专利名称：形状测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过使探测器与工件表面接触或者相对工件表面接触移动，来基于探测器的移动量对工件的表面形状进行测定的形状测定装置。
背景技术：
在使探测器与工件接触来对工件的轮廓形状、表面粗糙度进行测定的接触式测定方法中，作为探测器的前端形状，公知有例如图10(a) (d)所示那样的形状。其中，在亚微米(submicro)以下级别的更高精度的测定中，探测器的前端形状基本上是能够尽量抑制由于前端形状而引起的误差的如图10 (a)、图10(b)所示那样的球形状。尤其是图10(a) 那样的形状易于高精度地制造，在亚微米以下级别的接触式测定方法中由于是最高精度所以是主流方式。作为接触式测定方法，已知有一种如下所述的方法使上述那样的探测器与工件接触，根据从测定器所具有的探测器的中心坐标补偿已知探测器形状的量而得到的计算数据来提取与工件的点接触位置，从而可以捕获形状。在前端是球的情况下，利用从探测器的前端球中心补偿已知的R量后的计算数据来进行提取。例如在专利文献1、2中，记载有与使用球触针来测定形状相关的技术，在专利文献3中，记载有一种使用探测器来测定形状的技术，其中，所述探测器的前端面形状具有球状面、和在球状面外侧的周围形成为与球状面平滑相连的锥面。专利文献1 日本特开2002-357415号公报专利文献2 日本特开2001180947号公报专利文献3 日本特开2006-125934号公报然而，近年来，对微小且复杂的形状进行高精度测定的需求存在增加的趋势，例如图11所示，在高度为数十微米的外形测定区域、即外周面Wla的附近，具有与外周面Wla交叉的面W2a的工件W日益增加。在对这样的工件W的外周面Wla进行测定的情况下，成为图11所示那样的状态，为了防止与面W2a的物理干涉，必须使探测器3的前端球的R减小到数十微米等级。若如此使前端球变�。蚧岵韵履茄�3个弊害。第一个是若前端球变小则难以进行制造，尤其是难以将数十微米级别的直径的球制造成纳米等级的高精度的圆球。第二个是由于支承棒与球的安装面积变得极端地�。郧蛴胫С邪舻慕岷狭Ρ淙酰贾录词故鞘齧g程度的测定按压，球也容易从支承棒脱离，难以使用。 第三个是由于成为与球相同程度或者与之相比更细的支承棒，所以支承棒本身的直径也为数十微米。该情况下，支承棒会向按压的方向发生挠曲，导致计算出的接触数据与实际产生误差而无法高精度进行测定。 根据以上说明可知，以现有的方法难以进行高精度的工件测定。 发明内容
本发明鉴于上述情况而提出，其目的在于，提供一种形状测定装置，该形状测定装置即使在存在与工件的包含测定位置的面相交叉的面的情况下，也能够不受该面干涉地进行高精度的测定，并且无需使探测器的球体变�。湍芄恢圃斐龈呔鹊脑睬颍墒固讲馄饔胩讲馄髦С兄岬慕岷狭Ρ涞梦裙蹋⒛芄环乐固讲馄髦С兄岬哪忧８荼痉⒚鞯囊桓龇绞剑峁┮恢中巫床舛ㄗ爸茫峭ü固讲馄饔牍ぜ砻娼哟セ蛘呦喽怨ぜ砻娼哟ヒ贫椿谏鲜鎏讲馄鞯囊贫慷陨鲜龉ぜ谋砻嫘巫唇胁舛ǖ男巫床舛ㄗ爸茫涮卣髟谟冢弑干鲜鎏讲馄鳎欢陨鲜鎏讲馄鹘兄嶂С械奶讲馄髦С兄幔灰约氨话沧吧鲜鎏讲馄髦С兄幔股鲜鎏讲馄饔肷鲜龉ぜ砻娴牟舛ㄎ恢媒哟ィ⑶沂股鲜龉ぜ肷鲜鎏讲馄飨喽砸贫奶讲馄髑爸茫簧鲜鎏讲馄魇潜簧鲜鎏讲馄髦С兄嶂嶂С械那蛱澹鲜銮蛱寰哂邪凑沼肷鲜鎏讲馄髦С兄岽笾麓怪钡姆绞奖磺懈疃傻男巫吹那懈蠲妫谏鲜龉ぜ砻娴男巫床舛ㄖ校股鲜鎏讲馄鞯纳鲜銮懈蠲嬗肷鲜龉ぜ砻娴�、 与包含测定位置的面相交叉的面对置，并且使上述球体的表面与上述工件的测定位置接触来进行测定。根据本发明，即使在存在与工件的包含测定位置的面相交叉的面的情况下，探测器也能够不受该面干涉地进行高精度的测定。另外，无需使探测器的球体变小就能够制造出高精度的圆球，能够使探测器与探测器支承轴的结合力变得稳固，并防止探测器支承轴的挠曲。
