JP2013200211A - スタイラス - Google Patents

Abstract

【課題】硬質接触部の寸法精度に優れたスタイラスを提供する。
【解決手段】測定対象物の表面に接触して三次元計測する硬質接触部２を先端に備えたスタイラスであって、ダイヤモンド粒子３の多数を不規則方位に向けて結合して生成されたダイヤモンド多結晶体を尖頭状先端に固定し、該ダイヤモンド多結晶体の先端部を所定の曲率半径に沿うように研磨、研削加工してスタイラスを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明はスタイラスに関するものである。

測定対象物の表面に接触して三次元計測する硬質接触部を先端に備えたスタイラスとしては、従来、特許文献１に記載されたものが知られている。この従来例において、スタイラスは、曲率半径が数μｍオーダーに加工されたダイヤモンドを先端に備える。

この種のダイヤモンドは、例えば、天然の単結晶ダイヤモンドや、高圧高温法によって合成した単結晶ダイヤモンド、化学蒸着法（ＣＶＤ法）によってダイヤモンドの種結晶を成長させて得られる単結晶ダイヤモンドを加工して製せられる。

特開２００２-３５７４１５号公報

しかしながら、上述した従来例は硬質接触部の寸法精度があまり高くないという欠点がある。

すなわち、ダイヤモンドは硬度が極めて高いことから、加工に多大な手間がかかる上に、設計寸法も極めて小さいことから、加工精度を高めることが難しくなりやすいという事情が考えられる。

また、上述したように接触計測用の極めて微細な曲率面を加工する場合、その寸法精度は、単に曲率面の曲率半径の数値が如何に正確であるかといったことではなく、曲率面を構成する個々の点状の部位における曲率面軌跡に対する凹凸の程度が低いこと、さらには、曲率面に対応する領域の表面が適宜の曲率半径からなる曲率面形状を基準にして曲率半径方向の最大ズレ量が如何に小さい範囲内に収まるかが問題になる。すなわち、輪郭度と近似し、幾何公差と近似する捉え方であるため、寸法公差のような捉え方に比べて精度管理が非常に難しくなる。

本発明は以上の欠点を解消すべくなされたものであって、硬質接触部の寸法精度に優れたスタイラスの提供を目的とする。

本発明者は、硬質接触部、すなわち従来例で示したようなダイヤモンドの曲率面における寸法精度があまり高くならないという問題を解決するために鋭意研究した結果、寸法精度の低下が、上述したような高い硬度による難加工性や、設計寸法が極めて小さいこと、さらには高い精度管理が要求されることのみによるものではなく、所定の曲率半径に合わせて研磨、研削加工を加えた場合に単結晶ダイヤモンドの硬度および耐摩耗性の異方性によって、硬度および耐摩耗性が比較的低い面方位の加工が過剰に進行してしまうことが一因となっているのを見出した。この問題は、加工面の加工方向の硬度および耐摩耗性に応じて加工作業量を変更するなどすれば解決することが必ずしも不可能ではないが、例えば上述した従来例におけるような微細な大きさの単結晶ダイヤモンドにおいて、加工面の加工方向に応じた硬度および耐摩耗性を判別することは極めて困難となる。

本発明は以上の知見に基づいてなされたもので、
測定対象物１の表面に接触して三次元計測する硬質接触部２を先端に備えたスタイラスであって、
ダイヤモンド粒子の多数を不規則方位に向けて結合して生成されたダイヤモンド多結晶体を尖頭状先端に固定し、該ダイヤモンド多結晶体の先端部を所定の曲率半径に沿うように研磨、研削加工して形成されるスタイラスを提供することにより上述した目的を達成するものである。

本発明によれば、スタイラスは、測定対象物１の表面に接触して三次元計測する硬質接触部２を先端に備え、該硬質接触部２により測定対象物１の表面粗さや輪郭形状の計測を可能にする。このスタイラスは、不規則方位を向くダイヤモンド粒子の多数を結合したダイヤモンド多結晶体を尖頭状先端に固定し、その先端部を所定の曲率半径に沿うように研磨、研削加工して形成され、ダイヤモンドからなる硬質接触部により優れた耐摩耗性を発揮することができる。

