KR20140066969A - 압전 센서 및 단열부를 갖는 터치 프로브 - Google Patents

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Abstract

측정 기계 또는 공작 기계에서의 적용들을 위한 터치 프로브(1; 1'; 1"; 1'")는 보호 케이싱(3)을 갖는 지지 프레임(2), 및 점검될 부품(13)에 접촉하는 필러(11)를 갖는 이동가능한 암세트(5)를 포함한다. 상기 프로브는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같은 중합체 재료로 만들어진 층상 압전 트랜스듀서(25)를 포함하며, 이는 지지 프레임에 연결되고 베어링 및 위치 영역(7)에 고정되며, 여기에서 이동가능한 암세트가 정적 평형 받침 시스템(17)에 의해 정의된 위치에 놓인다. 단열 시스템이 보호 케이싱과 압전 트랜스듀서 사이에 배치되며, 바람직하게는 압전 트랜스듀서와 지지 프레임 사이에 섬유유리와 같은 단열재로 만들어진 적어도 1 이상의 요소(28)를 포함한다.

Description

압전 센서 및 단열부를 갖는 터치 프로브{TOUCH PROBE WITH PIEZOELECTRIC SENSOR AND THERMAL INSULATION}
본 발명은 측정 기계 또는 공작 기계에서 부품의 위치 또는 치수들을 점검하는 터치 프로브(touch probe)에 관한 것이며, 이는 보호 케이싱, 및 베어링 및 위치 영역을 갖는 지지 프레임, 보호 케이싱에 부분적으로 하우징되고 점검될 부품에 접촉하도록 구성된 필러(feeler)를 지니는 암을 포함하는 이동가능한 암세트(movable armset), 베어링 및 위치 영역에 대해 이동가능한 암세트를 추진하기 위해 지지 프레임과 이동가능한 암세트 사이에 배치된 추력 디바이스(thrust device), 베어링 및 위치 영역에서의 지지 프레임과 이동가능한 암세트 사이의 구속 및 위치설정 시스템(constraint and positioning system), 및 지지 프레임에 연결되고 필러에 인가된 힘의 결과로서 신호를 제공하도록 구성된 층상 압전 트랜스듀서(laminar piezoelectric transducer)를 갖는 검출 디바이스를 포함한다.
좌표 측정 기계들 및 공작 기계들에서, 특히 복합 공작 기계 및 선반에서, 기계가공되었거나 기계가공되어야 하는 부품, 툴, 기계 테이블 등을 점검하기 위해, 필러들을 지니는 이동가능한 암세트들을 갖는 터치 프로브들이 이용된다. 이러한 프로브들 중 각 하나에서, 필러와 예를 들어 기계 부품 간의 접촉은 케이싱에 대해 이동가능한 암세트의 소정 이동들을 검출하고 기계의 슬라이드들에 연계된 트랜스듀서들의 판독을 제어하는 적절한 디바이스들에 의해 신호화(signal)되며, 상기 트랜스듀서들은 기준 위치 또는 원점에 대한 측정 값들을 제공한다.
특허 US-A-5299360에 설명된 프로브와 같은 프로브의 검출 및 신호화 디바이스가 전기 회로, 및 이동가능한 암과 케이싱 사이에서 발생된 변위들의 결과로서 기계적으로 작동되고 상기 회로의 폐쇄 또는 더 흔하게는 개방을 야기하는 적어도 1 이상의 연계된 스위치를 포함할 수 있다.
지지 및 위치설정 시스템들에 배치된 전기 회로들을 포함한 검출 디바이스들을 갖는 다른 프로브들이, 예를 들어 특허 US-A-4153998로부터 알려져 있다.
다른 형태의 터치 프로브들은 매우 상이한 종류 및 구성, 특히 변형 또는 압전 트랜스듀서들의 검출 디바이스들을 포함할 수 있다. 특허 공개공보 US-A-3945124, US-A-4177568, GB-A-2049198, US-A-4462162, 및 US-A-4972594가 이 형태의 프로브들을 나타낸다.
이들 가운데, 특허 US-A-4972594는 암들 및 필러들을 포함하고 이동가능한 방식으로 고정된 프레임에 연결되는 암세트를 갖는 프로브를 나타낸다. 특히, 암세트는 기계적 기준 받침대(reference abutment)들에서 중간 지지체에 커플링된다. 프로브는 2 개의 검출 디바이스들: 즉, 필러들 중 하나가 점검될 기계 부품에 접촉한 직후에 신호를 발생시키는 층 형상의 압전 트랜스듀서, 및 앞서 언급된 기계적 기준 받침대들에서 접촉에 의해 폐쇄되는 전기 회로를 포함한다. 압전 트랜스듀서에 의한 거짓 신호화(false signalling) -이는 특히 진동 또는 다른 잡음, 및 열적 변동에 민감함- 를 회피하기 위해, 이러한 압전 트랜스듀서의 신호는 암세트 이동 및 기계적 받침대들 사이의 결과적인 분리에 의해 야기된 전기 회로의 개방에 의한 소정 지연 내에서 접촉이 확증되는 경우에만 필러와 기계 부품 사이에서 실제로 발생된 접촉을 나타내는 것으로 간주된다. 상이한 형태들의 잡음에 대한 영향을 받지 않을 것(immunity)을 보장하는 이 절차는 접촉 검출에 필연적으로 도입되는 지연으로 인한 문제들을 야기할 수 있다. 이러한 문제들은 심지어 점검될 부품과 프로브 사이의 근접 속도(closing rate) - 기계 사이클에 의해 설정됨 - 를 완전히 제어할 수 없는 경우에 증가한다.
