(57)【要約】【課題】独立した光学部品を極力減少でき、低コストで測定精度を大幅に向上する。【解決手段】半導体レーザ１６の両端面から出射される可干渉の２つの光２０、２１を、回折格子２３が形成されたスケール２２における回折格子に入射し、この回折格子で回折された２つの光の回折光を干渉させ、干渉光の光強度を検出して、この光強度の信号をスケールの移動量に対応した信号として出力するエンコーダにおいて、  半導体レーザ１６の両端面から出射される光の伝搬方向に直交する面内における半導体レーザの活性層３２の厚さ方向を、当該光がスケール２２に入射した時点において、スケールの移動方向に一致させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザの両端面から出射される可干渉の２つの光を、回折格子が形成されたスケールにおける回折格子に入射し、この回折格子で回折された前記２つの光の回折光を干渉させ、干渉光の光強度を検出して、この光強度の信号を前記スケールの移動量に対応した信号として出力するエンコーダにおいて、
前記半導体レーザの両端面から出射される光の伝搬方向に直交する面内における前記半導体レーザの活性層の厚さ方向が、当該光が前記スケールに入射した時点において、スケールの移動方向に一致することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記半導体レーザはシリコン単結晶で形成された容器に収納され、前記容器の側壁内面は異方性エッチングで［１１１］結晶面に形成され、前記半導体レーザの両端面から出射される光は、前記［１１１］結晶面で反射された後、容器外の前記スケール方向へ向かうことを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスに、前記半導体レーザの両端面から出射される各光が容器外の前記スケールに対して所定の入射角で入射するための屈折率型レンズ又は回折格子が一体形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記スケールの回折格子で回折された２つの光の回折光は３次回折光であり、前記半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスの両面に、前記半導体レーザの両端面から出射される各光が容器外の前記スケールに対して所定の入射角で入射するための屈折率型レンズ又は回折格子が一体形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスの内面に、容器外の前記スケールで回折された２つの回折光の干渉光の光強度を検出する光検出器が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記容器外の前記スケールの回折格子で回折された２つの光の回折光は３次回折光であり、前記容器の開口を蓋するガラスの外面に、前記２つの３次回折光の干渉光を前記光検出器へ導くための回折格子が一体形成されていることを特徴とする請求項５記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスの外面に、前記半導体レーザの両端面から出射される２つの光のうちの一方の光の一部を反射する反射面が形成され、前記ガラスの内面に前記反射面で反射された光の光強度をモニタ光強度として検出するモニタ用の光検出器が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記容器の開口を蓋するガラスに、前記半導体レーザの両端面から出射される２つの光のうちの一方の光を光導波路長が異なる２つの部分光に分ける段差が形成され、かつ、前記ガラスの内面に、前記各部分光の前記スケールで回折された各回折光と他方の光の前記スケールで回折された回折光との２つの干渉光の光強度を検出する２つの光検出器が設けられたことを特徴とする請求項３記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記２つの光検出器は前記ガラスの内面に貼付け又は形成された１つの分割ＰＤ（フォトダイオード）で構成されていることを特徴とする請求項８記載のエンコーダ。
【請求項１０】
前記スケールに前記回折格子の格子間隔に対して異なる格子間隔を有する補助回折格子を設け、
前記半導体レーザの両端面から出射される２つの光のうちの一方の光の一部を前記スケールの補助回折格子で回折させ、この回折光と前記干渉光とを干渉させて補助干渉光を得て、この補助干渉光の光強度を検出して、この光強度の信号を前記スケールの移動量に対応した補助信号として出力する
ことを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
【請求項１１】
半導体レーザの端面から出射される可干渉の光を２つの光に分光して、回折格子が形成されたスケールにおける回折格子に入射し、この回折格子で回折された前記２つの光の回折光を干渉させ、干渉光の光強度を検出して、この光強度の信号を前記スケールの移動量に対応した信号として出力するエンコーダにおいて、
前記半導体レーザの端面から出射される光の伝搬方向に直交する面内における前記半導体レーザの活性層の厚さ方向が、当該光が前記スケールに入射した時点において、スケールの移動方向に一致し、
前記半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスに、前記半導体レーザの端面から出射される光が容器外の前記スケールに対して所定の入射角で入射するために、当該光をコリメートし方向変換する屈折率型レンズ及び当該光を２つの光に分光する回折格子が一体形成され、
前記ガラスの内面に、容器外の前記スケールで回折された２つの回折光の干渉光の光強度を検出する光検出器及びこの光検出器で検出された光強度の信号を容器外へ導くための配線が設けられている
ことを特徴とするエンコーダ。
【請求項１２】
