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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der
EP 1 489 377 A1 ist
eine Koordinaten-Messvorrichtung bekannt, bei der ein berührender
Messkopf
22 eingesetzt wird. Anstelle dieses Messkopfes
kann auch eine STM- oder eine AFM-Messvorrichtung eingesetzt werden.
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Die
DE 696 18 627 T2 beschreibt
Auslegerstrukturen unter anderem für STM-Vorrichtungen.
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Die
DE 198 59 877 A1 beschreibt
eine Vorrichtung mit einem Mikroskop, mit einer Sonde zur ortsaufgelösten Erfassung
von Eigenschaften einer Probe auf einer Oberflächentopographie und mit einer
Abtragvorrichtung.
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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.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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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 nichtleitfähigen
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.
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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.
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Bei
der Ausführung
nach Anspruch 3 fließt der
gemessene Tunnelstrom durch die Messsonde. Eine derartige Ausführung ist
einfach.
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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.
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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.
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Eine
Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht eine vektorielle Bestimmung
der Kraft, die die zu vermessende Werkstückoberfläche auf den Messkopf bei der
Berührung
ausübt.
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Eine
Anordnung nach Anspruch 7 erlaubt eine präzise Tunnelstrommessung als
Funktion des Abstandes der Elektrodenkörper zueinander.
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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.
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Dies
gilt insbesondere für
eine Anordnung nach Anspruch 9.
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Ein
Operationsverstärker
nach Anspruch 10 ermöglicht
eine sehr sensitive Messung.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In
dieser zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform und der dreidimensionalen
Gestalt eines Werkstücks;
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2 eine
Schaltskizze einer Gleichspannungsquelle der Vorrichtung nach 1;
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3 eine
Schaltskizze einer Verstärkungs- bzw.
Konvertierungseinheit, die mit einer Auswerteschaltung der Vorrichtung
nach 1 zusammenwirkt;
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4 bis 6 Momentandarstellungen
einer weiteren Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform und der dreidimensionalen
Gestalt eines Werkstücks
während
eines Messvorgangs;
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7 und 8 Momentandarstellungen
einer weiteren Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Vermessung der Oberflächenform und der dreidimensionalen
Gestalt eines Werkstücks
während
eines Messvorgangs;
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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
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10 eine
Variante eines Messkopfträgers mit
zwei Messköpfen
in verschiedenen Positionen beim Vermessen eines Werkstücks.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ausgeführt,
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.
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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 ausgeführter Messkopf
vor.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Messkopfträger 13 hat
dort, wo er in den Messkopf 12 übergeht, eine Stärke S, die
kleiner ist als der Durchmesser des Messkopfes 12.
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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.
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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.
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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.
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Über die
Ausgabe-Spannungsleitungen 17a, 17b, 17c stehen
die Verstärkungs-
bzw. Konvertierungseinheiten 15a bis 15c mit der
Auswerteschaltung 18 in Signalverbindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
einem 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.