JP2002090114A - 光スポット位置センサ及び変位測定装置 - Google Patents

光スポット位置センサ及び変位測定装置

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JP2002090114A
JP2002090114A JP2001108185A JP2001108185A JP2002090114A JP 2002090114 A JP2002090114 A JP 2002090114A JP 2001108185 A JP2001108185 A JP 2001108185A JP 2001108185 A JP2001108185 A JP 2001108185A JP 2002090114 A JP2002090114 A JP 2002090114A
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sensor
light
light spot
displacement
scale
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JP2001108185A
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Inventor
Toshihiko Aoki
敏彦 青木
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Mitsutoyo Corp
株式会社ミツトヨ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 組み立て状態を光学的に簡便に判定可能とし
た変位測定装置、及びその様な変位測定装置の組み立て
状態の判定等に適用して有用な光スポット位置センサを
提供する。 【解決手段】 光学式エンコーダは、スケール50とこ
れに相対移動可能に対向配置されたセンサヘッド54と
を備えて構成される。センサヘッド54のセンサ基板5
2には、インデックス格子55と受光素子アレイ56が
形成される。センサ基板52にはまた、光スポット位置
センサ2と、スケール50を介して光スポット位置セン
サ2に入射する光ビームを出力する光源57とを搭載し
て、組み立て状態を検出する状態検出装置が構成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、光スポットの位
置検出を行うセンサ及びそれを用いた変位測定装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】光スポットの入射位置を検出するセンサ
を構成しようとする場合、例えば既存のCCDなどのイ
メージセンサを用いることが考えられる。この種の光ス
ポット位置センサは、2つの部材のうちの一方に光ビー
ムを出力する光源と共に設けられ、光源から出力された
光ビームが他方の部材から反射されて光スポット位置セ
ンサに入射される。このときの入射位置で2つの部材の
傾きやギャップ等を検出することが理論的には可能であ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た既存のCCDを実際の変位測定装置に組み込んだ例は
ない。CCDを小型の変位測定装置のエンコーダ部分に
組み込もうとすると、サイズに制約があるため小型化す
ることができない、任意の形状にすることができない、
任意の受光ピクセルサイズにすることができない、コス
トが高くなる、実際の精度に影響されるといった問題が
生じる。
【0004】この発明は、上記の点に鑑みなされたもの
で、サイズの制約がなく、任意の形状及び受光ピクセル
サイズとすることができ、精度の良い光スポット位置の
検出が可能な、コスト低減を図ることができる光スポッ
ト位置センサを提供することを目的とする。本発明はま
た、そのような光スポット位置センサを組み込むのに好
適な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】この発明に係る光スポッ
ト位置センサは、基板と、この基板上に堆積されて互い
に絶縁分離された半導体層により形成され、所定ピッチ
で配列された複数の受光素子とをを備えたことを特徴と
する。
【0006】この発明において、光スポット位置センサ
が一次元位置を検出するものである場合には、複数の受
光素子は、一次元配列された受光素子アレイにより構成
される。また、光スポット位置センサが二次元位置を検
出するものである場合には、複数の受光素子は、基板上
に第1軸方向に配列された第1の受光素子アレイと、こ
の第1の受光素子アレイ上に層間絶縁膜を介して形成さ
れた、第1軸と直交する第2軸方向に配列された第2の
受光素子アレイとから構成される。
【0007】この発明に係る変位測定装置は、測定軸に
沿ってスケール目盛りが形成されたスケールと、このス
ケールに対して測定軸方向に相対移動可能に取り付けら
れてスケール目盛りを読み取るセンサヘッドと、前記セ
ンサヘッドとスケールとの間の相対位置状態を光学的に
検出するために前記センサヘッドに搭載された状態検出
