JP2014081210A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザの寿命が短いため、光学式エンコーダを高分解能化し、かつ、長寿命にすることが困難であった。
【解決手段】この発明に係る光学式エンコーダは、第一の光源と、切り替えて使用する一以上の第二の光源と、第一の光源または第二の光源からの光が照射されるスケール格子と、第一の光源または第二の光源からスケール格子を介した光を受光する受光エリアを有し、スケール格子との距離を一定に保ちつつ、スケール格子に対して略平行に相対移動することによって信号を生じる受光部とを備え、第一の光源から第二の光源の一に切り替えても、第一の光源とスケール格子との間の距離と第二の光源とスケール格子との間の距離が略同一であり、かつ、第一の光源におけるスケール格子と受光部との間の距離と第二の光源におけるスケール格子と受光部との間の距離が略同一としたものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体レーザ素子を用いた光学式エンコーダに関するものである。

近年、産業用機器・装置の高精度化が進み、産業用機器・装置で使われる光学式エンコーダには更なる高分解能化が求められている。

従来、光学式エンコーダは、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が用いられていたが、高分解能化のために、近年は、より可干渉性の高い半導体レーザ（レーザダイオード ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）が用いられている。

半導体レーザ素子を用いた光学式エンコーダとしては、例えば、特許文献１に、発光素子として１個のレーザダイオード、スケール格子、受光用格子および受光素子を備えた光学式エンコーダにおいて、レーザダイオードの光源とスケール格子との距離をＺ１、スケール格子と受光用格子との距離をＺ２、レーザの波長をλ、スケール格子の格子ピッチをＰ、受光用格子の格子ピッチをＴ、ｎを自然数とするとき、
Ｚ１×Ｚ２／（Ｚ１＋Ｚ２）＝ｎＰ^２／λ
および
Ｔ＝（Ｚ１＋Ｚ２）Ｐ／Ｚ１
の関係を満足している光学式エンコーダが開示されている。

半導体レーザ素子の寿命は、発光ダイオードに比べて短い。半導体レーザ素子は、素子個々によって寿命にばらつきがあり、１０年以上に亘り継続運転可能なものから１年未満で故障してしまうものまである。このため、例えば、特許文献２では、半導体レーザ素子をスクリーニングと呼ばれる方法により良品の選定を行うことが開示されている。

しかし、半導体レーザ素子の故障メカニズムは解明されておらず、突然故障したり早期劣化したりするもの等を除ききれない。そこで、例えば、特許文献３では、複数のレーザダイオード素子を有して、これら各素子へ与える負荷を個々の劣化度合い又は残存寿命に応じて逐次最適に分配することによって装置全体を長寿命化させる半導体レーザ装置が開示されている。

半導体レーザ素子を用いた光学式エンコーダの長寿命化としては、例えば、特許文献４に、予め複数の光学式エンコーダを設けておき、使用中の光学式エンコーダが故障しても、予備の光学式エンコーダに切り替えられる冗長構成が示されている。

また、例えば、特許文献５では、アレイ状の半導体レーザ素子１チップを使用し、使用中の半導体レーザ素子の出力レベルが基準値を下回ると、予備に自動的に切り替えられる冗長構成が示されている。

特公平４−０４４２１４号公報（第２頁〜第４頁、第２図） 特開平７−１１５２５０号公報（第３頁〜第４頁、図１） 特開２００５−３１７８４１号公報（第６頁〜第９頁、図１） 実開昭５８−０６６４９５号公報（第２頁〜第９頁、第３図） 特開平５−３４３８０９号公報（第３頁〜第４頁、図１）

特許文献４のように、光学式エンコーダ自体を予備の光学式エンコーダに切り替えられる構成では、半導体レーザ素子が故障するたびに、光学式エンコーダを切り替えなければならず、半導体レーザ素子の光源の位置合わせに多大な時間を費やし、予備の光学式エンコーダを設けるための設置場所が必要になり全体の構造が大型化し、予備の光学式エンコーダ一式のためのコストも高価になるという欠点があった。

また、光学式エンコーダの場合において、半導体レーザ素子の光源の位置によっては、受光エリアの中心位置から離れて光ビームが受光されることがある。光源の光ビームが、受光エリアの中心位置から離れるほどに光学式エンコーダの分解能が低下し、分解能の低下によって光学式エンコーダの精度が低下するため、使用できなくなってしまうという問題があった。

