DE69108817T2

DE69108817T2 - Verschiebungsmessapparat.

Info

Publication number: DE69108817T2
Application number: DE69108817T
Authority: DE
Inventors: Seiichiro Murai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-08-17
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2011-08-15
Also published as: EP0471371A3; DE69108817D1; US5174039A; EP0471371A2; EP0471371B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verschiebungsmeßapparat mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, der einen relativ zu einem Objekt verschiebbaren Stift zum Erfassen oder Messen der Form des Objekts aufweist.
Ein Verschiebungsmeßapparat zum Erfassen oder Messen der Formen von Objekten weist ein Luftlager, eine Sondenwelle und einen Stift auf. Das Luftlager lagert die Sondenwelle berührungsfrei zwecks Verschiebung derselben in ihrer Axialrichtung. Der Stift ist am distalen Ende der Sondenwelle angebracht und steht in Abrollberührung mit einem Objekt unter Ausübung eines vorbestimmten Berührungs- oder Andrucks gegen dieses. Bei der Drehung des Objekts bewegt sich der in Abrollberührung damit stehende Stift in seiner Axialrichtung hin und her. Der Hub des Stifts wird zur Sondenwelle übertragen und durch diese detektiert bzw. gemessen.
Fig. 15 zeigt einen herkömmlichen Verschiebungsmeßapparat A mit einem zylindrischen Gehäuse X, einem in letzterem angeordneten Luftlager B und einer vom Lager B getragenen bzw. gelagerten Sondenwelle C. Das Luftlager B wird in seiner Axialrichtung von einer einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden durchgehenden Bohrung durchsetzt. Die einen rechteckigen Querschnitt besitzende Sondenwelle C ist lose in die durchgehende Bohrung des Lagers B eingesetzt, so daß sie sich längs ihrer Achse verschieben, aber nicht um die Achse drehen kann.
Der Apparat A umfaßt ferner einen Stift D, einen kubischen Eckenreflektor (corner cube) E, einen Kern F und eine Vorbelastungsspule G. Der Stift D ist mit dem distalen Ende der Sondenwelle (oder auch -achse) C verbunden. Der Kern F ist ein am proximalen Endabschnitt der Welle C montierter Hohlzylinder. Der kubische Eckenreflektor E ist am Kern F und somit am proximalen Ende der Sondenwelle C befestigt, um die Verschiebung der letzteren zu erfassen. Die im Gehäuse X enthaltene Vorbelastungsspule G umgibt den Kern F, ohne ihn zu berühren.
Fig. 16 zeigt einen anderen herkömmlichen Verschiebungsmeßapparat H, umfassend ein zylindrisches Gehäuse I, ein in letzterem angeordnetes Luftlager J und eine unter statischem Druck vom Luftlager J getragene bzw. gelagerte Sondenwelle K. Der Apparat H weist ferner einen Stift L und einen Zapfen N auf. Der Stift L ist am distalen Ende der Sondenwelle K angebracht. Der Zapfen N ist in eine Gewindebohrung in der Wand des Gehäuses I eingeschraubt und ragt in eine U-Nut M hinein, die in den Außenumfang des proximalen Endabschnitts der Welle K eingestochen ist und parallel zur Achse der Welle K verläuft.
Das Luftlager J und die Sondenwelle K sind voneinander beabstandet. Von einem Lufteinlaß R her wird über einen Luftdurchgang Q Druckluft in den Spalt zwischen Luftlager J und Welle K eingeleitet. Die Druckluft strömt aus dem Spalt heraus und wird über einen Luftauslaß S nach außen abgeführt. Die Öffnung des Durchgangs Q wird durch Drehen einer (nicht dargestellten) Einstellschraube eingestellt.
Beim Verschiebungsmeßapparat A wird der durch den Stift D auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck bzw. Andruck durch Änderung des der Vorbelastungsspule G zugespeisten Stroms geregelt. Je größer der Strom ist, um so mehr Wärme erzeugt die Spule G. Dabei besteht die Möglichkeit, daß die Wärme die Zuverlässigkeit der im Langzeitbetrieb des Apparats A gewonnenen Daten beeinträchtigt. Zur Verminderung dieser Möglichkeit kann zum Verschiebungsmeßapparat A ein Wärmeabstrahlmechanismus hinzugefügt werden. Durch Verwendung eines solchen Mechanismus wird aber der Apparat A komplex und groß.
Der Verschiebungsmeßapparat A gemäß Fig. 15 weist keine Sensoren für den durch den Stift D auf das Objekt ausgeübten Andruck auf. Beim Apparat A ist es daher unmöglich, den der Vorbelastungsspule G zugespeisten Strom entsprechend kleinen Änderungen im Andruck in kleinsten Stufen einzustellen. Dies ist für die genaue Erfassung oder Messung der Form des Objekts nachteilig.
Wie beschrieben, weist zudem die Sondenwelle C einen rechteckigen Querschnitt auf, und sie ist lose in die durchgehende Bohrung des Lagers B eingesetzt, so daß sie sich mithin längs ihrer Achse verschieben, nicht aber um ihre Achse drehen kann. Ersichtlicherweise ist ein größerer Arbeits- und Zeitaufwand nötig, um eine Lagerbüchse in den Spalt zwischen der durchgehenden Bohrung und der Welle C einzupassen und diesen Spalt einzustellen, als für das Einsetzen einer Büchse in den Spalt zwischen einer kreisrunden Bohrung und einer Welle eines kreisrunden Querschnitts und für die Spalteinstellung (dabei) nötig ist.
Beim Verschiebungsmeßapparat H gemäß Fig. 16 wird die Schraube zum Einstellen der Öffnung des Luftdurchgangs Q gedreht. Dadurch wird die Menge, in welcher die Luft über den Luftauslaß S nach außen strömt, und damit der durch den Stift L auf das Objekt ausgeübte Andruck geregelt. Hierbei sind jedoch keine Maßnahmen gegen Änderungen in der Charakteristik bzw. Kennlinie des Luftlagers J oder Änderungen im Andruck getroffen.
Der in eine Bohrung in der Wand des Gehäuses I eingeschraubte Zapfen N greift lose (mit Spiel) in die U-Nut M ein, die in den Außenumfang der Welle K eingestochen ist und längs der Achse der Welle K verläuft. Der Zapfen N hindert daher die Sondenwelle K an einer Drehung um ihre Achse. Der Zapfen N behindert (aber) die zügige oder ungehinderte Verschiebung der Welle K. Aufgrund der Reibung zwischen Zapfen N und Welle K kann letztere möglicherweise der Bewegung des Stifts L nicht getreu bzw. einwandfrei folgen.
Eine Sondenanordnung, die der oben in Verbindung mit Fig. 16 beschriebenen ähnlich ist und die Merkmale nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart, ist aus der EP-A-0 100 716 bekannt. Diese Anordnung umfaßt eine Sondenwelle, die durch ein Luftlager in einem Gehäuse axial verschiebbar getragen oder gelagert ist. Ein Berührungs- oder Andruck, der durch einen mit der Sondenwellenspitze verbundenen Stift auf ein zu untersuchendes Objekt ausgeübt wird, kann - wie beim obigen bekannten Stand der Technik - nur durch Ändern des dem Luftlager zugespeisten Drucks innerhalb eines gewissen Bereichs eingestellt werden, so daß die Anordnung ähnliche Nachteile aufweist wie der Stand der Technik nach Fig. 16.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist damit die Schaffung eines Verschiebungsmeßapparats, bei dem, wenn überhaupt, nur wenig Wärme erzeugt wird und bei dem sich der auf ein Objekt ausgeübte Andruck kaum ändert.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verschiebungsmeßapparat, umfassend: ein zylindrisches Gehäuse, ein im Gehäuse angeordnetes Statikdrucklager, eine durch das Lager berührungsfrei gelagerte und in einer Axialrichtung verschiebbare Sondenwelle, einen mit dem einen Ende der Sondenwelle verbundenen Stift zum Ausüben eines Berührungsdrucks gegen ein Objekt, eine Druckeinstellsektion zum Einstellen des vom Stift auf das Objekt ausgeübten Berührungsdrucks, eine Druckmeßsektion zum Erfassen bzw. Messen des vom Stift auf das Objekt ausgeübten Berührungsdrucks und eine Druckregelsektion zum Generieren eines Regelsignals entsprechend dem durch die Druckmeßsektion gemessenen Berührungsdruck und zum Liefern des Regelsignals zur Druckeinstellsektion, um damit den Berührungsdruck zu regeln.
Im Betrieb mißt die Druckmeßsektion den durch den Stift auf das Objekt ausgeübten Berührungsdruck. Entsprechend dem so gemessenen Berührungsdruck regelt die Druckeinstellsektion den Berührungsdruck auf Echtzeitbasis. Der Berührungsdruck wird somit genau entsprechend (faithfully) kleinen Änderungen desselben in kleinsten Stufen bzw. genauestens geregelt. Da die Druckeinstellsektion praktisch keine Wärme erzeugt, kann der Apparat die Verschiebung des Objekts mit hoher Genauigkeit messen.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 einen Verschiebungsmeßapparat gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittansicht der Berührungsdruckmeßsektion des Apparats nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Verschiebungsmeßapparat gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine Querschnittansicht einer Druckeinstellsektion,
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen magnetischer Anziehung und einem Zwischenmägnetabstand (Abstand zwischen Magneten) zur Erläuterung der Betriebscharakteristik oder -kennlinie des Apparats nach Fig. 3,
Fig. 7 einen Verschiebungsmeßapparat gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Darstellung eines Teils des Apparats nach Fig. 7,
Fig. 9 eine schematische (Schnitt-)Darstellung eines Verschiebungsmeßapparats gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10 einen Verschiebungsmeßapparat gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig, 10,
Fig. 12 und 13 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Art ünd Weise, auf welche der Apparat nach Fig. 10 seine Funktion ausübt,
Fig. 14 einen Verschiebungsmeßapparat gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 15 eine Längsschnittansicht eines herkömmlichen Verschiebungsmeßapparats und
Fig. 16 eine Längsschnittansicht eines anderen herkömmlichen Verschiebungsmeßapparats.
Im folgenden sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Verschiebungsmeßapparat P1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, umfassend ein zylindrisches Gehäuse 1, ein im Gehäuse 1 angeordnetes Luftlager 2 (d.h. ein Statikdrucklager) und eine durch das Lager 2 berührungsfrei getragene bzw. gelagerte Sondenwelle (oder auch -achse) 3, die einen kreisrunden Querschnitt aufweist und in ihrer Axialrichtung verschiebbar ist.
