(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直共振器型面発光レーザと、この垂直共振器型面発光レーザと組み合わされて複合共振器を形成する外部反射手段と、前記垂直共振器型面発光レーザの光出力を検出する光強度検出手段とを備え、
前記外部反射手段からの戻り光の位相変化に起因して変化する前記垂直共振器型面発光レーザの光出力に基づいて、前記外部反射手段に取り付けられた被測定体の前記複合共振器の共振方向への変位を検出する光学式変位センサであって、
前記垂直共振器型面発光レーザ又は前記外部反射手段のいずれか一方に固定され、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離Ｌを微小変化させるように電気的に制御する可動手段と、
前記光強度検出手段の出力Ｐを一定に保持するような制御信号を前記可動手段に出力する帰還回路と、
前記距離Ｌを変化させることによって、前記距離Ｌに対する前記出力Ｐの変化率が所定の値になる領域を動作領域として設定する手段とを備えていることを特徴とする光学式変位センサ。
【請求項２】
前記動作領域として設定する手段は、
前記可動手段に初期的な電気的制御信号を出力する固定バイアス回路と、
前記帰還回路からの制御信号及びこの固定バイアス回路からの電気的制御信号に加算処理を施す加算回路とを備え、
前記固定バイアス回路から出力される電気的制御信号を所定の値に設定することにより、前記距離Ｌを変化させることを特徴とする請求項１に記載の光学式変位センサ。
【請求項３】
垂直共振器型面発光レーザと、
この垂直共振器型面発光レーザと組み合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、
前記垂直共振器型面発光レーザの光出力を検出する光強度検出手段とを備え、
前記外部反射手段からの戻り光の位相変化に起因して変化する前記垂直共振器型面発光レーザの光出力に基づいて、前記外部反射手段に取り付けられた被測定体の前記複合共振器の共振方向への変位を検出する光学式変位センサであって、
前記垂直共振器型面発光レーザ又は前記外部反射手段のいずれか一方に固定され、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離Ｌを微小変化させるように、電気的に制御する可動手段と、
前記距離Ｌを周期的に微小変化させるように、前記可動手段を伸縮させる可動手段駆動回路と、
前記可動手段の伸縮動作に同期して、前記光強度検出手段の出力Ｐを検出することにより、特定の位相差を有する２つのセンサ特性曲線を得る検出回路とを備えていることを特徴とする光学式変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の変位量を光学的に検出する光学式変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光学式変位センサとして、複合共振器を用いた変位センサ（以下、第１の従来技術という）が知られている（Proceedings of 1992 Annual Meeting, Book G00743-1992 (American Society of Mechanical Engineers,New York),pp.33-39 参照）。
【０００３】
図１１（ａ）に示すように、第１の従来技術の変位センサにおいて、端面出射型半導体レーザ２（以下、ＬＤという）から出射されたレーザー光の一方のビーム（前方出射ビーム）は、測定対象に取り付けられた外部ミラー４の反射面近傍でビームウェストになるように、ボールレンズ６によって外部ミラー４に集光される。このとき、外部ミラー４から反射した戻り光は、ほぼ同じ経路を戻った後ＬＤ２に帰還する。
【０００４】
この状態において、ＬＤ２の出射面と外部ミラー４の反射面との間の距離Ｌが変化すると、ＬＤ２に帰還するレーザー光は、その位相が距離Ｌに対してλ／２の周期で変化する。このため、ＬＤ２の光出力がλ／２の周期で変化する。この結果、ＬＤ２から出射されたレーザー光の他方のビーム（後方出射ビーム）を受光可能に配置された受光素子８（以下、ＰＤという）によって、同図（ｂ）に示すような出力波形が出力される。なお、λは、レーザー光の波長である。
【０００５】
図１１（ｂ）に示すように、ＰＤ８からの出力波形は、図中符号Ｐ1 ，Ｐ2 ，…Ｐ8 で示されたポイントにおいて、出力波形が急激に変化する。これはＬＤ２に帰還する戻り光の位相によってレーザー発振条件が変化することによって、ＬＤ２の発振モードが切り替わり（これをモードホップという）、レーザー発振波長が変化するためである。このようなモードホップ現象が生じると、距離Ｌに対するセンサ特性曲線が、距離Ｌの変位に対して非対称な鋸波状の形状になる現象も引き起こす。
【０００６】
このようなモードホップに起因した現象は、ＬＤ２の周囲の僅かな環境変化  （例えば、環境温度や圧力の僅かな変化）にも影響され、これによっても距離Ｌに対するセンサ特性曲線の形状変化が現れる。なお、「距離Ｌ（変位ΔＬ）に対するセンサ特性曲線」とは、ＬＤ２の出射面と外部ミラー４の反射面との間の距離Ｌを変化させた際に、ＰＤ８で検出したＬＤ２の光出力を距離Ｌ（変位ΔＬ）に対してプロットした曲線を示すものとする。
【０００７】
また、第２の従来技術として、図１２に示すような光学式変位センサが知られている（例えば、特開平５−１９８３１８及び特開平６−２２９７９４号公報参照）。
【０００８】
図１２（ａ）に示すように、第２の従来技術では、複合共振器の光源として垂直共振器型面発光レーザ１０（以下、ＳＥＬという）を用いており、ＳＥＬ１０の出射ビームの広がり角の小さなこと、及び、ＳＥＬ１０の発振波長が外部からの戻り光や環境変化に影響を受けずに安定していること等の特徴を有する。
【０００９】
このような第２の従来技術例において、ＳＥＬ１０と外部ミラー１２によって複合共振器が構成されており、レーザー光の出力変動を受光素子１４によって検出するように構成されている。なお、ＳＥＬ１０の共振器損失の変化を電圧検出器１６によって検出してもよい。この場合、受光素子１４又は電圧検出器１６からの出力波形は、そのピーク値が計数装置１８でカウントされる。そして、計数装置１８からのカウント値に基づいて演算装置２０が変位量を演算することになる。
【００１０】
このような構成によれば、ＳＥＬ１０の発振波長が常に安定しているため、出力波形の特性（センサ特性曲線）は、同図（ｂ）に示すように滑らかで且つ安定した特性となる。また、レンズ等によってレーザー光を集光させる必要がないため、装置の小型化が実現される。更に、平行ビームに近いレーザー光を用いている関係上、第１の従来技術（図１１（ａ）参照）のようにビームウェスト近傍に外部ミラー１２の反射面を位置付ける必要がないため、ＳＥＬ１０と外部ミラー１２との間の距離Ｌの許容範囲を広げることが可能となる。
【００１１】
また、第３の従来技術として、図１３に示すような変位センサが知られており、変位ΔＬをλ／２よりも小さな変位分解能で連続的に検出することを目的として構成されている。なお、この変位センサは、第１の従来技術と同一の文献に開示されているため、第１の従来技術と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００１２】
このような第３の従来技術には、アクチュエータ２２によって移動可能なヒートシンク２４に固定されたカンチレバー２６が設けられており、外部ミラー４は、カンチレバー２６の先端部に取り付けられている。なお、ＬＤ２，ＰＤ８及びボールレンズ６は、ヒートシンク２４に固定されている。
【００１３】
