CN1157653A - 测量触针组件 - Google Patents

Abstract

按照本发明，为检测表面特征的测量仪器提供了一种触针组件，其中的触针有一个与表面相接触的尖，并且被安装成绕枢轴转动的形式，触针受到偏置，在针尖没有绕枢轴转动时用一个力(静态力)把针尖压在表面上，这样，静态力乘以枢轴和针尖之间触针长度的平方再除以触针转动惯量所获得的数值大于1.5g，其中的g是重力加速度。这一数值至少应该达到5g，达到10g时较好，最好是达到20g。为了简化对触针绕枢轴转动规律的分析，忽略了阻尼和共振等等因素，这一数值提供了针尖在静态触针力作用下的加速度数量。

Description

测量触针组件

本发明涉及一种测量仪器，它可以在一个表面上驱动触针，从而检测出极小的表面特征，这种等级的表面特征通常会影响该表面的纹理(粗糙度)，也就是波长在1毫米量级到1微米量级的表面特征。本发明还涉及在这种装置中使用的触针组件以及驱动这种装置中的触针的驱动单元。在本发明中，检测到的粗糙度等级数据可以被用来提供粗糙度参数的数值或是提供表面形状的图像、图形或断面，从而显示出这些极小的表面特征。

在例如Rank Taylor Hobson Limited of Leicester，United Kingdom生产的Form Talysurf系列产品中，用于检测表面粗糙度的测量仪器中装有一个触针，它绕着一个轴线做枢轴转动，该轴线与(通常是水平的)被测表面大体上平行，并且枢轴被安装在基准杆上，它可以大体上平行于被测表面并且与枢轴的轴线交叉地运动，从而使触针在表面上移动。基准杆被安装在一个具有滑动支架的精确的参考基点上。在使用中，触针通常被支撑着离开被测表面，而基准杆被伸到测量行程的起点。然后，整个***被朝着表面移动，或是释放触针，从而使触针的针尖渐渐地放到被测表面上，然后使基准杆在表面上拖着触针缓慢地缩回。当触针尖在表面上移动的同时用一个传感器检测触针尖相对于基准杆的运动，触针尖在被测表面上沿着其运行线路移动，与指示其瞬时位置的信号相联系地记录传感器的输出值，由此来提供可以计算出表面粗糙度的范围或图样的数据。

根据基准杆在表面上移动触针尖的速度，这类仪器通常用高达500Hz的频率对传感器的输出采样，从而按照大约每微米一次获得触针尖在表面上移动时的高度测量值。触针尖可以在表面上以每秒500μm的速度移动，如果希望在表面上获得更密集的数据点，也可以降低速度。在实践中，传感器输出可以按照大约500Hz的频率采样，并且可以结合两个以上用于获得单一数据值的连续采样，从而以500Hz以下的频率提供数据值。

触针的重量通常只有几(例如3到5)克，而触针施加在表面上的力却要小得多，因为大部分重量被平衡或配重弹簧上的配重抵销了。触针通常会在表面上施加100毫克以下的力。

当触针在表面上做直线运动时，这种装置可以通过测量提供表面粗糙度的高度精确的测量值。它适合测量小工件的表面，例如光学透镜和机械轴承，这些工件被装在定位在该装置的触针下面的工件托架上。工件托架有一个转动或移动工件的台阶，从而可以沿着表面上的多条线或是跨越该表面的多个方向进行测量。

有一些测量仪器可以采用＂三维＂模式，在其中可以在工件表面上执行一系列的测量行程，并在顺序的测量行程之间使工件稍稍侧移，从而获得与指定的整个面积上的表面纹理相关的数据。其输出在两个方向(x和y方向)上呈三维分布。

这种装置可以获得相对较大面积的数据。基准杆在表面上移动触针尖的最大距离大约是10cm，并且工件托架可以使工件侧移几个cm。然而，在大面积扫描时会获得大量的数据。如果在x和y方向上按照1μm的数据点扫描1cm²的面积，在表面上就要提取10⁸个点的数据。在实践中，关于表面粗糙度的有用信息或是其细微特征断面的采样可以从很小的面积上获得。所需的面积大小是由需要检测的特征的大小来决定的，但是，在大多数加工表面上，该面积可以采用边长各为0.5mm的正方形。这样大的正方形包含间隔1μm的250000个数据点。

由于触针的尖在被测表面上移动的速度很慢，即使要扫描0.5mm的正方形也需要很长的时间。即使把速度增加到每秒0.5mm，跨过正方形的每条线仍需要1秒的扫描时间，如果数据点之间的距离是1μm，就要在正方形上面扫描五百次，因此，整个扫描过程大约需要用十分钟。使用这种***在一定的面积上检测表面纹理还受到另外的限制，因为在使用它时必须把工件装在工件托架上，这样就限制了工件的最大尺寸。

如果能在表面上较快地驱动触针，就可以缩短扫描一定面积所需的时间。然而，现有的***是做不到的。在现有***中，对触针在表面上移动的速度的直接限制是因为触针在较快的运动速度下不能精确地跟踪表面的高度。如果表面是绝对平滑的，触针施加在其上的力就会一直等于静态的触针作用力(也就是当触针不动时施加在表面上的力)。如果触针在一个高度按正弦变化的表面上运动，当其处于正弦斜率的直线部分时，触针施加的力等于其静态的力。然而，动态的影响意味着在触针通过凹处时的力会增大，而在触针越过凸出处时的力会减小。这些动态的影响随着触针运动速度的增加而增大，最终会导致凹处底部的触针力达到静态力的二倍，而在凸出处顶部的触针力则会变为零。触针力等于零意味着触针不能再对表面进行跟踪，反而会脱离该表面。因此，在达到这一点时，进一步增加触针在正弦表面上的运动速度就会使触针脱离被测表面，特别是在凸出处的区域内。在实践中，表面的粗糙度或是细微形状特征并不是正弦变化的。然而，表面的断面可以被认为是由高于***能够检测的最高空间频率的空间频率正弦分量构成的，这取决于触针尖的半径和数据点间距等等的参数(符合奈奎斯特采样定律)。在实践中通常把最难跟踪的频率作为能够测量的最高空间频率分量。

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)中采用了这种分析方法。在＂TheDynamic Response of Stylus＂，Shigeyasu Ajioka，Bulletin of the JapaneseSociety of Precision Engineering，Volume 1，No.4，pages 228 to 233(1963)中也考虑到了触针***的动态性能。然而，在现有技术中所做的分析显得过于脱离实际，并且没有象本发明所提供的方法这样对粗糙度测量中如何在表面上提高触针运动速度提出实际的指导。

有很多可能的方法可以用来分析触针的数学规律，并且可以选择各种不同的参数来尝试***的优化设计。

现有技术的研究主要致力于使触针可以精确跟踪的垂直振荡频率最大或是致力于限制触针力的动态特性，由此就提出了在触针中提供特殊的阻尼和共振特性。通过对触针施加的静态力和触针惯性的研究，本发明人已经可以实现常规的枢轴转动的触针装置，其中的触针沿着其长度具有基本上一致的密度，并且触针力是由触针的重量获得的，这种装置的触针不能在高速运动时跟踪表面的粗糙度。类似地，如果使触针在表面上做往复直线运动，通过触针重量获得触针压力的***中的触针不能在高速运动时跟踪表面的粗糙度。为了实现高速运动状态下的跟踪，本发明提出了一种触针构造的标准，它涉及到用触针静态力使触针尖加速的能力。

按照本发明的一个方面，为检测表面特征的测量仪器提供了一种触针组件，其中的触针有一个与表面相接触的尖，并且被安装成绕枢轴转动的形式，触针受到偏置，在针尖没有绕枢轴转动时用一个力(静态力)把针尖压在表面上，这样，静态力乘以枢轴和针尖之间触针长度的平方再除以触针转动惯量所获得的数值大于1.5g，其中的g是重力加速度。这一数值至少应该达到5g，达到10g时较好，最好是达到20g。为了简化对触针绕枢轴转动规律的分析，忽略了阻尼和共振等等因素，这一数值提供了针尖在静态触针力作用下的加速度数量。在下文中将其称为触针尖的理论加速度。它是触针组件固有的性质，可以通过组件的适当结构加以选择，这一点在下文中会加以说明，针尖在静态力作用下的加速度直接涉及到针尖在不脱离接触的情况下可以在表面上运动的速度。

上述表达式给出的1.5g的数值是水平延伸的触针的理论加速度，触针的质量沿着其长度均匀地分布，其远离触针尖的一端精确地绕着枢轴转动(也就是没有配重)，并且用其全部的重量来提供触针力。因此，单独靠其自身重量获得触针力的均匀截面的触针不能满足上述的条件。

如果使用重量沿着其长度不均匀分布的触针，并且使重量集中在靠近枢轴的位置，触针尖的理论加速度就可以增加到1.5g以上。如果触针的所有重量都集中在枢轴附近，并且触针的其余长度上完全没有重量，触针尖的理论加速度就会接近无穷大。然而，任何实际的触针都是用具有一定质量的材料制成的，并且在实践中仅靠质量的不均匀分布不可能把触针尖的理论加速度提高到3或4g以上。为了使触针尖的理论加速度明显地高于1.5g，需要提供一个偏置装置，例如一个弹簧，从而用偏置装置而不是触针的重量来提供至少一部分甚至一半以上的触针力。也可以使用其他类型的偏置装置，例如电磁偏置装置，但是这类装置会使触针的转动惯量增大。

用例如一个弹簧的偏置装置而不是触针的重量来提供触针力的＂平衡触针＂结构是已知的，但是在这种结构中需要有一个在远离触针尖的方向上从枢轴上伸出的配重，用它来抵销触针重量的作用。如果使针尖从正上方以外的任意角度压在表面上，在操作触针时就可以满足上述要求。在这种***中，配重增加了触针的整体质量和转动惯量，因此，触针尖的理论加速度通常会是很低的，除非是静态的触针力大到不可能的程度。

为了防止触针在表面上运动时造成表面的损伤，通常需要限制触针尖作用在表面上的静态力。由于减少静态触针力会使触针尖的理论加速度下降，如果不想降低理论加速度，限制静态触针力就意味着相应地限制转动惯量与枢轴到针尖距离的平方之比(这一比例可以被作为触针的有效质量)。静态触针力至少应该小于1克的力，而触针的有效质量(即转动惯量除以枢轴到针尖的距离的平方)应该小于2/3克。静态触针力应该小于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根据静态触针力和触针尖的理论加速度给出了触针有效质量的数值。

表1转动惯量/(枢轴到针尖的长度)²的数值，(克)

F＝静态触针力，(克)

a＝针尖的理论加速度，以g(重力造成的加速度)表示

         F＝1    F＝0.5    F＝0.2    F＝0.1

a＝1.5 

 

