JP2000205819A - 光学式変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、光源、スケール、受光素子の配置が
最適配置からずれた場合でも、Ｓ／Ｎの良好な出力信号
が得られる光学式変位センサを提供する。 【解決手段】本発明による光学式変位センサは、所定の
形状を有する光ビームを出射する面発光レーザ光源と、
前記面発光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干渉パターンを生
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、前記面発光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た面との間隔をｚ１と
し、前記回折格子が形成された面と前記光検出器の受光
面との間隔をｚ２とし、前記スケール上の回折格子のピ
ッチｐ１とし、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干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
ることを特徴とする。

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、第１の従来技術として、代表的な
変位センサであるエンコーダの構成全体に関する従来技
術について説明する。

【０００３】図１９は、レンズなどの光学部品の組立を
必要としない小型・低コストなエンコーダの一例として
コヒーレント光源と回折格子スケールを用いた従来技術
によるレーザエンコーダを示す構成図である。

【０００４】このコヒーレント光源と回折格子スケール
を用いたレーザエンコーダについては、例えば、「コパ
ル：ロータリエンコーダカタログ」に記載されている。

【０００５】すなわち、このレーザエンコーダは、図１
９に示すように、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
１３の特定部分が一定間隔Ｐ２の透過スリット５３を通
過して光検出器３により検出されるように構成されてい
る。

【０００６】図２０は、図１９のレーザエンコーダを用
いた変位センサをさらに詳しく説明するための動作説明
図である。

【０００７】この図２０により、従来の変位センサの動
作について、以下に、説明する。

【０００８】図２０の（ａ）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。

【０００９】ｚ１：光源とスケール上の回折格子を形成
した面の間隔、 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
から出射される光ビームの拡がり角、 θｙ：上記θｘに対して垂直方向の光源から出射される
光ビームの拡がり角、（但し、光ビームの拡がり角は光
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
上に形成される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。

【００１０】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、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。

【００１１】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
の回折格子パターンと相似な強度パターンが光検出器の
受光面上に生成される。

【００１２】 （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。

【００１３】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。

【００１４】 ｐ２＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ …（２） 前記光源に対して前記スケール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の変位する方向に移動す
る。

【００１５】従って、光検出器の受光エリア４の空間周
期ｐ２０をｐ２と同じ値に設定すれば、スケールがピッ
チ方向にｐ１だけ移動する毎に光検出器から周期的な強
度信号が得られるので、スケールのピッチ方向の変位量
を検出することができる。

【００１６】次に、第２の従来技術として、面発光レー
ザ光源を用いた小型変位センサに関する従来技術を説明
する。

【００１７】この小型変位センサは、面発光レーザ光源
を用いた複合共振器型の干渉センサであり、本発明者ら
の論文（「面発光レーザを用いた超小型センサ」：山本
英二、機会学会第７５期通常総会講演会資料集（Ｖ
Ｉ）、１９９８年、ｐｐ．６８２−６８９）に記載さて
いる。

【００１８】図２１に示すように、この小型変位センサ
は、面発光レーザ光源１０と外部ミラ−６１が対向して
複合共振器を構成していると共に、光検出器３に形成さ
れた受光エリア４で面発光レーザ光源１０からの出力光
を検出することにより、面発光レーザ光源１０と外部ミ
ラー６１の距離Ｌの変化を検出することができる。

【００１９】この論文によると、距離Ｌが変化したとき
のセンサの出力特性は、構成上の多くのパラメータに依
存するが、典型的な場合の試算例が、光源として、従来
から一般的に使われてきた半導体レーザである端面出射
型の半導体レーザを用いた場合（図２２の（ａ））と、
面発光レーザを用いた場合（図２２の（ｂ））とが対比
して示されている。

【００２０】これによると、端面出射型の半導体レーザ
を光源とした場合には、光源と外部ミラーの距離Ｌが数
１０μｍ以上であれば、この距離Ｌが変動してもレーザ
出力は殆ど変化しない。

【００２１】しかるに、面発光レーザを光源とする場合
には、光源と外部ミラーの距離Ｌが数ｍｍ以上であって
も距離Ｌが僅かに変動するだけで、レーザ出力が大きく
変動することが示されている。

【００２２】さらに、この論文によると、光源として面
発光レーザを用いた場合でも、対向する外部ミラーを傾
けることにより、距離Ｌをある程度以上に大きくすれ
ば、距離Ｌが変動してもレーザ出力は殆ど変化しないこ
とが示されている。

【００２３】図２２の（ｃ）は、図２２の（ｂ）と同様
な構成で、外部ミラーを０．５ｄｅｇだけ傾けた場合の
特性が示されており、さらに傾斜させることにより距離
Ｌが小さな場合でも距離Ｌの変動に対するレーザ出力の
変動を抑えることができることがわかっている。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】上述した図１９、図２
０に示した従来例において、センサの組立時の初期的な
配置誤差や、スケールの変位による機械的な揺らぎによ
り、ｚｌ，ｚ２が（１）式で示した関係式からずれた場
合を考える。

【００２５】例えば、光源と受光面は固定されている
が、これらの各々とスケールが図２０の（ａ）に示すよ
うに、スケール２の位置からスケール２２の位置にΔｚ
だけずれた場合には、図２０の（ｂ）、図２０の（ｃ）
に示すように受光面上の回折干渉パターンが乱れるだけ
でなく、受光面上の回折干渉パターンのピッチｐ２が
（２）式に従って変化する。

【００２６】尚、「受光面上の回折干渉パターンが乱れ
る」とは、正確には、スケールの回折格子パターンと受
光面上の回折干渉パターンの相似性が乱れることを指し
ている。

【００２７】図１９、図２０に示した従来例の構成にお
いて、光源と光検出器の配置が固定されている通常の場
合には、ｚ１はｚ１＋Δｚに、ｚ２はｚ２−Δｚとな
る。

【００２８】ここで、スケール面と受光面を平行に配置
する場合を考える。

【００２９】今、Δｚの配置ずれが発生したときに、受
光面上に形成される干渉パターンのピッチがｐ２からｐ
２´に変化するとすれば、以下の（３）式が成り立つ。

【００３０】 ｐ２´＝ｐ１（ｚ１＋Δｚ＋ｚ２−Δｚ）／（ｚ１＋Δｚ） ＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／（ｚ１＋Δｚ） …（３） 従って、光検出器の受光領域４をｐ２の周期に合わせて
複数設定しておくと、光源ビームの主軸から離れた位置
においては、受光領域の周期と回折干渉パターンの周期
のずれが大きくなる。

【００３１】このため、図２０の（ｄ）、図２０の
（ｅ）に示すように、光検出器からの出力信号Ｉｐｄの
振幅が小さくなったり、回折干渉パターンが乱れたりす
る現象が生じるのを避けられない。

【００３２】例えば、ｚ１＝０．５ｍｍ、ｚ２＝０．５
ｍｍ、Δｚ＝−ｚｌ／１０＝０．０５ｍｍの場合を考え
ると、（３）式よりｐ２＝２０μｍ、ｐ２´＝２２．２
μｍとなる。

【００３３】このため、受光エリアのピッチを設計通り
ｐ２０＝ｐ２＝２０μｍとしておいても、受光面上では
光ビームの主軸からＳｘ／２＝４．５ｐ２＝９０μｍの
場所では、４．５ｐ２＝４．０ｐ２´となり、回折干渉
パターンが１／２ピッチだけずれることになる。

【００３４】これにより、この場所にある受光エリアか
ら出力される信号は逆相になってしまい、センサの出力
振幅が低下してしまう。

【００３５】この場合、受光面上で回折干渉パターンが
逆相になってしまう位置は、光源から見たときの見込み
角θ＝２ＡｒｃＴａｎ（４．５ｐ２／（ｚ１＋ｚ２））
＝１０．３ｄｅｇ．となる。これを最大見込み角θｍａ
ｘとすると、θｍａｘの１／２程度に相当する光エリア
の分布幅Ｓｘを設定し、さらには、コヒーレント光源の
ビーム拡がり角もθｍａｘ程度にすることが望ましい。

【００３６】ここで、受光エリアの分布幅Ｓｘとは、前
述の複数の受光領域が分布形成されている広がり全体を
指している。

【００３７】すなわち、スケールの位置ずれやセンサの
組立時のばらつきによる出力信号Ｉｐｄの振幅低下を抑
制し、かつ、適切な受光レベルを得るためには、受光エ
リアの分布幅Ｓｘを光ビームの主軸近傍に制限し、さら
には、この分布幅に対応した光ビームの拡がり角を有す
るコヒーレント光源を利用することが有効である。

【００３８】しかるに、従来の構成のように光源に端面
出射型の半導体レーザを用いる場合には、光ビームの拡
がり角が非常に大きく（長軸方向でおよそ４０ｄｅ
ｇ．、単軸方向で２０ｄｅｇ．程度）、上記のようなビ
ーム拡がり角θｍａｘ＝１０ｄｅｇ程度のレーザビーム
を出射することは困難である。

【００３９】このため、θｍａｘ＝１０ｄｅｇ．より広
がったレーザビームの大半はセンサの出力振幅を大きく
低下させたり、受光レベルを低下させたりする原因とな
っていた。

【００４０】従って、上記のような観点から、光源から
出力されるレーザビームの拡がり角を適切に設定するこ
とができるコヒーレント光源を光源に使ったセンサ構成
が必要である。

【００４１】さらに、受光エリアを光ビームの主軸近傍
に制限したとしても、出力信号Ｉｐｄの周期が変化する
ことは避けられないので、結果としてスケールの変位量
の絶対値測定に誤差を生じる。

【００４２】スケールの位置ずれΔｚが発生したとき
に、出力信号Ｉｐｄの周期が変化することを抑えるため
には、受光面上の回折干渉パターンの周期が変化しない
構成が必要とされる。

【００４３】従来例における別の問題点は、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、レーザに帰還することにより、光強度の変化が起
り、ひいては、出力信号に雑音が発生することである。

【００４４】前述の第２の従来技術に関する記述で説明
したように、特に、光源が面発光レーザのようなビーム
広がり角が小さなレーザである場合には、この対策が必
須である。