このような構成において、試料２８をカンチレバー２６に対して相対的に走査すると、カンチレバー２６先端と試料２８表面との間に働く相互作用によって、カンチレバー２６先端が変位して、ＬＤ２の出射面と外部ミラー４の反射面との間の距離ＬがΔＬだけ変位する。このとき、ＰＤ８の出力が一定に維持されるように、フィードバック回路３０によってアクチュエータ２２を伸縮制御しながら、フィードバック回路３０からのフィードバック信号の大きさを測定することによって、試料２８の表面情報が高感度に検出されることになる。
【００１４】
また、第４の従来技術として、図１４（ａ）に示すような光学式変位センサが知られている（特開平５−１９８３１８号公報参照）。この光学式変位センサは、λ／２以上の変位量ΔＬとなる場合において変位の向きを含めた変位量を検出することができるように構成されている。
【００１５】
このような第４の従来技術には、第１及び第２の垂直共振器型面発光レーザ３２ａ，３２ｂ（以下、第１及び第２のＳＥＬという）が一体的に形成された基板３４と、第１及び第２のＳＥＬ３２ａ，３２ｂの出力をモニタするように受光領域Ｅによって規定された第１及び第２の受光素子３６ａ，３６ｂが一体的に形成された外部ミラー３８とが設けられており、第１のＳＥＬ３２ａと第１の受光素子３６ａによって第１の複合共振器が構成され、且つ、第２のＳＥＬ３２ｂと第２の受光素子３６ｂによって第２の複合共振器が構成されている。そして、第２の複合共振器には、位相を２φ（図１４（ｂ）参照）だけシフトさせるための誘電体膜４０（厚さφλ／２πｎ；ｎは誘電体の屈折率）が設けられている。
【００１６】
このような構成において、第１及び第２の受光素子３６ａ，３６ｂから出力される電流Ｉ１，Ｉ２の出力波形は、図１４（ｂ）に示すように、一定の位相差（２φ）を持った相似形となる。従って、電流Ｉ１の出力波形と電流Ｉ２の出力波形の時間的な遅れ又は進みの関係を検出することにより変位の向きが検出できるため、これと電流Ｉ１（又はＩ２）の出力波形の時間変化を測定することと併せて基板３４と外部ミラー３８との間の変位の向きを含めた変位量を測定することができる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来技術（図１１参照）では、レーザー光のビームウェストが外部ミラー４の反射面近傍からずれた場合、外部ミラー４からＬＤ２に帰還するレーザー光の光量が急激に減少するため、ＰＤ８の出力波形（干渉信号）の出力状態が弱くなって変位検出が困難になってしまう場合がある。従って、第１の従来技術において、レーザー光のビームウェストを外部ミラー４の反射面近傍に位置付けておくことが必要となるため、ＬＤ２と外部ミラー４との間の距離Ｌが狭い範囲に限定されてしまうといった問題が発生する。更に、第１の従来技術に適用されたＬＤ２は、環境変化や外部ミラー４からの戻り光の位相変化の影響を受けることによって、レーザー発振波長が不安定になってしまう。即ち、ＰＤ８の出力波形に傾きの急激なポイントが多数含まれ、距離Ｌの変位に対して非対称な鋸波状のセンサ特性曲線となって現れる。この結果、変位検出の信頼性が低くなってしまうとった問題が発生する。
【００１８】
また、第２の従来技術では、変位ΔＬに対してセンサ出力が大きく変化する高感度な領域（図１２（ｂ）中符号Ａで示す領域）と、変位ΔＬに対してセンサ出力が殆ど変化しない低感度な領域（図１２（ｂ）中符号Ｂで示す領域）が並存するため、λ／２より小さな変位分解能で且つ連続的に変位ΔＬを検出することが困難になってしまうといった問題が存在する。
【００１９】
一方、第３の従来技術（図１３参照）では、変位ΔＬをλ／２より小さな変位分解能で連続的に検出することは可能であるが、環境変化や外部ミラー４からの戻り光の位相変化の影響を受けることによって、ＬＤ２の発振波長が不安定になってしまうといった問題が生じる。このため、変位検出の信頼性が低くなってしまうといった問題がある。
【００２０】
また、第４の従来技術では、基板３４と外部ミラー３８（図１４（ａ）参照）との間の相対的な傾きが時間的に変化して、距離Ｌに対するセンサ特性曲線の位相シフト関係が予め意図した状態から相違したものとなる場合がある。この場合には、変位の向きを検出することが困難になるため、λ／２以上の変位量ΔＬを信頼性良く計測することができなくなってしまうといった問題が発生する。
【００２１】
本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、測定対象や変位検出目的に応じた変位検出感度を維持することが可能な信頼性の高い光学式変位センサを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、垂直共振器型面発光レーザと、この垂直共振器型面発光レーザと組み合わされて複合共振器を形成する外部反射手段と、前記垂直共振器型面発光レーザの光出力を検出する光強度検出手段とを備え、前記外部反射手段からの戻り光の位相変化に起因して変化する前記垂直共振器型面発光レーザの光出力に基づいて、前記外部反射手段に取り付けられた被測定体の前記複合共振器の共振方向への変位を検出する光学式変位センサであって、前記垂直共振器型面発光レーザ又は前記外部反射手段のいずれか一方に固定され、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離Ｌを微小変化させるように電気的に制御する可動手段と、前記光強度検出手段の出力Ｐを一定に保持するような制御信号を前記可動手段に出力する帰還回路と、前記距離Ｌを変化させることによって、前記距離Ｌに対する前記出力Ｐの変化率が所定の値になる領域を動作領域として設定する手段とを備えている。
【００２４】
また、本発明は、垂直共振器型面発光レーザと、この垂直共振器型面発光レーザと組み合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、前記垂直共振器型面発光レーザの光出力を検出する光強度検出手段とを備え、前記外部反射手段からの戻り光の位相変化に起因して変化する前記垂直共振器型面発光レーザの光出力に基づいて、被測定体の前記複合共振器の共振方向への変位を検出可能な光学式変位センサであって、前記垂直共振器型面発光レーザ又は前記外部反射手段のいずれか一方に固定され、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離Ｌを微小変化させるように、電気的に制御可能な可動手段と、前記距離Ｌを周期的に微小変化させるように、前記可動手段を伸縮させる可動手段駆動回路と、前記可動手段の伸縮動作に同期して、前記光強度検出手段の出力Ｐを検出する検出回路とを備えている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理について説明した後、この原理を適用した各実施の形態に係る光学式変位センサついて、添付図面を参照して説明する。
本発明者等は、第２の従来技術（図１２（ｂ）参照）において問題となっていたセンサ特性曲線の形状について、図１（ａ）に示すような光学式変位センサを用いて詳細な試算と実験を行った結果、距離Ｌに対するセンサ特性曲線の形状が制御可能であることが見出した。
【００２６】
即ち、図１（ａ）に示すように、本原理の光学式変位センサにおいて、垂直共振器型面発光レーザ４２（以下、ＳＥＬという）の前方出射ビームを外部ミラー４４に照射させると共に、後方出射ビームを受光素子４６（以下、ＰＤという）に入射させる。このとき、変位計４８を介して外部ミラー４４の変位量を光学的に計測しながらピエゾステージ５０によって外部ミラー４４を極めて高精密に変位させる。そして、外部ミラー４４がＳＥＬ４２に接近或いは離間した際にＰＤ４６から出力されるＰＤ出力を検出回路５２を介して検出する。このとき検出されるＰＤ出力の試算結果は、図１（ｂ），（ｃ）に示されており、実験結果と良好に一致することが確認されている。なお、計算方法や実験結果については、本発明者等の論文（E.Yamamoto et.al.,「Optical Tactile Sensor Using Surface-Emitting Laser 」,IEEE Proceedings of MEMS ′95,pp.227-231(IEEE Catalog Number   95CH35754)）に詳しく記載されている。これらに共通する主な試算及び実験条件は以下の通りである。
