JP4444469B2

JP4444469B2 - 光学式変位測定装置

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Publication number: JP4444469B2
Application number: JP2000238683A
Authority: JP
Inventors: 敏彦青木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2020-08-07
Also published as: GB0119144D0; JP2002048601A; US6791699B2; US20020018220A1; DE10138562A1; GB2377015A; GB2377015B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学式変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ｘ軸及びｙ軸の二軸方向の変位を光学的に検出するためのｘｙスケールが知られている。このｘｙスケールに対してセンサヘッドには、ｘ軸及びｙ軸方向の変位信号を出力する二つの受光デバイスが搭載される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、二つの受光デバイスを基板に搭載した場合、ｘｙ直角度は取り付け精度に依存するため、高精度のｘｙ直角度を得ることが難しい。また、二つの受光デバイスは基板の別々の領域に搭載されることになるため、センサヘッドの小型化ができない。また通常、受光デバイスを搭載する基板にはガラス基板等のリジッドな平坦基板が用いられる。しかし、ｘｙスケールのスケール面は、平面とは限られず、球面や円筒面等の場合もある。このため、リジッドな基板に受光デバイスを搭載する構造では、種々のスケール面を持つｘｙスケールに柔軟に対応させることができない。
【０００４】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、二軸変位検出用の受光素子アレイを優れた直角度をもって一体化した光学式変位測定装置を提供することを目的としている。
この発明はまた、二軸変位検出用の受光素子アレイを小型に集積したセンサヘッドを持つ光学式変位測定装置を提供することを目的とする。
この発明は更に、種々のスケール面を柔軟に対応できるセンサヘッドを持つ光学式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】
この発明に係る光学式変位測定装置は、二軸方向に光学格子が形成されたスケールと、このスケールに対向して二軸方向に相対移動可能に配置されて相対移動を光学的に検出して変位信号を出力する受光素子アレイを有するセンサヘッドとを備え、前記センサヘッドの受光素子アレイは、基板と、この基板上に堆積された半導体膜により形成された、前記光学格子の第１軸方向に所定ピッチで配列されて第１軸方向の変位に対応する変位信号を出力する第１の受光素子群と、この第１の受光素子群を覆って形成された絶縁層と、この絶縁層上に堆積された半導体膜により形成された、前記光学格子の第２軸方向に所定ピッチで配列されて第２軸方向の変位に対応する変位信号を出力する第２の受光素子群とを有することを特徴とする。
【０００６】
この発明によると、二軸方向の変位測定を行う受光素子アレイは、半導体膜の膜堆積とリソグラフィにより作られる受光素子群の積層構造として構成される。従って二軸の受光素子群の直角度が優れたものとなり、小型で高性能の光学式変位測定装置が得られる。
【０００７】
この発明において、受光素子アレイの基板は例えば、第１及び第２の受光素子群が積層された面と反対側の面を光入射面とする透明基板が用いられる。またこの基板として、フレキシブル樹脂基板を用いることができる。これにより、二次元的な光学格子を持つスケール面が曲面の場合にも、柔軟に対向させることができる。
