JP3720751B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的手段を用いた光学式変位センサー、特に光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、工作機械のステージや３次元計測定器などに於いては直線方向変位量を検出するための、また、サーボモータなどに於いては回転角を検出するための、光学式や磁気式などのいわゆるエンコーダが利用されている。
【０００３】
光学式エンコーダは、一般的に、ステージ等の変位を検出しようとする部材に固定されるスケールと、このスケールの変位を検出するためのセンサーヘッドとを備えている。センサーヘッドは、スケールに光ビームを照射する光源と、スケールを透過したまたはスケールで反射された回折光を検出するための光検出器とを有しており、受光した光信号の変化によってスケールの移動を検出している。
【０００４】
図２１に第一の従来技術である、可干渉光源と回折格子スケールを用いたレーザエンコーダを示す。図２１はレンズなどの光学部品を必要としない小型・低コストなエンコーダの一例であるレーザエンコーダを示す構成図である。この可干渉光源と回折格子スケールを用いたレーザエンコーダについては例えば、「特開昭６３−４７６１６号公報」に記載されている。
【０００５】
すなわち、このレーザエンコーダは、図２１に示すように、面発光レーザ１である半導体レーザから出射したレーザビームを透過型の回折格子スケール２に照射し、これにより生成される回折干渉パターン１３の特定部分が、一定間隔ｐ２の透過スリット５３を通過して光検出器５により検出されるように構成されている。
【０００６】
この第一の従来例の動作について、図２２を用いて説明する。図２２は、光検出器３上に受光エリア４形成されており、透過スリット５３と光検出器５が一体化されているものとする。
【０００７】
ここで、図２２に示すように、各構成パラメータを以下のように定義する。
ｚ１：光源と、スケール上の回折格子を形成した面の間隔
ｚ２：スケール上の回折格子を形成した面と、光検出器の受光面との間隔
ｐ１：スケール上の回折格子のピッチ
ｐ２：光検出器の受光面上の、回折干渉パターンのピッチ
なお、「スケール上の回折格子のピッチ」とは、スケール上に形成される光学特性が変調されたパターンの空間的な周期を意味する。
【０００８】
また、「光検出器の受光面上の回折干渉パターンのピッチ」とは、受光面上に生成された回折パターンの強度分布の空間的な周期を意味する。
ところで、光の回折理論によると、上記のように定義されるｚ１、ｚ２が以下の（１）式に示す関係を満たすような特定の関係にある時には、スケールの回折格子パターンと相似な強度パターンが光検出器の受光面上に生成される。
【０００９】
（１／ｚ１）＋（１／ｚ２）＝λ／ｋ（ｐ１）２ …（１）
ここで、λは光源から出射される光ビームの波長、ｋは自然数である。この受光面上に生成される、スケールの回折格子パターンと相似な強度パターンはタルボットイメージと呼ばれるもので、上記関係式を満たす位置に出現する。この効果をタルボット効果という。
【００１０】
このとき、受光面上の回折干渉パターンのピッチｐ２は他の構成パラメータを用いて以下の（２）式に示すように表すことが出来る。
ｐ２＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ …（２）
前記光源に対して前記スケールが回折格子のピッチ方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折干渉パターンの強度分布がスケールの変位する方向に移動する。従って、光検出器３上に形成される受光エリア４の空間周期ｐ２０をｐ２と同じ値に設定すれば、スケールがピッチ方向にｐ１だけ移動する毎に光検出器から周期的な強度信号が得られるのでスケールのピッチ方向の変位量を検出する事が出来る。
【００１１】
次に、図２３に第二の従来技術による光学式エンコーダを示す。図２３は、第一の従来技術をさらに小型化するために、光源１を、光検出器３上に配置したものであり、第一の従来技術が透過型エンコーダであるのに対し、反射型エンコーダとなっている点以外は同様の構成となっている。
【００１２】
すなわち、このレーザエンコーダは、可干渉光源である半導体レーザ１から出射したレーザビームを反射型の回折格子スケール２に照射し、これにより生成される回折干渉パターンの特定部分が光検出器３により検出されるように構成されている。
【００１３】
この第二の従来例の動作について、第一の従来例と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
光源１から出射した光ビームは、光ビームの主軸１００がスケール２に略垂直に照射され、スケール２による反射光は回折干渉パターンを光検出器３の受光面上に形成する。この回折干渉パターンは、光源１の光ビーム出射窓部、光検出器３の受光面、及びスケール２の回折格子パターンの位置関係が式（１）となる条件のもとでは、スケール２上の回折格子のピッチｐ１と相似であり、式（２）によって計算される倍率にて拡大されたピッチｐ２の周期を有した回折干渉パターンとなっている。
【００１４】
光源１に対してスケール２が回折格子のピッチ方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折干渉パターンの強度分布がスケールの変位する方向に移動する。従って、スケールがピッチ方向にｐ１だけ移動する毎に光検出器から周期的な強度信号が得られるのでスケールのピッチ方向の変位量を検出する事が出来る。
【００１５】
このような光学式エンコーダは、高精度、高分解能、非接触式であり、かつ電磁波障害耐性に優れるなどの特徴を有しているため、さまざまな分野で利用されており、特に高精度、高分解能を要するエンコーダにおいては、光学式が主流となっている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光学式エンコーダは、以下に述べる問題点を有している。
【００１７】
第一の課題は、光検出器からの出力信号が受光エリア周辺部に入射する回折干渉パターンの影響を強く受けてしまうという問題点である。
