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Die Erfindung betrifft einen multidirektionalen Messtaster
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein aus
US-A-3,250,012 bekannter
Messtaster dieser Gattung hat ein zylindrisches Gehäuse, das
aus einem proximalen und einem distalen Gehäuseteil zusammengesetzt ist.
Das proximale Gehäuseteil
hat einen radial nach außen
ragenden Flansch zur Befestigung des Messtasters an einem Schlitten
einer Mess- oder Werkzeugmaschine; das distale Gehäuseteil
endet mit einem radial nach innen ragenden Flansch, an dem ein kugelsegmentförmiges konkaves
Stützlager
ausgebildet ist. Auf diesem Stützlager
ruht ein ungefähr
halbkugelförmiger Tragkörper, der
mit seiner konvexen Außenfläche ein ringförmiges Gegenlager
bildet und an seiner proximalen Seite eine ebene Ringfläche aufweist.
An dieser Ringfläche
liegt eine Stirnfläche
eines kolbenartigen Übertragungsgliedes
an, das im distalen Gehäuseteil
axial verschiebbar geführt
und von einer zwischen dem Übertragungsglied
und dem ihm zugewanden Ende des proximalen Gehäuseteils eingespannten Feder
belastet ist. Im Gehäuse
und teilweise in dem kolbenartigen Übertragungsglied ist ein Sensor
untergebracht, der axiale Verschiebungen des Kolbens in Messsignale
umwandelt. Vom Tragkörper
erstreckt sich axial eine Taststiftaufnahme weg, an der ein Taststift
mit Tastkopf befestigt ist.
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Ein ähnlicher multidirektionaler
Messtaster, der ebenfalls der hier vorausgesetzten Gattung angehört, ist
aus
DE-A-42 17 641 bekannt.
Auch dort ist innerhalb eines distalen Gehäuseteils ein halbkugelförmiger Tragkörper angeordnet,
gegen den ein Übertragungsglied
in Form eines federbelastenden Kolbens drückt. Die ebene Fläche des
halbkugelförmigen
Tragkörpers
ist hier jedoch die jenige, von der sich die Taststiftaufnahme wegerstreckt,
wohingegen die sphärische
Fläche
des Tragkörpers
dem wiederum kolbenartigen Übertragungsglied
zugewandt ist und über
dieses von einer Feder in axialer Richtung belastet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen multidirektional wirksamen Messtaster, der einen unidirektionalen
Sensor aufweist, konstruktiv besonders einfach zu gestalten, dabei
aber den für
Messtaster der eingangs angesprochenen Gattung typischen Vorteil
beizubehalten, dass beim radialen Antasten eines Messobjekts rundum,
d.h. in allen radialen Richtungen, gleiche Antastkräfte wirksam
sind.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit weiteren
Einzelheiten beschrieben. In den Zeichnungen sind, jeweils in einem
axialen Längsschnitt,
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1 ein
erster erfindungsgemäßer Messtaster
in Ruhelage,
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2 derselbe
Messtaster bei radialer Auslenkung seines Taststifts,
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3 ein
gegenüber 1 verbesserter erfindungsgemäßer Messtaster,
wiederum in Ruhelage,
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4 derselbe
Messtaster wie in 3,
jedoch bei radialer Auslenkung,
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5 ein
stark vergrößerter Ausschnitt
aus 3,
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6 ein
in gleicher Weise vergrößerter Ausschnitt
aus 4,
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7 derselbe
Messtaster wie in 3 bis 6, jedoch bei rein axialer
Auslenkung seines Taststifts,
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8 ein
gegenüber 3 bis 7 weitergebildeter Messtaster bei radialer
Auslenkung entsprechend 4,
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9 ein
gegenüber 3 zusätzlich weitergebildeter erfindungsgemäßer Messtaster,
in Ruhelage,
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10 derselbe
Messtaster wie in 9,
jedoch bei axialer Auslenkung infolge ziehender Messrichtung,
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11 eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Messtasters
in Ruhelage,
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12 derselbe
Messtaster wie in 11, jedoch
bei radialer Auslenkung,
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13 derselbe
Messtaster wie in 11, jedoch
bei axialer Auslenkung infolge drückender Messrichtung, und
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14 derselbe
Messtaster wie in 11, bei
axialer Auslenkung infolge ziehender Messrichtung.
