JPH02184719A

JPH02184719A - 回転検出装置

Info

Publication number: JPH02184719A
Application number: JP1002929A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Kurosawa; 黒沢　良一
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-01-11
Filing date: 1989-01-11
Publication date: 1990-07-19

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２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め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が記録された円
盤３０と、この回転スリットの回転を光学的に読み取る
２組の検出器４０．５０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４０．５０は発光ダイオードな
どの光源４１、５１と検出用固定スリット４２．５２と
光信号を電気信号に変換するフォトトランジスタ４３．
４４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（１）４２の透過部が一致すれば
光源（１）４１からの光がフォトトランジスタ（１）４
３に到達し、それぞれの透過部と遮断部が一致すると光
源（１）４１からの光がフォトトランジスタ（１）４３
に到達しなくなる。このようにして円盤に記憶された回
転スリットの動きが光源（１）４１からフォトトランジ
スタ（１）４３へ到達する光の強弱となり、フォトトラ
ンジスタ（１）４３により電気信号に変換される。同様
に、回転スリット３１と検出用固定スリブ）５２（２）
の透過部が一致すれば光源（２）５１からの光がフォト
トランジスタ（２）５３に到達し、それぞれの透過部と
遮断部が一致すると光源（２）５１からの光がフォトト
ランジスタ（２）５３に到達しなくなり、円盤に記録さ
れた回転スリットの動きが電気信号に変換される。検出
用固定スリット４２と５２では、回転スリットに対して
スリット間隔の１／４だけスリットがずれており、検出
器４０と５０から得られる電気信号は位相が９０°ずれ
た２相信号となる。円盤３０の回転方向によって検出器
４０と５０から得られる２相信号の進み遅れの関係が反
転することになり、回転方向の識別が可能である。円盤
が１スリット分に対応する分だけ回転するごとに１回大
きさが変化するパルス状の２相電気信号が得られること
から２相出力パルスエンコーダと呼ばれている。

（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比に相当する分、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とすると約６．０００スリツ
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）や影像の記録用の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。

円盤に記録されたビットをレーザ光で光学的読み取る方
法である。

この光デツイスの技術を利用することにより非常に高い
分解能を有する回転検出装置が得られる。

第３図にその構成図を示す。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、１
５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０．１１μｍ
１幅０．４μｍの適当な長さの凹部（第３図はスリット
のある面の反対側から見た図なので突き出して見る部分
）を間隔１．５μｍ（残った凸部は１．１μｍ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ＩＯのレーザダイオードＩＩ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
１８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１Ｂに導かれて電気信号に変換される
。スリット２２の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、レーザ光のビーム径が約１．４μ
ｍに対して、スリットの凹部の幅が０．４μｍで、半分
以下であるため、凹部から反射するレーザ光と凸部から
反射するレーザ光とが合成されて光検出器ｌＯに戻る。

四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
八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ｌＯ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１
６から得られる電気信号も小さくなる。スリット２２の
凹部と凹部の間、すなわち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、スリットの凸部の幅が１
．１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ｌＢ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
凹凸を光検出器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、回転円盤２０の回転によりスリット
２２がスリットの間隔（１，５μｍ）だけ回転するごと
に１回の強弱信号が得られる。

直径１０ｃａｎの回転円盤に約２１万スリツトを刻むこ
とができ、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１相出力の回転検出装置が得られる。

しかしながら、回転方向の識別を行うため２相出力パル
スエンコーダと同様に位相が異なる２相の電気信号を得
ようとすると、光検出器ｌＯが２組必要となり、それを
回転円盤の円周方向にスリット間隔１．５μｍのＮ＋ｌ
八倍へＮは整数）だけ間隔を離して設置しなければなら
ない。光検出器ｌＯの円周方向の幅は少なくともｌｏｍ
＋ｓ程度であり、設置間隔はｌｏｆｆ１ｍ以上となり、
円周方向の設置間隔の誤差は１．５μｍ／４に対して十
分小さい必要がある。相対的な精度が非常に高（実現す
ることが非常に難しい。

