JP4101679B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を対象物に入射させ、入射させた光が反射する反射位置の変化から対象物の位置を検出する位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従前から、光源から発せられた光をスリットを介して測定対象物に入射させ、その測定対象物において入射された光が反射する位置から、測定対象物の高さを検出する光学式の高さ検出装置が知られている。
【０００３】
例えば、特開平７−３３２９２９号公報に開示されている装置は、測定対象物にスリットの像を結像させ、さらにその像を光電変換素子に結像させて測定対象物の高さを検出するものであった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３３２９２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の装置では、測定対象物の高さがある所定の高さである場合には、スリットの像が測定対象物で結像して、明確な像を得ることができる。しかしながら、測定対象物の高さを上述した所定の高さから偏移させたときには、スリットの像は、偏移するに従って次第に不明瞭な像、いわゆるボケた像となり、測定対象物の高さを明確に得ることができなかった。このため、従来の装置は、測定できる高さの範囲が極めて狭くならざるを得ないという不都合が生じていた。
【０００６】
本発明は、上述した如き課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡素な構成で、広い測定範囲でかつ高い分解能で測定対象物の高さを検出できる位置検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するために、本発明における位置検出装置は、複数のスリットを有するスリット板の垂線が、光源から測定対象物に至るまでの光軸に対して傾くように、スリット板が設けられている。
【０００８】
より具体的には、本発明は以下のような位置検出装置を提供する。
【０００９】
（１） 光源から発せられた光をスリット板を介して対象物に入射光として照射し、前記対象物において前記入射光が反射する反射位置の変化から前記対象物の位置を検出する位置検出装置であって、
前記スリット板には、前記光源からの光が通過し得る複数のスリットが並設され、かつ、前記スリット板の板面に対して垂直な垂線と、前記光源から前記対象物に至るまでの光軸と、のなす角の角度が、０度より大きく９０度よりも小さく、
前記スリット板と前記対象物との間で前記光軸上に結像用光学系が位置付けられ、かつ、
前記結像用光学系が、前記複数のスリットの各々の像を、前記対象物における前記入射光の反射面に対して垂直でかつ前記対象物を通過する直線上の異なる位置に結像させることを特徴とする位置検出装置。
【００１１】
上述した（１）の発明は、スリット板の板面の垂線と、光源から対象物に至るまでの光軸と、のなす角の角度を、０度より大きく９０度よりも小さくした。また、上述した（２）の発明は、複数のスリットの各々の像を、対象物における入射光の反射面に対して垂直でかつ対象物を通過する直線上の異なる位置に結像させるようにした。この（１）又は（２）の発明によれば、対象物の高さを変更した場合であっても、複数のスリットのうちのいずれかのスリットを対象物に結像させることができるので、簡素な構成で対象物の高さを的確に得ることができる。
【００１２】
尚、本明細書においては、「スリット」とは、長さに比べて幅が狭い開口や、光線または粒子線の幅を制限するための細い隙間又は細隙を意味する。また、「結像用光学系」とは、スリットを結像させる光学系を意味し、例えばレンズを用いるものがある。尚、レンズ等の光学要素については、その個数については限られず、スリットを通過した光の向きを調整し、結像させるものであればよい。
【００１３】
（２） 前記複数のスリットの各々の長手方向が、所定の一の方向に向き、かつ、前記複数のスリットの位置が、前記一の方向について異なる上記（１）記載の位置検出装置。
【００１４】
上述した（２）の発明によれば、複数のスリットの各々の長手方向が、所定の一の方向に向くとともに、複数のスリットの位置が、一の方向について異なるので、スリット板に多数のスリットを形成することができるとともに、多数のスリットの各々の像を明確に結像させることができるので、位置検出の分解能を高めることができる。
【００１５】
