JP3639378B2 - Optical encoder - Google Patents

Description

但し、λは光の波長、ｆは回折格子と観測面の距離である。従って、光強度分布は、
【００１５】
【数２】

となる。但し、｜ｕ₀ (x, y)｜² は一つのスリットによる回折パターンの強度分布で
【００１６】
【数３】

と表される。
【００１７】
一方、式 (２) の右辺第二因子は、幅が無視できる回折格子によるフラウンホーファ（Fraunhofer）回折パターンの光強度分布を示しており、これを図２に示す。このパターンにおいて、大きい極大（光強度ピーク）の位置は、
ｙ_m ＝ｍλｆ／ｈ （ｍ＝０，±１，±２，・・・） (４)
と表され、また、この大きい極大間に現れる小さい極大の数は、Ｎ−２個となる。さらに、ｙ_m の位置の極大の鋭さを求めるために、この極大値の位置から第一極小値の位置までの間隔をΔｙとすると、
Δｙ＝λｆ／Ｎｈ (５)
となる。
【００１８】
以上より、全体としては、回折格子による周期的な回折パターンを、単一スリットによる回折パターンで変調したパターンが得られ、スリット数Ｎが非常に多いときの回折パターンは図３に示すようになる。
【００１９】
以下、具体的な実施の形態を図面に基づき説明する。
〔第一の実施の形態〕
図４（Ａ）は第一の実施の形態の光学式エンコーダの全体構成を示す。本実施形態は、図４（Ａ）に示すように、透過型の光学式エンコーダであり、光を出射する光源１、一定周期で並ぶ多数の透光部を備えたスケール２、スケール２を透過した光を受光する受光素子３を有している。光源１は面発光レーザで、面発光レーザ１は同一寸法の二つの出射開口５を有し、その上にモノリシックに形成されたマイクロレンズ４を有している。本実施形態では、スケールピッチ方向を面発光レーザ１の出射面上に投影した方向をＸ軸とし、図に示すように座標軸を定めており、後述する全ての実施の形態においても同様に座標軸を定めるものとする。
【００２０】
図４（Ｂ）は面発光レーザ１の開口部付近をＸ軸に沿って破断した断面を示す。図４（Ｂ）に示すように、各出射開口幅をａ、出射開口の中心間隔をｈ、開口を二つに仕切らない場合の開口（これを光源開口部とする）の幅をＡとする。マイクロレンズ４は、前述のフラウンホーファ回折パターン（通常は出射開口幅に対して十分遠い位置において観察される）を、出射開口から有限の距離において形成するもので、その焦点位置においてフラウンホーファ回折パターンが観測される。本発明の目的は、小さい光スポットを作ることにあるので、式 (５) に示すΔｙを小さくすることが望ましく、従って、マイクロレンズ４を使用して式中のｆを小さくすることが望ましい。この点に関しては、後述する実施の形態のすべてにおいて同様のことが言える。
【００２１】
図４（Ａ）において、スケール２はマイクロレンズ４の焦点位置に配置されており、その面上には符号７で示される光強度分布を持つ回折パターン（フラウンホーファ回折パターン７）が形成され、複数個の光強度ピークはそれぞれ異なる次数の回折干渉光に対応する。スケール面上に形成される回折パターンについては、後に詳細に述べる。受光素子３は、図に示すように、複数次数の光強度ピークからの光を検出する構成となっており、高出力を得ることが可能である。
【００２２】
図５は光源である面発光レーザ１の詳細を示す。面発光レーザ１は基板１１１の上に形成されたレーザ発振器を有し、レーザ発振器は、活性層１０１、その上下に設けられた上部クラッド層１０８と下部クラッド層１０９、さらにその上下に設けられた高反射率のｐ型多層ミラー１０２とｎ型多層ミラー１０３で構成されている。光導波路の役割を持つメサはｐ型多層ミラー１０２を表面から基板深さ方向にエッチングして形成され、その形状は長方形または正方形の断面形状をしており、メサの周囲は屈折率の低い埋込層１１０で囲まれている。この構造体の上下面には、活性層１０１に電流を注入するため、ｐ型電極１０４とｎ型電極１０５が形成されている。ｐ型電極１０４は、不透明な電極材料からなり、２個の矩形開口１０６と１０７が形成されている。
【００２３】
マイクロレンズ４は例えば次の様にして作製される。フォトレジスト等の樹脂を図６（Ａ）に示すように円形にパターニングし、これを樹脂のフロー温度以上（例えば１５０℃）の温度環境において熱フローさせると、表面張力により図６（Ｂ）に示すような平凸形状の樹脂が得られる。この平凸形状の樹脂をそのままマイクロレンズ４としてもよいが、あるいは、この平凸形状の樹脂をマスクに使用し、ドライエッチング等の手法により、その下層に予め作製した酸化シリコン等の膜に平凸形状を転写し、これをマイクロレンズ４としてもよい。マイクロレンズ４の作製方法は、この他にも色々と考えられるが、面発光レーザ１の作製プロセスを妨げるものでなければ、どの様な方法を用いてもよい。
【００２４】
図７は、一例として、ａ＝１０（μｍ）、ｈ＝４０（μｍ）、面発光レーザ１（光源）とスケール２の間隔ｆ＝５００（μｍ）として計算により求めた、スケール面上に形成される回折パターンのＸ方向の強度分布を示す。本実施の形態では、出射開口は偶数個（２個）であり、前述の発明の原理をそのまま当てはめると、大きい極大値間の小さい極大値は２−２＝０個となり観測されない。大きい極大（光強度ピーク）の幅ｗおよび大きい極大値間の距離ｄは式(５)と式(４)より、それぞれ
ｗ＝２Δｙ＝λｆ／ｈ (６)
ｄ＝λｆ／ｈ (７)
となる。但し、この場合ｆはマイクロレンズ４の焦点距離に等しい。一方、同じ面発光レーザを使用して、開口部をそのまま出射開口とした場合は、出射開口幅はＡとなるので、単一出射開口の回折パターンの中央光強度ピーク幅は
ｗ₀＝２λｆ／Ａ (８)
となる。ここで、図４（Ｂ）において
Ａ＝ｈ＋ａ (９)
ｈ＞ａ (１０)
の関係より
Ａ／２＜ｈ (１１)
となり、式(６)と式(８)より
ｗ＜ｗ₀ (１２)
である。従って、光強度ピーク幅は出射開口が２個の場合の方が１個の場合よりも細い。
【００２５】
比較のため、Ａ＝５０（μｍ）の開口による回折パターンの強度分布を図８に示す。図７と図８に示したように、中央光強度ピークの幅は、出射開口が１個の場合には２０μｍ、２個の場合には１２．５μｍである。
【００２６】
ところで、本出願人は特願平７−２２８１７５号において、スケールピッチは光強度ピーク幅に等しい寸法が最適な値であることを示した。従って、本実施形態においても、スケール２のピッチｐ_s は光強度ピーク幅ｗと等しくする。すなわち、
ｐ_s ＝ｗ (１３)
とする。大きい極大値間の距離ｄは式 (６) 、式 (７) より
ｄ＝ｗ (１４)
であるため、回折パターンの光強度分布とスケールの関係は図９に示すようになり、複数次数の光強度ピークがそれぞれスケールの同位相の部分に対応する。
【００２７】
本実施形態の面発光レーザ１の２つの出射開口５の形状はＹ方向に一様であるため、実際の回折パターンは、Ｙ方向にある程度長さを持ったライン状になる。この回折パターンとスケールを組み合わせて得られるエンコーダ信号は、Ｘ方向の光強度分布をスケールの透過部のみを積分区間として積分することにより、ある程度推定することができる。その結果を、開口が１個の場合と併せて図１０に示す。なお、スケールピッチは、いずれの場合とも１２．５μｍとしている。開口が２個の場合のエンコーダ信号は、１個の場合のエンコーダ信号と比較して、振幅はほぼ等しいが、ゼロレベルからのオフセットが少ない。
【００２８】
ところで、エンコーダの高分解能化の方法として、スケールピッチを小さくする他に、得られた信号を電気的に分割することによって、スケールピッチで決まる分解能よりも小さい分解能を得ることが可能である。従って、最終的に分解能を最小にするためには、電気的な分割も含めて考慮する必要がある。本出願人は、特願平７−２２８１７５号において、エンコーダ信号の最大値、最小値をそれぞれＥmax 、Ｅmin としたときに、可能な分割数は正規化振幅
Ａｎ＝ (Ｅmax −Ｅmin)／ (Ｅmax ＋Ｅmin) (１５)
に比例するものと仮定した。この観点から、図１０に示した二種類の信号を比較すると、両者の振幅はほぼ等しいため式 (１５) の分子はほぼ等しいが、出射開口が２個の場合の方がオフセットレベルが低いため分母が小さく、正規化振幅は大きい。従って、出射開口が２個の場合の方が、出射開口が１個の場合に比べて高分解能化に適していると言える。このことは、スケール面に照射される光の利用効率が良いと言ってもよい。
【００２９】
本実施の形態においては、スケールピッチｐ_s を
ｐ_s ＝ｗ＝λｆ／ｈ (１６)
としているため、分解能向上のためには出射開口の中心間隔ｈを大きくすればよい。一方、面発光レーザの良好な特性を確保するため、開口部幅Ａは一定寸法（例えば５０μｍ程度）以下にする必要がある。この条件下でスケールピッチを小さくするには、まず、開口部幅Ａを最大限に利用すること、すなわち、式 (９) が成り立つことが望ましい。しかしながら、面発光レーザの開口部の周辺は、光強度が十分でない場合があり、必ずしも有効な開口部とは言えないため、実際には
ｈ≦Ａ−ａ (２３)
である。また、出射開口幅ａが小さい方が、ｈは大きくなるが、一定のエンコーダ出力を確保するため、ａは無限に小さくすることはできず、信号処理回路等の特性を考慮して最適値を決定する必要がある。一方、ｈを小さくしていくと、分解能向上の効果が得られ難くなるばかりではなく、同じｈでさらにもう一つ出射開口を設けた方が、高い分解能が得られる場合がある。従って、出射開口が２個の場合は、式 (１１) が成り立つことが望ましく、結局、
Ａ／２＜ｈ≦Ａ−ａ (２４)
の範囲内で実用上最大の値をとることが望ましいと言える。また、実用上有効な開口部幅をＡ' 、実用上最小な出射開口の幅をａ' とすると、
ｈ＝Ａ' −ａ' (２５)
が最適な条件となる。
【００３０】
次に、出射開口が３個の場合について説明する。図１１は、ａ＝１０（μｍ）、ｈ＝２０（μｍ）として計算により求めた、スケール面上に形成される回折パターンのＸ方向の光強度分布を示す。この場合、大きい極大値間の小さい極大値は３−２＝１個現れ、大きい極大（光強度ピーク）の幅ｗおよび大きい極大値間の距離ｄは式 (５) と式 (４) より、それぞれ
ｗ＝２λｆ／３ｈ (６')
ｄ＝λｆ／ｈ (７')
となる。
【００３１】
ここで、Ｎ＝２の場合と同様にスケール２のピッチｐ_s を
ｐ_s ＝ｗ (１３')
とすると、大きい極大値間の距離ｄは
ｄ＝３ｗ／２ (１４')
であるため、回折パターンの光強度分布とスケールの関係は、図１２のｐ_s ＝ｗ＝２ｄ／３の場合のようになる。すなわち、中央の光強度ピークがスケールの透過部にある場合、隣接する大きい光強度ピークは非透過部に位置し、エンコーダ信号は図１３に示すように信号振幅が低下し、よって、正規化振幅Ａｎも低下する。一方、
ｐ_s ＝ｄ／ｎ （ｎ＝１，２，３，・・・） (１７)
とすれば、図１１の回折パターンでも、大きい極大値にスケールの同じ位相の部分を合わせることができる。ｎ＝１すなわちｐ_s ＝ｄの場合およびｎ＝２すなわちｐ_s ＝ｄ／２の場合における回折パターンの光強度分布とスケールの関係を図１２に示すとともに、それぞれの場合のエンコーダ信号を図１４に示す。これらの場合、出射開口が１個の場合に比べて、分解能は向上していると言える。
【００３２】
また、出射開口が３個の場合において、ｈがとりうる条件は、
Ａ／３＜ｈ≦（Ａ−ａ）／２ (２４')
となり、この範囲内で実用上最大の値をとることが望ましいと言える。また、最適値は、
ｈ＝（Ａ' −ａ' ）／２ (２５')
で与えられる。
【００３３】
以上、出射開口が２個、３個の場合をまとめて、横軸にスケールピッチ、縦軸に正規化振幅をとり、出射開口が１個の場合と比較した結果を図１５に示す。これを見ると、出射開口の数を複数個として複数個のスポットを形成し、これに対してスケールピッチを最適設計することにより、出射開口が１個の場合に比べて高分解能化が図れることがわかる。
【００３４】
これまで出射開口が２個と３個の場合について説明したが、以下では出射開口がＮ個の一般的な場合について説明する。この場合、式 (６) は
ｗ＝２λｆ／Ｎｈ (６'')
となる。式 (６'') と式 (８) を比較すると、ＮｈとＡの大小関係で、ｗとｗ₀ の大小関係が決まることがわかる。ここで、実用上ＡはＡ' に、ａはａ' に置き換えられ、ｗを最小にするためには式 (２５) と同様の関係が成り立つ必要があるので、これを一般化すると
ｈ＝（Ａ' −ａ' ）／（Ｎ−１） （Ｎ＝２，３，・・・） (２５'')
となり、これを変形して、式 (１０) の関係を利用すると、
Ａ' −Ｎｈ＝ａ' −ｈ＜０ (１８)
従って、Ａ' ＜Ｎｈとなり、式 (６'') と式 (８) より、
ｗ＜ｗ₀ (１９)
となり、出射開口を複数個にし、配置を最適化するとＮによらずに光強度のピーク幅を小さくできることが示される。次に、Ｎｈが最大となる場合を検討すると、式 (２５'') より、
Ｎｈ＝（Ａ' −ａ' ）Ｎ／（Ｎ−１） （Ｎ＝２，３，・・・） (２１)
となる。ここで、Ａ' −ａ' は常に正であり、Ｎ／（Ｎ−１）は、単調減少しながら１に限りなく近づく。従って、ａ' が定数であるとすれば、Ｎが小さいほどＮｈが大きくなることがわかり、Ｎは整数であることより、Ｎ＝２の時に最大となる。以上をまとめると、開口部幅Ａ' の範囲内に幅ａ' の複数個の出射開口を設ける場合は、複数の出射開口の設計を最適化すれば、Ｎによらずに光強度ピーク幅は小さくなる。そして、最小幅は、出射開口が２個の場合に得られる。
【００３５】
スケールピッチの決め方については、
ｐ_s ＝ｗ＝２λｆ／Ｎｈ (１３'')
