专利名称：触发探针及用于装配触发探针的方法
技术领域：
本发明涉及一种通常用于测量器械并用来检测探针的触尖和待测工件之间的接触的触发探针。本发明还涉及一种用于装配这种探针的方法。
触发探针通常紧固在测量器械的可动臂上，其位置通过测量系统如电容式、电感式、磁阻式或光电式系统来精确地确定。测量器械的臂沿预定轨迹空间地运动，直到探针的触尖接触到待测工件或表面为止。在接触过程中，在触尖上施加有偏转力，从而将其移离其初始的静止位置。然后接通或断开一个电路，并通常将一个信号一方面例如以光信号的形式传送给用户，另一方面传送给测量器械的软件，因此，测量器械根据测量系统所提供的数据来确定接触点在给定参考系中的坐标。
在另一种应用中，触发探针用于控制一个表面或一批产品的平整性。探针紧固在一个固定件上，而一个表面或一系列工件经过探针而运动，以使其碰到探针的触尖。如果该表面存在不平整或这些工件不具有规则的尺寸，那么探针的触尖将受到作用力，这会使其移离它的静止位置，从而改变了探针电路所发送出的信号。
触发探针的主要部件通常是固定件、触尖和电路。
固定件相对紧固件是固定的，紧固件通常容纳于探针的外壳内并使探针能紧固在例如测量器械的可动臂上。
触尖是设计成可与待测表面或工件相接触的机械元件。该触尖由相对于固定件处于静止位置的弹性件所夹持。此静止位置可确定并可重复。触尖具有相对固定件的一个或几个自由角度。在与待测表面相接触的过程中，在触尖上会施加有偏转力，而且偏转力根据触尖相对固定件的一个或几个自由角度而使触尖移离其静止位置。当触尖上不再施加有作用力时，触尖将回到其静止位置。
电路用于检测触尖相对于其静止位置的运动。该电路具有至少一个开关，当触尖处于其静止位置时开关处于某一状态如接通或断开，而当触尖相对其静止位置偏离时开关处于相反的状态。电路的阻抗变化由信号处理电路检测并处理，然后视情况而定，将信息发送给用户或者计算软件，计算软件处理此信息以及由测量系统所提供的数据。
检测触尖与待测表面或工件之间的接触的精度和速度大部分取决于信号处理电路所检测并处理的电路的阻抗变化的精度和速度。然而它们也取决于探针元件的制造质量、装配精度以及随使用时间而变化的性能。
因此很容易理解，开关的接触元件的定位和固定在精度方面起着重要的作用。
接触元件通常由导电的球形元件形成，其通过长时间的、精密的且因此是成本很高的工艺而放置在它们的位于固定件上的支撑件中。
例如，美国专利4270275提出了一种触发探针，其中开关的接触元件由粘结如用环氧树脂粘结在固定件的安放位置中的导电材料制成的球体形成。使电路完整地形成的连接件是将开关串联的柔性导体。该文献没有解释在球体和柔性导体之间以何种方式来保证接触。在柔性导体在装配前焊接或粘结在球体上的情况中，柔性导体存在着在装配操作过程中脱离球体或断裂的危险，并且很难保证在操作结束时球体和柔性导体之间的固定点能正确地定向。此外，很难在硬金属的球体上焊接铜导线，而且粘结也不可靠。如果导线只是通过粘胶与球体保持接触，那么将无法保证接触的质量，而且柔性导体在使用中会断裂或脱离其安放位置，这样就丧失了与球体的接触。因此，无论怎样构思此解决方案，操作或一系列的操作都应当是很精密的，并且极大地提高了探针的价格。
美国专利6275053试图解决这些问题，它提出了一种由插入在固定件的预定深度处的安放位置中并通过触发探针的外壳来保持在这些安放位置中的球体所形成的接触元件。这样形成的开关通过压缩在球体和外壳之间的柔性连接件而串联起来。然而此实施例具有几个重大的缺点。
首先，球体的安放位置具有复杂的形状，这是因为它们必须充分地闭合以将球体保持在其位置上，并且又必须充分地打开，使得在触尖处于静止位置时通过可接通开关的导电元件可以接触到球体的一侧，而通过使电路完整地形成的柔性连接件可以接触到球体的另一侧。安放位置的尺寸尤其是它们的深度必须足够精确，使得在装配了外壳后球体不会在其安放位置中移动，并且使得它能够施加足够的压力以建立与柔性连接件的良好接触。由于这些原因，如美国专利6275053中的不同实施例所介绍的探针的固定件的制造成本很高，并且十分精密。
装配这种探针也是精密的操作，这是因为电路的所有元件均必须精确地对齐，以使电路能正确地构成并实现功能。