图1是表示在本发明的第1实施方式中使用的工件的一个例子的图，(a)是工件的俯视图，(b)是工件的侧视图。图2是表示本发明的第1实施方式中的形状测定装置的概略结构的概念图。图3是在本发明的第1实施方式中表示了工件表面的形状测定状态的图。图4是表示在本发明的第1实施方式中使用的概略控制构成的框图。图5是在本发明的第1实施方式中用于对探测器与探测器支承轴的设置状态进行说明的图。图6是表示本发明的第2实施方式中的形状测定装置的概略结构的概念图。图7是表示在本发明的第2实施方式中使用的概略控制构成的框图。图8是在本发明的第2实施方式中表示了工件表面的形状测定状态的图。图9是表示变形例的探测器的形状的图。图10是表示现有例的探测器的形状的图，是侧视图以及俯视图。图11是表示现有例的工件表面的形状测定状态的图。
具体实施例方式下面，一边参照附图一边对本发明的优选实施方式进行说明。[第1实施方式]
5
在本发明中，能够恰当地测定如图1所示那样的工件W的外周面Wla的形状。具体而言，工件W通过使2个大小不同的圆柱Wl、W2层叠而成，对于这样的工件W，能够恰当地测定上侧的圆柱Wl的外周面中、与下侧的圆柱W2的上表面Wh接近的外周面Wla的形状。其中，圆柱W2的上表面拟a是与圆柱Wl的外周面Wla交叉的面。如图2所示，形状测定装置100具备探测器3 ；对探测器3进行轴支承的探测器支承轴25 ；被安装探测器支承轴25，使探测器3与工件W的外周面Wla的测定位置接触，并且使工件W与探测器3相对移动的探测器驱动装置2。探测器驱动装置2具备基台1 ；被固定在基台1上的台座21 ；被固定在台座21 上并向Y方向延伸的Y轴引导件22 ；被Y轴引导件22支承并向Y方向(与X方向垂直的 Y方向)移动的Y工作台23 ；设置在Y工作台23上，保持探测器3并且使探测器3向X方向移动的X工作台M ；设置在基台1上并且对工件W进行旋转支承的旋转工作台4 ；和对Y 工作台23、X工作台M以及旋转工作台4的动作进行控制的控制装置5。在X工作台M上安装有向下方延伸的探测器支承轴25，在探测器支承轴25的前端安装有探测器3。X工作台M如图4所示，具有对X工作台M向X方向的移动量进行检测的移动量位移检测器Ml。移动量位移检测器241与控制装置5连接，将由移动量位移检测器241 检测出的移动量向控制装置5输出。如图3所示，探测器3是被探测器支承轴25轴支承的球体31，球体31中具有按照与探测器支承轴25大致垂直的方式被切割而成的形状的切割面32。探测器3的切割面32构成为切割面32与隔着球体31的赤道面35同切割面相对的球体31的顶点33之间的垂直方向上的距离M为半径R以上，使球体31的表面中的球体31的赤道位置34与工件W的外周面Wla的测定位置接触。而且，优选将接触位置(赤道位置34)与切割面32之间的、与切割面32大致垂直的方向上的距离N设为10 μ m以上60 μ m以下。通过将距离N设为10 μ m以上60 μ m以下， 即使在例如图5(b)所示那样探测器3与探测器支承轴25发生设置错位的情况下，也能够通过距离N来吸收该设置错位的量。其中，图5(a)是表示探测器3与探测器支承轴25的设置的理想状态的图。这里，在将距离N设为小于10 μ m的情况下，无法吸收上述的设置错位，在超过了 60 μ m的情况下，切割面32有可能与和包含测定位置的面(外周面Wla)相交叉的面(圆柱W2的上表面W2a)接触而产生干涉。