特許文献５のように、半導体レーザ素子のチップ内に複数の独立駆動構造のレーザ共振器が組み込まれた構成では、光源であるそれぞれのレーザ共振器間の距離がわからず、光学式エンコーダが使用できる分解能の値を保持できているかが不明であった。このため、光学式エンコーダにおいては、半導体レーザ素子のチップからなる光源の配置を決定するのが困難であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光学式エンコーダの分解能を高分解能化し、長寿命の光学式エンコーダを提供することを目的とする。

この発明に係る光学式エンコーダは、半導体レーザ素子から光を発振する第一の光源と、切り替えて使用する一以上の半導体レーザ素子から光を発振する第二の光源と、前記第一の光源または前記第二の光源からの光が照射されるスケール格子と、前記第一の光源または前記第二の光源から前記スケール格子を介した光を受光する受光エリアを有し、前記スケール格子との距離を一定に保ちつつ、前記スケール格子に対して略平行に相対移動することによって信号を生じる受光部とを備え、前記第一の光源および前記第二の光源と前記スケール格子との距離をＺ１、前記スケール格子と前記受光部との距離をＺ２、前記第一の光源および前記第二の光源の波長をλ、前記スケール格子の格子ピッチをＰ、自然数をｎとするとき、Ｚ１×Ｚ２／（Ｚ１＋Ｚ２）＝ｎＰ^２／λの関係を満足し、前記第一の光源から前記第二の光源の一に切り替えても、前記第一の光源と前記スケール格子との間の距離と前記第二の光源と前記スケール格子との間の距離が略同一であり、かつ、前記第一の光源における前記スケール格子と前記受光部との間の距離と前記第二の光源における前記スケール格子と前記受光部との間の距離が略同一であることを特徴とするものである。

この発明では、複数の半導体レーザ素子を用いて、半導体レーザ素子の光源と格子、格子と受光部とのそれぞれの距離を、光源の切り替え前と切り替え後で略同一にすることで、半導体レーザ素子を用いた光学式エンコーダの長寿命化を図ることができる。

また、上記のように半導体レーザ素子の光源を切り替えても、受光部上に生じる回折干渉縞の周期が変わらず、回折干渉縞のコントラストも低下しない。よって、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）も低下しないという効果が得られる。

この発明の実施の形態１に係る光学式エンコーダの要部を前面から見た概略図である。 この発明の実施の形態１に係る光学式エンコーダを上面から見た受光部の概略図である。 この発明の実施の形態１に係る図１の要部を備えた光学式エンコーダ全体の構成を前面から見た概略図である。 この発明の実施の形態２に係る光学式エンコーダの光源として使用するＶＣＳＥＬを示す概略図である。 この発明の実施の形態３に係る光学式エンコーダの要部を前面から見た概略図である。 この発明の実施の形態３に係る光学式エンコーダの要部を側面から見た概略図である。 この発明の実施の形態４に係る光学式エンコーダの要部を前面から見た概略図である。 この発明の実施の形態４に係る光学式エンコーダの要部を側面から見た概略図である。

実施の形態１．
図１〜図３は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであって、図１は光学式エンコーダの要部を前面から見た概略図、図２は光学式エンコーダにおける受光部を上面から見た概略図、図３は図１の要部を備えた光学式エンコーダ全体の構成を前面から見た概略図である。

図１において、この発明の実施の形態１における光学式エンコーダは、通常使用する半導体レーザ素子の第一の光源としての光源１０Ａ、切り替えて使用する予備の半導体レーザ素子の第二の光源としての光源１０Ｂ、スケール格子１２、光源１０Ａまたは光源１０Ｂからスケール格子１２を介した光を受光し、スケール格子１２とＹ軸方向に平行なＣ方向での位置の変化により周期時間信号を生じさせる受光エリア１５を有する受光部１１で構成される。

半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０Ｂ及び受光部１１とスケール格子１２とは、距離を一定に保ちつつ、スケール格子１２とＹ軸方向に略平行なＣ方向に相対移動可能に保持される。

