JP2005049345A - Optical displacement sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学式変位センサに関するものである。 The present invention relates to an optical displacement sensor.
従来より、精密メカニズムの変位量の検出装置として光学式変位センサが知られている。光学式変位センサの一例としては、例えば特開平7−55506号公報に記載されている。図18は、このような光学式変位センサの構成を示した図である。第1スケールであるメインスケール130と第2のスケールであるインデックススケール132とが所定間隔をもって対向配置されている。メインスケール130とインデックススケール132にはそれぞれ同じピッチで互いに平行な光学格子が形成されている。メインスケール130は、インデックススケール132に対して、矢印で示すように光学格子と直交する方向に相対移動する。
Conventionally, an optical displacement sensor is known as a detection device for a displacement amount of a precision mechanism. An example of the optical displacement sensor is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-55506. FIG. 18 is a diagram showing the configuration of such an optical displacement sensor. A
メインスケール130の前方に配置された、光源である発光ダイオード133の出力光は凹面鏡134により反射、コリメートされ、平行光となってメインスケール130に照射される。
The output light of the
ここで、発光ダイオード133は、3個のスリット開口部131a,131b,131cを有する。これらスリット開口部131a,131b,131cは、メインスケール130およびインデックススケール132上に形成された光学格子と平行に、互いに所定の間隔をもって配置されている。
Here, the
インデックススケール132の後方には、フォトトランジスタまたはフォダイオード等の受光素子135が配置されている。
A light receiving
発光ダイオード133の複数のスリット開口部131a、131b、131cから出射された光ビームは、凹面鏡134によりコリメートされ、メインスケール130に照射される。一方、メインスケール130に入った光ビームは回折されてインデックススケール132に入射する。
The light beams emitted from the plurality of
このとき、発光ダイオード133のスリット開口部131a、131b、131cと、メインスケール130、およびインデックススケール132の配置およびそれぞれの有する光学格子のピッチ、発光ダイオード133から出射される光ビームの波長λが所定の関係を満足する場合、インデックススケール132上にはメインスケール130上に形成された光学格子と相似な明暗パターンが投影される。
At this time, the arrangement of the
したがって、インデックススケール132上に形成された光学格子のピッチがこの明暗パターンのピッチと略等しいように構成されている場合、受光素子135にはメインスケール130のインデックススケール132に対する相対位置に応じた光ビームの明暗が照射され、受光素子135からはこの明暗に応じた信号が、メインスケール130の位置情報として出力される。
Therefore, when the pitch of the optical grating formed on the
この受光素子135の出力信号は信号処理回路136により処理され、メインスケール131の相対位置が求められるように構成されている。
ところが、このような従来技術の場合、以下に示すような問題点が存在する。ここで紹介した従来例の場合、発光ダイオードチップの上部電極をそのままスリットとして用いているため、複数開口形状を変更するには、半導体プロセスを変更する必要があり、複数開口を変更することはコストがかかるという問題点を有している。 However, such a conventional technique has the following problems. In the case of the conventional example introduced here, the upper electrode of the light emitting diode chip is used as it is as a slit. Therefore, to change the shape of the multiple openings, it is necessary to change the semiconductor process, and changing the multiple openings is a cost. There is a problem that it takes.
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、低コストな光学式変位センサを提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to provide a low-cost optical displacement sensor.
上記の目的を達成するために、第1の発明に係る光学式変位センサは、光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器とを具備する光学式変位センサであって、前記可干渉光源の光ビームが出射される面に、前記スケールの移動方向に複数開口を有するスリット板を設ける。 In order to achieve the above object, an optical displacement sensor according to a first aspect of the present invention is a coherent light source that emits a light beam, and is displaced so as to cross the light beam emitted from the coherent light source, and has a predetermined period. And a light-receiving element having photosensitivity at a constant period in a scale moving direction for detecting a movement of a diffraction interference pattern generated by irradiating the optical pattern with the optical beam with a predetermined period. A slit plate having a plurality of openings in the moving direction of the scale is provided on the surface from which the light beam of the coherent light source is emitted.
また、第2の発明は、第1の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記可干渉光源は、樹脂部材にモールド実装されたモールド光源であり、前記スリット板は前記モールド光源の光ビームを出射する表面に直接形成されている。 According to a second aspect of the present invention, in the optical displacement sensor according to the first aspect of the invention, the coherent light source is a mold light source mounted on a resin member, and the slit plate emits a light beam of the mold light source. Is formed directly on the surface.
また、第3の発明は、第2の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記モールド樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材を形成施している。 The optical displacement sensor according to a third aspect of the present invention is the optical displacement sensor according to the second aspect, wherein the light beam emitting surface of the mold resin member is surrounded by the front surface, the opposite side is the rear surface, and the front surface and the rear surface are surrounded. If the surface substantially perpendicular to the emission direction of the light beam formed on the side surface is defined as a side surface, a light shielding member is formed on the surface excluding the slit portion on the surface and part or all of the side surface.
また、第4の発明は、光ビームを出射するモールド実装された可干渉光源と、前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、第1の所定周期の光学パターンと第2の光学パターンとが形成されたスケールと、前記光ビームが前記第1の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した第1の光検出器と、前記光ビームが前記第2の光学パターンに照射されることにより生成された光ビームパターンを検出する第2の光検出器と、を具備する光学式変位センサであって、前記可干渉光源の光ビームが出射される側のモールド表面に、前記第1の光学パターンに照射される光ビームを形成し、かつ前記スケールの移動方向に複数開口を有する第1のスリットと、前記第2の光学パターンに照射される光ビームを形成する第2のスリットとを設ける。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a coherent light source mounted with a mold that emits a light beam, and an optical pattern having a first predetermined period and a second optical pattern that is displaced across the light beam emitted from the coherent light source. And a light receiving element having photosensitivity at a constant period in a moving direction of the scale for detecting a movement of a diffraction interference pattern generated by irradiating the first optical pattern with the light beam. An optical detector comprising: a first photodetector mounted with an element; and a second photodetector for detecting a light beam pattern generated by irradiating the second optical pattern with the light beam. A displacement sensor that forms a light beam that is applied to the first optical pattern on the mold surface on the side from which the light beam of the coherent light source is emitted, and that is duplicated in the moving direction of the scale. A first slit having an opening, and a second slit forming a light beam irradiated onto the second optical patterns are provided.
また、第5の発明は、第4の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記第1のスリットの複数開口が形成された面と、前記スケールの前記第1の光学パターンが形成された面との距離をz1、前記スケールの前記第1の光学パターンが形成された面と、前記第1の光検出器の受光素子の形成面との距離をz2、前記スケール上に形成された前記第1の所定周期の光学パターンの、前記スケール移動方向の周期をp1、前記第1のスリットに形成された、前記スケール移動方向の複数開口のピッチをpstとすると、
pstは、略、p1×(z1+z2)/z2の式で表わされる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical displacement sensor according to the fourth aspect of the present invention, a surface on which the plurality of openings of the first slit are formed, and a surface on which the first optical pattern of the scale is formed. Z1 is the distance between the surface of the scale on which the first optical pattern is formed and the surface on which the light receiving element of the first photodetector is formed, and the first is formed on the scale. In the optical pattern of the predetermined period, the period in the scale movement direction is p1, and the pitch of the plurality of openings in the scale movement direction formed in the first slit is pst.
pst is approximately represented by the formula p1 × (z1 + z2) / z2.
また、第6の発明は、第4の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記第1のスリットの複数開口と、前記第2のスリットの開口とは、前記第1のスリットの複数開口と前記第2のスリットの開口とが形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向に所定の距離をずらせて形成されている。 The sixth invention is the optical displacement sensor according to the fourth invention, wherein the plurality of openings of the first slit and the opening of the second slit are the plurality of openings of the first slit and the opening of the first slit. In the plane where the opening of the second slit is formed, the second slit is formed by shifting a predetermined distance in a direction substantially perpendicular to the moving direction of the scale.
また、第7の発明は、第6の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記第1のスリットの複数開口と、前記第2のスリットの開口とは、前記第1のスリットの複数開口と前記第2のスリットの開口とが形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向において、所定の距離だけずらせた上で、さらに少なくとも一部が重なり合うように形成されている。 The seventh invention is the optical displacement sensor according to the sixth invention, wherein the plurality of openings of the first slit and the opening of the second slit are the plurality of openings of the first slit and the opening of the first slit. In the plane in which the opening of the second slit is formed, it is formed so as to overlap at least partly after being shifted by a predetermined distance in a direction substantially perpendicular to the moving direction of the scale. .
また、第8の発明は、光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールに向かう光路上に配置され、前記スケールの移動方向に複数開口が形成されたスリット板とを具備する光学式変位センサであって、前記スリット板は、前記複数開口が形成された部位の上面又は下面と前記受光素子の受光面とが同一平面内に有るように、前記受光素子の形成面と同一平面に固定されていることを特徴とする光学式変位センサ。 Further, an eighth aspect of the present invention is a coherent light source that emits a light beam, a scale that is displaced across the light beam emitted from the coherent light source, and on which an optical pattern having a predetermined period is formed, and the light beam. A photodetector equipped with a light receiving element having photosensitivity at a constant period in a scale moving direction for detecting the movement of the diffraction interference pattern generated by irradiating the optical pattern with the predetermined period, and the coherent light source An optical displacement sensor comprising a slit plate in which a light beam emitted is arranged on an optical path toward the scale and a plurality of openings are formed in a moving direction of the scale, wherein the slit plate has the plurality of openings. The upper surface or the lower surface of the portion where the light receiving element is formed and the light receiving surface of the light receiving element are fixed to the same plane as the surface on which the light receiving element is formed. Optical displacement sensor.
また、第9の発明は、第1、3、8、のいずれか1つの発明に係る光学式変位センサにおいて、前記スリットの複数開口が形成された面と、前記スケールの光学パターンが形成された面との距離をz1、前記スケールの光学パターンが形成された面と、前記光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面との距離をz2、前記スケールにおけるスケール移動方向の光学パターンの周期をp1、前記スリットにおける前記スケール移動方向の複数開口のピッチをpstとすると、
pstは、略p1×(z1+z2)/z2の式で表わされる。
According to a ninth invention, in the optical displacement sensor according to any one of the first, third, and eighth inventions, the surface on which the plurality of openings of the slit are formed and the optical pattern of the scale are formed. The distance between the surface is z1, the distance between the surface on which the optical pattern of the scale is formed and the formation surface of the light receiving element having photosensitivity in a constant period in the scale moving direction of the photodetector is z2, and the scale in the scale When the period of the optical pattern in the moving direction is p1, and the pitch of the plurality of openings in the scale moving direction in the slit is pst,
pst is represented by an equation of approximately p1 × (z1 + z2) / z2.
