DE69720626T2

DE69720626T2 - Kapazitive Wegmesseinrichtung

Info

Publication number: DE69720626T2
Application number: DE69720626T
Authority: DE
Inventors: Masamichi Suzuki; Seigo Takahashi
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2017-09-18
Also published as: JP3256443B2; DE69720626D1; CN1187616A; US5920198A; IN190369B; JPH1089910A; EP0831300B1; EP0831300A2; CN1092788C; EP0831300A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Wegmeßeinrichtung, die für eine kleine Meßeinrichtung, z. B. ein elektrisches Mikrometer, ein Innendurchmesser- Meßgerät und ein Winkelmeßgerät geeignet ist.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 716 290 A2 ist ein "zylindrischer Wegsensor" bekannt, bei dem es sich um ein elektronisches Wegmeßgerät handelt. Dieses Gerät wird nachstehend anhand der Fig. 10 und 11 erläutert.
Fig. 10(A) ist eine perspektivische Einzelteilansicht eines Ständers (Stators) in Form eines halbzylindrisches Körpers 111 und eines Läufers (Rotors) in Form eines zylindrischen Körpers 112, während Fig. 10(B) deren Seitenansicht darstellt. Die Fig. 10(C) und 10(D) stellen abgewickelte Ansichten des halbzylindrischen Körpers 111 und des zylindrischen Körpers 112 dar. Der halbzylindrische Körper 111 ist ortsfest, während der zylindrische Körper 112 um die Achse des halbzylindrischen Körpers 111 im Abstand eines vorbestimmten Spaltes (0,1 bis 0,2 mm) gedreht werden kann.
Nach Fig. 10(C) sind eine Sendeelektrodengruppe 113 und eine gegenüber der Sendeelektrodengruppe 113 isolierte Empfangselektrode 114 auf der inneren Umfangsfläche des halbzylindrischen Körpers 111 ausgebildet. Bei diesem Beispiel erstrecken sich die Elektroden der Sendeelektrodengruppe 113 von einem Ende des halbzylindrischen Körpers 111 aus über eine vorbestimmte Länge dicht nebeneinander in axialer Richtung und mit gleicher Teilung parallel zur Achse, wobei acht Elektroden eine Einheit bilden. Jeder Elektrode dieser Sendeelektrodengruppe 113 wird ein Wechselstrom aufgedrückt, wobei die Wechselströme jeweils eine Phasenverschiebung von 45º zueinander haben. Die Empfangselektrode 114 ist am anderen Ende der inneren Umfangsfläche des halbzylindrischen Körpers 111 in Form eines halbringförmigen Bandes in Umfangsrichtung angeordnet.
Die Sendeelektrodengruppe 113 und die Empfangselektrode 114 sind auf einem FPC-Substrat 117 ausgebildet, das hier gestrichelt dargestellt ist. Zusammen mit den Elektroden sind deren Zuleitungen 115, 116 auf dem FPC- Substrat ausgebildet und auf der inneren Umfangsfläche des halbzylindrischen Körpers 111 aufgebracht. Die Zuleitungen sind an beiden Enden des halbzylindrischen Körpers 111 herausgeführt.
Nach Fig. 10(D) sind eine Kopplungselektrode 118 und eine Erdungselektrode 119 jeweils auf einer äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Körpers 112 angeordnet. Zwei Kopplungselektroden 118 sind mit gleicher Teilung wie die Breite von acht Elektroden der Sendeelektrodengruppe 13 in Umfangsrichtung ausgebildet, so daß sie vier Elektroden der Sendeelektrodengruppe 113 auf dem halbzylindrischen Körper 111 und gleichzeitig der Empfangselektrode 114 zugekehrt sind, so daß eine kapazitive Kopplung zwischen diesen Elektroden auftritt. Die Kopplungselektrode 118 dient dem Empfang eines Signals, das durch kapazitive Kopplung zwischen der Sendeelektrodengruppe 113 und der Kopplungselektrode 118 übertragen wird, und zum Übertragen des Signals auf die Empfangselektrode 114 durch kapazitive Kopplung. Diese Elektroden sind auf dem FPC-Substrat der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Körpers 112 ausgebildet. Die Erdungselektrode 119 könnte auch entfallen.
Bei diesem Aufbau kann bei einer Drehung des zylindrischen Körpers 112 in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung in Fig. 10(A) der Betrag eines Weges des zylindrischen Körpers 112 relativ zum halbzylindrischen Körper 111 gemessen werden, indem die Phasenlage des durch die kapazitive Kopplung zwischen der Sendeelektrodengruppe 113 und der Kopplungselektrode 118 übertragenen Empfangssignals nach der relativen Drehbewegung gemessen wird. Da die Sendeelektrodengruppe 113 in acht Elektroden aufgeteilt ist und jede in einer anderen Phasenlage von 45º aktiviert wird, kann der Rotationsweg mit der gleichen Genauigkeit gemessen werden, mit der die Teilung der Kopplungselektrode 118 in acht unterteilt ist.
Fig. 11 zeigt vereinfacht den generellen Aufbau einer Meßschaltung 120, die den in Fig. 10 dargestellten Wegsensor aktiviert und Signale verarbeitet. Die Meßschaltung 120 enthält einen Oszillator 121, der vorbestimmte Taktimpulse abgibt, und einen Impulsmodulator 112, der jeder Elektrode der Sendeelektrodengruppe 113 achtphasige Wechselsignale aufdrückt, die jeweils um 45º phasenverschoben sind. Das Ausgangssignal der Empfangselektrode 114 wird einem Phasenvergleicher 124 über einen Integrator 123 zugeführt. Der Phasenvergleicher 124 vergleicht die Phasenlage des Eingangssignals mit einer Bezugsphasenlage und mißt den Betrag des Drehwegs als Phasennacheilung des Eingangssingals relativ zu der Bezugsphase und führt das Meßsignal einem Zähler 125 zu. Der Zähler 125 zählt die vom Oszillator 121 abgegebenen Taktimpulse und zeigt den Betrag des Drehweges auf einem Indikator 126 digital an.