前記ガラスに形成された屈折率型レンズ又は回折格子は、ポリイミド等の有機材料からなるフィルムに転写やフォトリソ技術で形成したものをガラスに貼付け又は接着して形成されていることを特徴とする請求項３、４、６、１１のいずれか１項記載のエンコーダ。
【請求項１３】
前記半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋する気密性の高い有機材料又はセラミック材料に、前記半導体レーザの両端面から出射される各光が容器外の前記スケールに対して所定の入射角で入射するための屈折率型レンズ又は回折格子が一体形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光を用いて測定対象の移動量を測定するためのエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象の移動量をμｍのオーダの高精度で測定する変位測定装置の一つとして、光を用いたエンコーダが実用化されている。  
このエンコーダの動作原理を説明する。光源から出射された可干渉（コヒーレント）の２つの光を回折格子が形成されたスケールの回折格子に入射させ、得られた各光に対する２つの回折光を干渉させる。この干渉光の光強度を光検出器で検出して光強度信号を得る。ここで、スケールが回折格子における格子と直交する方向に移動すると、干渉光の光強度、すなわち光強度信号の信号レベルが正弦波を描いて変化する。光強度信号の正弦波の波長λと、スケールの回折格子の格子間隔（ピッチ）ｐとは比例関係が成立するので、光強度信号の基準位置からの波長の数ｎを測定すれば、スケールの移動量Ｌが求まる。
【０００３】
このような動作原理を有するエンコーダの一例は特許文献１に提案されている。  
図１５に示すように、一つの基板１上に、両端面から可干渉（コヒーレント）の２つの光を出射する半導体レーザ２、干渉光の光強度を検出する光検出器３、モニタ用の２個の光検出器４ａ、４ｂ、半導体レーザ２の２つ光をスケール５の回折格子６上に集光させるための２つのレンズ７ａ、７ｂ、上述した３個の光検出器３、４ａ、４ｂへ光を集光させるための３つのレンズ８、９ａ、９ｂが形成されている。
【０００４】
また、半導体レーザ２は、出射する光をスケール５の回折格子６へ所定角度で入射させるために、その励振方向の途中に２つの全反射面が形成されている。
【０００５】
このように、一つの基板１上に、半導体レーザ２を含む多くの光学部品を基板１に対して一体形成しているので、このエンコーダの組立終了後における光学部品相互間の位置調整が不要である。また、外部からの振動によって光学部品相互間の位置関係がずれることが未然に防止される。
【特許文献１】特開平３―２９１５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この特許文献１に提案されたエンコーダにおいては、一つの基板上に、半導体レーザ２を含む多くの光学部品が平面的に配置されているので、半導体レーザ２の一方の端面から出射してスケール５で０次反射（通常反射）した光が半導体レーザ２の他方の端面に入射される、いわゆる戻り光を防止するためには、エンコーダチップ全体を面に垂直方向に若干傾ける等の対策が必要など、組立に余分な作業を要した。
【０００７】
さらに、この特許文献１に提案されたエンコーダにおいては、基板１上に両端面から２つの光を出射する半導体レーザ２が形成されているので、この半導体レーザ２の活性層は基板１と平行している。
【０００８】
一般的に、半導体レーザ２の端面から出射される光の伝搬方向に直交する面内における光強度分布特性は、図３（ｂ）に示すように、活性層の幅方向と矢印で示す厚さ方向とにおいて異なる。厚さ方向はほぼ一定値を有する。逆に、幅方向は一定でなくて二つのピーク形状を有する。
【０００９】
しかし、上述したエンコーダにおける半導体レーザ２から出射される光の伝搬方向に直交する面内における活性層の幅方向が、この光がスケール５に入射した時点において、スケール５の移動方向に一致しているので、スケール５における光照射面内の移動方向の各位置に均等な光量が得られない。よって、スケール５の移動に正確に対応した高精度の回折光が得られない。その結果、測定対象の移動量の測定精度を一定限度以上向上させることが困難であった。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、組込まれる独立した光学部品を極力減少でき、光学部品相互間の位置調整がほとんど不要で、簡単な構成で装置全体を大幅に小型化でき、さらに、低コストで測定精度を大幅に向上できるエンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体レーザの両端面から出射される可干渉の２つの光を、回折格子が形成されたスケールにおける回折格子に入射し、この回折格子で回折された２つの光の回折光を干渉させ、干渉光の光強度を検出して、この光強度の信号をスケールの移動量に対応した信号として出力するエンコーダにおいて、
半導体レーザの両端面から出射される光の伝搬方向に直交する面内における半導体レーザの活性層の厚さ方向が、当該光がスケールに入射した時点において、スケールの移動方向に一致する。
【００１２】
前述したように、半導体レーザの端面から出射される光の伝搬方向に直交する面内における光強度分布特性は、図３（ｂ）に示すように、活性層の幅方向と厚さ方向とにおいて異なる。厚さ方向はほぼ一定値を有する。逆に、幅方向は一定でなくて二つのピーク形状を有する。
【００１３】
図３（ａ）に示すように、本発明のエンコーダにおける半導体レーザから出射される光の伝搬方向に直交する面内における活性層の厚さ方向が、この光がスケールに入射した時点において、スケールの移動方向に一致しているので、スケールにおける光照射面内の移動方向の各位置に均等な光量が得られる。よって、スケールの移動に正確に対応した高精度の回折光が得られる。その結果、測定対象の移動量の測定精度を大幅に向上できる。
