DE102007032830A1

DE102007032830A1 - Vorrichtung zur Vermessung eines Werkstücks sowie Messverfahren unter Einsatz einer derartigen Vorrichtung

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Publication number: DE102007032830A1
Application number: DE102007032830A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Hoffmann; Albert Prof. Dr.-Ing. Weckenmann; Alexander Schuler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: DE102007032830B4

Abstract

Eine Vorrichtung (1) dient zur Vermessung einer Oberflächenform und einer dreidimensionalen Gestalt eines Werkstücks (2). Die Messvorrichtung (1) hat einen Werkstückhalter (4) und eine relativ zu diesem definiert in drei Raumrichtungen (xyz) verlagerbare Messsonde (9). Eine Auswerteschaltung (18) ist über eine erste Messleitung (14) mit einem Messsonden-Elektroden-Körper (12) und über eine zweite Messleitung (7) mit einem Referenz-Elektroden-Körper (2) verbunden. Eine Gleichspannungsquelle (8) ist mit den beiden Messleitungen (7, 14) verbunden. Die Auswerteschaltung (18) ist so ausgeführt, dass sie einen Tunnelstrom zwischen den beiden Elektroden-Körpern (12, 2) misst. Die Messsonde (9) hat einen kugelförmigen Messkopf. Dieser ist mit einem in dem Messkopf (2) übergehenden Messkopfträger (13) verbunden. Der Durchmesser des Messkopfes (12) ist mindestens so groß wie die typische Stärke (S) des Messkopfträgers (13) am Übergang zum Messkopf (12). Es resultiert eine Messvorrichtung, mit der Oberflächen mit Mikro- bzw. Nanometerauflösung vermessen werden können, in denen zusätzlich Makrostrukturen enthalten sind. Zudem ist auch ein größerer Oberflächenausschnitt, möglichst die gesamte zu vermessende Werkstückoberfläche, einer Messung zugänglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung Messverfahren unter Einsatz einer derartigen Vorrichtung.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Vermessung einer Oberflächenform eines Werkstücks ist unter der Bezeichnung „Scanning Tunnelling Microscope (STM)" (Rastertunnelmikroskop) durch offenkundige Vorbenutzung bekannt. Diese vorbekannte Messvorrichtung verwendet eine Messsonde mit einer Messspitze als Messkopf. Die Ausprägung der Messspitze ist ein Maß für die Ortsauflösung dieser bekannten Messvorrichtung. Im Idealfall hat die bekannte Messvorrichtung eine Messspitze, an deren Ende lediglich ein einzelnes Atom oder eine geringe Anzahl einzelner Atome sitzt. Hiermit lassen sich Ortsauflösungen beispielsweise im Nanometer-Bereich realisieren.
Werkstückoberflächen mit makroskopischen Strukturen sowie die dreidimensionale Gestalt von Werkstücken lassen sich mit der vorstehend beschriebenen bekannten Messvorrichtung in der Praxis nicht vermessen, da ein STM ausschließlich dafür ausgelegt ist, Mikro- bzw. Nanorauheiten bzw. Topographien zu bestimmen und die Antastung einer Werkstückoberfläche bei einem STM stets aus derselben Richtung erfolgt. Falls im Messbereich der bekannten Messvorrichtung dennoch eine makroskopische Struktur, beispielsweise eine Stufe mit einer Höhe von 1 mm oder mehr, auftaucht, kommt es vor, dass die sehr empfindliche Messspitze beschädigt wird, da sie lateral mit dieser Struktur auf der Werkstückoberfläche zusammenstößt. Mit bekannten STMs können nur Flächen bzw. Anteile hier von angetastet werden, die annähernd senkrecht zur Achse der Messsonde orientiert sind. Zudem ist der Oberflächenausschnitt, der mit einem STM vermessen werden kann, sehr begrenzt. Ein typischer mit einem bekannten STM erfassbarer Messbereich umfasst in der Ebene der zu vermessenden Oberfläche 200 μm mal 200 μm und senkrecht hierzu 20 μm. Größer ausgedehnte Oberflächen können hiermit in der Praxis nicht vermessen werden.
Weiterhin bekannt sind Vorrichtungen zur Vermessung einer dreidimensionalen Gestalt eines Werkstücks, die auf einer taktilen Messung beruhen, wobei die Kraft ausgewertet wird, die die Oberfläche auf den die Oberfläche berührenden Messkopf ausübt. Derartige Messverfahren sind entweder in ihrer Ortsauflösung begrenzt oder aber sehr störungsanfällig. Sie können aufgrund der filigranen Struktur des hierbei eingesetzten Messkopfes und dem berührenden Funktionsprinzip auch bei bestimmungsgemäßem Gebrauch leicht zerstört werden und sind nur begrenzt miniaturisierbar, da aufgrund der Notwendigkeit einer Kraftübertragung über den Tasterschaft bzw. den Messkopfträger letzterer mechanisch stabil ausgeführt sein muss. Komplexer dreidimensional gestaltete Werkstücke, beispielsweise Werkstücke mit Bohrungen, können mit den bekannten, auf einer taktilen Messung beruhenden Vorrichtungen oftmals nicht vollständig vermessen werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass hiermit Oberflächen mit Mikro- bzw. Nanometerauflösung und zusätzlich die dreidimensionale Gestalt von Werkstücken vermessen werden können, in denen Mikro- und zusätzlich Makrostrukturen enthalten sein können. Ferner soll auch ein größerer Oberflächenausschnitt, möglichst die gesamte zu vermessende Werkstückoberfläche, einer Messung zugänglich sein.