JP5242940B2 - 非接触形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触形状測定装置に関するものである。

レーザオートフォーカスを用いたレーザプローブ式の非接触形状測定装置は精密部品の形状や粗さを広範囲にわたりナノレベルの分解能で計測できることが知られている。すなわち、三次元直交座標軸ＸＹＺとして、測定対象である測定ワークの上面に対し、鉛直方向であるＺ軸方向でレーザ光によるオートフォーカス制御を実行しながら、測定ワークをＸＹ方向に走査し、オートフォーカス光学系の対物レンズのＺ軸方向での移動量から測定ワークの表面形状に関する測定データを取得する構造である（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、プローブ光としてのレーザ光はビーム幅が極めて狭い光線ビームであって、対物光学系の光軸に平行に進みかつ光軸からずれた位置で対物光学系に導入され、対物光学系の焦点面において光軸と交差する。この交差位置は対物光学系に対して位置固定されているため対物光学系とワークとがＺ方向に相対的に移動することによりワーク表面へのＸまたはＹ方向の照射位置が移動する。ワーク表面の一点で反射されたレーザ光は対物光学系を介して位置検出器で位置検出される。反射光の検出位置からワーク表面と対物光学系の焦点面との位置ずれが測定されるのでこれをフィードバック制御することによりオートフォーカスが実現する。その結果、対物光学系のＺ方向の位置からワーク表面の形状を測定することができる。
特開２００５−２０１６５６号公報

しかしながら、このような関連技術にあっては、対物レンズを透過したレーザプローブとしてのレーザ光を、Ｚ軸方向で測定ワークの上面に当てる構造のため、測定ワークの上面形状しか測定することができない。例えば、インターナルギアの内歯のような内面形状は測定することができなかった。

本発明は、このような関連技術における問題に着目してなされたものであり、測定ワークの内面形状も測定することができる非接触形状測定装置を提供するものである。

請求項１記載の発明は、三次元直交座標軸ＸＹＺとして、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、Ｚ軸に鉛直光軸を合わせた状態でＺ軸方向に移動自在で且つ鉛直光軸と平行に導かれたレーザ光を透過して焦点に向かわせると共に測定ワークの表面で反射されたレーザ光を透過して鉛直光軸と平行にする対物レンズ手段と、対物レンズ手段を透過したレーザ光を受光する光位置検出手段と、該光位置検出手段からの位置信号にてレーザ光の焦点を測定ワークの表面に合致せしめるべく前記対物レンズ手段をＺ軸方向で移動させるフォーカス手段と、を備えた非接触形状測定装置であって、前記対物レンズ手段と測定ワークの間に配置され、対物レンズ手段を透過したレーザ光をＸ軸に合致した水平光軸上に位置する焦点へ向かうレーザ光として反射すると共に測定ワークで反射されたレーザ光を反射して対物レンズ手段側へ導く反射平面を有する反射手段を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、測定ワークを反射手段で反射されたレーザ光に対して、Ｚ軸から見てＹ軸方向へ相対的に平行移動させるＹ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、測定ワークを反射手段で反射されたレーザ光に対して、所定の回転中心を中心に水平方向でθ方向へ相対的に回転させるθ方向移動手段を設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、測定ワークを反射手段で反射されたレーザ光に対して、Ｘ軸方向へ相対的に平行移動させるＸ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、反射手段により、対物レンズ手段を透過したレーザプローブとしてのレーザ光の光路を水平光軸に沿った方向へ折り曲げるため、概略リング形状等の測定ワークの内面形状も、そのままの状態で測定することが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、測定ワークを反射手段で反射されたレーザ光に対して、Ｙ軸方向へ相対的に平行移動させるＹ軸方向移動手段が設けられているため、Ｙ軸方向に走査した二次元形状を測定することができる。

