JPH08254441A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型で安価で高精度な光学式エンコーダを提供
する。 【構成】光学式エンコーダは、面発光レーザ１と、その
射出光を受けるように配置された受光素子３と、それら
の間にｘ方向に移動可能に配置されたスケール２から構
成されている。スケール２は透明基板７を有し、透明基
板７の受光素子３側の面には、等しい幅の遮光部５が等
間隔で設けられている。また、透明基板７の面発光レー
ザ側の面には、反射防止膜６が形成されている。受光素
子３の受光領域４の表面には遮光膜５１が形成されてお
り、遮光膜５１には一つの開口部が設けられている。遮
光膜５１の表面には反射防止膜５２が形成されている。
開口部の幅をωpd、受光素子面上に生成される明暗パタ
ーンの周期をＰb 、遮光部５のピッチをＰs 、スケール
面上におけるビーム径をＷs とすると、ωpd＜Ｐb 、か
つ、Ｗs ＞Ｐs の関係を満たしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対象の変位または回転
を検出する用途に適用される光学式エンコーダに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】高分解能な光学式エンコーダの代表的な
従来例として、二つのスリット（またはスケール）を使
用したエンコーダ（日経メカニカル、１９８８．７．２
５、ｐ．５４）がある。その構成を図１８に示す。

【０００３】図１８（Ａ）に示すように、光源１００か
ら出射した光はレンズ１３により平行ビームに整形さ
れ、固定スケール２２、移動スケール２を透過し、受光
素子３（本明細書では受光素子は光検出器と同義語とみ
なす）により透過光の強度が検出される。スケールが移
動スケール２だけの場合には、図１８（Ｂ）に示すよう
に、変位ｘに対して受光素子出力はスケールのピッチと
同じ周期で僅かな出力変化が得られるのみであるが、こ
の従来例の様に、スケールを固定スケール２２と移動ス
ケール２の二つで構成した場合には、移動スケール２が
固定スケール２２に対して移動したとき、二つのスケー
ルの重なりの変化により、図１８（Ｃ）に示すように、
三角波または（二つのスケールの向きが僅かに傾いてい
るときは）正弦波に近い形状で受光素子３の出力が変化
し、信号の強度変化も大きなものとなる。従って、二つ
のスリットを用いることにより出力信号は、信号対雑音
比（Ｓ／Ｎ）が大きく、さらに、出力信号の波形に応じ
てこれを変位に対して分割することが可能となり、スケ
ールのピッチの１／２より細かい移動スケールの変位を
検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この従来例では、レン
ズや固定スリット、光源、移動スリットを非常に高い精
度で空間的に配置して組み立てる必要があるため、エン
コーダの組立が難しく、エンコーダ全体のサイズが大き
く、また製造コストが高いものとならざるを得ない。

【０００５】一方、本発明者らは、特願平０６−０４３
６５６号において、垂直共振器型面発光レーザ（面発光
レーザまたは面発光半導体レーザとも記載する）を用い
たエンコーダを提案している。その構成を図１９に示
す。

【０００６】図１９（Ａ）に示すように、面発光レーザ
１から出射したレーザビームがこれに対して相対移動す
るスケール２に照射され、このスケールからの反射光ま
たは透過光が光検出器３または光検出器３′に入射し、
強度検出される。

【０００７】スケール面上におけるレーザビームの直径
がスケールのピッチに比べて非常に小さい場合には、ス
ケール２の変位Δｘに対して図１９（Ｂ）のような受光
素子出力信号が得られ、スケール面上におけるレーザビ
ームの直径がスケールのピッチの１／２程度の場合に
は、スケールの変位Δｘに対して図１９（Ｃ）のような
受光素子出力信号が得られる。図１９（Ｃ）のような三
角波または正弦波に近い形状の信号が得られるのは、面
発光レーザ１の場合はレーザ光の放射角が非常に小さい
ため、図１８（Ａ）の従来例のようにレンズおよび固定
スリットを使用しなくても、レーザ光の照射領域が小さ
く限定されるためである。

【０００８】このように、本発明者らが提案したエンコ
ーダは、面発光レーザの細くて鋭いビームを利用するた
め、レンズや固定スリットを必要としない。これによ
り、小型で高分解能なエンコーダが低コストで得られ
る。

【０００９】しかしながら、このエンコーダでは、スケ
ール面上におけるレーザビームの直径がスケールのピッ
チに比べて非常に小さい場合には、スケールの変位に対
して受光素子出力信号が矩形波に近い形状となり、スケ
ールのピッチの１／２より小さな変位を検出することが
難しい。また、スケール面上におけるレーザビームの直
径がスケールのピッチより大きい場合には、スケールの
変位に対して受光素子出力信号の強弱が極端に小さくな
るため、変位を検出することが難しい。このような場合
には、面発光レーザを用いても、面発光レーザとスケー
ルの間にレンズを配置し、レーザビームのスケール上に
おけるビーム直径をスケールのピッチの１倍〜１／２倍
程度にする必要がある。

【００１０】本発明の目的は、レンズや固定スケールを
必要としない、シンプルな構成で組立が簡単な光学式エ
ンコーダであって、しかも、スケール面上における光ビ
ームの径に対するスケールのピッチが小さくともスケー
ルの変位を精度良く検出できる光学式エンコーダを提供
することである。すなわち、小型で安価で高精度な光学
式エンコーダを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、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たスケールと、このスケ
ールの一部を照射する面発光半導体レーザ光源と前記ス
ケールからの反射光、透過光または回折光を受光するた
めの受光素子を有する光学式エンコーダにおいて、受光
素子の受光領域または受光窓のスケール移動方向の寸法
をωpd、面発光半導体レーザ光源からスケールに照射さ
れた光ビームの反射光、透過光または回折光による受光
素子の受光面上における明暗パターンのスケール移動方
向の周期をＰb 、前記スケールの反射率または透過率を
変調させたスケール移動方向のピッチをＰs 、スケール
面上において光ビーム強度がピーク値の１／２になるス
ケール移動方向のビーム径をＷs とすると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００１２】請求項２の発明は、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
うに形成されたスケールと、このスケールの一部を照射
する面発光半導体レーザ光源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を有
する光学式エンコーダにおいて、受光素子の受光領域ま
たは受光窓が面発光半導体レーザ光源からスケールに照
射された光ビームの反射光、透過光または回折光による
受光素子の受光面上における明暗パターンとスケール移
動方向に対して同じ間隔で複数形成され、前記受光領域
または受光窓のスケール移動方向の寸法をωpd、前記受
光面上における明暗パターンのスケール移動方向の周期
をＰb 、前記スケールの反射率または透過率を変調させ
たスケール移動方向のピッチをＰs 、スケール面上にお
いて光ビーム強度がピーク値の１／２になるスケール移
動方向のビーム径をＷs とすると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００１３】請求項３の発明は、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
うに形成されたスケールと、このスケールの一部を照射
する面発光半導体レーザ光源と前記スケールからの回折
光を受光するための受光素子を有する光学式エンコーダ
で、前記受光領域または受光窓のスケール移動方向の寸
法をωpd、前記レーザ光源からスケールに照射された光
ビームの回折光による受光素子の受光面上における明暗
パターンの光強度が最大ピークの１／２となるスケール
移動方向の幅をωbとし、前記スケールの反射率または
透過率を変調させたスケール移動方向のピッチをＰs 、
スケール面上において光ビーム強度がピーク値の１／２
になるスケール移動方向のビーム径をＷs とすると、 ωpd≦ωb かつ Ｗs ≧２Ｐs の関係を満たす光学式エンコーダにおいて、受光素子が
スケールの透過・回折光を受光する場合はスケールの１
ピッチあたりの透過部分のスケール移動方向の寸法をω
o 、また、受光素子がスケールの反射・回折光を受光す
る場合はスケールの１ピッチあたりの反射部分のスケー
ル移動方向の寸法をωo 、スケールを形成した面と受光
素子の受光面または遮光面の間の距離をＬ、レーザ光の
波長をλとしたとき、 Ｌ＞Ｐs ωo ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００１４】