また、第10の発明は、第1、4、5、6、7、8、9のいずれか1つの発明に係る光学式変位センサにおいて、前記スリット板の光源側の表面は、反射防止処理が施されている。 According to a tenth aspect of the present invention, in the optical displacement sensor according to any one of the first, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, and ninth aspects, the light source side surface of the slit plate is subjected to an antireflection treatment. It has been subjected.
また、第11の発明は、第1、4〜10のいずれか1つの発明に係る光学式変位センサにおいて、前記可干渉光源は、光ビーム出射部分に光ビームの広がりを制御するレンズと、スリット板を前記スケール面に平行に固定することが可能な平坦面とを有している。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the optical displacement sensor according to any one of the first, fourth, and tenth aspects, the coherent light source includes a lens that controls the spread of the light beam at the light beam emitting portion, and a slit. And a flat surface capable of fixing the plate parallel to the scale surface.
また、第12の発明は、第11の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記可干渉光源に対して前記スリット板を上方に配置した時に、前記レンズは、前記平坦面より下側に形成されている。 According to a twelfth aspect of the invention, in the optical displacement sensor according to the eleventh aspect of the invention, when the slit plate is disposed above the coherent light source, the lens is formed below the flat surface. ing.
また、第13の発明は、第11の発明に係る光学式変位センサにおいて、前記レンズは、フレネルレンズ等の平面状の光学素子である。 According to a thirteenth aspect, in the optical displacement sensor according to the eleventh aspect, the lens is a planar optical element such as a Fresnel lens.
本発明によれば、部品点数を減らし、組み立て実装を容易にした、低コストな光学式変位センサが提供される。 The present invention provides a low-cost optical displacement sensor that reduces the number of parts and facilitates assembly and mounting.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施の形態)
図1は、本発明の第1実施の形態に係る光学式変位センサとしての光学式変位センサの概略構成を示す図である。光学式変位センサは、ステージ等の変位を検出しようとする部材に固定されるスケール3と、このスケール3の変位を検出するためのセンサヘッド200とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical displacement sensor as an optical displacement sensor according to the first embodiment of the present invention. The optical displacement sensor includes a
スケール3は、後述するスリット板2の複数開口13の開口部から出射された光ビームを横切るように移動可能に支持され、光ビームを回折または反射する所定の周期の光学パターン6が形成されている。
The
一方、センサヘッド200は、センサ基板100上に、スケール3に光ビームを照射する可干渉光源1と、可干渉光源1の光ビームが出射される面に設けたスケール3の移動方向に複数開口13が形成されたスリット板2と、前記光ビームがスケール3の光学パターン6に照射されることにより生成される回折干渉パターンを検出するためのスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子4−1で構成される光検出器4とを有している。
On the other hand, the
はじめに本実施の形態における検出原理について説明する。 First, the detection principle in the present embodiment will be described.
光源の波長λ、スリットの複数開口のピッチpst、スケールピッチp1、複数開口が形成された面とスケールの光学パターンが形成された面との距離をz1、スケールの光学パターンが形成された面と光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面との距離をz2としたときに、以下の式を満足する場合に光検出器上にはスケール上に形成された周期パターンと相似な周期p2を有する回折干渉パターンが形成される。 The wavelength λ of the light source, the pitch pst of the plurality of openings in the slit, the scale pitch p1, the distance between the surface on which the plurality of openings are formed and the surface on which the optical pattern of the scale is formed, z1, and the surface on which the optical pattern of the scale is formed When the distance from the formation surface of the light receiving element having photosensitivity at a constant period in the direction of the scale movement of the photodetector is z2, it is formed on the scale on the photodetector when the following equation is satisfied. A diffraction interference pattern having a period p2 similar to the periodic pattern is formed.
(1/z1)+(1/z2)=λ/(n(p1)2) … (1)
p2=p1×(z1+z2)/z1 … (2)
pst=p1×(z1+z2)/z2 … (3)
ここで、nは自然数である。本実施の形態においては、前記「スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子」はスケール移動方向に一定周期で形成されたアレー状の受光素子で構成されている.
本実施の形態においては、光検出器上のアレー状の受光素子を(2)式で示される周期
p2で配置し、スリットの複数開口のピッチを(3)式で示されるpstに設定することにより、回折干渉パターンの動きを検出することが可能となる。すなわち、可干渉光源、スケール、アレー状の受光素子が(2)式で示される配置にあるとき、スリットの複数開口のピッチを上記(3)式で示されるpstとすることにより、アレー状の受光素子上に回折干渉パターンが形成される。さらに、この場合にアレー状の受光素子のスケール移動方向のピッチを(2)式で示されるp2に設定することにより、アレー状の受光素子の受光面に形成される回折干渉パターンと受光素子のピッチが一致するため、回折干渉パターンの特定位相毎の光強度をアレー状の受光素子が検出できるので、スケールの移動に伴う前記回折干渉パターンの動きを検出できる。
(1 / z1) + (1 / z2) = λ / (n (p1) 2 ) (1)
p2 = p1 × (z1 + z2) / z1 (2)
pst = p1 × (z1 + z2) / z2 (3)
Here, n is a natural number. In the present embodiment, the `` light receiving element having photosensitivity at a constant period in the scale moving direction '' is composed of an array of light receiving elements formed at a constant period in the scale moving direction.
In the present embodiment, the arrayed light receiving elements on the photodetector are arranged at a period p2 expressed by the equation (2), and the pitch of the plurality of openings of the slit is set to pst expressed by the equation (3). Thus, it becomes possible to detect the movement of the diffraction interference pattern. That is, when the coherent light source, the scale, and the array-shaped light receiving element are in the arrangement represented by the formula (2), the pitch of the plurality of openings of the slit is set to pst represented by the formula (3), thereby A diffraction interference pattern is formed on the light receiving element. Furthermore, in this case, by setting the pitch of the array-shaped light receiving element in the scale moving direction to p2 expressed by the equation (2), the diffraction interference pattern formed on the light receiving surface of the array-shaped light receiving element and the light receiving element Since the pitches match, the array-shaped light receiving element can detect the light intensity for each specific phase of the diffraction interference pattern, so that the movement of the diffraction interference pattern accompanying the movement of the scale can be detected.
可干渉光源1はセンサ基板100上に平面実装されたモールド光源であり、その光出射側の表面には複数開口を有するスリット板2が直接固定されている。スリット板2の複数開口の開口部のピッチ方向は、スケール3上の所定周期の光学パターン6のピッチ方向に略平行となっている。この複数開口13の開口部以外の、可干渉光源1の光出射表面の周囲は、光ビームの漏れ光が光検出器4に直接入射することを防ぐために光吸収樹脂10で覆われている。
The coherent
なお、103,104は可干渉光源1の電気接続と固定を兼ねた電極板である。
図1において、p1はスケール3上に形成された光学パターン6のスケール3移動方向における周期である。光検出器4のアレー状の受光素子の受光部4−1上の回折干渉パターンの周期はp2になるため、受光部4−1の配列ピッチもp2に設定されている。また、z1はスリット板の複数開口13が形成された面とスケール3の光学パターンが形成された面との距離であり、z2はスケール3の光学パターン6が形成された面と光検出器4上に形成されたアレー状の受光素子の受光部4−1との距離である。
In FIG. 1, p <b> 1 is a period in the moving direction of the
さらに、pstはスリット板の複数開口13におけるスケール3の移動方向のピッチである。
Further, pst is a pitch in the moving direction of the
さらに、複数のアレー状の受光素子のグループを設けて、回折干渉パターンの互いに位相が90度ずつ異なる位相部分を受光するように、互いにピッチp2ごとにグループ化して電気的に接続され、かつスケール移動方向にp2/4間隔でずらせた4つのアレー状の受光素子グループ(A+) 、(B+) 、(A-) 、(B-)を形成することが望ましい。 Further, a plurality of array-shaped light receiving element groups are provided, and the diffraction interference patterns are electrically connected by being grouped with each other at a pitch p2 so as to receive phase portions whose phases are different from each other by 90 degrees. It is desirable to form four array-like light receiving element groups (A +), (B +), (A−), and (B−) that are shifted in the moving direction at intervals of p2 / 4.
(尚、図1では、簡単のためアレー状の受光素子は1グループの場合だけ記載している。)
複数のアレー状の受光素子の各グループより検出される90度ずつ位相の異なる4つの出力信号(A+ )、(B+) 、(A-) 、(B-)からVA=(A+) −(A- )とVB=(B+ )
−(B- )を求めると、外光等周期成分を持たない光による成分をキャンセルできるため、ノイズ等の影響をキャンセルした2つの信号、VAおよびVBとして出力することが可能となっている。
(In FIG. 1, for the sake of simplicity, only one group of light receiving elements in the form of an array is shown.)
From four output signals (A +), (B +), (A-), (B-) detected by each group of a plurality of array-shaped light receiving elements and having a phase difference of 90 degrees, VA = (A +) -(A-) and VB = (B +)
When-(B-) is obtained, components due to light having no periodic components such as external light can be canceled, so that it is possible to output two signals, VA and VB, in which the influence of noise or the like is canceled.
この2つの信号VA,VBをXY表示することによりリサージュ図形を得ることができる。 A Lissajous figure can be obtained by displaying these two signals VA and VB in XY.
このリサージュ図形は円形であり、リサージュ図形上の点が現在位置を示している。この点がリサージュ円を1回転すると、それはスケール3の1ピッチ分の移動p1に対応する。
This Lissajous figure is circular, and a point on the Lissajous figure indicates the current position. When this point makes one rotation of the Lissajous circle, it corresponds to the movement p1 of one pitch of the
ここで、このリサージュ図形を内挿することにより、光学パターン6の1ピッチよりもさらに小さい移動量を検出することも可能である。
Here, by interpolating this Lissajous figure, it is also possible to detect a movement amount smaller than one pitch of the
次に実施の形態における光学式変位センサの特徴について説明する。 Next, features of the optical displacement sensor in the embodiment will be described.
本実施の形態に係る光学式変位センサは、スリット板2はモールド実装された発光ダイオードのモールド表面に直接取り付け又は形成されている。このように構成することで、複数開口のピッチ等を容易に変更でき、小型、低コストの光学式変位センサを提供することが可能となる。
In the optical displacement sensor according to the present embodiment, the
(第2実施の形態)
次に本発明の第2実施の形態に係る光学式変位センサを図2、図3を参照して説明する。図2は、光学式変位センサの構成を示す図であり、図3は、その中央部分の断面図である。第1実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the optical displacement sensor, and FIG. 3 is a cross-sectional view of a central portion thereof. Detailed description of the same parts as those of the first embodiment will be omitted.