【００１４】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、半導体レーザはシリコン単結晶で形成された容器に収納され、容器の側壁内面は異方性エッチングで［１１１］結晶面に形成され、半導体レーザの両端面から出射される光は、［１１１］結晶面で反射された後、容器外のスケール方向へ向かう。
【００１５】
このように構成されたエンコーダにおいては、半導体レーザの両端面から出射される光は、この半導体レーザを収納したシリコン単結晶で形成された容器の側壁内面に異方性エッチングで形成された［１１１］結晶面で反射された後、容器外のスケール方向へ向かうので、この容器内に、別途、専用の反射板を設ける必要がなく、このエンコーダに組込む光学部品数を減少できる。
【００１６】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスに、半導体レーザの両端面から出射される各光が容器外のスケールに対して所定の入射角で入射するための屈折率型レンズ又は回折格子が一体形成されている。
【００１７】
このように構成されたエンコーダにおいては、半導体レーザの両端面から出射される光は、容器の開口を蓋するガラスに一体形成されている屈折率型レンズ又は回折格子によって、容器外のスケールに対して所定の入射角で入射されるので、別途、専用のレンズを設ける必要がなく、このエンコーダに組込む光学部品数を減少できる。
【００１８】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、スケールの回折格子で回折された２つの光の回折光は３次回折光であり、半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスの両面に、半導体レーザの両端面から出射される各光が容器外のスケールに対して所定の入射角で入射するための屈折率型レンズ又は回折格子が一体形成されている。
【００１９】
このように構成されたエンコーダにおいては、スケールの回折格子で回折された２つの３次回折光を採用している。３次回折光を採用することによって測定精度が向上する。さらに、容器の開口を蓋するガラスの両面に屈折率型レンズ又は回折格子が一体形成されているので、別途、専用のレンズを設ける必要がない。
【００２０】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスの内面に、容器外のスケールで回折された２つの回折光の干渉光の光強度を検出する光検出器が設けられている。
【００２１】
このように容器の開口を蓋するガラスの内面に光検出器が設けられているので、エンコーダを小型化できる。
【００２２】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、容器外のスケールの回折格子で回折された２つの光の回折光は３次回折光であり、容器の開口を蓋するガラスの外面に、２つの３次回折光の干渉光を光検出器へ導くための回折格子が一体形成されている。
【００２３】
このように構成されたエンコーダにおいては、スケールの回折格子で回折された２つの３次回折光は容器の開口を蓋するガラスの外面に形成された回折格子を介して干渉光として光検出器へ導かれる。
【００２４】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスの外面に、半導体レーザの両端面から出射される２つの光のうちの一方の光の一部を反射する反射面が形成され、ガラスの内面に前記反射面で反射された光の光強度をモニタ光強度として検出するモニタ用の光検出器が設けられている。
【００２５】
このように構成されたエンコーダにおいては、半導体レーザの両端面から出射される２つの光のうちの一方の光の一部が、ガラスの外面に形成された反射面で反射されてモニタ用の光検出器において、モニタ光強度として検出される。
【００２６】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、容器の開口を蓋するガラスに、半導体レーザの両端面から出射される２つの光のうちの一方の光を光導波路長が異なる２つの部分光に分ける段差が形成され、かつ、ガラスの内面に、各部分光のスケールで回折された各回折光と他方の光のスケールで回折された回折光との２つの干渉光の光強度を検出する２つの光検出器が設けられている。
【００２７】
このように、半導体レーザの両端面から出射される２つの光のうちの一方の光を光導波路長が異なる２つの部分光に分け、各回折光と他方の光のスケールで回折された回折光との２つの干渉光のそれぞれの光強度を得ることによってスケールの移動方向を把握できる。
【００２８】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、２つの光検出器はガラスの内面に貼付け又は形成された１つの分割ＰＤ（フォトダイオード）で構成されている。  
したがって、光学部品点数を削減できる。
【００２９】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、スケールに回折格子の格子間隔に対して異なる格子間隔を有する補助回折格子を設けている。さらに、半導体レーザの両端面から出射される２つの光のうちの一方の光の一部をスケールの補助回折格子で回折させ、この回折光と干渉光とを干渉させて補助干渉光を得て、この補助干渉光の光強度を検出して、この光強度の信号をスケールの移動量に対応した補助信号として出力する。
【００３０】
このように構成されたエンコーダにおいては、スケールには、前述した通常の回折格子の他にこの回折格子の格子間隔に対して異なる格子間隔を有する補助回折格子が設けられている。そして、前述した通常の回折格子のみを用いた前述した通常の光強度信号と、この通常の光強度信号に対して信号変化の波長が格段に長い補助信号とが得られるので、この通常の光強度信号と補助信号とを比較参照することによって、通常の光強度信号から得られるスケールの補助信号の１波長内の絶対位置を把握できるアブソリュート型のエンコーダを実現できる。
