JP5703155B2 - 接触式プローブおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、接触式プローブおよびその製造方法に関し、特に直径１００μｍ未満の微細孔内の形状等を測定するために用いられるプローブに関する。

従来、高精度が求められる機械部品の製造工程では、加工後に製品の形状測定を行って加工結果を確認することが行われている。このような形状測定では、例えば高精度な座標測定機に接触式プローブを装着し、このプローブを製品表面に接触させている。このような測定に用いられる接触式プローブとしては、棒状のステムの先端に球状のチップを形成したものが多用されている（特許文献１参照）。

近年、例えば内燃機関の燃料噴射装置やインクジェット式プリンタ装置など、非常に微少な液体粒子の噴射を行う機器が製造されており、これらの噴射ノズルは孔径が１００ミクロン未満とされる。
このような微細形状の測定においても同様な形状をそのまま微少化したプローブが用いられている（特許文献２参照）。
また、ねじ孔内の形状を測定するために、ステムがＬ字型に形成されたプローブも用いられている（特許文献３参照）。

特開２００６−２０１１０５号公報 特開２００４−３２５１５９号公報 特開２００７−２４８２９５号公報

ところで、前述した燃料噴射装置やインクジェット式プリンタ装置の噴射ノズルにおいては、ノズル孔の奥に流体通路等が形成されていることがあり、ノズル孔の奥が拡がったいわばアンダーカット形状となることがある。
このような場合、一般的なチップが球状のプローブでは十分な形状測定が行えないことがある。

図１１において、ワーク８０は微細なノズル孔８１およびこれに連通するキャビティ８２を有する。一例として、ノズル孔８１は内径約６０μｍであり、キャビティ８２は幅約１５０μｍ、高さ約８０μｍである。ノズル孔８１とキャビティ８２の内壁との間には各々と滑らかに連続するベルマウス形状８３が形成され、その断面曲率半径は約４０μｍである。

このようなワーク８０の形状測定を行うための接触式プローブ８９としては、例えば直径約３０μｍのステム８８に半径２０μｍのチップ８７を有するものが利用される。
しかし、このようなプローブ８９で測定できるのは、ノズル孔８１の内面とベルマウス形状８３の一部である。これよりも奥の部分にチップ８７を接触させようとしても、ステム８８がノズル孔８１と干渉してしまうためである。

図１２に示すように、チップ８７の半径を大きくすることで、ベルマウス形状８３のやや奥までチップ８７を送り込むことができるが、ノズル孔８１からの出し入れを行うために、チップ８７を大きくする際にはノズル孔８１の内径を超えることはできず、十分な測定ができないという問題があった。
ここで、特許文献３に記載のＬ字形ステムを有するプローブを用いれば、前述した図８の形状においても、キャビティ８２のかなり奥まで測定できると期待される。
しかし、特許文献３のプローブでも、次のような問題があった。

図１３において、Ｌ字形プローブ８９Ａは、ステム８８Ａが屈曲部８８ＢでＬ字形に屈曲されている。微少なＬ字形プローブ８９Ａでは、屈曲部８８Ｂは効率的な曲げ加工によることが望ましい。このような曲げ加工による屈曲部８８Ｂは一般に内側に迫り出しており、ノズル孔８１の辺縁８１Ａが角張っている場合（図１１のようなベルマウス形状８３ではないか、あっても曲率が小さい場合）に干渉する可能性があった。
また、チップ８７Ａが球状であるため、キャビティ８２の入隅部分８２Ａなど、その形状に十分に測定できない可能性があった。

本発明の目的は、微細な孔内の形状測定が行えるとともに屈曲部分の干渉が回避できる接触式プローブおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の接触式プローブは、棒状のステムと、前記ステムに対して交叉方向へ延びるチップと、前記チップと前記ステムとで挟まれた部分に形成された切欠き状のピットとを有することを特徴とする。
ここで、ステムとチップとは、同じ材料から一体に削り出してもよく、連続材を屈曲させてもよく、別部材を接合して形成してもよい。
このような本発明では、ステムとチップとを同じ材料から一体に削り出した場合、ステムとチップとの間に削り残されて迫り出した部分が生じることがある。また、連続材を屈曲させた場合、ステムとチップとの間に内側に迫り出す部分が生じることがある。さらに、別部材を接合する場合でも、接合に伴う例えば溶接跡などがステムとチップとの間に生じて内側に迫り出すことがある。
これに対し、本発明では、ステムとチップとで挟まれた部分に切欠き状のピットを形成するため、この部分に前述した迫り出しあるいは膨出部分が生じても、これを切除することができる。このため、例えばノズル孔の辺縁が断面直角の出隅あるいは曲率半径の小さいベルマウス形状であっても、ステムおよびチップがノズル孔と干渉することを回避できる。

