-
Gebiet der
Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines
Oberflächenprofils
eines zu vermessenden Objekts nach Anspruch 1.
-
Technischer
Hintergrund
-
Aus
US-A-4,103,542 ist ein Oberflächenprofil-Messinstrument
bekannt, das einen Stift aufweist, der von einem ausgeglichenen
Scanner-Arm getragen wird, der seinerseits von einer kardanischen
Aufhängung
mit zwei Achsen getragen wird, von denen eine durch einen Servomotor
einstellbar ist. Ein angeschlossenes elektronisches Gerät sorgt
für eine Achsenkompensation
zur Ausgleichung durch den Servomotor ebenso wie eine Nulljustierung
einer Anzeigeeinrichtung und eine Abgrenzung gegen kleine unerwünschte Steigungen.
Die Stiftbewegung wird von einem Positionsaufnehmer (linear position
differential transformer) in ein analoges Signal umgewandelt. Um
eine Steigungsdiskriminierung zu erhalten, wird das analoge Signal
differenziert und in einem Komparator mit einem Bezugswert verglichen,
um Signale, die kleinen Steigungen entsprechen, zu verwerfen. Das
Signal wird dann integriert und mit Bezug auf eine ausgewählte Nulleinstellung
der Anzeigeeinrichtung angezeigt.
-
Aus
US-A-4,391,044 ist ein Oberflächenprofil-Messinstrument
bekannt, das einen Stift aufweist, der von einem linear verlängerten
Träger
zur linearen Abtastung getragen wird. Der Träger wird von einem Befestigungsmechanismus
gestützt,
der eine Neigung durch einen Servomotor ausgleicht. Der Stift wird
für lineare
Abtastungen der gewünschten
Strecke entlang des Trägers
geschoben und gezogen.
-
Aus
FR-A-2 645 638 ist ein weiteres Oberflächenprofil-Messinstrument bekannt,
das ausgebildet ist, um das Profil von großen Profilstufen oder großen Profilsenken
zu messen.
-
Auch
dieses bekannte Instrument beruht auf einer vertikal beweglichen
und schwenkbar angeordneten Abtasteinrichtung, die eine Gewichtsausgleichplatte
einschließt,
die innerhalb eines X-Y-Koordinatensystems beweglich ist.
-
Darüber hinaus
ist in JPN. PAT. APPLN. KOKAI, Veröffentlichungsnr. 7-260471 eine
Vorrichtung als ein herkömmliches
Beispiel für
eine Vorrichtung zum Messen des Oberflächenprofils eines zu vermessenden
Objekts offenbart. Die herkömmliche Vorrichtung
wird nachsehend mit Bezug auf 12 beschrieben.
-
Die
oben genannte herkömmliche
Vorrichtung umfasst eine Messsonde 41, einen X-Z-Koordinatensystem-Antriebsabschnitt 42,
einen Koordinaten-Messabschnitt 43, ein Eingabemittel 44 und
ein Steuermittel 45. Genauer schließt die Messsonde 41 ein
Kontaktnadelelement 41a ein, das einen Kontakt mit einem
zu vermessenden Objekt 32, das in Y-Achserrichtung von
einem Y-Achsenkoordinatensystem-Antriebsabschnitt, der in einem
Hauptkörper 30 der
oben genannten Vorrichtung enthalten ist, angetrieben wird, herstellt.
In diesem Fall berührt
das Nadelelement 41a das zu vermessende Objekt 32 von oben.
Der X-Z-Koordinatensystem-Antriebsabschnitt 42 treibt die
Messsonde 41 in den X- und Z-Richtungen an, und der Koordinatenmessabschnitt 43 misst die
Koordinaten der Messsonde 41. Das Eingabemittel 44 gibt
Kippwinkelinformationen des Kontaktnadelelements 41a an
einem Kontaktmesspunkt in Bezug auf eine zu vermessende Oberfläche 32a ein. Das
Steuermittel 45 steuert den Messdruck der Messsonde 41 an
der Oberfläche
des zu vermessenden Objekts aufgrund der Kippwinkelinformationen, die
vom Eingabemittel 44 eingegeben werden. In diesem Fall
steuert das Steuermittel 45 den Kontakt durch die Messsonde 41 so,
dass die Summe der Kontaktdeformationen der Messsonde 41 und
des zu vermessenden Objekts in vertikaler Richtung zur zu vermessenden
Oberfläche 32a konstant
wird.
-
Die
herkömmliche
Vorrichtung ist wie oben angegeben aufgebaut, und die Kippwinkelinformationen
am Kontaktmesspunkt durch die Messsonde 41 an der Oberfläche des
zu vermessenden Objekts werden vom Eingabemittel 44 eingegeben.
Aufgrund der so eingegebenen Kippwinkelinformationen kann die Vorrichtung
das Oberflächenprofil der
Messoberfläche 32a des
zu vermessenden Objekts 32 messen, während sie den Messdruck der
Messsonde 41 durch das Steuermittel 45 steuert.
Wie oben beschrieben, wird der Messdruck der Messsonde 41 gesteuert,
und dadurch bleibt die vertikale Kontaktdeformation immer konstant
in Bezug auf die Oberfläche
des zu vermessenden Objekts. Dadurch ist es möglich, die Erzeugung eines
Messfehlers, der sich aus Änderungen
der Kontaktdeformation ergibt, zu verhindern.
-
In
der oben genannten herkömmlichen
Vorrichtung wird eine Blattfeder oder eine Druckfeder verwendet,
um den Messdruck zu steuern, so dass der Messdruck der Messsonde 41 extrem
klein wird oder die Kontaktkraft auf der zu vermessenden Oberfläche 32 immer
konstant wird.
-
Wenn
die herkömmliche
Vorrichtung wie oben geschildert aufgebaut ist, berührt die
Messsonde 41 die Oberfläche
des zu vermessenden Objekts 32 mit vorgegebenem Druck.