次に本実施の形態の具体的な構成に付いて説明する。尚、ここでは、センサ基板100に対して、スリット方向を“上方”と仮定して記載する。
Next, a specific configuration of the present embodiment will be described. Here, the slit direction with respect to the
可干渉光源1の上方に配置されたスケール3の移動方向に複数開口が形成されたスリット板2を有し、さらにスリット板2は光検出器4の受光面と可干渉光源1の複数開口13の開口面が同一平面内に有るように、光検出器4の上面に固定され、且つ可干渉光源の上方に配置されている。スリット板2はガラス基板上にクロム薄膜でスリット開口が形成されており、スリット板2には複数開口13が可干渉光源1と対向する面に形成されている。可干渉光源1から出射された光ビームはスリット板2上に形成された複数開口13を経由し、スケール3の有する周期パターン6に照射される。そして、このスケール3により反射、回折された光ビームは光検出器4上に回折干渉パターンを形成する。
The
このとき、スリット板2上に形成された複数開口13は可干渉光源1と向かい合う面、すなわちスリット板2の光検出器4に貼り付けられる面と同一の平面上に形成されているため、特別な冶具等を用いることなく、また、特別な調整をすることなく自動的にz1とz2が略等しくなる。これにより、(2)、(3)式により、
pst=p2=2×p1 … (4)
が導出される。
At this time, the plurality of
pst = p2 = 2 × p1 (4)
Is derived.
したがって、この構成によりスリット板上の複数開口のピッチpst、および光検出器上に形成される回折干渉パターンの明暗のピッチは距離z1、z2に依存せず、ともに2p1に固定されるため、(pst=p2=2p1)使用時において、距離z1(=z2)、すなわちセンサヘッドとスケール間のギャップが変動しても安定な検出が可能となる。 Accordingly, with this configuration, the pitch pst of the plurality of openings on the slit plate and the light and dark pitches of the diffraction interference pattern formed on the photodetector do not depend on the distances z1 and z2, and are both fixed to 2p1. When pst = p2 = 2p1) is used, stable detection is possible even if the distance z1 (= z2), that is, the gap between the sensor head and the scale fluctuates.
さらには、設計および製造時においても、z1=z2の関係が保存されるため、スケールとセンサヘッドとの間のギャップの取り付け公差に依らない複数開口の開口ピッチpstの設定が可能である。 Furthermore, since the relationship of z1 = z2 is preserved during design and manufacturing, it is possible to set the opening pitch pst of a plurality of openings without depending on the mounting tolerance of the gap between the scale and the sensor head.
光源1の厚さが光検出器4よりも厚い場合、高さ調整部材11をセンサ基板100上に取り付けることで、高さ調整をすることが可能である。
When the thickness of the
このように構成することで、きわめて容易に、また、コストを要することなく、ギャップ変化の影響を受けにくいセンサヘッドを提供することが可能となる。 With this configuration, it is possible to provide a sensor head that is extremely easily and cost-effective and is not easily affected by gap changes.
(第3実施の形態)
次に本発明の第3実施の形態に係る光学式変位センサを図4を参照して説明する。なお、第2実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Detailed description of the same parts as those of the second embodiment will be omitted.
本実施の形態において、スリット板2は、複数開口13と、光検出器の受光部上を除いた領域が遮光部となっている。また、可干渉光源1と光検出器4との間にも可干渉光源1から出射される光ビームを透過しない遮光部材10が配置されている。このように構成することで、可干渉光源1から出射された光ビームが光検出器4に直接照射されるのを防ぐことが可能となる。これにより、信号成分以外の光ビームが光検出器に照射されにくくなるため、このような光ビームが検出信号等に与える悪影響を軽減することが可能となる。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態においても、スリット板2の複数開口13の形成面は可干渉光源1と対向する面、すなわち光検出器4に取り付けられる面側、光検出器の受光面に形成されているため、常にz1とz2が等しいため光検出器上に形成される回折干渉パターンの明暗ピッチがスケールとセンサヘッドとの間のギャップに依存しない利点がある。
Also in this embodiment, the formation surface of the plurality of
このような構成とすることで、信号成分以外の光ビームによる悪影響を受けにくく、かつ、ギャップ変化の影響も受けにくいセンサヘッドを実現することが可能となる。 By adopting such a configuration, it is possible to realize a sensor head that is not easily affected by light beams other than signal components and that is not easily affected by gap changes.
(第4実施の形態)
次に本発明の第4実施の形態に係る光学式変位センサを図5を参照して説明する。なお、第1実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Detailed description of the same parts as those of the first embodiment will be omitted.
図5は、本発明の第4実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図である。可干渉光源1は一般に市販されているステム実装された光源である。可干渉光源1は、光源1の光ビーム出射部分の位置ができるだけ低くなるように実装基板101上に実装されている。スリット板2は、このステム実装された可干渉光源1の光ビーム出射面の平面封止ガラス表面に直接固定されている。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to the fourth embodiment of the present invention. The coherent
ステム実装されている可干渉光源1は、光ビーム出射拡がり角度が制御されており、漏れ光はステム封止用のキャップ40により遮光されている。また、可干渉光源1の動作信頼性は非常に高く低価格であり、スケール3とセンサヘッド100との間隔を十分に取れる場合には高分解能で低価格な変位センサを実現できる。
The coherent
(第5実施の形態)
図6(A)、(B)は、本発明の第5実施の形態に係る光学式変位センサの構成を示す図である。なお、第1実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。
(Fifth embodiment)
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing the configuration of an optical displacement sensor according to the fifth embodiment of the present invention. Detailed description of the same parts as those of the first embodiment will be omitted.
本実施の形態において用いられる可干渉光源1は,モールド実装された光源であり、その光ビーム出射表面にはスリット板2が直接固定されている。スリット板2には周期的な複数開口13のピッチpstと、単一の開口の第2スリット15とが図6(B)に示すように形成されている。周期的な複数開口13のピッチ方向は、スケール3上の所定周期の光学パターン6のピッチ方向と略平行に配置されている。スリット板2の第1のスリットの複数開口13および第2スリット15は、可干渉光源1に対向した面に形成されている。この第1のスリットの複数開口13および第2のスリット15の開口部以外でかつ、可干渉光源1の光出射表面の周囲は、光ビームの漏れ光が第1の光検出器4及び第2の光検出器5に直接入射するのを防ぐために光吸収樹脂10で覆われている。
The coherent
可干渉光源1から出射された光ビームのうちの一部は、第1の複数開口13を通過しスケール3上に形成された周期パターン6に照射され、この周期パターン6により反射、回折されて第1の光検出器4上に回折干渉パターンを形成する。これにより、スケール3の移動を検出することが可能である。また、同様に可干渉光源1から出射された光ビームの別の一部は第2のスリット15を通過してスケール3上に形成された基準位置パターン7に照射され、基準位置パターン7で反射された光ビームは第2の光検出器5に入射する。これによりスケール3の基準位置を検出することが可能となる。
A part of the light beam emitted from the coherent
このように構成することで、簡単な構成によりスケール3の移動量と基準位置を検出することが可能な光学式変位センサを容易に低価格で提供することが可能となる。
With this configuration, it is possible to easily provide an optical displacement sensor that can detect the movement amount and the reference position of the
(第6実施の形態)
次に本発明の第6実施の形態に係る光学式変位センサを図7を参照して説明する。
(Sixth embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
なお、第1実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。図7は、本発明の第6実施の形態に係る光学式変位センサの光源部分を示す図である。 Detailed description of the same parts as those of the first embodiment will be omitted. FIG. 7 is a view showing a light source portion of an optical displacement sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
ここではモールド実装された可干渉光源1の光出射側の表面に、金属薄膜、誘電体薄膜、光吸収性樹脂薄膜等のうちいずれかを用い、第1スリットの複数開口13,および第2スリットの開口15をモールド実装された可干渉光源1の表面に直接形成する。このとき、光ビームが出射されるモールド部材の上部の平面部分のみに第1スリットの複数開口13,および第2スリットの開口15を形成すれば良いが、さらに漏れ光等、第1スリットの複数開口13、第2スリットの開口15以外の領域から出射される光ビームによる悪影響を軽減するため、樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材10が一体形成される。
Here, any one of a metal thin film, a dielectric thin film, a light-absorbing resin thin film, or the like is used on the light emitting side surface of the coherent
この遮光部材により、光検出器上に形成される回折干渉パターンに寄与しない光ビームを大幅に軽減することができるので、光検出器の出力信号のDCレベルを抑制することが可能となり、検出信号の飽和を抑制して、最適なゲインの信号検出が可能となる。 Since this light shielding member can significantly reduce the light beam that does not contribute to the diffraction interference pattern formed on the photodetector, it is possible to suppress the DC level of the output signal of the photodetector, and the detection signal Saturation of the signal is suppressed and signal detection with an optimum gain becomes possible.
なお、スリット開口の形成においては、半導体のパターンニング技術を用いることで第1スリットの複数開口13,および第2スリットの開口15を製作精度良く形成することが可能となる。また、樹脂部材、エッチング部材等をモールド表面に取り付けることで、低価格で容易に複数開口をモールド光源上に形成することが可能となる。さらに、モールド部材上に位相格子等を一体成形パターンニングすることも可能である。
In the formation of the slit openings, it is possible to form the plurality of
このような光源を用いることにより、光学式変位センサ組み立て時の部品点数を減少させ、より組み立てやすく低価格な光学式変位センサを提供することが可能となる。 By using such a light source, it is possible to reduce the number of parts when assembling the optical displacement sensor, and to provide an optical displacement sensor that is easier to assemble and less expensive.
(第7実施の形態)
次に本発明の第7実施の形態に係る光学式変位センサを図8(A)、(B)を参照して説明する。図8(A)、(B)は、本発明の第7実施の形態に係る光学式変位センサの光源部分を示す図である。
(Seventh embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8A and 8B are views showing a light source portion of an optical displacement sensor according to the seventh embodiment of the present invention.