Um eine hinreichende Meßgenauigkeit bei dem erwähnten zylindrischen Wegsensor zu erreichen, ist eine genaue Konzentrizität (Koaxialität) zwischen Halbzylinderkörper 111 als Ständer und Zylinderkörper 112 als Läufer erforderlich. Insbesondere muß ein Spalt zwischen dem Ständer und dem Läufer in Umfangsrichtung fest eingehalten werden. Bei der Herstellung eines zylindrischen Wegsensors mit kleinen Abmessungen ist es jedoch sehr schwierig, eine sehr genaue Konzentrizität zwischen Ständer und Läufer zu erreichen.
Es läßt sich jedoch auch dann eine hohe Meßgenauigkeit erreichen, wenn die Konzentrizität zwischen Ständer und Läufer gering ist und zwei Einheiten von Meßelektroden in Umfangsrichtung angeordnet und aus den Ausgangssignalen dieser Einheiten ein Mittelwert gebildet wird, so daß der Einfluß einer geringen Konzentrizität ausgeschaltet wird. Es müssen jedoch zwei Elektrodeneinheiten in Umfangsrichtung angeordnet werden, um durch eine geringe Konzentrizität auftretende Probleme zu vermeiden. Dadurch wird die Produktionseffizienz verringert, weil der Verdrahtungsaufwand zwischen den Sensoren und äußeren elektrischen Schaltungen größer wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das herkömmliche Problem zu lösen und eine kapazitive Wegmeßeinrichtung anzugeben, bei der eine hohen Konzentrizität zwischen Ständer und Läufer mit einem einfachen Aufbau erreichbar ist.
Erfindungsgemäß ist eine kapazitive Wegmeßeinrichtung mit einem drehbaren Läufer, der eine kreisförmige äußere Umfangsfläche aufweist, und einem Ständer, der eine halbzylindrische innere Umfangsfläche aufweist, die im Abstand eines vorbestimmten Spalts gegenüber der äußeren Umfangsfläche des Läufers angeordnet ist, wobei
die innere Umfangsfläche des Ständers mit einer Sendeelektrodengruppe aus einer Vielzahl von Elektroden, denen jeweils phasenverschobene Wechselsignale aufgedrückt werden, und einer Empfangselektrode, die gegenüber der Sendeelektrodengruppe isoliert ist und deren Empfangssignale in eine Meßschaltung eingegeben werden, versehen ist
und die äußere Umfangsfläche des Läufers mit einer Kopplungselektrode versehen ist, um eine kapazitive Kopplung mit einer Vielzahl der Elektroden der Sendeelektrodengruppe zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Stufenteil auf der äußeren Umfangsfläche des Läufers oder der inneren Umfangsfläche des Ständers vorgesehen ist, um einen vorbestimmten Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Läufers und des Stators einzuhalten,
und ein Belastungsmittel, um den Ständer zum Läufer hin zu belastenen, so daß der Läufer oder der Ständer an dem Stufenteil anliegt, vorgesehen sind.
Bei diesem Aufbau ist die Konzentrizität zwischen Ständer und Läufer durch einen einfachen Aufbau erreichbar, d. h. allein dadurch, daß ein Stufenteil mit einer Höhe entsprechend dem Spalt zwischen Läufer und Ständer auf der äußeren Umfangsfläche des Läufers oder der inneren Umfangsfläche des Ständers und ein Belastungsmittel, um den Ständer zum Läufer hin zu belasten, so daß der Läufer oder der Ständer am Stufenteil anliegt, vorgesehen sind. Daher kann der Spalt zwischen dem Ständer und dem Läufer in Umfangsrichtung auf einem konstanten Wert gehalten werden, so daß sich eine sehr genaue kapazitive Wegmeßeinrichtung ergibt.
Ferner besteht die Erfindung in einer kapazitiven Wegmeßeinrichtung mit einem drehbaren Läufer, der eine kreisförmige äußere Umfangsfläche aufweist, und einem Ständer, der eine halbzylindrische innere Umfangsfläche aufweist, die im Abstand eines vorbestimmten Spalts gegenüber der äußeren Umfangsfläche des Läufers angeordnet ist, wobei
die innere Umfangsfläche des Ständers mit einer Sendeelektrodengruppe aus einer Vielzahl von Elektroden, denen jeweils phasenverschobene Wechselsignale aufgedrückt werden, und einer Empfangselektrode, die gegenüber der Sendeelektrodengruppe isoliert ist und deren Empfangssignale in eine Meßschaltung eingegeben werden, versehen ist
und die äußere Umfangsfläche des Läufers mit einer Kopplungselektrode versehen ist, um eine kapazitive Kopplung mit einer Vielzahl der Elektroden der Sendeelektrodengruppe zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der äußeren Umfangsflächen des Läufers ein Stufenteil vorgesehen ist, um einen vorbestimmten Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Läufers und des Ständers einzuhalten, wobei ein Anschlagteil an beiden Enden der äußeren Umfangsflächen des Läufers vorgesehen ist, der an beiden Endflächen des Ständers in Axialrichtung anliegt, und daß ein Belastungsmittel vorgesehen ist, um den Ständer zum Läufer hin zu belasten, so daß der Läufer und der Ständer am Stufenteil anliegen.
