JP2709088B2 - 回転量測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、回転量測定方法に関する。この測定方法
は、任意の回転体の回転量の測定に利用できるほか、種
々のロータリーエンコーダーに利用できる。

［従来の技術］ 被験体の回転量を測定する方法としては、従来から、
円板形状の回転体の周縁部に格子パターンを形成してエ
ンコーダーパターンとし、この回転体を被験体に固定し
て被験体と一体に回転させ、上記エンコーダーパターン
の移動を光学的に検知する方法が知られている（例えば
「光学部品の使い方と留意点」オプトロニクス社 1985
年刊）。

［発明が解決しようとする課題］ このような測定方法には、以下の如き問題点がある。

即ち、第１に被験体に固定される回転体が円板形状で
あるためどうしても測定装置が大型化しやすい。第２
に、回転体への格子パターンのパターニングはフォトリ
ソグラフィ法により行うのであるが、パターニングの工
程数が多く、格子パターンの作製が面倒である。第３
に、格子パターンのピッチを例えば１μｍ以下にして高
解像を図ろうとする場合、広面積のパターニングが困難
であり、結局、測定の精度を向上させることが難しい。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、
その目的とする所は、測定装置の大型化を招来すること
なく、高精度の測定を容易に実現できる新規な回転量測
定方法の提供にある。

［課題を解決するための手段］ 以下、本発明を説明する。

本発明の回転量測定方法は、被験体と同軸一体化され
た円筒体に光源からの光を照射し、上記円筒体による反
射光を光センサーで検知し、被験体の回転量を測定する
方法であって、以下の如き特徴を有する。

即ち、被験体に同軸一体化される円筒体の周面部には
格子パターンを形成するが、この格子パターンは、磁気
記録層に磁気ヘッドで書き込んだ磁化パターンを磁性コ
ロイド流体により現像して得られる格子パターンであ
る。

光源からのコヒーレント光を上記格子パターンにその
複数ピッチ、即ち、格子複数本分の領域にわたって照射
し、円筒体による反射光により、上記格子パターンに基
づく回折による影絵パターンを発生せしめ、被験体の回
転による上記影絵パターンの移動を上記光センサーによ
り検知する。

このように、本発明の方法では、エンコーダーパター
ンとしての格子パターンが円筒体の周面部に形成され
る。円筒体は、被験体と同軸一体化される。即ち、円筒
体の回転軸と被験体の回転軸とは共通である。円筒体
は、場合によって被験体そのもので有っても良い。即
ち、例えばモーターの回転軸自体を円筒体としても良
く、この場合には被験体はモーターの回転軸ということ
になる。

勿論、被験体を回転軸に機械的にカップリングし、上
記回転軸を円筒体として測定を行いうる。

円筒体の周面部には格子パターンが形成されるが、こ
の格子パターンの形成は、種々の方法が可能である。即
ち、円筒体自体に直接に格子パターンを形成しても良い
し、あるいは予めストライプ状の格子パターンを作製し
た帯状部材を円筒体の外周面に巻き付けて円筒体と一体
化しても良い。

円筒体としては、これを中空円筒形状とし、回転軸に
装着一体化しても良い。

格子パターンは、磁気記録層に磁気ヘッドで書き込ん
だ磁化パターンを磁性コロイド流体により現像して得
る。磁性コロイド流体は、酸化鉄の微粉末を界面活性剤
中に分散させたものである。酸化鉄の粉末は磁化パター
ンのピッチに比して十分に小さい粒径を持つもの、例え
ば粒径100〜200Åのものを用いる。

円筒体に光源からの光を照射し、円筒体による反射光
により、上記格子パターンに基づく回折による影絵パタ
ーンを発生せしめる。影絵パターンは回折現象により生
成するものであり、このために光源としてはコヒーレン
ト光を放射する光源が要請される。具体的には、各種の
気体及び固体レーザー光源や半導体レーザーあるいはコ
ヒーレント光を放射しうるLEDを用いることができる。

影絵パターンは、格子パターンによる回折に基づいて
発生する回折パターンであり、格子パターンと影絵的に
対応するものである。影絵パターンは点状光源により発
生するものと、有限の大きさの光源により発生するもの
がある。点状光源とは格子パターンのピッチに比して光
源自体の大きさを無視できるものであり、有限の大きさ
の光源とは上記ピッチに比して、その大きさを無視でき
ないものを言う。点状光源としては、半導体レーザーの
発光端面に遮光膜を設け、この遮光膜にピンホールを設
けた公知のピンホールLDや、半導体レーザーの発光部の
短手方向を格子パターンの格子配列方向と平行にしたも
のを挙げることができる。

