DE102006051215A1

DE102006051215A1 - Versetzungssensor

Info

Publication number: DE102006051215A1
Application number: DE102006051215A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Kyoto Yamashita; Hirotaka Kyoto Nakashima; Masahiro Kyoto Kawachi
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2007-05-03
Also published as: US7486409B2; US20070103701A1; TW200730793A; CN100473944C; KR20090097845A; JP2007121122A; KR20070045912A; TWI293681B; CN1955634A

Abstract

In einem Sensorkopf 1 werden parallele Strahlen oder fast parallele Strahlen von einem Paar von Kondensorlinsen 7a, 7b, die sich gemäß Schwingungen einer Kollimatorlinse und einer Stimmgabel 8 hin- und herbewegen, erzeugt und gehen über einen Lichtanschluss 10 hinaus. An den Lichtanschluss 10 ist ein Linsenhalter 13, in dem eine Objektivlinse 12 getragen wird, abnehmbar befestigt. Das Licht von dem Lichtanschluss 10 wird zu Messstrahlen verarbeitet, die durch die Objektivlinse 12 auf eine vorherbestimmte Position konzentriert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Versetzungssensor, der einen Projektor, einen Fotoempfänger, der eine Blende enthält, und eine Linseneinheit aufweist, die eine entlang einer optischen Achse eines koaxialen optischen Systems (bezeichnet als ein koaxiales konfokales optisches System), das derart angepasst ist, dass eine Lichtemissionsposition des Projektors und die Blende eine konjugierte Beziehung aufweisen, hin- und herbewegbare Linse enthält. Der Versetzungssensor misst eine Versetzung eines zu messenden Objektes, beruhend auf der Position der Linse, wenn ein Lichtempfangsmengen-Signal des Fotoempfängers einen maximalen Wert anzeigt.

Ein derartiger Versetzungssensor verwendet das Prinzip, dass, wenn von einem Projektor durch eine Linseneinheit emittiertes Licht in einer vorher bestimmten Position konzentriert wird, das in dem Konzentrationspunkt reflektierte Licht in einem dem Projektionspfad entgegengesetzten Pfad entlangläuft, und sich in der Position der Blende, die eine konjugierte Beziehung mit der Lichtemissionsposition aufweist, konzentriert. Der Versetzungssensor emittiert konkret einen Messstrahl, der sich in einer vorher bestimmten Position konzentriert, während eine vorher bestimmte Linse in der Linseneinheit entlang der optischen Achse hin- und herbewegt wird, empfängt das Reflexionslicht des Strahles und gewinnt eine Versetzung eines zu messenden Objektes (hiernach bezeichnet als ein Werkstück), beruhend auf der Position der Linse, wenn das Lichtempfangsmengen-Signal des Fotoempfängers einen maximalen Wert aufweist. Ein Beispiel für eine Druckschrift, die das optische System und das Prinzip des Messablaufes offenbart, ist JP 7-113617 A.

8 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems eines Versetzungssensors, der in der JP 7-113617 A, offenbart ist. Das optische System enthält einen Projektor 200, der eine Laserdiode 201 aufweist, einen Fotoempfänger 204, der eine Fotodiode 202 und eine Lochblende 203 enthält, einen Teilerspiegel 205 und ein Linsenpaar 206 und 207. Bei den Linsen ist die Linse 206, die näher an dem Projektor und dem Fotoempfänger ist, eine Kollimatorlinse und die andere Linse 207 ist eine Objektivlinse.

Die Objektivlinse 207 ist mit einer Spitze einer nicht gezeigten Stimmgabel verbunden und bewegt sich entlang der optischen Achse in Übereinstimmung mit der Schwingung der Stimmgabel hin und her. Wenn es zugelassen ist, dass die Laserdiode 201 in diesem Zustand Licht emittiert, ändert sich ebenfalls eine Strahlkonzentrationsposition eines Messstrahls BM, der die Linsen 206 und 207 durchläuft. Daher konzentriert sich, wenn die Strahlkonzentrationsposition des Messstrahles BM und die Position der Werkstückoberfläche übereinstimmen, das Reflexionslicht von dem Werkstück W an der Lochblende 203, so dass sich das Lichtempfangsmengen-Signal der Fotodiode 202 erhöht. Auf der anderen Seite tritt das Phänomen nicht in dem anderen Fall auf, so dass Licht kaum auf die Fotodiode 202 einfällt. Daher wird, beruhend auf der Position der Objektivlinse 207, wenn das Lichtempfangsmengen-Signal einen maximalen Wert aufweist, die Strahlkonzentrationsposition des Messstrahls BM zu dem Zeitpunkt gewonnen und als die Position des Werkstückes W eingestellt.

Weil ein derartiger Versetzungssensor für Anwendungen verwendet wird, in denen eine kleine Versetzung auf einem Werkstück wie z. B. ein Elektrodenmuster auf einem Glassubstrat gemessen wird, muss das optische System derart angepasst werden, dass ein Konzentrationsbereich eines Strahls in Richtung der optischen Achse auf einen extrem engen Bereich begrenzt wird (in anderen Worten die Tiefenschärfe wird sehr niedrig).

Auf der anderen Seite schwanken die Höhe der Referenzfläche des Werkstückes W und die Größe der Versetzung entsprechend der Arten der Werkstücke. Folglich gibt es Bedarf für eine freie Veränderung einer Reichweite eines Sensors (die minimale Entfernung zwischen der Lichtemissionsfläche des Sensors und der Messstrahlkonzentrationsposition) und eines Messbereiches (Bereich, in dem sich die Konzentrationsposition des optischen Strahls bewegt).

