JP5679643B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、光学式エンコーダに関する。

従来から、物体の変位情報を得るための変位測定装置として、三重格子測定系（光学式エンコーダ）が用いられている。光学式エンコーダは、その光源として半導体レーザー（ＬＤ）、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、ＬＥＤ等の光学素子を採用することにより小型化が可能となる。

しかしながら、半導体レーザーや面発光レーザーは、その特性が温度変化により大きく変化し、また、静電破壊しやすいことや高価格である等の問題がある。さらに、これらの光源からの光束は可干渉性が高いため、出力信号波形には多くの高調波歪み成分が含まれる。一方、ＬＥＤは、発光サイズが大きいため空間的な可干渉性が低くて高調波の歪みは少ないが、基本波信号の振幅が得られにくい。近年では、発光窓が小さく、高出力な光源として電流狭窄型ＬＥＤが普及し、空間的可干渉性が向上し、高分解能な検出が可能となっている（非特許文献１）。

従来から、光学式エンコーダにおいて、高調波の波形歪を除去するための種々の方法が提案されている。しかし、異なる次数の高調波成分除去を１つの手段で同時に除去するような方法では、波形歪成分の効果的な除去は困難であり残存成分が生じる。このため、各次数の高調波成分に対して、次数毎に異なる除去手段を適用する方法がある。

特許文献１には、第２スケールと第３スケールの光透過部と不透過部の幅をそれぞれＮ次、Ｎ＋１次の高調波が除去可能な比率にそれぞれ設定し、除去対象の次数の歪成分を第１スケールと第３のスケールで分担して除去する方法が開示されている。特許文献１の方法では、第２スケールと第３スケールでそれぞれ異なる次数の高調波を除去することができる。このため、各次数の高調波成分に対して最適な除去条件を割り当てることが可能であり、高精度な内挿分割信号が得られる。

特許第３０４５４５２号

曽根，加藤，坂，廣谷：電気製鋼，６７（１９９６），２４７

しかし、第２スケールを光源と一体的に設けて小型化を図ろうとすると、非特許文献で示されるように、光源の発光窓内の発光強度分布が不均一であるため、歪み成分を効果的に除去することができず、位置検出の高精度化が困難となる。また、第３スケールを受光素子と一体的に構成した場合、複数の位相差信号（例えば、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ―、Ｂ―の４相信号。）を得るため、多数の受光窓を密接して配置する必要がある。このとき、複数の信号源におけるクロストークによる波形の歪みやオフセット誤差が、エンコーダの位置検出精度を劣化させる。

そこで本発明は、小型で高精度な光学式エンコーダを提供する。

本発明の一側面としての光学式エンコーダは、発光窓から射出する光を発する光源と、前記光源に対向配置されたスケールと、前記スケールを介した前記光源からの光束を受光する受光素子と、前記受光素子の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記発光窓内の光強度分布が不均一であり、前記信号処理回路は、プッシュプル回路を含み、前記プッシュプル回路は、前記出力信号から偶数次の高調波成分を除去し、前記受光素子は、複数の受光窓を有し、前記複数の受光窓の各々の幅は、前記スケールの格子ピッチの２／Ｍ（Ｍ≧５）の長さに設定されていることにより、前記出力信号から第Ｍ次高調波成分を除去し、前記光源は、電流狭窄型ＬＥＤであり、前記光源の発光窓は、複数の点光源の集合体として構成され、以下の式を満たす形状を有することにより前記出力信号から第３次高調波成分を除去する。

ただし、Ｓは積分範囲である発光窓内全域、Ｐｏ（ｘ１、ｙ１）は発光窓のＸＹ座標（ｘ１、ｙ１）における近視野での発光強度分布を表す関数、ｐはスケールの格子ピッチ、Ｎは高調波成分の特定の次数（Ｎ＝３）、ｘ２は受光素子面上の変位検出方向軸である。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、小型で高精度な光学式エンコーダを提供することができる。

実施例１における光学式エンコーダの構成図及び特性図である。 実施例１におけるフォトＩＣ素子の構成図である。 実施例１における反射スケールを示す図である。 本実施形態における三重格子測定系の構成図である。 本実施形態における三重格子測定系の等価光学系を示す図である。 本実施形態における受光素子面上での光強度分布図である。 本実施形態における光源の断面図である。 実施例１における光源の構造図及び特性図である。 本実施形態における電流狭窄型ＬＥＤの発光強度分布の説明図である。 実施例１における実際の電流狭窄型ＬＥＤの発光強度分布を示す図である。 実施例１における受光素子の受光窓の形状を示す図である。 実施例２の光学式エンコーダにおいて、複数の発光窓を備えた光源を示す図である。 実施例２の光源を用いた場合における光学式エンコーダの等価光学系を示す図である。 内挿誤差と波形歪率（高調波振幅／基本波振幅）の関係を机上計算で求めた結果である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本実施形態における三重格子測定系（光学式エンコーダ）の検出原理について説明する。本実施形態の三重格子測定系は、第１〜第３スケールの３つの（スケール）格子を備える。本実施形態では、特に、光源及び受光素子がそれぞれ第２スケール及び第３スケールと一体的に構成されていることが好ましい。三重格子測定系では、一般的に、次の式（１）〜（３）に基づいて各格子の最適なピッチ及びその相対位置関係が与えられる。

