JP3537522B2

JP3537522B2 - ルツボの計測方法

Info

Publication number: JP3537522B2
Application number: JP01829795A
Authority: JP
Inventors: 竜佐多田; 賢吾杉浦; 利昭葛西
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Japan Super Quartz Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Japan Super Quartz Corp
Priority date: 1995-02-06
Filing date: 1995-02-06
Publication date: 2004-06-14
Anticipated expiration: 2019-06-14
Also published as: JPH08208376A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶シリコンを溶解
して単結晶シリコンを製造する際等に用いられるルツボ
の内表面からその内部に配される気泡までの石英の透明
層の厚さ寸法を計測するルツボの計測方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】単結晶シリコン製造用の石英ルツボとし
ては、一般に、内表面側を気泡含有率の少ない透明ガラ
ス層（以下、透明層という。）とし、外側を気泡含有率
の高い不透明ガラス層（以下、不透明層という。）とす
る２層構造のものが使用されている。かかる２層構造の
ルツボにおいては、その肉厚寸法および透明層、不透明
層の厚さ寸法のバランスによってルツボ壁の熱伝達率が
変化することになり、ルツボの性能に影響がある。した
がって、これらの寸法値を測定し、適正な値にコントロ
ールすることが極めて重要である。

【０００３】従来、ルツボの透明層の厚さ寸法を計測す
る方法としては、ルツボの一部を切り欠いてその断面を
肉眼で観察することにより透明層の厚さを検査する方法
や、超音波探触子をルツボの内表面に接触状態に走査さ
せて透明層の厚さを計測する方法が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
方法による場合には、ルツボ全体に亙って検査を実施す
ることができないために、透明層全体の厚さ寸法を定量
的に把握することが困難である上に、破壊検査であるた
めに、ルツボの健全性が損われるという不都合がある。
この点、後者の方法は、ルツボ全体を検査することがで
き、しかも、非破壊検査であるために、上記のような不
都合は生じない。しかし、次のような別個の問題点を有
している。

【０００５】すなわち、超音波探触子による計測は、探
触子をルツボ内表面に接触させて行う接触式計測方法で
あるために、ルツボ内表面を汚染したり傷つけたりする
可能性がある。また、検査の自動化を図ることが困難で
あるという問題点もある。つまり、ルツボの内面形状
は、ルツボごとに微妙に相違するものであるとともに、
その内面形状を予め厳密に把握することができないの
で、計測に際して超音波探触子がルツボ内表面から離れ
あるいはルツボ内表面に過大な力で押圧されて、計測誤
差が増大したり、ルツボ自体や超音波探触子の健全性が
損われたりすることになる。また、超音波探触子による
計測においては、エコーの発生によって計測が不正確な
ものとなるおそれもある。

【０００６】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
のであって、ルツボ内表面に接触することなく透明層の
厚さ寸法を精度良く計測し得るとともに、計測の自動化
を容易に図ることができるルツボの計測方法を提供する
ことを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、レーザ光を出射するレーザ光源とルツボ
内部の気泡におけるレーザ光の反射光を撮像する撮像手
段とを搭載してなる計測ヘッドをルツボの内側に挿入
し、レーザ光源から出射されたレーザ光のルツボ内表面
における入射位置の間隔寸法を所定寸法となるように計
測ヘッドを移動させることにより該計測ヘッドの撮像手
段をルツボ内表面から所定の距離離間した位置にその軸
線をルツボ内表面の法線に一致させて位置決めした後
に、前記撮像手段の軸線に対して所定角度傾斜させられ
た方向からルツボ表面に向けてレーザ光を出射し、気泡
において反射させられ撮像手段に撮像された反射光の位
置に基づいてルツボ内面の透明層の厚さ寸法を計測する
ことを特徴とする。

【０００８】上記計測方法においては、計測ヘッドをル
ツボの内側に挿入する前に、ルツボ外面の輪郭を計測
し、該ルツボ外面の輪郭に基づいて推定されるルツボ内
表面に干渉しない計測ヘッドの位置決め位置を設定する
こととすれば、ルツボや計測ヘッドの健全性を確実に確
保できるので効果的である。

【０００９】また、ルツボ外面の輪郭を計測する方法
を、ルツボの中心線に直交するように軸線を配した輪郭
計測用撮像手段をルツボの中心線に平行に移動させつつ
作動させ、該中心線を含みかつ輪郭計測用撮像手段の軸
線に垂直な平面内におけるルツボ外面の２次元的位置を
計測するものとすれば、回転体としてのルツボの対称性
を利用して簡易かつ正確にルツボ外面の輪郭を計測し得
るので効果的である。

【００１０】さらに、輪郭計測用撮像手段による計測を
その軸線に垂直なルツボの中心線を含む平面内の複数箇
所において実施するとともに、当該計測された複数の２
次元的位置データに基づいて直線および曲率の異なる２
種類の円弧で近似することによりルツボ外面の輪郭を得
ることとすれば、計測の迅速性を向上させ得る点におい
て効果的である。

【００１１】

【作用】本発明に係るルツボの計測方法によれば、計測
ヘッドをルツボの内側に挿入し、該計測ヘッドを、撮像
手段の軸線がルツボ内表面の法線に一致しかつルツボ内
表面から所定の距離離間させられる位置に位置決めした
状態で、レーザ光源からレーザ光を出射することによ
り、レーザ光が所定の傾斜角度でルツボ内表面に入射さ
せられる。ルツボ内表面から透明層に入射したレーザ光
は、当該内表面において屈折した後に内部の気泡まで進
行し、該気泡において反射させられて再度ルツボ内表面
から出射させられて撮像手段によって撮像される。

【００１２】この場合に、ルツボ内表面からのレーザ光
の出射角度は気泡の位置に応じて変化させられるので、
この出射角度を撮像されたレーザ光の位置に基づいて求
めることにより透明層の厚さ寸法が計測されることにな
る。したがって、上記ルツボの計測方法によれば、計測
ヘッドをルツボの内表面に対して非接触の状態に維持し
たまま、透明層の厚さ寸法を計測することが可能とな
る。