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es zur Erzielung einer hohen Ortsauflösung nicht zwingend erforderlich ist, eine sehr feine Messspitze bereit zu stellen. Eine hohe Ortsauflösung lässt sich auch über einen möglichst perfekt kugelförmigen Messkopf erzielen, wobei dann bei der Durchführung der Messung der Tunnelstrom beispielsweise zwischen dem Werkstück und dem Punkt auf der Messkopf-Oberfläche fließt, der der Oberfläche des Werkstücks am Nächsten benachbart ist. Dies ermöglicht eine Annäherung des Messkopfs an das Werkstück aus beliebigen Richtungen, sodass die Annäherungsrichtung beispielsweise so gewählt werden kann, dass sie möglichst nahe an der Richtung einer Flächennormalen eines aktuell zu vermessenden Oberflächenabschnitts des Werkstücks verläuft oder mit dieser Flächennormalen zusammenfällt. Diese Annäherungsrichtung wird nachfolgend auch als Antastrichtung bezeichnet, obwohl in den Fällen, in denen eine Tunnelstrommessung zwischen dem Messkopf und dem Werkstück erfolgt, keine tatsächliche Berührung zwischen dem Messkopf und dem Werkstück stattfindet. Dadurch, dass der Messkopfträger am Übergang zum Messkopf maximal genauso stark ist wie der Messkopfdurchmesser und im Regelfall weniger stark ist wie der Durchmesser des Messkopfs selbst, ist gewährleistet, dass eine für die Oberflächenvermessung gewünschte Wechselwirkung unabhängig von der Antastrichtung ausschließlich zwischen dem Messkopf und dem Werkstück, nicht aber zwischen dem Werkstück und dem Messkopfträger stattfindet. Je nach der Ausführung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung fließt der Tunnelstrom zwischen dem Werkstück und dem Messkopf oder aber, bei nichtleitfäigen zu vermessenden Werkstückoberflächen, zwischen Komponenten der Vorrichtung selbst. Prinzipiell ist eine Ortsauflösung bis hin zu 0,1 nm möglich. Die Form des Messkopfträgers kann gestreckt, einfach oder mehrfach abgewinkelt, gebogen oder verzweigt sein. Insbesondere bei einer verzweigten Ausführung des Messkopfträgers können mehrere Messköpfe pro Messkopfträger vorgesehen sein. Die maximale Formabweichung des Messkopfes von einer idealen Kugelform sollte geringer sein als die angestrebte Messgenauigkeit. Bevorzugt sind Formabweichungen, die geringer sind als die Auflösung des Systems, die durch andere Komponenten der Messvorrichtung vorgegeben wird, beispielsweise durch eine Linearbewegungseinheit zur Verlagerung der Messsonde relativ zum Werkstückhalter. Messkopf-Durchmesser nach Anspruch 2 haben sich zur Erzielung einer guten Ortsauflösung der Messvorrichtung bewährt. Der minimal einsetzbare Messkopf-Durchmesser ist lediglich durch die Stärke des Messkopfträgers am Übergang zum Messkopf limitiert, da diese noch kleiner sein muss als der Durchmesser des Messkopfes. Prinzipiell sind Messkopfdurchmesser bis hinab zu 10 μm und ggf. sogar noch darunter einsetzbar.
Bei der Ausführung nach Anspruch 3 fließt der gemessene Tunnelstrom durch die Messsonde. Eine derartige Ausführung ist einfach.
Bei der Ausführung nach Anspruch 4 fließt der gemessene Tunnelstrom zwischen dem Werkstück und dem Messsonden-Elektrodenkörper, also insbesondere zwischen dem Werkstück und dem Messkopf. In diesem Fall ist der gemessene Tunnelstrom ein direktes Maß für den Abstand zwischen der zu vermessenden Werkstückoberfläche und dem Messkopf. Bevorzugt ist die zweite Messleitung mit Masse verbunden, so dass insbesondere das Werkstück ebenfalls ein Massepotential aufweist. Dies erhöht die Betriebssicherheit der Messvorrichtung.
Bei der Ausführung nach Anspruch 5 fließt der Tunnelstrom nicht zwischen der Messsonde und dem Werkstück, sondern zwischen der Messsonde und einem Referenzkörper, der nicht starr mit der Messsonde, sondern starr mit der sonstigen Messvorrichtung, also insbesondere starr mit einer Halterung für den Messkopf, verbunden ist. Bei einer derartigen Anordnung kann eine Auslenkung des die Werkstückoberfläche berührenden Messkopfs über den Tunnelstrom gemessen werden. Auf diese Weise können auch nicht leitende Werkstücke vermessen werden.
Eine Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht eine vektorielle Bestimmung der Kraft, die die zu vermessende Werkstückoberfläche auf den Messkopf bei der Berührung ausübt.
Eine Anordnung nach Anspruch 7 erlaubt eine präzise Tunnelstrommessung als Funktion des Abstandes der Elektrodenkörper zueinander.
Die Anordnung nach Anspruch 8 erlaubt eine definierte Auswertung von Tunnelstrom-Messergebnissen. Abweichungen in den gemessenen Tunnelstromwerten der verschiedenen Elektrodenkörper-Paare können zur Richtungsbestimmung der Antastkraft herangezogen werden.
Dies gilt insbesondere für eine Anordnung nach Anspruch 9.
Ein Operationsverstärker nach Anspruch 10 ermöglicht eine sehr sensitive Messung.
Die Vorteile der Messverfahren nach den Ansprüchen 11 und 12 entsprechen denjenigen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Messvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10 schon erläutert wurden.
Das Messverfahren nach Anspruch 11 ist besonders zum scannenden Einsatz des Messkopfes über die zu vermessende Werkstückoberfläche geeignet und ermöglicht analog zum Betrieb eines STM eine präzise Erfassung der dreidimensionalen Oberflächenform des zu vermessenden Oberflächenbereichs des Werkstücks. Die Messsonde kann bei der Durchführung des Messverfahrens im Wesentlichen senkrecht zur zu vermessenden Oberfläche des Werkstücks verlagert werden. Dies ist jedoch nicht zwingend. Prinzipiell ist eine beliebige Verlagerungsrichtung bzw. Antastrichtung der Messsonde relativ zum Werkstück möglich, sodass eine Annäherung jeweils zumindest näherungsweise in Richtung der Flächennormalen des zu vermessenden Oberflächenabschnitts des Werkstücks erfolgen kann, wobei insbesondere auch komplexeren Werkstückgeometrien Rechnung getragen werden kann. Eine Änderung des Elektrodenkörperabstands kann herbeigeführt werden durch Annähern der Messsonde an das Werkstück oder aber auch durch berührendes Antasten durch die Messsonde am Werkstück, wobei durch eine hierdurch erfolgte Auslenkung der Messsonde dann sondenseitige Elektrodenkörper aneinander angenähert werden.
