[0001] 本发明涉及形状测量设备(form measuring apparatus)，其测量工件的表面形状。

[0002] 为了测量工件的表面形状，存在一种接触类型的形状测量设备，其让触针沿工件的表面滑动并检测表面的偏差(deviation)。例如，日本已公开专利No.2014-167435公开了一种形状测量设备，其包括以枢转点为中心自由旋转的臂，安装到臂的第一端的触针，和检测臂的第二端的位移的检测装置。在该形状测量设备中，在触针沿工件的表面移位时，臂以枢转点为中心以杠杆状方式旋转，且臂的第二端移位。因而，基于被检测装置检测的臂的第二端的位移，可检测触针的位移，且由此可测量工件的表面形状。

[0003] 在如上所述的日本已公开专利No.2014-167435和其他公开文件中，在臂以杠杆状方式旋转的常规形状测量设备中，差动变压器方法通常被用作检测臂的第二端的位移的检测装置。在差动变压器方法中，在触针移位时，安装到臂的第二端的可动铁芯相对于彼此连接的两个线圈改变位置。通过检测该点处线圈的差动电压，可得到触针的位移量。然而，在这种差动变压器类型的检测装置中，检测灵敏度会基本上由于结构部件位置的轻微移位而改变。因此，定位结构部件是困难的，且需要大量的设计诀窍将形状测量设备配置为具有期望分辨率或测量范围。

[0023] 本文所示的细节是示例性的且目的是仅对本发明的实施例进行示例性描述，且目的是提供被认为最有用且能容易地对本发明的原理和原则进行理解的内容。在这方面，不会试图比对本发明进行基本理解所必要的更详细地显示本发明的结构细节，对附图的描述使得本领域技术人员理解可以如何实施本发明的形式。

[0024] 后文中，参考附图描述本发明的实施例。

[0025] 第一实施例

[0026] 图1到3显示了根据本发明的第一实施例。形状测量设备1使用触针50，其能沿工件W滑动，以测量工件W的表面形状。例如，工件W布置为平行于平面(水平平面)，且形状测量设备1执行测量操作，其中触针50接触工件W的表面，此后，触针50相对于工件W沿平行于XY平面的方向移位。随后，检测在测量操作期间的触针50的Z方向(垂直方向)位移，由此测量工件W的表面形状。

[0027] 参考图1和2描述形状测量设备1的总体构造。形状测量设备1包括基部10、联接构件(联接件)20、臂30、触针50、和形变检测器60。此外，能控制形状测量设备1操作的控制装置70连接到形状测量设备1。

[0028] 基部10例如固定到安装在工件W的放置台附近的供送机构(供送器)等且包括第一基部部分11、第二基部部分12和Z轴线调整机构(Z轴线调整器)13。第一基部部分11包括平行于YZ平面并面向触针50的垂直支撑表面110。板簧21的第一端211(下文描述)通过诸如螺钉这样的固定构件41固定到垂直支撑表面110。第二基部部分12经由Z轴线调整机构13联接到第一基部部分11。另外，第二基部部分12包括在第一基部部分11的垂直支撑表面110的下方的水平支撑表面120，该水平支撑表面120平行于XY平面且面向下。板簧22的第一端221(下文描述)通过例如螺钉这样的固定构件42固定到水平支撑表面120。

[0029] Z轴线调整机构13是能调整第二基部部分12相对于第一基部部分11的Z方向位置的机构。Z轴线调整机构13并不特别受限，而是可例如使用引导轨道等配置。在形状测量设备1的测量操作期间，Z轴线调整机构13能固定第二基部部分12相对于第一基部部分11的位置。

[0030] 联接构件20包括至少一对(在本实施例中为两对)板簧21和22，它们交叉布置以便构造出所谓的十字板簧。联接构件20将基部10与臂30联接。板簧21和22用弹性材料形成，且用作一种弹性铰链，可摆动地支撑臂30。板簧21布置为遵循Z方向，且包括一对表面213和214，所述一对表面基本上平行于YZ平面且能弯曲。进而，板簧21沿Z方向将第一基部部分11与第一臂部分31(如下所述)联接。同时，板簧22布置为遵循X方向，且包括一对表面223和
224，所述一对表面基本上平行于XY平面且能弯曲。还有，板簧22沿X方向将第二基部部分12与第二臂部分32(如下所述)联接。在本实施例中，在两对板簧21和22中，板簧22沿Y方向布置为面向内且板簧21布置为面向外(见图2)。

