WO1994015171A1 - Tastelement fur koordinatenmesssysteme - Google Patents

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WO1994015171A1
WO1994015171A1 PCT/EP1993/003647 EP9303647W WO9415171A1 WO 1994015171 A1 WO1994015171 A1 WO 1994015171A1 EP 9303647 W EP9303647 W EP 9303647W WO 9415171 A1 WO9415171 A1 WO 9415171A1
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probe
micro
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probe element
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PCT/EP1993/003647
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karlheinz Bartzke
Eberhard Seydel
Torsten Antrack
Original Assignee
Carl Zeiss Jena Gmbh
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Filing date
Publication date
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Priority to US08/290,887 priority patent/US5524354A/en
Publication of WO1994015171A1 publication Critical patent/WO1994015171A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G01B7/008—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines
    • G01B7/012—Contact-making feeler heads therefor

Definitions

  • the invention relates to a key element for coordinate measuring systems, which can be used in particular for surface probing or three-dimensional measurement of test specimens of the smallest dimensions.
  • the lateral resolving power of a sphere is extremely unfavorable because the curvature of the sphere surface and the flattening do not result in a measuring point but a measuring spot due to the measuring force, the diameter in the range of a hundredth! mm. The consequence of this is. that the measured value represents an average value obtained over this spot.
  • the measurement signal is obtained by tilting a spring-loaded plate as a result of the probing movement. An electrical contact that opens in this way starts the measurement signal acquisition.
  • the method allows dynamic measurement from the movement, but is not very accurate.
  • ball switches have recently been used, the stem of which is connected to piezo resonators, which react to pressure and which allow higher switching accuracy.
  • a further increase in measuring accuracy can be achieved by equipping the probe with its own 3-D fine adjustments, precision measuring systems and adjustable measuring force devices, which make it possible to let the probe touch the surface of the test object when the probe is at a standstill and the probe ball along short lengths the surface (scanning).
  • optical probe elements for coordinate measurement are known (Gussek, B .; Bartel, R .; Hof ⁇ mann, W. "A microswitch detects non-contact profiles in the optical probe section", Feintechnik und Messtechnik 98 (1990) 10, pages 401 - 405).
  • Such probe elements are mainly used for soft test objects. Their advantages are that they measure contactless and force-free and the position of the optical touch point, in contrast to the sphere, is known.
  • a triangulation method with a geometrical effect has resolutions of less than 0J ⁇ m in the vertical direction, but the measurement errors caused by the optical properties of the specimen surface are up to several micrometers.
  • An autofocus method like the one above requires surfaces with sufficient reflectivity and, depending on this, also has measurement errors of up to several micrometers.
  • the diameter of the light beam or focus is several micrometers and limits the lateral resolution of these systems.
  • the conventional surface probing methods of coordinate measuring technology are unsuitable for measuring tasks that require a lateral resolution and measuring errors of less than 1 ⁇ m or measuring lengths of less than 1 mm for internal measurements. This is the measurement of gears with a module from 0.01 mm, bores with a diameter ⁇ 1 mm, threads ⁇ Ml and test specimens. Micr ⁇ mechanik not solved by conventional 3-D measurement technology.
  • Arrangements are also known in which surface structures are measured with micro-scanning electrodes and piezo-resonators, but which are unsuitable for tasks in 3-D measuring technology, since a 3-D measuring head does not appear to make sense with the measuring elements described there.
  • the contact of the oscillating needle attached to the piezo resonator with the surface of the test object is determined by measuring either the change in the resonator parameters or the contact forces (DE-OS 4035076.2, DE-OS 4035084.2).
  • the invention has for its object to a probe element for coordinate measuring systems develop, which with a defined point probing with measuring forces of ⁇ 10 " ° N
  • the invention consists in that the probe element is arranged from polygon
  • Piezoresonators exist and polygon-like micro-tactile elements, which detect inner and outer surfaces in different coordinates, are attached to the piezo resonators.
  • piezoresonators as tuning fork, torsion or
  • Longitudinal vibrators are cross sections of approx. 100 - 1000 ⁇ rn * - * * with a length of
  • the piezoresonator consists of a plate-shaped element which has four tuning fork, torsion or longitudinal oscillators oriented by 90 °, * three by 120 ° or six by 60 °. Due to the use of several micro-touch elements, at least one micro-touch element comes into contact with the surface of the sample to be measured when measuring a sample area.
  • the position of the micro-probe elements on the probe element must be known, for which purpose a calibration method known also with conventional ball probe elements
  • a calibration ball can be used.
  • the probe element By designing the probe element using micro-probe elements, a defined point probing realized. At the same time, the probe forces are reduced by a factor of 10 ** ⁇ to 10 "° N compared to conventional ball probing. Since the vibration amplitudes of the resonators range from angstroms to nanometers depending on the geometric shape, it is important to evaluate a warning signal to safely approach a surface In this case, known arrangement or process engineering solutions can be used, for example by using an additional optical indicator It is also possible to use the acoustic coupling effects acting in the medium air between the micro-sensing element and the test specimen surface with gap widths of micrometers as a priority signal They also cause a change in the resonance parameters of the piezoresonator.
