(57)【要約】  コヒーレント光線（２０）を加工部品（１０）のアパーチャ（１６）に通過させることにより加工部品（１０）の厚さを高精度に測定する。代替的に、アパーチャ（１６’）を加工部品（１０）の縁と外側の基準プレート（３０）との間に作り出し得る。光は加工部品（１０）の離れた側で回折されて、その回折パターンはＣＣＤカメラ（２２）により捕捉される。捕捉された画像は、捕捉された回折パターンを記憶されて参照された値と比較するコンピュータ（２４）により分析されて、加工部品（１０）の厚さが許容範囲内であるかどうかが決定される。その方法はミクロンまたはサブミクロン分解能の測定を行うことができ、大量生産品質制御の用途に容易に適用可能な強固な処理である。
2008542714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工部品の厚さを測定する方法であって、前記方法は、
少なくとも一方の側が加工部品によって確立されたアパーチャを形成する工程と、
光線をアパーチャに通過させて加工部品の離れた側に光回折パターンを生じる工程と、
回折パターンを捕捉する工程と、
捕捉された回折パターンを測定して加工部品の厚さを決定する工程であって、回折パターンの測度は加工部品厚さを表す工程と、
を含む、方法。
【請求項２】
基板上に存在する最上材料層を含む複合構造物として加工部品を形成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
基板上にコーティングとして最上層を形成することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
最上層は粉体塗装作業において形成される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
アパーチャを形成する前記工程は、基板と最上材料層を通る開口を同時に形成することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
光線を通過させる前記工程はコヒーレント光を発生させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
コヒーレント光を発生させる前記工程はレーザ装置を稼動することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
アパーチャを形成する前記工程は非円形の穴を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記測定する工程は、データを受信、処理および呈示する装置で回折パターンを分析することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
回折パターンを捕捉する前記工程は、アパーチャを通過する光の経路にＣＣＤカメラを位置付けることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
アパーチャを形成する前記工程は、固体材料でアパーチャのすべての側を境界付けることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
アパーチャを形成する前記工程は、基準プレートを加工部品の縁に隣接して位置付けることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
加工部品の厚さを測定するための方法であって、前記方法は、
既知の厚さのテストピースを提供する工程と、
少なくとも一方の側がテストピースにより確立されるアパーチャを形成する工程と、
光線をアパーチャに通過させてテストピースの離れた側に光回折パターンを生じる工程と、
回折パターンを捕捉する工程と、
捕捉された回折パターンを基準回折パターンとして記憶する工程と、
参照された回折パターンをテストピースの既知の厚さに関連付ける工程と、
少なくとも一方の側が未知の厚さの加工部品により確立されたアパーチャを形成する工
程と、
光線を加工部品のアパーチャに通過させて加工部品の離れた側に光回折パターンを生じる工程と、
回折パターンを捕捉する工程と、
加工部品から捕捉された回折パターンを参照された回折パターンと比較して、加工部品の厚さがテストピースの既知の厚さに等しいかどうかを決定する工程と、
を含む、方法。
【請求項１４】
基板の上に存在する最上材料層を含む複合体として加工部品を形成する工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
