JP2006017693A - 表面形状測定触針及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は表面精密測定技術の領域における表面形状測定触針を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明にかかる触針は、開口端と室を有するパイプと、第一端及び第二端を有するピンと、溝を有する球状触頭と、を含む。また、前記ピンの第一端は前記触頭の溝に差し込んで固定され、第二端は前記パイプの開口から室に差し込んで固定される。前記ピンと球状触頭は接着剤または半田を介して固定される。前記ピンと前記パイプは接着剤、半田又はリベットを介して固定される。前記球状触頭は真円球である。なお、本発明にかかる触針は測定の精確度が高く、使用時間が長いという長所がある。また、本発明は前記触針の製造方法も提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面形状測定装置、特に高精度の表面形状測定装置における微小な球状触針の構成及びその製造方法に関する。

物体の表面形状及び表面粗さを測定する方法として、接触式測定法と非接触式測定法（例えば、走査型電子顕微鏡測定と原子力顕微鏡測定）がある。この方法により、測定精度が非常に高く、物体表面における原子の形状を測定することができる。しかし、大部分の実際工程において、原子ほどの表面形状のような精確な程度を要求されることなく、物体の表面形状だけ研究を行う。

前記接触式測定装置（例えば、触針式形状測定機）は特別な触針を利用して、所定のスピードで被測物体の表面に沿って移動させる。物体表面でのマイクロ凸凹により触針が上下に運動し、更に機械及び電気変換、信号拡大及びその演算によって、被測物体の表面形状を適時に表示する。

前記の原理から理解されるように、触針の幾何形状は測定の精度に重要な影響を与え、その詳しい内容は、非特許文献１及び非特許文献２に示される。触針に球状触頭を利用することが多いので、球状触頭の直径が小さいほど、測定の精度が高くなり、その反対では、測定の精度は低くなり、測定の誤差も大きくなる。前記から分かるように、球状触頭の直径が０であるものは一番好ましいが、このような触頭の製造方法は実現されない。現在の技術条件により、直径がミクロンほどまでの球状触頭を加工することができる。なお、球状触頭形状の精度が非常に要求されるので、真円球を利用すればよい。

触針は球状触頭以外に、球状触頭を接続して固定するためのビームを有する。

全体加工により真円球状の触頭を製造することは非常に困難である。従って、現在、触針として、一般に真円球とビームをそれぞれ加工してから、両方を結合して製造する。

接触式測定装置において、触針は、物体の表面をスライドするので、
（１）触頭の直径が小さく、真円度が高い、
（２）触頭とビームの結合が固定的で、脱離し易くない、
（３）触頭が十分に露出し、測定の精度及び範囲を高める、
という条件を満足することが必要となる。

図１は従来の技術である触針１０の断面構成を示す。該触針は、真円球１５と、中空の室１３を有するパイプ１２とを別々に製造し、真円球１５をパイプ１２の中空の室１３に押し込んで固定することにより製造される。この構成は、真円球１５の直径に非常に合わせるために、パイプ１２の内径（中空の室１３）を精確に設計する必要がある。また、両方が緊密に合わさっても、大部分の真円球１５が室１３に押し込まれ、１／３の球面だけが露出されるので、測定範囲を制限することとなる。特に、より深い溝の形状（例えば、光学素子の外形）を測定する時、パイプ１２の外壁（図示せず）が被測定物である溝の側表面に触れるので、真円球１５が被測定表面に触れられなくなる。従って、前記触針の構造はこのような状況に適用されない。

従来、真円球を多く露出させるように、接着法を利用する技術もある。図２に示すように、触針２０は中空のパイプ２２と真円球２５を含んで構成される。真円球２５は接着剤２６を介してパイプ２２の末端に結合される。この構成において、真円球２５はパイプ２２の末端と室２３に用意された接着剤を介して固定されるので、結合の安定性を確保できない。特に、真円球２５本体は非常に小さく、且つ前記結合面より全ての球面を覆うことができず、従って、物体表面を測定する時、真円球２５は横軸方向での力を受けて脱離する可能性がある。

前記に鑑みて、測定精度が高く、構成が安定し、簡単に損傷しない触針を提供することが必要となる。
「触針の幾何形状より表面粗さの測定による誤差に与えた影響」、機械エンジニア、２００３（１１）、Ｐ７７−７８ 「表面粗さ及び表面形状の測定と表示」、中国計量、１９９８（７）、Ｐ４７−４８

