(57)【要約】ワークピース表面を走査する際の屑の発生や凝着劣化（ピックアップ）阻止する目的で、ワークピース接触プローブ用スタイラス（１２）は、自己潤滑性または低摩擦の材料で構成されるチップ（１４）を有する。寸法安定性のある微細構造に組み込まれる固体潤滑剤を有する複合材料を含め、種々の材料が記載される。チップ（１４）は、かかる複合材料で全体が作成されていてもよく、また自己潤滑性または低摩擦の材料のコート層（３２）をもつ支持体（３０）を有していてもよい。適切な材料は、遊離グラファイトの六方晶系窒化ホウ素を含む窒化珪素や炭化珪素、硫化モリブデンや金属の錫、さらにはＰＴＦＥを含浸させた窒化／炭化珪素や、アニールした炭化ホウ素である。
2007501388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己潤滑性または低摩擦の材料で構成されたワークピース接触プローブ用スタイラスチップ。
【請求項２】
前記材料は、寸法安定性のある微細構造に低摩擦材料または固体潤滑剤を組み込んで構成された複合材料であることを特徴とする請求項１に記載のスタイラスチップ。
【請求項３】
前記固体潤滑剤はグラファイトまたはグラファイト様物質であることを特徴とする請求項２に記載のスタイラスチップ。
【請求項４】
前記固体潤滑剤は六方晶系窒化ホウ素であるであることを特徴とする請求項３に記載のスタイラスチップ。
【請求項５】
前記寸法安定性のある微細構造は窒化珪素で構成されていることを特徴とする請求項４に記載のスタイラスチップ。
【請求項６】
窒化珪素に対する窒化ホウ素の比は２０％未満、好ましくは５％〜１５％であることを特徴とする請求項５に記載のスタイラスチップ。
【請求項７】
マトリックス材に含浸させたポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスタイラスチップ。
【請求項８】
アニールして表面に自己潤滑フィルムを生成した炭化ホウ素を含むことを特徴とする請求項１に記載のスタイラスチップ。
【請求項９】
前記自己潤滑性の材料またはフィルムは自己補充性を有することを特徴とする請求項１または請求項８に記載のスタイラスチップ。
【請求項１０】
支持体と該支持体上のコート層とを具え、該コート層が前記自己潤滑性または低摩擦の材料で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のスタイラスチップ。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のスタイラスチップを有するワークピース接触プローブ用スタイラス。
【請求項１２】
請求項１１に記載のスタイラスを有するワークピース接触プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークピースの測定のために用いられる種類の接触プローブに関し、特にかかるプローブのスタイラス用チップに関するものである。
【０００２】
「接触プローブ」または「ワークピース接触プローブ」という用語には、座標測定機械（coordinate measuring machines）および工作機械などのためののプローブだけでなく、ワークピース接触スタイラスを有するその他の測定装置（metrological apparatus）、例えば「Talysurf」および「Talyrond」という商標で販売されているようなものを含む表面計（surface profilometers）および丸形精度測定機械（roundness measuring machines）などのためのプローブも含まれるものとする。
【背景技術】
【０００３】
ワークピース測定用の公知のプローブは、自由端にワークピース接触チップをもつスタイラスを含んでいる。スタイラスチップは例えば球状とすることができるが、プローブを用いて測定を精度高く行うためには、その球形状の精度が重要である。
【０００４】
特許文献１（McMurtry）には、タッチトリガプローブとして知られている種類のプローブが示されている。この種のプローブは、ワークピース表面上の離散点に単純に接触して、接触が確立されたときにトリガ信号を発する。他の種類のプローブはトランスジューサを内蔵し、接触の結果として生じるプローブ本体に対するスタイラスの撓みを測定する（例えば特許文献２（McMurtry）参照）。後者のタイプのプローブは、特に、表面輪郭を走査するために使用可能である。かかる走査の過程で、スタイラスチップは、ワークピース表面に摺接しながら連続的に移動する。
【０００５】
スタイラスチップに用いられる最も一般的な材料は合成ルビーである。窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）やジルコニア（ＺｒＯ２）などの他の材料も往々にして用いられる。特許文献３（Osterstock）および対応する特許文献４（Q-Mark）は、窒化珪素の使用を開示している。特許文献５（De Beers）は、ダイアモンドや立方晶窒化ホウ素の使用を示唆しているが、しかし実際にはこれらの材料は使用されない。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，１５３，９９８号明細書
