JPH07190809A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光電式エンコーダを小型化、薄型化するととも
に、作製を容易にして低価格化を図ることができるよう
にする。 【構成】透明ブロック（光透過体）１６の表裏面上に、
ホログラムコリメートレンズ、反射膜１３、ホログラム
偏向器１４を直接形成するとともに、半導体レーザ１１
や光検出器１５もこの透明ブロック１６の面上に配置し
て光学部を構成することで、光学部を小型・薄型化し、
しかも作製を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転等の移動に伴っ
て生じる変位情報を高精度に検出するエンコーダに関
し、特には、半導体レーザ等の発光素子を用いた光電式
エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】光電式エンコーダの例としてロータリエ
ンコーダの例を説明する。

【０００３】高精度に回転の変位量を検出するロータリ
エンコーダは、ＯＡ機器、ＮＣ工作機、ＶＴＲのキャプ
スタンモータや、回転ドラムの回転速度、回転速度の乱
れを検出するような用途に幅広く用いられている。ま
ず、従来タイプのロータリエンコーダの光学部の構成例
を説明する。

【０００４】図６は、従来タイプのロータリエンコーダ
の光学部の構成例を示す図である。光学部は、半導体レ
ーザ４１１、コリメートレンズ４１２、ビームスプリッ
タ４１３、光検出器４１４、透過型回折格子を放射状に
高密度に形成した回転板４１５、反射ミラー４１６，４
１７を備えている。動作を説明すると、半導体レーザ４
１１を出射したレーザ光束４１８は、コリメートレンズ
４１２で平行な光束４１９に変換され、ビームスプリッ
タ４１３をそのまま透過して回転板４１５の方向へ向か
う。そして、回転板４１５の透過型回折格子により回折
されて、一次回折光４２２およびマイナス一次回折光４
２３を生じる。各回折光４２２，４２３は、それぞれ個
別に反射ミラー４１６，４１７で反射され、それぞれ元
通りの光路を戻る。そして、ビームスプリッタ４１３に
より光路を４５°曲げられて光検出器４１４に入射す
る。ここで、干渉光は光電変換され、図８に示すような
正弦波信号として回転状態を検出する。

【０００５】図７は従来タイプのロータリエンコーダの
光学部の他の構成例を示す図である。この光学部は、半
導体レーザ５１１、コリメートレンズ５１２、ビームス
プリッタ５１３、光検出器５１４、透過型回折格子を放
射状に高密度に形成した回転板５１５、反射ミラー５１
６，５２４，５２５を備えている。この構成では、半導
体レーザ５１１を出射したレーザ光束５１８は、コリメ
ートレンズ５１２で平行な光束５１９に変換される。こ
の光束５１９は、ビームスプリッタ５１３をそのまま通
過して反射ミラー５２４で反射し、回転板５１５へ向か
う光束５２０と、ビームスプリッタ５１３により光路を
４５°曲げられ、反射ミラー５２５で反射し回転板５１
５へ向かう光束５２１に分岐される。この２つの光束５
２０，５２１は回転板５１５の同一点に入射するよう
に、反射ミラー５２４，５２５の角度が合わせられてい
る。回転板５１５の透過型回折格子に入射する光束５２
０，５２１の入射角については、回折格子に垂直に入射
する光線が持つ±一次回折の角度にそれぞれ合わせてあ
り、この結果、光束５２０，５２１ともに回転板５１５
の透過回折格子で回折された後、回転板５１５に垂直な
方向に出射する。この±一次回折光５２３は、反射ミラ
ー５１６で反射され、再度回転板５１５の透過型格子で
回折された後、±一次の回折光としてそれぞれ元の光路
を戻り、ビームスプリッタ５１３を介して重ね合わされ
干渉光として生じせしめる。その後、光検出器５１４に
入射して、ここで光電変換され、上記の構成例と同様に
図８に示すような正弦波信号として回転状態を検出す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６，
図７に示すような従来タイプのロータリエンコーダは、
光学部の構成要素（半導体レーザ，コリメートレンズ，
ビームスプリッタ等）を各々個別に備えて、これらを精
度良く光軸調整して固定配置する必要があった。このた
め、製造に多大な工数を要し、低価格化を図る上で限界
があった。

