一种三维微纳米接触触发式探头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维微纳米接触触发式探头，其特征是在一固定圆环的中央设置十字悬浮片，在十字悬浮片的各悬臂的臂端连接有悬臂簧片，各悬臂簧片的另一端与固定圆环相连接，形成十字悬浮片在固定圆环中的悬浮结构；在十字悬浮片一侧的中央位置处设置测量中央平面反射镜，另一侧安装带有红宝石测球的探针；激光器发射出的准直光投射在测量中央平面反射镜上，并经测量中央平面反射镜反射后形成反射光，反射光经过透镜聚焦在四象限探测器上，以四象限探测器测量中央平面反射镜的位移和二维角度。本发明能够获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，同时具有高稳定性、低成本且装调方便的优势。
【专利说明】一种三维微纳米接触触发式探头
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微纳米测试领域，更具体的说是一种应用在纳米三坐标测量机上的接 触触发式三维探头，可以感测物体表面的三维形貌。
【背景技术】
[0002] 近年来，微电子技术的快速发展引发了一场微小型化的革命，尤其是微机电系统 MEMS器件的加工技术的发展，出现了各种微纳米级的微小器件，如微齿轮、微型孔，微型喷 嘴，微型台阶等MEMS产品。这些微器件的加工精度处于微纳米量级，要对这些微器件进行 精密测量，就要发展特殊的高精度检测方法与技术手段。为此各国相关机构都致力于研宄 具有纳米级精度的三坐标测量机。
[0003] 三坐标测量机的探头部分是三坐标测量机的重要核心部件之一，探头的测量精度 直接决定三坐标测量机的总体测量精度。探头有接触式和非接触式之分，接触式探头可以 用来测量非接触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。
[0004] 目前世界上已经公布的接触式探头主要包括：美国国家标准与技术研宄院的原子 力探头、英国国家物理实验室的电容式探头、东京大学的光纤探头、台湾大学的DVD探头、 天津大学的微触觉探头、合肥工业大学的共焦式探头。现有探头均需要集成2-4个高精度 传感器，而且存在结构复杂、装调难度大、成本高的问题。如荷兰Eindhoven大学开发的基 于应变计的三维微接触式传感测头，是将应变计、电路以及弹性元件一起通过沉淀、制版、 刻蚀等工艺后制作成为一个整体，测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感粱上的应 变计进行检测，其体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，并且其测头采用三角 形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计量检定局METAS开发了一种电磁式微接触式测头，测头 具有三个方向的自由度，每个方向的检测都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主 要由铝制成，电磁式测头的测量范围较大，横向捡测灵敏度较高且接触力较小，但其结构非 常复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦非常麻烦。
【发明内容】
[0005] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种三维微纳米接触触发 式探头，以期获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，同时具有高稳定性、低成本且装 调方便的优势。
[0006] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0007] 本发明三维微纳米接触触发式探头的结构特点是其包括：
[0008] 一测头单元，是在一固定圆环的中央设置十字悬浮片，在所述十字悬浮片的各悬 臂的臂端连接有悬臂簧片，所述各悬臂簧片的另一端与固定圆环相连接，形成十字悬浮片 在固定圆环中的悬浮结构；在所述十字悬浮片一侧的中央位置处设置测量中央平面反射 镜，另一侧安装带有红宝石测球的探针；
