JPS63108817A - 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かつ回転円板
の径方向にコード化された凹凸パターンに複数の光ビー
ムを投射する。これらの光ビームは回転円板上の凹凸パ
ターンの位置でスポットを形成し、これらのスポットは
回転円板の径方向に並んでいる。これらの光ビーム・ス
ポットの回転円板から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θ次光強度の変化をそれぞれ検
出することによって回転円板の回転量（回転角。

回転数）を測定するとともに１回転円板の絶対角度位置
を検出する。

発明の背景 技術分野 この発明は２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２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９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。

従来の光学式ロータリ・エンコーダは、放射状にのびる
多数のスリットが周辺に一定間隔（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
が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１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１分解能を上げるには限界があつた。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　回転（３８０＠）　ｔｏ、００Ｇハルスの分解能を
得るためには回転円板の直径を３１８■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すること
ができるとともに絶対角度位置の検出が可能な回転量検
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２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その径方向にコード
化された凹凸パターンが形成された回転円板１回転円板
の径方向に配列された複数の光ビーム・スポットを回転
円板上の凹凸パターン位置に集光させる手段、および各
光ビームの回転円板からの反射光または透過光の凹凸パ
ターンによる強度変化をそれぞれ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各光信号をそれぞれ電気信号に変換
し、それらの電気信号をさらに波形整形して複数の一連
のパルスを得る。これら複数の一連パルスの重畳信号（
ＯＲ論理信号）におけるパルス間隔の検出によって回転
速度を、パルス数を計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。複数の一連パルスによって
表わされるコード信号の識別によっても回転量の測定は
可能である。

凹凸パターンのピッチをＡ２回転円板の直径をｄとする
と分解能Ｍは１Ｍく（πＸｄ）／Ａで決定される。

投光手段によって各光ビームのスポット径が１μｍ程度
になるまで集光させることが可能であり、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−２μｍとした場合に、　Ｍ　−１０，
０００（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６．４１以上であればよい。直径ｄが６４
ｍ５以上のものを用いると、実に１００．０００（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。

さらにこの発明では、上記の複数のパルス列によって表
わされるコードを識別することによって回転円板の絶対
角度位置の検出が可能となる。たとえば３つのビーム・
スポットを用いれば３ビツト・コードが得られ、８つの
絶対角度位置が検出される。ｌＯの光ビームを用いると
１　、０２４の、１５の光ビームを用いると３２，７８
８の、２０の光ビームを用いると１，０４８，５７８の
絶対角度位置を識別できるようになる。

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９回転軸ｌＯ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。これらの図におい
ては簡便のために回転円板への投射ビームは１ビームの
みが図示されている。また、凹凸パターン１２も単に点
として図示されている。

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
ム中スプリッタ２３．および集光される反射光を受光す
るための受光索子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にほぼ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１発光素子２１
と受光索子２５とが回転円板１１の好ましくは径方向に
離れている。そして２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の面に対して斜
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２５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２１と受光索
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２１
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２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
素子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２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
め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Ｈ１２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が凸部
１２を照射しているときには、入射光のほとんどが９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）Ｂ１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。とじて受光素子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の照射位置に凹部
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、凹部１２の存在の有無が
受光素子２５の出力受光信号のレベルの変化として現わ
れる。

この発明では回転円板１１の凹凸パターン１２に複数の
光ビーム・スポットが投射される。１つの光源すなわち
発光索子２１の出射光から複数のスポットを作成する光
学系の一例が第６図および第７図に示されている。

第６図に示す光学系は回折格子２８を利用したもので、
３つの光ビーム・スポットを形成することができる。発
光索子２１の出射光は回折格子２６に投射されるので２
回折格子２６から１つの０次光Ｑ１および２つの１次回
舌先Ｑ　　、Ｑ　　が得られ、これらの３ビームに分割
された光が集光レンズ２２によって回転円板１１上の異
なる位置に集光され、３つのスポットを形成する。

第７図に示す光学系はハーフφミラー（ビーム・スプリ
ッタ）２７を利用したもので２発光索子２１からの光は
ハーフ・ミラー２７で透過光Ｑｌおよび反射光Ｑ２に分
割され、これらの２つの光が集光レンズ２２によってそ
れぞれ異なる点に集光される。