 

a＝5     0.2     0.1       0.04      0.02

a＝10    0.1     0.05      0.02      0.01

a＝20    0.05    0.025     0.01      0.005

从表中可以看到，如果静态触针力小，若要使触针尖的理论加速度大，就必须使触针的有效质量很小。这在实践中通常意味着必须使触针很短。当质量不变时，转动惯量取决于触针长度的平方。然而，增加触针的长度会使其质量相应地增加，对于比重均匀的触针来说，其转动惯量的变化与其长度的立方成正比。由于在有效质量的表达式中的分母随着触针长度的平方而变化，减少长度就会使整个表达式的数值下降。在a＝20g，F＝0.1克力时，触针的有效质量必须不大于5毫克。这种条件可以用大约1cm长的触针来实现，并且其结构类似于高保真唱机中公知的那种唱针。

按照本发明的另一方面，触针尖的理论加速度被确定为三倍的静态触针力除以触针的质量，忽略触针的枢轴至针尖长度上靠近枢轴的十分之一长度上的所有质量。象前面的限定一样采用相同的数值。这种限定的依据是质量沿着其长度均匀分布的触针的转动惯量公式。在实践中，测量触针的质量通常比测量其转动惯量要容易，并且在大多数情况下质量的分布并不会使转动惯量与质量均匀分布时的转动惯量有很大区别。

按照本发明的又一方面，提供了一种用于测量仪器的触针组件，它包括一个触针，其针尖在一个表面上运动，从而检测其表面特性，触针的总体质量不大于25mg，如果是绕枢轴转动的触针，这其中不包括从枢轴起的触针的枢轴至针尖长度上十分之一范围内的任何质量。较好的质量应该不大于20mg，不大于10mg则更好，最好是不大于5mg。最佳的静态触针力范围如上所述。在触针绕枢轴转动的情况下，即使仅仅排除从枢轴起的二十分之一范围内的长度，仍可以充分满足对质量值的限制。在触针绕枢轴转动的情况下，触针的枢轴至针尖长度应该不大于2cm，最好是不大于1cm。

在包含绕枢轴转动的触针的本发明所有范围内，触针不能远离实际上处于枢轴之外的针尖。在实践中，小范围地超出枢轴之外是不可避免的，因为触针包括一个枢轴销，它的半径长度在所有方向上都会延伸到轴线之外。

本发明的再一方面为用于检测表面粗糙度或是其形状细节的测量仪器提供了一种触针组件，它包括安装成大体上直线运动的一个触针，触针的针尖压在需要检测粗糙度或是形状的表面上，以及一个偏置装置，当针尖在朝向或离开表面的方向上不动时用一个力(静态触针力)把触针尖偏置到表面上，使静态触针力除以触针的质量大于1.5g，其中的g是重力加速度。在这种直线运动而不是绕枢轴运动的触针结构中，静态触针力除以触针的质量就是触针尖的理论加速度。在这种情况下使用的静态触针力和触针尖理论加速度的数值与触针绕枢轴转动情况下使用的数值相同，并且在这种情况下使用表1中给出的数值仍可以用表1中的数值来代表触针的实际质量，用它代替绕枢轴转动的触针的有效质量。这意味着对直线运动触针结构的质量限制要比对绕枢轴转动的触针结构的限制更严，因为绕枢轴转动的触针的有效质量通常小于其实际质量。

当触针在表面上运动时，触针在表面上的运动速度和表面上所需的数据点间距一起确定了从数据点上获得数据值的频率。例如，如果触针以每秒5mm的速度在表面上运动，并且需要使数据点相距1μm，就需要用5KHz的频率获得数据点上的数据值。触针的结构应该对其在所需的数据采样频率以下没有机械共振。为了确保触针臂的共振频率尽量地高，触针臂应该是刚性的并且又轻又短。这些要求符合对触针的高理论加速度的要求，因为短而轻的触针会具有较低的有效质量。

此外，还应该尝试着尽量减小触针尖与触针上某一点之间的共振，提供数据输出的传感器需要跟踪该点的位置，从而使传感器的数据输出精确地反映触针尖的运动。由于这个原因，在绕枢轴转动的触针中应该用传感器跟踪触针尖端的位置，并且应该避免象惯用的结构中那样用传感器跟踪触针其他部分的运动，这部分通常是超出枢轴远离针尖延伸的部分。

本发明的其他方面还涉及在被测表面上驱动触针的机构。

从一方面来看，本发明提供了一种测量仪器，用于检测表面的粗糙度或是微小特征的断面，该仪器装有一个触针，用于移动触针尖使其朝向或离开被测表面，以及一个在表面上驱动触针的驱动组件，使触针的尖在第一方向和第二方向上与表面相接触，第一方向大体上与表面平行并且与触针尖的运动方向交叉，第二方向大体上与表面平行并且与第一方向和触针尖的运动方向交叉。在这种测量仪器中的触针尖可以在表面上受到二维驱动，从而提供了一种面积测量手段，它比用驱动组件仅在一维上驱动触针并且必须用工件支架移动工件的结构更加通用。本发明的这一方面为测量这样一类工件的表面上小面积内的粗糙度或是断面开辟了新的前景，这种工件不容易安装在现有技术中用于测量表面粗糙的测量仪器上使用的那种精确移动的工件托架上。

在本发明的另一方面，为检测表面特征的测量仪器提供了一种支撑触针的支撑组件，它的第一部件用一个以上的平板式弯曲弹簧支撑着第二部件，使第二部件相对于第一部件在大体上水平的第一方向上运动，弯曲弹簧被设置在沿着与第一水平方向交叉的第二水平方向延伸的一个垂直平面中，并且沿着第一垂直线被固定在第一部件上，还在第二水平方向上沿着离开第一线的第二垂直线被固定在第二部件上，从而利用弹簧的弯曲来阻止第二部件在第一水平方向上相对于第一部件的运动，并且利用弯曲弹簧在其平面内反抗绕曲的刚性来抵抗重力，从而支撑着第二部件使其离开第一部件。

在第一和第二部件之间可以设置另一个与第一水平方向上的第一弯曲弹簧隔开的弯曲弹簧，从而在第一和第二部件之间形成平行四边形的交连，使第二部件不能相对于第一部件转动。还可以提供一个以上的与第一弯曲弹簧垂直隔开的其他弯曲弹簧。这种安装结构是一种复合的弹簧组件，其中的第二部件用一个以上其他类似的弯曲弹簧支撑着第三部件，并且可以调整安装组件或是束缚第三部件，使第三部件相对于第一部件执行直线运动。

在例如上述Form Talysurf系列的现有仪器中，触针被装在一个基准杆上，基准杆在一个精度基准支座上精确定位的滑动支架上滑动，由精度基准支座限定运动的基准线。基准杆被牢固地压在滑动支架上，并且其结构比较坚硬，需要有足够的力使基准杆在滑动支架上移动。因此，驱动基准杆的电机需要有足够的功率来克服支架的刚性，由于来自电机的振动等原因，这种结构不适合在执行表面测量的同时使触针高速运动。

如果按照本发明的一个方面通过一个以上的安装组件把触针装在一个支架上，就可以利用支座的位置以及弯曲弹簧在其平面内对挠曲的强大反抗力来限定触针运动的基准线或是基准面，从而可以去掉刚性的滑动支架。如果用这种方式安装触针，就可以通过一个以上弯曲弹簧的弯曲来调节触针相对于支座的运动，并且在安装时适当地选择弹簧的强度，使触针能够毫不费力地实现快速和平滑的运动。

按照本发明的另一方面，检测表面特征的测量仪器所用的触针通过一个对称平衡的复合弹簧支架被安装在一个安装部件上，其中的弯曲弹簧从安装部件的反方向上延伸到各个中间部件，其他的弯曲弹簧在一个相反方向上从中间部件延伸到第二部件，该相反方向大体上平行于弯曲弹簧在安装部件和中间部件之间延伸的方向，用第二部件支撑着触针，并且在与弯曲弹簧的平面交叉的方向上与安装部件对齐，弯曲弹簧可以束缚第二部件，使其执行朝向或是离开安装部件的直线运动。上述相反方向和第二部件与安装部件对齐的方向都应该是大体上水平的方向，并且通过弯曲弹簧在其平面内对挠曲的反抗力来支撑第二部件，以便抵抗重力的作用。本发明人发现，这种结构可以在支撑触针的第二部件和安装部件之间实现快速和平滑的相对运动，至少在1cm的距离内可以实现理想的直线运动。

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，图4.9表示了一例合适的弹簧安装方式，它是弯曲式的双复合直线弹簧结构。在1988年由John Wiley & SonsLimited(ISBN 0 471 91763 X)出版的RV Jones所著的＂Instruments andExperiences＂中，

其中的论文V＂Parallel and Rectilinear Spring Movements＂也提到了弹簧的安装问题。

按照本发明的又一方面，为检测表面特征的测量仪器上的触针提供了一种安装组件，通过弯曲弹簧的弯曲作用使这样安装的触针在被测表面的平面内运动，在表面的上述平面内的运动由一个检测装置来检测，并且由一个操作机构移动触针，按照检测装置的输出通过一个反馈环来控制操作机构，以确保触针处于所需的位置。代表触针所需位置的信号最好被输入到反馈环，以便与检测装置的输出相互组合，通过改变所需位置的信号使触针移动，同时通过检测装置维持操作机构的反馈控制。

