DE19860314A1

DE19860314A1 - Mikrometer

Info

Publication number: DE19860314A1
Application number: DE19860314A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Koga
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: CN1122819C; JPH11190601A; US6178658B1; DE19860314B4; CN1227914A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrometer und insbesondere ein Mikrometer, bei dem die Rahmenverformung bei einer Temperaturveränderung in der Benutzungsumgebung so klein wie möglich gehalten werden kann.

Herkömmlicherweise weist ein gewöhnliches Mikrometer wie in Fig. 3 gezeigt einen U-förmigen Rahmen 1, einen an einem Ende des Rahmens 1 vorgesehenen Amboß, einen am anderen Ende des Rahmens 1 vorgesehenen Einstellmechanismus 3 (gewöhnlich eine Einstellschraube) sowie eine Spindel 4 für die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung relativ zum Amboß 2 auf.

Das Mikrometer ist idealerweise auf einem Ständer oder ähnlichem in einer Umgebung mit einer Standardtemperatur (z. B. 20°C) befestigt, um ein Arbeitsstück zu messen. Das Mikrometer wird jedoch häufig in Umgebungen mit einer anderen als der genannten Temperatur verwendet, wobei es in der Hand gehalten wird. Dabei wird die Spindel 4 in Richtung auf den Amboß 2 bewegt, indem der Einstellmechanismus 3 betätigt wird, um das Arbeitsstück W zwischen der Spindel 4 und dem Amboß 2 zu halten. In diesem Zustand wird die Bewegungsverschiebung der Spindel 4 von der Skala 5 abgelesen.

Wenn das Mikrometer unter diesen Bedingungen in der Hand gehalten wird, wird der Rahmen 1 thermisch verformt, wodurch die Spindel durch die Umgebungstemperatur und die Handwärme gedehnt oder kontrahiert wird und die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Im folgenden soll ein Fall betrachtet werden, in dem das Mikrometer in einer Hand in einer Umgebungstemperatur gehalten wird, die niedriger ist als die Standardtemperatur. Wenn das Mikrometer zuvor thermisch in Anpassung an eine Temperatur unter der Standardtemperatur stabilisiert wird, dann weist der Rahmen 1 die durch die doppelgepunktete Linie in Fig. 4 angegebene Konfiguration auf.

Wenn der U-förmig gebogene Rahmen 1 in der Hand gehalten wird, um das Arbeitsstück zu messen, wird die Temperaturverteilung des Rahmens 1 geändert, wodurch der Rahme 1 in die durch die durchgezogene Linie in Fig. 4 angegebene Konfiguration verformt wird und ein Rahmenverformungsfehler von Δx verursacht wird. Weiterhin wird die Spindel 4 kontrahiert, wodurch ein zusätzlicher Fehler verursacht wird, der den Gesamtfehler vergrößert.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, kann ein Material mit einem extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten für sowohl den Rahmen 1 wie die Spindel 4 verwendet werden. Dies ist jedoch unpraktisch, weil es die Herstellungskosten erhöht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrometer anzugeben, das dafür ausgebildet ist, die Meßgenauigkeit in einer Umgebung mit einer sich stark verändernden Temperatur aufrechtzuerhalten und dadurch die Nutzbarkeit zu verbessern, wobei das Mikrometer gleichzeitig kostengünstig hergestellt werden kann.

Ein Mikrometer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt Rahmen mit einer U-förmigen Konfiguration, einen an einem Ende des Rahmens vorgesehenen Amboß sowie eine an dem anderen Ende des Rahmens vorgesehene Spindel, die relativ zu dem Amboß vorwärts und rückwärts bewegt werden kann. Das Mikrometer ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen aus einem Material hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an der Innenseite der U-förmigen Konfiguration kleiner ist als an der Außenseite der U-förmigen Konfiguration.

