專利名稱：測(cè)量觸針組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量儀器，它可以在一個(gè)表面上驅(qū)動(dòng)觸針，從而檢測(cè)出極小的表面特征，這種等級(jí)的表面特征通常會(huì)影響該表面的紋理(粗糙度)，也就是波長在1毫米量級(jí)到1微米量級(jí)的表面特征。本發(fā)明還涉及在這種裝置中使用的觸針組件以及驅(qū)動(dòng)這種裝置中的觸針的驅(qū)動(dòng)單元。在本發(fā)明中，檢測(cè)到的粗糙度等級(jí)數(shù)據(jù)可以被用來提供粗糙度參數(shù)的數(shù)值或是提供表面形狀的圖像、圖形或斷面，從而顯示出這些極小的表面特征。
在例如Rank Taylor Hobson Limited of Leicester，United Kingdom生產(chǎn)的Form Talysurf系列產(chǎn)品中，用于檢測(cè)表面粗糙度的測(cè)量儀器中裝有一個(gè)觸針，它繞著一個(gè)軸線做樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸線與(通常是水平的)被測(cè)表面大體上平行，并且樞軸被安裝在基準(zhǔn)桿上，它可以大體上平行于被測(cè)表面并且與樞軸的軸線交叉地運(yùn)動(dòng)，從而使觸針在表面上移動(dòng)?；鶞?zhǔn)桿被安裝在一個(gè)具有滑動(dòng)支架的精確的參考基點(diǎn)上。在使用中，觸針通常被支撐著離開被測(cè)表面，而基準(zhǔn)桿被伸到測(cè)量行程的起點(diǎn)。然后，整個(gè)系統(tǒng)被朝著表面移動(dòng)，或是釋放觸針，從而使觸針的針尖漸漸地放到被測(cè)表面上，然后使基準(zhǔn)桿在表面上拖著觸針緩慢地縮回。當(dāng)觸針尖在表面上移動(dòng)的同時(shí)用一個(gè)傳感器檢測(cè)觸針尖相對(duì)于基準(zhǔn)桿的運(yùn)動(dòng)，觸針尖在被測(cè)表面上沿著其運(yùn)行線路移動(dòng)，與指示其瞬時(shí)位置的信號(hào)相聯(lián)系地記錄傳感器的輸出值，由此來提供可以計(jì)算出表面粗糙度的范圍或圖樣的數(shù)據(jù)。
根據(jù)基準(zhǔn)桿在表面上移動(dòng)觸針尖的速度，這類儀器通常用高達(dá)500Hz的頻率對(duì)傳感器的輸出采樣，從而按照大約每微米一次獲得觸針尖在表面上移動(dòng)時(shí)的高度測(cè)量值。觸針尖可以在表面上以每秒500μm的速度移動(dòng)，如果希望在表面上獲得更密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也可以降低速度。在實(shí)踐中，傳感器輸出可以按照大約500Hz的頻率采樣，并且可以結(jié)合兩個(gè)以上用于獲得單一數(shù)據(jù)值的連續(xù)采樣，從而以500Hz以下的頻率提供數(shù)據(jù)值。
觸針的重量通常只有幾(例如3到5)克，而觸針施加在表面上的力卻要小得多，因?yàn)榇蟛糠种亓勘黄胶饣蚺渲貜椈缮系呐渲氐咒N了。觸針通常會(huì)在表面上施加100毫克以下的力。
當(dāng)觸針在表面上做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種裝置可以通過測(cè)量提供表面粗糙度的高度精確的測(cè)量值。它適合測(cè)量小工件的表面，例如光學(xué)透鏡和機(jī)械軸承，這些工件被裝在定位在該裝置的觸針下面的工件托架上。工件托架有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)工件的臺(tái)階，從而可以沿著表面上的多條線或是跨越該表面的多個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量。
有一些測(cè)量儀器可以采用＂三維＂模式，在其中可以在工件表面上執(zhí)行一系列的測(cè)量行程，并在順序的測(cè)量行程之間使工件稍稍側(cè)移，從而獲得與指定的整個(gè)面積上的表面紋理相關(guān)的數(shù)據(jù)。其輸出在兩個(gè)方向(x和y方向)上呈三維分布。
這種裝置可以獲得相對(duì)較大面積的數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)桿在表面上移動(dòng)觸針尖的最大距離大約是10cm，并且工件托架可以使工件側(cè)移幾個(gè)cm。然而，在大面積掃描時(shí)會(huì)獲得大量的數(shù)據(jù)。如果在x和y方向上按照1μm的數(shù)據(jù)點(diǎn)掃描1cm2的面積，在表面上就要提取108個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在實(shí)踐中，關(guān)于表面粗糙度的有用信息或是其細(xì)微特征斷面的采樣可以從很小的面積上獲得。所需的面積大小是由需要檢測(cè)的特征的大小來決定的，但是，在大多數(shù)加工表面上，該面積可以采用邊長各為0.5mm的正方形。這樣大的正方形包含間隔1μm的250000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
由于觸針的尖在被測(cè)表面上移動(dòng)的速度很慢，即使要掃描0.5mm的正方形也需要很長的時(shí)間。即使把速度增加到每秒0.5mm，跨過正方形的每條線仍需要1秒的掃描時(shí)間，如果數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離是1μm，就要在正方形上面掃描五百次，因此，整個(gè)掃描過程大約需要用十分鐘。使用這種系統(tǒng)在一定的面積上檢測(cè)表面紋理還受到另外的限制，因?yàn)樵谑褂盟鼤r(shí)必須把工件裝在工件托架上，這樣就限制了工件的最大尺寸。
如果能在表面上較快地驅(qū)動(dòng)觸針，就可以縮短掃描一定面積所需的時(shí)間。然而，現(xiàn)有的系統(tǒng)是做不到的。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，對(duì)觸針在表面上移動(dòng)的速度的直接限制是因?yàn)橛|針在較快的運(yùn)動(dòng)速度下不能精確地跟蹤表面的高度。如果表面是絕對(duì)平滑的，觸針施加在其上的力就會(huì)一直等于靜態(tài)的觸針作用力(也就是當(dāng)觸針不動(dòng)時(shí)施加在表面上的力)。如果觸針在一個(gè)高度按正弦變化的表面上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其處于正弦斜率的直線部分時(shí)，觸針施加的力等于其靜態(tài)的力。然而，動(dòng)態(tài)的影響意味著在觸針通過凹處時(shí)的力會(huì)增大，而在觸針越過凸出處時(shí)的力會(huì)減小。這些動(dòng)態(tài)的影響隨著觸針運(yùn)動(dòng)速度的增加而增大，最終會(huì)導(dǎo)致凹處底部的觸針力達(dá)到靜態(tài)力的二倍，而在凸出處頂部的觸針力則會(huì)變?yōu)榱?。觸針力等于零意味著觸針不能再對(duì)表面進(jìn)行跟蹤，反而會(huì)脫離該表面。因此，在達(dá)到這一點(diǎn)時(shí)，進(jìn)一步增加觸針在正弦表面上的運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)使觸針脫離被測(cè)表面，特別是在凸出處的區(qū)域內(nèi)。在實(shí)踐中，表面的粗糙度或是細(xì)微形狀特征并不是正弦變化的。然而，表面的斷面可以被認(rèn)為是由高于系統(tǒng)能夠檢測(cè)的最高空間頻率的空間頻率正弦分量構(gòu)成的，這取決于觸針尖的半徑和數(shù)據(jù)點(diǎn)間距等等的參數(shù)(符合奈奎斯特采樣定律)。在實(shí)踐中通常把最難跟蹤的頻率作為能夠測(cè)量的最高空間頻率分量。
在＂A Revised Philosophy of Surface Measuring System＂，D JWhitehouse，Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Volume 202，No.C3，page 169 to 185(1988)中采用了這種分析方法。在＂TheDynamic Response of Stylus＂，Shigeyasu Ajioka，Bulletin of the JapaneseSociety of Precision Engineering，Volume 1，No.4，pages 228 to 233(1963)中也考慮到了觸針系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中所做的分析顯得過于脫離實(shí)際，并且沒有象本發(fā)明所提供的方法這樣對(duì)粗糙度測(cè)量中如何在表面上提高觸針運(yùn)動(dòng)速度提出實(shí)際的指導(dǎo)。
有很多可能的方法可以用來分析觸針的數(shù)學(xué)規(guī)律，并且可以選擇各種不同的參數(shù)來嘗試系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
現(xiàn)有技術(shù)的研究主要致力于使觸針可以精確跟蹤的垂直振蕩頻率最大或是致力于限制觸針力的動(dòng)態(tài)特性，由此就提出了在觸針中提供特殊的阻尼和共振特性。通過對(duì)觸針施加的靜態(tài)力和觸針慣性的研究，本發(fā)明人已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針裝置，其中的觸針沿著其長度具有基本上一致的密度，并且觸針力是由觸針的重量獲得的，這種裝置的觸針不能在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)跟蹤表面的粗糙度。類似地，如果使觸針在表面上做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過觸針重量獲得觸針壓力的系統(tǒng)中的觸針不能在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)跟蹤表面的粗糙度。為了實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的跟蹤，本發(fā)明提出了一種觸針構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)，它涉及到用觸針靜態(tài)力使觸針尖加速的能力。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，為檢測(cè)表面特征的測(cè)量儀器提供了一種觸針組件，其中的觸針有一個(gè)與表面相接觸的尖，并且被安裝成繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，觸針受到偏置，在針尖沒有繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)用一個(gè)力(靜態(tài)力)把針尖壓在表面上，這樣，靜態(tài)力乘以樞軸和針尖之間觸針長度的平方再除以觸針轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所獲得的數(shù)值大于1.5g，其中的g是重力加速度。這一數(shù)值至少應(yīng)該達(dá)到5g，達(dá)到10g時(shí)較好，最好是達(dá)到20g。為了簡(jiǎn)化對(duì)觸針繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律的分析，忽略了阻尼和共振等等因素，這一數(shù)值提供了針尖在靜態(tài)觸針力作用下的加速度數(shù)量。在下文中將其稱為觸針尖的理論加速度。它是觸針組件固有的性質(zhì)，可以通過組件的適當(dāng)結(jié)構(gòu)加以選擇，這一點(diǎn)在下文中會(huì)加以說明，針尖在靜態(tài)力作用下的加速度直接涉及到針尖在不脫離接觸的情況下可以在表面上運(yùn)動(dòng)的速度。
上述表達(dá)式給出的1.5g的數(shù)值是水平延伸的觸針的理論加速度，觸針的質(zhì)量沿著其長度均勻地分布，其遠(yuǎn)離觸針尖的一端精確地繞著樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)(也就是沒有配重)，并且用其全部的重量來提供觸針力。因此，單獨(dú)靠其自身重量獲得觸針力的均勻截面的觸針不能滿足上述的條件。
如果使用重量沿著其長度不均勻分布的觸針，并且使重量集中在靠近樞軸的位置，觸針尖的理論加速度就可以增加到1.5g以上。如果觸針的所有重量都集中在樞軸附近，并且觸針的其余長度上完全沒有重量，觸針尖的理論加速度就會(huì)接近無窮大。然而，任何實(shí)際的觸針都是用具有一定質(zhì)量的材料制成的，并且在實(shí)踐中僅靠質(zhì)量的不均勻分布不可能把觸針尖的理論加速度提高到3或4g以上。為了使觸針尖的理論加速度明顯地高于1.5g，需要提供一個(gè)偏置裝置，例如一個(gè)彈簧，從而用偏置裝置而不是觸針的重量來提供至少一部分甚至一半以上的觸針力。也可以使用其他類型的偏置裝置，例如電磁偏置裝置，但是這類裝置會(huì)使觸針的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大。
用例如一個(gè)彈簧的偏置裝置而不是觸針的重量來提供觸針力的＂平衡觸針＂結(jié)構(gòu)是已知的，但是在這種結(jié)構(gòu)中需要有一個(gè)在遠(yuǎn)離觸針尖的方向上從樞軸上伸出的配重，用它來抵銷觸針重量的作用。如果使針尖從正上方以外的任意角度壓在表面上，在操作觸針時(shí)就可以滿足上述要求。在這種系統(tǒng)中，配重增加了觸針的整體質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此，觸針尖的理論加速度通常會(huì)是很低的，除非是靜態(tài)的觸針力大到不可能的程度。
為了防止觸針在表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)造成表面的損傷，通常需要限制觸針尖作用在表面上的靜態(tài)力。由于減少靜態(tài)觸針力會(huì)使觸針尖的理論加速度下降，如果不想降低理論加速度，限制靜態(tài)觸針力就意味著相應(yīng)地限制轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與樞軸到針尖距離的平方之比(這一比例可以被作為觸針的有效質(zhì)量)。靜態(tài)觸針力至少應(yīng)該小于1克的力，而觸針的有效質(zhì)量(即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量除以樞軸到針尖的距離的平方)應(yīng)該小于2/3克。靜態(tài)觸針力應(yīng)該小于0.5克的力，小于0.2克的力更好，最好是小于0.1克的力。以下的表1根據(jù)靜態(tài)觸針力和觸針尖的理論加速度給出了觸針有效質(zhì)量的數(shù)值。
表1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(樞軸到針尖的長度)2的數(shù)值，(克)F＝靜態(tài)觸針力，(克)a＝針尖的理論加速度，以g(重力造成的加速度)表示