Bei diesem Aufbau kann der Spalt zwischen dem Ständer und dem Läufer eingehalten werden, wobei der Läufer und der Ständer in einer festen Position in Axialrichtung gesichert sind, weil der Stufenteil mit einer Höhe, die dem Spalt auf der äußeren Umfangsfläche des Läufers entspricht, ausgebildet ist und ein Anschlagteil an beiden Endflächen des Läufers in Axialrichtung anliegt. Durch Messen der Drehungen einer Spindel mittels eines Ständers und eines Läufers in einem elektrischen Mikrometer, bei dem sich die Spindel durch das Drehen in Axialrichtung verschiebt, läßt sich mithin ein sehr genaues elektrisches Mikrometer erzielen, weil sichergestellt ist, daß die Lage von Läufer und Ständer in Axialrichtung fest eingehalten wird.
Erfindungsgemäß können der Stufenteil und der Anschlagteil entweder vorspringend an beiden Enden des Läufers in einer Einheit oder auf Endstücken ausgebildet sein, die als separate Körper hergestellt und jeweils an einem der beiden Enden des Läufers fest angebracht sind. Auf diese Weise lassen sich der Stufenteil und die Anschlagteile auf einfache Weise herstellen.
In obigem Fall können durch Ausbildung von Anlage- oder Eingreifmitteln zum Anlegen oder Eingreifen an oder in einem Läufer als Gegenstand einer Wegmessung an wenigstens einem der Endstücke der rotierende Körper und die Endstücke, nämlich der Läufer, durch die Anlage- oder Eingriffmittel erfaßt und der Läufer mit der Drehung des sich drehenden Körpers gedreht werden.
Vorzugsweise besteht das Belastungsmittel aus einer Blattfeder, deren eines Ende befestigt ist und deren anderes Ende am Ständer anliegt, um den Ständer in einer Richtung senkrecht zur Drehachse des Läufers zu belasten. Ferner ist die Blattfeder vorzugsweise mit einem gekrümmten Teil zwischen dem festen Ende und dem anderen Ende versehen, das in einer zweiten Richtung senkrecht zur Drehachse des Läufers und auch senkrecht zur ersten Richtung bewegbar ist.
Der Ständer kann in der ersten und zweiten zur Axialrichtung des Läufers und auch zueinander senkrechten Richtung durch nur eine Blattfeder belastet werden, so daß die Anzahl der Teile verringert wird.
In diesem Fall kann das Belastungsmittel durch eine einzige Blattfeder gebildet sein, vorzugsweise ist das Belastungsmittel jedoch durch zwei Blattfedern an beiden Enden des Ständers ausgebildet, um beide Enden des Ständers in der ersten Richtung senkrecht zur Drehachse zu belasten. Die beiden Blattfedern können an ihren feststehenden Enden miteinander verbunden sein.
Vorzugsweise ist am Ständer ein Vorsprung, an dem das andere Ende der Blattfeder anliegt, und in jeder der Blattfedern ein Eingriffloch, mit dem der Vorsprung in Eingriff steht, vorgesehen. Mithin ist die Drehung des Ständers, trotz der auf ihn einwirkenden Drehkraft, die durch die Rotationsreibung in Folge der Drehung des Läufers bewirkt wird, durch den Vorsprung des Ständers und das Eingriffsloch in der Blattfeder begrenzt, so daß der Ständer in seiner festen Lage gesichert ist, auch wenn sich der Läufer dreht.
Ferner wird die erfindungsgemäße kapazitive Wegmeßeinrichtung auch benutzt für ein Mikrometer mit einem Hauptkörper, der an einem Ende einen Gegenzapfen aufweist, mit einer Spindel, die mit dem anderen Ende des Hauptkörpers verschraubt ist, so daß sie durch eine Schraubdrehung verschiebbar ist, um einen Weg der Spindel in Axialrichtung zu messen, wobei die Spindel mit einem drehbaren Läufer versehen ist, der eine kreisförmige äußere Umfangsfläche aufweist, und der Hauptkörper mit einem Ständer versehen ist, der eine halbzylindrische innere Umfangsfläche aufweist, die im Abstand eines vorbestimmten Spalts von der äußeren Umfangsfläche des Läufers angeordnet ist, die innere Umfangsfläche des Läufers mit einer Sendeelektrodengruppe aus mehreren Elektroden versehen ist, denen jeweils Wechselsignale mit verschiedenen relativen Phasenlagen aufgedrückt werden, und eine Empfangselektrode aufweist, die gegenüber den Sendeelektroden isoliert ist, wobei das Empfangssignal in die Meßeinschaltung eingegeben wird, die äußere Umfangsfläche des Läufers mit Koppelelektroden versehen ist, um sie mit einer Vielzahl von Elektroden der Sendeelektrodengruppe kapazitiv zu koppeln, ist gekennzeichnet durch ein Stufenteil an der äußeren Umfangsfläche des Läufers an beiden Enden, um einen vorbestimmten Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Läufers und des Ständers einzuhalten, und zwar durch einen Anschlagteil, der anderen äußeren Umfangsfläche des Läufers vorgesehen ist und an beiden Endflächen des Läufers in Axialrichtung anliegt, sowie durch ein Belastungsmittel, um den Ständer gegen den Läufer zu belasten, so daß der Läufer und der Ständer am Stufenteil anliegen.
Bei diesem Aufbau wird die Spindel beim Abmessen eines zu messenden Objekts durch Schraubdrehung in axialer Richtung relativ zum Hauptkörper verschoben. Dabei wird der Läufer mit der Drehung der Spindel gedreht. Gleichzeitig wird der Läufer, weil der Stufenteil, dessen Höhe dem Spalt zwischen Läufer und Ständer entspricht, und der Anschlagteil, der an beiden Endflächen des Ständers in Axialrichtung anliegt, auf der äußeren Umfangsfläche des Läufers ausgebildet sind, ohne Verschiebung in Axialrichtung der Spindel gedreht, wobei er - mit anderen Worten - eine feste Lage relativ zum Ständer in Axialrichtung der Spindel beibehält und ein konstanter Spalt zwischen Ständer und Läufer durch den Stufenteil eingehalten wird. Daher kann der Spalt zwischen Ständer und Läufer in Umfangsrichtung auf einem festen Wert gehalten werden, so daß eine feste Lage von Läufer und Ständer in Axialrichtung sichergestellt ist und sich ein Mikrometer mit hoher Meßgenauigkeit ergibt.
