CN1155803C

CN1155803C - 无方向性接触信号探测器

Info

Publication number: CN1155803C
Application number: CNB988001500A
Authority: CN
Inventors: 石川修弘; 西村国俊
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 2004-06-30
Anticipated expiration: 2018-02-16
Also published as: CN1217785A; WO1998036241A1; EP0897100A1; US6215225B1; EP0897100B1; EP0897100A4

Abstract

触针(1)具有压电元件支承部分(1C)，用以支承并固定压电元件(21-24)，压电元件支承部分(1C)是规则多边形体，与触针(1)正交的截面是规则多边形。压电元件(21-24)分别安装在规则多边形体的每一侧面上，并产生从压电元件(21-24)输出的信号的和、差和平方和，并根据所产生的信号产生接触检测信号。计算从压电元件(21-24)输出的信号的和，并获取作用在触针轴上的应变分量，计算从压电元件(21-24)输出的信号的差，并获得作用在触针轴上的弯曲应变分量。

Description

无方向性接触信号探测器

技术领域

本发明涉及一种无方向性接触信号探测器(non-directional touch signalprobe)，采用坐标测量机器或类似的装置测量物体的形状之类的数据。

背景技术

坐标测量机器之类的装置作为测量物体的形状、大小等的测量仪，已为人们所知。这样，为了进行坐标检测或位置检测，测量仪配置有接触信号探测器，其中，接触部分位于触针(stylus)的上端部分。接触部分用来检测对物体的接触。

在传统的例子中，作为接触信号探测器，触针配置有检测元件(如压电元件)，并且当触针的上端部处的接触部分触及要被测量的物体时，检测到碰撞，并进行接触检测。这种传统例子的优点是结构相当简单，但缺点是，由于接触部分触及物体的方向的不同，会具有不同的灵敏度，即，具有有赖于方向的性能。

传统例子的接触信号探测器见日本专利出版号为60-48681(相应于美国专利4,177,568)(传统例子1)的专利申请、日本专利公开号为54-78164(相应于英国专利2006435B)(传统例子2)的专利申请和日本专利公开号为8-327308(传统例子3)的专利申请。

在传统例子1中，测量头或测量探测器包含一个移动部分和一个固定部分，并且它们通过一个支座机构(seat mechanism)相互连接在一起。

移动部分由两个一分为二的构件构成，并且在构件之间具有响应于高灵敏度下的应力和压力的检测元件(压电元件)。

在传统例子2中，压电元件是触针的一部分，或者触针被一分为二，压电元件夹在触针分开部分之间，或者压电元件组装(安装)在位于触针上端部分处的接触球，而压电元件夹在接触球和触针之间连接部分中。

在传统例子3中，触针安装在圆盘形衬底(substrate)的中心，而多个压电元件以径向形式排列在触针的周围。为了对触针接触物体的情况进行检测，对从各个压电检测输出的信号的绝对值之和进行检测。

在传统例子1和2中，揭示了安装一个压电元件和安装多个压电元件的情况。

通常，当压电元件的数量较少时，由于触针的结构简单而且安装容易，优点在于可以使费用低，但检测精度不够高，并且具有方向性。

相反，当安装有多个压电元件(检测元件)，尽管通过将这些元件组合在一起而使方向性较小，但缺点是结构复杂。

这里，方向性的特点意味着当接触球接触到物体时，响应于检测元件的差异程度依赖于触针上端部分处接触球的接触部分。在传统的例子1中，尽管检测元件被分成检测X轴的检测元件和检测Y轴的检测元件，但方向性是不作进一步考虑的。因此，方向性的改进是不充分的。同样，在传统例子2中，不考虑方向性和压电元件之间的关系。

同样，在传统的例子3中对从多个压电元件输出的信号的绝对值之和进行运算，并取得一检测信号，从而当触针的上端部分接触物体时不会产生检测灵敏度的方向性，但是，当从与触针轴正交的方向接触物体时，检测灵敏度的方向性改进是不充分的。同样，传统例子3没有提到从触针轴方向接触的情况。

同时，当用接触信号探测器进行坐标检测或位置检测时，通常要交换触针。然而，在传统的接触信号探测器中，假设触针是固定的，而不假设触针是交换的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单并且没有方向性的接触信号探测器。

本发明的另一个目的是提供一种无论怎样安装触针都没有方向性的接触信号探测器。

所以，本发明是这样来实现上述目的的，即，根据从安装在规则多边形压电元件支承部分侧面上的检测元件(例如压电元件或应变仪)输出的信号的和、差或平方，产生接触检测信号。

更具体地说，安装本发明的接触信号探测器包含：柱形触针，其上端部具有接触要测量的物体的接触部分；以及安装在所述触针上用来检测所述接触部分接触物体的检测元件，其中，所述触针具有支承并固定所述检测元件的检测元件支承部分，所述检测元件支承部分是具有与触针轴正交的规则多边形的截面和多个侧面的规则多边形体，并且所述检测元件安装在规则多边形体各个侧面中的至少两个表面上，并且还包括，处理从所述检测元件输出的信号以产生接触检测信号的装置，使得在与物体接触后，与接触方向无关地产生具有相同时延的接触信号；所述检测元件支承部分具有收缩的中心部分和截面呈规则多边形的端部，所述检测元件被所述端部支承，并且在所述检测元件和所述支承部分的中心部分之间形成有间隙。

