JPH03291523A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は可干渉光を利用したエンコーダの改良に関する
ものである。

（従来の技術） 第２図は従来のこの種のエンコーダの一例を示すもので
、半導体レーザ１、レンズ２、ハーフミラ−３、反射鏡
４，５及び光検出器６を備えた装置本体７と、多数の回
折格子８を備えたスケール９とからなっている。

前記半導体レーザ１より出射した光ビーム１０はレンズ
２で集束され、ハーフミラ−３で２つの光ビーム１１．
１２に分けられる。該２つの光ビーム１１．１２はそれ
ぞれ反射鏡４．５で互いに交差する如く反射され、スケ
ール９に入射する。

該入射した光ビーム１１．１２は回折格子８で回折され
て回折光１３．１４となり、互いに干渉し合って干渉光
となる。該干渉光は光検出器６に入射され、その光強度
が検出される。

前記装置本体７及びスケール９はそのいずれか一方が移
動物体に取付けられ、該移動物体が移動すると干渉光の
強度がその移動量に比例して変化するため、光検出器６
より該移動量に比例した信号が出力される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前記装置では半導体レーザ１及び光検出
器６の他にレンズ２、ハーフミラ−３、反射鏡４，５等
を半導体レーザ１に対して高精度で位置決めして固定す
る必要があり、装置の大型化を招き、位置決めに手間が
かかるとともに、外部から加わる振動等に基づく位置決
め精度の低下に伴って測定精度が劣化する等の問題点が
あった。

本発明は前記問題点を除去し、ハーフミラ−や反射鏡を
必要とせず、小型であり、また、位置決めの手間を少な
（又は全く不要とし、さらに振動等に強（測定精度の高
いエンコーダを実現することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明では前記目的を達成するため、請求項（１）とし
て、回折格子を多数備えたスケールと、２つの可干渉光
を前記スケールに入射しその回折光を互いに干渉させ該
干渉光の強度変化を検出する装置本体とのいずれか一方
を移動物体に取付けて該移動物体の移動量に比例した信
号を出力するエンコーダにおいて、両端面から出射する
２つの光ビームか交差する如く形成された半導体レーザ
と、該２つの光ビームによる回折光の干渉位置に配置さ
れた光検出器とを備えた装置本体を用いたエンコーダ、
請求項（２）として、半導体レーザ及び光検出器を同一
基板上に一体的に形成した請求項（１）記載のエンコー
ダ、請求項（３）として、半導体レーザと、該半導体レ
ーザの両端面から出射する２つの光ビームが交差する如
く導光する２つの光導光路と、該２つの光ビームによる
回折光の干渉位置に配置された光検出器とを備えた装置
本体を用いた請求項（１〉記載のエンコーダ、請求項（
４）として、半導体レーザ、光導波路及び光検出器を同
一基板上に一体的に形成した請求項（３）記載のエンコ
ーダ、請求項（５）として、光導波路の代わりに光ファ
イバを用いた請求項（３）記載のエンコーダ、請求項（
６）として、回折格子を光透過性素材で構成するととも
に、該回折格子の下部に反射面を設けたスケールを用い
た請求項（１）乃至（５）いずれか記載のエンコーダ、
請求項（７）として、回折格子を多数備えたスケールと
、２つの可干渉光を前記スケールに入射しその回折光を
互いに干渉させ該干渉光の強度変化を検出する装置本体
とのいずれか一方を移動物体に取付けて該移動物体の移
動量に比例した信号を出力するエンコーダにおいて、回
折格子を光透過性素材で構成するとともに、該回折格子
の下部に反射面を設けたスケールを用いたエンコーダを
提案する。

（作　用） 請求項（１）によれば、半導体レーザの両端面から出射
された２つの光ビームはスケールに入射し、その回折格
子に回折されて回折光となり、さらに互いに干渉し合っ
て干渉光となり、光検出器にてその強度変化が検出され
る。

