(57)【要約】  検出回路を備えた制御ユニットと、検出プローブを備えたマイクロ放電機械とを含む、マイクロ放電機械に基づく計測システム。このマイクロ放電機械に基づく計測システムは、ピコジュールのエネルギーレベルにおいて工作物の寸法を検出できる。このマイクロ放電機械に基づく計測システムは、工程内品質保証／品質管理を可能にする非接触、非破壊かつオンボードの計測システムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触計測用のマイクロ放電機械であって、
検出回路と、制御器と、制御ケーブルとを含む制御ユニットと、
前記検出回路に電気接続されるスピンドルプローブと、
前記制御ユニットに前記制御ケーブルによって接続されるマイクロ放電機械であり、前記スピンドルプローブを保持するためのレシーバと、前記スピンドルプローブを少なくとも２次元に動かすための機構とを含むマイクロ放電機械と、
作業表面を含むタンクと、
前記作業表面上に配置される工作物と、
を含むマイクロ放電機械において、
前記制御ユニットの前記制御器が、前記スピンドルプローブを前記工作物の近傍に動かすためのコード化された指令を含み、前記工作物及び前記スピンドルプローブの間の間隙が十分に小さくなると、誘電物質の破断が生じ、前記スピンドルプローブの位置が記録され、かつ、
前記誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーは、前記工作物の表面を損傷しない、
ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記検出回路が抵抗−コンデンサ（ＲＣ）回路を含み、かつ、前記検出回路が固有周波数で作動する、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記レシーバがスピンドル／コレット装置を含む、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項４】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記レシーバが二重Ｖ溝マンドレルホルダを含む、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項５】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記スピンドルプローブが、丸められた円錐形の先端を有する円筒プローブ、伝統的なＣＭＭスタイラス、円筒スタイラス、超平滑スタイラス、長方形スタイラス、ホイールスタイラス、及びテーパスタイラスのいずれかを含む、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項６】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記工作物が、ステンレス鋼、白金、チタン、金及びモリブデンのいずれかを含む伝導性材料から構成される、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項７】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーが２．０ナノジュール未満である、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項８】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーが０．５００ナノジュール未満である、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項９】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーが０．０２０ナノジュール未満である、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１０】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記スピンドルプローブが電気絶縁される、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１１】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、材料侵食除去機械として機能し得る、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１２】
請求項１に記載のマイクロ放電機械において、前記スピンドルプローブを少なくとも２次元において動かすための前記機構がコンピュータ数値制御機械を含む、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１３】
非接触計測用のマイクロ放電機械であって、
検出回路及びｃｎｃ制御器を含む制御ユニットと、
前記ｃｎｃ制御器に接続されるｃｎｃ機械であり、機械操作アームと、前記機械操作アームを動かす駆動機構とを含むｃｎｃ機械と、
前記検出回路に電気接続されるスピンドルプローブであり、前記機械操作アームに装着されるスピンドルプローブと、
