JPH0914994A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】小型化を可能にする光学式エンコーダの提供。 【構成】光源に対して相対的に移動し、反射率または透
過率の異なる領域が規則的に形成された移動スケール
と、この移動スケールの一部を照射するための面発光半
導体レーザ光源と、移動スケールからの反射光または透
過光を受光するための受光素子を具備する光学式エンコ
ーダ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、装置の可動部分の移動
量検出に用いられる光学式エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学式エンコーダは、半導体レー
ザ等の光源、光検出器（または受光素子）、回折格子、
コリメータレンズ（または集光レンズ）等の部品から構
成されており、小型化が困難な構造となっていた。この
ような例としては、例えば、特開昭６１−４２６７７号
や「日経メカニカル、1988.7.25 、p.54」があり、各々
を図１，図２に示す。

【０００３】(1) 特願昭６１−４２６７７号（図１参
照） レーザ１から出射した光はコリメータレンズ２で平行光
になり、ビームスプリッタ３を透過して移動する回折格
子４に入射する。回折格子４によって回折された光はミ
ラー５，５’で反射され、ビームスプリッタ３で再び重
ねあわされて光検出器６で検出され、その強度変化によ
って回折格子４の移動量を知ることができる。しかし、
この構成においては、図１のようにレーザ１、コリメー
タレンズ２、ビームスプリッタ３等多くの部材を必要と
し、エンコーダ全体はかなり大きなサイズとなり、小型
の装置などに組み込むには適さない。

【０００４】また、図１ではスケールに回折格子が使わ
れているが、回折効果を使わず高反射率部と低反射率部
を交互に配置したスケールを用いてスケールの明暗のみ
を検知するエンコーダも公知技術として知られている。
この場合は、スケールのピッチをあまり小さくすること
ができないため、エンコーダとしての分解能は低下する
が干渉用のミラー５，５’が不要となり小型化が可能と
なる。しかしながら、この場合にも光源に通常のストラ
イプ型半導体レーザを用いる場合はコリメータレンズは
必須の部材であり従来省略することはできなかった。

【０００５】(2) 「日経メカニカル、1988.7.25 、p.5
4」（図２参照） 光源21から出射した光ビームがコリメータレンズ２によ
り平行ビームに整形され、固定スケール22、これと同じ
スケールピッチを有する移動スケール23を透過し、受光
部24に達する。移動スケールが変位すると、固定スケー
ルと移動スケールの透過可能な部分の重なりの程度が変
化する。従って、受光部では移動量に応じて出力信号が
変化することを利用して、変位量を計測することができ
る。

【０００６】以上、図１に示す構成では、ビームスプリ
ッタやレンズ、ミラーなどを、また図２に示す構成では
レンズや二つのスケールを空間的に高精度で配置する必
要がある。従って、製作が難しく、またサイズが大きい
ものとならざるを得ず、更にはコストも高いものであっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように従来
技術によるエンコーダは、端面出射型の一般的な半導体
レーザ光源を用いているために小型化が困難という問題
点がある。この発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、小型化が可能な光学式エンコーダを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、光源に対し
て相対的に移動移動し、反射率または透過率の異なる領
域が規則的に形成された移動スケールと、この移動スケ
ールの一部を照射するための面発光半導体レーザ光源
と、前記移動スケールからの反射光または透過光を受光
するための受光素子を具備することを特徴とする光学式
エンコーダである（以下は、光検出器と受光素子は同義
語として記述する）。

【０００９】特に、上記光学式エンコーダにおいては前
記移動スケールと面発光半導体レーザ光源の光ビーム出
射面とのレーザ光の出射の中心軸上における距離をＬ、
光ビームの波長をλ、スケールピッチをｐ、前記移動ス
ケール面上でスケールのピッチ方向をベクトルＰ（以
下、明細書中ではベクトルＰを単にＰと表記し、図面で
は太字のＰと表わす）、前記移動スケール面上でピッチ
方向Ｐと垂直な方向をベクトルＱ（以下、明細書中では
ベクトルＱを単にＱと表記し、図面では太字のＱと表わ
す）、レーザ光出射方向に垂直な平面と前記ピッチ方向
Ｐ，Ｑのなす角をそれぞれθ，ψ、スケールのピッチ方
向Ｐをレーザ光出射方向に垂直な平面に投影した方向の
前記光源の開口長をａとしたとき、Ｌ≧ａ² ／λの場合
に、 ｐ・ｃｏｓθ≧λ・Ｌ／ａ （但し、−π／２＜θ＜π／２、−π／２＜ψ＜π／
２）の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ
である。

【００１０】また、前記移動スケールと面発光半導体レ
ーザ光源の光ビーム出射面とのレーザ光の出射の中心軸
上における距離をＬ、光ビームの波長をλ、スケールピ
ッチをｐ、前記移動スケール面上でスケールのピッチ方
向をＰ、前記移動スケール面上でピッチ方向Ｐと垂直な
方向をＱ、レーザ光出射方向に垂直な平面と前記方向
Ｐ，Ｑのなす角をそれぞれθ，ψ、スケールのピッチ方
向Ｐをレーザ光出射方向に垂直な平面に投影した方向の
前記光源の開口長をａとしたとき、Ｌ＜ａ² ／λの場合
に、 ｐ・ｃｏｓθ≧ａ （但し、−π／２＜θ＜π／２、−π／２＜ψ＜π／
２）の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ
である。

