JP3996058B2 - センサヘッド - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子からの光線を測定対象物体に照射し、この測定対象物体からの反射光を受光素子にて検出することにより該測定対象物体の物理量情報（位置、回転角、移動量等）を得るセンサヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
第１図、第２図は特開平０８−２６１７９３号公報に示された従来のエンコーダの説明図であり、第１図は斜視図、第２図は平面図である。図において、１はＶ字型に成形された半導体レーザ、２は２つのホトダイオード、３は屈折率の若干高いコア層３２をクラッド層３３で挟みこんだ３層導波路、５は半導体レーザ１から出射される光線、８０は３層導波路３の垂直面に形成された全反射ミラー、８３は導波路端面に形成された凸状端面、３６は凸状端面８３に形成された段差、５１は凸状端面８３から出射される平行光線、６はエンコーダ本体から離して配置されたスケールである。
【０００３】
次に動作について説明する。
半導体レーザ１から出射される光線５は、３層導波路３のコア層３２に入射し、途中で全反射ミラー８０で反射した後、２次曲線で表わされるレンズ形状を持った凸状端面８３でコリメートされ、第２図に示すような平行光線５１として出射される。この平行光線５１はエンコーダ本体と離して配置された回折格子型のスケール６に入射される。段差３６以外は左右対称に形成されているため、３層導波路３からは２つの平行光線５１が出射されるが、これらがスケール６で重なり、スケール６上で回折した１次回折光がホトダイオード２に入射される。
一方の３層導波路３の半分に段差３６を設けることで、段差３６側から出射される平行光線５１は９０度位相差を有した２種類の光線として出射され、スケール６上で回折するが、それぞれの+１次あるいは-１次回折光は段差３６を有さない凸状端面８３から出射され、前記スケール６で回折した-１次あるいは+１次回折光と干渉し、それぞれ異なるホトダイオード２に入射する。回折格子型のスケール６がピッチ形成方向に１ピッチだけ移動した場合、上述のような＋１次回折光と−１次回折光の干渉信号は２周期分変化するため、１つのホトダイオード２の出力変化を観測することでスケール６の移動量が測定できる。また、両者のホトダイオードで得られる２つの正弦波信号の位相が９０度異なることから、スケール６とエンコーダ本体の相対変位だけでなく方向も検出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のエンコーダは以上のように構成されているので、基板面水平方向の集束機能を持つ３層導波路３を製作する際、コア層３２とクラッド層３３を交互に積み重ねるため、樹脂成形のような一括成形が不可能であり、製作コストが高くなる。また、コア層３２の厚みは通常数μｍ〜数十μｍと薄く、加えて基板垂直方向の集束機能を持たないため、測定対象物体からの反射光を再び３層導波路３に導入する場合、測定対象物体からの反射光を効率良く３層導波路３内に導入できないという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、製作コストのかかる３層導波路を必要としない小型でかつ安価なセンサヘッドを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係るセンサヘッドは、発光素子からの光線を測定対象物体に照射し該測定対象物体からの反射光を受光素子にて検出して、上記測定対象物体の物理量情報を得るセンサヘッドにおいて、上記の発光素子および受光素子を備えた第一の基板と、第二の基板上に一体成形され、上記発光素子からの出射光と上記測定対象物体からの反射光を第二の基板面水平方向に集束する複数の基板面水平方向集束用光学素子（例えばミラーあるいはレンズ）を有する一層の光学構造体と、上記発光素子からの出射光と上記測定対象物体からの反射光を第二の基板面垂直方向に集束し、上記光学構造体と同等の厚みを持つ基板面垂直方向集束用レンズとを備えたことを特徴とする。
このことによって、第二の基板面水平方向に集束する複数の基板面水平方向集束用光学素子（例えばミラーあるいはレンズ）を光学構造体として一括成形で製作できるため、製作コストを低減でき、各基板面水平方向集束用光学素子の小型化と相対位置精度を高くできる。第一の基板あるいは第二の基板上で出射光あるいは検出光が反射すると光信号の損失に繋がるが、第二の基板面垂直方向に集束する基板面垂直方向集束用レンズを配置することで該基板上での反射は抑制できるため、信号対雑音比を向上させることができる等の効果がある。
【０００６】
この発明に係るセンサヘッドは、第一の基板と第二の基板上に作製した光学構造体が少なくとも２つ以上の微小球を介して組み立てたことを特徴とする。
このことによって、第一の基板と第二の基板を組み合わせる際に発光素子の発光点あるいは受光素子の受光面に対する光学構造体の相対位置精度の向上を容易にする効果がある。
この発明に係るセンサヘッドは、微小球は第二の基板の上に設けた円筒状のホルダーにより支持されたことを特徴とする。
この発明に係るセンサヘッドは、第一の基板上に成形された可動板上に発光素子を備えることを特徴とする。
このことによって、第一の基板と第二の基板を組み合わせた後に発光素子の発光点に対する光学構造体の相対位置を最適化し、センサヘッドより出射される光ビームの測定対象物体上のビームスポット形状、径を最適化することが可能であるという効果がある。
この発明に係るセンサヘッドは、光学構造体を樹脂成形する型と基板垂直方向集束用レンズを樹脂成形する型とを組み合わせ、上記の光学構造体とレンズを一括成形したことを特徴とする。
このことによって、光学構造体と第二の基板面垂直方向集束用レンズを一括成形するため、製作コストを低減することができ、各ミラーあるいはレンズの相対位置精度を高くできるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
第３図はこの発明の実施の形態１による光学式距離センサを示す斜視図、第４図はその側面図、第５図はその平面図である。例えばシリコンで作製された基板（第一の基板）１０１上には必要な電気配線１１０と共に、半導体レーザや発光ダイオードのような発光素子１０３が出射光線１０５ａの光軸の高さと基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａの中心軸の高さが概略一致するように、スペーサ１１１を介して設けられ、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）や分割型フォトダイオードなどの位置検出型受光素子１０４がモノリシックに形成されている。
セラミックなどで作成された基板（第二の基板）１０２の下にはフォトリソグラフィ技術、あるいはそれにより派生する樹脂成形により一体成形された集光・偏向機能を持つ基板面水平方向集束用ミラー（基板面水平方向集束用光学素子）１０６ａ〜１０６ｆと光軸偏向用ミラー１０９を備えた光学構造体１１２が設けられている。
全てのミラー面は蒸着などにより反射膜を備えるとともに、光学構造体１１２の他の垂直壁にも外乱光や迷光を防ぐため、反射膜あるいは吸収膜が設けられている。また、出射光線１０５ａ、正反射光線４０１を基板面垂直方向に集束し、基板１０１、基板１０２にて反射、散乱しないように柱状体の基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂが設けられている。
【０００８】
この基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの位置は基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａから出射された出射光線１０５ａの測定対象物体１０８上での正反射光線４０１が、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂに入射されるように配置されている。
この実施の形態１によるセンサヘッドによれば、測定対象物体１０８の法線方向の位置、変位と傾きを測定対象物体１０８からの正反射光線４０１を検出することにより測定する光てこ法を実現することができる。
次に動作について説明する。
発光素子１０３から出射された出射光線１０５ａは基板面水平方向集束用ミラー１０６ａと１０６ｂと基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａにより平行光、あるいは対象物体の測定範囲内で結像するような光線として測定対象物体１０８に照射される。
測定対象物体１０８で反射した光のうち、主に正反射光線４０１が基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂに入射する。正反射光線４０１は基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂと基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆにより集束され、光軸偏向用ミラー１０９にて光軸を９０度折り曲げられた後、位置検出型受光素子１０４に入射する。基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂの曲率と、基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆの曲面形状と光軸に対する傾きは、正反射光線４０１が位置検出型受光素子１０４上で、位置検出型受光素子１０４の有効受光面に対し十分小さく集束されるように設定されている。