无论在操作机构或弯曲弹簧的特性中有没有误差或变化，反馈控制都能使触针的位置受到精确的控制，并且还可以抵抗安装部件的共振的影响，使触针的位置保持稳定。

电磁操作机构是最好的，也可以采用其他类型的操作机构。

以下要参照附图用非限制性的举例方式给出的本发明的一个实施例，在附图中：

图1是在进行理论分析时使用的一个普通触针***的示意图；

图2是体现本发明的测量仪器的一个侧视图；

图3是图2中仪器的顶视图；

图4是图2仪器中的触针组件的一个侧视图；

图5是图2仪器中的触针组件的底视图；

图6是一个放大的检测器，它用于检测图4和5中的触针组件上触针针尖的位置；

图7是与图6的检测器一起使用的一个发光二极管的反馈控制电路；

图8是图6的检测器中的触针位置检测光电二极管的输出电路；

图9是图2仪器中的转动装置的一个转动平台的平面图；

图10是用于图9的转动台阶上的一个弯曲弹簧带的示意图；

图11是图2仪器中的触针尖在工件表面上通过的路径的示意图；

图12表示触针尖随着时间在X位置上的变化；

图13表示触针尖随着时间在Y位置上的变化；

图14是在图2仪器中的转动装置上的X方向平台的反馈控制电路；

图15是在图2仪器中的转动装置上的Y方向平台的反馈控制电路；

图16是用于图2仪器的数据探测和控制***的整体示意图；

图17表示根据输入到图14电路的X方向扫描驱动信号来产生输入到图15电路的Y方向扫描驱动信号的电路；

图18表示一例表面形状的输出图像，它可以通过本发明的一个实施例获得；

图19表示适合用于测量的触针臂和针尖；

图20是另一种检测器结构的放大视图，专门用于检测X和Y转动装置平台的位置；

图21表示具有机械阻尼的另一种转动装置；

图22是触针组件的一个简化的局部侧视图，表示了触针的盖；

图23是触针盖的底视图；

图24是一个三角波发生电路；以及

图25表示用于产生Y方向扫描驱动信号的另一个电路。

图1表示了普通的绕枢轴转动的触针***的结构示意图(忽略阻尼、共振等等因素)。触针绕着枢轴点P转动。触针尖与枢轴点P的距离是l₁，其质量是m₁。质量为m₂的配重在远离触针尖的方向上离开枢轴P的距离是1₂。假设触针的其他部分没有质量。触针尖落在表面上，其作用力是由质量m₁和m₂绕着枢轴点P的净转矩以及施加在枢轴点P和与枢轴点P相距1_b的触针尖之间的任何外部施加的偏置力F_b构成的。随着触针在表面上的移动，粗糙的表面会使触针尖在z方向上上、下运动，并且***的惯性会阻止运动速度在z方向上的变化，这种惯性会在触针尖作用在表面上的力中增加一个动态或是惯性分量。触针尖作用在表面上的力与反作用力R相等并且方向相反。

如果触针是水平延伸的，按照触针尖上的净转矩计算触针小位移运动的公式可以写成 $I\frac{\stackrel{..}{z}}{l_1}=g(m_1{l}_1-m_2{l}_2)+F_b{l}_b-{\mathrm{Rl}}_1---\left(1\right)$

其中的g是重力加速度，I是触针的转动惯量，并且可以写成 $I=m_1{l}_1^2+m_2{l}_2^2---\left(2\right)$

如上所述，根据奈奎斯特定律，***可以测量的粗糙度或是断面特征的最高空间频率取决于触针尖的曲率和数据点实际间隔等等参数。这一可检测的最大空间频率可以用表面高度的正弦变量来表示，其幅值为A，空间周期是d。当触针以速度v在表面上运动时，触针z的垂直位置可以表示成

                z＝Asinωt                       (3)

其中的ω可以表示成 $\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\πv}}{d}---\left(4\right)$

用时间(t)对等式(3)的两侧取二次导数，得到 $\stackrel{..}{z}=-A{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\ωt}---\left(5\right)$

然后在等式(3)中相减，就得到 $\stackrel{..}{z}=-{\mathrm{\ω}}^{2}z---\left(6\right)$

如果在等式(1)中减去等式(6)重新整理后就得到R的表达式 $R=\frac{g}{l_1}(m_1{l}_1-m_2{l}_2)+\frac{F_b{l}_b}{l_1}+\frac{{\mathrm{I\ω}}^{2}z}{l_1^2}---\left(7\right)$

使触针精确跟踪表面精度的临界条件是触针在具有幅值为A，空间周期是d的上述特征的表面上通过时不能与表面脱离接触。如果触针施加在表面上的力和表面的反作用力R下降到零，触针就会与表面脱离接触。从等式(4)中可以看出，触针在表面上的运动速度v与ω成正比，相应地，为了使触针停留在表面上的运动速度最大，应该调整等式(7)中的数值，使ω值最大时的R等于零。随着运动速度的增加，触针在波形的波峰处开始脱离表面，也就是在sinωt＝1，并且z＝A时。如果在等式(7)中把R设定为零，z设定为-A，等式就可以改写成 ${\mathrm{A\ω}}^2=\frac{{\mathrm{gl}}_1}{I}(m_1{l}_1-m_2{l}_2)+\frac{F_b{l}_b{l}_1}{I}---\left(8\right)$

忽略等式(8)中的最后一项(即假设外部偏置力F_b＝0)，就可以看出当m₂l₂最小时，ω最大。也就是说，触针应该尽量不使用在远离触针尖的方向上超出枢轴点P延伸的配重部分。应该避免使用m₂l₂等于m₁l₁的平衡***。如果m₂l₂为零(即完全没有触针的配重部分)，用转动惯量I消去其余的质量和长度相项，并且在没有外部偏置力F_b的情况下，Aω²＝g。如果m₂l₂＝0，等式(8)可以写成 ${\mathrm{A\ω}}^2=g+\frac{F_b{l}_b}{l_1{m}_1}---\left(9\right)$

通过提供外部偏置力F_b，可以把Aω²增加到大于g。然而，这样就会不利地增加触针作用在被测表面上的静态力。没有配重的触针的静态触针力F_s是 $F_s={\mathrm{gm}}_1+\frac{F_b{l}_b}{l_1}---\left(10\right)$

比较等式(9)和(10)，可以看出，如果质量m₁下降，增加ω²就可以减少静态触针力F_s。通过增加偏置力F_b可以进一步增加ω²的值，这样就可以使静态触针力F_s恢复到其原有值。在实践中，这意味着设计者应该寻求最小的触针质量，从而使触针的重量在总的静态触针力中只占相对较小的部分，并且可以施加外部的偏置力，以便提高高速运动的触针跟随表面特征的能力，但是不能过度地增加静态触针力。

在图2中用侧视图表示了体现本发明的一个测量仪器。它包括主壳1，它可以停留在工件3的表面上并且支撑一个运动单元5。运动单元5又支撑着一个触针组件7，它包括一个有尖的触针，针尖放在工件3的表面上。(触针被认为是随着表面高度的变化适应触针尖运动的部件)如果工件很小，主壳1可以被放在一个支撑板上，用支撑板把工件支撑在触针尖的位置。这样就可以在小得无法支撑的工件上使用这种仪器。运动单元5的布置使得触针组件7能与工件3表面的平面平行地执行二维运动，每一维上可选择的距离可以达到0.5mm。这样，用来移动触针尖从而获得工件3表面粗糙度信息的仪器可以在每一边为0.5mm的正方形面积上移动。

图3是图2的测量仪器的一个顶视图，用虚线表示了运动单元5的上部平台(Y方向)。图2是沿着图3中的II-II线看到的截面图。

在图2中用截面图表示了触针组件7。图4是触针组件7的侧视图，图5是触针组件7的底视图。触针组件7包括由触针臂9和枢轴销11构成的触针。触针臂9的一端与枢轴销11连接，而另一端装有一个从触针臂9上向下延伸并且接触到工件表面的触针尖13。一个光栅片15从触针臂9的尖端向上延伸，它构成了光学传感器的一部分，光学传感器按照下述的方式检测触针尖13绕着枢轴销11轴线的运动。

在一个通用标准型的实施例中，触针臂9是由一个Sonotone V100HiFi记录唱针构成的，触针尖13是由钻石HiFi触针尖构成的。这里的触针臂的长度是大约1cm，其质量大约是4毫克。可以将其与用于Form Talysurf仪器的绕枢轴转动的触针相比较，在这种仪器中的触针臂从枢轴到针尖的长度至少有10cm，其重量为一至几克。

在精确的测量仪器中，触针尖应该具有符合测量标准(这种标准通常需要1至5μm的曲率半径)的曲率，因此，Sonotone V100触针(其曲率半径为10μm)的HiFi记录唱针并不适用。然而，Sonotone V100HiFi触针的结构是很好的。它是一个很轻的空心铝或铝合金管。也可以使用不锈钢管。尽管不锈钢比铝密实，但是比较坚硬，因此可以使用较薄的材料。

枢轴销11就是普通的枢轴销，类似于Form Talysurf系列仪器中使用的样式。枢轴销11的质量对触针性能的影响很小，因为其质量集中在枢轴周围。枢轴销11的端部是楔形的并且被支撑在惯用的三球杯状轴承中。

光栅片是一个铝合金的薄片，通过阳极氧化使其变黑。其重量可以被忽略。

由于触针臂9的质量很小，其重量提供给作用在工件3表面上的触针尖13的静态触针力很小。一个最好由薄的铜铍合金条制成的细弹簧17被连接在枢轴销11上，并且可以调节，使触针尖13的静态力大约为100毫克的力。如图2所示，弹簧17被装在螺旋线圈中，因此，枢轴销11随着触针尖13的上、下运动稍微转动时不会明显地改变细弹簧17受到的拉力，从而使静态力维持合理的稳定性，例如，在触针尖13在0.1mm的垂直运动范围内的变化小于5％。

触针由一个触针支架19承载，支架19是一个具有水平横挡21和侧件23、25的铝合金支架，侧件23、25从横挡21向前延伸并且向下延伸到横挡21以下。如图2中所见，细弹簧17远离枢轴销11的一端被连接到在触针支架19的侧件23、25之间延伸的一个销26上。安装的触针可以在触针支架19的侧件23、25上转动。具体地说，三球杯状轴承被固定在螺纹棒27的短件端部，并将它们拧进触针支架19的侧件23、25内部的楔形孔中，从而固定住枢轴销11的楔形端并且支撑着触针。螺纹29通过触针支架19的横挡21中的孔，把触针组件7连接到运动单元5。

铝合金板31连接着铝合金块33、35，后者承载触针传感器的静止部分。板31和块33、35的组件跨着触针支架19开口的前部粘接，使板31从触针臂9的上方通过。一个铝合金块33载有一个发光二极管37，它朝着光栅片15发光。另一个铝块35上载有一个检测板39，板上装有上、下布置的两个矩形的光电二极管41、43，并且LED37和检测板39被相对定位在光栅片15在触针尖13停留在工件3表面上时所处的位置上，从而使光栅片15的顶沿对齐在LED37和下部的光电二极管43之间的一条线上。

图6是检测板39的一个放大图，表示在LED37的光线下由光栅片15投射出的阴影45。随着触针尖的上、下运动，下部光电二极管43被阴影45盖住的比例会发生变化，因此，光电二极管43的输出信号也会相应地变化。光栅片15的顶沿具有导角，从而使阴影45的边沿与下部光电二极管43的边沿基本上形成直角，以便改善触针尖13的高度和光电二极管43输出信号之间的线性关系。然而，为了获得可靠的触针尖位置信号，在触针尖13按照已知的一系列精确位置运动时，要通过对信号的测量来校准下部光电二极管43的输出。

每个光电二极管41、43大约有2mm长和1mm高，并且通过校准可以使下部二极管43的输出在大约0.2mm的运动范围内与触针尖13的垂直运动基本上保持线性变化关系，并且通过校准可以在触针尖13的0.4mm运动范围内获得一个有效的传感器。

