DE4205759C2 - Düse zur Bearbeitung von Nichtmetallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse zur Bearbeitung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Düse ist bereits aus der JP 2-75 484 A in "Patent abstracts of Japan", 1980, Vol. 14/No. 262, Sec. M-981, bekannt. Diese bekannte Düse enthält einen Düsenkörper und eine an der Spitze des Düsenkörpers angeordnete Zentralelektrode, die in einer senkrecht zur Längsachse des Düsenkörpers liegende Ebene von wenigstens zwei gegenüber der Zentralelektrode und gegeneinander elektrisch isolierten, äußeren Elektroden umgeben ist.

Aus der genannten Druckschrift ist es darüber hinaus bekannt, daß die äußeren Elektroden die Zentralelektrode konzentrisch umgeben und die freien stirnseitigen Flächen von Zentralelektrode und äußeren Elektroden in einer Ebene liegen.

Ferner ist es aus der JP 3-66 66 489 A in "Patent abstracts of Japan", 1991, Vol. 15/No. 222. Sec. M-1121, bekannt, eine Zentralelektrode in die freie Stirnseite eines Trägerkörpers einzusetzen, der eine äußere Elektrode bildet. Der Trägerkörper kann dabei an seiner freien Stirnseite eine Umfangsstufe zur Aufnahme wenigstens einer anderen der äußeren Elektrode besitzen.

Aus der JP 3-42 190 A in "Patent abstracts of Japan", 1991, Vol. 15/No. 178, Sec. M-1110, ist es bekannt, im Trägerkörper Kanäle zur Leitungsverbindung mit der Zentralelektrode oder einer äußeren Elektrode vorzusehen. Dabei kann die Zentralelektrode durch die Spitze eines metallischen Düsenkörpers gebildet sein.

Nicht zuletzt ist es vom "Sensorsystem Lasermatic", Anzeige der Fa. Weidmüller in: "Industrie-Anzeiger", 1990, S. 79, bekannt, den Trägerkörper mit einem äußeren Umfangsflansch vorzusehen, über den er mittels eines Überwurfelements gegen den Düsenkörper ziehbar ist.

Wird die Düse fest mit einem Werkzeug verbunden, so ist es möglich, das Werkzeug relativ zum Werkstück zu positionieren, um das Werkstück in geeigneter Weise bearbeiten zu können. Die Positionierung erfolgt über eine Regeleinrichtung, die den gemessenen Abstand zwischen Zentralelektrode und Werkstück als Ist-Wert empfängt und die Lage der Düse in Abhängigkeit eines Vergleichs des Ist-Werts mit einem vorgegebenen Soll-Wert steuert.

Der Abstand zwischen der Zentralelektrode und dem Werkstück wird auf kapazitivem Wege gemessen, wozu eine Meßspannung an die Zentralelektrode angelegt wird, die gegenüber dem Düsenkörper elektrisch isoliert ist.

Das Werkzeug kann zum Beispiel eine Laserschneideinheit zur Erzeugung eines Laserstrahls sein, mit dem sich das Werkstück zerschneidet oder in sonstiger Weise behandeln läßt.

Mit Hilfe der Laserschneidtechnik lassen sich sowohl Werkstücke aus Metall als auch aus Nichtmetall bearbeiten. Bei einem nichtmetallischen Werkstück kann diese jedoch als Gegenelektrode zur kapazitiven Abstandsmessung zwischen ihm und der Zentralelektrode nicht herangezogen werden. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, für den Fall der Bearbeitung eines nichtmetallischen Werkstückes einen taktilen Zusatz vorzusehen, der an der Düse oder am Werkzeug angebracht ist und mit diesen Baueinheiten mitbewegt wird. Dieser taktile Zusatz, beispielsweise ein aus Metall bestehender Ring, wird ständig gegen die Oberfläche des nichtmetallischen Werkstückes gedrückt und kommt unterhalb der Zentralelektrode der Düse zu liegen, so daß sich die Abstandsänderung zwischen ihm und der Düse bei einer Änderung des Oberflächenverlaufs des nichtmetallischen Werkstückes wiederum auf kapazitivem Wege messen lassen.

