[发明专利]单传感器式三维微纳米接触触发测量探头

说明书

本发明公开了一种单传感器式三维微纳米接触触发测量探头，其特征是在基座中分别设置测头单元和测量单元，其测头单元将簧片支承在圆环座上，在簧片上设置圆形悬浮片，在圆形悬浮片上固定设置分光棱镜和楔形块，测杆与圆形悬浮片呈“T”形固定连接；测量单元是将激光器射出的准直光投射经分光棱镜和楔形块聚焦在四象限探测器上，利用四象限探测器测量探针的偏摆，从而实现单传感器式三维微纳米接触触发式测量。本发明能够获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，其稳定性高、成本低且装调方便。

技术领域

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，用于感测物体表面的三维形貌。

背景技术

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究具有纳米级精度的三坐标测量机。

三坐标测量机的探头部分是三坐标测量机的核心部件之一，探头的测量精度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。

现有技术中的接触式探头主要有：原子力探头、电容式探头、光纤探头、DVD探头、微触觉探头、共焦式探头等。现有探头需要集成二至四个高精度传感器，存在着结构复杂、装调难度大、成本高的问题。比如荷兰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、电路以及弹性元件通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后共同制作成整体结构，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开发的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，横向检测灵敏度较高且接触力较小，但其结构相当复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦复杂。

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，提供一种单传感器式三维微纳米接触触发测量探头，以期获得体积小、成本低、稳定性高且装调方便的优势，同时具有高精度、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：

本发明单传感器式三维微纳米接触触发测量探头的结构特点是设置：

一基座，用于固定设置所述测量探头；

一测头单元，是在所述基座上固定设置圆环座，在所述圆环座上设置簧片，所述簧片是以其远端固定连接在圆环座上，使簧片支承在圆环座的上端面；在所述簧片的上表面、处在簧片的中央固定设置圆形悬浮片；在所述圆形悬浮片的上端面、处在圆形悬浮片的中央固定设置第二分光棱镜，在所述第二分光棱镜的上端面固定设置楔形块；在所述圆形悬浮片的下端面、处在圆形悬浮片的中央、与所述圆形悬浮片呈“T”形固定设置测杆，所述测杆自簧片的中心通孔中贯穿，在所述测杆的前端固定测球；固定设置在基座中的第一分光棱镜处在所述第二分光棱镜的一侧，用于向所述第二分光棱镜投射反射光；所述第一分光棱镜和第二分光棱镜均为消偏振分光棱镜；所述测球为红宝石测球；

一测量单元，是在所述基座上固定激光器和四象限探测器，所述激光器射出的准直光投射在第一分光棱镜上，经所述第一分光棱镜反射形成第一反射光，所述第一反射光经所述第二分光棱镜形成第二反射光，所述第二反射光透过楔形块聚焦在所述四象限探测器上，利用所述四象限探测器的激光探测信号获得所述第二分光棱镜的位移量和三维角度。