Eine der Methoden, die auf diese Anforderung gerichtet sind, ist die Auswechslung der Objektivlinse. Jedoch ändert sich ebenfalls die Resonanzfrequenz, wenn das Gewicht und der Durchmesser der Linse verändert wird. Folglich muss das Linsenantriebssystem neu aufgebaut werden. Daher reicht es nicht aus, nur die Linse auszuwechseln, und es ist schwierig, das Verfahren durchzuführen.

Wie in JP 2004-102228A beschrieben, gibt es eine andere Art und Weise eine Zerstreuungslinse zwischen einer Objektivlinse und einer Kollimatorlinse anzuordnen und die Strahlkonzentrationsposition durch Bildung einer sich hin- und herbewegenden Streuungslinse einzustellen. Gemäß dieser Praktik wird jedoch das in die Objektivlinse eintretende Licht kein paralleles Licht. Folglich ist es schwierig, den Strahl auf die Konzentrationsposition zu begrenzen und es tritt ein Problem, so dass Messgenauigkeit nicht sichergestellt werden kann. Zusätzlich entsteht, weil die Zerstreuungslinse sich zu dem Auswechslungszeitpunkt der Zerstreuungslinse für eine Einstellung der Strahlkonzentrationsposition hin- und herbewegt, ein ähnliches Problem zudem in dem Fall, in dem die Objektivlinse ersetzt wird.

Weiter wird ein derartiger Versetzungssensor oft für eine Reihenmessung in einer Fabrik oder Ähnlichem verwendet. Während der Messung wird ein Werkstück oft geändert. Eine Linse in dem Sensor und ein Antriebssystem kann jedoch nicht ersetzt werden, bis die Messung für eine lange Zeit angehalten wird. Es ist ebenso schwierig für den Anwender, die Auswechslung vorzunehmen, so dass es schwierig ist, das Verfahren bei einer Reihenmessung anzuwenden.

Auf der anderen Seite ist es unnötig, wenn die Strahlkonzentrationsposition durch Hinzufügung einer Konversionslinse zu dem koaxialen, konfokalen optischen System geändert wird, den Aufbau des Sensorkörpers zu ändern und es scheint, dass das Verfahren ebenso eine Reihenmessung erlaubt.

9 und 10 zeigen ein Beispiel einer Änderung einer Reichweite und eines Messbereiches durch Anbringen eines Linsenhalters 211, in dem eine Konversionslinse montiert ist, an einen Sensorkopf 210, in dem das optische System aus 8 angeordnet ist. In dem Beispiel in 9 sind eine Kollimatorlinse 212 und eine Kondensorlinse 213 in dem Linsenhalter 211 angeordnet, um das durch das optische System in dem Sensorkopf 210 konzentrierte Licht in die ehemaligen parallelen Strahlen umzuwandeln und die parallelen Strahlen wieder zu konzentrieren. In dem Beispiel aus 10 wird konzentriertes und dann ausgedehntes Licht wieder durch eine einzelne Kondensorlinse 214 konzentriert.

In jeder der Darstellungen zeigen „a" und „b" die Reichweite und den Messbereich des ursprünglichen optischen Systems und A und B drücken die Reichweite und den Messbereich nach der Änderung aus.

Wie oben beschrieben, kann die Reichweite und der Messbereich theoretisch durch Hinzufügen einer Linse geändert werden. Jedoch wird, wenn die Richtung von einmal konzentriertem Licht geändert wird, das Licht empfindlich auf den Einfluss einer Abweichung der Linse und Ähnlichem. Als Ergebnis kann der Konzentrationsbereich zu dem Zeitpunkt des Wiederkonzentrierens des Lichts nicht genügend begrenzt werden und Messgenauigkeit kann nicht sichergestellt werden.

In den Beispielen aus 9 und 10 fällt das durch das ursprüngliche optische System konzentrierte und ausgedehnte Licht in die Linsen 212, 213 und 214 zur Korrektur ein. Folglich schwankt, wenn die Höhe der Linsen 212, 213 und 214 zur Korrektur verändert wird, die Reich weite und der Messbereich ebenso. In so einem Aufbau verändern sich, wenn die Position des Linsenhalters 211 bezüglich der Höhe des Werkstückes W eingestellt wird, die Messparameter ebenso, und es tritt ein Problem auf, so dass eine Anpassung nicht leicht durchgeführt werden kann.

Zusätzlich ist in der Technik in 10, um divergierende Strahlen zu konzentrieren, die Linse 214, die einen großen Durchmesser aufweist, notwendig und es ist notwendig, eine Entfernung D von der Lichtkonzentrationsposition durch das ursprüngliche optische System zu der Linse 214 einzustellen, die länger ist als die Brennweite der Linse 214. Es verursacht ebenso ein Problem in der Vergrößerung der Größe des Linsenhalters 211.

Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung auf die Probleme erreicht worden und es ist Aufgabe der Erfindung, eine Reichweite und einen Messbereich leicht durch Hinzufügen eines Linsenhalters mit einem leichten Aufbau zu verändern und die Messgenauigkeit auch nach der Veränderung sicherzustellen.