Insbesondere muss die Messsonde 41 so gehalten werden,
dass der Druck der Messsonde 41 in allen Richtungen konstant
gehalten werden kann. Um solch einen stabilen Druck, zu erreichen,
muss der Reibwiderstand jedes Elements oder müssen die Hysteresekennwerte
der Federn stark gesenkt werden.
-
OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
-
Somit
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
Messung eines Oberflächenprofils
zu schaffen, welche die Kontaktkraft an jedem Punkt der Oberfläche eines
zu vermessenden Objekts konstant halten kann und das Oberflächenprofil
mit extrem kleiner Kontaktkraft messen kann.
-
Erfindungsgemäß wird die
genannte Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
-
Verbesserte
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung eines Oberflächenprofils
eines Objekts ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Um
die genannte Aufgabe zu lösen,
wird gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Messung
eines Oberflächenprofils
eines zu vermessenden Objekts geschaffen, welche folgendes aufweist:
eine
Messsonde, die so positioniert ist, dass sie die Oberfläche des
zu vermessenden Objekts berührt;
ein
Führungsmittel
zum Tragen und Führen
der Messsonde in Richtung der Messsondenachse;
ein Kippwinkel-Anpassungsmittel
zum Verkippen des Führungsmittels
in einem vorgegebenen Kippwinkel in Bezug auf die horizontale Richtung,
so dass die Messsonde die Oberfläche
des zu vermessenden Objekts mit einer vorgegebenen Kontaktkraft
berührt; und
ein
Antriebsmittel zum relativen Antreiben der Messsonde und/oder des
Objekts, um die Oberfläche
des zu vermessenden Objekts mit der Messsonde abzutasten,
wobei
die Kontaktkraft von einer Kippwinkelkomponente der Schwerkraft
der Messsonde, die erzeugt wird, wenn die Messsonde gekippt wird,
abgeleitet wird.
-
Vorzugsweise
liegt der Kippwinkel im Bereich von 0,0005 bis 5°, stärker bevorzugt von 0,03 bis
0,2 °. Die
Kontaktkraft liegt im Bereich von 5 bis 300 mgf, stärker bevorzugt
von 30 bis 90 mgf.
-
Die
Vorrichtung ist wie oben beschrieben aufgebaut, und dadurch wird
die Kontaktkraft der Messsonde, die an die Oberfläche des
zu vermessenden Objekts angelegt wird, von der Kipprichtungskomponente
der Schwerkraft der Messsonde abgeleitet. Deshalb besteht keine
Notwendigkeit, den Hysteresekennwert zu berücksichtigen. Eine konstante
Kontaktkraft wird an jeden Punkt auf der Oberfläche des zu vermessenden Objekts
angelegt. Da die Messsonde vom Kippwinkel-Anpassungsmittel mit dem
vorgegebenen Kippwinkel verkippt wird, kann auf sehr einfache Weise
eine äußerst geringe Kontaktkraft
erhalten werden. Da eine äußerst kleine Kontaktkraft
wie oben beschrieben erhalten wird, gehört die Vorrichtung zum Kontakt-Typ,
trotzdem ist es möglich,
das Oberflächenprofil
des zu vermessenden Objekts äußerst genau
zu messen. Ferner ist es möglich,
Wirkungen zu erzielen, die denen von zerstörungsfreien Messungen des Oberflächenprofils des
zu vermessenden Objekts ohne Kontakt ähnlich sind.
-
Entsprechend
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zur Messung des Oberflächenprofils
eines zu vermessenden Objekts geschaffen, wobei das Führungsmittel
die Messsonde beweglich trägt
und einen Führungsmechanismus
aufweist, der die Messsonde mit einer vorgegebenen Reibkraft zwischen
dem Führungsmittel
und der Messsonde führt,
wobei die Reibkraft geringer ist als die Kipprichtungskomponente
der Schwerkraft der Messsonde.
-
Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein Mittel, das eine äußerst geringe
Reibkraft erzeugt, beispielsweise eine lineare Führung, vorzugsweise eine Luftgleiteinrichtung,
als Führungsmittel verwendet.
Da dadurch eine äußerst geringe
Kontaktkraft erhalten wird, gehört
die Vorrichtung zum Kontakt-Typ; trotzdem ist es möglich, das
Oberflächenprofil
des zu vermessenden Objekts äußerst genau
zu messen.
-
Entsprechend
einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zur Messung eines Oberflächenprofils
eines zu vermessenden Objekts geschaffen, wobei das Kippwinkel-Einstellungsmittel
sowohl die Messsonde als auch das zu vermessende Objekt in einem
vorgegebenen Kippwinkel zur horizontalen Richtung verkippt.
-
Da
entsprechend der vorliegenden Erfindung der Kippwinkel sowohl auf
die Messsonde als auch das zu vermessende Objekt angewendet wird,
wenn das Objekt vermessen wird, wird kein Winkelunterschied zwischen
der Messsonde und dem zu vermessenden Objekt erzeugt. Deshalb besteht
keine Notwendigkeit, den Kippwinkel zu korrigieren, und die Vorrichtung
gehört
zum Kontakt-Typ; trotzdem ist es möglich, das Oberflächenprofil
des zu vermessenden Objekts sehr genau zu messen.
-
Entsprechend
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zur Messung eines Oberflächenprofils
eines zu vermessenden Objekts geschaffen, wobei das zu vermessende
Objekt eine vorgegebene Oberflächenrauheit Ry
und Abtaststrecke ϕ aufweist, und wenn durch die Messsonde
beim maximalen Kontaktwinkel αmax eine
vorgegebene Kontaktkraft Fθ ausgeübt wird, weist
die maximale Geschwindigkeit Vmax der Messsonde, die die Oberfläche des
zu vermessenden Objekts abtastet, eine Beziehung auf, die durch
die folgende Gleichung ausgedrückt
wird: Vmax ∝ (Fθ·ϕ)/(Ry·αmax)
-
Falls
das zu vermessende Objekt aus einem sehr weichen Material besteht,
das beim Vermessen leicht beschädigt
werden kann, wird entsprechend der vorliegenden Erfindung die Kontaktkraft
Fθ gesenkt,
und dadurch kann das Objekt mit den kleinen Kontaktkräften Fθ vermessen
werden, ohne beschädigt
zu werden. Wenn dagegen keine Gefahr besteht, dass das zu vermessende
Objekt beschädigt
wird, wird die Kontaktkraft Fθ erhöht, und
dadurch wird die maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax hoch. Infolgedessen
ist es möglich,
die Zeit zum Messen des Oberflächenprofils
des zu vermessenden Objekts zu verkürzen.
