JP2002039739A

JP2002039739A - 衝突防止センサ

Info

Publication number: JP2002039739A
Application number: JP2000219301A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kaneko; 新二金子
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2002-02-06

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の衝突防止センサが接触式センサであった
場合、検知後直ちに停止させても慣性力によって衝突し
機器や対象物を破損する可能性があった。衝突を防止す
るために移動速度を遅くすると機器の作動効率を低下さ
せた。【解決手段】本発明は、同一基板上に隣接させて近接セ
ンサ３と接触センサ２とその処理回路４が配置され、ま
ず近接センサ３により対象物に近づいていることを検知
して機器の移動速度を減速させ、接触センサ２により接
触検知後に直ちに機器を停止させることができる超小型
化された衝突防止センサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衝突防止センサに
係り、特に対象物と非常に狭い間隔を隔てて駆動する機
器に適用する高機能な衝突防止センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高倍率の顕微鏡対物レンズのよ
うに、対象物と非常に狭い間隔をおいて駆動することが
必要な機器では、常に対象物と機器が接触して、対象物
若しくは機器のどちらかが破損する危険が存在する。

【０００３】高倍率の顕微鏡対物レンズの例では、オー
トフォーカス機能を搭載することによって、観察する対
象物との接触の危険を回避することができるが、対象物
の形状等の関係で焦点検出に失敗した場合には、やはり
破損の危険が生じる。このため、衝突防止センサを搭載
してインターロックをかけることが望ましい。

【０００４】このような用途には、光学式の測距センサ
を用いることも考えられるが、対象物表面の状態によっ
ては正確な距離測定が行えないケースがあり、機械的な
接触センサが最も望ましい。

【０００５】このような接触センサとしては、例えば特
開平１１−１１８６３６号公報に圧電素子と電極により
構成された接触センサが開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般的には対物レンズ
と対象物の間が厳密に平行に保たれているわけではない
ので、このような接触センサは対象物と対物レンズに近
接して、対象物と対物レンズの間に配置される必要があ
る。加えて、接触式のセンサの場合は、接触を検知して
直ちに装置を停止させても、移動速度が大きい場合にあ
っては慣性によって停止できず衝突してしまい、機器若
しくは対象物を破損する可能性がある。この問題は、移
動速度を十分に小さくすることで回避できるが、これで
は機器の作動効率を低下させるといった問題に繋がる。

【０００７】これらの問題点は、機器と対象物の距離が
離れている場合には移動速度を速くして、ある程度近接
した以降には、移動速度を遅くすることによって解決で
きる。すなわち、接触センサと近接センサを組み合わせ
ることによって、機器若しくは対象物の破損を最小限に
して効率的な動作を行うことが可能になる。

【０００８】しかしながら通常、高倍率の対物レンズの
対象物の間の距離、即ちワークディスタンスは０．２mm
以下の場合もあり、このような狭い空間に配置すること
が可能で、接触センサと近接センサの機能を併せ持つセ
ンサは皆無であった。

【０００９】そこで本発明は、非常に狭い空間に配置可
能で、且つ近接検知機能を有する超小型の衝突防止セン
サを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、平面状の基板と、この基板上に設けられた
対象物との接近を非接触で検知する第１のセンサと、上
記基板上に上記第１のセンサと近接して設けられ、上記
対象物との接触を検知する第２のセンサとを有する衝突
防止センサを提供する。またこの衝突防止センサは、基
板上に設けられ対象物との接触により、該基板に発生す
る歪みを検出して、該対象物との接触を検知する接触セ
ンサであり、検出する歪み量を予め設定された第１の閾
値及び第２の閾値と比較し、対象物との接触状態を検出
する。

【００１１】以上のような構成の衝突防止センサは、同
一基板上に近接センサと接触センサが配置されて非常に
小型化及び高Ｓ／Ｎ比が得られ、近接センサにより対象
物に近づいていることを検知して機器の移動速度を減速
させ、接触センサにより接触検知後に直ちに機器を停止
させる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。図１には、本発明によ
る衝突防止センサの第１の実施形態として、顕微鏡対物
レンズの先端部に搭載可能な接触センサの一例を示し説
明する。この実施形態は顕微鏡対物レンズに取り付ける
のに好適な形状として矩形であるが、他の部材に取り付
ける場合には、それぞれに応じた形状にすることは勿論
である。図１（ａ）は、接触センサを正面から見た図で
あり、図１（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ’部分の部分
の断面構成を示し、図１（ｃ）は、同図（ａ）のＢ−
Ｂ’部分の部分の断面構成を示している。

