JP2005049345A

JP2005049345A - 光学式変位センサ

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Publication number: JP2005049345A
Application number: JP2004207741A
Authority: JP
Inventors: Iwao Komazaki; 岩男駒崎
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】部品点数を減らし、組み立て実装を容易にし、低コストな光学式変位センサを提供すること。
【解決手段】光ビームを出射する可干渉光源１と、可干渉光源１から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターン６が形成されたスケール３と、光ビームが前記所定周期の光学パターン６に照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子４−１を搭載した光検出器４とを具備する光学式変位センサであって、可干渉光源１の光ビームが出射される面に、スケール３の移動方向に複数開口１３を有するスリット板２を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学式変位センサに関するものである。

従来より、精密メカニズムの変位量の検出装置として光学式変位センサが知られている。光学式変位センサの一例としては、例えば特開平７−５５５０６号公報に記載されている。図１８は、このような光学式変位センサの構成を示した図である。第１スケールであるメインスケール１３０と第２のスケールであるインデックススケール１３２とが所定間隔をもって対向配置されている。メインスケール１３０とインデックススケール１３２にはそれぞれ同じピッチで互いに平行な光学格子が形成されている。メインスケール１３０は、インデックススケール１３２に対して、矢印で示すように光学格子と直交する方向に相対移動する。

メインスケール１３０の前方に配置された、光源である発光ダイオード１３３の出力光は凹面鏡１３４により反射、コリメートされ、平行光となってメインスケール１３０に照射される。

ここで、発光ダイオード１３３は、３個のスリット開口部１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃを有する。これらスリット開口部１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃは、メインスケール１３０およびインデックススケール１３２上に形成された光学格子と平行に、互いに所定の間隔をもって配置されている。

インデックススケール１３２の後方には、フォトトランジスタまたはフォダイオード等の受光素子１３５が配置されている。

発光ダイオード１３３の複数のスリット開口部１３１a、１３１ｂ、１３１cから出射された光ビームは、凹面鏡１３４によりコリメートされ、メインスケール１３０に照射される。一方、メインスケール１３０に入った光ビームは回折されてインデックススケール１３２に入射する。

このとき、発光ダイオード１３３のスリット開口部１３１a、１３１ｂ、１３１ｃと、メインスケール１３０、およびインデックススケール１３２の配置およびそれぞれの有する光学格子のピッチ、発光ダイオード１３３から出射される光ビームの波長λが所定の関係を満足する場合、インデックススケール１３２上にはメインスケール１３０上に形成された光学格子と相似な明暗パターンが投影される。

したがって、インデックススケール１３２上に形成された光学格子のピッチがこの明暗パターンのピッチと略等しいように構成されている場合、受光素子１３５にはメインスケール１３０のインデックススケール１３２に対する相対位置に応じた光ビームの明暗が照射され、受光素子１３５からはこの明暗に応じた信号が、メインスケール１３０の位置情報として出力される。

この受光素子１３５の出力信号は信号処理回路１３６により処理され、メインスケール１３１の相対位置が求められるように構成されている。
特開平７−５５５０６号公報

ところが、このような従来技術の場合、以下に示すような問題点が存在する。ここで紹介した従来例の場合、発光ダイオードチップの上部電極をそのままスリットとして用いているため、複数開口形状を変更するには、半導体プロセスを変更する必要があり、複数開口を変更することはコストがかかるという問題点を有している。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、低コストな光学式変位センサを提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明に係る光学式変位センサは、光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器とを具備する光学式変位センサであって、前記可干渉光源の光ビームが出射される面に、前記スケールの移動方向に複数開口を有するスリット板を設ける。

また、第２の発明は、第１の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記可干渉光源は、樹脂部材にモールド実装されたモールド光源であり、前記スリット板は前記モールド光源の光ビームを出射する表面に直接形成されている。

また、第３の発明は、第２の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記モールド樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材を形成施している。

また、第４の発明は、光ビームを出射するモールド実装された可干渉光源と、前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、第１の所定周期の光学パターンと第２の光学パターンとが形成されたスケールと、前記光ビームが前記第１の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した第１の光検出器と、前記光ビームが前記第２の光学パターンに照射されることにより生成された光ビームパターンを検出する第２の光検出器と、を具備する光学式変位センサであって、前記可干渉光源の光ビームが出射される側のモールド表面に、前記第１の光学パターンに照射される光ビームを形成し、かつ前記スケールの移動方向に複数開口を有する第１のスリットと、前記第２の光学パターンに照射される光ビームを形成する第２のスリットとを設ける。

また、第５の発明は、第４の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記第１のスリットの複数開口が形成された面と、前記スケールの前記第１の光学パターンが形成された面との距離をｚ１、前記スケールの前記第１の光学パターンが形成された面と、前記第１の光検出器の受光素子の形成面との距離をｚ２、前記スケール上に形成された前記第１の所定周期の光学パターンの、前記スケール移動方向の周期をｐ１、前記第１のスリットに形成された、前記スケール移動方向の複数開口のピッチをｐｓｔとすると、
ｐｓｔは、略、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２の式で表わされる。

また、第６の発明は、第４の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記第１のスリットの複数開口と、前記第２のスリットの開口とは、前記第１のスリットの複数開口と前記第２のスリットの開口とが形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向に所定の距離をずらせて形成されている。

また、第７の発明は、第６の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記第１のスリットの複数開口と、前記第２のスリットの開口とは、前記第１のスリットの複数開口と前記第２のスリットの開口とが形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向において、所定の距離だけずらせた上で、さらに少なくとも一部が重なり合うように形成されている。

また、第８の発明は、光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールに向かう光路上に配置され、前記スケールの移動方向に複数開口が形成されたスリット板とを具備する光学式変位センサであって、前記スリット板は、前記複数開口が形成された部位の上面又は下面と前記受光素子の受光面とが同一平面内に有るように、前記受光素子の形成面と同一平面に固定されていることを特徴とする光学式変位センサ。

また、第９の発明は、第１、３、８、のいずれか１つの発明に係る光学式変位センサにおいて、前記スリットの複数開口が形成された面と、前記スケールの光学パターンが形成された面との距離をｚ１、前記スケールの光学パターンが形成された面と、前記光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面との距離をｚ２、前記スケールにおけるスケール移動方向の光学パターンの周期をｐ１、前記スリットにおける前記スケール移動方向の複数開口のピッチをｐｓｔとすると、
ｐｓｔは、略ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２の式で表わされる。

また、第１０の発明は、第１、４、５、６、７、８、９のいずれか１つの発明に係る光学式変位センサにおいて、前記スリット板の光源側の表面は、反射防止処理が施されている。

また、第１１の発明は、第１、４〜１０のいずれか１つの発明に係る光学式変位センサにおいて、前記可干渉光源は、光ビーム出射部分に光ビームの広がりを制御するレンズと、スリット板を前記スケール面に平行に固定することが可能な平坦面とを有している。

また、第１２の発明は、第１１の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記可干渉光源に対して前記スリット板を上方に配置した時に、前記レンズは、前記平坦面より下側に形成されている。