とすると、
ｐ_s ＝ｗ＝２ｄ／Ｎ (２２)
となるので、Ｎが偶数の場合は図２に示す回折パターンの光強度ピークをすべてスケールの同位相の部分に合わせることができるが、Ｎが奇数の場合は一つおきに逆相の部分が位置することになり、信号のコントラストがＮが偶数の場合よりも低下する。これに対し、
ｐ_s ＝ｄ／ｎ＝λｆ／ｎｈ （ｎ＝１，２，３，・・・） (１７'')
のようにスケールピッチを決定すると、必ず光強度ピークをスケールの同位相の部分に合わせることが可能になる。但し、ｎが小さすぎると、スケールピッチが小さくならないため分解能が向上せず、逆に大きすぎると、エンコーダ信号の正規化振幅が確保できないため、条件に応じた最適値を選択する必要がある。なお、式 (１７'') と式 (１３'') を比較すると、式 (１３'') においてＮを一般の自然数ｎに置き換え、
ｐ_s ＝ｗ＝２λｆ／ｎｈ (１３''')
としたときに、ｎが偶数であれば (１７'') を含むため、スケールピッチは式 (１３''')によって決定されると言ってよい。
【００３６】
各Ｎの値に対して、ｈがとりうる条件は、
Ａ／Ｎ＜ｈ≦（Ａ−ａ）／（Ｎ−１） （Ｎ＝２，３，・・・） (２４'')
となり、この範囲内で、実用上最大の値をとることが望ましいと言える。また、最適値は、
ｈ＝（Ａ' −ａ' ）／（Ｎ−１） （Ｎ＝２，３，・・・） (２５'')
で与えられる。
【００３７】
以上をまとめると、本実施形態には次のような効果がある。
面発光レーザの表面開口部に、複数個の出射開口を設け、さらにマイクロレンズを組み合わせ、これを光学式エンコーダの光源とすることによって、複数の出射開口から出射される光ビームが相互に回折、干渉し、複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成される。それぞれの光強度ピークの幅は、開口部をそのまま出射開口（出射開口が１個）とする場合に形成される光強度ピークの幅よりも小さくなる。この光強度ピーク幅に対応して式 (１３''')によりスケールピッチを決定すると、受光素子が、スケール上に形成される複数次数の光を受光するため、出射開口が１個の場合に比べて、小さいピッチのスケールから正規化振幅の高いエンコーダ信号を得ることが可能となり、すなわち分解能を高くすることが可能となる。これは、面発光レーザのｐ型電極のパターニングにより実施できるため、従来の面発光レーザに何等余分な工程を加える必要がなく、従来の面発光レーザを使用したエンコーダの特徴である、センサ構成や組み立てがシンプルで、小型かつ低コストで高精度な光学式エンコーダを提供することができる。
【００３８】
以上、本実施形態においては、透過型の光学式エンコーダを示したが、変形例として、図１６に示す反射型のエンコーダとしてもよく、この場合にも同様の効果を得ることができる。図１６においては、受光素子３がスケール２に対して面発光レーザ１と同じ側に配置されており、スケール２からの反射光を受光するため、スケール２が面発光レーザ１の出射面に対して傾けて配置されている。ここで、スケール２面に立てた法線と、面発光レーザ１の出射光ビームの光軸とがなす角をθとすると、回折パターンの光強度のＸ方向分布７に対して、スケールピッチを決定する式 (１３''')は、
ｐ_s ＝２λｆ／ｎｈｃｏｓθ (１３'''')
と表される。図４に示す透過型の光学式エンコーダの構成においては、式 (１３'''') においてθ＝０とすることにより透過型の場合のスケールピッチを決定する式 (１３''')となるため、式 (１３'''') は以上に述べた実施の形態すべてに適応可能な式であると言える。反射型の構成の変形例としては、面発光レーザ１と受光素子３をハイブリッドあるいはモノリシックに集積化する構成も可能である。また、以上に述べた実施の形態の他の変形例として、スケール２面上に、回折格子の機能する領域と機能しない領域を設け、スケールの移動に伴って透過回折光あるいは反射回折光の強度変化を受光素子で検出する方法で光学式エンコーダを構成することも可能である。光源についても、面発光レーザを使用する代わりに、他の可干渉性の光源（端面出射型半導体レーザ等）を用いることも可能である。
【００３９】
〔第二の実施の形態〕
図１７は第二の実施の形態の光学式エンコーダを示す。本実施形態は第一の実施の形態と同様の構成であるため詳細な説明は省略するが、第一の実施の形態ではスケール２上の回折パターン７の複数次数の光強度ピークからの光を受光するために、大きいサイズの受光素子３を使用しているのに対し、本実施形態では小さいサイズの受光素子３' を使用している。これは、スケール２上の回折パターンの複数次数の光強度ピークのうち、最大光強度を持つ次数のピーク（通常は中央に形成される）一個からの光を受光するように配置されている。このような構成とすることにより、第一の実施の形態で説明したような、必ずしも複数次数の光強度ピーク位置にスケール２の同位相部分の位置が一致しない場合でも、最大光強度を持つ次数一個だけのピークを利用することにより、式 (１３'') （一般には式 (１３'''') ）によりスケールピッチを決定して、分解能が上げられるという効果がある。
【００４０】
以上に述べたように、面発光レーザの表面開口部に、複数個の出射開口を設け、さらにマイクロレンズを組み合わせ、これを光学式エンコーダの光源とすることによって、複数の出射開口から出射される光ビームが相互に回折、干渉し、複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成される。それぞれの光強度ピークの幅は、開口部をそのまま出射開口（出射開口が１個）とした場合に形成される光強度ピークの幅よりも小さくなる。本実施形態においては、スケール面上の複数次数の光強度ピークのうち、最大光強度をもつ次数のピーク一個のみを利用しているため、他の次数の光強度ピークを考慮しなくともよいので、スケールピッチの決定が容易となり、かつ正規化振幅の大きいエンコーダ信号を得ることができる。
【００４１】
図１７においては、受光素子３' のサイズを最適に決定することにより、最大光強度を持つ次数のピーク一個からの光を受光しているが、本実施形態の変形例として、他の方法も可能である。例えば、図１８に示すように、大きい受光素子３''を使用し、スケール２と受光素子３''の間に絞り６を入れる等の方法をとることも可能である。これによって、受光素子３''のサイズは制限を受けない。また、第一の実施の形態において変形例として挙げたように、反射型のエンコーダとする構成も可能で、同様の効果を得ることができる。また、以上に述べた実施の形態の他の変形例として、スケール２面上に、回折格子の機能する領域と機能しない領域を設け、スケールの移動に伴って透過回折光あるいは反射回折光の強度変化を受光素子で検出する方法で光学式エンコーダを構成することも可能である。光源についても、面発光レーザを使用する代わりに、他の可干渉性の光源（端面出射型半導体レーザ等）を用いることも可能である。
【００４２】
〔第三の実施の形態〕
図１９は、第三の実施の形態として、前述の光学式エンコーダに適用される面発光レーザを示す。本実施形態においては、長方形あるいは正方形の光源の開口部に、これより小さい長方形あるいは正方形の遮光部を設け、その周辺の中抜き矩形形状の部分を出射開口としている。この場合、第一、第二の実施の形態と異なり、出射開口の数としては１個ということになるが、実質的には、Ｘ軸方向に切断した断面において、中抜き矩形形状の互いに平行な短冊状の部分１０６' と１０７' が複数の出射開口となり、それぞれより出射されたレーザビームが回折、干渉するため、マイクロレンズと組み合わせると、その焦点位置に幅の狭い複数次数の光強度ピークを持った回折パターンを形成することが可能であり、高分解能の光学式エンコーダを構成できる。
【００４３】
本実施形態においては、光源開口部をスケールピッチ方向に切断した場合に、開口が１個の部分（１１３を含む断面）と２個の部分（１０６' 、１０７' を含む断面）が存在する。従って、スケール面上に形成される回折光強度分布は、出射開口１０６' と１０７' により形成される回折パターンに加えて、出射開口１０６' と１０７' をつないでいる部分の出射開口１１３により形成される回折パターンの寄与がある。出射開口１０６' と１０７' による光強度ピーク幅は式 (６) で表され、出射開口１１３による光強度ピーク幅は式 (８) で表される。Ｘ方向光強度分布は、両者を重ね合わせたものとなるため、第一の実施の形態の説明から分かるように、等間隔の光強度ピークが得られない。この場合、複数次数の光強度ピークをスケールの同位相の位置に合わせることは不可能である。但し、中央の光強度ピークは、出射開口が１個の場合と比較すると、より中央部に光強度が集中するため、実効的な光強度ピーク幅を狭くすることができ、このピーク幅に対応してスケールピッチを決定し、光学式エンコーダを構成すると、分解能を高くすることができる。従って、本実施の形態においては、光源以外に関しては、第二の実施の形態と同様にして、最大強度を持つ次数一個の光強度ピークのみを利用する構成が望ましい。なお、遮光部形状が異なることを除けば、光源の面発光レーザは第一、第二の実施の形態で用いられるものと同じものである。
【００４４】
以上のように、面発光レーザの開口部に遮光部を設け、この遮光部の周囲を出射開口として、さらにマイクロレンズを組み合わせ、これを光学式エンコーダの光源とすることによって、同じ面発光レーザの開口部に遮光部を設けない場合に比べて幅の狭い光強度ピークを得ることが可能である。このうち、最大強度を持つ次数一個の光強度ピークに対応してスケールピッチを決定すると、遮光部を設けない場合と比較して、小さいピッチのスケールから正規化振幅の大きいエンコーダ信号を得ることが可能になり、すなわち分解能を高くすることが可能となる。これは、面発光レーザのｐ型電極のパターニングにより実施できるため、従来の面発光レーザに何等余分な工程を加える必要がなく、従来の面発光レーザを使用したエンコーダの特徴である、センサ構成や組み立てがシンプルで、小型、低コストで高精度な光学式エンコーダを提供することが可能である。
【００４５】
本実施形態に関しては、第二の実施の形態の変形例が同様に適応可能である。
〔第四の実施の形態〕
図２０は、第四の実施の形態として、前述の光学式エンコーダに使用される面発光レーザを示す。本実施形態においては、出射開口の形状は第三の実施の形態に示すものと同様であるが、本実施形態では、ｐ型多層ミラー１０２' の周囲および中央部が正方形あるいは長方形にパターニングされている。すなわちメサ形状となるｐ型多層ミラー１０２' は中抜きの矩形形状に形成されている。
【００４６】
第三の実施の形態においては、面発光レーザのメサ形状は、第一、第二の実施の形態のものと同様であるため、良好な特性を確保するためには、出射開口１０６' と１０７' の間隔をあまり大きくできないが、本実施の形態においては、メサ形状の中央部もパターニングしているため、図中メサ幅Ｂの値をある程度（例えば約５０μｍ）以下に抑えておけば、開口部幅Ａを大きく（例えば１００μｍ以上に）しても、比較的面発光レーザの良好な特性を確保しやすい。且つ、出射開口１０６' と１０７' の間隔を大きくできるため、スケール面上で幅の狭い複数次数の光強度ピークを得ることが可能である。この光源は、第三の実施の形態で示したものと同様に、光源開口部をスケールピッチ方向に切断した場合に、開口が１個の部分（１１３を含む断面）と２個の部分（１０６' 、１０７' を含む断面）が存在するため、本実施の形態においては、光源以外に関しては、第二、第三の実施の形態と同様に、最大強度を持つ次数一個の光強度ピークのみを利用する構成が望ましい。
【００４７】
以上のように、面発光レーザの表面に遮光部を設け、この遮光部の周囲を出射開口とし、メサ形状の周囲と中央部をパターニングして、さらにマイクロレンズを組み合わせ、これを光学式エンコーダの光源とすることによって、メサ形状の周囲と出射開口のみをパターニングする場合と比較すると、面発光レーザの良好な特性を損なわずに、光源開口部幅Ａを大きくすることが可能となり、互いに離れた出射開口からの出射光を干渉させることによって、幅の狭い複数次数の光強度ピークを形成することが可能となる。従って、この光強度ピーク幅に対応してスケールピッチを決定することにより、より高分解能の光学式エンコーダを構成することが可能である。
【００４８】
本実施形態のメサ形状および開口形状は、長方形あるいは正方形の輪郭で所定の幅を持つものであるが、これに代えて、例えば図２１に示すように円形あるいは楕円形の輪郭で所定の幅を持つものとしてもよい。第一〜第三の実施の形態においては、面発光レーザの良好な特性を確保するために、開口部の最大幅が一定値以下であり、その条件下では長方形あるいは正方形出射開口とする方が理論上光強度ピーク幅を小さくすることができたのに対し、本実施形態においては、開口部の最大幅にこのような制限がなく、円形あるいは楕円形の輪帯の出射開口およびメサ形状としても、高分解能化の効果が十分得られる。また、第二の実施の形態の変形例が同様に適応可能である。
【００４９】
〔第五の実施の形態〕