【００１３】この衝突防止センサ１は、接触センサ２、
近接センサ３及びＣＭＯＳ構造の処理回路４が形成され
た第１のＮ型単結晶シリコン薄板５と、複数の電極６が
形成された第２のＮ型単結晶シリコン薄板７とで構成さ
れ、これらのＮ型単結晶シリコン薄板は、これらと一体
的に形成されたポリイミド膜８によって連結されてい
る。尚、ポリイミド膜８は下層ポリイミド膜８ａと上層
ポリイミド膜８ｂとが積層されて構成されている。

【００１４】この接触センサ２においては、第１のＮ型
単結晶シリコン薄板５にコの字型のスリット９を開け
て、一辺のみにより支持されたカンチレバー状の部位１
０が形成される。この部位１０表面上には、上面が平坦
なポリイミドからなる突起部１１が形成され、その部位
１０の支持部分の第１のＮ型単結晶シリコン薄板５表面
には、ブリッジ回路１２を構成する４つのＰ型拡散抵抗
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが配置されている。
尚、カンチレバー状の部位１０は、第１のＮ型単結晶シ
リコン薄板５の他の領域と比較して厚さが薄く形成され
ている。

【００１５】また、Ｐ型拡散抵抗１２ａ〜１２ｄは、後
述するように処理回路４へポリイミド膜８内に形成され
た配線１６によって接続される。一方、近接センサ３
は、第１のＮ型単結晶シリコン薄板５上でポリイミド膜
８に覆われて形成されるコイル１３で構成されており、
このコイル１３の両端から配線１４によって処理回路４
に接続されている。

【００１６】このようなコイル１３に電流を流した状態
で導電性を有する対象物が近接すると、コイル１３のイ
ンダクタンスが変化して検出され、対象物の接近を検知
することができる。尚、第１のＮ型単結晶シリコン薄板
５と第２のＮ型単結晶シリコン薄板７との間の領域１５
は、ポリイミド膜８のみで構成されているため、十分な
可撓性を有しており、この部分では折り曲げが自在にで
きる。

【００１７】図２（ａ）は、図１に示したＰ型拡散抵抗
１２ａ〜１２ｄの領域を拡大して示した図であり、図２
（ｂ）は、図１のＣ−Ｃ’部分の断面構成を示してい
る。これらの抵抗素子１２ａ〜１２ｄは、配線１６によ
って接続され、ブリッジ回路を構成している。図２
（ｂ）に示すように配線１６は、下層ポリイミド膜８ａ
によってカンチレバー状の部位１０から電気的に絶縁さ
れており、この下層ポリイミド膜８ａの所定部位に開口
されたコンタクト孔１７によってＰ型拡散抵抗１２へ電
気的に接続されている。また、配線１６に上方は上層ポ
リイミド膜８ｂで覆われている。

【００１８】この構成において、突起部１１の先端部分
に対象物が接触すると、カンチレバー状の部位１０が押
し下げられて、ブリッジ回路１２の領域に歪みが生じ
る。この歪みによって、ブリッジ回路１２の平衡が崩れ
て出力が変化する。この変化を検出することで対象物へ
の接触を検知することができる。半導体拡散抵抗のゲー
ジ率は、通常の金属被膜の抵抗体などと比較するとかな
り大きいので、このように歪み計測を半導体基板上に形
成した拡散抵抗の抵抗値の変化を計測する構成をとるこ
とによって、高い接触検知感度を得ることができる。ま
た、図１では図示していないが、配線１６は処理回路４
に接続されている。

【００１９】次に、処理回路４の動作について説明す
る。この処理回路４には、コイル１３のインダクタンス
変化と、ブリッジ回路１２の出力を計測する。具体的に
は、コイル１３を用いた自励振回路を構成して、発信周
波数の変化を求める機能と、ブリッジ回路１２に所定の
ブリッジ電圧を印加して出力信号を増幅した後でＡ／Ｄ
変換を行う。このように、同一の半導体基板上にブリッ
ジ回路１２（接触センサ２）と近接センサ３の極近くに
処理回路４が形成されているため、近接若しくは接触の
Ｓ／Ｎ比の高いセンシングができる。

