DE7511201U

DE7511201U - PräzisionsmaBstab aus Metall

Info

Publication number: DE7511201U
Application number: DE7511201U
Authority: DE
Original assignee: GENEVOISE D'INSTRUMENTS DE Ste
Current assignee: GENEVOISE D'INSTRUMENTS DE Ste
Priority date: 1974-04-10
Publication date: 1975-08-14

Description

Patentanwalt" Erwin Zmyj

Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing.

8CO0 München 90 Grünwalder Straße 175a Telefon 646846

Societe Genevoise d'Instruments de Physique, CH-1200 Geneve, 8 rue de Vieux Grenadier

Präzisionsmaßstab aus Metall

Präzisionsmaßstäbe aus Metall umfassen Teilstriche in Form von Rillen, die dreidimensional sind, und zwar eine Länge, eine Breite und eine Tiefe aufweisen. Diese Tiefe des Teilstriches, die im allgemeinen eine Größenordnung von. 4 bis 8 lf-τα. für einen Strich beträgt, weist eine Breite von 6 bis 12 LLm. auf und stellt vom Gesichtspunkt der Verwendung her einen beträchtlichen Nachteil dar.

Tatsächlich hat der Schnitt einer Flanke des Striches mit der Oberfläche des Maßstabes keine scharfe Kante, sondern einen von Null abweichenden Radius. Dies ist unvermeidlich, da während des Gravierens des Striches Material über die Ränder des Striches hinausgeschoben wird und das Nachpolieren, das diese Materialanhäufung oder die Grate entfernt, auf diese Weise die Radien erzeugt. Außerdem, können die Radien für beide Kanten eines Striches und auch für die Kanten der verschiedenen Striche entlang des Maßstabes nicht gleich sein.

Deshalb sind die Breite eines Striches und besonders seine Lage durch die numerische Apertur des Objektivs, m*'.t dessen Hilfe der Strich anvisiert wird,

-2-

7511204

H. 08.75

wad durch die Neigung der Beleuchtung des Meßmiokroskopes in Bezug auf diie unterteilte Seite des Maßstabes beeinflußt.

Um diesen Nächteil zu vermeiden, ist es bekannt, die Striche durch einen metallischen Niederschlag auf einer Glas oberfläche herzustellen. Daher sind die hergestellten Striche praktisch zweidimensional, wobei ihre Dicke vernachlässigbar ist und im allgemeinen unterhalb eines /t_^m liegt.

Nichtsdestoweniger ist bei vielen Anwendungen und insbesondere bei Werkzeugmaschinen die Verwendung von Maßstäben aus Glas nachteilig, da sie sehr zerbrechlich und zeitlich weniger stabil als Metallmaßstäbe sind.

Andererseits ist es offensichtlich, daß Metallmaßstäbe nicht auf die gleiche Weise hergestellt werden können, da auf einer Metalloberfläche die durch Metallablagerung hergestellten Striche keinen ausreichenden Kontrast darstellen würden, um sie sichtbar zumachen.

Aufgabe der Erfindung; ist es, einen Präzisionsmaßstab aus Metall herzustellen, der die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist.

Dieser PrSzäsionsmaßstab aus Metall ist dadurch gekennzeichnet, daß seine Teilung parallele, schmale und wenig tiefe Strichelemente umfaßt, deren Breite und Tiefe so bemessen sind, daß sie im sichtbaren Licht eine Verschiebung nur um ihr Beugungsbild erfahren können_} bzw. nur durch ihr Beugungsbild erkennbar sind.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die beigefügte Zeichnung zeigt in schematischer Weise mehrere Ausfuhrungsbeispiele eines Präzisionsmaßstabes aus Metall gemäß der Erfindung. In der Zeichnung; zeigen:

ITig- 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes gemäß einer ersten Ausfühnmgsform; -

-3-

7511204

14.08.75

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes, der mit einem

Strichraster versehen ist;

Fig,. 3 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes, der nur Strichelemente als Teilung umfaßt;

Fig. 4 einen Teil eines Maßstabes, bei dem sich glatte Fläche mit solchen Flächen abwechseln, die aneinanderstoßende Stfichelemente umfassen; und

Fig. 6 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Herstellung des Maßstabes.

Der in Fig. 1 dargestellte" Maßstab umfaßt Teilstriche 1 mit äußerst geringer Tiefe, die praktisch zweidimensional sind und durch Nebeneinanderanordnung: von parallelen, schmalen Strichelementen 2 mit sehr geringer Tiefe gebildet sind, wobei diese Gruppen eine ausreichende Anzahl von Strichelementen aufweisen, um die Breite der Teilstriche 1 zu erhalten.

Daher kann ein Teilstrich irgendeine Anzahl, beispielsweise acht oder zehn, Strichelemente 2 Seite an Seite umfassen, wobei jedes Strichelement eine Breite in der Größenordnung von 1 Ztm und eine Tiefe aufweisen, die ungefähr zweimal geringer ist.

