DE837468C - Profilschnellschreiber - Google Patents

Description

• Profilschnellsdireiber I)as Profil von Ol>erflächen, die Gestalt von Körpern usw. wurden bisher mit Tastgeräten abgetastet und der vergrößerte Ausschlag über dem Tastweg mit IJ ii fe von mechanischen oder optischen Schreibern aufgezeichnet. Nuf diese Weise erhielt man ein Bild der Oberfläche oder der Körpergestalt eines Prüflings.
• Infolge der mechanischen Abtastung mlit sehr spitzen Tastnadeln mußten geringe Meßdrücke verwendet werden, um die Oberfläche nicht zu zerstören. Hierdurch wurde das gesamte Federungssystem so weich, daß man nur mit sehr geringen Tastgeschwindigkeiten abtasten konnte. Dies hatte den Nachteil, daß die Messung sehr lange dauerte.
• Andererseits war es auch nicht erwünscht, von jeder Oberfläche ein oft sehr langes Papierstück zu erhalten. Dieses ist teuer, besonders, wenn es optisch auf lichtempfindlichem Papier aufgrezeichnet ist.
• Diesem Nachteil will die Erfindung abhelfen, und zwar dadurch, daß sie die Abtastgeschwindigkeit auf das Mehrfache der jetzigen steigert. Dadurch ist es möglich, unter Ausnutzung der Trägheit des Auges auf dem Schirm des Oszillographen ein stehendes Bild zu erzeugen, das leicht betrachtet und ausgemessen werden kann, aber nicht unbedingt fixiert werden muß. l)ie Verwendung höchster Abtastgeschwindigkeiten schließt natürlich Taster aus, die die Oberfläche körperlich berühren, so daß hier erstmalig die Oberfläche ohne Berührung und Beschädigung abgetastet wird. Dies ist ein wesentlicher Fortschritt gegenüber dem derzeit bekannten Stand der Technik. l)as erfindungsgemäße Gerät zeichnet sich dadurch aus daß eine metallische Tastspitze sehr schnell auf der Ol>erfläche des hinsichtlich Dicke und Dlielektrizitötskonstante geeignet bemessenen Dielektrikums gleitet und die zwischen Spitze und Oberfläche gemessene Kapazität über einen Kathodenstrahloszillographen zur Darstellung der Oberfläche dient.
• I)ie Al>l>. I kennzeichnet beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung. Einer Oberfläche 1 steht, ohne sie zu berühren, eine feine metallische Tastnadel 2 gegenüber, die durch ein Getriebe 3 in schnellste Hin- und Herbewegung versetzt wird.
• Hierbei werden gleichzeitig auf einem Potentiometer 4 oder einer anderen geeigneten Anordnung beispielsweise einem Kondensator oder Kippgerät, Spannungen abgegriffen, die dem Tastnadelweg proportional sind und die den horizontalen Ablenkplatten 5 eines Kathodenstrahloszillographen 6 zugeführt werden.
• I)as NVesentlichste ist nun, daß zwischen der Tastnadelspitze und der Oberfläche sich noch ein Dielektrikum 8 befindet, dessen Dicke in einem genauen Verhältnis zu den Rauhigkeiten der Oberflciche 1 stehen muß. Hierbei spielt noch die Dielektrizitätskonstante eine Rolle. Zwischen der Spitze (les Tasters und der Oberfläche entsteht ein Kondensator von sehr geringen Abmessungen, so daß dieser keinen Kapazitätsdurchschnittswert ermittelt, sondern einen individuellen Wert, je nachdem, welches Rauhigkeitsprofil ihm gegenübersteht.
• Ilierl)ei entstehen nun zwei Probleme: Einmal muß der genaue Abstand der Spitze gegenüber der Oberfläche in einfacher Weise gesichert sein, ohne daß diese einmal anrennen und abbrechen kann, und zwei tCiI5 muß die Anordnung genügend empfindlich still. vor allem muß es möglich sein, mit einem so kleinen Kondensator auch wirklich bis in den l>rofilgrund hinein zu messen. | Hierzu dient das 1 )ielektrikum. Es hält einmal den Abstand aufrecht, und zum anderen gelingt es durch seine geeignete lAemessung ähnlich wie bei einer Linse, das Oberflächenprofil in Form von Feldlinien nach oben zu ziehen oder zu projizieren, so daß es mit der Tastspitze 2 abgetastet werden kann.
• Diese Eigenschaft des Dielektrikums ist an sich nicht neu. Neu ist dagegen ihre Verwendung zur Ermöglichung einer sehr schnellen Profilabtastung, und es ist einleuchtend, daß ihre Bemessung hinsichtlich Dicke und Dielektrizitätskonstante einen wesentlichen Einfluß auf die Wiedergabe des Profils auf dem Oszillographenschirm "hat.
• Zwischen der metallischen Tastspitze 2 und der metallischen Oberfläche l kann ebensosehr eine reine Spannungsmessung als eine Kapazitätsmessung vorgenommen werden, wobei im Interesse der Empfindlichkeit sowohl mit genügend hoher Spannungen als auch einer Kapazitätsmeßmethode unter Verwendung sehr hoher Frequenzen gearbeitet wird. Unter Verwendung eines nachgeschalteten Verstärkers 9, der auf die Platten 7 des Oszillographen arbeitet, bestehen so gar keine Schwierigkeiten, an seinem Ausgang ausreichend hohe Spannungsschwankungen, die der Profilform der Oberfläche entsprechen, zu erhalten. Hierdurch entsteht auf dem Oszillographenschirm das Profilbild der Oberfläche, welches durch Veränderung der Abtastgeschwiitdigkeit mehr oder weniger auseinandergezogen werden kann. Es ist zu erwähnen, daß der Sdiirm auch nachleuchtend gemacht werden kann, wodurch das Bild noch länger stehenbleibt.
• Andererseits kann man, ähnlich wie in der Fernsehtechnik, statt des Schirmes eine mosaikartige Doppelschicht aus Kondensatoren und Fotozellen anordnen und auf diese Weise sogleich in dieser hohen Geschwindigkeit das Profil auswerten. Es können hielrbei sowohl mittlere Rauhigkeitswerte als auch die Maximalwerte ausgemessen und angezeigt werden. Zu diesem Zweck wird man vorteilhaft den Verstärker mit Wechselstrom hoher Frequenz arbeiten lassen und im Ausgang nicht gleichrichten. Man erhält dann das Oberflächenprofil nicht nur als Plrofillinie, sondern als ausgefüllte Fläche des Profils.