また、請求項（２）によれば、半導体レーザ及び光検出
器が同一基板上に一体的に形成されているため、位置決
めの手間かかからず、しかも振動等に強く測定精度が劣
化する恐れがない。

また、請求項（３）によれば、半導体レーザの両端面か
ら出射された２つの光ビームはそれぞれ２つの光導波路
を介してスケールに入射し、その回折格子に回折されて
回折光となり、さらに互いに干渉し合って干渉光となり
、光検出器にてその強度変化が検出される。

また、請求項（４）によれば、半導体レーザ、光導波路
及び光検出器が同一基板上に一体的に形成されているた
め、位置決めの手間がかからず、しかも振動等に強く測
定精度が劣化する恐れがない。

また、請求項（５）によれば、光導波路の代わりに光フ
ァイバを用いたため、半導体レーザ及び光検圧器間の設
計の自由度が大きくなる。

また、請求項（６）によれば、スケールに入射した２つ
の光ビームは回折格子にて一度回折された後、反射面に
て反射され、再度、回折格子にて２度目の回折を受ける
。

また、請求項（７）によれば、２つの可干渉光はスケー
ルに入射し、その回折格子にて一度回折され、反射面に
て反射され、再度、回折格子にて２度目の回折を受けた
後、互いに干渉し合って干渉光となり、光検出器にてそ
の強度変化が検出される。

（実施例） 第１図は本発明のエンコーダの第１の実施例を示すもの
で、図中、２０は装置本体、３０はスケールである。

装置本体２０は、−の基板２１と、該基板２１上に一体
的に形成された半導体レーザ２２、光検出器、ここでは
ホトダイオード２３、モニタ用のホトダイオード２４．
２５及びレンズ２６ａ。

２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅとからなッテいる。

前記半導体レーザ２２はその励振方向の途中に２つの全
反射面２２ａ、２２ｂが設けられ、両端面２２Ｃ，２２
ｄの光軸が所定の位置で交差する如く形成されている。

また、ホトダイオード２３は半導体レーザ２２の両端面
２２ｃ、２２ｄ間であって該両端面より出射される２つ
の光ビームが矢印イ方向において適正な位置にあるスケ
ール３０により回折されて交差する位置に形成されてい
る。また、ホトダイオード２４．２５は半導体レーザ２
２の両端面２２ｃ、２２ｄの外側であって該両端面より
出射された２つの光ビームが矢印イ方向において適正な
位置にあるスケール３０により反射された光成分をそれ
ぞれ受光する位置に形成されている。なお、各レンズ２
６ａ〜２６ｅは半導体レーザ２２の両端面２２ｃ、２２
ｄ、ホトダイオード２３〜２５の受光面の近傍に形成さ
れている。

スケール３０は、−の基板３１と、該基板３１上にピッ
チｄで形成された多数の回折格子３２とからなっており
、該回折格子３２が形成された面は回折格子３２を含め
て金属等による反射膜が施されている。

前記半導体レーザ２２及びホトダイオード２３〜２５は
、例えば第３図に示すように同一基板２０１−ヒに活性
層２０２　、２０３　、クラッド２０４　、２０５　。

２０６　、２０７の結晶成長、キャップ層２０８　、２
０９、絶縁層２１０、電極２１１　、２１２の堆積及び
エツチング等を施すことにより構成される。なお、レン
ズ２６ａ〜２６ｅは、例えば前述した如くして半導体レ
ーザ等を形成した後、これらをレジスト等でカバーし、
全面にガラス材をスパッタ等で堆積し、ホトリソてレン
ズ形状パターンのレジストの形成を行ない、そのレジス
トをマスクにしてガラス材をエツチングすることにより
、半導体レーザの両端面、ホトダイオードの受光面の近
傍のみにレンズ２１３　、２１４を形成する。また、他
の方法としてはカラス材を堆積する代わりに結晶成長に
より半導体レーザ等と同一の材料を形成する方法もある
。

