位置檢測器的制造方法
【專利摘要】涉及使被支承為能夠細微擺動自如的檢測針的末端與對象物接觸來計量與對象物的位置關(guān)系的位置檢測器，在檢測針的長度為80～100mm以上的位置檢測器中，實現(xiàn)±0.1μm左右的計量精度。對通過支承檢測針的球體與球體、圓筒體或平面之間的接觸而產(chǎn)生的支承點進行DLC（類金剛石碳）涂覆，并且將彈簧對各觸點的按壓力設(shè)定為10N（牛頓）以下。對具有80mm以上的長度的檢測針的末端實現(xiàn)±0.1μm左右的重復(fù)計量精度。
【專利說明】位置檢測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及位置檢測器，其通過使被支承為能夠擺動的檢測針與對象物接觸，來計量安裝有檢測針的部件與該對象物之間的位置關(guān)系，并且，本發(fā)明涉及使與對象物接觸之后的檢測針的復(fù)位位置的精度提高的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]這種位置檢測器大多在計量由機床加工的工件(對象物)和刀架(安裝有檢測針的部件)之間的位置關(guān)系時使用。例如，在借助加工中心加工模具時，利用位置檢測器來計量工件的位置，由此進行工具的原點位置相對于工件的設(shè)定和工件的加工精度的計量等。
[0003]在用于模具加工的高精度的加工中心中，實現(xiàn)了根據(jù)來自控制器的以0.1ymS單位的指令進行加工的設(shè)備。但是，目前一般的位置檢測器的重復(fù)計量精度為±1μπι左右，無法趕上加工中心的加工精度。
[0004]位置檢測器的重復(fù)計量精度能夠通過改良檢測針的支承結(jié)構(gòu)(將檢測針的基端支承為能夠擺動的部分的結(jié)構(gòu))來進行改善。本申請的發(fā)明人通過采用在專利文獻1、2等中提出的支承結(jié)構(gòu)，在具備30?40mm左右的長度的檢測針的位置檢測器中實現(xiàn)了 ±0.Ιμπι的重復(fù)計量精度。
[0005]圖4和圖5是示出專利文獻I中提出的位置檢測器的檢測針I(yè)的支承結(jié)構(gòu)的一個例子的圖。該支承結(jié)構(gòu)為這樣的結(jié)構(gòu):利用在以檢測針I(yè)的軸心為中心的圓周上配置的兩個為一組的三組共計6個球體5，來支承呈放射狀設(shè)置于檢測針I(yè)的基端2的3根圓筒體3。
[0006]即，為這樣的結(jié)構(gòu):在將末端13作為檢測端的檢測針I(yè)的基端2，彼此以120度的間隔沿放射方向設(shè)置有3根圓筒體3，通過凹部15支承各圓筒體3，所述凹部15形成于在殼體4的托座12固定的兩個為一組的球體5之間。球體5在以檢測針I(yè)的軸心為中心的圓周上以120度的間隔兩個兩個地配置。3根圓筒體全都與分別支承它們的兩個球體的表面抵接，由此來限定檢測端13的靜止位置(復(fù)位位置或穩(wěn)定位置)。
[0007]S卩，通過設(shè)置朝向這些球體5按壓圓筒體3的彈簧16，由此，由圓筒體3與球體5之間的6個支承點10來限定檢測針的檢測端13在三維空間內(nèi)的3個軸向上的位置以及繞所述3個軸的相位(角度)。在由于檢測端13和計量對象物之間的接觸而使得檢測針I(yè)擺動時，任一個球體與圓筒體的抵接分離。當作用于檢測針I(yè)的外力消失時，檢測端13通常復(fù)位到上述靜止位置。
[0008]6個球體5由在位置檢測器的殼體4設(shè)置的半球形或圓錐形的凹形的托座12來定位。在殼體4設(shè)置有朝向6個球體5的螺紋孔8，在所述螺紋孔中分別螺合有將末端形成為凸圓錐面11的螺釘9。通過將螺釘9以均勻的力旋入，螺釘9的末端將所對置的球體5按壓并固定于各自的托座12。通過該結(jié)構(gòu)，無需在球體5和托座12之間夾設(shè)粘接劑層等，就能夠準確地設(shè)定球體5在托座12上的位置，從而能夠?qū)崿F(xiàn)位置檢測器的計量精度的提高。