对于测量而言，当本发明的接触信号探测器移动并且触针的接触部分触及物体时，检测元件检测到接触状态下的冲击力。这时，从每一检测元件输出一检测信号，并且首先，分别产生从每一检测元件输出的信号的和、差信号。对从每一检测元件输出的信号的和进行运算，从而去掉作用在触针轴上的弯曲应变分量，并取得作用在触针轴上的纵向应变分量，并且对从每一检测元件输出的信号差进行运算，从而从每一检测元输出并且相位不同的信号中获取作用在触针轴上的弯曲应变分量。

随后，分别产生这些和信号和差信号的平方和的信号。对每一信号取平方，从而无论检测元件的安装方向与触及物体的方向之间是什么角度，从每一检测元件输出的信号的最大值是完全恒定的。接着，取每一信号的平方和，从而可以得到一个大的检测信号，并可以提高测量精度。

根据从平方和产生的信号，产生一接触检测信号，并且产生接触检测信号的点的坐标被读作测量值。

因此，在本发明中，对从每一检测元件输出的信号进行处理，从而去掉方向性，使得测量具有高精度。

另外，由于检测元件是安装在规则多边形体的侧面上的，所以，接触信号探测器可以做得简单。

这里，在本发明中，检测元件支承部分的截面可以做成是正方形的，并且总共可以有四个检测元件安装在检测元件支承部分的每一侧面上。这样，可以从相对于这四个检测元件中的检测元件支承部分的前面和后面上的两个检测元件输出的两个差信号，以及从前面和后面上的两个检测元件输出的和信号，产生一检测信号。

在这种结构中，由于接触检测信号是根据从相对于触针轴相互呈90度间隔排列的四个检测元件输出的信号产生的，所以测量可以具有高精度。

另外，从平方和信号中可以产生第一检测信号，而平方和信号是从位于上述前面和后面上的两组检测元件输出的两个差信号的平方和，第二检测信号可以从四个检测信号输出的和信号或从位于前面和后面上的两个检测元件输出的和信号中产生，并且第二检测信号延迟一定量，并随后从第一检测信号和延迟的第二检测信号的分离中产生接触检测信号。

在该结构中，当通过分离从第一检测信号和第二检测信号中产生接触检测信号时，在时间上早一些形成最大值的第二检测信号延迟一定量，从而不管接触球的接触位置如何，均产生相同的接触检测信号。

同样，当从位于上述前面和后面上的两组检测元件输出的两个差信号的平方和信号超过参考值时，可以产生第一检测信号，而当从四个压电元件输出的和信号或从位于前面和后面上的两个检测元件输出的和信号超过参考值时，会产生第二检测信号。

该结构中，以与前面描述类似的方式，不管接触部分的接触位置如何，均产生相同的输出。

同样，对从各个检测元件输出的和信号和从位于前面和后面上的两个检测元件输出的和信号的量进行调整，并使之延迟一定的量，从而得到一个信号，并且从前面和后面上的检测元件输出两个差信号，并对一个信号和两个信号即总共三个信号取平方，并分别加和，并用三个信号的处理信号产生接触检测信号。

同时，本发明试图实现上述目的，即，确定与纵向应变分离对应的第一检测信号和与横向应变分离对应的第二检测信号之间的时间差，并校正该时间差。

更具体地说，按照本发明的接触信号探测器包含柱形触针，其上端部具有接触要测量的物体的接触部分，以及安装在触针上用来检测接触部分接触物体的多个检测元件，

其中，计算从这些检测元件输出的信号的和、差和平方和，从而分别产生与纵向应变分量对应并沿触针轴向的信号和与横向应变分量对应并沿与触针的轴向正交方向的信号，并从与正交应变分量对应的信号中产生第一检测信号，从与横向应变分量对应的信号中产生第二检测信号，以及从第一检测信号和第二检测信号的分离产生接触检测信号，

其特征是，具有测量产生第一检测信号的时间和产生第二检测信号的时间之间的时间差的时间差测量电路，并且具有当确定第一检测信号和第二检测信号之间的分离(disjunction)时，使第一检测信号延迟设置的延迟时间的延迟电路，并且时间差测量电路在每次变换触针时进行将时间差设置为延迟电路的延迟时间的延迟时间操作。

对于测量而言，当本发明的接触信号探测器移动并且触针的接触部分接触物体时，由检测元件检测接触状态的冲击力。这样，从每一检测元件输出检测信号，并且首先分别产生从每一检测元件输出的信号的和与差。计算从每一检测元件输出的信号的和，从而去掉作用在触针轴上弯曲应变分量，获得作用在触针轴上的纵向应变分量，并计算从每一检测元件输出的信号的差，从而从每一检测元件输出并且相位不同的信号中获得作用在触针轴上的横向应变分量。