また、第１３の発明は、第１１の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記レンズは、フレネルレンズ等の平面状の光学素子である。

本発明によれば、部品点数を減らし、組み立て実装を容易にした、低コストな光学式変位センサが提供される。

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。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る光学式変位センサとしての光学式変位センサの概略構成を示す図である。光学式変位センサは、ステージ等の変位を検出しようとする部材に固定されるスケール３と、このスケール３の変位を検出するためのセンサヘッド２００とを備えている。

スケール３は、後述するスリット板２の複数開口１３の開口部から出射された光ビームを横切るように移動可能に支持され、光ビームを回折または反射する所定の周期の光学パターン６が形成されている。

一方、センサヘッド２００は、センサ基板１００上に、スケール３に光ビームを照射する可干渉光源１と、可干渉光源１の光ビームが出射される面に設けたスケール３の移動方向に複数開口１３が形成されたスリット板２と、前記光ビームがスケール３の光学パターン６に照射されることにより生成される回折干渉パターンを検出するためのスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子４−１で構成される光検出器４とを有している。

はじめに本実施の形態における検出原理について説明する。

光源の波長λ、スリットの複数開口のピッチpst、スケールピッチｐ１、複数開口が形成された面とスケールの光学パターンが形成された面との距離をｚ１、スケールの光学パターンが形成された面と光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面との距離をｚ２としたときに、以下の式を満足する場合に光検出器上にはスケール上に形成された周期パターンと相似な周期ｐ２を有する回折干渉パターンが形成される。

（１/z1）+(1/z2)=λ/(n(p1)²) … （１）
p2=p1×（ｚ１+z2）/z1 … （２）
pst=p1×（z1+z2）/z2 … （３）
ここで、ｎは自然数である。本実施の形態においては、前記「スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子」はスケール移動方向に一定周期で形成されたアレー状の受光素子で構成されている.
本実施の形態においては、光検出器上のアレー状の受光素子を（２）式で示される周期
ｐ２で配置し、スリットの複数開口のピッチを（３）式で示されるpstに設定することにより、回折干渉パターンの動きを検出することが可能となる。すなわち、可干渉光源、スケール、アレー状の受光素子が（２）式で示される配置にあるとき、スリットの複数開口のピッチを上記（３）式で示されるpstとすることにより、アレー状の受光素子上に回折干渉パターンが形成される。さらに、この場合にアレー状の受光素子のスケール移動方向のピッチを（２）式で示されるｐ２に設定することにより、アレー状の受光素子の受光面に形成される回折干渉パターンと受光素子のピッチが一致するため、回折干渉パターンの特定位相毎の光強度をアレー状の受光素子が検出できるので、スケールの移動に伴う前記回折干渉パターンの動きを検出できる。

可干渉光源１はセンサ基板１００上に平面実装されたモールド光源であり、その光出射側の表面には複数開口を有するスリット板２が直接固定されている。スリット板２の複数開口の開口部のピッチ方向は、スケール３上の所定周期の光学パターン６のピッチ方向に略平行となっている。この複数開口１３の開口部以外の、可干渉光源１の光出射表面の周囲は、光ビームの漏れ光が光検出器４に直接入射することを防ぐために光吸収樹脂１０で覆われている。

なお、１０３，１０４は可干渉光源１の電気接続と固定を兼ねた電極板である。

図１において、ｐ１はスケール３上に形成された光学パターン６のスケール３移動方向における周期である。光検出器４のアレー状の受光素子の受光部４−１上の回折干渉パターンの周期はｐ２になるため、受光部４−１の配列ピッチもｐ２に設定されている。また、ｚ１はスリット板の複数開口１３が形成された面とスケール３の光学パターンが形成された面との距離であり、ｚ２はスケール３の光学パターン６が形成された面と光検出器４上に形成されたアレー状の受光素子の受光部４−１との距離である。

さらに、ｐｓｔはスリット板の複数開口１３におけるスケール３の移動方向のピッチである。

さらに、複数のアレー状の受光素子のグループを設けて、回折干渉パターンの互いに位相が９０度ずつ異なる位相部分を受光するように、互いにピッチｐ２ごとにグループ化して電気的に接続され、かつスケール移動方向にｐ２／４間隔でずらせた４つのアレー状の受光素子グループ（Ａ+）、（Ｂ+）、（Ａ-）、（Ｂ-）を形成することが望ましい。

（尚、図１では、簡単のためアレー状の受光素子は１グループの場合だけ記載している。）
複数のアレー状の受光素子の各グループより検出される９０度ずつ位相の異なる４つの出力信号（Ａ+ ）、（Ｂ+）、（Ａ-）、（Ｂ-）からVA=（Ａ+） −（Ａ- ）とVB=（Ｂ+ ）
−（Ｂ- ）を求めると、外光等周期成分を持たない光による成分をキャンセルできるため、ノイズ等の影響をキャンセルした２つの信号、VAおよびVBとして出力することが可能となっている。

この２つの信号VA,VBをXY表示することによりリサージュ図形を得ることができる。

このリサージュ図形は円形であり、リサージュ図形上の点が現在位置を示している。この点がリサージュ円を１回転すると、それはスケール３の１ピッチ分の移動ｐ１に対応する。

ここで、このリサージュ図形を内挿することにより、光学パターン６の１ピッチよりもさらに小さい移動量を検出することも可能である。

次に実施の形態における光学式変位センサの特徴について説明する。

本実施の形態に係る光学式変位センサは、スリット板２はモールド実装された発光ダイオードのモールド表面に直接取り付け又は形成されている。このように構成することで、複数開口のピッチ等を容易に変更でき、小型、低コストの光学式変位センサを提供することが可能となる。

（第２実施の形態）
次に本発明の第２実施の形態に係る光学式変位センサを図２、図３を参照して説明する。図２は、光学式変位センサの構成を示す図であり、図３は、その中央部分の断面図である。第１実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。

次に本実施の形態の具体的な構成に付いて説明する。尚、ここでは、センサ基板１００に対して、スリット方向を“上方”と仮定して記載する。

可干渉光源１の上方に配置されたスケール３の移動方向に複数開口が形成されたスリット板２を有し、さらにスリット板２は光検出器４の受光面と可干渉光源１の複数開口１３の開口面が同一平面内に有るように、光検出器４の上面に固定され、且つ可干渉光源の上方に配置されている。スリット板２はガラス基板上にクロム薄膜でスリット開口が形成されており、スリット板２には複数開口１３が可干渉光源１と対向する面に形成されている。可干渉光源１から出射された光ビームはスリット板２上に形成された複数開口１３を経由し、スケール３の有する周期パターン６に照射される。そして、このスケール３により反射、回折された光ビームは光検出器４上に回折干渉パターンを形成する。

このとき、スリット板２上に形成された複数開口１３は可干渉光源１と向かい合う面、すなわちスリット板２の光検出器４に貼り付けられる面と同一の平面上に形成されているため、特別な冶具等を用いることなく、また、特別な調整をすることなく自動的にｚ１とｚ２が略等しくなる。これにより、（２）、（３）式により、
ｐst=p2=2×p1 … （４）
が導出される。