【００２０】次に図３には、このような衝突防止センサ
を顕微鏡の先端部に実装した例を示し、実際の動作につ
いて説明する。この衝突防止センサ１は、顕微鏡の高倍
率対物レンズの鏡枠１８において、レンズ１９の近傍の
上面側２０にＮ型単結晶薄板５側が貼り付けられ、ポリ
イミド膜からなる領域１５で折り曲げて、Ｎ型単結晶シ
リコン薄板７側（接触センサ２及び近接センサ３）が鏡
枠１８の側面２１に貼り付けられて実装されている。

【００２１】そして衝突防止センサ１の電極６は、リー
ド線（図示せず）を介して外部コントローラに接続さ
れ、フォーカシング動作が制御される。このように電極
６を鏡枠１８の側面に配置することによって、リード線
を接続する空間を確保するために実質的な接触センサの
厚さが増大することを防ぐことができる。このため、対
物レンズの最前面のレンズ１９と対象物の間隔が非常に
小さい、高倍率の対物レンズにあっても本実施形態の接
触センサを適用することが可能となる。

【００２２】このように顕微鏡に実装された衝突防止セ
ンサ１の動作について説明する。顕微鏡の対象物を載せ
たステージは、対物レンズに高速で近接するが、対象物
が導体の場合は、近接に伴い衝突防止センサ１に配置さ
れたコイル１３のインダクタンスが変化するので、これ
を処理回路４で検知して、その情報を外部コントローラ
に伝達し、ステージ（図示せず）が近づく速さを減速す
る。

【００２３】さらに減速しつつ対象物に近接して突起部
１１が対象物に接触すると、ブリッジ回路１２の出力が
変化する。この出力情報が処理回路４を経て外部コント
ローラに伝達されると、ステージは直ちに停止される。
コイル１３のインダクタンス変化は、センサと対象物の
距離だけでなく対象物の導電率や環境温度にも依存する
ため、対象部までの距離を正確に求めることは困難では
あるが、想定される対象物の導電率と環境温度等の範囲
から、衝突しない範囲で予め閾値を決めておき、その閾
値に達した場合には減速を開始するように制御して、フ
ォーカシングに要する時間を増大させることなく、慣性
に起因した対象物の飛び出しや対象物若しくは対物レン
ズの損傷を回避することができる。

【００２４】また、対象物が細胞などであった場合にお
ける本実施形態の動作について説明する。顕微鏡では細
胞などを観察する際に、対物レンズとの間にオイルなど
を介在させて観察することがある。この場合、上面にオ
イルで浸した対象物を載せたステージは、高速で対物レ
ンズに接近する。突起部１１が液面に接触し、さらにス
テージが上昇すると突起部１１の頂面に表面張力が作用
して突起部１１を押し下げる。この時にブリッジ回路１
２に生じる歪みを検出してステージを一旦、減速する。

【００２５】その後、突起部１１が対象物に接触する
と、突起部１１はさらに強く押し下げられてブリッジ回
路１２に大きな出力変動が生じる。この出力変動の検知
した場合には、ステージの移動を直ちに停止させる。こ
のように液面に接触した時点でステージを一旦減速させ
ることによって、フォーカシングに要する時間を大幅に
増大させることなく、慣性に起因した対象物の飛び出し
や対象物若しくは対物レンズの損傷を回避することがで
きる。

【００２６】図４は、このような細胞観測を行った場合
のセンサの出力特性について模式的に示したものであ
る。本実施形態におけるブリッジ回路１２の出力信号に
ついて、２つの閾値を設ける。即ち、閾値ｍは突起部１
１が液面に接触した際の表面張力による出力信号よりも
小さい値である。また閾値ｎは、突起部１１が液面に接
触した際の表面張力による出力信号よりも大きく、対象
物に接触した際の出力信号の強度よりも小さい。

【００２７】通常は、表面張力による出力信号よりも対
象物への接触による出力信号のほうが遥かに大きくなる
ため、表面張力による出力信号を安定して検知できるよ
うに十分に高い歪み計測感度が得られるように構造を最
適化すればよい。このとき、液面に接触した場合の突起
部１１に作用する表面張力は、接触面の周囲長に比例す
るので、本実施形態のように、突起部１１の頂面が平坦
な形状とすることによって、表面張力の検知感度を高め
ることが可能になる。

【００２８】以上説明したように、本実施形態の衝突防
止センサによれば、顕微鏡に搭載した場合には、対象物
が導体若しくは対物レンズと対象物の間に液体を介在さ
せる場合の両方にあって、対象物への近接検知と接触検
知の２つの機能を有することで効果的に衝突に起因した
機器（本実施の形態にあっては対物レンズ）若しくは対
象物の損傷を防止することができる。

