-
Die
Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen einer Berührungssonde
mit einem feststehenden Bauteil, einem beweglichen Bauteil und einem
Rücksetzpositioniersystem,
um dem beweglichen Bauteil eine Verschiebung relativ zu dem feststehenden Bauteil
zu ermöglichen,
wenn eine Kraft außen
auf das bewegliche Bauteil ausgeübt
wird, und um das bewegliche Bauteil in eine Ruhelage zurückkehren zu
lassen, wenn die Kraft von ihm weggenommen wird. Diese Art von Sonde
wird in einer für
dreidimensionale Koordinaten vorgesehenen Meßmaschine oder dergleichen
verwendet.
-
In
einer Meßmaschine
für dreidimensionale Koordinaten
wird ein Berührungselement
einer dreidimensional beweglichen Sonde mit einem auf einem feststehenden
(Granit-)Tisch angeordneten Werkstück in Berührung gebracht und der Augenblick
der Berührung
des Berührungselements
mit dem Werkstück
als elektrischer Auslöser
zum Lesen von Beträgen
eines dreidimensionalen Vorschubs in Form von Koordinatenwerten
längs der
drei Achsen benutzt und die Größe und Form
des Werkstücks
auf der Basis dieser Koordinatenwerte gemessen. Da die Meßsonde den
Zustand einer Berührung
mit dem Werkstück
als elektrisches Berührungssignal
ausgibt, wird sie Berührungssonde
genannt und in vielen Anwendungsfällen eingesetzt.
-
Im
allgemeinen enthält
die Berührungssonde ein
Meßsystem
zum Messen einer kleinen Bewegung eines ein Berührungselement aufweisenden Taststifts,
wenn er ein Werkstück
berührt,
und ein Sicherheitssystem zur Verhinderung einer Zerstörung der
Sonde bei einer erheblichen Bewegung des Taststifts.
-
Bei
dem Sicherheitssystem sind eine Entlastungsfunktion für eine größere Bewegung
des Taststifts relativ zum Gehäuse
der Sonde und eine Rücksetz-(Rückhol-)funktion
zum Rückstellen
des Taststifts in die ursprüngliche
Lage nach seiner Entlastungsaktion erforderlich. Ein System mit
diesen beiden Funktionen wird Rücksetzpositioniersystem
genannt. Die Rücksetzfunktion
dient zur Anordnung des Taststifts in einer feststehenden Lage und
beeinflußt unmittelbar
die Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses.
-
Ein
bekanntes Rücksetzpositioniersystem mit
sechs Berührungspunkten übt diese
beiden Funktionen zufriedenstellend aus. 1 stellt
den Gesamtaufbau einer Sonde mit Berührungsauslösung dar, die das Rücksetzpositioniersystem
mit sechs Berührungspunkten
aufweist. Nach 1 ist ein Taststift 1 an
einem beweglichen Bauteil 2 befestigt. Von dem beweglichen
Bauteil 2 ragen drei Zapfen in Abständen von 120 Grad um die Axiallinie
des Taststifts 1 in einer zur Axiallinie des Taststifts 1 senkrechten
Ebene weg. An einem feststehenden Bauteil, das an einem Sondengehäuse 4 (an
einer Bodenwand des Sondengehäuses 4)
an den Zapfen 3 des beweglichen Bauteils 2 entsprechenden
Stellen angebracht ist, sind drei Gruppen aus V-förmigen Verriegelungsteilen 6 befestigt,
die jeweils durch die Kombination zweier Zapfen gebildet sind.
-
Wenn
bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau das bewegliche Bauteil 2 durch
eine als Vorspannungsmittel dienende Feder 7 an das feststehende
Bauteil 5 gedrückt
wird, ruht das bewegliche Bauteil in einer vorbestimmten Lage. Dabei
kommt jeder Zapfen des beweglichen Bauteils 2 mit dem entsprechenden
V-förmigen
Verriegelungsteil 6 an zwei Punkten in Berührung, das
heißt
an insgesamt sechs Punkten. Das System wird daher Entlastungssystem
mit sechs Berührungspunkten
oder Rücksetzpositioniersystem
mit sechs Berührungspunkten genannt.
Außerdem
wird die Lage, in der das bewegliche Teil 2 ruht, als Ruhelage
oder Rücksetzlage
bezeichnet.
-
Obwohl
in 1 eine Kombination der Zapfen 3 mit V-förmigen Verriegelungsteilen
dargestellt ist, kann auch eine ähnliche
Funktion durch eine Kombination der Zapfen 3 mit harten
Kugeln 8 gemäß 2 oder
durch eine Kombination von harten Kugeln 9 mit V-förmigen Nuten 10 gemäß 3 erreicht
werden. Nach 3 sieht es so aus, wie wenn die
Zapfen 3 mit den V-förmigen
Nuten 10 kombiniert sind. Die harten Kugeln 9 befinden
sich jedoch unter den Zapfen 3.
