JPH06204508A

JPH06204508A - 光学式検出装置

Info

Publication number: JPH06204508A
Application number: JP4347413A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kondo; 浩史近藤; Satoru Ishii; 哲石井; Akira Ishizuka; 公石塚; Yasushi Kaneda; 泰金田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1994-07-22

Abstract

(57)【要約】【目的】物体からの光を受光することによって物体に
関する検出を行なう光学検出装置において、発光素子、
または受光素子の気密性を高めるとともに、分離、合波
等を行う為の素子との高精度な位置合わせを伴う製作が
容易になり、かつその位置関係を高精度に維持可能にす
る。【構成】発光素子からの光束を光学素子によって分離
して少なくとも２光束を形成し、被測定回折格子に入射
させ、発生した少なくとも二つの回折光を合波素子によ
って合波干渉させて受光素子で受光することにより、前
記被測定回折格子の相対変位情報を検出する装置構成に
おいて、前記受光素子を気密封止する透光性樹脂表面
に、前記光学素子と合波素子の少なくとも一方を直接ま
たは積層して形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は対象物体からの光束を受
光する事により対象物体に関して所定のパラメーターの
検出を行なう光学式の検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、物体からの光を受光して情報
を得るものとしては、高精度に物体の移動や変位などの
物理量を求める装置として、例えば光学式エンコーダ、
レーザドップラー速度計、レーザ干渉計等がある。ま
た、測定装置とは別の分野であるが、コンパクトディス
クに代表されるようなデジタル情報を微小な凹凸で記録
させ、これに光を照射し、その情報を読みとる光学式ピ
ックアップ等もある。

【０００３】これらの装置は、電気信号により発光素子
から光を放出させ、光学部品を介し対象から戻ってくる
光を再び受光素子により受光し、電気信号に変換してそ
れぞれの情報を得ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この様な装置において
は発光素子、受光素子を外界から遮断する事が求められ
てきており、特にその気密性を高める事が必要とされて
きている。

【０００５】同時に、発光素子又は受光素子と光束の分
離、合波等を行なう素子とは測定精度を高める為に、所
定の位置関係に高精度に位置決めして製作し、かつその
位置関係を常に維持しなければならないという課題も存
在する。

【０００６】本願発明はこのような従来例の新たな必要
性等に鑑み、発光素子、または受光素子の気密性を高め
るとともに、分離、合波等を行う為の素子との高精度な
位置合わせを伴う製作が容易になり、かつその位置関係
を高精度に維持可能にした光学検出装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述目的を達成する為、
本願発明は、対象物体からの２光束を合波素子によって
合波して受光素子で受光することにより前記対象物体に
関する検出を行う検出装置において、該受光素子を気密
封止する透光性樹脂表面に、前記合波素子を直接または
積層して形成している。

【０００８】また、本願の他の発明は、発光素子からの
光束を光学素子によって分離または偏向し、該分離また
は偏向された光束を対象物体に照射し、該対象物体から
の光束を受光素子によって受光することによって前記対
象物体に関する検出を行う装置において、前記発光素子
を気密封止する透光性樹脂表面に、前記光学素子を直接
または積層して形成している。

【０００９】また、本願の他の発明は、発光素子からの
光束を光学素子によって分離または偏向し、前記光学素
子を経由しかつ対象物体を経由した２光束を合波素子に
よって合波して受光素子で受光することにより前記対象
物体に関する検出を行う検出装置において、前記発光素
子と受光素子を気密封止する透光性樹脂表面に、前記光
学素子と合波素子の少なくとも一方を直接または積層し
て形成している。

【００１０】更に、本願の他の発明は、発光素子からの
光束を光学素子によって分離して少なくとも２光束を形
成し、被測定回折格子に入射させ、発生した少なくとも
二つの回折光を合波素子によって合波干渉させて受光素
子で受光することにより、前記被測定回折格子の相対変
位情報を検出する検出装置において、前記受光素子を気
密封止する透光性樹脂表面に、前記光学素子と合波素子
の少なくとも一方を直接または積層して形成している。