【００２７】
ＳＥＬ閾値電流：２１ｍＡ（フリーラン時）
発振波長：９８０ｎｍ
ビーム出射窓直径：１６μｍ
ＳＥＬミラー反射率（外部ミラー側）：９９．２％
ＳＥＬミラー反射率（受光素子側）：９９．８％
外部ミラー：約９９．５％
図１（ｂ）には、ＳＥＬ４２のビーム出射面と外部ミラー４４の反射面との間の距離Ｌを３００〜３０１μｍの間に設定した状態において、電源５４からＳＥＬ４２に供給される駆動電流Ｉｃの大きさをパラメータとして、ＰＤ４６のＰＤ出力と距離Ｌとの関係を示すセンサ特性曲線の試算結果が示されている。
【００２８】
このセンサ特性曲線から明らかなように、駆動電流Ｉｃが、フリーラン時のＳＥＬ閾値電流（２１ｍＡ）に近い値の場合（Ｉｃ＝２０ｍＡ，２５ｍＡ）は、外部ミラー４４からＳＥＬ４２に帰還する戻り光の位相に依存してＳＥＬ４２の出力がＯＮ／ＯＦＦする。この場合、センサ特性曲線は、図１２（ｂ）に示したパルス状の曲線に近い形状となる。これに対して、駆動電流Ｉｃをフリーラン時のＳＥＬ閾値電流よりも大きくするに従って（Ｉｃ＝３０ｍＡ，３５ｍＡ）、レーザ発振が安定化して滑らかな正弦波状の曲線に近づく。
【００２９】
一方、図１（ｃ）には、ＳＥＬ４２の駆動電流Ｉｃを２５ｍＡに設定した状態において、ＳＥＬ４２のビーム出射面と外部ミラー４４の反射面との間の距離Ｌをパラメータとして、ＰＤ４６のＰＤ出力と距離Ｌとの関係を示すセンサ特性曲線の試算結果が示されている。
【００３０】
このセンサ特性曲線から明らかなように、ＳＥＬ４２と外部ミラー４４との間の距離Ｌが大きくなるに従って、ＳＥＬ４２からの放射ビームの僅かな広がりに起因して、距離Ｌに対するセンサ特性曲線は正弦波形状に近づき、これに対して、距離Ｌが小さくなるに従って、センサ特性曲線はパルス状になる。
【００３１】
このような試算結果によれば、検出対象や目的に応じて、上記のようなセンサ特性曲線の形状を制御することが可能となる。
例えば、λ／２の分解能で変位を検出する場合、センサ特性曲線をパルス形状に制御した後、カウンタ等で信号処理を施すことによって、非常にシンプルに変位を検出することができる。一方、λ／２より細かい分解能で変位を検出する場合、センサ特性曲線を正弦波形状に制御した後、分周回路等で信号処理を施すことによって、λ／２より細かい分解能で且つ連続的に変位を検出することができる。
【００３２】
更に、変位範囲の小さな対象の変位を高い分解能で検出する必要がある場合、ＳＥＬ４２の駆動電流Ｉｃや距離ＬをＰＤ出力の変化率の大きな動作点領域に調整しておくことによって、高感度に変位を検出することができる。具体的には、Ｉｃ＝２５ｍＡのセンサ特性曲線（図１（ｂ）参照）の符号Ｔ1 で示す動作点領域や、Ｉｃ＝３０ｍＡのセンサ特性曲線（図１（ｂ）参照）の符号Ｔ2 で示す動作点領域が、高感度に変位を検出可能な領域に該当する。また、Ｌ＝３００μｍのセンサ特性曲線（図１（ｃ）参照）の符号Ｔ3 で示す動作点領域が、高感度に変位を検出可能な領域に該当する。
【００３３】
次に、このような原理を適用した本発明の第１の実施の形態に係る光学式変位センサついて、図２及び図３を参照して説明する。
図２に示すように、本実施の形態は、垂直共振器型面発光レーザ５６と、この垂直共振器型面発光レーザ５６と組み合わされて複合共振器を形成する外部反射手段５８と、垂直共振器型面発光レーザ５６の光出力を検出する光強度検出手段６０とを備えており、外部反射手段５８からの戻り光の位相変化に起因して変化する垂直共振器型面発光レーザ５６の光出力に基づいて、垂直共振器型面発光レーザ５６と外部反射手段５８との間の距離Ｌの変化を検出可能な光学式変位センサであって、複合共振器を構成する各種の構造パラメータを所定の値に設定することにより、前記距離Ｌに対する垂直共振器型面発光レーザ５６の光出力状態に対応したセンサ出力を所望の特性に制御するセンサ出力特性制御手段を備えている。
【００３４】
垂直共振器型面発光レーザ５６（以下、ＳＥＬという）は、固定基板６４に固定された光強度検出手段即ち受光素子６０（以下、ＰＤという）上に設けられており、ＳＥＬ５６は、その内部に一対のミラー（図示しない）を有している。なお、本実施の形態に適用されたＳＥＬ５６は、その上方及び下方にレーザー光を出射可能に構成されており、以下の説明では、外部反射手段５８方向に出射されるレーザー光を上方出射ビームと称し、反対側即ちＰＤ６０方向に出射されるレーザー光を下方出射ビームと称する。
【００３５】
外部反射手段５８は、例えば外部ミラーを備えており、この外部ミラー５８の反射面とＳＥＬ５６の一対のミラーとによって複合共振器が構成されるように、取付治具６６によってＳＥＬ５６の上方に対向して支持されている。
【００３６】
取付治具６６は、測定対象（図示しない）に取り付けられるように構成されていると共に、外部ミラー５８の反射面がＳＥＬ５６の上方出射ビームの主軸に対して直交性を維持するように、外部ミラー５８と共にＳＥＬ５６に対して変位制御可能に構成されている。
【００３７】
また、本実施の形態に適用されたセンサ出力特性制御手段は、図２中点線で囲まれた部分６２に設けられた構成部材が該当し、ＳＥＬ５６の駆動電流を所望の値に設定可能な定電流電源７０を備えている。
【００３８】
このような図２中点線で囲まれた部分６２の具体的な構成は、図３に示されており、ＳＥＬ５６は、絶縁膜８４を介してＰＤ６０上に固定されている。
ＰＤ６０は、ｎ型半導体基板７４の一部にｐ型拡散領域（受光領域）７６を形成して構成されており、ｎ型半導体基板７４及びｐ型拡散領域７６に亘る表面上には、反射防止膜を兼ねた電気的絶縁製の透明膜７８が被覆されている。
【００３９】
このようなＰＤ６０の表面上には、ｐ型電極８０とｎ型電極８２が形成されており、ｐ型電極８０は，透明膜７８の電気コンタクト部を介してｐ型拡散領域７６に接続されており、ｎ型電極８２は、透明膜７８の電気コンタクト部を介してｎ型半導体基板７４に接続されている。
【００４０】
また、ＰＤ６０上に設けられた絶縁膜８４は、ＳＥＬ５６の下方出射ビームの光路を確保するために、その一部が取り除かれており、ｐ型電極８０及びｎ型電極８２上に積層されている。
【００４１】
また、ＳＥＬ５６は、ｎ型領域８６の一部にｐ型領域８８を形成して構成されており、これらｎ型領域８６及びｐ型領域８８には、上方及び下方出射ビームの光路を確保するよう設けられたＳＥＬ用ｐ型電極９０及びＳＥＬ用ｎ型電極９２が接続されている。
【００４２】
このようなＳＥＬ５６は、絶縁膜８４に形成されたダイボンディング及びワイヤーボンディング用の金属膜９４上にダイボンディングされている。
なお、金属膜９４及びｎ型電極８２は、夫々、ボンディングワイヤ９６，９８を介してアースされている。この結果、ＳＥＬ用ｎ型電極９２を介して金属膜９４に電気的に接続しているＳＥＬ５６のｎ型領域８６と、ｎ型電極８２に接続されたＰＤ６０のｎ型半導体基板７４は、共に、共通電位にアースされている。また、ＳＥＬ５６のＳＥＬ用ｐ型電極９０は、金属膜９４を経由して延出したボンディングワイヤ１００を介して定電流電源７０に接続されており、ＰＤ６０のｐ型電極８０は、ボンディングワイヤ１０２を介して電流検出回路１０４が設けられた駆動電源１０６に接続されている。また、ＳＥＬ５６に設けられた透明膜１０８は、下方出射ビーム用の反射防止膜である。
