[go: up one dir, main page]

NL1010894C2 - Mechanical detection system for use in co-ordinate measuring system, uses suspended probe elements to make very accurate measurements of geometric properties of workpiece - Google Patents

Mechanical detection system for use in co-ordinate measuring system, uses suspended probe elements to make very accurate measurements of geometric properties of workpiece Download PDF

Info

Publication number
NL1010894C2
NL1010894C2 NL1010894A NL1010894A NL1010894C2 NL 1010894 C2 NL1010894 C2 NL 1010894C2 NL 1010894 A NL1010894 A NL 1010894A NL 1010894 A NL1010894 A NL 1010894A NL 1010894 C2 NL1010894 C2 NL 1010894C2
Authority
NL
Netherlands
Prior art keywords
probe
measuring
suspension
displacement
strain gauges
Prior art date
Application number
NL1010894A
Other languages
Dutch (nl)
Inventor
Wouter Onno Pril
Petrus Hendricus J Schellekens
Original Assignee
Univ Eindhoven Tech
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Eindhoven Tech filed Critical Univ Eindhoven Tech
Priority to NL1010894A priority Critical patent/NL1010894C2/en
Application granted granted Critical
Publication of NL1010894C2 publication Critical patent/NL1010894C2/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G01B7/008Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines
    • G01B7/012Contact-making feeler heads therefor
    • G01B7/016Constructional details of contacts
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G01B7/008Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points using coordinate measuring machines
    • G01B7/012Contact-making feeler heads therefor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

The measuring probes in this system are electrical strain gauges, which are part of a resistive bridge circuit. Each probe housing is suspended in an intermediate frame assembly (5). The intermediate frame assembly is connected to the main frame by three elastic suspension elements (3).

Description

- 1 -- 1 -

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.Mechanical touch probe equipped with a measuring system integrated in the suspension for use in coordinate measuring machines, suitable for determining geometric properties of workpieces with high precision.

55

Achtergrond van de uitvindingBackground of the invention

Mechanische tastsystemen worden veelvuldig ingezet bij de geometrische controle van allerlei producten die aan bepaalde eisen moeten voldoen ten 10 aanzien van hun maatvoering. Mechanische tastsystemen dienen hierbij als interface tussen enerzijds de coördinaten meetmachine of gereedschapsmachine en anderzijds het werkstuk. Een coördinaten meetmachine of gereedschapsmachine bezit een aantal linialen welke bevestigd zijn op de verschillende bewegingsassen van de machine (meestal X, Y, en Z) die als het 15 ware een referentie coördinatensysteem opspannen waaraan de geometrie van een werkstuk kan worden gerelateerd door middel van mechanisch aantasten. Dit aantasten geschiedt veelal door middel van een tastsysteem dat aan de laatste schakel van de machine Js bevestigd en dat in staat is om veelal met hoge nauwkeurigheid het oppervlak van een werkstuk te detecteren. Bij detectie 20 genereert het tastsysteem een signaal dat de machine instrueert om zijn linialen uit te lezen en op basis van deze gegevens het tastpunt, dat wil zeggen het contactpunt tussen taster en werkstuk, te berekenen. Veelal wordt het werkstuk aangetast met behulp van een uiterst nauwkeurig bekende kogel (hier verder te noemen de tastertip), maar dat is geen vereiste. Er wordt ook gebruik gemaakt 25 van andere geometrische elementen, mits ze maar wiskundig nauwkeurig te beschrijven zijn en nauwkeurig gekalibreerd kunnen worden. De tastertip is met behulp van een taster verbonden aan een detectiemechanisme dat zich in een zogenaamd tasterhuis bevindt. Dit tasterhuis is vervolgens verbonden met de machine.Mechanical touch probe systems are frequently used in the geometric control of all kinds of products that must meet certain requirements with regard to their dimensions. Mechanical touch probes serve as an interface between the coordinate measuring machine or machine tool on the one hand and the workpiece on the other. A coordinate measuring machine or machine tool has a number of rulers that are attached to the different axes of movement of the machine (usually X, Y, and Z) which, as it were, span a reference coordinate system to which the geometry of a workpiece can be related by means of mechanical affect. This attack is often done by means of a touch probe which is attached to the last link of the machine Js and which is often able to detect the surface of a workpiece with high accuracy. Upon detection 20, the touch probe generates a signal that instructs the machine to read out its rulers and calculate the touch point, that is, the contact point between probe and workpiece, based on this data. The workpiece is often attacked by means of an extremely accurately known ball (hereinafter referred to as the probe tip), but this is not a requirement. Other geometric elements are also used, provided they can be described mathematically accurately and can be accurately calibrated. The probe tip is connected by means of a probe to a detection mechanism located in a so-called probe housing. This probe housing is then connected to the machine.

3030

Primaire problemen die optreden bij het ontwikkelen van mechanische tasters zijn de volgenden : 1 Π i S» O ? - -2- 1. hoe kan nauwkeurig de ruimtelijke positie van de tastertip worden bepaald; 2. hoe kan het contact tussen tastertip en werkstuk worden bepaald; 3. hoe kan schade aan taster en werkstuk worden voorkomen wanneer de tastertip het werkstuk raakt.Primary problems that arise in the development of mechanical probes are the following: 1 Π i S »O? - -2- 1. How can the spatial position of the probe tip be accurately determined; 2. how can the contact between probe tip and workpiece be determined; 3. How can damage to probe and workpiece be prevented when the probe tip touches the workpiece.

5 In principe zijn hierbij twee benaderingen algemeen geaccepteerd die uitgaan van ofwel het geometrisch vastleggen van de tastertip totdat deze positie wordt verstoord door een aanraking met een werkstuk, ofwel door het meten van de verplaatsingen van de tastertip bij aanraking met een werkstuk.In principle, two approaches are generally accepted here, which are based either on the geometric recording of the probe tip until this position is disturbed by contact with a workpiece, or by measuring the displacements of the probe tip on contact with a workpiece.