請求項３記載の発明によれば、測定ワークを反射手段で反射されたレーザ光に対して、θ方向へ相対的に回転させるθ方向移動手段が設けられているため、θ方向に走査した二次元形状を測定することができる。

請求項４記載の発明によれば、測定ワークをＸ軸方向へ相対的に平行移動させるＸ軸方向移動手段が設けられているため、測定ワークをＸ軸方向に移動させると、反射手段で反射されるレーザ光のＺ軸方向の位置が変位する。従って、このＸ軸方向移動手段を、前記Ｙ軸方向移動手段又はθ方向移動手段と組み合わせることにより、三次元形状を測定することができる。

（第１実施形態）
図１〜図６は、本発明の第１実施形態を示す図である。まず、図１に基づいて全体構造を説明する。図１において、ＸＹは水平面上で直交する二方向で、ＺはＸＹに垂直な鉛直方向である
本実施例における測定対象としての測定ワークは、概略リング状のインターナルギア１であり、内面には内歯２が形成されている。このインターナルギア１は、同様な中空構造をした回転ステージ３の上に載置されている。回転ステージ３は、Ｘ軸方向にスライド自在なＸ軸ステージ（Ｘ軸方向移動手段）４の上に組み付けられている。Ｘ軸ステージ４は、Ｙ軸方向へスライド自在なＹ軸ステージ（Ｙ軸方向移動手段）５の上に組み付けられている。

中空構造をした回転ステージ３の内部には、円形のセンタステージ６がＸ軸ステージ４に設けられている。センタステージ６の縁部には反射手段としてのプリズム７が、角度４５度の四角い反射平面８を外側へ向けた状態で設置されている。

次に、オートフォーカス光学系の構造を説明する。測定光としての半導体レーザであるレーザ光Ｌはビーム幅が極めて狭い光線ビームであってレーザ光照射手段９から照射される。レーザ光照射手段９からのレーザ光Ｌは、２枚のミラー１０、１１を介して反射され、Ｚ軸に合致した鉛直光軸Ｋ１と平行になって、対物レンズ手段（対物光学系）１２へ導かれる。

鉛直光軸Ｋ１は対物レンズ手段１２の光軸であり、前記鉛直光軸Ｋ１と平行に導かれたレーザ光Ｌは、対物レンズ手段１２の非中心部を透過する。対物レンズ手段１２を透過したレーザ光Ｌが、いわゆるレーザプローブであり、このレーザ光Ｌが前記プリズム７の反射平面８に当たる。

反射平面８で反射されたレーザ光Ｌは、Ｘ軸に合致した水平光軸Ｋ２上に位置する焦点Ｆへ向かうレーザ光ＬとしてＸ軸方向に向かい、インターナルギア１の内面に形成された内歯２に当たる。すなわち、プローブ光としてのレーザ光Ｌは対物レンズ手段１２の非中心部を通過しているため鉛直光軸Ｋ１や水平光軸Ｋ２に対して交差する方向に進み焦点Ｆにおいて水平光軸Ｋ２と交差する。

インターナルギア１の内歯２に当たって乱反射されたレーザ光Ｌ’の一部の成分は、再度反射平面８で反射されて対物レンズ手段１２に入光し、対物レンズ手段１２を再透過して、鉛直光軸Ｋ１と平行に進む。ここでレーザ光Ｌは、インターナルギア１の内歯２に対し、Ｘ軸及びＺ軸を含む垂直面に沿って水平光軸Ｋ２に斜めに照射され、反射される。なお、図においては、反射されたレーザ光のうち主たる光束をレーザ光Ｌ’として代表的に表している。

