專利名稱：觸發(fā)探針及用于裝配觸發(fā)探針的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通常用于測量器械并用來檢測探針的觸尖和待測工件之間的接觸的觸發(fā)探針。本發(fā)明還涉及一種用于裝配這種探針的方法。
觸發(fā)探針通常緊固在測量器械的可動臂上，其位置通過測量系統(tǒng)如電容式、電感式、磁阻式或光電式系統(tǒng)來精確地確定。測量器械的臂沿預定軌跡空間地運動，直到探針的觸尖接觸到待測工件或表面為止。在接觸過程中，在觸尖上施加有偏轉力，從而將其移離其初始的靜止位置。然后接通或斷開一個電路，并通常將一個信號一方面例如以光信號的形式傳送給用戶，另一方面?zhèn)魉徒o測量器械的軟件，因此，測量器械根據(jù)測量系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)來確定接觸點在給定參考系中的坐標。
在另一種應用中，觸發(fā)探針用于控制一個表面或一批產品的平整性。探針緊固在一個固定件上，而一個表面或一系列工件經過探針而運動，以使其碰到探針的觸尖。如果該表面存在不平整或這些工件不具有規(guī)則的尺寸，那么探針的觸尖將受到作用力，這會使其移離它的靜止位置，從而改變了探針電路所發(fā)送出的信號。
觸發(fā)探針的主要部件通常是固定件、觸尖和電路。
固定件相對緊固件是固定的，緊固件通常容納于探針的外殼內并使探針能緊固在例如測量器械的可動臂上。
觸尖是設計成可與待測表面或工件相接觸的機械元件。該觸尖由相對于固定件處于靜止位置的彈性件所夾持。此靜止位置可確定并可重復。觸尖具有相對固定件的一個或幾個自由角度。在與待測表面相接觸的過程中，在觸尖上會施加有偏轉力，而且偏轉力根據(jù)觸尖相對固定件的一個或幾個自由角度而使觸尖移離其靜止位置。當觸尖上不再施加有作用力時，觸尖將回到其靜止位置。
電路用于檢測觸尖相對于其靜止位置的運動。該電路具有至少一個開關，當觸尖處于其靜止位置時開關處于某一狀態(tài)如接通或斷開，而當觸尖相對其靜止位置偏離時開關處于相反的狀態(tài)。電路的阻抗變化由信號處理電路檢測并處理，然后視情況而定，將信息發(fā)送給用戶或者計算軟件，計算軟件處理此信息以及由測量系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)。
檢測觸尖與待測表面或工件之間的接觸的精度和速度大部分取決于信號處理電路所檢測并處理的電路的阻抗變化的精度和速度。然而它們也取決于探針元件的制造質量、裝配精度以及隨使用時間而變化的性能。
因此很容易理解，開關的接觸元件的定位和固定在精度方面起著重要的作用。
接觸元件通常由導電的球形元件形成，其通過長時間的、精密的且因此是成本很高的工藝而放置在它們的位于固定件上的支撐件中。
例如，美國專利4270275提出了一種觸發(fā)探針，其中開關的接觸元件由粘結如用環(huán)氧樹脂粘結在固定件的安放位置中的導電材料制成的球體形成。使電路完整地形成的連接件是將開關串聯(lián)的柔性導體。該文獻沒有解釋在球體和柔性導體之間以何種方式來保證接觸。在柔性導體在裝配前焊接或粘結在球體上的情況中，柔性導體存在著在裝配操作過程中脫離球體或斷裂的危險，并且很難保證在操作結束時球體和柔性導體之間的固定點能正確地定向。此外，很難在硬金屬的球體上焊接銅導線，而且粘結也不可靠。如果導線只是通過粘膠與球體保持接觸，那么將無法保證接觸的質量，而且柔性導體在使用中會斷裂或脫離其安放位置，這樣就喪失了與球體的接觸。因此，無論怎樣構思此解決方案，操作或一系列的操作都應當是很精密的，并且極大地提高了探針的價格。
美國專利6275053試圖解決這些問題，它提出了一種由插入在固定件的預定深度處的安放位置中并通過觸發(fā)探針的外殼來保持在這些安放位置中的球體所形成的接觸元件。這樣形成的開關通過壓縮在球體和外殼之間的柔性連接件而串聯(lián)起來。然而此實施例具有幾個重大的缺點。
首先，球體的安放位置具有復雜的形狀，這是因為它們必須充分地閉合以將球體保持在其位置上，并且又必須充分地打開，使得在觸尖處于靜止位置時通過可接通開關的導電元件可以接觸到球體的一側，而通過使電路完整地形成的柔性連接件可以接觸到球體的另一側。安放位置的尺寸尤其是它們的深度必須足夠精確，使得在裝配了外殼后球體不會在其安放位置中移動，并且使得它能夠施加足夠的壓力以建立與柔性連接件的良好接觸。由于這些原因，如美國專利6275053中的不同實施例所介紹的探針的固定件的制造成本很高，并且十分精密。
