JP2008304292A - パルス化レーザ光を用いた回転体測定方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転する回転体を対象とし、レーザ回折光を用いた方法により、工具の工具プロファイルを精密測定する。
【解決手段】本発明は、平坦なシート状のパルス化レーザ光を発生して、被測定回転体とそれに対向配置した基準ナイフエッジとの間の間隔に照射するレーザ光照射装置と、この間隔により回折した回折光を検出するラインセンサとを有する。パルス化レーザ光は、高速回転する被測定回転体の１回転又は整数回転当たり１パルスの発振パルス周期を有し、該発振パルスオン期間の間に回転体の同一角度範囲に照射し、かつ、ラインセンサは、照射されるパルス化レーザ光の所定周期分を受光して、その間の積算回折光パターンを検出して、回転体の形状を測定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超精密微細加工に用いる極小径工具のような回転体を測定対象として、その高速回転する回転体の形状をサブミクロン精度に測定するためのレーザ光を用いた回転体測定方法及びシステムに関する。

近年、微細電子部品やオプトメカトロニクス部品の金型製造のための超精密切削或いは研削加工に関する加工工具のサブマイクロメートル機上計測（オンマシン工具計測）に対する要求が多くなっており、工作機械における運動・回転精度のみならず工具そのものの高精度化および工具切れ刃形状の管理が重要な課題となっている。そのためには、工具形状の高精度計測技術の確立が不可欠である。

従来、光ファイバ径測定に関して、レーザ光を用いて測定する「細線外径測定装置」が公知である（特許文献１参照）。しかし、工具形状の高精度計測のためには、光ファイバのような円形だけではなく、微細な凹凸切れ刃（砥粒切れ刃）を有する、様々な形状の微細工具径計測が可能とならなければならない。

さらに、工作機械の高度無人化の要求やフライス加工のように工具が回転する場合、工作機上に工具を取り付けた状態（オンマシン）で、工具の切れ刃形状や切れ刃位置を正確に検知することは加工誤差の補正を考えるにあたって重要である。現在の超精密微細加工の要求がますます高まるなか、工作機械のみならず、より小型化された工具そのものの高度な工具管理が重要な課題となってきている。

しかし、工具管理として、サブミクロン精度で工具の測定可能な技術がまだ確立されていない。工具の切れ刃位置を測定するものとしては、レーザ光を工具の被測定部位に照射して、遮蔽されたこのレーザ光の明暗を判別することにより、工具の寸法を測定する方法が提案されている（特許文献２参照）。しかし、レーザビームのスポット径が数μｍ程度あることから、サブミクロンメートルの精密な測定を行うことが困難である。さらに直径が数十μｍ以下の極小径工具に対しては、遮蔽されたレーザ光の漏れが起きてしまい、明暗をはっきり判別することが困難である。

また、測定対象物に隣接して基準プレート（ナイフエッジ）を設けて、この基準プレートと測定対象物との間に形成されるスリットにレーザ光を照射する精密形状測定技術が公知である（特許文献３、非特許文献１参照）。図６は、このような従来技術による精密形状測定技術を説明する図である。基準プレートの端縁は、工具側に向かうに従い、漸次薄肉となるナイフエッジ状とされている。

レーザ光が、偏平した極薄い平坦なシート状となって、スリットに直交するように、照射されると、スリットを通過して回折したレーザ光の回折パターンは、フーリエ変換レンズを介してラインセンサ上に沿って延びるように形成されることとなる。この回折パターンの強度分布を測定することにより、所定の被測定部位におけるスリットの幅を極めて正確に計測することが可能となる。

しかしながら、このような測定方法は、工具が高速回転となると、回折光を取得するラインセンサのフレームレートが回転速度に追いつけないため、測定が困難である。
特開昭５３−６５７５２号公報 特開平６−１０９４４０号公報 特開２００３−１２１１２３号公報 カチョーンルンルアン パナートほか，「マイクロ工具切れ刃プロファイルの光回折オンマシン計測法に関する研究」，日本機械学会論文集（C編）72巻718号（2006）pp.26-33

