JP2006110680A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば溝形成装置や切断装置などの各種加工装置で所定の加工処理を行っている際に、当該各種加工装置にセットされた対象物の表面形状を非接触で且つ直接測定する。
【解決手段】ガイドローラ６の表面に形成された複数のＶ溝８の表面形状を非接触で且つ直接測定する溝形状測定機構と、複数の切削刃１８の表面形状を非接触で且つ直接測定する切削刃形状測定機構とが設けられている。溝形状測定機構及び切削刃形状測定機構は共に、複数のＶ溝８及び切削刃１８の表面形状を光学像データとして取り込んで、当該光学像データに基づいて各Ｖ溝８及び各切削刃１８の表面形状を測定することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば溝形成装置や切断装置などの各種加工装置で所定の加工処理を行っている際に、当該各種加工装置にセットされた対象物の表面形状を非接触で且つ直接測定する形状測定装置に関する。なお、溝形成装置は、対象物の表面に複数の溝を形成する装置であり、切断装置は、溝形成装置で表面に複数の溝が形成された対象物を複数本の切断用ワイヤのガイドローラとして用いた装置である。また、形状測定装置で表面形状を測定する対象物には、ガイドローラの他に、例えば溝形成装置において表面に複数の切削刃が形成された旋盤も含まれる。

従来から、半導体インゴット、セラミックやガラスなどの被加工物２を薄板状のウェハに切断する各種の切断装置が知られている。例えば図６(ａ),(ｂ)に示す切断装置には、複数本の切断用ワイヤ４と、これら切断用ワイヤ４を等間隔に保持可能な３個のガイドローラ６とが設けられており、各々のガイドローラ６には、その周面(表面)に断面Ｖ字状の複数のＶ溝８が長手軸方向に沿って等間隔に形成されている。なお、複数本の切断用ワイヤ４を３個のガイドローラ６に保持させる場合、各ガイドローラ６のＶ溝８にそれぞれ切断用ワイヤ４を１本ずつ巻回することによって、複数本の切断用ワイヤ４を等間隔に配列保持させることができる。

このような構成において、各ガイドローラ６を駆動して複数本の切断用ワイヤ４を矢印Ｒ方向に走行させながら、被加工物２を矢印Ｍ方向に移動させると、複数本の切断用ワイヤ４により被加工物２が等間隔に切断され、厚さ同一(均一)の薄板状ウェハを複数枚同時に形成することができる。

ところで、このような切断装置には、切断される複数枚の薄板状ウェハが互いに同一形状を成していること(厚さにバラツキがないこと)が要求され、かかる要求に応えるためには、複数本の切断用ワイヤ４を等間隔に配列しなければならない。そして、切断用ワイヤ４を等間隔に配列するためには、例えば図６(ｃ)に示すように、ガイドローラ６の各々のＶ溝８の形状(例えば、溝ピッチＰ、溝深さＤ、溝開き角度(垂直中心軸Ｈに対する溝辺8a,8bの開き角度θ１,θ２))を互いに同一に維持させる必要がある。

この場合、溝ピッチＰについては、互いに同一に維持できないと(バラツキがあると)、そのバラツキ分だけ薄板状ウェハ相互の厚さが不均一になり、完成品に対する歩留まりが低下してしまう。また、溝深さＤについては、ある程度の深さを確保しないとＶ溝８から切断用ワイヤ４が脱落し易くなる。例えば切断処理中に切断用ワイヤ４がＶ溝８から脱落すると、被加工物２の意図しない箇所が切断され、薄板状ウェハ相互の厚さが不均一になってしまう。更に、溝開き角度θ１,θ２については、左右の角度θ１,θ２に差がある(互いに異なる角度になっている)と、その分だけＶ溝８内における切断用ワイヤ４の保持位置にズレが生じ、そのズレ分だけ薄板状ウェハ相互の厚さが不均一になってしまう。

そこで、各Ｖ溝８の形状が互いに同一に維持されているか否かを測定するための各種の方法が提案されている。
例えば特許文献１に示す方法では、ガイドローラを形状測定装置にセットした後、当該ガイドローラの周面の各Ｖ溝をカメラで撮像し、その撮像信号から得られた輪郭データに基づいて各Ｖ溝の形状を非接触(光学的)に測定している。
例えば特許文献２に示す方法では、ガイドローラを形状測定装置にセットした後、当該ガイドローラの各Ｖ溝に測定用ワイヤ(切断用ワイヤと異なる)を巻回した状態において、測定用ワイヤが巻回されたガイドローラの各Ｖ溝をカメラで撮像し、その撮像信号から得られた輪郭データに基づいて各Ｖ溝の形状を非接触(光学的)に測定している。

しかしながら、特許文献１の方法では、切断装置にセットされたガイドローラの各Ｖ溝の形状を測定する場合、当該ガイドローラを切断装置から取り外して形状測定装置に載せ換えなければならない。この場合、載せ換えのための手間や時間がかかると共に、載せ換えの際に外的負荷や落下によりＶ溝が損傷してしまう虞もある。
かかる問題を解消するためには、切断装置で複数枚の薄板状ウェハを形成している際にガイドローラを取り外すこと無く、各Ｖ溝の形状を測定できれば良いが、現在そのような形状測定装置は知られていない。

特許文献２の方法では、測定用ワイヤの直径及び張力を切断装置の切断用ワイヤと同一に設定して測定を行っているが、かかる測定データは、切断装置にセットされた状態(切断用ワイヤが巻回された状態)のガイドローラの各Ｖ溝の形状を直接に反映したものではない。切断装置の稼働時間や稼働状態によっては切断用ワイヤの張力や各Ｖ溝の形状は不規則に経年変化するため、かかる経年変化状態を測定データに正確に反映させることは困難だからである。
かかる問題を解消するためには、切断装置にセットされた状態のガイドローラの各Ｖ溝の形状を直接測定できれば良いが、現在そのような形状測定装置は知られていない。

