JPH10160405A - 薄層の厚みの測定装置および薄層の厚みを測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚みが低μｍの範囲内にある薄層の厚みを測
定する装置を提供する。 【解決手段】 支持アーム４の一方の末端領域に測定用
プローブ３を備え、プローブ３の測定用ポール８は、層
の表面に置くことができ、また、前記支持アーム４の下
部末端領域に制動装置を備え、支持アーム４の軸受装置
６を備え、かつ磁力を用いて支持アームを作動させる駆
動装置を備えてなり、前記軸受装置６は、ねじりコイル
ばね手段３１を備え、その手段の二つの末端は各々、ピ
ボット面に対して横方向に、それ自体の軸受ブロック３
２，３３に固定され、そしてピボット運動は、少なくと
も本質的に、ねじりコイルばね手段３１のフックの法則
の範囲内にあり、かつ制動装置は渦流電流による制動の
原理で作動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、本願のメインクレ
ームの前提部分による薄層の厚みの装置およびその装置
に関連する薄層の厚みを測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】いくつかの産業部門、まず第一に自動車
産業では、百万〜一千万個の範囲の莫大な数の部品が製
造されている。例えばノズルの端面と噴射弁のアンカリ
ングはクロムメッキされている。そのクロム層の厚み
は、３〜８μｍの範囲内の予め決められた限度内でなけ
ればならない。その測定される面は、一般的に直径が４
ｍｍで幅が０．５〜１．５ｍｍの環状形態である。この
種の部品は、極めて正確な量の燃料を、エンジン室に、
電子制御によって噴射する。この噴射はある時間間隔で
行われそのサイクルタイムはタイミングシステムによっ
て予め決定しておかねばならない。これら部品の一般的
な応力サイクル数は約１億であり、それはエンジンを約
１６０，０００ｋｍ運転したことに相当する。これら部
品のクロム層が薄すぎると、こう着を起こす危険があ
る。すなわちエンジン室への燃料供給が不十分になる危
険がある。逆にクロム層が厚すぎると、噴射弁が閉じな
いで過剰量の燃料が噴射される危険がある。この場合、
エンジンが発火する危険さえあり、この場合、一般にメ
ーカーの責任になる。

【０００３】これらの理由のため、これらの部品を単に
無作為にサンプリングして測定するだけでなく、個々の
部品が各々、予め決められた許容差内に保持されている
ことを検査する必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この目的
のために使用される測定システムは、正確に機能するこ
とが不可欠な高度に鋭敏な部品を、容認可能な経費で連
続的に測定できるように、負荷に対する耐性が高くなけ
ればならない。

【０００５】特に非常に硬質で端縁が角ばった結晶のク
ロムの層を測定する場合、測定システムの実用寿命を長
くすることは困難である。

【０００６】薄い層を測定する場合に一層難しいのは、
触覚測定法を用いると、測定される層が測定中に変形し
たりまたは他の様式で変化して測定が不正確になる危険
が常にあることである。上記のことに鑑み、本発明の目
的は、薄層の厚みを正確に測定することができ同時に長
い実用寿命を有する装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、この目
的は、請求項１に係る発明の特徴部分によって達成する
ことができる。請求項１に係る薄層の厚みの測定装置
は、厚みが低μｍの範囲内の薄層の厚みを測定する装置
であって、軽量の支持アームを備え、前記支持アームの
一端の領域に測定用プローブを備え、該プローブの測定
用ポールはピボット運動の後、該薄層の表面上に置くこ
とができ、前記支持アームの他の一端の領域に制動装置
を備え、支持アームの軸受装置を備え、該軸受装置の幾
何学的ピボット軸線が、ピボット運動の幾何学的ピボッ
ト面に垂直に延び、さらに前記支持アームの駆動装置を
備え、該駆動装置は磁力を利用して作動し、前記ピボッ
ト面に対して対称に設計されかつこの永久磁石を備え、
これら永久磁石は前記支持アームに接続され、そして該
永久磁石の同じ極が各場合に、該ピボット面の両側に位
置してなり； （ａ）前記軸受装置（６）がねじりコイルばね手段（３
１）を備え、その二つの末端が各々、前記ピボット面に
対し横方向へ、それら自体の軸受ブロック（３２，３
３）に固定され、（ｂ）前記ピボット運動が、少なくと
も本質的にねじりコイルばね手段（３１）のフックの法
則の範囲内にあり、（ｃ）前記制動装置が、渦電流制御
の原理で作動しそしてピボット面の両面に配置されかつ
各々ピボット面の方に向いた内面（７２）を有する制電
プレート（６７）を備え、永久磁石（２４，２５）の磁
極に向かい合いかつ該磁極から短い距離をおいて配置さ
れ、特にピボット面に平行に配置されて磁力線と交差
し、（ｄ）電線路を通じてトリガーできる少なくとも一
つの電磁駆動コイル（７１）が前記制電プレート（６
７）の外側に設けられている、というものである。

【０００８】この発明においては、操作中、支持アーム
に配置されている測定用プローブは、磁力を使用して作
動する駆動装置によって、非常に迅速にかつ可能な最短
時間で層の表面まで移動する。この移動中、支持アーム
は、軸受装置でピボットし、ねぢりコイルばね手段が本
質的にフックの法則の範囲内でねじれる。その結果、上
記ピボッティングは事実上、摩擦なしで行われる。制動
装置が、測定用プローブが被測定表面を高速度でたたく
のを防止する。渦電流による制動の利点は、特に、静摩
擦から滑り摩擦に移行する間にかなり変動して、これが
特に測定用プローブが被測定層上に置かれる直前または
この作動中には不利になる機械的摩擦とは全く異なるこ
とである。渦電流による制御のその外の利点は、測定用
プローブの速度が低下するにつれて、制動力が低下し、
その結果、測定用プローブを被測定層上に穏やかに置く
ことが容易になることである。