随后，产生有关这些差信号的平方和的信号。产生每一信号的平方和，从而不管检测元件的安装方向与接触物体的方向之间是什么角度，从每一检测元件输出的信号的最大值都不变。另外，可以得到大的检测信号，并使测量精度提高。

根据从平方和产生的信号，分别相应于纵向应变分量沿触针的轴向产生第一检测信号，相应于横向应变分量沿与触针轴向正交的方向产生第二检测信号，并通过分离，从第一检测信号和第二检测信号产生接触检测信号。

当产生接触检测信号时，由延迟电路使在时间上早一些形成最大值的第一检测信号延迟预定的时间差Δt，从而不管接触部分是什么接触位置，都产生相同的接触检测信号。

本发明中，在进行测量前，使安装的接触部分以预定的角度(例如45度)接触要测量的物体，由时间差测量电路测量产生第一检测信号的时间和产生第二检测信号的时间之间的时间差Δt。

因此，在本发明中，即使所安装的触针的形状各不相同，但由于在每一触针中校正了第一检测信号和第二检测信号之间的时间差Δt，所以使方向性消除，并且测量具有高精度。

这里，在本发明中，时间差测量电路可以具有在产生第二检测信号之前产生第一检测信号的时候输出一输出信号的触发电路，以及对输出触发电路中的输出信号的时间进行计算并计算时间差的时间测量电路。

该结构中，第一检测信号和第二检测信号之间的时间差Δt是由触发电路和时间测量电路确定的，并且在测量了时间差Δt以后，就进行常规的测量。

附图说明

图1描绘的是安装本发明第一个实施例的接触信号探测器，其中，图1A是在安装压电元件之前的状态的透射图，而图1B是在安装了压电元件以后的状态的透射图；

图2A是接触信号探测器的接触部分从与触针轴之间的方向接触要测量的物体时的状态的正视图，而图2B是图2A所示的一个压电元件的输出随时间变化的图；

图3是说明压电元件的安装方向和触针接触要测量的物体的方向之间的角度Θ时接触信号探测器的透射图；

图4是压电元件的角度Θ和输出最大值V。之间的关系图；

图5是说明产生从压电元件输出的信号产生接触信号的电路结构的方框图；

图6是说明产生从压电元件输出的信号产生接触信号的电路结构的方框图；

图7是说明与触针轴垂直的方向和接触部分接触要测量的物体的方向之间的角度β时触针的透射图；

图8是本发明的一种改进形式，是说明从压电元件输出的信号中产生接触信号的电路结构的电路图；

图9是本发明第二个实施例的电路图，绘出的是从压电元件输出的信号中产生接触信号的电路结构；

图10是绘出延迟电路和时间差测量电路的结构的电路图；

图11是描绘第一检测信号S_H、第二检测信号S_v以及触发电路的输出信号S1之间的关系的图；

图12是第二个实施例的一种修改形式的图，并与图10对应；

图13是描绘形成修改形式的负载信号发生电路的电路图；

图14是本发明修改形式的整体结构图(所不同的是压电元件支承部分的形状)，其中，图15A是安装压电元件前的状态的透射图，而图15B是在安装压电元件以后的状态的透射图；

图15是本发明修改形式的整体结构图(所不同的是压电元件的数量)，其中，

图15A是安装压电元件前的状态的透射图，而图15B是在安装压电元件以后的状态的透射图；

图16是本发明修改形式的整体结构的透射图(所不同的是压电元件支承部分的截面形状)；以及

图17是本发明修改形式的整体结构的分解透射图(所不同的是压电以及支承部分的中心部分的形状)。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的实施例。

图1描绘的是按照本发明第一个实施例的接触信号探测器的整体结构，图1A描绘的是在安装压电元件前的状态，而图1B描绘的是安装压电元件以后的状态。

图1A中，本实施例的接触信号探测器包含一个柱形触针1，该触针1在上端部分具有接触要测量的物体的接触球1A和安装在触针1上的四个压电元件21-24。触针1包含：接触球1A、在安装接触球1A的一端部具有圆形截面的触针体1B、与触针体1B的另一端部组合在一起的压电元件支承部分1C，以及位于压电元件支承部分1C的端部上并将安装到探测器体(未图示)上的螺丝部分1D。这些构件安装在触针轴上。