-
Die
Kombination der Zapfen, die Kombination des Zapfens mit der harten
Kugel und die Kombination der harten Kugeln mit der V-förmigen Nut
bilden zwei Berührungspunkte
bzw. ein Berührungspunktepaar,
und eine eine Verschiebung ermöglichende
Richtung, in der das feststehende Bauteil und das bewegliche Bauteil
relativ zueinander verschoben werden können, aber an diesen Berührungspunkten
in Berührung
bleiben, ist eingeschränkt. Eine
die Verschiebung ermöglichende
Richtung ist beispielsweise die Richtung der V-förmigen Nut im Falle der Kombination
der harten Kugel mit der V-förmigen
Nut und die Axialrichtung des Zapfens im Falle der Kombination des
Zapfens mit den harten Kugeln.
-
4 stellt
eine partielle vergrößerte Ansicht des
in 3 dargestellten Rücksetzpositioniersystems dar.
Nach 4 wird eine Bewegung der harten Kugel 9 in
der ersten Richtung verändert,
und die Bewegung der harten Kugel 9 in der zweiten Richtung wird
durch. eine auf die harte Kugel 9 ausgeübte Druckkraft verhindert.
Die harte Kugel 9 kann sich daher nur in der dritten Richtung
bewegen. Die erste, zweite und dritte Richtung stehen senkrecht
zueinander.
-
Auch
bei der Kombination der Zapfen und der Kombination von Zapfen und
harter Kugel ist ersichtlich, daß die Berührungsflächen in den Berührungspunkten
der beiden Bauteile die zulässige
Verschiebungsrichtung oder zulässige
Verschiebungsoberfläche
einschließen.
Es werden Verfahren angewandt, bei denen keine plastische Verformung
oder Abnutzung auftritt, wenn die Zapfen 3 und die harten Kugeln 8, 9 wiederholt
miteinander in Berührung kommen.
Bei diesen Verfahren wird Sinterkarbid usw. zur Herstellung der
Zapfen 3 und der harten Kugeln 8 und 9 benutzt.
-
Anscheinend
ergibt das beschriebene Rücksetzpositioniersystem
eine ideale Positionsreproduzierbarkeit, weil eine stabile Position
bzw. Lage des beweglichen Teils direkt und ausschließlich bestimmt wird.
Die ideale Positionsreproduzierbarkeit ergibt sich jedoch nur dann,
wenn in den Berührungspunkten
keine Reibungskraft auftritt. Praktisch tritt jedoch die Schwierigkeit
auf, daß die
Positionsreproduzierbarkeit infolge der Reibungskraft verschlechtert
wird.
-
Der
Grund, warum Änderungen
der Rückstellposition
des beweglichen Teils auftreten, wird nachstehend anhand der Kombination
von harter Kugel 9 und V-förmiger Nut 10 untersucht.
Jedes Bauteil des Rücksetzpositioniersystems
scheint starr zu sein, weil es aus einem Metallklotz hergestellt
ist, doch kann ein in der Nähe
der Berührungspunkte
liegender Teil als eine Kombination verschiedener Federn dargestellt
werden, wenn es genau betrachtet wird. Das heißt, beide Bauteile können sich
relativ zueinander bewegen. Unabhängig davon, wie der in der Nähe der Berührungspunkte
liegende Teil sich elastisch verformen kann, muß die Rücksetzposition direkt und ausschließlich bestimmt
werden oder sein und die Positionsreproduzierbarkeit recht hoch
sein, wenn eine konstante Druckkraft auf diesen Teil ausgeübt wird.
Da in der Praxis jedoch Reibungskräfte auf die Berührungspunkte
einwirken, ist die Kraft der harten Kugeln 9, die gegen
eine harte Oberfläche
der Wand der V-förmigen
Nut 10 drückt,
selbst dann nicht konstant, wenn die Druckkraft konstant ist. Das
heißt, wenn
die harte Kugel 9 in der V-förmigen Nut 10 sitzt oder
ruht, wirken die Reibungskräfte
in verschiedenen Richtungen, so daß die Größe der zwischen der harten
Kugel und den Wandoberflächen
der V-förmigen
Nut auftretenden Kraft unterschiedlich ist, so daß die Positionsreproduzierbarkeit
verschlechtert wird. Die Richtung der Reibungskräfte wird durch die Richtung
einer relativen Gleitbewegung zwischen der harten Kugel und der
V-förmigen
Nut bestimmt. Wenn daher während
einer Messung auf den Taststift eine Kraft in verschiedenen Richtungen
ausgeübt
wird, ändert
sich die Rücksetzposition
erheblich. Dieses Phänomen
wird durch viele Vorrichtungen tatsächlich bestätigt.
-
Bislang
sind verschiedene Arten von Schmiermitteln entwickelt worden, das
heißt,
es sind die verschiedensten Anstrengungen unternommen worden, um
die Reibungskräfte
zu verringern. Dabei ergibt sich jedoch das Problem der Langzeitstabilität infolge
einer Verschlechterung des Schmiermittels.
-
Außerdem sind
das feststehende Bauteil und das beweglich Bauteil, wie es in der
US-Patentschrift 5 018 280 offenbart ist, so ausgebildet, daß sie relativ zueinander
vibrieren bzw. schwingen, um die Positionsreproduzierbarkeit zu
verbessern (Dither-Effekt). Um jedoch Mittel "in Schwingungen zu versetzen", so daß sie sich "wiederholt bewegen", ist eine bestimmte
Zeitdauer erforderlich, und es wird eine Abnutzung und Verschlechterung
der Berührungsteile
bewirkt. Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten
Rücksetzpositioniersystem
ist es schwierig, eine solche Vorrichtung anzuwenden, da grobe Berührungsteile die
Positionsreproduzierbarkeit erheblich beeinträchtigen. Ferner müssen die
Frequenzen und Amplituden richtig gewählt werden, um den Dither-Effekt
zu erreichen. Die richtige Wahl der Frequenzen und Amplituden steigert
den Effekt. Wenn sich jedoch die Umgebungsbedingung ändert, z.
B. der Reibungskoeffizient, dann müssen die Frequenzen und Amplituden
neu eingestellt werden. Daher kann eine hohe Positionsreproduzierbarkeit
nicht über
lange Zeit sichergestellt werden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Berührungssonde mit einem Rücksetzpositioniersystem
anzugeben, das eine hohe Positionsreproduzierbarkeit über lange
Zeit auch dann sicherstellen kann, wenn auf ein Berührungsteil
zwischen einem feststehenden Bauteil und einem beweglichen Bauteil
Reibungskräfte
einwirken.
-
Wenn
das bewegliche Teil das feststehende Teil in einer bestimmten Lage
oder Position berührt, so
daß es
seine Rücksetz-
oder Ruhelage einnimmt, dann gibt es im allgemeinen verschiedene
Richtungen von Reibungskräften
in den Berührungspunkten, so
daß die
auf die einzelnen Berührungspunkte
einwirkenden Reibungskräfte
stark unterschiedlich sind und die Ruhelage variiert.
-
Erfindungsgemäß ist beabsichtigt,
die Reproduzierbarkeit einer Ruhelage nicht durch Verringerung der
auf jeden Berührungspunkt
ausgeübten Reibungskraft
zu verbessern, sondern durch Ausrichtung der Reibungskräfte in eine
einzige Richtung.
-
Im
einzelnen beinhaltet die Erfindung gemäß einem Aspekt eine Berührungssonde
gemäß Anspruch
1.
-
Wenn
bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau die auf den Taststift ausgeübte Kraft
weggenommen wird und das bewegliche Bauteil die vorgeschriebene
Ruhelage aufgrund der Vorspannungskraft im wesentlichen einnimmt,
ist die Richtung der auf die sich berührenden Teile ausgeübten Reibungskräfte, deren
Größen durch
eine Kraftkomponente der Vorspannungskraft an den Berührungsteilen
und die Reibungskoeffizienten in den Berührungspunkten bestimmt wird,
in eine vorgeschriebene Richtung ausgerichtet. Daher ist es möglich, das bewegliche
Bauteil genau in die Ruhelage zurückzustellen.
-
Außerdem werden
das feststehende Bauteil und das bewegliche Bauteil, im Gegensatz
zu der US-Patentschrift 5 018 280, erfindungsgemäß nicht relativ zueinander
in Schwingungen versetzt. Daher ergibt sich eine geringere Abnutzung
und Beschädigung
der Berührungsteile,
so daß eine
genaue Positionsreproduzierbarkeit über lange Zeit sichergestellt werden
kann.
-
Ferner
kann das erfindungsgemäße Verschiebungssystem
eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente aufweisen, um die relative
Verschiebung des feststehenden und des be weglichen Bauteils in allen
Berührungspunkten
in einer Vielzahl verschiedener Richtungen auszuführen und
ferner diese Richtungen so zu wählen,
daß sie
radial zur Taststiftachse stehen.
-
Die
beiliegenden Zeichnungen zeigen folgendes:
-
1 eine
schematische Darstellung des Aufbaus einer herkömmlichen Sonde mit Berührungsauslösung und
einem Rücksetzpositioniersystem
mit sechs Berührungspunkten,
-
2 eine
schematische Darstellung aller Bauteile eines Rücksetzpositioniersystems, das
eine Kombination von Zapfen und harten Kugeln aufweist,
-
3 eine
schematische Darstellung aller Bauteile eines Rücksetzpositioniersystems, das
eine Kombination harter Kugeln und V-förmiger Nuten aufweist,
-
4 eine
Ansicht zur Erläuterung
der Verschiebungsrichtungen bei der Kombination aus der harten Kugel
mit der V-förmigen
Nut,
-
5 eine
perspektivische Explosionsansicht eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
einer Berührungssonde,
-
6 ein
Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung, die in dem ersten Ausführungsbeispiel
der Berührungssonde
enthalten ist,
-
7A ein
Diagramm des Verlaufs einer Folge von Vorgängen in der Berührungssonde
des ersten Ausführungsbeispiels,
-
7B und 7C den
Verlauf weiterer Spannungen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel auftreten,
-
8 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
-
9 eine
perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
-
10 eine
perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
-
11 eine
Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel
nach 10,
-
12 eine
perspektivische Ansicht eines Vergleichsbeispiels einer bekannten
Sondenart,
-
13 eine
perspektivische Ansicht einer Abwandlung des Vergleichsbeispiels,
das in 12 dargestellt ist,
-
14 eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Abwandlung des Vergleichsbeispiels,
das in 12 dargestellt ist,
-
15 eine
Draufsicht auf einen Hauptteil der in 14 dargestellten
Abwandlung,
-
16A bis 16C Draufsichten,
die jeweils unzulängliche
Beispiele des Vergleichsbeispiels darstellen,
-
17 eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Abwandlung des Vergleichsbeispiels,
-
18 eine
perspektivische Ansicht eines fünften
Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
-
19 eine
Schnittansicht der 18,
-
20 eine
perspektivische Ansicht eines Hauptteils eines sechsten Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
-
21 eine
teilweise geschnitten dargestellte Draufsicht des sechsten Ausführungsbeispiels
der Erfindung und
-
22 eine
Darstellung der Ergebnisse einer mit dem sechsten Ausführungsbeispiel
durchgeführten
Untersuchung.
-
5 ist
eine Explosionsdarstellung einer Berührungssonde, die ein Rücksetzpositioniersystem
mit piezoelektrischen Elementen gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung aufweist. Das Rücksetzpositioniersystem
enthält
ein feststehendes Bauteil 11, ein bewegliches Bauteil 21 und
ein Vorspannungsmittel (das nicht dargestellt ist, jedoch die gleiche
Vorspannungsfeder 7 wie die in 1 dargestellte
aufweist), das dem beweglichen Bauteil 21 eine Verschiebung
relativ zu dem feststehenden Bauteil ermöglicht, wenn eine äußere Kraft
auf das bewegliche Bauteil 21 ausgeübt wird, und daß das bewegliche
Bauteil 21 in eine Ruhelage zurückstellt, wenn die Kraft weggenommen
wird.
-
Der
mittlere Teil des feststehenden Bauteils 11 ist an einem
Gehäuse
der Sonde befestigt und hat drei Arme 121 bis 123,
die sich radial zur Achse eines Taststifts 22 in Winkelabständen von
120 Grad erstrecken. Auf der Oberseite der freien Enden der Arme 121 bis 123 ist
jeweils eine harte Kugel 131 bis 133 angeordnet.
Die Mittelpunkte der harten Kugeln liegen in gleichen Abständen von
der Achse des Taststifts 22 und in Winkelabständen um
120 Grad um diese Achse herum. In den Armen 121 bis 123 sind Aufnahme-Durchgangslöcher 141 bis 143 auf
der radial inneren Seite der harten Kugeln der 131 bis 133 ausgebildet,
so daß sie
sich zur Oberseite und Unterseite der Arme hin öffnen, und in Halterungsschlitzen ist
jeweils ein piezoelektrisches Element 151 bis 153 als
Betätigungselement
für ein
Verschiebungssystem in einem vorbelasteten Zustand eingesetzt. Die
piezoelektrischen Elemente 151 bis 153 sind so
angeordnet, daß sie
sich in radialer Richtung ausdehnen und zusammenziehen. Wenn daher
eine Spannung an die piezoelektrischen Elemente 151 bis 153 angelegt
wird, werden die harten Kugeln 131 bis 133 im wesentlichen
radial um die Achse des Taststifts 22 verschoben. In der
Mitte des feststehenden Bauteils 11 ist eine Öffnung 16 eingestanzt,
durch die der Taststift 22 des beweglichen Bauteils 21 hindurchgeführt ist.
Der Taststift 22 ragt von der Mitte des beweglichen Bauteils 21 rechtwinklig
nach unten. Am unteren Ende des Taststifts 22 ist ein kugelförmiges Berührungselement 23 vorgesehen,
das ein Werkstück
berührt.
Im beweglichen Bauteil 21 sind V-förmige
Nuten 241 bis 243 an drei Stellen ausgebildet, die
einen Abstand von jeweils 120 Grad voneinander haben. Die V-förmigen Nuten 241 bis 243 sind
so angeordnet, daß ihre
Richtungen weitgehend mit der Radialrichtung zusammenfallen.
-
Bei
dem vorstehend beschriebenen Aufbau sitzt das beweglich Bauteil 21 auf
dem feststehenden Bauteil 11. In dieser Lage sind die harten
Kugeln 131 bis 133 in den entsprechenden V-förmigen Nuten 241 bis 243 aufgenommen,
so daß jede
harte Kugel mit der entsprechenden V-förmigen
Nut an zwei Stellen in Berührung
kommt, das heißt
sich insgesamt sechs Berührungspunkte
ergeben, so daß das
bewegliche Bauteil 21 auf dem feststehenden Bauteil 11 ruht.
-
6 ist
ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung dieses Ausführungsbeispiels.
Die Schaltungsanordnung besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer Berührungsfeststellschaltung 31 zum
Feststellen einer Verschiebung des beweglichen Bauteils 21,
die durch die Berührung
des Berührungselements 23 mit
dem Werkstück
bewirkt wird, und zum Ausgeben eines Berührungssignals, und einer Berührungsregelschaltung 32 zum
Anlegen einer vorgeschriebenen Spannung an die piezoelektrischen
Elemente 151 bis 153 in vorbestimmter zeitlicher
Beziehung zu dem eingegebenen Berührungssignal. Wenn daher eine
Verschiebung des beweglichen Bauteils 21 durch die Berührungsfeststellschaltung 31 festgestellt
wird, wird das Berührungssignal an
die Verschiebungsregelschaltung 32 ausgegeben, die daraufhin
die vorgeschriebene Spannung im richtigen Zeitpunkt an die piezoelektrischen
Elemente 151 bis 153 anlegt.