図２２は、第五の実施の形態として、前述の光学式エンコーダに使用される面発光レーザを示す。本実施形態においては、第四の実施の形態に示す面発光レーザと同様に、長方形あるいは正方形の輪郭で所定の幅を持つようにｐ型多層ミラー１０２' をパターニングしたメサ形状と、長方形あるいは正方形の輪郭で、所定の幅を持つ出射開口（１０６' 、１０７' 、１１３）を有し、さらにその中心位置に長方形あるいは正方形にｐ型多層ミラー１０２''の周囲をパターニングした別のメサ及び長方形あるいは正方形の出射開口１１２を設けている。すなわち、独立したｐ型多層ミラー１０２' と１０２''を持つ２個の面発光レーザを有している。本実施形態のように複数個の面発光レーザを一つのチップ上に作成し、両者から位相の揃ったレーザ光を出射させると、回折干渉パターンが形成される。本実施形態においては、光源開口部をスケールピッチ方向に切断した場合に、開口が１個の部分、２個の部分、３個の部分が存在するため、Ｘ方向光強度分布は、三種類の回折干渉パターンを重ね合わせたものとなり、等間隔の光強度ピークは得られない。従って、本実施形態においては、光源以外に関しては、第二、第三の実施の形態と同様に、最大強度を持つ次数一個の光強度ピークのみを利用する構成が望ましい。中央の光強度ピークは、出射開口が１個の場合と比較すると、より中央部に光強度が集中するため、実効的な光強度ピーク幅を狭くすることができ、このピーク幅に対応してスケールピッチを決定し、光学式エンコーダを構成すると、分解能を高くすることができる。また、本実施の形態においては、メサ形状、出射開口の幅を一定値以下としておけばレーザの良好な特性を確保しやすく、また、この条件下で開口部全体を大きくすることにより、光強度ピーク幅を小さくすることが可能である。さらに、複数の面発光レーザから同位相のレーザ光を得て、これを干渉させることにより、スケール上の回折パターンをある程度設計することが可能であり、スケールピッチと併せて設計の自由度が増すという効果がある。
【００５０】
以上のように、面発光レーザの開口部に遮光部を設け、この遮光部の周囲に、長方形あるいは正方形の輪郭で、所定の幅を持つ形状にメサ形状と出射開口、さらに、遮光部の中央に、長方形あるいは正方形のメサ形状と出射開口とを作製し、さらにマイクロレンズを組み合わせ、これを光学式エンコーダの光源とすることによって、メサの周辺部と出射開口のみをパターニングする場合と比較すると、面発光レーザの良好な特性を損なわずに、さらに光源開口部全体を大きくすることが可能となり、互いに離れた出射開口からの出射光を干渉させることによって、幅の狭い複数次数の光強度ピークを形成することが可能となる。また、複数個の面発光レーザから同位相の光を得てこれらを干渉させることにより、干渉パターンの形状やピーク幅の設計自由度が高くなり、このピーク幅に対応してスケールピッチを決定することにより、高分解能な光学式エンコーダが従来よりも容易に構成できる。
【００５１】
なお、本実施形態のメサ形状および開口形状は、第四の実施の形態と同様に、長方形あるいは正方形の輪郭を持つものでなく、例えば円形あるいは楕円形の輪郭を持つものとすることも可能である。また、第二の実施の形態の変形例が同様に適応可能である。
【００５２】
さらに、別の変形例としては、以上に述べたように、中央のｐ型多層ミラー１０２''からなるメサ形状を輪帯状ｐ型多層ミラー１０２' からなるメサ形状で囲む構成ではなく、図２３に示すように、複数個のｐ型多層ミラー（１０２''、１０２''' 、１０２''''）を同一のメサ形状にパターニングして並列に配置する構成とすることも可能である。この構成の場合は、光源開口部をスケールピッチ方向に切断した場合に、常に出射開口の数が一定であるため、第一の実施の形態で述べたような、複数個の出射開口により形成される回折、干渉パターンが形成される。従って、複数次数の光強度ピークをスケールの同位相の位置に合わせる構成とすることも可能である。
【００５３】
本発明は、上述の実施の形態に何等限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で行なわれる実施をすべて含む。
なお、本発明は以下の各項に記した技術思想を含む。
【００５４】
１．
［構成］可干渉性の光ビームを出射する光源と、前記光源に対して相対的に移動し、光の反射率または透過率が周期的に変化するように形成され、その一部を前記光源からの光ビームが照射するように配置されたスケールと、前記スケールからの反射光、透過光または回折光を受光するための受光素子とを有し、前記スケールと前記光源の相対的な移動に伴う前記受光素子における検出信号の変化を利用して、移動量を検出する光学式エンコーダにおいて、前記光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
【００５５】
［対応する発明の実施の形態］この発明に関する実施の形態としては、第一〜第五の実施の形態が対応する。複数の出射開口を設ける手段としては、第一〜第三の実施の形態においては、面発光レーザのｐ型電極のパターニング形状によって実現されている。すなわち、光源開口部の一部を遮光することにより、光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成される。第四の実施の形態においては、ｐ型電極のパターニングおよびｐ型多層ミラー周囲（メサ形状）のパターニングにより、また、第五の実施の形態においては、互いに可干渉な光を出射する複数の面発光レーザを光源として使用することにより、光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成される。
【００５６】
［作用、効果］可干渉性の光ビームを出射する光源を、その開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成すると複数の出射開口から出射される光ビームが相互に回折、干渉し、複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成される。各次数の光強度ピークの幅は、前記開口部をそのまま出射開口とした場合に形成される光強度ピークの幅よりも小さくなるため、これを利用すれば対応するスケールのピッチを小さくすることが可能であり、高分解能の光学式エンコーダを構成することが可能である。また、開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において複数の出射開口を有するように構成することを除けば、従来の光学式エンコーダの特徴をそのまま生かすことが可能である。
【００５７】
２．
［構成］第１項に記載の光学式エンコーダにおいて、隣接する出射開口のスケールピッチ方向の中心間隔が等しいことを特徴とする光学式エンコーダ。
［対応する発明の実施の形態］この発明に対応する実施の形態としては、第一〜第五の実施の形態が対応する。
【００５８】
［作用、効果］光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成することによって、幅の狭い複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成される。複数の出射開口を、隣接する出射開口のスケールピッチ方向の中心間隔が等しくなるように配置することにより、形成される複数次数の光強度ピークが一定間隔になる。従って、これに対応するスケールピッチを小さくしてかつ最適化でき、高分解能の光学式エンコーダを構成することが可能である。
【００５９】
３．
［構成］第１項に記載の光学式エンコーダにおいて、前記スケール面に立てた法線と、前記光ビームの光軸とがなす角をθ、光の波長をλ、光源とスケールの間隔をｆ、隣接する出射開口の前記スケールピッチ方向を前記光源の出射面に投影した方向の中心間隔をｈ、スケールピッチをｐ_s 、ｎを自然数としたとき、
ｐ_s ＝２λｆ／ｎｈｃｏｓθ
であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【００６０】
［対応する発明の実施の形態］この発明に対応する実施の形態としては、第一〜第五の実施の形態が対応する。
［作用、効果］光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成することによって、幅の狭い複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成される。与えられた複数の出射開口の寸法に対して、上記のようにスケールピッチを決定することにより、良好な信号を得ることができ、高分解能の光学式エンコーダを構成することが可能である。
【００６１】
４．
［構成］第１項または第３項に記載の光学式エンコーダにおいて、前記光源開口部の幅をＡ、前記出射開口の幅をａ、前記出射開口の数をＮとしたとき
Ａ／Ｎ＜ｈ≦（Ａ−ａ）／（Ｎ−１）
であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【００６２】
［対応する発明の実施の形態］この発明に対応する実施の形態としては、第一〜第五の実施の形態が対応する。
［作用、効果］光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成することによって、幅の狭い複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成されるが、その幅は、隣接開口のスケールピッチ方向の中心間隔ｈおよびＮに依存する。上式を満たす範囲内でｈ、Ｎを決定することにより、光強度ピーク幅を狭くすることができ、高分解能の光学式エンコーダを構成することが可能である。
【００６３】
５．
［構成］第３項に記載の光学式エンコーダにおいて、前記受光素子が、前記スケール上に形成される回折パターンの複数次数の光を受光することを特徴とする光学式エンコーダ。
【００６４】
［対応する発明の実施の形態］この発明に対応する実施の形態としては、第一、第五の実施の形態が対応する。
［作用、効果］光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成することによって、幅の狭い複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成されるが、複数次数の光を同時に受光することにより、出力信号のレベルを高くすることができ、高分解能の光学式エンコーダを構成することが可能である。
【００６５】
６．
［構成］第１項に記載の光学式エンコーダにおいて、前記受光素子が、前記スケール上に形成される回折パターンのうち、最大光強度を有する次数一個の光を受光することを特徴とする光学式エンコーダ。
【００６６】
［対応する発明の実施の形態］この発明に関する実施の形態としては、第二〜第五の実施の形態が対応する。
［作用、効果］光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成することによって、幅の狭い複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成されるが、これらのうち、最大光強度を有する次数一個の光のみを受光することにより、他の次数の光強度ピークを考慮しなくともよいので、対応するスケールピッチが容易に設計でき、高分解能の光学式エンコーダを構成することが可能である。
【００６７】
７．
［構成］第１項に記載の光学式エンコーダにおいて、前記複数の出射開口が、互いに可干渉な光を出射する複数個の光源から構成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【００６８】
［対応する発明の実施の形態］この発明に関する実施の形態としては、第五の実施の形態が対応する。
［作用、効果］光源の開口部をスケールピッチ方向に切断したある断面において、複数の出射開口を有するように構成することによって、幅の狭い複数次数の光強度ピークを持つパターンがスケール上に形成されるが、複数の出射開口を互いに可干渉な光を出射する複数個の光源から構成することによって、隣接出射開口のスケールピッチ方向の中心間隔ｈを大きくすることが可能となり、光強度ピークの幅をさらに狭くすることができる。従って、高分解能の光学式エンコーダを構成することが可能である。
【００６９】
８．
［構成］第１項ないし第７項に記載の光学式エンコーダにおいて、可干渉性の光ビームを出射する光源が面発光半導体レーザであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【００７０】
［対応する発明の実施の形態］この発明に関する実施の形態としては、第一〜第五の実施の形態が対応する。
［作用、効果］面発光半導体レーザを光源として用いることにより、第１項〜第７項に記載された構成を容易に実現することが可能である。また、受光素子と光源を集積化することができ、光学式エンコーダの、小型化、低価格化、高性能化をシンプルな構成で実現することが可能である。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、構成や組立が簡単で、しかも小型で低コストで高分解能の光学式エンコーダが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】幅が有限のスリットが多数並んだ回折格子の振幅透過率ｇ₀を示す。
【図２】幅が無視できる回折格子の振幅透過率ｇ0によるフラウンホーファ回折パターンの光強度分布を示す。
【図３】スリット数が非常に多いときの回折パターンの光強度分布を示す。
【図４】第一の実施の形態の光学式エンコーダの全体構成（Ａ）と、面発光レーザの開口部付近をＸ軸に沿って破断した断面（Ｂ）を示す。
【図５】図４の面発光レーザの詳細な構造を示す。
【図６】図４のマイクロレンズの製造方法を説明する。
【図７】２個の出射開口を持つ面発光レーザによってスケール面上に形成される回折パターンの光強度分布を示す。
