JPH08201115A

JPH08201115A - ロータリエンコーダ

Info

Publication number: JPH08201115A
Application number: JP1049195A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kojima; 幹男小嶋
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1995-01-26
Filing date: 1995-01-26
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】単純な構造で高い分解能を得ることができる
ようにする。【構成】光学ディスク１１０は、サーボモータの回転
軸に固定されている。光学ディスク１１０のデータ面に
は、回転角度検出のためのデータがピット１１１〜１１
３の有無により記録されている。また、１回転したこと
を検出するためのピット１１０ｂも設けられている。光
学系１２０の光源１２１からは、レーザ光１２５が出力
される。分布屈折率レンズ１２２は、レーザ光１２５
を、ピット１１１〜１１３が設けられたトラック上に集
光する。分布屈折率レンズ１２３は、ピット１１１で反
射したレーザ光を、平行光線に変える。受光素子１２４
は、平行光線となったレーザ光を受光し、電気信号に変
換する。これにより、光学ディスク１１０のデータの記
録密度に応じた高い分解能を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転角度等を検出するロ
ータリエンコーダに関し、特に回転角度に比例したパル
ス信号を検出することにより回転角度等を検出するロー
タリエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】ロータリエンコーダは、数値制御装置で
制御されるサーボモータに取り付けられ、サーボモータ
の回転角度等の情報を検出するために用いられる。ロー
タリエンコーダは、サーボモータの軸に取り付けられた
円盤を有しており、その円盤にはスリットが設けられて
いる。このスリットを通過する光を検出することによ
り、回転角度、回転方向、回転数を認識することができ
る。

【０００３】例えば、インクリメンタル型のロータリエ
ンコーダでは、回転円盤を挟んで配置された光源と受光
素子とを３組設ける。そのうちの２組が、互いに９０°
位相の異なる２相のパルス列を検出する。このパルス列
により、回転角度と回転方向が判別される。このとき、
分解能をあげるために、２相のパルス列をもとに位相分
割が行われている。位相分割によりパルス数が増えるた
め、分解能をあげることができる。光源と受光素子との
他の１組は、回転円盤１回転に１パルスを検出する。こ
のパルス出力時を基準として、上記の２相の信号をカウ
ントすることにより、絶対位置が判別される。

【０００４】このようなロータリエンコーダの分解能は
スリットの幅で決まるため、分解能をさらに上げるに
は、スリットの幅を狭くする必要がある。ところが、ス
リットの幅を狭くすると、光量が減少し、透過光の回折
の影響も大きくなるため、スリットの幅を狭くするのに
は限界がある。しかも、スリットの幅を狭くし光量が減
少すると、検出信号が埃に対し敏感に反応してしまう。
そのため、極めて小さな埃がスリットに付着した場合に
も、間違った回転角度等が検出される可能性がでてく
る。

【０００５】そこで、従来の高分解能を有するロータリ
エンコーダでは、回転円盤のスリットと３６０度位相の
ずれたスリットとを回転円盤と光源の間に設け、広面積
の受光素子により受光することにより、光量の低下を補
っていた。

【０００６】図７は従来のロータリエンコーダを示す図
である。回転円盤３１０には、２相のパルス列を検出す
るためのスリット３１１が円周方向に等間隔で設けられ
ている。さらに、回転円盤３１０の１回転に１パルスを
検出するための数本のスリット３１２が、スリット３１
１の内側に設けられている。各スリット３１１，３１２
は、半径方向に細長い孔である。

【０００７】光源３０１は、スリット３１１，３１２に
向かって光３０２を照射する。この光３０２は、ＬＥＤ
等の発光素子で発せられた光である。レンズ３０３は、
光源３０１と回転円盤３１０との間に設けられており、
光源３０１からの光３０２を、回転円盤３１０に対し垂
直な平行光線にする。レンズ３０３と回転円盤３１０と
の間に設けられたマスク３３０には、回転円盤３１０の
スリット３１１，３１２と３６０度位相のずれた５つの
スリット３３１〜３３５が設けられている。スリット３
３１〜３３４は、回転円盤のスリット３１１に照射され
る光の径路上に設けられている。一方、スリット３３５
は、回転円盤のスリット３１２に照射される光の径路上
に設けられている。