本発明は以上述べた点を考慮してなされ、光ディスクの
技術を応用した、回転方向が識別でき、実現が容易で信
頼性が高い高分解能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
取る光検出器からなり、光検出器の１つの光学系に複数
のレーザ光のビームを通し、回転円盤が回転すると位相
の異なる複数の電気信号が得られるように構成された回
転検出装置である。

（作　用）本発明の回転検出装置では、複数のレーザ光ビームに対
して同一の光学系を用いるため、光学系が１つですむと
共に光学系の相対的な位置の調整も不要となり、回転方
向の識別が可能な回転検出装置が容易に実現できる。

（実施例）第１図は本発明の回転検出装置の実施例の構成図である
。第３図は１相出力の回転検出装置と同様に、ｌＯ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。１１．１２はレーザダイオード、
１３はビームスプリッタ、１４はコリメータレンズ、１
５は対物レンズ、１Ｂ、１７はレーザ光のビーム、１８
．１９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０．４μｍの適当
な長さの凹部（第１図はスリ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）を間隔１．５μｍ
（残った凸部は１．１μｍ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（１）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１３を通り、コリメータレンズ１４により平行光とな
り、さらに対物レンズ１５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１５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（１）１６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１５、コリメータレンズ１
４を通り、ビームスプリッタ１３で向きが変えられ、フ
ォトダイオード（１）１ｇに導かれ電気信号に変換され
る。スリット２２の凹部の中心にレーザ光のビーム（１
）１Ｂの中心が合った場合は、レーザ光のビーム径が約
１．４μｍに対して、スリットの凹部の幅が０．４μｍ
で、半分以下であるため、凹部から反射するレーザ光と
凸部から反射するレーザ光とが合成されて光検出器ｌＯ
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。四部
の深さ０．１１μｍはプラスチック２１内のレーザ光の
波長のｌハに選ばれているので、四部からの反射レーザ
光と凸部からの反射レーザ光とは１０８’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（１０８から得られる電気信号も小さくなる。ス
リット２２の凹部と凹部の間、すなわち凸部の中心にレ
ーザ光のビーム（１）１６の中心が合った場合は、スリ
ットの凸部の幅が１．１μｍ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凸部
で反射されて光検出器ｌＯに戻り、フォトダイオード１
６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を形成する凹凸を光検出器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、回転円盤２
０の回転によりスリット２２がスリットの間隔（１，５
μｍ）だけ回転するごとに１回の強弱信号が得られる。

同様に、光検出器ｌＯのレーザダイオード（２）１２か
ら発射されたレーザ光は、ビームスブリット１３を通り
、コリメータレンズ１４により平行光となり、さらに対
物レンズ１５を通してレーザ光のビーム（２）１７とし
て、回転円盤２０に照射される。このレーザ光は反射膜
２３により反射され、光検出器１ｏに戻り、対物レンズ
１５、コリメータレンズ１４を通り、ビームスプリッタ
１３で向きが変えられ、フォトダイオード（２）　１９
に導かれる。フォトダイオード（２）１９からはスリッ
ト２２を形成する凹凸に応じた電気信号が得られる。

