JPH05312526A - レーザー計測器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定物の表面の位置を、該表面に付着した
付着物の影響を受けることなく高精度に検出することが
できるレーザー計測器を提供すること。 【構成】 被測定物１２の表面にレーザービームを投射
してその反射ビームから該被測定物の表面の位置を検出
するセンサ１０に、被測定物にエアを噴射して付着物を
除去するためのブロー機構１４を設け、該ブロー機構に
おけるエアブロー用ノズル４０とレーザービームの投射
及び反射ビームの受光を行うための導通孔２７，２８と
を共通化することにより、エアの噴流内においてレーザ
ービームの投受光を行うようにした。 【効果】 被測定物の表面の付着物をブロー機構により
除去しながら高精度の測定を行うことができる。しか
も、エアの噴流内においてレーザービームの投受光を行
うことにより、エアブローで周囲に飛散した付着物の影
響を受けることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属、ガラス、合成樹
脂等からなる各種工業製品や部品の位置や変位、厚さ等
を非接触で測定するためのレーザー計測器に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】金属、ガラス、合成樹脂等からなる各種
工業製品や部品の位置、変位、厚さ等を非接触で測定す
ることができる計測器として、従来、レーザービームを
使用するレーザー計測器が知られている。これは、図３
に示すように、レーザー発生手段と受光手段とを内蔵す
るセンサ１と、該センサ１からの測定信号を演算処理す
る演算器２とからなるもので、前記センサ１により被測
定物５の表面にレーザービーム３を投射すると共にその
反射ビーム４を受光して、該センサ１から被測定物５の
表面の位置に応じた信号を演算器２に出力し、該演算器
２においてその位置信号を演算処理して被測定物５の表
面の位置を算出するものである。被測定物の厚さは、図
４に示すように、二つのセンサ１，１を該被測定物５の
両側に配設し、その両面の位置を検出することにより測
定することができる。

【０００３】しかしながら、かかるレーザー計測器は、
被測定物表面におけるレーザービームの反射を利用する
ものであるため、該表面の少なくともレーザービームを
投射する部分が清浄であることが必要であり、被測定物
に研磨材や洗浄剤、油、ごみ等の異物が付着している
と、それらの影響によって表面の位置を正確に測定する
ことが困難となり、測定精度の低下が避けられない。特
に、高度の寸法精度が要求される半導体ウエハの厚さを
研磨工程中に測定するような場合には、ウエハの表面に
研磨材スラリーが付着しているため、その影響で測定誤
差が生じ易い。

【０００４】被測定物の表面に圧縮空気や水等を噴射し
て付着物を除去したあと、レーザービームを投射して測
定することが考えられるが、被測定物が研磨加工中であ
ったりコンベアで搬送中である場合には、瞬時に測定を
行う必要上、噴射と同時にレーザービームを投射しなけ
ればならないため、飛散した付着物によってレーザービ
ームが撹乱され、測定誤差を生じ易い。

【０００５】本発明の解決課題は、被測定物の表面に付
着した付着物を除去しながら、飛散した付着物による影
響を受けることなく高精度の測定を行うことができるレ
ーザー計測器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明は、被測定物の表面にレーザービームを投射
して反射ビームを受光することにより、被測定物の表面
の位置に応じた信号を出力するセンサと、該センサから
の位置信号を演算処理して被測定物の表面の位置を算出
する演算器とからなるレーザー計測器において、前記セ
ンサが、被測定物にエアを噴射して付着物を除去するブ
ロー機構を備え、該ブロー機構におけるエアブロー用ノ
ズルとレーザービームの投射及び反射ビームの受光を行
うための導通孔とを共通化することにより、エアの噴流
内においてレーザービームの投受光を行う構成であるこ
とを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】測定時には、センサのエアブロー用ノズルから
被測定物の表面にエアが噴射されて付着物が除去される
と共に、その除去部分にレーザービームが投射されて反
射ビームが受光される。このとき、エアの噴流内におい
てレーザービームの投受光が行われるため、該噴流によ
り吹き飛ばされて周囲に飛散した付着物の影響を受ける
ことがない。

