形状测定装置 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 2001-280947 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 W1a 的附近， 具有与外周面 W1a 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 W1a 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。若如此使前端球变小， 则会产生以下那样的 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小， 所以球与支承棒的结合力变 弱， 导致即使是数 mg 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小， 就能够制造出高精度的圆球， 可使探测器 与探测器支承轴的结合力变得稳固， 并能够防止探测器支承轴的挠曲。
根据本发明的一个方式， 提供一种形状测定装置， 是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 定的形状测定装置， 其特征在于， 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、 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。 附图说明
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 ]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 W1a 的形状。具 体而言， 工件 W 通过使 2 个大小不同的圆柱 W1、 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 W1 的外周面中、 与下侧的圆柱 W2 的上表面 W2a 接近的外周面 W1a 的形 状。其中， 圆柱 W2 的上表面 W2a 是与圆柱 W1 的外周面 W1a 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 W1a 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 24 ； 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 24 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 24 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 24 如图 4 所示， 具有对 X 工作台 24 向 X 方向的移动量进行检测的移动 量位移检测器 241。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 W1a 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 10μm 以上 60μm 以下。通过将距离 N 设为 10μm 以上 60μm 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 10μm 的情况下， 无法吸收上述的设置错 位， 在超过了 60μm 的情况下， 切割面 32 有可能与和包含测定位置的面 ( 外周面 W1a) 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 W1a 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 W1a 的测定位置的面相交叉的面 ( 圆柱 W2a 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 24、 Y 工作台 23、 旋转工作台 4、 移动量位移检 测器 241、 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 ROM53 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 CPU51 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 W1a 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 W1a 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 24 移动， 以便探 测器 3 的赤道位置 34 与工件 W 的外周面 W1a 的测定位置接触。此时， X 工作台 24 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 24 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 241 来检测出此时的角度位移量以及 X 工作台 24 的移动位移量， 将检测出的值向 CPU51 输出。 被输出给 CPU51 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 ROM53 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 24 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 W1a 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 变小， 由于能够以大的状态来使用球体 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 W1a 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 24、 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 W1a 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 W3b 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)91、 RAM(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 ROM93 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 ROM93 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 W3b 对置， 并且使 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 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 ) ； 24、 72…X 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 ) ； 71Z…工作台 (Z 轴移动机构 ) ； 100、 600…形状测 定装置 ； W…工件 ； M、 N…距离。