JP2001041722A - 形状測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細な３次元形状を高い精度で適正に測定す
る形状測定方法および装置を提供する。 【解決手段】 立体形状を持つ測定対象６の測定部位の
形状を測定する。測定対象６における測定部位を含む周
辺領域の表面を順次露呈させ、露呈したそれぞれの周辺
領域の表面を撮像手段３によって撮像する。撮像したそ
れぞれの周辺領域の画像より得た画像データから測定部
位の輪郭形状を抽出し、各輪郭形状を立体的に合成する
ことにより測定部位に対する測定データを得る。測定部
位の周辺領域の表面を露呈させる際、測定部位の周辺領
域をレーザ光で表面加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタのヘッド等の小さなノズル穴の内面の形状を測定
するのに好適な形状測定方法および装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、複写機やプリンタの分野では高精
細化が進み、画像の分解能が人間の目の分解能を超えよ
うとしている。これに伴ってインクジェット式の印字ヘ
ッドには高分解能が必要になるため、印字ヘッドのノズ
ル穴は小径化している。

【０００３】このようなノズル穴の検査には、従来たと
えば図１０に示すようにプローブ先端の小さいホトニッ
クセンサ１０２を使用していた。プローブ１０１を穴内
部に挿入して穴内部をスキャンし、レコーダ１０３に波
形を描かせて形状を測定していた。なお、図１０におい
て１０４は測定対象を保持するクランプ治具、１０５は
θ（回転）ステージ、１０６はステージ制御ユニット、
１０７はＺステージ、１０８はＹステージ、１０９はＸ
ステージ、１１０は定盤である。

【０００４】また、測定対象によってはホトニックセン
サの代わりに接触式の電気マイクロメータや、先端に横
方向に折り返すミラーを付けた光マイクロなどを使って
いた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような小さい穴の場合、顕微鏡で観察しても穴の入口ま
たは出口の輪郭形状は認識することはできても、内壁の
形状までは測定することができなかった。また、これら
測定方法ではいずれにしても穴の中にプローブの先端を
入れなければないため、測定可能な穴の直径、深さがプ
ローブの大きさにより制約されていた。そのため印字ヘ
ッドのノズル穴の小径化によりプローブを内部に挿入す
ることができなかった。

【０００６】本発明はかかる実情に鑑み、微細な３次元
形状を高い精度で適正に測定する形状測定方法および装
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】本発明の形状測定方法
は、立体形状を持つ測定対象の測定部位の形状を測定す
る方法であって、測定部位の特定方向に沿った複数の露
呈表面を撮像して、各露呈表面における測定部位の輪郭
形状を抽出するとともに立体的に合成することにより測
定部位に対する測定データを得ることを特徴とする。

【０００８】また、本発明の形状測定方法は、立体形状
を持つ測定対象の測定部位の形状を測定する方法であっ
て、測定対象における測定部位を含む周辺領域の表面を
順次露呈させる工程と、露呈したそれぞれの周辺領域の
表面を撮像する工程と、撮像したそれぞれの周辺領域の
画像より得た画像データから測定部位の輪郭形状を抽出
する工程と、各輪郭形状を立体的に合成することにより
測定部位に対する測定データを得る工程と、を備えたこ
とを特徴とする。

【０００９】また、本発明の形状測定方法において、測
定部位の周辺領域の表面を露呈させる際、測定部位の周
辺領域を表面加工することを特徴とする。

【００１０】また、本発明の形状測定方法において、表
面加工は、レーザ加工により行われることを特徴とす
る。また、本発明の形状測定方法において、撮像光学系
の光軸とレーザ加工のためのレーザ照射軸が同軸に構成
されることを特徴とする。

【００１１】また、本発明の形状測定方法において、表
面加工は、機械的切削加工により行われることを特徴と
する。また、本発明の形状測定方法において、表面加工
と撮像工程が交互に反復して行われることを特徴とす
る。

【００１２】また、本発明の形状測定方法において、測
定部位は、測定対象に穿設された微細穴であることを特
徴とする。

【００１３】また、本発明の形状測定装置は、立体形状
を持つ測定対象の測定部位の形状を測定する装置であっ
て、測定対象における測定部位を含む周辺領域の表面を
順次露呈させる表面露呈手段と、露呈したそれぞれの周
辺領域の表面を撮像する撮像手段と、撮像した周辺領域
の画像データから測定部位の輪郭形状を抽出し、これら
を立体的に合成して測定部位に対する測定データを得る
画像処理手段と、を備えたことを特徴とする。

