JP2000337816A - 光学式変位センサ - Google Patents

光学式変位センサ

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JP2000337816A JP11153743A JP15374399A JP2000337816A JP 2000337816 A JP2000337816 A JP 2000337816A JP 11153743 A JP11153743 A JP 11153743A JP 15374399 A JP15374399 A JP 15374399A JP 2000337816 A JP2000337816 A JP 2000337816A
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岩男 駒崎
Eiji Yamamoto
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、組立が容易で、低コストで、高精度
で信頼性の高いスケールの変位センシングが可能となる
光学式変位センサを提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、レーザ光源と、
スケールと、光検出器とを具備し、前記レーザ光源の光
ビーム出射面と前記スケールの回折格子が形成される面
との間隔をｚ１、前記スケールの回折格子が形成される
面と前記光検出器の受光面との間隔をｚ２、前記スケー
ルの回折格子のピッチをｐ１、ｎを自然数としたとき、
前記光検出器は、受光面上における前記回折千渉パター
ンのピッチ方向にｎｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の間隔で
形成された複数の受光エリアにより構成される光強度検
出手段を有する光学式変位センサにおいて、半導体基板
に集積形成され、上記レーザ光源から出射される光ビー
ムを所定の角度で屈曲させる光学素子をさらに具備する
ことを特徴とする光学式変位センサが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光学式変位センサに
係り、特に、精密メカニズムの変位量を検出する光学式
変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】まず、この種の光学式変位センサの従来
技術として、本出願人による特願平１１−６４１１号に
開示されている垂直共振器型面発光レーザを光源とした
光学式変位センサについて説明する。
【０００３】図９の（ａ）、（ｂ）により、この従来技
術による光学式変位センサの構成および動作について説
明する。
【０００４】この従来技術による光学式変位センサの構
成としては、コヒーレント光源１である半導体レーザか
ら出射したレーザビームを透過型の回折格子スケール２
に照射し、これにより生成される回折干渉パターンの特
定部分が光検出器３により検出されるように構成されて
いる。
【０００５】このタイプのセンサ動作を次に説明する。
【０００６】まず、図９の（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、各構成パラメータを以下のように定義する。
【０００７】ｚ１：光源とスケール上の回折格子を形成
した面との間隔、 ｚ２：スケール上の回折格子を形成した面と光検出器の
受光面との間隔、 ｐ１：スケール上の回折格子のピッチ ｐ２：光検出器の受光面上の回折干渉パターンのピッチ θｘ：スケール上の回折格子のピッチ方向に対する光源
の光ビームの広がり角 θｙ：上記θｘに対して垂直方向の光源から出射される
光ビームの広がり角、（但し、光ビームの広がり角は光
ビーム強度がピークとなる方向に対して１／２となる一
対の境界線６のなす角を示す。） 尚、「スケール上の回折格子のピッチ」とは、スケール
２上に形成された光学特性が変調されたパターンの空間
的な周期を意味するものとする。
【０００８】また、「光検出器の受光面上の回折干渉パ
ターンのピッチ」とは、光検出器３の受光面上に生成さ
れた回折干渉パターンの強度分布の空間的な周期を意味
するものとする。
【０００９】ところで、光の回折理論によると、上記の
ように定義されるｚ１，ｚ２が以下の（１）式に示す関
係を満たすような特定の関係にあるときには、スケール
２の回折格子パターンと相似な強度パターンが光検出器
３の受光面上に生成されることが知られている。
【００１０】 （１／ｚ１）＋（１／ｚ２）＝λ／ｋｐ１2 …（１） ここで、λは光源から出射される光ビームの波長、ｋは
整数である。
【００１１】このときには、受光面上の回折干渉パター
ンのピッチｐ２は他の構成パラメータを用いて以下の
（２）式に示すように表すことができる。
【００１２】 ｐ２＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ …（２） 前記光源１に対して前記スケール２が回折格子のピッチ
方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折干
渉パターンの強度分布がスケール２の変位する方向に移
動する。
【００１３】従って、光検出器３の受光エリア４の空間