【０００９】
測定対象物体１０８が第５図のように角度Φだけ回転すると、出射光線１０５ａの測定対象物体１０８への照射位置付近では、測定対象物体１０８が距離Ｚだけセンサヘッドから遠方に移動する。このとき正反射光線４０１は正反射光線４０１'のように移動し、位置検出型受光素子１０４上への入射位置が距離Ｘだけ変化する。すなわち位置検出型受光素子１０４上の光線入射位置を検出すれば、測定対象物体１０８の回転角と移動量および位置を測定できる。
第６図は測定対象物体からの正反射光線を検出する光てこ法の原理説明図である。発光素子７０１から出射された出射光線７０４は測定対象物体７０３に照射され、正反射光線７０５は位置検出型受光素子７０２に入射する。測定対象物体７０３が図のように回転中心７０７を中心に角度Φだけ回転すると、位置検出型受光素子７０２上の入射位置が正反射光線７０６のようにＸだけ変化する。角度Φの値が小さいとき、測定対象物体７０３の出射光線７０４による照射位置付近での移動量Ｚは（１）式のように近似することができる。
【数１】
また、位置検出型受光素子７０２上の正反射光線入射位置移動量Ｘは（２）式のように書ける。
【数２】
従って、測定対象物体７０３の回転角Φと照射位置付近での移動量Ｚは（３）式、（４）式のように書け、位置検出型受光素子７０２上の光線入射位置を検出すれば、測定対象物体７０３の回転角と移動量および位置を測定できる。
【数３】
そして、この光てこ法の原理に基づくように基板面水平方向集束用ミラー曲面形状の曲率と光軸に対する傾きが設定されている。
【００１０】
以上のように、この実施の形態１によれば、光学構造体１１２をフォトリソグラフィ技術、あるいはそれにより派生する樹脂成形により一体成形できるので、小型化が容易で、極めて高い相対的位置精度で複数の基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆを形成することができる。また、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂは光学構造体１１２に設けられた垂直構造物の少なくとも２面に接するように配置されるため、位置決めが容易で基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆに対する相対位置精度も高くできる。この結果、製作コストのかかる３層導波路を用いることなく、信号対雑音比を向上させたセンサヘッドを小型且つ安価に得ることができる。
第７図は光学構造体１１２の作製工程説明図である。材料にはフォトリソグラフィで使用されるレジスト材料、例えばＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）が用いられている。厚膜レジストの精度良い露光にはＸ線を用いた露光が最適であり、ＬＩＧＡ（ドイツ語の頭文字、ＬＩ：Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ=リソグラフィー、Ｇ：Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ=電気鋳造、Ａ：Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ =成形）という名称で知られるプロセスが適用できる。Ｘ線の直進性が良いため正確な柱状構造体が数百μｍから１ｍｍ程度の厚膜レジストに転写できる。
【００１１】
第７図（ａ）において、基板１０２上にレジスト３０１が配置されている。マスク３０２には基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆとその他の基板面垂直方向に形成される構造物を描写した金などのＸ線吸収膜３０３が備えられている。マスク３０２の上方には真鍮などのＸ線吸収材料で作製されたアパーチャー３０４が設けられ、さらに上方よりＸ線３０５が照射される。レジスト３０１のＸ線吸収膜３０３とアパーチャー３０４に隠れない部分、つまり露光エリア３０６のみがＸ線に照射される。
第７図（ｂ）において、アパーチャー３０４をアパーチャー３０７に交換し、Ｘ線照射方向を４５度傾け照射する。ここでは、露光エリア３０８のみがＸ線３０５に照射される。露光後、現像すれば露光エリア３０６、３０８は除去され、基板１０２上に第７図（ｃ）に示す基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆなどの垂直構造物と光軸偏向用ミラー１０９が一体成形される。
但し、光軸偏向用ミラー１０９を用いない光学式距離センサに対しては第７図（ｂ）の工程は省かれる。ＰＭＭＡは一般には透明樹脂であるので、このあと全てのミラー面は蒸着などにより反射膜を備え、他の垂直壁にも迷光を防ぐため反射膜あるいは吸収膜が設けられる。
【００１２】
また、前記ＬＩＧＡプロセスでは量産性を向上し、製作コストを低減するためにモールディングプロセスが導入可能である。この場合には、現像後の光学構造体１１２を装着した基板に電気鋳造を行って基板表面にＮｉなどの金属を堆積する。鋳造後前記金属を分離すれば該金属に該光学構造体１１２が転写されており、これを雌型として射出成形などの樹脂成形を行えば、樹脂の複製を多数得ることができる。
基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの作製に対しても上記ＬＩＧＡプロセスを適用できる。本実施の形態では柱状体レンズを用いているので、Ｘ線露光は第７図に示した２回の露光とは異なり１回で良い。
基板面垂直方向に集束するレンズ１０７ａ，１０７ｂは光学構造体１１２に設けられた垂直構造物の少なくとも２面に接するように配置されるため、位置決めが容易で基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆに対する相対位置精度も高い。固定には配置精度を維持するため粘性の低い紫外線硬化樹脂接着剤を用いるのが望ましい。
基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂを備えた光学構造体１１２および基板１０２は、発光素子１０３、位置検出型受光素子１０４を備えた基板１０１に位置決めマーク（図示はしていない）などを用いて組み合わされる。固定には配置精度を維持するため、粘性の低い紫外線硬化樹脂接着剤を用いるのが望ましい。
本実施の形態１においては基板面水平方向集束用ミラーの枚数は、出射光線１０５ａの集束用に２枚、正反射光線４０１の集束用に４枚備えられているが、それぞれ１枚以上であればこれに限るものではない。また、凹面ミラーのみではなく、凹面ミラーと凸面ミラーとの組み合わせにより、全体として高精度の基板面水平方向集束用光学素子を構成するようにしても良い。
【００１３】
実施の形態２．
第８図はこの発明の実施の形態２によるセンサヘッドを示す平面図である。基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの位置は基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａから出射された出射光線１０５ａの測定対象物体８０２上での正反射光線４０１が、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂに入射されるように配置されている。
この実施の形態２では、測定対象物体８０２は例えば矩形開口が備えられたスケール板であり、このスケール板の矢印方向の移動量、移動速度を測定することができる。スケール板は第９図に示すように、ガラスなどの透明板にクロムなどの反射膜８０３を塗布した後、電子描画技術によりエッチングされた開口８０４が設けられる。従って、照射光８０５の位置により反射光量、透過光量の比率が変化する。また、基板１０１に備えられる受光素子８０１は位置検出型ではなく、単一受光面を持つフォトダイオードやフォトトランジスタでも良い。
【００１４】
次に動作について説明する。
発光素子１０３から出射された出射光線１０５ａは、基板面水平方向集束用ミラー１０６ａと１０６ｂと基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａとにより平行光、あるいは対象物体上で結像するような光線として測定対象物体８０２に照射される。このとき測定対象物体８０２に対する照射位置により正反射光線４０１の光量が変化する。
測定対象物体８０２としてのスケールからの正反射光線４０１は基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂと基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆにより集束され、光軸偏向用ミラー１０９にて光軸を９０度折り曲げられた後、受光素子８０１に入射する。基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂの曲率と、基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆの曲面形状と光軸に対する傾きは、正反射光線４０１が受光素子８０１上で、受光素子８０１の有効受光面に対し十分小さく集束されるように設定されている。