このような複数の光ビーム−スポットＱ１゜Ｑ　　、Ｑ
　　の回転円板１１からの反射光または回転円板１１を
透過した光は、それぞれ別個の受光素子（第１．２．３
図の受光素子２５に相当）によってそれぞれ受光される
。これら３つの受光素子を便宜上２５Ａ、　２５Ｂ、　
２５Ｃと符号をつけておく。

第８図は回転円板１１の一部およびそこに形成された凹
凸パターン、ならびに回転円板ｌｌ上に集光する３つの
ビーム・スポットＱ　　、Ｑ　　、Ｑ　　ヲ示すもので
ある。この実施例では凹凸パターンは凹部であるが、投
射光は後述する透明基板１１ａを通って凹部に照射され
るから、投射光にとりでは凹部は凸部になる。

いずれにしても凹凸パターンは２回転円板１１の径方向
にコード化されているとともに９円板１１の外周にそっ
て一定ピッチへ　で配列形成されている。各位置の凹凸
パターンはそれぞれ異なる形をとるのでこれらを１２ａ
〜１２ｇで表わす。

凹凸パターンは径方向の長さおよび位置によってコード
化されている。回転円板１１に同心円状のゾーンｂ　　
、　　ｂ２．ｂ３を仮想する。凹凸パターン１２ａは全
ゾーンｂ　〜ｂ３にわたってのびているのでコード００
０を表わす。次の凹凸パターン１２ｂはゾーンｂ　　、
ｂ　　にのみ位置しているのでコード１００を表わす。

以下同様に凹凸パターン１２ｃはコード０１０を、　１
２ｄは１１０を、１２ｅは００１を、１２ｆは１０１を
、１２ｇは０１１をそれぞれ表わし、凹凸パターンが形
成されていない位置のコードは１１１となる。

回転円板１１は凹凸パターン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１１
ｂとからなり、必要ならば凹凸パターン、反射膜１１ｂ
を保護するために反射膜１１ｂ上に保２１１１！を形成
するとよい。

上述した光学系によって形成された３つの投射光ビーム
は回転円板ｌｌ上でスポットＱ　　、Ｑ　　。

Ｑ３を形成し、これらのスポットは回転円板１１の径方
向に一定間隔で並んでいる。スポットＱ２はゾーンｂ　
内に、Ｑ　はｂ２内に、Ｑ３はｂ３内に位置している。

第８図（Ａ）に示すようにスポットＱ１〜Ｑ３が凹凸パ
ターン１２ａ上に位置しているときには。

これらのスポットＱ１〜Ｑ３の反射光（または透過充）
を受光する受光素子２５Ａ〜２５Ｃの出力は低下する。

これらの受光素子２５Ａ〜２５Ｃの出力を波形整形する
とそれぞれパルスが得られる。

第８図（Ｂ）に示すように９回転円板１１が少し回転し
てスポットＱ１〜Ｑ３が凹凸パターン１２ｂ上に位置す
ると、受光素子２５Ａ、　２５Ｃの出力信号にパルスが
現われる。さらに回転円板１１が回転して第８図（Ｃ）
に示すようにスポットＱ１〜Ｑ３が凹凸パターン１２ｃ
上に至ると受光素子２５Ｂ。

２５Ｃの出力にパルスが現われる。このようにして９回
転円板１１の回転にともない３つの受光索子２５Ａ〜２
５Ｃの出力に凹凸パターンで表わされたコードを示すパ
ルスが現われる。３つの受光素子２５Ａ〜２５Ｃからの
３ビツトの信号によって回転円板の回転角度位置が検出
されることが理解できよう。