したがって、この構成によりスリット板上の複数開口のピッチpst、および光検出器上に形成される回折干渉パターンの明暗のピッチは距離ｚ１、ｚ２に依存せず、ともに２ｐ１に固定されるため、（ｐｓｔ＝ｐ２＝２ｐ１）使用時において、距離ｚ１（＝ｚ２）、すなわちセンサヘッドとスケール間のギャップが変動しても安定な検出が可能となる。

さらには、設計および製造時においても、ｚ１＝ｚ２の関係が保存されるため、スケールとセンサヘッドとの間のギャップの取り付け公差に依らない複数開口の開口ピッチpstの設定が可能である。

光源１の厚さが光検出器４よりも厚い場合、高さ調整部材１１をセンサ基板１００上に取り付けることで、高さ調整をすることが可能である。

このように構成することで、きわめて容易に、また、コストを要することなく、ギャップ変化の影響を受けにくいセンサヘッドを提供することが可能となる。

（第３実施の形態）
次に本発明の第３実施の形態に係る光学式変位センサを図４を参照して説明する。なお、第２実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。

本実施の形態において、スリット板２は、複数開口１３と、光検出器の受光部上を除いた領域が遮光部となっている。また、可干渉光源１と光検出器４との間にも可干渉光源１から出射される光ビームを透過しない遮光部材１０が配置されている。このように構成することで、可干渉光源１から出射された光ビームが光検出器４に直接照射されるのを防ぐことが可能となる。これにより、信号成分以外の光ビームが光検出器に照射されにくくなるため、このような光ビームが検出信号等に与える悪影響を軽減することが可能となる。

また、本実施の形態においても、スリット板２の複数開口１３の形成面は可干渉光源１と対向する面、すなわち光検出器４に取り付けられる面側、光検出器の受光面に形成されているため、常にｚ１とｚ２が等しいため光検出器上に形成される回折干渉パターンの明暗ピッチがスケールとセンサヘッドとの間のギャップに依存しない利点がある。

このような構成とすることで、信号成分以外の光ビームによる悪影響を受けにくく、かつ、ギャップ変化の影響も受けにくいセンサヘッドを実現することが可能となる。

（第４実施の形態）
次に本発明の第４実施の形態に係る光学式変位センサを図５を参照して説明する。なお、第１実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。

図５は、本発明の第４実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図である。可干渉光源１は一般に市販されているステム実装された光源である。可干渉光源１は、光源１の光ビーム出射部分の位置ができるだけ低くなるように実装基板１０１上に実装されている。スリット板２は、このステム実装された可干渉光源１の光ビーム出射面の平面封止ガラス表面に直接固定されている。

ステム実装されている可干渉光源１は、光ビーム出射拡がり角度が制御されており、漏れ光はステム封止用のキャップ４０により遮光されている。また、可干渉光源１の動作信頼性は非常に高く低価格であり、スケール３とセンサヘッド１００との間隔を十分に取れる場合には高分解能で低価格な変位センサを実現できる。

（第５実施の形態）
図６（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第５実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図である。なお、第１実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。

本実施の形態において用いられる可干渉光源１は,モールド実装された光源であり、その光ビーム出射表面にはスリット板２が直接固定されている。スリット板２には周期的な複数開口１３のピッチpstと、単一の開口の第２スリット１５とが図６（B）に示すように形成されている。周期的な複数開口１３のピッチ方向は、スケール３上の所定周期の光学パターン６のピッチ方向と略平行に配置されている。スリット板２の第１のスリットの複数開口１３および第２スリット１５は、可干渉光源１に対向した面に形成されている。この第１のスリットの複数開口１３および第２のスリット１５の開口部以外でかつ、可干渉光源１の光出射表面の周囲は、光ビームの漏れ光が第１の光検出器４及び第２の光検出器５に直接入射するのを防ぐために光吸収樹脂１０で覆われている。

可干渉光源１から出射された光ビームのうちの一部は、第１の複数開口１３を通過しスケール３上に形成された周期パターン６に照射され、この周期パターン6により反射、回折されて第１の光検出器４上に回折干渉パターンを形成する。これにより、スケール３の移動を検出することが可能である。また、同様に可干渉光源１から出射された光ビームの別の一部は第２のスリット１５を通過してスケール３上に形成された基準位置パターン７に照射され、基準位置パターン７で反射された光ビームは第２の光検出器５に入射する。これによりスケール３の基準位置を検出することが可能となる。

このように構成することで、簡単な構成によりスケール３の移動量と基準位置を検出することが可能な光学式変位センサを容易に低価格で提供することが可能となる。

（第６実施の形態）
次に本発明の第６実施の形態に係る光学式変位センサを図７を参照して説明する。

なお、第１実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。図７は、本発明の第６実施の形態に係る光学式変位センサの光源部分を示す図である。

ここではモールド実装された可干渉光源１の光出射側の表面に、金属薄膜、誘電体薄膜、光吸収性樹脂薄膜等のうちいずれかを用い、第１スリットの複数開口１３，および第２スリットの開口１５をモールド実装された可干渉光源１の表面に直接形成する。このとき、光ビームが出射されるモールド部材の上部の平面部分のみに第１スリットの複数開口１３，および第２スリットの開口１５を形成すれば良いが、さらに漏れ光等、第１スリットの複数開口１３、第２スリットの開口１５以外の領域から出射される光ビームによる悪影響を軽減するため、樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材１０が一体形成される。

この遮光部材により、光検出器上に形成される回折干渉パターンに寄与しない光ビームを大幅に軽減することができるので、光検出器の出力信号のＤＣレベルを抑制することが可能となり、検出信号の飽和を抑制して、最適なゲインの信号検出が可能となる。

なお、スリット開口の形成においては、半導体のパターンニング技術を用いることで第１スリットの複数開口１３，および第２スリットの開口１５を製作精度良く形成することが可能となる。また、樹脂部材、エッチング部材等をモールド表面に取り付けることで、低価格で容易に複数開口をモールド光源上に形成することが可能となる。さらに、モールド部材上に位相格子等を一体成形パターンニングすることも可能である。

このような光源を用いることにより、光学式変位センサ組み立て時の部品点数を減少させ、より組み立てやすく低価格な光学式変位センサを提供することが可能となる。

（第７実施の形態）
次に本発明の第７実施の形態に係る光学式変位センサを図８（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。図８（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第７実施の形態に係る光学式変位センサの光源部分を示す図である。

光源１は、モールド実装され、レンズを有する光学素子ａを集積化したものであり、表面形状が球形である。可干渉光源１は、図に示すようなスリット板２を含むモールド状のカバーで全体が覆われている。モールド状のカバーには第１スリットの複数開口１３，および第２スリットの開口１５が形成されており、第１スリットの複数開口１３、および第２スリットの開口１５を通った光ビームはそれぞれスケール３上に形成された、互いに対応する光学パターンに照射される。このとき光源１の周囲の漏れ光をによる影響を軽減するために、レンズ周囲には遮光部材１０が充填される。この遮光部材により、光検出器上に形成される回折干渉パターンに寄与しない光ビームを大幅に軽減することができるので、光検出器の出力信号のＤＣレベルを抑制することが可能となり、検出信号の飽和を抑制して、最適なゲインの信号検出が可能となる。