また、従来(特許文献１及び特許文献２を含める)において、ガイドローラに複数のＶ溝を形成するためには、専用の溝形成装置を別途用意して、当該溝形成装置にガイドローラをセットしなければならない。この場合、セットのための手間や時間がかかると共に、セットの際に外的負荷や落下によりガイドローラが損傷してしまう虞もある。

更に、溝形成装置で形成された複数のＶ溝の形状(例えば、溝ピッチＰ、溝深さＤ、溝開き角度(垂直中心軸Ｈに対する溝辺8a,8bの開き角度θ１,θ２))が互いに同一に維持されているか否かを測定するためには、ガイドローラを溝形成装置から形状測定装置に載せ換えなければならない。そして、形状測定装置の測定結果により各Ｖ溝の形状が互いに同一に維持されていないことが判明したときは、再度ガイドローラを形状測定装置から溝形成装置に載せ換えなければならない。この場合、載せ換えのための手間や時間がかかると共に、載せ換えの際に外的負荷や落下によりＶ溝が損傷してしまう虞もある。

このように、従来では溝形成装置や切断装置とは別に形状測定装置を用意しなければならないため、上述したような載せ換え作業やセット作業を頻繁に行う必要がある。このため、各種作業に要する手間や時間がかかり溝形成効率が低下してしまうと共に、各種作業中に外的負荷や落下によりＶ溝が損傷してしまう虞もある。
このような問題を解消するためには、溝形成装置や切断装置に形状測定装置を組み込んだ装置を実現できれば良いが、現在そのような装置は知られていない。
特開平９−３２３３１９号公報 特開平９−３２３３２０号公報

本発明は、このような問題を解決するために成されており、その目的は、例えば溝形成装置や切断装置などの各種加工装置で所定の加工処理を行っている際に、当該各種加工装置にセットされた対象物の表面形状を非接触で且つ直接測定する形状測定装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、各種加工装置で所定の加工処理を行っている際に、当該各種加工装置にセットされた対象物の形状を非接触で且つ直接測定する形状測定装置であって、形状測定装置には、対象物の表面に形成された複数の溝の表面形状を非接触で且つ直接測定する溝形状測定機構が設けられており、溝形状測定機構は、複数の溝の表面形状を光学像データとして取り込んで、当該光学像データに基づいて各溝の表面形状を測定する。

溝形状測定機構としては、次の３つのタイプを想定することができる。
溝形状測定機構には、各溝に向けて光を発光する発光素子と、各溝を通過した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子と、受光素子から出力された電気信号に基づいて各溝の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられている。
溝形状測定機構には、各溝に向けて光を発光する発光素子と、各溝から反射した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子と、受光素子から出力された電気信号に基づいて各溝の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられている。
溝形状測定機構には、各溝の表面形状を画像として光学的に撮像する撮像素子が設けられており、撮像素子により撮像された画像信号に基づいて各溝の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられている。

また、本発明において、各種加工装置には、対象物の表面に複数の溝を形成するための複数の切削刃を有する旋盤が設けられていると共に、形状測定装置には、複数の切削刃の表面形状を非接触で且つ直接測定する切削刃形状測定機構が設けられており、切削刃形状測定機構は、複数の切削刃の表面形状を光学像データとして取り込んで、当該光学像データに基づいて各切削刃の表面形状を測定する。

切削刃形状測定機構としては、次の３つのタイプを想定することができる。
切削刃形状測定機構には、各切削刃に向けて光を発光する発光素子と、各切削刃を通過した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子と、受光素子から出力された電気信号に基づいて各切削刃の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられている。
切削刃形状測定機構には、各切削刃に向けて光を発光する発光素子と、各切削刃から反射した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子と、受光素子から出力された電気信号に基づいて各切削刃の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられている。
切削刃形状測定機構には、各切削刃の表面形状を画像として光学的に撮像する撮像素子が設けられており、撮像素子により撮像された画像信号に基づいて各切削刃の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられている。

このような発明において、測定ユニットには、測定基準となる表面形状を形状測定装置で予め測定した際に得られた測定基準信号を記憶する測定基準信号記憶回路と、実際に表面形状を形状測定装置で測定した際に受光素子から出力された出力信号を受信する出力信号受信回路と、測定基準信号と受信した出力信号とを照合することにより、測定基準となる表面形状と実際の表面形状とを比較する照合比較回路と、照合比較回路の結果に基づいて、測定基準となる表面形状に対する実際の表面形状の形状変化を測定する形状変化測定回路とが設けられている。更に、測定ユニットには、形状変化測定回路の測定結果に基づいて、各種加工装置で行われる各種加工処理を制御する制御回路が設けられている。

本発明の形状測定装置によれば、例えば溝形成装置や切断装置などの各種加工装置で所定の加工処理を行っている際に、当該各種加工装置にセットされた対象物の表面形状を非接触で且つ直接測定することができる。即ち、各種加工装置に対象物をセットしたまま(他の装置に載せ換えること無く)対象物の表面形状を直接測定することができるため、溝形成装置の溝形成効率や切断装置のウェハ製造効率を向上させることができる。しかも対象物の表面形状を非接触で測定することができるため、対象物の表面形状(例えば、複数の溝、複数の切削刃)を損傷させることも無い。