10 Mechanische tasters gebaseerd op het eerste principe worden ook wel schakelende tasters genoemd, en zijn in de Angelsaksische literatuur veelal bekend onder de naam ‘touch-trigger probes’. Het principe is gebaseerd op een ontwerp waarbij in principe alle 6 vrijheidsgraden van de taster door het ontwerp worden vastgelegd. Deze 6 vrijheidsgraden worden in principe 15 beschreven door 3 rotatiecomponenten en 3 translatiecomponenten. Indachtig een cartesisch X, Y-, en Z-assenstelsel, dan impliceert dit respectievelijk een rotatie om elke van de 3 assen en een translatie in elke asrichting. De mechanische constructie waarop dit type mechanische taster is gebaseerd, wordt dikwijls een kinematische koppeling genoemd (zie o.a. US 4,702,013) en is 20 afgeleid van de zogenaamde ‘Kelvin clamp’. Een niet onbelangrijk voordeel van deze mechanische constructie is dat de massa’s en massatraagheden van de bij de aantasting betrokken tasteronderdelen relatief laag kan blijven. In moderne mechanische tasters van dit type wordt de detectietaak veelal waargenomen door gevoelige sensoren zoals rekstroken of piëzo-elementen die in een heel 25 vroeg stadium van de aantasting een contact tussen tastertip en werkstuk kunnen waarnemen, zie bijvoorbeeld EP 0 415 579 Al, EP 0 420 416 A2, US 4,702,013 en US 5,018,280. Zodra een aantasting wordt waargenomen door de taster wordt een ‘trigger’-signaal gegenereerd en leest de machine zijn meetlinialen uit die tezamen het meetpunt bepalen. Vervolgens wordt door de 30 machine een vertragingsbeweging in gang gezet om de machine tot stilstand te brengen. Het voordeel van de veelal toegepaste ‘kinematische koppeling1 is dat deze een grote deflectie van de tastertip toelaat ten opzichte van de .. . /-¾ i -3- referentiepositie, zonder dat beschadiging van de taster, werkstuk of machine kan optreden. Deze deflectiemogelijkheid wordt veelal ‘overtravel’ genoemd, en is een functionele eis voor mechanische tasters om schade te voorkomen. Alle meetpunten worden gerelateerd aan deze referentiepositie, dus de 5 nauwkeurigheid van de gemeten punten hangt voor een deel af van de nauwkeurigheid waarmee de tastertip terugkeert naar deze referentiepositie. Om meetafwijkingen van dit type te ondervangen dan wel te corrigeren zijn systemen ontworpen waarmee deze afwijkingen gemeten dan wel voor een groot deel vermeden kunnen worden, zie bijvoorbeeld EP 0 415 579 Al, 10 EP 0 307 782 BI, EP 0 423 307, EP 0 445 945 Al, DE 27 12 181 Al, DE 35 06 892 Al, US 5,018,280 en US 5,319,858.10 Mechanical probes based on the first principle are also called switching probes, and are often known in Anglo-Saxon literature as "touch-trigger probes". The principle is based on a design in which in principle all 6 degrees of freedom of the probe are determined by the design. These 6 degrees of freedom are in principle described by 3 rotation components and 3 translation components. Considering a Cartesian X, Y, and Z coordinate system, this implies a rotation about each of the 3 axes and a translation in each axis direction, respectively. The mechanical construction on which this type of mechanical probe is based is often referred to as a kinematic coupling (see, inter alia, US 4,702,013) and is derived from the so-called "Kelvin clamp". A not unimportant advantage of this mechanical construction is that the masses and inertia of the probe parts involved in the attack can remain relatively low. In modern mechanical probes of this type, the detection task is often observed by sensitive sensors such as strain gauges or piezo elements that can detect contact between probe tip and workpiece at a very early stage of the attack, see for example EP 0 415 579 A1, EP 0 420 416 A2, US 4,702,013 and US 5,018,280. As soon as an attack is detected by the probe, a "trigger" signal is generated and the machine reads out its measuring rulers which together determine the measuring point. Then, the machine initiates a deceleration movement to stop the machine. The advantage of the commonly used 'kinematic coupling1 is that it allows a large deflection of the probe tip compared to the .... / -¾ i -3- reference position, without damage to the probe, workpiece or machine. This deflection capability is often referred to as "overtravel" and is a functional requirement for mechanical probes to prevent damage. All measuring points are related to this reference position, so the accuracy of the measured points depends in part on the accuracy with which the probe tip returns to this reference position. To overcome or correct measurement deviations of this type, systems have been designed with which these deviations can be measured or largely avoided, see for instance EP 0 415 579 A1, EP 0 307 782 B1, EP 0 423 307, EP 0 445 945 A1, DE 27 12 181 A1, DE 35 06 892 A1, US 5,018,280 and US 5,319,858.

De tot dusver beschreven mechanische taster genereert alleen op betrouwbare wijze een meetpunt wanneer een aantasting met een zekere minimale snelheid 15 geschiedt. Het ‘trigger’-signaal dient namelijk een zekere threshold-waarde te bereiken. Deze werking impliceert onmiddellijk dat het scannen van werkstukoppervlakken, waarbij een groot aantal meetpunten van een werkstukoppervlak wordt verzameld om een indruk te krijgen van de vorm(nauwkeurigheid) van het werkstuk, niet mogelijk is zonder dat voor ieder 20 nieuw meetpunt een nieuw contact tussen werkstuk en tastertip wordt gerealiseerd.The mechanical probe described so far only reliably generates a measuring point when attack is effected with a certain minimum speed. The "trigger" signal must reach a certain threshold value. This operation immediately implies that scanning of workpiece surfaces, where a large number of measuring points are collected from a workpiece surface to get an impression of the shape (accuracy) of the workpiece, is not possible without a new contact between workpiece for every 20 new measuring point and probe tip is realized.

Mechanische tasters gebaseerd op het tweede principe worden ook wel metende tasters genoemd, in de Angelsaksische literatuur veelal bekend als ‘measuring 25 probe’ of ‘analog probe’. Bij dit type taster wordt elke beweging van de tastertip die constructief niet is vastgelegd, gemeten. Veelal wordt een meetpunt pas ‘gerealiseerd’ wanneer een bepaalde kracht, de vooraf ingestelde meetkracht, is aangebracht op het werkstuk. Veel metende mechanische tasters zijn gebaseerd op mechanismen die drie translatiebewegingen toelaten (X-, Y-, en Z-beweging), 30 maar rotatiebewegingen van de tastertip niet toelaten. Voorbeelden hiervan worden gegeven in DT 2 207.270 en DT 2 242 355. Ook zijn er systemen ontwikkeld waarbij andere vrijheidsgraden dan alleen rotaties worden -4- vastgelegd. Voorbeelden hiervan worden gegeven in DE 28 35 615 C2, dat een taster met twee rotatie-assen beschrijft, en in DT 1 184 972 en DT 2 019 895 waarin mechanische tastsystemen staan beschreven met een zeer beperkte overtravel in een specifieke richting. Tastsystemen gebaseerd op het meten van 5 verplaatsingen zijn veelal groot en de tasteronderdelen die bij de aantasting betrokken zijn hebben aanmerkelijke massa’s en massatraagheidsmomenten, met name omdat constructie-elementen nodig zijn om nauwkeurige tastertip bewegingen te garanderen of juist om ongewenste bewegingen te onderdrukken, alsmede om onderdelen van meetsystemen te kunnen monteren.Mechanical probes based on the second principle are also called measuring probes, often known in Anglo-Saxon literature as "measuring 25 probe" or "analog probe". With this type of probe, any movement of the probe tip that is not structurally recorded is measured. A measuring point is usually only "realized" when a certain force, the preset measuring force, is applied to the workpiece. Many measuring mechanical probes are based on mechanisms that allow three translation movements (X, Y, and Z movement), but do not allow rotary tips of the probe tip. Examples of this are given in DT 2 207.270 and DT 2 242 355. Systems have also been developed in which degrees of freedom other than just rotations are recorded -4. Examples of this are given in DE 28 35 615 C2, which describes a probe with two rotary axes, and in DT 1 184 972 and DT 2 019 895, which describe mechanical touch probe systems with very limited overtravel in a specific direction. Probing systems based on the measurement of 5 displacements are often large and the probe parts involved in the attack have significant masses and moments of inertia, in particular because construction elements are required to guarantee precise probe tip movements or to suppress unwanted movements, as well as to to assemble parts of measuring systems.