【００１１】

【実施例】図１は、第１実施例を表す模式的断面図であ
る。同図に於いて、１は、半導体レーザ、２は受光素
子、４は受光素子２Ｂ、２Ｂ′、２Ｃ、２Ｃ′がマウン
トされているリードフレームのベッド、４１は、リード
フレームのベッドに設けられた半導体レーザ１から射出
される光の透過用の穴、５は半導体レーザユニットのホ
ルダー、６は受光素子を気密封止する透明性樹脂９Ｂ、
９Ｃは、回折格子、１０はスケールである。受光素子２
Ｂ′、２Ｃ′はそれぞれ受光素子２Ｂ、２Ｃの紙面垂直
方向奥側にあり、図には現れない。

【００１２】本実施例においては、まず受光素子をマウ
ントするリードフレームのＩＣベッド部４のある部分に
受光素子である半導体レーザ１からの射出光が、透過す
るように穴４１が設けられたリードフレームに受光素子
２Ｂ、２Ｂ′、２Ｃ、２Ｃ′をダイボンディングし、受
光素子２Ｂ、２Ｂ′、２Ｃ、２Ｃ′の電極パッドとリー
ドフレームの間をワーヤーボンディングする。そして、
トランスファーモールド法により透明性樹脂６を用いて
受光素子２Ｂ、２Ｂ′、２Ｃ、２Ｃ′を気密封止する。
ここまでの工程としては、従来の半導体素子のプラスチ
ックパッケージの製造方法と同じである。

【００１３】つぎにガラス基板上にレジストを塗布し、
回折格子のパターンを露光し、レジストを現像すること
によりガラス基板上に回折格子のレジストパターンを形
成する。そして、このガラス基板をドライエッチング
し、ガラス基板に回折格子を形成した後に、レジストを
剥離する。このようにして、回折格子の型を製造する。

【００１４】つぎに、このガラス基板の型上に紫外線硬
化樹脂を塗布し、各受光素子の受光部と、ガラス基板に
形成した回折格子とを位置合わせし、パッケージの透明
性樹脂６の表面を型に接触させガラス基板（型）の裏面
側から、紫外線を照射し紫外線硬化樹脂を硬化させる。
その後ガラス基板（型）からパッケージを離型させる
と、パッケージである透明性樹脂６の表面に紫外線硬化
樹脂が回折格子９Ａ、９Ｂ、９Ｂ′、９Ｃ、９Ｃ′とな
って転写される。図２は、パッケージ表面に各回折格子
が形成された状態を示す上面図である。

【００１５】この様にして透明性樹脂６の表面に回折格
子９Ａ、９Ｂ、９Ｂ′、９Ｃ、９Ｃ′を形成したパッケ
ージを、半導体レーザ１を内蔵した半導体レーザホルダ
ー５上に配置し、半導体レーザの発光点が所定の位置に
なるように位置合わせを行った後、パッケージと半導体
レーザホルダー５とを接着し固定する。

【００１６】その後にそれぞれの電気端子部とリード線
とを接続し、光学式変位センサーのヘッドになる。

【００１７】以上のような製造方法で製造された光学式
変位センサーヘッドでは、半導体素子である受光素子２
Ｂ、２Ｂ′、２Ｃ、２Ｃ′は、透明性樹脂６により気密
封止され信頼性が確保され、かつローコストで製造され
る。また、回折格子９Ａ、９Ｂ、９Ｂ′、９Ｃ、９Ｃ′
をパッケージ表面に設ける方法も非常に簡便でかつ受光
部に対して位置決めされて行うので高精度に形成され
る。又、形成後もその位置関係が変化しにくい。