以下、本発明の一実施の形態に係る形状測定装置について、添付図面を参照して説明する。
図１(ａ)には、各種加工装置の一例として溝形成装置を想定し、かかる溝形成装置にセットされた対象物に対して所定の加工処理(溝形成処理)を行っている際に、当該対象物の形状を非接触で且つ直接測定する形状測定装置が示されている。本実施の形態において、対象物としては、切断装置(図６(ａ))に用いられるガイドローラ６(図６(ｂ),(ｃ))や、ガイドローラ６に複数のＶ溝８を形成するための複数の切削刃１８を有する旋盤２０を想定する。なお、ガイドローラ６の構成は既に上述したのでその説明は省略する。

溝形成装置は、円筒状のガイドローラ６の一端６ａを支持する支持体１０と、当該ガイドローラ６の他端６ｂに押圧力を付与する押圧体１２とを備えており、これによりガイドローラ６を支持体１０と押圧体１２との間に挟持させることができる。この場合、支持体１０は、ガイドローラ６の一端６ａを径方向から保持可能に周方向に沿って等間隔で配置されており、各支持体１０は回転体１４を介して回転機構１６に接続されている。なお、押圧体１２は、回転フリーな状態に構成されている。

このような構成において、回転機構１６を駆動させると、そのときの駆動力は回転体１４に伝達され、当該回転体１４を所定方向(例えば、矢印Ｑ方向)に回転させる。このとき回転運動は各支持体１０に伝達され、当該支持体１０を矢印Ｑ方向に回転させる。これにより、支持体１０と押圧体１２との間に挟持されたガイドローラ６を矢印Ｑ方向に回転させることができる。

また、溝形成装置には、複数の切削刃１８を有する旋盤２０が設けられており、各切削刃１８の形状は、互いに同一に設計されている。この場合、各切削刃１８の形状は、例えば、切削刃ピッチＰ、切削刃深さＤ、切削刃角度(垂直中心軸Ｈに対して切削刃を構成する２辺18a,18bの成す角度θ２,θ１)として規定される(図２(ｃ))。

旋盤２０は、複数の切削刃１８がガイドローラ６の回転方向Ｑに対して直交する方向に位置付けられるように、ホルダ２２に保持されている。ホルダ２２は、図示しない移動機構により、ガイドローラ６に対して接近する方向Ｐ１及び離間する方向Ｐ２に移動させることができると共に、ガイドローラ６の周面(表面)に沿って長手軸方向S1,S2に移動させることができる。これにより旋盤２０を所望方向に移動させることができる。

かかる溝形成装置によれば、ガイドローラ６を矢印Ｑ方向に回転させた状態で、旋盤２０をＰ１方向に移動させて複数の切削刃１８をガイドローラ６の周面に当て付ける。これにより、ガイドローラ６の周面には、断面Ｖ字状の複数のＶ溝８が形成される。このとき形成されるＶ溝８は、切削刃１８の刃数により増減することができる。例えば刃数を所望の数だけ増やせば、その分だけＶ溝８も所望の数だけ増やすことができる。

複数の切削刃１８により複数のＶ溝８を形成した後、旋盤２０を矢印Ｐ２方向に移動させて複数の切削刃１８をガイドローラ６の周面から離間させ、その状態で旋盤２０を矢印Ｓ１(又はＳ２)方向に移動させる。このときの移動量は、複数の切削刃１８の全長分に設定されている。そして、再び旋盤２０をＰ１方向に移動させて複数の切削刃１８をガイドローラ６の周面に当て付ける。これにより、ガイドローラ６の周面には、先に形成した複数のＶ溝８に対して矢印Ｓ１(又はＳ２)に隣接して新たに複数のＶ溝８が形成される。

このような溝形成プロセスを繰り返すことにより、ガイドローラ８の長手軸方向に沿って周面に複数のＶ溝８(溝ピッチＰ、溝深さＤ、溝開き角度(垂直中心軸Ｈに対する溝辺8a,8bの開き角度θ１,θ２)：図６(ｃ))を等間隔に形成することができる。なお、溝形成プロセスにおいて複数の切削刃１８をガイドローラ６の周面に当て付ける際の当付力や当付時間は、例えばガイドローラ６の回転速度や、ガイドローラ６及び切削刃１８の材質などにより最適な値に設定することができるため、ここでは特に限定しない。

また、本実施の形態の形状測定装置は、上述した溝形成装置のベースＢｓ上に構成されており、ガイドローラ６の表面に形成された複数のＶ溝８の表面形状を非接触で且つ直接測定する溝形状測定機構と、複数の切削刃１８の表面形状を非接触で且つ直接測定する切削刃形状測定機構とが設けられている。そして、溝形状測定機構及び切削刃形状測定機構は共に、複数のＶ溝８及び切削刃１８の表面形状を光学像データとして取り込んで、当該光学像データに基づいて各Ｖ溝８及び各切削刃１８の表面形状を測定することができる。

溝形状測定機構には、各Ｖ溝８に向けて光を発光する発光素子２４と、各Ｖ溝８を通過した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子２６と、受光素子２６から出力された電気信号に基づいて各Ｖ溝８の表面形状を測定する測定ユニット２８とが設けられている。
本実施の形態において、発光素子２４と受光素子２６とは可動台３０に対向配置されており、発光素子２４から発光した光Ｌが受光素子２６に受光されるようになっている。また、可動台３０はスライド機構により、支持体１０と押圧体１２との間に挟持されたガイドローラ６に沿って(矢印T1,T2方向に)移動可能に構成されている。スライド機構については、既存のものを適用することが可能であるが、本実施の形態では、スライド機構の一例として、支持体１０と押圧体１２との間に挟持されたガイドローラ６に沿って(矢印T1,T2方向に)延出した一対のガイドレール32a,32bと、一対のガイドレール32a,32bに沿って摺動自在に設けられたスライダ３４とを備えており、可動台３０はスライダ３４に支持されている。