半導体レーザ素子の光源１０Ａと半導体レーザ素子の光源１０Ｂは、Ｃ方向に隣接して、受光部１１の受光エリア１５の中心線１６を中心に対称となるように配置する。また、半導体レーザ素子の光源１０Ａと半導体レーザ素子の光源１０Ｂは、各光源からの光ビーム１４が、それぞれ受光部１１の受光エリア１５に対して垂直に照射するように配置する。

光学式エンコーダは、光源１０Ａ、１０Ｂ及び受光部１１とスケール格子１２とをＹ軸方向に平行なＣ方向に相対移動させることによって、光源１０Ａから射出された光ビーム１４が変化し、変化した光ビーム１４を受光部１１で受光して、測定物の変位量を検知する。

この実施の形態１の光学式エンコーダは、スケール格子１２の相対移動を、スケール格子１２の相対変位量として検出する。ここでの周期時間信号とは、周期Ｔの正弦波信号および余弦波信号である。

ここで、受光エリア１５の大きさは、光ビーム１４の大きさによって設定する。光ビーム１４のシグナル値をより高く得るために、回折干渉縞の周期変化方向（移動方向）における受光エリア１５の長さは、光ビーム１４の受光位置での直径と略同一にする。

また、回折干渉縞の周期変化しない（移動しない）方向についても、同様に光ビーム１４の受光位置での直径と略同一にする。

なお、この実施の形態１では、スケール格子１２がリニア型の場合を示しているが、スケール格子１２の形状がロータリ型の場合には、スケール格子ピッチが受光エリア中心では設計値通りであるが、受光エリア中心から離れるほどスケール格子ピッチが設計値から小さく、もしくは大きくなるので、光ビーム１４の受光位置で回折干渉縞がぼやけることになる。

従って、スケール格子１２の形状がロータリ型の場合には、回折干渉縞の周期変化しない（移動しない）方向における受光エリア１５の長さは、光ビーム１４の受光位置での直径と略同一にすると、光ビーム１４の端部分の回折干渉縞がぼやけて、分解能（Ｓ／Ｎ比）が低下するため、光ビーム１４の受光位置での直径／２と同程度にする。

図１で、光ビーム１４は光源１０Ａから射出され、スケール格子１２を透過して、受光エリア１５へと入射する。回折干渉縞１３は、スケール格子１２を透過した光ビーム１４が受光エリア１５上に生じるものである。

何れの半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０Ｂも、半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０Ｂとスケール格子１２との間の距離をＺ１、スケール格子１２と受光部１１との間の距離をＺ２、光源１０Ａ、１０Ｂの波長をλ、スケール格子１２の格子ピッチをＰ、ｎを自然数とするとき、（１）式の関係を満足するように構成する。

Ｚ１×Ｚ２／（Ｚ１＋Ｚ２）＝ｎＰ^２／λ ・・・（１）

上記構成により、半導体レーザ素子の光源１０Ａから光源１０Ｂへと切り替えた場合にも、光源１０Ａからスケール格子１２までの間の距離と光源１０Ｂからスケール格子１２までの間の距離とで略同一となり、かつ、光源１０Ａの光ビームにおけるスケール格子１２と受光部１１との間の距離と光源１０Ｂの光ビームにおけるスケール格子１２と受光部１１との間の距離で略同一となる。

また、半導体レーザ素子の光源の数は、常時使用の光源１つと予備の光源１つの、計２つの光源だけでなくても良く、予備の光源が２つ以上の、合計で３つ以上の光源を用いて構成しても良い。

光源が３つ以上の複数ある場合でも、各光源とスケール格子との間の距離Ｚ１は、各光源において略等しくなり、かつ、スケール格子と受光部との間の距離Ｚ２は、各光源において略等しくなるように配置する。

これにより、複数の半導体レーザ素子の光源を切り替えても、各光源とスケール格子との間の距離Ｚ１同士およびそれぞれのスケール格子と受光部との間の距離Ｚ２同士が略同じ値になる。

このように、半導体レーザ素子の光源が３つ以上の複数ある場合、光源が２つのみのときの関係と同じように、すべての光源が（１）式を満足するように構成する。

受光部１１の受光エリア１５上で生じる検出信号Ａは、受光部１１がスケール格子１２との相対移動により変動する正弦波信号および余弦波信号である。この正弦波信号および余弦波信号には、ノイズが発生する。

光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）は、正弦波信号または余弦波信号の信号振幅値（シグナル）に対するノイズの比で表され、（２）式に示すように、ＡＣ値／√（ＡＣ値＋ＤＣ値）に比例する。