Erfindungsgemäß sind der Stufenteil und der Anschlagteil vorzugsweise auf Endstücken ausgebildet, die an beiden Enden des Läufers angebracht und befestigt sind, und die Endstücke mit einem durchgehenden Loch versehen, durch die ein distaler Teil einer Blattfeder hindurchgreift und mit einer Nut in Eingriff steht, die sich auf der Spindel in Axialrichtung erstreckt, wobei das Basisende der Blattfeder am Endstück befestigt ist.
Wenn die Spindel daher relativ zum Hauptkörper gedreht wird und sich in Axialrichtung verschiebt, kann die Drehung der Spindel über die in die Nut auf der Spindel eingreifende Blattfeder übertragen werden, während der Läufer und der Ständer in einer festen Lage in Axialrichtung gesichert sind, weil die Nut der Spindel sich relativ zur Blattfeder, im Hinblick auf die Verschiebung der Spindel in Axialrichtung, verschiebt. D. h. die Spindel kann sich in Axialrichtung verschieben, ohne den Läufer zu verschieben, so daß nur die Drehung der Spindel auf den Läufer übertragen werden kann.
In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Wegmeßeinrichtung,
Fig. 2 eine fragmentartige vergrößerte Ansicht eines fingerhutartigen Betätigungsteils des zuvor erwähnten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 den Schnitt 53-53 der Fig. 2,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Ratscheneinrichtung des zuvor erwähnten Ausführungsbeispiels in zerlegtem Zustand,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Wegsensorteils des zuvor erwähnten Ausführungsbeispiels in zerlegtem Zustand,
Fig. 6 eine Schnittansicht des zylindrischen Wegsensorteils des zuvor erwähnten Ausführungsbeispiels,
Fig. 7 den Schnitt S7-S7 der Fig. 6,
Fig. 8 den Schnitt S8-S8 der Fig. 6,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Belastungsmittels (Blattfeder) des zuvor erwähnten Ausführungsbeispiels,
Fig. 10 den Aufbau eines herkömmlichen Wegsensors,
Fig. 11 ein Schaltbild einer Meßschaltung eines herkömmlichen zylindrischen Wegsensors.
Nachstehend wird anhand der beiliegenden Zeichnungen das bevorzugte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen kapazitiven Wegmeßeinrichtung, angewandt bei einem elektrischen Mikrometer, beschrieben.
Fig. 1 stellt ein erfindungsgemäßes elektrisches Mikrometer dar. Nach der Zeichnung ist ein Gestell 11 - als weitgehend U-förmiger Hauptkörper - mit einem Gegenzapfen 12, der an der Innenseite eines der Enden des Gestells befestigt ist, und einer Spindel 13 versehen, die in das andere Ende geschraubt und in Axialrichtung relativ zum Gegenzapfen 12 hin und her verschiebbar ist. Mit 14 ist ein Digital-Anzeiger, der den Weg bzw. die Verschiebung der Spindel 13 digital anzeigt, mit 15 ein Schalter zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung und mit 16 ein Schalter zum Zurücksetzen auf Null bezeichnet.
In dem anderen Ende des Gestells 11 ist eine Lagerbohrung 21 ausgebildet, und eine Hülse 22 ist gegen eine Außenseite des anderen Endes geschraubt. In dem anderen Ende der Hülse 22 ist eine Mutter 23 im Preßsitz befestigt. In die Mutter 23 ist die Spindel 13 eingeschraubt.
Die Spindel 13 hat einen Schaft 13A, der in der Lagerbohrung 21 verschiebbar gelagert ist, und einen Gewindeabschnitt 13B mit einem etwas größeren Durchmesser als der Schaft 13A, wobei der Gewindeabschnitt in die Mutter 23 eingeschraubt ist. Von etwa der Hälfte des Schaftes 13A aus erstreckt sich eine V-förmige Nut 13C über die gesamte Länge des Gewindeabschnitts 13B.
Auf dem äußeren Umfang der Hülse 22 ist ein fingerhutförmiges Betätigungsteil 31 mit einem Bund 31A an seinem einen Ende um eine Achse der Spindel 13 drehbar gelagert und eine Überwurfmutter 32 aufgeschraubt, so daß sie den Bund 31A von außen abdeckt, um das Betätigungsteil 31 gegen eine Verschiebung in Axialrichtung festzuhalten. Das Betätigungsteil 31 besteht aus einem Zylinderkörper 33, der auf dem Außenumfang der Hülse 22 drehbar gelagert ist, und einer Haube 34, die das andere Ende der Spindel 13 abdeckt und in das andere Ende des Zylinderkörpers 33 geschraubt ist. Der Innendurchmesser der Haube 34 ist etwas größer gewählt als der Außendurchmesser der Spindel 13 (als der Außendurchmesser des Gewindeabschnitts 13B), so daß sie auch als Anschlag wirkt, der an der Endfläche einer Blattfeder (die vorstehend erwähnt wurde) anschlagen soll, wenn sie in das andere Ende des Zylinderkörpers 33 geschraubt wird.
Zwischen dem Betätigungsteil 31 und der Spindel 13 ist ein Rotationsübertragungsmittel 81 vorgesehen, um die Drehung des Betätigungsteils 31 auf die Spindel 13 zu übertragen und der Spindel eine Verschiebung in Axialrichtung zu ermöglichen. Zur Übertragung der Drehung des Betätigungsteils 31 auf die Spindel 13 wird hier eine Ratsche 82 als Rotationsübertragungsmittel 81 verwendet. Das Rotationsübertragungsmittel 81 ermöglicht gleichzeitig eine freie Drehung des Betätigungsmittels, wenn die Spindel über einen vorbestimmten Wert hinaus belastet wird.
