JP2010230534A - スタイラスの成形方法、スタイラス、及び形状測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】先端球をステムと同一の材料で短時間で効率よく一体成形することで、スタイラスを高い信頼性で成形可能とする。
【解決手段】棒状のステム１０４と該ステム１０４の先端に設けられた先端球１０６とを備えて接触式計測用プローブに用いられるスタイラス１００の成形方法において、前記ステム１０４を位置決めする工程と、該位置決めされたステム１０４の先端部分にレーザ光１２８を照射する工程と、該レーザ光１２８を照射して該ステム１０４の先端部分を溶融後、表面張力により該溶融部分を前記先端球１０６として成形して固化するまで放置する工程と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、棒状のステムと該ステムの先端に設けられた先端球とを備えて接触式計測用プローブに用いられるスタイラスの成形方法、スタイラス、及び形状測定機に係り、特に、スタイラスの先端球をステムと同一材料を用いて短時間で効率よく一体成形するスタイラスの成形方法、それによって具現化されたスタイラス、及びそのスタイラスを用いた形状測定機に関する。

ワーク（被形状測定物）等の３次元形状を精密に測定する接触式計測用プローブを用いた形状測定機が、一般に知られている。接触式計測用プローブは、ワーク（被形状測定物）と接触する部分にスタイラスを備える。

スタイラス１は、例えば図６（Ａ）に示す如く、棒状のステム４とステムの先端に設けられた先端球６とを備えている。図６（Ａ）に示す如く、一般にはステム４の先端部分４Ａは、先端球６に設けられた挿入孔６Ａに挿入されて接着剤で固定される。ここで、スタイラス１自体は小さなものなのでハンドリングが問題となり、接着作業が容易ではない。なお、スタイラス１０のサイズが小さくなってもある程度の大きさであれば、図６（Ｂ）に示す如く、同様に構成されている。しかし、スタイラス１０が小さくなると接着面積が少なくなるので、しばしば先端球１６の脱落が起こる。そして、スタイラス２０のサイズが更に小さくなると、先端球２６に挿入孔の加工が実際上不可能となる（図６（Ｃ））。このため、接着面積は更に少なくなるので、先端球２６の脱落の確率が更に増大することとなる。

一方で、スタイラスの成形方法として、ステムの先端部分を溶融したガラスに浸漬した後にステムを引き上げて、ステムの先端部分に表面張力でガラスの先端球を成形する方法（以下、ガラス溶融による成形法と称する）も行われている。しかし、ガラスと先端球とは別体に成形されたものに過ぎず、その先端球の脱落の可能性を十分に払拭させるに至っていない。

これらに対して、特許文献１では、棒状の母材に対して放電加工を行うことで、ステムと先端球とを一体に成形加工する方法等が提案されている。又、ガラス溶融による成形法においても、特許文献２で示す如く、溶融したガラスに浸漬させるステムの先端部分に、ステム方向に対して交差する方向へ張り出したフランジ部を設けて、先端球の脱落の可能性を低減することが提案されている。

特開２００５―９６０３３号公報 特開２００６−２５８５５６号公報

しかしながら、特許文献１では、スタイラスの成形加工のための放電エネルギを正確に制御するために、成形中の加工電極と母材とのギャップの制御と加工電極に印加する電圧の制御とを正確に行う必要がある。即ち、放電加工の制御が複雑で、成形加工には熟練を必要とする。又、先端球の成形加工には、放電エネルギを制御して、粗い加工をしてから仕上げ加工まで段階を踏んで加工をする必要があり、成形加工にはある程度の時間が必要である。

そして、母材から成形加工されたスタイラスにおいては、先端球の表面が物理的に加工された面であるので、仕上げ加工の状態によっては粗さが残るおそれがある。又、その物理的な加工は、先端球に集中されるので、先端球に応力が過度にかかり、ステムとの間にひずみが残るおそれがあり、スタイラスの寿命を短くさせるおそれがある。

