DE3206982C2

DE3206982C2 - Vorrichtung zur Ausrichtung der Achse eines Meßfühlers auf die Normale einer Werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE3206982C2
Application number: DE19823206982
Authority: DE
Inventors: Claude Versailles Cavy; Marie Louise Bourg La Reine Rolland
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1982-02-26
Filing date: 1982-02-26
Publication date: 1987-01-08
Also published as: DE3206982A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung angegeben, mit der die Achse eines Meßfühlers mit einer Normalen auf der Oberfläche eines zu überprüfenden Teils in Übereinstimmung gebracht werden kann, wobei diese Vorrichtung ebenso wie der Fühler Bestandteil einer Meßvorrichtung sind, bei der Mittel zum Halten und zum Positionieren des Teils und Mittel zum Halten des Fühlers vorgesehen sind. Durch wenigstens ein Verschiebemittel ist der Abstand zwischen dem Fühler und dem Teil veränderbar. Der Fühler ist mit Abtastmitteln zum Steuern des in Übereinstimmungbringens verbunden, und es sind Drehmittel vorgesehen, durch die die Achse des Fühlers in eine der Richtung der Normalen nahekommende Richtung gebracht werden kann. Um die erwünschte Übereinstimmung zu erzielen, sind Mittel für eine Drehbewegung der Achse des Fühlers um diese Richtung vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausrichtung der Achse eines Meßfühlers auf die Normale einer Werkstückoberfläche mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 21 21 070 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung dient insbesondere dazu, Messungen an gekrümmten Oberflächen durchführen zu können, nämlich z. B. die Ultraschallprüfung eines Werkstücks. Das den Meßfühler tragende Halteteil ist auf einer kreisbogenförmigen Führung so geführt, daß die Mittelachse des Meßfühlers stets senkrecht zu der kreisbogenförmigen Führung verläuft. Eine kreisbogenförmige Führung und an dem Halteteil für den Meßfühler entsprechende Führungseinrichtungen vorzusehen, ist aufwendig. Es ist offensichtlich, daß genaue Messungen Führungseinrichtungen mit sehr kleinen Toleranzen verlangen. Um feststellen zu können, ob die Meßfühlerachse mit der Normalen bei dem zu messenden Oberflächenbereich übereinstimmt, sind an dem zu dem Werkstück weisenden Ende des Meßfühlers vier Stifte vorgesehen, die in dem Meßfühler gleitend gehalten sind und sich in Richtung zu der Werkstückoberfläche erstrecken. Die sich im Inneren des Meßfühlers befindenden Enden dieser Stifte wirken mit Wirbelstromerfassungseinrichtungen zusammen, an denen ein elektrisches Signal abnehmbar ist, dessen Größe jeweils proportional dem Abstand zwischen dem werkstückfernen Ende des Stiftes und der Wirbelstromerfassungseinrichtung ist. Diese Signale werden von einer elektrischen Regeleinrichtung verarbeitet, die Steuersignale an Antriebseinrichtungen ausgibt, mit denen die Höhenlage des das Werkstück tragenden Tisches verändert, die kreisbogenförmige Führung verschwenkt und das den Meßfühler tragende Halteteil entlang der kreisbogenförmigen Führung bewegt wird, bis die Meßfühlerachse zu der Normalen in dem erwünschten Oberflächenbereich ausgerichtet ist.
In der US-PS 35 04 534 ist eine Vorrichtung zur Befestigung von Meßfühlern, wie Ultraschallwandlern in einer festen Lage in bezug auf einen länglichen, sich auf der Oberfläche eines Werkstückes erstreckenden Steg, wie z. B. eine Schweißnaht beschrieben. Ein Wagen, der auf beiden Seiten Rollen aufweist, befindet sich auf dem Werkstück und wird längs der Schweißnaht bewegt, wobei sich die Schweißnaht zwischen den beidseitigen Rollen erstreckt. Der Meßfühler ist an einer Seite der Schweißnaht angeordnet, und wird in seiner Lage mittels einer kardanischen Aufhängung gehalten, die bezüglich der Schweißnaht eingestellt werden kann. Auf beiden Seiten ist jeweils eine Auslegerrolle angebracht, um den Wagen im Gleichgewicht zu halten, wobei jeweils nur eine dieser Auslegerrollen die Oberfläche des Werkstückes berührt. Der Wagen ist an einem ortsfesten höhenverstellbaren Träger angebracht.
Aus der US-PS 35 34 591 ist eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Verklebungen bekannt. Eine Platte trägt mehrere Ultraschallwandler und ist über ein Universalgelenk mit einer Antriebsvorrichtung verbunden, durch die die Platte zu dem zu überprüfenden Werkstück und von diesem fort bewegt werden kann. Abstandsstifte vorgegebener Länge sind an der Platte angebracht und stehen in Richtung zu dem zu überprüfenden Werksstück hervor. Diese Stifte dienen dazu, zu verhindern, daß die Ultraschallwandler, die Kristalle aufweisen, in Berührung mit der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes gelangen. Diese Vorrichtung ist nur zur Überprüfung von Werkstücken in Bereichen mit ebenen Oberflächen geeignet.