【００１５】
測定対象物体８０２の第８図中矢印方向への移動による正反射光線４０１の光量の変化は、受光素子８０１の出力信号で観測できる。この出力信号は矩形波あるいは擬似正弦波などの周期的な出力となる。出力信号の波数をＭ、測定対象物体８０２であるスケールの開口８０４の配列周期をＰとした場合、移動量Ｚは（５）式のように書け、波数Ｍを測定すれば、移動量Ｚを測定できる。また、観測波の時間周期から移動速度が測定できる。
【数４】
受光素子８０１が入射光線の位置情報と入射光量を同時に測定できる例えばＰＳＤのような位置検出型受光素子の場合、測定対象物体８０２の移動方向に垂直方向のぶれ量を同時に測定することができる。
【００１６】
第８図における測定対象物体８０２は長方形のスケール板であるが、同様に矩形開口８０４が円周方向に並んでいる円形スケール板を用いても良い。この場合は回転移動量と回転速度を検出することができる。
以上のように、実施の形態２によれば、光学構造体１１２をフォトリソグラフィ技術、あるいはそれにより派生する樹脂成形により一体成形できるので小型化が容易で、極めて高い相対的位置精度で複数の基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆを形成することができる。また、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂは光学構造体１１２に設けられた垂直構造物の少なくとも２面に接するように配置されるため、位置決めが容易で基板面水平方向集束用ミラーに対する相対位置精度も高くできる。
【００１７】
実施の形態３．
第１０図はこの発明の実施の形態３によるセンサヘッドを示す斜視図である。発光素子１０３を備えた基板９０１と受光素子８０１を備えた基板９０２を組み合わせた積層基板によって、実施の形態１，２に示した基板（第一の基板）１０１と同様な機能を実現している。基板９０１と基板９０２の電気的接続は金属ワイヤー１１３にて行っている。つまり、実施の形態１，２と異なり、受光素子８０１はモノリシック形成されなくとも良い。
また、ここでは発光素子１０３に半導体レーザを用いている。このとき光軸偏向ミラー１０９とフォトダイオードやフォトトランジスタのような受光素子９０３を加えることにより、出射光線１０５ａと逆方向に進む光線９０４の光量を検出できる。出射光線１０５ａの光量と光線９０４の光量は比例関係にあるので、光線９０４の光量を制御することでセンサヘッドから出射される出射光線１０５ａの光量を制御することが可能となる。なお、上記受光素子８０１，９０３の高さは光学構造体１１２への接触を避けるため基板９０１より低く設定されている。
以上のように、この実施の形態３によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００１８】
実施の形態４．
第１１図はこの発明の実施の形態４によるセンサヘッドを示す斜視図である。この実施の形態のセンサヘッドでは、発光素子１０３と受光素子８０１を備えた基板１０１は、光学構造体１１２を備えた基板１０２の側方から組み合わされており、発光素子１０３には垂直共振型の半導体レーザを用いている。
従って、光学構造体１１２中に実施の形態１，２に記載のような光軸偏向用ミラー１０９は必要ない。発光素子１０３と受光素子８０１の電気入出力は図示していないが、電気配線と金属ワイヤーにより行われる。また、外乱光を防ぐために光学構造体１１２上に基板１０２と同程度の大きさの、シリコンなどの板を被せても良い。垂直共振型の半導体レーザは一般に、光放射面積が広いためビーム放射角が狭く、また円形ビームを有するためビーム整形用の光学系設計が容易になる。
以上のように、この実施の形態４によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００１９】
実施の形態５．
第１２図はこの発明の実施の形態５によるセンサヘッドを示す側面図である。発光素子１０３には垂直共振型の半導体レーザを用い、この発光素子１０３の上方に、光軸偏向用ミラー１０９が備えられ、発光素子１０３から出射した出射光線１０５ａは光軸偏向ミラー１０９によりその進行方向を９０度偏向するようになっている。
以上のように、この実施の形態５によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２０】
実施の形態６．
第１３図はこの発明の実施の形態６によるセンサヘッドを示す平面図である。光学構造体１１２には基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆ、光軸偏向用ミラー１０９と共に基板面水平方向に集光機能を持つ基板面水平方向集束用レンズ（基板面水平方向集束用レンズ）１２０１ａ，１２０１ｂが一体成形されている。本実施の形態６の場合、正反射光線４０１を基板面水平方向に集束する機能を主に基板面水平方向集束用レンズ１２０１ａ，１２０１ｂに持たせることが可能である。設定によっては基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆの一部あるいは全部は平面ミラーであっても良い。
本実施の形態６の場合、光学構造体１１２は正反射光線４０１が透過するＰＭＭＡなどの透明樹脂が良い。基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆ、光軸偏向用ミラー１０９は蒸着などにより反射膜を備える必要があるが、反射膜作製時には基板面水平方向集束用レンズ１２０１ａ，１２０１ｂへの反射膜塗布を防ぐために、光学構造体１１２上に真鍮などで作製したマスクを備える必要がある。
【００２１】
基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂから受光素子８０１までの光路長を長くする必要があるときは、基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆは光学構造体１１２の小型化に有効であるが、上記光路長を長くする必要がないときなどは基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆは必要なく、基板面水平方向集束用レンズ１２０１ａ，１２０１ｂのみで正反射光線４０１を基板面水平方向に集束することができる。また、出射光線１０５ａを基板面水平方向に集束する基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ，１０６ｂの代替として基板面水平方向集束用レンズを用いることも可能である。
以上のように、この実施の形態６によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２２】
実施の形態７．
第１４図はこの発明の実施の形態７によるセンサヘッドの組み付け工程説明図、第１５図はその組み付け工程説明の分解斜視図、第１６図は組み付け工程の説明図である。第１４図のように例えばシリコンにて作製された基板９０１には、発光素子１０３の発光点１３０４を挟む対向地点に、ウエットエッチングなどで作製された正四角錐形状あるいは正円錐形状の溝１３０１が備えられ、第１５図のように光学構造体１１２には円筒状の微小球ホルダー１３０３が備えられている。
溝１３０１の開口中心軸と対応する微小球ホルダー１３０３の開口中心軸は、所望の組み合わせを行ったときに一致するように設定されている。微小球ホルダー１３０３の内径は挿入される微小球１３０２の直径より若干小さく設定されているが、図示のように４箇所に割が入っているため、挿入時に微小球ホルダー１３０３の内径は微小球１３０２の直径まで広がると共に微小球１３０２を保持する力が均等に発生する。
まず、第１６図（ａ）に示すように、溝１３０１に微小球１３０２が挿入される。このとき、微小球１３０２の大きさは微小球１３０２が溝１３０１の底面あるいは開口部ではなく、側面のみに接触するよう設定されている。従って、微小球１３０２の中心と溝１３０１の開口中心は基板９０１の基板面水平方向に対して位置が一致する。また、微小球１３０２の半分以上の高さが基板９０１表面から突き出た状態になっている。
【００２３】
この後、第１６図（ｂ）に示すように、光学構造体１１２および基板１０２が微小球ホルダー１３０３に微小球１３０２が挿入されるよう組み合わされる。最後に第１６図（ｃ）に示すように、基板１０２上面から力を加えて組立てを完了する。
微小球ホルダー１３０３を構成する４個の構造物の寸法は全て等しいので、微小球１３０２挿入時の広がりはほぼ等しく、基板９０１の基板面水平方向の微小球１３０２の中心位置と微小球ホルダー１３０３の開口中心位置は概略一致する。従って、溝１３０１の開口中心軸と対応する微小球ホルダー１３０３の開口中心軸は概略一致し、発光素子１０３の発光点１３０４に対する光学構造体１１２の相対位置精度の向上を容易にする。