又、特許文献２では、先端球とステムとは別の材料であり、一体成形されていないので、先端球とステムとの間の境界において感度ロスの生じるおそれがある。又、ステムのフランジ部の形状が先端球の形状にも影響を与えてしまう場合も想定される。更には、先端球の表面とステムのフランジ部とで先端球の材料の肉厚が薄くなる場所が存在する。そのため、ステムの先端部分が十分に浸漬されないと、先端球の成形不良のおそれが残り、従来のガラス溶融による成形法による歩留りを更に低下させるおそれがある。即ち、成形には熟練を必要とする。同時に、強度低下が生じる可能性もあり、十分な寿命を得ることができない場合も想定される。なお、従来のガラス溶融による成形法の歩留りは、６０〜８０％程度でしかなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、先端球をステムと同一の材料で短時間で効率よく一体成形することで、スタイラスを高い信頼性で成形可能とするスタイラスの成形方法、それによって具現化されたスタイラス、及びそのスタイラスを用いた形状測定機を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、棒状のステムと該ステムの先端に設けられた先端球とを備えて接触式計測用プローブに用いられるスタイラスの成形方法において、前記ステムを位置決めする工程と、該位置決めされたステムの先端部分にレーザ光を照射する工程と、該レーザ光を照射して該ステムの先端部分を溶融後、表面張力により該溶融部分を前記先端球として成形して固化するまで放置する工程と、を含んだことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記レーザ光を、鉛直方向に向けられた前記ステムの軸上から照射するようにしたものである。

又、本願の請求項３に係る発明は、前記レーザ光を照射する工程の前に、棒状の母材に対して放電加工を行い、該母材の少なくとも先端部分を小径加工してステムを形成するようにしたものである。

又、本願の請求項４に係る発明は、前記レーザ光を、パルス制御されたレーザ光としたものである。

本願の請求項５に係る発明は、又、前記スタイラス成形方法によって成形されることを特徴とするスタイラスを提供するものである。

本願の請求項６に係る発明は、又、前記スタイラスを用いて、被形状測定物の形状測定を行うことを特徴とする形状測定機を提供するものである。

又、本願の請求項７に係る発明は、前記スタイラスを微小振動させるようにしたものである。

本発明によれば、位置決めされたステムの先端部分にレーザ光を照射することで、微小な先端球を備えるスタイラスを容易に成形することができる。その際に、最初にレーザ光の設定を行うだけで成形中の制御は不要なため、工数も少なく短時間で安定して高品質の先端球の成形が可能である。そのため、成形に要する熟練を不要とすることができる。

スタイラスとしては、先端球がステムと同一の材料で一体成形されているので、先端球の脱落を防止でき、スタイラス自体の信頼性を向上させることができる。又、スタイラスは、短時間で工数少なく成形されているので、リードタイムの短縮と低コスト化が可能である。又、先端球は、表面材料を物理的に除去して成形するのではなく、表面張力を利用するので、短時間の成形にも拘らず先端球を球形に成形できる。更に、その表面は平滑であり且つ一定の品質を保つことができる。更に、短時間で先端球の形状成形と表面成形とが同時に行われるので、先端球やステムに残るひずみは少なく、長寿命化が可能である。

形状測定機としては、スタイラスが均一で高品質で長寿命となるので、測定機としても測定精度が安定して、メンテナンスの間隔を長くでき、低コスト化が可能である。

本発明の実施形態に係るスタイラスの模式図 同じくスタイラスを成形するためのレーザ成形機の模式図 同じくスタイラスを成形するフロー図を示す図 同じく図３の各ステップに応じたスタイラス（母材）を示す模式図 同じくスタイラスを用いた形状測定機の模式図と測定モードを説明する図 従来のスタイラスを示す模式図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明に係る実施形態について、図１から図４を用いて説明する。図１は本実施形態に係るスタイラスの模式図、図２はスタイラスを成形するためのレーザ成形機の模式図、図３はスタイラスを成形するフロー図を示す図、図４は図３の各ステップに応じたスタイラス（母材）を示す模式図、図５はスタイラスを用いた形状測定機の模式図と測定モードを説明する図、である。

