JP2012002573A

JP2012002573A - 非接触形状測定装置

Info

Publication number: JP2012002573A
Application number: JP2010135985A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Matsuba; 正松葉
Original assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Current assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】測定ワーク側に別部品の反射手段を設置する必要がなく且つ微小な測定ワークの内面も測定可能な非接触形状測定装置を提供する。
【解決手段】Ｘ軸と平行なレーザー光Ｌをプローブ８よりクランク状に折り曲げるため、レーザー光Ｌを折り曲げるための別部品を必要とせず、プローブ８をそのまま測定ワーク１の内面の内部に挿入するだけで、測定ワーク１の内面形状が測定可能となる。プローブ８を小さくすれば微小な測定ワークの内面も測定可能となる。
【選択図】図２

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、レーザー光によるオートフォーカスをかけながら、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。また、最近では、レーザー光を水平方向に反射する反射手段を測定ワーク側に設置しておいて、反射手段で反射しながら測定ワークの内面に対してオートフォーカスをかけながら内面形状を測定する技術も知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２６８１２２号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、測定ワークの内面形状を測定するために別部品としての反射手段を測定ワーク側に設置する構造のため、測定のための構造が複雑になると共に、微小サイズのものは測定できないという課題があった。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、測定ワーク側に別部品の反射手段を設置する必要がなく且つ微小な測定ワークの内面も測定可能な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（Ｚ軸が鉛直方向）が規定され、Ｘ軸と平行な２本の往復レーザー光をクランク状に反射する第１反射手段及び第２反射手段と、第１反射手段と第２反射手段の間に位置する対物レンズ手段とでプローブを形成すると共に、該プローブから取り出されたレーザー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ー光の焦点を測定ワークの表面に合致せしめるべくプローブ全体をＸ軸方向で移動させるフォーカス手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、プローブの第２反射手段が細いアームの先端に支持され微小形状を有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、測定ワークをプローブの第２反射手段で反射されたレーザー光に対して、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４記載の発明は、測定ワークをプローブの第２反射手段で反射されたレーザー光に対して、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１記載の発明によれば、Ｘ軸と平行なレーザー光をプローブによりクランク状に折り曲げるため、レーザー光を折り曲げるための別部品を必要とせず、プローブをそのまま測定ワークの内面の内部に挿入するだけで、測定ワークの内面形状が測定可能となる。プローブを小さくすれば微小な測定ワークの内面も測定可能となる。

請求項２記載の発明によれば、プローブの第２反射手段が細いアームの先端に支持された微小形状であるため、微小な測定ワークの内面も測定可能となる。

請求項３記載の発明によれば、測定ワークをプローブの第２反射手段で反射されたレーザー光に対して、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４記載の発明によれば、測定ワークをプローブの第２反射手段で反射されたレーザー光に対して、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。

本発明の実施形態に係る非接触形状測定装置の外観図。非接触形状測定装置の構造図。プローブの斜視図。プローブの平面図。プローブの側面図。プローブの断面図。プローブの第２反射手段を示す拡大図。測定ワークをプローブに対してＹ軸へ相対的に走査している状態を示す図。測定ワークをプローブに対してθ方向へ相対的に回転させている状態を示す図。

図１〜図９は、本発明の好適な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を示し、Ｚは鉛直方向を示している。

測定対象である測定ワーク１は、小さなインターナルギアであり、内面には微小な内歯２が形成されている。この測定ワーク１は、非接触形状測定装置に設けられた回転ステージ３の上に載置されている。回転ステージ３はθ方向に回転自在に支持されている。またこの回転ステージ３は、Ｙ軸方向にスライド自在なＹ軸ステージ４の上に組み付けられている。Ｙ軸ステージ４は、Ｘ軸方向へスライド自在なＸ軸ステージ５の上に組み付けられている。従って、回転ステージ３に取付けられた測定ワーク１は、θ方向に回転自在で、且つＹ軸及びＸ軸方向にスライド自在である。

また非接触形状測定装置には、Ｘ軸に移動自在なプローブ支持部６が設けられている。プローブ支持部６自体は上下に移動することができる。プローブ支持部６にはアリ溝構造７によりプローブ８が取付けられている（図４参照）。

プローブ８は内部に第１ミラー（第１反射手段）９が４５°の角度で配置され、その下に対物レンズ（対物レンズ手段）１０が設けられている。対物レンズ１０の横には細いアーム１１が取付けられている。このアーム１１の下端は対物レンズ１０の光軸位置まで回り込んでおり、その先端に４５°の反射面を有する三角形状の第２ミラー（第２反射手段）１２が固定されている。

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ーであるレーザー光Ｌは、レーザー光照射手段１３から照射される。レーザー光照射手段１３からのレーザー光Ｌは拡がりの小さい細いビームで、２枚のハーフミラー１４、１５を介して反射され、Ｘ軸と平行になってプローブ支持部６へ導かれる。