• Gewisse Maßnahmen müssen oder können noch an dem Tastkondensator getroffen werden. So kann die der Oberfläche I abgewandte Seite des Dielektrilkums 8 metallisiert werden und dieser Belag an ein bestimmtes geeignetes Potential gelegt werden.
• Für den Taststift ist nur ein schmaler Schlitz ausgespart. Hierbei kann aber auch der Schlitz vertieft sein, so daß die Tastspitze noch näher an der Oberfläche ist als der Schutzbelag. tuch um große Teile der Tastspitze wird man zweckmäßlig einen Schutzring, der geerdet ist. legen. Alle diese Maßnahmen dienen dazu, das Oberflächenprofil, möglichst getreu nach oben zu projizieren.
• Um Beschädigungen des Dielektrikums und der Tastspitze infolge der hohen Tastgeschwindigkeit zu vermeiden, wird gemäß Abb. 2 auf die Oberfläche 1 ein geeignet bemessenes Dielektrikum 03 mit oder ohne Schutzbelag 14 gelegt. Hierauf gleitet ein isoliertes Gleitstück 12, in dem ein ganz dünner feiner metallischer Stift I3 eingelassen ist. Dieser schließt unten eben ab und steht im übrigen einem Schlitz in dem Belag 14 gegenüber. An I3 wird dann der Verstärker bzw. die Kapazitätsmeßeinrichtung angeschlossen. Wird nun I2 durch 3 bewegt, so erfolgt infolge der großen Gleitfläche keine wesentliche Abnutzung und vor allem keine Beschädigung von I3.
• Man kann aber überhaupt von der Verwendung eines körperlichen Tasters absehen, wenn man beispielsweise die Anordnung nach Abb. 3 verwendet.
• Es handelt sich hier um eine Art Ellektronenröhre I5, wie sie zur Aufnahme von Fernsehbildern verwendet wird. Es ist jedoch hier keine Photokatllo(le vorhanden, sondern der Schirm I6 besteht aus einem Material von sehr hoher Dielektrizitätskonstante. Er ist ferner sehr dünn. Wird dieser Schirm 16 auf eine Oberfläche 1 aufgesetzt, so kann das Oberflächenprofil in das Dielektrikum 16 konzetitriert werden. wie bereits ollen ausgeführt wurde. Zu diesem Zweck ist die Innenseite des Schirmes 1() metallisiert nncl aii ein geeignetes Potential gelegt. In der Metallisierung befindet sich ein Schlitz, so daß ein abtastender Elektronenstrahl 18 auf diesen Streifen fallen un längs dieses abgelenkt werden kann. Je nachdem, welche Feldliniendichte auf der Oberflöche von 16 ist, wird der Elektronenstrahl mehr oder weniger geschwächt, d. h. er wird moduliert. Von der Schlitzoberfläche reflektiert, gelangt er datin auf eine .Nuffangelektrode 17, volt der die Elektronen zu einem Verstärker gelangen. Nach Verstärkung in 19 entsprechen dann die Ansgangsspannungen des Verstärkers 19 dem Oberflächenprofil. Wird die Metallilt. rutig des Dielektrikums 16 im Innern der Röhre mit einem geeigneten und geeignet dünnen Material gemacht, welches leicht Sekundärelektronen oder Elektronen abgibt, beispielsweise Alkalischichten, Beryllium, Legierungen von Beryllium mit Kupfer und Nickel von Magnesium mit Silber und anderen Mateialien und wird an diesen Belag und die Oberfläche X eine geeignet hohe Spannung gelegt, so entsteht in dem Dielektrikum entsprechend dem Oberflächenprofil eine solche Feldverteilung, daß beispielsweise den Rauhigkeitsspitzen gegenüber sehr hohe Spannungsspitzen auftreten, während sie den Tälern gegenüber nur gering sind. Durch diese ungleiche Spannungs- bzw. Feldverteilung werden nun aus dem Belag mehr oder weniger Elektronen herausgelöst, so daß diese der Oberflächengestalt entsprechen. Diese Elektronen können nun, durch elektrische oder magnetische Linsen vergrößert, auf geeignete Auffangelektroden projiziert und dort zeilenweise abgetastet sowie nach erfolgter Verstärkung auf dem Schirm eines Braunschen Rohres als räumliches Oberflächenbild sichtbar gemacht werden. Diese hierzu verwendeten geeigneten Mittel brauchen aber nicht näher beschrieben zu werden, da sie aus der Fernsehtechnik, insbesondere der Bildaufnahme hierzu, sowie der Elektronenmikroskopie bekannt sind.
• Es muß aber noch bemerkt werden, daß bei der Abtastung sehr kleiner Flächenstücke, beispielsweise auch mit einer Einrichtung nach bild 1 ein solches räumliches Oberflächenbild auf dem Schirm des Braunschen Rohres abgebildet werden kann, indem der Taster 2 nach jedem Hin- oder Hergang um eine Zeilenbreite seitlich verschoben wird, eas in entsprechender Weise elektrisch auf den Schirm des Oszillographen 6 übertragen wird. Man kann aber auch mit zwei Tastern 2 abtasten, die so gegeneinander versetzt sind, daß bei der Üliertragung zweier versetzter Schwaitkungen auf einen oder zwei Oszillographen 6 das Auge des Betrachters einen stereoskopischen, räumlichen Eindruck von der Obertlächenge stalt hat. Auch diese Verfahren bedürfen einer näheren Beschreibung, da sie rom plastischen Film oder plastischen Fernsehen her bekannt sind.
• PATENTANSPROCHE: 1. Profilschnellschreiber unter Verwendung einer über die Oberfläche geführten Tastspitze und eines auf die Oberfläche aufgelegten Dielektrikums, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Tastspitze (2) sehr schnell auf der Oberfläche des hinsichtlich Dicke und Dielektrizitätskonstante für diesen Fall geeignet bemessenen Dielektrikums (8) gleitet und die zwischen Spitze (2) und Oberfläche (1) gemessciie kapazität über einen Kathodenstrahloszillographen (6) zur Darstellung der Oberfläche (1) dient.