光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）＝正弦波信号および余弦波信号の信号振幅値（Ｓ）／ノイズ（Ｎ） ∝ ＡＣ値／√（ＡＣ値＋ＤＣ値） ・・・（２）

ここで、ＡＣ値＝正弦波信号もしくは余弦波信号の振幅値／２＝（Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ）／２、ＤＣ値＝正弦波信号もしくは余弦波信号のグラウンドレベルからのオフセット値＝（Ａｍａｘ＋Ａｍｉｎ）／２である。

光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）は、ＡＣ値が大きい程、またＤＣ値が小さい程、大きくなる。つまり、ＡＣ／ＤＣ比が大きいほど、光学式エンコーダの分解能は高くなる。

ＡＣ／ＤＣ比＝（Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ）／（Ａｍａｘ＋Ａｍｉｎ） ・・・（３）

式（３）のＡＣ／ＤＣ比は、回折干渉縞のコントラストに比例する。回折干渉縞のコントラストが低下すると、ＡＣ／ＤＣ比は小さくなり、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）は低くなる。

また、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）は、ＡＣ／ＤＣ比が変化しない（特性が変わらない）としたとき、受光部１１の受光エリア１５に入ってくる光量が大きいほど（ＡＣ値およびＤＣ値の絶対値が大きいほど）高くなる。

半導体レーザ素子の光源１０Ａから半導体レーザ素子の光源１０Ｂに切り替えても、式（１）のそれぞれの光源とスケール格子との間の距離Ｚ１同士およびそれぞれの光源におけるスケール格子と受光部との間の距離Ｚ２同士が略同じ値であるように配置すれば、式（４）で表される受光部１１の受光エリア１５上に生じる回折干渉縞１３の周期Ｔが変わらず、回折干渉縞１３のコントラストも変わらない。よって、検出信号ＡのＡＣ／ＤＣ比が低下せず、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）も低下しないことになる。

Ｔ＝（Ｚ１＋Ｚ２）Ｐ／Ｚ１ ・・・（４）

スケール格子１２を測定物に接続した場合、測定物が移動すると、測定物に接続されたスケール格子１２も同時に移動し、スケール格子１２が移動することによって、光源１０Ａからスケール格子１２を透過する光が変化し、その変化量を受光エリア１５で計測する。この計測された信号値によって、スケール格子１２に接続された測定物の変位量を算出する。

図２に示されるように、半導体レーザ素子の光源を２個並べて同一平面上に配置する場合、受光部１１の受光エリア１５の中心位置と光ビーム１４の中心位置が距離Ｗだけ離れてしまう。

半導体レーザ素子の光源１０Ａから射出される光ビーム１４の中心から離れた部分では、光源とスケール格子との間の距離Ｚ１およびスケール格子と受光部との間の距離Ｚ２に誤差が生じやすく、また、光ビーム１４が受光部１１の受光エリア１５の範囲から逸脱しやすくなってしまうため、回折干渉縞のコントラストが低下し、ＡＣ／ＤＣ比が低下してしまう。

即ち、受光部１１の受光エリア１５に入射する光ビーム１４の中心から離れた部分の割合が高くなると、ＡＣ／ＤＣ比が低下し、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）が低下する。

図３は、図１の光学式エンコーダの構成に更に、演算処理部２１、光源駆動部２２Ａ、２２Ｂを備えた光学式エンコーダの図である。

図３において、演算処理部２１は、受光部１１の受光エリア１５によって検出された信号に応じて、半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０ＢのＯＮ／ＯＦＦ信号を演算処理して、光源駆動部２２へと演算処理された信号を送信する。

光源駆動部２２は、演算処理部２１から送信された演算処理された信号によって、半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０ＢをＯＮ／ＯＦＦさせる。

次に、以下に上記の構成での動作を述べる。半導体レーザ素子の劣化により光出力が減少すると、受光部１１の受光エリア１５上で検出される検出信号ＡのＡＣ値も半導体レーザ素子の出力に比例して減少する。

光源１０Ａの光ビームから得られる検出信号ＡのＡＣ値の減少率を判断基準とし、この減少率が所定の判断基準を下回ったときに予備の半導体レーザ素子の光源１０Ｂに切り替えを行う演算処理部２１を備えることで、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）を、要求下限値以上に維持できる。

