(57)【要約】【課題】極小径工具を対象とし、レーザ回折光を用いた方法により、基準プレートを用いること無く、超精密加工における工具管理としての極小径工具の工具径を精密測定する。【解決手段】本発明は、レーザ光を用いて被測定マイクロ工具の幅を精密に測定する。マイクロ工具の被測定幅を超える幅と極薄い厚さとを有する平坦なシート状のレーザ光を発生して、該マイクロ工具を使用する機械上に取り付けてその回転中に該マイクロ工具に照射する。被測定マイクロ工具に照射されて該工具により遮蔽されずにその被測定幅両側から回り込むことにより回折した回折光は、所定の焦点距離f を有する結象レンズを介して、その焦点面に備えたラインセンサにより検出される。この検出される回折光パターンの中心ピークを、ラインセンサの前に設けた遮蔽板または画像処理によって取り除くことにより、検出された回折光パターンからマイクロ工具の被測定幅を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を用いて被測定マイクロ工具の幅を精密に測定する精密工具測定方法において、
前記マイクロ工具の被測定幅を超える幅と極薄い厚さとを有する平坦なシート状のレーザ光を発生して、該マイクロ工具を使用する機械上に取り付けてその回転中に該マイクロ工具に照射し、
被測定マイクロ工具に照射されて該工具により遮蔽されずにその被測定幅両側から回り込むことにより回折した回折光を、所定の焦点距離f を有する結象レンズを介して、その焦点面に備えたラインセンサにより検出し、
検出される回折光パターンの中心ピークを、前記ラインセンサの前に設けた遮蔽板または画像処理によって取り除くことにより、検出された回折光パターンからマイクロ工具の被測定幅を測定することから成るレーザ光を用いた精密工具測定方法。
【請求項２】
レーザ光を用いて被測定マイクロ工具の幅を精密に測定する精密工具測定システムにおいて、
前記マイクロ工具の被測定幅を超える幅と極薄い厚さとを有する平坦なシート状のレーザ光を発生して、該マイクロ工具を使用する機械上に取り付けてその回転中に該マイクロ工具に照射するレーザ光照射装置と、
被測定マイクロ工具に照射されて該工具により遮蔽されずにその被測定幅両側から回り込むことにより回折した回折光を、所定の焦点距離f を有する結象レンズを介して検出する該レンズの焦点面に備えたラインセンサと、
検出される回折光パターンの中心ピークを、前記ラインセンサの前に設けた遮蔽板または画像処理によって取り除く手段と、
から成り、検出された回折光パターンからマイクロ工具の被測定幅を測定するレーザ光を用いた精密工具測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超精密微細加工に用いる極小径工具を測定対象として、その工具の形状をサブミクロン精度に測定するためのレーザ光を用いた精密工具測定方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯型通信機器や光学電子機器に代表される高精度で微細な精密加工に対する要求が多くなっており、工作機械における運動・回転精度のみならず工具そのものの高精度化および工具切れ刃形状の管理が重要な課題となっている。そのためには、工具形状の高精度計測技術の確立が不可欠である。
【０００３】
従来、光ファイバ径測定に関して、レーザ光を用いて測定する「細線外径測定装置」が公知である（特許文献１参照）。しかし、工具形状の高精度計測のためには、光ファイバのような円形だけではなく、微細な凹凸切れ刃（砥粒切れ刃）を有する、様々な形状の微細工具径計測が可能とならなければならない。
【０００４】
さらに、工作機械の高度無人化の要求やフライス加工のように工具が回転する場合、工作機上に工具を取り付けた状態（オンマシン）で、工具の切れ刃形状や切れ刃位置を正確に検知することは加工誤差の補正を考えるにあたって重要である。現在の超精密微細加工の要求がますます高まるなか、工作機械のみならず、より小型化された工具そのものの高度な工具管理が重要な課題となってきている。
【０００５】
しかし、工具管理として、数十μｍ以下の極小径工具の測定可能な技術がまだ確立されていない。工具の切れ刃位置を測定するものとしては、レーザ光を工具の被測定部位に照射して、遮蔽されたこのレーザ光の明暗を判別することにより、工具の寸法を測定する方法が提案されている（特許文献２参照）。しかし、レーザビームのスポット径が数μｍ程度あることから、サブミクロンメートルの精密な測定を行うことが困難である。さらに直径が数十μｍ以下の極小径工具に対しては、遮蔽されたレーザ光の漏れが起きてしまい、明暗をはっきり判別することが困難である。
【０００６】
また、測定対象物に隣接して基準プレート（ナイフエッジ）を設けて、この基準プレートと測定対象物との間に形成されるスリットにレーザ光を照射する精密形状測定技術が公知である（特許文献３、非特許文献１参照）。図７は、このような従来技術による精密形状測定技術を説明する図である。基準プレートの端縁は、工具側に向かうに従い、漸次薄肉となるナイフエッジ状とされている。
【０００７】