装置とを備えたことを特徴とする。
【0008】状態検出装置は好ましくは、上述した光ス
ポット位置センサをセンサヘッドに設け、更にセンサヘ
ッドにスケールを介して光スポット位置センサに入射さ
れる光ビームを出力する光源とを備えることにより構成
される。
【0009】光スポットの一次元或いは二次元位置を検
出するには、CCDイメージセンサやMOS型イメージ
センサがそのまま適用可能である。これらは、単結晶シ
リコン基板に受光ダイオードを配列形成すると共に、そ
れらの各受光ダイオードの出力を転送して取り出すため
のCCDやMOS型スイッチを形成して構成される。一
次元位置を検出するのであれば、1ラインのCCDのみ
で可能である。
【0010】しかし、これらの既存のCCDセンサやM
OSセンサは、光スポットの位置検出に利用するには、
構造や製造プロセスが複雑であり、高価である。この発
明による光スポット位置センサは、適当な基板上に堆積
した半導体層を用いて互いに絶縁分離された受光素子ア
レイを形成して得られる。従って構造や製造プロセスも
簡単であり、任意の形状、大きさのものが容易に製造で
きる。そしてこの様な光スポット位置センサを用いて変
位測定装置に状態検出装置を組み込むことにより、セン
サヘッドとスケールの組み立て状態を簡便に判定するこ
とが可能になる。
【0011】この他、本発明に係る変位測定装置は、測
定すべきワークと対向配置されて前記ワークの表面に沿
って前記ワークとは非接触に移動されるカンチレバー
と、このカンチレバーの先端に搭載された請求項1〜5
のいずれか1項記載の光スポット位置センサと、前記カ
ンチレバーの先端に搭載されて前記ワークを介して前記
光スポット位置センサに入射される光ビームを出力する
光源とを備えてなることを特徴とする。
【0012】この場合、例えば前記光源から出力され前
記ワークを介して前記光スポット位置センサに入射され
る光ビームの前記光スポット位置センサでの検出位置に
基づいて前記ワークの表面性状を検出する検出手段を更
に備えたものであることが好ましい。
【0013】この他、望ましくは前記カンチレバーに設
けられて前記カンチレバーの先端を前記ワークとの対向
方向又は前記カンチレバーのねじれ方向に変位させる変
位デバイスと、前記光源から出力され前記ワークを介し
て前記光スポット位置センサに入射される光ビームの前
記光スポット位置センサでの検出位置が常に一定の位置
となるように前記変位デバイスをフィードバック制御す
る変位制御手段と、この変位制御手段の前記変位デバイ
スへのフィードバック信号に基づいて前記ワークの表面
性状を検出する検出手段とを更に備える。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を説明する。図1は、一次元的な光スポッ
ト位置検出を行う光スポット位置センサ1の構成例を示
す平面図であり、図2はそのA−A’断面図である。位
置センサ1は、基板10上に、ストライプ状の受光素子
(フォトダイオード)PDをx軸方向に配列形成してな
る受光素子アレイPDAを有する。
【0015】基板10は、この例の場合ガラス基板等の
透明基板である。この基板10上には共通下部電極とな
る透明電極11が形成される。この透明電極11上に、
p型アモルファス半導体層12,i型アモルファス半導
体層13,n型アモルファス半導体層14及び上部電極
15を順次堆積し、これらの積層膜をパターニングする
ことにより、各フォトダイオードPDが絶縁分離され、
所定ピッチで配列される。受光素子アレイPDA上は保
護膜16により覆われる。
【0016】透明電極11は、ITO,SnO2,Zn
O等から選ばれる。アモルファス半導体は代表的にはS
iであるが、CdS,ZnS等、他の材料が用い得る。
またフォトダイオード構造は、pin構造の他、pn構
造であってもよい。
【0017】この位置センサ1の場合、図1及び図2に
示すように、基板10の裏面側から光スポットが入射さ
れる。このとき、受光素子アレイPDAのどの受光素子
に出力が得られるかを検出することにより、光スポット
のx軸方向の入射位置がわかる。この位置検出は、各受
光素子PDの端子を走査型検出回路20xにより順次走
査して受光出力の有無を検出することにより、可能であ
る。なお光スポットの位置検出の分解能は、受光素子ア
レイPDAの配列ピッチで決まる。測定しようとする光
スポットの直径をDとしたとき、受光素子アレイPDA
の素子配列ピッチλは、少なくとも、λ/2≦Dとし、
好ましくはλ≦Dとする。直径Dが大き過ぎると、位置
検出が難しくなる。しかしその様な場合でも、複数の受
光素子の出力信号を二次元プロファイルとして捕らえ、
ガウス分布に当てはめて、このガウス分布から光スポッ
ト位置の中心位置を特定することができる。また、ガウ
ス分布のあてはめを行い補間する以外に、sinc関数(si
nπx/πx)のあてはめ、スプライン曲線やベジェ曲
線等の自由曲面などのあてはめを行い、補間することに
より、より精密にスポット位置の中心位置を特定するこ
とができる。
【0018】図3は、二次元的な光スポット位置センサ
2の構成例を示す平面図であり、図4はそのB−B’断
