JPH0762622B2

JPH0762622B2 - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JPH0762622B2
Application number: JP63037632A
Authority: JP
Inventors: 正勝甲斐; 誠糸長; 展明中村; 幸美広瀬
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1988-02-22
Filing date: 1988-02-22
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPH01213518A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、いわゆる光学式回転検出装置に使用される、
回転円盤にピットを形成した光学式エンコーダに関す
る。

（従来の技術）第８図は従来の光学式エンコーダの外観斜視図、第９図
は第８図に示す光学式エンコーダの部分拡大図、第10図
は従来の光学式エンコーダを利用した光学式回転検出装
置の正面断面図である。

第８図、第９図に示すように、従来の光学式エンコーダ
１は円盤状ガラス板２、金属層３、複数のスリット４、
中心穴５、シャフト６およびハウジング７から構成され
ている。

円盤状ガラス板２の上面は金属層３が蒸着されており、
この金属層３は後述する発光素子11からの光線を反射す
るアルミニウムあるいはクローム等の金属からなり、そ
の外周近傍には多数のスリット４がエッチングにて環状
に形成されている。

円盤状ガラス板２の中央部には中心穴５が形成されてお
り、ここにハウジング７を介してシャフト６が挿通され
固定されている。

上記構成の従来の光学式エンコーダ１は、第10図に示す
光学式回転検出装置のケース８に軸受9,10を介して回転
自在に軸支される。発光素子11と受光素子12とは光学式
エンコーダ１の金属層３及び円盤状ガラス板２を介して
対向するようにケース８内に配置されており、これらは
シャフト６に取り付けられている図示しないスピンドル
モータ等の回転により、円盤状ガラス板２が回転した
際、金属層３のスリット４を通して発光素子11からの光
線が受光素子12に直接入射するように配置されている。
受光素子12の出力信号を増幅して波形整形を行なう増幅
・波形整形回路13もケース８内に配置される。

このような構成の光学式回転検出装置において、光学式
エンコーダ１がスピンドルモータ等（駆動手段）の回転
力により回転すると、発光素子11からの光線は金属層３
のスリット４で断続した光線として受光素子12に入射す
る。この断続した光線を受光する受光素子12は、入射光
に応じてレベルが変化する電気信号を出力する。この出
力信号は増幅・波形整形回路13に供給され、ここで増幅
され波形整形が行なわれた後、パルス信号が出力端子14
から出力される。そして、この出力端子14に接続される
図示しない計数回路でこの信号のパルスを計数すること
により、光学式エンコーダ１の回転数または回転角に応
じた回転検出信号を検出できる。

（発明が解決しようとする課題）このようにスリットを有する光学式エンコーダは、高精
度の回転用検出信号を得るためには、光学式エンコーダ
を構成する円盤状ガラス板２上に形成されたスリット４
の数を増加する必要がある。しかし、スリット４の数を
増加すると、光の回折の影響により発光素子11から受光
素子12に至る光線の変化が減少し、スリットの回転によ
る光の断続の光量変化を検知出来なくなる。

また、スリット４上に微小なゴミ等が付着すると光線を
遮ってしまうので、所定限度以上には精度良く回転検出
信号を得ることができない問題点があった。

更に、高精度の光学式エンコーダを製造するには、高価
でかつ、大量生産に不向きであるという問題点があっ
た。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、高精度な
回転検出が可能で、しかも安価な光学式エンコーダを提
供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段）本発明は上記課題を解決するために、周方向に等角度に
複数のピットが形成された反射部材、保護部材及び透明
部材を積層して成る光学式エンコーダであって、使用されるレーザ光の波長をλ、使用される光ピックア
ップの開口数をNAとした場合、小ピット幅は0.25λ/NA
より大で0.35λ/NAより小、小ピットのピッチは0.4λ/N
Aより大で0.7λ/NAより小なる小ピットの複数個より構
成されているピットを備えたことを特徴とする光学式エ
ンコーダを提供する。

（実施例）本発明の光学式エンコーダは、周知のコンパクトディス
ク（以下、CDと略記する）の記録生産装置を用いて製造
可能なものである。

第１図は本発明の光学式エンコーダの第１実施例のピッ
トの部分拡大パターン図、第２図は光学式エンコーダの
部分拡大断面図、第３図は光ビーム、ピット、検出信号
との関係図、第４図は本発明の光学式エンコーダを用い
た光学式回転検出装置の一実施例を示すブロック系統
図、第５図は第４図の動作を説明するための波形図であ
る。

