CN107687913B - 表面压力计测装置 - Google Patents

Abstract

一种表面压力计测装置，具备抵接板、升降器、探针、压电致动器以及控制器。在抵接板，在抵接于对象物的抵接面设有针孔。升降器以将对象物压缩至预定的厚度的方式使对象物抵接于抵接面。探针以能够在针孔的轴向上移动的方式插通于针孔。压电致动器，在升降器使对象物抵接于抵接面的期间，克服探针从对象物所承受的反力而将顶端面保持为与抵接面共面。控制器根据施加于探针的载荷和探针的顶端面的面积，算出对象物的局部的表面压力。

Description

表面压力计测装置

技术领域

本说明书公开表面压力计测装置。

背景技术

有欲计测对对象物施加了预定的载荷时或将对象物压缩成了预定的厚度时的对象物表面的局部的表面压力这样的要求。例如，有时计测将用橡胶制成的衬垫(英文：gasket)压缩成了预定的厚度时的衬垫的局部的特定部分的表面压力。计测对象物的表面压力的装置被在例如日本特开2009-68991、日本特开2012-21924中公开。

日本特开2009-68991的表面压力计测装置具备：具有多个凸部的片和在承受压力时显色的压力测定材料。压力测定材料根据压力的大小而颜色变化。关于该表面压力计测装置，在片的多个凸部的头顶面贴附压力测定材料，将片按压于对象物。根据压力测定部件的颜色，来判明施加于各凸部的表面压力。关于日本特开2012-21924的表面压力计测装置，将多个探针以它们的顶端形成平面的方式配置成二维状。将对象物按压于多个探针的顶端。日本特开2012-21924的表面压力计测装置能够根据施加于各探针的载荷来获得对象物的表面的表面压力分布。

发明内容

在日本特开2009-68991的表面压力计测装置中，压力测定材料需要一定程度的面积，不适于对象物的表面的极小的局部的表面压力的计测。日本特开2012-21924的表面压力计测装置将多个探针二维排列。计测表面压力分布时的位置分辨率(英文：位置分解能)依存于探针的粗细。例如在以数十微米的分辨率来计测表面压力分布中，必须将数十微米的直径的多个探针密集地二维配置。因此，日本特开2012-21924的表面压力计测装置也不适于对象物的表面的极小的局部的表面压力的计测。在将日本特开2012-21924的表面压力计测装置的探针仅设为1根的情况下，施加于对象物整体的载荷即成为施加于探针的载荷，因此无法计测将对象物整体压缩成了预定的厚度时的局部的表面压力。本说明书所公开的技术提供一种表面压力计测装置，该表面压力计测装置能够计测对对象物施加了预定的载荷时或将对象物压缩成了预定的厚度时的对象物表面的极小的局部的表面压力。

本说明书所公开的表面压力计测装置具备：被抵接于对象物的抵接板、第1致动器、第2致动器、探针、载荷传感器以及控制器。抵接板具有抵接于对象物的抵接面，在抵接面设有孔。第1致动器构成为，使对象物以预定的载荷抵接于抵接面。或者，第1致动器构成为，以将对象物压缩至预定的厚度的方式使对象物抵接于抵接面。探针具有在抵接面侧露出的顶端面，且以能够在孔的轴向上移动的方式插通于抵接板的孔。第2致动器支承探针。第2致动器构成为，在第1致动器使对象物抵接于抵接面的期间，克服探针从对象物所承受的反力而将探针的顶端面保持为与抵接面共面。载荷传感器构成为，计测在第2致动器将探针的顶端面保持为与抵接面共面时施加于探针的载荷。控制器构成为，根据载荷传感器的计测值和探针的顶端面的面积来算出施加于探针的顶端面的表面压力。该表面压力是对象物的与探针抵接的部位的局部的表面压力。

在上述表面压力计测装置中，从孔露出的探针的顶端面和抵接板的抵接面被保持为共面。在包括探针的顶端面的抵接板的抵接面对对象物整体施加载荷的期间，控制器计测对象物的抵接于探针的顶端面的部位的表面压力。上述的表面压力计测装置能够计测抵接板对对象物整体施加了预定的载荷时的(或者将对象物整体压缩成预定的厚度时的)1根探针的顶端面所抵接的局部的部位的表面压力。越减小抵接板的孔的直径和探针的顶端面的面积，则越能够计测对象物表面的极小的局部的表面压力。