光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）の仕様を満たすために、光出力下限値（光源の明るさの下限値）が決定される。ここで、光出力とはＡＣ値であるので、ＡＣ値の低下率を指標として光源の切り替えを判断する。

光出力が低いほど光源の寿命が長いので、光源の寿命を長くしたい場合には、できるだけ光出力は低くして使用する。光出力下限値と光出力低下率を考慮して光源の初期値を、例えば、光源の最大出力の５０％値として設定する。

半導体レーザ素子の光源１０Ａの使用中に、検出信号ＡのＡＣ値が、例えば、初期ＡＣ値から２０％程度減少した場合、半導体レーザ素子の光源１０Ａの寿命と判断して、演算処理部２１は、半導体レーザ素子の光源１０ＡにＯＦＦの信号を、半導体レーザ素子の光源１０ＢにＯＮの信号を送り、予備の光源１０Ｂに切り替えを行う。

次に、具体的な解析結果を示す。フレネル回折論に基づく波面伝搬式を用いて数値解析を行った結果、半導体レーザ素子の波長λ＝０．８５［μｍ］、スケール格子１２の格子ピッチＰが２０［μｍ］以下、光源１０とスケール格子１２との間の距離Ｚ１およびスケール格子１２と受光部１１との間の距離Ｚ２のそれぞれが３０００［μｍ］の場合において説明する。

上記の実施例の場合、受光部１１の受光エリア１５の中心位置と半導体レーザ素子の光源（光ビーム１４の中心位置）の距離Ｗは、２００［μｍ］以下にすることが好ましい。この場合、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）の低下は、光ビーム１４が受光部１１の受光エリア１５の中心に入射したときの光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）の１０％以下となる。

また、受光部１１の受光エリア１５の中心位置と半導体レーザ素子の光源（光ビーム１４の中心位置）の距離Ｗを１５０[μｍ]以下にすれば、更に好ましい。この場合、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）の低下は、光ビーム１４が受光部１１の受光エリア１５の中心に入射したときの光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）の５％以下となる。

上記と同条件において、光源とスケール格子との間の距離Ｚ１およびスケール格子と受光部との間の距離Ｚ２のそれぞれの設計値との誤差は、１５０［μｍ］以下にすることが好ましい。この場合、ＡＣ／ＤＣ比の低下がピーク時（光源とスケール格子との間の距離Ｚ１およびスケール格子と受光部との間の距離Ｚ２の設計値との誤差が０のとき）の２０％以下となる。

半導体レーザ素子の光源１０Ａは常時使用し、半導体レーザ素子の光源１０Ｂは通常は稼動しておらず、半導体レーザ素子の光源１０Ａが故障したときに切り替えて使用する。

半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０Ｂ共に故障率が一定値λであるとき、この冗長構成の光源の信頼度Ｒ（ｔ）は式（５）で表される。

Ｒ（ｔ）＝ｅ^−λｔ（１＋λｔ） ・・・（５）

平均故障寿命（ＭＴＴＦ：Ｍｅａｎ Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｆａｉｌｕｒｅ）は式（６）で表されるので、式（５）を代入すると、２／λが求まる。半導体レーザ素子の光源１個の平均故障寿命は１／λであるので、半導体レーザ素子を２個用いた冗長構成の光源の平均故障寿命は、半導体レーザ素子の光源１個の平均故障寿命の２倍長くなる。

ＭＴＴＦ＝∫^∞ ₀Ｒ（ｔ）ｄｔ＝２／λ ・・・（６）

以上のように、この実施の形態１に係る光学式エンコーダは、半導体レーザ素子の光源１０Ａと、切り替えて使用する半導体レーザ素子の光源１０Ｂとを備え、光源１０Ａとスケール格子１２との間の距離Ｚ１と光源１０Ｂとスケール格子１２との間の距離Ｚ１が略同一であり、かつ、光源１０Ａにおけるスケール格子１２と受光部１１との間の距離Ｚ２と光源１０Ｂにおけるスケール格子１２と受光部１１との間の距離Ｚ２がそれぞれ略同一であるように配置し、（１）式を満足するように構成したことにより、使用中の半導体レーザ素子の光源が故障しても、他の予備の光源に切り替えてエンコーダを高分解能で使用し続けることができ、光学式エンコーダの長寿命化が図れる。