本発明は、高速回転する回転体を対象とし、レーザ回折光を用いた方法により、超精密加工における工具管理としての工具切れ刃プロファイルを精密測定することを目的としている。これによって、本発明は、工具の切れ刃プロファイルを、工具を高速回転させながらサブミクロンメートルの精度で測定するオンマシン計測に適用可能な測定評価技術を提供する。

本発明のパルス化レーザ光を用いた回転体測定方法及びシステムは、レーザ光を用いて被測定回転体形状を測定する。本発明は、被測定回転体とそれに対向配置した基準ナイフエッジとの間の間隔を超える幅と極薄い厚さとを有する平坦なシート状のパルス化レーザ光を発生して、該被測定回転体の回転中に前記間隔に照射するレーザ光照射装置と、この間隔に照射されて該間隔により遮蔽されずに回り込むことにより回折した光を検出するラインセンサとを有する。前記パルス化レーザ光は、被測定回転体の整数回転当たり１パルスの発振パルス周期を有し、該発振パルスオン期間の間に前記回転体の同一角度範囲に照射し、かつ、前記ラインセンサは、照射されるパルス化レーザ光の所定周期分を受光して、その間の積算回折光パターンを検出して、前記間隔の測定により回転体の形状を測定する。

本発明によれば、工具の軸方向に直角に薄く扁平したシート状のレーザ光を被測定部位に照射してその回折パターンを検出することにより、高速回転する工具に対して、サブマイクロメートル機上計測（オンマシン工具計測）することが可能となる。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明による測定装置が利用する回折パターンの変化を説明する図である。レーザ光は、測定対象の工具と基準エッジ（ナイフエッジ）の間に向けて照射される。工具と基準エッジの間の隙間を通過した回折光は、焦点距離fの結像レンズ（図示省略）の後方f の面に、バビネの原理により、フラウンホーファー回折パターンを生じる。この回折パターンが回折パターン受光センサーにより検出される。回折パターン受光センサーとしては、シート状のレーザ光の長さ方向に沿ったラインセンサを用いる。

工具は、使用によって損耗（或いは欠損）する。損耗前の正常な切れ刃を、図中に破線で示し、損耗切れ刃を実線で示している。切れ刃の損耗によって、基準エッジと切れ刃先端との間隔が大きくなる。これによって、回折光の回折角度が小さくなって、回折パターン幅が縮むことになる。

受光センサーでは、輝度の最も高い中心ピーク（0 次光）を遮蔽板または画像処理によって取り除くことにより、隣の１次回折光を容易に検出できるようになる。この輝点の間隔Ｗを測ることによって基準エッジと切れ刃先端との間の間隔ｄを以下の式によって測定できることが知られている（非特許文献１参照）。

このように、本発明は、被測定工具と基準エッジとの間の間隔に向けて、この間隔の長さ方向に沿って薄く扁平なシート状のレーザ光を照射することにより、この間隔により回り込んだ回折光を検出する。さらに、薄くした扁平なシート状のレーザ光を利用することにより、所定の被測定部位のみの回折パターンを、シート状のレーザ光の長さ方向に沿ったラインセンサ（１次元的に並んだ受光素子）で検出できる。

本発明による測定装置は、回転する被測定工具（回転体）に対して適用される。図２は、本発明を回転する回転体に対して適用した測定原理を説明する図である。図中の右側に示すパルス波形は、最上段にレーザの発振パルスを、中段に回転体の回転周期（パルス部分にレーザ照射）を、最下段に受光部のパルス波形をそれぞれ示している。本発明は、回転体の回転と同期して点滅させるライン状レーザ光を照射することにより、高速回転時（回転数N = 120,000 〜 150.000 min^-1）の回転体測定が可能になる。
（１）図２の上段に示すように、光源のライン状レーザを回転体の回転と同期して高速点滅させる。例えば、回転体の回転数が150,000 min^-1 （2500 sec^-1）ならば、2500 Hzで、また、120,000 min^-1 ならば2000 Hzで、レーザ発振させる。即ち、回転体の１回転当たり、１パルスのレーザ周期となる。このレーザ発振は、2000 Hz発振パルス１周期（500μsec）の内の、例えば、５μsec（1/100周期）の間オンさせ、その余の時間はオフさせる。
（２）図２の中段に示すように、回転体のある特定の位置が、ナイフエッジに対向する位置に来たときのみ、レーザ光が照射される。レーザのオンパルス幅を5μsecとすると、この5μsecの間に回転体先端の3.6°の範囲にレーザを当てることになる。それにより、1回転に1回ずつ、回転体の同一箇所を測定することができる。図２において、回転体の１回当たり１パルスのレーザ発振するものとして例示したが、１回当たり１パルスに限らず、回転体の整数（１又は複数）回転当たり、１パルスをレーザ発振することによって、回転体の同一箇所のレーザ照射が可能となる。
（３）図２の下段に示すように、受光センサーの受光パルスを200 Hzとすると、1回の受光時間に、同一箇所の回転体の10回分の回折パターンを受光することとなる。測定はこの10回分の受光の積算値を測定することになるので、回折パターンの測定に十分な光量が得られるので、回転体が高速で回転しても測定が可能となる。

