CN102639956A

CN102639956A - 触针式测定装置

Info

Publication number: CN102639956A
Application number: CN2011800046226A
Authority: CN
Inventors: 柴智志; 佐藤诚一; 矢作充
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-08-15
Also published as: JPWO2012066756A1; TW201239314A; WO2012066756A1; KR20120085770A; JP5247934B2

Abstract

本发明提供一种触针式测定装置，其使触针支承在Y轴台上，该Y轴台（4）借助于直线导承件支承在相对于被测物向X轴方向相对移动自如的门型框体上端的横梁（32）上，可防止直线导承件磨损造成的测定精度恶化。直线导承件包括：固定于横梁（32）的下表面上的一对导轨（51、52）；以及移动自如地与相对于各导轨（51、52）的铅垂面倾斜的导承面（51a、52a）相接触的一对直动轴承（53、54）。一个直动轴承（54）相对于Y轴台（4）在X轴方向以及上下方向移动自如。在Y轴台（4）上，设置有对直动轴承（54）向X轴方向施力以将其按压到导轨（52）的导承面（52a）上的施力机构（55），并且在横梁（32）侧设置有对直动轴承（54）向下方施力的第二施力机构（56），使两施力机构（55、56）的作用力合力的矢量方向与导承面（52a）的法线方向一致。

Description

触针式测定装置

技术领域

本发明涉及一种测定被测物表面形状等的触针式测定装置，其具有与被测物表面接触的触针。

背景技术

以往，已知有如下的一种触针式测定装置，其将相互正交的二个水平方向作为X轴方向和Y轴方向，其具有：能够相对于被测物在X轴方向相对移动自如的门型框体；经直线导承件由长度方向在该框体上端的Y轴方向上的横梁来支承在Y轴方向自由移动的Y轴台；将用于与被测物表面接触的触针支承在Y轴台上（例如参照专利文献1）。

此外，在专利文献1所述的结构中，直线导承件采用静压式导承件，其利用空气压力将沿着导轨移动的滑块支承为与导轨不接触。然而，在静压式直线导承件中，难以充分确保Y轴台的支承刚性。因此，也已知直线导承件采用滑动式或滚动式的导承件，其具有与形成于导轨上的导承面接触并沿其自由移动的直动轴承。

在该情况下，通常，在长度方向在Y轴方向的横梁的X轴方向一侧的面上，固定长度方向在Y轴方向的上下一对导轨，并且，将在Y轴方向移动自如地与形成于这些导轨上的导承面接触的上下一对直动轴承固定在Y轴台上。

然而，在所述静压式导承件中，经过一定时间的使用后，会发生导轨的导承面与直动轴承的接触面的磨损，在两者之间产生间隙。并且，Y轴台向上下方向位移该间隙量，设置于Y轴台上的触针用支承部的上下方向位置从正规位置偏离，使测定精度变差。

在先技术文献

专利文献1：日本特开平7-218207号公报

发明内容

发明所需解决的问题

本发明鉴于以上问题，其目的在于提供即使发生直线导承件磨损也不会发生测定精度恶化的触针式测定装置。

解决问题的方案

为了解决所述问题，本发明提供一种触针式测定装置，以相互正交的水平两方向作为X轴方向和Y轴方向，其具有：门型框体，其相对于被测物在X轴方向相对移动自如；和Y轴台，其借助于直线导承件支承在位于该框体上端的长度方向在Y轴方向的横梁上，且能够在Y轴方向自由移动，并利用具有在Y轴方向移动的输出构件的驱动机构，在Y轴方向往复运动；将用于与被测物表面接触的触针支承在Y轴台，其特征在于，直线导承件包括：长度方向在Y轴方向上的一对第一导轨、第二导轨，其固定在横梁的下表面，在X轴方向相互分隔；第一直动轴承，其以在Y轴方向移动自如的方式与形成于第一导轨的X轴方向一侧面上的导承面相接触；以及第二直动轴承，其以在Y轴方向移动自如的方式与形成于第二导轨的X轴方向另一侧面上的导承面接触；第一导轨、第二导轨各自的导承面相对于铅垂面倾斜以使第一、第二各直动轴承均不落下，第一直动轴承固定在Y轴台上，第二直动轴承相对于Y轴台在X轴方向以及上下方向移动自如，在Y轴台上设置有用于向X轴方向施力以将第二直动轴承按压到第二导轨的导承面上的第一施力机构，在横梁或固定于横梁上的构件上，设置有用于对第二直动轴承向下方施力的第二施力机构，使第一施力机构的作用力和第二施力机构的作用力的合力矢量方向与第二导轨的导承面的法线方向一致。