压电元件支承部分1C呈矩形体，截面呈正方形，并与触针轴正交，压电元件21-24固定在矩形体的每一侧面上，矩形体用粘结剂平行粘结在整个表面上。

其中，压电元件21、23位于压电元件支承部分1C的前面和后面上，压电元件22、24位于靠近压电元件21、23的前面和后面上。

如图1B所示，压电元件21-24为平面矩形，其纵向平行于触针轴。

图2A是接触信号探测器的接触球1A从与触针轴正交的方向接触要测量的物体时的正视图，而图2B是图2A所示的一个压电元件21的输出随时间而变时的图。

图2B中，在接触了要测量的物体以后，在由触针1的自然频率确定的时序T₀下，压电元件21的输出变为最大值V₀。

最大值V₀随压电元件21的安装方向与触针1触及要测量的物体的方向之间的角度即压电元件21围绕触针1的轴的角度Θ(参见图3)的不同而不同，并且是以如图4所示360度的周期的正弦波形式而变化的。从图中可以看到，当触针1在趋向于弯曲形变的压电元件21的角度(Θ＝0)下触及要测量的物体时，输出最大值V₀取得最大V_max。

图5是由四个压电元件21-24产生接触信号的电路结构的方框图，而图6是其电路图。

图5和图6中，从压电元件21-24中的每一个输出的信号在放大电路31-34中放大，并形成V₁-V₄，并由差分放大电路41计算相互位于前面和后面的来自压电元件21、23的信号V₁、V₃的差V₁₃，并由差分放大电路42计算位于前面和后面的压电元件22、24输出的信号V₂、V₄的差V₂₄。在差分放大电路41、42中产生第一接触信号。

另外，由加法电路5计算从压电元件21-24输出并在放大电路31-34中放大的信号V₁～V₄的和V₁₂₃₄，并在加法电路5中产生第二接触信号。

这里，计算压电元件21、23(22、24)的输出信号的差V₁₃(V₂₄)，由于相对于触针轴在安装角度上相差180度的压电元件21、23的输出信号在相位上相差180度，所以，计算该差值，从而没有衰耗地获得作用在触针轴上的弯曲应变分量。

同样，计算四个压电元件21-24的和V₁₂₃₄，以便去掉作用在触针轴上的弯曲应变分量，并获得以触针轴方向作用的纵向应变分量。然而，本实施例中，当获取纵向应变分量时，计算不局限于所有四个压电元件21-24的和，也可以计算相互位于前面和后面上的两个压电元件21、23或22、24的输出信号的和。

从差分放大电路41、42中产生的第一接触信号和加法电路5中产生的第二接触信号中由接触信号检测电路6产生一接触检测信号。

在接触信号检测电路6中，作为第一接触信号的输出信号的差值(V₁₃，V₂₄)分别在平方电路71、72中取平方，然后在加法电路8中相加，而变成一个信号。这里，对信号取平方并相加，是为了使来自在安装角度上相差90度的压电元件21、23(22、24)的输出的最大值无论是什么角度Θ均为恒定。

这就是说，如果压电元件21、23的差值输出的最大值表述为

V₁₃＝V_max×cos(Θ₀)

并且压电元件22、24的差值输出的最大值表述为

V₂₄＝V_max×cos(Θ₀+90)

那么，由于

(V₁₃)²+(V₂₄)²＝(V_max)²

则无论是什么角度Θ₀，时序T₀中输出的最大值为(V_max)²。

上面描述的是要测量的物体从与触针1的轴正交的方向接触球1A的情况。在相对于触针轴以角度β进行接触的情况下(参见图7)，输出的最大值变为{V_max×cosβ}²。另外，图7中的角度β是与触针轴正交的方向与接触球1A接触要测量的物体的方向之间的角度。

由于第一接触信号V₁₃(V₂₄)是施加到相对于触针轴前面和后面上的压电元件21、23(22、24)的差值信号，所以V_max×cosβ可以说成是代表压电元件支承部分1C的弯曲应变分量。

图6中，如果假设K是放大系数(常数)，则加法电路5中计算的和信号V₁₂₃₄由下式确定。

V₁₂₃₄＝K(V₁+V2+V3+V4)。

V₁₂₃₄是代表使弯曲应变分量移动的纵向应变分量的信号。当β为90度时，即，当接触球1A沿触针轴方向接触要测量的物体时，V₁₂₃₄为最大值V_M。如果沿与触针轴成β角进行接触，则输出V₁₂₃₄的最大值变成

V₁₂₃₄＝V_M×sinβ

然而，一般说来，形成{V_max×cosβ}²的最大值的时间和形成V₁₂₃₄的最大值的时间是不同的。即，由于通常纵向刚度大于弯曲刚度，所以V₁₂₃₄在时间上更早。

因此，调整加法电路5和差分放大电路41、42的增益，使得V_M＝V_max，并且由延迟电路9向V₁₂₃₄信号提供合适的时间延迟，并且接着由平方电路73对延迟的V₁₂₃₄信号取平方。

如果由加法电路10将平方电路73中取平方的(延迟的V₁₂₃₄)²信号和{V_max×cosβ}²信号相加，则有：

(延迟的V₁₂₃₄)²+{V_max×cosβ}²＝V_max ²

这就使得不管接触角β是何值，都具有恒定的电流。

即，因为与在时间上早些形成最大值的纵向应变对应的信号被延迟了预定时间，则在与弯曲应变对应的信号相同的时序中形成最大值，并且不管接触球1A是以怎样的位置接触物体，都可以产生相同的输出。

