JP2010032545A

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Publication number: JP2010032545A
Application number: JP2009256267A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Aoki; 敏彦青木
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2020-08-07
Also published as: JP4913857B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for measuring optical displacement where a light receiving element array for detecting two-axis displacement is integrated with superior perpendicularity. <P>SOLUTION: This optical displacement measuring apparatus comprises a scale having an optical lattice in two axis directions, and a sensor head having the light-receiving element array 3, that is arranged relatively movably in two axis directions oppositely to the scale, optically detects the relative movement, and outputs a displacement signal. The light-receiving element array 3 of the sensor head comprises: a transparent substrate 30; a photodiode array PDAy that is formed of a semiconductor film deposited on the substrate 30, is arranged at a predetermined pitch in the first axis direction of the optical lattice and outputs a displacement signal, corresponding to the displacement of the first axis direction; and a photodiode array PDAx that is formed of a semiconductor film deposited on the photodiode array PDAy via an insulating layer, is arranged at a predetermined pitch in the second axis direction of the optical lattice and outputs a displacement signal, corresponding to the displacement of the second axis direction. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

Translated fromJapanese

この発明は、光学式変位測定装置に関する。 The present invention relates to an optical displacement measuring device.

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。 Conventionally, an xy scale for optically detecting a biaxial displacement of the x-axis and the y-axis is known. Two light receiving devices that output displacement signals in the x-axis and y-axis directions are mounted on the sensor head with respect to the xy scale.

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。 However, when two light receiving devices are mounted on a substrate, it is difficult to obtain a highly accurate xy squareness because the xy squareness depends on the mounting accuracy. Further, since the two light receiving devices are mounted in different regions of the substrate, the sensor head cannot be reduced in size. Usually, a rigid flat substrate such as a glass substrate is used as the substrate on which the light receiving device is mounted. However, the scale surface of the xy scale is not limited to a flat surface, and may be a spherical surface or a cylindrical surface. For this reason, the structure in which the light receiving device is mounted on a rigid substrate cannot flexibly cope with an xy scale having various scale surfaces.

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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an optical displacement measuring device in which a light receiving element array for detecting biaxial displacement is integrated with an excellent squareness. Another object of the present invention is to provide an optical displacement measuring device having a sensor head in which a light receiving element array for detecting biaxial displacement is integrated in a small size. Another object of the present invention is to provide an optical displacement measuring device having a sensor head that can flexibly handle various scale surfaces.

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。 An optical displacement measuring apparatus according to the present invention is arranged so that a scale having an optical grating formed in a biaxial direction and a relative movement in a biaxial direction facing the scale and optically detecting the relative movement. A sensor head having a light receiving element array for outputting a displacement signal, and the light receiving element array of the sensor head is formed of a substrate and a semiconductor film deposited on the substrate, and is in a first axial direction of the optical grating. A first light receiving element group that outputs a displacement signal corresponding to the displacement in the first axial direction, and an insulating layer formed to cover the first light receiving element group, and on the insulating layer And a second light receiving element group arranged at a predetermined pitch in the second axis direction of the optical grating and outputting a displacement signal corresponding to the displacement in the second axis direction. It is characterized by.

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。 According to the present invention, the light receiving element array for measuring the displacement in the biaxial direction is configured as a stacked structure of light receiving element groups formed by film deposition of a semiconductor film and lithography. Accordingly, the perpendicularity of the biaxial light receiving element group becomes excellent, and a small and high performance optical displacement measuring device can be obtained.

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。 In the present invention, the substrate of the light receiving element array is, for example, a transparent substrate having a light incident surface on a surface opposite to the surface on which the first and second light receiving element groups are stacked. A flexible resin substrate can be used as this substrate. Thereby, even when the scale surface having a two-dimensional optical grating is a curved surface, it can be flexibly opposed.

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。 The optical displacement measuring apparatus according to the present invention also includes a scale on which an optical grating is formed, and a light receiving element that is disposed so as to be relatively movable so as to face the scale and optically detects the relative movement and outputs a displacement signal. A sensor head having an array, the light receiving element array having a light receiving element group obtained by patterning a semiconductor film deposited on the substrate, and at least one of the scale and the light receiving element array being a flexible resin substrate It is characterized by being formed.