根据本发明，即使各导轨的导承面和相接于导承面的各直动轴承接触面发生磨损，也能够利用第一施力机构的作用力，防止导承面与直动轴承的接触面之间产生间隙。并且，通过将固定于Y轴台上的第一直动轴承压接到相对于铅垂面倾斜的第一导轨的导承面，使Y轴台保持在预定的上下方向位置上。另外，利用第一、第二两施力机构的作用力的合力，将第二直动轴承向第二导轨的导承面的法线方向按压，能够防止第二导轨的导承面与第二直动轴承的接触面的偏磨损（如因导承面相对于铅垂面的倾斜角发生变化那样导致的磨损）。因此，能够防止偏磨损导致Y轴台向上下方向倾斜，能够高精度地确保Y轴台向Y轴方向的移动真直度。因此，即使直线导承件发生磨损，也能够使Y轴台以保持在预定上下方向位置的状态在Y轴方向笔直地移动，而使测定精度不会变差。

此外，当第一导轨的导承面与第一直动轴承的接触面发生磨损时，在第一施力机构的作用力作用下使第一导轨的导承面与第一直动轴承之间不出现间隙地使Y轴台在X轴方向进行位移。在该情况下，当驱动机构的输出构件固定于Y轴台上时，输出构件也与Y轴台一体地在X轴方向位移，并对驱动机构作用偏载荷，而对耐久性产生不良影响。进而，因驱动机构的制作精度误差而输出构件在X轴方向以及上下方向摆动，并该摆动向Y轴台传递，这样也对测定精度造成不良影响。

因此，在本发明中，优选为具有连接机构，该连接机构将输出构件以相对于Y轴台具有沿着与Y轴方向正交的铅垂面运动的自由度的方式连接起来。据此，即使Y轴台向X轴方向位移，输出构件也不会发生位移。因此，能够防止偏载荷作用于驱动机构上。进而，即使输出构件在X轴方向以及上下方向摆动，该摆动也不会向Y轴台传递，从而不会对测定精度产生不良影响。

但是，连接机构也能够由具有向X轴方向以及上下方向运动的自由度的万向接头构成，但是，这样使结构变得复杂而导致成本增加。因此，优选为连接机构包括：设置于Y轴台和输出构件中的任一个上并与Y轴方向正交且铅垂的承受面；设置于Y轴台和输出构件中的另一个上的球面部；以及用于将球面部按压到承受面上的弹簧。据此，球面部以移动自如的方式与承受面进行点接触，并获得上述的运动自由度，并且这样的结构变得简单而实现成本降低。

附图说明

图1是本发明的实施方式的触针式测定装置的主视图。

图2是图1中的触针式测定装置的主要部分的放大剖视图。

图3是沿着图2中的Ⅲ-Ⅲ线切断的剖视图。

图4是沿着图3中的Ⅳ-Ⅳ线切断的剖视图。

图5是沿着图2中的V-V线切断的剖视图。

图6是另一实施方式的与图3相对应的剖视图。

具体实施方式

图1表示本发明的实施方式的触针式测定装置。该测定装置具有：基座1；用于载置配置于基座1上的被测物W的样本台2；以及以横跨样本台2的方式配置于基座1上的门型框体3。当将相互正交的水平两方向作为X轴方向以及Y轴方向时，样本台2被移动自如地支承在固定于基座1上的长度方向在X轴方向上的一对导轨2a、2a上。并且，利用未图示的长度方向在X轴方向上的滚珠螺杆的旋转，借助螺合于该滚珠螺杆上的螺母，使样本台2在X轴方向移动，以使门型框体3相对于被测物W在X轴方向相对移动。

