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形状测定方法及形状测定装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种形状测定方法及形状测定装置，其使触针沿着测定面平滑地扫描，从而实现高精度且快速的形状测定。重复包括平行移动和正交移动在内的测头(26)的相对于测定面的相对移动(步骤4、5)，该平行移动使触针(20)相对于测定面而向与测定面平行的方向移动指定的距离，该正交移动以在包括触针(20)的位置相对于测头(26)的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量(Di)的测定面上使法线方向的大小成为预先确定的压入量的设定值(C)的方式，使测头(26)向根据当前的触针位置(Si)与过去的触针位置(Si-1)之差而算出的测定面的法线方向移动。
【专利说明】形状测定方法及形状测定装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使触针与测定面接触的同时进行扫描，来顺次读取坐标和触针倾斜，由此对测定面的形状进行测定的形状测定方法及形状测定装置。
【背景技术】
[0002]伴随工业产品的小型高性能化，高精度的部件不断增加。为了进行以上述部件等为测定对象的任意的三维形状的扫描测定，提出有一种使触针与测定面接触的同时进行扫描，来顺次读取坐标，由此对测定面的形状进行测定的方式的形状测定装置。在此类形状测定中，提出各种使触针相对于测定面自动地进行扫描控制的技术。
[0003]在现有的触针的自动扫描控制方法中，为了避免自动扫描引起的振动对测定结果产生影响，而存在搭载有以平滑的自动扫描为目的的控制方法的情况。(例如，参照专利文献I。)
[0004]图7A?图9是表示上述专利文献I所记载的现有的形状测定装置及形状测定方法的图。
[0005]图7A及图7B是表示现有技术中的装置结构的图，大致分为三维测定器22、该三维测定器22的控制装置23和运算装置24。三维测定器22使在测头26上设置的触针20与测定物25的测定面25a接触的同时进行测定。测头26在安装于挠性构件的触针轴的下端具有球状的触针20，在上端具有反射镜。对于来自测定面的XY方向的测定力，触针轴通过挠性构件而进行倾斜，根据由反射镜反射的激光来检测其倾斜量。另外，对于来自测定面的Z方向的测定力，触针轴通过挠性构件而向上方移动，通过由反射镜反射的Z方向测长激光来检测Z方向的位移。控制装置23具备X坐标检测部31、Y坐标检测部32、Z坐标检测部33、倾斜检测部34、聚焦误差信号检测部35等。运算装置24具备测定点位置运算部41、触针位移矢量检测部43、移动矢量算出部49、移动指示部87、动摩擦系数存储部40等。
[0006]根据上述的结构，在触针20产生位移时，根据由X坐标检测部31、Y坐标检测部32,Z坐标检测部33检测出的测头位置和由倾斜检测部34检测出的触针20 (触针轴)的倾斜来算出触针位移矢量。并且，使用加入动摩擦力引起的触针位移矢量的方向变化角度而算出的移动矢量M来执行扫描，其中，该动摩擦力根据事先存储在动摩擦系数存储部40中的触针20与测定面25a的动摩擦系数来算出。
[0007]图8表示现有技术中的测头位置P与触针位置S的轨迹。测头26从触针20与测定面25a不接触的测头位置PO (在该位置处，触针20未受到测定力，因而相对于测头26不产生位移。因此，测头位置PO位于与触针位置SO相同的位置)通过触针20与测定面25a相接的触针位置SI，并移动到被压入规定的压入量Dl的测头位置P1。将从测头位置P向该时刻的触针位置S的矢量称为触针位移矢量D。从测头位置Pl向触针位置SI的位移矢量为D1。接着，使测头26从测头位置Pl向与触针位移矢量Dl垂直的方向移动移动矢量Ml。于是，在动摩擦力F的作用下，触针位移矢量D相对于与测定面成直角的矢量N而倾斜有方向变化角Θ。为了沿与测定面平行的方向对测头26进行仿形控制，相对于触针位移矢量D，向在方向变化角Θ上加上90°而得到的方向进行测头移动，其中，该方向变化角Θ根据事先存储的动摩擦系数μ，并由Θ = atan μ的关系导出。