在触针尖13的运动处于正常测量范围之内的所有位置上时，上部光电二极管41一直暴露在LED37的光线下，并且相应地提供一个参考信号。从理论上来说，若把上部光电二极管41的输出作为增益控制并把下部光电二极管43的输出作为信号输入到一个可变增益放大器，从而获得一个取决于二者之间比例的信号，就可以消除LED37输出强度变化的影响。然而，在实践中最好是使用上部光电二极管41的输出通过一个反馈电路控制提供给LED37的激励电流，从而把来自上部光电二极管41的信号保持在恒定的电平。

图7表示一个连接到用于光密度监测和LED37的上部光电二极管41的反馈控制电路。光电二极管41的输出在一个放大电路47中被放大，并输入到一个比较电路49，比较电路49还接收来自参考信号发生器51的参考信号电平。比较电路49是一个差分放大器，并且向用于LED37的驱动晶体管53输出一个控制信号。该控制信号代表由放大器电路47接收的放大的光电二极管信号与从参考信号发生器51接收的参考信号电平之间的差值。比较电路49和驱动晶体管53起到高增益负反馈控制的作用，从而使通过驱动晶体管53提供给LED37的电流受到控制，以便根据参考信号发生器51的设定把放大的光电二极管信号维持在一个恒定的电平。

图8表示下部光电二极管43的输出电路，二极管43被用于检测触针尖13的位置。光电二极管43的输出信号在一个放大电路55中被放大，电路55与用于密度监测光电二极管41的放大电路47的结构是相同的。来自放大电路55的放大的信号被作为触针尖位置信号输出。

使用Sonotone V100 HiFi触针作为触针臂9和触针尖13的上述的标准触针组件在机械共振测试中没有在5kHz频率以下发现可测的机械共振。这一点与采用质量为1克的10cm长触针的惯用触针组件正相反，后者在5kHz以下有若干个共振尖峰。对标准触针组件的跟踪能力也进行了测试，即把触针尖置于具有独立监测的振动运动的振动台上，还可以通过在各种运动速度下重复测量铜条边沿的断面来进行测试，通过测试发现，标准触针组件的触针尖13在每秒5mm的运动速度下开始与幅值为0.35μm，周期为1μm的表面特征脱离接触。由于精加工的表面通常没有大于1μm的表面粗糙度特征，从而就认为可以在每秒5mm的运动速度范围内可靠地使用这种触针组件，数据点之间的间隙可以是1μm。

运动单元5包括两个平台。下部的x方向平台在x方向上使触针组件7在工件3的表面上运动，x方向在图2中是纸面内的水平方向，在图3中是箭头x所指的方向。上部的y方向平台在y方向上使x方向平台和触针组件7一起在工件3的表面上运动，y方向与x方向交叉，并且在图2中指向纸面的内外方向，而在图3中是箭头y所指的方向。触针尖13朝向和脱离工件3表面的运动被定义为z方向。两个平台都具有相同的基本结构，在图9中表示了一个平台的平面结构。

在图9的平台结构中，块D和E被刚性连接在一起，把块B和C作为安装的中间块用一个对称的复合弯曲弹簧来安装块A，使块A相对于块D和E能够大体上成直线地***。

块D和E通过平板弯曲弹簧F支撑可***的中间块B和C。由此就提供了一种平行四边形的交连，使中间块B和C在图9的纸面之内沿着曲线路径***，这些路径与块D和E之间的方向大体上对齐，但是在路径的各端比在路径的中间更加靠近块D和E。弯曲弹簧F在其平面内弯曲的弹力可以抵抗重力，支撑着块B和C，而重力的作用趋向于使块B和C移出纸上的平面。

中间块B和C进而通过平板弯曲弹簧G支撑着运动块A，在运动块A和各个中间块B和C之间形成平行四边形的交连。弯曲弹簧G的刚性反抗在其平面内的弯曲，支撑着块A抵抗重力的影响。在运动块A的两个平行四边形交连中，其一交连到中间块B，另一个交连到中间块C，这种对称的性质和通过弯曲弹簧F支撑中间块B的平行四边形交连与通过弯曲弹簧F支撑中间块C的平行四边形交连的对称性质一起起到了这样的作用，即使得中心块A在块D和E之间的方向上直线运动。利用中间块B和C来补偿弯曲弹簧F和G的拱形移动。

中心块A的直线运动精度取决于弯曲弹簧F和G的长度，厚度及宽度的精度，它们最好是相同的。要想实现良好的直线运动，重要的是至少要使所有弯曲弹簧共用一个平面，即在图9中所示的共同的直线，这些弹簧具有相同的弯曲特性。最容易的方式是用相同材料的条制造共用一个公共平面的弹簧，图10是从块E到块D方向看的一个从块B延伸到块C的弯曲弹簧条的示意图，它构成了图9中的两个弯曲弹簧。

如果弹簧的一端在图10的纸平面内绕着垂直于纸面的一个轴线弯曲，就称其为弹簧在其平面内的弯曲。如果弹簧的一端相对于另一端在图10的纸面内绕着一个轴线弯曲，如果轴线平行于图10中所示的条的短侧，就说弹簧在弯曲，如果轴线平行于纸的长边，就说明弹簧是扭曲的。

从图10中可见，每个弯曲弹簧条上在块与块之间延伸的部分有一个矩形孔，因此，图9所示的各个弯曲弹簧是由两个垂直分开的弹簧部分制成的。在弹簧反抗弯曲的强度不变的条件下，如果采用这种垂直分开部分构成的弹簧，就可以提高抗扭曲的强度。条的尺寸如图10中所示。图10中的弹簧条是由大约0.004英寸厚的(大约0.1mm)半硬度铜铍合金制成的。

参见图2，触针组件7装在安装板57底部的一个槽中，并且被穿过触针支架19的螺钉29固定。安装板57在x方向运动平台中起到块A的作用。安装板57被支撑着在x方向上相对于作为x方向运动平台的块D和B的端件59、61移动。这些端件59、61被刚性连接到一个连接板63上，连接板63在x方向运动平台上方和y方向运动平台下方延伸。连接板63把端件59、61刚性地连接在一起，并且还与构成y方向运动平台的块A的中心件65固定在一起。悬挂件67、69构成了y方向运动平台的块B和C。如图3所示，与主壳1固定在一起的安装块71、73构成了y方向运动平台的块D和E。这种弯曲弹簧的运动平台结构使各个平台能用很小的力在各自的直线方向上移动触针组件，并且弯曲弹簧在z方向上强大的弯曲抵抗力为触针组件7限定了一个x-y基准平面。

如果可能，可以在运动单元的移动部件中制成孔，以便减少重量。在本实施例中，在两个平台的中心块A和中间块B和C上制成孔。在图3中示出了y方向平台中心件65上的孔的图形。

为了移动触针组件7，在运动单元5的每个平台的块D和块A之间设有磁力调节器，它被设在x方向平台的端件59和安装板57之间以及y方向平台的安装板71和中心件65之间。

在图2和9中示出了x方向平台的磁力调节器。一个强永磁体75是由同轴地装在块D(端件59)上的两个钕铁硼的盘构成的，一个具有10mm直径和5mm厚度，另一个具有5mm直径和3mm厚度。绕在一个线圈架上的大约500圈0.13mm直径的铜漆包线的线圈77通过垫片79被安装在块A(安装件57)上，垫片79的作用是使线圈77产生的热量与块A(安装件57)及其相应的弯曲弹簧G隔离。线圈(包括线圈架)有5mm厚，其外径为14mm，内径为8mm。

磁体75的较小的盘部分延伸到线圈77的中心孔内。改变通过线圈77的电流的方向和量值就可以在受控的力的作用下与磁体75之间形成吸引和排斥，使得块A(安装板57)移动，直到弯曲弹簧F，G提供的弯曲力与线圈77和磁体75之间的力达到平衡时为止。这样就提供了一种用于驱动平台的有效的调节器，并且基本上没有振动。

磁体75和线圈77被沿着运动平台的中心线安装，从而使加在块A(安装板57)上的力沿着需要移动的一条线，并且对块A(安装板57)不施加任何扭曲的力。

在本实施例的原型中，线圈77具有28欧姆的电阻，并且调节器对应线圈中的每安培电流提供大约280克的力。一个振荡驱动信号为调节器提供18克rms的驱动力，造成幅值大约为125μm的振荡运动，功率消耗大约为120mW。

在块A和E(安装板57和端件61)之间设有一个传感器，用于测量块A(安装板57)的位置。其结构和工作方式与由遮光片15，LED37和支撑光电二极管41、43的检测板39构成的用于触针臂9的传感器结构很相似。块A(安装板57)载有一个矩形片81，它在安装在块E上(端件61)的第一和第二传感件之间延伸。第一传感件83载有一个LED，它朝着第二传感件85上的一个检测板发光。检测板载有两个光电二极管，并且其安装方式与触针传感器的检测板39相同。两个检测板在块A(安装板57)的运动方向上被彼此分开，从而使检测片81边沿的阴影遮住提供x位置信号输出的一个光电二极管。检测片81的阴影不会到达另一个光电二极管，由后者提供用于控制LED驱动电流的反馈控制信号。第二光电二极管和LED通过图7所示的反馈控制电路连接，该电路已在说明触针传感器时讨论过了。

如图3中的虚线所示，y方向平台具有类似的调节器和传感器结构。y方向平台的传感器包括装在安装板73上的一个片87和装在中心件65上的分别载有LED和检测板的传感件89、91。y方向平台的调节器包括一个与x方向平台的磁体75相同的磁体93，它安装在中心件65上，以及装在安装块71上的一个与x方向线圈77相同的线圈95。从图中可以看出y方向平台的调节器和传感器结构与用于x方向平台时的安装方式相比是转过来的。这表示载有x方向平台的磁体75的部件(端件59)和载有y方向平台的磁体93的部件(端件65)是刚性地连接在一起的。这样就避免了由于两个永磁体75、93之间的任何磁场干扰造成的运动单元部件之间的移动。

在使用中，利用运动单元来驱动触针尖13在工件3的表面上往复移动，实现图11所示的双向光栅扫描。上述的触针组件7的原型在表面上受到x方向上的往复驱动时可以可靠地工作，并且使用双向扫描可以减少在工件3的表面上扫描一定面积所需要的时间。因此，触针尖的x位置随着时间按照图12所示的三角波图形变化，而触针尖的y位置随着图13所示的台阶形图形增加。用于y位置的台阶形图形在x位置的三角波的每个顶部和每个凹处增加。在实践中，图11的扫描图形和图12及13的波形的转角是圆的而不是尖锐的。这样就避免了在x扫描方向翻转时造成触针组件的突然振动。

