(57)【要約】【課題】小型化可能で、かつ簡易な構造の変位センサを提供する。さらに、受光素子の出力を基に受光位置を算出する演算回路も組み込み可能な構造とする。【解決手段】発光素子５と受光素子６とを光学的に隔離して収容し、かつ被測定物を臨む同一方向に窓を有する隣り合う第１及び第２の収容スペース８ａ、８ｂが形成されたケース部材２と、光源素子から出射した光を被測定物上に集光させる集光レンズ部３ａと被測定物から反射した光を受光する受光レンズ部３ｂとを同一の光学媒体で一体に形成し、一体で形成された集光レンズ部が第１の収容スペースの窓に位置し、一体で形成された受光レンズ部が第２の収容スペースの窓から直接に受光素子に集光させる位置に位置するようにケース部材に固着されるレンズ部材３とを備えた。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子（５）と、該発光素子から出射した光を被測定物上に集光させる集光レンズ（３ａ）と、該被測定物から反射した光を受光する受光レンズ（３ｂ）と、該受光レンズで集光された光を受ける受光素子（６）と、を有し、該受光素子が該光を受けた受光面上の受光位置により、該被測定物上に集光した位置における該被測定物の変位を検出するのに用いられる変位センサであって、
前記発光素子と前記受光素子とを光学的に隔離して収容し、かつ前記被測定物を臨む同一方向に窓を有する隣り合う第１及び第２の収容スペースが形成されたケース部材（２）と、前記集光レンズと前記受光レンズは同一の光学媒体で一体に形成され、該一体で形成された集光レンズが該第１の収容スペースの窓に位置し、該一体で形成された受光レンズが該第２の収容スペースの窓から直接に前記受光素子に集光させる位置に位置するように前記ケース部材に固着されるレンズ部材（３）と、を備えたことを特徴とする変位センサ。
【請求項２】
前記ケース部材は、前記第１及び第２の収容スペースの前記窓側とは異なる収容壁の外側に、前記発光素子を発光させる発光駆動回路（７ａ）、及び前記受光素子の出力を受けて該受光素子が受光した位置を表す受光位置を求める演算回路（７ｂ）を収容することを特徴とする請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記ケース部材は、板状の形状を有し、その一面に前記発光素子と前記受光素子を搭載したベース部材（２ａ）と、該ベース部材の前記一面側に固着されることにより、前記１の収容スペースと第２の収容スペースに区分けして囲む仕切部材（２ｂ）とで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記ケース部材は、板状の形状を有し、その一面に前記発光素子と受光素子を搭載し、他面に該発光素子を駆動する発光駆動回路（７ａ）と該受光素子の出力を受けて変位を求める演算回路（７ｂ）とを有し、該一面と他面との間に配線するための配線孔を備えたベース部材（２ａ）と、該ベース部材の前記一面側に固着されることにより、前記１の収容スペースと第２の収容スペースに区分けして囲む仕切部材（２ｂ）とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の光を照射してその反射光を受けて、被測定物の表面の変位を三角測量するために用いられる変位センサに関する。特に、本発明は、小型化が可能な構造の変位センサに係る。
【背景技術】
【０００２】
従来、三角測量により変位測定する変位センサであって、小型化する技術として、特許文献１の従来技術に示されるものがあった。この特許文献１の技術は、変位センサを次の（１）（２）（３）の３つの構造に分けて構成されている。つまり、（１）第１の基板に発光素子と受光素子を備える。（２）第２の基板に、発光素子からの出射光と被測定物からの反射光をこの第２の基板面の水平方向に収束する複数の基板面水平方向収束用回路素子を有する構造体を一体的に構成する。（３）発光素子からの出射光と被測定物からの反射光を第２の基板面の垂直方向に収束する基板面垂直方向収束用回路レンズを備え、これら（１）（２）及び（３）の各要素を組み合わせた。
【０００３】
特に、特許文献１の技術によれば、上記（２）のように収束用の光回路素子が一括成形で制作できるので、小型化が可能になった旨記載されている。上記（２）のように収束用の光回路素子とは、言い換えれば、上記（１）の発光素子から（３）のレンズまでの光路、及び（３）の反射光の収束用レンズから（１）の受光素子までの光路を構成するミラーやレンズ等の構造体であると認められる。
