TW201827782A - 觸針 - Google Patents

Abstract

一種觸針，具備：軸部、配置在軸部前端之單晶鑽石的突出部、及配置在突出部前端之單晶鑽石的球狀部；球狀部之最前端部配有{100}面，突出部在比球狀部更靠軸部側之環狀區域內分布有{111}面及{110}面，且在環狀區域內{110}面及{111}面呈突出狀態。

Description

觸針 發明領域

本揭示涉及一種觸針及使用觸針來測定被測定物之3維形狀的測定方法。

發明背景

習知之觸針前端係形成有以單晶鑽石為素材的球狀部。使用該球狀部可測定被測定物之3維形狀(譬如日本專利第4794753號)。

發明概要

然而，上述習知範例卻很難長期確保觸針之可靠性。

本揭示之目的在於提供一種可長期確保高度可靠性的觸針及測定方法。

為了達成前述目的，本揭示之一態樣的觸針具有軸部、配置在軸部前端之單晶鑽石的突出部及配置在突出部前端之單晶鑽石的球狀部。球狀部之最前端部配有單晶鑽石之{100}面，突出部在比球狀部更靠軸部側之 環狀區域內分布有單晶鑽石之{111}面及單晶鑽石之{110}面，且在環狀區域內{110}面及{111}面呈突出狀態。

如上述，根據本揭示之一態樣之觸針及測定方法，使用觸針實施被測定物之3維形狀測定時，可抑制單晶鑽石之磨耗，進而得以長壽地進行測定。

1‧‧‧球狀部

2‧‧‧突出部

3‧‧‧觸針

4、104‧‧‧單晶鑽石之{100}面

5、105‧‧‧單晶鑽石之{111}面

6、106‧‧‧單晶鑽石之{110}面

7‧‧‧軸部

10‧‧‧加工裝置

11‧‧‧定位心軸

12‧‧‧鑄物平台

13‧‧‧主心軸

14‧‧‧X方向驅動台

15‧‧‧Z方向驅動台

16‧‧‧旋轉台

20、21‧‧‧觸針加工軌跡

30‧‧‧環狀區域

100‧‧‧單晶鑽石

圖1係用以說明實施形態中所製得的觸針形狀之圖。

圖2係用以說明實施形態中所使用之單晶鑽石之結晶面之圖。

圖3係用以說明實施形態中所使用之加工裝置與觸針之配置的立體圖。

圖4係用以說明實施形態之第1加工步驟中鑄物平台與觸針之位置的俯視圖。

圖5係用以說明實施形態之第2加工步驟中鑄物平台與觸針之位置的俯視圖。

圖6係顯示實施形態中所製得之觸針之球狀部及突出部的形狀測定結果圖。

(本揭示之基礎見地)

若於觸針前端部採用單晶鑽石，會因為存在有結晶面所致的硬度差，所以需要對結晶面的配置費一番工夫。然而，在習知範例中，既未意識到硬度差之問題也未曾考 慮過結晶面之配置。

所以，使觸針前端部接觸被測定物來實施測定時，在前端部中，只有硬度比{111}面或{110}面更低之{100}面會先行磨耗，而可能造成前端部精度偏失惡化。

爰此，本發明人等精闢研討的結果發現，將前端部之結晶面按結晶面之硬度做最佳配置，可降低偏失磨耗發生的可能性，進而實現一種可長期保持高度可靠性的觸針及測定方法。

(實施形態)

以下邊參考圖1至圖6來說明實施形態。

圖1係用以說明在實施形態中所製得的觸針3之形狀之圖。觸針3具備軸部7、球狀部1及突出部2，該球狀部1係配置在軸部7前端部且以單晶鑽石為素材，該突出部2係配置在軸部7與球狀部1間之環狀區域30內且以單晶鑽石為素材。觸針3係以球狀部1或以球狀部1與突出部2接觸被測定物之被測定面來進行被測定物之3維測定。

球狀部1之最前端部係由單晶鑽石之{100}面4(以下僅作{100}面4)所構成的球狀面。

突出部2配置在比球狀部1更靠軸部7側且設於環狀區域30內，該環狀區域30係配置成與球狀部1之軸部側端緣周圍相鄰接。環狀區域30分布有單晶鑽石之{111}面5(以下僅作{111}面5)及單晶鑽石之{110}面6(以下僅作{110}面6)作為突出部2。舉一例來說，於環 狀區域30內{111}面5與{110}面6係交錯配置作為突出部2。該等{111}面5及{110}面6係從球狀部1表面突出而構成突出部2。