-
Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
ausgeführt
und ergeben sich zum Teil aus der Beschreibung oder können bei
der praktischen Ausführung
der Erfindung gelernt werden. Die Ziele und Vorteile der Erfindung
können mittels
der Instrumente und Kombinationen realisiert und erhalten werden,
auf die nachstehend besonders hingewiesen wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
Die
begleitende Zeichnung, die in die Patentschrift eingegliedert ist
und einen Teil von dieser darstellt, stellt derzeit bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung dar und dient zusammen mit der oben abgegebenen allgemeinen
Beschreibung und der nach stehend abgegebenen Beschreibung der Ausführungsformen
dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erläutern.
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung eines
Oberflächenprofils
entsprechend einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 ist
eine teilweise vergrößerte Darstellung
des Zustands, in dem ein Kontaktnadelelement einer Messsonde die
Oberfläche
eines zu vermessenden Objekts mit einem vorgegebenen Kippwinkel berührt, in
der Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils entsprechend der
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
3 ist
eine teilweise vergrößerte perspektivische
Darstellung des Aufbaus des Messsonden-Trägermittels;
-
4 ist
eine schematische Darstellung eines Kippwinkel-Einstellungsmittels
in der ersten Ausführungsform;
-
5 ist
eine schematische Darstellung einer ersten Modifizierung des Kippwinkel-Einstellungsmittels
der ersten Ausführungsform;
-
6 ist
eine schematische Darstellung einer zweiten Modifizierung des Kippwinkel-Einstellungsmittels
in der ersten Ausführungsform;
-
7 ist
eine schematische Darstellung einer dritten Modifizierung des Kippwinkel-Einstellungsmittels
in der ersten Ausführungsform;
-
8 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem der Vorrichtung zur Messung
eines Oberflächenprofils
entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
9 ist
eine teilweise vergrößerte Draufsicht
auf die Situation, in der das Kontaktnadelelement der Messsonde
das zu vermessende Objekt berührt;
-
10 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung eines
Oberflächenprofils
entsprechend einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
11 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung eines
Oberflächenprofils
entsprechend einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
-
12 ist
eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vorrichtung zur Messung
des Oberflächenprofils
eines zu vermessenden Objekts.
-
BESTE WEISE
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben. In den
folgenden Ausführungsformen
wird das in 1 dargestellte X-Y-Z-Koordinatensystem
in allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet, und eine negative Richtung
der Z-Achse und eine positive Richtung davon sind als Distalendseite
bzw. als Proximalendseite definiert.
-
(Erste Ausführungsform)
-
In
der ersten Ausführungsform
weist die Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils einen flachen Basisabschnitt 20 auf,
wie in 1 dargestellt. Ein Trägerelement 1 und ein
Tafelabschnitt 7 sind am Basisabschnitt 20 befestigt.
Der Tafelabschnitt 7 ist über ein Kippwinkel-Einstellungsmittel 3 mit
einer Montageplatte versehen. Ein Führungsmittel 4 ist
an der Montageplatte 10 angebracht. Ein zu vermessendes
Objekt 2 wird vom Trägerelement 1 getragen.
Eine Messsonde 6 wird beweglich vom Führungsmittel 4 getragen
und so positioniert, dass sie die Oberfläche des zu vermessenden Objekts 2 berührt. Erste
und zweite Positionserfassungselemente 5 und 9 sind
an der Montageplatte 10 bzw. dem Basisabschnitt 20 bereitgestellt.
-
In
der ersten Ausführungsform
ist das Führungsmittel 4 eine
Luftgleiteinrichtung. Wie in 3 dargestellt,
weist das Führungsmittel 4 ein
Gleiteinrichtungs-Trägerelement 4a und
ein bewegliches Gleiteinrichtungselement 4b auf. In dem
Gleitelement-Trägerelement 4a ist
eine Öffnung
ausgebildet. Das bewegliche Gleiteinrichtungs element 4b dringt beweglich
in die Öffnung
des Gleitelement-Trägerelements 4a ein
und wird schwimmend getragen. Die Luftgleiteinrichtung 4 weist
einen (nicht dargestellten) Luftzufuhrabschnitt auf, der Luft zu
einem Raum 210 zwischen dem Gleitelement-Trägerelement 4a und dem
beweglichen Gleiteinrichtungselement 4b liefert. Der Raum 210 ist
sehr eng und weist eine Breite von 100 μm oder weniger, vorzugsweise
20 μm oder
weniger auf. Das Material der Luftgleiteinrichtung 4 ist Keramik,
ein metallisches Material wie Eisen oder ein Glasmaterial. Das Führungsmittel 4 kann
eine lineare Führung
sein.
-
Die
oben genannte Messsonde 6 weist ein zylinder- oder prismenförmiges Stammelement 6b und
ein kugel- oder keilförmiges
Kontaktnadelelement 6a auf, das am distalen Ende des Stammelements 6b befestigt
ist. Das Stammelement 6b der Messsonde 6 ist am
beweglichen Gleiteinrichtungselement 4b des Führungsmittels 4 angebracht
und ist in die Richtungen der Pfeile A und B von 1 zusammen
mit dem beweglichen Gleiteinrichtungselement 4b beweglich.
Das Kontaktnadelelement 6a ist so angeordnet, dass es die
Oberfläche
des zu vermessenden Objekts 2 berührt.