【００１８】つぎに以上のように構成された光学式変位
センサーの動作を説明する。本実施例では、半導体レー
ザ１から射出された光束は、受光素子２Ｂ、２Ｂ′、２
Ｃ、２Ｃ′を内蔵したパッケージの裏面から入射し、リ
ードフレームのベッド部４に設けられた穴４１を透過
し、パッケージ表面に形成された回折格子９Ａにて透過
回折されて、０次回折光Ｒ０、＋１次回折光Ｒ＋１、−
１次回折光Ｒ−１に３分割されパッケージより射出す
る。

【００１９】回折格子９Ａを直進した光束Ｒ０は、スケ
ール１０上に形成された回折格子１０Ａ上の点Ｐ１にて
反射回折されて、＋１次回折光Ｒ０＋１、−１次回折光
Ｒ０−１に分割されそれぞれ位相変調される。

【００２０】＋１次回折光の位相は＋２πＸ／Ｐ、−１
次回折光Ｒ０−１の位相は−２πＸ／Ｐだけずれる。但
しＸはスケール１０の回折格子１０Ａの移動量、Ｐは回
折格子１０Ａのピッチである。

【００２１】以上の説明は回折格子９Ｂ′、９Ｃ′で
は、それぞれ回折格子９Ｂ、９Ｃと同様の現象がおきる
ので、詳細を省略する。＋１次回折光Ｒ０＋１は、パッ
ケージ表面に形成された回折格子９Ｂにて透過回折され
て、０次回折光Ｒ０＋１０、−１次回折光Ｒ０＋１−１
及びその他の光束に分割される。このうち、−１次回折
光Ｒ０＋１−１は、回折格子面と垂直に取り出され波面
の位相は、＋２πＸ／Ｐである。

【００２２】−１次回折光Ｒ０−１は、パッケージ表面
に形成された回折格子９Ｃにて透過回折されて、０次回
折光Ｒ０−１０、＋１次回折光Ｒ０−１＋１及びその他
の光束に分割される。このうち、−１次回折光Ｒ０−１
＋１は、回折格子面と垂直に取り出され波面の位相は、
−２πＸ／Ｐである。

【００２３】ここで回折格子９Ｂを９Ｃに対して、格子
の配列位相関係をＰ／４だけずらしておけば、＋１次回
折光Ｒ０−１＋１は波面の位相が更に−２π（Ｐ／４）
／Ｐ＝−π／２だけずれて、−２πＸ／Ｐ−π／２にな
る。

【００２４】透明性樹脂６の表面に形成された回折格子
９Ａにて＋１次回折した光束Ｒ＋１はスケール１０上の
回折格子１０Ａ上の点Ｐ２にて反射回折されて、−１次
回折光Ｒ＋１−１、０次回折光Ｒ＋１０及びその他の光
束に分割され、それぞれ位相変調される。このうち、−
１次回折光Ｒ＋１−１の位相は−２πＸ／Ｐだけずれ
て、回折格子９Ｂに入射し、そこでそのまま直進した０
次回折光Ｒ＋１−１０の波面の位相は、−２πＸ／Ｐで
ある。

【００２５】透明性樹脂６の表面に形成された回折格子
９Ａにて−１次回折した光束Ｒ−１はスケール１０上の
回折格子１０Ａ上の点Ｐ３にて反射回折されて、＋１次
回折光Ｒ−１＋１、０次回折光Ｒ−１０及びその他の光
束に分割され、それぞれ位相変調される。このうち、＋
１次回折光Ｒ−１＋１の位相は＋２πＸ／Ｐだけずれ
て、回折格子９Ｂに入射し、そこでそのまま直進した０
次回折光Ｒ−１＋１０の波面の位相は、＋２πＸ／Ｐで
ある。

