JPH073343B2 - 反射型光学式エンコーダ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンコーダ板に形成したピット列をレーザ光
線により読み取ることにより、回転又は直線速度や位置
を検出する光学式エンコーダ装置に関する。

（従来の技術） 近年、光学式ロータリエンコーダ装置等の光学式エンコ
ーダ装置は広く使用されている。この光学式ロータリエ
ンコーダ装置は、この装置の入力軸を被測定物の駆動軸
と直結することにより、この駆動軸の回転速度や位置を
光学的に検出するものである。

この光学式ロータリエンコーダ装置には、スリットやピ
ットを形成したロータリエンコーダ円板の回転による透
過光の変化によりこのスリットやピットを検出する透過
型と、スリットやピットを形成したロータリエンコーダ
円板の回転による反射光の変化によりこのスリットやピ
ットを検出する反射型とがある。

この反射型光学式ロータリエンコーダ装置は、ロータリ
エンコーダ円板の表面に光ディスク、コンパクトディス
ク等の製造方法により形成したスリットやピット（凹部
又は凸部）を、この円板の円周方向に所定のパターンで
リング状に配置したエンコーダトラックを、レーザ読取
装置により、レーザ光線の反射光の強弱の変化を電気信
号に変えて読み取るものである。

第２図は、第１図及び第７図の装置で使用されるロータ
リエンコーダ円板の例を示す構成図で、同図（Ａ）は平
面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の部分拡大平面図、同図
（Ｃ）は同図（Ｂ）のＸ−Ｘ線拡大断面図である。

図において、ロータリエンコーダ円板１は、コンパクト
ディスク等の製造方法により製造された、凹部又は凸部
であるピット３がその一表面に所定数、等間隔にリング
状に形成された、例えばポリカーボネート樹脂等の透明
プラスチック製の円板状の基板1aと、この基板1aのこの
ピット３が形成された表面にアルミニウム等の金属の蒸
着又はスパッタリングにより形成された反射膜1bと、こ
の反射膜1bに密着して積層された紫外線硬化樹脂等から
なる保護膜1cとよりなる。以降の説明は、このピット３
がこの基板1a側から見て、このピット３以外の平坦部分
であるランド部４に対して凸部である例について述べ
る。

このピット３の円周方向の長さは、このピット３をこの
基板1a側から読み取るための後述する反射型光学式ロー
タリエンコーダ装置に備えたレーザ読取装置（図示せ
ず）からのレーザ光線による光スポット16,26の径以上
であり、径方向の幅は、この光スポット16,26の径より
狭く、例えば略1/4に、又、高さは例えばこのレーザ光
線の波長λの光学的に略1/4相当に形成されている。
又、このピット３とピット３の間の前記ランド部４の円
周方向の長さは、このピット３の円周方向の長さと等し
く形成されている。そして、このピット３とピット間の
ランド部４とが交互にリング状に、中心穴５と同心円状
に配置されたエンコーダトラック２の凹凸パターンを、
後述するレーザ読取装置により読み取るのである。

以上のような構成のロータリエンコーダ円板１は、本発
明の一実施例及び従来例の反射型光学式ロータリエンコ
ーダ装置に組み込まれ使用される。

第７図は、従来の反射型光学式ロータリエンコーダ装置
の例を示す概略構成図である。

前記ロータリエンコーダ円板１は、前記中心穴５を軸受
（図示せず）に軸支された入力軸６に固定され一体的に
回転する。この入力軸６は、被測定物の駆動軸（図示せ
ず）と直結され、これにより回転駆動される。そして、
レーザ読取装置７−２により、前記エンコーダトラック
２のピット３とピット間のランド部４とによる凹凸パタ
ーンを読み取り、これによりこの駆動軸の回転速度や位
置を検出するのである。

即ち、このレーザ読取装置７−２は、半導体レーザ発振
器８、グレイティング偏光板９−２、コリメートレンズ
10、偏光ビームスプリッタ11、1/4波長板12、対物レン
ズ13、円柱レンズ14、フォトダイオード15等から構成さ
れている。