在此，{100}、{111}及{110}表示單晶鑽石之結晶面的米勒指數。

另舉一例來說，球狀部1及突出部2係由1個單晶鑽石素材構成。又，單晶鑽石素材舉一例來說係硬焊在觸針3之由超硬合金所構成之軸部7的前端部。軸部7之前端部舉一例來說為角度呈30度之錐形，且錐形前端部之後側(圖1之左側)連接有未圖示之直徑Φ1.0mm的圓柱狀軸形狀部。

圖2係用以說明實施形態中所使用之單晶鑽石100之結晶面之圖。詳細上係顯示在做成觸針3前，構成球狀部1及突出部2之1個單晶鑽石100的結晶面之圖。就圖2之單晶鑽石100來說，當單晶鑽石之{100}面104(以下僅作{100}面104)配置在相當於球狀部1最前端部之位置的上部時，於相當於環狀區域30之突出部2的位置上，單晶鑽石之{111}面105(以下僅作{111}面105)係配置於相對於{100}面104在上下方向的旋轉角度為45度且在左右方向的旋轉角度為45度的位置。又，突出部2之單晶鑽石的{110}面106(以下僅作{110}面106)係配置於相對於{100}面104在上下方向的旋轉角度為45度且可連接相鄰之{111}面105彼此之方向上。

如此一來，藉由以多個{111}面105及多個 {110}面106來設置突出部2，則在觸針3接觸被測定物之被測定面實施測定時，即使最軟的{100}面104上產生了些微磨耗，在產生磨耗後會變成比{100}面104更硬之{111}面105及{110}面106中至少其中一面會比{100}面104更先接觸被測定面。所以，可抑制{100}面104產生更大的磨耗，進而能長期測定正確的形狀。

在此說明觸針3之製造方法。

圖3係用以說明實施形態中所使用之加工裝置與觸針3之配置的立體圖。

如圖3所示，用以製造本實施形態之觸針3的加工裝置10具備X方向驅動台14及Z方向驅動台15。X方向驅動台14上設有旋轉台16，且旋轉台16上配置有定位心軸11，該定位心軸11可讓觸針3旋轉定位在任意角度。又，Z方向驅動台15上配置有與定位心軸11對向配置之主心軸13，該主心軸13能使鑄鐵製鑄物平台12旋轉。加工裝置10之Z方向驅動台15及旋轉台16可個別驅動。

觸針3之製造方法具備第1加工步驟及第2加工步驟。圖4係用以說明實施形態之第1加工步驟中鑄物平台12與觸針3之位置的俯視圖。詳細來說係顯示實施形態中觸針3之製造方法的第1加工步驟中鑄物平台12與觸針3之位置關係的俯視圖。圖4中，第1步驟之球狀部加工時的觸針加工軌跡20表示觸針3相對於鑄物平台12的移動位置。圖5係用以說明實施形態之第2加工步驟中鑄物平台12與觸針3之位置的俯視圖。詳細來說係顯示實施形態 中觸針3之製造方法的第2加工步驟中鑄物平台12與觸針3之位置關係的俯視圖。第2步驟之球狀部加工時的觸針加工軌跡21在圖5表示觸針3相對於鑄物平台12的移動位置。

接著，說明本實施形態之觸針3一例。本實施形態中要製造之觸針3之形狀如圖1所示，為於軸部7前端部具備有以單晶鑽石為素材之球狀部1及突出部2的形狀，且以{100}面4為球狀部1最前端部之端面的方式作配置。並且，使{111}面5及{110}面6以突出量為0.05μm以下之方式突出，來作為與球狀部1鄰接之環狀區域30的突出部2，而該突出量是以球狀部1及突出部2視為一球狀物時相當於誤差成分之程度的量來計算。球狀部1之半徑為0.02mm，自中心軸起計之開口角為60度。本實施形態之鑄物平台12係採用以鑄鐵為素材且業經超硬及鑽石燒結體之刃尖為R2.0mm的切削刀具施行平面加工者。又，本實施形態中所製造之觸針3之前端係採用譬如單晶鑽石晶片經硬焊安裝於直徑1.0mm之超硬合金製軸部7上且將單晶鑽石與軸部7以開口角度呈30度進行錐形加工者。

接下來以圖1至圖5詳細說明觸針3之製造方法一例。

圖3係以鑄物平台12安裝在加工裝置10之主心軸13之狀態下使其以2,000rpm旋轉。觸針3呈已安裝於定位心軸11之狀態。事先讓觸針3之前端合對加工裝置10之旋轉台16的旋轉中心做配置，所以不論旋轉台16的旋 轉角度為何都能使其定位在旋轉台16之中心位置。