一般的に、図２１乃至図２３に記載の小型光学エンコーダは、半導体基板上に集積化された光検出器が採用される。また、光検出器３の受光部４は、十分な強度の干渉回折パターン１３が得られる領域のみに設けられ、この領域外は光学的に半導体基板が露出している。ところで、回折格子スケール２からの主たる回折光は、受光部４に入射されるが、一部、受光エリア以外の半導体基板部に入射される。この受光部４以外に入射する光が誤差発生の要因となる。
【００１８】
図２４を使用して、上記の問題点を詳述する。図２４（ａ）、（ｂ）は複数の受光エリアが隣接して配置されている受光エリアアレイの例を示している。光検出器に光が入射すると、空乏層または基板などに吸収され電子・ホール対が発生し、これを電流として検出している。
【００１９】
受光エリアアレイ中の、受光エリア４に入射した光が空乏層内で吸収されると、空乏層中に電子・ホール対が発生する。空乏層内には上下方向に電界が存在するため、電子・ホール対はその電界の影響で、その受光エリアの引出電極に取り込まれる。すなわち、ある受光エリアの空乏層中で吸収された光は、その受光エリアによって検出される。
【００２０】
一方、受光エリアアレイ付近の、受光エリアの形成されていない領域に入射する光による電子・ホール対が、端部の受光エリアに吸収され、結果として、受光エリアアレイ端部の受光エリアに、見かけ上たくさんの光が入射したように検出されてしまう。
【００２１】
つまり、光検出器の受光エリアでは、受光エリアを形成していない領域に入射した光の一部も検出してしまい、測定誤差が発生する。特に、図２２に示されるように、光源と光検出器の受光エリアを隣接して配置した場合、光源近傍の受光エリア端部（可干渉光源外周部と受光エリア境界部分）にはその周辺に較べて強度の大きな光ビームが入射するため深刻である。
【００２２】
第二の課題は、光源の光出力の安定性に関する問題点である。すなわち、図２３に示されるような反射型のエンコーダである場合、光源から出射される光ビームの主軸を含む所定の部分、すなわち最も光強度の強い部分がスケールにより反射され、光源上に照射される構成となっている。
【００２３】
原理的には、図２５に示されるように、回折格子に回折された面発光レーザ１の回折光は、特に０次光と±１次光が干渉するハッチング領域が強い干渉パターンを発生させる。そして、図２３に示されたような反射型の光学式エンコーダにおいては、この反射光による回折干渉パターンは、スケールの移動に伴って移動するため、光源の出射窓部に入射する光強度はスケールの移動に伴って変化することになる。
【００２４】
ところで、一般的に、光源の出射窓部に強度の強い外光が入射すると光源から出射される光ビームの出力強度に影響を与えることが知られている。また、この外光の強度が変化する場合、光源からの光ビームの出力も変化する現象が現れることがある。特に、面発光レーザ等半導体レーザを光源として用いる場合には、スケールが外部ミラーの役割をはたし、複合共振器系を形成するため、この影響は顕著となる。
【００２５】
つまり、図２６に記載されている位置に光源を配置した場合、スケールの移動に伴い光源から出射される光ビームの出力強度が変化してしまうと言う問題点が存在していた。このため、正しくスケールの移動を検出が困難になる可能性があった。
【００２６】
本発明の課題は、小型化を計ると共に、光源の光出力や光検出器からの出力信号が安定であることを可能とし、ひいては検出誤差の少なく精度の良い光学式エンコーダを提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によると、
（１） 基板と、前記基板に固定された光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から所定の距離離れ、前記光ビームを横切るように相対的に変位し、かつ前記光ビームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記基板に固定して設けられ、前記光学パターンによって生じた回折干渉パターンを検出する光検出器と、を有する光学式エンコーダであって、前記可干渉光源の光ビーム出射部は、前記光ビームが前記スケールにより回折されたプラス１次回折光とゼロ次回折光のみが干渉する領域と、マイナス１次回折光とゼロ次回折光のみが干渉する領域とを避けて配置されることを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００２８】
また、本発明によると、
（２） 前記可干渉光源は、前記プラス１次回折光とゼロ次回折光のみの干渉する領域と、前記マイナス１次回折光とゼロ次回折光のみが干渉する領域との間の領域に配置されることを特徴とする（１）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００２９】
また、本発明によると、
（３） 前記光検出器の受光部は、前記プラス１次回折光とゼロ次回折光のみの干渉する領域、または前記マイナス１次回折光とゼロ次回折光のみの干渉する領域の少なくとも一部を受光するように配置されていることを特徴とする（１）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００３０】
また、本発明によると、
（４） 光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から所定の距離離れ、前記光ビームを横切るように相対的に変位し、かつ前記光ビームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記光学パターンによって生じた回折干渉パターンを検出する光検出器と、前記光検出器上に配置された受光部の隣接した領域の少なくとも一部に設けられたダミーの受光部と、を有することを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００３１】
また、本発明によると、
（５） 前記可干渉光源と前記受光部が一つの基板上に設けられ、前記可干渉光源と前記受光部の間に前記ダミーの受光部を配置したことを特徴とする（４）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００３２】
また、本発明によると、
（６） 前記受光部は、前記回折干渉パターンの空間周期方向に所定の間隔に複数配列された受光エリア群であり、前記ダミーの受光部は、前記所定の間隔と同じ間隔で複数配列された複数の受光エリア群であることを特徴とする（４）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００３３】