從表中可以看到，如果靜態(tài)觸針力小，若要使觸針尖的理論加速度大，就必須使觸針的有效質(zhì)量很小。這在實(shí)踐中通常意味著必須使觸針很短。當(dāng)質(zhì)量不變時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取決于觸針長度的平方。然而，增加觸針的長度會(huì)使其質(zhì)量相應(yīng)地增加，對(duì)于比重均勻的觸針來說，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化與其長度的立方成正比。由于在有效質(zhì)量的表達(dá)式中的分母隨著觸針長度的平方而變化，減少長度就會(huì)使整個(gè)表達(dá)式的數(shù)值下降。在a＝20g，F(xiàn)＝0.1克力時(shí)，觸針的有效質(zhì)量必須不大于5毫克。這種條件可以用大約1cm長的觸針來實(shí)現(xiàn)，并且其結(jié)構(gòu)類似于高保真唱機(jī)中公知的那種唱針。
按照本發(fā)明的另一方面，觸針尖的理論加速度被確定為三倍的靜態(tài)觸針力除以觸針的質(zhì)量，忽略觸針的樞軸至針尖長度上靠近樞軸的十分之一長度上的所有質(zhì)量。象前面的限定一樣采用相同的數(shù)值。這種限定的依據(jù)是質(zhì)量沿著其長度均勻分布的觸針的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式。在實(shí)踐中，測(cè)量觸針的質(zhì)量通常比測(cè)量其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要容易，并且在大多數(shù)情況下質(zhì)量的分布并不會(huì)使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與質(zhì)量均勻分布時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有很大區(qū)別。
按照本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于測(cè)量儀器的觸針組件，它包括一個(gè)觸針，其針尖在一個(gè)表面上運(yùn)動(dòng)，從而檢測(cè)其表面特性，觸針的總體質(zhì)量不大于25mg，如果是繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針，這其中不包括從樞軸起的觸針的樞軸至針尖長度上十分之一范圍內(nèi)的任何質(zhì)量。較好的質(zhì)量應(yīng)該不大于20mg，不大于10mg則更好，最好是不大于5mg。最佳的靜態(tài)觸針力范圍如上所述。在觸針繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，即使僅僅排除從樞軸起的二十分之一范圍內(nèi)的長度，仍可以充分滿足對(duì)質(zhì)量值的限制。在觸針繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，觸針的樞軸至針尖長度應(yīng)該不大于2cm，最好是不大于1cm。
在包含繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針的本發(fā)明所有范圍內(nèi)，觸針不能遠(yuǎn)離實(shí)際上處于樞軸之外的針尖。在實(shí)踐中，小范圍地超出樞軸之外是不可避免的，因?yàn)橛|針包括一個(gè)樞軸銷，它的半徑長度在所有方向上都會(huì)延伸到軸線之外。
本發(fā)明的再一方面為用于檢測(cè)表面粗糙度或是其形狀細(xì)節(jié)的測(cè)量儀器提供了一種觸針組件，它包括安裝成大體上直線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)觸針，觸針的針尖壓在需要檢測(cè)粗糙度或是形狀的表面上，以及一個(gè)偏置裝置，當(dāng)針尖在朝向或離開表面的方向上不動(dòng)時(shí)用一個(gè)力(靜態(tài)觸針力)把觸針尖偏置到表面上，使靜態(tài)觸針力除以觸針的質(zhì)量大于1.5g，其中的g是重力加速度。在這種直線運(yùn)動(dòng)而不是繞樞軸運(yùn)動(dòng)的觸針結(jié)構(gòu)中，靜態(tài)觸針力除以觸針的質(zhì)量就是觸針尖的理論加速度。在這種情況下使用的靜態(tài)觸針力和觸針尖理論加速度的數(shù)值與觸針繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況下使用的數(shù)值相同，并且在這種情況下使用表1中給出的數(shù)值仍可以用表1中的數(shù)值來代表觸針的實(shí)際質(zhì)量，用它代替繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針的有效質(zhì)量。這意味著對(duì)直線運(yùn)動(dòng)觸針結(jié)構(gòu)的質(zhì)量限制要比對(duì)繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針結(jié)構(gòu)的限制更嚴(yán)，因?yàn)槔@樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針的有效質(zhì)量通常小于其實(shí)際質(zhì)量。
當(dāng)觸針在表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，觸針在表面上的運(yùn)動(dòng)速度和表面上所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)間距一起確定了從數(shù)據(jù)點(diǎn)上獲得數(shù)據(jù)值的頻率。例如，如果觸針以每秒5mm的速度在表面上運(yùn)動(dòng)，并且需要使數(shù)據(jù)點(diǎn)相距1μm，就需要用5KHz的頻率獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)值。觸針的結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)其在所需的數(shù)據(jù)采樣頻率以下沒有機(jī)械共振。為了確保觸針臂的共振頻率盡量地高，觸針臂應(yīng)該是剛性的并且又輕又短。這些要求符合對(duì)觸針的高理論加速度的要求，因?yàn)槎潭p的觸針會(huì)具有較低的有效質(zhì)量。
此外，還應(yīng)該嘗試著盡量減小觸針尖與觸針上某一點(diǎn)之間的共振，提供數(shù)據(jù)輸出的傳感器需要跟蹤該點(diǎn)的位置，從而使傳感器的數(shù)據(jù)輸出精確地反映觸針尖的運(yùn)動(dòng)。由于這個(gè)原因，在繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針中應(yīng)該用傳感器跟蹤觸針尖端的位置，并且應(yīng)該避免象慣用的結(jié)構(gòu)中那樣用傳感器跟蹤觸針其他部分的運(yùn)動(dòng)，這部分通常是超出樞軸遠(yuǎn)離針尖延伸的部分。
本發(fā)明的其他方面還涉及在被測(cè)表面上驅(qū)動(dòng)觸針的機(jī)構(gòu)。
從一方面來看，本發(fā)明提供了一種測(cè)量儀器，用于檢測(cè)表面的粗糙度或是微小特征的斷面，該儀器裝有一個(gè)觸針，用于移動(dòng)觸針尖使其朝向或離開被測(cè)表面，以及一個(gè)在表面上驅(qū)動(dòng)觸針的驅(qū)動(dòng)組件，使觸針的尖在第一方向和第二方向上與表面相接觸，第一方向大體上與表面平行并且與觸針尖的運(yùn)動(dòng)方向交叉，第二方向大體上與表面平行并且與第一方向和觸針尖的運(yùn)動(dòng)方向交叉。在這種測(cè)量儀器中的觸針尖可以在表面上受到二維驅(qū)動(dòng)，從而提供了一種面積測(cè)量手段，它比用驅(qū)動(dòng)組件僅在一維上驅(qū)動(dòng)觸針并且必須用工件支架移動(dòng)工件的結(jié)構(gòu)更加通用。本發(fā)明的這一方面為測(cè)量這樣一類工件的表面上小面積內(nèi)的粗糙度或是斷面開辟了新的前景，這種工件不容易安裝在現(xiàn)有技術(shù)中用于測(cè)量表面粗糙的測(cè)量儀器上使用的那種精確移動(dòng)的工件托架上。
在本發(fā)明的另一方面，為檢測(cè)表面特征的測(cè)量儀器提供了一種支撐觸針的支撐組件，它的第一部件用一個(gè)以上的平板式彎曲彈簧支撐著第二部件，使第二部件相對(duì)于第一部件在大體上水平的第一方向上運(yùn)動(dòng)，彎曲彈簧被設(shè)置在沿著與第一水平方向交叉的第二水平方向延伸的一個(gè)垂直平面中，并且沿著第一垂直線被固定在第一部件上，還在第二水平方向上沿著離開第一線的第二垂直線被固定在第二部件上，從而利用彈簧的彎曲來阻止第二部件在第一水平方向上相對(duì)于第一部件的運(yùn)動(dòng)，并且利用彎曲彈簧在其平面內(nèi)反抗繞曲的剛性來抵抗重力，從而支撐著第二部件使其離開第一部件。
在第一和第二部件之間可以設(shè)置另一個(gè)與第一水平方向上的第一彎曲彈簧隔開的彎曲彈簧，從而在第一和第二部件之間形成平行四邊形的交連，使第二部件不能相對(duì)于第一部件轉(zhuǎn)動(dòng)。還可以提供一個(gè)以上的與第一彎曲彈簧垂直隔開的其他彎曲彈簧。這種安裝結(jié)構(gòu)是一種復(fù)合的彈簧組件，其中的第二部件用一個(gè)以上其他類似的彎曲彈簧支撐著第三部件，并且可以調(diào)整安裝組件或是束縛第三部件，使第三部件相對(duì)于第一部件執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)。
在例如上述Form Talysurf系列的現(xiàn)有儀器中，觸針被裝在一個(gè)基準(zhǔn)桿上，基準(zhǔn)桿在一個(gè)精度基準(zhǔn)支座上精確定位的滑動(dòng)支架上滑動(dòng)，由精度基準(zhǔn)支座限定運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)線?；鶞?zhǔn)桿被牢固地壓在滑動(dòng)支架上，并且其結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)硬，需要有足夠的力使基準(zhǔn)桿在滑動(dòng)支架上移動(dòng)。因此，驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)桿的電機(jī)需要有足夠的功率來克服支架的剛性，由于來自電機(jī)的振動(dòng)等原因，這種結(jié)構(gòu)不適合在執(zhí)行表面測(cè)量的同時(shí)使觸針高速運(yùn)動(dòng)。
如果按照本發(fā)明的一個(gè)方面通過一個(gè)以上的安裝組件把觸針裝在一個(gè)支架上，就可以利用支座的位置以及彎曲彈簧在其平面內(nèi)對(duì)撓曲的強(qiáng)大反抗力來限定觸針運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)線或是基準(zhǔn)面，從而可以去掉剛性的滑動(dòng)支架。如果用這種方式安裝觸針，就可以通過一個(gè)以上彎曲彈簧的彎曲來調(diào)節(jié)觸針相對(duì)于支座的運(yùn)動(dòng)，并且在安裝時(shí)適當(dāng)?shù)剡x擇彈簧的強(qiáng)度，使觸針能夠毫不費(fèi)力地實(shí)現(xiàn)快速和平滑的運(yùn)動(dòng)。
按照本發(fā)明的另一方面，檢測(cè)表面特征的測(cè)量儀器所用的觸針通過一個(gè)對(duì)稱平衡的復(fù)合彈簧支架被安裝在一個(gè)安裝部件上，其中的彎曲彈簧從安裝部件的反方向上延伸到各個(gè)中間部件，其他的彎曲彈簧在一個(gè)相反方向上從中間部件延伸到第二部件，該相反方向大體上平行于彎曲彈簧在安裝部件和中間部件之間延伸的方向，用第二部件支撐著觸針，并且在與彎曲彈簧的平面交叉的方向上與安裝部件對(duì)齊，彎曲彈簧可以束縛第二部件，使其執(zhí)行朝向或是離開安裝部件的直線運(yùn)動(dòng)。上述相反方向和第二部件與安裝部件對(duì)齊的方向都應(yīng)該是大體上水平的方向，并且通過彎曲彈簧在其平面內(nèi)對(duì)撓曲的反抗力來支撐第二部件，以便抵抗重力的作用。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)可以在支撐觸針的第二部件和安裝部件之間實(shí)現(xiàn)快速和平滑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，至少在1cm的距離內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)理想的直線運(yùn)動(dòng)。
在1992年由Gordon and Breach Science publishers SA(ISBN 2-88124-840-3)出版的ST Smith和DG Chetwynd所著的＂Foundations of Ultra-precision Mechanism Design＂中，圖4.9表示了一例合適的彈簧安裝方式，它是彎曲式的雙復(fù)合直線彈簧結(jié)構(gòu)。在1988年由John Wiley & SonsLimited(ISBN 0 471 91763 X)出版的RV Jones所著的＂Instruments andExperiences＂中，其中的論文V＂Parallel and Rectilinear Spring Movements＂也提到了彈簧的安裝問題。
按照本發(fā)明的又一方面，為檢測(cè)表面特征的測(cè)量儀器上的觸針提供了一種安裝組件，通過彎曲彈簧的彎曲作用使這樣安裝的觸針在被測(cè)表面的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在表面的上述平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)檢測(cè)裝置來檢測(cè)，并且由一個(gè)操作機(jī)構(gòu)移動(dòng)觸針，按照檢測(cè)裝置的輸出通過一個(gè)反饋環(huán)來控制操作機(jī)構(gòu)，以確保觸針處于所需的位置。代表觸針?biāo)栉恢玫男盘?hào)最好被輸入到反饋環(huán)，以便與檢測(cè)裝置的輸出相互組合，通過改變所需位置的信號(hào)使觸針移動(dòng)，同時(shí)通過檢測(cè)裝置維持操作機(jī)構(gòu)的反饋控制。
無論在操作機(jī)構(gòu)或彎曲彈簧的特性中有沒有誤差或變化，反饋控制都能使觸針的位置受到精確的控制，并且還可以抵抗安裝部件的共振的影響，使觸針的位置保持穩(wěn)定。
電磁操作機(jī)構(gòu)是最好的，也可以采用其他類型的操作機(jī)構(gòu)。
以下要參照附圖用非限制性的舉例方式給出的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在附圖中