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。 According to the present invention, by forming at least one of the scale and the light receiving element array on the flexible resin substrate, the scale surface shape can be a cylindrical surface, a spherical surface, a free surface, regardless of whether the optical grating of the scale is one-dimensional or two-dimensional. It is possible to flexibly cope with a curved surface or the like. Specifically, in the present invention, preferably, the light receiving element array includes a flexible resin substrate and a plurality of light receiving elements that are formed of a semiconductor film deposited on the flexible resin substrate and output displacement signals having different phases. Configured. When the scale has a two-dimensional optical grating, the light-receiving element array is configured to have first and second light-receiving element groups formed at different positions on the substrate corresponding to the two-dimensional optical grating. Alternatively, it may be configured to have a first and a second light receiving element group formed in a laminated manner via an insulating layer at the same position of the substrate corresponding to a two-dimensional optical grating.

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。 According to the present invention, it is possible to obtain a small optical displacement measuring device in which a light receiving element array for detecting biaxial displacement is integrated with an excellent squareness. According to the present invention, an optical displacement measuring device having a sensor head that can flexibly handle various scale surfaces can be obtained.

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。1 is a perspective view showing a basic configuration of an optical displacement measuring device according to the present invention.センサヘッドの構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of a sensor head.図２のＡ−Ａ’断面図である。It is A-A 'sectional drawing of FIG.センサヘッドの他の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the other structural example of a sensor head.図４のＡ−Ａ’断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 4.図４のＢ−Ｂ’断面図である。FIG. 5 is a B-B ′ cross-sectional view of FIG. 4.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。It is a perspective view which shows the structure of the displacement measuring apparatus applied to the cylindrical scale.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。It is a perspective view which shows the structure of the other displacement measuring apparatus applied to the cylindrical scale.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。It is a perspective view which shows the structure of the displacement measuring device applied to the free-form surface scale.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。It is a perspective view which shows the structure of the displacement measuring device applied to the spherical scale.センサヘッドの具体的な構成例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of a sensor head.センサヘッドの他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of a sensor head.センサヘッドの他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of a sensor head.図１１の構成を変形した構成例を示す。The structural example which deform | transformed the structure of FIG. 11 is shown.図１２の構成を変形した構成例を示す。The structural example which deform | transformed the structure of FIG. 12 is shown.受光素子アレイの他のレイアウト例を示す図である。It is a figure which shows the other layout example of a light receiving element array.

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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the basic configuration of the optical encoder of the present invention. Thescale 1 is an xy scale in which a two-dimensionaloptical grating 11 in the biaxial direction perpendicular to the x axis and the y axis is formed. Thesensor head 2 is disposed so as to face thescale 1 and be relatively movable in the biaxial direction. Thesensor head 2 includes a lightreceiving element array 3 that optically detects a relative movement in two axes and outputs a displacement signal of each axis, and alight source 4 such as an LED that irradiates thescale 1.

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。 The lightreceiving element array 3 includes photodiode arrays PDA1 and PDA2 for detecting displacement in the x-axis direction, and photodiode arrays PDA3 and PDA4 for detecting displacement in the y-axis direction. Specifically, for example, the photodiode array PDA1 includes a group of photodiodes (PD) for A-phase output and B-phase outputs that are 90 ° out of phase with each other, and the photodiode array PDA2 includes A group of photodiodes (PD) for AB phase and BB phase output that are opposite in phase to the A and B phase outputs are arranged at a predetermined pitch. Similarly, a photodiode (PD) group for A phase and B phase output is arranged in the photodiode array PDA3, and a photodiode (PD) group for AB phase and BB phase output is arranged in the photodiode array PDA4. Arranged.

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。 In the present invention, the light receivingelement array 3 including these biaxialphotodiode arrays PDA 1 toPDA 4 is integrally formed by patterning an amorphous semiconductor film deposited on apredetermined array substrate 30. FIG. 2 shows the layout of the light receivingelement array 3, and FIG. 3 shows the A-A 'cross-sectional structure of FIG. Thesubstrate 30 is a transparent substrate. In this example, the back surface of thesubstrate 30 is a light incident surface on which reflected light from the scale enters.

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。 Atransparent electrode 31 is formed on thesubstrate 30 to be a common electrode for each photodiode PD. By patterning theamorphous semiconductor film 32 deposited on thetransparent electrode 31, the arrays PDA3 and PDA4 made of striped photodiodes PD elongated in the x-axis direction and the striped photodiode PD elongated in the y-axis direction. Arrays PDA1 and PDA2 are simultaneously formed.

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。 Specifically, thesemiconductor film 32 has a pin layer structure or a pn layer structure. Aterminal electrode 33 is formed on the upper surface of each photodiode PD. Theterminal electrode 33 is continuously deposited with thesemiconductor film 32 and is patterned simultaneously with thesemiconductor film 32. Each photodiode PD is covered with an insulatinglayer 34 such as a silicon oxide film.