【００４５】従って、これを抑制するためには、レーザ
光の戻り光雑音を低減する構成が必要である。

【００４６】上述した従来技術の問題点や課題をまとめ
ると、以下のようになる。

【００４７】まず、従来技術では、一般的な従来の半導
体レーザを光源とするため、光ビームの拡がり角が非常
に大きく（長軸方向でおよそ４０ｄｅｇ．、単軸方向で
２０ｄｅｇ．程度）、かつ、自由に設定できないため
に、受光エリアの広がりを前述のように主軸近傍に制限
すると、受光エリアに入射する光パワーが極端に低下
し、信号のＳ／Ｎが低下してしまうという問題を解決す
ることができない。

【００４８】本発明はこの点に着目し、光ビームの拡が
り角を従来の半導体レーザ光源では実現不可能な所定の
小さな角度以下に設定することができる構成を提供し、
光源、スケール、受光素子の配置が最適配置からずれた
場合でも、Ｓ／Ｎの良好な出力信号が得られる光学式変
位センサを実現することを第１の課題とする。

【００４９】また、従来技術では、レーザ光源から出射
した光ビームの主軸に対して、スケール面や光検出器の
受光面が垂直に配置されているため、レ−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、レー
ザに帰還して、雑音を引き起こすことが避けられない。

【００５０】本発明はこの点に着目し、上述のレーザ光
が光源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のを抑制することが
可能な光学式変位センサを実現することを第２の課題と
する。

【００５１】さらに、従来技術では、光源、スケール、
受光素子の配置が設計値からずれた場合には、受光面上
の回折干渉パターン周期やパターン位置が大きく変化
し、ひいては、スケール変位に対する信号振幅の低下や
周期の変化を抑制することができない。

【００５２】本発明はこの点に着目し、光源、スケー
ル、受光素子の配置が設計値からずれた場合でも、受光
面上の回折干渉パターン周期やパターン位置の変化を低
減し、ひいては、スケール変位に対する信号振幅の低下
や周期の変化を抑制することが可能な光学式変位センサ
を実現することを第３の課題とする。

【００５３】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乃至第３の課題を解決し得る
光学式変位センサを提供することを目的とする。

【００５４】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記第
１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面発光レーザ光源と、前記面発光
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干渉パターンを生成する所
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有する光
学式変位センサにおいて、前記面発光レーザ光源の光ビ
ーム出射面と前記回折格子が形成された面との間隔をｚ
１とし、前記回折格子が形成された面と前記光検出器の
受光面との間隔をｚ２とし、前記スケール上の回折格子
のピッチｐ１とし、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干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
することを特徴とする光学式変位センサが提供される。

【００５５】（対応する発明の実施の形態）上記（１）
の発明に関する実施の形態は、第１の実施の形態が対応
する。

【００５６】上記（１）の発明の構成で用いられる面発
光レーザとして、この実施の形態では垂直共振器型面発
光レーザを中心に記載するが、端面出射型半導体レーザ
と光導波路や立ち上げミラーまたは、回折格子などを集
積して構成される面発光レーザも含むものとする。

【００５７】この構成で、「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も
のとする。

【００５８】また、「複数の受光エリアにより構成され
る光強度検出手段」とは、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ｎｐｌ（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１
の間隔で形成された複数の受光エリアの出力を加算して
出力するように構成された光検出器を意味するが、特殊
ケースとしては単一のエリアしか有していない場合も含
まれるものとする。

【００５９】尚、各受光エリアの間隔を決めるｎの値
は、必ずしも全域に渡って一定である必要はない。

【００６０】また、「前記回折干渉パターンのピッチ方
向にｎｐｌ（ｚ１＋ｚ２）／ｚｌの間隔で形成された複
数の受光エリア」における数値条件ｎｐｌ（ｚ１＋ｚ
２）／ｚ１については、多少これからずれてもセンサと
しては機能するため、上記（１）の発明を実施する際に
おいて、数値条件ｎｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１から±３
０％程度のずれがあっても上記（１）の発明の実施範囲
とみなすことにする。

【００６１】（作用）上記（１）の発明の光学式変位セ
ンサによると、面発光レーザから出射されたレーザ光
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上
の受光面に生成する。

【００６２】ここで、光検出器の光強度検出手段を構成
する受光エリアは、回折格子のピッチ方向にｎｐｌ（ｚ
１＋ｚ２）／ｚｌの間隔で形成されているので、これら
の各受光エリアでは受光面上の回折干渉パターンにおけ
る特定の同じ位相部分だけを検出する。

【００６３】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。

【００６４】次に、面発光レーザ光源の作用についてさ
らに詳しく説明する。

【００６５】面発光レーザの概略断面図の一例を図２の
（ａ）に示し、図２の（ａ）中の−ｚ方向から見た上面
図を図２の（ｂ）に示す。

【００６６】この図２の（ａ）に示す例では、面発光レ
ーザは以下のような構成になっている。

【００６７】すなわち、Ｎ−ＧａＡｓ基板４２上に、ｎ
−ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ半導体多層ミラ−４３、ｎ−
ＡｌＧａＡｓスペーサ層４４、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活
性層４５、ｐ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層４６、ｐ−Ａｌ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ半導体多層ミラ−４７が順に積層さ
れ、さらに、レーザ共振器以外の部分が表面からｎ−Ａ
１ＧａＡｓスペーサ層４４に至る深さまで半絶縁性のＧ
ａＡｓ電流ブロック層４８で埋め込まれている。

【００６８】ここで、共振器の径をωａ、レーザ光の出
射窓径をωｗとし、図２の（ａ）で表示する平面をｘｚ
平面、図２の（ｂ）で表示する平面をｘｙ平面で定義
し、面発光レーザの出射面上での光ビームの広がり寸法
をｘ方向、ｙ方向に対して、各々ωｏｘ、ωｏｙとす
る。

【００６９】尚、本明細書における作用の説明において
は、記述を簡略化するために、スケール上の回折格子の
ピッチ方向をｘ方向にした場合を仮定して説明する。

【００７０】また、この面発光レーザから出射する光ビ
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。

【００７１】また、図２の（ａ）に示すように、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を光ビームの拡がり角と呼ぶことにする。

【００７２】面発光レーザにおいては、例えば、図２の
（ａ）の場合は、素子の出射窓寸法を自由に設定するこ
とによりωｏｘ，ｗｏｙ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を広範に設定可能
である。

【００７３】図３は、面発光レーザの出射面上における
ビーム径とビーム拡がり角θの関係を実際に試作して評
価した実験結果を示しており、広範なビーム拡がり角の
設定が可能であることがわかる。

【００７４】また、３μｍ以上のビーム径の場合が、ビ
ームの拡がりも小さく、良好な条件であることがわか
る。

【００７５】ところで、出射面上におけるビーム径ωｏ
は、概ね、共振器の径ωａとレーザの出射窓径ωｗのい
ずれか小さい方の値とみなすことができる。

【００７６】従って、図２の（ａ）に示すようにωａ＞
ωｗの場合には、ビーム径ωｏはほぼωｗと見なせる。

【００７７】また、図４に示す別の面発光レーザのよう
に、ωａ＜ωｗの場合には、ビーム径ωｏは、ほぼωａ
と見なせる。

【００７８】従って、上記（１）の発明によると、従来
のエンコーダで使用されてきた端面出射型の半導体レー
ザ１の代わりに、面発光レーザ１０を光源として用いて
ｘ方向の受光エリアの拡がりを光源の光ビーム主軸近傍
に制限しても、面発光レーザのωｏｘを適切に設定する
ことにより、この狭い受光エリアの拡がりに対応した光
ビームの拡がり角を設定することができるため、光源か
ら出力される光ビームを有効に使って、受光エリアに回
折干渉パターンを生成する。

【００７９】これにより、光源、スケール、受光索子の
配置が最適値からずれた場合でも、良好な信号振幅と良
好なＳ／Ｎの出力信号を出力可能な光学式変位センサを
実現する。

【００８０】また、センサを小型化するためには、回折
格子のピッチと垂直な方向については光が回折干渉する
必要がないため、できるだけ小さなビーム拡がり角が望
ましい。

【００８１】逆に、スケール上の回折格子の欠陥やゴミ
に対して出力信号が影響されないようにするためには、
できるだけ大きなビーム拡がり角が望ましい。

【００８２】このように、ωｏｙを適切に設定すること
により、用途に応じた最適なｙ方向のビーム拡がり角を
設定可能とする。

【００８３】また、本発明によると、上記第２の課題を
解決するために、（２） 前記自然数ｎとは独立に設定
できる第２の自然数をｍとしたとき、前記光検出器は、
前記光強度検出手段とは独立した出力端子を有する第２
の光強度検出手段を有し、前記第２の光強度検出手段
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 ｍｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ の受光幅を有することを特徴とする上記（１）記載の光
学式変位センサが提供される。

【００８４】（対応する発明の実施の形態）上記（２）
の発明に関する実施の形態は、後述する第２乃至４の実
施の形態が対応する。

【００８５】尚、「前記回折干渉パターンのピッチ方向
にｍｐｌ（ｚ１＋ｚ２）／ｚｌの受光幅を有すること」
における数値条件ｍｐｌ（ｚ１＋ｚ２）／ｚｌについて
は、多少これからずれてもセンサとしては機能するた
め、この（２）の発明を実施する際においては、数値条
件ｍｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１から±３０％程度のずれ
があってもこの（２）の発明の実施範囲とみなすことに
する。

【００８６】（作用）この（２）の発明によると、上記
（１）の発明に加えて、受光面上における回折干渉パタ
ーンはｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の周期をもっているた
め、受光面上にｍｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の受光幅を
有する第２の光強度検出手段を形成することにより、ｍ
周期の回折干渉パターンを受光することになり、結果と
して、回折干渉パターンを受光面上で平均した強度レベ
ルで検出する。

【００８７】この受光面上で平均した強度レベルは、レ
ーザ光源のレーザ光の出力と比例関係にあるため、第２
の光強度検出手段によりレーザ光源のレーザ光出力をモ
ニタする機能を付加したことになる。

【００８８】従って、センサの周辺環境の変化や戻り光
の状態が変化しても、この第２の光強度検出手段の出力
をレーザ光源の駆動手段にフィードバックすることによ
り、光出力の安定化をはかり、このような状態変化に対
して安定したセンシングを実現する。

