JP2007040736A - 形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の位置の形状を短時間で計測することのできる形状計測装置を提供する。
【解決手段】 形状計測装置１は、炉の内壁形状を計測するための形状計測装置であって、レーザ光を内壁に照射するためのレーザ光照射部３と、内壁からの反射光を受光するためのレーザ光受光部４と、レーザ光の照射位置を撮影するためのＵＳＢカメラ５と、反射光に基づいて反射位置の位置情報を出力し、かつＵＳＢカメラ５によって撮影された映像を出力するコンピュータ７とを備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、形状計測装置に関し、より特定的には、円筒形状を有する炉の内壁形状を計測するための形状計測装置に関する。

シリコンなどの単結晶インゴットを製造する方法として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。ＣＺ法では以下の方法によりインゴットが製造される。高純度の原料を充填したるつぼを円筒状の炉内で加熱して原料を溶融する。そして、結晶成長のもととなる小さな種結晶（シード）を溶融した原料中に浸し、シードを回転しながら引き上げる。これにより、シードと同じ原子配列をしたインゴットが得られる。ＣＺ法に限らず、インゴットを製造する際に炉内の温度を均一にすることが、欠陥の少ない高品質なインゴットを得るためには重要である。

インゴットの製造に用いられる炉内では、インゴットの製造の前後での温度変化が大きい。炉内の温度変化が大きいと炉の内壁の熱収縮および熱膨張によって、炉の内壁形状が変化する。特に炉の内壁に取り付けられたヒータの位置が変化する。その結果、インゴットの製造を繰り返すうちに炉内の温度が不均一になり、インゴットの品質低下を招く。また、ヒータが誤った位置に取り付けられている場合もある。この場合にも炉内の温度が不均一になり、インゴットの品質低下を招く。

そこで、炉内の温度を均一にするために、インゴットの製造前にヒータ位置などの炉の内壁形状を検査する必要がある。しかし、人間が目視にて内壁形状を検査しようとすると、内壁形状の変化を見落とす可能性があり、検査精度が悪い。また炉の内部は狭いので、人間が入り込むことは難しく、検査に時間がかかる。さらに人間が入り込むには炉内温度が下がるのを待つ必要があるため、検査に時間がかかる。そこで、形状計測装置を用いて炉の内壁形状を検査することが提案されている。特開２００３−５７０１８号公報（特許文献１）には、従来の形状計測装置が開示されている。

図９は、特許文献１の形状計測装置の構成を示す断面図である。図９を参照して、形状計測装置１４０は、筒状構造体１５０内部に配置されており、中空軸部１０１と、回転移動装置１１０と、軸移動装置１２０と、レーザ変位計１３０と、筒状部材１０２と、冷却装置１３３とを備えている。中空軸部１０１は筒状構造体１５０の軸線１００に沿って配置されている。レーザ変位計１３０は筒状部材１０２に収容されている。レーザ変位計１３０は回転移動装置１１０によって軸線１００まわりに回転可能にされており、軸移動装置１２０によって軸線１００方向に移動可能にされている。冷却装置１３３は、筒状部材１０２に接する配管と、中空軸部１０１の中空部とに冷媒を供給する。

回転移動装置１１０は図示しない回転ベアリングを有している。回転ベアリングには図示しないロータリーエンコーダが取り付けられており、このロータリーエンコーダは回転ベアリングの回転角度を検出する。また、軸移動装置１２０は図示しない送りねじを有している。送りねじにはロータリーエンコーダ１２６が取り付けられており、送りねじの回転数あるいは回転角度に基づいてロータリーエンコーダ１２６は回転ベアリングの軸線１００方向における位置を検出する。つまり、特許文献１の形状計測装置においては、レーザ変位計１３０の周方向および軸方向の相対的な移動がロータリーエンコーダによって検出され、これによりレーザ変位計１３０の位置が特定される。