加工部品にアパーチャを形成する前記工程は、基板と最上材料層とを通る開口を同時に形成することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
光線を通過させる前記工程は、コヒーレント光を発生させることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
加工部品にアパーチャを形成する前記工程は、非円形の開口を形成することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
回折パターンを捕捉する前記工程は、アパーチャを通過する光の経路にＣＣＤカメラを位置付けることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
加工部品にアパーチャを形成する前記工程は、加工部品の縁に隣接して基準プレートを位置付けることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
所定経路において進行する複数の加工部品の厚さを検査する方法であって、
所定経路に沿って複数の加工部品を運搬する工程であって、加工部品は未知の厚さである工程と、
加工部品に光線を向けて、少なくとも一方の側が各加工部品により確立されたアパーチャに光線を通過させて加工部品の離れた側に各加工部品に固有の光回折パターンを投射する工程と、
回折パターンを捕捉する工程と、
捕捉された回折パターンを測定して加工部品の厚さを決定する工程であって、回折パターンは加工部品厚さを表す工程と、
を含む、方法。
【請求項２１】
前記測定する工程は、各加工部品から捕捉された回折パターンを、既知の加工部品厚さと関連した参照された回折パターンと比較することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
最上材料層が基板に塗布された複合体として加工部品を形成する工程をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
光線を向ける前記工程は、コヒーレント光を発生させることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
光線を向ける前記工程は、加工部品がそこを通って運搬される間、一貫した経路に光線を維持することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
回折パターンを捕捉する前記工程は、各アパーチャを通過する光の経路にＣＣＤカメラ
を位置付けることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
測定された厚さが許容範囲から逸脱している場合、加工部品を所定経路から外す工程をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
運搬する工程はアパーチャが基準プレートと通過する各加工部品との間に形成されるように、加工部品を移動させて基準プレートを通過させることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、アパーチャを通るまたは縁を横切るコヒーレント光線を回折し、回折パターンを基準回折パターンと比較することにより物体の厚さを測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術
製造環境において、しばしば製造された部品または加工部品の厚さを高精度に測定する必要性がある。用途によっては、ミクロンまたはサブミクロン分解能の厚さ測定が必要である。
【０００３】
高分解能厚さ測定が求められる状況で、測定は表面に対する複合レーザ光線の反射に基づいて計算されるレーザ三角測量の技術を使用することが提案されてきた。光学測定方法の１つの問題は、不必要な光反射によって生じるいわゆる「ノイズ」から来るものである。このようなノイズは誤検出および／または検出漏れを生成し得る。大量の量産製造作業において、品質制御標準はしばしば１００万当たり１部品または２部品以下の不良品統計値を求める。許容可能加工部品と許容不可能加工部品との間の差が２，３ミクロンの範囲の厚さ測定である場合、一貫した製品品質を達成維持することは難問であり得る。
【０００４】
従って、高精度で、強固で、不必要な反射から生じる光ノイズに敏感でなく、かつ高生産量設定に適応可能である厚さ測定技術に対する必要性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の要旨および利点
