JP4937849B2 - ステム製造方法およびステム製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステム製造方法およびステム製造装置に関する。

従来、移動軸の先端に取り付けられた測定子を被測定物に接触させることにより、被測定物の形状や寸法の測定を行う三次元測定機、表面形状測定機、および小穴測定機等の測定機が知られている。これらの測定機に用いられる測定子は、柱状のステムと、ステムの先端に形成された接触部とを備えて構成されている。

ところで、近年、測定のニーズが多様化し、例えば直径２０μｍ以下の穴の内壁面などの微細な被測定物の測定に対するニーズが高まっており、このような微細な被測定物を測定できる極細（例えば５μｍ以下）のステムの開発が求められている。
従来、ステムの製造装置としては、放電時の熱を利用して材料を加工する放電加工を行うものや（例えば特許文献１参照）、ケミカルプロセスを利用するものが知られている。放電加工を行う装置では、導電性の材料であれば加工することができるので、超合金やタングステン等の超硬材を加工することにより、剛性および耐久性を有するステムを製造することができる。また、ケミカルプロセスを利用する装置では、一度に複数のステムを製造することができるため、製造コストを低減させることができる。

特開平１１−２７１３４５号公報

しかしながら、放電加工を行う装置では、直径２０μｍ以下のステムを製造した場合、歩留が極端に低下してしまううえ、加工時間もかかってしまうという問題があった。加えて、放電加工を行う装置では、加工面が梨地状となってしまうので、特に直径５μｍ以下のステムを製造した場合、測定に用いることができないほど剛性が低下してしまうという問題があった。また、ケミカルプロセスを利用する装置では、材料がシリコンに限定され、略平面状のステムしか製造することができないため、当該装置により製造したステムでは、穴の内壁面形状等の幾何形状の測定を行うことができないという問題があった。

本発明の目的は、極細のステムを製造することができるステム製造方法およびステム製造装置を提供することにある。

本発明のステム製造方法は、柱状の炭素繊維を加工して測定機に用いられる測定子のステムを製造するステム製造方法であって、前記炭素繊維と、加熱手段とを略平行に配置し、前記炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を、前記炭素繊維の中心線を中心に回転させて前記炭素繊維を所望の径にまで微細化することを特徴とする。

なお、加熱手段としては、例えばニクロムヒータやセラミックヒータ等を例示することができる。
このような構成によれば、炭素繊維の外周面を加熱手段によって熱し酸化させることで、当該外周面を二酸化酸素として空気中に飛散させていくことができる。従って、炭素繊維を所望の径（例えば直径５μｍ以下）になるまで細らせることができ、極細のステムを製造することができる。
しかも、炭素繊維の外周面を熱し酸化させることで炭素繊維を細くするので、放電加工とは異なり、外周面が梨地状とならない。そのため、直径が例えば５μｍ以下で、かつ十分な剛性を備えたステムを製造することができる。そして、当該ステムを用いて測定子を形成することで、従来には無い極細の測定子を形成することができる。
また、炭素繊維と加熱手段とを略平行に配置し、いずれか一方を、炭素繊維の中心線を中心に回転させるので、炭素繊維の外周面を均等に酸化させることができる。従って、円柱状のステムを製造することができる。これにより、テーパ状（截頭円錐状）のステムを製造することに比べ、端面の面積を大きくすることができ、測定子を形成する際に、当該端面に接触部を形成しやすくなる。
加えて、加熱手段の熱による炭素繊維の微細化は短時間のうちに進行するので、放電加工に比べ、ステムの製造時間を短縮することができる。

本発明では、前記炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を回転させながら、前記炭素繊維と前記加熱手段とを近接させることが好ましい。

このような構成によれば、炭素繊維と加熱手段とを近接させるので、より速く炭素繊維の外周面を熱することができる。従って、一層ステムの製造時間を短縮することができる。

本発明のステム製造方法は、柱状の炭素繊維を加工して測定機に用いられる測定子のステムを製造するステム製造方法であって、前記炭素繊維の先端から若干離れた位置に、前記炭素繊維の中心線に対して略直交するように加熱手段を配置し、前記炭素繊維と前記加熱手段とを近接させ、前記炭素繊維をテーパ状に微細化することを特徴とする。

