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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.
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Herkömmlicherweise
weist ein gewöhnliches Mikrometer
wie in
3 gezeigt einen U-förmigen Rahmen
1, einen
an einem Ende des Rahmens
1 vorgesehenen Amboß
2,
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.
Ein solcherart ausgebildetes Mikrometer ist z.B. aus der
CH 222 572 A bekannt.
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Das
Mikrometer ist idealerweise auf einem Stander 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.
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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.
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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 4 angegebene Konfiguration auf.
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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 Rahmen 1 in die durch die durchgezogene Linie in 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.
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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.
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Ein
dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 entsprechendes,
aus der
CH 222 572 A bekanntes Mikrometer
weist einen U-förmigen
Rahmen, einen an einem Ende des Rahmens vorgesehenen Amboß, einen
am anderen Ende des Rahmens vorgesehenen Einstellmechanismus sowie
eine Spindel, die relativ zum Amboß beweglich ist, auf. Die Amboßflächen des
Mikrometers bestehen aus einem harten keramischen Material, z.B.
aus einer Aluminiumoxid-Keramik.
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Das
Dokument
DE 698 28
352 T2 beschreibt ein Mikrometer, das einen U-förmigen Rahmen
aufweist, der aus einem Metall-Rahmenteil besteht, dessen Oberfläche mit
einem Harzmaterial überzogen ist.
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Aus
der
GB 1109 411 A ist
ein Mikrometer bekannt, das zum Messen vergleichsweise langer Werkstücke geeignet
ist. Das Mikrometer weist einen halbmondförmigen Rahmen auf, der durch
horizontal verlaufende Stützelemente
und vertikal verlaufende Seitenelemente gebildet ist, die einen
Hohlraum begrenzen, in denen eine zellenförmige Wabenstruktur aus einer
Aluminiumlegierung enthalten ist.
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Die
US 4 062 120 A offenbart
ein digitales elektronisches Mikrometer, das einen U-förmigen Rahmen
aufweist. Um zu vermeiden, daß der
Rahmen mit der Hand berührt
werden muß,
ist ein Handgriff vorgesehen, an dem der Rahmen befestigt ist und
der gleichzeitig eine Anzeige zum Anzeigen der Messwerte enthält. Der
Handgriff besteht aus zwei Gehäuseschalen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dementsprechend
ist keine Verbindung des Außengliedes
mit dem Innenglied erforderlich, wodurch die Herstellung vereinfacht
werden kann.
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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.
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Dementsprechend
kann ein durch das temperaturbedingte Dehnen und Kontrahieren der
Spindel verursachter Fehler verkleinert werden, so daß die Meßgenauigkeit
besser über
einen größeren Temperaturbereich
aufrechterhalten werden kann, um die Nutzbarkeit zu verbessern.
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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:
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1 eine
Ansicht von vorne einer ersten Ausführungsform des Mikrometers
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
Ansicht von vorne einer zweiten Ausführungsform des Mikrometers
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
Ansicht von vorne eines herkömmlichen
Mikrometers und
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4 einen
Rahmen zum Erläutern
eines Nachteils des herkömmlichen
Mikrometers.
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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 3 gezeigten
Mikrometer.
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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.
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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).
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 3 gezeigten Mikrometers unterscheiden.
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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 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.
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Übrigens
ist die Spindel 4B der vorliegenden Ausführungsform
mit der Spindel 4A der ersten Ausführungsform identisch.
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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.
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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.
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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.