압전 트랜스듀서는 - 이미 설명된 바와 같이 - 감열성, 즉 열적 변동에 민감하며, 온도 변화가 발생할 때 거짓 접촉 신호화를 야기할 수 있는 전기 신호들을 생성할 수 있다.
본 발명의 목적은 특히 신뢰성 있고, 열적 변동들과 같은 환경 잡음들로 인한 오류들에 대해 실질적으로 영향을 받지 않는 터치 프로브를 구현하는 것이다.
이러한 목적과 장점, 및 다른 목적과 장점이 청구항 1에 정의된 바와 같은 본 발명에 따른 터치 프로브에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 터치 프로브는 암 및 필러를 갖는 이동가능한 암세트에 대한 베어링 및 위치 영역, 및 보호 케이싱을 갖는 지지 프레임을 포함한다.
이동가능한 암세트는, 예를 들어 3 개의 지지 영역들 내의 V형 시트 및 이동가능한 암세트 내의 연계된 반경방향 요소(radial element)들을 포함한 정적 평형 받침 시스템(isostatic rest system)을 갖는 구속 및 위치설정 시스템에 의해 베어링 및 위치 영역의 정의된 위치에서 지지 프레임에 대해 추진된다. 검출 디바이스는, 바람직하게는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)로 만들어진 층상 압전 트랜스듀서를 포함하고, 이는 베어링 및 위치 영역에서 지지 프레임에 연결된다. 베어링 및 위치 영역에서 트랜스듀서와 보호 케이싱 사이에 단열 시스템(thermal insulation system)이 위치되어, 압전 트랜스듀서를 갑작스러운 온도 변화에 실질적으로 민감하지 않게 한다. 바람직하게는, 단열 시스템은 지지 프레임과 압전 트랜스듀서 사이에 섬유유리와 같은 단열재로 만들어진 요소들을 포함한다. 보호 케이싱은 바람직하게는 Invar®와 같은 낮은 열팽창 계수를 특징으로 하는 철-니켈 합금으로 만들어진다. 단열 시스템은 보호 케이싱을 하우징하고 적절한 단열 중공 공간을 정의하는 중공체(hollow body)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 트랜스듀서는 3 개의 지지 영역에 배치된 3 개의 분리된 감지 섹터(sensitive sector)들을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 프로브는 제 2 검출 디바이스, 예를 들어 이동가능한 암세트와 지지 프레임 사이의 정적 평형 받침 시스템에 위치된 전기 회로를 포함한다. 이러한 제 2 검출 디바이스의 신호화는, 예를 들어 압전 트랜스듀서의 신호화에 추가로 사용되어, 이를 확증할 수 있다.
이제 제한적이지 않은 예시들에 의해 주어지는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명이 설명된다:
도 1은 본 발명에 따른 터치 프로브의 간소화된 길이방향 단면도;
도 2a는 도 1에 대해 확대하여 나타낸 도 1의 터치 프로브의 구성요소의 사시도;
도 2b 및 도 2c는 2 개의 상이한 각도로부터의 도 2a의 구성요소의 분해 사시도;
도 3은 도 1의 터치 프로브의 구성요소들을 이용한 처리 수단의 회로 계통도;
도 4는 본 발명에 따른 프로브에서의 신호 처리 시스템의 회로 계통도;
도 5는 본 발명에 따른 프로브에서의 상이한 처리 시스템의 회로 계통도;
도 6은 도 5의 처리 시스템에 대한 전기 신호들의 추세를 나타내는 그래프;
도 7은 일부 부품들이 도시되어 있는 본 발명의 상이한 실시예에 따른 터치 프로브의 간소화된 길이방향 단면도;
도 8은 일부 부품들이 도시되어 있는 본 발명의 상이한 제 3 실시예에 따른 터치 프로브의 간소화된 길이방향 단면도;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 프로브의 간소화된 길이방향 단면도;
도 10은 본 발명에 따른 프로브의 신호의 처리 실시형태의 회로 계통도; 및
도 11은 압전 트랜스듀서의 신호 처리에 관한 알려진 방안의 회로 계통도이다.