特許文献１の形状計測装置を用いて筒状構造体１５０の内壁を計測する際には、筒状構造体１５０の内部に形状計測装置１４０を配置し、冷却装置１３３より冷媒を供給する。そして、レーザ変位計１３０を所定の位置に移動し、レーザ変位計１３０からレーザ光を照射する。レーザ光は透過窓１３１を通過し、筒状構造体１５０の内壁を照射する。筒状構造体１５０の内壁からの反射光は、透過窓１３１を透過し、レーザ変位計１３０に受光される。レーザ変位計１３０の受光信号は図示しない演算装置に出力され、演算装置によってレーザ変位計１３０と筒状構造体１５０の内壁との距離が求められる。
特開２００３−５７０１８号公報

しかしながら、特許文献１の形状計測装置には、所望の位置の形状を計測するのに時間がかかるという問題があった。ロータリーエンコーダは、物体の相対的な位置変化（回転角度および軸方向の移動距離）を記録することによって物体の位置を規定するものである。このため、特許文献１の形状計測装置では、筒状構造体１５０の内壁における位置Ａ₁の形状を計測したい場合には、基準となる位置Ａ₀から位置Ａ₁まで移動するのに必要な回転角度および軸方向の移動距離を算出する必要がある。その結果、所望の位置Ａ₁の形状を計測するのに時間がかかっていた。

したがって、本発明の目的は、所望の位置の形状を短時間で計測することのできる形状計測装置を提供することである。

本発明の形状計測装置は、対象物の形状を計測するための形状計測装置であって、レーザ光を対象物に照射するためのレーザ光照射部と、対象物からの反射光を受光するためのレーザ光受光部と、レーザ光の照射位置を撮影するためのカメラと、反射光に基づいて反射位置の位置情報を出力し、かつカメラによって撮影された映像を出力する出力部とを備えている。

本発明の形状計測装置によれば、カメラによって撮影された映像を観察しながら、レーザ光の反射位置を所望の位置に移動することができる。このため、基準となる位置から所望の位置まで移動するのに必要な回転角度および軸方向の移動距離を算出する必要がない。したがって、所望の位置の形状を短時間で計測することができる。

本発明の形状計測装置において好ましくは、レーザ光照射部、レーザ光受光部、およびカメラの各々を収納するための筐体と、筐体内部を冷却するための冷却装置とがさらに備えられている。

これにより、高温の対象物の形状を計測する際に、レーザ光照射部、レーザ光受光部、およびカメラの各々の温度上昇を防止することができる。

本発明の形状計測装置において好ましくは、冷却装置は気体によって筐体内部を冷却する。

これにより、水を用いずに筐体内部を冷却することができるので、水の導入が好ましくないような対象物を計測する際にも冷却装置を用いることができる。

本発明の形状計測装置において好ましくは、筐体は光透過性の窓を有しており、レーザ光照射部から照射されたレーザ光が窓を透過する状態で、筐体をレーザ光照射部およびレーザ光受光部とともに回転させるための回転部材がさらに備えられている。

これにより、円筒形状の対象物の内壁形状を計測する場合に、対象物の内壁形状を全周にわたって計測することができる。

本発明の形状計測装置において好ましくは、レーザ光の照射位置付近の対象物を照らすための照明装置がさらに備えられている。

これにより、対象物が暗い場合であってもレーザ光の照射位置の映像が見やすくなり、レーザ光の反射位置を容易に特定することができる。

本発明の形状計測装置によれば、所望の位置の形状を短時間で計測することができる。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施の形態における形状計測装置の構成を模式的に示す図である。図１は側面図であり、図２は正面図であり、図３は平面図である。なお、図１〜図３においては、筐体の一部を省略して示している。

図１〜図３を参照して、本実施の形態の形状計測装置１は、レーザ変位計２と、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）カメラ５と、照明装置としてのＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明６と、出力部としてのコンピュータ７と、冷却装置としてのクーラー８と、筐体９と、回転部材としての中心軸１０とを備えている。