在运动单元5的各个平台中，位置传感器的输出被用于通过一个反馈控制电路来控制提供给线圈77、95的电流，从而使触针组件7被精确地保持在所需的位置，与弯曲弹簧的精确强度和线圈与磁体之间的相互作用无关。通过向各个反馈控制电路输入适当的驱动信号，就可以改变触针组件7的位置。这一反馈控制还可以稳定运动单元的平台，防止它们在其固有共振频率上的振荡，该频率在5KHz以下，有可能只有30Hz。

图14表示了用于x方向运动平台的驱动调节器的线圈77的反馈控制电路，图15表示了用于y方向平台的驱动调节器的线圈95的反馈控制电路。可以看出这两个电路几乎是相同的。

在每个电路中，来自位置检测光电二极管97的表示各个运动平台位置的输入信号在一个放大电路99中被放大，放大的位置信号被提供给用于其他电路的监视输出，作为指示各个平台当前位置的信号。该位置信号还被提供给一个相加节点101。

一个补偿信号发生电路103产生一个恒定的DC补偿信号，它也被提供给相加节点101。驱动输入电路105从各个运动平台接收驱动输入信号，并且在对驱动输入信号滤波之后将其提供给相加节点101。

反馈控制电路的作用是控制通过调节器线圈77、95的电流，从而把相加节点101上的信号保持在恒定值。因此，如果驱动输入信号不变，该电路就能把来自光电二极管97的位置信号保持在恒定值，从而把各个运动平台保持在恒定的位置。如果驱动输入信号有变化，反馈控制电路就会改变通过线圈77、95的电流，从而移动各个运动平台，直到来自光电二极管97的经放大电路99放大后的位置信号改变了一个相等并且相反的量，以便保持相加节点101上的信号电平不变。由于改变通过线圈77、95的电流以及改变从光电二极管97获得的信号意味着要改变各个运动平台的位置，因此，在改变输入驱动信号时，反馈控制电路就会使各个运动平台移动。

由补偿信号发生电路103提供的补偿信号值表示各个运动平台对应输入驱动信号的任何特定电平的位置与如果没有补偿信号时运动平台所处的位置相比较的偏移。补偿信号的量值是根据输入驱动信号的范围来选择的，从而使输入驱动信号的范围对应着移动单元的位置范围，该范围处于用线圈77、95能够驱动各个运动平台的总的位置范围中间。

来自相加节点101的信号在一个放大电路107中被放大，并且在被输入到线圈77、95的驱动放大器111之前通过一个移相网络109。移相网络109的结构细节是根据运动平台的机械共振来选择的。图示的移相网络的转折频率处于130Hz和1.4KHz附近。在运动平台的低频振荡情况下，通过调节器线圈77、95的电流会导致各个平台位置和位置检测光电二极管97输出信号基本上同相的相应变化。然而，弹簧安装结构装置的共振会带来高频的振荡，运动平台的位置与通过线圈77、95的驱动电流会出现明显的相位差。移相网络109提供了适当的超前相位，因此，当通过运动平台的操作电路和图14或图15的反馈控制电路的开环增益适当地统一时，相位就被保持在小于0°，但是比-180°大一个适当的相位裕度(至少为30°的裕度)。这样就确保了反馈电路是稳定的并且在输入驱动信号恒定时不会造成运动平台位置的振荡。

线圈77、95承载相对较大的电流，并且最好通过一条低电阻导线使其对电源的接地连接与其他的电路独立，从而防止线圈电流对这些电路的接地面电平造成不应有的影响。

在图14和15中，放大电路107的结构同样不把信号连接到地，以避免放大的x和y驱动信号对电路的接地面有任何影响。

在使用中，测量仪器是在计算机处理***的控制下工作的，例如一台个人计算机或智能终端，用它记录仪器提供的数据并且与运动单元5的控制电路相联系。在图16中示出了整体的数据探测和控制***。来自图14的放大电路99的x位置＂监测输出＂，来自图15的放大电路99的y位置＂监测输出＂，以及从图8的放大电路55输出的z位置信号(即触针尖位置信号)被输入到一个三通道模-数转换器113。按照由运动单元5在表面上驱动触针尖13的速度以及数据点之间所需的间隔来确定的一个频率(例如5KHz)对每个信号采样。数据值被输入到一个控制用个人计算机115。模-数转换器113可以由装在个人计算机115中的一个A/D卡(例如KeithleyDAS 1402)构成。当触针尖13在工件3表面上扫描时，在个人计算机115中采用一种从A/D转换器113输出到个人计算机115的高速DMA(直接存取存储器)传输模式来收集数据。

如上所述，图14和15的控制电路以及运动单元5不会使触针组件7的x运动方向和y位置的增量瞬时反向，并且相应地使触针尖13在工件3表面上的路径在每个x方向扫描线的端部是曲线的而不是图11中所示的矩形。因此，在高精度扫描时最好是放弃靠近每个x扫描端点的数据点上的数据，尽管每个数据点上触针尖13的实际位置是通过模-数转换器113采样的x和y位置信号来提供的。

如果按照间隔1μm的数据点栅格对0.5mm2的面积采样，在某些计算机***中可能没有足够的存储器空间来存储DMA传输软件所提供的所有数据。在这种情况下，可以让个人计算机115执行一种程序，由计算机每隔几个x方向扫描线就指令控制电路停止y方向扫描(在好是也停止x方向扫描)，并且把从A/D转换器113采集到的数据装入另一个存储器·例如一个磁盘。然后恢复y方向的扫描。恢复从模-数转换器113的数据探测和y方向扫描的定时是参照x方向扫描定时来选择的，以便确保在数据探测中不会忽略y方向位置和某些数据点。个人计算机115从控制电路接收信号并且向它们提供控制信号，以便实现同步，以下要对此做详细的说明。

在完成了对工件3表面上一定面积的扫描操作之后，由个人计算机115从A/D转换器113采集到的x，y和z方向数据可以用任何适当的三维数据分析软件来处理，例如采用Rank Taylor Hobson Digisurf 3D软件***。分析的结果可以用一个曲线绘图仪打印成二维平面图形或是表面形状的立体图形。另外，可以计算出标准的表面纹理和粗糙度参数的数值，并且在打印机或显示器上输出，以便提供已经扫描到的工件3表面部分的质量报告。任何或是所有的数据还可以被存储供以后参考，并且扫描不同区域所得的数据还可以用于例如比较的目的或是通过分析各个位置上的采样区域来产生工件表面的整体断面。用曲线绘图仪打印的表面扫描区域的立体图特别有用，它可以使人便于观察经过测量的表面上的整体形状。

为了产生在x方向上移动触针尖13的三角波图形，如图12所示，一个三角波信号被提供给图14的x平台控制电路的驱动信号输入端。这一信号可以由个人计算机115产生，或是可以提供一个适当的三角波发生电路。输入到图15的y方向控制电路的驱动输入电路105的y方向平台驱动信号是通过图17所示的电路从x方向信号产生的，图17的电路确保了y方向的运动与x方向扫描的反向同步。

在图17的电路中，三角波x驱动信号被输入到第一微分电路117。用它对三角波微分并且在一个方向的x扫描期间输出基本上恒定的高电平，而在相反方向的x扫描期间基本上输出低电平，并且这两个电平在x扫描翻转方向时快速转换。第一微分电路117的输出被输入到第二微分电路119，它还被作为一个整流电路。

第一微分电路117输出的直接微分会产生交变的正向脉冲和负向脉冲，每当x扫描翻转方向时就产生这种脉冲。然而，通过各自的二极管把信号提供给第二微分电路119中的运算放大器的两个输入端意味着第二微分电路119提供的所有脉冲都是正向脉冲。

一个脉冲发生器121响应第二微分电路119输出的每个脉冲而产生一个短暂的脉冲。脉冲发生电路121中的比较器的反向输入端被用于接收一个比地高几伏的信号，因此，脉冲发生电路121响应由第二微分电路119每当x扫描改变方向时输出的高幅值脉冲，但是脉冲发生器121不会响应在其输入端出现的任何低幅值噪声。脉冲发生电路121相应地输出一串脉冲，每当x扫描翻转方向时就提供一个脉冲。

脉冲发生器121输出的脉冲被提供给个人计算机115，使其能监测x方向的扫描，并且使其能与x方向扫描同步地提供控制信号。

来自脉冲发生器121的脉冲还被输入到一个计数器123。计数器123输出的数字计数值代表所需的y扫描位置。在开始扫描工件3的一个表面面积时，计数器被清除，从而使其输出的计数值为零，并且响应从脉冲发生电路121接收到的每个脉冲使计数值递增。个人计算机通过提供给计数器123的两个控制信号来控制y方向扫描。由第一控制信号设定计数器123的＂清除＂输入端，从而保持计数器的输出持续为零或是允许产生其他计数器输出。第二控制信号允许或禁止计数器操作，但是不会清除计数值。个人计算机使用第一控制信号来保证在每次开始扫描工件3表面上的一个面积之前清除计数器。

如果需要临时暂停扫描操作以便把个人计算机115中接收的数据转存到磁盘上，个人计算机115就在脉冲发生器121输出的脉冲之间用第二控制信号禁止计数器123。在当前的x方向扫描结束时，脉冲发生器121就会提供一个脉冲输出，但是计数器123却不会增值，因此，触针尖113的y位置将不会发生变化。个人计算机115响应这一脉冲，停止从模-数转换器113获取数据的直接存储器存取程序，并且开始执行把数据转存到磁盘上的程序。

把数据转存到磁盘上的程序结束之后，个人计算机115在来自脉冲发生器121的脉冲之间允许计数器123。在当前的x方向扫描结束时，脉冲发生器121会提供一个脉冲，并且计数器123会增值，从而提供一个新的y位置。个人计算机115会响应这一脉冲，重新开始从模-数转换器113获取数据的直接存储器存取程序。个人计算机115可以保证在来自脉冲发生器121的脉冲之间的瞬间在禁止和允许之间转换计数器123，并且响应来自脉冲发生器121的下一个脉冲停止和开始数据获取程序，这样就能保证在数据获取被中断之后不会出现不确定的y位置计数值，并且还能保证不会对同一y位置第二次获取数据。

在一种变更的结构中，个人计算机115在计数器123增值之前重新开始数据获取程序。例如，它可以响应来自脉冲发生器121的一个脉冲而重新开始数据获取程序，并且在此后可以立即重新允许计数器123。如果在一次x扫描的半路上暂停扫描，可以通过禁止计数器123而同时暂停数据获取程序。在这种结构中，触针尖13的某些位置上的数据是重叠的，但是在后续的程序中可以删除或平均重叠的数据。

在需要时，可以对个人计算机115编程，以便在计数器123被禁止的同时保持跟踪，确定其从脉冲发生器121接收到的是奇数的脉冲还是偶数的脉冲，从而可以等待计数器123的允许，直到x扫描在其与计数器123被禁止时所扫描的相同方向上重新开始时为止。

