[发明专利]三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米测量领域，更具体地说特别是涉及一种应用在纳米三坐标测量机中的高精度大量程三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头。 

背景技术

随着微纳加工技术的发展，尺寸介于毫米和微米之间的微型器件相继问世，如微透镜、微齿轮、微芯片、燃油喷油嘴等；微器件的形状日趋复杂，允许的尺寸公差越来越小，因此在实践中迫切需要具有纳米级测量精度的三坐标测量机。 

纳米三坐标测量机主要由具有纳米定位测量功能的三维运动平台和具有感测功能的探头两部分组成。探头分接触式和非接触式两种，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。接触式探头又分为接触触发式探头和接触扫描式探头两种。其中，接触触发式探头是指探头本身只起触发作用，即当测球接触到被测工件时，探头系统马上输出反馈信号给机台运动控制系统使机台停下来，工件的具体尺寸是靠机台的三轴测量系统来给出的，探头本身并不具有测量功能，这种形式的探头不能单独使用，必须与机台一起工作。接触扫描式探头除了具备接触触发式探头的功能外，还具有测量功能，可以直接对工件进行感测并给出测量结果。 

目前已经公布的接触式探头主要以接触触发式为主，比如美国国家标准与技术研究院、英国国家物理实验室、东京大学、台湾大学、天津大学、合肥工业大学等机构公布的探头。接触扫描式探头主要包括德国联邦物理研究院(PTB)、荷兰Eindhoven工业大学、瑞士联邦计量鉴定局(METAS)公布的探头(参数见表1)。PTB的测头由硅膜和测杆组成。当测杆的端部受到外力作用的时候，导致硅膜变形，通过硅膜上的压阻变化检测出测头端部的位移和力的大小，该探头采用24个压阻检测的方式，提高了检测灵敏度，降低了测头对温度的影响，但其采用薄膜结构使应力分布不均匀，硅膜结构比较容易断裂。荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感测头，应变计与电路和弹性元件一起通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后被制作成一个整体，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，体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，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高，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。 

表1接触扫描探头的主要技术参数 

发明内容

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扫描探头中的弹性测头，以期获得大量程、高精度、高灵敏度和小测力的探测效果。 

本发明为解决技术问题采用如下技术方案： 

本发明三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头的结构特点是设置一固定圆环，在所述固定圆环的中央设置十字悬浮片，所述十字悬浮片中各悬臂是在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；在所述十字悬浮片朝向筒体内的一侧平面上，处在十字悬浮片的中央位置处设置一中央平面反光镜，处在所述十字悬浮片的至少一个悬臂的臂端部位设置有悬臂平面反光镜；在所述十字悬浮片朝向筒体外的一侧平面上，扫描探针固定安装在所述十字悬浮片的中心，处在扫描探头最前端的测球固定安装在扫描探针的端部。 

本发明三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头的结构特点也在于： 

所述各悬臂簧片与固定圆环相连接的一端均匀分布在固定圆环的圆周上。 

所述各悬臂簧片与所在悬臂之间的夹角为锐角、钝角、直角或为180°角。 

在所述悬臂簧片与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片与固定圆环之间采用螺钉固定连接。 

在所述悬臂簧片与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片与固定圆环之间夹持一球体，形成悬臂簧片与悬臂，以及悬臂簧片与固定圆环之间的点接触连接。 

所述点接触连接是在所述悬臂簧片与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片与固定圆环之间的点接触位置处以粘胶粘接；或是在所述悬臂簧片与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片与固定圆环之间的点接触位置处设置一通孔，以通孔中贯穿的线绳对所述悬臂簧片与悬臂，以及对所述悬臂簧片与固定圆环形成固定连接。 

所述悬臂簧片是以铍青铜为材质。