そして、プローブ支持部６からプローブ８の内部へ導入され、第１ミラー９で下向きに反射される。第１ミラー９で下向きに反射されたレーザー光Ｌは対物レンズ１０の非中心部を透過する。対物レンズ１０を透過したレーザー光Ｌは第２ミラー１２にてＸ軸方向へ反射される。このようにプローブ８内に導入されたレーザー光Ｌは第１ミラー９及び第２ミラー１２によりクランク状に折り曲げられる。最終的に第２ミラー１２で反射されたレーザー光Ｌが、いわゆるレーザプローブであり、このレーザー光Ｌが測定ワーク１の内歯２に当たる。レーザプローブは対物レンズ等の光学要素の光軸からオフセットした位置を通るため、光軸に対して所定の角度をもって内歯２に入射する。

測定ワーク１の内歯２に当たって乱反射されたレーザー光Ｌの一部の成分は、再度第２ミラー１２で反射されて対物レンズ１０に入光し、対物レンズ１０を再透過して、第１ミラー９からプローブ８の外に出てＸ軸と平行になる。

プローブ８の外に出たレーザー光Ｌは、ハーフミラー１５を透過した後、別のハーフミラー１７にて反射され、更に別の結像レンズ２４を経て、光位置検出装置１８に至る。

レーザー光Ｌの焦点Ｆが測定ワーク１の内面の表面に合致した時に、レーザー光Ｌは光位置検出装置１８のセンターＳと合致するようになっており、レーザー光ＬがセンターＳからずれた場合には、そのずれを是正するフィードバックが作用するため、サーボ式のフォーカス手段１９によりプローブ８をフォーカス方向（Ｘ軸方向）に移動させる。従って、プローブ８の移動量から、測定ワーク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。

ハーフミラー１７には光源２０から照明光Ｐが照射される。照明光Ｐはレーザー光Ｌの光路に沿って測定ワーク１に至り、そこで反射された後、第１ミラー９、第２ミラー１２、ハーフミラー１５で反射され、その後、ハーフミラー１４及び結像レンズ２１を介してＣＣＤカメラ２２により撮影することができる。ＣＣＤカメラ２２で撮影された画像はモニター２３に表示することができる。

測定ワーク１は、回転ステージ３及びＸ軸ステージ５を介してＹ軸ステージ４上に載置されているため、プローブ８のアーム１１の下端の第２ミラー１２を測定ワーク１の内部に上から挿入した状態にしておき、そして前述のように測定ワーク１の内歯２にレーザー光Ｌによるオートフォーカスをかけたまま、測定ワーク１を回転ステージ３及びＸ軸ステージ５ごとＹ軸方向へ平行移動させることにより、レーザー光Ｌを測定ワーク１の内部サイズの範囲内でＹ軸方向へ走査することができる（図８参照）。従って、測定ワーク１の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。

また、回転ステージ３により測定ワーク１をθ方向に回転させれば、測定ワーク１のθ方向における内歯２の二次元形状を測定することもできる。このθ方向での測定を上下位置を変えて繰り返し行うことにより、内歯２の内面の三次元形状も測定することができる。

この実施形態によれば、以上説明したように、Ｘ軸と平行なレーザー光Ｌをプローブ８においてクランク状に折り曲げるため、折り曲げられたレーザー光Ｌの光路を一体として３次元方向に平行移動することができる。また、プローブ外部にレーザー光Ｌを折り曲げるための別部品を必要とせず、プローブ８をそのまま測定ワーク１の内部に挿入するだけで、測定ワーク１の内面形状が測定可能となる。さらに、第２ミラー１２が対物レンズ１０に位置固定されているので、レーザー光Ｌの反射位置もシフトしないため、第２ミラー１２を小型化してアーム１１の下端に配置することが可能となる。

以上の説明では、Ｙ軸方向の走査と、θ方向の回転による測定を例にしたが、両方を組み合わせて複雑な内面形状を測定しても良い。尚、本発明は内面（内径）形状の測定を測定を可能にするものであるが、外面の測定にももちろん使用可能である。

１測定ワーク
８プローブ
９第１ミラー（第１反射手段）
１０対物レンズ（対物レンズ手段）
１２第２ミラー（第２反射手段）
Ｌレーザー光
Ｆ焦点
Ｐ照明光
Ｓセンター

Claims

三次元直交座標軸ＸＹＺ（Ｚ軸が鉛直方向）が規定され、Ｘ軸と平行な２本の往復レーザー光をクランク状に反射する第１反射手段及び第２反射手段と、第１反射手段と第２反射手段の間に位置する対物レンズ手段とでプローブを形成すると共に、
該プローブから取り出されたレーザー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ー光の焦点を測定ワークの表面に合致せしめるべくプローブ全体をＸ軸方向で移動させるフォーカス手段とを備えたことを特徴とする非接触形状測定装置。
プローブの第２反射手段が細いアームの先端に支持され微小形状を有することを特徴とする請求項１記載の非接触形状測定装置。
測定ワークをプローブの第２反射手段で反射されたレーザー光に対して、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又は請求項２記載の非接触形状測定装置。
測定ワークをプローブの第２反射手段で反射されたレーザー光に対して、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１〜３のいずれか１項に記載の非接触形状測定装置。