计数器123输出的数字计数值被数-模转换器125转换成y方向驱动信号，并且所得的模拟信号被作为输入驱动信号提供给图15的控制电路。

回到图2和3，记录仪器的主壳1包括一个基本上是刚性的侧壁127，在其上连接着运动单元5的安装块71、73。测量仪器通过连接在侧壁127上的三个脚129停留在工件3上。某些或是所有的脚129是可以调节的，以便使仪器能保持水平。

壳1被一个顶板131盖住。侧壁127把一个电路板133支撑在顶板131下面和运动单元5上面。携带仪器的电连接线的可弯曲电缆135和那些连接线被装在电路板133上。而电路板则通过可弯曲的铜线连接到运动单元5和触针组件7的线圈，发光二机管以及光电二极管。

在上述的仪器原型中，图7，8，14，15和17的控制电路被装在仪器的外部。然而，在图7、8、14和15中的用于各个光电二极管的放大电路47、55、99最好是装在电路板133上。这样可以使光电二极管的输出信号被放大成较强的信号，然后再接入把电路板133连接到外部电路的弯曲电缆135。与未经过放大的信号相比，这样可以允许使用较长的弯曲电缆，并且允许***采用图2和3的仪器在距离其他电路更远的位置上操作，这样会更方便。

在运动单元5的结构中，x平台的安装板57中的一个孔和y平台的中心件65中的一个孔被定位在触针尖13的上方。在连接板63，电路板133和顶板131中也设有位于触针尖13上方的孔。这些孔都是对齐的，从而使操作者可以从仪器上方通过这些孔向下看到触针尖13。这样有助于使操作者确认触针尖13在工件3上是被准确地定位在指定的位置。这一点对于触针尖13在小工件上的定位非常有用，这种小工件小得不会超出壳1的侧壁127的范围。

在操作者检查过触针尖13的位置之后，在开始测量操作之前用一个装在顶板131上的盖件盖住这些孔。被盖住的孔可以防止环境光线在操作期间通过这些孔照到触针传感器的光电二极管41、43上因为环境光线可能会干扰触针尖13高度的正确读数。

最好在顶板131的孔内装上一个放大镜，并且在触针尖13附近装上一个灯(在操作仪器时关掉)，以便帮助操作者观察触针尖13和工件3。

图18是在PC115的屏幕上形成的一个显示图形，表示了一个集成电路EPROM芯片的局部表面的立体图。它是根据用上述实施例的原型获得的数据采用上述的Digisurf软件的连续三向投影输出方式产生的。图18提供了表面上大约200μm×200μm的正方形的图像，并且是从大约200条单线断面产生的。在图像中显示出的表面特征的高度处于0.2到0.1μm的范围，其宽度范围是2μm到15μm。产生用来构成图18的数据的扫描操作需要大约20秒(触针尖13以每秒2.5mm的速度移动)。

以上用举例的方式说明了上述的实施例，本领域的技术人员显然可以对其做出多种变更。它的许多特征在逻辑上可以彼此分开，并且本领域的技术人员很容易看出可以用本实施例的一部分而不是全部特征来进行修改。例如，触针尖传感器可以被改成一个直角或类似的反光镜，并且在其上照射一束激光束，从而实现触针尖位置的干涉测量。然而，必须注意不能过分地增加触针的质量。

以下要进一步讨论触针的动态特性，这些内容有助于本领域的技术人员了解在设计适合高速运动的触针组件时哪些因素是最重要的。

上述的公式(4)可以经过重新调整后表示触针的速度v，也就是 $v=\frac{\mathrm{\ωd}}{2\mathrm{\π}}---\left(11\right)$

随着触针运动速度v的增加，触针首先在表面特征的凹部与工件表面脱离接触。在这些点上，sinωt等于-1，而

达到其最大值。从公式(5)可以看出 的最大值等于Aω²，并且由此提供了ω的表达式如下 $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{\max \left(z\right)}{A}}---\left(12\right)$

其中的

是

的最大值。

把公式(12)代入公式(11)，得到最大可能的运动速度v的表达式如下 $v=\frac{d}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\max \left(z\right)}{A}}---\left(13\right)$

在公式(13)中，d和A是被测表面的特征。在公式(13)中由触针设计者控制的唯一参数是最大的z方向加速度 。触针尖可能获得的最大加速度是在触针尖没有支撑时的加速度。作为触针尖固有特性的这一加速度被称为a。

对于绕枢轴转动的触针来说，触针尖的加速度是触针1的枢轴-针尖长度和触针尖绕枢轴转动的角加速度 的产物。需要注意的是，在以下的讨论中用ω代表触针绕其枢轴转动的角速度，并且与其在前面的讨论中所具有的含意不同。在触针尖上的静态触针力F会产生一个转矩T，它是静态触针力F和触针1的枢轴-针尖长度的产物。如果允许触针尖无支撑地下落，它在转矩T影响下的角加速度 取决于触针的转动惯量T，并且满足以下关系 $\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}=\frac{T}{I}---\left(14\right)$

在触针尖做小范围运动时，公式(14)可以改写成线性关系如下 $\frac{a}{l}=\frac{\mathrm{Fl}}{I}---\left(15\right)$

再对其改写就可以获得线性加速度的表达式如下 $a=\frac{{\mathrm{Fl}}^2}{I}---\left(16\right)$

在分析公式(1)到(10)时可以假设触针的质量集中在触针尖上和任何的配重中。如果没有配重并且触针的所有质量都集中在触针尖上，在没有任何外部施加的偏置力时，由重力造成的触针尖的加速度等于g(自由落体的重力加速度)。在实践中，一个触针几乎不可避免地具有沿着其长度均匀分布的质量，除非象现有技术中那样使用配重，或是除非枢轴销的质量由于紧密地集中在枢轴周围而可以忽略，在这种情况下它对触针的转动惯量和转矩没有明显的影响。如果一个质量均匀分布的触针的一端绕枢轴连接，而另一端上设有一个针尖，并且没有外部的偏置力，从而使静态的触针力完全是由触针的重力提供的，其性质可以用公式(17)和(20)来表达。

均匀触针的性能 $I=\frac{1}{3}{\mathrm{ml}}^2---\left(17\right)$ $\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}=\frac{3}{2}\frac{g}{l}---\left(19\right)$

a＝1.5g                   (20) $T=\frac{1}{2}\mathrm{mgl}---\left(18\right)$

因此可以看出，在没有用于增加静态触针力的偏置力的情况下，在惯用的均匀截面触针中，针尖的最大可能加速度是1.5g。这样就清楚地说明不能用惯用的均匀截面的触针来构成一个用高速跟踪表面的触针，即使除掉任何平衡部件，这种触针的静态力也不会超过其重力所能提供的最大的力。

通过非均匀的重量分布可以增加触针尖的加速度。例如，如果能在理论上构成一个完全没有质量的触针，并且质量m的加速重量是由从枢轴到针尖的1/20距离之内提供的，其特性将会是公式(21)到(24)所示的情况。

重量在(1/20)1之内的没有质量的触针的性能 $I=\frac{1}{400}{\mathrm{ml}}^2---\left(21\right)$ $T=\frac{1}{20}\mathrm{mgl}---\left(22\right)$ $\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}=20\frac{g}{l}---\left(23\right)$

a＝20g                          (24)

尽管从理论上显示出非均匀分布的质量可以为触针尖提供大的加速度，在实践中可以由非均匀分布的质量提供的改进是有限的，因为不可能制造出没有质量的触针臂。例如，可以采用一个质量沿着其长度均匀分布的触针臂，并且总质量m可以用加在从枢轴到触针尖的1/20距离内的质量为20m的加速重量来实现。这种触针的性质可以用公式(25)到(28)来表示。

在(1/20)1距离内具有20m的质量的均匀触针的性能 $I=\frac{1}{3}{\mathrm{ml}}^2+\frac{1}{20}{\mathrm{ml}}^2=\frac{23}{60}{\mathrm{ml}}^2---\left(25\right)$ $T=\frac{1}{2}\mathrm{mgl}+\mathrm{mgl}=1\frac{1}{2}\mathrm{mgl}---\left(26\right)$ $\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}=\frac{90}{23}\frac{g}{l}---\left(27\right)$

a＝3.9g                        (28)

从中可以看出，即使把惯用的均匀触针臂的负载加到这样大，其加速度增加的系数只有2.6，而转矩(及静态触针力)则会增至三倍。从而可以看出，在实践中若要把触针尖的加速度提高到4g以上，就必须提供外部的偏置力。

再回到公式(16)，触针的设计者就可以看出一个规律，即在维持所需要的强度和刚性的条件下应该采用很轻的结构。这样做能降低触针的质量并随之降低其转动惯量。从公式(16)中可以想象，如果增加其枢轴-针尖的长度1，就可以改进触针的性能。然而，触针的质量几乎不可避免地会随着其长度的增加而成比例地增加，并且使转动惯量I按照l3的趋势增加。因此，通常是用缩短触针的方法来改进触针的加速度。

通过对上述三种理论触针结构的比较，在其中的静态触针力仅是由触针的重量提供的，就可以对上述实施例的触针组件做出近似的分析。在这种近似的分析中，枢轴销11的质量被忽略了，因为它集中在枢轴上，并且假设触针臂9具有均匀分布的5毫克的总质量(这一质量大于Sonotone V100触针的质量)，并且假设枢轴-针尖的长度是10mm。在这种触针组件中，细弹簧17对触针臂9构成偏置，在触针尖13上提供的静态触针力等于100毫克的力。在这种基础上计算出来的触针组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)中所用的单位不是用于转矩和角加速度的标准单位，因为在此考虑到g(重力加速度)实际上不是一个纯数，而是包含了加速度的单位(ms^-2)。

上述触针组件的近似理论性能 $I=\frac{1}{3}{\mathrm{ml}}^2$ $=\frac{1}{3}\×5\×{10}^{-3}\×{\left({10}^{-2}\right)}^2{\mathrm{gm}}^2---\left(29\right)$ $=\frac{5}{3}\×10^{-7}{\mathrm{gm}}^2$

T＝F1

 ＝100×10^-3×g×10^-2 gm           (30)

 ＝10^-3×g gm $\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}=\frac{3\×{10}^{-3}}{5\×{10}^{-7}}\×\mathrm{grad}{m}^{-1}---\left(31\right)$

 ＝6×10³×g         Iadm^-1

a＝6×10³×g×10^-2    (32)

 ＝60g

这些计算表明触针尖13可以达到60g的最大可能加速度。它大致上与原型触针组件的实际性能相符。这种性能可与公式(18)中用于装有加速重量的均匀质量触针的加速度3.9g相比较，并且从公式(20)得到的均匀触针的1.5g的加速度表明其加速度没有增加。

