JP2003021542A

JP2003021542A - 変位量を検出する装置及び方法

Info

Publication number: JP2003021542A
Application number: JP2001205057A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Sugiyama; 寿紀杉山; Sho Ito; 捷伊藤
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、量産性及び分解能に優れとる共に
多値情報により高機能性を有する変位量を検出する装置
及び方法を提供する。【解決手段】本発明の一側面としての検出装置は、測
定体に取り付けられて当該測定体と共に変位する変位量
表示部であって、当該変位量表示部の表面に凹凸により
形成されるパターンを前記測定体の変位方向に等間隔に
有する変位量表示部と、前記変位量表示部の前記表面に
照射された光束が前記パターンで反射することにより生
じる回折光に応じて多値情報を検出する検出器とを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定体の変位量を
検出する装置に係り、特に、回転体の回転変位量（例え
ば、回転角や回転速度など）を光学的に検出する装置及
び方法に関する。本発明は、多値化された情報から測定
体の変位量を絶対情報として検出する検出する検出装置
及び方法に好適である。

【０００２】

【従来の技術】近年のオートメーション化や製品の小型
化の進むにつれて従来よりもはるかに細かい作業を自動
化する需要が存在している。このため、位置制御や速度
制御をより高精度に行う必要が生じ、位置や速度をより
高精度に検出するセンサの需要が高まっている。このう
ちロータリエンコーダは、回転角や回転速度などの回転
変位量を検出するセンサとして従来から使用されてい
る。ロータリエンコーダは、半径方向に所定の角度間隔
でマークが複数形成されたディスクを回転してマークを
発光素子と受光素子からなる検出器により検出し、検出
器が検出したマークの個数を計数することによって回転
変位量を求めるセンサである。

【０００３】ロータリエンコーダは、その出力形式から
インクリメンタル型とアブソリュート型に大別すること
ができる。インクリメンタル型の検出器は回転変位量に
比例した連続パルス列を出力するため、出力パルスを計
数することによって回転変位量を求める処理装置が必要
である。一方、アブソリュート型の検出器は回転変位量
を多値化された信号として出力されるので、回転変位量
は既に絶対表現として出力される。ロータリエンコーダ
のディスクにはミクロン精度以上でマークを作成するこ
とができるので、検出目的に見合った密度（即ち、分解
能）でマークを作成することによって回転変位量の検出
精度を上げることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の検出装
置では、経済性と分解能を上げることを両立させること
が困難であった。エンコーダの分解能を上げるために
は、ディスク上に透過率を変化させる微細なマークを形
成する必要があり、これを安価に大量に作成することは
困難である。また、かかる透過率を変化させるマーク
は、例えば、印刷等の方法により形成されるが、かかる
方法において分解能を上げるには限界がある。それに伴
い、かかる問題はエンコーダの高機能化を妨げる要因の
一つとなっていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、このような課題
を解決する新規かつ有用な変位量を検出する装置及び方
法を提供することを本発明の概括的目的とする。

【０００６】より特定的には、本発明は、量産性及び分
解能に優れとる共に多値情報により高機能性を有する変
位量を検出する装置及び方法を提供することを本発明の
例示的目的とする。

【０００７】上記目的を達成するために、本発明の一側
面としての検出装置は、測定体に取り付けられて当該測
定体と共に変位する変位量表示部であって、当該変位量
表示部の表面に凹凸により形成されるパターンを前記測
定体の変位方向に等間隔に有する変位量表示部と、前記
変位量表示部の前記表面に照射された光束が前記パター
ンで反射することにより生じる回折光に応じて多値情報
を検出する検出器とを有する。かかる検出装置によれ
ば、変位量表示部に形成された凹凸パターンにより生成
される反射回折光を検出可能であり、かかる反射回折光
から多値情報を得ることができる。凹凸パターンを有す
る変位量表示部は、例えば、射出成形により成形可能で
あり、高精度なパターンを有する変位量表示部を安価に
量産することができる。かかる変位量表示部はディスク
形状を有し、この場合前記検出装置は前記測定体の回転
変位量を検出することができる。

【０００８】前記パターンはフォログラムパターンであ
って、前記パターンは当該フォログラムパターンを構成
するピット形状及びピット数が異なる複数のパターン群
より選択することができる。この場合、前記検出器は所
定次数の前記回折光の光強度を検出する。より特定的に
は、前記検出器は前記パターンにより反射される０次乃
至４次回折光のうちいずれか一つ以上の回折光を検出す
る。前記検出器は、検出された回折光の光強度に応じて
多値情報を生成する処理部を有することで、かかるパタ
ーンより多値情報を検出することが可能となる。

【０００９】また、前記パターンは楕円又は矩形状であ
ってもよく、前記パターンは当該パターンの前記移動方
向に対する角度、位置及びその両者が異なる複数のパタ
ーン群より選択することができる。この場合、前記検出
器は前記反射光の回折光による強度分布の位置ずれを検
出する。より特定的には、前記検出器は４分割フォトデ
ィテクタである。前記検出器は、前記反射光の強度分布
の位置ずれに応じて多値情報を生成する処理部を有する
ことで、かかるパターンより多値情報を検出することが
できる。

【００１０】かかる検出装置において、前記変位量表示
部は前記変位方向に形成された２以上の異なる前記パタ
ーンにより絶対アドレスを表示することで、かかる変位
量は絶対表現として検出することができる。