Beim Messverfahren nach Anspruch 12 kann auf einen Kalibrierschritt verzichtet werden. Das Messverfahren nach Anspruch 12 kann insbesondere zur Koordinatenmessung diskreter und voneinander beabstandeter Einzelpunkte auf der Oberfläche eines Werkstücks herangezogen werden. Mit den bekannten Verfahren aus der Koordinatenmesstechnik lassen sich dann durch Interpolation Oberflächenformen zwischen den diskreten Einzelpunkten berechnen. Bei bekannter Werkstück-Grundform, zum Beispiel einer Kugelform, einer Zylinderform usw. lässt sich die gesamte Oberflächenform und -Lage durch Vermessung der Koordinaten weniger Einzelpunkte auf diese Weise angeben. Ansonsten gilt, was vorstehend zum Messfahren nach Anspruch 11 ausgeführt wurde.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform und der dreidimensionalen Gestalt eines Werkstücks;
2 eine Schaltskizze einer Gleichspannungsquelle der Vorrichtung nach 1;
3 eine Schaltskizze einer Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit, die mit einer Auswerteschaltung der Vorrichtung nach 1 zusammenwirkt;
4 bis 6 Momentandarstellungen einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform und der dreidimensionalen Gestalt eines Werkstücks während eines Messvorgangs;
7 und 8 Momentandarstellungen einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform und der dreidimensionalen Gestalt eines Werkstücks während eines Messvorgangs;
9 stärker im Detail und vergrößert eine weitere Ausführungsform einer Messsonde, die in ihrer Anwendung vergleichbar ist zur Messsonde der Vorrichtung nach den 7 und 8; und
10 eine Variante eines Messkopfträgers mit zwei Messköpfen in verschiedenen Positionen beim Vermessen eines Werkstücks.
Zur Erleichterung der Darstellung von Lagebeziehungen wird nachfolgend ein kartesisches xyz-Koordinatensystem verwendet. Die x-Achse zeigt in der 1 nach rechts. Die y-Achse steht senkrecht auf der Zeichenebene nach 1 und weist in diese hinein. Die z-Achse zeigt in der 1 nach oben.
Eine Vorrichtung 1, die in der 1 insgesamt dargestellt ist, dient zur Vermessung einer Oberflächenform und der dreidimensionalen Gestalt eines Werkstücks 2. Beim Werkstück 2 handelt es sich beispielsweise um einen Edelstahlkörper. Eine zu vermessende Oberfläche 3 des Werkstücks 2 weist in der 1 nach oben. Diese zu vermessende Oberfläche 3 ist in der 1 schematisch als ebene Oberfläche dargestellt. Mit der Vorrichtung kann beispielsweise die Mikro- und ggf. auch die Nanorauheit einer derartigen, ebenen Oberfläche vermessen werden. Bei der Oberfläche 3 kann es sich aber auch um eine solche handeln, die auf einer Millimeter-, einer Zentimeter- oder einer Dezimeter-Skala Unebenheiten oder Strukturen aufweist. Grundsätzlich können, bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Vorrichtung 1, auch Strukturen noch größerer Größenskalen vermessen werden.
Die Vorrichtung 1 hat einen Werkstückhalter 4, auf dem das Werkstück 2 fixiert ist. Der Werkstückhalter 4 hat eine Dreiachs-Linearbewegungseinheit, kann also translatorisch definiert in x-, y- und z-Richtung verlagert werden. Alternativ oder zusätzlich können auch rotatorische Achsen verwendet werden.
Über eine Signalleitung 5 steht der Werkstückhalter 4 mit einer xyz-Mess- und Steuereinheit 6 in Signalverbindung. Über Letztere wird die Translationsbewegung des Werkstückhalters 4 in den drei Raumrichtungen beispielsweise über drei unabhängige Linearantriebe des Werkstückhalters 4 angesteuert. Anstelle von Linearantrieben können beispielsweise auch Piezomotoren eingesetzt werden.
Das Werkstück 2 ist aus leitfähigem Material. Alternativ kann das Werkstück 2, insbesondere im Bereich der zu vermessenden Oberfläche 3 eine leitfähige Beschichtung aufweisen. Das Werkstück 2 steht über eine Messleitung 7 mit einer stabilisierten und regelbaren Gleichspannungsquelle 8 in Verbindung. Die Messleitung 7 ist mit dem Massepotential der Gleichspannungsquelle 8 verbunden. Bei der Ausführung nach 1 stellt das leitfähige Werkstück 2 einen Referenz-Elektrodenkörper dar.
Der zu vermessenden Oberfläche 3 zugewandt angeordnet ist eine Messsonde 9 der Vorrichtung 1. Die Messsonde 9 ist starr mit einem Messsondenhalter 10 verbunden, der seinerseits an einem Tragrahmen 11 der Vorrichtung 1 festgelegt ist, der wiederum den Werkstückhalter 4 trägt. Aufgrund der Dreiachs-Linearbewegungseinheit zur Translation des Werkstückhalters 4 ist die Messsonde 9 also relativ zum Werkstückhalter 4 definiert in den drei Raumrichtungen xyz verlagerbar. Alternativ oder zusätzlich kann natürlich auch der Messsondenhalter 10 mit einer entsprechenden Dreiachs-Linearbewegungseinheit ausgerüstet sein, um eine derartige Relativbewegung zu realisieren.
Die Messsonde 9 hat einen kugelförmigen Messkopf 12, der auch als Antastelement bezeichnet wird. In der 1 ist der Durchmesser des Messkopfs 12 im Vergleich zu sonstigen Dimensionen der Vorrichtung 1 nicht maßstäblich dargestellt. Tatsächlich beträgt der Durchmesser des Messkopfs 12 bei der Vorrichtung 1 nach 1 300 μm. Die maximale Formabweichung des Messkopfs 12 von der idealen Kugelform beträgt 135 nm. Auch andere Messkopf-Durchmesser sind möglich, beispielsweise ein Durchmesser des Messkopfs 12 von 1 mm oder kleiner oder von 100 μm oder kleiner. Die maximale Formabweichung wird abhängig von der geforderten Ortsauflösung der Vorrichtung gewählt.
Derartige Messköpfe können solche sein, die für klassische taktile Antastsysteme bereits eingesetzt werden. Alternativ können Messköpfe zum Einsatz bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Anschmelzen oder Erodieren erzeugt werden. Schließlich ist es möglich, leitfähig beschichtete Glasfasern mit sphärischem Ende einzusetzen. Letzteres kann durch Anschmelzen einer Glasfaser erreicht werden. Hierbei kann am Ende der Glasfaser ein tropfenartiges Gebilde erzeugt werden, sodass auch bei einer Glasfaser-Ausführung des Messkopfes ein Übergang des Messkopfs zum Messkopfträger erreicht werden kann, bei dem der Durchmesser des Messkopfes größer ist als die typische Stärke des Messkopfträgers am Übergang zum Messkopf.