对于质量沿着其长度均匀分布的触针臂来说，针尖的最大加速度是静态触针力除以其质量的三倍。因此，触针臂的质量(忽略集中在从枢轴起1/20长度范围内的任何触针质量)最大应为20毫克(是100毫克触针力的重力加速度的15倍)，并且最好是不超过10毫克。

通过以上的分析，本领域的技术人员可以预见到各种方案的触针结构实际上可能达到的最大针尖加速度，并且可以看出如何选择触针的结构特性，从而增加触针尖的加速度并且由此改善触针的高速运动特性，特别是可以参考上述的公式(16)。

对上述实施例的某些修改可以使装置更便于使用和制造，并且通过对产品结构设计的研究表明以下的几点是应该优先考虑的。

弯曲弹簧F、G可以用大约0.075mm厚的较薄的材料制成。这样有助于增加触针组件7受到驱动时能达到的最大移动距离。在此推荐的扫描测量期间的移动距离在x和y方向上均可达到1mm。

图19表示了一种测量仪器的触针，它被推荐用于本实施例原型中的Sonotone V100 Hi-Fi触针。在图19的触针中，触针臂9是一个薄壁的铝管，重量大约是5毫克。它具有扁平的端部，在其上装有触针尖13。按照正常的测量标准，触针尖13具有5μm半径的一个圆锥形钻石头。触针臂9上装有触针尖13的扁平的端部与触针臂9主要部分的轴线形成大约15°的角度。触针臂大约有10mm长。遮光片15是一个重量大约为4毫克的薄铝片，大约有6.5mm长。

为了增加运动机构的移动范围，光电二极管检测板39相对于x和y平台传感器片81、87的排列和位置与图6所示的结构相反。在图6所示的用于触针的遮光片15的结构中，片的阴影45在朝向和远离上部(参考)光电二极管41的方向在下部(信号)光电二极管43前面移动，从而使可以测量到的阴影45的移动范围大体上等于下部光电二极管43的高度。在变更的实施例中，如图20所示，设置一个检测板39使x平台传感器片81或y平台传感器片87的阴影45在下部光电二极管43上面沿着光电二极管的长度方向移动。阴影45的顶部被安置在两个光电二极管41，43之间。在此时可以测量的最大移动距离大约与下部光电二极管43的长度相等。采用这种结构，很容易获得一个范围至少达到1.5mm的传感器。

图14和15的横向运动单元驱动电路与横向运动单元的各个x和y平台一起构成了闭合的反馈环，但是这种***有可能出现谐振。反馈谐振一般可以通过电子电路结构的设计来避免，更常用的方式是在横向运动单元中提供机械阻尼以避免谐振，而电子电路的设计要求就不必那么严格了。图21表示了图2的横向运动单元的一种变更，其中在y平台中的悬挂块67，69的移动相对于连接板63受到阻尼。如图21所示，连接板63在各个悬挂块67、69下面延伸，并且用设在悬挂板67、69和连接板63之间的胶质硅减震材料139来提供阻尼。硅减震材料139的流动性不强，并且不会流走，但是会在重力的作用下缓慢地蠕动。因此，在悬挂块67，69下面的那部分连接板63上设有槽，如图21中所示的截面，以便把硅减震材料保持在正确的位置。

在测量仪器脱离被测表面时，表面不再限制触针尖13在细弹簧17作用下向下的移动，而细弹簧17趋向于使触针臂9转动，使得触针臂上承载触针尖13的一端从仪器底部伸到外面。为了限制这种移动的范围并且在仪器不使用时减少因触针尖13的振动对触针组件可能造成的损害，可以用一个触针盖141固定触针组件17，如图22和23所示。图22是触针组件7的局部截面图。触针盖141是一个固定的薄金属片，使触针组件的底部闭合。在触针盖141对应触针尖13的位置设有一个孔或槽143，使触针尖13可以通过触针盖141伸出并且接触到被测表面。当仪器脱离被测表面时，细弹簧17使触针臂9转动，从而使触针尖13进一步通过孔或槽143伸出，直到触针臂9接触到触针盖141，如图22所示。这样就限制了触针臂9的进一步移动。这样就在仪器不使用时为触针提供了局部的保护。图23表示了从下面看到的触针盖141，触针尖13处于孔或槽143中。为了便于表示，在图23中没有画出触针臂9。

建议用图2中的电路板133容纳整个图7的反馈控制电路和图8中分别用于触针位置、x方向运动平台及y方向运动平台的光学检测器的放大电路55。另外，图14和15的放大电路99也设在电路板133上。其余电路设在一个独立的装置中(未示出)，它被作为仪器与个人计算机115之间的接口。这样就确保了光电二极管的信号在进入弯曲电缆之前被输出，同时在主壳1的内部仅提供电路总体的一小部分，从而使主壳1的体积尽量缩小。

为了对运动单元5的操作提供较好的控制，并且为仪器的操作提供较大的灵活性，建议用例如图24所示的一个可控的三角波发生器来产生从图15的电路输入的三角波x方向驱动信号，并且图17的电路应该用图25所示的结构替代。

在图24中，由任意惯用的参考电压发生电路产生的一个恒定值参考电压被输入到可变增益放大器145。可变增益放大器145的增益是由增益输入信号控制的。可变增益放大器的输出被并联地提供给反向缓冲器147和非反向缓冲器149。开关151选择缓冲器147，149之一的输出作为积分器153的输入。积分器153对输入的电压积分，并且输出一个稳定地变化的电压。

积分器153的输出被提供给比较器155，将其与输入到比较器155的一个门限值相比较。所有电路都是由运算放大器构成的，采用正或负15伏或12伏以及0伏的电源。当比较器155的输入从0伏正向或负向地变化到由门限输入信号设定的一个量值时，比较器155就控制开关151改变其位置，从而改变向积分器153提供信号的缓冲器147，149。积分器153的输出值则相应地向反方向变化。这样，积分器153的输出就构成了三角波。每当比较器155检测到达到了门限值时，就操作开关151，同时输出一个脉冲信号。因此，每当三角波改变方向时，比较器155就输出一个脉冲。用比较器155输出的脉冲代替图17中由脉冲发生电路121输出的脉冲。

在图24的三角波发生电路中，输入到比较器155的门限信号值决定了输入到图14的x方向驱动电路的三角波信号的幅值，因此，门限信号的值就决定了运动单元7在x方向上的移动距离。另外，输入到可变增益放大器145的增益信号控制着由积分器153积分的正、负电压的幅值，从而控制积分器输出变化的速度。因此，图24中的增益控制输入就控制了触针组件7在x方向上的移动速度。

在测量仪器没有接通电源时，运动单元5趋向于采取这样的位置，即把触针组件7保持在其x和y方向移动范围的中间。由于控制电路是以采用正、负电源的运算放大器为基础的，这一中心位置对应着输入到图14和15的x和y反馈控制电路的零伏电压。

在图25中，运动单元5的x和y平台是由控制逻辑157控制的。如图25所示，来自图24的电路的三角波信号把是被直接输入到图14的电路，而是要通过一个由控制逻辑157控制的开关159。按照类似的方式，接到图15的电路的y方向驱动输入信号要通过一个由控制逻辑157控制的开关161。另外，在图14和15的电路中的驱动放大器111上设有一个继电器开关，它在没有电源时打开，从而阻止驱动信号被提供给线圈77、95。这些开关在供电之后的几秒钟之后自动地闭合，把驱动信号提供给线圈77、95。这一延迟确保了各个控制元件的输出和图7电路的控制操作在x和y平台驱动线圈接收到驱动电流之前可以达到稳态。

在测量仪器的电源接通时，控制逻辑157保持开关159和161，把零伏电压连接到图14和15的x和y平台反馈控制电路，用于代替驱动信号。当继电器开关闭合时，通过开关159、161使接到图14和15的x和y驱动电路的输入信号处于零伏，而运动单元5则已相应地处于由驱动输入信号所限定的位置。这表明在电源接通时运动单元5不会由于来自图14和15的反馈控制电路的初始输出从其停留位置上突然移动。

在图25中，计数器123是一个在控制逻辑157控制下操作的双向计数器，并且接收来自图24的比较器155的脉冲作为其时钟输入。在电源接通之后，控制逻辑157使计数器123自动地复位，从而使其输出为零，并且计数器123维持在零，直到个人计算机115对控制逻辑157发出指令时为止。数-模转换器125把零的数字值转换成零伏的模拟信号。然后，控制逻辑157可以相应地移动开关161，使图15的y平台反馈控制电路在计数器123的控制之下从数-模转换器125接收驱动信号，而不会使运动单元5出现突然的移动。

操作者可以通过个人计算机115选择被扫描面积的尺寸以及扫描的速度。在选定了这些细节并且***已可以开始扫描时，个人计算机115向控制逻辑157发出一个＂起动＂指令，该指令可以指示扫描开始的y方向位置。y方向扫描的范围的中心被选择在计数器123的零位置，而开始位置被选择在计数器123的正计数开始的位置。

控制逻辑157产生用于三角波发生电路24的增益和门限输入控制信号。当它从个人计算机115接收到＂起动＂指令时，控制逻辑157保持开关159，把x方向反馈控制电路的输入连接到地，并且使其与来自图24电路的三角波信号隔离。然后，控制逻辑157为图24中的增益信号设定一个高电平，并且把门限信号设定为低值，从而使比较器155高速地产生脉冲。计数器123在控制下向上计数，并且其计数快速地增长，直至达到与个人计算机115所选择的起始位置相对应的值。在这一点上，控制逻辑157停止计数器123。这一操作的结果是在y方向上迅速地把触针尖13移动到开始扫描的正确位置上。

为了开始扫描操作，个人计算机115向控制逻辑157发出一个＂扫描＂指令，并且通知控制逻辑157所需的扫描速度和x方向移动范围。控制逻辑157根据扫描速度来设定图24的三角波发生器的增益值，并且根据x方向移动范围来设定门限值，然后操作x方向开关159，把三角波信号连接到图14的x平台反馈控制电路的驱动输入端。在三角波现货的值通过零伏时，开关159就转换，从而使开关的动作不会造成x位置的突然改变，否则会使触针组件7在x方向上出现振动。同时，控制逻辑157允许计数器123并且令其向下计数，从而开始y方向移动的扫描。

在本实施例中，个人计算机115中的数据获取和处理软件快得足以保存x位置，y位置及触针高度(z位置)的数据，并且扫描过程可以连续，不需要停下来进行数据转存。在此建议采用Data TranslationDT 2812A数据采集卡，用20KHz对所有三个通道采样。这样就允许在处理之前对数据取平均值，并且仍以适当的频率(例如5KHz)提供数据，以便减少电子噪声的影响。数据采集卡(它包括图16的三通道模-数转换器)向DMA缓冲器输出数据，个人计算机115从DMA缓冲器中读出数据。个人计算机115对接收的信号进行处理，由于它可以跟上从数据采集卡提供数据的速度，DMA缓冲器不会溢出。