【００８９】また、本発明によると、上記第２の課題を
解決するために、（３） コヒーレント光を放射する光
源と、前記光源から放射されるコヒーレント光としての
光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビームに
よる回折干渉パター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有する光学式変位センサにお
いて、前記スケールに対して前記光源から放射されるコ
ヒーレント光としての前記光ビームが照射される面の垂
線に対して、前記光源から放射されるコヒーレント光と
しての前記光ビームの主軸を所定方向に傾斜させること
を特徴とする光学式変位センサが提供される。

【００９０】（対応する発明の実施の形態）この（３）
の発明に関する実施の形態は、第７の実施の形態が対応
する。

【００９１】（作用）この（３）の発明によると、より
高精度で信頼性の高いスケールの変位センシングを可能
するため、レーザ光源から出射した光ビームの主軸に対
して、スケール面や光検出器の受光面が傾斜して配置さ
れていることにより、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、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。

【００９２】

【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。

【００９３】（第１の実施の形態）図１は、本発明によ
る光学式変位センサの第１の実施の形態の概略的構成を
示している。

【００９４】ここで、図１の（ａ）は第１の実施の形態
の構成を示す斜視図であり、図１の（ｂ）は図１の
（ａ）に対応するｘｚ面内の断面図、図１の（ｃ）は図
１の（ａ）に対応するｙｚ面内の断面図である。

【００９５】すなわち、図１に示すように、面発光レー
ザ光源１０とスケール２は、面発光レーザ光源１０から
出射した光ビームがスケール２に照射されるような位置
関係で配置されるとともに、光検出器３は、前記光ビー
ムがスケール２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置かれる。

【００９６】図１中のエリア４は、光検出器３が回折干
渉パターンの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、複数配置されている場合には、この受光
エリア４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。

【００９７】図１中の点線５は、面発光レーザ光源１０
から出射された光ビームの主軸を示し、実線６は、この
光ビームの広がりの境界線を示す。

【００９８】また、図１中の領域１５は、スケール２の
回折格子が形成された面における光ビームの広がり領域
を、また、図１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。

【００９９】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、面発光レーザ光
源１０とスケール２、および、光検出器３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。

【０１００】次に、この発明の第１の実施の形態の作用
について説明する。

【０１０１】所定の光ビーム形状を有する面発光レーザ
光源１０から出射された光ビームは、回折格子が形成さ
れたスケール２に照射される。

【０１０２】また、前記スケール２は、前記面発光レー
ザ１０の光ビームを横切るように変位する。

【０１０３】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し、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検
出される。

【０１０４】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、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。

【０１０５】尚、センサの出力信号を大きくしてＳ／Ｎ
のよい信号を得るために、図１に示すように、光検出器
３上の受光エリア４は、スケール２の回折格子ピッチの
方向と同じ方向に一定の空間周期ｐ２０を有するように
複数のエリアを集積して形成されている。

【０１０６】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）／ｚｌとほ
ぼ等しくなるように設定される。

【０１０７】この発明の第１の実施の形態によると、図
１９における従来の半導体レーザ１の代わりに、面発光
レーザ光源１０を光源として用いるようにすることによ
り、受光エリア１６の形成領域を面発光レーザ光源１０
からの光ビーム主軸近傍だけに制限しても、この受光エ
リア１６の広がりに対応した光ビームの拡がり角を設定
することができるため、面発光レーザ光源１０からの光
量を有効に使って回折干渉パターンを受光エリア１６の
形成領域に生成することができる。

【０１０８】このように、回折干渉パターン形成領域を
必要以上に広げないようにすることにより、面発光レー
ザ光源１０、スケール２、受光素子３の配置が最適値か
らずれた場合でも、受光面上での回折干渉パターンと分
布した受光エリア１６のピッチずれの問題を低減できる
ため、良好な信号振幅と良好なＳ／Ｎの出力信号が出力
可能な光学式変位センサを実現することができる。

【０１０９】また、面発光レーザ光源１０からの光ビー
ム広がり角をスケールピッチ方向（ｘ方向）とスケール
ピッチと垂直な方向（ｙ方向）とで自由に設計すること
ができるため、例えば、スケール２面上において、スケ
ール２のピッチ方向には複数ピッチに渡る光ビーム広が
り幅とし、これと垂直方向には狭い光ビーム広がり幅を
設定することができるため、スケール２や光検出器３の
大きさを必要最小限に抑えることが可能となり、センサ
の小型化や低コスト化を実現できる。

【０１１０】尚、この発明の第１の実施の形態の各構成
は、当然、各種の変形、変更が可能である。

【０１１１】例えば、面発光レーザ光源１０は、この実
施の形態では垂直共振器型面発光レーザを中心に記載し
たが、端面出射型半導体レーザと光導波路や立ち上げミ
ラーまたは、回折格子などを集積して構成される面発光
レーザも含むものとする。

【０１１２】また、「回折干渉パターンを生成する所定
周期の回折格子」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ものとす
る。

【０１１３】また、光源が面発光レーザ光源１０である
ため、スケール２は光検出器３の表面とレーザ光の主軸
が垂直に配置された場合は、図２２に示したようにスケ
ールや受光面からの戻り光ノイズが大きい。

【０１１４】これを低減するために、スケール２や光検
出器３の受光面には反射を抑制する光学処理が施される
いることが望ましい。

【０１１５】例えば、図５の（ａ）に示すように、スケ
ール２や光検出器３の受光面に反射防止膜３６を形成し
たり、図５の（ｂ）に示すように、表面に細かな凹凸を
作るなどした光散乱効果を持たせる処置部３７を形成す
ることが望ましい。

【０１１６】尚、記述が冗長となるため、以後の記述に
おいては省略するが、スケールや受光面に反射を抑制す
る光学処理に施すことについては、本発明の他の実施の
形態においても同様に適用することができるものとす
る。（第２の実施の形態）次に、本発明による光学式セ
ンサの第２の実施の形態を図６を参照して説明する。

【０１１７】図６の（ａ）は第２の実施の形態による光
学式センサを示す斜視図であり、図６の（ｂ）は図６の
（ａ）の光検出器３の受光面をスケール２の側から見た
ときの平面図である。

【０１１８】尚、第１の実施の形態と共通する部分につ
いては、一部省略して説明するものとする。

【０１１９】光検出器３上にはｐ２＝ｎｐｌ（ｚ１＋ｚ
２）／ｚｌ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とは別に、前記第２の光強度
検出手段が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ｐｍ＝ｍｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１（但し、
ｍは、ｎと異なる自然数）、の受光幅をもって形成さ
れ、これらの各々の光強度検出手段が図中の配線３１を
介して、出力取り出しパッド３２とパッド３６に接続さ
れている。

【０１２０】図６中の領域１６は受光面上におけるレー
ザ光の拡がり領域を示しており、前述の複数の受光エリ
アや第２の光強度検出手段の受光エリアは、この領域１
６の中に形成されることが望ましい。

【０１２１】次に、この発明の第２の実施の形態の作用
を説明する。

【０１２２】パッド３２からは、スケール２がピッチ方
向にＰ１だけ変位するごとに周期的な電気信号が出力さ
れる。

【０１２３】パッド３６からは、光源１０からのレーザ
出力に比例した電気信号が出力される。

【０１２４】このパッド３６から出力される電気信号
は、光源１０からのレーザ出力のモニタとして機能し、
光源１０を駆動する手段（図示せず）にフィードバック
することにより、例えば、周囲の環境温度や圧力が変化
したり、戻り光によるレーザ出力の変動が発生するよう
な場合に、レーザの出力変動を抑えることができる。

【０１２５】これにより、センサを取り巻く環境が変化
しても、安定な変位センシングが可能である。

【０１２６】尚、第２の光強度検出手段を光検出器に集
積することは、本発明の他の実施の形態においても適用
することができる。

【０１２７】（第３の実施の形態）次に、本発明による
光学式センサの第３の実施の形態を図７を参照して説明
する。

【０１２８】ここで、図７は、図６の（ｂ）と同様に、
図６の（ａ）における光検出器３の受光面をスケール２
の側から見たときの平面図である。

【０１２９】尚、第２の実施の形態と共通する部分につ
いては一部省略して説明するものとする。

【０１３０】光検出器３上にはｐ２＝ｎｐ１（ｚ１＋ｚ
２）／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が二組形成され、これらは
配線３１を介して、出力パッド３２，３３に接続されて
いる。

【０１３１】上記二組の受光エリアは、受光面上で互い
にｘ方向にδｐ２０だけずらせて配置されている。

【０１３２】次に、この発明の第３の実施の形態の作用
を説明する。

【０１３３】スケール２が方向に変位すると、出力パッ
ド３２，３３からは位相の異なる電気信号が出力され
る。

【０１３４】この出力パッド３２，３３から出力される
電気信号の位相関係を利用して、スケール２の移動の向
きの検出や、あるいは、信号の位相分割によるピッチｐ
１以下の細かな変位量の検出などが可能となる。

【０１３５】尚、図７において、複数の受光エリア群の
空間的な配置ずれδｐ２０をスケールのピッチ方向につ
いてｐ２／４の奇数倍に設定すれば、各々の受光エリア
群からの信号の位相差が１／４周期または３／４周期分
だけずれるので、いわゆるエンコーダ信号のＡ相、Ｂ相
の信号が得られる。

【０１３６】尚、図７における２群の受光エリアを図８
に示すように、Ｐ２／４の奇数倍だけずらせた別々の受
光エリア群を交互に形成する構成とすることもできる。

【０１３７】この場合には、光ビームが最適状態からｙ
方向にずれたとしても、それぞれの受光エリア群からの
平均的な出力レベル比が殆ど変化しないので、安定した
センシングが可能となる。

【０１３８】（第４の実施の形態）次に、本発明による
光学式センサの第４の実施の形態を図９を参照して説明
する。

【０１３９】ここで、図９は、図６（ｂ）と同様に、図
６の（ａ）における光検出器３の受光面をスケール２の
側から見たときの平面図である。

【０１４０】尚、第２，３の実施の形態と共通する部分
については、一部省略して説明するものとする。

【０１４１】この第４の実施の形態では、４群の受光エ
リアをδｐ２０だけ各々ずらせて、交互に形成してい
る。

【０１４２】尚、図９中の３１および３１´は、互いに
交差して描かれているが、多層構造として各々を別な配
線層で形成することなどにより、電気的には分離されて
いるものとする。