また、他の予備の光源に切り替えても受光部を共用できるので、半導体レーザ素子の光源と受光部をそれぞれ別個に用いた光学式エンコーダを複数使用するよりも、コストが安くなる。

なお、半導体レーザ素子の光源は、半導体レーザ素子のチップでも、パッケージされたキャンでも、いずれの形態で設けられたものであっても構わない。また、半導体レーザ素子近傍に開口のあるマスクを置き、ビーム整形した半導体レーザ素子の光源を用いても構わない。

また、受光部１１は、ピッチＴの検出器用格子と受光素子を組み合わせたものでも、半導体検出器アレイでも構わない。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１における半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０Ｂの代わりに垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）からなる光源を用いたものである。光源以外は、図１における光学式エンコーダとすべて同様である。

図４に、この発明の実施の形態２に係る光学式エンコーダの光源として使用する垂直共振器面発光レーザ（以下ＶＣＳＥＬと称する）の概略図を示す。図４に示すように、この発明の実施の形態２においては、半導体レーザ素子の光源が素子表面の中心位置にない半導体レーザ素子の一種であるＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂを用いる。

なお、この発明の実施の形態２において、図４のＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂを光源として用いた光学式エンコーダは、光源以外は図１と同一符号は同一部分を示すので、これらの説明は省略する。

ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂを使用する場合、図４に示すように、ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂの周囲４面の内、ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂの光源２４Ａ、２４Ｂが最も近い面を向かい合わせるように、同一平面上に２個のＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂを並べる。

同一平面上に光源２４Ａ、２４Ｂを実装する際、例えば、光源実装パッド２７に、実装位置基準マークを設け、実装位置基準マークの位置を基準に光源の実装を行う。

実装位置基準マーク間の中心位置（Ｘ軸に平行）と受光部１１の受光エリア１５の中心位置（Ｘ軸に平行）が数μｍの誤差であった場合、実装位置基準マーク間の中心位置（Ｘ軸に平行）と実装位置基準マークの距離Ｌを１５０［μｍ］以下になるように実装すれば、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）の低下を、光ビーム１４が受光部１１の受光エリア１５の中心に入射したときの光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）の５％以下とすることができる。

同一平面上にＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂの光源２４Ａ、２４Ｂを置くことにより、受光部１１の受光エリア１５の中心位置から離れた位置に光ビーム１４が照射される。ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂのように、ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂの光源２４Ａ、２４Ｂと受光部１１の受光エリア１５の中心位置との距離Ｗが短い程、受光部１１の受光エリア１５の中心位置に近い距離に光ビーム１４が照射でき、検出信号Ａの分解能（Ｓ／Ｎ比）の減少量が低く抑えられる。

ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂは、大きさが例えば数百［μｍ］程度の小型立体形状であるので、同一平面上で、半導体レーザ素子の光源を近接させるには、ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂチップが適している。

ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂは、半導体基板面に対して垂直方向に光を共振させ、半導体基板面と垂直方向にビームが射出するので、ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂ表面上には電極パッド２５Ａ、２５Ｂがある。そのために、ＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂの光源２４Ａ、２４ＢはＶＣＳＥＬ２３Ａ、２３Ｂの中心位置から離れた位置にある。

２連のアレイ状ＶＣＳＥＬチップ１個は、ＶＣＳＥＬ単体チップ１個より製造歩留まりが悪いので、単価が高い。２連のアレイ状ＶＣＳＥＬチップを１個使用するより、ＶＣＳＥＬ単体チップを２個使用する方が、コストが安くなる。

この発明による光学式エンコーダは、透過型光学式エンコーダでも、スケール格子に対し光源と受光部が同じ側にある反射型光学式エンコーダでも構わない。

この発明による光学式エンコーダのスケール格子形状は、リニア型とロータリ型を問わない。

この発明による光学式エンコーダの検出器アレイの形状は、リニア型とロータリ型を問わない。

以上のように、この実施の形態２に係る光学式エンコーダは、光学式エンコーダの光源２個に垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いたことにより、使用中のＶＣＳＥＬを用いた光源１個が故障しても、他の予備のＶＣＳＥＬを用いた光源に切り替えてエンコーダを高分解能で使用し続けることができ、光学式エンコーダの長寿命化が図れる。