ＰＧ１／ＰＧ２＝Ｖ／（Ｕ＋Ｖ） …（１）
ＰＧ１／ＰＧ３＝Ｕ／（Ｕ＋Ｖ） …（２）
１／Ｕ＋１／Ｖ＝λ／（ｎ・（ＰＧ１）^２） …（３）
ここで、ＰＧ１、ＰＧ２、ＰＧ３は、それぞれ、第１スケールＧ１、第２スケールＧ２、第３スケールＧ３の格子ピッチである。Ｕ、Ｖは、それぞれ、第１スケールＧ１と第２スケールＧ２の間の距離、第１スケールＧ１と第２スケールＧ３との間の距離である。λは光源の発光中心波長であり、ｎは任意の自然数（ｎ：１、２、３、…）である。

また、三重格子測定系の変位検出方式として透過型及び反射型が知られているが、透過型よりも反射型に利点が多く、実用例も多い。反射型の構成では、特にＵ＝Ｖの関係が成立するため、上記の式（３）は次の式（４）のように変形される。

Ｖ＝Ｕ＝２・ｎ・（ＰＧ１）^２／λ …（４）
式（４）は、三重格子測定系の反射型構成における実質的な最適格子ピッチと各格子（第１〜第３スケール）の最適配置を与える一般的な式である。

次に、図４を参照して、本実施形態の三重格子測定系の構成について説明する。図４（Ａ）は、反射型の三重格子測定系の要部斜視図である。反射スケール２０は、上述の第１スケールＧ１に相当し、光源１０に対向配置されている。光源１０の発光窓１１は、第２スケールＧ２に相当する。さらに、フォトＩＣ素子３０の受光素子部３１（受光窓）は、第３スケールＧ３に相当する。図４（Ｂ）は、軸Ｙ０、軸Ｙ１を含む三重格子測定系の要部断面図であり、Ｇは座標軸Ｙ０―Ｙ１間の距離（ギャップ）である。本実施形態の三重格子測定系では、ギャップＧの変動に対してＶ＝Ｕ（≒Ｇ）の関係が常に維持される。このため、上述の式（１）、（２）より、ギャップＧが変動した場合でも、各スケールの格子ピッチとして、２×ＰＧ１＝ＰＧ２＝ＰＧ３の最適な条件が常時満たされる。特に、式（４）において、ｎが自然数（ｎ＝１、２、３、…）の場合、基本周期Ｐｉのコントラストの高い干渉縞が受光素子（第３スケール）面上に形成される。このとき、干渉縞の基本周期Ｐｉは、第３スケールの格子ピッチＰＧ３と一致し、第１スケールの２倍の周期構造の干渉縞となる。

図５（Ａ）は、図４（Ａ）における三重格子測定系の等価光学系を示す図である。ここで、変位測定方向をＸ軸方向とし、第１スケール、第２スケール、第３スケールにそれぞれＸ０軸、Ｘ１軸、Ｘ２軸が対応している。図４（Ａ）に対応させると、反射スケール２０の移動方向軸をＸ０軸、受光素子部３１の面をＸ２軸、光源１０の発光窓１１をＸ１軸上にそれぞれ配置している。軸Ｘ０−軸Ｘ１間、及び、軸Ｘ０−軸Ｘ２間の距離Ｕ、Ｖは、それぞれ、図４（Ｂ）で示される光源１０の発光窓１１から反射スケール２０までの光路長、及び、反射スケール２０から受光素子部３１までの光路長を表す。距離Ｕ、Ｖは、Ｕ＝Ｖの関係が成立し、ギャップＧと略同一の長さである。また同図において、光の進行方向を共通のＺ軸としている。

次に、図５（Ａ）を参照して、三重格子測定系の受光素子部３１上に形成される光の強度分布特性とその特性分布に含まれる空間周波数成分について説明する。図５（Ａ）の等価光学系では、光源１０の発光窓１１を多数の単色光の無限小点光源の集合体と考え、その中のｍ番目の１点である点光源Ｌｍ０に着目する。軸Ｘ１上に位置する点光源Ｌｍ０を中心とする発散球面波によって、軸Ｘ０上に配置された反射スケール２０の回折格子面（矩形振幅型回折格子）を照射すると、回折現象により多数の回折波が発生する。これらの複数の回折波が重なる空間領域には、フーリエイメージ（周期的な強度分布をもった干渉縞）が形成される。

点光源Ｌｍ０から反射スケール２０の格子面上の軸Ｘ０の原点（ｘ０、ｚ０）＝（０、０）に届いた光は、回折角θ１（図５（Ａ）中の角度θ１）で回折して受光素子部３１に達する。ここで、回折した光線を光の進行方向とは反対方向に延長し、軸Ｘ０上の原点（０、０）を中心とする半径Ｕ（＝Ｖ）の円との交点をＬｍ＋１とする。このとき、回折格子で分波した角度θ１方向の回折光は、点Ｌｍ＋１の位置に点光源を仮想配置した場合の光波と同様の発散球面波を形成して進行する。

そこで、軸Ｘ２上に配置された受光面上のフーリエイメージの強度分布を得るため、仮想点光源を軸Ｘ０上の原点（０、０）を中心とする半径Ｕの円周上にＬｍ＋１、Ｌｍ−１、Ｌｍ＋２、Ｌｍ−２、Ｌｍ＋３、Ｌｍ−３…のように配置する（図５（Ｂ）参照）。これらの仮想点光源の発光強度は、各回折次数の回折効率から算出される回折光強度と等価であるとして与えられる。