【０００８】
この発明に係る光学式変位測定装置はまた、光学格子が形成されたスケールと、このスケールに対向して相対移動可能に配置されて相対移動を光学的に検出して変位信号を出力する受光素子アレイを有するセンサヘッドとを備え、前記受光素子アレイは、基板上に堆積された半導体膜をパターニングして得られる受光素子群を有し且つ、前記スケール及び受光素子アレイの少なくとも一方がフレキシブル樹脂基板に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によると、スケールと受光素子アレイの少なくとも一方をフレキシブル樹脂基板に形成することによって、スケールの光学格子が一次元又は二次元のいずれであっても、スケール面形状が円筒面、球面、自由曲面等の場合に柔軟に対応させることができる。
具体的にこの発明において、好ましくは、受光素子アレイが、フレキシブル樹脂基板と、このフレキシブル樹脂基板上に堆積された半導体膜により形成されて異なる位相の変位信号を出力する複数の受光素子とを備えて構成される。
スケールが二次元の光学格子を有する場合に、受光素子アレイは、二次元の光学格子に対応して基板の異なる位置に形成された第１及び第２の受光素子群を有するものとして構成しいてもよいし、或いは二次元の光学格子に対応して基板の同じ位置に絶縁層を介して積層形成された第１及び第２の受光素子群を有するものとして構成することもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、この発明の光学式エンコーダの基本構成を示す斜視図である。スケール１は、ｘ軸及びｙ軸の直交二軸方向の二次元光学格子１１が形成されたｘｙスケールである。センサヘッド２は、スケール１に対向して二軸方向に相対移動可能に配置される。センサヘッド２には、二軸方向の相対移動を光学的に検出して各軸の変位信号を出力する受光素子アレイ３と、スケール１を照射するＬＥＤ等の光源４を有する。
【００１１】
受光素子アレイ３は、ｘ軸方向の変位を検出するためのフォトダイオードアレイＰＤＡ１，ＰＤＡ２と、ｙ軸方向変位を検出するためのフォトダイオードアレイＰＤＡ３，ＰＤＡ４とを有する。具体的に例えば、フォトダイオードアレイＰＤＡ１には、Ａ相出力用とこれとは９０°位相がずれたＢ相出力用のフォトダイオード（ＰＤ）群が所定ピッチで配列され、フォトダイオードアレイＰＤＡ２には、Ａ，Ｂ相出力に対してそれぞれ逆相のＡＢ相及びＢＢ相出力用のフォトダイオード（ＰＤ）群が所定ピッチで配列される。同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ３には、Ａ相及びＢ相出力用のフォトダイオード（ＰＤ）群が配列され、フォトダイオードアレイＰＤＡ４には、ＡＢ相及びＢＢ相出力用のフォトダイオード（ＰＤ）群が配列される。
【００１２】
この発明において、これらの二軸方向のフォトダイオードアレイＰＤＡ１−ＰＤＡ４を含む受光素子アレイ３は、所定のアレイ基板３０上に堆積されたアモルファス半導体膜のパターニングにより一体的に作られている。図２は、この受光素子アレイ３のレイアウトを示し、図３は図２のＡ−Ａ’断面構造を示している。基板３０は透明基板であり、この例では基板３０の裏面がスケールからの反射光が入る光入射面となる。
【００１３】
基板３０上には、各フォトダイオードＰＤの共通電極となる透明電極３１が形成されている。この透明電極３１上に堆積されたアモルファス半導体膜３２をパターニングすることにより、ｘ軸方向に細長いストライプ状のフォトダイオードＰＤからなるアレイＰＤＡ３，ＰＤＡ４と、ｙ軸方向に細長いストライプ状のフォトダイオードＰＤからなるアレイＰＤＡ１，ＰＤＡ２が同時に形成されている。
【００１４】
半導体膜３２は具体的には、ｐｉｎ層構造又はｐｎ層構造を有する。各フォトダイオードＰＤの上面には端子電極３３が形成されている。この端子電極３３は、半導体膜３２と連続的に堆積され、半導体膜３２と同時にパターニングされる。各フォトダイオードＰＤはシリコン酸化膜等の絶縁層３４で覆われる。