このような構成によれば、炭素繊維と加熱手段とを近接させることで、炭素繊維の外周面を加熱し酸化させるので、前述と同様に、短時間で極細かつ十分な剛性を備えたステムを製造することができる。加えて、加熱手段が炭素繊維の中心線に対して略直交するように配置されているので、炭素繊維を先端側からより酸化させることができる。従って、根元側が太く当該根元側をしっかりと保持することのできるテーパ状（截頭円錐状）のステムを製造することができる。

本発明では、前記炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を、前記炭素繊維の中心線を中心に回転させながら、前記炭素繊維と前記加熱手段とを近接させることが好ましい。

このような構成によれば、炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を、炭素繊維の中心線を中心に回転させるので、炭素繊維の外周面をより均等に酸化させることができる。従って、一層ステムの剛性を向上させることができる。

本発明では、前記炭素繊維を所望の径にまで微細化したら、前記炭素繊維に対して不活性ガスを吹きかけることが好ましい。

なお、不活性ガスとしては、二酸化炭素や窒素、アルゴン等を例示することができる。
このような構成によれば、加熱手段の熱によって炭素繊維を酸化させて細らせていく際に、炭素繊維が所望の径となったところで炭素繊維に向けて不活性ガスを噴射するので、炭素繊維の酸化を容易に止めることができる。従って、所望の直径のステムを容易に製造することができる。

本発明のステム製造装置は、柱状の炭素繊維を加工して測定機に用いられる測定子のステムを製造するステム製造装置であって、前記炭素繊維と略平行に配置された加熱手段と、前記炭素繊維または前記加熱手段のいずれか一方を、前記炭素繊維の中心線を中心に回転させる回転手段とを備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、炭素繊維の外周面を加熱し酸化させるので、前述と同様に、短時間で極細かつ十分な剛性を備えたステムを製造することができる。また、回転手段によって、炭素繊維および加熱手段のいずれか一方を、炭素繊維の中心線を中心に回転させるので、前述と同様に、円柱状のステムを製造することができ、当該端面に接触部を形成しやすくなる。

本発明のステム製造装置は、柱状の炭素繊維を加工して測定機に用いられる測定子のステムを製造するステム製造装置であって、前記炭素繊維の先端から若干離れた位置に、前記炭素繊維の中心線に対して略直交するように配置された加熱手段と、前記炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を、前記炭素繊維の中心線を中心に回転させる回転手段とを備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、前述の構成と略同様の構成により、前述と同様に、短時間で極細かつ十分な剛性を備えたステムを製造することができる。また、根元側が太く当該根元側をしっかりと保持することのできるテーパ状のステムを製造することができる。

本発明では、前記炭素繊維に対して不活性ガスを噴射する噴射ノズルを備えていることが好ましい。

このような構成によれば、前述の構成と略同様の構成により、同様の効果を奏することができる。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１の（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１実施形態に係るステム製造装置１を用いたステムの製造方法を説明するための図である。
ステム製造装置１は、図１（Ａ）に示すように、柱状の炭素繊維２を保持し当該炭素繊維２を当該炭素繊維２の延出方向に沿った中心線Ｃを中心に回転させる回転手段３と、炭素繊維２と平行に配置された加熱手段４と、炭素繊維２に向けて不活性ガスを噴射する噴射ノズル５とを備えて構成されている。

炭素繊維２は、市場から調達することが可能な直径が７〜８μｍのものとなっている。
回転手段３は、回転主軸３１と、回転主軸３１に取り付けられて炭素繊維２を保持するコレクトチャック３２とを備えて構成されている。回転主軸３１は、回転可能（例えば５０rpm以上）、かつ、加熱手段４に対して近接可能に構成されている。回転主軸３１は、最初、炭素繊維２が加熱手段４から当該炭素繊維２の直径の２〜３倍程度離れる位置に設置されている。コレクトチャック３２は、炭素繊維２を回転主軸３１の中心線（＝炭素繊維２の中心線Ｃ）Ｃに沿って真直ぐに保持する。すなわち、回転手段３は、炭素繊維２を、加熱手段４と平行な姿勢に保ったまま当該炭素繊維２の中心線Ｃを中心に回転させるとともに、加熱手段４に対して近接させることが可能に構成されている。