光源1は、モールド実装され、レンズを有する光学素子aを集積化したものであり、表面形状が球形である。可干渉光源1は、図に示すようなスリット板2を含むモールド状のカバーで全体が覆われている。モールド状のカバーには第1スリットの複数開口13,および第2スリットの開口15が形成されており、第1スリットの複数開口13、および第2スリットの開口15を通った光ビームはそれぞれスケール3上に形成された、互いに対応する光学パターンに照射される。このとき光源1の周囲の漏れ光をによる影響を軽減するために、レンズ周囲には遮光部材10が充填される。この遮光部材により、光検出器上に形成される回折干渉パターンに寄与しない光ビームを大幅に軽減することができるので、光検出器の出力信号のDCレベルを抑制することが可能となり、検出信号の飽和を抑制して、最適なゲインの信号検出が可能となる。
The
モールド実装された光源1の電源供給電極には、カバーを掛けずに、ワイアボンド等が行なえるスペースを残している。
The power supply electrode of the
スリット板2を実装基板に対して水平にすることにより、第1スリットの複数開口13の開口部からスケール3の表面との間隔を、この平面からスケール3までの距離として定義することが可能となる。
By making the
光学素子aにより光ビームの広がりを制御することにより、発光ダイオードチップから出射した光ビームを効率的に第1スリットの複数開口13、および第2スリットの開口15に導くことが可能となり、これらの光ビームを効率的に利用することが可能となり、低消費電力化できる。また、出力信号の強度を大きくすることが可能となる。
By controlling the spread of the light beam by the optical element a, it becomes possible to efficiently guide the light beam emitted from the light emitting diode chip to the plurality of
(第8実施の形態)
次に本発明の第8実施の形態に係る光学式変位センサを図9(A)、(B)を参照して説明する。図9(A)、(B)は、本発明の第8実施の形態に係る光学式変位センサの光源部分の断面構造図である。樹脂部材にモールド実装されたモールド光源1は、同じ樹脂部材からなるレンズ形状の光学素子aで集積化され、光ビームの広がりを制御している。
(Eighth embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9A and 9B are cross-sectional structural views of the light source portion of the optical displacement sensor according to the eighth embodiment of the present invention. The
(第8実施の形態)
本実施の形態は、第7の実施の形態の改良タイプであり、これと共通する説明は省略する。
(Eighth embodiment)
This embodiment is an improved type of the seventh embodiment, and a description common to this is omitted.
本実施の形態においては、可干渉光源1の実装されたモールド部材の上面に形成されたレンズaはモールド部材中に埋め込まれるように形成されており、レンズ周辺にモールド部材により平坦領域が形成されている。スリット板2はこの平坦領域に固定されている。
In the present embodiment, the lens a formed on the upper surface of the mold member on which the coherent
このように構成することで、特殊な部材を用いることなくスリット板2を光源上に平坦に固定することが可能となる。
By comprising in this way, it becomes possible to fix the
(第9実施の形態)
次に本発明の第9実施の形態に係る光学式変位センサを図10を参照して説明する。
(Ninth embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a ninth embodiment of the invention will be described with reference to FIG.
図10は、本発明の第9実施の形態に係る光学式変位センサの光源部分の断面構造図である。なおここでは、第8実施の形態と同じ部分の詳細な説明は省略する。 FIG. 10 is a sectional structural view of a light source portion of an optical displacement sensor according to the ninth embodiment of the present invention. Note that detailed description of the same parts as those in the eighth embodiment is omitted here.
ここでは光学素子aの焦点距離を所定の大きさとし、レンズからスリット板2までの距離を所定の距離に設定することで、スリット板2の裏面に形成されるビームスポット径bをモールド光源1の光ビーム出射表面の窪みよりも内側の広がりに抑えることができる。
Here, the focal length of the optical element a is set to a predetermined size, and the distance from the lens to the
このように光学素子aにより光ビームの広がりをスリットの複数開口領域と同程度の広がりに制御することにより、スリット板2のそれぞれの第1のスリットの複数開口13,および第2のスリット開口15を通った光ビームが各々、スケール上の所定周期の光学パターン及び基準位置検出パターンに効率的に照射される。
In this way, by controlling the spread of the light beam by the optical element a so that the spread of the light beam is approximately the same as the multiple opening region of the slit, the
(第10実施の形態)
次に本発明の第10実施の形態に係る光学式変位センサを図11を参照して説明する。図11は、本発明の第11実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。なおここでは、第9実施の形態と同じ部分の詳細な説明は省略する。
(Tenth embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram showing the structure of the light source of the optical displacement sensor according to the eleventh embodiment of the present invention. Here, detailed description of the same parts as those in the ninth embodiment is omitted.
光学素子の曲率半径を小さくして、凸レンズ中心先端から対向する複数開口13表面までの間の距離を所定の距離に設定すると、レンズの寸法50bに対して、スリット板2の裏面のビームスポット径50aをモジュール表面の複数開口寸法よりも内側の広がりに抑えることができる。21,22は発光ダイオードの駆動電極である。
When the radius of curvature of the optical element is reduced and the distance from the front end of the convex lens to the surface of the plurality of
光源1と対向するスリットの複数開口13の表面に低反射コートを施すことにより、スリット板表面からの戻り光による、光源1の光出力の変動を抑制することができる。その結果、スリットの複数開口領域と同程度の広がりに制御された光ビームをスケール上の光学パターンに効率的に照射できる。
By applying a low reflection coating to the surface of the plurality of
(第11実施の形態)
次に本発明の第11実施の形態に係る光学式変位センサを図12(A)、(B)を参照して説明する。図12(A)、(B)は、本発明の第11実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。
(Eleventh embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12A and 12B are views showing the structure of the light source of the optical displacement sensor according to the eleventh embodiment of the present invention.
ここで可干渉光源1は、光源実装基板71と、その周囲の枠状の光源実装部材(以下、枠と呼ぶ)60とにより取り付けられる。光源実装基板71には、モールド実装された可干渉光源1の裏面の電極パターンに対応する位置に電極パターン53,54が設けられて
いる。枠60の厚みは、本実施の形態においては複数開口はスリット板2の可干渉光源1と対向する面に形成されているため、モールド実装された光源1の高さと枠60の寸法は略一致するように形成されている。また、複数開口がスケール3と対向する面に形成された場合には、枠60の高さはモールド実装された可干渉光源1とスリット板2を合わせた高さと略一致するように形成する必要が有る。
The coherent
枠60が光源実装基板71に固定された後、可干渉光源1が枠60内に落とし込まれ、さらにスリット板2が可干渉光源1の表面および枠60の表面に固定実装される。枠60をスケール移動方向に平行に実装し、枠60の位置方向位置を可干渉光源1およびスリット板2の固定実装の基準にすることができる。
After the
(第12実施の形態)
次に本発明の第12実施の形態に係る光学式変位センサを図13(A)〜(C)を参照して説明する。図13(A)〜(C)は、本発明の第12実施の形態に係る光学式変位センサの可干渉光源の構造を示す図である。
(Twelfth embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a twelfth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 13A to 13C are views showing the structure of a coherent light source of the optical displacement sensor according to the twelfth embodiment of the present invention.
ここでの可干渉光源は、掘り込み領域71と、その周囲の平面領域を有する光源搭載部材70とからなり、掘り込みの深さは、半導体ベアチップ状可干渉光源1および光ビームが出射される半導体の表面に直接固定されたスリット板2と同じか、もしくはさらに深く設定されている。
The coherent light source here includes a digging
掘り込み状の底面領域71から上面領域にかけて、第1の電極パターン53が設けられている。これと向かい合う他方の端は掘り込みが垂直にエッチング形成されており、少なくとも、この垂直面は電気的に絶縁または高抵抗である。光源搭載部材70の該垂直面に隣接する上面には第2の電極パターン54が設けられている。
A
半導体ベアチップ状可干渉光源1を垂直面につき当てて実装し、スリット板2を、半導
体ベアチップ状可干渉光源1の光ビームが出射する表面を覆うように、垂直面近傍の表面電極を除いて直接チップ表面および実装部材上面に取付ける。垂直面側の表面電極54は、ベアチップを突き当てた後、表面に電極半田材を電極パッドと連結して配線し、ワイアを用いない。
The semiconductor bare chip coherent
本実施の形態によれば、光源搭載部材70とスリット板2表面との平行度を保証でき、掘り込み状の底面領域71に半導体ベアチップ状可干渉光源1を落とし込むときの実装が容易である。さらに配線ワイアによる光源出力の低下を抑制可能であり、ワイアの取り扱いがフリーとなる。
According to the present embodiment, the parallelism between the light
(第13実施の形態)
次に本発明の第13実施の形態に係る光学式変位センサを図14を参照して説明する。図14は、本発明の第13実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。
(13th Embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a thirteenth embodiment of the present invention is described with reference to FIG. FIG. 14 is a diagram showing the structure of the light source of the optical displacement sensor according to the thirteenth embodiment of the present invention.
可干渉光源1の実装基板101には、モールド実装された可干渉光源1の形状に嵌合す
る嵌合部材55,56が設けられており、この嵌合部材55,56の嵌合部にモールド実装された可干渉光源1を突き当てて容易にセンサ基板100に実装できる。
The mounting
この嵌合部材55,56は、導電体でセンサ基板100上のパターン電極100−1と連結されている。嵌合部材55,56の導体形状は、モールド実装された可干渉光源1の表面電極部分の切り欠き25の形状に一致している。この嵌合部材55,56はセンサ基板100に対して垂直に設けられ、その先端は平坦面であり、その平坦面にスリット板2を固定する。
The
モールド実装された可干渉光源1を嵌合部材55,56の嵌合部に突き当て、裏面の
電極パターンに合わせて固定する。その後、可干渉光源1の光ビームの出射表面部分に、スリット板2の表面に形成された切り欠けパターン26,27と嵌合部材55,56の先端位置、形状を一致させて、固定することにより、本発明の光変位センサの光源部分の実装が容易にできる。
The coherent
また、この実装基板を半導体Si基板を用いることにより、可干渉光源実装部分の周
囲の所定の領域に光検出器を集積化することが可能であり、光検出器の配置と前記電極パターンや嵌合部材55,56の位置等を半導体プロセスのパターンニング技術で形成することができ、光源およびスリット板の開口部分と光検出器の配置制御が容易になる。
In addition, by using a semiconductor Si substrate as the mounting substrate, it is possible to integrate a photodetector in a predetermined region around the coherent light source mounting portion. The positions of the combined
(第14実施の形態)
次に本発明の第14実施の形態に係る光学式変位センサを図15(A)、(B)を参照して説明する。図15(A)、(B)は、本発明の第14実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。
(14th Embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a fourteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 15A and 15B are views showing the structure of the light source of the optical displacement sensor according to the fourteenth embodiment of the present invention.
