CN1975319A - 特别是用于测量薄层厚度的装置的测量探针 - Google Patents

特别是用于测量薄层厚度的装置的测量探针 Download PDF

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Abstract

一种用于测量薄层厚度的装置的测量探针，其具有：包括至少一个感测器元件(17)的外壳(14)，所述的感测器元件沿所述的外壳(14)的纵轴(16)至少轻微可移动地容纳于外壳(14)；以及接触球形罩(21)，其配有至少一个感测器元件(17)以用于将所述的探针(11)放置在测量物体的表面上，其中，所述的至少一个感测器元件(17)沿所述的外壳(14)的纵轴(16)由保持部件(18)容纳，所述的保持部件设计成弹性的承载弹簧，并且其固定在所述的外壳(14)上。

Description

特别是用于测量薄层厚度的装置的测量探针
技术领域
本发明涉及一种测量探针，特别是根据权利要求1整体部分的用于测量薄层厚度的装置的测量探针。
背景技术
DE103 48 652 A1中，包括用于容纳至少一个感测器元件的外壳的测量探针是已知的。为了将该测量探针安置在测量物体的表面，提供有与该感测器元件相连的接触球形罩。该感测器元件比如与印刷电路板相连，该印刷电路板包括如连接线那样的柔性带通向外壳连接件。容纳该感测器元件的外壳可移动地导向安装在套管内。当将该测量探针放置在测量物体上时，该外壳能够伸入到该套管内，这样通过该套管，该测量探针会安置在测量物体上，并且能够确保接触球形罩放置在测量物体的表面。对于可移动接收的套管内的外壳来说，在外壳和套管之间具有导向部件，以及提供用于将外壳放置在套管内较低位置的压力弹簧，在套管内，接触球形罩相对于套管的一端凸出。
这些装置在应用上的成功已经得到证实。但是，对这种测量探针测量精度的要求却总在提高。
发明内容
因此，本发明是基于对前述类型的测量设备进一步开发的目的，其中该测量探针元件减小摩擦的布置使得该测量探针的测量精度得到提高。
根据本发明，这个目的通过权利要求1的技术特征得到解决。其他有益的实施方式在其他从属权利要求中进行说明。
根据本发明的测量探针的开发，该测量探针沿外壳的纵轴具有承载弹簧的弹性保持部件，所述的保持部件承接至少一个感测器元件，这能够相当大地减小摩擦，或者分别地，将感测器元件几乎无摩擦地安装在外壳上。当该测量探针放置在测量物体的表面上时，这能够进行灵敏的测试，受摩擦力影响的保持部件没有任何偏斜。此外，移动部件的数量会相当大地减少。而且，移动部件数量的减少反过来能够提高测量的精度。
根据本发明有利的开发，在面向测量物体的外壳一个末端配有承载弹簧的弹性保持部件。这使得将保持部件简单地加固在外壳上。此外，还提供一种简单的安装，由于其上布置至少一个感测器元件的保持部件简单地插入外壳中，随后将该保持部件连接在面向该测量物体的外壳末端。
根据本发明的优选实施方式，保持部件设计成盘状的隔板。这种盘状隔板的重量很轻。它们的厚度可以设计成几十个毫米以内。这种隔板使得中心轴的偏斜得到限制，并且其具有这样的优点：在半径方向外壳稳定而精确接收该至少一个感测器元件，或者分别地，使中心轴无偏斜成为可能。这样探针无间隙地径向放置。质量轻的结果就是，这种配置会减少对感应表面的任何损害和对球状测量端的任何磨损。由于通过无间隙的径向引导会避免测量探针的任何倾斜，所以测量探针的统计接触系数会得到相当大的减小。这样，仍能测量纳米范围内的层厚度。因此，明确的导向或者，分别地，沿外壳的纵轴移动该至少一个感测器单元以及避免倾斜或者径向变形能够成为可能。
为了调整形成盘状隔板的弹性保持部件，采用至少一个波形凹槽和/或突起。这样能够确定偏斜力。用于调整倾斜力的另一参数是隔板壁的厚度及其使用的材料。此外，甚至引起盘状保持部件偏斜的抬升力都能够通过该盘状隔板的大小来限定。
根据保持部件可选择的实施方式，提供一种具有环形弧状孔的弹性盘，以用作弹性保持部件。这种弹性盘还能够在沿外壳的纵轴方向具有弹性，以及在径向方向上具有硬性。这样，在接触球形罩以及感测器部件被放置在测量物体表面上时，完成一个完全不受阻碍的替换动作。