【図８】単一の開口の面発光レーザによってスケール面上に形成される回折パターンの光強度分布を示す。
【図９】２個の出射開口を持つ面発光レーザによる回折パターンの光強度分布とスケールの関係を示す。
【図１０】出射開口が１個の場合と２個の場合のエンコーダ信号を示す。
【図１１】３個の出射開口を持つ面発光レーザによってスケール面上に形成される回折パターンの光強度分布を示す。
【図１２】３個の出射開口を持つ面発光レーザによる回折パターンの光強度分布とスケールの関係を示す。
【図１３】ｐ_s＝ｗの場合のエンコーダ信号を示す。
【図１４】ｐ_s＝ｄ、ｐ_s＝ｄ／２のそれぞれの場合のエンコーダ信号を示す。
【図１５】出射開口が１個、２個、３個のそれぞれの場合のスケールピッチと正規化振幅の関係を示す。
【図１６】第一の実施の形態の変形例である反射型の光学式エンコーダを示す。
【図１７】第二の実施の形態の光学式エンコーダを示す。
【図１８】第二の実施の形態の変形例である光学式エンコーダを示す。
【図１９】第三の実施の形態として、第一または第二の実施の形態の光学式エンコーダに適用可能な面発光レーザを示す。
【図２０】第四の実施の形態として、第一または第二の実施の形態の光学式エンコーダに適用可能な別の面発光レーザを示す。
【図２１】第四の実施の形態の変形例の面発光レーザを示す。
【図２２】第五の実施の形態として、第一または第二の実施の形態の光学式エンコーダに適用可能な面発光レーザを示す。
【図２３】第五の実施の形態の変形例の面発光レーザを示す。
【図２４】特願平６−４３６５６号に開示される光学式エンコーダの構成（Ａ）と、スケールの変位に対する受光素子出力信号（Ｂ）（Ｃ）を示す。
【図２５】特願平７−２２８１７５号に開示される光学式エンコーダを示す。
【符号の説明】
１ 光源
２ スケール
３ 受光素子
４ マイクロレンズ
５ 出射開口[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical encoder that detects displacement or rotation of an object.
[0002]
[Prior art]
In general, since the resolution of an optical encoder depends on the scale pitch to be used, it is necessary to use a scale with a small pitch in order to increase the resolution. Here, in an optical encoder of the type that forms a light spot on a scale surface and detects a signal change caused by reflected light, transmitted light, or diffracted light, the relationship between the scale pitch and the diameter of the light spot is important. That is, when the diameter of the light spot is about the same as or smaller than the scale pitch, the intensity of the light receiving element output signal can be sufficiently obtained. However, when the diameter of the light spot is larger than the pitch of the scale, The intensity of the light receiving element output signal becomes extremely small, and displacement detection becomes difficult. Therefore, in order to increase the resolution of the encoder, it is necessary to reduce the scale pitch, and in order to obtain a good signal from the scale, it is necessary to reduce the diameter of the laser beam on the scale surface as much as possible. .
[0003]
In order to realize a high-resolution optical encoder by forming a light spot having a small size, the applicant of the present application disclosed in Japanese Patent Application No. 6-43656 a vertical cavity surface emitting laser (surface emitting laser or surface emitting semiconductor). An optical encoder using a laser) is also proposed. In this optical encoder, as shown in FIG. 24A, the laser beam emitted from the surface emitting laser 1 is applied to the scale 2 that moves relative to the laser beam, and transmitted light or reflected light from the scale is transmitted. Is incident on the light detector 3 or 3 ', and the light intensity is detected. When the diameter of the laser beam on the scale surface is very small compared to the pitch of the scale, the light receiving element output signal as shown in FIG. Is equal to the pitch of the scale, a light receiving element output signal as shown in FIG. 24C is obtained with respect to the displacement x of the scale. As shown in FIG. 24C, a signal having a shape close to a triangular wave or a sine wave is obtained in the case of a surface emitting laser because the radiation angle of the laser light is very small, so that a collimator lens as in a conventional optical encoder is used. This is because the irradiation area of the laser beam is limited to a small size without using a fixed slit.
[0004]
As described above, in Japanese Patent Application No. 6-43656, a thin and sharp beam of a surface emitting laser is used to make a simple configuration that does not require a lens or a fixed slit, and a relatively high-resolution encoder is compact. It can be provided at low cost.
[0005]
The present applicant has proposed an optical encoder in Japanese Patent Application No. 7-228175, which is an improvement of Japanese Patent Application No. 6-43656. As shown in FIG. 25, this optical encoder is provided with a condensing means such as a lens at the exit window of the surface emitting laser to reduce the light spot diameter on the scale, thereby reducing the scale pitch, thereby reducing the resolution. We are trying to improve.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In Japanese Patent Application No. 6-43656, the thin and sharp beam of a surface emitting laser is used as it is, so the minimum value of the diameter of the light spot on the scale surface is approximately equal to the exit window diameter of the surface emitting laser. It cannot be made smaller than this. If the exit window diameter of the surface emitting laser is reduced for the purpose of obtaining a light spot having a small diameter on the scale surface, the spread angle of the laser beam will be increased conversely by diffraction at the exit window. In order to obtain a light spot with a small diameter on the scale surface, it is preferable to bring the scale and the light source close to each other. However, in this case, since the movable part and the fixed part are close to each other in the encoder built-in equipment, Not only is it difficult to manufacture, but signal changes are likely to occur due to variations in distance, and the output signal of the encoder is difficult to stabilize. After all, the minimum scale pitch that can be used in the encoder of this configuration is about 30 μm.
[0007]
On the other hand, in the encoder using the light source provided with the condensing means of Japanese Patent Application No. 7-228175, the spot size is determined by the numerical aperture of the condensing means. It is necessary to increase the exit aperture diameter (width). However, in order to ensure good characteristics of a surface emitting laser as a light source, there is an upper limit on the exit aperture diameter (width) of the light source, and there is a limit on the minimum spot size by the light condensing means. After all, the minimum scale pitch that can be used is about 20 μm.