此外，探针的顶端面与抵接面的“共面”的精度依存于所要求的表面压力的计测精度。所要求的表面压力的计测精度越高，则探针的顶端面与抵接面的“共面”程度所容许的误差越小。

本说明书所公开的表面压力计测装置也可以进一步具备第3致动器，该第3致动器构成为，使抵接板相对于对象物相对移动以变更对象物与探针抵接的部位。在该情况下，控制器在对象物的多个部位算出表面压力，并输出对象物的表面压力分布。在具备第3致动器的表面压力计测装置中，探针的顶端面的大小和探针的移动分辨率决定表面压力分布计测的分辨率(位置分辨率)。例如，在探针的顶端面为直径10微米的圆、第3致动器的探针移动的分辨率为10微米的情况下，表面压力计测装置具有10微米的位置分辨率。本说明书所公开的表面压力计测装置能够以高位置分辨率来计测表面压力分布。

探针也可以具备顶端和比顶端粗的中间部。在该情况下，设置于抵接板的孔也可以具备：小径部，其供探针的顶端插通；和大径部，其直径比所述小径部的直径大，供中间部插通。即使将顶端面设为小的面积也能够实现结实的探针。在本说明书所公开的表面压力计测装置中，不需要如日本特开2012-21924的装置那样将多个探针密集地配置。故此，可以采用仅顶端细而后续部分(中间部)粗的探针。并且，通过中间部与孔的大径部嵌合，从而能够用直径粗的中间部支承探针。

上述表面压力计测装置也可以进一步具备第1激光测距仪，该第1激光测距仪构成为计测探针在孔的轴向上的位置。另外，也可以是，控制器存储顶端面与抵接面共面时的探针在孔的轴向上的位置，并基于第1激光测距仪的计测数据来控制第2致动器，以使得顶端面与抵接面成为共面。

上述表面压力计测装置也可以进一步具备载置对象物的载置台。另外，第1致动器也可以构成为使所述载置台运动。

上述表面压力计测装置也可以进一步具备第2激光测距仪，该第2激光测距仪设置于载置台，并计测载置台与抵接板之间的距离。另外，也可以是，控制器取得由第2激光测距仪计测到的计测数据，并基于由第2激光测距仪计测到的计测数据来控制第1致动器，以使得载置台与抵接板之间的距离变化。

在上述表面压力计测装置中，第1致动器也可以构成为使抵接板运动。

本说明书所公开的技术的详情在以下的“具体实施方式”中进行说明。

附图说明

以下参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性进行说明，其中同样的附图标记表示同样的部件，并且附图中：

图1示出实施例的表面压力计测装置的示意剖视图。

图2示出图1的符号II所示的圆内的放大剖视图。

图3示出图1的符号II所示的圆内的放大剖视图(对象物被按压于抵接板了的状态)。

图4是表示表面压力分布的计测例的图表。

图5是表示表面压力分布的另一计测例的图表。

具体实施方式

参照附图对实施例的表面压力计测装置2进行说明。在图1中示出表面压力计测装置2的示意剖视图。图2是将图1中的符号II所示的圆内放大了的图。表面压力计测装置2能够计测将载置在载置台6上的对象物100压缩到了预定的厚度时的局部的表面压力。对象物100例如是用弹性材料制成的衬垫。表面压力计测装置2能够计测衬垫(对象物100)的表面压力分布。

表面压力计测装置2具备基座3、XY载物台4、升降器(英文：lift)5、载置台6、抵接板7、探针20、载荷传感器9、压电致动器10、控制器12、以及2个激光测距仪31、32。此外，在图中的坐标系中，X轴和Y轴表示水平方向，Z轴表示垂直方向。

