[發明專利]光學傳感式三維高精度接觸掃描測量探頭

有效

• 申請號: 201610128452.7
• 申請日: 2016-03-07
• 公開（公告）號: CN105627949B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 李瑞君;何亞雄;唐帥濤;范光照;程真英
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明涉及微納米測試領域，更具體的說是一種應用在納米三坐標測量機上的接觸掃描式三維探頭，可以感測物體表面的三維形貌。

背景技術

近年來，微電子技術的快速發展引發了一場微小型化的革命，尤其是微機電系統MEMS器件的加工技術的發展，出現了各種微納米級的微小器件，如微齒輪、微型孔，微型噴嘴，微型臺階等MEMS產品。這些微器件的加工精度處于微納米量級，要對這些微器件進行精密測量，就要發展特殊的高精度檢測方法與技術手段。為此各國相關機構都致力于研究具有納米級精度的三坐標測量機。

三坐標測量機的探頭部分是三坐標測量機的核心部件之一，探頭的測量精度決定三坐標測量機的總體測量精度。探頭有接觸式和非接觸式之分，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、臺階、深孔、圓弧等特征的工件。

現有技術中的接觸式探頭主要有：原子力探頭、電容式探頭、光纖探頭、DVD探頭、微觸覺探頭、共焦式探頭等。現有探頭需要集成二至四個高精度傳感器，存在著結構復雜、裝調難度大、成本高的問題。比如荷蘭Eindhoven大學開發的基于應變計的三維微接觸式傳感測頭，是將應變計、電路以及彈性元件通過沉淀、制版、刻蝕等工藝后共同制作成整體結構，測頭各個方向的力和位移的變化通過裝在敏感粱上的應變計進行檢測，其體積較小，但應變片的檢測靈敏度和精度都比較低，并且其測頭采用三角形拓撲結構，解耦復雜。瑞士聯邦計量檢定局METAS開發的電磁式微接觸式測頭，測頭具有三個方向的自由度，每個方向的檢測都采用電感來實現，三個方向的測力相同，結構主要由鋁制成，電磁式測頭的測量范圍較大，橫向檢測靈敏度較高且接觸力較小，但其結構相當復雜、裝調困難，且采用三角形懸掛結構，解耦復雜。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種光學傳感式三維高精度接觸掃描測量探頭，以期獲得高精度、高靈敏度和小測力的探測效果，同時具備高穩定性和調試方便的優勢。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發明光學傳感式三維高精度接觸掃描測量探頭的結構特點是其包括：

一測頭單元，是在圓環座的中央設置十字懸浮片，所述十字懸浮片的各懸臂端固定連接對應位置上的“V”型懸臂簧片的頂端，所述“V”型懸臂簧片的兩個底端固定連接在圓環座上，形成十字懸浮片在圓環座中的懸浮結構；在所述十字懸浮片的上表面、處在十字懸浮片的中央固定設置楔形塊，在所述楔形塊的頂面粘結有NPBS，在所述楔形塊的底面鍍有反射層，在所述十字懸浮片的下表面、處在十字懸浮片的中央固定連接帶有測球的探針；

一測量單元，設置所述測量單元的光路結構為：激光器發射出的準直光投射至NPBS的頂面，所述準直光在NPBS中形成的反射光作為第一光束投射至第一四象限探測器，以所述第一四象限探測器測量楔形塊和NPBS沿水平X軸方向的位移；所述準直光在NPBS中形成的透射光經楔形塊投射至楔形塊的底面的反射層，在所述反射層上形成的反射光作為第二光束，所述第二光束投射至NPBS的底面，所述第二束光在NPBS中形成的反射光作為第三束光投射到第二四象限探測器，以所述第二四象限探測器測量楔形塊和NPBS沿Z軸方向的位移；所述第二束光在NPBS中形成的透射光投射至第三四象限探測器，以所述第三四象限探測器測量楔形塊和NPBS沿Y軸方向的位移，所述Z軸為豎直方向的軸，所述Y軸和X軸為水平方向的軸。

本發明光學傳感式三維高精度接觸掃描測量探頭的結構特點也在于：設置所述測量探頭的基座為圓筒體，在所述圓筒體中分布有各空腔，所述各空腔分別是：處在圓筒體上段的第一腔、處在圓筒體下段的第三腔，以及處在第一腔和第三腔之間的第二腔；用于安裝激光器的激光器固定座設置在所述第一腔中；所述第三四象限探測器安裝在所述第二腔中；第一四象限探測器、第二四象限探測器以及NPBS安裝在所述第三腔中，并且所述第一四象限探測器和第二四象限探測器分處在所述NPBS的一左一右；測頭單元中的圓環座固定設置在所述圓筒體的底部端口上。

本發明光學傳感式三維高精度接觸掃描測量探頭的結構特點也在于：所述第二空腔設置為臺階孔，所述第三四象限探測器嵌裝在所述臺階臺中獲得限位；在所述三四象限探測器的頂部放置楔形填充塊，所述楔形填充塊的頂面與第一腔的底板上表面平齊，激光器固定座固定設置在第一腔的底面，利用所述激光器固定座對所述楔形填充塊在頂面形成抵壓，阻止所述第三四象限探測器向上移動。