随后，将输出与比较电路11中的预定参考值比较，如果输出超过该参考值，则产生接触检测信号。

另外，本实施例不局限于向(V₁₂₃₄)信号提供合适的时间延迟并且随后取平方的方式，可以按照本发明的精神改变方式，对(V₁₂₃₄)信号取平方并延迟。

接着，在向(V₁₂₃₄)信号提供了合适的时间延迟以后，就可以计算(V₁₃)²+(V₂₄)²+(V₁₂₃₄)²了。同样，在这种情况下，可以得到与上述相同的结果。

因此，在本实施例中，由于接触信号探测器是这样构成的，即，具有接触球1A的柱形触针1在上端部具有排列在其上用来检测接触球1A接触要测量的物体的压电元件21-24，所以触针1具有压电元件支承部分1C用来支承并固定压电元件21-24，压电元件支承部分1C是一个截面与做成规则多边形的触针1轴正交的规则多边形体，压电元件21-24分别安装在规则多边形体侧面中的至少两个侧面上，产生从这些压电元件21-24输出的信号的和、差和平方和的信号，并根据产生的信号产生接触检测信号，处理从压电元件21-24中的每一个输出的信号，从而可以不依赖方向地进行高精度的测量。

即，计算从压电元件21-24输出的信号，从而去掉作用在触针轴上的弯曲应变分量，并获取作用在触针轴上的应变分量，并计算从压电元件21-24输出的信号的差，从而根据从压电元件21-24中的每一个输出并在相位上是不同的信号，获取作用在触针轴上的弯曲应变分量，并且，由于分别产生这些和信号和差信号的平方和的信号，从而不管检测压电元件的安装方向和要测量的物体的接触方向之间的角度Θ是何值，从压电元件21-24中的每一个输出并且相对于触针轴的安装角度是不同的信号的最大值为恒定，不管接触球1A接触要测量的物体的角度是何值，都可以在高精度下进行测量。

另外，由于压电元件21-24安装在多边形体的侧面，所以接触信号探测器的结构简单。

同样，本实施例中，由于压电元件支承部分1C的截面取平方，所有四个压电元件21-24分别安装在每一侧面上，从而从位于压电元件21-24相对于压电元件支承部分1C位于前面和后面的两组压电元件21、23(22、24)输出的两个差信号V₁₃、V₂₄、从四个压电元件21-24输出的和信号V₁₂₃₄或从位于前面和后面上的两个压电元件输出的和信号产生接触检测信号，根据从相互相对于触针轴排列成90度间隔的四个压电元件21-24输出的信号产生接触检测信号，从而进行高精度测量。

另外，由于第一接触信号是从位于前面和后面中的两组压电元件21、23(22、24)输出的两个差信号V₁₃、V₂₄产生的，并且第二接触信号是从四个压电元件21-24输出的和信号V₁₂₃₄或从位于前面和后面两个压电元件21、23(22、24)输出的和信号产生的，第二接触信号被延迟了预定时间，并且由根据第一接触信号和延迟的第二接触信号的信号的和产生一接触检测信号，当通过分离而根据第一接触信号和第二接触信号产生接触检测信号时，与在时间上早些形成最大值的纵向应变对应的第二接触信号被延迟了一个预定时间，从而不管接触球是以怎样的位置进行接触的都产生相同的输出，并且从而也可以从该点进行高精度的测量。

本发明并非仅限于上述第一个实施例，下述修改形式也包括在实现本发明的目的的范围内。

例如，在本发明中，如图8所示，接触信号探测器可以这样构成，即，在比较电路12中将从加法电路8输出的信号{V_max×cosβ}²比较，并且如果信号超过参考值，则通过一个或(OR)电路13产生接触检测信号，而另一方面，在比较电路14中将在加法电路5中计算的和信号V₁₂₃₄与参考值比较，并且如果该信号超过该参考值，则在延迟电路15中使信号延迟预定值，并通过或电路13产生接触检测信号。

另外，在图6和图8中，尽管接触信号发生电路是用模拟电路构成的，但也可以用数字电路来构成。同时，当不要求精确性时，可以省去图6中的延迟电路9和图8中的延迟电路15。

下面详细描述本发明的第二个实施例。由于无方向的接触信号探测器的整体结构或本实施例的压电元件的输出波形与第一个实施例的是类似的，所以，其详细描述从略。

图9是第二个实施例的电路图，其中，接触检测信号是从四个压电元件21-24产生的。

图9中，从压电元件21-24中的每一个输出的信号在放大电路31-34中放大，并形成V₁-V₄，由差分放大电路41计算从位于前面和后面上的压电元件21、23输出的信号V₁、V₃的差(V₁-V₃)，由差分放大电路42计算从位于前面和后面上的压电元件22、24输出的信号V₂、V₄的差(V₂-V₄)。