また、スライダ３４には、駆動機構が接続されており、駆動機構を作動させることにより、スライダ３４を一対のガイドレール32a,32bに沿って摺動させることができ、これにより可動台３０をガイドローラ６に沿って移動させることができる。なお、駆動機構としては、既存の装置を適用することが可能であるが、本実施の形態では、駆動機構の一例として、矢印T1,T2方向に延出した１本のボールねじ３６と、ボールねじ３６に螺合し且つスライダ３４に固定されたナット３８と、ボールねじ３６を回転させる回転モータ４０とを備えた駆動機構を想定する。

かかる駆動機構によれば、回転モータ４０でボールねじ３６を回転させると、ボールねじ３６に螺合しているナット３８を矢印Ｔ１又はＴ２方向に移動させることができ、これによりナット３８が固定されたスライダ３４を矢印Ｔ１又はＴ２方向に移動させることができる。この結果、スライダ３４が固定された可動台３０を矢印Ｔ１又はＴ２方向に移動させることができる。なお、可動台３０の移動方向や移動速度は、回転モータ４０の回転方向や回転速度を調節することにより制御することが可能である。例えば回転モータ４０を正方向に回転させることにより、可動台３０を例えば矢印Ｔ１方向に移動させることができ、逆に回転モータ４０を逆方向に回転させることにより、可動台３０を矢印Ｔ２方向に移動させることができる。このとき、回転モータ４０の回転速度を上げれば、可動台３０の移動速度を上げることができ、逆に、回転モータ４０の回転速度を下げれば可動台３０の移動速度を下げることができる。

このような溝形状測定機構を作動させるタイミングは、ガイドローラ６の周面に対するＶ溝８の形成中、或いは、Ｖ溝８の形成後のいずれでも良く、任意のタイミングに設定することが可能である。いずれでも、駆動機構により可動台３０を矢印T1,T2方向に移動させている間、発光素子２４から発光した光ＬはＶ溝８を通過して受光素子２６に受光される(図１(ｂ))。具体的には、発光素子２４から発光した光Ｌは、Ｖ溝８を含んだガイドローラ６の周面近傍領域Ｆに照射された後、かかる周面近傍領域ＦのうちＶ溝８の輪郭領域Ｆ１に照射された光Ｌのみが受光素子２６に受光され、他の部分(斜線で示す部分)Ｆ２に照射された光Ｌは反射されるため受光素子２６に受光されることは無い(図２(ａ))。

可動台３０はガイドローラ６に沿って矢印T1,T2方向に移動制御されるため、発光素子２４から発光した光Ｌもガイドローラ６の周面近傍領域Ｆに沿って矢印T1,T2方向に平行移動する。この場合、ガイドローラ６の周面に形成された複数のＶ溝８が互いに同一形状を成していれば、輪郭領域Ｆ１を通過して受光素子２６に受光される光Ｌの受光量は常に一定となる。また、受光素子２６は受光量に対応した電気信号(例えば、電圧信号、電流信号)を出力するため、受光量が一定であれば受光素子２６から出力される電気信号のレベル(例えば、電圧値、電流値)も常に一定となる。

従って、発光素子２４から発光した光Ｌをガイドローラ６の周面近傍領域Ｆに沿って平行移動させている間、受光素子２６から出力される電気信号をモニタリングすれば、信号レベルが変化したときにモニタリングした周面近傍領域ＦのＶ溝８の表面形状(例えば、図２(ａ)の斜線部分)が他のＶ溝８と相違していることを測定できる。

ここで、受光素子２６から出力される電気信号を例えば電圧計(図示しない)で検出し、電圧レベルの変化として捕らえた場合を想定すると、複数のＶ溝８が互いに同一形状を成していれば、輪郭領域Ｆ１を通過した光Ｌを受光した受光素子２６からの出力電圧も一定となる。このときの出力電圧を例えば３ボルト(Ｖ)とすると、電圧計が３Ｖとは異なる電圧値(例えば、約３.１Ｖ)を指したときに(図２(ａ))、モニタリングした周面近傍領域ＦのＶ溝８の形状(図２(ａ)の斜線部分)が変化していることを測定できる。

この場合、電圧値が３Ｖから３.１Ｖに増加しているため、輪郭領域Ｆ１を通過して受光素子２６に受光される光Ｌの受光量が増加したことになる。これによりＶ溝８の表面形状が小さくなり、その分だけ光Ｌの通過量が増えたことを把握できる。逆に、電圧値が３Ｖから減少した場合には、輪郭領域Ｆ１を通過して受光素子２６に受光される光Ｌの受光量が減少したことになる。これによりＶ溝８の表面形状が大きくなり、その分だけ光Ｌの通過量が減ったことを把握できる。

このように受光素子２６から出力される電気信号のレベルをモニタリングして、Ｖ溝８の表面形状が変化している箇所を発見した場合、上述した溝形成装置を停止させたり、或いは溝形成装置(複数の切削刃１８)で再度ガイドローラ６の周面にＶ溝８を形成し直すといったような溝形成処理を制御する必要がある。
そこで、図１(ａ)に示すように、溝形状測定機構の測定ユニット２８には、測定基準となる複数のＶ溝８の表面形状を予め測定した際に得られた測定基準信号を記憶する測定基準信号記憶回路４２と、実際に各Ｖ溝８の表面形状を測定した際に受光素子２６から出力された出力信号を受信する出力信号受信回路４４と、測定基準信号と受信した出力信号とを照合することにより、測定基準となる表面形状と実際の表面形状とを比較する照合比較回路４６と、照合比較回路４６の結果に基づいて、測定基準となる表面形状に対する実際の表面形状の形状変化を測定する形状変化測定回路４８と、形状変化測定回路４８の測定結果に基づいて、各種加工装置の加工処理(即ち、溝形成装置の溝形成処理)を制御する制御回路５０とが設けられている。

