(57)【要約】【課題】隙間を通過する光の透過光像を検出して、対象物体の輪郭形状や位置を精度良く測定できる光学式の形状・位置測定方法を提案すること。【解決手段】工具２の突起１の理想輪郭形状よりも一回り大きい凹状の端面３を備える板状の隙間形成用治具４を用意する。端面３の最奥部分には円弧状の凹状輪郭の端面５が形成されている。端面３の内部に突起１を進入させて、端面３と突起１の輪郭形状部分との隙間６の幅を観察しながら徐々に接近させ、隙間６の幅が寸法Δ１になった時点で接近を停止し、端面５と先端部分１ａの間に、隙間６よりも広い隙間７を局部的に形成する。工具２および隙間形成用治具４の厚み方向の一方の側に光源８を配置して隙間７に測定光を照射し、他方の側に配置したＣＣＤカメラ等の受光装置９で隙間７を通る光の透過光像を検出する。微小な曲率半径の先端部分１ａの実輪郭形状や位置を、透過光像から明確に把握できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体（２）における測定対象の輪郭形状部分（１，１０）の理想輪郭形状に対して第１隙間（６，１４）で対峙可能な第１端面（３，１２）と、当該第１端面（３，１２）の一部に形成され、前記理想輪郭形状に対して前記第１隙間（６，１４）より広い第２隙間（７，１５）で対峙可能な第２端面（５，１３）とを備えた隙間形成用治具（４，１１）を用意し、
当該隙間形成用治具（４，１１）の前記第１、第２端面（３，１２，５，１３）を、前記対象物体（２）における測定対象の前記輪郭形状部分（１，１０）に対峙させ、これらの間に形成される隙間に測定光を照射し、
前記隙間を透過する前記測定光の透過光量、および／または、その透過光像を確認しながら、前記第１端面（３，１２）を前記輪郭形状部分に対して徐々に接近させ、前記隙間形成用治具（４，１１）を前記対象物体（２）に対して前記第１隙間（６，１４）が形成されるように位置決めして、前記第２端面（５，１３）と当該第２端面（５，１３）が対峙している前記輪郭形状部分（１，１０）の特定部位（１ａ，１０）との間に局所的に広い前記第２隙間（７，１５）を形成し、
前記第２端面（５，１３）と前記輪郭形状部分（１，１０）の前記特定部位（１ａ，１０）との間に形成された隙間（６，７）を透過する前記測定光の透過光量、および／または、その透過光像に基づき、前記輪郭形状部分（１，１０）の前記特定部位（１ａ，１０）の形状、および／または、前記対象物体（２）の前記隙間形成用治具（４）に対する相対位置を測定することを特徴とする光学式の形状・位置測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式の形状・位置測定方法において、
前記第１隙間（６）の幅を前記測定光の波長よりも狭くなるように設定し、
前記第２隙間（７）の幅を前記測定光の波長よりも広くなるように設定することを特徴とする光学式の形状・位置測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の光学式の形状・位置測定方法において、
前記対象物体（２）における測定対象の前記輪郭形状部分（１）は、前記特定部位に局所的に突出した突起状部分（１ａ）が形成されたものであり、
前記隙間形成用治具（４）の前記第２端面（５）は、前記突起状部分（１ａ）の理想輪郭形状に対して前記第２隙間（７）で対峙可能な凹状輪郭の端面であることを特徴とする光学式の形状・位置測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の光学式の形状・位置測定方法において、
測定対象の前記突起状部分（１ａ）は、その最大幅あるいは最大突出量が、前記測定光の波長の１／２以下の寸法のものであることを特徴とする光学式の形状・位置測定方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載の光学式の形状・位置測定方法において、