【０００８】マスク３３０に対し、回転円盤３１０を挟
んだ反対側には、スリット３３１〜３３５それぞれに対
応した位置に、スリット３１１，３１２より十分広い面
積を有する受光素子３２１〜３２５が設けられている。
受光素子３２１，３２２と受光素子３２３，３２４と
は、位相が９０度ずれた位置に設置されている。受光素
子３２２，３２４は、受光素子３２１，３２３に対し、
正負が反転した信号を出力する。受光素子３２５は、ス
リット３１２が光の径路を横切る度に信号を検出する。

【０００９】このようなロータリエンコーダにおいて、
光源３０１から放射状に出力された光３０２の進行方向
は、レンズ３０３によって回転円盤３１０と垂直の方向
に変えられる。この光３０２のうち、マスク３３０のス
リット３３１〜３３５の部分の光のみが、マスク３３０
を通過し回転円盤３１０に照射される。

【００１０】回転円盤３１０に照射された光のうち、ス
リット３１１，３１２を通過した光の量が各受光素子３
２１〜３２５で検出される。これらの光は、回転円盤の
３１０の回転に応じた正弦波として検出される。なお、
受光素子３２１と受光素子３２３とで検出される正弦波
は、９０度位相がずれている。そして、受光素子３２１
と受光素子３２３との検出信号から、回転円盤３１０の
回転方向と回転速度が算出される。このとき、受光素子
３２２，３２４で検出された、受光素子３２１，３２３
と逆の信号により、検出された信号の位相分割を行う。
受光素子３２５の検出するパルスを基準として、受光素
子３２１と受光素子３２３との２相の信号をカウントす
ることにより、絶対位置が判別される。

【００１１】このように、位相分割を実施したり、広面
積の受光素子を使用することにより、高い分解能を確保
することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、位相分割を行
うことにより分解能をあげようとすると、パルス列の位
相分割回路が余分に必要になる。さらに、光量の低下を
補うためには、マスクや多数の広面積の受光素子も必要
である。従って、ロータリエンコーダの構造が複雑にな
ってしまうという問題点があった。

【００１３】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、単純な構造で高い分解能を得ることができる
ロータリエンコーダを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、回転角度等を検出するロータリエンコー
ダにおいて、回転軸に取り付けられ、回転角度を検出す
るためのデータが記録されたトラックが設けられた光学
ディスクと、前記トラックに対しレーザ光を照射するレ
ーザ光照射部と、前記トラックからの反射光を受光する
ことにより前記データを読み取る受光部とからなる光学
系と、を有することを特徴とするロータリエンコーダが
提供される。

【００１５】

【作用】回転軸に取り付けられた光学ディスクには、回
転角度を検出するためのデータが記録されたトラックが
設けられている。光学系のレーザ光照射部がトラックに
対しレーザ光を照射すると、記録されたデータにより反
射光の強度が変化する。その反射光を受光部が受光する
ことにより、データが読み取とられる。

【００１６】これにより、光学ディスクのデータの記録
密度に応じた高い分解能を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明のロータリエンコーダのデータ検出
機構部を示す図である。この図では、データが記録され
た光学ディスク１１０と、データを検出する光学系１２
０とが図示されている。