在基座3上设置有XY载物台4。在XY载物台4上安装有升降器5，在升降器5上安装有载置台6。在载置台6上载置对象物100。XY载物台4能够使升降器5和载置台6在水平面内运动。如后所述，抵接板7和用于计测表面压力的探针20位于载置台6的上方(对象物100的上方)。在对象物100中，与探针20的顶端面23a抵接的部位与表面压力计测部位相当。XY载物台4能够变更抵接于探针20的顶端面23a的对象物100的位置。XY载物台4是使对象物100相对于探针20相对移动以变更对象物100的与探针20抵接的抵接部位的致动器。XY载物台4由控制器12来控制。

升降器5是使载置台6上下运动的致动器。抵接板7位于载置台6的上方。抵接板7通过支柱3a固定于基座3。在通过升降器5使载置台6上升时，对象物100与抵接板7的下表面接触。以下，将抵接板7的下表面称为抵接面7a。在载置台6安装有激光测距仪32。激光测距仪32计测从载置台6的表面到抵接面7a的距离即载置台6与抵接板7之间的距离。计测数据被送向控制器12。控制器12能够基于激光测距仪32的计测数据、使用升降器5使载置台6与抵接板7之间的距离自如变化。

在抵接板7设置有针孔7b。探针20的顶端23贯通于针孔7b。如图2所示，探针20的顶端面23a在抵接板7的抵接面7a侧从针孔7b露出。

探针20具备直径小的顶端23和接续于顶端23之后的大径的中间部22。中间部22比顶端23粗。例如，顶端23的直径D1(参照图2)为10微米，中间部22的直径为2mm。抵接板7的针孔7b的直径D2例如为12微米，探针20的顶端23伴有1微米的间隙地嵌合于针孔7b。

在抵接板7，接续于针孔7b地设置有大径孔7c。大径孔7c的直径远远大于针孔7b的直径。在针孔7b插通有探针20的顶端23，在大径孔7c插通有探针20的中间部22。在图1中，在大径孔7c与中间部22之间绘有空隙，但是大径孔7c与中间部22的间隙也是1微米左右。探针20相对于抵接板7的图中的XY面内的相对位置通过大径孔7c与中间部22的嵌合来确定。能够通过大径孔7c和中间部22以不对探针20的细的顶端23施加负荷的方式确定探针20相对于抵接板7的XY面内的相对位置。

探针20的后端经由载荷传感器9被支承于压电致动器10。压电致动器10被支承于支承部件8，该支承部件8被固定在抵接板7之上。压电致动器10在图中的Z方向(上下方向)上伸缩。即，压电致动器10能够使探针20在上下方向上进退。换言之，探针20通过压电致动器10被可进退地插通于针孔7b。压电致动器10的上下运动的行程(探针20的行程)约为100微米。探针20被支承为其顶端面23a与抵接板7的抵接面7a大致共面。如下所述，控制器12使用压电致动器10来控制探针20的上下方向上的位置以使得顶端面23a与抵接面7a共面。

在支承部件8安装有激光测距仪31。激光测距仪31计测在探针20的后端所设置的凸缘24的上下方向上的位置。即，激光测距仪31计测探针20的上下方向上的位置。控制器12存储顶端面23a与抵接面7a共面时的凸缘24的位置。控制器12基于激光测距仪31的计测数据来控制压电致动器10，以使得探针20的顶端面23a总是与抵接面7a成为共面。

若探针20的顶端面23a承受向上方的载荷，则载荷传感器9收缩，探针20稍稍上升。控制器12使压电致动器10膨胀，以使得探针20的顶端面23a保持与抵接面7a共面的状态。载荷传感器9计测探针20的顶端面23a在被保持为与抵接面7a共面时所承受的载荷。此外，控制器12将表面压力计测装置2起动时、顶端面23a无负荷时的载荷传感器的计测数据调整为零点。通过该零点调整，探针20的自重被从载荷传感器的计测值去除。因此，控制器12能够根据载荷传感器9的计测数据来准确地获得探针20的顶端面23a在被保持为与抵接面7a共面时所承受的载荷。