【００３１】
さらに別の発明は、半導体レーザの端面から出射される可干渉の光を２つの光に分光して、回折格子が形成されたスケールにおける回折格子に入射し、この回折格子で回折された２つの光の回折光を干渉させ、干渉光の光強度を検出して、この光強度の信号をスケールの移動量に対応した信号として出力するエンコーダにおいて、
半導体レーザの端面から出射される光の伝搬方向に直交する面内における半導体レーザの活性層の厚さ方向が、当該光がスケールに入射した時点において、スケールの移動方向に一致している。また、半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋するガラスに、半導体レーザの端面から出射される光が容器外のスケールに対して所定の入射角で入射するために、当該光をコリメートし方向変換する屈折率型レンズ及び当該光を２つの光に分光する回折格子が一体形成されている。さらに、ガラスの内面に、容器外のスケールで回折された２つの回折光の干渉光の光強度を検出する光検出器及びこの光検出器で検出された光強度の信号を容器外へ導くための配線が設けられている。
【００３２】
このように構成されたエンコーダにおいては、半導体レーザの端面から出射される光は容器の開口を蓋するガラスに一体形成された屈折率型レンズ及び回折格子によって、コリメートされ、方向変換され、２つの光に分光されたのち、スケールの回折格子へ入射される。さらに、スケールで回折された２つの回折光の干渉光の光強度はガラスの内面に設けられた光検出器で検出される。検出された光強度の信号はガラスの内面に設けられた配線にて容器外へ導かれる。このように、容器の開口を蓋するガラスは、上述した多くの機能を有する。
【００３３】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、ガラスに形成された屈折率型レンズ又は回折格子を、ポリイミド等の有機材料からなるフィルムに転写やフォトリソ技術で形成したものをガラスに貼付け又は接着して形成することも可能である。
【００３４】
また、別の発明は、上述した発明のエンコーダにおいて、半導体レーザは開口を有する容器に収納され、この容器の開口を蓋する気密性の高い有機材料又はセラミック材料に、半導体レーザの両端面から出射される各光が容器外のスケールに対して所定の入射角で入射するための屈折率型レンズ又は回折格子が一体形成されている。  
すなわち、ガラスに代えて、気密性の高い有機材料又はセラミック材料を採用することも可能である。
【発明の効果】
【００３５】
本発明のエンコーダにおいては、組込まれる独立した光学部品を極力減少でき、光学部品相互間の位置調整がほとんど不要で、簡単な構成で装置全体を大幅に小型化でき、さらに、低コストで測定精度を大幅に向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
【００３７】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わるエンコーダの概略構成を示す断面模式図であり、図２は上面図である。
【００３８】
シリコン単結晶の基板の中央部をエッチング加工で除去して構成された容器１０の上端開口はガラス板１１で気密に蓋されている。容器１０の底面１２には半導体レーザ１６が形成されている。容器１０の側壁の上面１４はシリコン単結晶の［００１］結晶面に形成され、容器１０の側壁内面１３は、異方性エッチング加工により［１１１］結晶面に形成されている。したがって、側壁内面１３は上面１４に対して正確に５４．９°の傾斜角を有する。［１１１］結晶面に形成された側壁内面１３の表面には金メッキからなる反射膜１３ａが形成されている。容器１０の底面１２には、半導体レーザ１６に駆動電流を供給したり、複数の光強度信号を取出すための複数の貫通電極１５が形成されている。
【００３９】
容器１０の上端開口を蓋するガラス板１１の下面の両端近傍には、２つの屈折率型のレンズ１７、１８がガラス板１１と一体形成されている。一方のレンズ１８の中央部には、段差１９が形成されている。この段差１９は、レンズ１８を通過するビーム状の光２１を、光導波路長が異なる２つの部分光２１ａ、２１ｂに分ける。具体的には、２つの部分光２１ａ、２１ｂの光導波路長差は、各光２０、２１（２１ａ、２１ｂ）の干渉光の光強度信号における信号変化の波長λ1に対して、［（λ1／４）＋ｍλ1］（ｍは整数）に設定されている。  
なお、各レンズ１７、１８の代りに、回折格子をガラス板１１に一体形成してもよい。
【００４０】
容器１０の上端開口を蓋するガラス板１１の下面の中央部には、分割ＰＤ（フォトダイオード）２５が貼付けられており、この分割ＰＤ２５の上面には、Ａ相検出用の受光窓２７、Ｂ相検出用の受光窓２８、及びモニタ用の受光窓２９が形成されている。
【００４１】
さらに、ガラス板１１の上面には、半導体レーザ１６から出射されて反射膜１３ａで反射されたモニタ光３１を分割ＰＤ２５のモニタ用の受光窓２９へ導くための反射膜３０が形成されている。分割ＰＤ２５からモニタ光強度信号が独立して取出される。
【００４２】
半導体レーザ１６の一方の端面から出射されたビーム状の可干渉の光２０は、側壁内面１３の反射膜１３ａで反射されたのち、ガラス板１１に形成されたレンズ１７にて平行光に変換されて、スケール２２の回折格子２３へ、１次回折光２４がスケール２２に対して直交するような入射角θで入射する。
【００４３】
スケール２２は、矢印で示すように、ガラス板１１と平行状態を維持した状態で移動する。スケール２２の下面に形成された回折格子２３は移動方向に直交する方向に各格子が設けられている。この実施形態においては、格子間隔（ピッチ）はｐ＝３．２μｍに設定されている。
【００４４】
