JP6229959B2 - スタイラス及び測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、スタイラス及びスタイラスを使用して被測定物の３次元形状を測定する測定方法に関するものである。
従来のスタイラスの先端には、単結晶ダイヤモンドを素材とした球状部が形成されている。その球状部を用いて被測定物の３次元形状が測定される。
特許第４７９４７５３号
しかしながら、上述した従来例では、スタイラスの信頼性を長期間に渡って確保することが困難であった。
本発明は、長期にわたって高い信頼性を保つことが可能なスタイラス及び測定方法の提供を目的としている。
前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかるスタイラスは、
軸部と、
前記軸部の先端に配された単結晶ダイヤモンドの突出部と、
前記突出部の先端に配された単結晶ダイヤモンドの球状部と、を備え、
前記球状部の最先端部に｛１００｝面が配され、
前記突出部は、前記球状部よりも軸部側の環状の領域内に、｛１１１｝面及び｛１１０｝面が分布し、かつ、前記環状の領域内において、前記｛１１０｝面及び前記｛１１１｝面が突出している。
以上のように、本発明の前記態様のスタイラス及び測定方法によれば、スタイラスを用いて被測定物の３次元形状測定を実施する際における、単結晶ダイヤモンドの摩耗を抑制し、高寿命で測定することが出来る。
本実施形態に於いて製造されるスタイラスの形状図 本実施形態に於いて用いた単結晶ダイヤモンドの結晶方位を示す図 本実施形態に於いて用いた加工装置とスタイラスとの配置を示す斜視図 本実施形態における第１の加工工程の鋳物定盤とスタイラスとの位置を示す上面図 本実施形態における第２の加工工程の鋳物定盤とスタイラスとの位置を示す上面図 本実施形態により製造されるスタイラスの球形状測定結果図
（発明の基礎となった知見）
スタイラスの先端部に単結晶ダイヤモンドを使用すると、結晶方位による硬度差が存在することになるため、結晶方位の配置に工夫が必要である。しかしながら、従来例においては、硬度差の問題に対する認識も、結晶方位の配置に関する考慮もされていなかった。
そのため、スタイラスの先端部を被測定物に接触させて測定を実施すると、先端部のうち、｛１１１｝面又は｛１１０｝面よりも硬度の低い｛１００｝面のみが先に摩耗してしまい、先端部の精度が偏って悪化する可能性があった。
そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、先端部の結晶方位を結晶面の硬度に応じて最適な配置とすることで、偏った磨耗が発生する蓋然性を低下させ、高い信頼性を長期間保つことが可能なスタイラス及び測定方法を実現するに至った。
（実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図１乃至図６を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態に係るスタイラス３を示す。本スタイラス３は、軸部７と、軸部７の先端部に配置されかつ単結晶ダイヤモンドを素材とする球状部１と、軸部７と球状部１との間の環状の領域３０に配置されかつ単結晶ダイヤモンドを素材とする突出部２とを備える。本スタイラス３は、被測定物の被測定面に対して、球状部１、又は、球状部１と突出部２とが接触して被測定物の３次元測定を行うものである。
球状部１は、最先端部が｛１００｝面４で構成される球状の面である。
突出部２は、球状部１よりも軸部７側に配置されかつ球状部１の軸部側端縁周囲に隣接して配置された環状の領域３０に配置されている。当該環状の領域３０には、突出部２として単結晶ダイヤモンドの｛１１１｝面５及び｛１１０｝面６が分布する。一例として、環状の領域３０において、｛１１１｝面５と｛１１０｝面６とが突出部２として交互に配置される。これらの｛１１１｝面５及び｛１１０｝面６は、球状部１の表面から突出して、突出部２を構成している。