Ein Versetzungssensor enthält gemäß der Erfindung einen Projektor, einen Fotoempfänger, der eine Blende enthält, und eine Linseneinheit, die eine hin- und herbewegbare Linse entlang einer optischen Achse eines koaxialen optischen Systems enthält, das so eingestellt ist, so dass eine Lichtemissionsposition des Projektors und die Blende eine konjugierte Beziehung aufweisen und der Versetzungssensor misst eine Versetzung eines zu messenden Objektes beruhend auf der Position der Linse, wenn ein Lichtempfangsmengen-Signal des Fotoempfängers einen maximalen Wert anzeigt. In einem Gehäuse, in dem das koaxiale optische System enthalten ist, ist eine Lichtöffnung in einer gegenüberliegenden Position zu einer Linsenfläche einer Linse in dem Endbereich der Linseneinheit gebildet. Ein Linsenhalter, in dem eine Objektivlinse getragen wird, ist abnehmbar an der Lichtöffnung angeordnet. Die Lin seneinheit wandelt Licht von dem Projektor in parallele Strahlen um und führt die parallelen Strahlen zu der Lichtöffnung zu einem vorher bestimmten Zeitpunkt, während die hin- und herbewegbare Linse sich einmal hin- und herbewegt.

Wenn das Lichtempfangsmengen-Signal einen maximalen Wert aufweist, bedeutet das, dass ein Signal einen maximalen Wert anzeigt, das in Übereinstimmung mit dem Zustand, dass die Lichtempfangsmenge das Maximum ist, gewonnen wurde. Abhängig von der Polarität des Signals ist ebenfalls der negative maximale Wert, d.h., der minimale Wert ebenso enthalten.

Mit dem Aufbau wird das aus der Lichtöffnung des Gehäuses emittierte Licht durch eine externe Objektivlinse auf eine vorher bestimmte Position konzentriert. Zu einem Zeitpunkt, wenn das aus der Lichtöffnung emittierte Licht zu parallelen Strahlen wird, kann das Licht nach dem Durchlaufen der Objektivlinse auf einen begrenzten Bereich begrenzt werden. Wenn die schwankende Breite der hin- und herbewegenden Linse klein ist, kann angenommen werden, dass Licht in nahezu parallelen Strahlen (hiernach bezeichnet „annähernd parallele Strahlen") zu einem Zeitpunkt, der anders ist als der Zeitpunkt, zu dem parallele Strahlen gewonnen werden, erzeugt wird. Ähnlich kann das Licht von der Objektivlinse auf einen begrenzten Bereich begrenzt werden. Daher kann unter Verwendung des begrenzten Lichtes eine Messung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.

Die Linseneinheit beinhaltet eine oder mehrere Linsen. Linsen in einer beliebigen Anzahl werden hin- und herbewegbar eingestellt. Die Anzahl der Linsenhalter ist nicht auf einen begrenzt. Verschiedene Arten von Linsenhaltern, in denen Brennweiten von Objektivlinsen verschieden sind, können hergestellt werden, und ein Linsenhalter gemäß der Anwendung kann ausgewählt und an die Lichtöffnung angebracht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Versetzungssensors ist eine Position in Richtung der optischen Achse des Linsenhalters oder der Objektivlinse in dem Halter änderbar. In der Art und Weise kann die Position der Objektivlinse gemäß der Höhe eines Werkstückes eingestellt werden. Solange parallele Strahlen oder annähernd parallele Strahlen aus der Lichtöffnung emittiert werden, selbst wenn die Entfernung von der Lichtöffnung zur der Objektivlinse geändert wird, ändert sich die Breite des Lichtes, das auf die Objektivlinse einfällt, kaum. Daher ändert sich die Reichweite und der Messbereich unter Verwendung der Objektivlinse als eine Referenz kaum, so dass die Position der Objektivlinse oder des Linsenhalters leicht bestimmt werden kann. Daher kann ein Versetzungssensor, der eine hohe Benutzerfreundlichkeit hat, geschaffen werden.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Versetzungssensor wandelt die Linseneinheit Licht von dem Projektor in parallele Strahlen um, wenn die hin- und herbewegbare Linse eine Referenzposition erreicht, in der die hin- und herbewegbare Linse in einem stationären Zustand positioniert ist. In diesem Fall kann eine Messung mit einer hohen Genauigkeit unter Verwendung eines Lichtempfangsmengen-Signals, das zu dem Zeitpunkt gewonnen wurde, wenn die Linse die Referenzposition erreicht, in einer vorher bestimmten Periode um diesen Zeitpunkt und einer Periode, in der annähernd parallele Strahlen in den Linsenhalter eintreten, durchgeführt werden.

In einer weiteren anderen bevorzugten Ausführungsform des Versetzungssensors sind Messmittel für die Messung einer Entfernung eines zu messenden Objektes unter Verwendung eines Lichtempfangsmengen-Signals, das durch einen Fotoempfänger gewonnen wurde, während parallele Strahlen oder annähernd parallele Strahlen aus der Linse kommen, vorgesehen. Die Messmittel könnten in dem Gehäuse vorge sehen sein, das das koaxiale optische System enthält oder als ein Bauelement, das außerhalb des Gehäuses liegt, konstruiert sein.