【作用】請求項１の光学式エンコーダでは、面発光レー
ザからの出射ビームは非常にビーム放射角が小さいので
ほぼ平行ビームでかつほぼ平面波であるとみなすことが
できる。以下、代表的な場合として、スケールに照射さ
れた光が透過して受光素子で検出される場合について説
明する。スケール面上においてビーム直径Ｗs がＷs ＞
Ｐs の関係を満たすことにより、スケール上において光
ビームはスケールの１ピッチより大きなビーム径をも
つ。また、ωpd＜Ｐb なる関係があるため、受光素子は
主として１ピッチ分の透過光を受光する。今、スケール
が移動方向に変位したとすると、スケールを通過した光
ビームもこの方向に動くので、受光素子からの出力が、
変位に対して、周期Ｐs で三角波状または擬似的な正弦
波状に変化することを利用してスケールの変位を検出す
ることができる。

【００１５】請求項２の光学式エンコーダでは、面発光
レーザからの出射ビームは非常にビーム放射角が小さい
のでほぼ平行ビームでかつほぼ平面波であるとみなすこ
とができる。以下、代表的な場合として、スケールに照
射された光が透過して受光素子で検出される場合につい
て説明する。スケール面上においてビーム直径Ｗs がＷ
s ＞Ｐs の関係を満たすことにより、スケール上におい
て光ビームはスケールの１ピッチより大きなビーム径を
もつ。また、ωpd＜Ｐb なる関係があるため、受光素子
のひとつの受光窓または受光領域は主として１ピッチ分
の透過光を受光する。今、スケールが移動方向に変位し
たとすると、スケールを通過した複数のビームもこの方
向に動くので、受光素子からの出力が、スケール変位に
対して、周期Ｐs で三角波状または擬似的な正弦波状に
変化することを利用してスケールの変位を検出すること
ができる。

【００１６】請求項３の光学式エンコーダでは、面発光
レーザからの出射ビームは非常にビーム放射角が小さい
のでほぼ平行ビームでかつほぼ平面波であるとみなすこ
とができる。以下、代表的な場合として、スケールに照
射された光が透過して、さらに、回折することにより受
光素子で検出される場合について説明する（反射して、
回折する場合も同様）。スケール面上においてビーム直
径Ｗs がＷs ≧２Ｐsの関係を満たすことにより、スケ
ール上において光ビームはスケールの２ピッチ以上のビ
ーム径をもつ。従って、受光素子にはスケールを通過し
た光が複数のビームになって照射されるが、ωpd＜ωb
なる関係があるため、受光素子は特定の次数の回折光を
受光する。今、スケールが移動方向に変位したとする
と、スケールからの回折光もこの方向に同じ変位量だけ
動くので、受光素子からの出力が、変位に対して周期Ｐ
s で三角波状または擬似的な正弦波状に変化することを
利用してスケールの変位を検出することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について図面
に基づいて説明する。 （第一実施例）第一実施例の光学式エンコーダについて
図１ないし図６を参照しながら説明する。本実施例の光
学式エンコーダの構成を図１に示す。

【００１８】図１に示すように、光学式エンコーダは、
面発光半導体レーザ光源（以下、単に面発光レーザと呼
ぶ）１と、その射出光を受けるように配置された受光素
子３と、それらの間にｘ方向に移動可能に配置されたス
ケール２から構成されている。スケール２は透明基板７
を有し、透明基板７の受光素子３側の面には、図２に示
すように、等しい幅の遮光部５が等間隔で設けられてい
る。また、透明基板７の面発光レーザ側の面には、図１
に示すように、反射防止膜６が形成されている。受光素
子３の受光領域４の表面には遮光膜５１が形成されてお
り、遮光膜５１には一つの開口部が設けられている。遮
光膜５１の表面には反射防止膜５２が形成されている。

【００１９】面発光レーザ１から射出したレーザ光はス
ケール２に入射し、遮光部５の隙間からなる透過窓を透
過した光が受光素子３に照射し、遮光膜５１に設けた開
口部を通過した光が受光領域４に入射する。反射防止膜
６はスケール２からの反射光が面発光レーザ１に戻るの
を防止し、同様に反射防止膜５２は受光素子３からの反
射光が面発光レーザ１に戻るのを防止しており、これに
より面発光レーザの安定な動作を確保している。

【００２０】ここで、スケール２を透過した光の振る舞
いについて説明する。面発光レーザからの出射光はビー
ム拡がり角が非常に小さく、ほぼ平面波でかつ平行ビー
ムであると見なすことができる。

【００２１】図１と図２に示すように、スケール２の移
動方向をｘ軸、ビームの射出方向をｙ軸にとり、スケー
ル２の透過窓の移動方向の寸法すなわち遮光部５の間隔
をωo 、遮光部５のピッチをＰs 、スケール２から受光
素子３までの距離をＬ、光の波長をλ、一つの透過窓か
ら受光素子に向かう光ビームの受光素子面におけるスケ
ール移動方向（ｘ軸方向）のビーム幅をωb とする。ま
ず、一つの透過窓を透過した光について考える。一つの
透過窓から受光素子に向かう光ビームは図４に示すよう
に広がり、そのビーム径は、

【００２２】

【数１】

【００２３】

【数２】 となる。ここでビーム径とは光強度が最大ピークに対し
て１／２以上のビームの差し渡し寸法を意味する。

【００２４】次に、多数の透過窓を透過した光の受光素
子面でのパターンについて考える。スケール２の透過窓
を通過した光ビームは図５に示すように広がるため、光
ビームの重なりや干渉を考慮する必要がある。

【００２５】以下では、スケール２から受光素子３まで
の距離Ｌが、領域Ｉ：Ｌ＜ωo ² ／λにある場合と、領
域ＩＩ：Ｐs ωo ／λ＞Ｌ≧ωo ² ／λにある場合と、
領域ＩＩＩ：Ｌ＞Ｐs ωo ／λにある場合とに分けて考
える。

【００２６】まず、Ｌが領域Ｉにある場合、すなわちＬ
＜ωo ² ／λの場合、スケール２と受光素子３は非常に
近くにあり、複数のビームは互いに干渉しない。従っ
て、受光素子面上に現れるパターンは、（２）式で表さ
れる径を持つビームの重ね合わせとなり、図６（Ｄ）に
示すようになる。

【００２７】次に、Ｌが領域ＩＩにある場合、すなわち
Ｐs ωo ／λ＞Ｌ≧ωo ² ／λの場合、複数のビームの
互いの干渉は小さく、ほとんど無視できる。従って、受
光素子面上に現れるパターンは、（１）式で表される径
を持つビームの重ね合わせとなり、図６（Ｃ）に示すよ
うになる。図中、破線は重ね合わせ前の各ビームの強度
分布を示しており、実線はビームを重ね合わせた光の実
際に観測される強度分布を示している。このため、Ｌ＝
Ｐs ωo ／λの付近では、実際に観測される光の強度分
布は図６（Ｂ）に示すようなほぼ平坦なものになる。こ
の領域では複数のビームの互いの干渉は小さいが、完全
に無視できるものではない。

【００２８】最後に、Ｌが領域ＩＩＩにある場合、すな
わちＬ＞Ｐs ωo ／λの場合、スケール２の複数の透過
窓から射出した光ビームが互いに干渉するため、実際に
観測されるビームの強度分布は、図６（Ａ）に示すよう
になる。図６（Ａ）において、最大ピークのｘ方向の間
隔Δｘdiffと、このピークの半値全幅ω'b、およそ以下
の式で表せる。

【００２９】

【数３】

【００３０】

【数４】 ここにおいて、ｍは、スケール上に照射されたレーザビ
ームの有効領域（ほぼスケール上のビーム径と考えてよ
い）内にある透過窓（遮光部５の隙間）の数である。こ
れはピッチの数にほぼ一致する。

【００３１】なお、本明細書では、受光素子面における
光ビームの幅は、単に透過や反射によるビーム径ωb を
考える場合と、干渉パターンのピークの半値全幅ω'bを
考える場合があるが、特に断らない限り、これらをとも
にビーム径ωb として扱う。