本発明の光学式エンコーダ16は、周知のCDと略同一構成
のものであり、第２図に示すように、紫外線硬化樹脂等
からなる保護膜17、アルミニウム等の金属を蒸着又はス
パッタリングにより形成した反射膜18およびポリカーボ
ネート樹脂等からなる透明プラスチック19を積層し密着
して成るものである。

ピット20は、第１図に示される如く円周方向に等角度
α，α，…，の間隔をもって、この光学式エンコーダ16
が使用される際の偏心量の２倍と、後述する光ビーム22
eと22fの間隔Ｌとの和よりも半径方向に充分長い長さＸ
の形状のものが、同心円上に複数個形成され、同一円周
上のピット20の幅Ｑとピット間隙Ｐとは等しく（Ｐ＝
Ｑ）形成されているので、ピットピッチは2Pとなる。

さて、第４図において、光学式エンコーダ16の図示が省
略されているが、光学式エンコーダ16は、光ピックアッ
プ31と対向するように回転自在に軸支されており、光学
式エンコーダ16の透明プラスチック19側（第２図中、下
側）は光ピックアップ31と対向している。

光ピックアップ31は周知のコンパクトディスクプレーヤ
の光ピックアップと略同一構成であり、半導体レーザ、
ハーフミラー等の光学系、フォーカスサーボ用駆動系、
グレーティング板（回折格子板）（いずれも図示せ
ず）、及びフォトダイオード等よりなる光検出器から構
成されている。

上記グレーティング板は半導体レーザよりのレーザ光ビ
ームを３つのビームに分割するものであり、フォーカス
制御をするための信号を検出する光検出器Da,Db,Dc,Dd
は田字状に配列され、この４つの光検出器Da〜Ddからの
電気出力信号をそれぞれA,B,C,Dとし、回転検出信号を
得る光検出器De,Dfからの電気出力信号をそれぞれE,Fと
する。

電気出力信号Ａ〜Ｄはフォーカス制御部32に、電気出力
信号E,Fはエンコーダ信号処理部33にそれぞれ供給され
ている。

エンコーダ信号処理部33に供給された信号Ｅは電流・電
圧変換回路34、バッフア回路35をシリーズに介し、増幅
回路36に供給されている。同様に信号Ｆは電流・電圧変
換回路37、バッフア回路38にシリーズに介し、増幅回路
39を供給されている。

増幅回路36,39の出力信号はそれぞれ比較回路40,41に供
給されている。

そして、比較回路40の出力信号はモノマルチバイブレー
タ42とこれとは別にインバータ43を介してモノマルチバ
イブレータ44とに供給され、同様に比較回路41の出力信
号はモノマルチバイブレータ45とこれとは別にインバー
タ46を介してモノマルチバイブレータ47とにそれぞれ供
給されている。

ここで、比較回路40,41、モノマルチバイブレータ42,4
4,45,47、インバータ43,46とでパルス生成回路48を構成
しており、モノマルチバイブレータ42,44,45,47のそれ
ぞれの出力信号はOR回路49に供給され、このOR回路49の
出力信号は出力端子50よりエンコーダ出力として取り出
すようになっている。

また、51は後述するインクリメント型の光学式エンコー
ダ16の内周又は外周に設けた零番地を示すピットを検出
するためのＺ相検出器であり、52はこのＺ相検出信号の
出力端子である。

更に、光ピックアップ31の出力信号は図示を省略した
が、光学式エンコーダ16の回転を一定に制御するための
回転サーボ検出回路及び回転方向を検出する回転方向検
出回路にそれぞれ供給されている。

このような構成の光学式回転検出装置の動作の説明を第
１図乃至第５図を参照して説明する。

光学式エンコーダ１がスピンドルモータ等の駆動手段の
回転力により定速度回転すると、光ピックアップ31の半
導体レーザ素子から出力する例えば、波長が0.78μｍの
レーザ光ビームは、グレーティング板により３つに分割
されて、光ピックアップ31内臓の光学系を経た後、第１
図に図示されるように光学式エンコーダ16の表面に、こ
こでは直径1.5μｍのビーム22a,22e,22f（この３ビーム
をビーム22と総称する）として照射される。

この照射されたビーム22は、光学式エンコーダ16の透明
プラスチック19を透過して反射膜18の表面（ピット20）
に合焦し、ここで光ビーム22は反射して再び光ピックア
ップ部31内蔵の光学系を経て、光検出器Da〜Dfに入光す
るが、ビーム22aは光検出器Da〜Ddに、ビーム22eは光検
出器Deに、ビーム22fは光検出器Dfにそれぞれ入光す
る。