The present invention provides an optical encoder that is simple in structure and assembly in view of the above points, and that is small, low-cost, high-resolution, and high-performance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The optical encoder of the present invention is formed such that a light source that emits a coherent light beam and a relative movement with respect to the light source so that the reflectance or transmittance of light changes periodically. A scale disposed so that a part of the light beam from the light source irradiates; and a light receiving element for receiving reflected light, transmitted light, or diffracted light from the scale; and the scale and the light source In an optical encoder that detects the amount of movement using a change in the detection signal in the light receiving element with relative movement, a plurality of emission openings are formed in a cross section obtained by cutting the opening of the light source in the scale pitch direction. The angle between the normal line standing on the scale surface and the optical axis of the light beam is θ, the wavelength of the light is λ, the distance between the light source and the scale is f, and the scale pitch of the adjacent exit apertures direction Is the center interval in the direction projected onto the light exit surface of the light source, and the scale pitch is p. _s , N is a natural number, p _s = 2λf / nhcos θ.
[0009]
Another optical encoder according to the present invention is formed such that a light source that emits a coherent light beam and a light source that moves relative to the light source and the light reflectance or transmittance changes periodically. A scale disposed so that a light beam from the light source irradiates a part thereof, and a light receiving element for receiving reflected light, transmitted light, or diffracted light from the scale, and the scale and the In an optical encoder that detects the amount of movement using a change in the detection signal in the light receiving element with relative movement of the light source, a plurality of emission in a cross section in which the opening of the light source is cut in the scale pitch direction A / N <h ≦ (A−a) / (N−1) where A is a width of the light source opening, a is the width of the output opening, and N is the number of the output openings. It is characterized by being.
[0010]
Another optical encoder according to the present invention is formed such that a light source that emits a coherent light beam and a light source that moves relative to the light source and the light reflectance or transmittance changes periodically. A scale disposed so that a light beam from the light source irradiates a part thereof, and a light receiving element for receiving reflected light, transmitted light, or diffracted light from the scale, and the scale and the In an optical encoder that detects the amount of movement using a change in the detection signal in the light receiving element with relative movement of the light source, a plurality of emission in a cross section in which the opening of the light source is cut in the scale pitch direction An aperture, projecting the wavelength of the light beam emitted from the light source λ, the distance between the light source and the scale f, and the scale pitch direction of the adjacent exit aperture onto the exit surface of the light source The center-to-center spacing of the direction h, the scale pitch p _s , N is a natural number, approximately p _s = Λf / nh is satisfied.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Before describing the embodiments of the present invention, the principle of the present invention common to each embodiment will be described. FIG. 1 shows the amplitude transmittance g of a diffraction grating in which many slits having a finite width are arranged.₀ Is shown. Here, the slit width is a, the interval is h, and the total number of slits is N = 2m + 1. When a Fraunhofer diffraction pattern formed when a plane wave is incident on the diffraction grating is calculated, for example, as described in “Optics” (Science) by Kazumi Murata, it is as follows.
[0014]
[Expression 1]

Where λ is the wavelength of light and f is the distance between the diffraction grating and the observation surface. Therefore, the light intensity distribution is
[0015]
[Expression 2]

It becomes. However, | u₀ (x, y) |² Is the intensity distribution of the diffraction pattern by one slit.
[0016]
[Equation 3]

It is expressed.
[0017]
On the other hand, the second factor on the right side of equation (2) shows the light intensity distribution of a Fraunhofer diffraction pattern by a diffraction grating whose width is negligible, and this is shown in FIG. In this pattern, the position of the large maximum (light intensity peak) is
y_m = Mλf / h (m = 0, ± 1, ± 2, ...) (4)
In addition, the number of small maxima appearing between the large maxima is N-2. Furthermore, y_m In order to obtain the sharpness of the local maximum at the position of Δ, if the interval from the position of this local maximum to the position of the first local minimum is Δy,
Δy = λf / Nh (5)
It becomes.
[0018]
From the above, as a whole, a pattern obtained by modulating the periodic diffraction pattern by the diffraction grating with the diffraction pattern by the single slit is obtained, and the diffraction pattern when the number of slits N is very large is as shown in FIG. .
[0019]
Hereinafter, specific embodiments will be described with reference to the drawings.
[First embodiment]
FIG. 4A shows the overall configuration of the optical encoder of the first embodiment. As shown in FIG. 4A, the present embodiment is a transmissive optical encoder that transmits light through a light source 1 that emits light, a scale 2 that includes a large number of light-transmitting portions arranged in a constant cycle, and the scale 2. It has the light receiving element 3 which receives the received light. The light source 1 is a surface emitting laser, and the surface emitting laser 1 has two emission openings 5 having the same dimensions, and a microlens 4 formed monolithically thereon. In this embodiment, the direction in which the scale pitch direction is projected onto the emission surface of the surface emitting laser 1 is taken as the X axis, and the coordinate axes are determined as shown in the figure. In all the embodiments described later, the coordinate axes are similarly set. Shall be determined.
[0020]
FIG. 4B shows a cross section in which the vicinity of the opening of the surface emitting laser 1 is broken along the X axis. As shown in FIG. 4B, a width of each emission opening is a, a distance between the centers of the emission openings is h, and an opening width when this opening is not divided into two (this is a light source opening) is A. . The microlens 4 forms the aforementioned Fraunhofer diffraction pattern (usually observed at a position sufficiently far from the exit aperture width) at a finite distance from the exit aperture, and the Fraunhofer diffraction pattern is observed at the focal position. Is done. Since an object of the present invention is to create a small light spot, it is desirable to reduce Δy shown in the equation (5), and therefore it is desirable to use the microlens 4 to reduce f in the equation. In this regard, the same can be said for all of the embodiments described later.
[0021]
In FIG. 4A, the scale 2 is disposed at the focal position of the microlens 4, and a diffraction pattern (Fraunhofer diffraction pattern 7) having a light intensity distribution indicated by reference numeral 7 is formed on the surface thereof. Each light intensity peak corresponds to a different order of diffracted interference light. The diffraction pattern formed on the scale surface will be described in detail later. As shown in the figure, the light receiving element 3 is configured to detect light from a plurality of orders of light intensity peaks, and can obtain a high output.
[0022]
FIG. 5 shows details of the surface emitting laser 1 as a light source. The surface emitting laser 1 has a laser oscillator formed on a substrate 111. The laser oscillator is provided with an active layer 101, an upper clad layer 108 and a lower clad layer 109 provided above and below the active layer 101, and above and below them. The p-type multilayer mirror 102 and the n-type multilayer mirror 103 having high reflectivity are included. The mesa having the role of an optical waveguide is formed by etching the p-type multilayer mirror 102 from the surface in the substrate depth direction, and has a rectangular or square cross-sectional shape. The periphery of the mesa is buried with a low refractive index. Surrounded by a buried layer 110. A p-type electrode 104 and an n-type electrode 105 are formed on the upper and lower surfaces of the structure to inject current into the active layer 101. The p-type electrode 104 is made of an opaque electrode material, and two rectangular openings 106 and 107 are formed.
[0023]
For example, the microlens 4 is manufactured as follows. When a resin such as a photoresist is patterned into a circular shape as shown in FIG. 6A and this is heat-flowed in a temperature environment equal to or higher than the resin flow temperature (for example, 150 ° C.), the surface tension causes FIG. A plano-convex resin as shown is obtained. The plano-convex resin may be used as the microlens 4 as it is. Alternatively, the plano-convex resin may be used as a mask, and flattened on a silicon oxide film or the like prepared in advance by a dry etching method. The convex shape may be transferred and used as the microlens 4. There are various other methods for manufacturing the microlens 4, but any method may be used as long as it does not interfere with the manufacturing process of the surface emitting laser 1.
[0024]
  FIG. 7 shows an example where a = 10 (μm), h = 40 (μm),Distance between surface emitting laser 1 (light source) and scale 2The intensity distribution of the X direction of the diffraction pattern formed on a scale surface calculated | required by calculation as f = 500 (micrometer) is shown. In the present embodiment, there are an even number (2) of exit apertures. If the principle of the above-described invention is applied as it is, the small maximum value between the large maximum values is 2-2 = 0 and is not observed. The width w of the large maximum (light intensity peak) and the distance d between the large maximum values are obtained from the equations (5) and (4), respectively.
    w = 2Δy = λf / h (6)
    d = λf / h (7)
It becomes. However, in this case, f is equal to the focal length of the microlens 4. On the other hand, when the same surface emitting laser is used and the aperture is used as it is as the exit aperture, the exit aperture width is A, so the central light intensity peak width of the diffraction pattern of the single exit aperture is
    w₀= 2λf / A (8)
It becomes. Here, in FIG.
    A = h + a (9)
    h> a (10)
Than the relationship
    A / 2 <h (11)
From equations (6) and (8)
    w <w₀                                                  (12)
It is. Therefore, the light intensity peak width is narrower in the case of two exit apertures than in the case of one.
[0025]
For comparison, FIG. 8 shows the intensity distribution of the diffraction pattern with an aperture of A = 50 (μm). As shown in FIGS. 7 and 8, the width of the central light intensity peak is 20 μm when there is one exit aperture and 12.5 μm when there are two exit apertures.
[0026]
By the way, the present applicant has shown in Japanese Patent Application No. 7-228175 that the scale pitch has the optimum value equal to the light intensity peak width. Therefore, the pitch p of the scale 2 is also used in this embodiment._s Is equal to the light intensity peak width w. That is,
p_s = W (13)
And The distance d between the large maximum values is obtained from Equation (6) and Equation (7).
d = w (14)
Therefore, the relationship between the light intensity distribution of the diffraction pattern and the scale is as shown in FIG. 9, and the light intensity peaks of a plurality of orders respectively correspond to the same phase portions of the scale.
[0027]
Since the shape of the two exit apertures 5 of the surface emitting laser 1 of the present embodiment is uniform in the Y direction, the actual diffraction pattern is a line having a certain length in the Y direction. The encoder signal obtained by combining this diffraction pattern and the scale can be estimated to some extent by integrating the light intensity distribution in the X direction using only the transmission part of the scale as an integration interval. The result is shown in FIG. 10 together with the case of one opening. The scale pitch is 12.5 μm in all cases. The encoder signal with two openings has substantially the same amplitude as the encoder signal with one opening, but has a smaller offset from the zero level.
[0028]
Incidentally, as a method of increasing the resolution of the encoder, in addition to reducing the scale pitch, it is possible to obtain a resolution smaller than the resolution determined by the scale pitch by electrically dividing the obtained signal. Therefore, in order to finally minimize the resolution, it is necessary to consider including electric division. In the Japanese Patent Application No. 7-228175, the applicant of the present application is that the possible division numbers are normalized amplitudes when the maximum and minimum values of the encoder signal are Emax and Emin, respectively
An = (Emax−Emin) / (Emax + Emin) (15)
Is assumed to be proportional to From this point of view, when the two types of signals shown in FIG. 10 are compared, the amplitudes of the two are almost equal, so the numerator of equation (15) is almost equal, but the offset level is lower in the case of two exit apertures. The denominator is small and the normalized amplitude is large. Therefore, it can be said that the case where there are two exit openings is more suitable for higher resolution than the case where there is one exit opening. This may be said that the utilization efficiency of the light irradiated to the scale surface is good.