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。 In this manner, the photodiode arrays PDA1, PDA2 and PDA3, PDA4 for detecting displacement in the biaxial direction of thexy scale 1 are integrally formed by patterning the commonamorphous semiconductor film 32, and these are individually formed to form a substrate. Compared with the case of attaching to, the perpendicularity of the xy two axes is excellent, and the light receivingelement array 3 becomes small as a whole.

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。 Thesensor head 2 having the configuration shown in FIGS. 1 to 3 is not limited to the linear displacement measurement in the x-axis and y-axis directions, and thesensor head 2 in the xy plane is processed by processing the displacement signals of the four photodiode arrays PDA1 to PDA4. Measurement of the relative rotational angular displacement θ between thescales 1 is also possible.

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。 1 to 3, silicon is typically used as theamorphous semiconductor film 32, but other materials such as ZnSe and CdSe are used. The same applies to the following examples.

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。 Next, an example in which the biaxial photodiode array has a laminated structure based on the configuration of FIGS. FIG. 4 is a layout of such a light receivingelement array 3, and FIGS. 5 and 6 are cross-sectional views taken along lines A-A 'and B-B' of FIG. 3, respectively. The displacement detection photodiode array PDAy in the y-axis direction and the displacement detection photodiode array PDAx in the x-axis direction are formed using differentamorphous semiconductor films 32 and 36. A first layeramorphous semiconductor film 32 is deposited on thetransparent substrate 30 via atransparent electrode 31 which is a common electrode of the photodiode array PDAy, and is patterned to form a photodiode array PDAy.

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。 Eachterminal electrode 33 of the photodiode array PDAy is a transparent electrode. The photodiode array PDAy is covered with aninterlayer insulating film 34 such as a silicon oxide film. On theinterlayer insulating film 34, a second layeramorphous semiconductor film 36 is deposited via atransparent electrode 35 serving as a common electrode of the photodiode array PDAx, and is patterned to form a photodiode array PDAx. Eachterminal electrode 37 of the photodiode array PDAx can be a metal electrode. The photodiode array PDAx is further covered with an insulatinglayer 37.

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。 Note that theterminal electrode 33 of the photodiode array PDAy may be a metal electrode. In this case, theterminal electrode 33 blocks light from the back surface of the substrate to the photodiode array PDAx. This is achieved by adjusting the area ratio of the photodiode arrays PDAx and PDAy so that approximately the same amount of light enters both. If so, there is no problem. Further, this can be dealt with by adjusting the output gain of the photodiode arrays PDAx and PDAy separately from the area ratio or together with the area ratio.

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。 In this manner, the light receivingelement array 3 is further reduced in size by stacking the photodiode arrays for detecting the displacement in the biaxial direction. In addition, since the photodiode arrays are stacked by lithography, the xy biaxial perpendicularity is also excellent. In the lower photodiode array PDAy, the upper and lower electrodes are both transparent electrodes. Accordingly, light incident from the back surface of thesubstrate 30 is partially photoelectrically converted by the photodiode array PDAy and also transmitted to the upper photodiode array PDAx. As a result, a sufficient S / N displacement signal can be obtained for both the photodiode arrays PDAy and PDAx.

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。 In the above configuration example, a hard substrate such as a glass substrate can be used as thetransparent substrate 30, but a flexible resin substrate is preferably used. For example, a polyimide resin is used as the flexible resin substrate. Thereby, the application range of the optical encoder becomes wide. Such an application example will be described below.

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。 FIG. 7 shows an example in which thescale 1 is a cylindrical scale. Thecylindrical scale 1 is formed with a biaxial optical grating in the cylindrical axis direction (x axis) and the circumferential direction (θ) on the outer peripheral surface thereof. In contrast, a flexible resin substrate is used as thesubstrate 30 of the lightreceiving element array 3 on which the photodiode arrays PDA and PDA for detecting displacement in the x-axis and θ directions are formed.

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。 The lightreceiving element array 3 is assumed to have a photodiode array configuration similar to that shown in FIGS. 1 to 3 (or a photodiode array configuration similar to that shown in FIGS. 4 to 6) except for the substrate material. The manufacturing process is performed using film formation and lithography technology with thesubstrate 30 in a flat state. If thesubstrate 30 is a flexible resin substrate, the obtained light receivingelement array 3 is curved according to the diameter of thecylindrical scale 1 as shown in FIG. Can do.