また、反射スケール２０の格子面で発生する回折光として、４次回折光以上の光波の強度は極めて小さい。このため、０次、±１次〜３次の７波の回折光の球面波のみを考え、それぞれの球面波を、ｕ０、ｕ１ｐ、ｕ１ｍ、ｕ２ｐ、ｕ２ｍ、ｕ３ｐ、ｕ３ｍ（ｐ：プラス、ｍ：マイナス）と表す。また、それぞれの球面波の複素共役をｕｕ０、ｕｕ１ｐ、ｕｕ１ｍ、ｕｕ２ｐ、ｕｕ２ｍ、ｕｕ３ｐ、ｕｕ３ｍとする。このとき、合成波振幅ｆ１及びその複素共役ｆ２は、それぞれ以下の式（５）、（６）のように表される。

第１スケール上の回折格子からの干渉像は、合成波振幅ｆ１及びその複素共役ｆ２の積で求められる。このため、ｍ番目の点光源Ｌｍ０を理想点光源（ＰＳ：Ｐｏｉｎｔ Ｓｏｕｒｃｅ）とし、その発光強度をＰｏｍ（ｘ１、ｚ１）とすれば、軸ｘ２の受光素子面上のＸ軸方向の光の強度分布Ｉ＿ｐｓ（ｘ２、ｚ２、ｐ、ｄ、λ）は、以下の式（７）で表される。

ただし、ｄは第１スケールの格子の開口幅（図中ｄｓ）、ｐは第１スケールの格子ピッチ（図中Ｐｓ）、λは光源の発光中心波長である。また、ｘ１は光源面ｘ座標（Ｘ１、図５（Ｂ））、ｘ２は観測面ｘ座標（Ｘ２、図５（Ｂ））、ｚ２は観測面ｚ座標（Ｚ２、図５（Ｂ））である。式（７）は、理想点光源を中心とする発散球面波で、軸ｘ０上に配置された反射スケール２０に相当する回折格子面（矩形振幅型回折格子）を照射した場合における軸Ｘ２の受光素子面上の光の強度分布導出結果である。
次に、図６を参照して、光強度分布とその分布に含まれる高次高調波成分について説明する。図６は、光強度Ｉ（Ｘ２、Ｚ２）を、式（７）を用いて計算した結果である。ここでは、軸Ｘ１の原点（Ｘ１＝０）に配置した点光源Ｌｍ０からの発散光束で第１スケールを照射し、第１スケールのピッチＰ（＝Ｐｓ＝６４μｍ）、光源の中心波長λ（＝０．６５μｍ）、回折格子の開口幅ｄ（＝ｄｓ＝３２μｍ）の条件で計算されている。図６では、Ｚ２（＝ギャップ＝−Ｚ１）の値として式（４）のｎの値を用い、０．１ｎ〜１．０ｎの範囲における受光面でのＸ２軸方向の光強度分布が示される。図６に示されるように、回折格子から多数の高次の回折光成分が重畳しているため、種々の高調波成分が含まれる。その結果、光の空間強度分布は、ギャップｚに依存して変化する。

この計算結果から、受光素子面上に形成される干渉縞の強度分布は、反射スケール２０の格子ピッチＰｓ（＝６４μｍ）の２倍周期に相当する干渉縞（＝１２８μｍ）が基本周期Ｐｉとして形成されることが示される。また、反射スケール２０が格子１ピッチ分変化すると、受光素子面上の干渉縞は、格子ピッチの２倍周期分（＝１２８μｍ）移動する。

光源１０として可干渉性を有する半導体レーザー（ＬＤ）や面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いると、そのビームウエスト位置に単一の点光源を置いた光源として扱うことができる。その点光源を前述の点Ｌｍ０に置き換えると、上述の式（７）がそのまま適用可能である。このため、軸Ｘ２の受光素子面上の光の強度分布Ｉ＿ｌａｓｅｒ（ｘ２、ｚ２、ｐ、ｄ、λ）は、点光源Ｌｍ０の発光強度をＰｏｍ（ｘ１、ｚ１）として、以下の式（８）のように表される。

図７（Ｂ）は、本実施形態における光源としての面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の断面図である。ＢＷは実質的なビームウエストであり、Ａｃｔは活性層の位置を表す。図７（Ｂ）では、レーザー発振時の放射光の波面を表しており、発光窓ＷＬ−ＶＣＳＥＬ全面で位相の揃った波面が形成され、射出される。このとき、ビームウエストＢＷの位置は、面発光レーザーの活性層Ａｃｔから距離Ｄｅｐ分だけ深いところに存在する。このため、図５（Ａ）における等価光学系での点光源Ｌｍ０がビームウエストＢＷの位置に配置されていると考えることができる。なお、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いた場合、距離Ｕは、活性層ＡｃｔではなくビームウエストＢＷを基準として測定される。

一方、光源１０として電流狭窄型ＬＥＤを用いると、有限の大きさを持つ発光窓１１は無数の点光源の集合体で構成され、点光源間での相互の可干渉性はないものとして扱うことができる。このため、面発光レーザーの場合とは異なり、発光窓１１の大きさや形状、その発光強度分布は、受光素子面上の干渉縞のコントラストや高調波成分の発生に大きな影響を与える。

電流狭窄構造ＬＥＤを光源とした場合、受光素子面上の光強度分布は、干渉縞の受光素子面上での強度を発光窓１１の全体で積分することにより表される。具体的には、光源は、図７（Ａ）に示されるように電流狭窄型ＬＥＤの活性層Ａｃｔの発光窓ＷＬ−ＬＥＤに単色光点光源が分布し、発光窓ＷＬ−ＬＥＤから初期位相の異なる光波が独立に放出される点光源群として扱われる。このため、式（７）を用いて、発光窓１１に含まれる各々の点光源によって形成される受光素子面上の各々の光強度分布の強度の和をとればよい。