この半導体レーザ発振器８からのレーザ光線は、このグ
レイティング偏光板９−２により３本のビームに分けら
れる。この３本ビームは、前記コリメートレンズ10、偏
光ビームスプリッタ11、1/4波長板12、対物レンズ13を
通り、前記ロータリエンコーダ円板１のエンコーダトラ
ック２に、前記ピット３のピッチと等しいピッチの光ス
ポット（Ａ）26A、光スポット（Ｆ）26F、光スポット
（Ｂ）26Bとして照射される。この３つの光スポット
（Ａ），（Ｆ），（Ｂ）を光スポット26と総称する。こ
の中央の光スポット（Ｆ）26Fは、後述するフォーカス
サーボ用及び前記エンコーダトラック２の読み取り用
に、この両側の光スポット（Ａ）26A,（Ｂ）26Bは、後
述するトラッキングサーボ用に使用される。

前記ロータリエンコーダ円板１の反射膜1bの表面上で反
射した前記３本ビームの反射光は、前記対物レンズ13、
1/4波長板12を通り、この1/4波長板12を２回通ったこと
により入射光と90°位相が異なるため、前記偏光ビーム
スプリッタ11で反射されず通過し、前記円柱レンズ14を
通って前記フォトダイオード15で電気信号に変換され、
増幅器18−２を介して信号として出力される。

ここで、前記光スポット26が前記ピット間のランド部４
を照射した場合は、この反射光の殆んどがこのフォトダ
イオード15に入射する。又、この光スポット26がこのピ
ット３上を照射した場合は、このピット３の頂部からの
反射光とこのランド部４からの反射光とでは（1/4波
長）×２の光路長の差が生じるため、この反射光は相互
に干渉し、又、回折することにより強度が減少する。こ
の反射光の強度変化は、このフォトダイオード15で電気
信号に変換される。

次に、上記従来例及び後述する本発明の一実施例の反射
型光学式ロータリエンコーダ装置において、前記ロータ
リエンコーダ円板１の前記入力軸６への取付精度による
面振れに対して、前記レーザ光線の光スポット26の焦点
をこの円板１の板面に追従させる、いわゆるフォーカス
サーボについて説明する。

第５図は、第１図及び第７図の装置におけるフォーカス
サーボの説明図であり、同図（Ａ）は板面が近過ぎる場
合、同図（Ｂ）は板面が正しい焦点位置の場合、同図
（Ｃ）は板面が遠過ぎる場合である。

第１図及び第７図の前記フォトダイオード15の前記中央
の光スポット（Ｆ）16F,26Fに対応した反射光スポット
（Ｆ）17F,27Fを受ける部分は、第５図に示すように、
４分割フォトダイオード15Fとなっている。この４分割
フォトダイオード15Fのそれぞれ対角線上の２個の出力
は合成され、それぞれ差動増幅器18F,18−2Fの両入力端
子に供給される。そして、同図（Ｂ）に示すように、前
記ロータリエンコーダ円板１が正しい焦点位置に有る場
合は、前記反射光スポット（Ｆ）17F,27Fがこの４分割
フォトダイオード15Fに均等に当たるから、この差動増
幅器18F,18−2Fの出力は０となり、フォーカスサーボ回
路19（第１図、第７図）は作動しない。同図（Ａ），
（Ｃ）に示すように、このロータリエンコーダ円板１が
近過ぎる場合、又は遠過ぎる場合は、前記円柱レンズ14
によって、この反射光スポット（Ｆ）17F,27Fの形状は
長円形となり、その結果としてこの差動増幅器18F,18−
2Fからフォーカスサーボ信号が出力される。このフォー
カスサーボ信号に応じて前記フォーカスサーボ回路19
は、フォーカスサーボアクチュエータ21（第１図、第７
図）を駆動することにより、前記対物レンズ13を正しい
焦点位置に修正する。以上の動作により前記レーザ光線
の光スポット16,26は、前記ロータリエンコーダ円板１
の反射膜1bの表面上に、常に焦点が合うように制御され
る。