[0008]在先技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本专利第4611403号说明书发明概要
[0011]发明要解决的课题
[0012]在上述现有方法中，因测头26的倾斜的方向或大小的变化，而扫描方向和压入修正方向都变化，因此成为不能称之为平滑的扫描测定。在动摩擦力的增减十分小的范围内，在上述现有方法中也能够期待平滑的扫描。但是，对于实际的测定物，存在因测定物的材质?形状和触针的材质引起的触针与测定物之间的静电引力导致的动摩擦力的增减。因该动摩擦力的增减，图8中的动摩擦力F发生变化，因动摩擦力F使触针位移矢量的方向变化角度Θ发生变动。
[0013]图9是图示出以使Y轴倾斜成为固定的大小(在图表中，纵轴为0.7mm)的方式压入触针、并沿着X轴向负方向扫描平面时的触针位移矢量D的情况的图。测头中心位置P在Y轴方向上不产生压入的变动，在X轴方向上以0.01mm间距扫描约1mm。触针位移矢量D相对于测头中心位置P的值而以约200·倍进行表示。X方向的倾斜不固定，产生触针位移矢量D交叉的部位。这样，现有的扫描测定方法无法实现平滑的扫描测定，产生振动而使测定误差增大，且测定时间也延长。
[0014]
【发明内容】

[0015]本发明用于解决上述现有的课题，其目的在于，在使触针与测定面接触的同时进行扫描并顺次读取坐标、由此对测定面的形状进行测定的方式的形状测定装置及形状测定方法中，使触针沿着测定面平滑地扫描，从而实现高精度且快速的形状测定。
[0016]解决方案
[0017]本发明的第一形态提供一种形状测定方法，其中，准备触针，该触针借助来自测定面的测定力而被支承为能够相对于测头位移，重复包括平行移动和正交移动在内的所述测头相对于所述测定面的相对移动，所述平行移动使所述触针相对于所述测定面而向与所述测定面平行的方向移动指定的距离，所述正交移动使所述测头向根据当前的触针位置与过去的触针位置之差而算出的所述测定面的法线方向移动，使得在包括所述触针的位置相对于所述测头的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量的所述测定面上使法线方向的大小成为预先确定的压入量的设定值。
[0018]本发明的第二形态提供一种形状测定装置，其特征在于，所述形状测定装置具备:测头，其将触针支承为能够借助来自测定面的测定力而位移；移动部，其使所述测头和所述测定面的相对位置移动，使得所述触针对所述测定面进行扫描；触针位移矢量检测部，其对包括所述触针的位置相对于所述测头的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量进行检测；法线方向输出部，其输出所述测定面的测定点处的法线方向；法线方向矢量分量算出部，其基于所述法线方向输出部所输出的值，来算出触针位移矢量的所述法线方向分量并将其输出；压入矢量算出部，其基于所述测定面上的法线方向的压入量的设定值和法线方向矢量分量算出部的输出算出压入矢量，使得所述触针位移矢量的法线方向分量成为所述压入量的设定值；扫描矢量算出部，其算出在与所述法线方向垂直的方向上成为预先设定的扫描速度的扫描矢量；移动矢量算出部，其根据所述压入矢量算出部的输出和所述扫描矢量算出部的输出，来算出对所述测头的移动指令即移动矢量；及移动控制部，其对所述移动部的移动进行控制，使得所述测头按照所述移动矢量移动。
[0019]即使触针位移矢量因摩擦等的外力变化而发生变化，从测定表面的触针的压入量也成为固定值。即使测定面具有任意的倾斜，因摩擦力而触针位移矢量相对于测定面未成为直角方向，也能够根据测定力检测出与测定面成直角的方向，从而使触针在与测定面平行的方向上扫描而进行测定。另外，即使测定面的倾斜角度上存在变化，也能将触针位移矢量的大小维持为预先确定的规定值。换言之，即使测定面的倾斜角度上存在变化，也能够以在触针位移矢量的大小上不产生变化的方式进行扫描，从而能够使触针更准确地在与测定面平行的方向上进行扫描。而且，在扫描测定开始时除了必要的与测定面相关的数据以外，不需要额外数据。