【００１５】
この様に、ｘｙスケール１の二軸方向の変位検出を行うフォトダイオードアレイＰＤＡ１，ＰＤＡ２とＰＤＡ３，ＰＤＡ４を共通のアモルファス半導体膜３２のパターニングにより一体に形成することによって、これらを個別に作って基板に取り付ける場合に比べて、ｘｙ二軸の直角度は優れたものとなり、また全体として受光素子アレイ３が小型になる。
【００１６】
図１−図３の構成によるセンサヘッド２は、ｘ軸及びｙ軸方向の直線変位測定のみならず、４つのフォトダイオードアレイＰＤＡ１−ＰＤＡ４の変位信号の処理により、ｘｙ平面内のセンサヘッド２とスケール１の間の相対回転角変位θの測定も可能である。
【００１７】
なお、図１−図３の構成において、アモルファス半導体膜３２としては、代表的にはシリコンが用いられるが、その他ＺｎＳｅ，ＣｄＳｅ等が用いられる。以下の例においても同様である。
【００１８】
図１〜図３の構成を基本として、二軸方向のフォトダイオードアレイを積層構造とする例を次に説明する。図４はそのような受光素子アレイ３のレイアウトであり、図５及び図６はそれぞれ、図３のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’断面図である。ｙ軸方向の変位検出用フォトダイオードアレイＰＤＡｙと、ｘ軸方向の変位検出用フォトダイオードアレイＰＤＡｘとは、異なるアモルファス半導体膜３２，３６を用いて形成される。透明基板３０上に、フォトダイオードアレイＰＤＡｙの共通電極となる透明電極３１を介して第１層アモルファス半導体膜３２が堆積され、これをパターニングしてフォトダイオードアレイＰＤＡｙが形成される。
【００１９】
フォトダイオードアレイＰＤＡｙの各端子電極３３は透明電極とする。このフォトダイオードアレイＰＤＡｙはシリコン酸化膜等の層間絶縁膜３４で覆われる。この層間絶縁膜３４上に、フォトダイオードアレイＰＤＡｘの共通電極となる透明電極３５を介して第２層アモルファス半導体膜３６が堆積され、これをパターニングしてフォトダイオードアレイＰＤＡｘが形成される。フォトダイオードアレイＰＤＡｘの各端子電極３７は金属電極を用いうる。フォトダイオードアレイＰＤＡｘは更に絶縁層３７により覆われる。
【００２０】
なお、フォトダイオードアレイＰＤＡｙの端子電極３３を金属電極とすることもできる。この場合、端子電極３３により、基板裏面からのフォトダイオードアレイＰＤＡｘへの光が遮られるが、これはフォトダイオードアレイＰＤＡｘ，ＰＤＡｙの面積比率を調整して、両者にほぼ同等の光量が入るようにすれば、問題ない。また、面積比率とは別に、或いは面積比率と共に、フォトダイオードアレイＰＤＡｘ，ＰＤＡｙの出力利得を調整することによっても、対処することができる。
【００２１】
この様に、二軸方向の変位検出用のフォトダイオードアレイを積層することにより、受光素子アレイ３は一層小型になる。また、フォトダイオードアレイの積層は、リソグラフィ技術により行われるので、ｘｙ二軸の直角度も優れたものとなる。下部フォトダイオードアレイＰＤＡｙは、上下電極とも透明電極としている。従って、基板３０の裏面から入射する光は、フォトダイオードアレイＰＤＡｙで一部光電変換される他、上部フォトダイオードアレイＰＤＡｘまで透過する。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡｙ，ＰＤＡｘともに十分なＳ／Ｎの変位信号を得ることができる。
【００２２】
以上の構成例において、透明基板３０としてガラス基板等の固い基板を用いることもできるが、好ましくはフレキシブル樹脂基板を用いる。フレキシブル樹脂基板としては例えば、ポリイミド樹脂が用いられる。これにより、光学式エンコーダの適用範囲は広いものとなる。その様な応用例を以下に説明する。
【００２３】