【０００８】反射ビームを受光したセンサからは、被測
定物の表面の位置に応じた信号が出力され、該演算器に
おいて演算処理されることにより、被測定物の表面の位
置が算出される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１に示すレーザー計測器は、一対のセンサ１
０，１０と演算器１１とで構成され、これらのセンサ１
０，１０を被測定物１２の両側に配設することによって
該被測定物の厚さを測定するようにしたものである。前
記センサ１０，１０は、互いに同一構造を有していて、
被測定物１２の表面に付着している研磨材スラリー等の
付着物１３を局所的に除去するためのブロー機構１４
と、付着物１３が除去された部分で被測定物１２の表面
位置をレーザービームにより検出する検出機構１５とを
備えている。

【００１０】前記検出機構１５は、レーザービームの投
射と反射ビームの受光とを行うための光学手段を内蔵し
たセンサヘッド１７を備えており、該センサヘッド１７
はケーシング１８内に納められ、付着物１３に汚染され
ることのないよう密封されている。前記光学手段は、レ
ーザービームを発生する半導体レーザー２０、該半導体
レーザー２０からのレーザービームを集光して被測定物
１２に投射する投光レンズ２１、被測定物１２で反射し
た反射ビームを集光する受光レンズ２２、受光レンズ２
２からの反射ビームに応じた電気信号を出力する半導体
位置検出素子２３から構成され、半導体レーザー２０は
駆動回路２４によって駆動される。

【００１１】前記半導体レーザー２０及び投光レンズ２
１は、それらの光軸がセンサ１０，１０の測定中心と一
致するように配設されており、半導体レーザー２０より
発せられたレーザービームＢ１は、投光レンズ２１によ
り集光されて光学ガラス板２６、及びケーシング１８の
前面板１８ａに形成された投光用導通孔２７を通り、被
測定物１２上にスポットとなって投射される。投射され
たレーザービームは、梨地状の被測定物表面で散乱光と
なって反射し、その一部が反射ビームＢ２として、ケー
シング１８の前面板１８ａに形成された受光用導通孔２
８から光学ガラス板２９、及び受光レンズ２２を透過し
て、半導体位置検出素子２３上に結像する。

【００１２】前記位置検出素子２３から結像位置に応じ
て発生する電気信号は、増幅回路３２を経て演算器１１
における信号処理回路３３に送られる。いま、被測定物
１２の表面Ａで反射した反射ビームが位置検出素子２３
上にａ点で結像していた状態から、被測定物１２の表面
の位置がＢに変位すると、反射ビームも変位して位置検
出素子２３上にｂ点で結像するため、該位置検出素子２
３で発生する電気信号もこれに応じて変化する。この変
化は増幅回路３２により増幅され、信号処理回路３３に
おいていわゆる三角測量方式に基づく処理がなされ、被
測定物表面の位置の変位量に変換される。従って、前記
表面Ａの位置を基準面として零点調節しておくことによ
り、被測定物１２の表面の位置Ｂを該基準面Ａからの変
位量として求めることができる。

【００１３】上下のセンサ１０，１０によって測定され
た前記変位量は、それぞれ信号処理回路３３，３３から
演算回路３４に送られて処理され、ここで被測定物１２
の厚さが演算される。この演算回路３４は、上方のセン
サ１０によってもたらされる変位量についての信号ｍ
と、下方のセンサ１０によってもたらされる変位量につ
いての信号ｎとを加算し、これから両センサ間の距離に
よって定まる定数Ｘを減ずることにより被測定物の厚さ
を算出するものである。