Es besteht allerdings die Gefahr, daß insbesondere empfindliche Werkstoffoberflächen durch den taktilen Zusatz zerkratzt werden. Darüber hinaus können sich durch den Schleifvorgang Rückstände an der Werkstückoberfläche ansammeln, die sich nachteilig auf den Laserschneidprozeß auswirken. Der taktile Zusatz muß außerdem mechanisch justiert werden, was relativ zeitaufwendig ist. Er ist außerdem sehr empfindlich gegen seitliche mechanische Belastungen, so daß er leicht beschädigt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Düse der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie sich zur Bearbeitung eines nichtmetallischen Werkstücks eignet.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im gekennzeichneten Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Werden die Zentralelektrode und die äußeren Elektroden mit geeigneten Potentialen beaufschlagt, zum Beispiel derart, daß Feldlinien von der Zentralelektrode zu einer übernächsten der äußeren Elektroden verlaufen, so wird dieser Feldlinienverlauf bei Annäherung der Düse an das nichtmetallische Werkstück durch dieses Werkstück verändert, was eine entsprechende Änderung der Kapazität zwischen der Zentralelektrode und der genannten äußeren Elektrode zur Folge hat. Diese Kapazitätsänderung kann dann in herkömmlicher Weise meßtechnisch erfaßt werden, um Rückschlüsse auf den Abstand zwischen der Zentralelektrode und dem Werkstück zu ziehen. An eine zwischen der genannten äußeren Elektrode und der Zentralelektrode liegende Elektrode wird ein Schirmpotential angelegt, um einem möglichst ausgedehnten Feldlinienverlauf zwischen der Zentralelektrode und der äußeren übernächsten Elektrode zu erhalten. Letztere kann wiederum von einer Schirmelektrode zur Feldbeeinflussung umgeben sein.

Die gesamte Elektrodenanordnung kann relativ kompakt aufgebaut sein, so daß sie unempfindlich gegenüber mechanischen Belastungen ist. Die Kapazitätsmessung erfolgt berührungslos, so daß auch die Werkstoffoberfläche nicht zerkratzt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umgeben die äußeren Elektroden die Zentralelektrode konzentrisch. Die Zentralelektrode ist radial-symmetrisch ausgebildet und weist einen zentralen Kanal auf, durch den der Laserstrahl hindurchtritt. Durch die konzentrisch angeordneten äußeren Elektroden wird somit ein radial-symmetrisches Ansprechvermögen des Sensors erhalten. Dabei liegen vorzugsweise die freien stirnseitigen Flächen von der Zentralelektrode und den äußeren Elektroden in einer Ebene.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zentralelektrode in die freie Stirnseite eines Trägerkörpers eingesetzt, der eine der äußeren Elektroden bildet.

Über diesen Trägerkörper wird die Zentralelektrode am Düsenkörper befestigt, wobei der Trägerkörper selbst einen zentralen Hohlkanal aufweist, der zum Beispiel konisch ausgebildet ist, und durch den ebenfalls der Laserstrahl hindurchtritt. Der Trägerkörper besteht aus elektrisch leitendem Material und ist zumindest gegenüber der Zentralelektrode und der oder den äußeren Elektroden bzw. Ringelektroden elektrisch isoliert. Er empfängt das Schirmpotential und kann darüber hinaus leitend mit dem Düsenkörper verbunden sein. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Schirmung im rückwärtigen Bereich der Zentralelektrode erhalten, so daß dort keine parasitären Kapazitäten zwischen Zentralelektrode und äußeren Elektroden auftreten können.

Vorzugsweise weist der Trägerkörper an seiner freien Stirnseite eine Umfangsstufe zur Aufnahme wenigstens einer äußeren bzw. Ringelektrode auf. Die äußere bzw. Ringelektrode läßt sich somit in Axialrichtung auf den Trägerkörper aufsetzen, und zwar soweit, bis die beiderseitigen Stirnflächen fluchten. Auf diese Weise wird eine besonders kompakte Elektrodenanordnung erhalten.

Um die Zentralelektrode gegenüber dem Trägerkörper und diesen gegenüber den äußeren Elektroden elektrisch zu isolieren, sind zumindest in den jeweiligen Berührungsbereichen elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtungen vorhanden. Eine derartige Oberflächenbeschichtung kann z. B. auf den Trägerkörper aufgebracht sein. Die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung kann zum Beispiel eine Keramikschicht oder eine Eloxalschicht sein, wenn das beschichtete Bauteil aus entsprechendem Material besteht. Sie kann aber auch eine Plasma-CVD-Beschichtung sein, hergestellt durch ein Plasma-Chemical-Vapor-Deposition-Verfahren. Der Trägerkörper läßt sich darüber hinaus auch in anderen Bereichen als den genannten Berührungsbereichen mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung versehen, die jedoch nicht im Berührungsbereich mit dem Düsenkörper vorhanden sein sollte, da in diesem Bereich das Schirmpotential vom Düsenkörper auf den Trägerkörper übertragen wird. Die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung kann auch eine Teflonbeschichtung sein.