【特許文献２】米国特許第４，０８４，３２３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０８４５８４号明細書
【特許文献４】国際公開第０３／０３９２３３号公報
【特許文献５】英国特許出願公開第２２４３６８８号明細書
【特許文献６】米国特許第５，４２２，３２２号明細書
【特許文献７】米国特許第５，６５６，５６３号明細書
【特許文献８】米国特許第５，９７６，４２９号明細書
【特許文献９】欧州特許第７４６５３２号明細書
【非特許文献１】"Fabrication and Microstructure of Silicon Nitride/Boron Nitride Nanocomposites", T Kusunose, T Sekino, Y H Choa and K Niihara, Journal of the American Ceramic Society, 85, [11] 2678-88 (2002)
【非特許文献２】"Self-Replenishing Solid Lubricant Films On Boron Carbide"， A. Erdemir, O. K. Eryilmaz and G. R. Fenske, Surface Engineering, vol. 15, no. 4,291-295
【０００７】
本発明の出願人の研究によると、かかる走査の結果として３つの現象、すなわち
１．磨損（abrasive wear）
２．屑（debris）の発生
３．凝着劣化（adhesive wear；ピックアップとも称される）
が生じ、これらがプローブの性能に影響することがわかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
磨損が生じると、材料が剥れることで、走査されるスタイラスチップが変形してしまう。これはスタイラスチップの球形度に悪影響を及ぼす。これは測定に影響を与え、スタイラスの特定の向きにおいて取られるデータポイントは、検査表面の位置がプロービング方向において実際にあるものより遠くにあることを示すものになってしまう。この結果、ワークピースが実際よりも小さく表されたり、あるいは穴が実際よりも大きく表されたりすることになる（明らかな「物質欠落（material off）」状態）。
【０００９】
屑が発生すると、スタイラスチップや検査下にある部分に粒子が自由に、ないしは締まりなく付着することになる。これらの粒子によって、スタイラスのいかなる向きに対してもこの影響があるわけではないが、データポイントは、検査表面の位置がプロービング方向において実際にあるものほど遠くにないことを示すものとなってしまう。この結果、ワークピースが実際よりも大きく表されたり、あるいは穴が実際よりも小さく表されたりすることになる（明らかな「物質付着（material on）」状態）。
【００１０】
凝着劣化（ピックアップ）は、検査される部分から剥れた物質がスタイラスチップに接着したときに生じる。これは屑の発生と異なり、物質がかなり強固に接着し、スタイラスの接触領域の範囲で局所的に堆積する。これは測定に影響を与え、スタイラスの特定の向きにおいて取られるデータポイントは、検査表面の位置がプロービング方向において実際にあるものほど遠くにないことを示すものとなってしまう。これもまた、「物質付着」状態として現れる。
【００１１】
本出願人の試験により、走査システムによって示されるこれらの現象は、検査される物質およびスタイラスチップの材料の組み合わせを含め、多くのパラメータに伴って変化することがわかった。例えばルビーは、鋼の測定に際してはスタイラスチップとして良好な特性を示すが、アルミニウムの測定に際しては凝着劣化が現れた。スタイラスチップ材料としてのジルコニアは、アルミニウムの測定に際してはピックアップ（凝着劣化）に対して適当な抵抗を示したが、鋳鉄では磨損が生じた。
【００１２】
概して、磨耗損傷を防ぐ目的でスタイラスチップとしてより硬質の材料が選択された場合には、凝着劣化（ピックアップ）をより受け易く、より軟質の材料が選択された場合にはこれと逆になる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
概して言えば、本発明は、スタイラスチップ用に他の材料を求めたものである。
【００１４】
より詳しくは、本発明は、自己潤滑材料から作成された、または自己潤滑材料を含んだスタイラスチップを提供する。
【００１５】
その材料は、寸法安定性のある微細構造（dimensionally stable microstructure）に組み込まれている低摩擦物質ないしは固体潤滑剤（solid state lubricant）を含んだ複合材料とすることができる。潤滑剤は、グラファイトまたは六方晶系窒化ホウ素などのグラファイト様物質とすることができる。
【００１６】
スタイラスチップは前記自己潤滑または低摩擦物質のコート層で被覆された基体を具えたものでもよい。