モールド実装された光源１の電源供給電極には、カバーを掛けずに、ワイアボンド等が行なえるスペースを残している。

スリット板２を実装基板に対して水平にすることにより、第１スリットの複数開口１３の開口部からスケール３の表面との間隔を、この平面からスケール３までの距離として定義することが可能となる。

光学素子ａにより光ビームの広がりを制御することにより、発光ダイオードチップから出射した光ビームを効率的に第１スリットの複数開口１３、および第２スリットの開口１５に導くことが可能となり、これらの光ビームを効率的に利用することが可能となり、低消費電力化できる。また、出力信号の強度を大きくすることが可能となる。

（第８実施の形態）
次に本発明の第８実施の形態に係る光学式変位センサを図９（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。図９（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第８実施の形態に係る光学式変位センサの光源部分の断面構造図である。樹脂部材にモールド実装されたモールド光源１は、同じ樹脂部材からなるレンズ形状の光学素子ａで集積化され、光ビームの広がりを制御している。

（第８実施の形態）
本実施の形態は、第７の実施の形態の改良タイプであり、これと共通する説明は省略する。

本実施の形態においては、可干渉光源１の実装されたモールド部材の上面に形成されたレンズaはモールド部材中に埋め込まれるように形成されており、レンズ周辺にモールド部材により平坦領域が形成されている。スリット板２はこの平坦領域に固定されている。

このように構成することで、特殊な部材を用いることなくスリット板２を光源上に平坦に固定することが可能となる。

（第９実施の形態）
次に本発明の第９実施の形態に係る光学式変位センサを図１０を参照して説明する。

図１０は、本発明の第９実施の形態に係る光学式変位センサの光源部分の断面構造図である。なおここでは、第８実施の形態と同じ部分の詳細な説明は省略する。

ここでは光学素子ａの焦点距離を所定の大きさとし、レンズからスリット板２までの距離を所定の距離に設定することで、スリット板２の裏面に形成されるビームスポット径ｂをモールド光源１の光ビーム出射表面の窪みよりも内側の広がりに抑えることができる。

このように光学素子ａにより光ビームの広がりをスリットの複数開口領域と同程度の広がりに制御することにより、スリット板２のそれぞれの第１のスリットの複数開口１３，および第２のスリット開口１５を通った光ビームが各々、スケール上の所定周期の光学パターン及び基準位置検出パターンに効率的に照射される。

（第１０実施の形態）
次に本発明の第１０実施の形態に係る光学式変位センサを図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の第１１実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。なおここでは、第９実施の形態と同じ部分の詳細な説明は省略する。

光学素子の曲率半径を小さくして、凸レンズ中心先端から対向する複数開口１３表面までの間の距離を所定の距離に設定すると、レンズの寸法５０ｂに対して、スリット板２の裏面のビームスポット径５０ａをモジュール表面の複数開口寸法よりも内側の広がりに抑えることができる。２１，２２は発光ダイオードの駆動電極である。

光源１と対向するスリットの複数開口１３の表面に低反射コートを施すことにより、スリット板表面からの戻り光による、光源１の光出力の変動を抑制することができる。その結果、スリットの複数開口領域と同程度の広がりに制御された光ビームをスケール上の光学パターンに効率的に照射できる。

（第１１実施の形態）
次に本発明の第１１実施の形態に係る光学式変位センサを図１２（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。図１２（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１１実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。

ここで可干渉光源１は、光源実装基板７１と、その周囲の枠状の光源実装部材（以下、枠と呼ぶ）６０とにより取り付けられる。光源実装基板７１には、モールド実装された可干渉光源１の裏面の電極パターンに対応する位置に電極パターン５３，５４が設けられて
いる。枠６０の厚みは、本実施の形態においては複数開口はスリット板２の可干渉光源1と対向する面に形成されているため、モールド実装された光源１の高さと枠６０の寸法は略一致するように形成されている。また、複数開口がスケール３と対向する面に形成された場合には、枠６０の高さはモールド実装された可干渉光源１とスリット板２を合わせた高さと略一致するように形成する必要が有る。

枠６０が光源実装基板７１に固定された後、可干渉光源１が枠６０内に落とし込まれ、さらにスリット板２が可干渉光源１の表面および枠６０の表面に固定実装される。枠６０をスケール移動方向に平行に実装し、枠６０の位置方向位置を可干渉光源１およびスリット板２の固定実装の基準にすることができる。

（第１２実施の形態）
次に本発明の第１２実施の形態に係る光学式変位センサを図１３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。図１３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１２実施の形態に係る光学式変位センサの可干渉光源の構造を示す図である。

ここでの可干渉光源は、掘り込み領域７１と、その周囲の平面領域を有する光源搭載部材７０とからなり、掘り込みの深さは、半導体ベアチップ状可干渉光源１および光ビームが出射される半導体の表面に直接固定されたスリット板２と同じか、もしくはさらに深く設定されている。

掘り込み状の底面領域７１から上面領域にかけて、第１の電極パターン５３が設けられている。これと向かい合う他方の端は掘り込みが垂直にエッチング形成されており、少なくとも、この垂直面は電気的に絶縁または高抵抗である。光源搭載部材７０の該垂直面に隣接する上面には第２の電極パターン５４が設けられている。

半導体ベアチップ状可干渉光源１を垂直面につき当てて実装し、スリット板２を、半導
体ベアチップ状可干渉光源１の光ビームが出射する表面を覆うように、垂直面近傍の表面電極を除いて直接チップ表面および実装部材上面に取付ける。垂直面側の表面電極５４は、ベアチップを突き当てた後、表面に電極半田材を電極パッドと連結して配線し、ワイアを用いない。

本実施の形態によれば、光源搭載部材７０とスリット板２表面との平行度を保証でき、掘り込み状の底面領域７１に半導体ベアチップ状可干渉光源１を落とし込むときの実装が容易である。さらに配線ワイアによる光源出力の低下を抑制可能であり、ワイアの取り扱いがフリーとなる。

（第１３実施の形態）
次に本発明の第１３実施の形態に係る光学式変位センサを図１４を参照して説明する。図１４は、本発明の第１３実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。

可干渉光源１の実装基板１０１には、モールド実装された可干渉光源１の形状に嵌合す
る嵌合部材５５，５６が設けられており、この嵌合部材５５，５６の嵌合部にモールド実装された可干渉光源１を突き当てて容易にセンサ基板１００に実装できる。

この嵌合部材５５，５６は、導電体でセンサ基板１００上のパターン電極１００−１と連結されている。嵌合部材５５，５６の導体形状は、モールド実装された可干渉光源１の表面電極部分の切り欠き２５の形状に一致している。この嵌合部材５５，５６はセンサ基板１００に対して垂直に設けられ、その先端は平坦面であり、その平坦面にスリット板２を固定する。

