JPS63153425A - 回転量検出装置 - Google Patents

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】 発明の要約 回転円板に円周状に一定ピッチで設けられた凹凸パター
ンに集束する光ビームを投射し、その反射光または透過
光の凹凸パターンでの干渉効果による０次光強度の変化
を検出することによって回転円板の回転車（回転角２回
転数）を測定する。

光の回折効果を積極的に利用しているので高分解能でか
つ小型の回転量検出装置（ロータリイ・エンコーダ）を
実現できる。

発明の背景 技術分野 この発明は１通称ロータリイ・エンコーダと呼ばれるタ
イプの回転量（回転角１回転数を含む）検出装置に関す
る。

従来技術とその問題点 回転量検出装置は広い分野にわたって応用されている。

たとえば、産業用ロボットのアームの角度検出２位置検
出、ＮＣ工作機械におけるＸＹテーブルやツールの位置
検出、自動製図機、その他各種自動機器における可動部
分の位置検出等々である。

従来の光学式ロークリ・エンコーダは、放射状にのびる
多数のスリットか周辺に一定間隔（ピッチ）で円周状に
刻まれた回転円板、この回転円板の周辺の一部に対向し
て配置され同じようにスリットが形成された固定スリッ
ト板、およびこれらの回転円板および固定スリット板の
スリット形成位置を挟むように配置された投、受光素子
から構成されている。投光素子から投射され回転円板お
よび固定スリット板のスリットを通過した光が受光素子
で受光される。受光素子の出力信号を波形整形し、その
パルス間隔を検出することにより回転速度が、パルス数
を計数することにより回転角（回転数）がそれぞれ測定
される。

固定スリット板に位置が１／４ピツチずれた２種類のス
リットを設けておき、これらのスリットをそれぞれ光が
通過するように構成してそれぞれの通過光を検出するこ
とにより正、逆回転を判別するようにしたものもある。

さらに原点位置検出のために１回転円板に１個のスリッ
トを、これに対向して固定スリット板にも１個のスリッ
トをそれぞれ追加して形成し、これらのスリットを光か
通過するように構成した装置もある。

このようなスリットが形成された回転円板および固定ス
リット板をもつ従来の回転量検出装置においては２回転
円板の径を一定に保ったままスリット数を増加させると
、スリットの間隔が狭まるために光の回折現象が生じる
ので２分解能を上げるには限界があった。高分解能を得
るためには円板を大型化することが考えられるが、そう
すると装置全体が大型化してしまい、用途が大幅に制限
される。たとえば、スリットを通過する光が回折しない
ことおよび回転円板の偏芯を考慮してスリット・ピッチ
を１００μｍと仮定したとすると。

１四転（３６０°）　１０，０００パルスの分解能を得
るためには回転円板の直径を３１８訂以上にしなければ
ならない。これではあまりに形状が大きくなって現実的
ではない。

発明の概要 発明の目的 この発明は、比較的小型でかつ高分解能を達成できる回
転量検出装置を提供することを目的とする。

発明の構成と効果 この発明による回転量検出装置は１回転中心を中心とす
る円周にそって表面に一定ピッチで凹凸パターンが形成
された回転円板１回転円板の凹凸パターンに集束光を照
射する投光手段、および回転円板からの反射光または透
過光の凹凸パターンによる光の回折による強度変化を検
出する受光手段を備えていることを特徴とする。

受光手段で受光した光信号を電気信号に変換し、その電
気信号をさらに波形整形して一連のパルスを得る。この
パルス間隔の検出によって回転速度を、パルス数を５−
１数することによって回転角をそれぞれ測定することが
できる。