【００１４】また、本発明の形状測定装置において、表
面露呈手段は、測定部位の周辺領域を表面加工するレー
ザであることを特徴とする。また、本発明の形状測定装
置において、表面露呈手段は、測定部位の周辺領域を表
面加工する機械的切削装置であることを特徴とする。

【００１５】また、本発明の記憶媒体は、上記方法を構
成するステップがコンピュータから読出し可能に格納さ
れている。

【００１６】本発明によれば撮像手段は、測定対象の測
定部位の画像を撮像する。また画像処理手段は、測定部
位の画像からその面積や重心位置、輪郭形状等を算出す
る。表面露呈手段は、測定部位の周囲を表面加工するこ
とで、所定の深さに削ぎとるように削り進む。これによ
り測定対象の表面から見える測定部位の周辺を、最初は
浅い部分から最後は最も奥まで加工してゆくことができ
る。そのため任意の深さでの形状を得ることができ、こ
れを複数計測することで立体的な測定部位の形状を求め
ることができる。

【００１７】測定部位が微細であるためにプローブが入
らなかったような場合でも、その周辺を削りながら測定
部位の画像のエッジ（輪郭）を捉えていくことで、測定
部位全体の形状を測定することが可能となる。

【００１８】表面露呈手段としての紫外線レーザ、たと
えば特にＹＡＧレーザやエキシマレーザなどは、プラス
チック材料をエッジ性良く表面加工する。なお、ＹＡＧ
レーザの基本波、倍波は熱的にプラスチックを加工して
しまうため、表面加工によるエッジ性は必ずしも良くな
いが、３倍波および４倍波はアブレーション作用により
エッジ性の良い加工をする。このようにバリなどが生じ
ないエッジ性の良い加工ができるため、形状測定精度が
上がる。

【００１９】レーザ光を撮像光路と同軸にすることで、
加工位置の位置合わせを容易にするとともに、測定部位
周辺を均一に削り進む働きをする。撮像系と同軸の光路
で加工レーザ光を照射することで、観察方向に垂直な平
面方向に均一に削り込む加工ができるので、深さ方向の
管理がしやすく、深さの測定精度が上がる。

【００２０】加工中に測定部位の画像をつねに撮像でき
るようにすることで、測定部位周辺を削り進む加工中に
任意の深さで測定部位の画像を得ることができる。加工
と画像計測の間で機械的な移動が不要となることから、
加工時と測定時との軸ずれをなくすことができ、重心位
置測定の再現性が向上する。任意の深さでの穴の輪郭形
状を測定し、加工時と測定時との軸ずれをなくすること
ができる。

【００２１】一方機械的にフライス盤などで穴周辺を加
工するのは、レーザ光で加工できないような対象物であ
っても同様に穴周辺を削り進む働きをする。機械的に削
り進む場合、表面加工と穴画像の撮像を交互に繰り返す
ことで、任意の深さでの穴の断面形状を得る働きをす
る。

【００２２】機械的に削り進む場合、表面加工と穴画像
の撮像を交互に繰り返すことで、任意の深さでの穴の断
面形状を得る働きをする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき、本発明によ
る形状測定方法および装置の好適な実施の形態を説明す
る。図１は、第１の実施形態の構成図を示し、１は３倍
波のＹＡＧレーザ、２は顕微鏡、３はテレビカメラ、４
は同軸落射照明、５は対物レンズ、６は測定対象、７は
Ｚステージ、８はＹステージ、９はＸステージ、１０は
定盤、１１はレーザ制御ユニット、１２はカメラ電源、
１３はオートフォーカスユニット、１４は画像処理ユニ
ット、１５はランプ電源、１６はワーククランプ制御ユ
ニット、１７はステージ制御ユニット、１８はモニタ、
１９はコンピュータ、２０はキーボード、２１はプリン
タ、２２はクランプ治具、２３は透過照明である。

【００２４】図１の構成において、撮像手段は同軸落射
照明４、透過照明２３、対物レンズ５およびテレビカメ
ラ３から構成され、測定対象６の穴の画像を撮像する。
測定対象６はクランプ治具２２によって保持されるが、
ワーククランプ制御ユニット１６により測定対象６の保
持および開放のコントロールができる。この測定対象６
の顕微鏡画像はテレビカメラ３で撮像されて、画像処理
ユニット１４に送られる。画像処理ユニット１４は穴画
像から輪郭を強調させ、穴の面積や重心位置あるいは輪
郭形状等を算出する。