本発明の接触式プローブにおいて、前記チップと前記ステムとは連続した材料で形成され、前記ステムと前記チップとの連続部分に生じる内側の迫り出し部分に前記ピットが形成されていることが望ましい。
このような本発明では、前項で述べたピットによるステムとチップとの間の迫り出し部分解消を図ることができる。特に、連続材料の削り出しによる効率よい加工が行えるとともに、屈曲加工のような残留応力あるいは溶接等のような熱影響を避けることができる。さらに、全体を削り出しとすることで、ステムおよびチップの形成ないしピットの加工までを同じ加工手段で統一的に行うことができる。

本発明の接触式プローブにおいて、前記ピットは、前記ステムの前記チップが延びる方向の側面の延長線と前記チップの前記ステムが接合された面の延長線との交点よりも深く切欠かれていることが望ましい。
このような形状のピットとすることで、ステムおよびチップとノズル孔との干渉を確実に回避できる。

本発明の接触式プローブの製造方法は、棒状のステムと、前記ステムに対して交叉方向へ延びるチップと、前記チップと前記ステムとで挟まれた部分に形成された切欠き状のピットとを有する接触式プローブの製造方法であって、前記チップおよび前記ステムとなるべき材料から前記チップおよび前記ステムを削り出し、前記チップと前記ステムとで挟まれた部分から前記材料を削り取って前記ピットを形成することを特徴とする。
このような本発明では、一体あるいは一連の材料からチップおよびステムを削り出すため、屈曲加工のような残留応力あるいは溶接等のような熱影響を避けることができる。さらに、全体を削り出しとすることで、ステムおよびチップの形成ないしピットの加工までを同じ加工手段で統一的に行うことができる。
さらに、削り出しを行う際にはステムとチップとの間に削り残しによる迫り出し部分が生じることがあるが、ピットの加工によってこの迫り出しを除去することができ、ステムおよびチップがノズル孔と干渉することを回避できる。

本発明の接触式プローブの製造方法において、前記材料を回転させて前記ステムを削り出すとともに、前記チップとなるべき円盤状部分を削り出し、前記円盤状部分を前記ステムの軸方向に切り取って先端が尖った前記チップを形成し、この後、前記ピットを形成することが好ましい。
このような本発明では、材料を回転させて切削することで、ステム部分などの形状が単純だが切削量が多い部分の加工を効率よく行うことができる。一方、チップとなるべき部分については、先ず円盤状とすることで前述したステム部分の回転切削を利用してチップの側面形状を整え、これに続いて軸方向の切削によりチップの平面形状を整えることができ、効率を高めつつ複雑な形状にも対応することができる。そして、最後にピットの加工を行うことで、ステムとチップとの間の切欠きを確実に形成し、迫り出しを解消することができる。

本発明の接触式プローブの製造方法において、前記ステムの削り出し、前記チップの削り出し、および前記ピットの削り出しは、放電加工によって行うことが望ましい。
このような放電加工は、微細形状の形成に好適である。そして、本発明では、全ての加工つまりステムおよびチップの形成ないしピットの加工までを同じ放電加工で統一的に行うことができる。

本発明の接触式プローブの製造方法において、前記ステムの削り出しおよび前記チップの削り出しは放電加工によって行うとともに、前記ピットの削り出しは側方からのレーザ加工により行うことにしてもよい。
このような本発明では、ステムおよびチップの形成について放電加工により微細形状まで効率よく加工できるとともに、ステムとチップとの間のピットについては、チップ先端等に比べて精度が求められないため、レーザによる加熱材料除去を行うことで、一層の効率化、高速化を図ることができる。

本発明の第１実施形態を示す側面図。 前記第１実施形態の製造手順を示す側面図。 前記第１実施形態の製造手順を示す底面図。 前記第１実施形態の製造手順を示す底面図。 前記第１実施形態の製造手順を示す側面図。 前記第１実施形態の製造手順を示す側面図。 本発明の第２実施形態を示す側面図。 前記第２実施形態の製造手順を示す側面図。 本発明の他の実施形態を示す側面図。 本発明の他の実施形態を示す側面図。 従来例を示す断面図。 従来例を示す断面図。 従来例を示す断面図。