[0031] 臂30被联接构件20支撑，且可沿Z方向自由地摆动(见图1中的箭头A)。臂30包括块体33和棒状部分34，该块体包括第一臂部分31和第二臂部分32。

[0032] 第一臂部分31配置为块状，其包括垂直支撑表面310，该垂直支撑表面平行于YZ平面且面对背离触针50的相反方向。板簧21的第二端212通过例如螺钉这样的固定构件43固定到垂直支撑表面310。第二臂部分32配置为突出到第一臂部分31上方的块状。进而，第二臂部分32包括在第一臂部分31的垂直支撑表面310上方的水平支撑表面320，其平行于XY平面且面向上。板簧22的第二端222通过例如螺钉这样的固定构件44固定到水平支撑表面320。块体33(其包括第一臂部分31和第二臂部分32)可以整体形成。

[0033] 棒状部分34具有连接到第一臂部分31且从第一臂部分31沿X方向延伸的第一端341。触针50附接到棒状部分34的第二端342。

[0034] 触针50附接到棒状部分34的第二端342，且从第二端342沿Z方向向下延伸。此外，触针50经由臂30被联接构件20支撑，且沿Z方向自由摆动。

[0035] 形变检测器60包括形变检测元件(形变检测器)61，其设置到每一个板簧21。形变检测元件61例如是应变仪或压电元件，且通过粘接剂等固定到板簧21的其中一个表面(213)上的变形区域R13(如下所述；见图3)。此外，形变检测元件61检测板簧21上的一位置(在该处安装形变检测元件61)处的变形量，且将检测结果输出到控制装置70。在该例子中，板簧21的变形量对应于触针50的位移量。具体地，在形状测量设备1中，测量操作期间触针50的位移可被检测为板簧21的变形。

[0036] 使用个人计算机等配置控制装置70，且该控制装置基于提前存储的程序控制形状测量设备1的操作。还有，控制装置70基于每一个板簧21的变形量计算触针50的位移量，该变形量是从变形检测器60而来的输入。例如，控制装置70可以从变形检测器60获取板簧21的每一个的变形量，且基于变形量的平均值计算触针50的位移量。随后，基于触针50相对于工件W的位置和与该位置关联的触针50的位移量，控制装置70根据对工件W的测量目的执行各种计算。

[0037] 在形状测量设备1的测量操作期间，在触针50沿工件W的表面沿Z方向移位时，臂30以臂30的被联接构件20支撑的一侧作为枢转点而摆动。在该点，联接构件20经历通过臂30造成的应力，且由此构成联接构件20的每一个板簧21和22根据触针50的位移量而弹性弯曲(经历弹性变形)。

[0038] 在该例子中，在工件W的表面沿Z方向向上偏移时，板簧21弹性地变形，使得表面213经历翘曲变形且表面214经历弯曲变形。同时，板簧22弹性地变形使得表面223经历弯曲变形且表面224经历翘曲变形。在工件W的表面沿Z方向偏移时，板簧21和22的弹性变形返回到其原始状态。由此，形状测量设备1优选从触针50已经压靠工件W的表面且联接构件20略微变形的状态开始测量操作。

[0039] 接下来，参考图3进一步描述联接构件20的更具体构造。构成联接构件20的每一个板簧21被分为：在第一基部部分11侧限制变形的固定区域R11；在第一臂部分31侧限制变形的固定区域R12；和位于固定区域R11和R12之间且能弹性变形的变形区域R13。同样，构成联接构件20的每一个板簧22被分为：在第二基部部分12侧限制变形的固定区域R21；在第二臂部分32侧限制变形的固定区域R22；和定位在固定区域R21和R22之间且能弹性变形的变形区域R23。