Da bei diesem Aufbau die Innenseite der U-förmigen Konfiguration des Rahmens einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Außenseite, kann die Verschiebungsgröße eines Endes des Rahmens relativ zu dem anderen Ende im Vergleich zu dem herkömmlichen Mikrometer aufgrund des "Bimetall-Effekts" (eines thermischen Verformungseffekts wie bei einem Bimetall) verringert werden.

Wenn mit anderen Worten die auf den Rahmen einwirkende Temperaturverteilung geändert wird, wenn zum Beispiel die Temperatur des Rahmens unter eine Standardtemperatur gesenkt wird, dann wird die Innenseite der U-förmigen Konfiguration weniger kontrahiert als die Außenseite der U-förmigen Konfiguration. Dementsprechend wird die Rahmenverformung, bei der ein Ende des Rahmens sich dem anderen Ende nähert, vermindert, so daß ein durch die Verformung des Rahmens verursachter Fehler im Vergleich zu einem herkömmlichen Mikrometer verkleinert wird.

Wenn die Temperatur des Rahmens auf eine Temperatur erhöht wird, die höher ist als die Standardtemperatur, dann wird die Innenseite der U-förmigen Konfiguration weniger gedehnt als die Außenseite der U-förmigen Konfiguration. Dementsprechend wird eine Verformung, bei der sich ein Ende des Rahmens vom anderen Ende entfernt, beschränkt, so daß der durch die Verformung des Rahmens verursachte Fehler im Vergleich zu dem herkömmlichen Mikrometer kleiner ist.

Dementsprechend kann die Meßgenauigkeit des Mikrometers bei einer sich stark verändernden Temperatur aufrechterhalten werden, wodurch eine freiere Nutzung ermöglicht wird. Da der Rahmen weiterhin nicht aus einem Material mit einem extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt werden muß, kann das Mikrometer kostengünstig hergestellt werden.

Um bei dem oben erläuterten Aufbau den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Innenseite der U-förmigen Konfiguration kleiner zu machen als denjenigen der Außenseite, wird der Rahmen vorzugsweise wie folgt hergestellt.

Der Rahmen umfaßt vorzugsweise ein Außenglied, das an der Außenseite der U-förmigen Konfiguration angeordnet ist, und ein Innenglied, das mit der Innenfläche des Außengliedes verbunden ist, wobei das Innenglied aus einem Material hergestellt ist, das einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Außenglied.

Dementsprechend können das Außenglied und das Innenglied separat aus einem Material mit jeweils einem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten herstellt werden, zum Beispiel aus Gußeisen oder Aluminiumoxid-Keramik, die dann zum Beispiel durch ein Bonding miteinander verbunden werden. Das Mikrometer kann also kostengünstig hergestellt werden.

Ein anderes Glied mit einem dazwischen liegenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann zwischen das Außenglied und das Innenglied geschichtet werden, um eine Vielschichtstruktur mit mehr als zwei Schichten zu bilden.

Alternativ dazu kann der Rahmen aus einem Material hergestellt sein, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient von der Außenseite der U-förmigen Konfiguration zu der Innenseite derselben hin abnimmt. Dabei kann der Rahmen zum Beispiel aus einem Zirkoniumoxid und Nickel umfassenden Material hergestellt sein, deren Mischungsverhältnis graduell von der Außenseite der U-förmigen Konfiguration zu der Innenseite derselben hin variiert. Der thermische Ausdehnungsgrad kann sich kontinuierlich ändern oder stufenweise mit einer optionalen Phase geändert werden.

Dementsprechend ist keine Verbindung des Außengliedes mit dem Innenglied erforderlich, wodurch die Herstellung vereinfacht werden kann.

Bei dem oben genannten Aufbau ist die Spindel vorzugsweise aus einem Material hergestellt, dessen Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als derjenige des Rahmens, zum Beispiel aus Invar, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient ungefähr 1,2 × 10^-6/°C beträgt.