【００１８】光学ディスク１１０は、サーボモータの回
転軸に固定されている。光学ディスク１１０のデータ面
には、回転角度検出のためのデータがピット１１１〜１
１３の有無により記録されている。ピット１１１〜１１
３の高さ「ｈ」は０．１１μｍ程である。このピット１
１１〜１１３は、一定間隔で１トラック分設けられてい
る。ピットの長さ及び間隔「ｄ」は、３Ｔ〜１１Ｔ（Ｔ
は、照射するレーザ光の波長）の範囲内で設定する。光
学ディスク１１０には、データが記録されている反射面
の上には透明の保護膜が設けられている。また、１回転
したことを検出するためのピット１１０ｂも設けられて
いる。なお、ピット１１１〜１１３，１１０ｂは、光学
ディスク１１０の回転方向１に細長い形状をしている。

【００１９】光学系１２０の光源１２１からは、レーザ
光１２５が出力される。分布屈折率レンズ１２２は、レ
ーザ光１２５を、ピット１１１〜１１３が設けられたト
ラック上に集光する。集光されたレーザ光のスポット１
２６は、ピットの幅より広い領域である。この光源１２
１と分布屈折率レンズ１２２とで、レーザ光照射部を構
成している。

【００２０】一方、分布屈折率レンズ１２３は、ピット
１１１で反射したレーザ光を、平行光線に変える。受光
素子１２４は、平行光線となったレーザ光を受光し、電
気信号に変換する。この分布屈折率レンズ１２３と受光
素子１２４とで受光部を構成している。

【００２１】なお、上記の分布屈折率レンズ１２２，１
２３は、屈折率が半径方向に２乗分布している円筒形の
レンズである。このような分布屈折率レンズは、直径１
ｍｍ、長さ１〜２ｍｍ程度の非常に小型のレンズである
にもかかわらず開口角が大きく、倍率、集光能力の高い
レンズである。従って、かなり近い位置に焦点を結ぶこ
とができるため、光学ディスクとの間隔を狭くすること
が可能である。

【００２２】このような構成において、光学ディスク１
１０は、サーボモータの回転軸と同じ方向に、同じ角度
だけ回転している。レーザ光照射部の光源１２１から出
力されたレーザ光１２５は、分布屈折レンズ１２２で集
光され、回転角度検出のためのピット１１１〜１１３が
設けられたトラック上に照射される。照射されたレーザ
光のうち、ピット１１１〜１１３で反射される光と、ピ
ット１１１〜１１３の周辺で反射される光とでは、ピッ
ト１１１〜１１３の高さに応じた光路差があり、互いに
πの位相差を生じる。従って、トラック上のピットがあ
る部分では、ピットからの反射光とピット周辺からの反
射光とが打ち消しあって、反射光は零になる。一方、ピ
ットの無い部分では、照射された光がそのまま反射さ
れ、分布屈折率レンズ１２３に入射する。

【００２３】分布屈折率レンズ１２３に入射された反射
光は、平行光線となり受光素子１２４で受光される。受
光素子１２４で受光した光の有無により、データの
「１」、「０」が識別され、このデータからサーボモー
タの回転角度が算出される。

【００２４】図２はサーボモータに取り付けられたデー
タ検出機構部を示す図である。ロータリエンコーダ１０
０は、サーボモータ２００の底部に固定されている。サ
ーボモータ２００の回転軸２１０には、回転角度等を検
出するためのデータが記録された光学ディスク１１０が
固定されている。光学系１２０、１４０は、光学ディス
ク１１０に対しレーザ光を照射することにより、記録さ
れたデータを検出する。コネクタ１０１は、光学系１２
０，１４０と図示されていないコンパレータとを電気的
に接続する。

【００２５】このような構成により、モータ２００の回
転軸２１０が回転すると光学ディスク１１０が一緒に回
転する。この回転にともない、光学系１２０，１４０に
おいてピットの有無の変化が検出される。このピットの
有無を示す信号が、コネクタ１０１に接続されたコンパ
レータに転送されることにより、回転軸２１０の回転角
度等が検出される。