Gemäß der Erfindung kann mit dem leichten Aufbau die Lichtkonzentrationsposition gemäß der Art oder Ähnlichem des Werkstückes eingestellt werden und darüber hinaus kann unter Begrenzung eines Lichtkonzentrationsbereichs auf einen extrem begrenzten Bereich eine Messgenauigkeit sichergestellt werden. Dafür kann ein Anzeigesensor, der eine hohe Leistung und eine hohe Benutzerfreundlichkeit aufweist, geschaffen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein optisches System eines Sensorkopfes, auf den die vorliegende Erfindung angewendet ist;
2 zeigt die Beziehung zwischen einem Linsenpositionssignal und einem Lichtempfangsmengen-Signal;
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Versetzungssensors;
4 zeigt ein Beispiel, in dem die Position eines Linsenhalters eingestellt werden kann;
5 zeigt ein Beispiel, in dem der Linsenhalter in vertikaler Richtung während der Messung bewegt werden kann;
6 zeigt den Aufbau eines vertikalen Bewegungsmechanismus aus 5;
7 zeigt die Beziehung zwischen der Position eines zu messenden Objektes und einer Objektivlinse bei einem Einstellungsablauf des Versetzungssensor in dem Aufbau von 5;
8 zeigt den Aufbau eines koaxialen, konfokalen optischen Systems in einem konventionellen Versetzungssenor;
9 zeigt ein Beispiel, in dem eine Linse zu dem Sensorkopf in dem optischen System aus 8 hinzugefügt wurde; und
10 zeigt ein Beispiel, in dem eine Linse zu dem Sensorkopf zu dem optischen System in 8 hinzugefügt wurde.
1 zeigt ein Beispiel eines Aufbaus eines Sensorkopfes 1 eines Versetzungssensors, auf den die vorliegende Erfindung angewendet ist.
Der Sensorkopf 1 tastet die Oberfläche eines Werkstückes W mit einem Messstrahl BM ab, empfängt das Reflexionslicht des Messstrahls BM von dem Werkstück W und erzeugt ein Lichtempfangsmengen-Signal, das notwendig ist, eine Versetzung der Oberfläche des Werkstückes W zu messen. Das erzeugte Lichtempfangsmengen-Signal wird von einem Controller 2, der später erklärt wird, abgerufen und ein Versetzungsmessungprozess des Werkstückes W wird durchgeführt.
Der Sensorkopf 1 der Ausführungsform ist mit einem Projektor 3, der eine Laserdiode 30 verwendet, einem Fotoempfänger 4, der eine Fotodiode 40 und eine Lochblende 41 enthält, und mit einem koaxialen konfokalen optischen System, das die Halbspiegel 5a und 5b und die drei Linsen 6, 7a und 7b enthält, ausgestattet. Weiter ist in dem Sensorkopf 1 eine Lichtöffnung 10 für das optische System gebildet. An der Lichtöffnung 10 ist ein zylindrischer Körper 11, der innerhalb ein Gewinde aufweist, kontinuierlich gebildet und ein Linsenhalter 13, der eine Objektivlinse 12 enthält, ist abnehmbar mit dem zylindrischen Körper 11 verbunden.
Die Laserdiode 30 des Projektors 3 ist derart angeordnet, dass ihre optische Achse sich in Richtung der Lichtöffnung 10 erstreckt (in der Abbildung in die vertikale Richtung). Der Fotoempfänger 4 ist mit dem Projektor 3 über den Halbspiegel 5a koaxial vorgesehen und ist derart angeordnet, dass die Lichtemissionsfläche der Laserdiode 30 und die Lochblende 41 eine konjugierte Beziehung aufweisen. Die Linse 6 unter den drei Linsen 6, 7a und 7b, die am nächsten zu dem Projektor 3 und dem Fotoempfänger 4 ist, ist eine Kollimatorlinse und die zwei übrig bleibenden Linsen 7a und 7b sind Kondensorlinsen, die die gleiche Brennweite aufweisen. Die Kondensorlinsen 7a und 7b sind mit den Spitzen einer Stimmgabel 8 integriert verbunden. Der Brennpunkt jeder der Kondensorlinsen 7a und 7b fällt mit der Mittellinie der Stimmgabel 8 zusammen.
Eine Antriebsspule 9 ist in der Nähe der Stimmgabel 8 angeordnet. Durch Wiederholung einer Periode, in der die Spule 9 Strom durchlaufen ist, und einer Periode, in der die Stromversorgung unterbrochen wird, in vorher bestimmten Zyklen schwingt die Stimmgabel 8. Die Kondensorlinsen 7a und 7b bewegen sich derart, dass sie sich in Abhängigkeit der Schwingungen der Stimmgabel 8 annähern oder voneinander entfernen.
Der Sensorkopf 1 beinhaltet eine LED 14 und eine PSD 15 für den Nachweis der Position der Kondensorlinse 7a auf der oberen Seite auf. Für das Ziel, eine Abbildung in dem Messbereich zu erzeugen, ist ein CCD 16, der eine vorher bestimmte Anzahl von Pixeln aufweist, vorgesehen. Reflexionslicht von der Lichtöffnung 10 wird zu dem CCD 16 über den Halbspiegel 5b geleitet und eine Abbildung, auf der der Kontrast abgebildet ist, wird erzeugt.
In dem obigen Aufbau wird Licht von der Laserdiode 30 zu der Kollimatorlinse 6 über die Halbspiegel 5a und 5b geleitet und wird in parallele Strahlen transformiert. Weiter werden die parallelen Strahlen durch die Kondensorlinse 7a einmal konzentriert und durch die andere Kondensorlinse 7b wieder in parallele Strahlen umgewandelt und die parallelen Strahlen gehen durch die Lichtöffnung 10 hinaus.
Die Objektivlinse 12 in dem Linsenhalter 13 empfängt die parallelen Strahlen von der Lichtöffnung 10 und der Messstrahl BM, der auf eine vorher bestimmte Position konzentriert wird, wird erzeugt. Um das Licht auf einen begrenzten Bereich zu konzentrieren, besteht eine ideale Bedingung darin, parallele Strahlen einfallend zu machen. Es wird daher angenommen, dass die Ausdehnung in Richtung der optischen Achse des Messstrahls BM in der Ausführungsform auf einen extrem engen Bereich konzentriert ist. Wenn die auf die Objektivlinse 12 einfallenden Strahlen parallele Strahlen sind, sind die Reichweite und der Messbereich, die die Linse 12 als eine Referenz verwenden, ungeändert unabhängig von der Position der Objektivlinse 12. Folglich steigt die Flexibilität der Höhe der Objektivlinse 12 an und es vereinfacht sich die Einstellung der Lichtkonzentrationsposition. Weil die Reichweite und der Messbereich nur mit dem externen Linsenhalter 13 eingestellt werden kann, ist es unnötig, den Aufbau des Sensorkopfes 1 und des Controllers 2 zu ändern. Ein Durchschnittsanwender kann gewünschte Messparameter durch leichte Durchführung einer Einstellungsarbeit einstellen.