【００１１】また、本発明の別の側面としての検出方法
は、測定体に取り付けられて当該測定体と共に変位する
変位量表示部の前記測定体の変位方向に等間隔で配置さ
れた凹凸により形成されるパターンに検出光を照射する
ステップと、前記パターンによって反射された回折光を
検出するステップと、前記検出された回折パターンによ
り多値情報を生成するステップとを有する。かかる検出
方法によれば、上述した検出装置により実行される検出
方法であって、同様の作用を奏する。かかる検出方法
は、前記変位方向に形成された２以上の前記パターンに
より検出される多値情報に応じて絶対アドレスを算出す
るステップを更に有してもよい。即ち、前記検出ステッ
プは、所定次数の回折光を検出する。又は、前記検出ス
テップは、前記反射光の回折光による強度分布の位置ず
れを検出する。

【００１２】また、本発明の別の側面としてのパターン
作成方法は、光学的に検出することにより多値情報を得
ることが可能な凹凸により形成されるパターンの作成方
法であって、凹凸により所定のパターンを作成するステ
ップと、前記所定のパターンにより反射される所定の次
数の回折光を検出するステップと、前記所定の次数の回
折光の光強度が所定に範囲以内であるか判断するステッ
プと、前記判断ステップにおいて、所定の次数の回折光
が所定の範囲以内でないと判断された場合、前記所定の
パターンを前記多値情報を得ることが可能なパターンと
して決定するステップとを有する。かかるパターン作成
方法は、上述の検出装置に適用可能な変位量表示部のパ
ターンである。かかるパターンによれば、パターンによ
り生じる回折光の強度が設定されているので、情報の多
値化を行うことができる。前記作成ステップは、所定の
長さを有する前記パターンを所定の数で分割することに
より複数のブロックを作成するステップと、前記作成さ
れたブロックにピットを作成するステップと、前記作成
されたピットのうち最短長さを有するピットが所定の長
さ以上であるか判断するステップとを有する。

【００１３】本発明の更なる目的又はその他の特徴は添
付図面を参照して説明される好ましい実施例において明
らかにされるであろう。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の一側面としての変位量を検出する検出装置１０につ
いて説明する。なお、添付図面の各図において、同一の
参照番号を付した部材は同一部材を表すものとし、重複
説明は省略する。検出装置１０は回転体の回転軸の回転
変位量を絶対情報として検出する装置であって、本発明
では、かかる絶対情報を多値情報として検出する。図１
を参照するに、検出装置１０は、ディスク１００と、光
ヘッド２００と、マスク３００と、検出器４００とを有
する。ここで、図１は、本発明の一側面としての検出装
置１０を示す概略斜視図である。かかる検出装置１００
において、ディスク１００は図示しない回転体の回転軸
にその中心が位置するように取り付けられている。光ヘ
ッド２００と検出器４００はディスク１００に対し同じ
側に設けられ、光ヘッド２００はディスク１００に照射
される光束の焦点位置がディスク１００上になるように
配置される。また、検出器４００は光ヘッド２００の後
述するビームスプリッタ２２０を介しディスク１００に
より反射された回折光を検出可能な位置に設けられてい
る。また、本実施形態において、マスク３００は光ヘッ
ド２００のビームスプリッタ２２０上に設けられるが、
マスク３００は集光レンズ２３０の実効ＮＡ（開口数）
を制御し、ディスク１００上に形成されるスポット形状
を制御可能であればこの位置に限定されるものでない。

【００１５】ディスク１００は回転体の変位量を表示す
る機能を有する。ディスク１００は当該ディスク１００
の表面に凹凸によって形成されたパターン１１０を有
し、かかるパターン１１０はディスク１００の変位（回
転）方向、即ち、ディスクの周方向に所定の間隔で設け
られている（パターン１１０ａ乃至１１０ｄ（以下、特
に断らない限り、パターン１１０はパターン１１０ａ乃
至１１０ｄを総括するものとする。））。本実施形態に
おいては、ディスク１００は円板形状を有する薄板であ
って、透明な（即ち、光を透過する）ポリカーボネイド
樹脂で射出成形法によって形成され、その表面には反射
層（例えば、Ａｌ、Ａｕなどの薄膜）が形成されてい
る。しかし、本発明の検出装置１０に適用可能なディス
ク１００の材料がこれに限定されるものではなく、例え
ば、ガラス円板などを使用しても良い。但し、射出成形
法でディスク１００を作成することは一度パターン１１
０を含むディスク１００の金型を成形してしまえばディ
スク１００の量産が容易であり、安価にディスク１００
を成形することができる。また、射出成形法はミクロン
単位でパターン１１０を成形可能であり、遮光膜又は光
吸収膜をプリント成形する場合よりもより高精度に分解
能を高めることができる。

【００１６】本実施形態において、ディスク１００は検
出装置１０が回転変位量を検出する装置として実現され
るため最小面積となるよう円板形状を有するが、その形
状は任意に選択することが可能である。例えば、ディス
ク１００は長方形、三角形、六角形などの多角形等の任
意の形状から選択可能である。

【００１７】パターン１１０は当該ディスクに照射され
た光束により回折パターンを生成し多値情報を生成する
エンコーダとしての機能する。図２を参照するに、パタ
ーン１１０はディスクの径方向に形成されたフォログラ
ムパターン、即ち、マーク群１１２より構成され、形成
されるマーク群１１２の凹凸形状の相違により異なる強
度の回折光を生成する。ここで、図２は、図１に示す実
線で囲まれた領域を示すディスク１００の拡大斜視図で
ある。なお、図２において、マーク１１０及びマーク群
１１２は、かかる形態を容易に理解されるようその大き
さ及び形状が誇張して描かれている点に留意されたい。
本実施形態においては、パターン１１０は、一のパター
ン１１０に対して少なくとも２以上の同一なマーク群１
１２がディスク１１０の径方向に連続的に形成されてい
る。なお、パターン１１０は、基本的に、一のパターン
１１０に対して一のマーク群１１２を有するに足りるも
のである。しかし、一のパターンに対して同一のマーク
群１１２がディスク１００の径方向に少なくとも２以上
形成されることは後述する光ヘッド２００のスポット光
の位置ずれがあった場合でも、検出装置１０の検出精度
を落とすことがないという長所を有する。