また、他の予備のＶＣＳＥＬを用いた光源に切り替えても受光部を共用できるので、半導体レーザ素子の光源と受光部をそれぞれ別個に用いた光学式エンコーダを複数使用するよりも、コストが安くなる。

さらに、ＶＣＳＥＬを用いた光源は他の半導体レーザ素子に比べ小型なため、光学式エンコーダの光源を配置するときに、容易に配置でき、また、光学式エンコーダの光源の数を２個以上の複数個を容易に配置することができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１における半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０Ｂの代わりに、光源からの光ビームが、それぞれ受光部の受光エリアに対して斜めに照射する光源を用いたものである。光源以外は、図１における光学式エンコーダとすべて同様である。

図５は、実施の形態３の光源３０Ａ、３０Ｂの配置を前面から見た構成を示す概略図である。図６は、実施の形態３の光源３０Ａ、３０Ｂの配置を側面から見た構成を示す概略図である。

図５、図６に、この発明の実施の形態３に係る光学式エンコーダの要部の概略図を示す。図５に示すように、半導体レーザ素子の光源３０Ａ、３０Ｂは、受光部１１の受光エリア１５の中心に向かって照射するように斜めに配置されている。なお、図５、図６において、図１と同一符号は同一部分を示すので、これらの説明は省略する。

図５、図６に示すように、実施の形態３の半導体レーザ素子の光源３０Ａ、３０Ｂは、それぞれが離間して、中心線１６を中心に対称に配置され、受光部１１の受光エリア１５の中心に向かってそれぞれが斜めに光ビーム１４を照射する。このような配置においても、実施の形態１と同様に、式（１）の関係を満たし、それぞれの光源とスケール格子との間の距離Ｚ１同士およびそれぞれの光源におけるスケール格子と受光部との間の距離Ｚ２同士は、３０Ａと３０Ｂのそれぞれにおいて略等しくなるように構成する。

受光部１１の受光エリア１５の中心位置に光ビームが照射されたとき、受光部１１の受光エリア１５の中心位置と光ビーム１４の中心位置が略一致するので、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）は低下しない。

従って、いずれの半導体レーザ素子の光源３０Ａ、３０Ｂも、受光部１１の受光エリア１５の中心位置に向かって照射するように配置すると、光源の切り替えの際に、受光部１１の受光エリア１５上で検出される検出信号Ａの分解能（Ｓ／Ｎ比）は低下せず、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）の低下も生じない。

以上のように、この実施の形態３に係る光学式エンコーダは、光学式エンコーダの半導体レーザ素子の光源３０Ａ、３０Ｂを、中心線１６を中心に対称に配置し、受光部１１の受光エリア１５の中心に向かってそれぞれ斜めに光ビーム１４を照射するように配置したことで、使用中の半導体レーザ素子の光源が故障しても、他の予備の光源に切り替えてエンコーダを高分解能で使用し続けることができ、光学式エンコーダの長寿命化が図れる。

また、他の予備の光源に切り替えても受光部を共用できるので、半導体レーザ素子の光源と受光部をそれぞれ別個に用いた光学式エンコーダを複数使用するよりも、コストが安くなる。

更に、斜めに光ビームを照射することで受光部の受光エリアの中心部に光ビームを照射することができ、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）が低下しない。また、中心線を中心に対称に配置することで半導体レーザ素子の光源を配置する箇所の自由度が高くなる。

実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１における半導体レーザ素子の光源１０Ａ、１０Ｂの代わりに、光源からの光ビームが、それぞれ受光部の受光エリアに対して斜めに照射する光源を用いたものである。光源以外は、図１における光学式エンコーダとすべて同様である。

図７、図８は、この発明の実施の形態４に係る光学式エンコーダの要部の概略図を示す。この実施の形態４は、図７に示すように、光学式エンコーダの光源４０Ａ、４０Ｂを受光部１１の受光エリア１５に対して垂直に配置せずに、光源４０Ａ、４０Ｂを受光部１１の受光エリア１５に対して同じ方向に斜めに傾けて配置し、図８に示すように、光源４０Ａと光源４０ＢをＹ軸方向に隣接して配置した構成である。

このとき、２つの光源４０Ａ、４０Ｂは、それぞれの光ビームを平行して射出する。なお、図７、図８において、図１と同一符号は同一部分を示すので、これらの説明は省略する。