ところで、受光素子２６から出力される電気信号は、常に安定した出力値を維持することは無くある程度の揺らぎがある。これは受光素子２６が配置された環境の明るさや外乱光の強さなどの要因や、発光素子２４及び受光素子２６を駆動させるための電力を外部電源(図示しない)から供給する際の電力値の変化などの要因によるものである。従って、これら要因により受光素子２６から出力される電気信号に変化が生じた場合、その変化した際にモニタリングした周面近傍領域ＦのＶ溝８の形状は変化しているものと誤認識されてしまう虞がある。

そこで、受光素子２６からの出力信号に基づいてＶ溝８の表面形状を正確に測定するため、上述したような要因を考慮した出力信号の許容範囲を予め設定しておくことが好ましい。そして、受光素子２６からの出力信号が予め設定した許容範囲内であれば、Ｖ溝８の表面形状を正確に反映した電気信号とみなすことができる。
この場合、多数のサンプル(例えば、規格に合った複数のＶ溝８を有するガイドローラ６)を用意して、測定基準となる複数のＶ溝８の表面形状(測定基準となる表面形状)を予め測定する。これは全てのガイドローラ６について誤差の全く無いＶ溝８を形成することは困難であるため、複数のガイドローラ６を用意して、それぞれのＶ溝８を測定すれば、上述した要因に加えてＶ溝８自体の表面形状誤差も考慮した許容範囲を設定することができるからである。

サンプルとして用意した多数のガイドローラ６のＶ溝８の表面形状(測定基準となる表面形状)は、上述した溝形状測定機構で測定すれば良い。そして、このとき受光素子２６から出力された電気信号を測定基準信号として、測定基準信号記憶回路４２に記憶する。全てのサンプルの測定が終了したとき、測定基準信号記憶回路４２には、例えば図２(ｂ)の一点鎖線で示すような許容範囲(例えば、電圧値の許容範囲)を設定することができる。ここでは、許容範囲の一例として、２.９Ｖ〜３.１Ｖに設定された場合を想定する。

そして、図１(ａ)に示すように、実際にガイドローラ６の複数のＶ溝８の表面形状を測定する際、可動台３０をガイドローラ６に沿って矢印T1,T2方向に移動することにより、発光素子２４から発光した光Ｌをガイドローラ６の周面近傍領域Ｆに沿って矢印T1,T2方向に平行移動させる。このとき、受光素子２６から出力された電気信号は、出力信号受信回路４４で受信された後、照合比較回路４６に送信される。

照合比較回路４６では、出力信号受信回路４４で受信された受光素子２６からの出力信号(電圧値)が測定基準信号(許容範囲：図２(ｂ))の範囲内か否かを照合することにより、測定基準となる表面形状と実際の表面形状とを比較する。なお、このような比較は、複数のＶ溝８の表面形状を全て測定した後に行っても良いし、測定中に同時平行に比較しても良い。このような照合比較回路４６の結果は、形状変化測定回路４８に送信され、ここで測定基準となるＶ溝８の表面形状に対する実際の表面形状の形状変化が測定される。

ここで、照合比較回路４６の結果(照合比較データ)において(図２(ｂ))、出力信号(電圧値)の一部に３.１Ｖの変化がある場合、形状変化測定回路４８は、３.１Ｖに電圧値が変化したＶ溝８の位置を特定し、その部分のＶ溝８の表面形状の変化を測定する。図２(ｂ)の照合比較データは、縦軸が出力電圧の変化を表し、横軸が複数のＶ溝８に対する測定距離を表しているため、照合比較データの電圧値が変化した部分に基づいて、ガイドローラ６の周面の複数のＶ溝８のうち、どの部分のＶ溝８の表面形状が変化しているのかを正確に特定することができる。

この場合、形状変化測定回路４８が、３.１Ｖの変化状態を許容範囲内であると判断した場合には、ガイドローラ８の長手軸方向に沿って周面に、同一表面形状の複数のＶ溝８(溝ピッチＰ、溝深さＤ、溝開き角度(垂直中心軸Ｈに対する溝辺8a,8bの開き角度θ１,θ２))が等間隔に形成されたものと判定する。
これに対して、形状変化測定回路４８が、３.１Ｖの変化状態を許容範囲外であると判断した場合、制御回路５０は、形状変化測定回路４８の測定結果に基づいて、溝形成装置の溝形成処理を制御する。この場合の制御としては、例えば溝形成装置の停止制御、或いは溝形成装置(複数の切削刃１８)で再度ガイドローラ６の周面にＶ溝８を形成し直す制御などを想定することができる。

例えばＶ溝８を形成し直す制御を行う場合、３.１Ｖに電圧値が変化(Ｖ溝８の表面形状の変化)の要因として、複数の切削刃１８が一部変形或いは一部損壊している場合も想定される。このため、Ｖ溝８を形成し直す前に、複数の切削刃１８自体の表面形状を測定する必要がある。
そこで、本実施の形態の形状測定装置には、複数の切削刃１８の表面形状を非接触で且つ直接測定する切削刃形状測定機構が設けられている。