Ferner können auch die Zentralelektrode und die äußeren Elektroden Beschichtungen der genannten Art tragen, Kurzschlüsse zwischen den auf unterschiedlichen Potentialen befindlichen Bauteilen zu verhindern, wenn versehentlich elektrisch leitende Materialien mit dem Sensor in Berührung kommen. Beispielsweise können die Elektroden (Zentralelektrode, äußere Elektroden) jeweils vollständig von elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtungen umhüllt sein. Somit wird auch die Stirnfläche dieser Elektroden geschützt.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind im Trägerkörper z. B. Kanäle zur Leitungsverbindung mit der Zentralelektrode vorhanden. Die Zentralelektrode kann fest im Trägerkörper eingesetzt und mit Leitungen verbunden sein, die durch die genannten Kanäle hindurchgeführt werden. Grundsätzlich würde es genügen, eine Leitung vorzusehen. Auch die Leitungen sind gegenüber dem Trägerkörper elektrisch isoliert, um einen Kurzschluß zwischen ihnen und dem Trägerkörper zu vermeiden. Die an der rückseitigen Stirnfläche des Trägerkörpers erscheinenden Leitungsenden sind zu Kontaktflächen erweitert, die von federnden und am Düsenkörper befestigten Kontakten beaufschlagt werden, wenn der Trägerkörper an den Düsenkörper angesetzt wird. Der Trägerkörper kann dabei einen äußeren Umfangsflansch aufweisen, über den er mittels eines Überwurfelementes, beispielsweise mittels einer Überwurfmutter, gegen den Düsenkörper gezogen wird. Derartige Leitungskanäle können im Trägerkörper auch für eine Leitungsverbindung mit anderen bzw. äußeren Elektroden verbunden sein.

Es ist somit möglich, an den Düsenkörper unterschiedliche und von Trägerkörpern gehaltene Elektrodenanordnungen anzusetzen. Soll statt eines nichtmetallischen Werkstückes ein metallisches Werkstück bearbeitet werden, so kann in einfacher Weise eine Umrüstung der Düse erfolgen, indem der Trägerkörper gegen einen anderen ausgetauscht wird, der dann mit einer modifizierten Elektrodenanordnung versehen ist. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen solchen handeln, wie in der Deutschen Patentanmeldung P 42 01 640 beschrieben. Mit anderen Worten lassen sich standardisierte Düsenkörper mit unterschiedlichen Trägerkörper/Elektroden-Kombinationen verbinden, was zu einem wirtschaftlicheren Einsatz der Düsen führt.

Für den Fall, daß die Zentralelektrode nur von zwei äußeren Elektroden umgeben ist, kann die äußerste dieser Elektroden mit einer radialen Gewindebohrung versehen sein, in die eine Schraube zur Befestigung einer Leitung hineingeschraubt werden kann, um ein gewünschtes Potential an diese Elektrode anlegen zu können. Es ist aber auch denkbar, das Potential für diese Elektrode mit einem federnden Kontaktbügel zu übertragen, der einerseits in geeigneter Weise am Düsenkörper federnd gehalten ist und andererseits mit seinem freien Ende z. B. gegen den äußeren Rand der äußeren Elektrode drückt. Beim Befestigen des Trägerkörpers am Düsenkörper kommt dann dieser Kontaktbügel automatisch mit der genannten äußersten Elektrode in Kontakt, die ihrerseits im Spitzenbereich des Trägerkörpers positioniert ist. Der mit den Elektroden versehene Trägerkörper kann daher in einfacher Weise am Düsenkörper montiert werden. Das Potential für die genannte äußere Elektrode kann aber auch über eine Leitung übertragen werden, die ebenfalls in einem im Trägerkörper vorhandenen Kanal hindurchgeführt ist.

Nach einer sehr vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die gegeneinander elektrisch isolierten, äußeren Elektroden als gemeinsames Bauteil auf die Zentralelektrode aufsetzbar. Als äußere Elektroden kommen z. B. zwei oder drei konzentrisch zueinander angeordnete Ringelektroden zum Einsatz, die fest miteinander verbunden sind. Wird dieses Bauteil auf bereits bestehende Sensoren für Metalle aufgesetzt, so lassen sich diese Sensoren in einfachster Weise für die Verwendung bei Nichtmetallen umrüsten.

Auch normale und ohne Sensor versehene Schneidköpfe lassen sich für den jeweils verschiedenen Zweck in einfacher Weise umrüsten. Beispielsweise kann auf die Spitze eines metallischen Düsenkörpers, der zum Schneiden verwendet wird, das oben genannte, gemeinsame Bauteil aufgesetzt werden, wobei dann die Spitze des metallischen Düsenkörpers als Zentralelektrode betrachtet werden kann. Liegt der metallische Düsenkörper bereits auf Masse bzw. Erdpotential, so können die erforderlichen Meß- und Schirmpotentiale durch das gemeinsame Bauteil zur Verfügung gestellt werden.

Allgemein erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Sensor eine Kapazitätsmessung zwischen der Zentralelektrode und einer der äußeren Elektroden, die nicht benachbart zur Zentralelektrode liegt. Zwischen dieser äußeren Elektrode und der Zentralelektrode kann sich eine weitere Elektrode befinden, die als Schirmelektrode verwendet wird. Auch die genannte äußere Elektrode kann von einer weiteren Schirmelektrode im Außenbereich umgeben sein.

