(57)【要約】【課題】単純な系で、精度がよく、角柱の根元部の角柱度も計測できるようにすること、【解決手段】角柱の一つの面に光ビームを射出する第１の照明手段４と、前記角柱の他の面に光ビームを射出する第２の照明手段５と、入射した光ビームの位置を検出する光位置検出手段１と、前記角柱の各面で反射した光ビームが前記光位置検出手段１で検出できるようにする前記角柱の位置決め手段３と、前記角柱の角柱度の計算を行う処理手段６とを備え、前記処理手段６は、前記光位置検出手段１で検出した２つの光ビーム間の距離と、前記角柱上の２つの光ビーム間の距離と、前記角柱と前記光位置検出手段間の距離とにより前記角柱の２面間の角柱度を計測する。【選択図】        図１
2006250593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
角柱の一つの面に光ビームを射出する第１の照明手段と、
前記角柱の他の面に光ビームを射出する第２の照明手段と、
入射した光ビームの位置を検出する光位置検出手段とを備え、
前記角柱の各面で反射した光ビームを前記光位置検出手段で検出できるようにし、前記光位置検出手段で検出した２つの光ビーム間の距離と、前記角柱上の２つの光ビーム間の距離と、前記角柱と前記光位置検出手段間の距離とにより前記角柱の２面間の角柱度を計測することを特徴とした角柱度計測方法。
【請求項２】
角柱の一つの面に光ビームを射出する第１の照明手段と、
前記角柱の他の面に光ビームを射出する第２の照明手段と、
入射した光ビームの位置を検出する光位置検出手段と、
前記角柱の各面で反射した光ビームが前記光位置検出手段で検出できるようにする前記角柱の位置決め手段と、
前記角柱の角柱度の計算を行う処理手段とを備え、
前記処理手段は、前記光位置検出手段で検出した２つの光ビーム間の距離と、前記角柱上の２つの光ビーム間の距離と、前記角柱と前記光位置検出手段間の距離とにより前記角柱の２面間の角柱度を計測することを特徴とした角柱度計測装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の照明手段から出射される光ビームの径を所望の大きさに調整するためのピンホールをそれぞれ備えることを特徴とした請求項２記載の角柱度計測装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の照明手段から出射される光ビームの光量の制御を行うことを特徴とした請求項２又は３記載の角柱度計測装置。
【請求項５】
前記角柱度計測装置で、角柱の各角柱度を計測し、該計測した各角柱度の合計から系の持つオフセットを求めることを特徴とした請求項２〜４のいずれかに記載の角柱度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度を検出する圧電ジャイロユニットのジャイロエレメント等の正確な直角が要求される微小角柱の角柱度を精密に計測することができる角柱度計測方法及び装置に関する。
【０００２】
例えば、直角四角柱の場合、直角からのずれを角柱度として算出する。ジャイロエレメントは、図２の形状をしており、形状の内側の角や、非破壊での計測が望まれ、必要な精度は、0.01°以下である。
【背景技術】
【０００３】
図２のような微小物体の角柱度を計測する方法として、角柱上面を顕微鏡等で拡大して撮像し、寸法計測を行い、計算により直角からのずれを求めるものがあった。図１０は従来例の説明図であり、拡大した角柱上面の高さがｙとし、Ｘ軸方向の直角からずれた寸法をΔｘとすると、直角からのずれΔθは次のようになる。
【０００４】
Δθ＝ｔａｎ-1（Δｘ／ｙ）
また、面の正確な角度を計測する手段として、オートコリメータが知られている。この方式を用いて計測対象上の２つの面を比較する場合、回転ステージ等の移動機構を用いて、計測対象の姿勢を変化させ、面ごとの角度を知ることができるものであった。
【０００５】
計測用に１ビームを用い、角柱を順に回転し、面ごとの角度を計測したのでは、回転の精度が角計測精度を決めるため必要な精度が得られないものであった。２ビームを使った微小物体の角度検出法としては、例えば特許文献１“立体部品の角度測定装置”があるが、２ビームを直線上に向かい合う配置はとっておらず、それぞれのビームに対して異なる位置センサを設けるものであった。
【特許文献１】特開平９−３０４０３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来のものは次のような課題があった。