切削刃形状測定機構は、各切削刃１８の表面形状を光学像データとして取り込んで、当該光学像データに基づいて各切削刃１８の表面形状を測定する。
切削刃形状測定機構には、各Ｖ溝８に向けて光を発光する発光素子２４と、各Ｖ溝８を通過した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子２６と、受光素子２６から出力された電気信号に基づいて各Ｖ溝８の表面形状を測定する測定ユニット２８とが設けられている。なお、発光素子２４、受光素子２６、測定ユニット２８の構成は、上述した溝形状測定機構と同一の構成をそのまま利用することができるため、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

切削刃形状測定機構は、ベースＢｓに固定された固定台５２を備えており、この固定台５２に発光素子２４と受光素子２６とが対向配置されている。切削刃１８の表面形状を測定する場合、図示しない移動機構でホルダ２２をガイドローラ６の周面(表面)に沿って長手軸方向S1,S2に移動させることにより、旋盤２０の複数の切削刃１８を発光素子２４と受光素子２６との間の光路中を通過させることができる。

光路中を通過している複数の切削刃１８の位置は、図１(ｃ)に示すように、発光素子２４から発光した光Ｌは、複数の切削刃１８を含んだ旋盤２０の周面近傍領域Ｆに照射された後、かかる周面近傍領域Ｆのうち切削刃１８の輪郭領域Ｆ１に照射された光Ｌのみが受光素子２６に受光され、他の部分(斜線で示す部分)Ｆ２に照射された光Ｌは反射されるため受光素子２６に受光されることは無い(図２(ｃ))。

ホルダ２２(旋盤２０)を矢印S1,S2に移動制御している間、発光素子２４から発光した光Ｌは、各切削刃１８を含んだ旋盤２０の周面近傍領域Ｆに沿って矢印S1,S2方向に相対的に平行移動する。この場合、各切削刃１８が互いに同一形状を成していれば、輪郭領域Ｆ１を通過して受光素子２６に受光される光Ｌの受光量は常に一定となる。また、受光素子２６は受光量に対応した電気信号(例えば、電圧信号、電流信号)を出力するため、受光量が一定であれば受光素子２６から出力される電気信号のレベル(例えば、電圧値、電流値)も常に一定となる。

従って、発光素子２４から発光した光Ｌが、各切削刃１８を含んだ旋盤２０の周面近傍領域Ｆに沿って相対的に平行移動している間、受光素子２６から出力される電気信号をモニタリングすれば、信号レベルが変化したときにモニタリングした周面近傍領域Ｆの切削刃１８の表面形状(例えば、図２(ｃ)の斜線部分)が他の切削刃１８と相違していることを測定できる。

ここで、受光素子２６から出力される電気信号を例えば電圧計(図示しない)で検出し、電圧レベルの変化として捕らえた場合を想定すると、複数の切削刃１８が互いに同一形状を成していれば、輪郭領域Ｆ１を通過した光Ｌを受光した受光素子２６からの出力電圧も一定となる。このときの出力電圧を例えば３ボルト(Ｖ)とすると、電圧計が３Ｖとは異なる電圧値(例えば、約２.９Ｖ)を指したときに(図２(ｄ))、モニタリングした周面近傍領域Ｆの切削刃１８の形状(図２(ｃ)の斜線部分)が変化していることを測定できる。

この場合、電圧値が３Ｖから２.９Ｖに減少しているため、輪郭領域Ｆ１を通過して受光素子２６に受光される光Ｌの受光量が減少したことになる。これにより切削刃１８の表面形状が大きくなり、その分だけ光Ｌの通過量が減ったことを把握できる。逆に、電圧値が３Ｖから増加した場合には、輪郭領域Ｆ１を通過して受光素子２６に受光される光Ｌの受光量が増加したことになる。これにより切削刃１８の表面形状が小さくなり、その分だけ光Ｌの通過量が増えたことを把握できる。

このように各切削刃１８自体の表面形状を測定することにより、複数の切削刃１８が形成された旋盤２０を交換するのか、或いは切削刃１８自体を削り直すのかの判断を行うことが可能となる。このような判断を下す際に、上記Ｖ溝８の表面形状の測定において説明したように、受光素子２６からの出力信号にある程度の許容範囲(図２(ｄ)の一点鎖線)を設定することが好ましい。なお、許容範囲の設定方法やそれに基づく測定方法は、上述したＶ溝８の表面形状測定の場合を同様であるため、その説明は省略する。

また、各種加工装置の一例として、図３(ａ)に示すような切断装置に本実施の形態の形状測定装置を組み込んでも良い。具体的には、図３(ａ)の構成例には溝形状測定機構が組み込まれている。この場合、切断用ワイヤ４を等間隔に保持可能な３個のガイドローラ６の表面形状を測定するために、それぞれのガイドローラ６に沿って移動可能な可動台３０が配設されている。なお、可動台３０に対向配置された発光素子２４及び受光素子２６の構成は既に上述したものと同一であるため、その説明は省略する。

可動台３０をガイドローラ６に沿って移動させると、そのとき発光素子２４から発光した光Ｌは、Ｖ溝８及び切断用ワイヤ４を含んだガイドローラ６の周面近傍領域Ｆに照射された後、かかる周面近傍領域ＦのうちＶ溝８及び切断用ワイヤ４の輪郭領域Ｆ１に照射された光Ｌのみが受光素子２６に受光され、他の部分(斜線で示す部分)Ｆ２に照射された光Ｌは反射されるため受光素子２６に受光されることは無い(図３(ｂ))。
従って、上記Ｖ溝８及び切削刃１８の表面形状の測定の場合と同様に、受光素子２６からの出力信号の変化をモニタリングすることにより、切断用ワイヤ４が掛けられた状態のままで各Ｖ溝８の表面形状を正確に測定することができる。