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Der in 1 und 2 in Ruhelage bzw. beim Messen
eines Objekts O dargestellte multidirektionale Messtaster M hat
ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 10, das aus einem
proximalen, in den Zeichnungen oberen Gehäuseteil 12 mit einem
Ansatz 14 einerseits und einem distalen, in den Zeichnungen
unteren Gehäuseteil 16 mit
einem radial nach innen ragenden Gehäuseflansch 18 andererseits
zusammengesetzt ist. Die beiden Gehäuseteile 12 und 16 sind
miteinander dicht und fest verbunden, beispielsweise unmittelbar
miteinander verschraubt. An der proximalen, in den Zeichnungen oberen
Seite des radial nach innen ragenden Gehäuseflansches 18 ist
ein ringförmiges
Stützlager 20 in
Form einer Ringrille ausgebildet, das eine radial innere, konvexe Kegelstumpffläche 22 und
eine radial äußere, konkave
Kegelstumpffläche 24 aufweist;
diese beiden Kegelstumpfflächen
sind bei den dargestellten Messtastern im axialen Querschnitt ungefähr rechtwinklig
zueinander angeordnet. Es hat sich jedoch auch eine Ausführungsvariante
bewährt,
bei der die radial äußere, konkave
Kegelstumpffläche 24 steiler
ist, beispielsweise um 75° gegen
die Ebene der distalen Stirnfläche
des Gehäuseflansches 18 geneigt
ist. In jedem Fall ist es zweckmäßig, wenn
die Kegelstumpfflächen 22 und 24 mit
reibungsminderndem Material beschichtet sind.
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Innerhalb des distalen Gehäuseteils 16 ist ein
pilzförmiger
Tragkörper 26 angeordnet,
an dem ein ringförmiges
Gegenlager 28 ausgebildet ist. Das Gegenlager 28 hat
einen ungefähr
halbkreisförmigen oder
aus mehreren Bogenabschnitten mit unterschiedlichen Radien zusammengesetzten
Querschnitt und lässt
sich in jedem Fall als Ringwulst bezeichnen. Der Tragkörper 26 nimmt
in 1 und in entsprechender
Weise in 3 und 5 eine Ruhelage ein, in der
das Gegenlager 28 das Stützlager 20 längs einer
ebenen kreisförmigen
Berührungslinie 30 – und sonst
nirgends – berührt. Diese
kreisförmige Berührungslinie
liegt auf der konvexen, radial inneren Kegelstumpffläche 22 des
ringförmigen
Stützlagers 20.
Von der konkaven, radial äußeren Kegelstumpffläche 24 des
Stützlagers
hat das ringförmige
Gegenlager 28 hingegen einen durchschnittlichen Abstand a von vorzugsweise 5 bis 10 μ (0,005 bis
0,010 mm), solange der Tragkörper 26 seine
Ruhelage einnimmt. Es wird bewusst nicht ausgeschlossen, dass der
Abstand a an einer Stelle auf
den Betrag Null abnimmt, d.h. dass der Tragkörper 26 eine leicht
exzentrische Ruhelage einnimmt, in der das Gegenlager
28 die
radial äußere, konkave
Kegelstumpffläche 24 des Stützlagers 20 an
einem Punkt berührt.
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Die Ebene der Berührungslinie 30 wird
im folgenden als Lagerebene X, Y bezeichnet; normal, also rechtwinklig
dazu, erstreckt sich die im folgenden als zentrale Achse Z bezeichnete
Achse des Messtasters M, d.h. seines Gehäuses 10. Der Tragkörper 26 hat
eine eigene Längsachse
T, die in Ruhelage sowie bei rein axialer Auslenkung des Tragkörpers 26 mit
der zentralen Achse Z praktisch übereinstimmt.
Geringfügige
Abweichungen infolge der beschriebenen, möglichen Ungleichmäßigkeit
des Abstandes a können hingenommen
werden.
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Wenn der Tragkörper 26 durch Kippen
aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird, wie dies z.B. in 2, 4 und 6 dargestellt
ist, so berührt
das ringförmige
Gegenlager 28 die radial innere, konvexe Kegelstumpffläche 22 des
ringförmigen
Stütrlagers 20 nur
noch in einem radial inneren Berührungspunkt 32;
zusätzlich
berührt
das Gegenlager 28 die radial äußere, konkave Kegelstumpffläche 24 des
Stützlagers 20 in
einem radial äußeren Berührungspunkt 34.