加熱手段４は、セラミックヒータから構成され、７００℃になる。
噴射ノズル５は、開口５１を炭素繊維２に向けた状態で配置されている。噴射ノズル５は、コンプレッサを有する図示しない気体供給手段に接続されている。気体供給手段は、噴射ノズル５に二酸化炭素や窒素、アルゴン等の不活性ガスを供給する。

以下にステム製造装置１を用いたステムの製造工程を説明する。なお、ステム製造装置１を操作する作業員は、光学顕微鏡を見ながら以下の操作を行うものとする。
まず、作業員は、図１（Ａ）に示すように、回転手段３に炭素繊維２を設置し、炭素繊維２が加熱手段４から当該炭素繊維２の直径の２〜３倍程度離れる位置に回転主軸３１を設置する。そして、作業員は、回転手段３を操作し、炭素繊維２を回転させながら加熱手段４に近づけていく。

すると、炭素繊維２の外周面２１は、加熱手段４に近づくにつれて熱せられ、酸化が促進されて二酸化酸素となって空気中に飛散していく。これにより、炭素繊維２は、図１（Ｂ）に示すように、加熱手段４に近づくに従って径が細くなっていく。この際、本実施形態では、炭素繊維２を、加熱手段４と平行に配置し、かつ当該加熱手段４の中心線Ｃを中心に回転させるので、中心線Ｃを中心に外周面２１を均等に酸化させることができ、炭素繊維２を円柱状のまま細らせていくことができる。

そして、作業員は、図１（Ｃ）に示すように、炭素繊維２が例えば直径５μｍ等の所望の直径となったら、噴射ノズル５で炭素繊維２に向けて不活性ガスを吹きかける。これにより、炭素繊維２の酸化を瞬時に防止でき、所望の直径の極細のステム（炭素繊維２）を製造することができる。なお、例えば当該ステムの端面２２（図１（Ｃ）参照）に接触部を形成することで、測定子を形成することができる。

以上のような本実施形態のステム製造装置１によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）炭素繊維２の外周面２１を加熱手段４によって熱し酸化させることで炭素繊維２を細らせるので、例えば直径５μｍ以下の極細のステムを製造することができる。そして、当該ステムを用いて測定子を形成することで、従来には無い極細の測定子を形成することができる。
しかも、炭素繊維２の外周面２１を熱し酸化させることで炭素繊維２を細らせるので、外周面２１が梨地状とならない。そのため、直径が５μｍ以下で、かつ十分な剛性を備えたステムを製造することができる。
加えて、加熱手段４の熱による炭素繊維２の微細化は、短時間のうちに進行するので、放電加工を行う装置等と比べ、ステムの製造時間を短縮することができる。

（２）炭素繊維２が所望の直径となったところで、噴射ノズル５で炭素繊維２に不活性ガスを吹きかけるので、炭素繊維２の酸化を瞬時にかつ容易に止めることができる。従って、所望の直径のステムを容易に製造することができる。

（３）市場から調達可能な直径７〜８μｍの炭素繊維２を用いることができるので、製造コストを低減できる。

（４）炭素繊維２を加熱手段４に近接させるので、より速く炭素繊維２の外周面を熱することができ、一層ステムの製造時間を短縮することができる。

（５）炭素繊維２を、加熱手段４と平行に保持し、当該炭素繊維２の中心線Ｃを中心に回転させるので、外周面２１を均等に酸化させることができる。従って、円柱状のステムを製造することができる。これにより、截頭円錐状のステムを製造することに比べ、端面２２の面積を大きくすることができ、測定子を形成する際に当該端面２２に接触部を形成しやすくなる。
また、炭素繊維２の外周面２１を均等に酸化させることができるので、真直ぐなステムを製造することができる。

〔第２実施形態〕
図２の（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施形態に係るステム製造装置１Ａを用いたステムの製造方法を説明するための図である。なお、本実施形態以降、前記第１実施形態と同一機能部位には同一符号を付し、それらの説明を省略若しくは簡略化する。
本実施形態は、前記第１実施形態と略同様の構成を備えるが、前記第１実施形態とは炭素繊維２の保持の仕方が異なる。