【００１８】以下、図３を参照するに、パターン１１０
を構成するマーク群１１２について詳細に説明する。こ
こで、図３は、図２に示すパターン１１０を構成するマ
ーク群１１２を例示的に示す概略模式図である。なお、
図３において、マーク群１１２の凹部（以下、ピット）
を濃い灰色で示し、それ以外の領域（即ち、何も形成さ
れない領域）を白色で示している。また、図中のｃｈ
ｂｉｔは一マーク群１１２の径方向の長さを０乃至３１
の無次元数で示しており、Ｄａｔａはマーク群１１２の
種類を０乃至１５、及びＥＮＤの１７種類で表してい
る。

【００１９】図２及び図３に良く示されるように、マー
ク群１１２はその種類によって、径方向に様々な長さを
有する窪み（凹部）であるピット１１３（図３において
は、灰色の領域）及びその組み合わせにより構成されて
いる。マーク群１１２は、ピット１１３の成形上の都合
及び検出可能な最低限な大きさを考慮すると、一のマー
ク群１１２の径方向に関する長さが６．２μｍ（即ち、
図３における１ｃｈｂｉｔが０．２μｍ）であり、また
最小ピットの径方向に関する長さが０．４μｍ（即ち、
２ｃｈｂｉｔ）以上となるように形成されている。ま
た、マーク群１１２を構成するピット１１３の周方向の
幅は、検出装置１０の分解能によって決定されるもので
あるが、例示的に、６．０μｍ位に形成されれば十分な
分解能は確保されるであろう。更に、形成されるピット
１１３の深さは光ヘッド２００の後述するレーザ光源２
１０の波長λの１／４程度に形成されることが好まし
く、本実施例においては、１６３ｎｍ程度に形成されて
いる。かかる長さは、反射光の戻りが最も効率的となる
長さである。なお、本実施形態において、マーク群１１
２は複数のピット１１３より構成されるが、かかるピッ
ト１１３が突出した形状を有する凸部として形成されて
も良い。

【００２０】マーク群１１２を構成するピット１１３の
数及び長さは、後述するように、各Ｄａｔａに応じて１
次乃至４次の反射回折光の光強度を異ならせ、かかる反
射回折光の強度を検出することで４つの２値化された情
報を得るべくその形状及びその組み合わせが実験的又は
シミュレーションによって決定されるものである。図３
によく示されるように、本実施形態において、マーク群
１１２は基準となるＥＮＤのマーク群、Ｄａｔａ０乃至
Ｄａｔａ１５よりなる１６種類のマーク群により構成さ
れる。マーク群１１２を構成するピット１１３の作成方
法は後述するものとし、ここでの詳細な説明は省略す
る。

【００２１】図３に示されるマーク群１１２から得られ
る１次乃至４次の回折光強度を測定したところ、図４で
示される結果が得られた。ここで、図４は、図３に示す
マーク群１１２に光を照射したときの反射光の１乃至４
次の回折光の光強度、及びかかる回折光の光強度の総計
を示す図である。なお、図４における強度は無次元化し
た数値として示されている。図４に良く示されるよう
に、各次数の回折光の回折光強度が２０未満を０（白丸
で図示）、２０以上４０未満をエラー、４０以上を１
（黒丸で図示）と言うように２値化すると、各Ｄａｔａ
においてを２進数に変換したような０乃至４次の回折光
が得ることができる。また、０又は１の判別が迷う２０
以上４０未満の回折光強度は出現しない。従って、これ
らの回折光を受光することにより、一のＤａｔａ、即
ち、一のマーク群１１２で４ビットの信号を得ることが
可能で、さらに複数のパターンを組み合わせる事でさら
に多くの数字を表現できることとなる。例えば、４つの
マーク群１１２の組み合わせることで１６ビットの信号
を得ることが可能となり、即ち、０から６５５３５の数
字を表現できる。

【００２２】本実施形態において、パターン１１０は、
５つのマーク群１１２で１６ビットの絶対アドレスを表
現している。より詳細には、図７を参照するに、先頭か
ら４つのマーク群１１２がアドレス情報を、最後の１つ
マーク群１１２（ＤａｔａＥＮＤ）がアドレスの区切り
を示すエンコードして形成されている。ここで、図７
は、図１に示すディスク１００に形成されるマーク群１
１２の例示的な形態を示した模式図である。図７中に示
す、Ｘ軸はディスク１００の移動（回転）方向、即ち、
周方向を示し、Ｙ軸はディスク１００の径方向を示して
いる。図４に示すように、ＤａｔａＥＮＤマークはい
ずれも２値化後の回折光強度は０、０、０、０である
が、Ｄａｔａ０の各回折光の総和が５２なのに対し
て、ＤａｔａＥＮＤはわずか６となり、回折光の総和強
度を検出することにより、Ｄａｔａ０とＤａｔａＥＮ
Ｄを判別することが出来る。このように、ディスク１０
０にはＤａｔａＥＮＤと、Ｄａｔａ０及びＤａｔａ１
５の１６種類から選択された４つのマーク群１１２が一
組となり、各々の組において４つのマークの組み合わせ
が重複しないように形成されている。なお、組み合わせ
るマーク群１１２の数は例示的であり、これに限定され
るものではない。