【０００７】また、光の分岐をビームスプリッタにて行
っていたために、光学部の小型化にも限界があった。

【０００８】この発明は、上記問題点に鑑み、小型化、
薄型化、低価格化を図ることができる光電式エンコーダ
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、光路を形成する光透過体の表裏面に、半導体レーザ
等の発光素子、該発光素子からの光を受光し平行光束化
するホログラムコリメートレンズ、該平行光束を偏向さ
せて外部に出射し、かつ外部からの入射光を偏向させる
ホログラム偏向器、および該ホログラム偏向器からの偏
向光が入射される光検出器を含む光電素子を一体的に形
成し、前記ホログラム偏向器から出射された光に移動体
の変位情報を担持させて、前記光学部のホログラム偏向
器に入射させる情報担持手段を備えたことを特徴とす
る。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の光電式エンコーダにおいて、前記情報担持手段とし
て、前記光学部の光の入出射部から出射された光を透過
型回折格子によって透過させる移動体、および、該透過
型回折格子を透過した光を反射し、再び前記透過型回折
格子を透過させて前記光の入出射部に入射させる外部反
射ミラーを備えたことを特徴とする。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の光電式エンコーダにおいて、前記ホログラム偏向器
に、集光レンズの機能を付与してホログラム集光レンズ
を構成するとともに、前記情報担持手段として、前記光
学部の光の入出射部から出射された光を、反射型回折格
子を形成した移動体によって反射させ、該反射光を前記
光の入出射部に入射させる手段を備えたことを特徴とす
る。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１または
２のいずれかに記載の光電式エンコーダにおいて、半導
体レーザ、光検出器等の外部配線が必要な部品を基板上
に集積化し、該基板を前記光透過体に固定してこれらの
部品を光透過体に一体化したことを特徴とする。

【００１３】

【作用】請求項１に記載の発明においては、半導体レー
ザ、ホログラムコリメートレンズ等の光電素子はこの光
透過体の表裏面に備えられて、光路を含む一体化部品と
して小型化される。このとき、コリメート機能，ビーム
スプリッタの機能がホログラムにて構成されるため、こ
れらの部分が小型，薄型になる。このように発光素子，
コリメートレンズ等の含む部分（以下、光学部という）
が一体化されて小型化されるためエンコーダ全体として
も小型に構成することが可能になる。また、発光素子，
コリメートレンズ等を予め一体化部品として構成するた
めに、装置の組み立ても簡単になる。

【００１４】請求項２に記載の発明においては、ホログ
ラム偏向器から出射された光は透過型回折格子を形成し
た移動体によって透過された後、反射ミラーによって反
射され、再び前記透過型回折格子を通過した後光学部の
ホログラム偏向器へ入射される。そして、その光が光検
出器へ入射される。

【００１５】請求項３に記載の発明においては、ホログ
ラム偏向器から出射された光が反射型回折格子を形成し
た移動体によって直接反射されるため、光学部の外部に
反射用のミラーを設けることなく、移動体の変位情報を
担持させた光をホログラム偏向器に戻すことができる。
したがって、エンコーダ全体の構成として小型化され
る。変位情報の検出時には、光学部から出射された光が
集光されて反射型回折格子に届き、その反射光が光学部
へ入射される。

【００１６】請求項４に記載の発明においては、半導体
レーザ、光検出器等の外部配線が必要な部品は基板上に
集積化された上で光透過体に固定される。したがって、
半導体レーザ，光検出器等の部品は、この基板を光透過
体に位置決めすることで同時に位置決めされ、光透過体
の表裏への一体化が容易になる。外部との配線が必要な
部品としては、他に光検出器の検出信号の処理回路等を
あげることができる。なお、ホログラムコリメートレン
ズ，ホログラム偏向器，ホログラム集光レンズ等は公知
のフォトレジスト等で形成することができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。なお、以下の実施例ではロータリエンコーダを
例に示しているため、変位情報を得るために回転板を用
いているが、直線方向の位置検出を行うエンコーダの場
合には、移動平板に透過型回折格子が羅列されたものが
用いられる。

【００１８】図１はこの発明の第１の実施例であるロー
タリエンコーダの構成例を示す図でる。

【００１９】ロータリエンコーダは、透明ブロック（光
透過体）１６の上面に、半導体レーザ１１、反射膜１
３、光検出器１５を備え、下面に光を反射するホログラ
ムコリメートレンズ１２、光透過型のホログラム偏向器
１４を備える光学部と、回転板２１、および、外部反射
ミラー２２，２３を備えている。

【００２０】光学部の構成例を図２に斜視図で示してい
る。

【００２１】透明ブロック１６は、ガラス等からなり、
数mm程度の厚みのブロック状に形成されている。透明ブ
ロック１６には、ホログラムコリメートレンズ１２およ
びホログラム偏向器１４は、マスクを使用した半導体プ
ロセス技術で形成される。また、反射膜１３はアルミニ
ウム蒸着等の方法によって形成することができる。半導
体レーザ１１および光検出器１５は、透明ブロック１６
の面上に実装される。

