CN105983903A - 形状测量装置及加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形状测量装置及加工装置，该形状测量装置能够高精度地对测量对象物的表面形状进行测量。本发明的形状测量装置通过将3个位移计配设成一列而成的检测仪对测量对象物进行扫描，并对所述测量对象物的表面形状进行测量，该形状测量装置具备：包覆机构，其设置在所述检测仪并覆盖所述3个位移计，且在所述3个位移计与所述测量对象物之间具有开口；及鼓风机构，向所述包覆机构的内部送风。

Description

形状测量装置及加工装置

本申请主张基于2015年3月23日申请的日本专利申请2015-060113号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种形状测量装置及加工装置。

背景技术

已知有一种直线度测定方法，其利用3个位移计并通过逐次三点法求出测量对象物的表面形状，并对直线度进行测定(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2003-254747号公报

在上述直线度测定法中，例如，若用激光位移计反复进行测定，则激光光源的热量有时会使光学系统位移，会导致激光位移计的测定值随着时间的经过而变动。并且，受到存在于激光位移计与测量对象物之间的空气层的波动的影响，激光位移计的测定值有时会出现偏差。

如此，若位移计的测定值随时间的经过而变动或受到空气层的波动的影响而发生偏差，则表面形状的测量精度会下降，例如，有可能难以高精度地进行数十nm级高分辨率的测量。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够高精度地对测量对象物的表面形状进行测量的形状测量装置。

根据本发明的一种实施方式提供一种形状测量装置，其通过将3个位移计配设成一列而成的检测仪对测量对象物进行扫描，并对所述测量对象物的表面形状进行测量，该形状测量装置具备：包覆机构，其设置在所述检测仪并覆盖所述3个位移计，且在所述3个位移计与所述测量对象物之间具有开口；及鼓风机构，向所述包覆机构的内部送风。

根据本发明的实施方式，提供一种能够高精度地对测量对象物的表面形状进行测量的形状测量装置。

附图说明

图1为对实施方式中的加工装置进行例示的图。

图2为对实施方式中的形状测量装置的结构进行例示的图。

图3为对实施方式中的传感器头的结构进行例示的图。

图4为对实施方式中的罩体及鼓风机的结构进行例示的图。

图5为用于说明实施方式中的罩体内部的空气流的图。

图6(A)及图6(B)为用于说明实施方式中的形状测量的图。

图7为对实施方式中的形状测量处理的流程进行例示的图。

图8为对实施方式中的间隙数据进行例示的图。

图9为对没有通过鼓风机进行送风的状态下的间隙数据进行例示的图。

图中：12-物体(测量对象物)，20-控制装置，21-传感器数据获取部，23-间隙数据计算部，25-形状计算部，30-传感器头(检测仪)，31a-第1位移传感器(位移计)，31b-第2位移传感器(位移计)，31c-第3位移传感器(位移计)，50-罩体(包覆机构)，51-开口，60-鼓风机(鼓风机构)，100-形状测量装置，200-加工装置。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。在各附图中，有时对结构相同的部分标注相同符号，并省略重复说明。

(加工装置的结构)

图1为对本实施方式所涉及的搭载有形状测量装置的加工装置200的结构进行例示的图。

如图1所示，加工装置200具有：可移动工作台10、工作台引导机构11、砂轮头15、砂轮16、导轨18、控制装置20、显示装置40。另外，在附图中，X方向为可移动工作台10的移动方向、Y方向为与X方向正交的砂轮头15的移动方向、Z方向为与X方向及Y方向正交的高度方向。

可移动工作台10设置成通过工作台引导机构11能够沿X方向移动，且可移动工作台10上载置有作为加工对象及测量对象的物体12。工作台引导机构11使可移动工作台10沿X方向移动。

在砂轮头15的下端部设有砂轮16，并且该砂轮头15以能够沿Y方向移动且能够沿Z方向升降的方式设置在导轨18。导轨18使砂轮头15朝向Y方向及Z方向移动。砂轮16为圆柱状，该砂轮16旋转自如地设置在砂轮头15的下端部且其中心轴与Y方向平行。砂轮16与砂轮头15一同沿Y方向及Z方向移动，并进行旋转而对物体12的表面进行磨削。

控制装置20控制加工装置200的各部，以便控制可移动工作台10及砂轮头15的位置并且使砂轮16旋转，从而磨削物体12的表面。

显示装置40例如为液晶显示器等。显示装置40被控制装置20控制，并显示例如物体12的加工条件等。

(形状测量装置的结构)

图2为对搭载于加工装置200的形状测量装置100的结构进行例示的图。如图2所示，形状测量装置100包括控制装置20、传感器头30、显示装置40。

如上所述，控制装置20控制加工装置200的各部以磨削物体12的表面，并且根据从传感器头30的各个位移传感器31a、31b、31c输出过来的测定值来求出物体12的表面形状。

