JP2005326428A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の保護キャップでエンコーダを気密封止した場合では、迷光によるノイズが信号に重畳する。
本発明は、このような問題を解決するために、エンコーダの保護キャップ内部での迷光を抑圧することによって、光導波路型エンコーダにおける分解能の向上を目的とする。
【解決手段】
上記課題を解決するために、本願発明は、半導体レーザと、該半導体レーザの両端面から出射した光ビームを導く膜状の光導波路対と、前記光導波路対から出射した光ビームによる回折光の干渉位置に配置した受光素子とが、同一基板上に形成されたエンコーダであって、該エンコーダは、前記半導体レーザからの迷光が前記受光素子に入射することを防止する手段を施された筐体で覆われている。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザ光の干渉を利用して、位置決め又は変位検出などを行う光学式エンコーダに関するものである。

従来の実用品として供されているエンコーダは空間ビーム型であった。空間ビーム型のエンコーダでは、半導体レーザの光ビームが立体的に配置されたレンズやハーフミラーを通過するため、装置は大型化せざるを得なかった。

これに対して発明者らは、装置の小型化を目指して光導波路型エンコーダを発明し、これを実用に供すべく努力をしてきた。従来の光導波路型エンコーダの構成を図１に示す。これは本発明の発明者の一人がなしたもので（例えば、特許文献１参照。）、２２はエンコーダを示す。

酸化膜付きシリコン基板４上に、ファブリーペロー型半導体レーザ２０、空間的、電気的に分割された２つの受光面を有する受光素子２、及び半導体レーザ出力光を導く２つの光導波路対３ａ、３ｂが一体的に搭載され、エンコーダ２２を構成している。半導体レーザ２０の両端面から出射した出力光はそれぞれ光導波路対３ａ、３ｂを経て回折格子６に向けて出射光７ａ、７ｂとなる。この出射光７ａ、７ｂは回折格子６で回折され、その＋１次と−１次の回折光８が受光素子２の受光面で干渉信号として検出される。この干渉信号から、回折格子６とエンコーダの相対変位が検出できる。

本発明の発明者の一人は、さらに、変位方向も検出することを試みた（例えば、特許文献２参照。）。半導体レーザ出力光を導く光導波路の一方３ｂの出射面に設けられた段差３ｃによって、出射光７ａ、７ｂ間に９０度の位相差が生じ、１次回折した回折光８が受光素子２の２つの受光面で干渉して検出される信号も９０度位相がずれた正弦波状のものとなる。このため、回折格子６とエンコーダの相対変位だけでなく、変位方向も検出可能となる。

このエンコーダを装置に組み込むには、エンコーダを構成する半導体素子や光導波路、電気回路（不図示）がエンコーダ周辺環境から影響を受けないように、図２に示すような保護キャップで覆う気密封止構造が用いられていた。図２の保護キャップ３２は、半導体レーザ１からの出力光が光導波路対３ａ、３ｂを経由して回折格子へ出射し、また回折格子からの回折光が透過する入出力窓３１を備えている。その他の部分は金属で構成された中空構造となっている。
特許第３０３４８９９号公報 特開平８−２６１７９３号公報

図２において、エンコーダをこの金属製の保護キャップ３２で覆うと、半導体レーザ１からの漏れ光が保護キャップ内部で反射されて迷光となる。迷光が受光素子２に入射すると信号に対するノイズとなり、分解能を劣化させることが判明した。特に、高分解能を目的とするエンコーダでは、僅かの迷光であっても、信号に対するノイズの影響が大きい。

図２に示す従来の保護キャップ３２でエンコーダを気密封止した場合の受光素子２の２つの受光面からの信号出力波形を図３上段に示す。従来構成では、迷光によるノイズが信号に重畳していることが分かる。受光素子からの２つの信号を合成して得られるリサージュ波形を図３下段に示す。リサージュ波形からも、迷光によるノイズが信号に重畳していることが分かる。