  • Figure 2 3D probe element, representation of the piezoresonator in the form of a
  • FIG. 3 3D keying, representation of the piezoresonator in the form of torsion or longitudinal oscillators
  • FIG. 4 3D keying element, representation of the piezoresonator in the form of torsion or
  • FIG. 1 shows the tactile element according to the invention, consisting of five piezoresonators 3, 4, 5 arranged polygonally on a rod 1.
  • Micro-probe elements 2 are attached to the piezoresonators 3, 4, 5.
  • the probe element is brought closer to the sample surface in a known manner by means of a piezo tube 8 with applied control electrodes.
  • the piezo tube 8 made of piezoceramic with applied control electrodes has a length of approximately 20 mm and an outer diameter of approximately 2 mm.
  • the control electrodes applied to the outer and inner cylinder jacket of the piezo tube 8 are electrically conductive and separated so that the same shell-like control electrodes are formed which are produced by Control electronics, not shown, can be subjected to the same or different control voltages.
  • Control electronics not shown
  • the same electrical errors form between the inner and outer electrodes in the piezo tube, which, due to the reciprocal transverse piezoelectric effect, lead to an expansion or compression of the piezo tube in the direction of the cylinder axis z, depending on the sign and the magnitude of the control voltage.
  • the piezo tube or the sample is measurably displaced in the coordinates x, y, z by known mechanical adjustment devices.
  • the micro-tactile elements 2 arranged in the manner of a polygon have dimensions in the range from approximately 100 nm to 10 mm, while the size of the piezo resonators 3, 4, 5 is in the range from 10 ⁇ m to 10 mm, depending on the field of application.
  • the piezoresonators 3, 4 and 5 advantageously consist of piezoelectric quartz, which, with suitable orientation, vibrator geometry and excitation electrode design, has high vibration quality, high resonance frequencies in the range of 0J - 10 MHz, low time constants of 1 ⁇ s - 1 ms and low probe forces of 0J - 100 nN enables.
  • the micro-probe elements 2 can also be connected via passive connecting elements 6, for example in the form of cones or rods, which are adapted in size to the micro-probe elements 2 depending on the application be connected to the piezoresonator. They can consist of metals or non-metals. It is of crucial importance for the functionality of the probe operation of the probe element according to the invention that all mechanical elements involved in the probing process have high mechanical natural resonances of more than 10 kHz. Under this condition, the measuring process remains largely unaffected by disturbing mechanical environmental vibrations.
  • the probing of the sample surface is carried out in a known manner in that the with the Piezo-resonators 3, 4 or 5 in the above-mentioned frequency range vibrating micro-touch elements 2 when approaching or touching the sample change the resonance of the piezo-resonator 3, 4 or 5 in its frequency, phase or amplitude.
  • These resonance changes can be measured electronically in a known manner and can be used to either switch off the sewing process of the sample and the micro-probe element 2 or to track the vibrating micro-probe element 2 in a controlled manner.
  • a piezoresonator serving as a sensing element in the form of a tuning fork oscillator arrangement is shown in FIG.
  • a piezoresonator is obtained by inserting two different tuning fork oscillators 3 and 4 into each other, each of the tuning fork oscillators 3 and 4 being equipped with at least one micro-touch element 2.
  • piezoresonators can be produced photolithographically in very small dimensions, bore walls with a diameter of ⁇ 1 mm can be measured.
  • the length of the tuning fork pairs, which oscillate against one another by appropriate design of the excitation electrodes, can be approximately 1 mm.
  • FIG. 3 shows a 3D key element made of piezo resonators in the form of a torsion or
  • Longitudinal vibrator 5 which is equipped with at least one micro-touch element 2.
  • the torsion or longitudinal vibration 5 is in the middle of the vibration node
  • FIG. 4 shows a 3-D touch probe made of piezoresonators in the form of torsional or longitudinal vibrators 5 with polygon-like micro-probe elements 2, a passive one between the torsional or longitudinal vibrator elements 5 and the micro-probe elements 2 Connection element 6 is interim storage. There are micro-probe elements 2 arranged in a polygon-like manner on the connecting element 6. Such a design option for the probe element is particularly suitable for measurements of the smallest internal dimensions, wherein touch detection can be carried out in three coordinates per probe element.
  • micro probe elements 2 When using micro probe elements 2 with diameters of approximately 100 n, internal measurements in the submicrometer range can be carried out with this key element.
  • FIG. 5 shows embodiments of the probe element in which, due to the crystallography of piezoelectric materials such as e.g. Quartz or lithium niobate from a plate-shaped element 7 three rod or tuning fork transducers 5 oriented by 120 ° (FIG. 5), six by 60 ° (FIG. 6) or 4 offset by 90 ° (FIG. 7), each of which can be obtained in the Micro button elements 2, not shown, are arranged.