在工件W的外周面Wla的形状测定中，使探测器3的切割面32与工件W的和包含外周面Wla的测定位置的面相交叉的面(圆柱Wh的上表面W2a)对置，并且一边使球体31 的赤道位置34按压并接触工件W的测定位置一边进行测定。旋转工作台4以通过工件W的大致中心的旋转轴h为中心旋转(参照图2)，如图 4所示具有对旋转工作台4的角度移动量进行检测的角度位移检测器41。角度位移检测器 41与控制装置5连接，将由角度位移检测器41检测出的移动量向控制装置5输出。在旋转工作台4上设置待测定的工件W。如图4所示，控制装置5与X工作台M、Y工作台23、旋转工作台4、移动量位移检测器对1、角度位移检测器41连接。控制装置5具备CPU (Central Processing Unit) 51, RAM (Random Access Memory) 52 > ROM (Read Only memory) 53 (参照图 2)，对 X 工作台 24、Y工作台23、旋转工作台4的动作进行控制。在控制装置5中，将从R0M53所存储各种程序中被指定的程序展开在RAM52中，通过展开后的程序和CPTOl的配合来执行各种处理。接下来，对利用形状测定装置100来测定工件W的外周面Wla的形状的方法进行说明。首先，使探测器3的切割面32与工件W的和包含外周面Wla的测定位置的面相交叉的面(圆柱W2a的上表面W2a)对置，并且使Y工作台23以及X工作台M移动，以便探测器3的赤道位置34与工件W的外周面Wla的测定位置接触。此时，X工作台M被控制成探测器3对工件W按压一定的力。然后，使旋转工作台4旋转1周以上，以规定的间隔使旋转工作台4的角度位移量以及X工作台M的移动位移量同步，利用角度位移检测器41以及移动量位移检测器Ml 来检测出此时的角度位移量以及X工作台M的移动位移量，将检测出的值向CPTOl输出。 被输出给CPTOl的检测值作为测定数据存储到RAM52中。由于测定数据是对工件W的实际外形值补偿了探测器3的球体31的半径R的量而得到的值，所以使用RAM52中存储的测定数据，在法线方向补偿半径R的量来得到工件W 的实际值。详细而言，由于在R0M53中预先储存有初始状态下的探测器3的中心的XY坐标数据，所以根据初始状态下的探测器3的中心的XY坐标、和由移动量位移检测器41、角度位移检测器241检测出的各接触点处的X工作台M的移动位移量以及旋转工作台4的角度位移量，来计算出探测器3在测定位置处的中心的XY坐标。然后，对该计算出的测定数据补偿探测器3的接触位置(赤道位置34)处的半径R的量。通过这样的测定来获得工件W 的所希望的位置的外周形状数据。如上所述，由于形状测定装置100具备探测器3、探测器支承轴25以及探测器驱动装置2，探测器3是被探测器支承轴25轴支承的球体31，球体31中具有按照与探测器支承轴25大致垂直的方式被切割而成的形状的切割面32，所以使切割面32与工件W的和包含测定位置的外周面Wla相交叉的面(圆柱W2的上表面W2a)对置，并且使球体31的表面与工件W的测定位置接触来使用。即，通过切割面32，能够防止与成为测定干涉的面(圆柱 W2的上表面W2a)的物理干涉，结果能够进行高精度的测定。另外，无需如以往那样，为了防止与成为测定干涉的面(圆柱W2的上表面W2a)的物理干涉而使球体31的R变�。捎谀芄灰源蟮淖刺词褂们蛱�31，所以球体31的旋转研磨的精度高，从而能够制造出更高精度的圆球。而且，由于能够增大球体31，所以可增大与探测器支承轴25的安装面积，从而探测器3与探测器支承轴25的结合力变强、使用变得容易。