对通过表面压力计测装置2实现的对象物100的表面压力计测方法进行说明。控制器12控制XY载物台4以使得对象物100的表面压力计测部位位于探针20的顶端面23a的正下方。接着，控制器12控制升降器5以使得对象物100接触于抵接面7a的包括顶端面23a的范围。控制器12基于激光测距仪32的计测数据，使用升降器5使载置台6上升，将对象物100压缩至预定的厚度。即，控制器12使用升降器5使载置台6上升以使得载置台6与抵接板7的间隔与对象物100的目标厚度相等。

若对象物100抵接于抵接面7a，则对象物100的表面压力计测部位也抵接于探针20的顶端面23a。对象物100的表面压力计测部位对探针20施加向上方的载荷。由于该载荷，与探针20的后端接触的载荷传感器9收缩。如前所述，控制器12控制压电致动器10，以使得探针20的顶端面23a与抵接面7a成为共面。在图3中示出对象物100的上表面紧贴于抵接板7的抵接面7a的状态。假如没有探针20，则对象物100的表面压力计测部位会鼓起到针孔7b之中(图3的标号100a)。顶端面23a保持为与抵接面7a共面的探针20，将对象物100的鼓起到针孔7b之中的部分100a压回去，使对象物100的表面平坦。其反力施加于探针20。压电致动器10，在升降器5使对象物100抵接于抵接板7的期间，克服探针20从对象物100所承受的反力而将探针20的顶端面23a保持为与抵接面7a共面。载荷传感器9检测此时的载荷。控制器12根据载荷传感器9的计测值和探针20的顶端面23a的面积，算出施加于探针20的顶端面23a的表面压力。该表面压力与对象物100的表面压力计测部位的表面压力相当。控制器12根据载荷传感器9的计测数据和探针20的顶端面23a的面积，算出对象物100的与顶端面23a接触的部位(表面压力计测部位)的表面压力，并存储于存储装置13。

叙述表面压力计测装置2的优点。与作为表面压力计测的对象的对象物100接触的抵接板7，在抵接面7a具有针孔7b。在针孔7b，露出有探针20的顶端面23a。顶端面23a被保持为与抵接面7a共面。探针20的顶端面23a填埋针孔7b，因此抵接面7a就如同没有针孔7b那样一样地按压对象物100。因此，在对象物100的表面产生与没有针孔7b的平坦的抵接面7a被一样地施加了载荷时相同的表面压力。另一方面，载荷传感器9对施加于填埋针孔7b的探针20的载荷进行计测。载荷传感器9所计测的载荷与平坦的抵接面7a被一样地按压了时的对象物100的局部的表面压力相对应。即使减小探针20的顶端面23a的面积，因为抵接面7a包围顶端面23a的周围，所以仍保持抵接面7a一样地压缩于对象物的状态。表面压力计测装置2能够对对象物被一样地压缩了时的局部的表面压力进行计测。表面压力计测装置2为，越减小探针20的顶端面23a的大小和针孔7b的面积，就越能够计测对象物表面的微观的局部的表面压力。

探针20的顶端23与针孔7b的间隙、和探针20的顶端面23a与抵接面7a的“共面”的精度，依存于表面压力的计测精度来确定。所要求的表面压力的计测精度越高，则上述的间隙越小，顶端面23a与抵接面7a的“共面”的程度所容许的误差越小。如果所要求的表面压力的计测精度低，则上述的间隙也可以相应地大些，顶端面23a与抵接面7a的“共面”的程度所容许的误差也变大。

表面压力计测装置2能够也计测对象物100被一样地压缩时的表面压力分布。控制器12使用XY载物台4来变更对象物100与探针20的抵接部位，并计测新部位的表面压力。控制器12在对象物100的多个部位算出表面压力，并将对象物100的表面压力分布向存储装置13输出。

在图4中示出表面压力分布的计测结果的一例。图4的柱状图G1示出沿着图中的坐标系的Y方向的对象物100的表面压力分布。在图4中，针孔7b和探针20省略了图示。表面压力分布的位置分辨率dR依存于探针20的顶端面23a的直径和XY载物台4的移动的位置分辨率。在顶端面23a的直径和XY载物台的位置分辨率都为10微米的情况下，表面压力计测装置2的表面压力计测的位置分辨率dR成为10微米。