-
In
diesem Fall sind die in 1 gezeigten Richtungen A und
B Richtungen (nachstehend als Kipprichtungen bezeichnet), die in
einem vorgegebenen Kippwinkel θ (0 < θ < 90 °) zur Z-Richtung
geneigt sind, wie in 2 dargestellt, und die zur axialen
Richtung der Messsonde 6 parallel sind.
-
In
der ersten Ausführungsform
sind die ersten und zweiten Positionserfassungselemente 5 und 9 optische
Skalen oder Laserentfernungsmesser. Das erste Positionserfassungselement 5 ist
so positioniert, dass es eine Kipprichtungsverstellung 1 der Messsonde 6 erfasst.
Dagegen ist das zweite Positionserfassungselement 9 so
positioniert, dass es die X-Achsenrichtungsposition des Kontaktnadelelements 6a erfasst.
-
Wie
schematisch in 4 dargestellt, weist das oben
genannte Kippwinkel-Einstellungsmittel 3 erste
und zweite Winkelanpassungselemente 3a und 3b auf.
Diese Winkeleinstellungselemente 3a und 3b sind
einzeln an ihren unteren Endabschnitten durch eine Schraube mit
dem Tafelabschnitt 7 verbunden. Jedes der Winkeleinstellungselemente 3a und 3b ist mit
einem Gelenk oder einem drehbaren Trägerelement drehbar auf der
Montageplatte 10 gelagert.
-
Mindestens
eins von den Winkeleinstellungselementen 3a und 3b weist
die folgende Struktur auf, die in Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen entlang Pfeilen
C und D, die parallel zur X-Achsenrichtung verlaufen, beweglich
ist, so dass die Montageplatte 10 zur X-Z-Ebene verkippt
werden kann, d.h. die Messsonde 6 in einem vorgegebenen
Kippwinkel zur Z-Achse verkippt werden kann. Die oben genannte Bewegung
wird von mechanischen Mitteln, wie einer Schraube, bewirkt und kann
von elektrischen Mitteln, wie einem Motor, bewirkt werden. Die Winkeleinstellungselemente 3a und 3b sind
an distalen und proximalen Endabschnitten der Montageplatte 10 zumindest
eins nach dem anderen angeordnet und sind unabhängig voneinander betätigbar.
-
Genauer
trägt das
erste Winkeleinstellungselement 3a mittels eines Zapfens
drehbar eine Montageplatte 10. Dagegen ist das zweite Winkeleinstellungselement 3b an
seinem oberen Abschnitt mit einem Rad ausgestattet und an seinem
unteren Abschnitt ist eine Schraube ausgebildet. Das zweite Winkeleinstellungselement 3b wird
von der Schraube eingestellt und dadurch in der Y-Achsenrichtung
in Bezug auf den Tafelabschnitt 7 verändert. In diesem Fall dreht
sich das Rad an der Unterseite der Montageplatte 10 und
dadurch kann sich das zweite Winkeleinstellungselement 3b in
Bezug auf die Montageplatte 10 frei bewegen. Deshalb wirken
die beiden Winkeleinstellungselemente 3a und 3b zusammen, so
dass die Montageplatte 10 in einem vorgegebenen Kippwinkel
verkippt werden kann. Die Montageplatte 10 wird durch Steuern
der Schraube in einer Lage gehalten, in der sie in dem genannten
Kippwinkel geneigt ist.
-
In 5 bis 7 sind
Modifizierungen des Kippwinkel-Einstellungsmittels 3 dargestellt.
In der ersten in 5 dargestellten Modifizierung
besteht das distalseitige erste Winkeleinstellungselement 3a von 4 aus
einem Schwenkelement 211, dessen Mittelachse parallel zur
X-Achse verläuft
und dessen Querschnitt kreisförmig
ist. Zum Beispiel ist das Schwenkelement 211 ein drehbar
lagerbares Element wie ein zylindri sches oder kugelförmiges Element.
Das zweite Winkeleinstellungselement 3b besteht aus einem
Kippelement 212 mit dreieckigem Prisma. In diesem Fall
wird das Kippelement 212 so eingeführt, dass seine Schräge auf die
Montageplatte 10 gerichtet ist.
-
Die
oben genannten zwei Elemente 211 und 212 wirken
zusammen, so dass die distale Seite der Montageplatte 10 unter
die proximale Seite gebracht werden kann. Genauer wird die Montageplatte 10 so gelagert,
dass sie sich entlang der Schräge
des Kippelements 212 bewegen kann, so dass sie in Richtung
des Pfeils E um das Schwenkelement 211 gedreht werden kann.
-
In
der ersten in 5 dargestellten Modifizierung
wird, um den Kippwinkel zu ändern,
das Neigungselement 212 in Richtung des Pfeils F bewegt. Das
Kippelement 212 ist von einem (nicht dargestellten) Befestigungselement
befestigt und dadurch wird die Montageplatte 10 in der
Lage gehalten, dass sie in dem vorgegebenen Winkel geneigt ist.
-
In
der zweiten, in 6 dargestellten Modifizierung
weist das distalseitige Schwenkelement 211 von 5 ein
plattenförmiges
elastisches Element 213 auf, das mit der Montageplatte 10 und
dem Tafelabschnitt 7 verbunden ist. Das elastische Element 213 ist
beispielsweise eine Blattfeder oder dergleichen. Bei dem proximalseitigen
Winkeleinstellungselement 214 kann es sich entweder um
das oben genannte Winkeleinstellungselement 3a oder um
das oben genannte Kippelement 212 handeln. In jedem Fall
ist die Montageplatte 10 mit dem proximalseitigen Winkeleinstellungselement 214 verbunden
oder von diesem gestützt,
so dass sie in Richtung des Pfeils G um das plattenförmige elastische
Element 213 gedreht werden kann.