控制装置20具有传感器数据获取部21、间隙数据计算部23、形状计算部25。控制装置20例如包括CPU、ROM、RAM等，并通过使CPU与RAM配合而执行储存于ROM的控制程序来实现各部的功能。

传感器数据获取部21从设置在传感器头30的各个位移传感器31a、31b、31c获取传感器数据。间隙数据计算部23根据传感器数据获取部21所获取的传感器数据计算出间隙数据。形状计算部25根据由间隙数据计算部23计算出的间隙数据计算出物体12的表面形状。通过形状计算部25求出的物体12的表面形状显示于显示装置40。关于在控制装置20的各部中执行的处理将在后面叙述。

传感器头30为检测仪的一例，其具备第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c，而且该传感器头30设置在加工装置200的砂轮头15的下端。图3为对实施方式所涉及的传感器头30的结构进行例示的侧视图。

如图3所示，传感器头30的第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c沿X方向配设成一列。并且，在传感器头30中设有覆盖第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c的罩体50以及向罩体50的内部送风的鼓风机60。

第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c为位移计的一例，例如为激光位移计。第1位移传感器31a、第2位移传感器31b、第3位移传感器31c以其测定点在物体12表面的与X方向平行的直线上等间隔排列的方式配设。

若物体12搭载于可移动工作台10上并沿X方向移动，则传感器头30相对于物体12进行相对移动，各个位移传感器31a、31b、31c对物体12的表面进行扫描并输出测定值。

图4为对实施方式中的罩体50及鼓风机60的结构进行例示的图。

如图4所示，罩体50为包覆机构的一例，其以包覆位移传感器31a、31b、31c的方式设置在传感器头30。另外，在本实施方式中，罩体50为箱形，但只要能够覆盖位移传感器31a、31b、31c，也可以为其他形状。

罩体50在位移传感器31a、31b、31c与作为测量对象物的物体12之间且与设置在位移传感器31a、31b、31c的下表面的发光部及受光部对置的部分形成有开口51。位移传感器31a、31b、31c通过罩体50的开口51向物体12照射激光，并通过开口51接收来自物体12的反射光，从而测定位移传感器31a、31b、31c与物体12表面的测定点之间的距离。另外，也可以在罩体50上设置分别与位移传感器31a、31b、31c的发光部及受光部对置多个开口，而且开口的形状并不只限于矩形。

鼓风机60为鼓风机构的一例，且其设置在罩体50的侧面。鼓风机60也可以设置在与本实施方式不同的位置，例如罩体50的上表面等，还可以将多个鼓风机60设置在罩体50的不同位置。

鼓风机60从外部向罩体50的内部送风，从而对位移传感器31a、31b、31c进行冷却。由于位移传感器31a、31b、31c被鼓风机60冷却，因此，光学系统受到热量的影响而发生位移所导致的测定值的经时变化得以减少。

并且，如图5所示，通过鼓风机60送进罩体50内部的空气从罩体50下表面的开口51排出。如此，通过鼓风机60向罩体50内部送风，从而形成从罩体50的内部通过开口51而朝向物体12表面的空气流。

通过罩体50及鼓风机60可在位移传感器31a、31b、31c与物体12的表面之间形成一定的空气流，由此，能够减少位移传感器31a、31b、31c与物体12表面之间的空气层的波动。因此，形状测量装置100能够减少位移传感器31a、31b、31c的测定值的偏差，从而能够高精度地测量物体12的表面形状。

另外，本实施方式构成为形状测量装置100与加工装置200共用控制装置20与显示装置40，但也可以构成为分别在形状测量装置100与加工装置200设置控制装置与显示装置。并且，本实施方式构成为可移动工作台10与物体12一同沿X方向移动，但也可以构成为传感器头30相对于物体12沿X方向移动。

(形状测量方法)

接着，对形状测量装置100求出物体12的表面形状的方法进行说明。图6(A)及图6(B)为用于说明表面形状的测量方法的图。

如图6(A)及图6(B)所示，位移传感器31a、31b、31c在X方向上隔着间隔P配设成一列，并且分别对位移传感器31a与物体12表面的a点之间的距离、位移传感器31b与物体12表面的b点之间的距离、位移传感器31c与物体12表面的c点之间的距离进行测定。若将通过位移传感器31a、31b、31c求出的各个位移传感器31a、31b、31c与物体12表面之间的距离分别设为A、B、C，则可以通过下式(1)求出图6(A)中所示的Z方向上的从b点至连结a点与c点的直线之间的距离g(间隙)。

[式1]

g＝B-(A+C)/2…(1)

接着，如图6(B)所示，可以使用连结a点与b点的直线的倾斜度(dz_ab/dx)与连结b点与c点的直线的倾斜度(dz_bc/dx)并通过下式(2)来表示物体12表面的b点上的位移z的二阶微分(d²z/dx²)(即，b点的曲率(1/r))。

[式2]

$\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{\frac{{\mathrm{dz}}_{ab}}{dx}-\frac{{\mathrm{dz}}_{bc}}{dx}}{P}...\left(2\right)$