【００１７】
本発明のさらなる形態では、上記チップを有するスタイラスおよび該スタイラスを組み込んだプローブを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
添付図面を参照して本発明の好適実施形態を説明する。
【００１９】
図１は、本体１０、スタイラス１２および球状スタイラスチップ１４を有する走査プローブを示す。プローブ本体１０はトランスジューサを内蔵しており、チップ１４がワークピース２０の表面を走査するときにスタイラス１２の撓みを測定する。
【００２０】
通常使用時には、座標測定機械、デジタル化機械（digitising machine）、走査機械、工作機械などの機械にプローブ１０を取り付けることができる。ワークピース２０は機械のベッドすなわちテーブル２４に取り付けられる。そして機械がワークピースに対しパスに沿ってプローブを移動させることで、矢印１８で示すように走査が行われる。
【００２１】
スタイラスチップ１４とは異なり、プローブは概して従来型のものであるので、これ以上の説明は要さない。例えば、本出願人であるRenishaw plcにより販売されているtype SP600Mとすることができる。スタイラスチップ１４は以下に説明するような材料で作成される。
【００２２】
図２は、通常使用をシミュレートするべく用いられるテストセットアップ時におけるプローブ１０を示している。ここでは、テストピースとしてアルミニウムプレートを用い、これをCyclone scanning machine（本出願人であるRenishaw plcより入手可能）のベッド２４に取り付けた。
【００２３】
傾斜ブランケット１３を介し、スタイラス１２をプローブ１０の可動スタイラスホルダに取り付けた。これは、スタイラス１２を保持することによって、中立位置においてチップ１４がプローブの中心線上にあるようにするとともに、テスト時にチップ１４の側部がプレート２１に接触しているようにする。これにより、従来のTalyrond roundness measurement instrument（英国レスター、Taylor Hobson Limited）のテスト後にチップの丸形精度を検査したり、チップが走査接触を行っているポイントを光学顕微鏡で検査したりすることが確実にできるようになる。
【００２４】
テストされる材料でなるスタイラスチップ１４をプローブ１０のスタイラス１２に取り付け、これをさらに機械の可動部分に取り付けた。アルミニウムプレート２１の表面に沿って、チップ１４を繰り返し走査した。連続した各走査を、アルミニウムプレート２１に沿った５００ｍｍの距離に、走査速度１００ｍｍ／ｓおよび走査力２５ｇで行った。５００ｍｍの走査の終了毎にプレート２１の表面からチップ１４を上昇させ、少なくとも１００μｍ側方に割り付け（index）してから、次走査のために再配置した。側方への割り付けを行うことで、テスト全体を通じ、アルミニウム表面の非擾乱部分（undisturbed portion）が確実に走査された。
【００２５】
走査時にプレート２１に接触するチップ１４の表面上のパッチを光学顕微鏡で検査した。これは、テストの開始前および所要の全距離走査後に行った。
【００２６】
比較例１
後述する本発明の実施例と比較を行うためのベンチマークとして、純粋な炭化珪素（ＳｉＣ）の直径３ｍｍのボールを、図２におけるチップ１４として試験した。距離７００ｍの走査を行った後に顕微鏡検査を行ったところ、ＳｉＣのボールの表面にはアルミニウムのピックアップが明確に視認された。
比較例２
同じ走査条件で従来型の直径３ｍｍのルビースタイラスを用いたところ、距離７００ｍの走査を行った後に、ルビーの表面にはアルミニウムと同様なピックアップが認められた。
【００２７】
実施例１
固体潤滑剤として働くグラファイトの効果を実験するために、市販の材料であるＰＧＳ１００を用いた。この材料は遊離グラファイト（free graphite）を含む焼結炭化珪素の複合材料であり、Morgan Advanced Materials and Technology（441 Hall Avenue, St Marys, PA 15857, 米国）より市販されている。製造者は、特許文献６〜９により保護されていることを宣明している。直径３ｍｍの球に近い形状に研削し、研磨し、そして標準のスタイラスステムに取り付けた。１回のテストでは、７００ｍの走査後にＰＧＳ１００材料の表面にピックアップは現れなかった。さらなるテストでは、スタイラスチップを周期的に、しかしこれを保持するブラケットから取り外すことなく検査し、各検査後にテストが連続して行われるようにした。走査距離７０００ｍに至るまで、明らかなピックアップは検出されなかった。７０００ｍを超えると、接触領域にいくらかの方向性のあるパターンが現れたが、しかしそれでもピックアップの明確な兆候は認められなかった。
【００２８】
実施例２