図３は、本発明による測定装置のための制御回路を例示する図である。図示したように、クロック発生回路は、基準となるクロック信号を発生する。クロック周波数は、制御信号を入力することにより可変することができる。このクロック信号は、位相調整回路と、モータ駆動制御回路と、電子制御シャッター回路に導かれる。位相調整回路は、位相制御信号を入力することによりパルス位相を調整可能に構成している。位相調整されたパルスは、レーザ発振パルス生成回路に導かれて、これは次に、パルスレーザ光源より前述したようなライン状レーザ光を発生する。

また、所定のクロック周波数を有するクロック信号は、回転体の回転用モータがレーザ発振パルスに同期して回転するように、モータ駆動制御回路を介して、制御する。或いは、このようなモータ駆動制御回路を設けることに代えて、回転体の回転速度（又は回転位置）検知手段を設け、この検知手段からの出力信号に基づいて、クロック信号周波数を制御することによっても、レーザの発信パルスと回転体の回転を同期させることができる。また、回転体が一定回転数で高速回転する場合には、レーザパルスの位相だけをずらせば、照射位置をコントロールすることが可能になる。さらに、クロック信号は、電子制御シャッター回路に導かれて、前述したように、例えばレーザパルス１０回分に相当するオンパルス信号を発生して、受光センサーより受光信号を取得する。

これによって、高速回転する回転体の３６０°範囲中の特定の同一箇所にパルス化レーザ光を照射することが可能になるが、さらに、図中の位相制御回路により位相を調整して、レーザの発振パルスのタイミングをずらすことにより、目標とするレーザ光照射位置に照射し、或いはその照射位置を変更することが可能になる。例えば、レーザパルスタイミングをずらして、回転体の凸部の先端位置が最も大きいところを検出して、その箇所を基準とし、次に、発振タイミングを0.5μsec（角度にすると3.6度）ずつずらして、測定していけば、角度方向に移動させて測定することが可能になる。

図４は、回転中の測定物の断面を示す図である。図４は、複数個の凸部のある回転体が、（A)(B)(C)の順に回転するにつれて、新たな凸部が基準ナイフエッジに対向することを示している。工具の切れ刃は基本的に凸形状で、切れ刃先端位置がはっきりしているので、本発明は、エンドミルなどの回転工具の切れ刃を対象として、切れ刃の欠損、損耗を測定することに適している。しかし、本発明は、このような回転工具切れ刃に限定されず、一定高速回転体の形状測定に適用して、回転体の凸部の先端位置を測定することができる。

図５は、本発明による測定装置の構成概要を示す図である。レーザ光源からのレーザビーム（波長λ）は、使用機械上に取り付けて回転中の測定対象の工具と基準ナイフエッジの間に向けて照射される。工具と基準エッジの間の隙間を通過した回折光は、結像レンズ（焦点距離f）の後方f の面に、フラウンホーファー回折パターンを生じる。この回折パターンが受光センサーにより検出される。

波長λ（λ=600-700 nm 程度）の半導体レーザから射出したビームは、被測定工具とそれに対向して配置される基準ナイフエッジの間の間隔（例えば、１００μm以下）を超える幅（例えば、間隔より５００μｍ大きい程度）と極薄い厚み（例えば、20μm以下）のシートビームに整形され、被測定工具と基準ナイフエッジの間の間隔に照射される。このとき、被測定工具と基準ナイフエッジの間の間隔を超える幅を有するレーザビームは、回折光を生じる。この回折光は焦点距離f（f = 25-100 mm 程度）のレンズを通り、焦点面でピクセルサイズ7×7μm²、長さ43 mm のCCD ラインセンサ（受光カメラ）により検出され、コンピュータでリアルタイムにデータ処理される。