【００１３】上記計測方法において、計測ヘッドをルツ
ボの内側に挿入する前に、ルツボ外面の輪郭を計測し、
該ルツボ外面の輪郭に基づいて推定されるルツボ内表面
に干渉しない計測ヘッドの位置決め位置を設定すること
とすれば、ルツボの内側に挿入された計測ヘッドとルツ
ボ内表面との接触が回避されてルツボや計測ヘッドの健
全性が保持される。しかも、計測ヘッドをルツボの内側
に挿入する際に、設定された位置決め位置に直接移動す
ることができるので、計測ヘッドとルツボ内表面との干
渉を回避し得る位置を探索しながら位置決め位置を決定
する場合と比較して、飛躍的に計測の迅速性を向上する
ことが可能となる。

【００１４】また、上記計測方法において、ルツボ外面
の輪郭を計測する方法を、ルツボの中心線に直交するよ
うに軸線を配した輪郭計測用撮像手段をルツボの中心線
に平行に移動させつつ作動させ、その中心線を含みかつ
輪郭計測用撮像手段の軸線に垂直な平面内におけるルツ
ボ外面の２次元的位置を計測するものとすれば、上記平
面内に投影されたルツボ外面の輪郭が正確に計測される
ことになる。また、ルツボは、ほぼ正確な回転体である
ため、一平面について輪郭の計測を行えば、ルツボ全体
についてほぼ正確な３次元形状を把握することが可能と
なる。

【００１５】さらに、輪郭計測用撮像手段による計測を
その軸線に垂直なルツボの中心線を含む平面内の複数箇
所において実施するとともに、計測された複数の２次元
的位置データに基づいて直線および曲率の異なる２種類
の円弧で近似することによりルツボ外面の輪郭を得るこ
ととすれば、計測数を最小限に抑制して、計測の迅速性
を向上させることが可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係るルツボの計測方法の一実
施例について、図１から図１０を参照して説明する。本
実施例に係るルツボの計測方法は、図１に示すように、
ルツボ１の外面の輪郭を計測する第１のステップ（STEP
1）と、その計測結果に基づいて推定されるルツボ１の
内表面の形状から後述する計測ヘッドを配置する複数の
計測ポイントを設定する第２のステップ（STEP 2）と、
ルツボ１の内面に計測ヘッドを位置決めしつつ透明層の
厚さ寸法を計測する第３のステップ（STEP 3）とを具備
するものである。

【００１７】第１のステップ（STEP 1）は、適当な処理
により得られたルツボ１各部の背景との境界と予め設定
された計測原点からの偏差ｄｘを計測する。そして、そ
の際の外部計測装置３の位置座標から実際のルツボ１の
輪郭形状を把握するようになっている。また、偏差ｄｘ
は、予め適当な記憶手段に格納された標準的なルツボ１
の輪郭（標準寸法）を参照した場合のルツボ１各部の標
準寸法からの偏差としてもよい。

【００１８】ルツボ１の輪郭は、図２に示すように、ル
ツボ１の高さ寸法Ｈ、外径寸法Ｄおよび底面の曲率半径
Ｒ₁・Ｒ₂により把握される。すなわち、ルツボ１は、ほ
ぼ正確な回転体の形状をなしているため、上記各寸法を
中心線１ａを通る１つの垂直面Ｃ₀内において実施すれ
ば、ルツボ１全体の輪郭を把握することができるように
なっている。

【００１９】この第１のステップ（STEP 1）は、具体的
には、図３に示す計測装置２のうち、外部計測装置３に
より上記偏差ｄｘとその位置データとを対応づけたデー
タセットを採取し、演算手段４によって上記各寸法Ｈ・
Ｄ・Ｒ₁・Ｒ₂を算出することにより行われるようになっ
ている。

【００２０】前記外部計測装置３は、ルツボ１外面の輪
郭形状を把握するためのデータ、すなわちルツボ１の各
部における偏差ｄｘをその位置と対応づけて計測する装
置であって、開口部を鉛直下方に向けて立設状態に支持
されるルツボ１の外部側方に配置されている。この外部
計測装置３は、水平方向に軸線６ａを配するＣＣＤカメ
ラ６（輪郭計測用撮像手段）と、該ＣＣＤカメラ６を鉛
直方向に平行移動させる垂直移動機構７と、該垂直移動
機構７およびＣＣＤカメラ６を水平方向に平行移動させ
る水平移動機構８とを具備している。

【００２１】前記垂直移動機構７および水平移動機構８
は、例えば、モータ７ａ・８ａと、該モータ７ａ・８ａ
によって軸線回りに回転させられるボールネジ（図示
略）と、該ボールネジに螺合するナット（図示略）に固
定され、垂直方向（Ｚ方向）または水平方向（Ｘ方向）
に移動させられるスライダ７ｂ・８ｂとから構成される
一般的な直線移動機構でよい。水平移動機構８のスライ
ダ８ｂには、垂直移動機構７のベース７ｃが固定され、
水平移動機構８の作動によって移動するスライダ８ｂと
ともに垂直移動機構７自体が水平方向に平行移動させら
れるようになっている。また、垂直移動機構７のスライ
ダ７ａには前記ＣＣＤカメラ６が搭載されており、垂直
移動機構７の作動によってＣＣＤカメラ６が垂直方向に
平行移動させられるようになっている。

【００２２】また、垂直移動機構７および水平移動機構
８には、それぞれ図示しない位置検出手段が設けられて
いる。位置検出手段としては、マグネットスケールのよ
うな直接検出方法によるものやエンコーダのようなモー
タ７ａ・８ａの回転角度を検出するもの等、任意の検出
方法のものを採用することができる。