-
In
der zweiten in 6 dargestellten Modifizierung
ist der Ablauf bei der Änderung
des Kippwinkels grundsätzlich
der gleiche wie beim Kippwinkel-Einstellungsmittel, das in den 4 oder 5 dargestellt
ist. Ein (nicht dargestelltes) Spannelement ist auf der distalen
Seite zwischen dem Tafelabschnitt 7 und der Montageplatte 10 angeordnet, und/oder
ein (nicht dargestelltes) Druckelement ist auf der proximalen Seite zwischen
ihnen angeordnet, und dadurch wird die Montageplatte 10 in
der Lage gehalten, dass sie mit dem Kippwinkel geneigt ist.
-
In
der dritten, in 7 dargestellten Modifizierung
besteht das Kippwinkel-Einstellungsmittel 3 aus einem eine
Kippung erzeugenden Element 215 mit kreisförmiger oder
kugeliger Oberfläche
sowie einem Aussparungsabschnitt. Der Aussparungsabschnitt weist
eine Form auf, die komplementär
zur kreisförmigen
oder kugeligen Oberfläche
des eine Kippung erzeugenden Elements 215 ist und ist auf der
Oberseite des Tafelabschnitts 7 ausgebildet. Um den Kippwinkel
zu ändern,
wird das Kippung erzeugende Element 215 in der Richtung
des Pfeils I gedreht. Befestigungselemente 216a und 216b liegen an
der Oberseite des Kippung erzeugenden Elements 215 an,
und dadurch wird die Montageplatte 10 ist in einer Lage
gehalten, in der sie in einem Kippwinkel geneigt ist. Eine Goniostufe
kann anstelle der oben genannten Befestigungselemente 216a und 21b verwendet
werden.
-
Die
oben in 4–7 dargestellten
vier Arten von Kippwinkel-Einstellungsmitteln 3 können auf
geeignete Weise kombiniert werden. Die Montageplatte 10 kann
zusammen mit dem Führungsmittel 4 und
dem daran befestigten Positionserfassungselement 5 vom
Kippwinkel-Einstellungsmittel 3 verkippt werden. Ferner
ist das Kippwinkel-Einstellungsmittel 3 nicht auf die oben
genannte Beschreibung beschränkt.
-
Wie
oben beschrieben, wird die Messsonde 6 vom Führungsmittel 4 getragen
und ist mit einem äußerst kleinen
Kippwinkel zur Z-Achsenrichtung geneigt (sehen 2).
Ferner ist die Messsonde 6 so positioniert, dass sie die
Oberfläche
des zu vermessenden Objekts 2 mit einer vorgegebenen Kontaktkraft
durch die Kipprichtungskomponente der Schwerkraft des Kontaktnadelelements 6a,
die von der Kippung erzeugt wird, berührt. Das heißt, die
Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils entsprechend der
vorliegenden Erfindung ist so aufgebaut, dass die Kontaktkraft proportional
zum vorher eingestellten Kippwinkel θ der Messsonde 6 geändert werden
kann.
-
8 ist
ein Blockschema, das schematisch ein Steuersystem zur Steuerung
der Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils entsprechend der ersten
Ausführungsform
zeigt. Das Steuersystem weist ein Steuermittel 11 zur Steuerung
der gesamten Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils
auf. Das Steuermittel 11 ist beispielsweise ein Motor oder
piezoelektrischer Aktor. Die Steuermittel 11 ist dafür ausgelegt,
die ersten und zweiten Positionserfassungselemente 5, 9 und
ein Antriebsmittel 12 zum Antreiben des oben genannten
zu vermessenden Objekts 2 in X-Achsenrichtung zu steuern.
Ferner ist das Steuermittel 11 mit einem später beschriebenen
Operationsabschnitt 13 verbunden, der Operationsprozesse
ausführt.
-
Die
Funktionsweise der Vorrichtung mit dem oben genannten Aufbau ist
nachstehend beschrieben.
-
Wie
aus 1 und 2 ersichtlich, wird in der Vorrichtung
mit dem oben genannten Aufbau das Kippwinkel-Einstellungsmittel 3 betätigt, und
dadurch wird der vorgegebene Winkel θ zur Z-Achsenrichtung an die
mit der Montageplatte 10 verbundene Luftgleiteinrichtung 4 angelegt.
Wie bereits beschrieben, wirkt die Luftgleiteinrichtung 4 mit
der Messsonde 6 zusammen. Das bewegliche Gleiteinrichtungselement 4b bewegt
sich über
das Gleitelement-Trägerelement 4a durch
die Kipprichtungskomponente der Schwerkraft der Messsonde 6 in
Richtung des Pfeils A. Auf diese Weise berührt das Kontaktnadelelement 6a der
Messsonde 6 die Oberfläche
des zu vermessenden Objekts 2. Das zu vermessende Objekt
ist nicht beschränkt
und kann beispielsweise eine Linse, eine Metallform oder ein optisches
Element sein.
-
Da
Luft in den Raum 210 zwischen dem Gleitelement-Trägerelement 4a und
dem beweglichen Gleiteinrichtungselement 4b geliefert wird,
hängt die Reibkraft
f zwischen diesen vom Viskositätskoeffizienten τ der zugeführten Luft
ab. Im Allgemeinen ist die Reibkraft der Luft etwa {Bruchteil (1/1000)}
der Reibkraft von herkömmlichem
Schmieröl.
Deshalb kann eine Messung, die die Luftgleiteinrichtung 4 verwendet,
bei einem Kippwinkel θ ausgeführt werden, der
im Vergleich mit Messungen, die eine hydrostatische Gleiteinrichtung
verwenden, viel kleiner ist. Eine Messung, die die Luft gleiteinrichtung 4 verwendet, erfordert
keine Struktur, die für
Schmieröl
ausgelegt ist, so dass die Messvorrichtung als Ganzes kompakt gemacht
werden kann.