【０００９】駆動装置は、迅速に応答し簡単に制御でき
る電気駆動コイルで実現される。

【００１０】本発明の測定装置のその外の有利な配置形
態は請求項２〜２４の発明を形成している。

【００１１】噴射弁の生産数が多いことにかんがみ、さ
らに実施する必要があることは、層の厚みの測定を、高
い精密さで短時間内に実施することである。

【００１２】したがって、本発明の別の目的は、一方で
は、測定を非常に迅速に行い、他方では、測定操作で起
こる被測定層の変化を避けることができる測定法を特定
することである。

【００１３】この目的は、本発明に従い、請求項２５に
記載の方法によって達成される。

【００１４】請求項２５に係る発明の薄層の厚みを測定
する方法は、電気的方法を用いて薄層の厚みを測定する
方法であり、測定を行うため、測定用プローブを被測定
層上に置く方法であって； ａ）接近相において、測定用プローブ（３）を出発位置
から被測定層に向けて高速度で運び、 ｂ）減速相において、測定用プローブ（３）が、層の上
に置かれて測定位置をとるときの速度まで減速され、測
定用プローブ（３）が被測定層の上に置かれるときの速
度は、その層が損傷する可能性がないように低く、 ｃ）測定相において、被測定層上の測定位置における測
定用プローブ（３）の圧力が増大し、次いで ｄ）戻り相において、測定用プローブ（３）が、復原力
によって出発位置まで戻される、というものである。

【００１５】本発明の方法において、とりわけ、測定用
プローブは、接近相において、被測定層へ向けて高速度
で運ばれる。その結果、測定用プローブは、短時間で、
大部分の距離を進む。その結果、その全測定を行うのに
必要な時間はかなり短くなる。しかし、測定プローブ
が、被測定層をこの速度でたたくと、層が損傷する。し
たがって、続く減速相で、測定用プローブの移動は、被
測定層の損傷が起こりえない程度まで減速される。理想
的な状態では、測定用プローブは、被測定層と接触する
と、正確に静止する。

【００１６】指定の測定条件を作るため、および異種物
質または塵埃の粒子を除くため、次の測定相において、
測定用プローブは、作動中のコイルによって生成する測
定力によって被測定層に押圧される。

【００１７】本発明の方法の作動サイクルは、本発明の
方法の戻り相で終わり、この相では、測定用プローブが
復原力によってその出発位置まで戻る。

【００１８】有利な代表的実施態様で、復原力は、駆動
コイルによって少なくとも、部分生成されることができ
る。

【００１９】最後に、本発明の目的は、本発明の方法を
実施可能にする具体的方法を提供することである。

【００２０】この目的は請求項２７の発明によって達成
される。請求項２７に係る発明は、厚みが低いμｍの範
囲内にある薄層を測定する装置を制御する方法であっ
て；測定用ポール（８）が層の表面上に置かれるまでほ
とんど無限の距離から測定用プローブ（３）を移動させ
るため、電流を少なくとも一つの駆動コイル（７１）に
供給し、その電流は、その第一の大きさで供給し続ける
と、測定用ポール（８）は層を打って衝撃を与え；測定
用プローブ（３）が近くの領域に到達したとき、測定用
ポール（８）は、電流を第一の大きさの何分の一かまで
減らして第二の大きさかまたはゼロにし、この第二の大
きさは、測定用ポール（８）が層上に置かれるまで維持
され；測定用ポール（８）が層上に置かれた後、測定用
ポール（８）被測定層をしっかり押圧するのに十分な高
い第三の大きさまで電流を増大する；というものであ
る。

【００２１】本発明の有利な改良は請求項２８の主題で
ある。請求項２８に係る発明は、請求項２７のものにお
いて、測定操作の後、負の電流を供給して、測定用プロ
ーブ（３）戻りを加速する、というものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の代表的な実施態様を下記
図面で例証する。

【００２３】図１は、全体を番号１で示す測定システム
を示す。測定システム１は、本質的に基台２、測定用プ
ローブ３、支持アーム４および支持アーム４の軸受装置
６で構成されている。

【００２４】測定用プローブ３は、作動中、被測定層を
有する測定物体の上に載置され、細長い支持アーム４の
一端７に配置されている。測定用プローブ３は、図１に
は見ることができないが、電磁界を発生させるため、励
磁巻線を備えている。その励磁巻線は、透磁性が高い材
料で製造された測定用ポールを囲み、そのポールの下端
は測定用プローブ３から突出している。球形の配置面３
を形成する硬質ピンが、測定用ポールのこの一端に設置
されている。さらに誘導巻線が測定用ポールのまわりに
巻かれている。励磁巻線によって発生する電磁界は、測
定用ポールの下端の被測定層の厚みの関数として変化す
る。その磁界の変化は、誘導コイルによって測定・評価
される。このような測定用プローブ３は、例えばドイツ
特許第Ｃ３４３７２５３号から公知である。

【００２５】図３（ａ）（ｂ）は支持アーム４を示し、
このアームはＴ字形である。中央部にＶ字形の溝１１が
設けられたばね青銅製の薄い帯状体が、支持アーム４の
横ウエブ９を形成している。同じ材料で製造された縦ウ
エブ１２が溝１１の中にはめこまれ、接着剤の二つのシ
ーム１３と１４によって横ウエブ９に接着されている。
すなわち、横ウエブ９がその縦方向中央領域にＶ字形の
溝１１を有し、その溝１１が縦ウエブ１２の縦方向の端
縁を収納している。接着剤による結合によって、支持ア
ーム４の質量を大きく増大することなく材料どうしを安
定して結合させることができる。ばね青銅を機械的に処
理している間に材料中に応力が生じるのを避けるため、
横ウエブ９と縦ウエブ１２の外形は、厚みが例えば１０
０μｍのホイルを化学的にに切削加工して製造される。
図１に示されているように、縦ウエブ１２は、タブ様で
幅広の三つの部分（タブ）１６，１７，１８を備えてい
る。中央の第一タブ１６は、支持アーム４を約１：２の
比率で二つの部分１９，２１に分割し、図１では下方に
向いている。第一タブ１６には通孔２２が設けられ、そ
の中に保持部材２３が挿入されている。その保持部材２
３は第一タブ１６に接着剤で結合されている。