光源１０を電流狭窄型ＬＥＤとした場合、発光源の発光強度分布と受光素子面上の光の強度分布との関係は、発光窓１１内に点在する点光源Ｌｍ０の発光強度をＰｏｍ（ｘ_１，ｙ_１）とすると、以下の式（９）のように表される。

図９は、本実施形態における電流狭窄型ＬＥＤの発光強度分布の説明図である。図９Ａ、９Ｂは、電流狭窄型ＬＥＤの発光窓１１の形状が矩形形状、円形形状の場合をそれぞれ示している。図９（２）Ａおよび図９（２）Ｂは、図９（１）Ａおよび図（１）Ｂ中におけるＳ−Ｓ断面での近視野発光強度分布を示し、同図９（３）Ａおよび図９（３）Ｂは、発光窓１１の発光強度分布を示す斜視図である。図９（２）Ａおよび図９（２）Ｂに示されるように、それぞれの発光窓１１内の発光強度Ｐｏｍは一様な分布Ｐｏ１であり、以下の式（１０）で表される。

図９（４）Ａおよび図９（４）Ｂは、縦軸を発光強度Ｐｏｍ（Ｘ１，Ｚ１）、横軸を軸Ｘ１とした場合において、１次元配列に変換した発光強度分布である。
図９Ａの発光窓１１が矩形形状の場合、発光強度Ｐｏｍ（Ｘ１，Ｚ１）は、以下の式（１１）で表されるように、一様な矩形の強度分布（定数）となる。ここで、矩形形状のＸ軸方向の幅ＷＬ＝ａ＋ｂである。

一方、図９Ｂの発光窓１１が円形形状の場合、発光強度Ｐｏｍ（Ｘ１，Ｚ１）は、以下の式（１２）で表されるように、釣鐘型の強度分布となる。

したがって、図９Ａ、Ｂに示される光源を用いた場合の受光素子面上の光強度分布は、式（９）に式（１１）、（１２）をそれぞれ適用し、以下の式（１３）、（１４）のように表される。

[参考例１]

次に、本発明の参考例１について説明する。本参考例では、受光素子面上の光の強度分布の特定次数の高調波成分に着目し、その成分を除去する方法について説明する。まず本参考例では、矩形形状の発光窓１１で且つ発光領域内で一様な発光強度分布を示す図９Ａの光源１０を用いた場合について説明する。

上記の式（１３）で表される受光素子面上の光強度分布において、３次成分を除去するため、式（１３）中の３次成分のみを抽出してその振幅成分が０になるような発光窓１１の形状を決定すればよい。上記の式（７）の展開式において、（０次、＋３次）、（０次、−３次）、（＋１次、−２次）、（−１次、＋２次）の組合せ項が３次高調波成分に関与する。３次成分のみの光強度分布Ｉ_３（ｘ１、ｘ２、ｚ２、ｐ、ｄ、λ）は、次の式（１５）のように表される。

ここで、Ｐｉは受光素子面上に形成される干渉縞の基本周期であり、Ｐｓは第１スケールに相当する格子ピッチである。また、Ｋは３次成分の振幅成分を表す。

本参考例では、Ｕ＝ＶであるからＰｉ＝２×Ｐｓとなり、上記の式（１５）のようにＰｓ＝Ｐの関係が成立する。一般的には、干渉縞のピッチＰｉを基準として高調波の除去条件が決定される。式（１５）を式（１３）に代入し、３次成分のみの光強度分布Ｉ_３（ｘ１、ｘ２、ｚ２、ｐ、ｄ、λ）の受光素子面上の位置ｘ２の値に依存しないで０となる発光窓１１の形状が、３次高調波成分の除去条件となる。この条件は以下の式（１６）で表される。

上記の式（１６）より、矩形形状の発光窓１１で且つ発光領域内で一様な発光強度分布を示す図９（Ａ）の光源１０では、Ｘ軸方向の幅ＷＬが２Ｐ／３となるとき、３次成分除去の条件が成立する。

また、一様な発光強度分布の矩形形状発光窓の場合のＮ次の高調波成分の除去一般条件式は、以下の式（１７）のように表される。

式（１７）より、矩形形状のＸ軸方向の幅ＷＬが２Ｐ／Ｎのとき、Ｎ次成分除去の条件が成立する。

次に、円形形状の発光窓１１で且つ発光領域内で一様な発光強度分布を示す図９（Ｂ）の光源１０の場合について説明する。この場合も、３次成分のみの光強度分布Ｉ_３（ｘ１、ｘ２、ｚ２、ｐ、ｄ、λ）の値がｘ２の値に依存しないで定数（＝０）となる発光窓１１の形状が、３次高調波成分の除去条件となる。この条件は以下の式（１８）で表される。

式（１８）より、円形形状の発光窓１１を有し、発光窓内で一様な発光強度分布を示す光源１０では、発光窓１１の直径ＷＬが０．８１３×ｐμｍ（第１スケール格子ピッチＰｓ＝ｐ）であることが、３次成分除去のための発光窓１１の形状の条件となる。このとき、以下の式（１９）が成立する。

式（１９）より、円形形状の発光窓１１の直径ＷＬが２Ｐ／Ｎであるとき、Ｎ次成分除去の条件が満たされる。

上記の式（１７）、（１９）を満たす解はそれぞれ複数存在し、その結果は以下の表１に示される。表１は、発光窓１１の形状と高調波成分除去次数との関係を示す。なお、発光窓１１内の強度分布は一様であるとしている。