门型框体3具有立着设置于基座1上的Y轴方向两侧的支柱31、31；横设于两支柱31、31的上端间且长度方向在Y轴方向上的横梁32。此外，也可将样本台2固定在基座1上，使门型框体3在X轴方向移动自如，以使门型框体3相对于被测物W在X轴方向相对移动。

Y轴台4借助后述直线导承件5被支承在门型框体3上端的横梁32上，并在Y轴方向自由移动。利用具有在Y轴方向移动的输出构件的驱动机构，Y轴台4在Y轴方向往复运动。在本实施方式中，如图2、图3所示，驱动机构由进给螺杆机构构成，其具有：长度方向在Y轴方向的滚珠螺杆6，以及与该滚珠螺杆6螺合的螺母7。

更具体而言，在横梁32的下表面固定有导承块33。在导承块33形成有从其下表面向上方凹入且长度方向在Y轴方向的凹入部33a。并且，在滚珠螺杆6收纳于凹入部33a的状态下，借助轴承61将滚珠螺杆6轴支承在固定于凹入部33a的Y轴方向两端部上的支承体33b上。通过固定于其轴端上的皮带轮62和缠绕于皮带轮62上的皮带63，滚珠螺杆6与未图示的伺服马达相连接。另外，在固定于凹入部33a的顶壁部上的导轨71上，设置有被支承为能够在凹入部33a内沿Y轴方向自由移动的螺母支架72，使螺母7以止转的状态保持在该螺母支架72上。并且，利用滚珠螺杆6的旋转，借助螺母7使作为驱动机构的输出构件的螺母支架72在Y轴方向上移动，Y轴台4借助螺母支架72在Y轴方向上移动。

延伸至下方的支承框4a安装在Y轴台4上，用于与被测物W的表面相接触的触针8借助Z轴传感器81支承在该支承框4a上，并能够在上下方向上自由位移。并且，由Z轴传感器81检测触针8的上下方向位移。

测定时，在使触针8与被测物W的表面相接触的状态下使门型框体3相对于被测物W在X轴方向相对移动，由此使触针8沿着被测物W的表面在X轴方向上进行扫描。并且，根据该扫描中利用Z轴传感器81来检测的触针8的上下方向位移，测定沿着被测物W的一个X方向截面的表面形状（凹凸）。接着，使Y轴台4在Y轴方向进行预定行程的移动后，与上述同样使触针8沿着被测物W的表面在X轴方向进行扫描，测定沿着被测物W的另一个X方向截面的表面形状。如此反复操作，对被测物W的预定区域的表面形状进行测定。

但是，在由于用于支承Y轴台4的直线导承件5发生磨损，而Y轴台4的上下方向位置发生变化时，用于检测触针8的上下方向位移的Z轴传感器81的检测输出发生变化，测定精度变差。另外，在Y轴台4向Y轴方向的移动真直度受到损害，而Y轴台4向上下方向倾斜的情况下，Z轴传感器81的检测输出也发生变化，测定精度变差。因此，在本实施方式中直线导承件5构成为即使其发生磨损，Y轴台4也以保持于预定上下方向位置的状态在Y轴方向笔直地移动。下面对直线导承件5进行详述。

如图3、图4所示，直线导承件5具有在X轴方向相互分隔地固定在横梁32的下表面上且长度方向在Y轴方向上的一对第一导轨51、第二导轨52。此外，在本实施方式中，第一导轨51和第二导轨52都螺止在导承块33的下表面上，且位于凹入部33a的X轴方向的两外侧位置。因此，两导轨51、52借助于导承块33被固定在横梁32的下表面上。

进而，直线导承件5还具有：以在Y轴方向移动自如的方式与形成于第一导轨51的X轴方向一侧面（图4中的左侧侧面）上的导承面51a相接触的第一直动轴承53；以沿Y轴方向移动自如的方式与形成于第二导轨52的X轴方向另一侧面（图4中的右侧侧面）上的导承面52a相接触的第二直动轴承54。此外，第一直动轴承53和第二直动轴承54分别由滑动自如地与各导轨51、52的导承面51a、52a面接触的滑动轴承构成。另外，各导轨51、52的导承面51a、52a相对于铅垂面倾斜，以使各直动轴承53、54不落下，同时，与导承面51a、52a接触的各直动轴承53、54的接触面也相对于铅垂面倾斜。