【００２６】支持アーム４の縦ウエブ１２の第二タブ１
７は短い部分１９の末端に設置され、第一タブ１６と同
様に図１において下方に向いている。この第二タブ１７
はトングを形成し、その両面に、平坦な円筒形永久磁石
２４，２５が例えば接着剤による結合で固定されている
（図３（ａ））。これら二つの磁石２４，２５は、例え
ば１．２Ｔという高い界磁強度を有し、それらの磁極
は、二つの異なる磁極が互いに反対側にあるように配向
され、第二タブ１７によって隔てられている。磁界線
は、第二の外部磁極に戻って入るように、外側に設置さ
れかつ第二タブ１７に対して反対側に向いている磁極か
ら発生する。これによって、磁石２４，２６の外側に軸
に対し対称の磁界が生成する。

【００２７】支持アーム４の反対側の末端には、縦ウエ
ブ１２の第三タブ１８が設置され、そのタブ１８は、他
の二つのタブ１６，１７に対して反対方向、すなわち図
１において上方に向いている。第三タブ１８の領域にお
いて、縦ウエブ１２は横ウエブ９を超えて突出してい
る。したがって、第三タブ１８上に、測定用プローブ３
を横ウエブ９からの干渉なしで保持することができる。
第三タブ１８と測定用プローブ３は接着剤による結合に
よってしっかり結合されている。図１は第三タブ１８の
上方に測定用プローブ３を線図で示している。

【００２８】図４（ａ）（ｂ）は保持部材２３を詳細に
示す。保持部材２３には幅の狭いカラー２６が設けら
れ、そのカラー２６は通孔２２のエッジと接触して、保
持部材２３の取付け位置が固定されている。図４（ａ）
において上方に向いている面上に、保持部材２３は、平
坦部分２７を有し、その平坦部分２７には、その幅全体
を占める溝２８が設けられている。さらに、保持部材２
３には半径方向の溝２９が設置され、その溝２９が保持
部材２３の全長にわたって延びている。溝２９は溝ベー
ス３０を有し、そのベース３０は本質的に保持部材２３
の中心軸線にそって延びている。

【００２９】図１から分かるように、テンショニングベ
ルトとして設計されたばね帯状体３１が溝２８に保持さ
れ、保持部材２３に接着剤で結合されている。そのばね
帯状体３１は支持アーム４のピボット軸線を形成し、そ
の軸線は保持部材２３の中央軸線と一致している。支持
アーム４がピボットすると、ばね帯状体３１がねじれる
が、ねじりは常にフックの法則の範囲内にあるので永久
的な機械的摩擦はない。その結果、測定は再現可能でか
つ高い測定精度で行うことができる。ばね帯状体３１に
は成形中に機械的処理を行ったため、応力が生じること
があるがこの応力を避けるため、ばね帯状体３１は、化
学的切削加工によってホイルから正しい形態にする。こ
のばね帯状体に適した材料は、銅−ベリウム（Ｃｕ−Ｂ
ｅ）（ベリウムの比率は２％）である。

【００３０】上記目的を達成するため、重ね板ばねの形
態の二つのテンショニングブラケット３２，３３が基台
２の互いに反対側の二つの面に、例えばねじで固定設置
されていることが図１と図２から分かる。テンショニン
グブラケット３２，３３は、ばね帯状体３１と異なり、
支持アーム４と同様に安価なばね青銅製である。これら
ブラケット３２，３３は基台２の面に対し直角方向に延
出し、基台２に対して外側へセッチング(pretension, p
restressing)がなされている。テンショニングブラケッ
ト３２，３３は、自由端３４，３６（図２）に各々、二
つの溝穴３７，３８が設けられ、その結果、テンショニ
ングブラケット３２，３３は各々、この領域に三つのタ
ブ４１，４２，４３を備えている。図２から最もよく分
かるように、それぞれの中央タブ４２の上部領域は、十
分に内側へ湾曲して、その自由端４４が下方に向いてい
る。その結果、タブ４２の中央領域に丸い面４６が生
じ、その面の上にばね帯状体３１が載置されている。し
たがって、中央タブ４２は、幅がばね帯状体３１とほぼ
同じであることが有利であり、ばね帯状体は、テンショ
ニングブラケット３２，３３の上に載っているとき両側
が下方に湾曲している。連結するため、ばね帯状体３１
は、例えば、前記丸い面４６からある距離をおいてテン
ショニングブラケット３２，３３に接着剤で結合させ
る。ばね帯状体３１をこのような方式で案内して連結す
ると、ばね帯状体３１が変形するのを避けることができ
る。しかし、同時に、接着剤による結合によって、ばね
帯状体３１は、その縦方向にわずかな引張応力がかかっ
ている。

【００３１】このように、支持アーム４は、弾性を保持
して取り付けられ、ばね帯状体３１のまわりをピボット
可能な二つのアームのレバーを形成している。支持アー
ム４のレバーアーム１９，２１の長さは、支持アーム４
が釣り合うように選択される。支持アーム４がピボット
すると、ばね帯状体３１はねじれて復原力を発生する。
ばね帯状体３１の復原力によって、支持アーム４は、常
にその水平の載置位置まで戻り、その復原力が除かれ
る。中央タブ４２の丸い面４６によって、ばね帯状体３
１が、ねじれたとき、いずれの部分もゆがんだりまたは
摩擦、ノッチングまたは追加のねじりのモーメントを起
こすいくつかの他の形態の負荷を受けることがないよう
に保証される。

【００３２】また、ばね帯状体３１は、その幅によっ
て、支持アーム４を、確実に、帯状体３１の縦方向に対
して横方向に向いている支持アーム４を適切に案内し
て、測定用ポールの高い位置決め精度に寄与している。
しかし、別の代表的実施態様で、このばね帯状体３１は
ねじりワイヤで代替することができる。