次に、上記従来例の反射型光学式ロータリエンコーダ装
置において、このロータリエンコーダ円板１の前記入力
軸６への取付精度による偏心に対して、このレーザ光線
の光スポット26をこの円板１の前記エンコーダトラック
２に追従させる、いわゆるトラッキングサーボについて
説明する。

第８図は、第７図の装置におけるトラッキングサーボ及
び検出信号出力部の説明図であり、同図（Ａ）は光スポ
ットとピットとの関係を示す図、同図（Ｂ）は反射光ス
ポットとダイオードとの関係を示す図である。

同図（Ａ）に示すように、前記３本ビームによる光スポ
ット（Ａ）26A,（Ｆ）26F,（Ｂ）26Bは、前記エンコー
ダトラック２のピット３の列に対して、前記グレイティ
ング偏光板９−２によりこの両側の光スポット（Ａ）26
A,（Ｂ）26Bがそれぞれ反対方向にずれるように照射さ
れる。又、第７図の前記フォトダイオード15の、この３
つの光スポット（Ａ）26A,（Ｆ）26F,（Ｂ）26Bに対応
した反射光スポット（Ａ）27A,（Ｆ）27F,（Ｂ）27Bを
受ける部分は、第８図（Ｂ）に示すように、この反射光
スポット（Ａ）27A,（Ｂ）27B用の２個のフォトダイオ
ード15A,15B及びこの反射光スポット（Ｆ）27F用の前述
の４分割フォトダイオード15Fとなっている。

この２個のフォトダイオード15A及び15Bの出力は、差動
増幅器18−2Tの両入力端子に入力される。そして、前記
光スポット（Ａ）26A及び（Ｂ）26Bの前記ピット３の列
からのずれに応じた、前記反射光スポット（Ａ）27A及
び（Ｂ）27Bの光量の変化は、この差動増幅器18−2Tに
よりトラッキングサーボ信号として出力される。このト
ラッキングサーボ信号に応じてトラッキングサーボ回路
20（第７図）が、トラッキングサーボアクチュエータ22
（第７図）を駆動することにより、前記光スポット
（Ｆ）26Fの中心を常にこのピット３の列、即ち前記エ
ンコーダトラック２が通るように、常に前記光スポット
26に対してこのエンコーダトラック２の径方向の位置修
正が施される。

又、前記反射光スポット（Ｆ）27Fからこのエンコーダ
トラック２の検出信号を得る場合は、前記４分割フォト
ダイオード15Fの全出力は、前記増幅器18−2Aにより加
算され、検出信号として出力される。

（発明が解決しようとする課題） 以上のような構成の従来例の反射型光学式ロータリエン
コーダ装置では、回転方向を検出するための、位相差が
電気角90°の２つの検出信号（この２つの検出信号をＡ
相信号及びＢ相信号と呼ぶ）を得ることが出来ない。前
記３本ビームを４本ビームに増加すれば、勿論可能であ
るが、コストアップとなる。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、レーザ読
取装置からの３本ビームにより、フォーカスサーボ及び
トラッキングサーボを施し、しかも、Ａ相信号及びＢ相
信号の２つの検出信号が得られる反射型光学式ロータリ
エンコーダ装置等の反射型光学式エンコーダ装置を提供
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） 本発明の反射型光学式エンコーダ装置は、被測定物の回
転又は直線運動と応動するエンコーダ板に所定数のピッ
トを等間隔に配置したエンコーダトラックを形成し、こ
のエンコーダトラックをレーザ読取装置によりレーザ光
線の反射光の強弱の変化を電気信号に変換して読み取る
ことにより、前記被測定物の回転又は直線速度や位置を
検出する反射型光学式エンコーダ装置において、前記ピ
ット及びピット間が共に等しい長さｌであるエンコーダ
トラックを有するエンコーダ板と、このエンコーダトラ
ック中の同一トラック上に揃えて３本ビームによる所定
径の３つの光スポットを照射するレーザ読取装置とを備
え、この３つの光スポット間のピッチＰが であり、この３つの光スポットの内、中央の光スポット
をフォーカスサーボ用及びトラッキングサーボ用に使用
するよう構成することにより、前述の目的を達成するも
のである。