[0040] 在本实施例中，固定区域R11、R12、R21、和R22是至少在形状测量设备1的测量操作期间限制变形的区域。例如，在板簧21中，通过置放紧密配合到表面214的固定构件41(垫片412)而限定固定区域R11，而通过置放紧密配合到表面214的第一臂部分31限定固定区域R12。还有，在板簧22中，通过置放紧密配合到表面223的第二基部部分12而限定固定区域R21，而通过置放紧密配合到表面223的固定构件44而限定固定区域R22。

[0041] 在该例子中，取决于变形区域R13和R23在Z方向的位置，在形状测量设备1的测量操作期间变形区域R13和R23的变形量不同。具体地，在变形区域R13和R23中，越接近支撑板簧21和22的基部10，则所施加的应力越大。由此，变形区域R13和R23在更靠近基部10的位置变形更大，且在更靠近臂30的位置变形更小。

[0042] 因而，在板簧21的变形区域R13中形变检测元件61的置放会影响对触针50的位移进行检测的检测灵敏度。例如，在形变检测元件61被置于变形区域R13中的较靠近基部10的位置时，甚至触针50的轻微位移都会被检测为板簧21的变形，且因此增加了对触针50位移的检测灵敏度。由此，可在形状测量设备1中实现高分辨率。同时，在形变检测元件61被置于变形区域R13中的较靠近臂30的位置时，针对触针50的轻微位移，板簧21的变形不太可能被检测到，且因此限制了针对触针50的位移的检测灵敏度。由此，形状测量设备1能进行长行程检测且其测量范围被拓宽。

[0043] 根据本实施例的形状测量设备1进一步包括两个距离调整机构(距离调整器)81和82，其可调整基部10和臂30之间的距离。现在描述距离调整机构81和82。

[0044] 距离调整机构81包括形成在板簧21的第一端211中的Z方向狭缝215和固定构件41。固定构件41包括螺钉411和垫片412，该螺钉插入通过狭缝215且与第一基部部分11螺纹接合，该垫片接收螺钉411的螺纹接合力且将板簧21的第一端211压靠第一基部部分11。距离调整机构81通过调整螺钉411相对于狭缝215的Z方向插入位置而调整板簧21相对于第一基部部分11的Z方向置放。

[0045] 距离调整机构82具有类似于距离调整机构81的构造且包括固定构件43和形成在板簧21的第二端212中的Z方向狭缝216。固定构件43包括螺钉431和垫片432。距离调整机构82通过调整螺钉431相对于狭缝216的Z方向插入位置而调整板簧21相对于第一臂部分31的Z方向置放。

[0046] 根据距离调整机构81和82中的至少一个，通过让板簧21沿Z方向相对于第一基部部分11或第一臂部分31移位，调整(改变)第一基部部分11和第一臂部分31之间的距离。在该例子中，在板簧21上，位于第一基部部分11和第一臂部分31之间的区域形成变形区域R13。因而，通过调整第一基部部分11和第一臂部分31之间的距离，板簧21上的变形区域R13的Z方向长度可增加或减小。结果，相对于触针50位移量的变形区域R13的变形量可被调整，且针对触针50的位移的检测灵敏度可被调整。

[0047] 例如，在变形区域R13的Z方向长度被缩短时，相对于触针50位移量的变形区域R13的变形量增加，且因此针对触针50的位移的检测灵敏度得到改善。同时，在变形区域R13的Z方向长度被加长时，相对于触针50位移量的变形区域R13的变形量减小，且因此针对触针50的位移的检测灵敏度被抑制。

[0048] 在本实施例中，在改变第一基部部分11和第一臂部分31(板簧21固定到它们)之间的距离时，第二基部部分12和第二臂部分32(板簧22固定到它们)之间的Z方向距离必须保持恒定。因此，优选使用Z轴线调整机构13调整第二基部部分12相对于第一基部部分11的Z方向位置。