【００３２】以上に説明したように、スケール２から受
光素子３までの距離が領域Ｉないし領域ＩＩＩのいずれ
に属するかにより、受光素子面上には異なる明暗のパタ
ーンが生成される。いずれのパターンにおいても、スケ
ール２がｘ軸方向に移動すると、受光素子面に生成され
る明暗パターンが同じ方向に同じ速度で移動するため、
受光素子３の出力は、図３に示すように、正弦波形に似
た周期的波形となり、この出力波形を調べることによ
り、スケール２の移動量が求められる。

【００３３】スケール２から受光素子３までの距離Ｌが
領域Ｉないし領域ＩＩＩのいずれにあるかで、図１内の
諸寸法同士の関係が異なるので、これについて以下に説
明する。

【００３４】距離Ｌが領域Ｉにある場合、スケール２か
らの射出光同士は干渉しないので、スケール上でのビー
ムは、スケールの１ピッチ以上をカバーしていればよ
い。すなわち、スケール面上における光ビーム照射領域
のｘ軸方向のビーム径をＷs とし、Ｗs ＞Ｐs である。
また、受光素子３の幅ωpdの開口部で、明暗パターンを
検出するためには、その周期をＰb とし、ωpd＜Ｐb で
あることが必要である。

【００３５】距離Ｌが領域ＩＩにある場合、干渉パター
ンを利用しているわけではないので、領域Ｉと同様に、
スケール上でのビームは、スケールの１ピッチ以上をカ
バーしていればよい。すなわち、スケール面上における
光ビーム照射領域のスケール移動方向（ｘ軸方向）のビ
ーム径（光ビームの強度がピーク値の１／２になるｘ軸
方向の寸法）をＷs とし、Ｗs ＞Ｐs である。また、明
暗パターンを検出するためには、その周期をＰb とし、
ωpd＜Ｐb であることが必要である。

【００３６】距離Ｌが領域ＩＩＩにある場合、干渉パタ
ーンを利用しているため、スケール２からは二本以上の
ビームが射出される必要がある。すなわち、スケール面
上における光ビーム照射領域のｘ軸方向のビーム径をＷ
s とし、Ｗs ≧２Ｐs である。また、明暗パターンを検
出するためには、干渉パターンのピークの半値幅をωb
とするとき、ωpd≦ωb であることが必要である。

【００３７】以上に述べたように、本実施例において
は、スケール２と受光素子３の間隔Ｌに応じて三つの場
合に分けられ、それぞれ一定の条件を満たすように各部
の寸法を決めれば、スケール２の変位を検出することが
できる。

【００３８】このように本実施例では、レンズや固定ス
ケールを必要とせず、ビーム径がスケールピッチに対し
て大きい場合にも、スケールピッチによって決まる分解
能を持ち、センサ構成や組み立てがシンプルで、小型、
低コスト高精度な光学式エンコーダが得られる。

【００３９】なお、受光素子における受光部位置の限定
方法は、図１に示すように受光素子の受光面に開口部を
設ける方法に限定されるものではなく、受光面を所定の
大きさにする方法、あるいはＣＣＤ等の光位置検出機能
を有するものでもよい。

【００４０】また、図５の領域ＩＩＩにおいて、図６の
（Ａ）のような干渉パターンによる測定を行なう場合
は、スケール５を照射する光はコヒーレントな平面波を
有するレーザ光であればよいから、光源は面発光レーザ
だけではなく、通常使用されている端面出射型の半導体
レーザとコリメータレンズの組み合わせなどを用いるこ
とができる。

【００４１】（第二実施例）第二実施例の光学式エンコ
ーダについて図７を参照しながら説明する。図７に示す
ように、本実施例の光学式エンコーダは、第一実施例の
光学式エンコーダに類似しており、唯一、受光領域４の
表面の遮光膜５１に、幅ωpdの開口部が複数個、（第一
実施例では一個だが）、等間隔で設けられている点で異
なっている。複数の開口部のピッチＰpdは、受光素子面
に生成される明暗パターンの周期Ｐb に一致している。

【００４２】本実施例の動作原理、各寸法間の関係等
は、すべて第一実施例と同じであり、その説明はここで
は省略する。本実施例によれば、第一実施例と同様な効
果が得られるうえ、受光部を複数個設けたことにより第
一実施例に比べて高出力を得ることができる。

【００４３】なお、受光素子における受光部位置の限定
方法は、図７に示すように受光素子の受光面に遮光窓を
設ける方法に限定されるものではなく、受光面を所定の
大きさに分割する方法、あるいはＣＣＤ等の光位置検出
機能を有するものでもよい。

【００４４】（第三実施例）第三実施例の光学式エンコ
ーダについて図８を参照しながら説明する。図８に示す
ように、本実施例の光学式エンコーダは、第二実施例の
光学式エンコーダに類似しているが、次に述べる二点で
異なっている。第一に、スケール２と受光素子３がｘ軸
を中心に回転した状態すなわち面発光レーザ１の射出光
に対して傾いた状態で配置されている。第二に、スケー
ル２と受光素子３に反射防止膜が設けられていない。

【００４５】本実施例では、スケール２と受光素子３が
面発光レーザ１の射出光に対して傾けて配置されている
ため、スケール２と受光素子３からの反射光は面発光レ
ーザ１に戻らない。このような理由により本実施例では
スケール２と受光素子３の反射防止膜が省略されてい
る。

【００４６】本実施例では、スケール２と受光素子３に
反射防止膜がなくても、面発光レーザの安定な動作が達
成される。本実施例の動作原理、各寸法間の関係等は、
第二実施例と全く同じであり、その説明はここでは省略
する。

【００４７】次に、本実施例の変形例について図９を参
照しながら説明する。本変形例は、本実施例の透過型の
光学式エンコーダを、反射型に変形したものである。図
９に示すように、スケール２は面発光レーザ１の射出光
に対して傾けて配置され、スケール２の透明基板７に
は、透過型におけるスケールの遮光部に代わる、等しい
幅の複数の反射部５' が等間隔で設けられている。スケ
ール２による反射方向には、受光素子３が垂直に配置さ
れている。受光素子３は、第二実施例と同じもの、すな
わち、遮光膜５１に複数の開口部が形成され、遮光膜５
１の表面に反射防止膜５２が形成されたものである。面
発光レーザ１と受光素子３はベースに固定されている。

【００４８】本変形例では、スケール２による反射光は
面発光レーザ１に戻らないので、スケール２には反射防
止膜が省略されているが、受光素子３により反射光は面
発光レーザ１に戻るので、受光素子３には反射防止膜５
２が設けられている。受光素子３をスケール２からの反
射光の光軸に対して傾けて配置し、受光素子３による反
射光が面発光レーザ１に戻らないようにすれば、反射防
止膜は省略してもよい。

【００４９】本実施例では、スケール２に（受光素子３
を傾けた場合には加えて受光素子３にも）反射防止膜が
なくても、面発光レーザの安定な動作が達成される。本
変形例も、その動作原理、各寸法間の関係等は、第二実
施例と全く同じである。

【００５０】（第四実施例）第四実施例の光学式エンコ
ーダについて図１０を参照しながら説明する。図１０に
示すように、本実施例の光学式エンコーダは、第三実施
例（図８）の構成において、スケール２と受光素子３を
面発光レーザ１の射出光に垂直な状態からｘ軸を中心に
回転させて傾斜させる代わりに、ｚ軸を中心に回転させ
て傾斜させた構成となっている。このため、スケール２
はｘ軸を斜めに横切る方向に移動する。

【００５１】本実施例では、第三実施例と同様に、スケ
ール２と受光素子３に反射防止膜がなくても、面発光レ
ーザの安定な動作が達成される。本実施例の動作原理、
各寸法間の関係等は、第三実施例（すなわち第二実施
例）と全く同じである。

【００５２】次に、本実施例の変形例について図１１を
参照しながら説明する。本変形例は、本実施例の透過型
の光学式エンコーダを、反射型に変形したものである。
図１１に示すように、第三実施例の変形例（図９）構成
において、スケール２を面発光レーザ１の射出光に垂直
な状態からｘ軸を中心に回転させて傾斜させる代わり
に、ｚ軸を中心に回転させて傾斜させた構成となってい
る。また、受光素子３は、スケール２からの反射光が垂
直に入射するように配置されている。