（実施例） 本発明の反射型光学式エンコーダ装置は、レーザ読取装
置からの３本ビームによる３個の光スポットの内、中央
の光スポットによりフォーカスサーボ及びトラッキング
サーボを施すためのサーボ信号を得、両側の光スポット
によりＡ相信号及びＢ相信号を得るものである。前述の
従来例の場合と同様に、反射型光学式ロータリエンコー
ダ装置の例について説明する。

第１図は、本発明の反射型光学式エンコーダ装置の一実
施例である反射型光学式ロータリエンコーダ装置の例を
示す概略構成図である。

従来の技術説明で述べた前記ロータリエンコーダ円板１
は、前記中心穴５を軸受（図示せず）に軸支された入力
軸６に固定され一体的に回転する。この入力軸６は、被
測定物の駆動軸（図示せず）と直結され、これにより回
転駆動される。そして、レーザ読取装置７により、前記
エンコーダトラック２のピット３とピット間のランド部
４とによる凹凸パターンを読み取り、これによりこの駆
動軸の回転速度や位置を検出するのである。

即ち、このレーザ読取装置７は、半導体レーザ発振器
８、グレイティング偏光板９、コリメートレンズ10、偏
光ビームスプリッタ11、1/4波長板12、対物レンズ13、
円柱レンズ14、フォトダイオード15等から構成されてい
る。

この半導体レーザ発振器８からのレーザ光線は、このグ
レイティング偏光板９により３本のビームに分けられ
る。この３本ビームは、前記コリメートレンズ10、偏光
ビームスプリッタ11、1/4波長板12、対物レンズ13を通
り、前記ロータリエンコーダ円板１のエンコーダトラッ
ク２に、後述する前記ピット３のピッチより狭いピッチ
Ｐの光スポット（Ａ）16A、光スポット（Ｆ）16F、光ス
ポット（Ｂ）16Bとして照射される。この３つの光スポ
ット（Ａ），（Ｆ），（Ｂ）を光スポット16と総称す
る。この中央の光スポット（Ｆ）16Fは、後述するフォ
ーカスサーボ用及びトラッキングサーボ用に、この両側
の光スポット（Ａ）16A,（Ｂ）16Bは、後述する前記エ
ンコーダトラック２の読み取り用に使用される。

前記ロータリエンコーダ円板１の反射膜1bの表面上で反
射した前記３本ビームの反射光は、前記対物レンズ13、
1/4波長板12を通り、この1/4波長板12を２回通ったこと
により入射光と90°位相が異なるため、前記偏光ビーム
スプリッタ11で反射されず通過し、前記円柱レンズ14を
通って前記フォトダイオード15で電気信号に変換され、
増幅器18を介して信号として出力される。

前記光スポット16による前記ピット３の読み取りの原理
は、従来例の場合と同じであるから説明を省略する。

又、この光スポット16の焦点を前記円板１の板面に追従
させるフォーカスサーボは、第５図により従来の技術説
明で述べた通りであるから、説明を省略する。

次に、上記本発明の一実施例の反射型光学式ロータリエ
ンコーダ装置において、この光スポット16をこの円板１
の前記エンコーダトラック２に追従させるトラッキング
サーボについて説明する。

第６図は、第１図の装置におけるトラッキングサーボ及
び検出信号出力部の説明図である。

本発明の一実施例の装置においては、前記３本ビームに
よる中央の光スポット（Ｆ）16Fに対応した反射光スポ
ット（Ｆ）17F及びこれを受ける４分割フォトダイオー
ド15Fは、前述のフォーカスサーボ用の他に、トラッキ
ングサーボ用にも使用される。又、前記３本ビームによ
る両側の光スポット（Ａ）16A,（Ｂ）16Bに対応した反
射光スポット（Ａ）17A,（Ｂ）17B及びこれを受ける２
個のフォトダイオード15A,15Bは、Ａ相信号及びＢ相信
号の検出用に使用される。