また、本発明によると、
（７） 前記受光部は、前記回折干渉パターンの１周期を自然数であるｎ個に分割した位相領域それぞれの信号を検出するｎ個のグループからなる受光エリア群であり、且つ前記一つのダミーの受光部は、ｎ個の受光エリアを有する１個のグループからなる受光エリア群であることを特徴とする（６）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００３４】
また、本発明によると、
（８） 前記回折干渉パターンが投影される前記光検出器上の領域のうち、前記受光部またはダミーの受光部に含まれない領域に遮光部材が設けられていることを特徴とする（６）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００３５】
また、本発明によると、
（９） 基板と、前記基板に固定された光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から所定の距離離れ、前記光ビームを横切るように相対的に変位し、かつ前記光ビームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記基板に固定して設けられ、前記光学パターンによって生じた回折干渉パターンを検出する光検出器と、を有する光学式エンコーダであって、前記光検出器の受光部が、前記可干渉光源の周囲に配置され、前記回折干渉パターンの空間周期方向に複数配列された受光エリア群であると共に、前記可干渉光源に接続された電気配線の少なくとも一つが、前記回折干渉パターンの略空間周期方向に配線されたことを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００３６】
また、本発明によると、
（１０） 前記電気配線の少なくとも一つが、透明電極パターンであることを特徴とする（９）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００３７】
また、本発明によると、
（１１） 前記回折干渉パターンの略空間周波数方向に配線された前記電気配線が、前記回折干渉パターンの略空間周期方向に配線されボンディングワイヤであることを特徴とする（１０）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００３８】
また、本発明によると、
（１２）基板と、前記基板に固定された光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から所定の距離離れ、前記光ビームを横切るように相対的に変位し、かつ前記光ビームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記基板に固定して設けられ、前記光学パターンによって生じた回折干渉パターンを検出する光検出器と、を有する光学式エンコーダであって、前記光検出器の受光部は、前記回折干渉パターンの空間周期方向に複数配列された受光エリア群であると共に、前記回折干渉パターンの空間周期方向における前記受光部の面上の略中心を通り、前記空間周期方向と直交する直線軸上に、前記可干渉光源から出射される光ビームの主軸上の光線が、前記スケールを経由して照射されることを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００３９】
また、本発明によると、
（１３） 前記空間周期方向における前記受光部の面上の略中心を通り、前記空間周期方向と直交する直線軸上に、前記可干渉光源の光ビーム出射部が配置されると共に、前記空間周期方向に対して略垂直となるように、前記可干渉光源から出射される光ビームの主軸が配置されていることを特徴とする（１２）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００４０】
また、本発明によると、
（１４） 前記空間周期方向における前記受光部の面上の略中心を通り、前記空間周期方向と直交する直線軸上に、前記可干渉光源の光ビーム出射部が配置されると共に、前記受光部の面に対して略垂直となるように、前記可干渉光源から出射される光ビームの主軸が配置されていることを特徴とする（１２）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００４１】
また、本発明によると、
（１５） 光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から所定の距離離れ、前記光ビームを横切るように相対的に変位し、かつ前記光ビームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記光学パターンによって生じた回折干渉パターンを検出する光検出器と、前記光検出器上に配置された受光部に隣接した領域に設けられた遮光部材と、を有することを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００４２】
また、本発明によると、
（１６） 前記可干渉光源と前記受光部が一つの基板上に設けられ、少なくとも前記可干渉光源と前記受光エリアの間の部分に、前記遮光部材を配置したことを特徴とする、（１５）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００４３】
また、本発明によると、
（１７） 前記可干渉光源が、前記光検出器と同一の基板にハイブリッドまたはモノリシックに一体形成されていることを特徴とする、（１）〜（１６）のうちのいずれかに記載の光学式エンコーダが提供される。
【００４４】
また、本発明によると、
（１８） 前記可干渉光源は、面発光レーザであることを特徴とする（１）〜（１７）のいずれかに記載の光学式エンコーダが提供される。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
第一の実施の形態は反射型の光学式エンコーダであり、これについて図１〜図８を参照しながら説明する。
【００４６】
（全体構成）
図１に示す反射型レーザエンコーダは、可干渉光源である面発光レーザ１から出射した光ビームを反射型のスケール２に照射し、これにより生成される回折干渉パターンの所定部分を光検出器３により検出するように構成されている。なお、面発光レーザ１は光ビームのビーム広がりを、レンズ等の光学部材を用いずに制御する事が可能な可干渉光源である。