【００２６】図３はデータ検出機構部の上面図である。
中心軸Ｏを中心に回転する回転軸２１０には、光学ディ
スク１１０が固定されている。光学ディスク１１０の上
面には、ピット１１１〜１１３によりデータが記録され
たトラック１１０ａが設けられている。トラック１１０
ａには、ピットが等間隔で円周方向に配列されている。
トラック１１０ａの内側には、１回転を検出するための
ピット１１０ｂが設けられている。

【００２７】トラック１１０ａに対して、２つの光学系
１２０，１３０が設けられている。ピットの有る場所と
無い場所とで１周期とした場合に、光学系１２０と光学
系１３０とは、１／４周期ずれた位置に設置されてい
る。光学系１２０，１３０は、それぞれ光源１２１，１
３１、照射側の分布屈折レンズ１２２，１３２、受光側
の分布屈折レンズ１２３，１３３、および受光素子１２
４，１３４とで構成されている。光学系１２０，１３０
の各要素は、光学ディスク１１０の半径方向と平行に配
置されている。

【００２８】また、光学ディスク１１０の回転時にピッ
ト１１０ｂが通過する位置には、光学系１４０が設けら
れている。光学系１４０は、レーザ光を照射している位
置を、ピット１１０ｂが通過したことを検出する。光学
系１４０は、光源１４１、照射側の分布屈折レンズ１４
２、受光側の分布屈折レンズ１４３、および受光素子１
４４とで構成されている。光学系１４０の各要素は、光
学ディスク１１０の半径方向と平行に配置されている。

【００２９】図４はデータ検出機構部の側面図である。
Ｏ−Ｏ₀を中心軸とする回転軸２１０には、光学ディス
ク１１０が固定されている。光源１２１，１４１、照射
側の分布屈折レンズ１２２，１４２、受光側の分布屈折
レンズ１２３，１４３、および受光素子１２４，１４４
とで構成される光学系１２０，１４０は、斜め方向から
レーザ光１２５，１４５を照射し、斜めに反射した反射
光を受光している。

【００３０】光学ディスク１１０上にこのように光学系
１２０，１３０，１４０を配置することにより、光学系
１２０，１３０からは、光学ディスクの回転角度に比例
した周期の信号が検出される。この２つの信号は、位相
が互いに９０度ずれている。光学系１４０では、光学デ
ィスクの１回転ごとに１波長分検出される。これらの検
出されたパルス信号を解析することにより、回転軸２１
０の回転方向、回転角度等を算出することができる。

【００３１】図５は検出信号の解析機能を示すブロック
図である。信号入力端子Ａ，Ｂ，Ｃは、図２に示すコネ
クタ１０１に接続されており、各信号入力端子Ａ，Ｂ，
Ｃには、それぞれ光学系１２０，１３０，１４０からの
信号が入力される。

【００３２】信号入力端子Ａ，Ｂ，Ｃは、コンパレータ
１５１〜１５３に接続されているとともに、抵抗器Ｒ１
〜Ｒ３を介して接地されている。コンパレータ１５１〜
１５３は、検出された信号の出力から「１」、「０」を
識別し、パルス信号を出力する。コンパレータ１５１，
１５２の出力側は、ともに回転方向検出部１５４と絶対
位置検出部１５５とに接続されている。コンパレータ１
５３の出力側は、絶対位置検出部１５５に接続されてい
る。

【００３３】回転方向検出部１５４は、コンパレータ１
５１，１５２からの互いに９０度位相のずれたパルス信
号から回転方向を検出する。回転方向は、どちらのパル
ス信号が進んでいるかを判断することにより検出でき
る。検出された回転方向を示す回転方向信号は、絶対位
置検出部１５５に転送される。絶対位置検出部１５５
は、回転方向検出部１５４からの回転方向信号で回転軸
の回転方向を認識し、コンパレータ１５１，１５２から
のパルス信号から回転角度を認識する。さらに、コンパ
レータ１５３からの１回転を示す１回転信号の入力時を
基準に、回転角度を計算することにより、絶対位置を算
出する。算出結果は、サーボモータの回転軸の制御装置
に転送される。