Nach den Fig. 3 und 4 besteht die Ratsche aus einem Ratschenring 84, der im Betätigungsteil 81 befestigt und mit einem sägezahnförmigen Vorsprung 82 an seiner inneren Umfangsfläche versehen ist. Die Blattfeder 85 ist zwischen dem Ratschenring 84 und der äußeren Oberfläche der Spindel 13 eingeführt, so daß sie um die Spindel herumgelegt ist, wobei das eine Ende 85A der Blattfeder 85 in die Nut 13C eingreift, die sich in Axialrichtung der Spindel 13 erstreckt, während das andere Ende 85B der Blattfeder gegen den sägezahnförmigen Vorsprung 83 des Ratschenrings 84 gedrückt wird.
Zwischen der Lagerbohrung 21 und der Hülse 22 ist ein zylindrischer Wegsensor 40 angeordnet, um den Verschiebeweg der Spindel 13 in Axialrichtung in Abhängigkeit von dem Betrag der Drehung der Spindel 13 zu messen. Nach Fig. 5 besteht der zylindrische Wegsensor 40 aus einem drehbaren Läufer 41 mit einer kreisförmigen äußeren Umfangsfläche, einem Ständer 51 mit einer halbzylindrischen inneren Umfangsfläche, die im Abstand eines vorbestimmten Spalts von der äußeren Umfangsfläche des Läufers 41 angeordnet ist, und einem Belastungsmittel 61, um den Ständer 51 zum Läufer 41 hin zu belasten. Am Läufer 41 und Ständer 51 sind gemäß Fig. 10 Elektroden vorgesehen. Insbesondere sind an der inneren Umfangsfläche des Ständers 51 eine Sendeelektrodengruppe 113 aus mehreren Elektroden, denen jeweils ein gegenüber den anderen phasenverschobener Wechselstrom aufgedrückt wird, und eine Empfangselektrode 114 angeordnet, die gegenüber den Sendeelektroden isoliert ist und von der ein Empfangssignal in die Meßschaltung 120 (siehe Fig. 11) eingegeben wird. Und auf der äußeren Umfangsfläche des Läufers 41 ist eine Koppelelektrode 118 so angebracht, daß sie mit einer Vielzahl der Elektroden der Sendeelektrodengruppe 113 gleichzeitig in Verbindung steht.
Nach Fig. 6 besteht der Läufer 41 aus einem Zylinderkörper 42, der mit der Koppelelektrode 118 auf der äußeren Umfangsfläche versehen ist, und Endstücken 43A und 43B, die an beiden Enden des Zylinderkörpers 42 angebracht und aus Antifriktionskunststoff hergestellt sind. Jedes Endstück 43A und 43B ist mit einem Stufenteil 44, das einen etwas größeren Außendurchmesser als der Zylinderkörper 42 hat, um einen vorbestimmten Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen von Läufer 41 und Ständer 51 einzuhalten, und einem Anschlagteil 45 außerhalb des Stufenteils 44 mit größerem Außendurchmesser als der des Stufenteils 44 versehen, um an beiden Endflächen des Ständers in Axialrichtung als Anschlag zu wirken. Dabei ist an der äußeren Umfangsfläche des Endstücks 43B ein Basisende einer als Eingriffmittel dienenden Blattfeder 47 mittels einer Anschlagschraube 46 befestigt und ein durchgehendes Loch 48 in der Umfangsfläche ausgebildet, um einen distalen Teil der Blattfeder 47 in die Nut 13C der Spindel 13 (siehe Fig. 5 und 7) eingreifen zu lassen. Auf diese Weise wird der Läufer 41 bei einer Drehung der Spindel 13 ebenfalls gedreht, doch wird der Läufer 41 durch die Axialverschiebung der Spindel 13 nicht verschoben.
Der Ständer 51 besteht aus einem halbzylindrischen Körper 52 und einem FPC-Substrat, das auf der inneren Umfangsfläche des halbzylindrischen Körpers 52 aufgedruckt und mit der Sendeelektrodengruppe 113 und der Empfangselektrode 114, die musterartig ausgebildet sind, versehen ist. Auf der äußeren Umfangsfläche des halbzylindrischen Körpers 52 ist eine Nut 54 zur Aufnahme eines Belastungsmittels 61 und ein Vorsprung 55 auf halbem Weg längs der Nut 54 ausgebildet (siehe Fig. 8).
Nach den Fig. 8 und 9 besteht das Belastungsmittel 61 aus zwei Blattfedern 62A und 62B, wobei ortsfeste Enden der Blattfedern miteinander verbunden und in dem Gestell 11 befestigt sind, während ihr anderes Ende in der Nut 54 des Ständers 51 aufgenommen ist. Wenn die Blattfedern 62A und 62B am Gestell 11 befestigt und in den Nuten 54 aufgenommen sind, sind sie so gebogen, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, so daß der Ständer 51 in einer ersten Richtung, senkrecht zur Drehachse des Läufers 41 (X-Richtung in Fig. 8), belastet wird. Ferner hat jede Blattfeder 62A und 62B einen gekrümmten Teil 63 zwischen dem feststehenden Ende und dem anderen Ende, um den Ständer 51 in einer zweiten Richtung (Y- Richtung in Fig. 8), senkrecht zur Drehachse des Läufers 41 und auch senkrecht zur ersten Richtung, zu verschieben. Dabei ist jede Blattfeder 62A und 62B mit einem Eingriffloch 64 versehen, in das der Vorsprung 55 eingreift. Mit 65 und 66 ist jeweils eine Sicherungsplatte und eine Sicherungsschraube bezeichnet, die dazu dienen, das feststehende Ende der Blattfedern 62A und 62B zusammen mit dem FPC-Substrat 53 am Gestell 11 zu befestigen.