このように微小球１３０２を介して基板９０１と光学構造体１１２を組み合わせる場合、第１６図（ａ）における基板９０１と光学構造体１１２の水平方向の相対位置ずれが多くとも微小球１３０２の半径未満であれば、光学構造体１１２と微小球１３０２の接触後、緩やかに押していけば微小球１３０２の球面に沿って、おのずと所望の位置に導かれ、センサヘッドの組立てを容易にする。
【００２４】
本実施の形態７では微小球１３０２を先に溝１３０１に配置し、光学構造体１１２を組み合わせたが、微小球１３０２を先に微小球ホルダー１３０３に挿入しても同様の効果が得られる。ただし、微小球１３０２の微小球ホルダー１３０３からの突出高さは、予め設定されている溝１３０１への微小球１３０２の埋め込み深さより、長い必要がある。
溝１３０１、微小球１３０２、微小球ホルダー１３０３の対の数は２つ以上であればよい。また、微小球ホルダー１３０３に設けられる割の数も１つ以上であればよいが、微小球１３０２挿入時の微小球ホルダー１３０３の広がりが、その中心軸を中心に均等に広がる構造が望ましい。
本実施の形態７においては、発光素子１０３を備えた基板９０１と受光素子８０１，９０３を備えた基板９０２を組み合わせたセンサヘッドにて説明したが、実施の形態１のようにこれらが一体になった場合のセンサヘッドに対しても同様のことができる。
以上のように、この実施の形態７によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２５】
実施の形態８．
第１７図はこの発明の実施の形態８によるセンサヘッドを示す平面図、第１８図は第１７図のＡ−Ａ'線に沿う拡大横断面図である。発光素子１０３はスペーサ１１１を介して可動板１４０４上に配置されている。可動板１４０４は固定部１４０２に接続された２本の梁１４０３によって保持されている。可動板１４０４付近にはある隙間を持って固定電極１４０１ａ、１４０１ｂが配置されている。それぞれの電極上面には金などの導電性薄膜１４０５が供えられている。基板１０１あるいは９０１は例えばシリコンなどの基礎基板１４０６と酸化シリコンなどの絶縁膜１４０７、不純物を充填した多結晶シリコンのような導電膜１４０８から構成されている。
固定部１４０２と固定電極１４０１ａ，１４０１ｂに導電性薄膜１４０５を介して、それぞれ適当な電位差を与えることで、固定電極１４０１ａ，１４０１ｂと可動板１４０４の間に働く静電力が発生し可動板１４０４を図中矢印方向に変位させることができる。
つまり、発光素子１０３が可動となるので、発光素子１０３の光学構造体１１２に対する相対位置精度の向上を容易にする。最適位置に発光素子１０３を固定した状態で、絶縁性接着剤を可動板１４０４に塗布し固定すれば上述電位差は必要ない。なお、図示していないが、導電性薄膜１４０５、発光素子１０３への電気入力は電気配線と金属ワイヤーなどにより行われる。
【００２６】
次に本実施の形態８における固定部１４０２、固定電極１４０１ａ、１４０１ｂ、梁１４０３、可動板１４０４の製造方法を説明する。基礎基板１４０６に絶縁膜１４０７、導電膜１４０８を設けて基板１０１あるいは９０１を構成する。そして、導電膜１４０８のみを反応性イオンエッチングなどでエッチングし、固定部１４０２、固定電極１４０１ａ、１４０１ｂ、梁１４０３、可動板１４０４を絶縁膜１４０７上に形成する。
次にウエットエッチングにより絶縁膜１４０７の等方性エッチングを行い、梁１４０３および可動板１４０４下の絶縁膜１４０７が除去された時点でエッチングを終了する。梁１４０３の形状がばね状になっているため、可動板１４０４は基板水平方向に変位することが可能になる。
以上のように、この実施の形態８によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２７】
実施の形態９．
第１９図はこの発明の実施の形態９によるセンサヘッドを示す斜視図である。光学構造体１１２上には発光素子１０３の出射光線１０５ａの光軸高さと基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａの中心軸の高さが概略一致するよう他構造体と同様に一体成形にて作製されたスペーサ１５０１と、電気入出力に必要な電気配線１１０とが設けられている。
発光素子１０３、受光素子８０１、９０３は光学構造体１１２に直接搭載され、前記実施の形態に記載の基板１０１あるいは９０１，９０２の機能を光学構造体１１２自体が保有している。基板１０１あるいは９０１，９０２が必要なくなるため、センサヘッドの小型化、製作コストを低減する事ができる。
外乱光を防ぐために光学構造体１１２上に基板１０２と同程度の大きさの、シリコンなどの板を被せても良い。また、光学構造体１１２上に発光素子１０３，受光素子８０１，９０３の位置決めを容易にする凹溝を設けても良い。
以上のように、この実施の形態８によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２８】
実施の形態１０．
第２０図はこの発明の実施の形態１０によるセンサヘッドの作製工程の説明図である。基板１０２上の光学構造体１１２と垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂは、樹脂成形にて別々に作製し組み合わせることもできるが、本実施の形態１０においては、各々の樹脂成形用の型を組み合わせることで一括成形にて両者を作製する。
まず、第２０図（ａ）において、基板１０２上には例えばＰＭＭＡなどの樹脂１６０３が備えられ、ＰＭＭＡのガラス転移温度以上に加熱された後、光学構造体用の型１６０１を押しつける。このとき樹脂１６０３には離型を容易にするために離型剤を適量添加するのが望ましい。この方法はホットエンボッシング法として知られている。
次いで、第２０図（ｂ）のように垂直方向集束用レンズ用の型１６０２が基板側方から押しつけられると、第２０図（ｃ）に示されるように、２つの型１６０１と１６０２はそれぞれに設けられた凹凸構造によって精度良く位置決めされる。最後に樹脂１６０３を冷却、凝固させて型１６０２、１６０１を順次離型することにより、第２０図（ｄ）に示すように、光学構造体１１２と垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂが得られる。光学構造体１１２と垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂを一括成形するため、製作コストを低減することができ、各ミラーあるいはレンズの相対位置精度を高くできる。
【００２９】
本実施の形態１０によるセンサヘッドにおいては、垂直方向集束用レンズ１０７ａおよび１０７ｂの形状は、型１６０１の離型を可能にするためにセンサヘッド内側は平面とし、センサヘッドから出射される光線、あるいは入射する光線を集束するために、センサヘッド外側は凸面に設定する。
ホットエンボッシング法の他に、樹脂の粘度を下げて雌型に樹脂を注入する射出成形も、雌型１６０１と１６０２を組み合わせることで適用することができ、本実施の形態１０と同様に光学構造体１１２と垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂを一括成形できる。
以上のように、実施の形態１０によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように、この発明に係るセンサヘッドは、発光素子からの光線を測定対象物体に照射し、この測定対象物体からの反射光を受光素子にて検出することにより該測定対象物体の物理量情報を得るのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】 従来のエンコーダを示す斜視図である。
【図２】 その平面図である。
【図３】 この発明の実施の形態１によるセンサヘッドの斜視図である。
【図４】 その側面図である。
【図５】 その平面図である。
【図６】 実施の形態１によるセンサヘッドで測定対象物体からの正反射光線を検出する光てこ法の原理説明図である。
【図７】 光学構造体の作製工程の説明図である。
【図８】 この発明の実施の形態２によるセンサヘッドの平面図である。
【図９】 スケール板の正面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態３によるセンサヘッドの斜視図である。
【図１１】 この発明の実施の形態４によるセンサヘッドの斜視図である。
【図１２】 この発明の実施の形態５によるセンサヘッドの側面図である。
【図１３】 この発明の実施の形態６によるセンサヘッドの平面図である。
【図１４】 この発明の実施の形態７による組み付け工程の説明図である。
【図１５】 光学構造体の組み付け工程の説明図である。
【図１６】 組み付け工程の説明図である。
【図１７】 この発明の実施の形態８によるセンサヘッドの平面図である。
【図１８】 第１７図のＡ−Ａ'線に沿う拡大横断面図である。
【図１９】 この発明の実施の形態９によるセンサヘッドの斜視図である。
【図２０】 この発明の実施の形態１０によるセンサヘッドの作製工程の説明図である。
【０００１】
この発明は、発光素子からの光線を測定対象物体に照射し、この測定対象物体からの反射光を受光素子にて検出することにより該測定対象物体の物理量情報（位置、回転角、移動量等）を得るセンサヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