由于输入并由个人计算机115处理的数据包括触针尖13的y位置，个人计算机115就能够监测扫描的进程，并且在到达指定的结束点时向控制逻辑157发出一个信号使扫描停止。然后，控制逻辑157移动x方向开关159，把x方向反馈控制电路从三角波信号上断开，并在三角波通过零伏时再次移动开关。在x方向控制电路与三角波隔离时，控制逻辑157再次把输入到三角波发生器的增益设定在高值，比把门限输入设定在低值，从而向计数器123快速地提供脉冲，并且指示计数器向下计数直到其达到零。这样就可以驱动运动单元使触针尖13回到停止位置。

为了安全起见，控制逻辑157还要监测计数器123的计数值，并且如果这一计数值接近了可能的最小计数值，即使没有来自个人计算机115的信号，控制逻辑也会自动地停止扫描。这样就保证了在个人计算机115的操作因为出错而不能停止扫描时自动地停止扫描。在计数器123从其最小计数翻转到最大计数之前扫描就应该停止，因为这样会造成数-模转换器125输出的突然改变，从而会造成运动单元迅速地驱动触针尖13，使其从y方向范围的一端移动到另一端。

在y方向扫描的范围不超过0.5mm时，触针尖13在y方向上的每一步是1μm。针对计数器123输出值的每次变化，分配给D/A转换器125的增益可以在运动单元的y平台中形成这种运动。如果y方向扫描的范围大于0.5mm，每一步就被设置成2μm。在这种情况下，控制逻辑157把y方向扫描的距离当作其实际距离的一半来控制计数器123，并且向D/A转换器125提供一个信号，使该转换器输出级的增益加倍，从而把计数器123的每个计数值转换成在扫描范围小于0.5mm时的同样的计数值所提供的电压的二倍。

来自图15的y扫描监测输出信号的最大值出现在扫描结束时，因此，扫描的范围越大，这一信号的最大值就越大。该信号在被提供给数据采集卡的A/D转换器113之前在一个前置放大器163中被放大。为了防止A/D转换器的输入在大的y方向位移时达到饱和，控制逻辑157在y方向扫描的范围大于0.5mm时输出一个控制信号，使前置放大器163的增益减半。按照类似的方式，图14的x扫描监测输出信号在被提供给数据采集卡的A/D转换器113之前在一个前置放大器165中被放大。控制逻辑157在x方向扫描的范围大于0.5mm时输出一个控制信号，使前置放大器165的增益减半。由该信号代表的x和y位移的变化在后续的数据处理中被自动地补偿。

Claims (35)

1.用于一种测量仪器的触针组件，测量仪器通过在表面上移动触针的尖来测量表面特征，

触针组件包括可绕着一个枢轴转动并且带有触针尖的一个触针臂，或是包括一个可以朝向或是离开表面大体上做直线运动并且带有触针尖的触针，在触针尖没有运动时用一个预定的力把触针尖压在被测表面上，使触针尖的理论加速度或是触针尖的近似的理论加速度大于1.5g，其中的g是自由落体的重力造成的加速度，并且：

在触针臂绕枢轴转动的情况下，触针尖的理论加速度是由预定量的力乘以枢轴到针尖的触针臂长度的平方再除以触针臂的转动惯量所限定的数值；

在触针大体上做直线运动的情况下，触针尖的理论加速度是由预定的力除以触针质量所限定的数值；并且

触针尖近似的理论加速度(仅用于触针臂绕枢轴转动的情况下)是由预定量的力的三倍除以触针臂质量(忽略从枢轴到针尖的半路上小于十分之一范围内的任何质量)所限定的数值。

2.按照权利要求1的触针组件，其中上述理论加速度或近似的理论加速度至少为5g。

3.按照权利要求1的触针组件，其中上述理论加速度或近似的理论加速度至少为10g。

4.按照权利要求1的触针组件，其中上述理论加速度或近似的理论加速度至少为20g。

5.按照权利要求1到4中任意一项的触针组件，其中包括一个绕枢轴转动的触针臂，并且触针臂上从枢轴到触针尖的长度不大于2cm。

6.按照权利要求1到4中任意一项的触针组件，其中包括一个绕枢轴转动的触针臂，并且触针臂上从枢轴到触针尖的长度不大于1cm。

7.用于一种测量仪器的触针组件，测量仪器通过在表面上移动触针的尖来测量表面特征，

触针组件包括可绕着一个枢轴转动并且带有触针尖的的一个触针臂，触针臂质量(忽略从枢轴到针尖的半路上小于十分之一范围内的任何质量)不大于25毫克。

8.按照权利要求7的触针组件，其中触针臂上从枢轴到触针尖的长度不大于2cm。

9.按照权利要求7的触针组件，其中触针臂上从枢轴到触针尖的长度不大于1cm。

10.用于一种测量仪器的触针组件，测量仪器通过在表面上移动触针的尖来测量表面特征，

触针组件包括一个可以朝向或是离开表面大体上做直线运动并且带有触针尖的触针，触针的质量不大于25毫克。

11.按照权利要求1到6中任意一项的触针组件，其中包括一个绕枢轴转动的触针臂，并且触针臂的质量(忽略从枢轴到针尖的半路上小于十分之一范围内的任何质量)不大于25毫克。

12.按照权利要求1到4中任意一项的触针组件，其中包括一个大体上直线运动的触针，并且触针臂的质量不大于25毫克。

13.按照权利要求7到12中任意一项的触针组件，其中上述质量不大于20毫克。

14.按照权利要求7到12中任意一项的触针组件，其中上述质量不大于10毫克。

15.按照权利要求7到12中任意一项的触针组件，其中上述质量不大于5毫克。

16.按照任意一项在前的权利要求所述的触针组件，其中包括偏置装置，它在触针重量的任何作用之外对触针尖压在被测表面上的力起作用。

17.按照权利要求16的触针组件，其中偏置装置包括使触针尖朝着表面偏置的弹簧装置。

18.按照任意一项在前的权利要求所述的触针组件，其中，在触针尖没有任何运动时测得的触针尖压住表面的力不大于1克的力。

19.按照权利要求18的触针组件，其中上述的力是不大于500毫克的力。

20.按照权利要求18的触针组件，其中上述的力是不大于200毫克的力。

21.按照权利要求18的触针组件，其中上述的力是不大于100毫克的力。

22.一种测量仪器，用于通过在表面上移动一个触针来检测表面上的粗糙度或纹理或是其形状细节，该仪器包括：

一个触针；

移动装置，用于在表面上朝第一方向移动触针，并且在表面上朝着与第一方向交叉的第二方向移动触针；

与触针相联系的传感装置，用于在移动装置使触针在表面上移动的同时提供一个输出，上述的输出响应表面的高度相对于第一和第二方向所限定的平面的变化，

上述的移动装置可以在表面上的一定区域内移动触针，从而检测出该区域中表面高度的变化。

23.按照权利要求22的仪器，其中第一和第二方向是水平方向，并且上述的传感装置响应表面高度的变化而提供一个输出。

24.按照权利要求22或23的仪器，其中移动装置包括一个安装件和一个用于装载触针的装载件，安装件和装载件通过弯曲弹簧来连接，通过弹簧的弯曲做相对运动。

25.一种测量仪器，通过在表面上移动触针来检测表面的特征，该仪器包括一个触针和用于在表面上移动触针的移动装置，

移动装置包括第一件，从第一件朝着与各个中间件相反的方向延伸的第一弯曲弹簧，以及从各个中间件在相反方向上延伸到第二件的第二弯曲弹簧，从而通过弹簧的弯曲使第二件在朝向和远离第一件的方向上做大体上直线的运动。

26.按照权利要求25的仪器，其中上述相反方向和第二件的直线运动方向基本上都是水平方向。

27.一种测量仪器，用于通过在表面上移动一个触针来检测表面特征，该仪器包括：

一个触针；

移动装置，用于在表面上基本上水平地移动触针；以及

与触针相联系的传感装置，用于响应表面上的高度变化而提供一个输出，

上述移动装置包括第一件，以及相对于第一件水平移动并且支撑着触针的第二件，第一件通过一个平板式的弯曲弹簧连接到第二件并且支撑着第二件，平板弯曲弹簧被设置在一个垂直平面内并且在第一件和第二件之间基本上水平地延伸，利用弹簧的弯曲阻止第二件的水平移动，并且利用弹簧在其平面内的弯曲阻力来抵抗重力，以便支撑第二件。

28.按照权利要求27的仪器，其中移动装置还包括装载触针的第三件，第二件通过第二平板式弯曲弹簧支撑着触针和第三件，第二平板式弯曲弹簧被设置在基本上平行于第一弯曲弹簧的平面的垂直平面内，并且在第二和第三件之间基本上水平地延伸，从而利用第二弯曲弹簧的弯曲阻止第三件相对于第二件的水平移动，并且利用第二弯曲弹簧在其平面内的弯曲阻力来抵抗重力，以便支撑第三件。

29.按照权利要求28的仪器，其中移动装置还包括分别通过其他弯曲弹簧连接到第一和第三件的第四件，其他弯曲弹簧被设置在各自的垂直平面内，并且在各件之间基本上水平地延伸。

30.按照权利要求29的仪器，其中第二件被设置在第一和第三件之间的直线上的一侧，并且第四件被设置在直线上与第二件相反的另一侧。

31.按照权利要求25至30中任何一项所述的仪器，其中每个上述弯曲弹簧还伴随有另一个与其水平地分开并且在同一个件之间延伸的弯曲弹簧。

32.按照权利要求25至31中任何一项所述的仪器，其中每个上述弯曲弹簧具有多个垂直分开的弹簧部分。

33.按照权利要求25至32中任何一项所述的仪器，其中上述移动装置包括驱动装置，它通过改变移动装置的部件之间的磁力在表面上移动触针。

34.一种测量仪器，用于通过在表面上移动一个触针来检测表面特征，该仪器包括一个触针以及在表面上移动触针的移动装置，

上述移动装置包括一个安装件和一个装载触针的移动装载件，安装件和装载件通过一或多个弯曲弹簧来连接，通过弯曲弹簧的弯曲使二者做相对运动，该移动装置还包括相对于安装件驱动装载件的驱动装置，用于检测装载件位置的检测装置，以及响应检测装置的输出，用于控制驱动装置的反馈控制装置。

35.按照权利要求34的仪器，其中上述驱动装置在移动装置的部件之间施加可变的磁力，从而驱动装载件。

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