专利名称：用于测量仪的光学传感器元件及其测量仪侧耦接件的制作方法
用于测量仪的光学传感器元件及其测量仪侧耦接件本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于测量仪尤其是坐标测量仪的光学传感器元件以及根据权利要求10的前序部分的测量仪侧耦接件。坐标测量仪或者坐标测量装置的各种实施方式是早就公开的。例如，尤其在制造业中，这些仪器被用于高精度测量物体表面，工件表面的测量和检查对于制造业有着重要
眉、ο上述类型的典型装置是便携式坐标测量仪，就像例如在DE 4325337中描述的便携式坐标测量仪，或是例如由US 5，402，582或EP 1474650所公开的三维坐标测量铰接臂。这种坐标测量仪具有在参考坐标系中已知的、固定定位的底座(其作为测量系统或铰接臂的末端)和可相对运动的测量端，在该测量端上设有探测件。作为标准探测件，可以采用探触头，可以使探触头接触物体表面的测量点，并且探触头例如由安装在测量杆上的红宝石球构成。在这样的坐标测量仪中，光学传感器元件开始变得越来越有意义。当前，在测量界占大多数的是呈现不同实施方式的探触型探测件，例如用于轴向或横向扫过被测物。探测件此时按照不同的长度和直径来设计，以便也能达到很难达到的地点。为了使探触型探测件和坐标测量仪连接，已经研发出机械连接器和机电连接器， 就像例如US 7，282, 017B2所述的连接器，其允许借助三个球柱触头的、重复性很强的机械连接器并且通过由弹簧支承的触头销也实现测量信号的电子传输。这些接口是如此设计的，即探测件安置在工具更换装置上并能由坐标测量仪自动记录。但是，用于坐标测量仪的新型光学测量方法带来以下情况，即光纤也必须从传感器元件延伸至坐标测量仪的控制装置，该光纤用作光导体并且用于测量光束的光学信号传输。在缺乏通常允许频繁更换传感器元件的高功率光学耦合器时，至今只能实现其上永久固定有传感器元件的坐标测量仪。合适的光纤在电讯中被拓展至信号传输。为了光纤耦合，存在许多插接耦合器，它们适应于当时的应用目的并可以实现通过光纤和插接耦合器在低损耗情况下传输高能光束。但是，插接耦合器的一个严重缺点是它们是针对静态连接而提供的。因为光学接口非常容易受到脏污和损伤的影响，所以这种光学接口不能经常插接。已知的连接器的预估使用寿命为500至1000次插拔次数。在实践中，这种连接器只有在维护时才断开。此外，为了保证最佳传输，在重新插合之前必须在显微镜下清洁光学接口处的光纤表面。为了能用坐标测量仪测量复杂的被测物例如发动机台架，需要较为频繁地更换传感器元件。粗略估算，传感器元件更换一次大约需要一个小时。因为坐标测量仪通常整天运转，所以一周就能轻松达到100次插拔次数，从而电讯领域中已知的光学插接耦合器在大约3个月后就已经达到其预期使用寿命终点。为了能有意义地在坐标测量仪中使用光学传感器元件，光学耦合器必须至少在耐用性和精度方面满足与机械连接件或机电连接件同样的要求。鉴于这种现有技术，本发明的任务在于给出一种光学传感器元件和一种测量仪， 其中向机械连接器额外增加一个光学部分，其中该光学接口必须能够不受伤地经得住至少50000次插接，可以容易地清洁并且在脏污少的情况下也允许可靠地继续执行测量。本发明的第一部分通过具有权利要求1的特征的用于测量仪的光学传感器元件或者具有权利要求10的特征的测量仪侧耦接件来完成。由从属权利要求中得到得知光学传感器元件的有利实施方式。光学传感器元件具有传感器元件侧耦接件，其用于机械和光学连接该测量仪或者说其仪器侧耦接件。根据本发明，该光学传感器元件还具有在传感器元件侧耦接件中的光纤和光学接口，其穿过浮动的支承部。有利的是，配属于传感器元件侧耦接件的光学触头形成有磨削斜面并且具有与光纤芯相比增大的光束横截面。该解决方案的优点是，光学传感器元件非常耐用，并且如在试验中表明的那样，经受得住115000次插接，这也在