第１図、第２図は特開平０８−２６１７９３号公報に示された従来のエンコーダの説明図であり、第１図は斜視図、第２図は平面図である。図において、１はＶ字型に成形された半導体レーザ、２は２つのホトダイオード、３は屈折率の若干高いコア層３２をクラッド層３３で挟みこんだ３層導波路、５は半導体レーザ１から出射される光線、８０は３層導波路３の垂直面に形成された全反射ミラー、８３は導波路端面に形成された凸状端面、３６は凸状端面８３に形成された段差、５１は凸状端面８３から出射される平行光線、６はエンコーダ本体から離して配置されたスケールである。
【０００３】
次に動作について説明する。
半導体レーザ１から出射される光線５は、３層導波路３のコア層３２に入射し、途中で全反射ミラー８０で反射した後、２次曲線で表わされるレンズ形状を持った凸状端面８３でコリメートされ、第２図に示すような平行光線５１として出射される。この平行光線５１はエンコーダ本体と離して配置された回折格子型のスケール６に入射される。段差３６以外は左右対称に形成されているため、３層導波路３からは２つの平行光線５１が出射されるが、これらがスケール６で重なり、スケール６上で回折した１次回折光がホトダイオード２に入射される。
一方の３層導波路３の半分に段差３６を設けることで、段差３６側から出射される平行光線５１は９０度位相差を有した２種類の光線として出射され、スケール６上で回折するが、それぞれの+１次あるいは-１次回折光は段差３６を有さない凸状端面８３から出射され、前記スケール６で回折した-１次あるいは+１次回折光と干渉し、それぞれ異なるホトダイオード２に入射する。回折格子型のスケール６がピッチ形成方向に１ピッチだけ移動した場合、上述のような＋１次回折光と−１次回折光の干渉信号は２周期分変化するため、１つのホトダイオード２の出力変化を観測することでスケール６の移動量が測定できる。また、両者のホトダイオードで得られる２つの正弦波信号の位相が９０度異なることから、スケール６とエンコーダ本体の相対変位だけでなく方向も検出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のエンコーダは以上のように構成されているので、基板面水平方向の集束機能を持つ３層導波路３を製作する際、コア層３２とクラッド層３３を交互に積み重ねるため、樹脂成形のような一括成形が不可能であり、製作コストが高くなる。また、コア層３２の厚みは通常数μｍ〜数十μｍと薄く、加えて基板垂直方向の集束機能を持たないため、測定対象物体からの反射光を再び３層導波路３に導入する場合、測定対象物体からの反射光を効率良く３層導波路３内に導入できないという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、製作コストのかかる３層導波路を必要としない小型でかつ安価なセンサヘッドを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係るセンサヘッドは、発光素子からの光線を測定対象物体に照射し該測定対象物体からの反射光を受光素子にて検出して、上記測定対象物体の物理量情報を得るセンサヘッドにおいて、上記の発光素子および受光素子を備えた第一の基板と、第二の基板上に一体成形され、上記発光素子からの出射光と上記測定対象物体からの反射光を第二の基板面水平方向に集束する複数の基板面水平方向集束用光学素子（例えばミラーあるいはレンズ）を有する一層の光学構造体と、上記発光素子からの出射光と上記測定対象物体からの反射光を第二の基板面垂直方向に集束し、上記光学構造体と同等の厚みを持つ基板面垂直方向集束用レンズとを備えたことを特徴とする。
このことによって、第二の基板面水平方向に集束する複数の基板面水平方向集束用光学素子（例えばミラーあるいはレンズ）を光学構造体として一括成形で製作できるため、製作コストを低減でき、各基板面水平方向集束用光学素子の小型化と相対位置精度を高くできる。第一の基板あるいは第二の基板上で出射光あるいは検出光が反射すると光信号の損失に繋がるが、第二の基板面垂直方向に集束する基板面垂直方向集束用レンズを配置することで該基板上での反射は抑制できるため、信号対雑音比を向上させることができる等の効果がある。
【０００６】
この発明に係るセンサヘッドは、第一の基板と第二の基板上に作製した光学構造体が少なくとも２つ以上の微小球を介して組み立てたことを特徴とする。
このことによって、第一の基板と第二の基板を組み合わせる際に発光素子の発光点あるいは受光素子の受光面に対する光学構造体の相対位置精度の向上を容易にする効果がある。
この発明に係るセンサヘッドは、微小球は第二の基板の上に設けた円筒状のホルダーにより支持されたことを特徴とする。
この発明に係るセンサヘッドは、第一の基板上に成形された可動板上に発光素子を備えることを特徴とする。
このことによって、第一の基板と第二の基板を組み合わせた後に発光素子の発光点に対する光学構造体の相対位置を最適化し、センサヘッドより出射される光ビームの測定対象物体上のビームスポット形状、径を最適化することが可能であるという効果がある。
この発明に係るセンサヘッドは、光学構造体を樹脂成形する型と基板垂直方向集束用レンズを樹脂成形する型とを組み合わせ、上記の光学構造体とレンズを一括成形したことを特徴とする。
このことによって、光学構造体と第二の基板面垂直方向集束用レンズを一括成形するため、製作コストを低減することができ、各ミラーあるいはレンズの相対位置精度を高くできるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
第３図はこの発明の実施の形態１による光学式距離センサを示す斜視図、第４図はその側面図、第５図はその平面図である。例えばシリコンで作製された基板（第一の基板）１０１上には必要な電気配線１１０と共に、半導体レーザや発光ダイオードのような発光素子１０３が出射光線１０５ａの光軸の高さと基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａの中心軸の高さが概略一致するように、スペーサ１１１を介して設けられ、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）や分割型フォトダイオードなどの位置検出型受光素子１０４がモノリシックに形成されている。
セラミックなどで作成された基板（第二の基板）１０２の下にはフォトリソグラフィ技術、あるいはそれにより派生する樹脂成形により一体成形された集光・偏向機能を持つ基板面水平方向集束用ミラー（基板面水平方向集束用光学素子）１０６ａ〜１０６ｆと光軸偏向用ミラー１０９を備えた光学構造体１１２が設けられている。
全てのミラー面は蒸着などにより反射膜を備えるとともに、光学構造体１１２の他の垂直壁にも外乱光や迷光を防ぐため、反射膜あるいは吸収膜が設けられている。また、出射光線１０５ａ、正反射光線４０１を基板面垂直方向に集束し、基板１０１、基板１０２にて反射、散乱しないように柱状体の基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂが設けられている。
【０００８】
この基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの位置は基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａから出射された出射光線１０５ａの測定対象物体１０８上での正反射光線４０１が、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂに入射されるように配置されている。
この実施の形態１によるセンサヘッドによれば、測定対象物体１０８の法線方向の位置、変位と傾きを測定対象物体１０８からの正反射光線４０１を検出することにより測定する光てこ法を実現することができる。
次に動作について説明する。
発光素子１０３から出射された出射光線１０５ａは基板面水平方向集束用ミラー１０６ａと１０６ｂと基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａにより平行光、あるいは対象物体の測定範囲内で結像するような光線として測定対象物体１０８に照射される。
測定対象物体１０８で反射した光のうち、主に正反射光線４０１が基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂに入射する。正反射光線４０１は基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂと基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆにより集束され、光軸偏向用ミラー１０９にて光軸を９０度折り曲げられた後、位置検出型受光素子１０４に入射する。基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂの曲率と、基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆの曲面形状と光軸に対する傾きは、正反射光線４０１が位置検出型受光素子１０４上で、位置検出型受光素子１０４の有効受光面に対し十分小さく集束されるように設定されている。