2 zeigt die Beziehung zwischen einem die Position der Kondensorlinse 7a anzeigenden Signal (hiernach bezeichnet als „Linsenpositionssignal"), das durch die PSD 15 nachgewiesen wird, und einem Lichtempfangsmengen-Signal, das durch die Fotodiode 40 gewonnen wurde.
Die PSD 15 empfängt Reflexionslicht von dem Licht, das von der LED 14 zu der Kondensorlinse 7a gesendet wird und gibt ein die Einfallposition anzeigendes Signal aus. Das Signal wird von einem Signalverarbeitungsschaltkreis 18, der später erklärt wird abgefragt und die Position der Kondensorlinse 7a wird beruhend auf dem Prinzip der Triangulation gewonnen. Die Signale werden in Zeitreihen angeordnet, wodurch ein Linsenpositionssignal in 2 gewonnen wird. Weil die Kondensorlinse 7a sich bezüglich der Schwingung der Stimmgabel 8 bewegt, ist das Linsenpositionssignal ein Signal, das sich in Sinuswellenformen um die Position, wenn die Stimmgabel 8 angehalten wird (hiernach bezeichnet als „Referenzposition") als die Mitte, ändert.
Wenn die Oberfläche des Werkstückes W mit der Konzentrationsposition des Messstrahles BM zusammenfällt, wandert der Messstrahl BM, der von dem Werkstück W reflektiert wird, entlang einem Pfad, der dem Lichtprojektionspfad entgegengesetzt ist, und konzentriert sich in der Position der Laserdiode 30 und der Lochblende 41. Ein maximaler Wert (Peak) erscheint in dem Lichtempfangsmengen-Signal zu diesem Zeitpunkt.
In dem Beispiel aus 2 erscheint, wenn die Kondensorlinse sich in einer vorher bestimmten Position P befindet, ein Peak in dem Lichtempfangsmengen-Signal. Das bedeutet, dass die Oberfläche des Werkstückes W in der Position des Brennpunktes des Messstrahles BM positioniert ist, wenn die Kondensorlinse in der Position P angeordnet ist. Daher wird in dieser Ausführungsform eine Konversionstabelle, die die Beziehung zwischen einer Entfernung von der Objektivlinse zu der Konzentrationsposition des Messstrahls BM und einem Linsenpositionssignal anzeigt, vorher gewonnen. Unter Verwendung der Konversionstabelle wird eine Entfernung, die der Position der Kondensorlinse 7a entspricht, wenn ein Peak in dem Lichtempfangsmengen-Signal erscheint, gewonnen. Die Entfernung wird als eine Entfernung von der Objektivlinse 12 zu der Oberfläche des Werkstückes W (hiernach wird die Entfernung bezeichnet als die „Nachweisentfernung") erkannt.
3 ist eine Blockdarstellung, die einen elektrischen Aufbau des Sensorkopfes 1 und des Controllers 2 zeigt.
Bei dem Sensorkopf 1 sind zusätzlich zu dem optischen System ein EEPROM 17, der Signalverarbeitungsschaltkreis 18, ein Stimmgabelantriebsschaltkreis 19, ein Antriebsschaltkreis (nicht gezeigt) der Laserdiode 30 und Ähnliches montiert. Bei dem Controller 2 sind A/D Konverter 29a und 29b für Signale von der Fotodiode 40 und ein CCD 16 auf der Sensorkopf 1 Seite, eine CPU 20, ein Bildspeicher 22, ein Eingabe/Ausgabe-Interface 23, ein Monitor-Interface 24, ein FPGA 21 (Field Programmable Gate Array) und Ähnliches montiert.
Der FPGA 21 führt die Betriebssteuerung über den Sensorkopf 1 und die Signalverarbeitung durch und enthält einen Peakdetektor 25, einen entsprechenden Positionsdetektor 26, einen Antriebsimpulsgenerator 27 und einen Selektor 28. Der Antriebsimpulsgenerator 27 erzeugt Antriebsimpulse, die vorher bestimmte Zyklen aufweisen, und speist sie in den Stimmgabelantriebsschaltkreis 19, in dem Sensorkopf 1 ein. Der Stimmgabelantriebsschaltkreis 19 führt der Spule 9 Strom zu. Durch eingeschalteten Strom und ausgeschalteten Strom in Zyklen gemäß dem Antriebsimpuls vibriert die Stimmgabel 8 in vorher bestimmten Zyklen.
Der Signalverarbeitungsschaltkreis 18 in dem Sensorkopf 1 tastet die Signale von dem PSD 15 zu jedem vorher bestimmten Abtastzeitpunkt ab, misst die Position der Kondensorlinse 7a und gibt den Messwert aus. Der ausgegebene Messwert wird in den entsprechenden Positionsdetektor 26 in dem Controller 2 eingespeist.
Das Lichtempfangsmengen-Signal der Fotodiode („PD" in 3) 40 wird in den Controller 2 eingespeist und durch den A/D Konverter 29 in ein digitales Signal umgewandelt und das digitale Signal wird in den Peakdetektor 25 eingespeist. Der Peakdetektor 25 ermittelt den maximalen Wert des Lichtempfangsmengen-Signal durch einen differenziellen Prozess oder Ähnliches und gibt, wenn der maximale Wert ermittelt ist, ein Detektionssignal aus. Das Detektionssignal wird in den entsprechenden Positionsdetektor 26 und den Selektor 28 eingespeist.
Der entsprechende Positionsdetektor 26 prüft und hält den Wert des Linsenpositionssignals bis zum Empfang des Detektionssignal fest und gibt den Wert an die CPU 20 aus.