前記隙間形成用治具（１１）の前記第１端面（１２）に、当該第１端面（１２）に沿って所定の間隔で複数の前記第２端面（１３）を形成しておくことを特徴とする光学式の形状・位置測定方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のうちのいずれかの項に記載の光学式の形状・位置測定方法に用いる隙間形成用治具（４，１１）であって、
対象物体（２）における測定対象の輪郭形状部分（１，１０）の理想輪郭形状に対して第１隙間（６，１４）で対峙可能な第１端面（３，１２）と、
当該第１端面の一部に形成され、前記理想輪郭形状に対して前記第１隙間より広い第２隙間（７，１５）で対峙可能な第２端面（５，１３）とを備えていることを特徴とする隙間形成用治具（４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物体における測定対象部分との間に隙間を形成し、当該隙間を透過する測定光の量あるいは透過光像に基づき、対象物体の輪郭形状および位置を非接触で測定可能な光学式の形状・位置測定方法、および、この方法に用いる隙間形成用治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
輪郭投影機で得た画像から対象物体の輪郭形状や隙間を測定する方法が知られている。特許文献１には、ギアの回転中に発光部から照射した光がギアの歯の端辺に差しかかったときに受光部の検知信号がオンとオフの間で切り替わることを検出し、検出時のギアの回転位置に基づいて、ギアの歯の輪郭形状を非接触で測定する方法が開示されている。特許文献２には、圧延スタンドとロール（円筒体）との隙間開口に平行光線を照射して、隙間開口を通過した光をＣＣＤカメラで監視し、予め設定した圧延スタンドとロールの形状および位置に対応する明暗限界の目標値とＣＣＤカメラによる実測値とを比較して、隙間開口の大きさや形状、位置を把握して隙間を調整する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平７−７１９５０号公報
【特許文献２】特開平１１−２７７１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
対象物体との間に形成した隙間を通過する光を検出して当該対象物体の大きさ、形状、あるいは位置を把握する方法においては、形成する隙間が広すぎると、測定部位の形状変化に対する通過光の変化量が相対的に小さくなり、高い分解能での測定ができない。対象物体に形状が微細に変化する輪郭部分がある場合、この部分の輪郭形状を精度良く測定するためには、形成する隙間を狭くして測定の分解能を高める必要がある。しかしながら、分解能を高めるために測定光の波長以下に隙間を狭くすると、測定光が隙間を通過できなくなり、透過光量が不足して測定不能になってしまう。したがって、測定光の波長以下の曲率半径を有する微細な突起形状の測定などを、隙間を通過した光に基づき高い分解能で行うためには、測定対象の形状変化状態に応じた適切な隙間を形成する必要がある。
【０００４】
本発明の課題は、対象物体との間に形成した隙間を通過する光に基づき対象物体の輪郭形状、位置を測定する光学式の形状・位置測定方法において、微細な形状変化のある対象物体の輪郭形状、対象物体の微細な凹凸などを精度良く検出できるようにすること、および、そのために用いる隙間形成用治具を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の光学式の形状・位置測定方法は、
対象物体における測定対象の輪郭形状部分の理想輪郭形状に対して第１隙間で対峙可能な第１端面と、当該第１端面の一部に形成され、前記理想輪郭形状に対して前記第１隙間より広い第２隙間で対峙可能な第２端面とを備えた隙間形成用治具を用意し、
当該隙間形成用治具の前記第１端面を、前記対象物体における測定対象の前記輪郭形状部分に対峙させ、これらの間に形成される隙間に測定光を照射し、