【００３３】励磁コイルおよび測定用プローブ３の誘導
コイルの各場合二つづつの電気接続リード線が、横ウエ
ブ９と縦ウエブ１２の間のコーナー領域の保持部材２３
に、対で案内されている。これら接続リード線は、次
に、支持アーム４から外側へ、テンショニングブラケッ
ト３２，３３の方へ、保持部材２３の中央に本来、設け
られている溝２９を通って案内される。接続リード線の
この種の対称形の案内によって、接続リード線は特に簡
単にかつ安定して取り付けることができるので、作動中
に移動せず、支持アーム４の平衡を阻害したりまたは摩
擦を生じることがない。さらに、支持アーム４がピボッ
トする場合、接続リード線は、そのピボット軸線とほと
んど正確に一致しているので実際には全く移動しない。
さらに、このリード線は、ピボット軸線のすぐ近くに位
置しかつ極めて短い能動レバーアームが結合されている
ため、支持アーム４にトルクを発生できない。なおこの
トルクは支持アーム４にかなりの影響を与える。最後
に、接続リード線は、保持部材23から、各テンショニン
グブラケット３２，３３の開口３７を通って、例えば端
子に接続する。

【００３４】測定用プローブの電流の強さは、例えば、
ライン断面積４×１０^-4ｍｍ² が十分であるように選択
される。原則として、絶縁中間被膜を介在させて支持ア
ーム４に接着剤で結合された、エッチングを行った導体
トラック(etched conductortrack)を通じて電流を送る
こともできる。このようにして、支持アーム４の重量を
さらに減らして簡単に製造することができる。

【００３５】図５は、長方形の底部材５１に組み込まれ
た測定システム１を示す。明確に示すため、基台２とテ
ンショニングブラケット３２，３３を備えてなる、支持
アーム４の軸受装置６は省略してある。この場合、底部
材５１は本質的に長方形の開口５２を有し、その寸法
は、一方ではテンショニングブラケット３２，３３をそ
の側部にスペースを置いて収容可能で、他方では基台２
を開口５２の上に係合（載置）できる寸法である。基台
２には二つの細長い通孔が設けられ、その一方だけが見
えて参照番号５３で示されているが、基台２は、底部材
５１上で横方向に調節することができる。基台２は、設
置された位置で底部材５１の方に向いている面に、二つ
の低い長方形の突出部５６，５７を有し、これらの突出
部は底部材５１の横溝５８と係合している。このよう
に、基台２は底部材５１上で回転できない。同時に、そ
の縦方向の正確な位置が固定される。

【００３６】図６（ａ）は、下方から見た底部材５１を
示す。底部材５１には支持アーム４用の溝穴５９が設け
られ、その溝穴５９は、支持アーム４がその中でピボッ
ト可能なように十分に長い。溝穴５９の幅は、基台２
が、その細長い通孔にそって、調節可能性を最大限に利
用するときでも、溝穴５９の側壁６１，６２と接触しな
いような寸法である。

【００３７】支持アーム４は、測定用プローブ３を有す
るその部分（レバーアーム）２１によって、底部材５１
の上方に突出し、末端が閉鎖されているスリーブ６３に
よって機械的損傷を受けないよう保護されている。その
スリーブ６３は測定用開口６４を備え、支持アーム４が
移動すると、測定用プローブ３は開口６４を通過するこ
とができる。図６（ｂ）から分かるように、底部材５１
の開口５２に平行して、細長い凹部６６が設けられ、そ
の凹部６６に、二つの同一のＬ字形の制動プレート６７
が挿入されている。明確に示すため、図６（ｂ）には、
測定システムを示していない。

【００３８】駆動コイル７１が、各制動プレート６７の
広幅リム６９の各外面に配置されている。制動板６７が
凹部６６中に装着されると、二つの制動板６７の二つの
駆動コイル７１が互いに同心で配置される。直流電流が
これら駆動コイル７１に流れると、線対称の時間的に変
化しない磁界が、永久磁石として生成する。駆動コイル
７１の対称結合軸線(joint axix of symmetry)７０（図
５）は、前記装着位置で、永久磁石２４，２５の対称軸
線に対してずれた位置にあり、この場合、それぞれの磁
界は少なくとも一部分オーバーラップし、そしてこれら
磁界の極性が同じ場合、両者の間に引力が生じる。この
引力によって、支持アーム４が移動し、その結果、測定
用プローブ３が被測定表面に向かって移動する。

【００３９】図７は、一方の制動板６７の内側面７２の
平面図を示す。制動板６７は幅広リム６９と幅狭リム７
３を備え、幅広リム６９は厚みが幅狭リム７３より薄
い。さらにトラフ様凹部７４が幅広リム６９の中央に配
置されている。これら二つの制動プレート６７の幅広リ
ム６９は底部材５１の凹部６６中に突出している。幅が
狭くて厚いリム７３が互いに支え合い、その結果、幅広
リム６９の方が寸法が小さいので幅広リム６９の間に間
隙がある。この間隙の中に、横ウエブ９が溝１１の幅ま
で狭くなっている。支持アーム４の領域が突出してい
る。取り付けられた位置で、永久磁石２４，２５は、制
動プレート６７の幅広リム６９の二つのトラフ様凹部７
４で形成されている空間内で自由に移動可能であり、制
動板間に形成された間隙はできるだけ小さくしてその空
隙内に延びる力線(force line)はできるだけ少なくす
る。

【００４０】これら制動プレート６７は、永久磁石２
４，２５と相互に作用して、支持アーム４を制動する渦
電流を生じ、制動プレート６７は測定システム１に固定
配置される。渦電流による制動は、磁界と導体との間の
相対運動によって電流が誘導されるという原理に基づい
ている。その電流は、前記の相対運動とは反対の方向に
減速力を生成するように流される。前記相対移動の制動
を起こす減速力は、磁界が通過する導体の導電率が増大
するにつれて増大する。この理由のため、本発明によれ
ば、制動プレート６７は電気銅で製造される。電気銅
は、特に導電率が高いことによって知られている。