２つのレーザビーム１Ｂ、７は回転円盤２０上で円周方
向にスリット２２の間隔（１，５μｍ）の３７４だけ離
れた位置に照射されており、回転円盤２０が回転するフ
ォトダイオード（１）１８とフォトダイオード（２）１
９からはそれぞれ位相が９０異なった電気信号が得られ
る。第１図の実施例では説明をわかりやすくするため、
２つのレーザ光ビームの間隔を１．５μｍ　Ｘ　３／４
として示したが、実際はレーザ光ビームの間隔の円周方
向成分がスリット間隔１．５μｍのＮ＋１八倍（Ｎは整
数）の関係であればよい。また、完全に別々の２つのレ
ーザダイオードとの２つのフォトダイオードで示したが
、それぞれ同一半導体チップ内に複数の非常に特性も揃
ったレーザダイオードまたはフォトダイオードを数十μ
ｍ離して形成した複合素子（レーザダイオードアレイ、
フォトダイオードアレイとも呼ばれている。）があり、
これを用いればよい。複合レーザダイオードのレーザ光
の間隔は調整できないが、複合レーザダイオードの取り
付は部を回転させ、レーザ光ビームの間隔の回転円盤に
対する円周方向成分がスリット間隔り、ＳμｍのＮ±１
ｈ倍（Ｎは整数）の関係になるように調整すればよい。

複合フォトダイオードは受光面積をある程度広くしてお
けば複合レーザダイオードの調整に応じた調整の必要は
ない。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明の実施例によれば、ＤＣ（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、かつ回転方
向の識別が可能な２相出力の回転検出装置を得ることが
できる。光検出器を２組用いた場合に比べて、光学系が
１つで済み、複合素子を使うことにより部品の数として
は１相出力の場合とほとんど変わらず、構造が簡単にな
り、安価に製造できるとともに信頼性が大幅に向上する
。また、レーザ光ビームの間隔は数十μｍ程度に小さく
できるので、レーザ光ビームの間隔の円周方向成分に要
求される相対的な精度が低くなり、その調整も容易であ
る。さらにそれぞれのレーザダイオード間隔やフォトダ
イオードの間隔が機械的に経年変化する心配は全くない
。

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２相出力回転検出装置が得られる。

本発明の回転検出装置を電動機の制御に用いれば、低い
速度であっても非常に滑らかに電動機を回転させること
が可能になり、非常にわずかな回転位置を制御すること
も可能になり、産業上の利用範囲は非常に広い。

以上、本発明の一実施例について述べたが、レーザ光ビ
ームの数は２つに限定されるものではなく、さらに多く
のレーザ光ビームを用い、多相出力の回転検出装置とす
ることもできる。複数のレーザ光ビームを作るのに１つ
のレーザダイオードなどのレーザ発信器から発射された
レーザ光をハーフミラ−や回折格子を用いて分割しても
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２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３図は従来の光デッスク式回転検出装置の構成
図である。ｌＯ：光検出器１１．１２　：レーザダイオード１３：ビームスブリツタ１４：コリメータレンズ１４：対物レンズ　　　　１５．１８　：レーザ光ビー
ム１７．１８　：フォトダイオード２０：回転円盤　　　　　２１ニブラスチツク２２ニス
リツト　　　　　２３二反射膜２４：保護膜　　　　　
　３０：円盤３１ニスリツト　　　　　４Ｇ、５０　：検出器４１．
５１　　：光源４２．５２　：検出用固定スリット４３．５３　：フォトトランジスタ代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　　　第子丸　　　健第１図円慧回転方向

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一方の面に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、レーザ発信器から発射されたレーザ
光を光学系を通して前記スリットの面で焦点を結ぶよう
にレーザ光ビームとして照射し、その反射光の強度を電
気信号に変換して前記スリットを読み取る光検出器とか
らなる回転検出器において、前記光検出器の光学系を通
して前記回転円盤に照射するレーザ光ビームを複数とし
、それぞれのレーザ光ビームが前記回転円盤の円周方向
の異なった位置を照射し、被回転検出体に結合された前
記回転円盤が回転すると、異なった位相の複数の電気信
号が前記光検出器から得られ、回転方向の識別が可能な
ことを特徴とする光学式の回転検出装置。
（２）請求項１に記載の回転検出装置において、前記回
転円盤に照射するレーザ光ビームの数が２つであり、被
回転検出体に結合された前記回転円盤が回転すると、前
記光検出器から得られる２つの電気信号の位相が９０°
異なり、回転方向の識別が可能なことを特徴とする回転
検出装置。