本実施形態の回転手段３は、図２（Ａ）に示すように、炭素繊維２を、当該炭素繊維２の中心線Ｃが加熱手段４と直交するように保持している。このような本実施形態でも、回転手段３が炭素繊維２を当該炭素繊維２の中心線Ｃを中心に回転させながら加熱手段４に近づけ、炭素繊維を酸化させて細らせていく。そして、図２（Ｂ）に示すように、炭素繊維２が所望の直径となったところで、噴射ノズル５から当該炭素繊維２に向けて不活性ガスを噴射することで、所望の直径のステムを製造することができる。従って、本実施形態でも、前記第１実施形態と同様の効果（１）〜（４）を奏することができるうえ、以下の効果を奏することができる。

（６）回転手段３が、炭素繊維２を、当該炭素繊維２の中心線Ｃが加熱手段４と直交するように保持するので、炭素繊維２を先端側に向かうに従ってより酸化させることができる。従って、根元側が太く当該根元側をしっかりと保持することのできるテーパ状（截頭円錐状）のステムを製造することができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記第１，２実施形態では、加熱手段４は、セラミックヒータによって構成されていたが、ニクロムヒータによって構成されていてもよく、炭素繊維２を加熱することのできるものであればよい。
また、前記第１，２実施形態では、回転手段３は、炭素繊維２を加熱手段４に対して回転させることができるように構成されていたが、加熱手段４を炭素繊維２に対して回転させることができるように構成されていてもよい。

本発明は、三次元測定機、表面形状測定機、および小穴測定機等の測定機に用いられる測定子のステムのステム製造方法およびステム製造装置に利用できる。

本発明の第１実施形態に係るステム製造装置を用いたステムの製造方法を説明するための図。 本発明の第２実施形態に係るステム製造装置を用いたステムの製造方法を説明するための図。

符号の説明

１…ステム製造装置、１Ａ…ステム製造装置、２…炭素繊維、３…回転手段、４…加熱手段、５…噴射ノズル、２１…外周面、２２…端面、３１…回転主軸、３２…コレクトチャック、５１…開口、Ｃ…中心線。

Claims (8)

1. 柱状の炭素繊維を加工して測定機に用いられる測定子のステムを製造するステム製造方法であって、
   前記炭素繊維と、加熱手段とを略平行に配置し、
   前記炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を、前記炭素繊維の中心線を中心に回転させて前記炭素繊維を所望の径にまで微細化することを特徴とするステム製造方法。
2. 請求項１に記載のステム製造方法において、
   前記炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を回転させながら、前記炭素繊維と前記加熱手段とを近接させることを特徴とするステム製造方法。
3. 柱状の炭素繊維を加工して測定機に用いられる測定子のステムを製造するステム製造方法であって、
   前記炭素繊維の先端から若干離れた位置に、前記炭素繊維の中心線に対して略直交するように加熱手段を配置し、
   前記炭素繊維と前記加熱手段とを近接させ、前記炭素繊維をテーパ状に微細化することを特徴とするステム製造方法。
4. 請求項３に記載のステム製造方法において、
   前記炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を、前記炭素繊維の中心線を中心に回転させながら、前記炭素繊維と前記加熱手段とを近接させることを特徴とするステム製造方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のステム製造方法において、
   前記炭素繊維を所望の径にまで微細化したら、前記炭素繊維に対して不活性ガスを吹きかけることを特徴とするステム製造方法。
6. 柱状の炭素繊維を加工して測定機に用いられる測定子のステムを製造するステム製造装置であって、
   前記炭素繊維と略平行に配置された加熱手段と、
   前記炭素繊維または前記加熱手段のいずれか一方を、前記炭素繊維の中心線を中心に回転させる回転手段とを備えていることを特徴とするステム製造装置。
7. 柱状の炭素繊維を加工して測定機に用いられる測定子のステムを製造するステム製造装置であって、
   前記炭素繊維の先端から若干離れた位置に、前記炭素繊維の中心線に対して略直交するように配置された加熱手段と、
   前記炭素繊維および前記加熱手段のいずれか一方を、前記炭素繊維の中心線を中心に回転させる回転手段とを備えていることを特徴とするステム製造装置。
8. 請求項６または請求項７に記載のステム製造装置において、
   前記炭素繊維に対して不活性ガスを噴射する噴射ノズルを備えていることを特徴とするステム製造装置。

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