【００４１】支持アーム４は、ばね帯状体３１から摩擦
なしで懸垂されているのでその運動を制動する必要があ
る。測定用プローブ３は、制動されずに、駆動コイル７
１に引き付けられると、減速されずに被測定層をたたい
てその層を損傷する。しかし機械的制動は、この方法に
よって起こる制動が過大に変動するので不適である。さ
らに、静摩擦から滑り摩擦に移行して摩擦係数が極端に
異なると、例えば測定用プローブ３がすでに被測定表面
にごく近い状態の場合、測定が困難になる。渦電流によ
る制動が特に有利なのは、測定用プローブ３が静止して
いるときは制動力が消失していることである。本発明の
構造では、永久磁石２４，２６が支持アーム４に配置さ
れ、静止している制動プレート６７に対して移動可能で
あり、支持アーム４の重量が最小限に小さいこととあり
よって、過電流による制動の効率が最高になる。

【００４２】本発明の装置を腐食性環境下で作動させた
い場合、渦電流による制動の機能を損なうことなく、銅
板を全メッキすることは容易に行うことができる。

【００４３】また、測定システム１の移動重量をできる
だけ小さくして該システムの運動のエネルギーをできる
だけ小さくし、所定の制動作動によって迅速な減速を行
うことが、制動の態様にとって望ましい。

【００４４】本発明の代表的な実施態様において、その
質量は約０．５ｇであり、その質量をさらに減少させれ
ば、設定される必要条件に対していくつもの利点がもた
らされるであろう。測定用プローブが、被測定層の上に
置かれるときに測定システムの速度を下げることが非常
に効果的である。運動のエネルギーは、速度の二乗のみ
ならず質量の一乗によって決まることは知られている。

【００４５】底部材５１の別のハウジング部分に接続さ
れ、二つの末端プレート７６，７７だけがしめされてい
る。このように、全装置は、環境の影響と機械的損傷か
ら保護されている。

【００４６】上記装置は以下のように機能する。

【００４７】層の厚み測定は、図８と図９に示すいくつ
ものステップで実施される。図８は、測定用プローブ３
が進む距離を、相対距離で相対時間単位に対してプロッ
トして示す。相対距離単位は、被測定層が測定用プロー
ブに対してもはや作用しない場合のプローブの位置を示
す。相対距離単位は層が測定される位置を示す。図９
は、駆動コイル７１を流れる電流の関連時間曲線を示
す。

【００４８】ａ）第一時間間隔Ｔ１において、高電流が
駆動コイル７１に流され、支持アーム４を強く加速し
て、測定用プローブ３を被測定層に向けて高速度で動か
す。測定用プローブ３が進む距離は、図８に実線Ｉで示
されている。高分解能プローブの場合、測定用プローブ
３は、例えば測定部位から１ｍｍの距離の位置に配置さ
れている。分解能が余り高くないプローブの場合、測定
部位からの距離は２ｍｍであり、このとき、無限点（出
発位置の測定用プローブ）から被測定物体までの時間は
ごくわずかに大きい。時間間隔T1の最後で測定用プロー
ブ３は部位Ａ１すなわち被測定層に非常に近い位置にあ
る。コイル電流がその強さを維持すると、測定用プロー
ブ３は、点線で示されているように層を高速度で打つで
あろう。この場合、被測定層は損傷を受けかつ測定ポー
ルは速く摩耗するであろう。

【００４９】ｂ）この理由から、第二時間間隔Ｔ２の過
程で、コイル電流は、かなり低い値にまたはゼロにまで
低下させる。ここで、支持アーム４は、渦電流制動の作
用およびばね帯状体３１の復原力の増大によってかなり
減速される。渦電流制動の特性は、制動によって速度を
低下させて、測定用プローブ３を非常に低い速度で層上
に穏やかに置く特性である。この配置が行われる時点は
図８にＡ２で示してある。この時点でも、プローブシス
テム１の移動する質量が小さいことは有利な効果があ
る。すなわち、位置決め時の速度が低いと、プローブシ
ステム１の運度エネルギーは非常に小さいので、被測定
層は損傷を受けることなくかつ測定用ポールは保護され
る。

【００５０】ｃ）次に、第三の時間間隔Ｔ３において、
コイル電流は、測定用プローブ３に所定の圧力を生じさ
せるため、例えば最初のレベルで再び増大させる。その
圧力は、非常に優れた測定の再現性がえられるよう十分
に高いが、被測定層が変形しないように十分低い圧力で
ある。同時に、その圧力によって、あらゆる粒子が脇へ
おしやられる。この時間間隔Ｔ３中に、被測定層の厚み
が、誘導法によってそれ自体公知の方法で測定される。

【００５１】ｄ）測定が終わった後、測定用プローブ３
を被測定物体から再び移動させる。この移動は、一方で
は、ばね帯状体31の復原力によって、他方ではコイル電
流の方向を逆にすることによって、駆動コイル７１と永
久磁石２４，２５の間に反発力を生じさせて行われる。
特に、プローブ３を被測定層の上に置くときの速度がで
きるだけ低く保持されることは、層の厚みを測定する個
々のステップから明らかである。特に、本発明のシステ
ム全体の質量が非常に低いので、システムの慣性をかな
り低くできるから、上記のことが可能になることは明ら
かである。

【００５２】本発明の装置は、測定用ポールと被測定層
を最大限保護しながら１秒間当り１０回測定することが
できる。

【００５３】比較するため、図８に、支持アーム４の非
周期的制動の場合をプロットした実線ＩＩを示す。この
場合、測定用プローブ３は表面に漸近的に近づいて、測
定用ポールが、速度ゼロで表面上に置かれる。この方式
は、表面と測定用ポールを保護することについては最適
のシナリオである。しかし、測定用プローブを表面上ま
で運ぶのに、先に説明した本発明の実施態様の場合より
かなり長い時間がかかるので、これに対して単位時間当
り可能な測定回数が減少する。

【００５４】この場合、当然のことであるが、図９に示
すコイル電流の曲線は実線Ｉで示す曲線とは異なってい
る。例えば、そのコイル電流は段階的な場合（破線Ｉ
Ｉ）または連続曲線（一点鎖線ＩＩＩ）の電流の場合が
ある。

【００５５】駆動コイル７１の電流の方向を逆にするこ
とによって、測定用プローブ３を減速させることも考え
られる。しかしこれを行うには、極性を逆にして正確に
規定して観察する瞬間が必要である。減速作動が始まる
瞬間における変化が非常にわずかであっても、そのと
き、測定用ポールは、制御されていない状態で層の上に
置かれる。その結果、測定用ポールの摩耗が増大し、被
測定層が損傷しかつ測定の再現性が劣るようになる。

