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Dokumentenidentifikation DE3737910A1 18.05.1989
Titel Vorrichtung für ein Härtemessgerät
Anmelder Helmut Fischer GmbH & Co Institut für Elektronik und Meßtechnik, 7032 Sindelfingen, DE
Erfinder Fischer, Helmut, 7032 Sindelfingen, DE
Vertreter Kinkelin, U., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 7032 Sindelfingen
DE-Anmeldedatum 07.11.1987
DE-Aktenzeichen 3737910
Offenlegungstag 18.05.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.05.1989
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01N 3/40   
Zusammenfassung Ein Härtemeßgerät umfaßt eine Stabvorrichtung 62 mit einer auf dem Prinzip der Schichtdickemessung beruhenden Sonde, so daß der Prüfkörper ohne die Oberfläche zu beschädigen ganz leicht nur aufgesetzt zu werden braucht. Damit dieses Aufsetzen prellfrei geschieht, ist die Stabvorrichtung mit einer Schwingungs-Dämpfvorrichtung gekoppelt, die wenigstens eine mit der Bewegungsrichtung fluchtende Metallscheibe 92 umfaßt, die nach Art einer Wirbelstrombremse im Luftspalt einer starken Dauermagnetanordnung gelagert ist.

Beschreibung[de]

Eine solche Vorrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 35 01 288 (US Patent 46 91 559, englische Offenlegungsschrift 85 03 109, japanische Patentanmeldung 87 647/85) bekannt.

Wie aus der deutschen Offenlegungsschrift Seite 31, Absatz 1, letzter Satz hervorgeht, ist es notwendig, den Prüfkörper "völlig prellfrei" aufzusetzen.

Die dort beschriebene Vorrichtung hat den Vorteil, daß man zum ersten Mal im Bereich der Härte dünnster Oberflächenschichten die Mikrohärte messen kann. Es handelt sich hier um ein zerstörungsfreies Meßverfahren. Inzwischen hat sich jedoch gezeigt, daß man noch prellfreier den Prüfkörper aufsetzen muß als man sich seinerzeit vorstellen konnte, um all dies aus der Vorrichtung herauszuholen, die im Bezug auf die Möglichkeiten der Oberflächenhärtemessung und der Mikrohärtemessung in dieser Vorrichtung stechen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der man den Prüfkörper noch sanfter auf die Oberfläche absetzen kann. Dabei soll nach wie vor die in diesem Stand der Technik beschriebene Technik weiterhin möglich sein. Das heißt, es soll möglich sein, das Eindringen des Prüfkörpers unter die Oberfläche des zu messenden Stoffs mit derjenigen Sonden-Meßtechnik zu ermöglichen, die früher bei der Messung dünner Schichten verwendet wurde. Dabei können Schichtdickenänderungen auch kleiner als 1 µm mühelos meßbar sein. Eine Einführung in diese Technik ergibt die deutsche Offenlegungsschrift 34 08 554. Die in den beiden Offenlegungsschriften genannten Angaben gelten auch hier.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der man noch wesentlich besser in der Lage ist, den Prüfkörper so sanft aufzusetzen, daß auch Messungen der Härte in ganz oben liegenden Schichtbereichen reproduzierbar möglich sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, auf zwei bis drei Nano-Meter Eindringtiefe aufzulösen, was etwa 20 Atom Durchmesser bedeutet.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, daß die Dämpfungsvorrichtung in ihrem beweglichen Teil zugleich auch als Gegengewicht ausgenutzt werden kann, so daß die jenseits des Schwenkzentrums vorhandenen Gewichte teilweise oder möglichst ganz kompensiert werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 kann man in jeder Lage messen. Allerdings scheiden damit Dämpfungsvorrichtungen aus, die fluidgedämpft sind, weil man dann zum Beispiel beim Arbeiten über Kopf das Fluid dichten müßte, was Reibung verursachen würde.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 erreicht man, daß die dämpfende Kraft konstant ist. An sich könnte man zum Beispiel auch durch eine elektro-magnetische Dämfungsvorrichtung den Effekt erzeugen. Der durch eine solche Spule fließende Strom ist jedoch entweder gar nicht oder nur mit hohem Aufwand konstant zu halten. Passive Dämpfungsvorrichtungen sind jedoch in dieser Richtung unkritisch.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 legt man die Basis für eine besonders einfache passive Dämpfungsvorrichtung, zumal Permanentmagnete Massenprodukte sind, die einerseits sehr billig sind und andererseits wegen ihres Massenproduktcharakters hoch genau gehalten werden können.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 erhält man eine besonders gute Dämpfung in Gestalt einer Wirbelstrombremse.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 erreicht man, daß die dämpfende Kraft in allen Lagen der Stabvorrichtung gleich ist. Es ist ja zu berücksichtigen, daß die magnetische Kraft (und auch andere Kräfte) sich mit dem Quadrat des Abstands verändern. Wäre das Metallblech uneben, dann wäre die Kraft bei unterschiedlichen Lagen der Stabvorrichtung unterschiedlich.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 kann man einerseits billig fertigen und hat nahezu die gleiche Leitfähigkeit wie beim wesentlich teureren Silber.

