DE10130242B4

DE10130242B4 - Berührungssignalsonde

Info

Publication number: DE10130242B4
Application number: DE10130242.8A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Hidaka; Akinori Saitoh; Kunitoshi Nishimura
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2021-06-23
Also published as: GB2364389A; JP3628938B2; DE10130242A1; JP2002005645A; US20010054237A1; US6516529B2; GB2364389B; GB0115358D0

Abstract

Berührungssignalsonde mit:einem Taststift mit einem Kontaktelement an einem Ende zur Kontaktierung eines Messobjekts; undmehreren an dem Taststift angebrachten Verschiebungs-Detektionselementen zum Detektieren des in Kontaktkommens des Kontaktelements und des Messobjekts, so dass ein Kontakterfassungssignal auf der Grundlage eines von den Verschiebungsdetektionselementen ausgegebenen Signals erzeugt ist,wobei der Taststift ein Detektionselement-Halteteil zum Halten und Fixieren der Verschiebungs-Detektionselemente und einen an dem Detektionselement-Halteteil angeordneten Stab aufweist, wobei das Detektionselement-Halteteil mehrere Flanschteile, die jeweils einen Querschnitt senkrecht zu einer Längsachse des Stabes in Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen, umfasst, und wobei die Verschiebungs-Detektionselemente zumindest an zwei Seiten der Flanschteile derart befestigt sind, dass diese unter einem vorbestimmten Winkel α relativ zu der Längsachse des Stabes geneigt sind,wobei die Berührungssignalsonde konfiguriert ist folgendes zu erzeugen:ein Signal, das einer Biegeverzerrungskomponente, die auf die Achse des Taststifts wirkt, entspricht und ein Signal, das einer longitudinalen Verzerrungskomponente, die in einer axialen Richtung des Taststifts wirkt, entspricht durch Berechnen der Summe, Differenz und quadratischen Summe der Signale, die von den Verschiebungs-Detektionselementen ausgegeben werden,ein erstes Kontaktsignal von dem Signal, das der Biegeverzerrungskomponente entspricht,ein zweites Kontaktsignal von dem Signal, das der longitudinalen Verzerrungskomponente entspricht,wobei man das Kontakterfassungssignal basierend auf einem logischen Addieren des ersten Kontaktsignals und einem Signal erhält, das man aus einer Verzögerung des zweiten Kontaktsignals erhält.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Berührungssignalsonde zur Messung der Form eines Messobjektes, etc., mit einer dreidimensionalen Messvorrichtung, und dergleichen.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine dreidimensionale Messvorrichtung und dergleichen ist bekanntlich eine Vorrichtung zur Messung der Form, der Abmessungen bzw. Dimensionen, und dergleichen eines Messobjekts. Um die Koordinaten und die Position des Messobjekts zu detektieren, verwendet die Messvorrichtung eine Berührungssignalsonde mit einer Kontaktkugel an der Spitze eines Taststiftes, um zu erfassen, wenn die Kontaktkugel das Messobjekt berührt.
Ein Beispiel für eine Berührungssignalsonde nach dem Stand der Technik ist in der ungeprüften japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nr. JP H10-288 502 A gezeigt.
In diesem Beispiel nach dem Stand der Technik sind vier piezoelektrische Elemente 121 bis 124 an einem Taststift 101 angebracht, wie dies in 11A gezeigt ist. Der Taststift 101 umfasst einen Stab 101B, an dem eine Kontaktkugel 101A an der Spitze befestigt ist, und ein Detektionselement-Halteteil 101C, das in integralerweise mit einem Teil des Grundelements des Stabs 101B ausgebildet ist. Das Detektionselement-Halteteil 101C besitzt an beiden Enden gebildete Flanschteile 101D mit jeweils quadratischem Querschnitt. Die piezoelektrischen Elemente 121 bis 124 sind fest mit den Seiten der Flanschteile 101D verbunden. Jedes der piezoelektrischen Elemente 121 bis 124 besitzt die Form eines flachen Rechtecks parallel zu einer Achse des Taststifts in der Längsrichtung des piezoelektrischen Elements, wie dies in 11B gezeigt ist.
Wenn die Kontaktkugel 101A ein Messobjekt berührt, wird in dem Beispiel nach dem Stand der Technik die Auflagekraft zum Zeitpunkt der Berührung an den piezoelektrischen Elementen 121 bis 124 erfasst. Es werden Kontakterfassungssignale auf der Grundlage der Summe, der Differenz und der quadratischen Summe von Signalen, die von den piezoelektrischen Elementen 121 bis 124 ausgegeben werden, erzeugt und verarbeitet. Somit kann eine Messung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, wobei die Richtungsabhängigkeit eliminiert ist.
In dem Beispiel nach dem Stand der Technik ist jedes der piezoelektrischen Elemente 121 bis 124 parallel zu der Achse des Taststiftes in der Längsrichtung des piezoelektrischen Elements angeordnet. Somit wird in Reaktion auf die Wirkung der durch den Kontakt in einer Richtung P erzeugten externen Kraft, die eine Biegung des Stabs 101B bewirkt, eine Kraft hervorgerufen, die zur Ausdehnung oder Kontraktion entlang der Längsrichtung des piezoelektrischen Elements beiträgt, und damit wird die Empfindlichkeit äußerst hoch. Jedoch ist die Empfindlichkeit, abhängig von der Richtung der auf den Stab 101B einwirkenden externen Kraft, nicht notwendigerweise ausreichend hoch.
In einer tatsächlichen Sonde kann der Stab 101B mit mehreren Kontaktkugeln 101A1 bis 101A4, die sich radial erstrecken, versehen sein, wie dies in 12 gezeigt ist. Wenn eine externe Kraft auf eine der Kontaktkugeln 101A1 bis 101A4 wirkt und eine gemessene Kraft in einer Torsionsrichtung, die durch einen Pfeil Q angedeutet ist, auf den Taststift-Hauptkörper 101B ausgeübt wird, wird in einem tatsächlichen Messvorgang mit der in 12 gezeigten Sonde, die ausdehnend oder kontrahierend wirkende Kraft entlang der Längsrichtung jedes der piezoelektrischen Elemente 121 bis 124 nicht wirksam. Somit ist die Empfindlichkeit der piezoelektrischen Elemente 121 bis 124 herabgesetzt und eine Änderung der Zustandsquantität kann nicht in ausreichenderweise erfasst werden.
Somit ergibt sich im Beispiel nach dem Stand der Technik der Nachteil, dass ein Berührungssignal nicht erzeugt wird, obwohl die Kontaktkugel das Messobjekt berührt.
Im Allgemeinen beendet eine dreidimensionale Messvorrichtung, an der eine Berührungssignalsonde montiert ist, den Messvorgang und führt auf der Grundlage eines Berührungssignals einen Ausweichvorgang durch. Wenn daher in der in 12 gezeigten Sonde eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung Q auftritt, kann der Messvorgang nicht gestoppt werden und es besteht die Gefahr, dass sowohl das Messobjekt als auch die dreidimensionale Messvorrichtung beschädigt werden kann.