然後如圖3及圖4所示，第1加工步驟係驅動加工裝置10之X方向驅動台14，使觸針3之前端移動到鑄物平台12之外周位置。接著驅動加工裝置10之Z方向驅動台15，讓觸針3之前端移動到與鑄物平台12之平面相接的座標上。

再來使定位心軸11以60rpm之轉速朝順時計方向旋轉，並讓加工裝置10之X方向驅動台14往鑄物平台12之中心方向移動。此時，加工裝置10之旋轉台16係驅動來使觸針3以每秒0.6度之速度對加工裝置10之主心軸13的中心軸斜傾。一邊使加工裝置10之旋轉台的角度對主心軸13的中心軸緩慢地斜傾一邊實施研磨，直至達到觸針3之與球狀部1鄰接的突出部2之{111}面5的角度。

然後，在達到觸針3之突出部2之{111}面5的角度時，將定位心軸11之轉速減速至6rpm，並配合使加工裝置10之旋轉台16之轉速降至每秒0.2度，以讓觸針3之突出部2之{111}面5的加工時間比{100}面4恰好長30倍。此時，在定位心軸11旋轉到觸針3之突出部2之{110}面6的旋轉角度的期間，將定位心軸11之轉速改為12rpm。

接著，使加工裝置10之旋轉台16持續斜傾並在通過觸針3之突出部2之{111}面5的角度的時候將旋轉台16之轉速改為每秒0.6度，且將定位心軸11之轉速改為60rpm。

再來，一邊使加工裝置10之X方向驅動台14往鑄物平台12之中心方向移動一邊實施研磨，直到旋轉台16之傾斜角度達62度。

接著如圖5所示，第2加工步驟係在旋轉台16之傾斜角度達到62度之時間點將旋轉台16之傾斜方向反轉，並驅動加工裝置10之X方向驅動台14朝往鑄物平台12之外周方向。此時，加工裝置10之旋轉台16係驅動來使觸針3之軸以每秒0.6度之速度對加工裝置10之主心軸13斜傾。一邊使加工裝置10之旋轉台之角度緩慢地斜傾一邊實施研磨，直至達到觸針3之突出部2之{111}面5的角度。

然後，在達到觸針3之突出部2之{111}面5的角度時，將定位心軸11之轉速減速至6rpm，並配合使加工裝置10之旋轉台16之轉速降至每秒0.2度，以讓觸針3之突出部2之{111}面5的加工時間比{100}面4長30倍。此時，在定位心軸11旋轉到觸針3之突出部2之{110}面6的旋轉角度的期間，將定位心軸11之轉速改為12rpm。

再來，使加工裝置10之旋轉台16持續向0度斜傾並在通過觸針3之突出部2之{111}面5的角度的時候，將旋轉台16之轉速改為每秒0.6度，且將定位心軸11之轉速改為60rpm。

接著，一邊使加工裝置10之X方向驅動台14朝鑄物平台12之外周方向移動一邊實施研磨，直到旋轉台16之傾斜角度達0度。在旋轉台16之傾斜到0度之時間 點使加工裝置10之Z方向驅動台15以0.0002mm向鑄物平台12前進，並反覆進行第1加工步驟及第2加工步驟直到觸針3之最前端形成球狀部1及突出部2為止。

藉由以上方式實施加工，可吸收觸針3之球狀部1及突出部2因素材單晶鑽石之結晶面的硬度差所造成的研磨率差異，且可設置一種將觸針3之球狀部1及突出部2視為一球形物時突出量在誤差範圍內即0.05μm以下的突出部2。

在此說明突出部2的適宜尺寸條件。使用觸針3之測定機的容許測定誤差精度為0.1μm以下。將突出部2之突出量設定大於0.05μm之情況下，當球狀部1之單晶鑽石硬度較低部分(譬如{100}面4)因為與被測定物之被測定面接觸而磨耗了0.05μm時，將會超過容許誤差。所以，突出部2之突出量不宜超過0.05μm。又，突出部2之突出量若低於0.02μm，則球狀部1之單晶鑽石硬度較低的部分(譬如{100}面4)與被測定物之被測定面接觸而磨耗時，突出部2並不會與被測定面接觸。而且，硬度低的部分磨耗會快速發展，進而觸針3可維持測定精度的期間恐會縮短。因此，突出部2之突出量宜設為0.02μm以上。亦即，在定義一通過球狀部1之最前端部之球體時，環狀區域30內之{110}面6及{111}面5宜在從球表面突出的突出量為0.02μm以上且0.05μm以內之範圍突出作為突出部2。藉由此種構成，可將單晶鑽石之磨耗所造成的測定精度惡化抑制在0.05μm以下。藉此，可防止長期因 觸針磨耗所造成之測定精度惡化，而達成長壽化。