【００４７】
面発光レーザ１は、スケール２と略平行に配置された光検出器３上に設けられ、所望の形状の光ビームをスケール２の光学パターン面に向けて照射可能に配置されている。この面発光レーザ１より出射される光ビームの主軸１００は光検出器３に対し略垂直であるため、スケール２の光学パターン面に略垂直に入射しビームスポット８０を形成するように構成されている。ただし、ここで言う光ビームの主軸とは、光源から出射される光ビームの中心軸を意味している。
【００４８】
スケール２には、スケールの移動方向に反射部と非反射部が周期ｐ１を有するように形成された光学パターン２３が形成されており、この光学パターン２３からの反射光を検出する受光部４は、面発光レーザ１が配置されている平面上に、面発光レーザ１を囲むように配置されている。
【００４９】
図２に本実施の形態の光検出器３の平面図を示す。受光部４は、式（１）及び（２）に基いた所定のピッチでスケールの移動方向（スケールの光学的特性の周期方向）の複数の受光エリアに分割され、スケール２からの干渉パターンを検出できるように、後述する結線が施されている。
【００５０】
また、受光部４と光源１の光ビーム出射窓部の位置関係は、受光部４の略中心に光源１の光ビーム出射窓部が配置するように構成されている。光源１から出射される光ビームは例えばガウスビームに近似されるような強度分布を有しているため、スケール２による反射光によって形成される回折干渉パターンの強度分布もガウス分布に近似されるような強度分布となる。図１に記載されたように、光源１とスケールが略平行に配置されるように構成されているため、光源１から出射される光ビームの主軸は、スケールを経由して、光源１の光ビーム出射窓部に戻ってくる。このため、スケール２の反射光による回折干渉パターンは、光源１の光ビーム出射窓部を中心に、対称な強度分布を有している。このため、スケール２と光検出器３の平行が微少量変化した場合でも、安定な回折干渉パターンが、光源１の周囲に配置された受光部４いずれかの受光エリアに入射するため、安定な検出が可能となっている。
【００５１】
また、受光部４外周を囲むように、この領域に入射する光を遮光する遮光部材、例えば、遮光メタル１８が配置されると共に、受光部４の内周と面発光レーザ１との間の領域にも遮光メタル１８が配置され、受光部以外へ入射する光の影響を除いている。
【００５２】
（光源とスケールの距離関係）
次に図３を使用して、可干渉光源の配置位置を説明する。図３の面発光レーザ１からの光が回折スケール２に達した後の０次および±１次回折光を示している。図中５１及び５２の領域が、それぞれ「０次回折光（直接光）と＋１次回折光」と「０次回折光と−１次回折光」が干渉する領域を示している。領域５１および５２は、最も強度があり、１次異なる回折光同士が干渉し会う領域であるため、最も変位の大きい回折干渉パターンが得られる領域といえる。
【００５３】
なお、ここでは、０次回折光と１次回折光、および０次回折光と−１次回折光のみについて記述したが、より高次の回折光たとえば±２次の回折光等は、上記３つの回折光に比べてその光強度が弱いため、実質上の影響は少なく、無視している。
【００５４】
ここで、図３中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における各領域の断面を、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。同図中領域５１及び５２が、０次回折光と±１次回折光の干渉領域であり、変位の大きい干渉パターンが現れる領域である。
【００５５】
よって、この領域を避け、より変位の少ない光が入射する部分に光源１の光出射部を配置すれば、光源の発振の可能性を引き下げることが可能となる。
本実施の形態においては、図４中の領域５３または領域５４に示される領域、言い換えれば、図５（ａ）または（ｂ）に記載のように「０次回折光領域であって、０次回折光と１次回折光のみ、または０次回折光と−１次回折光のみが干渉する領域以外の領域」に光源１の出射部を配置している。
【００５６】
（光検出器構成）
図６に示すように、本光検出器３の受光部４は、複数の受光エリアからなるグループにより構成されている。すなわち、受光部４は、４つの受光エリアのグループ＋Ａ、＋Ｂ、−Ａ、−Ｂにより構成されており、これらのグループを構成する受光エリアは、その周期方向の同じグループに属する受光エリアとのピッチが、ｐ２×ｎ（ｎ＝１，２，３，…）であるように配置されており、また、隣り合う受光エリアと間隔が（ｐ２／４）×ｍ（ｍ＝１，２，３，…）となるように配置されている。図６に於いてはｎ＝ｍ＝１の場合を示している。これらの受光エリアの各グループは櫛の歯状に、それぞれを噛み合わせるように配置されている。そして受光部４は各グループごとに電気的に接続されており、それぞれのグループごとに、グループを構成する各受光エリアからの出力の和を出力可能なように構成されている。これら４つの受光エリアのグループからの出力信号はそれぞれ、＋Ａ、＋Ｂ、−Ａ、−Ｂと呼ばれ、後述する光検出器３上に集積された信号処理回路（図示せず）に入力される。この信号処理回路は、＋Ａのグループの出力と−Ａのグループの出力の差をとってＡ相信号を生成出力すると共に、＋Ｂのグループの出力と−Ｂのグループの出力の差をとってＢ相信号を生成出力する構成となっている。
【００５７】
このようにしてＡ、Ｂ相の信号を出力することで、外光等の影響により信号レベルが変化することを抑制し、安定した信号出力を得ることが出来る。また、Ａ相、Ｂ相信号出力用の受光部４の各グループを本実施の形態のように同一面内に、櫛の歯状に組み合わせて形成する事で、光検出器３を小型化すると共に、回折干渉パターンの同一の領域から出力信号を得ることが出来るため、より安定な信号を得ることが可能となっている。
【００５８】
次に遮光メタル１８の配置について、説明する。
図８は、受光部４端部の断面図を示している。受光部４以外の領域においては、図８に記載のような遮光メタルが形成されている。光検出器３上に形成された受光部４は面発光レーザ光源１を取り囲むように形成されており、遮光メタル１８は受光部４の外周及び、面発光レーザ１の下部電極と接する側との双方に形成されている。受光部４は複数の受光エリアによって形成されており、これら全ての受光エリアを覆うように、層間絶縁膜が上面に形成されている。そして、この層間絶縁膜上に遮光メタル１８が図８に示めされるような位置関係に形成されている。このように構成することで、受光エリアの端部ぎりぎりまで遮光メタル１６を形成することが可能となる。