【００４３】
次に、本実施の形態の動作について、図２及び図３を参照して説明する。
ＳＥＬ５６と外部ミラー５８が全体として複合共振器として作用するため、ＳＥＬ５６の光出力は、外部ミラー５８から帰還する戻り光の位相によって変化する。この結果、ＳＥＬ５６の光出力は、ＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌの変位ΔＬに対してλ／２の周期で強度変調される。このＳＥＬ５６の光出力の変化は、ＳＥＬ５６からの下方出射ビームを受光するＰＤ６０の出力（ＰＤ出力）の変化となって現れる。この場合、ＰＤ６０の出力（ＰＤ出力）は、波形表示装置１１０（図２参照）によって時間的なＰＤ出力変化（即ち、センサ特性曲線）として表示されると共に、演算回路１１２（図２参照）によって電気的に変位量に変換される。
【００４４】
このように表示された変位ΔＬに対するセンサ特性曲線は、定電流電源７０の電流値を大きくすると正弦波状に近づき、逆に小さくするとパルス状になる。
従って、本実施の形態に適用されたセンサ出力特性制御手段によって変位ΔＬに対するセンサ特性曲線を制御することによって、以下のような効果を得ることができる。
【００４５】
変位ΔＬに対するセンサ特性曲線を正弦波状に制御した場合、変位ΔＬに対してセンサ出力（即ち、ＰＤ出力）が緩やかに変化するため、λ／２よりも細かい変位ΔＬに対する連続的な変位検出が可能となる。逆に、このセンサ特性曲線をパルス状に制御した場合、変位ΔＬの値に応じてレーザ発振が停止し、センサ出力が殆ど変化しない領域が存在する場合があるが、例えば、図１（ｂ）のＩｃ＝２５ｍＡのセンサ特性曲線において、符号Ｔ1 に示す領域のように、特定の領域では、変位ΔＬに対してセンサ特性曲線の出力変化率が非常に大きくなり、変位ΔＬの高感度な検出が可能となる。
【００４６】
なお、本発明は、上記実施の形態の構成に限定されることはなく、新規事項を追加しない範囲で種々変更可能である。例えば、光強度検出手段即ちＰＤ６０をＳＥＬ５６の上方出射ビームの強度を検出するように配置してもよい。また、光強度検出手段としては、フォトダイオード等の受光素子の代りにフォトトランジスタやＣＣＤ等を適用してもよい。更に、ハイブリッド又はモノリシックのいずれかの方法によって、光強度検出手段をＳＥＬ５６又は外部反射手段即ち外部ミラー５８と共に集積化させてもよい。また、このような変形例は、後述する第２〜第５の実施の形態に適用することができる。
【００４７】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施の形態には、次のような特徴点がある。
（１）複合共振器の光源として発振波長の安定な垂直共振器型面発光レーザ（ＳＥＬ）５６を用いることによって、レンズ系を必要としないコンパクトな光学式変位センサを得ることができるだけでなく、波長の跳び（モードホップ）に起因するセンサ出力の不安定性を大幅に低減することができる。
（２）センサ特性曲線の形状を制御することにより、測定対象や変位検出目的に応じて、センサ感度や検出レンジを適切に設定することができる。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る光学式変位センサについて、図４を参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、第１の実施の形態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００４９】
図４に示すように、本実施の形態に適用されたセンサ出力特性制御手段は、ＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌを予め所望の値に設定することが可能な可動機構を備えている。
【００５０】
可動機構は、固定基板６４とＰＤ６０の間に設けられており、ＳＥＬ５６が取り付けられたＰＤ６０を支持するスペーサ１１４と、このスペーサ１１４と固定基板６４との間に配置され、スペーサ１１４を可動させることによってＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌを予め所望の値に設定可能な可動部１１６とこの可動部１１６を伸縮動作させるための操作つまみ１１８とを備えている。
【００５１】
このような構成によれば、操作つまみ１１８によって可動部１１６を伸縮させた際、ＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌを大きくすると、変位ΔＬに対するセンサの特性曲線は、正弦波状に近づき、逆に、距離Ｌを小さくするとパルス状になる。
【００５２】
従って、本実施の形態に適用されたセンサ出力特性制御手段によって変位ΔＬに対するセンサ特性曲線を制御することによって、以下のような効果を得ることができる。
【００５３】
距離Ｌを大きくして変位ΔＬに対するセンサ特性曲線を正弦波状に制御した場合、変位ΔＬに対してセンサ出力が緩やかに変化するため、λ／２よりも細かい変位ΔＬに対する連続的な変位検出が可能となる。逆に、距離Ｌを小さくしてセンサ特性曲線をパルス状に制御した場合、変位ΔＬの値に応じてレーザ発振が停止し、センサ出力が殆ど変化しない領域が存在する場合があるが、例えば、図１（ｃ）のＬ＝３００μｍのセンサ特性曲線において、符号Ｔ3 に示す領域のように、特定の領域では、変位ΔＬに対してセンサ特性曲線の出力変化率が非常に大きくなり、変位ΔＬの高感度な検出が可能となる。
【００５４】
なお、本発明は、上記実施の形態の構成に限定されることはなく、新規事項を追加しない範囲で種々変更可能である。例えば、可動機構としては、操作つまみ１１８によって機械的に伸縮させるもの以外にも、電気的に伸縮制御可能なものでもよい。また、可動機構は、外部ミラー５８と取付治具６６の間に配置されてもよい。また、本実施の形態において、定電流電源７０は、ＳＥＬ５６をレーザ発振させるための駆動源として機能している関係上、センサ特性曲線の形状を可変するために、その駆動電流値を調節する機能は必ずしも必要ではない。
【００５５】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施の形態には、次のような特徴点がある。
（１）複合共振器の光源として発振波長の安定な垂直共振器型面発光レーザ（ＳＥＬ）５６を用いることによって、レンズ系を必要としないコンパクトな光学式変位センサを得ることができるだけでなく、波長の跳び（モードホップ）に起因するセンサ出力の不安定性を大幅に低減することができる。
（２）センサ特性曲線の形状を制御することにより、測定対象や変位検出目的に応じて、センサ感度や検出レンジを適切に設定することができる。
【００５６】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る光学式変位センサについて、図５及び図６を参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、第１及び第２の実施の形態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００５７】
図５に示すように、本実施の形態は、光強度検出手段即ちＰＤ６０の出力（ＰＤ出力）を一定に保持することによって、測定対象のλ／２よりも細かい変位を一定の感度で且つ連続的に検出することができるように構成された光学式変位センサであって、ＳＥＬ５６又は外部反射ミラー５８に固定され、ＳＥＬ５６と外部反射ミラー５８との間の距離Ｌを微小変化させるように、電気的に制御可能な可動手段１２０と、ＰＤ６０の出力を一定に保持するように、所定のフィードバック信号Ｓ１を可動手段に出力可能な帰還回路１２２と、可動手段１２０に初期的な電気的制御信号Ｓ２を出力可能な固定バイアス回路１２４と、可動手段１２０に入力されるフィードバック信号Ｓ１及び電気的制御信号Ｓ２に加算処理を施す加算回路１２６とを備えている。