Die Schirmelektroden dienen dazu, den zur Kapazitätsmessung gebildeten Feldlinienverlauf in gewünschter Weise zu formen bzw. zu fokussieren. Hierzu kann an die Schirmelektroden aktives Schirmpotential angelegt werden, das dadurch erhalten wird, daß für die Kapazitätsmessung vorgesehene Meßsignal über einen Verstärker mit einem gewünschten Verstärkungsgrad auch diesen Schirmelektroden zugeführt wird. Der Verstärkungsgrad kann z. B. 1 oder <1 sein.

Bei der Düse nach der Erfindung werden bei einer aus der Zentralelektrode und einer übernächsten der äußeren Elektroden (Gegenelektrode) bestehenden Gruppe eine dieser Elektroden mit dem Meßsignal (Meßpotential) und der andere mit dem phasenverschobenen Meßsignal versorgt. Die Phasenverschiebung kann in gewünschter Weise eingestellt werden und z. B. 180° betragen. Das phasenverschobene Meßsignal wird dadurch erhalten, daß das eigentliche Meßsignal über eine Inverterschaltung geführt wird. Selbstverständlich können die an Zentralelektrode und Gegenelektrode anliegenden Signal bzw. Potentiale auch vertauscht werden.

Der Vorteil eines an die Gegenelektrode angelegten und gegenüber dem Meßsignal phasenverschobenen oder invertierten Meßsignals liegt darin, daß sich der Einfluß von Metallen, die sich in der Nähe des Schneidguts oder unter dem Schneidgut befinden, deutlich verkleinern läßt. Der Mehraufwand für z. B. einen invertierenden Verstärker (Phasenverschiebung von 180°) kann daher ohne weiteres in Kauf genommen werden.

Der Grund für die Verringerung des Einflusses von Metallen auf das Meßergebnis ist darin zu sehen, daß die Differenz zwischen dem Meßsignal und dem phasenverschobenen bzw. invertierten Meßsignal größer ist als die Differenz zwischen dem Meßsignal und Masse.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Düse nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen Trägerkörper mit eingesetztem Düsenelement,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine äußere Ringelektrode,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine Düse nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine Düse nach einem dritten Ausführungsbeispiel und

Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine Düse nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Düse im Axialschnitt. Die Düse 1 besteht aus einem Düsenkörper 2 und einer lösbar mit ihm verbundenen Trägerkörper/Elektroden-Kombination 3.

Der Düsenkörper 2 besteht im wesentlichen aus einem konisch verlaufenden Düsenteil 4, das aus elektrisch leitendem Material hergestellt ist, beispielsweise aus Stahl. Am äußeren Umfang des dickeren Endes des Düsenteils 4 befindet sich eine Befestigungshülse 5, die außen zylindrisch ausgebildet ist und ein Außengewinde 6 trägt. Das Düsenteil 4 und die Befestigungshülse 5 sind fest miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verklebt, so daß die gesamte Düse 1 mit dem Außengewinde 6 in eine passende Öffnung einer nicht dargestellten Halteplatte eingesetzt werden kann. Dabei schlägt ein Anschlag 7 der Befestigungshülse 5 von unten gegen den Rand dieser Öffnung. Auf das Außengewinde 6 ist ein Schraubring 8 aufschraubbar, so daß die Halteplatte zwischen dem Anschlag 7 und dem Schraubring 8 eingeklemmt und damit die Düse 1 an der Halteplatte befestigt werden kann. Die Befestigungshülse 5 kann beispielsweise aus elektrisch isolierendem Material bestehen, so daß das Düsenteil 4 gegenüber der Halteplatte elektrisch isoliert ist.

Am spitzen Ende des Düsenteils 4 befindet sich umfangsseitig ein ringförmiger Kanal 9, der zur Aufnahme elektrischer Leitungen dient. In einer Außenwandung 10 des ringförmigen Kanals 9 ist eine nicht dargestellte Koaxialsteckerbuchse eingesetzt, die außen mit einem Koaxialkabel verbindbar ist. Der ringförmige Kanal 9 besteht ebenfalls aus elektrisch leitendem Material, wobei ein Schirmleiteranschluß der Koaxialsteckerbuchse direkt mit der Außenwandung 10 in elektrischem Kontakt steht. Auf diese Weise wird ein Schirmpotential an den ringförmigen Kanal 9 und über diesen an das Düsenteil 4 gelegt. Das Düsenteil 4 und der ringförmige Kanal 9 stehen beispielsweise über ein Außengewinde 11 des Düsenteils 4 in elektrisch leitender Verbindung, auf das der ringförmige Kanal 9 aufgeschraubt ist.