【００２９】以上の実施形態について説明したが、本明
細書には以下のような発明も含まれている。

【００３０】（１）平面状の基板と、この基板上に設け
られた対敷物との接近を非接触で検知する第１のセンサ
と、上記基板上に上記第１のセンサと近接して設けられ
対象物との接触を検知する第２のセンサとを有する衝突
防止センサである。

【００３１】（２）上記第１のセンサはコイルと、この
コイルのインダクタンスの変化を検出する回路とを有
し、インダクタンスの変化により対象物との接近を検出
する上記（１）項に記載の衝突防止センサである。

【００３２】（３）上記第２のセンサは上記基板上に突
出した受圧部と、受圧部周辺の基板の重みを検出する歪
み検出機構とを有し、上記歪み検出機構により対象物と
の接触を検知する上記（１）項に記載の衝突防止センサ
である。

【００３３】（４）上記第１のセンサは、半導体からな
る基板上に形成されたインダクタンスを検拙する回路を
有する上記（１）項または（２）項に記載の衝突防止セ
ンサである。

【００３４】（５）上記第２のセンサは、半導体からな
る基板上に形成された電気回路を有し、基板の歪みによ
って上記電気回路に発生する電流または電圧の変化を検
拙することを特徴とする上記（１）項または（３）項に
記載の衝突防止センサである。

【００３５】（６）上記電気回路は、ブリッジ回路であ
る上記（５）項に記載の衝突センサである。

【００３６】（７）上記第１のセンサの受圧部上面は、
ほぼ平面である上記（１）項に記載の衝突防止センサで
ある。

【００３７】（８）基板上に設けられ対象物との接触に
より基板に発生する歪みを検出して対象物との接触を検
知するセンサであり、検出する歪み量を予め設定された
第１の閾値及び第２の閾値と比較し、対象物との接触状
態を検出する衝突防止センサである。

【００３８】（９）上記第１の閾値は液体の表面と接触
センサの接触によって発生する歪み量であり、上記第２
の閾値は固体からなる対象物との接触によって発生する
歪み量であることを特徴とする上記（８）項に記載の衝
突防止センサである。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、非
常に狭い空間に配置可能で、且つ近接検知機能を有する
超小型の衝突防止センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による衝突防止センサの一実施形態に係
る構成例を示す図である。

【図２】図１に示したブリッジ回路の構成例とその断面
構成を示す図である。

【図３】本実施形態の衝突防止センサを顕微鏡の先端部
に実装した例を示す図である。

【図４】本実施形態の衝突防止センサを顕微鏡の先端部
に実装して細胞観測を行った場合のセンサの出力特性に
ついて模式的に示す図である。

【符号の説明】

１…衝突防止センサ２…接触センサ３…近接センサ４…処理回路５…第１のＮ型単結晶シリコン薄板６…電極７…第２のＮ型単結晶シリコン薄板８…ポリイミド膜８ａ…下層ポリイミド膜８ｂ…上層ポリイミド膜９…スリット１０…部位１１…突起部１２…ブリッジ回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…Ｐ型拡散抵抗１３…コイル１４…配線１５…領域

フロントページの続きＦターム(参考） 2F051 AA00 AB06 AC07 BA07 2F063 AA23 AA25 AA50 BA30 BB02 BD15 CA08 CA28 CA35 CA40 DA01 DA02 DA04 DA05 DA23 DB03 DD02 DD08 EC03 EC06 EC14 EC15 EC20 EC22 GA05 GA27 LA04 LA19 LA27 2F069 AA44 AA68 AA98 BB40 DD01 DD27 DD30 GG02 GG04 GG06 GG20 HH09 JJ06 JJ13 JJ25 JJ30 MM04 NN08 RR03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面状の基板と、この基板上に設けられた対象物との接近を非接触で検知
する第１のセンサと、上記基板上に上記第１のセンサと近接して設けられ、上
記対象物との接触を検知する第２のセンサと、を有する
ことを特徴とする衝突防止センサ。
【請求項２】上記第１のセンサは、コイルと、該コイルのインダクタンスの変化を検出する
回路と、を有し、インダクタンスの変化により上記対象物との接近を検出
することを特徴とする請求項１に記載の衝突防止セン
サ。
【請求項３】基板上に設けられ対象物との接触によ
り、該基板に発生する歪みを検出して、該対象物との接
触を検知するセンサであり、検出する歪み量を予め設定
された第１の閾値及び第２の閾値と比較し、対象物との
接触状態を検出することを特徴とする衝突防止センサ。