【００１１】

【作用】この発明においては、薄膜表面から光が放射さ
れる構造の半導体光源から放射した光をスケールにおい
て反射（または透過）させ、その反射光（又は透過光）
を受光素子により受光する（光源の開口形状が持つべき
条件については実施例の項で詳述する）。ここで、「基
板」とは、誘電体基板、半導体基板のいずれかでもよ
い。

【００１２】光源として面発光レーザ光源を用いること
により、数μｍないしは数百μｍ程度のビーム出射窓の
大きさや形状を適切に設計することができる。従って、
ビーム広がり角を制御して、数μｍないしは数百μｍ程
度のビーム出射窓から鋭いビームを出射することができ
るため、図１や図２の例のようなコリメータレンズを省
略することができる。また、面発光レーザ光源の細く鋭
いビームを利用することにより、ビームを移動スケール
に対して空間的に絞ることができるため、図２の例のよ
うに固定スケールが必ずしも必要でなく、固定スケール
と移動スケールの高精度な配置や保持技術も必要とされ
ない。更に、面発光レーザ光源の細く鋭いビームを利用
してスケールからの反射光または透過光の明暗を検出す
ることにより、高分解能なエンコーダを実現できる。

【００１３】その結果、極めて小形、薄型で、かつシン
プルな構成により高分解能なエンコーダを実現できる。
また、レンズやそのほか多数の光学部品が必要でないの
で、光源から受光素子に至る光学部品の光学的な調整の
手間が簡略化され、極めて低コストなエンコーダが実現
できる。

【００１４】

【実施例】以下実施例について説明するが、その前に各
実施例に共通する発明の原理について述べる。図３は、
この実施例で光源として用いられる面発光レーザの構造
の１例を示した図である。図のように活性層（発光層）
31を挟んで両端に多層薄膜ミラー32が形成され、さらに
これを上部電極33及び下部電極34が挟みこむ構成となっ
ている。前記上部電極33，下部電極34間に電圧を印加す
ると活性層31に電流が注入され、活性層31が発光する。
活性層31と多層薄膜ミラー32により膜厚方向に共振器が
形成されているため、この方向に発振が起こり、光は図
のように膜平面に対して垂直な方向に出射する（光が出
射する部分のみ上部電極を除去してある）。これらの構
造を実現する材料としては、例えば活性層31にＧａＡ
ｓ、多層薄膜ミラー32にｐ型またはｎ型のＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓ積層膜などが挙げられる。

【００１５】この構造のレーザの利点として、上部電極
のパターニングにより開口（光の放射口）の形状を自由
に設計できる点がある。放射光のビーム広がりは開口の
形状及び大きさによって規定される（開口により回折が
発生しビーム広がりが生ずる）ので、開口を適当に設計
することによりビーム広がりを比較的小さく抑えること
ができる。従って、適切に設計された面発光レーザを光
源としてエンコーダを構成すれば、従来例に用いられて
いるコリメータレンズ（または集光レンズ）が不要とな
り極めて小型のエンコーダを実現できる。

【００１６】こうした構成のエンコーダについて、以下
具体的な計算例をもとに説明する。面発光レーザを用
い、コリメータレンズを省略してエンコーダを構成した
場合の構成図を示す。図４のように、面発光レーザ41か
ら出射したビームをリニアスケール42で反射（または透
過）させ、反射（または透過）光を光検出器43₁ （また
は43₂ ）の受光素子で受光する。ここで、「スケール」
とは、反射率（または透過率）の大きな部分と、反射率
（または透過率）の小さな部分が交互に規則的に配置さ
れた部材を指す。このような部材は、例えばガラス基板
にＡｌなどの高反射率の薄膜を蒸着し、これをリソグラ
フィー技術を用いてパターニングすることで容易に実現
できる。

【００１７】なお、上記の構成において、スケールから
の反射光を検出する光検出器43₁ とスケールからの透過
光を検出する光検出器43₂ は少なくともどちらか一つあ
ればエンコーダとして動作するので、以下の実施例にお
いては、反射型の場合に対して記載することとするが、
本発明はこれに限定されるものではなく、同様な構成で
透過型の場合もエンコーダが構成可能である。

【００１８】また、図４ではスケールとしてリニアスケ
ールを用いた場合を示すが、図５に示す如く光源に対し
て相対的に回転するロータリースケール51を用いて対象
の回転を測定することも可能である。以下の実施例にお
いては、リニアスケールを用いた場合に対して記載する
こととするが、本発明はこれに限定されるものではな
く、同様な構成でロータリースケールを用いた構成も可
能である。

【００１９】また、図４，図５では、光検出器43₁ ，43
₂ の受光面を光ビームの入射方向に垂直な面に対して、
各々、θ₁ ，θ₂ だけ傾斜して配置しているが、これは
光検出器の受光面からの反射光が面発光レーザに帰還す
ることによるセンサ出力の変動、即ち、戻り光による出
力変動を抑制するためである。従って、受光面からの戻
り光の影響がセンサ出力に対して小さい場合、例えば、
受光面に無反射膜（または低反射膜）を形成した場合な
どでは、必ずしもθ₁ ≠０，θ₂ ≠０とする必要はな
い。