In eine Bodenfläche 12 des ringförmigen Kanals 9 sind Kontakte 13 und 14 schräg nach unten und zur Spitze der Düse 1 weisend eingelassen. Die Kontakte 13 und 14 sind gegenüber dem ringförmigen Kanal 9 bzw. der Bodenfläche 12 elektrisch isoliert, und zwar über Isolierhülsen 15 und 16, in denen die Kontakte 13 und 14 zu liegen kommen. Die Kontakte 13 und 14 weisen an ihrer der Düsenspitze zugewandten Stirnfläche jeweils ein federndes Kontaktelement 17, 18 auf, das in Axialrichtung der Kontakte 13 und 14 verschiebbar ist. Mit den Stirnseiten der Kontakte 13 und 14, die zum ringförmigen Kanal 9 weisen, sind elektrische Leitungen 19 und 20 verbunden, die im vorliegenden Fall mit dem Signalleitungsanschluß der Koaxialsteckerbuchse verbunden sind. Eine von außen zu diesem Signalleitungsanschluß übertragene Meßspannung wird somit über die Leitungen 19 und 20 und die Kontakte 13 und 14 zu den federnden Kontaktelementen 17 und 18 übertragen.

Wie bereits erwähnt, befindet sich an der Spitze des Düsenkörpers 2 die Trägerkörper/Elektroden-Kombination 3. Zu dieser Trägerkörper/Elektroden-Kombination 3 gehört ein Trägerkörper 21, der aus elektrisch leitendem Material besteht. Der Trägerkörper 21 ist außen zylindrisch ausgebildet und weist einen zentralen Durchgangskanal 22 auf, der an der Seite des Düsenkörpers 2 zylindrisch ist und sich zur anderen Seite hin konisch verjüngt. Der Trägerkörper 21 wird so auf den Düsenkörper 2 aufgesetzt, daß ein spitzenseitiger Ansatz 23 des Düsenkörpers 2 bzw. des Düsenteils 4 in den zylindrischen Teil des zentralen Durchgangskanals 22 hineinragt. Der Ansatz 23 ist außen ebenfalls zylindrisch und greift passend in den zylindrischen Teil des Durchgangskanals 22 hinein.

Um den Trägerkörper 21 gegen den Düsenkörper 2 bzw. das Düsenteil 4 zu ziehen, ist am äußeren Umfangsrand des Trägerkörpers 21 ein umlaufender Flansch 24 vorgesehen, und zwar an der zum Düsenteil 4 weisenden Stirnseite. Über diesen umlaufenden Flansch 24 greift eine Überwurfmutter 27, die mit ihrem Innengewinde auf ein entsprechendes Außengewinde 26 des Düsenkörpers 2 aufgeschraubt wird. Beim Festziehen der Überwurfmutter 25 zieht diese den Trägerkörper 21 gegen den Düsenkörper 2, wodurch beide Bauteile fest miteinander verbunden werden.

In die freie Stirnseite 21a des außen zylindrisch ausgebildeten Trägerkörpers 21 ist mittig eine Zentralelektrode 27 eingesetzt. Die Zentralelektrode 27 ist außen zylindrisch und weist einen zentralen Durchgangskanal 28 auf, durch den der zentrale Durchgangskanal 22 zur Spitze der Düse hin sich konisch verjüngend fortgesetzt wird. Die Zentralelektrode 27 ist so weit in den Trägerkörper 21 eingesetzt, daß ihre freie Oberfläche mit der freien Stirnfläche 21a des Trägerkörpers 21 fluchtet.

Die Zentralelektrode 27 besteht aus elektrisch leitendem Material, zum Beispiel aus Kupfer, und ist gegenüber dem Trägerkörper 21 elektrisch isoliert. Hierzu kann im Berührungsbereich zwischen beiden Elementen eine dünne, elektrisch isolierende Schicht vorhanden sein, beispielsweise eine Oberflächenbeschichtung auf einem dieser Elemente. Besteht der Trägerkörper 21 aus Aluminium, so kann die elektrisch isolierende Schicht eine auf seiner Oberfläche vorhandene Eloxalschicht sein. Um einen festen Halt der Zentralelektrode 27 im Trägerkörper 21 zu gewährleisten, können beide Bauteile zum Beispiel miteinander verklebt sein.

Um die Zentralelektrode 27 mit einer Meßspannung beaufschlagen zu können, ist diese mit Leitungen 29 und 30 verbunden, die durch Kanäle 31 und 32 hindurchlaufen, welche sich im Trägerkörper 21 befinden. Die Leitungen 29 und 30 sind elektrisch isoliert, damit zwischen ihnen und dem Trägerkörper 21 kein Kurzschluß auftreten kann. Die freien Enden der Leitungen 29 und 30 sind zu Kontaktflächen erweitert, die in der dem Düsenkörper 2 zugewandten Stirnseite des Trägerkörpers 21 liegen. Diese Kontaktflächen können zum Beispiel Metallscheiben 33 und 34 sein, mit denen die Leitungen 29 und 30 jeweils mechanisch fest und leitend verbunden sind.

