专利名称：位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位移传感器，其包括投光部和具有光圈(絞り)的受光部，以下述方式构成在调整上述投光部的光射出位置和上述光圈成为共轭的关系的同轴光学系统(被称为同轴共焦点方式的光学系统)的光轴上，沿该光轴配备可往复移动的透镜部，根据受光部的受光量信号取得极大值时的上述透镜的位置对测量对象物进行测量的位移。
背景技术：
这种位移传感器是利用以下原理若从投光部经由透镜部所射出的光在规定位置聚光，则在该聚光点反射的光在与投光路线相反的路径前进之后，在与光射出位置处于共轭的关系的光圈的位置进行聚光。具体地说，使透镜部内的规定的透镜沿光轴往复运动并射出在规定位置聚光的测量光束，与此同时接收相对该光束的反射光，根据受光部的受光量信号取得极大值时的透镜的位置，求出测量对象物(以下，称为“工件”)的位移。
作为公开了该光学系统或测量处理的原理的文献，例如存在下述的专利文献1。
专利文献1JP特开平7-113617号公报。
图8是表示上述的专利文献1所公开的位移传感器的光学系统的结构。该光学系统包括通过由激光二极管构成的投光部200、包括光电二级管201以及针孔202的受光部203、光束分离器204以及一对的透镜205、206等。透镜之中，接近投受光部一侧的透镜205为准直透镜，另外的透镜206为物镜。
物镜206被安装在未图示的音叉的前端，根据音叉的振动沿光轴进行往复移动。若在该状态下使激光二极管201发光，则通过了上述透镜205、206的测量光束BM的聚光位置也发生变化。因此，在测量光束BM的聚光位置和工件W的表面的位置一致时，来自工件W的反射光在针孔202聚光，因此光电二级管201的受光量信号变大。另一方面，其他时候不产生上述现象，成为光几乎不入射到光电二级管201的状态。由此，根据受光量信号成为了极大值时的物镜206的位置求出此时刻的测量光束BM的聚光位置，并能够将此作为工件W的位置。
这种位移传感器是用于测量玻璃基板上的电极图案等、工件上的微小的位移，所以需要以光轴方向上的照射光的聚光范围被限定在极小的范围内的方式(换而言之，以焦点深度变浅的方式)，调整光学系统。
另一方面，有这样的要求因为工件的基准面的高度或位移的大小由工件的种类而变化，所以需要能够对传感器的动作距离(从传感器的光射出面到测量光束的聚光位置的距离之中的最小的距离)和测定范围(光束的聚光位置移动的范围)自由地进行变更。
作为满足这样要求的一个方法，考虑有替换上述物镜的方法。但是若变更透镜的重量或直径，则共振频率也变化，因此透镜的驱动系统也必须重新设计。因此，只单纯替换透镜不能满足这样的要求，并且实施该方法很困难。
另外，如下述的专利文献2所记载的，也有在物镜和准直透镜之间配备发散透镜，通过使该发散透镜往复移动，对聚光位置进行调整的方法。但是，根据该方法，由于进入物镜的光不是平行光，所以缩小聚光位置变困难，产生不能确保测量精度这样的问题。另外，由于使发散透镜往复移动，所以若为了调整聚光位置而要替换发散透镜，则产生与上述的替换物镜时同样的问题。
专利文献2JP特开2004-102228号公报。
进而，这种位移传感器多在工厂等被使用于联机测量，在其测量中变更工件的情况也很多，但是如上所述，替换传感器内部的透镜或驱动系统的方法是如果不长时间中止测量就不能实行的，因而现场的用户实行也很困难，因此在进行联机测量的现场很难采用。
对此，认为通过在同轴共焦点方式的光学系统追加变换用的透镜，只要使聚光位置变动，不变更传感器本体的设计，就能够适应联机测量。