作業表面上に配置される工作物と、
を含むマイクロ放電機械において、
前記制御ユニットが、前記駆動機構を制御して、前記機械操作アーム及び前記スピンドルプローブを前記工作物の近傍に動かし、前記工作物及び前記スピンドルプローブの間の間隙が十分に小さくなると、誘電物質の破断が生じ、前記スピンドルプローブの位置が記録され、かつ、
前記誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーは、前記工作物の表面を損傷しない、
ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１４】
請求項１３に記載のマイクロ放電機械において、前記検出回路が抵抗−コンデンサ（ＲＣ）回路を含む、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１５】
請求項１３に記載のマイクロ放電機械において、前記検出回路が、波形発生器によって選択された周波数を有するパルス化直流（ＤＣ）発生器を含む、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１６】
請求項１３に記載のマイクロ放電機械において、前記スピンドルプローブが、丸められた円錐形の先端を有する円筒プローブ、伝統的なＣＭＭスタイラス、円筒スタイラス、超平滑スタイラス、長方形スタイラス、ホイールスタイラス、及びテーパスタイラスのいずれかを含む、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１７】
請求項１３に記載のマイクロ放電機械において、前記誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーが２．０ナノジュール未満である、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１８】
請求項１３に記載のマイクロ放電機械において、前記スピンドルプローブが電気絶縁される、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項１９】
請求項１３に記載のマイクロ放電機械において、材料侵食除去機械として機能し得る、ことを特徴とするマイクロ放電機械。
【請求項２０】
非接触の計測機械としてのマイクロ放電機械の操作方法において、
制御ユニットを前記マイクロ放電機械に接続するステップであって、前記制御ユニットは、検出回路と、電気絶縁されたスピンドルプローブとを含む、ステップと、
前記電気絶縁されたスピンドルプローブを被測定工作物の近傍に動かすように、前記マイクロ放電機械を操作するステップと、
前記工作物及び前記スピンドルプローブの間の間隙が十分に小さくなった際の誘電物質の破断を検出するステップであって、その場合、前記誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーは前記工作物の表面を損傷しない、ステップと、
前記誘電物質の破断時の前記スピンドルプローブの位置を記録するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタイラスを使用し、ピコジュールのエネルギーレベルにおいて検出するマイクロ放電機械（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｉｓｃｈａｒａｇｅ  ｍａｃｈｉｎｅ：μＥＤＭ）に基づく計測システムに関する。このマイクロ放電機械に基づく計測システムは、工程内品質保証／品質管理（ｉｎ−ｐｒｏｃｅｓｓ  ｑｕａｌｉｔｙ  ａｓｓｕｒａｎｃｅ／ｑｕａｌｉｔｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ：ＱＡ／ＱＣ）を可能にする非接触、非破壊かつオンボードの計測システムである。
【背景技術】
【０００２】
半導体、医療、自動車、防衛及び航空機を含む多くの産業において、一般的に微細構造として知られる部品、即ち寸法がミクロン単位で測定される部品に対する需要が増大している。しかし、これらの微細構造を測定するための既知の方法は種々の欠点を有しており、仕様外に製造される部品の廃棄が必要になる結果をもたらす場合が多い。
【０００３】
従来どおりのサイズの部品を製造する場合には、その部品を加工プラットホームから取り外して測定することが可能である。寸法が許容公差外であることが判明すると、その部品を加工プラットホームに戻して追加加工することが可能である。しかし、加工部品がミクロンサイズにまで縮小され、その許容公差がミクロンレベルより更に小さくなると、部品を、必要な精度で測定した後加工機に再装着することは非現実的である。従って、いくつかの基準点を加工部品上に維持するために、部品を、取り外す前に加工プラットホーム上において測定しなければならない。もし、部品を加工機から取り外して測定して、それが仕様外であることが判明すると、その部品は、追加加工に必要な精度でもって加工機に再装着することが非常に難しいので、廃棄せざるを得ない。その場合は、加工プロセスを修正して、新しい部品を製作しなければならない。これは時間及び費用を必要とし、材料を浪費する結果になる。
【０００４】