Die Metallscheiben 33 und 34 sind gegenüber dem Trägerkörper 21 elektrisch isoliert, wobei zwischen den jeweiligen Bauteilen wiederum eine elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung, zum Beispiel auf dem Trägerkörper 21, zu liegen kommt. Die Position der Metallscheiben 33 und 34 ist so gewählt, daß sie im Bereich der federnden Kontaktelemente 17 und 18 zu liegen kommen, wenn der Trägerkörper 21 mit Hilfe der Überwurfmutter 25 fest gegen den Düsenkörper 2 gezogen ist. In diesem Fall drücken die federnden Kontaktelemente 17 und 18 gegen die Metallscheiben 33 und 34 stellen somit eine einwandfrei leitende Verbindung zur Zentralelektrode 27 her.

An der freien Stirnseite 21a des Trägerkörpers 21 ist ferner in randseitigen Bereich eine umlaufende Stufe 35 vorgesehen, die zur Aufnahme einer ringförmigen Elektrode 36 dient. Die ringförmige Elektrode 36 weist beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt auf sowie solche axialen und radialen Abmessungen, daß sie einerseits mit der Umfangswand des Trägerkörpers 21 und andererseits mit dessen freier Stirnfläche 21a fluchtet.

Die ringförmige Elektrode 36 ist gegenüber dem Trägerkörper 21 ebenfalls elektrisch isoliert, wobei zwischen beiden Bauteilen eine elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung vorhanden ist, beispielsweise auf dem Trägerkörper 21. Die Oberflächenbeschichtung kann aber auch auf der gesamten Oberfläche der ringförmigen Elektrode 36 vorhanden sein, um sie auch nach außen hin zu isolieren. Ringförmige Elektrode 36 und Trägerkörper 21 sind vorzugsweise miteinander verklebt, und zwar mit Hilfe eines hitzebeständigen Klebstoffes, wie er auch für die Verklebung der Zentralelektrode 27 verwendet wird. Um ein geeignetes Potential an die ringförmige Elektrode 36 anlegen zu können, ist diese mit einer radialen Gewindebohrung 37 versehen. In sie kann eine Schraube hineingeschraubt werden, um eine nicht dargestellte Leitung an der ringförmigen Elektrode 36 zu befestigen.

Wie der Beschreibung zu entnehmen ist, wird an der freien Spitze des Trägerkörpers 21 eine Elektrodenanordnung erhalten, zu der zunächst die Zentralelektrode 27 gehört. Diese Zentralelektrode 27 ist in ihrer senkrecht zur Längsachse A des Düsenkörpers 2 liegenden Ebene von zwei gegenüber der Zentralelektrode 27 und gegeneinander elektrisch isolierten Elektroden umgeben, wobei die der Zentralelektrode 27 benachbarte Elektrode das Bezugszeichen 38 trägt und durch einen verbleibenden Ansatz des Trägerkörpers 21 gebildet ist, der erhalten wird, nachdem in die freie Stirnfläche 21a des Trägerkörpers 21 die Ausnehmungen für die Zentralelektrode 27 und die ringförmige Elektrode 36 eingebracht worden sind. Diese ringförmige Elektrode 36 bildet die zweite der genannten Elektroden.

Der Trägerkörper 21 und damit die Elektrode 38 empfangen Schirmpotential, und zwar über das Düsenteil 4 und den ringförmigen Kanal 9. Sensorpotential gelangt an die Zentralelektrode 27 über die Leitungen 29, 30, die federnden Kontaktelemente 17, 18, die Kontakte 13, 14 und die Leitungen 19, 20. An die Elektrode 36 wird ein gegenüber dem Sensorpotential phasenverschobenes oder invertiertes Potential angelegt, das aus dem Sensorpotential dadurch erhalten wird, daß es über einen phasenverschiebenden oder invertierenden Verstärker ge­ führt wird. Natürlich lassen sich die Potentiale von Zentralelektrode 27 und Elektrode 36 auch vertauschen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils den Trägerkörper 21 und die ringförmige Elektrode 36 in vergrößerter Darstellung. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß Fig. 2 weist der Trägerkörper 21 an seiner dem Düsenkörper 2 zugewandten Stirnseite 21b zwei zylindrische Ausnehmungen 39 und 40 auf, die zur Aufnahme der Metallscheiben 33 und 34 in Fig. 1 dienen. Von diesen zylindrischen Ausnehmungen 39 und 40 gehen die Kanäle 31 und 32 aus und laufen bis zu einer zylindrischen Ausnehmung 41 in der anderen Stirnfläche des Trägerkörpers 21, wobei diese zylindrische Ausnehmung 41 zur passenden Aufnahme der zylindrischen Zentralelektrode 27 dient. Die zylindrische Zentralelektrode 27 kann den Kanälen 31 und 32 gegenüberliegende Sacklochbohrungen 42 und 43 aufweisen, die zur Befestigung von Leitungen dienen, die in Fig. 2 nicht dargestellt sind und durch die Kanäle 31 und 32 hindurchlaufen.