도 1의 부분은 매우 간소화된 방식으로 터치 프로브(1)를 나타내며, 이는 길이방향 기하축을 정의하는 보호 케이싱(3) -이는 실질적으로 원통형이고, 예를 들어 서로 조립된 상이한 부분들에 의해 구성됨- 을 갖는 지지 프레임(2), 및 보호 케이싱(3)에 부분적으로 하우징되고 적절히 지지되는 이동가능한 암세트(5)를 포함한다. 지지 프레임(2)은 폐쇄 플레이트(closing plate: 8)에 의해 보호 케이싱(3)에 고정되는 실질적으로 원통형인 내부 구성요소(6)를 포함한다. 더 명확하게는, 폐쇄 플레이트(8)가 보호 케이싱(3)에 나사고정(screw)되고, 내부 구성요소(6)를 축방향으로 추진하여 제 자리에 유지한다. 내부 구성요소(6)는 이동가능한 암세트(5)에 대한 베어링 및 위치 영역(7)을 가지며, 이동가능한 암세트는 도 1에 간소화된 방식으로 나타내고 참조 번호(13)로 표시되는 점검될 부품에 접촉하도록 구성된 필러(11)를 지니는 암(9)을 포함한다. 지지 프레임(2)과 이동가능한 암세트(5) 사이에 압축 스프링(15)을 갖는 추력 디바이스가 배치되어, 베어링 및 위치 영역(7)에 대해 이동가능한 암세트를 추진한다. 이동가능한 암세트(5)와 지지 프레임(2) 사이의 구속 및 위치설정 시스템(17)이 베어링 및 위치 영역(7)에 배치되고, 3 개의 지지 영역들을 갖는 정적 평형 받침 시스템을 포함하며, 지지 영역들 각각은 지지 프레임(2), 더 명확하게는 내부 구성요소(6)에 고정되고 V형 시트 -도면에서 볼과 동일한 참조 번호(19)로 표시됨- 를 정의하는 볼들의 한 커플(a couple of balls) -도면에는 단 하나의 볼만이 보이고, 참조 번호(19)로 표시됨- , 및 이동가능한 암세트(5)에 정의된, 예를 들어 원통형의 반경방향 요소(21)를 갖는다. 도 1에 나타낸 프로브(1)가 작동하지 않는 조건에서, 즉 점검될 부품(13)과 필러(11) 간의 접촉이 존재하지 않는 경우, 3 개의 반경방향 요소(21)들은 스프링(15)의 동작으로 인해 볼(19)들에 의해 정의된 V형 시트들에 배치되고, 이에 따라 특유한 방식으로 지지 프레임(2)에 대해 이동가능한 암세트(5)의 위치를 정의한다.
대안적인 방안들에 따르면, V형 시트들 및 반경방향 요소들은 이동가능한 암세트(5) 및 지지 프레임(2)에 각각 위치될 수 있으며, 또는 구속 및 위치설정 시스템이 상이한 방식으로, 예를 들어 켈빈 커플링(Kelvin coupling)으로 알려져 있는 바와 같은 상이한 정적 평형 받침 시스템으로 구성될 수 있다.
검출 디바이스(23)가 실질적으로 보호 케이싱(3)의 길이방향 기하축에 수직인 평면 상에 배치되는 적어도 1 이상의 층상 압전 요소 또는 트랜스듀서(25)를 포함하고, 베어링 및 위치 영역(7)에서 지지 프레임(2)에 연결된다. 특히, 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 나타낸 바람직한 실시예에 따르면, 검출 디바이스(23)는 섬유유리와 같은 전기 절연 재료로 만들어진 2 개의 환형 회로 기판(24 및 26)을 포함하고, 이 사이에 층상 압전 트랜스듀서가 꽉 맞게 유지 및 위치된다. 회로 기판들(24 및 26) 각각의 한 측면, 더 명확하게는 층상 압전 트랜스듀서(25)에 접촉하는 측면이 각각 실질적으로 다른 3 개의 각 섹터(angular sector: 24', 24", 24'", 및 26', 26", 26'")로 나누어진 전도성 표면(예를 들어, 알려진 기술들에 따라 구리 또는 금으로 만들어짐)을 갖는다. 이 방식으로, 지지 프레임(2)의 영역에 고정되는 검출 디바이스(23)의 3 개의 감지 섹터들(23', 23", 23'")이 존재하며, 각각의 감지 섹터들(23', 23", 23'")은 실질적으로 3 개의 지지 영역들 중 하나에 대해, 즉 도 1의 예시에서의 볼들(19)의 커플들 중 하나에 대해 중심이 놓인다(center).
본 발명은 개수가 상이하고, 및/또는 상이한 구성의 회로 기판들(24, 26) 및/또는 층상 압전 트랜스듀서(25)를 갖는 감지 섹터들(23', 23", 23'")을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층상 압전 트랜스듀서는 그 자체로 알려져 있는 특수한 기계가공 공정들로부터 상이하게 형상화되거나 얻어질 수 있다.
검출 디바이스(23)는 내부 구성요소(6)와 지지 프레임(2)의 또 다른 영역 사이에서 압력에 의해 로킹(pressure lock)되며, 단열재로 만들어진 적어도 1 이상의 요소(28)가 그 사이에 배치된다. 특히, 폐쇄 플레이트(8)에 의해 추진된 내부 구성요소(6)는 이어서 단열재로 만들어진 요소(28)에 대해 회로 기판(24)을 갖는 측면에서 검출 디바이스(23)를 추진하고, 이에 따라 지지 프레임(2)에 검출 디바이스(23)를 로킹한다. 예를 들어, 섬유유리로 만들어진 요소(28)는 베어링 및 위치 영역(7)의 층상 압전 트랜스듀서(25)와 보호 케이싱(3) 사이에 단열 시스템을 구현한다. 상기 요소(28)는 환형이거나, 회로 기판(26)의 상이한 영역들에 배치되는 별개의 부품들로 나누어질 수 있다.
지지 프레임에 검출 디바이스(23)를 연결하는 대안적인 방법들에 따르면, 회로 기판(24)은 베어링 및 위치 영역(7)에서의 내부 구성요소(6)에 접착되고, 및/또는 회로 기판(26)은 단열재로 만들어진 요소(28)에 접착된다.
신호 처리 기기(signal conditioning electronics: 30)에서의 처리 수단은 마이크로프로세서(37)(도 3)를 포함하며, 보호 케이싱(3) 내에 배치되고 전기 리드(electric lead)들에 의해 검출 디바이스(23)의 회로 기판들(24 및 26)에 연결되며, 이는 와이어(32)들의 커플들로 도 3에 개략적으로 나타내고, 와이어 커플은 각각 회로 기판(24)의 단자와 회로 기판(26)의 단자에 연결되며, 두 단자들은 3 개의 감지 섹터들(23', 23", 23'") 중 하나에 배치된다.
층상 압전 트랜스듀서(25)는 압전 플라스틱 재료로, 바람직하게는 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 PVDF와 같은 중합체 재료로 만들어진 시트에 의해 얻어진다. 이 재료의 특성은 재료 자체가 받게 되는 가압 또는 감압 현상들의 결과로서 전기 전하를 발생시키는 매우 높은 감도를 특징으로 하도록 이루어진다.
또한, PVDF는 실질적으로 제한 없는 압축률을 특징으로 하는 재료이며, 이에 따라 기계적 제한이 필요하지 않다. 회로 기판들(24 및 26)은 이러한 전기 전하들을 검출하고 신호 처리 기기(30)로 전송하며, 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이 각각의 차동 전하 증폭기(differential charge amplifier: 33)들로부터의 출력 신호들이 [도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 기능 블록(31)들에 의해] 디지털 숫자로 전환되고, 관련된 절대 값(relative absolute value)들이 단일 힘 신호(M)를 얻기 위해 소프트웨어 모듈(35)에 의해 구현된 가산기에서 합산되며, 이 값은 층상 압전 트랜스듀서(25)에 적용된 전체 힘 변동을 나타낸다. 마이크로프로세서(37)는 힘 신호(M)를 입력으로서 수신하고, 신호에 따라 발생된 접촉을 나타내는 접촉 신호(T)를 방출하며, 이는 전선들 또는 비접촉 시스템들에 의해 알려진 방식으로 도면들에는 나타내지 않은 외부 인터페이스 유닛으로 전송된다.
도 1에 따른 실시예에서, 보호 케이싱(3)에 사용된 재료는 매우 낮은 열팽창 계수, 전형적으로는 Invar®(USA 및 다른 나라들에서의 등록 상표)와 같이 약 1 ppm/℃를 특징으로 하는 철-니켈 합금이다.
프로브(1)는 다음과 같이 작동한다.
예를 들어, 도 1에서 양방향 화살표(X)로 표시된 횡방향을 따르는 프로브(1)와 점검될 부품(13) 사이의 상호 이동에 관련하여, 필러(11)는 상기 부품(13)에 접촉하고, 이동가능한 암세트(5)에 힘이 인가되며, 이는 구속 및 위치설정 시스템(17)에 전달된다. 3 개의 지지 영역들 중 하나 또는 둘에서, 반경방향 요소(21)가 볼(19)들의 각 커플에 추력을 인가하고, 동시에 스프링(15)에 의해 인가된 추력은 다른 지지 영역(들)에서 해제된다. 추력 작용 및 해제 작용은 검출 디바이스(23)로, 더 명확하게는 층상 압전 트랜스듀서(25)로 전달되며, 이는 감지 섹터들(23', 23", 23'")에서 가압 또는 감압을 겪고, 이에 따라 앞서 간략히 기재된 바와 같이 회로 기판들(24 및 26)에 배치된 단자들에 의해 검출되는 전기 전하를 발생시킨다. 층상 압전 트랜스듀서(25)에 인가된 힘 변동을 나타내는 결과적인 힘 신호(M)는 마이크로프로세서(37)에서 처리되고, 특히 이는 결정된 임계값이 초과되는 경우에 검출되며, 즉시 또는 소정 지연 후 접촉 신호(T)가 방출된다.
층상 압전 트랜스듀서(25)에 대한 유사한 효과들이 X와 상이한 방향들을 따르는 점검될 부품과 필러(11) 간의 상호 접촉들, 예를 들어 Z 방향을 따라 발생하는 접촉에 의해 야기되며, 이 결과로서 적어도 이론상 3 개의 지지 영역들에서 추력이 해제되고, 층상 압전 트랜스듀서(25)는 이에 따라 감지 섹터들(23', 23", 23'")에서 감압을 겪는다.
