JP3681925B2

JP3681925B2 - 変位測定装置

Info

Publication number: JP3681925B2
Application number: JP19201399A
Authority: JP
Inventors: 廉士澤田; 栄治日暮; 高廣伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: JP2001021314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザのコーヒレンシ（可干渉性）を利用した位置決めあるいは変位センサ等の変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の方法が対象とする光学デバイスは我々が発表している論文「超小型ハイブリッドマイクロエンコーダ」１９９８年（平成１０年）秋季第５９回応用物理学会講演会予稿集ＮＯ．３、１６ａ−ＺＣ−１、ｐｐ．８７９ならびに、特願平９−８２８２１号「変位測定装置」に記載されている。
【０００３】
図６は従来の変位測定装置であり、ベース基板１上の電極およびはんだ形成パターン４に設けられた発光素子の半導体レーザ５、光導波路３、信号（Ａ，Ｂ相信号）検出用ならびにモニタリング用などの受光素子である検出用フォトダイオード６、および外部ミラー７から構成されている。これらは受光発光素子ならびに導波路のコア高さが一致するようにしてあり、外部に反射ミラー７からなるスケールを有し、そのスケールの変位、移動量、あるいは回転角などを測定していた。この種の従来の光学装置は非常に小型で小さなモータやアクチュエータに内蔵し、回転角あるいは移動量を高分解能で検出できるという優れた特長があったものの、外部反射ミラーからの反射光が直接あるいは光導波路のコアを通過して発光素子へ再度入射するために、より正確な外部ミラーの変位等の測定に支障をきたすことが分かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、戻り光がないようにし、且つ装置全体の寸法が大きくならない構成にした変位測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、ベース基板上に、可干渉光発光素子、受光素子ならびに光導波路とを一体化構成した変位測定装置において、前記受光素子の検出部が前記光導波路の出射端面より高い位置にあり、前記光導波路の出射端面から出射する中心の最も光強度が大きいビームが外部に設けた反射ミラーに反射後前記受光素子の検出部に到達するように前記反射ミラーに対して前記ベース基板を含む前記変位測定装置を傾けてあり、前記出射端面から出射した中心から外れ広がっていくビームが前記外部反射ミラーに反射し再び前記出射端面に戻ることがないように、前記可干渉光発光素子あるいは前記光導波路の出射端面の前近傍に有するテラスで遮断するようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
また本発明は、前記変位測定装置において、可干渉光発光素子が半導体レーザであることを特徴とするものである。
【０００８】
また本発明は、前記変位測定装置において、受光素子がフォトダイオードであることを特徴とするものである。
【０００９】
すなわち、発光素子あるいは光導波路からの光出射端面の前に出射高さの近傍の高さの遮光用のテラスを形成し、さらにベース基板を傾け、発光素子の出射高さと受光素子の受光部の高さを一致させないことにより、戻り光がなくなり、そのため、より正確な測定が可能になる。又、遮光テラスの導入により、戻り光を防止するためのベース基板の傾き角を大幅に減少させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態例を詳細に説明する。
【００１１】
［実施形態例１］
図１〜４は本発明の実施形態例１を説明する図である。図１に示すように、ベース基板１上に光導波路３、電極およびはんだ形成パターン４を形成し、可干渉光発光素子の半導体レーザ５、受光素子の検出用フォトダイオード６をボンディングして一体化構成にする。７は外部ミラーである。
【００１２】
すなわち、光導波路３から出射した拡散（広がりをもつ）可干渉レーザの外部ミラー７から反射した光を検出し、その検出強度と外部ミラー７との移動量の関係を利用して、検出強度からミラー７の移動量を求める変位計測デバイスである。図２に示すように、前記ベース基板１には遮光用のテラス２を形成する。このテラス２の高さは半導体レーザ５あるいは光導波路３の出射端面の前近傍になるようにしておく。本実施形態例１ではベース基板１には（１００）方位のシリコンを、ＫＯＨの水溶液で異方性エッチングして形成し、その後０．５μｍの熱酸化膜を形成したものを使用する。
【００１３】
図３に示すように、前記半導体レーザ５あるいは前記光導波路３の出射端面部の中心の高さが一致するようにする。検出用フォトダイオード６は受光部６１が光導波路３の出射端面部より上になるようにしてボンディングする。本実施形態例１では光導波路３のコア３１および半導体レーザ５の発光部の中心の高さｈ１はほぼ一致しており６．５μｍである。また、検出用フォトダイオード６の受光部６１の高さｈ２は約２００μｍである。
【００１４】