图9、10是表示在组装了上述图8的光学系统的传感器头部210安装组装有变换用透镜的透镜架211，而变更了动作距离和测定范围的例子。在图9的例子中，在上述透镜架211内组装准直透镜212以及聚光透镜213，使在传感器头部210内的光学系统中聚光的光暂时成平行光之后，再次使之聚光。另外在图10的例子中，通过一个聚光透镜214，使在聚光后扩散的光再次聚光。
此外，在任意一个的图中，a、b是表示原有的光学系统的动作距离以及测定范围，A、B是表示变更后的动作距离以及测定范围。
这样从理论上说，通过追加透镜，能够变更动作距离和测定范围。但是，若变更一次被汇聚的光的方向，则容易受透镜的象差等的影响，其结果，不能充分缩小再次聚光时的聚光的范围，不能确保测量的精度。
另外，在图9、10的例子中，由于使在通过原来的光学系统聚光后扩散的光射入到修正用的透镜212、213、214中，所以若变更该修正用的透镜212、213、214的高度，则动作距离和测定范围也变更。在这种结构中，若按照工件W的高度调整透镜架211的位置，则测量的条件也进行变动，产生不容易调整的问题。
加之，在图10的方法中，从将发散光聚光来看，除需要直径较大的透镜214之外，需要以从原来的光学系统的光的聚光位置到透镜214的距离D大于透镜214的焦点距离的方式进行设定，从而也具有透镜架211大型化的问题。
发明内容
本发明是着眼于上述问题而做出的，其目的在于通过追加结构简单的透镜架而能够简单地变更动作距离和测定范围，同时在变更后也能够确保测量的精度。
本发明的位移传感器，其在包含有投光部和包括光圈的受光部、且调整为上述投光部的光射出位置和上述光圈成为共轭的关系的同轴光学系统的光轴上，配置有包含沿该光轴能够往复移动的透镜的透镜部，根据在上述受光部的受光量信号为极大值时的上述透镜的位置来对测量对象物的位移进行测量。在收容有上述同轴光学系统的筐体上，在与上述透镜部的最后一个透镜的透镜面相对向的位置形成有光出入口，同时，在该光出入口以能够装卸的方式配备有支承物镜的透镜架。上述透镜部在上述能够往复移动的透镜进行一次往复的期间的规定时刻，将来自上述投光部的光转换成平行光，并引导到上述光出入口。
在此，所谓使受光量信号取得极大值，是指与受光量为极大值对应得到的信号取得极值的状态的意思，是根据信号的极性也包含负的极大值即极小值。
根据上述结构，从筐体的光出入口射出的光，通过外置的物镜在规定位置聚光。在此，如果是在从光出入口射出的光成为平行光的时刻，能够将通过物镜后的光汇聚到所限定的范围内。另外，考虑到如果往复移动的透镜的振动幅度微小，则即使在得到上述平行光的时刻以外，也生成近似于平行光的光(以下，称为“近似平行光”)，因此同样，使来自物镜的光汇聚到所限定的范围。由此，利用该被汇聚的光能够进行高精度的测量。
此外，在透镜部中可以包含一个或多个透镜，还可以将其中的任意个数的透镜以可往复移动的方式进行设定。另外，透镜架不限于一个，可以制作物镜的焦点距离不同的多种透镜架，选择按照目的的透镜架并安装在光出入口。
在上述位移传感器优选的实施方式中，上述透镜架或者该架内的物镜在光轴方向上的位置能够变更。根据该方式，能够按照工件的高度来调整物镜的位置。另外，如果从光出入口射出有平行光或者近似平行光，则即使从光出入口到物镜的距离改变，射入到物镜的光的幅度也几乎没有变化。因此，以物镜为基准的动作距离和测定范围也几乎没有变化，所以能够容易地确定物镜或者透镜架的位置，能够提供便利性高的位移传感器。
在上述位移传感器的其他的优选的实施方式中，上述透镜部在到达上述能够往复移动的透镜为静止状态时应位于的基准位置时，将来自上述投光部的光转换为平行光。这时，在透镜到达基准位置的时刻以及其前后的规定期间，如果进行利用近似平行光进入到透镜架的期间的受光量信号的测量处理，则能够进行高精度的测量处理。
在上述位移传感器的更优选的实施方式中，设置测量装置，该测量装置，在上述平行光以及近似于平行光的光从上述透镜部射出期间，利用上述受光部得到的受光量信号测量到上述测量对象物的距离。该测量装置可以设置在收容有上述同轴光学系统的筐体内，也可以作为与该筐体不同的装置构成。