Diese Tiefe der Stricielemente befindet sich in der Größenordnung einer Wellenlänge des Lichts, insbesondere des zum Betrachten des Maßstabes mit einem fo^f oelektrischert Mikroskop verwendeten Lichts. Bei diesen Bedingungen entsteht bei der Gravur eines Strichelementes aufgrund der ge ringen Abmessung kein nachweisbarer Materialaufwurf oder feiner Grat, der ein Nachpolieren notwendig machen würde. Da dieses Nachpolieren vermieden ist, weisen die Ränder der Strichelemente einen Radius auf, der gleichsam Null ist, woraus sich ergibt, daß die Breite "es Teilstriches und seine Lage nicht mehr von der numerischen Apertur des Objektivs und der Achsneigung der SeleucMung abhängen. Außerdem -werden mit dem

-4-

7511204 H.08.75

Auflösungsvermögen der häufig verwendeten Objektive die Strichelemente für sich gesehen nicht wahrgenommen, sondern nur als eine Gesamtanordnung oder Gruppe, die einen nicht reflektierenden Teilstrich auf einem reflektierenden Hintergrund bildet.

Wenn man die Anzahl der Strichelemente pro TeilungsIntervall bis auf beispielsweise 992 oder 99Ο erhöht" und dabei zwischen ihnen eine unverritzte Fläche mit der Breite entsprechend 8 bis 10 Strichelementen läßt, so erhält man eine Teilung, die gebildet ist aus reflektierenden Strichen I¹ auf einem nicht reflektierenden Grund 2 (Fig. 5).

Es ist offensichtlich, daß die Entfernung, die die Achse von zwei Teilstrichen trennt, beliebig gewählt werden kann, um einen Maßstab entweder in Millimeter oder in Zoll oder in einer anderen Einheit zu erhalten.

Es sei bemerkt, daß der Kontrast dieses Metallmaßstabes der gleiche ist, wie er mit den bekannten Metallmaßstäben erhalten wird, bei denen die Striche die Form von Rillen aufweisen, jedoch war es möglich, die auf den Einfluß des Randes der Striche zurückzuführenden Fehler zu vermeiden.

An der oberen Grenze erhält man eine stetige Folge von Strichelementen auf der Oberfläche des Maßstabes, wenn zwei Teilstriche sich genügend nähern, und man erhält so ein Meßraster (Fig. 2).

An der unteren Grenze erhält man eine Teilung, gebildet durch extrem feine Striche, wenn pro Intervall nur ein einziges Strichelement vorhanden ist (Fig. 3).

Die Fig. 4 zeigt eine Aas führung s form, bei welcher Teile des Maßstabes mit nebeneinander liegenden Strichelementen versehen sind, die eine Länge aufweisen, weiche der Abmessung des Zwischenraumes zwischen zwei solcher Teile entspricht.

-5-

751120I

14.08.75

Es ist offensichtlich, daß der Maßstab jede beliebige £ orm aufweisen kanp._, jedoch ist er vorzugsweise so gestaltet, daß er besonders maßbeständig ist. Die "Wahl des verwendeten Metalles für die Herstellung dieses Maßstabes entspricht ebenfalls dem Kriterium der Maßbeständigkeit. ψ

Bei einer Variante können die Strichelenaente voneinander durch einen Abstand getrennt sein, der höchstens gleich ist der zweifachen Breite dieser Strichelemente.

Bei allen Ausführungsformen des Maßstabes weisen die Strichelemente eine Breite und elae Tiefe asf, die se ist, daß sie im sichtbaren Licht nur durch ihr Beugungsbild unterscheidbar bzw. erkennbar sind. Dies bedeutet, daß es nicht mehr möglich ist, davon eine Struktur zu erkennen, was die Messung nicht mehr beeinflussen kann.

Die Herstellung eines derartigen Maßstabes kann durch Brennen der Strichelemente mittels eines Laserstrahlblitzes durchgeführt werden.

Die Fig. 6 ist ein elektromechanisch-optisches Schaltbild und zeigt eine Vorrichtung, die die Herstellung des beschriebenen Maßstabes durch Einbrennen der Strichelemente mit Hilfe eines Hochleistungslasers gestattet.

Die Vorrichtung oder Maschine umfaßt ein Gestell 1, das mit Gleitführungen versehen ist, weiche einen bewegbaren Tisch 2 tragen, auf welchem der Maßstab 3 aufgelegt oder befestigt ist, bevor er mit der Teilung versehen ist. Dieser Tisch 2 ist mit Hilfe einer Schraube 4, die über ein Untersetzungsgetriebe 6 mit einem Motor 5 in Verbindung steht, stetig antreibbar.

Diese Vorrichtung umfaßt auch ein klassisches Interferometer, einen bewegbaren Spiegel 7, der durch einen Trieder (dreiseitige Pyramide) gebildet und durch den Tisch t getragen ist, einen anderen Triet' 8, gebildet dufch einen festen Spiegel, eine halbtransparente Trennplatte 9,

7511204 14.08.75

-ο-

eine Quelle 10 fua· monocirrosaatisciies Licht, beispielsweise gebildet durch, einen Helium-Neon-Laser, fotoelektrische Zellen 11, einen. Signalverstärker 12, eine Stromquelle 13 für die Quelle 10 des monochromatischen Lichtes, einen Sfcreifenzähler 14, einen Interpolator 15 sowie einen !Elektronenrechner 16, der programmiert sein kann und Steuerimpulse mit ausgewählten Intervallen, beispielsweise im metrischen System, interpoliert bis auf einen Bruchteil der "Wellenlänge, liefert.