Claims (1)

1. 2. Profilschnellschreiber nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die der Oberfläche (1) abgewandte Seite des Dielektrikums metallisiert an ein bestimmtes Potential gelegt und in der Metallisierung ein Schlitz für den durchtretenden Taststift vorgesehen ist.

   3. Profilschnellschreiber nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr dünne metallische Taststift (I3) in ein isolierendes Gleitstück (I2) eingelassen und dieses Gleitstück auf dem Dielektrikum (8) s-erschiehlich ist.

   4. Profilschnellschreiber nach Anspruch I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des Spannungsfeldes zwischen der Tastspitze (2) und der Oberfläche (I) zur Messung dient.

   5. Profilschnellschreiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines mechanischen körperlichen Tasters ein Elektronenstrahl als körperloser Taster verwendet ist.

   6. Profilschnellschreiber nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein geeignet bemessenes Dielektrikum (I6) mit Elektrode ein dem Oberflächenprofil äquivalentes elektrisches Feld in das innere eines Elektronenrohres transponiert und dort unter Ausnutzung von Sekundärelektronen mit Hilfe der bei der Fernsehtechnik an sich bekannten Mittel der Bildzerlegung und Wiedergabe ein Bild des Oberflächenprofils auf dem Schrim eines Kathodenstrahloszillographen erzeugt ist.

   7. Profilschnellschreiber nach anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im Innern der Röhre auf dem Dielektrikum befindliche, auf ein geeignetes Potential gebrachte Belag aus einem Elektronen oder Sekundärelektronen abgebenden Material besteht und die entsprechend dem Oberflächenprofil herausgelösten Elektronen mit den aus der Fernsehbildaufnahmetechnik an sich bekannten Mitteln zeilenweise abgetastet zur Erzeugung eines räumlichen Oberflächenbildes dienen.

   8. Profilschnellschreiber nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (2, 13) nach jedem Hub senkrecht zu seiner Hubbewegung horizontal um einen Schritt weiterverschoben wird und diese Verschiebung elektrisch, beispielsweise durch ein Potentiometer, auf den Schirm des Oszillographen übertragen zur Erzeugung eines räumlichen Oberflächenbildes dient.

   9. Profilschnellkschreiber nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung mit zwei geeignet gegeneinander verschobenen Tastern (2, I3) erfolgt und nach geeigneter, an sich bekannter Übertragung auf den oder die Oszillographenschirme (6) das Auge einen plastischen Eindruck der Oberflächengestalt erhält.