可干渉光源1の実装基板62には、モールド実装された可干渉光源1の形状に嵌合する
嵌合部材59,60が設けられており、この嵌合部材59,60の嵌合部にモールド実装された可干渉光源1を突き当てて、可干渉光源1を容易に実装基板62に実装できる。
The mounting
嵌合部材59,60は、導電体で実装基板62上のパターン電極と連結されている。
The
この嵌合部材59,60の導体形状は、モールド実装された可干渉光源1の表面電極部分の向かい合う端部の一部が切り取られて切りかけ61,62を構成し、この位置に可干渉光源1を固定配置することを容易ならしめている。嵌合部材59,60は、実装基板62に対して垂直に設けられている。スリット板板2の表面には、可干渉光源1の向かい合う端部の形状に一致する目合わせパターン57,58が設けられている。
The
モールド実装された可干渉光源1を嵌合部材59,60の嵌合部に突き当て、裏面の
電極パターンに合わせて固定する。その後、スリット板板2の表面に形成された目合わせパターン57,58と、嵌合部材59,60の切り欠け61,62とを一致させて固定することで光源1の光ビームの出射側表面部分にスリット板板2を取付ける。このようにしてスリット板付き光源が容易に実装される。
The coherent
(第15実施の形態)
次に本発明の第16実施の形態に係る光学式変位センサを図16(A)、(B)を参照して説明する。図16(A)、(B)は、本発明の第15実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。
(Fifteenth embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a sixteenth embodiment of the invention will be described with reference to FIGS. 16A and 16B are views showing the structure of the light source of the optical displacement sensor according to the fifteenth embodiment of the present invention.
スリット板2の裏面には、所定周期の複数開口13が設けられ、その周囲は光を吸収する暗部パターンである。但し、モールド実装された可干渉光源1との目合わせのために設けられた切り欠きパターン26,27は開口になっている。
A plurality of
また、スリット板板2の裏面は低反射コートを行い、反射光が可干渉光源1に戻り可干渉光源1の光出力が変動することを抑制している。
In addition, the back surface of the
モールド実装された可干渉光源1の光ビームの射出する表面にスリット板2を前述の切
り欠きパターン26,27を用いて固定した後、さらに、光ビーム漏れ光が直接検出器に入力することを抑制するために、モールド光源の光ビームの出射表面の周囲を光吸収樹脂10で覆っている。
After the
このように本発明の光変位センサの可干渉光源部分の光源とスリット板との実装が容易にできる。 Thus, the light source and the slit plate of the coherent light source part of the optical displacement sensor of the present invention can be easily mounted.
(第16実施の形態)
次に本発明の第17実施の形態に係る光学式変位センサを図17(A)、(B)を参照して説明する。図17(A)、(B)は、本発明の第16実施の形態に係る光学式変位センサの光源の構造を示す図である。
(Sixteenth embodiment)
Next, an optical displacement sensor according to a seventeenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 17A and 17B are views showing the structure of the light source of the optical displacement sensor according to the sixteenth embodiment of the present invention.
なお、第15実施の形態と同じ部分については詳細な説明を省略する。 Detailed description of the same parts as those in the fifteenth embodiment will be omitted.
スリット板2の裏面には、所定開口周期の第1のスリットの複数開口13と、この第1のスリット板の複数開口13と互いに一部が重なるように第2のスリットの開口15が設けられ、その周囲は光を吸収する暗部パターンである。但し、可干渉光源1との目合わせのために設けられたパターン57a,57b,58a,58bは開口になっている。このパターン57a,57b,58a,58bは、モールド実装された可干渉光源1の表面の4隅の電極位置に一致している。
The back surface of the
ここで、第2のスリットの開口15が、第1スリットの複数開口13の形成領域の一部に重なっていることにより、第2のスリットの開口15を通った光ビームがスケール上の基準位置検出パターンに照射される。この基準位置検出パターンで反射された光ビームは第2の光検出器5に入射し基準位置が検出される。
Here, since the
このとき同時に、第2のスリットの開口15を通った光ビームの一部が、スケール上の第1の周期パターン6にも照射される。このスケール上の第1の周期パターンで反射された光ビームの一部を第1の光検出器で検出することにより移動量検出信号と基準位置検出信号との同期が得られる。
At the same time, a part of the light beam that has passed through the
また、第1のスリットの複数開口13を通過した光ビームは、ビーム広がりがスケール移動方向に対して広い為、スケール上の基準位置検出パターンに対応した信号が第2の光検出器でも得られる。これに対して、基準位置の検出に用いられる単一開口の第2のスリットの開口15を通過した光ビームは、スケール上の基準位置検出パターンに照射され、反射されて第2の光検出器上に生成されるパターンは第2の光検出器により検出される。
In addition, since the light beam that has passed through the plurality of
本実施の形態では、このときに検出される基準位置信号レベルが急峻に増加することを
利用して、第2のスリットの開口面積を第1のスリットの開口部分へと伸ばすことにより、基準位置検出のためのスケール上の基準位置検出パターンへの光量を確保して信号レベルを上げ、確実に基準位置を検出できるようにしている。
In the present embodiment, utilizing the fact that the reference position signal level detected at this time increases sharply, the opening area of the second slit is extended to the opening portion of the first slit, so that the reference position is The amount of light to the reference position detection pattern on the scale for detection is secured to increase the signal level so that the reference position can be reliably detected.
この結果、基準位置の検出が明確になり、相対変位量との同期をとることにより、基準位置からの絶対変位量を検出できる。 As a result, the detection of the reference position becomes clear, and the absolute displacement amount from the reference position can be detected by synchronizing with the relative displacement amount.
(付記)
上記した具体的な実施の形態から、以下のような構成を有する発明が抽出される。
(Appendix)
The invention having the following configuration is extracted from the specific embodiment described above.
1.光ビームを出射する可干渉光源と、
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記可干渉光源の光ビームが出射される面に、前記スケールの移動方向に複数開口を有するスリット板を設けたことを特徴とする光学式変位センサ。
1. A coherent light source that emits a light beam;
A scale that is displaced across the light beam emitted from the coherent light source and on which an optical pattern having a predetermined period is formed;
A photodetector equipped with a light receiving element having photosensitivity at a constant period in a scale moving direction for detecting the movement of the diffraction interference pattern generated by irradiating the optical pattern with the light beam with the predetermined period;
An optical displacement sensor comprising:
An optical displacement sensor characterized in that a slit plate having a plurality of openings in the moving direction of the scale is provided on a surface from which the light beam of the coherent light source is emitted.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第1−3,5−12実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to the present invention corresponds to at least the first to third and fifth to twelfth embodiments.
(作用効果)
ここで、可干渉光源とは、単独またはスリットと組み合わせて出射される光ビームが、本特許の構成で示す配置でスケールに照射されたときに、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子面にスケールの回折模様を形成しうる可干渉性を有する光源であり、具体的には、発光ダイオード(LED)、スーパールミネッセントダイオード(SLD)、端面発光レーザ(LD)、面発光レーザ(SEL)等を指すものとする。
(Function and effect)
Here, the coherent light source is a light receiving device having light sensitivity at a constant cycle in the scale movement direction when a light beam emitted alone or in combination with a slit is irradiated on the scale in the arrangement shown in the configuration of this patent. A coherent light source capable of forming a scale diffraction pattern on the element surface, specifically, a light emitting diode (LED), a super luminescent diode (SLD), an edge emitting laser (LD), a surface emitting laser (SEL) etc. shall be pointed out.
また、スリットは、複数開口または単一開口を表面に金属薄膜または誘電体薄膜でパターン形成したもの、光ビームが透過するように貫通穴または溝を形成したもの、さらに板状の誘電体に選択拡散で部分的に光透過率が異なる光吸収型パターン等のスリット板を指すものとする。 In addition, slits can be selected from those with multiple openings or single openings patterned on the surface with a metal thin film or dielectric thin film, those with through holes or grooves formed to allow light beams to pass through, and plate-like dielectrics. It refers to a slit plate such as a light-absorbing pattern whose light transmittance is partially different due to diffusion.
ここでは例えば図1に示すように、複数開口を有するスリット板2をそのピッチ方向がスケール3の移動方向に略平行になるように、可干渉光源1の光ビームが出射される表面上に実装する。スリット板2の可干渉光源1への実装の具体例としては、複数開口をパターンニングにより直接形成するか、スリット板2を光ビームが出射される表面に直接固定することにより、容易に実装することができる。
Here, for example, as shown in FIG. 1, the
また、スリット板2のピッチ方向をスケール3の移動方向と平行にすることにより、スケール3の移動方向の光ビームは広がり、スリットの複数開口の点光源の重ね合わせにより、スケール3上で反射された光ビームは光検出器の受光素子面に回折干渉パターンが形成される。
Further, by making the pitch direction of the
2.前記可干渉光源は、樹脂部材にモールド実装されたモールド光源であり、前記スリット板は、前記モールド光源の光ビームを出射する表面に直接形成されていることを特徴とする1に記載の光学式変位センサ。 2. 2. The optical type according to 1, wherein the coherent light source is a mold light source that is molded and mounted on a resin member, and the slit plate is directly formed on a surface that emits a light beam of the mold light source. Displacement sensor.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、第6実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
The sixth embodiment corresponds to the embodiment relating to the present invention.
(作用効果)
ここで、樹脂部材にモールド実装された可干渉光源とは、半導体チップ光源を電極パターンが形成された樹脂基板上に実装し、さらにこの周囲を樹脂部材で封止した光源である。モールド実装された可干渉光源1の光出射側の表面に、金属薄膜、誘電体薄膜、光吸収性樹脂薄膜のうちいずれかを用いて、複数開口13,および単一開口15のスリットを直接形成する。このような可干渉光源を用いることにより、光学式変位センサ組み立て時の部品点数を減少させ、より組み立てやすく低価格な光学式変位センサを提供することが可能である。
(Function and effect)
Here, the coherent light source molded and mounted on a resin member is a light source in which a semiconductor chip light source is mounted on a resin substrate on which an electrode pattern is formed, and the periphery thereof is sealed with a resin member. A slit having a plurality of
3.前記モールド樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材を形成施したことを特徴とする2記載の光学式変位センサ。 3. Of the mold surface of the mold resin member, when the light beam emission surface is the front surface, the opposite side is the rear surface, and the surface substantially perpendicular to the emission direction of the light beam formed to surround the front surface and the rear surface is the side surface, 3. The optical displacement sensor according to 2, wherein a light shielding member is formed on a part or all of the surface and the side surface excluding the slit portion on the surface.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第6実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
At least the sixth embodiment corresponds to the embodiment relating to the present invention.