  • piezoelectric materials such as e.g. Quartz or lithium niobate from a plate-shaped element 7
  • three rod or tuning fork transducers 5 oriented by 120 ° (FIG. 5), six by 60 ° (FIG. 6) or 4 offset by 90 ° (FIG. 7), each of which can be obtained in the Micro button elements 2, not shown, are arranged.
  • FIG. 8 shows a micro-touch element 2 consisting of glass fiber and miniature spheres.
  • the glass fiber 9 can have a diameter of approx.
  • the front end of the glass fiber 9 is melted into a miniature bead 10.
  • Miniature beads 10 has e.g. a diameter of 100 ⁇ m.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Bei einem Tastelement für Koordinatenmeßsysteme unter Verwendung von Mikrotastelementen (2) und Piezoresonatoren (3, 4, 5), die bei Berührung ihre Resonanzeigenschaften ändern, besteht das Tastelement aus polygonartig angeordneten Piezoresonatoren (3, 4, 5). Auf diesen sind polygonartig Mikrotastelemente (2) angebracht, die Innen- und Außenoberflächen in verschiedenen Koordinaten detektieren. Die Berührungsdetektion der Mikrotastelemente (2) mit der Probenoberfläche erfolgt dabei durch Messung der Änderung der Resonanzeigenschaften der Piezoresonatoren (3, 4, 5).

Description

Tastelement für Koordinatenmeßsysteme
Die Erfindung betrifft ein Tasteiement für Koordinatenmeßsysteme, welches insbesondere zur Oberflächenantastung bzw. dreidimensionalen Vermessung von Prüflingen kleinster Abmessungen eingesetzt werden kann.
Bekannt ist die mechanische Antastung mit Hilfe einer Tastkugel (Neumann, H.J; Koordinatenmeßtechnik, Bibliothek der Technik, Bd. 41 , Verlag moderne Industrie, München 1990). Derartige Tastelemente bieten den Vorteil, daß alle Punkte ihrer Oberfläche zu ihrem Mittelpunkt stets einen konstanten Abstand haben und sie sich auch sehr genau herstellen lassen. Die Formabweichungen der Tastkugeln sind ca. 0,3 μm. Nachteilig ist jedoch, daß die Meßergebnisse bei vielen Meßaufgaben, wie beispielsweise bei Innen- und Außenmessungen korrigiert werden müssen, da es nicht möglich ist, mit dem Mittelpunkt der Tastkugel anzutasten. Voraussetzung für die Korrektur des Meßergebnisses ist dabei die Kenntnis des Berührungspunktes auf der Tastkugel mit der Prüflingsoberfläche. Da dieser Punkt nicht bekannt ist, ist eine derartige Messung immer, wenn meistens auch nur mit sehr kleinen, Meßfehlem behaftet. Für Messung an Kleinstproben sind die Abmessungen der Tastkugeln zu groß. Ein weiterer Nachteil ist, daß auf Grund der Tastkräfte von 0J bis 1 N am Prüfling, an der Kugel und am Tastkugelhalter Deformationen auftreten, die zu teilweise nicht korrigierbaren Meßfehlern führen.
Weiterhin ist das laterale Auflösungsvermögen einer Kugel denkbar ungünstig, weil durch die Wölbung der Kugcloberfläche und die Abplattung infolge der Meßkraft kein Meßpunkt sondern ein Meßfleck entsteht, der Durchmesser im Bereich von hundertste! mm aufweist. Die Folge hiervon ist. daß der Meßwert einen über diesen Fleck gewonnenen Durchschnittswert darstellt.
Aus den beschriebenen Gründen sind mit Tastkugeln Meßfehler unter 1 μm und Messungen an kleinsten Prüflingen, z.B. mit Innendurchmessern < 1 mm, nicht realisierbar. Bei einem Kugeltastelement erfolgt die Meßsignalgewinnung durch Verkippen eines federnd gelagerten Tellers infolge der Antastbewegung. Ein sich hierdurch öffnender elektrischer Kontakt startet die Meßsignalgewinnung. Das Verfahren gestattet die dynamische Messung aus der Bewegung, ist aber nicht sehr genau. Deshalb werden neuerdings Kugeltaster eingesetzt, deren Stiel mit Piezoresonatoren verbunden sind, die auf Druck reagieren und die höhere Schaltgcnauigkeiten gestatten. Eine weitere Steigerung der Meßgenauigkeit kann dadurch erzielt werden, daß der Tastkopf mit eigenen 3-D-Feinverstellungen, Feinmeßsystemen und regelbaren Meßkrafteinrichtungen ausgerüstet wird, die es ermöglichen, im Stillstand des Tastkopfes die Tastkugel an der Prüflingsoberfläche antasten zu lassen und die Tastkugel kurze Längen entlang der Oberfläche zu führen (scanning).