モールド実装された可干渉光源１を嵌合部材５５，５６の嵌合部に突き当て、裏面の
電極パターンに合わせて固定する。その後、可干渉光源１の光ビームの出射表面部分に、スリット板２の表面に形成された切り欠けパターン２６，２７と嵌合部材５５，５６の先端位置、形状を一致させて、固定することにより、本発明の光変位センサの光源部分の実装が容易にできる。

また、この実装基板を半導体Ｓｉ基板を用いることにより、可干渉光源実装部分の周
囲の所定の領域に光検出器を集積化することが可能であり、光検出器の配置と前記電極パターンや嵌合部材５５，５６の位置等を半導体プロセスのパターンニング技術で形成することができ、光源およびスリット板の開口部分と光検出器の配置制御が容易になる。

（第１４実施の形態）
次に本発明の第１４実施の形態に係る光学式変位センサを図１５（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。図１５（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１４実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。

可干渉光源１の実装基板６２には、モールド実装された可干渉光源１の形状に嵌合する
嵌合部材５９，６０が設けられており、この嵌合部材５９，６０の嵌合部にモールド実装された可干渉光源１を突き当てて、可干渉光源１を容易に実装基板６２に実装できる。

嵌合部材５９，６０は、導電体で実装基板６２上のパターン電極と連結されている。

この嵌合部材５９，６０の導体形状は、モールド実装された可干渉光源１の表面電極部分の向かい合う端部の一部が切り取られて切りかけ６１，６２を構成し、この位置に可干渉光源１を固定配置することを容易ならしめている。嵌合部材５９，６０は、実装基板６２に対して垂直に設けられている。スリット板板２の表面には、可干渉光源１の向かい合う端部の形状に一致する目合わせパターン５７，５８が設けられている。

モールド実装された可干渉光源１を嵌合部材５９，６０の嵌合部に突き当て、裏面の
電極パターンに合わせて固定する。その後、スリット板板２の表面に形成された目合わせパターン５７，５８と、嵌合部材５９，６０の切り欠け６１，６２とを一致させて固定することで光源１の光ビームの出射側表面部分にスリット板板２を取付ける。このようにしてスリット板付き光源が容易に実装される。

（第１５実施の形態）
次に本発明の第１６実施の形態に係る光学式変位センサを図１６（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。図１６（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１５実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。

スリット板２の裏面には、所定周期の複数開口１３が設けられ、その周囲は光を吸収する暗部パターンである。但し、モールド実装された可干渉光源１との目合わせのために設けられた切り欠きパターン２６，２７は開口になっている。

また、スリット板板２の裏面は低反射コートを行い、反射光が可干渉光源１に戻り可干渉光源１の光出力が変動することを抑制している。

モールド実装された可干渉光源１の光ビームの射出する表面にスリット板２を前述の切
り欠きパターン２６，２７を用いて固定した後、さらに、光ビーム漏れ光が直接検出器に入力することを抑制するために、モールド光源の光ビームの出射表面の周囲を光吸収樹脂１０で覆っている。

このように本発明の光変位センサの可干渉光源部分の光源とスリット板との実装が容易にできる。

（第１６実施の形態）
次に本発明の第１７実施の形態に係る光学式変位センサを図１７（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。図１７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１６実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。

なお、第１５実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。

スリット板２の裏面には、所定開口周期の第１のスリットの複数開口１３と、この第１のスリット板の複数開口１３と互いに一部が重なるように第２のスリットの開口１５が設けられ、その周囲は光を吸収する暗部パターンである。但し、可干渉光源１との目合わせのために設けられたパターン５７ａ，５７ｂ，５８ａ，５８ｂは開口になっている。このパターン５７ａ，５７ｂ，５８ａ，５８ｂは、モールド実装された可干渉光源１の表面の４隅の電極位置に一致している。

ここで、第２のスリットの開口１５が、第１スリットの複数開口１３の形成領域の一部に重なっていることにより、第２のスリットの開口１５を通った光ビームがスケール上の基準位置検出パターンに照射される。この基準位置検出パターンで反射された光ビームは第２の光検出器５に入射し基準位置が検出される。

このとき同時に、第２のスリットの開口１５を通った光ビームの一部が、スケール上の第１の周期パターン６にも照射される。このスケール上の第１の周期パターンで反射された光ビームの一部を第１の光検出器で検出することにより移動量検出信号と基準位置検出信号との同期が得られる。

また、第１のスリットの複数開口１３を通過した光ビームは、ビーム広がりがスケール移動方向に対して広い為、スケール上の基準位置検出パターンに対応した信号が第２の光検出器でも得られる。これに対して、基準位置の検出に用いられる単一開口の第２のスリットの開口１５を通過した光ビームは、スケール上の基準位置検出パターンに照射され、反射されて第２の光検出器上に生成されるパターンは第２の光検出器により検出される。

本実施の形態では、このときに検出される基準位置信号レベルが急峻に増加することを
利用して、第２のスリットの開口面積を第１のスリットの開口部分へと伸ばすことにより、基準位置検出のためのスケール上の基準位置検出パターンへの光量を確保して信号レベルを上げ、確実に基準位置を検出できるようにしている。

この結果、基準位置の検出が明確になり、相対変位量との同期をとることにより、基準位置からの絶対変位量を検出できる。

（付記）
上記した具体的な実施の形態から、以下のような構成を有する発明が抽出される。

１．光ビームを出射する可干渉光源と、
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記可干渉光源の光ビームが出射される面に、前記スケールの移動方向に複数開口を有するスリット板を設けたことを特徴とする光学式変位センサ。

（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、少なくとも第１−３，５−１２実施の形態が対応する。

（作用効果）
ここで、可干渉光源とは、単独またはスリットと組み合わせて出射される光ビームが、本特許の構成で示す配置でスケールに照射されたときに、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子面にスケールの回折模様を形成しうる可干渉性を有する光源であり、具体的には、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、端面発光レーザ（ＬＤ）、面発光レーザ（ＳＥＬ）等を指すものとする。

また、スリットは、複数開口または単一開口を表面に金属薄膜または誘電体薄膜でパターン形成したもの、光ビームが透過するように貫通穴または溝を形成したもの、さらに板状の誘電体に選択拡散で部分的に光透過率が異なる光吸収型パターン等のスリット板を指すものとする。

ここでは例えば図１に示すように、複数開口を有するスリット板２をそのピッチ方向がスケール３の移動方向に略平行になるように、可干渉光源１の光ビームが出射される表面上に実装する。スリット板２の可干渉光源１への実装の具体例としては、複数開口をパターンニングにより直接形成するか、スリット板２を光ビームが出射される表面に直接固定することにより、容易に実装することができる。

また、スリット板２のピッチ方向をスケール３の移動方向と平行にすることにより、スケール３の移動方向の光ビームは広がり、スリットの複数開口の点光源の重ね合わせにより、スケール３上で反射された光ビームは光検出器の受光素子面に回折干渉パターンが形成される。

２．前記可干渉光源は、樹脂部材にモールド実装されたモールド光源であり、前記スリット板は、前記モールド光源の光ビームを出射する表面に直接形成されていることを特徴とする１に記載の光学式変位センサ。