(作用効果)
例えば図7に示すように、モールド実装された可干渉光源1の光出射側の表面に、金属薄膜、誘電体薄膜、光吸収性樹脂薄膜等のうちいずれかを用い、第1のスリットの複数開口13,および第2のスリットの開口15をモールド実装された可干渉光源1の表面に直接形成する。このとき、光ビームが出射されるモールド部材の上部の平面部分のみに第1のスリットの複数開口13,および第2のスリットの開口15を形成すれば良いが、さらに漏れ光等、第1のスリットの複数開口13、および第2のスリットの開口15以外の領域から出射される光ビームによる悪影響を軽減するため、樹脂部材のモールド表面のうち光ビーム出射面を前面、その反対側を後面、前記前面および前記後面を取り囲むように形成された光ビームの出射方向に略垂直な面を側面とすると、前記表面のスリット開口部を除く表面および前記側面の一部または全部に遮光部材10が一体形成される。
(Function and effect)
For example, as shown in FIG. 7, a plurality of first slits are used by using any one of a metal thin film, a dielectric thin film, a light-absorbing resin thin film, and the like on the surface of the light-emitting side of the coherent
この遮光部材により、光検出器上に形成される回折干渉パターンに寄与しない光ビームを大幅に軽減することができるので、光検出器の出力信号のDCレベルを抑制することが可能となり、検出信号の飽和を抑制して、最適なゲインの信号検出が可能となる。 Since this light shielding member can significantly reduce the light beam that does not contribute to the diffraction interference pattern formed on the photodetector, it is possible to suppress the DC level of the output signal of the photodetector, and the detection signal Saturation of the signal is suppressed and signal detection with an optimum gain becomes possible.
4.光ビームを出射する、モールド実装された可干渉光源と、
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、第1の所定周期の光学パターンと第2の光学パターンとが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記第1の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した第1の光検出器と、
前記光ビームが前記第2の光学パターンに照射されることにより生成されたビームパターンを検出する第2の光検出器と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記可干渉光源の光ビームが出射される側のモールド表面に、前記第1の光学パターンに照射される光ビームを形成し、かつ前記スケールの移動方向に複数開口を有する第1のスリットと、前記第2の光学パターンに照射される光ビームを形成する第2のスリットとが設けられていることを特徴とする光学式変位センサ。
4). A coherent light source mounted in a mold that emits a light beam;
A scale that is displaced across the light beam emitted from the coherent light source and on which an optical pattern having a first predetermined period and a second optical pattern are formed;
A first photodetector mounted with a light receiving element having photosensitivity in a fixed period in a scale moving direction for detecting a movement of a diffraction interference pattern generated by irradiating the first optical pattern with the light beam; ,
A second photodetector for detecting a beam pattern generated by irradiating the second optical pattern with the light beam;
An optical displacement sensor comprising:
A first slit having a plurality of openings in a moving direction of the scale, and forming a light beam to be applied to the first optical pattern on a mold surface on a side from which the light beam of the coherent light source is emitted; An optical displacement sensor, comprising: a second slit for forming a light beam irradiated on the second optical pattern.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第6,7,8,9,10実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
At least the sixth, seventh, eighth, ninth, and tenth embodiments correspond to the embodiments relating to the present invention.
(作用効果)
例えば図6(A),(B)に示すように、モールド実装された可干渉光源1の光ビームが出射される面に、スケール3上の第1の周期パターン6に光ビームを照射する周期的な第1のスリットの複数開口13と、第2のスリットの開口15とが形成されている。周期的な第1のスリットの複数開口13のピッチ方向は、スケール3上の所定周期の光学パターン6のピッチ方向に略平行に配置されている。
(Function and effect)
For example, as shown in FIGS. 6A and 6B, a cycle in which the light beam of the coherent
可干渉光源1から出射された光ビームのうちの一部は、第1のスリットの複数開口13を通過しスケール3上に形成された周期パターン6に照射され、この周期パターン6により反射、回折されて第1の光検出器4上に明暗パターンを形成する。これにより、スケール3の移動を検出することが可能である。また、同様に可干渉光源1から出射された光ビームの別の一部は第2のスリットの開口15を通過してスケール3上に形成された基準位置パターン7に照射され、基準位置パターン7で反射された光ビームは第2の光検出器5に入射する。これによりスケール3の基準位置を検出することが可能となる。
A part of the light beam emitted from the coherent
周期的な第1のスリットの複数開口13と第2のスリットの開口15はモールド実装された可干渉光源1の光ビームが出射される面に固定または直接形成されているため、実装が容易である。周期的な第1のスリットの複数開口13のピッチ方向は、スケール3上の所定周期の光学パターン6のピッチ方向と略平行に配置されているため、スケール3上の光ビームはスケール3のピッチ方向に広がっており、広範囲の変位情報を回折干渉パターンに反映させることができ、スケール3上の塵、傷にも強いセンサが実現できる。
The plurality of periodic
5.前記第1のスリットの光学パターンが形成された面と、前記スケールの前記第1の光学パターンが形成された面との距離をz1、
前記スケールの前記第1の光学パターンが形成された面と、前記第1の光検出器の受光素子の形成面との距離をz2、
前記スケール上に形成された前記第1の所定周期の光学パターンの、前記スケール移動方向の周期をp1、
前記第1のスリットに形成された、前記スケール移動方向の複数開口のピッチをpstとすると、pstは、略、p1×(z1+z2)/z2
の式で表わされることを特徴とする4に記載の光学式変位センサ。
5. The distance between the surface of the first slit on which the optical pattern is formed and the surface of the scale on which the first optical pattern is formed is z1,
The distance between the surface of the scale on which the first optical pattern is formed and the surface on which the light receiving element of the first photodetector is formed is z2,
The period of the scale movement direction of the optical pattern of the first predetermined period formed on the scale is p1,
Assuming that the pitch of the plurality of openings formed in the first slit in the scale moving direction is pst, pst is approximately p1 × (z1 + z2) / z2.
5. The optical displacement sensor according to 4, wherein the optical displacement sensor is represented by:
(作用効果)
第1のスリットとして周期的な複数開口13が形成された面とスケール3の前記第1の光学パターンが形成された面との距離をz1、スケール3の前記第1の光学パターン6が形成された面と前記第1の光検出器4の受光素子の形成面との距離をz2、スケール3上に形成された前記第1の所定周期の光学パターンの、前記スケール移動方向の周期をp1、
可干渉光源1の波長をλ、自然数をnとすると、スケール3上の明暗パターンを前記第1の光検出器4の表面に転写させる為には、略、
(1/z1)+(1/z2)=λ/(n×(p1)2 )
の条件を満足することが必要である。この時の前記第1の光検出器4の受光面上に結像する回折干渉パターンの周期をp2とすると、
p2=p1×(z1+z2)/z1
となる。
(Function and effect)
The distance between the surface on which the plurality of
When the wavelength of the coherent
(1 / z1) + (1 / z2) = λ / (n × (p1) 2 )
It is necessary to satisfy the following conditions. If the period of the diffraction interference pattern imaged on the light receiving surface of the
p2 = p1 × (z1 + z2) / z1
It becomes.
第1のスリットの複数開口13におけるスケール3の移動方向の開口のピッチをpstとすると、スリットの複数開口のピッチpstと前記第1の光検出器4上の回折干渉パターンピッチp2との関係を
pst:p2=z1:z2
に形成する必要がある。
If the pitch of openings in the moving direction of the
Need to be formed.
その結果、第1のスリットの複数開口13から射出された光ビームがスケール3上の前記第1の光学パターンに照射され、前記第1の光検出器4上に回折干渉パターンが転写される為には、略、
pst=p1×(z1+z2)/z2
となる。
As a result, the light beam emitted from the plurality of
pst = p1 × (z1 + z2) / z2
It becomes.
第1のスリットの複数開口13の開口ピッチは、スケールの移動方向に上記条件を略満足すると、タルボット原理を利用したスケール3上の回折干渉パターンを前記第1の光検出器4上に投影させることができる。
When the opening pitch of the plurality of
6.前記第1のスリットの複数開口と、前記第2のスリットの開口とは、前記第1のスリットの複数開口と前記第2のスリットの開口が形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向に所定の距離をずらせて形成されていることを特徴とする4に記載の光学式変位センサ。 6). The plurality of openings of the first slit and the opening of the second slit are in the direction in which the scale moves in a plane where the plurality of openings of the first slit and the opening of the second slit are formed. 5. The optical displacement sensor according to 4, wherein the optical displacement sensor is formed by shifting a predetermined distance in a substantially perpendicular direction.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第5,6,7,8,9,16実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
At least fifth, sixth, seventh, eighth, ninth, and sixteenth embodiments correspond to the embodiments of the present invention.
(作用効果)
可干渉光源1から出射された光ビームのうちの一部は、第1のスリットの複数開口13を通過しスケール3上に形成された周期パターン6に照射され、この周期パターン6により反射、回折されて第1の光検出器4上に回折干渉パターンを形成する。これにより、スケール3の移動を検出することが可能である。また、同様に可干渉光源1から出射された光ビームの別の一部は第2のスリットの開口15を通過してスケール3上に形成された基準位置パターン7に照射され、基準位置パターン7で反射された光ビームは第2の光検出器5に入射する。これによりスケール3の基準位置を検出することが可能となる。
(Function and effect)
A part of the light beam emitted from the coherent
このようにそれぞれの第1のスリットの複数開口13,および第2のスリットの開口15から出射された光ビームがスケール上の周期パターン6および基準位置パターン7に照射され、それぞれの相互作用を抑制するためには、少なくとも、第1のスリットの複数開口13と第2のスリットの開口15は、第1のスリットの複数開口13形成された面内において、スケール3の移動方向に対して、略垂直な方向に所定の距離をずらせて形成されていることが必要である。
In this way, the light beams emitted from the plurality of
本構成により、それぞれの第1のスリットの複数開口13,および第2のスリットの開口15から出射された光ビームがスケール3上の互いに異なる第1光学パターン及び第2の基準位置検出パターンに照射され、対応する第1光検出器4,および第2光検出器5で相互作用を抑制した変位信号および基準位置信号を得ることができる。
With this configuration, the first optical pattern and the second reference position detection pattern which are different from each other on the
7.前記第1のスリットの複数開口と、前記第2のスリットの開口とは、前記第1のスリットの複数開口と前記第2のスリットの開口の形成された面内において、前記スケールの移動方向に対して略垂直な方向において、所定の距離だけずらせた上で、さらに少なくとも一部が重なり合うように形成されていることを特徴とする6に記載の光学式変位センサ。 7). The plurality of openings of the first slit and the opening of the second slit are arranged in a direction in which the scale moves in a plane where the plurality of openings of the first slit and the opening of the second slit are formed. 7. The optical displacement sensor according to 6, wherein the optical displacement sensor is formed so as to overlap at least partially after being shifted by a predetermined distance in a direction substantially perpendicular to the surface.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第16実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to the present invention corresponds to at least the sixteenth embodiment.