前記半導体レーザ２２の両端面２２ｃ、２２ｄより出射
した光ビーム４１．４２はレンズ２６ａ。

２６ｂによって集束された後、−旦、交差してスケール
３０に入射する。該スケール３ｏに入射した光ビーム４
１．４２はその回折格子３２により回折されて回折光４
３．４４となる。該回折光４３．４４はレンズ２６ｃを
通過後、互いに干渉し合って干渉光となり、ホトダイオ
ード２３に入射されてその光強度が検出される。

ホトダイオード２３は前記干渉光の光強度に応じた電流
を発生するが、該光強度は光ビーム４１゜４２と回折格
子３２との間、即ち装置本体２０とスケール３０との間
における矢印口方向の移動量に比例して変化するため、
前記電流も該移動量に比例して変化する。従って、装置
本体２０又はスケール３０のいずれか一方を移動物体に
取付ければ、その移動物体の矢印口方向における移動量
をホトダイオード２３の電流値より求めることができる
。

第４図は前記移動量とホトダイオード２３の出力電流値
との関係を示すもので、回折格子３２の１ピッチ分の移
動量ｄに対して電流値は２つの正弦波で示される変化を
示す。従って、正弦波信号の山と谷のピークの数を数え
るだけでも回折格子３２のピッチの１／４の精度で移動
量を測定することができる。また、電流値を分割すれば
、さらに測定精度、即ち分解能を向上させることができ
る。分解能Ｖは１つの正弦波に対する分割数をＮ１回折
の回数をｎとすれば、 Ｖ＝　ｄ／　２　・Ｎ−ｎ　　　　　　　　　−（１）
となる。従って、前記実施例のようにｎ＝１の場合、Ｎ
を４０、ｄを１．６μｍとすればその分解能Ｖは０．０
２μｍとなる。

また、スケールに対する入射角θ。と回折角θ１の間に
は次の関係がある。

ｓｉｎθｏ　＋ｓｉｎθ１＝λ／　ｄ　　　　　−−−
−−−（２）但し、λは半導体レーザからの光ビームの
波長である。

なお、ホトダイオード２４．２５はそれぞれ光ビーム４
２．４１の反射光成分を検出し、その光強度に応じた電
流を発生する。該光強度は装置本体２０とスケール３０
との矢印イ方向における間隔によって変化するが、予め
該光強度が最大の時に半導体レーザ２２から出射した光
ビームの回折光がホトダイオード２３に適正に入射する
如く設定されており、該光強度が最大となる如く装置本
体２０又はスケール３０の位置が図示しないポジショナ
等により制御される。

このように前記実施例によれば、半導体レーザ、ホトダ
イオード、レンズ等を全て同一基板上に一体的に設けた
ため、各部品の位置合わせや接着・固定等の作業が不要
になるとともに、振動によって位置ずれ等が発生するこ
となく、しかも半導体レーザの両端面から出射する光ビ
ームをそのまま２つの可干渉光として有効利用している
ため、極めて小型に構成することができる。

第５図は本発明のエンコーダの第２の実施例を示すもの
で、ここでは通常の直線状の半導体レーザを用いた例を
示す。即ち、図中、５０は装置本体であって、−の基板
５１と、該基板５１上に一体的に形成された半導体レー
ザ５２、光導波路５３．５４、ホトダイオード５５及び
レンズ５６ａ、５６ｂとからなっている。光導波路５３
゜５４はその途中に全反射面５３ａ、５４ａをそれぞれ
有し、その一端面５３ｂ、５４ｂは半導体レーザ４２の
励振方向の両端面５２ａ、５２ｂにそれぞれ対向し、ま
た、他端面５３ｃ、５４Ｃはその光軸が所定の位置で交
差する如く形成されている。また、ホトダイオード５５
は光導波路５３゜５４の他端面５３ｃ、５４ｃ間であっ
て該他端面５３ｃ、５４ｃより出射される２つの光ビー
ムがスケール３０により回折されて交差する位置に形成
されている。また、レンズ５６ａ、５６ｂは光導波路５
３．５４の他端面５３ｃ、５４ｃの近傍に配置されてい
る。なお、ホトダイオード５５の受光面にレンズか設け
られていないのは第１の実施例に比べて充分大きく形成
されているからである。