在此，第一直动轴承53以螺栓固定于Y轴台4上，但第二直动轴承54相对于Y轴台4在X轴方向以及上下方向移动自如。具体而言，如图3所示，在Y轴台4形成有用于收纳第二直动轴承54外端部的槽部41，在该槽部41中啮合有能够在X轴方向以及上下方向自由移动的第二直动轴承54。并且，在Y轴台4上，设置有用于在X轴方向施力以将第二直动轴承54按压到第二导轨52的导承面52a上的第一施力机构55。另外，在固定于横梁32上的导承块33上，设置有用于对第二直动轴承54向下方施力的第二施力机构56。

此外，在本实施方式中，将第二直动轴承54在Y轴方向上分割为三部分，与被分割的各第二直动轴承54对应地设置有第一施力机构55。另外，在分割而成的所有直动轴承54的上表面上设置有可滑动自如地与其相接触且长度方向在Y轴方向上的树脂板54a。并且，在导承块33上，设置有与该树脂板54a的上表面相抵接且沿Y轴方向彼此留有间隔的多个第二施力机构56，由这些第二施力机构56借助树脂板54a对各第二直动轴承54施加向下方的力。

第一各施力机构55、第二各施力机构56由从X轴方向外侧或上方螺入Y轴台4或导承块33中的弹簧柱塞构成。并且，各施力机构55、56通过其螺入深度来调节作用力，各施力机构55、56以所需的螺入深度由固定螺母55a、56a而固定到Y轴台4或导承块33上。

对第一施力机构55的作用力和第二施力机构56的作用力进行调节，以使这些作用力的合力的矢量方向与导承面52a的法线方向一致。由此，通过将第二直动轴承54向第二导轨52的导承面52a的法线方向按压，能够防止第二导轨52的导承面52a与第二直动轴承54的接触面发生偏磨损（如导承面52a相对于铅垂面的倾斜角发生变化那样的磨损）。

另外，在第二直动轴承54的X轴方向的外侧面上，形成有作为第一施力机构55的抵接部而在上下方向延伸的V字状的槽54b。由此，第二直动轴承54相对于第一施力机构55在上下方向相对移动自如，进而，第一施力机构55不可相对于第二直动轴承54在Y轴方向上相对移动。因此，能够防止第二直动轴承54相对于Y轴台4在Y轴方向运动一段距离，该距离为该第二直动轴承54与槽部41之间必然出现的插入间隙量。

此外，为了能够耐得住长期使用，需要尽量选定难以磨损的材质来制成导轨51、52和直动轴承53、54。例如，以硬质陶瓷制成导轨51、52，且以PTFE（聚四氟乙烯）、PCTFE（聚三氟氯乙烯）等润滑性优异的树脂制成直动轴承53、54，则难以受到磨损造成的影响。

另外，设置有连接机构9，该连接机构9将螺母支架72以相对于Y轴台4具有沿着与Y轴方向正交的铅垂面运动的自由度的方式连接起来。在本实施方式中，连接机构9包括：设置于Y轴台4上且与Y轴方向正交并铅垂的承受面91；设置于螺母支架72上的球面部92；以及用于将球面部92按压到承受面91上的弹簧93。

更具体而言，在螺母支架72的Y轴方向一部分上设置有向下方突出的凸部72a，如图5所示，在Y轴台4上形成有用于收纳凸部72a的大致方形的窗孔42。并且，在该窗孔42的Y轴方向一侧面螺合有具有平面状头部的螺栓，由该螺栓的头部构成所述承受面91。另外，具有球面状头部的螺栓螺合在凸部72a的Y轴方向的一侧面上，由该螺栓的头部构成所述球面部92。进而，在Y轴台4上，形成有开口于窗孔42的Y轴方向另一侧面上且彼此沿X轴方向分隔开的一对透孔43、43，在各透孔43中插入有销状的弹簧支架94。并且，各弹簧支架94与凸部72a的Y轴方向另一侧面之间压缩设置有由螺旋弹簧构成的弹簧93，利用该弹簧93的作用力将球面部92按压到承受面91上。