【０１４３】また、図９中の３２，３３，３４，３５は
各々の受光エリア群からの電気信号の取り出しパッドで
ある。

【０１４４】また、通常、複数の受光エリア群の空間的
な配置ずれδｐ２０は、ｐ２／４の奇数倍に設定されて
いる。

【０１４５】次に、この発明の第４の実施の形態の作用
について説明する。

【０１４６】パッド３２，３３，３４，３５からは互い
に１／４周期だけ位相のずれた信号、いわゆるエンコー
ダ信号のＡ相、Ｂ相、反Ａ相、反Ｂ相が出力される。

【０１４７】Ａ相と反Ａ相、および、Ｂ相と反Ｂ相の信
号とは、互いに逆位相の関係にあるため、Ａ相と反Ａ相
の差信号、および、Ｂ相と反Ｂ相の差信号とを利用すれ
ば周辺環境などからの迷光の影響のない安定な信号検出
が可能となる。

【０１４８】（第５の実施の形態）次に、本発明による
光学式センサの第５の実施の形態を図１０を参照して説
明する。

【０１４９】尚、第１の実施の形態と共通する部分につ
いては、一部省略して説明するものとする。

【０１５０】面発光レーザ光源１０は２つの光ビームを
異なる出射位置から放射し、これら２つの光ビームがと
もにスケール２に照射される。

【０１５１】図１０中の領域１５，１５´で囲まれた部
分はスケール２上の光ビームの広がり領域を示してお
り、これら各々の領域にかかるように回折格子パターン
が形成されている。

【０１５２】さらに、領域１５，１５´に対応した回折
干渉パターンは、主として、図の領域１６，１６´で示
される部分に形成され、これら各々の回折干渉パターン
の所定の空間位相部分を検出するように受光エリア群が
形成されている。

【０１５３】ここで、これら複数の受光エリア群のピッ
チ方向のずれ量δｐ２０はｐ２／４の奇数倍だけずらせ
て形成することが望ましい。

【０１５４】次に、この発明の第５の実施の形態の作用
について説明する。

【０１５５】図１０に示したような構成により、出力パ
ッド３２，３３からは、いわゆる、Ａ相、Ｂ相の出力が
得られる。

【０１５６】本実施の形態には各種の変形が可能であ
る。

【０１５７】例えば、第２乃至４の実施の形態で示した
ように、レーザ光のモニ夕として第２の光検出手段を集
積したり、また、受光エリア群を４組形成し、いわゆ
る、Ａ相、Ｂ相、反Ａ相、反Ｂ相の４相の出力が得られ
るようにすることもできる。

【０１５８】（第６の実施の形態）次に、本発明による
光学式センサの第６の実施の形態を図１１を参照して説
明する。

【０１５９】尚、第１の実施の形態と共通する部分につ
いては、一部省略して説明するものとする。

【０１６０】スケール２には２群の回折格子パターンが
形成されており、これら２群の回折格子の両方に面発光
レーザ光源１０から出射された光ビームが照射されるよ
うに配置されている。

【０１６１】前記２群の回折格子は、それぞれ、回折干
渉パターンを光検出器３の受光面上の異なる領域に生成
し、光検出器３上に形成された２群の受光エリアはこれ
らの回折干渉パターンの特定の位相部分のみを選択的に
受光するように形成されている。

【０１６２】ここで、スケール２上の２群の回折格子の
ピッチ方向での互いの位置ずれをｐ１／４の奇数倍にす
ることが望ましい。

【０１６３】次に、この発明の第６の実施の形態の作用
について説明する。

【０１６４】スケール２上の２群の回折格子のピッチ方
向での互いの位置ずれをｐ１／４の奇数倍にすることに
より、光検出器３の受光面上には、互いにピッチ方向に
ｐ２／４の奇数倍だけ異なる空間位相の回折干渉パター
ンが形成される（ｐ２は受光面上での回折干渉パターン
のピッチ）。

【０１６５】これにより、光検出器３上に形成された２
群の受光エリアをピッチ方向に対して位置ずれのないよ
うに設定しても、パッド３２，３３から互いに１／４周
期の奇数倍の位相差をもった信号が得られる。

【０１６６】従って、第２の実施の形態と同様にして、
スケールの移動の向きの検出や、あるいは、信号の位相
分割によるピッチｐ１以下の細かな変位量の検出などが
可能となる。

【０１６７】この構成では、面発光レーザ光源１０上か
らの２つの光ビームの出射位置間隔を大きくすればする
ほど、これらに対応した回折干渉パターンが空間的に離
れて形成できるため、例えば、スケール２上のビーム広
がり領域１５の回折干渉パターンが他方の回折干渉パタ
ーンを受光すべき受光エリア群４´でも僅かに検出され
るような問題を抑制することができ、パッド３２，３３
から出力される信号の干渉が少なくなるという利点があ
る。

【０１６８】本実施の形態には各種の変形が可能であ
る。

【０１６９】例えば、第２乃至４の実施の形態で示した
ように、レーザ光のモニタとして第２の光検出手段を集
積したり、また、受光エリア群を４組形成し、いわゆ
る、Ａ相、Ｂ相、反Ａ相、反Ｂ相の４相の出力が得られ
るようにすることもできる。

【０１７０】（第７の実施の形態）次に、本発明による
光学式センサの第７の実施の形態を図１２を参照して説
明する。

【０１７１】尚、第１乃至５の実施の形態と共通する部
分については、一部省略して説明するものとする。

【０１７２】第１の実施の形態と同様な構成において、
面発光レーザ光源１０から出射する光ビームの主軸をス
ケール２の表面の垂線に対して所定角度φだけ傾けて配
置する。

【０１７３】尚、後述するように、スケール２の面と光
検出器３の受光面とは、互いに平行に配置することが望
ましい。

【０１７４】次に、この発明の第７の実施の形態の作用
について説明する。

【０１７５】光ビームの主軸をスケールに対して所定角
度φだけ傾けて配置することにより、スケール２から面
発光レーザ光源１０に帰還する戻り光が低減されるた
め、スケール２と面発光レーザ光源１０との光学的距離
が僅かに変動するような場合でも、面発光レーザ光源１
０からの出力を安定に保つことができる。

【０１７６】一例として、光源が面発光レーザである場
合について、スケール２あるいは受光面に見立てたミラ
ーと面発光レーザやＬＤの光ビーム出射面の距離が変化
した場合について、光源出力の変動を試算した結果をφ
＝０の場合について図２２の（ｂ）に示すとともに、φ
＝０．５ｄｅｇ．の場合について図２２の（ｃ）に示す
（この試算結果は前述の論文に記載したものである）。

【０１７７】これによると、わずか０．５ｄｅｇ．傾け
るだけでも、光源出力の変動を低減する効果が高く、さ
らに傾けることにより、光源とミラー（本発明ではスケ
ールに相当）との間隔が小さくても、戻り光による光源
の出力変動を抑えることができる。

【０１７８】特に、前述したように光源が面発光レーザ
の場合には、この戻り光によるノイズ発生の低減対策と
しての効果が高い。

【０１７９】また、スケ一ル面と受光面とを平行に配置
する場合には、光源とスケール面、受光面を結ぶ直線上
での相互の距離を各々、Ｌ１をＬ２とし、スケールに鉛
直な線上における光源とスケール面、受光面の相互の距
離を各々ｚ１，ｚ２とすると、前記（２）式から推測さ
れるように、受光面上のあらゆる場所においてｚ１／ｚ
２＝Ｌ１／Ｌ２となるため、受光面上における回折干渉
パタ一ンピッチが一定となることが予測される。

【０１８０】また、傾斜角が小さい場合には、前述のｚ
１，ｚ２を前述の（２）式を満たすように設定しておく
ことにより、ビーム広がり領域Ｓｘ内において前述の
（１）式が近似的に成立すると考えられるので、領域Ｓ
ｘ内の殆どの場所で回折干渉パターンの鮮明度もφ＝０
の場合とあまり変わらないことが予測される。

【０１８１】これらを確認するために、例えば、以下の
条件で傾斜角φがφ＝０の場合およびφ＝１０ｄｅｇ．
の場合について受光面上の回折干渉パターン試算した結
果を各々図１３の（ａ）および図１３の（ｂ）に比較し
て示す。

【０１８２】［試算条件］ 光波長λ＝１μｍ スケールの回折格子パターンピッチｐ１＝１０μｍ 光源とスケールの間隔ｚｌ＝５００μｍ 受光面とスケールの間隔ｚ２＝７５０ｐｍ 光ビームの拡がり角θｘ＝７ｄｅｇ（ｘ方向の強度分布
が矩形であると仮定した場合） スケール面と受光面の配置 平行 図１３の（ａ）および図１３の（ｂ）より、スケールを
傾斜させてもスケール面と受光面の配置を平行にすれ
ば、ｘ軸方向の回抄干渉パターンのピッチは変わらない
し、また、傾斜角が１０ｄｅｇ．程度では、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
ことがわかる。

【０１８３】従って、レーザ光の主軸に対してスケール
面を傾斜させても、ｐ１とｚ１，ｚ２が固定値であれ
ば、ｘ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ｘ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。

【０１８４】また、同じ理由により、光検出器がスケー
ルのピッチ方向に多少ずれて配置されても、回折干渉パ
ターンと受光エリアのピッチずれの問題が発生しないと
いう利点もある。

【０１８５】但し、スケールと光源の間隔ｚｌがΔｚだ
け変化すると、図１２に示す配置関係では、受光面上に
おける回折干渉パターンの位相（あるいはピークとなる
位置）がｘ方向に移動する問題を内包している。

【０１８６】本実施の形態では、各種の変形が可能であ
る。

【０１８７】本実施の形態において、光源やスケール、
光検出器の構成や配置を第２乃至第６の実施の形態のよ
うにして、それらの各々の実施の形態に対応して前述し
た付加的な効果をもたせることも可能である。

【０１８８】また、光源から出射される光ビームをスケ
ール面に対して傾斜させる手法は図１２に示すように光
源の向きを傾ける以外にも、例えば、図１４に示すよう
に光軸を曲げる光学部品（例えば、プリズムなど）を利
用しても良い。