Trotz all dieser Fortschritte bleiben die mit der Tastkugel und den Tastkräften verbundenen Nachteile bestehen.
Weiterhin sind optische Tastelemente zur Koordinatenmessung bekannt (Gussek, B.; Bartel, R.; Hofϊmann, W. "Ein Mikrotaster erfaßt berührungslos Profile im optischen Tastschnitt", Feinwerktechnik und Meßtechnik 98 (1990) 10, Seite 401 - 405). Derartige Tastelemente werden vorwiegend bei weichen Prüflingen eingesetzt. Ihre Vorteile bestehen darin, daß sie berührungslos- und kräftefrei messen und die Lage des optischen Tastpunktes im Gegensatz zur Kugel bekannt ist.
Ein geometrisch wirkendes Triangulationsverfahren weist zwar Auflösungen bis unter 0J μm in vertikaler Richtung auf, aber die durch die optischen Eigenschaften der Prüflingsoberfläche bedingten Meßfehler betragen bis zu mehreren Mikrometern. Ein Autofokusverfahren, wie das obige, setzt Oberflächen mit ausreichendem Reflektionsvermögen voraus und weist in dessen Abhängigkeit ebenfalls Meßfehler bis zu mehreren Mikrometern auf. Der Durchmesser des Lichtstrahles bzw. Fokus beträgt mehrere Mikrometer und beschränkt das laterale Auflösungsvermögen dieser Systeme. Für Meßaufgaben, die ein laterales Auflösungsvermögen und Meßfehler unter 1 μm erfordern oder Meßlängen unter 1 mm für Innenmessungen aufweisen, sind die herkömmlichen Oberflächenantastverfahren der Koordinatenmeßtechnik ungeeignet. So ist das Messen von Verzahnungen mit Modul ab 0.01 mm, von Bohrungen mit Durchmesser < 1 mm, von Gewinden < Ml und von Prüflingeαder. Mikrαmechanik durch die herkömmliche 3 -D-Meßtechnik nicht gelöst.
Weiterhin bekannt sind Anordnungen, bei denen mit Mikrotastnadcl und Piezoresonatoren Oberflächenstrukturen gemessen werden, die jedoch für Aufgaben der 3 -D-Meßtechnik ungeeignet sind, da mit den dort beschriebenen Meßelementen ein 3-D-Meßkopf nicht sinnvoll erscheint. Der Kontakt der auf dem Piezoresonator befestigten schwingenden Nadel mit der Prüflingsoberfläche wird festgestellt, indem entweder die Änderung der Resonatorparameter oder die Berührungskräfte gemessen werden (DE-OS 4035076.2, DE-OS 4035084.2). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tastelement für Koordinatenmeßsysteme zu entwickeln, welches bei einer definierten Punktantastung bei Meßkräften von < 10"° N
Innenmessungen < 1 mm mit Meßgenauigkeiten < OJ μm und lateralen Auflösungen < 10 nm ermöglicht und der durch die Größe seines Tastelementes um Faktor > 10*-* unter den bisher in der Koordinatenmeßtechnik üblichen Abmessungen liegt..
Erfindungsgemäß wird diese Aufgaben durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Demnach besteht die Erfindung darin, daß das Tastelement aus polygonartig angeordneten
Piezoresonatoren besteht und auf den Piezoresonatoren polygonartig Mikrotastelemente, welche Innen- und Außenflächen in verschiedene Koordinaten detektieren, befestigt sind. Die
Berührungsdetektion der Mikrotastelemente mit einer Probenoberfläche erfolgt durch
Erfassung der Resonanzparameteränderung der Piezoresonatoren.
Vorteilhafte Ausgestaltungsfoimen sind durch die Unteransprüche gegeben. Demnach ist es von Vorteil, wenn die Mikrotastelemente am Piezoresonator aus HartstofFen, wie z.B.
Diamanten oder Glaskügelchen bestehen.
Weiterhin ist es von Vorteil die Piezoresonatoren als Stimmgabel-, Torsions- oder
Longitudinalschwinger mit auszubilden. Vorteilhafte Abmaße von Torsions- oder
Longitudinalschwingern sind dabei Querschnitte von ca. 100 - 1000 μrn*-** bei einer Länge von
100 - 1000 μm.
In Abhängigkeit von den Meßaufgaben kann es von Vorteil sein, wenn der Piezoresonator aus einem plattenfbrmigen Element besteht, welches vier um 90°,*drei um 120° oder sechs um 60° versetzt orientierte Stimmgabel-, Torsions- oder Longitudialschwinger aufweist. Bedingt durch die Verwendung mehrerer Mikrotastelemente erfahrt beim Anmessen einer Probenfläche mindestens ein Mikrotastelement Kontakt mit der Oberfläche der zu messenden Probe. Der
Kontakt wird festgestellt, indem in an sich bekannter Weise entweder die Änderung der.