Die Europäische Patentanmeldung EP 0 243 766 A2 beschreibt eine Kontaktmessprobe für Werkstücke. Die Kontaktmessprobe weist drei Halbleiter-Dehnungsmessstreifen auf, die geneigt jeweils auf einer Stützstruktur angeordnet sind, um eine Deformation der Stützstruktur aufgrund einer Berührung der Kontaktmessprobe mit einem Werkstück zu erfassen.
Überblick über die Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Berührungssignalsonde bereitzustellen, die in der Lage ist mit hoher Empfindlichkeit nicht nur eine Messkraft in einer Biegerichtung eines Taststifts, sondern ebenfalls eine gemessene Kraft in einer Torsionsrichtung zu erfassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem ein Verschiebungsdetektionselement so angebracht wird, dass das Verschiebungsdetektionselement unter einem vorbestimmten Winkel relativ zu einer Achse eines Taststifts geneigt ist, um sowohl die gemessene Kraft in der Biegerichtung des Taststifts als auch die gemessene Kraft in der Torsionsrichtung zu detektieren.
Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Berührungssignalsonde bereitgestellt mit: einem Taststift mit einer Kontaktkugel an einem Ende zur Kontaktierung eines Messobjekts; und einem an dem Taststift befestigten Verschiebungs-Detektionselement zum Detektieren der Berührung der Kontaktkugel mit dem Messobjekt. In der Berührungssignalsonde weist der Taststift ein Detektionselement-Halteteil zur Stützung und Befestigung des Verschiebungs-Detektionselements und einen an dem Detektionselement- Halteteil angeordneten Stab auf. Das Detektionselement-Halteteil besitzt mehrere Flanschteile, die jeweils einen Querschnitt senkrecht zu einer Achse des Stabs in Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen. Das Verschiebungs-Detektionselement ist an den Seiten der Flanschteile derart befestigt, dass dieses unter einem vorbestimmten Winkel α (0° < α < 90°) relativ zu der Achse des Stabs geneigt ist. Anschließend wird ein Kontakterfassungssignal auf der Grundlage eines Signals, das von dem Verschiebungs- Detektionselement ausgegeben wird, erzeugt.
Erfindungsgemäß ist das Verschiebungserfassungselement an den Seiten der Flanschteile derart befestigt, dass dieses unter einem vorbestimmten Winkel relativ zu der Achse des Stabes geneigt ist, so dass, wenn eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung auf dem Stab durch die Kontaktkugel auftritt, die gemessene Kraft entlang im Wesentlichen der Längsrichtung des Verschiebungs-Detektionselement übertragen wird.
Somit wird das Verschiebungs-Detektionselement in zuverlässiger Weise gedehnt oder kontrahiert bzw. gestaucht und weist eine verbesserte Empfindlichkeit auf und kann eine Änderung in der Zustandsquantität in ausreichender Weise erfassen.
Wenn im Gegensatz dazu eine gemessene Kraft in der Biegerichtung auf den Stab durch die Kontaktkugel einwirkt, wird die gemessene Kraft entlang im Wesentlichen der Längsrichtung des Verschiebungs-Detektionselement übertragen.
Somit wird das Verschiebungs-Detektionselement in zuverlässiger Weise gedehnt oder kontrahiert, und es wird eine verbesserte Empfindlichkeit erreicht und eine Änderung in der Zustandsquantität kann in ausreichender Weise detektiert werden.
Das heißt, wenn die Kontaktkugel aus einer beliebigen Richtung mit einem Messobjekt in Kontakt gerät, wird zuverlässig ein Berührungssignal erzeugt, da das Verschiebungs-Detektionselement eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Ferner ist das Verschiebungs-Detektionselement an den Seiten der polygonalen Körper angebracht, so dass der Aufbau der Berührungssignalsonde vereinfacht werden kann.
Erfindungsgemäß ist der Querschnitt jedes der Flanschteile senkrecht zur Achse des Stabes quadratisch ausgeführt, und es sind insgesamt vier Verschiebungs-Detektionselemente an den Seiten der Flanschteile befestigt, so dass die Verschiebungs-Detektionselemente um 90° voneinander beabstandet angeordnet sind.
In dieser Ausgestaltung wird ein Berührungs-Erfassungssignal auf der Grundlage der Signale erzeugt, die von den vier Verschiebungs-Detektionselementen, die unter 90° zueinander mit der Taststiftachse als Mittelpunkt angeordnet sind, ausgegeben werden, so dass eine Messung mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann. Ferner ist der Querschnitt jedes Flanschteiles quadratisch ausgeführt, so dass der Aufbau der Berührungssignalsonde vereinfacht werden kann.
Die Verschiebungs-Detektionselemente können so an dem Detektionselement-Halteteil befestigt sein, dass die Verschiebungs-Detektionselemente im Wesentlichen spiegelsymmetrisch einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Wenn entsprechend dieser Ausgestaltung eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung auf den Taststift einwirkt, werden positive und negative Ausgangssignale an einem Paar Verschiebungs-Detektionselemente erzeugt, das gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Flanschteile dazwischen liegen. Somit wird die Differenz zwischen den Signalen für jedes der beiden Paare Verschiebungs-Detektionselemente erhalten, und die Differenzsignale werden quadriert und addiert. Somit kann ein großes Detektionssignal bereitgestellt werden und die Messgenauigkeit kann verbessert werden.
Des Weiteren können die Verschiebungs-Detektionselemente an dem Detektionselement-Halteteil so befestigt sein, dass die Verschiebungs-Detektionselemente einander gegenüberliegend symmetrisch mit Bezug zu der Taststiftachse angeordnet sind.