-
In
der Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils hängt die
Kontaktkraft Fθ des
Kontaktnadelelements 6a an der Oberfläche des zu vermessenden Objekts 2 von
der Kipprichtungskomponente der Schwerkraft, die auf die Messsonde 6 wirkt
und der Reibkraft f ab. In diesem Fall wird, wenn der Kippwinkel
als θ eingestellt
ist und die Schwerkraft der Messsonde 6, die auf das Kontaktnadelelement 6a wirkt
als F = mg eingestellt ist, die Kontaktkraft Fθ durch die folgende Gleichung
ausgedrückt: Fθ =
F·sinθ – f = mg·sinθ – f
-
In
der ersten Ausführungsform
wird die Luftgleiteinrichtung verwendet, und die Reibkraft wird durch
die folgende Gleichung f = τmg
ausgedrückt. Die
Reibkraft f ist tatsächlich
viel kleiner und kann vernachlässigt
werden. Deshalb wird die Kontaktkraft durch die folgende Gleichung
Fθ = mg·sinθ ausgedrückt.
-
Bei
Durchführung
der eigentlichen Messung üben
zusätzlich
zur oben genannten Kontaktkraft Fθ die folgenden Faktoren Einfluss
aus. Die Faktoren sind die relative maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax
in X-Achsenrichtung der Vorrichtung und des zu vermessenden Objekts,
eine Oberflächenrauheit Ry
des zu vermessenden Objekts, eine Abtaststrecke ϕ des zu
vermessenden Objekts und der maximale Kontaktwinkel αmax (siehe 9).
Diese Faktoren haben die folgende Beziehung. Vmax ∝ (Fθ·ϕ)/(Ry·αmax)
-
Das
heißt,
je größer die
Kontaktkraft Fθ ist, oder
je größer die
Abtaststrecke ϕ des zu vermessenden Objekts ist, umso höher ist
die maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax. Dagegen nimmt bei zunehmender
Oberflächenrauheit
Ry oder zunehmendem Kontaktwinkel αmax die maximale Abtastgeschwindigkeit
Vmax ab.
-
Die
maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax wird auch durch die Vibration
beeinflusst, die auf das Trägerelement 1 und
den Basisabschnitt 20 während der
Messung ausgeübt
wird. Falls der Basisabschnitt 20 auf einen vibrationssicheren
Tisch gestellt wird, wird die Vibration von außen abgehalten oder verringert;
daher ist es möglich,
eine Messung bei der maximalen relativen Abtastgeschwindigkeit durchzuführen, die
eine relativ hohe Vmax ist.
-
Falls
das zu vermessende Objekt 2 aus einem sehr weichen Material
gebildet ist, das durch eine Messung leicht beschädigt werden
kann, wird die Kontaktkraft klein, und dadurch kann das zu vermessende
Objekt vermessen werden, ohne Schaden zu nehmen. Falls dagegen keine
Gefahr besteht, dass das zu vermessende Objekt 2 beschädigt wird, wird
die Kontaktkraft Fθ erhöht, und
dadurch wird die maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax hoch. Infolgedessen
ist es möglich,
die Zeit zum Messen des Oberflächenprofils
des zu vermessenden Objekts 2 zu verkürzen.
-
Wie
oben beschrieben ist, da die Beziehung Fθ = mg·sinθ gilt, die maximale Abtastgeschwindigkeit
Vmax proportional zum Eigengewicht m der Messsonde 6. Da
die Beziehung 0 < θ < 90 ° gilt, ist die
maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax auch proportional zum Kippwinkel θ. Anders
ausgedrückt
wird bzw. werden das Eigengewicht m der Messsonde 6 und/oder
und der Kippwinkel θ erhöht, und
dadurch kann ein großer
Wert für
die maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax erhalten werden.
-
Auch
wenn eine leichte Messsonde 6 verwendet wird, so dass die
Kontaktkraft Fθ auf
einen relativ kleinen Wert gesetzt werden kann, wird der Kippwinkel
bei Bedarf vergrößert, und
dadurch ist es möglich,
sofort eine große
Kontaktkraft Fθ,
das heißt, die
maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax zu erreichen. Genauer kann,
wenn das Eigengewicht m der Messsonde 6 auf 3,5 g eingestellt
ist, der Kippwinkel θ auf
4,9 ° gesetzt
werden, und dadurch kann eine Kontaktkraft Fθ von 300 mgf erhalten werden.
-
Dagegen
wird, selbst wenn eine schwere Messsonde 6 verwendet wird,
so dass die Kontaktkraft Fθ auf
einen relativ großen
Wert eingestellt werden kann, der Kippwinkel nach Bedarf verkleinert, und
dadurch ist es möglich,
die Kontaktkraft Fθ,
das heißt,
die maximale Abtastgeschwindigkeit Vmax, sofort zu verkleinern.
Daher ist es möglich,
eine Messung auszuführen,
die in der Lage ist, eine Beschädigung
des zu vermessenden Objekts 2 zu verhindern oder zu verringern.
Genauer wird, wenn das Eigengewicht m der Messsonde 6 auf
500 g eingestellt ist, der Kippwinkel θ auf 0,00057 ° gesetzt,
und dadurch kann eine Kontaktkraft Fθ von 5 mgf erhalten werden.
-
Das
Eigengewicht der Messsonde 6 ist durch Montieren eines
Gewichts zwischen dem Führungselement 4 und
dem Stammelement 6b einstellbar.
-
Wie
aus der obigen Beschreibung hervorgeht, weist die Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung einen Aufbau auf, in dem der Wert der Kontaktkraft
Fθ schon
durch den Kippwinkel θ der
Messsonde 6 verändert
werden kann. Deshalb kann eine geeignete Messung sofort entsprechend
den Merkmalen des zu vermessenden Objekts 2 durchgeführt werden.
Die Messung kann wirksam ausgeführt
werden.
-
Das
Trägerelement 1,
welches das zu vermessende Objekt 2 trägt, wird in X-Achsenrichtung von
einem Antriebsmittel 12, wie einem Motor oder einem piezoelektrischen
Aktor angetrieben. Das Kontaktnadelelement 6a der Messsonde 6 tastet
das zu vermessende Objekt 2 entlang des Oberflächenprofils
des zu vermessenden Objekts 2 in der X-Achsenrichtung ab.