なお、一例として、球状部１と突出部２とは１つの単結晶ダイヤモンド素材で構成されている。また、単結晶ダイヤモンド素材は、一例として、スタイラス３の超硬合金からなる軸部７の先端部にロウ付けされている。軸部７の先端部は、一例として、角度３０度のテーパー形状であり、テーパー形状の先端部の後側には、図示しない直径Φ１．０ｍｍの円柱状の軸形状部が接続されている。
図２は、スタイラス３として製造する前の、球状部１と突出部２とを構成する１つの単結晶ダイヤモンド１００における結晶方位を示す。図２の単結晶ダイヤモンド１００において、球状部１の最先端部に相当する位置である上部に｛１００｝面１０４を配置する場合、環状の領域３０の突出部２に相当する位置には、｛１１１｝面１０５は、｛１００｝面１０４に対して上下方向の回転角４５度且つ左右方向の回転角４５度の位置に配置される。また、突出部２としての｛１１０｝面１０６は、｛１００｝面１０４に対して上下方向の回転角４５度で且つ隣接する｛１１１｝面１０５同士を結ぶ方向に配置される。
このように、複数の｛１１１｝面１０５と複数の｛１１０｝面１０６とで突出部２を設けることで、スタイラス３を被測定物の被測定面に接触させて測定を実施する際に、最も柔らかい｛１００｝面１０４に少しでも摩耗が発生したとしても、摩耗発生後は、｛１００｝面１０４よりもより硬い｛１１１｝面１０５又は／及び｛１１０｝面１０６が、｛１００｝面１０４よりも先に接触するようになり、｛１００｝面１０４のそれ以上の大きな摩耗を抑えるため、長期にわたって正確な形状を測定することが出来る。
ここで、本スタイラス３の製造方法を説明する。図３に示すように、本実施形態のスタイラス３を製造するための加工装置１０は、Ｘ方向駆動ステージ１４及びＺ方向駆動ステージ１５を備えている。前記Ｘ方向駆動ステージ１４上には、回転ステージ１６を備え、前記回転ステージ１６上に、前記スタイラス３を任意の角度に回転位置決め可能な位置決めスピンドル１１が配置されている。また、前記Ｚ方向駆動ステージ１５上に鋳鉄製の鋳物定盤１２を回転させるための主軸スピンドル１３が、前記位置決めスピンドル１１と対向して配置されている。前記加工装置１０の駆動ステージ１５，１６は、それぞれ個別に駆動させることが可能である。
本スタイラス３の製造方法は、第１の加工工程と、第２の加工工程とを備えている。図４は、本発明の実施形態における本スタイラス３の製造方法の第１の加工工程の鋳物定盤１２とスタイラス３との位置関係を示す側面図であり、加工軌跡２０は、鋳物定盤１２に対するスタイラス３との移動位置を示している。図５は、本発明の実施形態における本スタイラス３の製造方法の第２の加工工程の鋳物定盤１２とスタイラス３との位置関係を示す側面図であり、加工軌跡２１は、鋳物定盤１２に対するスタイラス３の移動位置を示している。
本実施形態に於けるスタイラス３の一例について説明する。本実施形態に於いて、製造するスタイラス３の形状は、図１に示すような、軸部７の先端部に単結晶ダイヤモンドを素材とする球状部１と突出部２とを備えた形状であり、単結晶ダイヤモンドの結晶方位｛１００｝面４が前記球状部１の最先端部の端面になるように配置されている。さらに、前記球状部１に隣接した環状の領域３０の突出部２として、単結晶ダイヤモンド素材の結晶方位｛１１１｝面５及び｛１１０｝面６を、球状部１と突出部２とを１つの球形状として見た場合の誤差成分に相当する程度の量として、突出量が０．０５μｍ以下となるように突出させている。球状部１の半径は０．０２ｍｍであり、中心軸からの開き角は６０度となっている。本実施形態における鋳物定盤１２には、鋳鉄を素材とし、既に超硬及びダイヤモンド焼結体の刃先Ｒ２．０ｍｍの切削バイトにより、平面加工を施されたものを使用した。また、本実施形態で製造されるスタイラス３の先端には、単結晶ダイヤモンドチップが、ロウ付けで、直径１．０ｍｍの超硬合金製の軸部７に取り付けられ、かつ、単結晶ダイヤモンドと軸部７とを、開き角度３０度にてテーパー加工を施したものを使用した。