도 4는 프로브(1)에 의해 겪는 열적 변동들이 프로브(1)의 성능에 부정적 영향을 끼치고 이에 따라 거짓 신호화를 제공하는 것을 방지하기 위한 신호 처리 기기(30)에서의 가능한 조치를 개략적으로 나타낸다. 실제로, 층상 압전 트랜스듀서(25)가 만들어지는 재료는 이러한 열적 변동들을 겪고, 결과적으로 바람직하지 않은 전기 전하들의 발생을 야기할 수 있다. 도 4의 간단한 다이어그램에 따른 처리 시스템(40)을 이용한 방안에서, 층상 압전 트랜스듀서에 의해 제공된, 더 명확하게는 감지 섹터들(23', 23", 23'") 중 하나에서 각각 발생되고 디지털화된 신호(St)가 필터링 구성요소, 더 명확하게는 이 경우 소프트웨어 모듈로서 구현되고 예를 들어 약 1 Hz의 차단 주파수를 특징으로 하는 저역 통과 필터(34) 및 소프트웨어 모듈로서 구현된 수치 감산 유닛(numeric subtracting unit: 36)의 입력으로 보내진다. 상기 유닛(36)은 이러한 신호(St)와 저역 통과 필터(34)로부터의 출력인 필터링된 신호(Sf) 간의 차를 절대값으로 나타내는 신호(Sd)를 출력한다. 이 방식으로, 신호(St)가 전형적으로 온도 변화들에 의해 야기되는 바와 같은 점진적 변동들을 겪는 경우, 신호(Sf)가 동일한 변동들을 겪고, 상기 유닛(36)으로부터의 출력인 신호(Sd)가 실질적으로 0이기 때문에 신호화가 존재하지 않는다. 반면에, 신호(St)의 변동이 점검될 부품(13)과 필러(11) 간의 접촉의 결과로서 발생하여 갑작스러운 경우, 대응하는 변동이 신호(Sf)에서 즉시 일어나지 않아 신호에 변화가 없고, 그 결과 유닛(36)으로부터의 출력인 신호(Sd)가 갑작스러운 변동을 겪는다. 그러므로, 이 경우에만 0과 상이한 힘 신호(M)가 마이크로프로세서(37)에 도달하여, 올바른 신호화 및 결과적인 접촉 신호(T)의 발생을 가능하게 할 것이다.
단열재, 예를 들어 섬유유리로 만들어진 요소(28)를 이용한 단열 시스템은 보호 케이싱(3)에 영향을 주는 냉각재 분출에 의해 야기되는 바와 같은 갑작스러운 환경적인 열적 변동들이 갑작스러운 방식으로 층상 압전 트랜스듀서(25)에 전달되는 것을 방지함을 유의하여야 한다. 이는 도 4의 조치의 보호 동작이 적절하고 신뢰성 있음을 보장한다.
또한, 보호 케이싱(3)에 대한 Invar®와 같은 낮은 열팽창 계수를 특징으로 하는 재료의 사용은 환경적인 열적 변동들이 보호 케이싱(3)의 치수 변화들을 야기하는 것을 방지한다. 실제로, 이러한 치수 변화들은 층상 압전 트랜스듀서(25)에 전압을 인가하고, 더 나아가 거짓 신호화를 야기할 수 있다.
도 4(회로도는 바람직하게는 소프트웨어를 통해 구현되는 기능 요소들을 나타냄)의 조치에 대한 대안예로서, 환경적 잡음들, 더 명확하게는 열적 변동들에 의해 야기되는 잡음들에 대한 다른 가능한 보호 시스템들이 존재한다.
신호 처리 기기(30)에 포함될 수 있는 이러한 시스템들 중 하나가 도 5 및 도 6에 개략적으로 도시된다. 층상 압전 트랜스듀서(25)에 의해 제공되는 신호를 처리하는 처리 시스템(55)은 층상 압전 트랜스듀서(25)에서 바람직하지 않은 전기 전하들을 발생시키는 열적 변동들이 일어나는 경우, 마이크로프로세서(37)에서 힘 신호(M)의 값과 비교되는 임계값(S)을 시간에 맞춰 점진적으로 변화시킬 수 있는, 바람직하게는 소프트웨어를 통해 구현된 디바이스들을 포함한다. 도 5의 다이어그램에서, 블록들(50 및 51)에 의해 나타낸 증분 가산기(increment adder)가 "FIFO"(선입선출: First-IN First-OUT) 시퀀스에 따라 힘 신호(M)에 대해 검출된 복수의 값들, 특히 가장 최근에 검출된 n 개의 값들의 합을 제공한다. 처리 유닛들(52 및 54)이 이러한 n 개의 검출된 값들의 평균, 및 계산된 평균에 따라 각각 처리되고 수정되는 임계값(S)을 제공한다. 비교기(56)가 이러한 임계값(S)과 현재 힘 신호(M)를 비교한다. 처리 시스템(55)에 따르면, 힘 신호(M)의 값들의 평균은 이 값들이 수집될 때 수행되고, 예를 들어 최종 8192 개의 값들(100 khz의 전형적인 샘플링 주파수를 고려하여, n=8192임)이 평균화되고, 임계값(S)은 이 평균에 따라 동적으로 변화된다. 결과로서, 열적 드리프트 현상들 또는 바람직하지 않은 용량성 효과들에 의해 야기되는 바와 같은 힘 신호(M)의 느리고 점진적인 변동들은 임계값(S)의 변동들에 대응하며, 이는 처음 신호(M)가 두 번째 신호(S)를 초과하는 것을 방지한다. 도 4 및 신호(St)를 참조하여 앞서 설명된 바와 같이, 점검될 부품(13)과 필러(11) 간의 접촉 결과로서 층상 압전 트랜스듀서(25)로부터의 출력인 신호들의 갑작스러운 변동, 및 이에 따라 출력 신호들 중 하나처럼 갑작스러운 힘 신호(M)의 변동이 존재한다. 이 경우, 임계값(S)은 시간에 맞춰 작고 느린 변동들을 겪고, 이에 따라 힘 신호(M)가 이를 초과한다. 그 결과, 마이크로프로세서(37)는 접촉 신호(T)를 발생시킨다. 도 6의 다이어그램들은 온도 증가에 의해 야기된 힘 신호(M)의 느리고 점진적인 변동들로 인해 임계값(S)이 시간에 맞춰 어떻게 동적으로 변하는지를 개략적으로 나타낸다. t0의 순간에, 점검될 부품(13)과 필러(11) 간의 접촉에 관련하여 임계값(S)을 초과하는 힘 신호(M)의 갑작스러운 변동이 존재하고, 접촉 신호(T)의 발생을 야기한다.