Bei der oben genannten Funktion entspricht die Kipprichtungsverstellung 1 des
Kontaktnadelelements 6a der Tiefe des Oberflächenprofils
des zu vermessenden Objekts 2. Die Positionsinformationen
des Kontaktnadelelements 6a werden vom ersten Positionserfassungselement 5 erfasst.
-
Die
Kipprichtungsverstellung 1 des Kontaktnadelelements 6a ist
eine relative Verstellung der Vorrichtung und des zu vermessenden
Objekts 2. Daher wird bzw. werden die Vorrichtung und/oder
das zu vermessende Objekt 2 relativ zum jeweils anderen bewegt,
und dadurch werden Oberflächenprofildaten des
zu vermessenden Objekts 2 erhalten.
-
Das
Abtasten in der X-Achsenrichtung wird mit Hilfe eines (nicht dargestellten)
Führungselements,
wie einer exakten hydrostatischen Gleiteinrichtung, die Gas, wie
Luft, oder Flüssigkeit,
wie Öl, verwendet,
durchgeführt.
Das Führungselement
wird durch Antriebseinrichtungen wie einen Gleichstrommotor, einen
Servomotor, einen linearen Motor, einen Schrittmotor, einen piezoelektrischen
Aktor oder einen Voice-Coil-Motor,
angetrieben. Die Erzeugung einer Vibration durch die Antriebseinrichtung
wird auf die folgende Weise verhindert. Das heißt, die Antriebseinrichtung
und das zweite Positionserfassungselement 9 sind so positioniert,
dass sie voneinander getrennt sind, oder ein vibrationsfreies Antriebssystem
durch Stromsteuerung wird verwendet. Außerdem wird die Vibration von
außen
auf die folgende Weise abgehalten. Das heißt, die gesamte Vorrichtung
ist auf den vibrationssicheren Tisch gestellt.
-
Da
der gemessene Wert l der in Kipprichtung ist, muss im obigen Aufbau
der Kippwinkel θ korrigiert werden,
um die Daten des aktuellen Oberflächenprofils (Rauhigkeit) des
Objekts 2 zu erhalten.
-
Was
den Kippwinkel θ der
Messsonde 6 zur Z-Achsenrichtung betrifft, so wird der
gemessene Wert l des ersten Positionserfassungselements 5 mit cosθ multipliziert,
und dadurch wird ein Korrekturwert L des tatsächlichen Oberflächenprofils
des zu vermessenden Objekts 2 erhalten. In der ersten Ausführungsform
führt der
Operationsabschnitt 13 die Operation L = l·cosθ aus. Der
gemessene Wert l wird durch die Operation in den Korrekturwert L
umgewandelt. Die X-Richtungs-Positionsdaten des Objekts 2 werden
vom zweiten Positionserfassungselement 9 erfasst. Der Korrekturwert
L und die X-Richtungs-Positionsdaten werden in Form eines Graphen aufgezeichnet,
und somit wird das Oberflächenprofil des
zu vermessenden Objekts 2 gemessen.
-
Entsprechend
der oben genannten ersten Ausführungsform
wird das Kippwinkel-Einstellungsmittel 3 gesteuert,
und dadurch kann die Kontaktkraft Fθ der Messsonde 6 an
dem zu vermessenden Objekt 2 sehr leicht eingestellt werden.
Da eine äußerst kleine
Kontaktkraft Fθ erhalten
wird, ist die Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils
daher vom Kontakt-Typ; trotzdem ist es möglich, Wirkungen zu erzielen,
die denen einer zerstörungsfreien
berührungsfreien
Vermessung des zu vermessenden Objekts 2 ähnlich sind.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Die
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 10 beschrieben. 10 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils
entsprechend der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der zweiten Ausführungsform werden ähnliche
Zahlen verwendet, um die gleichen Elemente wie in der ersten Ausführungsform
zu bezeichnen.
-
Die
Vorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform weist einen flachen
Bodenbasisabschnitt 21 auf. Der oben genannte Basisabschnitt 20 ist
am Bodenbasisabschnitt 21 über ein Kippwinkel-Einstellungsmittel 23 vorgesehen.
Das Kippwinkel-Einstellungsmittel 23 weist
eine Vielzahl von Winkeleinstellungselementen 2a und 23b auf
und entspricht in seiner Funktion dem Kippwinkel-Einstellungsmittel 3 der
ersten Ausführungsform
einschließlich
der oben genannten Modifizierungen. Der übrige Aufbau der in 10 dargestellten
Vorrichtung ist der gleiche wie in der ersten Ausführungsform,
außer dass
ein Befestigungselement 24 statt des Kippwinkel-Einstellungsmittels 3 verwendet
wird. Das heißt, ein
vorgegebener Kippwinkel θ zur
horizontalen Richtung kann auf alle folgenden Elemente angelegt werden.
Genauer sind diese Elemente der Tafelabschnitt 7, die Messsonde 6 auf
der Montageplatte 10, das Trägerelement 1, welches
das zu vermessende Objekt 2 trägt, und die ersten und zweiten
Positionserfassungselemente 5 und 9.
-
Die
Funktionsweise eines gleichen Elements wie in der ersten Ausführungsform
ist grundsätzlich die
gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
Das Prinzip, dass die Messsonde 6 das Oberflächenprofil des
zu vermessenden Objekts 2 misst, ist das gleiche wie in
der ersten Ausführungsform.
-
Entsprechend
der oben genannten zweiten Ausführungsform
verleiht das Kippwinkel-Einstellungsmittel 23 der Messsonde 6 und
dem zu vermessenden Objekt 2, das vom Trägerelement 1 getragen wird,
denselben Kippwinkel θ.