凹凸パターンのピッチをΔ１１回転板の直径をｄとする
と分解能Ｍは１Ｍく（π×ｄ）／Δで決−４一 定される。

投光手段によって光ビームをそのスポット径が１μｍ程
度になるまで集光させることかり能であり、一方、凹凸
パターンはサブミクロン・オーダで加工することが可能
である。この発明では光の回折を積極的に利用している
ので、このような微細な凹凸パターンを用いることがで
きる。たとえばＡ　＝　２　ｐ　ｍとした場合に、　Ｍ
　＝　１０．０（１０（パルス／回転）の分解能を得る
ためには回転円板の直径ｄは８．４ｍｍ以上であればよ
い。直径ｄが８４ｍｍ以上のものを用いると、実に１０
０，０００（パルス／回転）の分解能を得ることができ
る。このようにして、比較的小型でかつ高分解能の回転
量検出装置が実現する。

実施例の説明 まず適用可能な光学系のタイプについて説明する。

第１図は垂直入射の反射形を、第２図は斜め入射の反射
形を、第３図は透過形をそれぞれ示している。

これらの図において２回転軸１０には回転円板１１がそ
の中心で固定されており１回転円板１１は回転軸１０と
一緒に回転する。回転円板１１の周辺にそって一定ピッ
チで凹凸パターン１２が形成されている。この凹凸パタ
ーン１２の詳細については後述する。

第１図に示す垂直入射反射形において、投光受光部２０
は１発光素子２またとえばレーザ・ダイオード、この発
光素子２１の出力光を回転円板１１の凹凸パターン１２
上に集光させるとともに凹凸パターン１２からの反射光
を集光するレンズ系２２１反射光を偏向するためのビー
ム・スプリッタ２３．および集光される反射光を受光す
るための受光素子２５から構成されている。このタイプ
のものにおいては。

投光素子２１と受光素子２５とが回転円板１１の一面側
にあるので、投光受光部をコンパクトにまとめることが
できる。またこのタイプの特徴は、投射光が回転円板１
１に垂直に入射する点にある。　　　′第２図に示す斜
め入射反射形においては、好ましくは発光素子２１と受
光素子２５とが回転円板１１の径方向に離れている。そ
して１発光素子２１からの投射光がレンズ系２２で集光
されながら回転円板１１の而に対して斜めに入射し、斜
めに反射した光がレンズ系２４で集光されて受光素子２
５に受光される。このタイプの特徴は、第１図の垂直入
射反射形と比較するとビーム・スプリッタ２３が不要と
なる点にある。

第３図に示す透過形においては１発光素子２■と受光素
子２５との間に回転円板１１が位置している。

回転円板１１は透明体で作製されている。発光素子２■
の投射光は集光レンズ系２２で回転円板１１の凹凸パタ
ーン１２上に集光され９回転円板１１の凹凸パターン１
２の部分を透過した光がレンズ系２４で集光されて受光
索子２５に受光される。

いずれのタイプのものにおいても、受光素子２５から出
力される電気信号が波形整形されることにより１回転円
板１１の回転にともなって一連のパルスが得られる。こ
のパルスを計数することによって回転円板１１の回転角
が検出される。

次に動作原理について説明する。

第４図は垂直入射反射形の動作原理を示している。（Ａ
）は入射光の照射位置に凹凸パターンが無い場合、（Ｂ
）は凹凸パターン（図示の例では凸部）１２がある場合
である。凸部１２の反射面１１Ａからの高さｈは入射光
の波長をλとするとλ／４程度がよい。凸部１２の頂部
も反射面となっている。これらの反射面は回転円板１１
の表面にたとえばアルミニウム薄膜を蒸着することによ
って形成することができる。凸部１２の大きさ、すなわ
ち凸部１２が平面からみて円形の場合にはその直径φ□
または凸部１２が長円ないしは細長い矩形の場合にはそ
の短径ないしは幅φ　は、入射集束光ビームの光径（ス
ポット径）２ω。の半分程度とすることが好ましい。

第４図（Ａ）において、入射光Ａの照射位置に凸部１２
が存在しない場合には、入射光のほとんどは反射して反
射光Ｂ。（０次光）となる。これが受光素子２５によっ
て受光される。第４図（Ｂ）において、入射光Ａか凸部
１２を照射しているときには、入射光のほとんどが１反
射面１１Ａでの反射光と凸部１２頂部での反射光の重な
りで生じる回折光（＋１次光、−１次光）Ｂｔとなり、
０次光は減少する。したがって、受光素子２５の受光信
号レベルも減少する。このようにして凸部１２の存在が
受光素子２５の受光信号のレベルに反映する。