検出した回折パターンによる間隔の計測法としては、回折パターンに現れる数個の明るい縞の中から、中心の明縞の2個の燐縞（１次回折光と呼ばれる）との間隔を利用する。そのためにはこの1次回折光の位置を確実に定める必要がある。しかし、中心の明縞が顕著に輝度が高いため、確定する信号とする1次回折光の輝度が比較的に小さく、すなわち、低S/N比の測定になっている。よって、遮光板（ラインセンサの前）またはラインセンサからの画像処理を設けて中心の明縞をカットすることにより、S/N比が向上し安定した測定になる。

そして、上述したように、このラインセンサは、1回の受光時間に、同一箇所の回転体の、例えば10回分の回折パターンを受光する。測定はこの10回分の受光の積算値を測定する。

本発明による測定装置が利用する回折パターンの変化を説明する図である。 本発明を回転する回転体に対して適用した測定原理を説明する図である。 本発明による測定装置のための制御回路を例示する図である。 回転中の測定物の断面を示す図である。 本発明による測定装置の構成概要を示す図である。 従来技術による精密形状測定技術を説明する図である。

Claims (8)

1. レーザ光を用いて被測定回転体形状を測定する回転体測定方法において、
   前記被測定回転体とそれに対向配置した基準ナイフエッジとの間の間隔を超える幅を有するパルス化レーザ光を発生して、該被測定回転体の回転中に前記間隔に照射し、
   前記間隔に照射されて該間隔により遮蔽されずに回折した光を受光センサーにより検出し、
   前記パルス化レーザ光は、被測定回転体の１回転又は整数回転当たり１パルスの発振パルス周期を有し、該発振パルスオン期間の間に前記回転体の同一角度範囲に照射し、かつ、前記受光センサーは、照射されるパルス化レーザ光の所定周期分を受光し、その間の積算回折光パターンを検出して、前記間隔の測定により回転体形状を測定することから成るパルス化レーザ光を用いた回転体測定方法。
2. 検出される回折光パターンの中心ピークを、前記受光センサーの前に設けた遮蔽板または画像処理によって取り除いて、回折光パターンを検出する請求項１に記載の回転体測定方法。
3. 前記被測定回転体は、使用する機械上に取り付けて回転中に測定される工具であり、その工具切れ刃の欠損或いは損耗を測定する請求項１に記載の回転体測定方法。
4. 前記パルス化レーザ光は、平坦なシート状である請求項１に記載の回転体測定方法。
5. レーザ光を用いて被測定回転体形状を測定する回転体測定システムにおいて、
   前記被測定回転体とそれに対向配置した基準ナイフエッジとの間の間隔を超える幅を有するパルス化レーザ光を発生して、該被測定回転体の回転中に前記間隔に照射するレーザ光照射装置と、
   前記間隔に照射されて該間隔により遮蔽されずに回折した光を検出する受光センサーと、から成り、
   前記パルス化レーザ光は、被測定回転体の１回転又は整数回転当たり１パルスの発振パルス周期を有し、該発振パルスオン期間の間に前記回転体の同一角度範囲に照射し、かつ、前記受光センサーは、照射されるパルス化レーザ光の所定周期分を受光して、その間の積算回折光パターンを検出して、前記間隔の測定により回転体の形状を測定するパルス化レーザ光を用いた回転体測定システム。
6. 検出される回折光パターンの中心ピークを、前記受光センサーの前に設けた遮蔽板または画像処理によって取り除く手段をさらに備える請求項５に記載の回転体測定システム。
7. 前記被測定回転体は、使用する機械上に取り付けて回転中に測定される工具であり、その工具切れ刃の欠損或いは損耗を測定する請求項５に記載の回転体測定システム。
8. 前記パルス化レーザ光は、平坦なシート状である請求項５に記載の回転体測定システム。
   

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