并且，由于能够使探测器支承轴25变粗，所以可防止探测器支承轴25的挠曲，能够防止由于挠曲而产生的测定误差，从而进行高精度的测定。而且，由于探测器3的切割面32构成为切割面32与隔着球体31的赤道面35同切割面相对的球体31的顶点33之间的垂直方向上的距离M为球体31的半径R以上，使球体31的表面中的球体31的赤道位置34与工件W的外周面Wla的测定位置接触，所以能够进行更高精度的测定。并且，由于探测器驱动装置2具备X工作台M、Y工作台23、使工件W旋转的旋转工作台4以及控制它们的动作的控制装置5，所以通过一边使探测器3向XY方向移动一边使工件W旋转，能够使探测器3准确且可靠地接触到工件W的外周面Wla的测定位置，在该方面也能够进行高精度的测定。[第2实施方式]在第2实施方式中，是与第1实施方式的形状测定装置100不同，能够使探测器3 相对于工件W向Z方向移动，或者对探测器支承轴25的斜率进行调整的装置。如图6所示，形状测定装置600具备探测器3 ；对探测器3进行轴支承的探测器支承轴25 ；和可安装探测器支承轴25并使探测器3与工件W的外周面W3a(参照图8)的测定位置接触，并且使工件W与探测器3相对移动的探测器驱动装置7。探测器驱动装置7具备基台6;设置在基台6上并向Z方向(与X方向及Y方向垂直的Z方向)移动的Z工作台71 ；设置在Z工作台71上并向X方向移动的X工作台72 ； 被固定在X工作台72上并向Y方向延伸的Y轴引导件73 ；以及被Y轴引导件73支承，向Y 方向(与X方向垂直的Y方向)移动的Y工作台74。而且，探测器驱动装置7具备借助安装部件75被安装在Y工作台74的旋转工作台76 ；被安装在旋转工作台76的下表面的摆动工作台77 ；对X工作台72、Y工作台74、Z 工作台71、旋转工作台76以及摆动工作台77的动作进行控制的控制装置9。旋转工作台76以垂直轴k为中心进行旋转。摆动工作台77以被配置在探测器支承轴25上的旋转中心i为中心进行圆弧动作，来对探测器3的斜率进行调整。在摆动工作台77的下表面安装有接触位移传感器78。接触位移传感器78对探测器3与工件W的测定位置接触时的接触位置进行检测， 并将其向控制装置9输出。在接触位移传感器78的下表面，安装有向下方延伸的探测器支承轴25，并且在探测器支承轴25的下端部安装有探测器3。如图7所示，X工作台72、Y工作台74以及Z工作台71具有对向X方向、Y方向以及Z方向的各个移动量进行检测的移动量位移检测器721、741、711。这些移动量位移检测器721、741、711与控制装置9连接，将由移动量位移检测器721、741、711检测出的移动位移量向控制装置9输出。旋转工作台76以及摆动工作台77具有对旋转工作台76以及摆动工作台77的各自角度位移量进行检测的角度位移检测器761、771。角度位移检测器761、771与控制装置 9连接，将由角度位移检测器761、771检测出的角度位移量向控制装置9输出。探测器3可以使用与第1实施方式中的探测器3相同的探测器，是被探测器支承轴25轴支承球体31，球体31中具有按照与探测器支承轴25大致垂直的方式被切割而成的形状的切割面32。另外，待测定的工件W可举出例如图8所示那样与包含测定位置的外周面W3a相交叉的面W!3b相对于外周面W3a倾斜的工件。在支承台8上设置待测定的工件W。如图7所示，控制装置9与X工作台72、Y工作台74、Z工作台71、旋转工作台76、 摆动工作台77、移动量位移检测器721、741、711、角度位移检测器761、771以及接触位移传感器 78 连接。