また、上記ダイヤモンド多結晶体は、不規則方位を向くダイヤモンド粒子３の多数を結合して形成されることにより硬度および耐摩耗性を非異方性化される、言い換えれば上述した加工精度の低下の一因である硬度および耐摩耗性の異方性がない、あるいはその程度が低いものにされており、これにより高い加工精度での研磨、研削加工が可能になる。すなわち、単結晶ダイヤモンドの場合、結晶面（１００）と結晶面（１１１）とでは硬度および耐摩耗性が大きく異なるが、ダイヤモンド粒子３の多数を不規則方位に向けて結合したダイヤモンド多結晶体においては、各結晶の結晶面がランダムに配置されることから、単結晶ダイヤモンドにおいて生じる硬度および耐摩耗性の異方性をなくすことが可能になり、言い換えれば加工方向での加工作業性の難易をなくすことが可能になる。

測定対象物１との接触点となる曲率面は、上述したダイヤモンド多結晶体に研磨、あるいは研削加工を施して形成され、硬度および耐摩耗性を非異方性化したダイヤモンド多結晶体は、いずれの方向においてもほぼ均質に加工が進行することで寸法精度の高い曲率面を比較的容易に加工することができる。すなわち、ダイヤモンド多結晶体に対し、任意の方向で、必要な研磨、研削量に比例した加工量の加工を施すことにより、曲率面の寸法精度を極めて高めることができ、このように寸法精度に優れた曲率面を先端に備えるスタイラスを極めて安定して製造することができる。このため、硬質接触部２が微細な大きさであっても、高い加工精度を確保することが容易になる。また、加工精度を確保しやすいことから、輪郭度に近似するような難しい精度管理も比較的良好にすることができる。

したがって本発明によれば、硬度および耐摩耗性を非異方性化したダイヤモンド多結晶体の先端部を所定の曲率半径に加工することにより、硬度および耐摩耗性の異方性がある単結晶ダイヤモンドを加工する場合に比して、曲率面の寸法精度を極めて向上させることができる。

また、硬質接触部２の硬度および耐摩耗性を非異方性化することにより、計測時に計測対象物に接触する硬質接触部２の偏摩耗を良好に防止することも可能になる。

以上のダイヤモンド多結晶体は、ダイヤモンド粒子のサイズを適宜考慮して、例えば、１００ｎｍオーダーのダイヤモンドパウダーをコバルト等の金属結合材を用いて焼結した後、酸を使って金属結合材を溶解除去して得ることも不可能ではないが、グラファイトを出発物質とした超高圧高温下の直接変換焼結により生成した場合には、粒子間結合強度をより高めることができ、これによりクラックの進展が粒界で阻止されて劈開性をも低減することができる。また、上述したようにグラファイトを出発物質とすることにより、非グラファイト状炭素を出発物質とした場合に比して高い硬度にすることができることから、ダイヤモンドを硬質接触部２に用いることによるスタイラスの長寿命化を極めて効果的に実現することができる。

加えて、上述したダイヤモンド多結晶体を平均粒径が１０ｎｍオーダーのダイヤモンド粒子３で構成すれば、加工後に曲率面を構成するダイヤモンド粒子３の結晶面も極めて小さくなることから、上述したような数μｍオーダーの曲率半径からなる曲率面の寸法精度をも良好に高めることができる。

以上のスタイラスは、具体的には、鉛筆近似の形状に一体成形された適宜の金属材料からなる支持部材の尖頭状先端にダイヤモンド多結晶体を固定した上で、このダイヤモンド多結晶体の先端部を研磨、研削加工して所定の曲率面にすることで得ることができる。このように研磨、研削加工に先立って支持部材にダイヤモンド多結晶体を取り付けることにより、支持部材を介してダイヤモンド多結晶体を所望の加工位置に容易に位置決めすることが可能になる。また、上記研磨、研削加工後に、ダイヤモンド多結晶体の固定位置を基準にして支持部材を加工すれば、ダイヤモンド多結晶体の支持体への固定時の位置ずれを支持部材側で吸収することも可能になる。