周期ｐ２０をｐ２と同じ値に設定すれば、スケール２が
ピッチ方向にｐ１だけ移動するごとに光検出器から周期
的な強度信号が得られるので、スケール２のピッチ方向
の変位量を検出することができるようになる。
【００１４】従来の変位センサの動作を以下に説明す
る。
【００１５】コヒーレント光源１である垂直共振器型面
発光レーザから出射したレーザ光は、スケール上の回折
格子により一定の周期ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１をもっ
た回折干渉パターンを光検出器３上の受光面に生成す
る。
【００１６】光強度検出手段を構成する光検出器３上の
受光エリア４は回折格子のピッチ方向にｎｐｌ（ｚ１＋
ｚ２）／ｚｌの間隔で形成されているので、これらの各
受光エリアは受光面上の回折干渉パタ一ンの同じ特定の
位相部分だけを検出する。
【００１７】この回折干渉パターンはスケール２が回折
格子のピッチ方向にｘ１だけ変位すると、受光面上で
は、同じ方向にｘ２＝ｘ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１だけ変
位するため、スケール２が回折格子のピッチ方向に１ピ
ッチ変位する度に、光強度検出手段からは周期的な強度
で変化する出力信号が得られる。
【００１８】この面発光レーザ光源１から出射する光ビ
ームの主軸を５，この光ビームが主軸上の光強度の１／
２になるビーム境界を曲線６で示す。
【００１９】また、前述のビーム境界曲線６に対して、
その遠方での接線を６´とし、光ビームの主軸に対して
相対する接線６´のなす角をｘ方向、ｙ方向についてそ
れぞれθｘ、θｙとし、このθｘ、θｙを光ビームの広
がり角と呼ぶことにする。
【００２０】面発光レーザにおいては、素子の出射窓寸
法を自由に設定することにより、出射面上におけるビー
ム径ωox、ωoyの大きさを変化させれば、光ビームの回
折現象のために、θｘ、θｙを広範に設定することがで
きる。
【００２１】さらに、傾斜台１１を設けることにより、
レーザ光源から出射した光ビームの主軸に対して、スケ
ール２の回折格子面や光検出器３の受光面が傾斜して配
置されているため、レーザ光源１から出射した光がスケ
ール２や光検出器３の表面で反射されても、その光がレ
ーザ光源１に帰還する現象を回避して、レーザ光の戻り
光雑音がセンサの出力信号に重畳されることを抑制する
ことができる。
【００２２】これにより、図９の（ａ）、（ｂ）に示し
た垂直共振器型面発光レーザ光源とした光学式変位セン
サでは、より高精度で信頼性の高いスケールの変位セン
シングが可能となる。
【００２３】一方、回折格子が平行光で照射された場合
の変位センサの原理を図１０を用いて説明する。
【００２４】測定用の可動格子１０３は透明部と不透明
部が等間隔で繰り返す矩形波格子で、これを被測定物の
可動方向に平行に取り付ける。
【００２５】一方、可動格子１０３と同形状の小さな固
定格子１０４をそれに接近して向かい合わせておき、こ
の配置で光源１０１からレンズ１０２を介して平行光を
照射し、その透過光をレンズ１０５を介して光検出器１
０６で検出する。
【００２６】ここで、二つの格子１０３，１０４の縞方
向を正しく平行にした状態において、二つのスケール間
隔をｚ、スケールピッチをｐ１、レーザの発振波長を
λ、ｋを整数とすると、 ｚ＝ｋｐ１2 ／λ …（３） を満足するように調整すると、測定用の可動格子１０３
が１ピッチ移動するごとに、光検出器１０６に入る光束
は増減を繰り返す。
【００２７】この場合、二つの格子１０３，１０４を密
着させれば、光出力の変調度は１００％となるが、可動
部があるために、両者の間にはある隙間が必要である。
【００２８】そのため、一般に、この間隔をｐ１2 ／λ
にする。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上述したよ
うな従来の技術のうち、図９の（ａ）、（ｂ）に示した
光学式変位センサでは、戻り光対策として、傾斜台１１
を設け、面発光レーザ光源１からの光ビームの主軸をφ
だけ傾斜させるようにしているが、実際には、この組立
が困難である。
【００３０】従って、本発明では、光源を傾けずに平面
組立が容易な光学式変位センサを実現することを第１の
課題とする。
【００３１】また、従来の平行光ビームを用いた変位セ
ンサでは、図８に示したように、スケールに平行光を入
射させ、透過光を光検出器に集光させるレンズ１０２，
１０５を用いているため、それらの光軸調整が必要であ
ると共に、半導体プロセスによる集積化が困難である。
【００３２】また、従来の垂直共振器型面発光レーザを
光源とする変位センサでは、光源パワーの直接モニター
として、基板を貫通する光を利用するようにしているた
めに、発振波長が限定される。
【００３３】さらに、従来の垂直共振器型面発光レーザ
を光源とする変位センサでは、傾斜台１１の製作精度が
必要なため、光変位センサのコストアップとなる。
【００３４】そこで、本発明では、平面組立が容易で、
半導体プロセスによる集積化が可能な低廉で且つ高性能
の光変位センサを実現することを第２の課題とする。
【００３５】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、特に、上述した第１および第２の課題を解決し得