Der in Fig. 2 gezeigte Trägerkörper 21 kann an seiner gesamten Oberfläche eine elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung tragen, beispielsweise eine Eloxalschicht, wenn er aus Aluminium hergestellt ist, eine Keramikschicht, eine Teflonschicht, und dergleichen. Lediglich im zylindrischen Bereich der zentralen Durchgangsöffnung 22 ist diese Isolationsschicht nicht vorgesehen, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Trägerkörper 21 und dem Düsenteil 4 im Bereich des Ansatzes 23 herstellen zu können. Auf diese Weise läßt sich das Schirmpotential über den Trägerkörper 21 zur Elektrode 38 übertragen. Durch die genannte Oberflächenbeschichtung des Trägerkörpers 21 wird andererseits eine Isolation gegenüber den Metallscheiben 33 und 34 sowie gegenüber der Zentralelektrode 27 erhalten.

Wie die Fig. 2 weiter zeigt, weist der Trägerkörper 21 an seiner Stirnfläche 21a im umfangsseitigen Randbereich die Stufe 35 auf, so daß letztlich die Elektrode 38 als zylindrischer Steg vorliegt. Der Außendurchmesser dieser Elektrode 38 entspricht dem Innendurchmesser der ringförmigen Elektrode 36, die auf die Elektrode 38 so weit aufgeschoben wird, bis sie gegen die Stufe 35 schlägt. Die Elektrode 36 kann ebenso wie die Zentralelektrode 27 aus Kupfer bestehen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Düse nach der Erfindung ist in der Fig. 4 gezeigt. Hier ist die Zentralelektrode 27 von drei konzentrischen, äußeren Elektroden 38, 44 und 45 umgeben. Ansonsten entspricht der Aufbau der Düse demjenigen, der bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 1 diskutiert worden ist. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind auch die äußeren Elektroden 44 und 45 gegeneinander elektrisch isoliert, und zwar durch eine entsprechende Oberflächenbeschichtung auf den jeweiligen Elektroden. Diese Elektroden 44 und 45 können z. B. eine Baueinheit bilden und miteinander verklebt sein. Entsprechende Anschlußleitungen 44a und 45a sind vorgesehen, um die Elektroden 44 und 45 mit geeigneten Potentialen zu versorgen.

Eine Potentialbeschaltung dieser Elektroden könnte z. B. so aussehen, daß an die Zentralelektrode 27 das Sensorsignal angelegt wird. An die Elektrode 38 wird ein Schirmsignal angelegt, daß dadurch erhalten wird, daß das Sensorsignal über einen Verstärker mit gewünschtem Verstärkungsgrad geführt wird. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers kann z. B. 1 oder <1 sein. An die Gegenelektrode 44 gelangt invertiertes Schirmpotential. Dies läßt sich dadurch erhalten, daß das Sensorsignal über einen invertierenden Verstärker an die Elektrode 44 gelegt wird. Ferner gelangt an die Elektrode 45 wiederum das Schirmsignal, das gegenüber dem Sensorsignal verstärkt ist, beispielsweise um den Faktor 2. Im vorliegenden Fall erfolgt die Kapazitätsmessung zwischen der Zentralelektrode 27 und der Elektrode 44. Die an diesen Elektroden anliegenden Potentiale können aber auch vertauscht werden.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Hier ist ein metallischer Düsenkörper 46 vorhanden, der beispielsweise aus Kupfer besteht und in seinem Spitzenbereich 47 außen zylindrisch ausgeführt ist. Auf diesen Spitzenbereich 47, der als Zentralelektrode arbeiten kann, wird eine Baueinheit in Axialrichtung der Düse aufgesetzt, die aus zwei oder drei konzentrisch zueinander liegenden, ringförmigen Elektroden 48, 49 bzw. 48, 50 besteht. An die Elektrode 49 wird über eine Leitung 49a ein Meßsignal angelegt werden. Die Elektroden 48 und gegebenenfalls 50 werden dann über Leitungen 48a und 50a mit Schirmpotential beaufschlagt.

Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 näher beschrieben. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals erläutert.

