JP3787362B2 - 長さ又は角度測定装置用の帯状の弾性可撓テープメジャ - Google Patents

Description

本発明は測定目盛を備え、長さ又は角度測定装置用の帯状の弾性可撓テープメジャに関する。
前記したようなテープメジャは、工業分野において、例えば工作機械などで長さ又は角度測定のために使用される。その際には、それぞれ１つのテープメジャが、適切な方法で例えば工作機械の機械ベッドに又はその加工品取付テーブルに固定され、テープメジャの測定目盛が、他部品と適切に接続された測定ヘッドによって走査される。この場合にテープメジャの固定のために、テープメジャは適切な接着体を用いて直接に該当取付台に接着されるか、同様に接着によってテープメジャが固着されるスケール本体を介して該当取付台に固定される。
テープメジャが接着される場合には、長手方向力の加わらない押圧は決してあり得ないので、接着時の必要な押圧力によってであれ、接着剤の硬化もしくはエージングの際に生ずる内部応力によってであれ、あるいはテープメジャ及びスケール支持体すなわち取付台の異なる熱膨張率の結果としての熱応力によってであれ、テープメジャには機械的に起因した内部応力が不可避的に形成される。これらすべてのことから、測定に対して、そのような測定システムの精度に大きな悪影響を与える無視できない誤差の生ずることがある。他の誤差は、テープメジャにおいてねじれの生ずる場合にも生ずることがある。なぜならば、一般的に目盛を具備するテープメジャ表面の長さが、テープメジャのねじれる場合に変化するからである。ねじれによってテープメジャには、それぞれ中立粒子に対して相対的な局部位置に応じて局部的な引張応力及び圧縮応力が生ずる。これらの応力は、同様に長手方向誤差を引き起こす。この長手方向誤差は、中立粒子からの距離が大きくなるにつれて、すなわちテープメジャ厚みが増すにつれて増大する。したがって、誤差を最小限にするには、できる限り薄いテープメジャを使用することが望ましい。しかしながら、テープメジャ厚みが薄くなるにつれて、テープメジャの固有安定性が大きく低下する。その結果、接着工程の際に避けることのできないわずかな応力によって、すでにかなりの誤差が生ずる。そのためにこの観点では、厚い、すなわち固有安定性のあるテープメジャを使用することが望ましい。
「Ｆ＆Ｍ精密加工技術及び測定技術（F&M Feinwerktechnik und Messtechnik）」第８０巻、７号、３３３頁以下の記事では、錆びない鋼製スケール本体に溝が研削されており、この溝が、そこではめ込まれ測定目盛を備えた薄い鋼帯を収納するために用いられる。この接合を補助するために、鋼帯は、側方で組み合わされた支持本体と溶接点を介して接続されている。この方法においては、支持本体及びスケールが互いに別々に製作可能であり、したがってテープメジャは、任意長さでかつ低コストで生産可能である。しかしながら、その際に得られる測定システムの精度は限定されている。その理由は、薄い鋼帯の相対的にわずかな長手方向剛性、鋼帯の粗さ、接合層の不均等性及びスケール本体のねじれ時のスケール誤差が、もはや無視できない誤差を引き起こすからである。
ドイツ特許第２５０５５８７号にはスケールがシリコーンゴム接着層を介して金属支持体上に平らに固定されている測定装置が開示されている。安定本体上でのスケールのこの種の弾性固定においては、ここでもまたスケールの変形を引き起こす可能性のある依然として大きな無視できない強制力が作用する。なぜならば、接着層の弾性固着力は、特にスケールが相対的に薄い場合にはなお許容されないぐらい大きいことがあるからである。
例えば、ＰＣＴ−国際公開第ＷＯ１９／０２９１９号に記載されているような他種類の測定システムでは、自己接着式鋼帯スケールが、アプリケータを介して送り台の案内路に対して位置合わせされて機械ベッド又は本体に接着される。この公知の測定システムは、非常に組立に手数がかかるとともに、得られる測定システム精度は相対的に限定されている。なぜならば、テープメジャの固有安定性がかなりわずかであり、機械的応力又は応力差が非常にわずかであってもすでに相応の誤差が生ずるからである。このように接着されたテープメジャの線形誤差は、約４０μｍ／ｍまでに及ぶ。それによって、得られる精度は大きく制限され、場合によってスケール誤差は、校正測定によって、例えばレーザ干渉計を用いて電子的に補正が必要である。これは、追加の測定コストを意味するとともに、電子的補正装置を前提としている。