Wenn in dieser Ausgestaltung eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung auf den Taststift einwirkt, wird das gleiche positive oder negative Ausgangssignal an allen vier Verschiebungs-Detektionselementen erzeugt. Somit werden die Signale addiert, wobei ein Kontaktsignal in einfacher Weise bereitgestellt werden kann.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Berührungssignalsonde gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt;
2 ist eine Blockansicht, die eine Ausgestaltung zum Erzeugen eines Kontaktsignals aus Signalen, die von Verschiebungs-Detektionselementen (piezoelektrischen Elementen) ausgegeben werden, darstellt;
3 ist ein Schaltplan, um die Anordnung zum Erzeugen der Kontaktsignale aus den von den Verschiebungs-Detektionselementen (piezoelektrischen Elementen) ausgegebenen Signalen darzustellen;
4A und 4B sind jeweils schematische Ansichten, um die Verschiebungs-Detektionselemente im befestigten Zustand und einander gegenüberliegend zu zeigen, und Grafiken, um die Signalform von Signalen zu zeigen, die von den Verschiebungs-Detektionselementen ausgegeben werden;
5 ist eine schematische Ansicht, um die vier Verschiebungs-Detektionselemente (piezoelektrische Elemente) im montierten Zustand zu zeigen, und ein Graf, um die Signalformen von Signalen zu zeigen, die von den Verschiebungs-Detektionselementen ausgegeben werden, und ein Graf, um eine Signalform darzustellen, in der die Signalformen kombiniert sind;
6 eine perspektivische Ansicht, um eine Berührungssignalsonde gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zu zeigen;
7 eine perspektivische Ansicht, um ein modifiziertes erfindungsgemäßes Beispiel darzustellen;
8 eine perspektivische Ansicht, um ein weiteres modifiziertes erfindungsgemäßes Beispiel zu zeigen;
9 eine perspektivische Ansicht, um ein noch weiteres modifiziertes erfindungsgemäßes Beispiel darzustellen;
10 zeigt ein weiteres modifiziertes Beispiel der Erfindung und stellt einen Schaltplan dar, um eine Ausgestaltung zum Erzeugen eines Kontaktsignals aus Signalen, die von piezoelektrischen Elementen ausgegeben werden zu zeigen;
11A ist eine perspektivische Ansicht, um einen Zustand darzustellen, bevor die Verschiebungs-Detektionselemente angebracht sind;
11B ist eine perspektivische Ansicht, um einen Zustand nach der Befestigung der Verschiebungs-Detektionselemente zu zeigen; und
12 ist eine perspektivische Ansicht, um einen Nachteil eines Beispiels nach dem Stand der Technik zu beschreiben.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nun bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen gezeigt.
1 zeigt den wesentlichen Aufbau einer Berührungssignalsonde gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In 1 besitzt die Berührungssignalsonde der ersten Ausführungsform einen Aufbau, wobei vier piezoelektrische Elemente 21 bis 24 als Verschiebungs-Detektionselemente an einem Taststift 1 angebracht sind. Der Taststift 1 umfasst eine Kontaktkugel 1A, einen Befestigungsteil 1B, einen Stab 1D und ein Detektionselement-Halteteil 1E. Die Kontaktkugel 1A dient zur Kontaktierung eines Messobjekts. Das Befestigungsteil 1B besitzt die Form einer Säule, an deren Endteil die Kontaktkugel 1A befestigt ist. Der Stab 1D besitzt einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und ist mit einem Endteil an einem Basisendteil des Befestigungsteils 1B mittels eines Blockkörpers 1C befestigt. Das Detektionselement-Halteteil 1E ist in integraler Weise zusammen mit einem gegenüberliegenden Endteil des Stabes 1D ausgebildet.
Der Blockkörper 1C, der Stab 1D und das Detektionselement-Halteteil 1E sind an einer Achse des Taststifts angeordnet.
Der Stab 1D ist in Form einer Säule an der Blockkörperseite und in Form eines Konus auf der Seite des Detektionselement-Halteteils ausgebildet.
Ds Befestigungsteil 1B und der Stab 1D bilden einen rechten Winkel, wobei der Blockkörper 1C als Mittelpunkt dient. In dieser Ausführungsform können mehrere Befestigungsteile 1B, wobei jeweils die Kontaktkugel 1A an dem Endteil vorgesehen ist, an dem Blockkörper 1C in der radialen Richtung und in der axialen Richtung des Stabs 1D (vergl. 12) angebracht sein.
Das Detektionselement-Halteteil 1E umfasst zwei Flanschteile 1F und ein Verbindungsteil 1G. Jedes der Flanschteile 1F besitzt einen quadratischen Querschnitt senkrecht zur Achse des Stabes 1D. Das Verbindungsteil 1G ist im Wesentlichen wie eine Säule ausgebildet und dient zur Verbindung der Flanschteile 1 F.
Die piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 sind an den Rechteckseiten der Flanschteile 1 F in geneigter Weise unter einem vorbestimmten Winkel α (0° < α < 90°) mit Bezug zur Achse des Stabes 1D befestigt. Entsprechend dieser Ausführungsform besitzt jedes der piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 eine Ebene bzw. Fläche, die im Wesentlichen als ein Parallelogramm ausgebildet ist, und besitzt Seiten entlang der Längsrichtung des Parallelogramms, die unter dem vorbestimmten Winkel α (0° < α < 90°) mit Bezug zu der Achse des Stabs 1D geneigt sind. Jedes der piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 ist an beiden Endteilen entlang deren Längsrichtung an den Seiten der Flanschteile 1F befestigt, die jeweils mit einem Klebemittel und dergleichen gegenüberliegend befestigt sind.
Die piezoelektrischen Elemente 21 und 24 sind von gleicher Form und die piezoelektrischen Elemente 22 und 23 sind ebenfalls von gleicher Form. Die piezoelektrischen Elemente 21 und 24 und die piezoelektrischen Elemente 22 und 23 sind mit Ausnahme der Symmetrie gleichartig geformt.
Die gesamte Fläche jedes der piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 bildet eine Elektrode. Die einander gegenüberliegenden piezoelektrischen Elemente 21 und 23 sind an dem Detektionselement-Halteteil 1E so befestigt, dass diese im Wesentlichen spiegelsymmetrisch angeordnet sind. In gleicher Weise sind die einander gegenüberliegenden piezoelektrischen Elemente 22 und 24 an dem Detektionselement-Halteteil 1E so befestigt, dass diese im Wesentlichen spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
Es sei nun der Fall betrachtet, in dem ein Messobjekt mit der Kontaktkugel 1A in Berührung kommt und eine Kraft in der Biegerichtung P auf den Stab 1D einwirkt; die Kraft wird in einer Richtung S1 entlang im Wesentlichen der Längsrichtung jedes der piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 übertragen. Somit wird ein Ausgangssignal eines vorbestimmten piezoelektrischen Elements, beispielsweise des piezoelektrischen Elements 21, zu einem Zeitpunkt maximal, der durch die Eigenfrequenz, etc., des Taststifts 1 bestimmt ist, nachdem die Kontaktkugel 1A mit dem Messobjekt in Berührung ist. Die Größe des Maximalwerts variiert in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen der Befestigungsrichtung des piezoelektrischen Elements 21 und der Richtung des Abtaststifts 1, mit der dieser mit dem Messobjekt in Kontakt gerät. Und zwar ändert sich die Größe des Maximalwertes in Abhängigkeit eines Winkels θ des piezoelektrischen Elements 21 um die Achse des Taststifs 1 und ändert sich in Form einer Sinuskurve mit einer 360°-Periode.
Der maximale Ausgangswert erreicht den Maximalwert, wenn das Messobjekt und der Taststift 1 sich unter einem Winkel berühren, unter dem das piezoelektrische Element 21 leicht durch Biegung verformbar (θ=0) ist (hierbei sei auf die oben erwähnte ungeprüfte japanische Offenlegungsschrift mit der Nr. JP H10-288 502 A verwiesen).