[0020]发明效果
[0021]根据本发明的形状测定方法及形状测定装置，即使触针位移矢量因摩擦等的外力变化而发生变化，从测定表面的触针的压入量也成为固定值，即使来自具有任意的倾斜面的测定面的测定力因摩擦力而未成为与测定面成直角的方向，也能够根据测定力来检测出与测定面成直角的方向，使触针位移矢量的法线方向分量固定，并同时使触针在与测定面平行的方向上扫描而进行测定，因此能够实现平滑、更快速、更高精度的形状测定，能够有助于实现工业产品的精密微细化、高精度化及高成品率的产品制造。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1A是本发明的实施方式的形状测定装置的结构图。
[0023]图1B是本发明的实施方式的形状测定装置的结构图。
[0024]图2是本发明的实施方式的测头的结构图。
[0025]图3是用于说明本发明的实施方式的触针位置、测头位置及触针位移矢量的图。
[0026]图4是表示本发明的实施方式的处理的流程的流程图。
[0027]图5是对本发明的实施方式的轨迹平面图的标记方法进行辅助的图像图。
[0028]图6是表示本发明的实施方式的测定轨迹的图。
[0029]图7A是现有发明的形状测定装置的结构图。
[0030]图7B是现有发明的形状测定装置的结构图。
[0031]图8是表示现有发明的测定轨迹的图。
[0032]图9是表示现有发明的基于仿形控制的触针位移矢量的图。
[0033]附图标记说明如下:
[0034]20 触针
[0035]21三维形状测定装置
[0036]22三维计测器
[0037]23控制装置
[0038]24运算装置[0039]25测定物
[0040]25a测定面
[0041]26测头
[0042]27XY 工作台
[0043]28Z工作台
[0044]31X坐标检测部
[0045]32Y坐标检测部
[0046]33Z坐标检测部
[0047]34倾斜检测部
[0048]35聚焦误差信号检测部
[0049]37X轴控制部
[0050]38Y轴控制部
[0051]39Z轴控制部
[0052]40动摩擦系数存储部
[0053]41测定点位置运算部
[0054]42误差运算输出部
[0055]43触针位移矢量检测部
[0056]43aX分量检测部
[0057]43bY分量检测部
[0058]43cZ分量检测部
[0059]44前次测定位置存储部
[0060]45法线方向矢量输出部
[0061]46法线方向矢量分量算出部
[0062]47压入矢量算出部
[0063]48扫描方向单位矢量算出部
[0064]49移动矢量算出部(加法部)
[0065]51A.51B 挠性部
[0066]53触针轴
[0067]54反射镜
[0068]61振荡频率稳定化激光
[0069]62X参照反射镜
[0070]63y、63z 激光
[0071]64Y参照反射镜
[0072]68半导体激光
[0073]69激光
[0074]70准直透镜
[0075]71光圈
[0076]72分光器
[0077]73分 色镜[0078]74偏振棱镜
[0079]75分色镜
[0080]76透镜
[0081]79受光元件
[0082]81一体化元件
[0083]82激光
[0084]83衍射光栅
[0085]84准直透镜
[0086]87移动指示部
[0087]88X轴电动机
[0088]89Y轴电动机
[0089] 91法线方向设定?存储部
[0090]92扫描速度设定部
[0091]93扫描方向矢量算出部
[0092]94压入量设定.存储部
[0093]95切换开关
【具体实施方式】
[0094]以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在各附图中，对相同的构成部分标注相同的附图标记，并省略说明。
[0095](实施方式I)