【００５６】例えば、四百万回というような極めて多数
の測定を行って、測定用プローブが摩耗した場合、新品
と取り替えることができる。本発明の装置の他の部品
は、事実上、摩耗することなく作動し、さらに長期間に
わたって作動させることができる。

【００５７】次に、本発明に係る上記装置または方法の
好ましい実施形態を列挙する。

【００５８】（１）前記二つの軸受ブロック３２，３３
の少なくとも一つがテンショニングブラケットによって
形成され、そのブラケットが、前記ねじりコイルばね手
段３１を、その縦方向の引張り応力下に置く。

【００５９】（２）前記ねじりコイルばね手段３１が、
金属製フォイル帯状体で形成されている。

【００６０】（３）前記フォイル帯状体３１、横ウエブ
９の縦方向に対して本質的に横方向に延びている。

【００６１】（４）フォイル帯状体３１に、少なくとも
本質的に内部応力がない。

【００６２】（５）フォイル帯状体３１が、その外形を
化学的切削加工でつくることによって製造される。

【００６３】（６）前記支持アーム４が、前記ピボット
面に対し少なくとも本質的に垂直に延びる横ウエブ９お
よび前記ピボット面に対し少なくとも本質的に平行に延
びる縦ウエブ１２を備え、そして縦ウエブ１２は、縦方
向の端縁が横ウエブ９の中央に当接して一体にかつ応力
なしで結合されている。

【００６４】（７）前記ウエブ９，１２のうち少なくと
も一方が、応力なしで化学的切削加工で製造される。

【００６５】（８）前記軸受装置６が一対の重ね板ばね
３２，３３を備えてなり、その一対の重ね板ばねは、セ
ッチングによって外側に湾曲しかつその自由末端の領域
に、フォイル帯状体３１のそれぞれの末端領域が少なく
とも間接的に結合されている。

【００６６】（９）前記一対の重ね板ばね３２，３３の
うち少なくとも一つの重ね板ばねが、その自由末端領域
３４，３６をフレームを用いてＬ字形に曲げられた丸い
面４６を形成し、そしてフォイル帯状体３１が自由Ｌ字
形ウエブ上に延び、丸い面４６のまわりに延び、次いで
前記丸い面４６から比較的大きな距離をおいた位置で重
ね板ばね３２，３３に連結されている。

【００６７】（１０）前記丸い面４６が、前記ピボット
軸線に平行に延びかつ曲げ半径である一定の半径を有す
る。

【００６８】（１１）前記支持アーム４が、フォイル帯
状体３１の領域において、フォイル帯状体３１がワンピ
ースで通過する突出タブ１６を備えている。

【００６９】（１２）溝２８内に、平坦なフォイル帯状
体３１を、その応力がかかっていない状態で保持する保
持部材２３が設けられ、一方、その保持部材２３は支持
アーム４にしっかりと結合されている。

【００７０】（１３）測定用プローブ３の電気接続リー
ド線が、支持アームに取り付けられ、次で支持アーム４
のピボット軸線の近くで、保持部材２３の少なくとも一
つの半径方向の溝２９を通じて案内される。

【００７１】（１４）フォイル帯状体３１が、そのねじ
り領域において、接続リード線に接続されていない。

【００７２】（１５）接続リード線が、縦ウエブ１２に
対し、対称に、接着剤で結合されている。

【００７３】（１６）接着位置が、横ウエブ９と縦ウエ
ブ１２の間のコーナー領域内にある。

【００７４】（１７）横ウエブ９が、その縦方向中央領
域に、Ｖ字形の溝１１を有し、その溝が縦ウエブ１２の
縦方向の端縁を収納している。

【００７５】（１８）ピボット運動が、金属製フォイル
帯状体３１のフックの法則の範囲内の出発範囲内にあ
る。

【００７６】（１９）永久磁石２４，２５が、支持アー
ム４のトング１７に取り付けられ、そのトングはピボッ
ト面内に正確に位置している。

【００７７】（２０）トング１７が、縦ウエブ１２の一
体部分である。

【００７８】（２１）制動プレート６７がトラフ様凹部
７４を有し、その凹部は、周囲面を有する永久磁石２
４，２５を少なくとも一部分を収納し、したがって凹部
７４は永久磁石２４，２５の磁界線のケージを形成して
いる。

【００７９】（２２）少なくとも一つの駆動コイル７１
が、永久磁石２４，２５の載置位置の方へ、ピボット運
動の方向に移動される。

【００８０】（２３）永久磁石２４，２５の保磁力が、
少なくとも一つの駆動コイル７１の磁界の強さにより有
意に大きい。

【００８１】（２４）永久磁石２４，２５と少なくとも
一つの駆動コイル７１の磁界間の相互作用によって、復
原力の少なくとも一部分が生成する。

【００８２】（２５）厚みが低いμｍの範囲内にある薄
層を測定する装置を制御する方法であって；測定用ポー
ル８が層の表面上に置かれるまでほとんど無限の距離か
ら測定用プローブ３を移動させるため、電流を少なくと
も一つの駆動コイル７１に供給し、その電流は、その第
一の大きさで供給し続けると、測定用ポール８は層を打
って衝撃を与え；測定用プローブ３が近くの領域に到達
したとき、測定用ポール８は、電流を第一の大きさの何
分の一かまで減らして第二の大きさかまたはゼロにし、
この第二の大きさは、測定用ポール８が層上に置かれる
まで維持され；測定用ポール８が層上に置かれた後、測
定用ポール８被測定層をしっかり押圧するのに十分な高
い第三の大きさまで電流を増大する。

【００８３】（２６）測定操作の後、負の電流を供給し
て、測定用プローブ３戻りを加速する。

【００８４】

【発明の効果】本発明に係る薄層を測定する装置によれ
ば、薄層の厚みを正確に測定することができ同時に長い
実用寿命を有する装置を提供することができる。また、
本発明に係る薄層を測定する方法によれば、薄層の厚み
を正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプローブシステムを側面から見た斜視
図である。