既知のオンマシン計測装置はこの不良率を９０％削減でき、製造者、供給者及び消費者に大きな節減をもたらすが、この既知の計測プラットホームは高価であり、脆弱なセンサーを含み、しかも測定範囲が限定されている。
【０００５】
既知のオンマシンマイクロ計測システムは、一般的に２つのタイプ、即ち触覚システム及び光学システムに区分される。光学システムは、可視光またはレーザのいずれによるものであっても、視線の制約によって制限される（見ることができなければ測定できない）。一方、触覚に基づくシステムは、アスペクト比、側壁及び張り出しに関する制限範囲を有する敏感なセンサーを含む。更にまた、触覚センサーは部品との表面接触に依拠しており、表面接触は、部品に検証マーク、傷または欠陥を残す可能性がある。これは、部品を意図する目的に使用できないものにする場合がある。一例として、ある１つのタイプの超高精度プローブは０．３００Ｎｍ／μｍの力で表面に接触する。この力は、本発明のセンサーによる最小の力に比べると１５０億倍大きい。
【０００６】
また、触覚システム及び光学システムの両者は機械油または他の機械加工残渣によって悪影響を蒙る。どちらにせよこれらのシステムが有効であるためには、加工プラットホームの内部及び外部の双方において使用前の追加の清浄化のステップが必要である。
【０００７】
従って、微細なサイズの構成要素を測定する改良型の計測システムであって、既知の計測システムの欠点を回避した計測システムに対する必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の目標は、構成要素のサイズを測定するために放電検出を利用する計測システムを提供することにある。
【０００９】
放電加工（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：ＥＤＭ）は、現在、純粋な材料侵食除去製造法であって、所要の形状を成形するために工作物から材料を侵食除去するのに電気の火花を使用する。工具電極及び工作物電極に誘電物質内において電圧を印加する。当初、工具電極が工作物電極に近付く際には、誘電物質は絶縁体として作用する。工具電極が工作物電極に更に近接すると、電場が誘電物質を破断し、工具電極及び工作物電極の間にプラズマバブルが形成される。プラズマバブルはエネルギーの流れを導き、工作物電極及び工具電極の間の火花が工作物から材料を蒸発させ、かつ、工具から微少量の材料を蒸発させる。このエネルギーの流れは装置内に貯蔵された電荷を消耗し、工具電極及び工作物電極の間の電位を均等化する。これによって電場は消滅し、火花事象が終了する。蒸発した材料の粒子は、冷却され、誘電性流体によって運び去られる。電気の流れが中断すると、コンデンサが再充電され、電場が再構成される。表１は、従来型のＥＤＭ及びμＥＤＭ装置が使用する伝統的なエネルギーレベルを列挙している。ＥＤＭ回路は６０ボルトより低いバイアス電圧では機能しないと見られることが伝統的に認められている。
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【００１０】
ＥＤＭの上記の従来型の使用法に代えて、本発明の計測器は、工作物の表面から材料を全く除去しないように低レベルのエネルギーを用いる。
【００１１】
好ましい一実施形態において、非接触、非破壊かつオンボードの計測用のマイクロ放電に基づく計測システムが、ピコジュールのエネルギーレベルのμＥＤＭ検出回路と、電気絶縁された高信頼性のスピンドルプローブセンサーであって、種々の従来型ＥＤＭ加工機に装着可能なプローブセンサーとを含む。μＥＤＭ用のスタイラスを使用するこのエネルギーレベルでの検出法は、ＥＤＭの背後のプロセスを逆転したものである。このような微小なエネルギーレベルを高い周波数応答のエレクトロニクスと結合すると、現場計測用の非破壊、非接触電気センサーが創出されるであろう。本発明のシステムは、微細計測の能力を有するだけでなく、それ自体のプローブセンサーを自己製造するμＥＤＭ固有の能力という付加的な利点と、同時に、微小孔の製造、輪郭成形及び導電性材料のバリ取りに関する標準的なμＥＤＭの機能とを有するであろう。
【００１２】
好ましい一実施形態において、本発明のマイクロ放電に基づく計測システムが、工作物を好ましくは誘電性流体内に保持するためのタンクを含む。タンクは、支持表面と、工作物を少なくとも２次元において、好ましくは３次元において再配置する機構とを含むことが望ましい。工作物は、伝導性材料、例えば、ステンレス鋼、白金、チタン、金及びモリブデンを包含するがこれに限定されない金属材料から構成することが望ましい。しかし、工作物は、金属材料である必要はなく、セラミック材料、ドープしたシリコン、含浸セラミック、薄膜被覆した非伝導性材料などを包含するがこれに限定されない任意の伝導性材料から構成することができる。
【００１３】
本発明のマイクロ放電に基づく計測システムは、更に、プローブを工作物に近接して配置する機構を備えたプローブを含む。この機構は、プローブを少なくとも２次元において、好ましくは３次元において動かすことができるコンピュータ数値制御（ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ：ｃｎｃ）機械であることが望ましい。プローブは、伝統的な座標測定機（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅ：ＣＭＭ）スタイラス、円筒スタイラス、超平滑スタイラス、長方形スタイラス、ホイールまたはディスクスタイラス、及びテーパスタイラスのいずれかを含むことが望ましい。しかし、本発明は、以上に列挙したスタイラスに限定されず、当業者に既知の任意のタイプのスタイラスを用いることができる。