【００２３】以下、図５及び図６を参照するに、上述の
マーク群１１２のピット１１３の作成方法について説明
する。ここで、図５は、図３に示すマーク群１１２のピ
ット１１３の作成方法を示すフローチャートである。図
６は、図５に示すステップ１００５の詳細を示すフロー
チャートである。まず、第１に光検出器の検出能力を、
例えば、３段階に決定する（ステップ１０００）。本実
施形態においては、光検出器は光強度０乃至２０未満、
２０以上４０未満、４０以上の３段階に設定されてい
る。なお、かかる値は光強度を無次元的に表した値であ
って、光の相対的な強度を示すものである。また、かか
る値は例示的であり、本発明がこれに限定されることを
意味するものではない。

【００２４】次いで、マーク群１１２のピット１１３形
状を決定する（ステップ１００５）。より詳細には、図
６を参照するに、所定の長さ（例えば、６．２μｍ）を
有する矩形領域を長手方向に３２分割し、かかる分割さ
れた領域のいずれかに単数又は複数の任意のｃｈｂｉ
ｔ長さを有するピットを１又は複数個形成する（ステッ
プ１００６）。そして、かかるマークに形成されたピッ
ト１１３のうち、最小長さを有するピット１１３が２ｃ
ｈｂｉｔ（例えば、０．４μｍ）以上であるが判断す
る（ステップ１００７）。ステップ１００７でｙｅｓで
あるならば、形成されたピット１１３をマーク群１１２
として決定し（ステップ１００８）、ｎｏであるなら
ば、ステップ１００６に移行しもう一度マーク群１１２
を形成する。

【００２５】次に、上記工程により決定されたマーク群
１１２に光束を照射し、当該マーク群１１２により反射
された回折光（例示的に、１次乃至４次）を検出する
（ステップ１０１０）。そして、かかる検出された１次
乃至４次の回折光の光強度を基に、各次数の回折光が中
間地（２０以上４０未満）であるか（ステップ１０１
５）、各次数の回折光の強度が１００以上であるか（ス
テップ１０２０）をチェックする。ステップ１０１５又
はステップ１０２０でｙｅｓであれば、ステップ１００
５に移行し、マーク群１１２を再度形成する。一方、ス
テップ１０１５及びステップ１０２０でｎｏであれば、
図４に示すように、各次数の回折光を０以上乃至２０未
満は０、４０以上は１として２値化し（ステップ１０２
５）、４ビットの信号を得る。次に、かかる信号が重複
する事を避けるため、かかる信号を生成するマーク群１
１２が他に存在するかチェックする（ステップ１０３
０）。

【００２６】ステップ１０３０でｙｅｓである場合、ス
テップ１００５に移行しマーク群１１２を再度形成す
る。一方、ステップ１０３０でｎｏである場合、かかる
マーク群１１２を新規なマーク群として決定する。

【００２７】以上説明したように、上述したマーク群１
１２のピット１１３形状はかかるフローを繰り返すこと
で、実験的に算出されることが好ましいだろう。なお、
本実施形態においては、１次乃至４次の４種類の回折光
を使用するため、図３に示すような全１６種類のマーク
群１１２が存在することとなる。しかし、使用する回折
光に応じてこれらマーク群１１２の種類は変更可能であ
り、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、
一のマーク群１１２で３ビットの信号を得たいのであれ
ば、３種類の回折光によって信号が得られるようにマー
ク群１１２が形成されるの足りるものである。但し、上
述のマーク群１１２より３種類の回折光を選択的に使用
するものであってもよい。

【００２８】再び、図１を参照するに、光ヘッド２００
はディスク１００へ光を照射し、ディスク１００による
反射光を検出器４００に導入する。図１に良く示される
ように、光ヘッド２００は、典型的に、レーザ光源２１
０と、ビームスプリッタ２２０と、集光（対物）レンズ
２３０とを有する。かかる光ヘッド２００において、レ
ーザ光源２１０、ビームスプリッタ２２０、集光レンズ
２３０は各々一直線上に配置される。レーザ光源２１０
及び集光レンズ２３０は、かかるレーザ光源２１０より
射出された光束がディスク１００上で焦点を結ぶように
最適な位置に配置される。ビームスプリッタ２２０はレ
ーザ光源２１０と集光レンズ２３０の範囲内に配置され
ていればよく、特に限定されない。

【００２９】レーザ光源２１０は、例えば、波長６５０
ｎｍを有する半導体レーザであるが、本発明がこれに限
定されるものではない。レーザ光源１１２はその他の波
長（例えば、波長７８０ｎｍ等）及びレーザを含んでも
よい。しかしながら、半導体レーザは、寿命が半永久的
である、ビーム形状が略円形、低価格であるなどの理由
から、レーザ光源１１２に好ましいという長所を有す
る。

【００３０】ビームスプリッタ２２０は、光束を個別の
分光光束に分光するため光束の光路上に配置した反射面
を設け、かかる反射面を前記一次光束の伝播方向に対し
て４５°の角度で傾斜させ、入射する光束に対して直交
する分光光束を生成する。本実施形態において、ビーム
スプリッタ２２０は、ディスク１１０により反射された
回折光を検出器４００に導入すべく、かかる反射光を偏
向（又は分光）させるように構成されている。なお、ビ
ームスプリッタ２２０は当業者にとって容易に理解可能
であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