本発明の課題はわずかな厚みであってもテープメジャが十分な長手方向安定性を有するとともに組立時及び曲げ運動時に生ずる誤差が特にわずかであるようにして、冒頭に述べた種類のテープメジャをさらに改善することである。
これは、本発明によれば類概念のテープメジャにおいて、粘性中間膜を介して互いに固着する２つの弾性可撓条片からテープメジャが成っており、その一方上に測定目盛を具備することによって達成される。
本発明に従ったテープメジャにおいて、結合は粘性中間層の毛管作用によって行われ、それによって両条片は、機械的応力の発生に関して互いに大幅に切り離されている。互いに相対的な両条片の摺動速度の小さい場合には、両条片間にはなんら静止摩擦は生じないが、しかしながら両条片は、粘性中間膜の、つまり薄い粘性中間層の相対的に大きな毛管作用によって動かないよう一緒に保持され、全体として安定結合を形成する。この結合では、毛管作用によって粘性中間膜の流出も十分に阻止されている。両条片間で速い摺動速度が生じる場合には、粘性中間膜によって生成された粘性摩擦力が両条片間で大きく増加する。これによって、結合の長手方向でも大きな安定性が達成される。この種の結合によって、測定目盛を具備しない弾性可撓条片での発生応力は、測定目盛を具備する他の条片から切り離され、前者の結合変形部分が他方の条片に伝達されることはない。また長い曲げ運動の行われる場合でも、粘性的に互いに結合された条片を使用することで、測定目盛を具備する条片を特に薄く保持してしかも長手方向で結合した他方の条片との協動によって、測定目盛を具備する条片のみの長手方向剛性よりも明らかに大きい長手方向剛性を得ることができる。両条片の完全な応力切り離しによって、台上に固定される（かつ一般的には測定目盛を有していない）条片の温度に起因する長さ変化は、条片が固定されている機械部品の長さ変化と同様に、測定目盛を備えた条片には伝達されない；それによって、測定目盛を具備する条片の（したがってテープメジャの）熱膨張挙動を特に簡単に説明することができる。この条片は、固定台の熱膨張係数及び粘性中間膜に左右されないのである。粘性中間膜は、平らな皮膜及び非常にわずかな厚みによってなお両条片間の十分な温度平衡をも行うようにする。
本発明に従ったテープメジャの好適な形態は、測定目盛を具備しない条片自体が、粘性もしくは弾性の中間膜を介して互いに固着している２つの条片から成っていることである。これによって、測定目盛を備えた条片をなお薄く形成することができ、しかも個々の条片の応力切り離しが互いに非常に良好に行われる場合にテープメジャの十分な長手方向安定性を得ることができる。
粘性中間膜は、本発明によるテープメジャにおいてそれぞれ適した粘性手段から選択可能であるが、しかし有利にはシリコーン油から、しかも好適には厚み１μｍ乃至５μｍのシリコーン油から選択される。粘性中間膜に対する他の好適な手段は、シリコーングリースでもよい。特に非常に好適には、粘性中間膜の動的粘性は、３，０００乃至５０，０００mm²／sの範囲にある。明らかになったところによれば、より高い粘性の中間層を使用すると、個別条片間の応力平衡の継続時間が過度に長くなることがあり、またなお一層低い粘性の粘性媒体を使用すると、条片間で短時間に高い摺動力の生ずる場合に条片が互いに剥離する危険性がある。シリコーングリースと同様にシリコーン油は、個別条片のために好適に使用された金属帯に対する適合性及び長期間安定性に関しても特に良好に適していることが証明されている。
条片としては、研削又は研磨された表面を有する鋼帯が特に適していることが証明された。その際に両条片は、それぞれ厚み２５０μｍのばね鋼から成っているのが特に好適である。とりわけ好適なのは、目盛を備えた条片上に特に良好に反射する表面層がコーティングされることである。この表面層によって、光学的信号品質に重要なミクロ構造並びにこの条片の反射表面の特に高い良好な反射度が得られる。これは、鋼帯において直接に生成するのは技術的にやや面倒であり、それによってコスト高となる。したがって、目盛を備えた条片上にそのような一層良好に反射する特殊表面層をコーティングすることは、特に経済的である。