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Der Tragkörper 26 ist mit einer
zentralen Taststiftaufnahme 36 ausgestattet, die sich in
distaler Richtung entlang der Längsachse
T erstreckt und bei den Ausführungsformen
gemäß 1 bis 8 einstückig mit dem Tragkörper 26 ausgebildet
ist, bei den Ausführungsformen
gemäß 9 bis 14 hingegen ein gesondertes, in Richtung
der Längsachse
T am Tragkörper 26 verschiebbares
Bauteil darstellt. In jedem Fall ist die Taststiftaufnahme 36 dazu
bestimmt, einen auswechselbaren Taststift 38 aufzunehmen, der
in üblicher
Weise einen kugel- oder scheibenförmigen oder sonstigen Tastkopf 40 trägt.
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Bei den in 1 bis 10 dargestellten
Messtastern M ist jeweils am distalen Ende des Ansatres 14,
innerhalb des proximalen Gehäuseteils 12,
ein bezüglich
der zentralen Achse Z konzentrischer kreisringförmiger Federsitz 42 ausgebildet,
und diesem steht ein ebenfalls kreisringförmiger Federsitz 44 gegenüber, der
an der proximalen Seite des Tragkörpers 26 konzentrisch
zu dessen Längsachse
T ausgebildet ist. Zwischen diesen beiden Federsitzen 42 und 44 ist
eine in den Beispielen gemäß 1 bis 10 kegelstumpfförmig gewendelte Schraubenfeder 46 eingespannt,
die ständig
bestrebt ist, den Tragkörper 26 in
seiner Ruhelage zu halten.
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Der Ansatz 14 des proximalen
Gehäuseteils 14 hat
eine vom Inneren des Gehäuses 10 ausgehende
axiale, also zur zentralen Achse Z konzentrische Bohrung 48,
in die radial ein Sensor 50, und diesem diametral gegenüber, ein
Emitter 52 hineinragen. In den dargestellten Beispielen
ist der Emitter 52 eine Lichtquelle, die zusammen mit dem
Sensor 50 eine Miniaturlichtschranke mit analogem Ausgangssignal
bildet.
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Jegliche Auslenkung des Tastkopfes 40,
und somit auch der Taststiftaufnahme 36, aus ihrer Ruhelage
wird dem Sensor 50 durch ein Übertragungsglied 54 mitgeteilt,
das ein schlanker, gerader Biegestab ist und vorzugsweise aus gezogenem
Federstahldraht von kreisförmigem
Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,2 mm besteht. Für Messtaster
normaler Größe hat sich
vor allem ein Federstahldraht von 0,8 mm Durchmesser bewährt; für besonders
kleine Messtaster kommt aber auch Federstahldraht erheblich kleineren
Durchmessers von beispielsweise 0,2 mm in Frage.
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Das Übertragungsglied 54 erstreckt
sich in Ruhelage geradlinig längs
der zentralen Achse Z des Messtasters M; sein distales Ende 56 ist
zentral an der Taststiftaufnahme 36 befestigt, gleichgültig, ob diese
gemäß 1 bis 8 mit dem Tragkörper 26 einstückig ausgebildet
oder mit ihm fest verbunden ist oder ob die Taststiftaufnahme 36 gemäß 9 bis 14 gegenüber dem Tragkörper 26 entlang
dessen Längsachse
T verschiebbar ist. Nahe seinem proximalen Ende 58 ist
das Übertragungsglied 54 in
einer Führungsbuchse 60 geführt, die
in die axiale Bohrung 48 des Ansatzes 14 eingepresst
oder auf andere Weise in dieser Bohrung befestigt ist. Die Führungsbuchse 60 kann
aus gegenüber
dem Material des Übertragungsgliedes 54 – gezogenem
Federstahldraht – reibungsarmem
Werkstoff, wie z.B. Polyamid oder Sinterbronze bestehen. Besonders
bewährt
hat sich jedoch eine Alternative, bei der die Führungsbuchse 60 eine
handelsübliche
gehärtete
Bohrbuchse mit geschliffener Bohrung ist. In diesem Fall ist das Übertragungsglied 54 in
dem an sein proximales Ende 58 angrenzenden Abschnitt mit
reibungsminderndem Material beschichtet.