此外，球体和柔性连接件的接触通过简单的压力来进行，球体和/或连接件将往往随时间而在它们的接触点处发生氧化，这样就改变了电路的阻抗，直到它最终妨碍了探针的正确使用。
图2显示了
图1所示视图沿线I-I的剖视图。
图3显示了图1所示视图沿线II-II的剖视图。
图4显示了图1所示视图沿线III-III的剖视图。
图5显示了探针电路的简图。
这种触发探针具有以下主要部件-触尖2，-触尖支撑件20，-作为外壳的一部分的固定件1，-夹持机构22，-导向件6，-电路(图5)。
触尖2由沿一条轴线伸长并终止于一个球体的部件形成，此球体的几何中心的位置具有很好的重复性。
触尖支撑件20用于支撑触尖2。触尖2通过螺纹拧入在触尖支撑件上，这样就可以根据应用或在损坏时而容易地更换。触尖支撑件20也可以围绕一个轴线而在几何学上构建出，并且当触尖2拧在触尖支撑件20上时，这两部分的轴线应对齐。触尖支撑件20包括三个由导电材料制成并相互绝缘的引脚21。引脚21固定在垂直于触尖支撑件20的轴线的孔中，并以相等的间距分布在其周边上。在第一变化的实施例中，触尖支撑件20由绝缘材料制成，因此使得引脚21相互绝缘。在第二变化的实施例中，触尖支撑件20由导电材料如铝制成，并且各引脚21在其紧固前或紧固过程中通过对触尖支撑件20进行阳极氧化处理或增设绝缘材料来绝缘。
固定件1相对于紧固件11固定，使得探针被紧固在如测量器械的可动臂上。这样，固定件1相对紧固件和扩大来说例如相对测量器械的臂的位置就固定了。固定件1包括六个安放位置，各位置可接受一个接触元件3。为了快速地检测到触尖的任何运动，这些安放位置应尽可能地接近触尖2的球体23，这样就减小了距离d。出于制造精度的原因，固定件1最好由铝制成，并随后对其进行阳极氧化处理以保证这些接触元件之间的良好电绝缘。
夹持机构22由处于轻微张紧状态下的弹簧220构成，它的一侧压在盖222上，另一端终止于压在触尖支撑件20的中心上的锥形件221上，使得触尖支撑件20对中并夹持在其静止位置。弹簧220的张力可通过螺钉224来调节，螺钉224可允许盖222的位置相对于盖63进行修正。
导向件6由绝缘材料制成。它基本上为圆柱形，并可以安放触尖支撑件20和可将触尖2夹持在其静止位置上的夹持机构22。在导向件6的周边分布了三个切槽61，以安放触尖支撑件20的引脚21并在偏转力作用于触尖2上时引导它们的运动。在各切槽61的两侧上均设有用于安放连接件4的开口60。
基于波伊斯连接的原理而构建的触发探针的电路包括六个电串联地固定的接触点。这六个接触点可被看作图5所示的三个开关，各开关包括两个接触元件3和一个接触器，其在本发明的优选实施例中通过触尖支撑件20的一个引脚21来实现。开关通过刚性连接件4和柔性导体5按照图5的图示而相互连接。开关的接触元件3是金属球体。各接触元件3焊接到由刚性金属棒形成的并且在接触元件3附近稍稍弯曲的连接件4上。连接件4在接触元件3上的焊接最好通过钎焊来实现，即采用熔点低于待装配元件熔点的火焰熔融的焊料来实现。接触元件3和连接件4也可以是在一次操作中使用的一个零件的两个部分。
在探针的装配过程中，将粘胶滴如环氧树脂滴在接触元件12的各个安放位置上。焊接在接触元件上的连接件被夹持在具有与导向器件6的结构相类似的装配工具(未示出)上。装配工具包括布置成与导向件6的开口60一致的圆柱形安放位置。连接件4插入并夹持在这些安放位置中，这样就确定了接触元件的位置。然后装配工具在固定件中滑动，将各接触元件带入其安放位置并保持在其中，直到粘结完全变硬为止。由于设置了刚性连接件4，装配工具因此就能够在粘结过程中同时引导并夹持六个接触元件。这样，球体的位置被这些安放位置精确地限定；在粘结过程中可以使用类似正式引脚21的临时引脚。
一旦粘结变硬就取下装配工具。触尖支撑件20插入到导向件6中，通过将引脚21放入切槽61内而确定触尖支撑件20的位置。然后将导向件放入装配件的位置中，这样连接件4就插入到开口60中。按照图5的图示将柔性导体5焊接在连接件4上与接触元件3相反的末端上，从而完成电路。然后通过将弹簧压在触尖支撑件20上并关闭导向件6的盖子来安装夹持机构22。弹簧220的张力由螺钉224调节。最后，通过拧紧外壳10的顶部而完成装配。
当触尖2处于静止位置时，三个引脚21中的每一个都与可部分地密封切槽61的两个接触元件3相接触，引脚在其中可以移动，这样就接通了各开关。电路接通。