図に示すように、この４分割フォトダイオード15Fの、
この反射光スポット（Ａ），（Ｆ），（Ｂ）の列の一方
の側の２個の出力は合成され差動増幅器18Tの一方の入
力端子に、他方の側の２個の出力は合成されこの差動増
幅器18Tの他方の入力端子に供給される。そして、前記
光スポット（Ｆ）16Fの前記ピット３の列からのずれに
応じた、この差動増幅器18Tの両入力端子に供給される
入力信号の変化は、この差動増幅器18Tによりトラッキ
ングサーボ信号として出力される。このトラッキングサ
ーボ信号に応じてトラッキングサーボ回路20（第１図）
が、トラッキングサーボアクチュエータ22（第１図）を
駆動することにより、この光スポット（Ｆ）16Fの中心
をこのピット３の列、即ち前記エンコーダトラック２が
通るように、常に前記光スポット16に対してこのエンコ
ーダトラック２の径方向の位置修正が施される。

又、前記反射光スポット（Ａ）17A,（Ｂ）17Bからこの
エンコーダトラック２の検出信号を得るため、前記２個
のフォトダイオード15A,15Bの出力は、それぞれ増幅器1
8A,18Bを介して、Ａ相信号及びＢ相信号として出力され
る。このＡ相信号及びＢ相信号の検出方法について、次
に説明する。

第３図、第４図は、第１図の装置における信号検出方法
の説明図であり、第３図はピット及びピット間のランド
部の円周方向の長さが光スポットの径と略等しい場合、
第４図はピット及びピット間のランド部の円周方向の長
さが光スポットの径より大きい場合であり、両図（Ａ）
はピットと光スポットとの関係図、両図（Ｂ）はＡ相信
号波形図、両図（Ｃ）はＢ相信号波形図である。

第３図は、同図（Ａ）に示すように、前記ピット３及び
前記ピット間のランド部４の円周方向の長さｌが、前記
光スポット（Ａ）16A,（Ｆ）16F,（Ｂ）16Bの径ｄと略
等しい場合であり、この光スポット（Ａ）16A,（Ｆ）16
F,（Ｂ）16Bの中心は、前記グレイティング偏向板９及
び前述のトラッキングサーボ動作により、このピット３
の列に揃えられている。又、この光スポット（Ａ）16A,
（Ｆ）16F,（Ｂ）16B間のピッチＰは、このグレイティ
ング偏向板９により、次式のように調整されている。

ここで、ｎは１以上の整数である。第３図及び第４図
は、ｎ＝２の場合の例である。

第１図及び第３図（Ａ）に示すように、前記ロータリエ
ンコーダ円板１、従って前記エンコーダトラック２が矢
印にて図示の方向に回転した場合、前記光スポット
（Ａ）16Aは前記光スポット（Ｂ）16Bと比較して、前記
ピット３の列に対して90°位相が進んでいるから、第３
図（Ｂ）に示すようなこの光スポット（Ａ）16Aによる
波形ａのＡ相信号と、同図（Ｃ）に示すようなこの光ス
ポット（Ｂ）16Bによる波形ｂのＢ相信号とが得られ
る。このＡ相信号の波形ａとＢ相信号の波形ｂとの位相
差は、電気角90°であり、前述の如く、このロータリエ
ンコーダ円板１の回転方向の検出等に使用される。

第４図は、同図（Ａ）に示すように、前記ピット３及び
前記ピット間のランド部４の円周方向の長さｌが、前記
光スポット（Ａ）16A,（Ｆ）16F,（Ｂ）16Bの径ｄより
大きい（本例では約２倍）場合であり、この光スポット
（Ａ）16A,（Ｆ）16F,（Ｂ）16Bは第３図の場合と同様
に調整され、同図（Ｂ）に示すようなこの光スポット
（Ａ）16Aによる波形ａ−２のＡ相信号と、同図（Ｃ）
に示すようなこの光スポット（Ｂ）16Bによる波形ｂ−
２のＢ相信号とが得られる。