本発明に従ったテープメジャは、目盛を具備しない条片が、目盛を具備する条片よりも幅広であるように形成されるのが好適である。これによって、例えば機械ベッドに固定されるべき他方の条片の固定手段が、側方に張り出すこの縁領域に係合可能であるという利点が生ずる。
本発明に従ったテープメジャの他の好適な形態では、両条片が、互いに異なる熱膨張係数の材料から成っている。これによって熱応力の発生を顧慮して、機械ベッドなどに固定されるべき条片（固定条片）の機械ベッドに対する特に良好な適合が得られる一方で、目盛を具備する条片（目盛条片）が、まさにできる限りわずかな熱膨張を顧慮して設計可能である。その際に両条片間の粘性中間層は、両条片の結合が粘性中間層によって互いに有効であるにもかかわらず、両条片で異なる熱膨張発生が互いに切り離されて行われることのできるようにする。
本発明の他の好適な形態では、両条片が一箇所で、好適にはテープメジャの両端のうちの一方で又はテープメジャのほぼ中央で互いに固定接続されてもいる。これによる利点は、動作時に異なる荷重や異なる特性に基づいて両条片が様々な温度や応力に起因した長さ変化にさらされるような場合であっても、両条片の所定箇所の正確な組み合わせが互いにすべての動作条件のもとで保証されていることである。
本発明に従ったテープメジャは、角度測定装置を形成するためにも好適に使用される。この目的のために、テープメジャは、円筒状本体の外周の周りに配置されている。その際に好適には、目盛を具備しない条片が本体に当接しており、この条片が、さらに好適には摩擦拘束的に及び形状拘束的に、あるいはそのいずれかによって円筒状本体と接続されている。その際に、本体に固定され測定目盛を備えておらず他方の条片と粘性中間膜を介して接続された条片が、一種の補償帯として用いられる。そのような条片は、異なる厚みで一般的に多数市販されている。特に角度測定装置の直径が大きい場合には、テープメジャの周囲での所定区間数に対して必要とされるように正確に本体の必要直径を製作することは非常に困難でありかつ高コストである。例えば、本体の目標直径からの偏差が１０μｍに過ぎなくても、周囲偏差は３０μｍを超えることになるのである。したがってここで本発明は、本発明に従ったテープメジャの使用時に許容差のわずかな本体直径に対する高い要求が大幅に緩和できるという大きな利点を提供する；すなわち、本体の実際の直径及び補償帯の厚みが一緒になって、目盛を具備する条片の最適応力を生じさせるように、本体に固定される条片（補償帯）の厚みを選択するだけでよいのである。さらに、本体の表面に存在する表面粗さも、この表面に取り付けられる本発明に従ったテープメジャの条片（補償帯）によって殆ど完全に補償可能である。本体が特に良好な表面仕上げと正確な直径とをすでに備えている場合には、目盛を具備する条片を粘性中間層を介して直接に本体上に取り付けて本体と接続することもできる。この場合には、「補償帯」として有効な第２条片はもはや必要ない。公知の角度測定装置では、本体の周囲に巻かれたテープメジャの衝合箇所の調整時にテープメジャが緊張し、巻付け程度及びテープメジャと支持体との間の相対的に大きなすべり摩擦の結果として、わずかとはいえない引張応力が、テープメジャの周囲にわたって不均等に分布することがある。このような公知の角度測定装置とは違って、本発明に従ったテープメジャを使用する場合には粘性中間層の毛管作用によって、両条片に生ずる機械的応力の非常に大幅な切り離しが達成されるとともに、特に本体の周囲に配置された条片ではそこに生ずる変形部分が、目盛を具備する条片に伝達されることはない。
角度測定装置に対して本発明によるテープメジャを適用する場合に、測定目盛を具備しない条片は、好適には摩擦拘束的に及び形状拘束的に、あるいはそのいずれかによって本体と結合されるとともに、さらに好適には、測定目盛を具備する条片のための側方案内要素を有している。またさらに有利なのは、測定目盛を具備する条片が組立状態で引張応力を受ける場合であり、その際に好適には条片の両端が締付鎖錠具を用いて互いに接続されている。