Daher kann die Vorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform dieselben
Wirkungen wie die Vorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform
erreichen. Ferner besteht kein Bedarf, den Kippwinkel θ auf den
gemessenen Wert l des ersten Positionserfassungselements 5 zu
korrigieren; daher können
die tatsächlichen
Oberflächenprofildaten
L direkt gemessen werden.
-
(Dritte Ausführungsform)
-
Die
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 11 beschrieben. 11 ist
eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Messung eines
Oberflächenprofils
entsprechend der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der dritten Ausführungsform werden gleiche Bezugszahlen
verwendet, um dieselben Elemente wie in der ersten Ausführungsform
zu bezeichnen. Ferner ist die Vorrichtung in der dritten Ausführungsform
auf eine Bearbeitungsmaschine zur maschinellen Bearbeitung einer Linse,
einer Metallform oder eines optischen Elements montiert.
-
Die
oben genannte Bearbeitungsmaschine weist eine Maschinenbasis 206 auf.
Die Maschinenbasis 206 ist mit einem X-Achsen-Positionserfassungselement 204 zur
Erfassung der X-Achsen-Bewegung und einem Z-Achsen-Positionserfassungselement 205 zur
Erfassung der Z-Achsen-Bewegung versehen. Ferner ist die Maschinenbasis 206 mit
einem beweglichen Z-Achsen-Element 203 und einem beweglichen
X-Achsen-Element 202 versehen. Das bewegliche Z-Achsen-Element 203 ist
so angeordnet, dass es mit dem beweglichen Z-Achsen-Positionserfassungselement 205 zusammenwirkt.
Das bewegliche X-Achsen-Element 202 bewegt sich in der X-Achsenrichtung
und trägt
die Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils. Ein Werkstück-Drehelement 201 zum
drehenden Tragen des zu vermessenden Objekts 2 ist am beweglichen
Z-Achsen-Element 203 angebracht.
Das vom Werkstück-Drehelement 201 getragene
zu ver messende Objekt 2 und die Messsonde 6 sind
so angeordnet, dass sie vom beweglichen Z-Achsenelement 203 relativ
zueinander in der X-Achsenrichtung bewegt werden können, während sie
vom beweglichen Z-Achsen-Element 203 relativ zueinander
in der Z-Achsenrichtung bewegt werden können.
-
Die
Bearbeitungsmaschine mit dem oben genannten Aufbau kann das zu vermessende
Objekt 2 auf ein gewünschtes
Profil bearbeiten, wobei sie (nicht dargestellte) Bearbeitungswerkzeuge
wie ein Drehwerkzeug, ein Schleifsteinelement oder ein Polierelement
verwendet.
-
Die
Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils weist grundsätzlich denselben
Aufbau auf wie in der ersten Ausführungsform. Jedoch ist die Vorrichtung
vollständig
mit einer Abdeckung 207 bedeckt. Am distalen Ende der Abdeckung 207 ist
eine (nicht dargestellte) Öffnung
ausgebildet. Die Messsonde 6 der Vorrichtung steht durch
die oben genannte Öffnung über die
Abdeckung 207 hinaus und das Kontaktnadelelement 6a der
Messsonde 6 ist so angeordnet, dass es das zu vermessende
Objekt 2, das vom Werkstück-Drehelement 201 getragen
wird, berührt.
-
Ferner
ist an der Proximalendseite der Abdeckung 207 eine andere Öffnung ausgebildet.
Diese anderen Öffnungen
werden verwendet, um ein Kabel 208 des ersten Positionserfassungselements 5 und einen
Spülluft-Zufuhrschlauch 209,
mit dem der Innendruck der Abdeckung 207 positiv gemacht
wird, einzuführen.
-
Die
Funktionsweise eines gleichen Elements wie in der ersten Ausführungsform
ist grundsätzlich die
gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
Das Prinzip, dass die Messsonde 6 das Oberflächenprofil des
zu vermessenden Objekts 2 misst, ist das gleiche wie in
der ersten Ausführungsform.
-
Da
die Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils der dritten Ausführungsform
ganz mit der Abdeckung 207 bedeckt ist, kann verhindert
werden, dass zerstäubtes
Arbeitsfluid und/oder Staub, wie Spanpulver des Werkstücks, während der Bearbeitung
des zu vermessenden Objekts haften bleibt. Da der Innendruck der
Abdeckung 207 durch den Spülluft-Zufuhrschlauch 209 positiv
gemacht wird, kann verhindert werden, dass der Sprühnebel und/oder
der Staub mit der Abdeckung 207 in Kontakt kommt.
-
Entsprechend
der oben genannten dritten Ausführungsform
kann, da die Vorrichtung zur Messung eines Oberflächenprofils
entsprechend der ersten Ausführungsform
an der Bearbeitungsmaschine montiert ist, das Oberflächenprofil
des zu vermessenden Objekts 2 auf der Bearbeitungsmaschine
gemessen werden. Selbst wenn das Verfahren zur Messung des Oberflächenprofils
und das Verfahren zur Bearbeitung des zu vermessenden Objekts 2 abwechselnd
ausgeführt
werden, ist es möglich,
das zu vermessende Objekt 2 zu vermessen und zu bewerten,
ohne es abzunehmen und erneut zu befestigen. Ferner ist es möglich, einen
Messfehler aufgrund des genannten Abnehmens/Neubefestigens und der Änderung
der Messumgebung zu verhindern. Ferner ist es möglich, die Einstellungszeit
aufgrund des genannten Abnehmens/Neubefestigens einzusparen.
-
Weitere
Vorteile und Modifizierungen werden dem Fachmann ohne Weiteres ersichtlich
sein. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht auf
die spezifischen Einzelheiten und typischen Ausführungsformen beschränkt, die
hierin gezeigt und beschrieben sind. Demgemäß können verschiedene Modifizierungen
durchgeführt
werden, ohne vom Bereich des erfinderischen Gedankens abzuweichen, der
in den beigefügten
Ansprüchen
und ihren Äquivalenten
definiert ist.