【００２５】表面露呈手段は、ＹＡＧレーザ１とその発
振制御ユニット１１および撮像手段と共用の対物レンズ
５より構成され、測定対象６の穴の周囲を所定の深さに
削ぎとるように削り進むように作用する。これにより測
定対象６の表面から見える穴周辺を繰り返し浅く削り取
り、最後は最も奥まで加工してゆくことができる。その
ため任意の深さでの穴の輪郭形状を得ることができる。
複数の深さで穴の輪郭形状を計測し、これらの輪郭形状
を合成することで立体的な穴の形状を求めることができ
る。

【００２６】ここで使用している紫外線レーザである３
倍波のＹＡＧ１は、プラスチック材料をエッジ性良く加
工する。レーザ加工用としてパワーが強力なものが入手
可能である。ＹＡＧレーザの基本波、２倍波は熱的にプ
ラスチックを加工してしまうため、アブレーション作用
でエッジ性の良い加工を実現する３倍波あるいは４倍波
を使用する。

【００２７】また、エキシマレーザは、ＹＡＧレーザに
比べて発振器のサイズが大きくなってしまうが、アブレ
ーション作用により、同様にエッジ性の良い加工をす
る。

【００２８】さらに、レーザ光を撮像光路と同軸にする
ことで、テレビカメラ３で撮像した画像をモニタに表示
しながら測定対象を移動することができる。これにより
加工位置の位置合わせを容易にすることができる。また
穴周辺の加工を均一に削り進むことができる。また顕微
鏡対物レンズ５を加工と撮像に共用することで、穴の画
像をつねに撮像できるようになり、穴周辺を削り進む加
工中に任意の深さで穴画像を得ることが可能になる。加
工と画像計測の間で機械的な移動がないことから、穴の
重心位置測定の再現性が向上する。

【００２９】また、Ｘステージ９およびＹステージ８で
測定するノズル穴を顕微鏡下の加工位置に合わせ、オー
トフォーカスユニット１３で計測した高さ情報に従っ
て、フォーカス位置にＺステージ７を合わせる。これに
より穴周辺部の加工と穴画像の撮像に最適のフォーカス
位置に測定対象の位置を設定することができる。

【００３０】コンピュータ２０はこの装置全体の動作の
制御を行い、画像処理ユニット１４で計測した穴の輪郭
形状データ、重心座標データおよび穴面積データなどを
処理し、人が見やすい書式にしてモニタ１８やプリンタ
２１に出力する。

【００３１】図２は穴画像の撮像方法を説明したもので
ある。図２において６は測定対象、２６はノズル穴部
分、２７は照明光である。照明光２７は測定対象６を下
側から照明し、ノズル穴２６のあいている部分は光が通
過し、ノズル穴２６のあいていない部分は光が散乱、吸
収されるために光が直進しない。

【００３２】そのため撮像される画像は図３に示すよう
に、ノズル穴２６のあいている部分３０が明るくなり、
あいていない部分３１は暗くなる。画像処理ユニット１
４でこの撮像画像を２値画像に変換し、ノズル穴２６に
相当する領域の面積や重心を算出することで、穴の面積
値や重心位置が求めることができる。

【００３３】図４は、図３の画像においてエッジを抽出
した画像を示している。図において４０は黒く示したエ
ッジ部分であり、この輪郭の形がノズル穴２６のエッジ
部分の形状として求められる。

【００３４】図５は、加工レーザ光５０をあてながら、
徐々に測定対象を削り進めたときの様子を説明する図で
ある。ノズル穴２６の周囲を掘り進んだときの加工面５
１，５２，５３，５４が徐々に深くなっているところを
表している。このときに下から照明光をあてると、画像
として観察されるのは、ノズル穴２６を加工面５１，５
２，５３，５４で切ったときの断層像として観察され
る。

【００３５】図６は、このとき撮像されるノズル穴周辺
の画像の様子を説明する図である。６１，６２，６３，
６４はそれぞれ、図５の加工面５１，５２，５３，５４
まで掘り進んだときに得られる画像に相当する。

【００３６】図７は、図６の画像のノズル穴の輪郭を抽
出処理し、オートフォーカスユニットで計測した高さ情
報と併せて３次元座標に表したものである。７０は周囲
を削る前の穴形状、７１，７２，７３，７４はそれぞ
れ、図５の加工面５１，５２，５３，５４まで掘り進ん
だときの画像の穴輪郭形状を表している。また７５は各
重心位置を通る近似直線を表し、そのベクトルの角度を
Ｚ軸からの傾きとしてｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞ
れΦｘおよびΦｙの角度を持つものとして表して出力す
る。