凹凸パターンとしては凸部のみならず凹部でもよいのは
いうまでもない。

斜め入射反射形の場合にも同じような原理の動作が行な
われる。

第５図は透過形の動作原理を示している。第５図（Ａ）
は凹凸パターンが無い場合であり、この場合には入射光
Ａのほとんどすべてが透明回転円板１１を透過してθ次
透過光Ｂ。として受光素子２５に受光されるので、受光
素子２５の受光信号は高いレベルを示す。

第５図（Ｂ）に示すように、入射光Ａの照射位置に四部
１２が存在すると、入射光のほとんどが＋１次透過光、
−１次透過光Ｂ１となるので、受光素子２５に受光され
る光は減少しその受光信号のレベルも低下する。このよ
うにして、透過形においても、四部１２の存在の有無が
受光索子２５の出力受光信号のレベルの変化として現わ
れる。

第６図から第８図は垂直入射反射形の回転量検出装置の
具体例を示している。

これらの図において２回転軸１０にその中心で固定され
た回転円板１１には、その外周にそって多数の円形凹部
１２が一定ピッチへ　で配列形成されている。回転円板
１１は、凹部１２が形成された樹脂等よりなる透明基板
１１ａと、その上に形成された薄い反射膜１１ｂとから
なり、必要ならば四部１２゜反射膜１１ｂを保護するた
めに反射膜１１ｂ上に保護膜を形成するとよい。ピッチ
Δ　は、入射光径２ω　以上であることが必要である。

２ω。＝１μｍとすれば、Ａ　はミクロンオーダとする
ことができるので、きわめて多数の凹部１２を形成でき
、高分解能の回転円板１１が得られる。

投光受光部２０は、光源としての半導体レーザ２１（た
とえば波長λ−０，７８μｍ）、このレーザ２１から出
射された光を平行化するためのコリメータ・レンズ２２
Ａ、偏光ビーム・スプリッタ（１／４波長板を含む）２
３．このビーム・スプリッタ２３を通過した光を回転円
板１１．−１’、に集光するための（たとえば、スポッ
ト径２μｍ以下）および回転円板１１からの反射光を平
行化するための集束レンズ２２Ｂ２回転円板１１で反射
され、レンズ２２Ｂで平行化され、さらに偏光ビーム・
スプリッタ２３て直角に曲げられた反射光を集光するた
めの受光レンズ２２Ｃ１ならびにこの集光された光を受
光し、電気信号に変換するフォトダイオード２５から構
成されている。

上述したように四部１２（第６図において部分１２は入
射光に対しては凸部となる）の存在の有無によってその
反射光強度が変動し、これによってフォトダイオード２
５の受光信号のレベルが変動する。したがって１円板１
１が１ピツチ八　の角度たけ回転すると１周期のレベル
変動信号が得られる。フォトダイオード２５の出力信号
を波形整形すると、この１周期のレベル変動で１個のパ
ルスが得られる。

たとえば、ピッチ八　を４μｍ２回転円板１１の−Ｉ　
１　　− 中心から凹部Ｉ２の位置までの距離（半径）を２，５ｃ
ｍとすると７回転円板ＩＩ上には２　、ｙｒ　Ｘ　２５
．０００／　４−３９，２５０個の凹部１２が並んでい
ることになる。

３９．２５０／　３８０−０．０１２３であるから、１
パルス当りの回転角は０．０１２３°ということになり
、このように高分解能で回転角度が検出される。他方。

ＰＩＮフォトダイオードで５０ｎｓｅｃの応答速度のも
の（付加抵抗１にΩ）が存在するから、最大応答周波数
はｌＯＭＨｚが可能（立上りと立下りを考慮）となる。

第９図は回転円板の他の例を示している。凹凸パターン
１２として比較的長さΩ　の長い長円形状のちのが採用
されている。この回転円板１１は１回転円板ＩＩの偏芯
などによって入射光による凹凸パターンの照射位置が多
少ずれたとしても２回転は検出か可能であり、偏芯に対
する許容範囲か広いという特長をもつ。