るようにすることにより、組立が容易で、低コストで、
しかも、高精度で信頼性の高いスケールの変位センシン
グが可能となる光学式変位センサを提供することを目的
とする。
【００３６】
【課題を解決するための手段】本発明によると、上記第
１および第２のの課題を解決するために、（１） 所定
の形状を有する光ビームを出射するレーザ光源と、前記
レーザ光源から出射される光ビームを横切るように変位
し、かつ、前記光ビームによる回折干渉パタ一ンを生成
する所定周期の回折格子が形成されたスケールと、前記
回折干渉パターンの所定部分を受光する光検出器とを具
備し、前記レーザ光源の光ビーム出射面と前記スケール
の回折格子が形成される面との間隔をｚ１、前記スケー
ルの回折格子が形成される面と前記光検出器の受光面と
の間隔をｚ２、前記スケールの回折格子のピッチをｐ
１、ｎを自然数としたとき、前記光検出器は、受光面上
における前記回折千渉パターンのピッチ方向に ｎｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ の間隔で形成された複数の受光エリアにより構成される
光強度検出手段を有する光学式変位センサにおいて、半
導体基板に集積形成され、上記レーザ光源から出射され
る光ビームを所定の角度で屈曲させる光学素子を、さら
に具備することを特徴とする光学式変位センサが提供さ
れる。
【００３７】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１乃至第５の実施の形態が対応
する。
【００３８】上記構成において、「回折干渉パターンを
生成する所定周期の回折格子」とは、振幅あるいは位相
などの光学特性の周期変調パターンを形成した回折格子
を意味し、受光面上に回折干渉パターンを生成する反射
型回折格子、透過型回折格子などのあらゆる回折格子を
含む。
【００３９】（作用）光学素子を集積形成したレーザ光
源から出射されるレーザ光は、スケール上の回折格子に
より一定の周期ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１をもった回折
干渉パターンを受光面に生成する。
【００４０】光強度検出手段を構成する光検出器上の受
光エリアは回折格子のピッチ方向にｎｐ１（ｚ１＋ｚ
２）／ｚ１の間隔で形成されているので、これらの各受
光エリアは受光面上の回折干渉パターンの同じ特定の位
相部分だけを検出する。
【００４１】この回折干渉パターンはスケールが回折格
子のピッチ方向にｘ１だけ変位すると、受光面上では、
同じ方向にｘ２＝ｘ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１だけ変位す
るため、スケールが回折格子のピッチ方向に１ピッチ変
位する度に、光強度検出手段からは周期的な強度で変化
する出力信号が得られる。
【００４２】出射方向を所定の角度に曲げる光学素子を
集積化したレーザ光源から出射される光ビームは、素子
表面の法線に対して、所定の角度φ傾いているため、レ
ーザ光源から出射した光がスケールや光検出器の表面で
反射される光が、レーザに帰還する現象を回避して、レ
ーザ光の戻り光雑音がセンサの出力信号に重畳されるこ
とを抑制する。
【００４３】また、本発明によると、上記第１および第
２の課題を解決するために、（２） 上記レーザ光源は
端面発光であり、上記光学素子は上記半導体基板に形成
された反射面であることを特徴とする（１）記載の光学
式変位センサが提供される。
【００４４】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第３の実施の形態が対応する。
【００４５】（作用）端面発光レーザのビームの長軸方
向は、レーザ端面接合面に対して垂直方向のビーム広が
りに対応する。
【００４６】一例として、図８に、導波層厚さｄとこの
領域を挟む領域との屈折率差Δｎをパラメータとしたと
きのビーム広がり角を示す。
【００４７】このビーム広がりを２０度以下にするに
は、導波路厚さｄを０．０５μｍ以下で、Δｎを０．２
以下にすれば実現することができる。
【００４８】また、ビームの短軸方向は、接合面に水平
な方向のストライプ幅で所定の広がりとなる。
【００４９】水平方向のビームの安定な単峰性、光検出
器信号のＳ／Ｎ低下を抑制する端面発光レーザの高出力
化は、ビーム短軸方向の広がり角を１０度以下とするこ
とにより、実現することができる。
【００５０】端面発光レーザのストライプ導波路の一部
にドライエッチングで、所定角度の外部ミラーとしての
反射面を形成し、ドライエッチングで形成された端面よ
り出射されたレーザ光は、前記外部ミラーとしての反射
面で反射されてスケール２の表面に照射される。
【００５１】また、一方の端面には、レーザ部分と同一
構造のモニター素子を設け、端面発光レーザの光出力を
モニターする。
【００５２】また、本発明によると、上記第１および第
２の課題を解決するために、（３） 上記光学素子は、
導波路内に設けられたグレーティングであることを特徴
とする（１）記載の光学式変位センサが提供される。
【００５３】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１、２の実施の形態が対応す
