JP5902932B2 - 線状体の直径及びスリットの幅寸法の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は線状体の直径及びスリットの幅寸法の測定方法に関する。さらに詳しくは、微小工具やワイヤなどの線状体の直径や、工具とワークの間の間隙ないし間隔（スリット）の幅寸法を測定する方法に関する。

微細電子部品やオプトメカトロニクス部品のための金型を製造するには、精密な切削加工や研削加工が必要となるが、近年、電子部品などの小型化はますます進んでおり、それに伴い加工技術の微細化及び高精度化への要求も高くなっている。

このような精密加工には微小径の工具が用いられるが、加工技術の微細化及び高精度化を実現するためには、工作機械の精度だけでなく、工具自体の形状・寸法の小型化、高精度化が必要であり、さらに工具寸法の高精度化を達成するためには、微小な工具の寸法を測定する技術の確立が必要である。

微小径の工具の寸法（直径）を測定する方法として、従来、工具にレーザビームを照射し、当該工具によって回折した光を検出し、その光回折パターンにおける１次光ピークの間隔から工具の直径を算出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２３２４８９号公報

従来の測定方法は、直径４０μｍ程度までの工具径は測定することができるが、それよりも微小径、例えば直径１０μｍ程度の工具になると、回折光よりも、透過光（レーザ光源から直接に受光部に達する光）の成分が大きくなるため、回折光の取得が困難になり、０次回折光と１次回折光の区分けができなくなる。このため、１次光ピークの間隔に基づいて工具の直径を測定する手法を適用することができず、測定可能な工具径に限界があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザビームを照射した場合に透過光の成分が多くなる微小な工具の直径を高精度に測定することができる線状体の直径の測定方法を提供することを目的としている。

本発明は、また、線状体直径の測定と同じ原理に基づいて、微小なスリットの幅寸法を高精度に測定することができるスリットの幅寸法の測定方法を提供することを目的としている。

（１）本発明の線状体の直径の測定方法は、線状体に照射されたレーザビームの光回折パターンに基づいて当該線状体の直径を測定する方法であって、
線状体を測定部に配設しない状態でレーザビームを受光部に向けて照射し、当該受光部にて第１の光強度分布を取得する第１工程、
線状体を測定部に配設した状態でレーザビームを当該線状体に向けて照射し、前記受光部にて第２の光強度分布を取得する第２工程、
第２工程で取得した第２の光強度分布から第１工程で取得した第１の光強度分布を差し引いて光回折パターンを取得する工程、及び
取得された光回折パターンから得られる１次光ピークの間隔に基づいて線状体の直径を算出する工程
を含むことを特徴としている。

本発明の線状体の直径の測定方法では、回折光と透過光を含む第２の光強度分布から、透過光だけを含む第１の光強度分布を差し引くことで、光回折パターンを取得しているので、従来の方法では、高精度に測定することができなかった直径４０μｍ以下の、例えば２０μｍや３０μｍあるいはそれ以下の微小径の工具を高精度に測定することができる。

（２）前記（１）の線状体の直径の測定方法において、前記受光部におけるレーザビームが照射される側に０次回折光を遮蔽する遮光板が配設されていることが好ましい。この場合、遮光板としては、非透光性の金属板などを用いることができる。

（３）前記（１）又は（２）の線状体の直径の測定方法において、前記線状体と受光部の間に配設される結像レンズの焦点距離をｆ、照射されるレーザビームの波長をλ、前記１次光ピークの間隔をＷとしたときに、線状体の直径ｄを

により算出することができる。

（４）前記（１）〜（３）の線状体の直径の測定方法において、前記線状体が、直径２０μｍ以下の微小工具であってもよい。

（５）本発明のスリットの幅寸法の測定方法は、スリットに照射されたレーザビームの光回折パターンに基づいて当該スリットの幅寸法を測定する方法であって、
前記スリットをつくる部材を測定部に配設しない状態でレーザビームを受光部に向けて照射し、当該受光部にて第１の光強度分布を取得する第１工程、
前記スリットをつくる部材を測定部に配設した状態でレーザビームをスリットに向けて照射し、前記受光部にて第２の光強度分布を取得する第２工程、
第２工程で取得した第２の光強度分布から第１工程で取得した第１の光強度分布を差し引いて光回折パターンを取得する工程、及び
取得された光回折パターンから得られる１次光ピークの間隔に基づいてスリットの幅寸法を算出する工程
を含むことを特徴としている。