Der Messkopf 12 ist mit einem in den Messkopf 12 übergehenden Messkopfträger 13 verbunden. Der Messkopfträger 13 ist bei der Ausführung nach 1 als Stift ausgefürt, der sich in z-Richtung erstreckt. Der Messkopf 12 und der Messkopfträger 13 sind bei der Ausführung nach 1 aus einem leitfähigen Material. Auch eine leitfähige Beschichtung dieser Komponenten, die dann auch aus nichtleitfähigem Material aufgebaut sein können, ist möglich.
Beim Messkopf 12 handelt es sich um einen monolithischen Hartmetall-Kugeltaster. Der Messkopfträger 13 ist an den Messkopf 12 an der von der zu vermessenden Oberfläche 3 bzw. vom Werkstückhalter 4 abgewandten Seite angesetzt. Der Durchmesser des Messkopfs 12 ist größer als die typische Stärke des Messkopfträgers 13 am Übergang zum Messkopf 12. Bei einer nicht dargestellten Ausführung und im Grenzfall kann der Durchmesser des Messkopfs genauso groß sein wie die typische Stärke des Messkopfträgers am Übergang zum Messkopf. In diesem Fall liegt ein halbkugelig ballig ausgefürter Messkopf vor.
Wenn, wie bei der Ausführung nach 1, der Messkopf 12 einen Kugeldurchmesser von 300 μm hat, ist die Stärke des stiftförmigen Messkopfträgers 13 am Übergang zum Messkopf 12 geringer als 300 μm und beträgt beispielsweise 100 μm oder weniger. Im weiteren Verlauf des Messkopfträgers 13 ab dem Messkopf 12 hin zum Messsondenhalter 10 kann die Stärke des Messkopfträgers 13 zunehmen. Dort, wo der Messkopfträger 13 mit dem Messsondenhalter 10 verbunden ist, kann bei der Ausführung nach 1 die Stärke des Messkopfträgers 13 beispielsweise 100 μm oder mehr betragen. Bei nicht dargestellten Varianten kann der Messkopfträger auch insbesondere mehrfach abgewinkelt sein, aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sein und/oder verzweigt sein, sodass mehrere Messköpfe an einem Messkopfträger vorliegen.
Der Messkopfträger 13 ist über eine weitere Messleitung 14 mit einer Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15 verbunden. Alternativ ist es möglich, den Messkopf 12 direkt über eine Messleitung zu kontaktieren. Bei der Ausführung nach 1 stellen der Messkopf 12 und der Messkopfträger 13 daher einen Messsonden-Elektrodenkörper dar. Die Messleitung 14 ist über die Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15 mit einer Ausgabe-Spannungsleitung 16 (vgl. 2) der Gleichspannungsquelle 8 verbunden. Eine typische Potentialdifferenz zwischen der Messsonde 9 und dem Werkstück 2 beträgt 1100 mV.
Eine Ausgabe-Spannungsleitung 17 der Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15 ist mit dem Eingang einer Auswerteschaltung 18 der Vorrichtung 1 verbunden, die als Auswerte- und Regelungseinheit ausgeführt ist. Die Auswerteschaltung 18 dient zur Erfassung des Ausgabesignals der Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15, welches für einen Tunnelstrom I₃₉, also für den Stromfluss zwischen der Messsonde 9 und der Werkstückoberfläche 3 repräsentativ ist, und zur Zuordnung dieses Ausgabesignals zu einem Abstand zwischen dem Messkopf 12 und der Oberfläche 3. Über eine bidirektionale Signalleitung 19 ist die Auswerteschaltung 18 mit der xyz-Mess- und Steuereinheit 6 verbunden. Über die Signalleitung 19 werden xyz-Koordinaten-Messdaten bezüglich der Relativpositionen der Oberfläche 3 und des Messkopfs 12 einerseits sowie Steuerdaten zur Ansteuerung der xyz-Mess- und Steuereinheit 6 über die Auswerteschaltung 18 andererseits ausgetauscht.
2 zeigt eine Schaltskizze einer möglichen Realisierung der Gleichspannungsquelle 8. Letztere wird über Versorgungsleitungen 20, 21 mithilfe einer nicht darstellten externen Spannungsversorgung, beispielsweise mit Netz-Wechselstrom, versorgt. Letzterer wird gleichgerichtet und mithilfe eines Spannungswandlers 22 angepasst. Eine Ausgangsleitung 23 des Spannungswandlers 22 steht über eine Stelleinrichtung 24 mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 25 in Verbindung. Dieser wird über zwei Versorgungsleitungen 25a mit einer Versorgungsspannung von +12 V oder –12 V versorgt.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 25 ist mit der Ausgabe-Spannungsleitung 16 der Gleichspannungsquelle 8 verbunden. Der Absolutwert der ausgegebenen Gleichspannung kann mithilfe der Stelleinrichtung 24 fein beeinflusst werden. Dies kann zur Vorgabe des Messbereichs für den zu messenden Tunnelstrom und damit für den Bereich der beim Einsatz der Vorrichtung 1 vorliegenden Abstände zwischen dem Messkopf 12 und der Oberfläche 3 benutzt werden.
3 zeigt eine mögliche Realisierung der Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15. Die Messleitung 14 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 26 der Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15 verbunden. Zwischen der Ausgabe-Spannungsleitung 17 der Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15 und der Messleitung 14 ist ein Ohmscher Widerstand 27 geschaltet. Eine Spannung U₂, die an der Ausgabe-Spannungsleitung 17 abgegriffen werden kann, ist daher gegenüber einer Eingangsspannung U₁ an der Messleitung 14 verstärkt und invertiert.
Im Unterschied zu bekannten, kapazitiv zwischen einer Messsonde und einem Werkstück messenden Vorrichtungen wird erfindungsgemäß tatsächlich ein Gleichstromfluss ausgewertet, was bei den kapazitiv messenden Vorrichtungen nicht geschieht.