Resonanzparameter oder die Berührungskräfte gemessen werden. Um die Stellen der
Antastung genau zu definieren, muß die Lage der Mikrotastelemente am Tastelement bekannt sein, wozu ein auch bei herkömmlichen Kugeltastelementen bekanntes Kalibrierverfahren mit
Hilfe einer Kalibrierkugel Anwendung finden kann.
Durch die Gestaltung des Tastelementes unter Verwendung von Mikrotastelementen wird eine definierte Punktantastung realisiert. Gleichzeitig werden die Tastkräfte gegenüber einer herkömmlichen Kugelantastung um den Faktor 10**^ auf 10"° N verringert. Da die Schwingungsamplituden der Resonatoren je nach geometrischer Form im Bereich Angström bis Nanometer liegen, ist es zum sicheren Anfahren einer Oberfläche wichtig, ein Vorwarnsignal auswerten zu können. Hierbei kann auf an sich bekannte anordnungs- bzw. verfahrenstechnische Lösungen zurückgegriffen werden, indem beispielsweise ein zusätzlicher optischer Indikator verwendet wird. Es ist auch möglich, die im Medium Luft zwischen Mikrotastelcment und Prüflingsoberflächc bei Spaltbreiten von Mikrometern wirkenden akustischen Koppeleffekte als Voπvamsignal auszunutzen. Sie bewirken ebenfalls eine Änderung der Resonanzparameter des Piezoresonators.
Das erfindungsgemäße Tastelement für Koordinatenmeßsysteme soll nachstehend anhand von Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen:
Figur 1 : 3D - Tastelement
Figur 2: 3D - Tastelement, Darstellung des Piezoresonators in Form einer
Stimmgabelschwingeranordnung Figur 3: 3D - Tasteicment, Darstellung des Piezoresonators in Form von Torsions¬ oder Longitudinalschwingern Figur 4: 3D - Tastelement, Darstellung des Piezoresonators in Form von Torsions- oder
Longitudinalschwingern mit passivem Verbindungselement Figur 5: 3D - Tastelement (dreifach) Figur 6: 3D - Tastelement (sechsfach) Figur 7: 3D - Tastelement (vierfach) Figur 8: 3D - Tastelement, Darstellung der Mikrotastelemente mittels Glasfaser und
M iniatu rkü clchen Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße Tastclement, bestehend aus fünf an einem Stab 1 polygonartig angeordneten Piezoresonatoren 3, 4, 5. An den Piezoresonatoren 3, 4, 5 sind polygonartig Mikrotastelemente 2 angebracht. Die Annäherung des Tastelementes an die Probenoberfläche erfolgt in bekannter Weise mittels eines Piezorohres 8 mit aufgebrachten Steuerelektroden.
Das aus Piezokeramik bestehende Piezorohr 8 mit aufgebrachten Steuerelektroden hat eine Länge von etwa 20 mm und einen Außendurchmesser von etwa 2 mm. Die auf dem äußeren und inneren Zylindermantel des Piezorohres 8 aufgebrachten Steuerelektroden sind elektrisch leitfähig und so aufgetrennt, daß gleiche schalenartige Steuerelektrodep entstehen, die von einer nicht dargestellten Steuerelektronik mit gleichen oder unterschiedlichen Steuerspannungen beaufschlagt werden können. Infolge gleicher Steuerspannungeπ an den Steuerelektroden bilden sich zwischen der Innen- und den Außenelektroden im Piezoröhrchen gleiche elektrische Fehler aus, die aufgrund des reziproken transversalen piezoelektrischen Effektes je nach Vorzeichen und Größe der Steuerspannung zu einer Dehnung oder Stauchung des Piezoröhrchens in Richtung der Zylinderachse z führen. Eine zusätzliche piezoelektrische Verbiegung des Piezoröhrchens in den Richtungen x, y tritt auf, wenn die Steuerelektroden mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen beaufschlagt werden, so daß die Mantelsegmente des Piezoröhrchens unterschiedliche Dehnungen oder Stauchungen in z-Richtung erfahren, die eine Verbiegung des Piezoröhrchens 8 bewirken. Durch dieses bekannte Verfahren ist es möglich, das auf der Stirnfläche des Piezoröhrchens befestigte erfindungsgemäße Tastelement in einem räumlichen Meßbereich, der eine Größe von ca. 100 x 100 μm in x, y-Richtung und von ca. 10 μm in z-Richtung aufweist, präzise zu verstellen und die hochauflösende Antastung der Probenoberfläche zu bewirken.
Für größere erforderliche Verstellwege (z.B. Millimeterbereich) wird das Piezoröhrchen oder die Probe durch bekannte mechanische Versteileinrichtungen meßbar in den Koordinaten x, y, z verschoben.