【図２】支持アームを除いて、プローブシステムの基台
とテンショニングラケットの断面図を示す。

【図３】（ａ）は支持アームを上から見た平面図であ
る。（ｂ）は支持アームの拡大した横断面図である。

【図４】（ａ）は保持部材の横断面図である。（ｂ）は
保持部材の図４（ａ）中ＩＩＩ−ＩＩＩ線縦断面図であ
る。

【図５】本発明の測定装置の側面からみた部分断面線図
である。

【図６】（ａ）は本発明の測定装置の底部を下から見た
線図である。（ｂ）は本発明の測定装置を上からみた線
図である。

【図７】制動プレートの内側の平面図である。

【図８】相対時間単位に対してプロットしたプローブシ
ステムの移動距離を示す。

【図９】相対時間単位に対してプロットした駆動コイル
の制御電流を示す。

【符号の説明】

３ 測定用プローブ ４ 支持アーム ６ 軸受装置 ８ 測定用ポール ９ 横ウエブ １１ 溝 １２ 縦ウエブ １６ 突出タブ １７ 支持アームのトング ２３ 保持部材 ２４，２５ 永久磁石 ２８ 溝 ２９ 溝 ３１ ねじりコイルばね手段（フォイル帯状体） ３２，３３ 軸受ブロック（重ね板ばね） ３４，３６ 重ね板ばねの自由末端領域 ４６ 丸い面 ６７ 制動プレート ７１ 電磁駆動コイル ７２ ピボット面の方に向いた内面 ７４ トラフ様凹部