Bei dem soweit beschriebenen Aufbau geschieht das Messen in der Weise, daß der auszumessende (nicht dargestellte) Gegenstand zum Beispiel mit der linken Hand und das Gestell 11 mit der rechten Hand festgehalten wird. Wenn das Betätigungsteil 31 mit dem Daumen und dem Zeigefinger der rechten Hand gedreht wird, wird die Drehung des Betätigungsteils 31 über die Ratsche 82 auf die Spindel 13 übertragen. Dann wird die Spindel, die in die Mutter 23 am Gestell 11 eingeschraubt ist, durch die Drehung in Axialrichtung verschoben. Der Läufer 41 wird gegenüber dem Ständer 51 durch die Drehung der Spindel 13 gedreht, wobei der Betrag der Drehung durch die Elektroden 113, 114 und 118 gemessen und auf einem digitalen Indikator 14 angezeigt wird.
Wenn der auszumessende Gegenstand zwischen dem Gegenzapfen 12 und der Spindel 13 aufgrund der Verschiebung der Spindel 13 eingeklemmt ist, kann die Spindel 13 nicht mehr in dieser Richtung näher zum Gegenzapfen 12 hin verschoben werden, also auch nicht mehr gedreht werden, so daß der Ratschenring 84 relativ zur Blattfeder 85 der Ratsche durchdreht bzw. freiläuft. Daher kann eine Messung bei gleichbleibendem Meßdruck ausgeführt und der Meßwert dabei an dem digitalen Indikator 14 abgelesen werden.
Durch die Ausbildung des Stufenteils 44 an der äußeren Umfangsfläche der Endstücke 43A und 43B des Läufers 41 mit einer Höhe, die einem Spalt zwischen dem Ständer 51 und dem Läufer 41 entspricht, und die Ausbildung des Belastungsmittels 61 auf dem Stufenteil 44, um den Ständer 51 zum Läufer 41 hin zu drücken bzw. zu belasten, so daß der Stufenteil 44 und die innere Umfangsfläche des Ständers 51 aneinander anschlagen, kann die Konzentrizität (Koaxialität) zwischen Ständer 51 und Läufer 41 bei einem einfachen Aufbau sichergestellt werden. Daher kann die Weite des Spalts zwischen Ständer 51 und Läufer 41 in Umfangsrichtung konstant gehalten werden, so daß sich ein elektrisches Mikrometer mit hoher Meßgenauigkeit ergibt.
Da ferner der Anschlagteil 45, der an beiden Endflächen des Ständers 51 in Axialrichtung anschlägt bzw. anliegt, auf der Außenseite des Stufenteils 44 vorgesehen ist, behält der Läufer 41 eine feste Lage relativ zum Ständer 51 bei, selbst wenn die Spindel 13 sich durch die Drehung in Axialrichtung verschiebt. Wenn sich die Spindel 13 nämlich in Axialrichtung verschiebt, ist der Läufer 41 bestrebt, sich in derselben Richtung zu verschieben. Da jedoch der Anschlagteil 45 an beiden Endflächen des Ständers 51 angebracht ist, kann der Läufer 41 nicht verschoben werden, so daß er eine feste Lage relativ zum Ständer 51 beibehält.
Durch die Ausbildung des durchgehenden Loches 48 auf dem Endstück 43B, das den Stufenteil 44 und den Anschlagteil 45 aufweist, und Befestigung des Basisendes der Blattfeder 47, deren distaler Teil in die sich in Axialrichtung der Spindel 13 erstreckende Nut 13C durch das Loch 48 hindurch eingreift, kann ferner nur die Drehung der Spindel 13 auf den Läufer 41 übertragen werden, so daß die feste Lage des Läufers 41 und des Ständers 51 in Axialrichtung sichergestellt ist, ist die Verschiebung der Spindel 13 in Axialrichtung möglich, ohne daß der Läufer verschoben wird.
Durch die Ausbildung des Belastungsmittels 61 aus den Blattfedern 62A und 62B, die den Ständer 51 in einer ersten Richtung (X-Richtung) senkrecht zur Drehachse des Läufers 41 belasten, und durch die Ausbildung des gekrümmten Teils 63 etwa in der Mitte der Länge der Blattfeder 62A und 62B, die in Richtung senkrecht zur Axialrichtung des Läufers 41 und auch senkrecht zur ersten Richtung verschiebbar ist, kann der Ständer 51 ferner in der ersten Richtung (X-Richtung) und der zweiten Richtung (Y-Richtung), die senkrecht zur Drehachse des Läufers 41 und senkrecht zueinander stehen, belastet bzw. gedrückt werden, so daß die Anzahl der Bauteile verringert werden kann.
Und durch die Ausbildung des Vorsprungs 55 auf der äußeren Umfangsfläche des Ständers 51, an der ein Ende der Blattfedern 62A und 62B anliegt, und durch die Ausbildung des Eingriffloches 64 in der Blattfeder 62A und 62B, in die der Vorsprung 55 eingreift, kann die Lage des Ständers 51 beibehalten werden, wenn der Läufer 51 gedreht und auf den Ständer 51 eine Drehkraft ausgeübt wird, weil die Drehung des Ständers durch den Vorsprung 55 des Ständers 51 und das Eingriffloch 64 in den Blattfedern 62A und 62B begrenzt ist.
Ferner entfällt eine Hauptskaleneinteilung oder eine Hilfsskaleneinteilung, wie sie bei den herkömmlichen Mikrometern vorgesehen sind, so daß keine äußere Hülse zur Ausbildung der Hauptskala erforderlich ist. Infolgedessen können die Kosten zur Ausbildung der Hauptskaleneinteilung usw. verringert werden, und die Anzahl der Bauteile und Zusammenbaumaßnahmen können ebenfalls verringert werden, was eine Verringerung der Kosten ergibt.
Ferner wird durch die drehbare Lagerung des Betätigungsteils 31 am anderen Ende des Gestells 11 durch die Hülse 22 hindurch und die Anordnung des Rotationsübertragungsmittels 81 zwischen dem Betätigungsteil 31 und der Spindel 13 die Drehung des Betätigungsteils 31 auf die Spindel 13 durch das Rotationsübertragungsmittel 31 übertragen und die Spindel 13 in Axialrichtung verschoben, wenn das Betätigungsteil 31 beim Messen gedreht wird. Danach wird der Verschiebungsbetrag der Spindel 13 durch den zylindrischen Wegsensor 40 gemessen und an dem digitalen Indikator 14 digital angezeigt. Gleichzeitig kann auch dann, wenn die Spindel 13 in einer Richtung weg vom Gegenzapfen 12 verschoben wird, weil das Betätigungsteil 31 in einer festen Lage im Gestell 11 drehbar angeordnet ist, so daß das Betätigungsteil 31 nicht zusammen mit der Spindel 13 verschoben wird, eine Verschlechterung der Funktionsfähigkeit vermieden werden, wenn die Spindel 13 in großem Maßstab verschoben wird.