도 5 및 도 6이 언급하는 방안도 점진적인 열적 변동들의 경우에 적절히 작동하며, 베어링 및 위치 영역에 배치되는 단열재로 만들어진 (일체형이거나 상이한 부분들로 나누어진) 요소(28)를 포함한 단열 시스템에 의해 갑작스러운 온도 변화들에 대한 실질적인 영향을 받지 않도록 보장된다.
본 발명에 따른 프로브(1')의 대안적인 방안이 도 7에 나타내어진다. 도 7의 프로브(1')는 도 1의 프로브(1)와 실질적으로 동일하며, 이에 따라 동일한 참조 번호들로 표시되는 동일한 부품들의 설명은 반복되지 않는다. 유일한 차이는 자체로 알려져 있고, 특허 US-A-4972594를 참조하여 설명의 첫 부분에 설명된 것과 유사한 제 2 검출 디바이스가 존재한다는 것이다. 특히, 구속 및 위치설정 시스템(17)에 전기 회로가 위치되고, 이러한 전기 회로는 3 개의 반경방향 요소(21)들이 V형 시트들에 하우징되고 볼(19)들의 각 커플들에 접촉하는 경우에 폐쇄된다. 제 2 검출 디바이스의 전기 회로는 신호 처리 기기(30)에 전기 회로를 연결하는 전기 리드들을 포함하고, 이러한 리드들은 2 개의 와이어(60)로 도 7에 간소화된 방식으로 도시된다. 제 2 검출 디바이스의 신호는, 미리 설정된 시간 구간(예를 들어, 1/10 밀리초) 후 층상 압전 트랜스듀서(25)에 의해 발생된 힘 신호(M)가 점검될 부품(13)과 필러(11) 사이에 발생된 접촉에 실제로 대응한다는 것을 확증하기 위해 마이크로프로세서(37)에서 다루어진다. 또한, 펄스 신호가 방출된 후에는 더 이상 층상 압전 트랜스듀서(25)로부터 시스템 상태에 대한 정보[특히, 이동가능한 암세트(5)가 지지 프레임(2)에 대해 편향되는지를 알기 위함]를 수신할 수 없기 때문에, 제 2 검출 디바이스로부터 이러한 정보가 얻어질 수 있다.
그러므로, 도 1의 프로브(1)에서는 구속 및 위치설정 시스템(17)만이 소위 "오버스트로크(overstroke)" 역할, 즉 필러(11)와 통합된 이동가능한 암세트(5)가 점검될 부품(13)과 프로브(1) 간의 접촉의 결과로 일어나는 과도한 응력 및 파손을 회피하기 위해 지지 프레임에 대해 변위될 가능성을 제공하지만, 도 7의 프로브(1')에서는 지지 프레임(2)에 대한 이동가능한 암세트(5)의 변위들이 제 2 검출 디바이스의 작동에도 연결되며, 그 신호화가 마이크로프로세서(37)에 의해 접촉 신호(T)의 적절한 방출에 사용된다.
도 8은 본 발명의 상이한 실시예에 따른 프로브(1")를 나타낸다. 프로브(1")는 프로브들(1 및 1')의 구성요소들 대부분을 포함하며, 이에 따라 동일한 참조 번호들로 표시되는 동일한 구성요소들의 설명은 반복되지 않는다. 또한, 도 8은 단면도가 아닌 보호 캡(4)을 나타내며, 이는 지지 프레임(2)에 연결되고 그 중에서도 밀봉 개스킷(sealing gasket)들을 포함하며, 이러한 캡은 도 1 및 도 7의 간소화된 단면도들에서는 생략된다. 프로브들(1 및 1')과 프로브(1")의 주요한 차이는 단열 시스템의 추가 구성요소, 즉 보호 케이싱(3)에 연결된 일 단부(65)를 갖는 절연 중공체(64)의 존재이다. 절연 중공체(64)는, 적어도 층상 압전 트랜스듀서(25)가 놓이는 구역을 포함한 한 길이방향 길이에서, 보호 케이싱(3)과 절연 중공체(64) 사이에 단열 중공 공간(66)을 정의하도록 보호 케이싱(3)을 하우징하는 실질적으로 원통형인 후퇴부를 포함한다. 도 8의 예시에서, 단열 중공 공간(66)은 로킹 단부(65)의 반대편 단부에서 횡방향으로도 연장된다. 단열 중공 공간(66)에 형성되는 에어 쿠션(예를 들어, 10 분의 몇 mm의 두께를 가짐)이 검출 디바이스(23)가 배치되어 있는 프로브의 단열을 가능하게 하고, 냉각재 분출에 의해 야기되는 바와 같은 갑작스러운 환경적인 열적 변동들이 갑자기 층상 압전 트랜스듀서(25)에 전달되는 것을 방지한다. 이 방식으로, 가능한 열적 변동들이 점진적으로 층상 압전 트랜스듀서(25)에 도달하고, 도 4, 도 5 및 도 6을 참조하여 예시된 바와 같은 시스템들로 인해 부정적인 효과들이 쉽게 회피될 수 있다.