【００３１】集光レンズ２２０はレーザ光源２１０から
出射した光束をディスク１００上に集光する機能を有
し、例えば、コンデンサーレンズによって実現される。
本実施形態において、検出器４００に導入される反射光
は１次乃至４次までの回折成分を含むため、集光レンズ
２２０の計はそれを満たすように形成される。なお、レ
ーザ光源２１０の発散角を抑えることで反射光の回折成
分の広がりを制御可能であり、集光レンズ１２０の大型
化に寄与することとはなりえない。

【００３２】マスク３００は集光レンズ２３０の実効Ｎ
Ａを制御し、ディスク１００上に結像するレーザ光束の
形状を制御する。図８を参照するに、マスク３００は光
遮光領域３１０に設けられた矩形状の光透過部３２０を
有する。ここで、図８は、図１に示すマスク３００近傍
を示す拡大斜視図である。かかる光透過部３２０は、図
８に良く示されるように、ディスク１００の周方向に相
当する辺より半径方向に相当する辺が短く形成されてい
る。マスク３００はかかる形状において集光レンズ２２
０の実効ＮＡを半径方向に関し０．０５、周方向に関し
０．１１としている。これにより、図２に良く示される
ように、ディスク１００上に計歩行に長い楕円形状（１
３μｍ×６μｍ）のスポット径を成形している。上述し
たように、一のマーク群１１２に関する周方向の長さは
６．２μｍであるから、少なくとも２のマーク群１１２
にスポットを当てることができ、検出精度の向上に寄与
している。

【００３３】検出器４００はディスク１００により反射
された回折光を受光し、かかる回折光の強度に応じた２
値化信号を生成する。図９を参照するに、検出器４００
は検出部４１０と、処理部４２０と、制御部４３０とを
有し、各々が電気的に接続されている。ここで、図９
は、図１に示す検出器４００を示すブロック図である。
なお、検出器４００は、図示しないインターフェースを
介して更なる図示しない外部ホスト装置（処理装置、制
御装置、パーソナルコンピュータ、ディスプレイなど）
に接続されてもよい。

【００３４】検出部４１０は反射光の光強度を検出する
受光素子を有し、反射された回折光を受光可能な検出器
４００の表面上に設けられる。本実施形態において、受
光素子は０次乃至４次までの回折光を検出すべく５個設
けられることが好ましいが、使用される回折光に応じて
その数を減少させても良い。上述したように、一のマー
ク群１１２から４ビットの信号を得るのであれば、検出
部４１０は４種類の回折光を検出するに足りるものであ
る。なお、当業者は受光素子の構造を容易に理解可能で
あるためここでの詳細な説明は省略する。

【００３５】処理部４２０は検出された信号を各回折光
の強度に応じて２値化する。上述したように、処理部２
４０は相対的な光強度で、０以上２０未満を０、２０以
上４０未満をエラー、４０以上を１として処理する。処
理部４２０はコンパレータなどに比較器を使用すること
により容易に構成することができる。

【００３６】制御部４３０は処理部４２０より出力され
るデータに基づいて容易に回転軸に接続する回転体の情
報を絶対アドレスとして出力することができる。制御部
４３０は、例えば、ＣＰＵやＭＰＵを含むいかなるプロ
セッサを含み、又メモリを備えても良い。なお、上述し
たように、検出器４００に図示しない上位装置が接続さ
れるなら、制御部４３０はかかる上位装置の制御部に置
換されても良い。かかる構成において、制御部４３０は
省略可能である。

【００３７】次に、図１０を参照するに、本発明の別の
側面としての検出装置２０について説明する。ここで、
図１０は、本発明の別の側面としての検出装置２０を示
す概略斜視図である。検出装置２０は回転体の回転軸の
回転変位量を絶対情報として表す装置であって、本発明
では、かかる絶対情報を複数の多値情報として検出する
ことが可能である。図１を参照するに、検出装置２０
は、ディスク５００と、光ヘッド６００と、検出器７０
０とを有する。かかる検出装置２０において、ディスク
５００は図示しない回転体の回転軸にその中心が位置す
るように取り付けられている。光ヘッド６００と検出器
７００はディスク５００に対し同じ側に設けられ、光ヘ
ッド６００はディスク５００に照射される光束の焦点位
置がディスク１００上になるように配置される。また、
検出器７００は光ヘッド６００の後述するビームスプリ
ッタ６２０を介しディスク５００により反射された回折
光を検出可能な位置に設けられている。

【００３８】ディスク５００は、ディスク１００同様、
回転体の変位量を表示する機能を有する。ディスク５０
０は当該ディスク５００の表面に窪み（ピット）によっ
て形成されたパターン５１０を有し、かかるパターン５
１０は検出光に対するディスク５００の変位（回転）方
向、即ち、ディスクの周方向に所定の間隔で設けられて
いる（パターン５１０ａ乃至５１０ｅ（以下、特に断ら
ない限り、パターン５１０はパターン５１０ａ乃至５１
０ｅを総括するものとする。））。本実施形態において
は、ディスク５００は円板形状を有する薄板であって、
透明な（即ち、光を透過する）ポリカーボネイド樹脂で
射出成形法によって形成され、その表面には反射層（例
えば、Ａｌ、Ａｕなどの薄膜）が形成されている。しか
し、本発明の検出装置２０に適用可能なディスク５００
の材料がこれに限定されるものではなく、例えば、ガラ
ス円板などを使用しても良い。但し、射出成形法でディ
スク５００を作成することは一度パターン５１０を含む
ディスク５００の金型を成形してしまえばディスク５０
０の量産が容易であり、安価にディスク５００を成形す
ることができる。また、ディスク５００は、検出装置２
０が回転変位量を検出する装置として実現されるため最
小面積となるよう円板形状を有するが、その形状は任意
に選択することが可能である。例えば、ディスク５００
は長方形、三角形、六角形などの多角形等の任意の形状
を選択可能である。