Dementsprechend kann ein durch das temperaturbedingte Dehnen und Kontrahieren der Spindel verursacht er Fehler verkleinert werden, so daß die Meßgenauigkeit besser über einen größeren Temperaturbereich aufrechterhalten werden kann, um die Nutzbarkeit zu verbessern.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei durchgehen gleiche Bezugszeichen für identische Teile verwendet werden, um die Beschreibung zu vereinfachen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht von vorne einer ersten Ausführungsform des Mikrometers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht von vorne einer zweiten Ausführungsform des Mikrometers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Ansicht von vorne eines herkömmlichen Mikrometers und

Fig. 4 einen Rahmen zum Erläutern eines Nachteils des herkömmlichen Mikrometers.

Fig. 1 zeigt ein Mikrometer in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform. Der Rahmen und die Spindel des Mikrometers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich von dem in Fig. 3 gezeigten Mikrometer.

Der Rahmen 1A mit einer U-förmigen Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform ist aus einem Material hergestellt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an der Innenseite der U-förmigen Konfiguration kleiner ist als an der Außenseite. Dabei ist der Rahmen 1A aus einem im wesentlichen U-förmigen Außenglied 11, das an der Außenseite der U-förmigen Konfiguration angeordnet ist, und aus einem im wesentlichen U-förmigen Innenglied 12 hergestellt, das mit der Innenoberfläche des Außengliedes 11 verbunden ist. Das Innenglied 12 ist aus einem Material hergestellt, das einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Außenglied 11.

Das Außenglied 11 verwendet ein besonderes Material wie zum Beispiel Gußeisen (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12×10^-6/°C). Das Innenglied 12 verwendet ein besonderes Material wie zum Beispiel Aluminiumoxid-Keramik 92 (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8×10^-6/°C).

Die Spindel 4A der vorliegenden Ausführungsform ist aus einem Material hergestellt, das einen extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als derjenige des Rahmens 1A, wie zum Beispiel aus Invar (mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1,2×10^-6/°C).

Da die Innenoberfläche des Außengliedes 11 mit dem Innenglied 12 verbunden ist, dessen Material einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Außenglied, wird das Innenglied 12 weniger kontrahiert als das Außenglied 11, wenn die Temperatur des Rahmens 1A unter zum Beispiel eine Standardtemperatur gesenkt wird. Dementsprechend kann die Verformung eines Endes des Rahmens 1A (auf der Seite des Ambosses 2) auf das andere Ende (auf der Seite der Spindel 4A) zu beschränkt werden.

Wenn dagegen die Temperatur der Rahmens 1A über die Standardtemperatur gehoben wird, wird das Innenglied 12 weniger gedehnt als das Außenglied 12, so daß die Verformung eines Endes des Rahmens 1A (auf der Seite des Ambosses 2) von dem anderen Ende (auf der Seite der Spindel 4A) weg beschränkt werden kann.

Dementsprechend kann der durch die Verformung des Rahmens 1A verursachte Fehler Δx' im Vergleich zu dem Fehler Δx eines herkömmlichen Mikrometers kleiner gemacht werden, so daß die Meßgenauigkeit bei stark variierenden Temperaturen erhalten werden kann, um die Nutzbarkeit zu verbessern. Das Material des Rahmens 1A muß nicht notwendigerweise einen extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, was eine kostengünstige Herstellung erlaubt.

Da die Spindel 4A weiterhin aus einem Material mit einem extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, kann der durch die temperaturbedingte Dehnung und Kontraktion verursachte Fehler ebenfalls vermindert werden, so daß Meßgenauigkeit bei stark variierenden Temperaturen aufrechterhalten werden kann, um die Nutzbarkeit zu verbessern.

Da das Innenglied 12 mit der Innenoberfläche des Außengliedes 11 verbunden wird, können das Außenglied 11 und das Innenglied 12 separat aus Materialien mit jeweils unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt werden (das Material für das Innenglied 12 weist einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als das Außenglied 11), wobei das Innenglied 12 mit Hilfe eines Klebstoffs mit der Innenoberfläche der U-förmigen Konfiguration des Außengliedes 11 verbunden werden kann. Mit anderen Worten werden das Außenglied 11 und das Innenglied 12 miteinander verbunden, was eine kostengünstige Herstellung erlaubt.