【０００９】
測定対象物体１０８が第５図のように角度Φだけ回転すると、出射光線１０５ａの測定対象物体１０８への照射位置付近では、測定対象物体１０８が距離Ｚだけセンサヘッドから遠方に移動する。このとき正反射光線４０１は正反射光線４０１'のように移動し、位置検出型受光素子１０４上への入射位置が距離Ｘだけ変化する。すなわち位置検出型受光素子１０４上の光線入射位置を検出すれば、測定対象物体１０８の回転角と移動量および位置を測定できる。
第６図は測定対象物体からの正反射光線を検出する光てこ法の原理説明図である。発光素子７０１から出射された出射光線７０４は測定対象物体７０３に照射され、正反射光線７０５は位置検出型受光素子７０２に入射する。測定対象物体７０３が図のように回転中心７０７を中心に角度Φだけ回転すると、位置検出型受光素子７０２上の入射位置が正反射光線７０６のようにＸだけ変化する。角度Φの値が小さいとき、測定対象物体７０３の出射光線７０４による照射位置付近での移動量Ｚは（１）式のように近似することができる。
【数１】
【数２】
【数３】
【００１０】
以上のように、この実施の形態１によれば、光学構造体１１２をフォトリソグラフィ技術、あるいはそれにより派生する樹脂成形により一体成形できるので、小型化が容易で、極めて高い相対的位置精度で複数の基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆを形成することができる。また、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂは光学構造体１１２に設けられた垂直構造物の少なくとも２面に接するように配置されるため、位置決めが容易で基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆに対する相対位置精度も高くできる。この結果、製作コストのかかる３層導波路を用いることなく、信号対雑音比を向上させたセンサヘッドを小型且つ安価に得ることができる。
第７図は光学構造体１１２の作製工程説明図である。材料にはフォトリソグラフィで使用されるレジスト材料、例えばＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）が用いられている。厚膜レジストの精度良い露光にはＸ線を用いた露光が最適であり、ＬＩＧＡ（ドイツ語の頭文字、ＬＩ：Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ=リソグラフィー、Ｇ：Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ=電気鋳造、Ａ：Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ =成形）という名称で知られるプロセスが適用できる。Ｘ線の直進性が良いため正確な柱状構造体が数百μｍから１ｍｍ程度の厚膜レジストに転写できる。
【００１１】
第７図（ａ）において、基板１０２上にレジスト３０１が配置されている。マスク３０２には基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆとその他の基板面垂直方向に形成される構造物を描写した金などのＸ線吸収膜３０３が備えられている。マスク３０２の上方には真鍮などのＸ線吸収材料で作製されたアパーチャー３０４が設けられ、さらに上方よりＸ線３０５が照射される。レジスト３０１のＸ線吸収膜３０３とアパーチャー３０４に隠れない部分、つまり露光エリア３０６のみがＸ線に照射される。
第７図（ｂ）において、アパーチャー３０４をアパーチャー３０７に交換し、Ｘ線照射方向を４５度傾け照射する。ここでは、露光エリア３０８のみがＸ線３０５に照射される。露光後、現像すれば露光エリア３０６、３０８は除去され、基板１０２上に第７図（ｃ）に示す基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆなどの垂直構造物と光軸偏向用ミラー１０９が一体成形される。
但し、光軸偏向用ミラー１０９を用いない光学式距離センサに対しては第７図（ｂ）の工程は省かれる。ＰＭＭＡは一般には透明樹脂であるので、このあと全てのミラー面は蒸着などにより反射膜を備え、他の垂直壁にも迷光を防ぐため反射膜あるいは吸収膜が設けられる。
【００１２】
また、前記ＬＩＧＡプロセスでは量産性を向上し、製作コストを低減するためにモールディングプロセスが導入可能である。この場合には、現像後の光学構造体１１２を装着した基板に電気鋳造を行って基板表面にＮｉなどの金属を堆積する。鋳造後前記金属を分離すれば該金属に該光学構造体１１２が転写されており、これを雌型として射出成形などの樹脂成形を行えば、樹脂の複製を多数得ることができる。
基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの作製に対しても上記ＬＩＧＡプロセスを適用できる。本実施の形態では柱状体レンズを用いているので、Ｘ線露光は第７図に示した２回の露光とは異なり１回で良い。
基板面垂直方向に集束するレンズ１０７ａ，１０７ｂは光学構造体１１２に設けられた垂直構造物の少なくとも２面に接するように配置されるため、位置決めが容易で基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆに対する相対位置精度も高い。固定には配置精度を維持するため粘性の低い紫外線硬化樹脂接着剤を用いるのが望ましい。
基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂを備えた光学構造体１１２および基板１０２は、発光素子１０３、位置検出型受光素子１０４を備えた基板１０１に位置決めマーク（図示はしていない）などを用いて組み合わされる。固定には配置精度を維持するため、粘性の低い紫外線硬化樹脂接着剤を用いるのが望ましい。
本実施の形態１においては基板面水平方向集束用ミラーの枚数は、出射光線１０５ａの集束用に２枚、正反射光線４０１の集束用に４枚備えられているが、それぞれ１枚以上であればこれに限るものではない。また、凹面ミラーのみではなく、凹面ミラーと凸面ミラーとの組み合わせにより、全体として高精度の基板面水平方向集束用光学素子を構成するようにしても良い。
【００１３】
実施の形態２．
第８図はこの発明の実施の形態２によるセンサヘッドを示す平面図である。基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの位置は基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａから出射された出射光線１０５ａの測定対象物体８０２上での正反射光線４０１が、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂに入射されるように配置されている。
この実施の形態２では、測定対象物体８０２は例えば矩形開口が備えられたスケール板であり、このスケール板の矢印方向の移動量、移動速度を測定することができる。スケール板は第９図に示すように、ガラスなどの透明板にクロムなどの反射膜８０３を塗布した後、電子描画技術によりエッチングされた開口８０４が設けられる。従って、照射光８０５の位置により反射光量、透過光量の比率が変化する。また、基板１０１に備えられる受光素子８０１は位置検出型ではなく、単一受光面を持つフォトダイオードやフォトトランジスタでも良い。
【００１４】
次に動作について説明する。
発光素子１０３から出射された出射光線１０５ａは、基板面水平方向集束用ミラー１０６ａと１０６ｂと基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａとにより平行光、あるいは対象物体上で結像するような光線として測定対象物体８０２に照射される。このとき測定対象物体８０２に対する照射位置により正反射光線４０１の光量が変化する。
測定対象物体８０２としてのスケールからの正反射光線４０１は基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂと基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆにより集束され、光軸偏向用ミラー１０９にて光軸を９０度折り曲げられた後、受光素子８０１に入射する。基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂの曲率と、基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆの曲面形状と光軸に対する傾きは、正反射光線４０１が受光素子８０１上で、受光素子８０１の有効受光面に対し十分小さく集束されるように設定されている。
【００１５】
測定対象物体８０２の第８図中矢印方向への移動による正反射光線４０１の光量の変化は、受光素子８０１の出力信号で観測できる。この出力信号は矩形波あるいは擬似正弦波などの周期的な出力となる。出力信号の波数をＭ、測定対象物体８０２であるスケールの開口８０４の配列周期をＰとした場合、移動量Ｚは（５）式のように書け、波数Ｍを測定すれば、移動量Ｚを測定できる。また、観測波の時間周期から移動速度が測定できる。
【数４】
【００１６】