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。 Note that the pitch in the θ direction of the lightreceiving element array 3 is slightly deviated from the pitch of the photodiode arrays PDA and PDA in a pattern-formed state on a plane by being curved. However, this pitch deviation can be ignored if the diameter of thecylindrical scale 1 is more than a certain level. Therefore, by using the flexible resin substrate, the range in which the light receiving element array can be actually applied is wide. Since the above-described pitch deviation can be predicted corresponding to the diameter of the curve, the pattern pitch on the plane can be determined in consideration of the curve.

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。 FIG. 8 shows an example in which thescale 1 is a cylindrical scale, but only one axis in the circumferential direction (θ) direction is measured. That is, theoptical grating 11 of thescale 1 is formed on the outer peripheral surface at a predetermined pitch only in the θ direction. In this case, the light receivingelement array 3 is also configured by a photodiode array PDA only in the θ direction. Also in this case, by using a flexible resin substrate as thesubstrate 30, flexible application is possible as in the case of FIG.

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。 FIG. 9 shows an example in which thescale 1 is a free-form surface scale. The free-form surface scale 1 is formed with a biaxial optical grating in the x-axis direction and the y-axis direction on the free-form surface. In contrast, a flexible resin substrate is used as thesubstrate 30 of the lightreceiving element array 3 on which the photodiode arrays PDA and PDA for detecting displacement in the x-axis direction and the y-axis direction are formed. The lightreceiving element array 3 is assumed to have a photodiode array configuration similar to that shown in FIGS. 1 to 3 (or a photodiode array configuration similar to that shown in FIGS. 4 to 6) except for the substrate material. Thus, the linear displacement and the rotational displacement θ in the xy axis direction can be measured by making the light receivingelement array 3 face the outer peripheral surface of thescale 1 with a predetermined gap while deforming the light receivingelement array 3 following the free-form surface scale 1.

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。 In the configuration of FIG. 9, thescale 1 can be formed on a flexible substrate, and thearray substrate 30 of the lightreceiving element array 3 can be made rigid. In this case, thescale 1 is bonded to an object having a free curved surface to become the freecurved surface scale 1. On the other hand, thesensor head 2 is opposed to each other with a predetermined gap to be relatively movable. Also in the examples of FIGS. 7 and 8, theoptical grating 11 of thescale 1 can be formed using a flexible resin substrate and can be attached to a cylindrical surface. Furthermore, both thescale 1 and thearray substrate 30 of the lightreceiving element array 3 can be flexible substrates. When a flexible substrate is used for the lightreceiving element array 3, a surface light emitting element such as an organic EL element that can be flexibly deformed can be used as a light source.

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。 FIG. 10 shows an example in which thescale 1 is a spherical scale. Thescale 1 is formed with twooptical gratings 11 in the circumferential directions θ and φ perpendicular to the spherical surface. Asensor head 2 is attached so that thescale 1 is covered with a cap. Thesubstrate 30 of the lightreceiving element array 3 on which the photodiode arrays PDA and PDA for detecting the displacement in the θ direction and the φ direction are formed is arranged so as to face the spherical surface of thescale 1 using a flexible resin substrate. Yes. The lightreceiving element array 3 is assumed to have a photodiode array configuration similar to that shown in FIGS. 1 to 3 (or a photodiode array configuration similar to that shown in FIGS. 4 to 6) except for the substrate material. Thus, by using a flexible resin substrate as the substrate of the lightreceiving element array 3, it is possible to cope with a spherical scale.

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。 Some specific examples of the configuration of thesensor head 2 of the optical displacement measuring device according to the present invention will be given below. Thesensor head 2 in FIG. 11 uses atransparent substrate 5 on which a light receivingelement array 3 is mounted. Then, an LED chip as thelight source 4 is mounted on the light receivingelement array 3 with its upper surface as a light emitting surface, and this LED mounting portion is molded with a transparent resin 6 having a convex surface. Areflective film 7 is formed on the convex surface of the transparent resin 6. As a result, the light from the LED is reflected by the convex surface to become substantially parallel light, and is irradiated onto thescale 1 through thetransparent substrate 5. In this case, the light source light is irradiated to the scale through a region where the light receiving elements of the lightreceiving element array 3 are not formed. If the first optical grating is formed in this region, a three-grating system can be configured. Further, a three-grating system can be configured by providing a first optical grating under the light-receivingelement array 3 so that the light source light is irradiated to the scale through the light-receivingelement array 3 and the first optical grating. In FIG. 11, asignal processing circuit 8 for processing the output signal of the lightreceiving element array 3 is also mounted on thetransparent substrate 5.