さらに、上記支持部材は、適宜の金属の削り出し加工品などのほか、例えばダイヤモンド多結晶体が取り付けられるチップと、このチップが取り付けられるチップホルダのように２部材で構成することもできる。この場合、チップホルダに三次元形状計測装置への取付部を設けることで、該装置への組み付け作業性を高めることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、硬質接触部の寸法精度に優れたスタイラスを提供することができ、測定対象物の輪郭形状等の三次元計測の精度を良好にすることができる。

本発明に係るスタイラスを使用した三次元形状計測装置を示す図である。 本発明に係るスタイラスの要部拡大図で、（ａ）は先端部の拡大図、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図であって模式図である。 他の実施の形態を示す図で、スタイラスの縦断面図である。

図１に本発明に係るスタイラスＡを測定用の触針とする三次元形状計測装置を示す。三次元形状測定装置は、スタイラスＡが取り付けられるプローブ１１と、このプローブ１１を水平方向に動かす送り装置１２と、この送り装置１２の駆動を制御する制御部１３とを有する。この実施の形態において三次元形状測定装置は、図示省略した石定盤上の所定位置に固定された非球面レンズ（測定対象物１）の輪郭形状を測定する。

上記プローブ１１は、スタイラスＡを上下動自在に支持し、また、スタイラスＡの高さ座標情報を取得してこれを上述した制御部１３に出力する。スタイラスＡの支持は、例えば図示しない空気軸受によって行うことが可能で、スタイラスＡに図示しない板バネを装着することにより空気軸受からの脱落を防止することができる。また、スタイラスＡを支持するために、プローブ１１は、スタイラスＡの終端に装着して後端側に向かってスタイラスＡの長さを延長させる図示しないスタイラス支持部を有して構成することが可能で、これによりスタイラスＡをよりコンパクトに構成しても上述した空気軸受けによる支持が可能になる。また、スタイラスＡの高さ座標情報の取得は、スタイラスＡの後端に装着した図示しないミラーを用いて、プローブ１１内に設置した図示しないレーザ測長装置により光干渉法を用いて行うことができる。

上記送り装置１２は、上述した制御部１３により制御される図示省略したアクチュエータを動力としてプローブ１１、すなわちスタイラスＡを所定の経路に従って水平移動させる。また、送り装置１２は、スタイラスＡの水平座標情報を取得し、これを制御部１３に出力する。水平座標情報の取得は、例えば、上述した石定盤上にＸ座標、Ｙ座標に応じて設置されたミラーを用いて、送り装置１２に搭載された図示しないレーザ測長装置により上述した高さ情報と同様にして行うことができる。

上記制御部１３は、予め設定された平面座標上の所定の移動経路に従ってスタイラスＡが水平移動するように上述したアクチュエータを制御する。移動経路の設定は、予め非球面レンズ１の設計情報を取り込めば非球面レンズ１の形状に応じて行うことが可能になる。また、制御部１３は、上述したプローブ１１や送り装置１２から座標情報が入力されると、これを出力部１４に出力する。出力部１４には図示しない表示装置等が接続され、これによりオペレータに座標情報を知らせることができるようにされる。

上述したスタイラスＡは、鉛筆近似形状からなる支持部材２４の尖頭状の先端に硬質接触部２を配置して形成される。上記支持部材２４はステンレス等の金属材料の削り出し加工品であり、先細りの円錐近似形状からなる尖頭部２４ａの終端から円柱状の胴部２４ｂを延設して形成される。上記尖塔部２４ａの先端側の開き角は、硬質接触部２の測定対象物１表面への接触を妨げないこと、すなわち例えば、硬質接触部２を測定対象物１の表面に位置する凹所の底面などに接触させる際に、硬質接触部２が凹所の底面に接触する前に凹所の側壁面に対して尖塔部２４ａの側面が干渉してしまわないように、測定対象物１の形状等を考慮して決定され、この実施の形態においては、例えば３０度から６０度の範囲内にされる。