Die polygonartig angeordneten Mikrotastelemente 2 weisen Abmessungen im Bereich von etwa 100 nm - 10 mm auf, während die Größe der Piezoresonatoren 3, 4, 5 im Bereich von 10 μm - 10 mm, je nach Anwendungsgebiet, liegt. Vorteilhaft bestehen die Piezoresonatoren 3, 4 und 5 aus piezoelektrischem Quarz, der bei geeigneter Orientierung, Schwingergeometrie und Erregerelektrodengestaltung hohe Schwinggüten, hohe Resonanzfrequenzen im Bereich von 0J - 10 MHz, niedrige Zeitkonstanten von 1 μs - 1 ms und geringe Tastkräfte von 0J - 100 nN ermöglicht. Um ein Vermessen komplizierter Prαbengeometrien, wie sie z.B. in der Mikromechanik- üblich sind, zu ermöglichen, können die Mikrotastelemente 2 über passive Verbindungselemente 6, z.B. in Form von Kegeln oder Stäbchen, die in der Größe je nach Anwendungsfall den Mikrotastelementen 2 angepaßt sind, mit dem Piezoresonator verbunden sein. Sie können aus Metallen oder Nichtmetallen bestehen. Von entscheidender Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des Aπtastervorganges des erfindungsgemäßen Tastelementes an die Probe ist, daß alle am Antastvorgang beteiligten mechanischen Elemente hohe mechanische Eigenresonanzen von mehr als 10 kHz aufweisen. Unter dieser Bedingung bleigt der Meßvorgang weitgehend unbeeinfluß von störenden mechanischen Umweltschwinguπgen. Die Antastung der Probenoberfläche erfolgt in bekannter Weise dadurch, daß die mit den Piezoresonatoren 3, 4 oder 5 im o.g. Frequenzbereich schwingenden Mikrotastelementen 2 bei Annährung oder Berührung der Probe die Resonanz des Piezoresonators 3, 4 oder 5 in seiner Frequenz, Phase oder Amplitude ändern. Diese Resonanzänderungen sind in bekannter Weise elektronisch meßbar und können genutzt werden, um entweder den Nährungs Vorgang von Probe und Mikrotastelement 2 abzuschalten oder das schwingende Mikrotastelement 2 der Probenoberfläche gesteuert nachzufuhren.
Ein als Tastelement dienender Piezoresonator in Form einer Stimmgabelschwingeranordnung ist in Figur 2 dargestellt. Durch Ineinanderfuhren zweier verschiedener Stimmgabelschwinger 3 und 4 wird ein Piezoresonator gewonnen, wobei jeder der Stimmgabelschwinger 3 und 4 mit mindestens einem Mikrotastelement 2 bestückt ist.
Aufgrund der unterschiedlichen Gestalt der Stimmgabellängen der Stimmgabelschwinger 3 und 4, die unterschiedliche Resonanzfrequenzen zur Folge haben, ist eine einfache Zuordnung des Tastsignals zu einem diametralen Paar von Mikrotastelementen 2 möglich. Derartige Ausführungsformen sind sowohl für Innen- als auch für Außenmessungen einsetzbar.
Da Piezoresonatoren photolithographisch in sehr kleinen Abmessungen herstellbar sind, lassen sich damit Bohrungswandungen mit Durchmesser < 1 mm vermessen.
Die Länge der Stimmgabelpaare, die durch entsprechende Gestaltung der Erregerelektroden gegeneinander schwingen, kann etwa 1 mm betragen.
Obertonschwinger, die etwa in der Mitte der Stimmgabelschenkel einen zusätzlichen
Schwingungsknoten aufweisen, haben Resonanzfrequenzen von ca. 1 MHz.
Figur 3 zeigt ein 3D-Tastelcment aus Piezoresonatoren in Form eines Torsions- oder
Longitudinalschwingers 5, wobei dieser mit mindestens einem Mikrotastelement 2 bestückt ist.
Aufgrund der geringen Masse der Mikrotastelemente 2 gibt es keine Beeinträchtigungen der
Resonanzeigenschaften. Der Vorteil derartiger Ausgestaltungsformen liegt darin, daß neben der Realisierbarkeit einer besonders kleinen Bauweise eine Berührungsdetektion in drei
Koordinaten pro Stabschwinger möglich ist.
Der Torsions- oder Longitudinalschwingcr 5 ist in seiner Mitte im Schwingungsknoten
Figur 4 zeigt ein 3 D-Tastclcmcnt aus Piezoresonatoren in Form von Torsions- oder Longitudinalschwingern 5 mit polygonartigem Mikrotastelementen 2, wobei zwischen dem Torsions- oder Longitudinalschwingcr 5 und den Mikrotastelementen 2 ein passives Verbindungselement 6 zwischengclagert ist. An dem Verbindungselement 6 befinden sich polygonartig angeordnete Mikrotastelemente 2. Eine derartige Gestaltungsmöglichkeit des Tastelementes, eignet sich besonders für Messungen kleinster Innenmaße, wobei eine Berührungsdetektion in drei Koordinaten pro Tastelement vorgenommen werden kann.