图1中被示出。光学传感器元件被用于坐标测量仪，用于非接触地精确扫描和测量工件或其它物体的表面或者检查尺寸精确性。在本发明的耦接器中，作为用于测量信号传输的光纤，尤其采用单模光纤，它具有不到ΙΟμπι的芯直径并且容易受到在芯区域内的不可逆的脏污和损伤的影响。这样的脏污或者损伤很快速地增大透射损失和漫散射，这尤其对高敏度干涉测量应用场合是很不利的。在本发明着眼于此并提出，在光纤上安置优选焊接上光学触头，它与光纤相比多倍扩大了光学接口处的光束横截面。在光学接口处的光束走向此时应该被准直化。通过扩大的光束横截面，当光学接口区域因脏污或者损伤而不允许光束透过时，也保证了双向信号传输。 另外，接合衰减和漫散射通过在触头件端面上的磨削斜面得以明显减轻。磨削成斜面的表面不必非要具有涂层并且容易清洁。适当的是，该光束横截面与光纤芯相比至少增大5倍。优选的是，该光横截面面积至少增大至少10倍、20倍或50倍。增大的光束横截面减小了传感器元件易受脏污和损伤的可能性，并且降低了触头件没有全面相互抵接的可能性。有利的是，光学触头是透镜、最好是渐变折射率透镜。渐变折射率透镜具有以下突出优点，它们以圆柱形构成并且为此也能设置在光纤眼延长部上。渐变折射率透镜允许根据其长度和所用的单模光纤，扩大光束横截面大约10倍，伴随着发散性降低到十分之一。 但是，根据本发明，也可以使用多模光纤，在这里，可以省掉在过渡区内的光束扩宽。按照适当方式，光纤应被套圈或末端套筒包围。该套圈此时保护光纤末端并固定其位置。此外，该套圈可以比光纤更好地安置在耦接件中。该套圈应该在末端与光学触头平齐，以保证该光学触头的磨削成斜面的端面完好地紧贴。为了光学传感器元件能简单地被插入测量仪侧耦接件，有利的是，套圈浮动安置在耦接件中。通过这种方式，在插接中可以修正达到几百微米的套圈侧向错位。按照适当方式，该套圈在外周面上具有定向面，用以将套圈保持在其指定的取向上。这保证了，当光学传感器元件被耦接到测量仪时，该磨削成斜面的端面完全相互紧贴。套圈可以优选在光纤的轴向上承受一个弹簧的作用，以产生在光学接口上的压紧力。按照适当方式，在套圈的自由端上设置倒角，用于通过锥形结构使套圈插接变得
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测量仪尤其是坐标测量仪具有测量仪侧耦接件，它能与根据权利要求1至9之一所述的传感器元件耦接。在测量仪侧耦接件和传感器元件侧耦接件中均设有光纤，所述光纤在末端嵌固在套圈中。测量件侧耦接件优选也具有光学触头，并且这些光学触头的磨削斜面如此设计和布置，即，它们在耦接状态中全面接触并且构成一个连贯的光透射面。通过这种方式，光束可以低损失地通过该光学接口来双向传输。此外，其中一个套圈可以被导向套包围，该导向套在轴向上超出套圈，并且在其自由端优选在内表面上设有倒角。这样的导向套同样简化了耦合连接过程中的光学触头回合。第二套圈在导向套中的同样浮动支承连同在导向套和末端套上的倒角一起实现了插接过程中的自对中，这种自对中明显减轻在插接接触之前在套圈方位对准方面的机械误差。为了能进一步减轻在插接过程前可能存在的套圈之间的侧向错移，此外规定，导向套的内表面具有圆度，该圆度的径向偏差明显小于所用光纤的芯直径。对于在1.5μπι波长下具有约9 μ m芯直径的常规单模光纤来说，圆度应小于等于1 μ m,由此造成嵌固在套圈内的光学触头的精确对中。特别有利的是，导向套和/或套圈可更换地安置在耦接件中。这允许光纤连同套圈从耦接件上被拆下并且清洁光学触头的端面。优选采用专用工具来完成导向套或套圈的拆卸和固定，以使耦接器的擅自操纵难以进行。