【００５３】本変形例では、第三実施例の変形例と同様
に、スケール２に反射防止膜がなくても、面発光レーザ
の安定な動作が達成される。本実施例の動作原理、各寸
法間の関係等は、第三実施例の変形例（すなわち第二実
施例）と全く同じである。受光素子３上に反射防止膜を
省略するための配置についても第三実施例の変形例と同
じである。

【００５４】（第五実施例）第五実施例の光学式エンコ
ーダについて図１２を参照しながら説明する。本実施例
では、受光素子３は、面発光レーザ１の射出光の光軸か
ら外れた位置に配置されている。受光素子３は、第三実
施例のものと同様に、受光領域４を覆う遮光膜５１に複
数の開口部が形成されたものである。面発光レーザ１と
受光素子３の間には、入射光の向きを変える回折格子８
を備えたスケール２がｘ軸方向に移動可能に配置されて
いる。

【００５５】スケール２は、図１４に示すように、ガラ
ス基板７に形成した反射防止膜６の表面に、複数の回折
格子８を等間隔で形成して作製される。このスケール２
は、回折格子８の機能領域の幅をωo 、回折格子８の機
能領域の１ピッチをＰs 、スケール面上における光ビー
ム照射領域のスケール移動方向のビーム径をＷs とする
と、第一実施例において記した各条件が成立する。

【００５６】別のスケール２を図１５に示す。このスケ
ール２は、ガラス基板７の表面全体に回折格子８' を形
成し、この回折格子８' の表面に等しい幅の遮光部５を
等間隔で形成して作製される。これいより、等しい幅の
複数の回折格子が等間隔で形成されたものと等価にな
り、図１４のスケールと同じ機能を果たす。このスケー
ル２でも、図１４のスケール２と同様に、第一実施例に
おいて記した各条件が成立する。

【００５７】図１２に示すように、面発光レーザ１から
射出したレーザ光はスケール２に入射し、回折格子８に
入射した光は回折される。回折格子８は入射光と反対側
の一次回折光の回折強度が最大となるように設計されて
おり、回折光は面発光レーザ１からの射出光に対して対
して斜めになり、受光素子３に向かう。受光素子３に入
射した光は、遮光膜５１に設けた開口部を通過した光が
受光領域４に入射する。

【００５８】本実施例の動作原理は、スケール２から回
折光が射出される以外は、第二実施例と同様であり、図
１２に記載した各寸法間の関係等は、基本的に第一実施
例に記したものと同様であり、その説明は省略する。

【００５９】本実施例では、受光素子３からの反射光は
面発光レーザ１に戻らないので、受光素子３に反射防止
膜がなくても、面発光レーザは安定に動作する。回折に
より光ビームを曲げているので、各光学素子（面発光レ
ーザ１、スケール２、受光素子３）を平行に配置するこ
とができ、第三実施例や第四実施例に比べて、実装が容
易かつ高精度に行える。

【００６０】次に、本実施例の変形例について図１３を
参照しながら説明する。本変形例は、本実施例の透過型
の光学式エンコーダを、反射型に変形したものである。
図１３に示すように、受光素子３はスケール２に対して
面発光レーザ１と同じ側にあり、これらは半導体基板１
１の上に一体的に形成されている。また、スケール２の
回折格子８は、入射光と同じ側の一次回折光の回折強度
が最大となるように設計されている。

【００６１】本変形例の動作原理、図１３に記載した各
寸法間の関係等は、基本的に第一実施例に記したものと
同様であり、ここでは説明を省略する。本変形例によれ
ば、本実施例と同じ効果が得られるとともに、面発光レ
ーザ１と受光素子３が同一基板上に設けられているの
で、装置全体の構成が小型になり、実装も容易に行なえ
る。

【００６２】なお、本実施例では、スケールからの回折
光を利用して測定するものであるから、スケール５を照
射する光はコヒーレントな平面波を有するレーザ光であ
ればよいから、光源は面発光レーザだけではなく、端面
出射型の半導体レーザとコリメータレンズの組み合わせ
などを用いることができる。

【００６３】（第六実施例）これまでに説明した実施例
の光学式エンコーダは、単にスケールの移動量のみを検
出する機能を有するだけで、移動の向きを判別する機能
は有していない。第六実施例は、前述の実施例の光学式
エンコーダに改良を加えて、スケールの移動の向きを判
別する機能を持たせるものである。

【００６４】図１６に示すように、スケール２の遮光部
は、移動方向（ｘ軸）に平行な中心線に対して、上側の
遮光部５ａと下側の遮光部５ｂからなっている。上側の
遮光部５ａと下側の遮光部５ｂは、ｘ軸方向に関して同
一の周期構造を持ち、両者の位相はピッチＰs の四分の
一ずれている。光ビーム照射領域は、上側の遮光部５ａ
と下側の遮光部５ｂの両方を同時に含むように設定され
る。また、受光素子は、上側の受光素子３ａと下側の受
光素子３ｂからなり、上側の受光素子３ａはスケール２
の上側部分すなわち遮光部５ａの隙間を透過したビーム
を受光し、下側の受光素子３ｂはスケール２の下側部分
すなわち遮光部５ｂの隙間を透過したビームを受光す
る。勿論、スケール２と受光素子３ａと３ｂは、第一実
施例に記した条件を満たしている。

【００６５】このような構成により、スケール２の上側
部分すなわち遮光部５ａの隙間を透過したビームは受光
素子３ａの受光面上に、スケール２の下側部分すなわち
遮光部５ｂの隙間を透過したビームが受光素子３ｂの受
光面上に生成する明暗パターンに対して、ピッチＰs の
四分の一ずれた明暗パターンを生成する。従って、スケ
ール２が面発光レーザに対して移動するとき、上側の受
光素子３ａと下側の受光素子３ｂとからは、互いの位相
が９０度ずれた二つの正弦波信号が出力される。この二
つの正弦波信号を比較することで、具体的にはどちらの
正弦波信号の位相が９０度進んでいるかを調べること
で、スケール２の移動の向きを判定することができる。

【００６６】本実施例は、第一実施例ないし第五実施例
のすべてに適応可能である。また、本実施例では遮光部
５ａと遮光部５ｂのずれ量をピッチＰs の四分の一に選
んだが、これはピッチＰs の二分の一以外であればいく
つでもよく、いずれの場合にもスケールの移動方向を判
断できる。

【００６７】（第七実施例）第七実施例について図１７
を参照しながら説明する。本実施例は、第六実施例と同
様に、第一実施例ないし第五実施例の光学式エンコーダ
に改良を加えて、スケールの移動の向きを判別する機能
を持たせるものである。

【００６８】図１７に示すように、受光素子は、上側の
受光素子３ａと下側の受光素子３ｂからなり、上側の受
光素子３ａの遮光膜５１ａと下側の受光素子３ｂの遮光
膜５１ｂは、ｘ軸方向に関して同一の周期構造を持ち、
両者の位相はピッチＰpdの四分の一ずれている。光ビー
ム照射領域は、スケール２からの光が二つの受光素子３
に同時に入射するように設定されている。従って、上側
の受光素子３ａはスケール２の上側部分を透過したビー
ムを受光し、下側の受光素子３ｂはスケール２の下側部
分を透過したビームを受光する。勿論、スケール２と受
光素子３ａと３ｂは、第一実施例に記した条件を満たし
ている。

【００６９】上側の受光素子３ａの遮光膜５１ａと下側
の受光素子３ｂの遮光膜５１ｂは、その周期構造すなわ
ち開口部の位置がｘ軸方向にピッチＰpdの四分の一ずれ
ているため、上側の受光素子３ａと下側の受光素子３ｂ
とからは、互いの位相が９０度ずれた二つの正弦波信号
が出力される。この二つの正弦波信号を比較すること
で、具体的にはどちらの正弦波信号の位相が９０度進ん
でいるかを調べることで、スケール２の移動の向きを判
定することができる。

【００７０】本実施例は、第一実施例ないし第五実施例
のすべてに適応可能である。また、本実施例では遮光膜
５１ａと遮光膜５１ｂのずれ量をピッチＰpdの四分の一
に選んだが、これはピッチＰpdの二分の一以外であれば
いくつでもよく、いずれの場合にもスケールの移動の向
きを判断できる。