Durch die Merkmale des Anspruchs 9 erhält man ein Optimum zwischen Preis und Wirkung. Ein solches Kupferblech ist immer noch genügend steif, so daß es sich genau in seiner ebenen Lage halten kann ohne zusätzliche Versteifungsrahmen oder dergleichen. Außerdem wird ja das Blech bei der Dämpfungsarbeit in seiner schweren Richtung beeinflußt, was es ohne weiteres aushalten kann.

Mit Flächen gemäß dem Anspruch 10 bleibt die Vorrichtung genügend klein, die Masse genügend gering und trotzdem ist die Fläche genügend groß, um die Magnetkräfte angreifen zu lassen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 11 garantiert man durch die massive und steife Ausbildung, daß die andererseits geringen Abstände immer eingehalten werden, und man kann mit dem Metallblech nahe an die Permanentmagnete heran.

Durch die Merkmale des Anspruchs 12 werden die Permanentmagnete lagemäßig fest gefaßt und jeder taucht gleich tief in die Platte ein, so daß das Feld über die Fläche homogen ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 13 erhält man gleiche, präzise Abstandsbedingungen durch einfache Mittel.

Durch die Merkmale des Anspruchs 14 verändert sich die Eigenschaft der Permanentmagnete nicht, was durch Schläge oder Wärme möglich wäre. Außerdem gibt es dann bei den Permanentmagneten wenig Ausschuß, die ja zum Splittern neigen.

Die nach Wissen der Anmelderin besten Eigenschaften erhält man zur Zeit bei Permanentmagneten gemäß dem Anspruch 15.

Durch die Merkmale des Anspruchs 16 erhöht man die Dämpfungswirkung und vermeidet seitliche Kräfte, die auf die Stabvorrichtung verkantend wirken könnten. Das Schwenkzentrum muß also nur Kräfte aushalten, die in Richtung der Bewegung des Prüfkörpers gehen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 17 erhält man eine noch bessere Dämpfungswirkung. Vordergründig müßte man glauben, daß sich ein magnetischer Kurzschluß ergibt. Die Wirkung ist jedoch besser, als wenn man für die Platten zum Beispiel Aluminium oder ein anderes nicht magnetisches Material verwenden würde.

Durch die Erfindung erhält man eine A-periodische Dämpfung mit einem einmaligen Überschwingen von etwa 8%. Beste Werte erhält man, wenn das Kupferblech einen Leitwert von etwa 100% gemäß IACS hat. Mit der Erfindung kann man Eindringtiefen bis auf 2 Nano-Meter auflösen, das heißt, bis auf 20 Atom Durchmesser. Die verwendeten Magnete sind nahezu temperaturunabhängig und ihre Remanenz ist außerordentlich hoch.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, teilweise explodiert, jedoch nur mit einem Teil der Dämpfungsvorrichtung

Fig. 2 eine Ansicht gemäß dem Pfeil 2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 33 in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 44 in Fig. 1,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 55 in Fig. 1,

Fig. 6 eine Ansicht einer als Schwenkgelenk dienenden Blattfeder,

Fig. 7 eine Ansicht gemäß dem Pfeil 7 in Fig. 6, teilweise abgebrochen zur Verdeutlichung der Wirkung der Blattfeder nach Fig. 6,

Fig. 8 einen Schnitt durch den rechten unteren Bereich des rechts in Fig. 1 gezeichneten Röhrchens,

Fig. 9 eine perspektivische Gesamtansicht eines Handgeräts, teilweise geöffnet.

Fig. 10 eine Seitenansicht der in Fig. 1 links inkomplett dargestellten Dämpfungsvorrichtung in explodierter Darstellung,

Fig. 11 ein Schnitt längs der Linie 11, 11 in Fig. 10 samt im Schlitz befindlichem Metallblech,

Fig. 12 eine Innenansicht einer Metallplatte ohne Magnete.

