JPH05502730A - 容量検知プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 容量検知プローブ 本発明はプローブと表面との間の距離を測定するための容量検知プローブに関す るものである。特に、プローブは測定する表面の荒さを測定するのに用いられる 。

例えば、容量型プローブを用い、このプローブを表面上にて動かして任意の所定 個所における電極と表面測定することは米国特許第４，８１４，６９１号から既 知である。上述のプローブは薄い平坦なプレート電極を具えており、この電極は その端部がプローブの端部と同一平面を成すようにプローブ内に取付けられ、プ ローブと表面との間の周辺フィールド容量の変化を測定する。

このようなプローブでも満足な結果が得られるも、表面にプローブを一度横切ら せるだけで提供できる表面に関しての情報量は限られている。

かかる従来のプローブの不足度は、請求の範囲に記載したように、プローブに２ つの電極を設け、これらの電極をプローブの意図した移動方向にて電極間を絶縁 して離隔させ、且つ電極間の周辺フィールド容量および表面がこの容量に及ぼす 影響を測定するようにしたプローブにより克服する。

一対のプレート間の周辺フィールド容量の変化を測定する原理を用いることによ り、プローブの設計者はプローブの設計に当り大きな融通性を有している。プロ ーブは基本的には成る範囲にわたる表面からの電極の平均距離に関連する容量を 測定する積分装置である。

電極間の間隔を様々な値に選定することにより、プローブが平均をとる範囲の大 きさを変えることができる。従って、様々な仕事に対する異なる感度範囲のプロ ーブを作ることができる。

さらに、各電極と表面との間の周辺フィールド容量を同時に測定することによっ て、測定点における表面の局所的傾斜に関する情報を取出すことができる。

本発明の好適例では、２つの各電極をスパッタリングまたは蒸着によりスタイラ スの内部表面部分に被着する極めて薄い層状のものとし、且つこれらの２部分を 互いに対向する電極およびこれらの電極間の極めて薄い層と一緒にしっかり接続 する。

このようにすることにより、容量値の平均をとる表面の範囲が十分に小さくなり 、プローブは表面のざらつきの個々のピークと谷を検出でき、実際状このプロー ブは高い空間周波数変動を有する表面状態を測定するための装置として作動する 。

電極の間隔を大きくすると、周辺フィールドが大きくなり、プローブの感度が大 きくなるため、電極を表面から大きめの距離の所に取付けることができる。しか し、電極の間隔が太き（なると、検出できる空間周波数は低（なる。このことは 、電極と表面との間の距離の大きな変化、すなわち表面の大きなざらつきで、空 間周波数の低い表面状態しか測定できないことを意味している。

従って、どんな測定作業にとっても電極に対する最適な間隔がある。

本発明の他の例では、スタイラスを丸みを付けたスキッドにて終端させ、このス キッド内に電極を取付け、これら電極の縁部をスキッドの表面に隣接させるも、 スキッドの表面から僅かだけ離間させる。

このようにすることにより、スキッドをワークピースの表面上をそれに接触させ て通過させることことができ、しかもスキッドが、電極を表面から一定距離離れ た所に維持する。従って、スキッドは表面状態における低周波変動に追従し、プ ローブは高周波変動を呈する表面を測定することはできない。

プローブは座標測定機（ＣＭＭ）に取付けて、測定表面上に動かすことができる 。測定機にはプローブを表面に対して上下させ、それに応じて測定容量値をそれ ぞれ増減させるサーボ制御系を設けて、ワークピースの形状ならびに表面状態を 測定することができる。

また、プローブをワークピースに接触させる場合に、プローブが損傷しないよう にするために、スタイラスを例えば本願人の出願に係る米国特許第４．１５３， ９９８号に記載されであるような衝壊防止装置に取付けることもできる。

本発明の他の例では、２つ以上の電極を全て同じ方向に離間させて用いることも できる。

本発明は前記本発明による新規プローブの使用方法にも関するものであり、この 方法は電極の縁部が表面に垂直となるようにプローブを向ける工程と、電極と測 定すべき表面とを極めて接近させる工程と、電極間の容量および表面が電極の周 辺フィールド容量に及ぼす影響を測定しながらプローブを電極に対して垂直の方 向にて表面上を動かす工程とを具えている。