另外，可以在光纤端部设置盖件，用于在耦接器打开状态中遮盖光学触头的端面。 坐标测量仪所用的光束的强度虽然低，但当光束直接照射敏感人体局部例如视神经时还是有可能出现损伤。盖件的另一个优点是，磨削成斜面的光学触头端面在拔出状态中被保护而免于损伤和脏污。套圈和导向套优选由氧化锆制成。氧化锆是很耐磨的材料并且保证在传感器元件的使用寿命期限内有保持不变的插接精度。另外，可以在一个耦接件上设置清洁装置，用于清洁磨削成斜面的光学触头端面。该清洁装置可以如此设计，即清洁件在插合和拔出时擦拭通过磨削成斜面的端面。磨削成斜面的光学触头端面可以具有0°至10°、优选为2°至 8°的倾斜角α。为了进一步减少在光学接口处可能有的反射，其中一个光学触头的端面可以配设有涂层，尤其是抗反射涂层。在此情况下，这些端面也可以被抛光成平面，就是说，没有磨削斜面。当测量方法对反射的反应不敏感时，同样可以放弃磨削斜面和涂层。非干涉测量方法例如色差共焦测量(chromatisch-konfokale Messung)需要多模光纤。在此情况下，光纤芯直径(例如50μπι)已经明显大于单模光纤时的光纤芯直径。在这里，不再需要光束扩展。以下将结合附图所示的实施例来详细说明本发明，其中图1示出使用寿命测试的图形分析；图2示出光学传感器元件的局部，其中以横截面图示出传感器元件侧耦接件；图3示出耦接状态下的光学接口处的横截面；图4示出传感器元件侧耦接件的俯视图；图5示出传感器元件侧耦接件的透视图；图6示出传感器元件侧耦接件的另一透视图7以横截面图示出测量仪侧耦接件；图8以仰视图示出测量仪侧耦接件；图9以透视图示出测量仪侧耦接件；以及图10以斜向上的透视图示出测量仪侧耦接件。图1示出使用寿命测试的图形分析。其中测量了通过光学耦接器传输的相对射束强度与插拔次数关系，其中该相对强度是在光学耦接器之前和之后的光束强度之比。在这里，光学触头端面曾经进行过未定期的清洁，这用竖向条纹1来表示。在达到超过95000次插拔次数之前，耦接器传输的光束具有在0. 8至1范围内的相对强度。只有在100000次插拔次数左右，才出现相对射束强度的明显降低。但是，当在115000次插拔次数时，反复深入清洁光学触头之后，又可以获得相对射束强度为1的几乎无损失的传输。在图2和图4至图6中，结合传感器元件侧耦接件3示出用于测量仪、尤其是坐标测量仪的光学传感器元件2的一部分。传感器元件侧耦接件3设置用于与测量仪机械光学耦合连接和光学信号传输。传感器元件侧耦接件3在此实施方式中具有上部4和下部5。 上部4分为机电部分6和光学部分7。机电部分6在原理上已经由US7，282，017B2公开，在此通过参引将其全文并入于此。套筒8可轴向移动地支承在上部4中，该套筒可由凸轮9驱动。在耦合连接状态，多个锁定销10锁止支承在被插入轴孔12的支承销13的凹槽11中 (也见图7)。在机电部分6的径向外侧区域内，安置有三对位于模块15中的球14，它们是三点支承16的部件。在耦合连接状态中，设置在测量仪侧耦接件18中的滚柱17紧贴这些球14。在上部4和套筒8之间设有承受弹簧作用的电触头销19，用于电子测量信号传输。在图面中在机电部分6的左侧，光学部分7设置在上部4中。为此，在上部4上一体形成外支座21，在外支座中容纳着光学部分7。测量信号传输光纤22穿过下部5，直到上部4的光学部分7中，并且在末端嵌固在套圈23中。套圈23突入上部4内的圆柱形缺口 M中并且在其自由端25具有倒角26。套圈23在光纤22的轴向上承受弹簧27的作用。 为了补偿侧向错位，套圈23和进而光纤22浮动支承在光学部分7中。在光学接口 30上，传感器元件侧耦接件3的光纤22与测量仪侧耦接件18的光纤 31耦接；在图3的示意草图中，该光学接口 30处于耦接状态(GZ)。