圖1是在進(jìn)行理論分析時(shí)使用的一個(gè)普通觸針系統(tǒng)的示意圖2是體現(xiàn)本發(fā)明的測(cè)量儀器的一個(gè)側(cè)視圖；圖3是圖2中儀器的頂視圖；圖4是圖2儀器中的觸針組件的一個(gè)側(cè)視圖；圖5是圖2儀器中的觸針組件的底視圖；圖6是一個(gè)放大的檢測(cè)器，它用于檢測(cè)圖4和5中的觸針組件上觸針針尖的位置；圖7是與圖6的檢測(cè)器一起使用的一個(gè)發(fā)光二極管的反饋控制電路；圖8是圖6的檢測(cè)器中的觸針位置檢測(cè)光電二極管的輸出電路；圖9是圖2儀器中的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的平面圖；圖10是用于圖9的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)階上的一個(gè)彎曲彈簧帶的示意圖；圖11是圖2儀器中的觸針尖在工件表面上通過的路徑的示意圖；圖12表示觸針尖隨著時(shí)間在X位置上的變化；圖13表示觸針尖隨著時(shí)間在Y位置上的變化；圖14是在圖2儀器中的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上的X方向平臺(tái)的反饋控制電路；圖15是在圖2儀器中的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上的Y方向平臺(tái)的反饋控制電路；圖16是用于圖2儀器的數(shù)據(jù)探測(cè)和控制系統(tǒng)的整體示意圖；圖17表示根據(jù)輸入到圖14電路的X方向掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)來產(chǎn)生輸入到圖15電路的Y方向掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路；圖18表示一例表面形狀的輸出圖像，它可以通過本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例獲得；圖19表示適合用于測(cè)量的觸針臂和針尖；圖20是另一種檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的放大視圖，專門用于檢測(cè)X和Y轉(zhuǎn)動(dòng)裝置平臺(tái)的位置；圖21表示具有機(jī)械阻尼的另一種轉(zhuǎn)動(dòng)裝置；圖22是觸針組件的一個(gè)簡(jiǎn)化的局部側(cè)視圖，表示了觸針的蓋；圖23是觸針蓋的底視圖；圖24是一個(gè)三角波發(fā)生電路；以及圖25表示用于產(chǎn)生Y方向掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的另一個(gè)電路。
圖1表示了普通的繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖(忽略阻尼、共振等等因素)。觸針繞著樞軸點(diǎn)P轉(zhuǎn)動(dòng)。觸針尖與樞軸點(diǎn)P的距離是l1，其質(zhì)量是m1。質(zhì)量為m2的配重在遠(yuǎn)離觸針尖的方向上離開樞軸P的距離是12。假設(shè)觸針的其他部分沒有質(zhì)量。觸針尖落在表面上，其作用力是由質(zhì)量m1和m2繞著樞軸點(diǎn)P的凈轉(zhuǎn)矩以及施加在樞軸點(diǎn)P和與樞軸點(diǎn)P相距1b的觸針尖之間的任何外部施加的偏置力Fb構(gòu)成的。隨著觸針在表面上的移動(dòng)，粗糙的表面會(huì)使觸針尖在z方向上上、下運(yùn)動(dòng)，并且系統(tǒng)的慣性會(huì)阻止運(yùn)動(dòng)速度在z方向上的變化，這種慣性會(huì)在觸針尖作用在表面上的力中增加一個(gè)動(dòng)態(tài)或是慣性分量。觸針尖作用在表面上的力與反作用力R相等并且方向相反。
如果觸針是水平延伸的，按照觸針尖上的凈轉(zhuǎn)矩計(jì)算觸針小位移運(yùn)動(dòng)的公式可以寫成Iz..l1=g(m1l1-m2l2)+Fblb-Rl1---(1)]]>其中的g是重力加速度，I是觸針的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且可以寫成I=m1l12+m2l22---(2)]]>如上所述，根據(jù)奈奎斯特定律，系統(tǒng)可以測(cè)量的粗糙度或是斷面特征的最高空間頻率取決于觸針尖的曲率和數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)際間隔等等參數(shù)。這一可檢測(cè)的最大空間頻率可以用表面高度的正弦變量來表示，其幅值為A，空間周期是d。當(dāng)觸針以速度v在表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，觸針z的垂直位置可以表示成z＝Asinωt (3)其中的ω可以表示成ω=2πvd---(4)]]>用時(shí)間(t)對(duì)等式(3)的兩側(cè)取二次導(dǎo)數(shù)，得到z..=-Aω2sinωt---(5)]]>然后在等式(3)中相減，就得到z..=-ω2z---(6)]]>如果在等式(1)中減去等式(6)重新整理后就得到R的表達(dá)式R=gl1(m1l1-m2l2)+Fblbl1+Iω2zl12---(7)]]>使觸針精確跟蹤表面精度的臨界條件是觸針在具有幅值為A，空間周期是d的上述特征的表面上通過時(shí)不能與表面脫離接觸。如果觸針施加在表面上的力和表面的反作用力R下降到零，觸針就會(huì)與表面脫離接觸。從等式(4)中可以看出，觸針在表面上的運(yùn)動(dòng)速度v與ω成正比，相應(yīng)地，為了使觸針停留在表面上的運(yùn)動(dòng)速度最大，應(yīng)該調(diào)整等式(7)中的數(shù)值，使ω值最大時(shí)的R等于零。隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，觸針在波形的波峰處開始脫離表面，也就是在sinωt＝1，并且z＝A時(shí)。如果在等式(7)中把R設(shè)定為零，z設(shè)定為-A，等式就可以改寫成Aω2=gl1I(m1l1-m2l2)+Fblbl1I---(8)]]>忽略等式(8)中的最后一項(xiàng)(即假設(shè)外部偏置力Fb＝0)，就可以看出當(dāng)m2l2最小時(shí)，ω最大。也就是說，觸針應(yīng)該盡量不使用在遠(yuǎn)離觸針尖的方向上超出樞軸點(diǎn)P延伸的配重部分。應(yīng)該避免使用m2l2等于m1l1的平衡系統(tǒng)。如果m2l2為零(即完全沒有觸針的配重部分)，用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I消去其余的質(zhì)量和長度相項(xiàng)，并且在沒有外部偏置力Fb的情況下，Aω2＝g。如果m2l2＝0，等式(8)可以寫成Aω2=g+Fblbl1m1---(9)]]>通過提供外部偏置力Fb，可以把Aω2增加到大于g。然而，這樣就會(huì)不利地增加觸針作用在被測(cè)表面上的靜態(tài)力。沒有配重的觸針的靜態(tài)觸針力Fs是Fs=gm1+Fblbl1---(10)]]>比較等式(9)和(10)，可以看出，如果質(zhì)量m1下降，增加ω2就可以減少靜態(tài)觸針力Fs。通過增加偏置力Fb可以進(jìn)一步增加ω2的值，這樣就可以使靜態(tài)觸針力Fs恢復(fù)到其原有值。在實(shí)踐中，這意味著設(shè)計(jì)者應(yīng)該尋求最小的觸針質(zhì)量，從而使觸針的重量在總的靜態(tài)觸針力中只占相對(duì)較小的部分，并且可以施加外部的偏置力，以便提高高速運(yùn)動(dòng)的觸針跟隨表面特征的能力，但是不能過度地增加靜態(tài)觸針力。
在圖2中用側(cè)視圖表示了體現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)測(cè)量儀器。它包括主殼1，它可以停留在工件3的表面上并且支撐一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元5。運(yùn)動(dòng)單元5又支撐著一個(gè)觸針組件7，它包括一個(gè)有尖的觸針，針尖放在工件3的表面上。(觸針被認(rèn)為是隨著表面高度的變化適應(yīng)觸針尖運(yùn)動(dòng)的部件)如果工件很小，主殼1可以被放在一個(gè)支撐板上，用支撐板把工件支撐在觸針尖的位置。這樣就可以在小得無法支撐的工件上使用這種儀器。運(yùn)動(dòng)單元5的布置使得觸針組件7能與工件3表面的平面平行地執(zhí)行二維運(yùn)動(dòng)，每一維上可選擇的距離可以達(dá)到0.5mm。這樣，用來移動(dòng)觸針尖從而獲得工件3表面粗糙度信息的儀器可以在每一邊為0.5mm的正方形面積上移動(dòng)。
圖3是圖2的測(cè)量儀器的一個(gè)頂視圖，用虛線表示了運(yùn)動(dòng)單元5的上部平臺(tái)(Y方向)。圖2是沿著圖3中的II-II線看到的截面圖。
在圖2中用截面圖表示了觸針組件7。圖4是觸針組件7的側(cè)視圖，圖5是觸針組件7的底視圖。觸針組件7包括由觸針臂9和樞軸銷11構(gòu)成的觸針。觸針臂9的一端與樞軸銷11連接，而另一端裝有一個(gè)從觸針臂9上向下延伸并且接觸到工件表面的觸針尖13。一個(gè)光柵片15從觸針臂9的尖端向上延伸，它構(gòu)成了光學(xué)傳感器的一部分，光學(xué)傳感器按照下述的方式檢測(cè)觸針尖13繞著樞軸銷11軸線的運(yùn)動(dòng)。
在一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)型的實(shí)施例中，觸針臂9是由一個(gè)Sonotone V100HiFi記錄唱針構(gòu)成的，觸針尖13是由鉆石HiFi觸針尖構(gòu)成的。這里的觸針臂的長度是大約1cm，其質(zhì)量大約是4毫克?？梢詫⑵渑c用于Form Talysurf儀器的繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針相比較，在這種儀器中的觸針臂從樞軸到針尖的長度至少有10cm，其重量為一至幾克。
在精確的測(cè)量儀器中，觸針尖應(yīng)該具有符合測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)(這種標(biāo)準(zhǔn)通常需要1至5μm的曲率半徑)的曲率，因此，Sonotone V100觸針(其曲率半徑為10μm)的HiFi記錄唱針并不適用。然而，Sonotone V100HiFi觸針的結(jié)構(gòu)是很好的。它是一個(gè)很輕的空心鋁或鋁合金管。也可以使用不銹鋼管。盡管不銹鋼比鋁密實(shí)，但是比較堅(jiān)硬，因此可以使用較薄的材料。
樞軸銷11就是普通的樞軸銷，類似于Form Talysurf系列儀器中使用的樣式。樞軸銷11的質(zhì)量對(duì)觸針性能的影響很小，因?yàn)槠滟|(zhì)量集中在樞軸周圍。樞軸銷11的端部是楔形的并且被支撐在慣用的三球杯狀軸承中。
光柵片是一個(gè)鋁合金的薄片，通過陽極氧化使其變黑。其重量可以被忽略。
由于觸針臂9的質(zhì)量很小，其重量提供給作用在工件3表面上的觸針尖13的靜態(tài)觸針力很小。一個(gè)最好由薄的銅鈹合金條制成的細(xì)彈簧17被連接在樞軸銷11上，并且可以調(diào)節(jié)，使觸針尖13的靜態(tài)力大約為100毫克的力。如圖2所示，彈簧17被裝在螺旋線圈中，因此，樞軸銷11隨著觸針尖13的上、下運(yùn)動(dòng)稍微轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)明顯地改變細(xì)彈簧17受到的拉力，從而使靜態(tài)力維持合理的穩(wěn)定性，例如，在觸針尖13在0.1mm的垂直運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的變化小于5％。
觸針由一個(gè)觸針支架19承載，支架19是一個(gè)具有水平橫擋21和側(cè)件23、25的鋁合金支架，側(cè)件23、25從橫擋21向前延伸并且向下延伸到橫擋21以下。如圖2中所見，細(xì)彈簧17遠(yuǎn)離樞軸銷11的一端被連接到在觸針支架19的側(cè)件23、25之間延伸的一個(gè)銷26上。安裝的觸針可以在觸針支架19的側(cè)件23、25上轉(zhuǎn)動(dòng)。具體地說，三球杯狀軸承被固定在螺紋棒27的短件端部，并將它們擰進(jìn)觸針支架19的側(cè)件23、25內(nèi)部的楔形孔中，從而固定住樞軸銷11的楔形端并且支撐著觸針。螺紋29通過觸針支架19的橫擋21中的孔，把觸針組件7連接到運(yùn)動(dòng)單元5。
鋁合金板31連接著鋁合金塊33、35，后者承載觸針傳感器的靜止部分。板31和塊33、35的組件跨著觸針支架19開口的前部粘接，使板31從觸針臂9的上方通過。一個(gè)鋁合金塊33載有一個(gè)發(fā)光二極管37，它朝著光柵片15發(fā)光。另一個(gè)鋁塊35上載有一個(gè)檢測(cè)板39，板上裝有上、下布置的兩個(gè)矩形的光電二極管41、43，并且LED37和檢測(cè)板39被相對(duì)定位在光柵片15在觸針尖13停留在工件3表面上時(shí)所處的位置上，從而使光柵片15的頂沿對(duì)齊在LED37和下部的光電二極管43之間的一條線上。
圖6是檢測(cè)板39的一個(gè)放大圖，表示在LED37的光線下由光柵片15投射出的陰影45。隨著觸針尖的上、下運(yùn)動(dòng)，下部光電二極管43被陰影45蓋住的比例會(huì)發(fā)生變化，因此，光電二極管43的輸出信號(hào)也會(huì)相應(yīng)地變化。光柵片15的頂沿具有導(dǎo)角，從而使陰影45的邊沿與下部光電二極管43的邊沿基本上形成直角，以便改善觸針尖13的高度和光電二極管43輸出信號(hào)之間的線性關(guān)系。然而，為了獲得可靠的觸針尖位置信號(hào)，在觸針尖13按照已知的一系列精確位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，要通過對(duì)信號(hào)的測(cè)量來校準(zhǔn)下部光電二極管43的輸出。
每個(gè)光電二極管41、43大約有2mm長和1mm高，并且通過校準(zhǔn)可以使下部二極管43的輸出在大約0.2mm的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)與觸針尖13的垂直運(yùn)動(dòng)基本上保持線性變化關(guān)系，并且通過校準(zhǔn)可以在觸針尖13的0.4mm運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)獲得一個(gè)有效的傳感器。
在觸針尖13的運(yùn)動(dòng)處于正常測(cè)量范圍之內(nèi)的所有位置上時(shí)，上部光電二極管41一直暴露在LED37的光線下，并且相應(yīng)地提供一個(gè)參考信號(hào)。從理論上來說，若把上部光電二極管41的輸出作為增益控制并把下部光電二極管43的輸出作為信號(hào)輸入到一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鳎瑥亩@得一個(gè)取決于二者之間比例的信號(hào)，就可以消除LED37輸出強(qiáng)度變化的影響。然而，在實(shí)踐中最好是使用上部光電二極管41的輸出通過一個(gè)反饋電路控制提供給LED37的激勵(lì)電流，從而把來自上部光電二極管41的信號(hào)保持在恒定的電平。
圖7表示一個(gè)連接到用于光密度監(jiān)測(cè)和LED37的上部光電二極管41的反饋控制電路。光電二極管41的輸出在一個(gè)放大電路47中被放大，并輸入到一個(gè)比較電路49，比較電路49還接收來自參考信號(hào)發(fā)生器51的參考信號(hào)電平。比較電路49是一個(gè)差分放大器，并且向用于LED37的驅(qū)動(dòng)晶體管53輸出一個(gè)控制信號(hào)。該控制信號(hào)代表由放大器電路47接收的放大的光電二極管信號(hào)與從參考信號(hào)發(fā)生器51接收的參考信號(hào)電平之間的差值。比較電路49和驅(qū)動(dòng)晶體管53起到高增益負(fù)反饋控制的作用，從而使通過驅(qū)動(dòng)晶體管53提供給LED37的電流受到控制，以便根據(jù)參考信號(hào)發(fā)生器51的設(shè)定把放大的光電二極管信號(hào)維持在一個(gè)恒定的電平。