対物レンズ手段１２を透過したレーザ光Ｌは、２枚のミラー１１、１３で反射され、結像レンズ１４を経て、光位置検出装置１５に至る。

レーザ光Ｌの焦点Ｆが内歯２の表面に合致した時に、反射したレーザ光Ｌ’が光位置検出装置１５のセンター１６と合致するように構成されており、レーザ光Ｌ’の光学的重心がセンター１６からずれた場合には、そのずれを是正するため、サーボ式のフォーカス手段１７により対物レンズ手段１２をフォーカス方向（Ｚ方向）に移動させる。従って、オートフォーカス制御におけるこの対物レンズ手段１２の移動量から、インターナルギア１の内歯２のＸ軸方向での高さ寸法（凹凸寸法）を測定することができる。

ミラー１１はハーフミラーで、このミラー１１及び結像レンズ１８を介してカメラ手段（ＣＣＤカメラ等）１９により撮影することができる。カメラ手段１９で撮影された画像はモニター２０に表示することができる。

インターナルギア１は、回転ステージ３及びＸ軸ステージ４を介してＹ軸ステージ５上に載置されているため、前述のようにインターナルギア１の内歯２にレーザ光Ｌによるオートフォーカス制御を行っている状態で、インターナルギア１を回転ステージ３及びＸ軸ステージ４ごとＹ軸方向へ平行移動させることにより、レーザ光Ｌを反射平面８の範囲内でＹ軸方向へ走査することができる（図３参照）。従って、反射平面８の範囲内において、Ｙ軸方向における内歯２の二次元形状を得ることができる（図４参照）。

また、図５に示すように、Ｘ軸ステージ４により、レーザ光Ｌに対して、プリズム７をＸ軸方向に移動させると、反射平面８が４５度の角度を有しているため、反射平面８で反射されて内歯２に当たるレーザ光Ｌが上下動し、レーザ光Ｌを内歯２に対して上下方向（Ｚ軸方向）に走査することができる。従って、Ｙ軸方向での一本の走査が終了した後に、Ｚ軸方向で水平光軸Ｋ２の位置をずらして再びＹ軸方向での走査を繰り返すことにより、内歯２の表面形状を三次元的に測定することができる（図６参照）。

この実施形態では、レーザプローブとしてのレーザ光Ｌを、プリズム７で折り曲げてＸ軸方向へ向けているため、対物レンズ手段１２のＺ軸の変位はプリズム７で折り返すことにより測定座標系上X軸の変位となり、Ｘ軸ステージ４の移動は測定座標系上でZ軸の変位に変換される。このようにして、インターナルギア１とプリズム７の両方を移動させ、各フォーカス点のXYZ座標を読み込むことにより内歯２の三次元形状の測定が可能となる。

更に、この実施形態では、反射平面８からのレーザ光Ｌが、内歯２に対し、Ｘ軸及びＺ軸を含む垂直面に沿って照射され且つ反射されるため、レーザ光Ｌは内歯２の溝の内部まで確実に当たり、内歯２の形状を正確に測定することができる。

（第２実施形態）
図７〜図９は、本発明の第２実施形態を示す図である。なお、本実施形態は、上記第１実施形態と同様の構造を備えたもので、測定方向が相違している。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

この実施形態では、回転ステージ３によりインターナルギア１をθ方向へ回転させる。前記第１実施形態では、測定範囲がプリズム７の反射平面８の正面に限られるが、この実施形態では、内歯２の全周（全範囲）を測定することができる。

まず、回転ステージ３の一部に基準球２１をセットして位置固定する。回転ステージ３を回転させて、任意の３箇所で基準球２１の頂点付近を上からのレーザ光ＬでＸ軸及びＹ軸方向に走査して、基準球２１の中心を求め、その３つの中心位置から、回転ステージ３の回転中心Ｓを求める。

プリズム７の反射平面８はＹ軸と平行にセットし、Ｙ＝０の位置にて、回転ステージ３をθ方向に回転させながら、プリズム７で折り曲げられたレーザ光Ｌにより、内歯２の全周測定を行う。