(作用効果)
第2のスリットの開口15の開口部が、第1のスリットの複数開口13の形成領域の一部に重なっていることにより、第2のスリットの開口15を通った光ビームがスケール上の第2の基準位置検出パターンに照射される。この第2の基準位置検出パターンで反射された光ビームは第2の光検出器5に入射し基準位置が検出される。このとき同時に、第2のスリットの開口15を通った光ビームの一部が、スケール上の第1の周期パターン6にも照射される。このスケール上の第1の周期パターンで反射された光ビームの一部を第1の光検出器で検出することにより移動量検出信号と基準位置検出信号との同期が得られる。
(Function and effect)
Since the opening portion of the second slit opening 15 overlaps a part of the formation region of the plurality of
また、第1のスリットの複数開口13を通過した光ビームは、ビーム広がりがスケール移動方向に対して広い為、スケール上の基準位置検出パターンに対応した信号が第2の光検出器でも得られる。これに対して、基準位置の検出に用いられる単一開口の第2のスリットの開口15を通過した光ビームは、スケール上の第2の基準位置検出パターンに照射され、反射されて第2の光検出器上に生成されるパターンは第2の光検出器により検出される。
In addition, since the light beam that has passed through the plurality of
このときに検出される基準位置信号レベルが急峻に増加することを利用して、スリットの開口面積を第1のスリットの開口部分へと伸ばすことにより、基準位置検出のためのスケール上の基準位置検出パターンへの光量を確保して信号レベルを上げ、確実に基準位置を検出できるようにしている。 By utilizing the fact that the reference position signal level detected at this time increases sharply, the opening area of the slit is extended to the opening portion of the first slit, so that the reference position on the scale for detecting the reference position is obtained. The amount of light to the detection pattern is secured, the signal level is increased, and the reference position can be reliably detected.
8 光ビームを出射する可干渉光源と、前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールに向かう光路上に配置され、前記スケールの移動方向に複数開口が形成されたスリット板とを具備する光学式変位センサであって、
前記スリット板は、前記複数開口が形成された部位の上面又は下面と前記受光素子の受光面とが同一平面内に有るように、前記受光素子の形成面と同一平面に固定されていることを特徴とする光学式変位センサ。
8. A coherent light source that emits a light beam; a scale that is displaced across the light beam emitted from the coherent light source and formed with an optical pattern having a predetermined period; and A photodetector having a light receiving element having photosensitivity in a constant period in a scale moving direction for detecting the movement of the diffraction interference pattern generated by being irradiated with the light beam, and the light beam emitted from the coherent light source is An optical displacement sensor comprising a slit plate disposed on an optical path toward the scale and having a plurality of openings formed in the moving direction of the scale,
The slit plate is fixed to the same plane as the formation surface of the light receiving element so that the upper surface or the lower surface of the portion where the plurality of openings are formed and the light receiving surface of the light receiving element are in the same plane. An optical displacement sensor characterized.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第2,3実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to the present invention corresponds to at least the second and third embodiments.
(作用効果)
説明の都合上、センサ基板100に対して、これと垂直でかつスリット方向を“上方”と仮定する。実施の形態を図2〜図3により説明する。可干渉光源1の上方に配置されたスケール3の移動方向に複数開口が形成されたスリット板2を有し、さらに、スリット板2はそのいずれかの面と前記光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の受光面とが同一平面内に有るように、スリット板が前記光検出器4のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面と同一平面に固定されている。この構成により、前記スリットの光学パターンが形成された面と、前記スケールの前記光学パターンが形成された面との距離z1、前記スケールの前記光学パターンが形成された面と、前記光検出器の実効的な受光面との距離z2が、(すなわち、いかなる場合にもz1=z2が保持される。)自動的に一致する。
(Function and effect)
For convenience of description, it is assumed that the
これにより、(2)、(3)式で示したように、スケールとセンサヘッドとの間の距離に無関係に、受光面上の回折干渉パターンはスケール上の光学パターン周期の2倍(2p1)に固定される。また、スリット板に形成すべき開口ピッチpstもスケール上の光学パターン周期p1の2倍に固定される。 As a result, as shown by the equations (2) and (3), the diffraction interference pattern on the light receiving surface is twice the optical pattern period on the scale (2p1) regardless of the distance between the scale and the sensor head. Fixed to. The opening pitch pst to be formed in the slit plate is also fixed to twice the optical pattern period p1 on the scale.
したがって、スケールとセンサヘッドとの間の距離が変わっても、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子のピッチp2やスリット開口ピッチpstを変える必要がない。 Therefore, even if the distance between the scale and the sensor head changes, it is not necessary to change the pitch p2 or the slit opening pitch pst of the light receiving elements having photosensitivity with a constant period in the scale moving direction.
さらには、設計および製造時においても、z1=z2の関係が保存されるため、スケールとセンサヘッドとの間のギャップの取り付け公差に依らないスリットの開口ピッチpstの設定が可能である。 Furthermore, since the relationship of z1 = z2 is preserved during design and manufacturing, the slit opening pitch pst can be set without depending on the mounting tolerance of the gap between the scale and the sensor head.
この光検出器4上の回折干渉パターンを所定の位相間隔で強度信号として検出し、検出された強度信号を位相分割処理することにより高分解な変位センサが得られる。
A high-resolution displacement sensor can be obtained by detecting the diffraction interference pattern on the
9.前記スリットの複数開口が形成された面と、前スケールの光学パターンが形成された面との距離をz1、前記スケールの光学パターンが形成された面と、前記光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面との距離をz2、
前記スケールにおけるスケール移動方向の光学パターンの周期をp1、
前記スリットにおける前記スケール移動方向の複数開口のピッチをpstとすると、
pstは、略、p1×(z1+z2)/z2
の式で表わされることを特徴とする1、2、3、8のいずれか1つに記載の光学式変位センサ。
9. The distance between the surface on which the plurality of openings of the slit is formed and the surface on which the optical pattern of the previous scale is formed is z1, the surface on which the optical pattern of the scale is formed, and the scale moving direction of the photodetector Z2 is the distance from the formation surface of the light receiving element having photosensitivity at a constant period
The period of the optical pattern in the scale moving direction in the scale is p1,
If the pitch of the plurality of openings in the slit movement direction in the slit is pst,
pst is approximately p1 × (z1 + z2) / z2.
The optical displacement sensor according to any one of 1, 2, 3, and 8, characterized by:
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第1−4,の実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to the present invention corresponds to at least the first to fourth embodiments.
(作用効果)
光源の波長λ、スリットのピッチpst、スケールのピッチp1、スリットからスケールまでの距離をz1、スケールから光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面までの距離をz2としたときに、以下の式を満足する場合に、光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面にスケール上に形成された周期パターンと相似な周期p2を有する回折干渉パターンが形成される。
(Function and effect)
The wavelength λ of the light source, the pitch pst of the slit, the pitch p1 of the scale, the distance from the slit to the scale z1, and the distance from the scale to the formation surface of the light receiving element having photosensitivity in a fixed period in the scale moving direction of the photodetector. When z2 is satisfied, when the following equation is satisfied, a period p2 similar to the periodic pattern formed on the scale is formed on the formation surface of the light receiving element having photosensitivity at a constant period in the scale moving direction of the photodetector. A diffraction interference pattern is formed.
(1/z1)+(1/z2)=λ/(n(p1)2) … (1)
p2=p1×(z1+z2)/z1 … (2)
pst=p1×(z1+z2)/z2 … (3)
ここで、nは自然数である。
(1 / z1) + (1 / z2) = λ / (n (p1) 2 ) (1)
p2 = p1 × (z1 + z2) / z1 (2)
pst = p1 × (z1 + z2) / z2 (3)
Here, n is a natural number.
したがって、光検出器上のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を(2)式で示される周期p2で配置し、スリットの複数開口ピッチを(3)式で示されるpstに設定することにより、回折干渉パターンの動きを検出することが可能となる。すなわち、光源、スケール、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子が(2)式で示される配置にあるとき、スリットの複数開口ピッチを上記(3)式で示されるpstとすることにより、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子上に回折干渉パターンが形成される。さらに、この場合にスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子のスケール移動方向のピッチを(2)式で示されるp2に設定することにより、スケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の受光面上に形成される回折干渉パターンと受光素子ピッチが一致するため、回折干渉パターンの特定位相毎の光強度をスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子が検出できるので、スケールの移動に伴う前記回折干渉パターンの動きを検出できる。 Therefore, a light receiving element having photosensitivity with a constant period in the direction of scale movement on the photodetector is arranged at a period p2 expressed by equation (2), and a plurality of slit pitches of slits are set to pst expressed by equation (3). By doing so, it becomes possible to detect the movement of the diffraction interference pattern. That is, when the light source, the scale, and the light receiving element having photosensitivity at a constant period in the scale moving direction are in the arrangement shown by the formula (2), the plurality of slit pitches are set as pst shown by the formula (3). Thus, a diffraction interference pattern is formed on the light receiving element having photosensitivity at a constant period in the scale moving direction. Furthermore, in this case, by setting the pitch in the scale movement direction of the light receiving element having photosensitivity at a constant cycle in the scale movement direction to p2 expressed by the equation (2), the photosensitivity is obtained at a constant cycle in the scale movement direction. Since the diffraction interference pattern formed on the light receiving surface of the light receiving element matches the light receiving element pitch, it is possible to detect the light intensity for each specific phase of the diffraction interference pattern with a constant period in the scale movement direction. The movement of the diffraction interference pattern accompanying the movement of the scale can be detected.