筐体９は円筒形状を有しており、筐体９の内部および外部には断熱材が貼り付けられている。筐体９の内部には、レーザ変位計２、ＵＳＢカメラ５、およびＬＥＤ照明６の各々が配置されている。また、筐体９の下部からは、クーラー８および中心軸１０の各々が下方へ延びている。また、筐体９の正面には窓９ａが設けられている。窓９ａは光透過性であり、たとえばガラスよりなっている。なお、筐体９内部は密閉空間とされていることが好ましいが、たとえば筐体９の下部が開放されていてもよい。

レーザ変位計２は直方体の形状を有しており、その正面にレーザ光照射部３およびレーザ光受光部４の各々を有している。レーザ光照射部３およびレーザ光受光部４の各々は、高さ方向（図２中縦方向）に並ぶように配置されている。

レーザ変位計２の両側面には、レーザ変位計２の正面よりもやや前方（図１中右方向）に突出するようにＵＳＢカメラ５およびＬＥＤ照明６の各々が設けられている。ＵＳＢカメラ５およびＬＥＤ照明６は前方に向けられている。ＵＳＢカメラ５はレーザ光の照射位置を撮影するためのものであり、ＬＥＤ照明６はレーザ光の照射位置付近の対象物を照らすためのものである。

また、レーザ変位計２およびＵＳＢカメラ５は、ＵＳＢケーブル７ａによりコンピュータ７と電気的に接続されている。これにより、ＵＳＢカメラ５で撮影された映像がコンピュータ７にリアルタイムで映し出される。また、ＵＳＢカメラ５で撮影された映像が静止画として取得され、コンピュータ７に保存される。

なお、レーザ光照射部３のレーザ光の波長は、ＵＳＢカメラ５が感度を持つ領域の波長である。また、ＬＥＤ照明６の波長は、レーザ光照射部３のレーザ光の波長と重ならない波長となっているか、またはレーザ光受光部４の測定精度に影響を与えない波長となっている。

クーラー８は、供給管８ａおよび排気管８ｂを有している。供給管８ａは排気管８ｂよりも上方へ延びており、その先端はレーザ変位計２付近にまで延びている。冷却空気が供給管８ａを通じて筐体９内部へ供給され、筐体９内部を冷却する。冷却空気は図示しないコンプレッサから供給され、その温度はたとえば２０℃である。筐体９内部の空気は排気管８ｂから排出される。

中心軸１０は、レーザ変位計２の下部および筐体９に取り付けられており、中心軸１０を回転させることにより、レーザ変位計２、ＵＳＢカメラ５、ＬＥＤ照明６、および筐体９の各々が一体化して中心軸１０とともに回転する。

続いて、本実施の形態の形状計測装置１を用いた炉の内壁形状の計測方法について説明する。図４および図５は、本発明の一実施の形態の形状計測装置を用いて炉の内壁形状を計測する様子を示す図である。図４は側面図であり、図５は平面図である。図６は、ＵＳＢカメラによって撮影された映像の一例を示す図である。なお、図４および図５においては、筐体および炉の一部を省略して示している。

図４および図５を参照して、炉２０は円筒形状を有しており、壁部２１とヒータ２２とを備えている。壁部２１の内壁面２１ａにはヒータ２２が設置されている。ヒータ２２は円筒状に設置されている。炉２０の内部はたとえば１５０℃となっている。

始めに、炉２０の中心軸Ｌと形状計測装置１の中心軸１０とが同一軸となるように形状計測装置１の位置決めを行なう。なお、たとえば１００分の１度の精度で計測できる水準器を用いて位置決めを行なってもよい。

次に、クーラー８で筐体９の内部をたとえば５０℃未満に冷却した状態で、炉２０の内部に形状計測装置１を挿入する。そして、ＵＳＢカメラ５によって撮影された映像をコンピュータ７で観察しながら、炉２０の内壁における所望の位置にレーザ光Ｌが照射されるように形状計測装置１を軸方向および周方向に移動させる。図６において点Ｐで示されるように、レーザ光Ｌの照射位置は周りの部分とは異なる色になるので、ＵＳＢカメラ５の映像によりレーザ光Ｌの照射位置を把握することができる。また、ＬＥＤ照明６によってレーザ光Ｌの照射位置付近が広く照らされるので、レーザ光Ｌの照射位置付近における内壁形状が鮮明になる。