[0009]對于檢測針I(yè)與對象物的接觸，當對象物是導(dǎo)電體時，能夠通過將該對象物的表面與檢測針之間的接觸點作為觸點(外部觸點)的電路來進行檢測。當對象物不是導(dǎo)電體時，能夠通過將球體5與圓筒體3之間的支承點10作為觸點(內(nèi)部觸點)的電路來進行檢測。例如像圖6示意性地示出的那樣，具備內(nèi)部觸點的電路是將圓筒體3與球體5之間的6個支承點串聯(lián)連接的電路17。能夠通過電路17被切斷來檢測出檢測針I(yè)從靜止位置分離、即任一球體5與圓筒體3分離。
[0010]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0011]專利文獻
[0012]專利文獻1:國際公開第W02008/10492號小冊子。
[0013]專利文獻2:國際公開第W02009/11262號小冊子。
[0014]專利文獻3:日本實公平6-31363號公報。
[0015]專利文獻4:日本特開2001-99637號公報。
[0016]專利文獻5:日本特開2006-201105號公報。
[0017]非專利文獻
[0018]非專利文獻1:《DLC的應(yīng)用技術(shù)——進化的類金剛石碳的工業(yè)應(yīng)用與未來技術(shù)》(新材料.新素材叢書)，大竹尚登(主編)，出版社:CMC出版，發(fā)行日:2008年I月，p.77以后。
[0019]非專利文獻2:《為了高性能化的DLC成膜技術(shù)》，池永勝(主編)、日刊工業(yè)新聞社，2007年9月28日，p.161以后。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]發(fā)明要解決的課題
[0021]在對具有較深的凹處的對象物的加工精度進行計量時，需要具備較長的檢測針I(yè)的位置檢測器。例如，在對汽車的緩沖器和發(fā)動機罩用的模具的加工精度進行計量時，需要具備長度至少為150_左右的檢測針的位置檢測器。
[0022]在使用位置檢測器的計量中，由于在計量時伴隨有檢測針的微小的擺動動作，因此，若檢測針的長度增長，則檢測針的相對于檢測端的移動量的擺動量變小，計量精度降低。存在以下問題:如前所述借助檢測針的長度為30?40mm左右的位置檢測器，能夠應(yīng)對由加工中心加工出的一般的高精度模具那樣的工件的計量，但借助檢測針的長度為80?IOOmm以上的位置檢測器，則無法應(yīng)對那樣的工件的計量。
[0023]本發(fā)明是為了解決上述課題而完成的，其課題在于獲得一種位置檢測器，在檢測針的長度為80?IOOmm以上的位置檢測器中，能夠?qū)崿F(xiàn)±0.Ιμπι左右的計量精度。
[0024]用于解決課題的手段
[0025]本申請的發(fā)明人的研究結(jié)果是推測出了下述情況:當檢測針的長度變長時計量精度降低這一情況的主要原因是，在檢測端離開對象物后的檢測針的復(fù)位位置產(chǎn)生了偏差。
[0026]關(guān)于圖4、圖5所示的支承結(jié)構(gòu)的檢測針1，通過由三根圓筒體3與6個球體5形成的6個支承點10的抵接，限定了檢測針I(yè)的在三維空間內(nèi)的正交的3個軸向上的位置和繞該3個軸的相位(角度)。當這樣保持在靜止位置的檢測針的末端13與對象物接觸時，與該對象物接觸的接觸點成為第7個支承點，用于限定檢測針的姿勢的支承點多出I個，因此，由圓筒體3和球體5形成的6個支承點中的至少一個脫離開,通過剩余的5個支承點和與對象物接觸的I個接觸點這6點來限定檢測針I(yè)的姿勢。此時，檢測針I(yè)從其靜止位置稍微擺動。
[0027]當計量結(jié)束而使檢測針I(yè)從對象物離開時，檢測針I(yè)借助彈簧16的作用力復(fù)位到由原來的6個支承點10限定的姿勢。如果朝向該靜止位置的復(fù)位不徹底，則在檢測針的靜止位置殘留有擺動后的角度誤差，該誤差將成為下一次計量時的計量誤差。盡管殘留的角度誤差相同，檢測針越長，檢測針的末端13的位置的誤差就越大，從而計量誤差增大。因此，在檢測針較長的位置檢測器中，產(chǎn)生了計量精度降低這樣的現(xiàn)象。
[0028]本申請的發(fā)明人由上述情況考慮到，通過減小圓筒體3和球體5之間在支承點10處的摩擦阻力，來進行借助于彈簧16的作用力實現(xiàn)的檢測針I(yè)朝向靜止位置的更加徹底的復(fù)位，并考慮到，由此即使在檢測針較長的位置檢測器中也能夠?qū)崿F(xiàn)±0.1左右的重復(fù)計量精度，進行了驗證試驗，從而完成了本發(fā)明。