本発明は、このような問題を解決するために、エンコーダの保護キャップ内部での迷光を抑圧することによって、光導波路型エンコーダにおける分解能の向上を目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は、半導体レーザと、該半導体レーザの両端面から出射した光ビームを導く膜状の光導波路対と、前記光導波路対から出射した光ビームによる回折光の干渉位置に配置した受光素子とが、同一基板上に形成されたエンコーダであって、該エンコーダは、前記半導体レーザからの迷光が前記受光素子に入射することを防止する手段が施された筐体で覆われている。

また、上記課題を解決するために、本願発明は、半導体レーザと、該半導体レーザの両端面から出射した光ビームを導く膜状の光導波路対と、前記光導波路対から出射した光ビームによる回折光の干渉位置に配置した受光素子とが、同一基板上に形成されたエンコーダであって、前記半導体レーザからの迷光が前記受光素子に入射することを防止する手段が施された筐体で覆われているエンコーダにおいて、前記防止する手段は、前記筐体の少なくとも一部に、半導体レーザからの迷光に対して透明部が設けられている。

また、上記課題を解決するために、本願発明は、半導体レーザと、該半導体レーザの両端面から出射した光ビームを導く膜状の光導波路対と、前記光導波路対から出射した光ビームによる回折光の干渉位置に配置した受光素子とが、同一基板上に形成されたエンコーダであって、前記半導体レーザからの迷光が前記受光素子に入射することを防止する手段が施された筐体で覆われているエンコーダにおいて、前記防止する手段は、前記筐体内面の少なくとも一部に半導体レーザからの迷光を吸収する材料が塗布されている。

また、上記課題を解決するために、本願発明は、半導体レーザと、該半導体レーザの両端面から出射した光ビームを導く膜状の光導波路対と、前記光導波路対から出射した光ビームによる回折光の干渉位置に配置した受光素子とが、同一基板上に形成されたエンコーダであって、前記半導体レーザからの迷光が前記受光素子に入射することを防止する手段が施された筐体で覆われているエンコーダにおいて、前記防止する手段は、前記筐体の少なくとも一部が半導体レーザからの迷光を吸収する材料で構成されている。なお、これらの各構成は、可能な限り組み合わせることができる。

本願発明によれば、保護キャップ内で、半導体レーザからの迷光によるノイズを抑圧することが可能となり、エンコーダの分解能を向上させることができる。

（実施の形態１）
本発明による筐体で覆われたエンコーダの実施の形態を図４に示す。図４において、保護キャップ本体部３２は従来例と同じく金属で構成され、エンコーダの半導体レーザに相対する面の一部に切り欠き部を設け、その切り欠き部に透明部材で窓部３３を構成することによって、半導体レーザ１からの迷光が受光素子２に入射することを防止する。

図４に示すように、半導体レーザ１からの漏れ光が多く到達する半導体レーザ直上部とその周辺部を透明な窓部３３とすることによって、漏れ光が保護キャップ３２内部の金属面で反射されることなく、保護キャップ本体部３２の外部へ放射される。窓部３３が金属面であると、半導体レーザ１からの漏れ光は金属面で反射されて迷光となる。透明な窓部３３を設けることによって、迷光が受光素子に入射することを防止でき、信号に対するノイズを抑圧することができる。

図４に示す本実施の形態の筐体でエンコーダを気密封止した場合の、受光素子２の２つの受光面からの信号出力波形を図５上段に示す。従来構成の筐体を使用した場合の出力信号である図３に比較して、本実施の形態による筐体を用いると、迷光によるノイズは約４分の１に抑圧することができた。この結果、目標とする分解能１０ｎｍを実現できたことが分かる。受光素子２の２つの受光面からの信号出力を合成して得られるリサージュ波形を図５下段に示す。リサージュ波形からも、迷光によるノイズは大幅に抑圧できたことが分かる。特に、高分解能を目的とするエンコーダでは、僅かの迷光であっても、信号に対するノイズの影響が大きいため、本実施の形態の筐体によるノイズ抑圧効果は大きい。

図４の実施の形態では、窓部３３は、半導体レーザ１の直上部と側壁の上部までであったが、半導体レーザの直上部だけを窓部としても、又は、半導体レーザ１の直上部と側壁の上部から下部までを窓部としても上記と同様の効果が得られた。