前記隙間を透過する前記測定光の透過光量、および／または、その透過光像を確認しながら、前記第１端面を前記輪郭形状部分に対して徐々に接近させ、前記隙間形成用治具を前記対象物体に対して前記第１隙間が形成されるように位置決めして、前記第２端面と当該第２端面が対峙している前記輪郭形状部分の特定部位との間に局所的に広い前記第２隙間を形成し、
前記第２端面と前記輪郭形状部分の前記特定部位との間に形成された隙間を透過する前記測定光の透過光量、および／または、その透過光像に基づき、前記輪郭形状部分の前記特定部位の形状、および／または、前記対象物体の前記隙間形成用治具に対する相対位置を測定することを特徴としている。
【０００６】
本発明の方法において、前記第１隙間の幅を前記測定光の波長よりも狭くなるように設定し、前記第２隙間の幅を前記測定光の波長よりも広くなるように設定しておくことができる。このようにすれば、第１隙間からの透過光量が激減した時点あるいは透過光像を確認できなくなった時点で、隙間形成用治具の第２端面が測定対象の輪郭形状部分の特定部位に対して第２隙間で対峙した位置決め状態になったことを知ることができる。
【０００７】
また、本発明の方法による対象物体における測定対象の前記輪郭形状部分としては、前記特定部位に局所的に突出した突起状部分が形成された輪郭形状部分を挙げることができる。この場合には、前記隙間形成用治具の前記第２端面を、前記突起状部分の理想輪郭形状に対して前記第２隙間で対峙可能な凹状輪郭の端面としておけばよい。
【０００８】
この場合、本発明の方法によれば、測定対象の前記突起状部分として、その最大幅あるいは最大突出量が、前記測定光の波長の１／２以下の寸法のものであっても、その形状あるいは位置を測定できる。
【０００９】
次に、本発明の方法において、前記隙間形成用治具の前記第１端面に、当該第１端面に沿って所定の間隔で複数の前記第２端面を形成しておくことができる。
【００１０】
この場合には、測定対象の輪郭形状部分に微小に形状変化が付いている場合における形状測定、輪郭形状部分が微妙に理想輪郭形状から外れている場合における形状誤差測定などを精度良く行うことができる。
【００１１】
一方、本発明は、上記の光学式の形状・位置測定方法に用いる隙間形成用治具であって、対象物体における測定対象の輪郭形状部分の理想輪郭形状に対して第１隙間で対峙可能な第１端面と、当該第１端面の一部に形成され、前記理想輪郭形状に対して前記第１隙間より広い第２隙間で対峙可能な第２端面とを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の方法では、隙間形成用治具における隙間形成用の第１端面に局所的に微細な凹状部などの第２端面が形成されているので、隙間形成用治具の第１端面を対象物体の測定対象の輪郭形状部分に対して第１隙間で対峙させると、第１端面に形成した第２端面と、当該第２端面が対峙している輪郭形状部分の特定部位との間に局所的に大きな隙間が形成される。第２端面と輪郭形状部分の特定部位との間に形成される第２隙間を、当該特定部位の測定に必要な分解能が得られる隙間寸法となるように設定しておけば、当該特定部位の形状あるいは位置を所望の精度で測定可能である。また、第１端面と輪郭形状部分の隙間を観察しながら、隙間形成用治具を対象物体の輪郭形状部分に接近させて位置決めしているので、隙間形成用治具を対象物体に対して精度良く位置決めでき、したがって、精度良く第２隙間を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る隙間形成用治具と対象物体の説明図である。実施形態１において、輪郭形状を測定すべき対象物体は突起１を備える板状の工具２であり、測定対象の輪郭形状部分は、突起１の部分の輪郭形状である。測定に先立って、この突起１の輪郭形状よりも一回り大きい輪郭形状の端面３（第１端面）を備える板状の隙間形成用治具４を用意する。端面３は、突起１の理想輪郭形状、例えば、設計寸法どおりの輪郭形状を元に、この理想輪郭形状から一定の寸法Δ１だけ外側に離れた一回り大きい凹状に設定しておく。