[0029]本發(fā)明的位置檢測器的特征在于，對通過支承檢測針I(yè)的球體與球體之間、球體與圓筒體之間、球體與平面之間的接觸所形成的6個支承點10進行DLC (Diamond LikeCarbon，類金剛石碳)涂覆，并且，限制作用于支承點10的按壓力，由此，具有80mm長度的檢測針的末端13處的重復(fù)計量精度實現(xiàn)了 ±0.1 μ m的精度。以往，雖然由專利文獻4、5等提出了對檢測針的末端進行DLC涂覆，但沒有認識到對用于限定檢測針的靜止位置的支承點進行DLC涂覆及其必要性。為了實現(xiàn)上述的重復(fù)計量精度，期望對以6個支承點10相互按壓的雙方的部件表面進行DLC涂覆，并且，將彈簧16對各觸點的按壓力設(shè)定為ION (牛頓)以下，特別優(yōu)選設(shè)定為3N以下。
[0030]關(guān)于DLC涂覆，優(yōu)選的是，對檢測針的支承點10施加所需的硬度和耐磨損性，但在使耐剝離性和耐擦刮性良好這一點上，利用PVD法、優(yōu)選利用濺射法、特別是利用等離子體輔助灘射法("Plasma booster Sputtering〃、也稱為〃Plasma Enhanced MagnetronSputtering (等離子體增強磁控派射)"。例如非專利文獻I)來對支承點進行DLC涂覆。
[0031]圖4、5示出的檢測針I(yè)的支承結(jié)構(gòu)是設(shè)置有3個由兩個球體5支承圓筒體3的2點支承部的結(jié)構(gòu)，但是還已知這樣的位置檢測器:利用由3個球體支承I個球體的3點支承部、由2個球體支承I個圓筒體的2點支承部、以及由I個球體支承平面的單點支承部來形成6個支承點(參照專利文獻3)。即使在具備這樣的支承結(jié)構(gòu)的位置檢測器中，通過采用在支承點形成有DLC薄膜并將各支承點處的按壓力設(shè)定為10N、特別優(yōu)選為3N以下這樣的支承結(jié)構(gòu)，也能夠解決本發(fā)明的課題。
[0032]一般的DLC薄膜不具備導(dǎo)電性。因此，如果在檢測針I(yè)的支承點10形成DLC薄膜，則無法將支承點10設(shè)置為內(nèi)部觸點。在要將支承點設(shè)置為內(nèi)部觸點的情況下，只要在支承點10的表面形成分散有鋰(Li)等導(dǎo)電性金屬原子的DLC薄膜即可。這樣的DLC薄膜能夠通過利用離子束等向坯材金屬表面照射內(nèi)部含有鋰及其他的導(dǎo)電性金屬原子的富勒烯(C60)來形成(例如非專利文獻2)。關(guān)于該富勒烯，如公知的那樣，是由60個碳原子構(gòu)成的中空的原子，在將鋰原子等導(dǎo)電性金屬原子封入于該富勒烯內(nèi)的狀態(tài)下將該富勒烯向坯材表面照射時，富勒烯在與還材表面碰撞時破裂，內(nèi)部含有的導(dǎo)電性金屬原子分散，形成具備導(dǎo)電性的DLC薄膜。由此，能夠利用圖6所示那樣的電路17來檢測檢測端13和對象物之間的接觸。
[0033]發(fā)明效果[0034]在下述這樣的位置檢測器中能夠?qū)崿F(xiàn)±0.1的重復(fù)計量精度:在用于形成檢測針的支承點的部件表面形成DLC薄膜，并將該支承點處的部件彼此的按壓力設(shè)定為3N，且將檢測針的長度設(shè)定為150mm。
[0035]DLC薄膜具備足以獲得位置檢測器所需要的檢測針在復(fù)位位置處的正確姿勢的保持和耐久性的硬度和耐磨損性，通過形成DLC薄膜的方法，能夠施加所需的耐剝離性。
[0036]并且，通過本發(fā)明能夠提供一種位置檢測器，其具備在由加工中心加工出的高精度模具的形狀計量中所需要的較高的重復(fù)計量精度，并具備較長的檢測針，該較長的檢測針也能夠計量用于成型汽車的緩沖器和發(fā)動機罩的模具那樣的具有較深凹部的模具。
[0037]根據(jù)本發(fā)明，具有以下效果:通過減小使支承點處的部件相互按壓的彈簧16的作用力，即使是檢測針長度為250mm左右的位置檢測器，也能夠?qū)崿F(xiàn)檢測端的±0.Ιμπι左右的重復(fù)計量精度，從而能夠使用比較簡便的位置檢測器對各種工件進行高精度的形狀計量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是示出將支承點的按壓力設(shè)為IN時的形成有DLC薄膜的部件相互之間的動摩擦系數(shù)的圖表。