本発明に従ったテープメジャの測定目盛を備えた条片は、好適には、本体の周囲にわたって完全には延在しておらず、この条片は、同様に好適には、本体と少なくとも一箇所で固定接続されている。
本発明に従ったテープメジャでは、個別帯すなわち条片に生ずる曲げ応力が、特に、測定目盛を具備する薄い条片において大幅に低減される。なぜならば、ゆっくりと進行する曲げ運動においては、個別帯での応力は互いに非常に大幅に切り離されて形成されるからである。すなわち、隣接した条片への粘性中間膜を介しての伝達は、全くといっていいほど行われず、生ずる曲げ応力は、また個別条片に対して選択可能である厚みがわずかなので非常に小さいままである。これによって、曲げの結果として生ずる長手方向誤差は、従来のテープメジャに比べて全体的に大きく低減されるとともに、殆どの測定課題に対して、また要求の高い測定課題に対しても無視できるほどに小さい。さらに粘性中間膜は、条片結合が、厚い帯体に比べてもなお振動緩衝されるように作用する。
次に図面を用い原理的に例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。
図１は下側条片が保持体上に接着されている本発明に従ったテープメジャを備えた測定装置の原理を示す断面図である。
図２は目盛を具備しない条片が取付台に固定されている本発明に従ったテープメジャを備えた測定装置の（長手方向に対して横方向の）断面図である。
図３は目盛を具備しない条片（固定帯）がベッド本体に固定されているとともに目盛を具備する条片のための側方案内要素が固定帯に取り付けられているテープメジャを備えた測定装置の（長手方向に対して横方向の）断面図である。
図４は本発明に従ったテープメジャを備えた角度測定装置の断面図である。
図５は本発明に従ったテープメジャを備え、円筒状本体の直径における製作偏差を有する角度測定装置の断面図である。
図１では、テープメジャ１を備えたアナログ測定装置を示している。このテープメジャは、直線測定目盛３を具備する上側配置の薄い条片２と、その下に配置された比較的厚い条片４とから成っており、条片２及び４は、シリコーン油から成る粘性中間膜５を介して互いに結合されている。測定目盛３を具備する条片２（以下「目盛担体」と称する）は、市販の研磨された特殊鋼、例えば高い表面仕上げ精度（０．０５μｍ未満の微小粗さ）を有する型式記号７Ｃ２７Ｍｏ２というサンドヴィック社（Sandvik）製の特殊鋼から成っている。下側配置の比較的厚い条片４（以下「固定帯」と称する）も、同じ材料及び同じ表面仕上げの市販特殊鋼から成っている。粘性中間膜５としては、例えばヴァッカー・ヘミー社（Wacker-Chemie GmbH）によって「ＡＫ１００００」の名称で提供されるような１０，０００mm²／sの動的粘性を有するシリコーン油が使用される。固定帯４の厚みは、選択実施例では３００μｍである。この固定帯４は、両面接着帯６を用いてベッド本体７（例えば、機械ベッド又は加工品取付テーブル）と固定接続されている。このためには、例えば「スコッチ両面接着フィルムNo.９４８５」という名称の３Ｍ社製の接着帯が使用される。
テープメジャ１の一端には（図１の左端には）、局部的に強固な接着結合体８を介して上側条片（目盛担体）２が固定帯４と固定接続されている。その際に接着結合体としては、例えばポリテク社（Polytech）のエポキシ接着剤型式３８０を使用してもよい。固定帯４とベッド本体７との強固な接着の結果、この接着点を介してこの測定システムの固定点が実現される。固定帯４を接着帯６と接着する場合には、不可避な長手方向力の結果として接着帯６にもまた固定帯４にも内部応力が生ずる。これらの内部応力は、図１の断面図の左側で両層のそれぞれにおいて互いに向かい合った矢によって示されている。これらの内部応力は、また長さ変化も引き起こす。しかしながらこれらの長さ変化は、粘性中間膜５によっては伝達されないので、測定目盛を具備する目盛担体２（上側条片）は、固定帯４上においていわゆる「応力減結合」で固定されている。