【００１４】
図１には、突起１の輪郭形状部分と隙間形成用治具４の端面３とを対峙させ、ほぼ一定の寸法Δ１の隙間６（第１隙間）を形成した状態を示している。ここで、端面３の最奥部分と対峙する突起１の先端部分１ａ（突起状部分）は、局所的に細く突出している微小な凸部であり、その先端側が所定の曲率半径の円弧面になっている。端面３の最奥部分には、この円弧面から寸法Δ２だけ外側に離れた同心状の円弧面からなる凹状輪郭の端面５（第２端面）が形成されている。実施形態１では、寸法Δ２が寸法Δ１よりも大きく設定されており、端面５と先端部分１ａおよびその近傍部分の間に、隙間６よりも広い隙間７（第２隙間）を局部的に形成可能となるように、端面５の形状を設定している。
【００１５】
図１のような状態に位置決めする場合には、端面３の内部に突起１を進入させて、端面３を突起１の輪郭形状部分に対して徐々に接近させる。このとき、端面３と突起１の輪郭形状部分との隙間６の幅を観察しながら徐々に接近させ、隙間６の幅が寸法Δ１になった時点で接近を停止する。このように、隙間７よりも狭く設定されている隙間６の幅を観察しながら位置決めを行う作業は、隙間７のみを観察しながら位置決めを行う作業よりも容易かつ精度良く行うことができる。よって、この方法により、隙間形成用治具４を工具２の突起１の部分に対して精度良く位置決めすることができ、精度良く寸法Δ２の幅の隙間７を形成できる。
【００１６】
図２は、図１の隙間形成用治具と工具の隙間を通る光による透過光像の検出方法の説明図である。この図に示すように、工具２および隙間形成用治具４の厚み方向の一方の側に測定用の光源８を配置し、他方の側に受光装置９を配置し、図示しない駆動装置などにより、突起１の輪郭形状に沿って、光源８および受光装置９に対して工具２および隙間形成用治具４を相対移動可能に構成しておく。これにより、隙間６あるいは隙間７の任意の位置に測定光を照射することができ、通過した光を受光装置９で検出できる。
【００１７】
光源８としては、例えば、輪郭測定によく用いられている工具顕微鏡の光源のような、すりガラスを介して一様化した非コヒーレントな平行光線を用いる。また、受光装置９としては、隙間６あるいは隙間７を通過する光の透過光像を検出可能な程度の解像度のＣＣＤカメラなどを用いる。隙間６あるいは隙間７の各位置を通過する光の受光に際しては、測定領域を規定するために、隙間６あるいは隙間７と受光装置９の間に、所定形状の開口穴をあけた図示しない遮蔽板を配置しておくようにしてもよい。なお、透過光像の輪郭形状がＣＣＤカメラの解像度よりも微細である場合には、隙間６あるいは隙間７と受光装置９との間に透過光像を拡大するレンズ等の光学系を適宜設置して、透過光像を拡大して受光装置９に入射させることも考えられる。
【００１８】
図３は検出した透過光像の説明図であり、突起１の先端部分１ａの近傍を測定領域とした場合の透過光像を示している。ここで、実施形態１における突起１の先端部分１ａは、その最大幅あるいは最大突出量が、光源８から照射する測定光の波長の１／２以下の寸法であるような微細な形状である。実施形態１では、この微細な形状の先端部分１ａの周囲に確保する隙間７の寸法Δ２を、光源８から照射する測定光の波長よりもわずかに広くなるように、端面５の形状を設定している。また、隙間７の幅を寸法Δ２となるように隙間形成用治具４を位置決めした状態における隙間６の寸法Δ１が、光源８から照射する測定光の波長よりも狭くなるように、端面３の形状を設定している。
【００１９】
実施形態１では、隙間７の寸法Δ２を測定光の波長よりもわずかに広く設定したことにより、隙間７を測定光が確実に通過できる。よって、隙間７を通過する光の透過光像を受光装置９で確実に検出できる。また、隙間７の寸法Δ２は、先端部分１ａの輪郭形状の測定に必要な分解能が得られる隙間寸法となるように設定されている。従って、受光装置９で検出した透過光像から、先端部分１ａの明確な実輪郭形状を判別できる。また、この透過光像から、先端部分１ａの端面５に対する相対位置を判定して、隙間形成用治具４の各部分に対する工具２の各部分の相対位置を測定することもできる。