る。
【００５４】（作用）図２に示すように、グレーティン
グ５０表面の法線方向に対してビーム出射角度をφ、導
波路内回折格子の周期をΛ、導波路等価屈折率をＮ、レ
ーザ発振波長をλとすると、 ｓｉｎφ＋λ／Λ＝Ｎ …（４） を満足するピッチでグレーティングを設けると、角度φ
だけ傾いた平行ビームが出射される。
【００５５】図２のグレーティング５０のピッチを一定
にすると、所定の角度φでビームが、スケール２に照射
される。
【００５６】ここで、導波路のストライプ幅をビーム広
がりが単峰性になる条件に設定すると、ビーム広がり角
は１０度前後となり、スケール面にビームスポットパタ
ーン１５を描く。
【００５７】このパターンは、グレーティング方向が平
行ビームであるため広がらず、これに対して垂直方向は
ビームが広がっている。
【００５８】この広がったビーム方向を横切るようにス
ケール２を配置し、これに対応して、光検出器３も配置
するすることにより、スケール２の移動量を検出するこ
とができる。
【００５９】また、このグレーティングの傾斜角度及び
曲率を導波路進行方向に緩やかに変化させるような変調
グレーティングを設けて、ビームに広がりを発生させる
ようにしている。
【００６０】グレーティングの効果は、導波路長として
最低１００μｍ以上必要であり、条件として（４）式を
満足する角度φをもつビーム広がりの小さいビームが、
スケール１５に照射される。
【００６１】レーザ光源の光出力モニターは、導波路の
他方の端に設けられたレーザの同様構造で行う。
【００６２】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。
【００６３】（第１の実施の形態）まず、図１および図
２を用いて、本発明の第１の実施の形態による光学式セ
ンサについて説明する。
【００６４】ここで、図１の（ａ）は第１の実施の形態
による光学式センサの構成を示す斜視図であり、図１の
（ｂ）は図１の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【００６５】この発明の第１の実施の形態による光学式
センサは、光学式センサ本体１と、スケール２とからな
り、次のように構成されている。
【００６６】すなわち、図１の（ａ），（ｂ）に示すよ
うに、光学式センサ本体１の半導体基板１ａ上に形成さ
れる導波路１ｂ内にグレーティング１ｃを設けて集積形
成されたレーザ光源１０とスケール２とは、レーザ光源
１０から出射した光ビームがスケール２の回折格子２ａ
に照射されるような位置関係で配置されている。
【００６７】また、光学式センサ本体１の半導体基板１
ａ上に形成される光検出器３は、前記光ビームがスケー
ル２の回折格子２ａにより回折干渉された干渉パターン
の所定部分を受光するように配置されている。
【００６８】図１の（ｂ）中のエリア４は、光検出器３
が所定部分を受光するように配置された受光エリアを示
し、所定のピッチｐ２として複数配置されている場合に
はこの受光エリアが電気配線３１により互いに接続さ
れ、出力パッド３２からセンサ出力を取り出すことがで
きるように構成されている。
【００６９】また、一点鎖線５は光ビームの主軸中心線
を示し、実線６は光ビームの広がりの境界線を示す。
【００７０】また、図１の（ａ）中の領域１５は所定の
ピッチｐ１としてスケール２の回折格子２ａが形成され
た面における光ビームの広がり領域を示す。
【００７１】また、図１の（ａ），（ｂ）中の領域１６
は光検出器３の受光面における光ビームの広がり領域を
示す。
【００７２】尚、前述したように、受光面上の回折干渉
パターンの鮮明度を確保するためには、光学式センサ本
体１のレーザ光源１０とスケール２の回折格子２ａが形
成された面、および、光学式センサ本体１の光検出器３
の受光面との配置間隔は（１）式で示した関係を満たす
ようにすることが望ましい。
【００７３】図２は、上記半導体基板１ａ上に形成され
る導波路１ｂ内にグレーティング１ｃを設けて集積形成
されたレーザ光源１０の構造の一例を示している。
【００７４】すなわち、図２に示すように、上記半導体
基板１ａとしてのｎ−ＧａＡｓ基板４１上にｎ−ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層４２、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ二重量
子井戸活性層（３０ｎｍ厚）４３、ｐ−ＡｌＧａＡｓク
ラッド層４４、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４５が形成され
ている。
【００７５】ここで、活性層４３とクラッド層４２、４
４との屈折率差は、０．２とすることにより、活性層４
３からクラッド層４２、４４へ侵み出す光分布を広く取
り、導波路吸収損失を低減し、グレーティング５０（１
ａ）との結合をスムーズにしている。
【００７６】また、単軸方向は、ストライプ幅３μｍを
ｎ−ＩｎＧａＰ電流ブロック層４６で埋め込んでいる構
造で、８度前後のビーム広がりに設定されている。
【００７７】また、導波路長は、レーザ部分５１が３０
０μｍ厚、モニター部分５２が５０μｍ厚とする。