根据本发明，在能够以简单的结构，根据工件的种类等对光的聚光位置简单地进行调整之外，使聚光的范围限定在极狭小的范围，能够确保测量精度。因此，能够提供一种性能良好，在使用便利的方面也出色的位移传感器。
图1是表示本发明所适用的传感器头部的光学系统的说明图。
图2是表示透镜位置信号和受光量信号的关系的说明图。
图3是位移传感器的框图。
图4是表示能够调整透镜架的位置的例子的说明图。
图5是表示使透镜架能够在测量中上下移动的例子的说明图。
图6是表示图5的上下移动机构的结构的说明图。
图7是表示由图5的结构的位移传感器的调整处理得到的测定对象位置和物镜之间的关系的说明图。
图8是表示现有的位移传感器中的同轴共焦点光学系统的结构的说明图。
图9是表示在由图8的光学系统的传感器头部追加了透镜的例子的说明图。
图10是表示在由图8的光学系统的传感器头部追加了透镜的例子的说明图。
具体实施例方式
图1表示本发明所适用的位移传感器的传感器头部1的构成例。
该传感器头部1在工件W的表面扫描测量光束BM，并接收来自工件W的每个时刻对该工件W照射的测量光束BM的反射光，生成对工件W的表面的位移进行测量所必要的受光量信号。所生成的受光量信号被输入后述的控制器2，实行用于对工件W的位移进行测量的处理。
在该实施例的传感器头部1设置有由利用了激光二极管30的投光部3、包含光电二极管40以及针孔41的受光部4、半透半反镜5a、5b、三个透镜6、7a、7b等构成的同轴共焦点光学系统。进而在该传感器头部1形成针对上述光学系统的光出入口10。在该光出入口10连接形成有在内面具有螺纹部的筒状体11，在该筒状体11可装卸的安装有收容物镜12的透镜架13。
投光部3的激光二极管30朝向使其光轴面向上述光出入口10的方向(在该图中垂直方向)而被配备。受光部4相对该投光部3，以经由半透半反镜5a处于同轴的关系，激光二极管30的光射出面和针孔41成为共轭的关系的方式配备。
三个透镜6、7a、7b之中，最接近投受光部3、4的透镜6为准直透镜，剩下的两个透镜7a、7b是焦点距离相同的聚光透镜。各聚光透镜7a、7b分别与音叉8的前端部一体地安装。另外，各聚光透镜7a、7b的焦点与音叉的中心线重合。
在音叉的附近位置配备驱动用的线圈9。通过以一定的周期反复对该线圈9通电的期间和停止供给电流的期间来使音叉8振动。各聚光透镜7a、7b相应于上述音叉8的振动，向相互靠近的方向以及远离的方向移动。
此外，在上述传感器头部1内，为了检测出上侧的聚光透镜7a的位置，设置LED(光电二级管)14以及PSD(位敏器)15。此外，以生成测量区域内的图像为目的，设置具有规定个数的象素的CCD(电荷耦合器件)16。来自光出入口10的反射光经由半透半反镜5b被导向CCD16，从而生成呈现出明暗的图像。
在上述中，来自激光二极管30的光经由半透半反镜5a、5b被引导到准直透镜6，转换为平行光。进而，该平行光在通过聚光透镜7a暂时聚光之后，通过另一个聚光透镜7b再次变为平行，由光出入口10射出。
透镜架13内的物镜12接收从上述光出入口10射出的平行光，生成在规定位置聚光的测量光束BM。为了使光在所限定的范围聚光，考虑到因为使平行光射入为理想的条件，该实施例的测量光束BM在光轴方向的宽度极窄的范围聚光。另外，如果射入到物镜12的光是平行光，则物镜12不论处于什么位置，以该透镜12为基准的动作距离和测定范围都不变化，因此物镜12的设置高度的自由度变大，聚光位置的调整也变得容易。另外，由于能够仅用外置的透镜架13调整动作距离和测定范围，所以不需要变更传感器头部1或控制器2的结构，因而即使一般使用者也能够简单地进行调整作业，来设定所希望的测量条件。