【００１４】前記投受光用の導通孔２７，２８は、正確
な測定が可能なように必要なレーザービームを通し得る
孔径となっており、特に受光用導通孔２８は、測定面の
変位により測定スポットが移動するのに追随して反射ビ
ームも移動するため、測定範囲に対応した孔径とするこ
とが必要である。これらの導通孔２７，２８は、被測定
物の表面に対向する先端部において互いに一体化し、一
つの開口部３６を共有しており、該開口部３６を通じて
レーザービームＢ１の投射と反射ビームＢ２の受光とが
行われるようになっている。該開口部３６の口径は約３
ｍｍ程度に設定するのが好ましい。また、これらの導通
孔２７，２８におけるセンサヘッド１７側の後端部は、
前記光学ガラス板２７，２９によって閉塞されており、
これらの光学ガラス板２７，２９は、図示しない押え部
材及びシール材によってケーシング１８に流体密に固着
されている。これらの光学ガラス板２７，２９は、レー
ザービーム及び反射ビームを歪なく透過させ得るもので
あり、投光レンズ２１及び受光レンズ２２と同様、投射
ビーム及び反射ビームに対して傾きなく配置されてい
る。

【００１５】一方、被測定物１２の表面に付着した研磨
材等の付着物１３を除去するための前記ブロー機構１４
は、圧縮空気を噴出するエアブロー用ノズル４０と、水
を噴出する水ブロー用ノズル４１とを備えている。エア
ブロー用ノズル４０は、前記投受光用の導通孔２７，２
８と共用され、開口部３６を通じて被測定物１２にエア
を噴射するようになっており、このために、受光用導通
孔２８が、供給通孔４２及び供給パイプ４３によりマニ
ホールド４４に接続され、該マニホールド４４から電磁
開閉弁４５及び減圧弁４６を介して圧縮空気供給源４７
に連結されている。このように導通孔２７，２８とエア
ブロー用ノズル４０とが共通化されることにより、エア
の噴流内においてレーザービームの投受光が行われる。

【００１６】前記導通孔２７，２８には、前述したよう
に光学ガラス板２６，２９が流体密に取り付けられてい
るため、ブロー用の高圧のエアが該導通孔内に供給され
てもセンサヘッド１７側に侵入することはなく、また、
付着物１３の侵入も防止される。特に下方のセンサ１０
において万一付着物１３がノズル４０内に侵入した場合
でも、該付着物１３がセンサヘッド１７を汚染すること
がない。

【００１７】また、前記水ブロー用ノズル４１は、エア
ブローによるスラリーの除去をより効果的に行うため、
必要に応じて備えられる。該水ブロー用ノズル４１は、
ケーシング１８に設けられたコネクタ５０に接続され、
マニホールド５１、電磁開閉弁５２及び減圧弁５３を介
して給水源５４に連結されている。

【００１８】前記構成を有するレーザー計測器によって
被測定物１２の厚さを測定する際には、上下のセンサ１
０，１０におけるエアブロー用ノズル４０から被測定物
の表面にエアが噴射されて付着物１３が除去される。こ
のとき、上方のセンサ１０においては、減圧弁４６によ
って例えば１Ｋｇ／ｃｍ² 程度に調圧されたエアが、供
給通孔４２を通って導通孔２７，２８内に供給され、開
口部３６より噴流となって噴出する。この噴流は、直下
に位置している被測定物１２の表面に付着している付着
物１３を吹き飛ばすか、或いは押し退けて被測定物１２
の表面を露出させる。露出した被測定物表面の面積は、
ノズルの開口部３６の口径と概ね同じくらいの面積とな
る。下方のセンサ１０においても、上方のセンサ１０と
同様の動作がなされるが、電磁開閉弁４５などのエア供
給回路を共通にしておくことで、噴流を上下のセンサ１
０，１０から同時に噴出させ、被測定物１２にそれを損
傷させるような偏荷重がかかることを防ぐことができ
る。エアの圧力が比較的低い場合、付着物１３が押し退
けられても被測定物の表面が完全に露出するには至らな
いこともあるが、このような状態であっても、被測定物
表面にある付着物１３は噴流の作用によって一様な厚さ
の非常に薄い膜状となって安定するので、厚さ測定にお
ける大きな誤差となることはない。