[0029]
In the present embodiment, the scale pitch p_s The
p_s = W = λf / h (16)
Therefore, in order to improve the resolution, the center interval h of the emission apertures may be increased. On the other hand, in order to ensure good characteristics of the surface emitting laser, the opening width A needs to be a certain dimension (for example, about 50 μm) or less. In order to reduce the scale pitch under this condition, it is desirable to make the maximum use of the opening width A, that is, to satisfy Equation (9). However, the light intensity around the opening of the surface emitting laser may not be sufficient, and it is not always an effective opening.
h ≦ A−a (23)
It is. In addition, the smaller the output aperture width a, the larger h, but in order to ensure a constant encoder output, a cannot be made infinitely small. It is necessary to decide. On the other hand, when h is reduced, not only is the resolution improvement effect difficult to obtain, but there is a case where higher resolution can be obtained by providing another exit aperture with the same h. Therefore, when there are two exit apertures, it is desirable that the equation (11) is satisfied.
A / 2 <h ≦ A−a (24)
It can be said that it is desirable to take the maximum value in practice within the range. Also, assuming that the practically effective aperture width is A ′ and the practically minimum output aperture width is a ′,
h = A'-a '(25)
Is the optimal condition.
[0030]
Next, a case where there are three emission openings will be described. FIG. 11 shows the light intensity distribution in the X direction of the diffraction pattern formed on the scale surface, obtained by calculation with a = 10 (μm) and h = 20 (μm). In this case, 3−2 = 1 small maximum values between the large maximum values appear, and the width w of the large maximum (light intensity peak) and the distance d between the large maximum values are obtained from the equations (5) and (4): Respectively
w = 2λf / 3h (6 ')
d = λf / h (7 ′)
It becomes.
[0031]
Here, the pitch p of scale 2 is the same as in the case of N = 2._s The
p_s = W (13 ')
Then, the distance d between the large maximum values is
d = 3w / 2 (14 ')
Therefore, the relationship between the light intensity distribution of the diffraction pattern and the scale is p in FIG._s = W = 2d / 3. That is, when the central light intensity peak is in the transmission part of the scale, the adjacent large light intensity peak is located in the non-transmission part, and the signal amplitude of the encoder signal decreases as shown in FIG. An also decreases. on the other hand,
p_s = D / n (n = 1, 2, 3,...) (17)
Then, even in the diffraction pattern of FIG. 11, the same phase portion of the scale can be matched with a large maximum value. n = 1 or p_s = D and n = 2 or p_s FIG. 12 shows the relationship between the light intensity distribution of the diffraction pattern and the scale in the case of = d / 2, and FIG. 14 shows the encoder signal in each case. In these cases, it can be said that the resolution is improved as compared with the case where there is one exit aperture.
[0032]
In addition, when there are three exit apertures, the conditions that h can take are
A / 3 <h ≦ (A−a) / 2 (24 ′)
Therefore, it can be said that it is desirable to take a practically maximum value within this range. The optimal value is
h = (A′−a ′) / 2 (25 ′)
Given in.
[0033]
FIG. 15 shows the results of comparison between the case where there are two and three exit apertures, the scale pitch on the horizontal axis and the normalized amplitude on the vertical axis, and the case where there is one exit aperture. Looking at this, it is possible to increase the resolution compared to the case of a single exit aperture by forming multiple spots with multiple exit apertures and optimizing the scale pitch for this. I understand.
[0034]
The case where there are two and three exit openings has been described so far, but a general case where there are N exit openings will be described below. In this case, equation (6) becomes
w = 2λf / Nh (6 ″)
It becomes. Comparing equation (6 ″) and equation (8), w and w are related by the magnitude relationship between Nh and A.₀ It can be seen that the magnitude relationship is determined. Here, in practice, A is replaced with A ′, a is replaced with a ′, and in order to minimize w, the same relationship as in equation (25) needs to be established.
h = (A′−a ′) / (N−1) (N = 2, 3,...) (25 ″)
If this is transformed and the relationship of equation (10) is used,
A′−Nh = a′−h <0 (18)
Therefore, A ′ <Nh, and from Equation (6 ″) and Equation (8),
w <w₀                                                  (19)
Thus, it is shown that the peak width of the light intensity can be reduced regardless of N by optimizing the arrangement with a plurality of exit apertures. Next, considering the case where Nh is the maximum, from equation (25 ''),
Nh = (A′−a ′) N / (N−1) (N = 2, 3,...) (21)
It becomes. Here, A'-a 'is always positive, and N / (N-1) approaches 1 as much as possible while monotonously decreasing. Therefore, if a ′ is a constant, it can be seen that Nh increases as N decreases. Since N is an integer, the maximum is obtained when N = 2. In summary, when a plurality of exit apertures having a width a ′ are provided in the range of the aperture width A ′, the light intensity peak width can be obtained regardless of N by optimizing the design of the exit apertures. Get smaller. The minimum width is obtained when there are two exit openings.
[0035]
For how to determine the scale pitch,
p_s = W = 2λf / Nh (13 ″)
Then,
p_s = W = 2d / N (22)
Therefore, when N is an even number, all of the light intensity peaks of the diffraction pattern shown in FIG. 2 can be matched to the same phase portion of the scale, but when N is an odd number, every other phase portion is out of phase. The contrast of the signal is lower than when N is an even number. In contrast,
p_s = D / n = λf / nh (n = 1, 2, 3,...) (17 ″)
If the scale pitch is determined as described above, the light intensity peak can always be matched to the same phase portion of the scale. However, if n is too small, the resolution is not improved because the scale pitch is not reduced. On the other hand, if it is too large, the normalized amplitude of the encoder signal cannot be ensured. Therefore, it is necessary to select an optimum value according to the conditions. In addition, when the equation (17 ″) and the equation (13 ″) are compared, N is replaced with a general natural number n in the equation (13 ″).
p_s = W = 2λf / nh (13 '' ')
If n is an even number, since (17 ″) is included, it can be said that the scale pitch is determined by the equation (13 ′ ″).
[0036]
For each value of N, the conditions that h can take are
A / N <h ≦ (A−a) / (N−1) (N = 2, 3,...) (24 ″)
Thus, it can be said that it is desirable to take a practically maximum value within this range. The optimal value is
h = (A′−a ′) / (N−1) (N = 2, 3,...) (25 ″)
Given in.
[0037]
In summary, the present embodiment has the following effects.
By providing a plurality of exit apertures in the surface aperture of the surface emitting laser, and further combining a microlens and using this as the light source of the optical encoder, the light beams emitted from the plurality of exit apertures are diffracted from each other, Interfering patterns with multiple orders of light intensity peaks are formed on the scale. The width of each light intensity peak is smaller than the width of the light intensity peak formed when the opening is used as it is as the exit aperture (one exit aperture). When the scale pitch is determined by the equation (13 ′ ″) corresponding to this light intensity peak width, the light receiving element receives light of a plurality of orders formed on the scale. In comparison, an encoder signal having a high normalized amplitude can be obtained from a small pitch scale, that is, the resolution can be increased. Since this can be performed by patterning the p-type electrode of the surface emitting laser, it is not necessary to add any extra steps to the conventional surface emitting laser, and the sensor configuration, which is a feature of the encoder using the conventional surface emitting laser, It is possible to provide a highly accurate optical encoder that is simple in assembly, small in size and low in cost.
[0038]
As described above, in the present embodiment, the transmission type optical encoder is shown. However, as a modification, the reflection type encoder shown in FIG. 16 may be used. In this case, the same effect can be obtained. In FIG. 16, the light receiving element 3 is disposed on the same side as the surface emitting laser 1 with respect to the scale 2, and receives the reflected light from the scale 2, so that the scale 2 is opposed to the emission surface of the surface emitting laser 1. It is arranged tilted. Here, if the angle formed between the normal line standing on the surface of the scale 2 and the optical axis of the outgoing light beam of the surface emitting laser 1 is θ, the scale pitch is set to the X-direction distribution 7 of the light intensity of the diffraction pattern. The formula (13 '' ') to determine is
p_s = 2λf / nhcosθ (13 ″ ″)
It is expressed. In the configuration of the transmissive optical encoder shown in FIG. 4, by setting θ = 0 in the equation (13 ″ ″), the equation (13 ′ ″) for determining the scale pitch in the transmissive type is obtained. Therefore, it can be said that the equation (13 ″ ″) is an equation applicable to all the embodiments described above. As a modification of the reflection type configuration, a configuration in which the surface emitting laser 1 and the light receiving element 3 are integrated in a hybrid or monolithic manner is possible. As another modification of the embodiment described above, a region where the diffraction grating functions and a region where the diffraction grating functions are provided on the surface of the scale 2, and the intensity of transmitted diffracted light or reflected diffracted light as the scale moves. It is also possible to configure the optical encoder by a method of detecting a change with a light receiving element. As for the light source, instead of using a surface emitting laser, another coherent light source (such as an edge emitting semiconductor laser) can be used.
[0039]
[Second Embodiment]
FIG. 17 shows an optical encoder according to the second embodiment. Since this embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, a detailed description thereof will be omitted. However, in the first embodiment, light from a plurality of orders of light intensity peaks of the diffraction pattern 7 on the scale 2 is used. In order to receive light, a light receiving element 3 having a large size is used, whereas in the present embodiment, a light receiving element 3 'having a small size is used. This is arranged so as to receive light from one order peak (usually formed at the center) having the maximum light intensity among light intensity peaks of a plurality of orders of the diffraction pattern on the scale 2. By adopting such a configuration, as described in the first embodiment, even if the position of the in-phase portion of the scale 2 does not necessarily coincide with the light intensity peak position of a plurality of orders, the order having the maximum light intensity. By using only one peak, the scale pitch is determined by the equation (13 ″) (generally, the equation (13 ″ ″)), and the resolution can be increased.
[0040]
As described above, a plurality of emission openings are provided in the surface opening of the surface emitting laser, and a microlens is combined, and this is used as a light source of the optical encoder, so that the light is emitted from the plurality of emission openings. The light beams diffract and interfere with each other, and a pattern having a light intensity peak of a plurality of orders is formed on the scale. The width of each light intensity peak is smaller than the width of the light intensity peak formed when the opening is used as it is as the exit opening (one exit opening). In the present embodiment, since only one order peak having the maximum light intensity is used among the light intensity peaks of multiple orders on the scale surface, it is not necessary to consider the light intensity peaks of other orders. The scale pitch can be easily determined, and an encoder signal having a large normalized amplitude can be obtained.
[0041]
In FIG. 17, light from one peak of the order having the maximum light intensity is received by optimally determining the size of the light receiving element 3 ′. However, as a modification of this embodiment, other methods may be used. Is possible. For example, as shown in FIG. 18, it is possible to use a method in which a large light receiving element 3 ″ is used and a diaphragm 6 is inserted between the scale 2 and the light receiving element 3 ″. Accordingly, the size of the light receiving element 3 '' is not limited. Further, as described as a modification in the first embodiment, a configuration of a reflective encoder is also possible, and the same effect can be obtained. As another modification of the embodiment described above, a region where the diffraction grating functions and a region where the diffraction grating functions are provided on the surface of the scale 2, and the intensity of transmitted diffracted light or reflected diffracted light as the scale moves. It is also possible to configure the optical encoder by a method of detecting a change with a light receiving element. As for the light source, instead of using a surface emitting laser, another coherent light source (such as an edge emitting semiconductor laser) can be used.