図７は、スケール１が円筒スケールの例である。円筒スケール１にはその外周面に、円筒軸方向（ｘ軸）及び周方向（θ）の二軸の光学格子が形成されている。これに対して、ｘ軸及びθ方向の変位検出を行うフォトダイオードアレイＰＤＡ，ＰＤＡを形成した受光素子アレイ３の基板３０には、フレキシブル樹脂基板を用いている。
【００２４】
受光素子アレイ３は、基板材料の点を除き、図１〜図３と同様のフォトダイオードアレイ構成（或いは図４〜図６と同様のフォトダイオードアレイ構成）を有するものとする。またその製造工程は、基板３０が平坦な状態で、膜形成とリソグラフィ技術を利用して実行される。基板３０がフレキシブル樹脂基板であれば、得られた受光素子アレイ３を、図７に示すように円筒スケール１の径に応じて湾曲させて、円筒スケール１の外周面に所定ギャップで対向させることができる。
【００２５】
なお、受光素子アレイ３のθ方向のピッチは、湾曲させることにより、平面上でパターン形成した状態のフォトダイオードアレイＰＤＡ，ＰＤＡのピッチに対して僅かにずれる。しかしこのピッチのずれは、円筒スケール１の径がある程度以上であれば無視できる。従って、フレキシブル樹脂基板を用いることにより、受光素子アレイを実際に適用できる範囲は広いものとなる。
なお、上述のピッチのずれは湾曲の径に対応して予測できるから、湾曲を見込んで平面上のパターンピッチを決定することもできる。
【００２６】
図８は、スケール１が円筒スケールであるが、測定するのは周方向（θ）方向の一軸のみの例である。即ちスケール１の光学格子１１は、外周面にθ方向のみに所定ピッチで形成されている。この場合、受光素子アレイ３も、θ方向のみのフォトダイオードアレイＰＤＡにより構成される。そしてこの場合も基板３０としてフレキシブル樹脂基板を用いることにより、図７の場合と同様に、柔軟な適用が可能となる。
【００２７】
図９は、スケール１が自由曲面スケールの例である。自由曲面スケール１にはその自由曲面に、ｘ軸方向及びｙ軸方向の二軸の光学格子が形成されている。これに対して、ｘ軸方向及びｙ軸方向の変位検出を行うフォトダイオードアレイＰＤＡ，ＰＤＡを形成した受光素子アレイ３の基板３０には、フレキシブル樹脂基板を用いている。受光素子アレイ３は、基板材料の点を除き、図１〜図３と同様のフォトダイオードアレイ構成（或いは図４〜図６と同様のフォトダイオードアレイ構成）を有するものとする。これにより受光素子アレイ３を、自由曲面スケール１に倣って変形させながら、スケール１の外周面に所定ギャップで対向させることにより、ｘｙ軸方向の直線変位及び回転変位θの測定ができる。
【００２８】
なお、図９の構成において、スケール１をフレキシブル基板に形成し、受光素子アレイ３のアレイ基板３０をリジッドなものとすることもできる。この場合、スケール１は自由曲面を有する対象物に貼り合わされて自由曲面スケール１となる。これに対してセンサヘッド２を所定ギャップで対向させて相対移動可能とする。
図７及び図８の例においても、スケール１の光学格子１１をフレキシブル樹脂基板を用いて形成し、これを円筒面に貼り付けることができる。
更に、スケール１と受光素子アレイ３のアレイ基板３０の双方共に、フレキシブル基板とすることもできる。また受光素子アレイ３にフレキシブル基板を用いた場合には、光源として面発光型の発光素子、例えばフレキシブルに変形可能な有機ＥＬ素子を貼り付けて使用することができる。
【００２９】
図１０は、スケール１が球面スケールの例である。スケール１はその球面に直交する二つの周方向θ，φの光学格子１１が形成されている。このスケール１にキャップを被せるようにセンサヘッド２が取り付けられる。θ方向及びφ方向の変位検出を行うフォトダイオードアレイＰＤＡ，ＰＤＡを形成した受光素子アレイ３の基板３０には、フレキシブル樹脂基板を用いて、スケール１の球面に対向して配置されるようにしている。受光素子アレイ３は、基板材料の点を除き、図１〜図３と同様のフォトダイオードアレイ構成（或いは図４〜図６と同様のフォトダイオードアレイ構成）を有するものとする。
このように、受光素子アレイ３の基板をフレキシブル樹脂基板とすることにより、球面スケールにも対応させることができる。