【００１９】被測定物表面の付着物１３の除去をより効
果的にするため、前記エアブローとほぼ同時に、水のブ
ローも行われる。このとき、エアブローの場合と同様
に、給水源５４から減圧弁５３で調圧され水がマニホー
ルド５１に供給され、ノズル４１の開口部より被測定物
１２に向けて吹き付けられる。このノズル４１は、ノズ
ル４０によりエアブローがなされる箇所の近傍に向けら
れており、ノズル４１から吹き付られた水は、エアブロ
ーによって生起された噴流により霧状となり、エアと共
に被測定物表面部分に付着している付着物１３を除去す
る。この水によるブローは、付着物１３の粘度が比較的
高い場合に効果的である。

【００２０】前述したように、エア及び水のブローによ
り被測定物１２の表面は、エアブロー用ノズルの開口部
３６の直前の箇所で局部的に露出され、この箇所にレー
ザービームが投射される。被測定物表面の露出箇所は、
例えば３ｍｍ程度の径であるが、レーザービームのスポ
ット径よりもはるかに大きく、被測定物の移動により露
出箇所がノズルの開口部３６の直前の位置から多少ずれ
ても、レーザービームの投射スポットが被測定物表面の
露出箇所を外れることがない。

【００２１】露出した被測定物１２の表面に投射された
レーザービームは、ここで反射してその一部が反射ビー
ムとなり、受光レンズ２２を通って位置検出素子２３上
で結像する。前記レーザービームの投射及び反射ビーム
の受光は、エアの噴流内において該噴流に添って行われ
るものであり、このため、エアブローにより周囲に飛散
した付着物の影響を受けることがない。

【００２２】反射ビームＢ２が結像した位置検出素子２
３では、結像位置に対応した電気信号が発生し、この信
号は増幅器３２で増幅されて信号処理回路３３に送ら
れ、変位量として出力される。この信号処理回路３３か
らの信号は厚さ演算回路３４に送られ、ここで演算処理
されることにより、被測定物の厚さが算出される。

【００２３】図２にはセンサの他の実施例が示されてい
る。このセンサ６０，６０は、レーザービームの投射及
び反射ビームの受光を同一経路内で行う正反射タイプの
ものであって、レーザービームの光路内にプリズムある
いはミラー６１を設けてビームを曲げることにより、セ
ンサヘッド６２の配置を第１実施例のものとは異ならせ
ている。

【００２４】なお、前記実施例の計測器は、被測定物の
厚さを測定するために二つのセンサを備えているが、被
測定物の表面の位置を測定する場合にはセンサが一つで
あっても良いことは言うまでもない。

【００２５】

【発明の効果】このように本発明によれば、センサにエ
アブロー機構を設けたので、被測定物の表面に研磨材等
が付着していても、それを除去しながら高精度の測定を
行うことができる。しかも、エアブロー用ノズルとレー
ザービームの投射及び反射ビームの受光を行うための導
通孔とを共通化することにより、エアの噴流内において
レーザービームの投受光を行うようにしたので、エアブ
ローにより周囲に飛散した付着物の影響を受けることが
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】センサの別構成例を示す模式図である。

【図３】従来例の説明図である。

【図４】従来例の説明図である。

【符号の説明】

１０ センサ １１ 演算器 １２ 被測定物 １４ ブロー機
構 ２７，２８ 導通孔 ４０ エアブロ
ー用ノズル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の表面にレーザービームを投射
   して反射ビームを受光することにより、被測定物の表面
   の位置に応じた信号を出力するセンサと、該センサから
   の位置信号を演算処理して被測定物の表面の位置を算出
   する演算器とからなるレーザー計測器において、 前記センサが、被測定物にエアを噴射して付着物を除去
   するブロー機構を備え、該ブロー機構におけるエアブロ
   ー用ノズルとレーザービームの投射及び反射ビームの受
   光を行うための導通孔とを共通化することにより、エア
   の噴流内においてレーザービームの投受光を行う構成で
   ある、ことを特徴とするレーザー計測器。