【００３４】このような構成により、コンパレータ１５
１〜１５３により「１」、「０」のパルス信号に変換さ
れた光学系１２０，１３０，１４０からの検出信号は、
まず、コンパレータ１５１，１５２が出力するパルス信
号から、回転方向検出部１５４により回転方向が検出さ
れる。次に、各コンパレータ１５１〜１５３の出力する
パルス信号と、回転方向信号により、回転角度、絶対位
置がさらに検出される。そして、それらのデータが制御
回路に転送される。このようにして、制御回路は、モー
タの動作状況を正確に認識することができる。

【００３５】図６はコンパレータから出力されるパルス
信号の例を示す図である。コンパレータ１５１から出力
されるパルス信号Ａ₁は、コンパレータ１５２から出力
されるパルス信号Ｂ₁よりも位相が９０度進んでいる。
つまり、パルス信号Ａ₁が進み信号であり、パルス信号
Ｂ₁が遅れ信号である。コンパレータ１５３から出力さ
れるパルス信号Ｃ₁は、光学ディスクが１回転したとき
に１パルス出力する１回転信号である。

【００３６】このようなパルス信号が検出された場合
に、回転角方向はパルス信号Ａ₁とパルス信号Ｂ₁とか
ら得られる。つまり、パルス信号Ａ₁が進み信号である
ため、光学ディスクと光学系１２０，１３０（図３に示
す）との相対的な位置の移動は、光学系１２０が前方に
なることが分かる。従って、この場合図３に示す光学デ
ィスク１１０は、時計回りに回転している。

【００３７】光学ディスクの回転角度は、パルス信号Ａ
₁のパルス数である。また、パルス信号Ｃ₁が出力され
てからのパルス信号Ａ₁の数をカウントすることによ
り、絶対位置を求めることができる。

【００３８】以上の説明のように、光学ディスクに記録
されたデータを読み取ることによりサーボモータの回転
角度等を検出することができるため、高い分解能を得る
ことができる。しかも、パルス列の位相分割を行ってい
ないため、簡単な構造にすることができる。

【００３９】さらに、光学ディスクは、データの記録面
のうえに、厚さ１．２μｍのポリカーボネイトの保護膜
が設けられているため、多少の埃が膜の上に付着して
も、埃の付着位置とデータの記録面とは十分離れてお
り、ピットへの照射光やピット等からの反射光への影響
は少ない。従って、検出されたデータは非常に正確なも
のとなり、高い信頼性を確保することができる。

【００４０】また、分布屈折率レンズにより集光等を行
うことにより、装置全体を小型化することができる。以
下に、本発明のロータリエンコーダと従来のロータリエ
ンコーダとの比較例を示す。この比較例では、従来のス
リット式のロータリエンコーダで位相分割を行う場合を
基準として、他の場合との比較を行った。

【００４１】回転円盤の半径（スリットの半径方向の中
心から円盤の中心までの距離）が２５ｍｍであり、２０
４８スリットの回転円盤を持つスリット式のロータリエ
ンコーダで位相分割を行うと、１回転で６５５３６パル
スのパルス列を得ることができる。この際のスリット幅
（開口部あるいは遮光部の幅）は、３８．３μｍ（１ピ
ッチ＝７６．６μｍ）になる。

【００４２】これに対し、６５５３６パルスのパルス列
を位相分割をせずにスリットのみで得ようとすると、ス
リット幅は１．１２μｍ（１ピッチ＝２．２４μｍ）と
なる。このスリット幅では、透過光の回折、埃等の問題
から実現は困難である。