最初に、本実施形態のスタイラスについて説明する。

スタイラス１００は、棒状のステム１０４とステム１０４の先端に設けられた先端球１０６とを備える。ステム１０４と先端球１０６とは、棒状の母材１０２から一体成形されている。スタイラス１００の先端球１０６は、後述するように、ステム１０４の先端部分が短時間で所定のレーザ光１２８照射により溶融後、表面張力により溶融部分の形状が球形に成形されて固化したものである。なお、母材１０２の材料は、例えば超硬材である。超硬材は、炭化タングステン若しくはタングステンカーバイトと呼ばれるものであり、コバルトを含有する複合材料（合金）である。

このように、ステム１０４と先端球１０６とを備えるスタイラス１００は一体成形されているので、先端球１０６の脱落を防止でき、スタイラス１００自体の信頼性を向上させることができる。又、スタイラス１００は、図３を用いて後述するように、短時間で工数少なく成形されているので、リードタイムの短縮と低コスト化が可能である。又、先端球１０６は、表面材料を物理的に除去して成形するのではなく、表面張力を利用している。表面張力は、その表面をできるだけ小さくしようとする力であり、分子間力により分子が互いに引き合って凝縮しようとする力である。そのため、表面張力を利用することで、形状は表面積が少ない球面となると共に、その表面は極めて平滑となり、仕上げ加工を必要としない。このため、短時間の成形にも拘わらず先端球１０６を球形に成形できる。更に、その表面は平滑であり且つ一定の品質を保つことができる。更に、短時間で先端球１０６の形状成形と表面成形とが同時に行われるので、先端球１０６やステム１０４に残る歪みは少なく、長寿命化が可能である。

次に、本実施形態に係わるスタイラス１００の成形に使用するレーザ成形機１１０について説明をする。

レーザ成形機１１０は、図２に示す如く、ベース１１２上に門形のフレームを有し、その上にスライダ１２０を備える。門形のフレームは、ベース１１２上のＹ方向の両端に固定された一対のコラム１１６と該一対のコラム１１６間に架け渡されたビーム１１８とからなる。

スライダ１２０は、ビーム１１８上でＹ方向に移動可能である。スライダ１２０には、光学ユニット１２２と放電加工ユニット１３４とが取り付けてある。そしてスライダ１２０は、光学ユニット１２２と放電加工ユニット１３４をＺ方向に移動可能としている。

光学ユニット１２２には、レーザ集光系１２４とレーザ取り入れポート１２６とが設けられている。レーザ取り入れポート１２６から導入されたレーザ光は、レーザ集光系１２４によって、集光されたレーザ光１２８として母材１０２に成形されたステム１０４の先端部分に照射される。又、光学ユニット１２２には、ズーム機能付のビューア１３０が設けられている。このため、作業者は、ビューア１３０の視野で集束されたレーザ光１２８の落射位置を連続的に拡大して観察することができる。使用されるレーザ光１２８は、例えばパルス制御されたレーザ光である。このため、レーザ集光系１２４は、１パルスで極微小領域に対して高いエネルギ密度でレーザ光１２８を照射することができる。つまり、レーザ光１２８を用いる成形は、必要な部分だけを瞬間的に温度を上昇させることができる。このため、レーザ光１２８を用いる成形は、熱による変形等を最小限に抑えることができ、容易に急速加熱と急速冷却を行うことができる。

放電加工ユニット１３４には、加工電極であるワイヤ電極１３６が備えられている。図示しない電源によって棒状の母材１０２とワイヤ電極１３６との間に電圧が印加されると、ワイヤ電極１３６に沿って放電加工が可能となる。