さらに、具体的には、図３（ａ）（ｂ）に示すように、半導体レーザ１６の両端面から出射される光２０、２１の伝搬方向に直交する面内における半導体レーザ１６の活性層３２の厚さ方向が、当該光２０、２１がスケール２２に入射した時点において、スケール２２の移動方向に一致している。
【００４５】
スケール２２の回折格子２３で回折された光２０の平行ビーム状の１次回折光は、ガラス板１１を垂直に透過して、分割ＰＤ２５のＡ相検出用の受光窓２７及びＢ相検出用の受光窓２８へ入射される。
【００４６】
また、半導体レーザ１６の他方の端面から出射されたビーム状の可干渉の光２１は、側壁内面１３の反射膜１３ａで反射されたのち、ガラス板１１に形成されたレンズ１８にて平行光に変換され、同時に段差１９で光導波路長が異なる２つの部分光２１ａ、２１ｂに分けられた状態でスケール２２に入射角θで入射する。
【００４７】
スケール２２の回折格子２３で回折された光２１を構成する部分光２１ａの１次回折光は、ガラス板１１を垂直に透過して分割ＰＤ２５のＡ相検出用の受光窓２７へ入射される。スケール２２の回折格子２３で回折された光２１を構成する部分光２１ｂの１次の回折光は、ガラス板１１を垂直に透過して分割ＰＤ２５のＢ相検出用の受光窓２８へ入射される。
【００４８】
したがって、Ａ相検出用の受光窓２７には、光２０の１次回折光と光２１を構成する一方の部分光２１ａの１次回折光との干渉光が入射し、分割ＰＤ２５のＡ相の出力端子から、この干渉光の光強度信号である図４に示すＡ相光強度信号が出力される。
【００４９】
一方、Ｂ相検出用の受光窓２８には、光２０の１次回折光と光２１を構成する他方の部分光２１ｂの１次回折光との干渉光が入射し、分割ＰＤ２５のＢ相の出力端子から、この干渉光の光強度信号である図４に示すＢ相光強度信号が出力される。
【００５０】
ここで、スケール２２が矢印方向に移動すると、Ａ相光強度信号及びＢ相光強度信号は、信号レベルが正弦波を描いて変化する。光強度信号の正弦波の波長λ1と、スケール２２の回折格子２３の格子間隔（ピッチ）ｐとは、１次回折光２４を採用した場合、スケール２２の回折格子２３に対する各光２０、２１の入射角を上述したように設定することにより、下記式が成立する。
【００５１】
λ1＝ｐ／２
したがって、Ａ相光強度信号及びＢ相光強度信号の基準位置からの波長の数ｎを測定すれば、スケールの移動量Ｌが求まる。この実施形態においては、格子間隔（ピッチ）はｐ＝３．２μｍに設定されているので、Ａ相光強度信号及びＢ相光強度信号における１波長λ1はスケール２２の移動量Ｌにおける１．６μｍに相当する。
【００５２】
なお、Ａ相光強度信号又はＢ相光強度信号単独では、スケール２２の移動方向が把握できないので、図５に示すように、位相が９０度異なるＡ相光強度信号とＢ相光強度信号とで円形のリサージュ波形を描くことにより、移動方向とより正確な移動量Ｌを測定できる。Ｐ点がリサージュ波形の円を一周すると、スケール２２は１．６μｍ移動することになる。
【００５３】
このように構成された第１実施形態のエンコーダにおいては、図３（ａ）（ｂ）に示すように、シリコン単結晶の基板の中央部をエッチング加工で除去して構成された容器１０の底面１２上に形成された半導体レーザ１６の両端面から出射される光２０、２１の伝搬方向に直交する面内における半導体レーザ１６の活性層３２の厚さ方向が、当該光２０、２１がスケール２２に入射した時点において、スケール２２の移動方向に一致している。
【００５４】
したがって、スケール２２における光照射面内の移動方向の各位置に均等な光量が得られる。よって、スケール２２の移動に正確に対応した高精度の回折光２４が得られる。その結果、スケール２２の移動量の測定精度を大幅に向上できる。
【００５５】
さらに、容器１の側壁内面１３は異方性エッチングで［１１１］結晶面に形成され、半導体レーザ１６の両端面から出射される光２０、２１は［１１１］結晶面上に形成された金メッキからなる反射膜１３ａで反射される。したがって、容器１０内に、別途、専用の反射板を設ける必要がなく、このエンコーダに組込む光学部品数を減少できる。
【００５６】
さらに、容器１０を蓋するガラス板１１に、レンズ１７、１８及び段差１９等の光学部品を一体形成しているので、容器１０内に、別途、専用の光学部品を設ける必要がなく、このエンコーダに組込む光学部品数をさらに減少できる。また、Ａ相光強度信号、Ｂ相光強度信号、モニタ光強度信号はガラス板１１の内面に貼付け又は形成された１つの分割ＰＤ（フォトダイオード）２５で検出されている。したがって、光学部品点数をさらに削減できる。
【００５７】
その結果、エンコーダをより小型、軽量に形成できる。実施形態においては、図１、図２に示すように、［１．６１ｍｍ×１．６ｍｍ×０．８ｍｍ］の大きさに小型化できた。
【００５８】
図６は図１に示すエンコーダの側断面図である。導体レーザ１６の両端面から出射される光２０、２１は、容器１０を蓋するガラス板１１に形成されたレンズ１７、１８によって、スケール２２の移動方向と直交する幅方向に角度θ1だけ傾斜されている。
【００５９】
このように、光２０、２１を、スケール２２の移動方向と直交する幅方向に傾斜させることにより、導体レーザ１６の一方の端面からから出射した光２０がスケール２２で反射されて、他方の光２１の経路を逆方向に進み、半導体レーザ１６の他方の端面の活性層３２に入射される、いわゆる戻り光が防止される。
【００６０】
この場合、図１５の従来のエンコーダと異なり、ガラス板１１に形成されたレンズ１７、１８の形成により、光２０、２１をスケール２２に対して傾けることができるために、エンコーダチップ全体を傾ける必要がなく、余分な取り付け作業が不要である。このスケール２２の移動方向と直交する幅方向に傾ける必要性は１次回折光を利用したエンコーダについて必要であるが、３次回折光を利用したエンコーダでは不要（光をスケールと垂直方向に傾ける必要がない）である。
【００６１】