本実施の形態で示した保護キャップ本体部３２は矩形であるが、円筒形状や、直径の異なる円筒形状の組み合わせでも同様の効果が得られる。

なお、窓部に使用する透明部材は、半導体レーザの出力光の波長で透明であればよく、プラスチック、セラミックス、パイレックス（登録商標）ガラス等のガラスが適用できる。

（実施の形態２）
本発明による筐体で覆われたエンコーダの実施の形態を図６に示す。図６において、保護キャップ本体部３４を透明部材で構成し、筐体のうち５面を透明な窓部とすることによって、半導体レーザ１からの迷光が受光素子２に入射することを防止する。ここでは、透明部材として透明なパイレックス（登録商標）ガラスを使用した。

図６に示すように、保護キャップ本体部３４は総て透明な部材で構成されているため、半導体レーザ１からの漏れ光は保護キャップ本体部３４の内部で反射されることなく、保護キャップ本体部３４の外部に放射される。従って、受光素子２に迷光が入射することを防止でき、良好な信号が得られる。

本実施の形態では、保護キャップ本体部３４の総てを透明な部材とすることによって、入出力窓を別途設ける必要がなくなり、製造工程が簡素化できる。

図６に示す本実施の形態の筐体でエンコーダを気密封止した場合の受光素子２の出力信号は、実施の形態１と同様に、従来構成の筐体に比較して良好な信号が得られた。また、リサージュ波形においても、迷光によるノイズは大幅に抑圧できた。特に、高分解能を目的とするエンコーダでは、僅かの迷光であっても、信号に対するノイズの影響が大きいため、本実施の形態の筐体によるノイズ抑圧効果は大きい。

本実施の形態では、保護キャップ本体部３４の総てをパイレックス（登録商標）ガラスで構成したが、エンコーダの酸化膜付きシリコン基板の下部（底部）となる部分は透明である必要はなく、金属などの不透明な部材で構成してもよい。

本実施の形態で示した保護キャップ本体部３４は矩形であるが、円筒形状や、直径の異なる円筒形状の組み合わせでも同様の効果が得られる。

なお、保護キャップ本体部３４に使用する透明部材は、半導体レーザの出力光の波長で透明であればよく、プラスチック、セラミックス、パイレックス（登録商標）ガラス等のガラスが適用できる。

（実施の形態３）
本発明による筐体で覆われたエンコーダの実施の形態は図２に対して、保護キャップ本体部３２の内面に半導体レーザ１からの迷光を吸収する材料を塗布することによって、迷光が受光素子２に入射することを防止する。ここでは、吸収材料として炭素粉末を含む黒いプラスチックを使用した。保護キャップ本体部３２の材料は何でもよい。

入出力窓３１は半導体レーザ１の出力光に対して透明なガラスであるが、その他の部分の内面は総て半導体レーザ１の出力光を吸収する材料を塗布した。このため、半導体レーザ１からの漏れ光は保護キャップ本体部３２の内面で反射されることなく、保護キャップ本体部３２の内面で吸収される。従って、受光素子２に迷光が入射することを防止でき、良好な信号が得られる。

本実施の形態では、従来の保護キャップ本体部３２をそのまま利用して、迷光を吸収する材料で内面を塗布加工して得られる利点がある。

本実施の形態の筐体でエンコーダを気密封止した場合の受光素子の出力信号は、実施の形態１と同様に、従来構成の筐体に比較して良好な信号が得られた。また、リサージュ波形においても、迷光によるノイズは大幅に抑圧できた。特に、高分解能を目的とするエンコーダでは、僅かの迷光であっても、信号に対するノイズの影響が大きいため、本実施の形態の筐体によるノイズ抑圧効果は大きい。

吸収材料は、半導体レーザ直上部の保護キャップ本体部の内面に塗布するだけでも、ノイズ削減効果は得られる。

本実施の形態で示した保護キャップ本体部は矩形であるが、円筒形状や、直径の異なる円筒形状の組み合わせでも同様の効果が得られる。

なお、保護キャップ本体部の内部に塗布する吸収材料は、半導体レーザの出力光を吸収する材料であればよく、炭素繊維（炭素フィラー）を含有するプラスチック材料、半導体レーザ出力光を吸収するセラミックス、半導体レーザ出力光を吸収するセラミックス粉末を含むプラスチック、半導体レーザ出力光を吸収するよう調整したＴｉＯ_２粉末を含むプラスチック等が適用できる。