面図である。この位置センサ2は、基板10上に、二つ
の受光素子アレイPDA1,PDA2を積層することに
より構成される。第1の受光素子アレイPDA1は、先
の図1及び図2で説明したものと同様に、ストライプ状
の受光素子PDをx軸方向に配列して形成されている。
このとき、各受光素子PDの上部電極15aは、透明電
極とする。第2の受光素子アレイPDA2は、やはりス
トライプ状のフォトダイオードPDからなり、第1の受
光素子アレイPDA1上に、層間絶縁膜16を介して重
ねられて、y軸方向に所定ピッチで配列形成される。
【0019】第2の受光素子アレイPDA2は、透明電
極からなる共通下部電極21上に、p型アモルファス半
導体層22,i型アモルファス半導体層23,n型アモ
ルファス半導体層24及び上部電極45を順次堆積し、
これらの積層膜をパターニングすることにより、各フォ
トダイオードPDが絶縁分離される。全体は保護膜26
により覆われる。
【0020】この二次元の位置センサ2の場合も、基板
10の裏面から光スポットが入射される。光スポットの
二次元位置検出は、第1の受光素子アレイPDA1の出
力を走査して検出する走査検出回路20xと、第2の受
光素子アレイPDA2の出力を走査して検出する走査検
出回路20yにより可能である。
【0021】図5は、位置センサ1の他の構造例を、図
2に対応させて示している。この構造は、各受光素子P
Dを絶縁膜に形成した溝への埋め込みにより形成したも
のである。即ち、基板10には透明電極11とp型アモ
ルファス半導体層12を全面形成して、この上に絶縁膜
31を堆積する。この絶縁膜31にエッチングによりス
トライプ状の溝32を所定ピッチで形成する。そしてこ
の溝32に、i型アモルファス半導体層13,n型アモ
ルファス半導体層14及び上部電極15を順次埋め込む
ことにより、受光素子アレイPDAが形成される。
【0022】同様の埋め込み法による構造は、二次元の
位置センサ2についても適用できる。図6はその様な構
造例を、図4に対応させて示している。第1の受光素子
アレイPDA1は、図5で説明したと同様に、絶縁膜に
形成した溝への埋め込みにより形成される。この第1の
受光素子アレイPDA1を覆う保護膜16の上に、透明
電極からなる共通下部電極21及びp型アモルファス半
導体層22を順次形成し、更にその上に絶縁膜33を堆
積し、この絶縁膜33にエッチングによりストライプ状
の溝34を形成する。そしてこの溝34に、i型アモル
ファス半導体層23,n型アモルファス半導体層24及
び上部電極25を順次埋め込んで、第2の受光素子アレ
イPDA2が形成される。
【0023】ここまでの例は、基板10を透明基板とし
て、基板10の受光素子アレイを形成した面と反対側の
面を光スポットの入射面とした。これに対し、各受光素
子の上部電極を透明電極として、この上部電極側を光ス
ポットの入射面としてもよい。この場合には、基板は透
明基板でなくてもよい。また、基板10として、フレキ
シブル樹脂基板を用いることもできる。
【0024】図7は、別の位置検出の手法を適用した例
を、二次元位置センサ2について示している。この場
合、各受光素子アレイPDA1,PDA2の端子電極は
共通に出力信号線41x,41yに接続される。これら
の出力信号線41x,41yにそれぞれ検出回路42
x,42yが接続される。光スポットは、光パルス発生
器43により、駆動パルス信号により光パルスとして発
生される。駆動パルス信号は、検出回路42x,42y
に基準信号として入る。
【0025】検出回路42x,42yは、出力信号線4
1x,41yに得られる受光信号を検出する。検出回路
42x,42yはまた、図8に示すように、光パルス発
生のタイミングからの検出出力が得られるまでの遅延時
間τを検出する。各軸方向の複数の受光素子の端子電極
が共通の出力信号線41x,41yに接続されているか
ら、検出回路42x,42yから離れた位置ほど、遅延
時間τが大きい。従ってこの遅延時間τを検出すること
により、光スポットがx,y軸方向のどの位置に当たっ
たかを判定することができる。
【0026】次に、以上のような光スポット位置センサ
を用いて、変位測定装置のスケールとセンサヘッドの組
み立て状態を検出するための状態検出装置を構成した例
を以下に説明する。変位測定装置としては、測定軸に沿
ってスケール目盛りが形成されたスケールと、このスケ
ールに対して測定軸方向に相対移動可能に取り付けられ
てスケール目盛りを読み取るセンサヘッドとを備えたも
のが知られている。この様な変位測定装置の基本構成
は、光学式、静電容量式、磁気式のいずれでも用いられ
る。
【0027】これらの変位測定装置では、スケールとセ
ンサヘッドの組み立て状態により性能が大きく左右され
る。特に小型の変位測定装置では、センサヘッドの僅か
な姿勢偏位や、センサヘッドとスケール間のギャップの
設計値からの僅かなずれが、特性に大きく影響する。従
って、変位測定装置の組み立て時のアライメント調整は
重要であり、また組み立て後の姿勢変動を如何に抑える
かも重要であり、そのための構造上の工夫は従来より種
々なされている。しかし、従来の変位測定装置には、そ