【００１４】
本発明のマイクロ放電に基づく計測システムは、更に、検出回路（放電回路としても知られる）と、ｃｎｃ機械用の制御器とを備えた制御ユニットを含む。検出回路はプローブ及び工作物に電気接続される。検出回路は、選択された成分値の固有周波数で作動する抵抗−コンデンサ（ＲＣ）回路を含むことが望ましい。代わりの方式として、検出回路は、波形発生器によって選択された周波数を有するパルス化直流（ＤＣ）発生器を含むことができる。
【００１５】
操作においては、ｃｎｃ機械がプローブを工作物の近傍に動かし、工作物及びプローブの間の間隙が十分に小さくなると、誘電物質の破断が生じ、少なくともプローブ及び工作物のいずれかの位置が、好ましくは制御ユニット及び／またはｃｎｃ機械内の記録媒体上に記録される。ｃｎｃ機械は、続いて、別の位置を記録するため、プローブを工作物に近接する別の位置に動かす。このプロセスが、工作物の寸法が決定されるまで、必要に応じて繰り返される。好ましい一実施形態においては、誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーが工作物の表面を損傷しない。一実施形態において、誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーが２．０ナノジュール（ｎＪ）より小さい。別の実施形態においては、誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーが０．５００ナノジュールより小さい。更に別の実施形態においては、誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーが０．０２０ナノジュールより小さい。
【００１６】
本発明の別の好ましい実施形態において、本発明の非接触測定用のマイクロ放電機械が、絶縁されたプローブ装置と、スタンドアロンの制御ボックスと、制御ケーブルと、第３者のマイクロ放電機械及び／または第３者のｃｎｃ機械にインタフェース接続するためのコード化された指令とを含むスタンドアロン機械である。別の実施形態においては、このマイクロ放電機械を、既存のμＥＤＭに追加組み込みすることが可能であり、かつ、新しいμＥＤＭプラットホームと共にライセンス供与して供給できる。
【００１７】
本発明のこれら及び他の目的及び特徴は、図面に関連付けて記述される以下の詳細説明から、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるマイクロ放電に基づく計測システムの模式図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい一実施形態による検出回路を示す。
【図３】図３は、図１のマイクロ放電に基づく計測システムにおいて使用することができるプローブの好ましい一実施形態を示す。
【図４】図４．１は、図１のマイクロ放電に基づく計測システムにおいて使用することができる多様なプローブの１つを示す。図４．２は、同じく別のプローブを示す。図４．３は、同じく更に別のプローブを示す。図４．４は、同じく更に別のプローブを示す。図４．５は、同じく更に別のプローブを示す。図４．６は、同じく更に別のプローブを示す。図４．７は、同じく更に別のプローブを示す。
【図５】図５．１は、図１のマイクロ放電に基づく計測システムにおいて使用することができる１対のプローブの片方と、そのプローブから生じる表面変形とを示す。図５．２は、図５．１の対プローブのもう一方と、それから生じる表面変形とを示す。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明のマイクロ放電に基づく計測システムの測定の再現性を示す１対のグラフの片方を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａのグラフのもう一方を示す。
【図７】図７Ａは、カーバイドノズルを示す。図７Ｂは、そのカーバイドノズルの３Ｄマッピングを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明のマイクロ放電（μＥＤＭ）に基づく計測システム１０の好ましい一実施形態を示す模式図である。μＥＤＭに基づく計測システム１０は非接触、非破壊かつオンボードの計測システムを提供する。この実施形態のμＥＤＭに基づく計測システム１０は、μＥＤＭに基づく計測システム１０を操作するための制御ユニット１２と、スピンドルプローブ１４と、マイクロ放電機械１６と、作業表面２０を備えかつ誘電性流体２２が充満されたタンク１８とを含む。
【００２０】
