專利名稱：三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米測量領(lǐng)域，更具體地說特別是涉及一種應(yīng)用在納米三坐標(biāo)測量機(jī)中的高精度大量程三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭。
背景技術(shù)：
隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，尺寸介于毫米和微米之間的微型器件相繼問世，如微透鏡、微齒輪、微芯片、燃油噴油嘴等；微器件的形狀日趨復(fù)雜，允許的尺寸公差越來越小， 因此在實(shí)踐中迫切需要具有納米級(jí)測量精度的三坐標(biāo)測量機(jī)。
納米三坐標(biāo)測量機(jī)主要由具有納米定位測量功能的三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和具有感測功能的探頭兩部分組成。探頭分接觸式和非接觸式兩種，接觸式探頭可以用來測量非接觸式探頭所不能測量的具有斜面、臺(tái)階、深孔、圓弧等特征的工件。接觸式探頭又分為接觸觸發(fā)式探頭和接觸掃描式探頭兩種。其中，接觸觸發(fā)式探頭是指探頭本身只起觸發(fā)作用，即當(dāng)測球接觸到被測工件時(shí)，探頭系統(tǒng)馬上輸出反饋信號(hào)給機(jī)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使機(jī)臺(tái)停下來，工件的具體尺寸是靠機(jī)臺(tái)的三軸測量系統(tǒng)來給出的，探頭本身并不具有測量功能，這種形式的探頭不能單獨(dú)使用，必須與機(jī)臺(tái)一起工作。接觸掃描式探頭除了具備接觸觸發(fā)式探頭的功能外，還具有測量功能，可以直接對(duì)工件進(jìn)行感測并給出測量結(jié)果。
目前已經(jīng)公布的接觸式探頭主要以接觸觸發(fā)式為主，比如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、英國國家物理實(shí)驗(yàn)室、東京大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)公布的探頭。接觸掃描式探頭主要包括德國聯(lián)邦物理研究院(PTB)、荷蘭Eindhoven工業(yè)大學(xué)、瑞士聯(lián)邦計(jì)量鑒定局(METAQ公布的探頭(參數(shù)見表1)。PTB的測頭由硅膜和測桿組成。當(dāng)測桿的端部受到外力作用的時(shí)候，導(dǎo)致硅膜變形，通過硅膜上的壓阻變化檢測出測頭端部的位移和力的大小，該探頭采用M個(gè)壓阻檢測的方式，提高了檢測靈敏度，降低了測頭對(duì)溫度的影響，但其采用薄膜結(jié)構(gòu)使應(yīng)力分布不均勻，硅膜結(jié)構(gòu)比較容易斷裂。荷蘭Eindhoven大學(xué)開發(fā)的基于應(yīng)變計(jì)的三維微接觸式傳感測頭，應(yīng)變計(jì)與電路和彈性元件一起通過沉淀、 制版、刻蝕等工藝后被制作成一個(gè)整體，測頭各個(gè)方向的力和位移的變化通過裝在敏感粱上的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行檢測，體積較小，但應(yīng)變片的檢測靈敏度和精度都比較低，且其測頭采用三角形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解耦復(fù)雜。瑞士聯(lián)邦計(jì)量檢定局(METAS)開發(fā)了一種電磁式微接觸式測頭， 測頭具有三個(gè)方向的自由度，每個(gè)方向的檢測都采用電感來實(shí)現(xiàn)，三個(gè)方向的測力相同，結(jié)構(gòu)主要由鋁制成，電磁式測頭的測量范圍較高，橫向撿測靈敏度較高且接觸力較小，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、裝調(diào)困難，且采用三角形懸掛結(jié)構(gòu)，解耦非常麻煩。
表1接觸掃描探頭的主要技術(shù)參數(shù)
權(quán)利要求
1.三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭，其特征是設(shè)置一固定圓環(huán)(8)，在所述固定圓環(huán)(8)的中央設(shè)置十字懸浮片(9)，所述十字懸浮片(9)中各懸臂是在臂端連接有懸臂簧片(10)，所述各懸臂簧片(10)的另一端與固定圓環(huán)(8)相連接，形成十字懸浮片(9)在固定圓環(huán)(8)中的懸浮結(jié)構(gòu)；在所述十字懸浮片(9)朝向筒體內(nèi)的一側(cè)平面上，處在十字懸浮片(9)的中央位置處設(shè)置一中央平面反光鏡(13a)，處在所述十字懸浮片(9)的至少一個(gè)懸臂的臂端部位設(shè)置有懸臂平面反光鏡(13b)；在所述十字懸浮片(9)朝向筒體外的一側(cè)平面上，掃描探針(11)固定安裝在所述十字懸浮片(9)的中心，處在掃描探頭最前端的測球(12)固定安裝在掃描探針(11)的端部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭，其特征是所述各懸臂簧片(9)與固定圓環(huán)(8)相連接的一端均勻分布在固定圓環(huán)(8)的圓周上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭，其特征是所述各懸臂簧片(9)與所在懸臂之間的夾角為銳角、鈍角、直角或?yàn)?80°角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭，其特征是在所述懸臂簧片(10)與懸臂之間，以及在所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)⑶之間采用螺釘固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭，其特征是在所述懸臂簧片(10)與懸臂之間，以及在所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)⑶之間夾持一球體，形成懸臂簧片(10)與懸臂，以及懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)(8)之間的點(diǎn)接觸連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭，其特征是所述點(diǎn)接觸連接是在所述懸臂簧片(10)與懸臂之間，以及在所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)⑶之間的點(diǎn)接觸位置處以粘膠粘接；或是在所述懸臂簧片(10)與懸臂之間，以及在所述懸臂簧片 (10)與固定圓環(huán)(8)之間的點(diǎn)接觸位置處設(shè)置一通孔，以通孔中貫穿的線繩對(duì)所述懸臂簧片(10)與懸臂，以及對(duì)所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)⑶形成固定連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭，其特征是所述懸臂簧片(10)是以鈹青銅為材質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維微納米接觸掃描探頭中的彈性測頭，其特征是在固定圓環(huán)的中央設(shè)置十字懸浮片，十字懸浮片中各懸臂是在臂端連接有懸臂簧片，各懸臂簧片的另一端與固定圓環(huán)相連接，形成十字懸浮片在固定圓環(huán)中的懸浮結(jié)構(gòu)；在十字懸浮片朝向筒體內(nèi)的一側(cè)平面上，處在十字懸浮片的中央位置處設(shè)置一中央平面反光鏡，處在十字懸浮片的至少一個(gè)懸臂的臂端部位設(shè)置有懸臂平面反光鏡；在十字懸浮片朝向筒體外的一側(cè)平面上，掃描探針固定安裝在十字懸浮片的中心，處在掃描探頭最前端的測球固定安裝在掃描探針的端部。本發(fā)明能夠獲得大量程、高精度、高靈敏度和小測力的探測效果。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102494607SQ20111033506
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者李瑞君, 程真英, 苗晉偉, 范光照, 陶勝 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)