在它的中心轴上，该保持部件优选具有孔，接触球形罩或者感测器元件能够插入到该孔内。由于在隔板的制造过程中精确提供了测量探针的孔，从而能够使该感测器元件与该孔对准，因此使得能够进行测量探针的精确制造。同时，也使该至少一个感测器元件能够简单快速地安装在保持部件上。
优选地，该至少一个感测器元件直接固定在与中心轴对齐的支撑元件上。反过来减小了重量，并降低了生产成本。
根据本发明的优选实施方式，该保持部件楔入在接触球形罩和感测器元件之间，或者，分别地，在该感测器元件的连接元件之间。这能够提供既简单又精确的定位。在接触球形罩和/或连接元件上，最好具有台肩(shoulder)，紧靠着它是保持部件的孔。同时，这还提供了简单的生产，这不需要将部件进行专门的对准和精确接收。根据本发明的另外有益的实施方式，提供至少一个感测器元件，其包括延伸到外壳中并且能够在固定外壳的轴承(bearing)内可运动控制的导向部件。由于这种布置，能够达到该感测器元件在接触测量探针的方向进行唯一的倾斜运动，并且该至少一个感测器元件向外壳没有任何倾斜。
在该感测器元件和固定外壳轴承或者外壳壁部之间，最好具有弹性部件，其保持该保持部件承受最小的预应力。从而该感测器元件的限定位置能够进行可控制的调整。同时，在倾斜时或者，分别地，在该感测器元件陷入外壳中时，能够提供改善的功率比。由于这个预应力，将该保持部件以最小的稍微向外凸出来定位在测量探针的外壳上。
该保持部件优选地包括一个弹性偏差(excursion)，这使得外壳的至少一个末端部分装在测量物体上面的感测器元件的接触球形罩上。这样，当将测量探针放置在测量物体的表面上时，不需要保持部件承载额外张力即可保证将接触球形罩对着外壳的末端部分完全插入。
优选地，感测器元件的插入运动通过优选的可调限位止挡(limit stop)来限制。这个限制，比如能够与保持部件的弹性偏差配合地提供。此外，这种可调限位止挡对于保持部件的偏斜来说能够作为保护功能。
在限位止挡和感测器元件之间，优选地在导向部件上具有弹簧、弹性部件或者复位装置，导向部件搁置在轴承或者外壳的壁部。这可以在测量探针从测量物体表面提起后确保能够支撑并且特别保证感测器元件自动复位到开始位置。
在根据本发明的保持部件的径向对齐方面，根据本发明的优选实施方式，在外壳末端侧面凹陷处具有保持部件。这能够在外壳径向方向上精确布置保持部件，并且从而将偏斜运动与外壳的纵轴对齐。
优选地，该保持部件通过粘合、螺钉、焊接、钎焊、夹持或者卡扣的连接方式固定在外壳上。根据保持部件以及外壳的材料来选择不同的固定方式。
设计成盘状隔板的保持部件优选地固定(紧固在媒介物上)在外壳上。这既可以增加服务年限又能够提高测量精度。由于通过设计成盘状隔板的保持部件来提供倾斜运动，并且测量探针从而会对外完全关闭，所以由细小污物颗粒或者尘土而引起的任何污染都不会损害该至少一个感测器元件的偏斜运动。
由于设计成弹性盘状的保持部件具有圆孔，优选地薄膜状的层封闭该孔。从而，这种弹性盘的弹性能够得到保持，同时，形成的测量探针对外完全封闭。可以用塑料薄膜、金属薄片或者不含铁的金属薄膜作为该薄膜状的层。
特别地，当测量探针根据涡流原理用于测量时，保持部件必须用塑料薄膜或者复合塑料薄膜、特别是迈拉(Mylar)、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酯或者kaptone来制造。该保持部件特别是通过激光加工可获得高精度。
当测量探针根据磁感应原理来进行测量操作时，可以使用金属非磁性材料、特别是铜/铍合金的隔板。
附图说明
下面将基于附图所示的实施例对本发明以及另外的有益实施方式及其改进进行详细的解释和说明。能够从说明书和附图中获得的特征，可以被单独使用或者以根据本发明的任何组合方式使用多个。附图中：
图1显示了根据本发明的测量探针的概略横截面图；
图2是根据本发明的保持部件的第一实施方式顶视图；
图3是根据本发明的支撑装置另一实施方式的顶视图；
图4是本发明的可选实施方式的横截面图；
图5是柔性印刷电路板的视图；以及
图6是接触球形罩的放大视图。
具体实施方式