の組み立て状態を簡便に判定するための機能は備えられ
ていない。ここで、変位測定装置としては、光学式エン
コーダを例に挙げるが、これに限られるわけではなく、
静電容量式や磁気式にも同様に適用可能である。
【0028】図9は、その様な光学式エンコーダの構成
である。光学式エンコーダは、スケール50と、これに
対して相対移動可能に対向配置されたセンサヘッド54
とから構成される。スケール50はこの例では反射型で
あり、スケール基板の測定軸xに沿ってスケール目盛り
である光学格子51が形成されている。センサヘッド5
4は、センサ基板52と光源53を有する。センサ基板
52には、スケール50に照射される光源光を変調する
インデックス格子55と、スケール50からの光を検出
する受光素子アレイ56が形成されている。
【0029】この様なセンサヘッド54におけるセンサ
基板52の、受光素子アレイ56を間に挟んだ両端部
に、先に図3及び図4で説明した光スポット位置センサ
2と、光ビームを出す光源57とを搭載し、光スポット
位置センサ2で検出された光スポット位置からスケール
50とセンサヘッド54との組み立て状態を検出する状
態検出器58を設けて状態検出装置を構成している。光
源57からの光ビームは、スケール50に斜め方向から
入射され、スケール50からの反射光ビームが位置セン
サ2に入るようにしている。このとき、スケール50の
光源57からの光ビームが入射する側端部までスケール
格子51が形成されて、その格子面からの反射光が位置
センサ2に入るようにしてもよいし、或いは側端部には
スケール格子51が形成されず、スケール格子51に代
わって、スケール50の長手方向に連続する反射膜を形
成するようにしてもよい。また一次元的な光スポット位
置変化のみを検出するのであれば、図1及び図2で説明
した位置センサ1を用いることができる。
【0030】光源57は、例えば図10のように構成す
ることができる。これは、センサ基板52の上に、横方
向に光ビームを出力するようにレーザダイオード60を
配置し、その出力光ビームをミラー62により反射して
センサ基板52を透過してスケール50に斜め方向に入
射させるようにしている。この様なミラー62は最近の
マイクロマシニング技術により容易に形成することがで
きる。
【0031】図11は、光源57の別の構成例である。
この場合、センサ基板52のスケール側の面にレーザダ
イオード60を配置している。レーザダイオード60か
ら横方向に出力する光ビームは、ミラー63により反射
してスケール50に斜め方向に入射させるようにしてい
る。ミラー63は反射面を凹面鏡としてレンズを兼ねる
ようにしても良い。
【0032】なお、光スポット位置センサ2は、図12
に示すように、センサ基板52をそのまま図3の基板1
0として用いて、受光素子アレイ56と同時に形成して
もよい。或いは図13に示すように、図3及び図4で説
明したインデックス基板とは独立に作られた位置センサ
2を、インデックス基板52に貼り付けるようにしても
よい。
【0033】この様に、センサ基板52に搭載された位
置センサ2と光源57により、光学式エンコーダの組み
立て状態の検出が可能である。例えば、図14(a)
は、センサ基板52がスケール50に対して平行に配置
された正常状態(破線)と傾いた状態(実線)を示して
いる。正常状態と傾いた状態とでは、図14(b)に示
すように、光源57からの光ビームの位置センサ2への
入射位置が異なることから、その光スポット位置検出に
よってセンサヘッドの傾きの程度を判定することができ
る。
【0034】図15は、センサヘッドとスケールとの間
のエアギャップが変化する場合を示している。例えば、
図15(a)に破線で示すギャップが正常状態とし、実
線のようにギャップが小さくなると、光スポット位置セ
ンサ2への光スポットの入射位置が図15(b)のよう
に変化する。従って、光スポット位置検出によってセン
サヘッドとスケールとのギャップの大きさを判定するこ
とができる。
【0035】センサヘッドに、複数本の異なる方向の光
ビームを出力する光源と、複数の光スポット位置センサ
とを搭載することもできる。図16は、その様な例を示
している。センサ基板52の一対角線の両端の角部に光
スポット位置センサ2a,2bが配置されている。これ
らの位置センサ2a,2bに対して、スケールを介して
光ビームを照射できる光源57が、残りの一つの角部に
配置される。この様な構成とすれば、センサヘッドの測
定軸方向の傾きと、測定軸と直交する方向の傾きを検出
することができる。
【0036】ここまでは、光源57からの光ビームをス
ケール50に斜め方向に入射させて、その反射光ビーム
を位置センサ2で検出するようにしたが、光源57から
の光をスケール50に垂直入射させるように構成するこ
ともできる。図17は、その様な構成例である。センサ
ヘッドのセンサ基板52の一つの辺に沿って光スポット
位置センサ2を配置する。そしてこの位置センサ2の中
央部近くに、光源57を配置する。
【0037】この様な構成として、図17(b)に破線
で示すように、センサ基板52がスケール50と平行の
場合、光源57からの光ビームはスケール50に略垂直