本参考例の算出結果は、Ｕ＝Ｖであるため、Ｐｉ＝２・Ｐｓ＝２×ｐの関係が成立するとして得られている。ただし、一般的なＮ次除去時の寸法は、矩形形状の場合、Ｎ次除去時の幅ＷＬｒｅｃ．が（１／Ｎ）×ｎ×Ｐｉであり、円形形状の場合、Ｎ次除去時の直径ＷＬｃｉｒ．が１．２２×（１／Ｎ）×ｎ×Ｐｉとなる。なお、発光窓１１内の近視野発光強度分布は一様であるとする。

表１のように、円形形状の発光窓を採用した場合、矩形形状の場合の変位計測方向の幅ＷＬｒｅｃ．よりも約１．２２倍だけ大きな値の直径値ＷＬｃｉｒ．となる。ただし実際には、発光窓内の近視野での発光強度分布の不均一性を考慮して発光窓の形状及びその寸法を決定する必要がある。特に、電流狭窄型ＬＥＤを用いた場合、図１（Ｃ）、（Ｄ）に示されるように、発光窓の周縁部において発光強度が強く、窓の中央部では強度が弱くなる傾向がある。このときの最適な発光窓の寸法は、上記の表の寸法ＷＬｒｅｃ．、ＷＬｃｉｒ．よりも小さい。

本参考例によれば、発光窓内の発光強度分布が不均一な光源である場合でも、特定の次数の高調波を効果的に除去することができる。

次に、本発明の実施例１について説明する。図１は、本発明の実施例１における光学式エンコーダ（三重格子測定系）の構成図及び特性図である。

まず、図１（Ａ）を参照して、本実施例の光学式エンコーダの全体構成について説明する。図１（Ａ）は、本実施例における反射型の光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。同図において、反射スケール２０は、スケール支持体（不図示）に両面テープ（不図示）で接着固定されており、反射スケール２０上に形成された回折格子のピッチＰｓは６４μｍに設定されている。また、本実施例の光学式エンコーダでは、検出ヘッド４０が反射スケール２０に対向するように配置されている。検出ヘッド４０は、電流狭窄型のＬＥＤ素子からなる光源１０、及び、受光素子と信号処理回路とを内蔵した半導体素子であるフォトＩＣ素子３０（受光素子）を主体として構成されている。以下、図１〜３を参照して、光源１０、フォトＩＣ素子３０、検出ヘッド４０、及び、反射スケール２０のそれぞれについて説明する。

図１（Ｂ）は、電流狭窄構造を備えたＬＥＤ素子（光源１０）を示す図である。発光窓１１は、直径ＷＬの円形形状の有効発光窓である。また、光源１０には電極１２及びワイヤ１３が設けられている。円形の発光窓１１から放出される光の発光中心波長は、例えば６５０ｎｍである。図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）中のＳ−Ｓ断面（ｙ＝０）の近視野発光強度Ｐｏ（ｘ、ｙ）の特性図である。図１（Ｄ）は、近視野での発光強度Ｐｏ（ｘ、ｙ）を斜視図で示した特性分布図であり、同図中にＹ軸方向の光強度の和（ΣＰｏ（ｘ））の領域が示されている。図１（Ｅ）は、光強度の和（ΣＰｏ（ｘ））と座標Ｘの関係を示す特性図である。

次に、図８を参照して、電流狭窄型のＬＥＤ素子（光源１０）の構造及び特性について詳述する。図８は、本実施例における光源１０の構造図及び特性図である。図８（Ａ）は光源１０の発光窓１１の拡大図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）中のＳ−Ｓ断面における内部構造図である。図８（Ｂ）に示されるように、基板２３２上に、多層反射膜層２３９、第１クラッド層２３３、活性層２３４、第２クラッド層２３５、ブロック層２３６、及び、Ｚｎ（亜鉛）拡散層２３７を順次結晶成長させる。その後、基板２３２の下面に下部電極２３１を蒸着させ、また、ブロック層２３６の上面に上部電極２３８を蒸着させることにより、本実施例の光源１０が形成される。
基板２３２は、例えば１５０〜２５０μｍ程度の厚さの化合物半導体である。本実施例の光源１０は、基板２３２と第２クラッド層２３５との間の所定の範囲に動作電流が通電されることにより、活性層２３４内で発生した光を第２クラッド層２３５側から取り出すための電流狭窄構造を備える。また、本実施例の光源１０は、光の取り出し効率を高めるための多層反射膜層２３９を備え、活性層２３４で発生した基板２３２の底面側に向かう光を第２クラッド層２３５側に導くことにより、高出力化が図られている。

一般的に、ＬＥＤ（光源１０）の発光強度分布は、活性層に注入されるキャリア密度分布に支配され、ＬＥＤ内部の電流密度分布によって決定される。特に、電流狭窄構造のＬＥＤでは、その内部に電流を制限する領域が形成され、発光窓直下の活性層にのみキャリアが注入されるように構成されている。発光窓から放出される光の強度分布は、ほぼその直下の活性層部分の電流密度分布を反映する。

図８（Ｃ）は、図８（Ａ）中のＳ−Ｓ断面における近視野の発光強度分布を示している。発光窓１１の中心部分と周縁部分との間で上部電極２３８からの距離が異なるため、発光窓１１の直下における活性層２３４に流れる電流分布は均一にならず、発光窓１１の光強度分布は一様ではない。

本実施例では、上述の参考例１とは異なり、発光窓内の発光強度分布が一様ではない。このため、発光窓１１内の発光強度分布と受光素子面上の光強度分布との関係を表す以下の一般式（式（２０））を用いて考える。