[0039]圖2是將支承點的按壓力設(shè)定為5Ν時的與圖1同樣的圖。
[0040]圖3是將支承點的按壓力設(shè)定為ION時的與圖1同樣的圖。
[0041]圖4是示出檢測針的支承結(jié)構(gòu)的一個例子的立體圖。
[0042]圖5是圖4的支承結(jié)構(gòu)中的支承點的剖視圖。
[0043]圖6是示出接觸檢測電路的一個例子的示意圖。
【具體實施方式】
[0044]實施例的位置檢測器中的檢測針I(yè)的支承結(jié)構(gòu)與圖4示出的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)一樣為如下這樣的結(jié)構(gòu):通過配置在殼體4的圓周上的兩個為一組的三組球體5來支承設(shè)于檢測針的基端2的沿放射方向延伸的3根圓筒體3。
[0045]球體5插入到孔6的底部，所述孔6通過球頭立銑刀貫穿設(shè)置于殼體4，在成對的兩個球體之間形成有用于支承圓筒體3的V形的凹部15。在殼體4，朝向位于孔6的底部的球體5的頂部設(shè)有螺紋孔8，在該螺紋孔螺入有末端削尖成圓錐狀的螺釘9。在將球體5插入到孔6后緊固螺釘9，由此，螺釘末端的凸圓錐面11與球體5的頂部抵接，6個球體通過楔作用在金屬表面與孔6的底面相互直接抵接的狀態(tài)下被固定在恒定位置。
[0046]對上述支承結(jié)構(gòu)中的圓筒體3采用滾針軸承用的滾針，對球體5采用軸承滾珠，對它們表面的成為支承點的部分實施了 DLC涂覆。關(guān)于DLC薄膜的形成，雖然電弧離子電鍍法為當今主流，但通過等離子體輔助濺射(PBS)方法來進行，以免產(chǎn)生成為滑動特性降低的原因的液滴(Droplet)。通過對由PBS法制作而成的DLC覆膜表面進行顯微鏡觀察，獲得了未產(chǎn)生液滴的平滑的表面。
[0047]在通過下述位置檢測器來進行計量實驗時能夠如表I所示那樣達成±0.1 μ m的重復(fù)計量精度，在所述位置檢測器中，使用以上述方法進行了 DLC涂覆的圓筒體3和球體5，使用將圓筒體3向球體5按壓的彈簧16的作用力在各支承點10處的法線方向上的按壓力為IN的彈簧,并且安裝有從支承點到檢測針末端的長度為150mm的檢測針。這被認為是:通過減小用于限定檢測針的靜止位置的支承點的摩擦系數(shù)，結(jié)果提高了利用彈簧16的作用力使檢測針向靜止位置復(fù)位的復(fù)位精度。
[0048]在圖1到圖3中示出了在對用上述方法進行了 DLC涂覆的超硬合金薄片和進行了DLC涂覆的軸承滾珠(直徑6mm)用1N、5N和ION的載荷無潤滑地進行摩擦試驗時的動摩擦系數(shù)的變化。在測定中使用了 CSEM公司(瑞士)生產(chǎn)的摩擦計。
[0049]無論在哪一載荷下，摩擦系數(shù)均為0.1以下，在試驗載荷為5N時以0.05N左右的非常小的摩擦系數(shù)穩(wěn)定地推移，在試驗載荷為IN時以0.005N左右的非常小的摩擦系數(shù)穩(wěn)定地推移。由此，對支承檢測針的圓筒體和球體這兩者的支承點進行DLC涂覆，并對彈簧16的作用力進行設(shè)定，以使各支承點處的按壓力成為ION以下、特別優(yōu)選的是成為被認為是摩擦系數(shù)的降低變得顯著的3N左右，由此能夠期待重復(fù)計量精度的飛躍性提高。
[0050]在上述的試驗條件下，對未進行DLC涂覆的淬火鋼(SUJ2)彼此無潤滑地進行摩擦試驗時的動摩擦系數(shù)為0.6左右。此外，在僅對軸承滾珠進行了 DLC涂覆的結(jié)構(gòu)中，摩擦系數(shù)降低到0.18，通過DLC涂覆實現(xiàn)了低摩擦系數(shù)化，但是，在各支承點處的按壓力為ION時，無法實現(xiàn)具備150_長度的檢測針的位置檢測器的±0.1 μ m以下的重復(fù)計量精度。但是，可以認為，通過進一步減小各支承點處的按壓力，能夠達成±0.Ιμπι以下的重復(fù)計量精度。
[0051]根據(jù)以上的內(nèi)容，通過等離子體輔助濺鍍(PBS)法，對將位置檢測器的檢測針支承為能夠細微擺動的支承部中的球體、圓筒體或平面的支承點部分進行DLC涂覆，由此能夠獲得平滑的表面，在該表面上沒有成滑動特性下降的原因的液滴，進行檢測針向靜止位置的準確復(fù)位，因此能夠大幅提高位置檢測器的重復(fù)計量精度。