【０１８９】（第８の実施の形態）次に、本発明による
光学式センサの第８の実施の形態を図１５を参照して説
明する。

【０１９０】尚、第７の実施の形態と共通する部分につ
いては、一部省略して説明するものとする。

【０１９１】第７の実施の形態では、光源ビームの主軸
とスケール面の特定方向を垂直に配置する構成について
は規定していないが、この第８の実施の形態では、スケ
ール２に形成された回折格子のピッチ方向とコヒーレン
ト光を放射する光源１，１０から放射される光ビームの
主軸は垂直に配置されるとともに、前記スケールの回折
格子が形成された面と前記光検出器の受光面を平行に配
置する。

【０１９２】従って、この第８の実施の形態では、スケ
ール２に形成された回折格子のピッチ方向に垂直な方向
とコヒーレント光を放射する光源から放射される光ビー
ムの主軸が角度φだけ傾斜して配置される。

【０１９３】次に、この発明の第８の実施の形態の作用
について説明する。

【０１９４】本実施の形態では、光ビームの主軸と回折
格子のピッチ方向が垂直に配置されるため、スケール２
と光源１，１０の距離がΔｚだけ変動しても、図１５の
（ａ）に示すように、回折格子のピッチ方向と光ビーム
の主軸が垂直に配置されることにより、受光面上に生成
される回折干渉パターンは光ビームの主軸に対して対称
になるため、受光面上における回折干渉パターンのピー
ク位置のずれは光ビームの主軸の近傍では小さくなる。

【０１９５】従って、第６の実施の形態で問題となる可
能性のあったΔｚの変動による回折干渉パターンのｘ方
向での移動が光ビームの主軸の近傍では抑えられるた
め、スケール２のｘ方向変位を正確にセンシングするこ
とができる。

【０１９６】尚、主軸近傍の受光エリア分布に対応した
ビーム拡がり幅を有する面発光レーザを光源とすること
により、レーザ光強度を有効に利用してＳ／Ｎの高いセ
ンシングが可能である。

【０１９７】本実施の形態においては各種の変形が可能
である。

【０１９８】本実施の形態において、光源やスケール、
光検出器の構成や配置を第２乃至第６の実施の形態のよ
うにして、それらの各々の実施の形態に対応して前述し
た付加的な効果をもたせることも可能である。

【０１９９】また、光源から出射される光ビームをスケ
ール面に対して傾斜させる手法は、図１５に示すよう
に、光源の向きを傾ける以外にも、例えば、図１４に示
すように、光軸を曲げる光学部品（例えば、プリズムな
ど）を利用しても良い。

【０２００】（第９の実施の形態）次に、本発明による
光学式センサの第９の実施の形態を図１６を参照して説
明する。

【０２０１】尚、第６の実施の形態と共通する部分につ
いては、一部省略して説明するものとする。

【０２０２】光源１，１０から出射した光ビームはスケ
ール２上で回折され、スケール２に対して光源１，１０
と同じ側に折り返されて、スケール２に対して光源１，
１０と同じ側に配置された光検出器３の受光面上で回折
干渉パターンを生成する。

【０２０３】光検出器３では、この回折干渉パターンの
所定部分を光検出器３で受光するように受光パターンが
形成されている。

【０２０４】この図１６の例では、光検出器３は、光源
１，１０から出射した光ビームがスケール２上で回折さ
れ、スケール２に対して光源１，１０と反対側に透過す
る場合を想定した光検出器３３がスケール２面に対して
折り返した位置に配置されており、さらに、スケール２
面と受光面は平行に構成されている。

【０２０５】図１６中の１１は光源１，１０と光検出器
３を集積して固定するためのブロックである。

【０２０６】次に、この発明の第９の実施の形態の作用
について説明する。

【０２０７】光検出器３からは、図１６中の出力曲線１
３で示すように、スケール２がｘ方向にｐ１だけ変位す
るごとに周期的な出力が得られる。

【０２０８】ここで、スケール２と光源１，１０との距
離ｚ１が図のようにΔｚだけ増大した場合には、受光面
上の回折干渉パターンのピッチは前述の（３）式のよう
に僅かに変化するが、次の（４）式で示したように光検
出器３がスケール２に対して光源と反対側に配置されて
いる場合と較べて、この回折干渉パターンのピッチの変
化を小さくできる利点がある。

【０２０９】 ｐ２´＝ｐ１（ｚ１＋Δｚ＋ｚ２＋Δｚ）／（ｚ１＋Δｚ） ＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２＋２Δｚ）／（ｚ１＋Δｚ） …（４） 特に、ｚ１＝ｚ２の条件の下では、スケール２と光源
１，１０の距離変動Δｚが発生しても、（３）式より、
受光面上における回折干渉パターンのピッチずれが起こ
らないので、ｚ１＝ｚ２の条件で配置することが望まし
い。

【０２１０】但し、スケール２と光源１，１０との距離
ｚ１が図のようにΔｚだけ増大すると、受光面上におけ
る回折干渉パターンの位置ずれが発生し、センサの出力
曲線１３も出力曲線１４のようにΔｘｂだけシフトした
ものになってしまうという問題点を内包している。

【０２１１】本実施の形態では、各種の変形が可能であ
る。

【０２１２】本実施の形態において、光源やスケール、
光検出器の構成や配置を第２乃至第６の実施の形態のよ
うにして、それらの各々の実施の形態に対応して前述し
た付加的な効果をもたせることも可能である。

【０２１３】また、光源から出射される光ビームをスケ
ール２面に対して傾斜させる手法は図１６に示すように
光源の向きを傾ける以外にも、例えば、図１４に示すよ
うに、光軸を曲げる光学部品（例えば、プリズムなど）
を利用しても良い。

【０２１４】（第１０の実施の形態）次に、本発明の光
学式センサによる第１０の実施の形態を図１７を参照し
て説明する。

【０２１５】尚、第９の実施の形態と共通する部分につ
いては、一部省略して説明するものとする。

【０２１６】第８の実施の形態では光源ビームの主軸と
スケール２面の特定方向を垂直に配置する構成について
は規定していないが、本実施の形態では、スケール２に
形成された回折格子のピッチ方向とコヒーレント光を放
射する光源から放射される光ビームの主軸は垂直に配置
されるるとともに、前記スケール２の回折格子が形成さ
れた面と前記光検出器の受光面を平行に配置する。

【０２１７】従って、スケール２に形成された回折格子
のピッチ方向に垂直な方向とコヒーレント光を放射する
光源から放射される光ビームの主軸が角度φだけ傾斜し
て配置される。

【０２１８】次に、この発明の第１０の実施の形態の作
用について説明する。

【０２１９】本実施の形態では、光ビームの主軸と回折
格子のピッチ方向が垂直に配置されるため、スケールと
光源の距離がΔｚだけ変動しても、回折干渉パターンが
図１７の（ａ）に示すように光ビームの主軸に対してｘ
ｚ平面では対称なため、受光エリア分布を光ビームの主
軸近傍に制限することにより、受光面上における回折干
渉パターンのピーク位置の移動を殆ど無視できる。

【０２２０】これにより、センシング時にΔｚが変動し
ても、ｘ方向の移動量検出には殆ど影響しないという利
点がある。

【０２２１】尚、主軸近傍の受光エリア分布に対応した
ビーム拡がり幅を有する面発光レーザを光源とすること
により、レーザ光強度を有効に使用してＳ／Ｎの高いセ
ンシングが可能である。

【０２２２】また、本実施の形態でも、光ビームの主軸
と回折格子のピッチ方向に垂直な方向は傾斜されて配置
されており、また、反射型の構成であるため、第８の実
施の形態と同様に、センシング時にΔｚが変動しても、
スケール２や光検出器３からの戻り光による光源の出力
変動が小さく、さらに、受光面上における回折干渉パタ
ーンのピッチの変化が小さい等の利点も有している。

【０２２３】特に、ｚ１＝ｚ２の構成とすれば、センシ
ング時にΔｚが変動しても、回折干渉パターンのピッチ
とピーク位置が殆ど変化しない安定なセンシングが可能
である。

【０２２４】本実施の形態では、各種の変形が可能であ
る。

【０２２５】本実施の形態において、光源やスケール、
光検出器の構成や配置を第２乃至第６の実施の形態のよ
うにして、それらの各々の実施の形態に対応して前述し
た付加的な効果をもたせることも可能である。

【０２２６】また、光源から出射される光ビームをスケ
ール面に対して傾斜させる手法は図１７に示すように、
光源の向きを傾ける以外にも、例えば、図１４に示すよ
うに、光軸を曲げる光学部品（例えば、プリズムなど）
を利用しても良い。

【０２２７】（第１１の実施の形態）次に、本発明によ
る光学式センサの第１１の実施の形態を図１８を参照し
て説明する。

【０２２８】尚、第１０の実施の形態と共通する部分に
ついては、一部省略して説明するものとする。

【０２２９】本実施の形態では、スケール２面とコヒー
レント光を放射する光源１，１０から放射される光ビー
ムの主軸は垂直に配置されるるとともに、前記スケール
２の回折格子が形成された面と前記光検出器３の受光面
とが互いに平行に配置されている。

【０２３０】次に、この発明の第１１の実施の形態の作
用について説明する。

【０２３１】従来の技術で用いられた透過型の構成と較
べて、本実施の形態の構成は反射型の構成であるため、
第１０の実施の形態と同様に、スケール２と光源１，１
０との間隔がずれても、回折干渉パターンのピッチずれ
が小さくなる利点、および、光ビームの主軸近傍では回
折干渉パターンのピークの位置ずれが小さくなる利点は
同様である。

【０２３２】特に、主軸近傍の受光エリア分布に対応し
たビーム拡がり幅を有する面発光レーザを光源とするこ
とにより、レーザ光強度を有効に使用して、Ｓ／Ｎの高
いセンシングが可能である。

【０２３３】本形態においては、φ＝０としたため、ｚ
１が小さいときには、スケ一ルや受光面から光源に帰還
する光による戻り光ノイズが発生することに注意する必
要があるが、これが無視できるような用途においては構
成がシンプルになる利点がある。

【０２３４】また、ｚｌが小さいときにもスケール２の
表面・裏面や受光面に反射を低減する光学処理を施すこ
とにより、スケール２や受光面から光源に帰還する光に
よる戻り光ノイズが低減されるため、この戻り光ノイズ
が無視できるような用途には適用できる。

【０２３５】特に、ｚ１＝ｚ２の構成とすれば、センシ
ング時にΔｚが変動しても、回折干渉パターンのピッチ
とピーク位置が殆ど変化しない安定なセンシングが可能
である。