第９図に鎖線で示すように、」二連の凹凸パターン１２
の列に加えて、もう１列の凹凸パターン１３の列を同心
円状に形成しかつこれらの凹凸パターン１３の周方向の
位置を凹凸パターン１２とＡ　　／４だけずらしておく
ことにより、そしてこれらの凹凸パターン１３からも同
じように反射光信号を得ることによって１円板１１の回
転方向を判別することができるようになる。この場合、
凹凸パターン１３の列からの反射光信号はもう１つの投
光受光部を設けてこれによって得るようにしてもよいし
、第６図に示す投光受光部によって２分割ビーム（また
は３分割ビーム）を作成し、これらの光ビームを各列の
凹凸パターンに照射するようにしてもよい。後者の場合
には、レンズ２２Ａによって平行化された光ビームを３
ビームに分割するために、レンズ２２ＡとビームΦスプ
リッタ２３との間に回折格子を設け（３ビームのうち２
ビームのみを用いる）、フォトダイオード２５としても
分割されかつ反射した光ビームをそれぞれ別個に受光す
る構成のものを採用する。

さらに１回転円板１１上の基準角度位置に１個の凹凸パ
ターンを作製し、上記３ビームに分割されたビームのう
ちの１つによってこの凹凸パターンを照射しかつその反
射光を受光するようにすれば回転円板１１の絶対角度位
置（原点位置）の検出も可能となる。

回転円板はたとえば次のようなプロセスで作製すること
ができる。

平板上にフォトリソグラフィ、電子線リソグラフィ等の
方法で凹凸パターンを形成する。次にこの凹凸パターン
から電鋳法なとを用いてスタンパを作製する。このスタ
ンパを用いて射出成形法等により凹凸パターンをもつ回
転円板を作製する。

回転円板は量産可能である。反射形の場合には。

回転円板の凹凸パターン上にアルミニウムなどを蒸着し
て反射膜を形成する。

従来のロータリ・エンコーダにおける回転円板にはスリ
ットがあり、このスリット形成のためにエツチング・プ
ロセスか必要であったが、この発明による凹凸パターン
をもつ回転円板の作製にはＬ述のようにエツチングは不
要である。しかも凹凸パターンをもつ回転円板は成形法
によって多量生産か可能である。

上記投光受光部において、レンズ２２Ｂによる集束光の
スポットが常に円板１１上にあるようにレンズ２２Ｂの
焦点位置を制御するためのフォーカシング駆動制御系を
設けておくことか好ましい。

第１０図および第１１図は非点収差法を用いたフォーカ
ス・エラー検出光学系を示している。

回転円板１１からの反射光が集束レンズ２２Ｂを経てシ
リンドリカル・レンズ２６に入射している。正しいフォ
ーカシングが行なわれているときのシリンドリカル拳レ
ンズ２６のＸ方向の焦点とＺ方向の焦点との間のＰで示
す位置に、第１１図に示すような４分割のフォトダイオ
ードが配置されている。