【００３９】図１１を参照するに、パターン５１０は当
該ディスクに照射された光束により回折パターンを生成
し多値情報を生成するエンコーダとしての機能を有す
る。パターン５１０はマーク５１２より構成され、パタ
ーン５１０は形成されるマーク５１２の相違により異な
る強度の回折光を生成する。ここで、図１１は、図１０
に示す実線で囲まれた領域を示すディスク５００の拡大
斜視図である。なお、図１１において、マーク５１２は
かかる形態を容易に理解されるようその大きさ及び形状
が誇張して描かれている点に留意されたい。本実施形態
においては、パターン５１０は、一のパターン５１０に
対して少なくとも２以上の同一なマーク５１２がディス
ク５００の径方向に所定の間隔で形成されている。な
お、パターン５１０は、基本的に、一のパターン５１０
に対して一のマーク５１２を有するに足りるものであ
る。しかし、一のパターン５１０に対して同一のマーク
５１２がディスク５００の径方向に少なくとも２以上形
成されることは、後述する光ヘッド６００のスポット光
の位置ずれがあった場合でも検出装置２０の検出精度を
落とすことがないという長所を有する。

【００４０】以下、図１２を参照するに、パターン５１
０に形成されるマーク５１２について詳細に説明する。
ここで、図１２は、図１１に示すパターン５１０を構成
するマーク５１２を整列させた概略模式図である。な
お、図１２において、マーク５１２の凹部（以下、ピッ
ト）を濃い灰色で示し、それ以外の領域（即ち、何も形
成されない領域）を白色で示している。また、図１２は
同一の円周上に形成されるマーク５１２の位置関係及び
設置角度を示すための図であって、かかる配列において
ディスク５００上に形成されることを意味するものでな
い。

【００４１】図１１及び１２に良く示されるように、マ
ーク５１２は楕円形又は矩形状を有するピットにより形
成される。マーク５１２は、変位方向（即ち、円周方向
であって図中の実線で示す）に対する位置が上下及び中
心となる３種類に加え、マーク５１２の長手方向に関す
る変位方向へのなす角が異なる３種類により、合計９種
類のピットより構成される。本実施例において、マーク
５１２の長手方向に関する変位方向へのなす角は、０
°、４５°、−４５°であるが、これに限定されるもの
ではない。

【００４２】なお、マーク５１２は、ピットの成形上の
都合及び検出可能な最低限な大きさを考慮すると、一の
マークの径方向に関する長さが３μｍであり、また最小
ピットの径方向に関する長さが６μｍとなるような楕円
形又は矩形として形成されることが好ましい。更に、形
成されるピットの深さは光ヘッド６００の後述するレー
ザ光源６１０の波長λの１／４程度に形成されることが
好ましく、本実施例においては、１６３ｎｍ程度に形成
される。かかる長さは、反射光の戻りが最も効率的とな
る長さである。また、本実施形態において、マーク５１
２はピットとして構成されるが、かかるピットが突出し
た形状を有する凸部に置換されても良い。

【００４３】図１２に示されるマーク５１２から得られ
る回折光強度を４分割フォトディテクタで検出したとこ
ろ、図１３で示される結果が得られた。ここで、図１３
は、図１２に示すマーク５１２に光を照射したときの反
射光の光強度を４分割フォトディテクタで検出した検出
結果を示す図である。なお、図１３における強度は無次
元化した数値として示されている。図１３を見て分かる
ように、各マーク５１２において各ディテクタで検出さ
れる光強度はそれぞれ異なるものであり、４分割フォト
ディテクタの信号の立ち上がりを比較することにより多
値情報を判別する事ができることが理解される。

【００４４】本実施形態においては、パターン５１０は
例示的に５つのマーク５１２で１２ビットの絶対アドレ
スを表現している。より詳細には、図１４を参照する
に、ＥＮＤを除く先頭から４つのマーク５１２がアドレ
ス情報（一のマークで３ビット）を、最後の１マーク５
１２がアドレスの区切りを示すエンコードして形成され
ている。ここで、図１４は、図１０に示すディスク５０
０に形成されるパターン５１０の例示的な形態を示した
模式図である。図１４中に示す、Ｘ軸はディスク１００
の移動（回転）方向、即ち、周方向を示し、Ｙ軸はディ
スク１００の径方向を示している。このように、ディス
ク５００にはＥＮＤと、０及び７の８種類から選択され
た４つのマーク５１２が一組となり、各々の組において
４つのマークの組み合わせが重複しないように形成され
ている。

【００４５】光ヘッド６００はディスク５００へ光を照
射し、ディスク５００による反射光を検出器６００に導
入する。図１０に良く示されるように、光ヘッド５００
は、典型的に、レーザ光源６１０と、ビームスプリッタ
６２０と、集光（対物）レンズ６３０とを有する。かか
る光ヘッド６００において、レーザ光源６１０、ビーム
スプリッタ６２０、集光レンズ６３０は各々一直線上に
配置される。レーザ光源６１０及び集光レンズ６３０
は、かかるレーザ光源６１０より射出された光束がディ
スク５００上で焦点を結ぶように最適な位置に配置され
る。ビームスプリッタ６２０はレーザ光源６１０と集光
レンズ６３０の範囲内に配置されていればよく、特に限
定されない。なお、かかる光ヘッド６００は上述の光ヘ
ッド２００と同様の構成であるため、重複する説明は省
略する。