【０００７】
角柱上面を顕微鏡等で拡大して撮像するものは、顕微鏡の空間分解能を１μｍとしても、得られる角度精度は0.1 °程度で、精度が不足するうえ、上面の角柱度しか計測できないという問題点があった。
【０００８】
オートコリメータを用いる場合、移動機構の位置決め精度が計測の精度を決めてしまうので、精密（高価）な移動機構が必要になる。また、面に対してほぼ垂直な方向から光線を照射する必要があるため、（図２に示した）内側の角を計測することができないものであった。
【０００９】
さらに、計測用に２ビームを用いるものは、それぞれのビームに対して異なる位置センサが必要なものであった。
【００１０】
本発明は、安価な構成で２面間の角度を高精度で計測し、根元部の角であっても計測可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
図１は本発明の角柱度計測装置のブロック図である。図１中、１は光位置検出手段、２は観察手段、３は位置決め手段、４は照明手段（第１の）、５は照明手段（第２の）、６は処理手段、７は出力手段である。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するため次のように構成した。
【００１３】
（１）：角柱の一つの面に光ビームを射出する第１の照明手段４と、前記角柱の他の面に光ビームを射出する第２の照明手段５と、入射した光ビームの位置を検出する光位置検出手段１と、前記角柱の各面で反射した光ビームが前記光位置検出手段１で検出できるようにする前記角柱の位置決め手段３と、前記角柱の角柱度の計算を行う処理手段６とを備え、前記処理手段６は、前記光位置検出手段１で検出した２つの光ビーム間の距離と、前記角柱上の２つの光ビーム間の距離と、前記角柱と前記光位置検出手段間の距離とにより前記角柱の２面間の角柱度を計測する。このため、単純な系で、精度がよく、角柱の根元部の角柱度も計測することができる。
【００１４】
（２）：前記（１）記載の角柱度計測装置において、前記第１及び第２の照明手段４、５から出射される光ビーム径を制御するためのピンホールをそれぞれ備える。このため、ビーム径を最適な大きさとすることができ正確なビームの位置を検出することができる。
【００１５】
（３）：前記（１）又は（２）記載の角柱度計測装置において、前記第１及び第２の照明手段４、５から出射される光ビームの光量の制御を行う。このため、光ビーム位置の検出感度を最適にすることができる。
【００１６】
（４）：前記（１）〜（３）のいずれかに記載の角柱度計測装置において、前記角柱度計測装置で、角柱の各角柱度を計測し、該計測した各角柱度の合計から系の持つオフセットを求める。このため、光学系のもつ計測値のオフセットを容易に取り除くことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば次のような効果がある。
【００１８】
（１）：角柱の位置決め手段で角柱の各面で反射した光ビームが同時に光位置検出手段で検出できるようにし、処理手段で、前記光位置検出手段で検出した２つの光ビーム間の距離と、前記角柱上の２つの光ビーム間の距離と、前記角柱と前記光位置検出手段間の距離とにより前記角柱の２面間の角柱度を計測するため、単純な系で、精度がよく、角柱の根元部の角柱度も計測することができる。
【００１９】
（２）：第１及び第２の照明手段から出射される光ビーム径を所望の大きさに調整するためのピンホールをそれぞれ備えるため、ビーム径を制御することができ正確なビームの位置を検出することができる。
【００２０】
（３）：第１及び第２の照明手段から出射される光ビームの光量の制御を行うため、光ビーム位置の検出感度を最適にすることができる。
【００２１】
（４）：角柱度計測装置で、角柱の各角柱度を計測し、該計測した各角柱度の合計から系の持つオフセットを求めるため、光学系のもつ計測値のオフセットを容易に取り除くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の構成では、光源から射出した２ビームを角柱に対して向かい合わせて配置し、光テコの原理を用い、反射した２ビームを１つのセンサで計測することで、系を単純化でき、精度がよく、根元部の角柱度も測ることができるものである。
【００２３】
（１）：角柱度計測装置の説明
図１は角柱度計測装置のブロック図である。図１において、角柱度計測装置には、光位置検出手段１、観察手段２、位置決め手段３、照明手段４、５、処理手段６、出力手段７が設けてある。
【００２４】