図４および図５を参照して、次に、所望の位置までの距離ｄを測定する。具体的には、レーザ光照射部３から所望の位置にレーザ光Ｌが照射され、所望の位置からの反射光Ｒがレーザ光受光部４で受光される。そして、レーザ光受光部４で受光された反射光Ｒに基づいて、レーザ変位計２から所望の位置までの距離ｄがレーザ変位計２によって計側され、コンピュータ７に出力される。レーザ変位計２は、たとえば１００ｍｓｅｃ毎に距離を測定することができる。

次に、レーザ変位計２から対象物である炉２０の内壁（内壁面２１ａまたはヒータ２２）までの距離ｄを計測しながら、形状計測装置１を軸方向（図４中矢印Ａで示す方向）に一定速度で移動させる。このとき、形状計測装置１を一定速度で移動させると、時間経過による距離ｄの変化を高さ方向における距離ｄの変化に容易に変換することができるので、高さ方向における炉２０の内壁形状を計測することができる。

図７は、高さ方向における距離ｄの変化の一例を示す図である。図７（ａ）を参照して、ヒータ２２が正常な位置にある場合には、ヒータ２２の位置を示す複数のピーク３０が一定の間隔ｌで現れる。一方、図７（ｂ）を参照して、正常な位置にないヒータ２２がある場合には、ピーク３０ａのようにピークに歪みが生じたり、間隔ｌに変動が生じたりする。以上のようにして高さ方向における炉２０の内壁形状が計測される。

また、ヒータ２２までの距離ｄを計測しながら、中心軸１０を回転させることにより形状計測装置１を周方向（図５中矢印Ｂで示す方向）に一定速度で回転させてもよい。中心軸１０を回転させると、筐体９、レーザ変位計２、ＵＳＢカメラ５、およびＬＥＤ照明６の各々が中心軸１０ととともに回転する。これにより、レーザ光照射部３から照射されたレーザ光Ｌが窓９ａを透過する状態が保たれる。形状計測装置１の回転の際、形状計測装置１を一定速度で回転させると、時間経過による距離ｄの変化を周方向における距離ｄの変化に容易に変換することができるので、周方向における炉２０の内壁形状を計測することができる。

図８は周方向における距離ｄの変化の一例を示す図である。図８（ａ）を参照して、ヒータ２２が正常な位置にある場合には、レーザ光は全周にわたってヒータ２２に照射され、内壁面２１ａに照射されないので、距離ｄは一定になる。一方、図８（ｂ）を参照して、ヒータ２２が正常な位置にない場合には、正常な位置にない部分でレーザ光が内壁面２１ａに照射されるので、距離ｄが局所的に増加し、ピーク３０ｃが現れる。以上のようにして周方向における炉２０の内壁形状が計測される。

なお、上記方法ではレーザ変位計２を用いて炉２０の内壁までの距離ｄを計測することで炉２０の内壁形状を検査しているが、この方法に加えて、ＵＳＢカメラ５によって撮影された映像を目視することにより、炉２０の内壁形状を検査することもできる。

本実施の形態の形状計測装置によれば、ＵＳＢカメラ５によって撮影された映像を観察しながら、レーザ光Ｌの反射位置を所望の位置に移動することができる。このため、基準となる位置から所望の位置まで移動するのに必要な回転角度および軸方向の移動距離を算出する必要がない。したがって、所望の位置の形状を短時間で計測することができる。

また、レーザ光照射部３、レーザ光受光部４、およびＵＳＢカメラ５の各々を収納するための筐体９と、筐体９の内部を冷却するためのクーラー８とが備えられているので、高温の炉２０の内壁形状を計測する際に、レーザ光照射部３、レーザ光受光部４、およびＵＳＢカメラ５の各々の温度上昇を防止することができる。