这里，计算压电元件21、23(22、24)的输出信号的差(V₁-V₃)、(V₂-V₄)，从而获取横向应变分量。

同样，由加法电路5计算从压电元件21-24输出并在放大电路31-34中放大的信号V₁-V₄的和。计算四个压电元件21-24的和，从而去掉作用在触针轴上的横向应变分量，并获得作用在触针轴上的纵向应变分量。然而，本实施例中，当获得纵向应变分量时，计算并不仅限于得到所有四个压电元件21-24的输出信号的和，也可以计算位于前面和后面两个压电元件21、23或两个压电元件22、24的输出信号的和。

接触检测信号是由接触信号检测电路6从差分放大电路41、42中产生的第一接触信号和加法电路5中产生的第二接触信号产生的。

当假设K₁是放大系数时，以下式确定加法电路5计算的信号V_H的和。

V_H＝K₁(V₁+V₂+V₃+V₄)

差分放大电路41、42中产生的信号分别在平方电路71、72中取平方，并且随后在加法电路8中相加，而变成信号V_v。信号V_v是相应于沿与触针轴正交的方向的横向应变分量的信号。这里，对信号取平方并相加，从而不管角度Θ是何值，使来自压电元件21、23(22、24)的输出信号在安装角度相差90度。

当假设放大系数是K₂时，用下式确定加法电路中计算的信号V_v。

V_v＝K₂{(V₁-V₃)²+(V₂-V₄)²}

一般情况下，形成信号V_v的最大值的时序和形成信号V_H的最大值的时序是不同的。即，由于纵向刚度高于弯曲刚度，所以信号V_H在时间上较早。因此，与在时间上早些形成最大值的早些应变分量对应的信号V_H被延迟了一个预定时间，从而在与横向应变分量相应的信号相同的时序下形成最大值，从而无论接触球1A以什么位置触及物体都产生相同的输出。

更具体地说，在比较电路14中将由加法电路5计算的信号V_H与比较电路中的参考值(H电平)比较，并且当信号超过该参考值(H电平)时，输出的第一检测信号S_H在延迟电路15中被延迟一个预定时间，随后接触检测信号从或(OR)电路13产生。

同样，在比较电路12中将加法电路8计算的信号V_v与参考值(H电平)比较，并且当信号超过参考值(H电平)时，生成输出的第二检测信号S_v，随后接触检测信号从或(OR)电路13产生。

本实施例中，使包括触针轴的平面内的角度β(参见图7)为预定的角度，例如，是45度，并且使触针1触及要测量的物体。随后，由时间差测量电路16测量产生第一检测信号S_H的时间和产生第二检测信号S_v的时间之间的时间差Δt。这里，触针1接触物体的角度β并非仅限于45度。它可以是产生两个分量的角度，即，沿触针轴方向的纵向振动分量和沿与该轴方向正交方向的横向振动分量。理论上，可以是零度或90度以外的角度。然而实际上，由于产生各个振动分量的时间是必须测量的，所以各个振动分量的幅度必须是某一角度值。所以，接触角度最好是45度。

时间差检测电路16执行延迟时间计算，在改变触针时，对延迟电路15将时间差Δt设置为延迟时间。如图10所示，时间差测量电路16具有触发电路18，它输出输出信号，同时在产生第二检测信号S_v之前产生第一检测信号S_H，时间差测量电路16还具有时间测量电路19，它测量输出触发电路18中的输出信号的时间，并计算时间差Δt。

触发电路18是一个复位/设置触发器(RS-FF)，其中，第一检测信号S_H发送到达的比较电路14与一设置端相连，而第二检测信号S_v发送到达的比较电路12与一复位端相连，并且输出信号S₁变成H电平，而第一检测信号S_H变成H电平，直到第二检测信号S_v变成H电平(参见图11)。

时间测量电路19包含时钟发生器51、接收时钟发生器51的信号、触发电路18的输出信号S₁以及延迟时间设置操作信号并输出一信号的与(AND)电路52，以及从AND电路52接收信号并从输出信号S₁处于H电平的时间起计算时间差Δt的上行计数器53。

上行计数器53具有复位端53A，它与坐标测量机器的控制单元(未示出)相连。当要进行延迟时间设置操作时，如果输出延迟时间设置操作信号时，使上行计数器53复位，并对Δt计数。

同时，延迟电路15包含AND电路56，它从时钟发生器51接收信号、第一检测信号S_H和延迟时间时钟操作信号的分相信号，并输出一个信号，延迟电路51还包含一个下行计数器57，接收第一检测信号S_H，并装载来自上行计数器53的时间差Δt，输出时钟信号，并启动下行计数。

在下行计数器57中，当值变为零时，输出借位信号(borrow signal)，并且该信号用作信号S_HD，第一检测信号S_H被延迟时间差Δt。

本实施例中，延迟电路15和时间差测量电路16的结构并非仅限于上述那样的结构。例如，时钟发生器51无需是延迟电路15和时间差测量电路16所共同的，可以是分开构成的。