【００２０】以上、図４においては、θ≠０かつψ＝０
の場合について示しているが、図６にθ＝０かつψ≠０
の場合について示す。本図はリニアスケール42の面発光
レーザ41に対する姿勢（前記θ，ψで表される）が異な
ること、及び光検出器43₁ 、43₂ の受光面と光ビーム入
射方向に垂直な面との傾斜角をψ₁ 、ψ₂ と定義してい
ること以外は、図４と同一であり、構成等の説明は省略
する。

【００２１】一方、リニアスケールに照射される光の強
度分布は先述したように面発光レーザの開口の形状と、
リニアスケールと開口の距離で規定される。図７に示す
ように前記移動スケール面上でスケールのピッチ方向を
Ｐ、前記移動スケール面上でピッチ方向Ｐと垂直な方向
をＱ、レーザ光出射方向に垂直な平面と前記方向Ｐ，Ｑ
のなす角をそれぞれθ，ψ（但し、ψ＝０）、リニアス
ケール42のピッチ方向Ｐをレーザ光出射方向に垂直な平
面に投影した方向のレーザ開口長をａ、レーザとリニア
スケール42の間のレーザ光の出射の中心軸上における距
離をＬ、レーザ波長をλとすると、Ｌがａに対して十分
に大きい場合（望ましくは、Ｌ≧ａ² ／λの範囲）、ス
ケール上のレーザビームのＰ方向のビーム径Ｗ（半値全
幅）はおよそ下記数１に示す（１）式で与えられる。

【００２２】

【数１】 一方、Ｌ＜ａ² ／λの場合は、おおよそ下記数２に示す
（２）式で与えられる。

【００２３】

【数２】 スケールにおける光ビームの反射（または透過）の明暗
を良好な信号振幅（受光量を示す出力信号波形において
極大値と極小値の差を信号振幅と定義する。）で検出す
るためには、スケールのピッチｐはＰ方向のビーム径Ｗ
より大きい方が望ましい。従って、信号振幅の大きな出
力信号を得るためには、Ｌ≧ａ² ／λの場合には、下記
（３）式 ｐ・ｃｏｓθ≧λ・Ｌ／ａ …（３） （但し、−π／２＜θ＜π／２，ψ＝０） Ｌ＜ａ² ／λの場合には、下記（４）式 ｐ・ｃｏｓθ≧ａ …（４） （但し、−π／２＜θ＜π／２，ψ＝０）とすることが
望ましい。

【００２４】以上、図７においては、θ≠０かつψ＝０
の場合について示しているが、図８にθ＝０かつψ≠０
の場合について示す。これ以外の各種定義は図７に対す
るものと同一であるため、ここでは省略する。本図の場
合、スケール上のレーザビームのＰ方向のビーム径Ｗ
（半値全幅）は、ψによらず一定であるため（図８
（Ａ）の正面図参照）、Ｌがａに対して十分に大きい場
合（望ましくは、Ｌ≧ａ² ／λの範囲）は、Ｗはおおよ
そ下記数３に示す（５）式で与えられる。

【００２５】

【数３】 一方、Ｌ＜ａ² ／λの場合は、おおよそ下記数４に示す
（６）式で与えられる。

【００２６】

【数４】

【００２７】図７の場合と同様に、信号振幅の大きな出
力信号を得るためには、スケールのピッチｐはＰ方向の
ビーム径Ｗより大きい方が望ましい。従って、Ｌ≧ａ²
／λの場合には、下記（７）式とし、 ｐ≧λ・Ｌ／ａ（但し、θ＝０，−π／２＜ψ，π／２） …（７） Ｌ＜ａ² ／λの場合には下記（８）式とすることが望ま
しい。

【００２８】 ｐ≧ａ（但し、θ＝０，−π／２＜ψ，π／２） …（８） 以上のように、θ＝０，ψ≠０の場合は、ψの値によら
ず、式（５）〜（８）が成り立つことがわかる。

【００２９】また、図示しないが、θ≠０，ψ≠０の場
合については、図８の例で示すようにψの値に依存しな
いため、式（１）〜（４）がθ，ψの値によらず成り立
つといってよい。

【００３０】以上は極めて粗い概算であるが、以下に回
折積分を用いたスケール面上の光強度分布の厳密な計算
例を図９に示す。開口長ａの光源の出射窓から出射され
る平面波の距離Ｌにおける光強度分布｜Ａ｜² は、Ｌが
大きい時（Ｌ≧ａ² ／λ）には、出射窓に対応した瞳関
数を空間的にフーリエ変換することにより下記数５に示
す（９）式で表される。