[0009] 一测量单元，设置所述测量单元的光路结构为：由激光器射出的准直光投射在所 述测量中央平面反射镜上，并经所述测量中央平面反射镜反射后形成反射光，所述反射光 经过透镜聚焦在四象限探测器上，以所述四象限探测器测量中央平面反射镜的位移和二维 角度。
[0010] 本发明三维微纳米接触触发式探头的结构特点也在于：设置左右偏摆角和前后俯 仰角度可以调节的激光出射角度调整机构，所述激光器固定设置在激光出射角度调整机构 中，通过调节所述激光出射角度调整机构，以使被测量中央平面反射镜反射后的激光能被 透镜聚焦在所述四象限探测器的探测中心。
[0011] 本发明三维微纳米接触触发式探头的结构特点也在于：设置一圆筒体，在所述圆 筒体中分布各中空腔，所述各中空腔包括第一腔和第二腔；所述第一腔用于固定设置透镜 和四象限控测器；所述第二空腔用于固定激光出射角度调整机构，所述测头单元以其固定 圆环设置在所述圆筒体的底部。
[0012] 本发明三维微纳米接触触发式探头的结构特点也在于：所述激光出射角度调整机 构包括用于套装激光器的矩形套筒，所述矩形套筒的外侧壁设置为楔形面，以矩形套筒中 相邻的两个外侧壁作为限位面，限位面以外的两个外侧壁为自由面，在所述限位面与所述 第二腔的腔壁之间设置有楔形块，所述楔形块由非导磁材料制成，通过调整所述楔形块与 所述限位面之间的相对高度实现所述矩形套筒的倾斜角度的调整。
[0013] 本发明三维微纳米接触触发式探头的结构特点也在于：在所述楔形块上设置一通 孔，并有凸轮置于所述通孔中，与凸轮固联的凸轮轴是作为驱动轴，通过转动凸轮轴带动凸 轮在通孔中的转动驱动楔形块沿所述矩形套筒的外侧壁上的楔形面移动。
[0014] 本发明三维微纳米接触触发式探头的结构特点也在于：在所述楔形块的通孔中设 置有磁铁，楔形块为非导磁材料制成，矩形套筒、圆筒体以及凸轮均为导磁材料制成，利用 所述磁铁使所述矩形套筒与圆筒体获得定位。
[0015] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0016] 1、本发明采用光学传感器进行感测，较之应变式、压阻式和电感式传感器可以获 得更高的灵敏度和精度。
[0017] 2、本发明只用一个光学传感器即可同时感测到测球在水平和竖直方向上的位移， 具有结构简单、装调方便、成本较低和时间稳定性好等显著特点。
[0018] 3、本发明采用高精度的光学传感器，配合具有高灵敏和高稳定性的悬浮结构，可 以达到1纳米的分辨力、8. 2纳米重复性、超过正负10微米的允许触碰范围；小于0. 4毫牛 /微米的测力。
[0019] 4、本发明采用移动楔形块的方式实现激光器姿态的调整，具有位移缩小作用，使 得调整精度更高，调整更方便；以楔形面支撑激光器，较普通的微调装置具有更好的稳定 性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明总体结构示意图；
[0021] 图2为本发明总体结构分解示意图；
[0022] 图3为本发明微自准直仪示意图；
[0023] 图4为本发明中用于安装激光器调整结构示意图；
[0024] 图5为本发明中探测头朝向筒体内侧结构示意图；
[0025] 图6为本发明中探测头朝向筒体外侧结构示意图；
[0026] 图7和图8为本发明原理示意图；
[0027] 图中标号：Ia圆筒体；Ib电路板腔；Ic穿线孔；Id第一腔；Ie第二腔；2筒体顶盖； 3四象限探测器；4透镜；5激光器、6激光出射角度调整机构；6a矩形套筒；6b楔形块；6c凸 轮轴；6d凸轮；6e磁铁；6f螺纹孔；7测头单元；7a固定圆环；7b十字悬浮片、7c悬臂簧片； 7d测量中央平面反射镜；7e测球；7f探针。
【具体实施方式】
[0028] 本实施例中三维微纳米接触触发式探头包括：
[0029] 一测头单元7,是在一固定圆环7a的中央设置十字悬浮片7b，在十字悬浮片7b的 各悬臂的臂端连接有悬臂簧片7c，各悬臂簧片7c的另一端与固定圆环7a相连接，形成十字 悬浮片7b在固定圆环7a中的悬浮结构；在十字悬浮片7b-侧的中央位置处设置测量中央 平面反射镜7d，另一侧安装带有红宝石测球7e的探针7f;