好ましい一実施形態において、制御ユニット１２が、スピンドルプローブ１４及び工作物１００に電気接続される検出回路２４（放電回路としても知られる）を含む。好ましい一実施形態においては、検出回路２４は、選択された成分値の固有周波数で作動する抵抗−コンデンサ（ＲＣ）回路を含む。図２は、本発明の検出回路２４の好ましい実施形態用の詳細な回路構成を示す。図２の回路は、プローブへの接続５０と、プローブからの接続６０と、制御回路への接続７０とを含む。代わりの実施形態においては、検出回路２４が、波形発生器によって選択された周波数を有するパルス化直流（ＤＣ）発生器を含むことができる。
【００２１】
好ましい一実施形態において、検出回路２４が、工作物１００の損傷を避けるために、ピコジュールのエネルギーレベル、例えば、５〜２０ボルト及び１０ｐＦで操作されるように構成される。しかし、検出回路２４は、非破壊計測を可能にする任意のエネルギーレベルで操作されるように構成することが可能である。
【００２２】
図１の実施形態においては、制御ユニット１２は、μＥＤＭ１６に対する指令を提供する制御器２６を更に含む。制御器２６は、制御ケーブル２８を介してμＥＤＭ１６に接続される。好ましい一実施形態においては、使用者から独立した閉ループの計測システムを提供するために、制御器２６は、コード化された指令（ソフトウェア及び／またはハードウェア）を含む。この場合、コード化された指令は、データプロセッサと組み合わされる記録可能媒体を含むことができる。制御ユニット１２は、種々の第３者の加工プラットホーム上において動作及び検出を通信するために必要な入力／出力（Ｉ／Ｏ）を供給できるように、プラットホームから独立したものであることが望ましい。これによって、μＥＤＭに基づく計測システム１０を第３者のプラットホームに取り付けることが可能になり、第３者のプラットホームの加工機能に加えて、オンボードのマイクロ計測システムとして作動し得るようになるであろう。μＥＤＭに基づく計測システム１０は、直接第３者のプラットホームと共に、自己適応型のマイクロ加工プラットホームとして作動し得ることが望ましい。図１の実施形態においては、制御ユニット１２は別個の構成要素として示されているが、代替の実施形態においては、制御ユニット１２をμＥＤＭ１６の構成要素または特徴部分として製造できる。
【００２３】
図１の実施形態においては、μＥＤＭ１６は、スピンドルプローブ１４を位置決めする機構３４と、スピンドルプローブ１４をμＥＤＭ１６に連結するレシーバ３０とを含む。好ましい一実施形態においては、スピンドルプローブ１４を位置決めする機構は、プローブ１４を少なくとも２次元に、好ましくは３次元に動かすことができるコンピュータ数値制御（ｃｎｃ）機械である。本発明の好ましい一実施形態においては、プローブ１４の位置を制御する機構３４を、制御ユニット１２から制御できる。
【００２４】
レシーバ３０は、プローブ１４をμＥＤＭ１６から取り外して、後刻、付加的な測定のために、位置決め較正を殆ど必要とすることなく再装着できる二重Ｖ溝マンドレルホルダとすることが望ましい。二重Ｖ溝マンドレルホルダは、位置精度をマンドレル間において０．２５０ミクロン未満に維持するので、マイクロ製造部品の現場における測定が可能になり、かつ、マイクロ製造部品を加工プラットホームから取り外す前に検証できる。別の実施形態においては、レシーバ３０は、プローブ１４をμＥＤＭ１６に連結する他の手段を含むことができる。これには、例えば、スピンドル／コレット装置及びチャックスピンドルプローブが含まれるが、これに限定されない。
【００２５】
スピンドルプローブ１４をレシーバ３０に装着する際、プローブを較正することが望ましい。好ましい一実施形態においては、本発明のスピンドルプローブ１４を、ＣＭＭ較正用の試験法、例えば、ＡＳＭＥ  Ｂ８９．４．１、ＶＤＩ／ＶＤＥ  ２１７、及びＩＳＯ  １０３６０を用いて較正する。ＣＭＭ較正用の試験法は、種々の標準の２１個の試験を含むことが望ましい。この試験には、各軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に対する直線精度、各軸相互の直角度（ＸＹ、ＸＺ、ＹＺ）、各軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の水平及び垂直真直度、及び各軸の回転精度（各軸のピッチ、ロール及びヨー）が含まれる。各試験は、アメリカ国立標準技術研究所によって規定され、かつ、幾度にもわたって較正され提供された一連の測定基準を測定することによるデータの収集を包含する。
【００２６】
スピンドルプローブ１４は、被測定構成要素の形状及び材料に応じて、種々の形状及びサイズを有することが可能である。ワイヤ放電研削加工（Ｗｉｒｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｇｒｉｎｄｉｎｇ：ＷＥＤＧ）が、種々の形状及びサイズを備えた工具の創成を可能にする工具形成法である。プローブ１４は、ＷＥＤＧ法によって個別部品測定用の最適の形状に加工することが望ましい。図３は、丸められた円錐形の先端を有する円筒プローブを含む本発明のプローブ１４の好ましい実施形態を示す。図４．１〜４．７は、本発明のμＥＤＭに基づく計測システム１０において使用することができるプローブの７種類の異なる実施形態を示す。図４．１は高アスペクト比の形状用のプローブである。図４．２は伝統的なＣＭＭスタイラスである。図４．３は、側壁、逆テーパ及びネジを含むがこれに限定されない多様な形態の測定に用いるディスクまたはホイールプローブである。図４．４は一般的な円筒スタイラスである。図４．５は、ＣＭＭ様式における超平滑（１０ｎｍＲａ）７０ミクロンスタイラスである。図４．６は、内側のコーナ半径測定用の長方形スタイラスである。図４．７は、Ｖ溝及びテーパ孔内部の底部の半径測定用の特殊工具である。しかし、プローブ１４は、図２及び３．１〜３．７の形状に限定されるものではなく、本発明による構成要素の測定に必要な任意の形状を有し得ることが理解されるべきである。