控制装置 9 具备 CPU (Central Processing Unit) 9URAM (Random Access Memory) 92、ROM (Read Only memory) 93 (参照图 6)，对 X 工作台 72、Y 工作台 74、Z 工作台 71、旋转工作台76、摆动工作台77的动作进行控制。在控制装置9中，将从R0M93所存储的各种程序中被指定的程序展开到RAM92中，通过展开后的程序与CPU91的配合来执行各种处理。
接下来，对利用形状测定装置600来测定工件W的外周面W3a的形状的方法进行说明。首先，使用被预先输入到R0M93的工件W的形状数值数据，使探测器3的切割面32 与工件W的和包含外周面W3a的测定位置的面相交叉的面W!3b对置，并且使X工作台72、Y 工作台74、Ζ工作台71、旋转工作台76以及摆动工作台77移动，以使探测器3的赤道位置 34与工件W的外周面W3a的测定位置接触。此时，例如如图8(a)、(b)所示，以探测器3的切割面32避开与包含测定位置的外周面W3a相交叉的面W3b的姿势来接触探测器3。利用接触位移传感器78对接触位置进行检测，在该位置使探测器支承轴25停止。 利用角度位移检测器761、771对此时的旋转工作台76以及摆动工作台77的角度位移量进行检测，同时，利用移动量位移检测器721、741、711对X工作台72、Y工作台74以及Z工作台71的位移移动量进行检测，将检测出的值向CPU91输出。被输出给CPU91的检测值作为测定数据存储到RAM92中。反复进行该动作，来获取工件W的所希望的位置的测定数据。由于测定数据是对工件W的实际的外形值补偿了探测器3的球体31的半径R的量而得到的值，所以使用RAM92中存储的测定数据，在法线方向补偿半径R的量来得到工件 W的实际值。如上所述，由于在第2实施方式中也与第1实施方式同样，具备探测器3、探测器支承轴25以及探测器驱动装置7，探测器3是被探测器支承轴25轴支承的球体31，球体31 中具有按照与探测器支承轴25大致垂直的方式被切割而成的形状的切割面32，所以能够得到与上述第1实施方式相同的效果。另外，尤其是由于第2实施方式的探测器驱动装置7具备X工作台72、Y工作台 74、Z工作台71、旋转工作台76、摆动工作台77以及控制装置9，所以通过使探测器3向XYZ 方向移动，对旋转、斜率进行调整，即使是具有复杂形状或者成为测定干涉的面的工件W，也能够在测定位置容易地应对。结果，能够使探测器3可靠地接触来进行更高精度的测定。本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离发明主旨的范围适当地变更。例如，也可以如图9所示，在探测器3中设置对球体31的表面中除了切割面32以外的一部分进行切割而得到的干涉用切割面36。通过设置干涉用切割面36，由于不仅能够避开成为测定干涉的面W2a、面W3b，也能够避开成为其他干涉的面，所以能够进行顺畅且高精度的测定。另外，干涉用切割面36也可以与工件W的形状相吻合地设置多个。并且，上述实施方式中使用的工件W举出了如图1、图8所示的工件，但并不限于此，也可以是表面发生了弯曲的工件，能够适当变更。附图标记说明2…探测器驱动装置；3…探测器；5、9…控制装置；23、74…Y工作台(Y轴移动机构)；Μ、72···Χ工作台(X轴移动机构)；25…探测器支承轴；31…球体；32… 切割面；33…顶点；34…赤道位置；35…赤道面；36…干涉用切割面；76…旋转工作台(旋转机构)；77…摆动工作台(摆动机构)；71Ζ…工作台(Ζ轴移动机构)；100、600…形状测定装置；W…工件；Μ、N…距离。
