DE69127277T2

DE69127277T2 - Analoger abweichungssensor

Info

Publication number: DE69127277T2
Application number: DE69127277T
Authority: DE
Inventors: Rudolf Wiklund
Original assignee: Geotronics AB
Current assignee: Geotronics AB
Priority date: 1990-03-23
Filing date: 1991-03-22
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2011-03-23
Also published as: EP0521092B1; JPH05505240A; DE69127277D1; EP0521092A1; US5326982A; WO1991014923A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Analogsensor der im Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 beschriebenen Art.
Für die genaue Vermessung von mechanischen Komponenten, wie z.B. in Koordinaten-Meßgeräten, werden verschiedene Arten von Meßproben verwendet. Die am häufigsten verwendete Art basiert auf dem Prinzipv daß ein Strom-Schaltpfad unterbrochen wird, wenn die Spitze der Probe, die oft die Form einer Kugel besitzt, dadurch in irgendeine Richtung (x, y, z) bewegt wird, daß ein Gegenstand auf sie trifft und dadurch eine gewisse Federkraft überwunden wird, worauf ein Strompfad unterbrochen und der gemessene Wert augenblicklich ermittelt wird. Genauere Meßgeräte basieren auf dem Prinzip, daß eine Reihe von Differentialtransformatoren, beispielsweise drei solcher Transformatoren, so angeordnet werden, daß sie mit der Hilfe von Verbindungsarmen die Bewegungen in analoger Weise in der x-, y- und z-Richtung messen können. Dies liefert die Vorteile, daß Aufprallkräfte vermieden werden und eine Auslenkung über einen gewissen Zeitraum hinweg (integriert) auftreten kann. Dies erhöht die Genauigkeit des gemessenen Wertes.
Derartige Proben sind jedoch teuer und besitzen einen komplizierten Aufbau. Auch hat der Meßteil relativ schwere Massen; somit ist die Meßgeschwindigkeit gering, was bedeutet, daß das gesamte Meßsystem eine relativ geringe Gesamtmeßkapazität besitzt. Eine hohe Meßkapazität zusammen mit einer hohen Meßqualität ist sehr wichtig für ein Meßsystem dieser Art.
Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, die Meßgenauigkeit zu erhöhen und die Masse der sich bewegenden Teile einer Probe zu vermindern sowie die Kapazität der Meßmaschine beträchtlich zu erhöhen, und dies in einer Anwendung, in der die Probe als eigenes Meßsystem im System der Meßmaschine arbeitet.
Die PCT-Anmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 90/00717 beschreibt eine Probe für ein Positions-Bestimmungsgerät, das einen Stift umfaßt, der in einem Lager mit geringer Reibung um einen Drehpunkt drehbar aufgehängt ist. Es können nur Koordinatenmessungen in zwei Richtungen ausgeführt werden. Die Winkelabweichung des Stiftes, die durch eine Berührung eines Hindernisses bewirkt wird, wird durch eine optische Meßanordnung gemessen. Die Möglichkeit, eine Hilfskraftzuführung einzusetzen, wird kurz erwähnt.
Dieser Zweck wird mit einem Analogsensor erzielt, der die in Anspruch 1 niedergelegten Merkmale aufweist. Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung verwendet die Prinzipien für eine Winkelmessung, die in US-A-4 521 973 (Wiklund und andere) beschrieben sind. Sie wurden weiterentwickelt und an die Verwendung bei einer Meßprobe angepaßt.
Das wesentliche Merkmal einer Ausführungsform des Analogsensors nach Anspruch 1, der in an sich bekannter Weise Meßeinrichtungen für Dimensionen in wenigstens einer Richtung aufweist und zu diesem Zweck eine Kugel an der Spitze eines Meßstabes besitzt, der derart federelastisch montiert ist, daß er sich im wesentlichen um ein Zentrum bewegen kann, das entweder oberhalb einer Feder montiert ist, oder um ein kardanisches Zentrum, oder der frei schwimmend ist aber durch das Anlegen äußerer Kräfte in eine zentrale Stellung zurückgebracht werden kann, besteht darin, daß eine oder zwei elektrisch isolierte, aber leitende Flächen vorgesehen sind, die als Kollektoren (Meßelemente) dienen. Somit kann die Probe gemäß der Erfindung Winkelmessungen für Verschiebungskräfte durchführen, die auf die Meßspitze des Sensors in einer Ebene senkrecht zu einer Symmetrieachse des Sensors, das heißt längs der x- und y-Achsen einwirken, und eine Linearmessung für eine Verschiebungskraft, die auf die Spitze des Sensors in axialer Richtung, das heißt längs der z-Achse einwirkt. Permanent montierte, im wesentlichen sich in der Meßrichtung symmetrisch gegenüberliegende Elemente werden mit Wechselstrom versorgt, der als Trägerwelle dient.
Das Meßelement oder Meßelemente-Paar mißt mit Hilfe von Veränderungen der Kapazität in Bezug auf permanent montierte Elemente die Winkeländerung zwischen der Meßebene und den permanent montierten Elementen für eine Verschiebung in der x- und/oder y-Richtung. Wenn eine Verschiebung längs der z-Achse ebenfalls gemessen werden soll, werden Element-Paare auf jeder Seite des Ursprungs der Probe längs der z-Achse vorgesehen. Da die Kapazitätsänderungen als Merkmale betrachtet werden können, die zu einer Modulation der Trägerwelle führen, wird ein Ausgangssignal, das auf der Kapazitätsänderung beruht, ohne Phasenverschiebung demoduliert und gefiltert. Das bewegliche Element bzw. die beweglichen Elemente können alternativ hierzu mit den festen Elementen den Platz tauschen, so daß die beweglichen Elemente die Treiberelemente sind.
Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1A, 1B, 1C verschiedene Teile sowie einen Zusammenbau einer ersten Ausführungsform des Analogsensors gemäß der Erfindung,
Fig. 2A und 2B eine schematische Zusammenbauzeichnung und einen Bestandteil einer zweiten Ausführungsform des Analogsensors gemäß der Erfindung,
Fig. 3A und 3B eine schematische Zusammenbauzeichnung und ein Schaltungsdiagramm für eine dritte Ausführungsform des Analogsensors gemäß der Erfindung,
Fig. 4A, 4B, 4C und 4D eine schematische Zusammenbauzeichnung, eine Musterplatte und zwei Schaltungsdiagramme verschiedener Meßanordnungen für eine vierte Ausführungsform des Analogsensors gemäß der Erfindung,
Fig. 5A und 5B eine Schnittansicht und ein schematisches Diagramm der Wicklungen und Magnetfelder in einer ersten Ausführungsform eines Sensors, der mit einer Kraftzuführeinrichtung versehen ist,
Fig. 6 eine Ausführungsform eines Bestandteils in einer kraftzuführeinrichtung für den Sensor,
Fig. 7A, 7B und 7C einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Kraftzuführeinrichtung für den Sensor, ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung zum Speisen der Wicklungen in der Energieversorgung und eine Draufsicht auf die Kraftzuführeinrichtung in Fig. 7A,
Fig. 8A, 8B und 8C Draufsichten aus verschiedenen Richtungen einer zusätzlichen Ausführungsform einer Kraftzuführeinrichtung für einen Sensor gemäß der Erfindung,
Fig. 9A und 9B in schematischer Weise eine Seitenansicht eines frei schwimmenden Sensors mit einer Kraftzuführeinrichtung und eine schematische Darstellung der Wicklungsanordnung für die Kraftzuführeinrichtung und den Verlauf der magnetischen Felder relativ zu den Wicklungen,
Fig. 10A, 10B, 10C, 10D unterschiedliche Teile eines Schaltungsdiagramms sowie ein Schaltungsdiagramm für die in den Fig. 9A und 9B gezeigte, erfindungsgemäße Ausführungsform,
Fig. 11 ein Blockdiagramm einer Steueranordnung für eine Ausführungsform des Sensors gemäß der Erfindung, und
Fig. 12 bis 16 verschiedene Ausführungsformen eines Sensors zusammen mit einer optischen Meßanordnung.
Ein geringfügig konischer Stab 1 mit einer Meßkugel 2, vorzugsweise aus Saphir, als Meßspitze ist in der Mitte einer " planaren " kreisförmigen Feder 3 montiert, wie in den Fig.1A und 1B dargestellt. Die Feder 3, die im einzelnen in Fig.1A dargestellt ist, ist mit nahezu halbkreisförmigen Löchern 4 - 7 versehen, die so angeordnet sind, daß sie einen Federkoeffizienten liefern, der in der x-, y- und z-Richtung gemessen in Relation zur Kraft auf die Meßspitze im wesentlichen gleich ist. Zwei der Löcher 4, 5 sind symmetrisch auf beiden Seiten der y-Achse angeordnet und zwei Löcher 6, 7 sind symmetrisch auf beiden Seiten der x-Achse angeordnet. Dies führt zu einer im wesentlichen iso-elastischen Funktion, wenn die Kugel auf das Meßobjekt trifft. Andere Arten von Federanordnungen als die gezeigte flache Feder, die die iso-elastische Funktion liefern, sind ebenfalls denkbar. Es ist auch denkbar, statt dessen eine kardanische Aufhängung zu verwenden.
Wie man am besten der Fig.1B entnimmt, ist der Stab 1 fest an der Mitte der Feder durch zwei miteinander in Eingriff tretende Befestigungseinrichtungen 8, 9 auf beiden Seiten der Feder 3, z.B. eine Schraube und eine Mutterv befestigt. Eine Scheibe 10 ist an der vom Stab 1 entfernt liegenden Einrichtung 9 befestigt. Somit bewegt sich die Scheibe 10, wenn sich der Stab 1 bewegt, da sie direkt mit dem Stab 1 verbunden ist. Die Scheibe 10 ist vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt und besitzt eine Beschichtung aus elektrisch leitendem Material auf beiden Seiten.
Eine Scheibe 11 aus elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise einem Laminat, ist in feststehender Weise oberhalb der Scheibe 10 befestigt, so daß sie sich normalerweise parallel zur Scheibe 10 erstreckt, das heißt dann, wenn der Stab 1 mit der Meßkugel 2 unbelastet ist, da er nicht gegen irgendeinen Gegenstand gestoßen ist. Die Scheibe 11 ist mit einer Leiterstruktur auf beiden Seiten versehen. Die Leiterstruktur, die auf die Scheibe 10 zuweist, ist in Fig.1C mit durchgezogenen Linien dargestellt, und die Leiterstruktur, die auf der von der Scheibe 10 weg weisenden Seite angeordnet ist, ist mit gestrichelten Linien dargestellt. Die Scheibe 10 ist in Fig.1C somit im Vergleich mit der Darstellung in Fig.1B in umgedrehter Weise wiedergegeben.
Beispiele für die Befestigungsmittel für die Anordnung sind in Fig.1B wiedergegeben, das heißt eine becherförmige Abdeckung 12, die in der Nähe ihrer Unterseite mit einem Absatz 13 versehen ist. Die Scheibe 11 liegt mit ihrer Oberseite an dem Absatz 13 an, wie in der Figur gezeigt. Ein Ring 14 ist in die Abdeckung 12 eingesetzt und liegt an der Unterseite der Scheibe 11 an, wie in der Figur gezeigt. Die Unterseite der Feder 3 liegt an der Unterseite des Rings 14 an, wie in der Figur gezeigt. Die axiale Länge des Rings 14 ist so angepaßt, daß sich die Scheibe 10 für die Messung ausreichend in dem Raum zwischen der Feder 3 und der Scheibe 11 bewegt. Das äußere Ende der Abdeckung 12 ist mit einem Innengewinde versehen. Eine weitere becherförmige Abdeckung 15 mit einem Loch, das einen für die Bewegung des Stabes 1 ausreichenden Durchmesser besitzt, ist in die Abdeckung 12 eingeschraubt und hält die Feder 3 an ihrem Platz.
Die Leiterstruktur in Fig.1C auf der Unterseite der Scheibe 11 (, die in der Figur nach oben zeigt,) ist in fünf Mustersegmente oder Elektroden A, B, C, D, E aus leitendem Material unterteilt, von denen die vier Elektroden A - D die Form von im wesentlichen dreieckigen Segmenten besitzen, deren innere Spitze abgeschnitten ist und deren beiden geraden Seiten sich nahe der Mitte der Scheibe 11 schneiden, wobei sich die dritte Seite längs einer Kreisbogenlinie in einem gewissen Abstand vom Umfangsrand der Scheibe erstreckt. Die vier Segmente A - D besitzen gleiche Abstände und bilden ein Muster, das um die beiden zueinander senkrechten Achsen x und y symmetrisch ist, die sich in der Mitte der Scheibe 11 schneiden.
Das fünfte Mustersegment, bzw. die Elektrode E, ist als Kreuz ausgeführt, dessen Ränder symmetrisch zwischen benachbarten geradlinigen Seiten der Mustersegmente A - D angeordnet sind. Das Mustersegment F, das mit gestrichelten Linien auf der Rückseite der Scheibe 11 wiedergegeben ist (in Fig.1C nach unten weisend), besitzt Ringform und liegt diametral außerhalb der Mustersegmente A - E und besitzt in jedem Zwischenraum zwischen den geraden Teilen der Mustersegmente A - D einen nach innen gerichteten Finger. Die radialen Finger an den Mustersegmenten E und F sind für das ordnungsgemäße Funktionieren nicht unbedingt erforderlich, doch vergrößern sie die Elektrodenoberfläche und liefern somit eine höhere Kapazität.
Jedes der Segmente A - F in den Leiterbahn-Mustern dient als Platte oder Elektrode eines Kondensators, wobei die andere Platte oder Elektrode die obere Leitbahnschicht auf der Scheibe 10 ist, die sich mit dem Stab 1 bewegt. Da die Elektrode F mit der oberen Leitbahn-Beschichtung auf der Scheibe 10 zusammenwirktv ist sie so angeordnet, daß keines der Mustersegmente A - E irgendwo als Schirm zwischen der Scheibe 10 und der Elektrode F wirkt.
Fig.1A - 1C zeigen eine Variantev die mit Einzelabtastung arbeitet. Diese Variante ist besonders gut dafür geeignet, die Verschiebung der Meßkugel nur in der x- und y- Richtung zu messen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Probe als solche für diese Richtungen winkelmäßig mißt, d.h. die Winkelabweichung um einen Mittelpunkt mißt, der sich am Schnittpunkt zwischen dem Stab 1 und der Feder 3 befindet. Ein Beispiel für die Spannungsmessung der Leitbahnmuster mit den Elektroden A - F ist in Figur 1C dargestellt. Eine Spannung Vf1 mit der Frequenz f1 wird zwischen den Elektroden A und B zugeführt, die längs der x-Koordinate liegen. Eine Spannung V2f1 mit der doppelten Frequenz, d.h. 2*f1, wird zwischen den Elektroden C und D längs der y-Koordinate zugeführt. Eine Spannung V4f1 mit der vierfachen Frequenz, das heißt 4*f1, kann zwischen den Elektroden E und F zugeführt werden, wenn auch die Abweichung längs der z-Koordinate angezeigt werden soll.
Eine Anzeige der Kapazitätsverschiebung in den drei Meßrichtungen X, y und z, wenn die Verschiebungen längs der x- und y-Richtungen winkelmäßig gemessen werden, wird mit einer in Fig. 1B sehr schematisch dargestellten Schaltung erzielt. Die obere Beschichtung auf der beweglichen Scheibe bzw. Platte 10 ist mit dem (+)-Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden. Der (-)-Eingang des Verstärkers OP1 ist mit seinem Ausgang verbunden. Die untere leitende Beschichtung auf der Platte 10 bildet einen Kondensator mit der oberen Beschichtung und ist mit dem Ausgang des ersten Verstärkers OP1 "boot-strap"-gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers OP1 ist mit dem (-)-Eingang des zweiten Verstärkers OP2 gekoppelt. Der (+)-Eingang des Verstärkers OP2 ist mit Erde verbunden und sein Ausgang ist mit dem (+)-Eingang des Verstärkers OP1 über einen Kondensator C1 wechselspannungsmäßig mit negativer Rückkopplung verbunden. Es gibt auch eine Gleichstromrückkopplung vom Ausgang des Verstärkers OP2 zum (+)-Eingang des Verstärkers OP1 über eine Reihenschaltung zweier Widerstände R1 und R2, die für diesen Zweck üblich ist und deren Verbindungspunkt wechselspannungsmäßig mit Erde über einen niederohmigen Widerstand R3 und einen Kondensator C2 gekoppelt ist.
Das Gehäuse 12 der Einheit ist geerdet. Der Ausgang des Verstärkers OP2 ist mit drei Phasendetektoren 17, 18 und 19 gekoppelt. Jeder von diesen wird mit einem Rechtecksspannungs-Referenzsignal oder alternativ einer dreiecks- oder sinusförmigen Spannung versorgt. Für jede von ihnen erstreckt sich das Meßintervall über eine Halbperiode, was eine Signalverarbeitung, d.h. " Demodulation ", des Signals ohne Phasenverschiebungen für jede Meßrichtung liefert. Das Ausgangssignal eines jeden Phasendetektors wird verstärkt (nicht dargestellt) und das verstärkte Ausgangssignal hat eine vorbestimmte Relation zur Winkelabweichung in der Richtungv die mit einer Spannung gekoppelt ist, welche die gleiche Referenzfrequenz besitztv wie diev die dem betreffenden Phasendetektor zugeführt wird.
Wie man den Figuren 1B und 1C entnimmt, bilden die Mustersegmente A, B und C,D, die zur Anzeige der Bewegungen der Spitze 2 in der x- beziehungsweise y-Richtung dienen mit der oberen Leitbahnschicht der Platte 10 zwei Paare von Kondensatoren, wobei sich die Kondensatoren in jedem Paar im wesentlichen in ausgeglichener Weise in entgegengesetzten Richtungen ändern, wenn die Platte 10 geneigt wird. Die Kondensatoren, die von den Mustersegmenten E und F gebildet werden und für die z-Achsenanzeige gedacht sind und die Beschichtung der Platte 10 ändern sich in derselben Richtung. Dies macht es schwierig bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform, die primär als x-y-Verschiebungsensor gedacht ist, eine Verschiebung in der z-Richtung mit Sicherheit anzuzeigen.
Die Figuren 2Aund 2B zeigen eine zweite Ausführungsform des Sensors gemäß der Erfindung. Die leitenden Elektroden muster A1, B1, C1, D1, E1 sind an der oberhalb der Feder 21 angeordneten und mit dem Stab 20 bewegbaren Scheibe 22 vorgesehen.
E1 ist als stemförmiges Muster mit radialen Armen dargestellt, die sich ausgehend von einem zentralen kreisförmigen Teil erstrecken. Die Arme sind nicht erforderlich, um es der Anordnung zu ermöglichen, in der gewünschten Weise zu arbeitenv doch führen sie zu einer größeren Elektrodenoberfläche Figur 2A zeigt das Gehäuse für die Anordnung mit der Montierung der verschiedenen Komponenten nicht, doch handelt es sich im Prinzip um dieselbe Anordnung wie in Figur 1B.
Die Scheibe 23, die mit der leitfähigen Beschichtung 1 versehen ist, deren Spannungspegel dadurch angezeigt wird, daß er dem (-)-Eingang eines Operationsverstärkers 25 zugeführt wird, liegt bei dieser Ausführungsform der beweglichen Scheibe 22 fest gegenüber, wobei die leitfähige Beschichtung ihr zugewandt ist. Die zweite leitende Beschichtung G1 für das Kondensatorpaar zur Anzeige einer Auslenkung in der z- Richtung ist an einer zusätzlichen festen Scheibe 24 vorgesehen, die parallel zur Scheibe 23 angeordnet ist. Eine Verschiebung der Sensorspitze in der z-Richtung wird somit mit Hilfe von zwei Kondensatoren gemessen, von denen der einev G1/I, eine konstante Kapazität und der andereu E1/I, eine veränderbare Kapazität besitzt.
Auf ihrer der leitfähigen Beschichtung I gegenüberliegenden Seite besitzt die Scheibe 23 einen Ring R aus einer leitfähigen Beschichtung. Der Ring R ist mit dem Ausgang des Verstärkers 25 verbunden und somit besitzt der Verstärker eine negative Rückkopplung mit dem Kondensator, der zwischen den Beschichtungen I und R auf der Scheibe 23 gebildet ist, so daß ein Signal am Eingang des Verstärkers 25 erhalten wird, das sich um den " 0 "-Signalpegel ändert. Die Sensoroberfläche 1 sollte sich in einer elektrisch neutralen Position ungefähr halbwegs zwischen den Oberflächen G1 und E1 befinden. Die Rückkopplung nach R sorgt für eine geringere Empfindlichkeit gegen Streukapazitäten, da sich die Sensoroberfläche I in diesem Fall in bezug auf Wechselspannungen immer auf Erdpotential befindet.
Wie man in Figur 2B sieht, wird in diesem Fall den Elektroden für die x- und y-Abweichungskondensatoren dieselbe Frequenz f2 aber mit einer relativen Phasenverschiebung von 90º zugeführt, das heißt es werden an sie die Spannungen V f2 0º bzw. V f2 90º angelegt. Die Elektroden für die z-Verschiebungskondensatoren werden mit einer Spannung mit der doppelten Frequenz, d.h. V2f2, versorgt. Es sei darauf hingewiesen, daß es im Rahmen dieser Erfindung liegt, statt dessen dem z-Elektrodenpaar eine Spannung mit der Hälfte der Frequenz f2 oder mit einem anderen Vielfachen n von f2 zuzuführen. Es sind auch andere Varianten denkbar, bei denen für x, y und z drei statt zwei Frequenzen zum Einsatz kommen, wobei 0º und 90º für eine Frequenz verwendet werden.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 25 wird in ähnlicher Weise verarbeitet wie dies in Verbindung mit den Figuren 1A - 1C beschrieben wurde. Die Ausgangssignale x, y und z sind in diesem Fall lediglich gefilterte, analoge Meßsignale, die in bekannter Weise in Digitalwerte transformiert werden können, um in einem Meßcomputer, der mit der Schaltung verbunden ist, erfaßt und datenmäßig verarbeitet werden zu können. Diese Art der Zuführung kann auch bei der Ausführungsform gemäß den Figuren IA - IC verwendet werden, wie auch die Art der in dieser Ausführungsform verwendeten Zuführung bei der in den Figuren 2A und 28 gezeigten Ausführungsform verwendet werden kann.
Figur 3A zeigt eine Ausführungsform einer Meßprobe gemäß der Erfindung, die um das Bewegungszentrum CM der Probe symmetrisch ist und abgeglichene Kondensatorenpaare für eine Verschiebunganzeige in allen drei Richtungen x, y, und z aufweist. Die Montageeinrichtungen für die feststehenden Komponenten sind in dieser Figur nicht dargestellt, bei denen es sich um die Feder 30, die im wesentlichen denselben Aufbau wie die Feder 3 in Figur 1A besitzt, und die äußersten Scheiben 31 und 32 handelt. Die dazwischenliegenden Scheiben 33 und 34 sind starr mit dem Stab 35 mit dessen Spitze 36 verbunden und sind mit diesem winkelmäßig für die Richtungen x, y und in Längsrichtung für die z-Richtung um das Bewegungszentrum CM bewegbar. Jede der bewegbaren Scheiben 33 und 34 ist auf ihrer von der Feder 30 weg weisenden Seite mit einem Muster versehen, das die in Figur 2B gezeigte Form besitzen kann, mit der Ausnahme, daß die Elektrode E1 in ihrer Mitte mit einem Loch versehen ist. Dieses Loch ermöglicht es, den Stab 35 an der Verankerungseinrichtung an der Feder 30 zu befestigen, und ermöglicht es, daß die Muster auf den beiden Scheiben 33 und 34 völlig identisch sind.
Die Mustersegmente zur Anzeige von Abweichungen in der x- und y-Richtung auf den Scheiben 33 und 34 , die den Mustersegmenten A1, B1, C1, D1 in Figur 2B entsprechen, sind miteinander verbunden, so daß in Figur 3A die Mustersegmente C1' und C1" ebenso miteinander gekoppelt sind, wie die Mustersegmente D1' und D1". Es sei darauf hingewiesen, daß die Mustersegmente vom gleichen Typ auf den Scheiben 33 und 34 einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind, so daß eine Verschiebung in irgendeiner Richtung für die Kondensatoren auf beiden Seiten der Feder 30 in die gleiche Richtung wirkt. Nimmt man an, daß die Spannungszuführung zu den Elektrodenplatten für die Anzeige von Auslenkungen in der x- und y-Richtung die gleiche ist, wie in Figur 2B, so wird eine Spannung V2f2 der Primärseite eines Transformators zur Anzeige der Abweichung in der z-Richtung zugeführt, dessen Sekundärseite mit einem geerdeten Mittelausgang zwischen die Mustersegmente E2' und E2" gelegt ist.
Jede der äußeren Platten 31 und 32 weist auf ihrer Seitev die einer der beweglichen Platten gegenüberliegt, drei ringförmige Beschichtungen auf, von denen die radial mittlere 37 beziehungsweise 40 die breiteste ist und mit dem (+)-Eingang eines Operationsverstärkers OP3 als Sensorelektrode (siehe Figur 3B) gekoppelt ist. Der Ausgang des Verstärkers OP3 ist mit seinem (-)-Eingang gekoppelt.
Die äußere ringförmige Beschichtung 38 bzw. 41 und die innere ringförmige Beschichtung 39 bzw. 42 sowie eine vollständige Beschichtung 44 bzw. 45 auf den beiden Scheiben 31 und 32 sind mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP3 "boot strap"-mäßig gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers OP3 ist mit dem (-)-Eingang eines Operationsverstärkers OP4 verbunden, dessen (+)-Eingang mit Erde verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers OP4 ist auf den (+)-Eingang des Verstärkers OP3 rückgekoppelt, und zwar einerseits über einen Kondensator und andererseits über eine Gleichstromrückkopplung ohne eine Wechselstromrückkopplung, wie sie in Verbindung mit Figur 1B gezeigt wurde.
Weiterhin ist der Ausgang des Verstärkers OP4 mit drei Phasendetektoren 46, 47, 48 des gleichen Typs verbunden, wie er in Figur 2A gezeigt wurde, die eine " reine Phasendetektion", d.h. ohne Phasenverschiebung, der Verschiebungen in den drei Meßrichtungen durchführen. Die tiefpaßgefilterten Ausgangssignale der Phasendetektoren 46, 47, 48 werden dann nach einer Analog/Digital-Umwandlung in individuellen Analog/Digital-Wandlern an den Eingang eines Mikroprozessors 49 ND-gekoppelt, der eine periphere Hardware wie zum Beispiel einen Programmspeicher und einen Arbeitsspeicher aufweist und mit einem Programm zur Berechnung der Verschiebungen in den Meßrichtungen ausgestattet ist und diese an einen oder mehrere Ausgänge sendet, die mit anderen Geräten verbunden sind, wie zum Beispiel einer Wiedergabeeinheit oder einer Einheit, welche die erhaltenen Signale als Steuersignale verwendet usw. (nicht dargestellt).
Figuren 4A, 4B, 4C und 4D zeigen eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform ist die bevorzugte. Figur 4A ist eine perspektivische Darstellung der Meßkomponenten, wobei diese der Deutlichkeit halber in einem größeren Abstand voneinander dargestellt sind, als er in Wirklichkeit vorhanden ist.
Der Sensorstab 51 mit seiner Sensorkugel 52 ist in einer Feder 53 so aufgehängt, daß der Tragpunkt zentral angeordnet ist, was eine Bewegung in der z-Richtung (axial zum Stab) ermöglicht, sowie eine Winkelbewegung relativ zur z-Achse um einen Punkt der sich nur in der z-Richtung bewegen kann, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Ein Paar elektrisch leitender Kollektorplatten 54 und 55 ist auf beiden Seiten der Feder 53 permanent am Stab montiert und sind von ihm isoliert. Die Kollektorplatten sind geeigneter Weise aus Metall und sind elektrisch mit der Feder 53 verbunden.
Das Gehäuse des Sensors ist nicht dargestelltv doch kann es von der gleichen Art sein, wie das in Figur 1B dargestellte. Die Feder 53 hat periphere äußere Zungen 56, 57, mit denen sie in der Abdeckung befestigt ist.
Axial auf beiden Seiten der Kollektorplatten 54 und 55 ist im Sensorgehäuse ein Paar von Treiberplatten 58, 59 befestigt, bei denen es sich um gedruckte Schaltungsplatinen mit Leitbahnmustersegmenten auf einem Substrat handelt. Das Muster auf den gedruckten Schaltungsplatinen ist in Figur 4B und auch schematisch in Figur 4A dargestellt. Die Muster auf den Musterscheiben 58 und 59 sind identisch und die mit einem Muster versehenen Oberflächen auf den Scheiben weisen auf die Kollektorplatten 54 und 55 zu. An ähnliche Mustersegmente auf den Scheiben 58 und 59 wird eine Spannung in der gleichen Weise angelegt, so daß das in Blickrichtung der Figur auf der Scheibe 58 vordere Mustersegment c1' dem hinteren Mustersegment c2' auf der Scheibe 59 und das linke Mustersegment, d.h. d1', auf der Scheibe 58 dem rechten Mustersegment d2' auf der Scheibe 59 entspricht und umgekehrt (siehe Figur 3A).
In Figur 4B sind die Mustersegmente auf der Scheibe 59 beschriftet. Sie sind in konzentrischen Ringen angeordnet. Im innersten Ring ist ein windmühlenflügelförmiges Mustersegment b' für die Anzeige einer Bewegung in der z-Richtung vorgesehen.
Wie man der Figur 4C entnimmt, wird eine Spannung mit der Frequenz n * f&sub0; zwischen dem Mustersegment b auf der Scheibe 58 und dem Mustersegment b' auf der Scheibe 59 angelegt. Die Signalform kann, wie oben erwähnt, ein Sinus oder eine andere Form einer Flanken aufweisenden Welle sein. Alle sich radial erstreckenden Teile des Musters b' sind durch einen inneren Ring miteinander verbunden. Die Mustersegmente a' sind zwischen den sich erstreckenden Teilen des Musters b' angeordnet. Die Mustersegmente a' sind miteinander auf der Rückseite der Scheibe verbunden. Es bilden sowohl die Mustersegmente a' auf der Scheibe 59 zusammen mit der Kollektorplatte 54 als auch die Mustersegmente a auf der Scheibe 58 zusammen mit der Kollektorplatte 54 einen Rückkopplungs-Kondensator für die in Figur 4A gezeigte Schaltung.
Der Ring außerhalb des innersten Rings weist Mustersegmente c2, c2' und d2, d2' für eine Anzeige der Bewegung der Meßkugel in der x- beziehungsweise y-Richtung auf. Ein Wechselstrom mit der Frequenz f&sub0; und der Phase 0º wird sowohl zwischen den Mustersegmenten d2 und d2' als auch zwischen den Mustersegmenten d1 und d1' auf der Scheibe 58 angelegt. Darüber hinaus wird ein Wechselstrom mit der Frequenz f0 und der Phase 90º sowohl zwischen den Mustersegmenten c2 und c2' als auch zwischen den Mustersegmenten c1 und c1' auf der Scheibe 58 angelegt. Figur 4C zeigt, daß das Anlegen dieser Spannungen mit Hilfe von Transformatoren erfolgen kann, wie oben beschrieben.
Figur 4D zeigt ein alternatives Verfahren zur Erzeugung des Treibersignals. Ein Frequenzteiler 62 wird ein Signal mit der Frequenz 4*f&sub0; zugeführt. Der Frequenzteiler 62 hat einen Ausgang Q1, an dem ein Signal mit der Frequenz 2*f erscheint, und einen weiteren Ausgang Q2, an dem ein Signal mit der Frequenz f und der Phase 0º erscheint. Der Ausgang Q1 des Teilers 62 ist mit einem ersten Verstärker 63 verbunden, der einem nicht-invertierenden und einen invertierenden Ausgang besitzt, von denen der eine mit dem Mustersegment b und der andere mit dem Mustersegment b' verbunden ist. Der Ausgang Q2 des Frequenzteilers 62 ist mit einem zweiten Verstärker 64 mit einem nicht-invertierenden und einem invertierenden Ausgang verbunden, von denen der eine mit den Mustersegmenten d1 und d2 und der andere mit den Mustersegmenten d1' und d2' verbunden ist. Die Ausgänge Q1 und Q2 sind auch mit einzelnen Eingängen eines EXKLUSIV-ODER-Gatters 65 verbunden, an dessen Ausgang ein Signal mit der Frequenz f erscheint, das gegen das Signal am Ausgang Q2 um 90º phasenverschoben ist. Dieses Signal wird einem dritten Verstärker 66 mit einem nichtinvertierenden und einem invertierenden Ausgang zugeführt, von denen der eine mit den Mustersegmenten c1 und c2 und der andere mit den Mustersegmenten c1 und c2' verbunden ist.
Ein Schutzring r' auf der Scheibe 59 und ein Schutzring r auf der Scheibe 58 befinden sich radial ganz außen und sind mit dem Sensorgehäuse verbunden.
Die Kollektorplatten 54 und 55 sind elektrisch mit der Feder 53 verbunden, und das Signal wird in geeigneter Weise über die vom Sensorgehäuse isolierte Feder 53 abgenommen. Das Kollektorsignal wird dem (+)-Eingang eines Operationsverstärkers 60 zugeführt, dessen (-)-Eingang mit seinem Ausgang verbunden ist. Um kurzschließende Stör- oder Streukapazitäten um die Kollektorplatte zu beseitigen, ist das umgebende Sensorgehäuse zusammen mit den Schutzringen r und r' mit dem Ausgang des Verstärkers 60 "bootstrap"-mäßig verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 60 ist mit dem (-)-Eingang eines Operationsverstärkers 61 verbunden, dessen Ausgang mit (nicht dargestellten) Phasendemodulationsschaltungen zum Trennen der die Bewegungen in der x-, y- und z-Richtung betreffenden Informationen in der gleichen Weise verbunden ist, wie dies in Verbindung mit den oben beschriebenen Ausführungsformen erläutert wurde. Die Mustersegmente a und aU sind mit dem Ausgang des Verstärkers 61 verbunden und die Wechselspannungsrückkopplung wird durch einen zusammengesetzten Kondensator zwischen den Segmenten a und dem Kollektor 55 und zwischen den Segmenten a' und dem Kollektor 54 bewirkt. Die Gleichspannungsrückkopplung wird in der gleichen Weise bewirkt wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Um die Meßspitze schnell bewegbar zu machen, kann eine einfache Kraftzuführeinrichtung mit dem Sensor verbunden sein. Das Antriebssystem der Kraftzuführeinrichtung muß auf die Kugel des Meßstabes in der x-, y- und z-Richtung einwirken. Dadurch, daß man den kapazitiven Sensor und eine induktive Kraftzuführeinrichtung kombiniert, kann auf einfache Weise eine einzige Kombinationseinheit erzeugt werden. Hiermit ist zwar eine gewisse Verminderung der Meßgenauigkeit verbunden, da die Kraftzuführeinrichtung und die Messung gekoppelt sind, doch überwiegt der Vorteil einer schnellen Beweglichkeit die Nachteile in den meisten Fällen. Mit Hilfe eines Schalters kann die Möglichkeit vorgesehen werden, den Kraftzuführteil abzuschalten.
Eine induktive Kraftzuführeinrichtung, die mit einem kapazitiven Sensor der in Figur 4A gezeigten Art verbunden ist, ist in Figur 5A wiedergegeben. Es ist jedoch offensichtlich, daß jede der gezeigten Sensor-Ausführungsformen hier verwendet werden kann. Die Kollektorplatten 71 und 72 sind starr und elektrisch mit der Feder 73 verbunden. Die Feder 73 ist zwischen den Isolationsringen 74 und 75, von denen sie elektrisch isoliert ist, an ringförmigen Halteelementen 76 und 77 montiert. Die Musterplatten 78 und 79 sind in Rillen in individuellen Halteelementen 76 bzw. 77 montiertv die vorzugsweise aus Metall bestehen, und sind "bootstrap"-mäßig mit dem Ausgang des Verstärkers 60 verbunden (siehe Figur 4A).
Der Stab 80, der starr mit den Kondensatorplatten 71 und 72 verbunden ist, erstreckt sich durch die Einheit 71 - 73 mit einem zusätzlichen Teil 81, der an einer Kraftzuführeinrichtung befestigt ist.
Die Kraftzuführeinrichtung gemäß Figur 5A umfaßt ein becherförmiges Element 82 aus isolierendem Material, das sich vom Sensor weg öffnet und mit einem ringförmigen, sich nach außen erstreckenden, gekrümmten Flansch 83 versehen ist.
Die Mitte der Krümmung des Flansches 83 liegt ungefähr im Bewegungszentrum CM' des Sensors. Die beiden Seiten des becherförmigen Elements 82 sind mit einer Lautsprecher-Wicklung 84 versehen und der Flansch ist mit Wicklungen L1 - L4 versehen. Die gesamte Einheit 82, 83 ist beweglich und feste Magnetfelder kreuzen die Wicklungen. Das becherförmige Element 82 mit seiner Wicklung 84 wirkt als Lautsprecher- Spule.
Die vier Wicklungen L1, L2, L3, L4 sind auf der ringförmigen Laminat-Scheibe 83 in einem Quadrat angeordnet (siehe Figur 5 B), so daß sie vier getrennte Pole bilden, von denen zweiv nämlich L1 und L3, längs der x-Achse und zwei, nämlich L2 und L4, längs der y-Achse angeordnet sind. Die Wicklungen in oder auf dem Laminat werden beispielsweise durch Mehrschicht-Aufbringung oder dadurch erzeugtv daß die gewickelten "quadratischen" Spulen komprimiert und eingebettet werden. Die Ausbreitung der vertikalen Magnetfelder M1, M2, M3, M4 seitlich durch die Scheibe 83 ist in Figur 5B gezeigt und ist relativ zu den Spulen L1 - L4 versetzt, wodurch eine stromführende Spule die Tendenz zeigt, weiter in das Feld hineingezogen zu werdenv wenn die Magnetisierungsrichtung der des Feldes entgegengesetzt ist; andernfalls wird sie abgestoßen.
Die in Figur 5A gezeigten, näherungsweise vertikalen und horizontalen Magnetfelder werden von einer Anordnung aus Permanentmagneten und Weicheisenelementen erzeugt. Ein stabförmiger Permanentmagnet 86 ist in der Öffnung des becherförmigen Elements 82 oberhalb der Wicklung 84 angeordnet. Weichmagnetische Stäbe 87 und 88 sind auf beiden Seiten des Magneten 86 befestigt. Eine ringförmige Einheit 89, die mit vier Permanentmagneten versehen ist und deren Magnetisierung quer zur Achse des Stabes 80 verläuft, wenn er sich in seiner normalen Stellung befindet, ist um den weichmagnetischen Stab 88 herum angeordnet. Ein ringförmiger Polschuh 90, der zumindest weichmagnetische Teile in Verbindung mit den Permanentmagneten umfaßt, ist um den Ring 89 herum angeordnet. Ein zusätzlicher Ring 91 mit weichmagnetischen Teilen 10 ist gegenüber dem Ring 90 auf der anderen Seite des Flansches oder Kragens 83 angeordnet. Die auf den Kragen zuweisenden Oberflächen an den Ringen 90 und 91 haben im wesentlichen die gleiche Kurvenform wie der Kragen. Der Kragen 83 ist in seiner normalen Stellung parallel zu den Oberfiächen. Die Magnetlinien sind in den linken Teil von Figur 5A eingezeichnet. Der Sensorteil ist dadurch von der Kraftzuführeinrichtung der feststehenden Zuführeinrichtung isoliert, daß der feststehende Weicheisenring 91 der Kraftzuführeinrichtung in einem Innenhohlraum in einer ringförmigen, isolierenden Buchse 92 angeordnet ist, die an das Halteelement 76 angeklebt ist.
Dadurch, daß den Wicklungen L1 - L4 und 84 geeignete Signale zugeführt werden, kann eine Bewegung des Meßstabes in der x-, y- und z-Richtung in gewünschter Weise gesteuert werden.
Dadurch, daß den x-Wicklungen L1, L2 oder den y-Wicklungen L2, L4 Strom zugeführt wird, wird eine Kraft in der entsprechenden Richtung erhalten. Die z-Wicklung 84 ist eine Variante einer Lautsprecherspule zur Erzeugung einer Kraft in der z-Richtung.
Das Zuführen von Strom zu jeder einzelnen Wicklung kann beispielsweise stattfinden, sobald das Ausgangssignal vom Mikroprozessor 49 in Figur 3B empfangen worden ist, das die Abweichung bzw. Auslenkung angibt, für welche die Wicklung eine Kraft in ihrer jeweiligen Richtung liefern soll. Die Kraftzuführeinrichtung kann jedoch auch verwendet werden, um in einem Meßverfahren eine Vor-Einstellung für die Meßkugel vorzunehmen, das weiter unten noch genauer beschrieben wird.
Es sind viele Abwandlungen der Spulen und Laminate vorstellbar, um der Kraftzuführeinrichtung in Figur 5A dieselbe Funktion zu verleihen. In Figur 6 ist ein Beispiel für eine Käfigwicklungsanordnung auf einem Spulenrahmen 100 wiedergegeben, die die x-, y- und z-Kräfte direkt für den Spulenrahmen liefert, so daß kein Laminatkragen 83 mit Wicklungen erforderlich ist. Die Magnetanordnung kann in diesem Falle aus einem mit Permanentmagneten versehenen inneren Zylinder und einem mit Permanentmagneten versehenen äußeren Ring mit einem verbindenden weichmagnetischen Polschuh oberhalb des Spulenrahmens 100 (nicht dargestellt) bestehen, die so angeordnet sind, daß sich relativ schmale Magnetfelder 103, 104, 105 durch den Rahmen 100 erstrecken.
Die Käfigwicklungsanordnung umfaßt bei der gezeigten Ausführungsform vier Spiralwicklungen 101 und 102 (, von denen in der Figur nur zwei sichtbar sind), um Kräfte in der x- und y-Richtung und um den Umfang des Spulenrahmens verteilt und auf dem gleichen Niveau zu liefern. Sie sind so angeordnet, daß die Magnetfeldlinien durch den Spulenrahmen, die, wie gezeigt, in den Oberflächen 103, 104, 105 eine relativ kleine seitliche Ausdehnung besitzenv gleichförmig zwischen jeweils zwei der Spiralwicklungen 101, 102 aufgeteilt sind.
Wenn beispielsweise eine zusätzliche Kraft in der y-Richtung in der Figur nach rechts angelegt werden soll, wird den Wicklungen 101 und 102 Strom in einer solchen Richtung zugeführt, daß eine Spule weiter in das Magnetfeld 103 hineingezogen und die andere vom Magnetfeld abgestoßen wird. Die gleiche Art der Stromzuführung erfolgt für die Wicklungen auf der anderen Seite des Spulenrahmens 100, so daß keine Bewegung in der Richtung des Magnetfeldes erfolgt. Wenn Kräfte in der x-Richtung, d.h. quer zur Papierebene angelegt werden sollen, wird der Wicklung 102 und der (nicht dargestellten) hierzu benachbarten Wicklung auf der anderen Seite des Spulenrahmens Strom in solchen Richtungen zugeführt, daß die eine die Tendenz zeigt, in das Magnetfeld 105 hineingezogen zu werden, und die andere, abgestoßen zu werden. Die gleiche Art der Stromzuführung erfolgt für die Wicklung 101 und ihre benachbarte Wicklung auf der anderen Seite des Spulenrahmens, so daß die Kraft in derselben Richtung längs der x-Achse zugeführt bzw. ausgeübt wird.
Es sind auch Spiralwicklungen 106 auf einem Niveau oberhalb der Wicklungen 101, 102 vorgesehen, so daß ihr unterer Teil von den Magnetfeldern 103 getroffen wird, um eine Kraft in der z-Richtung zu liefern. Von den Wicklungen 106 müssen, wie in der Figur gezeigt, auf beiden Seiten des Spulenrahmens 100 nur zwei vorhanden sein, doch können auch mehr, beispielsweise vier vorgesehen werden, die symmetrisch um den Spulenrahmen angeordnet sind. Wesentlich ist hier, daß die Wicklungen 106 relativ zum Durchgang des Magnetfeldes 103 versetzt liegen und daß sie daher auch alternativ oder ergänzend auf einem Niveau unterhalb der Wicklungen 101, 102 angeordnet werden können. Um eine zusätzliche Kraft nach oben zu liefern, wird den Wicklungen 106 ein Strom mit einer Richtung zugeführt, die eine Abstoßung in dem Magnetfeld 103 und in dem entgegengesetzten Magnetfeld auf der anderen Seite des Spulenrahmens 100 erzeugt, und für eine zusätzliche Kraft nach untenv ein Strom mit einer Richtung, die zu einer Anziehung führt.
Die Figuren 7A, 7B und 7C zeigen eine zusätzliche Ausführungsform einer Kraftzuführeinrichtung für den Sensor, bei der ein becherförrhiges Element 110 einen zylindrischen Teil 111 aufweist, der mit vier Wicklungen L1', L2', L3', L4' versehen ist. Der zylindrische Teil 111 hat seinen Boden in der Figur oben und seine Öffnung an der Unterseite der Figur. Der mit dem zentralen Teil (nicht dargestellt) verbundene Stab erstreckt sich somit zentral durch den zylindrischen Teil 111 und ist am Boden 110 mit Hilfe einer Schraubbefestigung 113 befestigt. Ein mit einem Magneten versehener Doppelzylinder hat einen inneren Zylinderteil 114 und einen äußeren Zylinderteil 115, wobei diese Teile auf beiden Seiten des zylindrischen Teils 111 des becherförmigen Elements 110 angeordnet sind. Der innere Zylinder 114 besitzt einen zylindrischen Permanentmagneten 116, der in axialer Richtung von zwei ringförmigen Polschuhen 117, 118 aus Weicheisen umgeben ist. Der äußere Zylinder 115 besitzt einen zylindrischen Permanentmagneten 119, der in axialer Richtung von zwei ringförmigen Polschuhen 120, 121 aus Weicheisen umgeben ist. Die axial polarisierten Magnete 116 und 119 sind mit ihren Polen entgegengesetzt orientiert, so daß die Magnetlinien zwischen ihren jeweiligen Nord- und Südpolen sich mit Hilfe der Polschuhe im wesentlichen quer über den Luftspalt zwischen den diametral entgegengesetzten Wicklungsteilen der Wicklungen L1' - L4' erstrecken. Die mit Magneten versehenen Zylinder 114 und 115 werden in einem Halter 122 gehalten, der fest in das Gehäuse für den Sensorteil eingeschraubt ist und für eine Isolierung zwischen dem Sensorteil und dem Antriebssystem sorgt. Der Halter ist mit einem zentralen Loch versehen, das den gleichen Durchmesser wie der Magnetzylinder 114 aufweist. Dieser Durchmesser ist wesentlich größer als der Durchmesser des Stabes 112, so daß sich dieser frei unter dem Einfluß des Antriebssystems und aufgrund der Verschiebungen der Meßkugel bewegen kann. Wie bei allen wiedergegebenen Ausführungsformen der Erfindung besteht der Stab aus einem elektrisch isolierenden Matenaiv beispielsweise einem keramischen Material.
Figur 7B zeigt ein Schaltungsdiagramm für die Ansteuerung der Antriebseinheit in Figur 7A. Signale für die gewünschte Vor-Positionierung in der x-, y- und z-Richtung werden einzelnen Verstärkern F1, F2 beziehungsweise F3 zugeführt.
Das Ausgangssignal des Verstärkers F1, dem das x-Signal zugeführt wird, wird einerseits über eine erste Addierschaltung A1 einem weiteren Verstärker F4 und andererseits über einen Inverter I1 und eine zweite Addierschaltung A2 einem an den Verstärker F4 angepaßten Verstärker F5 zugeführt. Das Signal für die Vor-Positionierung in der x-Richtung wird vom Verstärker F4 der Wicklung L1' und vom Verstärker F5 der Wicklung L2' zugeführt, wodurch diese Wicklungen in entgegengesetzten Richtungen angesteuert werden, so daß ihre Bewegungen im Magnetfeld der Magnetzylinder in der x-Richtung zusammenwirken.
Das Ausgangssignal des Verstärkers F2, dem das y-Signal zugeführt wird, wird einerseits über eine Addierschaltung A3 an einen zusätzlichen Verstärker F6 und andererseits über einen Inverter 12 und eine zweite Addierschaltung A4 an einen an den Verstärker F7 angepaßten Verstärker F6 gesandt. Das Signal für die Vor-Positionierung in der y-Richtung wird vom Verstärker F6 der Wicklung L3' und vom Verstärker F7 der Wicklung L4' zugeführt, wodurch diese Wicklungen in entgegengesetzten Richtungen angesteuert werden, so daß ihre Bewegungen in der y-Richtung im Magnetfeld des Magnetzylinders zusammenwirken.
Das Ausgangssignal des Verstärkers F3, dem das z-Signal zugeführt wird, wird den vier Addierschaltungen A1, A2, A3 und A4 zugeführt. Den vier Wicklungen L1', L2', L3' und L4' werden z-Signale zugeführt, die die Wicklungen in der z-Richtung gleichsinnig ansteuern, so daß sie aufgrund dieser Signale keine Auslenkung in der X- oder y-Richtung erfahren, sondern in das Magnetfeld zwischen den Magnetzylindern hineingezogen oder aus ihm herausgestoßen und somit in Figur 7A nach oben oder unten verschoben werden. Den Wicklungen werden die Signale der Schaltung in Figur 7A an den Verbindungspunkten P1, P2, P3 und P4 mit den jeweiligen Wicklungen L1', L2', L3' und L4' zugeführt.
Die Figuren 8A, 8B, 8C zeigen eine Ausführungsform eines Sensors mit einer Kraftzuführeinrichtung, bei der sich die Elemente sowohl des Sensors als auch der Kraftzuführeinrichtung auf denselben Scheiben befinden, das heißt der Sensor und die Kraftzuführeinrichtung sind nicht zwei gesonderte, mechanisch starr miteinander verbundene Einheiten.
Der Sensorteil kann beispielsweise den in Verbindung mit den Figuren 4A - 4D beschriebenen elektronischen Aufbau besitzen. Die Ansteuerschaltungen, die in Figur 4A auf den Platten 58 und 59 wiedergegeben sind, werden auf den feststehenden Platten 131 und 132, und die Kollektorplatten 54 und 55 in Figur 4A als leitende Schichten 136 beziehungsweise 137 auf den Scheiben 133 und 134 angeordnet, die beweglich aber mit dem Meßstab 135 starr verbunden sind, wobei die Scheiben 133 und 134 auf beiden Seiten der Feder 139 angeordnet sind. Die Leitbahnmuster und die Kollektorschichten sind hier in einem zentralen Teil der Scheibe angeordnet, so daß der äußere Rand frei gelassen ist.
Der aktive Teil der Kraftzuführeinrichtung ist auf dem Umfangsrand der Scheibe angeordnet und besteht, wie man den Figuren 8B und 8C entnimmt, aus einer ringförmigen, dünnen, seitlich mag netisierten, acht Pole aufweisenden magnetischen Einheit 138, die auf der einen der beweglichen Scheiben, nämlich der Scheibe 133 angeordnet ist.
An den feststehenden Scheiben 131 und 132, günstiger Weise auf der dem Ansteuermuster für den Sensor gegenüberliegenden Seite, befinden sich Wicklungen mit im wesentlichen derselben Konfiguration, wie in Figur 8B gezeigt. Der Deutlichkeit halber zeigt die Figur nur eine Wicklungswindung für jeden Wicklungsteil, doch ist offensichtlich, daß jeder Wicklungsteil eine Vielzahl von Windungen aufweist. Die Kraftlinien der Magnet- und Wicklungsanordnung sind in Figur 8C gezeigt. In Abhängigkeit von der Ansteuerung der Wicklungen auf beiden Seiten der Magneteinheit 138 kann eine Bewegung in den drei Richtungen der kartesischen Koordinaten erhalten werden. Es ist offensichtlich, daß statt dessen Ringmagnete auf den feststehenden Scheiben 131 und 132 angeordnet werden können und daß sich in diesem Fall die Wicklungen auf den Scheiben 133 und 134 befinden können.
Die Sensorschaltungen für den Sensorteil um die Steuerschaltungen für den Kraftteil sind geeigneter Weise auf einer feststehenden Steuerplatine 140 angeordnet.
Figur 9A zeigt eine Ausführungsform sowohl mit einem Sensor als auch einer Kraftzuführeinheit doch mit nur einer beweglichen Laminatplatte 150. Dies führt zu einem freischwimmenden Meßsystem, bei dem sich Sensor und Kraftzuführein richtung auf einem Laminat befinden. Die Laminatplatte ist somit nicht in einem Federsystem befestigt, sondern wird mit Hilfe des Kraftsystems schwebend gehalten. Der Verschiebungssensor gemäß Figur 9A ist um einen zentralen Punkt CM' in der Mitte der Scheibe 150 symmetrisch. Die Kraftzuführeinheit hat Wicklungen 151, 152 auf beiden Seiten der Platte 150, die in der in Figur 9B gezeigten Weise hergestellt sind. Auf beiden Seiten der Scheibe 150 befinden sich zwei feststehende magnetische Scheiben 153, 154, beispielsweise aus BaFe, die längs ihres jeweiligen Umfangs mit alternierenden Süd- und Nordpolen magnetisiert sind, von denen jeweils zwei vorhanden sind und mit den Wicklungen zusammenarbeiten.
Wenn jeder Wicklungsanordnung LA1, LA3 und LA2, LA4, von denen jede zwei entgegengesetzte Wicklungsanordnungen umfaßt, Strom zugeführt wird, der unterschiedlich gerichtete Magnetfelder in den beiden Wicklungsanordnungen erzeugt, so wird eine Winkelkraft erzeugt, die die Kugel am Stab 155 in der x- oder y-Richtung verschiebt, und wenn ihnen ein Strom zugeführt wird, der für die Wicklungsanordnungen dieselbe Richtung wie ihre Magnetfelder erzeugt, wird eine Kraft in der z-Richtung derart erzeugt, daß diese Magnetfelder in Abhängigkeit davon, in welcher Richtung die Kraft erzeugt wird, benachbarte Magnete anziehen oder abstoßen.
Dadurch, daß das Laminat oder die Scheibe relativ dick mit gegossenen Spulen hergestellt und das horizontale Magnetfeld zwischen den Polen durch das Laminat verwendet wird, können zwei Krafterzeugungen durchgeführt werden. Es ist dann beispielsweise möglich, eine Kraft in der x/y-Richtung im oberen Teil der Scheibe 150 und in der z-Richtung in ihrem unteren Teil zu erzeugen. Drei Spulen-Systeme liefern drei Freiheitsgrade entsprechend den Figuren 9A und 9 B (wobei zwei Bereiche auf der oberen Oberfläche der Scheibe eine Kraft in der y- beziehungsweise x-Richtung und vier Bereiche auf ihrer Unterseite in der z-Richtung erzeugen).
Der Stab mit seiner Meßspitze ist an der Laminatscheibe 150 befestigt, die frei schwebend beweglich zwischen den feststehenden magnetischen Scheiben 153, 154 angeordnet ist.
Auf beiden Seiten der Scheibe 150 befindet sich zwischen der Scheibe 150 und einer der magnetischen Scheiben 153, 154 jeweils eine feststehende Scheibe 156 beziehungsweise 157. Die verschiedenen Elektroden der Sensor-Kondensatoren sind bei dieser Ausführungsform einerseits auf den Scheiben 156 und 157 und andererseits auf verschiedenen Niveaus 158, 159, 160 innerhalb der Scheibe 150 angeordnet. Die verschiedenen Elektroden sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie durch keines der elektrischen und magnetischen Felder der Kraftzuführanordnung in merklichem Ausmaß beeinflußt werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Kraftanordnung zentral angeordnet und die Sensoranordnung befindet sich radial außerhalb von ihr.
Eine Ausführungsform der Elektrodenanordnung des Sensorteils ist in den Figuren 10A, 10B, 10C und 10D dargestellt, die eine Ausführungsform zeigen, bei der sechs Größen gemessen werden, nämlich Translations-Bewegungen in x-, y- und z-Richtung und Drehungen qx, qy und qz um die jeweilige Koordinatenachse. Figur 10A zeigt eine vierte der Elektrodenplatten-Anordnungen in perspektivischer Darstellung. Figur 10B zeigt diese Anordnung von der Seite. Die Elektroden platten 165-168, denen Wechselstrom zugeführt wird, sind auf den feststehenden Scheiben 156 und 157 in Figur 9A angeordnet. Wie man dem oberen Teil von Figur 10D entnimmt, sind die Elektrodenplatten 169, 170, die als Sensorelektroden dienen, miteinander verbunden, an den (-)- Eingang eines Operationsverstärkers 171 angeschlossen, und innerhalb der beweglichen Scheibe 150 eine direkt unter der anderen in verschiedenen Höhen 158, 159 angeordnet (Figur 9A). In der zentralen Ebene 160 der Scheibe 150 befindet sich eine zusätzliche Elektrodenscheibe 172, die ringförmig sein kann und mit dem Ausgang des Verstärkers 171 verbunden ist, um eine Rückkopplungskapazität zu ergeben.
Die Platten 165, 166, 167, 168 im Sensor werden mit Wechselstrom gegenüber Erde versorgt, wie in den Figuren 10B und 10D (oben) dargestellt. Der Wechselstrom der verschiedenen Platten ist in 90º-Schntten phasenverschoben, d.h. er hat Phasenlagen von 0º, 90º, 180º und 270º. Figur 10C zeigt ein Richtungsdiagramm für die Messung. Somit werden Meßwerte an den Detektorplatten erhalten, wie in Figur 10C dargestellt, d.h. mit einer Empfindlichkeit in zwei Richtungen dadurch, daß eine Detektion ohne Phasenverschiebung bei 45º und 135º vorgenommen wird, wie in Figur 10D gezeigt.
Zwei einander gegenüberliegende Anordnungen der in Figur 10A gezeigten Art liefern Winkelauslenkungen in der x-Richtung und zwei hierzu senkrechte einander gegenüberliegende Anordnungen liefern Winkelauslenkungen in der y-Richtung. Allen vier Anordnungen wird, wie dargestellt, durch die vier Schaltungen in Figur 10D getrennt Strom zugeführt. Hier ist es möglich, wahlweise entweder die gleiche Frequenz für die Versorgungsspannungen der Schaltungen oder verschiedene Versorgungsspannungen zu verwenden. Wie man in der obersten Schaltung aus Figur 10D sieht, wird die Modulation mit Rechteckswellen-Referenzsignalen durchgeführt, die um 90º phasenverschoben sind (45º und 135º) und an die Phasendetektoren 171 und 174 angelegt werden, die mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 171 in der gleichen Weise verbunden sind, wie dies oben beschrieben wurde. Die Signale der Phasendetektoren werden durch gesonderte Pufferverstärker Bu1 und Bu2 zugeführt. Wenn die oberste in Figur 10D gezeigte Schaltung mit einer Elektrodenplatten-Anordnung für die Anzeige der x-Richtung gekoppelt wirdv gibt das Ausgangssignal U1 des Phasendetektors 174 eine Bewegung senkrecht zur x-Richtung, d.h. in der z-Richtung wieder, während das andere Ausgangssignal U2 des Phasendetektors 173 eine Bewegung in der x- Richtung wiedergibt.
Figur 10D zeigt die vier Bewegungsanzeige-Schaltungen, von denen jede mit einer einzelnen Plattenanordnung der in den Figuren 10A und 10B gezeigten Art verbunden ist. Wie oben erwähnt dient die in dieser Ausführungsform dargestellte Anordnung dazu, sieben verschiedene Auslenkungen aus einer Normalstellung anzuzeigen. Wie in Figur 10D gezeigt, werden acht Ausgangssignale erhalten, die direkt oder in Kombination miteinander die verschiedenen Auslenkungen liefern, was bedeutet, daß das System überdefiniert ist, was keineswegs einen Nachteil darstellt. Eine Drehung um die y- Achse wird dadurch erhalten, daß die Differenz zwischen den Ausgangssignalen Zc und ZD verwendet wirdv eine Drehung um die x-Achse durch Verwendung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen ZC und ZD und eine Drehung um die z-Achse durch eine Kombination von xA, xB, y A und yB. Eine reine Bewegung in der x-Richtung wird entweder durch xA oder xB, in der y-Richtung durch yA oder yB und in der z-Richtung durch zA, zB, zC oder zD erhalten. Wenn die Abweichung von der Normalposition eine Mischung aus verschiedenen Richtungen und Drehungen ist, sind die Berechnungen der verschiedenen Auslenkungskomponenten relativ kompliziert. Die Ausgangssignale der Schaltungen in Figur 10D werden daher einem Computer (nicht dargestellt) zugeführt, der die Berechnungen durchführt und die sechs ableitbaren Größen liefert.
Bei einem Meßgerät mit einer beweglichen Meßprobe besteht eines der Probleme darin, eine hohe Meßgeschwindigkeit zu erzielen und dennoch eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten. Es ist erforderlich, die Bewegung des Meßstabes des Koordinaten- Meßgerätes in einer Position zu stoppenv die bezüglich des zentralen Meßbereichs der Meßprobe so zentral wie möglich ist.
Dies kann entweder durch eine geringe Geschwindigkeit des Meßstabes oder dadurch erreicht werden, daß man eine höhere Geschwindigkeit und ein Überschwingen, das heißt ein Zurückkehren des Meßstabes zuläßt, nachdem er über den fraglichen Meßbereich hinausgelaufen ist, um eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen. Die dynamischen Kräfte stören die Meßgenauigkeit, wenn es nur einen kurzen Bremsweg gibt.
Häufig kann die Geschwindigkeit aufgrund von Sicherheitsüberlegungen nicht größer gewählt werden als eine gewisse Maximalgeschwindigkeit.
Durch die Verwendung einer Kraftzuführeinrichtung in einem Sensor, um eine Einstellfunktion zu schaffen, durch die die Lage hinsichtlich Richtung und Größe bestimmt werden kann, und durch Vorwärtsverschiebung der Meßspitze der Probe in der Bewegungsrichtung ist es möglichv eine höhere Meßgeschwindigkeit als früher zu erzielen und gleichzeitig ein Überschwingen des Meßstabes zu vermeiden und dabei die Sicherheitserfordernisse zu erfüllen.
In einem solchen Fall kann ein Eingang des Prozessors 180 in Figur 11 mit einer Einheit 185 gekoppelt sein, die ein digitales Ausgangssignal liefert, das die Bewegungsrichtung des Meßstabes eines Koordinatenmeßgerätes wiedergibt. Der Prozessor 180 kann entweder von einer äußeren Steuereinheit 181 oder, wenn diese Möglichkeit permanent in das Meßgerät eingebaut werden soll, direkt ein Programm erhalten, das die Ströme Ax, Ay, Az berechnet, die den jeweiligen Wicklungen der Kraftzuführeinrichtung zugeführt werden sollenv um die Spitze der derart verschobenen Probe so in der Bewegungsrichtung zu führen, daß der Bremsabstand für einen "Nothalt" prinzipiell verdoppelt wird. Die Maximalgeschwindigkeit kann wegen des verdoppelten Bremsabstandes für die gleiche Bremskraft erhöht werden.
Da der Berührungspunkt prinzipiell bekannt ist, kann für Meßzwecke die Geschwindigkeit für den Bremsabstand zur "0"-Position optimiert oder so angepaßt werden, daß eine Messung mit einer gewissen konstanten Geschwindigkeit ausgeführt wird, wenn die "0"-Position durchlaufen wird, wodurch ein minimaler Fehler im Ausgangssignal der Analogmeßprobe erzeugt wird. All dies wird durch den Prozessor 180 mit Hilfe von ausgewählten Programmen berechnet. Zusätzlich zu der Stromzufuhr Ax, Ay, Az zu den Wicklungen der Kraftzuführeinrichtung steuert der Prozessor natürlich auch eine Steuereinheit 186 für den Meßstab. Die Steuereinheit kann Signale erhalten, die die Geschwindigkeit des Meßstabes in den verschiedenen Richtungen so verändernv wie die Umstände dies erfordern. Sobald die Meßprobe in der Bewegungsrichtung auf ein Hindernis trifft, wird dies durch eine Änderung in einem oder mehreren der Eingangssignale X, y, z für den Mikroprozessor 180 angezeigt, der ein spezielles Ausgangssignal für die Einheit 186 und somit spezielle Ausgangssignale Ax, Ay, Az berechnet, damit der Meßstab in der Nachbarschaft eines erfaßten Hindernisses zum Halten kommt und damit die Probe, wenn sie es erreicht hat, in ihre normale Position gebracht wird.
Wenn die Position und das Aussehen des zu vermessenden Objekts prinzipiell bekannt sind, kann der Meßstab so gesteuert werden, daß er sich mit hoher Geschwindigkeit in eine Position in der Nähe des Objekts bewegt, und dann so gesteuert werden, daß er sich mit einer Geschwindigkeit weiterbewegt, die so angepaßt ist, daß der Meßstab in dem Moment zum Anhalten gebracht werden kann, in dem er auf das zu vermessende Objekt auftrifft, wobei dieses Anhalten über eine Entfernung erfolgt, die der Auslenkung der Probe in der Bewegungsrichtung entspricht. Die Kraftzuführeinheit wird ebenfalls so gesteuert, daß sie für die Probe eine neutrale Position einnimmt.
Da es möglich ist, die Meßprobe in der gewünschte Richtung zu bewegen, kann dies für spezielle Arten von Messungen verwendet werden. Der Prozessor 180 macht verschiedene Arten von Berechnungen möglich, um die Kraftzuführeinheit der Probe zu steuern und dies kann natürlich in der Weise verwendet werdenv daß dem Prozessor von der Einheit 181 verschiedene Arten von Programmen zugeführt werden.
Es ist beispielsweise möglich, die Probe in einen Hohlraum einzuführen und die Form des Hohlraumes dadurch zu messen, daß die winkelmäßigen Auslenkungen der Probe für eine Drehbewegung gesteuert werden und daß mit dem Sensorteil der Probe gemessen wird, bei welchen Auslenkungswinkeln in verschiedenen horizontalen Positionen die Spitze der Probe mit den Wänden des Hohlraumes in Berührung kommt.
Es ist möglich, einen Sensor über die Kraftzuführeinheit mit einer Rückkopplung zu versehen, die einen harten Widerstand in einer Richtung, beispielsweise der x-Richtung aufweist, aber weich in einer anderen Richtung, beispielsweise der y-Richtung ist. Dies wird dadurch erreicht, daß das in x-Richtung gemessene Signal an die x-Richtungs- Kraftzuführeinheit mit einem negativen Vorzeichen rückgekoppelt wird, während das in y-Richtung gemessene Signal mit einem positiven Vorzeichen oder überhaupt nicht rückgekoppelt wird. Diese Eigenschaft ist von Vorteil, wenn der Bedarf besteht, mit einer Probe eine Oberfiäche längs vorgegebener Linien abzutasten. Es ist natürlich auch möglich, eine variable Widerstandskraft (Elastizitäts-Ellipsoid) dadurch zu erzielen, daß man ein unterschiedliches Ausmaß der Rückkopplung in der x-, y- und z- Richtung vorsieht. Das Ausmaß der Rückkopplung kann auch entsprechend dem Ausmaß der Auslenkung aus der normalen Position variierenv so daß lnformationv die die Positionen betrifftv als Verstärkungskorrektur im Stromverstärker für die Kraftzuführeinheit verwendet wird.
Die Kraftzuführeinheit kann auch durch Berechnungen im Prozessor in Bezug auf Nichtlinearität der Rückhohlfeder 30 (Figur 3A) oder der Federanordnung kompensiert werden. Die verschiedenen Computerprogramme und Algorithmen zur Erzielung der oben beschriebenen Steuerungen können von einem Programmierer auf der Basis der gegebenen Informationen leicht erstellt werden und werden daher hier nicht im einzelnen beschrieben. Kompensationen können beispielsweise dadurch erzielt werden, daß man Vergleichsmessungen in Bezug auf eine Referenzprobe durchführt und die derart erhaltenen Kompensationswerte in einem dauerhaften Speicher speichert.
Es gibt eine Art von bekannten optischen Meßgeräten, die auf einem XVY-Tisch messen, der sich seitlich bewegt, wobei die Optik in der z-Richtung fokussiert. Dies ist beispielsweise das Prinzip des von OGP auf den Markt gebrachten VIDICOM-Gerätes. Der Nachteil dieser Art von Meßgeräten ist, daß es nicht möglich ist, mechanische Messungen durchzuführen. Gewisse Geräte sind daher mit einer Probe längs der z- Achse ausgerüstet, was eine gute Lösung darstellt (Kombinationsgeräte).
Figur 12 zeigt die Verwendung einer Probe bzw. eines Sensors gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer optischen Meßeinrichtung, die den Abstand von einem x,y-Tisch 190 dadurch mißt, daß sie ein Lichtbündel von einem einfachen Laser-Abstandsmeßkopf 191, der eine einfache Fokussierungseinstellung der Art aufweist, wie sie in manchen Kameras verwendet wird, mit einer Linse 192 auf den XVY-Tisch fokussiert. Die Fokussierung verwendet hauptsächlich die Randstrahlen des Bündels und dies führt zu einer schärferen Fokussierung als die nur schwach geneigten Zentralstrahlen. Die Fokussierung kann mit Hilfe eines Linsenhalters 191' eingestellt werdenv der in z-Richtung bewegt werden kann.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann die Fokussierungslinse 192 mit einem zentralen durchgehenden Loch 193 versehen werden und eine Probe beziehungsweise ein Sensor 194 der oben beschriebenen Art wird so versetzt, daß der Stab 195 mit der Meßspitze 196 durch das Loch 193 hindurch verläuft. Somit wird die Probe 194 zentral in der optischen Meßeinrichtung angeordnet, ohne daß sie dem Fokussierungsvorgang im Wege steht. Die Probe kann mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Antriebseinheit abgesenkt werdenv um eine mechanische Messung durchzuführen, die einen genau bestimmbaren Abstand relativ zum Laser-Abstandsmeßkopf 191 liefert. Derartige Antriebseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt und müssen daher hier nicht im einzelnen beschrieben werden. Da die Abstände sowohl zwischen der Meßspitze 196 und dem Probenkopf 194 als auch zwischen dem Probenkopf 194 und dem Abstandsmeßkopf 191 bekannt sind, kann der Brennpunkt genau bestimmt werden, und die mechanische Messung und Einstellung des Brennpunktes wird ziemlich genau sein, wenn die mechanische Messung dadurch durchgeführt wird, daß die Probe 194 abgesenkt wird. Das genaue Meßergebnis kann auch verwendet werden, um das optische Abstandsmeßgerät zu eichen und somit die Genauigkeit aller nachfolgenden berührungslosen Messungen mit der optischen Einheit 191 zu erhöhen, bei denen sich die mechanische Probe 194 - 196 in ihrer angehobenen Position befindet.
Die Kombinationsanordnung mit einer optischen Meßvorrichtung kann in einer Reihe von Varianten durchgeführt werden. In Figur 13 ist der Kopf 197 der Probe außerhalb des Lichtbündels der Einheit 191 angeordnet dargestellt und mit einem gebogenen Meßstab 198 versehen, der zu dem Stabteil 195', der längs der x-Achse durch das zentrale Loch 193 in der Linse verläuft, eine Verbindung herstelltv wobei der Stab die Meßkugel 196' an seinem Ende trägt.
Figur 14 zeigt einen Probenkopf 199, der neben der optischen Meßanordnung angeordnet ist und einen gekrümmten Sensorstab 200 mit einem axialen Teil 195" aufweist, der unter der Linse angeordnet und mit einer Meßkugel 196" ausgerüstet ist.
Figur 15 zeigt, daß der seitlich angeordnete Proben kopf 201 mit der Meßkugel 203 auch durch einen geneigten gebogenen Stab 202 verbunden sein kann. Dieser geneigte Stab kann die Meßkugel auch direkt an seinem Ende aufweisen (nicht dargestellt).
Es könnte manchmal bequem sein, wenn es möglich wäre, die Referenzmessung der optischen Meßeinrichtung ausgehend von einer speziellen Messung an einem zu vermessenden Objekt 207 durchzuführen, wie z.B. eine Messung, die davon ausgeht, daß die Kugel 205 an einer speziellen Stelle in einem Hohlraum 206 in dem Objekt oder dergleichen angeordnet ist. Die Größe des Hohlraums wird dadurch gemessen, daß ein Sensor mit einer Kraftzuführeinrichtung verwendet wirdv und hierauf wird eine berührungslose Messung unter Verwendung der optischen Meßeinrichtung für den Rest des Objekts 207 durchgeführt. Figur 16 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Probenstab 202' an einem seiner Teile eine Scheibe 209 aufweist, die sich längs der optischen Achse der optischen Meßeinrichtung erstreckt. Die Referenzmessung der optischen Meßeinrichtung wird zur Scheibe 209 hin durchgeführt. Der Abstand zwischen der Scheibe 209 und der Meßkugel 205 ist genau bekannt. Diese Ausführungsform ist selbst dann sehr nützlich, wenn die Referenzmessung zum Meßtisch hin stattfindet, wie in den Figuren 12 bis 15, weil die Kugel eine gewisse Größe aufweist und nicht zum gleichen Zeitpunkt an den Meßgegenstand angelegt werden kann, in dem die Messung zu diesem Gegenstand durch die optische Meßeinrichtung durchgeführt wird. Die Messung zur Scheibe 209 hin kann durchgeführt werdenv wenn die Kugel 205 am Meßgegenstand anliegt. Für weitere Messungen, bei denen nur die optische Meßeinrichtung verwendet wird, wird die mechanische Meßprobe 201', 202', 205 vertikal so weit angehoben, daß die Kugel die peripheren Strahlen des Laser-Abstandsmeßkopfes 191 nicht stört.
Innerhalb des Rahmens der Erfindung ist es auch möglich das Antriebssystem der Kraftzuführeinheit als dynamische Dämpfungseinrichtung für den Meßstab dadurch zu verwenden, daß man die Wicklungen kurzschließt. Für diesen Zweck kann man einen leitfähigen Zylinder mechanisch mit dem beweglichen Stab verbinden und in einem Magnetfeld anordnen. Unterschiedliche Versorgungsfrequenzen aber mit verschiedenen Phasen können beispielsweise verwendet werden, um die verschiedenen Kondensatoren auch für die Anzeige in gleichen Richtungen mit Spannung zu versorgen.