当偏转力施加于触尖2上时，触尖2就离开其静止位置，使得触尖支撑件20的三个引脚21中的至少一个移动到用作其导向的切槽61中，并且与相应的接触元件3脱离，这样就断开了至少一个开关。然后电路断开，这被信号处理电路检测到并进行处理。
当偏转力不再施加于触尖2上时，触尖2在夹持机构22的作用下回复到其静止位置，这样就接通了所有的开关。电路再次接通。
在第二变化的实施例中，采用通过压力而压在连接件的末端上并通过外壳10的顶部而固定就位的柔性导体(未示出)来代替柔性导体5。
在第三变化的实施例中，两个相邻开关之间的连接通过一个刚性连接件来保证，此刚性连接件在其各末端具有与之连接的一个开关的连接件。这种变化的实施例避免了柔性导体5的焊接，从而减少了进行装配所必须的操作数目。
在根据本发明的探针的装配过程中，接触元件3的定位和固定因连接件4的刚性而极大地简化，连接件4的刚性允许将适当的装配工具容易地放入它们的位于固定件1上的安放位置中，即使在这些安放位置因其位置处于固定件1的底部而难以进入时也是如此。
除了接通或断开开关的引脚21之外，电路的所有元件都彼此焊接在一起。因此，消除了会引起电路质量变化的接触点处的氧化的危险，这就可以延长这种探针的寿命。
上述变化的实施例介绍了所有的三维触发探针。然而本领域的技术人员可以理解，本发明的原理也可应用于双向或一维的触发探针。
在本发明的另一变化的实施例中，触发探针具有开关为电并联地安装并在触尖处于静止位置时全部断开的电路。当触尖因偏转力的作用而偏离其静止位置时，至少一个开关接通，从而改变了电路的阻抗。
权利要求
1.一种探针，包括固定件(1)，由柔性元件夹持在相对于所述固定件的静止位置上的触尖(2)，所述静止位置是可重复的，所述触尖(2)能够响应于偏转力而从所述静止位置处移开，并在所述偏转力不再施加时移回所述静止位置，集成了至少一个开关和所述至少一个开关的连接件(4)的电路，所述至少一个开关在所述触尖(2)处于所述静止位置时接通或断开，而在所述触尖(2)相对所述静止位置偏离时处于相反的状态，所述至少一个开关包括接触元件(3)，至少一个所述接触元件(3)和至少一个所述连接件(4)相连，其特征在于，所述至少一个连接件(4)是刚性的。
2.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，至少一个所述开关包括两个接触元件(3)，各所述接触元件均与一个刚性连接件(4)相连，从而使其与另一开关的接触元件(3)相连。
3.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述至少一个连接件(4)焊接或钎焊到所述至少一个接触元件(3)上。
4.根据权利要求2所述的探针，其特征在于，所述至少一个连接件(4)和所述至少一个接触元件(3)构成同一零件的两个部分。
5.根据权利要求2所述的探针，其特征在于，所述至少一个连接件(4)由刚性金属棒形成。
6.根据权利要求5所述的探针，其特征在于，所述电路通过焊接在所述连接件(4)上的柔性导体(5)而完成。
7.根据权利要求5所述的探针，其特征在于，所述电路通过使由导电材料制成的弹簧在压力下压在所述连接件(4)上而完成。
8.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，至少一个所述连接件(4)包括位于其各末端处的相连的接触元件(3)。
9.一种用于装配探针的方法，包括如下步骤通过电路的至少一个连接件(4)而将至少一个接触元件(3)安装在固定件(1)上。
10.根据权利要求9所述的用于装配探针的方法，其特征在于，所述至少一个接触元件(3)的安装是通过装配工具来执行的，所述装配工具可将所述至少一个连接件(4)夹持在可使所述至少一个接触元件(3)插入到其安放位置中的位置上。
全文摘要
一种基于波伊斯连接的原理而构建的触发探针，适于检测探针的触尖和待测工件之间的接触，它包括带有至少一个开关的电路，其接触元件通过电路的几个连接件而定位。
文档编号G01B21/00GK1421675SQ0215436
公开日2003年6月4日 申请日期2002年11月29日 优先权日2001年11月30日
发明者P·乔尔迪尔, C·罗格, A·扎尼尔 申请人:布朗和沙普·特萨有限公司