レーザ光が、偏平した極薄い平坦なシート状となって、スリットに直交するように、照射されると、スリットを通過して回折したレーザ光の回折パターンは、フーリエ変換レンズを介してラインセンサ上に沿って延びるように形成されることとなる。この回折パターンの強度分布を測定することにより、所定の被測定部位におけるスリットの幅を極めて正確に計測することが可能となる。
【０００８】
しかしながら、このような測定方法は、工具と所定の間隔を空けて配置する基準プレート（ナイフエッジ）が必要となる。
【特許文献１】特開昭５３−６５７５２号公報
【特許文献２】特開平６−１０９４４０号公報
【特許文献３】特開２００３−１２１１２３号公報
【非特許文献１】カチョーンルンルアン パナート，三好隆志ほか：小径工具切れ刃プロファイルの光回折オンマシン計測に関する研究（第一報），日本機械学会論文集（C 編），70-700 (2004), pp. 3556-3563
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、直径数十μｍの極小径工具を対象とし、レーザ回折光を用いた方法により、基準プレートを用いること無く、超精密加工における工具管理としての極小径工具の工具径を精密測定することを目的としている。これによって、本発明は、マイクロ工具（例えば、直径40μm）の切れ刃プロファイルを、工具を回転させながらサブミクロンメートルの精度で測定するオンマシン計測に適用可能な測定評価技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のレーザ光を用いた精密工具測定方法は、レーザ光を用いて被測定マイクロ工具の幅を精密に測定する。本発明は、マイクロ工具の被測定幅を超える幅と極薄い厚さとを有する平坦なシート状のレーザ光を発生して、該マイクロ工具を使用する機械上に取り付けてその回転中に該マイクロ工具に照射する。被測定マイクロ工具に照射されて該工具により遮蔽されずにその被測定幅両側から回り込むことにより回折した回折光は、所定の焦点距離f を有する結象レンズを介して、その焦点面に備えたラインセンサにより検出される。この検出される回折光パターンの中心ピークを、ラインセンサの前に設けた遮蔽板または画像処理によって取り除くことにより、検出された回折光パターンからマイクロ工具の被測定幅を測定する。
【００１１】
また、本発明のレーザ光を用いた精密工具測定システムは、マイクロ工具の被測定幅を超える幅と極薄い厚さとを有する平坦なシート状のレーザ光を発生して、該マイクロ工具を使用する機械上に取り付けてその回転中に該マイクロ工具に照射するレーザ光照射装置と、被測定マイクロ工具に照射されて該工具により遮蔽されずにその被測定幅両側から回り込むことにより回折した回折光を、所定の焦点距離f を有する結象レンズを介して検出する該レンズの焦点面に備えたラインセンサと、検出される回折光パターンの中心ピークを、前記ラインセンサの前に設けた遮蔽板または画像処理によって取り除く手段と、を備え、検出された回折光パターンからマイクロ工具の被測定幅を測定する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、極小径工具の軸方向に直角に薄く扁平したシート状のレーザ光を被測定部位に照射してその回折パターンを検出することにより、極小径工具の被測定部位の直径を、従来用いられていたような基準プレートを用いること無く、測定することが可能となる。これにより、これからの超精密微細加工に用いる極小径工具の工具管理、及び砥粒切れ刃のツルーイング、ドレッシング、砥粒摩耗の計測が可能となる。
【００１３】
また、本発明によれば、工具をその使用機械上に取り付け回転中に計測を可能にするオンマシン計測で、０次回折光を遮蔽して１次回折光のみの測定から数十ナノメートルの高分解能計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明による測定原理を説明する図である。従来の工具切れ刃測定法においては用いられていたような基準プレート（ナイフエッジ）を用いること無く、レーザビーム（波長λ）は、測定対象のマイクロ工具（直径d < 100 μm）に、その使用機械上に取り付けて回転中に照射される。マイクロ工具により生じた回折光は、結像レンズ（焦点距離f）の後方f の面に、バビネの原理により、フラウンホーファー回折パターンを生じる。この回折パターンが一次元センサにより検出される。一次元センサでは、輝度の最も高い中心ピーク（0 次光）を遮蔽板または画像処理によって取り除くことにより、隣の１次回折光を容易に検出できるようになる。この輝点の間隔Ｗを測ることによって工具径ｄを以下の式によって測定できることが知られている（非特許文献１参照）。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
また、本手法は非接触であり、工具の位置とレンズとの距離を問わなく、さらに光学系が単純であるため、オンマシン計測の適用性を有していると考えられる。
【００１７】