【００７１】以上、本発明のいくつかの実施例について
説明したが、本発明は上述の実施例に何等限定されるも
のでない。本発明は以下の発明を含んでいる。 １．（第一実施例１〜第七実施例に対応する） （構成）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たスケール
と、このスケールの一部を照射する面発光半導体レーザ
光源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を有する光学式エンコーダに
おいて、受光素子の受光領域または受光窓のスケール移
動方向の寸法をωpd、面発光半導体レーザ光源からスケ
ールに照射された光ビームの反射光、透過光または回折
光による受光素子の受光面上における明暗パターンのス
ケール移動方向の周期をＰb 、前記スケールの反射率ま
たは透過率を変調させたスケール移動方向のピッチをＰ
s 、スケール面上において光ビーム強度がピーク値の１
／２になるスケール移動方向のビーム径をＷs とする
と、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００７２】（作用）面発光レーザからの出射ビームは
非常にビーム放射角が小さいのでほぼ平行ビームでかつ
ほぼ平面波であるとみなすことができる。以下、代表的
な場合として、スケールに照射された光が透過して受光
素子で検出される場合について説明する。スケール面上
においてビーム直径Ｗs がＷs ＞Ｐs の関係を満たすこ
とにより、スケール上において光ビームはスケールの１
ピッチより大きなビーム径をもつ。また、ωpd＜Ｐb な
る関係があるため、受光素子は主として１ピッチ分の透
過光を受光する。今、スケールが移動方向に変位したと
すると、スケールを通過した光ビームもこの方向に動く
ので、受光素子からの出力が、変位に対して、周期Ｐs
で三角波状または擬似的な正弦波状に変化することを利
用してスケールの変位を検出することができる。

【００７３】（効果）従来の光学式エンコーダのように
レンズや固定スケールを必要とせずに、スケール変位に
対して周期Ｐs の三角波状または擬似的な正弦波状の信
号を得ることができる。同時に、スケール面上における
光ビームの径はスケールのピッチより十分大きくするこ
とができ、スケールピッチがスケール面上における光ビ
ームの径以下に制限されることがないため高分解能なエ
ンコーダが実現できる。

【００７４】２．（第二実施例２〜第七実施例に対応す
る） （構成）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たスケール
と、このスケールの一部を照射する面発光半導体レーザ
光源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を有する光学式エンコーダに
おいて、受光素子の受光領域または受光窓が面発光半導
体レーザ光源からスケールに照射された光ビームの反射
光、透過光または回折光による受光素子の受光面上にお
ける明暗パターンとスケール移動方向に対して同じ間隔
で複数形成され、前記受光領域または受光窓のスケール
移動方向の寸法をωpd、前記受光面上における明暗パタ
ーンのスケール移動方向の周期をＰb 、前記スケールの
反射率または透過率を変調させたスケール移動方向のピ
ッチをＰs 、スケール面上において光ビーム強度がピー
ク値の１／２になるスケール移動方向のビーム径をＷs
とすると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００７５】（作用）面発光レーザからの出射ビームは
非常にビーム放射角が小さいのでほぼ平行ビームでかつ
ほぼ平面波であるとみなすことができる。以下、代表的
な場合として、スケールに照射された光が透過して受光
素子で検出される場合について説明する。スケール面上
においてビーム直径Ｗs がＷs ＞Ｐs の関係を満たすこ
とにより、スケール上において光ビームはスケールの１
ピッチより大きなビーム径をもつ。また、ωpd＜Ｐb な
る関係があるため、受光素子のひとつの受光窓または受
光領域は主として１ピッチ分の透過光を受光する。今、
スケールが移動方向に変位したとすると、スケールを通
過した複数のビームもこの方向に動くので、受光素子か
らの出力が、スケール変位に対して、周期Ｐs で三角波
状または擬似的な正弦波状に変化することを利用してス
ケールの変位を検出することができる。

【００７６】（効果）従来の光学式エンコーダのように
レンズや固定スケールを必要とせずに、スケール変位に
対して周期Ｐs の三角波状または擬似的な正弦波状の信
号を得ることができる。同時に、スケール面上における
光ビームの径はスケールのピッチより十分大きくするこ
とができ、スケールピッチがスケール面上における光ビ
ームの径以下に制限されることがないため高分解能なエ
ンコーダが実現できる。この場合、第１項に比べて多く
の受光窓を有し、たくさんの透過光（あるいは反射光、
回折光）を受光するので、より強い出力信号が得られ、
電子回路等による信号処理がより容易になる。

【００７７】３．（第一実施例〜第七実施例に対応す
る） （構成）第１項において、受光素子がスケールの透過光
を受光する場合はスケールの１ピッチあたりの透過部分
のスケール移動方向の寸法をωo 、また、受光素子がス
ケールの反射光を受光する場合はスケールの１ピッチあ
たりの反射部分のスケール移動方向の寸法をωo とし、
スケールを形成した面と受光素子の受光面または遮光面
の間の距離をＬ、レーザ光の波長をλとしたとき、 Ｐs ωo ／λ＞Ｌ≧ωo ² ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００７８】（作用）第１項の作用と同じである。 （効果）第１項の効果に加え、Ｐs ωo ／λ＞Ｌ≧ωo
² ／λの構成要件を満たすことにより、受光素子面上で
の光強度分布が平坦となることを妨げるので、スケール
変位に対する出力信号の強弱が適正値以上で得られる。

【００７９】４．（第一実施例〜第七実施例に対応す
る） （構成）第１項において、受光素子がスケールの透過光
を受光する場合はスケールの１ピッチあたりの透過部分
のスケール移動方向の寸法をωo 、また、受光素子がス
ケールの反射光を受光する場合はスケールの１ピッチあ
たりの反射部分のスケール移動方向の寸法をωo とし、
スケールを形成した面と受光素子の受光面または遮光面
の間の距離をＬ、レーザ光の波長をλとしたとき、 Ｌ＜ωo ² ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００８０】（作用）第１項の作用と同じである。 （効果）第１項の効果に加え、Ｌ＜ωo ² ／λの構成要
件を満たすことにより、受光素子面上での光強度分布が
複数の光ビームの重ね合わせや干渉の効果に影響され
ず、スケール変位に対する出力信号の強弱が非常に強く
得られる。また、このため、光ビームの重ね合わせによ
るビーム強度の平坦化による出力信号の劣化が殆どない
ので、スケールのピッチを非常に小さく設定できる。

【００８１】５．（第二実施例〜第七実施例に対応す
る） （構成）第２項において、受光素子がスケールの透過光
を受光する場合はスケールの１ピッチあたりの透過部分
のスケール移動方向の寸法をωo 、また、受光素子がス
ケールの反射光を受光する場合はスケールの１ピッチあ
たりの反射部分のスケール移動方向の寸法をωo とし、
スケールを形成した面と受光素子の受光面または遮光面
の間の距離をＬ、レーザ光の波長をλとしたとき、 Ｐs ωo ／λ＞Ｌ≧ωo ² ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００８２】（作用）第３項の作用に加えて、複数の受
光素子の受光領域または受光窓を有し、スケール上の各
々の透過または反射領域からの光ビームを受光領域また
は受光窓で同時に検出する。

【００８３】（効果）第３項の効果に加えて、スケール
上の各々の透過または反射領域からの光ビームを受光領
域または受光窓で同時に検出するので、受光強度が大き
くなり信号処理が容易となる。

【００８４】６．（第二実施例〜第七実施例に対応す
る） （構成）第２項において、受光素子がスケールの透過光
を受光する場合はスケールの１ピッチあたりの透過部分
のスケール移動方向の寸法をωo 、また、受光素子がス
ケールの反射光を受光する場合はスケールの１ピッチあ
たりの反射部分のスケール移動方向の寸法をωo とし、
スケールを形成した面と受光素子の受光面または遮光面
の間の距離をＬ、レーザ光の波長をλとしたとき、 Ｌ＜ωo ² ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００８５】（作用）第４項の作用に加えて、複数の受
光素子の受光領域または受光窓を有し、スケール上の各
々の透過または反射領域からの光ビームを受光領域また
は受光窓で同時に検出する。