Eine genaue Ausrichtung zwischen der Meßfühlerachse und der Normalen einer Oberfläche eines Werkstückes zu erhalten, ist von großer Bedeutung, wenn die Dickenabmessung einer dünnen, auf ein Werkstück aufgebrachten Schicht gemessen werden soll. Ein Meßverfahren zum Bestimmen der Dickenabmessung einer dünnen Schicht besteht darin, mittels Rückstreuung von Elektronen die Dickenabmessung der Schicht zu bestimmen. Der dabei eingesetzte Meßfühler ist so ausgebildet, daß er Elektronen längs der Meßfühlerachse auf die Werkstückoberfläche emittieren und die von der dünnen Schicht auf dem Werkstück zurückgestreuten Elektronen erfassen kann. Die Zählrate der rückgestreuten Elektronen ist für die Dickenabmessung der dünnen Schicht kennzeichnend, deren chemische Zusammensetzung bekannt ist. Die gemessene Dickenabmessung ist eine zunehmende Funktion der Energie der verwandten Elektronen und kann sich von einigen µm bis zu mehreren Hundert µm erstrecken.
Es ist bekannt, daß die zwei wesentlichen Fehlerquellen, welche die Dickenmessung dünner Schichten beim Einsatz von Elektronenrückstreuung beeinträchtigen, die folgenden sind:

- der Fehler bezüglich der Senkrechtstellung des Meßfühlers relativ zu dem zu messenden Oberflächenbereich, und
- der Abstand zwischen dem Meßfühler und diesem Oberflächenbereich.

Es läßt sich zeigen, daß der Fehler der Dickenmessung einer Schicht schnell mit der fehlerhaften Ausrichtung zwischen Meßfühlerachse und der Normalen auf den zu messenden Oberflächenbereich zunimmt. Die Meßempfindlichkeit nimmt umso mehr ab, je weiter der Meßfühler von der Oberfläche entfernt ist. Die hierdurch hervorgerufenen Fehler erklären sich dadurch, daß nicht die gesamten von dem untersuchten Oberflächenbereich des zu überprüfenden Werkstückes zurückgestreuten Elemente erfaßt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, daß die Ausrichtungsgenauigkeit des Meßfühlers in bezug auf die Normale einer Werkstückoberfläche erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind an dem werkstückseitigen Ende des Meßfühlers mindestens drei kalibrierte Düsen vorgesehen, durch die ein Fluidstrahl auf die Werkstückoberfläche ausgetragen wird. Druckmeßeinrichtungen ermöglichen, den Fluiddruck des ausströmenden Fluids bei diesen Düsen zu messen, und da der Fluiddruck von dem Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Düsen und der Werkstückoberfläche abhängt, liegt bei gleichem Fluiddruck eine genaue Ausrichtung zwischen der Meßfühlerachse und der Normalen in den zu vermessenden Oberflächenbereich vor. Diese Messung kann äußerst genau durchgeführt werden, so daß eine hohe Ausrichtungsgenauigkeit erhalten wird. Ferner ermöglicht eine Verschiebeeinrichtung, den Meßfühler längs der Meßfühlerachse zu verschieben, so daß der Abstand zwischen dem Meßfühler und der Werkstückoberfläche eingestellt werden kann. Diese Abstandseinstellung kann vorgenommen werden, wenn bereits die Meßfühlerachse zu der Normalen in dem zu messenden Oberflächenbereich ausgerichtet ist. Diese Abstandseinstellung läßt sich also in vorteilhafter Weise äußerst einfach durchführen, da es nicht erforderlich ist, die Lage des Auflagetisches und/oder die Lage des Meßfühlers mit Ausnahmen seiner Position längs der Meßfühlerachse zu verändern.
Insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der Dickenabmessung dünner Schichten mittels Elektronenrückstreuung ist diese einfache Einstellmöglichkeit von Bedeutung, da die Meßempfindlichkeit vom Abstand zwischen Meßfühler und Werkstückoberfläche stark abhängt, wie dies vorstehend bereits erörtert worden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Meßfühler zur Dickenmessung mittels Elektronenrückstreuung ausgebildet und die zu vermessende Schicht eine konkave, halbkugelförmige Oberfläche eines Werkstückes ist,
Fig. 2 eine schematische Teildraufsicht auf eine Halte- und Positionierungseinrichtung für das in Fig. 1 gezeigte Werkstück,
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung eingesetzten Meßfühlers und dessen Halterung,
Fig. 5a und Fig. 5b Darstellungen zur Erläuterung der Ausrichtung zwischen der Meßfühlerachse und der Normalen in einem Oberflächenbereich,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung, wobei der Meßfühler zur Dickenmessung mittels Elektronenrückstreuung ausgebildet ist und die bezüglich ihrer Dickenabmessung zu vermessende Schicht einer konkaven Oberfläche mit einer Drehachse aufweist, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Verschiebeeinrichtung, mit der der Meßfühler längs der Meßfühlerachse diskontinuierlich verschiebbar ist.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Meßfühler zur Dickenmessung dünner Schichten mittels Elektronenrückstreuung ausgebildet ist.