【００２６】回折格子９Ｂにて、光路を重ね合わされた
光束Ｒ＋１−１０とＲ０＋１−１は干渉光となって受光
素子２Ｂに入射する。このときの干渉位相は、｛＋２πＸ／Ｐ｝−｛−２πＸ／Ｐ｝＝４πＸ／Ｐとなり、スケール１０上の回折格子１０Ａが１／２ピッ
チ移動する毎に１周期の明暗信号が発生する。

【００２７】回折格子９Ｃにて、光路を重ね合わされた
光束Ｒ−１＋１０とＲ０−１＋１は干渉光となって受光
素子２Ｃに入射する。このときの干渉位相は、｛−２πＸ／Ｐ−π／２｝−｛＋２πＸ／Ｐ｝＝４πＸ／Ｐ−π／２となり、スケール１０上の回折格子１０Ａが１／２ピッ
チ移動する毎に１周期の明暗信号が発生し、受光素子２
Ｂとは明暗のタイミングが１／４周期だけずれる。

【００２８】また、回折格子９Ａ′および９Ｂ′は、そ
れぞれ回折格子９Ａ、９Ｂに対し格子の配列位相関係を
Ｐ／２だけずらしてあるので、波面の位相は、それぞれ
πだけずれる。そのため、上記のそれぞれの明暗信号に
対しそれぞれ明暗のタイミングが１／２周期だけずれた
明暗信号が、それぞれ受光素子２Ｂ′、２Ｃ′で受光さ
れる。各受光素子からの信号は、受光素子２Ｂ、２Ｂ′
の出力の差信号と受光素子２Ｃ、２Ｃ′の出力の差信号
とで二相信号に変換され、これを利用して、周知の方法
でスケール１０の変位量と変位方向が求められる。

【００２９】図３は、第２実施例を表す模式的断面図で
ある。同図に於いて、前述同様の部材には同じ符番を冠
してある。

【００３０】本実施例では、受光素子２を透明性樹脂６
で封止するときのトランスファーモールドの金型の１部
を凸形状にし、パッケージの１部に凹部６１を形成す
る。この凹部は、後に説明するように凸レンズ８とパッ
ケージが干渉しない大きさとする。その他の構成は、第
１実施例と同様として受光素子２が内蔵されたパッケー
ジを得る。

【００３１】つぎに、本実施例では、ガラス基盤９１上
にレジストを塗布し、回折格子のパターンを露光し、レ
ジストを現像する。そして、このガラス基板９１をドラ
イエッチングし、ガラス基板９１に回折格子９を彫り込
み、レジストを剥離する。つぎに射出光用の回折格子９
Ａが形成された裏面側に凸レンズ８を、第１実施例で回
折格子を形成したように金型と紫外線硬化樹脂を用い
て、ガラス基板９１に転写させ形成する。

【００３２】つぎに、このガラス基板９１と上記の透明
性樹脂パッケージとを、回折格子９Ｂ、９Ｂ′、９Ｃ、
９Ｃ′と各受光素子の受光部とを位置決めし、接着さ
せ、透明性樹脂に回折格子を形成する。このとき、ガラ
ス基板９１に形成した凸レンズ８が、パッケージと干渉
しないようにパッケージに凹部６１が設けられる。

【００３３】この様にして透明性樹脂６の表面に各回折
格子と凸レンズ８とを形成したパッケージを、半導体レ
ーザ１を内蔵した半導体レーザホルダー５上に配置し、
半導体レーザの発光点が凸レンズ８に対して所定の位置
になるように位置合わせを行った後、パッケージと半導
体レーザホルダー５とを接着し固定する。

【００３４】その後にそれぞれの電気端子部とリード線
とを接続し、光学式変位センサーのヘッドになる。動作
は前述のものと同様である。

【００３５】本実施例においては、半導体レーザ１から
射出される発散光束を、平行光束もしくは、集束光束に
することにより、信号光強度のアップまたは、取付およ
び使用時の配置に関する外乱に対し信号変化の小さい光
学式変位センサーとなる。