1010

Eerder door ons uitgevoerd onderzoek heeft uitgewezen dat twee effecten een grote rol spelen bij het nauwkeurig, mechanisch, meten van werkstukken met behulp van mechanische tasters. Allereerst is gebleken dat met name de massa’s en massatraagheidsmomenten van tastercomponenten die betrokken zijn bij het 15 aantastproces een grote rol spelen bij het al dan niet beschadigen van werkstukken. Het is ons bekend dat met name metende mechanische tasters dusdanige beschadigingen aan werkstukoppervlakken kunnen toebrengen dat functionele schade kan ontstaan. Eerder door ons verrichte experimenten met mechanische tasters van beide typen, dat wil zeggen zowel schakelende en 20 metende tasters, waarbij stalen en aluminium proefstukken werden aangetast met verschillende meetsnelheden, resulteerden onder gebruikelijke aantastomstandigheden in schade aan de proefstukken. In alle gevallen was de schade toe te wijzen aan enerzijds de relatief hoge massa’s en massatraagheidsmomenten van de bij de aantasting betrokken 25 tasteronderdelen, anderzijds was de schade toe te wijzen aan de bewegingsrichtingen (‘overtravel’-bewegingen) die de tasterophanging toeliet. De dynamische aantastkrachten, die de oorzaak zijn van deze proefstukschade, varieerden tussen 1 N en 15 N. Dit zijn botskrachten die factoren boven de gewenste meetkracht (veelal < 1 N) uitstijgen.Previous research conducted by us has shown that two effects play a major role in the accurate, mechanical, measurement of workpieces using mechanical probes. First of all, it has been found that in particular the masses and mass moments of inertia of probe components involved in the attacking process play a major role in whether or not to damage workpieces. We are aware that measuring mechanical probes, in particular, can damage workpiece surfaces in such a way that functional damage can occur. Previously conducted experiments with mechanical probes of both types, ie both switching and measuring probes, in which steel and aluminum specimens were attacked at different measuring speeds, resulted in damage to the specimens under usual attacking conditions. In all cases, the damage was attributable on the one hand to the relatively high masses and moments of inertia of the 25 probe parts involved in the attack, on the other hand, the damage was attributable to the directions of movement ("overtravel" movements) that the probe suspension allowed. The dynamic attack forces, which are the cause of this test piece damage, varied between 1 N and 15 N. These are impact forces that rise above the desired measuring force (usually <1 N).

3030

Door ons werd aangetoond dat de botskrachten, die het onvermijdelijke gevolg zijn van mechanisch aantasten, beperkt kunnen worden door de massa’s en de 4 t s · - r . Λ O V 4 ’<We have shown that the impact forces, which are the inevitable consequence of mechanical attack, can be limited by the masses and the 4 t s · - r. O V 4 '<

" I"I

-5- massatraagheden van de bij de aantasting betrokken tasteronderdelen zeer sterk te beperken. Tevens werd aangetoond dat botskrachten op werkstukken beperkt kunnen worden door de taster gedurende de aantasting te laten roteren, in plaats van te laten transleren.-5- limit very much inertia of the probe parts involved in the attack. It was also shown that impact forces on workpieces can be limited by rotating the probe during the attack, instead of translating it.

5 Op basis van deze gegevens is door één van de uitvinders een opto-mechanisch tastsysteem ontwikkeld waarop eerder octrooi is verleend (NL 1003175). Hierna wordt een nieuw concept tastsysteem beschreven dat geschikt is voor metingen met nanometerresolutie.5 Based on these data, one of the inventors has developed an opto-mechanical touch probe that has been previously patented (NL 1003175). Below, a new concept touch probe is described that is suitable for measurements with nanometer resolution.

De uitvinding 10 De uitvinding betreft een metend tastsysteem bedoeld voor toepassing in coördinaten meetmachines (CMM’s) met hoge nauwkeurigheid.The invention The invention relates to a measuring touch probe intended for use in coordinate measuring machines (CMMs) with high accuracy.

Het ontwerp van het metende tastsysteem bestaat uit een aantal functionele onderdelen, te weten de taster (1) waarmee het meetobject aangetast wordt, het tasterhuis (2) dat de verbinding met de CMM vormt, de ophanging (3) die de 15 taster elastisch verbindt met het tasterhuis en het meetsysteem (onder andere Rl, R2, R3 en R4) dat de verplaatsing van de taster t.o.v. het tasterhuis meet. De samenstelling alsmede alle onderdelen zijn op de overzichtstekeningen (bovenaanzicht in figuur 1, doorsnede op het yz-vlak in figuur 2 en detail A in figuur 3) weergegeven.The design of the measuring touch probe consists of a number of functional parts, namely the probe (1) with which the measuring object is attacked, the probe housing (2) that forms the connection to the CMM, the suspension (3) that elastically connects the probe with the probe body and the measuring system (including R1, R2, R3 and R4) that measures the displacement of the probe relative to the probe body. The composition as well as all parts are shown in the overview drawings (top view in figure 1, section on the yz plane in figure 2 and detail A in figure 3).

20 De taster20 The probe

De tasterconfiguratie is niet essentieel. Als voorbeeld is een taster (1) met een enkele meetkogel als tastertip (4j”gebuikt, maar ook andere configuraties, zoals stertasters, zijn mogelijk.The probe configuration is not essential. As an example, a probe (1) with a single measuring ball is used as the probe tip (4j ”), but other configurations, such as star probes, are also possible.

De taster wordt verbonden met de ophanging door een tussenlichaam (5). De 25 taster (1) en het tussenlichaam (5) moeten ten minste zo stijf zijn dat de vervorming van deze onderdelen klein is ten opzichte van de vervorming van de elastische ophanging (3). Dit is noodzakelijk omdat anders een substantieel gedeelte van de uitwijking door de taster en/of het tussenlichaam worden op gevangen. De elastische ophanging (3) vervormt dan minder waardoor de in 30 de ophanging geïntegreerde rekstroken minder verplaatsing meten, waardoor de gevoeligheid afneemt. De uitvoeringsvorm van het tussenlichaam (5) is niet i Ü Ί U ·.. . .The probe is connected to the suspension by an intermediate body (5). The probe (1) and the intermediate body (5) must be at least rigid such that the deformation of these parts is small relative to the deformation of the elastic suspension (3). This is necessary because otherwise a substantial part of the deflection by the probe and / or the intermediate body will be captured. The elastic suspension (3) then deforms less, so that the strain gauges integrated in the suspension measure less displacement, so that the sensitivity decreases. The embodiment of the intermediate body (5) is not i Ü Ί U · ... .

-6- essentieel. In verband met tastkrachten en eigenfrequenties van de taster moet de massa van het tussenlichaam wel zo klein mogelijk zijn. Vanwege deze massabeperking is afgezien van een voorziening die verwisseling van de taster mogelijk maakt. Mede hierdoor is het mogelijk de star met de tastertip 5 verbonden effectieve massa te beperken tot enkele milligrammen. Indien een andere tasterconfiguratie nodig is, moet de ophanging eveneens gewisseld worden.-6- essential. Due to the probing forces and natural frequencies of the probe, the mass of the intermediate body must be as small as possible. Because of this mass limitation, a provision has been dispensed with which makes it possible to exchange the probe. This makes it possible to limit the effective mass rigidly connected to the probe tip 5 to a few milligrams. If another probe configuration is required, the suspension must also be changed.