절연 중공체(64)를 포함한 단열 시스템은 앞서 설명된 실시예들에 포함된 섬유유리로 만들어진 요소(28)로 대체할 수 있지만, 일반적으로 도 8에 나타낸 본 발명의 실시예에서는 단열 시스템들이 둘 다 제공된다.
절연 중공체(64)는 다양한 재료들, 예를 들어 Invar®와 같은 낮은 열팽창 계수를 특징으로 하는 철-니켈 합금 또는 강철로 만들어질 수 있다.
본 발명에 따른 터치 프로브의 가능한 다른 구현들 중에서 또 다른 실시예가 도 9에 도시된다. 프로브(1'")는 도 1, 도 7 및 도 8의 프로브들(1, 1' 및 1")과 대부분이 유사한 특징들을 가지며, 본 명세서에서는 상세히 설명되지 않는다. 프로브(1'")는 도 7의 프로브(1')와 같이 제 2 검출 디바이스를 포함하고, 이는 이 경우 도 9에 단면도로 나타내지 않은 마이크로스위치(74)로 구현되고, 참조 번호(75)로 표시되고 스케치된 리드들에 의해 신호 처리 기기(30)에 연결된다. 자체로 알려져 있는 마이크로스위치(74)는 축방향으로 이동가능한 전달 샤프트(transmission shaft: 76)를 포함하며, 이는 이동가능한 암세트(5)에 커플링되어 그 변위들을 전달하고, 결과로서 마이크로스위치(74)가 신호를 방출하게 한다. 이 경우에는 마이크로스위치(74)에 구성된 제 2 검출 디바이스의 이러한 신호는 도 7의 프로브(1')를 참조하여 앞서 설명된 마이크로프로세서(37)에 의해 접촉 신호(T)를 적절히 방출하는데 사용된다.
마이크로스위치(74)는 도 9에 나타낸 프로브들과 상이한 특성들을 갖는 터치 프로브에서 제공될 수 있다. 프로브는, 예를 들어 [도 1 및 도 7의 프로브들(1 및 1')과 같이] 단열재로 만들어진 요소(28)만을 갖는 단열 시스템을 포함할 수 있다.
도 10은 회로 기판들(24, 26)이 둘 다 각각의 차동 전하 증폭기(33)에 전기적으로 연결된 도 3에 나타낸 특유하고 유리한 구현을 언급한다. 더 명확하게는, 감지 섹터들(23', 23" 및 23'") 중 하나에서 압전 요소(25)의 단부들에 배치된 회로 기판들(24 및 26) 내의 단자들[여기에서는, 참조 번호들(24N 및 26N)로 표시됨] 각각이 전하 증폭기 유닛(84 및 86)에 연결되고, 이는 각각의 단자(24N 및 26N)에 제공된 [수 피코쿨롬(a few picocoulombs) 정도의] 전기 전하(Q)에 응답하여 신호를 발생시킨다. 예를 들어, 차동 증폭기(88)에 의해 제공되는 전하 증폭기 유닛들(84 및 86)로부터의 출력인 신호들의 차의 절대값은 감지 섹터들(23', 23" 및 23'") 중 하나에서 압전 요소(25)에 의해 발생된 신호를 나타내며, 도 3의 다이어그램에 따라 디지털화되고 도 4에서와 같은 수행될 수 있는 여하한의 추가 처리 후 다른 신호들에 가산되기 위한 것이다.
압전 요소의 단부들에서의 단자들 중 하나가 접지에 연결되는 도 11에 스케치된 바와 같은 알려진 실시예를 참조하면, 본 발명에 따른 도 10의 차동 구현이 가능한 전기적 잡음을 극적으로 감소시킬 수 있기 때문에 특히 유리하다.
실제로, 공작 기계 상에서의 본 발명에 따른 - 본 명세서에 나타낸 실시예들(1, 1', 1", 1'") 중 하나 및 다른 가능한 실시예들의 - 프로브의 적용들에서, 전형적으로 접지는 통상적으로 많은 전기적 잡음을 특징으로 하는 공작 기계 자체의 케이싱이다. 도 11에서와 같이 알려진 구현을 채택하는 경우, 접지의 결과로 발생된 전기적 잡음들이 중대한 작용(critical application)을 야기할 수 있다. 도 10에 개략적으로 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 차동 구현이, 얻어진 신호가 접지 사용의 특성들에 의존하지 않기 때문에 이 형태의 잡음들에 대해 실질적으로 영향을 받지 않는다.
기계 구조에 관한 알려진 부품들 및/또는 관련된 신호들의 처리의 대안적인 구현들과 함께, 본 발명에 따른 터치 프로브의 다른 실시예들이 제공될 수 있다.