尚、本明細書において、「複数のスリットの位置」は、スリットの重心位置でも、所定の角部等の端部の位置でもよく、スリットの幾何学的な形状から特定できる位置ならばよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
【００１７】
本発明の実施形態における位置検出装置１０を図１に示す。この図１は、位置検出装置１０を側方から見たときの図である。
【００１８】
位置検出装置１０の略中央下部には、図１に示す白ぬきの矢印で示すように上下方向に移動できるステージ１２が設けられている。ステージ１２は、電動モータ（図示せず）が組み込まれており、電動モータを駆動制御することにより、ステージ１２を上下方向に移動させることができる。ステージ１２の上面には、測定対象物１４、例えば、プリント配線用基板やシリコン基板が載置されている。
【００１９】
ステージ１２の斜め上方、図１に示す例においては、ステージ１２の右側上方には、光源１６、例えば発光ダイオードが、支持部材（図示せず）に設けられている。光源１６は、測定対象物１４に光を照射するように、位置決めや方向の調節がされている。
【００２０】
光源１６から発せられる光の進行方向の前方（以下、前方と称する。）には、照明レンズ１８が支持部材（図示せず）に設けられている。照明レンズ１８は、その中心が、光源１６から発せられる光の光軸Ａ１上に位置するように位置付けられている。また、照明レンズ１８の直径を含む面が、光軸Ａ１に対して垂直となるように調節されている。
【００２１】
照明レンズ１８の前方には、スリット板２０が支持部材（図示せず）に設けられている。後述する図２に示すように、スリット板２０には、スリット板面２２に対して垂直方向に複数の貫通孔、例えば、３つの貫通孔が、複数のスリットとして形成されている。スリット板面２２は、スリット板２０が延在する方向に広がる面である。ここで、延在とは、物体自体の大きさが変わることなく、その物体を画定する範囲内にその物体が広がって存在することを意味する。
【００２２】
このスリット板２０は、そのスリット板面２２が、光軸Ａ１に対して傾くように支持部材（図示せず）上で位置付けられている。例えば、図１に示す例においては、スリット板２０のスリット板面２２の垂線ｎが、光軸Ａ１に対して角度θだけ傾くように位置付けられている。垂線ｎの傾きの方向は、下向きの方向Ｄであることが好ましい。さらに、垂線ｎの傾きの角度θは、０度より大きく９０度よりも小さいことがより好ましい。更にまた、後述するように、複数のスリットの各々の像が、測定対象物１４における入射光の反射面に対して垂直でかつ測定対象物１４を通過する直線Ｌ上の異なる位置に結像するように、スリット板２０が位置合わせされて設けられていることがより好ましい。
【００２３】
スリット板２０の前方には、結像レンズ２４が支持部材（図示せず）に設けられている。結像レンズ２４は、その中心が、光軸Ａ１上に位置するとともに、スリット板２０に形成されたスリット（図示せず）の像が、測定対象物１４の上面に結像し得るように位置付けられている。また、結像レンズ２４の直径を含む平面Ｐ２が、光軸Ａ１に対して垂直となるように調節されている。
【００２４】
上述した構成と配置としたことにより、光源１６から発せられた光は、照明レンズ１８に入射し、照明レンズ１８に入射した光は、照明レンズ１８によって広げられてスリット板２０に照射される。照射された光のうちスリット板２０に形成されたスリットに至った光のみが、スリットを通過する。
【００２５】
スリットを通過した光は、結像レンズ２４により進行方向が調整されて、測定対象物１４に照射される。これにより、スリット板２０に形成された複数のスリット（図示せず）のうちのいずれかのスリット像が、測定対象物１４の上面に結像され得る。
【００２６】
さらに、スリット板２０と結像レンズ２４との位置と向きの条件は、上述したものだけでなく、複数のスリットの各々の像が、測定対象物１４における入射光の反射面に対して垂直でかつ測定対象物１４を通過する直線Ｌ上の異なる位置に結像するように、スリット板２０と結像レンズ２４とが設けられていることがより好ましい。
【００２７】
ステージ１２の斜め上方、図１に示す例においては、ステージ１２の左側上方には、結像レンズ２６が支持部材（図示せず）に設けられている。結像レンズ２６は、その中心が、光軸Ａ２上に位置するとともに、結像レンズ２６の直径を含む平面が、光軸Ａ２に対して垂直となるように調節されている。
【００２８】