【００２３】前記演算手段４では、外部計測装置３によ
って計測された計測原点Ｏからの偏差ｄｘ、およびその
垂直面Ｃ内における位置データＰｘ・Ｐｚを用いて、ル
ツボ１の高さ寸法Ｈ、外径寸法Ｄおよび底面の曲率半径
Ｒ₁・Ｒ₂を計算するのであるが、曲率半径Ｒ₁・Ｒ₂につ
いては、得られたデータセットを元に、最小二乗近似等
の近似計算を実施して算出する。

【００２４】この場合に、各曲率半径Ｒ₁・Ｒ₂の算出の
基礎となるデータセットが重複することにないように領
域を分けて計測し、その領域ごとのデータセットの集合
に基づいて各曲率半径Ｒ₁・Ｒ₂を計測するようにしてい
る。

【００２５】この第１のステップ（STEP 1）を実施する
場合には、まず、記憶手段に格納されている標準的なル
ツボ１の外径寸法Ｄ等に基づいて、ＣＣＤカメラ６を配
置すべき座標（Ｐｘ，Ｐｚ）の駆動スケジュールを作成
する。この駆動スケジュールの作成は、演算手段４によ
り実施されることとしてもよく、また、標準寸法ととも
に予め作成したものを格納しておいてもよい。

【００２６】次いで、駆動スケジュールに基づいて垂直
移動機構７および水平移動機構８を作動させる。これに
より、ＣＣＤカメラ６は軸線６ａを水平状態に保持され
たまま、図３に示すように、ルツボ１の中心線１ａに平
行な垂直面内において２次元的に移動させられ、その位
置は位置検出手段によって正確に把握されることにな
る。そして、その移動の間にＣＣＤカメラ６を作動させ
ることにより、ルツボ１が一方向から撮像されることに
なる。

【００２７】その結果、ＣＣＤカメラ６をルツボ１の外
形に沿って移動させつつ撮像を繰り返すことにより、ル
ツボ１を垂直面Ｃに投影した輪郭形状がＣＣＤカメラ６
によって把握されるようになっている。この際、ＣＣＤ
カメラ６による計測は、ルツボ１の側壁部の高さ方向に
数箇所、小曲率半径Ｒ₂部分について数箇所、大曲率半
径Ｒ₁部分について数箇所、それぞれ領域を分けて実施
されるようになっている。

【００２８】ここで、偏差ｄｘは、図４および図５に示
すように、座標（Ｐｘ，Ｐｚ）で与えられるＣＣＤカメ
ラ６の位置を、ルツボ１の輪郭上を移動するように垂直
移動機構７および水平移動機構８を動作させた際に撮像
したルツボ１の背景との境界（面）と、ＣＣＤカメラ６
の計測原点Ｏからのずれ量として採取するようになって
いる。

【００２９】そして、このようにして計測された偏差ｄ
ｘは、対応する計測位置座標データ（Ｐｘ，Ｐｚ）とと
もに演算手段４に転送され、ルツボ１の輪郭を決定する
高さ寸法Ｈ、外径寸法Ｄおよび曲率半径Ｒ₁・Ｒ₂が算出
される。これにより、中心線１ａを含む一の垂直面Ｃで
ルツボ１を切断した場合の切断面の輪郭形状が把握さ
れ、この切断面の輪郭を中心線１ａ回りに回転させた形
状として、３次元的なルツボ１の輪郭形状全体を把握す
ることができることになる。

【００３０】第２のステップ（STEP 2）は、このように
して把握されたルツボ１の輪郭形状に基づいて、後述す
る内部計測装置における計測ヘッドによる概略の計測ポ
イントを設定する。すなわち、ルツボ１外面の輪郭形状
が把握されると、標準的な肉厚寸法を元にしてルツボ１
内面の形状を推定することができ、さらに、計測ヘッド
の外形寸法および回転半径等を考慮すれば、計測ヘッド
とルツボ１内面との干渉を回避することができる位置、
すなわち計測ヘッドの可動領域Ｒを推定することができ
る。

【００３１】本実施例では、上記条件を満たす可動領域
Ｒを、図２に示すように、ルツボ１外面の輪郭からのオ
フセット量Δとして規定しておき、ルツボ１外面の輪郭
からオフセット量Δだけ内側にオフセットした可動領域
Ｒ内に計測ヘッドが配されるような複数の計測ポイント
を設定することとしている。例えば、位置決めのための
基準位置を、計測ヘッドの先端点に設定しておき、その
先端点がルツボ１外面をオフセット量Δだけ内側にオフ
セットさせた位置に配されるような計測ポイントを適宜
設定していくこととすればよい。

【００３２】上記オフセット量Δについては、ルツボ１
各部において一定の値を有するものとして記憶手段に格
納しておけばよい。また、この計測ポイントに配される
計測ヘッドの姿勢についても、測定されたルツボ１外面
の輪郭から推定される各計測ポイントにおけるルツボ１
内面の法線ｎ方向に一致させるように設定すればよい。

【００３３】第３のステップ（STEP 3）は、図３に示す
計測装置２のうち、内部計測装置９によって実施され
る。該内部計測装置９は、ルツボ１内面の透明層１ｂの
厚さ寸法を計測する装置であって、ルツボ１の内側に配
置され、ルツボ１の内側に挿入される計測ヘッド１０
と、この計測ヘッド１０をルツボ１内表面１ｃに対して
移動させる移動手段１１とを具備している。

【００３４】前記計測ヘッド１０は、図６に示すよう
に、ケーシング１２上に１個のＣＣＤカメラ１３（撮像
手段）と、３個のレーザ光源１４・１５・１６とを固設
状態に搭載している。これらＣＣＤカメラ１３およびレ
ーザ光源１４・１５・１６は、全て平行な軸線を有する
ように固定されている。