[0096]图1A及图1B是表示本发明的实施方式I的三维形状测定装置(以下，简称为形状测定装置。)的结构的图。该形状测定装置大致分为三维计测器22、控制装置23、由计算机等构成的运算装置24。
[0097]三维计测器22使在测头26上设置的触针20与测定物25的测定面25a接触的同时进行测定。作为使测定面25a与测头26的相对位置在XYZ方向上移动的移动部，具备:由使测定面25a在X方向上移动的X轴电动机88和使测定面25a在Y方向上移动的Y轴电动机89驱动的XY工作台27 ;在下端安装有测头26且使测头26在Z方向上移动的Z工作台28。需要说明的是，在测定大型的测定物的情况下，也可以通过使测定面固定且使测头在XYZ方向上移动的结构来实施。
[0098]控制装置23具备X坐标检测部31、Y坐标检测部32、Z坐标检测部33、倾斜检测部34、聚焦误差信号检测部35、X轴控制部37、Y轴控制部38及Z轴控制部39。
[0099]运算装置24具备测定点位置运算部41、误差运算输出部42、触针位移矢量检测部43、前次测定位置存储部44、法线方向矢量输出部45、法线方向矢量分量算出部46、压入矢量算出部47、扫描方向单位矢量算出部48、移动矢量算出部49、移动指示部87、法线方向设定.存储部91、扫描速度设定部92、扫描方向矢量算出部93、压入量设定部94、切换开关95。
[0100]X坐标检测部31利用在XY工作台27上固定的X参照反射镜62使由振荡频率稳定化激光61产生并分支后的激光(未图示。)反射。使X参照反射镜62的包含反射光路长变化信息的该反射光与不包含光路长变化信息的基准的激光发生干涉，并通过已知的激光测长法对XY工作台27的X方向的移动量进行检测。即，X坐标检测部31对测头位置P的X坐标Px进行测定。同样，Y坐标检测部32利用在XY工作台27上固定的Y参照反射镜64使由振荡频率稳定化激光61产生并分支后的激光63y反射，使包含光路长变化信息的该反射光与不包含光路长变化信息的基准的激光发生干涉，并通过已知的激光测长法对XY工作台27的Y方向的移动量进行检测。即，Y坐标检测部32对测头位置P的Y坐标Py进行测定。
[0101]Z坐标检测部33使由振荡频率稳定化激光61产生且分支后的激光63z如图2所示那样在触针轴53的上端的反射镜54处反射，使包含光路长变化信息的该反射光和不包含光路长变化信息的基准的激光发生干涉，并通过已知的激光测长法对触针20的Z方向的移动量进行检测。即，Z坐标检测部33对触针位置S的Z坐标Sz进行测定。
[0102]这样，基于激光测长得到的测定数据为测头位置P的相对于测定面的XY坐标Px、Py和触针位置S的相对于测定面的Z坐标Sz。
[0103]图2是本发明的实施方式I中的测头的结构图。测头26具备经由挠性构件51A、51B而安装的触针20。挠性构件51A、51B是具有施加力时发生挠曲的性质的构件，由局部加入切口且在上下方向(Z方向)和横向(XY方向)上具有弹性的金属的板簧或塑料、橡胶等构成。触针20安装在相对于挠性构件51A、51B固定的触针轴53的下端，在触针轴53的上端张贴有反射镜54。通过来自测定面25a的对触针20的测定力，触针20相对于测头26而能够在XYZ方向中的任意方向上相对地位移。当来自测定面25a的测定力作用于触针20时，在来自XY方向的测定力的作用下，挠性构件51A、51B发生变形而使反射镜54倾斜，在来自Z方向的测定力的作用下，反射镜54向上方移动。
[0104]图3是对触针位置S、测头位置P及触针位移矢量D进行说明的图。
[0105]图3(a)表示在触针20上未作用测定力且触针20在XYZ方向中的任意方向上都未发生位移的状态。图3(b)表示在触针20上作用有测定力且触针20在XYZ方向上发生了位移的状态。
[0106]将触针位置S定义为以球面对触针20的表面进行近似时的球的中心的坐标。触针位置S通过下式那样表示。
[0107]数学式I
[0108]S=(SxSySz)T
[0109]将在触针20上未作用测定力且触针20在XYZ方向中的任意方向上都未发生位移时的触针位置S定义为测头位置P。测头位置P由下式表示。当触针20在XYZ方向中的任意方向上都未发生位移时，触针位置S与测头位置P —致。