〔第１実施形態〕
図１から図６には、本発明の第１実施形態が示されている。
図１において、接触式プローブ１０は、内径数十μｍ程度の微細なノズル孔およびその奥に拡がるキャビティの内面の形状測定を行うための微細プローブである。
接触式プローブ１０は、棒状のステム１１と、このステム１１に対して交叉方向へ延びるチップ１２と、チップ１２とステム１１とで挟まれた部分に形成された切欠き状のピット１３とを有する。

ステム１１は、基端側が外径約５０μｍであり先端側が外径約２０μｍとされた段差付き丸棒状に形成され、全体としての長さは測定対象に応じて適宜調整される。
チップ１２は、ステム１１に連続する側が基端側でその反対側が先端側とされ、全長約７０μｍ、高さ約４０μｍ、基端側の幅約３０μｍで先端側に向けて細くなる三角柱状のブロック状とされている。チップ１２の先端側は下面側を斜めに切削され、これにより尖った先端１２１が形成されている。

ピット１３は、ステム１１およびチップ１２の間に挟まれる入隅部分において、ステム１１およびチップ１２の一部を切り欠いて形成されたものであり、ステム１１側の円弧状部分１３１および先端１２１に向かって延びる傾斜部分１３２を有する。
本実施形態において、ステム１１およびチップ１２は連続した材料で一体に形成されている。ステム１１およびチップ１２の材質としては、既存の接触式プローブと同様な金属材料が用いられる。

このような本実施形態の接触式プローブ１０は、前述した金属材料のブロックを切削することによりステム１１ないしチップ１２となる部分を削り出し、これにピット１３の加工を行う。

図２および図３において、円筒状の素材９を準備し、これを中心軸線廻りに回転させる。そして、素材９の底面側から放電加工電極８を近接させ、ステム１１およびチップ１２の外周形状に沿って放電加工電極８を上方へ移動させてゆくことにより、ステム１１およびチップ１２の基本形状を形成してゆく。
この放電加工により、ステム１１は円柱状に削り出されるが、チップ１２に相当する部分１２’は扁平な円錐台状の状態である。

なお、放電加工電極８はステム１１側から下方へ移動させつつ加工してもよい。また、素材９を回転させつつ放電加工電極８を同じ平面位置で上下動させてもよく、素材９を回転させつつ放電加工電極８に対して上下動させてもよく、素材９を固定しておき放電加工電極８をその周囲を旋回させつつ上下動させてもよい。

図４および図５において、先に削り出されたステム１１およびチップ１２に相当する部分１２’に対し、３つの方向から放電加工電極８を近接させ、上下動させることで扁平な円錐台状の部分１２’を三角錐状に削り出す。この放電加工により、チップ１２が形成され、その先端側は円錐台の辺縁部分が三角形に切り出されて先端１２１とされ、その基端側の端面はステム１１の周面に揃えられる。

放電加工電極８は、図４における３つの位置に順次配置したうえ上方へ移動しつつ部分１２’の切削を行うことができる。この際、放電加工電極８自体を各位置に移動させてもよいが、放電加工電極８は同じ位置のままステム１１ないし部分１２’を移動させて相互の相対位置を前述した３つの位置としてもよい。さらに、前述した３つの位置にそれぞれ放電加工電極８を設置し、同時に３方向の切削を行ってもよい。

図６において、ステム１１およびチップ１２の削り出しができたら、ステム１１およびチップ１２の間に挟まれた部分に放電加工電極８を近接させ、ピット１３を形成する。
放電加工電極８は、先端１２１の側からステム１１に向かって近接させながら、徐々にチップ１２の側へ変位するように移動させる。これにより、チップ１２には傾斜部分１３２が形成される。さらに放電加工電極８をステム１１に近接させることで、チップ１２からステム１１にかけて円弧状部分１３１が形成される。

なお、ピット１３の深さとしては、ステム１１の先端１２１側の周面の延長線（ステム１１のチップ１２が延びる方向の側面の延長線）と、チップ１２の傾斜部分１３２を切削する前の上面の延長線（チップ１２のステム１１が接合された面の延長線）との交点Ｃが円弧状部分１３１の外部となる（交点Ｃ部分までが切削される）ように調整する。

このような本実施形態では、ステム１１とチップ１２とで挟まれた部分に切欠き状のピット１３を形成するため、この部分にステム１１とチップ１２の加工に伴う削り残し、迫り出しあるいは膨出部分が生じても、これを切除することができる。このため、本実施形態の接触式プローブ１０が適用される例えばノズル孔の辺縁が断面直角の出隅あるいは曲率半径の小さいベルマウス形状であっても、ステムおよびチップがノズル孔と干渉することを回避できる。