必要な傾け角度角θ1は、理論的に、活性層の幅ａｗとレンズの焦点距離ｆを用いて概して、θ1＝ａｗ／ｆで求まる。しかし、実際は導体レーザ１６の位置ずれなどがあるため、安全のために、この理論値θ1（＝ａｗ／ｆ）よりも大きくしている。実施例を示すと、理論的には、
θ1＝ａｗ／ｆ＝５μｍ／５００μｍ＝１／１００（ｒａｄ）＝約０．６度
であるので、１度もあれば十分であるが、実際は４度傾けている。  
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態に係わるエンコーダの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態のエンコーダと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００６２】
この第２実施形態のエンコーダにおいては、容器１０を蓋するガラス板１１の両端近傍に、このガラス板１１の上面及び下面に亘る２つの屈折率型のレンズ１７ａ、１８ａがガラス板１１と一体形成されている。一方のレンズ１８ａの中央部には、段差１９が形成されている。この段差１９は、レンズ１８ａを通過するビーム状の光２１を、光導波路長が異なる２つの部分光２１ａ、２１ｂに分ける。
【００６３】
さらに、ガラス板１１の上面の中央位置には、回折格子３３がガラス板１１と一体形成されている。この回折格子３３の各格子の方向は、スケール２２の回折格子２３の各格子の方向と同一である。この回折格子３３はスケール２２の回折格子２３で回折された３次回折光２４ａ、２４ｂをガラス板１１を垂直に透過させて、分割ＰＤ２５のＡ相検出用の受光窓２７及びＢ相検出用の受光窓２８へ入射させる機能を有する。
【００６４】
半導体レーザ１６の一方の端面から出射されたビーム状の可干渉の光２０は、側壁内面１３の反射膜１３ａで反射されたのち、ガラス板１１に形成されたレンズ１７ａにて平行光に変換されて、スケール２２の回折格子２３へ３６．３°の入射角で入射する。この光２０における３次回折光はスケール２２から５９．４°の出射角で出射して、ガラス板１１の中央部に設けられた回折格子３３に対して３６．３°の入射角度で入射する。回折格子３３に入射された光２０のビーム状の３次回折光は、前述したように、ガラス板１１を垂直に透過して、分割ＰＤ２５のＡ相検出用の受光窓２７及びＢ相検出用の受光窓２８へ入射する。
【００６５】
また、半導体レーザ１６の他方の端面から出射されたビーム状の可干渉の光２１は、側壁内面１３の反射膜１３ａで反射されたのち、ガラス板１１に形成されたレンズ１８ａにて平行光に変換され、同時に段差１９で光導波路長が異なる２つの部分光２１ａ、２１ｂに分けられた状態でスケール２２に３６．３°の入射角で入射する。この２つの部分光２１ａ、２１ｂにおける３次回折光はスケール２２から５９．４°の出射角で出射して、ガラス板１１の中央部に設けられた回折格子３３に対して３６．３°の入射角度で入射する。
【００６６】
回折格子３３に入射された光２１を構成する部分光２１ａの３次回折光は、ガラス板１１を垂直に透過して、分割ＰＤ２５のＡ相検出用の受光窓２７へ入射する。回折格子３３に入射された光２１を構成する部分光２１ｂの３次回折光は、ガラス板１１を垂直に透過して、分割ＰＤ２５のＢ相検出用の受光窓２８へ入射する。
【００６７】
したがって、Ａ相検出用の受光窓２７には、光２０の３次回折光と光２１を構成する一方の部分光２１ａの３次回折光との干渉光が入射し、分割ＰＤ２５のＡ相の出力端子から、この干渉光の光強度信号である図８に示すＡ相光強度信号が出力される。
【００６８】
一方、Ｂ相検出用の受光窓２８には、光２０の３次回折光と光２１を構成する他方の部分光２１ｂの３次回折光との干渉光が入射し、分割ＰＤ２５のＢ相の出力端子から、この干渉光の光強度信号である図８に示すＢ相光強度信号が出力される。
【００６９】
前述した第１実施形態のエンコーダと同様に、スケール２２が移動すると、Ａ相光強度信号及びＢ相光強度信号は、信号レベルが正弦波を描いて変化する。光強度信号の正弦波の波長λ1と、スケール２２の回折格子２３の格子間隔（ピッチ）ｐとは、３次回折光２４ａ、２４ｂを採用した場合、スケール２２の回折格子２３に対する各光２０、２１の入射角を上述したように設定することにより、下記式が成立する。
【００７０】
λ1＝ｐ／６
したがって、Ａ相光強度信号及びＢ相光強度信号の基準位置からの波長の数ｎを測定すれば、スケールの移動量Ｌが求まる。この実施形態においては、格子間隔（ピッチ）はｐ＝３．２μｍに設定されているので、Ａ相光強度信号及びＢ相光強度信号における１波長λ1はスケール２２の移動量Ｌにおける約０．５４μｍに相当する。
【００７１】
なお、前述した第１実施形態のエンコーダと同様に、位相が９０度異なるＡ相光強度信号とＢ相光強度信号とで円形のリサージュ波形を描くことにより、移動方向とより正確な移動量Ｌを測定できる。この場合、図５のＰ点がリサージュ波形の円を一周すると、スケール２２は約０．５４μｍ移動する。
【００７２】
このように、第２実施形態のエンコーダにおいては、スケール２２の回折格子２３で回折された各次数の回折光のうち３次回折光２４ａ、２４ｂを採用することによって、Ａ相光強度信号及びＢ相光強度信号の１波長λ1に対応するスケール２２の移動量Ｌを第１実施形態のエンコーダの移動量Ｌに比較して、１／３に短縮できる。その結果、スケール２２の移動量Ｌの測定精度を約３倍に向上できる。
【００７３】
（第３実施形態）
図９は本発明の第３実施形態に係わるエンコーダの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態のエンコーダと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００７４】
この第３実施形態のエンコーダにおいて、図１０（ａ）に示すように、スケール２２ａには、前述した格子間隔（ピッチ）ｐ1＝３．２μｍの回折格子２３の他に、この回折格子２３に隣接して、格子間隔（ピッチ）ｐ2＝３．２２μｍの補助回折格子３４が設けられている。