在该图中看到两根光纤 22、31，它们通过光学传感器触头33和光学仪器触头34相互耦接。光纤22、31可以是芯截面小于10 μ m的单模光纤。在光纤22、31的端部35、36焊接有光学触头33、34，在此例如是渐变折射率光纤(Gradientenindex-Faser)。光学接口 30位于平面40处，在该平面40 处，光学触头33、34完全地彼此面接触。光学触头33、34的端面41、42分别配设有磨削斜面43、44，所述磨削斜面具有4°的倾斜角α。磨削斜面43、44被设计构成连贯的光学穿透面45。为了与光纤22、31相比增大光学接口 30处的光束横截面46，光学触头33、34具有适当的1/4间距(Pitch)长度L。不过，^1-1)/4间距长度也是可行的，此时η为自然数。 如此构成的光学触头33、34造成光束的准直传播，从而光束横截面46与光纤22、31相比在光学接口 30处增大了 100倍。光纤22、31和光学触头33、34嵌固在套圈23、48中。套圈23、48的末端与在磨削斜面43、44延长部上的触头33、34端面41、42平齐。套圈23、48在末端带有倒角沈、50。套圈48被导向套51包围，该导向套沿轴向AR超出套圈48的自由端52。导向套 51在内表面53上在端侧配设有倒角Μ。为了使光学触头33、34对中，导向套51的内表面53的圆度具有最大2 μ m的径向偏差。返回图2和图4至图6，在光纤22上在图面中在弹簧27的下方设有套筒60，该套筒在外周面61配设有定向面62，用以保证光学触头33的磨削成斜面的端面41正确取向。 对此，装在上部4中的定向件63抵靠定向面62。如果下部5从上部4被拧下并且用工具从上部4取出定向件63，就可以从上部向下取出光纤22，连带取出套圈23，例如以便更换故障的零部件或也用于清洁目的。因此，套圈23可更换地安置在上部内。在图7至图10中示出测量仪侧耦接件18。测量仪侧耦接件18安置在作为测量仪头70的部分的支架中，该支架可被固定在一个未详细示出的测量仪上，尤其是测量仪的活
动臂上。对应于传感器元件侧耦接件3，测量仪侧耦接件18也分为机电部分71和光学部分 72。机电部分71的结构同样在原理上由US 7，282，017B2公开。在测量仪侧耦接件18 中设有插入件73，该插入件具有中心轴孔74，支承销13穿过该轴孔。支承销13沿轴向AR 承受一组76盘簧77的作用，以提供在三点支承16上的均勻压紧力和误差补偿效果。三点支承16在测量仪侧耦接件18中包括三个滚柱17，它们围绕测量仪侧耦接件18的纵轴LA 以120°角度β相互错开布置。该组76盘簧77通过法兰套筒79和帽形部80保持就位。 法兰套筒79和帽形部80通过底板81和螺母82被固定在支承销13上。测量仪侧耦接件 18通过螺纹紧固的环83被固定在测量仪头70上。在径向RR上，在耦接件18的纵轴LA和三点支承16的滚柱17之间分布于外周地设有十三根导线84，用于测量信号的电子传输，传感器元件侧耦接件3的触头销19在插入状态中紧贴该导线。在机电部分71的侧旁设置光学部分72。光纤31延伸到测量仪侧耦接件18中并且在末端嵌固在套圈48中。套圈48具有卡圈85，该卡圈紧贴在圆盘86上。导向套51套装在套圈48的自由端87上并且支承在圆盘86上。导向套51在其内表面53的自由端88 上具有倒角讨。套圈48和导向套51浮动保持在光学部分72中，这可以结合在套筒92和被套筒92包围的导向套51之间的径向距离明显看到。为了防止轴向移动地固定导向套51， 固定套筒93套装在导向套51的内端部94上并固定在那里。有径向间距地包围导向套51 的套筒92被拧入插入件73中。套筒92在其自由端95在内表面96和外周面97上均具有环形倒角98、99。通过专用工具，可以从测量仪侧耦接件18中拧下固定套筒93。由此可以取出导向套51，需要时可以进行清洁或更换。在此状态下，也能良好地接近套圈48以便清洁。套圈48在远离导向套51 —侧100具有定向面101，用于调整仪器的光学触头34 的倾斜磨削的端面42的取向，以保证光学触头33、34的端面41、42的完全面接触(如图3 所示)。盖子102作用于定向面101。盖子102通过沿径向ROF朝向光纤31被插入该插入件73的紧配合销103被抗转动地固定。图9示出光学部分72的盖子102如何通过两个螺钉104、105固定于插入件73上。 插入件73也通过两个螺钉106固定在测量仪侧耦接件18中。 两个耦接件3、18被构成为，在插入过程中，锥形表面按规定顺序接合，用于补偿侧向错位并保证耦接件3、18高精度耦合连接。插入时，在支承销13自由端112上的锥形表面110接触到在传感器元件侧耦接件3的活动套筒8内的轴孔12的漏斗形扩宽部113， 并且测量仪侧耦接件18上的环形倒角114紧贴在传感器元件侧耦接件3上。为了耦接光学部分7、72，测量仪侧耦接件18上的套筒92先被插入传感器元件侧耦接件3中的圆柱形缺口 M ；随后，传感器元件侧耦接件3的套圈23被插入测量仪侧耦接件18的浮动支承的导向套51。通过这种方式，光学触头3、34的打磨倾斜的端面41、42以2μ m的最大侧向错位相互紧贴。附图标记列表1-条纹；2-传感器元件；3-传感器元件侧耦接件；4-3的上部；5_3的下部；6_3的机电部分；7-3的光电部分；8-套筒；9-凸轮；10-锁定销；11-凹槽；12-轴孔；13-支承销； 14-球；15-模块；16-三点支承；17-滚柱；18-测量仪侧耦接件；19-触头销；21-外支座； 22-光纤；23-套圈；24-缺口 ；25-23的端部；26-倒角；27-弹簧；30-光学接口 ；31-光纤； 33-触头；34-触头；35-22的端部；36-31的端部；40-平面；41-33的端面；42-34的端面； 43-磨削斜面；44-磨削斜面；45-透射面；46-光束横截面；48-套圈；50-倒角；51-导向套； 52-48的端部；53-51的内表面；54-倒角；60-套筒；61-60的外周面；62-定向面；63-定向件；70-测量仪头的一部分；71-机电部分；72-光学部分；73-插入件；74-孔；76-组； 77-盘簧；79-法兰套筒；80-帽形部；81-底板；82-螺母；83-盖子；84-导线；85-卡圈； 86-圆盘；87-48的端部；88-51的端部；92-套筒；93-固定套筒；94-51的端部；95-92的端部；96-92的内表面；97-92的外周面；98-倒角；99-倒角；100-48的侧面；101-定向面； 102-盖子；103-紧配合销；104-螺钉；105-螺钉；106-螺钉；110-13的表面；112-13的端部；113-扩宽部；114-倒角；AR-轴向；GZ-耦接状态；L-长度；LA-纵轴；ROF-径向；RR-径向；α-倾斜角；角度。
权利要求
1.一种用于测量仪、尤其是坐标测量仪的光学传感器元件，其具有用于与测量仪侧耦接件(18)机械光学耦合连接的传感器元件侧耦接件(3)，其特征在于，所述光学传感器元件具有在传感器元件侧耦接件(3)中的光纤(22)，所述光纤具有用于与所述测量仪的光学仪器触头(34)连接的光学接口(30)，尤其用于传输用于干涉测量方法的测量光束，所述光学接口由光学传感器触头(3 构成，所述光学传感器触头具有自对中的套圈(23)，所述套圈包围所述光纤0 的端部，其中所述套圈浮动支承在所述传感器元件侧耦接件(3)中。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述套圈具有倒角( )，用以在与所述测量仪侧耦接件(18)连接时实现自对中。
3.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其特征在于，所述传感器触头(3 形成有磨削斜面(43)。
4.根据权利要求3所述的传感器元件，其特征在于，所述传感器触头(3 具有相对所述光纤0 的芯扩大的光束横截面(46)，尤其是所述光束横截面06)与所述光纤02)的芯相比扩大了至少5倍、10倍、20倍或者50倍。
5.根据权利要求3或4所述的传感器元件，其特征在于，所述传感器触头(3 是透镜， 优选是渐变折射率透镜，尤其是呈光纤形式。
6.根据权利要求3、4或5所述的传感器元件，其特征在于，所述光纤0 是单模光纤。
7.根据前述权利要求之一所述的传感器元件，其特征在于，所述套圈的末端与所述传感器触头(3 平齐。
8.根据前述权利要求之一所述的传感器元件，其特征在于，所述套圈在外周面 (61)上具有按规定将所述套圈保持在指定取向上的定向面(62)。
9.根据前述权利要求之一所述的传感器元件，其特征在于，所述套圈优选在所述光纤02)的轴向(AR)上承受弹簧05)的作用，以产生在所述光学接口(30)上的压紧力。
10.一种用于测量仪、尤其是坐标测量仪的测量仪侧耦接件(18)，其用于与根据权利要求1至9之一所述的传感器元件连接，其特征在于，所述测量仪侧耦接件(18)具有光学仪器触头(34)，所述光学仪器触头用于与所述传感器元件的光学传感器触头(3 连接，尤其用于传输用于干涉测量法的测量光束。
11.根据权利要求10所述的耦接件(18)，其特征在于，所述仪器触头(34)具有导向套 (51)和带有套圈G8)的光纤(31)，所述导向套用于使所述传感器触头和所述仪器触头的套圈03，48)自对中，其中，所述套圈G8)和所述导向套(51)浮动支承在所述耦接件(18) 中。
12.根据权利要求11所述的耦接件(18)，其特征在于，所述套圈08)和/或所述导向套(51)具有倒角06巧4)，用以在与所述传感器元件的连接过程中实现自对中。
13.根据权利要求11或12所述的耦接件(18)，其特征在于，所述光纤(31)在一端嵌固在所述套圈G8)中并被所述导向套(51)包围，其中所述导向套在轴向(AR)上超出所述套圈(48)，并且在所述导向套的自由端(88)优选在内表面(53)上设有倒角(54)。
14.根据权利要求11至13之一所述的耦接件(18)，其特征在于，所述仪器触头(34)形成有磨削斜面(44)，并且所述仪器触头具有相对所述光纤(31)的芯扩大的光束横截面 06)。
15.根据权利要求11至14之一所述的耦接件(18)，其特征在于，所述导向套(51)的内表面(5 具有带有径向偏差的圆度，所述径向偏差小于所用光纤的芯直径，尤其是所述径向偏差最大为2 μ m。
全文摘要
本发明涉及用于测量仪的光学传感器元件，其具有用于与测量仪侧耦接件(18)机械和光学连接的传感器元件侧耦接件(3)。在传感器元件侧耦接件(3)中设有光纤(22)，该光纤具有用于与测量仪的光学仪器触头(34)连接的光学接口(30)，该光学接口由光学传感器触头(33)构成，该光学传感器触头具有自对中的套圈(23)，该套圈包围光纤(22)的端部。在此，套圈(23)浮动支承在传感器元件侧耦接件(3)中。
文档编号G02B6/36GK102224392SQ200980147155
公开日2011年10月19日 申请日期2009年11月12日 优先权日2008年12月3日
发明者弗兰克·索普, 托马斯·延森, 本杰明·乌里奥德 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司