Claims

1. Analogsensor zum Erfassen einer aus einer neutralen Position in wenigstens zwei Richtungen erfolgenden Auslenkungv durch den die Auslenkung einer Meßspitze angezeigt werden soll, wobei der Sensor folgende Bestandteile umfaßt:

a) eine mechanische Sensoreinheit (1, 2, 8, 9, 10; 36, 33, 3; 51, 52, 54, 55) mit der Meßspitze (2; 36; 52), die an dem einem Ende eines Stabes (1; 20; 35; 51; 80) befestigt ist, der an seinem anderen Ende einen Sensorteil besitzt, der im Sensor angeordnet ist, derart, daß der Sensorteil aus einer Referenzposition, die der neutralen Position der Meßspitze (2; 36; 52) entspricht, im wesentlichen um einen zentralen Punkt (CM;CM') verschoben werden kann, wenn eine äußere Verschiebekraft auf die Meßspitze (2; 36; 52) einwirkt,

b) eine Krafteinrichtung (3; 21; 30; 53; 73), die den Sensorteil in die Referenzposition zurückkehren läßt, wenn die Meßspitze (2; 36; 52), die aus ihrer neutralen Position durch eine von außen her auf die Spitze (2; 36; 52) einwirkende Kraft ausgelenkt worden ist, dieser Kraft nicht länger ausgesetzt ist,

c) wobei der Sensor die Auslenkung aus der Referenzposition um den zentralen Punkt (CM;CM') anzeigt, um ein Maß für die Auslenkung zu liefern, und wobei der Sensor eine Winkelmessung für die Verschiebungskräfte, die auf die Meßspitze (2; 36; 52) in einer zu einer Symmetrieachse des Sensors senkrechten Richtung einwirken, liefert,

d) wobei der Sensor eine Bewegungseinheit (10; 33, 34; 54, 55; 150), die starr mit dem Sensorteil der mechanischen Sensoreinheit (1, 2, 8, 9, 10; 36, 33, 34; 51, 52, 54, 55) verbunden ist, und eine stationäre Anordnung (11; 31, 32; 58, 59; 156, 157) umfaßt, wobei das Maß der Auslenkung zwischen Elementen an der Bewegungseinheit (10; 33, 34; 54, 55; 150) und Elementen an der stationären Anordnung (11; 31, 32;58, 59; 156, 157) geliefert wird,

e) Aufhängeeinrichtungen (3, 8, 9; 21; 30; 53; 151,152, 153, 154) für die mechanische Sensoreinheit (1, 2, 8, 9, 10; 36, 33, 34; 51, 52, 54, 55), die so angeordnet sind, daß die mechanische Sensoreinheit (1, 2, 8, 9, 10; 36, 33, 34; 51, 52, 54, 55) im wesentlichen um den besagten zentralen Punkt (CM; CM') verschiebbar ist und zu ihm zurückkehren kann,

dadurch gekennzeichnet, daß

f) besagte Aufhängeeinrichtungen (3, 8, 9; 21; 30; 53; 73; 150, 153, 154) in der mechanischen Sensoreinheit (1, 2, 8, 9, 10; 36, 33, 34; 51, 52, 54, 55) so ausgebildet sind, daß sie den Stab (1; 20; 35; 51; 80) frei halten, so daß darüber hinaus der zentrale Punkt (CM; CM') in einer dritten Dimension axial längs der Symmetrieachse des Sensors durch die Einwirkung einer Kraft bewegbar ist, die von außen her auf die Spitze (2; 36; 52) einwirkt und in seine Ausgangslage zurückkehren kann, und

g) Sensormittel (E,F ; E1, G1, I; b, b'; 156 bis 172, Bu1, Bu2) für eine axiale Auslenkung, die dann, wenn der zentrale Punkt (CM; CM') in axialer Richtung bewegt wird, die Richtung und Größe der Auslenkung aus der neutralen Position in der axialer Richtung erfassen.

2. Analogsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängeeinrichtungen (3, 8, 9; 21; 30; 53; 73; 151, 152, 153, 154) eine Einrichtung mit einer elastischen Kraft sind, die eine iso-elastische Funktion besitztv um im wesentlichen die gleichen Gegenkräfte in allen zu messenden Auslenkungsrichtungen zu erzeugen.

3. Analogsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängeeinrichtungen (3, 8, 9; 21; 30; 53; 73; 151, 152, 153, 154) eine frei schwebende Aufhängung, d.h. ohne mechanische Verankerung außer in der stationären Anordnung liefern, sowie eine steuerbare magnetische Hubanordnung (151 bis 154; LA1, LA2, LA3, LA4) für die mechanische Sensoreinheit.

4. Analogsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel ausgebildet sind, um eine Verarbeitung der speziellen Arbeitsvorgänge des Sensors durchzuführen, und daß die Sensormittel eine kapazitive Sensoranordnung mit folgenden Bestandteilen umfassen:

a) eine erste Anordnung (11; 58, 59; 78, 79; 156, 157; 22; 33, 34), die für jede Meßrichtung wenigstens ein Paar von Versorgungs-Elektrodenplatten (A, B bzw. C, D bzw. E, F; d1, d2, d1', d2' bzw. c1, c2, c1', c2' bzw. b, b'; 165 bis 168; A1, B1 bzw. C1, D1 bzw. E1, G1; C"', c1", d"', D1") umfaßt, wobei jede Versorgungselektrode in jedem Paar mit einer individuellen Wechselspannung zwischen dieser Elektrodenplatte und der Masse versorgt wird und die individuellen Versorgungsspannungen für jedes Elektrodenpaar die gleiche Frequenz aber entgegengesetzte Phasenlage besitzen, und wobei diese individuellen Versorgungsspannungen für jedes Paar die gleiche Frequenz, aber entgegengesetzten Phasen aufweisen und die Versorgungsspannungen für die verschiedenen Meßrichtungen entweder alle unterschiedliche Frequenzen aufweisen oder zwei von ihnen die gleiche Frequenz besitzen aber um 90º gegeneinander phasenverschoben sind und die dritte eine von den beiden anderen verschiedene Frequenz aufweist,

b) eine zweite Anordnung (10; 53; 150; 23; 31, 32), die Meßelektroden-Platteneinrichtungen umfaßt, die wenigstens eine Meßelektrodenplatte (54, 55; 71, 72; 158-159; I; 37, 40) aufweisen, die für alle Meßrichtungen gemeinsam ist, für die eine Auslenkung angezeigt werden soll,

c) wobei eine der Anordnungen sich auf der mit der beweglichen Sensoreinheit (10; 33, 34; 54, 55; 150) beweglichen Einheit befindet und mit dieser starr verbunden ist und die andere dieser Anordnungen sich auf der stationären Anordnung (11, 31, 32, 58, 59, 156, 157) befindet und in der Nähe der beweglichen Einheit angeordnet ist,

d) eine Richtungstrennschaltung (17, 18, 19), der ein Ausgangssignal von der Meßelektroden-Platteneinrichtung zugeführt wird, wobei die Richtungstrennschaltung für jede zu erfassende Richtung einen gesonderten Phasendetektor umfaßt, der an die Versorgungsspannungsfrequenz und -phase für die betreffende Richtung angepaßt ist, wobei der Phasendetektor eine Signalverarbeitung des Ausgangssignals unter Verwendung der Versorgungsfrequenz der Versorgungsspannung des zu der betreffenden Richtung gehörenden Paares von Versorgungselektrodenplatten ohne irgendeine Phasenverschiebung durchführt, und

e) wobei jeder individuelle Phasendetektor so ausgebildet ist, daß er ein verarbeitetes Ausgangssignal liefert, das eine bestimmte Relation zur Auslenkung der Meßspitze aus ihrer neutralen Position in der für den betreffenden Phasendetektor speziellen Richtung liefert.

5. Analogsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, daß für die Versorgungsspannungen verschiedene Frequenzen vorgesehen sind, um die unterschiedlichen Meßrichtungen zu kennzeichnen, die Frequenzen Vielfache, vorzugsweise geradzahlige Vielfache voneinander sind.

6. Analogsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite gemeinsame Elektrodeneinrichtung (38, 39, 41, 42, 44) an derselben Struktur wie die gemeinsame Elektrodenplatteneinrichtung (54, 55; 71, 72; 158 bis 159; I; 37, 40) und ein Operationsverstärker (0P3) in der Richtungstrennschaltung vorgesehen sind, dessen einer Eingang mit der gemeinsamen Elektrodenplatteneinrichtung gekoppelt ist, und daß die zweite Elektrodeneinrichtung durch eine "bootstrap"- Schaltung mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist.

7. Analogsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte gemeinsame Elektrodeneinrichtung (r, 44) in der Nähe der Sensorelektrodenplatteneinrichtung, aber von dieser isoliert angeordnet ist, wobei diese dritte Elektrodeneinrichtung mit Masse verbunden ist.

8. Analogsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine elektrisch gesteuerte Kraftzuführanordnung umfaßt, die folgende Bestandteile aufweist:

a) einen ersten Kraftzuführteil, der mit der beweglichen Sensoreinheit des Sensors verbunden ist,

b) einen zweiten Kraftzuführteilv der mit der feststehenden Sensoranordnung des Sensors verbunden ist, und

c) Steuereinrichtungen (180), die elektrische Steuersignale für die Kraftzuführanordnung liefern, um den Sensor in eine steuerbare, erforderliche Form einer Vor-Auslenkung zu bringen.

9. Analogsensor nach Anspruch 8., dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen Signale empfangen, die die Bewegungsrichtung einer Probe, die den Sensor umfaßt, anzeigen, und so ausgebildet sind, daß sie die Kraftzuführanordnung steuern, um das Sensorelement in der Bewegungsrichtung zu verschieben, daß der Steuereinrichtung die Meßsignale von der Sensoreinrichtung zugeführt werden und daß sie eine Reaktion auf die Berührung eines Objekts für den Stab erzeugt, der sich verursacht durch die Kraftzuführeinrichtung in der vor-ausgelenkten Position aus seiner neutralen Position befindet, gegenüber der die Auslenkung gemessen werden soll.

10. Analogsensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die bewegliche oder die stationäre Anordnung der Kraftzuführanordnung mit einer Wicklungsanordnung (L1-L4; 61, 62, 66; 72-75) für jede Bewegungsrichtung versehen ist und daß der andere dieser Teile mit einer Anordnung von im Meßmodus konstant magnetisierten Magneten (52, 53, 54, 55; 76, 77) für eine Zusammenarbeit mit der Wicklungsanordnung versehen ist, daß dann, wenn sich der Sensor in seiner neutralen Position befindet, die konstant magnetisierten Magnete und die Wicklungen in Relation zueinander so angeordnet sind, daß jede Wicklung von einem Magnetfeld wenigstens eines der konstant magnetisierten Magnete durchsetzt wird, das senkrecht zu, aber nur in einem Teil der Ebene der Wicklung und außerhalb der Wicklung verläuft, wobei die Steuereinrichtung einen Strom durch die Wicklung in einer Zuführrichtung zuführt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das dem Permanentmagnetfeld durch die Wicklung entgegengesetzt ist, um die Wicklung in eine Bewegungsrichtung zu ziehen, so daß das Permanentmagnetfeld mehr in ihrer Mitte positioniert wird, und in einer entgegengesetzten Zuführrichtung, um die Wicklung in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung abzustoßen.

11. Analogsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Meßrichtung die Kraftzuführanordnung wenigstens zwei Wicklungen umfaßt, die mit Stromzuführrichtungen versehen sind, um in der gleichen Meßrichtung in gesteuerter Weise zusammenzuarbeiten.

12. Analogsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Signalverarbeitungseinheit (180) mit einem Programm ist, das für eine Steuerung der Kraftzuführanordnung in Übereinstimmung mit vorbestimmten Bedingungen sorgt.

13. Analogsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereinrichtung (180) Signale zugeführt werden, die die Bewegung eines Meßstabes (185, 186) betreffen, an dem die Probe befestigt ist, und daß die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Kraftzuführanordnung in der Weise steuert, daß die Meßspitze der Meßeinrichtung in der Bewegungsrichtung des Meßstabes vorwärts bewegt wird, und daß die Steuereinrichtung dann, wenn eine Positionsänderung der Sensorvorrichtung aus der vorgeschobenen Position angezeigt wird, so ausgebildet ist, daß sie den Meßstab so steuert, daß er anhält, und die Kraftzuführanordnung so steuert, daß sie die Kraftzuführung in der Bewegungsrichtung reduziert.

14. Analogsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerprogramm für die Steuereinrichtung (180) zum Messen eines Objekts, dessen Positionsdaten berechnet worden sind, vorgesehen ist, wobei das Programm die Steuereinrichtung (180) für jeden Meßpunkt so steuert, daß der Meßstab seine maximale Geschwindigkeit bis zu einer Position kurz vor der Stelle besitzt, für die berechnet wurde, daß dort der Meßpunkt zu finden ist, und daß er danach eine verminderte Geschwindigkeit besitzt, bis das Berühren des Objekts gemessen wird, und daß er dann abgebremst wird, um innerhalb eines Abstands anzuhalten, der mit einer Verbiegung des Meßstabes zurück in die neutrale Position zusammenfällt.

15. Analogsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftzuführanordnung mit Signalen versorgt wird, die für eine unterschiedliche Kraftausübung in verschiedenen Richtungen sorgen.

16. Analogsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Meßanordnung für eine optische und mechanische Messung eines Meßobjekts umfaßt, die eine optische Abstandsmeßeinheit mit einer Linseneinheit (192) und Anordnungen (191') zum Fokussieren auf das Meßobjekt (190, 207) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze (196, 196', 203, 205) der Probe während der mechanischen Messung an dem Meßobjekt zum Meßobjekt hin längs der optischen Achse der Linseneinheit verschiebbar ist und in der Zwischenzeit auf der optischen Achse in einer vom Meßobjekt zurückgezogenen Position angeordnet ist.

17. Analogsensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Probe auf der optischen Achse angeordnet ist (Fig.12 bis 16).

18. Analogsensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze (196) auf einem Stab (195) angeordnet ist, der durch ein zentrales durchgehendes Loch (193) in der Linseneinheit verläuft, und daß der Kopf (194) der Probe an dem der Meßspitze gegenüberiiegenden Ende des Stabes angeordnet und in der Nähe der Linseneinheit positioniert ist.

19. Analogsensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (197, 199) selbst neben der optischen Anordnung positioniert und mit ihrer Meßspitze (196', 196 ") durch einen Arm verbunden ist, der entweder gerade oder an mehreren Stellen abgewinkelt ist