裝配這種探針也是精密的操作，這是因為電路的所有元件均必須精確地對齊，以使電路能正確地構成并實現(xiàn)功能。
此外，球體和柔性連接件的接觸通過簡單的壓力來進行，球體和/或連接件將往往隨時間而在它們的接觸點處發(fā)生氧化，這樣就改變了電路的阻抗，直到它最終妨礙了探針的正確使用。
圖2顯示了

圖1所示視圖沿線I-I的剖視圖。
圖3顯示了圖1所示視圖沿線II-II的剖視圖。
圖4顯示了圖1所示視圖沿線III-III的剖視圖。
圖5顯示了探針電路的簡圖。
這種觸發(fā)探針具有以下主要部件-觸尖2，-觸尖支撐件20，-作為外殼的一部分的固定件1，-夾持機構22，-導向件6，-電路(圖5)。
觸尖2由沿一條軸線伸長并終止于一個球體的部件形成，此球體的幾何中心的位置具有很好的重復性。
觸尖支撐件20用于支撐觸尖2。觸尖2通過螺紋擰入在觸尖支撐件上，這樣就可以根據(jù)應用或在損壞時而容易地更換。觸尖支撐件20也可以圍繞一個軸線而在幾何學上構建出，并且當觸尖2擰在觸尖支撐件20上時，這兩部分的軸線應對齊。觸尖支撐件20包括三個由導電材料制成并相互絕緣的引腳21。引腳21固定在垂直于觸尖支撐件20的軸線的孔中，并以相等的間距分布在其周邊上。在第一變化的實施例中，觸尖支撐件20由絕緣材料制成，因此使得引腳21相互絕緣。在第二變化的實施例中，觸尖支撐件20由導電材料如鋁制成，并且各引腳21在其緊固前或緊固過程中通過對觸尖支撐件20進行陽極氧化處理或增設絕緣材料來絕緣。
固定件1相對于緊固件11固定，使得探針被緊固在如測量器械的可動臂上。這樣，固定件1相對緊固件和擴大來說例如相對測量器械的臂的位置就固定了。固定件1包括六個安放位置，各位置可接受一個接觸元件3。為了快速地檢測到觸尖的任何運動，這些安放位置應盡可能地接近觸尖2的球體23，這樣就減小了距離d。出于制造精度的原因，固定件1最好由鋁制成，并隨后對其進行陽極氧化處理以保證這些接觸元件之間的良好電絕緣。
夾持機構22由處于輕微張緊狀態(tài)下的彈簧220構成，它的一側壓在蓋222上，另一端終止于壓在觸尖支撐件20的中心上的錐形件221上，使得觸尖支撐件20對中并夾持在其靜止位置。彈簧220的張力可通過螺釘224來調節(jié)，螺釘224可允許蓋222的位置相對于蓋63進行修正。
導向件6由絕緣材料制成。它基本上為圓柱形，并可以安放觸尖支撐件20和可將觸尖2夾持在其靜止位置上的夾持機構22。在導向件6的周邊分布了三個切槽61，以安放觸尖支撐件20的引腳21并在偏轉力作用于觸尖2上時引導它們的運動。在各切槽61的兩側上均設有用于安放連接件4的開口60。
基于波伊斯連接的原理而構建的觸發(fā)探針的電路包括六個電串聯(lián)地固定的接觸點。這六個接觸點可被看作圖5所示的三個開關，各開關包括兩個接觸元件3和一個接觸器，其在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中通過觸尖支撐件20的一個引腳21來實現(xiàn)。開關通過剛性連接件4和柔性導體5按照圖5的圖示而相互連接。開關的接觸元件3是金屬球體。各接觸元件3焊接到由剛性金屬棒形成的并且在接觸元件3附近稍稍彎曲的連接件4上。連接件4在接觸元件3上的焊接最好通過釬焊來實現(xiàn)，即采用熔點低于待裝配元件熔點的火焰熔融的焊料來實現(xiàn)。接觸元件3和連接件4也可以是在一次操作中使用的一個零件的兩個部分。
在探針的裝配過程中，將粘膠滴如環(huán)氧樹脂滴在接觸元件12的各個安放位置上。焊接在接觸元件上的連接件被夾持在具有與導向器件6的結構相類似的裝配工具(未示出)上。裝配工具包括布置成與導向件6的開口60一致的圓柱形安放位置。連接件4插入并夾持在這些安放位置中，這樣就確定了接觸元件的位置。然后裝配工具在固定件中滑動，將各接觸元件帶入其安放位置并保持在其中，直到粘結完全變硬為止。由于設置了剛性連接件4，裝配工具因此就能夠在粘結過程中同時引導并夾持六個接觸元件。這樣，球體的位置被這些安放位置精確地限定；在粘結過程中可以使用類似正式引腳21的臨時引腳。
一旦粘結變硬就取下裝配工具。觸尖支撐件20插入到導向件6中，通過將引腳21放入切槽61內而確定觸尖支撐件20的位置。然后將導向件放入裝配件的位置中，這樣連接件4就插入到開口60中。按照圖5的圖示將柔性導體5焊接在連接件4上與接觸元件3相反的末端上，從而完成電路。然后通過將彈簧壓在觸尖支撐件20上并關閉導向件6的蓋子來安裝夾持機構22。彈簧220的張力由螺釘224調節(jié)。最后，通過擰緊外殼10的頂部而完成裝配。