【００５９】
（配線の配置）
また、図１に示されるように、光源１を取り囲むように受光部３が形成されており、光源１の下部電極からの配線１４と、上部電極からのボンディングワイヤ１６は、受光エリアの配列方向に引き出され、配線が通る領域の受光エリア全てにほぼ等しい大きさの影を投影するように構成されている。
【００６０】
（作用）
次に、図１に戻って本実施の形態の動作について説明する。
面発光レーザ１から出射された光ビームは、スケール２のパターン面上にビームスポット８０を形成する。このビームスポット８０は、スケール２上の光学パターン２３上に照射され、この光学パターン２３からの反射光によって形成された回折干渉パターン８２が光検出器３の受光部４上に投影される。この回折干渉パターン８２は、式（２）から計算されるピッチｐ２の周期を有する明暗パターンであり、この明暗パターンはスケール２の移動に従って光検出器３の受光部４上を移動する。
【００６１】
受光部４は、この明暗パターンに基いて出力信号（光電流）を出力する。この出力信号を利用して、信号処理回路が、＋Ａグループの出力と−Ａグループの出力の差をとってＡ相信号を、＋Ｂグループの出力と−Ｂグループの出力の差をとってＢ相信号を、それぞれを出力する。（この処理で＋Ａグループと−Ａグループの双方に含まれる同相信号成分は、キャンセルされる。すなわち、全てのグループの受光エリアで同相となる外光による信号成分がキャンセルされる。また、Ｂ相でも同様である。）
図７（ｂ）は、Ａ、Ｂ各相の出力信号の例であり、Ａ相とＢ相では、回折干渉パターン１３の周期ｐ２の１／４周期分、すなわち位相が９０degずれている。また、図７（ａ）は、Ａ相とＢ相の出力信号のリサージュ図形を示している。Ａ相の出力信号とＢ相の出力信号が正弦波に近似される場合、リサージュ図形は円形となる。図７（ａ）中の点Ｐは、ある時点でのスケール２の、光検出器３に対する相対的な位置を示しており、スケールの移動に従って点Ｐはこのリサージュ図形の円周上を移動する。スケールの移動する方向にしたがって、点Ｐの移動する方向も変化するため、点Ｐの位置と移動方向によってスケールの位置と移動方向の検出がされる。
【００６２】
また、図５に示されるように光源１及びスケール２が配置されているため、このコントラストの強い回折干渉パターンの領域５１、５２は、面発光レーザ１の光ビーム出射窓部には入射せず、光検出器３の受光部４に入射するように構成されている。このため、戻り光の問題点を除去する一方で、受光部４はコントラストの大きい領域により信号を検出するため、回折干渉パターンの移動を安定に検出する。
【００６３】
すなわち、スケール２から光源１の出射部へ変調された光が戻って入射されないため、より安定した光源の出力が得られるとともに、受光部４以外の領域で配置された遮光メタル１８がこの領域でのホール電子対の発生を抑止するため、安定した光出力が得られ、かつ誤差の少ない検出が行える。また、光源１への配線を受光部４の配列方向に引き出し、受光部各グループへの配線による影響を概ね均等とすることで、測定値への影響を抑えられる。これらによって、小型でありながら、測定誤差を最小限に抑えることが可能となる。
【００６４】
ところで、本実施の形態では、光源と受光部が同一平面上に配置され、光源の主軸が回折光を生成するスケール２に対して垂直な配置となっている、いわゆる反射型の光学式エンコーダである。ここで、光源からスケールまでとスケールから受光部までの光路の長さを等しくする、すなわち、前出の（２）式のｚ１＝ｚ２とした場合、スケールと光源（及び光検出器）とのギャップが変化したときでも、ｐ２＝２×ｐ１となり、常に受光部４の受光面上に発生する回折干渉パターンと受光部４の配置のピッチが一致して、安定した検出が可能となる。
【００６５】
このようにするために、例えば、面発光レーザ１の光ビーム出射部を光検出器３の実効的な受光面と同じ高さと同じにするために面発光レーザ１を光検出器３上に沈下させた配置とすることも可能である。または、受光エリアの実効的な受光面の高さを持ち上げる構造、例えば光学的距離を調整する屈折率部材を光路中に挿入する方法などを用いてもよい。
（第二の実施形態）
（全体構成）
本実施の形態においては、各部材の構成は図１に示されるような、本発明の第一の実施の形態と同様に構成されており、基本的な動作についてもこの第一の実施の形態と同様である。ただし、第一の実施形態と比べ、図９に示されるごとく、受光部４の外周部及び光源１と受光部４の間の領域に前記受光部４と独立な受光素子（ダミー受光部）１０を設けた点が異なる。すなわち、第一の実施形態における遮光メタル１８に代わり、その一部にダミー受光部１０を設けたものである。
【００６６】
また、ダミー受光部１０は、引出電極１２を経由して受光部４と独立に図示されていない回路に接続され、ダミー受光部１０に入射した光によるホール電子対をダミー受光部１０が接続された回路に流す。さらに、万一、ダミー受光部１０の外側の検出器３表面に光が入射し、この部分で電子ホール対が発生した場合でも、まず、ダミー受光部１０によって吸収されるため、受光部４の回路系への不要なホールの侵入することを防止する。
【００６７】
（作用）
上述のような構成とすることによって、受光部４以外の領域に入射される光によって発生するホール電子対をダミー受光部１０の部分で捕捉し、受光部４へ前記の不要なホール電子対の流入を防止する。
【００６８】
ところで、第一の実施形態の遮光メタル１８による受光部４以外の部位への照射光の影響を除去する効果と、第二の実施形態のダミー受光部１０によるそれとの差異は無い。しかしながら、以下の点でダミー受光部１０を設けた方が、誤差をより抑制できる点で好ましい。
【００６９】
（第一実施例と第二実施例の差異）
ある部分の受光部４の受光エリアに入射した光のうち、空乏層を通過し基板まで到達し、ここで吸収された光の場合、基板内に電子・ホール対が形成される。この時、空乏層下の基板内には電界が存在しないためマイグレーションを起こし、隣接する受光部、さらにはその隣接する受光部の隣の受光部などでも検出されることがある。このとき、例えば受光部Ａに入射した光のうち隣接する受光部Ｂによって検出される光の割合は、反対に受光部Ｂに入射した光のうち受光エリアＡによって検出される光の割合と同じと見なせる。すなわち、隣接する受光部が両側に存在する受光部おいては、マイグレーションの効果は等しい割合で発生する。したがって、このような受光部の測定値の誤差を補償することは比較的たやすいと言える。