ここで、ピット20の深さ23は使用するレーザ光の波長の
略1/4であるので、ピット20の境界部分でレーザ光の干
渉が生じるため、上記光ビーム22の反射量は、ピット20
の境界部分で変化する。従って、光検出器Da,Db,Dc,Dd,
De,Dfはピット20を電気信号A,B,C,D,E,Fとして得ること
が出来る。

第３図は光ビーム、ピット、検出信号との関係を示す図
であり、同図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ光ビー
ムの径、ピットの断面、このピットを検出して得られる
電気信号であり、ここでは、光学式エンコーダ16の複数
のピット20の同一円周上における幅Ｑとピット間隙Ｐと
は光ビーム22の径に等しく形成されているので、電気信
号Ａ〜Ｆの波形は、第３図（Ｃ）のような、波高差は小
さいが同一円周上に配列されたピット数の２倍の周波数
の、極性変化のデューティ比が等しい信号が得られる。
なお、第３図（Ｂ），（Ｃ）は、このピット20の幅Ｑが
この光ビーム22の径に等しい場合であるが、このピット
20の幅Ｑがこの光ビーム22の径以上であれば、同一円周
上に配列されたピット数の２倍の周波数の検出信号が得
られる。

このようにして得られた電気信号Ａ〜Ｄに基づき、CDプ
レーヤ等で周知のフォーカス制御部32は、（Ａ＋Ｃ）と
（Ｂ＋Ｄ）との差が零になるようにして、光ピックアッ
プ31のフォーカスを調整する。更に、光学式エンコーダ
を定速回転あるいは回転角に保持するための回転サーボ
および回転方向の検出等がされる。

また、フォーカス制御部32は、光ビーム22aが光学式エ
ンコーダ16のピット20に合焦した時、バッファ回路35,3
8を動作させるようになっている。

一方、エンコーダ信号処理部33に供給された信号E,Fは
電流・電圧変換回路34,37でそれぞれ電圧に変換された
後、増幅回路36,39により所定レベルに増幅されて第５
図（Ａ），（Ｂ）に図示の信号ａ（Ａ相信号と呼ぶ）と
信号ｂ（Ｂ相信号と呼ぶ）とが得られる。

ここでは、Ａ相信号とＢ相信号との位相差は、電気角で
π/2ラジアンとなるようにグレーティグ板を回転させ
て、ビーム22eと22fとが回転方向に機械角度がβとなる
ように調整可能にしてある。

上記の信号ａおよび信号ｂはそれぞれ比較回路40,41に
より第５図（Ｃ），（Ｄ）に図示の矩形波の信号c,dに
波形整形がされる。この信号c,dはそれぞれインバータ4
3,46により反転されて、第５図（Ｃ′），（Ｄ′）に図
示の矩形波の信号ｃ′,d′となる。

モノマルチバイブレータ42,44,45,47は供給される矩形
波の立ち上り時に１パルスを送出するもので、それぞれ
の出力信号は、第５図（Ｅ）〜（Ｈ）に図示の信号ｅ〜
ｈとなる。これらの信号ｅ〜ｂからOR回路49により第５
図（Ｉ）に図示のＡ相信号（Ｂ相信号）を４分割した信
号ｉが得られる。

従って、Ａ相信号とＢ相信号とをそのままエンコーダ出
力信号として用いるより信号ｉを用いた方が、４倍の精
度のエンコーダ出力信号を得ることができる。

また、増幅回路35,38が送出するＡ相信号とＢ相信号と
を電気的に分割して更に高分解能のエンコーダ出力信号
得ることも可能である。

第６図は、本発明の光学式エンコーダの第２実施例のピ
ットの部分拡大パターン図であり、同図は第１図のピッ
ト20の他に角度α、ピット幅Ｑ、ピット間隙Ｐが異なる
ピット24,25または、それ以上のピットがピット20とは
それぞれ別の同心円上に形成されているものである。

この第２実施例は、１つのエンコーダにピット幅Ｑ（ピ
ット間隙Ｐ）が異なる複数のパターンを有するので、パ
ターンを選択することにより所望のエンコーダ信号を即
座に得るのに最適である。