【００５８】
可動手段１２０は、ＳＥＬ５６が取り付けられたＰＤ６０を支持するスペーサ１１４と固定基板６４との間に設けられており、例えば、ピエゾアクチュエータ、又は、熱膨張型伸縮素子や形状記憶合金等を用いたアクチュエータ等が適用され得る。また、ＰＤ６０からのＰＤ出力は、波形表示装置１１０に出力されると共に、帰還回路１２２にも出力されるように構成されている。更に、帰還回路１２２は、スイッチを介して加算回路１２６に接続されており、この加算回路１２６には、固定バイアス回路１２４が接続されている。
【００５９】
このような構成において、定電流電源７０からの駆動電流によってＳＥＬ５６を駆動させたとき、ＰＤ６０からのＰＤ出力に基づいて、帰還回路１２２は、所定のフィードバック信号Ｓ１を出力する。帰還回路１２２から出力されたフィードバック信号Ｓ１は、スイッチ１２８及び加算回路１２６を介して可動手段１２０に入力され、可動手段１２０を伸縮制御する。このように帰還回路１２２によって可動手段１２０を伸縮動作させているとき、測定対象（図示しない）が変位してもＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌは常時一定に（即ち、ＰＤ出力が一定に）保持される。従って、帰還回路１２２からのフィードバック信号Ｓ１の大きさを変位検出回路１５０で検出することによって、測定対象の変位量が測定されることになる。
【００６０】
また、固定バイアス回路１２４は、電気的制御信号Ｓ２によって可動手段１２０を伸縮制御して、後述するように、センサ特性曲線の動作点を所定のポイントに移動させる機能を有している。更に、加算回路１２６は、帰還回路１２２からのフィードバック信号Ｓ１と固定バイアス回路１２４からの電気的制御信号Ｓ２とを加算して、電気的に可動手段を伸縮制御する機能を有している。また、定電流電源７０は、固定バイアス回路１２４による可動手段１２０の伸縮制御に対応して、ＳＥＬ５６に供給する駆動電流を可変することによって、センサ特性曲線の形状を変化させる機能を有している。このように固定バイアス回路１２４による可動手段１２０の伸縮制御、及び、定電流電源７０による駆動電流の制御によって、センサ特性曲線の形状及び動作点を可変することができるため、測定対象の変位に対するセンサ感度が広範囲に設定可能となる。
【００６１】
次に、本実施の形態において、高感度な変位検出を行う場合について、図５及び図６（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、初期条件として、センサ特性曲線が図６（ａ）のような形状を有し、且つ、初期動作点が図６（ａ）中符号Ｆ１の位置にあるものとする。
【００６２】
まず、スイッチ１２８をＯＦＦにすると共に、外部ミラー５８が変位しないように固定する。そして、変位ΔＬに対するセンサ特性曲線を波形表示装置１１０に表示させながら、固定バイアス回路１２４の出力（電気的制御信号Ｓ２）を可変することによって可動手段１２０を伸縮制御させて、センサ特性曲線上の初期動作点Ｆ１をＰＤ出力の変化率が大きな位置（図６（ａ）中符号Ｆ２で示す位置）に移動させる（図６（ａ）参照）。
【００６３】
次に、定電流電源７０からの駆動電流を小さくした後、同様に、変位ΔＬに対するセンサ特性曲線を波形表示装置１１０に表示させながら、センサ特性曲線上の動作点をＰＤ出力の変化率が大きな位置（図６（ａ）中符号Ｆ３で示す位置）に移動させる（図６（ｂ）参照）。
【００６４】
このような制御を繰り返すことによって、所望のセンサ特性曲線の波形を得ることができると共に、上記同様に、動作点をＰＤ出力の変化率が大きな位置（図６（ｃ）中符号Ｆ４で示す位置）に移動させることにより可動手段１２０の初期設定が完了する（図６（ｃ）参照）。
【００６５】
この後、スイッチ１２８をＯＮして、測定対象の変位検出を開始する。
測定対象が変位すると、帰還回路１２２からフィードバック信号Ｓ１が出力され、測定対象の変位を打ち消すように（即ち、ＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌを一定に保持させるように）、可動手段１２０を伸縮制御させる。このとき、帰還回路１２２から出力されるフィードバック信号Ｓ１の大きさをモニタすることによって、測定対象の変位量が連続的に検出されることになる。
【００６６】
従って、本実施の形態によれば、変位ΔＬに対するセンサ特性曲線の形状、及び、帰還回路１２２によってフィードバックさせてロックする動作点を広範に設定することができる。この結果、変位検出感度を広範に設定することが可能となると共に、常に一定の変位検出感度を保持することが可能となる。更に、本実施の形態によれば、ＰＤ出力の変化率が大きな位置で測定対象の変位を検出するように制御することができるため、測定対象のλ／２よりも細かい変位を高感度で且つ連続的に検出することが可能となる。
【００６７】
なお、本発明は、上記実施の形態の構成に限定されることはなく、新規事項を追加しない範囲で種々変更可能である。例えば、帰還回路１２２によってフィードバックさせる動作点は、図６（ａ）から同図（ｂ）を介して同図（ｃ）のプロセスを経て移動させたが、センサの変位検出感度を逆に落とす場合には、図６  （ｃ）から同図（ｂ）を介して同図（ａ）のプロセスを経て移動させればよい。
【００６８】
以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施の形態には、次のような特徴点がある。
（１）複合共振器の光源として発振波長の安定な垂直共振器型面発光レーザ（ＳＥＬ）５６を用いることによって、レンズ系を必要としないコンパクトな光学式変位センサを得ることができるだけでなく、波長の跳び（モードホップ）に起因するセンサ出力の不安定性を大幅に低減することができる。
（２）変位ΔＬに対するセンサ特性曲線の形状、及び、帰還回路１２２でフィードバックさせてロックする動作点を広範に設定することができる。
（３）センサの変位検出感度を広範に設定することができると共に、常に一定の変位検出感度を保持することができる。
【００６９】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る光学式変位センサについて、図７及び図８を参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、第２及び第３の実施の形態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００７０】
図７に示すように、本実施の形態の光学式変位センサは、第３の実施の形態に適用された可動手段１２０と固定基板６４の間に、第２の実施の形態に適用された可動機構を組み込んで構成されている。
【００７１】
本実施の形態に適用された可動機構は、操作つまみ１１８によって伸縮動作可能な可動部１１６を備えており、ＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌを予め所望の値に設定して、センサ特性曲線の形状を変化させることができるように構成されている。このような構成によれば、固定バイアス回路１２４による可動手段１２０の制御に対応して、センサ特性曲線上の動作点の変化率を所望の状態に変化させることが可能となる。
【００７２】
次に、本実施の形態において、高感度な変位検出を行う場合について、図７及び図８（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、初期条件として、センサ特性曲線が図８（ａ）のような形状を有し、且つ、初期動作点が図８（ａ）中符号Ｆ１の位置にあるものとする。