[0052]即，沒有進行DLC涂覆的摩擦系數(shù)為0.6左右，與此相對，若僅對球體進行DLC涂覆，則摩擦系數(shù)降低至0.18左右。此外，若對雙方的部件表面進行DLC涂覆，則摩擦系數(shù)降低到0.05左右，在檢測針的長度為150mm以上的位置檢測器中，能夠達成±0.1 μ m以下的重復(fù)計量精度。此外，對于在適當條件下進行涂覆而成的DLC薄膜，即使施加超過20N的載荷進行滑動，薄膜也不會剝離，薄膜的耐久性也沒有問題。
[0053]表I是示出具備圖4、5所示的支承結(jié)構(gòu)的位置檢測器的復(fù)位精度的測定結(jié)果的表。在表中，“超硬合金球”一欄是使形成支承點的圓筒體3和球體5的基材為含有鎳的超硬合金的結(jié)構(gòu)的測定值，“鋼球” 一欄是使形成支承點的圓筒體3和球體5的基材為鋼的結(jié)構(gòu)的測定值，“未處理”是對未在支承點進行DLC涂覆處理的結(jié)構(gòu)的測定值，“處理后”是進行了 DLC涂覆處理的結(jié)構(gòu)的測定值。
[0054]使用的測量儀器為力一;W—>.y r λ y 二一公司生產(chǎn)的指示誤差為
0.02 μ m的測量儀器。由于按壓支承點的彈簧16的力為3N，且6個支承點處的圓筒體3和球體5以30度的角度接觸，因此各支承點的法線方向的按壓力為IN。表中的數(shù)字示出了復(fù)位到靜止位置的檢測針末端距原來的靜止位置的誤差。進行了兩輪50次的測量。
[0055]像表中明確的那樣，可知:通過對支承點進行DLC涂覆，檢測針以非常高的精度復(fù)位到靜止位置。即，通過進行DLC涂覆，能夠使基于在一 I?2μπι的范圍變動的檢測針的復(fù)位誤差的位置檢測器的測量誤差為±0.Ιμπι以下。
[0056][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種位置檢測器，其具備: 多個支承點，它們用于限定檢測針的靜止位置；以及 彈簧，其對檢測針的基部朝向該支承點施力，來使檢測針復(fù)位到所述靜止位置， 所述位置檢測器的特征在于， 在形成所述支承點的部件的表面形成有類金剛石碳薄膜。
2.一種位置檢測器，其具備: 多個支承點，它們用于限定檢測針的靜止位置；以及 彈簧，其對檢測針的基部朝向該支承點施力，來使檢測針復(fù)位到所述靜止位置， 所述位置檢測器的特征在于， 在所述支承點處相互按壓的雙方的部件的表面形成有類金剛石碳薄膜，并且將所述彈簧的作用力對該支承點的按壓力設(shè)定為ION以下。
3.—種位置檢測器，其具備: 多個支承點，它們用于限定檢測針的靜止位置；以及 彈簧，其對檢測針的基部朝向該支承點施力，來使檢測針復(fù)位到所述靜止位置， 所述位置檢測器的特征在于， 在所述支承點處相互按壓的雙方的部件的表面形成有類金剛石碳薄膜，并且將所述彈簧的作用力對該支承點的按壓力設(shè)定為3N以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的位置檢測器， 檢測針的成為檢測端的末端與距該末端最近的支承點之間的距離為80mm至250mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的位置檢測器，其特征在于， 形成支承點的部件彼此之間的動摩擦系數(shù)為0.1以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的位置檢測器，其特征在于， 類金剛石碳薄膜是分散有導(dǎo)電性金屬原子的類金剛石碳薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的位置檢測器，其特征在于， 導(dǎo)電性金屬原子為鋰原子。
【文檔編號】G01B5/012GK103459972SQ201280014896
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月5日
【發(fā)明者】福久宣夫 申請人:日新產(chǎn)業(yè)株式會社