De ophanging 10 De ophanging maakt translatie van de tastertip in alle richtingen ten opzicht van het tasterhuis mogelijk. Dit is noodzakelijk om de overtravel van de CMM op te vangen zonder dat de meetkracht onacceptabel hoog wordt. De ophanging bestaat uit één of meerdere elastische elementen. In verband met de toepasbaarheid van etstechnieken voor de vervaardiging van de ophanging en de 15 daarop opgedampte rekstroken (zie ook onder meetsysteem), is het essentieel dat alle elastische elementen zich in één vlak bevinden.The suspension 10 The suspension allows translation of the probe tip in all directions relative to the probe housing. This is necessary to absorb the overtravel of the CMM without the measuring force becoming unacceptably high. The suspension consists of one or more elastic elements. Due to the applicability of etching techniques for the manufacture of the suspension and the strain gauges vapor-deposited thereon (see also under measuring system), it is essential that all elastic elements are in one plane.

Een mogelijke ophanging bestaat uit drie langwerpige elastische elementen (3), in het vervolg ‘sprieten’ te noemen. Ze verbinden de taster -via het tussenlichaam (5)- met het tasterhuis (2) volgens figuur 1. Elke spriet legt, in 20 goede benadering, uitsluitend de beweging evenwijdig aan de langste zijde van de spriet vast. De in figuur 1 getekende opstelling laat drie bewegingen van het tussenlichaam ten opzichte van het tasterhuis vrij, de zogenaamde vrijheidsgraden, te weten: translatie in z-richting en rotatie om x- en y-as (in het vervolg respectievelijk te noemen Tz, Rx en Ry), uitgedrukt volgens een 25 assenstelsel zoals weergegeven in figuur 1 en figuur 2. De overige vrijheidsgraden, te weten translatie in x- en y-richting en rotatie om de z-as, in het vervolg respectievelijk te noemen Tx, Ty en Rz, worden in verhouding tot Tz, Rx en Ry bijzonder goed vastgelegd. De Tz, Rx, Ry bewegingsvrijheden geven de tastertip, mits deze zich niet in het vlak van de sprieten bevindt, een 30 bewegingsvrijheid in x-, y- en z-richting. Het gebruik van drie sprieten is niet essentieel, maar wel optimaal. Gebruik van meer sprieten leidt tot overbepaaldheid en daarmee tot moeilijk voorspelbaar mechanisch en thermisch -7- gedrag. Gebruik van minder sprieten leidt tot meer dan drie vrijheden van beweging. Daar elke bewegingsvrijheid gemeten moet worden leidt dit tot een gecompliceerder meetsysteem.A possible suspension consists of three elongated elastic elements (3), hereinafter referred to as "blades". They connect the probe - via the intermediate body (5) - to the probe housing (2) according to figure 1. Each blade, in a good approximation, only records the movement parallel to the longest side of the blade. The arrangement drawn in figure 1 allows three movements of the intermediate body relative to the probe body, the so-called degrees of freedom, namely: translation in z-direction and rotation about x and y-axis (hereinafter referred to as Tz, Rx, respectively). and Ry), expressed according to a coordinate system as shown in figure 1 and figure 2. The other degrees of freedom, namely translation in x and y direction and rotation about the z axis, hereinafter referred to as Tx, Ty and Rz, are recorded particularly well in relation to Tz, Rx and Ry. The Tz, Rx, Ry freedom of movement gives the probe tip, provided it is not in the plane of the blades, a freedom of movement in the x, y and z direction. The use of three blades is not essential, but it is optimal. The use of more blades leads to over-determination and thus to mechanical and thermal behavior that is difficult to predict. Using fewer blades results in more than three freedoms of movement. Since every freedom of movement has to be measured, this leads to a more complicated measuring system.

In het prototype zoals weergegeven in figuur 1 staan de sprieten praktisch 5 loodrecht op een denkbeeldige lijn tussen het vrije uiteinde van de sprieten en de oorsprong. Zouden de sprieten naar één punt wijzen, bij voorbeeld de oorsprong, dan treedt overbepaaldheid op. Deze overbepaaldheid zou tot een stijfheid in z-richting leiden die afhankelijk is van de aangebrachte verplaatsing in z-richting. Dit wordt veroorzaakt doordat de in en xy-vlak geprojecteerde lengte van de 10 sprieten vermindert als ze uit het xy-vlak gebogen worden. Door deze afname van de effectieve lengte van de sprieten treden bij verplaatsing van de tastertip in z-richting snel toenemende krachten in de lengterichting van de sprieten op, waardoor de z-component van de stijfheid snel toeneemt. Bovendien wordt het mechanisch en thermisch gedrag moeilijk voorspelbaar vanwege de 15 overbepaaldheid. Verder leggen sprieten die naar één punt wijzen de Rz bewegingsvrijheid nauwelijks vast, waardoor, zeker als stertasters of variaties daarop gebruikt worden, een extra meetas vereist is. Bij gebruik van de configuratie zoals weergegeven m figuur 1 blijft de stijfheid in z-richting bij benadering constant. Wel treedt in dat geval bij verplaatsing in z-richting een 20 rotatie om de z-as op, vanwege de vermindering van de in het xy-vlak geprojecteerde lengte van de sprieten. Deze rotatie wordt berekend uit de z-verplaatsing van de taster, waarna een softwarematige correctie voor deze rotatie wordt toegepast.In the prototype as shown in figure 1, the blades are practically perpendicular to an imaginary line between the free end of the blades and the origin. Should the blades point to one point, for example the origin, then over-determination occurs. This over-determination would lead to a stiffness in the z-direction which depends on the displacement in the z-direction applied. This is due to the fact that the length of the 10 blades projected in an xy plane decreases as they are bent out of the xy plane. Due to this decrease in the effective length of the blades, when the probe tip is moved in the z direction, rapidly increasing forces in the longitudinal direction of the blades occur, as a result of which the z component of the stiffness increases rapidly. Moreover, the mechanical and thermal behavior becomes difficult to predict because of the over-determination. Furthermore, blades pointing to one point hardly capture the Rz's freedom of movement, so that an additional measuring axis is required, especially if star probes or variations thereof are used. When using the configuration shown in Figure 1, the stiffness in the z direction remains approximately constant. In that case a rotation around the z-axis does occur in displacement in the z-direction, because of the reduction of the length of the blades projected in the xy-plane. This rotation is calculated from the z displacement of the probe, after which a software correction for this rotation is applied.