【０２３６】（第１２の実施の形態）次に、本発明によ
る光学式センサの第１２の実施の形態を図２３を参照し
て説明する。

【０２３７】尚、第１の実施の形態と共通する部分につ
いては、一部省略して説明するものとする。

【０２３８】すなわち、この第１２の実施の形態は、第
１の実施の形態の特殊ケースとして受光エリア４が単数
の場合について示したもので、それ以外については第１
の実施の形態と同様である。

【０２３９】そして、上述したような第１乃至第１２の
実施の形態で示した本発明の明細書には、特許請求の範
囲に示した請求項１乃至３以外に、以下のような付記
１．乃至２３．として示すような発明が含まれている。

【０２４０】付記１． 所定方向に移動自在であり、こ
の移動方向と同一ピッチ方向で所定周期の回折格子が設
けられたスケールと、前記スケールの回折格子に略垂直
に光ビームを照射する面発光レーザ光源と、前記スケー
ルの回折格子を経由した前記面発光レーザ光源よりの光
ビームを検出する光検出器とを具備し、前記スケールの
変位を検出可能な光学式変位センサであり、前記光検出
器は、光検出面において前記回折格子のピッチ方向と同
方向に並んだ複数の光強度検出手段を具備することを特
徴とする光学式変位センサ。

【０２４１】付記２． 前記複数の光強度検出手段の並
び方は、以下の条件を満足することを特徴とする付記１
記載の光学式変位センサ： ｐ２＝ｎｐｌ（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ ただし、ｎは任章の自然数、ｐ１は前記回折格子のピッ
チ間隔、ｚ１は前記面発光レーザ光源の出射面と前記ス
ケールの回折格子の距離、ｚ２は前記スケールの回折格
子と前記光検出器の光検出面の距離である。

【０２４２】（対応する発明の実施の形態及び作用効
果）上記付記１，２の発明に関する実施の形態及び作用
効果は、それぞれ第１の実施の形態及び作用効果が対応
する。

【０２４３】付記３． 所定の光ビーム形状を有する面
発光レーザ光源と、前記面発光レーザの光ビームを横切
るように変位し、かつ、前記光ビームによる回折干渉パ
ター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
検出器とを有する光学式変位センサにおいて、前記面発
光レーザ光源からの光ビームは出射面において、前記回
折格子のピッチ方向に対して３μｍ以上のビーム径を有
することを特徴とする光学式変位センサ。

【０２４４】（対応する発明の実施の形態）この付記３
の発明に関する実施の形態は、第１の実施の形態が対応
する。

【０２４５】（作用効果）この付記３の発明によると、
面発光レーザの出射面上におけるビーム径を３μｍ以上
にすれば、（従来のエンコーダで使用されてきた端面出
射型の半導体レーザでは実現が難しかった）ビーム拡が
り角２０ｄｅｇ未満の拡がりの小さなビームが得られ
る。

【０２４６】これに対応して、受光エリアの拡がりを光
源の光ビーム主軸近傍に制限しても、この狭い受光エリ
アの拡がりに対応した光ビームの拡がり角を設定できる
ため、光源から出力される光ビームを有効に使って、受
光エリアに回折干渉パターンを生成することができる。

【０２４７】これにより、光源、スケール、受光素子の
配置が最適値からずれた場合でも、良好な信号振幅と良
好なＳ／Ｎの出力信号が出力可能な光学式変位センサを
実現することができる。

【０２４８】付記４． 所定方向に移動自在であり、こ
の移動方向と同一ピッチ方向で所定周期の回折格子が設
けられたスケールと、前記スケールの回折格子に略垂直
に光ビームを照射する面発光レーザ光源と、前記スケー
ルの回折格子を経由した前記面発光レーザ光源よりの光
ビームを検出する光検出器とを具備し、前記スケールの
変位を検出可能な光学式変位センサであり、前記面発光
レーザ光源の光ビームは出射面において、前記スケール
の回折格子のピッチ方向と同方向に３μｍ以上のビーム
径を有することを特徴とする光学式変位センサ。

【０２４９】（対応する発明の実施の形態）この付記４
の発明に関する実施の形態は、第１の実施の形態が対応
する。

【０２５０】（作用効果）付記３の発明と同様である。

【０２５１】付記５． 前記光検出器は、光検出面にお
いて、さらに、第２の光強度検出手段を具備し、前記複
数の光強度検出手段の出力と、この第２の光強度検出手
段の出力は独立して処理可能に構成されていることを特
徴とする付記１または２記載の光学式変位センサ。

【０２５２】（対応する発明の実施の形態及び作用効
果）この付記５の発明に関する実施の形態及び作用効果
は、第２乃至第４の実施の形態が対応する。

【０２５３】付記６． 前記第２の光強度検出手段は、
単数または複数であり、前記スケールの回折格子のピッ
チ方向と同方向の長さがｍｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１に
略等しいことを特徴とする付記５記載の光学式変位セン
サ：ただし、ｍは任意の自然数、ｐ１は前記回折格子の
ピッチ間隔、ｚ１は前記面発光レーザ光源の出射面と前
記スケールの回折格子の距離、ｚ２は前記スケールの回
折格子と前記光検出器の光検出面の距離である。

【０２５４】（対応する発明の実施の形態及び作用効
果）この付記６の発明に関する実施の形態及び作用効果
は、第２乃至第４の実施の形態が対応する。

【０２５５】付記７． 前記光検出器において、光強度
検出手段の並びは複数列を形成することを特徴とする付
記１記載の光学式変位センサ。

【０２５６】付記８． 前記光検出器において、光強度
検出手段の形成する各列は同一ピッチであり、かつ、位
置が所定量ずれていることを特徴とする付記７記載の光
学式変位センサ。

【０２５７】付記９． 前記位置のずれ量は列のピッチ
の１／４の奇数倍であることを特徴とする付記８記載の
光学式変位センサ。

【０２５８】付記１０． 前記光検出器において、光強
度検出手段の並びは、さらに独立して出力を取り出せる
複数の光強度検出手段のグルーブに区分され、各グルー
プの構成要素の光強度検出手段が交互に配設されている
ことを特徴とする付記１記載の光学式変位センサ。

【０２５９】付記１１． 前記交互に配設される各グル
ーブの構成要素の光強度検出手段は、各グループの光強
度検出手段のピッチが同一であり、かつ、異なるグルー
ブに属する光強度検出手段の距離は前記ピッチの１／４
の奇数倍であることを特徴とする付記１０記載の光学式
変位センサ。

【０２６０】（対応する発明の実施の形態及び作用効
果）上記付記６乃至１０の発明に関する実施の形態及び
作用効果は、第５乃至第１０の実施の形態及びそれらの
作用効果が対応する。

【０２６１】付記１２． 所定の形状を有する光ビーム
を出射する面発光レーザ光源と、前記面発光レーザ光源
からの光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビ
ームによる回折干渉パター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有する光学式変位セン
サにおいて、前記面発光レーザ光源は、複数の光ビーム
を前記スケールに照射し、前記光検出器は、前記複数の
光ビームにより生成される各々の回折干渉パターンを選
択的に受光する複数の光強度検出手段により構成される
ことを特徴とする光学式変位センサ。

【０２６２】（対応する発明の実施の形態）この付記１
２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。

【０２６３】（作用効果）この付記１２の発明に関する
実施の形態では、第１の実施の形態で得られる作用効果
に加えて、さらに以下の作用効果が得られる。

【０２６４】複数のビームをスケール上の異なる領域に
照射し、これにより、複数の回折干渉パターンを受光面
上の異なる領域に生成する。

【０２６５】前記光検出器上に形成された複数の光強度
検出手段は、各々の回折干渉パターンの特定の空間位相
部分の光強度を検出する。

【０２６６】これにより、１本のビームで生成される一
つの回折干渉パターンの領域に複数の特定空間位相部分
の光強度を検出する光強度検出手段を形成する場合と較
べて、各々の光強度検出手段からの信号の分離を確実に
実現することができる。

【０２６７】付記１３． 所定方向に移動自在であり、
この移動方向と同一ピッチ方向で所定周期の回折格子が
設けられたスケールと、前記スケールの回折格子に略垂
直に複数の光ビームを照射する面発光レーザ光源と、前
記スケールの回折格子を経由した前記面発光レーザ光源
よりの光ビームを検出する光検出器を具備し、前記スケ
ールの変位を検出可能な光学式変位センサであり、前記
光検出器は、前記複数の光ビームが前記回折格子に照射
されることによつて受光面上に形成される各回折パター
ンの変位を検出可能であることを特徴とする光学式変位
センサ。

【０２６８】（対応する発明の実施の形態）付記１２と
同様。

【０２６９】（作用効果）付記１２と同様。

【０２７０】付記１４． 所定の形状を有する光ビーム
を出射する面発光レーザ光源と、前記面発光レーザ光源
からの光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビ
ームによる回折干渉パター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有する光学式変位セン
サにおいて、前記スケールは、互いに異なる所定の空間
位相を有する複数の回折格子領域を有し、前記面発光レ
ーザ光源は、前記スケールの複数の回折格子領域に各々
独立な光ビームを照射し、前記光検出器は、前記複数の
回折格子領域より生成された回折干渉パターンを各々選
択的に受光する複数の光強度検出手段より構成されるこ
とを特徴とする光学式変位センサ。

【０２７１】（対応する発明の実施の形態）この付記１
４の発明に関する実施の形態は、第６の実施の形態が対
応する。

【０２７２】（作用効果）この付記１４の発明に関する
実施の形態では、第１の実施の形態で得られる作用効果
に加えてさらに以下の作用効果が得られる。

【０２７３】複数のビームをスケール上の異なる領域に
照射し、これにより、複数の回折干渉パターンを受光面
上の異なる領域に生成することができるため、複数の光
検出手段からの信号の分離を確実に実現することができ
る。

【０２７４】第５の実施の形態の場合には、スケールの
回折パターンは共通であるため、各々の検出手段が各々
の回折干渉パターンの特定の空間位相部分の光強度を検
出するためには、各々の検出手段を構成する受光エリア
を所定の位置関係で配置する必要があるため、スケール
のピッチが異なる場合に受光パターンをつくりなおす必
要がある。