【００２２】回転板２１、および外部反射ミラー２２，
２３の構成は、図６に示す従来のものと同様に構成され
ており、回転板２１には、透過型回折格子が放射状に高
密度に形成されている。

【００２３】このロータリエンコーダの動作を説明す
る。

【００２４】まず、透明ブロック１６の上面１７に配設
された半導体レーザ１１からのビームは、透明ブロック
１６に入射して透明ブロック１６の下面に配設されたホ
ログラムコリメートレンズ１２をヒットする。ここで、
前記ビームは平行な光束に変換され、透明ブロック１６
内で斜め上方に反射される。この平行な光束は透明ブロ
ック１６の上面に配設された反射膜１３で斜め下方に反
射され、次に、透明ブロック１６の下面１８に配設され
ているホログラム偏向器１４をヒットする。平行光束
は、このホログラム偏向器１４を透過しながら透明ブロ
ック１６の下面１８の法線方向に回折され、透過型回折
格子が形成されている回転板２１の方向に伝搬する。そ
して、回転板２１に形成されている透過型回折格子で光
束２０は回折され、±一次回折光２４，２５が生成され
る。±一次回折光２４，２５は、外部反射ミラー２２，
２３にてそれぞれ元の光路の方向に反射され、再度透過
型回折格子が形成されている回転板２１で回折され透過
ブロック１６の下面１８のホログラム偏向器１４をヒッ
トする。そしてここで、反射膜１３とは異なる方向へ回
折され、光検出器１５に入射する（反射膜１３への方向
をプラス一次回折の方向とすると、光検出器１５の方向
はマイナス一次回折の方向に相当する）。入射光は光電
変換され、図８に示すような回転状態を検出する信号を
得る。

【００２５】このように、透明ブロック１６の面上に、
半導体レーザ１１、ホログラムコリメートレンズ１２、
反射膜１３、ホログラム偏向器１４、光検出器１５等の
光学素子を配設する構成であるために、各光学素子は透
明ブロック１６に対して位置決めを行えば良く、位置決
め作業が簡単になる。また、厚さ数mm程度の透明ブロッ
ク１６の面上に上記したような各光学素子を配設してい
るため、全体として小型，薄型のロータリエンコーダと
なる。

【００２６】なお、この実施例では反射膜１３を備えて
いるが、この反射膜１３の位置にホログラムコリメート
レンズ（１２）を配置するとともに、ホログラムコリメ
ートレンズ１２の位置の左方に半導体レーザ（１１）を
配置することによって、反射膜１３を省略することも可
能である。

【００２７】図３はロータリエンコーダの第２の実施例
を示す構成例を示す図である。

【００２８】このロータリエンコーダは、回転板１２２
に対して２方向から光を照射する構成のものである。光
学部は、透明ブロック１１９の上面に、半導体レーザ１
１１、二つの反射膜１１３，１１６、二つの光検出器１
１５，１１８を備え、下面には、コリメートレンズ１１
２、２つの透過型のホログラム偏向器１１４，１１７を
備えている。また光学部の下方には、透過型回折格子を
形成した回転板１２２、および、外部反射ミラー１２３
が設けられている。

【００２９】この構成の動作を説明する。

【００３０】透明ブロック１１９の上面１２０に配設さ
れた半導体レーザ１１１からのビームは透明ブロック１
１９に入射して、透明ブロック１１９の下面１２１に配
設されたホログラムコリメートレンズ１１２をヒット
し、ここで平行な光束に変換され、透明ブロック１１９
内で、斜め上方の２方向に反射される。このそれぞれ
は、プラス一次回折の方向、マイナス一次回折の方向に
相当する。この２つの平行光束は、それぞれ透明ブロッ
ク１１９の上面１２０に配設された２つの反射膜１１
３，１１６で斜め下方に反射され、次に、透明ブロック
１１９の下面１２１に配設されている２つのホログラム
偏向器１１４，１１７をそれぞれヒットする。２つの平
行光束は、このホログラム偏向器１１４，１１７を透過
しながら、透明ブロックの下面１２１に対してある角度
を持って回折される。この回折光１２４，１２５は、透
過型回折格子が形成されている回転板１２２の方向に伝
搬する。回転板１２２上でちょうど２つの回折光１２
４，１２５は同一点に入射する。回転板１２２の透過型
回折格子に入射する光束１２４，１２５の入射角につい
ては、回折格子に垂直に入射する光線が持つ±一次回折
の角度にそれぞれ合わせてあり、このため、回転板１２
２上の透過型回折格子で２つの光束は回折され、どちら
も回転板１２２の法線方向に出射し、２つの光束は重な
り合う。この光束１２６は、外部反射ミラー１２３にて
元の光路の方向に反射して、再度、透過型回折格子が形
成されている回転板１２２で±一次の方向に回折され、
透明ブロック１１９の下面１２１のホログラム偏向器１
１４，１１７をそれぞれヒットし、ここで、零次光とし
てホログラム偏向器１１４，１１７をそれぞれ透過し
て、光検出器１１５，１１８に入射する。ここで、それ
ぞれ光電変換され、両者の出力集積するための信号処理
回路で演算することによって回転状態を検出する信号を
得る。