【００７５】
また、ガラス板１１の上面の１次回折光２４の入射位置に回折格子３５がこのガラス板１１に一体形成されている。この回折格子３５の各格子の方向は、図１０（ｂ）に示すように、スケール２２ａの回折格子２３、補助回折格子３４の各格子の方向に対して直交する方向である。
【００７６】
さらに、図１０（ｂ）の上面図に示すように、ガラス板１１の下面に貼付けられた分割ＰＤ２５の上面には、第１実施形態のエンコーダと同様に、Ａ相検出用の受光窓２７、Ｂ相検出用の受光窓２８、及びモニタ用の受光窓２９が形成されている。さらに、Ａ相検出用の受光窓２７の隣接位置に補助光強度検出用の受光窓３６が形成されている。
【００７７】
このような構成の第３実施形態のエンコーダにおいては、図１に示す第１実施形態のエンコーダと同様に、半導体レーザ１６の両端面から出射された各光２０、２１はスケール２２ａの回折格子２３で回折され、各光２０、２１の１次回折光がＡ相検出用の受光窓２７及びＢ相検出用の受光窓２８へ入射される。その結果、図１２に示すＡ相光強度信号、及びＢ相光強度信号が得られる。このＡ相光強度信号及びＢ相光強度信号の波長λ1は、１次回折光２４を採用しているので、前述したように、λ1＝ｐ／２＝３．２／２＝１．６μｍのスケール２２ａの移動量Ｌに対応する。
【００７８】
さらに、この第３実施形態のエンコーダにおいては、図１１に示すように、Ａ相検出用の受光窓２７へ入射する光２０の１次回折光と光２１を構成する光２１ａの１次回折光との干渉光の一部３７は回折格子３５によって分岐（回折）されて、補助光強度検出用の受光窓３６へ入射される。
【００７９】
半導体レーザ１６の一方の端面から出射され、段差１９で２つの部分光２１ａ、２１ｂに分けられたビーム状の光２１は、スケール２２ａの回折格子２３に入射するとともに、その一部はスケール２２ａの補助回折格子３４に入射する。この補助回折格子３４で回折された光２１を構成する部分光２１ａの１次回折光は補助光強度検出用の受光窓３６へ入射される。
【００８０】
したがって、補助光強度検出用の受光窓３６には、スケール２２ａの回折格子２３を経由した干渉光の一部３７と、スケール２２ａの補助回折格子３４を経由した部分光２１ａの１次回折光とが入射される。
【００８１】
その結果、分割ＰＤ２５の補助光強度の出力端子から、この干渉光の一部３７と部分光２１ａの１次回折光との合成干渉光の光強度信号である図１２に示す補助光強度信号が出力される。
【００８２】
この補助光強度信号は、結果的に、格子間隔（ピッチ）ｐ1＝３．２μｍの回折格子２３に起因する信号と、格子間隔（ピッチ）ｐ2＝３．２２μｍの回折格子３４に起因する信号との干渉信号となるので、この補助光強度信号のスケール２２ａを移動させた時の信号レベル変化の波長λ3は下式のようになる。
【００８３】
λ3＝ｐ1×ｐ2／［２（ｐ1―ｐ2）］
この式に、ｐ1＝３．２μｍ、ｐ2＝３．２２μｍを代入すると、λ3＝２５７．６μｍになる。この補助光強度信号の波長λ3（＝２５７．６μｍ）は、Ａ相光強度信号及びＢ相光強度信号の波長λ1（＝１．６μｍ）に対して１６１倍の値である。したがって、この補助光強度信号を用いたスケール２２ａの移動量Ｌの測定精度は、Ａ相光強度信号又はＢ相光強度信号を用いたスケール２２ａの移動量Ｌの測定精度に比較して（１／１６１）となる。
【００８４】
このように構成された第３実施形態のエンコーダにおいて、測定状態においては、Ａ相光強度信号、Ｂ相光強度信号及び補助光強度信号の信号レベルＬａ、Ｌｂ、Ｌｃを計測している。そして、エンコーダが正常に動作している状態においては、測定精度が高いＡ相光強度信号及びＢ相光強度信号の信号レベルＬａ、Ｌｂを用いて、スケール２２ａの基準位置からの移動量Ｌを測定する。この場合、測定精度が低い補助光強度信号の信号レベルＬｃを用いることはない。
【００８５】
エンコーダの測定状態中に停電が発生して、その後復旧した場合を想定する。停電復旧時に、停電発生直前のＡ相光強度信号及びＢ相光強度信号の信号レベルＬａ、Ｌｂが測定されたとする。この場合、停電期間中にスケール２２ａが１波長（λ1）分以上移動したことも考えられるので、この停電復旧時のＡ相光強度信号及びＢ相光強度信号の信号レベルＬａ、Ｌｂを用いて、スケール２２ａの基準位置からの移動量Ｌを算出できない。
【００８６】
この場合、停電復旧時の補助光強度信号の信号レベルＬｃを用いる。補助光強度信号の波長λ3は、格段に長いので、停電期間中にスケール２２ａが１波長（λ3）分以上移動する可能性は低い。したがって、停電復旧時の信号レベルＬａ、Ｌｂ、Ｌｃの相互関係を検証することによって、スケール２２ａが停電期間中に何波長（λ1）分移動したかを検出できる。
【００８７】
その結果、たとえ、測定期間中に停電等に起因して測定が一時的に中断したとしても、測定を最初からやり直すことなく、継続して測定を実施できる。したがって、エンコーダの信頼性を大幅に向上できる。
【００８８】
すなわち、通常のＡ相光強度信号及びＢ相光強度信号から得られるスケール２２ａの補助光強度信号の１波長（λ3）内の絶対位置を把握できるアブソリュート型のエンコーダを実現できる。
【００８９】
（第４実施形態）
図１３は本発明の第４実施形態に係わるエンコーダの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態のエンコーダと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００９０】
この第４実施形態のエンコーダにおいては、容器１０を蓋するガラス板１１の下面のほぼ中央部に屈折率型のレンズ４２がこのガラス板１１と一体形成され、ガラス板１１の上面のほぼ中央部に回折格子４３がこのガラス板１１と一体形成されている。回折格子４３における格子の方向は、スケール２２の回折格子２３における格子の方向に一致している。
【００９１】