Der Verschiebungsmeßapparat P1 umfaßt ferner einen Stift 4, einen Stopper 5 und eine Längenmeßsektion 6. Der Stift 4 ist mit dem distalen Ende der Sondenwelle 3 verbunden und koaxial zu ihr angeordnet. Er wird in Direktberührung mit einem Objekt gebracht, um dessen Verschiebung zu messen. Der Stopper 5 ist zur Begrenzung der Axialverschiebung der Sondenwelle 3 zwischen dieser und dem Stift 4 angeordnet. Die Längenmeßsektion 6 ist am proximalen Ende der Sondenwelle 3 angebracht. Die Sektion 6 weist einen kubischen Eckenreflektor (corner cube) 6a auf, der zur Erfassung bzw. Messung der Verschiebung der Sondenwelle 3 ausgelegt ist.
Der Apparat P1 weist eine Berührungsdruckeinstellsektion 7, eine Berührungsdruckmeßsektion 8 und eine Berührungsdruckregelsektion 9 auf. Die Sektion 7 ist im proximalen Endabschnitt des Gehäuses 1 angeordnet und an der Sondenwelle 3 befestigt. Die zwischen der Welle 3 und dem Stopper 5 angeordnete Sektion 8 dient zum Erfassen oder Messen des durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübten Berührungsdrucks und zum Erzeugen eines den gemessenen Druck repräsentierenden elektrischen Signals. Die Sektion 9 ist eine elektrische Vorrichtung zum Erzeugen eines Regelsignals aus dem durch die Berührungsdruckmeßsektion 8 generierten Signal und zum Liefern des Regelsignals zur Berührungsdruckeinstellsektion 7.
Das Gehäuse 1 umfaßt fünf Teile 10 bis 14. Der erste Teil 10 umgibt den kubischen Eckenreflektor 6a und ist koaxial dazu angeordnet. Der mit dem ersten Teil 10 gekoppelte oder verbundene zweite Teil 11 haltert die Berührungsdruckeinstellsektion 7. Der dritte Teil 12 ist mit dem zweiten Teil 11 verbunden und haltert das Luftlager 2. Der mit dem dritten Teil 12 verbundene vierte Teil 13 umschließt die Berührungsdruckmeßsektion 8 und ist koaxial zu dieser angeordnet. Der mit dem vierten Teil 13 gekoppelte fünfte Teil 14 nimmt den Stopper 5 lose (mit Spiel) auf und ist koaxial zum Stopper positioniert.
Der fünfte Teil 14 des Gehäuses 1 umfaßt eine zylindrische Sektion 15 und eine deren distales Ende verschließende Endscheibe 16. Die zylindrische Sektion 15 weist eine sich verjüngende bzw. konische Umfangsfläche 16a auf. Eine in der zylindrischen Sektion 15 geformte Durchgangsbohrung 17 mündet an ihrem einen Ende in der Fläche 16a und am anderen Ende an der Innenfläche. In der Endscheibe 16 ist koaxial zum Stopper 5 eine Durchgangsbohrung 18 ausgebildet.
Das Luftlager 2 besteht aus einer hohlzylindrischen Metallbüchse 19. In die Außenumfangsfläche der Büchse 19 sind zwei umlaufende Führungsnuten 20 eingestochen. In der Sohle jeder Führungsnut 20 sind Drosselbohrungen 21 geformt, die sich zur Innenumfangsfläche der Büchse 19 hin verengen und an dieser Innenumfangsfläche münden. In dem zwischen den umlaufenden Führungsnuten 20 befindlichen dickwandigen Abschnitt der Büchse 19 sind Auslaßöffnungen oder -bohrungen 22 ausgebildet, die um den Umfang der Büchse 19 herum auf gleiche Abstände verteilt sind. Aus den Nuten 20 wird über die Drosselbohrungen 21 Druckluft in das Innere des Luftlagers 2 ausgeblasen. Die Luft tritt über die Auslaßbohrungen 22 aus der Büchse 19 aus.
Ein Satz weiterer Auslaßbohrungen 22 ist im dritten Teil 12 des Gehäuses 1 ausgebildet und koaxial zu den Auslaßbohrungen 22 der Metallbüchse 19 positioniert. Der dritte Teil 12 weist zwei Einlaßbohrungen 24 auf, die mit den umlaufenden Führungsnuten 20 der Büchse 19 kommunizieren. Über diese Einlaßbohrungen 24 wird Druckluft in die Führungsnut 20 eingespeist und letztlich in das Innere des Luftlagers 2 eingeführt. Die beiden Einlaßbohrungen 24 sind mit einer (nicht dargestellten) Druckluftquelle verbunden.
Der Stopper 5 besteht aus einem Schaft bzw. einer Welle 25 und einem Flansch 26. Die Welle 25 ist koaxial zur Sondenwelle 3 mit dieser verbunden. Ihr distaler Endabschnitt ragt aus dem distalen Ende des Gehäuses 1 heraus, indem er die Bohrung 18 der Endscheibe 16 durchsetzt. Der Flansch 26 ist am Mittelteil der Welle 25 befestigt. Der Flansch 26 ist im Raum zwischen dem vierten Teil 13 des Gehäuses 1 und der Endscheibe 16 in der Axialrichtung der Sondenwelle 3 verschiebbar. Der Stopper 5 kann sich somit über die Strecke zwischen dem Gehäuseteil 13 und der Endscheibe 16 hin- und herbewegen.
Der Stift 4 umfaßt einen Hauptschaft bzw. eine Hauptwelle 27 und eine Rubinkugel 28. Die Hauptwelle weist ein zugespitztes distales Ende auf. Die Rubinkugel 28 ist mit dem zugespitzten Ende der Hauptwelle 27 verbunden.
Die Längenmeßsektion 6 umfaßt den kubischen Eckenreflektor 6a und eine Laserinterferometer-Längenmeßvorrichtung 32. Der Eckenreflektor 6a weist an seinem proximalen Ende zwei Reflexionsflächen 29a und 29b auf, die unter einem Winkel von 45º zur Achse der Sondenwelle 3 geneigt sind und einander unter einem Winkel von 90º schneiden. Die Laserinterferometer-Längenmeßvorrichtung 32 strahlt einen Laserstrahl 30 auf die erste Reflexionsfläche 29a längs der Achse der Sondenwelle 3 auf und erfaßt die Verschiebung der Sondenwelle 3 anhand der Interferenzcharakteristik des Laserstrahls 31, der von den beiden Reflexionsflächen 29a und 29b reflektiert und längs der Achse der Welle 3 auf die Vorrichtung 32 geworfen wird.
Die Berührungsdruckeinstellsektion 7 umfaßt einen hohlzylindrischen Spulenträger 33, zwei Dauermagnete 34 und 35, zwei Spulen 36 und 37 sowie einen hohlzylindrischen Kern 38. Der Kern 38 ist an der Sondenwelle 3 montiert. Der den Kern 38 umschließende Spulenträger 33 weist zwei in seine Außenumfangsfläche eingestochene ringförmige bzw. umlaufende U-Nuten auf. Die ringförmig ausgebildeten Magnete 34 und 35 sind in diese U-Nuten eingesetzt. Die Spulen 36 und 37 sind um die Magnete 34 bzw. 35 herumgewickelt.
Den Spulen 36 und 37 wird von einer (nicht dargestellten) Stromversorgung her elektrischer Strom zugespeist. Der Strom wird geändert, um damit die zwischen dem Magneten 34 und der Spule 36 sowie auch die zwischen dem Magneten 35 und der Spule 37 generierte Magnetkraft zu ändern. Wenn sie mit elektrischem Strom gespeist wird, erzeugt jede Spule Wärme. Die Wärme wird jedoch effektiv vom zweiten Teil 11 des Gehäuses 1 abgestrahlt, da am zweiten Gehäuseteil 11 ringförmige Wärmeabstrahlrippen 39 angebracht sind.
Wenn keiner der Spulen 36 oder 37 elektrischer Strom zugespeist wird, wird durch die zwischen dem Kern 38 und den Magneten 34 und 35 generierte Magnetkraft die Sondenwelle 3 nach rechts verschoben, so daß der Stift 4 einen ständigen Berührungsdruck PO auf ein Objekt ausübt. Wenn die Spulen 36 und 37 mit elektrischem Strom gespeist werden, wird zwischen dem Kern 38 und den Spulen 36 und 37 eine Magnetkraft generiert oder erzeugt. Diese Kraft addiert sich zu der zwischen dem Kern 38 und den Magneten 34 und 35 generierten Magnetkraft, so daß sich der Berührungsdruck von der Dauergröße PO auf eine gewünschte oder Sollgröße PA erhöht.
Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, umfaßt die Berührungsdruckmeßsektion 8 einen elastischen massiven Zylinder 40 sowie eine Dehnungsmeßeinheit 41 (z.B. Dehnungsmeßstreifen) . Der elastische Zylinder 40 ist zwischen der Sondenwelle 3 und dem Schaft bzw. der Welle 25 des Stoppers 5 verspannt und koaxial dazu angeordnet. Die Dehnungsmeßstreifen 41 sind mit der Umfangsfläche des Zylinders 40 (klebend) verbunden und längs des Umfangszylinders 40 auf gleiche Abstände verteilt. Die Dehnungsmeßstreifen 41 erzeugen Verschiebungssignale SA der Spannungen, welche die auf den elastischen Zylinder 40 einwirkende Dehnung (strain) repräsentieren. Der den elastischen Zylinder 40 umschließende vierte Gehäuseteil 13 weist in der Radialrichtung des Teils 13 verlaufende Durchgangsbohrungen 42 auf. Diese Bohrungen 42 durchsetzende Drähte bzw. Leitungen sind mit dem einen Ende an die Dehnungsmeßstreifen 41 angeschlossen.
Die Berührungsdruckregelsektion 9 umfaßt einen Verstärker 43, eine erste Operationseinheit 44, eine Berührungsdruckeinstelleinheit 45, eine Steuer- oder Regeleinheit 48, Verstärker 49 und 50 sowie eine zweite Operationseinheit 51. Der Verstärker 43 ist über die Leitungen elektrisch mit den Dehnungsmeßstreifen 41 verbunden, um die von den Dehnungsmeßstreifen 41 generierten Verschiebungssignale SA zu verstärken. Die erste Operationseinheit 44 ist an den Ausgang des Verstärkers 43 angeschlossen. Die Einheit 44 nimmt die verstärkten Verschiebungssignale SB vom Verstärker 43 ab und berechnet anhand der Signale SB die Dehnung bzw. mechanische Spannung (strain) längs der Achse des elastischen Zylinders 40, welche dem Berührungsdruck P proportional ist, als Berührungsdruck P. Die Einheit 44 berechnet auch die Neigung oder Schrägstellung des Zylinders 40 gegenüber der Achse der Sondenwelle 3.
Die Berührungsdruckeinstelleinheit (oder auch -vorgabeeinheit) 45 wird zum Vorgeben eines gewünschten Berührungsdrucks, d.h. eines Ziel- bzw. Soll-Berührungsdrucks PA betätigt. Die Regeleinheit 48 nimmt ein von der Einheit 44 ausgegebenes elektrisches Signal SC und auch ein von der Einheit 42 ausgegebenes elektrisches Signal SD ab. Das Signal SC repräsentiert sowohl den durch die Einheit 44 berechneten Druck P als auch die Neigung ΔT. Die Einheit 48 liefert zwei Regelsignale SE und SF zum Beseitigen der Differenz ΔP zwischen dem durch die Einheit 45 vorgegebenen Soll-Berührungsdruck PA und dem durch die Sektion 8 gemessenen Berührungsdruck P.
Die Verstärker 49 und 50 verstärken die von der Regeleinheit 48 ausgegebenen Regelsignale SE bzw. SF. Die so verstärkten Signale SE und SF werden den Spulen 36 und 37 zugespeist. Die zweite Operationseinheit 51 nimmt das Signal SC und ein Verschiebungssignal SG ab. Das von der ersten Operationseinheit 44 ausgegebene Signal SC repräsentiert, wie beschrieben, den Berührungsdruck P und die Neigung (oder Schrägstellung) ΔT. Das von der Laserinterferometer-Längenmeßvorrichtung 32 abgegebene Verschiebungssignal SG repräsentiert die Verschiebung der Sondenwelle 3. Die zweite Operationseinheit 51 berechnet die tatsächliche oder Ist-Verschiebung der Sondenwelle 3 anhand der Dehnung &epsi; und der Neigung ΔT.
Im folgenden ist die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Verschiebungsmeßapparats P1 erläutert.
Zunächst wird Druckluft über die Einlaßbohrungen 24 in die umlaufenden Führungsnuten 20 eingeführt. Die Luft wird weiterhin über die Drosselbohrungen 21 in den Sohlen der Führungsnuten 20 in den Spalt zwischen der Sondenwelle 3 und dem Gehäuse 1 eingeleitet. Infolgedessen lagert das Luftlager 2 die Sondenwelle 3 in berührungsfreier Weise während es die Welle 3 koaxial zum Gehäuse 1 positioniert. Die über die Drosselbohrungen 21 ausströmende Druckluft wird über die Auslaßbohrungen 22 in der Metallbüchse 19, die Auslaßbohrungen 22a des dritten Gehäuseteils 12 und schließlich durch die Bohrung 17 des fünften Gehäuseteils 14 und die Durchgangsbohrungen 42 im vierten Gehäuseteil 13 abgeführt oder ausgetragen.
Als nächstes wird der Apparat P1 positioniert, indem der Stift 4 mit einem Objekt in Berührung gebracht wird, Zu diesem Zeitpunkt sind die Berührungsdruckregelsektion 9 und die Längenmeßvorrichtung 32 bereits betriebsfähig. Die Vorrichtung 32 wirft einen Laserstrahl 30 auf die erste Reflexionsfläche 29a des kubischen Eckenreflektors 6a, empfängt den von der zweiten Reflexionsfläche 29b des Eckenreflektors 6a reflektierten Laserstrahl 31 und mißt die Verschiebung der Sondenwelle 3. Zwischenzeitlich wird den Spulen 36 und 37 der Berührungsdruckeinstellsektion 7 ein vorbestimmter Strom zugespeist.
Wenn der Stift 4 das Objekt berührt, ist die Sondenwelle 3 bestrebt, sich in der Richtung eines Pfeils 52a in Fig. 1 rückwärts zu verschieben. Sie wird jedoch durch die zwischen dem Kern 38 und den Dauermagneten 34 und 35 generierte Magnetkraft und auch durch die zwischen dem Kern 38 und den Spulen 36 und 37 generierte Magnetkraft in der Richtung eines Pfeils 52b nach vorn gedrückt. Infolgedessen übt der Stift 4 einen Berührungsdruck auf das Objekt aus, so daß der elastische Zylinder 40 mit einer Dehnung bzw. deformierenden Spannung beaufschlagt und demzufolge deformiert wird.
Sodann generieren die an der Umfangsfläche des elastischen Zylinders 40 (klebend) angebrachten Dehnungsmeßstreifen 41 Verschiebungssignale SA, die jeweils die Spannung repräsentieren, welche der vom Dehnungsmeßstreifen 41 erfaßten oder gemessenen Dehnung äquivalent ist. Diese Signale SA werden der Berührungsdruckregelsektion 9 zugespeist. In der Sektion 9 verstärkt der Verstärker 43 die Signale SA, und er gibt Signale SB aus, die der ersten Operationseinheit 44 zugespeist werden. Die Einheit 44 berechnet die dem Berührungsdruck P proportionale Dehnung oder deformierende Spannung (im folgenden einfach als Dehnung bezeichnet) längs der Achse des elastischen Zylinders 40, und sie bestimmt auch die Neigung ΔT des Zylinders 40 gegenüber der Achse der Sondenwelle 3 und erzeugt ein elektrisches Signal SC, welches sowohl den Berührungsdruck P als auch die Neigung -T repräsentiert.
Zwischenzeitlich gibt die Berührungsdruckeinstell- bzw. -vorgabeeinheit 45 einen Ziel-Berührungsdruck PA vor, mit dem der Stift 4 das Objekt beaufschlagen soll, und sie liefert auch ein Ziel-Drucksignal SD. Die Regeleinheit 48 nimmt das Ziel-Drucksignal SD und auch das von der ersten Operationseinheit 44 ausgegebene elektrische Signal SC ab. Die Einheit 48 liefert zwei Regelsignale SE und SF zum Beseitigen der Differenz ΔT zwischen dem durch die Einheit 45 vorgegebenen Ziel-Berührungsdruck A und dem Berührungsdruck P. Die Regelsignale SE und SF werden den Verstärkern 49 bzw. 50 eingegeben, welche die von der Regeleinheit 48 abgegebenen Signale SE bzw. SF verstärken. Die Ausgangssignale der Verstärker 49 und 50, d.h. verstärkte Signale SE' bzw. SF', werden den Spulen 36 und 37 zugespeist.
In Abhängigkeit von den Größen der Signale SE' und SF' generieren die Spulen 36 und 37 Magnetfelder, die eine Magnetkraft erzeugen. Diese Magnetkraft wird zu der zwischen dem Kern 38 und den Dauermagneten 34 und 35 generierten Magnetkraft hinzuaddiert. Infolgedessen erhöht sich der durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck von der Dauergröße PO auf die Ziel- bzw. Sollgröße PA.
Die vorstehend beschriebene Rückkopplungsregelung erfolgt während der gesamten Verschiebungsmeßoperation auf Echtzeitbasis.
Zwischenzeitlich nimmt die zweite Operationseinheit 51 das von der ersten Operationseinheit 44 ausgegebene Signal SC und das von der Längenmeßvorrichtung 32 zugespeiste Verschiebungssignal SG ab. Wie erwähnt, repräsentiert das Signal SC den Berührungsdruck P und die Neigung ΔT des elastischen Zylinders 40, während das Signal 5G die Verschiebung der Sondenwelle 3 repräsentiert. Anhand dieser Eingangssignale SC und SG, welche die Dehnung &epsi; längs der Achse des Zylinders 40 bzw. dessen Neigung ΔT repräsentieren, berechnet die zweite Operationseinheit 51 die tatsächliche oder Ist-Verschiebung der Sondenwelle 3, und sie generiert die Ist-Verschiebung der Welle 3 darstellende Daten. Diese Daten werden einer (nicht dargestellten) Anzeige zugespeist, so daß damit die Ist-Verschiebung der Sondenwelle 3 überwacht wird bzw. werden kann.
Wie oben erläutert, wird beim Verschiebungsmeßapparat P1 (Fig. 1) durch die Berührungsdruckmeßsektion 8 der vom Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck gemessen, und die Berührungsdruckeinstellsektion 7 wird entsprechend dem so gemessenen Berührungsdruck gesteuert oder geregelt, um damit den Druck auf eine Sollgröße zu ändern. Der durch den Stift auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck wird somit auf Echtzeitbasis eingestellt.
Wie oben beschrieben, rührt der auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck nicht nur von der zwischen dem Kern 38 und den Spulen 36 und 37 generierten Magnetkraft, sondern auch von der zwischen dem Kern 38 und den Dauermagneten 34 und 35 generierten Magnetkraft her. Der den Spulen 36 und 37 zugespeiste elektrische Strom ist kleiner als in dem Fall, in welchem die Dauermagneten 34 und 35 nicht verwendet werden würden. Die von diesen Spulen 36 und 37 erzeugte Wärme ist demzufolge proportional geringer als in dem Fall, in welchem keine der Spulen vorgesehen ist. Ersichtlicherweise begünstigt dies die Messung der Verschiebung der Sondenwelle 3 mit hoher Genauigkeit. Der Apparat P1 kann daher eine hohe Verschiebungsmeßgenauigkeit aufweisen.
Fig 3 veranschaulicht einen Verschiebungsmeßapparat P2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Einige der Bauteile dieses Apparats P2 sind identisch zu den entsprechenden Bauteilen des Apparats P1 (d.h. gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung). Aus diesem Grund sind diese Bauteile in Fig. 3 mit den gleichen Ziffern (wie vorher) bezeichnet und nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Gemäß den Fig. 4 und 5 umfaßt die Berührungsdruckeinstellsektion 7-1 des Apparats P2 drei Abstandstücke 61 aus nichtmagnetischem Werkstoff, drei piezoelektrische Betätigungsglieder 62, jeweils in Form einer Schichtung aus Platten bzw. Scheiben, drei plattenartige Joche 63 aus ferromagnetischem Material, drei Paare von Dauermagneten 64 und drei Paare von Dauermagneten 65.
Die an der Innenumfangsfläche eines zweiten Teils 11 eines Gehäuses 1 befestigten Abstandstücke 61 sind längs des Umfangs des Gehäuses 1 auf gleiche Abstände verteilt. Die piezoelektrischen Betätigungsglieder 62 sind mit den jeweiligen Abstandstücken 61 verbunden. Die Joche 63 sind an den jeweiligen piezoelektrischen Betätigungsgliedern 62 befestigt und weisen jeweils eine gekrümmte Oberfläche auf, die einen zum Gehäuse 1 konzentrischen Kreis definiert. Die Dauermagnete 64 jedes Paars, die sanft (gently) längs eines zum Gehäuse 1 konzentrischen Kreises gebogen sind, sind jeweils mit dem betreffenden Joch 63 verbunden. Gemäß Fig. 5 sind die Magnete 64 und 65 längs einer parallel zur Achse des Gehäuses 1 verlaufenden Linie voneinander beabstandet, wobei der N-Pol des ersten Magneten 64 dem S-Pol des zweiten Magneten 64 gegenübersteht. Die drei Paare von Dauermagneten 65 sind an der Umfangsfläche der Sondenwelle 3 innerhalb des Gehäuses 1 und koaxial dazu angebracht. Diese Magnetpaare sind längs des Umfangs der Sondenwelle 3 auf gleiche Abstände verteilt. Die Magnete 65 jedes Paars sind auf einer parallel zur Achse der Welle 3 verlaufenden Linie auf Abstand voneinander angeordnet, wobei der N-Pol des ersten Magneten 65 dem S-Pol des zweiten Magneten 65 gegenübersteht.
Der Apparat P2 weist eine Berührungsdruckregelsektion 9-1 auf, welche der Berührungsdruckregelsektion 9 des Apparats P1 (Fig. 1) entspricht, nur mit dem Unterschied, daß anstelle der Verstärker 49 und 50 ein (einziger) Verstärker 68 verwendet wird. In der Sektion 9-1 ist der Verstärker 68 mit der Regeleinheit 48 verbunden.
Die piezoelektrischen Betätigungsglieder 62 der Berührungsdruckeinstellsektion 7-1 sind an den Verstärker 68 angeschlossen. Wenn vom Verstärker 68 her eine Spannung an die Betätigungsglieder 62 angelegt wird, erfahren die Betätigungsglieder 62 eine Ausdehnung oder Zusammenziehung in der Radialrichtung des Gehäuses 1. Jedes der piezoelektrischen Betätigungsglieder 62 ist nach dem im folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt worden.
Zunächst wird eine gesinterte Keramikmasse zu Scheiben geschnitten. Sodann werden die Keramikscheiben bearbeitet. Anschließend werden die bearbeiteten Keramikscheiben übereinandergelegt. Auf die oberste Scheibe und die unterste Scheibe wird jeweils eine Elektrode aufgetragen. Schließlich werden die Keramikscheiben miteinander verklebt oder durch Pressen miteinander verbunden, so daß ein Laminat bzw. eine Schichtung aus Keramikscheiben entsteht. Die Keramik besteht vorzugsweise aus Pb(Zr, Ti)O&sub3; (PZT), PbTiO&sub3; (PT) oder (Pb, La) (Zr, Ti)O&sub3; (PLZT).
Die Dauermagnete 64 jedes Paars sind am betreffenden Joch 63 so befestigt, daß der N-Pol des ersten Magneten 64 dem S-Pol des zweiten Magneten 64 gegenübersteht, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht. Auf ähnliche Weise sind die Dauermagnete 65 jedes Paars an der Sondenwelle 3 so angebracht, daß gemäß Fig. 5 der N-Pol des ersten Magneten 65 dem S-Pol des zweiten Magneten 65 gegenübersteht. Die Magnetflüsse dieser Magnete 64 und 65 bilden somit einen in Fig. 5 in gestrichelten Linien angegebenen Magnetkreis. Der Spalt zwischen jedem Paar der Magnete 64 und dem betreffenden Paar der Magnete 65 wird beim Ausdehnen oder Zusammenziehen des piezoelektrischen Betätigungsglieds 62 in der Richtung eines Pfeils 67 eingestellt.
Im folgenden ist die Arbeitsweise des Verschiebungsmeßapparats P2 gemäß den Fig. 3 bis 5 erläutert.
Zunächst wird von einer (nicht dargestellten) Druckluftquelle her Druckluft über die Einlaßbohrungen 24 in die umlaufenden Führungsnuten 20 eingeleitet. Die Luft wird weiterhin über die Drosselbohrungen 21 in den Sohlen der Führungsnuten 20 in den Spalt zwischen der Sondenwelle 3 und dem Gehäuse 1 eingeführt. Infolgedessen lagert das Luftlager 2 die Sondenwelle 3 berührungsfrei unter Ausrichtung der Welle 3 koaxial zum Gehäuse 1. Die die Drosselbohrungen 21 durchströmende Druckluft wird über die Auslaßbohrungen 22 der Metallbüchse 19, die Auslaßbohrungen 22a im dritten Gehäuseteil 12 und schließlich über die Bohrung 17 im fünften Gehäuseteil 14 sowie die Durchgangsbohrungen 42 im vierten Gehäuseteil 13 aus dem Apparat P2 abgeführt.
Hierauf wird der Apparat P2 positioniert, um den Stift 4 mit einem Objekt in Berührung zu bringen. Dabei sind die Berührungsdruckregelsektion 9-1 und die Längenmeßvorrichtung 32 bereits betriebsfähig. Die Vorrichtung 32 wirft einen Laserstrahl 30 auf die erste Reflexionsfläche 29a des kubischen Eckenreflektors 6a, empfängt den von der zweiten Reflexionsfläche 29b des Eckenreflektors 6a reflektierten Laserstrahl und mißt die Verschiebung der Sondenwelle 3. Zwischenzeitlich wird ein vorbestimmter Strom an die Spulen 36 und 37 der Berührungsdruckeinstellsektion 7-1 angelegt.
Wenn der Stift 4 das Objekt berührt, ist die Sondenwelle 3 bestrebt, sich in der Richtung eines Pfeils 52a gemäß Fig. 3 rückwärts zu verschieben. Sie wird jedoch durch die zwischen den Dauermagneten 64 einerseits und den Dauermagneten 65 andererseits generierte oder erzeugte Magnetkraft in Richtung eines Pfeils 52b nach vorn gedrückt. Infolgedessen übt der Stift 4 einen Berührungsdruck auf das Objekt aus, wodurch der elastische Zylinder 40 mit einer Dehnung (bzw. deformierenden Spannung) beaufschlagt und dadurch deformiert wird.
Sodann generieren die mit der Umfangsfläche des elastischen Zylinders 40 verbundenen Dehnungsmeßstreifen 41 Verschiebungssignale SA, die jeweils die Spannung repräsentieren, welche der vom Dehnungsmeßstreifen 41 gemessenen Dehnung (bzw. deformierenden Spannung) äquivalent ist. Diese Signale SA werden der Berührungsdruckregelsektion 9-l zugespeist. In der Sektion 9-1 verstärkt der Verstärker 43 die Signale SA, und er gibt Signale SB aus, die der ersten Operationseinheit 44 zugespeist werden. Die Einheit 44 berechnet die dem Berührungsdruck P proportionale Dehnung längs der Achse des elastischen Zylinders 40 und bestimmt auch die Neigung oder Schrägstellung ΔT des Zylinders 40 gegenüber der Achse der Sondenwelle 3, und sie generiert ein elektrisches Signal SC, das sowohl den Berührungsdruck P als auch die Neigung ΔT repräsentiert.
Zwischenzeitlich bewirkt die Berührungsdruckvorgabeeinheit 45 das Vorgeben eines Ziel-Berührungsdrucks PA, den der Stift 4 auf das Objekt ausüben soll, und die Ausgabe eines Ziel-Drucksignals SD. Die Regeleinheit 48 nimmt das Ziel-Drucksignal SD sowie das von der ersten Operationseinheit 45 abgegebene elektrische Signal SC ab. Die Einheit 48 liefert ein Regelsignal SH zum Beseitigen der Differenz ΔP zwischen dem durch die Einheit 45 vorgegebenen Ziel-Berührungsdruck PA und dem Berührungsdruck P. Das Regelsignal SH wird dem Verstärker 68 eingegeben, der das von der Regeleinheit 48 abgegebene Regelsignal SH verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 68, d.h. das verstärkte Signal SH', wird den piezoelektrischen Betätigungsgliedern 62 der Berührungsdruckeinstellsektion 7-1 zugespeist.
Entsprechend der Größe des Regelsignals SH' erfahren die piezoelektrischen Betätigungsglieder 62 eine Ausdehnung oder Zusammenziehung in Richtung von Pfeilen 67 gemäß Fig. 5. Infolgedessen ändert sich der Spalt zwischen jedem Paar der Dauermagnete 64 und dem betreffenden Paar der Dauermagnete 65, wobei - wie sich aus der graphischen Darstellung von Fig. 6 ergibt - die magnetische Anziehung zwischen den Paaren der Magnete sich im umgekehrten Verhältnis zum Spalt ändert. Dies bedeutet, daß die Ausdehnung oder Zusammenziehung jedes Betätigungsglieds 62 durch das Regelsignal SH' geregelt oder gesteuert und damit der vom Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck eingestellt wird.
In Fig. 6 ist die magnetische Anziehung (Anziehungskraft) zwischen den Magneten 64 einerseits und den Magneten 65 andererseits auf der lotrechten Achse aufgetragen, während der (Luft-)Spalt zwischen diesen beiden Sätzen von Magneten auf der waagerechten Achse aufgetragen ist. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, kann die magnetische Anziehung durch geringe Änderung des Spalts in großem Maße geändert werden, solange der Spalt in einem Bereich liegt, in welchem das Gefälle einer Kurve A steil (acute) ist.
Zwischenzeitlich nimmt die zweite Operationseinheit 51 das von der ersten Operationseinheit 44 abgegebene Signal SC und das von der Längenmeßvorrichtung 32 gelieferte Verschiebungssignal SG ab. Wie erwähnt, repräsentiert das Signal SC den Berührungsdruck P und die Neigung ΔT des elastischen Zylinders 40, während das Signal SG die Verschiebung der Sondenwelle 3 repräsentiert bzw. angibt. Anhand dieser Eingangssignale SC und SG, welche die Dehnung (deformierende Spannung) &epsi; längs der Achse des Zylinders 40 und dessen Neigung oder Schrägstellung AT repräsentieren, berechnet die zweite Operationseinheit 51 die Ist-Verschiebung der Sondenwelle 3, und sie generiert Daten, welche die Ist-Verschiebung der Welle 3 repräsentieren. Diese Daten werden einer (nicht dargestellten) Anzeige zugeführt, auf welcher die Ist-Verschiebung der Sondenwelle 3 überwacht wird.
Wie erwähnt, mißt beim Apparat P2 (Fig. 3) die Berührungsdruckmeßsektion 8 den durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübten Berührungsdruck, wobei die Berührungsdruckeinstellsektion 7-1 entsprechend dem so gemessenen Berührungsdruck geregelt (oder angesteuert) wird, um damit den Druck auf eine Ziel- bzw. Sollgröße zu ändern. Die Einstellung des durch den Stift auf das Objekt ausgeübten Berührungsdrucks erfolgt somit auf Echzeitbasis. Da sich weiterhin die piezoelektrischen Betätigungsglieder 62 der Berührungsdruckeinstellsektion 7-1 in Abhängigkeit von der Spannung des ihnen zugespeisten Regelsignals SH' in sehr kleinen Stufen (very minutely) ausdehnen oder zusammenziehen können, kann der durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck mit hoher Präzision eingestellt werden.
Im Vergleich zu einem Solenoid erzeugen die piezoelektrischen Betätigungselemente 62 praktisch keine Wärme, wenn ihnen das Regelsignal SH' zugespeist wird. Auch aus diesem Grund kann der Apparat P2 eine sehr hohe Verschiebungsmeßgenauigkeit aufweisen.
Fig. 7 zeigt einen Verschiebungsmeßapparat P3 gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung. Einige der Bauteile dieses Apparats P3 sind identisch zu den betreffenden Bauteilen der Apparate P1 und P2, und sie sind daher mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 3 bezeichnet und nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Gemäß Fig. 7 umfaßt der Apparat P3 ein zylindrisches Gehäuse 1, ein im Gehäuse 1 angeordnetes Luftlager 2 (d.h. ein Statikdrucklager) und eine durch das Lager 2 berührungsfrei gelagerte Sondenwelle 3, die einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und in ihrer Axialrichtung verschiebbar ist.
Der Verschiebungsmeßapparat P3 umfaßt ferner einen Stift 4, einen Stopper 5 und eine Längenmeßsektion 6. Der koaxial zur Welle 3 angeordnete Stift 4 ist mit dem distalen Ende der Sondenwelle 3 verbunden. Er ist bzw. wird in Direktberührung mit einem Objekt gebracht, um die Verschiebung des Objekts zu messen. Der Stopper 5 ist zwischen der Welle 3 und dem Stift 4 zur Begrenzung der Axialverschiebung der Sondenwelle 3 angeordnet. Die Längenmeßsektion 6 ist am proximalen Ende der Sondenwelle 3 angebracht. Die Sektion 6 enthält einen kubischen Eckenreflektor 6a, der zur Erfassung oder Messung der Verschiebung der Sondenwelle 3 ausgelegt ist.
Der Apparatus P3 umfaßt eine Berührungsdruckeinstellsektion 7-2, eine Berührungsdruckmeßsektion 8 und eine Berührungsdruckregelsektion 9-2. Die Sektion 7-2 ist im proximalen Endabschnitt des Gehäuses 1 angeordnet und an der Sondenwelle 3 montiert. Die Sektion 8 liegt zwischen der Welle 3 und dem Stopper 5 und dient zum Messen des durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübten Berührungsdrucks und zum Generieren eines den gemessenen Druck repräsentierenden elektrischen Signals. Die Sektion 9-2 ist eine elektrische Vorrichtung zum Erzeugen eines Steuer- bzw. Regelsignals aus dem durch die Berührungsdruckmeßsektion 8 generierten Signal und zum Liefern des Regelsignals zur Berührungsdruckeinstellsektion 7-2.
Das Gehäuse 1 besteht aus fünf Teilen 10 bis 14. Der erste Teil 10 umschließt den kubischen Eckenreflektor 6a und ist koaxial zu diesem positioniert. Der zweite Teil 11 ist mit dem ersten Teil 10 gekoppelt oder verbunden und haltert die Berührungsdruckeinstellsektion 7-2. Der dritte Teil 12 ist mit dem zweiten Teil 11 verbunden und haltert das Luftlager 2. Der vierte Teil 13 ist mit dem dritten Teil 12 verbunden, umschließt die Berührungsdruckmeßsektion 8 und ist koaxial zu dieser angeordnet. Der mit dem vierten Teil 13 verbundene fünfte Teil 14 nimmt den Stopper 5 lose (mit Spiel) auf und ist koaxial dazu angeordnet. Ein Stopper 5 ist lose in den fünften Teil 14 eingesetzt und koaxial dazu angeordnet.
Das Luftlager 2 besteht aus einer hohlzylindrischen Metallbüchse 19, in deren Außenumfangsfläche zwei umlaufende Führungsnuten 20 eingestochen sind. In der Sohle jeder Führungsnut 20 sind Drosselbohrungen 21 ausgebildet, die sich in Richtung auf die Innenumfangsfläche der Büchse 19 verengen und an dieser Fläche münden. In dem zwischen den umlaufenden Führungsnuten 20 gelegenen dickwandigen Teil der Büchse 19 sind Auslaßbohrungen 22 vorgesehen, die um den Umfang der Büchse 19 auf gleiche Abstände verteilt sind. Aus den Nuten 20 wird über die Drosselbohrungen 21 Druckluft in das Innere des Luftlagers 2 eingeblasen. Die Luft tritt über die Auslaßbohrungen 22 aus der Büchse 19 aus.
Auslaßbohrungen 22a eines anderen Satzes sind im dritten Teil 12 des Gehäuses 1 koaxial zu den Auslaßbohrungen 22 der Metallbüchse 19 ausgebildet. Der dritte Teil 12 weist zwei Einlaßbohrungen 24 auf, die mit den umlaufenden Führungsnuten 20 der Büchse 19 kommunizieren. Über diese Einlaßbohrungen 24 wird Druckluft der (jeweiligen) Führungsnut 20 zugespeist und schließlich in das Innere des Luftlagers 2 eingeleitet. Die beiden Einlaßbohrungen 24 sind über Leitungen 24a mit einer ersten Druckluftquelle 78a verbunden.
Gemäß den Fig. 7 und 8 umfaßt die Berührungsdruckeinstellsektion 7-2 des Apparats P3 ein hohlzylindrisches Elektrostriktionselement 71, einen Schaft bzw. eine Welle 72, eine Leitung 77 und eine zweite Druckluftquelle 78b. Das Elektrostriktionselement 71 ist in den zweiten Teil 11 des Gehäuses 1 eingesetzt. Die Welle 72 ist lose (mit Spiel) in das Element 71 eingesetzt und materialeinheitlich mit der Sondenwelle 3 ausgebildet, und zwar sich vom proximalen Ende der Welle 3 durch das Elektrostriktionselement 71 erstreckend und koaxial dazu ausgerichtet. Der Schaft bzw. die Welle 72 besitzt einen Durchmesser D1, der kleiner ist als derjenige (D2) der Welle 3. Der Übergang zwischen den Wellen 3 und 72 bildet einen abgestuften Abschnitt, der sich im Bereich des Elektrostriktionselements 71 befindet.
Die Leitung 77 ist an eine Lufteinlaßbohrung 76 angeschlossen, die in der Metallbüchse 19 ausgebildet ist und in einer ringförmigen bzw. umlaufenden U-Nut 75 in der Außenumfangsfläche der Büchse 19 mündet. In der Sohle der Nut 75 sind Drosselbohrungen 74 vorgesehen, die sich jeweils zur Innenumfangsfläche der Büchses 19 hin verengen und an dieser Fläche münden. Dabei kann Druckluft von der Druckluftquelle 78b über die Leitung 77, die Einlaßbohrung 76, die U-Nut 75 und die Drosselbohrungen 74 in einen Ringraum 73 eingeführt werden, der durch das proximale Ende der Sondenwelle 3, das Elektrostriktionselement 71 und die Innenumfangsfläche der Metallbüchse 19 festgelegt ist.
Das Elektrostriktionselement 71 ist elektrisch mit der Berührungsdruckregelsektion 9-2 verbunden. Das Element 71 besteht aus Sinterkeramik; vorzugsweise besteht die Keramik aus Pb(Zr, Ti)O&sub3; (PZT), PbTiO&sub3; (PT) oder (Pb, La) (Zr, Ti)O&sub3; (PLZT). Bei Beaufschlagung mit einer Spannung von der Sektion 9-2 her erfährt das Element 71 eine Ausdehnung oder Zusammenziehung in der Radialrichtung des Gehäuses 1.
Gemäß Fig. 8 ist der Spalt &epsi;&sub1; zwischen dem Element 71 und der Welle 72 enger als der Spalt &epsi;&sub2; zwischen Büchse 19 und Sondenwelle 3; d.h. es gilt &epsi;&sub1; > &epsi;&sub2; . Der Spalt verändert sich mit einer Spannungsanlegung an das Element 71 von der Berührungsdruckregelsektion 9-2 her.
Die Sektion 9-2 entspricht der Berührungsdruckregelsektion 9-1 des Apparats P2 (Fig. 3). Der Verstärker 79 dieser Sektion 9-2 ist an das Elektrostriktionselement 71 der Berührungsdruckeinstellsektion 7-2 angeschlossen.
Im folgenden ist die Arbeitsweise des Verschiebungsmeßapparats P3 erläutert.
Zunächst wird Druckluft von der ersten Druckluftquelle 78a in den Spalt zwischen der Sondenwelle 3 und dem Gehäuse 1 über die Leitungen 24a, die Einlaßbohrungen 24, die umlaufenden Führungsnuten 20 und die Drosselbohrungen 21 eingeleitet. Infolgedessen lagert das Luftlager 2 die Sondenwelle 3 berührungsfrei unter Positionierung oder Ausrichtung der Welle 3 koaxial zum Gehäuse 1. Weiterhin wird Druckluft von der zweiten Druckluftquelle 78b über die Leitung 77, die Einlaßbohrung 76, die umlaufende Nut 75 und die Drosselbohrungen 74 in den Ringraum 73 eingeführt. Der Druck der Druckluft wirkt in Richtung der in Fig. 8 angegebenen Pfeile auf das Elektrostriktionselement 71 und auch auf den abgestuften Abschnitt, d.h. den Übergang zwischen den Wellen(teilen) 3 und 72. Infolgedessen wird die Sondenwelle 3 etwas nach rechts verschoben, so daß der Stift 4 einen Berührungsdruck auf das (nicht dargestellte) Objekt ausübt. Die Druckluft wird aus dem Apparat P3 über die Auslaßbohrungen 22 der Metallbüchse 19, die Auslaßbohrungen 22a des dritten Gehäuseteils 12 und schließlich über die Bohrung 17 des fünften Gehäuseteils 14 sowie die Durchgangsbohrungen 42 des vierten Gehäuseteils 13 entlassen.
Als nächstes wird der Apparat P3 positioniert, um den Stift 4 in Berührung mit dem Objekt zu bringen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Berührungsdruckregelsektion 9-2 und die Längeniueßvorrichtung 32 bereits betriebsfähig. Die Vorrichtung 32 wirft einen Laserstrahl 30 auf die erste Reflexionsfläche 29a des kubischen Eckenreflektors 6a, empfängt den von der zweiten Reflexionsfläche 29b des Eckenreflektors 6a reflektierten Laserstrahl 31 und mißt die Verschiebung der Sondenwelle 3.
Wenn der Stift 4 das Objekt kontaktiert, ist die Sondenwelle 3 bestrebt, sich in der Richtung eines Pfeils 80a gemäß Fig. 7 zurückzuverschieben. Sie wird dabei jedoch in Richtung eines Pfeils 80b nach vorn gedrückt, weil der im Ringraum 73 wirkende Druck der Druckluft auf das proximale Ende der Sondenwelle 3 einwirkt (vgl. Fig. 8). Infolgedessen übt der Stift 4 einen Berührungsdruck bzw. Andruck auf das Objekt aus, wodurch der elastische Zylinder 40 mit einer Dehnung (bzw. deformierenden Spannung) beaufschlagt und dadurch deformiert wird.
Die Dehnungsmeßeinheiten 41 an der Umfangsfläche des elastischen Zylinders 40 generieren sodann Verschiebungssignale SA, die jeweils die Spannung repräsentieren, welche der vom Dehnungsmeßstreifen 41 gemessenen Dehnung äquivalent ist. Diese Signale SA werden der Berührungsdruckregelsektion 9-2 zugespeist, in welcher der Verstärker 43 die Signale SA verstärkt und Signale SB abgibt. Die Signale SB werden der ersten Operationseinheit 44 zugespeist. Anhand dieser Signale SB berechnet die Einheit 44 die dem Berührungsdruck P proportionale Dehnung (bzw. deformierende Spannung) längs der Achse des elastischen Zylinders 40, und sie bestimmt auch die Neigung oder Schrägstellung ΔT des Zylinders 40 gegenüber der Achse der Sondenwelle 3. Die Einheit 44 generiert ein elektrisches Signal SC, welches sowohl den Berührungsdruck P als auch die Neigung ΔT repräsentiert.
Zwischenzeitlich gibt die Berührungsdruckvorgabeeinheit 45 einen Ziel- bzw. Soll-Berührungsdruck PA vor, mit dem der Stift 4 das Objekt beaufschlagen soll, und sie gibt ein Zieldrucksignal SD aus. Die Regeleinheit 48 nimmt sowohl das Signal SD als auch das von der ersten Operationseinheit 44 abgegebene elektrische Signal SC ab. Die Einheit 48 gibt ein Regelsignal SJ zur Beseitigung der Differenz ΔP zwischen dem durch die Einheit 35 vorgegebenen Zielberührungsdruck PA und dem Berührungsdruck P aus. Das Regelsignal SJ wird dem Verstärker 79 eingespeist, der das Regelsignal SJ verstärkt und ein verstärktes Signal SJ' liefert. Das Signal SJ' wird dem Elektrostriktionselement 71 der Berührungsdruckeinstellsektion 7-2 zugespeist.
Entsprechend der Spannung des Regelsignals SJ' erfährt das Elektrostriktionselement 7l eine Ausdehnung oder Zusammenziehung in der Richtung eines Pfeils 81 gemäß Fig. 7. Infolgedessen verändert sich der Spalt &epsi;&sub1; zwischen dem Element 71 und der Welle 72, wodurch sich der Luftdruck im Ringraum 73 im umgekehrten Verhältnis zum Spalt &epsi;&sub1; ändert. Genauer gesagt je größer bzw. weiter der Spalt &epsi;&sub1; ist, um so niedriger ist der Luftdruck und um so geringer ist der durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck. Umgekehrt gilt: je enger der Spalt &epsi;&sub1; ist, um so höher ist der Luftdruck und um so größer ist der durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck.
Dies bedeutet, daß die Ausdehnung oder Zusammenziehung des Elektrostriktionselements 71 durch das Steuer- bzw. Regelsignal SJ' geregelt wird, um damit den Andruck bzw. Berührungsdruck einzustellen, mit dem der Stift 4 das Objekt beaufschlagt.
In der Berührungsdruckregelsektion 9-2 empfängt zwischenzeitlich die zweite Operationseinheit 51 das von der ersten Operationseinheit 44 gelieferte Signal SC und das von der Längenmeßvorrichtung 32 gelieferte Verschiebungssignal SG. Wie erwähnt, repräsentiert das Signal SC den Berührungsdruck P und die Neigung ΔT des elastischen Zylinders 40, während das Signal SG die Verschiebung der Sondenwelle 3 repräsentiert. Anhand dieser Eingangssignale SC und SG, welche die Dehnung &epsi; längs der Achse des Zylinders 40 sowie dessen Neigung oder Schrägstellung ΔT angeben, berechnet die zweite Operationseinheit 51 die tatsächliche oder Ist-Verschiebung der Sondenwelle 3, und sie generiert Daten, welche die Ist-Verschiebung der Welle 3 repräsentieren. Diese Daten werden einer (nicht dargestellten) Anzeige zugeliefert, mittels welcher die Ist-Verschiebung der Sondenwelle 3 überwacht wird.
Wie erwähnt, wird im Apparat P3 (Fig. 7) durch die Berührungsdruckmeßsektion 8 der durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck abgegriffen oder gemessen. Die Berührungsdruckeinstellsektion 7-2 wird in Abhängigkeit von dem so gemessenen Berührungsdruck angesteuert, um damit den Druck auf eine Sollgröße zu ändern. Die Einstellung des durch den Stift auf das Objekt ausgeübten Berührungsdrucks erfolgt somit auf Echtzeitbasis. Da sich weiterhin das Elektrostriktionselement 7 der Berührungsdruckeinstellsektion 7-2 in Abhängigkeit von der Spannung des ihnen bzw. ihm zugespeisten Regelsignals SJ' in sehr kleinen Stufen ausdehnen oder zusammenziehen kann, kann der vom Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck mit hoher Präzision eingestellt werden.
Im Vergleich zu einem Solenoid erzeugt das Elektrostriktionselement 71 bei Zuspeisung des Regelsignals SJ' zu ihm praktisch keine Wärme. Infolgedessen kann der Apparat P3 auch eine sehr hohe Verschiebungsmeßgenauigkeit besitzen.
Fig. 9 veranschaulicht einen Verschiebungsmeßapparat P4 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Der Apparat P4 entspricht mit Ausnahme von zwei Unterschieden dem Apparat P3 gemäß den Fig. 7 und 8. Zum einen weist die Berührungsdruckeinstellsektion 7-2 anstelle des Elektrostriktionselements 71 eine Ausblaseinstellscheibe (exhaustion adjusting disk) 91 auf. Zum zweiten ist eine Luftdruckeinstellsektion 92 eingangsseitig mit der zweiten Druckluftquelle 78b und ausgangsseitig mit der Leitung 77 verbunden.
Die aus Metall bestehende Scheibe 91 weist eine Zentralbohrung auf und ist zwischen dem Flansch 10a des ersten Gehäuse teils 10 und dem Flansch 12a des dritten Gehäuseteils 12 verspannt. Die Welle (der Wellenteil) 72 ist lose in die Zentralbohrung der Ausblaseinstellscheibe 91 eingeführt. Der Spalt &epsi;&sub1; zwischen der Welle 72 und der Scheibe ist enger als der Spalt &epsi;&sub2; zwischen der Sondenwelle 3 und der Metallbüchse 19, wie dies auch beim Apparat P3 der Fall ist. Im Gegensatz zum Spalt &epsi;&sub1; zwischen der Welle 72 und dem Element 71 beim Apparat P3 (Fig. 7) bleibt jedoch der Spalt &epsi;&sub1; unverändert.
Die Luftdruckeinstellsektion 92 bewirkt die Einstellung des Drucks der von der zweiten Druckluftquelle 78b gelieferten Druckluft zwecks Veränderung der Kraft, welche die im Ringraum 73 befindliche Druckluft auf das proximale Ende der Sondenwelle 3 in Richtung des Pfeils 80a ausübt. Infolgedessen wird (dadurch) der Andruck oder Berührungsdruck geregelt, mit dem der Stift 4 das (nicht dargestellte) Objekt beaufschlagt. Mit dem Apparat P4 werden somit die gleichen Vorteile wie mit dem Verschiebungsmeßapparat P3 erzielt.
Bei den vier oben beschriebenen Ausführungsformen kann die Sondenwelle 3 durch einen beliebigen, an sich bekannten Mechanismus an einer Drehung um ihre Achse gehindert werden. Beispielsweise kann ein von der Metallbüchse 19 in deren Axialrichtung (vermutlich: Radialrichtung) abstehender Stift oder Zapfen lose in eine Nut eingreifen, die in der Umfangsfläche der Welle 3 parallel zu deren Achse ausgebildet ist. Umgekehrt kann ein von der Welle 3 in deren Axialrichtung (vermutlich: Radialrichtung) abstehender Stift oder Zapfen lose in eine Nut eingreifen, die in der Innenumfangsfläche der Büchse 19 parallel zu deren Achse eingestochen ist.
Bei den vier oben beschriebenen Ausführungsformen können auch die Berührungsdruckmeßsektion und die Berührungsdruckregelsektion weggelassen werden. Wenn diese Sektionen nicht genutzt werden, wird eine Wärmeerzeugung in der Berührungsdruckeinstellsektion vermieden, wodurch verschiedene Vorteile erzielt werden.
Fig. 10 zeigt einen Verschiebungsmeßapparat P5 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Den Bauteilen der Apparate P1 bis P4 ähnliche Bauteile dieses Apparats P5 sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 3 bezeichnet und daher nicht im einzelnen beschrieben.
Der Apparat P5 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 1, ein im Gehäuse 1 angeordnetes Luftlager 2 und eine durch das Luftlager 2 berührungsfrei gelagerte Sondenwelle 3, die einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und in ihrer Axialrichtung verschiebbar ist.
Der Verschiebungsmeßapparat P5 umfaßt ferner einen Stift 41 einen Stopper 5, eine Längenmeßsektion 6 und eine Berührungsdruckeinstellsektion 102. Der Stift 4 ist koaxial zur Sondenwelle 3 mit dem distalen Ende derselben verbunden. Er ist oder wird in Direktberührung mit einem Objekt gebracht, um dessen Verschiebung zu messen. Der zwischen der Welle 3 und dem Stift 4 angeordnete Stopper 5 dient zur Begrenzung der Axialverschiebung der Sondenwelle 3. Die Längenmeßsektion 6 ist am proximalen Ende der Sondenwelle 3 angebracht und weist einen kubischen Eckenreflektor (corner cube) 6a auf, der zur Detektierung oder Messung der Verschiebung der Sondenwelle 3 ausgelegt ist. Die Berührungsdruckeinstellsektion 102 ist im proximalen Endabschnitt des Gehäuses 1 angeordnet und umschließt den proximalen Endabschnitt der Sondenwelle 3.
Das Gehäuse 1 umfaßt vier Teile 10, 11, 12 und 14. Der erste Teil 10 umschließt den kubischen Eckenreflektor 6a und ist zu diesem koaxial angeordnet. Der mit dem ersten Teil 10 verbundene zweite Teil 11 haltert die Berührungsdruckeinstellsektion 102. Der mit dem zweiten Teil 11 verbundene dritte Teil 12 haltert das Luftlager 2. Der mit dem dritten Teil 12 verbundene und koaxial dazu angeordnete vierte Teil 14 nimmt den Stopper 5 darin lose auf.
Der vierte Teil 14 des Gehäuses 1 umfaßt eine zylindrische Sektion 15 und eine deren distales Ende verschließende Endscheibe 16. Die zylindrische Sektion 15 weist eine konische Umfangsfläche 16a auf. Eine in der zylindrischen Sektion 15 ausgebildete Durchgangsbohrung 17 mündet am einen Ende an der Fläche 16a und am anderen Ende an der Innenfläche. In der Endscheibe 16 ist koaxial zum Stopper 5 eine Durchgangsbohrung 18 geformt.
Das Luftlager 2 besteht aus einer hohlzylindrischen Metallbüchse 103, in deren Außenumfangsfläche drei ringförmige bzw. umlaufende Führungsnuten 20a, 20b und 20c eingestochen sind. Vier in der Sohle der ersten Führungsnut 20a ausgebildete Drosselbohrungen 21a sind längs des Umfangs der Büchse 103 auf gleiche Abstände verteilt. Acht in der Sohle der zweiten Führungsnut 20b geformte Drosselbohrungen 21b sind längs des Umfangs der Büchse 103 auf gleiche Abstände verteilt. Acht Drosselbohrungen 2lc eines anderen Satzes sind in der Sohle der zweiten Führungsnut 20b ausgebildet und längs des Umfangs der Büchse 103 auf gleiche Abstände verteilt. Weiterhin sind vier in der Sohle der dritten Führungsnut 20c geformte Drosselbohrungen 21d (ebenfalls) längs des Umfangs der Büchse 103 auf gleiche Abstände verteilt. Jede der Drosselbohrungen 21a, 21b, 21c und 21d verengt sich in Richtung auf die Innenfläche der Büchse 103 und mündet an dieser Innenfläche.
In den zwischen den umlaufenden Führungsnuten 20a, 20b und 20c gelegenen dickwandigen Abschnitten der Büchse 103 sind Auslaßbohrungen 22 ausgebildet, die um den Umfang der Büchse 103 herum auf gleiche Abstände verteilt sind. Aus den Nuten 20a bis 20c wird über die Drosselbohrungen 2la bis 21d Druckluft in das Innere des Luftlagers 2 eingeblasen. Die Luft wird aus der Büchse 103 über die Auslaßbohrungen 22 entlassen.
Zwei im dritten Teil 12 des Gehäuses 1 ausgebildete Sätze von Auslaßbohrungen 22a sind koaxial zu den Auslaßbohrungen 22 der Metallbüchse 103 positioniert. Der dritte Teil 12 weist drei Einlaßbohrungen 24a, 24b und 24c auf, die mit den umlaufenden Führungsnuten 20a, 20b bzw. 20c der Metallbüchse 103 kommunizieren. Über diese Einlaßbohrungen 24a bis 24c wird Druckluft in die Führungsnuten 20a bis 20c und schließlich in das Innere des Luftlagers 2 eingeführt. Die Einlaßbohrungen 24a bis 24c sind über drei Leitungen 106a, 106b bzw. 106c mit einer (nicht dargestellten) Druckluftqüelle verbunden.
Gemäß den Fig. 10 und 11 sind in der Innenfläche des proximalen Endabschnitts der Büchse 103 vier Rillen oder Nuten 104 geformt, die parallel zur Achse der Büchse 103 verlaufen, einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen und längs des Umfangs der Metallbüchse 103 auf gleiche Abstände verteilt sind. Die vier Drosselbohrungen 21a münden an den Sohlen dieser Nuten 104. In der Umfangsfläche des Mittelabschnitts der Sondenwelle 3 sind vier-Paare von Rillen oder Nuten 104a und 104b geformt, die längs der Achse der Welle 3 verlaufen und einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen. Die Nuten 104a und 104b jedes Paars stehen der betreffenden Nut 104 der Metallbüchse 103 gegenüber.
Ebenso sind in der Innenfläche des distalen Endabschnitts der Büchse 103 zwei Nuten 105 ausgebildet, die parallel zur Achse der Büchse 103 verlaufen, einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen und längs des Umfangs der Büchse 103 auf gleiche Abstände verteilt sind. Die vier Drosselbohrungen 21d münden an der Sohle der Nuten 105. In der Umfangsfläche des distalen Endabschnitts der Sondenwelle 3 sind vier Paare von Nuten 105a und 105b ausgebildet, die längs der Achse der Welle 3 verlaufen und einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen. Die Nuten 105a und 105b jedes Paars stehen der betreffenden Nut 105 der Metallbüchse 103 gegenüber.
Die Nuten 104, 105, 104a, 104b, 105a und 105b besitzen jeweils gleiche Länge, die größer ist als der Hub der Sondenwelle 3.
Der Stopper 5 besteht aus einem Wellenteil oder Schaft 5a und einem Flansch 5b. Der Schaft 5a ist koaxial zur Sondenwelle 3 mit dieser verbunden. Sein distaler Endabschnitt ragt durch die Bohrung 18 in der Endscheibe 16 aus dem distalen Ende des Gehäuses 1 nach außen. Der Flansch 5b ist am Mittelabschnitt des Schafts 5a montiert. Der Flansch 5b kann sich im Raum zwischen dem dritten Teil 12 des Gehäuses 1 und der Endscheibe 16 in der Axialrichtung der Sondenwelle 3 verschieben. Infolgedessen kann sich der Stopper 5 über die Strecke zwischen dem Gehäuseteil 12 und der Endscheibe 16 hin und her verschieben.
Der Stift 4 umfaßt einen Hauptwellenteil oder Hauptschaft 4a und eine Rubinkugel 28. Der Hauptschaft weist ein zugespitztes distales Ende auf, wobei die Rubinkugel 28 mit dem zugespitzten Ende des Hauptschafts 4a verbunden ist.
Die Längenmeßsektion 6 umfaßt den kubischen Eckenreflektor 6a und eine Laserinterferometer-Längenmeßvorrichtung 32. Der (kubische) Eckenreflektor 6a weist an seinem proximalen Ende zwei Reflexionsflächen 29a und 29b auf, die unter einem Winkel von 45º zur Achse der Sondenwelle 3 schräggestellt sind und einander unter einem Winkel von 90º schneiden. Die Längenmeßvorrichtung 32 wirft (applies) einen Laserstrahl 30 längs der Achse der Sondenwelle 3 auf die erste Reflexionsfläche 29a und erfaßt oder mißt die Verschiebung der Sondenwelle 3 anhand der Interferenzcharakteristik des Laserstrahls 31, der von den beiden Reflexionsflächen 29a und 29b reflektiert und längs der Achse der Welle 3 zur Vorrichtung 32 (zurück) geworfen wird.