【００２７】
図１に示すように、μＥＤＭ１６は、作業表面２０を備えたタンク１８を更に含む。好ましい一実施形態においてはタンク１８に誘電性流体２２が充満されるが、タンクは必ずしも誘電性流体２２を必要とするものではない。好ましい一実施形態において、誘電性流体２２は、例えば表２に列挙される流体を含むがこれに限定されない標準的なμＥＤＭの誘電性流体を含む。
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【００２８】
しかし、誘電性流体２２は、表２に列挙される流体に限定されることはなく、プローブ１４が工作物１００に近接した時に誘電物質の破断が生じ得る任意の流体を含むことができる。代わりの実施形態においては、誘電性流体２２を、例えば、空気及びアルゴンガスを含む気体とすることができる。
【００２９】
本発明の一実施形態においては、μＥＤＭ１６が、工作物１００の位置の少なくとも２次元における調整、好ましくは３次元における調整を可能にするプラットホーム３２を更に含む。
【００３０】
操作においては、制御器２６を含む制御ユニット１２が、μＥＤＭ１６及び／またはｃｎｃ機械３４に、プローブ１４を工作物１００の近傍に動かすように指令する。工作物１００とプローブ１４との間の間隙が十分に小さくなると、誘電物質の破断が生起する。誘電物質の破断による電流束を検出すると、プローブ１４は停止され、プローブ１４の座標が記録される。μＥＤＭ１６は、続いて、プローブ１４を、別の誘電物質の破断が生起して別の位置が記録されるまで、工作物に近接する別の位置に動かす。このプロセスが、工作物１００の寸法が決定されるまで、必要に応じて繰り返される。例えば、比較的平坦な表面を測定する場合には、μＥＤＭ１６は、プローブ１４を、誘電物質の破断が生起してプローブの位置が記録されるまで、垂直方向（ｚ軸）に１０ミクロン動かす。プローブ１４は、逆の垂直方向に動かされ、続いて、側方（ｘ軸及び／またはｙ軸）に１０ミクロン動かされる。プローブ１４は、更に続いて、別の誘電物質の破断が生起してプローブの位置が再度記録されるまで、再度下げられる。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸におけるプローブ１４の動きは、工作物１００の材料及び表面形状に応じて必要により変えることができる。好ましい一実施形態においては、誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーは、工作物１００の表面を損傷しない。一実施形態において、誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーは２．０ナノジュール未満である。別の実施形態においては、誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーは０．５００ナノジュール未満である。更に別の実施形態においては、誘電物質の破断から生じる火花のエネルギーは０．０２０ナノジュール未満である。
【００３１】
本発明のμＥＤＭに基づく計測システム１０において、どの変数が表面変形に最も大きな影響を有するかを決定するために、２つのタイプのセンサープローブと、４種類の材料と、種々のエネルギーレベルとを用いて試験した。試験した２つのタイプのプローブは、平坦な端部を有する円筒プローブと、丸められた円錐形の先端を有する円筒プローブとである。４種類の材料は、ステンレス鋼、モリブデン、金及び白金であった。試験は、２つの基本的な側面、即ち再現性と表面変形とに焦点を当てて行った。試験は、操業中の機械工場において、標準的なμＥＤＭ誘電性流体（ＥＤＭ３０）を使用し、センサープローブまたは試験材料のいずれにも付加的な清浄化プロセスを行うことなく実施した。
【００３２】
表３は、電気的な変数と、表面変形に対するその影響のレベルとを示す。
【表３】
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【００３３】
試験の結果、２０Ｖ（１０ｐＦ）未満で５ボルト（１０ｐＦ）より大きい場合、エネルギーレベルは表面変形に殆ど影響を及ぼさないことが分かった。しかし、２０Ｖより高い電圧においては、誘電物質の破断と、明確なＥＤＭ痕を生成する迷走放電との機会が増大する。また、５Ｖ未満の低電圧も、それが検出回路の５Ｖ供給電圧より低いので信頼性が低く、本発明の検出能力を低下させ、プローブが工作物に接触して工作物に印付けする結果をもたらす可能性を有する。
【００３４】
試験は、更に、放電回路の感度が殆ど重要でないことを明らかにした。感度があまりに高く、例えば７５％より高く設定されていたら、装置は、フラッシング媒体即ち誘電性流体中の不純物によって起動することがあり得たであろう。