[0030] 一测量单元，设置测量单元的光路结构为：由激光器5射出的准直光投射在测量 中央平面反射镜7d上，并经测量中央平面反射镜7d反射后形成反射光，反射光经过透镜4 聚焦在QPD四象限探测器3上，以QPD四象限探测器3测量中央平面反射镜7d的位移和二 维角度。
[0031] 当探针7f在竖直方向受到触碰，QPD四象限探测器3测得测量中央平面反射镜7d 的位移值，当探针7f在水平方向受到触碰，测量中央平面反射镜7d的反射光经过透镜4聚 焦在QPD四象限探测器3上，用于感测测量中央平面反射镜7d沿XY方向的二维角度值，当 测量中央平面反射镜7d有小角度变化时，聚焦在四象限探测器3上的光点会发生相应的偏 移，从而感测沿X轴和Y轴旋转的两个小角度。
[0032] 具体实施中，相应的结构设置也包括：
[0033] 设置左右偏摆角和前后俯仰角度可以调节的激光出射角度调整机构6,激光器5 固定设置在激光出射角度调整机构6中，通过调节激光出射角度调整机构6,以使被测量中 央平面反射镜7d反射后的激光能被透镜4聚焦在四象限探测器3的探测中心，以保证位移 和二维角度传感器XY值的归零。
[0034] 设置一圆筒体la，在圆筒体Ia中分布各中空腔，各中空腔包括第一腔Id和第二腔 Ie;第一腔Id用于固定设置透镜4和四象限控测器3 ;第二空腔Ie用于固定激光出射角度 调整机构6,测头单元7以其固定圆环7a设置在圆筒体Ia的底部，在圆筒体Ia的顶端设置 筒体顶盖2。为了便于电路设置，如图1所示，在圆筒体Ia的上部设置一用于装配电路板的 电路板腔lb，并设置穿线孔Ic用于穿线。
[0035] 本实施例中，激光出射角度调整机构6为二维微调机构，其包括用于套装激光器5 的矩形套筒6a，矩形套筒6a的外侧壁设置为楔形面，以矩形套筒6a中相邻的两个外侧壁 作为限位面，限位面以外的两个外侧壁为自由面，在限位面与第二腔Ie的腔壁之间设置有 楔形块6b，通过调整楔形块6b与限位面之间的相对高度实现矩形套筒6a的倾斜角度的调 整。
[0036] 本实施例中，在楔形块6b上设置有一个长方形通孔，通孔的深度方向垂直于楔形 块的楔形面，并有凸轮6d置于通孔中，与凸轮6d固联的凸轮轴6c是作为驱动轴，通过转动 凸轮轴6c带动凸轮6d在通孔中的转动驱动楔形块6b沿矩形套筒6a的外侧壁上的楔形面 移动。
[0037] 本实施例中，为了便于调整，楔形块6b由非导磁材料制成，矩形套筒6a、圆筒体Ia 以及凸轮均为导磁材质制成，在楔形块6b的通孔中放置有磁铁6e，利用磁铁6e使矩形套筒 6a与圆筒体Ia获得定位，使得在楔形块6b、矩形套筒6a以及圆筒体Ia之间利用磁力形成 贴合。调整过程：由凸轮轴6c带动凸轮6d发生转动，使楔形块6b沿矩形套筒6a的楔形面 移动，矩形套筒6a连同激光器5实现偏摆角和俯仰角的调整，从而使的测量中央平面反射 镜7d的反射光经透镜4聚焦在四象限探测器3的中心位置处；磁铁6e用于辅助调整过程 中矩形套筒6a的定位；使得在矩形套筒6a和圆筒体Ia之间利用磁力将楔形块6b夹住，和 楔形块6b成为一个整体，致使在凸轮不旋转的情况下矩形套筒6a和楔形块6b与圆筒体Ia 保持相对静止。在矩形套筒6a的侧部设置螺纹孔6f，用于配合六角凹头螺钉使激光器5在 矩形套筒6a中获得固定；在圆筒体Ia的侧部设置螺纹孔，用于配合六角凹头螺钉，分别使 矩形套筒6a和聚焦透镜4在圆筒体Ia中获得固定。
[0038] 纳米三维接触触发式测量探头属于接触式探头，在感测物体表面三维形貌的同 时，要保证不能破坏物体表面，因此需要高灵敏度的力学机构。本实施例中作为弹性元件的 悬臂簧片7c采用铍青铜簧片，测量中央平面反射镜7d粘贴在悬浮的十字悬浮片7b，十字悬 浮片7b和固定圆环7a之间用三片铍青铜簧片进行连接。当探针7f的前端红宝石测球7e 因接触物体而受力时，四个铍青铜弹性簧片会发生变形，导致十字悬浮片7b和测量中央平 面反射镜7d会发生位移和二维角度的变化，此变化可以由上部的位移和二维角度传感器 进行感测。
[0039] 本实施例中的测量单元的工作原理如图7和图8所示：
[0040] 从激光器5发出的光经测量中央平面反射镜7d反射后通过聚焦透镜4后汇聚在Qro四象限探测器3上。测量中央平面反射镜7d角度和竖直位移的变化对应四象限探测器 3上光点形状和位置的变化，进而导致四象限探测器3输出的电流信号大小的变化，通过电 流/电压转换电路将四个象限输出的电流信号转换为电压信号，分别记为VA、VB、W根 据式（a)和式（b)，可以将四象限探测器3上光点的形状和位置的变化转化成两路电压信号 输出，这两路电压信号分别与测量中央平面反射镜二维方向的角度对应，并且在一定范围 内呈线性关系；而测量平面反射镜二维方向的角度变化又分别与测球在水平面内两个相互 垂直方向的位移对应，从而实现对测球位移的测量。