Eine dünne Schicht 1, die elektrisch leitend sein kann, z. B. eine metallische Schicht, und deren Dickenabmessung die nicht gleichförmig zu sein braucht, zu bestimmen ist, ist auf der inneren Oberfläche 2 eines Werkstücks 3 in der Form einer hohlen Halbkugel aufgebracht, die als Träger für die dünne Schicht 1 dient.
An einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 ist der Meßfühler kraftschlüssig angebracht, wie dies näher in Fig. 4 dargestellt ist. Die Vorrichtung 5 wird mittels einer Trageeinrichtung 6 gehalten.
Die Trageeinrichtung 6 umfaßt eine senkrechte Säule 7 und einen horizontalen Tragarm 8, der mittels einer Klemmeinrichtung 9 an der Säule 7 angebracht ist. Ein Teil 10, welches rechtwinklig nach unten abgewinkelt ist, und die Vorrichtung 5 trägt, ist über eine Schwalbenschwanzverbindung fest mit dem Tragarm 8 verbunden, wie es am besten in Fig. 3 zu erkennen ist, und bildet eine Verlängerung für den Tragarm 8. Die Trageeinrichtung 6 wird von einem Sockel 11 gehalten. Der Tragarm 8 kann automatisch durch Bewegung der Säule 7 mittels eines Arbeitszylinderantriebes 12 nach oben bewegt werden, wobei eine Nase 13, die an einem mit dem unteren Ende der Säule 7 verbundenen Teil 13 angebracht ist, in einer Ausnehmung 14 geführt wird.
Zum Halten und Positionieren des Werkstückes 3 ist eine Halte- und Positionierungseinrichtung 15 vorgesehen, die eine Stützeinrichtung, z. B. in der Form eines Drehkonus, und Halterungsmittel 17 aufweist, die näher im Zusammenhang mit der Fig. 2 beschrieben werden.
Eine horizontale Dreheinrichtung 18 wird von dem Sockel 11 getragen und trägt selbst eine Hebebühne 19, auf der die Stützeinrichtung 16 befestigt ist. Die Stützeinrichtung 16 weist eine sich nach oben öffnende Innenseite 20 und eine vertikale Drehachse auf.
Die Halterungsmittel 17 sind fest mit der Dreheinrichtung 18 über wenigstens eine senkrechte Stütze 21 verbunden, beispielsweise durch drei Stützen. Die Stützeinrichtung 16 und die die Dreheinrichtung 18 sind derart angeordnet, daß die Drehachse der Stützeinrichtung 16 und diejenige der Dreheinrichtung 18 in der Achse X&min;X zusammenfallen.
Mittels der an dem Teil 10 befestigten, erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 kann der Meßfühler 4 vertikale Kreisbögen beschreiben, die die gleiche horizontale Achse X&min;X (diese verläuft in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene) und einen auf der Achse X&min;X liegenden Mittelpunkt 0 aufweisen (0 ist die Spur der Achse X&min;X in der Zeichenebene der Fig. 1).
Wenn das Werkstück 3 mit nach oben weisender innerer Oberfläche 2 auf der Stützeinrichtung angeordnet ist, ermöglichen erste und zweite Einstellmittel 22 und 23 die Hebebühne 19 und damit das Werkstück 3 längs der Achse X&min;X anzuheben, bis sein Mittelpunkt mit dem Punkt 0 übereinstimmt, wobei durch die Halterungsmittel 17 auf das Werkstück 3 Kräfte ausgeübt werden, durch die das Werkstück 3 in eine Lage gebracht wird, in der seine Drehachse mit der Achse X&min;X zusammenfällt.
Die ersten Einstellmittel 22 ermöglichen das Werkstück 3 in eine definierte und durch optische Ablesemittel 24 überprüfbare vorläufige Lage zu bringen, die endgültige Positionierung des Werkstückes 3 kann durch die zweiten Einstellmittel 23 durch Reibungseingriff erfolgen.
Eine Verschiebeeinrichtung 25, z. B. eine Mikrometerschraube, die Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 ist, ermöglicht, den Meßfühler 4 dem Werkstück 3 zu nähern. Mit dem Meßfühler 4 kann die Dickenabmessung der Schicht 1 an allen Punkten dieser Schicht, welche auf dem gleichen Meridian oder einem zu diesen parallelen liegen, bestimmt werden, wobei diese Punkte durch Drehung der Dreheinrichtung 18 und/oder durch Drehung des Meßfühlers 4 um die Achse Y&min;Y erreicht werden können.