上側条片（目盛担体）２は、厚み２００μｍかつ幅１０mmの特殊鋼帯から成っており、走査目盛３の高い目盛精度、すなわち１μｍ／ｍを有し、この応力減結合固定によって１μｍ／ｍ未満の測定長さ精度で測定可能である。例えば機械的又は熱的変形のようなベッド本体７の他の変形も、下側条片４（固定帯）までに限って伝達されるに過ぎず、一方で測定目盛３を備えた上側条片２には、全く応力が加わらないままである。
図１に示すように、テープメジャ１の上方にはなお測定ヘッド９が配置されている。この測定ヘッドは図示の矢方向で両側に走行自在であり、この測定ヘッドを用い測定方向に沿ってテープメジャ１の測定目盛３の走査を行うことができる（測定ヘッド９の図は、わかりやすくするために純粋に概略的にのみ表わされている）。
図２及び図３では、概略的に測定装置の他の２つの断面（長手方向に対して横方向）が図示されている。ここでは同様に測定目盛（走査目盛）３を具備する目盛担体２が、粘性中間膜５を介して下側条片（固定帯）４と接続されている。また一方で下側条片はベッド本体７に固定されている。その際に、図２に示した装置では、固定帯４の長手縁部に沿って側方緊張要素１０が取り付けられており、この緊張要素によって固定帯４がベッド本体７上に固定されている。その際にこの側方緊張要素は、互いに向かい合ったその側縁部によって固定帯４を固定接続するとともに、同時になお目盛３を具備する上側条片２の側方位置合わせも行うように形成されている。その場合に固定帯４は、測定目盛３を具備する上側条片２よりも幅広であるように形成されている。したがって側方緊張要素１０の締付作用は、目盛担体２を越えて張り出す固定帯４の側方領域で行われ、固定帯がそこで上方からベッド本体７に対して締付され得る。
図３に従った装置が図２の装置と異なる点は、ここでもまた同様に側方で張り出した固定帯４が、接着体６（例えば、両面接着帯などの形で）を用いてベッド本体７上に強固に固定されており、一方で測定目盛３を具備する上側条片２の幅を越えて側方に配置された固定帯の上側領域には、目盛担体２の側方案内のためのガイド要素１１が接着されていることである。
双方の例において、測定ヘッド９は、ここでもまた測定目盛３を走査するために装置の長手方向において目盛担体２の上方で摺動自在である。
図４は、図５と同様に、好適にはドラム状本体から成る直径Ｄの円筒状本体１２を有する角度測定装置の横断面を示している。
本体１２の円筒状外胴の周りには、２つの条片２及び４から成るテープメジャが配置され、このテープメジャが、本体１２の外周に張られる。その際には、固定帯４の端部間及び目盛担体２の端部間にそれぞれ１つの小さな長手方向間隙１３及び１４が生ずるような場合であっても、目盛帯は、締付鎖錠具（図示せず）を用いて衝合箇所でも所望の走査区間が設定されているようにして張られる。
図５に示した実施例では、ドラム状本体１２の外径が、直径の公称値からの製作偏差Ｘがあることによって、図４の例における外径よりもやや小さい。これを補償するために、本体１２の外周の周りに巻かれたテープメジャに対して、図４に従った構造におけるよりも固定帯４の厚みがやや大きいテープメジャが用いられ、しかも固定帯は、製作に起因した直径偏差がまさに補償される分だけ大きくされている。そのほかの点では、図５の図示における関係は、図４におけるのと同様である。同じことは、逆の方向でも当てはまるであろう。すなわちそれは、製作時の直径偏差に関して、最終的に得られた直径が所望の公称直径よりもやや大きいような場合である。この場合には、この直径偏差を補償するためそれに応じて一層厚みの薄い固定帯４を使用する必要があろう。

Claims (21)

1. 測定目盛（３）を具備する、長さ又は角度測定装置用の帯状の弾性可撓テープメジャ（１）において、該テープメジャ（１）が、粘性中間膜（５）を介して互いに固着する２つの弾性可撓条片（２，４）からなり、該可撓条片（２，４）のうちの一方の可撓条片（２）上に前記測定目盛（３）を設けたことを特徴とするテープメジャ。
2. 前記測定目盛（３）を具備しない他方の可撓条片（４）が、粘性又は弾性の中間膜を介して互いに固着する２つの帯状体からなることを特徴とする請求項１に記載のテープメジャ。