以上、本実施の形態の形状測定装置によれば、溝形成装置や切断装置などの各種加工装置で所定の加工処理を行っている際に、当該各種加工装置にセットされた対象物(ガイドローラ６の複数のＶ溝８、旋盤２０の複数の切削刃１８)の表面形状を非接触で且つ直接測定することができる。即ち、各種加工装置に対象物をセットしたまま(他の装置に載せ換えること無く)対象物の表面形状を直接測定することができるため、溝形成装置の溝形成効率や切断装置のウェハ製造効率を向上させることができる。しかも対象物の表面形状を非接触で測定することができるため、対象物(例えば、複数の溝、複数の切削刃)の表面形状を損傷させることも無い。

また、溝形成装置に本実施の形態の形状測定装置を組み込んだ構成(図１(ａ))では、複数のＶ溝８を形成しながら同時に或いは形成後に、ガイドローラ６を溝形成装置にセットしたまま各Ｖ溝８の表面形状及び複数の切削刃１８の表面形状を測定することができるため、従来に比べて製造効率を大幅に向上させることができるだけで無く、不均一なＶ溝８を無駄に形成することが無くなるため、従来に比べて製造コストの上昇及び歩留まりの向上を図ることができる。

また、切断装置に本実施の形態の形状測定装置を組み込んだ構成(図３(ａ))では、切断用ワイヤ４及びガイドローラ６の状態変化を直接的に正確に反映した測定結果を得ることができる。この結果、切断用ワイヤ４及びガイドローラ６の寿命や耐用年数を正確に把握することができる。更に、切断用ワイヤ４及びガイドローラ６の測定結果は、履歴データとして保存することができるため、経年変化の履歴データとして管理し易くなる。

なお、上述した実施の形態では、対象物(Ｖ溝８、切削刃１８)を通過した光Ｌを検出して各Ｖ溝８及び各切削刃１８の表面形状の測定(仮に透過型測定という)を行っているが、これに限定されることは無く、例えば図５(ａ),(ｂ)に示すように、対象物(Ｖ溝８、切削刃１８)から反射した光を検出して各Ｖ溝８及び各切削刃１８の表面形状の測定を行うこともできる。この場合、発光素子２４と受光素子２６とを同一平面上に隣接配置して、発光素子２４から光Ｌ１を発光させた際に例えばＶ溝８から反射した反射光Ｌ２を受光素子２６で受光する(仮に反射型測定という)。

つまり、反射型測定は、上述した実施の形態における透過型測定とは逆の方法で測定を行うことになる。例えば図２(ａ)において、斜線で示す部分Ｆ２に照射された光Ｌ１のみが反射されて受光素子２６に受光され、Ｖ溝８の輪郭領域Ｆ１に照射された光Ｌは受光素子２６に受光されることは無い(図５(ａ))。
これは、複数の切削刃１８の表面形状を測定する場合も同様であり、例えば図２(ｃ)において、斜線で示す部分Ｆ２に照射された光Ｌ１のみが反射されて受光素子２６に受光され、切削刃１８の輪郭領域Ｆ１に照射された光Ｌは受光素子２６に受光されることは無い(図５(ｂ))。

また、上述した説明において、発光素子２４と受光素子２６については特に限定はしなかったが、発光素子２４としては、例えばレーザーダイオードやＬＥＤ(Light Emitting Diode)などを適用すればよい。また、受光素子２６としては、例えばフォトトランジスタやフォトＩＣなどを適用すれば良い。なお、光学的な測定では、発光素子２４から発光した光Ｌを全て受光素子２６に向わせることが測定精度を高める点で好ましい。このため、発光素子２４の出射側にコリメータレンズ(図示しない)を配置すれば、発光素子２４から発光した発散光を平行光に変換して受光素子２６に照射することができる。

また、発光素子２４及び受光素子２６を用いる代わりに、各Ｖ溝８及び各切削刃１８の表面形状を画像として光学的に撮像する撮像素子を適用することもできる。
撮像素子としては、例えば図５(ｃ)に示すようなＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ５４を適用することができる。ＣＣＤ５４は、例えばデジタルカメラやスキャナなどに使用されており、光を電気に変換する受光素子(画素)を複数個並べ、光の変化を画素ごとに独立して電気信号に変換する。そのため、ＣＣＤ５４の画素数が多いほど画像は精密になる。この場合、ＣＣＤ５４のタイプとしては、例えば、数千個の画素を１列に配置したＣＣＤラインセンサ(リニアセンサ)と、画素を縦横に配列させたＣＣＤエリアセンサ(面センサ)との２種類に大別されるが、使用環境や使用目的に応じて任意のタイプを選択することができる。

ＣＣＤ５４を適用することにより、対象物(例えば、Ｖ溝８、切削刃１８)の表面形状を画像として捕えることが可能となり、撮像素子により撮像された画像信号に基づいて対象物の表面形状を目視確認しながら測定するができる。この場合、例えば図５(ｃ)に示すように、測定ユニット２８にモニタ５６を接続させれば、モニタ５６上に対象物(Ｖ溝８、切削刃１８)の表面形状を表示させることができる。

同図(ｃ)では、複数の切削刃１８の表面形状(実線)と測定基準である切削刃１８の表面形状(点線)との比較状態が表示されており、これを目視確認することにより、実線で表された切削刃１８の表面形状の変化を一見して把握することができる。