【００７８】そして、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４４
を利用して形成されるグレーティング５０は、ビーム傾
きφを１０度、ピッチ周期Ａを０．２９４６μｍ、ピッ
チの高さを０．０５μｍ、グレーティング長を２５０μ
ｍ、発振波長λを０．９８μｍに設定されている。
【００７９】次に、この発明の第１の実施の形態の作用
を説明する。
【００８０】所定の光ビーム形状を有してレーザ光源１
０から出射された光ビームは、回折格子２ａが形成され
ているスケール２に照射される。
【００８１】また、前記スケール２は前記レーザ光源１
０から出射された光ビームを横切る方向に変位する。
【００８２】前記スケール２により回折された光は、光
検出器３の受光面上に回折干渉パターンを生成する。
【００８３】この光検出器３により前記回折干渉パター
ンの所定部分がセンサ信号として検出される。
【００８４】前記スケール２が前記光ビームを横切る方
向の変位に対応して、光検出器３からのセンサ信号が周
期的に変化することにより、スケール２の変位量を検出
することができる。
【００８５】尚、センサ信号の出力を大きくしてＳ／Ｎ
のよいセンサ信号を得るために、図１に示したように、
光検出器３上の受光エリア４は、スケール２の回折格子
２ａのピッチの方向と同じ方向に一定の空間周期ｐ２０
（図９参照）を有するように複数のエリアが集積して形
成されている。
【００８６】この受光エリアの空間周期ｐ２０は受光面
上の回折干渉パターンの周期ｐ２と同じにすることが望
ましいため、ｐ２０はｎｐｌ（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１とほ
ぼ等しく設定される。
【００８７】この集積形成されたレーザ光源１０からの
光ビームは、その主軸をスケール２に対してφだけ傾け
て出射されることにより、スケール２からレーザ光源１
０に帰還する戻り光が低減されるため、レーザ光源１０
とスケール２の光学的距離が僅かに変動するような場合
でも光源の出力を安定に保つことができる。
【００８８】なお、傾斜角φを１０度以上に大きく傾け
ると、受光面上の回折干渉パターンで位置による光路差
が顕著になり、式（１）を満足しなくなり、パターンの
周期性や鮮明性も低下する。
【００８９】したがって、実用上レーザ光源１０からの
光ビーム傾斜角φは、５〜１０度程度の範囲であれば、
受光面上の回折干渉パターンの周期性や鮮明度の低下も
僅かである。
【００９０】したがって、この傾斜角度範囲では、ｐ１
とｚ１，ｚ２とが固定値であれば、スケール移動方向の
回折干渉パターンの空間周期が一定となり、受光エリア
の形成ピッチはスケール移動方向に対して一定の値でよ
くなり、受光エリアの設計が容易になる。
【００９１】（第２の実施の形態）次に、図３を用い
て、本発明の第２の実施の形態による光学式センサにつ
いて説明する。
【００９２】ここで、図３の（ａ）は第２の実施の形態
による光学式センサの構成を示す斜視図であり、図３の
（ｂ）は図３の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【００９３】尚、第１の実施の形態と共通する部分は一
部省略して説明する。
【００９４】本実施の形態では、スケール２に形成され
た回折格子２ａは、レーザ光源１０に設けられたグレー
ティング１ｃから角度φだけ傾いて出射される光ビーム
を横切るように配置されている。
【００９５】また、レーザ光源１０に設けられたグレー
ティング１ｃは、式（４）を満足するとともに、グレー
ティング１ｃの傾斜角度及び曲率を導波路１ｂの進行方
向に沿って緩やかに変化させるようにする変調グレーテ
ィング構成とすることにより、レーザ光源１０からの光
ビームに広がりを発生させている。
【００９６】また、このグレーティング１ｃの領域を１
５０μｍと広くするようにしておくと、レーザ光源１０
からの光ビームの広がり角は１０度以下となって、実質
的に、の面発光レーザと同様の光ビームとして、スケー
ル２上に照射される。
【００９７】そして、このビームを横切るようにスケー
ル２上に回折格子２ａを配置するとともに、このスケー
ル２と平行にレーザ光源１０と同じ位置に光検出器３を
配置することにより、前記スケール２での回折干渉パタ
ーンを光検出器３上に転写して検出することができるの
で、スケール２の変位量を精度よく検出することができ
るようになる。
【００９８】（第３の実施の形態）次に、図４を用い
て、本発明の第３の実施の形態による光学式センサにつ
いて説明する。
【００９９】ここで、図４の（ａ）は第３の実施の形態
による光学式センサの構成を示す斜視図であり、図４の
（ｂ）は図４の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【０１００】尚、第１の実施の形態と共通する部分は一
部省略して説明する。
【０１０１】本実施の形態では、レーザ光源１０は端面
発光レーザで、その出射方向に所定の角度を有する外部
ミラーが設けられるとともに、その他方の端面にレーザ
光源１０からの出力光をモニターする光検出器が半導体
基板１ａ上に集積形成されている光学素子である。
【０１０２】図５に、上記光学素子として、外部ミラー
とモニタ光検出器とが集積形成された端面発光レーザと