【００７３】
まず、スイッチ１２８をＯＦＦにすると共に、外部ミラー５８が変位しないように固定する。そして、変位ΔＬに対するセンサ特性曲線を波形表示装置１１０に表示させながら、固定バイアス回路１２４の出力を可変することによって可動手段１２０を伸縮制御して、センサ特性曲線上の初期動作点Ｆ１をＰＤ出力の変化率が大きな位置（図８（ａ）の符号Ｆ２で示す位置）に移動させる（図８  （ａ）参照）。
【００７４】
次に、操作つまみ１１８によって可動部１１６を縮小動作させることによってＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌを小さくした後、同様に、変位ΔＬに対するセンサ特性曲線を波形表示装置１１０に表示させながら、センサ特性曲線上の動作点をＰＤ出力の変化率が大きな位置（図８（ｂ）中符号Ｆ３で示す位置）に移動させる（図８（ｂ）参照）。
【００７５】
このような制御を繰り返すことによって、所望のセンサ特性曲線の波形を得ることができると共に、上記同様に、動作点をＰＤ出力の変化率が大きな位置（図８（ｃ）中符号Ｆ４で示す位置）に移動させることにより可動手段１２０の初期設定が完了する（図８（ｃ）参照）。
【００７６】
この後、スイッチ１２８をＯＮして、測定対象の変位検出を開始する。
測定対象が変位すると、帰還回路１２２からフィードバック信号Ｓ１が出力され、測定対象の変位を打ち消すように（即ち、ＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌを一定に保持させるように）、可動手段１２０を伸縮制御させる。このとき、帰還回路１２２から出力されるフィードバック信号Ｓ１の大きさをモニタすることによって、測定対象の変位量が連続的に検出されることになる。
【００７７】
従って、本実施の形態によれば、変位ΔＬに対するセンサ特性曲線の形状、及び、帰還回路１２２によってフィードバックさせてロックする動作点を広範に設定することができる。この結果、変位検出感度を広範に設定することが可能となると共に、常に一定の変位検出感度を保持することが可能となる。更に、本実施の形態によれば、ＰＤ出力の変化率が大きな位置で測定対象の変位を検出するように制御することができるため、測定対象のλ／２よりも細かい変位を高感度で且つ連続的に検出することが可能となる。
【００７８】
なお、本発明は、上記実施の形態の構成に限定されることはなく、新規事項を追加しない範囲で種々変更可能である。例えば、帰還回路１２２によってフィードバックさせる動作点は、図８（ａ）から同図（ｂ）を介して同図（ｃ）のプロセスを経て移動させたが、センサの変位検出感度を逆に落とす場合には、図８  （ｃ）から同図（ｂ）を介して同図（ａ）のプロセスを経て移動させればよい。
【００７９】
以上の説明から明らかなように、本発明の第４の実施の形態には、次のような特徴点がある。
（１）複合共振器の光源として発振波長の安定な垂直共振器型面発光レーザ（ＳＥＬ）５６を用いることによって、レンズ系を必要としないコンパクトな光学式変位センサを得ることができるだけでなく、波長の跳び（モードホップ）に起因するセンサ出力の不安定性を大幅に低減することができる。
（２）変位ΔＬに対するセンサ特性曲線の形状、及び、帰還回路１２２でフィードバックさせてロックする動作点を広範に設定することができる。
（３）センサの変位検出感度を広範に設定することができると共に、常に一定の変位検出感度を保持することができる。
【００８０】
次に、本発明の第５の実施の形態に係る光学式変位センサについて、図９及び図１０を参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、第１及び第２の実施の形態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００８１】
図９（ａ）及び図１０に示すように、本実施の形態の光学式変位センサは、ＳＥＬ５６と外部ミラー５８との間の距離Ｌを微小変化させるように、ＳＥＬ５６又は外部ミラー５８のいずれか一方に固定される可動手段１３０と、上記の距離Ｌを周期的に微小変化させるように、可動手段１３０を伸縮させる可動手段駆動回路１３２と、可動手段１３０の伸縮動作に同期して、光強度検出手段即ちＰＤ６０のＰＤ出力を検出する検出回路１３４とを備えている。
【００８２】
図９（ａ）に示すように、可動手段１３０は、ＳＥＬ５６が取り付けられたＰＤ６０を支持するスペーサ１１４と固定基板６４との間に設けられており、可動手段駆動回路１３２によって電気的に伸縮制御されるように構成されている。
【００８３】
また、検出回路１３４は、可動手段１３０が伸縮動作に同期してＰＤ６０から出力されるＰＤ出力に基づいて、変位ΔＬに対して２つの特性を有する信号（図９（ｃ）参照）を出力可能に構成されている。
【００８４】
図１０には、可動手段駆動回路１３２と検出回路１３４の回路構成が示されており、図９（ｂ）には、可動手段駆動回路１３２及び検出回路１３４の動作のタイミングチャートが示されている。
【００８５】
以下、本実施の形態の動作について、図９（ａ），（ｂ）及び図１０を参照して説明する。
クロック１４０から一定タイミングで出力されるクロックパルスＣＬＫに同期して、駆動パルス発生器１３６から駆動パルスＰｃが可動手段１３０に出力される。この結果、可動手段１３０は、駆動パルスＰｃの印加時間Ｄ3 に対応して伸縮制御される。
【００８６】
この可動手段１３０の伸縮動作によって変化するＳＥＬ５６の光出力の変化は、ＰＤ６０からのＰＤ出力の変化となって現れる。このような状態において、ＰＤ６０からのＰＤ出力は、アンプ１４２で増幅された後、第１及び第２のサンプルホールド回路１４４，１４６に出力される。
【００８７】
これら第１及び第２のサンプルホールド回路１４４，１４６の信号入力（サンプルホールド）タイミングは、読出パルス発生器１３８から所定のタイミングで出力される第１及び第２の読出パルスＰａ，Ｐｂによって制御されている。
【００８８】
第１の読出パルスＰａは、クロック１４０からのクロックパルスＣＬＫの出力タイミングに時間Ｄ1 だけ遅れて、読出パルス発生器１３８から第１のサンプルホールド回路１４４に出力される。また、第２の読出パルスＰｂは、クロック１４０からのクロックパルスＣＬＫの出力タイミングに時間Ｄ2 （＜Ｄ1 ）だけ遅れて、読出パルス発生器１３８から第２のサンプルホールド回路１４６に出力される。従って、アンプ１４２を介して出力されたＰＤ出力は、第１及び第２の読出パルスＰａ，Ｐｂのタイミングに同期して第１及び第２のサンプルホールド回路１４４，１４６にサンプルホールドされることになる。
【００８９】
このとき、第１及び第２のサンプルホールド回路１４４，１４６から出力される２つのサンプルホールド信号を変位ΔＬに対してプロットすることによって、図９（ｃ）に示すような２つの特性曲線（位相差＝Δｆ）が得られる。この場合、上記２つのサンプルホールド信号を時間に対してプロットすれば、変位ΔＬの向きに応じて、位相差Δｆが正負に切り替わることになる。
【００９０】
演算装置１４８は、位相差Δｆの状態を検知することによって、測定対象の変位ΔＬの向きを常時監視していると共に、上記２つのサンプルホールド信号を位相分割して、測定対象の変位ΔＬの大きさを検出している。そして、各時刻毎の変位ΔＬの大きさに対して、変位ΔＬの方向に対応したプラス又はマイナスの符号が掛けられた後、これらを積算して得られた変位量（変位の向きを含めた変位量）が、表示装置１５０に表示されることになる。
【００９１】
従って、本実施の形態によれば、表示装置１５０に表示された２つの特性曲線（同図（ｃ）参照）の進み又は遅れ状態を観測することによって、測定対象の変位量（変位の向きを含めた変位量）を検出することが可能となる。