また、有限の大きさの光源としては半導体レーザーの
発光部の長手方向を格子パターンの格子配列方向と平行
にしたものをあげることができる。

［作用］ 以上のように、本発明の特徴とするところは主とし
て、次の２点にある。即ち、第１は、円筒体の周面部に
形成される格子パターンの特殊性であり、第２は影絵パ
ターンの利用である。

上記格子パターンは磁気記録膜に磁気ヘッドで磁気パ
ターンを書込み、これを磁気コロイド粒体で現像して得
られる。即ち磁気パターンは磁区の配列により形成され
るがこれを磁気コロイド流体で現像すると、酸化鉄の粒
径が磁気パターンの配列ピツチに比して十分に小さい場
合、酸化鉄粉は磁区の境界部分に集合して、磁化パター
ンと同一ピッチのパターンを形成する。この酸化鉄粉の
パターンを格子パターンとして使用するのである。

この方法で格子パターンを形成すると、後に詳述する
ように極めて細かいピツチの格子パターンを形成でき
る。

影絵パターンは上に説明したように回折パターンの一
種であり、点状光源によるものは既に、特開昭63−4761
6号公報により公知である。この影絵パターンを点状光
源により発生させる場合は、上記公報に開示されている
ように、光源と格子パターンの間の距離Ａと、格子パタ
ーンと影絵パターン発生位置との間の距離Ｂが、一定の
関係を満足させる必要があり、本発明でも、点状光源に
より影絵パターンを発生させる場合には、光源と格子パ
ターンとの距離を所定の関係に定め、此のとき発生する
影絵パターンの発生位置に光センサーを配備する必要が
ある。

また、有限の大きさの光源により発生する影絵パター
ンに付いては、発明者らが先に特願昭63−127916号に於
いて詳しく説明した。この有限の光源により発生する影
絵パターンの特徴は、このパターンが回折によるもので
あるにも拘らず、パターンの状態が格子パターンと完全
に影絵的に対応することである。即ち、光源と格子パタ
ーンの間の距離をＡ、格子パターンと影絵パターンの距
離をＢとすると、影絵パターンはこの場合、距離A,Bの
如何を問わず発生し、格子パターンのピッチをPG、影絵
パターンのピッチをＰとすると、P/PG＝（Ａ＋Ｂ）/Aが
成り立つ。

影絵パターンを利用すると一般に格子パターンを拡大
して、これを光センサーで検知するので、格子のピッチ
を極めて小さくしても測定は正確であり、高精度の測定
が可能となる。

影絵パターンの特徴は、それが格子パターンの移動に
応じて、格子パターンの移動を相似的に拡大して移動す
ることである。従って、この影絵パターンの移動を光セ
ンサーで検知することにより円筒体の回転量、ひいては
被験体の回転量を知ることができるのである。

なお、有限の大きさの光源により鮮明な影絵パターン
を形成するためには、格子パターンのピツチPG、光源の
大きさ、即ち格子パターンにおける格子配列方向に平行
な方向の光源の大きさｄ、との間に、 （1/10）≦（d/PG）≦２ （１） の関係を満足させれば良い。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら具体的な実施例に即して説
明する。

第１図に示す実施例は、モーター１の回転軸２の回転
量を測定する方法であり、従って回転軸２が被験体であ
る。回転軸２自体が円筒形状を有するのでこの例では回
転軸２自体を円筒体として用い、格子パターン３は回転
軸２の周面部に直接的に装荷されている。格子パターン
３に於ける格子の配列方向は回転軸２の回転方向であ
る。

符号４は光源としての半導体レーザーであり、符号５
は光センサーである。この例では、光源たる半導体レー
ザー４は、その発光部の長手方向を上記格子の配列方向
と平行にして配備され、格子パターンに対して有限の大
きさを持つ光源として使用される。従って、上記（１）
の関係が格子パターン３と光源との間に成立する必要が
ある。