次に、図１から図５において、スタイラス３の製造方法の一例について詳しく説明する。
図３において、鋳物定盤１２を加工装置１０の主軸スピンドル１３に取り付けた状態で２，０００ｒｐｍにて回転させ、スタイラス３を位置決めスピンドル１１に取り付けた状態になっている。前もって、スタイラス３の先端は、加工装置１０の回転ステージ１６の回転中心に合わせて配置されており、回転ステージ１６の回転角度に関わらず回転ステージ１６の中心位置に位置決めされる。
その後、図４に示すように、第１の加工工程として、加工装置１０のＸ方向駆動ステージ１４を駆動し、鋳物定盤１２の外周位置にスタイラス３の先端を移動した後、加工装置１０のＺ方向駆動ステージ１５を駆動し、スタイラス３の先端が鋳物定盤１２の平面と接する座標まで移動する。
その後、位置決めスピンドル１１を６０ｒｐｍの回転速度で時計方向に回転させながら、加工装置１０のＸ方向駆動ステージ１４を鋳物定盤１２の中心方向に移動させる。この際、加工装置１０の回転ステージ１６は、毎秒０．６度の速度でスタイラス３が加工装置１０の主軸スピンドル１３の中心軸に対して傾けるように駆動する。スタイラス３の球状部１に隣接した突出部２において｛１１１｝面５の角度に到達するまで、加工装置１０の回転ステージの角度を主軸スピンドル１３の中心軸に対して徐々に傾けながら研磨を実施する。
その後、スタイラス３の突出部２の｛１１１｝面５の角度に到達したところで、位置決めスピンドル１１の回転速度を６ｒｐｍまで低下させ、合わせて加工装置１０の回転ステージ１６の回転速度を毎秒０．２度に低下させ、スタイラス３の突出部２の｛１１１｝面５の加工時間を、｛１００｝面４と比較して３０倍だけ長くとる。その際、位置決めスピンドル１１が回転してスタイラス３の突出部２の｛１１０｝面６の回転角度に到達している期間は、位置決めスピンドル１１の回転速度を１２ｒｐｍに変更する。
その後、加工装置１０の回転ステージ１６を継続して傾け、スタイラス３の突出部２の｛１１１｝面５の角度を通過した段階で、回転ステージ１６の回転速度を毎秒０．６度に変更し、位置決めスピンドル１１の回転速度を６０ｒｐｍに変更する。
その後、回転ステージ１６の傾き角度が６２度に達するまで、加工装置１０のＸ方向駆動ステージ１４を鋳物定盤１２の中心方向に移動させながら、研磨を実施する。
その後、図５に示すように、第２の加工工程として回転ステージ１６の傾き角度が６２度に達した時点で、回転ステージ１６の傾き方向を逆転し、加工装置１０のＸ方向駆動ステージ１４を鋳物定盤１２の外周方向に向かって駆動させる。この際、加工装置１０の回転ステージ１６は、毎秒０．６度の速度でスタイラス３の軸が加工装置１０の主軸スピンドル１３に対して傾けるように駆動する。スタイラス３の突出部２において｛１１１｝面５の角度に到達するまで、加工装置１０の回転ステージの角度を徐々に傾けながら研磨を実施する。
その後、スタイラス３の突出部２の｛１１１｝面５の角度に到達したところで、位置決めスピンドル１１の回転速度を６ｒｐｍまで低下させ、合わせて加工装置１０の回転ステージ１６の回転速度を毎秒０．２度に低下させ、スタイラス３の突出部２の｛１１１｝面５の加工時間を｛１００｝面４と比較して３０倍長くとる。その際、位置決めスピンドル１１が回転してスタイラス３の突出部２の｛１１０｝面６の回転角度に到達している期間は、位置決めスピンドル１１の回転速度を１２ｒｐｍに変更する。
その後、加工装置１０の回転ステージ１６を継続して０度に向かって傾け、スタイラス３の突出部２の｛１１１｝面５の角度を通過した段階で、回転ステージ１６の回転速度を毎秒０．６度に変更し、位置決めスピンドル１１の回転速度を６０ｒｐｍに変更する。