Ein abgeschirmtes Kabel 26 verbindet den Meßfühler 4 mit einer elektrischen Einrichtung 27, die näher weiter unten im Zusammenhang mit der Fig. 4 erläutert wird. Steuermittel 28 für die Ausrichtung zwischen Meßfühlerachse und der Normalen im zu vermessenden Oberflächenbereich sind vorgesehen und werden im Zusammenhang mit der Fig. 4 näher erläutert.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine besondere Ausgestaltung der Halterungsmittel 17 für das Werkstück 3.
Diese Halterungsmittel 17 umfassen einen Stützring 29, der mit drei senkrechten Stützen verbunden ist. Der Innendurchmesser des Stützringes 29 ist größer als der Außendurchmesser des Werkstückes 3, so daß dieses von dem Stützring 29 umschlossen wird, wenn es positioniert ist. Ein mit wenigstens einem Griff 31 ausgerüsteter Steuerring 30 ist konzentrisch zu dem Stützring 29 angeordnet und um diesen herum drehbewegbar. Elastische Rückholmittel 32 verbinden den Stützring 29 und den Steuerring 30 miteinander. Drei Arme 33 von denen nur ein einziger in Fig. 2 dargestellt ist, sind in der Form eines gleichseitigen Dreiecks auf dem Stützring 29 angeordnet und auf diesen um Achsen 33 a verschwenkbar. Fest mit dem Stützring 29 verbundene Platten 34 halten jeden Arm 33 fest. An der zu dem Steuerring 30 weisenden Oberfläche 35 eines freien Endes 35 a ist ein Zapfen 36, der in einer in dem Steuerring 30 ausgebildeten Führungsnut 37 bewegbar ist. Das zweite, freie Ende 38 eines jeden Armes 33 steht in das Innere des Stützringes 29 hervor und trägt an seiner unteren Seite 39 einen senkrechten Finger 40.
In der Normalstellung verhindern die zweiten, freien Enden 38 der Arme 33, daß das zu vermessende Werkstück 3 in seine Lage gebracht werden kann. Durch Verschieben des Griffes 31 werden die Finger 40 zurückgezogen und das Werkstück 3 kann positioniert werden. Wenn der Griff 31 freigegeben wird, sind die Finger 40 bestrebt, ihre Ausgangsstellung einzunehmen und spannen dadurch das Werkstück 3 ein, dessen oberer Rand 41 einerseits von den Fingern 40 beaufschlagt wird und andererseits an die Unterfläche 39 des zweiten, freien Endes 38 der Arme 33 kommt. Das Werkstück 3 wird somit von den Halterungsmitteln 17 in seiner Position gehalten, wobei die Drehachse senkrecht verläuft (Fig. 1).
Selbstverständlich erlauben die beschriebenen Halterungsmittel 17 ganz allgemein die Positionierung eines beliebigen Werkstücks, dessen Oberfläche eine Drehachse aufweist, wobei die Form der Finger 40 in auf diesem Gebiet der Technik bekannter Weise an die Form des Werkstückes angepaßt wird, um das Werkstück zu haltern.
Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung. Das Werkstück 3, auf dem die Schicht 1 aufgebracht ist, dessen Dickenabmessung bestimmt werden soll, wird insbesondere durch die Halterungsmittel 17 in seine Position gebracht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 ist mit dem abgewinkelten Teil 10 verbunden, welches selbst mit dem Tragarm 8 der Trageeinrichtung 6 über eine Schnellverbindung in der Form eines Schwalbenschwanzes 42 fest verbunden ist. Die hier beschriebene Vorrichtung 5 umfaßt eine Dreheinrichtung 43, eine Dreheinrichtung 44 und wenigstens eine Verschiebeeinrichtung 25, mit der der Meßfühler 4 kraftschlüssig verbunden ist. Die Schnellbefestigung in der Form eines Schwalbenschwanzes 42 erlaubt, den Meßfühler 4 in Abhängigkeit von den Abmessungen des zu untersuchenden Werkstückes 3 auszutauschen, d. h. in Abhängigkeit von dem Durchmesser des größten Schnittes senkrecht zur Drehachse des Werkstücks. In der Fig. 4 sind schematisch der Meßfühler 4 gemäß der Fig. 1 sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 dargestellt, mit der der Meßfühler 4 verbunden ist.
Der Meßfühler 4 umfaßt eine Elektronenquelle 45, einen Kollimator 46, der an seinem Ende 47, welches gleichzeitig das Ende des Meßfühlers 4 bildet, eine Öffnung 47 a aufweist, durch die die Elektronen auf die dünne Schicht 1 gelangen und durch die ein Teil von der dünnen Schicht 1 rückgestreuten Elektronen hindurchtritt, und Erfassungsmittel 48 für die rückgestreuten, aufgefangenen Elektronen, die eine Information liefern, die eine Funktion der Dickenabmessung dieser Schicht 1 ist.