Dieses Interferometer 7 bis 16 (welches beispielsweise eine durch Hewlett Packard, gelieferte Anordnung sein '-^"Ti) bewirkt die Auslösung der Impulse eines anderen Lasers, und zwar eines Impulslasers (beispielsweise ein Rubinlaser) mit hoher Leistung, der in bekannter Weise durch einen Laser 17 gebildet ist, welcher eine Blitzlampe, einen in der Zeichnung nicht dargestellten optischen Koppler mit Riabinstäbchen oder Neodymglas und einen optischen Resonator umfaßt.

Diese Vorrichtung umfaßt auch eine elektrische Energiequelle für den Laser 17 sowie ein elektronisches Kopplungselement 22, das die 31itze dieses Lasers durch ein durch den Rechner 16 geliefertes Steuersignal auszulösen gestattet.

Schließlich umfaßt die Vorrichtung auch eine optische Gruppe, die zwischen dem Hochleistungslaser 17 und dem Maßstab 3 vorgesehen ist, und eine Linse 19, beispielsweise eine Negativlinse, zur Vergrößerung des Strahles des Hochleistungslasers, eine Zylinderlinse 20, beispielsweise eine Konkavlinse, sowie eine Linse oder ein Objektiv 21 zum Sammeln bzw. Konzezitrieren des Strahles bzw. Bündels des Lasers 17 umfaßt.

Die Anordnung 20 und 21 bildet eine astigmatische Optik- Das Bild des Lichtpunktes erscheint nicht mehr als kleiner Kreis, sondern als ein kleiner Strich. Im Brennpunkt des Objektivs 21 itt der Airy'*che Fleck zu einem Strich geworden, dessen Breite gleich ist dem Durchm«*ser des

7511204 u.08.75

Airy* sehen Fleckes und dessen Lange entsprechend dem. Krummmigsradius der zylindrischen Linse 20 ausgewählt -werden kann.

Die Breite des Lächtstriches hängt von. der numerischen Apertur des Objektivs 21 ab, was dazu zwingt, diesem einen ausreichenden Durchmesser zu geben, -nm einen angemessenen frontalen Abstand zu. haben.

Die Zerstreuungslinse 19 gestattet es, daß die astigmatlsche Sammeloptik die numerische Appertur ausreichend ausleuchtet bzw. gestattet es, die astigmatische Sammeloptik .zu verwirklichen, um eine ausreichende numerisciiA A-.pertur zu erhalten.

Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende:

Der Metallmaßstab 3 mit einer ebenen und polierten. Oberfläche verschiebt sich gleichmäßig, das am Ende des Tisches vorgesehene Interferometer unterteilt die Verschiebung in regelmäßige Intervalle und löst bei jedem programmierten Intervall einen Blitz des Hochleistungslasers aus, der die Oberfläche des Maßstabes entlang eines kleinen Striches einbrennt, den man in seiner Breite kalibrieren kann. Die Gesamtheit dieser Striche bildet die Teilung, deren Regelmäßigkeit praktisch von der Verschiebegeschwinaigkeit des Tisches 2 unabhängig ist.

75112(X H08.75

Claims

-•8;-

P^ftaja

1. Präzisionsmaßstab aus Metall, dadurch, gekenn zeichnet, daß seine Teilung parallele, schmale und wenig tiefe Strichelemente umfaßt, der<an Breite und Tiefe so bemessen sind, daß sie im sichtbaren Licht eine Verschiebung nur urn. ihr Beugungsbild erfahren können, bzw. nur durch ihr Beugungsbild erkennbar sind.

2. Präzisionsmaßstab nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Striciielement (2) eine Breite zwischen 0, 5 up.d 1,5 jLCto. und eine Tiefe aufweist, die kleiner oder gleich 1,5 n,m ist.

3. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilungseinheit ein Strichelement aufweist.

4. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilungs einheit (1) oder jeder Teilungs strich eine Reihe von Strichelementen (2) aufweist, die parallel nebeneinander angeordnet sind.

5. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen deu Reihen von Strichelementen größer als die Breite dieser Reihen (1) von Strichelementen ist.

6. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Reihen von Strichelementen kleiner als die Breite der Reihen dieser Strichelemente ist,

-9-

7511204 14.08.75

. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Reihen der Strichelemente gleich ist der Ereile dieser Reihen von Strichelementan.

8. Prä'sisionsmaßstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeteilte Fläche des Maßstabes eine ununterbrochene Folge von Strichelementen aufweist.

9. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strichelemente aneinanderstoßen.

10. Präzisionsmaßstab nach. Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strichelemente durch einen Abstand getrennt sind, der höchstens der zweifachen Breite eines Strichelementes entspricht.