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In Ruhelage ragt das proximale Ende 58 des Übertragungsgliedes 54 über das
proximale Ende der Führungsbuchse 60 hinaus
und reicht bis in die Mitte des vom Emitter 52 in Richtung
zum Sensor 50 ausgesandten Lichtstrahls. Bei der bevorzugten
Ausgestaltung des Sensors 50 und Emitters 52 als
Miniaturlichtschranke mit analogem Ausgangssignal ergibt sich die
Möglichkeit,
in einer Folgeelektronik beliebige Triggerschwellen zu setren und
so selbst bei sehr kleiner Auslenkung des Übertragungsgliedes 54 ein
wiederholtreues Schaltsignal auszulösen.
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In 1 und 2 ist das allgemeine Prinzip
der Verwendung eines schlanken Biegestabes als Übertragungsglied 54 dargestellt.
Das Übertragungsglied 54 ist
hier ein Federstahldraht, dessen zum Biegen nutzbare Länge mit
dem Abstand zwischen dem distalen, in den Zeichnungen also unteren
Ende der Führungsbuchse 60 und
der proximalen, also oberen Stirnfläche des Tragkörpers 26 übereinstimmt.
Um zu verhindern, dass das Übertragungsglied 54 bei
starken radialen Auslenkungen des Tastkopfes 40, und somit
bei starkem Kippen des Tragkörpers 26, übermäßig hohen
Biegespannungen ausgesetzt wird, muss das Gehäuse 10 gemäß 1 und 2 im Vergleich zu den in den weiteren
Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen
verhältnismäßig lang sein,
und es besteht die Möglichkeit,
dass das Übertragungsglied 54 sich
in nicht ganz genau definierbarer Weise S-förmig krümmt, wodurch kleine, wenn auch
in den meisten Fällen
unerhebliche Messungenauigkeiten auftreten können.
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Um auch bei einem Messtaster mit
nicht besonders langem Gehäuse 10 Raum
für einen
ausreichend langen Biegestab, z.B. in Form eines Federstahldrahtes,
zu gewinnen und um dessen in 2 dargestellte
S-förmige
Biegung auch bei starken radialen Auslenkungen des Tastkopfes 40 zu
vermeiden, ist bei allen folgenden Ausführungsbeispielen, also gemäß 3 bis 14, die Taststiftaufnahme 36 als
Hohlkörper,
nämlich
gemäß den Zeichnungen
als Hohlkegel, gestaltet, und das distale Ende 56 des Übertragungsgliedes 54 ist,
vom Sensor 50 und von der Führungsbuchse 60 aus
betrachtet, weit jenseits der Lagerebene X, Y an der Taststiftaufnahme 36 befestigt.
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Der in 3 bis 7 dargestellte Messtaster
M eignet sich – wie übrigens
auch der in 1 und 2 dargestellte – auch für drückende Messungen
in Richtung der zentralen Achse Z; dies ist in 7 dargestellt. Dabei wird der Tragkörper 26 insgesamt
angehoben; das an ihm ausgebildete Gegenlager 28 verliert
also jeglichen Kontakt mit dem am distalen Gehäuseteil 16 ausgebildeten
Stützlager 20.
Die in 7 dargestellte
Messrichtung wird als "–Z"
bezeichnet; die Messwerte erhalten also ein negatives Vorzeichen.
Messungen in entgegengesetzter Richtung, mit sogenannter ziehender
Messrichtung "+Z" sind mit dem in 3 bis 7 dargestellten Messtaster M
ebenso wenig möglich
wie mit dem in 1 und 2 oder auch dem in 8 dargestellten Messtaster.
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Der Messtaster gemäß 8 unterscheidet sich von
dem in 3 bis 7 dargestellten dadurch, dass
das am distalen Gehäuseteil 16 ausgebildete ringförmige Stützlager 20 und
das am Tragkörper 26 ausgebildete
ringförmige
Gegenlager 28 von je einer Planverzahnung gebildet sind.
Dadurch ist der Tragkörper 26 in
seiner Ruhelage sowie bei allen radialen Auslenkungen des von ihm
getragenen Tastkopfes 40 daran gehindert, sich um seine
Längsachse
T zu drehen. Eine der beiden miteinander zusammenwirkenden Verzahnungen
kann bogenförmig
abgerundet sein, damit die Verzahnungen sich beim Kippen des Tragkörpers 26 gemäß 8 aneinander abwälzen können.