六方晶系窒化ホウ素（ｈＢＮ）は、グラファイト様結晶構造をもつ本来的に潤滑性のある物質である。しばしばホワイトグラファイトとも呼ばれる。そこで、本発明の他の例では、ｈＢＮを含む複合材料で作成したスタイラスチップを構成した。好適な材料は非特許文献１に記載されている。これは、ナノサイズのｈＢＮ粒子が窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）のマトリックスに均質的に分散されているナノ複合材料である。この材料は良好な機械加工性を有しており、実施例１のＰＧＳ１００材よりも、スタイラスチップとして正確な球状のボールを容易に製造できるものである。精密なナノ構造もこれに寄与する。
【００２９】
かかる材料を使用するにあたっては、窒化珪素に対する窒化ホウ素の適切な比率を選択することが望ましいことを我々は見出した。窒化ホウ素を２０％含んだ例では望ましいものより軟質となり、図２に示したようなテストを行うと磨耗の影響を受けた。よって、２０％未満の比率、例えば５％〜１５％の窒化ホウ素を用いることが好ましいことを見出した。
【００３０】
実施例３
実施例１および実施例２の自己潤滑性材料の代わりに、硬質の多孔質マトリックス材に低摩擦材を含浸させてスタイラスチップを作成することもできる。多孔質マトリックスの材料は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）あるいはジルコニア（ＺｒＯ２）とすることができる。これに含浸（impregnate）させる低摩擦物質はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とすることができる。
【００３１】
実施例４
実施例１および実施例２で述べた自己潤滑性材料を他のグラファイト様材料（すなわち、同様の結晶構造から得られる潤滑特性をもつもの）に置き換えることも可能である。
【００３２】
使用可能な他の自己潤滑性材料には、硫化モリブデンおよび金属の錫が含まれる。
【００３３】
使用可能な他の材料には、表面に自己補充型固体潤滑フィルム（self-replenishing solid lubricant film）を生成すべくアニールした炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）がある。これは非特許文献２に記載されている。
【００３４】
実施例５
図３はスタイラスステム１２に取り付けられた球状スタイラスチップ１４を示す。図に示すように、ステム１２はスタイラスチップ１４内にあけられた穴に結合している。しかしこれは本質的なことではなく、他の従来の取り付け方法を用いることもできる。すなわち、球状チップをステムの端部に直接、例えばステム端部に形成されたカップ内に接着するようなものでもよい。
【００３５】
図３におけるチップ１４は、上述したものとは異なり、球状の支持体３０を具え、その上に自己潤滑性ないしは低摩擦の材料のコート層３２が設けられてなるものである。
【００３６】
支持体３２は硬質のセラミック材であることが好ましい。ヤング率が高く、密度の低いものを選ぶことができる（そうすれば、作成したスタイラスチップが余り重くならないので、ワークピース表面を走査する際の測定性能に悪影響を与えないで済む）。適切な材料には、ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）がある。コーティングが難しいことを除けば、ルビーを用いることも可能である。
【００３７】
コート層３２には、上述した自己潤滑性または低摩擦の材料のいずれをも用いることができる。
【００３８】
従来の材料に比べ、先に例示したような自己潤滑性または低摩擦の材料で製造したスタイラスチップは、アルミニウムのピックアップに対してより耐久性がある。それらは、磨損を被りにくい硬質マトリックスの複合材料でもある。自己潤滑性または低摩擦性であることで、摩損耐久性がさらに増進する。
【００３９】
さらに、これらの材料のいずれにも期待されている低摩擦性は走査時においても有利に働く。スタイラスチップとワークピースとの間の摩擦が低いことは、走査プローブの測定性能を改善し得るからである。すなわち、面の真の法線方向（走査ソフトウェアパッケージによって仮定される）と、プローブの撓みベクトル（すなわちワークピース表面に対する接触力の作用下でのプローブスタイラスチップの実際の撓み方向）との差に起因した測定誤差が小さくなるので、これは有利である。プローブの撓みベクトルは、摩擦角が大きくなるほど真の法線と合わなくなる。
【００４０】
球状スタイラスチップをもつ実施例について説明したが、本発明は、他の形状、例えば円錐形状や円柱形状を有するスタイラスチップにも等しく適用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ワークピース表面を走査するスタイラスを有する接触プローブを示す。
【図２】テストセットアップとして使用されるこのプローブの変形例を示す。
【図３】スタイラスの部分断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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