してのレーザ光源１０の構造の一例を示している。
【０１０３】このレーザ光源１０は、以下のような構成
になっている。
【０１０４】すなわち、上記半導体基板１ａとしてのｎ
−ＧａＡｓ基板４１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
４２と、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸活性層
（活性層全体の厚さ：３０ｎｍ）４３と、ｐ−ＡｌＧａ
Ａｓクラッド層４４と、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４５と
が順次積層されている。
【０１０５】そして、ストライプ部分５５の幅を３μｍ
を残して、ｎ−ＧａＩｎＰ電流狭窄層４６で、このスト
ライプ部分５５を埋め込む構造である。
【０１０６】また、活性層４３とこれを挟むＡｌＧａＡ
ｓクラッド層４２、４４との屈折率差Δｎを０．１８と
し、垂直方向のビーム広がり角を１８度、水平方向のビ
ーム広がり角を１０度としている。
【０１０７】そして、ドライエッチングにより、モニタ
ー側対向面はエッチッグ底面に乱反射するようにし、他
方の光出力側対向面は、５０度傾いている。
【０１０８】この反射面表面には、外部ミラーとしての
高反射膜（反射面）４８が設けられており、レーザから
出射した光ビームは、この反射面４８で反射して光学素
子表面に対し、法線方向に１０度傾いたビームとしてス
ケール２ヘ照射される。
【０１０９】この場合、共振器長を３００〜５００μｍ
とすることにより、期待される光出力は３０ｍＷ以上と
なる。
【０１１０】実際、外部ミラーとしての高反射膜（反射
面）４８では、レーザ端面でのビームスポット径が広が
るため、ビーム長軸方向の広がり角は１８度よりも小さ
くなることが期待されると共に、光出力が３０ｍＷであ
ることより、垂直共振器型面発光レーザを光源とした場
合と同程度で光検出器のＳ／Ｎを確保することができる
ようになる。
【０１１１】（第４の実施の形態）次に、図６を用い
て、本発明の第４の実施の形態による光学式センサにつ
いて説明する。
【０１１２】ここで、図６の（ａ）は第４の実施の形態
による光学式センサの構成を示す斜視図であり、図６の
（ｂ）は図６の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【０１１３】尚、第１の実施の形態と共通する部分は一
部省略して説明する。
【０１１４】この実施形態によるグレーティング１ｃを
導波路１ｂ内に設けて集積形成されたレーザ光源１０で
は、垂直共振器型面発光レーザの発振波長よりも安定な
発振波長が期待できる。
【０１１５】図２に示した一例では、ビームのスポット
径は、レーザの接合面に垂直方向が、ほぼ２５０μｍで
あり、平行方向が、レーザ接合面に対して横方向への光
のしみだしを考慮して、ストライプ幅プラス１〜２μｍ
で、５μｍ前後である。
【０１１６】したがって、出射ビーム広がりは、レーザ
接合面の垂直方向にはほとんど広がらず、水平方向を１
０度前後の広がり角に抑えることができるとともに、光
出力も１０ｍＷ程度期待できる。
【０１１７】次に、この第４の実施の形態の作用を説明
する。
【０１１８】まず、レーザ光源１０からの光ビームが、
グレーティング１ｃ表面から角度φ傾いて平行ビームと
してスケール２に照射される。
【０１１９】このスケール２には、平行ビームを横切る
ように回折格子２ａがピッチｐ１の周期で形成されてい
る。
【０１２０】このスケール２上のスポット径は、レーザ
光源１０のグレーティング１ｃ上のスポット径に一致す
る。
【０１２１】スケール２上の回折干渉パターンは、光検
出器３をレーザ光源１０と同じ側へ設けることにより、
反射型スケールでは、ｚ１とｚ２がほとんど同じであ
り、ｚ１を式（３）の位置に設定すれば、スケール移動
方向の回折干渉パターンが光検出器３上に再現される。
【０１２２】光検出器３の受光部分の周期ピッチｐ２０
をスケール上の回折格子ピッチｐ１に一致させれば、１
対１の変位量変化を検出することがができる。
【０１２３】傾斜角を１０度以上に大きく傾けると、受
光面上の回折干渉パターンで位置による光路差が顕著に
なり、式（３）を満足しなくなり、受光面上の回折干渉
パターンの周期性や鮮明性も低下する。
【０１２４】したがって、実用上、ビーム傾斜角は、５
〜１０度程度の範囲であれば、受光面上の回折干渉パタ
ーンの周期性や鮮明度の低下も僅かである。
【０１２５】（第５の実施の形態）次に、図７を用い
て、本発明の第５の実施の形態による光学式センサにつ
いて説明する。
【０１２６】ここで、図７の（ａ）は第５の実施の形態
による光学式センサの構成を示す斜視図であり、図７の
（ｂ）は図７の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【０１２７】尚、第１の実施の形態と共通する部分は一
部省略して説明する。
【０１２８】本第５の実施の形態によるレーザ光源１０
は、グレーティング１ｃの幅を通常の図２に示した数μ
ｍに対して、１００μｍ前後と設定している。
【０１２９】このため、グレーティング１ｃ表面上の出
射パターンが、長軸、短軸両方向とも平行光となり、ど
ちらの方向にスケール２上の回折格子２ａを横切るよう