另外，设置有用于调节弹簧93的作用力的调节机构。即，将插入各透孔43中与弹簧支架94抵接且被固定螺母95a固定的调节螺栓95，螺合插入在螺止于Y轴台4的Y轴方向另一个外侧面上的板44中。并且，由调节螺栓95使弹簧支架94在Y轴方向位移，能够调节弹簧93的作用力。在此对弹簧93的作用力进行调节，以使其在小于使球面部92发生弹性变形的力的范围内，达到由直线导承件5产生的摩擦力与用于使Y轴台4加速或减速所需的作用力的合计力以上。由此，螺母支架72向Y轴方向的一个方向以及另一个方向中的任意一方移动，球面部92都不会从承受面91分离开，确保Y轴台4相对于螺母支架72的随动性。

根据本实施方式，即使第一导轨51和第二导轨52各自的导承面51a、52a与第一直动轴承53和第二各直动轴承54各自的接触面发生磨损，也能够利用第一施力机构55的作用力，防止导承面51a、52a与直动轴承53、54之间发生间隙。并且，将第二导轨52作为反作用力承受件，利用借助第二直动轴承54作用于Y轴台4上的第一施力机构55的弹压力反作用力，将固定于Y轴台4上的第一直动轴承53压接到相对于铅垂面倾斜的第一导轨51的导承面51a上。因此，利用该压接反作用力朝向上方的分力，使与第一导轨51对置的Y轴台4的上表面部分与该第一导轨51的下表面相接触，Y轴台4保持在预定的上下方向位置上。另外，如上所述那样防止第二导轨52的导承面52a与第二直动轴承54的接触面发生偏磨损，可高精度确保Y轴台4向Y轴方向移动的真直度，Y轴台4不会向上下方向倾斜。因此，即使直线导承件5发生磨损，Y轴台4也将以保持于预定的上下方向位置的状态向Y轴方向笔直移动，而不会因Y轴台4的上下方向的位置变化或倾斜而造成测定精度的恶化。

但是，当第一导轨51的导承面51与第一直动轴承53的接触面的磨损发生时，在第一施力机构55的作用力，使Y轴台4在X轴方向位移以使导承面51a与第一直动轴承53之间不产生间隙。在该情况下，螺母支架72固定于Y轴台4上时，螺母支架72也与Y轴台4一体地在X轴方向位移，滚珠螺杆6受到与轴方向正交的偏载荷作用，滚珠螺杆6发生偏磨损，而对耐久性造成不良影响。进而，由于滚珠螺杆6的偏心或滚珠螺杆6的导向部的偏心，有时螺母支架72也借助于螺母7在X轴方向以及上下方向摆动，该摆动传递到Y轴台4，对测定精度会造成不良影响及。

对此，在本实施方式中，螺母支架72与设置于Y轴台4上且与Y轴方向正交的铅垂的承受面91在球面部92上沿着X轴方向以及上下方向移动自如地进行点接触，即，将螺母支架72以相对于Y轴台4带有沿着与Y轴方向正交的铅垂面运动的自由度的方式连接起来，因此即使Y轴台4在X轴方向位移，螺母支架72也不发生位移。因此，滚珠螺杆6不会受到与轴方向正交的偏载荷作用，能够防止滚珠螺杆6发生偏磨损。进而，即使因为滚珠螺杆6的偏心或滚珠螺杆6的导向部的偏心而使螺母支架72在X轴方向以及上下方向摆动，该摆动也不会向Y轴台4传递，从而测定精度不会受到不良影响。

但是，连接机构9也能够由具有可在X轴方向和上下方向运动的自由度的万向接头构成。然而，这样结构变得复杂，导致成本增加。对此，本实施方式的连接机构9由承受面91、球面部92以及弹簧93构成，因而能够使结构简化而实现成本下降。此外，在本实施方式中，在Y轴台4上设置有承受面91并且在螺母支架72设置有球面部92，但是，也能够在Y轴台4设置球面部92并且在螺母支架72设置承受面91。