本発明は加工部品の厚さを測定する方法を含み、該方法は、加工部品を通るアパーチャを形成する工程と、光線をアパーチャに通過させて加工部品の離れた側に光回折パターンを生じる工程と、回折パターンを捕捉する工程と、捕捉された回折パターンを測定して加工部品の厚さを決定する工程とを含む。回折パターンの測度は加工部品厚さを表し、許容回折パターン測定が許容範囲にある加工部品厚さに関連付けされ得る。
【０００６】
本発明の別の態様によると、加工部品の厚さを測定するための方法は、既知の厚さのテストピースを提供する工程と、テストピースを通るアパーチャを形成する工程と、光線をアパーチャに通過させてテストピースの離れた側に光回折パターンを生じる工程と、回折パターンを捕捉する工程と、捕捉された回折パターンを測定して基準回折パターンを確立する工程と、基準回折パターンをテストピースの既知の厚さに関連付ける工程とを含む。その後、未知の厚さの加工部品を通ってアパーチャが形成され、光線は加工部品のアパーチャを通過させられて、加工部品の離れた側に光回折パターンを生じる。回折パターンは捕捉されて、その後参照された回折パターンと比較されて、加工部品の厚さがテストピースの既知の厚さに等しいかどうかを決定する。
【０００７】
本発明のさらに別の態様によると、所定の経路を進行する複数の加工部品の厚さを検査する方法は、所定経路に沿って複数の加工部品を運搬する工程であって、加工部品は未知の厚さであり、各々はそこを通って形成された同一の寸法のアパーチャを有する工程を含む。方法は、順次加工部品に光線を向けて、光線が各加工部品のアパーチャを連続して通過して、加工部品の離れた側に各加工部品固有の光回折パターンを投射する工程を続ける
。回折パターンは捕捉されて、その後測定されて加工部品の厚さを決定する。
【０００８】
表面に反射されずにアパーチャを通過させられる光を分析するという原則に基づいて作用する本発明は、より高い信号対ノイズ率を提供し、これにより厚さ測定をより強固にする。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴ならびに利点は、添付の図面に関連して考察される際に以下の詳細な説明を参照することによりさらに理解されるようになり、より容易に認識されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
好適な実施形態の詳細な説明
図を参照して、同じ番号はいくつかの図を通じて同じまたは対応する部品を示し、本発明による加工部品は概ね１０で示される。加工部品１０は製造の任意の品物を含み得るが、好適には測定される領域において概ね平面状の一貫した断面厚さを有するタイプである。また、加工部品１０は厳格な公差に従ってその寸法厚さが測定されなければならないタイプである。本発明の方法はおよそ２、３ミクロンまたはそれを下回る加工部品の厚さを測定するのにうまく適してある。
【００１１】
例示目的としてのみ、かつ決して限定的でなく、加工部品１０はクランクシャフトとメインベアリングまたは連接棒のいずれかとの間に位置付けられるタイプのエンジンベアリングを含み得る。このようなエンジンベアリングは厳格な公差に従って製造されなければならないので、本発明に対する加工部品の良い例である。さらに、多くの加工部品のようにエンジンベアリングは最上材料層１２と基礎をなす基板１４を含む複合体として製造される。加工部品製造処理時において最上層１２に塗布するのに使用される技術には厳格な制御が求められることが極めて多い。多数のパラメータ変化のうちのいずれか１つでも、最上層１２が厚くまたは薄く蒸着されすぎるか、または塗布されすぎるという結果を生じ得る。粉体塗装の例では、噴霧機器または他のハンドリングもしくは後処理工程がその後正確に行われない場合は、最上層１２は許容不可能な蒸着厚になり得る。これにより、許容外の厚さを有する仕上がり加工部品１０となり得る。
【００１２】
測定されている加工部品１０の特定のタイプに依存して、典型的には厚さ測定が所望される何らかの箇所において、加工部品１０を通るアパーチャ１６を形成する機会がある。本発明の１つの好適な実施形態では、アパーチャ１６は測定される加工部品１０の厚さを完全に通過して形成されなければならない。従って、加工部品１０が最上層１２および基板１４などの多層に構成されている場合、アパーチャ１６は一方の表面から他方の表面に完全に開放した、完全貫通口を形成しなければならない。アパーチャ１６は円形または他を含む任意の適切な形状であり得るが、図においては回折光学の分野で従来受け入れられている細長いスリットの形態を取って示される。さらには、アパーチャ１６は加工部品１０の残りの部分によりすべての側において完全に境界される必要はない。代わりに、アパーチャ１６は加工部品１０の縁から内側に向かって伝搬する切り欠きまたは切断の形態を取り得る。適用によっては、アパーチャ１６は突出障害物の形態さえも取り得る。というのはアパーチャ１６の目的は光波と相互作用して回折効果を生じることだからである。そして回折効果は、入射光波が有限サイズの障害物またはアパーチャのいずれかと相互作用する際に発生し得ることは周知である。光波が障害物の回りで屈折するか、またはアパーチャ１６から広がると、波は外側に伝播して、その結果分析可能な回折パターンが生じる。