【０００４】
【特許文献１】国際公開  ＷＯ２００２／０４８６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の従来技術でも、未だ次のような問題があった。つまり、上記（２）のような構造体は、推定するに倍率等を上げるための光路を構成しているようであるが、用途に応じては必ずしも必要とは限らない。例えば、プリント板に印刷されたクリームはんだの形状を検査するような場合である。したがって、このような場合は、より小型化が可能である。また、上記従来技術でも使用している受光素子にはＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が用いられている。ＰＳＤは、受光面の受光位置に応じた電気信号を出力している。ただし、受光位置そのものを示す情報を出力はしていない。したがって、実際に変位を測定する場合は、先ず被測定物の第１状態で測定し、そのときのＰＳＤの出力からＰＳＤの受光位置（ｓ１）を算出する。同様にして、被測定物の第２の状態で測定して受光位置（ｓ２）を算出する。そして、第１状態から第２状態への変位をそれらの受光位置の差ｓ１−ｓ２から求める。このように受光位置を算出する手段が必要になるが、上記従来技術では、小型化の範疇に含まれていない。
【０００６】
本発明の目的は、小型化可能で、かつ簡易な構造の変位センサを提供する。さらに、受光素子の出力を基に受光位置を算出する演算回路も組み込み、使い易い構造の変位センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、発光素子（５）と、該発光素子から出射した光を被測定物上に集光させる集光レンズ（３ａ）と、該被測定物から反射した光を受光する受光レンズ（３ｂ）と、該受光レンズで集光された光を受ける受光素子（６）と、を有し、該受光素子が該光を受けた受光面上の受光位置により、該被測定物上に集光した位置における該被測定物の変位を検出するのに用いられる変位センサであって、
前記発光素子と前記受光素子とを光学的に隔離して収容し、かつ前記被測定物を臨む同一方向に窓を有する隣り合う第１及び第２の収容スペースが形成されたケース部材（２）と、前記集光レンズと前記受光レンズは同一の光学媒体で一体に形成され、該一体で形成された集光レンズが該第１の収容スペースの窓に位置し、該一体で形成された前記受光レンズが該第２の収容スペースの窓から直接に受光素子に集光させる位置に位置するように前記ケース部材に固着されるレンズ部材（３）と、を備えた。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ケース部材は、前記第１及び第２の収容スペースの前記窓側とは異なる収容壁の外側に、前記発光素子を発光させる発光駆動回路（７ａ）、及び前記受光素子の出力を受けて該受光素子が受光した位置を表す受光位置を求める演算回路（７ｂ）を収容する構成とした。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ケース部材は、板状の形状を有し、その一面に前記発光素子と前記受光素子を搭載したベース部材（２ａ）と、該ベース部材の前記一面側に固着されることにより、前記１の収容スペースと第２の収容スペースに区分けして囲む仕切部材（２ｂ）とで構成される。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ケース部材は、板状の形状を有し、その一面に前記発光素子と前記受光素子を搭載し、他面に該発光素子を駆動する発光駆動回路（７ａ）と該受光素子の出力を受けて変位を求める演算回路（７ｂ）とを有し、該一面と他面との間に配線するための配線孔を備えたベース部材（２ａ）と、該ベース部材の前記一面側に固着されることにより、前記１の収容スペースと第２の収容スペースに区分けして囲む仕切部材（２ｂ）とで構成される。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の本発明は、発光素子と受光素子を互いの直接的光学的干渉を除くために隔離した収容スペースに収容する構造に、照射用のレンズと受光用のレンズを一体として収容スペースに蓋をする形の構造であるため、より小型化、かつ簡易な構造である。