る。基板４１とアルミ蒸着部４２とで、それぞれ
異なつた反射率を有している。この場合、アルミ
蒸着部４２の方が高反射率部となる。

回転円板２３のスリツトは、上述したアルミ蒸
着法による他に、現像法によつてもつくることが
できる。第５図は現像法によるスリツトパターン
作成を説明するための図である。即ち、先ずマス
ク５１に第４図に示すようなスリツトパターンを
作成しておき、このマスク５１に光源５２より光
を照射し、マスク５１の通過光をレンズ５３で集
光し、感光材料５４がその表面に塗付されたガラ
ス基板５５上にマスクパターンを結像させる。し
かる後、ガラス基板５５を現像し、定着処理を行
うことにより、ガラス基板５５上に反射率の異な
るスリツトパターンを作成することができる。こ
の方法によれば、スリツトの幅を1μｍ程度まで
小さくすることが可能である。第６図はこのよう
にして作成されたスリツトパターンを示す図であ
る。図において、６１はガラス基板、６２は低反
射率部をそれぞれ示す。

光源２５から出射された光ビームは、コリメー
タレンズ２６、ハーフミラー２７及び対物レンズ
２８を通過した後、回転円板２３のスリツト上に
ビームスポツトを結ぶ。このビームスポツトの反
射光は、ハームミラー２７で反射された後、シリ
ンドリカルレンズ３１を介して受光素子３２に入
射する。このシリンドリカルレンズ３１と受光素
子３２の組合わせにより、回転円板２３のスリツ
ト上に結像されるビームスポツト径が一定の大き
さになつているかどうかを検出する。即ち、対物
レンズ２８と回転円板２３との間の距離が変化す
ると、スリツト上に結像するビームスポツト径が
変化するので好ましくない。そこで、この距離が
常に一定に維持されるように制御する必要があ
る。

対物レンズ２８と回転円板２３との間の距離が
変化すると、受光素子３２上のビームのパターン
が変化する。従つて、受光素子３２の出力も変化
する。フオーカスエラー検出回路３４は、この受
光素子３２の出力変化をとらえて、対物レンズ２
８のフオーカスエラーをキヤンセルするための制
御信号をコイル駆動回路３５に与える。該コイル
駆動回路３５は、この制御信号を受けて駆動コイ
ル３０に流す電流の値を調節する。この結果、対
物レンズ２８のフオーカスエラーはキヤンセルさ
れて対物レンズ２８と回転円板２３との間の距離
が一定に維持される。従つて、回転円板２３のス
リツト上に結像するビームスポツト径は一定値に
保たれることになる。従つて、回転円板２３のス
リツトが第３図に示すｘ量だけ変位しても、ビー
ムスポツト径は変化しない。ここで、ビームスポ
ツトのスポツト径が最小になるようにしておけば
最大の分解能を得ることができる。即ち、本発明
によればスリツト上に常に一定径のビームスポツ
トが得られるので、回転円板２３が面ブレするこ
とによるビームスポツト径の変化が生じない。よ
つて、従来装置のようにＳ／Ｎ比が悪くなること
はない。従つて、従来装置の場合よりも格段に分
解能を上げることができる。

なお、前述のフオーカスエラー修正機構（フオ
ーカシングサーボ機構）は、コンパクトデイスク
装置や光学式ビデオデイスク装置に用いられるも
のと同様のものを用いることができる。第７図は
非点収差によるフオーカス検出を説明するための
図である。図においてイは合焦点の場合を、ロは
対物レンズ２８と回転円板２３との距離が遠ざか
つたときの状態を、ハは対物レンズ２８と回転円
板２３との距離が近づいたときの状態をそれぞれ
示している。受光素子３２は、図に示すように
D_A〜D_Dに４分割されている。焦点状態によつて、
受光素子３２上のスポツトの位置は図に示すよう
に変化する。従つて、各受光素子単位D_A〜D_Dの
出力信号もそれに応じて変化するので、フオーカ
ス検出をすることができる。

第８図は、プリズムによるフオーカス検出を説
明するための図である。図において、プリズム７
１を通過した光は分割された受光素子単位d₁〜d₄
上にスポツトを結ぶ。イは合焦点状態の場合を、
ロは対物レンズ２８と回転円板２３との距離が近
づいたときの状態を、ハは対物レンズ２８と回転
円板２３との距離が遠ざかつたときの状態をそれ
ぞれ示している。受光素子３２上のスポツトの位
置は図に示すように変化する。従つて、各受光素
子単位d₁〜d₄の出力信号もそれに応じて変化する
ので、フオーカス検出をすることができる。

第９図は、ナイフエツジによるフオーカス検出
を説明するための図である。回転円板２３からの
反射光の径路に、図に示すようなナイフエツジ８
１を配置する。光量の一部が欠けた反射光は、２
分割された受光素子３２に入射する。対物レンズ
２８と回転円板２３との間の距離が変化すると、
ナイフエツジ８１に削られる光量も変化する。従
つて、受光素子３２の出力も変化するので、フオ
ーカス検出をすることができる。