本発明による方法および装！は導電性または非導電性の表面を測定するのに用い ることができる。非導電性の表面を測定する場合には、（プローブと表面との距 離に対する内部電極容量に関連する）適当なキャリブレーション作業をするのに 表面の誘電定数を考慮する必要がある。

図面の簡単な説明 本発明の実施例を図面を参照してさらに詳細に説明する。

第１ａ図は本発明の一実施例によるプローブのスタイラス部分の断面図である。

第１ｂ図は第１ａ図のスタイラスの端面図である。

第１Ｃ図は第１ａ図のプローブに対する回路図である。

第２ａ図は本発明の他の実施例によるプローブのスタイラス部分の断面図である 。

第２ｂ図は第２ａ図のスタイラスの端面図である。

第２ｃ図は第２ａ図のプローブ部に対する回路図である。

第３ａ図は本発明のさらに他の実施例によるプローブのスタイラス部分の断面図 である。

第３ｂ図は第３ａ図のスタイラスの端面図である。

第３ｃ図は第３ａ図のプローブに対する回路図である。

第４ａ図は本発明の他の実施例によるプローブのスタイラス部分の断面図である 。

第４ｂ図は第４ａ図のスタイラスの端面図である。

第４ｃ図は第４ａ図のプローブに対する回路図である。

第５図は第４ａ図のプローブに対する電極の変形配置の端面図である。

第６図は第４図のプローブに対する電極のさらに他の変形配置の端面図である。

第７図は第４図のプローブに対する電極のさらに別の変形配置の端面図である。

第８図はさらに別の電極配置を示す本発明による他のプローブに対するスタイラ スの端面図である。

第９図はさらに他の電極配置を示す本発明による他のプローブに対するスタイラ スの端面図である。

第１０図は本発明によるプローブの他の実施例の立面図である。

第１１図は本発明のスクイラスを垂直に取付けるプローブを概略的に示す図であ る。

第１２図は複数の容量値を測定するための回路を示す他の電気回路図である。

第１ａ図には本発明による容量検知プローブ用のスタイラス１を示しである。こ のスタイラスは、絶縁材料製で、しかも導電性ワークピースの表面３に接触させ る丸みを付けた端部２を有するスキッド状をしている。スタイラスは、−緒に保 持され、且つ断面が長方形（本例では第１ｂ図に示すように正方形）の中央開口 部４を規定する２部分で作製する。開口部のうち内側面４ａ、４ｂには絶縁媒体 ５によって分離される電極Ｅ、およびＥ２を形成する。

電極の先端部は開口部の端部内に深さｄだけ引込めて、スキッドが表面３と接触 して、その表面上を動く際に、電極の先端部が表面から一定距離の所に留まるよ うにする。各電極を端子ｌＯおよび１１に電気的に結線し、これらの端子をワイ ヤ１２および１３によって電気回路（第１Ｃ図）に接続する。

上述したスタイラスは、電極の縁部なワークピースの表面にきわめて接近させ、 その表面に平行にすると、電極が表面に垂直となるような位置でプローブに取付 けるものとする。

プローブは２枚の電極プレートの端部から表面までの距離により影響される２枚 のプレート間の周辺フィールド容量を測定する。

このプローブ／ワークピースの組合わせによって形成される容量には３つの容量 がある。まず、２つの電に、電極プレートＥ、とワークピースの表面３との間、 および電極プレートＥ、と加工時の表面３との間のそれぞれＣＥ、およびＣＥ、 と称する２つの容量がある。プローブ回路は、ワークピースの表面が容量ＣＰに 及ぼす影響を検出すべく設計する。ワークピースは本例では（後の実施例でも） 接地すべきものとするが、ワークピースから大地までの容量がプローブ容量Ｃ， に比べて高い限り回路は首尾良（作動する。