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚みが低μｍの範囲内の薄層の厚みを測
   定する装置であって、 軽量の支持アームを備え、 前記支持アームの一端の領域に測定用プローブを備え、
   該プローブの測定用ポールはピボット運動の後、該薄層
   の表面上に置くことができ、 前記支持アームの他の一端の領域に制動装置を備え、 支持アームの軸受装置を備え、該軸受装置の幾何学的ピ
   ボット軸線が、ピボット運動の幾何学的ピボット面に垂
   直に延び、さらに前記支持アームの駆動装置を備え、該
   駆動装置は磁力を利用して作動し、前記ピボット面に対
   して対称に設計されかつこの永久磁石を備え、これら永
   久磁石は前記支持アームに接続され、そして該永久磁石
   の同じ極が各場合に、該ピボット面の両側に位置してな
   り； （ａ）前記軸受装置（６）がねじりコイルばね手段（３
   １）を備え、その二つの末端が各々、前記ピボット面に
   対し横方向へ、それら自体の軸受ブロック（３２，３
   ３）に固定され、（ｂ）前記ピボット運動が、少なくと
   も本質的にねじりコイルばね手段（３１）のフックの法
   則の範囲内にあり、（ｃ）前記制動装置が、渦電流制御
   の原理で作動しそしてピボット面の両面に配置されかつ
   各々ピボット面の方に向いた内面（７２）を有する制電
   プレート（６７）を備え、永久磁石（２４，２５）の磁
   極に向かい合いかつ該磁極から短い距離をおいて配置さ
   れ、特にピボット面に平行に配置されて磁力線と交差
   し、（ｄ）電線路を通じてトリガーできる少なくとも一
   つの電磁駆動コイル（７１）が前記制電プレート（６
   ７）の外側に設けられている、 ことを特徴とする薄層の厚みの測定装置。
2. 【請求項２】 前記二つの軸受ブロック（３２，３３）
   の少なくとも一つがテンショニングブラケットによって
   形成され、そのブラケットが、前記ねじりコイルばね手
   段（３１）を、その縦方向の引張り応力下に置くことを
   特徴とする請求項１に記載の薄層の厚みの測定装置。
3. 【請求項３】 前記ねじりコイルばね手段（３１）が、
   金属製フォイル帯状体で形成されていることを特徴とす
   る請求項１に記載の薄層の厚みの測定装置。
4. 【請求項４】 前記フォイル帯状体（３１）、横ウエブ
   （９）の縦方向に対して本質的に横方向に延びているこ
   とを特徴とする請求項３に記載の薄層の厚みの測定装
   置。
5. 【請求項５】 フォイル帯状体（３１）に、少なくとも
   本質的に内部応力がないことを特徴とする請求項３に記
   載の薄層の厚みの測定装置。
6. 【請求項６】 フォイル帯状体（３１）が、その外形を
   化学的切削加工でつくることによって製造されることを
   特徴とする請求項３に記載の薄層の厚みの測定装置。
7. 【請求項７】 前記支持アーム（４）が、前記ピボット
   面に対し少なくとも本質的に垂直に延びる横ウエブ
   （９）および前記ピボット面に対し少なくとも本質的に
   平行に延びる縦ウエブ（１２）を備え、そして縦ウエブ
   （１２）は、縦方向の端縁が横ウエブ（９）の中央に当
   接して一体にかつ応力なしで結合されていることを特徴
   とする請求項１に記載の薄層の厚みの測定装置。
8. 【請求項８】 前記ウエブ（９，１２）のうち少なくと
   も一方が、応力なしで化学的切削加工で製造されること
   を特徴とする請求項７に記載の薄層の厚みの測定装置。
9. 【請求項９】 前記軸受装置（６）が一対の重ね板ばね
   （３２，３３）を備えてなり、その一対の重ね板ばね
   は、セッチングによって外側に湾曲しかつその自由末端
   の領域に、フォイル帯状体（３１）のそれぞれの末端領
   域が少なくとも間接的に結合されていることを特徴とす
   る請求項１に記載の薄層の厚みの測定装置。
10. 【請求項１０】 前記一対の重ね板ばね（３２，３３）
    のうち少なくとも一つの重ね板ばねが、その自由末端領
    域（３４，３６）をフレームを用いてＬ字形に曲げられ
    た丸い面（４６）を形成し、そしてフォイル帯状体（３
    １）が自由Ｌ字形ウエブ上に延び、丸い面（４６）のま
    わりに延び、次いで前記丸い面（４６）から比較的大き
    な距離をおいた位置で重ね板ばね（３２，３３）に連結
    されていることを特徴とする請求項９に記載の薄層の厚
    みの測定装置。
11. 【請求項１１】 前記丸い面（４６）が、前記ピボット
    軸線に平行に延びかつ曲げ半径である一定の半径を有す
    ることを特徴とする請求項１０に記載の薄層の厚みの測
    定装置。
12. 【請求項１２】 前記支持アーム（４）が、フォイル帯
    状体（３１）の領域において、フォイル帯状体（３１）
    がワンピースで通過する突出タブ（１６）を備えている
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記
    載の薄層の厚みの測定装置。
13. 【請求項１３】 溝（２８）内に、平坦なフォイル帯状
    体（３１）を、その応力がかかっていない状態で保持す
    る保持部材（２３）が設けられ、一方、その保持部材
    （２３）は支持アーム（４）にしっかりと結合されてい
    ることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに
    記載の薄層の厚みの測定装置。
14. 【請求項１４】 測定用プローブ（３）の電気接続リー
    ド線が、支持アームに取り付けられ、次で支持アーム
    （４）のピボット軸線の近くで、保持部材（２３）の少
    なくとも一つの半径方向の溝（２９）を通じて案内され
    ることを特徴とする請求項１３に記載の薄層の厚みの測
    定装置。
15. 【請求項１５】 フォイル帯状体（３１）が、そのねじ
    り領域において、接続リード線に接続されていないこと
    を特徴とする請求項１から１４のいずれか一つに記載の
    薄層の厚みの測定装置。
16. 【請求項１６】 接続リード線が、縦ウエブ（１２）に
    対し、対称に、接着剤で結合されていることを特徴とす
    る請求項１から１５のいずれか一つに記載の薄層の厚み
    の測定装置。
17. 【請求項１７】 接着位置が、横ウエブ（９）と縦ウエ
    ブ（１２）の間のコーナー領域内にあることを特徴とす
    る請求項１６に記載の薄層の厚みの測定装置。
18. 【請求項１８】 横ウエブ（９）が、その縦方向中央領
    域に、Ｖ字形の溝（１１）を有し、その溝が縦ウエブ
    （１２）の縦方向の端縁を収納していることを特徴とす
    る請求項７に記載の薄層の厚みの測定装置。
19. 【請求項１９】 ピボット運動が、金属製フォイル帯状
    体（３１）のフックの法則の範囲内の出発範囲内にある
    ことを特徴とする請求項１に記載の薄層の厚みの測定装
    置。
20. 【請求項２０】 永久磁石（２４，２５）が、支持アー
    ム（４）のトング（１７）に取り付けられ、そのトング
    はピボット面内に正確に位置していることを特徴とする
    請求項１に記載の薄層の厚みの測定装置。
21. 【請求項２１】 トング（１７）が、縦ウエブ（１２）
    の一体部分であることを特徴とする請求項２０に記載の
    薄層の厚みの測定装置。
22. 【請求項２２】 制動プレート（６７）がトラフ様凹部
    （７４）を有し、その凹部は、周囲面を有する永久磁石
    （２４，２５）を少なくとも一部分を収納し、したがっ
    て凹部（７４）は永久磁石（２４，２５）の磁界線のケ
    ージを形成していることを特徴とする請求項１に記載の
    薄層の厚みの測定装置。
23. 【請求項２３】 少なくとも一つの駆動コイル（７１）
    が、永久磁石（２４，２５）の載置位置の方へ、ピボッ
    ト運動の方向に移動されることを特徴とする請求項１に
    記載の薄層の厚みの測定装置。
24. 【請求項２４】 永久磁石（２４，２５）の保磁力が、
    少なくとも一つの駆動コイル（７１）の磁界の強さによ
    り有意に大きいことを特徴とする請求項１または２３に
    記載の薄層の厚みの測定装置。
25. 【請求項２５】 電気的方法を用いて薄層の厚みを測定
    する方法であり、測定を行うため、測定用プローブを被
    測定層上に置く方法であって； ａ）接近相において、測定用プローブ（３）を出発位置
    から被測定層に向けて高速度で運び、 ｂ）減速相において、測定用プローブ（３）が、層の上
    に置かれて測定位置をとるときの速度まで減速され、測
    定用プローブ（３）が被測定層の上に置かれるときの速
    度は、その層が損傷する可能性がないように低く、 ｃ）測定相において、被測定層上の測定位置における測
    定用プローブ（３）の圧力が増大し、次いで ｄ）戻り相において、測定用プローブ（３）が、復原力
    によって出発位置まで戻される、 ことを特徴とする薄層の厚みを測定する方法。
26. 【請求項２６】 永久磁石（２４，２５）と少なくとも
    一つの駆動コイル（７１）の磁界間の相互作用によっ
    て、復原力の少なくとも一部分が生成することを特徴と
    する請求項２５に記載の薄層の厚みを測定する方法。
27. 【請求項２７】 厚みが低いμｍの範囲内にある薄層を
    測定する装置を制御する方法であって；測定用ポール
    （８）が層の表面上に置かれるまでほとんど無限の距離
    から測定用プローブ（３）を移動させるため、電流を少
    なくとも一つの駆動コイル（７１）に供給し、その電流
    は、その第一の大きさで供給し続けると、測定用ポール
    （８）は層を打って衝撃を与え；測定用プローブ（３）
    が近くの領域に到達したとき、測定用ポール（８）は、
    電流を第一の大きさの何分の一かまで減らして第二の大
    きさかまたはゼロにし、この第二の大きさは、測定用ポ
    ール（８）が層上に置かれるまで維持され；測定用ポー
    ル（８）が層上に置かれた後、測定用ポール（８）被測
    定層をしっかり押圧するのに十分な高い第三の大きさま
    で電流を増大する；ことを特徴とする薄層の厚みを測定
    する方法。
28. 【請求項２８】 測定操作の後、負の電流を供給して、
    測定用プローブ（３）戻りを加速することを、特徴とす
    る請求項２７に記載の薄層の厚みを測定する方法。