【００３１】

【数５】 但し、出射ビームの中心をｘの原点とし、この出射面に
平行にｘ軸を考える。また、Ｃはｘに依存しない定数で
ある。

【００３２】図９は波長λ＝１μｍ、開口幅ａ＝１０μ
ｍ、スケールと開口の距離Ｌ＝１００μｍで計算したも
のであるが（縦軸はＣ＝１として正規化されている）、
スポット系は半値全幅で約１０μｍとなり、光量プロフ
ァイルは図のようになる（リニアスケールと開口のなす
角θは小さいと仮定し計算上無視している。また、これ
以後の計算でもθ＝０の場合については記載するが、θ
≠０の場合のピッチｐをｐ・ｃｏｓθと置きかえて考え
ればよい。） このスポットがリニアスケールに当った場合の反射光の
光量は、リニアスケールの反射率分布とスポット強度分
布の積をｘ軸上で積分すれば得られる（光検出器は反射
光量すべてを受光できるほど十分大きいとする）。リニ
アスケールの反射率分布を計算上フーリエ級数で表現
し、このスケールが矢印の方向に１０μｍ／ｓで移動し
た場合の光検出器で得られる信号光量を求めたものを図
８、図９に示す。ここで、図１０はスケール反射率分
布、図１１は検出器の受光量を示す。

【００３３】これはスケールピッチｐ＝２０，１５，１
０μｍについて計算した結果であるが、ピッチに対応し
た周期的な信号が得られ、この信号波形と変位量の関係
を用いて、（例えば、この信号の周期をカウントした
り、あるいは、信号を変位の信号に電子的に変換するこ
と等により）スケールの変位量を計測できる。

【００３４】ピッチが細かくなるにつれ信号振幅（スケ
ールから１００％反射する場合と無反射の場合の出力信
号の差を１として正規化している）は小さくなる。図１
０、図１１条件では、（１）式、（２）式よりビーム径
Ｗはスケール上で、およそＷ＝１０μｍであるが、図１
０、図１１の結果よりおよそこれと同じピッチ、即ちｐ
≧Ｗの範囲であれば信号振幅が０．１程度以上が得られ
ることがわかり、これがエンコーダの出力信号の信号振
幅を一定以上に設計するための指針になると考えられ
る。

【００３５】図１２にスケールピッチｐに対する信号振
幅の変化を示す。図中の○印は図１０のそれぞれのｐに
対応する。ｐ＝１０の場合は条件式（３）の条件の下限
となる（ｐ＝Ｌλ／ａが成立する）。この場合には図よ
りわかるように信号振幅は全体光量の１／１０程度とな
り、以下の説明ではこの（信号振幅が０．１になる）状
態を実用的な信号振幅の下限とみなすことにする。な
お、光検出器のＳ／Ｎが高い場合には、さらに、信号振
幅が０．０１でも使用可能である。この結果より先の概
算による（３）式の条件が極めて妥当なものであること
がわかる。

【００３６】さらに、Ｌ＜ａ² ／λの場合にはビーム径
Ｗがおよそａであることもあわせて考慮することによ
り、エンコーダの仕様が与えられたときに、出力信号が
良好なＳ／Ｎを持つための設計条件が上記（３），
（４）式により与えられる。図１３では、仮にλ＝１μ
ｍ，Ｌ＝１００μｍの条件下でスケールピッチｐ≦３０
μｍとして、信号振幅が０．１以上になるための開口長
ａの範囲を示す。図１４では一例として、λ＝１μｍ，
ａ＝５μｍ，１０μｍ，１５μｍが与えられた時に、ス
ケールのピッチｐを３０μｍ以下で使用することを前提
とした、（信号振幅が０．１以上となる）望ましいｐと
Ｌの範囲を各々のａに対して斜線で示す。このように、
面発光半導体レーザを光源に用いることにより、レーザ
光の出射窓の径ａを広範に設計できるので、上記のよう
にして適切なＬ，λ，ｐ，ａの構造パラメータを決定す
ることにより、所定の分解能をもったエンコーダが実現
できる。特に、スケールピッチの細かいエンコーダをレ
ンズを省略して実現することができるため、高分解能な
光学式エンコーダの小型化や製作の簡略化が可能とな
る。

【００３７】（実施例１）図１５（Ａ），（Ｂ）を参照
する。ここで、図１５（Ａ）は光学式エンコーダの側面
図、図１５（Ｂ）は斜視図を示す。図１５のように部分
的に凹部131 を形成した誘電体基板132 上に面発光レー
ザ（発光素子）133 及び受光素子134 がそれぞれ別個に
接着されており、特に面発光レーザ133 は凹部131 の斜
面上に置かれている。なお、図中の符番135 はリニアス
ケールである。

【００３８】次に、この実施例１に係る光学式エンコー
ダの作用を説明する。面発光レーザ133 を出射した光は
リニアスケール135 で反射され、０次回折光（すなわち
反射光）が受光素子134 で受光される。面発光レーザ
は、先に述べたように開口の大きさその他を適切に選ぶ
ことによりスポット広がりをある程度抑えることがで
き、このため従来のようなビーム整形のためのコリメー
タレンズなしで高分解能なエンコーダを構成することが
できる。なお、図１５ではスケールの移動方向とピッチ
の方向は紙面に平行な方向で示されているが、これらを
紙面に垂直な方向としてもよい。このスケールの移動方
向，ピッチ方向に関する自由度は本特許の他の実施例に
おいても同様である。

【００３９】従って、次のような効果がある。部品点数
が減り低コストかつ小型、薄型のエンコーダが実現でき
る。また、基板とスケールを平行に配置することができ
エンコーダ全体を小型にすることができる。更に、０次
回折光を受光することにより、高次回折光を受光する場
合に較べて、スケールのピッチ精度、反射率精度などに
依存しにくい許容度の大きい信号検出ができる。なお、
この実施例１においては、誘電体基板上に受光素子、発
光素子を配置しているが、基板は誘電体に限られるわけ
ではなく、半導体を用いてもよい。