圖8表示下部光電二極管43的輸出電路，二極管43被用于檢測(cè)觸針尖13的位置。光電二極管43的輸出信號(hào)在一個(gè)放大電路55中被放大，電路55與用于密度監(jiān)測(cè)光電二極管41的放大電路47的結(jié)構(gòu)是相同的。來自放大電路55的放大的信號(hào)被作為觸針尖位置信號(hào)輸出。
使用Sonotone V100 HiFi觸針作為觸針臂9和觸針尖13的上述的標(biāo)準(zhǔn)觸針組件在機(jī)械共振測(cè)試中沒有在5kHz頻率以下發(fā)現(xiàn)可測(cè)的機(jī)械共振。這一點(diǎn)與采用質(zhì)量為1克的10cm長觸針的慣用觸針組件正相反，后者在5kHz以下有若干個(gè)共振尖峰。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)觸針組件的跟蹤能力也進(jìn)行了測(cè)試，即把觸針尖置于具有獨(dú)立監(jiān)測(cè)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)上，還可以通過在各種運(yùn)動(dòng)速度下重復(fù)測(cè)量銅條邊沿的斷面來進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)觸針組件的觸針尖13在每秒5mm的運(yùn)動(dòng)速度下開始與幅值為0.35μm，周期為1μm的表面特征脫離接觸。由于精加工的表面通常沒有大于1μm的表面粗糙度特征，從而就認(rèn)為可以在每秒5mm的運(yùn)動(dòng)速度范圍內(nèi)可靠地使用這種觸針組件，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的間隙可以是1μm。
運(yùn)動(dòng)單元5包括兩個(gè)平臺(tái)。下部的x方向平臺(tái)在x方向上使觸針組件7在工件3的表面上運(yùn)動(dòng)，x方向在圖2中是紙面內(nèi)的水平方向，在圖3中是箭頭x所指的方向。上部的y方向平臺(tái)在y方向上使x方向平臺(tái)和觸針組件7一起在工件3的表面上運(yùn)動(dòng)，y方向與x方向交叉，并且在圖2中指向紙面的內(nèi)外方向，而在圖3中是箭頭y所指的方向。觸針尖13朝向和脫離工件3表面的運(yùn)動(dòng)被定義為z方向。兩個(gè)平臺(tái)都具有相同的基本結(jié)構(gòu)，在圖9中表示了一個(gè)平臺(tái)的平面結(jié)構(gòu)。
在圖9的平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，塊D和E被剛性連接在一起，把塊B和C作為安裝的中間塊用一個(gè)對(duì)稱的復(fù)合彎曲彈簧來安裝塊A，使塊A相對(duì)于塊D和E能夠大體上成直線地自由運(yùn)動(dòng)。
塊D和E通過平板彎曲彈簧F支撐可自由運(yùn)動(dòng)的中間塊B和C。由此就提供了一種平行四邊形的交連，使中間塊B和C在圖9的紙面之內(nèi)沿著曲線路徑自由運(yùn)動(dòng)，這些路徑與塊D和E之間的方向大體上對(duì)齊，但是在路徑的各端比在路徑的中間更加靠近塊D和E。彎曲彈簧F在其平面內(nèi)彎曲的彈力可以抵抗重力，支撐著塊B和C，而重力的作用趨向于使塊B和C移出紙上的平面。
中間塊B和C進(jìn)而通過平板彎曲彈簧G支撐著運(yùn)動(dòng)塊A，在運(yùn)動(dòng)塊A和各個(gè)中間塊B和C之間形成平行四邊形的交連。彎曲彈簧G的剛性反抗在其平面內(nèi)的彎曲，支撐著塊A抵抗重力的影響。在運(yùn)動(dòng)塊A的兩個(gè)平行四邊形交連中，其一交連到中間塊B，另一個(gè)交連到中間塊C，這種對(duì)稱的性質(zhì)和通過彎曲彈簧F支撐中間塊B的平行四邊形交連與通過彎曲彈簧F支撐中間塊C的平行四邊形交連的對(duì)稱性質(zhì)一起起到了這樣的作用，即使得中心塊A在塊D和E之間的方向上直線運(yùn)動(dòng)。利用中間塊B和C來補(bǔ)償彎曲彈簧F和G的拱形移動(dòng)。
中心塊A的直線運(yùn)動(dòng)精度取決于彎曲彈簧F和G的長度，厚度及寬度的精度，它們最好是相同的。要想實(shí)現(xiàn)良好的直線運(yùn)動(dòng)，重要的是至少要使所有彎曲彈簧共用一個(gè)平面，即在圖9中所示的共同的直線，這些彈簧具有相同的彎曲特性。最容易的方式是用相同材料的條制造共用一個(gè)公共平面的彈簧，圖10是從塊E到塊D方向看的一個(gè)從塊B延伸到塊C的彎曲彈簧條的示意圖，它構(gòu)成了圖9中的兩個(gè)彎曲彈簧。
如果彈簧的一端在圖10的紙平面內(nèi)繞著垂直于紙面的一個(gè)軸線彎曲，就稱其為彈簧在其平面內(nèi)的彎曲。如果彈簧的一端相對(duì)于另一端在圖10的紙面內(nèi)繞著一個(gè)軸線彎曲，如果軸線平行于圖10中所示的條的短側(cè)，就說彈簧在彎曲，如果軸線平行于紙的長邊，就說明彈簧是扭曲的。
從圖10中可見，每個(gè)彎曲彈簧條上在塊與塊之間延伸的部分有一個(gè)矩形孔，因此，圖9所示的各個(gè)彎曲彈簧是由兩個(gè)垂直分開的彈簧部分制成的。在彈簧反抗彎曲的強(qiáng)度不變的條件下，如果采用這種垂直分開部分構(gòu)成的彈簧，就可以提高抗扭曲的強(qiáng)度。條的尺寸如圖10中所示。圖10中的彈簧條是由大約0.004英寸厚的(大約0.1mm)半硬度銅鈹合金制成的。
參見圖2，觸針組件7裝在安裝板57底部的一個(gè)槽中，并且被穿過觸針支架19的螺釘29固定。安裝板57在x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中起到塊A的作用。安裝板57被支撐著在x方向上相對(duì)于作為x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的塊D和B的端件59、61移動(dòng)。這些端件59、61被剛性連接到一個(gè)連接板63上，連接板63在x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上方和y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方延伸。連接板63把端件59、61剛性地連接在一起，并且還與構(gòu)成y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的塊A的中心件65固定在一起。懸掛件67、69構(gòu)成了y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的塊B和C。如圖3所示，與主殼1固定在一起的安裝塊71、73構(gòu)成了y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的塊D和E。這種彎曲彈簧的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)使各個(gè)平臺(tái)能用很小的力在各自的直線方向上移動(dòng)觸針組件，并且彎曲彈簧在z方向上強(qiáng)大的彎曲抵抗力為觸針組件7限定了一個(gè)x-y基準(zhǔn)平面。
如果可能，可以在運(yùn)動(dòng)單元的移動(dòng)部件中制成孔，以便減少重量。在本實(shí)施例中，在兩個(gè)平臺(tái)的中心塊A和中間塊B和C上制成孔。在圖3中示出了y方向平臺(tái)中心件65上的孔的圖形。
為了移動(dòng)觸針組件7，在運(yùn)動(dòng)單元5的每個(gè)平臺(tái)的塊D和塊A之間設(shè)有磁力調(diào)節(jié)器，它被設(shè)在x方向平臺(tái)的端件59和安裝板57之間以及y方向平臺(tái)的安裝板71和中心件65之間。
在圖2和9中示出了x方向平臺(tái)的磁力調(diào)節(jié)器。一個(gè)強(qiáng)永磁體75是由同軸地裝在塊D(端件59)上的兩個(gè)釹鐵硼的盤構(gòu)成的，一個(gè)具有10mm直徑和5mm厚度，另一個(gè)具有5mm直徑和3mm厚度。繞在一個(gè)線圈架上的大約500圈0.13mm直徑的銅漆包線的線圈77通過墊片79被安裝在塊A(安裝件57)上，墊片79的作用是使線圈77產(chǎn)生的熱量與塊A(安裝件57)及其相應(yīng)的彎曲彈簧G隔離。線圈(包括線圈架)有5mm厚，其外徑為14mm，內(nèi)徑為8mm。
磁體75的較小的盤部分延伸到線圈77的中心孔內(nèi)。改變通過線圈77的電流的方向和量值就可以在受控的力的作用下與磁體75之間形成吸引和排斥，使得塊A(安裝板57)移動(dòng)，直到彎曲彈簧F，G提供的彎曲力與線圈77和磁體75之間的力達(dá)到平衡時(shí)為止。這樣就提供了一種用于驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的有效的調(diào)節(jié)器，并且基本上沒有振動(dòng)。
磁體75和線圈77被沿著運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的中心線安裝，從而使加在塊A(安裝板57)上的力沿著需要移動(dòng)的一條線，并且對(duì)塊A(安裝板57)不施加任何扭曲的力。
在本實(shí)施例的原型中，線圈77具有28歐姆的電阻，并且調(diào)節(jié)器對(duì)應(yīng)線圈中的每安培電流提供大約280克的力。一個(gè)振蕩驅(qū)動(dòng)信號(hào)為調(diào)節(jié)器提供18克rms的驅(qū)動(dòng)力，造成幅值大約為125μm的振蕩運(yùn)動(dòng)，功率消耗大約為120mW。
在塊A和E(安裝板57和端件61)之間設(shè)有一個(gè)傳感器，用于測(cè)量塊A(安裝板57)的位置。其結(jié)構(gòu)和工作方式與由遮光片15，LED37和支撐光電二極管41、43的檢測(cè)板39構(gòu)成的用于觸針臂9的傳感器結(jié)構(gòu)很相似。塊A(安裝板57)載有一個(gè)矩形片81，它在安裝在塊E上(端件61)的第一和第二傳感件之間延伸。第一傳感件83載有一個(gè)LED，它朝著第二傳感件85上的一個(gè)檢測(cè)板發(fā)光。檢測(cè)板載有兩個(gè)光電二極管，并且其安裝方式與觸針傳感器的檢測(cè)板39相同。兩個(gè)檢測(cè)板在塊A(安裝板57)的運(yùn)動(dòng)方向上被彼此分開，從而使檢測(cè)片81邊沿的陰影遮住提供x位置信號(hào)輸出的一個(gè)光電二極管。檢測(cè)片81的陰影不會(huì)到達(dá)另一個(gè)光電二極管，由后者提供用于控制LED驅(qū)動(dòng)電流的反饋控制信號(hào)。第二光電二極管和LED通過圖7所示的反饋控制電路連接，該電路已在說明觸針傳感器時(shí)討論過了。
如圖3中的虛線所示，y方向平臺(tái)具有類似的調(diào)節(jié)器和傳感器結(jié)構(gòu)。y方向平臺(tái)的傳感器包括裝在安裝板73上的一個(gè)片87和裝在中心件65上的分別載有LED和檢測(cè)板的傳感件89、91。y方向平臺(tái)的調(diào)節(jié)器包括一個(gè)與x方向平臺(tái)的磁體75相同的磁體93，它安裝在中心件65上，以及裝在安裝塊71上的一個(gè)與x方向線圈77相同的線圈95。從圖中可以看出y方向平臺(tái)的調(diào)節(jié)器和傳感器結(jié)構(gòu)與用于x方向平臺(tái)時(shí)的安裝方式相比是轉(zhuǎn)過來的。這表示載有x方向平臺(tái)的磁體75的部件(端件59)和載有y方向平臺(tái)的磁體93的部件(端件65)是剛性地連接在一起的。這樣就避免了由于兩個(gè)永磁體75、93之間的任何磁場(chǎng)干擾造成的運(yùn)動(dòng)單元部件之間的移動(dòng)。
在使用中，利用運(yùn)動(dòng)單元來驅(qū)動(dòng)觸針尖13在工件3的表面上往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圖11所示的雙向光柵掃描。上述的觸針組件7的原型在表面上受到x方向上的往復(fù)驅(qū)動(dòng)時(shí)可以可靠地工作，并且使用雙向掃描可以減少在工件3的表面上掃描一定面積所需要的時(shí)間。因此，觸針尖的x位置隨著時(shí)間按照?qǐng)D12所示的三角波圖形變化，而觸針尖的y位置隨著圖13所示的臺(tái)階形圖形增加。用于y位置的臺(tái)階形圖形在x位置的三角波的每個(gè)頂部和每個(gè)凹處增加。在實(shí)踐中，圖11的掃描圖形和圖12及13的波形的轉(zhuǎn)角是圓的而不是尖銳的。這樣就避免了在x掃描方向翻轉(zhuǎn)時(shí)造成觸針組件的突然振動(dòng)。
在運(yùn)動(dòng)單元5的各個(gè)平臺(tái)中，位置傳感器的輸出被用于通過一個(gè)反饋控制電路來控制提供給線圈77、95的電流，從而使觸針組件7被精確地保持在所需的位置，與彎曲彈簧的精確強(qiáng)度和線圈與磁體之間的相互作用無關(guān)。通過向各個(gè)反饋控制電路輸入適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)，就可以改變觸針組件7的位置。這一反饋控制還可以穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)單元的平臺(tái)，防止它們?cè)谄涔逃泄舱耦l率上的振蕩，該頻率在5KHz以下，有可能只有30Hz。
圖14表示了用于x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器的線圈77的反饋控制電路，圖15表示了用于y方向平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器的線圈95的反饋控制電路。可以看出這兩個(gè)電路幾乎是相同的。
在每個(gè)電路中，來自位置檢測(cè)光電二極管97的表示各個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位置的輸入信號(hào)在一個(gè)放大電路99中被放大，放大的位置信號(hào)被提供給用于其他電路的監(jiān)視輸出，作為指示各個(gè)平臺(tái)當(dāng)前位置的信號(hào)。該位置信號(hào)還被提供給一個(gè)相加節(jié)點(diǎn)101。
一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生電路103產(chǎn)生一個(gè)恒定的DC補(bǔ)償信號(hào)，它也被提供給相加節(jié)點(diǎn)101。驅(qū)動(dòng)輸入電路105從各個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)接收驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，并且在對(duì)驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)濾波之后將其提供給相加節(jié)點(diǎn)101。