【００３５】
試験は、更にまた、正の電圧極性が、負の電圧極性の場合よりも遥かに大きな表面変形に対する影響を有することを明らかにした。この試験から、殆どのプローブの場合、最適の検出電圧は、基板に対して−５〜−２０ボルトの間であることが決定された。
【００３６】
試験は、真直な９０°円筒と丸められた円錐形円筒との２つのタイプのプローブによって実施した。プローブの形状は、本発明の方法の非接触特性に大きな影響を及ぼすことが明らかになった。図５．１及び５．２は、それぞれのプローブと、白金上に生じた表面変形とを示す。図５．１は、真直な９０°円筒プローブと、６００ｘズームにおける白金上に生じた表面変形とを示し、図５．２は、丸められた円錐形円筒プローブと、３０００ｘズームにおける白金上に生じた表面変形とを示す。これらの図は、平坦表面のプローブが如何に表面接触し易くかつ研削性を有するかを示す一方、丸められた表面プローブは高い信頼度で非接触であることを示している。更にまた、平坦なセンサーが丸められたセンサーと同等の結果を実現するには、より低い送り速度が必要であることが明らかにされた。プローブは両者共５ｍｍ／ｍｉｎで動作した。
【００３７】
試験回路は検出回路の５Ｖ供給電圧を用いていることに留意されたい。しかし、検出回路の５Ｖ供給電圧は、必ずしも５Ｖである必要はなく、電気的変数と、上記の表面変形に対するその影響のレベルとを変えることができるようなより高い、またはより低い電圧で作動するように設計することが可能である。
【００３８】
いかなる表面侵食も爾後の位置決めを変える可能性があるので、再現性が本発明の重要な一側面である。この方法の非破壊特性は、表面侵食によって惹起される誤差を最小化する。図６は、この方法がどのような再現性で単一の線を測定したかを表す５０個サンプルのセグメントを示す。線測定の標準偏差は１００ｎｍの範囲内であり、最大値１５０ｎｍ、最小値８０ｎｍであった。
【００３９】
方法の最終試験として、工作物を測定し、欠陥について検査した。図７は、研磨ノズルと、そのマップ形式の断面図とを示す。研磨ノズルを、総当りアルゴリズム（ｂｒｕｔｅ  ｆｏｒｃｅ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて測定し、続いて別個にマップ化した。マップ化は、従来型の加工法によって生成されたあらゆる不整合もしくは棚状欠陥を曝露するために行ったものである。結果は平滑な形状のグラフである。研磨ノズルは、後で「検証」マークについて検査した（１０００ｘ）が、なにも見つからなかった。
【００４０】
従って、この試験は、本発明のμＥＤＭに基づく計測システムが有効な計測ツールであり得ることを示している。この方法に影響を及ぼす主要な変数は、電圧の極性とエネルギーとプローブの形状とである。他の変数は、極端な場合を除いて左程重要でないことが分かったが、いくつかの変数、例えば送り速度及び電位などは、電極形状の最適化と共に、方法に有利になるように変化させた。
【００４１】
以上の如く、本発明は、マイクロ放電機械に基づく計測システムを提供する。マイクロ放電機械に基づく計測システムは、工程内品質保証／品質管理を可能にする非接触、非破壊かつオンボードの計測システムである。
【００４２】
以上述べた実施形態の詳細は、例示目的用に提示されたものであって、本発明の範囲を制限するものと見做されるべきではないことが理解されるであろう。本発明の僅かに数件の典型的な実施形態について上記に詳細説明したが、当業者は、本発明の新規の教示及び利点から実質的に離れることなく、上記の典型的な実施形態において多くの変更をなし得ることを容易に理解するであろう。従って、このようなすべての変更は、以下の請求項及びそのすべての等価物において規定される本発明の範囲内に包含されることが意図されている。更に、いくつかの実施形態、特に好ましい実施形態の利点のすべてを実現するわけではない多くの実施形態を考えることができるが、特定の利点の欠落が、そのような実施形態が本発明の範囲外であることを必然的に意味すると見做されるべきではないことが認められる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４．１】
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【図４．２】
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【図４．３】
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【図４．４】
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【図４．５】
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【図４．６】
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【図４．７】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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