ベース１１２上の一対のコラム１１６の間には、Ｘ方向に移動可能なＸ軸ステージ１１４が設けられている。Ｘ軸ステージ１１４上には、母材１０２（若しくはステム１０４）を固定して移動・回転させるための４軸成形台１４０が設けられている。４軸成形台１４０は、例えば、ＸＹステージ１４２と回転ステージ１４４とＺステージ１４６と冶具１４８とを有する。

４軸成形台１４０の最下層には、母材１０２（若しくはステム１０４）を、ＸＹ方向へ移動可能とするＸＹステージ１４２が設けられている。その上には、母材１０２（若しくはステム１０４）を、レーザ光１２８の光軸Ｏ（鉛直方向）上及び放電加工軸Ｐ上の両方で回転可能とする回転ステージ１４４が設けられている。その上には、母材１０２（若しくはステム１０４）を、図２でＺ方向に移動可能とするＺステージ１４６が設けられている。更に、その上に母材１０２（若しくはステム１０４）を固定するための治具１４８が設けられている。回転ステージ１４４は、放電加工する際には、母材１０２をＸ方向（放電加工軸Ｐ）に向け、集光されたレーザ光１２８を照射する際には、ステム１０４を鉛直方向であるＺ方向（光軸Ｏ）に向けることができる。

次に、図３に基づき、図４を参照しながらスタイラス１００の成形方法について説明する。

最初に、回転ステージ１４４の回転軸を放電加工軸Ｐ（Ｘ方向）に向けて、図４(Ａ)に示す棒状の母材１０２を冶具１４８に固定する。そして、ＸＹステージ１４２を用いて母材１０２の位置決めを行う（ステップＳ２）。

次に、位置決めされた棒状の母材１０２を回転ステージ１４４で回転させながらＸ軸ステージ１１４でＸ方向に移動させる。そして、ワイヤ電極１３６による放電加工によって、棒状の母材１０２の先端部分を小径加工してステム１０４を成形する（ステップＳ４）。例えば、小径加工として、外径φ０．１ｍｍ以上の母材１０２を外径φ０．１ｍｍ以下に加工する。このときの様子を図４（Ｂ）に示す。この放電加工において表面が平滑な仕上げ加工まで終了したら、回転ステージ１４４により、ステム１０４を鉛直方向（Ｚ方向）となる光軸Ｏ（Ｚ方向）に向ける。すると、母材１０２のＺ方向の上端に、母材１０２よりも小径のステム１０４の先端部分が位置する。そのステム１０４の先端部分に、集光したレーザ光１２８が来るように、ＸＹステージ１４２とＺステージ１４６とを用いてステム１０４の位置決めを行う。

次に、所定のレーザ光１２８を、鉛直方向に向けられたステム１０４の軸上となる光軸Ｏ（鉛直方向）上で、図２において上から下で、位置決めされたステム１０４の先端部分に照射する（ステップＳ６）。このときの様子を図４（Ｃ）に示す。なお、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の破線部分の拡大図に相当する。このとき、レーザ光１２８の照射面の近傍はアルゴンや窒素など不活性ガス雰囲気中にしておく。すると、レーザ光１２８で加熱されたステム１０４が溶融した際にも溶融部分の表面酸化のおそれを低減することができる。ここで、ステム１０４の材料である超硬材は複数の金属からなる複合材（合金）であるため融点が異なる。しかし、レーザ光１２８の照射される領域（先端部分）は微小領域なので、所定のレーザ光１２８は、高いエネルギ密度を有してステム１０４を構成する複合材料を瞬時に溶融させる。

次に、所定のレーザ光１２８の照射後、レーザ光１２８の照射が止められ、放置される。レーザ光１２８に照射されて溶融したステム１０４の材料は重力により降下し、表面張力により溶解部分は球形に成形される。このとき、レーザ光１２８の照射領域は微小なので、溶融部分の温度は急速に下がり球形のまま固化して、ステム１０４と同一材料の先端球１０６が成形される（ステップＳ８）。この様子を図４（Ｄ）に示す。なお、ステム１０４は鉛直方向に立てられて、レーザ光１２８も鉛直方向から照射されるので、固化した先端球１０６はステム１０４の軸の中心に成形される。