Das Rotationsübertragungsmittel 81 ist als Ratsche ausgebildet, so daß sich das Betätigungsteil 31 frei relativ zur Spindel 13 dreht, wenn ein Meßobjekt zwischen Spindel 13 und Gegenzapfen 12 eingespannt ist und mehr als eine vorbestimmte Kraft auf die Spindel 13 ausgeübt wird. Mithin kann eine Messung mit gleichbleibendem Meßdruck ausgeführt werden. Infolgedessen ist eine Messung mit hoher Genauigkeit sichergestellt.
Da ferner die Ratsche 82 aus dem im Betätigungsteil 31 befestigten Ratschenring 84 mit dem sägezahnförmigen Vorsprung 83 an seiner inneren Umfangsfläche und der zwischen dem Ratschenring 84 und der äußeren Umfangsfläche der Spindel 13 eingefügten Blattfeder 85 ausgebildet ist, sind eine geringere Anzahl von Bauteilen, ein kompakter Aufbau, ein einfacher Zusammenbau und geringer Kosten möglich. Da ferner die Blattfeder 85 nach außen gedrückt wird, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, daß der Gewindeabschnitt 13B der Spindel 13 beschädigt wird.
Das Betätigungsteil 31 besteht aus dem am anderen Ende des Gestells 11 drehbar gelagerten Zylinderkörper 33 und der auf das andere Ende des Zylinderkörpers 33 geschraubten Haube 34, so daß beim Anhalten eines Endes 85A der Blattfeder 85 der Ratsche 82 in der Nut 13C in der Spindel 13 das Anhalten dadurch ausgeführt werden kann, daß man durch ein Loch des Zylinderkörpers 33 hindurchblickt, so daß das Anhalten des Endes 85A der Blattfeder 85 in der Nut 13C der Spindel 13 auf einfache Weise möglich ist. Dabei wirkt die Nut 13C als Mittel zum Synchronisieren der Drehung des Läufers 41 mit der Drehung der Spindel 13 und als Mittel, das eine Verschiebung der Spindel 13 in Axialrichtung ermöglicht, so daß keine speziellen Nuten ausgebildet werden müssen, um das Ende 85A der Blattfeder 85 anzuhalten.
Da ferner der Innendurchmesser der Haube 34 etwas größer als der Außendurchmesser der Spindel 13 ist, kann die Blattfeder 85 in einer festen Lage gehalten werden, weil die Haube 34 eine Verschiebung der Blattfeder 85 zusammen mit der Verschiebung der Spindel 13 in Axialrichtung verhindert.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Stufenteil 44 zwar an beiden Enden der äußeren Umfangsfläche des Läufers 41 ausgebildet, doch kann die gleiche Wirkung auch durch Ausbildung von Stufenteilen an beiden Enden der inneren Umfangsfläche des Ständers 51 erreicht werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Ständer 51 in der ersten Richtung (X-Richtung) und in einer zu dieser und zur Achse des Läufers 51 senkrechten zweiten Richtung (Y-Richtung) durch eine Blattfeder 62A und 62B belastet, doch können auch verschiedene Blattfedern vorgesehen sein, um den Ständer 51 in jeweils einer der Richtungen (X-, Y-Richtung) zu belasten.
Ferner können sich die Sendeelektroden der Gruppe 113 nebeneinander in Axialrichtung oder wendelförmig erstrecken, zusätzlich zu der Art der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere wenn sie wendelförmig ausgebildet sind, ist eine sehr genaue Messung durch einen Ausgleich der Wirkung möglich, die sich ergibt, wenn die Achsen des Läufers 41 und des Ständers 51 nicht konzentrisch sind.
Ferner sind die Endstücke 43A und 43B bei dem erwähnten Ausführungsbeispiel aus einem Antifriktionsharz (-Kunststoff) hergestellt, doch bestehen sie vorzugsweise aus Metall, um über lange Zeit eine hohe Genauigkeit einzuhalten. Bei dem soweit beschriebenen Ausführungsbeispiel können sich der Stufenteil 44 und der Anschlagteil 45 abnutzen, weil der Ständer 51 und der Läufer 41 an dem Stufenteil 44 und dem Anschlagteil 45 aneinander gleiten, wenn der Läufer 41 gedreht wird. Wenn die Endstücke dagegen aus Metall bestehen, kann die Abnutzung verringert werden, so daß die hohe Genauigkeit für lange Zeit beibehalten wird.
Bei dem erwähnten Ausführungsbeispiel ist insbesondere die Anwendung bei einem elektrischen Mikrometer erläutert, doch ist die Erfindung auch bei einem Innendurchmesser-Meßgerät oder einem Winkel-Meßgerät anwendbar.
Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen kapazitiven Wegmeßeinrichtung ein Stufenteil mit einer Höhe, die dem Spalt zwischen dem Ständer und dem Läufer an der äußeren Umfangsfläche des Läufers oder der inneren Umfangsfläche des Ständers entspricht, und das Belastungsmittel zum Belasten des Ständers oder des Läufers in Richtung auf den Stufenteil, so daß der Läufer oder der Ständer am Stufenteil anschlägt, vorgesehen sind, kann die Konzentrizität (Koaxialität) zwischen Ständer und Läufer durch einen einfachen Aufbau erreicht werden. Dies ergibt eine sehr genau messende kapazitive Wegmeßeinrichtung durch Einhaltung eines konstanten Spalts zwischen Ständer und Läufer in Umfangsrichtung.