さて、第２図は、第１図の状態を回転軸２の方向から
見た状態を示している。

半導体レーザー４からの発散性の光は、回転軸２の、
格子パターン３が形成された部分を照射する。格子パタ
ーン３は反射率の高低が交互に繰り返された振幅格子で
ある。回転軸２により反射された光束は、反射面の凸面
形状により、さらに発散性を強められて進行する。この
反射光の進行領域に光センサー５が配備されるが、この
例では、光センサー５は、半導体レーザー４からの光軸
光線７の反射光路を避けた位置に配備されている。

第３図は、格子パターン３により発生する影絵パター
ンの状態を示している。

影絵パターン６の光強度分布は、格子パターンに影絵
的に対応している。但し、影絵パターンに於ける拡大倍
率は、影絵的な拡大（前述のP/PG＝（Ａ＋Ｂ）/A）に加
えて、反射面が凸面であることによる効果が加わり、よ
り大きな拡大倍率となる。

上記光強度分布は、特願昭63−127916号明細書にも記
載されたように、光強度は格子パターン３のピッチに影
絵的に対応して増減を繰り返すが、前述の光軸光線の光
路の近傍では、光強度の強弱の弱い部分でも、可なりの
強度があるのに対し、光軸光線の光路をはなれた部分で
は、光強度の弱い部分の強度は略０となる。従って、影
絵パターンのコントラストは、光軸光線の光路から離れ
た部位の方が高い。この実施例では、従ってこの影絵パ
ターンのコントラストの高い部分に光センサー５を配備
して影絵パターンの移動をより容易に検出できるように
しているのである。勿論、光センサーを光軸光線の光路
上もしくはその近傍に設けても、影絵パターンの移動を
検知できないわけではないので、本実施例の光センサー
配備態位は望ましい一形態ではあるが、必須の要件とい
う訳てはない。

回転軸２が、第３図で矢印A1方向へ回転すると影絵パ
ターン６は矢印B1方向へ対応的に移動する。そこでこの
移動を光センサー５により検知することにより回転軸２
の回転角に応じたエンコーダー信号が得られる。

ここで回転軸２に格子パターンを形成する方法を２例
説明する。

第４図に於いて、符号８は回転軸２（Al,Fe,Ni等の金
属）の周面に形成されたFe₂O₃等の磁性材による磁気記
録層を示す。この磁気記録層８は、例えば蒸着、スパッ
タリング、電着等で形成できる。層厚は数千Åである。

この磁気記録層８に磁気ヘッド９を接触させ、回転軸
２を高精度に一定回転させつつ磁気ヘッド９に一定周波
数の信号10を印加すると、図示の如く面内磁化方向が交
互に反転した磁区の配列による磁気パターンが形成され
る。回転軸２の全周にかかる磁化パターンを形成した
ら、回転軸２を磁気コロイド流体に浸漬する。この流体
中の酸化鉄粉の粒径は100〜200Åであり、第５図に示す
ように酸化鉄粉11は磁化パターンにおける各磁区の境界
部に集まり、磁化パターンと同一ピッチのパターンを形
成する。即ち、磁化パターンが磁性コロイド流体により
現像される訳である。

従って、あとはこのパターンを適当な方法で回転軸２
の周面上に定着すれば、所望の格子パターン３を得るこ
とができる。例えば樹脂層により上記パターンを定着し
つつ樹脂層を保護層とするようにするなどすれば良い。

第６図に於いて、符号12は回転軸２の周面にCo,Cr,Ba
フェライト、Tb−Fe等により形成された垂直磁化膜によ
る磁気記録層を示す。

この磁気記録層12に垂直磁化ヘッド13を接触させ、回
転軸２を高精度に一定回転させつつ磁気ヘッド13に一定
周波数の信号を印加すると、図示の如く層厚方向の磁化
の方向が交互に反転した磁区の配列による磁気パターン
が形成される。回転軸２の全周にかかる磁化パターンを
形成したら、前述の場合と同様にして磁性コロイド流体
で現像すれば磁化パターンにおける各磁区の境界部に集
まった酸化鉄粉11により磁化パターンと同一ピッチのパ
ターンを形成する。従って、あとはこのパターンを適当
な方法で回転軸２の周面上に定着すれば、所望の格子パ
ターン３を得ることができる。