[0041 ] X=K[(VA+VB)-(VC+VD)] (a)
[0042] Y=K[(VA+VD)-(VB+VC)] (b)
[0043] 式（a)和式（b)中，X和Y分别为测球在水平面内两个相互垂直方向的位移，VA、VB、 V。、Vd分别为四象限探测器（QPD)四个象限输出的四路电流信号转换成的四个电压信号；K 是比例系数，K可以通过标定的方式获得具体的数值。
[0044] 为了测试本实施例中的三维微纳米接触触发式探头的性能，以一个德国PI公司 生产的三维并联微动平台为基准，其三轴重复性均为2nm，对其水平四个方向，包括X正向、 X负向、Y正向和Y负向，以及Z向的触发重复性进行测试，测试数据见表1，表1结果显示， 该探头的触发重复性为8. 2nm。
[0045] 表1单方向多次重复触碰结果
[0046]
【权利要求】
1. 一种三维微纳米接触触发式探头，其特征是包括： 一测头单元（7)，是在一固定圆环（7a)的中央设置十字悬浮片（7b)，在所述十字悬浮 片（7b)的各悬臂的臂端连接有悬臂簧片（7c)，所述各悬臂簧片（7c)的另一端与固定圆 环（7a)相连接，形成十字悬浮片（7b)在固定圆环（7a)中的悬浮结构；在所述十字悬浮片 (7b) -侧的中央位置处设置测量中央平面反射镜（7d)，另一侧安装带有红宝石测球（7e) 的探针（7f); 一测量单元，设置所述测量单元的光路结构为：由激光器（5)射出的准直光投射在所 述测量中央平面反射镜（7d)上，并经所述测量中央平面反射镜（7d)反射后形成反射光，所 述反射光经过透镜（4)聚焦在四象限探测器（3)上，以所述四象限探测器（3)测量中央平 面反射镜（7d)的位移和二维角度。
2. 根据权利要求1所述的三维微纳米接触触发式探头，其特征是：设置左右偏摆角和 前后俯仰角度可以调节的激光出射角度调整机构￠)，所述激光器（5)固定设置在激光出 射角度调整机构（6)中，通过调节所述激光出射角度调整机构（6)，以使被测量中央平面反 射镜（7d)反射后的激光能被透镜⑷聚焦在所述四象限探测器（3)的探测中心。
3. 根据权利要求2所述的三维微纳米接触触发式探头，其特征是：设置一圆筒体（la)， 在所述圆筒体（la)中分布各中空腔，所述各中空腔包括第一腔（Id)和第二腔（le);所述 第一腔（Id)用于固定设置透镜（4)和四象限控测器（3);所述第二空腔（le)用于固定激 光出射角度调整机构（6)，所述测头单元（7)以其固定圆环（7a)设置在所述圆筒体（la)的 底部。
4. 根据权利要求3所述的三维微纳米接触触发式探头，其特征是：所述激光出射角度 调整机构（6)包括用于套装激光器（5)的矩形套筒（6a)，所述矩形套筒（6a)的外侧壁设置 为楔形面，以矩形套筒^a)中相邻的两个外侧壁作为限位面，限位面以外的两个外侧壁为 自由面，在所述限位面与所述第二腔（le)的腔壁之间设置有楔形块（6b)，通过调整所述楔 形块（6b)与所述限位面之间的相对高度实现所述矩形套筒（6a)的倾斜角度的调整。
5. 根据权利要求4所述的三维微纳米接触触发式探头，其特征是：在所述楔形块（6b) 上设置一通孔，并有凸轮^d)置于所述通孔中，与凸轮^d)固联的凸轮轴^c)是作为驱 动轴，通过转动凸轮轴^c)带动凸轮^d)在通孔中的转动驱动楔形块^b)沿所述矩形套 筒（6a)的外侧壁上的楔形面移动。
6. 根据权利要求5所述的三维微纳米接触触发式探头，其特征是：在所述楔形块（6b) 的通孔中设置有磁铁（6e)，楔形块（6b)为非导磁材料制成，矩形套筒（6a)、圆筒体（la)以 及凸轮（6d)均为导磁材料制成，利用所述磁铁（6e)使所述矩形套筒（6a)与圆筒体（la) 获得定位。
【文档编号】G01B11/00GK104457613SQ201410834005
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】李瑞君, 向萌, 范光照, 冯建, 何亚雄 申请人:合肥工业大学