【００３０】
この発明による光学式変位測定装置のセンサヘッド２の具体的な構成例を、以下にいくつか挙げる。
図１１のセンサヘッド２は、透明基板５を用いて、これに受光素子アレイ３を搭載している。そして受光素子アレイ３上に光源４としてのＬＥＤチップをその上面を発光面として搭載し、このＬＥＤ搭載部を凸面をなす透明樹脂６でモールドしている。透明樹脂６の凸面には反射膜７を形成している。これにより、ＬＥＤからの光は、凸面で反射されてほぼ平行光となり透明基板５を介してスケール１に照射される。この場合、光源光は、受光素子アレイ３の受光素子の形成されていない領域を通って、スケールに照射されるようにする。またこの領域に第１光学格子を形成すれば、３格子システムが構成可能である。また、受光素子アレイ３の下に第１光学格子を備え、光源光が受光素子アレイ３と第１光学格子を通ってスケールに照射されるようにしても、３格子システムが構成可能である。
なお図１１においては、透明基板５の上に、受光素子アレイ３の出力信号を処理する信号処理回路８も搭載されている。
【００３１】
図１２は、３格子システムを構成した例である。この場合のセンサヘッド２は、透明基板からなるインデックス基板９の上に、光源側インデックス格子１０が形成され、光源４からの光はこのインデックス格子１０を介してスケール１に照射されるようにしている。インデックス基板９上にインデックス格子１０とは離れて、受光素子アレイ３が搭載されている。
【００３２】
図１３のセンサヘッド２は、光源４として面発光型ＬＥＤを用いた例である。面発光型ＬＥＤをその発光面をスケール１側に向けて配置し、その発光面に受光素子アレイ３を搭載している。ＬＥＤからの光は、受光素子アレイ３を通してスケール１にほぼ垂直に照射され、スケール１からほぼ垂直に反射される光が受光素子アレイ３により検出されるようにしている。面発光型の発光素子として、ＬＥＤの他、例えば有機ＥＬ素子を用いることもできる。
【００３３】
図１４は、図１１の変形例である。光源は単純に、ＬＥＤ４を配置して構成される。ＬＥＤ４の光は、ほぼ垂直に第１格子と第３格子を兼ねる受光素子アレイ３に入射され、受光素子アレイ３を透過してスケール１に照射される。
図１５は、図１２の変形例である。球体を略１／４分割した形の透明樹脂体６ｂと反射膜７により凹面鏡を構成し、ＬＥＤ４は発光面を垂直にして透明樹脂体６ｂの側面に取り付ける。反射膜７で反射された光は、インデックス格子１０に斜め入射し、スケール１を照射する。なお、光源側にスケール格子と同じピッチのインデックス格子（又はピンホールアレイ）を用いる３格子システムは、光学的２分割となる（即ち、出力信号ピッチが２格子システムの場合の１／２になる）利点を持つが、光源側のインデックス格子（又はピンポールアレイ）は必ずしも必要ではなく、例えば図１２及び図１５の構成において、光源側インデックス格子１０は省略することもできる。
【００３４】
ここまでの例では、受光素子アレイ３の各フォトダイオードＰＤは細長い矩形パターンとしたが、このフォトダイオードＰＤのパターンについては、同相のものを複数本束ねた、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すようなパターンとすることができる。図１６（ａ）では、複数本のフォトダイオードＰＤの中央部に、端子配線のコンタクト部となる連結部１４１を設けている。図１６（ｂ）では、複数本のフォトダイオードの端部に連結部１４２を設けている。また図１６（ｃ）では、複数の連結部１４３を設けている。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、二軸変位検出用の受光素子アレイを優れた直角度をもって一体化した小型の光学式変位測定装置が得られる。またこの発明によれば、種々のスケール面を柔軟に対応できるセンサヘッドを持つ光学式変位測定装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によると光学式変位測定装置の基本構成を示す斜視図である。