反饋控制電路的作用是控制通過調(diào)節(jié)器線圈77、95的電流，從而把相加節(jié)點(diǎn)101上的信號(hào)保持在恒定值。因此，如果驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)不變，該電路就能把來自光電二極管97的位置信號(hào)保持在恒定值，從而把各個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)保持在恒定的位置。如果驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)有變化，反饋控制電路就會(huì)改變通過線圈77、95的電流，從而移動(dòng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，直到來自光電二極管97的經(jīng)放大電路99放大后的位置信號(hào)改變了一個(gè)相等并且相反的量，以便保持相加節(jié)點(diǎn)101上的信號(hào)電平不變。由于改變通過線圈77、95的電流以及改變從光電二極管97獲得的信號(hào)意味著要改變各個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置，因此，在改變輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，反饋控制電路就會(huì)使各個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)。
由補(bǔ)償信號(hào)發(fā)生電路103提供的補(bǔ)償信號(hào)值表示各個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)應(yīng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的任何特定電平的位置與如果沒有補(bǔ)償信號(hào)時(shí)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所處的位置相比較的偏移。補(bǔ)償信號(hào)的量值是根據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的范圍來選擇的，從而使輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的范圍對(duì)應(yīng)著移動(dòng)單元的位置范圍，該范圍處于用線圈77、95能夠驅(qū)動(dòng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的總的位置范圍中間。
來自相加節(jié)點(diǎn)101的信號(hào)在一個(gè)放大電路107中被放大，并且在被輸入到線圈77、95的驅(qū)動(dòng)放大器111之前通過一個(gè)移相網(wǎng)絡(luò)109。移相網(wǎng)絡(luò)109的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械共振來選擇的。圖示的移相網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)折頻率處于130Hz和1.4KHz附近。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的低頻振蕩情況下，通過調(diào)節(jié)器線圈77、95的電流會(huì)導(dǎo)致各個(gè)平臺(tái)位置和位置檢測(cè)光電二極管97輸出信號(hào)基本上同相的相應(yīng)變化。然而，彈簧安裝結(jié)構(gòu)裝置的共振會(huì)帶來高頻的振蕩，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置與通過線圈77、95的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)出現(xiàn)明顯的相位差。移相網(wǎng)絡(luò)109提供了適當(dāng)?shù)某跋辔?，因此，?dāng)通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的操作電路和圖14或圖15的反饋控制電路的開環(huán)增益適當(dāng)?shù)亟y(tǒng)一時(shí)，相位就被保持在小于0°，但是比-180°大一個(gè)適當(dāng)?shù)南辔辉６?至少為30°的裕度)。這樣就確保了反饋電路是穩(wěn)定的并且在輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)恒定時(shí)不會(huì)造成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位置的振蕩。
線圈77、95承載相對(duì)較大的電流，并且最好通過一條低電阻導(dǎo)線使其對(duì)電源的接地連接與其他的電路獨(dú)立，從而防止線圈電流對(duì)這些電路的接地面電平造成不應(yīng)有的影響。
在圖14和15中，放大電路107的結(jié)構(gòu)同樣不把信號(hào)連接到地，以避免放大的x和y驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)電路的接地面有任何影響。
在使用中，測(cè)量儀器是在計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的控制下工作的，例如一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)或智能終端，用它記錄儀器提供的數(shù)據(jù)并且與運(yùn)動(dòng)單元5的控制電路相聯(lián)系。在圖16中示出了整體的數(shù)據(jù)探測(cè)和控制系統(tǒng)。來自圖14的放大電路99的x位置＂監(jiān)測(cè)輸出＂，來自圖15的放大電路99的y位置＂監(jiān)測(cè)輸出＂，以及從圖8的放大電路55輸出的z位置信號(hào)(即觸針尖位置信號(hào))被輸入到一個(gè)三通道模-數(shù)轉(zhuǎn)換器113。按照由運(yùn)動(dòng)單元5在表面上驅(qū)動(dòng)觸針尖13的速度以及數(shù)據(jù)點(diǎn)之間所需的間隔來確定的一個(gè)頻率(例如5KHz)對(duì)每個(gè)信號(hào)采樣。數(shù)據(jù)值被輸入到一個(gè)控制用個(gè)人計(jì)算機(jī)115。模-數(shù)轉(zhuǎn)換器113可以由裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)115中的一個(gè)A/D卡(例如KeithleyDAS 1402)構(gòu)成。當(dāng)觸針尖13在工件3表面上掃描時(shí)，在個(gè)人計(jì)算機(jī)115中采用一種從A/D轉(zhuǎn)換器113輸出到個(gè)人計(jì)算機(jī)115的高速DMA(直接存取存儲(chǔ)器)傳輸模式來收集數(shù)據(jù)。
如上所述，圖14和15的控制電路以及運(yùn)動(dòng)單元5不會(huì)使觸針組件7的x運(yùn)動(dòng)方向和y位置的增量瞬時(shí)反向，并且相應(yīng)地使觸針尖13在工件3表面上的路徑在每個(gè)x方向掃描線的端部是曲線的而不是圖11中所示的矩形。因此，在高精度掃描時(shí)最好是放棄靠近每個(gè)x掃描端點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，盡管每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上觸針尖13的實(shí)際位置是通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換器113采樣的x和y位置信號(hào)來提供的。
如果按照間隔1μm的數(shù)據(jù)點(diǎn)柵格對(duì)0.5mm2的面積采樣，在某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中可能沒有足夠的存儲(chǔ)器空間來存儲(chǔ)DMA傳輸軟件所提供的所有數(shù)據(jù)。在這種情況下，可以讓個(gè)人計(jì)算機(jī)115執(zhí)行一種程序，由計(jì)算機(jī)每隔幾個(gè)x方向掃描線就指令控制電路停止y方向掃描(在好是也停止x方向掃描)，并且把從A/D轉(zhuǎn)換器113采集到的數(shù)據(jù)裝入另一個(gè)存儲(chǔ)器·例如一個(gè)磁盤。然后恢復(fù)y方向的掃描?；謴?fù)從模-數(shù)轉(zhuǎn)換器113的數(shù)據(jù)探測(cè)和y方向掃描的定時(shí)是參照x方向掃描定時(shí)來選擇的，以便確保在數(shù)據(jù)探測(cè)中不會(huì)忽略y方向位置和某些數(shù)據(jù)點(diǎn)。個(gè)人計(jì)算機(jī)115從控制電路接收信號(hào)并且向它們提供控制信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)同步，以下要對(duì)此做詳細(xì)的說明。
在完成了對(duì)工件3表面上一定面積的掃描操作之后，由個(gè)人計(jì)算機(jī)115從A/D轉(zhuǎn)換器113采集到的x，y和z方向數(shù)據(jù)可以用任何適當(dāng)?shù)娜S數(shù)據(jù)分析軟件來處理，例如采用Rank Taylor Hobson Digisurf 3D軟件系統(tǒng)。分析的結(jié)果可以用一個(gè)曲線繪圖儀打印成二維平面圖形或是表面形狀的立體圖形。另外，可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的表面紋理和粗糙度參數(shù)的數(shù)值，并且在打印機(jī)或顯示器上輸出，以便提供已經(jīng)掃描到的工件3表面部分的質(zhì)量報(bào)告。任何或是所有的數(shù)據(jù)還可以被存儲(chǔ)供以后參考，并且掃描不同區(qū)域所得的數(shù)據(jù)還可以用于例如比較的目的或是通過分析各個(gè)位置上的采樣區(qū)域來產(chǎn)生工件表面的整體斷面。用曲線繪圖儀打印的表面掃描區(qū)域的立體圖特別有用，它可以使人便于觀察經(jīng)過測(cè)量的表面上的整體形狀。
為了產(chǎn)生在x方向上移動(dòng)觸針尖13的三角波圖形，如圖12所示，一個(gè)三角波信號(hào)被提供給圖14的x平臺(tái)控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。這一信號(hào)可以由個(gè)人計(jì)算機(jī)115產(chǎn)生，或是可以提供一個(gè)適當(dāng)?shù)娜遣òl(fā)生電路。輸入到圖15的y方向控制電路的驅(qū)動(dòng)輸入電路105的y方向平臺(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是通過圖17所示的電路從x方向信號(hào)產(chǎn)生的，圖17的電路確保了y方向的運(yùn)動(dòng)與x方向掃描的反向同步。
在圖17的電路中，三角波x驅(qū)動(dòng)信號(hào)被輸入到第一微分電路117。用它對(duì)三角波微分并且在一個(gè)方向的x掃描期間輸出基本上恒定的高電平，而在相反方向的x掃描期間基本上輸出低電平，并且這兩個(gè)電平在x掃描翻轉(zhuǎn)方向時(shí)快速轉(zhuǎn)換。第一微分電路117的輸出被輸入到第二微分電路119，它還被作為一個(gè)整流電路。
第一微分電路117輸出的直接微分會(huì)產(chǎn)生交變的正向脈沖和負(fù)向脈沖，每當(dāng)x掃描翻轉(zhuǎn)方向時(shí)就產(chǎn)生這種脈沖。然而，通過各自的二極管把信號(hào)提供給第二微分電路119中的運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端意味著第二微分電路119提供的所有脈沖都是正向脈沖。
一個(gè)脈沖發(fā)生器121響應(yīng)第二微分電路119輸出的每個(gè)脈沖而產(chǎn)生一個(gè)短暫的脈沖。脈沖發(fā)生電路121中的比較器的反向輸入端被用于接收一個(gè)比地高幾伏的信號(hào)，因此，脈沖發(fā)生電路121響應(yīng)由第二微分電路119每當(dāng)x掃描改變方向時(shí)輸出的高幅值脈沖，但是脈沖發(fā)生器121不會(huì)響應(yīng)在其輸入端出現(xiàn)的任何低幅值噪聲。脈沖發(fā)生電路121相應(yīng)地輸出一串脈沖，每當(dāng)x掃描翻轉(zhuǎn)方向時(shí)就提供一個(gè)脈沖。
脈沖發(fā)生器121輸出的脈沖被提供給個(gè)人計(jì)算機(jī)115，使其能監(jiān)測(cè)x方向的掃描，并且使其能與x方向掃描同步地提供控制信號(hào)。
來自脈沖發(fā)生器121的脈沖還被輸入到一個(gè)計(jì)數(shù)器123。計(jì)數(shù)器123輸出的數(shù)字計(jì)數(shù)值代表所需的y掃描位置。在開始掃描工件3的一個(gè)表面面積時(shí)，計(jì)數(shù)器被清除，從而使其輸出的計(jì)數(shù)值為零，并且響應(yīng)從脈沖發(fā)生電路121接收到的每個(gè)脈沖使計(jì)數(shù)值遞增。個(gè)人計(jì)算機(jī)通過提供給計(jì)數(shù)器123的兩個(gè)控制信號(hào)來控制y方向掃描。由第一控制信號(hào)設(shè)定計(jì)數(shù)器123的＂清除＂輸入端，從而保持計(jì)數(shù)器的輸出持續(xù)為零或是允許產(chǎn)生其他計(jì)數(shù)器輸出。第二控制信號(hào)允許或禁止計(jì)數(shù)器操作，但是不會(huì)清除計(jì)數(shù)值。個(gè)人計(jì)算機(jī)使用第一控制信號(hào)來保證在每次開始掃描工件3表面上的一個(gè)面積之前清除計(jì)數(shù)器。
如果需要臨時(shí)暫停掃描操作以便把個(gè)人計(jì)算機(jī)115中接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到磁盤上，個(gè)人計(jì)算機(jī)115就在脈沖發(fā)生器121輸出的脈沖之間用第二控制信號(hào)禁止計(jì)數(shù)器123。在當(dāng)前的x方向掃描結(jié)束時(shí)，脈沖發(fā)生器121就會(huì)提供一個(gè)脈沖輸出，但是計(jì)數(shù)器123卻不會(huì)增值，因此，觸針尖113的y位置將不會(huì)發(fā)生變化。個(gè)人計(jì)算機(jī)115響應(yīng)這一脈沖，停止從模-數(shù)轉(zhuǎn)換器113獲取數(shù)據(jù)的直接存儲(chǔ)器存取程序，并且開始執(zhí)行把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到磁盤上的程序。
把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到磁盤上的程序結(jié)束之后，個(gè)人計(jì)算機(jī)115在來自脈沖發(fā)生器121的脈沖之間允許計(jì)數(shù)器123。在當(dāng)前的x方向掃描結(jié)束時(shí)，脈沖發(fā)生器121會(huì)提供一個(gè)脈沖，并且計(jì)數(shù)器123會(huì)增值，從而提供一個(gè)新的y位置。個(gè)人計(jì)算機(jī)115會(huì)響應(yīng)這一脈沖，重新開始從模-數(shù)轉(zhuǎn)換器113獲取數(shù)據(jù)的直接存儲(chǔ)器存取程序。個(gè)人計(jì)算機(jī)115可以保證在來自脈沖發(fā)生器121的脈沖之間的瞬間在禁止和允許之間轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器123，并且響應(yīng)來自脈沖發(fā)生器121的下一個(gè)脈沖停止和開始數(shù)據(jù)獲取程序，這樣就能保證在數(shù)據(jù)獲取被中斷之后不會(huì)出現(xiàn)不確定的y位置計(jì)數(shù)值，并且還能保證不會(huì)對(duì)同一y位置第二次獲取數(shù)據(jù)。
