DE69617148T3 - Fühlerprobe - Google Patents

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Kunitoshi Tsukuba Nishimura
Kazuhiko Tsukuba Hidaka
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Mitutoyo Corp
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Description

  • 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.

Claims (9)

  1. Berührungssonde mit einem feststehenden Bauteil, das an einem Gehäuse angebracht ist; einem beweglichen Bauteil; einem Rücksetzpositioniersystem, das es dem feststehenden Bauteil und dem beweglichen Bauteil ermöglicht, sich gegenseitig in jeder von sechs auseinander liegenden Positionen zu berühren, um die relative Lage des feststehenden und des beweglichen Bauteils direkt und ausschließlich zu bestimmen; einem Taststift, der an dem beweglichen Bauteil angebracht ist und ein Berührungselement an seinem distalen Ende aufweist, das so angeordnet ist, daß es mit einem Werkstück in Berührung kommt; einem Vorspannungsmittel, das dem beweglichen Bauteil eine Verschiebung relativ zu dem feststehenden Bauteil ermöglicht, wenn eine Kraft außen auf das Berührungselement ausgeübt wird, und daß eine Rückkehr des beweglichen Bauteils in eine Ruhelage ermöglicht, wenn die auf das Berührungselement ausgeübte Kraft beseitigt wird; und mit einem in dem feststehenden Bauteil eingebauten Verschiebungssystem, das im Betrieb so ausgebildet ist, daß es eine relative Verschiebung des feststehenden und des beweglichen Bauteils an allen Berührungspunkten stets in einer festen Richtung ermöglicht, während die Berührung zwischen dem feststehenden Bauteil und dem beweglichen Bauteil in allen Berührungspunkten beibehalten wird, nachdem die auf das Berührungselement ausgeübte Kraft weggenommen worden ist.
  2. Berührungssonde nach Anspruch 1, bei der die sechs Berührungspunkte in drei Paaren in jeweils drei Positionen angeordnet sind.
  3. Sonde nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der eine Relativbewegung des feststehenden Bauteils und des beweglichen Bauteils an allen Berührungspunkten in einer speziellen zulässigen Richtung gestattet wird und bei der die Richtung der Relativbewegung, die durch das Verschiebungsmittel bewirkt wird, im wesentlichen mit der zulässigen Richtung zusammenfällt.
  4. Berührungssonde nach Anspruch 3, bei der jede zulässige Richtung im wesentlichen mit einer Richtung radial zur Achse des Taststifts zusammenfällt.
  5. Berührungssonde nach Anspruch 4, bei der das Verschiebungssystem eine Vielzahl von in dem feststehenden oder dem beweglichen Bauteil zwischen den Berührungspunkten und der Achse des Taststifts ausgebildeten Aufnahmen aufweist und eine Vielzahl von Betätigungselementen in den Aufnahmen enthalten und so angeordnet sind, daß sie sich in weitgehend radialer Richtung expandieren und kontraktieren.
  6. Berührungssonde nach Anspruch 4, bei der das Verschiebungssystem ein in dem feststehenden Bauteil oder dem beweglichen Bauteil in einem durch die sechs Berührungspunkte begrenzten Bereich ausgebildetes Durchgangsloch aufweist und ein hohles ring förmiges Betätigungselement in dem Durchgangsloch enthalten ist.
  7. Berührungssonde nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der als das Betätigungselement ein piezoelektrisches Element oder ein magnetostriktives Element verwendet wird.
  8. Berührungssonde nach Anspruch 3, bei der jede zulässige Richtung in den sechs Berührungspunkten im wesentlichen senkrecht zur Radialrichtung um die Achse des Taststifts steht.
  9. Berührungssonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Vorspannungsmittel auf die Berührungspunkte des feststehenden Bauteils und des beweglichen Bauteils eine Druckkraft mittels einer Kompressionskraft oder einer Zugkraft eines elastischen Bauteils ausübt.
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