ここで、Ｉ（Ｘ２）は受光素子面上のＸ２軸方向の光強度分布を表し、Ｐｏ（Ｘ１、Ｙ１）は発光窓１１の近視野での発光強度分布を表す。また、Ｉ（Ｘ１，Ｘ２）は三重格子測定系の原理に基づいて生成される干渉縞を表現する項である。

Ｉ（Ｘ２）で表される光強度分布の中に含まれるＮ次高調波成分を除去するには、以下の式（２１）の関係を満たす発光窓Ｓの形状を決定すればよい。

ここでは、３次の高調波成分を除去するため、Ｎ＝３とすると、上述の式（２１）は以下の式（２２）のように表される。

本実施例の発光窓１１は、図８（Ｃ）に示されるようにバスタブ型形状の不均一な発光特性を有し、その発光強度分布関数は、図１０（Ａ）のように示される。また、図１０（Ａ）に示される発光強度分布関数をＹ軸方向（ｄｙ１）で積分したＰｏ（Ｘ１）は、図１０（ｂ）に示される分布となる。

３次高調波除去のための条件は、図１０（Ｃ）に示される式が０となる場合である。本実施例では、実際のバスタブ型の分布から同定された定数ｋ＝０．００４の値を代入する。図１０（Ｃ）は、横軸に円形発光窓の直径ＷＬをとり、図１０（Ｃ）中の式の値を縦軸として、その変化の様子を示したものである。左辺の値が０となる点は複数存在する。図１０（Ｃ）の表示範囲では、ＷＬ１（＝４７．００μｍ）と、ＷＬ２（＝８７．３３μｍ）が３次高調波成分の除去が可能な円形形状の発光窓の直径である。図１０（Ｃ）の縦軸は、３次高調波成分の大きさを表しており、ＷＬ２を発光窓の寸法として採用した場合、わずかな寸法誤差が発生すると３次成分が大きく残存する。この場合には、ＷＬ１が好適な寸法となる。

以上のとおり、本実施例によれば、発光部が不均一な発光強度分布を有する場合でも、高精度に発光窓の形状及び寸法を決定することができる。発光窓Ｓの形状及び寸法は、上記の式（２１）が成立するように決定される。図１４は、内挿誤差と波形歪率（高調波振幅／基本波振幅）との関係を机上計算で求めた結果である。この結果によれば、４００分割程度までの信号内挿を想定した場合、内挿誤差を仮に±０．５パルス以内に抑えるには、基本波（次数Ｎ＝１）成分の振幅に対する高調波の次数（Ｎ）成分の振幅割合（波形歪率）を約２％（０．０２）以下にする必要がある。図１４に示される結果によれば、波形歪率（高調波振幅／基本波振幅）の許容範囲は、下記の式（２３）のように表される。

ここで、Ｓは積分範囲である発光窓内全域、Ｐｏ（ｘ１、ｙ１）は発光窓のＸＹ座標（ｘ１、ｙ１）における近視野での発光強度分布を表す関数である。また、ｐはスケールの格子ピッチ、Ｎは高調波成分の特定の次数（Ｎ＝３）、ｘ２は受光素子面上の変位検出方向軸である。

具体的には、例えば、可動可能なスケールのピッチを２０μｍとして電気的な内挿手段により４００逞倍の信号を生成する場合、検出分解能は０．０５μｍとなる。上記の式（２３）の許容範囲内で発光窓の形状を決定すれば、±０．０２５μｍの内挿ピッチ精度を確保することができる。なお、式（２３）で表される波形歪率（許容範囲）は、本実施例だけでなく、上述の参考例１及び後述の実施例２にも適用される。

図２は、本実施例におけるフォトＩＣ素子の構成図である。図２（Ａ）に示されるように、発光部である光源１０の下方にはフォトＩＣ素子３０が配置されている。同図において、フォトＩＣ素子３０は、光源１０に近い側に配置した受光素子部３１と信号処理回路部３９（信号処理回路）とから構成される。受光素子部３１は、同図の水平方向に１６個のフォトダイオード３２ａ、３２ｂ、…、３５ｃ、３５ｄが等間隔で配列されている。
本実施例では、反射スケール２０上の格子の基本周期Ｐｓ（＝６４μｍ）の２倍を基本周期λ（＝１２８μｍ）とする干渉縞が受光素子面上に形成される。反射スケール２０が格子の基本周期Ｐｓだけ移動すると、その干渉縞は受光素子面上をＰｉ分だけ同方向に移動する。フォトＩＣ素子３０（受光素子）には、この干渉縞の基本周期Ｐｉが検出できるように受光素子群３２、３３、３４、３５が基本ピッチＰｄで配列されている（Ｐｉ＝Ｐｄ）。１６個のフォトダイオード（最小単位の受光素子）は、Ｐｄ／４ピッチ（＝３２μｍ）で配列されている。各受光素子群は、互いに９０°位相のずれたＡ相及びＢ相の出力信号を得る２つのフォトダイオード、及び、これらとそれぞれ１８０°位相のずれたＡＢ相及びＢＢ相の出力を得る２つのフォトダイオードの４つのフォトダイオードから構成される。これらの４つのフォトダイオードをそれぞれ、Ａ＋相，Ｂ＋相，Ａ−相，Ｂ−相と表記し、それぞれ、図中のフォトダイオード３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄが対応する。
本実施例では、４つの受光素子群３２、３３、３４、３５が配置されている。各群の同相の信号は、その和を得るために電気的に接続されている。
以上の受光素子の配列によって、反射スケール２０の移動に伴い、９０°ずつ位相のずれたＡ＋相，Ｂ＋相，Ａ−相，Ｂ−相の出力電流が得られる。そして、これらを電流電圧変換器で電圧値に変換した後、Ａ＋相とＡ−相、及び、Ｂ＋相とＢ−相を差動増幅器に入力し、その出力信号を９０°位相のずれたＡ，Ｂ相の２相アナログ変位出力信号として出力する。受光素子（フォトＩＣ素子３０）に内蔵された信号処理回路部３９（プッシュプル回路を含む。）において所定の信号処理が実行され、受光素子の出力信号である４相信号に含まれる直流成分及び偶数次の高調波成分が除去される。