に配置しても、スケール２の移動変位量を検出すること
ができる。
【０１３０】この実施の形態では、グレーティング１ｃ
表面上のスポットパターンと、スケール２上の光ビーム
スポットパターン１５および光検出器３上の光ビームス
ポットパターン１６とは、ほぼ一致する。
【０１３１】従って、光ビームの短軸方向を横切るスケ
ール２上の回折格子２ａのピッチｐ１を充分に小さくす
る必要がある。
【０１３２】一方、この構成の変位センサは、レーザ光
源１０とスケール２との距離ｚ１が、式（３）を満足す
る大きな整数ｋを採ることができるので、高精度な光学
式変位センサを実現することができる。
【０１３３】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３のほかに、以下に付記１乃至９として示すような発明
が含まれている。
【０１３４】付記１ レーザ光の出力をモニターする半
導体基板に形成された受光部をさらに具備し、上記レー
ザ光源の一端より出射した光は上記光学素子に導かれ、
上記レーザ光源の他端から出射した光は上記受光部に導
かれることを特徴とする請求項２記載の光学式変位セン
サ。
【０１３５】付記２ 所定の形状を有する光ビームを出
射するレーザ光源と、前記レーザ光源からの光ビームを
横切るように変位し、かつ、前記光ビームによる回折平
渉パタ−ンを生成する所定周期の回折格子を形成したス
ケールと、前記回折干渉パターンの所定部分を受光する
光検出器とを有し、前記レーザ光源の光ビーム出射面と
前記回折格子を形成した面の間隔をｚ１、前記回折格子
を形成した面と前記光検出器の受光面の間隔をｚ２、ｎ
を自然数としたとき、 ｚ２＝ｎｚｌ を満足し、前記光検出器は受光面上における前記回折干
渉パターンのピッチ方向に同じピッチで形成された複数
の受光エリアにより構成される光強度検出手段を有する
光学式変位センサにおいて、半導体基板に集積形成され
るもので、前記レーザ光源からの光ビームを平行ビーム
にして射出するグレーテイングをさらに具備することを
特徴とする光学式変位センサ。
【０１３６】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第４の実施の形態が対応する。
【０１３７】（作用効果）導波路内のグレーティング
が、所定の方向にビームを出射させるためには、少なく
ともグレーティング領域を１００μｍ以上設ける必要が
ある。
【０１３８】従って、この方向のビームの広がりはほと
んど無く、ビーム広がりは、導波路幅で設定できる。
【０１３９】光源の動作電流を低く押さえるために、レ
ーザ領域のストライプ幅５５を数μｍにする。
【０１４０】グレーティング方向の平行ビームをスケー
ル２の移動変位検出に用いた場合、スケール２上の移動
方向のスポット径は、グレーティング領域長Ｌにほぼ一
致するようになる。
【０１４１】従って、変位量の検出精度を上げるには、
スケールピッチｐ１に対してグレーティング領域長Ｌを
大きく設定する必要がある。
【０１４２】しかし、グレーティングは、レーザ領域と
異なり、導波路との結合に寄与するのみで、あまりグレ
ーティング領域長Ｌを長くしてもビームは広がらない。
【０１４３】この場合、スケール２上の複数のラインを
横切る平行ビームスポット１５が、反射して光検出器３
上にスポット１６を描くことになる。
【０１４４】このスポット径のグレーティング方向での
大きさは、ほとんど変わらないため、この方向の光強度
分布は、光検出器３上の受光エリア４の分布に一致す
る。
【０１４５】付記３ 前記レーザ光源と前記光検出器
が、同じ側に配置されるとともに、前記スケールに形成
された回折格子は、前記グレーティングのピッチ方向に
対して平行に配置されていることを特徴とする付記２記
載の光学式変位センサ。
【０１４６】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第５の実施の形態が対応する。
【０１４７】（作用効果）導波路１ｂ内のグレーティン
グ１ｃが、所定の方向に光ビームを出射させるために
は、少なくともグレーティング１ｃ領域を１００μｍ以
上として設ける必要がある。
【０１４８】従って、この方向のビームの広がりはほと
んど無く、ビームスポット形状は、ストライプ部分５５
の幅に依存する。
【０１４９】そして、ストライプ部分５５の幅を１００
μｍ程度のブロードストライプとした場合が、第５の実
施形態に対応する。
【０１５０】このように、グレーティング１ｃを集積し
たレーザ光源のレーザ領域のストライプ幅５５を１００
μｍ前後のプロードストライプ構造にした場合、光ビー
ムスポット径は、平行光のため光源出射スポットとスケ
ール２上のスポット１５および光検出器３上のスポット
１６と共に一致する。
【０１５１】従って、ビームスポットの長軸および単軸
いずれの方向のビ一ムを横切る方向にスケール２を配置
しても、スケール２の変位量を検出することができる。
【０１５２】しかるに、光源１の動作電流を考慮する
と、あまりストライプ部分５５の幅を広くできないた
め、スケールピッチｐ１を２０μｍ以下にすることが実
用的である。
【０１５３】付記４ 前記レーザ光源と前記光検出器と
が、同じ側に配置されるとともに、前記スケールに形成
された回折格子は、前記グレーティングのピッチ方向を