【００３６】図４は、第３実施例を表わす模式的断面図
である。前述と同様の部材には同じ符番を冠してある。
図５はリードフレーム部上面図である。

【００３７】本実施例では、１つの透明性樹脂パッケー
ジの中に発光素子であるＬＥＤ１１と各受光素子を内蔵
する。そのため、パッケージ内部で、発光素子であるＬ
ＥＤ１１の発散光が、各受光素子の受光部に入射し、Ｓ
／Ｎ比が低下するという問題点がある。そこで、ＬＥＤ
１１をマウントするリードフレーム４のベッド部をプレ
スにより各受光素子がマウントされるベッド部より高く
なるようにする。この様なリードフレームの形状とする
ことによりＬＥＤ１１の発光部と、受光素子の受光部の
高さの差を大きくとることができ、ＬＥＤ１１からの余
分な光の発光部への入射を小さくすることが可能とな
る。

【００３８】この様に形成された透明性樹脂パッケージ
に対して第１実施例と同様の方法で各回折格子を形成す
る。動作は前述のものと同様である。

【００３９】以上のようにして形成された光学式変位セ
ンサーは、発光素子を内蔵しているため、極めて小型で
ありパッケージ内部の迷光を抑えＳ／Ｎ比を確保しか
つ、非常にローコストである。

【００４０】図６は、第４実施例を表わす模式的断面図
であり、図７は同リードフレーム部上面図である。前述
と同様の部材には同じ符番を冠してある。

【００４１】本実施例では、第３実施例で述べたように
１つの透明性樹脂パッケージに発光素子と受光素子を内
蔵する場合の発光部と受光部のマウントされる高さを確
保し、Ｓ／Ｎ比を向上させることを目指したものであ
る。

【００４２】そのために、本実施例では４つの受光素子
の基台２の大きさを大きめにし、かつ共通化して製作
し、リードフレームにマウントする。つぎに、受光素子
の受光部、取り出し電極部以外の表面にＬＥＤ１１をマ
ウントする。その後に各々の電極部とリードフレームの
電極端子部とをワイヤーボンダーにより接続する。そし
て、透明性樹脂６により気密封止し、パッケージとす
る。

【００４３】回折格子９の透明性樹脂表面への形成方法
は、第１実施例と同様である。動作も前述と同様であ
る。

【００４４】図８は、第５実施例を表わす模式的断面図
であり、図９は同上面図である。前述と同様の部材には
同じ符番を冠してある。本実施例では、前述のように、
形成された光学式変位センサーにおいて、さらに発光素
子であるＬＥＤ１１からのパッケージ内部での散乱光を
受光部に入射させない方法として、図８に示すように発
光点と受光部の間の透明性樹脂６に溝６２を形成し、内
部散乱光を受光部に到達する前にカットする構成をと
る。この溝６２の形成方法は、第２実施例で用いた様に
パッケージ形成時の金型をその形状にする方法で、形成
する。その他は前述のものと同様である。

【００４５】図１０は、第６実施例を示す模式的断面図
であり、図１１は同リードフレーム部上面図である。前
述と同様の部材には同じ符番を冠してある。

【００４６】本実施例はＬＥＤ１１と受光部の間の受光
素子２の表面に光吸収性塗料１１２を塗布し、パッケー
ジ表面と受光素子２表面の遮光アルミによる多重反射を
抑え受光部への散乱光入射を防ぐ。その他は前述と同様
である。

【００４７】以上の各実施例における発光素子として
は、半導体レーザ、発光ダイオード等を用いる事ができ
る。

【００４８】受光素子としては、フォトダイオード、ア
バランシュ・フォトダイオード、ピンフォトダイオー
ド、ＣＣＤ、また、これら受光部をもち出力される光電
流を増幅もしくは処理する回路をもった受光ＩＣを用い
る事ができる。