に入射し反射光は同じ経路を戻るようにする。実線で示
すようにセンサ基板52が傾くと、光ビームはスケール
50に対して傾斜した入射となり、位置センサ2に入射
するスポット位置がずれる。従って、この位置ずれを検
出することにより、センサヘッドの傾きを判定すること
ができる。
【0038】ここまでに例示した光学式エンコーダで
は、センサヘッドとスケールの傾きやギャップ等の状態
検出を行う場合を説明したが、光スポット位置センサに
よる状態検出の例として、センサヘッドとスケールの平
行面内での回転を検出することも可能である。通常セン
サヘッドはスケールの側端にベアリングを介して摺動さ
せるが、この側端の真直度が悪いと、摺動時に回転が生
じ、この回転はセンサの出力低下をもたらす。この発明
の場合、上述した回転が生じると、光スポット位置セン
サ上で干渉縞が生成される。この干渉縞の出力の大きさ
或いは間隔を観察することにより、回転を検出すること
ができる。この場合、右回転か左回転かを判別するため
には、予め光スポットをスケールに対して所定角度、右
回転又は左回転させた状態で入射させればよい。
【0039】以上のように、光学式エンコーダに組み立
て状態を検出する光学的な状態検出装置を搭載すること
により、姿勢変動やギャップ変動等を容易にチェックす
ることができる。また状態検出の結果を利用して姿勢等
の制御を行うフィードバック制御系を構成することによ
り、リアルタイムでの姿勢等の制御が可能である、また
状態検出装置を構成する光スポット位置センサは、セン
サ基板に作り込むこともできるが、図13に示したよう
に、別途独立に作ってセンサ基板に貼り付けることもで
きる。この様に、作成済みのセンサ基板に光スポット位
置センサを貼り付けるようにすれば、少量多品種のエン
コーダにも柔軟に対応でき、有利である。また作製温度
が、Si基板に対するプロセス時の温度に対して比較的
低温のため、センサ作製済みのSi基板(センサ基板)
や通常のICなどに本発明による光スポット位置センサ
を直接作り込むことも可能である。
【0040】光学式エンコーダが透過型の場合にも同様
に、状態検出装置を組み込むことが可能である。この場
合、状態検出装置を構成する光スポット位置センサとそ
の光源をセンサヘッドの受光部側、即ちスケールの同じ
側に配置するとすれば、透過型のスケールに光スポット
位置検出のための反射膜を形成することが必要になる。
また以上では、センサヘッドの姿勢やギャップ等の組み
立て状態の検出を行う例を説明したが、同様の光スポッ
ト位置センサをやはりセンサ基板に組み込むことによ
り、スケールの原点検出用として利用することも可能で
ある。
【0041】ここまでに説明したのは光学式エンコーダ
であるが、この場合、変位検出に用いるスケール照射用
のメインの光源53と、光スポット位置センサ用の光源
57とが用いられる。光スポット位置センサ用の光源5
7は、レーザダイオードのような光ビームを出力するの
で、変位検出に悪影響を与えないようにすることは容易
である。しかし、変位検出用光源53の出力光は所定の
範囲の広がりをもってスケール50に照射されるので、
これが反射されて光スポット位置センサにまで入り、位
置検出のノイズになる可能性がある。
【0042】このノイズの影響を除くには、例えば、光
スポット位置センサに、光源57からの光ビームのみが
入るような何らかの光遮蔽構造を設けることが好まし
い。或いは、二つの光源53,67の波長を異ならせる
ことも有効である。但し、後者の場合には、変位検出用
の受光素子アレイ56と、光スポット位置センサ2の受
光素子アレイPDAに光学フィルタを組み合わせるか、
或いは、特性の異なる別の半導体材料を用いて構成する
ことになる。静電容量式或いは磁気式エンコーダに適用
した場合には、上述したノイズの影響はない。
【0043】またこの発明を適用できる変位検出装置
は、リニアエンコーダに限られず、ロータリエンコーダ
や円筒、球状等のエンコーダであってもよい。更に、こ
こまでは光スポット位置センサの受光素子として、スト
ライプ状のフォトダイオードPDを用いたが、図18
(a)に示すような櫛歯状パターンのフォトダイオード
PD、図18(b)に示すようなドットパターンのフォ
トダイオードPDの配列を用いることもできる。
【0044】これまでに説明した光スポット位置センサ
は変位測定装置としてワーク表面の粗さや輪郭の測定に
も応用することができる。即ち、現在、光を用いたプロ
ーブ製品としては、主としてSPM(Scanning Probe M
icroscope)が知られている。このSPMは、プローブ
の変位量を光てこを用いて検出している。しかし、その
光源と光センサ(PSD)は外部に設置しているため、
装置構成が複雑で大きくなり、また、基本的に接触式で
あるため、試料(ワーク)表面を傷つける可能性があ
る。また、プローブは、物理的な針であるため、測定対
象はそのサイズ(先端形状・長さ等)によって限定され
てしまう。そこで、本発明による光スポット位置センサ
を搭載した非接触式カンチレバーを使用して非接触型の
微小穴測定機や表面粗さ計を実現することができる。図