在一種變更的結(jié)構(gòu)中，個(gè)人計(jì)算機(jī)115在計(jì)數(shù)器123增值之前重新開始數(shù)據(jù)獲取程序。例如，它可以響應(yīng)來自脈沖發(fā)生器121的一個(gè)脈沖而重新開始數(shù)據(jù)獲取程序，并且在此后可以立即重新允許計(jì)數(shù)器123。如果在一次x掃描的半路上暫停掃描，可以通過禁止計(jì)數(shù)器123而同時(shí)暫停數(shù)據(jù)獲取程序。在這種結(jié)構(gòu)中，觸針尖13的某些位置上的數(shù)據(jù)是重疊的，但是在后續(xù)的程序中可以刪除或平均重疊的數(shù)據(jù)。
在需要時(shí)，可以對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)115編程，以便在計(jì)數(shù)器123被禁止的同時(shí)保持跟蹤，確定其從脈沖發(fā)生器121接收到的是奇數(shù)的脈沖還是偶數(shù)的脈沖，從而可以等待計(jì)數(shù)器123的允許，直到x掃描在其與計(jì)數(shù)器123被禁止時(shí)所掃描的相同方向上重新開始時(shí)為止。
計(jì)數(shù)器123輸出的數(shù)字計(jì)數(shù)值被數(shù)-模轉(zhuǎn)換器125轉(zhuǎn)換成y方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且所得的模擬信號(hào)被作為輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給圖15的控制電路。
回到圖2和3，記錄儀器的主殼1包括一個(gè)基本上是剛性的側(cè)壁127，在其上連接著運(yùn)動(dòng)單元5的安裝塊71、73。測(cè)量儀器通過連接在側(cè)壁127上的三個(gè)腳129停留在工件3上。某些或是所有的腳129是可以調(diào)節(jié)的，以便使儀器能保持水平。
殼1被一個(gè)頂板131蓋住。側(cè)壁127把一個(gè)電路板133支撐在頂板131下面和運(yùn)動(dòng)單元5上面。攜帶儀器的電連接線的可彎曲電纜135和那些連接線被裝在電路板133上。而電路板則通過可彎曲的銅線連接到運(yùn)動(dòng)單元5和觸針組件7的線圈，發(fā)光二機(jī)管以及光電二極管。
在上述的儀器原型中，圖7，8，14，15和17的控制電路被裝在儀器的外部。然而，在圖7、8、14和15中的用于各個(gè)光電二極管的放大電路47、55、99最好是裝在電路板133上。這樣可以使光電二極管的輸出信號(hào)被放大成較強(qiáng)的信號(hào)，然后再接入把電路板133連接到外部電路的彎曲電纜135。與未經(jīng)過放大的信號(hào)相比，這樣可以允許使用較長的彎曲電纜，并且允許系統(tǒng)采用圖2和3的儀器在距離其他電路更遠(yuǎn)的位置上操作，這樣會(huì)更方便。
在運(yùn)動(dòng)單元5的結(jié)構(gòu)中，x平臺(tái)的安裝板57中的一個(gè)孔和y平臺(tái)的中心件65中的一個(gè)孔被定位在觸針尖13的上方。在連接板63，電路板133和頂板131中也設(shè)有位于觸針尖13上方的孔。這些孔都是對(duì)齊的，從而使操作者可以從儀器上方通過這些孔向下看到觸針尖13。這樣有助于使操作者確認(rèn)觸針尖13在工件3上是被準(zhǔn)確地定位在指定的位置。這一點(diǎn)對(duì)于觸針尖13在小工件上的定位非常有用，這種小工件小得不會(huì)超出殼1的側(cè)壁127的范圍。
在操作者檢查過觸針尖13的位置之后，在開始測(cè)量操作之前用一個(gè)裝在頂板131上的蓋件蓋住這些孔。被蓋住的孔可以防止環(huán)境光線在操作期間通過這些孔照到觸針傳感器的光電二極管41、43上因?yàn)榄h(huán)境光線可能會(huì)干擾觸針尖13高度的正確讀數(shù)。
最好在頂板131的孔內(nèi)裝上一個(gè)放大鏡，并且在觸針尖13附近裝上一個(gè)燈(在操作儀器時(shí)關(guān)掉)，以便幫助操作者觀察觸針尖13和工件3。
圖18是在PC115的屏幕上形成的一個(gè)顯示圖形，表示了一個(gè)集成電路EPROM芯片的局部表面的立體圖。它是根據(jù)用上述實(shí)施例的原型獲得的數(shù)據(jù)采用上述的Digisurf軟件的連續(xù)三向投影輸出方式產(chǎn)生的。圖18提供了表面上大約200μm×200μm的正方形的圖像，并且是從大約200條單線斷面產(chǎn)生的。在圖像中顯示出的表面特征的高度處于0.2到0.1μm的范圍，其寬度范圍是2μm到15μm。產(chǎn)生用來構(gòu)成圖18的數(shù)據(jù)的掃描操作需要大約20秒(觸針尖13以每秒2.5mm的速度移動(dòng))。
以上用舉例的方式說明了上述的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以對(duì)其做出多種變更。它的許多特征在邏輯上可以彼此分開，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易看出可以用本實(shí)施例的一部分而不是全部特征來進(jìn)行修改。例如，觸針尖傳感器可以被改成一個(gè)直角或類似的反光鏡，并且在其上照射一束激光束，從而實(shí)現(xiàn)觸針尖位置的干涉測(cè)量。然而，必須注意不能過分地增加觸針的質(zhì)量。
以下要進(jìn)一步討論觸針的動(dòng)態(tài)特性，這些內(nèi)容有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解在設(shè)計(jì)適合高速運(yùn)動(dòng)的觸針組件時(shí)哪些因素是最重要的。
上述的公式(4)可以經(jīng)過重新調(diào)整后表示觸針的速度v，也就是v=ωd2π---(11)]]>隨著觸針運(yùn)動(dòng)速度v的增加，觸針首先在表面特征的凹部與工件表面脫離接觸。在這些點(diǎn)上，sinωt等于-1，而
達(dá)到其最大值。從公式(5)可以看出
的最大值等于Aω2，并且由此提供了ω的表達(dá)式如下ω=max(z)A---(12)]]>
其中的
是
的最大值。
把公式(12)代入公式(11)，得到最大可能的運(yùn)動(dòng)速度v的表達(dá)式如下v=d2πmax(z)A---(13)]]>在公式(13)中，d和A是被測(cè)表面的特征。在公式(13)中由觸針設(shè)計(jì)者控制的唯一參數(shù)是最大的z方向加速度
。觸針尖可能獲得的最大加速度是在觸針尖沒有支撐時(shí)的加速度。作為觸針尖固有特性的這一加速度被稱為a。
對(duì)于繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針來說，觸針尖的加速度是觸針1的樞軸-針尖長度和觸針尖繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度
的產(chǎn)物。需要注意的是，在以下的討論中用ω代表觸針繞其樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，并且與其在前面的討論中所具有的含意不同。在觸針尖上的靜態(tài)觸針力F會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩T，它是靜態(tài)觸針力F和觸針1的樞軸-針尖長度的產(chǎn)物。如果允許觸針尖無支撐地下落，它在轉(zhuǎn)矩T影響下的角加速度
取決于觸針的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量T，并且滿足以下關(guān)系ω.=TI---(14)]]>在觸針尖做小范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)，公式(14)可以改寫成線性關(guān)系如下al=FlI---(15)]]>再對(duì)其改寫就可以獲得線性加速度的表達(dá)式如下a=Fl2I---(16)]]>在分析公式(1)到(10)時(shí)可以假設(shè)觸針的質(zhì)量集中在觸針尖上和任何的配重中。如果沒有配重并且觸針的所有質(zhì)量都集中在觸針尖上，在沒有任何外部施加的偏置力時(shí)，由重力造成的觸針尖的加速度等于g(自由落體的重力加速度)。在實(shí)踐中，一個(gè)觸針幾乎不可避免地具有沿著其長度均勻分布的質(zhì)量，除非象現(xiàn)有技術(shù)中那樣使用配重，或是除非樞軸銷的質(zhì)量由于緊密地集中在樞軸周圍而可以忽略，在這種情況下它對(duì)觸針的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩沒有明顯的影響。如果一個(gè)質(zhì)量均勻分布的觸針的一端繞樞軸連接，而另一端上設(shè)有一個(gè)針尖，并且沒有外部的偏置力，從而使靜態(tài)的觸針力完全是由觸針的重力提供的，其性質(zhì)可以用公式(17)和(20)來表達(dá)。
均勻觸針的性能I=13ml2---(17)]]>ω.=32gl---(19)]]>a＝1.5g (20)T=12mgl---(18)]]>因此可以看出，在沒有用于增加靜態(tài)觸針力的偏置力的情況下，在慣用的均勻截面觸針中，針尖的最大可能加速度是1.5g。這樣就清楚地說明不能用慣用的均勻截面的觸針來構(gòu)成一個(gè)用高速跟蹤表面的觸針，即使除掉任何平衡部件，這種觸針的靜態(tài)力也不會(huì)超過其重力所能提供的最大的力。
通過非均勻的重量分布可以增加觸針尖的加速度。例如，如果能在理論上構(gòu)成一個(gè)完全沒有質(zhì)量的觸針，并且質(zhì)量m的加速重量是由從樞軸到針尖的1/20距離之內(nèi)提供的，其特性將會(huì)是公式(21)到(24)所示的情況。
重量在(1/20)1之內(nèi)的沒有質(zhì)量的觸針的性能I=1400ml2---(21)]]>T=120mgl---(22)]]>ω.=20gl---(23)]]>a＝20g (24)盡管從理論上顯示出非均勻分布的質(zhì)量可以為觸針尖提供大的加速度，在實(shí)踐中可以由非均勻分布的質(zhì)量提供的改進(jìn)是有限的，因?yàn)椴豢赡苤圃斐鰶]有質(zhì)量的觸針臂。例如，可以采用一個(gè)質(zhì)量沿著其長度均勻分布的觸針臂，并且總質(zhì)量m可以用加在從樞軸到觸針尖的1/20距離內(nèi)的質(zhì)量為20m的加速重量來實(shí)現(xiàn)。這種觸針的性質(zhì)可以用公式(25)到(28)來表示。
在(1/20)1距離內(nèi)具有20m的質(zhì)量的均勻觸針的性能I=13ml2+120ml2=2360ml2---(25)]]>T=12mgl+mgl=112mgl---(26)]]>ω.=9023gl---(27)]]>a＝3.9g(28)從中可以看出，即使把慣用的均勻觸針臂的負(fù)載加到這樣大，其加速度增加的系數(shù)只有2.6，而轉(zhuǎn)矩(及靜態(tài)觸針力)則會(huì)增至三倍。從而可以看出，在實(shí)踐中若要把觸針尖的加速度提高到4g以上，就必須提供外部的偏置力。
再回到公式(16)，觸針的設(shè)計(jì)者就可以看出一個(gè)規(guī)律，即在維持所需要的強(qiáng)度和剛性的條件下應(yīng)該采用很輕的結(jié)構(gòu)。這樣做能降低觸針的質(zhì)量并隨之降低其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。從公式(16)中可以想象，如果增加其樞軸-針尖的長度1，就可以改進(jìn)觸針的性能。然而，觸針的質(zhì)量幾乎不可避免地會(huì)隨著其長度的增加而成比例地增加，并且使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I按照l3的趨勢(shì)增加。因此，通常是用縮短觸針的方法來改進(jìn)觸針的加速度。
通過對(duì)上述三種理論觸針結(jié)構(gòu)的比較，在其中的靜態(tài)觸針力僅是由觸針的重量提供的，就可以對(duì)上述實(shí)施例的觸針組件做出近似的分析。在這種近似的分析中，樞軸銷11的質(zhì)量被忽略了，因?yàn)樗性跇休S上，并且假設(shè)觸針臂9具有均勻分布的5毫克的總質(zhì)量(這一質(zhì)量大于Sonotone V100觸針的質(zhì)量)，并且假設(shè)樞軸-針尖的長度是10mm。在這種觸針組件中，細(xì)彈簧17對(duì)觸針臂9構(gòu)成偏置，在觸針尖13上提供的靜態(tài)觸針力等于100毫克的力。在這種基礎(chǔ)上計(jì)算出來的觸針組件的近似特性如公式(29)到(32)所述。需要注意的是在公式(30)和(31)中所用的單位不是用于轉(zhuǎn)矩和角加速度的標(biāo)準(zhǔn)單位，因?yàn)樵诖丝紤]到g(重力加速度)實(shí)際上不是一個(gè)純數(shù)，而是包含了加速度的單位(ms-2)。
上述觸針組件的近似理論性能I=13ml2]]>=13×5×10-3×(10-2)2gm2---(29)]]>=53×10-7gm2]]>T＝F1＝100×10-3×g×10-2gm (30)＝10-3×g gmω.=3×10-35×10-7×gradm-1---(31)]]>＝6×103×g Iadm-1a＝6×103×g×10-2(32)＝60g這些計(jì)算表明觸針尖13可以達(dá)到60g的最大可能加速度。它大致上與原型觸針組件的實(shí)際性能相符。這種性能可與公式(18)中用于裝有加速重量的均勻質(zhì)量觸針的加速度3.9g相比較，并且從公式(20)得到的均勻觸針的1.5g的加速度表明其加速度沒有增加。
對(duì)于質(zhì)量沿著其長度均勻分布的觸針臂來說，針尖的最大加速度是靜態(tài)觸針力除以其質(zhì)量的三倍。因此，觸針臂的質(zhì)量(忽略集中在從樞軸起1/20長度范圍內(nèi)的任何觸針質(zhì)量)最大應(yīng)為20毫克(是100毫克觸針力的重力加速度的15倍)，并且最好是不超過10毫克。
通過以上的分析，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以預(yù)見到各種方案的觸針結(jié)構(gòu)實(shí)際上可能達(dá)到的最大針尖加速度，并且可以看出如何選擇觸針的結(jié)構(gòu)特性，從而增加觸針尖的加速度并且由此改善觸針的高速運(yùn)動(dòng)特性，特別是可以參考上述的公式(16)。
對(duì)上述實(shí)施例的某些修改可以使裝置更便于使用和制造，并且通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究表明以下的幾點(diǎn)是應(yīng)該優(yōu)先考慮的。
彎曲彈簧F、G可以用大約0.075mm厚的較薄的材料制成。這樣有助于增加觸針組件7受到驅(qū)動(dòng)時(shí)能達(dá)到的最大移動(dòng)距離。在此推薦的掃描測(cè)量期間的移動(dòng)距離在x和y方向上均可達(dá)到1mm。
圖19表示了一種測(cè)量儀器的觸針，它被推薦用于本實(shí)施例原型中的Sonotone V100 Hi-Fi觸針。在圖19的觸針中，觸針臂9是一個(gè)薄壁的鋁管，重量大約是5毫克。它具有扁平的端部，在其上裝有觸針尖13。按照正常的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，觸針尖13具有5μm半徑的一個(gè)圓錐形鉆石頭。觸針臂9上裝有觸針尖13的扁平的端部與觸針臂9主要部分的軸線形成大約15°的角度。觸針臂大約有10mm長。遮光片15是一個(gè)重量大約為4毫克的薄鋁片，大約有6.5mm長。