請求項２の発明は、さらに受光位置を算出する演算回路、及び発光素子を駆動する駆動回路も含めて小型化が可能である。また、これらの回路を内蔵した変位センサは、これを利用する装置側からしてインターフェースが合わせやすいので、汎用的な機能素子として利用しやすい。また、請求項３に記載の発明によれば、組み立て、製造のしやすい構造である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態を、図を用いて説明する。図１は、本発明に係る光変位センサの構造の断面図を示す図であり、また構成を示す図である。図２は、図１のレンズ部材側から変位センサの正面をみた図である。図３は、図１のケース部材を分解した図である。図４は、変位の測定を説明するための図である。図５は、ＰＳＤ（受光素子）の出力及び演算回路を説明するための図である。図６は、変位センサを用いた変位測定部の構成を示す図である。図７は、図６の変位測定部を用いた形状検査装置（例えば、プリント板検査装置）の検査部の構成を示す図である。
【００１３】
以下、図１から図５を用いて変位センサ１０について説明し、次に図６及び図７を基に、変位センサを用いた変位測定部、検査部の概略を説明する。
【００１４】
［変位センサ］
図１において、ケース部材２は、特に発光素子としてのＬＤ５（この例では、レーザダイオード）と受光素子としてのＰＳＤ６（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を光学的に隔離して、それぞれ第１収容スペース８ａと第２収容スペース８ｂに収容している。
【００１５】
ケース部材２の構造を組み立て要素毎に分離した図が図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）であり、それぞれ、囲い部材２ｃ、ベース部材２ａ、仕切部材２ｂである。図３（Ｂ）で、ベース部材２ａは板状の部材であってその一方の面（図では下側）には、ＬＤ５とＰＳＤ６が、ＬＤ５から被測定物１に光を照射し、被測定物１の表面からの反射光をＰＳＤ６が受光できる三角測量を為す位置、向きに配置されている。ベース部材２ａの他方の面（図では上側）には、ＬＤ５を駆動する発光駆動回路７ａを構成する素子（電気部品）７ａａと、ＰＳＤ６からの出力を受けてＰＳＤ６が被測定物１からの反射光を受光した位置を算出する演算回路７ｂを構成する素子（電気回路）７ｂｂと、ＰＳＤ６と演算回路７ｂとの電気的インターフェースを司るＰＳＤインターフェース７ｃを構成する電気部品７ｃｃが搭載されている。そして、ベース部材２ａには、電気部品７ａａ、及び７ｃｃ（７ｂｂ）と、ＬＤ５及びＰＳＤ６とを電気配線するための配線孔としての貫通孔２ｄが設けられている。貫通孔２ｄは、いわばスルーホールであっても良い。ベース部材２ａの材質はシリコン、或いはガラスエポキシ材を用いることができる。
【００１６】
図３（Ｃ）における仕切部材２ｂは、図３（Ｃ）の上下が空いている窓であって、図３（Ｂ）の下側から（ＬＤ５及びＰＳＤ６の取り付け側から）図３（Ｂ）に取り付けられ、図１のように固着される。図３（Ｃ）の仕切部材２ｂは、上記のようにＬＤ５とＰＳＤ６を光学的に隔離して、それぞれ第１収容スペース８ａと第２収容スペース８ｂに収容するための枠体である。
【００１７】
図３（Ａ）における囲い部材２ｃは、図３（Ｂ）のベース部材２ａの電気部品７ａａ、７ｂｂ，７ｃｃ側に固着されてそれらを囲むための部材である。囲い部材２ｃは、図１のように第３収容スペースを構成するが、電気部品の保護用であり、必ずしも本発明にとって不可欠なものではない。また、この囲い部材２ｃには蓋部材４が取り付けられ、それによって電気部品７ａａ、７ｂｂ，７ｃｃが全面的に保護されるようにすることもできる。
【００１８】
図１でケース部材２によって囲われている第１収容スペース８ａと第２収容スペース８ｂの窓側（図１の下側）は、ＬＤ５からの光を被測定物１へ集光する集光レンズ部３ａと被測定物１からの反射光をＰＳＤ６へ集光する受光レンズ部３ｂを一体的にガラス材、もしくはプラスチック材等の同一の光学媒体で成型したレンズ部材３で、蓋のように覆われている。このレンズ部材３の正面から見た図（図１の下側から見た図）が図２である。
【００１９】