これらの４つのフォトダイオ−ドロ、ｂ、ｃ。

ｄは第１２図に示されているように、フォトダイオード
ａとｂの出力信号が和動増幅器３１で、同Ｃとｄの出力
が和動増幅器３２でそれぞれ加算され。

さらにこれらの増幅器３１．３２の出力が差動増幅器３
３に送られる。

第１０図に実線で示すように回転円板１１とレンズ２２
Ｂとが正しいフォーカス位置にある場合には。

第１１図（Ａ）に示すように、シリンドリカル・レンズ
２６からの光のスポットはＰ点で真円になり。

４つのフォトダイオードａ　−ｄの出力信号のレベルは
等しい。したかって、差動増幅器３３の出力は０を示す
（金集）。

第１０図に破線で示すように１回転円板１１がレンズ２
２Ｂに相対的に近づいた場合には、第１１図（Ｂ）に示
すように、フォトダイオードａおよびｂが他のフォトダ
イオードｃ、ｄよりも多くの光を受光し、この結果、差
動増幅器３３の出力は正のレベルになる（近）。逆に回
転円板ＩＩがレンズ２２Ｂから相対的に遠ざかった場合
には、第１１図（Ｃ）に示すようにフォトダイオードｃ
、ｄの出力が増大し、差動増幅器３３の出力は負になる
。このようにして、フォーカス・エラーの検出信号か差
動増幅器３３から得られる。このフォーカス・エラー検
出信号のレベルは、フォーカスからのずれ（変位）に対
して８字カーブを描く。

集束レンズ２２Ｂは、磁気回路または圧電体材料を含む
フォーカス制御アクチュエータ３５に支持されている。

そして、フォーカス・エラー信号が位相補償ドライブ回
路３４に送られ、この回路３４によってフォーカス・エ
ラー信号が０になるようにアクチュエータ３５か駆動さ
れ、レンズ２２Ｂの回転円板１１に対する位置が制御さ
れる。

このようなフォーカシング制御を行なうことによって、
耐環境性の向上２組立精度の緩和、高分解能下でのエラ
ーの低減などが図られる。

すなわち、振動、加速度、温度変化などに帰因して光学
系が変動するが、とくに回転量検出装置はロボット腕な
どの可動部に用いられることが多いので、上述のフォー
カシング制御装置によってこれに対処することができる
。

また９組立精度が多少悪くても、フォーカシング制御に
よって常に正しいフォーカシングを行なうことができる
。

さらに１回転量検出装置の分解能は、凹凸パターンのピ
ッチを短くするとともに、集光スポット径を小さくする
ことにより向上させることかできる。集光スポット径を
小さくすると焦点深度か浅くなる。したがって９回転円
板のわずかなブレに対しても検出エラーを生じやすくな
る。フォーカシング制御を行なうことにより検出エラー
を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は適用可能な光学系のタイプを示すも
ので、第１図は垂直入射反射形、第２図は斜め入射反射
形、第３図は透過形であり、第４図および第５図は動作
原理を示し、第４図は垂直入射反射形の場合、第５図は
透過形の場合であり、いずれも（Ａ）は凹凸パターンが
無い状態。 （Ｂ）は凹凸パターンがある状態をそれぞれ示している
。 第６図から第８図はこの発明の実施例を示し。 第６図は投光受光部を示し、第７図は回転円板の一部の
平面図、第８図は第７図、の■−■線にそう断面図、第
９図は回転円板の他の例を示す平面図である。 第１０図および第１１図はフォーカス・エラー検出部を
示し、第１０図はその光学系を、第１１図は４分割フオ
ドダイオードをそれぞれ示しており、第１１図（Ａ）は
正しいフォーカシングが行なわれている場合、同（Ｂ）
は近い場合、同（Ｃ）は遠い場合であり、第１２図はフ
ォーカス・エラー検出およびフォーカシング制御回路を
示すブロック図である。 １１・・・回転円板、　　　　　１２・・・凹凸パター
ン。 ２０・・・投光受光部、２１・・・発光素子。 ２２、２２Ａ、　２２Ｂ、　２２Ｃ，２４・・・集光レ
ンズ。 ２３・・・ビーム舎スプリッタ。 ２５・・・受光素子。 以　　上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転中心を中心とする円周にそって表面に一定ピ
   ッチで凹凸パターンが形成された回転円板、回転円板の
   凹凸パターンに集束光を照射する投光手段、および 回転円板からの反射光または透過光の凹凸パターンによ
   る光の回折による強度変化を検出する受光手段、 を備えている回転量検出装置。
2. （２）投光手段による投射光の回転円板上へのフォーカ
   ス・エラーを検出する手段、およびフォーカス・エラー
   検出信号に基づいてフォーカス・エラーが零になるよう
   に投光手段のフォーカス・レンズの位置を調整するフォ
   ーカシング制御手段、 を備えている特許請求の範囲第（１）項に記載の回転量
   検出装置。