Nachfolgend wird die Vermessung einer Oberfläche des Werkstücks 2 beschrieben, die sich im Wesentlichen parallel zur x-y-Ebene erstreckt. In diesem Fall verläuft die Antastrichtung parallel zur z-Achse. Zur Vermessung anderer im Raum liegender Oberflächenabschnitte eines Werkstücks kann die Antastrichtung geändert werden, sodass sie im Idealfall mit der Flächennormalen des zu vermessenden Oberflächenabschnitts zusammenfällt. Bei einem sich in der x-z-Ebene erstreckenden, zu vermessenden Oberflächenabschnitt verläuft die Antastrichtung des Messkopfs 12 beispielsweise in y-Richtung. Bei einer Erstreckung des Oberflächenabschnitts, der vermessen werden soll, in y-z-Richtung verläuft die Antastrichtung in x-Richtung.
Die Oberflächenform des Werkstücks 2 wird mithilfe der Vorrichtung 1 folgendermaßen vermessen: Zunächst wird eine Abhängigkeit zwischen einer Größe des Tunnelstroms zwischen dem Messsonden-Elektrodenkörper und dem Referenz-Elektrodenkörper einerseits und dem Abstand zwischen diesen beiden Elektrodenkörpern, also bei der Ausführung nach 1 dem Abstand des Messkopfs 12 zum Werkstück 2, kalibriert. Je nach der erforderlichen Messgenauigkeit wird dabei über die Stelleinrichtung 24 ein Gleichspannungswert zwischen den Messleitungen 7 und 14 vorgegeben, der beim zu vermessenden Abstandsbereich zwischen dem Messkopf 12 und der Oberfläche 3 zu einer eindeutigen und reproduzierbaren Abhängigkeit des zu messenden Tunnelstroms vom Abstand des Messkopfs 12 zur Oberfläche 3 führt. Anschließend wird die Messsonde 9 über die Oberfläche 3 verfahren, wobei sie im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 3 des Werkstücks 2, also in x- und in y-Richtung, insbesondere scannend, verfahren wird. Dabei können insbesondere voneinander beabstandete Einzelpunkte vermessen werden, ohne dass die Messsonde 9 zwischen diesen Einzelpunkten mit dem Werkstück 2 Wechselwirken muss. Der Messkopf 12 kann das Werkstück 2 dabei in beliebigen Raumrichtungen anfahren, also nicht nur in der vertikalen z-Richtung. Hierdurch gewährleistet die Vorrichtung 1 die Möglichkeit, beliebige Oberflächenformen und Gestalten des Werkstücks 2 zu vermessen. An jedem Verfahr- bzw. Anfahrpunkt wird der Abstand zwischen dem Messkopf 12 und der Oberfläche 3 so eingestellt, dass der Tunnelstrom auf einem Vorgabewert konstant gehalten wird. Hierzu wird an jedem xy-Anfahrpunkt der Tunnelstrom gemessen. Entspricht dieser dem Vorgabewert, wird die z-Komponente beim jeweiligen xy-Koordinatenpaar des Anfahrpunktes als Messwert x, y, z abgespeichert. Ist der Tunnelstrom größer als der Vorgabewert, wird der Werkstückhalter 4 in negativer z-Richtung verfahren, um den Abstand zwischen dem Messkopf 12 und der Oberfläche 3 zu vergrößern, so dass der Tunnelstrom kleiner wird. Diese Vergrößerung des Abstandes erfolgt so lange, bis der Tunnelstrom mit dem Vorgabewert übereinstimmt. Anschließend erfolgt wiederum die Messwert-Speicherung. Wenn der an einem Anfahrpunkt gemessene Tunnelstrom zu klein ist, wird der Werkstückhalter 4 in positiver z-Richtung auf den Messkopf 12 zubewegt, bis der sich dann vergrößernde Tunnelstrom mit dem Vorgabewert übereinstimmt. Anschließend kann an diesem Anfahrpunkt der xyz-Koordinatenmesswert abgespeichert werden.
Anschließend kann der nächste Anfahrpunkt angefahren werden und die vorstehend beschriebene Anpassung der z-Koordinate an den Tunnelstrom-Vorgabewert wiederholt sich. Auf diese Weise werden die z-Koordinaten des Messkopfs 12, also der Messsonde 9, an jedem xy-Anfahrpunkt aufgenommen und abgespeichert, bis ein vollständiger xyz-Koordinaten-Datensatz im zu vermessenden xy-Bereich der Oberfläche 3 vorliegt.
Die Kugelform des Messkopfs 12 stellt sicher, dass die Messsonde 9 auch erheblichen Unstetigkeiten der zu vermessenden Oberfläche 3 folgen kann. Der Tunnelstrom als Messgröße fließt immer zwischen dem Punkt auf den Messkopf 12, der den kleinsten Abstand zur zu vermessenden Oberfläche 3 aufweist. Aufgrund der Kugelform des Messkopfs 12 können insbesondere auch rechtwinklige Stufen der zu vermessenden Oberfläche 3 korrekt vermessen werden, ohne dass der Messkopf jemals in direkten taktilen Kontakt mit der zu vermessenden Oberfläche 3 kommt.
Eine Tastkugelkorrektur, d. h. die Berechnung des tatsächlichen Wechselwirkungspunktes auf der Oberfläche des Messkopfes 12 zur Bestimmung eines Antastvektors und zur Berechnung der Koordinaten des angetasteten Punktes auf der Oberfläche 3 des Werkstücks 2 kann analog zu dem Fachmann bekannten Vorgehensweisen in der Koordinatenmesstechnik erfolgen.
Der Tunnelstrom-Vorgabewert liegt im Bereich von wenigen Nanoampere, beispielsweise im Bereich von 20 Nanoampere. Der Verstärkungsfaktor der Verstärkungs- bzw. Konvertisierungseinheit 15 beträgt –10⁸ V/A. Bei –1 V Ausgangsspannung hat die Vorrichtung 1 eine Empfindlichkeit von 70 mV/nm. Den Verstärkungsfaktor zugrundegelegt, entspricht dies einer Empfindlichkeit von 7 × 10^–10 A/nm. In Richtung des Abstandes zwischen dem Messkopf 12 und dem Werkstück 2 beträgt der Messbereich etwa 80 nm. Der maximale Tunnelstromfluss in diesem Messbereich, bei dem ein Sensorsignal von –10 V ausgegeben wird, ist 100 nA. Am bevorzugten Arbeitspunkt des Sensorsignals von –1 V ergibt sich ein Tunnelstromfluss von 10 nA.