10.前記スリットの光源側の表面は、反射防止処理が施されていることを特徴とする1、4、5、6、7、8のいずれか1つに記載の光学式変位センサ。 10. The optical displacement sensor according to any one of 1, 4, 5, 6, 7, and 8, wherein the light source side surface of the slit is subjected to antireflection treatment.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、第6を除く第1−17実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
Embodiments relating to the present invention correspond to
(作用効果)
反射防止処理は、低反射膜コートを施すかまたは、スリット板2の表面を乱反射させる形状にすることを指す。スリット板2の光源側のスリット開口部表面からの反射光が可干渉光源1に戻り、可干渉光源1の光出力が変動し、結果として光検出器4の変位信号レベ
ルが変動し、変位量エラーを生じることを抑制するために、少なくとも、スリット板2のスリット開口部表面には反射防止処理を行っている。この結果、戻り光が低減し可干渉光源1の光出力を安定にすることができ、スケール3の変位量を正しく検出させることができる。
(Function and effect)
The antireflection treatment refers to applying a low reflection film coating or making the surface of the
11.前記可干渉光源は、光ビーム出射部分に光ビームの広がりを制御するレンズと、スリット板を前記スケール面に平行に固定することが可能な平坦面とを有していることを特徴とする1,4から10のいずれか1つに記載の光学式変位センサ。 11. The coherent light source has a lens for controlling the spread of a light beam at a light beam emitting portion, and a flat surface capable of fixing a slit plate in parallel to the scale surface. , 4 to 10. The optical displacement sensor according to any one of 4 to 10.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第3,4,5,7,8,9実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
At least the third, fourth, fifth, seventh, eighth, and ninth embodiments correspond to the embodiments of the present invention.
(作用効果)
モールドで光学素子を形成し、光出射側の表面は平坦に一体成型されているため、光出射側の表面から射出される光ビームの形状は制御される。また、スリットの固定面が平坦である為、固定時のスリット表面の水平度が容易に得られる。
(Function and effect)
Since the optical element is formed by the mold and the surface on the light emitting side is integrally formed flat, the shape of the light beam emitted from the surface on the light emitting side is controlled. Further, since the fixing surface of the slit is flat, the level of the slit surface during fixing can be easily obtained.
例えば図9(A),(B)の光学素子aにより光ビームの広がりを制御することにより、スリット板2の第1のスリットの複数開口13を通った光ビームがスケール上の周期的な第1光学パターンに効率的に照射される。また、スリット板2が周期的な第1のスリットの複数開口13と単一開口の第2のスリットの開口15からなる場合には、光学素子aにより光ビームの広がりが制御されるため、それぞれの第1のスリットの複数開口13および第2のスリットの開口から射出された光ビームがスケール上の対応する第1の周期的な光学パターンおよび第2の基準位置検出パターンにそれぞれ照射反射され、対応する第1光検出器および第2光検出器上の周期光学パターンおよび基準位置パターンが転写されるため相互干渉を抑制した位置変位信号および基準位置検出信号を検出できる。
For example, by controlling the spread of the light beam by the optical element a in FIGS. 9A and 9B, the light beam that has passed through the plurality of
12.前記可干渉光源に対して前記スリット板を上方に配置した時に、前記レンズは、前記平坦面より下側に形成されていることを特徴とする11に記載の光学式変位センサ。 12 12. The optical displacement sensor according to 11, wherein the lens is formed below the flat surface when the slit plate is disposed above the coherent light source.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第3,9実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
The embodiment relating to the present invention corresponds to at least the third and ninth embodiments.
(作用効果)
可干渉光源に対して前記スリット板を上方に配置した時に、前記レンズは、前記平坦面より下側に形成されているために、スリット板の実装が容易であると共に、レンズとスリット板との間を設けることにより、レンズの集光効果が期待できる。またモールド形状を設計することにより、大量にチップ上にレンズ状部品を一体で実装したモールド光源を容易に製造でき、光ビーム拡がり角度を制御できる。
(Function and effect)
When the slit plate is disposed above the coherent light source, since the lens is formed below the flat surface, it is easy to mount the slit plate, and between the lens and the slit plate. By providing a space, the light collecting effect of the lens can be expected. Further, by designing the mold shape, a mold light source in which a large number of lens-like components are integrally mounted on a chip can be easily manufactured, and the light beam divergence angle can be controlled.
13.前記レンズは、フレネルレンズ等の平面状の光学素子で有ることを特徴とする11に記載の光学式変位センサ。 13. 12. The optical displacement sensor according to 11, wherein the lens is a planar optical element such as a Fresnel lens.
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第3,5,8,9実施の形態が対応する。
(Corresponding Embodiment of the Invention)
At least the third, fifth, eighth, and ninth embodiments correspond to the embodiments of the present invention.
(作用効果)
光ビームを集光させるためのフレネルレンズ、もしくは集光グレーティングをモールド光源の光ビーム出射面に実装し、さらにその上にスリット板を平面実装する。このフレネルレンズ、もしくは集光グレーティングは、半導体製造技術で製造できる為、低価格で大量に生産でき、光ビーム広がりを制御したモジュール光源が低価格で得られる。
(Function and effect)
A Fresnel lens or a condensing grating for condensing the light beam is mounted on the light beam exit surface of the mold light source, and a slit plate is mounted on the surface. Since this Fresnel lens or condensing grating can be manufactured by semiconductor manufacturing technology, it can be produced in large quantities at a low price, and a module light source with controlled light beam spread can be obtained at a low price.
1…可干渉光源、2…スリット板、3…スケール、4−1…受光素子、4…光検出器、6…光学パターン、13…複数開口、100…センサ基板、200…センサヘッド。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記可干渉光源の光ビームが出射される面に、前記スケールの移動方向に複数開口を有するスリット板を設けたことを特徴とする光学式変位センサ。 A coherent light source that emits a light beam;
A scale that is displaced across the light beam emitted from the coherent light source and on which an optical pattern having a predetermined period is formed;
A photodetector equipped with a light receiving element having photosensitivity at a constant period in a scale moving direction for detecting the movement of the diffraction interference pattern generated by irradiating the optical pattern with the light beam with the predetermined period;
An optical displacement sensor comprising:
An optical displacement sensor characterized in that a slit plate having a plurality of openings in the moving direction of the scale is provided on a surface from which the light beam of the coherent light source is emitted.
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、第1の所定周期の光学パターンと第2の光学パターンとが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記第1の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した第1の光検出器と、
前記光ビームが前記第2の光学パターンに照射されることにより生成された光ビームパターンを検出する第2の光検出器と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記可干渉光源の光ビームが出射される側のモールド表面に、前記第1の光学パターンに照射される光ビームを形成し、かつ前記スケールの移動方向に複数開口を有する第1のスリットと、前記第2の光学パターンに照射される光ビームを形成する第2のスリットとを設けたことを特徴とする光学式変位センサ。 A coherent light source mounted with a mold that emits a light beam;
A scale that is displaced across the light beam emitted from the coherent light source and on which an optical pattern having a first predetermined period and a second optical pattern are formed;
A first photodetector mounted with a light receiving element having photosensitivity in a fixed period in a scale moving direction for detecting a movement of a diffraction interference pattern generated by irradiating the first optical pattern with the light beam; ,
A second photodetector for detecting a light beam pattern generated by irradiating the second optical pattern with the light beam;
An optical displacement sensor comprising:
A first slit having a plurality of openings in a moving direction of the scale, and forming a light beam to be applied to the first optical pattern on a mold surface on a side from which the light beam of the coherent light source is emitted; An optical displacement sensor, comprising: a second slit for forming a light beam irradiated on the second optical pattern.
前記スケールの前記第1の光学パターンが形成された面と、前記第1の光検出器の受光素子の形成面との距離をz2、
前記スケール上に形成された前記第1の所定周期の光学パターンの、前記スケール移動方向の周期をp1、
前記第1のスリットに形成された、前記スケール移動方向の複数開口のピッチをpstとすると、pstは、略p1×(z1+z2)/z2
の式で表わされることを特徴とする請求項4記載の光学式変位センサ。 The distance between the surface of the first slit where the plurality of openings are formed and the surface of the scale where the first optical pattern is formed is z1,
The distance between the surface of the scale on which the first optical pattern is formed and the surface on which the light receiving element of the first photodetector is formed is z2,
The period of the scale movement direction of the optical pattern of the first predetermined period formed on the scale is p1,
Assuming that the pitch of the plurality of openings formed in the first slit in the scale moving direction is pst, pst is approximately p1 × (z1 + z2) / z2.
The optical displacement sensor according to claim 4, wherein the optical displacement sensor is represented by:
前記可干渉光源から出射される光ビームを横切るように変位し、所定周期の光学パターンが形成されたスケールと、
前記光ビームが前記所定周期の光学パターンに照射されることにより生成された回折干渉パターンの動きを検出するスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子を搭載した光検出器と、
前記可干渉光源から出射された光ビームが前記スケールに向かう光路上に配置され、前記スケールの移動方向に複数開口が形成されたスリット板と、
を具備する光学式変位センサであって、
前記スリット板は、前記複数開口が形成された部位の上面又は下面と前記受光素子の受光面とが同一平面内に有るように、前記受光素子の形成面と同一平面に固定されていることを特徴とする光学式変位センサ。 A coherent light source that emits a light beam;
A scale that is displaced across the light beam emitted from the coherent light source and on which an optical pattern having a predetermined period is formed;
A photodetector equipped with a light receiving element having photosensitivity at a constant period in a scale moving direction for detecting the movement of the diffraction interference pattern generated by irradiating the optical pattern with the light beam with the predetermined period;
A slit plate in which a light beam emitted from the coherent light source is disposed on an optical path toward the scale, and a plurality of openings are formed in the moving direction of the scale;
An optical displacement sensor comprising:
The slit plate is fixed to the same plane as the formation surface of the light receiving element so that the upper surface or the lower surface of the portion where the plurality of openings are formed and the light receiving surface of the light receiving element are in the same plane. An optical displacement sensor characterized.
前記スケールの光学パターンが形成された面と、前記光検出器のスケール移動方向に一定周期で光感度を有する受光素子の形成面との距離をz2、
前記スケールにおけるスケール移動方向の光学パターンの周期をp1、
前記スリットにおける前記スケール移動方向の複数開口のピッチをpstとすると、
pstは、略、p1×(z1+z2)/z2
の式で表わされることを特徴とする請求項1、2、3、8のいずれか1つに記載の光学式変位センサ。 The distance between the surface on which the plurality of openings of the slit are formed and the surface on which the optical pattern of the scale is formed is z1,
Z2 represents the distance between the surface on which the optical pattern of the scale is formed and the formation surface of the light receiving element having photosensitivity at a constant period in the scale moving direction of the photodetector.
The period of the optical pattern in the scale moving direction in the scale is p1,
If the pitch of the plurality of openings in the slit movement direction in the slit is pst,
pst is approximately p1 × (z1 + z2) / z2.
9. The optical displacement sensor according to claim 1, wherein the optical displacement sensor is represented by the following formula.
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