前記の従来課題を解決するように、測定精度が高く、構成が安定し、使用時間が長い、また表面形状測定の装置に適用する触針を提供することを第一目的とする。

前記触針の製造方法を提供することを第二目的とする。

本発明は前記第一目的を実現するために、開口端と室を有するパイプと、第一端及びその反対端とされる第二端を有するピンと、表面に溝を形成した球状触頭と、を含む表面形状測定触針を提供する。また、前記ピンの第一端は前記触頭の溝に差し込むことにより固定され、第二端は前記パイプの開口から室に差し込むことにより固定される。
前記ピンと球状触頭は接着剤又は半田を介して固定される。
前記ピンとパイプは接着剤、半田又はリベットを介して固定される。
前記球状触頭は真円球である。

本発明は前記第二目的を実現するために、開口端と室を有するパイプを製造する第一ステップと、表面に溝を形成した微小な球状触頭を製造する第二ステップと、前記溝に合う第一端及びパイプの室に合う第二端を有するピンを製造する第三ステップと、該ピンの第一端を前記溝に差し込む第四ステップと、該ピンの第二端を前記室に差し込む第五ステップと、を含む表面形状測定触針の製造方法を提供する。

また、前記微小な球体は金属、ルビー、陶磁又は超硬合金素材から製造して成るものである。

前記溝は、ダイヤルツールを利用して、フライス削り、切削、超音波加工、放電加工又はレーザー加工で形成するものである。

前記ピンの第一端と球状触頭は接着剤又は半田を介して固定される。

前記ピンとパイプの第二端は接着剤、半田又はリベットを介して固定される。

従来技術と比べて、本発明にかかる球状触頭は微小な真円球である。且つこの真円球の大部分はパイプから露出されるので、測定の精確度を高めるという長所がある。また、球状触頭とパイプの結合が安定し、触頭の受けた横軸方向の力がピンで相殺されるため、球状触頭が脱離し易くなく、使用時間が長くなる。

次に、図示を参照して本発明の詳しい内容を説明する。

図３に示すように、本発明にかかる実施例において、表面形状測定装置の重要な移動測定部品として、高精度の物体表面測定触針３０を提供する。前記触針３０は、パイプ３２と、微小な直径を有する球状触頭３５と、球状触頭３５およびパイプ３２を連接する円柱状のピン３７と、を含む。前記パイプ３２は内径がピン３７の外径に対して相当するまたは少し大きい中空の円柱状の室３３を有する。球状触頭３５は円球体であり、真円球が好ましい。前記触頭３５は、直径がミクロンまたはミリメートルまで、また、円柱状の溝（図示せず）が設計されたものである。前記溝は球体表面から球心へ延伸し、ピン３７に対して合うまたは少し大きい形状をなす。前記ピン３７は円柱体であり、直径がパイプ３２の内径より小さいまたは同様で、球状触頭３５の円柱形の溝より長くする。前記ピン３７の一端は前記円柱状の溝に差し込んで、例えば接着剤または半田を介して緊密に固定される。前記ピン３７の他端は前記パイプ３２の円球状の室３３に差し込んで、例えば接着剤、半田またはリベットを介して緊密に固定される。

前記触針３０のパイプ３２は一般に鋼材、タングステン鋼或は超硬合金素材からなる。球状触頭３５は金属、ルビー、陶磁又は超硬合金素材からなる。前記ピン３７は一般に金属或は超硬合金からなる。

前記ピン３７は例えば三角柱、方形柱などの形状にしてもよい。これにより、球状触頭３５の溝およびパイプ３２の室３３は対応した三角柱、方形柱などの形状に形成する必要がある。

次に、前記触針３０の製造方法を詳しく説明する。

まず、パイプ３２と、ピン３７と、球状触頭３５とをそれぞれ製造する。パイプ３２とピン３７は機械加工により製造されている。次の差込動作を便利にしようとするために、パイプ３２の室をピン３７の一端に合わせて製造することに注意が必要である。球状触頭３５の製造工程はより複雑であり、まず、真円球を製造して、それから、前記真円球にピン３７の形状に合わせた微小な溝を形成することにより、球状触頭３５が得られる。目下、ダイヤルツールによるフライス削り、切削、超音波加工、放電加工又はレーザー加工を含む精密な加工技術を微小な溝の加工に対して利用することができる。真円球の素材に対応して加工技術を選択することは無論である。

次に、ピン３７の一端は前記加工を介して得られた前記球状触頭３５の微溝に差し込んで、接着剤または半田で固定される。接着剤を利用する場合、まず、ピン３７の一端に接着剤を塗布して前記溝に差込み、接着剤が固まると、このピン３７は固定される。ピン３７を溝に差し込んで接着剤を塗布した結合面積が大きくなるので、結合の強さと安定性を高めるとともに、球状触頭３５の外表面を最大限に確保することができる。接着でも半田でも固定された球状触頭３５は、物体表面に沿って移動させると、ピン３７が横軸方向の力に耐えるので、前記球状触頭３５とピン３７の結合は前記横軸方向の力により脱離することができなくなる。これにより、従来技術における接着性の安定性が低く、脱離しやすい課題を解決する。