Alternativ zum vorstehend beschriebenen Verfahren kann die Oberfläche 3 mit der Vorrichtung 1 auch folgendermaßen vermessen werden: Hierbei wird auf eine Kalibrierung verzichtet und es wird ein Tunnelstrom-Grenzwert vorgegeben. Anschließend wird an einem ersten xy-Anfahrpunkt der Messkopf 12 an die Oberfläche 3 in z-Richtung angenähert. Bei der Ausführung nach 1 wird die Oberfläche 3 also auf den Messkopf 12 in positiver z-Richtung zugefahren. Diese Annäherung erfolgt, bis der Tunnelstrom-Grenzwert erreicht ist. Ist dies der Fall, wird bei diesem xy-Anfahrpunkt die z-Koordinate aufgenommen, bei der der Tunnelstrom-Grenzwert erreicht wird und es wird das entsprechende xyz-Koordinatentripel abgespeichert.
Mit den vorstehend beschriebenen Messverfahren ist auch eine Vermessung diskreter Einzelpunkte auf der Oberfläche 3 des Werkstücks 2 möglich, wobei mittels bekannter Verfahren aus der Koordinatenmesstechnik auf die Oberflächenform beziehungsweise die Gestalt des Werkstücks 2 zwischen den vermessenen Einzelpunkten beispielsweise durch Interpolation geschlossen wird. Wenn beispielsweise bekannt ist, dass die Oberfläche 3 des Werkstücks 2 in einer Ebene verläuft, reicht es prinzipiell aus, drei nicht auf einer Linie liegende Einzelpunkte auf dieser Oberfläche hinsichtlich ihrer Koordinaten zu vermessen, da hierdurch die Lage dieser Ebene festgelegt ist.
4 bis 6 zeigen eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Vermessung einer Oberflächenform eines Werkstücks. Komponenten und Einzelheiten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend schon unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Bei der Ausführung nach den 4 bis 6 erfolgt die Tunnelstrom-Messung unterstützend zu einer taktilen Oberflächen-Vermessung. 4 zeigt die Situation, bei der der Messkopf 12 noch so weit von der Oberfläche 3 des Werkstücks 2 entfernt ist, dass kein Tunnelstrom fließt. Die Messsonde 9 wird durch Relativverlagerung in x-Richtung auf die zu vermessende Oberfläche 3 zugefahren.
5 zeigt die Situation, bei der der Tunnelstrom I einen vorgegebenen Grenzwert erreicht. Der Messkopf 12 hat sich an das Werkstück 2 in diesem Fall bereich sehr stark angenähert, berührt dieses jedoch noch nicht. In dieser Momentanposition wird die x-Verlagerung des Werkstückhalters 4 relativ zur Messsonde 9 abgebremst. Dieses Abbremsen kann also schon stattfinden, bevor eine taktile Berührung des Messkopfes 12 am Werkstück 2 stattfindet.
6 zeigt die Situation, bei der der Messkopf 12 taktil, also berührend, am Werkstück 2 anliegt. Nun ist eine konventionelle Oberflächenvermessung des Werkstücks 2 möglich. Aufgrund des bei geringem Abstand des Messkopfes 12 zum Werkstück 2 schon erfolgten Abbremsens ist die Kraftwirkung des Werkstücks 2 auf den Messkopf 12 bei der Berührung reduziert. Dies schont die Messsonde 9 und das Werkstück 2.
7 bis 9 zeigen eine weitere Ausführung einer Vorrichtung zur Vermessung einer Oberflächenform eines Werkstücks. Komponenten bzw. Einzelheiten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend schon unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Vorrichtung 1 nach den 7 bis 9 dient zur Vermessung der Form der Oberfläche 3 eines Werkstücks 2, bei dem die Oberfläche 3 nicht leitfähig ist. Anstelle der Oberfläche 3 ist nun ein messkopfseitiger Abschnitt 28 des Messkopfträgers 13 der Messsonden-Elektrodenkörper, der über die Messleitung 14 mit der Gleichspannungsquelle 8 verbunden ist. Als Referenz-Elektrodenkörper dient bei der Ausführung nach den 7 bis 9 ein vom Messkopf 12 abgewandter Abschnitt 29 des Messkopfträgers 13. Die Abschnitte 28, 29 fluchten miteinander und sind miteinander über ein um beliebige Richtungen schwenkbares Gelenk 29a verbunden. Das Gelenk 29a ist insbesondere als Festkörpergelenk ausgebildet. Der vom Messkopf 12 abgewandter Abschnitt 29 weist eine Hülse 30 mit einer bodenseitigen Öffnung 31 auf, durch die sich der messkopfseitige Abschnitt 28 erstreckt. Die Hülse 30 ist aus leitfähigem Material und mit der Referenz-Messleitung 7 verbunden.
In der in der 7 dargestellten Neutralstellung des messkopfseitigen Abschnitts 28 in der Öffnung 31 hat eine der Innenwand der Öffnung 31 zugewandte Mantelwand des Abschnitts 28 konstanten Abstand zu dieser Innenwand, über den gesamten Umfang dieses Mantelwandabschnitts gesehen. Ein Tunnelstrom fließt in dieser Neutralstellung nicht.
8 zeigt die Vorrichtung 1 in der Situation, bei der der Messkopf 12 die Oberfläche 3 des Werkstücks 2 berührt. Hierdurch wird der Messkopf 12 mit dem messkopfseitigen Abschnitt 28 des Messkopfträgers 13 ausgelenkt. Dies bedingt, dass sich der Abstand des Abschnitts 28 zur Innenwand der Öffnung 31 an einer Umfangsposition, in der 8 rechts, reduziert, so dass ein Tunnelstrom fließt. Sobald dieser Tunnelstrom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird das zugehörige xyz-Koordinatentripel als Messwert aufgenommen.
Eine weitere Variante einer Vorrichtung, mit der auch nichtleitfähige Oberflächen 3 vermessen werden können, zeigt 9. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend schon unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Der Messkopfträger 13 hat dort, wo er in den Messkopf 12 übergeht, eine Stärke S, die kleiner ist als der Durchmesser des Messkopfes 12.
Als Messsonden-Elektrodenkörper dienen bei der Ausführung nach 9 drei Messkopf-Hilfselektroden 32, die in der 9 als untere Hilfselektroden dargestellt sind. Die Messkopf-Hilfselektroden 32 sind um den Umfang des messkopfseitigen Abschnitts 28 des Messkopfträgers 13 gleich verteilt angeordnet und enden in positiver z-Richtung in Messspitzen 33. Alternativ sind auch anders geformte Hilfselektrodenenden möglich, beispielsweise kugelförmige oder planare Hilfselektrodenenden. Die Messkopf-Hilfselektroden 32 sind über elektrisch leitfähige Verbindungsabschnitte 34 mit dem messkopfseitigen Abschnitt 28 verbunden. Über den messkopfseitigen Abschnitt 28, das Festkörpergelenk 29a und den vom Messkopf abgewandten Abschnitt 29 des Messkopfträgers 13 stehen die Messkopf-Hilfselektroden 32 mit der Messleitung 14 und der Gleichspannungsquelle 8 in Verbindung.