Het meetsysteem 25 Het meetsysteem bepaalt nauwkeurig de oriëntatie en de positie van de taster ten opzichte van het tasterhuis. Daar sommige bewegingen door de ophanging uitgesloten zijn, is het alleen nodig de overblijvende bewegingen te meten. In de beschreven uitvinding wordt de oriëntatie en positie van het tussenlichaam, en dus de positie van de tip, uitgelezen door rekstroken op de elastische elementen, 30 zodanig dat ten minste alle vrijgelaten vrijheidsgraden gemeten kunnen worden. Een rekstrook is gedefinieerd als een electromechanische sensor die een electrische weerstand heeft die afhankelijk is van de mechanische rek ter -8- plaatse van de sensor. Omdat alle elastische elementen in één vlak liggen is het mogelijk om in een aantal lithografie- en etsstappen zowel de ophanging, de rekstroken als de electrische aansluitingen te vervaardigen. Hierbij wordt dan gebruik gemaakt van de zogenaamde ‘microsysteemtechnologie’ (MST). Het 5 substraat bestaat dan over het algemeen uit kristallijn silicium, de rekstroken uit polykristallijn of kristallijn gedoped silicium en de electrische aansluitingen uit een geleider, zoals goud of aluminium. Het is ook mogelijk om electronische componenten te integreren met de ophanging. Op deze wijze kan een voorversterker worden geïntegreerd met de ophanging, waardoor het opvangen 10 van stoorsignalen in de leidingen wordt beperkt. Het is zelfs mogelijk om het signaal direct om te zetten naar een digitaal signaal, waardoor het opvangen van stoorsignalen nog verder vermindert.The measuring system 25 The measuring system accurately determines the orientation and the position of the probe relative to the probe housing. Since some movements are excluded by the suspension, it is only necessary to measure the remaining movements. In the described invention, the orientation and position of the intermediate body, and thus the position of the tip, is read by strain gauges on the elastic elements, such that at least all degrees of freedom released can be measured. A strain gauge is defined as an electromechanical sensor that has an electrical resistance that depends on the mechanical strain at the sensor's location. Because all elastic elements lie in one plane, it is possible to produce the suspension, the strain gauges and the electrical connections in a number of lithography and etching steps. For this, use is made of the so-called "microsystem technology" (MST). The substrate then generally consists of crystalline silicon, the strain gauges of polycrystalline or crystalline doped silicon and the electrical connections of a conductor, such as gold or aluminum. It is also possible to integrate electronic components with the suspension. In this way, a preamplifier can be integrated with the suspension, thereby limiting the reception of interference signals in the lines. It is even possible to convert the signal directly to a digital signal, which further reduces the reception of interference signals.

Omdat de elastische elementen geëtst kunnen zijn uit het substraatmateriaal, zullen deze in dat geval vaak van silicium zijn. Dit maakt de ophanging gevoelig 15 voor schokbelastingen vanwege de brosheid van silicium. Het is ook mogelijk de elastische elementen te vervardigen uit een metallisch materiaal, maar dan moeten de rekstroken op de sprieten gelijmd worden en moeten de electrische aansluitingen handmatig worden aangebracht. Hierbij moet gebruik worden gemaakt van uiterst dunne draden, om de elastische ophanging zo min mogelijk 20 te verstoren.Since the elastic elements may be etched from the substrate material, they will often be silicon in that case. This makes the suspension sensitive to shock loads because of the brittleness of silicon. It is also possible to manufacture the elastic elements from a metallic material, but then the strain gauges must be glued to the blades and the electrical connections must be made manually. Extremely thin wires must be used for this, in order to disturb the elastic suspension as little as possible.

In de ophanging met sprieten worden op elke spriet vier rekstroken aangebracht volgens figuur 3. De weerstanden worden dan geschakeld in een volledige brug van Wheatstone volgens figuur 4. Omdat de sprieten meestal in een S-vorm gebogen zullen zijn, volgens figuur 5, is de weerstandsverandering van de 25 rekstroken Rl en R4 tegengesteld aan de weerstandsverandering van de rekstroken R2 en R3. Daarom is het voldoende om slechts rekstroken aan de bovenzijde te hebben, wat het etsproces aanzienlijk vereenvoudigt. Het gebruik van vier rekstroken per meetas is niet essentieel, maar wel optimaal. Uit de literatuur is bekend dat de weerstand van rekstroken niet alleen afhankelijk is 30 van de rek maar ook van de temperatuur. Bij gebruik van een halve (twee rekstroken) of hele brug (vier rekstroken) wordt hiervoor gecorrigeerd doordat alle weerstanden evenveel veranderen. Ten opzichte van een halve brug heeft 1 0 'i ijl· '<j ·'· -9- een hele brug een grotere gevoeligheid en dus een hogere signaal-ruisverhouding.In the suspension with blades, four strain gauges are applied to each blade according to Figure 3. The resistors are then connected in a complete Wheatstone bridge according to Figure 4. Because the blades will usually be bent in an S-shape, according to Figure 5, the resistance change of the strain gauges R1 and R4 opposite to the resistance change of the strain gauges R2 and R3. Therefore, it is sufficient to have only strain gauges at the top, which greatly simplifies the etching process. The use of four strain gauges per measuring axis is not essential, but it is optimal. It is known from the literature that the resistance of strain gauges depends not only on the elongation but also on the temperature. When using a half (two strain gauges) or a whole bridge (four strain gauges), this is corrected for because all resistances change by the same amount. Compared to a half bridge, a whole bridge has a greater sensitivity and thus a higher signal-to-noise ratio.

De meetdata van alle elastische elementen wordt omgerekend naar tipverplaatsingen. Indien de tipverplaatsing klein is, kan het verband worden 5 gelineariseerd en opgeschreven in matrix vorm:(5) m-m0 = ATlip (5)The measurement data of all elastic elements is converted into tip displacements. If the tip displacement is small, the bandage can be linearized and written in matrix form: (5) m-m0 = ATlip (5)

Hierin is m een meetvector met de meetgegevens van alle elastische elementen, m0 de meetvector in rust, Tlip een vector van tipverplaatsingen en A een nx3 matrix met n het aantal meetassen. De componenten ai}, i = 1 = 1..3 van de 10 matrix A worden door kalibratie verkregen.In this m is a measuring vector with the measuring data of all elastic elements, m0 is the measuring vector at rest, Tlip is a vector of tip displacements and A is an nx3 matrix with n the number of measuring axes. The components ai}, i = 1 = 1..3 of the matrix A are obtained by calibration.

De kalibratie-opstelling bestaat uit een nauwkeurige één dimensionale verplaatsingsgenerator (doorsnede weergegeven in figuur 6) en een houder (drie aanzichten weergegeven in figuur 7) die het tastsysteem onder ten minste drie onderling onafhankelijke richtingen tegen de verplaatsingsgenerator 15 positioneert. De door ons gerealiseerde verplaatsingsgenerator bestaat uit een plateau (6) met een direct daaraan verbonden referentiespiegel (7), een door een actuator (8) verplaatsbare vlakke spiegel (9) en een laserinterferometer met vlakke spiegel optiek (10) die de afstand tussen het plateau en de vlakke spiegel differentieel meet. De laserbundels (11) worden door een afbuigspiegel (12) 20 zodanig gespiegeld dat ze loodrecht invallen op de beide vlakke spiegels (7 en 9). De houder (in drie aanzichten weergegeven in figuur 7) kan het tastsysteem in 7 onafhankelijke richtingen opstellen tegen de verplaatsingsgenerator. De houder heeft hiertoe drie sets van drie V-groeven (13) onder 120°, waarop een adapter (weergegeven in figuur 8) via drie kogels (14) kan worden geplaatst, analoog aan 25 de zogenaamde ‘Kelvin damp’. Het tastsysteem wordt via de adapter bevestigd aan de houder. Omdat de Kelvin Clamp drievoudige symmetrie bezit kan de adapter in elke clamp op drie manieren gepositioneerd worden. Dit leidt tot 9 verschillende oriëntaties, maar 3 ervan zijn afhankelijk, zodat 7 onafhankelijke oriëntaties overblijven.The calibration arrangement consists of an accurate one dimensional displacement generator (cross section shown in Figure 6) and a holder (three views shown in Figure 7) that positions the touch probe against the displacement generator 15 in at least three mutually independent directions. The displacement generator realized by us consists of a plateau (6) with a reference mirror (7) directly connected to it, a flat mirror (9) which can be moved by an actuator (8) and a laser interferometer with a flat mirror optic (10) that measures the distance between the plateau and the flat mirror measure differential. The laser beams (11) are mirrored by a deflecting mirror (12) 20 such that they incident perpendicular to the two flat mirrors (7 and 9). The holder (shown in three views in Figure 7) can position the touch probe in 7 independent directions against the displacement generator. To this end, the holder has three sets of three V-grooves (13) at 120 °, on which an adapter (shown in figure 8) can be placed via three balls (14), analogous to the so-called "Kelvin vapor". The touch probe is attached to the holder via the adapter. Because the Kelvin Clamp has triple symmetry, the adapter can be positioned in each clamp in three ways. This leads to 9 different orientations, but 3 depend on it, leaving 7 independent orientations.