當觸尖2處于靜止位置時，三個引腳21中的每一個都與可部分地密封切槽61的兩個接觸元件3相接觸，引腳在其中可以移動，這樣就接通了各開關。電路接通。
當偏轉力施加于觸尖2上時，觸尖2就離開其靜止位置，使得觸尖支撐件20的三個引腳21中的至少一個移動到用作其導向的切槽61中，并且與相應的接觸元件3脫離，這樣就斷開了至少一個開關。然后電路斷開，這被信號處理電路檢測到并進行處理。
當偏轉力不再施加于觸尖2上時，觸尖2在夾持機構22的作用下回復到其靜止位置，這樣就接通了所有的開關。電路再次接通。
在第二變化的實施例中，采用通過壓力而壓在連接件的末端上并通過外殼10的頂部而固定就位的柔性導體(未示出)來代替柔性導體5。
在第三變化的實施例中，兩個相鄰開關之間的連接通過一個剛性連接件來保證，此剛性連接件在其各末端具有與之連接的一個開關的連接件。這種變化的實施例避免了柔性導體5的焊接，從而減少了進行裝配所必須的操作數(shù)目。
在根據(jù)本發(fā)明的探針的裝配過程中，接觸元件3的定位和固定因連接件4的剛性而極大地簡化，連接件4的剛性允許將適當?shù)难b配工具容易地放入它們的位于固定件1上的安放位置中，即使在這些安放位置因其位置處于固定件1的底部而難以進入時也是如此。
除了接通或斷開開關的引腳21之外，電路的所有元件都彼此焊接在一起。因此，消除了會引起電路質量變化的接觸點處的氧化的危險，這就可以延長這種探針的壽命。
上述變化的實施例介紹了所有的三維觸發(fā)探針。然而本領域的技術人員可以理解，本發(fā)明的原理也可應用于雙向或一維的觸發(fā)探針。
在本發(fā)明的另一變化的實施例中，觸發(fā)探針具有開關為電并聯(lián)地安裝并在觸尖處于靜止位置時全部斷開的電路。當觸尖因偏轉力的作用而偏離其靜止位置時，至少一個開關接通，從而改變了電路的阻抗。
權利要求
1.一種探針，包括固定件(1)，由柔性元件夾持在相對于所述固定件的靜止位置上的觸尖(2)，所述靜止位置是可重復的，所述觸尖(2)能夠響應于偏轉力而從所述靜止位置處移開，并在所述偏轉力不再施加時移回所述靜止位置，集成了至少一個開關和所述至少一個開關的連接件(4)的電路，所述至少一個開關在所述觸尖(2)處于所述靜止位置時接通或斷開，而在所述觸尖(2)相對所述靜止位置偏離時處于相反的狀態(tài)，所述至少一個開關包括接觸元件(3)，至少一個所述接觸元件(3)和至少一個所述連接件(4)相連，其特征在于，所述至少一個連接件(4)是剛性的。
2.根據(jù)權利要求1所述的探針，其特征在于，至少一個所述開關包括兩個接觸元件(3)，各所述接觸元件均與一個剛性連接件(4)相連，從而使其與另一開關的接觸元件(3)相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的探針，其特征在于，所述至少一個連接件(4)焊接或釬焊到所述至少一個接觸元件(3)上。
4.根據(jù)權利要求2所述的探針，其特征在于，所述至少一個連接件(4)和所述至少一個接觸元件(3)構成同一零件的兩個部分。
5.根據(jù)權利要求2所述的探針，其特征在于，所述至少一個連接件(4)由剛性金屬棒形成。
6.根據(jù)權利要求5所述的探針，其特征在于，所述電路通過焊接在所述連接件(4)上的柔性導體(5)而完成。
7.根據(jù)權利要求5所述的探針，其特征在于，所述電路通過使由導電材料制成的彈簧在壓力下壓在所述連接件(4)上而完成。
8.根據(jù)權利要求1所述的探針，其特征在于，至少一個所述連接件(4)包括位于其各末端處的相連的接觸元件(3)。
9.一種用于裝配探針的方法，包括如下步驟通過電路的至少一個連接件(4)而將至少一個接觸元件(3)安裝在固定件(1)上。
10.根據(jù)權利要求9所述的用于裝配探針的方法，其特征在于，所述至少一個接觸元件(3)的安裝是通過裝配工具來執(zhí)行的，所述裝配工具可將所述至少一個連接件(4)夾持在可使所述至少一個接觸元件(3)插入到其安放位置中的位置上。
全文摘要
一種基于波伊斯連接的原理而構建的觸發(fā)探針，適于檢測探針的觸尖和待測工件之間的接觸，它包括帶有至少一個開關的電路，其接觸元件通過電路的幾個連接件而定位。
文檔編號G01B21/00GK1421675SQ0215436
公開日2003年6月4日 申請日期2002年11月29日 優(yōu)先權日2001年11月30日
發(fā)明者P·喬爾迪爾, C·羅格, A·扎尼爾 申請人:布朗和沙普·特薩有限公司