また、上述した尖塔部２４ａは、図２（ａ）に示すように、円錐の頂部の近傍をカットして截頭円錐形状をなし、その先端側には、硬質接触部２を構成するダイヤモンド多結晶体が固定される。このダイヤモンド多結晶体は、例えば住友電気工業株式会社の商品名「スミダイヤ バインダレス」等を使用することが可能で、超硬金属等の適宜材料からなる基材２２上に積層されて基材２２を銀ろう２３により尖塔部２４ａの截頭先端側にろう付けして固定される。

上記ダイヤモンド多結晶体は、具体的には、高純度な等方性グラファイト成形体を１５ＧＰａの圧力下で２３００℃以上でダイヤモンドに変換と同時に焼結させて生成することが可能である。その機械的特性としては、ダイヤモンド単結晶を凌駕する硬度を持ち、粒子間結合力が強いためにクラックの進展が粒界で阻止されることから劈開性がなく、また、多結晶、すなわちランダム方位を向くダイヤモンド粒子３の多数を結合したものであるために硬度および耐摩耗性の異方性がなく、さらに、結合助剤や結合材を一切含まないダイヤモンド単相からなるために耐熱性にも優れることが挙げられる。なお、上述したダイヤモンド粒子３は、平均粒径が１０ｎｍオーダーからなるものである。

このダイヤモンド多結晶体は、この実施の形態においては先端に１μｍの曲率半径からなる曲率面を備える。また、この曲率面には、例えば０．１μｍオーダーの幾何公差が設定される。なお、測定対象物１の表面の形状に応じて、例えば上述した曲率面に代えて曲率半径の異なる曲率面を複合した球面近似形状にすることも可能である。

以上の三次元形状計測装置は、例えば図１に示すように、上述した板バネによって鉛直方向に吊り下げたスタイラスＡの硬質接触部２を非球面レンズ１の表面に接触させ、送り装置１２によってスタイラスＡを駆動して硬質接触部２で非球面レンズ１の表面をなぞるように滑らせれば、その曲面の形状を精密に計測することができる。なお、この非球面レンズ１には例えばプラスマイナス０．１μｍなどの厳しい公差が設定される。

上述したように、ダイヤモンド多結晶体は硬度および耐摩耗性の異方性がなく、また、平均粒径が１０ｎｍオーダーのダイヤモンド粒子３の結合であることから、後述するように研磨、研削加工を施すことによって０．１μｍオーダーの幾何公差を曲率面の広範囲で満たすことが可能で、このように寸法精度の高い硬質接触部２を用いることにより、非球面レンズ１がプラスマイナス０．１μｍなどの厳しい公差を満たしているかを判定することができる。図２（ｂ）に硬質接触部２の曲率面軌跡を二点鎖線で示す。

なお、硬質接触部２の極めて微細な寸法誤差の程度は、例えば、基準球の表面を硬質接触部２でなぞって得られた基準球の計測寸法と、その真球度との差を求めることにより、非球面レンズ１の測定前に適宜の範囲で特定することが可能である。

次に、上述したスタイラスＡの製造手順を説明する。スタイラスＡの製作に際しては、予め支持部材２４よりもやや大径で長尺の金属棒、より具体的にはステンレス棒を用意しておき、一端を截頭円錐形状近似に加工した上で、その截頭部分にダイヤモンド多結晶体を固定する。このときダイヤモンド多結晶体は、例えば円柱状など、少なくとも先端部が所定の曲率半径からなる曲率面などではなく、研磨あるいは研削加工を加えることでこのような曲率面にすることができるものである。