在图5中示出表面压力分布的另一计测结果的一例。图5的柱状图G2示出沿着图中的坐标系的Y方向的对象物200的表面压力分布。在图5中，针孔7b和探针20省略了图示。对象物200是具有3个突出部的衬垫。在该例子中，表面压力分布的位置分辨率dR也依存于探针20的顶端面23a的直径和XY载物台4的移动的位置分辨率。在顶端面23a的直径和XY载物台的位置分辨率都为10微米的情况下，表面压力计测装置2的表面压力计测的位置分辨率dR成为10微米。

叙述与实施例中说明了的技术相关的注意点。探针20具备细的顶端23和接续于顶端23的大径的中间部22。即使将顶端面23a设为小的面积也能够实现结实的探针。另外，中间部22嵌合于大径孔7c，该大径孔7c接续于针孔7b地设置。探针20的XY面内的位置通过大径孔7c与中间部22的嵌合来确定。

实施例的表面压力计测装置2能够在将对象物100压缩成了预定的厚度的状态下对局部的表面压力进行计测。表面压力计测装置2也能够在对对象物100的整体施加了预定的大小的载荷的状态下对局部的表面压力进行计测。在该情况下，在载置台6与对象物100之间夹着载荷计测片。控制器12使用升降器5将对象物100压到抵接板7上。控制器12基于由载荷计测片所计测的计测数据将对象物100按压于抵接板7，以使得对象物100所承受的载荷与预定的目标载荷一致。控制器12在该状态下使用探针20计测对象物100的局部的表面压力。此外，在对象物100的整体的刚性已知的情况下，在施加于对象物100的载荷与压缩后的厚度之间成立有唯一的关系。因此，在该情况下，对对象物施加预定的载荷和将对象物100压缩成预定的厚度，实质上等价。

压电致动器10在升降器5使对象物100抵接于抵接面7a的期间，将探针20的顶端面23a保持为与抵接面7a共面。压电致动器10从抵接面7a与对象物100抵接起的最初就将顶端面23a保持为与抵接面7a共面。换言之，压电致动器10将顶端面23a保持为与抵接面7a共面，并且升降器5使对象物100抵接于抵接面7a。表面压力计测装置2的控制器12也可以取代上述的顺序而按以下的顺序来控制升降器5和压电致动器10。控制器12停止向压电致动器10的电力供给，直到使升降器5运动而将对象物100的厚度压缩至预定的目标厚度为止。此时，对象物100的一部分将探针20向针孔7b之中压入。控制器12，在将对象物100的厚度压缩至预定的目标厚度之后，控制压电致动器10，将探针20的顶端面23a保持为与抵接面7a共面。之后，控制器12基于载荷传感器9的计测数据，算出顶端面23a所抵接的部位的表面压力。不过，可以预料：前者(压电致动器10将顶端面23a保持为与抵接面7a共面，并且升降器5使对象物100抵接于抵接面7a的顺序)的一方的表面压力计测精度高。

在实施例的表面压力计测装置2的情况下，使对象物100(载置台6)运动，来变更对象物100相对于探针20的相对位置。相反地，也可以是，使包括探针20的抵接板7运动来变更相对位置。

实施例的表面压力计测装置2用平坦的载置台6和抵接面7a平坦的抵接板7夹入对象物100。表面压力计测装置也可以采用圆筒状的抵接板和能够改变直径的圆柱状的载置台(安装圆柱)。通过采用这样的抵接板和安装圆柱，能够在将环状的轴密封用衬垫整体压缩了的状态下计测局部的表面压力。具体而言，在能够改变直径的安装圆柱安装环状的轴密封用衬垫。将安装了衬垫的安装圆柱放入到圆筒状的抵接板。扩大安装圆柱的直径，均匀地压缩衬垫。在该状态下，使用从抵接板的针孔露出的探针来计测衬垫的局部的表面压力。