【図２】センサヘッドの構成例を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】センサヘッドの他の構成例を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ’断面図である。
【図６】図４のＢ−Ｂ’断面図である。
【図７】円筒スケールに適用した変位測定装置の構成を示す斜視図である。
【図８】円筒スケールに適用した他の変位測定装置の構成を示す斜視図である。
【図９】自由曲面スケールに適用した変位測定装置の構成を示す斜視図である。
【図１０】球面スケールに適用した変位測定装置の構成を示す斜視図である。
【図１１】センサヘッドの具体的な構成例を示す図である。
【図１２】センサヘッドの他の構成例を示す図である。
【図１３】センサヘッドの他の構成例を示す図である。
【図１４】図１１の構成を変形した構成例を示す。
【図１５】図１２の構成を変形した構成例を示す。
【図１６】受光素子アレイの他のレイアウト例を示す図である。
【符号の説明】
１…スケール、１１…光学格子、２…センサヘッド、３…受光素子アレイ、４…光源、ＰＤＡ…フォトダイオードアレイ、３０…アレイ基板、３１，３５…透明電極、３２…半導体膜、３３，３７…端子電極、３４，３８…絶縁層。

Claims

二軸方向に光学格子が形成されたスケールと、このスケールに対向して二軸方向に相対移動可能に配置されて相対移動を光学的に検出して変位信号を出力する受光素子アレイを有するセンサヘッドとを備え、
前記センサヘッドの受光素子アレイは、
基板と、
この基板上に堆積された半導体膜により形成された、前記光学格子の第１軸方向に所定ピッチで配列されて第１軸方向の変位に対応する変位信号を出力する第１の受光素子群と、
この第１の受光素子群を覆って形成された絶縁層と、
この絶縁層上に堆積された半導体膜により形成された、前記光学格子の第２軸方向に所定ピッチで配列されて第２軸方向の変位に対応する変位信号を出力する第２の受光素子群と
を有することを特徴とする光学式変位測定装置。
前記基板は、前記第１及び第２の受光素子群が積層された面と反対側の面を光入射面とする透明基板である
ことを特徴とする請求項１記載の光学式変位測定装置。
前記基板は、フレキシブル樹脂基板である
ことを特徴とする請求項１記載の光学式変位測定装置。
前記スケール及び受光素子アレイの少なくとも一方がフレキシブル樹脂基板に形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の光学式変位測定装置。
前記センサヘッドの受光素子アレイは、
フレキシブル樹脂基板と、
このフレキシブル樹脂基板上に堆積された半導体膜により形成されて異なる位相の変位信号を出力する複数の受光素子と
を有することを特徴とする請求項４記載の光学式変位測定装置。
前記スケールは、一次元又は二次元の光学格子が形成された平面スケールである
ことを特徴とする請求項４記載の光学式変位測定装置。
前記スケールは、一次元又は二次元の光学格子が形成された円筒スケールである
ことを特徴とする請求項４記載の光学式変位測定装置。
前記スケールは、二次元の光学格子が形成された球面スケールである
ことを特徴とする請求項４記載の光学式変位測定装置。
前記スケールは、二次元の光学格子が形成された自由曲面スケールである
ことを特徴とする請求項４記載の光学式変位測定装置。
前記スケールは二次元の光学格子を有し、前記受光素子アレイは前記二次元の光学格子に対応して基板の異なる位置に形成された第１及び第２の受光素子群を有する
ことを特徴とする請求項４記載の光学式変位測定装置。
前記スケールは二次元の光学格子を有し、前記受光素子アレイは前記二次元の光学格子に対応して基板の同じ位置に絶縁層を介して積層形成された第１及び第２の受光素子群を有する
ことを特徴とする請求項４記載の光学式変位測定装置。