以上のようにして支持部材２４のベースとなるステンレス棒の一部加工品にダイヤモンド多結晶体を取り付けたら、このステンレス棒を利用してダイヤモンド多結晶体を所定の位置に保持するなどしてその先端部に曲率面を加工する。この加工は上述したように研磨あるいは研削加工であり、ダイヤモンドホイール等をダイヤモンド多結晶体の先端部の周りでおおよそ１μｍの曲率半径に沿うようにダイヤモンド多結晶体に対して相対移動させるなどして行うことが可能である。ダイヤモンド多結晶体は上述したように硬度および耐摩耗性の異方性がない、言い換えれば等方性があることから、加工作業量に応じて各部位がほぼ均質に研磨、研削されて高い精度で加工することができる。以上のようにして形成された曲率面は、図２（ｂ）に示すように、多数のダイヤモンド粒子３、３、・・の結晶面の集合のような、すなわち包絡線のような態様をなす。

ダイヤモンド多結晶体の加工を終えたら、ダイヤモンド多結晶体の位置を基準にしてステンレス棒の一部加工品を加工、すなわちダイヤモンド多結晶体が支持部材２４の断面方向における中心位置となるようにステンレス棒の一部加工品の外周を所定の直径サイズに削り、また、一端にダイヤモンド多結晶体が固定されるステンレス棒の一部加工品の他端側を削って全長を所定の長さすることで胴部２４ｂを形成すれば、スタイラスが完成する。上述したようにダイヤモンド多結晶体の固定後に支持部材２４の断面方向の中心位置等が決定されることから、ダイヤモンド多結晶体の取り付け位置精度の高い支持部材２４、すなわちこのような取り付け位置精度の高いスタイラスＡを得ることができる。

図３に本発明の他の実施の形態を示す。なお、この実施の形態において上述した実施の形態と同一の要素は図中に同一の符号を付して説明を省略する。この実施の形態において、スタイラスＡは、上述した実施の形態においてはスタイラスＡ自体として構成されていたものをチップ２５として構成し、このチップ２５をホルダ２６により保持して形成される。

上記ホルダ２６は、アルミ等の適宜の金属材料の削り出し加工品であり、後端部にネジ部１５を備え、このネジ部１５により上述したスタイラス支持部等に螺合することができる。ネジ部１５の先端側には位置決め面２７が形成され、この位置決め面２７がスタイラス支持部等の先端縁に当接することでスタイラスＡをスタイラス支持部に対して高さ方向に位置決めできる。さらに位置決め面２７の先端側には、円柱状の胴部１７を経て、先細りの略円錐状からなる頭部１８が形成される。この頭部１８には、上述したチップ２５の胴部１７の外径とほぼ一致する内径を備えた有底のチップ挿入孔２１が先端に向かって開放して形成される。

スタイラスＡは、ホルダ２６のチップ挿入孔２１内にチップ２５の胴部２５ｂを挿入し、チップ挿入孔２１の内周面と胴部２５ａの外周面とを図示省略の接着剤などで適宜固定して形成される。チップ挿入孔２１内はチップ２５の後端が底面に届く程度まで挿入された状態でチップ２５の尖塔部２５ａが外部に適宜突出する程度の深さを備える。

以上のスタイラスＡは、それぞれ別個にチップ２５とホルダ２６を製作した後、これらを相互に組み付けて接着固定等することで完成する。上述したようにチップ２５は、支持部材２４へのダイヤモンド多結晶体の固定後に断面方向の中心位置等が決定されることから、ダイヤモンド多結晶体の取り付け位置精度の高いホルダを得ることができる。

１ 測定対象物
２ 硬質接触部
３ ダイヤモンド粒子

Claims (3)

1. 測定対象物の表面に接触して三次元計測する硬質接触部を先端に備えたスタイラスであって、
   ダイヤモンド粒子の多数を不規則方位に向けて結合して生成されたダイヤモンド多結晶体を尖頭状先端に固定し、該ダイヤモンド多結晶体の先端部を所定の曲率半径に沿うように研磨、研削加工して形成されるスタイラス。
2. 前記ダイヤモンド多結晶体は、グラファイトを出発物質とした超高圧高温下の直接変換焼結により生成される請求項１記載のスタイラス。
3. 前記ダイヤモンド多結晶体は、平均粒径が１０ｎｍオーダーのダイヤモンド粒子で構成される請求項１または２記載のスタイラス。
   
   
   

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