測定された内歯２の回転座標系のデータはＸＹＺ座標系に変換される。すなわち、基準球２１により求めた回転中心Ｓを（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）とした平面座標系にて、（Ａ，０）位置で、内径Ｒが既知のリングゲージ内径を３点以上測定する。リングゲージの中心座標（ΔＸ，ΔＹ）から測定点１の位置Ａは、Ａ=ΔＸ＋(Ｒ^２−ΔＹ^２)^0.5の式で算出できる。ここでＲはリングゲージの内径である。

このようにして回転中心の位置および測定点の座標値（Ａ，０）を求めた後、インターナルギア１をθ方向で回転させ、前記回転中心Ｓについて極座標変換することにより、内歯２の全周の内径測定を行うことができる。そして、第１実施形態と同様に、プリズム７をＸ軸方向へ移動させることにより、レーザ光Ｌを内歯２に対して上下動させることにより、内歯２の全周に関する三次元形状を測定することが可能となる。

以上の実施形態では、測定ワークとして、リング形状のインターナルギア１を例にしたが、これに限定されるものではない。カム等の部品でもよく、更に立てた状態で測定することが困難なアーチ形状の部品の側面を測定する場合などにも適用可能である。また、反射手段としてプリズム７を例にしたが、ミラーでも良い。

本発明の第１実施形態に係る非接触形状測定装置を示す構造図。 インターナルギア及び回転ステージを示す平面図。 インターナルギアをＹ軸へ移動させた状態を示す部分平面図。 内歯の二次元形状を示すグラフ。 プリズムをＸ軸方向へ移動させた状態を示す側面図。 内歯の三次元形状を示すグラフ。 本発明の第２実施形態を示す図３相当の部分平面図。 基準球により回転中心を求める状態を示す説明図。 座標変換を示す説明図。

符号の説明

１ インターナルギア（測定ワーク）
２ 内歯
３ 回転ステージ
４ Ｘ軸ステージ（Ｘ軸方向移動手段）
５ Ｙ軸ステージ（Ｙ軸方向移動手段）
７ プリズム（反射手段）
８ 反射平面
９ レーザ光照射手段
１２ 対物レンズ手段
１７ フォーカス手段
Ｌ レーザ光， Ｌ’ レーザ反射光
Ｋ１ 鉛直光軸
Ｋ２ 水平光軸
Ｆ 焦点
Ｓ 回転中心

Claims (2)

1. 三次元直交座標軸ＸＹＺとして、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、Ｚ軸に鉛直光軸を合わせた状態でＺ軸方向に移動自在で且つ鉛直光軸と平行に導かれたレーザ光を透過して焦点に向かわせると共に測定ワークの表面で反射されたレーザ光を透過して鉛直光軸と平行にする対物レンズ手段と、対物レンズ手段を透過したレーザ光を受光する光位置検出手段と、該光位置検出手段からの位置信号に基づいてレーザ光の焦点を測定ワークの表面に合致せしめるべく前記対物レンズ手段をＺ軸方向で移動させるフォーカス手段と、を備えた非接触形状測定装置であって、
   レーザ光は前記対物レンズ手段の非中心部に導入される光線ビームであり、
   前記対物レンズ手段と測定ワークの間に配置され、対物レンズ手段を透過したレーザ光をＸ軸に合致した水平光軸上に位置する焦点へ向かうレーザ光として反射すると共に測定ワークで反射されたレーザ光を反射して対物レンズ手段側へ導く反射平面を有する反射手段を設け、
   鉛直光軸と平行なレーザ光に対して反射手段をＸ軸方向へ相対的に平行移動させるＸ軸方向移動手段を設け、
   測定ワークを反射手段で反射されたレーザ光に対して、所定の回転中心を中心に水平方向でθ方向へ相対的に回転させるθ方向移動手段を反射手段に位置固定して設けたことを特徴とする非接触形状測定装置。
2. 測定ワークを反射手段で反射されたレーザ光に対して、Ｚ軸から見てＹ軸方向へ相対的に平行移動させるＹ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の非接触形状測定装置。

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