以上のように、この実施の形態４に係る光学式エンコーダは、光学式エンコーダの半導体レーザ素子の光源４０Ａ、４０Ｂを、受光部１１の受光エリア１５の中心に向かって同じ方向に斜めに、平行して光ビーム１４を照射するように配置したことで、使用中の半導体レーザ素子の光源が故障しても、他の予備の光源に切り替えてエンコーダを高分解能で使用し続けることができ、光学式エンコーダの長寿命化が図れる。

また、他の予備の光源に切り替えても受光部を共用できるので、半導体レーザ素子の光源と受光部をそれぞれ別個に用いた光学式エンコーダを複数使用するよりも、コストが安くなる。

更に、斜めに光ビームを照射することで受光部の受光エリアの中心部に光ビームを照射することができ、光学式エンコーダの分解能（Ｓ／Ｎ比）が低下しない。また、それぞれの光源に対して傾斜方向と反対の対称の位置にも半導体レーザ素子の光源をそれぞれ配置することができ、光源の配置箇所の自由度が高くなる。

１０Ａ 通常使用する半導体レーザ素子の光源
１０Ｂ 切り替えて使用する半導体レーザ素子の光源
１１ 受光部
１２ スケール格子
１３ 回折干渉縞
１４ 光ビーム
１５ 受光エリア
１６ 中心線
２１ 演算処理部
２２Ａ、２２Ｂ 光源駆動部
２３Ａ、２３Ｂ 垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）
２４Ａ 通常使用するＶＣＳＥＬの光源
２４Ｂ 切り替えて使用するＶＣＳＥＬの光源
２５Ａ、２５Ｂ 電極パッド
２６Ａ、２６Ｂ ワイヤ
２７ 光源実装パッド
３０Ａ 通常使用する半導体レーザ素子の光源
３０Ｂ 切り替えて使用する半導体レーザ素子の光源
４０Ａ 通常使用する半導体レーザ素子の光源
４０Ｂ 切り替えて使用する半導体レーザ素子の光源

Claims (7)

1. 半導体レーザ素子から光を発振する第一の光源と、
   切り替えて使用する一以上の半導体レーザ素子から光を発振する第二の光源と、
   前記第一の光源または前記第二の光源からの光が照射されるスケール格子と、
   前記第一の光源または前記第二の光源から前記スケール格子を介した光を受光する受光エリアを有し、前記スケール格子との距離を一定に保ちつつ、前記スケール格子に対して略平行に相対移動することによって信号を生じる受光部と
   を備え、
   前記第一の光源および前記第二の光源と前記スケール格子との距離をＺ１、前記スケール格子と前記受光部との距離をＺ２、前記第一の光源および前記第二の光源の波長をλ、前記スケール格子の格子ピッチをＰ、自然数をｎとするとき、
   Ｚ１×Ｚ２／（Ｚ１＋Ｚ２）＝ｎＰ^２／λ
   の関係を満足し、
   前記第一の光源から前記第二の光源の一に切り替えても、前記第一の光源と前記スケール格子との間の距離と前記第二の光源と前記スケール格子との間の距離が略同一であり、かつ、前記第一の光源における前記スケール格子と前記受光部との間の距離と前記第二の光源における前記スケール格子と前記受光部との間の距離が略同一である
   ことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記第一の光源および前記第二の光源は、前記受光部の受光エリアの中心に対して対称に配置された
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記第一の光源および前記第二の光源が、前記受光部に対して斜めに光を照射するように配置された
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記第一の光源または前記第二の光源は、半導体レーザ素子表面の中心位置からずらして配置された
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記第一の光源と前記第二の光源が最も近くなるように、同一平面上に前記半導体レーザ素子を並べた配置にする
   ことを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記受光部によって検出された信号に応じて、前記第一の光源または前記第二の光源のＯＮ／ＯＦＦ信号を演算処理する演算処理部と、
   前記演算処理部からの演算処理された信号によって、前記第一の光源または前記第二の光源をＯＮ／ＯＦＦさせる光源駆動部と
   を更に備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記第一の光源から検出された信号が所定の値を下回ると、前記演算処理部は前記第一の光源をＯＦＦし、前記第二の光源をＯＮにする信号を前記光源駆動部に出力する
   ことを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。

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