[0049] 在本实施例中，两个距离调整机构81和82构成本发明的置放调整机构(置放调整器)。具体地，通过使用两个距离调整机构81和82让联接构件20相对于基部10和臂30每一个沿相同方向移位，在变形区域R13中沿形变检测元件61的Z方向(基部10和臂30的联接方向)的置放也可被改变，同时变形区域R13的Z方向长度保持不变。

[0050] 例如，通过让联接构件20相对于基部10和臂30每一个向上移位，形变检测元件61在变形区域R13中的置放朝向基部10移位。因而，改善针对触针50的位移的检测灵敏度。同时，通过让联接构件20相对于基部10和臂30每一个向下移位，形变检测元件61在变形区域R13中的置放朝向臂30移位。因而，抑制针对触针50的位移的检测灵敏度。

[0051] 第一实施例的效果

[0052] 在本实施例中，如上所述，形变检测元件61在板簧21的变形区域R13中的置放影响针对触针50的位移的检测灵敏度。因此，通过在形状测量设备1的制造或校准期间调整形变检测元件61在板簧21的变形区域R13中的安装位置，例如，可简单地实现期望分辨率和测量范围。

[0053] 还有，根据本实施例的距离调整机构81和82中的至少一个，通过调整第一基部部分11和第二臂部分32之间的距离，板簧21上的变形区域R13的Z方向长度可增加或减小。这相对于触针50的位移量改变变形区域R13的变形量。由此，可容易地改变针对触针50的位移的检测灵敏度，同时形变检测元件61保持安装在变形区域R13中。

[0054] 还有，本实施例的两个距离调整机构81和82构成置放调整机构，其沿Z方向调整形变检测元件61在变形区域R13中的位置。根据距离调整机构81和82，形变检测元件61在变形区域R13中的位置可被调整，以便更靠近第一基部部分11，或更靠近第一臂部分31。由此，针对触针50的位移的检测灵敏度可被容易地改变。

[0055] 此外，在本实施例中，联接构件20板簧21和22中的至少一个，所述板簧21和22包含在其各自的中间部分处的变形区域R13和R23。因此，形变检测元件61可容易地安装在板簧21的该一对表面213和214中的至少一个上(在本实施例中是表面213)。还有，通过调整构成联接构件20的板簧21和22的数量，可改变让联接构件20弯曲所需的力。

[0056] 进而，本实施例的联接构件20包括交叉布置的该一对板簧21和22，因此防止该一对板簧21和22的扭转。由此，形变检测元件61可以以高得多的准确性检测板簧21的变形区域R13的变形量。

[0057] 第二实施例

[0058] 图4示出了根据本发明第二实施例的形状测量设备2。形状测量设备2具有与根据如上所述的第一实施例的形状测量设备1基本相同的结构。因此，省略了共同部件的重复描述，且在下文仅描述不同的那些部件。

[0059] 在本实施例中，形变检测器60A包括至少一对(在本实施例中为一对)变形检测元件62和63，它们在变形区域R13中被设置到每一个板簧21。变形检测元件62和63是压电元件，其分别布置在板簧21的该一对表面213和214上且配置成一对，板簧21位于它们之间。变形检测元件62和63构成用于检测的双压电晶片(bimorph)类型的压电元件，它们彼此连结，而板簧21插置在它们之间。

[0060] 通过这种构造，在形状测量设备2的测量操作期间，第一形变检测元件62可检测板簧21的表面213的翘曲变形量，且第二形变检测元件63可检测板簧21的表面214的弯曲变形量。由此，通过利用该一对变形检测元件62和63所检测的量的相异性，可更准确地检测触针50的位移量。

[0061] 还有，根据本实施例的形状测量设备2包括驱使联接构件20变形的驱动器90。驱动器90包括一对驱动元件91和92，其安装在板簧21的变形区域R13中。该一对驱动元件91和92分别安装在板簧21的该一对表面213和214上且构成用于进行驱动的双压电晶片类型的压电元件，其彼此连结，而板簧21插置在它们之间。