【００３５】前記レーザ光源１４・１５・１６のうちの
１個は、主としてルツボ１内面の透明層１ｂを計測する
際に使用される計測用レーザ光源１４であり、他の２個
は、計測ヘッド１０をルツボ１内面に対して位置決めす
る際に使用される位置決め用レーザ光源１５・１６であ
る。これらのレーザ光源１４・１５・１６の光軸上に
は、図６に示すように、これらのレーザ光源１４・１５
・１６から出射されるレーザ光Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃を所定角
度θ₁・θ₂・θ₃だけ傾斜させられた方向に全反射する
ミラー部材１７・１８・１９がそれぞれ設けられてい
る。

【００３６】前記計測用レーザ光源１４の光軸上に配さ
れるミラー部材１７は、該計測用レーザ光源１４から出
射されたレーザ光Ｌ₁を、前記ＣＣＤカメラ１３の軸線
１３ａと平行な一平面Ｃ₁内において屈曲させるように
なっている。また、一方の位置決め用レーザ光源１５の
光軸上に配されているミラー部材１８は、前記計測用レ
ーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｌ₁の含まれる平
面Ｃ₁と直交する平面Ｃ₂内において該位置決め用レーザ
光源１５から出射されたレーザ光Ｌ₂を屈曲させるよう
になっている。さらに、他方の位置決め用レーザ光源１
６の光軸上に配されているミラー部１９は、前記計測用
レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｌ₁の含まれる
平面Ｃ₁と平行な平面Ｃ₃内において該レーザ光Ｌ₃を屈
曲させるようになっている。

【００３７】その結果、図６に示すように、計測ヘッド
１０が所定の計測ポイントに正確に位置決めされたとき
には、計測対象物であるルツボ１の内表面１ｃの法線ｎ
にＣＣＤカメラ１３の軸線１３ａが一致させられるとと
もに、上記３個のレーザ光源１４・１５・１６からのレ
ーザ光Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃が、ルツボ１の内表面１ｃにおい
て直角三角形の頂点をなす３箇所に入射され、かつ、そ
の一部が反射させられて、反射光がＣＣＤカメラ１３に
より撮像されるようになっている。

【００３８】また、前記移動手段１１は、例えば、図３
に示す例では、ルツボ１を鉛直下方に開口させた状態で
支持するとともに、鉛直に配される中心軸１ａ回りにル
ツボ１を回転移動させる旋回テーブル２０と、前記計測
ヘッド１０に設けられたＣＣＤカメラ１３の軸線１３ａ
を鉛直平面内に配した状態で計測ヘッド１０全体を揺動
させる回転駆動軸２１（駆動軸）と、該回転駆動軸２１
を含めて計測ヘッド１０全体を相互に直角な水平２方向
および鉛直方向に平行移動させる直線駆動軸２２・２３
・２４とから構成されている。

【００３９】前記旋回テーブル２０は、鉛直な中心軸１
ｃ回りに回転可能に支持されルツボ１を載置するリング
板状のテーブル２０ａと、該テーブル２０ａにルツボ１
を固定する把持部（図示略）と、前記テーブル２０ａを
その中心軸１ｃ回りに回転駆動するための動力を発生す
るモータ２０ｂと、該モータ２０ｂの動力をテーブル２
０ａに伝達する伝達機構２０ｃとから構成されている。
該伝達機構２０ｃとしては、例えば、プーリ・タイミン
グベルト等の一般的なものが採用可能である。

【００４０】前記回転駆動軸２１は、一端に計測ヘッド
１０を固定する揺動アーム２１ａと、該揺動アーム２１
ａの他端に減速機等（図示略）を介して接続されるモー
タ２１ｂとから構成されている。モータ２１ｂは、揺動
アーム２１ａを水平な軸線２１ｃ回りに回転させること
により、計測ヘッド１０のＣＣＤカメラ１３を鉛直平面
内において揺動させることができるようになっている。

【００４１】ここで、本実施例では、計測ヘッド１０が
ルツボ１内表面１ｃに対して正確に位置決めされた状態
で、回転駆動軸２１の軸線２１ｃが、計測用レーザ光源
１４から出射されるレーザ光Ｌ₁および一の位置決め用
レーザ光源１５から出射されるレーザ光Ｌ₂のルツボ１
内表面１ｃにおける後述する入射位置Ｐ₁・Ｐ₃を通る直
線Ａに平行になるように設けられている。

【００４２】前記直線駆動軸２２・２３・２４は、例え
ば、相互に直交するＸ、Ｚ、Ｙ３方向にそれぞれ独立に
計測ヘッド１０を移動可能な３個の直線移動機構を組み
合わせて構成されている。この直線駆動軸２２・２３・
２４は、図３に示す例では、外部構造物（図示略）に固
定される水平なＸ軸２２と、該Ｘ軸２２によって水平方
向に移動させられる鉛直なＺ軸２３と、該Ｚ軸２３に搭
載されＸ軸２２と直交する水平方向に計測ヘッド１０を
移動させるＹ軸２４とを組み合わせることにより構成さ
れている。

【００４３】これら、Ｘ軸２２、Ｚ軸２３、Ｙ軸２４と
しては、例えば、モータ２２ａ・２３ａ・２４ａによっ
て回転させられるボールネジ（図示略）とこれに螺合す
るナット（図示略）に固定されるスライダ２２ｂ・２３
ｂ・２４ｂと、該スライダ２２ｂ・２３ｂ・２４ｂを直
線移動可能に支持する直線ガイド（図示略）とから構成
されるような一般的な直線移動機構を採用することがで
きる。

【００４４】第３のステップ（STEP 3）は、さらに、上
記計測ヘッド１０をルツボ１内表面１ｃに対して正確に
位置決めする位置決めステップ（STEP 3a）と、位置決
めされた計測ヘッド１０によって実際に計測を行う計測
ステップ（STEP 3b）とを具備している。