权利要求
1.一种形状测定装置，通过使探测器与工件表面接触或者相对工件表面接触移动，来基于上述探测器的移动量对上述工件的表面形状进行测定，该形状测定装置的特征在于， 具备上述探测器；对上述探测器进行轴支承的探测器支承轴；以及被安装上述探测器支承轴，使上述探测器与上述工件表面的测定位置接触，并且使上述工件与上述探测器相对移动的探测器驱动装置；上述探测器是被上述探测器支承轴轴支承的球体，上述球体具有按照与上述探测器支承轴大致垂直的方式被切割而成的形状的切割面，在上述工件表面的形状测定中，使上述探测器的上述切割面与上述工件表面的和包含测定位置的面交叉的面对置，并且使上述球体的表面与上述工件的测定位置接触来进行测定。
2.根据权利要求1所述的形状测定装置，其特征在于，上述切割面与隔着上述球体的赤道面同上述切割面相对的上述球体的顶点之间的垂直方向上的距离为上述球体的半径R以上，使上述球体的表面中的上述球体的赤道位置与上述工件表面的测定位置接触。
3.根据权利要求2所述的形状测定装置，其特征在于，使上述球体的赤道位置与上述工件表面的测定位置接触的位置与上述切割面之间的、 和上述切割面大致垂直的方向上的距离为10 μ m以上60 μ m以下。
4.根据权利要求1 3中任意一项所述的形状测定装置，其特征在于，上述探测器在上述球体的除了上述切割面以外的位置设有对上述球体的一部分进行切割的至少一个以上干涉用切割面。
5.根据权利要求1 4中任意一项所述的形状测定装置，其特征在于， 上述探测器驱动装置具备使上述探测器相对于上述工件在χ方向移动的χ轴移动机构； 使上述探测器相对于上述工件在与上述X方向垂直的Y方向移动的Y轴移动机构； 对上述工件进行支承，并且以通过上述工件的大致中心的旋转轴为中心旋转的旋转机构；以及对上述X轴移动机构、上述Y轴移动机构以及上述旋转机构的动作及其停止进行控制， 使上述探测器与上述工件的规定位置接触的控制装置。
6.根据权利要求1 4中任意一项所述的形状测定装置，其特征在于， 上述探测器驱动装置具备使上述探测器相对于上述工件在χ方向移动的χ轴移动机构； 使上述探测器相对于上述工件在与上述X方向垂直的Y方向移动的Y轴移动机构； 使上述探测器相对于上述工件在与上述X方向及上述Y方向垂直的Z方向移动的Z轴移动机构；使上述探测器以上述探测器支承轴为中心旋转的旋转机构； 对上述探测器的倾斜进行调整的摆动机构；以及对上述X轴移动机构、上述Y轴移动机构、上述Z轴移动机构、上述旋转机构以及上述摆动机构的动作及其停止进行控制，使上述探测器与上述工件表面的测定位置接触的控制装置ο
全文摘要
对工件(W)的表面形状进行测定的形状测定装置(100)具备探测器(3)；对探测器(3)进行轴支承的探测器支承轴(25)；以及被安装探测器支承轴(25)，使探测器(3)与工件(W)表面的测定位置接触，并且使工件(W)与探测器(3)相对移动的探测器驱动装置(2)。在工件(W)表面的形状测定中，使探测器(3)的切割面(32)与工件(W)表面的和包含测定位置的面相交叉的面对置，并且使球体(31)的表面与工件(W)的测定值接触来进行测定。
文档编号G01B5/016GK102362143SQ20108001297
公开日2012年2月22日 申请日期2010年2月15日 优先权日2009年3月24日
发明者藤本章弘 申请人:柯尼卡美能达精密光学株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