图1显示了用于测量薄层厚度的测量探针11，该测量探针11用于未详细示出的装置。该测量探针11用于非破坏性地测量薄层厚度。根据本示例性实施例，该测量探针11可分离地提供给测量薄层厚度的装置，并且能够通过连接线12传输记录的测量值。可选择地，该测量探针11能够以固定装置或者手动装置的形式作为用于测量薄层厚度的装置一部分。
该测量探针11包括外壳14，其特别地设计成圆柱形。在外壳14的纵轴16上，优选地布置至少一个感测器元件17。该感测器元件17由保持部件18支撑，该保持部件18由外壳14的末端部分19容纳。至少在一个感测器元件17上，沿外壳14的纵轴16具有接触球形罩21，通过设置测量探针11在其上，其能够位于未详细示出的测量物体表面上。
比如至少一个感测器元件17由具有磁体的、或具有至少一个螺线管上的线圈的或者作为非屏蔽偶极子的初级和次级线圈组成。这种感测器元件17能够根据磁感应方法进行测量。该磁感应方法适于测量非铁金属层的厚度，比如，铬、铜、锌或者像可磁化的基本物质比如钢、铁，以及适于测量可磁化的基本物质比如钢、铁上的颜料、涂料和塑料层的厚度。例如该测量范围是达1800μm的层厚度；优选地，使用小于300赫兹的频率。可选择地，该至少一个感测器元件17包括线圈，该线圈安装在霍耳(Hall)感测器附近的场集中器上。该霍耳感测器直接位于该接触球形罩21的后面。通过这个感测器元件，就能够执行根据涡流方法的测量，也就是能够进行非铁物质上的非导电层厚度的测量，例如，铝、铜、黄铜、不锈钢上的颜料、涂料、塑料层，或者在高频交变场中的铝上的其他阳极化的层。
该至少一个感测器元件7包括导向部件23，该导向部件23与纵轴16同轴，所述的导向部件可移动地位于固定外壳轴承24内。由于在测量物体表面上无倾斜地安装测量探针的机件，所以其测量精度会因此提高。该轴承24可设计为气垫轴承或者低摩擦滑动轴承。该固定外壳轴承24优选地布置在外壳14的台肩26上，其反过来使得能够快速而简单地在径向和轴向上定位轴承24。该轴承24还包括连接件28，其用于连接连接线12。根据应用的目的，该外壳14可相对完整。例如，为了设计根据本实施例的独立探针，该外壳14是封闭的，连上连接线12之后，利用盖子29或者封闭罩从而通过连接线12将手持测量探针与固定设备连接起来。插入手动测量探针或者插入固定设备之后，盖子29就可以不用了。
例如在该感测器元件17和轴24上的该连接件28之间具有柔性线31或者柔性线带，其能够承受弯曲力。当将该探针置于测量物体的表面上时，通过提起至少一个感测器元件17，这种弯曲力将受影响。这种情况下，该感测器元件17至少略微深入该外壳14中。
该盘状设计的保持部件18优选地固定在末端部件19上的外壳末端侧面凹陷33上。以简单的方式，这反过来保证了径和轴向对准。在第一实施方式中，该保持部件18固定(紧固在媒介物上)在凹陷33中。同时，将该接触球形罩21和/或该感测器元件17安装在保持部件18的孔35内，并紧固在媒介物上。该外壳14因此对外密封，所以对设置机件没有任何损害，并且不会由于污染物该至少一个感测器元件17伸入该外壳14中。
图2所示的是根据图1的保持部件18的顶视图。这个薄的、盘状隔板包括中心孔35，通过这个孔接触球形罩21能够穿过。在直接相邻的边缘区，该至少一个感测器元件17能够紧邻该保持部件18或者分别安置在其上面。因此，优选地需要平坦接触表面。其次，需要凸起和/或凹陷36，其确定该保持部件18的弯曲和弯曲需要的力。同时，从而能够确定倾斜运动的灵敏度。
图3是根据图2的保持部件18的选择实施方式的视图。这个盘状保持部件18包括环形弧状孔38，其相互结合，例如根据图3所示。与根据图2的实施方式类似，这能够确保在沿纵轴16的轴运动期间与外壳14径向对齐。这种保持部件18能够通过简单而且廉价的卡扣或者激光加工来进行制造。
通过根据本发明的测量探针11的实施方式，该至少一个感测器元件17具有承载弹簧的弹性保持部件18，设计特别轻的该测量探针11，其能够耐扭曲地接收该至少一个感测器元件17，并且为了精度和无摩擦导向，无倾斜布置该测量探针11。