第１図において、ピット幅Ｑ（ピット間隙Ｐ）が、例え
ば第３図（Ｄ）に示されるように使用される光ビーム22
の径より充分大なる時、検出される電気信号は第３図
（Ｅ）のような波高差が小さく、デューティ比が等しく
ないため、信号処理上において、ピット幅Ｑ（ピット間
隙Ｐ）を光ビーム22の径より充分大きくすることは、得
策でない。

第７図は、上記の場合でも最大の波高差および適切な波
形を得るためになされた、本発明の光学式エンコーダの
第３実施例のピットの部分拡大パターン図である。

同図において、使用されるビーム22より小さい小ピット
幅Ｗの円弧状の小ピット26が複数本、群をなして１つの
ピット27を形成している。ここでは複数の小ピット26は
円弧状になっているが、半径方向に配列されていても、
半径方向とは角度をなして配列されていても良い。

ここで、使用されるレーザ光の波長λを0.78μｍ、ピッ
クアップの開口数NAを0.47とした場合、得られる電気信
号レベルが最大となる小ピット幅Ｗは、λ／（3NA）で
現わせることが知られており、その結果は略0.5μｍで
ある。

このような条件の時、小ピット部分および小ピットと小
ピットとの間隙により得られる信号レベル変動が最小と
なる小ピット26の小ピットピッチＲはシミュレーション
の結果、略１μｍであることが得られた。

上記シミュレーションの結果、最適範囲は、小ピット幅
は0.25λ/NAより大で0.35λ/NAより小であり、小ピット
のピッチは0.4λ/NAより大で0.7λ/NAより小さい。

上記の光学式エンコーダ16を、エンコーダ出力よりパル
ス数をインクリメンタルに数えることにより回転速度を
検出するインクリメント型エンコーダとして用いる場合
には、ここでは図示しないが、光学式エンコーダ16の内
周又は外周に零番地を示すピットを形成することは勿論
である。

（発明の効果）上述したように、本発明の光学式エンコーダは、従来の
ものに比較して、ピットの数を極めて多く形成すること
で、回転検出の精度を向上させることが出来ると共に、
CDの記録生産装置を用いて製造可能なものであり、同一
のものが大量に製造出来、安価である特長がある。

ピットを径方向に長くすることにより、光学式エンコー
ダを回転検出装置に取り付けて使用される際に偏心等が
あっても一定レベルの回転検出信号が得られる特長があ
る。

１つのエンコーダにピット幅（ピット間隙）が異なる複
数のパターンを有することで、汎用性の有する光学式エ
ンコーダが得られる。

前記ピットの幅を使用されるレーザ光の光ビーム径以上
としたから、同一円周上に配列されたピット数の２倍の
周波数の検出信号が得られる。

検出される信号レベルが最大となる小ピット幅、信号レ
ベル変動が最小となる小ピットピッチより成る小ピット
群によるピットパターンを形成することで、回転検出の
精度を向上させることが出来る特長がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式エンコーダの第１実施例のピッ
トの部分拡大パターン図、第２図は光学式エンコーダの
部分拡大断面図、第３図は光ビーム、ピット、検出信号
との関係図、第４図は本発明の光学式エンコーダを用い
た光学式回転検出装置の一実施例を示すブロック系統
図、第５図は第４図の動作を説明するための波形図、第
６図，第７図は本発明の光学式エンコーダの第２および
第３実施例のピットの部分拡大パターン図、第８図は従
来の光学式エンコーダの外観斜視図、第９図は第８図に
示す光学式エンコーダの部分拡大図、第10図は従来の光
学式エンコーダを用いた光学式回転検出装置の正面断面
図である。 16……光学式エンコーダ、17……保護部材、18……反射
部材、19……透明プラスチック（透明部材）、20,24,2
5,27……ピット、26……小ピット、α，α′……中心
角、λ……波長、NA……開口数、Ｐ……ピット間隙、Ｑ
……小ピット幅、Ｒ……小ピットピッチ、Ｗ……ピッチ
幅。

フロントページの続き審査官尾崎淳史 (56)参考文献特開昭60−100013（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−201521（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周方向に等角度に複数のピットが形成され
た反射部材、保護部材及び透明部材を積層して成る光学
式エンコーダであって、使用されるレーザ光の波長を
λ、使用される光ピックアップの開口数をNAとした場
合、小ピット幅は0.25λ/NAより大で0.35λ/NAより小、
小ピットのピッチは0.4λ/NAより大で0.7λ/NAより小な
る小ピットの複数個より構成されているピットを備えた
ことを特徴とする光学式エンコーダ。