【００４０】半導体基板を用いる場合には受光素子また
は発光素子を基板上に一体形成することができるため、
素子を新たに基板に接合する手間が省け製作プロセスが
簡略化できるという効果がある。また、半導体基板中に
信号処理回路を形成すれば、回路系も含めたより一層の
小型化が可能になる。

【００４１】以上、実施例１については、基板の一部に
凹部を設けその斜面に斜めに発光素子を配置する構成を
とっているが、平坦な基板を用いてもよい。 （実施例２）図１６（Ａ），（Ｂ）を用いて説明する。

【００４２】この実施例２は実施例１と同様の構成にお
いて、凹部を形成しない平坦な誘電体基板132 を用い、
発光素子133 及び受光素子134 を該基板表面に形成した
ものである。この基板は図１６のように傾斜台座141 上
に取付けられ、リニアスケール135 に対して斜めに配置
される。発光素子133 から出射した光はリニアスケール
135 で反射され、受光素子134 で受光される。この実施
例２の場合は平坦な基板を使用するため、実施例１に比
べて基板に凹部を形成する工程を省略できるという効果
がある。

【００４３】この場合にも、むろん実施例１と同様に、
半導体基板を用いてもよい。また、この構成の場合には
基板として化合物半導体を用い、表面上に気相成長法に
より結晶成長を行い受光素子および発光素子を一体形成
してもよい。

【００４４】なお、上記実施例１，２の各構成は、当
然、各種の変形、変更が可能である。実施例１，２に共
通して可能な変形例を図１７に実施例３として示す。 （実施例３）図１７は面発光レーザ光源133 の開口133
ａを楕円形状にした例である。円形開口では十分なＳ／
Ｎ比の信号が期待できない場合は、このような方法でス
ケールの分解能を落すことなく信号光量を増やし、Ｓ／
Ｎ比を向上させることができる。なお、この実施例３で
は楕円形状の開口となっているが長方形の開口でも同様
の効果を期待できる。図１７は実施例１に対応した図で
あるが、実施例２についても無論同様の変形が可能であ
る。

【００４５】また、これまでの実施例ではスケール移動
量のみが検知され移動している向きは判別できなかった
が、構成の若干の変形で簡単に移動の向き判別の機能を
付け加えることができる。そのような例を以下実施例４
として図１８に示す。

【００４６】（実施例４）実施例４の構成を図１８に示
す。この実施例４は実施例１と同様の構成において、受
光素子134 を134 ａ，134 ｂに２分割したものである。
一定の間隙を有してこのように受光素子を２分割するこ
とにより、受光素子に入射する信号光の位相を図１９に
示すようにπ／２だけずらすことができる。受光素子13
4 ａに入射する信号に対して受光素子134 ｂに入射する
信号の位相は、スケールが図中右方向に移動する場合は
π／２進み、左方向に移動する場合はπ／２遅れるの
で、信号処理により両者の位相関係を判別することによ
り移動の向きの判別ができる。なお、この２つの信号の
位相差は必ずしもπ／２に設定する必要はなく、位相差
がｎπ（ここで、ｎ＝０，±１，±２…）とならないよ
うな一定の値であれば移動の向きの判別が可能である。

【００４７】また、このような向き判別機能は１次元に
限られるわけではなく、受光素子を４分割することによ
り容易に２次元に拡張できる。なお、実施例４について
も、当然ながら基板材料、スポット形状等については実
施例１〜３と同様の変形が可能である。

【００４８】これまでの実施例ではスケールの１次元的
な変位量しか検出できなかったが、若干の構成変更によ
り２次元的な変位検出を可能にすることができる。これ
を以下の実施例５として図２０に示す。

【００４９】（実施例５）反射率または透過率の異なる
２次元的なパターンを形成したスケール181 に対して、
面発光半導体レーザ光源からのビームを照射し、この時
の反射光または透過光を受光素子43₁ ，または受光素子
43₂ で受光する。前記移動スケールと面発光半導体レー
ザ光源の光ビーム出射面との距離をＬ、光ビームの波長
をλ、互いに異なる特定方向のスケールピッチを各々ｐ
_x ，ｐ_y 、レーザ光の出射方向に垂直な平面と前記２つ
の特定方向のなす角をθ_x ，θ_y 、前記移動スケールの
各々のピッチ方向に対する前記光源の開口長を各々ａ
_x ，ａ_y としたとき、Ｌ≧ａ_x ² ／λの場合に、ｐ_x ・
ｃｏｓθ_x ≧λ・Ｌ／ａ_x 、Ｌ≧ａ_y ² ／λの場合に、
ｐ_y ・ｃｏｓθ_y ≧λ・Ｌ／ａ_y 、Ｌ＜ａ_x ² ／λの場
合に、ｐ_x ・ｃｏｓθ_x ≧ａ_x 、Ｌ＜ａ_y ² ／λの場合
に、ｐ_y ・ｃｏｓθ_y ≧ａ_y（但し、−π／２＜θ_x ＜
π／２、−π／２＜θ_y ＜π／２）の関係を満たすよう
に設計することによりエンコーダからの出力の信号振幅
を適正なレベルに設計できる。面発光半導体レーザ光源
を用いることにより、レーザ光の出射窓の径や形状を広
範に設計できるので、レンズを必ずしも必要とせずに互
いに異なる特定方向の所定の分解能をもったエンコーダ
が実現できる。また、特定方向のスケールピッチの細か
いエンコーダをレンズを省略して実現することができる
ため、高分解能な光学式エンコーダの小型化や製作の簡
略化、低コスト化が可能となる。

【００５０】以下、この発明に係る光学式エンコーダに
ついてまとめると、次に示す構成，作用，効果を有す
る。 １．（構成）光源に対して相対的に移動し、反射率また
は透過率の異なる領域が規則的に形成された移動スケー
ルと、この移動スケールの一部を照射するための面発光
半導体レーザ光源と、前記移動スケールからの反射光ま
たは透過光を受光するための受光素子を具備することを
特徴とする光学式エンコーダ。

【００５１】（作用）この発明においては、面発光半導
体レーザ光源から放射された光をスケールに照射し、ス
ケールで反射または透過された光を受光素子により受光
し、スケールで反射または透過された光を受光素子によ
り受光し、スケールの変位量を計測する。

【００５２】（効果）面発光半導体レーザ光源に用いる
ことにより、レーザ光の出射窓の径を広範に設計できる
ので、レンズや固定スリットを必ずしも必要とせずに所
定の分解能をもったエンコーダを実現できる。特に、ス
ケールピッチの細かいエンコーダをレンズを省略して実
現することができるため、高分解能な光学式エンコーダ
の小型化や製作の簡略化、低コスト化が可能となる。

【００５３】２．（構成）前記面発光半導体レーザ光源
と前記移動スケールは、前記面発光半導体レーザ光源か
ら出射するレーザビームが、レンズや固定スリット等の
ビーム成形のための光学部品を介さないで、直接、移動
スケールを照射するように配置されている前記１．記載
の光学式エンコーダ。

【００５４】（作用）この発明においては、面発光半導
体レーザ光源から放射された光をスケールに照射し、ス
ケールで反射または透過された光を受光素子により受光
し、スケールで反射又は透過された光を受光素子により
受光し、スケールの変位量を計測する。

【００５５】（効果）レンズや固定スリットを必要とせ
ずに所定の分解能をもったエンコーダを実現できるた
め、高分解能な光学式エンコーダの小型化や製作の簡略
化、低コスト化が可能となる。

【００５６】３．（構成）光源に対して相対的に移動
し、反射率または透過率の異なる領域が規則的に形成さ
れた移動スケールと、この移動スケールの一部を照射す
るための面発光半導体レーザ光源と、前記移動スケール
からの反射光または透過光を受光するための受光素子を
具備する光学式エンコーダにおいて、前記移動スケール
と面発光半導体レーザ光源の光ビーム出射面とのレーザ
光の出射の中心軸上における距離をＬ、光ビームの波長
をλ、スケールピッチをｐ、前記移動スケール面上でス
ケールのピッチ方向をＰ、前記移動スケール面上でピッ
チ方向Ｐと垂直な方向をＱ、レーザ光出射方向に垂直な
平面と前記方向Ｐ，Ｑのなす角をそれぞれθ，ψ、スケ
ールのピッチ方向Ｐをレーザ光出射方向に垂直な平面に
投影した方向の前記光源の開口長をａとしたとき、Ｌ≧
ａ² ／λの場合に、 ｐ・ｃｏｓθ≧λ・Ｌ／ａ （但し、−π／２＜θ＜π／２、−π／２＜ψ＜π／
２）の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコー
ダ。

【００５７】（作用）この発明においては、面発光半導
体レーザ光源から放射された光をスケールに照射し、ス
ケールで反射または透過された光を受光素子により受光
し、スケールの変位量を計測する。

【００５８】（効果）Ｌ≧ａ² ／λの場合に、面発光半
導体レーザ光源を用いることにより、レーザ光の出射窓
の径を広範に設計できるので、レンズや固定スリットを
必ずしも必要とせずに所定の分解能をもったエンコーダ
を実現できる。特に、スケールピッチの細かいエンコー
ダをレンズを省略して実現することができるため、高分
解能な光学式エンコーダの小型化や製作の簡略化、低コ
スト化が可能となる。

【００５９】４．（構成）光源に対して相対的に移動
し、反射率または透過率の異なる領域が規則的に形成さ
れた移動スケールと、この移動スケールの一部を照射す
るための面発光半導体レーザ光源と、前記移動スケール
からの反射光または透過光を受光するための受光素子を
具備する光学式エンコーダにおいて、前記移動スケール
と面発光半導体レーザ光源の光ビーム出射面とのレーザ
光の出射の中心軸上における距離をＬ、光ビームの波長
をλ、スケールピッチをｐ、前記移動スケール面上でス
ケールのピッチ方向をＰ、前記移動スケール面上でピッ
チ方向Ｐと垂直な方向をＱ、レーザ光出射方向に垂直な
平面と前記方向Ｐ，Ｑのなす角をそれぞれθ，ψ、スケ
ールのピッチ方向Ｐをレーザ光出射方向に垂直な平面に
投影した方向の前記光源の開口長をａとしたとき、Ｌ＜
ａ² ／λの場合に、 ｐ・ｃｏｓθ≧ａ （但し、−π／２＜θ＜π／２、−π／２＜ψ＜π／
２）の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコー
ダ。

【００６０】（作用）この発明においては、面発光半導
体レーザから放射された光をスケールに照射し、スケー
ルで反射または透過された光を受光素子により受光し、
スケールの変位量を計測する。

【００６１】（効果）Ｌ＜ａ² ／λの場合に、面発光半
導体レーザ光源を用いることにより、レーザ光の出射窓
の径を広範に設計できるので、レンズや固定スリットを
必ずしも必要とせずに所定の分解能をもったエンコーダ
を実現できる。特に、スケールピッチの細かいエンコー
ダをレンズを省略して実現することができるため、高分
解能な光学式エンコーダの小型化や製作の簡略化、低コ
スト化が可能となる。

【００６２】５．（構成）光源に対して相対的に移動
し、反射率または透過率の異なる領域が規則的に形成さ
れた移動スケールと、この移動スケールの一部を照射す
るための面発光半導体レーザ光源と、前記移動スケール
からの反射光または透過光を受光するための受光素子を
具備する光学式エンコーダにおいて、前記移動スケール
と面発光半導体レーザ光源の光ビーム出射面とのレーザ
光の出射の中心軸上における距離をＬ、光ビームの波長
をλ、互いに異なる特定方向のスケールピッチを各々ｐ
_x ，ｐ_y 、レーザ光の出射方向に垂直な平面と前記２つ
の特定方向のなす角をθ_x ，θ_y 、前記移動スケールの
各々のピッチ方向に対する前記光源の開口長を各々ａ
_x ，ａ_y としたとき、Ｌ≧ａ_x ² ／λの場合に、ｐ_x ・
ｃｏｓθ_x ≧λ・Ｌ／ａ_x 、Ｌ≧ａ_y ² ／λの場合に、
ｐ_y ・ｃｏｓθ_y ≧λ・Ｌ／ａ_y 、Ｌ＜ａ_x ² ／λの場
合に、ｐ_x ・ｃｏｓθ_x ≧ａ_x 、Ｌ＜ａ_y ² ／λの場合
に、ｐ_y ・ｃｏｓθ_y ≧ａ_y（但し、−π／２＜θ_x ＜
π／２、−π／２＜θ_y ＜π／２）の関係を満たすこと
を特徴とする光学式エンコーダ。

【００６３】（作用）この発明においては、面発光半導
体レーザ光源から放射された光を、反射率または透過率
の異なる２次元的なパターンを形成したスケールに照射
し、スケールで反射または透過された光を受光素子によ
り受光し、スケールの変位量を２次元的に計測する。

【００６４】（効果）面発光半導体レーザ光源を用いる
ことにより、レーザ光の出射窓の径を広範に設計できる
ので、レンズや固定スリットを必ずしも必要とせずに所
定の分解能をもったエンコーダを実現できる。特に、ス
ケールピッチの細かいエンコーダをレンズを省略して実
現することができるため、高分解能な光学式エンコーダ
の小型化や製作の簡略化、低コスト化が可能となる。

【００６５】６．（構成）前記面発光レーザ光源が基板
上に部分的に形成された傾斜面上に配置されていること
を特徴とする前記１．〜前記５．いずれか記載の光学式
エンコーダ。但し、基板の傾斜面は、化学エッチング、
機械的な切削加工など、どのような方法によって形成し
てもよい。

【００６６】（作用）こうした構成の光学式エンコーダ
においては、薄膜表面から光が放射される構造の半導体
光源が基板上に部分的に形成された傾斜面に設置されて
おり、この光源から放射した光をスケールに反射させ、
その反射光を、受光素子により受光する。

【００６７】（効果）従って、基板をスケールに対して
平行に配置することができ、エンコーダ全体の厚さを薄
くすることができる。 ７．（構成）前記受光素子が光源から放射された光のス
ケールによる反射光の０次回折光を受光する位置に配置
されていることを特徴とする前記１．〜前記６．いずれ
か記載の光学式エンコーダ。

【００６８】（作用）こうした構成の光学式エンコーダ
においては、薄膜表面から光が放射される構造の半導体
光源が基板上に部分的に形成された傾斜面に設置されて
おり、この光源から放射した光をスケールに反射させ、
その０次回折光を受光素子により受光する。

【００６９】（効果）従って、０次回折光を受光するこ
とにより、スケールのピッチ精度、反射率精度などに依
存しない許容度の大きい信号検出ができる。 ８．（構成）光源からの出射光のビーム形状がスケール
の移動方向に対して垂直な方向に主軸を持つ楕円形また
は長方形となっていることを特徴とする前記１．〜前記
７．いずれか記載の光学式エンコーダ。

【００７０】（作用）こうした構成の光学式エンコーダ
においては、光源から放射した楕円形の放射光をスケー
ルに反射させ、その反射光を、受光素子により受光す
る。 （効果）従って、スケールの分解能を落とすことなく信
号光量を増やすことができ、Ｓ／Ｎ比の良い信号検出が
できる。