（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６実施の形態が対応する。

（作用効果）
ここで、樹脂部材にモールド実装された可干渉光源とは、半導体チップ光源を電極パターンが形成された樹脂基板上に実装し、さらにこの周囲を樹脂部材で封止した光源である。モールド実装された可干渉光源１の光出射側の表面に、金属薄膜、誘電体薄膜、光吸収性樹脂薄膜のうちいずれかを用いて、複数開口１３，および単一開口１５のスリットを直接形成する。このような可干渉光源を用いることにより、光学式変位センサ組み立て時の部品点数を減少させ、より組み立てやすく低価格な光学式変位センサを提供することが可能である。

３．前記モールド樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材を形成施したことを特徴とする２記載の光学式変位センサ。

（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、少なくとも第６実施の形態が対応する。

（作用効果）
例えば図７に示すように、モールド実装された可干渉光源１の光出射側の表面に、金属薄膜、誘電体薄膜、光吸収性樹脂薄膜等のうちいずれかを用い、第１のスリットの複数開口１３，および第２のスリットの開口１５をモールド実装された可干渉光源１の表面に直接形成する。このとき、光ビームが出射されるモールド部材の上部の平面部分のみに第１のスリットの複数開口１３，および第２のスリットの開口１５を形成すれば良いが、さらに漏れ光等、第１のスリットの複数開口１３、および第２のスリットの開口１５以外の領域から出射される光ビームによる悪影響を軽減するため、樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット開口部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材１０が一体形成される。

４．光ビームを出射する、モールド実装された可干渉光源と、
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、第１の所定周期の光学パターンと第２の光学パターンとが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記第１の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した第１の光検出器と、
前記光ビームが前記第２の光学パターンに照射されることにより生成されたビームパターンを検出する第２の光検出器と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記可干渉光源の光ビームが出射される側のモールド表面に、前記第１の光学パターンに照射される光ビームを形成し、かつ前記スケールの移動方向に複数開口を有する第１のスリットと、前記第２の光学パターンに照射される光ビームを形成する第２のスリットとが設けられていることを特徴とする光学式変位センサ。

（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、少なくとも第６，７，８，９，１０実施の形態が対応する。

（作用効果）
例えば図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、モールド実装された可干渉光源１の光ビームが出射される面に、スケール３上の第１の周期パターン６に光ビームを照射する周期的な第１のスリットの複数開口１３と、第２のスリットの開口１５とが形成されている。周期的な第１のスリットの複数開口１３のピッチ方向は、スケール３上の所定周期の光学パターン６のピッチ方向に略平行に配置されている。

可干渉光源１から出射された光ビームのうちの一部は、第１のスリットの複数開口１３を通過しスケール３上に形成された周期パターン６に照射され、この周期パターン6により反射、回折されて第１の光検出器４上に明暗パターンを形成する。これにより、スケール３の移動を検出することが可能である。また、同様に可干渉光源１から出射された光ビームの別の一部は第２のスリットの開口１５を通過してスケール３上に形成された基準位置パターン７に照射され、基準位置パターン７で反射された光ビームは第２の光検出器５に入射する。これによりスケール３の基準位置を検出することが可能となる。

周期的な第１のスリットの複数開口１３と第２のスリットの開口１５はモールド実装された可干渉光源１の光ビームが出射される面に固定または直接形成されているため、実装が容易である。周期的な第１のスリットの複数開口１３のピッチ方向は、スケール３上の所定周期の光学パターン６のピッチ方向と略平行に配置されているため、スケール３上の光ビームはスケール３のピッチ方向に広がっており、広範囲の変位情報を回折干渉パターンに反映させることができ、スケール３上の塵、傷にも強いセンサが実現できる。

５．前記第１のスリットの光学パターンが形成された面と、前記スケールの前記第１の光学パターンが形成された面との距離をｚ１、
前記スケールの前記第１の光学パターンが形成された面と、前記第１の光検出器の受光素子の形成面との距離をｚ２、
前記スケール上に形成された前記第１の所定周期の光学パターンの、前記スケール移動方向の周期をｐ１、
前記第１のスリットに形成された、前記スケール移動方向の複数開口のピッチをｐｓｔとすると、ｐｓｔは、略、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２
の式で表わされることを特徴とする４に記載の光学式変位センサ。

（作用効果）
第１のスリットとして周期的な複数開口１３が形成された面とスケール３の前記第１の光学パターンが形成された面との距離をｚ１、スケール３の前記第１の光学パターン６が形成された面と前記第１の光検出器４の受光素子の形成面との距離をｚ２、スケール３上に形成された前記第１の所定周期の光学パターンの、前記スケール移動方向の周期をｐ１、
可干渉光源１の波長をλ、自然数をｎとすると、スケール３上の明暗パターンを前記第１の光検出器４の表面に転写させる為には、略、
（１／ｚ１）＋（１／ｚ２）＝λ／（ｎ×（ｐ１）^２）
の条件を満足することが必要である。この時の前記第１の光検出器４の受光面上に結像する回折干渉パターンの周期をｐ２とすると、
ｐ２＝ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１
となる。

第１のスリットの複数開口１３におけるスケール３の移動方向の開口のピッチをｐｓｔとすると、スリットの複数開口のピッチｐｓｔと前記第１の光検出器４上の回折干渉パターンピッチｐ２との関係を
ｐｓｔ：ｐ２＝ｚ１：ｚ２
に形成する必要がある。

その結果、第１のスリットの複数開口１３から射出された光ビームがスケール３上の前記第１の光学パターンに照射され、前記第１の光検出器４上に回折干渉パターンが転写される為には、略、
ｐｓｔ＝ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２
となる。

第１のスリットの複数開口１３の開口ピッチは、スケールの移動方向に上記条件を略満足すると、タルボット原理を利用したスケール３上の回折干渉パターンを前記第１の光検出器４上に投影させることができる。

６．前記第１のスリットの複数開口と、前記第２のスリットの開口とは、前記第１のスリットの複数開口と前記第２のスリットの開口が形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向に所定の距離をずらせて形成されていることを特徴とする４に記載の光学式変位センサ。

（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、少なくとも第５，６，７，８，９，１６実施の形態が対応する。

（作用効果）
可干渉光源１から出射された光ビームのうちの一部は、第１のスリットの複数開口１３を通過しスケール３上に形成された周期パターン６に照射され、この周期パターン6により反射、回折されて第１の光検出器４上に回折干渉パターンを形成する。これにより、スケール３の移動を検出することが可能である。また、同様に可干渉光源１から出射された光ビームの別の一部は第２のスリットの開口１５を通過してスケール３上に形成された基準位置パターン７に照射され、基準位置パターン７で反射された光ビームは第２の光検出器５に入射する。これによりスケール３の基準位置を検出することが可能となる。