第４図に示すようなｌ＞ｄの場合は、第３図に示すｌ＝
ｄの場合のサイン波形とは異なる波形となり、又、前記
（１）式における前記ｎが奇数の場合と偶数の場合とで
は、前記波形ａとｂ又は前記波形ａ−２とｂ−２との位
相の進み、遅れの関係は入れ替わるが、いずれの場合で
も２つの検出信号波形の位相差は電気角90°となり、所
期の効果が得られる。

なお、上記実施例では、前記エンコーダトラック２の前
記ピット３の列が１列の場合について述べたが、同心円
状に複数のピット列を形成しても良い。この様に構成す
れば、前記トラッキングサーボのスタート時、前記光ス
ポット16はこの複数のピット列のどれか１つのピット列
にセットされ、前述のトラッキングサーボが施されるか
ら、このトラッキングサーボの動作がより安定なものと
なる。

又、上記実施例では、前記エンコーダトラック２が前記
ロータリエンコーダ円板１の片側表面に形成された場合
について述べたが、両側表面に形成しても良い。

又、上記実施例では、被測定物の回転運動を検出する反
射型光学式ロータリエンコーダ装置の例について述べた
が、直線運動を検出する反射型光学式リニアエンコーダ
装置についても適用出来る。

（発明の効果） 以上の構成よりなる本発明の反射型光学式エンコーダ装
置は、ピット及びピット間が共に等しい長さｌであるエ
ンコーダトラックに揃えて照射される、レーザ読取装置
からの３本ビームによる径ｄの３つの光スポット間のピ
ッチＰが、 であるから、この３つの光スポットの内、中央の光スポ
ットによりフォーカスサーボ及びトラッキングサーボ信
号を、両側の光スポットによりＡ相信号及びＢ相信号を
検出することが出来、コストの割に高性能である。又、
この３つの光スポットは、エンコーダトラック中の同一
トラック上に揃えて照射されるから、上記３信号の品質
が安定し、このエンコーダ装置の性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の反射型光学式エンコーダ装置の一実施
例である反射型光学式ロータリエンコーダ装置の例を示
す概略構成図、第２図は第１図及び第７図の装置で使用
されるロータリエンコーダ円板の例を示す構成図、第３
図、第４図は第１図の装置における信号検出方法の説明
図、第５図は第１図及び第７図の装置におけるフォーカ
スサーボの説明図、第６図は第１図の装置におけるトラ
ッキングサーボ及び検出信号出力部の説明図、第７図は
従来の反射型光学式ロータリエンコーダ装置の例を示す
概略構成図、第８図は第７図の装置におけるトラッキン
グサーボ及び検出信号出力部の説明図である。 １…ロータリエンコーダ円板、1a…基板、1b…反射膜、
1c…保護膜、２…エンコーダトラック、３…ピット、４
…ランド部、５…中心穴、６…入力軸、7,7−２…レー
ザ読取装置、16,26…光スポット、17,27…反射光スポッ
ト、18,18−２…増幅器、19,20…フォーカスサーボ及び
トラッキングサーボ回路、21,22……フォーカスサーボ
及びトラッキングサーボアクチュエータ、Ｐ…光スポッ
ト間のピッチ、ｌ…ピット及びピット間の長さ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の回転又は直線運動と応動するエ
   ンコーダ板に所定数のピットを等間隔に配置したエンコ
   ーダトラックを形成し、このエンコーダトラックをレー
   ザ読取装置によりレーザ光線の反射光の強弱の変化を電
   気信号に変換して読み取ることにより、前記被測定物の
   回転又は直線速度や位置を検出する反射型光学式エンコ
   ーダ装置において、前記ピット及びピット間が共に等し
   い長さｌであるエンコーダトラックを有するエンコーダ
   板と、このエンコーダトラック中の同一トラック上に揃
   えて３本ビームによる所定径の３つの光スポットを照射
   するレーザ読取装置とを備え、この３つの光スポット間
   のピッチＰが、 であり、この３つの光スポットの内、中央の光スポット
   をフォーカスサーボ用及びトラッキングサーボ用に使用
   することを特徴とする反射型光学式エンコーダ装置。