電極プレート間の距離に応じてプローブは平均表面荒さや、表面の状態を測定す ることができる。例えば、表面状態、すなわち電極の端部から個々のピークおよ び谷までの距離の測定可能にするためには、２枚の電極と中間の誘電体（絶縁体 ）との総厚を０．１〜１０ミクロン程度とする必要がある。このようにするため に、電極および誘電体と電気接続線は極めて薄いめっき状電極を形成すべく、ス タイラスの表面４ａ。

４ｂに蒸着またはスパッタリングにより極めて薄い層に堆積する。

平均表面荒さくすなわち、成る範囲にわたる表面のピークと谷の平均距離）を測 定するためには、電極の離間距離を０．１〜１０ｍｍの範囲内の値とすることが できる。

プローブからの信号発生用回路ＥＣＩを第１ｃ図に示す。端子１０および１１か ら電圧源ｖ１および電荷増幅器ＣＡまでをワイヤ１２および１３で接続する。電 荷増幅器ＣＡは帰還容量Ｃｒｏｔを含んでいる。この回路は出力Ｖ　ｏ　”　− Ｃｐ　／　Ｃｒ　＠　ｔ　ｘ　Ｖ　＋を発生し、ここにＣＰはプローブの容量で ある。

作動に当り、プローブは３つの直交方向Ｘ、ＹおよびＺに移動でき、自動走査系 を成す機械に取付けることができる。プローブは、スキッドが表面に接触するま で２方向に下方へと動かし、その後プローブを第１ａ図に矢印Ａで示すように電 極の幅Ｗに対して垂直の方向に表面を横切って動かす。

プローブを表面状態測定用に設計する場合、スキッドは比較的大きめの表面輪郭 、すなわち表面高さの低い空間周波数変動に追従するようになるため、プローブ は比較的高い周波数変動のみを検出する。

スタイラスは損傷しないようにするために、衝壊防止装置に取付けることができ る。スタイラスを取付ける装置は本願人の出願に係る米国特許第４，１５３，９ ９８号から既知である。スタイラスは、３つの座標方向Ｘ。

ＹおよびＺに少し動かすことができ、しかも機械に帰還信号を供給して、プロー ブを３方向のいずれかに動かして、プローブがワークピースの輪郭に追従できる ようにするアナログプローブヘッドに取付けることも第２ａ図および第２ｃ図に 示す本発明の実施例では、プローブの電極をガードして、スタイラス内の電極プ レート間の内部容量によって直接与えられるＣＰの成分を減らすようにする。

プローブは第１ａ図につき説明したものと同じようにして構成し、同一構成部分 を示すものには同じ参照番号を付して示しである。プローブは丸みを付けたスキ ッド２にて終端するスタイラス１を有する。２つの電極Ｅ、およびＥ２はスタイ ラスの２部分の内部表面に形成し、これらの電極を絶縁層５によって分離させる 。２つの電極をスキッドの外側面から距離ｄだけ引込める。この実施例では、開 口部内に配置され、且つ電極Ｅ１およびＥ２から隔離される２つのガード電極Ｇ 、、Ｇ２を設ける。これらの電極Ｇ、およびＧ２から追加端子２０および２１ま でを電気的に接続する。この実施例に対する回路図ＥＣ２は第１Ｃ図に示した例 のものに似ており、追加部分はガード電極Ｇ１と６２との間に形成されるキャパ シタＣＧの一端をワイヤ２２により電圧■１に接続し、他端をワイヤ２３により 接地している点である。この回路が発生する出力はｖ０＝−ＣＰ／Ｃｒ、ｔ×■ 、である。

第３ａ図〜第３Ｃ図には、スキッドを形成すべく丸みを付けた端部２を有し、絶 縁層５によって分離させた一対の電極Ｅ１およびＥ２を有しているプローブスタ イラス１を示しである。しかし、この実施例では、スタイラスの中央下側に第３ 電極Ｅ３を設ける。電極Ｅ、を追加の端子２５に接続し、この端子をワイヤ２６ を介して接地する。゛この例では５つのキャパシタが形成される。これらは、電 極Ｅ、およびＥ２の各々とワークピースの表面３との間の容量ＣＥ、およびＣＥ ３と、電極Ｅ、およびＥ２の各々と中央接地電極Ｅ３との開の容量ＣＥ　ｚおよ びＣＥ、と、２つの電極Ｅ１とＥ、どの間の容量Ｃ２である。