【００３１】この実施例でも、上記の実施例と同様に、
透明ブロック１１９の面上に光学素子を配置するため
に、位置決めが容易になり、また、小型・薄型化するこ
とができる。また、外部ミラーが一つ（１２３のみ）で
あるため、さらに、組み立ての際の位置決めを容易にす
ることができる。

【００３２】図４はロータリエンコーダの第３の実施例
を示す構成例を示す図である。

【００３３】このロータリエンコーダは、回転板２３１
を反射型に構成したものである。このロータリエンコー
ダの光学部は、透明ブロック２２６の上面に、半導体レ
ーザ２２１、反射膜２２３、光検出器２２５を備え、下
面に、ホログラムコリメートレンズ２２２、ホログラム
集光レンズ２２４を備えている。また、光学部の下方に
は、反射型回折格子を有する回転板２３１を設けてい
る。前記ホログラム集光レンズ２２４は、マスクを使用
した半導体プロセス技術にて形成することが可能であ
る。また、回転体２３１は、図中拡大図で示すように、
板状の回転体の上面に反射型回折格子２３２を、回転軸
から放射状に備えたものである。この反射型回折格子
は、光反射率の高い材料からなり、例えば、長細く突起
状に形成されている。

【００３４】動作を説明する。

【００３５】透明ブロック２２６の上面２２７に配設さ
れた半導体レーザ２２１からのビームが透明ブロック２
２６に入射して、透明ブロック２２６の下面２２８に配
設されたホログラムコリメートレンズ２２２をヒット
し、ここで、平行な光束に変換され、透明ブロック２２
６内で斜め上方向に反射される。この平行光束は、透明
ブロック２２６の上面２２７に配設された反射膜２２３
で斜め下方に反射され、次に、透明ブロック２２６の下
面２２８に配設されているホログラム集光レンズ２２４
に入射する。平行光束は、このホログラム集光レンズ２
２４を透過したあと、反射型回折格子２３２の形成され
ている回転板２３１上でちょうど集光する。回折限界近
くまで集光することによって、零次反射光の中に反射型
回折格子２３２とその周辺部の段差が回折格子となって
働き、生じる±一次回折光成分が重なり合いながら回転
板２３１から反射して透明ブロック２２６の下面２２８
のホログラム集光レンズ２２４をヒットし、反射膜２２
３と反対方向の斜め上方向に回折された後、光検出器２
２５に入射する。ここで、反射膜２２３への方向をプラ
ス一次回折の方向とすると、光検出器２２５への方向は
マイナス一次回折の方向に相当する。そして、入射光
は、光電変換され、図８に示すような回転状態を検出す
る信号を得る。

【００３６】この実施例においても光学部においては、
光学素子が透明ブロック２２６の面上に配設されるた
め、光学素子の相互間の位置合わせの必要がなく位置合
わせ等を含む作製工程が容易になるとともに、回転体２
３１が反射型回折格子２３２を有するために外部ミラー
が不必要となり、ロータリエンコーダ全体の部品点数が
少なくなって作製工程を少なくでき、また、装置自体も
小型・薄型化できる。

【００３７】図５は第４の実施例であるロータリエンコ
ーダの光学部の構成を示す図である。

【００３８】この実施例は、光学部の半導体レーザおよ
び光検出器を集積回路化して一つの集積回路基板内に組
み込んだものであり、これによって、全体の作製工程を
簡略化できる。図５に示す実施例は、装置自体の構成は
図１に示す実施例と同様のものであり、原理の説明を省
略する。図において、半導体レーザ３１１および光検出
器３１５は、一つの集積回路基板（光集積回路基板）３
１９上に集積化されている。なお、光集積回路基板３１
９には、光検出信号処理回路等も含むようにしてもよ
い。半導体レーザ３１１、光検出器３１５は、光集積回
路基板３１９を透明ブロック１６に接着することによっ
て光学部に一体化固定することができる。