30 Uit de gevoeligheid voor verplaatsing in de verschillende richtingen kan de matrix A bepaald worden via een kleinste kwadraat afschatting.From the sensitivity to displacement in the different directions, the matrix A can be determined via a least squared estimate.

-10--10-

De matrix A kan ook worden berekend, zij het dat hier enige benaderingen aan ten grondslag liggen. Een toelichting op de berekening kan worden gevonden in appendix A.Matrix A can also be calculated, although it is based on some approximations. An explanation of the calculation can be found in Appendix A.

5 Via de beschreven technologie is het mogelijk gebleken tastsystemen te realiseren met de volgende eigenschappen: • verplaatsingen van de tastertip kunnen in drie orthogonale richtingen (3D) gemeten worden • de resolutie waarmee deze verplaatsingen kunnen worden gemeten 10 bedraagt enkele nanometers • de meetkrachten, waaronder inbegrepen de dynamische meetkrachten, die optreden bij normaal gebruik blijven beperkt tot enkele millinewtons.5 The technology described has made it possible to realize probing systems with the following properties: • displacements of the probe tip can be measured in three orthogonal directions (3D) • the resolution with which these displacements can be measured 10 is a few nanometers • the measuring forces, including including the dynamic measuring forces that occur during normal use are limited to a few millinewtons.

De resultaten zijn verkregen met een elastische ophanging met geïntegreerd 15 meetsysteem vervaardigd door middel van MST. De sprieten hebben daarbij een lengte van 1,6 mm en een doorsnede van 160*40 pm. De tasterlengte is 10 mm.The results were obtained with an elastic suspension with integrated measuring system manufactured by means of MST. The blades have a length of 1.6 mm and a diameter of 160 * 40 µm. The probe length is 10 mm.

- 11 -- 11 -

AppendixAppendix

In dit appendix wordt het model beschreven dat de mechanica van het tastsysteem zoals weergegeven in figuur 1 tot en met figuur 3 en de gevoeligheid van de rekstroken (onder andere Rl, R2, R3 en R4 in figuur 3) op de elastische 5 elementen (3) beschrijft. Het model is tevens gebruikt om optimale waarden voor de afmetingen en positie van de sprieten te kiezen.In this appendix, the model is described that the mechanics of the touch probe as shown in figure 1 to figure 3 and the sensitivity of the strain gauges (including R1, R2, R3 and R4 in figure 3) on the elastic 5 elements (3 ) describes. The model has also been used to choose optimal values for the dimensions and position of the blades.

Stijfheid van de ophangingStiffness of the suspension

Beschouw de ophanging met bematïng zoals weergegeven in figuur 1, figuur 2, 10 figuur 3 en een tastertip die zich op het punt {0,0,1st) onder de oorsprong bevindt. Voor de stijfheid die gevoeld wordt bij uitoefening van kracht tegen de tastertip kan berekend worden:Consider the suspension with dimensions as shown in Figure 1, Figure 2, Figure 10 and a probe tip located at the point {0,0,1st) below the origin. For the stiffness that is felt when applying force against the probe tip, it can be calculated:

Esbsds3 Ci=3 Is3 3 Esbsds3 1 ys 1 ys2 xs2'Esbsds3 Ci = 3 Is3 3 Esbsds3 1 ys 1 ys2 xs2 '

Cxy= iisist2 Uii+v)0' "7T+3 +Ί?~+Ί?~/Cxy = iisist2 Uii + v) 0 '"7T + 3 + Ί? ~ + Ί? ~ /

Hierin is c, de genoemde stijfheid in z-richting, cv de genoemde stijfheid in een 15 willekeurige richting in het xy-vlak, Es en v respectievelijk de elasticiteitsmodulus en de dwarscontractiecoëfficiënt van het materiaal dat gebruikt is voor de elastische elementen, ds de dikte van de elastische elementen en a, een torsie'konstante’ die afhankelijk is van ds/bs en naar ^ nadert als ds/bs klein is.Where c, the said stiffness in the z-direction, cv the said stiffness in an arbitrary direction in the xy-plane, Es and v is the modulus of elasticity and the cross-contraction coefficient of the material used for the elastic elements, respectively, the thickness of the elastic elements and a, a torsion "constant" which depends on ds / bs and approaches ^ when ds / bs is small.

20 Mechanische spanningen20 Mechanical stresses

De mechanische spanningen cr, i = x,y,z j = x,y,z in de sprieten zijn berekend om te bepalen bij welke uitwijking de spanning in de sprieten de rekgrens overschrijdt en om de rek ter plaatse van de rekstroken te bepalen waaruit de gevoeligheid van het meetsysteem voor een aangebrachte verplaatsing kan 25 worden bepaald. De genoemde spanningen zijn berekend door de verplaatsing van de sprieten ter plaatse van de aanhechting met het tussenlichaam uit te - 12- rekenen. Deze verplaatsing wordt omgerekend naar een lokaal assenstelsel van de betreffende spriet waarna de spanningen in de betreffende spriet berekend kunnen worden. De uitdrukkingen zullen in 1999 in een proefschrift over tastsystemen worden gepubliceerd.The mechanical stresses cr, i = x, y, zj = x, y, z in the blades are calculated to determine at which deflection the stress in the blades exceeds the yield point and to determine the strain at the strain gauges from which the sensitivity of the measuring system to an applied displacement can be determined. The said stresses are calculated by calculating the displacement of the blades at the location of the attachment with the intermediate body. This displacement is converted to a local coordinate system of the relevant boom, after which the stresses in the relevant boom can be calculated. The phrases will be published in a thesis on probing systems in 1999.

5 Gevoeligheid en resolutie van het meetsysteem5 Sensitivity and resolution of the measuring system

De verplaatsing van de tastertip wordt gemeten door vier rekstroken op elke spriet, zoals weergegeven is in figuur 3. De verandering van de weerstand van de rekstroken wordt gemeten in een zogenaamde brug van Wheatstone, zoals weergegeven is in figuur 4. Als alle weerstanden bij benadering even groot zijn 10 geldt bij benadering: M = yThe displacement of the probe tip is measured by four strain gauges on each boom, as shown in Figure 3. The change in strain gauge resistance is measured in a so-called Wheatstone bridge, as shown in Figure 4. If all resistances are approximate being the same size 10 holds approximately: M = y

0 4R0 4R

waarin ΔΛ, de weerstandsverandering van rekstrook / voorstelt, R de nominale weerstand van de rekstroken, V0 de voedingsspanning van de brug en M de onbalans van de betreffende brug in volt. Voor de relatieve 15 weerstandsverandering van een rekstrook geldt:where ΔΛ, represents the resistance change of strain gauge /, R is the nominal resistance of the strain gauges, V0 is the supply voltage of the bridge and M is the unbalance of the bridge in question in volts. For the relative resistance change of a strain gauge holds:

ΔΛ G, GΔΛ G, G

— = — σ + —(4) R Es >y Es a waarin G, en G, respectievelijk de longitudinale en de transversale gauge factor zijn. Uit de berekende mechanische spanningen kunnen nu de onbalansen van de bruggen berekend worden. Als de tipverplaatsing klein is, kan het verband 20 gelineariseerd worden en opgeschreven in matrixvorm, zoals eerder gedaan is in vergelijking (1): m-m0 = Aflip (5)- = - σ + - (4) R Es> y Es a where G, and G are the longitudinal and the transverse gauge factor, respectively. The imbalances of the bridges can now be calculated from the calculated mechanical stresses. If the tip displacement is small, the bandage 20 can be linearized and written in matrix form, as previously done in equation (1): m-m0 = Lip (5)

De gevoeligheid van m voor tipverplaatsingen is afhankelijk van de richting. Zo zal de gevoeligheid voor verplaatsing in z-richting meestal groter zijn dan de 25 gevoeligheid voor verplaatsing in x-richting. De minimale gevoeligheid s3 is de kleinste singuliere waarde van A, die gevonden kan worden door middel van een zogenaamde ‘singuliere waarde decompositie’ (SVD, in de Angelsaksische literatuur bekend als ‘singular value decomposition’). Als de minimale 1 01 CGS4-1 i -13- signaalgrootte die kan worden gemeten Mmin bekend is kan voor de resolutie worden geschreven: M- res = —— (6).The sensitivity of m for tip displacements depends on the direction. For example, the sensitivity to z-direction displacement will usually be greater than the sensitivity to x-direction displacement. The minimum sensitivity s3 is the smallest singular value of A, which can be found by means of a so-called "singular value decomposition" (SVD, known in Anglo-Saxon literature as "singular value decomposition"). If the minimum 1 01 CGS4-1 i -13 signal size that can be measured Mmin is known, the resolution may be written: M-res = —— (6).

**

Overtravel 5 In het geval dat de zogenaamde vergelijkingsspanning σ( in de sprieten de rekgrens amax overschrijdt zullen de sprieten of plastisch vervormen (in geval van plastisch materiaal) of breken (in geval van bros materiaal). De afstand die de tastertip kan afleggen voordat a(in de sprieten de rekgrens overschrijdt wordt de ‘overtravel’ genoemd. Er zijn meerdere geaccepteerde manieren om a, 10 te berekenen. Een veel gebruikte is die van ‘von Mises’: af = σ2 + 3τ2 = af, + af, + a2 + i(af2 + af, + af,) (7).Overtravel 5 In case the so-called comparison stress σ (in the blades exceeds the yield point amax, the blades will either deform plastic (in case of plastic material) or break (in case of brittle material). The distance the probe tip can travel before a (in the blades the stretch limit exceeds is called the 'overtravel'. There are several accepted ways to calculate a, 10. A common one is that of 'von Mises': af = σ2 + 3τ2 = af, + af, + a2 + i (af2 + af, + af,) (7).

Het blijkt dat af uitsluitend termen bevat die quadratisch zijn in de componenten van Ttj, zodat af kan worden geschreven als: = %Ν,φ (8) 15 waarin B een symmetrische matrix is. De overtravel is afhankelijk van de richting waarin de tastertip bewogen wordt. Het kan aangetoond worden dat de overtravel in de richting waarin de overtravel het kleinste is (ov/min) geldt: ovt. (9) waarin λ de grootste eigenwaarde van B is.It turns out that af contains only terms that are quadratic in the components of Ttj, so that it can be written as: =% Ν, φ (8) 15 where B is a symmetric matrix. The overtravel depends on the direction in which the probe tip is moved. It can be shown that the overtravel in the direction in which the overtravel is smallest (ov / min) holds: ovt. (9) where λ is the greatest eigenvalue of B.

20 J ^ i · ' 120 J ^ '1

Claims (8)

1 41 4 1. Tastsysteem met het kenmerk dat het bestaat uit een taster, waaronder inbegrepen een tasterstrip, een tasterhuis, een ophanging die sommige translatie- of rotatierichtingen star en andere elastisch 5 verbindt met het genoemde tasterhuis zodanig dat de tasterstrip kan bewegen in drie onafhankelijke richtingen waarbij gebruik wordt gemaakt van dunne elastische elementen die alle in een en hetzelfde vlak liggen en een meetsysteem dat de verplaatsing van de genoemde tasterstrip ten opzichte van het genoemde tasterhuis eenduidig vastlegt door middel van rekstroken 10 op de genoemde elastische elementen en dat de ophanging en het meetsysteem geïntegreerd worden vervaardigd door middel van een serie lithografie; en etsstappen (MST) .1. Probe system, characterized in that it consists of a probe, including a probe strip, a probe housing, a suspension which rigidly links some translation or rotation directions and others elastically to said probe housing such that the probe strip can move in three independent directions, whereby use is made of thin elastic elements which all lie in one and the same plane and a measuring system that unambiguously records the displacement of said probe strip relative to said probe housing by means of strain gauges 10 on said elastic elements and that the suspension and the measuring system be integrated by means of a series of lithography; and etching steps (MST). 2. Tastsysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde ophanging en het genoemde meetsysteem afzonderlijk worden 15 vervaardigd waarbij de genoemde rekstroken afzonderlijk worden aangebracht op de genoemde elastische elementen. •rTouch probe system according to claim 1, characterized in that said suspension and said measuring system are manufactured separately, wherein said strain gauges are applied separately to said elastic elements. R 3. Tastsysteem volgens conclusies 1-2, met het kenmerk, dat dit met de vervaardigingstechniek vermeld in conclusie 1 en met een electrische voorversterking van de meetsignalen afkomstig van de genoemde 20 rekstroken geïntegreerd, wordt vervaardigd met de genoemde ophanging en het genoemde meetsysteem door middel van een extra serie lithografie- en etsstappen (MST).Touch probe system according to claims 1-2, characterized in that it is manufactured with said suspension technique and said measuring system by means of the manufacturing technique stated in claim 1 and integrated with an electrical pre-amplification of the measuring signals originating from said 20 strain gauges. of an extra series of lithography and etching steps (MST). 4. Tastsysteem volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat dit met de vervaardigingstechniek vermeld in conclusie 1, een 25 electrische voorversterking van de meetsignalen afkomstig van de genoemde rekstroken alswel een schakeling die deze signalen omzet naar digitale waarden, geïntegreerd wordt vervaardigd met de genoemde ophanging en het genoemde meetsysteem door middel van een extra serie lithografie- en etsstappen (MST).4. Probe system according to claims 1-3, characterized in that, with the manufacturing technique stated in claim 1, an electrical pre-amplification of the measuring signals originating from said strain gauges as well as a circuit converting these signals into digital values is manufactured integrally with said suspension and said measuring system by means of an additional series of lithography and etching steps (MST). 5. Tastsysteem volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de omrekening van een vector, met als componenten de individuele meetsignalen afkomstig van het genoemde meetsysteem, naar een vector Ttlp, met als componenten respectievelijk de x-, y- en z-verplaatsing van de tastertip, wordt gedaan met behulp van een matrix A volgens m-nÏQ *= ATjjp 35 waarbij iïï = rüo voorTjjp = O.Probing system according to Claims 1 to 4, characterized in that the conversion from a vector, with the individual measuring signals from said measuring system as components, to a vector Ttlp, with the components x-, y- and z- respectively displacement of the probe tip, is done using a matrix A according to m-niQ * = ATjjp 35 where iïi = rüo for Tjjp = O. 7. Tastsysteem volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de matrix A wordt bepaald door een kalibratie waarbij gebruik wordt gemaakt van een kalibratie-opstelling bestaande uit een ééndimensionale 1 5 verplaatsingsgenerator waarvan de verplaatsing gemeten wordt met een speciale differentiële interferometer zodat de genoemde verplaatsing voldoende nauwkeurig bekend is en uit een houder die het tastsysteem in ten minste drie onderling onafhankelijke richtingen tegen de verplaatsings-5 generator opstellen waarbij de componenten van de genoemde matrix A worden berekend door middel van een kleinste kwadraat-afschatting op basis van de met de genoemde kalibratie-opstelling gemeten data.The scanning system according to claim 5, characterized in that the matrix A is determined by a calibration using a calibration arrangement consisting of a one-dimensional displacement generator, the displacement of which is measured with a special differential interferometer so that said displacement is known with sufficient accuracy and from a holder which positions the touch probe in at least three mutually independent directions against the displacement generator, the components of said matrix A being calculated by means of a least squared estimate based on the calibration set-up of measured data. 7. Tastsysteem volgens conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de verplaatsingen worden gemeten met een resolutie van minder dan 10 20 nanometer en met een geschatte onzekerheid in drie richtingen van minder dan 25 nanometer en bij een meetkracht kleiner dan 1 millinewton.The scanning system according to claims 1-6, characterized in that the displacements are measured with a resolution of less than 10 nanometers and with an estimated three-way uncertainty of less than 25 nanometers and with a measuring force of less than 1 millinwton.
NL1010894A 1998-12-24 1998-12-24 Mechanical detection system for use in co-ordinate measuring system, uses suspended probe elements to make very accurate measurements of geometric properties of workpiece NL1010894C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1010894A NL1010894C2 (en) 1998-12-24 1998-12-24 Mechanical detection system for use in co-ordinate measuring system, uses suspended probe elements to make very accurate measurements of geometric properties of workpiece