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。 FIG. 12 shows an example in which a three-grid system is configured. In this case, thesensor head 2 has a light source side index grating 10 formed on anindex substrate 9 made of a transparent substrate, and the light from thelight source 4 is irradiated to thescale 1 through the index grating 10. Yes. The lightreceiving element array 3 is mounted on theindex substrate 9 apart from the index grating 10.

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。 Thesensor head 2 of FIG. 13 is an example in which a surface emitting LED is used as thelight source 4. A surface emitting LED is arranged with its light emitting surface facing thescale 1, and the light receivingelement array 3 is mounted on the light emitting surface. Light from the LED is irradiated to thescale 1 almost vertically through the light receivingelement array 3, and light reflected from thescale 1 almost vertically is detected by the light receivingelement array 3. As the surface light emitting element, for example, an organic EL element can be used in addition to the LED.

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。 FIG. 14 is a modification of FIG. The light source is simply configured by arranging theLEDs 4. The light from theLED 4 is incident on the light receivingelement array 3 serving both as the first grating and the third grating substantially vertically, and is transmitted through the light receivingelement array 3 to be applied to thescale 1. FIG. 15 is a modification of FIG. A concave mirror is constituted by thetransparent resin body 6b having a shape obtained by dividing the sphere into approximately 1/4 and thereflective film 7, and theLED 4 is attached to the side surface of thetransparent resin body 6b with the light emitting surface vertical. The light reflected by thereflective film 7 is incident obliquely on the index grating 10 and irradiates thescale 1. Note that a three-grating system using an index grating (or pinhole array) with the same pitch as the scale grating on the light source side is optically divided into two (that is, the output signal pitch is ½ that of the two-grating system). However, the light source side index grating (or pin pole array) is not always necessary. For example, the light source side index grating 10 can be omitted in the configurations of FIGS.

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。 In the examples so far, each photodiode PD of the lightreceiving element array 3 has a long and narrow rectangular pattern. However, as for the pattern of this photodiode PD, a plurality of in-phase ones are bundled, as shown in FIGS. The pattern shown in FIG. In FIG. 16A, a connectingportion 141 serving as a contact portion of the terminal wiring is provided in the central portion of the plurality of photodiodes PD. In FIG. 16B, a connectingportion 142 is provided at the end of the plurality of photodiodes. Moreover, in FIG.16 (c), the someconnection part 143 is provided.

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。DESCRIPTION OFSYMBOLS 1 ... Scale, 11 ... Optical grating, 2 ... Sensor head, 3 ... Light receiving element array, 4 ... Light source, PDA ... Photodiode array, 30 ... Array substrate, 31, 35 ... Transparent electrode, 32 ... Semiconductor film, 33, 37 ... terminal electrodes, 34, 38 ... insulating layers.

Claims

Translated fromJapanese

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光学式変位測定装置。 A scale on which an optical grating is formed; and a sensor head having a light receiving element array that is disposed so as to be relatively movable facing the scale and optically detects the relative movement and outputs a displacement signal. The array has a light receiving element group obtained by patterning a semiconductor film deposited on a substrate, and at least one of the scale and the light receiving element array is formed on a flexible resin substrate. Displacement measuring device.

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１記載の光学式変位測定装置。 The light-receiving element array of the sensor head includes a flexible resin substrate and a plurality of light-receiving elements that are formed of a semiconductor film deposited on the flexible resin substrate and output displacement signals having different phases. Item 4. The optical displacement measuring device according to Item 1.

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１記載の光学式変位測定装置。 2. The optical displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the scale is a planar scale on which a one-dimensional or two-dimensional optical grating is formed.

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１記載の光学式変位測定装置。 2. The optical displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the scale is a cylindrical scale on which a one-dimensional or two-dimensional optical grating is formed.

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１記載の光学式変位測定装置。 2. The optical displacement measuring device according to claim 1, wherein the scale is a spherical scale on which a two-dimensional optical grating is formed.

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１記載の光学式変位測定装置。 2. The optical displacement measuring device according to claim 1, wherein the scale is a free-form surface scale on which a two-dimensional optical grating is formed.

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１記載の光学式変位測定装置。 The scale has a two-dimensional optical grating, and the light-receiving element array has first and second light-receiving element groups formed at different positions on the substrate corresponding to the two-dimensional optical grating. The optical displacement measuring device according to claim 1.

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１記載の光学式変位測定装置。 The scale has a two-dimensional optical grating, and the light-receiving element array is formed by stacking first and second light-receiving element groups corresponding to the two-dimensional optical grating through an insulating layer at the same position on the substrate. The optical displacement measuring device according to claim 1, comprising: