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Die
Erfindung betrifft einen Taststift mit einem beweglichen Berührungsteil,
einem festen Teil und mit einen Laser-Rückkoppel-Sensor, aufgebaut mit
Laser, Fokussierlinse und externem Resonatorspiegel.
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Ein
solcher Taststift ist aus
US
5,103,572 insbesondere
5 und
6 nebst zugehöriger Beschreibung
bekannt. Diese Schrift nennt auch weiteren Stand der Technik. Ein
zugrundeliegendes Laserdioden-Selbstrückkoppel-Interferometer nach
13 von
T. Yoshino et al. Applied Optics 26 (1987), 892–897 weist ebenfalls eine Fokussierlinse
im externen Resonator auf. Einheitlich wird davon ausgegangen, daß nur der
Rückkoppelspiegel
bewegt wird. Die Fokussierlinse ist nur ein fakultatives Element, wobei
der Art seiner Befestigung keine Bedeutung beigemessen wird und
von einer starren Verbindung mit dem Laser auszugehen ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Taststift bei gleichbleibendem
Aufwand mit größerer Meßempfindlichkeit
auszustatten.
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Dies
gelingt dadurch, daß der
Laser am festen Teil und die Fokussierlinse am beweglichen Teil befestigt
sind, oder umgekehrt der Laser am beweglichen Berührungsteil
und die Fokussierlinse am festen Teil befestigt sind.
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Die
Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß eine Relativbewegung der
Fokussierlinse gegenüber
dem Laser im Vergleich zu einer gleichgroßen Relativbewegung des Rückkoppelspiegels
gegenüber
dem Laser eine wesentliche stärkere
Veränderung
der Resonatorgüte
bewirkt. Dies ist nicht wesentlich abhängig davon, ob der Rückkoppelspiegel mit
der Fokussierlinse mitbewegt wird, oder ob er starr mit dem Laser
verbunden ist dem Kennzeichen des Hauptanspruchs 1.
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Dabei
kann der Laser alternativ wie beim Stand der Technik am festen Teil
befestigt sein, aber auch genausogut am beweglichen Berührungsteil. Die
Fokussierlinse ist am jeweils anderen Teil befestigt, um die maßgebliche
Relativbewegung zu ermöglichen.
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Ist
der externe Resonatorspiegel daneben starr mit der Fokussierlinse
verbunden, dann ergibt sich eine mechanisch und herstelltechnisch
besonders einfache Lösung.
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Der
externe Resonatorspiegel kann jedoch im Gegensatz zum Stand der
Technik auch starr mit dem Laser verbunden sein.
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Als
Laser eignet sich besonders eine Laserdiode oder ein Laserdiodenarray,
wobei besonders ihre kompakte Bauart vorteilhaft ist.
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Sind
der feste Teil und der bewegliche Berührungsteil mit einer Linearführung miteinander
verbunden, dann eignet sich der Taststift als z-Taster zur präzisen einachsigen
Messung kleinster Verschiebungen von wenigen Mikrometern.
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Nach
Anspruch 6 mit einer in drei Achsen linear verschiebbaren und um
zwei zur optischen Achse des Laser-Rückkoppel-Interferometers
senkrechte Achsen drehbaren, also kippbaren Verbindung eignet sich
der Taster als für
alle Arten der Auslenkung empfindlicher schaltender Taster.
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Hat
der Auskoppelspiegel des Lasers reduzierte Reflexion, so daß Lasereffekt
ohne den externen Resonatorspiegel nicht eintritt, so hat eine Veränderung
der Geometrie von Laser, Fokussierlinse und Resonatorspiegel eine
deutlich erhöhte
Wirkung auf die Leistung des Lasers.
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Vorteilhafterweise
beträgt
der Abstand zwischen Laser und Fokussierlinse weniger als die Hälfte des
Abstands zwischen Laser und Resonatorspiegel.
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Die
Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt
einen Taststift mit Laser-Rückkoppel-Sensor, bei dem neben
der Fokussierlinse auch der Rückkoppelspiegel
im kippbaren Teil angeordnet ist;
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2a zeigt
im Längsschnitt
einen Taststift gemäß der Erfindung
mit starr mit dem Laser verbundenem Resonatorspiegel;
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2b zeigt
einen Querschnitt eines Taststifts nach 2a;
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3 zeigt
einen Taststift, bei dem Laser und Rückkoppelspiegel am beweglichen
Berührungsteil
befestigt sind und das Berührungsteil
am festen Teil linear geführt
ist;
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4 zeigt
im teilweisen Schnitt ein Ausführungsbeispiel
mit besonders geringem Abstand von Laser und Fokussierlinse und
mit fünfachsigem
Federgelenk;
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5 zeigt
den Verlauf der Laserleistung in Abhängigkeit von rein axialer Verschiebung
der Tastkugel (und damit des Objektivs);
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6 zeigt
den Verlauf der Laserleistung in Abhängigkeit der linearen Verschiebung
des Objektivs in den drei Koordinatenrichtungen bei angepaßtem Offset.
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1 zeigt
einen Laser (1), eine Fokussierlinse (2) und einen
Spiegel (3), welche den Laser (1) mit einem externen
Resonator ergänzen.
Diese Bauteile sind integriert in einen Taststift mit Tastkugel
(4) am beweglichen, stabförmigen Teil (5), das über ein bei
Taststiften übliches
Kipplager (65) mit stabiler Grundstellung auf einem an
der Meßmaschine,
insbesondere deren Pinole, befestigten festen Teil (6) abgestützt ist.
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Der
Laser (
1) ist in diesem festen Teil (
6) angeordnet.
Der Laser (
1) ist im Beispiel eine kommerziell erhältliche
Laserdiode mit integrierter Fotodiode zur Leistungserfassung Modell
Hitachi HL 7806. über Anschlußleitungen
(
71) ist der Laser (
1) mit integrierter Fotodiode
mit einer elektronischen Schaltung (
7) verbunden, die zur
Stromversorgung und Leistungsauswertung des Lasers (
1)
dient. Damit ist der auch aus
US
5,103,572 bekannte Laser-Rückkoppel-Sensor aufgebaut,
der aber hier die relativ zum Laser (
1) beim Antasten der
Tastkugel (
4) bewegliche Fokussierlinse (
2) enthält. Durch
die Bewegung der Fokussierlinse (
2) mit der Tastkugel (
4)
ist die spezifische Lichtablenkung im Resonator (
1,
2,
3)
höher,
als wenn nur der Resonatorspiegel (
3) mitbewegt wird.
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Im
Beispiel der 2a und 2b trägt das feste
Teil (620) den Laser (1) und auf einem geschlitzten
Rohr (62) auch den Resonatorspiegel (3). Die Fokussierlinse
(2) ist über
ihre Fassung (52) und drei durch die Schlitze des Rohrs
(62) greifende Stege (521, 522, 523)
mit dem die Tastkugel (4) tragenden beweglichen Berührungsteil
(5) fest verbunden. Das Berührungsteil (5) ist über einen
Federbalg (652) in fünf
Achsen – außer Drehung
um die optische Achse des Laser-Rückkoppel-Interferometers (1, 2, 3) – beweglich
mit dem festen Teil (6) verbunden. Im Querschnitt 2b ist
dazu die Durchführung
der Halterung (52, 521, 522, 523)
für die
Fokussierlinse (2) durch das geschlitzte Rohr (62)
verdeutlicht.
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In 3 sind
Laser (1) und Spiegel (3) mit dem beweglichen
Teil (53) mit der Tastkugel (4) verbunden. Die
Leitungen (71) stellen flexibel den Anschluß zur hier
nicht dargestellten Schaltung her. über Gleitlager (653)
ist das bewegliche Teil (53) linear am festen Teil (63)
geführt,
welches die Fokussierlinse (2) enthält. Die Linearführung kann
auch anders erfolgen, z.B. über
Federparallelogramme. In dieser Ausführung erhält man einen eindimensionalen z-Taster, der gut zum
Messen sehr kleiner linearer Auslenkungen der Tastkugel (4)
im Bereich weniger Mikrometer geeignet ist.
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Zudem
zeigt die 3 die einzelnen Komponenten
einer als Laser (1) verwendeten kommerziellen Laserdiode,
nämlich
die eigentliche Laserdiode (11), die auch ein Laserdioden-Array
sein kann, mit dem Auskoppelspiegel (12) und der Fotodiode
(13), die als Monitor für
die optische Leistung der Laserdiode (11) dient. Der Auskoppelspiegel
(12) ist normalerweise einfach die durch Spalten erzeugte
Endfläche
des die Laserdiode bildenden Halbleiterkristalls. In der erfindungsgemäßen Anordnung
ist es jedoch auch sinnvoll, die Laserdiode (11) einseitig
zu entspiegeln, den Auskoppelspiegel (12) in seiner Reflektivität durch
Aufbringen von Entspiegelungsschichten also soweit zu reduzieren,
daß der
Lasereffekt ohne den externen Resonatorspiegel (3) nicht
mehr eintritt. Damit gelingt es, den gesamten Laser-Rückkoppel-Sensor
gegen Verstimmung des externen Resonators, und das heißt gegen
Bewegungen der Fokussierlinse (2), noch empfindlicher zu
machen.
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In 4 geht
der die Tastkugel (4) tragende rohrförmige bewegliche Teil (54) über ein
aus diesem Teil z.B. durch Erodieren herausgearbeitetes fünfachsiges
Federgelenk (654) in den festen Teil (64) über. Auf
einem durch das Federgelenk (654) in das bewegliche Teil
(54) hineinragenden Fortsatz (641) des festen
Teils (64) ist die Laserdiode (1) mit integrierter
Fotodiode angebracht, deren Anschlußleitungen mit (71)
bezeichnet sind.
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Nah
an der Laserdiode (1) ist die Fokussierlinse (2),
die auch als mehrstufiges Objektiv ausgebildet sein kann, mit einer
Fassung (22) im rohrförmigen beweglichen
Teil (54) z.B. durch Klebung befestigt. Der Rückkoppelspiegel
(3) z.B. aus Aluminium mit über 90% Reflexion ist auf die
Tastkugel (4) geklebt und mit dieser an das rohrförmige bewegliche
Teil (54) angeklebt, und zwar nach dem Prinzip des Richtkittens
bei laufendem Laser (1) in eine Position gebracht, die
maximale Leistung des Lasers (1) erbringt, oder bei der
die Kennlinie der Leistung des Lasers (1) abhängig von
der Bewegung in den einzelnen Achsen die gewünschte Form hat. Der Fortsatz (641)
ist so ausgebildet, daß auch
die Lage des Lasers (1) justiert werden kann und daß die erforderliche
Kühlung
gesichert ist.
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Der
Abstand von der Laserdiode (1) Hitachi 7806G zum Rückkoppelspiegel
(3) beträgt
in diesem Beispiel ca. 120mm, der Abstand Laserdiode (1)
zur Fokussierlinse (2) liegt bei 7 mm, die Brennweite der Fokussierlinse
(2) ist etwas kleiner, so daß auf dem Rückkoppelspiegel (3)
die Strahltaille zu liegen kommt. Am Rückkoppelspiegel (3)
ergibt sich eine Schärfentiefe
von mehreren Millimetern, so daß axiale
Verschiebungen des Rückkoppelspiegels
(3) bis zu diesem Maß keinen
wesentlichen Einfluß auf
die Resonatorgüte
haben. Der externe Resonator hat dagegen bei einer Längsverschiebung
der Fokussierlinse (2) von 2 μm über fünfzig Prozent Verlust. Dieses
Verhalten bzw. die expliziten Werte hängen von der eingestellten
Resonatorlänge
ab, bei Vergrößerung der
Länge wird
die Empfindlichkeit größer.
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5 zeigt
die an einer Monitor-Photodiode der Laserdiode (1) eines
Taststifts nach 4 auftretende Variation der
Laserleistung bzw. Photodiodenspannung U in relativen Einheiten
in Abhängigkeit der
rein axialen Verschiebung des Objektivs (2) und somit auch
der Tastkugel (4) gegenüber
dem Laser (1), ausgehend von einem Bezugspunkt bei nahezu maximaler
Leistung. Die Kennlinie zeigt Extrema und etwa im Intervall 13 bis 18 Mikrometer
in guter Näherung
linear fallenden Verlauf. Dieser Bereich kann also als linear messender
Bereich des Tasters genutzt werden. Durch Anfitten eines gemessenen
Kurvenverlaufs an einen einmal kalibrierten kann die Auslenkung
jedoch auch in nichtlinearen Bereichen der Kennlinie gut bestimmt
werden, bzw. der Verlauf eines Antastvorgangs kann genau verfolgt
werden.
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Wegen
der axialen Symmetrie der Anordnung ergibt sich, daß ausgehend
von einer Justierung mit optimaler Leistung die Empfindlichkeit
gegen seitlichen Versatz und gegen Verkippung der Fokussierlinse
(2) minimal ist. Dies läßt sich
jedoch umgehen, indem die Grundstellung so einjustiert wird, daß die Fokussierlinse
(2) gering seitlich versetzt ist (Offset). Da die einzelnen
Bewegungen nicht unabhängig
sind, ist dann auch ein axialer Versatz nötig. Es ist dann jedoch möglich, eine
Justierposition zu finden, von der aus die Kennlinie der Leistung
in Abhängigkeit
von der Lageänderung
für alle
Richtungen mit ähnlicher
Steigung hinreichend linear verläuft. Die
geeignetste Justierung, die auch von der geforderten Charakteristik
abhängt,
kann durch Abscannen der Justierposition und Aufnahme der Kennlinien automatisiert,
auch beim Richtkitten als kombiniertem Justier- und Montageverfahren,
ausgeführt
werden.
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6 zeigt
ein Beispiel für
die Kennlinien beim Versatz in x, y, z-Richtung mit geeignetem Vorsatz
der Grundstellung.
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Wurde
bei der Justierung des Beispiels der 5 eine Empfindlichkeit
von ca. 180 a.u. pro μm (relative
Einheiten, von Schaltungsdetails der integrierten Fotodiode und
der elektronischen Schaltung (7) abhängig), so ist der axiale x-Wert
mit 84 a.u. pro Mikrometer zwar halbiert, in den dazu senkrechten Richtungen
werden jedoch immerhin 50 a.u./μm
bei 60 μm
Offset in y-Richtung und 28 a. u./μm bei 20 μm Offset in z-Richtung erreicht,
bei 0 μm
Offset in x-Richtung. Bei der Aufnahme wurden die Positionen der
jeweils nicht abgescannten Bewegungsrichtungen in der Mitte des
konstanten Steigungsbereiches eingestellt; der so festgelegte Arbeitspunkt
(Offset + Position "Mitte") liegt somit bei
15 μm für axial
x, 70 μm
für y,
25 μm für z. Die
y/z-Asymmetrie liegt im wesentlichen in der Unsymmetrie der Laserdioden-Abstrahlcharakteristik
begründet.
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Der
erfindungsgemäße Taststift
eignet sich zur Anwendung in Koordinatenmeßmaschinen und für andere
Meßzwecke.
Die Merkmale sind im Rahmen der Erfindung änderbar und austauschbar, insbesondere
sind Merkmale einzelner Beispiele untereinander tausch- und kombinierbar.
Auch Abwandlungen gemäß dem Stand
der Technik aus
US 5 103 572 sind
im Rahmen der Erfindung möglich.