また、本実施形態では、ステム１１およびチップ１２について、連続した素材９の削り出しによる効率よい加工が行えるとともに、屈曲加工のような残留応力あるいは溶接等のような熱影響を避けることができる。さらに、全体を削り出しとすることで、ステム１１およびチップ１２の形成ないしピット１３の加工までを同じ放電加工電極８を用いた放電加工で統一的に行うことができる。

さらに、本実施形態のピット１３は、ステム１１のチップ１２が延びる方向の側面の延長線とチップ１２のステム１１が接合された面の延長線との交点Ｃよりも深く切欠かれているため、ステム１１およびチップ１２とノズル孔との干渉を確実に回避できる。

また、本実施形態では、素材９と放電加工電極８とを相対回転させてステム１１を削り出すとともに、チップ１２となるべき円盤状（扁平な円錐台状）の部分１２’を削り出し、この部分１２’をステム１１の軸方向に切り取って先端１２１が尖ったチップ１２を形成し、この後、ピット１３を形成した。
このため、素材９を回転させて切削することで、ステム１１などの形状が単純だが切削量が多い部分の加工を効率よく行うことができる。

一方、チップ１２となるべき部分１２’については、先ず円盤状とすることで前述したステム１１部分の回転切削を利用してチップ１２の側面形状を整え、これに続いて軸方向の切削によりチップ１２の平面形状を整えることができ、効率を高めつつ複雑な形状にも対応することができる。そして、最後にピット１３の加工を行うことで、ステム１１とチップ１２との間の切欠きを確実に形成し、迫り出しを解消することができる。

さらに、本実施形態では、ステム１１の削り出し、チップ１２の削り出し、およびピット１３の削り出しを同じ放電加工電極８を用いた放電加工によって行うとしたため、微細形状の形成に好適であるとともに、全ての加工つまりステム１１およびチップ１２の形成ないしピット１３の加工までを同じ放電加工による統一的な品質で行うことができる。

〔第２実施形態〕
前述した第１実施形態では、最終段階のピット１３の切削までを放電加工で行うとした。これに対し、本実施形態は、ステム１１およびチップ１２の形成までは前述した第１実施形態と同様に行うとともに、ピット１３の形成をレーザ加工により行う。

レーザ加工としては、市販のレーザ溶接機を用い、そのレーザビームをチップ１２の側方から照射するとともに、レーザビームの照射領域を第１実施形態の放電加工電極の断面輪郭（図６および図８に示す円形）に合致するように調整し、先端１２１の側から徐々に照射領域を移動させてチップ１２ないしステム１１を切削してゆく。

このような本発明では、ステムおよびチップの形成について放電加工により微細形状まで効率よく加工できるとともに、ステムとチップとの間のピットについては、チップ先端等に比べて精度が求められないため、レーザによる加熱材料除去を行うことで、一層の効率化、高速化を図ることができる。

〔第３実施形態〕
図７および図８には、本発明の第３実施形態が示されている。
図７において、本実施形態の接触式プローブ１０Ａは、基本的に前述した第１実施形態と同様な構成を備えている。このため共通の部分については説明を省略し、相違する部分について以下に説明する。

本実施形態の接触式プローブ１０Ａは、前述した第１実施形態よりもチップ１２の長さが短い。このため、ピット１３を形成する際に前述した第１実施形態のような経路で放電加工電極８を移動させようとすると、チップ１２の上面の広さが足りず、先端１２１を損なってしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、放電加工電極８をステム１１側から切り込ませる。

図８において、接触式プローブ１０Ａは、前述した図４および図５で形成されたステム１１およびチップ１２に対し、放電加工電極８を近接させてピット１３を加工する。
放電加工電極８は、先端１２１よりも上の位置でチップ１２の上面に沿ってステム１１に近接させてゆく。そして、放電加工電極８がステム１１の所定深さまで切り込ませ、この状態で放電加工電極８をチップ１２に向かう移動に切り替える。そして、放電加工電極８でステム１１を切削しつつチップ１２の上面に切り込ませ、放電加工電極８が先端１２１に到達する前の状態で停止させ、後退させる。

このような本実施形態においても、前述した第１実施形態と同様な効果が得られるとともに、チップ１２が短い場合でも先端１２１を損なうことなく、交点Ｃまで達した十分なピット１３を形成することができる。
なお、本実施形態においても、ピット１３の切削をレーザ加工で行ってもよい。