19は、二次元位置センサ2を適用した非接触式カンチ
レバー9aの要部を、図20は、同カンチレバーの使用
時の様子を示している。同カンチレバーにおいて、カン
チレバー本体91はSiやSi窒化膜等を材料とした測
定軸方向(同図中x軸方向)に延びる部材である。二次
元位置センサ2と、レーザーダイオード等の発光素子を
備えてなる光源57とは、互いに所定の間隔をもってカ
ンチレバー本体91の下面先端側に長手方向に配列され
ている。カンチレバー本体91とワークWを測定軸方向
へ相対的に移動させることにより、検出器71が、二次
元位置センサ2の光ビーム検出位置からワークWの被測
定面の輪郭及び表面粗さ等を検出する。
【0045】図21は、位置センサ2と光源57の位置
関係のいくつかの例を示している。同図(a)に示す非
接触式カンチレバー9aは、上述したように、位置セン
サ2と光源57が長手方向に配列されたものである。同
図(b)に示す非接触式カンチレバー9bは、位置セン
サ2と光源57が長手方向と垂直な方向(同図中y軸方
向)に配列されている。同図(c)に示す非接触式カン
チレバー9cは、位置センサ2と光源57が同図
(a),(b)の配置を組み合わせた配置となってい
る。同図(d)に示す非接触式カンチレバー9dは、光
源57と位置センサ2との位置関係を保ちながら、同図
中x−y平面内で任意の角度、例えば45°だけ回転さ
せて配置されている。同図(e)に示す非接触式カンチ
レバー9eは、同図(d)の配置と、この(d)の配置
と交差する配置とを組み合わせた配置となっている。な
お、これらのカンチレバー9a〜9eにおいて、位置セ
ンサ2と光源57との位置関係は逆転していても良い。
【0046】図22は、カンチレバー本体91に、カン
チレバー本体91の先端をワークWとの対向方向、又は
カンチレバー本体91のねじれ方向に変位させるバイメ
タルやピエゾ素子等からなる変位デバイス92が作りこ
まれている非接触式カンチレバー9’を示している。変
位制御部81は、光源57からの光ビームの反射位置を
常に一定位置に留めるようなフィードバック制御を行
う。検出部71は、このときのフィードバック信号から
ワークWの被測定面の輪郭及び表面粗さ等を検出する。
これによってもワークの輪郭・表面粗さ測定ができる。
このようにすることで、より形状変化の大きいワーク表
面の輪郭・粗さ測定にも対応可能となる。
【0047】図23は、垂直入射式の非接触式カンチレ
バー9”を、図24は同カンチレバーの使用時の様子を
示している。この非接触式カンチレバー9”において
は、光源57はカンチレバー本体91の底面に配置され
ている位置センサ2の中央部に配置されており、光源5
7からの光ビームはワーク表面に対して垂直方向に照射
する。位置センサ2は、光源57から照射されワーク表
面で反射して得られる光スポットを検出する。よって、
上述の非接触式カンチレバー9a〜9eと同様に、ワー
ク表面の形状変化に対応して光ビームの反射位置や光ス
ポットの形状が変化するため、これらを検出することに
より、ワーク表面の輪郭・粗さ測定が可能となる。同図
に示す例においては、位置センサとして一体型の比較的
大きなものを採用したが、この他、複数の位置センサを
任意の位置に配置することも可能である。
【0048】また、上述した全ての非接触式カンチレバ
ーにおいて、位置センサ及び光源の配置方法は例えば、
(1)位置センサ及び光源が共にカンチレバー本体のワ
ークと対向する側の面上に配置されている場合、(2)
位置センサがカンチレバー本体のワークと対向する側の
面上に、光源がカンチレバー本体のワークと対向しない
側の面上に配置されている場合、(2)光源がカンチレ
バー本体のワークと対向する側の面上に、位置センサが
カンチレバー本体のワークと対向しない側の面上に配置
されている場合、(4)位置センサ及び光源が共にカン
チレバー本体のワークと対向しない側の面上に配置され
ている場合、の4通りが考えられる。このように、上述
した非接触式カンチレバーによれば、小穴の内周面等の
従来測定の困難であった微小測定部分の表面粗さ・輪郭
測定を実現することができる。また、本形態ではアモル
ファスSi等から二次元位置センサを作成しているた
め、センサにCCD等を適用するよりもコストが低く、
サイズも小型化することができる上、小型化によるクロ
ストークが発生しにくい。更に、この形態では、カンチ
レバー本体に位置センサ及び光源が作りこまれているた
め、外部の光源やPSDを必要としない。また、位置セ
ンサ等の設計は任意に行えるため、測定精度や測定範囲
に応じた小型の非接触式カンチレバーを提供することが
できる。また、本形態に係る非接触式カンチレバーは物
理的なプローブを必要としないため、プローブの先端形
状や長さ等による制約を受けることがない。よって、カ
ンチレバー本体の外径よりも僅かに大きい程度の内径を
もつ小穴の測定も可能である。
【0049】また、本形態に係る非接触式カンチレバー
では、ワーク表面における光源からの光ビームが当たっ
た部分の粗さ・輪郭の測定、すなわち測定軸を含む垂直
平面内における座標測定のみではなく、光ビームが当っ
た部分の傾斜情報も得ることが可能となる。よって、本