このようにそれぞれの第１のスリットの複数開口１３，および第２のスリットの開口１５から出射された光ビームがスケール上の周期パターン６および基準位置パターン７に照射され、それぞれの相互作用を抑制するためには、少なくとも、第１のスリットの複数開口１３と第２のスリットの開口１５は、第１のスリットの複数開口１３形成された面内において、スケール３の移動方向に対して、略垂直な方向に所定の距離をずらせて形成されていることが必要である。

本構成により、それぞれの第１のスリットの複数開口１３，および第２のスリットの開口１５から出射された光ビームがスケール３上の互いに異なる第１光学パターン及び第２の基準位置検出パターンに照射され、対応する第１光検出器４，および第２光検出器５で相互作用を抑制した変位信号および基準位置信号を得ることができる。

７．前記第１のスリットの複数開口と、前記第２のスリットの開口とは、前記第１のスリットの複数開口と前記第２のスリットの開口の形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向において、所定の距離だけずらせた上で、さらに少なくとも一部が重なり合うように形成されていることを特徴とする６に記載の光学式変位センサ。

（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、少なくとも第１６実施の形態が対応する。

（作用効果）
第２のスリットの開口１５の開口部が、第１のスリットの複数開口１３の形成領域の一部に重なっていることにより、第２のスリットの開口１５を通った光ビームがスケール上の第２の基準位置検出パターンに照射される。この第２の基準位置検出パターンで反射された光ビームは第２の光検出器５に入射し基準位置が検出される。このとき同時に、第２のスリットの開口１５を通った光ビームの一部が、スケール上の第１の周期パターン６にも照射される。このスケール上の第１の周期パターンで反射された光ビームの一部を第１の光検出器で検出することにより移動量検出信号と基準位置検出信号との同期が得られる。

また、第１のスリットの複数開口１３を通過した光ビームは、ビーム広がりがスケール移動方向に対して広い為、スケール上の基準位置検出パターンに対応した信号が第２の光検出器でも得られる。これに対して、基準位置の検出に用いられる単一開口の第２のスリットの開口１５を通過した光ビームは、スケール上の第２の基準位置検出パターンに照射され、反射されて第２の光検出器上に生成されるパターンは第２の光検出器により検出される。

このときに検出される基準位置信号レベルが急峻に増加することを利用して、スリットの開口面積を第１のスリットの開口部分へと伸ばすことにより、基準位置検出のためのスケール上の基準位置検出パターンへの光量を確保して信号レベルを上げ、確実に基準位置を検出できるようにしている。

８光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールに向かう光路上に配置され、前記スケールの移動方向に複数開口が形成されたスリット板とを具備する光学式変位センサであって、
前記スリット板は、前記複数開口が形成された部位の上面又は下面と前記受光素子の受光面とが同一平面内に有るように、前記受光素子の形成面と同一平面に固定されていることを特徴とする光学式変位センサ。

（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、少なくとも第２，３実施の形態が対応する。

（作用効果）
説明の都合上、センサ基板１００に対して、これと垂直でかつスリット方向を“上方”と仮定する。実施の形態を図２〜図３により説明する。可干渉光源１の上方に配置されたスケール３の移動方向に複数開口が形成されたスリット板２を有し、さらに、スリット板２はそのいずれかの面と前記光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の受光面とが同一平面内に有るように、スリット板が前記光検出器４のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面と同一平面に固定されている。この構成により、前記スリットの光学パターンが形成された面と、前記スケールの前記光学パターンが形成された面との距離ｚ１、前記スケールの前記光学パターンが形成された面と、前記光検出器の実効的な受光面との距離ｚ２が、（すなわち、いかなる場合にもｚ１＝ｚ２が保持される。）自動的に一致する。

これにより、（２）、（３）式で示したように、スケールとセンサヘッドとの間の距離に無関係に、受光面上の回折干渉パターンはスケール上の光学パターン周期の２倍（２ｐ１）に固定される。また、スリット板に形成すべき開口ピッチｐｓｔもスケール上の光学パターン周期ｐ１の２倍に固定される。

したがって、スケールとセンサヘッドとの間の距離が変わっても、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子のピッチｐ２やスリット開口ピッチｐｓｔを変える必要がない。

さらには、設計および製造時においても、ｚ１＝ｚ２の関係が保存されるため、スケールとセンサヘッドとの間のギャップの取り付け公差に依らないスリットの開口ピッチpstの設定が可能である。

この光検出器４上の回折干渉パターンを所定の位相間隔で強度信号として検出し、検出された強度信号を位相分割処理することにより高分解な変位センサが得られる。

９.前記スリットの複数開口が形成された面と、前スケールの光学パターンが形成された面との距離をｚ１、前記スケールの光学パターンが形成された面と、前記光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面との距離をｚ２、
前記スケールにおけるスケール移動方向の光学パターンの周期をｐ１、
前記スリットにおける前記スケール移動方向の複数開口のピッチをｐｓｔとすると、
ｐｓｔは、略、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２
の式で表わされることを特徴とする１、２、３、８のいずれか１つに記載の光学式変位センサ。

（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、少なくとも第１−４，の実施の形態が対応する。

（作用効果）
光源の波長λ、スリットのピッチｐｓｔ、スケールのピッチｐ１、スリットからスケールまでの距離をｚ１、スケールから光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面までの距離をｚ２としたときに、以下の式を満足する場合に、光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面にスケール上に形成された周期パターンと相似な周期ｐ２を有する回折干渉パターンが形成される。

（１/z1）+(1/z2)=λ/(n(p1)²) … （１）
p2=p1×（ｚ１+z2）/z1 … （２）
pst=p1×（z1+z2）/z2 … （３）
ここで、ｎは自然数である。

したがって、光検出器上のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を（２）式で示される周期ｐ２で配置し、スリットの複数開口ピッチを（３）式で示されるpstに設定することにより、回折干渉パターンの動きを検出することが可能となる。すなわち、光源、スケール、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子が（２）式で示される配置にあるとき、スリットの複数開口ピッチを上記（３）式で示されるpstとすることにより、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子上に回折干渉パターンが形成される。さらに、この場合にスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子のスケール移動方向のピッチを（２）式で示されるｐ２に設定することにより、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の受光面上に形成される回折干渉パターンと受光素子ピッチが一致するため、回折干渉パターンの特定位相毎の光強度をスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子が検出できるので、スケールの移動に伴う前記回折干渉パターンの動きを検出できる。

１０．前記スリットの光源側の表面は、反射防止処理が施されていることを特徴とする１、４、５、６、７、８のいずれか１つに記載の光学式変位センサ。

（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６を除く第１−１７実施の形態が対応する。

（作用効果）
反射防止処理は、低反射膜コートを施すかまたは、スリット板２の表面を乱反射させる形状にすることを指す。スリット板２の光源側のスリット開口部表面からの反射光が可干渉光源１に戻り、可干渉光源１の光出力が変動し、結果として光検出器４の変位信号レベ
ルが変動し、変位量エラーを生じることを抑制するために、少なくとも、スリット板２のスリット開口部表面には反射防止処理を行っている。この結果、戻り光が低減し可干渉光源１の光出力を安定にすることができ、スケール３の変位量を正しく検出させることができる。