本発明のスリットの幅寸法の測定方法では、回折光と透過光を含む第２の光強度分布から、透過光だけを含む第１の光強度分布を差し引くことで、光回折パターンを取得しているので、従来の方法では、高精度に測定することができなかった直径４０μｍ以下の、例えば２０μｍや３０μｍのスリットの幅寸法を高精度に測定することができる。

（６）前記（５）のスリットの幅寸法の測定方法において、前記受光部におけるレーザビームが照射される側に０次回折光を遮蔽する遮光板が配設されていることが好ましい。

（７）前記（５）又は（６）のスリットの幅寸法の測定方法において、前記スリットと受光部の間に配設される結像レンズの焦点距離をｆ、照射されるレーザビームの波長をλ、前記１次光ピークの間隔をＷとしたときに、スリットの幅寸法ｘを

により算出することができる。

本発明の測定方法によれば、レーザビームを照射した場合に透過光の成分が多くなる微小な工具の直径及び微小なスリットの幅寸法を高精度に測定することができる。

本発明の線状体の直径の測定方法の原理を説明する図である。 測定ユニットの一例の側面説明図である。 光回折を利用して工具径又はスリット幅を測定する原理を説明する図である。 工具径を測定する場合に得られる光回折パターンの一例を示す図である。 スリット幅を測定する場合に得られる光回折パターンの一例を示す図である。 実施例の測定結果を示す図である。 微小工具の先端部の電子顕微鏡画像である。 本発明の測定方法により得られる、直径１０μｍの線状体の光回折パターンを示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の線状体の直径の測定方法の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の線状体の直径の測定方法の原理を説明する図であり、図２は測定ユニットの一例の側面説明図である。
〔線状体の直径の測定〕
図１〜２において、１は、ライン状のレーザビームを照射し得るレーザ光源であり、このレーザ光源１の前方に線状体である先端部を備えた微小工具２、レンズ３及び受光部４が、この順に配設されている。微小工具２は、図示しない把持装置により把持されており、この把持装置は、測定対象である微小工具２の先端部がレーザビームに照射される下方位置と、照射されない上方位置との間を上下動可能である。なお、微小工具２の先端部は刃部とされており、この刃部により被加工物である金型などの研削や切削加工が行われる。

微小工具２にレーザビームが照射されると、光回折現象が生じ、回折光はフーリエ変換レンズであるレンズ３によって集光され、当該レンズ３の焦点距離ｆにある焦点面でラインセンサーなどからなる受光部４によって回折パターンが同時に取得される。受光部４は、撮像手段であるＣＭＯＳカメラ６内に装備されている。

そして、取得された回折パターンについて、＋１次回折光と、−１次回折光のピークを検出し、そのピーク間隔Ｗを測定する。ついで、このピーク間隔Ｗと、既知であるレンズ３の焦点距離ｆ及びレーザビームの波長λを用いて、次の式（１）から微小工具２（の先端部）の直径ｄが求められる。

なお、図１に示される例では、１次回折光の信号を検出しやすくするために、０次回折光を遮蔽するための遮光板５が、前記受光部４におけるレーザビームが照射される側（図１において左側）に配設されている。遮光板５としては、非透光性の金属板などを用いることができる。遮光板５は、実質的に０次回折光のパターンだけを遮蔽することができるように、その形状及びサイズが選定される。

本発明は、先端部の直径が４０μｍ程度以下の微細な工具では、１次回折光の信号が弱くなるため高精度に当該工具の直径を測定できなくなることに鑑み、次のように２種類の光強度分布を取得し、その差分から光回折パターンを取得し、さらにこの光回折パターンから得られる１次光ピークの間隔に基づいて微小工具２の先端部の直径を測定している。

すなわち、本発明では、まず微小工具２の先端部（測定対象）を測定部に配設しない状態、換言すれば、微小工具２を把持した把持装置が図２において上方位置にある状態でレーザ光源１からレーザビームを受光部４に向けて照射し、当該受光部４で、レーザビームだけの光強度分布である第１の光強度分布を取得する。次に、微小工具２を把持した把持装置を図２において下方位置まで下降させ、当該微小工具２の先端部を測定部に配設し、この状態でレーザ光源１からレーザビームを受光部４に向けて照射し、当該受光部４で、回折光を含む第２の光強度分布を取得する。そして、第２の光強度分布から第１の光強度分布を差し引いて回折パターンを取得し、この回折パターンから１次光ピークの間隔Ｗを測定する。最後に、１次光ピークの間隔Ｗと、既知のレンズ３の焦点距離ｆ及びレーザビームの波長λとを用いて、前記式（１）から微小工具２（の先端部）の直径ｄが求められる。