非接触式カンチレバーにより得られる測定データによれ
ば、例えば測定したワーク表面の三次元データを基にソ
リッドモデル等を作成する際に、測定データの各測定点
間での補間精度を向上させることができる。
【0050】また、傾斜情報を含まない粗さ・輪郭等の
一次元的な位置情報のみを検出するのであれば、位置セ
ンサ2の代わりに図1及び図2において示した位置セン
サ1を用いることができる。
【0051】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明による光スポ
ット位置センサは、適当な基板上に堆積した半導体層を
用いて互いに絶縁分離された受光素子アレイを形成して
得られる。従って構造や製造プロセスも簡単であり、任
意の形状、大きさのものが容易に製造できる。またこの
発明による変位測定装置は、上述のような光スポット位
置センサ等を用いて構成される光学式の状態検出装置を
組み込むことにより、センサヘッドとスケールの組み立
て状態を簡便に判定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態による光スポット位置
センサの構成を示す平面図である。
【図2】 図1のA−A’断面図である。
【図3】 この発明の別の実施の形態による光スポット
位置センサの構成を示す平面図である。
【図4】 図3のB−B’断面図である。
【図5】 他の実施の形態の位置センサの断面図であ
る。
【図6】 他の実施の形態の位置センサの断面図であ
る。
【図7】 他の実施の形態による位置センサの位置検出
法を示す図である。
【図8】 同実施の形態の位置検出の原理を説明するた
めの波形図である。
【図9】 この発明の実施の形態による光学式エンコー
ダの構成を示す図である。
【図10】 図9における位置検出用光源57の構成例
を示す図である。
【図11】 図9における位置検出用光源57の他の構
成例を示す図である。
【図12】 図9における位置センサ2の構成例を示す
図である。
【図13】 図9における位置センサ2の構成例を示す
図である。
【図14】 位置センサによる傾き検出の原理を説明す
るための図である。
【図15】 位置センサによるギャップ検出の原理を説
明するための図である。
【図16】 他の実施の形態による光学式エンコーダの
インデックス基板の構成を示す図である。
【図17】 他の実施の形態による光学式エンコーダの
インデックス基板の構成とその傾き検出の原理を説明す
るための図である。
【図18】 位置センサに用いる受光素子の他のパター
ン例を示す図である。
【図19】二次元位置センサを適用した非接触式カンチ
レバーの要部を示す図である。
【図20】同カンチレバーの使用時の様子を示す図であ
る。
【図21】位置センサと光源の位置関係のいくつかの例
を示す図である。
【図22】変位デバイスが作りこまれている非接触式カ
ンチレバーを示す図である。
【図23】垂直入射式の非接触式カンチレバーを示す図
である。
【図24】同カンチレバーの使用時の様子を示す図であ
る。
【符号の説明】
1,2…光スポット位置センサ、10…基板、11,2
1…透明電極、12,22…p型アモルファス半導体
層、13,23…i型アモルファス半導体層、14,2
4…n型アモルファス半導体層、15,25…上部電
極、16,26…保護膜、PD…フォトダイオード、P
DA,PDA1,PDA2…受光素子アレイ、20x,
20y…走査検出回路、41x,41y…出力信号線、
42x,42y…検出回路、43…光パルス発生器、5
0…スケール、52…センサ基板、54…センサヘッ
ド、55…インデックス格子、56…受光素子アレイ、
57…光源、9a,9b,9c,9d,9e,9’,
9”…非接触式カンチレバー、91…カンチレバー本
体、92…変位デバイス、W…ワーク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01D 5/30 G01B 11/24 A Fターム(参考) 2F065 AA03 AA04 AA50 AA52 AA53 AA54 BB05 DD02 DD03 DD04 DD12 FF01 FF16 FF31 GG06 GG12 GG22 HH02 HH12 HH13 JJ02 JJ03 JJ05 JJ09 JJ25 JJ26 KK03 LL12 LL19 PP02 PP03 PP22 PP24 UU02 UU07 2F069 AA03 AA04 AA44 AA57 AA60 AA62 AA93 DD19 DD27 GG04 GG07 GG31 GG58 GG62 HH04 HH13 HH14 2F103 BA29 BA33 BA37 BA42 CA02 CA03 DA01 DA12 EA15 EB02 EB04 EB08 EB12 EB15 EB16 EB18 EB21 EB32 EB33 EB37 EC11 FA04 FA18

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と、 この基板上に堆積されて互いに絶縁分離された半導体層
    により形成され、所定ピッチで配列された複数の受光素