2 ist eine Blockansicht zur Erzeugung von Kontaktsignalen auf der Grundlage eines Ausgangssignals der vier piezoelektrischen Elemente 21 bis 24, und 3 ist ein Schaltbild.
In den 2 und 3 werden von den piezoelektrischen Elementen 21 bis 24 ausgegebene Signale mittels Verstärkerschaltungen 31 bis 34 verstärkt, um V₁ bis V₄ zu erzeugen. Anschließend wird eine Differenz V₁₃ zwischen den Signalen V₁ und V₃ , die von den sich gegenüberliegenden piezoelektrischen Elementen 21 und 23 (Vorderseite und Rückseite) ausgegeben werden, von einer Differenzverstärkerschaltung 41 berechnet, und es wird eine Differenz V₂₄ zwischen den von den sich gegenüberliegenden piezoelektrischen Elementen 22 und 24 (Vorderseite und Rückseite) ausgegebenen Signalen V₂ und V₄ mittels einer Differenzverstärkerschaltung 42 berechnet. Mittels der Differenzverstärkerschaltungen 41 und 42 werden erste Kontaktsignale erzeugt.
Ferner wird eine Summe V₁₂₃₄ der Signale V₁ bis V₄ , die von den piezoelektrischen Elementen 21 bis 24 ausgegeben und von den Verstärkerschaltungen 31 bis 34 verstärkt werden, durch eine Additionsschaltung 5 berechnet, um ein zweites Kontaktsignal zu erzeugen.
Der Grund dafür, weshalb die Differenz V₁₃ (V₂₄ ) zwischen den Ausgangssignalen der piezoelektrischen Elemente 21 und 23 (22 und 24) berechnet wird, ist der, dass eine Biegeverzerrungskomponente, die auf die Achse des Taststiftes wirkt, durch die Berechnung herausgelöst wird, da die Ausgangssignale aus den piezoelektrischen Elementen 21 und 23 (22 und 24), die sich in ihrem Befestigungswinkel um 180 Grad zur Achse des Taststifts als Mittelpunkt unterscheiden, in der Phase um 180 Grad unterscheiden.
Des Weiteren wird die Summe V₁₂₃₄ der Ausgangssignale der vier piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 berechnet, um die Biegungsverzerrungskomponente, die auf die Achse des Taststiftes wirkt, zu eliminieren und eine longitudinale Verzerrungskomponente, die auf die axiale Richtung des Taststifts wirkt, herauszulösen. In dieser Ausführungsform wird, um die longitudinale Verzerrungskomponente herauszulösen, die Summe der Ausgangssignale aller vier piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 ermittelt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt, und die Summe der Ausgangssignale aus den zwei piezoelektrischen Elementen 21 und 23 oder 22 und 24, die sich gegenüberliegen (Vorderseite und Rückseite), kann berechnet werden.
Eine Kontaktsignal-Erfassungsschaltung 6 erzeugt ein Erfassungssignal aus den ersten Kontaktsignalen, die durch die Differenzverstärkerschaltungen 41 und 42 erzeugt sind, und aus dem zweiten Kontaktsignal, das durch die Additionsschaltung 5 erzeugt ist.
Die Kontaktsignalerfassungsschaltung 6 quadriert die Ausgangssignaldifferenzen (V₁₃ und V₂₄ ) der ersten Kontaktsignale durch jeweils Quadrierschaltungen 71 und 72 und addiert anschließend die Ergebnisse mittels einer Additionsschaltung 8, um ein einzelnes Signal zu erzeugen. Die Ausgangssignaldifferenzen werden quadriert und die Ergebnisse werden addiert, um den Maximalwert des Ausgangssignals aus den piezoelektrischen Elementen 21 und 23 (22 und 24), die sich im Befestigungswinkel um 90° unabhängig von dem Winkel θ unterscheiden, konstant zu machen.
Das heißt, sei der Maximalwert des differenziellen Ausgangssignals der piezoelektrischen Elemente 21 und 23 $V_{13} = V_{max} X COS {(θ_{0})}_{,}$
und
sei der Maximalwert des differenziellen Ausgangssignals der piezoelektrischen Elemente 22 und 24 gleich $V_{24} = V_{max} X COS {(θ_{0} + 90)}_{,}$
und
so ergibt sich: ${(V_{13})}^{2} + {(V_{24})}^{2} = {(V_{max})}^{2} .$
Somit ist der Maximalwert des Ausgangssignals zu einer vorbestimmten Zeit (V_max)² unabhängig vom Winkel.
Diese Beschreibung trifft auf den Fall zu, in dem das Messobjekt mit der Kontaktkugel 1A aus der Richtung in Kontakt kommt, in der der Taststift senkrecht zur Taststiftachse steht. Der Maximalwert des Ausgangssignals, wenn die Taststiftachse unter einem Winkel β berührt, ergibt sich zu: (V_max X COSβ)². Der Winkel β ist der Winkel zwischen der Richtung senkrecht zur Taststiftachse (die Achse des Stabs 1D) und der Richtung, in der die Kontaktkugel 1A mit dem Messobjekt in Berührung kommt.
Da das erste Kontaktsignal V₁₃ (V₂₄ ) das differenzielle Signal der piezoelektrischen Elemente 21 und 23 (22 und 24) ist, die an der Vorderseite und Rückseite des Taststiftes angeordnet sind, ist V_max X COSβ ein Signal, das die Biegeverzerrungskomponente des Detektionselement-Halteteils 1E repräsentiert.
In 3 wird das durch die Additionsschaltung 5 berechnete Summensignal V₁₂₃₄ gemäß dem folgenden Ausdruck erhalten, wobei K ein Verstärkungsfaktor ist: $V_{1234} = K (V_{1} + V_{2} + V_{3} + V_{4}) .$
V₁₂₃₄ ist ein Signal, das eine longitudinale Verzerrungskomponente repräsentiert, in der die Biegeverzerrungskomponente entfernt ist, und wird zu einem Maximalwert V_M, wenn β gleich 90 Grad ist, und zwar, wenn die Kontaktkugel 1A mit dem Messobjekt aus der Richtung der Achse des Taststifts in Berührung kommt. Der Maximalwert des Ausgangssignals bei Berührung des Taststifts unter dem Winkel β wird zu $V_{1234} = V_{M} X SIN β .$
Jedoch ist die Zeit zur Erreichung des Maximalwertes von (V_max X COSβ)² und die Zeit für V₁₂₃₄ zur Erreichung des Maximalwertes im Allgemeinen unterschiedlich. Das heißt, die Steifigkeit in der Längsrichtung ist im Allgemeinen höher als die Verbiegungssteifigkeit und somit steigt V₁₂₃₄ zeitlich früher an.
Daher wird die Verstärkungseinstellung so vorgenommen, dass V_M = V_max ist, und anschließend wird das Signal V₁₂₃₄ mit einer geeigneten Zeitverzögerung mittels einer Verzögerungsschaltung 9 bereitgestellt und anschließend mittels einer Quadrierschaltung 73 quadriert.