[0110]数学式2
[0111]P=(PxPyPz)T
[0112]将作用有测定力且触针位置S相对于测头位置P发生位移时的表示位移量和位移方向的矢量定义为触针位移矢量。触针位移矢量由以下的式子表示。
[0113]数学式3
[0114]D=(DxDyDz)T
[0115]触针位移矢量D的坐标分量由下述的式(I)表示。[0116]数学式4
【权利要求】
1.一种形状测定方法，其中， 准备触针，该触针借助来自测定面的测定力而被支承为能够相对于测头位移， 重复包括平行移动和正交移动在内的所述测头的相对于所述测定面的相对移动，所述平行移动使所述触针相对于所述测定面而向与所述测定面平行的方向移动指定的距离，所述正交移动使所述测头向根据当前的触针位置与过去的触针位置之差而算出的所述测定面的法线方向移动，使得在包括所述触针的位置相对于所述测头的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量的所述测定面上使法线方向的大小成为预先确定的压入量的设定值。
2.根据权利要求1所述的形状测定方法，其中， 在重复所述测头的相对于所述测定面的相对移动之前，以使所述触针在与已知的所述测定面正交的方向上移动的方式使所述测头移动，使所述触针与所述测定面接触，且在所述触针位移矢量的所述测定面的法线方向的大小成为所述压入量的设定值以上时停止测头的移动。
3.根据权利要求1或2所述的形状测定方法，其中， 所述平行移动由以下的式子表示。
4.根据权利要求1至3任一项所述的形状测定方法，其中， 所述正交移动由以下的式子表示。
5.一种形状测定装置，其特征在于， 所述形状测定装置具备: 测头，其将触针支承为能够借助来自测定面的测定力而位移； 移动部，其使所述测头和所述测定面的相对位置移动，使得所述触针对所述测定面进行扫描； 触针位移矢量检测部，其对包括所述触针的位置相对于所述测头的位置的位移量和位移方向在内的触针位移矢量进行检测； 法线方向输出部，其输出所述测定面的测定点处的法线方向； 法线方向矢量分量算出部，其基于所述法线方向输出部所输出的值，来算出触针位移矢量的所述法线方向分量并将其输出； 压入矢量算出部，其基于所述测定面上的法线方向的压入量的设定值和法线方向矢量分量算出部的输出算出压入矢量，使得所述触针位移矢量的法线方向分量成为所述压入量的设定值； 扫描矢量算出部，其算出在与所述法线方向垂直的方向上成为预先设定的扫描速度的扫描矢量； 移动矢量算出部，其根据所述压入矢量算出部的输出和所述扫描矢量算出部的输出，来算出对所述测头的移动指令即移动矢量；及 移动控制部，其对所述移动部的移动进行控制，使得所述测头按照所述移动矢量移动。
6.根据权利要求5所述的形状测定装置，其特征在于， 所述法线方向输出部在扫描测定开始时输出设定的值的所述法线方向，在扫描测定开始后以与将过去的测定位置与当前的测定位置连结起来的直线正交的方式对法线方向输出进行更新。
7.根据权 利要求6所述的形状测定装置，其特征在于， 所述法线方向输出部在所述扫描测定开始时输出所述触针位移矢量。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的形状测定装置，其特征在于， 所述法线方向输出部中使用的之前测定位置与当前测定位置的时间间隔比所述移动矢量算出部中的根据所述法线方向分量与压入量设定之差来算出法线方向移动量的时间间隔大。
9.根据权利要求5所述的形状测定装置，其特征在于， 所述法线方向输出部在所述触针位移矢量比所述触针的压入方向位移矢量的1/2小时，输出触针位移矢量，在所述触针位移矢量比所述触针的压入方向位移矢量的1/2大时，以与将过去的测定位置和当前的测定位置连结起来的直线正交的方式输出法线方向。
【文档编号】G01B21/20GK103852048SQ201310631384
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2012年12月6日
【发明者】土居正照 申请人:松下电器产业株式会社