JP2567934B2 - 回転検出装置 - Google Patents

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３
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の浸透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6,000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
いられている光ディ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４図にCD（コンパクトディスク）の原理を示
す。50はCD（コンパクトディスク）の一部であり、拡大
して示してある。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４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
鏡膜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
ピックアップと呼ばれる）のレーザダイオード11から発
射された波長約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10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、ピット部分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52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10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
クピッチ）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最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0.9μｍ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
万ピッ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
することが可能だか、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、光ディスク
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を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充分な長
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
ックアップ）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の一方の面に放射上の深さ0.11μｍ、幅1.
3μｍ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10のレーザダイオード11から発射された波長
約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のある面の反射側から回転
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18
0゜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の凸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
凸部な幅が1.3μｍで、レーザ光のビーム径1.4μｍとほ
ぼ等しいので、ほ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10に戻り、フォトダイオード16から
大きな電気信号が得られる。このようにして、スリット
22を形成する凹凸を光検出器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。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（2.6μｍ）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20
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10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10cmの
回転円盤に約21万スリットを刻むことができ、１回転当
り約42万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
ッ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10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0.11μ
ｍ、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2.6μｍ（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対膜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）1.6μｍ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パタ
ンが露光跡として刻まれる。これを現象すると、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ッキしたのち、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。高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
んど光ディスク用を適切でき、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
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、11:レーザダイオード 12:ビームスプリッタ 13:コリメータレンズ 14:対物レンズ、15:レーザ光ビーム 16:フォトダイオード、20:回転円盤 21:プラスチック、22:スリット 23:反射膜、24:保護膜 30:円盤、31: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:プラスチック、52:ピット 53:反射膜、54:保護膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−46414（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−100013（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−144024（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−144212（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−201520（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−289403（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被回転検出体に結合される回転円盤の一面
   に設けられる反射膜に、前記回転円盤の中心に対して放
   射状に並んで凹凸状に且つ凹部と凸部の幅がほぼ等しく
   刻まれたスリットと、該スリットにビーム径が前記スリ
   ットの幅とほぼ等しいかもしくは狭いレーザ光を照射
   し、その反射光を読み取る光検出器から構成され、前記
   レーザビームが前記凹部と凸部に跨がった時に照射光と
   反射光が互いに干渉して弱め合うように前記スリットの
   高低差を決め、前記回転円盤１回転当り前記スリット数
   の２倍のパルス数の信号が前記光検出器から得られるよ
   うにしたことを特徴とする回転検出装置。