Abweichend von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Düsenteil 4 an seinem oberen bzw. Eintrittsbereich einen horizontalen Flansch 4a auf, der umfangsseitig mit einem Gewinde 4b versehen ist, über das die Düse in eine Halterung (nicht dargestellt) einschraubbar ist. Der Flansch 4a trägt an einer Stelle einen Leitungsverbinder 51, der aus einem Isolationskörper besteht, der in seinem Inneren eine elektrisch leitende Kontaktbrücke aufweist. Das nach oben ragende Ende dieser Kontaktbrücke trägt einen federnden Anschlußkontakt 52, während das nach unten ragende Ende der Kontaktbrücke mit der elektrischen Leitung 19 verbunden ist. Die Isolation dieser Leitungsverbindung gegenüber dem Düsenteil 4 ist somit gewährleistet. Der Anschlußkontakt 52 kommt mit einem Anschluß in Kontakt, wenn der Düsenkörper 2 in die nicht dargestellte Halterung eingesetzt wird.

Wie bereits erwähnt, ist das federnde Kontaktelement 17, das mit der Leitung 19 bzw. dem Anschlußkontakt 52 in leitender Verbindung steht, mit der Leitung 29 verbunden, die jetzt mit der ringförmigen Elektrode 36 in Kontakt steht, um an diese ringförmige Elektrode 36 ein Potential anzulegen, das über den Anschlußkontakt 52 abgegriffen wird. Hierzu wird die elektrische Leitung 29 durch den Kanal 31a im Trägerkörper 21 hindurchgeführt, der jetzt parallel zur Außenwandung des Trägerkörpers 21 bzw. zur Zentralachse A verläuft. Das Meßsignal wird weiterhin über die Leitung 30 der Zentralelektrode 27 zugeführt, wobei die Leitung 30 nach wie vor durch den Kanal 32 verläuft.

Claims (18)

1. Düse zur Bearbeitung eines Werkstücks mit
- einem Düsenkörper (2, 46), und
- einer an der Spitze des Düsenkörpers (2, 46) angeordneten Zentralelektrode (27, 47), die in einer senkrecht zur Längsachse (A) des Düsenkörpers (2, 46) liegenden Ebene von wenigstens zwei gegenüber der Zentralelektrode (27, 47) und gegeneinander elektrisch isolierten, äußeren Elektroden (38, 36; 38, 44, 45; 48, 49, 50) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aus Zentralelektrode (27, 47) und übernächster äußerer Elektrode (36, 44, 45; 49, 50) bestehenden Gruppe an einem Meßpotential und an der anderen ein phasenverschobenes Meßpotential anliegen, und daß an der dazwischenliegenden Elektrode, ein Schirmpotential anliegt.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Elektroden (38, 36; 38, 44, 45; 48, 49, 50) die Zentralelektrode (27, 47) konzentrisch umgeben.

3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien stirnseitigen Flächen von Zentralelektrode (27, 47) und äußeren Elektroden (38, 36; 38, 44, 45; 48, 49, 50) in einer Ebene liegen.

4. Düse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralelektrode (27) in die freie Stirnseite (21a) eines Trägerkörpers (21) eingesetzt ist, der eine (38) der äußeren Elektroden bildet.

5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (21) an seiner freien Stirnseite eine Umfangsstufe (35) zur Aufnahme wenigstens einer anderen (36, 44) der äußeren Elektroden aufweist.

6. Düse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Trägerkörper (21) Kanäle (31, 32, 31a) zur Leitungsverbindung mit der Zentralelektrode (27) oder einer der äußeren Elektroden (36, 44) vorhanden sind.

7. Düse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (21) einen äußeren Umfangsflansch (24) aufweist, über den er mittels eines Überwurfelements (25) gegen den Düsenkörper (2) ziehbar ist.

8. Düse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Düsenkörper (2) federnde Kontakte (17, 18) befestigt sind, die in Kontakt mit in den Kanälen (31, 32) verlaufenden Leitungen (29, 30) kommen, wenn der Trägerkörper (21) gegen den Düsenkörper (2) gezogen wird.

9. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (29, 30) an der Seite der Kontakte (17, 18) zu Kontaktflächen (33, 34) erweitert sind.

10. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinander elektrisch isolierten, äußeren Elektroden (48, 49, 50f) als gemeinsames Bauteil auf die Zentralelektrode (27, 47) aufsetzbar sind.

11. Düse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralelektrode (47) durch die Spitze eines metallischen Düsenkörpers (46) gebildet ist.

12. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die äußeren Elektroden eine elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung tragen.

13. Düse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung eine Keramikschicht ist.

14. Düse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung eine Eloxalschicht ist.

15. Düse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung eine Plasma-CVD-Beschichtung ist.

16. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung 180° beträgt.

17. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an diejenigen der äußeren Elektroden (38, 45, 48, 50), die als Schirmelektroden geschaltet sind, ein aktives und aus dem Meßpotential abgeleitetes Schirmpotential anlegbar ist.

18. Düse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Schirmpotential gegenüber dem Meßpotential verstärkt ist.