また、クーラー８は水を用いずに筐体９の内部を冷却するので、炉２０の内部に水を導入することなく炉２０の内壁形状を計測することができる。

また、筐体９が窓９ａを有しており、レーザ光Ｌが窓を透過する状態で、筐体９をレーザ光照射部３およびレーザ光受光部４とともに回転させるための中心軸１０がさらに備えられているので、円筒形状の炉２０の内壁形状を計測する場合に、中心軸１０を回転させることにより炉２０の全周にわたって内壁形状を計測することができる。

さらに、レーザ光Ｌの照射位置を照らすための照明装置がさらに備えられているので、炉２０の内部が暗い場合であってもレーザ光Ｌの照射位置の映像が見やすくなり、レーザ光Ｌの反射位置を容易に特定することができる。

なお、本実施の形態によれば、ヒータの代わりに熱電対が配置された炉の内壁形状（熱電対の位置）を計測することもできる。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の形状計測装置は、円筒形状を有する炉の内壁形状を計測するための形状計測装置に適している。

本発明の一実施の形態における形状計測装置の構成を模式的に示す側面図である。 本発明の一実施の形態における形状計測装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施の形態における形状計測装置の構成を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施の形態の形状計測装置を用いて炉の内壁形状を計測する様子を示す側面図である。 本発明の一実施の形態の形状計測装置を用いて炉の内壁形状を計測する様子を示す平面図である。 ＵＳＢカメラによって撮影された映像の一例を示す図である。 高さ方向における距離ｄの変化の一例を示す図である。（ａ）はヒータが正常な位置にある場合であり、（ｂ）はヒータが正常な位置にない場合である。 周方向における距離ｄの変化の一例を示す図である。（ａ）はヒータが正常な位置にある場合であり、（ｂ）はヒータが正常な位置にない場合である。 特許文献１の形状計測装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１，１４０ 形状計測装置、２，１３０ レーザ変位計、３ レーザ光照射部、４ レーザ光受光部、５ ＵＳＢカメラ、６ ＬＥＤ照明、７ コンピュータ、７ａ ＵＳＢケーブル、８ クーラー、８ａ 供給管、８ｂ 排気管、９ 筐体、９ａ 窓、１０ 中心軸、２０ 炉、２１ 壁部、２１ａ 内壁面、２２ ヒータ、３０，３０ａ〜３０ｃ ピーク、１００ 軸線、１０１ 中空軸部、１０２ 筒状部材、１１０ 回転移動装置、１２０ 軸移動装置、１２６ ロータリーエンコーダ、１３１ 透過窓、１３３ 冷却装置、１５０ 筒状構造体。

Claims (5)

1. 対象物の形状を計測するための形状計測装置であって、
   レーザ光を前記対象物に照射するためのレーザ光照射部と、
   前記対象物からの反射光を受光するためのレーザ光受光部と、
   前記レーザ光の照射位置を撮影するためのカメラと、
   前記反射光に基づいて反射位置の位置情報を出力し、かつ前記カメラによって撮影された映像を出力する出力部とを備える、形状計測装置。
2. 前記レーザ光照射部、前記レーザ光受光部、および前記カメラの各々を収納するための筐体と、
   前記筐体内部を冷却するための冷却装置とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の形状計測装置。
3. 前記冷却装置は気体によって前記筐体内部を冷却することを特徴とする、請求項２に記載の形状計測装置。
4. 前記筐体は前記レーザ光を透過する窓を有し、
   前記レーザ光照射部から照射されたレーザ光が前記窓を透過する状態で、前記筐体を前記レーザ光照射部およびレーザ光受光部とともに回転させるための回転部材をさらに備えることを特徴とする、請求項２または３に記載の形状計測装置。
5. 前記レーザ光の照射位置付近の前記対象物を照らすための照明装置をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の形状計測装置。

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