光位置検出手段１は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device ）カメラ、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector 又はPosition Sensitive Diode）等の２つのビームの位置を検出するものである。観察手段２は、ＣＣＤカメラ等の角柱の位置を計測（観察）するものである。位置決め手段３は、角柱の位置を決める把持部である。照明手段４、５は、２ビームを向かい合わせて照射するためのレーザダイオード等の照明部である。処理手段６は、２つのビームの光位置検出手段１上のビーム距離（Ａ）と、角柱上のビーム距離（Ｂ）とを知ることで、角柱と光位置検出手段１との距離（Ｄ）から、角柱度（Δθ）を求める（計算する）ものである。また、処理手段６は、照明手段４、５の光量を適正な値にする光量の制御、位置決め手段３の位置決め制御及び光学系のオフセットをキャンセルするためにオフセットの算出等も行うものである。出力手段７は角柱度等の出力を行うものである。
【００２５】
（２）：ジャイロエレメントの説明
図２はジャイロエレメントの説明図である。図２において、角速度センサとして使用する圧電ジャイロエレメントは、２つの角柱１２が下部でつながったＵ字状をしており、この例では、２つの角柱１２は４５０μｍの間隔があり、角柱１２の上面の１辺の長さは６５０μｍである。
【００２６】
（３）：角柱度計測の説明
図３は角柱度計測の説明図である。図３において、対象（角柱１２）上の２面間の角度を計測する角柱度計測装置には、２つの平行化したレーザ光源を一直線上に向かい合わせて配置した照明部１０と、照明部１０から射出した２つのレーザビームに計測対象を挿入して固定する把持部２０と、対象で反射した２つのレーザビーム位置を遠方で計測する光位置センサ１１と、対象の位置を計測する位置計測光学系３０とが設けてある。
【００２７】
照明部１０には、レーザダイオードとビームを平行化するための光学系からなるレーザダイオードモジュールＬＤ１とビーム径を調整するためのピンホール(1) 、及びレーザダイオードモジュールＬＤ２と、このビーム径を調整するためのピンホール(2) が設けてある。なお、ピンホールの替わりにレンズでビームの大きさを変えるようにしてもよい。光位置センサ１１は、対象で反射した２つのレーザビーム位置をレンズを介さずに遠方で計測するＣＣＤカメラ１である。把持部２０は、計測対象（角柱１２）をレーザビームの照射位置に位置決め固定するものである。この位置決めには６軸ステージ（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸及びそれぞれの回転方向）の制御が行われる。位置計測光学系３０は、対象の位置を計測するＣＣＤカメラ２（観察用）であり、結像のためのレンズ１４を介して対象の位置を計測するものである。
【００２８】
対象上の２面間の角柱度を計測するには、光位置センサ１１で計測したセンサ上の２ビーム間の距離と、位置計測光学系３０の計測値から求めた対象上での２ビーム間の距離とから計測するものである。
【００２９】
（４）：計測原理の説明
図４は計測原理の説明図であり、図４（ａ）は角柱度の説明、図４（ｂ）はカメラ１（光位置センサ）の説明、図４（ｃ）はカメラ２（５倍）の説明である。図４（ａ）において、把持部２０に挿入された角柱１２が設けてあり、ビーム(1) とビーム(2) の角柱１２上の距離（角柱が直角である時の２つのビーム間の距離（Ｂ））を示している。
【００３０】
図４（ｂ）において、ＣＣＤカメラ１のセンサ（この例では長さ４．８ｍｍ）であり、上方にビーム(1) があり下方にビーム(2) （点線）がある。このＣＣＤカメラ１上の２つのビーム間の距離（Ａ）を示している。各ビームの中心（一点鎖線）位置は、ビームの分布であるガルシアンを求め分布の一番立ち上がった点（分布のピーク位置）とする、又は、分布の重心を求める方法等で行う。また、２つのビームは、一方づつ入射（点灯）して検出すると、ビームが重なっていてもビーム間の距離を正確に検出することができ、２つのビームを色分けしてそれぞれを検出し易くすることもできる。
【００３１】
図４（ｃ）において、ＣＣＤカメラ２（この例では検出部の長さ１ｍｍ）であり、角柱の一面が写っており、角柱の一面の中央に一方のビームが当たるように位置決めされる。ここで２つのビームが当たる角柱面の辺からの距離をそれぞれＢ' とし、角柱上の２つのビーム間の距離をＢとすると、Ｂ＝２1/2 ×Ｂ' となる（四角柱のため）。