第８図における測定対象物体８０２は長方形のスケール板であるが、同様に矩形開口８０４が円周方向に並んでいる円形スケール板を用いても良い。この場合は回転移動量と回転速度を検出することができる。
以上のように、実施の形態２によれば、光学構造体１１２をフォトリソグラフィ技術、あるいはそれにより派生する樹脂成形により一体成形できるので小型化が容易で、極めて高い相対的位置精度で複数の基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆを形成することができる。また、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂは光学構造体１１２に設けられた垂直構造物の少なくとも２面に接するように配置されるため、位置決めが容易で基板面水平方向集束用ミラーに対する相対位置精度も高くできる。
【００１７】
実施の形態３．
第１０図はこの発明の実施の形態３によるセンサヘッドを示す斜視図である。発光素子１０３を備えた基板９０１と受光素子８０１を備えた基板９０２を組み合わせた積層基板によって、実施の形態１，２に示した基板（第一の基板）１０１と同様な機能を実現している。基板９０１と基板９０２の電気的接続は金属ワイヤー１１３にて行っている。つまり、実施の形態１，２と異なり、受光素子８０１はモノリシック形成されなくとも良い。
また、ここでは発光素子１０３に半導体レーザを用いている。このとき光軸偏向ミラー１０９とフォトダイオードやフォトトランジスタのような受光素子９０３を加えることにより、出射光線１０５ａと逆方向に進む光線９０４の光量を検出できる。出射光線１０５ａの光量と光線９０４の光量は比例関係にあるので、光線９０４の光量を制御することでセンサヘッドから出射される出射光線１０５ａの光量を制御することが可能となる。なお、上記受光素子８０１，９０３の高さは光学構造体１１２への接触を避けるため基板９０１より低く設定されている。
以上のように、この実施の形態３によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００１８】
実施の形態４．
第１１図はこの発明の実施の形態４によるセンサヘッドを示す斜視図である。この実施の形態のセンサヘッドでは、発光素子１０３と受光素子８０１を備えた基板１０１は、光学構造体１１２を備えた基板１０２の側方から組み合わされており、発光素子１０３には垂直共振型の半導体レーザを用いている。
従って、光学構造体１１２中に実施の形態１，２に記載のような光軸偏向用ミラー１０９は必要ない。発光素子１０３と受光素子８０１の電気入出力は図示していないが、電気配線と金属ワイヤーにより行われる。また、外乱光を防ぐために光学構造体１１２上に基板１０２と同程度の大きさの、シリコンなどの板を被せても良い。垂直共振型の半導体レーザは一般に、光放射面積が広いためビーム放射角が狭く、また円形ビームを有するためビーム整形用の光学系設計が容易になる。
以上のように、この実施の形態４によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００１９】
実施の形態５．
第１２図はこの発明の実施の形態５によるセンサヘッドを示す側面図である。発光素子１０３には垂直共振型の半導体レーザを用い、この発光素子１０３の上方に、光軸偏向用ミラー１０９が備えられ、発光素子１０３から出射した出射光線１０５ａは光軸偏向ミラー１０９によりその進行方向を９０度偏向するようになっている。
以上のように、この実施の形態５によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２０】
実施の形態６．
第１３図はこの発明の実施の形態６によるセンサヘッドを示す平面図である。光学構造体１１２には基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆ、光軸偏向用ミラー１０９と共に基板面水平方向に集光機能を持つ基板面水平方向集束用レンズ（基板面水平方向集束用レンズ）１２０１ａ，１２０１ｂが一体成形されている。本実施の形態６の場合、正反射光線４０１を基板面水平方向に集束する機能を主に基板面水平方向集束用レンズ１２０１ａ，１２０１ｂに持たせることが可能である。設定によっては基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆの一部あるいは全部は平面ミラーであっても良い。
本実施の形態６の場合、光学構造体１１２は正反射光線４０１が透過するＰＭＭＡなどの透明樹脂が良い。基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ〜１０６ｆ、光軸偏向用ミラー１０９は蒸着などにより反射膜を備える必要があるが、反射膜作製時には基板面水平方向集束用レンズ１２０１ａ，１２０１ｂへの反射膜塗布を防ぐために、光学構造体１１２上に真鍮などで作製したマスクを備える必要がある。
【００２１】
基板面垂直方向集束用レンズ１０７ｂから受光素子８０１までの光路長を長くする必要があるときは、基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆは光学構造体１１２の小型化に有効であるが、上記光路長を長くする必要がないときなどは基板面水平方向集束用ミラー１０６ｃ〜１０６ｆは必要なく、基板面水平方向集束用レンズ１２０１ａ，１２０１ｂのみで正反射光線４０１を基板面水平方向に集束することができる。また、出射光線１０５ａを基板面水平方向に集束する基板面水平方向集束用ミラー１０６ａ，１０６ｂの代替として基板面水平方向集束用レンズを用いることも可能である。
以上のように、この実施の形態６によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２２】
実施の形態７．
第１４図はこの発明の実施の形態７によるセンサヘッドの組み付け工程説明図、第１５図はその組み付け工程説明の分解斜視図、第１６図は組み付け工程の説明図である。第１４図のように例えばシリコンにて作製された基板９０１には、発光素子１０３の発光点１３０４を挟む対向地点に、ウエットエッチングなどで作製された正四角錐形状あるいは正円錐形状の溝１３０１が備えられ、第１５図のように光学構造体１１２には円筒状の微小球ホルダー１３０３が備えられている。
溝１３０１の開口中心軸と対応する微小球ホルダー１３０３の開口中心軸は、所望の組み合わせを行ったときに一致するように設定されている。微小球ホルダー１３０３の内径は挿入される微小球１３０２の直径より若干小さく設定されているが、図示のように４箇所に割が入っているため、挿入時に微小球ホルダー１３０３の内径は微小球１３０２の直径まで広がると共に微小球１３０２を保持する力が均等に発生する。
まず、第１６図（ａ）に示すように、溝１３０１に微小球１３０２が挿入される。このとき、微小球１３０２の大きさは微小球１３０２が溝１３０１の底面あるいは開口部ではなく、側面のみに接触するよう設定されている。従って、微小球１３０２の中心と溝１３０１の開口中心は基板９０１の基板面水平方向に対して位置が一致する。また、微小球１３０２の半分以上の高さが基板９０１表面から突き出た状態になっている。
【００２３】
この後、第１６図（ｂ）に示すように、光学構造体１１２および基板１０２が微小球ホルダー１３０３に微小球１３０２が挿入されるよう組み合わされる。最後に第１６図（ｃ）に示すように、基板１０２上面から力を加えて組立てを完了する。
微小球ホルダー１３０３を構成する４個の構造物の寸法は全て等しいので、微小球１３０２挿入時の広がりはほぼ等しく、基板９０１の基板面水平方向の微小球１３０２の中心位置と微小球ホルダー１３０３の開口中心位置は概略一致する。従って、溝１３０１の開口中心軸と対応する微小球ホルダー１３０３の開口中心軸は概略一致し、発光素子１０３の発光点１３０４に対する光学構造体１１２の相対位置精度の向上を容易にする。
このように微小球１３０２を介して基板９０１と光学構造体１１２を組み合わせる場合、第１６図（ａ）における基板９０１と光学構造体１１２の水平方向の相対位置ずれが多くとも微小球１３０２の半径未満であれば、光学構造体１１２と微小球１３０２の接触後、緩やかに押していけば微小球１３０２の球面に沿って、おのずと所望の位置に導かれ、センサヘッドの組立てを容易にする。
【００２４】
本実施の形態７では微小球１３０２を先に溝１３０１に配置し、光学構造体１１２を組み合わせたが、微小球１３０２を先に微小球ホルダー１３０３に挿入しても同様の効果が得られる。ただし、微小球１３０２の微小球ホルダー１３０３からの突出高さは、予め設定されている溝１３０１への微小球１３０２の埋め込み深さより、長い必要がある。
溝１３０１、微小球１３０２、微小球ホルダー１３０３の対の数は２つ以上であればよい。また、微小球ホルダー１３０３に設けられる割の数も１つ以上であればよいが、微小球１３０２挿入時の微小球ホルダー１３０３の広がりが、その中心軸を中心に均等に広がる構造が望ましい。
本実施の形態７においては、発光素子１０３を備えた基板９０１と受光素子８０１，９０３を備えた基板９０２を組み合わせたセンサヘッドにて説明したが、実施の形態１のようにこれらが一体になった場合のセンサヘッドに対しても同様のことができる。