因此，在本实施例中，接触检测电路6由测量产生第一检测信号S_H的时间和产生第二检测信号S_v的时间之间的时间差的时间差测量电路16以及当确定延迟的第一检测信号S_H和第二检测信号S_v的分离时使第一检测信号S_H延迟所设置的延迟时间Δt的延迟电路15构成，并且每次改变触针时，时间差测量电路16执行将时间差Δt设置为延迟电路15的延迟时间的延迟时间设置操作。在测量之前，安装的触针1的接触球1A以预定的角度(例如45度)接触要测量的物体，并且这时由时间差测量电路确定产生第一检测信号S_H的时间和产生第二检测信号S_v的时间之间的时间差Δt，从而即使所安装的触针1的形状改变，但由于在每一触针1中校正了第一检测信号S_H和第二检测信号S_v之间的时间差Δt，所以，可以在不依赖于方向性的情况下进行高精度的测量。

接着，由于延迟时间设置操作和常规的测量操作是由延迟时间设置操作信号鉴别的，所以不使用错误的时间差Δt。所以，可以确保测量的高精确性。

另外，本发明并非仅限于上述实施例，下述修改包括在实现上述本发明的目的的范围内。

例如，在第二个实施例中，如图12所示，还包括负载信号发生电路61。负载信号发生电路61在从输出信号S_HD的预定时间以后或在结束延迟时间设置操作以后，产生用于下行计数器57的负载信号。

如图13所示的负载信号发生电路61包含产生将信号S_HD延迟了预定时间的信号S_HDD的延迟电路62，以及产生信号S_HDD和延迟时间设置操作信号的反相信号的分离的或(OR)电路63。

同样，在本发明中，为了增大从压电元件21-24的输出，如图14A和14B所示，使压电元件支承部分1C的中心部分收缩(constricted)，并且在压电元件21-24中，两个端部可以支承和固定在压电元件支承部分1C的两个侧面，并且在中心部分和压电元件支承部分1C之间形成间隙。这样，在压电元件支承部分1C中，支承压电元件21-24的两个侧面部分的截面为正方形。

该结构中，由于压电元件支承部分1C的刚度低于图1中压电元件支承部分1C的刚度，所以压电元件21-24的变形量增大。所以，压电元件21-24的输出变大，并且测量精度提高。

另外，在上述实施例中，尽管上述描述是针对安装四个压电元件21-24的情况进行的，但是，在如图15A和15B所示的本发明中，两个压电元件21、22可以固定到压电元件支承部分1C的两个相邻的侧面上。这样，在图6中所示的接触信号发生电路中，从压电元件21、22输出的信号无需经过差分放大。但是，由于信号分量不仅包括弯曲应变分量，而且还包括纵向结构分量，所以该电路可以说是一个简单电路。因此，当以与触针轴正交的方向接触要测量的物体时，沿Θ方向不会产生方向依赖特性，但是在其他情况下，方向性保持在β方向。但是，这在简单测量中不是一个缺点。

同样，在本发明中，如图16所示，压电元件支承部分1C的截面可以是规则三角形，并且所有三个压电元件21-23可以安装在压电元件1C的每一侧面上。另外，压电元件支承部分1C的截面可以是规则五边形、规则六边形等。

当压电元件支承部分1C的截面是规则三角形时，如果三个压电元件21-23的输出被取平方并相加，则如果沿与触针轴成正交的方向使接触球接触要被测量的物体时，恒定的输出不依赖于角度Θ。如果将三个压电元件21-23的输出相加，则可以得到纵向应变分量。但是，如果接触球沿不是与触针轴正交的方向接触物体，则方向依赖特性保持在β方向。但是，这在简单测量中是不利的。

另外，尽管上述描述是针对压电元件支承部分1C的中心部分的截面是规则多边形的情况作出的，但是，在本发明中，如图17所示，压电元件支承部分的中心部分可以是圆形的。即，在本发明中，在压电元件支承部分1C中，直接支承压电元件21-24的部分可以是规则多边形的截面，不触及压电元件21-24的部分的形状是没有限制的。

工业应用性

安装本发明，由于接触信号探测器是这样构成的，即，在上端部处具有接触部分的柱形触针具有检测接触部分接触要测量的物体的检测元件触针具有支承和固定检测元件的检测元件支承部分，检测元件支承部分是规则多边形，与触针轴正交的截面是规则多边形，检测元件安装在分别位于规则多边形体侧面的至少两个表面上，处理从这些检测元件输出的信号的和、差和平方和，并根据处理结果产生接触检测信号，从而可以在不依赖于方向性的情况下进行高精度的测量。另外，由于检测元件安装在多边形体的侧面上，所以，接触信号探测器的结构可以做得简单。