Die Berührungsdruckeinstellsektion 102 umfaßt einen hohlzylindrischen Spulenträger 33, zwei Dauermagnete 34, 35, zwei Spulen 36 und 37 sowie einen hohlzylindrischen Kern 38, der seinerseits an der Sondenwelle 3 montiert ist. Der den Kern 38 umgebende Spulenträger 33 weist zwei in seine Außenumfangsfläche eingestochene ringförmige bzw. umlaufende U-Nuten auf. Die Magnete 34 und 35 sind ringförmig ausgebildet und in die U-Nuten eingesetzt. Die Spulen 36 und 37 sind um die Magnete 34 bzw. 35 herumgewickelt.
Den Spulen 36 und 37 wird von einer (nicht dargestellten) Stromversorgung her elektrischer Strom zugespeist, der geändert bzw. variiert wird, um damit die zwischen dem Magneten 34 und der Spule 36 generierte Magnetkraft und auch die zwischen dem Magneten 35 und der Spule 37 generierte Magnetkraft zu ändern (zu variieren). Bei Speisung mit elektrischen Strom erzeugt jede der Spulen Wärme. Die Wärme wird jedoch effektiv vom zweiten Teil 11 des Gehäuses 1 abgestrahlt, da am zweiten Gehäuseteil 11 ringförmige Wärmeabstrahlrippen 39 angebracht sind.
Im folgenden ist die Arbeitsweise des oben beschriebenen Verschiebungsapparats P5 erläutert.
Zunächst wird über die Einlaßbohrungen 24a, 24b und 24c Druckluft in die umlaufenden Führungsnuten 20a, 20b bzw. 20c eingespeist. Die Luft wird weiterhin über die in den Sohlen der Führungsnuten 20a bis 20c ausgebildeten Drosselbohrungen 21a, 21b, 21c und 21d in den Spalt zwischen der Sondenwelle 3 und der Metallbüchse 103 eingeleitet. Infolgedessen lagert das Luftlager 10 die Sondenwelle 3 berührungsfrei unter Ausrichtung derselben koaxial zum Gehäuse 1. Die die Drosselbohrungen 21a bis 21d durchströmende Druckluft wird über die Auslaßbohrungen 22 der Metallbüchse 103, die Auslaßbohrungen 22a des dritten Gehäuseteils 12 sowie die Bohrung 17 des vierten Gehäuseteils 14 aus dem Apparat P5 abgeführt.
Gemäß Fig. 12 strömt die über die Drosselbohrungen 21a bis 21d in den Spalt zwischen Sondenwelle 3 und Metallbüchse 103 eingeleitete Druckluft auf die durch Pfeile 107 angegebene Weise in die Nuten 104a, 104b, 105a und 105b, die in der Umfangsfläche der Sondenwelle 3 geformt sind. Dies ist deshalb der Fall, weil die Nuten 104a und 104b eines jeden Paars relativ zur Achse der Drosselbohrung 21a symmetrisch angeordnet sind, während die Nuten 105a und 105b eines jeden Paars relativ zur Achse der Drosselbohrung 21d symmetrisch positioniert sind, so daß (jeweils) der gleiche Luftdruck auf die Nuten 104a und 104b sowie die Nuten 105a und 105b einwirkt. Infolgedessen wirken, wie durch Pfeile 108 und 109 angedeutet, zwei Kräfte in entgegengesetzten Richtungen auf die Welle 3. Die Sondenwelle 3 dreht sich daher nicht um ihre Achse, sofern nicht eine andere oder weitere Kraft in der Richtung des Pfeils 108 und 109 auf die Welle ausgeübt wird.
Die Längenineßvorrichtung 32 wirft einen Laserstrahl 30 längs der Achse der Sondenwelle 3 auf die erste Reflexionsfläche 29a und erfaßt bzw. mißt die Verschiebung der Sondenwelle 3 anhand der Interferenzcharakteristik des Laserstrahls 31, der von den beiden Reflexionsflächen 29a und 29b reflektiert und längs der Achse der Welle 3 zur Vorrichtung 32 (zurück) geworfen wird.
An die Spulen 36 und 37 wird ein vorbestimmter elektrischer Strom angelegt. Die Spulen 36 und 37 generieren Magnetfelder, durch welche die Sondenwelle 3 nach vorn geschoben oder gedrückt wird. Infolgedessen übt der an der Welle 3 angebracht Stift 4 eine vorbestimmte Berührungskraft auf das Objekt aus.
Es kann vorkommen, daß eine vom Luftdruck verschiedene Kraft in Richtung eines Pfeils 109 auf die Sondenwelle 3 ausgeübt wird bzw. einwirkt, wodurch die Welle 3 gemäß Fig. 13 über einen Winkel 8 verdreht wird. In diesem Fall liegt die Nut 104a (105a) näher an der Achse der Bohrung 21a (2ld) als die Nut 104b (105b). Infolgedessen strömt mehr Druckluft in die Nut 104a (105a) als in die Nut 104b (105b) ein, so daß in der Richtung des Pfeils 108 eine größere Kraft auf die Welle 3 einwirkt als in der Richtung des Pfeils 109. Infolgedessen wird die Sondenwelle 3 in Richtung des Pfeils 108 verdreht, bis die Nuten 104a und 104b (die Nuten 105a und 105b) gegenüber der Achse der Drosselbohrung 21a (21d) symmetrisch angeordnet sind.
Da die Sondenwelle 3 an einer Drehung um ihre Achse gehindert ist, solange sie durch das Luftlager 101 berührungsfrei getragen wird bzw. gelagert ist, tritt bei der Verschiebung der Sondenwelle 3 längs ihrer Achse keine Gleitreibung zwischen der Welle 3 und der Metallbüchse 103 auf. Infolgedessen ist oder wird die Sondenwelle 3 im Betrieb des Verschiebungsmeßapparatus P5 stets stabil gelagert. Dies trägt wesentlich zur Verbesserung von Zuverlässigkeit und Meßgenauigkeit des Apparats PS bei.
Da weiterhin die Sondenwelle 3 nicht mit einem rechtekkigen Querschnitt ausgebildet zu sein braucht, kann sie kostensparend angefertigt werden. Da sie außerdem eine vergleichsweise einfache Ausgestaltung aufweist, kann sie klein sein. Dies trägt zu einer Senkung der Fertigungskosten für den Verschiebungsmeßapparat P5 bei.
Die Nuten 104 sind in der Innenfläche des proximalen Endabschnitts der Büchse 103 ausgebildet, während die Nuten 105 in der Innenfläche des distalen Endabschnitts der Büchse 103 geformt sind. Die Nuten 104a und 104b sind in der Umfangsfläche des Mittelabschnitts der Welle 3 ausgebildet, während die Nuten 105a und 105b in die Umfangsfläche des distalen Endabschnitts der Welle 3 eingestochen sind. Statt dessen können den Nuten 104 und 105 äquivalente bzw. entsprechende Nuten in der Innenfläche nur des Mittelabschnitts der Büchse 103 und den Nuten 104a, 104b, 105a und 105b entsprechende Nuten in der Umfangsfläche nur des Mittelabschnitts der Sondenwelle 3 ausgebildet sein. Wahlweise können den Nuten 104 und 105 äquivalente bzw. entsprechende Nuten in den Innenflächen von drei oder mehr Abschnitten der Büchse 103 sowie den Nuten 104a, 104b, 105a und 105b entsprechende Nuten in den Umfangsflächen der drei oder mehr Abschnitte der Sondenwelle 3 geformt sein.
Die axiale Nut 104 oder 105 und die axialen Nuten 104a und 104b oder 105a und 105b brauchen nicht für jede der Drosselbohrungen in der Büchse 103 vorgesehen und längs des Umfangs der Büchse 103 voneinander beabstandet zu sein. Sie können nur für einige dieser Drosselbohrungen vorgesehen sein. Auch in diesem Fall kann die Drehung der Sondenwelle 3 zufriedenstellend unterdrückt sein.
Weiterhin können acht Drosselbohrungen, die den acht Bohrungen jedes Satzes in der zweiten umlaufenden Nut 20b der Metallbüchse 103 äquivalent sind, auch in den ersten und dritten umlaufenden Nuten 20a bzw. 20c ausgebildet sein.
Der Apparat P5 gemäß Fig. 10 weist einen Mechanismus zur Unterdrückung einer Drehung der Sondenwelle 3 auf. Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, umfaßt dieser Mechanismus die in der Innenfläche der Metallbüchse 103 geformten Nuten 104 und 105 sowie die in der Umfangsfläche der Welle 3 ausgebildeten Nuten 104a, 104b, 105a und 105b. Dieser spezifische Mechanismus ist nicht nur in Verschiebungsmeßapparate, sondern auch in verschiedene andere Arten von Apparaten oder Vorrichtungen integrierbar.
Fig. 14 zeigt einen Verschiebungsmeßapparat P6 gemäß einer sechsten Ausführungsform dieser Erfindung. Der Apparat P6 ist sozusagen eine Kombination der Apparate P1 und P5 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 10. Den Bauteilen der Apparate P1 und P5 entsprechende Bauteile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 10 bezeichnet und nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Gemäß Fig. 14 umfaßt der Apparat P6 eine Berührungsdruckeinstellsektion 7, eine Berührungsdruckmeßsektion 8 und eine Berührungsdruckregelsektion 9, die sämtlich den betreffenden Bauteilen (Sektionen) des Apparats P1 gleich sind. Ebenso wie der Apparat P5, umfaßt der Apparat P6 eine Sondenwelle 3 mit in ihrer Umfangsfläche ausgebildeten und längs ihrer Achse verlaufenden Nuten 104a, 104b, 105a und 105b sowie eine Metallbüchse 103 mit in ihrer Innenfläche geformten und längs ihrer Achse verlaufenden Nuten 104 und 105.
Die Berührungsdruckmeßsektion 8 mißt den vom Stift 4 auf ein Objekt ausgeübten Berührungsdruck. Die Berührungsdruckregelsektion 9 generiert anhand der von der Sektion 8 abgegebenen Signale SA Steuer- bzw. Regelsignale SE' und SF'. Die Berührungsdruckeinstellsektion 7 generiert elektromagnetische Kräfte entsprechend den Signalen SE' und SF' und beaufschlagt mit diesen Kräften die Sondenwelle 3, um damit den Berührungsdruck, mit welchem der Stift 4 das Objekt beaufschlagt, auf eine Sollgröße zu ändern. Sobald der Berührungsdruck, wenn auch nur geringfügig, vom Ziel- bzw. Solldruck abweicht, wird er somit auf die Sollgröße geändert.
Über die Drosselbohrungen 21a bis 21d wird Druckluft in den Spalt zwischen der Sondenwelle 3 und der Metallbüchse 103 eingeführt. Die Druckluft strömt sodann auf die durch Pfeile 107 angedeutete Weise in die in der Umfangsfläche der Sondenwelle 3 ausgebildeten Nuten 104a, 104b, 105a und 105b. Auch wenn eine vom Luftdruck verschiedene Kraft auf die Sondenwelle 3 einwirkt und diese in der einen Richtung um ihre Achse verdreht, beaufschlagt die Druckluft die Nuten 104a, 104b, 105a und 105b in der Weise, daß die Welle 3 in der entgegengesetzten Richtung gedreht oder verdreht wird, bis die Nuten 104a und 104b jedes Paars sowie die Nuten 105a und 105b jedes Paars symmetrisch zur Achse der betreffenden Drosselbohrungen 21a bzw. 21d liegen. Infolgedessen wird eine Drehung der Sondenwelle 3 um ihre Achse verhindert.
Beim Apparat P6 kann nicht nur der durch den Stift 4 auf das Objekt ausgeübte Berührungsdruck geregelt werden, vielmehr kann auch die Drehung der Sondenwelle 3 unterdrückt werden.
Beim Apparat P6 ist das Luftlager 101 der Berührungsdruckeinstellsektion 7 zugeordnet. Erfindungsgemäß kann das Luftlager 101, anstatt der Berührungsdruck(einstell)sektion 7 beim Apparat P1 zugeordnet zu sein, der Sektion 7-1 beim Apparat P2, der Sektion 7-2 im Apparat P3 oder der Sektion 7-3 beim Apparat P4 zugeordnet sein.
Darüber hinaus sind verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne von dem in den anhängenden Ansprüchen definierten Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verschiebungsmeßapparat, umfassend:

ein zylindrisches Gehäuse (1),

ein im Gehäuse (1) angeordnetes Statikdrucklager (2),

eine durch das Lager (2) berührungsfrei gelagerte und in einer Axialrichtung verschiebbare Sondenwelle

einen mit dem einen Ende der Sondenwelle (3) verbundenen Stift (4) zum Ausüben eines Berührungsdrucks gegen ein Objekt und

eine Druckeinstellsektion (7, 7-1, 7-2, 102) zum Einstellen des vom Stift (4) auf das Objekt ausgeübten Berührungsdrucks,

gekennzeichnet durch

eine Druckmeßsektion (8) zum Erfassen bzw. Messen des vom Stift (4) auf das Objekt ausgeübten Berührungsdrucks und

eine Druckregelsektion (9, 9-1, 9-2) zum Generieren eines Regelsignals entsprechend dem durch die Druckmeßsektion (8) gemessenen Berührungsdruck und zum Liefern des Regelsignals zur Druckeinstellsektion, um damit den Berührungsdruck zu regeln.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsdruckmeßsektion (8) ein zwischen den Stift (4) und die Sondenwelle (3) eingefügtes, säulenartiges elastisches Element (40) und an der Umfangsfläche des säulenartigen elastischen Elements (40) befestigte Dehnungs(meß)sensoren (41) umfaßt.

3. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsdruckeinstellsektion (7, 102) umfaßt:

einen in das Gehäuse (1) eingesetzten hohlzylindrischen Spulenkörper (33),

einen an dem Abschnitt der Sondenwelle (3), der vom Spulenkörper (33) umgeben ist, montierten hohlzylindrischen Kern (38),

in den Spulenkörper (33) eingesetzte, eine magnetische Anziehung auf den Kern (38) ausübende Dauermagnete (34, 35) und

um die Dauermagnete (34, 35) herumgewickelte Spulen (36, 37) zur Ausübung einer variablen magnetischen Anziehung auf den Kern (38).

4. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berühungsdruckregelsektion (9) das Regelsignal den Spulen (36, 37) der Berührungsdruckeinstellsektion (7) zuspeist, um damit die auf den Kern (38) ausgeübte magnetische Anziehung zu ändern und den durch den Stift (4) auf das Objekt ausgeübten Berührungsdruck zu regeln.

5. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsdruckeinstellsektion (7-1) an der Innenfläche des Gehäuses (1) befestigte und längs des Umfangs derselben auf gleiche Abstände verteilte Betätigungsglieder (62), die sich bei Beaufschlagung mit einer Spannung ausdehnen oder zusammenziehen, einen ersten Satz von jeweils an den Betätigungsgliedern befestigten Dauermagneten (64), (und) einen zweiten Satz von Dauermagneten (65) aufweist, die an der Sondenwelle (3) befestigt und längs des Umfangs der Sondenwelle (3) auf gleiche Abstände verteilt sind, den jeweiligen Dauermagneten (64) des ersten Satzes gegenüberstehen und gemeinsam mit den Dauermagneten (64) des ersten Satzes eine magnetische Anziehung erzeugen, wobei sich die Betätigungsglieder (62) bei Beaufschlagung mit einer Spannung ausdehnen oder zusammenziehen und damit den Spalt (abstand) zwischen jedem Dauermagneten (64) des ersten Satzes und dem betreffenden Dauermagneten (65) des zweiten Satzes verändern und demzufolge die magnetische Anziehung ändern.

6. Apparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Berührungsdruckregelsektion (9-1) das Regelsignal den Betätigungsgliedern (62) zuspeist, um damit den Spalt(abstand) zwischen jedem Dauermagneten (64) des ersten Satzes und dem betreffenden Dauermagneten (66 bzw. 65) des zweiten Satzes zu verändern und demzufolge den durch den Stift (4) auf das Objekt ausgeübten Berührungsdruck zu regeln.

7. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsdruckeinstellsektion (7-2) umfaßt:

ein am Gehäuse (1) angebrachtes hohlzylindrisches Elektrostriktionselement (71), das einen Abschnitt (72) kleineren Durchmessers der Sondenwelle (3) lose hält und sich bei Beauf schlagung mit einer Spannung ausdehnt oder zusammenzieht, um den Spalt zwischen dem Abschnitt (72) kleineren Durchmessers der Sondenwelle (3) und der Innenumfangsfläche des Elektrostriktionselements (71) zu verändern,

einen durch den Übergang zwischen dem Abschnitt (72) kleineren Durchmessers der Sondenwelle (3) und einem Abschnitt großen Durchmessers derselben festgelegten und in der Nähe des Elektrostriktionselements (71) angeordneten Stufenabschnitt sowie

im Gehäuse (1) geformte und längs des Umfangs des Gehäuses (1) auf gleiche Abstände verteilte Drosselöffnungen bzw. -bohrungen (74) zum Zuspeisen von Druckluft in einen durch das Elektrostriktionselement (71) und den Stufenabschnitt festgelegten Raum (73).

8. Apparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsdruckregelsektion (9-2) das Regelsignal dem Elektrostriktionselement (71) zuspeist, um damit den Spalt zwischen der Sondenwelle (3) und dem Elektrostriktionselement (71) zu verändern und demzufolge den durch den Stift (4) auf das Objekt ausgeübten Berührungsdruck zu regeln.

9. Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Statikdrucklagers (2) eine hohlzylindrische Büchse (19, 103) eine Anzahl von in der Büchse (191 103) ausgebildeten und längs des Umfangs der Büchse (19, 103) auf gleiche Abstände verteilten Drosselöffnungen bzw. -bohrungen (21, 21a, 21b, 21c, 21d) zum Einspeisen von Luft in den Spalt zwischen der Sondenwelle (3) und der Büchse (19, 103), einen ersten Satz von in der Innenfläche der Büchse (19, 103) ausgebildeten, längs der Achse der Büchse (19, 103) verlaufenden und jeweils mindestens einer Drosselbohrung (21a) gegenüberstehenden Nuten (104, 104a, 104b) sowie einen zweiten Satz von in der Umfangsfläche der Sondenwelle (3) geformten, längs der Achse der Sondenwelle (3) verlaufenden und in Paaren angeordneten Nuten (105, 105a, 105b) aufweist, wobei jedes Paar zwei in bezug auf die betreffende Nut des ersten Satzes symmetrisch angeordnete Nuten umfaßt.