-
7A ist
ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der an die piezoelektrischen
Elemente 151 bis 153 angelegten Spannung und veranschaulicht, wann
die piezoelektrischen Elemente 151 bis 153 bei einem
Abtastvorgang angetrieben werden. Nach 7A besteht
ein Zyklus des Abtastvorgangs generell aus den folgenden Perioden
oder Zuständen:
einem "Berührungszustand" A, in dem das Berührungselement
das Werkstück
berührt,
und einem "Rücksetzzustand" B zwischen dem Augenblick,
in dem das Berührungselement
vom Werkstück
weg zurückgezogen
wird, und dem Augenblick, in dem das Berührungselement bereit ist, das
Werkstück wieder
zu berühren,
das heißt
einem "stabilen
Zustand" E. In der
Anfangsphase des "Rücksetzzustands" B liegt eine Periode
oder Zeitspanne großer Verschiebung
des Taststifts vor, um wieder den Rücksetzzustand einzunehmen,
das heißt
eine "Bewegungsperiode" C. In der "Bewegungsperiode" C ist das Meßergebnis
nicht glaubhaft, selbst wenn die piezoelektrischen Elemente betätigt bzw.
aktiviert werden. Die Verschiebungsregelschaltung 32 aktiviert daher
die piezoelektrischen Elemente während
einer festen Zeitperiode D nach Ablauf der Periode C seit dem Verschwinden
des Feststellausgangsignals der Berührungsfeststellschaltung 32.
Ein Beispiel der an die piezoelektrischen Elemente 151 bis 153 angelegten
Spannung ist in 7A dargestellt und hat eine einer
Sinusschwingung ähnliche
Wellenform mit einer Höhe
von ±15
V und einer Periodendauer von 10 ms. Die in 7B dargestellte
Rechteckspannung und die in 7C dargestellte
Dreieckspannung können
bei dem ersten und den folgenden weiteren Ausführungsbeispielen angewandt
werden.
-
Durch
das Anlegen einer solchen Spannung an die piezoelektrischen Elemente 151 bis 153 kontrahieren
oder expandieren die Arme 121 bis 123, so daß sich die
harten Kugeln 131 bis 133 der Öffnung 16 nähern oder
von ihr entfernen. Dadurch werden die harten Kugeln 131 bis 133 in
der erwähnten
zulässigen
Verschiebungsrichtung verschoben, um die Richtung der Reibungskraft
in jenem Berührungspunkt
auf nur eine Richtung auszurichten, so daß sich eine hohe Rückstellgenauigkeit
für das
bewegliche Bauteil 21 in die vorgeschriebene Lage ergibt.
-
Genauer
gesagt, wenn die harten Kugeln und die V-förmigen Nuten sich jedesmal
in definierter Weise relativ zueinander bewegen, kann die Reibungskraft
und die auf die V-förmigen
Nuten ausgeübte
Kraft immer konstant gehalten werden, so daß Änderungen der Rücksetzlage
des beweglichen Bauteils 21 vermieden werden.
-
Wenn
die Verschiebung mikrofein ist, kann eine relative Bewegung zwischen
den harten Kugeln und den V-förmigen
Nuten bewirkt werden. Daher ist es nicht erforderlich, daß die durch
die piezoelektrischen Elemente zu verschiebende feste Richtung genau
mit der Richtung der V-förmigen Nuten übereinstimmt.
Selbst wenn eine feststellbare Abweichung zwischen diesen Richtungen
vorhanden ist, ist es möglich,
die Richtung der Reibungskräfte
in eine Richtung auszurichten, vorausgesetzt, daß diese Abweichung hinreichend
klein ist, um die relative Bewegung zwischen den harten Kugeln und
V-förmigen Nuten
zu bewirken.
-
Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
werden die harten Kugeln 131 bis 133 relativ zu
den drei V-förmigen
Nuten verschoben. Erfindungsgemäß ist es
jedoch wesentlich, eine relative Verschiebung zwischen den harten
Kugeln 131 bis 133 und den V-förmigen Nuten 241 bis 243 in
einer vorgeschriebenen Richtung zu bewirken. Daher können die
V-förmigen Nuten 241 bis 243 ziemlich
sicher relativ zu den drei harten Kugeln 131 bis 133 verschoben
werden.
-
8 stellt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar. Nach 8 sind Aufnahmedurchgangslöcher 411 bis 413 auf
geraden Linien ausgebildet, die die Mittelpunkte benachbarter harter
Kugeln 131 bis 133 verbinden, und die piezoelektrischen
Elemente 151 bis 153 sind in jedem der Aufnahmelöcher 411 bis 413 in
ei nem vorbelasteten Zustand angeordnet. Obwohl die Richtung der
Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Elemente 151 bis 153 von
der Radialrichtung um die Achse des Taststifts 22 abweicht,
werden die harten Kugeln 131 bis 133 weitgehend
radial durch eine resultierende der Kräfte verschoben, die auf sie
ausgeübt
werden. Da bei diesem Ausführungsbeispiel
der Abstand der harten Kugeln 131 bis 133 von
der Achse des Taststifts 22 im Vergleich zu dem ersten
Ausführungsbeispiel
nach 1 verringert werden kann, kann der Gesamtdurchmesser
der Sondenvorrichtung klein gemacht werden.
-
9 stellt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist
ein sechseckiges Durchgangsloch 42 in der Mitte des feststehenden
Bauteils 11 ausgebildet, und in dem Durchgangsloch 42 ist
ein hohles ringförmiges piezoelektrisches
Element 154 zwischen drei Druckelementen 431 bis 433 angeordnet.
In diesem Falle erstreckt sich der Taststift 22 durch ein
mittleres hohles Teil des piezoelektrischen Elements 154.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel
die Sondenvorrichtung durch nur ein piezoelektrisches Element 154 realisiert
ist, kann die Anzahl der Teile oder Bauelemente und die Anzahl der
erforderlichen Zusammenbauschritte verringert werden.
-
Die 10 und 11 stellen
ein viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die harten
Kugeln 131 bis 133 durch Verbiegung des feststehenden
Bauteils 11 verschoben. Nach den 10 und 11 ist
ein Durchgangsloch 44 mit drei peripheren Berührungsflächen in
der Mitte des feststehenden Bauteils 11 ausgebildet, sind
Entlastungsnuten 4613, 4612, 4623 mit
jeweils dünnen
Wandteilen 451A und 453B, 451B und 452A, 452B und 453A zu beiden
Seiten jeder peripheren Berührungsfläche 441 bis 443 ausgebildet und
ist das hohle ringförmige
piezoelektrische Element 154 so angeordnet, daß es mit
den inneren peripheren Berührungsflächen 441 bis 443 in
Berührung
gebracht wird. Die peripheren Berührungsflächen 441 bis 443 sind
zwischen den harten Kugeln 131 bis 133 ausgebildet.
Wenn sich das piezoelektrische Element 154 ausdehnt (expandiert)
und zusammenzieht (kontrahiert), werden die durch Pfeile A in 11 dargestellten
Kräfte
auf das feststehende Bauteil 11 ausgeübt. Daher können die harten Kugeln 131 bis 133 durch
die Wirkung der dünnwandigen Teile 451A und 453B, 451B und 452A, 452B und 453A jeweils
weitgehend radial relativ zur Achse des Taststifts 22 verschoben
werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
kann daher der gleiche Effekt wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel
nach 9 erwartet werden.
-
Nachstehend
wird ein Vergleichsbeispiel anhand der 12 bis 17 beschrieben.
Das sechste Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß die V-förmigen Nuten 241 bis 243 in
einem feststehenden Bauteil 61 ausgebildet und die harten
Kugeln 131 bis 133 in dem beweglichen Bauteil 62 angeordnet
sind. Nach 12, die den gesamten Aufbau
dieses Beispiels darstellt, besteht das feststehende Bauteil 61 aus
einem ringförmigen
Bauteil, das an einem Öffnungsendteil
eines Sondengehäuses
mit zylindrischer Form und einem Boden (der nicht dargestellt ist,
wobei das Gehäuse
nachstehend als "zylindrisches Sondengehäuse mit
einem Boden" bezeichnet
wird) befestigt ist, und drei Klötzen 24,
die in Winkelabständen
von 120° auf
der Oberseite des ringförmigen Bauteils
angeordnet sind. Die V-förmigen
Nuten 241 bis 243 sind in den Oberseiten der Klötze 24 ausgebildet.
Als Vorspannungsmittel dient eine Spiralfeder 63, die die
gleiche wie die Vorspannungsfeder 7 ist. Das bewegliche
Bauteil 62 hat drei Arme 621 bis 623, die
sich radial in Winkelabständen
von 120° von
dessen Mitte aus erstrecken, in der der Taststift 22 angebracht
ist, und die harten Kugeln 131 bis 133 sind an den
Unterseiten der distalen Enden jeweils eines der Arme 621 bis 623 angeordnet.
Die harten Kugeln 131 bis 133 sind in den entsprechenden
V-förmigen
Nuten 241 bis 243 aufgenommen, so daß die Lage
des beweglichen Bauteils 62 relativ zu dem feststehenden
Bauteil 61 unmittelbar und ausschließlich bestimmt ist. Alle Arme 621 bis 623 haben
jeweils ein Aufnahmedurchgangsloch (das nicht dargestellt ist), und
die piezoelektrischen Elemente 151 bis 153 sind in
einem vorbelasteten Zustand darin eingebettet. Die piezoelektrischen
Elemente 151 bis 153 sind so angeordnet, daß sie sich
im wesentlichen in Radialrichtung ausdehnen und zusammenziehen.
-
Obwohl
die Axialrichtung (die Richtung, in der die harten Kugeln 131 bis 133 und
die V-förmigen Nuten 241 bis 243 relativ
zueinander bewegt werden) der V-förmigen Nuten 241 bis 243 im
wesentlichen die Radialrichtung um die Achse des Taststifts 22 in 12 ist,
ist die Richtung der V-förmigen
Nuten 241 bis 243 nicht darauf beschränkt. So
können
die, wie 13 zeigt, V-förmigen
Nuten 241 bis 243 im wesentlichen in Umfangsrichtung
ausgerichtet sein (in einem etwas von der Umfangsrichtung abweichenden
Winkel), oder die V-förmigen
Nuten 241 bis 243 können in beliebigen Winkeln
ausgerichtet sein, wie es in den 14 und 15 dargestellt
ist. In den 13 und 14 sind
die piezoelektrischen Elemente weggelassen.
-
Im
allgemeinen ist die Lage eines Gegenstands unmittelbar und ausschließlich durch
drei Translationskomponenten und drei Rotationskomponenten und die
räumliche
La ge eines festen Körpers durch
sechs Einschränkungen
bestimmt. Daher kann durch dieses Vergleichsbeispiel eine derjenigen
des ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung ähnliche Verhaltens-
und Wirkungsweise erreicht werden.
-
Wenn
umgekehrt alle V-förmigen
Nuten 241 bis 243 richtig in Umfangsrichtung ausgerichtet
sind, wie es in 16A dargestellt ist, wenn alle
V-förmigen
Nuten 241 bis 243 in der gleichen Richtung ausgerichtet
sind, wie es in 16B dargestellt ist, und wenn
die V-förmige
Nut 243 allein richtig in Umfangsrichtung ausgerichtet
ist, dann ist der Gegenstand, das heißt das bewegliche Bauteil 62,
durch fünf
Teile oder weniger eingeschränkt
oder begrenzt. Daher kann die Lage des beweglichen Bauteils 62 nicht
unmittelbar und ausschließlich
bestimmt werden.
-
Nach 17,
die eine Abwandlung des Vergleichsbeispiels darstellt, können die
V-förmigen
Nuten 241 bis 243 gegenüber der Achse des Taststifts 22 geneigt
und die harten Kugeln 131 bis 133 an den Enden
der Arme 621 bis 623 des beweglichen Bauteils 62 angebracht
sein, so daß sie
mit den entsprechenden V-förmigen
Nuten 241 bis 243 in Berührung gebracht werden. Alle
Arme 621 bis 623 sind mit (nicht dargestellten)
piezoelektrischen Elementen versehen.
-
Nachstehend
wird ein fünftes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der 18 und 19 beschrieben.
Das fünfte
Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem Vergleichsbeispiel im Aufbau des feststehenden Bauteils
und des Verschiebungssystems. Die übrigen Ausgestaltungen sind
die gleichen wie die des Vergleichsbeispiels. Nach den 18 und 19 enthält ein feststehendes
Bauteil 91 eine scheibenartige Basis oder Platte 92, mehrere
(drei) Halter 93 an der Unterseite des Randes der Platte 92 und
Klötze 24 jeweils
an einem der unteren Enden der Halter 93. Jeder Halter 93 ist ein
plattenartiges Bauteil, das so angeordnet ist, daß seine
Längsrichtung
mit der Richtung der Axiallinie des Taststifts 22 zusammenfällt, und
in einem Abschnitt des Halters 93 ist ein dünnwandiger
Teil 93A ausgebildet, der als Gelenk dient, das eine Bewegung
des Halters 93 senkrecht zur Axiallinie des Taststifts 22 ermöglicht.
Jeder Halter 93 hat eine erste Seitenplatte 93B und
eine zweite Seitenplatte 93C unterhalb des dünnwandigen
Teils 93A. An den distalen Enden der ersten Seitenplatten 93B sind
Klötze 24 ausgebildet,
die V-förmige
Nuten 241 zur Abstützung
der harten Kugeln aufweisen, die an Armen 621 bis 623 eines
beweglichen Bauteils 62 vorgesehen sind. An den distalen
Enden der zweiten Seitenplatte 93C ist eine Druckplatte 94 abgestützt. Die
Druckplatte 94 und die Platte 92 stützen und
fixieren ein Betätigungselement
(ein Verschiebungsmittel) 95 zwischen sich. Das Betätigungselement 95 ist
ein piezoelektrisches Element, das sich ausdehnen und zusammenziehen
kann, um die drei V-förmigen
Nuten 241 gleichzeitig zu verschieben.
-
19 stellt
einen Zustand dar, in dem ein Vorspannungsmittel 97 auf
dem beweglichen Bauteil 62 angeordnet ist. Das Vorspannungsmittel 97 kann ein
Magnetkraft-Erzeugungssystem sein, das das bewegliche Bauteil 62 relativ
zu dem feststehenden Bauteil 91 durch eine magnetische
Kraft verschiebt, oder es kann ein Fluiddruck-Erzeugungssystem sein, das
das bewegliche Bauteil 62 relativ zu dem feststehenden
Bauteil 91 durch einen Fluiddruck verschiebt.