〔他の実施形態〕
本発明は、前述した各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内の変形等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、それぞれ挟み角αを９０度としたが、挟み角αは９０度以下であればよい。ただし、ノズル孔内のキャビティの測定に適した形態としては、９０度以下かつ７０度以上であることが望ましい。
挟み角αが９０度より大きいと、キャビティ内の測定時にノズル孔の出隅部分が干渉することがある。７０度より小さいとチップの高さ（ステムの軸線方向の長さ）が大きくなり、導入できるノズル孔あるいはキャビティが限定される。

前記各実施形態では、ピット１３を放電加工あるいはレーザ加工によって行うとしたが、ピット１３の加工が微細な機械的手段を用いてもよい。
図９において、接触式プローブ１０Ｂは、前述した図４および図５で形成されたステム１１およびチップ１２に対し、外周が切削部分とされた円盤状の回転刃物８Ａを近接させることで、スリット状のピット１３を形成する。
図１０において、接触式プローブ１０Ｃは、同様なステム１１およびチップ１２に対し、先端が円錐状のエンドミル８Ｂを近接させ、先端をチップ１２の上面に沿って側方へ移動（図１０直交方向へ移動）させることで、スリット状のピット１３を加工する。
何れの場合も、ピット１３は交点Ｃを含む深さまで形成される。
このような各実施形態によっても、前述した第１実施形態に準じた効果を得ることができる。ただし、ピット１３までの全ての切削加工が統一的な手段（例えば放電加工）である、との効果は得られない。

前記各実施形態では、ステム１１を回転切削により円柱状に形成したが、ステム１１の切削は複数方向において放電加工電極８を昇降させて角柱状に形成してもよい。
また、チップ１２となるべき部分１２’を三角柱状に切削するとしたが、先端が尖っていればよく、いわゆるホームベース型の平面５角形に形成してもよい。
さらに、前記各実施形態では、先にステム１１および部分１２’の回転切削を行い、次にチップ１２を角柱状に切り出したが、素材９の端面にチップ１２（またはチップ１２となるべき部分１２’）を形成した後、ステム１１を切削する、という手順としてもよい。

前述した各実施形態では、それぞれステム１１とチップ１２とを連続材により一体に形成したが、別体のステム１１とチップ１２とを接合したうえ、間にピット１３を形成してもよい。別体のステム１１とチップ１２との接合には、例えば、溶接、ろう付け、接着剤が採用できる。

１０，１０Ａ…接触式プローブ
１１…ステム
１２…チップ
１２１…先端
１３…ピット
１３１…円弧状部分
１３２…傾斜部分
８…放電加工電極
９…素材
α…ステムとチップとの間の挟み角
Ｃ…ステムのチップが延びる方向の側面の延長線とチップのステムが接合された面の延長線との交点

Claims (7)

1. 棒状のステムと、前記ステムに対して交叉方向へ延びるチップと、前記チップと前記ステムとで挟まれた部分に形成された切欠き状のピットとを有することを特徴とする接触式プローブ。
2. 請求項１に記載した接触式プローブにおいて、
   前記チップと前記ステムとは連続した材料で形成され、前記ステムと前記チップとの連続部分に生じる内側の迫り出し部分に前記ピットが形成されていることを特徴とする接触式プローブ。
3. 請求項１または請求項２に記載した接触式プローブにおいて、
   前記ピットは、前記ステムの前記チップが延びる方向の側面の延長線と前記チップの前記ステムが接合された面の延長線との交点よりも深く切欠かれていることを特徴とする接触式プローブ。
4. 棒状のステムと、前記ステムに対して交叉方向へ延びるチップと、前記チップと前記ステムとで挟まれた部分に形成された切欠き状のピットとを有する接触式プローブの製造方法であって、
   前記チップおよび前記ステムとなるべき材料から前記チップおよび前記ステムを削り出し、
   前記チップと前記ステムとで挟まれた部分から前記材料を削り取って前記ピットを形成することを特徴とする接触式プローブの製造方法。
5. 請求項４に記載した接触式プローブの製造方法において、
   前記材料を回転させて前記ステムを削り出すとともに、前記チップとなるべき円盤状部分を削り出し、
   前記円盤状部分を前記ステムの軸方向に切り取って先端が尖った前記チップを形成し、
   この後、前記ピットを形成することを特徴とする接触式プローブの製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載した接触式プローブの製造方法において、
   前記ステムの削り出し、前記チップの削り出し、および前記ピットの削り出しは、放電加工によって行うことを特徴とする接触式プローブの製造方法。
7. 請求項４または請求項５に記載した接触式プローブの製造方法において、
   前記ステムの削り出しおよび前記チップの削り出しは放電加工によって行うとともに、前記ピットの削り出しは側方からのレーザ加工により行うことを特徴とする接触式プローブの製造方法。

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