【００４５】位置決めステップ（STEP 3a）は、まず、
移動手段１１を作動させることにより、計測ヘッド１０
をルツボ１内に挿入し、上記第２のステップ（STEP 2）
において設定された計測ポイントに配置する。ここで、
この計測ポイントは、ルツボ１の内表面１ｃと計測ヘッ
ド１０との干渉が生じないように設定されているので、
干渉の有無を探索する必要がなく、計測ヘッド１０を即
座に配置することができる。

【００４６】この場合に、上記計測ポイントは、測定さ
れたルツボ１外面の輪郭形状を元にして暫定的に設定さ
れたものであるから、該計測ポイントに配置された計測
ヘッド１０は現実のルツボ１内表面１ｃに対して、その
姿勢および距離を補正する必要がある。

【００４７】計測ヘッド１０のルツボ１内表面１ａに対
する姿勢を補正する、すなわち、計測ヘッド１０に設け
られたＣＣＤカメラ１３の軸線１３ａとルツボ１内表面
１ａの法線ｎとを一致させるには、まず、計測ヘッド１
０のＣＣＤカメラ１３、計測用レーザ光源１４および位
置決め用レーザ光源１５・１６を作動させる。このと
き、ＣＣＤカメラ１３は、３つのレーザ光源１４・１５
・１６から出射されるレーザ光Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃のルツボ
１内表面１ｃにおける反射光を撮像するように調整され
ているものとする。

【００４８】次いで、計測用レーザ光源１４から出射さ
れたレーザ光Ｌ₁のルツボ１内表面１ｃにおける入射位
置Ｐ₁と、いずれか一方の位置決め用レーザ光源１５・
１６から出射されたレーザ光Ｌ₂・Ｌ₃のルツボ１内表面
１ｃにおける入射位置Ｐ₂・Ｐ₃とが、回転駆動軸２１の
軸線２１ｃと平行な任意の直線Ａ上に配されるように移
動手段１１を作動させる。具体的には、計測ヘッド１０
を水平方向に移動させるＸ軸２２・Ｚ軸２３・Ｙ軸２４
を微動させることにより実施する。

【００４９】これにより、例えば、２つのレーザ光Ｌ₁
・Ｌ₃のルツボ１内表面１ａへの入射位置Ｐ₁・Ｐ₃が、
図７に示すように、上記直線Ａ上に配されると、他の１
つのレーザ光Ｌ₂の入射位置Ｐ₂は、計測用レーザ光源１
４からのレーザ光Ｌ₁の入射位置Ｐ₁を通り上記直線Ａに
直交する直線Ｂ上からずれた位置にＣＣＤカメラ１３に
よって撮像される。

【００５０】ここで、このレーザ光Ｌ₂は、ルツボ１内
表面１ｃに対して傾斜した方向から入射される。したが
って、回転駆動軸２１を作動させて直線Ａ回りに計測ヘ
ッド１０を回転させれば、図８に示すように、そのレー
ザ光Ｌ₂のルツボ１内表面１ａへの入射位置Ｐ₂のみが回
転角度に応じて変位させられる。この場合に、レーザ光
Ｌ₂を含む平面Ｃ₂は、直線Ａに平行かつＣＣＤカメラ１
３の軸線１３ａに平行に配されているので、入射位置Ｐ
₂は、直線Ａに平行な方向に変位させられるように、Ｃ
ＣＤカメラ１３に認識されることになる。

【００５１】そして、図９に実線で示すように、入射位
置Ｐ₂が前記直線Ｂに一致させられたときに、ＣＣＤカ
メラ１３の軸線１３ａと計測しようとする部分における
ルツボ１の内表面１ｃの法線ｎとが正確に一致させられ
ることになる。このとき、３つのレーザ光Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ
₃は、ルツボ１内表面１ｃにおいて直角三角形の頂点を
なす３箇所の位置にそれぞれ入射させられている。

【００５２】この状態で、計測ヘッド１０のルツボ１内
表面１ｃに対する距離を補正するには、計測ヘッド１０
をＣＣＤカメラ１３の軸線１３ａ方向に沿ってルツボ１
内表面１ｃに向けて近接させていく。３つのレーザ光Ｌ
₁・Ｌ₂・Ｌ₃は、ＣＣＤカメラ１３の軸線１３ａに対し
て傾斜させられているので、計測ヘッド１０とルツボ１
内表面１ｃとの距離の変化に応じて入射位置Ｐ₁・Ｐ₂・
Ｐ₃の間隔寸法が変化させられる。そして、この間隔寸
法が所定寸法となったときに、計測ヘッド１０のルツボ
１内表面１ｃとの距離が正確に設定され、計測ヘッド１
０のルツボ１内表面１ａに対する位置決めステップ（ST
EP 3a）が完了することになる。

【００５３】次に、計測ステップ（STEP 3b）について
説明する。この計測ステップ（STEP 3b）は、以下の計
測原理に基づいて透明層１ｂの厚さ寸法を計測するもの
であり、上記位置決めステップ（STEP 3a）において使
用された位置決め用レーザ光源１５・１６はその作動を
停止され、計測用レーザ光源１４から出射されるレーザ
光Ｌ₁のみによって実施されるようになっている。

【００５４】すなわち、図１０において、計測用レーザ
光源１４から出射され、気泡２５において反射させられ
てＣＣＤカメラ１３に撮像されるレーザ光Ｌ₁の反射光
のＣＣＤカメラ１３への入射角度αを計測することによ
り、透明層１ｂの厚さを算出するものである。

【００５５】ＣＣＤカメラ１３は、上記位置決めステッ
プ（STEP 3a）によって、その軸線１３ａをルツボ１内
表面１ｃの法線ｎに正確に一致させられ、しかも、レン
ズ１３ｂおよび撮像面１３ｃのルツボ１内表面１ｃから
の距離ｗ、ｗ＋ｖを正確に設定されている。この状態
で、計測用レーザ光源１４からレーザ光Ｌ₁が出射され
ると、このレーザ光Ｌ₁は、ルツボ１内表面１ｃの法線
ｎに対して定められた傾斜角度θ₁で入射され、ルツボ
１内表面１ｃにおいて、その一部が反射し、残りが屈折
して透明層１ｂ内に進行させられる。