第３ｃ図に示す回路図ＥＣ３は電荷増幅器ＣＡおよび駆動電圧Ｖ、に如何にして 結線するかを示している。この実施例における電荷増幅器からの出力Ｖ。は−Ｃ ｐ　／　Ｃｒ　＠　ｔ　Ｘ　Ｖ　＋に等シイ。

第４ａ図〜第４Ｃ図には第３ａ図〜第３Ｃ図に示したものに似ている他の実施例 を示しである。

この例のスタイラスも丸みを付けたスキッド２と一対の電極Ｅ、およびＥ２を有 しているが、この場合には中央電極をワイヤ２６を介して電圧ｖｌにより駆動し 、これをガード電極Ｇ３として作用させる。この実施例で考慮すべき容量は電極 Ｅ１およびＥ２の各々とワークピースの表面との間の容量Ｃｐ＋。およびＣＰ□ 。

と、２つの電極Ｅ、とＥ２との間の容量Ｃｐ　＋　２と、電極Ｅ１とＥ２との間 およびＥ、と６３との間の容量ＣＧ　、３ＪよびＣＧ２．である。レファレンス ０はワークピース表面の電位を示す。

回路図ＥＣ４も同じく上述した容量を駆動電圧■１および２個の電荷増幅器ＣＡ 、およびＣＡ　２に如何ように接続して、圧力、すなわちＶａ＋”Ｖ＋　（１＋ ＣＰＩ。／Ｃ，、ｔ）およびＶ。ｚ＝　Ｖ　Ｉ（１＋、（：　ｐ□。／Ｃ，、ｆ ）を発生させるかを示している。

この実施例の利点は、このような状況における２つの電極プレートと表面との間 の距離が異なり、周辺フィールド容量がそれぞれ異なる影響を受けることからし て、電極の幅に対するワークピース表面の傾斜を正しい角度で検出することがで きるという点にある。

電極およびガード電極の数は随意変えて、プローブに様々な可能性を与えること ができることが明らかである。

第５図は中央ガード電極Ｇ、を断面工状にしたプローブスタイラスの端面図であ る。

第６図はガード電極Ｇ、が２つの電極Ｅ、とＥ２を完全に囲み、且つこのガード 電極を絶縁体５によって双方の電極から絶縁したプローブスタイラスの配置を示 す。

同心円電極の配置を第７図に示してあり、この場合には円柱状の中央電極Ｅ１を ガード電極Ｇ２により囲み、しかもそれから絶縁し、ガード電極Ｇ２は電極Ｅ、 により囲んで、それとは絶縁し、電極Ｅ３も第２ガード電極Ｇ４により囲み、そ れとは絶縁する。この第２ガード電極Ｇ４はスタイラスの外部表面とするか、或 は目的によっては第２ガード電極Ｇ４のまわりに薄い絶縁層を設けることもでき る。なお、絶縁体にはいずれも参照番号５を付しである。

種々の形態のプローブスタイラスは電気回路に適合させるべく変更する必要があ る。

第８図に示す変形例は、プローブが２つの直角方向における表面の傾斜を検出で きるようにする。この変形例のスタイラスは各面に１個づつの４個の電極Ｅ１〜 Ｅ４によって囲まれる正方形をした中央ガード電極Ｇを有している。この電極配 置に対する電気回路は第４ｃ図に示す電気回路を２つ含むものである。

第９図は第８図の改造例を示し、この例ではガード電極Ｇを４つの弧状電極Ｅ、 、Ｅ２．Ｅ３およびＥ４で囲んだ中心に位置させる。

第１Ｏ図に示すプローブ５０は少なくとも成る種の容量測定電気回路を内蔵して いる本体５２および端部を球状にしたスタイラス５４を有している。スタイラス ５４の球５６内には２つの薄い円形電極６０．６２を形成し、これらをスタイラ スの長手方向軸線の方向にて給線材料６４により離間させる。