【００８６】（効果）第４項の効果に加えて、スケール
上の各々の透過または反射領域からの光ビームを受光領
域または受光窓で同時に検出するので、受光強度が大き
くなり信号処理が容易となる。

【００８７】７．（第一実施例〜第七実施例に対応す
る） （構成）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たスケール
と、このスケールの一部を照射する面発光半導体レーザ
光源と前記スケールからの回折光を受光するための受光
素子を有する光学式エンコーダで、前記受光領域または
受光窓のスケール移動方向の寸法をωpd、前記レーザ光
源からスケールに照射された光ビームの回折光による受
光素子の受光面上における明暗パターンの光強度が最大
ピークの１／２となるスケール移動方向の幅をωbと
し、前記スケールの反射率または透過率を変調させたス
ケール移動方向のピッチをＰs 、スケール面上において
光ビーム強度がピーク値の１／２になるスケール移動方
向のビーム径をＷs とすると、 ωpd≦ωb かつ Ｗs ≧２Ｐs の関係を満たす光学式エンコーダにおいて、受光素子が
スケールの透過・回折光を受光する場合はスケールの１
ピッチあたりの透過部分のスケール移動方向の寸法をω
o 、また、受光素子がスケールの反射・回折光を受光す
る場合はスケールの１ピッチあたりの反射部分のスケー
ル移動方向の寸法をωo 、スケールを形成した面と受光
素子の受光面または遮光面の間の距離をＬ、レーザ光の
波長をλとしたとき、 Ｌ＞Ｐs ωo ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００８８】（作用）面発光レーザからの出射ビームは
非常にビーム放射角が小さいのでほぼ平行ビームでかつ
ほぼ平面波であるとみなすことができる。以下、代表的
な場合として、スケールに照射された光が透過して、さ
らに、回折することにより受光素子で検出される場合に
ついて説明する（反射して、回折する場合も同様）。ス
ケール面上においてビーム直径Ｗs がＷs ≧２Ｐs の関
係を満たすことにより、スケール上において光ビームは
スケールの２ピッチ以上のビーム径をもつ。従って、受
光素子にはスケールを通過した光が複数のビームになっ
て照射されるが、ωpd≦ωb なる関係があるため、受光
素子は特定の次数の回折光を受光する。今、スケールが
移動方向に変位したとすると、スケールからの回折光も
この方向に同じ変位量だけ動くので、受光素子からの出
力が、変位に対して周期Ｐs で三角波状または擬似的な
正弦波状に変化することを利用してスケールの変位を検
出することができる。

【００８９】（効果）従来の光学式エンコーダのように
レンズや固定スケールを必要とせずに、スケール変位に
対して周期Ｐs の三角波状または擬似的な正弦波状の信
号を得ることができる。同時に、スケール面上における
光ビームの径はスケールのピッチより十分大きくするこ
とができ、スケールピッチがスケール面上における光ビ
ームの径以下に制限されることがないため高分解能なエ
ンコーダが実現できる。さらに、領域Ｉや領域ＩＩでセ
ンサを使用する場合はＬが大きくなると、スケールの変
位に対して受光素子での出力信号の強弱の幅が小さくな
るが、本構成では回折を用いるのでこのような問題はな
い。

【００９０】８．（第二実施例〜第七実施例に対応す
る） （構成）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たスケール
と、このスケールの一部を照射する面発光半導体レーザ
光源と前記スケールからの回折光を受光するための受光
素子を有する光学式エンコーダで、受光素子の受光領域
または受光窓が面発光半導体レーザ光源からスケールに
照射された光ビームの反射光、透過光または回折光によ
る受光素子の受光面上における明暗パターンとスケール
移動方向に対して同じ間隔で複数形成され、前記受光領
域または受光窓のスケール移動方向の寸法をωpd、前記
レーザ光源からスケールに照射された光ビームの回折光
による受光素子の受光面上における明暗パターンの光強
度が最大ピークの１／２となるスケール移動方向の幅を
ωbとし、前記スケールの反射率または透過率を変調さ
せたスケール移動方向のピッチをＰs 、スケール面上に
おいて光ビーム強度がピーク値の１／２になるスケール
移動方向のビーム径をＷs とすると、 ωpd≦ωb かつ Ｗs ≧２Ｐs の関係を満たす光学式エンコーダにおいて、受光素子が
スケールの透過・回折光を受光する場合はスケールの１
ピッチあたりの透過部分のスケール移動方向の寸法をω
o 、また、受光素子がスケールの反射・回折光を受光す
る場合はスケールの１ピッチあたりの反射部分のスケー
ル移動方向の寸法をωo 、スケールを形成した面と受光
素子の受光面または遮光面の間の距離をＬ、レーザ光の
波長をλとしたとき、 Ｌ＞Ｐs ωo ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００９１】（作用）第７項の作用に加えて、複数の受
光素子の受光領域または受光窓を有し、異なる次数の回
折光を各々の受光領域または受光窓で同時に検出する。
このとき、異なる次数の回折光は各々特定の回折角で回
折するので、スケールの移動に対して受光面上で各回折
次数の光ピークの位置は互いに同じ変位量だけ移動す
る。

【００９２】（効果）第７項の効果に加えて、異なる次
数の回折光を各々の受光領域または受光窓同時に検出す
るので、受光強度が大きくなり信号処理が容易となる。 ９．（第一実施例の変形例に対応する） （構成）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たスケール
と、このスケールの一部を照射するコリメータレンズと
半導体レーザからなるレーザ光源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
を有する光学式エンコーダで、受光素子の受光領域また
は受光窓のスケール移動方向の寸法をωpd、半導体レー
ザ光源からスケールに照射された光ビームの反射光、透
過光または回折光による受光素子の受光面上における明
暗パターンの光強度が最大ピークの１／２となるスケー
ル移動方向の幅をωb とし、前記スケールの反射率また
は透過率を変調させたスケール移動方向のピッチをＰs
、スケール面上において光ビーム強度がピーク値の１
／２になるスケール移動方向のビーム径をＷs とする
と、 ωpd≦ωb かつ Ｗs ≧２Ｐs の関係を満たす光学式エンコーダにおいて、受光素子が
スケールからの透過・回折光を受光する場合はスケール
の１ピッチあたりの透過部分のスケール移動方向の寸法
をωo 、また、受光素子がスケールの反射・回折光を受
光する場合はスケールの１ピッチあたりの反射部分のス
ケール移動方向の寸法をωo とし、スケールを形成した
面と受光素子の受光面または遮光面の間の距離をＬ、レ
ーザ光の波長をλとしたとき、 Ｌ＞Ｐs ωo ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００９３】（作用）光源は面発光レーザの代わりに、
端面出射型の半導体レーザを用い、出射ビームの拡がり
をコリメートレンズで制御し、平行ビームに成形する。
この他は第７項の作用と同じである。

【００９４】（効果）第７項の効果に加えて、技術的に
面発光レーザに比べてレーザの製造が容易で入手しやす
い通常の半導体レーザを使うことができる。 １０．（第二実施例を第一実施例の変形例に適用した場
合に対応する） （構成）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たスケール
と、このスケールの一部を照射するコリメータレンズと
半導体レーザからなるレーザ光源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
を有する光学式エンコーダで、受光素子の受光領域また
は受光窓が面発光半導体レーザ光源からスケールに照射
された光ビームの反射光、透過光または回折光による受
光素子の受光面上における明暗パターンとスケール移動
方向に対して同じ間隔で複数形成され、前記受光領域ま
たは受光窓のスケール移動方向の寸法をωpd、半導体レ
ーザ光源からスケールに照射された光ビームの反射光、
透過光または回折光による受光素子の受光面上における
明暗パターンの光強度が最大ピークの１／２となるスケ
ール移動方向の幅をωb とし、前記スケールの反射率ま
たは透過率を変調させたスケール移動方向のピッチをＰ
s 、スケール面上において光ビーム強度がピーク値の１
／２になるスケール移動方向のビーム径をＷs とする
と、 ωpd≦ωb かつ Ｗs ≧２Ｐs の関係を満たす光学式エンコーダにおいて、受光素子が
スケールからの透過・回折光を受光する場合はスケール
の１ピッチあたりの透過部分のスケール移動方向の寸法
をωo 、また、受光素子がスケールの反射・回折光を受
光する場合はスケールの１ピッチあたりの反射部分のス
ケール移動方向の寸法をωo とし、スケールを形成した
面と受光素子の受光面または遮光面の間の距離をＬ、レ
ーザ光の波長をλとしたとき、 Ｌ＞Ｐs ωo ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【００９５】（作用）第９項の作用に加えて、複数の受
光素子の受光領域または受光窓を有し、異なる次数の回
折光を各々の受光領域または受光窓同時に検出する。 （効果）第９項の効果に加えて、異なる次数の回折光を
各々の受光領域または受光窓同時に検出するので、受光
強度が大きくなり信号処理が容易となる。