【００３２】
角柱度は、挿入した角柱が厳密に直角であれば角柱上の２つのビームの距離と、ＣＣＤカメラ１上でのビームの距離は一致する。角が直角からわずかにずれた場合、２つのビームは、広がるか窄まるかするので、ＣＣＤカメラ１上のビーム距離（Ａ）と、角柱上のビーム距離（Ｂ）とを知ることで、角柱度（Δθ）を求めることができる。角柱とＣＣＤカメラ１との距離をＤとすると、直角からのずれが１度以下の場合、Δθ( °) は次のように式(1) 、(2) で求められる。
【００３３】
Δθ＝ｔａｎ-1（Ｂ−Ａ）／（２Ｄ）
この角度（ラジアン）は非常に小さいから
Δθ≒（Ｂ−Ａ）／（２Ｄ）
この角度（ラジアン）を度に変換すると
Δθ＝９０／πＤ・（Ｂ−Ａ）・・・ (1)
ここでＤを一定とすると、
Δθ＝ｋ（Ｂ−Ａ）・・・  (2) 
となり、Ｄ＝２００ｍｍの場合、ｋ≒１／７（°／ｍｍ）である。したがって、光位置センサ上で１画素（約７μｍ）以下の距離計測精度が得られれば、角計測精度は、0.001 °以下となる。
【００３４】
（５）：キャリブレーション方式の説明
本装置のキャリブレーション方式は、４面ミラー角柱を用い、４角の計測値の合計から、光学系のもつオフセットを算出し、キャンセルする方式である。この計測で最も重要な点は、真の直角に対して、Δθ＝０  と結果を出し、わずかな鋭角・鈍角の違いを正確に判定できる点である。
【００３５】
図５はオフセットの生じる理由の説明図である。図５において、例えばビーム(1) は正確であるがビーム(2) にずれ（２つのビーム間のずれ）がある場合、角柱が正確なものであっても、ＣＣＤカメラ１上のビーム距離（Ａ）と角柱上のビーム距離（Ｂ）とは同じでなく、Ａ−Ｂだけの角柱度計測のオフセットが生じる。
【００３６】
この光学系のもつ計測値のオフセットをあらかじめ算出する方法を、図６、図７で説明する。図６はキャリブレーション用角柱の説明図であり、図６（ａ）は角柱の説明、図６（ｂ）は４角の説明である。
【００３７】
図６（ａ）において、キャリブレーション角柱は、例えば一辺が５００μｍの校正用の角柱であり、４面にミラー加工をした角柱を用いる。図６（ｂ）において、図６（ａ）のキャリブレーション用角柱の４つの角度をそれぞれθ1 、θ2 、θ3 、θ4 とする。
【００３８】
図７はオフセット計測の説明図である。図７において、本計測装置で、キャリブレーション用角柱を回転させ、それぞれの角柱度（計測値）Δθ（真値＋オフセット）を計測し、４角の合計を算出する。４角の合計は４直角なので、角柱度（真値）の合計値は０となる。したがって、計測値の合計は系の持つオフセットの４倍（４θ0 ）となる。これにより系の持つオフセットθ0 を求めることができる。この値を記録し、実際の計測時に算出された値から差し引くことで、系統誤差を取り除くことができる。このキャリブレーション用の４角柱のそれぞれの角には、精密な精度は必要なく、 0.2°程度の精度で、概ね直角であればよい。
【００３９】
このように、角柱度計測の従来法に比べて、精度が１００倍で、根元部の角柱度も測れる利点を持つ。従来のように１ビームとし、順に回転し、面ごとの角度を計測したのでは、回転の精度が角計測精度を決め必要な精度が得られない。本発明の構成では、２ビームを一直線上に向かい合う配置として、１つのセンサで計測することで、系を単純化している。
【００４０】
（６）：三角柱の角柱度計測の説明
図８は三角柱の角柱度計測の説明図である。図８において、三角柱の角柱度計測には、光位置センサ１１、観察用カメラ１３、レンズ１４、三角柱２２、レーザダイオードモジュールＬＤ１、レーザダイオードモジュールＬＤ２が設けてある。
【００４１】
光位置センサ１１は、計測する対象（三角柱２２）で反射した２つのレーザビーム位置をレンズを介さずに遠方で計測するＣＣＤカメラである。観察用カメラ１３は、対象の位置を計測するＣＣＤカメラ（観察用）であり、結像するためのレンズ１４を介して対象の位置を計測するものである。三角柱２２は、図示しない把持部により位置決めされる角柱度を計測する対象である。レーザダイオードモジュールＬＤ１は、三角柱２２の一面にビームを射出する照明部である（ピンホールは省略）。レーザダイオードモジュールＬＤ２は、レーザダイオードモジュールＬＤ１と異なる三角柱２２の面にビームを射出する照明部である（ピンホールは省略）。
【００４２】