【００３７】図８は、このときの測定結果を表にして出
力した例である。深さ０の行がノズル穴の周辺を加工す
る前の中心座標と面積を表している。このときの中心座
標を（０，０）とした相対座標値で以下の加工した場合
の中心座標を表している。またノズル穴の向きとして角
度Φｘ，Φｙを同時に出力する。

【００３８】以上説明してきたように、従来穴が小さく
てプローブが入らなかったような場合でも、穴周辺を削
りながら穴画像のエッジを捉えていくことで、穴全体の
形状を測定することが可能となる。また、ＹＡＧレーザ
やエキシマレーザなどの紫外線レーザを使うことで、プ
ラスチック材料ならば非接触に穴の周辺を削れるため、
バリなどが生じないエッジ性の良い加工ができ、形状測
定精度が上がる。

【００３９】さらに、撮像系と同軸の光路で加工レーザ
光を照射することで、観察方向に垂直な平面方向に均一
に削り込む加工ができるため、深さ方向の管理がしやす
く、深さの測定精度が上がる。また、加工中に穴画像の
撮像をすることで、測定対象を移動させずに加工と撮像
ができる。このため加工時と測定時との軸ずれをなくす
ることができ、穴の重心位置の測定再現性が向上する。

【００４０】図９は、第２の実施形態の構成図を示して
いる。９１はフライス盤であり、穴周辺を薄く加工する
ために用意されている。すなわちこの例ではフライス盤
９１によって測定部位の周辺領域を機械的に切削するこ
とで、表面加工が行われる。また同図中に示すその他の
構成要素は、第１の実施形態と同様である。

【００４１】フライス盤９１で表面を削り込み、ステー
ジ７，８，９を移動させ、測定対象を顕微鏡２の下に移
動させ画像を撮像し、再びステージ７，８，９を元の位
置に移動させ、更に少しずつ削り込むという手順を反復
する。これによりレーザで加工できない材料、たとえば
アルミ等の金属であっても第１の実施形態と同様に穴の
３次元形状を求めることができる。

【００４２】以上説明してきたように、フライス盤など
の機械的な切削手段を使って穴周辺を削り込むことにす
ることで、レーザでは実質的に加工することができない
ようなアルミや鉄などの金属材料であっても測定対象の
穴周辺部分を削り込むことができる。このため第１の実
施形態と同様に任意の深さでの穴の輪郭形状を求めるこ
とができる。また穴周辺の削り込みと穴画像の撮像を交
互に反復することで、穴の３次元形状を求めることがで
きる。

【００４３】上記実施形態において、測定対象６の測定
部位が貫通穴の例を説明したが、底付穴であってもよ
い。また、本発明は測定部位が穴以外の場合に対しても
有効に適用可能である。

【００４４】本発明は上述した実施形態の機能を実現す
るように各種のデバイスを動作させるように、各種デバ
イスと接続された装置あるいはシステム内のコンピュー
タに対し、上記実施形態の機能を実現するためのソフト
ウェアのプログラムコードを供給し、そのシステムある
いは装置のコンピュータ（ＣＰＵあるいはＭＰＵ）に格
納されたプログラムに従って上記各種デバイスを動作さ
せることによって実施したものも、本発明の範疇に含ま
れる。

【００４５】また、この場合、そのソフトウェアのプロ
グラムコード自体が上述した実施形態の機能を実現する
ことになり、そのプログラムコード自体、およびそのプ
ログラムコードをコンピュータに供給するための手段、
たとえばかかるプログラムコードを格納した記憶媒体は
本発明を構成する。プログラムコードを記憶する記憶媒
体としては、たとえばフロッピーディスク、ハードディ
スク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁
気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いる
ことができる。

【００４６】また、コンピュータが供給されたプログラ
ムコードを実行することにより、上述の実施形態の機能
が実現されるだけでなく、そのプログラムコードがコン
ピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティング
システム）あるいは他のアプリケーションソフト等と共
同して、上述の実施形態の機能が実現される場合にもそ
のプログラムコードは本発明の実施形態に含まれる。

【００４７】さらに、供給されたプログラムコードがコ
ンピュータの機能拡張ボードやコンピュータに接続され
た機能拡張ユニットに備わるメモリに格納された後、そ
のプログラムコードの指示に基づいてその機能拡張ボー
ドや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の
一部または全部を行い、その処理によって上述した実施
形態の機能が実現される場合にも本発明に含まれる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、こ
の種の微細な３次元形状を高い精度で的確に測定するこ
とができるため、特にプリンタヘッドのノズル穴の３次
元形状を検査することが可能となる。したがって、製品
の品質保証を向上させることができる上、製造コストを
実質的に低減することができる等の利点を有しいる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における構成例を示す
図である。