Fig. 2 zeigt ein Mikrometer in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform. Das Mikrometer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform weist einen Rahmen und eine Spindel auf, die sich von denjenigen des in Fig. 3 gezeigten Mikrometers unterscheiden.

Der Rahmen 1B der vorliegenden Ausführungsform ist aus einem Material hergestellt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient graduell von der Außenseite der U-förmigen Konfiguration zu der Innenseite derselben hin abnimmt. Mit anderen Worten nimmt der thermische Ausdehnungskoeffizient wie durch die Pfeile von Fig. 2 angegeben von der Außenseite der U-förmigen Konfiguration zu der Innenseite derselben hin ab. Zum Beispiel variiert das Mischungsverhältnis von Zirkoniumoxid und Nickel graduell von der Außenseite der U-förmigen Konfiguration zu der Innenseite derselben.

Übrigens ist die Spindel 4B der vorliegenden Ausführungsform mit der Spindel 4A der ersten Ausführungsform identisch.

Da der Rahmen 1B in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform aus einem Material hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient graduell von der Außenseite der U-förmigen Konfiguration zu der Innenseite derselben hin abnimmt, ist keine Verbindung des Außengliedes 11 und des Innengliedes 12 wie bei der ersten Ausführungsform erforderlich. Dementsprechend kann das Mikrometer einfach hergestellt werden, wobei alle mit Bezug auf die erste Ausführungsform genannten Vorteile realisiert werden können.

Die Verschiebung der Spindel 4 in den oben beschriebenen Ausführungsformen wird von der Skala 5 abgelesen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei einem Mikrometer angewendet werden, bei dem die Verschiebung der Spindel 4 durch Codierer wie etwa photoelektrische, elektrostatische oder magnetische Codierer festgestellt und für die digitale Anzeige verarbeitet wird.

Der Einstellmechanismus in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist nicht auf einen Schraubmechanismus beschränkt, sondern es kann jeder beliebige Mechanismus verwendet werden, solange die Spindel 4A und 4B relativ zum Amboß 2 nach vorne und nach hinten bewegt werden kann.

Claims

1. Mikrometer mit
einem Rahmen- (1A; 1B) mit einer U-förmigen Konfiguration
einem an einem Ende des Rahmens (1A; 1B) vorgesehenen Amboß (2), und
einer am anderen Ende des Rahmens (1A; 1B) vorgesehenen Spindel (4A; 4B), die relativ zum Amboß (2) nach vorne und nach hinten bewegt werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1A; 1B) aus einem Material hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an der Innenseite der U-förmigen Konfiguration kleiner ist als an der Außenseite derselben.

2. Mikrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1A) ein Außenglied (11), das an der Außenseite der U-förmigen Konfiguration angeordnet ist, sowie ein Innenglied (12) umfaßt, das mit der Innenfläche des Außengliedes (11) verbunden ist, wobei das Innenglied (12) aus einem Material hergestellt ist, das einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Außenglied (11).

3. Mikrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenglied (11) aus Gußeisen und das Innenglied (12) aus Aluminiumoxid-Keramik hergestellt ist.

4. Mikrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1B) aus einem Material hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient von der Außenseite der U-förmigen Konfiguration zu der Innenseite derselben hin abnimmt.

5. Mikrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1B) aus einem Material hergestellt ist, das Zirkoniumoxid und Nickel umfaßt, wobei das Mischungsverhältnis des Zirkoniumoxids und des Nickels graduell von der Außenseite der U-förmigen Konfiguration zu der Innenseite derselben hin variiert.

6. Mikrometer nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (4A; 4B) aus einem Material hergestellt ist, das einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Rahmens (1A; 1B)

7. Mikrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (4A; 4B) aus Invar hergestellt ist.