【００７０】
一方、片側に隣接する受光部が無い、いわゆる端部の受光部の場合、前記のマイグレーションの効果が片側からしか及ばず、両側に隣接する受光部を有する受光部と異なる誤差を含んだ測定値を示す。このため、両側に受光部が隣接している受光部と、それ以外の片側にしか受光部が隣接していない受光部を同一に扱い、補償処理を施すことは困難となる。
【００７１】
以上を考慮すると、ダミーの受光部を設けた場合は、上記のマイグレーションの効果を全ての受光部（出力算出に使用する）で概ね等しいと扱えるため、補償処理が容易となる。よって、この点で、遮光メタルを付加するより、ダミー受光部を受光部周辺に配置するほうが、有利であるといえる。
（第三の実施形態）
（全体構成）
図１０が本実施例の斜視図である。図１に示されるような、本発明の第一の実施の形態と同様に構成されており、基本的な動作についてもこの第一の実施の形態と同様である。ただし、第一及び第二の実施形態と比べ、遮光メタル１８とダミー受光部１０の両方が存在する点が異なる。具体的には、スケールの移動方向において、面発光レーザ１と受光部４の間、及び受光部４の両端部にダミー受光部１０が配置され、受光部４とダミー受光部１０を取り囲むように遮光メタル１８が設けられている。
【００７２】
図１１は、本実施形態における光検出器３の平面図である。光検出器３の中央に面発光レーザ１が配置され、その周辺に受光部４が設けられている。この受光部４は、スケール２の移動方向に配列された複数の受光エリアで構成されている。受光部４の外周には、遮光メタル１８が第一の実施形態と同様に配置されている。さらに、受光部４と光源１の間、及び受光部４と遮光メタル１８の領域において、受光部４の配列方向にダミー受光部１０が合計４箇所に形成されている。
【００７３】
詳細には、図１２に光源１及びその周辺に配置された受光部４、ダミー受光部１０が示されているように、受光部４の両端と、光源と隣接する部分それぞれ２ヶ所の、計４ヶ所にダミー受光部１０を構成するダミー受光エリア群を有している。
【００７４】
ここで、ダミー受光部１０を構成するそれぞれの受光エリアの大きさは、隣接する＋Ａ、−Ａ、＋Ｂ、−Ｂの４つのグループの受光エリアの大きさと等しい。つまり、受光部４を構成する受光エリアと同一の大きさを有する４つの受光エリアが、ダミーの受光エリア（ダミー受光部１０）を形成している。つまり、受光部４及びダミー受光部１０を構成するそれぞれの受光エリアの幅は等しく、その幅は、（ｐ２）／４（発生する回折干渉パターンの１／４周期、（２）式参照）となっている。
【００７５】
また、このように形成された光検出器３上の受光部４の電気接続は、図１２に示されるように配線、接続されている。すなわち、受光部４のそれぞれのグループ（＋Ａ、−Ａ、＋Ｂ、−Ｂ）に属する受光エリアからの出力が、グループ毎に短絡され、出力される光電流の和を検出できるようにしている。一方、ダミー受光部１０に属する受光エリアからの出力は、全て短絡され、さらに図示されていないダミー出力用処理回路に接続される。
【００７６】
加えて、ダミー受光部１０も含めた受光部３を取り囲むように遮光メタル１８が配置されており、受光エリアの形成されていない領域に入射する光の影響も除去するように構成されている。
【００７７】
ところで、ダミー受光部１０を構成する受光エリアの数を十分に多くする、あるいは受光エリアの幅を十分大きくすると、受光部４周辺に入射する光の影響を完全に除去することが出来る。しかし、そうすると光検出器３が大きくなってしまう。そこで、回折干渉パターンの１周期分程度の幅を有するダミー受光部を形成すれば、誤差除去が十分機能することが経験的に判明しているので、ダミー受光部１０の幅を回折干渉パターンの１周期分の幅としている。
【００７８】
（作用）
上述のような構成とすることによって、前記までの実施の形態と同様にスケール２の移動を受光部４で発生する光電流を利用して検出が可能となる。
【００７９】
ところで、受光部４とダミー受光部１０を含めた領域以外の領域では、この領域に設けられた遮光メタル１８がこの領域への入射光を遮り、受光部以外で発生するホール電子対を抑制する。さらに、第二の実施の形態で記載したように、受光部４の端部に配置されたダミー受光部１０が、「受光部４の端部において発生する特異な誤差」の原因となるマイグレーションの影響を、受光部４の端部以外と概ね等しくする。これにより、受光部４全体にわたる補償が容易となり、その結果として、より容易に高精度にスケール２の移動を検出することが可能となる。
【００８０】
なお、本実施例においては、回折干渉パターンの１周期分の幅を４分割したピッチの受光エリア４個で１ヶ所のダミー受光部１０を構成したが、前記ピッチと同一寸法の受光エリア１個でも、記述した実施例とほぼ同様の効果を期待できることは言うまでもない。ただし、回折干渉パターンの１周期分を受光部４の受光エリアと全く同じ寸法の受光素子でダミー受光部４を構成した場合、受光部４の端部にある受光エリアでも前記のマイグレーションを発生する環境が、他の受光エリアとほぼ同じと扱える。このため、より好ましくは、実施例に記載されるように、最低、回折干渉パターンの１周期分の幅を有すると共に、受光部４の受光エリアと同一の幅を有する受光エリアで前記ダミー受光部１０を構成することが推奨される。
【００８１】
ところで、本実施例においては、前記のダミー受光部は、スケール２の移動方向にのみ設けられている。これは、受光部４の各受光エリアの形状に起因するものである。つまり、受光部４を形成する受光エリアは図の縦方向に長く（例えば５００μm程度）、横方向に短い（１０μm程度）形状を有しており、これが複数配列して受光部４を形成している。このため、図の左右方向の端部は特定の受光エリアのグループが特に強く影響を受けるため、出力信号に与える影響は大きいが、図の上下方向では、比較的全体的に影響を受けるため、出力信号に与える影響はそれほど深刻ではない。したがって、受光エリア短辺側にダミー受光部を設けることは必須ではない。
【００８２】
因みに、図１３に示すように受光部４と他の領域との境界部全体にダミー受光部１０を設け、受光部４をダミー受光部１０で囲むようにして、より精度を訴求しても差し支えない。
（第四の実施形態）
（全体構成）