スケールの外部ミラー７に対してベース基板１を含むエンコーダ本体を角度α傾けて設置する。その最適の傾け角度αはα＝（１／２）^*Ａｒｃｔａｎ｛（ｈ２−ｈ１）／ｄ１｝で与えられる。この最適な角度αでは光導波路３の出射端面から出射する中心の最も光強度大きいビーム８が外部ミラー７で反射後検出用フォトダイオード６の受光部６１に到達する。ただし、ｄ１は外部ミラー７から検出用フォトダイオード６までの距離である。本実施形態例１で用いた変位測定装置では、ｄ１＝１３３０μｍであるから、α＝４度傾けた。戻り光を防止する効果を有する遮光用のテラス２の高さｈ３が４．５μｍ、すなわち、光導波路３のコア３１と下部クラッド３２の境界より下に２μｍのとき、テラス２の長さ（光導波路３の出射端面からテラス２の前面までの距離）ｄ２が１００μｍあれば最適傾き角度αが４度のときにも遮光ができ戻り光を防止できる。傾き角度αの場合、光導波路３の出射端面から出射するビームで中心から外れ広がっていくビームのうち広がり角度γが角度α近傍のビームは外部ミラー７で反射後再度光導波路３の出射端面に戻ってくる可能性がある。従って、角度αと同じ位かそれ以上の広がり角度で広がっていくビーム９をテラス２で遮蔽することにより、外部ミラー７で反射して再度光導波路３の端面に戻ってくる光を遮断できる。
【００１５】
このテラス２は長いほど、光導波路３のコア３１と下部クラッド３２の境界ぎりぎりまでテラス２を高くすることにより大幅に改善できる。テラス２の高さｈ３を６．５μｍすなわち、光導波路３のコア３１と下部クラッド３２の境界まで高くして、テラス２の長さｄ２を２００μｍまで長くすると、戻り光を防止するに必要なベース基板１の傾き角度αを１．５程度まで小さくすることができる。もし、遮光用のテラスを導入しなければ、図４に示すように、完全に戻り光を防止するために必要な傾き角度αはビーム垂直方向広がり角度（全値半角）γと等しい１０度程度と途方もなく大きな角度になってしまう。
【００１６】
［実施形態例２］
図５は本発明の実施形態例２であり、光導波路を有しない同様の変位を計測する変位測定装置である。図５中、図１と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。光導波路からの出射光でなく、発光素子である半導体レーザ５からの出射光を直接用いる場合、垂直方向広がり角度（全値半角）γは３０〜５０と、実施形態例１の光導波路のある場合の３〜５倍にも広がる。しかし、遮光の効果は出射端前面に形成したテラス２の高さと長さのみで決定され、半導体レーザ５からの出射光の広がり角度には無関係であることが分かった。
【００１７】
以上、実施形態例１，２では、ビームの広がりを利用した変位測定装置について、戻り光防止の方法を述べているが、基本的にはベース基板上に発光素子と受光素子を有する変位測定装置において有効であることはいうまでもないことである。また、遮光用のテラスをシリコンの異方性エッチングを使用して作製したが、他の金属膜を堆積する方法などによっても同様な効果が期待できるのは明らかなことである。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、最適のベース傾き角で遮光を実現できるために、強度が大きい、ノイズの小さい信号を簡単な構造で寸法もそれほど大きくすることなく（遮光用のテラスの長さ分大きくなるものの、そのテラスの長さは、高々２００μｍと小さいため）実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例１を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態例１における遮光用のテラスを示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態例１の作用を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態例１を説明するための斜視図である。
【図５】本発明の実施形態例２を示す斜視図である。
【図６】従来の変位計測デバイスを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ベース基板
２遮光用のテラス
３光導波路
３１コア
３２下部クラッド
４電極およびはんだ形成パターン
５半導体レーザ（発光素子）
６検出用フォトダイオード（受光素子）
６１検出用フォトダイオード（受光素子）の受光部
７外部ミラー
８導波路出射端面から出射する中心の最も光強度大きいビーム
９ αと同じ位かそれ以上の広がり角度で広がっていくビーム

Claims

ベース基板上に、可干渉光発光素子、受光素子ならびに光導波路とを一体化構成した変位測定装置において、
前記受光素子の検出部が前記光導波路の出射端面より高い位置にあり、
前記光導波路の出射端面から出射する中心の最も光強度が大きいビームが外部に設けた反射ミラーに反射後前記受光素子の検出部に到達するように前記反射ミラーに対して前記ベース基板を含む前記変位測定装置を傾けてあり、
前記出射端面から出射した中心から外れ広がっていくビームが前記外部反射ミラーに反射し再び前記出射端面に戻ることがないように、前記可干渉光発光素子あるいは前記光導波路の出射端面の前近傍に有するテラスで遮断するようにしたことを特徴とする変位測定装置。
可干渉光発光素子が半導体レーザであることを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
受光素子がフォトダイオードであることを特徴とする請求項１又は２記載の変位測定装置。