【００１３】
図１を参照すると、光線を生成する装置は概ね１８で示される。好適には、この装置はコヒーレント光、すなわち同じまたはほとんど同じ波長で、かつフィールドにおける異な
るポイント間で明確な位相関係を有する放射電磁気エネルギーを生成することが出来るレーザまたは他の装置からなる。レーザ１８が稼動されると、加工部品１０におけるアパーチャ１６に向けられる光線２０を発する。光波がアパーチャ１６と相互作用すると、光波はよく知られる水波のようにアパーチャから広がり、加工部品１０の離れた側で回折効果を生じる。この回折効果は図１の光線２０の広がりにより表される。
【００１４】
ＣＣＤカメラ２２などの装置は回折された光線２０の経路に位置付けられて、回折パターンを捕捉する。ＣＣＤカメラの場合、この回折パターンは電荷結合素子、すなわちＣＣＤと呼ばれる１個のシリコン上で捕捉される。このシリコンウェハは、通常ミクロ製造されて、個々の感光セルのアレイに分割化された固体電子構成部品である。それ故に、ＣＣＤカメラ２２はアパーチャ１６を通過するレーザ光２０により生成される回折シグネチャを収集するが、各感光セルは所定の空間位置において光の所定強度を登録している。これらの関係、すなわち位置の関数としての強度は容易にプロットされグラフ化され得る。捕捉された回折パターンから強度対位置データを受信、処理および呈示するための装置がＣＣＤカメラ２２に操作可能に連結され得る。この装置は、好適には強度および位置の値を測定することにより、その後加工部品１０の厚さを決定するようにプログラミングされたコンピュータであり得る。回折パターンは加工部品１０の厚さを表すので、測定された回折パターンの変化は加工部品１０の厚さが公差外であり得るかどうかを結論付けるのに有用である。
【００１５】
回折パターンそれ自体を測定する代わりに、コンピュータ２４は捕捉された回折パターンを記録されたメモリに含まれる１つ以上の基準パターンと比較することにより加工部品１０の厚さを決定し得る。例えば、図４Ａ乃至図４Ｃは、それぞれ同じ寸法のアパーチャ１６を含む３つの異なる加工部品１０に対する回折パターンを表す。但し、図４Ａにおける加工部品１０の厚さは、図４Ｂにおける加工部品１０の厚さより１０ミクロン小さい。また、図４Ｂに関連した加工部品１０は図４Ｃの回折パターンに関連した加工部品１０より１０ミクロン薄い。
【００１６】
図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃの回折パターンを比較することにより、図４Ａの回折パターンを生成させた加工部品１０の厚さは４Ｂの回折パターンを生成した加工部品１０よりも１０ミクロン薄く、図４Ｃの回折パターンを生成した加工部品１０よりも２０ミクロン薄いことが明らかである。グラフ形態において図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃに対応する画像の強度値を比較することにより、さらなる有用な情報が収集可能である。距離の関数としてのこれらの強度値比較を示すグラフは図５に提供される。
【００１７】
比較技術または測定技術のいずれかを使用して、コンピュータ２４は加工部品１０により生成された捕捉回折パターンを分析して、加工部品１０の厚さが許容範囲内か範囲外かを決定する。当然、許容範囲の幅は加工部品１０の意図された用途により決定される。
【００１８】
加工部品１０厚さを決定するための本比較技術によると、既知の厚さを有するテストピースが提供される。テストピースは好適には、すべての点において加工部品１０と同一である。アパーチャは加工ピース１０におけるアパーチャ１６と寸法上同一である加工ピースを通って形成される。レーザ１８からの光線２０は、テストピースにおけるアパーチャを通過させられてテストピースの離れた側において光回折パターンを生じる。この回折パターンはＣＣＤカメラ２２によって捕捉されて、その後測定されて、かつ／またはコンピュータメモリに記憶される。この捕捉された回折パターン（および／または測定特徴）はテストピースの既知の厚さに関連付けられる。それ故に、実際の加工部品１０がこの回折パターン捕捉技術を使用して測定された場合、加工部品１０から捕捉された回折パターンはテストピースにより生じた参照された回折パターンと比較されて、加工部品１０の厚さがテストピースの厚さと等しいかどうかコンピュータ２４により決定がなされる。