【００９２】
以上の説明から明らかなように、本発明の第４の実施の形態には、次のような特徴点がある。
（１）複合共振器の光源として発振波長の安定な垂直共振器型面発光レーザ（ＳＥＬ）５６を用いることによって、レンズ系を必要としないコンパクトな光学式変位センサを得ることができるだけでなく、波長の跳び（モードホップ）に起因するセンサ出力の不安定性を大幅に低減することができる。
（２）測定対象の変位ΔＬと、その向きを同時に検出することができる。
（３）センサの動作点をセンサ特性曲線上の１点に固定させる方式ではないため、変位の検出可能レンジが、電気的に制御可能な可動手段の最大変位量に制限されない。
【００９３】
なお、上記具体的な各実施の形態から以下のような技術的思想が導かれる。
１．  垂直共振器型面発光レーザと、この垂直共振器型面発光レーザと組み合わされて複合共振器を形成する外部反射手段と、前記垂直共振器型面発光レーザの光出力を検出する光強度検出手段とを備えており、
前記外部反射手段からの戻り光の位相変化に起因して変化する前記垂直共振器型面発光レーザの光出力に基づいて、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離の変化を検出可能な光学式変位センサであって、
前記複合共振器を構成する各種の構造パラメータを所定の値に設定することにより、前記距離に対する前記垂直共振器型面発光レーザの光出力状態に対応したセンサ出力を所望の特性に制御するセンサ出力特性制御手段を備えていることを特徴とする光学式変位センサ。
（構成）  外部反射手段５８は、垂直共振器型面発光レーザ５６（ＳＥＬ）を構成する一対のミラーと併せて複合共振器を形成し、これら３つミラーの間でレーザ光が多重反射する。センサ出力特性制御手段は、ＳＥＬと外部反射手段との間の距離に対するセンサ出力の形状を制御し得る全ての構成を含み、第１及び第２の実施の形態（図２〜図４参照）に適用されるセンサ出力特性制御手段以外にも、例えば、外部反射手段の反射面をＳＥＬの出射ビームの主軸に対して垂直な状態から僅かに傾けることにより、センサ出力をパルス状から正弦波状に変化させるような手段も含まれる。また、光強度検出手段は、各実施の形態においてハイブリッド型の受光素子６０を適用しているが、フォトトランジスタや電荷結合素子（ＣＣＤ）等も含まれる。また、このような光強度検出手段をハイブリッド又はモノリシックのいずれかの方法によって、ＳＥＬに集積化させてもよい。
（作用）  ＳＥＬによって、レーザー光が外部反射手段の反射面、及び、光強度検出手段の受光面に各々照射される。この場合、外部反射手段からＳＥＬに帰還する光波の位相によりＳＥＬの光出力が変化する。このＳＥＬの光出力は、ＳＥＬと外部反射手段の間を光が往復する距離に依存しているため、ＳＥＬと外部反射手段との間の距離に対してλ／２の周期で変化する。ＰＤは、ＳＥＬの光出力の変化を電気的な信号の変化に変換する。センサ出力特性制御手段は、ＳＥＬと外部反射手段との間の距離に対するＳＥＬの光出力を表す特性曲線の形状を変化させる。
（効果）  ＳＥＬと外部反射手段と光強度検出手段から構成されたる複合共振器型の光学式変位センサにおいて、ＳＥＬと外部反射手段との間の変位に対するセンサ出力曲線の形状をセンサ出力特性制御手段により制御することによって、測定対象や目的に適したセンサ出力の特性曲線を得ることが可能となる。
２．  前記センサ出力特性制御手段は、前記垂直共振器型面発光レーザの駆動電流を所望の値に設定可能な定電流電源を備えていることを特徴とする上記１に記載の光学式変位センサ。
（構成）  この発明は、第１の実施の形態（図２及び図３参照）に該当する。センサ出力特性制御手段は、ＳＥＬの駆動電流を所望の値に設定可能な定電流電源７０である。
（作用）  定電流電源７０でＳＥＬの駆動電流を可変することにより、ＳＥＬと外部反射手段との間の距離に対するＳＥＬの光出力を表す特性曲線の形状を変化させる。この場合、駆動電流を大きくすれば変位に対するセンサ特性曲線の形状は正弦波に近づき、逆に、駆動電流を小さくすればセンサ特性曲線の形状はパルス状となる。
（効果）  ＳＥＬの駆動電流を所望の値に設定可能な定電流電源７０により、変位に対するセンサ出力曲線の形状を変化させることができるため、予めＳＥＬの駆動電流とセンサ出力曲線の形状の関係を調べておくことにより、測定対象や目的に適したセンサ出力の特性曲線を得ることが可能となる。
３．  前記センサ出力特性制御手段は、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離を予め所望の値に設定可能な可動機構を備えていることを特徴とする上記１に記載の光学式変位センサ。
（構成）  この発明は、第２の実施の形態（図４参照）に該当する。センサ出力特性制御手段は、ＳＥＬと外部反射手段との間の距離を予め所望の値に設定することが可能な可動機構である。可動機構は、固定基板６４と光強度検出手段即ち受光素子６０の間に設けられており、ＳＥＬ５６が取り付けられた受光素子を支持するスペーサ１１４と、このスペーサと固定基板との間に配置され、スペーサを可動させることによってＳＥＬと外部反射手段との間の距離Ｌを予め所望の値に設定可能な可動部１１６と、この可動部を伸縮動作させるための操作つまみ１１８とを備えている。
（作用）  ＳＥＬと外部反射手段との間の距離Ｌを予め所望の値に可変することにより、距離Ｌに対するＳＥＬの光出力を表す特性曲線の形状を変化させる。この場合、距離Ｌの値を大きくすれば変位に対するセンサの特性曲線の形状は正弦波に近づき、逆に、距離Ｌの値を小さくすればセンサの特性曲線の形状はパルス状となる。
（効果）  距離Ｌの値を予め所望の値に設定可能な可動機構によって、変位に対するセンサ出力曲線の形状を変化させることができるので、予め設定された距離とセンサ出力曲線の形状との関係を調べておくことにより、測定対象や目的に適したセンサ出力の特性曲線を得ることが可能となる。
４．  垂直共振器型面発光レーザと、この垂直共振器型面発光レーザと組み合わされて複合共振器を形成する外部反射手段と、前記垂直共振器型面発光レーザの光出力を検出する光強度検出手段とを備えており、
前記外部反射手段からの戻り光の位相変化に起因して変化する前記垂直共振器型面発光レーザの光出力に基づいて、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離の変化を検出可能な光学式変位センサであって、
前記垂直共振器型面発光レーザ又は前記外部反射手段のいずれか一方に固定され、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離を微小変化させるように、電気的に制御可能な可動手段と、
前記光強度検出手段の出力を一定に保持するように、制御信号を前記可動手段に出力可能な帰還回路とを備えていることを特徴とする光学式変位センサ。
（構成）  この発明は、第３及び第４の実施の形態（図５〜図８参照）を包含して構成されている。可動手段１２０は、ＳＥＬと外部反射手段との間の距離を電気信号に基づいて可変させるように構成されており、例えば、ピエゾアクチュエータ、又は、熱膨張型の伸縮素子や形状記憶合金等を用いたアクチュエータ等が適用され得る。このような可動手段は、上記距離をλ／２よりも細かい値で変化させることができるように構成されており、これらが電気的に制御できる可動手段のあらゆるものが含まれる。また、帰還回路１２２は、光強度検出手段の出力が一定に保持されるように、所定のフィードバック信号を可動手段に出力して、可動手段をフィードバック制御するように構成されている。