[0062] 通过这种构造，控制装置70将差动电压发送到该一对驱动元件91和92，由此操作驱动元件91和92，以在板簧21中造成弯曲。这驱使联接构件20变形。在板簧21中造成弯曲的力的效率方面，该一对驱动元件91和92优选安装为比该一对变形检测元件62和63更靠近基部10(更向上)。

[0063] 通过驱使联接构件20变形，例如，驱动器90可执行让处于与工件W接触状态下的触针50从工件W退回的操作。进而，通过驱使联接构件20变形，驱动器90可在触针50接触工件W的同时控制测量力。例如，在工件W是软材料或在执行高精度测量时，驱动器90优选驱使联接构件20变形，以便减小测量力。同时，在寻求高响应性测量时，驱动器90优选驱使联接构件20变形，以便增加测量力。此外，驱动器90构成用于驱动的双压电晶片类型压电元件，且因此可以以更有利的响应性驱动联接构件20。

[0064] 第三实施例

[0065] 图5示出了根据第三本发明实施例的形状测量设备3。形状测量设备3具有与根据如上所述的第一实施例的形状测量设备1基本相同的结构。因此，省略了共同部件的重复描述，且在下文仅描述不同的那些部件。

[0066] 在本实施例中，联接构件20A包括布置为遵循Z方向的一个或多个板簧21。然而，联接部分20A不包括第一实施例中的布置为遵循X方向的板簧22(见图1)，且省略了用于固定板簧22的第二基部部分12、第二臂部分32等。

[0067] 根据本实施例的形状测量设备3包括块状局限构件(限制件或局限件)83，其设置到基部10，代替第一实施例的距离调整机构81和82(见图3)。局限构件83包括垂直支撑表面831，其是平行于YZ平面的表面且与板簧21的表面214直接接触。还有，局限构件83通过例如夹持件或螺钉(附图中未示出)这样的固定件固定就位，处于板簧21被夹在局限构件83和第一基部部分11的垂直支撑表面110之间的状态。

[0068] 局限构件83布置为使得垂直支撑表面831的底端832定位为比第一基部部分11的垂直支撑表面110低。由此，局限构件83在第一基部部分11和第一臂部分31之间的区域的上部部分处与板簧21的表面214直接接触，且局限构件83限制板簧21的弹性变形。

[0069] 在这种构造中，板簧21被分为：固定区域R31，在该处通过局限构件83限制变形；固定区域R32，在该处通过第一臂部分31限制变形；和变形区域R33，其能弹性变形，且定位在固定区域R31和R32之间。具体说，在本实施例中，局限构件83与板簧21直接接触的区域被从变形区域R33排除，且因此变形区域R33的上边界通过局限构件83的底端832限定。

[0070] 在本实施例中，通过对板簧21设置局限构件83，在第一基部部分11和第一臂部分31之间的区域中板簧21的Z方向部分的变形被限制，且板簧21的变形区域R33的Z方向长度可缩短。因而，相对于触针50位移量的变形区域R33的变形量可增加，且针对触针50的位移的检测灵敏度可容易地增加。

[0071] 还有，局限构件83也可以被配置为通过相对于板簧21的重新附接或位移而允许局限构件83相对于联接构件20的置放被沿Z方向调整。例如，工人可以制备多个局限构件83(其具有多种Z方向长度)，且可以选择合适的局限构件83并将局限构件83安装在板簧21上。工人也可以沿Z方向移位安装在板簧21上的局限构件83。通过这种构造，通过沿Z方向调整局限构件83，不仅是变形区域R33的上边界被改变，而且板簧21上的变形区域R33的Z方向长度也被改变。因而，可容易地调整针对触针50的位移的检测灵敏度。

[0072] 修改例

[0073] 本发明并不限于如上所述的各种实施例，且包括在能获得本发明优点的范围内的修改例。还有，本发明包括如上所述的各种实施例的组合。

[0074] 在第一和第二实施例中，两个距离调整机构81和82设置到联接构件20。然而，本发明并不限于此，且代替地，距离调整机构81和82中的仅一个可以设置到联接构件20。还有，在第一和第二实施例中，距离调整机构81和82配置为使得第一基部部分11和第一臂部分31之间距离能被调整，但是本发明并不限于此。例如，在形变检测元件61安装在板簧22上时，距离调整机构81和82可以配置为使得第二基部部分12和第二臂部分32之间的距离能被调整。在第三实施例中，可以设置距离调整机构81和82，代替局限构件83。还有，在第一和第二实施例中，可以设置局限构件83，代替距离调整机构81和82。