Das von der Quadrierschaltung 73 bereitgestellte Signal (V₁₂₃₄)² und das Signal (V_max X COSβ)² werden in einer Additionsschaltung 10 addiert.
Das Ergebnis der Addition beträgt ${(V_{1234})}^{2} + {(V_{max} X COS β)}^{2} = V_{max}^{2} .$
Es wird ein konstantes Signal unabhängig von dem Kontaktwinkel β geliefert.
Das heißt, das der Längsverzerrung entsprechende Signal zur frühzeitigeren Bildung des Maximalwertes wird um eine vorbestimmte Zeit verzögert, wobei der Maximalwert zum selben Zeitpunkt gebildet wird, wie das der Biegeverzerrung entsprechende Signal. Wenn daher das Messobjekt mit einem beliebigen Punkt der Kontaktkugel 1A in Berührung kommt, wird das gleiche Ausgangssignal erzeugt.
Anschließend wird das Signal mit einem vorbestimmten Referenzwert mittels einer Vergleichsschaltung 11 verglichen, und wenn das Signal den Referenzwert übersteigt, wird ein Kontaktsignal erzeugt.
In dieser Ausführungsform ist das Verfahren nicht auf das Quadrieren des Signals (V₁₂₃₄ ) und anschließendes Bereitstellen des Ergebnisses mit einer geeigneten Zeitverzögerung eingeschränkt, und es kann im Einklang mit dem erfinderischen Grundgedanken der Ausführungsform eine derartige Änderung vorgenommen werden, dass das Signal beispielsweise quadriert wird, nachdem es verzögert worden ist.
Nachdem ferner das Signal (V₁₂₃₄ ) mit einer geeigneten Zeitverzögerung versehen ist, wird die folgende Berechnung durchgeführt: ${(V_{13})}^{2} + {(V_{24})}^{2} = {(V_{1234})}^{2} .$
In diesem Falle kann das gleiche Ergebnis wie im oben beschriebenen Falle geliefert werden.
Es sei nun, wie in den 4A und 4B gezeigt ist, der Fall betrachtet, in dem ein Messobjekt mit der Kontaktkugel 1A in Berührung kommt und eine Kraft in der Torsionsrichtung Q auf den Stab 1D wirkt. In den beiden Flanschteilen 1F wirkt die Kraft Q2 aufgrund der Kraft Q in entgegengesetzten Richtungen, wodurch die Kraft in einer Richtung S2 entlang im Wesentlichen der Längsrichtung jedes der piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 übertragen wird. In dieser Ausführungsform sind die einander gegenüberliegenden piezoelektrischen Elemente 21 und 23 spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, wobei das Detektionselement-Halteteil 1E dazwischen liegt. Somit wirkt eine auswärts gerichtete Scherungskraft (in einer Ausdehnungsrichtung) auf das piezoelektrische Element 21 entlang der S2-Richtung, wie in 4A gezeigt ist, und eine einwärts gerichtete Scherungskraft (in einer Kontraktionsrichtung) wirkt auf das piezoelektrische Element 23 entlang der S2-Richtung, wie in 4B gezeigt ist. Wenn die Torsionsrichtung entgegengesetzt zu Q ist, wirken die Scherungskräfte auf die piezoelektrischen Elemente 21 und 23 in entgegengesetzten Richtungen.
Dies bedeutet, dass eine Signalamplitude V₃ , die von dem piezoelektrischen Element 23 ausgegeben wird, mit Bezug zu einer Signalamplitude V₁ , die von dem piezoelektrischen Element 21 ausgegeben wird, invertiert ist. In gleicher Weise ist eine von dem piezoelektrischen Element 24 ausgegebene Signalamplitude V₄ mit Bezug zu einer von dem piezoelektrischen Element 22 ausgegebenen Signalamplitude V₂ invertiert.
Die von den piezoelektrischen Elementen 21 bis 24 ausgegebenen Signale werden durch die in 3 gezeigte Kontrollschaltung verarbeitet, um ein Kontaktsignal zu erzeugen.
Das heißt, die von den piezoelektrischen Elementen 21 bis 24 ausgegebenen Signale werden durch die Verstärkerschaltungen 31 bis 34 verstärkt, um V₁ bis V₄ zu erzeugen. Anschließend wird die Differenz V₁₃ zwischen den von den sich gegenüberliegenden (Vorderseite und Rückseite) piezoelektrischen Elementen 21 und 23 ausgegebenen Signalen V₁ und V₃ durch die Differenzverstärkerschaltung 41 berechnet, und die Differenz V₂₄ zwischen den von den sich gegenüberliegenden (Vorderseite und Rückseite) piezoelektrischen Elementen 22 und 24 ausgegebenen Signale V₂ und V₄ wird durch die Differenzverstärkungsschaltung 42 berechnet. Die durch die Differenzverstärkungsschaltung 41 gewonnene Differenz V₁₃ (V₁ - V₃ ) wird durch die Quadrierschaltung 71 quadriert, und die durch die Differenzverstärkungsschaltung 42 gewonnene Differenz V₂₄ (V₂ - V₄ ) wird durch die Quadrierschaltung 72 quadriert. Die Ergebnisse werden mittels der Additionsschaltung 8 addiert, um ein einzelnes Signal (vergl. den Grafen in 5) zu erzeugen.
Das Signal wird mit dem vorbestimmten Referenzwert mittels der Vergleicherschaltung 11 verglichen, und wenn das Signal den Referenzwert übersteigt, wird ein Kontaktsignal erzeugt. Die von den Verstärkerschaltungen 31 bis 34 zugeführten Signale V₁ bis V₄ werden zu der Additionsschaltung 5 gesendet. In dieser Ausführungsform sind die von den sich gegenüberliegenden (Vorderseite und Rückseite) piezoelektrische Elementen 21 (22) und 23 (24) ausgegebenen Signale V₁ (V₂ ) und V₃ (V₄ ) zueinander invers. Wenn daher die Signale lediglich addiert werden, wird das Ergebnis 0 oder ein extrem kleiner Wert, und das von der Additionsschaltung 5 zu der Quadrierschaltung 73 und der Additionsschaltung 10 gesendete Signal kann ignoriert werden.