（作用）  光強度検出手段の出力が帰還回路に入力されると、この帰還回路は、光強度検出手段の出力が一定に保持されるようにフィードバック信号を出力し、可動手段を電気的に伸縮制御する。この場合、帰還回路を動作させている際は、測定対象が変位してもＳＥＬと外部反射手段との間の距離が一定に保持されるように帰還回路が可動手段の伸縮を制御するため、この帰還回路から出力されるフィードバック信号の大きさを監視することにより測定対象の変位が測定されることになる。
（効果）  光強度検出手段の出力を一定に保つことは、変位に対するセンサ出力曲線のグラフにおいて、常に、この出力曲線上の動作点が固定されていることを意味している。即ち、測定対象の変位に対して、光強度の変化率が常に一定に保たれているため、測定対象のλ／２よりも細かい変位に対しても、常に一定の感度で連続的に変位量を検出することが可能となる。
５．  前記可動手段に初期的な電気的制御信号を出力可能な固定バイアス回路と、前記帰還回路からの電気的制御信号及び前記電気的制御信号に加算処理を施す加算回路とを備えており、また、前記センサ出力特性制御手段は、前記垂直共振器型面発光レーザの駆動電流を所望の値に設定可能な定電流電源を備えていることを特徴とする上記４に記載の光学式変位センサ。
（構成）  この発明は、第３の実施の形態（図５及び図６参照）に該当する。
（作用）  固定バイアス回路１２４は、可動手段１２０を制御することによって、センサ特性曲線上の動作点を所定のポイントに移動させる機能を有する。加算回路１２６は、固定バイアス回路及び帰還回路からの出力に加算処理を施す機能を有する。定電流電源７０は、固定バイアス回路による可動手段の伸縮制御に対応して、ＳＥＬに供給する駆動電流を可変することによって、センサ特性曲線の形状を変化させる機能を有する。
（効果）  固定バイアス回路による可動手段の制御、及び、定電流電源によるＳＥＬの駆動電流の制御によって、センサ特性曲線の動作点及びこの特性曲線の形状を各々可変することができるため、測定対象の変位に対するセンサ感度を広範囲に設定することが可能となる。
６．  前記可動手段に初期的な電気的制御信号を出力可能な固定バイアス回路と、前記帰還回路からの電気的制御信号及び前記電気的制御信号に加算処理を施す加算回路とを備えており、また、前記センサ出力特性制御手段は、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離を予め所望の値に設定可能な可動機構を備えていることを特徴とする上記４に記載の光学式変位センサ。
（構成）  この発明は、第４の実施の形態（図７及び図８参照）に該当する。
（作用）  可動機構は、操作つまみ１１８によって伸縮動作可能な可動部１１６を備えており、ＳＥＬと外部反射手段との間の距離を予め所望の値に設定して、センサ特性曲線の形状を変化させる。また、固定バイアス回路１２４による可動手段１２０の制御に対応して、センサ特性曲線上の動作点の変化率を所望の状態に変化させる。
（効果）  固定バイアス回路による可動手段の制御、及び、可動機構によるＳＥＬの駆動電流の制御によって、センサ特性曲線の動作点及びこの特性曲線の形状を各々可変することができるため、測定対象の変位に対するセンサ感度を広範囲に設定することが可能となる。
７．  垂直共振器型面発光レーザと、この垂直共振器型面発光レーザと組み合わされて複合共振器を形成する外部反射手段と、前記垂直共振器型面発光レーザの光出力を検出する光強度検出手段とを備えており、
前記外部反射手段からの戻り光の位相変化に起因して変化する前記垂直共振器型面発光レーザの光出力に基づいて、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離の変化を検出可能な光学式変位センサであって、
前記垂直共振器型面発光レーザ又は前記外部反射手段のいずれか一方に固定され、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の距離を微小変化させるように、電気的に制御可能な可動手段と、
前記距離を周期的に微小変化させるように、前記可動手段を伸縮させる可動手段駆動回路と、
前記可動手段の伸縮動作に同期して、前記光強度検出手段の出力を検出する検出回路とを備えていることを特徴とする光学式変位センサ。
（構成）  この発明は、第５の実施の形態（図９及び図１０参照）に該当する。
（作用）  可動手段駆動回路１３２によって可動手段１３０を周期的に伸縮させた際、この可動手段の伸縮動作に同期して、光強度検出手段からの出力を検出することによって、ＳＥＬと外部反射手段との間の変位に対して２つの特性を有する信号が得られる。
（効果）  ２つの特性曲線の進み及び遅れを観測することにより、測定対象の変位の向きを検出することが可能となる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、垂直共振器型面発光レーザと外部反射手段との間の変位に対するセンサ出力曲線の形状をセンサ出力特性制御手段により制御することによって、測定対象や目的に適したセンサ出力の特性曲線を得ることが可能となる。
【００９５】
また、本発明によれば、測定対象の変位に対して、光強度の変化率が常に一定に保たれているため、測定対象のλ／２よりも細かい変位に対しても、常に一定の感度で連続的に変位量を検出することが可能となる。
更に、本発明によれば、測定対象の変位の向きを含めた変位量を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の原理に係る光学式変位センサの構成を示す図、（ｂ）は、ＳＥＬと外部ミラーとの間の距離を３００〜３０１μｍの間に設定した状態において、駆動電流の大きさをパラメータとして、ＰＤ出力と距離の関係を示す図、（ｃ）は、ＳＥＬの駆動電流を２５ｍＡに設定した状態において、ＳＥＬと外部ミラーとの間の距離をパラメータとして、ＰＤ出力と距離の関係を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図。
【図３】図２中点線で囲まれた部分の具体的な構成を示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、図５に示す光学式変位センサによって高感度な変位検出を行う場合のプロセスを示す図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、図７に示す光学式変位センサによって高感度な変位検出を行う場合のプロセスを示す図。
【図９】（ａ）は、本発明の第５の実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図、（ｂ）は、同図（ａ）に示された光学式変位センサの動作タイミングを示すチャート図、（ｃ）は、同図（ａ）に示された光学式変位センサによって得られる信号の出力状態を示す図。
【図１０】図９（ａ）に示された光学式変位センサに設けられた可動手段駆動回路と検出回路の回路構成を示す図。
【図１１】（ａ）は、従来の変位センサの構成を示す図、（ｂ）は、同図（ａ）の変位センサの出力波形を示す図。
【図１２】（ａ）は、従来の光学式変位センサの構成を示す図、（ｂ）は、同図（ａ）の変位センサの出力波形を示す図。
【図１３】従来の変位センサの構成を示す図。
【図１４】（ａ）は、従来の光学式変位センサの構成を示す図、（ｂ）は、同図（ａ）の変位センサの出力波形を示す図。
【符号の説明】
５６…垂直共振器型面発光レーザ（ＳＥＬ）、５８…外部ミラー、６０…受光素子（ＰＤ）、７０…定電流電源。
【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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