為了增加運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)范圍，光電二極管檢測(cè)板39相對(duì)于x和y平臺(tái)傳感器片81、87的排列和位置與圖6所示的結(jié)構(gòu)相反。在圖6所示的用于觸針的遮光片15的結(jié)構(gòu)中，片的陰影45在朝向和遠(yuǎn)離上部(參考)光電二極管41的方向在下部(信號(hào))光電二極管43前面移動(dòng)，從而使可以測(cè)量到的陰影45的移動(dòng)范圍大體上等于下部光電二極管43的高度。在變更的實(shí)施例中，如圖20所示，設(shè)置一個(gè)檢測(cè)板39使x平臺(tái)傳感器片81或y平臺(tái)傳感器片87的陰影45在下部光電二極管43上面沿著光電二極管的長度方向移動(dòng)。陰影45的頂部被安置在兩個(gè)光電二極管41，43之間。在此時(shí)可以測(cè)量的最大移動(dòng)距離大約與下部光電二極管43的長度相等。采用這種結(jié)構(gòu)，很容易獲得一個(gè)范圍至少達(dá)到1.5mm的傳感器。
圖14和15的橫向運(yùn)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電路與橫向運(yùn)動(dòng)單元的各個(gè)x和y平臺(tái)一起構(gòu)成了閉合的反饋環(huán)，但是這種系統(tǒng)有可能出現(xiàn)諧振。反饋諧振一般可以通過電子電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來避免，更常用的方式是在橫向運(yùn)動(dòng)單元中提供機(jī)械阻尼以避免諧振，而電子電路的設(shè)計(jì)要求就不必那么嚴(yán)格了。圖21表示了圖2的橫向運(yùn)動(dòng)單元的一種變更，其中在y平臺(tái)中的懸掛塊67，69的移動(dòng)相對(duì)于連接板63受到阻尼。如圖21所示，連接板63在各個(gè)懸掛塊67、69下面延伸，并且用設(shè)在懸掛板67、69和連接板63之間的膠質(zhì)硅減震材料139來提供阻尼。硅減震材料139的流動(dòng)性不強(qiáng)，并且不會(huì)流走，但是會(huì)在重力的作用下緩慢地蠕動(dòng)。因此，在懸掛塊67，69下面的那部分連接板63上設(shè)有槽，如圖21中所示的截面，以便把硅減震材料保持在正確的位置。
在測(cè)量儀器脫離被測(cè)表面時(shí)，表面不再限制觸針尖13在細(xì)彈簧17作用下向下的移動(dòng)，而細(xì)彈簧17趨向于使觸針臂9轉(zhuǎn)動(dòng)，使得觸針臂上承載觸針尖13的一端從儀器底部伸到外面。為了限制這種移動(dòng)的范圍并且在儀器不使用時(shí)減少因觸針尖13的振動(dòng)對(duì)觸針組件可能造成的損害，可以用一個(gè)觸針蓋141固定觸針組件17，如圖22和23所示。圖22是觸針組件7的局部截面圖。觸針蓋141是一個(gè)固定的薄金屬片，使觸針組件的底部閉合。在觸針蓋141對(duì)應(yīng)觸針尖13的位置設(shè)有一個(gè)孔或槽143，使觸針尖13可以通過觸針蓋141伸出并且接觸到被測(cè)表面。當(dāng)儀器脫離被測(cè)表面時(shí)，細(xì)彈簧17使觸針臂9轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使觸針尖13進(jìn)一步通過孔或槽143伸出，直到觸針臂9接觸到觸針蓋141，如圖22所示。這樣就限制了觸針臂9的進(jìn)一步移動(dòng)。這樣就在儀器不使用時(shí)為觸針提供了局部的保護(hù)。圖23表示了從下面看到的觸針蓋141，觸針尖13處于孔或槽143中。為了便于表示，在圖23中沒有畫出觸針臂9。
建議用圖2中的電路板133容納整個(gè)圖7的反饋控制電路和圖8中分別用于觸針位置、x方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及y方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的光學(xué)檢測(cè)器的放大電路55。另外，圖14和15的放大電路99也設(shè)在電路板133上。其余電路設(shè)在一個(gè)獨(dú)立的裝置中(未示出)，它被作為儀器與個(gè)人計(jì)算機(jī)115之間的接口。這樣就確保了光電二極管的信號(hào)在進(jìn)入彎曲電纜之前被輸出，同時(shí)在主殼1的內(nèi)部僅提供電路總體的一小部分，從而使主殼1的體積盡量縮小。
為了對(duì)運(yùn)動(dòng)單元5的操作提供較好的控制，并且為儀器的操作提供較大的靈活性，建議用例如圖24所示的一個(gè)可控的三角波發(fā)生器來產(chǎn)生從圖15的電路輸入的三角波x方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且圖17的電路應(yīng)該用圖25所示的結(jié)構(gòu)替代。
在圖24中，由任意慣用的參考電壓發(fā)生電路產(chǎn)生的一個(gè)恒定值參考電壓被輸入到可變?cè)鲆娣糯笃?45?？勺?cè)鲆娣糯笃?45的增益是由增益輸入信號(hào)控制的?？勺?cè)鲆娣糯笃鞯妮敵霰徊⒙?lián)地提供給反向緩沖器147和非反向緩沖器149。開關(guān)151選擇緩沖器147，149之一的輸出作為積分器153的輸入。積分器153對(duì)輸入的電壓積分，并且輸出一個(gè)穩(wěn)定地變化的電壓。
積分器153的輸出被提供給比較器155，將其與輸入到比較器155的一個(gè)門限值相比較。所有電路都是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的，采用正或負(fù)15伏或12伏以及0伏的電源。當(dāng)比較器155的輸入從0伏正向或負(fù)向地變化到由門限輸入信號(hào)設(shè)定的一個(gè)量值時(shí)，比較器155就控制開關(guān)151改變其位置，從而改變向積分器153提供信號(hào)的緩沖器147，149。積分器153的輸出值則相應(yīng)地向反方向變化。這樣，積分器153的輸出就構(gòu)成了三角波。每當(dāng)比較器155檢測(cè)到達(dá)到了門限值時(shí)，就操作開關(guān)151，同時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。因此，每當(dāng)三角波改變方向時(shí)，比較器155就輸出一個(gè)脈沖。用比較器155輸出的脈沖代替圖17中由脈沖發(fā)生電路121輸出的脈沖。
在圖24的三角波發(fā)生電路中，輸入到比較器155的門限信號(hào)值決定了輸入到圖14的x方向驅(qū)動(dòng)電路的三角波信號(hào)的幅值，因此，門限信號(hào)的值就決定了運(yùn)動(dòng)單元7在x方向上的移動(dòng)距離。另外，輸入到可變?cè)鲆娣糯笃?45的增益信號(hào)控制著由積分器153積分的正、負(fù)電壓的幅值，從而控制積分器輸出變化的速度。因此，圖24中的增益控制輸入就控制了觸針組件7在x方向上的移動(dòng)速度。
在測(cè)量儀器沒有接通電源時(shí)，運(yùn)動(dòng)單元5趨向于采取這樣的位置，即把觸針組件7保持在其x和y方向移動(dòng)范圍的中間。由于控制電路是以采用正、負(fù)電源的運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的，這一中心位置對(duì)應(yīng)著輸入到圖14和15的x和y反饋控制電路的零伏電壓。
在圖25中，運(yùn)動(dòng)單元5的x和y平臺(tái)是由控制邏輯157控制的。如圖25所示，來自圖24的電路的三角波信號(hào)把是被直接輸入到圖14的電路，而是要通過一個(gè)由控制邏輯157控制的開關(guān)159。按照類似的方式，接到圖15的電路的y方向驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)要通過一個(gè)由控制邏輯157控制的開關(guān)161。另外，在圖14和15的電路中的驅(qū)動(dòng)放大器111上設(shè)有一個(gè)繼電器開關(guān)，它在沒有電源時(shí)打開，從而阻止驅(qū)動(dòng)信號(hào)被提供給線圈77、95。這些開關(guān)在供電之后的幾秒鐘之后自動(dòng)地閉合，把驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給線圈77、95。這一延遲確保了各個(gè)控制元件的輸出和圖7電路的控制操作在x和y平臺(tái)驅(qū)動(dòng)線圈接收到驅(qū)動(dòng)電流之前可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
在測(cè)量儀器的電源接通時(shí)，控制邏輯157保持開關(guān)159和161，把零伏電壓連接到圖14和15的x和y平臺(tái)反饋控制電路，用于代替驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)繼電器開關(guān)閉合時(shí)，通過開關(guān)159、161使接到圖14和15的x和y驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)處于零伏，而運(yùn)動(dòng)單元5則已相應(yīng)地處于由驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)所限定的位置。這表明在電源接通時(shí)運(yùn)動(dòng)單元5不會(huì)由于來自圖14和15的反饋控制電路的初始輸出從其停留位置上突然移動(dòng)。
在圖25中，計(jì)數(shù)器123是一個(gè)在控制邏輯157控制下操作的雙向計(jì)數(shù)器，并且接收來自圖24的比較器155的脈沖作為其時(shí)鐘輸入。在電源接通之后，控制邏輯157使計(jì)數(shù)器123自動(dòng)地復(fù)位，從而使其輸出為零，并且計(jì)數(shù)器123維持在零，直到個(gè)人計(jì)算機(jī)115對(duì)控制邏輯157發(fā)出指令時(shí)為止。數(shù)-模轉(zhuǎn)換器125把零的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成零伏的模擬信號(hào)。然后，控制邏輯157可以相應(yīng)地移動(dòng)開關(guān)161，使圖15的y平臺(tái)反饋控制電路在計(jì)數(shù)器123的控制之下從數(shù)-模轉(zhuǎn)換器125接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而不會(huì)使運(yùn)動(dòng)單元5出現(xiàn)突然的移動(dòng)。
操作者可以通過個(gè)人計(jì)算機(jī)115選擇被掃描面積的尺寸以及掃描的速度。在選定了這些細(xì)節(jié)并且系統(tǒng)已可以開始掃描時(shí)，個(gè)人計(jì)算機(jī)115向控制邏輯157發(fā)出一個(gè)＂起動(dòng)＂指令，該指令可以指示掃描開始的y方向位置。y方向掃描的范圍的中心被選擇在計(jì)數(shù)器123的零位置，而開始位置被選擇在計(jì)數(shù)器123的正計(jì)數(shù)開始的位置。
控制邏輯157產(chǎn)生用于三角波發(fā)生電路24的增益和門限輸入控制信號(hào)。當(dāng)它從個(gè)人計(jì)算機(jī)115接收到＂起動(dòng)＂指令時(shí)，控制邏輯157保持開關(guān)159，把x方向反饋控制電路的輸入連接到地，并且使其與來自圖24電路的三角波信號(hào)隔離。然后，控制邏輯157為圖24中的增益信號(hào)設(shè)定一個(gè)高電平，并且把門限信號(hào)設(shè)定為低值，從而使比較器155高速地產(chǎn)生脈沖。計(jì)數(shù)器123在控制下向上計(jì)數(shù)，并且其計(jì)數(shù)快速地增長，直至達(dá)到與個(gè)人計(jì)算機(jī)115所選擇的起始位置相對(duì)應(yīng)的值。在這一點(diǎn)上，控制邏輯157停止計(jì)數(shù)器123。這一操作的結(jié)果是在y方向上迅速地把觸針尖13移動(dòng)到開始掃描的正確位置上。
為了開始掃描操作，個(gè)人計(jì)算機(jī)115向控制邏輯157發(fā)出一個(gè)＂掃描＂指令，并且通知控制邏輯157所需的掃描速度和x方向移動(dòng)范圍?？刂七壿?57根據(jù)掃描速度來設(shè)定圖24的三角波發(fā)生器的增益值，并且根據(jù)x方向移動(dòng)范圍來設(shè)定門限值，然后操作x方向開關(guān)159，把三角波信號(hào)連接到圖14的x平臺(tái)反饋控制電路的驅(qū)動(dòng)輸入端。在三角波現(xiàn)貨的值通過零伏時(shí)，開關(guān)159就轉(zhuǎn)換，從而使開關(guān)的動(dòng)作不會(huì)造成x位置的突然改變，否則會(huì)使觸針組件7在x方向上出現(xiàn)振動(dòng)。同時(shí)，控制邏輯157允許計(jì)數(shù)器123并且令其向下計(jì)數(shù)，從而開始y方向移動(dòng)的掃描。
在本實(shí)施例中，個(gè)人計(jì)算機(jī)115中的數(shù)據(jù)獲取和處理軟件快得足以保存x位置，y位置及觸針高度(z位置)的數(shù)據(jù)，并且掃描過程可以連續(xù)，不需要停下來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存。在此建議采用Data TranslationDT 2812A數(shù)據(jù)采集卡，用20KHz對(duì)所有三個(gè)通道采樣。這樣就允許在處理之前對(duì)數(shù)據(jù)取平均值，并且仍以適當(dāng)?shù)念l率(例如5KHz)提供數(shù)據(jù)，以便減少電子噪聲的影響。數(shù)據(jù)采集卡(它包括圖16的三通道模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)向DMA緩沖器輸出數(shù)據(jù)，個(gè)人計(jì)算機(jī)115從DMA緩沖器中讀出數(shù)據(jù)。個(gè)人計(jì)算機(jī)115對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理，由于它可以跟上從數(shù)據(jù)采集卡提供數(shù)據(jù)的速度，DMA緩沖器不會(huì)溢出。
由于輸入并由個(gè)人計(jì)算機(jī)115處理的數(shù)據(jù)包括觸針尖13的y位置，個(gè)人計(jì)算機(jī)115就能夠監(jiān)測(cè)掃描的進(jìn)程，并且在到達(dá)指定的結(jié)束點(diǎn)時(shí)向控制邏輯157發(fā)出一個(gè)信號(hào)使掃描停止。然后，控制邏輯157移動(dòng)x方向開關(guān)159，把x方向反饋控制電路從三角波信號(hào)上斷開，并在三角波通過零伏時(shí)再次移動(dòng)開關(guān)。在x方向控制電路與三角波隔離時(shí)，控制邏輯157再次把輸入到三角波發(fā)生器的增益設(shè)定在高值，比把門限輸入設(shè)定在低值，從而向計(jì)數(shù)器123快速地提供脈沖，并且指示計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)直到其達(dá)到零。這樣就可以驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)單元使觸針尖13回到停止位置。