Der EEPROM 17 in dem Sensorkopf 1 ist mit der CPU 20 verbunden. Wenn der Abtasthaltewert von dem entsprechenden Positionsdetektor 26 empfangen wird, bezieht sich die CPU 20 auf die Konversionstabelle in dem EEPROM 17, basierend auf dem empfangenen Wert und extrahiert eine Entfernung als eine Detektionsentfernung (ausgedrückt in mm in dieser Ausführungsform) entsprechend dem Abtasthaltewert. Weiter berechnet die CPU 20 die Differenz zwischen der extrahierten Detektionsentfernung, die unmittelbar bevor der extrahierten Detektionsentfernung extrahiert wurde. Wenn die Differenz größer als ein vorher bestimmter Schwellwert ist, ist es festgelegt, dass eine Versetzung auf der Oberfläche des Werkstückes W erscheint und das die Differenz zwischen den Detektionsentfernungen die Größe der Versetzung ist. Das Ergebnis der Bestimmung des Vorhanden-/Nichtvorhandenseins einer Versetzung und die Größe des Versetzungsteils wird an ein nicht gezeigtes externes Bauelement über das Eingabe/Ausgabe-Interface 23 ausgegeben.
Ein Bildsignal von dem CCD 16 wird in den A/D Konverter 29b und das Monitor-Interface 24 eingespeist. Weiter wird das Bildsignal, das der A/D Umwandlung unterworfen wurde, in den Selektor 28 eingespeist. Der Selektor 28 gibt Bilddaten, die für eine vorher bestimmte Periode empfangen wurden, die seit dem das Detektionssignal von dem Peakdetektor 25 empfangen wurde, abgelaufen ist, an den Bildspeicher 22 aus. Als Ergebnis wird ein Bild, das, wenn der Messstrahl von dem Sensorkopf 1 mit der Oberfläche des Werkstückes W übereinstimmt, erzeugt wird, in dem Bildspeicher 22 gespeichert. Mit dem Verbinden eines Monitors mit dem Monitor-Interface 24 kann ein Bild des zu messenden Bereiches des Sensorkopfes immer dargestellt werden.
Bei dem Sensorkopf 1 können eine Vielzahl von Objektivlinsen 12 mit verschiedenen Brennweiten montiert werden. Für diesen Fall werden Konversionstabellen für die entsprechenden Objektivlinsen 12 in dem EEPROM 17 eingestellt und die CPU 20 wählt die Tabelle aus, die der Objektivlinse 12, die für die Konversionstabelle verwendet wurde, entspricht und führt einen Prozess für die Gewinnung der Nachweisentfernung durch.
Das in 1 gezeigte optische System ist so eingestellt, dass, wenn die Stimmgabel 8 angehalten wird, die Brennpunkte der Kondensorlinsen 7a und 7b mit der Mittelachse der Stimmgabel 8 übereinstimmen. Daher können zu dem Zeitpunkt, an dem die Linsen 7a und 7b die Referenzpositionen erreichen perfekte parallele Strahlen in Richtung der Lichtöffnung 10 ausgestrahlt werden. Jedoch werden, wenn die Kondensorlinsen 7a und 7b von den Referenzpositionen abgelenkt werden und die Brennpunkte sich verschieben, die Strahlen in Richtung des Lichtanschlusses 10 keine perfekten parallelen Strahlen.
Weil der Bewegungsbereich der Linsen 7a und 7b extrem klein ist, ist die Verschiebung der Brennpunkte zwischen den Linsen 7a und 7b nicht groß und es kann angenommen werden, dass Strahlen, die als fast parallel zueinander angesehen werden können, erzeugt werden können. Daher werden parallele Strahlen oder fast parallele Strahlen immer aus der Lichtöffnung 10 des Sensorkopfes 1 emittiert, so dass der Messstrahl BM, der sich in dem begrenzten Bereich konzentriert, von der Objektivlinse 12 emittiert und eine kleine Versetzung auf dem Werkstück W mit hoher Genauigkeit extrahiert werden kann.
In dem Fall, in dem eine strenge Messgenauigkeit benötigt wird, könnte die Messung nur durchgeführt werden, wenn die Kondensorlinsen 7a und 7b sich in den Referenzpositionen und nur innerhalb der Periode, in der die Verschiebungshöhe der Brennpunkte der Linsen 7a und 7b innerhalb eines vorher bestimmten Wertes liegen, befinden.
Als Nächstes ist es eine Regel in dem Fall, in dem ein derartiger Versetzungssensor für eine Reihenmessung verwendet wird, dass der Sensorkopf 1 in einer vorher bestimmten Höhenposition angeordnet ist, dass das Werkstück W sequentiell in den Messbereich eintritt und der Messprozess auf dem Werkstück W, das sich bewegt, durchgeführt wird. Weil die Referenzhöhe gemäß der Art des Werkstückes W variiert, muss in einigen Fällen die Höhe des Sensorkopfes 1 eingestellt werden, so dass die Oberfläche des Werkstückes W in dem Messbereich des Sensorkopfes 1 enthalten ist.
Jedoch ist die Fassung des Sensorkopfes 1 stabil konstruiert, so dass es schwer ist die Höhe zu ändern.
Auf der anderen Seite, wie in 9 und 10 gezeigt, wird, obwohl es eine Erweiterungstechnik der Brennpunktposition des Messstrahles BM durch eine externe Linse, wie oben beschrieben, gibt, der Lichtkonzentrationsbereich in dem Aufbau erweitert und es entsteht ein Problem, das die Messgenauigkeit nicht sichergestellt werden kann.
Auf der anderen Seite kann das in 1 gezeigte optische System leicht mit dem Problem durch die Einstellung der Position der Objektivlinse 12 in Abhängigkeit der Höhe des Werkstückes W umgehen.
4 zeigt ein Beispiel, in dem die Befestigungsposition des Linsenhalters in dem Sensorkopf 1 fein eingestellt werden kann. In diesem Beispiel und dem in 5 ist der hauptsächliche Aufbau dem in 1 ähnlich. Die gleichen Bezugzeichen sind den gleichen Komponenten wie den aus 1 zugeordnet und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