[0075] 根据本发明的距离调整机构的具体构造并不限于第一和第二实施例中所述的。例如，根据本发明的距离调整机构可以具有一构造，其能调整联接构件相对于基部和臂中的至少一个的位置。

[0076] 根据本发明的置放调整机构的具体构造并不限于第一和第二实施例中所述的。例如，根据本发明的置放调整机构可以具有一构造，其调整联接构件相对于基部和臂两者的位置。

[0077] 根据本发明的局限构件应在基部10和臂30之间的一部分处限制联接构件20的弹性变形，且局限构件的具体构造并不限于第三实施例所述的。例如，在第三实施例中，局限构件83被固定就位，使得板簧21夹在局限构件83和第一基部部分11之间，但是本发明并不限于此，而是局限构件可以固定就位，使得板簧21夹在局限构件83和第二基部部分12之间。

[0078] 根据本发明的联接构件并不限于如第一和第二实施例中那样交叉布置的至少一对板簧21和22也不限于如第三实施例中那样沿Z方向布置的板簧21。例如，在第一到第三实施例中，联接构件20和20A可以仅沿X方向布置的板簧22构造。还有，根据本发明的联接构件可以用并非板簧的弹性材料形成，且可以具有在弹性材料形成的臂和基部之间构成变形区域的部分。

[0079] 在第一和第三实施例中，形变检测元件61安装在板簧21的一个表面(表面213)上，但是本发明并不限于此。形变检测元件61可以安装在其他表面213上，或可以安装在两表面213和214上，如第二实施例中。

[0080] 在第一和第二实施例中，形变检测元件61到63安装在沿Z方向布置的板簧21上，但是本发明并不限于此。形变检测元件61到63可以安装在沿X方向布置的板簧22上，或可以沿每一个方向安装在板簧21和22上。还有，在存在沿彼此相同方向布置的多个板簧21(22)时，形变检测元件61到63可以安装在多个板簧21(22)中之一上或可以安装在其每一个上。在第二实施例中，一对形变检测元件63安装在每一个板簧21上，但是两对或更多对形变检测元件63可以安装在每一个板簧21上。

[0081] 在第二实施例中，驱动器90是安装在板簧21两侧上的表面213和214上的一对双压电晶片类型压电元件，但是本发明并不限于此且驱动器90也可以是安装在板簧21的表面213和214中之任一上的压电元件。还有，并非安装在沿Z方向布置的板簧21上，驱动器90可以安装在沿X方向布置的板簧22上，或在两板簧21和22上。

[0082] 此外，在第二实施例中，形变检测器60和驱动器90通过个别压电元件分别配置，但是形变检测器60和驱动器90也可以通过同一压电元件实现。

[0083] 本发明可用在测量工件表面形状的形状测量设备中。

[0084] 应注意，前述例子仅出于说明的目的提供且不是为了构成对本发明的限制。尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应理解本文已经使用的词语是描述和说明性的词语，而不是限制性的词语。可以在所陈述和所修改的所附权利要求的范围内可以做出改变，而在其一些方面，不脱离本发明的范围和精神。虽然已经参考具体结构、材料和实施例在本文描述了本发明，但是本发明不应被限制为所公开的具体形式；相反，本发明涵盖虽有功能等同的结构、方法、和用途，例如在所附权利要求的范围内。

[0085] 本发明并不限于如上所述的实施例，且可以在不脱离本发明范围的情况下做出各种变化和修改。

[0086] 相关申请的交叉引用

[0087] 本申请根据35U.S.C.§119要求2017年12月4日提交的日本申请No.2017-232532的优先权，其公开内容通过引用全部合并于本文。