图2表示由显示上述PSD15检测出的聚光透镜7a的位置的信号(以下，称为“透镜位置信号”)、和由光电二极管40得到的受光量信号的关系。
上述PSD15接收相对从上述LED14照射到聚光透镜7a的光的反射光，输出表示其射入位置的信号。该信号被输入到后述的信号处理电路18，根据三角测量法，求出聚光透镜7a的位置。将此与时间系列并列的位置作为图2的透镜位置信号。由于聚光透镜7a相应于音叉8的振动而进行移动，因此透镜位置信号成为以音叉8的静止时的位置(以下，称为“基准位置”)为中心呈正弦波状变化的信号。
若上述工件W的表面与测量光束BM的聚光位置重合，则在工件W上反射的测量光束BM经过与投光路线相反的路径，在激光二极管30以及针孔41的位置聚光。在这时的受光量信号出现极大值(波峰)。
在图2的例子中，在上述聚光透镜位于规定的位置P时，在受光量信号上出现波峰。这是表示工件W的表面位于聚光透镜放置在位置P时的测量光束BM的聚光点的位置的意思。由此，在该实施例中，预先求出表示从物镜12到测量光束BM的聚光位置的距离和透镜位置信号的关系的转换图表，利用该转换图表求出与在受光量信号出现波峰时的聚光透镜7a的位置对应的距离，将该距离认为是从上述物镜12到工件W的表面的距离(以下，将该距离称为“检出距离”)。
图3是表示上述传感器头部1以及控制器2的电气结构的框图。
在上述传感器头部1，除上述光学系统之外，组装有EEPROM(可擦除可编程只读存储器)17、信号处理电路18、音叉驱动电路19、上述激光二极管30的驱动电路(未图示)等。在控制器2插入有传感器头部1侧的光电二级管40以及针对来自CCD16的信号A/D变换电路29a、29b、CPU20、图像存储器22、输入输出接口23、监视器接口24、以及FPGA(FieldProgrammable Gate Array现场可编程门阵列)21等。
FPGA21承担传感器头部1的动作控制以及信号处理，包括波峰检测部25、对应位置检测部26、驱动脉冲生成部27、选择器28等。
驱动脉冲生成部27生成具有一定的周期的驱动脉冲，将此供给到上述传感器头部1的音叉驱动电路19。音叉驱动电路19向上述线圈9供给电流，通过以相应于上述驱动脉冲的周期来开、关电流，从而使音叉8以一定的周期振动。
上述传感器头部1的信号处理电路18每隔一定的取样时间就对来自PSD15的信号进行取样并测量聚光透镜7a的位置，输出其测量值。被输出的测量值被供给到控制器2的对应位置检测部26。
光电二级管(在图3中表示为“PD”)40的受光量信号，被输入到控制器2之后，在A/D变换电路29a进行数字变换，并被供给到波峰检测部25。波峰检测部25通过微分处理等检测出受光量信号的极大值，在检测出了极大值时，输出表示其意思的检出信号。该检出信号被供给到对应位置检测部26以及选择器28。
对应位置检出测部26，在被输入了上述检出信号时，对在该输入时刻的透镜位置信号的值进行取样保持，并输出到CPU20。
上述传感器头部1的EEPROM17与CPU20连接。CPU20若从上述对应位置检测部26接受取样保持值，则通过其值参照EEPROM17的转换图表，将与上述取样保持值对应的距离(在该实施例中，以mm单位表示)作为检出距离进行提取。进而，CPU20求出提取的检出距离和在第一阶段前提取的检出距离之差，其差大于规定的阈值时，判断为在工件W的表面产生了位移，进而判断出上述检出距离的差为位移的大小。该位移的有无或位移部分的大小所涉及的判断结果经由输入输出接口23而被输出到未图示的外部设备。