Eine auf diesem Gebiet der Technik bekannte, elektronische Einrichtung 27 ist über ein abgeschirmtes Kabel 26 mit den Erfassungsmitteln 48 verbunden und verarbeitet die von diesen erhaltenen Signale und wandelt sie in eine Zählrate um, welche für die Dickenabmessung der Schicht 1 bei vorgegebenem Material charakteristisch ist. Die Öffnung 47 a des Kollimators 46 begrenzt den untersuchten Oberflächenbereich der dünnen Schicht 1. Der Kollimator 46 besteht aus einem Material, welches Untergrundsignale bei den Erfassungsmitteln 48 verringert. Dieses Material kann eine Legierung auf der Basis leichter Elemente wie z. B. Aluminium sein. Die Erfassungsmittel 48 können beispielsweise einen Geiger-Müller-Zähler umfassen. Der Kollimator 46 wird mittels eines metallischen Haltestiftes 46 a in einem Fühlerkörper 49 beispielsweise zylindrischer Form gehalten, der die Erfassungsmittel 48 enthält.
Die Elektronenquelle 45 ist am Ende einer Stange 50 befestigt, welche an einer dünnen Stange 51 angebracht ist, die im Inneren des Kollimators 46 angeschweißt ist. Selbstverständlich könnte die dünne Stange 51 mit dem Kollimator 46 auch durch andere Maßnahmen verbunden sein, beispielsweise dadurch, daß die dünne Stange 51 im Inneren des Kollimators 46 angeschweißt ist, wodurch nur wenig Raum benötigt wird und der Kollimator 46 einfach und schnell in seiner Lage angeordnet werden kann und eine gute Reproduzierbarkeit der durchgeführten Messungen erreicht wird.
Die Elektronenquelle 45 kann durch radioaktive Elemente gebildet werden, wie Prometheum 147, Thallium 204, Strontium 90 oder Ruthenium 106, welche ausschließlich Elektronenemitter sind. Die Eindringtiefe der Elektronen in Materie hängt von ihrer Energie und damit von dem radioaktiven Material ab. Beispielsweise betragen bei Gold die entsprechenden Eindringtiefen für die Elemente ¹⁴⁷Pm, ²⁰⁴Tl und ⁹⁰Sr, die Elektronen mit maximalen Energien von 220, 760 bzw. 2284 KeV aussenden, 7,29 und 100 µm. Man sieht, daß die Elektronenenergie auf die Dickenabmessung der zu untersuchenden Schicht abzustimmen ist, da die Eindringtiefe der Elektronen eine zunehmende Funktion der Elektronenenergie ist.
Für eine Dickenabmessung ist es notwendig, vor Beginn der Messung eine Kallibrierung für den Meßfühler 4 durchzuführen, beispielsweise mit Metallfolien, die eben sind und deren Dickenabmessung bekannt ist.
Im vorliegenden Fall wird die bevorzugte Emissionsrichtung der Elektronen (diese Richtung ist auch die bevorzugte Richtung der Elektronenrückstreuung) des Meßfühlers 4 zu der Meßfühlerachse A ausgerichtet. Beispielsweise ist bei einem Kollimator 46 in der Form eines Drehkonus die Stange 50, an derem Ende die Elektronenquelle 45 angebracht ist, längs der Drehachse des Konus angeordnet, wobei diese Achse die Meßfühlerachse A bildet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 ermöglicht, den Meßfühler 4 richtig bezüglich einer Schicht 1 auszurichten, deren Dickenmessung an verschiedenen Punkten bestimmt werden soll. Genauer gesagt wird ermöglicht, die Meßfühlerachse A zu einer Normalen N auf der Oberfläche 2 der Schicht 1 auszurichten.
Die Vorrichtung 5 umfaßt eine Dreheinrichtung 43 zur Drehung um die Achse Y&min;Y, eine Dreheinrichtung 44 zum Verschwenken der Meßfühlerachse A, wenigstens eine Verschiebeeinrichtung 25 für den Meßfühler 4 und Fühlermittel 53, die fest mit dem Meßfühler 4 verbunden sind, um dessen Ausrichtung zu steuern.
Die Dreheinrichtung 43 ermöglicht, den Meßfühler 4 derart zu drehen, daß die Meßfühlerachse A eine Richtung in etwa der Normalen N erhält. Die Dreheinrichtung 43 ist über das abgewinkelte Teil 10 (Fig. 1 und 3) fest mit der Trageeinrichtung 6 verbunden und umfaßt eine Skaleneinrichtung 52, mit der der Winkel bestimmt werden kann, um den der Meßfühler 4 bei der Positionierung gedreht wird.