【００５６】透明層１ｂ内に進行させられたレーザ光Ｌ
₁は、前記ルツボ１内表面１ａの法線ｎに対して傾斜角
度φをなして直進させられ、透明層１ｂの内部に配され
ている気泡２５に到達すると反射させられて、法線ｎに
対する傾斜角度γをなして再度ルツボ１内表面１ｃに向
かわせられ、透明層１ｂの外方に出射される。このと
き、レーザ光Ｌ₁は、再度屈折させられて、ルツボ１内
表面１ｃの法線ｎに対して傾斜角度αをなしてＣＣＤカ
メラ１３に撮像されることになる。

【００５７】このような場合において、透明層１ｂの厚
さＴは、次の式で表わされる。Ｔ＝（Ｘ−ｗ・ｔａｎα）／（ｔａｎφ＋ｔａｎγ）・・・・（１）ここで、Ｘは、ルツボ１内表面１ａへのレーザ光Ｌ₁の
入射位置とＣＣＤカメラ１３の軸線１３ａとの水平方向
距離である。

【００５８】また、空気の屈折率をｎ、透明層１ｂの屈
折率をｎ’とすると、以下の関係式が成り立つ。ｎ・ｓｉｎθ₁＝ｎ’・ｓｉｎφ ・・・・（２）ｎ・ｓｉｎα ＝ｎ’・ｓｉｎγ ・・・・（３）

【００５９】したがって、距離Ｘ、ｗ、屈折率ｎ、
ｎ’、傾斜角度θ₁が既知であるから、ＣＣＤカメラ１
３へのレーザ光Ｌ₁の反射光の入射角度αを計測すれ
ば、透明層１ｂの厚さＴは、上記式（１）〜（３）によ
って算出できることになる。すなわち、これらの演算式
を演算手段４に格納しておき、計測ヘッド１０による計
測結果たる入射角度αに基づいて透明層１ｂの厚さＴを
算出するようになっている。

【００６０】なお、入射角度αは、ＣＣＤカメラ１３の
撮像面１３ｃにおける軸線１３ａからのずれ量をΔｙと
して、 α＝ｔａｎ^-1Δｙにより算出される。

【００６１】このような位置決めステップ（STEP 3a）
および計測ステップ（STEP 3b）を第２のステップ（STE
P 2）で設定された複数の計測ポイントにおいて実施す
ることにより、ルツボ１の中心軸１ａを含む平面に沿っ
てその内表面１ｃの各部について透明層１ｂの厚さ寸法
が求められることになる。そして、旋回テーブル２０を
所定角度回転させるごとに上記第３のステップ（STEP
3）を繰り返し実施することにより、ルツボ１内周面１
ｃの全域に亙って、透明層１ｂの厚さ寸法が計測される
ことになる。

【００６２】このように、本実施例に係るルツボ１の計
測方法によれば、第１のステップ（STEP 1）によってル
ツボ１外面の輪郭を精度良く計測し、その輪郭形状に基
づいて第２のステップ（STEP 2）により計測ヘッド１０
がルツボ１内表面１ｃに干渉しない複数の計測ポイント
を設定するので、ルツボ１の内側に挿入される計測ヘッ
ド１０とルツボ１内表面１ｃとの干渉が確実に回避され
る。したがって、計測ヘッド１０を計測ポイントに迅速
に移動することが可能となり、計測に要する時間を短縮
することができる。

【００６３】また、第３のステップ（STEP 3）により、
計測ヘッド１０をルツボ１の内表面１ｃに対して精度良
く位置決めした状態で計測を実施するので、透明層１ｂ
の厚さ寸法が精度良く計測されることになる。しかも、
計測ヘッド１０は、ルツボ１内表面１ｃに対して非接触
で計測を実施するので、ルツボ１の健全性を維持しつ
つ、その性能を正確に把握することができる。さらに、
計測ヘッド１０がルツボ１の内表面１ｃと衝突すること
がなく、その動作を制限されないので、計測のための最
適な姿勢に計測ヘッド１０を容易に設定することがで
き、計測ヘッド１０の自由な動作によってもルツボ１の
内表面１ｃとの干渉が生じにくいので、計測の自動化を
容易に図ることができる。

【００６４】また、第１のステップ（STEP 1）において
は、ルツボ１の中心線１ａを含む一つの垂直面Ｃに投影
される輪郭形状のみを計測することとしているので、ル
ツボ１の対称性を利用してルツボ１全体の輪郭形状を迅
速に把握することができる。また、ルツボ１の底面の断
面形状を最小二乗近似等の近似手法によって２種類の曲
率半径Ｒ₁・Ｒ₂の円弧に近似させるので、少ない計測点
数によって、簡易かつ迅速に輪郭を把握することがで
き、これによっても計測時間の短縮を図ることができ
る。

【００６５】また、第３のステップ（STEP 3）では、計
測ヘッド１０をルツボ１内表面１ｃに位置決めする際に
使用するレーザ光Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃をＣＣＤカメラ１３の
軸線１３ａに対して傾斜させているので、計測ヘッド１
０のルツボ１内表面１ｃに対する距離の変化に応じて、
レーザ光Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃のルツボ１内表面１ｃにおける
入射位置Ｐ₁・Ｐ₂・Ｐ₃を敏感に変位させ、ルツボ１内
表面１ｃに対する計測ヘッド１０の位置を迅速に把握す
ることができる。したがって、計測ヘッド１０のルツボ
１内表面１ｃに対する位置決めを高精度に実施すること
ができるとともに、両者の接近状態を敏速に検知して衝
突を確実に回避することができる。