【図２】本発明の第１の実施形態におけるノズル穴の撮
像方法の説明する図である。

【図３】本発明の第１の実施形態におけるノズル穴の画
像を示す図である。

【図４】本発明の第１の実施形態におけるノズル穴の画
像のエッジを抽出した画像の説明する図である。

【図５】本発明の第１の実施形態におけるノズル穴周辺
を削り込む様子を示す図である。

【図６】本発明の第１の実施形態におけるノズル穴周辺
を削り込みながら撮像した画像例を示す図である。

【図７】本発明の第１の実施形態におけるノズル穴形状
の３次元表示の説明する図である。

【図８】本発明の第１の実施形態における測定結果の例
を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施形態における構成例を示す
図である。

【図１０】従来技術の例を示す図である。

【符号の説明】

１ ＹＡＧレーザ ２ 顕微鏡 ３ テレビカメラ ４ 照明 ５ 対物レンズ ６ 測定対象 ７ Ｚステージ ８ Ｙステージ ９ Ｘステージ １０ 定盤 １１ レーザ制御ユニット １２ カメラ電源 １３ オートフォーカスユニット １４ 画像処理ユニット １５ ランプ電源 １６ ワーククランプ制御ユニット １７ ステージ制御ユニット １８ モニタ １９ コンピュータ ２０ キーボード ２１ プリンタ ２２ クランプ治具 ２３ 透過照明 ５１，５２，５３，５４ 削り込み加工面 ７０，７１，７２，７３，７４ 各深さの穴輪郭形状 ７５ 穴方向ベクトル ９１ フライス盤

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立体形状を持つ測定対象の測定部位の形
   状を測定する方法であって、 測定部位の特定方向に沿った複数の露呈表面を撮像し
   て、各露呈表面における測定部位の輪郭形状を抽出する
   とともに立体的に合成することにより測定部位に対する
   測定データを得ることを特徴とする形状測定方法。
2. 【請求項２】 立体形状を持つ測定対象の測定部位の形
   状を測定する方法であって、 測定対象における測定部位を含む周辺領域の表面を順次
   露呈させる工程と、 露呈したそれぞれの周辺領域の表面を撮像する工程と、 撮像したそれぞれの周辺領域の画像より得た画像データ
   から測定部位の輪郭形状を抽出する工程と、 各輪郭形状を立体的に合成することにより測定部位に対
   する測定データを得る工程と、を備えたことを特徴とす
   る形状測定方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の方法において、 測定部位の周辺領域の表面を露呈させる際、測定部位の
   周辺領域を表面加工することを特徴とする形状測定方
   法。
4. 【請求項４】 表面加工は、レーザ加工により行われる
   ことを特徴とする請求項３に記載の形状測定方法。
5. 【請求項５】 撮像光学系の光軸とレーザ加工のための
   レーザ照射軸が同軸に構成されることを特徴とする請求
   項４に記載の形状測定方法。
6. 【請求項６】 表面加工は、機械的切削加工により行わ
   れることを特徴とする請求項３に記載の形状測定方法。
7. 【請求項７】 表面加工と撮像工程が交互に反復して行
   われることを特徴とする請求項６に記載の形状測定方
   法。
8. 【請求項８】 測定部位は、測定対象に穿設された微細
   穴であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項
   に記載の形状測定方法。
9. 【請求項９】 立体形状を持つ測定対象の測定部位の形
   状を測定する装置であって、 測定対象における測定部位を含む周辺領域の表面を順次
   露呈させる表面露呈手段と、 露呈したそれぞれの周辺領域の表面を撮像する撮像手段
   と、 撮像した周辺領域の画像データから測定部位の輪郭形状
   を抽出し、これらを立体的に合成して測定部位に対する
   測定データを得る画像処理手段と、を備えたことを特徴
   とする形状測定装置。
10. 【請求項１０】 表面露呈手段は、測定部位の周辺領域
    を表面加工するレーザであることを特徴とする請求項９
    に記載の形状測定装置。
11. 【請求項１１】 表面露呈手段は、測定部位の周辺領域
    を表面加工する機械的切削装置であることを特徴とする
    請求項９に記載の形状測定装置。
12. 【請求項１２】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の
    方法を構成するステップがコンピュータから読出し可能
    に格納されている記憶媒体。