Jeder der Messkopf-Hilfselektroden 32 ist in positiver z-Richtung benachbart eine Referenz-Hilfselektrode 35 zugeordnet, so dass die Messsonde 9 nach 9 insgesamt drei Hilfselektroden-Paare 32, 35 aufweist. Die Referenz-Hilfselektroden 35 sind in der in 9 dargestellten Neutralstellung fluchtend mit den Messkopf-Hilfselektroden 32 am vom Messkopf abgewandten Abschnitt 29 über Isolationselemente 36 angebracht. Die Referenz-Hilfselektroden 35 sind gegenüber dem Messkopfträger 13, insbesondere also gegenüber den Messkopf-Hilfselektroden 32 elektrisch isoliert. Die Referenz-Hilfselektroden 35 haben ebenfalls Elektrodenspitzen 33, die den Elektrodenspitzen 33 der Messkopf-Hilfselektroden 32 zugewandt sind. Zwischen den beiden Elektrodenspitzen 33 eines Hilfselektrodenpaars 32, 35 liegt nur ein sehr geringer Abstand vor, der gerade so groß ist, dass in der in der 9 dargestellten Neutralstellung bei angelegter vorgegebener Gleichspannung gerade kein Tunnelstrom zwischen den Hilfselektroden 32, 35 eines derartigen Hilfselektrodenpaars fließt. Alternativ kann der Abstand auch so vorgewählt werden, dass in der Neutralstellung ein geringer Tunnelstrom fließt.
Über Messleitungen 7a, 7b, 7c stehen die Referenz-Hilfselektroden 35 mit jeweils einer Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15a, 15b, 15c in Verbindung. Die Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheiten 15a bis 15c stehen untereinander über Signalleitungen 37 in Verbindung. Auf diese Weise ist insbesondere eine Signalverbindung jeder Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit 15a bis 15c mit der Gleichspannungsquelle 8 über die Ausgabe-Spannungsleitung 16 gewährleistet.
Über die Ausgabe-Spannungsleitungen 17a, 17b, 17c stehen die Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheiten 15a bis 15c mit der Auswerteschaltung 18 in Signalverbindung.
Mit der Vorrichtung mit der Messsonde 9 nach 9 ist eine vektorielle Bestimmung der Auslenkung des Messkopfs 12 bzw. der für die Auslenkung verantwortlichen Antastkraft möglich, die das Werkstück 2 auf den Messkopf 12 ausübt. Die Antastkraft führt dazu, dass der Messkopf 12 aus der in der 9 dargestellten Neutralstellung in eine ausgelenkte Stellung überführt wird, wobei es sich hierbei nur um eine minimale Auslenkung handelt. Diese Auslenkung führt dazu, dass der Abstand zwischen den Elektrodenspitzen 33 mindestens eines Paares von Hilfselektroden 32, 35 sich so verringert, dass der vorgegebene Tunnelstrom-Grenzwert erreicht wird. Aus der Information, welches Paar von Hilfselektroden 32, 35 hinsichtlich des Erreichens des Tunnelstroms anspricht, und insbesondere aus dem Verhältnis der Tunnelströme, die durch die Paare von Hilfselektroden fließen, lässt sich die Richtung der Antastkraft auf den Messkopf 12 und damit die Normale des angetasteten Abschnitts der Oberfläche 3 berechnen und somit kann auf die Oberflächenform rückgeschlossen werden.
Ein typischer Arbeitsabstand zwischen dem Messkopf und dem Werkstück 2 liegt bei maximal 250 nm und geht im Falle der taktilen Messungen bis zur direkten Berührung zwischen Messkopf 12 und Werkstück 2. Vor der Verarbeitung durch die Auswerteschaltung 18 oder im Rahmen der Verarbeitung durch die Auswerteschaltung 18 wird das über die Ausgabe-Spannungsleitung 17 erzeugte Messsignal noch gefiltert sowie im Falle eines geregelten Betriebs, bei dem ein vorgegebener Tunnelstromwert eingehalten wird, um einen Arbeitspunkt linearisiert.
Bei der Ausführung nach den 7 bis 9 wird im Kalibrierschritt in der Regel der Zusammenhang zwischen dem gemessenen Tunnelstrom und einer Auslenkung des Messkopfes 12 bestimmt.
10 zeigt eine weitere Variante eines Messkopfträgers 13 mit zwei Messköpfen 12a, 12b. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend schon unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Der Messkopfträger 13 nach 10 hat einen ersten, sich in 10 vertikal nach unten erstreckenden Messkopf 12a. Oberhalb des Messkopfes 12a verzweigt sich der Messkopfträger 13 in einen Verzweigungspunkt 38, sodass der Messkopfträger 13 dort die Form eines liegenden T hat. Vom Verzweigungspunkt 38 aus geht ein horizontaler Ausleger 39 des Messkopfträgers 13, an dessen freien Ende der zweite Messkopf 12b angeordnet ist.
Bei der Vermessung der Oberflächenform und der dreidimensionalen Gestalt des Werkstücks 2 wird je nach der zu vermessenden Oberfläche 3 entweder der Messkopf 12a oder der Messkopf 12b eingesetzt.
In der 10 ist links der Einsatz des Messkopfes 12b bei der Vermessung einer Bohrung 40 im Werkstück 2 dargestellt. Der Messkopf 12b wurde hierzu zunächst in positiver x-Richtung in die Bohrung 40 eingefahren und vermisst nun eine in der 10 untere Oberfläche der Bohrung 40 durch Annäherung in negativer z-Richtung. Zur Vermessung der Bohrung 40 tastet der Messkopf 12b Messpunkte auf der Innenwand der Bohrung 40 ab.
Je nach der Lage des zu vermessenden Oberflächenpunktes ändert sich dabei die Antastrichtung des Messkopfs 12b, sodass sie jeweils zumindest in etwa senkrecht zur Flächennormalen der Innenwand der Bohrung 40 verläuft.