【００４３】一方、光学ディスクで６５５３６パルスの
パルス列を得ようとすると、円周方向の長さ及び間隔が
１．２μｍのピットを持つ光ディスクが要求される。使
用光線が赤外光（波長Ｔ＝３００ｎｍ）の場合、ピット
の長さ及び間隔は３Ｔ〜１１Ｔ（０．９μｍ〜３．３μ
ｍ）にすることができる。従って、十分に６５５３６パ
ルスのパルス列を得ることが可能である。しかも、ピッ
トの長さ及び間隔を最も短く（３Ｔ）すれば、さらに分
解能をあげることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、光学デ
ィスクと、その光学ディスクに記録されたデータを読み
取る光学系により、回転軸の回転角度等を検出するよう
にしたため、ロータリエンコーダの構造を簡素化でき、
しかも高い分解能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のロータリエンコーダのデータ検出機構
部を示す図である。

【図２】サーボモータに取り付けられたデータ検出機構
部を示す図である。

【図３】データ検出機構部の上面図である。

【図４】データ検出機構部の側面図である。

【図５】検出信号の解析機能を示すブロック図である。

【図６】コンパレータから出力されるパルス信号の例を
示す図である。

【図７】従来のロータリエンコーダを示す図である。

【符号の説明】

１１０光学ディスク１１１〜１１３，１１０ｂピット１２０光学系１２１光源１２２，１２３分布屈折率レンズ１２４受光素子１２５レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｄ 5/30 Ｓ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転角度等を検出するロータリエンコー
ダにおいて、回転軸に取り付けられ、回転角度を検出するためのデー
タが記録されたトラックが設けられた光学ディスクと、前記トラックに対しレーザ光を照射するレーザ光照射部
と、前記トラックからの反射光を受光することにより前
記データを読み取る受光部とからなる光学系と、を有することを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項２】前記光学ディスクは、データ記録面上の
凹凸の有無によりデータが記録されていることを特徴と
する請求項１記載のロータリエンコーダ。
【請求項３】前記光学系は、分布屈折率レンズにより
集光する前記レーザ光照射部と、分布屈折率レンズによ
り反射光を受光する前記受光部とからなることを特徴と
する請求項１記載のロータリエンコーダ。
【請求項４】前記光学系は、互いに９０度位相のずれ
た信号を検出する、２組の前記レーザ光照射部と前記受
光部とからなることを特徴とする請求項１記載のロータ
リエンコーダ。
【請求項５】回転角度等を検出するロータリエンコー
ダにおいて、回転軸に取り付けられ、回転角度を検出するための角度
データが記録されたトラックと、１回転を検出するため
の１回転データとが設けられた光学ディスクと、前記トラックに対しレーザ光を照射する第１のレーザ光
照射部と、前記トラックからの反射光を受光することに
より前記角度データを読み取る第１の受光部とからなる
角度検出用光学系と、前記回転データの通過径路上にレーザ光を照射する第２
のレーザ光照射部と、前記回転データからの反射光を受
光することにより前記回転データを読み取る第２の受光
部とからなる１回転検出用光学系と、を有することを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項６】前記光学ディスクは、データ記録面上の
凹凸の有無により前記角度データと前記１回転データと
が記録されていることを特徴とする請求項５記載のロー
タリエンコーダ。
【請求項７】前記角度検出用光学系は、分布屈折率レ
ンズにより集光する第１のレーザ光照射部と、分布屈折
率レンズにより反射光を受光する第１の受光部とからな
ることを特徴とする請求項５記載のロータリエンコー
ダ。
【請求項８】前記１回転検出用光学系は、分布屈折率
レンズにより集光する第２のレーザ光照射部と、分布屈
折率レンズにより反射光を受光する第２の受光部とから
なることを特徴とする請求項５記載のロータリエンコー
ダ。
【請求項９】前記角度検出用光学系は、互いに９０度
位相のずれた信号を検出する、２組の前記第１のレーザ
光照射部と前記第１の受光部とからなることを特徴とす
る請求項５記載のロータリエンコーダ。