このように、本発明は、被測定工具に工具径方向に沿って薄く扁平なシート状のレーザ光を照射することにより、工具の被測定部位において遮蔽されない分の回り込んだ回折光を検出する。さらに、薄くした扁平なシート状のレーザ光を利用することにより、所定の被測定部位のみの回折パターンを検出できる。ここで、回折パターンを検出するには、シート状のレーザ光の長さ方向に沿ったラインセンサを用いる。この１次元的に並んだ受光素子のラインセンサを採用することにより、工具径方向の次元のみを測定することが可能となり、かつ高速に測定することができる。
【００１８】
図２は、本発明方法を用いて、図３に示す測定装置により測定する測定試料としての多結晶ダイヤモンド（Poly Crystalline Diamond；PCD）マイクロ工具の電子顕微鏡（SEM）観察像を示している。工具刃長全体はダイヤモンド砥粒で覆われていることが確認できる。工具断面形状は対角幅40μm 弱の正六角形である。
【００１９】
図３に測定装置の構成を示す。波長λ（λ=600-700 nm 程度）の半導体レーザから射出したビームは、マイクロ工具の被測定幅（例えば、直径１００μm以下）を超える幅（例えば、工具径より５００μｍ大きい程度）と極薄い厚み（例えば、20μm以下）のシートビームに整形され、被測定マイクロ工具に照射される。このとき、マイクロ工具の被測定幅を超える幅を有するレーザビームは、マイクロ工具により遮蔽されずにマイクロ工具の両側から回り込んだレーザビームにより回折光を生じる。この回折光は焦点距離f（f = 25-100 mm 程度）のレンズを通り、焦点面でピクセルサイズ7×7μm2、長さ43 mm のCCD ラインセンサにより検出され、コンピュータでリアルタイムにデータ処理される。ラインセンサの前には中心ピークを遮るために遮蔽板が設けられている。
【００２０】
検出した回折パターンによる工具径の計測法としては、回折パターンに現れる数個の明るい縞の中から、中心の明縞の2個の燐縞（１次回折光と呼ばれる）との間隔を利用する（図１に示すＷ）。そのためにはこの1次回折光の位置を確実に定める必要がある。しかし、図１のように中心の明縞が顕著に輝度が高いため、確定する信号とする1次回折光の輝度が比較的に小さく、すなわち、低S/N比の測定になっている。よって、遮光板（図１のラインセンサの前）またはラインセンサからの画像処理を設けて中心の明縞をカットすることにより、S/N比が向上し安定した測定になる。
【００２１】
この光学系では直径50μm の工具に対して、測定分解能は約100 nm/pixel になる （非特許文献１参照）。また、被測定工具は電動ローラステージにより連続回転及びｙ軸方向移動し、オンマシン計測と同様の状態を再現できる。
【００２２】
図３に示す測定装置を用いて、図２に示した多結晶ダイヤモンド（PCD）マイクロ工具の対角線長さの測定を行なった。まず、図３に示したように工具を電動ローラステージに設置して、CCD ラインセンサにより回折パターンを得た。図４は得られた回折パターンを示し、（Ａ）は遮蔽板を用いない場合の０次光有りの検出パターンを示し、（Ｂ）は遮蔽板によって０次光がカットされた検出パターンを示している。図中の振動している点線は、検出生データを示し、また、実線は平滑化処理した検出パターンを示している。工具径ｄは、（Ｂ）に示す検出パターンから、１次光の間隔Ｗを抽出することにより測定される。
【００２３】
次に工具を連続的に回転させ、回折パターンの間隔Ｗの変化から、回転中の工具径ｄを測定した。その結果を図５に表わす。工具の回転速度を8 rpm、CCD ラインセンサのスキャンレートを8.73 Hz として測定を行なった。この測定では、工具を4.33 回転させた後、停止させた。測定した値が周期的に局所最大値を示している。ｄＡ、ｄＢ、ｄＣはそれぞれ工具断面図の対角線の長さ（図５中のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’，Ｃ−Ｃ’）を意味している。この被測定工具試料では三通りの対角線長さをもち、37.4 から39.1μm まで、ｄＡ< ｄＢ < ｄＣの順に対角線長さが大きくなる傾向であることから、対角線長さの2μm 程度不均一性が確認された。また、本手法で測定した直径値は図２の電子顕微鏡（SEM）観察像（直径40μm 弱）と良い一致を示している。
【００２４】
さらに、測定値の繰返し精度を調べるために、図６(Ａ)のように対角線長さが最も大きいdＣの位置までに工具を回転させて停止し、繰り返し測定した。そのときの測定値の変動幅は約±100 nm であることを図６(Ｂ)に示した。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による測定原理を説明する図である。
【図２】図３に示す測定装置により測定する測定試料としての多結晶ダイヤモンドマイクロ工具の電子顕微鏡（SEM）観察像を示す図である。
【図３】本発明に基づき構成した測定装置を例示する図である。
【図４】ラインセンサにより得られた回折パターンを示すグラフである。
【図５】回転中の工具径を測定した結果を表わすグラフである。
【図６】測定値の繰返し精度を説明するグラフである。
【図７】従来技術による精密形状測定技術を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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