【００７１】

【発明の効果】以上詳述した如くこの発明によれば、従
来必要としたレンズや固定スリットを省略して極めて小
形，薄型で部品点数を少なくできるとともに、光源とレ
ンズの光学的な調整の手間がなく極めて低コストで生産
でき、更には構成の若干の変形で簡単に移動方向の判別
機能を付け加えることができる信頼性の高い光学式エン
コーダを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光学式エンコーダの説明図。

【図２】従来の他の光学式エンコーダの説明図。

【図３】面発光レーザの構造を示す模式図。

【図４】リニアスケールを用いた場合の光学式エンコー
ダの説明図。

【図５】ロータリースケールを用いた場合の光学式エン
コーダの説明図。

【図６】リニアスケールを用いた、図４のエンコーダと
は異なる他の光学式エンコーダの説明図。

【図７】この発明の光学式エンコーダの構造を示す模式
図。

【図８】本発明に係る、図７の光学式エンコーダとは異
なる他の光学式エンコーダの構造を示す模式図を示し、
図８（Ａ）は正面図、図８（Ｂ）は側面図。

【図９】リニアスケール上の光強度分布図。

【図１０】スケールピッチに対するスケール反射率の特
性図で、図１０（Ａ）はスケールピッチ（ｐ）が20μｍ
の場合、図１０（Ｂ）はｐ＝15μｍの場合、図１０
（Ｃ）はｐ＝10μｍの場合。

【図１１】スケールピッチに対する受光量の特性図で、
図１１（Ａ）はｐ＝が20μｍの場合、図１１（Ｂ）はｐ
＝15μｍの場合、図１１（Ｃ）はｐ＝10μｍの場合。

【図１２】スケールピッチｐと信号振幅の関係を示す
図。

【図１３】エンコーダの成立する範囲を示す図。

【図１４】移動スケールと面発光半導体レーザの光ビー
ム出射面との距離Ｌとスケールピッチとの関係を示す特
性図であり、図１４（Ａ）は光ビームの波長λ：１μ
ｍ，光源の開口長ａ：５μｍの場合、図１４（Ｂ）は
λ：１μｍ，ａ：１０μｍの場合、図１４（Ｃ）はλ：
１μｍ，ａ：１５μｍの場合。

【図１５】この発明の実施例１に係る光学式エンコーダ
の説明図であり、図１５（Ａ）は側面図、図１５（Ｂ）
は斜視図。

【図１６】この発明の実施例２に係る光学式エンコーダ
の説明図であり、図１６（Ａ）は側面図、図１６（Ｂ）
は斜視図。

【図１７】この発明の実施例３に係る光学式エンコーダ
の斜視図。

【図１８】この発明の実施例４に係る光学式エンコーダ
の斜視図。

【図１９】受光される信号を計算したグラフ。

【図２０】この発明の実施例５に係る光学式エンコーダ
の説明図。

【符号の説明】

31…活性層（発光層）、 32…多層薄膜ミラー、 33…上部電極、 34…下部電極、 41…面発光レーザ、 42，51，135 ，181 …スケール、 43，43₁ ，43₂ …光検出器、 131 …凹部、 132 …誘電体基板、 133 …面発光レーザ、 134 ，134a，134b…受光素子、 135 …リニアスケール、 141 …傾斜台座。

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、反射率ま
   たは透過率の異なる領域が規則的に形成された移動スケ
   ールと、この移動スケールの一部を照射するための面発
   光半導体レーザ光源と、前記移動スケールからの反射光
   または透過光を受光するための受光素子を具備すること
   を特徴とする光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記面発光半導体レーザ光源と前記移動
   スケールは、前記面発光半導体レーザ光源から出射する
   レーザビームが、レンズや固定スリット等のビーム成形
   のための光学部品を介さないで、直接、移動スケールを
   照射するように配置されている請求項１記載の光学式エ
   ンコーダ。
3. 【請求項３】 光源に対して相対的に移動し、反射率ま
   たは透過率の異なる領域が規則的に形成された移動スケ
   ールと、この移動スケールの一部を照射するための面発
   光半導体レーザ光源と、前記移動スケールからの反射光
   または透過光を受光するための受光素子を具備する光学
   式エンコーダにおいて、 前記移動スケールと面発光半導体レーザ光源の光ビーム
   出射面とのレーザ光の出射の中心軸上における距離を
   Ｌ、光ビームの波長をλ、スケールピッチをｐ、前記移
   動スケール面上でスケールのピッチ方向をベクトルＰ
   （以下、ベクトルＰを単にＰと表記する。）、前記移動
   スケール面上でピッチ方向Ｐと垂直なピッチ方向をＱ
   （以下、ベクトルＱを単にＱと表記する。）、レーザ光
   出射方向に垂直な平面と前記方向Ｐ，Ｑのなす角をそれ
   ぞれθ，ψ、スケールのピッチ方向Ｐをレーザ光出射方
   向に垂直な平面に投影した方向の前記光源の開口長をａ
   としたとき、Ｌ≧ａ² ／λの場合に、 ｐ・ｃｏｓθ≧λ・Ｌ／ａ （但し、−π／２＜θ＜π／２、−π／２＜ψ＜π／
   ２）の関係を満たすことを特徴とする光学式エンコー
   ダ。