另外，在所述第一实施方式中，第一、第二两直动轴承53、54由滑动轴承构成，但两直动轴承53、54中的至少一个直动轴承也能够由滚动轴承构成。例如，如图6所示的第二实施方式那样，第二直动轴承54也能够构成为由转动自如地与第二导轨52的导承面52a接触的滚珠或滚子构成的滚动轴承。此外，在第二实施方式中，在第一施力机构55与第二直动轴承54之间，设置有将第二直动轴承54保持为转动自如的套环（collar）54c，由第一施力机构55借助套环54c对第二直动轴承54施加在X轴方向的作用力。第二实施方式的其他结构与所述第一实施方式同样。

以上，参照附图对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于此。例如，在所述实施方式中，由使用了滚珠螺杆6的进给螺杆机构构成驱动机构，但也能够由齿轮齿条传动机构等另外的机构构成驱动机构。在该情况下，有时由于齿轮齿条的齿部的制作精度误差或弹簧的偏心会使输出构件（齿条）在上下方向摆动，优选为通过上述连接机构9将输出构件连接到Y轴台4，以使该摆动不向Y轴台4传递。

另外，所述实施方式是将本发明应用到借助Z轴传感器81将触针8支承为可在上下方向自由位移的触针式测定装置上，但是，同样本发明也能够适用于如下样式的触针式测定装置，即，其在Y轴台4上支承有能够在上下方向自由摆动的杆，在该杆的一端安装有触针并且设置有用于检测杆向上下方向的摆动位移的传感器，由传感器借助杆来检测与被测物的表面相接触的触针的上下方向位移。

附图标记说明

W-被测物，3-门型框体，32-横梁，33-导承块（固定于横梁上的构件），4-Y轴台，5-直线导承件，51-第一导轨，52-第二导轨，51a、52a-导承面，53-第一直动轴承，54-第二直动轴承，55-第一施力机构，56-第二施力机构，6-滚珠螺杆（驱动机构），7-螺母（驱动机构），72-螺母支架（输出构件），8-触针，9-连接机构，91-承受面，92-球面部，93-弹簧。

Claims

1.一种触针式测定装置，以相互正交的水平两方向作为X轴方向和Y轴方向，其具有：门型框体，其在相对于被测物在X轴方向上相对移动自如；和Y轴台，其借助于直线导承件支承在位于该框体上端的长度方向在Y轴方向的横梁上，且能够在Y轴方向自由移动，并利用具有在Y轴方向移动的输出构件的驱动机构，能够在Y轴方向往复运动；将用于与被测物表面接触的触针支承在Y轴台，其特征在于，直线导承件包括：一对第一导轨、第二导轨，其沿X轴方向相互分隔地固定在横梁的下表面，并且长度方向在Y轴方向上；第一直动轴承，其以沿Y轴方向移动自如的方式与形成于第一导轨的X轴方向一侧面上的导承面相接触；以及第二直动轴承，其以沿Y轴方向移动自如的方式与形成于第二导轨的X轴方向另一侧面上的导承面接触；第一导轨、第二导轨各自的导承面以使第一、第二直动轴承均不落下那样的角度相对于铅垂面倾斜，第一直动轴承固定在Y轴台上，第二直动轴承相对于Y轴台在X轴方向以及上下方向移动自如，在Y轴台上设置有用于向X轴方向施力以将第二直动轴承按压到第二导轨的导承面上的第一施力机构，在横梁或固定于横梁上的构件上，设置有用于对第二直动轴承向下方施力的第二施力机构，使第一施力机构的作用力和第二施力机构的作用力的合力矢量方向与第二导轨的导承面的法线方向一致。

2.根据权利要求1所述的触针式测定装置，其特征在于，所述触针式测定装置具有连接机构，所述连接机构将所述输出构件以相对于所述Y轴台具有沿着与Y轴方向正交的铅垂面运动的自由度的方式连接起来。

3.根据权利要求2所述的触针式测定装置，其特征在于，所述连接机构包括：设置于所述Y轴台和所述输出构件中的任一个上且与Y轴方向正交的铅垂的承受面；设置于Y轴台和输出构件中的另一个上的球面部；以及用于将球面部按压到承受面上的弹簧。