【００１９】
これより図６を参照すると、所定経路に沿って進行する複数の加工部品１０の厚さを検査する方法が示される。所定経路は、好適には材料ハンドリング装置２６を含み、これは図６の実施例では簡単なコンベヤーベルトである。または、材料ハンドリング装置２６は予測可能な経路において加工部品１０を移動させるカルーセルまたは任意の他のタイプのユニットであり得る。本シナリオでは、厚さが品質制御の目的で決定され得るように材料ハンドリング装置２６は製造操作から直接加工部品１０を先導し得る。レーザ１８は、その光線２０が加工部品１０の通過アレイに向けられるように材料ハンドリング装置２６に隣接して位置付けられる。光線２０は通過するすべての加工部品１０におけるアパーチャ１６を通過するように焦点が当てられるので、加工部品１０の向きが重要である。または、厚さの統計的サンプリングが十分であれば、１０００当たり所定数の加工部品１０だけにアパーチャ１６を設けて、本方法に従って測定するだけでもよい。
【００２０】
ＣＣＤカメラ２２は材料ハンドリング装置２６の反対側に設置され、加工部品１０が光線２０を横切ると加工部品１０の離れた側から発する回折パターンをすぐに受信するようになっている。コンピュータ２４は各加工部品１０の固有の回折パターンを速やかに分析して、加工部品１０の厚さが許容範囲内にあるかどうかについて測定決定を行う。許容範囲内にない場合は、コンピュータ２４は材料ハンドリング装置２６の所定経路から加工部品１０を外す不合格品装置２８と連結され得る。
【００２１】
図６の実施例では、加工部品１０が運搬されてそこを通り過ぎる間、レーザ１８と光線２０は固定したままであることが提案されているが、他の配置および構成が可能である。例えば、レーザ１８とＣＣＤカメラ２２は加工部品１０が所定の経路を進行する際に、加工部品１０と共に移動し得るか、または加工部品１０は固定したままであるが、レーザ１８とＣＣＤカメラ２２が所定経路を移動し得る。
【００２２】
当業者は同様に他の構成を理解するであろう。例えば、図７においては本発明の他の好適な実施形態が示され、アパーチャ１６’は加工部品１０の外縁と基準プレート３０との間に形成される。基準プレート３０は、本実施例では加工部品１０が材料ハンドリング装置２６’に沿って運搬されている間固定される。但し、加工部品１０と基準プレート３０が両方とも同時に動くまたは固定している可能性と同様に、逆動作も同等に可能である。いかなる場合も、光線２０はアパーチャ１６’に向けられ、それにより回折パターンは反対側に生じる。任意の既知の技術を使用して、捕捉された回折パターンを分析して、加工部品１０の厚さが許容範囲内または範囲外であるかどうかを決定し得る。この代替実施形態は、穴または切り欠きが便利でない状況において加工部品１０に穴または切り欠きを形成する必要を未然に防ぐという利点を有する。
【００２３】
本発明は例示的に説明されたが、使用されている用語は限定ではなく説明の言葉としての性質を帯びることが意図されることを理解すべきである。当然、上記の教示を鑑み本発明の多くの変形および変更が可能である。そのために、添付の請求項の範囲内で、本発明は具体的に説明された以外の方法で実践され得ることを理解すべきである。本発明は請求項により定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】コヒーレント光線が加工部品におけるアパーチャを通過させられて、ＣＣＤカメラで捕捉され、最後にコンピュータにより処理される様子を示す概略図である。
【図２】コヒーレント光線が通過され得るアパーチャが備えられた例示的な加工部品の斜視図である。
【図３】図２のライン３−３に沿った加工部品の断面図である。
【図４】図４ＡはＣＣＤカメラにより捕捉された例示的な回折パターンのセクタを表す図である。図４ＢはＣＣＤカメラにより捕捉された例示的な回折パターンのセクタを表す図であり、かつ図４Ａとは厚さにおいて１０ミクロンの変化を表す図である。図４ＣはＣＣＤカメラにより捕捉された例示的な回折パターンのセクタを表す図であり、かつ図４Ｂとは厚さにおいて１０ミクロンの変化を表す図である。
【図５】回折パターンの中心からの距離の関数として図４Ａ乃至図４Ｃにおいて呈示された各画像の強度値を比較するグラフである。
【図６】大量生産設定において順次製造される加工部品の厚さを検査するための方法を示す簡略図である。
【図７】本発明の代替実施形態の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【国際調査報告】
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