【００２０】
このように、測定対象の輪郭形状に応じて隙間７の幅の寸法Δ２を適宜設定することにより、測定対象の実輪郭形状あるいは隙間形成用治具４に対する相対位置を、測定対象に応じた所望の精度で測定可能である。また、隙間７を先端部分１ａの周囲のみに局部的に形成することにより、隙間７を精度良く形成するための位置決めが容易である。例えば、隙間６の寸法Δ１を光源８から照射する測定光の波長よりも狭く設定している場合には、隙間６を通る光を検出できるか否かを観察することにより、容易に位置決めを行うことができる。
【００２１】
なお、透過光像を直接観察して直接先端部分１ａの実輪郭形状を把握する方法以外に、隙間７に沿った各測定点を通る透過光量を、受光装置９の各受光素子の検出出力に応じて検出し、検出した透過光量に基づいて各測定点における隙間７の幅の実寸法を算出し、この実寸法と、予め把握している端面５の位置および形状に基づいて、先端部分１ａの実輪郭形状を測定してもよい。透過光量を検出する場合には、通過する隙間の位置に焦点を合わせた集光レンズを介して、受光装置９に通過光を集めるようにするとよい。
【００２２】
また、先端部分１ａを除く突起１の各部分の輪郭形状を測定するために、端面３の内部に突起１を進入させてゆくとき、隙間６を光が通過可能な状態、例えば、隙間６の広さが寸法Δ２になった状態で、突起１に対して端面３を位置決めしてもよい。この状態では、隙間６を測定光が通り抜けることができるので、隙間６に沿って光源８および受光装置９を相対移動させながら隙間６の各位置を通過する光の透過光像や透過光量をＣＣＤカメラの受光素子で検出すれば、突起１の先端部分１ａを除く各部の実輪郭形状や位置を測定あるいは観察できる。その後、隙間６、７の寸法をそれぞれΔ１、Δ２となるように位置決めすれば、先端部分１ａの実輪郭形状を測定あるいは観察できる。
【００２３】
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２に係る隙間形成用治具と対象物体の説明図である。実施形態２では、輪郭形状を測定すべき測定対象として、上記の工具２における直線部分１０を想定している。そして、隙間形成用治具１１は、直線部分１０と対応する長さの直線状の端面１２（第１端面）を備えている。端面１２には、一定のピッチで、微小な半円状の凹状輪郭の端面１３（第２端面）が形成されている。なお、端面１３の形状は半円形に限定されず、矩形状や台形状などの多角形状でもよいし、他の凹形状でもよい。図４には、直線部分１０と端面１２とを接近させて対峙させ、端面１２における端面１３を除く部分と直線部分１０との間にほぼ一定の寸法Δ３の隙間１４（第１隙間）を形成した状態を示す。このとき、凹状輪郭の端面１３における最奥部と直線部分１０との間には、隙間１４よりも広い隙間１５（第２隙間）が形成されている。
【００２４】
実施形態２では、実施形態１と同様に、直線部分１０と平行に配置した端面１２を、直線部分１０に向かって徐々に接近させる。このとき、端面１２と直線部分１０との隙間１４の幅を観察しながら徐々に接近させ、隙間１４の幅が、予め設定した寸法Δ３になった時点で接近を停止する。これにより、端面１３と直線部分１０との間に隙間１４よりも広い予め設定した寸法Δ４の幅の隙間１５を形成するように、隙間形成用治具１１を工具２の直線部分１０に対して位置決めする。
【００２５】
そして、図４のように対峙させた直線部分１０と端面１２の隙間に沿った各位置に、実施形態１と同様の光源８を用いて測定光を照射し、受光装置９を用いて通過光の透過光像を検出する。図５は検出した透過光像の説明図である。ここで、実施形態２における直線部分１０は、光源８から照射する測定光の波長の１／２以下の寸法であるような微細な形状変化を有している。言い換えれば、直線部分１０は、理想輪郭形状である直線形状に対して、測定光の波長の１／２以下程度の微細な形状誤差を有している。実施形態２では、このような直線部分１０に対して隙間形成用治具１１を位置決めしたときに、隙間１５の寸法Δ４が光源８から照射する測定光の波長よりもわずかに広く、且つ、隙間１４の寸法Δ３が、光源８から照射する測定光の波長よりも狭くなるように設定している。