【００６６】さらに、本実施例では、計測用レーザ光源
１４の出射するレーザ光Ｌ₁が含まれる平面Ｃ₁を基準と
して、一方の位置決め用レーザ光源１５のレーザ光Ｌ₂
を前記基準平面Ｃ₁に直交する平面Ｃ₂内に、他方の位置
決め用レーザ光源１６のレーザ光Ｌ₃を前記基準平面Ｃ₁
に平行な平面Ｃ₃内に配することとしたので、計測用レ
ーザ光源１４のレーザ光Ｌ₁のルツボ１内表面１ｃへの
入射位置Ｐ₁と、いずれか一方の位置決め用レーザ光源
１６（１５）のレーザ光Ｌ₃（Ｌ₂）の入射位置Ｐ
₃（Ｐ₂）とを結ぶ直線Ａ（Ｂ）に平行な平面Ｃ₂（Ｃ₃）
内に、その他の位置決め用レーザ光源１５（１６）のレ
ーザ光Ｌ₂（Ｌ₃）が配されることになり、計測ヘッド１
０の姿勢の補正量を容易に算出できる。

【００６７】すなわち、例えば、図８および図９に示す
ように、直線Ａとこれに平行な平面Ｃ₂との距離をＬ、
レーザ光Ｌ₂の直線Ｂからの直線Ａに平行な方向への入
射位置Ｐ₂のずれ量をΔｘ、レーザ光Ｌ₂のＣＣＤカメラ
１３の軸線１３ａに対する傾斜角度をθ₂、計測ヘッド
１０の補正量（補正角度）をβ₁とすれば、該補正量β₁
は、 β₁＝ｔａｎ^ー1（Δｘ／Ｌｔａｎθ₂）と表される。また、他方の位置決め用レーザ光源１６に
対しても同様にして容易に補正量を算出することができ
る。

【００６８】また、本実施例では、回転駆動軸２１を位
置決め用レーザ光源１６からのレーザ光Ｌ₃を含むＣＣ
Ｄカメラ１３の軸線１３ａに平行な平面Ｃ₃に直交する
軸線２１ａ回りに計測ヘッド１０を回転するように設け
ているので、上記の計測ヘッド１０の姿勢を補正する際
に、回転駆動軸２１の作動により当該補正を直接実施す
ることができる。したがって、補正を迅速かつ精度良く
実施することができ、ルツボ１内面の透明層１ｂの厚さ
寸法を精度良く計測することができる。

【００６９】なお、本実施例では、内部計測装置９にお
いて、計測ヘッド１０をルツボ１に対して移動させる移
動手段１１を、ルツボ１を回転させる旋回テーブル２０
と３つの直線移動機構２２・２３・２４と、１つの回転
駆動軸２１とからなる構成としたが、これに代えて、任
意の軸構成の移動手段１１を採用することができる。す
なわち、固定されたルツボ１に対して、少なくとも５以
上の自由度を有する軸構成の移動手段１１であれば、多
関節型、円筒座標型等、種々の軸構成のものを適用する
こととしてよい。

【００７０】また、上記実施例では、計測用レーザ光源
１４を基準として、２つの位置決め用レーザ光源１５・
１６を互いに直交する方向に配したが、これに代えて、
例えば、１つの位置決め用レーザ光源１５から出射され
るレーザ光Ｌ₂を２つに分光して所定方向からルツボ１
内表面１ａに入射させることとしてもよい。

【００７１】さらに、３筋のレーザ光Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃が
計測用レーザ光源１４および２個の位置決め用レーザ光
源１５・１６から出射されることとしたが、これに代え
て、単一のレーザ光源１４から出射されるレーザ光Ｌ₁
を３つに分光して照射することとしてもよい。この場
合、位置決め時には全てのレーザ光Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃を照
射し、計測時には、１つのレーザ光Ｌ₁のみを照射させ
るように、例えば、シャッタ等を用いることとしてもよ
い。

【００７２】また、各位置決め用レーザ光源１５・１６
からのレーザ光Ｌ₂・Ｌ₃の入射方向を他の２つのレーザ
光Ｌ₁・Ｌ₃あるいはレーザ光Ｌ₁・Ｌ₂の入射位置Ｐ₁・
Ｐ₃、Ｐ₁・Ｐ₂を結ぶ直線Ａ・Ｂに平行な平面Ｃ₂・Ｃ₃
内に配されるように設定することとしたが、これに限ら
れず、これとは異なる方向から入射させることとしても
計測ヘッド１０の位置決めを実施することができる。し
かし、補正量の算出を容易なものとできる点で上記実施
例のように設定することが好ましい。

【００７３】さらに、計測用レーザ光源１４を基準とし
て２個の位置決め用レーザ光源１５・１６を相互に直交
する方向に配置したが、これに限られず、１個の位置決
め用レーザ光源１５（１６）を基準として他のレーザ光
源１４・１６（１５）を配置することとしてもよい。ま
た、３筋のレーザ光源Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃のルツボ１内表面
１ｃへの入射位置Ｐ₁・Ｐ₂・Ｐ₃としては、直角三角形
の頂点となる異なる３箇所に入射させる場合の他、一直
線上に配される場合を除き、任意の異なる３箇所に入射
させることとしてもよい。

【００７４】また、固設状態のレーザ光源およびミラー
部材に回転および移動する駆動機構を付加させることに
より、段階的に高精度な位置決めと計測とを実施するこ
ともできる。特に、計測用レーザ光源へ適用させること
により、透明層２ｂに存在する希少な気泡を検出し、そ
の気泡含有率等を正確に計測することも可能となる。

【００７５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係るルツ
ボの計測方法は、計測ヘッドをルツボの内側に挿入し、
撮像手段をルツボ内表面から所定の距離離間した位置に
その軸線をルツボ内表面の法線に一致させて位置決めし
た後に、撮像手段の軸線に対して所定角度傾斜させられ
た方向からルツボ内表面に向けてレーザ光を出射し、撮
像手段に撮像された反射光の位置に基づいてルツボ内面
の透明層の厚さ寸法を計測するので、ルツボ内面の透明
層の厚さ寸法を非接触で計測することができるという効
果を奏する。