-
Bei
dem in der beschriebenen Weise aufgebauten fünften Ausführungsbeispiel können das
gleiche Verhalten und die gleiche Wirkung wie bei dem Vergleichsbeispiel
erreicht werden. Da ferner das feststehende Bauteil 91 die
Platte 92 und mehrere Halter 93 aufweist, die
an der Platte 92 verschiebbar angebracht und mit den V-förmigen Nuten 241 versehen
sind, und sich das Verschiebungsmittel ausdehnt und zusammenzieht,
um die V-förmigen Nuten 241, die
zwischen der Platte 92 und den Haltern 93 ausgebildet
sind, zu verschieben, genügt
ein Betätigungselement 95,
um die relative Verschiebung zwischen den harten Kugeln 13 einerseits
und den V-förmigen Nuten 241 andererseits
zu bewirken. Der Aufbau der Vorrichtung kann daher vereinfacht werden.
-
Anhand
der 20 und 21 wird
nachstehend ein sechstes Ausführungsbeispiel
beschrieben. 20 stellt perspektivisch einen
Teil dieses Ausführungsbeispiels
in einem Zustand dar, in dem ein bewegliches Bauteil 500 und
ein feststehendes Bauteil 600 aneinander berühren. Das
bewegliche Bauteil 500 besteht aus einem Bauteil 501 in
Form eines dreieckigen Tisches und einem Bauteil 502, das an
den Beinen des Bauteils 501 befestigt ist. In einem Durchgangsloch 503,
das in der Mitte des Bauteils 502 ausgebildet ist, ist
ein Taststift passend eingesetzt. Im oberen Abschnitt jeder Seitenfläche des Bauteils 501 ist
jeweils einer von drei Zapfen 504 eingebettet, so daß die Axialrichtungen
dieser Zapfen 504 gleiche Azimuthwinkel relativ zueinander
um die Z-Achse des Taststifts einschließen. Das feststehende Bauteil 600 hat
drei seitliche plattenartige Teile 601 jeweils am Ende
eines seitlichen plattenartigen Teils. In der oberen Endfläche jedes
seitlichen plattenartigen Teils 601 sind die unteren Hälften zweier harter
Kugeln 602 eingebettet. Die Mitte des feststehenden Bauteils 600 ist
im Innenraum des beweglichen Bauteils 500 angeordnet und
mit dem beweglichen Bauteil 500 durch eine (nicht dargestellte)
Feder verbunden. Die Zapfen 504 des beweglichen Bauteils 500 kommen
durch eine Zugkraft der Feder mit den harten Kugeln 602 des
beweglichen Bauteils an sechs Punkten in Berührung.
-
21 stellt
eine Ansicht des feststehenden Bauteils 600 von oben dar
und veranschaulicht die Berührung
der beiden seitlichen plattenartigen Teile 601 mit den
beiden Zapfen 504 und einen Querschnitt durch den unteren
Teil des seitlichen plattenartigen Teils 601. In der Mitte
der sich in drei Richtungen erstreckenden Arme des feststehenden
Bauteils 601 ist jeweils ein rechteckiges Aufnahmedurchgangsloch 603 ausgebildet,
und in diesen Aufnahmedurchgangslöchern 603 ist jeweils
ein piezoelektrisches Element 700 eingebettet. Im Ende
jedes der drei Arme des feststehenden Bauteils 600 ist
jeweils eine bis zum Aufnahmedurchgangsloch 603 durchgehende
Gewindebohrung 604 ausgebildet. Durch Drehen und Einstellen
von Schrauben 701, die in die Gewindebohrungen 604 eingeschraubt
sind, kann die Vorbelastung der piezoelektrischen Elemente in den
Aufnahmedurchgangslöchern
eingestellt werden.
-
Bei
dem sechsten Ausführungsbeispiel
können
ein ähnliches
Verhalten und ähnliche
Wirkungen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erreicht werden.
Die Ergebnisse von Untersuchungen, die durch Benutzung einer nach
diesem Ausführungsbeispiel ausgebildeten
Vorrichtung ermittelt wurden, sind in 22 dargestellt. 22 stellt
eine Ebene in einem Bereich mit einem Durchmesser von ±300 Nanometer
dar, in der ein Sonden-Berührungselement,
das am distalen Ende der Sonde vorgesehen ist, senkrecht zur Achse
der Sonde steht. Bei dieser Untersuchung wurde eine Kraft unter
gleichem Azimuthwinkel von 10° um
die Achse der Sonde auf das Sonden-Berührungselement ausgeübt, und
dann wurden die Positionen des Sonden-Berührungselements, nachdem es
in die Ruhelage zurückgekehrt
war, mittels einer speziellen Vorrichtung gemessen. Die Positionen,
die das Berührungselement
der Sonde einnahm, wenn es nicht in seine Ruhelage verschoben war,
ist durch 36 kleine Kreise dargestellt, die in drei Bereichen innerhalb
eines Kreises P konzentriert sind, der durch die gestrichelte Linie
dargestellt ist. Das Ergebnis der Verschiebung des Berührungselements
der Sonde in die Rückstell-
oder Ruhelage ist durch 36 kleine Kreise in dem durch eine gestrichelte Linie
dargestellten Kreis Q dargestellt. Diese Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäße Sonde
wenigstens eine 5-fache Rückstellgenauigkeit
aufweist.