【００２６】
このような設定により、位置決め状態では隙間１４を測定光が通過できず、隙間１４の部分における直線部分１０の透過光像を受光装置９で検出することができない。よって、隙間１４を通る光を検出できるか否かを観察しながら位置決めを行うことにより、容易かつ精度良く位置決めを行うことができる。そして、測定光は隙間１５を通過できるので、隙間１５の部分における直線部分１０の透過光像が受光装置９で検出される。
【００２７】
凹状輪郭の端面１３は、直線状の端面１２に沿って一定のピッチで形成されているので、直線部分１０に沿って光源８と受光装置９を相対移動させながら直線部分１０の全領域を測定すれば、一定のピッチで離散的に配置された直線部分１０の透過光像を検出できる。よって、これらの離散的な透過光像の間を補完した直線１６を描くことにより、直線部分１０の実輪郭形状の全体像が得られる。また、この透過光像から、直線部分１０の各部分の端面１２、１３に対する相対位置を判定することもできるので、隙間形成用治具１１の各部分に対する工具２の各部分の相対位置を把握することもできる。
【００２８】
このように、端面１３と直線部分１０との隙間１５の寸法Δ４を測定光の波長よりもわずかに広く設定することにより、隙間１５を測定光が確実に通過できる。よって、隙間１５を通過する光の透過光像を受光装置９で確実に検出できる。また、隙間１５の寸法Δ４を、直線部分１０の輪郭形状の測定に必要な分解能が得られる隙間寸法となるように設定しておくことにより、受光装置９で検出した透過光像から、直線部分１０の明確な実輪郭形状を判別できる。あるいは、この透過光像から、直線部分１０の端面１３に対する相対位置を判定して、隙間形成用治具１１の各部分に対する工具２の各部分の相対位置を測定することもできる。
【００２９】
なお、実施形態２において、受光装置９の各受光素子の検出出力に応じて各隙間１５を通る透過光量を検出し、検出した透過光量から各端面１３と直線部分１０との相対位置を算出して、直線部分１０の実輪郭形状や位置を把握する方法を用いても良い。
【００３０】
実施形態２では、直線部分１０を測定対象の輪郭形状部分としているが、滑らかな円弧状などの曲線部分の輪郭形状についても、同様の方法で把握できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態１に係る隙間形成用治具と対象物体の説明図である。
【図２】図１の隙間形成用治具と工具の隙間を通る光による透過光像の検出方法を示す説明図である。
【図３】検出した透過光像の説明図である。
【図４】実施形態２に係る隙間形成用治具と対象物体の説明図である。
【図５】検出した透過光像の説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    突起
１ａ  先端部分（突起状部分）
２    工具
３    端面（第１端面）
４    隙間形成用治具
５    端面（第２端面）
６    隙間（第１隙間）
７    隙間（第２隙間）
８    光源
９    受光装置
１０  直線部分
１１  隙間形成用治具
１２  端面（第１端面）
１３  端面（第２端面）
１４  隙間（第１隙間）
１５  隙間（第２隙間）
１６  直線
Δ１〜Δ４  寸法
【図１】
2010156630.tif 000003
【図２】
2010156630.tif 000004
【図３】
2010156630.tif 000005
【図４】
2010156630.tif 000006
【図５】
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