図１の構成で被測定物１の変位を測定する状態を示す図が、図４である。図１では光を束で表現していたが、図４では、理解しやすさから模擬的に光を１本の線（実線又は点線）で示しているが、実際は、図１と同様に束（ビーム）である。図４で、被測定物１の表面が実線から点線のように変位があった場合に、変位前は被測定物１からの反射光は受光レンズ部３ｂによってＰＳＤ６の受光位置Ｌ０に集光していたが、変位後の反射光は受光レンズ部３ｂによってＰＳＤ６の受光位置Ｌ１に集光する。したがって、これらの差δＬ＝Ｌ０−Ｌ１が被測定物１の変位に対応した値で表される。
【００２０】
しかしながら、ＰＳＤ６からは直接に受光位置Ｌは出力されないで、図５もしくは図６に示すようにＰＳＤ６の両端から受光位置に応じて異なる大きさの電気量Ａ（ａ）、及びＢ（ｂ）が出力される。実際には、図５に示すようにＰＳＤ６からの直接の出力ａ，出力ｂは、ＰＳＤインターフェース７ｃでそれぞれが電流―電圧変換（Ｉ―Ｖ変換）され、更に増幅（ＡＭＰ）されて出力Ａ，Ｂとして出力される。これらの出力Ａ，Ｂを受けた演算回路７ｂがＬ＝（Ａ―Ｂ）／Ａ＋Ｂの演算により受光位置Ｌを求める。したがって、上記変位δＬは、次のようにして求めることになる。
δＬ＝（Ａ０―Ｂ０）／（Ａ０＋Ｂ０）―（Ａ１―Ｂ１）／（Ａ１＋Ｂ１）
ここで、Ａ０、Ｂ０は被測定物１の変位前の出力Ａ，Ｂの値
Ａ１、Ｂ１は被測定物１の変位後の出力Ａ，Ｂの値
なお、演算回路７ｂは、図５に示すように（Ａ−Ｂ）を求める減算回路、（Ａ＋Ｂ）を求める加算回路、及び（Ａ―Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を求める除算回路で構成されても良い。また、図５，６のＰＳＤインターフェース７ｃのＩ―Ｖ変換器とＡＭＰとは演算回路７ｂに含ませて構成しても良い。
【００２１】
この演算回路７ｂは、図３（Ｂ）に示すように電気部品７ｂｂとして、ベース部材２ａの上側に組み込まれる。同様に、ＰＳＤインターフェース７ｃが電気部品７ｃｃとして、及び発光駆動回路７ａが電気部品７ａａとして、ベース部材２ａの上側に組み込まれる。図６に示すように発光素子をレーザダイオード（ＬＤ）であるＬＤ５で構成したときは、ＬＤ５自体が温度の影響を受けやすい特性を有するので、ＬＤ５が収容される第１収容スペース８ａには温度センサ９を備え付けておき、温度センサ９からの温度変化の情報を受けて、ＬＤ５が周囲の温度変化があっても同一の発光パワーを送出するようにＬＤ５のバイアスを制御する回路（パワーコントロール回路）も、発光駆動回路７ａに含ませることが望ましい。
【００２２】
以上の変位センサ１０の構成からして、ベース部材２ａの片面には発光素子及び受光素子を含む光学系部品を搭載させ、その片面の裏面には発光素子を駆動する電気回路及び受光素子の出力を基に演算する演算回路を構成する電気部品を搭載させておき、そこに、仕切部材２ｂで光学系部品を発光系と受光系に区切り、かつ集光レンズと受光レンズを一体化したレンズ部材３で蓋をするような構造にしたので、非常に簡易な構成になり、かつ小型できる。小型化についてはほぼ５ｍｍ立方の大きさ可能であり、将来は1mm立方が予測されている。
【００２３】
［変位測定部］
図６を基に、上記図１で説明した変位センサ１０を使用した変位測定部の実施形態について説明する。図６は、ユーザがユーザの制御パネル３００により被測定物１又は変位センサ１０を移動させることにより、被測定物１の測定したい所望の範囲を走査し、その範囲内で生じた被測定物１の変位を変位センサ１０で取得して、データ処理部２０で所望の変位データにして出力する。変位測定部１００は変位センサ１０及びデータ処理部２０で構成される。
【００２４】
図６の制御部４０は、予め被測定物１の表面を走査して測定するために必要な位置情報を含むレイアウト情報を有し、そのレイアウト情報に基づいて、走査範囲や方向等を決定し、走査機構３０に対して指示するとともに、走査開始を指示する。一方、走査しているときの位置の情報、つまり測定点の位置情報を出力している。走査機構３０は、制御部４０の指示にしたがって、変位センサ１０又は被測定物１を相対的に走査（移動）させるモータ等の駆動機構及び手段を備える。
【００２５】
データ処理部２０は、所望の観測したい所望のデータに変換する。そして例えば、上記位置情報もしくはレイアウト情報をもとに変位が直視できる画像データに変換する。或いは、変位値の分布を求めて表示させる。等の処理を行う。前者の例としては、変位データからプリント板に印刷されたはんだの形状を立体的に観測でききる画像データとして生成、表示しているのがある。
【００２６】
［検査部］