【００９６】１１．（第三実施例に対応する） （構成）第１項ないし第１０項において、スケールをス
ケールの移動方向を軸として回転させ、スケールの透過
または反射面がレーザビームに対して垂直でない配置と
することを特徴とする光学式エンコーダ。

【００９７】（作用）スケールを傾斜させることによ
り、スケールから面発光レーザに反射して帰還してくる
レーザ光が抑制され、レーザ光の強度変化が抑えられ
る。この他は、第１項ないし第１０項の各々の作用と同
じである。

【００９８】（効果）スケールから面発光レーザに反射
して帰還してくるレーザ光がある場合は、スケールと面
発光レーザの距離により帰還する光の位相が変化し、こ
れがレーザと相互作用し、レーザ光の強度変化を引き起
こす。また、スケールが動くとスケールの反射率の高い
部分と低い部分からの帰還光の割合がわずかに変化する
のでこれによってもレーザ光の強度が変化する。スケー
ルを傾斜させることにより、スケールから面発光レーザ
に反射して帰還してくるレーザ光が抑制され、レーザ光
の強度変化が抑えられ、ひいては、センサ信号を安定に
する効果がある。

【００９９】１２．（第四実施例に対応する） （構成）第１項ないし第１０項において、スケールをス
ケールの移動方向に対する垂線とレーザビームの主軸を
互いに傾斜させるように配置することを特徴とする光学
式エンコーダ。

【０１００】（作用）スケールを傾斜させることによ
り、スケールから面発光レーザに反射して帰還してくる
レーザ光が抑制され、レーザ光の強度変化が抑えられ
る。この他は、第１項ないし第１０項の各々の作用と同
じである。

【０１０１】（効果）第１１項の場合は、レーザビーム
の主軸と垂直な面に対してスケールをスライドさせる場
合にコンパクトな構成であるが、本構成では、レーザビ
ームの主軸に対して傾斜した面でスケールをスライドさ
せる場合にコンパクトな構成となる。

【０１０２】１３．（第五実施例に対応する） （構成）光源に対して相対的に移動し、かつ、回折格子
が機能する領域と機能しない領域を交互に形成したスケ
ールと、このスケールの一部を照射する面発光半導体レ
ーザ光源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を有する光学式エンコー
ダにおいて、受光素子の受光領域または受光窓のスケー
ル移動方向の寸法をωpd、面発光半導体レーザ光源から
スケールに照射された光ビームの反射光、透過光または
回折光による受光素子の受光面上における明暗パターン
のスケール移動方向の周期をＰb 、前記スケールの反射
率または透過率を変調させたスケール移動方向のピッチ
をＰs 、スケール面上において光ビーム強度がピーク値
の１／２になるスケール移動方向のビーム径をＷs とす
ると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐｓ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【０１０３】（作用）レーザからスケールに照射された
光の全部または一部が回折して受光素子に入射する。こ
の他は、第１項または第２項の作用と同じである。 （効果）第１項または第２項の効果に加えて、受光素子
に入射する回折光はスケールからの単なる反射光や透過
光と向きが異なるため、受光素子の受光面からの反射光
が半導体レーザに帰還しない。従って、受光素子の受光
面をスケールの面と平行にした場合でも、受光面に反射
防止膜などの反射防止対策を講じなくても、帰還する光
によるレーザ出力の不安定化を抑制できる。

【０１０４】１４．（第五実施例の変形例に対応する） （構成）光源に対して相対的に移動し、かつ、回折格子
が機能する領域と機能しない領域を交互に形成したスケ
ールと、このスケールの一部を照射するコリメータレン
ズと半導体レーザよりなる光源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を
有する光学式エンコーダにおいて、受光素子の受光領域
または受光窓のスケール移動方向の寸法をωｐｄ、半導
体レーザ光源からスケールに照射された光ビームの反射
光、透過光または回折光による受光素子の受光面上にお
ける明暗パターンのスケール移動方向の周期をＰb 、前
記スケールの反射率または透過率を変調させたスケール
移動方向のピッチをＰs 、スケール面上において光ビー
ム強度がピーク値の１／２になるスケール移動方向のビ
ーム径をＷs とすると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。

【０１０５】（作用）コリメータレンズを半導体レーザ
と組み合わせることにより、面発光半導体レーザの場合
と同様に、平行度の高いビームを出射できる。その他
は、第１３項の作用と同じである。

【０１０６】（効果）第１３項の効果に加えて、光源で
ある半導体レーザの入手が、面発光半導体レーザに比較
して容易である。 １５．（第六実施例に対応する） （構成）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パターン形成された
スケールと、このスケールの一部を照射する面発光半導
体レーザ光源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を有する光学式エン
コーダで、受光素子の受光領域または受光窓が面発光半
導体レーザ光源からスケールに照射された光ビームの反
射光、透過光または回折光による受光素子の受光面上に
おける明暗パターンとスケール移動方向に対して同じ間
隔で複数形成され、前記受光領域または受光窓のスケー
ル移動方向の寸法をωpd、前記受光面上における明暗パ
ターンのスケール移動方向の周期をＰb 、前記スケール
の反射率または透過率を変調させたスケール移動方向の
ピッチをＰs 、スケール面上において光ビーム強度がピ
ーク値の１／２になるスケール移動方向のビーム径をＷ
s とすると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たす光学式エンコーダにおいて、前記パター
ン形成されたスケールのパターンが、ビーム照射領域内
で１／２周期以外の位相シフトを有して２組形成され、
これらの各々の組からの反射または、透過、回折光を分
離して検出できる受光素子を備えた光学式エンコーダ。

【０１０７】（作用）面発光半導体レーザから出射した
光が互いに異なる位相で形成されたスケール上のパター
ンに同時に照射され、スケール上の位相差をもった各々
のパターンから反射または透過、回折した光が分離され
た受光素子に各々入射する。従って、スケールが移動す
ると、各々の受光素子からの出力は互いに相似形状だ
が、互いに一定の位相差をもって出力される。

【０１０８】（効果）互いに分離された受光素子から位
相差をもった信号波形が出力されるので、これらの位相
の遅延の関係を調べることにより、スケールの移動の向
きが判定できる。

【０１０９】１６．（第七実施例に対応する） （構成）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パターン形成された
スケールと、このスケールの一部を照射する面発光半導
体レーザ光源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を有する光学式エン
コーダで、受光素子の受光領域または受光窓が面発光半
導体レーザ光源からスケールに照射された光ビームの反
射光、透過光または回折光による受光素子の受光面上に
おける明暗パターンとスケール移動方向に対して同じ間
隔で複数形成され、前記受光領域または受光窓のスケー
ル移動方向の寸法をωpd、前記受光面上における明暗パ
ターンのスケール移動方向の周期をＰb 、前記スケール
の反射率または透過率を変調させたスケール移動方向の
ピッチをＰs 、スケール面上において光ビーム強度がピ
ーク値の１／２になるスケール移動方向のビーム径をＷ
s とすると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たす光学式エンコーダにおいて、前記複数形
成された受光領域または受光窓のパターンが、ビーム受
光領域内で１／２周期以外の位相シフトを有して２組形
成され、これらの各々の組の受光量を分離して検出でき
る受光素子を備えた光学式エンコーダ。