此外，来自CCD16的图像信号被输入到A/D变换电路29b以及监视器接口24。进而A/D变换后的图像信号被输入到选择器28。选择器28将输入来自上述波峰检测部25的检出信号之后到经过一定的时间所接受到的图像数据输出到图像存储器22。由此在图像存储器22保存来自上述传感器头部1的测量用光束与工件W的表面重合时所生成的图像。此外，通过在上述监视器接口24连接监视器，可以总是显示传感器头部1的测量对象区域的图像。
此外，在上述传感器头部1能够组合焦点距离不同的多个物镜12。这时，在EEPROM17针对每个物镜12设定转换图表，CPU20从这些转换图表之中选择与所使用的物镜12对应的图表，实行求出上述检出距离的处理。
但是，在上述图1所示的光学系统中，在音叉8静止时，以各聚光透镜7a、7b的焦点与音叉8的中心轴重合的方式设定，因此在各透镜7a、7b到达基准位置的时刻，能够向光出入口10射出完全的平行光。但是，若各聚光透镜7a、7b从基准位置离开而焦点偏离，则向光出入口10的光不成为完全的平行光。
但是，考虑到由于透镜7a、7b的移动范围极小，所以透镜7a、7b间的焦点的偏移也不会太大，能够生成认为是大致平行的没有障碍的光(近似平行光)。由此，从上述的传感器头部1的光出入口10总是射出平行光或者近似平行光，因此能够从物镜12射出在所限定的范围内聚光的测量光束BM，可以高精度地提取工件W上的微小的位移。
此外，在要求更严密的测量精度时，也可以仅在聚光透镜7a、7b位于基准位置的时刻以及其前后的各透镜7a、7b间的焦点的偏移量位于规定值以内的期间进行测量。
然后，在将这种的位移传感器使用于联机测量的情况下，原则上传感器头部1被配置在规定的高度位置，工件W依次被搬入到该测量区域内，进行对移动中的工件W的测量处理。还有，由于根据工件W的种类，基准的高度会发生变动，所以也有为使工件W的表面被包含在传感器头部1的测定范围内，必须调整传感器头部1的高度的情况。
但是，传感器头部1的支承部为了稳定化牢固地构成，所以高度调整很困难。
另一方面，如上述的图9、图10所示，也考虑有通过外置的透镜延伸测量光束BM的聚光位置的方法，但是如事先说明的那样，仍会在这些结构中产生聚光的范围变大，不能确保测量精度这样的问题。
对此，在表示上述图1的光学系统时，通过根据工件W的高度来调整物镜12的位置，从而能够简单地解决。
图4是表示能够微调整上述透镜架13相对传感器头部1的安装位置的例子。此外，在该实施例以及下面的图5的实施例中，主要的结构与图1相同，因此对于与图1相同的结构，通过在图中标上相同的符号，省略说明。
在此例中，在与上述传感器头部1的光出入口10连通的筒状体11设置螺丝孔101，通过插入到该螺丝孔101的螺丝102，能够将透镜架13固定在任意的高度位置。根据该结构，以工件W的表面被包含在传感器头部1的测定范围内的方式，能够在调整透镜架13相对筒状体11的高度位置之后，在其所调整的位置固定透镜架13，因此不变更传感器头部1的高度，就能够与工件W的高度对应。还有，即使这样调整透镜架13的位置，因为射入到物镜12的光的幅度几乎没有改变，所以不会有测量光束BM聚光的范围变大的可能，能够稳定测量的精度。
进而，由于考虑到以物镜12为基准的动作距离和测定范围也几乎不改变，因此只限于使用同样的物镜12，与其设置的高度无关，利用同样的转换图表就能够求出检出距离。由此，由于只考虑使动作距离和测定范围与工件W适合调整透镜架13的位置即可，所以调整作业变得极容易。
此外，调整物镜12的高度的结构不限于上述。例如，也可以以能够对透镜架13的长度的设定进行变更的方式构成，通过调整其长度来变更物镜12的高度。
图5是表示在测量一个工件W的期间按照其表面的高度的波动调整物镜12的位置的构成例。