本実施例では、不図示の付加手段によって、位置検出分解能を向上させるため、Ａ相及びＢ相の正弦波状信号を逆正接演算して逆正接値（ＡｒｃＴａｎ値）を求めて位相角を算出する。付加手段としては、例えば、Ａ／Ｄコンバータとルックアップテーブルを記憶したメモリとから構成される。

また本実施例では、Ａ相及びＢ相正弦波状信号における振幅誤差、位相誤差及びオフセットはデジタル的に補正される。しかし、補正後の正弦波状信号にも、理想的な正弦波信号波形からのズレ（波形形状歪）が存在する。この波形形状歪は、特に、検出ヘッド４０と反射スケール２０との間の間隔変動に大きく依存し、この波形形状歪の多くは高調波成分によるのである。
本実施例では、前述のように、光源１０の発光窓を所定の形状とすることで、第３次の高調波成分が除去されている。また、前述の信号処理回路部３９（差動回路）の構成により、偶数次の高調波成分は効果的に除去される。このため、出力信号に含まれる残存高調波成分として支配的なのは、５次以上の奇数次成分となる。

図１１は、本実施例における受光素子（フォトＩＣ素子３０）の受光窓の形状を示す図である。図１１に示されるように、受光素子の受光窓の形状は、第５次の高調波成分を除去するため、その有効受光窓の幅（図中のＷｐ）がＰｉ／５に設定されている。本実施例において、受光面上に形成される干渉縞の基本周期Ｐｉは１２８μｍである。このため、本実施例では、受光窓の幅Ｗｐは２５．６μｍ（＝１２８／５）に設定され、各受光窓の間の不感帯部分の幅Ｗｓは６．４μｍに設定される。

このように、受光窓部の寸法ＷｐをＰｉ／５に設定すること、すなわち第５次の高調波成分の空間周期と受光窓の幅Ｗｐを同じ値の幅にすることで、第５次波成分の積分光量が常に一定となる。このため、出力信号の波形から第５次高調波成分を効果的に除去することができる。さらに、本実施例によれば、受光窓の縁部間（図中Ｗｓ）に十分な寸法マージンが与えられる。このため、隣接する受光信号源からのクロストークによる波形の歪みや、オフセット誤差によるエンコーダの位置検出精度の劣化を防止することができる。

このように、複数の受光窓の各々の幅Ｗｐは、第５次の高調波成分を除去するため、受光素子面上に形成される干渉縞の基本周期の１／５に設定される。ただし、第５次以上の高調波成分を除去するため、干渉縞の基本周期の１／Ｍ（Ｍ≧５）に設定してもよい。

図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、フォトＩＣ素子３０を封止するパッケージを示す図である。図２（Ｂ）は、光源１０の発光窓１１からのパッケージ内を伝搬した光束が受光素子部３１に直接入らないように配設された遮光壁４８を示している。図２（Ｃ）は、検出ヘッド４０及び反射スケール２０の各断面と簡単な光線光路を示している。検出ヘッド４０は、光源１０及びフォトＩＣ素子３０に加え、配線基板４４と、光源１０及びフォトＩＣ素子３０を封止した透光性の封止樹脂４５と、封止樹脂４５上に配設された透明ガラス４６とから構成されている。

次に、図３を参照して、本実施例の反射スケール２０について説明する。図３（Ｂ）に示されるように、反射スケール２０は、パターン形成シート２３と反射層形成シート２４とから構成されている。パターン形成シート２３は、例えば工業用写真製版フィルムであり、その素材は透明なＰＥＴフィルムである。その素材の厚みは約０．１〜０．２ｍｍ程度で、工業用写真製版フィルム表層に設けられた乳剤層により、露光及び現像工程を経て必要なパターンが形成される。パターン形成シート２３の基材部２３ａ上には、光吸収部分の非反射部２３ｂと光線透過部２３ｃとからなるパターンが交互に設けられている。

一方、反射層形成シート２４には、基材とするＰＥＴフィルムからなる反射層２４ａの下面に蒸着膜からなる反射層２４ｂが形成されている。図３（Ｃ）に示されるように、反射スケール２０は、これらのパターン形成シート２３と反射層形成シート２４とを透明な接着剤からなる接着層２５で接合した構造を有する。

本実施例では、パターン形成シート２３として、光吸収部分の非反射部２３ｂと光線透過部２３ｃとの寸法比（以下、反射スケールの開口比と呼ぶ）を１：１とした矩形波振幅格子が形成されている。図３（Ｄ）に示されるように、変位検出方向をＸ軸とした場合、スケールの近視野での反射光強度分布は、ＡＰ／Ｐｓ＝５０％の矩形分布となる。本実施例での反射スケール２０は、その厚みが０．１〜０．３ｍｍ前後で、可撓性を有し、円筒体の内外側面に湾曲させて装着することも可能である。このため、種々の用途への展開が可能である。