横切るように配置されていることを特徴とする付記２記
載の光学式変位センサ。
【０１５４】
【発明の効果】従って、以上説明したように、本発明に
よれば、組立が容易で、低コストで、高精度で、しか
も、信頼性の高いスケールの変位センシングが可能とな
る光学式変位センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１の（ａ）は本発明の第１の実施の形態によ
る光学式センサの構成を示す斜視図であり、図１の
（ｂ）は図１の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【図２】図２は、図１の半導体基板１ａ上に形成される
導波路１ｂ内にグレーティング１ｃを設けて集積形成さ
れたレーザ光源１０の構造の一例を示す図である。
【図３】図３の（ａ）は本発明の第２の実施の形態によ
る光学式センサの構成を示す斜視図であり、図３の
（ｂ）は図３の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【図４】図４の（ａ）は本発明の第３の実施の形態によ
る光学式センサの構成を示す斜視図であり、図４の
（ｂ）は図４の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【図５】図５は、図４の光学素子として、外部ミラーと
モニター光検出器とが集積形成された端面発光レーザと
してのレーザ光源１０の構造の一例を示す図である。
【図６】図６の（ａ）は本発明の第４の実施の形態によ
る光学式センサの構成を示す斜視図であり、図６の
（ｂ）は図６の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【図７】図７の（ａ）は本発明の第５の実施の形態によ
る光学式センサの構成を示す斜視図であり、図７の
（ｂ）は図７の（ａ）からスケール２を除いた光学式セ
ンサ本体１の上面概略図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施の形態に適用され
る導波層厚さｄとこの領域を挟む領域との屈折率差Δｎ
をパラメータとしたときのビーム広がり角を示す図であ
る。
【図９】図９は、従来技術による光学式変位センサの構
成および動作について説明するための図である。
【図１０】図１０は、回折格子が平行光で照射された場
合の変位センサの原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１…光学式センサ本体、 ２…スケール、 １ａ…半導体基板、 １ｂ…導波路、 １ｃ（５０）…グレーティング、 １０…レーザ光源、 ２ａ…回折格子、 ３…光検出器、 ４…受光エリア、 ３１…電気配線、 ３２…出力パッド、 ５…光ビームの主軸中心線、 ６…光ビームの広がりの境界線、 １５、１６…光ビームの広がり領域、 ４１…ｎ−ＧａＡｓ基板、 ４２…ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、 ４３…ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ二重量子井戸活性層、 ４４…ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、 ４５…ｐ−ＧａＡｓキャップ層、 ４６…ｎ−ＩｎＧａＰ電流ブロック層。 ５１…レーザ部分、 ５２…モニター部分、 ５５…ストライプ部分、 ４８…外部ミラーとしての高反射膜。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の形状を有する光ビームを出射する
    レーザ光源と、 前記レーザ光源から出射される光ビームを横切るように
    変位し、かつ、前記光ビームによる回折干渉パタ一ンを
    生成する所定周期の回折格子が形成されたスケールと、 前記回折干渉パターンの所定部分を受光する光検出器と
    を具備し、 前記レーザ光源の光ビーム出射面と前記スケールの回折
    格子が形成される面との間隔をｚ１、 前記スケールの回折格子が形成される面と前記光検出器
    の受光面との間隔をｚ２、 前記スケールの回折格子のピッチをｐ１、 ｎを自然数としたとき、 前記光検出器は、受光面上における前記回折千渉パター
    ンのピッチ方向に ｎｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ の間隔で形成された複数の受光エリアにより構成される
    光強度検出手段を有する光学式変位センサにおいて、 半導体基板に集積形成され、上記レーザ光源から出射さ
    れる光ビームを所定の角度で屈曲させる光学素子を、 さらに具備することを特徴とする光学式変位センサ。
  2. 【請求項２】 上記レーザ光源は端面発光であり、 上記光学素子は上記半導体基板に形成された反射面であ
    ることを特徴とする請求項１記載の光学式変位センサ。
  3. 【請求項３】 上記光学素子は、導波路内に設けられた
    グレーティングであることを特徴とする請求項１記載の
    光学式変位センサ。
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