レーザダイオードモジュールＬＤ１から射出されたビームは、三角柱２２の一面で反射し光位置センサ１１で検出される。また、レーザダイオードモジュールＬＤ２から射出されたビームは、レーザダイオードモジュールＬＤ１のビームを反射する面とは異なる三角柱２２の面で反射し同じ光位置センサ１１で検出される。対象上の２面間の角柱度（６０°からのずれ）を計測するには、光位置センサ１１で計測したセンサ上の２ビーム間の距離と、対象上での２ビーム間の距離とから、対象上の２面間の角柱度を計測するものである。
【００４３】
三角柱の角柱度計測のキャリブレーション方式では、キャリブレーション用の３面ミラー角柱を用い、３角の計測値の合計から、光学系のもつオフセットを算出し、キャンセルする方式である。この計測では、計測値の合計は系の持つオフセットの３倍（３θ0 ）となる。これにより系の持つオフセットθ0 を求めることができる。
【００４４】
（７）：六角柱の角柱度計測の説明
図９は六角柱の角柱度計測の説明図である。図９において、三角柱の角柱度計測には、光位置センサ１１、観察用カメラ１３、レンズ１４、六角柱３２、レーザダイオードモジュールＬＤ１、レーザダイオードモジュールＬＤ２が設けてある。
【００４５】
光位置センサ１１は、対象（六角柱３２）で反射した２つのレーザビーム位置をレンズを介さずに遠方で計測するＣＣＤカメラである。観察用カメラ１３は、対象の位置を計測するＣＣＤカメラ（観察用）であり、結像するためのレンズ１４を介して対象の位置を計測するものである。六角柱３２は、図示しない把持部により位置決めされる角柱度を計測する対象である。レーザダイオードモジュールＬＤ１は、六角柱３２の一面にビームを射出する照明部である（ピンホールは省略）。レーザダイオードモジュールＬＤ２は、レーザダイオードモジュールＬＤ１と異なる六角柱３２の面にビームを射出する照明部である（ピンホールは省略）。
【００４６】
レーザダイオードモジュールＬＤ１から射出されたビームは、六角柱３２の一面で反射し光位置センサ１１で検出される。また、レーザダイオードモジュールＬＤ２から射出されたビームは、レーザダイオードモジュールＬＤ１のビームを反射する面とは異なる六角柱３２の面で反射し同じ光位置センサ１１で検出される。対象上の２面間の角柱度（１２０°からのずれ）を計測するには、光位置センサ１１で計測したセンサ上の２ビーム間の距離と、対象上での２ビーム間の距離とから、対象上の２面間の角柱度を計測するものである。
【００４７】
六角柱の角柱度計測のキャリブレーション方式では、キャリブレーション用の６面ミラー角柱を用い、６角の計測値の合計から、光学系のもつオフセットを算出し、キャンセルする方式である。この計測では、計測値の合計は系の持つオフセットの６倍（６θ0 ）となる。これにより系の持つオフセットθ0 を求めることができる。
【００４８】
なお、前記では、三角柱、四角柱、六角柱の角柱度（それぞれの正三角柱、正四角柱、正六角柱からのずれ）の説明をしたが、他の角柱の角柱度の計測にも適用することができる。また、光位置センサ１１としてＣＣＤカメラを用いる説明をしたが、ＰＳＤ等の他の光位置センサを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の角柱度計測装置のブロック図である。
【図２】本発明のジャイロエレメントの説明図である。
【図３】本発明の角柱度計測の説明図である。
【図４】本発明の計測原理の説明図である。
【図５】本発明のオフセットの生じる理由の説明図である。
【図６】本発明のキャリブレーション用角柱の説明図である。
【図７】本発明のオフセット計測の説明図である。
【図８】本発明の三角柱の角柱度計測の説明図である。
【図９】本発明の六角柱の角柱度計測の説明図である。
【図１０】従来例の説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  光位置検出手段
２  観察手段
３  位置決め手段
４  照明手段（第１の）
５  照明手段（第２の）
６  処理手段
７  出力手段
【図１】
2006250593.tif 000003
【図２】
2006250593.tif 000004
【図３】
2006250593.tif 000005
【図４】
2006250593.tif 000006
【図５】
2006250593.tif 000007
【図６】
2006250593.tif 000008
【図７】
2006250593.tif 000009
【図８】
2006250593.tif 000010
【図９】
2006250593.tif 000011
【図１０】
2006250593.tif 000012