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1010894A NL1010894C2 (en) 1998-12-24 1998-12-24 Mechanical detection system for use in co-ordinate measuring system, uses suspended probe elements to make very accurate measurements of geometric properties of workpiece
NL1010894 1998-12-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
NL1010894C2 true NL1010894C2 (en) 2000-06-27

Family

ID=19768369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NL1010894A NL1010894C2 (en) 1998-12-24 1998-12-24 Mechanical detection system for use in co-ordinate measuring system, uses suspended probe elements to make very accurate measurements of geometric properties of workpiece

Country Status (1)

Country Link
NL (1) NL1010894C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007117138A1 (en) * 2006-04-12 2007-10-18 Technische Universiteit Eindhoven Measuring scanning probe for scanning a surface to be measured
WO2009063217A1 (en) * 2007-11-15 2009-05-22 The Secretary Of State For Innovation, Universities & Skills Microprobe, measurement system and method
EP3076124A1 (en) 2015-03-31 2016-10-05 Mitutoyo Corporation Tactile probing system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0068899A2 (en) * 1981-06-30 1983-01-05 Renishaw plc Probe for measuring workpieces
US4866854A (en) * 1986-12-05 1989-09-19 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Multiple axis displacement sensor
EP0423307A1 (en) * 1989-04-25 1991-04-24 Renishaw Plc Position determining apparatus.
DE4243284A1 (en) * 1992-12-21 1994-06-30 Zeiss Carl Jena Gmbh Probe element for coordinate measuring systems
US5345690A (en) * 1990-02-23 1994-09-13 Renishaw Metrology Limited Contact probes
US5446545A (en) * 1993-03-25 1995-08-29 Renishaw Plc Method of and apparatus for calibrating machines including a measuring probe and a measuring apparatus

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0068899A2 (en) * 1981-06-30 1983-01-05 Renishaw plc Probe for measuring workpieces
US4866854A (en) * 1986-12-05 1989-09-19 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Multiple axis displacement sensor
EP0423307A1 (en) * 1989-04-25 1991-04-24 Renishaw Plc Position determining apparatus.
US5345690A (en) * 1990-02-23 1994-09-13 Renishaw Metrology Limited Contact probes
DE4243284A1 (en) * 1992-12-21 1994-06-30 Zeiss Carl Jena Gmbh Probe element for coordinate measuring systems
US5446545A (en) * 1993-03-25 1995-08-29 Renishaw Plc Method of and apparatus for calibrating machines including a measuring probe and a measuring apparatus

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007117138A1 (en) * 2006-04-12 2007-10-18 Technische Universiteit Eindhoven Measuring scanning probe for scanning a surface to be measured
WO2009063217A1 (en) * 2007-11-15 2009-05-22 The Secretary Of State For Innovation, Universities & Skills Microprobe, measurement system and method
GB2454805B (en) * 2007-11-15 2011-11-09 Sec Dep For Innovation Universities & Skills Microprobe, measurement system and method
EP3076124A1 (en) 2015-03-31 2016-10-05 Mitutoyo Corporation Tactile probing system
US9528824B2 (en) 2015-03-31 2016-12-27 Mitutoyo Corporation Tactile probing system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2988588B2 (en) Position measuring device
US8140287B2 (en) Dimensional measurement probe
US8549921B2 (en) Sensor for detecting acceleration
JP5042409B2 (en) Method for calibrating a scanning system
EP2492636B1 (en) Method of calibrating a scanning system
US7296364B2 (en) Sensor module for a probe head of a tactile coordinated measuring machine
Pril Development of high precision mechanical probes for coordinate measuring machines
US20110043827A1 (en) Surface sensing device with optical sensor
Liang et al. Development of a touch probe based on five-dimensional force/torque transducer for coordinate measuring machine (CMM)
JP3486254B2 (en) Workpiece surface coordinate measuring method and coordinate measuring machine
WO2006114603A2 (en) Probe calibration
EP1700083A1 (en) Method of calibrating a coordinate positioning apparatus
CN102506725B (en) Three-dimensional micro nanometer contact scanning probe
US5548902A (en) Multi-coordinate probe
NL1010894C2 (en) Mechanical detection system for use in co-ordinate measuring system, uses suspended probe elements to make very accurate measurements of geometric properties of workpiece
Feng et al. Development of a high-resolution touch trigger probe based on an optical lever for measuring micro components
Chan et al. Some performance characteristics of a multi-axis touch trigger probe
NL1003175C2 (en) Rapid three-dimensional co-ordinate measurement system
Haitjema et al. A silicon-etched probe for 3-D coordinate measurements with an uncertainty below 0.1/spl mu/m
Lewis Fully traceable miniature CMM with submicrometer uncertainty
Oiwa et al. Miniaturized three-dimensional touch trigger probe using optical fibre bundle
Hermann et al. Design of tactile measuring probes for coordinate measuring machines
CN221223684U (en) Three-dimensional micro-contact measuring head based on probe interference
Bütefisch et al. Tactile metrology for active microsystems
CN117629067A (en) Three-dimensional micro-contact measuring head based on probe interference

Legal Events

Date Code Title Description
PD2B A search report has been drawn up
SD Assignments of patents

Effective date: 20140711

MK Patent expired because of reaching the maximum lifetime of a patent

Effective date: 20181223