    子とを備えたことを特徴とする光スポット位置センサ。
  2. 【請求項2】 前記複数の受光素子は、一次元配列され
    た受光素子アレイを構成していることを特徴とする請求
    項1記載の光スポット位置センサ。
  3. 【請求項3】 前記複数の受光素子は、 前記基板上に第1軸方向に配列された第1の受光素子ア
    レイと、 この第1の受光素子アレイ上に層間絶縁膜を介して形成
    された、第1軸と直交する第2軸方向に配列された第2
    の受光素子アレイとを有することを特徴とする請求項1
    記載の光スポット位置センサ。
  4. 【請求項4】 前記複数の受光素子の出力信号を順次走
    査して光スポット位置を検出する走査検出回路を有する
    ことを特徴とする請求項1記載の光スポット位置セン
    サ。
  5. 【請求項5】 前記複数の受光素子の端子電極が共通に
    接続された出力信号線と、この出力信号線に接続された
    検出回路とを備え、光スポットを光パルスとして与え
    て、この光パルス照射から前記検出回路の検出出力が得
    られるまでの遅延時間により、位置判定を行うようにし
    たことを特徴とする請求項1記載の光スポット位置セン
    サ。
  6. 【請求項6】 測定軸に沿ってスケール目盛りが形成さ
    れたスケールと、このスケールに対して測定軸方向に相
    対移動可能に取り付けられてスケール目盛りを読み取る
    センサヘッドと、前記センサヘッドとスケールとの間の
    相対位置状態を光学的に検出するために前記センサヘッ
    ドに搭載された請求項1〜5のいずれか1項記載の光ス
    ポットセンサが組み込まれた状態検出装置とを備えたこ
    とを特徴とする変位測定装置。
  7. 【請求項7】 前記状態検出装置は、前記センサヘッド
    に設けられた請求項1乃至5のいずれかに記載の光スポ
    ット位置センサと、 前記センサヘッドに設けられて前記スケールを介して前
    記光スポット位置センサに入射される光ビームを出力す
    る光源とを備えて構成されていることを特徴とする請求
    項6記載の変位測定装置。
  8. 【請求項8】 前記状態検出装置は、前記光スポット位
    置センサで検出される光スポットの位置により前記セン
    サヘッドとスケールとの間の傾き及びギャップ並びに前
    記スケールに対する前記センサヘッドの原点位置の少な
    くとも一つを検出する状態検出手段を更に備えたもので
    あることを特徴とする請求項7記載の変位測定装置。
  9. 【請求項9】 前記光スポット位置センサは、干渉縞の
    検出により前記センサヘッドとスケールとの間の平行面
    内での回転を検出するものであることを特徴とする請求
    項7記載の変位測定装置。
  10. 【請求項10】 測定すべきワークと対向配置されて前
    記ワークの表面に沿って前記ワークとは非接触に移動さ
    れるカンチレバーと、このカンチレバーの先端に搭載さ
    れた請求項1〜5のいずれか1項記載の光スポット位置
    センサと、 前記カンチレバーの先端に搭載されて前記ワークを介し
    て前記光スポット位置センサに入射される光ビームを出
    力する光源とを備えてなることを特徴とする変位測定装
    置。
  11. 【請求項11】 前記光源から出力され前記ワークを介
    して前記光スポット位置センサに入射される光ビームの
    前記光スポット位置センサでの検出位置に基づいて前記
    ワークの表面性状を検出する検出手段を更に備えたこと
    を特徴とする請求項10記載の変位測定装置。
  12. 【請求項12】 前記カンチレバーに設けられて前記カ
    ンチレバーの先端を前記ワークとの対向方向に変位させ
    る変位デバイスと、 前記光源から出力され前記ワークを介して前記光スポッ
    ト位置センサに入射される光ビームの前記光スポット位
    置センサでの検出位置が常に一定の位置となるように前
    記変位デバイスをフィードバック制御する変位制御手段
    と、 この変位制御手段の前記変位デバイスへのフィードバッ
    ク信号に基づいて前記ワークの表面性状を検出する検出
    手段とを更に備えたことを特徴とする請求項10記載の
    変位測定装置。
  13. 【請求項13】 前記カンチレバーに設けられて前記カ
    ンチレバーの先端を前記カンチレバーのねじれ方向に変
    位させる変位デバイスと、 前記光源から出力され前記ワークを介して前記光スポッ
    ト位置センサに入射される光ビームの前記光スポット位
    置センサでの検出位置が常に一定の位置となるように前
    記変位デバイスをフィードバック制御する変位制御手段
    と、 この変位制御手段の前記変位デバイスへのフィードバッ
    ク信号に基づいて前記ワークの表面性状を検出する検出
    手段とを更に備えたことを特徴とする請求項10記載の
    変位測定装置。
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