具体的な所定のレーザ光１２８の条件の一例を以下に示す。

使用したのは、パルス制御されたＹＡＧレーザ光であり、外径２０μφのステム１０４の先端部分に対してレーザ集光系１２４により、直径２０μφのレーザ光１２８が集光された。レーザ光１２８の照射時間は１ｍｓｅｃ、そしてこの際のレーザ光１２８の照射エネルギは０．０２Ｊであった。結果として、直径２７μφの先端球１０６がステム１０４の先端部分に成形できた。なお、この成形歩留りは、９割を超えたものであった。

このようにして、位置決めされたステム１０４の先端部分にレーザ光１２８を照射することで、微小な先端球１０６を備えるスタイラス１００を容易に成形することができる。その際に、最初にレーザ光１２８の設定を行うだけで成形中の制御は不要であり、工数も少なく（例えば１ｍｓｅｃという）短時間で安定して高品質の先端球１０６の成形が可能である。そのため、成形に要する熟練を不要とすることができ、スタイラス１００を高い歩留りで成形することができる。同時に、リードタイムの短縮と低コスト化が可能である。

次に、上述してきたスタイラス１００を接触式計測用プローブに用いた形状測定機について、図５を用いて以下に説明する。

形状測定機１５０は、図５に示す如く、ベース１５２上に固定された門形のフレームを有し、その門形のフレーム上にヘッド１６０を備える。門形のフレームは、ベース１５２のＹ方向の両端に固定された一対のコラム１５６と、該一対のコラム１５６間に架け渡されたビーム１５８とからなる。ヘッド１６０は、ビーム１５８上でＹ方向に移動可能である。ヘッド１６０は、内部にＺ方向への移動機構を備え、スタイラス１００を取り付けた検出器１６２をＺ方向に移動させることができる。又、ヘッド１６０は、スタイラス１００を微小振動させる機構も備えている。検出器１６２は、スタイラス１００を介して、ＸＹＺ方向において圧力乃至変位を検出することができる。又、ベース１５２上の一対のコラム１５６の間にはＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ１５４が設けられている。そして、Ｘ軸ステージ１５４上には測定対象となるワーク（被形状測定物）１７０が固定される。このため、形状測定機１５０は、スタイラス１００の先端球１０６に対してワーク（被形状測定物）１７０をＸＹＺ方向に相対的に移動させてその先端球１０６の変位若しくは圧力によってワーク（被形状測定物）１７０の形状を測定することができる。

ここで、形状測定機１５０は、微小振動で測定するモードを有している。図５（Ｂ）に示す如く、スタイラス１００の先端球１０６がワーク（被形状測定物）１７０に接触していない状態では、スタイラス１００は微小振動で振動し、その振動状態を図（Ｂ）の如く維持する。そして先端球１０６がワーク（被形状測定物）１７０に接触すると、スタイラス１００の振動はワーク（被形状測定物）１７０により拘束されて、振動の振幅が減少する（図５（Ｃ）参照）。この減少がある一定レベルを下回った時に、ワーク（被形状測定物）１７０への接触状況を判断して、次の計測のために先端球１０６がワーク（被形状測定物）１７０から離れる方向にワーク（被形状測定物）１７０を相対移動させる。そして、先端球１０６がワーク（被形状測定物）１７０を離れるとスタイラス１００の振動はワーク（被形状測定物）１７０に接触していない状態（図５（Ｂ）参照）に復帰して、次の測定を行うこととなる。

このようにして、スタイラス１００が均一で高品質で長寿命となることにより、形状測定機１５０としても測定精度が安定となり、メンテナンスの間隔を長くでき、低コスト化が可能となる。このとき、微小なスタイラス１００であっても高い信頼性のもとで使用することができるので、安定して高分解能な形状測定が可能である。