第８図に示されているように、これらの異なるマードを
表わす凹凸パターンを隣接して配置する必要は全くない
。３ビツトのコードの場合には８種類のコードがあるか
ら８つの絶対角度位置を表わすことができるので、８つ
の所望の角度位置にこれらのコードをそれぞれ設けても
よい。そして、これらのコードの間には一定ピッチへ　
で特定の同じ凹凸パターンを配置しておけばよい。この
ようにすることによって、８つの所望の絶対角度位置の
検出と、後述するようにＡ　の分解能で回転量の測定と
を行なうことができる。回転量の測定が不要の場合には
８つの位置に各コードを配置しておくだけでもよい。ま
たは、第４のゾーンを設け、ここに一定ピッチ八　で四
部を形成して、この凹部の検出によって回転量の測定を
行なうようにしてもよい。この場合には、この凹部の検
出のためにもう１つの投光受光部が必要となろう。

３ビツト・コードの場合には８つの絶対角度位置の検出
が可能であるが、　１０ビツトの場合には１．０２４の
、　　１５ビツトの場合には３２，７６８の、２０ビツ
トの場合には１．０４８，５７８の絶対角度位置を検出
できるようになる。このような場合にはそれぞれ。

１０、１５．２０の投射光ビームと受光素子が必要とな
るが、１つの光源からの光を１０．１５．２０に分割し
てもよいし、複数の光源を用いてもよい。もちろん１０
．１５．２０個の光源を用いてもよい。

回転円板の円周にそってピッチＡ　ごとに何らかの凹凸
パターンまたは凹部があるとすると、いずれかの受光素
子からピッチＡ　に相当する角度の回転ごとにパルスが
得られるから、これらの受光素子の出力パルスのＯＲ論
理パルスを計数することによってピッチ八　の分解能で
回転円板１１の回転角を測定することが可能となる。た
とえば。

間隔へ　を４μｍ１回転円板１１の中心から凹凸パター
ンの位置までの距離（半径）を２．５０■とすると１回
転円板１１の１回転によって２πＸ　２５．０００／４
−３９，２５０個のパルスが得られることになる。

３９．２５０／　３６０−０．０１２３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。

異なる２以上の凹凸パターンを適当な順序で回転円板の
円周にそって配列しておくと１回転円板の回転方向によ
って検出されるパターンの順序が異なることになる。こ
のパターン検出順序によって回転円板の回転方向の識別
も可能となる。

光ビーム・スポットの数は２以上であればＦＥｔに選択
できるのはいうまでもない。

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
から電鋳法など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
ロセスが必要であったが、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」：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同転円板は成形
法によって多量生産が可能である。

上記投光受光部において、レンズ２２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２２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
ておくことが好ましい。

フォーカシング駆動制御系はたとえば、非点収差法を用
いたフォーカス・エラー検出光学系。

この光学系の出力光からフォーカス・エラー検出信号を
得る４分割フォトダイオードを含む電気回路、磁気回路
または圧電体材料を含み集束レンズ２２の回転円板１１
に対する位置を調整するためのフォーカス制御アクチュ
エータ、およびフォーカス中エラーが零になるように上
記フォーカスＱエラー検出信号に基づいて上記アクチュ
エータを駆動する位相補償ドライブ回路等から構成する
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図および第７図は、１つの光源の光から複数の光ビ
ーム拳スポットを形成する光学系の例をそれぞれ示すも
のである。 第８図はこの発明の実施例における回転円板の構造、凹
凸パターンおよび光ビーム・スポット位置を示すもので
、同（Ａ）から（Ｃ）は平面図。 同（Ｄ）は同（Ａ）のＤ−Ｄ線にそう断面図、同（Ｅ）
は同（Ａ）のＥ−Ｅ線にそう断面図である。 １１・・・回転円板。 １２、１２ａ　−１２ｇ−・・凹凸パターン。 ２０・・・投光受光部、　　　　２１・・・発光素子。 ２２、２４・・・集光レンズ。 ２３・・・ビーム−スプリッタ。 ２５・・・受光素子、２６・・・回折格子。 ２７・・・ハーフΦミラー。 以　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   その径方向にコード化された凹凸パターンが形成された
   回転円板、 回転円板の径方向に配列された複数の光ビーム・スポッ
   トを回転円板上の凹凸パターンの位置に集光させる手段
   、および 各光ビームの回転円板からの反射光または透過光の凹凸
   パターンによる強度変化をそれぞれ検出する受光手段、 を備えている回転量検出装置。