Die Dreheinrichtung 44 ist fest mit der Dreheinrichtung 43 verbunden und ermöglicht, die Meßfühlerachse A derart auszurichten, daß sie mit der Normalen N in Übereinstimmung gebracht wird. Um dieses durchführen zu können, weist die Dreheinrichtung 44 zwei Steuerungseinrichtungen 54 und 55 auf, welche eine räumliche Drehung (beispielsweise um 2°) der Meßfühlerachse A um einen Punkt P erlauben, der von der Dreheinrichtung 44 und der Meßfühlerachse A umfaßt wird.
Die Verschiebeeinrichtung 25 ist beispielsweise eine Mikrometerschraube, die mit der Dreheinrichtung 44 fest verbunden ist und eine Verschiebung des Meßfühlers 4 längs seiner Meßfühlerachse A erlaubt.
Die Fühlermittel 53 umfassen ein Teil 56 in der Form eines Ringes, welcher den Kollimator 46 umgibt, mit dem Meßfühler 4 fest verbunden ist, und in dem drei kallibrierte Düsen 57 ausgebildet sind, die seitlich der Öffnung 47 a des Kollimators 46 münden und an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks auf einem Kreis C (Fig. 5a) angeordnet sind, dessen Ebene senkrecht zur Meßfühlerachse A verläuft und zu ihr zentriert ist. Jede Düse 57 ist über eine Leitung 58 mit einem Kompressor 59 (Fig. 1) verbunden, der ein Fluid, wie z. B. Stickstoff unter vorbestimmten Druck (z. B. 3 · 10⁵ Pa) in die Düsen 57 einbringt. Drei Einrichtungen 28 zum Steuern des Druckes (Fig. 1) wie z. B. drei elektronische, mit Linearskalen 60 zum Druck ablesen (Fig. 1) ausgerüstete Komparatoren ermöglichen, die Fluiddrucke am Ausgang der Düsen 57 zu vergleichen.
Wenn das zu untersuchende Werkstück 3 positioniert worden ist, wie es im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, dreht man den Meßfühler 4 um die Achse Y&min;Y mit Hilfe der Dreheinrichtung 43, und wenn es erforderlich ist, dreht man ebenfall die Dreheinrichtung 18 (Fig. 1), damit die Meßfühlerachse A eine der Richtung der Normalen N auf der Oberfläche 2 der Schicht 1 benachbarte Richtung erhält. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß der Meßfühler derart positioniert wird, daß die Elektronenquelle 45 einem Punkt M 1 der Oberfläche 2 gegenüberliegt (die Position P ₁ in den Fig. 5a und 5b), an dem die Dicke der Schicht 1 bestimmt werden soll. Mit Hilfe der Mikrometerschraube wird der Meßfühler 4 ungefähr 200 oder 300 µm, von der Oberfläche 2 entfernt angeordnet. Die Meßfühlerachse A schneidet die Oberfläche 2 in dem Punkt M 1 und stimmt im allgemeinen nicht mit der Normalen N 1 in diesem Punkt auf der Oberfläche 2 überein. Die drei Düsen 57 tragen eine Fluidströmung auf der Oberfläche 2 aus, und die an den drei Linearskalen 60 angezeigten Drücke sind daher im allgemeinen verschieden, da die Düsen 57 unterschiedliche Abstände von der Oberfläche 2 (Position P ₁ in Fig. 5b) aufweisen.
Mit Hilfe der Steuerungseinrichtungen 54 und 55, die die Dreheinrichtung 44 aufweist, wird die Meßfühlerachse A um den Punkt P verschwenkt, bis die an den drei Linearskalen 60 angezeigten Drücke identisch sind. Die Fluiddrücke am Ausgang der Düsen 57 sind dann einander gleich, was bedeutet, daß die Düse 57 jeweils die gleichen Abstände von der Oberfläche 2 der Schicht 1(Position P ₂ in Fig. 5b) aufweisen. Damit ist die Ausrichtung durchgeführt und die Meßfühlerachse A fällt mit der Normalen N in dem Punkt M der Oberfläche 2 zusammen, wobei der Punkt M dem ursprünglichen Punkt M ₁ (Position P ₂ in den Fig. 5a und 5b) benachbart ist.