图4是测量探针11的另一和可选择的实施方式。参考标记与图1中的对应，或者，分别地对应不变特征以及它们的可选择实施方式。下面描述的选择方式也可以单独转换为根据图1的实施方式。该轴承24从端侧19的方向插入外壳14末端部分19，并且它位于台肩26上。该轴承24容纳导向部件23，在该感测器元件17和该轴承24之间具有弹性部件42，从测量物体表面提起后，该感测器元件17通过弹性部件复位到开始位置。该弹性部件42可替换地位于导向部件23的外部，与外壳14的壁部或者轴承23接触。在该示例性实施例中，该弹性部件42保持该保持部件18承受低预应力，这样它能够在基本位置相对外部维持弹性。因此，该感测器元件17能够相对于该外壳14处于限定基本位置。在导向部件23上，优选地具有限位止挡43，其能够为保持部件18的偏斜调节自由偏移路线。该限位止挡43能够位于轴承24上以用于偏移限制。可选择地，该限位止挡43能够位于该感测器元件上，并从而位于该外壳14的内壁部上。
在与该感测器元件17相对的末端上，该外壳14包括加固部件45，其设计成比如螺钉的样子。从而该测量探针11能够用于各种各样的装置而进行不同的连接。
该保持部件18的外壁部布置在该外壳14的凹陷36中，其相对于图1的实施方式更加凹陷。这样，该保持部件18较小范围的偏斜运动能够充分，从而该接触球形罩21与末端部分19齐平，并与测量物体的表面相连。
在感测器元件17上，优选提供柔性印刷电路板44，柔性印刷电路板44在图5中的显示更详细。该印刷电路板44与连接件28相连。该印刷电路板44具有中心区域46，中心区域46具有用于导向部件23的孔47，并且在外围设计该中心区域46与该感测器元件17一样大或者稍小一些。线31呈放射状向外延伸，或者分别提供柔性线带，该柔性线带提供与连接件28的连接。它们是如此柔性的以致于该感测器元件17能够随后进行插入运动。这种印刷电路板44通常能够设计成2极(2-pole)或者6极(6-pole)。同时，该印刷电路板44的连接能够以简单的方式插在该感测器元件17和该连接件28上。
通过示例，图6示出了将该保持部件18固定在该测量极上的视图，该测量极设计为该感测器元件17的连接部件22。该接触球形罩21通过螺钉、夹持、粘合或者卡扣的方式与连接部件22相连。分别地，将该测量极或者该连接部件22设计成偶极子。在连接部件22和/或该接触球形罩22中，提供台肩25，这样，通过定位接触球形罩21到该连接部件22上，该保持部件18通过夹持来固定。该台肩25同时用于该感测器元件17与该保持部件18的径向对齐，通过外壳14上的凹陷36还提供该保持部件18与该外壳14的径向对齐。特别是在该感测器元件17根据涡流方法来工作时，该接触球形罩21或者该球形极例如可由蓝宝石、陶瓷或者类似的抗磨损、非导电的物质组成。在低频工作的情况下，该接触球形罩还可以由钢或者表面上具有薄抗磨损层的类似可磁化材料组成。
前述的所有特征是彼此独立地，其对于本发明来说都十分关键，并且能够随机地相互组合。

Claims (20)

1.一种用于测量薄层厚度的装置的测量探针，其具有：包括至少一个感测器元件(17)的外壳(14)，所述的感测器元件沿所述的外壳(14)的纵轴(16)至少轻微可移动地容纳于外壳(14)；以及接触球形罩(21)，其配有至少一个感测器元件(17)以用于将所述的探针(11)放置在测量物体的表面上，其特征在于，所述的至少一个感测器元件(17)沿所述的外壳(14)的纵轴(16)由保持部件(18)容纳，所述的保持部件设计成弹性的承载弹簧，并且其固定在所述的外壳(14)上。
2.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的承载弹簧弹性保持部件(18)布置在面向测量物体的外壳(14)的末端部分(19)。
3.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的保持部件(18)设计成盘状隔板。
4.如权利要求3所述的测量探针，其特征在于，所述的盘状隔板与所述的保持部件(18)的中心轴同心地包括至少一个波状凹陷或者凸起(36)或者凹陷和凸起(36)。