電極は球５６と同じ直径か、或はごく僅かだけ小さく作って、これらの電極の端 部が球と同じ高さとなるか、または球内に僅かに引込むようにする。従って、球 はスキッドとして作用し、これは測定工程中表面に接触し、しかも電極の縁部が 表面に対して垂直となるようにして表面上を引っ張られる。

図から明らかなように、このプローブは表面上を水平方向に移動させるのであり 、スタイラスは比較的長く、しかも可撓性として、球に損傷を招（大きな力がか からないようにする。

上述した他の実施例と同様に、電極に関連する電気回路は、表面が２つの電極間 の周辺フィールド容量に及ぼす影響を測定すべく設計する。さらに、表面に関す るもっと多くの情報をめるために、表面が各電極と表面との間の周辺フィールド 容量に及ぼす影響も測定することができる。

第１１図はスタイラスを垂直に取付けて、第１図〜第４図につき説明した測定操 作を実施するためのプローブを概略的に示したものである。このプローブの本体 ７０内には少なくとも成る種の電気回路を収容させることができる。本体７０は プローブを動かすために機械に取付けるシャンク７２を有している。スタイラス ｌは運動学的支持体７３（これは本来既知のものである）から下方に突出してお り、この支持体はスタイラスに大きな力がかかる場合にスタイラスを傾けたり、 垂直方向に変位させたりする。

第１２図にはネットワークの３つの容量Ｃ，，Ｃ。

およびＣ３を測定するのに使用できる電気回路を示しである。これらの容量は例 えば、第２ａ図に示す電極Ｅ、およびＥ２と表面との間の容量ＣＥ、およびＣＥ 、（第１２図ではＣＩおよびＣ３にて示す）および第２ａ図に示す電極間の容量 Ｃ，（第１２図ではＣ２にて示す）とすることができる。

図面には補償容量ＣＩｃおよびＣｗｅも示してあり、これらの容量は内部漂遊容 量および全てのキャパシタに固有の自白空間容量値を補償するために導入する。

補償容量は、自由空間および漂遊容量をゼロにするのに用いて、電極付近の表面 が電極に及ぼす影響による容量変化だけをプローブが調べるようにする。補償容 量は出力の導出を簡単にし、且つ自由空間内にてシステムを内部容量ドリフトに 対してゼロにするのにも用いることができる。補償容量は回路の非接地ノードに 取付け、励起電圧から取出される電圧により駆動させる。補償容量の値は構成に より取出される補償すべき容量と同程度の値に選定すべきである。

回路ハ２　ツ（’）１１圧Ｖ＾＝　Ｖ　ｃ　ｏ　Ｓ　（ＩＪ　、　ｔと、ＶＢ＝ Ｖｃｏｓω２ｔとにより駆動され、この回路は２つの電荷増幅器Ａ、およびＡ２ を用いて圧力■、および■、を発生する。

浮遊容量Ｃｐｓ、Ｃｐｍを補償するために、Ｋ、、に２を次のように調整する。

代入により次式のようになる。

これらの出力を乗算器Ｍ１．Ｍ２　、ＭｓおよびＭ４に通して次のような出力を 発生させる。

ここでｋは乗算定数である。

例えば、■、を■８の代入により展開すると次のよＶ、、Ｖ、を代入すると次の ようになる。

余弦項を配列し直すと次のようになる。

＋ｃｏｓ（ωビω２）ｔ） 出力■２〜■４に対しても同様である。

４つの出力Ｖ、、Ｖ、、Ｖユおよび■４を低域通過フィルタＦ、、Ｆ２．Ｆ、お よびＦ４によりろ波して、次のような８力を発生させる。

Ｃ＋　、Ｃ２，Ｃｓの値は次の式のようになる。

プローブの部分でなく、例えば増幅器入力端における浮遊容量を考慮するために 、回路には追加の容量Ｃ＋ｓおよびＣｓｓを含めることができる＠　Ｃ１ｓ１　 Ｃｓｓの補償ばＣ＋ｃ、Ｃｓｃおよび／またはに、、に、を調整することにより 行うことができる。