Die Fluidzufuhr wird dann unterbrochen und der Meßfühler 4 (Fig. 4) wird mittels der Mikrometerschraube der Schicht 1 genähert, bis das Ende 47 des Meßfühlers 4 mit der Oberfläche 2 der Schicht 1 in Berührung kommt. Elektrische Mittel 61, die z. B. eine Stromquelle 62, eine Lampe 63 und einen Schalter 46 in Reihe geschaltet aufweisen, verbinden elektrisch die dünne Schicht 1, die elektrisch leitend ist, mit der metallischen Nadel 46 a, die den z. B. aus Aluminium bestehenden Kollimator 46 in dem Meßfühlerkörper 49 hält. Die Lampe 63 leuchtet auf, so bald eine Berührung zwischen dem Ende 47 des Meßfühlers 4 und der dünnen Schicht 1 hergestellt ist, so daß ohne eine Beschädigung der dünnen Schicht 1 festgestellt werden kann, daß das Ende 47 die dünne Schicht 1 berührt. Selbstverständlich ist es ausreichend, um diese Überprüfung durchführen zu können, wenn nur das Ende 47 des Meßfühlers 4 elektrisch leitend und mit der dünnen Schicht 1 durch die elektrischen Mittel 61 verbunden ist. Wenn die dünne Schicht 1 elektrisch nichtleitend ist, kann auch das Ende 47 des Meßfühlers 4 mit ihr in Berührung gebracht werden, jedoch besteht dann die Gefahr, daß die dünne Schicht 1 beschädigt wird.
In Fig. 6 ist schematisch eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt, die ebenfalls zur Dickenmessung dünner Schichten mittels Elektronenrückstreuung ausgerüstet ist. Diese Vorrichtung unterscheidet sich nur wenig von der in Fig. 1 dargestellten. Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 6 können Dickenabmessungen dünner Schichten gemessen werden, die sich auf Werkstücken befinden, die nicht notwendigerweise eine sphärische Form jedoch ganz allgemein eine Drehachse aufweisen, wie das hohle Werkstück 3, welches eine Drehachse besitzt und auf dessen innerer Oberfläche 2 eine dünne, elektrisch leitende Schicht 1 aufgebracht ist. Der Rand 41 des Werkstückes 3 hat die Form eines geschlossenen Kreises in einer zur Drehachse des Werkstückes 3 senkrechten Ebene. Bei einem solchen Fall kann die Halte- und Positionierungseinrichtung 15 identisch mit derjenigen sein, die im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde. Wenn das hohle Werkstück 3 mit nach oben weisender innerer Oberfläche 2 in seiner Lage angeordnet ist, fallen die Achse der Dreheinrichtung 18, die Drehachse der Stützeinrichtung 16 und die Drehachse des hohlen Werkstücks 3 mit ein und derselben Achse X&min;X zusammen.
Auch die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 vorgesehene erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt die gleichen Einrichtungen, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 4 angegeben worden sind, nämlich eine Dreheinrichtung 43, eine Dreheinrichtung 44, an dem Meßfühler 4 vorgesehene Fühlermittel 53 zur Steuerung der Ausrichtung zwischen Meßfühlerachse und Normalen, sowie eine Verschiebeeinrichtung 25 für den Meßfühler 4 (Fig. 4). Ferner werden ebenfalls elektrische Mittel 61 (Fig. 4) eingesetzt, um die Berührung zwischen dem Meßfühler 4 und der dünnen Schicht 1 feststellen zu können.
Wenn die Vorrichtung gemäß Fig. 1 dafür geeignet ist, die Dicke einer sphärischen, dünnen Schicht 1 zu bestimmen, so trifft dies nicht mehr zu, wenn die dünne Schicht 1 eine sich ändernde Krümmung aufweist, was häufig bei Werkstücken mit einer Drehachse der Fall ist, wie bei dem in Fig. 6 dargestellten Werkstück. Das heißt, eine solche Vorrichtung ist dann nicht mehr geeignet, um die Meßfühlerachse A mit einer Normalen N auf der Oberfläche eines nichtsphärischen Werkstückes auszurichten, welches aber eine Drehachse aufweist.
Um in diesem Fall die Meßfühlerachse A zu der Normalen N ausrichten zu können, ist es ausreichend, die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung abzuwandeln, indem man eine Einrichtung 22 a, 22 b für eine horizontale und vertikale Verschiebung (Fig. 6) hinzufügt, so daß der Drehpunkt 0 des Meßfühlers 4 verschoben werden kann, um den Meßfühler 4 in die Nähe eines zu untersuchenden Punktes der dünnen Schicht 1 zu bringen und ihn zu der Normalen in diesem Punkt auszurichten, oder genauer gesagt, wie es bereits beschrieben wurde, die Meßfühlerachse A mit der Normalen N an einem Punkt in Übereinstimmung zu bringen, welcher dem vorhergehend genannten benachbart ist. Die bereits beschriebene Dreheinrichtung 43, die Dreheinrichtung 44, die Fühlermittel 53 und die Verschiebeeinrichtung 25 sind bei dieser Ausführungsform selbstverständlich ebenfalls vorgesehen und wirken mit der Verschiebeeinrichtung 22 a, 22 b zusammen.
Die Verschiebeeinrichtungen 22 a und 22 b sind z. B. mit dem Teil 10 (Fig. 1) verbunden, wobei die Verschiebeeinrichtung 22 b dann die Dreheinrichtung 43 (Fig. 4) trägt. Sie könnte jedoch auch an einer anderen Stelle angeordnet sein.
Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 6 lassen sich nicht nur Drehoberflächen (konkav, konvex oder ganz allgemein gekrümmt) sondern auch Oberflächen von Werkstücken bezüglich ihrer Dickenabmessung untersuchen, die nicht genau Drehflächen sind und nichtgleichförmige Krümmungen aufweisen, wie ebene oder ausgewölbte Oberflächen.
Um die Positionierung des Meßfühlers durchzuführen, kann es erforderlich sein, den Meßfühler innerhalb von Grenzen dem zu untersuchenden Werkstück zu nähern oder von ihm zu entfernen, welche die Verschiebungsstrecke der Verschiebeeinrichtung 25, z. B. der Mikrometerschraube (Fig. 7) deren Verschiebungsstrecke begrenzt ist, nicht zuläßt. Man kann dann die in den Fig. 1 und 6 dargestellten Vorrichtungen derart ausrüsten, daß eine unstetige oder schrittweise Verschiebung des Meßfühlers 4 in der gleichen Richtung ermöglicht wird, wie diejenige (kontinuierliche), die mit der Mikrometerschraube erhalten wird. Hierfür bildet man z. B. die Dreheinrichtung 44 mit einer Vielzahl von Bohrungen 22 c (Fig. 4 und 7) aus, so daß die Dreheinrichtung 44 auf Zapfen 22 d aufgepaßt werden kann, die mit der Dreheinrichtung 43 fest verbunden sind. Die Bohrungen 22 c und die Zapfen 22 d erlauben eine schrittweise Versetzung bzw. Verschiebung, ohne die von dem Meßfühler anvisierte Richtung zu verlieren, wenn man die Ausrichtung durchführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt, eine richtige Positionierung des Meßfühlers bezüglich der Oberfläche eines Werkstückes durchzuführen, insbesondere wenn diese eine Krümmung aufweist, welche sich von einem Punkt zu einem anderen der Oberfläche ändert. Die Vorrichtung könnte in bekannter Weise automatisiert werden, insbesondere um Messungen hoher Genauigkeit bei der zerstörungsfreien Überprüfung von Werkstücken durchzuführen, die mit hoher Toleranz hergestellt werden sollen.

Claims

1. Vorrichtung zur Ausrichtung der Achse eines Meßfühlers auf die Normale einer Werkstückoberfläche, mit

a) einem ersten Halteteil für den Meßfühler,

b) einem zweiten Halteteil, an dem das erste Halteteil bewegbar angebracht ist und welches drehbar an einem Trägerteil befestigt ist,

c) mit an dem Meßfühler angebrachten Fühlermitteln, mit denen das Maß der Übereinstimmung zwischen der Meßfühlerachse und der Normalen der Werkstückoberfläche erfaßbar ist, und

d) einer Halte- und Positionierungseinrichtung für das Werkstück,

dadurch gekennzeichnet,

e) daß der Meßfühler (4) an dem ersten Halteteil längs seiner Meßfühlerachse (A) durch eine Verschiebeeinrichtung (25) einstellbar verschiebbar befestigt ist,

f) daß die an dem Meßfühler (4) angebrachten Fühlermittel (53) mindestens drei kalibrierte Düsen (57) umfassen, durch die jeweils ein Fluidstrahl auf die Oberfläche (2) des Werkstückes (3) austragbar ist, und

g) daß Druckmeßeinrichtungen (60) vorgesehen sind, mit denen der Druck des aus den jeweiligen Düsen (57) ausströmenden Fluids meßbar ist, wobei bei gleichem Fluiddruck bei allen Düsen (57) eine Übereinstimmung von Meßfühlerachse (A) und der Normalen (N) auf der Oberfläche des Werkstückes (3) vorliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (10) an einer Einrichtung (22 a, 22 b) zur horizontalen und vertikalen Verschiebung angebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (61) vorgesehen sind, mit denen eine Berührung zwischen dem vorderen Ende des Meßfühlers (4) und der Oberfläche (2) des Werkstückes (3) erfaßbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte- und Positionierungseinrichtung ( 15) zur Aufnahme des Werkstückes (3) eine Stützeinrichtung (16) aufweist, die an einer Verschiebeeinrichtung (19) längs einer Achse (X, X&min;) bewegbar ist, daß die Verschiebeeinrichtung (19) an einer um diese Achse (X, X&min;) drehbaren Dreheinrichtung (18) befestigt ist, daß an der Dreheinrichtung (18) Halterungsmittel (17) für das Werkstück (3) angebracht sind und daß die Achse (Y, Y&min;), um die das zweite Halteteil drehbar an dem Trägerteil befestigt ist, senkrecht zu der Achse (X, X&min;) verläuft.

5. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Haltern und Ausrichten eines Meßfühlers zur Dickenmessung dünner Schichten mittels Elektronenrückstreuung eingesetzt wird.