この方法だと垂直磁化を利用するので前述の面内磁化
を利用する方法に比してより高分解能の格子パターン例
えば0.1μｍピッチの格子パターンを作製できる。

なお、磁気記録層と回転軸２との間にパーマロイやNi
−Znフェライト等の軟磁性層を介設すると、磁気ヘッド
による磁化パターンの書込みが容易化され、高密度化を
助長できる。

第８図は、別実施例を示す。この実施例の特徴は、第
８図（Ｉ）に示すように、格子パターンを形成した回転
軸２に、半導体レーザーからの光をコリメートレンズ16
により平行光束化して入射させ、その反射光15中に光セ
ンサー５を配してエンコーダー信号の検出を行う点にあ
る。照明光束は平行光束であるが、反射光は回転軸２自
体の凸面により発散性となり、その反射光強度分布は影
絵パターンを形成する。従って前述の実施例の場合と同
様にして、回転軸２の回転量を測定できる。即ち第８図
（II）に示すように、平行光束14が回転軸２の表面への
入射角θで入射する場合を考えて見ると、反射光束はＰ
点に位置する虚光源から発散する光のように発散光とし
て反射される。

入射位置Ｑと虚光源位置Ｐとの間の距離をＸ、回転軸
２の半径をｒとすると、幾何光学が成り立つ程度に入射
光束14の幅が小さければ、図のΔθ,2Δθの関係を用い
て Ｘ・２Δθ＝ｒ・Δθ・cosθ が成り立つ。従って虚光源の位置Ｐを与えるＸは Ｘ＝（r/2）・cosθ で与えられる。そして図のθが０になるとＸは、勿論凸
面鏡の虚の焦点位置r/2に一致する。

光センサー５は、反射光束15中の適当な位置に配すれ
ば良いから、入射光束14を回転軸２の軸中心を目掛けて
入射させる様にしても良い。

第９図は、他の実施例を示す。さきに説明した２つの
実施例は本発明をインクリメンタルエンコーダーとして
実現した例であったが、この実施例はアブソリュートエ
ンコーダーとして実施した例である。

回転軸２の絶対的な回転位置を検出するために、回転
軸２の周面部に、コード化された複数の格子パターン３
−1,3−2,3−3,3−４が形成されている。これに対応し
て光源側も半導体レーザー等の光源４−1,4−2,4−3,4
−４が設けられ、対応する格子パターンを照射する。そ
して各反射光による影絵パターンの移動を光センサー５
−1,5−2,5−3,5−４で検出する。このようにすれば、
小型でありながら被験体の回転における絶対位置を検出
するアブソリュートエンコーダーを実現できる。

［発明の効果］ 以上、本発明によれば新規な回転量測定装置を提供で
きる。この方法では格子パターンが円筒に形成されるの
で、測定装置を大型化せずに測定を行い得る。また、格
子パターンとして極めて高分解能のものを容易に形成で
き、その拡大された影絵パターンの動きを検知するの
で、極めて高精度の測定が可能となる。

なお、実施例ではモーター回転軸自体を被験体とする
場合を説明したが、これに限らず種々の回転体を被験体
として本発明を適用しうることは当然である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、本発明の１実施例を説明するため
の図、第４図乃至第７図は格子パターンの形成を説明す
るための図、第８図は、別実施例を説明するための図、
第９図は、他の実施例を説明するための図である。 ２……被験体としてのモーター回転軸、３……格子パタ
ーン、４……光源としての半導体レーザー、５……光セ
ンサー、８……磁性記録層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 明渡 純 東京都新宿区早稲田３丁目18番１号 丸 茂ハイツ203号 (72)発明者 船戸 広義 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株 式会社リコー内 (56)参考文献 特開 昭62−226014（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−147350（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−64501（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被験体と同軸一体化された円筒体に光源か
   らの光を照射し、上記円筒体による反射光を光センサー
   で検知し、被験体の回転量を測定する方法であって、 磁気記録層に磁気ヘッドで書き込んだ磁化パターンを磁
   性コロイド流体により現像して得られる格子パターンを
   上記円筒体の周面部に形成し、 光源からのコヒーレント光を上記格子パターンに、その
   複数ピッチにわたって照射し、 上記円筒体による反射光により、上記格子パターンに基
   づく回折による影絵パターンを発生せしめ、被験体の回
   転による上記影絵パターンの移動を上記光センサーによ
   り検知することを特徴とする、回転量測定方法。