【０１１０】（作用）面発光半導体レーザから出射した
光が互いに異なる位相で形成されたスケール上のパター
ンに同時に照射され、スケール上の位相差をもった各々
のパターンから反射または透過、回折した光が、受光素
子の受光面上で明暗のパターン示すが、この明暗パター
ンに対して、互いに位相シフトした受光窓または受光領
域に入射し、更に、これらの位相シフトした受光窓また
は受光領域が分離されている。従って、スケールが移動
すると、各々の受光素子からの出力は互いに相似形状だ
が、互いに一定の位相差をもって出力される。

【０１１１】（効果）第１５項と同様なスケールの移動
の向き判定可能な二つ以上の位相差信号を、受光窓に形
成した受光領域または受光窓のパターンにより得ること
ができる。第１５項の場合はこの位相シフトパターンを
スケール上に配置する必要があるが、この場合は面発光
半導体レーザからのビームの照射領域内にこの位相シフ
トが配置されるように調整する必要があり、更に、各々
のパターンからのビーム領域に合うように受光素子も空
間的に分離する必要があり組立が難しい。これに対し
て、本項では、面発光半導体レーザとスケールの配置に
このような制約がなく、単にスケールからの反射または
透過、回折光が受光素子の位相シフトパターンにかかる
ように配置するだけでよく、素子の組立が容易になる。

【０１１２】

【発明の効果】請求項１の光学式エンコーダによれば、
従来の光学式エンコーダのようにレンズや固定スケール
を必要とせずに、スケール変位に対して周期Ｐs の三角
波状または擬似的な正弦波状の信号を得ることができ
る。同時に、スケール面上における光ビームの径はスケ
ールのピッチより十分大きくすることができ、スケール
ピッチがスケール面上における光ビームの径以下に制限
されることがないため高分解能なエンコーダが実現でき
る。

【０１１３】請求項２の光学式エンコーダによれば、従
来の光学式エンコーダのようにレンズや固定スケールを
必要とせずに、スケール変位に対して周期Ｐs の三角波
状または擬似的な正弦波状の信号を得ることができる。
同時に、スケール面上における光ビームの径はスケール
のピッチより十分大きくすることができ、スケールピッ
チがスケール面上における光ビームの径以下に制限され
ることがないため高分解能なエンコーダが実現できる。
この場合、第１項に比べて多くの受光窓を有し、たくさ
んの透過光（あるいは反射光、回折光）を受光するの
で、より強い出力信号が得られ、電子回路等による信号
処理がより容易になる。

【０１１４】請求項３の光学式エンコーダによれば、従
来の光学式エンコーダのようにレンズや固定スケールを
必要とせずに、スケール変位に対して周期Ｐs の三角波
状または擬似的な正弦波状の信号を得ることができる。
同時に、スケール面上における光ビームの径はスケール
のピッチより十分大きくすることができ、スケールピッ
チがスケール面上における光ビームの径以下に制限され
ることがないため高分解能なエンコーダが実現できる。
さらに、スケールから受光素子までの距離ＬがＬ＜Ｐs
ωo ／λを満足する領域で使用する場合、Ｌが大きくな
ると、スケールの変位に対して受光素子での出力信号の
強弱の幅が小さくなるが、本構成では回折を用いるので
このような問題はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の光学式エンコーダの構成
を示す図である。

【図２】図１に示したスケールの正面図である。

【図３】図１の光学式エンコーダにおけるスケールの変
位に対する受光素子の出力の特性を示すグラフである。

【図４】一つの透過窓を通過した光の広がり方を示す図
である。

【図５】複数の透過窓を通過した光の重なり具合を示す
図である。

【図６】図５において透過窓からの距離をＬとした場合
に、様々な距離Ｌの面上に生成される明暗パターンを示
す図である。

【図７】本発明の第二実施例の光学式エンコーダの構成
を示す図である。

【図８】本発明の第三実施例の光学式エンコーダの構成
を示す図である。

【図９】本発明の第三実施例の変形例である反射型の光
学式エンコーダの構成を示す図である。

【図１０】本発明の第四実施例の光学式エンコーダの構
成を示す図である。

【図１１】本発明の第四実施例の変形例である反射型の
光学式エンコーダの構成を示す図である。

【図１２】本発明の第五実施例の光学式エンコーダの構
成を示す図である。

【図１３】本発明の第五実施例の変形例である反射型の
光学式エンコーダの構成を示す図である。

【図１４】第五実施例に使用されるスケールの構造を説
明するための図である。

【図１５】第五実施例に使用される別のスケールの構造
を説明するための図である。

【図１６】第一実施例ないし第五実施例に改良を加えて
スケールの移動方向を判別する機能をもたせた第六実施
例の光学式エンコーダにおいて、スケールと受光素子を
光源側から見た図である。

【図１７】第一実施例ないし第五実施例に改良を加えて
スケールの移動方向を判別する機能をもたせた第七実施
例の光学式エンコーダにおいて、スケールと受光素子を
光源側から見た図である。

【図１８】従来例の光学式エンコーダを説明するための
図である。

【図１９】本発明者らが提案した光学式エンコーダを説
明するための図である。

【符号の説明】

１…面発光レーザ、２…スケール、３…受光素子、５…
遮光部、５１…遮光膜。

フロントページの続き (72)発明者 橋本 栄 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 駒崎 岩男 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 村上 賢治 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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たスケ
   ールと、このスケールの一部を照射する面発光半導体レ
   ーザ光源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を有する光学式エンコー
   ダにおいて、 受光素子の受光領域または受光窓のスケール移動方向の
   寸法をωpd、面発光半導体レーザ光源からスケールに照
   射された光ビームの反射光、透過光または回折光による
   受光素子の受光面上における明暗パターンのスケール移
   動方向の周期をＰb 、 前記スケールの反射率または透過率を変調させたスケー
   ル移動方向のピッチをＰs 、スケール面上において光ビ
   ーム強度がピーク値の１／２になるスケール移動方向の
   ビーム径をＷs とすると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】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たスケ
   ールと、このスケールの一部を照射する面発光半導体レ
   ーザ光源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を有する光学式エンコー
   ダにおいて、 受光素子の受光領域または受光窓が面発光半導体レーザ
   光源からスケールに照射された光ビームの反射光、透過
   光または回折光による受光素子の受光面上における明暗
   パターンとスケール移動方向に対して同じ間隔で複数形
   成され、 前記受光領域または受光窓のスケール移動方向の寸法を
   ωpd、前記受光面上における明暗パターンのスケール移
   動方向の周期をＰb 、 前記スケールの反射率または透過率を変調させたスケー
   ル移動方向のピッチをＰs 、スケール面上において光ビ
   ーム強度がピーク値の１／２になるスケール移動方向の
   ビーム径をＷs とすると、 ωpd＜Ｐb かつ Ｗs ＞Ｐs の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 【請求項３】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たスケ
   ールと、このスケールの一部を照射する面発光半導体レ
   ーザ光源と前記スケールからの回折光を受光するための
   受光素子を有する光学式エンコーダで、 前記受光領域または受光窓のスケール移動方向の寸法を
   ωpd、前記レーザ光源からスケールに照射された光ビー
   ムの回折光による受光素子の受光面上における明暗パタ
   ーンの光強度が最大ピークの１／２となるスケール移動
   方向の幅をωbとし、 前記スケールの反射率または透過率を変調させたスケー
   ル移動方向のピッチをＰs 、スケール面上において光ビ
   ーム強度がピーク値の１／２になるスケール移動方向の
   ビーム径をＷs とすると、 ωpd≦ωb かつ Ｗs ≧２Ｐs の関係を満たす光学式エンコーダにおいて、 受光素子がスケールの透過・回折光を受光する場合はス
   ケールの１ピッチあたりの透過部分のスケール移動方向
   の寸法をωo 、また、受光素子がスケールの反射・回折
   光を受光する場合はスケールの１ピッチあたりの反射部
   分のスケール移動方向の寸法をωo 、スケールを形成し
   た面と受光素子の受光面または遮光面の間の距離をＬ、
   レーザ光の波長をλとしたとき、 Ｌ＞Ｐs ωo ／λ の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。