【００３９】なおこの実施例では、第１の実施例につい
て半導体レーザ，光検出器を光集積基板に実装し、その
後、透明ブロックに固定する例を示したが、第２の実施
例（図３）、第３の実施例（図４）も同様に、半導体レ
ーザ，光検出器を光集積回路基板に実装し、その後、透
明ブロックに固定するようにしてもよい。

【００４０】

【発明の効果】請求項１および請求項２に記載の発明に
よれば、半導体レーザ、ホログラムコリメートレンズ等
の光電素子が光透過体の表裏面に一体的に形成されるた
め、組み立て時の部品点数が少なくなって組み立て工程
が簡単になる。また、コリメートレンズやビームスプリ
ッタ（偏向器）をホログラムで構成したために、これら
の部分が薄型化され、全体として小型，薄型化が可能に
なる。

【００４１】請求項３に記載の発明によれば、光学部の
外部の反射ミラーを無くすことができ、部品点数が少な
くなってエンコーダ作製時の工程数が少なくなり、作製
が簡略化されるとともに、部品点数が少なくなることに
よりエンコーダの全体のサイズを小型化できる。

【００４２】請求項４に記載の発明によれば、半導体レ
ーザ、光検出器等の外部との配線が必要な部品が基板上
に実装された上で光透過体に固定される。これらの配線
が必要な部品を光集積回路基板として一帯に形成した
後、ホログラム等の光学素子を予め一体に形成しておい
た光透過体に固定することにより、組み立て工数の大幅
な軽減ができ、低価格化の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示す図であり、ロー
タリエンコーダの構成例を示す図である。

【図２】同ロータリエンコーダの光学部の構成を示す斜
視図である。

【図３】この発明の第２の実施例を示す図であり、ロー
タリエンコーダの構成例を示す図である。

【図４】この発明の第３の実施例を示す図であり、ロー
タリエンコーダの構成例を示す図である。

【図５】この発明の第４の実施例を示す図であり、光集
積化した光学部の構成を示す図である。

【図６】従来のロータリエンコーダの構成例を示す図で
ある。

【図７】従来のロータリエンコーダの他の構成例を示す
図である。

【図８】ロータリエンコーダの検出信号の状態を示す図
である。

【符号の説明】

１１ 半導体レーザ １２ ホログラムコリメートレンズ １３ 反射膜 １４ ホログラム偏向器 １５ 光検出器 １６ 透明ブロック（光透過体） ２１ 透過型回折格子を形成した回転板 ２２，２３ 反射ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 武尚 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光路を形成する光透過体の表裏面に、半導
   体レーザ等の発光素子、該発光素子からの光を受光し平
   行光束化するホログラムコリメートレンズ、該平行光束
   を偏向させて外部に出射し、かつ外部からの入射光を偏
   向させるホログラム偏向器、および該ホログラム偏向器
   からの偏向光が入射される光検出器を含む光電素子を一
   体的に形成し、 前記ホログラム偏向器から出射された光に移動体の変位
   情報を担持させて、前記光学部のホログラム偏向器に入
   射させる情報担持手段を備えたことを特徴とする光電式
   エンコーダ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光電式エンコーダにおい
   て、 前記情報担持手段として、前記光学部の光の入出射部か
   ら出射された光を透過型回折格子によって透過させる移
   動体、および、該透過型回折格子を透過した光を反射
   し、再び前記透過型回折格子を透過させて前記光の入出
   射部に入射させる外部反射ミラーを備えたことを特徴と
   する光電式エンコーダ。
3. 【請求項３】請求項１に記載の光電式エンコーダにおい
   て、 前記ホログラム偏向器に、集光レンズの機能を付与して
   ホログラム集光レンズを構成するとともに、 前記情報担持手段として、前記光学部の光の入出射部か
   ら出射された光を、反射型回折格子を形成した移動体に
   よって反射させ、該反射光を前記光の入出射部に入射さ
   せる手段を備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
4. 【請求項４】請求項１または２のいずれかに記載の光電
   式エンコーダにおいて、 半導体レーザ、光検出器等の外部配線が必要な部品を基
   板上に集積化し、該基板を前記光透過体に固定してこれ
   らの部品を光透過体に一体化したことを特徴とする光電
   式エンコーダ。