[0042]
[Third embodiment]
FIG. 19 shows a surface emitting laser applied to the above-described optical encoder as a third embodiment. In the present embodiment, a rectangular or square light-shielding portion smaller than this is provided at the opening of the rectangular or square light source, and the hollow rectangular portion around it is used as the exit opening. In this case, unlike the first and second embodiments, the number of exit apertures is one, but is substantially parallel to each other in a hollow rectangular shape in a cross section cut in the X-axis direction. The strip-shaped portions 106 ′ and 107 ′ form a plurality of exit apertures, and the laser beams emitted from the respective portions are diffracted and interfere with each other. Can be formed, and a high-resolution optical encoder can be configured.
[0043]
In the present embodiment, when the light source opening is cut in the scale pitch direction, the opening has one portion (a cross section including 113) and two portions (a cross section including 106 ′ and 107 ′). Therefore, the diffracted light intensity distribution formed on the scale surface is formed by the exit opening 113 at the part connecting the exit openings 106 'and 107' in addition to the diffraction pattern formed by the exit openings 106 'and 107'. There is a contribution of diffraction pattern. The light intensity peak width due to the exit apertures 106 ′ and 107 ′ is expressed by equation (6), and the light intensity peak width due to the exit aperture 113 is expressed by equation (8). Since the X-direction light intensity distribution is obtained by superimposing both, as can be seen from the description of the first embodiment, light intensity peaks at equal intervals cannot be obtained. In this case, it is impossible to align the light intensity peaks of a plurality of orders with the same phase position of the scale. However, the light intensity peak at the center is more concentrated in the center than the case where there is only one exit aperture, so the effective light intensity peak width can be narrowed and corresponds to this peak width. If the scale pitch is determined and an optical encoder is configured, the resolution can be increased. Therefore, in this embodiment, except for the light source, it is desirable to use only one order light intensity peak having the maximum intensity as in the second embodiment. The surface emitting laser of the light source is the same as that used in the first and second embodiments except that the shape of the light shielding portion is different.
[0044]
As described above, by providing a light-shielding portion at the opening of the surface-emitting laser, using the periphery of the light-shielding portion as an emission opening, and further combining a microlens, and using this as the light source of the optical encoder, It is possible to obtain a light intensity peak that is narrower than when no light-shielding portion is provided in the opening. Among these, when the scale pitch is determined corresponding to the light intensity peak of the single order having the maximum intensity, an encoder signal having a large normalized amplitude can be obtained from a scale having a small pitch as compared with the case where no light shielding portion is provided. It becomes possible, that is, the resolution can be increased. Since this can be performed by patterning the p-type electrode of the surface emitting laser, it is not necessary to add any extra steps to the conventional surface emitting laser, and the sensor configuration, which is a feature of the encoder using the conventional surface emitting laser, It is possible to provide a highly accurate optical encoder that is simple to assemble, small in size, low cost.
[0045]
Regarding this embodiment, the modification of 2nd Embodiment is applicable similarly.
[Fourth embodiment]
FIG. 20 shows a surface emitting laser used for the above-described optical encoder as a fourth embodiment. In this embodiment, the shape of the exit aperture is the same as that shown in the third embodiment, but in this embodiment, the periphery and the center of the p-type multilayer mirror 102 ′ are patterned into a square or a rectangle. Yes. That is, the p-type multilayer mirror 102 ′ having a mesa shape is formed in a hollow rectangular shape.
[0046]
In the third embodiment, the mesa shape of the surface emitting laser is the same as that of the first and second embodiments. Therefore, in order to ensure good characteristics, the emission apertures 106 ′ and 107 are used. In the present embodiment, the mesa-shaped central part is also patterned, and therefore, if the value of the mesa width B in the figure is kept to a certain level (for example, about 50 μm) or less, the opening is reduced. Even when the part width A is increased (for example, 100 μm or more), it is easy to ensure relatively good characteristics of the surface emitting laser. In addition, since the distance between the exit apertures 106 ′ and 107 ′ can be increased, it is possible to obtain a light intensity peak of a plurality of orders having a narrow width on the scale surface. In the same way as the light source shown in the third embodiment, when the light source opening is cut in the scale pitch direction, the light source has one portion (cross section including 113) and two portions (106). In the present embodiment, only the light intensity peak of one order having the maximum intensity is obtained in the present embodiment except for the light source, as in the second and third embodiments. The configuration to be used is desirable.
[0047]
As described above, a light-shielding portion is provided on the surface of the surface-emitting laser, the periphery of the light-shielding portion is used as an emission opening, the mesa-shaped periphery and the central portion are patterned, and a microlens is further combined. By using a light source, it is possible to increase the light source opening width A without deteriorating the good characteristics of the surface emitting laser as compared with the case where only the periphery of the mesa shape and the emission opening are patterned, and they are separated from each other. By causing the outgoing light from the outgoing opening to interfere, it is possible to form a light intensity peak with a narrow multiple order. Therefore, it is possible to configure an optical encoder with higher resolution by determining the scale pitch corresponding to the light intensity peak width.
[0048]
The mesa shape and the opening shape of the present embodiment have a rectangular or square outline and a predetermined width. Instead, for example, as shown in FIG. 21, a circular or elliptical outline has a predetermined width. You may have it. In the first to third embodiments, in order to ensure good characteristics of the surface emitting laser, the maximum width of the opening is equal to or less than a certain value. In theory, the light intensity peak width could be reduced theoretically, but in the present embodiment, there is no such limitation on the maximum width of the aperture, and the exit aperture and mesa shape of a circular or elliptical annular zone are used. However, the effect of high resolution can be sufficiently obtained. Moreover, the modification of 2nd embodiment is applicable similarly.
[0049]
[Fifth embodiment]
FIG. 22 shows a surface emitting laser used for the above-mentioned optical encoder as a fifth embodiment. In the present embodiment, similar to the surface emitting laser shown in the fourth embodiment, a mesa shape obtained by patterning a p-type multilayer mirror 102 ′ so as to have a predetermined width with a rectangular or square outline, and a rectangular or square shape. And another mesa and a rectangle having an output aperture (106 ′, 107 ′, 113) having a predetermined width and patterned around the p-type multilayer mirror 102 ″ in the shape of a rectangle or square at the center position thereof Alternatively, a square exit opening 112 is provided. That is, it has two surface emitting lasers having independent p-type multilayer mirrors 102 ′ and 102 ″. When a plurality of surface emitting lasers are formed on one chip as in the present embodiment and laser beams having the same phase are emitted from both, a diffraction interference pattern is formed. In the present embodiment, when the light source opening is cut in the scale pitch direction, there are one part, two parts, and three parts, so the X-direction light intensity distribution has three types. The diffraction interference patterns are superimposed, and light intensity peaks at equal intervals cannot be obtained. Therefore, in this embodiment, except for the light source, it is desirable to use only one order light intensity peak having the maximum intensity as in the second and third embodiments. The light intensity peak in the center can be narrowed in the effective light intensity peak width because the light intensity is more concentrated in the central part than in the case of one exit aperture. By determining the scale pitch and configuring the optical encoder, the resolution can be increased. In this embodiment, if the mesa shape and the width of the exit aperture are set to a certain value or less, it is easy to ensure good characteristics of the laser, and the light intensity is increased by enlarging the entire aperture under these conditions. It is possible to reduce the peak width. Furthermore, it is possible to design the diffraction pattern on the scale to some extent by obtaining laser light having the same phase from a plurality of surface emitting lasers and making them interfere with each other, and the degree of freedom of design increases with the scale pitch. There is an effect.
[0050]
As described above, a light-shielding part is provided in the opening of the surface-emitting laser, and a mesa shape and an emission opening having a predetermined width with a rectangular or square outline around the light-shielding part, and the center of the light-shielding part. In addition, by producing a rectangular or square mesa shape and an exit aperture, and further combining a microlens and using this as a light source for an optical encoder, compared to the case where only the peripheral portion of the mesa and the exit aperture are patterned, Without sacrificing the good characteristics of surface emitting lasers, it is possible to further enlarge the entire light source aperture, and by interfering with the outgoing light from the outgoing apertures that are separated from each other, a light intensity peak of a narrow order of multiple orders can be obtained. It becomes possible to form. Also, by obtaining light of the same phase from a plurality of surface emitting lasers and causing them to interfere with each other, the degree of freedom in designing the shape and peak width of the interference pattern is increased, and the scale pitch is determined according to this peak width. Thus, a high-resolution optical encoder can be configured more easily than before.
[0051]
Note that the mesa shape and the opening shape of the present embodiment do not have a rectangular or square outline, as in the fourth embodiment, but may have a circular or elliptical outline, for example. is there. Moreover, the modification of 2nd embodiment is applicable similarly.
[0052]
Furthermore, as another modification, as described above, the mesa shape composed of the central p-type multilayer mirror 102 ″ is not surrounded by the mesa shape composed of the annular p-type multilayer mirror 102 ′. As shown in FIG. 5, it is also possible to adopt a configuration in which a plurality of p-type multilayer mirrors (102 ″, 102 ′ ″, 102 ″ ″) are patterned in the same mesa shape and arranged in parallel. In the case of this configuration, when the light source openings are cut in the scale pitch direction, the number of exit openings is always constant, so that the light source openings are formed by a plurality of exit openings as described in the first embodiment. Diffraction and interference patterns are formed. Therefore, it is possible to adopt a configuration in which the light intensity peaks of a plurality of orders are matched with the same phase position of the scale.
[0053]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes all implementations performed without departing from the scope of the invention.
The present invention includes technical ideas described in the following items.
[0054]
1.
[Configuration] A light source that emits a coherent light beam and a light source that moves relative to the light source so that the reflectance or transmittance of light periodically changes, and a part of the light source is formed. And a light receiving element for receiving reflected light, transmitted light, or diffracted light from the scale, and for relative movement of the scale and the light source. In the optical encoder that detects the amount of movement using the change in the detection signal in the light receiving element, the light source has a plurality of emission openings in a cross section obtained by cutting the opening of the light source in the scale pitch direction. An optical encoder.
[0055]
[Corresponding Embodiment of the Invention] The first to fifth embodiments correspond to the embodiments relating to the present invention. In the first to third embodiments, the means for providing a plurality of exit openings is realized by the patterning shape of the p-type electrode of the surface emitting laser. In other words, a part of the light source opening is shielded from light, and the light source opening is configured to have a plurality of emission openings in a cross section obtained by cutting the light source opening in the scale pitch direction. In the fourth embodiment, by p-type electrode patterning and patterning around the p-type multilayer mirror (mesa shape), and in the fifth embodiment, a plurality of surfaces emitting coherent light to each other By using the light emitting laser as a light source, the light source is configured to have a plurality of emission openings in a cross section obtained by cutting the opening of the light source in the scale pitch direction.