その後、回転ステージ１６の傾き角度が０度に達するまで、加工装置１０のＸ方向駆動ステージ１４を鋳物定盤１２の外周方向に移動させながら、研磨を実施する。回転ステージ１６の傾きが０度に達した時点で、加工装置１０のＺ方向駆動ステージ１５を０．０００２ｍｍ、鋳物定盤１２に向かって前進させ、前記第１の加工工程と第２の加工工程をスタイラス３の最先端に球状部１と突出部２とが形成されるまで繰り返す。
以上のように加工を実施する事で、スタイラス３の球状部１及び突出部２の素材である単結晶ダイヤモンドの結晶方位による硬度差から発生する研磨レートの違いを吸収し、且つスタイラス３の球状部１と突出部２とを１つの球形状として見た場合の誤差範囲内である０．０５μｍ以下の突出量の突出部２を設けることができる。
ここで、突出部２の好ましい寸法条件について説明する。スタイラス３を使用する測定機における許容測定誤差精度は０．１μｍ以下である。突出部２の突出量を０．０５μｍより大きく設定した場合は、球状部１の単結晶ダイヤモンドの硬度の低い部分（例えば、｛１００｝面４）が被測定物の被測定面との接触で０．０５μｍ摩耗した場合において、許容誤差を逸脱する。このため、突出部２の突出量は、０．０５μｍを超えないようにするのが望ましい。また、突出部２の突出量が０．０２μｍを下回ると、球状部１の単結晶ダイヤモンドの硬度の低い部分（例えば｛１００｝面４）が被測定物の被測定面との接触で摩耗した際に、突出部２が被測定面に接触せず、当該硬度の低い部分の摩耗が早く進むことになり、スタイラス３の測定精度を維持できる期間が短くなる恐れがある。従って、突出部２の突出量は、００２μｍ以上とするのが望ましい。すなわち、球状部１の最先端部を通る球を定義した際に、当該球の表面からの突出量が０．０２μｍ以上かつ０．０５μｍ以内の範囲で、前記環状の領域３０内における｛１１０｝面６及び｛１１１｝面５が突出部２として突出していることが望ましい。このような構成により、単結晶ダイヤモンドの摩耗による測定精度の悪化を０．０５μｍ以下に抑えることが出来、長期にわたってスタイラスの摩耗による測定精度の悪化を防ぎ、高寿命化する事が出来る。
図６は、本加工方法により製作されたスタイラス３の球状部１及び突出部２について、球形状からの差分を測定した結果である。スタイラス３の中心軸が図６のグラフ中心となっており、球状部１の各角度位置での真球形状からの差分を示している。図６に示すように、スタイラス３の単結晶ダイヤモンドの結晶面｛１１１｝面５及び｛１１０｝面６が他の場所よりも高くなっている突出部２を球状部１に隣接して有する。このように、突出部２として｛１１１｝面５及び｛１１０｝面６を最先端部の外周に沿った環状の領域３０に交互に均等に配置することにより、特に傾斜を持った被測定物を測定する際に、突出部２が被測定物に優先的に接触し、且つ突出部２の硬度は、他の部位（例えば｛１００｝面４）に対して最大で２倍の硬度を有するため、摩耗が発生しにくい。その結果、スタイラス３の摩耗が抑制され、高寿命なスタイラス３を実現出来る。
なお、図６では、球状部１の最先端部である｛１００｝面４を通る球を定義し、そこからの差分を表示している。つまり、この球の球欠が球状部１の最先端部である｛１００｝面４を形成する。｛１００｝面４を形成する球の半径は、５μｍ以上かつ２０μｍ以下であるのが望ましい。もし、｛１００｝面４を形成する球の半径を５μｍ未満にすると、突出部２の突出量が真球形状の差分の許容測定差分範囲を超えてしまうため望ましくない。また、球の半径が２０μｍを超える場合においては、球欠部の表面積が突出部２の表面積よりも大きくなるため、磨耗軽減の効果が薄れる。このため、半径が５μｍ以上かつ２０μｍ以下の球の球欠で構成されるように、球状部１の最先端部を設計するのが好ましい。