又、非常に微細なスタイラス１００を用いた場合であっても、スタイラス１００が微小振動することにより、スタイラス１００のワーク（被形状測定物）１７０への張付きを防止することができ、高分解能な接触式の測定を安定して行うことができる。

本発明について本実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでも無い。

本実施形態においては、レーザ光１２８は鉛直方向（Ｚ方向）に向けられたステム１０４の軸（光軸Ｏ）上でステム１０４の先端部分に、図２で上から下に照射されたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、鉛直方向に向けられたステムの軸（光軸Ｏ）上であっても、ステムが下を向き、レーザ光が光軸Ｏ上で、下から上に照射されてステムの先端部分に照射されてもよい。又、光軸Ｏから外れた方向からレーザ光がステムの先端部分に照射されても構わない。又、ステムの軸が鉛直方向（Ｚ方向）と平行でない斜めの状態で配置されて、レーザ光がステムの先端部分に照射されても構わない。その際に先端球がステムに対して斜めに成形された場合であっても、ステムの中心と先端球との中心を補正することによりスタイラスとして正常な機能を保持させることができる。又、意図的にステムの中心と先端球との中心とをずらして、スタイラスを成形してもよい。

又、本実施形態においては、母材１０２はワイヤ電極１３６によって放電加工がなされていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ステムの外径が市販の母材の外径で良い場合においてはワイヤ電極による放電加工を行わなくても良い。

又、本実施形態においては、レーザ光１２８は、パルス制御されていたが、本発明はこれに限定されず、連続発振が可能なレーザ光を用いてもよい。

又、本実施形態においては、スタイラス１００を微小振動させていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばスタイラスを微小振動させずに形状測定を行っても良い。

又、本実施形態においては、レーザ１２８が照射される箇所においては不活性ガスが用いられていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、大気中で大気の雰囲気であっても構わない。

１、１０、２０、１００…スタイラス
４、１４、２４、１０４…ステム
６、１６、２６、１０６…先端球
１０２…母材
１１０…レーザ成形機
１１２、１５２…ベース
１１４、１５４…Ｘ軸ステージ
１１６、１５６…コラム
１１８、１５８…ビーム
１２０…スライダ
１２２…光学ユニット
１２４…レーザ集光系
１２６…レーザ取り入れポート
１２８…レーザ光
１３０…ビューア
１３４…放電加工ユニット
１３６…ワイヤ電極
１４０…４軸成形台
１５０…形状測定機
１６０…ヘッド
１７０…ワーク（被形状測定物）

Claims (7)

1. 棒状のステムと該ステムの先端に設けられた先端球とを備えて接触式計測用プローブに用いられるスタイラスの成形方法において、
   前記ステムを位置決めする工程と、
   該位置決めされたステムの先端部分にレーザ光を照射する工程と、
   該レーザ光を照射して該ステムの先端部分を溶融後、表面張力により該溶融部分を前記先端球として成形して固化するまで放置する工程と、
   を含むことを特徴とするスタイラスの成形方法。
2. 前記レーザ光は、鉛直方向に向けられた前記ステムの軸上から照射されることを特徴とする請求項１に記載のスタイラスの成形方法。
3. 前記レーザ光を照射する工程の前に、棒状の母材に対して放電加工を行い、該母材の少なくとも先端部分を小径加工してステムを形成することを特徴する請求項１又は２に記載のスタイラスの成形方法。
4. 前記レーザ光は、パルス制御されたレーザ光であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のスタイラスの成形方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のスタイラスの成形方法によって成形されることを特徴とするスタイラス。
6. 請求項５に記載のスタイラスを用いて、被形状測定物の形状測定を行うことを特徴とする形状測定機。
7. 前記スタイラスは微小振動させられることを特徴とする請求項６に記載の形状測定機。

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