最後、ピン３７の他端はパイプ３２の室３３に差し込んで固定される。ピン３７とパイプ３２は接着剤、半田またはリベットを介して固定される。同様に、ピン３７とパイプ３２の結合面積はより大きいので、接着の強さ及び安定性を高めることに有利する。

前記触針３０は表面測定装置に適用することができる。利用する時、球状触頭３５は被測定物体の表面に沿って移動し、その表面形状の凹凸により触針３０を上下に移動させ、信号シフトにより前記上下の移動を電気信号に変換し、拡大して演算してから、物体表面の形状を取得する。球状触頭３５は、物体の表面に沿って移動する時、物体表面との接触点が変化可能であるので、接触点の変化による誤差は演算によって解決される。

本発明にかかる触針３０は、以下の長所がある。
（１）測定の精度及び正確性が高い。球状触頭３５の直径が非常に小さく、また真円球を利用するので、測定の精度がより高い。なお、球状触頭３５の大部分の表面をパイプ３２から露出させるので、測定表面における深い溝に対しても、球状触頭３５はその表面に正確に接触することができ、従来技術による誤差を防止することができる。
（２）球状触頭３５とパイプ３２は安定的に結合でき、脱離し易くない。ピン３７は球状触頭３５及びパイプ３２に差し込まれるので両方の接触面積がそれぞれ、より大きく、接着法でも接着の安定性を確保することができる。その他、半田やリベットなどの固定方法を利用すれば、さらに結合の安定性を確保することができる。
（３）球状触頭３５はより大きい横軸方向の力に耐え、使用時間が長くなる。測定をする時、球状触頭に受けた横軸方向の力はピン３７で相殺されるので、横軸方向の力がより大きくても、球状触頭３５の結合の安定性に影響されない、使用時間も長くなる。

従来技術として、押し込んで固定された触針の断面模式図である。 従来技術として、接着法を介して固定された触針の断面模式図である。 本発明にかかる表面形状測定の触針の断面模式図である。

符号の説明

３０ 触針
３２ パイプ
３３ 室
３５ 球状触頭
３７ ピン

Claims (17)

1. パイプと球状触頭を有する表面形状測定触針において、
   前記パイプは開口端と室を有し、
   前記球状触頭は溝を有し、
   前記触針は第一端と第二端を有する固定素子を有し、
   前記固定素子において、前記第一端は前記溝に差し込んで固定され、前記第二端は前記パイプの開口から前記室に差し込んで固定されることを特徴とする表面形状測定触針。
2. 前記溝は前記球状触頭の外表面から球心まで延伸することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定触針。
3. 前記溝の形状及びサイズは前記固定素子の第一端に合うことを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定触針。
4. 前記溝は円柱形、三角柱形または方柱形であることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定触針。
5. 前記固定素子の第一端は接着剤が塗布され、前記溝に接着して固定されることを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定触針。
6. 前記固定素子の第一端は半田を介して前記溝に固定されることを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定触針。
7. 前記パイプの室の形状及びサイズは前記固定素子の第二端に合うことを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定触針。
8. 前記固定素子と前記パイプは接着、半田またはリベットを介して固定されることを特徴とする請求項７に記載の表面形状測定触針。
9. 前記球状触頭は真円球であることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定触針。
10. 前記球状触頭は金属、ルビー、陶磁又は超硬合金素材からなることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定触針。
11. 前記パイプ及び固定素子は鋼材、タングステン鋼或は超硬合金素材からなることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定触針。
12. 開口端と室を有するパイプを製造する第一ステップと、
    表面に溝が形成された微小な球体を製造する第二ステップと、
    前記溝に合う第一端及びパイプの室に合う第二端を有する固定素子を製造する第三ステップと、
    前記固定素子の第一端を溝に差し込んで固定する第四ステップと、
    固定素子の第二端を室に差し込んで固定する第五ステップと、
    を含むことを特徴とする表面形状測定触針の製造方法。
13. 前記球体は真円球であることを特徴とする請求項１２に記載の表面形状測定触針の製造方法。
14. 前記球体は金属、ルビー、陶磁又は超硬合金素材からなることを特徴とする請求項１３に記載の表面形状測定触針の製造方法。
15. 前記溝はダイヤルツールによるフライス削り、切削、超音波加工、放電加工又はレーザー加工で形成されたものであることを特徴とする請求項１２に記載の表面形状測定触針の製造方法。
16. 前記固定素子の第一端は接着剤又は半田を介して溝内に固定されることを特徴とする請求項１２に記載の表面形状測定触針の製造方法。
17. 前記固定素子は接着剤、半田又はリベットを介して前記室内に固定されることを特徴とする請求項１２に記載の表面形状測定触針の製造方法。
    

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