Die hierbei detektierbaren kleinsten Innenmaße an Proben hängen nur noch von der Geometrie der polygonartigen Mikrotastelemente 2 und nicht von der Geometrie des Torsions- oder Longitudialschwingers 5 ab.
Bei Anwendung von Mikrotastelementen 2 mit Durchmessern von etwa 100 n sind mit diesem Tastelemcnt Innenmessungen im Submikrometerbereich durchführbar.
In den Figuren 5, 6 und 7 werden Ausfuhrungsformen des Tastelements aufgezeigt, bei denen aufgrund der Kristallographie piezoelektrischer Materialien wie z.B. Quarz oder Lithiumniobat aus einem plattenfbrmigen Element 7 drei um 120° (Figur 5), sechs um 60° (Figur 6) bzw. 4 um 90° (Figur 7) versetzt orientierte Stab- oder Stimmgabelschwinger 5 gewonnen werden, an denen jeweils in den Figuren nicht dargestellte Mikrotastelemente 2 angeordnet sind.
Diese Ausführungsformen der Tastelemente bieten den Vorteil, daß auf dem piezoelektrischen Wafer eine polygonartige Anordnung von Piezoresonatoren 3 oder 5 erzielt werden kann. Der Montage- und Justieraufvvand bei der Anfertigung der Tastelemente verringert sich erheblich. Die Abmessungen dieser Tasteiemente entsprechen denen der in Fig. 1 beschriebenen.
In Figur 8 ist ein Mikrotastelement 2, bestehend aus Glasfaser und Miniaturkügelchen dargestellt.
In Abhängigkeit von dem Anwendungsgebiet kann die Glasfaser 9 einen Durchmesser von ca.
30 μm und ein Länge von 3 mm besitzen.
Das vordere Ende der Glasfaser 9 ist zu einem Miniaturkügelchen 10 aufgeschmolzen. Das
Miniaturkügelchen 10 hat z.B. einen Durchmesser von 100 μm.

Claims

Patentansprüche
1 . Tastelement für Koordinatenmeßsysteme unter Verwendung von Mikrotastelementen und Piezoresonatoren, die bei Berührung ihre Resonanzeigenschaften ändern, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastelement aus polygonartig angeordneten Piezoresonatoren {3, 4, 5) besteht und auf diesen polygonartig Mikrotastelemente (2), welche Innen- und Außenoberflächen in verschiedenen Koordinaten detektieren, angebracht sind und daß die Berührungsdetektion der Mikrotastelemente (2) mit der Probenoberfläche durch Messung der Änderung der Resonanzeigenschaften der Piezoresonatoren erfolgt.
2. Tastelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrotastelemente (2) aus Diamanten bestehen.
3. Tastelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoresonatoren als Stabschwinger (5) ausgebildet sind.
4. Tastelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Piezoresonatoren ineinandergeschachtelte Stimmgabelschwinger (3, 4) eingesetzt sind, auf denen polygonartig angeordnete Mikrotastelemente (2) angebracht sind.
5. Tastelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoresonatoren (5) in Form von Torsionsschwingern eingesetzt sind.
6. Tastelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoresonatoren (3, 4, 5) in Form von Longitudinalschwingern eingesetzt sind.
7. Tastelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoresonatoren (3, 4, 5) in Form vonλ/4-Schwingern eingesetzt sind.
8. Tastelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoresonator aus einem plattenförmigen Element (7) besteht, welches drei um 120° versetzt orientierte Stab- und/oder Stimmgabelschwingelemente (3, 4, 5) aufweist.
9. Tastelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoresonator aus einem plattenförmigen Element (7) besteht, welches sechs um 60° versetzt orientierte Stab- und/oder Stimmgabelschwingelemente (3, 4, 5) aufweist.
10. Tastelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoresonator aus einem plattenförmigen Element (7) besteht, welches vier um 90° versetzt orientierte Stab- und /oder Stimmgabelschwingelemente (3, 4, 5) aufweist.
1 1 . Tastelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen Piezoresonator (5) und Mikrotastelement (2) angeordnete passive Verbildungselement (6) eine sich zu den Mikrotastelementen (2) hin verjüngende Form aufweist.
12. Tastelement nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrotastelemente (2) aus Glasfasern (9) mit an ihren Enden angeschmolzenen Miniaturkügelchen (10) bestehen.