図７を基に、上記説明した変位センサ１０を使用した変位測定部１００を利用して、被測定物１を検査する形状検査装置に利用した実施形態について説明する。ここでは例えば、被測定物１としてプリント基板に電子部品を搭載する工程におけるクリームはんだの印刷状態の良否判定を行う検査について説明する。図７において、制御部４０，比較手段５０、判定手段６０及び表示手段７０は、検査部２００を構成している。
【００２７】
データ処理部２０は、演算回路７ｂの出力と制御部４０からの被測定物１の測定点の位置（座標）とから測定したエリア（測定点の集合領域：例えば、プリント基板上に印刷されたクリームはんだ面）における面積（例えば、はんだ印刷された面積）や体積（例えば、はんだ量）を表す画像データを生成する。比較手段５０は、制御部４０からそのエリアにおける、設計値等をレファレンス（面積や体積）として受けて、画像データとレファレンスとの差を演算し出力する。なお、画像データに変換することなく、その測定点において測定した変位（高さ：例えば、はんだの高さ）とレファレンス（この場合は、例えば、測定点における設計上の高さ）との差を出力しても良い。
【００２８】
判定手段６０は、レファレンスに対応してその許容値を制御部４０から受けて、比較手段５０からの出力と比較し、比較手段５０の出力が、許容値内であれば合格とし、許容値外であれば不良（否）と判定する。
【００２９】
表示手段７０は、判定手段６０の判定結果を表示する。また、制御部４０からレイアウト情報（例えば、プリント基板のはんだ箇所の配置図）を受けて表示し、レイアウトのどの位置が不良（否）であり、合格であるかを識別可能に表示してもよい。また、それらと別に或いは併せて、データ処理部２０で生成した画像データに基づく画像を表示させて、どの箇所が不良であり、合格であるかを識別可能に表示させることもできる。
【００３０】
上記のように変位センサ１０には、発光素子であるＬＤ５を駆動回路、受光素子であるＰＳＤ６の出力を受けて増幅するＰＳＤインターフェース、演算回路等の電気部品も合わせて収容できる構造なので、小型化できると同時に、変位センサ１０として単独の機能素子として完成度の高い仕様が提供できる。利用側から言い換えれば、変位センサ１０を変位測定装置、それを用いた検査装置に利用にあたって、寸法的に見ても、センサとしての出力仕様から見ても、使いやすい構造である。
【００３１】
なお、用途的には、図１において複数の変位センサを紙面と直交する奥行き方向に同一線上に配列することにより、その奥行き方向については、従来のように被測定物に対する変位センサの相対的な位置を、機械的に移動、或いは走査させていたが、この発明によれば電子的に次々と走査、或いは一度に測定させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る光変位センサの構造の断面図を示す図であり、また構成を示す図である。
【図２】図１のレンズ部材側から変位センサの正面をみた図である。
【図３】図１のケース部材を分解した図である。
【図４】変位の測定を説明するための図である。
【図５】ＰＳＤ（受光素子）の出力及び演算回路を説明するための図である。
【図６】変位センサを用いた変位測定部の構成を示す図である。
【図７】図６の変位測定部を用いた形状検査装置の検査部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  被測定物、  ２  ケース部材、  ２ａ  ベース部材、  ２ｂ  仕切部材、
２ｃ  囲い部材、  ２ｄ  貫通孔、  ３  レンズ部材、  ３ａ  集光レンズ部、
３ｂ  受光レンズ部、  ４  蓋部材、  ５  ＬＤ（発光素子）、  ６  ＰＳＤ（受光素子）、
７、７ａａ、７ｂｂ，７ｃｃ  電気部品、７ａ  発光駆動回路、  ７ｂ  演算回路、    
７ｃ  ＰＳＤインターフェース、  ８ａ  第１収容スペース、  ８ｂ  第２収容スペース、  ８ｃ  第３収容スペース、９  温度センサ、  １０  変位センサ、  ２０  データ処理部、  ３０  走査機構、４０  制御部、  ５０  比較手段、  ６０  判定手段、
７０  表示手段、  １００  変位測定部、  ２００  検査部、３００  制御パネル
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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