3. 前記粘性中間膜（５）がシリコーンオイルからなることを特徴とする請求項１又は２に記載のテープメジャ。
4. 前記粘性中間膜（５）が１μｍ乃至５μｍの厚みを有することを特徴とする請求項３に記載のテープメジャ。
5. 前記粘性中間膜（５）がシリコーングリースから成っていることを特徴とする請求項１又は２に記載のテープメジャ。
6. 前記中間膜（５）の粘性が、３０００乃至５００００mm²/sの範囲にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のテープメジャ。
7. 前記測定目盛（３）を具備しない前記可撓条片（４）が測定目盛（３）を具備する一方の可撓条片（２）よりも幅広であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のテープメジャ。
8. 前記可撓条片（２、４）が研削又は研磨された表面の鋼帯からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のテープメジャ。
9. 前記両条片（２、４）が、それぞれ厚み２５０μｍのばね鋼からなることを特徴とする請求項８に記載のテープメジャ。
10. 前記測定目盛（３）を具備する前記鋼帯（２）の表面に表面層がコーティングされており、該表面層が鋼帯（２）の表面よりも良好な反射特性を有していることを特徴とする請求項８又は９に記載のテープメジャ。
11. 前記両可撓条片（２、４）が互いに異なる熱膨張率の材料からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のテープメジャ。
12. 前記両可撓条片（２、４）が、一箇所（８）で互いに固定接続されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のテープメジャ。
13. 固定接続の前記箇所（８）が、テープメジャ（１）の両端の一方に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のテープメジャ。
14. 固定接続の前記箇所（８）が、テープメジャ（１）のほぼ中央に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のテープメジャ。
15. 角度測定装置を形成するためにテープメジャが円筒状本体（１２）の外周の周りに配置されており、前記測定目盛（３）を具備しない前記条片（４）が本体（１２）に当接することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のテープメジャ。
16. 前記測定目盛（３）を具備しない前記可撓条片（４）が、摩擦拘束的に及び形状拘束的に、あるいはそのいずれかによって前記本体（１２）と接続されていることを特徴とする請求項１５に記載のテープメジャ。
17. 前記測定目盛（３）を具備しない前記可撓条片（４）が、前記測定目盛（３）を具備する前記条片（２）に対する側方案内要素（１０；１１）を有していることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載のテープメジャ。
18. 前記測定目盛（３）を具備する前記可撓条片（２）が組立状態で引張応力を受けていることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のテープメジャ。
19. 前記測定目盛（３）を具備する前記可撓条片（２）の両端が、締付鎖錠具を用いて互いに接続されていることを特徴とする請求項１８に記載のテープメジャ。
20. 前記測定目盛（３）を具備する前記可撓条片（２）が、前記本体（１２）の周囲にわたって完全には延在していないことを特徴とする請求項１５〜１９のいずれか１項に記載のテープメジャ。
21. 前記測定目盛（３）を具備する前記可撓条片（２）が前記本体（１２）と少なくとも一箇所で固定接続されていることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれか１項に記載のテープメジャ。

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