【００７６】したがって、計測ヘッドを自由に移動させ
て最適な計測条件を確保し、精度の高い計測を実施する
ことができる。また、計測ヘッドやルツボ内表面の健全
性を損うことがない。

【００７７】また、計測ヘッドをルツボの内側に挿入す
る前に、ルツボ外面の輪郭を計測し、該ルツボ外面の輪
郭に基づいて推定されるルツボ内表面に干渉しない計測
ヘッドの位置決め位置を設定することとしているので、
上記効果に加えて、ルツボ内面の透明層の厚さ測定を実
施すべき計測ポイントに、計測ヘッドを迅速に配置し
て、計測に要する時間の短縮を図ることができるという
効果を奏する。

【００７８】この場合において、ルツボ外面を計測して
位置決めヘッドの位置決め位置を設定することとしてい
るのは、ルツボ内面の形状を計測するよりも簡易かつ高
精度に計測できるからである。例えば、ルツボの中心線
に直交するように軸線を配した輪郭計測用撮像手段をル
ツボの中心線に平行に移動させつつ作動させ、その中心
線を含みかつ輪郭計測用撮像手段の軸線に垂直な平面内
におけるルツボ外面の輪郭の２次元的位置を計測するこ
とにより、きわめて簡易に輪郭を把握することができ
る。

【００７９】しかも、ほぼ正確な回転体であるルツボの
対称性を利用すれば、上記計測を一平面について実施す
ることによって容易に３次元的な全体の輪郭を把握し得
て、計測を効率的に行うことができるという利点があ
る。さらに、輪郭計測用撮像手段による計測をその軸線
に垂直なルツボの中心線を含む平面内の複数箇所におい
て実施するとともに、計測された複数の２次元的位置デ
ータに基づいて直線および曲率の異なる２種類の円弧で
近似することによりルツボ外面の輪郭を得ることとすれ
ば、最小限の計測点数に基づいてさらに効率的にルツボ
外面の輪郭を把握することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るルツボの計測方法の一実施例に係
るフローチャートを示す図である。

【図２】図１により計測するルツボの断面形状を示す縦
断面図である。

【図３】図１の計測方法を実施する計測装置の一例を示
す斜視図である。

【図４】図１の計測装置の外部計測装置によるルツボ外
面の輪郭の計測を説明するための模式図である。

【図５】図３の計測による画像例を示す図である。

【図６】図２の計測装置の内部計測装置の計測ヘッドを
示す斜視図である。

【図７】図６の計測ヘッドをルツボ内表面に位置決めす
る場合を説明するための図である。

【図８】図６の計測ヘッドのルツボ内表面に対する姿勢
の補正量を導き出すための説明図である。

【図９】図６の計測ヘッドのルツボ内表面に対する姿勢
を補正した状態の各レーザ光の入射位置を示す図であ
る。

【図１０】図６の計測ヘッドによるルツボ内面の透明層
の厚さ寸法の計測原理を説明するための図である。

【符号の説明】

１ルツボ１ａ中心線１ｂ透明層１ｃ内表面６ＣＣＤカメラ（輪郭計測用撮像手段）６ａ軸線１０計測ヘッド１３ＣＣＤカメラ（撮像手段）１３ａ軸線１４・１５・１６レーザ光源２５気泡Ｌ₁・Ｌ₂・Ｌ₃ レーザ光ｎ法線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者葛西利昭秋田県秋田市茨島５−14−３三菱マテリアルクォーツ株式会社秋田工場内 (56)参考文献特開平３−86249（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−314403（ＪＰ，Ａ) 特開平４−34305（ＪＰ，Ａ) 特開平１−148782（ＪＰ，Ａ) 特開平４−119986（ＪＰ，Ａ) 特開平６−191986（ＪＰ，Ａ) 特開平８−278117（ＪＰ，Ａ) 特開平９−49710（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 C03B 20/00 G01B 11/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を出射するレーザ光源とルツボ内
部の気泡におけるレーザ光の反射光を撮像する撮像手段
とを搭載してなる計測ヘッドをルツボの内側に挿入し、レーザ光源から出射されたレーザ光のルツボ内表面にお
ける入射位置の間隔寸法を所定寸法となるように計測ヘ
ッドを移動させることにより該計測ヘッドの撮像手段を
ルツボ内表面から所定の距離離間した位置にその軸線を
ルツボ内表面の法線に一致させて位置決めした後に、前
記撮像手段の軸線に対して所定角度傾斜させられた方向
からルツボ表面に向けてレーザ光を出射し、気泡におい
て反射させられ撮像手段に撮像された反射光の位置に基
づいてルツボ内面の透明層の厚さ寸法を計測することを
特徴とするルツボの計測方法。
【請求項２】計測ヘッドをルツボの内側に挿入する前
に、ルツボ外面の輪郭を計測し、該ルツボ外面の輪郭に
基づいて推定されるルツボ内表面に干渉しない計測ヘッ
ドの位置決め位置を設定することを特徴とする請求項１
記載のルツボの計測方法。
【請求項３】ルツボ外面の輪郭を計測する方法が、ルツ
ボの中心線に直交するように軸線を配した輪郭計測用撮
像手段をルツボの中心線に平行に移動させつつ作動さ
せ、該中心線を含みかつ輪郭計測用撮像手段の軸線に垂
直な平面内におけるルツボ外面の２次元的位置を計測す
るものであることを特徴とする請求項２記載のルツボの
計測方法。
【請求項４】輪郭計測用撮像手段による計測をその軸線
に垂直なルツボの中心線を含む平面内の複数箇所におい
て実施するとともに、当該計測された複数の２次元的位
置データに基づいて直線および曲率の異なる２種類の円
弧で近似することによりルツボ外面の輪郭を得ることを
特徴とする請求項３記載のルツボの計測方法。