若将下式(3)及式(4)代入式(2)中并进一步利用式(1)，则如式(5)所示，可根据间隙g及传感器彼此之间的距离P求出位移z的二阶微分(即曲率)。

[式3]

$\frac{{\mathrm{dz}}_{ab}}{dx}=\frac{(B-A)}{P}...\left(3\right)$

[式4]

$\frac{{\mathrm{dz}}_{bc}}{dx}=\frac{(C-B)}{P}...\left(4\right)$

[式5]

$\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{\frac{(B-A)}{P}-\frac{(C-B)}{P}}{P}=\frac{2B-(A+C)}{P^2}=\frac{2g}{P^2}...\left(5\right)$

由于传感器彼此之间的距离P是预先被设定的，因此，可以基于式(1)从各个位移传感器31a、31b、31c所输出的传感器数据求出间隙g，并且将基于式(5)所求出的曲率以积分间距进行二阶积分，从而求出任意x点上的位移z。积分间距为例如进行扫描时的X方向上的各个位移传感器31a、31b、31c的数据获取间隔等。

图7为对实施方式中的形状测量处理的流程进行例示的图。

如图7所示，在对物体12的表面形状进行测量时，首先在步骤S101，使鼓风机60开始向罩体50内部送风。接着，在步骤S102，在作为测量对象物的物体12载置于可移动工作台10的状态下，使传感器头30对物体12的表面进行扫描。

在步骤S103中，传感器数据获取部21从与传感器头30一同对物体12的表面进行扫描的各个位移传感器31a、31b、31c以所设定的采样周期获取传感器数据。在步骤S104中，间隙数据计算部23根据式(1)从传感器数据获取部21所获取的传感器数据计算出间隙g，并且获取包括扫描范围内的多个测定点上的间隙g的间隙数据。

在步骤S105中，形状计算部25根据式(5)从由间隙数据计算部23求出的间隙数据计算出物体12的表面形状。并且，将由形状计算部25计算出的物体12的表面形状显示于显示装置40。

在此，将本实施方式中的针对相同的测定点进行了10秒钟的测定时的间隙数据示于图8。并且，将没有通过鼓风机60进行送风的状态下同样针对相同的测定点进行了10秒钟的测定时的间隙数据示于图9。

如上所述，在本实施方式所涉及的形状测量装置100中，鼓风机60向罩体50内部送风，从而对位移传感器31a、31b、31c进行冷却，并且在位移传感器31a、31b、31c与物体12之间形成空气流。因此，热量或空气层的波动所引起的位移传感器31a、31b、31c的测定值的变动得到减少，如图8所示，能够获得大致恒定的间隙数据。

相对于此，在没有通过鼓风机60进行送风的状态下，可知位移传感器31a、31b、31c的测定值受到热量或空气层的波动的影响而发生变化，因此如图9所示，间隙数据的变动较大。

如上所述，根据本实施方式所涉及形状测量装置100，通过鼓风机60对位移传感器31a、31b、31c进行冷却，因此受到热量的影响而导致的位移传感器31a、31b、31c的测定值的变动得以减少。并且，通过罩体50及鼓风机60在位移传感器31a、31b、31c与物体12之间形成空气流，因此空气层的波动减少，位移传感器31a、31b、31c的测定值变得稳定。

由于位移传感器31a、31b、31c的测定值变得稳定，因此形状测量装置100能够高精度地对物体12的表面形状进行测量。并且，能够对物体12的表面形状反复进行高精度的测量而其测量精度不会下降。

并且，本实施方式所涉及的搭载有形状测量装置100的加工装置200可以根据在对物体12的表面进行磨削之后并且物体12继续搭载于可移动工作台10上的状态下由形状测量装置100执行的表面形状测量结果来进行校正加工等。因此，能够高效且高精度地对物体12进行加工。

以上，对实施方式所涉及的形状测量装置及加工装置进行了说明，但本发明并不只限于上述实施方式，在本发明的范围内可施以各种变更及改良。

例如，形状测量装置100可以搭载于以与本实施方式不同的结构对物体12进行磨削等加工的加工装置。

Claims (4)

1.一种形状测量装置，其利用具有位移计的检测仪对测量对象物进行扫描，并对所述测量对象物的表面形状进行测量，所述形状测量装置的特征在于，具备，

鼓风机构，所述鼓风机构向所述位移计与所述测量对象物之间送风。

2.根据权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于，还具备,

包覆机构，其设置在所述检测仪并覆盖所述位移计，且在所述位移计与所述测量对象物之间具有开口，

所述鼓风机构向所述包覆机构的内部送风。

3.根据权利要求2所述的形状测量装置，其特征在于，

所述位移计为激光位移计，

所述包覆机构的所述开口设置在与所述激光位移计的发光部及受光部对置的位置。

4.一种加工装置，其特征在于，具备，

权利要求1至3中任一项所述的形状测量装置。