このように、本発明では、回折光と透過光を含む第２の光強度分布から、透過光だけを含む第１の光強度分布を差し引くことで、光回折パターンを取得しているので、従来の方法では高精度に測定することができなかった直径４０μｍ以下の、例えば２０μｍや３０μｍの微小工具径を、後述する実施例に示されるように高精度に測定することができる。

〔スリットの幅寸法の測定〕
レーザビームを線状体に照射して、得られる光回折パターンから当該線状体の直径を測定する原理は、例えば、微小工具と被加工物であるワークとの間に存在するスリットの幅寸法を測定する場合にも適用することができる。

図３の（ａ）は、光回折を利用して工具径を測定する原理を説明する図であり、図３の（ｂ）は、光回折を利用してスリット幅を測定する原理を説明する図である。工具の直径ｄと、スリットの幅ｘとが等しいとき、当該工具又はスリットに照射されたレーザビームにより形成される光強度の分布は原理的に等しくなることが分かっている。１次光ピークの間隔Ｗも等しいので、スリットの幅ｘについても、工具の直径ｄを求める前記式（１）と同様に次の式（２）に従って求めることができる。

図４は、直径が４０μｍの工具先端部にレーザビームを照射した場合に得られる光回折パターンの一例を示しており、（ａ）は０次回折光が遮蔽されないときのパターンであり、（ｂ）は０次回折光が遮蔽されたときのパターンである。また、図５は、幅が４０μｍのスリットにレーザビームを照射した場合に得られる光回折パターンの一例を示しており、（ａ）は０次回折光が遮蔽されないときのパターンであり、（ｂ）は０次回折光が遮蔽されたときのパターンである。図４〜５から分かるように、工具先端部の直径とスリットの幅寸法が同じである場合、得られる光回折パターンにおける１次光ピークの間隔Ｗ１、Ｗ２も略等しい。したがって、スリットの幅寸法も、レーザビームの照射による回折現象を利用した、工具先端部（線状体）の直径の測定原理と同じ原理を用いて測定することができる。これにより、工具径だけでなく、工具を取り付けた状態での中心軸からのフレも測定することができる。

〔実施例〕
次に本発明の測定方法の実施例を説明するが、本発明はもとよりかかる実施例にのみ限定されるものではない。

図２に示される測定ユニットを用いて、直径が２０μｍ又は３０μｍの微小工具の先端部を測定した。レーザ光源から照射されるレーザビームの波長λは６６０ｎｍであり、ビーム幅は約２０μｍであった。また、レンズの焦点距離ｆは１１６ｍｍであった。レーザ光源から照射され、レンズを通過したレーザビームの光強度分布は、当該レンズの焦点面に配置された、ＣＭＯＳカメラの受光センサーにより取得される。

まず、微小工具の先端部がレーザ光線上に位置しない状態（微小工具の先端部が測定部に配設されていない状態）でレーザビームを照射し、当該レーザビームの透過光だけの光強度分布（第１の光強度分布）を取得した。

ついで、微小工具の先端部がレーザ光線上に位置する状態（微小工具の先端部が測定部に配設されている状態）でレーザビームを照射し、微小工具による回折光を含む光強度分布（第２の光強度分布）を取得した。

ついで、第２の光強度分布から第１の光強度分布を差し引いて、光回折パターンを取得し、この光回折パターンから１次回折光のピークを検出した。

ついで、検出された１次回折光のピーク間距離Ｗを測定し、既知であるレーザビームの波長λ及びレンズの焦点距離ｆを用いて、前述した式（１）に従い、微小工具の先端部の直径ｄを得た。

測定結果を図６に示す。図６において、ａが工具径２０μｍの微小工具の測定結果であり、２１．１４±０．２μｍであった。また、ｂが工具径３０μｍの微小工具の測定結果であり、３０．７５±０．３μｍであった。

また、図７は測定した微小工具の先端部の電子顕微鏡画像を示している。図７の（ａ）より、工具径２０μｍの直径を画像から算出すると２１．１６μｍであり、図７の（ｂ）より、工具径３０μｍの直径を画像から算出すると３０．８９μｍであった。