本実施例では、光源の発光窓内の発光強度分布特性に応じて有効発光径を決定することで第３次高調波成分が効果的に除去される。また、受光素子の受光窓寸法Ｗｐに対して、受光面上に投射される干渉縞の基本周期Ｐｉの１／５（１／Ｍ）に相当する幅に設定することで第５次高調波成分（第Ｍ次高調波成分）が効果的に除去される。また、このとき、複数の受光窓の各々の幅は、反射スケール２０の格子ピッチの２／Ｍ（Ｍ≧５）の長さに設定されることになる。

さらに、４相信号の差動回路（プッシュプル回路）を用いた信号処理方法により、偶数次の高調波成分が効果的に除去される。このように、本実施例では、光源部、受光部、信号処理部の構成要素の各部分に、除去対象とする高調波成分を次数毎に配分し、各部分でそれぞれ異なる手法を用いて実効的且つ高精度に高調波成分を除去することができる。このため、理想的な正弦波のアナログ出力信号が得られ、電気的な内挿手段を適用した場合に高分解能且つ高精度に位置を検出することが可能となる。また本実施例によれば、安価かつ小型の光学式エンコーダを提供することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。図１２は、本実施例の光学式エンコーダにおいて、複数の発光窓１１を備えた光源１０（ＬＥＤ光源）を示す図である。図１２（Ａ）は矩形形状の複数の発光窓を備えた光源を示し、図１２（Ｂ）は円形形状の複数の発光窓を備えた光源を示す。本実施例において、複数の発光窓１１は、第１スケールの格子ピッチＰｓの２倍の間隔（格子ピッチＰＧ２）で配置される。１つの発光窓１１の幅ＷＬ（図１２（Ａ））及び直径ＷＬ（図１２（Ｂ））としては、それぞれ、上述の参考例１及び実施例１における値と同じ値を適用することで、高調波成分を除去することができる。

図１３は、本実施例の光源を用いた場合における光学式エンコーダの等価光学系を示す図である。複数の発光窓１１の中心間距離を２×Ｐｓに設定すると、受光素子面上における光強度分布の位相関係が重なる。このため、単一の発光窓１１を配置した場合と同様の光強度分布が受光素子面上に形成される。このように、複数の発光窓１１を備えた光学式エンコーダにおいても、上述の参考例１および実施例１と同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、参考例１および実施例１で示したような光源の形状、発光窓内の強度分布、あるいは、実施例２で示した発光窓の数は発明の限定要素とはならず、数式（２３）で示された条件式を満たす光源であれば任意の高調波の歪除去が可能となる。

なお、上述の参考例１並びに実施例１および２の光学式エンコーダは、その出力信号に含まれる高調波成分を除去するように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。参考例１並びに実施例１および２とは反対に、特定の高調波成分を残存させることで、光学式エンコーダの出力信号を三角波形状にすることも可能である。例えば、２次の成分が除去されるように光源の発光窓形状を決定し、さらに、奇数次が残存するように受光窓の形状（受光素子の幅）を決定することで、奇数次を積極的に残存させて出力信号を三角波にすることが可能となる。特に、出力信号のうち直線性に優れた信号成分を部分的に選択し、その信号成分の内挿演算で位置検出を行う方法（直線部切り出し方式）等の電気的内挿方法を適用する場合、このような三角波の出力信号の形状精度が重要となる。

上述の参考例１並びに実施例１および２では反射型の光学式エンコーダについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば透過型の光学式エンコーダにも適用可能である。また、参考例１並びに実施例１および２では、第２スケール及び第３スケールをそれぞれ光源及び受光部と一体的に構成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、第２スケールを光源とは別に構成した場合、又は、第３スケールを受光部とは別に構成した場合にも適用可能である。

上記各実施例によれば、小型で高精度な光学式エンコーダを提供することができる。

以上、本発明の参考例および実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記参考例や実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

１０ 光源
１１ 発光窓
２０ 反射スケール
３０ フォトＩＣ素子
３２〜３５ 受光窓
３９ 信号処理回路

Claims (2)

1. 発光窓から射出する光を発する光源と、
   前記光源に対向配置されたスケールと、
   前記スケールを介した前記光源からの光束を受光する受光素子と、
   前記受光素子の出力信号を処理する信号処理回路と、を有し、
   前記発光窓内の光強度分布が不均一であり、
   前記信号処理回路は、プッシュプル回路を含み、
   前記プッシュプル回路は、前記出力信号から偶数次の高調波成分を除去し、
   前記受光素子は、複数の受光窓を有し、
   前記複数の受光窓の各々の幅は、前記スケールの格子ピッチの２／Ｍ（Ｍ≧５）の長さに設定されていることにより、前記出力信号から第Ｍ次高調波成分を除去し、
   前記光源は、電流狭窄型ＬＥＤであり、
   前記光源の発光窓は、複数の点光源の集合体として構成され、以下の式を満たす形状を有することにより前記出力信号から第３次高調波成分を除去することを特徴とする光学式エンコーダ。
   
   ただし、Ｓは積分範囲である発光窓内全域、Ｐｏ（ｘ１、ｙ１）は発光窓のＸＹ座標（ｘ１、ｙ１）における近視野での発光強度分布を表す関数、ｐはスケールの格子ピッチ、Ｎは高調波成分の特定の次数（Ｎ＝３）、ｘ２は受光素子面上の変位検出方向軸である。
2. 前記受光素子は、複数の受光窓を有し、
   前記複数の受光窓の各々の幅は、受光素子面上に形成される干渉縞の基本周期の１／Ｍ（Ｍ≧５）に設定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。