5.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的保持部件(18)设计成具有环形弧状孔(38)的弹性盘。
6.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的保持部件(18)在中心轴上包括孔(35)，接触球形罩(21)或者所述的至少一个感测器元件(17)能够插入孔(35)中。
7.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的至少一个感测器元件(17)直接固定在位于所述的保持部件(18)上的中心轴上。
8.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的保持部件(18)楔入接触球形罩(21)和用作连接部件(22)的测量极之间，并且安置在所述的接触球形罩(21)或者连接部件(22)的台肩(25)上。
9.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的至少一个感测器元件(17)包括特别的杆形导向部件(23)，该导向部件(23)延伸到所述的外壳(14)中，并且在固定外壳轴承(24)上可导向移动。
10.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，在所述的感测器元件(17)和固定外壳轴承(24)或者所述的外壳(14)的壁部之间设置至少一个弹性部件(42)，该弹性部件(42)优选地保持所述的保持部件(18)在最小预应力下，并且特别将所述的保持部件(18)布置成向外弯曲。
11.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的保持部件(18)包括弹性偏差，这样所述的外壳(14)的至少一个末端部分(19)能够与测量物体上设置的感测器元件(17)的接触球形罩(21)齐平。
12.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的感测器元件(17)的插入运动通过可调限位止挡(43)限制。
13、如权利要求12所述的测量探针，其特征在于，所述的限位止挡(43)位于导向部件(23)上，在导向部件(23)上面有至少一个弹性部件(42)，弹性部件(42)位于所述的轴承(24)上或者所述外壳(14)的壁部。
14.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的感测器元件(17)与柔性印刷电路板(44)相连，该印刷电路板(44)至少包括特别的柔性线(31)或者与连接件(28)相连的线带。
15.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的保持部件(18)固定在外壳末端侧面凹陷(36)中。
16.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，所述的保持部件(18)通过粘合、螺钉、焊接、钎焊、夹持或者卡扣的方式连接在所述的外壳(14)上。
17.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，设计成盘状隔板的所述保持部件(18)布置为相对所述外壳(14)紧固在媒介物上。
18.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，设计成具有环形弧状孔(38)的弹性盘的所述保持部件(18)包括封闭所述孔(38)的薄膜状层，并且该薄膜状层相对所述外壳紧固在媒介物上。
19.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，为了进行根据涡流方法的测量，所述的保持部件(18)由非金属材料制成。
20.如权利要求1所述的测量探针，其特征在于，为了进行磁感应测量，所述的保持部件(18)由金属性的、非磁材料制成。
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