結像レンズ２６の光の進行方向の前方には、ＣＣＤカメラ２８が支持部材（図示せず）に設けられている。上述した結像レンズ２６は、ＣＣＤカメラ２８で、測定対象物１４の上面が結像するように位置付けられている。また、ＣＣＤカメラ２８は、測定対象物１４の上面の全面又は所定の範囲を撮影できるように、ピントや倍率が予め調節されている。また、測定対象物１４の上面の中心が、ＣＣＤカメラ２８に接続されている表示装置２９の表示部の略中央に映し出されるように、ＣＣＤカメラ２８は、向きが定められて位置付けられている。
【００２９】
上述したスリット板２０の概略を図２に示す。
【００３０】
スリット板２０は、扁平かつ円形の形状を有し、光源１６から発せられる光を通過させない材質、例えばクロムで形成されている。スリット板２０には、３つのスリット３０，３２及び３４が形成されている。この３つのスリット３０，３２及び３４は、長尺な矩形の形状の開口を有する貫通孔である。３つのスリット３０，３２及び３４の各々の長手方向が、所定の一の方向、図２に示した例では左右方向に向くように形成されている。また、３つのスリット３０，３２及び３４は、その長手方向についての位置が全て異なるように配置されている。図２に示した例では、スリット３２は、スリット板２０の略中央に配置され、スリット３０は、スリット３２に対して右上方に配置され、スリット３４は、スリット３２に対して左下方に配置されている。
【００３１】
尚、図２に示した例では、スリットの数が３つである場合を示したが、それより多く形成してもよい。また、スリットの形状を長尺なものにしたがそれ以外の形状としてもよく、スリットの幾何学的な形状からその形状の特徴を特定し得るものであればよい。更に、３つのスリット３０，３２及び３４の位置が、その長手方向について全て異なるようにしたが、長手方向について同じ位置になるように形成してもよい。
【００３２】
スリット板２０を図１に示した位置検出装置１０に設けるときには、スリットの長手方向に対して垂直な方向が、図１に示した直線Ｌの方に向くようにスリット板２０を配置する。例えば、図２に示したスリット板２０の場合には、スリット板２０の上方向（図２に示した矢印Ｙの方向）が直線Ｌの方に向くようにスリット板２０を配置する。
【００３３】
スリット板２０を上述したように配置したときに、３つのスリット３０，３２及び３４の像が、測定対象物１４の上面に結像される様子を図３に示す。図３は、図１に示したスリット板２０と、結像レンズ２４と、測定対象物１４と、を拡大して示した図である。
【００３４】
スリット板２０の略中央に形成されたスリット３２を通過した光は、光軸Ａ１に沿って進む。この場合には、図３の左下に示すように、測定対象物１４の上面が、ｚ１の高さに位置するときに、その上面にスリット３２の像が結像する。このとき、残りのスリット３０及び３４の像は、測定対象物１４の上面では、結像しない。この状態をＣＣＤカメラ２８で撮影すると、図４（ａ）に示すような画像が得られる。尚、図４（ａ）〜（ｃ）は、ＣＣＤカメラ２８で測定対象物１４の上面を撮影したときに、ＣＣＤカメラ２８に接続された表示装置２９に表示される画像を示し、図４（ａ）〜（ｃ）の外側の四角の実線は、表示装置２９の表示部の輪郭を示す線である。また、図４（ａ）〜（ｃ）の一点鎖線は、表示部の左右方向の中央位置を示す線である。また、ＣＣＤカメラ２８で測定対象物１４の上面を撮影すると、結像レンズ２６により反転するため、左右の関係が逆になる。
【００３５】
測定対象物１４の上面が、ｚ１の高さに位置するときには、スリット３２の像は、表示装置２９の表示部の左右方向の中央に位置し、輪郭が明瞭な像となり、残りのスリット３０及び３４の像は、輪郭が不明瞭な像となり、いわゆるボケた像となる。
【００３６】
また、スリット３０を通過した光は、線Ａ１′に沿って進む。この場合には、図３に示すように、測定対象物１４の上面が、ｚ２の高さに位置したときに、その上面にスリット３０の像が結像する。この状態をＣＣＤカメラ２８で撮影すると、図４（ｂ）に示すような画像が得られる。即ち、スリット３０の像は、表示部の左右方向の中央に位置し、輪郭が明瞭な像となり、残りのスリット３２及び３４の像は、輪郭が不明瞭な像となる。
【００３７】
更に、スリット３４を通過した光は、線Ａ１″に沿って進む。この場合には、図３に示すように、測定対象物１４の上面が、ｚ３の高さに位置したときに、その上面にスリット３４の像が結像する。この状態をＣＣＤカメラ２８で撮影すると、図４（ｃ）に示すような画像が得られる。即ち、スリット３４の像は、左右方向の中央に位置し、輪郭が明瞭な像となり、残りのスリット３０及び３２の像は、輪郭が不明瞭な像となる。