１１．前記可干渉光源は、光ビーム出射部分に光ビームの広がりを制御するレンズと、スリット板を前記スケール面に平行に固定することが可能な平坦面とを有していることを特徴とする１，４から１０のいずれか１つに記載の光学式変位センサ。

（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、少なくとも第３，４，５，７，８，９実施の形態が対応する。

（作用効果）
モールドで光学素子を形成し、光出射側の表面は平坦に一体成型されているため、光出射側の表面から射出される光ビームの形状は制御される。また、スリットの固定面が平坦である為、固定時のスリット表面の水平度が容易に得られる。

例えば図９（Ａ），（Ｂ）の光学素子ａにより光ビームの広がりを制御することにより、スリット板２の第１のスリットの複数開口１３を通った光ビームがスケール上の周期的な第１光学パターンに効率的に照射される。また、スリット板２が周期的な第１のスリットの複数開口１３と単一開口の第２のスリットの開口１５からなる場合には、光学素子ａにより光ビームの広がりが制御されるため、それぞれの第１のスリットの複数開口１３および第２のスリットの開口から射出された光ビームがスケール上の対応する第１の周期的な光学パターンおよび第２の基準位置検出パターンにそれぞれ照射反射され、対応する第１光検出器および第２光検出器上の周期光学パターンおよび基準位置パターンが転写されるため相互干渉を抑制した位置変位信号および基準位置検出信号を検出できる。

１２．前記可干渉光源に対して前記スリット板を上方に配置した時に、前記レンズは、前記平坦面より下側に形成されていることを特徴とする１１に記載の光学式変位センサ。

（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、少なくとも第３，９実施の形態が対応する。

（作用効果）
可干渉光源に対して前記スリット板を上方に配置した時に、前記レンズは、前記平坦面より下側に形成されているために、スリット板の実装が容易であると共に、レンズとスリット板との間を設けることにより、レンズの集光効果が期待できる。またモールド形状を設計することにより、大量にチップ上にレンズ状部品を一体で実装したモールド光源を容易に製造でき、光ビーム拡がり角度を制御できる。

１３．前記レンズは、フレネルレンズ等の平面状の光学素子で有ることを特徴とする１１に記載の光学式変位センサ。

（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、少なくとも第３，５，８，９実施の形態が対応する。

（作用効果）
光ビームを集光させるためのフレネルレンズ、もしくは集光グレーティングをモールド光源の光ビーム出射面に実装し、さらにその上にスリット板を平面実装する。このフレネルレンズ、もしくは集光グレーティングは、半導体製造技術で製造できる為、低価格で大量に生産でき、光ビーム広がりを制御したモジュール光源が低価格で得られる。

本発明の第１実施の形態に係る光学式変位センサとしての光学式変位センサの概略構成を示す図である。光学式変位センサの構成を示す図である。図２に示す光学式変位センサの中央部分の断面図である。本発明の第３実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第４実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第５実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第６実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第７実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第８実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第９実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第１０実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第１１実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第１２実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第１３実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第１４実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第１６実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。本発明の第１７実施の形態に係る光学式変位センサの概略構成図である。従来の光学式変位センサの構成を示す図である。

符号の説明

１…可干渉光源、２…スリット板、３…スケール、４−１…受光素子、４…光検出器、６…光学パターン、１３…複数開口、１００…センサ基板、２００…センサヘッド。

Claims

光ビームを出射する可干渉光源と、
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記可干渉光源の光ビームが出射される面に、前記スケールの移動方向に複数開口を有するスリット板を設けたことを特徴とする光学式変位センサ。
前記可干渉光源は、樹脂部材にモールド実装されたモールド光源であり、前記スリット板は、前記モールド光源の光ビームを出射する表面に直接形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式変位センサ。
前記モールド樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材を形成したことを特徴とする請求項２記載の光学式変位センサ。
光ビームを出射するモールド実装された可干渉光源と、
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、第１の所定周期の光学パターンと第２の光学パターンとが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記第１の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した第１の光検出器と、
前記光ビームが前記第２の光学パターンに照射されることにより生成された光ビームパターンを検出する第２の光検出器と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記可干渉光源の光ビームが出射される側のモールド表面に、前記第１の光学パターンに照射される光ビームを形成し、かつ前記スケールの移動方向に複数開口を有する第１のスリットと、前記第２の光学パターンに照射される光ビームを形成する第２のスリットとを設けたことを特徴とする光学式変位センサ。
前記第１のスリットの複数開口が形成された面と、前記スケールの前記第１の光学パターンが形成された面との距離をｚ１、
前記スケールの前記第１の光学パターンが形成された面と、前記第１の光検出器の受光素子の形成面との距離をｚ２、
前記スケール上に形成された前記第１の所定周期の光学パターンの、前記スケール移動方向の周期をｐ１、
前記第１のスリットに形成された、前記スケール移動方向の複数開口のピッチをｐｓｔとすると、ｐｓｔは、略ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２
の式で表わされることを特徴とする請求項４記載の光学式変位センサ。
前記第１のスリットの複数開口と、前記第２のスリットの開口とは、前記第１のスリットの複数開口と前記第２のスリットの開口とが形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向に所定の距離をずらせて形成されていることを特徴とする請求項４記載の光学式変位センサ。
前記第１のスリットの複数開口と、前記第２のスリットの開口とは、前記第１のスリットの複数開口と前記第２のスリットの開口とが形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向において、所定の距離だけずらせた上で、さらに少なくとも一部が重なり合うように形成されていることを特徴とする請求項６記載の光学式変位センサ。
光ビームを出射する可干渉光源と、
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、
前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールに向かう光路上に配置され、前記スケールの移動方向に複数開口が形成されたスリット板と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記スリット板は、前記複数開口が形成された部位の上面又は下面と前記受光素子の受光面とが同一平面内に有るように、前記受光素子の形成面と同一平面に固定されていることを特徴とする光学式変位センサ。
前記スリットの複数開口が形成された面と、前記スケールの光学パターンが形成された面との距離をｚ１、
前記スケールの光学パターンが形成された面と、前記光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面との距離をｚ２、
前記スケールにおけるスケール移動方向の光学パターンの周期をｐ１、
前記スリットにおける前記スケール移動方向の複数開口のピッチをｐｓｔとすると、
ｐｓｔは、略、ｐ１×（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２
の式で表わされることを特徴とする請求項１、２、３、８のいずれか１つに記載の光学式変位センサ。
前記スリット板の光源側の表面は、反射防止処理が施されていることを特徴とする請求項１，４、５，６，７、８、９のいずれか１つに記載の光学式変位センサ。
前記可干渉光源は、光ビーム出射部分に光ビームの広がりを制御するレンズと、スリット板を前記スケール面に平行に固定することが可能な平坦面とを有していることを特徴とする請求項１，４から１０のいずれか１つに記載の光学式変位センサ。
前記可干渉光源に対して前記スリット板を上方に配置した時に、前記レンズは、前記平坦面より下側に形成されていることを特徴とする請求項１１の光学式変位センサ。
前記レンズは、フレネルレンズ等の平面状の光学素子であることを特徴とする請求項１１の光学式変位センサ。