圖6係顯示實施形態中所製造之觸針3之球狀部1及突出部2的形狀測定結果圖。詳細來說，係針對利用本加工方法製作之觸針3其球狀部1及突出部2，測定離球形之差分的結果。觸針3之中心軸對應於圖6之X軸及Y軸之原點，顯示在球狀部1之各角度位置上離真球狀的差分。如圖6所示，觸針3具有與球狀部1鄰接之突出部2，該突出部2由高於其他部位之{111}面5及{110}面6構成。如此一來，藉由將{111}面5及{110}面6交錯且均等地配置在沿著最前端部外周而成之環狀區域30內作為突出部2，則尤其在測定傾斜的被測定物時，突出部2會優先接觸被測定物。而且突出部2之硬度相對於其他部位(譬如{100}面4)最大具有2倍之硬度，所以不易產生磨耗。其結果可抑制觸針3之磨耗，實現長壽命之觸針3。

又，於圖6定義一通過球狀部1之最前端部之{100}面4的球體並顯示離其之差分。亦即，該球體之球缺形成球狀部1之最前端部的{100}面4。形成{100}面4之球體半徑宜為5μm以上且20μm以下。如果形成{100}面4之球體半徑小於5μm，則突出部2之突出量會超過真球狀之差分的容許測定差分範圍，故不適宜。又，球體半徑大於20μm時，球缺部之表面積會大於突出部2之表面積，而削弱減輕磨耗之效果。因此，宜將球狀部1之最前端部設計成由半徑為5μm以上且20μm以下之球體之球缺構成。

另，在本實施形態係從球狀部1之前端實施加工，不過亦可從球狀部1之最大角度側之端部實施加工。

又，本實施形態於觸針3之素材雖採用超硬合金，亦可使用其他素材。

亦可使用觸針3來實踐測定被測定物之3維形狀的3維形狀測定方法。譬如，首先使觸針3之球狀部1之{100}面4接觸欲測定被測定物之3維形狀的被測定面，進行3維形狀測定。接著，若於{100}面4產生摩耗，再使突出部2之{111}面5或{110}面6中其中一面與被測定面接觸，繼續測定。所以，可在{100}面4之磨耗不會再加深下持續測定，藉由此種測定方法可實現長期之高精度測定。

根據前述實施形態，如圖1所示，突出部2係由{111}面5及{110}面6交錯且均等地配置在環狀區域30內而構成，且該環狀區域30係沿著球狀部1之最前端部之{100}面4的軸部側之端緣外周而成。突出部2之硬度相對於其他部位(譬如{100}面4)最大具有2倍之硬度。因此，以該觸針3測定尤其是傾斜的被測定物的3維形狀時，當球狀部1之最前端部之{100}面4磨耗時，突出部2會優先接觸被測定物，所以不易產生磨耗。其結果，可抑制觸針3之磨耗，實現長壽命之觸針3，進而可長期且正確地測定被測定物之3維形狀。

另，藉由適當組合前述各種實施形態或變 形例中之任意實施形態或變形例，可發揮各項所具之效果。又，可組合實施形態、實施例、或實施形態與實施例，也可將不同實施形態或實施例中之特徵彼此組合。

本揭示之觸針及測定方法可應用在譬如以觸針對被測定物實施3維形狀測定時可抑制單晶鑽石磨耗且能長壽且正確進行測定的觸針及測定方法。

Claims (10)

1. 一種觸針，具備：軸部，配置在前述軸部前端的突出部，及配置在前述突出部前端的球狀部；前述突出部在比前述球狀部更靠前述軸部側之環狀區域內具有突出面。
2. 如請求項1之觸針，其中將前述球狀部及前述突出部定義為通過前述球狀部之最前端部的球體時，前述環狀區域內之前述突出面的突出量自前述球體表面起計在0.02μm以上且0.05μm以內之範圍內。
3. 如請求項1或2之觸針，其具有數個前述突出面。
4. 如請求項3之觸針，其中前述突出面的硬度較前述球狀部之最前端部的面還硬。
5. 如請求項4之觸針，其中前述數個突出面的硬度不同。
6. 如請求項5之觸針，其中前述硬度不同的突出面是交錯配置。
7. 如請求項3之觸針，其中前述前述數個突出面的突出量不同。
8. 如請求項4之觸針，其中前述前述數個突出面的突出量不同。
9. 如請求項5之觸針，其中前述前述數個突 出面的突出量不同。
10. 如請求項6之觸針，其中前述前述數個突出面的突出量不同。