【００４９】光学部品としてのグレーティングの製作方
法としては、型を形成し、その型に、紫外線硬化樹脂を
流し込み転写部材をその上に置き、紫外線を照射し、樹
脂を硬化させ、転写部材に転写させるレプリカ法、ガラ
ス基板にレジストを塗布し、マスクもしくは、レチクル
によりパターンを露光し、レジストを現像した後に、エ
ッチングにより製作するエッチング法等がある。また、
直接ＥＢ（電子線）により直接レジストを描画し、現像
し、エッチングしてもよい。さらに、上記のレジストを
露光した段階で、ハードベークし、グレーティングとし
てもよい。またグレーティングは透明性樹脂６表面に直
接形成してもよい。

【００５０】また、各実施例を組み合わせることによ
り、よりＳ／Ｎ比の向上を図ることが可能である。

【００５１】

【発明の効果】以上述べた本発明により、発光素子又は
受光素子の気密性を高め、かつ高精度な製作が容易にで
き、その高精度が維持可能な光学検出装置が可能になっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例を表す模式的断面図。

【図２】第１実施例を表す模式的上面図。

【図３】第２実施例を表す模式的断面図。

【図４】第３実施例を表す模式的断面図。

【図５】第３実施例を表すリードフレーム部の模式的上
面図。

【図６】第４実施例を表す模式的断面図。

【図７】第４実施例を表すリードフレーム部の模式的上
面図。

【図８】第５実施例を表す模式的断面図。

【図９】第５実施例を表す模式的上面図。

【図１０】第６実施例を表す模式的断面図。

【図１１】第６実施例を表すリードフレーム部の模式的
上面図。

【符号の説明】

１半導体レーザ２Ｂ、２Ｃ受光素子３ガラスエポキシ基板４リードフレーム４１貫通穴５半導体レーザ用ホルダー６透明性樹脂（パッケージ）６１凹部６２溝８平凸レンズ９Ａ、９Ｂ、９Ｂ′、９Ｃ、９Ｃ′ 回折格子９１ガラス基板１０スケール１０Ａスケールの回折格子１１ＬＥＤ１２メインスケール格子１４インデックス格子１６インデックス格子４０メインスケール４２光源４４インデックススケール４６基板４８受光素子５０レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金田泰東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物体からの２光束を合波素子によっ
て合波して受光素子で受光することにより前記対象物体
に関する検出を行う検出装置において、該受光素子を気
密封止する透光性樹脂表面に、前記合波素子を直接また
は積層して形成したことを特徴とする光学式検出装置。
【請求項２】発光素子からの光束を光学素子によって
分離または偏向し、該分離または偏向された光束を対象
物体に照射し、該対象物体からの光束を受光素子によっ
て受光することによって前記対象物体に関する検出を行
う装置において、前記発光素子を気密封止する透光性樹
脂表面に、前記光学素子を直接または積層して形成した
ことを特徴とする光学式検出装置。
【請求項３】発光素子からの光束を光学素子によって
分離または偏向し、前記光学素子を経由しかつ対象物体
を経由した２光束を合波素子によって合波して受光素子
で受光することにより前記対象物体に関する検出を行う
検出装置において、前記発光素子と受光素子を気密封止
する透光性樹脂表面に、前記光学素子と合波素子の少な
くとも一方を直接または積層して形成したことを特徴と
する光学式検出装置。
【請求項４】発光素子からの光束を光学素子によって
分離して少なくとも２光束を形成し、被測定回折格子に
入射させ、発生した少なくとも二つの回折光を合波素子
によって合波干渉させて受光素子で受光することによ
り、前記被測定回折格子の相対変位情報を検出する検出
装置において、前記受光素子を気密封止する透光性樹脂
表面に、前記光学素子と合波素子の少なくとも一方を直
接または積層して形成したことを特徴とする光学式検出
装置。
【請求項５】前記光学素子または合波素子は回折格子
であることを特徴とする請求項１乃至４記載の光学式検
出装置。