為了安全起見，控制邏輯157還要監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)器123的計(jì)數(shù)值，并且如果這一計(jì)數(shù)值接近了可能的最小計(jì)數(shù)值，即使沒有來自個(gè)人計(jì)算機(jī)115的信號(hào)，控制邏輯也會(huì)自動(dòng)地停止掃描。這樣就保證了在個(gè)人計(jì)算機(jī)115的操作因?yàn)槌鲥e(cuò)而不能停止掃描時(shí)自動(dòng)地停止掃描。在計(jì)數(shù)器123從其最小計(jì)數(shù)翻轉(zhuǎn)到最大計(jì)數(shù)之前掃描就應(yīng)該停止，因?yàn)檫@樣會(huì)造成數(shù)-模轉(zhuǎn)換器125輸出的突然改變，從而會(huì)造成運(yùn)動(dòng)單元迅速地驅(qū)動(dòng)觸針尖13，使其從y方向范圍的一端移動(dòng)到另一端。
在y方向掃描的范圍不超過0.5mm時(shí)，觸針尖13在y方向上的每一步是1μm。針對(duì)計(jì)數(shù)器123輸出值的每次變化，分配給D/A轉(zhuǎn)換器125的增益可以在運(yùn)動(dòng)單元的y平臺(tái)中形成這種運(yùn)動(dòng)。如果y方向掃描的范圍大于0.5mm，每一步就被設(shè)置成2μm。在這種情況下，控制邏輯157把y方向掃描的距離當(dāng)作其實(shí)際距離的一半來控制計(jì)數(shù)器123，并且向D/A轉(zhuǎn)換器125提供一個(gè)信號(hào)，使該轉(zhuǎn)換器輸出級(jí)的增益加倍，從而把計(jì)數(shù)器123的每個(gè)計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成在掃描范圍小于0.5mm時(shí)的同樣的計(jì)數(shù)值所提供的電壓的二倍。
來自圖15的y掃描監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的最大值出現(xiàn)在掃描結(jié)束時(shí)，因此，掃描的范圍越大，這一信號(hào)的最大值就越大。該信號(hào)在被提供給數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器113之前在一個(gè)前置放大器163中被放大。為了防止A/D轉(zhuǎn)換器的輸入在大的y方向位移時(shí)達(dá)到飽和，控制邏輯157在y方向掃描的范圍大于0.5mm時(shí)輸出一個(gè)控制信號(hào)，使前置放大器163的增益減半。按照類似的方式，圖14的x掃描監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)在被提供給數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器113之前在一個(gè)前置放大器165中被放大。控制邏輯157在x方向掃描的范圍大于0.5mm時(shí)輸出一個(gè)控制信號(hào)，使前置放大器165的增益減半。由該信號(hào)代表的x和y位移的變化在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中被自動(dòng)地補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.用于一種測(cè)量儀器的觸針組件，測(cè)量儀器通過在表面上移動(dòng)觸針的尖來測(cè)量表面特征，觸針組件包括可繞著一個(gè)樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)并且?guī)в杏|針尖的一個(gè)觸針臂，或是包括一個(gè)可以朝向或是離開表面大體上做直線運(yùn)動(dòng)并且?guī)в杏|針尖的觸針，在觸針尖沒有運(yùn)動(dòng)時(shí)用一個(gè)預(yù)定的力把觸針尖壓在被測(cè)表面上，使觸針尖的理論加速度或是觸針尖的近似的理論加速度大于1.5g，其中的g是自由落體的重力造成的加速度，并且在觸針臂繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，觸針尖的理論加速度是由預(yù)定量的力乘以樞軸到針尖的觸針臂長度的平方再除以觸針臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所限定的數(shù)值；在觸針大體上做直線運(yùn)動(dòng)的情況下，觸針尖的理論加速度是由預(yù)定的力除以觸針質(zhì)量所限定的數(shù)值；并且觸針尖近似的理論加速度(僅用于觸針臂繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下)是由預(yù)定量的力的三倍除以觸針臂質(zhì)量(忽略從樞軸到針尖的半路上小于十分之一范圍內(nèi)的任何質(zhì)量)所限定的數(shù)值。
2.按照權(quán)利要求1的觸針組件，其中上述理論加速度或近似的理論加速度至少為5g。
3.按照權(quán)利要求1的觸針組件，其中上述理論加速度或近似的理論加速度至少為10g。
4.按照權(quán)利要求1的觸針組件，其中上述理論加速度或近似的理論加速度至少為20g。
5.按照權(quán)利要求1到4中任意一項(xiàng)的觸針組件，其中包括一個(gè)繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針臂，并且觸針臂上從樞軸到觸針尖的長度不大于2cm。
6.按照權(quán)利要求1到4中任意一項(xiàng)的觸針組件，其中包括一個(gè)繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針臂，并且觸針臂上從樞軸到觸針尖的長度不大于1cm。
7.用于一種測(cè)量儀器的觸針組件，測(cè)量儀器通過在表面上移動(dòng)觸針的尖來測(cè)量表面特征，觸針組件包括可繞著一個(gè)樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)并且?guī)в杏|針尖的的一個(gè)觸針臂，觸針臂質(zhì)量(忽略從樞軸到針尖的半路上小于十分之一范圍內(nèi)的任何質(zhì)量)不大于25毫克。
8.按照權(quán)利要求7的觸針組件，其中觸針臂上從樞軸到觸針尖的長度不大于2cm。
9.按照權(quán)利要求7的觸針組件，其中觸針臂上從樞軸到觸針尖的長度不大于1cm。
10.用于一種測(cè)量儀器的觸針組件，測(cè)量儀器通過在表面上移動(dòng)觸針的尖來測(cè)量表面特征，觸針組件包括一個(gè)可以朝向或是離開表面大體上做直線運(yùn)動(dòng)并且?guī)в杏|針尖的觸針，觸針的質(zhì)量不大于25毫克。
11.按照權(quán)利要求1到6中任意一項(xiàng)的觸針組件，其中包括一個(gè)繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的觸針臂，并且觸針臂的質(zhì)量(忽略從樞軸到針尖的半路上小于十分之一范圍內(nèi)的任何質(zhì)量)不大于25毫克。
12.按照權(quán)利要求1到4中任意一項(xiàng)的觸針組件，其中包括一個(gè)大體上直線運(yùn)動(dòng)的觸針，并且觸針臂的質(zhì)量不大于25毫克。
13.按照權(quán)利要求7到12中任意一項(xiàng)的觸針組件，其中上述質(zhì)量不大于20毫克。
14.按照權(quán)利要求7到12中任意一項(xiàng)的觸針組件，其中上述質(zhì)量不大于10毫克。
15.按照權(quán)利要求7到12中任意一項(xiàng)的觸針組件，其中上述質(zhì)量不大于5毫克。
16.按照任意一項(xiàng)在前的權(quán)利要求所述的觸針組件，其中包括偏置裝置，它在觸針重量的任何作用之外對(duì)觸針尖壓在被測(cè)表面上的力起作用。
17.按照權(quán)利要求16的觸針組件，其中偏置裝置包括使觸針尖朝著表面偏置的彈簧裝置。
18.按照任意一項(xiàng)在前的權(quán)利要求所述的觸針組件，其中，在觸針尖沒有任何運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的觸針尖壓住表面的力不大于1克的力。
19.按照權(quán)利要求18的觸針組件，其中上述的力是不大于500毫克的力。
20.按照權(quán)利要求18的觸針組件，其中上述的力是不大于200毫克的力。
21.按照權(quán)利要求18的觸針組件，其中上述的力是不大于100毫克的力。
22.一種測(cè)量儀器，用于通過在表面上移動(dòng)一個(gè)觸針來檢測(cè)表面上的粗糙度或紋理或是其形狀細(xì)節(jié)，該儀器包括一個(gè)觸針；移動(dòng)裝置，用于在表面上朝第一方向移動(dòng)觸針，并且在表面上朝著與第一方向交叉的第二方向移動(dòng)觸針；與觸針相聯(lián)系的傳感裝置，用于在移動(dòng)裝置使觸針在表面上移動(dòng)的同時(shí)提供一個(gè)輸出，上述的輸出響應(yīng)表面的高度相對(duì)于第一和第二方向所限定的平面的變化，上述的移動(dòng)裝置可以在表面上的一定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)觸針，從而檢測(cè)出該區(qū)域中表面高度的變化。
23.按照權(quán)利要求22的儀器，其中第一和第二方向是水平方向，并且上述的傳感裝置響應(yīng)表面高度的變化而提供一個(gè)輸出。
24.按照權(quán)利要求22或23的儀器，其中移動(dòng)裝置包括一個(gè)安裝件和一個(gè)用于裝載觸針的裝載件，安裝件和裝載件通過彎曲彈簧來連接，通過彈簧的彎曲做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
25.一種測(cè)量儀器，通過在表面上移動(dòng)觸針來檢測(cè)表面的特征，該儀器包括一個(gè)觸針和用于在表面上移動(dòng)觸針的移動(dòng)裝置，移動(dòng)裝置包括第一件，從第一件朝著與各個(gè)中間件相反的方向延伸的第一彎曲彈簧，以及從各個(gè)中間件在相反方向上延伸到第二件的第二彎曲彈簧，從而通過彈簧的彎曲使第二件在朝向和遠(yuǎn)離第一件的方向上做大體上直線的運(yùn)動(dòng)。
26.按照權(quán)利要求25的儀器，其中上述相反方向和第二件的直線運(yùn)動(dòng)方向基本上都是水平方向。
27.一種測(cè)量儀器，用于通過在表面上移動(dòng)一個(gè)觸針來檢測(cè)表面特征，該儀器包括一個(gè)觸針；移動(dòng)裝置，用于在表面上基本上水平地移動(dòng)觸針；以及與觸針相聯(lián)系的傳感裝置，用于響應(yīng)表面上的高度變化而提供一個(gè)輸出，上述移動(dòng)裝置包括第一件，以及相對(duì)于第一件水平移動(dòng)并且支撐著觸針的第二件，第一件通過一個(gè)平板式的彎曲彈簧連接到第二件并且支撐著第二件，平板彎曲彈簧被設(shè)置在一個(gè)垂直平面內(nèi)并且在第一件和第二件之間基本上水平地延伸，利用彈簧的彎曲阻止第二件的水平移動(dòng)，并且利用彈簧在其平面內(nèi)的彎曲阻力來抵抗重力，以便支撐第二件。
28.按照權(quán)利要求27的儀器，其中移動(dòng)裝置還包括裝載觸針的第三件，第二件通過第二平板式彎曲彈簧支撐著觸針和第三件，第二平板式彎曲彈簧被設(shè)置在基本上平行于第一彎曲彈簧的平面的垂直平面內(nèi)，并且在第二和第三件之間基本上水平地延伸，從而利用第二彎曲彈簧的彎曲阻止第三件相對(duì)于第二件的水平移動(dòng)，并且利用第二彎曲彈簧在其平面內(nèi)的彎曲阻力來抵抗重力，以便支撐第三件。
29.按照權(quán)利要求28的儀器，其中移動(dòng)裝置還包括分別通過其他彎曲彈簧連接到第一和第三件的第四件，其他彎曲彈簧被設(shè)置在各自的垂直平面內(nèi)，并且在各件之間基本上水平地延伸。
30.按照權(quán)利要求29的儀器，其中第二件被設(shè)置在第一和第三件之間的直線上的一側(cè)，并且第四件被設(shè)置在直線上與第二件相反的另一側(cè)。
31.按照權(quán)利要求25至30中任何一項(xiàng)所述的儀器，其中每個(gè)上述彎曲彈簧還伴隨有另一個(gè)與其水平地分開并且在同一個(gè)件之間延伸的彎曲彈簧。
32.按照權(quán)利要求25至31中任何一項(xiàng)所述的儀器，其中每個(gè)上述彎曲彈簧具有多個(gè)垂直分開的彈簧部分。
33.按照權(quán)利要求25至32中任何一項(xiàng)所述的儀器，其中上述移動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)裝置，它通過改變移動(dòng)裝置的部件之間的磁力在表面上移動(dòng)觸針。
34.一種測(cè)量儀器，用于通過在表面上移動(dòng)一個(gè)觸針來檢測(cè)表面特征，該儀器包括一個(gè)觸針以及在表面上移動(dòng)觸針的移動(dòng)裝置，上述移動(dòng)裝置包括一個(gè)安裝件和一個(gè)裝載觸針的移動(dòng)裝載件，安裝件和裝載件通過一或多個(gè)彎曲彈簧來連接，通過彎曲彈簧的彎曲使二者做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該移動(dòng)裝置還包括相對(duì)于安裝件驅(qū)動(dòng)裝載件的驅(qū)動(dòng)裝置，用于檢測(cè)裝載件位置的檢測(cè)裝置，以及響應(yīng)檢測(cè)裝置的輸出，用于控制驅(qū)動(dòng)裝置的反饋控制裝置。
35.按照權(quán)利要求34的儀器，其中上述驅(qū)動(dòng)裝置在移動(dòng)裝置的部件之間施加可變的磁力，從而驅(qū)動(dòng)裝載件。
全文摘要
按照本發(fā)明，為檢測(cè)表面特征的測(cè)量儀器提供了一種觸針組件，其中的觸針有一個(gè)與表面相接觸的尖，并且被安裝成繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，觸針受到偏置，在針尖沒有繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)用一個(gè)力(靜態(tài)力)把針尖壓在表面上，這樣，靜態(tài)力乘以樞軸和針尖之間觸針長度的平方再除以觸針轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所獲得的數(shù)值大于1.5g，其中的g是重力加速度。這一數(shù)值至少應(yīng)該達(dá)到5g，達(dá)到10g時(shí)較好，最好是達(dá)到20g。為了簡(jiǎn)化對(duì)觸針繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律的分析，忽略了阻尼和共振等等因素，這一數(shù)值提供了針尖在靜態(tài)觸針力作用下的加速度數(shù)量。
文檔編號(hào)G01B5/28GK1157653SQ9519282
公開日1997年8月20日 申請(qǐng)日期1995年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月18日
發(fā)明者E·莫里森 申請(qǐng)人:蘭克·泰勒·霍布森有限公司