(1) Daher umfasst in der ersten Ausführungsform der Berührungssignalsonde der Taststift 1 das Detektionselement-Halteteil 1E zum Halten und Fixieren der Verschiebungs-Detektionselemente und den Stab 1 D, der an dem Detektionselement-Halteteil 1 E angeordnet ist, wobei die Verschiebungs-Detektionselemente (piezoelektrischen Elemente 21 bis 24) an dem Taststift 1 zum Detektieren der Berührung der Kontaktkugel 1A mit einem Messobjekt angeordnet sind. Das Detektionselement-Halteteil 1E besitzt mehrere Flanschteile 1F, die jeweils einen Querschnitt senkrecht zur Achse des Stabes 1D in Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen. Die Verschiebungs-Detektionselemente sind an den Seiten der Flanschteile 1F so angebracht, dass diese unter einem vorbestimmten Winkel α relativ zu der Achse des Stabes 1D geneigt sind. Anschließend wird ein Kontakterfassungssignal auf der Grundlage von Signalen erzeugt, die von den Verschiebungs-Detektionselementen ausgegeben werden. Wenn daher eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung Q auf den Stab 1 D durch die Kontaktkugel 1A einwirkt, wird die gemessene Kraft entlang im Wesentlichen der Längsrichtung des Verschiebungs-Detektionselements übertragen, so dass das Verschiebungs-Detektionselement zuverlässig gedehnt oder kontrahiert wird und eine Änderung in der Zustandsquantität in ausreichenderweise erfassen kann. Wenn ferner eine gemessene Kraft in der Biegerichtung P auf den Stab 1D durch die Kontaktkugel 1A einwirkt, wird die gemessene Kraft entlang im Wesentlichen der Längsrichtung des Verschiebungs-Detektionselements übertragen, so dass das Verschiebungs-Detektionselement in zuverlässiger Weise gedehnt oder kontrahiert wird und eine Änderung in der Zustandsquantität in ausreichender Weise erfassen kann.
(2) Da die piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 als die Verschiebungs-Detektionselemente verwendet werden, kann die Auflagekraft, wenn die Kontaktkugel 1A des Taststifts 1 mit einem Messobjekt in Berührung kommt, auf zuverlässige Weise erfasst werden, so dass die Messung mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann.
(3) Der Querschnitt jedes der Flanschteile 1F senkrecht zur Achse des Stabes 1D ist quadratisch ausgeführt und es sind insgesamt vier piezoelektrische Elemente 21 bis 24 an den Seiten der Flanschteile 1F angebracht, so dass die Verschiebungs-Detektionselemente zueinander um 90° beabstandet sind. Somit wird ein Berührungs-Erfassungssignal auf der Grundlage von Signalen erzeugt, die von den vier piezoelektrischen Elementen 21 bis 24, die voneinander um 90 Grad zur Taststiftachse als Mittelpunkt beabstandet sind, ausgegeben, so dass die Messung mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann. Ferner ist der Querschnitt jedes Flanschteiles 1F quadratisch, so dass der Aufbau der Berührungssignalsonde vereinfacht werden kann.
(4) Wenn eine gemessene Kraft in der Biegerichtung P auf den Taststift 1 einwirkt, wird ein erstes Kontaktsignal aus den beiden Differenzsignalen V₁₃ und V₂₄ erzeugt, die von den zwei Paaren piezoelektrische Elemente 21, 23 und 22, 24, die vor und hinter dem Taststift angeordnet sind, ausgegeben werden, und es wird ein zweites Kontaktsignal erzeugt, aus dem Signal V1234 der Summe der Signale, die von den vier piezoelektrischen Elementen 21 bis 24, ausgegeben werden, oder aus dem Signal der Summe der Signale, die von den beiden Paaren Verschiebungs-Detektionselementen 21, 23 und 22, 24, die an der Vorderseite und Rückseite angeordnet sind, ausgegeben werden. Das zweite Kontaktsignal wird um eine vorbestimmte Zeitdauer verzögert und wird anschließend logisch mit dem ersten Kontaktsignal addiert, um ein Kontakterfassungssignal zu erzeugen. Um somit das Kontakterfassungssignal durch logisches Addieren des ersten Kontaktsignals und des zweiten Kontaktsignals zu erzeugen, wird das der Längsverzerrung entsprechende zweite Kontaktsignal, das den Maximalwert zeitlich früher erreicht, um die vorbestimmte Zeitdauer verzögert. Wenn daher das Messobjekt mit einem beliebigen Punkt der Kontaktkugel in Berührung kommt, tritt das gleiche Ausgangssignal auf und somit kann die Messung in diesem Punkt mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
(5) Es wird ein Kontakterfassungssignal, für den Fall, dass eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung auf den Stab 1D einwirkt, entsprechend zu der Schaltungsanordnung zur Verzögerung eines Kontakterfassungssignals für den Fall, dass eine gemessene Kraft in der Biegerichtung des Stabes 1D auftritt, erzeugt. Und zwar umfasst die Schaltungsanordnung die Differenzverstärkungsschaltung 41 (42) zum Berechnen der Differenz zwischen den von den sich gegenüberliegenden (Vorderseite und Rückseite) piezoelektrischen Elementen 21 und 23 (22 und 24) ausgegebenen Signalen, die Additionsschaltung 5 zum Berechnen der Summe der von allen piezoelektrischen Elementen 21 bis 24 ausgegebenen Signale, und die Kontaktsignalerfassungsschaltung 6 zum Erzeugen eines Erfassungssignals aus dem von den Differenzverstärkungsschaltungen 41 und 42 erzeugten Kontaktsignalen und dem von der Additionsschaltung 5 erzeugten Kontaktsignal. Somit kann die Schaltungsanordnung gemeinsam verwendbar ausgeführt werden und der Aufbau der Berührungssignalsonde kann vereinfacht werden.
(6) Die piezoelektrischen Elemente 21 bis 24 sind so an dem Detektionselement-Halteteil 1E befestigt, dass die sich gegenüberliegenden piezoelektrischen Elemente 21 und 23 (22 und 24) im Wesentlichen spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Wenn daher eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung Q auf den Taststift einwirkt, werden positive und negative Ausgangssignale auf einem Paar piezoelektrischer Elemente 21 und 23 (22 und 24) erzeugt, die zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Flanschteile 1F dazwischenliegen. Somit wird die Differenz der Signale für jedes der beiden Paare Verschiebungs-Detektionselemente 21, 23 und 22, 24 erhalten, und die Differenzsignale werden quadriert und addiert. Somit kann ein großes Detektionssignal bereitgestellt werden und die Messgenauigkeit kann verbessert werden.

Anschließend wird eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform mit Bezug zu 6 erläutert.
Die zweite Ausführungsform stimmt mit der ersten Ausführungsform mit Ausnahme der Anordnung der piezoelektrischen Elemente überein. Daher werden Teile, die identisch zu Teilen sind, die mit Bezug zu 1 beschrieben sind, in 6 mit den gleichen Referenzzeichen belegt, und diese werden nicht erneut detailliert erläutert.
In 6 sind in der zweiten Ausführungsform die Verschiebungs-Detektionselemente piezoelektrische Elemente 21, 220, 230 und 24. Ein Paar gegenüberliegender piezoelektrische Elemente 21 und 230 ist an einem Detektionselement-Halteteil 1E so befestigt, dass es mit Bezug zu der Achse eines Taststiftes symmetrisch ist. Das andere Paar piezoelektrische Elemente 220 und 24 ist ebenfalls an den Detektionselement-Halteteil 1E so befestigt, dass es mit Bezug zu der Achse des Taststiftes symmetrisch ist. Die piezoelektrischen Elemente 21, 220, 230 und 24 besitzen die gleiche Form.