（実施の形態４）
本発明による筐体の実施の形態を図７に示す。図７では、保護キャップ本体部の構成だけを示している。図７において、保護キャップ本体部３５を吸収材料で構成することによって、半導体レーザからの迷光が受光素子に入射することを防止する。ここでは、吸収材料として炭素粉末を含む黒いプラスチックを使用した。

図７に示すように、入出力窓３１は半導体レーザの出力光に対して透明なガラスであるが、その他の部分は総て半導体レーザの出力光を吸収する材料で構成されている。半導体レーザからの漏れ光は保護キャップ本体部の内部で反射されることなく、保護キャップ本体部の内部で吸収される。従って、受光素子に迷光が入射することを防止でき、良好な信号が得られる。

本実施の形態では、保護キャップ本体部３５の全体を吸収材料で構成するため、製造工程を簡易化することができる。

図７に示す本実施の形態の筐体でエンコーダを気密封止した場合の受光素子の出力信号は、実施の形態１と同様に、従来構成の筐体に比較して良好な信号が得られた。また、リサージュ波形においても、迷光によるノイズは大幅に抑圧できた。特に、高分解能を目的とするエンコーダでは、僅かの迷光であっても、信号に対するノイズの影響が大きいため、本実施の形態の筐体によるノイズ抑圧効果は大きい。

本実施の形態では、保護キャップ本体部３５の全体を吸収材料で構成したが、半導体レーザの直上部近辺だけを吸収材料で構成してもノイズ削減効果が得られる。

本実施の形態で示した保護キャップ本体部３５は矩形であるが、円筒形状や、直径の異なる円筒形状の組み合わせでも同様の効果が得られる。

なお、保護キャップ本体部３５に使用する吸収材料は、半導体レーザの出力光を吸収する材料であればよく、炭素繊維（炭素フィラー）を含有するプラスチック材料、半導体レーザ出力光を吸収するセラミックス、半導体レーザ出力光を吸収するセラミックス粉末を含むプラスチック、半導体レーザ出力光を吸収するよう調整したＴｉＯ_２粉末を含むプラスチック等が適用できる。

本発明のエンコーダは、位置決めや変移検出に用いることができる。

従来構成のエンコーダの構成を説明する図 従来構成のエンコーダの構成を説明する図 従来構成のエンコーダによる実験結果を説明する図 実施の形態を示すエンコーダの構成を説明する図 実施の形態のエンコーダによる実験結果を説明する図 実施の形態を示すエンコーダの構成を説明する図 実施の形態を示すエンコーダの保護キャップの構成を説明する図

符号の説明

１、２０ 半導体レーザ
２ 空間的、電気的に分割された２つの受光面を有する受光素子
３ 光導波路対
４ 酸化膜付きシリコン基板
６ 回折格子
７ 光導波路からの半導体レーザ出射光
８ 回折光
２２ エンコーダ
３１ 保護キャップの入出力窓
３２ 保護キャップ本体部
３３ 保護キャップの透明窓部
３４ 透明部材で構成された保護キャップ本体部
３５ 吸収材料で構成された保護キャップ本体部

Claims (4)

1. 半導体レーザと、該半導体レーザの両端面から出射した光ビームを導く膜状の光導波路対と、前記光導波路対から出射した光ビームによる回折光の干渉位置に配置した受光素子とが、同一基板上に形成されたエンコーダであって、前記半導体レーザからの迷光が前記受光素子に入射することを防止する手段が施された筐体で覆われているエンコーダ。
2. 前記防止する手段は、前記筐体の少なくとも一部に、半導体レーザからの迷光に対して透明部が設けられている請求項１記載のエンコーダ。
3. 前記防止する手段は、前記筐体内面の少なくとも一部に半導体レーザからの迷光を吸収する材料が塗布されている請求項１記載のエンコーダ。
4. 前記防止する手段は、前記筐体の少なくとも一部が半導体レーザからの迷光を吸収する材料で構成されている請求項１記載のエンコーダ。
   
   
   
   

Images