同时，安装本发明的接触信号探测器包含一个柱形触针，其端部具有接触要测量的物体的接触部分，以及多个安装在触针上用来检测接触部分接触物体的多个检测元件，其中，计算从三个检测元件输出的信号的和、差和平方和，从而分别产生与沿触针的轴向的纵向振动分量对应的信号和与沿触针轴向正交的方向的横向振动分量对应的信号，并且，从与纵向振动分量对应的信号中产生第一检测信号，从与横向振动分量对应的信号中产生第二检测信号，从第一检测信号和第二检测信号的分离产生接触检测信号。接触信号探测器具有测量产生第一检测信号的时间和产生第二检测信号的时间之间的时间差的时间差测量电路、以及当确定第一检测信号和第二检测信号之间的分离时使第一检测信号延迟一个所设置的延迟时间的延迟电路，并且，由于时间差测量电路在每次改变触针时执行将时间差设置为延迟电路的延迟时间的延迟时间设置操作，所以，当通过从第一检测信号和第二检测信号的分离产生接触检测信号时，由延迟电路使在时间上早些形成最大值的第一检测信号延迟预定的时间差Δt，从而不管接触部分的接触位置在何处，都产生相同的接触检测信号。另外，即使所安装的触针的形状改变，但由于在每一触针中校正了第一检测信号和第二检测信号之间的时间差，所以可以用来无方向依赖地进行高精度的测量。

Claims

1.一种无方向性的接触信号探测器，其特征在于，它包含：

柱形触针，其上端部具有接触要测量的物体的接触部分；以及

安装在所述触针上用来检测所述接触部分接触物体的检测元件，

其中，所述触针具有支承并固定所述检测元件的检测元件支承部分，

所述检测元件支承部分是具有与触针轴正交的规则多边形的截面和多个侧面的规则多边形体，并且所述检测元件安装在规则多边形体各个侧面中的至少两个表面上，并且还包括，

处理从所述检测元件输出的信号以产生接触检测信号的装置，使得在与物体接触后，与接触方向无关地产生具有相同时延的接触信号；

所述检测元件支承部分具有收缩的中心部分和截面呈规则多边形的端部，所述检测元件被所述端部支承，并且在所述检测元件和所述支承部分的中心部分之间形成有间隙。

2.如权利要求1所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述检测元件是压电元件。

3.如权利要求2所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述检测元件是应变仪。

4.如权利要求2所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述处理是相加、相减、取平方、常数相乘以及延迟或它们的组合。

5.如权利要求1所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，

所述检测元件支承部分的截面是正方形，总数为4个的检测元件安装在检测元件支承部分的每一侧面上，并且，

从这4个检测元件中相对于所述检测元件支承部分的前面和后面上的两组检测元件输出的两个差信号中，以及从所有4个检测元件输出的和信号或从相互位于前面和后面的位置上的两个检测元件输出的和信号中，产生接触检测信号。

6.如权利要求5所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，

第一接触信号是从相互位于前面和后面上的两组检测元件输出的两个差信号产生的，而第二接触信号是从4个检测元件输出的和信号或从相互位于前面和后面上的两个检测元件输出的和信号产生的，并且，

所述第二接触信号被延迟一个预定的时间，随后从所述第一接触信号或者被延迟的第二接触信号产生所述接触检测信号。

7.如权利要求5所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，

当从四个检测元件输出的和信号或从位于前面和后面上的两个检测元件输出的和信号超过预定的参考值时，产生一个第一检测信号；

当对从位于前面和后面的两组检测元件输出的两个差信号分别进行取平方并相加而且所述平方和信号超过预定的参考值时，产生一个第二检测信号，

所述接触检测信号由所述第一检测信号或者所述第二检测信号生成。

8.如权利要求5所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，

从所述检测元件中的每一个输出的和信号或者从位于前面和后面上的两个检测元件输出的和信号的大小被调整，并延迟一个预定时间，从而获得一个信号，并且，

所述一个信号和所述两个差信号总共三个信号被取平方并相加，并且用从所述三个信号产生的信号产生所述接触检测信号。

9.如权利要求1所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述检测元件呈平面矩形，其纵向平行于触针轴。

10.如权利要求1所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，与所述两个侧面部分的截面相同，所述检测元件支承部分的中心部分的截面为规则多边形。

11.如权利要求1所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述检测元件支承部分的中心部分的截面是圆形。

12.如权利要求1所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述检测元件支承部分的中心部分的截面是正方形，并且两个检测元件固定在所述检测元件支承部分的相互相邻的两个侧面上。

13.如权利要求1所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述检测元件支承部分的截面是规则三角形。

14.如权利要求7所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述探测器还包括：

测量产生所述第一检测信号的时间与产生所述第二检测信号的时间之间的时间差的时间差测量电路；

当产生所述第一检测信号和所述第二检测信号中的一个时，使所述第一检测信号延迟一个设定的延迟时间的延迟电路，并且，

每次改变所述触针时，所述时间差测量电路执行延迟时间设置操作，将所述时间差设置为所述延迟电路的延迟时间。

15.如权利要求14所述的无方向性的接触信号探测器，其特征在于，所述时间差测量电路包含：

触发电路，用来输出信号，同时产生所述第一检测信号，直到产生了所述第二检测信号，以及

时间测量电路，用来测量所述触发电路中输出信号的时间，并计算所述时间差。