本実施の形態においては、各部材の構成は図１０に示されるような、本発明に係る第三の実施の形態と同様に構成されており、基本的な動作についてもこの第三の実施の形態に記されているため、ここでは主に第三の実施の形態との相違点について記す。
【００８３】
図１４は、図１０のように構成された光学式エンコーダの光検出器３の上面図を示している。図１４においては、面発光レーザ１から配線電極１４と、ダミー受光部１０からの引出電極１２を透明電極により構成した例を示している。光検出器３の受光部４上面にはシリコン酸化膜等による保護膜兼層間絶縁膜（図示せず）が形成されており、その上部にＩＴＯ等による酸化物系の透明電極が、受光部４の上面をまたぐように形成されている。このように配線電極１４、および引出電極１２を透明電極で形成している。
【００８４】
（作用）
以上の構成とすることにより、受光部４に入射すべきスケールからの回折光が、前記の配線電極１４及び引出電極１２で遮られない。このため、電極により受光部の感度を配線電極等により低下させることなく、面発光レーザ１及びダミー受光部１０との電気的接続をとることが可能となる。
【００８５】
（変形例）
図１５に本実施の形態の変形例を示す。上記の実施の形態では、配線電極１４および引出電極１２のみを透明電極としたが、図１５に示すように、ボンディングワイヤ１６の電極パッドを光源１の近傍に設け、そこからの配線電極を透明電極とすることで、ボンディングワイヤの影の影響も除去することが可能である。
【００８６】
（作用）
以上の構成とすることで、ボンディングワイヤ１６を含め、光源及びダミー受光部１０への全ての配線による影が受光部４上に存在しなくなり、その配線の影響を最小限に出来、感度及び精度の良いエンコーダが期待できる。
（第五の実施形態）
（全体構成）
図１６が本実施例を示す。図中第一から第四の実施の形態で説明した部材と同質の部材は同じ符号で示してある。これらの部材の詳細は第一から第四の実施の形態に関する説明を参照することにし、以下では第三の実施の形態との相違点に重点をおいて説明する。
【００８７】
図１６は、図１のように構成された光学式エンコーダの光検出器３の上面図である。ここで、面発光レーザ１の周囲を取り囲むように受光部４を設けず、光源１の周囲３方向のみに受光部４を形成する。また、受光部４が存在していない方向から面発光レーザ１との電気的接続を取る引出線１２及びボンディングワイヤ１６引き出すようにしている。ここで、図１６に図示されていないスケール２は図面に向かって左右方向に移動するものとしている。すなわち、（ａ）は、光源１を取り囲む受光部４を、スケール移動と垂直な方向側の一方について削除し、その部分に配線を配置したものである。一方、（ｂ）は、光源１を取り囲む受光部４を、スケール移動方向側の一方を削除し、その部分に配線を配置したものである。
【００８８】
（作用）
以上の構成とすることで、受光部削除部分相当の受光部面積の減少による、検出感度の低下は発生するが、スケールから受光部に入射する配線の影の影響は抑制できる。この受光部の削除は、＋Ａ、−Ａ、＋Ｂ、−Ｂの各グループのすべてについて、同一数の受光エリアに対して行われる。よって、全ての相について、平等に入射光を削減したものであるから、得られた結果を増幅回路で増幅させれば、誤差が無く、精度の良い検出結果が得られる。
【００８９】
図１７から図２０に他の実施例が記載されている。これらは、図１６と同様に、図１に記載された光学式エンコーダの上面図である。いずれも、面発光レーザ１、受光部４及び光源１に接続をとるための配線の配置との関係を示したもので、図１６と同様に引出線を受光部４が配置されていない方向に引き出している。
【００９０】
具体的には、図１７は、光源１、受光部４及び配線の配置例であり、同図（ａ）〜（ｄ）でバリエーションを示している。
さらに、図１８（ａ）〜（ｄ）は、図１７に遮光メタル１８を配置した場合のものである。
【００９１】
また、図１９（ａ）〜（ｄ）は、図１７の受光部４の両端に、ダミー受光部１０を配置したものである。
さらに、図２０（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施例で示したように、遮光メタル１８及びダミー受光部１０を配置した場合を示している。
【００９２】
以上に記載した変形例を含めた各実施の形態において、安定したレーザ出力が得られると共に、誤差要因となる受光部周辺への光入射及び隣接する受光素子間影響による誤差の抑制、補償が容易に行えることを可能としている。
【００９３】
なお、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内に置いて種々多くの変形や修整が可能であり、上に説明した実施の形態はその一例に過ぎないことは言うまでもない。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、小型であると共に、出力が安定し、精度の良い光学式エンコーダが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光検出器の構成を示す平面図である。
【図３】光源、回折格子と干渉パターン発生部位及び領域を示す図である。
【図４】図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の位置での断面方向の干渉領域を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るレーザの配置位置を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る光検出器の受光部結線を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る受光部からの出力信号を説明するための図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る受光部部分端部付近の拡大断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る光検出器の構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る光エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る光検出器の構成を示す平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る光検出器の受光部結線を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る光検出器の変形例を示す平面図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る光検出器の構成を示す平面図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係る光検出器の変形例を示す平面図である。