図７に示される電子顕微鏡画像から算出した工具径の数値と、本実施例にしたがって、光回折を用いて測定した結果得られた数値とは、ほとんど一致していた。このことから、本発明の測定方法で工具径２０μｍ、３０μｍの微小工具の先端部の直径が充分な精度をもって測定可能であることが分かる。なお、電子顕微鏡で測定する場合は、真空中での測定等の手間を要するのに対し、本発明の方法では、大気中でリアルタイムに測定することが可能となる。

〔その他の変形例〕
なお、今回開示された実施の形態はすべての点において単なる例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した意味ではなく、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及び範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、前述した実施例では、工具径が２０μｍと３０μｍの微小工具の測定を行っているが、本発明の測定方法は、受光センサ（受光部）の長さ及び使用するレンズの焦点距離などを調整することにより、それよりも微小径の、例えば１０μｍ又は数μｍの微小工具でも測定可能であることが分かっている。すなわち、工具径がより小さくなると、１次光ピークの間隔がより大きくなるため、受光部を長くする、または焦点距離を小さくすることで、１次光ピークを取得できるようにする。

図８は、本発明の測定方法に従って得られる、先端部の直径が１０μｍの微小工具の回折光成分（第２の光強度分布から第１の光強度分布を差し引いた光回折パターン）を示している。図８の光回折パターンから１次回折光のピークを検出することが可能であり、このピーク間距離Ｗから上記式（１）に従って、微小工具先端部の直径を測定することが可能である。

また、前述した実施の形態では、線状体として微小工具の先端部を例にとって説明しているが、細径のワイヤや光ファイバなどの線状体の直径を測定する場合にも、本発明の測定方法を適用することができる。

１ レーザ光源
２ 微小工具
３ レンズ
４ 受光部
５ 遮光板
６ ＣＭＯＳカメラ
ｄ 工具の直径
ｘ スリットの幅寸法
ｆ レンズの焦点距離
λ レーザビームの波長

Claims (7)

1. 線状体に照射されたレーザビームの光回折パターンに基づいて当該線状体の直径を測定する方法であって、
   線状体を測定部に配設しない状態でレーザビームを受光部に向けて照射し、当該受光部にて第１の光強度分布を取得する第１工程、
   線状体を測定部に配設した状態でレーザビームを当該線状体に向けて照射し、前記受光部にて第２の光強度分布を取得する第２工程、
   第２工程で取得した第２の光強度分布から第１工程で取得した第１の光強度分布を差し引いて光回折パターンを取得する工程、及び
   取得された光回折パターンから得られる１次光ピークの間隔に基づいて線状体の直径を算出する工程
   を含むことを特徴とする線状体の直径の測定方法。
2. 前記受光部におけるレーザビームが照射される側に０次回折光を遮蔽する遮光板が配設されている請求項１に記載の線状体の直径の測定方法。
3. 前記線状体と受光部の間に配設される結像レンズの焦点距離をｆ、照射されるレーザビームの波長をλ、前記１次光ピークの間隔をＷとしたときに、線状体の直径ｄが
   により算出される請求項１又は２に記載の線状体の直径の測定方法。
4. 前記線状体が、直径２０μｍ以下の微小工具である請求項１〜３のいずれかに記載の線状体の直径の測定方法。
5. スリットに照射されたレーザビームの光回折パターンに基づいて当該スリットの幅寸法を測定する方法であって、
   前記スリットをつくる部材を測定部に配設しない状態でレーザビームを受光部に向けて照射し、当該受光部にて第１の光強度分布を取得する第１工程、
   前記スリットをつくる部材を測定部に配設した状態でレーザビームをスリットに向けて照射し、前記受光部にて第２の光強度分布を取得する第２工程、
   第２工程で取得した第２の光強度分布から第１工程で取得した第１の光強度分布を差し引いて光回折パターンを取得する工程、及び
   取得された光回折パターンから得られる１次光ピークの間隔に基づいてスリットの幅寸法を算出する工程
   を含むことを特徴とするスリットの幅寸法の測定方法。
6. 前記受光部におけるレーザビームが照射される側に０次回折光を遮蔽する遮光板が配設されている請求項５に記載のスリットの幅寸法の測定方法。
7. 前記スリットと受光部の間に配設される結像レンズの焦点距離をｆ、照射されるレーザビームの波長をλ、前記１次光ピークの間隔をＷとしたときに、スリットの幅寸法ｘが
   により算出される請求項５又は６に記載のスリットの幅寸法の測定方法。