Ein Aufbau zur Erzeugung eines Kontaktsignals basierend auf einem Ausgangssignal der piezoelektrischen Elemente 21, 220, 230 und 24 gemäß der zweiten Ausführungsform ist identisch zum Aufbau, der zuvor mit Bezug zu den 2 und 3 in der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
In der zweiten Ausführungsform ist ein Ablauf zur Erzeugung eines Kontaktsignals, wenn ein Messobjekt mit einer Kontaktkugel 1A in Berührung kommt und eine gemessene Kraft in einer Biegerichtung P auf einen Stab 1D einwirkt, identisch zu dem Ablauf in der ersten Ausführungsform.
Wenn ein Messobjekt mit der Kontaktkugel 1A in Berührung kommt und eine Kraft in einer Torsionsrichtung Q auf den Stab 1D einwirkt, wird eine Kraft in einer Richtung S2 entlang im Wesentlichen der Längsrichtung jedes der piezoelektrischen Elemente 21, 220, 230 und 24 durch die Kraft Q übertragen.
Es wirkt eine Scherungskraft in der gleichen Richtung entlang der S2-Richtung auf jedes piezoelektrische Element 21, 220, 230, 24, und es werden von den piezoelektrischen Elementen 21, 220, 230 und 24 jeweils die gleichen Detektionssignale ausgegeben.
Die Detektionssignale werden mittels Verstärkerschaltungen 31 bis 34 verstärkt, um V₁ bis V₄ zu erzeugen, und anschließend wird die Summe der Signale V₁ bis V₄ , V₁₂₃₄ , mittels einer Additionsschaltung 5 berechnet.
Das von der Additionsschaltung 5 gelieferte Summensignal wird mit einer geeigneten Zeitverzögerung mittels einer Verzögerungsschaltung 9 belegt und anschließend mit einer Quadrierschaltung 73 quadriert. Das von der Quadrierschaltung 73 ausgesandte Signal wird mittels einer Vergleichsschaltung 11 mit einem vorbestimmten Referenzwert verglichen, und wenn das Signal den Referenzwert übersteigt, wird ein Kontaktsignal erzeugt. In diese Ausführungsform sind, da die von den Verstärkerschaltungen 31 bis 34 gelieferten Signale V₁ bis V₄ zu Differenzverstärkerschaltungen 41 und 42 gesendet werden, die Signale V₁ bis V₄ Detektionssignale des gleichen Wertes und werden daher 0 oder nehmen einen extrem kleinen Wert in den Differenzverstärkerschaltungen 41 und 42 an, und das zu den Additionsschaltungen 8 und 10 gesendete Signal kann vemachlässigt werden. Es kann ein negatives Signal von den piezoelektrischen Elementen 21, 220, 230, 24 in dem Falle ausgesandt werden, wenn der Absolutwert des Signals von einer geeigneten Einrichtung gewonnen wird.
Daher können in der zweiten Ausführungsform ähnliche Vorteile (1), (2), (3), (4), und (5) wie in der ersten Ausführungsform erreicht werden und zusätzlich (7) sind die piezoelektrischen Elemente 21, 220, 230 und 24 an dem Detektionselement-Halteteil 1E so montiert, dass die piezoelektrischen Elemente 21 und 220 (230 und 24), die einander gegenüberliegend sind, mit Bezug zur Achse des Taststifts symmetrisch sind.
Wenn daher eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung Q auf den Taststift 1 einwirkt, werden in allen vier piezoelektrischen Elementen 21, 220, 230 und 24 die gleichen positiven oder negativen Ausgangssignale erzeugt. Somit werden die Signale addiert, wodurch ein Kontaktsignal in einfacher Weise bereitgestellt werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt und enthält in ihrem Schutzbereich Raum für Modifikationen und Verbesserungen, mit denen die Aufgabe der Erfindung gelöst werden kann.
Beispielsweise sind in den beschriebenen Ausführungsformen die piezoelektrischen Elemente 21 bis 24, 220, 230 in einem Zustand befestigt, in dem sie unter dem vorbestimmten Winkel α relativ zur Achse des Stabes 1D geneigt sind. Jedoch können erfindungsgemäß piezoelektrische Elemente 211, 221, 23, 241, jeweils als flache Rechtecke ausgeführt, so angeordnet sein, dass diese parallel zu der Achse des Stabes 1D in der Längsrichtung angeordnet sind, wie dies in 7 gezeigt ist, wenn eine das Verschiebungs-Detektionselement bildende Elektrode 20A so ausgebildet ist, dass diese unter dem vorbestimmten Winkel α relativ zu der Achse des Stabes 1D geneigt ist.
In den beschriebenen Ausführungsformen sind die piezoelektrischen Elemente 21 bis 24, 220, 230 flache Parallelogramme. Erfindungsgemäß können die piezoelektrischen Elemente 212, 222, 232, 242 als Rechtecke ausgebildet sein, wie in 8 gezeigt ist, wenn diese so gebildet sind, dass diese unter dem vorbestimmten Winkel α relativ zu der Achse des Stabel 1D geneigt sind.
Ferner sind in den beschriebenen Ausführungsformen die Verschiebungs-Detektionselemente als die piezoelektrischen Elemente 21 bis 24, 220 und 230 beschrieben. Erfindungsgemäß können jedoch auch Verzerrungsmesselemente 213, 223, 233 und 243 anstelle der piezoelektrischen Elemente verwendet werden, wie in 9 gezeigt ist, wenn diese eine Verschiebung in der Biegerichtung des Taststifts 1 und eine Verschiebung in der Torsionsrichtung detektieren können.
Kurz gesagt, erfindungsgemäß sind die Arten, die Größen, die Formen, der Befestigungseinkel α, das Aspektverhältnis und dergleichen der Verschiebungs-Detektionselemente entsprechend zu der Form des Taststiftes 1 und gemäß anderen beliebigen Bedingungen festgelegt.
Des Weiteren kann erfindungsgemäß die folgende Ausgestaltung angewendet werden: wie in 10 gezeigt, wird das Signal (V_max X COSβ)², das von einer Additionsschaltung 8 ausgegeben wird, mit einem Referenzwert mittels einer Vergleicherschaltung 12 verglichen, und wenn das Signal den Referenzwert übersteigt, wird ein Kontaktsignal durch eine ODER-Schaltung 13 erzeugt. Wenn andererseits das von einer Additionsschaltung 5 gelieferte Summensignal V₁₂₃₄ mit einem Referenzwert mittels einer Vergleicherschaltung 14 verglichen wird, und wenn das Signal den Referenzwert übersteigt, wird dieses um eine vorbestimmte Zeitdauer mittels einer Verzögerungsschaltung 15 verzögert und es wird ein Kontaktsignal mittels der ODER-Schaltung 13 erzeugt.