第１０図は、光軸のずれによるフオーカス検出
を説明するための図である。対物レンズ２８と回
転円板２３との間の距離が図に示すように変化す
ると、入射光が固定されているものとすると、光
軸が図に示すようにずれる。この結果、２分割さ
れた受光素子３２が受ける光景もそれに応じて変
化するので、フオーカス検出をすることができ
る。

第１１図は、第７図に示すフオーカス検出機構
の具体的構成を示す図である。第７図と同一のも
のは同一の番号を付して示す。図において、９１
は受光素子単位D_Aの出力V_Aと受光素子単位D_Cの
出力V_Cを加算する加算器、９２は受光素子単位
D_Bの出力V_Bと受光素子単位D_Dの出力V_Dを加算す
る加算器、９３は加算器９１の出力V_Eと加算器
９２の出力V_Fを受け（V_E−V_F）を演算する加算
器、９４は（V_E＋V_F）を演算する加算器である。
受光素子３２上に結像するビームスポツトのう
ち、イは合焦位置のときのパターンを、ロは遠す
ぎるときのパターンを、ハは近すぎるときのパタ
ーンをそれぞれ示している。そして、加算器９３
からは第１の出力V₀₁が、加算器９４からは第２
の出力V₀₂がそれぞれ得られる。

第１２図は、加算器９３の出力V₀₁を示す図で
ある。図において、縦軸が加算器９３の出力V₀₁
を横軸は対物レンズと回転円板との距離Ｘを示し
ている。加算器９３の出力V₀₁は、駆動コイル３
０（第３図参照）を駆動する信号として、即ちフ
オーカスサーボ用信号として用いられる。第１３
図は、加算器９４の出力V₀₂を示す図である。即
ち、加算器９４からは図に示すようなパルス出力
が得られる。図において、t₁はスリツト高反射率
位置を、t₂は低反射率位置をそれぞれ示してい
る。即ち、加算器９４からは光学式エンコーダと
しての出力パルスが得られる。

上述の説明より明らからなように、本発明によ
れば、容易に高分解能光学式エンコーダを実現す
ることができる。今、仮りにスリツト幅とスポツ
ト径を同じ大きさＤとし、回転円板２３上のスポ
ツト位置を第３図に示すようにＹとすると、エン
コーダの１回転あたりのパルス出力Ｎは次式で表
わすことができる。

Ｎ＝（2πY／Ｄ）／２［パルス／回転］ (1) 今Ｄを1μｍ、Ｙを20mmとすると(1)式より Ｎ＝（2π・20・10³／１）／２ ＝62832［パルス／回転］ となり、約６万パルス／回転の性能（分解能）を
もつた光学式エンコーダを実現することができ
る。従来装置の場合の分解能が、前述したように
5000パルス／回転程度であるので、１桁以上分解
能が向上したことになる。

上述の説明ではロータリー式のエンコーダを用
いた場合を例にとつて説明したが、本発明はこれ
に限られるものではなく、他の例えばリニアエン
コーダ等であつてもよい。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によればス
リツト上に結像されるビームスポツト径が常に一
定になるようなフオーカスサーボ機構を設けるこ
とにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるの
で分解能を格段に向上させた光学式エンコーダを
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来のエンコーダの構成を示
す図、第３図は本発明の一実施例を示す構成図、
第４図、第６図は、スリツトパターンを示す図、
第５図は現像法によるスリツトパターン作成を説
明するための図、第７図〜第１０図は各種フオー
カス検出を説明するための図、第１１図は第７図
に示すフオーカス検出機構の具体的構成を示す
図、第１２、第１３図は加算器の出力を示す図で
ある。 １，２３……回転円板、２……固定板、３，１
２，２２……回転軸、４，２５，５２……光源、
５，５′，３２……受光素子、６，３６……波形
整形回路、１１……モータ、１３……回転ドラ
ム、１４……磁気センサ、１５，１５′……コン
パレータ、２１……外枠、２４，２４′……軸受、
２６……コリメータレンズ、２７……ハーフミラ
ー、２８……対物レンズ、２９……鏡胴、３０…
…駆動コイル、３１……シリンドリカルレンズ、
３３……光源駆動回路、３４……フオーカスエラ
ー検出回路、３５……コイル駆動回路、４１，６
１……基板、４２……アルミ蒸着スリツト、５１
……マスク、５３……レンズ、５４……感光材
料、５５……ガラス板、６２……低反射部、７１
……プリズム、８１……ナイフエツジ、９１〜９
４……加算器、Ｓ……スリツト、D_A〜D_D，d₁〜
d₄……受光素子単位。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 隣り合うスリツトパターン同志で反射率の異
   なる一定ピツチのパターンが形成された回転円板
   に光ビームを照射し、その反射光乃至は透過光を
   波形整形して出力パルスを取出すようにした光学
   式エンコーダにおいて、光ビームを光学系とその
   焦点が調節できる駆動機構が付属した対物レンズ
   を介して前記回転円板に照射すると共に、その反
   射光を複数個の分割された受光素子で受け、各分
   割された受光素子の出力を合成して制御信号をつ
   くり、この制御信号を用いて前記対物レンズの駆
   動機構を駆動し回転円板上に一定径のビームスポ
   ツトを得ると共に、該制御信号を波形整形して出
   力パルスを取出すように構成したことを特徴とす
   る光学式エンコーダ。