实施例的针孔7b和接续于针孔7b的大径孔7c与技术方案的“抵接板所具备的孔”的一例相当。针孔7b与技术方案的“小径部”的一例相当，大径孔7c与技术方案的“大径部”的一例相当。实施例的升降器5与技术方案的“第1致动器”的一例相当。实施例的压电致动器10与技术方案的“第2致动器”的一例相当。实施例的XY载物台4与技术方案的“第3致动器”的一例相当。第1致动器也可以兼作第3致动器。例如，能够使台三维运动的载物台(XYZ载物台)，也可以兼作第1致动器和第3致动器。实施例的激光测距仪31与技术方案的“第1激光测距仪”的一例相当。实施例的激光测距仪32与技术方案的“第2激光测距仪”的一例相当。

第3致动器既可以是使用了滚珠丝杠的XY载物台，也可以是通过联杆机构使载置台二维运动的致动器。

以上，详细地说明了本发明的具体例，但是这些不过是例示而已，不限定权利要求书。在权利要求书所记载的技术中，包括对以上例示了的具体例进行了各种变形、变更后的技术方案。本说明书或附图中说明了的技术要素是通过单独或通过各种组合来发挥技术有用性的技术要素，不限定于提出申请时技术方案所记载的组合。另外，本说明书或附图中例示了的技术能够同时达到多个目的，达到其中一个目的本身就具有技术有用性。

Claims (7)

1.一种表面压力计测装置，构成为计测对象物的表面的局部的表面压力，其特征在于，

具备：

抵接板，其构成为抵接于所述对象物，且在抵接于所述对象物的抵接面设有孔；

探针，其具有在所述抵接面侧露出的顶端面，且以能够在所述孔的轴向上移动的方式插通于所述抵接板的所述孔；

第1致动器，其构成为使所述对象物以预定的载荷抵接于所述抵接面，或者构成为以将所述对象物压缩至预定的厚度的方式使所述对象物抵接于所述抵接面；

第2致动器，其构成为，支承所述探针，在所述第1致动器使所述对象物抵接于所述抵接面的期间，克服所述探针从所述对象物所承受的反力而将所述探针的顶端面保持为与所述抵接面共面；

载荷传感器，其构成为计测在所述第2致动器将所述探针的顶端面保持为与所述抵接面共面时施加于所述探针的载荷；以及

控制器，其构成为根据所述载荷传感器的计测值和所述探针的顶端面的面积来算出施加于所述探针的顶端面的表面压力。

2.根据权利要求1所述的表面压力计测装置，其特征在于，

所述表面压力计测装置进一步具备第3致动器，该第3致动器构成为，使所述抵接板相对于所述对象物相对移动以变更所述对象物与所述探针抵接的部位，其中，

所述控制器在所述对象物的多个部位算出所述表面压力，并输出所述对象物的表面压力分布。

3.根据权利要求1或2所述的表面压力计测装置，其特征在于，

所述探针具备顶端和比顶端粗的中间部，

所述孔具备：小径部，其供所述探针的所述顶端插通；和大径部，其直径比所述小径部的直径大，供所述中间部插通。

4.根据权利要求1或2所述的表面压力计测装置，其特征在于，

所述表面压力计测装置进一步具备第1激光测距仪，该第1激光测距仪构成为计测所述探针在所述孔的轴向上的位置，其中，

所述控制器，存储所述顶端面与所述抵接面共面时的所述探针在所述孔的轴向上的位置，并基于所述第1激光测距仪的计测数据来控制第2致动器，以使得所述顶端面与所述抵接面成为共面。

5.根据权利要求1或2所述的表面压力计测装置，其特征在于，

所述表面压力计测装置进一步具备载置所述对象物的载置台，其中，

所述第1致动器构成为使所述载置台运动。

6.根据权利要求5所述的表面压力计测装置，其特征在于，

所述表面压力计测装置进一步具备第2激光测距仪，该第2激光测距仪构成为，设置于所述载置台，并计测所述载置台与所述抵接板之间的距离，其中，

所述控制器取得由所述第2激光测距仪计测到的计测数据，并基于由所述第2激光测距仪计测到的所述计测数据来控制所述第1致动器，以使得所述载置台与所述抵接板之间的距离变化。

7.根据权利要求1或2所述的表面压力计测装置，其特征在于，

所述第1致动器构成为使所述抵接板运动。

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