【００３８】
上述した構成としたことにより、３つのスリットのうちの何れか１つのスリットの像が明瞭な像で撮影されたときには、測定対象物１４の上面の高さ方向ｚの位置を定めることができる。これにより、撮影されたスリットの像の状態と測定対象物１４の上面の高さ方向ｚの位置との関係を得ることができる。
【００３９】
また、撮影されたスリットのいずれの像も明瞭でないような場合でも、スリットの像が明瞭な像で撮影されたときにおける測定対象物１４の上面の高さ方向ｚの位置の関係から、測定対象物１４の上面の高さ方向の位置を得ることができる。即ち、３つのスリットのうちの何れか１つのスリットの像が明瞭な像で撮影されるときには、上述したように、そのスリットの像は、常に、表示装置２９の表示部の左右方向の中央に表示される。一方、スリットの像が不明瞭な像で撮影されるときには、そのスリットの像は、表示部の左右方向の中央以外の位置に表示される。また、図４（ａ）に示す状態を測定対象物１４の上面の高さ方向ｚの基準位置として、ステージ１２を下方向に移動させたときには、３つのスリットの像は、表示部において次第に右方向に移動し、ステージ１２を上方向に移動させたときには、３つのスリットの像は、表示部において次第に左方向に移動する。
【００４０】
これにより、表示装置２９の表示部に表示されるスリットの像の表示部における位置を測定することにより、測定対象物１４の上面の高さ方向ｚの位置を算出できる。具体的には、図５に示すように、撮影された像が最も明瞭に近い像となっているもの、例えばスリット３２の像を選択して、表示部の左端部からスリット３２の像までの距離ｘ１や、表示部の中央部からスリット３２の像までの距離ｘ２を計測することにより、測定対象物１４の上面の高さ方向ｚに換算することができる。
【００４１】
上述した実施例においては、スリット板２０を下方向のＤ方向に傾けた場合を示したが、スリット板２０を図１の紙面に対して奥行き方向に傾けたり、手前方向に傾けたりして、設けてもよい。
また、上述した実施例では、高さ方向の位置を検出する場合を示したが、光軸Ａ１及びＡ２が水平面に含まれるように設定することにより、水平方向の位置を検出することもできる。
【００４２】
【発明の効果】
簡素な構成で、広い測定範囲でかつ高い分解能で測定対象物の高さを検出できることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における位置検出装置１０の概略を示す側面図である。
【図２】スリット板２０の概略を示す正面図である。
【図３】３つのスリット３０，３２及び３４の像が、測定対象物１４の上面に結像する様子を示す概略図である。
【図４】ＣＣＤカメラ２８で測定対象物１４の上面を撮影したときに、ＣＣＤカメラ２８に接続された表示装置２９の表示部に表示される画像を示す図である。
【図５】３つのスリット３０，３２及び３４のいずれの像も、表示装置２９の表示部の中央部から偏移しているときのスリットの像を示す図である。
【符号の説明】
１０ 位置検出装置
１４ 測定対象物（対象物）
１６ 光源
２０ スリット板
２２ スリット板面
２４ 結像レンズ
３０，３２，３４ スリット（複数のスリット）
Ａ１ 光軸

Claims (3)

1. 光源から発せられた光をスリット板を介して対象物に入射光として照射し、前記対象物において前記入射光が反射する反射位置の変化から前記対象物の位置を検出する位置検出装置であって、
   前記スリット板には、前記光源からの光が通過し得る複数のスリットが並設され、かつ、
   前記スリット板の板面に対して垂直な垂線と、前記光源から前記対象物に至るまでの光軸と、のなす角の角度が、０度より大きく９０度よりも小さく、
   前記スリット板と前記対象物との間で前記光軸上に結像用光学系が位置付けられ、かつ、
   前記結像用光学系が、前記複数のスリットの各々の像を、前記対象物における前記入射光の反射面に対して垂直でかつ前記対象物を通過する直線上の異なる位置に結像させることを特徴とする位置検出装置。
2. 前記複数のスリットの各々の長手方向が、所定の一の方向に向き、かつ、前記複数のスリットの位置が、前記一の方向について異なる請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記反射位置の変化は、前記反射面に対して垂直方向の位置の変化である請求項１記載の位置検出装置。

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