また、例えば図４では、図面上側に測定基準であるＶ溝８の表面形状が画像表示され、図面下側に実際に測定した複数のＶ溝８の表面形状が画像表示され、これを目視確認することにより、実際に測定した複数のＶ溝８の表面形状の変化を一見して把握することができる。なお、図４の例では、図３(ａ)に示す切断装置に本実施の形態の形状測定装置を組み込んで切断用ワイヤ４が掛けられた状態の各Ｖ溝８の表面形状を測定した場合を想定している。これによれば、複数のＶ溝８の一部の開き角度θ２が異なっていると共に、そのＶ溝８に掛けられた切断用ワイヤ４が変形していることが一見して把握できる。

なお、上述の実施の形態では、複数のＶ溝８や切削刃１８の表面形状を測定する場合について説明したが、これに限定されることは無く、本発明の技術は、任意の表面形状(例えば矩形状や丸形状)を有する対象物(例えばネジやボルト)の表面形状を測定する場合にも適用することができる。また、対象物の大きさや種類も問わない。

(ａ)は、本発明の一実施の形態に係る形状測定装置が組み込まれた溝形成装置の構成を示す斜視図、(ｂ)は、ガイドローラに形成された複数のＶ溝を光学的に測定している状態を示す側面図、(ｃ)は、旋盤に設けられた複数の切削刃を光学的に測定している状態を示す側面図。 (ａ)は、Ｖ溝を含んだガイドローラの周面近傍領域を光学的に測定している状態を示す図、(ｂ)は、同図(ａ)の測定に際し受光素子の出力電圧の変化状態を示す図、(ｃ)は、複数の切削刃を含んだ旋盤の周面近傍領域を光学的に測定している状態を示す図、(ｄ)は、同図(ｃ)の測定に際し受光素子の出力電圧の変化状態を示す図。 (ａ)は、切断装置に本実施の形態の形状測定装置を組み込んだ構成例を示す斜視図、(ｂ)は、Ｖ溝及び切断用ワイヤを含んだガイドローラの周面近傍領域を光学的に測定している状態を示す図。 Ｖ溝及び切断用ワイヤを含んだガイドローラの周面近傍領域を画像として捕えた場合の表面形状の比較例を示す図。 (ａ)は、複数のＶ溝を反射型測定により光学的に測定している状態を示す斜視図、(ｂ)は、複数の切削刃を反射型測定により光学的に測定している状態を示す斜視図、(ｃ)は、発光素子及び受光素子の代わりに撮像素子(ＣＣＤ)を適用した形状測定装置の構成例を示す斜視図。 (ａ)は、従来から既知の切断装置の構成例を示す斜視図、(ｂ)は、切断装置に設けられたガイドローラの平面図、(ｃ)は、ガイドローラの周面に形成された複数のＶ溝の形状を示す図。

符号の説明

６ ガイドローラ
８ Ｖ溝
１８ 切削刃
２０ 旋盤
２２ ホルダ
２４ 発光素子
２６ 受光素子
２８ 測定ユニット
３０ 可動台
32a,32b ガイドレール
３４ スライダ
３６ ボールねじ
３８ ナット
４０ 回転モータ
５２ 固定台

Claims (10)

1. 各種加工装置で所定の加工処理を行っている際に、当該各種加工装置にセットされた対象物の形状を非接触で且つ直接測定する形状測定装置であって、
   形状測定装置には、対象物の表面に形成された複数の溝の表面形状を非接触で且つ直接測定する溝形状測定機構が設けられており、
   溝形状測定機構は、複数の溝の表面形状を光学像データとして取り込んで、当該光学像データに基づいて各溝の表面形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
2. 溝形状測定機構には、各溝に向けて光を発光する発光素子と、各溝を通過した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子と、受光素子から出力された電気信号に基づいて各溝の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 溝形状測定機構には、各溝に向けて光を発光する発光素子と、各溝から反射した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子と、受光素子から出力された電気信号に基づいて各溝の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
4. 溝形状測定機構には、各溝の表面形状を画像として光学的に撮像する撮像素子が設けられており、撮像素子により撮像された画像信号に基づいて各溝の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
5. 各種加工装置には、対象物の表面に複数の溝を形成するための複数の切削刃を有する旋盤が設けられていると共に、形状測定装置には、複数の切削刃の表面形状を非接触で且つ直接測定する切削刃形状測定機構が設けられており、
   切削刃形状測定機構は、複数の切削刃の表面形状を光学像データとして取り込んで、当該光学像データに基づいて各切削刃の表面形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
6. 切削刃形状測定機構には、各切削刃に向けて光を発光する発光素子と、各切削刃を通過した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子と、受光素子から出力された電気信号に基づいて各切削刃の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 切削刃形状測定機構には、各切削刃に向けて光を発光する発光素子と、各切削刃から反射した光を受光し且つその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子と、受光素子から出力された電気信号に基づいて各切削刃の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
8. 切削刃形状測定機構には、各切削刃の表面形状を画像として光学的に撮像する撮像素子が設けられており、撮像素子により撮像された画像信号に基づいて各切削刃の表面形状を測定する測定ユニットとが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
9. 測定ユニットには、
   測定基準となる表面形状を形状測定装置で予め測定した際に得られた測定基準信号を記憶する測定基準信号記憶回路と、
   実際に表面形状を形状測定装置で測定した際に受光素子から出力された出力信号を受信する出力信号受信回路と、
   測定基準信号と受信した出力信号とを照合することにより、測定基準となる表面形状と実際の表面形状とを比較する照合比較回路と、
   照合比較回路の結果に基づいて、測定基準となる表面形状に対する実際の表面形状の形状変化を測定する形状変化測定回路とが設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１に記載の形状測定装置。
10. 測定ユニットには、形状変化測定回路の測定結果に基づいて、各種加工装置で行われる各種加工処理を制御する制御回路が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の形状測定装置。
    

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