工件W的表面，即使以肉眼看为平坦，但是不能形成为完全均匀的面。另一方面，存在为了检测出微小的位移而将测定范围较小地进行设定的趋势。由此，在测量中工件W相对测定范围上下移动，出现要检测的位移部分出到测定范围以外等的，产生测量错误的可能性。因此，在图5的实施例中，在上述筒状体11的内部设置音圈式的上下移动机构103，通过该机构103将透镜架13在筒状体11的内部以可上下移动的方式进行支承。还有，以工件W的表面总是位于测定范围的中心附近的方式，根据每小时的测量值来调整透镜架13的高度。
图6是表示上述上下移动机构103的概略结构。
此例的上下移动机构103由设置在透镜架13的侧面的四个聚焦磁铁104，与各磁铁104对向配置的四个焦点驱动线圈105构成。此外，在传感器头部1的本体内部设置与各焦点驱动线圈105相对的电流供给电路。
在上述的结构中，支承上述物镜12的透镜架13，通过在各焦点驱动线圈105和与其对应的磁铁104之间产生的磁场M，被支承在规定的高度位置。另外，通过控制在各焦点驱动线圈105流动的电流的朝向以及大小，能够使透镜架13沿光轴的方向(与图6的纸面正交的方向)往复移动。
在使用上述图5、6所示的结构的传感器头部1时，控制器2的CPU20每次求检出距离，求出其检出距离相对基准的检出距离的差，根据其差的值决定在上述焦点驱动线圈105流动的电流的方向或电流量，按照其决定控制上述电流供给电路。此外，所谓基准的检出距离是相当于从测定范围的中心点、即上述聚光透镜位于基准位置时的测量光束BM的聚光位置到物镜12的距离。
根据上述的控制，如图7所示，若工件W上的测定对象位置接近物镜12，则为了远离工件W物镜12向上方移动，若测定对象位置远离物镜12，则物镜12为了靠近工件W而向下方移动。
根据上述的结构，能够以工件W的表面总是位于测定范围的中心部的方式调整并进行测量，因此防止位移的部分从测定范围脱离，能够进行高精度的测量。但是根据该控制，在显示出了应检测出的位移的情况下也进行物镜12的位置调整，因此仅在检出距离相对基准位置的差小于用于判别上述位移的有无的阈值时，进行位置调整为最佳。
权利要求
1.一种位移传感器，其在包含有投光部和包括光圈的受光部、且调整为上述投光部的光射出位置和上述光圈成为共轭的关系的同轴光学系统的光轴上，配置有包含沿该光轴能够往复移动的透镜的透镜部，根据在上述受光部的受光量信号为极大值时的上述透镜的位置来对测量对象物的位移进行测量，其特征在于，在收容有上述同轴光学系统的筐体上，在与上述透镜部的最后一个透镜的透镜面相对向的位置形成有光出入口，同时，在该光出入口以能够装卸的方式配备有支承物镜的透镜架，上述透镜部在上述能够往复移动的透镜进行一次往复的期间的规定时刻，将来自上述投光部的光转换成平行光，并引导到上述光出入口。
2.如权利要求1所记载的位移传感器，其特征在于，上述透镜架或者该架内的物镜的光轴方向上的位置能够变更。
3.如权利要求1所记载的位移传感器，其特征在于，上述透镜部在到达上述能够往复移动的透镜为静止状态时应位于的基准位置时，将来自上述投光部的光转换为平行光。
4.如权利要求1所记载的位移传感器，其特征在于，还具有测量装置，该测量装置在上述平行光以及近似于平行光的光从上述透镜部射出的期间，利用上述受光部得到的受光量信号测量到上述测量对象物的距离。
全文摘要
本发明在能够简单地变更动作距离和测定范围的同时，也能变确保更后的测量精度。在传感器头部(1)中，通过相应于准直透镜(6)以及音叉(8)的振动而往复移动的一对聚光透镜(7a、7b)，生成平行光或者近似平行光，并由光出入口(11)射出。在光出入口(11)以可装卸地安装支承物镜(12)的透镜架(13)。从光出入口(11)射出的光通过物镜(12)被加工为在规定位置聚光的测量光束(BM)。
文档编号G01B11/02GK1955634SQ20061013596
公开日2007年5月2日 申请日期2006年10月16日 优先权日2005年10月28日
发明者山下吉弘, 中岛浩贵, 河内雅弘 申请人:欧姆龙株式会社