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4331069A1 (de) * 1993-09-13 1995-03-16 Zeiss Carl Fa Koordinatenmeßgerät mit einem Taster in Form eines Festkörperschwingers
JP3197860B2 (ja) * 1997-12-24 2001-08-13 株式会社ミツトヨ タッチ信号プローブ
GB2336433B (en) * 1998-04-14 2002-02-06 Mitutoyo Corp Touch signal probe
US6430828B1 (en) * 1998-04-17 2002-08-13 Electronic Measuring Devices, Inc. Coordinate positioning apparatus with indexable stylus, components thereof, and method of using it
DE19828701C1 (de) * 1998-06-26 2000-03-16 Mycrona Ges Fuer Innovative Me Faser-Meßtaster für Koordinaten-Meßmaschinen
JP3130289B2 (ja) * 1998-08-04 2001-01-31 株式会社ミツトヨ タッチ信号プローブ
NL1010894C2 (nl) * 1998-12-24 2000-06-27 Univ Eindhoven Tech Mechanisch tastsysteem voorzien van een in de ophanging geïntegreerd meetsysteem voor gebruik in coördinaten meetmachines, geschikt om met hoge nauwkeurigheid geometrische eigenschappen van werkstukken te bepalen.
US6708420B1 (en) 1999-01-06 2004-03-23 Patrick M. Flanagan Piezoelectric touch probe
US6385858B1 (en) * 2000-01-10 2002-05-14 Trex Company, L.L.C. Spacing tool
JP2001299747A (ja) * 2000-04-20 2001-10-30 Nippon Koden Corp 超音波３次元走査プローブ
JP3819250B2 (ja) * 2000-05-15 2006-09-06 株式会社ミツトヨ 加振型接触検出センサ
US6640459B1 (en) 2001-02-15 2003-11-04 Fast Forward Devices, Llc Multidimensional contact mechanics measurement system
DE10108774A1 (de) 2001-02-23 2002-09-05 Zeiss Carl Koordinatenmessgerät zum Antasten eines Werkstücks, Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät und Verfahren zum Betrieb eines Koordinatenmessgerätes
WO2003032871A1 (en) * 2001-10-16 2003-04-24 Massachusetts Institute Of Technology Stent concept for minimization of deployment related wall shear and injury
EP1563249A1 (de) * 2002-10-29 2005-08-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. Koordinatenmesseinrichtung und verfahren zur messung der position eines objekts
DE10345993B4 (de) * 2003-10-02 2008-07-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Messen und zum Feinstellen eines Werkzeuges in einem Werkzeughalter und Verfahren zum Messen einer Bearbeitungskraft
US7278297B2 (en) * 2003-11-17 2007-10-09 Insitutec, Inc. Oscillating probe with a virtual probe tip
GB0722477D0 (en) * 2007-11-15 2007-12-27 Secretary Trade Ind Brit Microprobe
EP2202501A1 (de) 2008-12-23 2010-06-30 ETH Zürich piezoelektrische Hohlanordnung für die Unterscheidung von Kräften und Momenten
JP5270384B2 (ja) * 2009-01-15 2013-08-21 株式会社ミツトヨ 直線案内機構および測定装置
US9422843B2 (en) * 2013-09-08 2016-08-23 Michael Wayne Barrett Resonance generating muffler
JP6613162B2 (ja) * 2016-02-10 2019-11-27 株式会社ミツトヨ 三次元座標測定機用プローブヘッド及び接触検出方法
CN105698661A (zh) * 2016-03-07 2016-06-22 安徽电气工程职业技术学院 微纳米三坐标测量机接触式扫描探头
JP1578944S (de) * 2016-09-26 2017-06-12

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2005022A (en) * 1977-09-27 1979-04-11 Meseltron Sa Contact sensing head
FR2468875A1 (fr) * 1979-11-05 1981-05-08 Vilnjussky Ex Capteur de toucher piezoelectrique a resonance
GB2070249A (en) * 1980-02-21 1981-09-03 Rank Organisation Ltd Contact-sensitive probe

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH549438A (fr) * 1971-03-01 1974-05-31 Far Fab Assortiments Reunies Dispositif de transmission simultanee des mouvements d'un palpeur a au moins deux organes de lecture.
DE3417991A1 (de) * 1984-05-15 1985-11-21 Mauser-Werke Oberndorf Gmbh, 7238 Oberndorf Tastkopf einer messmaschine
GB8729632D0 (en) * 1987-12-18 1988-02-03 Renishaw Plc Workpiece inspection
JPH0758193B2 (ja) * 1990-09-14 1995-06-21 三菱電機株式会社 原子間力顕微鏡の微動走査機構
US5247751A (en) * 1990-09-29 1993-09-28 Nikon Corporation Touch probe
DE4035084A1 (de) * 1990-11-05 1992-05-07 Jenoptik Jena Gmbh Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberflaeche eines messobjektes

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2005022A (en) * 1977-09-27 1979-04-11 Meseltron Sa Contact sensing head
FR2468875A1 (fr) * 1979-11-05 1981-05-08 Vilnjussky Ex Capteur de toucher piezoelectrique a resonance
GB2070249A (en) * 1980-02-21 1981-09-03 Rank Organisation Ltd Contact-sensitive probe

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Publication number Publication date
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DE4243284C2 (de) 1996-09-12
DE4243284A1 (de) 1994-06-30

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