この調整はプローブを自由空間内に置いている間にＣ，、Ｃ，の検出値をゼロに 手動または自動的に調整することにより行うのが普通である。

プローブに追加の電極を加える場合には、上述した回路を発展させて、追加の容 量を計算できるようにすることができる。

本発明によるプローブは導電性および非導電性の双方の表面特徴を測定するのに 用いることができる。

（以下余白） Ｆｊｇ、１０ 要約書 ワークピースの表面における特徴を測定するための容量検知プローブである。こ のプローブは２つの電極（Ｅ、、Ｅａ　）を有しており、これらの電極はプロー ブの移動方向に離間され、電極は表面に対して垂直に配置される。電極は縁部だ けが表面にさらされ、表面が電極間の周辺フィールド容量に及ぼす影響を測定す る電気回路（ＥＣ）が設けられている。漂遊容量を減らすためにガード電極を用 いる。電極の数およびこれら電極の配置が異なる様々な実施例を示しである。

、　、　＆　ＰＣＴ／ＧＢ　９１１０１７０４国際調査報告 ＧＢ　９１０１７０４ Ｓ＾　５１８２０

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．本体の表面を横切る測定方向に沿う該本体の表面特徴を測定するためのプロ ーブにおいて、当該プローブが、前記表面を横切ってプローブを動かす意図した 方向に離間させ、且つ互いに絶縁した一対の電極（Ｅ１，Ｅ２）と、プローブを 表面上にて測定方向に動かす際に表面が２つの電極間の周辺フィールド容量に及 ぼす影響を測定する電気回路（ＥＣ）とを具えていることを特徴とするプローブ 。
2. ２．前記電極（Ｅ１，Ｅ２）がプローブのスタイラス（１）の一部を形成し、該 スタイラスが湾曲した加工片−接触面（２）で終端し、この接触面により前記電 極の縁部を表面に対して正しい位置に持たらして、前記測定を行うようにしたこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプローブ。
3. ３．前記電極（Ｅ１，Ｅ２）の縁部がスタイラス（１）のワークビースー接触面 と同一平面を成すようにしたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載のプロー ブ。
4. ４．前記電極（Ｅ１，Ｅ２）の縁部をスタイラスの湾曲面（２）内に引込めたこ とを特徴とする請求の範囲第２項に記載のプローブ。
5. ５．前記スタイラスを球（５４）にて終端させたことを特徴とする請求の範囲第 ２項に記載のプローブ。
6. ６．前記電極（Ｅ１，Ｅ２）を平坦な長方形のプレート状とし、厚さをその長さ および幅に比べて小さくしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプロー ブ。
7. ７．前記電極（Ｅ１，Ｅ２）を薄い円形のディスク状としたことを特徴とする請 求の範囲第１項に記載のプローブ。
8. ８．前記電極（Ｅ１，Ｅ２）間の浮遊容量の影響を低減させるために、少なくと も１個のガード電極（Ｇ）を設けたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の プローブ。
9. ９．前記電極（Ｅ１，Ｅ２）を表面上におけるプローブの意図した移動方向に対 して直角となるように配置し、電極の縁部を表面に露出させたことを特徴とする 請求の範囲第１項に記載のプローブ。
10. １０．前記スタイラスをオーバトラベル装置に取付けて、スタイラスが表面との 接触に偏値できるようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプロー ブ。
11. １１．表面上でのプローブの移動を制御する手段を設けたことを特徴とする請求 の範囲第１項に記載のプローブ。
12. １２．請求の範囲第１項に記載のプローブの使用方法に置いて、当該方法が、前 記プローブを電極が測定表面に垂直となるように向ける工程と、電極が表面に隣 接して位置するようにプローブを位置付ける工程と、電極間の容量およびこの容 量に表面が及ぼす影響を測定しながら、プローブを電極に対して垂直の方向に表 面上を動かす工程とを具えていることを特徴とするプローブの使用方法。