【００４６】検出器６００はディスク５００により反射
された回折光を受光し、かかる回折光の強度に応じた信
号を生成する。検出器６００は図示しない検出部と、処
理部と、制御部とを有し、各々が電気的に接続されてい
る。なお、検出器６００は、図示しないインターフェー
スを介して更なる図示しない外部ホスト装置（処理装
置、制御装置、パーソナルコンピュータ、ディスプレイ
など）に接続されてもよい。

【００４７】検出部は反射光の光強度を検出する４分割
フォトディテクタであって、反射された回折光を受光可
能な検出器４００の表面上に設けられる。なお、当業者
は４分割フォトディテクタの構造を容易に理解可能であ
るためここでの詳細な説明は省略する。

【００４８】処理部は検出された信号を各回折光の強度
に応じて２値化する。上述したように、処理部は上述し
た検出部の各ディテクタから出力された信号の立ち上が
りを比較し、本実施例では１２ビットの信号を生成す
る。

【００４９】制御部は上述の処理部及び外部インターフ
ェースとの信号を制御する。制御部は処理部より出力さ
れるデータに基づいて容易に回転軸に接続する回転体の
情報を絶対アドレスとして出力することができる。制御
部は、例えば、ＣＰＵやＭＰＵを含むいかなるプロセッ
サを含み、又メモリを備えても良い。なお、上述したよ
うに、検出器６００に図示しない上位装置が接続される
なら、制御部はかかる上位装置の制御部に置換されても
良い。かかる構成において、制御部は省略可能である。

【００５０】以上、上述の実施形態では、パターン１１
０及び５１０を光入射側に設けたが、光入射側を平面に
し、その反対側にパターン１１０及び５１０を設ける事
も出来る。この場合は、ＣＤ等の光ディスクと同様に、
光入射側の平面上では光スポットの形状が集光前の大き
い状態なので、平面側に傷やゴミが多少ついても、信号
に影響が出にくいため、耐環境性の良いエンコーダを実
現できる。またパターン１１０及び５１０が形成される
表面には、ＣＤ同様保護コートを設けることにより傷と
うの影響を防止できる。

【００５１】なお、本実施形態では上述の検出装置１０
及び２０は回転変位量を検出する装置として実現される
が、本発明の検出装置１０及び２０の適用はこれに限定
されない。検出装置１０及び２０は、例えば、リニア式
の移動量検出装置として使用することも可能である。な
お、検出装置１０及び２０が、リニア式の移動量検出装
置として実現されるのであれば、それに応じてその形状
を変形可能であることは言うまでもない。例えば、変位
量表示部として機能するディスク１００及び５００は、
矩形の平板などに形成され直線的にパターン１１０又は
５１０が形成されるであろう。

【００５２】以下、検出装置１０を利用した回転変位量
の検出動作について説明する。なお、検出装置２０は、
基本的に、検出装置１０と同様であるためここでの詳細
な説明は省略するものとする。まず、ディスク１００を
回転軸に取り付ける。次いで、回転軸を図１において右
回りに回転させる。このとき、光ヘッド２００側からデ
ィスク１００を見ると、パターン１１０が断続的に出現
する。

【００５３】光ヘッド２００のレーザ光源２１０がマス
ク３００を介しディスク１００に向けて光を射出する。
このとき、マーク３００に入射した光は、集光レンズ２
３０で集光され、ディスク１００上で楕円又は長方形形
状のスポット光として結像される。かかるスポット光は
ディスク１００のパターン１１０上では回折光を伴いな
がら反射され、一方、パターン１１０のないところでは
単に反射される。かかる反射された光束は集光レンズ２
３０で再び集光され、ビームスプリッタ２２０を介し検
出器４００で最結像される。

【００５４】なお、検出器４００で受光する反射光は、
０次、＋１次、＋２次、＋３次、＋４次光（もしくは、
０次、−１次、−２次、−３次、―４次）のみで、残り
の回折光は受光しない。このとき、検出部４１０は受光
した反射光にうち１次乃至４次の回折光から光強度を検
出する。かかる情報は処理部４２０に出力され、光強度
に応じて２値化される。各々２値化された光強度（４ビ
ット）は、制御部４３０に出力され、例えばメモリに格
納される。かかる動作がパターン１１０によって回折光
が生成されるたびに行われるものである。そして、制御
部４３０はＥＮＤマークを識別すると、ＥＮＤマーク間
に位置するデータを読み出しディスク１００の絶対アド
レスを算出する。また、制御部４３０は回折光の有無に
より回転体の速度を算出することもできる。

【００５５】なお、制御部４３０はかかる情報をインタ
ーフェースを介し上位装置に出力しても良いし、また、
回転軸に接続された図示しない回転体の回転を制御する
こともができる。

【００５６】以上、本発明の好ましい実施例を説明した
が、本発明はその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可
能である。

【００５７】

【発明の効果】本発明の変位量を検出する装置及び方法
は、ディスクに形成された凹凸パターンにより生成され
る反射回折光を検出することで、かかる反射回折光から
多値情報を得ることができる。パターンを有するディス
クは、例えば、射出成形により成形可能であり、高精度
なパターンを有する変位量表示部を安価に量産すること
ができ、また、パターンの分解能を高めることができ
る。よって、回転体の変位量を高精度に検出することが
できる。また、本発明の検出装置においては一のパター
ンから多値情報を検出することが可能であり、ディスク
の回転方向に形成された２以上の異なるパターンにより
絶対アドレスを表示することができる。よって、本発明
の検出装置は、かかる変位量は絶対表現として検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一側面としての検出装置を示す概略
斜視図である。