前記半導体レーザ５２の両端面５２ａ、５２ｂより出射
した光ビームは光導波路５３．５４の一端面５３ｂ、５
４ｂから該光導波路５３．５４に入射し、途中、全反射
面５３ａ、５４ａで全反射されて方向を変え、他端面５
３ｃ、５４ｃより出射される。該出射された光ビーム６
１．６２はしンズ５６ａ、５６ｂによって集束された後
、スケール３０に入射する。該スケール３０に入射され
た光ビーム６１．６２はその回折格子３２により回折さ
れて回折光６３となり、さらに互いに干渉し合って干渉
光となり、ホトダイオード５５に入射されてその光強度
が検出される。

この実施例によれば、半導体レーザを特別な形状にする
必要がなく、その両端面から出射する光ビームを有効利
用することができるとともに、製造が容易となる。なお
、その他の構成、作用は第１の実施例と同様である。ま
た、光導波路の代わりに光ファイバを用いるようになし
ても良い。

第６図はスケールの他の例を示すもので、ここでは回折
格子を光透過性素材で構成するとともにその下部に反射
膜を設けたものである。即ち、図中、７０はスケールで
あって、−の基板７１と、該基板７１上にピッチｄで形
成された多数の回折格子７２と、基板７１中に形成され
た金属等による反射膜７３とからなっている。ここで、
基板７１及び回折格子７２は光透過性素材、例えばＳｉ
Ｏ□からなっており、その製造は５ｉ０２基板上に金属
をスパッタ等で堆積し、その上にＳｉＯ２を同様に堆積
し、その後、ホトリソで格子形状パターンのレジストの
形成を行ない、さらにエツチングを施すことにより作成
される。

前記スケール７０によれば、装置本体側より入射した光
ビームは回折格子７２により透過回折し、さらにその回
折光は反射膜７３により反射され、再び回折格子７２に
より回折した後、装置本体側へ出射する。前述したよう
に分解能は回折の回数に比例することから、第１又は第
２の実施例で述べたスケール３０に比べて２倍の分解能
が得られる。なお、このスケール７０は第１及び第２の
実施例におけるスケール３０の代わりに用いることはも
とより、従来のエンコーダにおけるスケールの代わりに
用いても良く、同様にその分解能を向上させることがで
きる。

回折格子の効率等に関することは、ＫｉｙｏｓｈｉＹｏ
ｋｏｍｏｒｉ　ｒＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　５ｕｒｆａｃ
ｅ−ｒｅｌｉｅｆ　ｇｒａｔｉｎｇｓｗｉｔｈ　ｈｉｇ
ｈ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐ
ｔｉｃｓ、　Ｖｏｌ。

２３、　Ｎｏ、１４　（１９８３）　２３０３　）　Ｊ
に詳細に記載されている。その内容によれば、例えば回
折格子を深い規則的な溝構造で形成し、ブラッグ回折角
θＢ（＝ｓｉｎ（λ／２ｄ））に近い角度で入射させれ
ば、７０％以上の効率で入射光に対し回折光を得ること
ができる。例えば、波長が０．８３μｍの場合、そのピ
ッチは１．６μｍの時が最も効率が高く、その際、ホト
ダイオードには１．６μｍの１／２の０．８μｍの移動
に対して１つの正弦波で示される電気信号が得られる。