ガラス板１１の下面の一方には、分割ＰＤ２５が貼付けられており、この分割ＰＤ２５の上面には、Ａ相検出用の受光窓２７、Ｂ相検出用の受光窓２８、及びモニタ用の受光窓２９が形成されている。ガラス板１１の下面の他方には、別の分割ＰＤ４４が貼付けられており、この分割ＰＤ４４の上面には、１次回折光モニタ用の受光窓４５が形成されている。各分割ＰＤ２５、４４で検出されたＡ相光強度信号、Ｂ相光強度信号、モニタ光強度信号、１次回折光モニタ光強度信号は、ガラス板１１の下面にパターン形成された各配線、及び容器１０に形成された各貫通電極１５を介して、容器外へ導き出される。
【００９２】
分割ＰＤ２５のＡ相検出用の受光窓２７には、図１４に示すように、Ａ相光強度信号とＢ相光強度信号との間に前述した（λ1／４）の位相差（光導波路長差）を設けるための光学膜４６が形成されている。このように、第１実施形態のようにガラス板１１に段差１９を形成することでも可能であるが、分割ＰＤ２５の部分で光学膜４６を形成することにより（λ1／４）分位相シフトさせることも可能である。
【００９３】
半導体レーザ１６の一方の端面から出射されたモニタ光３１は、側壁内面及びガラス板１１の上面の反射膜３０で反射されて、分割ＰＤ２５のモニタ用の受光窓２９へ入射される。分割ＰＤ２５からモニタ光強度信号が独立して取出される。
【００９４】
導体レーザ１６の他方の端面から出射されたビーム状の光４０は、側壁内面で反射されてガラス板１１の下面に形成されたレンズ４２に入射される。ビーム状の光４０はこのレンズ４２によって、コリメート（平行光線に変換）及び進行方向を変更した後、ガラス板１１の上面に形成された回折格子４３で、２つの回折光４１ａ、４１ｂと、回折しない光４０ａとに分光される。
【００９５】
回折しない光４０ａは、スケール２２の回折格子２３にて−１次回折され、１次回折光４０ｂとしてガラス板１１を透過して、分割ＰＤ２５のＡ相、Ｂ相の各受光窓２７、２８に入射される。回折格子４３で回折された一方の回折光４１ｂは、スケール２２の回折格子２３にて＋１次回折され、１次回折光４１ｃとしてガラス板１１を透過して、分割ＰＤ２５のＡ相、Ｂ相の各受光窓２７、２８に入射される。したがって、各１次回折光４０ｂ、４１ｃは干渉して、分割ＰＤ２５から前述した（λ1／４）分位相シフトしたＡ相光強度信号、Ｂ相光強度信号が出力される。
【００９６】
回折格子４３で回折された他方の回折光４１ａは、スケール２２の回折格子２３にて＋１次回折され、１次回折光としてガラス板１１を透過して、分割ＰＤ４４の１次回折光モニタ用の受光窓４５に入射される。分割ＰＤ４４から１次回折光モニタ光強度信号が出力される。なお、この１次回折光モニタ光強度信号は、スケール２２の位置による回折効率のばらつきを補償するために用いる。
【００９７】
このように構成された第４実施形態のエンコーダにおいても、半導体レーザ１６の端面から出射される光４０の伝搬方向に直交する面内における半導体レーザ１６の活性層の厚さ方向が、当該光４０（４０ａ、４１ａ、４１ｂ）がスケール２２に入射した時点において、スケール２２の移動方向に一致している。したがって、第１実施形態のエンコーダとほぼ同じ効果を奏することが可能である。
【００９８】
さらに、この第４実施形態のエンコーダにおいては、１つのガラス板１１に対して、容器１０の上端開口を気密に蓋する機能、光をコリメートする機能、光の方向を変更する機能、光を分光（回折）する機能、各分割ＰＤを固定する機能、及び各光強度信号の配線機能との６つの機能を持たせている。したがって、このガラス板１１が組込まれたエンコーダをより簡素化、より小型化、及びより低価格化できる。
【００９９】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。  
ガラス板１１に形成された屈折率型レンズ又は回折格子を、ポリイミド等の有機材料からなるフィルムに転写やフォトリソ技術で形成したものをガラスに貼付け又は接着して形成することも可能である。  
さらに、ガラス板１１に代えて、気密性の高い有機材料又はセラミック材料を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１実施形態に係わるエンコーダの概略構成を示す断面模式図
【図２】同実施形態のエンコーダの上面図
【図３】同実施形態のエンコーダにおける光の伝搬方向に直交する面内の方向を示す図
【図４】同実施形態のエンコーダにおける光強度信号の波形図
【図５】同実施形態のエンコーダにおける光強度信号のリサージュ波形図
【図６】同実施形態のエンコーダの側断面図
【図７】本発明の第２実施形態に係わるエンコーダの概略構成を示す断面模式図
【図８】同実施形態のエンコーダにおける光強度信号の波形図
【図９】本発明の第３実施形態に係わるエンコーダの概略構成を示す断面模式図
【図１０】同実施形態のエンコーダにおける要部の構成を示す図
【図１１】同じく同実施形態のエンコーダにおける要部の構成を示す図
【図１２】同実施形態のエンコーダにおける光強度信号の波形図
【図１３】本発明の第４実施形態に係わるエンコーダの概略構成を示す断面模式図
【図１４】同実施形態のエンコーダにおける分割ＰＤの構成を示す図
【図１５】従来のエンコーダの概略構成を示す断面模式図
【符号の説明】
【０１０１】
１０…容器、１１…ガラス板、１３…側壁内面、１５…貫通電極、１６…半導体レーザ、１７，１７ａ，１８，１８ａ，４２…レンズ、１９…段差、２０，２１，４０，４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…光、２１ａ，２１ｂ…部分光、２２，２２ａ…スケール、２３，３３，３５，４３…回折格子、２４…１次回折光、２４ａ，２４ｂ…３次回折光、２５，４４…分割ＰＤ、２７，２８，２９，３６，４５…受光窓、３２…活性層、３４…補助回折格子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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