[0056]
[Operation and Effect] When a light source that emits a coherent light beam is configured to have a plurality of exit openings in a cross section in which the opening is cut in the scale pitch direction, light emitted from the plurality of exit openings The beams diffract and interfere with each other, and a pattern having a light intensity peak of multiple orders is formed on the scale. Since the width of the light intensity peak of each order is smaller than the width of the light intensity peak formed when the opening is used as the exit aperture as it is, this can be used to reduce the pitch of the corresponding scale. It is possible to construct a high-resolution optical encoder. In addition, the features of the conventional optical encoder can be utilized as they are, except that the openings are configured to have a plurality of emission openings in a cross section cut in the scale pitch direction.
[0057]
2.
[Configuration] The optical encoder according to item 1, wherein the center intervals in the scale pitch direction of adjacent exit apertures are equal.
[Corresponding Embodiment of the Invention] The first to fifth embodiments correspond to embodiments corresponding to this invention.
[0058]
[Operation, Effect] A pattern having a plurality of light intensity peaks with a narrow width is formed on the scale by configuring the light source opening to have a plurality of exit openings in a cross section obtained by cutting in the scale pitch direction. Is done. By arranging the plurality of exit apertures so that the center intervals in the scale pitch direction of the adjacent exit apertures are equal to each other, the formed multiple-order light intensity peaks have a constant interval. Therefore, the scale pitch corresponding to this can be reduced and optimized, and a high-resolution optical encoder can be configured.
[0059]
3.
[Configuration] In the optical encoder according to item 1, the angle formed by the normal line standing on the scale surface and the optical axis of the light beam is θ, the wavelength of light is λ, and the distance between the light source and the scale is f. , H is the center interval in the direction in which the scale pitch direction of the adjacent exit aperture is projected onto the exit surface of the light source, and p is the scale pitch._s , N is a natural number,
p_s = 2λf / nhcosθ
An optical encoder characterized by the above.
[0060]
[Corresponding Embodiment of the Invention] The first to fifth embodiments correspond to the embodiment corresponding to this invention.
[Operation and Effect] A pattern having a plurality of orders of light intensity peaks with a narrow width is formed on the scale by configuring the light source openings to have a plurality of exit openings in a section obtained by cutting the light source openings in the scale pitch direction. Is done. By determining the scale pitch as described above for a given plurality of exit aperture dimensions, a good signal can be obtained and a high-resolution optical encoder can be configured.
[0061]
4).
[Configuration] In the optical encoder according to Item 1 or Item 3, when the width of the light source opening is A, the width of the exit opening is a, and the number of exit openings is N
A / N <h ≦ (A−a) / (N−1)
An optical encoder characterized by the above.
[0062]
[Corresponding Embodiment of the Invention] The first to fifth embodiments correspond to embodiments corresponding to this invention.
[Operation, Effect] A pattern having a plurality of light intensity peaks with a narrow width is formed on the scale by configuring the light source opening to have a plurality of exit openings in a cross section obtained by cutting in the scale pitch direction. However, the width depends on the center intervals h and N in the scale pitch direction of adjacent openings. By determining h and N within a range that satisfies the above equation, the light intensity peak width can be narrowed, and a high-resolution optical encoder can be configured.
[0063]
5).
[Configuration] The optical encoder according to Item 3, wherein the light receiving element receives light of a plurality of orders of a diffraction pattern formed on the scale.
[0064]
[Corresponding Embodiment of the Invention] The first and fifth embodiments correspond to the embodiment corresponding to this invention.
[Operation and Effect] A pattern having a plurality of orders of light intensity peaks with a narrow width is formed on the scale by configuring the light source openings to have a plurality of exit openings in a section obtained by cutting the light source openings in the scale pitch direction. However, by simultaneously receiving a plurality of orders of light, the level of the output signal can be increased, and a high-resolution optical encoder can be configured.
[0065]
6).
[Configuration] The optical encoder according to Item 1, wherein the light receiving element receives one order of light having a maximum light intensity among diffraction patterns formed on the scale. Encoder.
[0066]
[Corresponding Embodiments of the Invention] The second to fifth embodiments correspond to the embodiments relating to the present invention.
[Operation and Effect] A pattern having a plurality of orders of light intensity peaks with a narrow width is formed on the scale by configuring the light source openings to have a plurality of exit openings in a section obtained by cutting the light source openings in the scale pitch direction. However, by receiving only light of one order having the maximum light intensity, it is not necessary to consider light intensity peaks of other orders, so that the corresponding scale pitch can be easily designed, and high It is possible to construct a resolution optical encoder.
[0067]
7).
[Configuration] The optical encoder according to item 1, wherein the plurality of exit apertures are composed of a plurality of light sources that emit coherent light.
[0068]
[Corresponding Embodiment of the Invention] The fifth embodiment corresponds to the embodiment of the present invention.
[Operation and Effect] A pattern having a plurality of orders of light intensity peaks with a narrow width is formed on the scale by configuring the light source openings to have a plurality of exit openings in a section obtained by cutting the light source openings in the scale pitch direction. However, by configuring the plurality of exit apertures from a plurality of light sources that emit coherent light, the center interval h in the scale pitch direction of adjacent exit apertures can be increased, and the light intensity peak The width can be further reduced. Therefore, it is possible to configure a high resolution optical encoder.
[0069]
8).
[Configuration] The optical encoder according to any one of Items 1 to 7, wherein the light source that emits a coherent light beam is a surface emitting semiconductor laser.
[0070]
[Corresponding Embodiment of the Invention] The first to fifth embodiments correspond to the embodiments relating to the present invention.
[Operation and Effect] By using a surface emitting semiconductor laser as a light source, the configurations described in the first to seventh items can be easily realized. In addition, the light receiving element and the light source can be integrated, and the optical encoder can be reduced in size, price, and performance with a simple configuration.
[0071]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain an optical encoder that is simple in configuration and assembly, is small in size, low in cost, and has high resolution.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the amplitude transmittance g of a diffraction grating in which many slits having a finite width are arranged.₀Indicates.
FIG. 2 shows a light intensity distribution of a Fraunhofer diffraction pattern according to an amplitude transmittance g0 of a diffraction grating having a negligible width.
FIG. 3 shows the light intensity distribution of a diffraction pattern when the number of slits is very large.
FIG. 4 shows an overall configuration (A) of the optical encoder of the first embodiment and a cross section (B) in which the vicinity of the opening of the surface emitting laser is broken along the X axis.
5 shows a detailed structure of the surface emitting laser of FIG.
6 illustrates a method for manufacturing the microlens of FIG.
FIG. 7 shows a light intensity distribution of a diffraction pattern formed on a scale surface by a surface emitting laser having two exit apertures.
FIG. 8 shows a light intensity distribution of a diffraction pattern formed on a scale surface by a surface emitting laser having a single aperture.
FIG. 9 shows a relationship between a light intensity distribution of a diffraction pattern by a surface emitting laser having two exit openings and a scale.
FIGS. 10A and 10B show encoder signals when there are one and two exit apertures. FIGS.
FIG. 11 shows a light intensity distribution of a diffraction pattern formed on a scale surface by a surface emitting laser having three exit apertures.
FIG. 12 shows a relationship between a light intensity distribution of a diffraction pattern and a scale by a surface emitting laser having three exit apertures.
FIG. 13 p_sThe encoder signal when = w is shown.
FIG. 14 p_s= D, p_s= Encoder signal in each case of d / 2.
FIG. 15 shows the relationship between scale pitch and normalized amplitude when the number of exit apertures is one, two, and three.
FIG. 16 shows a reflective optical encoder which is a modification of the first embodiment.
FIG. 17 shows an optical encoder according to a second embodiment.
FIG. 18 shows an optical encoder which is a modification of the second embodiment.
FIG. 19 shows a surface emitting laser applicable to the optical encoder of the first or second embodiment as a third embodiment.
FIG. 20 shows another surface emitting laser applicable as the fourth embodiment to the optical encoder of the first or second embodiment.
FIG. 21 shows a surface emitting laser according to a modification of the fourth embodiment.
FIG. 22 shows a surface emitting laser applicable as the optical encoder of the first or second embodiment as a fifth embodiment.
FIG. 23 shows a surface emitting laser according to a modification of the fifth embodiment.
FIG. 24 shows a configuration (A) of an optical encoder disclosed in Japanese Patent Application No. 6-43656, and light receiving element output signals (B) and (C) with respect to scale displacement.
FIG. 25 shows an optical encoder disclosed in Japanese Patent Application No. 7-228175.
[Explanation of symbols]
1 Light source
2 scale
3 Light receiving element
4 Microlens
5 Outgoing aperture

Claims (5)

A light source that emits a coherent light beam and a light source that moves relative to the light source so that the reflectance or transmittance of light periodically changes, and a part of the light from the light source A scale disposed to irradiate the beam; and a light receiving element for receiving reflected light, transmitted light, or diffracted light from the scale, and receiving the light with relative movement of the scale and the light source. In an optical encoder that detects the amount of movement using a change in the detection signal in the element, the light source has a plurality of emission openings in a cross section obtained by cutting the opening of the light source in the scale pitch direction, and stands on the scale surface. The angle between the normal line and the optical axis of the light beam is θ, the wavelength of light is λ, the distance between the light source and the scale is f, and the scale pitch direction of the adjacent exit aperture is the exit surface of the light source. Projected An optical encoder characterized in that p _s = 2λf / nh cos θ, where h is the center interval in the direction, p _{s is} the scale pitch, and n is a natural number . 2. The optical encoder according to claim 1, wherein a cross section obtained by cutting the opening of the light source in the scale pitch direction has at least three or more exit openings, and the center intervals in the scale pitch direction of adjacent exit openings are respectively Optical encoder characterized by being equal . A light source that emits a coherent light beam and a light source that moves relative to the light source so that the reflectance or transmittance of light periodically changes, and a part of the light from the light source A scale disposed to irradiate the beam; and a light receiving element for receiving reflected light, transmitted light, or diffracted light from the scale, and receiving the light with relative movement of the scale and the light source. In an optical encoder that detects the amount of movement using a change in a detection signal in the element, the light source has a plurality of emission openings in a cross section obtained by cutting the opening of the light source in the scale pitch direction . An optical encoder characterized in that A / N <h ≦ (A−a) / (N−1) where A is the width, a is the width of the exit aperture, and N is the number of exit apertures. .   4. The optical encoder according to claim 3, wherein the light receiving element is a diffraction pattern having a plurality of light intensity peaks formed on the scale by a coherent light beam emitted from the light source. An optical encoder that receives reflected light, transmitted light, or diffracted light.   A light source that emits a coherent light beam, and a light source that moves relative to the light source so that the reflectance or transmittance of light periodically changes, and a part of the light from the light source is formed. A scale disposed to irradiate the beam; and a light receiving element for receiving reflected light, transmitted light, or diffracted light from the scale, and receiving the light with relative movement of the scale and the light source. In an optical encoder that detects the amount of movement using a change in the detection signal in the element, the light source has a plurality of emission openings in a section obtained by cutting the opening of the light source in the scale pitch direction, and is emitted from the light source. Λ is the wavelength of the light beam to be emitted, f is the distance between the light source and the scale, h is the center distance in the direction in which the scale pitch direction of the adjacent exit aperture is projected onto the exit surface of the light source, and the scale pitch p _s , N is a natural number, approximately p _s = Λf / nh, an optical encoder characterized by satisfying the relationship.

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