In der 10 oben ist die Vermessung einer obersten Oberfläche des Werkstücks 2 durch den Messkopf 12a, der sich dieser Oberfläche in negativer z-Richtung annähert, dargestellt.
In der 10 rechts ist die Vermessung einer rechten Seitenfläche des Werkstücks 2 durch den Messkopf 12a dargestellt, wobei sich dieser der Seitenfläche in negativer x-Richtung zum Vermessen annähert.
Ein typischer Messbereich, der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erfasst werden kann, beträgt 25 mm mal 25 mm in der x-y-Ebene und 5 mm in der z-Ebene. Dieser Messbereich ist ausschließlich limitiert durch die maximal vorgegebenen Verfahrwege der Dreiachs-Linearbewegungseinheit des Werkstückhalters 4 und kann, je nach Auslegung dieser Linearbewegungseinheit, auch wesentlich größer sein, um beispielsweise Oberflächenformen und dreidimensionale Gestalten von Werkstücken auf einer Zentimeter- oder Dezimeter-Skala zu vermessen.
Bei den Komponenten, zwischen denen bei den verschiedenen Ausführungen der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform und der dreidimensionalen Gestalt eines Werkstücks ein Tunnelstrom fließt, handelt es sich um solche mit isotroper Leitfähigkeit.
Das Konstanthalten des Tunnelstroms auf einen Vorgabewert kann mit Hilfe einer Zweipunktregelung geschehen. Jeweils ein Wert oberhalb und ein Wert unterhalb des Tunnelstrom-Vorgabewertes wird als Reglereingriffsgrenze definiert.
Neben der vorstehend beschriebenen Materialpaarung mit einem Messkopf aus Hartmetall und einem Werkstück aus Edelstahl sind auch andere Materialpaarungen aus Messkopf und Werkstück möglich, z. B. Paarungen verschiedener Metalle. Typische Paarungen sind Stahl-Hartmetall- und Kupfersonden auf Zinnlegierungen sowie Stahl-Hartmetall- und Kupfersonden auf Invar.
Prinzipiell ist es möglich, die Varianten der Vorrichtung 1, die vorstehend beschrieben wurden, durch Austausch des kugelförmigen Messkopfs 12 durch eine spitz zulaufende Sonde wie ein STM zu verwenden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Vermessung eines Werkstücks (2) – mit einen Werkstückhalter (4), – mit einer relativ zum Werkstückhalter (4) definiert in drei Raumrichtungen (xyz) verlagerbaren Messsonde (9), – mit einer Auswerteschaltung (18), die über eine erste Messleitung (14) mit einem Messsonden-Elektrodenkörper (12; 28; 32) und über eine zweite Messleitung (7; 7a, 7b, 7c), die mit einem Referenz-Elektrodenkörper (2; 30; 35) verbunden ist, – mit einer Gleichspannungsquelle (8), die mit den beiden Messleitungen (7, 14) verbunden ist, – wobei die Auswerteschaltung (18) so ausgeführt ist, dass sie einen Tunnelstrom (I) zwischen den beiden Elektrodenkörpern (12, 2; 28, 30; 32, 35) misst, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (9) einen kugelförmigen Messkopf (12) aufweist, der mit einem in den Messkopf (12) übergehenden Messkopfträger (13) verbunden ist, wobei der Durchmesser des Messkopfes (12) mindestens so groß ist wie die typische Stärke (S) des Messkopfträgers (13) am Übergang zum Messkopf (12).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (12) einen Durchmesser hat, der kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner ist als 100 μm, noch mehr bevorzugt kleiner ist als 25 μm.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsonden-Elektrodenkörper gleichzeitig die Messsonde darstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messleitung (7) mit dem Werkstückhalter (4) verbunden und/oder mit dem Werkstück (2) verbindbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsonden-Elektrodenkörper einen messkopfseitigen Abschnitt (28) des Messkopfträgers (13) darstellt oder mit einem derartigen messkopfseitigen Abschnitt (28) verbunden ist, wobei der Referenz-Elektrodenkörper (30; 35) starr mit dem vom Messkopf (12) abgewandten Abschnitt (29) des Messkopfträgers (13) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz-Elektrodenkörper mehrere um den Umfang des Messkopfträgers (13) angeordnete Abschnitte (35) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz-Elektrodenkörper (35) mit dem Messsonden-Elektrodenkörper (32) fluchtet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere Paare von einander zugeordneten Messsonden-(32) und Referenz-(35)-Elektrodenkörpern.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch mindestens drei voneinander beabstandete und über den Umfang des Werkstückhalters (13) verteilt angeordnete Paare von einander zugeordneten Messsonden-(32) und Referenz-(35)-Elektrodenkörpern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (18) mit einer Verstärkungs- bzw. Konvertierungseinheit (15) mit mindestens einem Operationsverstärker (26) zusammenwirkt.
Messverfahren unter Einsatz einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Schritten: – Kalibrieren einer Abhängigkeit zwischen einer Größe des Tunnelstroms zwischen dem Messsonden-Elektrodenkörper (12; 28; 32) und dem Referenz-Elektrodenkörper (2; 30; 35) einerseits und dem Abstand zwischen diesen beiden Elektrodenkörpern (2, 12; 28, 30; 32, 35) andererseits; – Verlagern der Messsonde (12) im Wesentlichen parallel (x, y) zur zu vermessenden Oberfläche (3) des Werkstücks (2), wobei der Abstand zwischen dem Messkopf (12) und der Oberfläche (3) an jedem durch die Verlagerung angefahrenen Punkt durch bedarfsweises Verlagern der Messsonde (12) zur zu vermessenden Oberfläche (3) des Werkstücks (2) so eingestellt wird, dass der Tunnelstrom auf einen Vorgabewert konstant gehalten wird, – Aufnehmen der Koordinaten (xyz) des Messkopfes (12) an jedem angefahrenen Punkt.
Messverfahren unter Einsatz einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Schritten: – Vorgabe eines Tunnelstrom-Grenzwertes, – Annähern des Messkopfes (12) an das Werkstück (2) an einem vorgegebenen Anfahrpunkt (x, y) längs eines Weges zur zu vermessenden Oberfläche (3) des Werkstücks (2), bis der Tunnelstrom-Grenzwert erreicht ist, – Aufnehmen der Koordinaten (xyz) des Messkopfes (12) jeweils beim Erreichen des Tunnelstrom-Grenzwertes.