Claims (16)

  1. 측정 기계 또는 공작 기계에서 부품(13)의 위치 또는 치수들을 점검하는 터치 프로브(touch probe: 1; 1'; 1"; 1'")에 있어서:
    보호 케이싱(3), 및 베어링 및 위치 영역(bearing and locating area: 7)을 갖는 지지 프레임(2);
    상기 보호 케이싱(3)에 부분적으로 하우징되고, 점검될 부품(13)에 접촉하도록 구성된 필러(feeler: 11)를 지니는 암(arm: 9)을 포함하는 이동가능한 암세트(movable armset: 5);
    상기 베어링 및 위치 영역(7)에 대해 상기 이동가능한 암세트(5)를 추진하기 위해 상기 지지 프레임(2)과 상기 이동가능한 암세트(5) 사이에 배치된 추력 디바이스(thrust device: 15);
    상기 베어링 및 위치 영역(7)에서의 지지 프레임(2)과 상기 이동가능한 암세트(5) 사이의 구속 및 위치설정 시스템(constraint and positioning system: 17); 및
    상기 지지 프레임(2)에 연결되고, 상기 필러(11)에 인가된 힘의 결과로서 신호를 제공하도록 구성된 층상 압전 트랜스듀서(laminar piezoelectric transducer: 25)를 갖는 검출 디바이스(23)를 포함하며,
    상기 층상 압전 트랜스듀서(25)는 상기 보호 케이싱(3) 내에 배치되고, 상기 베어링 및 위치 영역(7)에서 상기 지지 프레임(2)에 연결되며,
    상기 지지 프레임(2)은 상기 베어링 및 위치 영역(7)에서 상기 층상 압전 트랜스듀서(25)와 상기 보호 케이싱(3) 사이에 단열 시스템(thermal insulation system: 28; 64, 66)을 포함하는 터치 프로브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열 시스템은 적어도 1 이상의 단열재로 만들어진 요소(28)를 포함하는 터치 프로브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 1 이상의 단열재로 만들어진 요소(28)는 섬유유리로 만들어지는 터치 프로브.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 시스템은 절연 중공체(insulating hollow body: 64)를 더 포함하고, 상기 보호 케이싱(3)은 상기 절연 중공체(64) 내에 배치되는 터치 프로브.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보호 케이싱(3)은 실질적으로 원통형이고, 상기 절연 중공체(64)는 상기 보호 케이싱(3)과 상기 절연 중공체(64) 사이에 단열 중공 공간(66)을 정의하도록 상기 보호 케이싱(3)을 하우징하는 실질적으로 원통형인 후퇴부를 갖는 터치 프로브.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 절연 중공체(64)는 낮은 열팽창 계수를 갖는 철-니켈 합금으로 만들어지는 터치 프로브.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호 케이싱(3)은 낮은 열팽창 계수를 갖는 철-니켈 합금으로 만들어지는 터치 프로브.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구속 및 위치설정 시스템(17)은 상기 이동가능한 암세트(5)와 상기 지지 프레임(2) 사이에 정적 평형 받침 시스템(isostatic rest system)을 포함하는 터치 프로브.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 정적 평형 받침 시스템은 상기 이동가능한 암세트(5)와 상기 지지 프레임(2) 사이에 3 개의 지지 영역들을 포함하는 터치 프로브.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 검출 디바이스(23)는 상기 3 개의 지지 영역들에서의 3 개의 감지 섹터(sensitive sector: 23', 23", 23'")를 포함하는 터치 프로브.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 3 개의 지지 영역들 각각은 V형 시트(19), 및 상기 V형 시트(19)에 배치되고 상기 추력 디바이스(15)에 의해 인가되는 추력을 받는 반경방향 요소(radial element: 21)를 포함하고, 상기 V형 시트(19)들 및 상기 반경방향 요소(21)들은 상기 지지 프레임(2) 및 이동가능한 암세트(5)에 각각 정의되는 터치 프로브.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이동가능한 암세트(5)와 상기 지지 프레임(2)의 상호 위치를 나타내는 신호를 제공하도록 구성된 제 2 검출 디바이스(19, 21, 60)를 포함하고, 상기 반경방향 요소(21)들이 상기 V형 시트(19)들에 배치되는 경우에 폐쇄되는 전기 회로(60)를 포함하는 터치 프로브.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동가능한 암세트(5)와 상기 지지 프레임(2)의 상호 위치를 나타내는 신호를 제공하도록 구성된 제 2 검출 디바이스(19, 21, 60; 74, 75, 76)를 포함하는 터치 프로브.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층상 압전 트랜스듀서(25)는 폴리비닐리덴 플루오라이드로 만들어지는 터치 프로브.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 프레임(2)에 연결된 신호 처리 기기(signal conditioning electronics: 30)를 포함하는 터치 프로브.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 신호 처리 기기(30)는 상기 층상 압전 트랜스듀서(25)에 의해 제공된 신호(St)의 필터링 구성요소(34)들을 갖는 처리 시스템(40)을 포함하며, 상기 처리 시스템(40)은 필터링된 신호(Sf)를 얻고, 상기 필터링된 신호를 상기 층상 압전 트랜스듀서(25)에 의해 제공된 신호(St)에 비교하며, 상기 층상 압전 트랜스듀서(25)에 의해 제공된 신호(St)가 점진적 변동들인 경우 실질적으로 0인 신호(Sd)를 출력하도록 구성되는 터치 프로브.
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