従って、前記スケール７０を使用し、さらにブラッグ回
折角に近い角度で回折させると、高分解能で且つ高効率
のエンコーダを実現できる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の請求項（１）によれば、ハ
ーフミラ−１反射鏡等が不要となり、その位置合わせ等
の作業の手間が省けるとともに小型となり、また、半導
体レーザの両端面からの光ビームを利用できるたハ、効
率の良い装置が実現できる。

また、請求項（２）によれば、各部品が同一基板上に一
体的に形成されているため、外部から加わる振動によっ
て位置ずれ等が発生することがなく、測定精度が悪化す
る恐れがない。

また、請求項（３）によれば、半導体レーザとして通常
の直線状の半導体レーザを用いることができる。

また、請求項（４）によれば、光導波路を用いた場合で
あっても請求項（２）と同様に、外部から加わる振動に
よって位置ずれ等が発生せず、測定精度が悪化する恐れ
がない。

また、請求項（５）によれば、光ファイバを用いたため
、各部品の配置等の設計の自由度が大きくなる。

また、請求項（６）によれば、可干渉光に対して回折を
２回発生させることができ、分解能をより高くすること
ができる。

また、請求項（７）によれば、従来のエンコーダにおい
ても可干渉光に対する回折を２回発生させることができ
、その分解能を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエンコーダの第１の実施例を示す構成
図、第２図は従来のエンコーダの一例を示す構成図、第
３図は装置本体の詳細な構造を示す要部斜視図、第４図
は相対移動量と出力電流値との関係を示すグラフ、第５
図は本発明のエンコーダの第２の実施例を示す構成図、
第６図はスケールの他の例を示す側面図である。 ２０．５０・・・装置本体、２１．５１・・・基板、２
２．５２・・・半導体レーザ、２３．５５・・・ホトダ
イオード、３０．７０・・・スケール、３１．７１・・
・基板、３２．７２・・・回折格子、５３．５４・・・
光導波路、７３・・・反射膜。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）回折格子を多数備えたスケールと、２つの可干渉
   光を前記スケールに入射しその回折光を互いに干渉させ
   該干渉光の強度変化を検出する装置本体とのいずれか一
   方を移動物体に取付けて該移動物体の移動量に比例した
   信号を出力するエンコーダにおいて、 両端面から出射する２つの光ビームが交差する如く形成
   された半導体レーザと、 該２つの光ビームによる回折光の干渉位置に配置された
   光検出器とを備えた装置本体を用いたことを特徴とする
   エンコーダ。
2. （２）半導体レーザ及び光検出器を同一基板上に一体的
   に形成したことを特徴とする請求項（１）記載のエンコ
   ーダ。
3. （３）半導体レーザと、 該半導体レーザの両端面から出射する２つの光ビームが
   交差する如く導光する２つの光導光路と、該２つの光ビ
   ームによる回折光の干渉位置に配置された光検出器とを
   備えた装置本体を用いたことを特徴とする請求項（１）
   記載のエンコーダ。
4. （４）半導体レーザ、光導波路及び光検出器を同一基板
   上に一体的に形成したことを特徴とする請求項（３）記
   載のエンコーダ。
5. （５）光導波路の代わりに光ファイバを用いたことを特
   徴とする請求項（３）記載のエンコーダ。
6. （６）回折格子を光透過性素材で構成するとともに、該
   回折格子の下部に反射面を設けたスケールを用いたこと
   を特徴とする請求項（１）乃至（５）いずれか記載のエ
   ンコーダ。
7. （７）回折格子を多数備えたスケールと、２つの可干渉
   光を前記スケールに入射しその回折光を互いに干渉させ
   該干渉光の強度変化を検出する装置本体とのいずれか一
   方を移動物体に取付けて該移動物体の移動量に比例した
   信号を出力するエンコーダにおいて、 回折格子を光透過性素材で構成するとともに、該回折格
   子の下部に反射面を設けたスケールを用いた ことを特徴とするエンコーダ。