【図２】図１に示す実線で囲まれた領域を示すディス
クの拡大斜視図である。

【図３】図２に示すパターンを構成するマーク群を例
示的に示す概略模式図である。

【図４】図３に示すマーク群に光を照射したときの反
射光の１乃至４次の回折光の光強度、及びかかる回折光
の光強度の総計を示す図である。

【図５】図３に示すマーク群のピットの作成方法を示
すフローチャートである。

【図６】図５に示すステップ１００５の詳細を示すフ
ローチャートである。

【図７】図１に示すディスクに形成されるマーク群の
例示的な形態を示した模式図である。

【図８】図１に示すマスク近傍を示す拡大斜視図であ
る。

【図９】図１に示す検出器を示すブロック図である。

【図１０】本発明の別の側面としての検出装置を示す
概略斜視図である。

【図１１】図１０に示す実線で囲まれた領域を示すデ
ィスクの拡大斜視図である。

【図１２】図１１に示すパターンを構成するマークを
整列させた概略模式図である。

【図１３】図１２に示すマークに光を照射したときの
反射光の光強度を４分割フォトディテクタで検出した検
出結果を示す図である。

【図１４】図１０に示すディスクに形成されるパター
ンの例示的な形態を示した模式図である。

【符号の説明】

１０検出装置２０検出装置１００ディスク１１０パターン１１２マーク群１１３ピット２００光ヘッド３００マスク４００検出器５００ディスク５１０パターン５１２マーク６００光ヘッド７００検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA07 AA09 AA39 BB03 BB16 FF17 FF48 FF52 GG04 HH04 HH13 JJ03 JJ09 JJ26 LL46 LL51 MM04 PP13 UU07 2F103 BA42 CA01 CA03 CA04 CA08 DA07 DA13 EA03 EA12 EA22 EB02 EB15 EB16 EB32 EC13 ED27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定体に取り付けられて当該測定体と共
に変位する変位量表示部であって、当該変位量表示部の
表面に凹凸により形成されるパターンを前記測定体の変
位方向に等間隔に有する変位量表示部と、前記変位量表示部の前記表面に照射された光束が前記パ
ターンで反射することにより生じる回折光に応じて多値
情報を検出する検出器とを有する検出装置。
【請求項２】前記変位量表示部はディスク形状を有
し、前記検出装置は前記測定体の回転変位量を検出する
請求項１記載の検出装置。
【請求項３】前記変位量表示部は、前記変位方向に形
成された２以上の異なる前記パターンにより絶対アドレ
スが表示される請求項１記載の検出装置。
【請求項４】前記パターンはフォログラムパターンで
あって、前記パターンは当該フォログラムパターンを構
成するピット形状及びピット数が異なる複数のパターン
群より選択される請求項１記載の検出装置。
【請求項５】前記パターンは楕円又は矩形状を有し、
前記パターンは当該パターンの前記移動方向に対する角
度、位置及びその両者が異なる複数のパターン群より選
択される請求項１記載の検出装置。
【請求項６】前記検出器は所定次数の前記回折光の光
強度を検出する請求項１記載の検出装置。
【請求項７】前記検出器は前記パターンにより反射さ
れる０次乃至４次回折光のうちいずれか一つ以上の回折
光を検出する請求項６記載の検出装置。
【請求項８】前記検出器は、検出された回折光の光強
度に応じて多値情報を生成する処理部を有する請求項６
記載の検出装置。
【請求項９】前記検出器は前記反射光の回折光による
強度分布の位置ずれを検出する請求項１記載の検出装
置。
【請求項１０】前記検出器は４分割フォトディテクタ
である請求項９記載の検出装置。
【請求項１１】前記検出器は、前記反射光の強度分布
の位置ずれに応じて多値情報を生成する処理部を有する
請求項９記載の検出装置。
【請求項１２】測定体に取り付けられて当該測定体と
共に変位する変位量表示部の前記測定体の変位方向に等
間隔で配置された凹凸により形成されるパターンに検出
光を照射するステップと、前記パターンによって反射された回折光を検出するステ
ップと、前記検出された回折パターンにより多値情報を生成する
ステップとを有する変位量検出方法。
【請求項１３】前記変位方向に形成された２以上の前
記パターンにより検出される多値情報に応じて絶対アド
レスを算出するステップを更に有する請求項１２記載の
方法。
【請求項１４】前記検出ステップは、所定次数の回折
光を検出する請求項１２記載の方法。
【請求項１５】前記検出ステップは、前記反射光の回
折光による強度分布の位置ずれを検出する請求項１２記
載の方法。
【請求項１６】光学的に検出することにより多値情報
を得ることが可能な凹凸により形成されるパターンの作
成方法であって、凹凸により所定のパターンを作成するステップと、前記所定のパターンにより反射される所定の次数の回折
光を検出するステップと、前記所定の次数の回折光の光強度が所定に範囲以内であ
るか判断するステップと、前記判断ステップにおいて、所定の次数の回折光が所定
の範囲以内でないと判断された場合、前記所定のパター
ンを前記多値情報を得ることが可能なパターンとして決
定するステップとを有する方法。
【請求項１７】前記作成ステップは、所定の長さを有
する前記パターンを所定の数で分割することにより複数
のブロックを作成するステップと、前記作成されたブロックにピットを作成するステップ
と、前記作成されたピットのうち最短長さを有するピットが
所定の長さ以上であるか判断するステップとを有する請
求項１８記載の方法。