In dem Beispiel aus 4 ist ein Schraubenloch 101 in dem zylindrischen Körper 11 gebildet, der mit der Lichtöffnung 10 in dem Sensorkopf 1 übereinstimmt. Mit einer Schraube 102, die in das Schraubenloch 101 eingesetzt ist, kann der Linsenhalter 13 an einer beliebigen Höhenposition festgestellt werden. Mit dem Aufbau kann, nachdem die Höhenposition des Linsenhalters 13 unter Bezug auf den zylindrischen Körper 11 eingestellt ist, so dass die Oberfläche des Werkstückes W in dem Messbereich des Sensorkopfes 1 enthalten ist, der Linsenhalter 13 in der eingestellten Position festgestellt werden. Folglich kann das optische System ohne Veränderung der Höhe des Sensorkopfes 1 mit jeder Höhe des Werkstückes W umgehen. Weil sich das auf die Objektivlinse 12 einfallende Licht kaum verändert, selbst wenn die Position des Lin senhalters 13 eingestellt wird, weitet sich der Bereich, in dem der Messstrahl BM sich konzentriert, nicht aus und die Messgenauigkeit kann stabilisiert werden.
Weiter wird angenommen, dass die Reichweite und der Messbereich, die die Objektivlinse 12 als eine Referenz verwenden, sich kaum ändern. Folglich kann solange die gleiche Objektivlinse 12 verwendet wird, die Nachweisentfernung durch Verwendung der gleichen Konversionstabelle unabhängig von der Höhe der Installation der Objektivlinse 12 gewonnen werden. Daher genügt es, die Position des Linsenhalters 13 nur unter Berücksichtigung der Einstellung der Reichweite und des Messbereiches zu dem Werkstück W einzustellen. Daher ist die Einstellungsarbeit sehr leicht.
Der Aufbau der Einstellungshöhe der Objektivlinse 12 ist nicht auf den obigen Aufbau begrenzt. Zum Beispiel könnte ein Aufbau verwendet werden, in dem die Länge des Linsenhalters 13 variabel einstellbar ist, und die Höhe der Objektivlinse 12 könnte durch Einstellung der Länge geändert werden.
5 zeigt einen beispielhaften Aufbau, in dem die Position der Objektivlinse 12 gemäß der Höhenveränderungen der Oberfläche des Werkstückes W während der Messung des Werkstückes W eingestellt werden kann.
Die Oberfläche des Werkstückes W ist nicht perfekt einheitlich gebildet, obwohl sie flach für das Auge wirkt. Auf der anderen Seite gibt es die Tendenz, dass der Messbereich klein eingestellt wird, um eine kleine Versetzung nachzuweisen. Folglich besteht die Möglichkeit, dass ein Messfehler in der Weise entsteht, dass das Werkstück W in der vertikalen Richtung unter Bezug auf den Messbereich während einer Messung schwankt und ein Teil der zudetektierenden Versetzung außerhalb des Messbereiches liegt. In dem Beispiel aus 5 ist ein vertikaler Bewegungsmechanismus 103 eines Schwingspulentyps auf der Innenseite des zylindrischen Körpers 11 vorgesehen. Durch den Mechanismus 103 wird der Linsenhalter 13 derart gestützt, dass er in vertikaler Richtung in dem zylindrischen Körper 11 bewegbar ist. Die Höhe des Linsenhalters 13 wird beruhend auf einem Messwert zu einem beliebigen Zeitpunkt eingestellt, so dass die Oberfläche des Werkstückes W immer in dem Mittelteil des Messbereiches positioniert ist.
6 zeigt einen schematischen Aufbau eines vertikalen Bewegungsmechanismus 103.
Der vertikale Bewegungsmechanismus 103 ist mit vier Abbildungsmagneten 104 konstruiert, die auf der Seitenfläche des Linsenhalters 13 vorgesehen sind, und vier Antriebsspulen 105, die derart angeordnet sind, dass sie die Magnete 104 anschauen. Zusätzlich ist ein Stromversorgungsschaltkreis für die Abbildungsspule 105 auf der Innenseite des Körpers des Sensorkopfes vorgesehen.
In dem Aufbau wird der die Objektivlinse 12 haltende Linsenhalter 13 in einer vorher bestimmten Höhenposition durch die magnetischen Felder M, die zwischen den Antriebsspulen 105 und den Magneten 104, die den Antriebsspulen 105 entsprechen, erzeugt werden, gehalten. Mit der Steuerung der Richtung und der Größe des Stromes, der durch die Antriebsspule 105 fließt, kann der Linsenhalter 13 entlang der optischen Achse (die Richtungen orthogonal zu der Papierebene in 6) hin- und herbewegt werden.
In dem Fall, in dem der Sensorkopf 1, der den in 5 und 6 gezeigten Aufbau aufweist, verwendet wird, berechnet die CPU 20 des Controllers 2 zu jedem Zeitpunkt in dem eine Nachweisentfernung gewonnen wird, die Differenz zwischen der Nachweisentfernung und der Referenznachweisentfernung. Beruhend auf dem Wert der Differenz werden die Richtung und die Menge des Stromes, der durch die Antriebsspule 105 fließt, bestimmt. Gemäß der Bestimmung wird der Stromversorgungsschaltkreis gesteuert. Die Referenznachweisentfer nung entspricht einer Entfernung von dem Mittelpunkt des Messbereiches, d. h., die Konzentrationsposition des Messstrahles BM, wenn die Kondensorlinse in der Referenzposition ist, zu der Objektivlinse 12.
Durch die Steuerung, wie in 7 gezeigt, bewegt sich, wenn sich die Messzielposition auf dem Werkstück W der Objektivlinse 12 nähert, die Objektivlinse 12 aufwärts, so dass sie von dem Werkstück W entfernt ist. Wenn die Messzielposition sich von der Objektivlinse 12 wegbewegt, bewegt sich die Objektivlinse 12 abwärts, so dass sie sich dem Werkstück W annähert.
Mit dem Aufbau wird die Oberfläche des Werkstückes W derart eingestellt, dass sie immer in der Mittelposition des Messbereiches positioniert ist und die Messung durchgeführt werden kann. Folglich kann eine Messung mit einer hohen Genauigkeit durch die Verhinderung, dass ein Versetzungsteil außerhalb des Messbereiches gerät, durchgeführt werden. Durch die Steuerung wird jedoch, selbst wenn eine zu detektierende Versetzung erscheint, die Position der Objektivlinse eingestellt. Es ist daher vorzuziehen, die Positionseinstellung nur durchzuführen, wenn die Differenz der Nachweisentfernung von der Referenzposition kleiner ist als der Schwellwert für die Bestimmung der Anwesenheit/Abwesenheit einer Versetzung.