【０２７５】これに対して、この付記１４の発明に関す
る実施の形態では、スケール上の複数の回折格子パター
ンの位置関係だけで、各々の検出手段が検出する回折干
渉パターンの位相差を設定できるため、スケールピッチ
が変わっても、各々の検出手段を構成する受光エリアの
配置を変える必要がない利点がある。

【０２７６】付記１５． 所定方向に移動自在であり、
この移動方向と同一ピッチ方向で所定周期の回折格子が
複数設けられたスケールと、前記スケールの各々の回折
格子に対して略垂直に独立した光ビームを照射する面発
光レーザ光源と、前記スケールの回折格子を経由した前
記面発光レーザ光源よりの光ビームを検出する光検出器
を具備し、前記スケールの変位を検出可能な光学式変位
センサであり、前記光検出器は、前記複数の光ビームが
前記各々の回折格子に照射されることによつて受光面上
に形成される各回折パターンの変位を検出可能であるこ
とを特徴とする光学式変位センサ。

【０２７７】（対応する発明の実施の形態）付記１４と
同様。

【０２７８】（作用効果）付記１４と同様。

【０２７９】付記１６． 所定方向に移動自在であり、
この移動方向と同一ピッチ方向で所定周期の回折格子が
設けられたスケールと、前記スケールの回折格子に光ビ
ームを照射するコヒーレント光源と、前記スケールの回
折格子により回折された前記コヒーレント光源よりの光
ビームの特定部分を選択的に検出する光検出器を具備
し、前記スケールの変位を検出可能な光学式変位センサ
であり、前記コヒーレント光源よりの光ビームの主軸
は、前記回折格子面の垂線に対して所定の方向に傾斜し
ていることを特徴とする光学式変位センサ。

【０２８０】（対応する発明の実施の形態）この付記１
６の発明に関する実施の形態は、第７乃至第１０の実施
の形態が対応する。

【０２８１】（作用効果）この付記１６の発明に関する
実施の形態では、コヒーレント（レーザ）光源から出射
される光ビームの主軸に対して、スケール面や光検出器
の受光面が傾斜して配置されている。

【０２８２】このため、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ことができる。

【０２８３】これにより、この付記１６の発明に関する
実施の形態では、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。

【０２８４】付記１７． 前記スケールに形成された回
折格子のピッチ方向と前記コヒーレント光を放射する光
源から放射される光ビームの主軸は垂直に配置されると
ともに、前記スケールの回折格子が形成された面と前記
光検出器の受光面を平行に配置することを特徴とする付
記１６記載の光学式変位センサ。

【０２８５】（対応する発明の実施の形態）この付記１
７の発明に関する実施の形態は、第８及び第１０の実施
の形態が対応する。

【０２８６】（作用効果）この付記１７の発明に関する
実施の形態では、回折格子のピッチ方向と前記光検出器
の受光面を平行に配置することにより、受光面上におけ
る回折干渉パターンの空間周期が一定となるため、光検
出器上の受光エリアのパターン設計や配置が簡単にな
る。

【０２８７】しかるに、前記スケールに形成された回折
格子のピッチ方向と光源から出射する光ビームの傾き方
向を特定しない構成では、一般的には、スケールと光源
の間隔が変化すると受光面上の回折干渉パターンが干渉
パターンのピッチ方向に移動するため、スケールがスケ
ール上の回折格子のピッチ方向に変位することによる受
光面上の回折干渉パタ一ンの移動との分離が難しくな
る。

【０２８８】一方、この付記１７の発明に関する実施の
形態のように、光ビームの主軸と回折格子のピッチ方向
を垂直に配置すれば、受光面上の回折干渉パターンが光
ビームの主軸に対して対称に生成されるため、光ビーム
の主軸上においては、スケールと光源の問隔が変化して
も受光面上の回折干渉パターンはピッチ方向に移動しな
い。

【０２８９】特に、光ビームの主軸近傍にだけ複数の受
光エリアを形成すれば、これら光ビームの主軸近傍の受
光エリアからのセンサ出力は、スケールと光源の距離の
変化にほとんど影響されないため、回折格子のピッチ方
向のスケール変位を正確に検出することができる。

【０２９０】このため、主軸近傍の受光エリア分布に対
応したビーム拡がり幅を有する面発光レーザを光源とす
ることが望ましい。

【０２９１】付記１８． 前記回折格子のピッチ方向
と、前記コヒーレント光源よりの光ビームの主軸は垂直
であり、前記回折格子面と前記光検出器の受光面は平行
であることを特徴とする付記１５記載の光学式変位セン
サ。

【０２９２】（対応する発明の実施の形態）付記１７と
同様。

【０２９３】（作用効果）付記１７と同様。

【０２９４】付記１９． コヒーレント光を放射する光
源と、前記光源から放射されるコヒーレント光としての
光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビームに
よる回折干渉パター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有する光学式変位センサにお
いて、前記スケールに対して前記光源と前記光ビームが
照射される面の垂線に対して、前記光源のから出射され
る光ビームの主軸を所定方向に傾斜させ、さらに、前記
スケールに対して前記光源と前記光検出器を同じ側に配
置することを特徴とする光学式変位センサ。

【０２９５】（対応する発明の実施の形態）この付記１
９の発明に関する実施の形態は、第９及び第１０の実施
の形態が対応する。

【０２９６】前記スケールに対して前記光源と前記光検
出器を同じ側に配置した構成とするものを、以下、反射
型の構成と記述することにする。

【０２９７】（作用効果）この付記１９の発明に関する
実施の形態の構成では、光源と光検出器を小型に一体化
して形成できるため、スケールを光源と光検出器で挟む
構造（以下、これを透過型の構成と記述することにす
る）と較べてセンサヘッドを小型化することができる。

【０２９８】さらに、反射型の構成の場合は、スケール
と光源の間隔が変動すると、ｚ１はｚ１＋Δｚに、ｚ２
はｚ２＋Δｚとなる。

【０２９９】一方、透過型の構成の場合は、光源と光検
出器の配置が固定されている通常の場合に、ｚｌはｚ１
＋Δｚに、ｚ２はｚ２−Δｚとなる。

【０３００】ここで、スケール面と受光面を平行に配置
する場合を考える。

【０３０１】今、Δｚの配置ずれが発生したときに、受
光面上に形成される干渉パターンのピッチがｐ２からｐ
２´に変化するとすれば、反射型の構成の場合は前記
（４）式が、透過型の構成の場合は前記（３）式が成り
立つ。

【０３０２】従って、前述の傾斜角度が小さいときに
は、同じΔｚに対して、反射型の方がｐ２とｐ２´差が
小さくなる。

【０３０３】すなわち、スケールと光源の間隔がずれて
も、反射型の構成では、回折干渉パターンのピッチずれ
が小さくなる利点がある。

【０３０４】特に、前記（１）式を満たす条件の下に、
ｚ１＝ｚ２の構成とすれば、反射型の場合は ｐ２´＝ｐ２＝２ｐ１ …（５） となり、Δｚに対してｐ２が影響されないという利点が
ある。

【０３０５】付記２０． 前記スケールに形成された回
折格子のピッチ方向と前記コヒーレント光を放射する光
源から放射される光ビームの主軸は垂直に配置されると
ともに、前記スケールの回折格子が形成された面と前記
検出器の受光面を平行に配置することを特徴とする付記
１９記載の光学式変位センサ。

【０３０６】（対応する発明の実施の形態）この付記２
０の発明に関する実施の形態は、第１０の実施の形態が
対応している。

【０３０７】（作用効果）この付記２０の発明に関する
実施の形態では、回折格子のピッチ方向と前記光検出器
の受光面を平行に配置することにより、受光面上におけ
る回折干渉パターンの空間周期が一定となるため、光検
出器上の受光エリアのパターン設計や配置が簡単にな
る。

【０３０８】しかるに、前記スケールに形成された回折
格子のピッチ方向と光源から出射する光ビームの傾き方
向を特定しない横成では、一般的には、スケールと光源
の間隔が変化すると受光面上の回折干渉パターンが干渉
パターンのピッチ方向に移動するため、スケールがスケ
ール上の回折格子のピッチ方向に変位することによる受
光面上の回折干渉パターンが移動する現象との分離が難
しくなる。

【０３０９】一方、この付記２０の発明で規定するよう
に、回折格子のピッチ方向と前記コヒーレント光を放射
する光源から放射される光ビームの主軸を垂直に配置す
れば、第８の実施の形態と同様な理由により、光軸の近
傍ではスケールと光源の間隔が変化しても受光面上の回
折干渉パターンのピッチ方向での移動が起こらないた
め、回折格子のピッチ方向のスケール変位を正確に検出
することができる。

【０３１０】このため、主軸近傍の受光エリア分布に対
応したビーム拡がり幅を有する面発光レーザを光源とす
ることが望ましい。

【０３１１】尚、付記１９の発明と同様に、スケールと
光源との間隔がずれたとしても、反射型の構成であるた
め、回折干渉パターンのピッチ変化が小さくなるという
利点がある。

【０３１２】付記２１． コヒーレント光を放射する光
源と、前記光源から放射されるコヒーレント光としての
光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビームに
よる回折干渉パター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有する光学式変位センサにお
いて、前記スケールに対して前記光源と前記光検出器と
が同じ側に配置されるとともに、前記スケールの回折格
子が形成された平面と前記コヒーレント光を放射する光
源から放射される光ビ一ムの主軸とが垂直に配置される
ことを特徴とする光学式変位センサ。

【０３１３】（対応する発明の実施の形態）この付記２
１の発明は、付記２０の発明においてφ＝０とした構成
であり、この付記２１の発明に関する実施の形態は、第
１１の実施の形態が対応する。

【０３１４】（作用効果）この付記２１の発明に関する
実施の形態では、反射型の構成であるため、付記２０の
発明と同様に、従来の技術で用いられた透過型の構成と
較べて、スケールと光源の間隔がずれても、回折干渉パ
ターンのピッチずれが小さくなるという利点及び回折干
渉パターンのピークの位置ずれが小さくなるという利点
がある。

【０３１５】また、この付記２１の発明に関する実施の
形態では、φ＝０としているため、ｚ１が小さいときに
は、スケールや受光面から光源に帰還する光による戻り
光ノイズが発生することに注意する必要があるが、これ
が無視できるような用途においては構成がシンプルにな
るという利点がある。