【図１６】本発明の第５の実施の形態に係る光検出器の構成を示す平面図である。
【図１７】本発明の第５の実施の形態に係る光検出器の変形例を示す平面図である。
【図１８】本発明の第５の実施の形態に係る光検出器の他の変形例を示す平面図である。
【図１９】本発明の第５の実施の形態に係る光検出器の他の変形例を示す平面図である。
【図２０】本発明の第５の実施の形態に係る光検出器の他の変形例を示す平面図である。
【図２１】従来の光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図２２】他の従来の光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図２３】従来の光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図２４】従来の光学式エンコーダの問題点（受光部周辺に入射した光の影響）を説明する図である。
【図２５】回折格子と回折光、及び干渉発生領域を示す図である。
【図２６】レーザ光源の光出力が不安定になる可能性の高い光源の配置を説明する図である。
【符号の説明】
１ レーザ（可干渉光源）
２ スケール
３ 光検出器
４ 受光部
１０ ダミー受光部
１２ 引出電極
１４ 配線電極
１６ ボンディングワイヤ
１８ 遮光部材（遮光メタル）
２３ 光学パターン
５１ ０次光と＋１次光との干渉領域
５２ ０次光領域
５３ ０次光と−１次光との干渉領域
８０ ビームスポット
８２ 回折干渉パターン
１００ 出射する光の主軸

Claims (14)

1. 基板と、前記基板に固定された光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から所定の距離離れ、前記光ビームを横切るように相対的に変位し、かつ前記光ビームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記基板に固定して設けられ、前記光学パターンによって生じた回折干渉パターンを検出する光検出器と、を有する光学式エンコーダであって、前記光検出器は前記回折干渉パターンを検出する受光部を有し、前記可干渉光源の光ビーム出射部は、前記光ビームが前記スケールにより回折されたプラス１次回折光とゼロ次回折光のみが干渉する領域と、マイナス１次回折光とゼロ次回折光のみが干渉する領域との間の領域に配置されることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記受光部は、前記プラス１次回折光とゼロ次回折光のみの干渉する領域、または前記マイナス１次回折光とゼロ次回折光のみの干渉する領域の少なくとも一部を受光するように配置されている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. 前記受光部と隣接した領域の少なくとも一部に設けられたダミーの受光部をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記可干渉光源が、前記光検出器と同一の基板にハイブリッドまたはモノリシックに一体形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の光学式エンコーダ。
5. 前記可干渉光源と前記受光部の間にダミーの受光部を配置した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. 前記受光部に隣接した領域に遮光部材を有することを特徴とする、請求項２乃至５のうちのいずれかに記載の光学式エンコーダ。
7. 前記受光部が、前記可干渉光源を取り囲むように配置され、前記回折干渉パターンの空間周期方向に複数配列された受光エリア郡であると共に、前記可干渉光源に接続された電気配線の少なくとも一つが、前記回折干渉パターンの略空間周期方向に配線されたことを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記電気配線の少なくとも一つが、透明電極パターンであることを特徴とする請求項７に記載の光学式エンコーダ。
9. 前記電気配線の少なくとも一つが、ボンディングワイヤであることを特徴とする請求項７または８に記載の光学式エンコーダ。
10. 前記回折干渉パターンの空間周期方向における前記受光部の面上の略中心を通り、前記空間周期方向と直交する直線軸上に、前記可干渉光源の光ビーム出射部が配置されると共に、前記空間周期方向に対して略垂直となるように、前記可干渉光源から出射される光ビームの主軸が配置されてい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。
11. 前記回折干渉パターンの空間周期方向における前記受光部の面上の略中心を通り、前記空間周期方向と直交する直線軸上に、前記可干渉光源の光ビーム出射部が配置されると共に、前記受光部の面に対して略垂直となるように、前記可干渉光源から出射される光ビームの主軸が配置されてい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。
12. 前記可干渉光源の出射窓部は、前記受光部の略中心に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学式エンコーダ。
13. 前記受光部は、前記可干渉光源をはさむように、複数配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学式エンコーダ。
14. 前記受光部は前記可干渉光源に隣接するように少なくても一つ、配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学式エンコーダ。

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