Des Weiteren ist entsprechend den 3 und 10 die Kontaktsignal-Erzeugungsschaltung als eine analoge Schaltung ausgeführt, aber diese kann auch als eine digitale Schaltung ausgeführt sein.
Ferner sind bei der Beschreibung der Ausführungsformen vier piezoelektrische Elemente 21-24, 220, 230 beschrieben; erfindungsgemäß können jedoch zwei piezoelektrische Elemente an den zwei zusammenhängenden Seiten des Detektionselement-Halteteil 1E befestigt sein.
Erfindungsgemäß können die Flanschteile 1F mit einem Querschnitt eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildet sein und es können insgesamt drei piezoelektrische Elemente an den Seiten der Flanschteile 1F angebracht sein. Des Weiteren können die Flanschteile 1F mit regelmäßigen fünfeckigen, regelmäßigen sechseckigen, etc. Querschnitt ausgebildet sein.
Des Weiteren beträgt die Anzahl der Flanschteile 1F zwei; erfindungsgemäß kann diese jedoch drei oder mehr betragen.
Wie zuvor beschrieben ist, ist erfindungsgemäß in einer Berührungssignalsonde ein Verschiebungs-Detektionselement zum Detektieren der Berührung einer Kontaktkugel mit einem Messobjekt an einem Taststift angeordnet, an dem die Kontaktkugel zur Kontaktierung eines Messobjekts an einem Ende angeordnet ist. Der Taststift besitzt ein Detektionselement-Halteteil zum Halten und Fixieren des Verschiebungs-Detektionselementes und einen an dem Detektionselement-Halteteil angeordneten Stab. Das Detektionselement-Halteteil umfasst mehrere Flanschteile, die jeweils im Querschnitt senkrecht zu einer Achse des Stabes die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen. Das Verschiebungs-Detektionselement ist an den Seiten der Flanschteile so angebracht, dass dieses unter einem vorbestimmten Winkel relativ zu der Achse des Stabes geneigt ist. Anschließend wird ein Kontakterfassungssignal auf der Grundlage eines Signals, das von dem Verschiebungs-Detektionselement ausgegeben wird, erzeugt. Wenn daher eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung auf den Stab mittels der Kontaktkugel einwirkt, wird die gemessene Kraft entlang im Wesentlichen der Längsrichtung des Verschiebungs-Detektionselements übertragen und die Empfindlichkeit des Verschiebungs-Detektionselements wird verbessert. Wenn im Gegensatz dazu eine gemessene Kraft in der Biegerichtung auf den Stab mittels der Kontaktkugel einwirkt, wird die gemessene Kraft entlang im Wesentlichen der Längsrichtung des Verschiebungs-Detektionselements übertragen, und somit ist die Empfindlichkeit des Verschiebungs-Detektionselements verbessert.
Ferner kann ein Kontakterfassungssignal, sowohl wenn eine gemessene Kraft in der Biegerichtung auf den Stab einwirkt, als auch wenn eine gemessene Kraft in der Torsionsrichtung auftritt, entsprechend der Schaltungsanordnung erzeugt werden, die die Differenzverstärkungsschaltung jeweils zum Berechnen der Differenz zwischen den von den sich gegenüberliegenden (Vorderseite und Rückseite) Verschiebungs-Detektionselementen ausgegebenen Signale, die Additionsschaltung zum Berechnen der Summe der von allen Verschiebungs-Detektionselementen ausgegebenen Signalen, und die Kontaktsignal-Erfassungsschaltung zum Erzeugen eines Erfassungssignals aus den von den Differenzverstärkerschaltungen erzeugten Kontaktsignalen und dem von der Additionsschaltung erzeugten Kontaktsignal umfasst. Somit kann die Schaltungsanordnung gemeinsam verwendbar ausgeführt werden und der Aufbau der Berührungssignalsonde kann vereinfacht werden.

Claims

Berührungssignalsonde mit: einem Taststift mit einem Kontaktelement an einem Ende zur Kontaktierung eines Messobjekts; und mehreren an dem Taststift angebrachten Verschiebungs-Detektionselementen zum Detektieren des in Kontaktkommens des Kontaktelements und des Messobjekts, so dass ein Kontakterfassungssignal auf der Grundlage eines von den Verschiebungsdetektionselementen ausgegebenen Signals erzeugt ist, wobei der Taststift ein Detektionselement-Halteteil zum Halten und Fixieren der Verschiebungs-Detektionselemente und einen an dem Detektionselement-Halteteil angeordneten Stab aufweist, wobei das Detektionselement-Halteteil mehrere Flanschteile, die jeweils einen Querschnitt senkrecht zu einer Längsachse des Stabes in Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen, umfasst, und wobei die Verschiebungs-Detektionselemente zumindest an zwei Seiten der Flanschteile derart befestigt sind, dass diese unter einem vorbestimmten Winkel α relativ zu der Längsachse des Stabes geneigt sind, wobei die Berührungssignalsonde konfiguriert ist folgendes zu erzeugen: ein Signal, das einer Biegeverzerrungskomponente, die auf die Achse des Taststifts wirkt, entspricht und ein Signal, das einer longitudinalen Verzerrungskomponente, die in einer axialen Richtung des Taststifts wirkt, entspricht durch Berechnen der Summe, Differenz und quadratischen Summe der Signale, die von den Verschiebungs-Detektionselementen ausgegeben werden, ein erstes Kontaktsignal von dem Signal, das der Biegeverzerrungskomponente entspricht, ein zweites Kontaktsignal von dem Signal, das der longitudinalen Verzerrungskomponente entspricht, wobei man das Kontakterfassungssignal basierend auf einem logischen Addieren des ersten Kontaktsignals und einem Signal erhält, das man aus einer Verzögerung des zweiten Kontaktsignals erhält.
Die Berührungssignalsonde nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt jedes der Flanschteile senkrecht zu der Längsachse des Stabes quadratisch ist und wobei insgesamt vier Verschiebungs-Detektionselemente an den Seiten der Flanschteile so angeordnet sind, dass die Verschiebungs-Detektionselemente unter 90 Grad zueinander beabstandet sind.
Die Berührungssignalsonde nach Anspruch 1, wobei jedes der Verschiebungs-Detektionselemente eine Ebene aufweist, die wie ein Parallelogramm geformt ist.
Die Berührungssignalsonde nach Anspruch 1, wobei das Verschiebungs-Detektionselement ein piezoelektrisches Element ist.
Die Berührungssignalsonde nach Anspruch 4, wobei das Verschiebungs-Detektionselement an dem Taststift derart angebracht ist, dass eine das Verschiebungs-Detektionselement bildende Elektrode unter dem vorbestimmten Winkel α relativ zu der Längsachse des Stabs geneigt ist.
Die Berührungssignalsonde nach Anspruch 1, wobei das Verschiebungs-Detektionselement ein Verformungsmesselement ist.
Die Berührungssignalsonde nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Winkel α im Bereich von 0° < α < 90° liegt.