【０３１６】また、ｚ１が小さいときにもスケールの表
面・裏面や受光面に反射を低減する光学処理を施すこと
により、スケールや受光面から光源に帰還する光による
戻り光ノイズが低減されるため、この戻り光ノイズが無
視できるような用途には適用できる。

【０３１７】付記２２． 所定方向に移動自在であり、
この移動方向と同一ピッチ方向で所定周期の回折格子が
設けられたスケールと、前記スケールの回折格子に略垂
直に光ビームを照射する面発光レーザ光源と、前記スケ
ールの回折格子を経由した前記面発光レーザ光源よりの
光ビームを検出する光検出器を具備することを特徴とす
るスケールの変位を検出可能な光学式変位センサ。

【０３１８】（対応する発明の実施の形態）この付記２
２の発明に関する実施の形態としては、第１２の実施の
形態が対応する。

【０３１９】（作用効果）この付記２２の発明に関する
実施の形態では、面発光レーザ光源を使用することによ
り、レーザ光の広がりを小さくすることができ、光源、
スケール、受光素子の配置が最適配置からずれた場合で
も、Ｓ／Ｎの良好な出力信号を得ることができる。

【０３２０】付記２３． 所定の形状を有する光ビーム
を出射する面発光レーザ光源と、前記面発光レーザ光源
からの光ビームを横切るように変位し、且つ、前記光ビ
ームにより回折干渉パターンを生成する所定周期の回折
格子が形成されれたスケールと、前記回折干渉パターン
の所定部分を受光する光検出器を具備することを特徴と
する光学式変位センサ。

【０３２１】（対応する発明の実施の形態）この付記２
３の発明に関する実施の形態としては、第１２の実施の
形態が対応する。

【０３２２】（作用効果）この付記２３の発明に関する
実施の形態では、面発光レーザ光源を使用することによ
り、レーザ光の広がりを小さくすることができ、光源、
スケール、受光素子の配置が最適配置からずれた場合で
も、Ｓ／Ｎの良好な出力信号を得ることができる。

【０３２３】

【発明の効果】従って、以上説明したように、本発明に
よれば、特に、光ビームの拡がり角を従来の半導体レー
ザ光源では実現不可能な所定の小さな角度以下に設定す
ることができる構成とすることにより、光源、スケー
ル、受光素子の配置が最適配置からずれた場合でも、Ｓ
／Ｎの良好な出力信号が得られる光学式変位センサを提
供することができる。

【０３２４】また、以上説明したように、本発明によれ
ば、特に、レーザ光が光源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
のを抑制することが可能な光学式変位センサを提供する
ことができる。

【０３２５】また、以上説明したように、本発明によれ
ば、特に、光源、スケール、受光素子の配置が設計値か
らずれた場合でも、受光面上の回折干渉パターン周期や
パターン位置の変化を低減し、ひいては、スケール変位
に対する信号振幅の低下や周期の変化を抑制することが
可能な光学式変位センサをを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による光学式変位センサの第１
の実施の形態の概略的構成を示すもので、図１の（ａ）
は第１の実施の形態を示す斜視図であり、図１の（ｂ）
は図１の（ａ）に対応するｘｚ面内の断面図、図１の
（ｃ）は図１の（ａ）に対応するｙｚ面内の断面図であ
る。

【図２】図２は、図１の面発光レーザの一例を示すもの
で、図２の（ａ）はその概略断面図、図２の（ｂ）は図
２の（ａ）中の−ｚ方向から見た上面図である。

【図３】図３は、面発光レーザの出射面上におけるビー
ム径とビーム拡がり角θの関係を実際に試作して評価し
た実験結果を示す図である。

【図４】図４は、図１の面発光レーザの別の例を示す概
略断面図である。

【図５】図５は、図１のスケールや受光面からの戻り光
ノイズを低減するために、それぞれ光学処理によってス
ケール２や光検出器３の受光面に反射を抑制する反射防
止膜３６（ａ）や光散乱効果を持たせる処置部３７
（ｂ）を形成する例を示す図である。

【図６】図６の（ａ）は第２の実施の形態による光学式
センサを示す斜視図であり、図６の（ｂ）は図６の
（ａ）の光検出器３の受光面をスケール２の側から見た
ときの平面図である。

【図７】図７は、第３の実施の形態による光学式センサ
を示すもので、図６の（ｂ）と同様に、図６の（ａ）に
おける光検出器３の受光面をスケール２の側から見たと
きの平面図である。

【図８】図８は、図７における２群の受光エリアを、Ｐ
２／４の奇数倍だけずらせた別々の受光エリア群を交互
に形成する構成を例示する図である。

【図９】図９は、第４の実施の形態による光学式センサ
を示すもので、図６の（ｂ）と同様に、図６の（ａ）に
おける光検出器３の受光面をスケール２の側から見たと
きの平面図である。

【図１０】図１０は第５の実施の形態による光学式セン
サを示す斜視図である。

【図１１】図１１は第６の実施の形態による光学式セン
サを示す斜視図である。

【図１２】図１２は第７の実施の形態による光学式セン
サの概略的構成を示すもので、図１２の（ａ）は第７の
実施の形態による光学式センサのｘｚ面内の断面図であ
り、図１２の（ｂ）は図１２の（ａ）に対応するｙｚ面
内の断面図である。

【図１３】図１３の（ａ）および（ｂ）は、第７の実施
の形態において、所定の条件下で傾斜角φがφ＝０の場
合およびφ＝１０ｄｅｇの場合について受光面上の回折
干渉パターン試算した結果を各々比較して示す図であ
る。

【図１４】図１４は、光源から出射される光ビームをス
ケール面に対して傾斜させる手法の変形例として光軸を
曲げる光学部品（例えば、プリズムなど）を利用する場
合を示す図である。

【図１５】図１５は第８の実施の形態による光学式セン
サの概略的構成を示すもので、図１５の（ａ）は第８の
実施の形態による光学式センサのｘｚ面内の断面図であ
り、図１５の（ｂ）は図１５の（ａ）に対応するｙｚ面
内の断面図である。

【図１６】図１６は第９の実施の形態による光学式セン
サの概略的構成を示すもので、図１６の（ａ）は第９の
実施の形態による光学式センサのｘｚ面内の断面図であ
り、図１６の（ｂ）は図１６の（ａ）に対応するｙｚ面
内の断面図である。

【図１７】図１７は第１０の実施の形態による光学式セ
ンサの概略的構成を示すもので、図１７の（ａ）は第１
０の実施の形態による光学式センサのｘｚ面内の断面図
であり、図１７の（ｂ）は図１７の（ａ）に対応するｙ
ｚ面内の断面図である。

【図１８】図１８は第１１の実施の形態による光学式セ
ンサの概略的構成を示すもので、図１８の（ａ）は第１
１の実施の形態による光学式センサのｘｚ面内の断面図
であり、図１８の（ｂ）は図１８の（ａ）に対応するｙ
ｚ面内の断面図である。

【図１９】図１９は、第１の従来技術として、レンズな
どの光学部品の組立を必要としない小型・低コストなエ
ンコーダの一例としてコヒーレント光源と回折格子スケ
ールを用いたレーザエンコーダを示す構成図である。

【図２０】図２０は、図１９のレーザエンコーダを用い
た変位センサをさらに詳しく説明するための動作説明図
である。

【図２１】図２１は、第２の従来技術として、面発光レ
ーザ用いた小型変位センサに関する従来技術を説明する
構成図である。

【図２２】図２２は、図２１の面発光レーザ用いた小型
変位センサにおいて、距離Ｌが変化したときのセンサの
出力特性が構成上の多くのパラメータに依存することを
説明する典型的な場合の試算例として、光源に従来から
一般的に使われてきた半導体レーザである端面出射型の
半導体レーザを用いた場合（ａ）と、面発光レーザを用
いた場合（ｂ）とを対比して示すとともに、外部ミラー
を０．５ｄｅｇ．だけ傾けた場合の特性（ｃ）を示す図
である。

【図２３】図２３は、本発明による光学式変位センサの
第１２の実施の形態の概略的構成を示すもので、図２３
の（ａ）は第１２の実施の形態を示す斜視図であり、図
２３の（ｂ）は図１の（ａ）に対応するｘｚ面内の断面
図、図１の（ｃ）は図１の（ａ）に対応するｙｚ面内の
断面図である。

【符号の説明】

２…スケール、 ３…光検出器、 ４…受光エリア、 ５…光ビームの主軸、 ６…ビーム境界曲線、 １０…面発光レーザ、 １５…スケール２の回折格子が形成された面における光
ビームの広がり領域、 １６…光検出器３の受光面における光ビームの広がり領
域、 ３１、３１´…電気配線、 ３２、３３、３４、３５、３６…出力パッド、 ４１…Ｎ型コンタクト電極、 ４２…Ｎ−ＧａＡｓ基板、 ４３…ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ半導体多層ミラ−、 ４４…ｎ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層、 ４５…ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、 ４６…ｐ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層、 ４７…ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ半導体多層ミラ−、 ４８…ＧａＡｓ電流ブロック層、 ４９…Ｐ型コンタクト電極。

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
   面発光レーザ光源と、 前記面発光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干渉パターンを生
   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
   を有する光学式変位センサにおいて、 前記面発光レーザ光源の光ビーム出射面と前記回折格子
   が形成された面との間隔をｚ１とし、 前記回折格子が形成された面と前記光検出器の受光面と
   の間隔をｚ２とし、 前記スケール上の回折格子のピッチｐ１とし、 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干渉パター
   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ことを特徴とする光学式変位セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 前記自然数ｎとは独立に設定できる第２
   の自然数をｍとしたとき、 前記光検出器は、前記光強度検出手段とは独立した出力
   端子を有する第２の光強度検出手段を有し、 前記第２の光強度検出手段は、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 ｍｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ の受光幅を有す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】 コヒーレント光を放射する光源と、 前記光源から放射されるコヒーレント光としての光ビー
   ムを横切るように変位し、かつ、前記光ビームによる回
   折干渉パター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
   を有する光学式変位センサにおいて、 前記スケールに対して前記光源から放射されるコヒーレ
   ント光としての前記光ビームが照射される面の垂線に対
   して、前記光源から放射されるコヒーレント光としての
   前記光ビームの主軸を所定方向に傾斜させることを特徴
   とする光学式変位センサ。