Claims

1. Kapazitive Wegmeßeinrichtung mit einem drehbaren Läufer (41), der eine kreisförmige äußere Umfangsfläche aufweist, und einem Ständer (51), der eine halbzylindrische innere Umfangsfläche aufweist, die im Abstand eines vorbestimmten Spalts gegenüber der äußeren Umfangsfläche des Läufers angeordnet ist, wobei

die innere Umfangsfläche des Ständers (51) mit einer Sendeelektrodengruppe (113) aus einer Vielzahl von Elektroden, denen jeweils phasenverschobene Wechselsignale aufgedrückt werden, und einer Empfangselektrode (114), die gegenüber der Sendeelektrodengruppe isoliert ist und deren Empfangssignale in eine Meßschaltung eingegeben werden, versehen ist

und die äußere Umfangsfläche des Läufers mit einer Kopplungselektrode (118) versehen ist, um eine kapazitive Kopplung mit einer Vielzahl der Elektroden der Sendeelektrodengruppe (13) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind

ein Stufenteil (44) auf der äußeren Umfangsfläche des Läufers (41) oder der inneren Umfangsfläche des Ständers (51) vorgesehen ist, um einen vorbestimmten Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Läufers und des Stators einzuhalten,

und ein Belastungsmittel (61), um den Ständer zum Läufer hin zu belastenen, so daß der Läufer oder der Ständer an dem Stufenteil anliegt.

2. Kapazitive Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 1, bei der an beiden Enden der äußeren Umfangsflächen des Läufers (41) ein Stufenteil (44) vorgesehen ist, um den vorbestimmten Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Läufers und des Ständers einzuhalten, wobei ein Anschlagteil (45) an beiden Enden der äußeren Umfangsflächen des Läufers vorgesehen ist und an beiden Endflächen des Ständers in Axialrichtung anliegt.

3. Kapazitive Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, bei der die Stufenteile (44) und die Anschlagteile (45) aus Endstücken gebildet sind, die an beiden Enden des Läufers (41) angebracht und befestigt sind.

4. Kapazitive Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 3, bei der wenigstens das eine Endstück mit einem Anlagemittel zur Anlage an einem Läufer als ein Gegenstand der Wegmessungen versehen ist.

5. Kapazitive Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, bei der das Belastungsmittel (61) eine Blattfeder (62A) zum Belasten des Ständers (51) in einer ersten Richtung, senkrecht zur Drehachse des Läufers (41), aufweist, wobei ein Ende der Blattfeder befestigt ist, das andere Ende der Blattfeder am Ständer anliegt und die Blattfeder zwischen dem befestigten Ende und dem anderen Ende mit einem gekrümmten Teil (63) versehen ist, der in einer zweiten Richtung senkrecht zur Drehachse des Läufers und senkrecht zur ersten Drehrichtung verschiebbar ist.

6. Kapazitive Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 5, bei der das Belastungsmittel (61) zwei Blattfedern (62A, 62B) aufweist, ein Ende der Blattfedern befestigt ist und das andere Ende der Blattfedern am Ständer anliegt, wobei die Blattfedern zwischen dem befestigten Ende und dem anderen Ende mit gekrümmten Teilen (63) versehen sind, die in einer zweiten Richtung senkrecht zur Drehachse des Läufers und senkrecht zur ersten Richtung verschiebbar sind.

7. Kapazitive Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 6, bei der die beiden Blattfedern (62A, 62B) an ihren befestigten Enden miteinander verbunden sind.

8. Kapazitive Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 7, bei der am Ständer (51) ein Vorsprung (55), an dem das andere Ende der Blattfeder (62A, 62B) anliegt, und in jeder der Blattfedern ein Eingriffloch (64), mit dem der Vorsprung in Eingriff steht, vorgesehen ist.

9. Mikrometer mit einem Hauptkörper (11), der an einem Ende einen Gegenzapfen (12) aufweist, mit einer Spindel (13), die mit dem anderen Ende des Hauptkörpers verschraubt ist, so daß sie durch eine Schraubdrehung verschiebbar ist, um einen Weg der Spindel in Axialrichtung zu messen, und mit einer Meßeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der drehbare Läufer auf der Spindel angeordnet ist.

10. Mikrometer nach Anspruch 9, bei dem das eine Endstück mit einem Durchgangsloch versehen ist, durch das ein distaler Teil einer Blattfeder hindurch mit einer Nut in Eingriff steht, die auf der Spindel in ihrer Längsrichtung ausgebildet ist, wobei das Basisende der Blattfeder an dem Endstück befestigt ist.