なお、本実施形態では、球状部１の先端から加工を実施したが、球状部１の最大角度側の端部から加工を実施してもよい。
なお、本実施形態では、スタイラス３の素材に超硬合金を用いたが、他の素材を用いてもよい。
本スタイラス３を用いて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法を実現してもよい。例えば、最初は、スタイラス３の球状部１の｛１００｝面４を被測定物の３次元形状を測定する被測定面に接触させて３次元形状測定を行う。次いで、｛１００｝面４に摩耗が発生すると、以後は、突出部２の｛１１１｝面５又は｛１１０｝面６のいずれかが被測定面に接触して測定を続けることになる。よって、｛１００｝面４の摩耗がそれ以上進まずに測定を継続することができ、このような測定方法により、長期間の高精度測定を実現可能となる。
前記実施形態によれば、突出部２として｛１１１｝面５及び｛１１０｝面６を球状部１の最先端部の｛１００｝面４の軸部側の端縁外周に沿った環状の領域３０に交互に均等に配置するように構成している。突出部２の硬度は、他の部位（例えば｛１００｝面４）に対して最大で２倍の硬度を有する。よって、特に傾斜を持った被測定物をこのスタイラス３で測定する際に、球状部１の最先端部の｛１００｝面４の摩耗時に、突出部２が被測定物に優先的に接触させることができ、摩耗が発生しにくい。その結果、スタイラス３の摩耗が抑制され、高寿命なスタイラス３を実現出来、正確に測定することが出来る。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
本発明にかかるスタイラス及び３次元形状計測方法は、たとえば、スタイラスを被測定物に用いて３次元形状測定を実施する際における、単結晶ダイヤモンドの摩耗を抑制し、高寿命で正確に測定することが出来るスタイラス及び３次元形状計測方法に適用できる。
１・・・球状部
２・・・突出部
３・・・スタイラス
４・・・スタイラスの｛１００｝面
５・・・スタイラスの｛１１１｝面
６・・・スタイラスの｛１１０｝面
７・・・軸部
１０・・・加工装置
１１・・・位置決めスピンドル
１２・・・鋳物定盤
１３・・・主軸スピンドル
１４・・・Ｘ方向駆動ステージ
１５・・・Ｚ方向駆動ステージ
１６・・・回転ステージ
２０・・・第１の工程における球状部加工時のスタイラス加工軌跡
２１・・・第２の工程における球状部加工時のスタイラス加工軌跡
３０・・・環状の領域
１０４・・・単結晶ダイヤモンドでの｛１００｝面
１０５・・・単結晶ダイヤモンドでの｛１１１｝面
１０６・・・単結晶ダイヤモンドでの｛１１０｝面

Claims (4)

  1. 軸部と、
    前記軸部の先端に配された単結晶ダイヤモンドの突出部と、
    前記突出部の先端に配された単結晶ダイヤモンドの球状部と、を備え、
    前記球状部の最先端部に｛１００｝面が配され、
    前記突出部は、前記球状部よりも軸部側の環状の領域内に、｛１１１｝面及び｛１１０｝面が分布し、かつ、前記環状の領域内において、前記｛１１０｝面及び前記｛１１１｝面が突出している、スタイラス。
  2. 前記球状部と前記突出部とを前記球状部の前記最先端部を通る球として定義した際に、前記環状の領域内における前記｛１１１｝面及び前記｛１１０｝面の突出量は、当該球の表面から０．０２μｍ以上かつ０．０５μｍ以内の範囲で突出している、請求項１に記載のスタイラス。
  3. 前記球状部は、半径が５μｍ以上かつ２０μｍ以下の球の球欠で構成される請求項１又は２に記載のスタイラス。
  4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の前記スタイラスの前記球状部の前記｛１００｝面を用いて被測定物の３次元形状を測定する、３次元形状測定方法。
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