Claims

Versetzungssensor für die Messung einer Versetzung eines zu messenden Objektes beruhend auf der Position einer Linse, wenn ein Lichtempfangsmengen-Signal eines Fotoempfängers einen maximalen Wert anzeigt, wobei der Versetzungssensor einen Projektor, einen Fotoempfänger, der eine Blende enthält, und eine Linseneinheit aufweist, die eine Linse enthält, die entlang einer optischen Achse eines koaxialen optischen Systems hin und her bewegbar ist, das so eingestellt ist, dass eine Lichtemissionsposition des Projektors und die Blende eine konjugierte Beziehung haben, wobei eine Lichtöffnung in einer Position gegenüberliegend zu der Linsenebene an dem Endbereich der Linseneinheit in einem das koaxiale optische System enthaltenden Gehäuse gebildet ist und ein Linsenhalter, in dem die Objektivlinse gehaltert ist, an der Lichtöffnung abnehmbar angeordnet ist, und wobei die Linseneinheit Licht von dem Projektor in parallele Strahlen umwandelt, und die parallelen Strahlen zu der Lichtöffnung zu einem vorher bestimmten Zeitpunkt während die hin und her bewegbare Linse sich einmal hin und her bewegt führt.
Versetzungssensor gemäß Anspruch 1, wobei eine Position in Richtung der optischen Achse des Linsenhalters oder der Objektivlinse in dem Halter änderbar ist.
Versetzungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Linseneinheit Licht von dem Projektor in parallele Strahlen umwandelt, wenn die hin- und herbewegbare Linse eine Referenzposition, in der die hin- und herbewegbare Linse in einem stationären Zustand zu positionieren ist, erreicht.
Versetzungssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher weiter Messmittel für die Messung eines Abstandes zu einem zu messenden Objektes unter Verwendung eines Lichtempfangsmengen-Signals, das von dem Fotoempfänger gewonnen wird, während die parallelen Strahlen, oder fast parallelen Strahlen, von der Linseneinheit kommen.