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Die den bisher beschriebenen Messtastern fehlende
Eignung für
ziehende Messungen ist bei den in 9 bis 14 dargestellten Messtastern
gegeben. Ihnen ist das weiterbildende Merkmal gemeinsam, dass die
Taststiftaufnahme 36 gegenüber dem Tragkörper 26 in
Richtung von dessen Längsachse
T verschiebbar ist. Zu diesem Zweck ist im Tragkörper 26 eine zentrale,
zylindrische Führung 62 ausgebildet,
in der eine entsprechend zylindrische Außenfläche der Taststiftaufnahme 36 nahezu
spielfrei geführt ist.
Die mögliche
Relativbewegung der Taststiftaufnahme 36 gegenüber dem
Tragkörper 26 ist
bei beiden in 9 und 10 einerseits sowie in 11 bis 14 andererseits dargestellten Messtastern
durch zwei an der Taststiftaufnahme 36 angeordnete ringförmige Anschläge begrenzt,
nämlich
einen proximalen Anschlag 64 und einen distalen Anschlag 66.
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Bei dem in 9 und 10 dargestellten
Messtaster M ist zwischen dem Tragkörper 26 und dem proximalen
Anschlag 64 an der Taststiftaufnahme 36 eine wendelförmige Druckfeder 68 eingespannt,
die ständig
bestrebt ist, die Taststiftaufnahme 36 gemäß 9 in einer Nullstellung
in bezug auf den Tragkörper 26 zu
halten. Bei einer ziehenden Messung, wie sie in 10 dargestellt ist, bewegt sich die Taststiftaufnahme 36 gegen
den Widerstand der Druckfeder 68 in bezug auf den Tragkörper 26 in
distaler Richtung, gemäß 10 also nach unten. Gleiches
geschieht mit dem Übertragungsglied 54,
sodass dessen distales Ende 56 sich von der Lichtschranke 50, 52 entfernt
und diese ein entsprechendes Signal abgibt, das von einer Auswertschaltung
als Messung in Richtung "+Z" gewertet wird. Messungen in Richtungen
"–Z" lassen
sich mit dem in 9 und 10 ausgebildeten Messtaster
in entsprechender Weise ausführen
wie in 7 dargestellt.
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Der Messtaster M gemäß 11 bis 14 unterscheidet sich von dem in 9 und 10 dargestellten im wesentlichen dadurch,
dass das ringförmige Stützlager 20 – hier wiederum
in Form einer einfachen Ringrille – an der distalen Seite eines
Gehäuseflansches 70 ausgebildet
ist, der in diesem Fall Bestandteil des proximalen Gehäuseteils 12 ist.
Der Tragkörper 26 ist
dementsprechend in einem Raum zwischen diesem Gehäuseflansch 70 und
einem Gehäuseboden 72 angeordnet,
und das ringförmige
Gegenlager 28 ist an der proximalen Seite des Tragkörpers ausgebildet.
Anstelle der bei den Ausführungsformen
gemäß 1 bis 10 vorgesehenen einzigen zentralen Feder 46,
die das Gegenlager 28 in Richtung zum Stützlager 20 hin
vorspannt, sind bei dem Messtaster gemäß 11 bis 14 mehrere
funktionell entsprechende Federn 46, dargestellt sind wendelförmige Zugfedern,
in gleichen radialen Abständen von
der zentralen Achse Z und in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet.
Schließlich
unterscheidet sich der Messtaster M gemäß 11 bis 14 von
dem in 9 und 10 dargestellten dadurch,
dass die Taststiftaufnahme 36 durch die Feder 68 in
distaler Richtung vorgespannt ist.
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Bei allen dargestellten Messtastern
ist der Übersichtlichkeit
halber eine Faltenbalganordnung weggelassen worden, die in bei Messtastern
allgemein üblicher
Weise die Taststiftaufnahme 36 mit dem distalen Gehäuseteil 16 abdichtend
verbindet. Eine solche Anordnung ist vorzugsweise aus zwei Faltenbalgen
zusammengesetzt, einem äußeren, der im
Falle einer Beschädigung
vom Benutzer leicht ausgewechselt werden kann, und einem inneren,
der normalerweise nur vom Hersteller des Messtasters montiert wird
und meist die gleiche Lebensdauer hat wie der Messtaster insgesamt.