以上のように、この実施の形態７によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２５】
実施の形態８．
第１７図はこの発明の実施の形態８によるセンサヘッドを示す平面図、第１８図は第１７図のＡ−Ａ'線に沿う拡大横断面図である。発光素子１０３はスペーサ１１１を介して可動板１４０４上に配置されている。可動板１４０４は固定部１４０２に接続された２本の梁１４０３によって保持されている。可動板１４０４付近にはある隙間を持って固定電極１４０１ａ、１４０１ｂが配置されている。それぞれの電極上面には金などの導電性薄膜１４０５が供えられている。基板１０１あるいは９０１は例えばシリコンなどの基礎基板１４０６と酸化シリコンなどの絶縁膜１４０７、不純物を充填した多結晶シリコンのような導電膜１４０８から構成されている。
固定部１４０２と固定電極１４０１ａ，１４０１ｂに導電性薄膜１４０５を介して、それぞれ適当な電位差を与えることで、固定電極１４０１ａ，１４０１ｂと可動板１４０４の間に働く静電力が発生し可動板１４０４を図中矢印方向に変位させることができる。
つまり、発光素子１０３が可動となるので、発光素子１０３の光学構造体１１２に対する相対位置精度の向上を容易にする。最適位置に発光素子１０３を固定した状態で、絶縁性接着剤を可動板１４０４に塗布し固定すれば上述電位差は必要ない。なお、図示していないが、導電性薄膜１４０５、発光素子１０３への電気入力は電気配線と金属ワイヤーなどにより行われる。
【００２６】
次に本実施の形態８における固定部１４０２、固定電極１４０１ａ、１４０１ｂ、梁１４０３、可動板１４０４の製造方法を説明する。基礎基板１４０６に絶縁膜１４０７、導電膜１４０８を設けて基板１０１あるいは９０１を構成する。そして、導電膜１４０８のみを反応性イオンエッチングなどでエッチングし、固定部１４０２、固定電極１４０１ａ、１４０１ｂ、梁１４０３、可動板１４０４を絶縁膜１４０７上に形成する。
次にウエットエッチングにより絶縁膜１４０７の等方性エッチングを行い、梁１４０３および可動板１４０４下の絶縁膜１４０７が除去された時点でエッチングを終了する。梁１４０３の形状がばね状になっているため、可動板１４０４は基板水平方向に変位することが可能になる。
以上のように、この実施の形態８によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２７】
実施の形態９．
第１９図はこの発明の実施の形態９によるセンサヘッドを示す斜視図である。光学構造体１１２上には発光素子１０３の出射光線１０５ａの光軸高さと基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａの中心軸の高さが概略一致するよう他構造体と同様に一体成形にて作製されたスペーサ１５０１と、電気入出力に必要な電気配線１１０とが設けられている。
発光素子１０３、受光素子８０１、９０３は光学構造体１１２に直接搭載され、前記実施の形態に記載の基板１０１あるいは９０１，９０２の機能を光学構造体１１２自体が保有している。基板１０１あるいは９０１，９０２が必要なくなるため、センサヘッドの小型化、製作コストを低減する事ができる。
外乱光を防ぐために光学構造体１１２上に基板１０２と同程度の大きさの、シリコンなどの板を被せても良い。また、光学構造体１１２上に発光素子１０３，受光素子８０１，９０３の位置決めを容易にする凹溝を設けても良い。
以上のように、この実施の形態８によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【００２８】
実施の形態１０．
第２０図はこの発明の実施の形態１０によるセンサヘッドの作製工程の説明図である。基板１０２上の光学構造体１１２と垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂは、樹脂成形にて別々に作製し組み合わせることもできるが、本実施の形態１０においては、各々の樹脂成形用の型を組み合わせることで一括成形にて両者を作製する。
まず、第２０図（ａ）において、基板１０２上には例えばＰＭＭＡなどの樹脂１６０３が備えられ、ＰＭＭＡのガラス転移温度以上に加熱された後、光学構造体用の型１６０１を押しつける。このとき樹脂１６０３には離型を容易にするために離型剤を適量添加するのが望ましい。この方法はホットエンボッシング法として知られている。
次いで、第２０図（ｂ）のように垂直方向集束用レンズ用の型１６０２が基板側方から押しつけられると、第２０図（ｃ）に示されるように、２つの型１６０１と１６０２はそれぞれに設けられた凹凸構造によって精度良く位置決めされる。最後に樹脂１６０３を冷却、凝固させて型１６０２、１６０１を順次離型することにより、第２０図（ｄ）に示すように、光学構造体１１２と垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂが得られる。光学構造体１１２と垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂを一括成形するため、製作コストを低減することができ、各ミラーあるいはレンズの相対位置精度を高くできる。
【００２９】
本実施の形態１０によるセンサヘッドにおいては、垂直方向集束用レンズ１０７ａおよび１０７ｂの形状は、型１６０１の離型を可能にするためにセンサヘッド内側は平面とし、センサヘッドから出射される光線、あるいは入射する光線を集束するために、センサヘッド外側は凸面に設定する。
ホットエンボッシング法の他に、樹脂の粘度を下げて雌型に樹脂を注入する射出成形も、雌型１６０１と１６０２を組み合わせることで適用することができ、本実施の形態１０と同様に光学構造体１１２と垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂを一括成形できる。
以上のように、実施の形態１０によれば、光学構造体１１２の形状、基板面垂直方向集束用レンズ１０７ａ，１０７ｂの形状を最適化することで、実施の形態１，２と同様に、測定対象物体の物理量情報を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように、この発明に係るセンサヘッドは、発光素子からの光線を測定対象物体に照射し、この測定対象物体からの反射光を受光素子にて検出することにより該測定対象物体の物理量情報を得るのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】 従来のエンコーダを示す斜視図である。
【図２】 その平面図である。
【図３】 この発明の実施の形態１によるセンサヘッドの斜視図である。
【図４】 その側面図である。
【図５】 その平面図である。
【図６】 実施の形態１によるセンサヘッドで測定対象物体からの正反射光線を検出する光てこ法の原理説明図である。
【図７】 光学構造体の作製工程の説明図である。
【図８】 この発明の実施の形態２によるセンサヘッドの平面図である。
【図９】 スケール板の正面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態３によるセンサヘッドの斜視図である。
【図１１】 この発明の実施の形態４によるセンサヘッドの斜視図である。
【図１２】 この発明の実施の形態５によるセンサヘッドの側面図である。
【図１３】 この発明の実施の形態６によるセンサヘッドの平面図である。
【図１４】 この発明の実施の形態７による組み付け工程の説明図である。
【図１５】 光学構造体の組み付け工程の説明図である。
【図１６】 組み付け工程の説明図である。
【図１７】 この発明の実施の形態８によるセンサヘッドの平面図である。
【図１８】 第１７図のＡ−Ａ'線に沿う拡大横断面図である。
【図１９】 この発明の実施の形態９によるセンサヘッドの斜視図である。
【図２０】 この発明の実施の形態１０によるセンサヘッドの作製工程の説明図である。
Claims (5)
- 発光素子からの光線を測定対象物体に照射し該測定対象物体からの反射光を受光素子にて検出して、上記測定対象物体の物理量情報を得るセンサヘッドにおいて、
上記の発光素子および受光素子を備えた第一の基板と、
第二の基板上に一体成形され、上記発光素子からの出射光と上記測定対象物体からの反射光を第二の基板面水平方向に集束する複数の基板面水平方向集束用光学素子を有する一層の光学構造体と、
上記発光素子からの出射光と上記測定対象物体からの反射光を第二の基板面垂直方向に集束し、上記光学構造体と同等の厚みを持つ基板面垂直方向集束用レンズを備えたことを特徴とするセンサヘッド。 - 第一の基板と第二の基板上に作製した光学構造体が少なくとも２つ以上の微小球を介して組み立てたことを特徴とする請求項１記載のセンサヘッド。
- 微小球は第二の基板の上に設けた円筒状のホルダーにより支持されたことを特徴とする請求項２記載のセンサヘッド。
- 第一の
基板上に成形された可動板上に発光素子を備えることを特徴とする請求項１記載のセンサヘッド。 - 光学構造体を樹脂成形する型と基板垂直方向に集束する基板面垂直方向集束用レンズを樹脂成形する型とを組み合わせ、上記の光学構造体と基板面垂直方向集束用レンズを一括成形したことを特徴とする請求項１記載のセンサヘッド。
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