Am Boden 11 eines in Fig. 9 dargestellten Härtemeßgerätes ist eine Tragplatte 12 angeschraubt, auf der starr ein Ständer 13 befestigt ist, der quadratischen Querschnitt hat und dessen eine Kante 14 in Fig. 1 nach vorne schaut. Von der Stirnseite her ist ein Gewindesackloch 16 eingebracht. Entsprechend dem Quadrat-Querschnitt des Ständers 13 ist in einen metallischen Lagerbock 17 von dessen vorderer Seite her eine dreieckig-prismatische Führung 18 eingebracht, die eine Längsausnehmung 19 (Fig. 3) schneidet, weshalb man in Fig. 1 die Schnittlinien 21 sieht. Ein Klemmblock 22 ist auf der gemäß Fig. 1 vorderen Seite des Lagerbocks 17 mit Schrauben 23 angeschraubt und hat eine zur Führung 18 komplementäre Ausnehmung, so daß der quadratische Querschnitt des Ständers 13 aufgenommen werden kann und beim Anziehen der Schrauben 23 nahezu vollständig umfaßt und der Höhe nach nicht mehr verschieblich festgeklemmt werden kann. Der Lagerbock 17 umfaßt eine obere Klemmplatte 24, die eine Durchgangsbohrung fluchtend mit dem Gewindesackloch 16 hat. Diese Durchgangsbohrung wird vom Gewindeschaft einer Schraube 26 durchquert, die in das Gewindesackloch 16 eingeschraubt ist. Zwischen der Unterseite der Klemmplatte 24 und der oberen Stirnfläche des Ständers 13 ist ein Tellerfederpaket 27 gespannt. Bei gelösten Schrauben 23 bewegt sich der Lagerbock 17 am Ständer 13 nach unten und bei umgekehrter Drehrichtung der Schraube 26 nach oben. Für das Tellerfederpaket 27 und die Schraube 26 hat die Klemmplatte 24 einen gemäß Fig. 3 nach links gerichteten Vorsprung 28, der über die gemäß Fig. 3 linke ebene Fläche 29 hinausgeht. Nahe der Fläche 29 und der zu ihr parallelen ebenen Fläche 31des Lagerbocks 17 hat die Klemmplatte 24 vier Durchgangsbohrungen für vier Schrauben 32, die in einen das Kernstück des Lagerbocks 17 bildenden Korpus 33 eingeschraubt sind, der gemäß Fig. 3 die Gestalt eines gedrungenen H hat. Die Klemmplatte 24 hat einen über ihre ebene Unterseite 34 stets senkrecht zu einer geometrischen Längsachse 38 eines später noch zu besprechenden Röhrchens 40. Die Seitenflanken 39 des Vorsprungs 36 verlaufen parallel zueinander und in der Ansicht der Fig. 3 senkrecht. Gemäß Fig. 3 komplementär zu dieser Gestaltung hat der Korpus 33 eine breite und flache Nut 41, die mittig zur geometrischen Längsachse 38 ist und ebenfalls senkrecht zu dieser. Zwischen der Unterseite 37 und dem Boden der Nut 41 ist der gemäß Fig. 1 linke Bereich einer ersten Blattfeder 42 gespannt, die aus Beryllium/Kupfer ist. Die 1:1 Zeichnung von Fig. 1 läßt das vordere Ende 43 der Blattfeder 42 erkennen. Das hintere Ende 44 fluchtet mit der Rückseite des Lagerbocks 17, so daß eine etwa 3 cm lange Einspannstelle entsteht, die im Verhältnis zur Gesamtlänge der Blattfeder 42 von 88,5 mm recht lang ist. Der Austritt 46 der Blattfeder 42 aus dem Lagerbock 17 liegt definiert in der gemäß Fig. 1 rechten, ebenen Seite 47, die parallel zur geometrischen Längsachse 38 verläuft. Am Austritt 48 ist der Vorsprung 36 und der Boden der Nut 41 scharfkantig, so daß ein definierter Austritt 46, eine definierte Einspannung und ein definierter Abstand zur geometrischen Längsachse 38 entsteht. Die Blattfeder 42 ist 0,1 mm dick, weshalb man sie in der Ansicht von Fig. 3, die ebenfalls eine 1:1 Darstellung ist, nicht sehen kann. Sie ist 12 mm breit und die Nut 41 ist nur wenig breiter, so daß sie die Blattfeder 42 ohne Verspannung aufnehmen kann. Wie Fig. 3 zeigt, ist die Unterseite 37 und der Boden der Nut 41 senkrecht zur geometrischen Längsachse 38.

Unter die Unterseite des Korpus 33 ist eine Klemmplatte 48 geschraubt, die bis auf den Vorsprung 28 der Klemmplatte 24 gleicht, jedoch etwas dünner als diese ist. Mit ihrer Hilfe und einer entgegengesetzt zur Nut 41 gerichteten Nut 49 wird eine gleiche, zweite Blattfeder 51 gehalten. Da die Umstände hinsichtlich der Blattfeder 42 genau beschrieben worden sind, brauchen sie hier nicht wiederholt zu werden. Es sei lediglich darauf hingewiesen, daß auch diese Nut 49 senkrecht zur geometrischen Längsachse 38 verlaufen muß und die Austrittstelle 52 den gleichen Abstand zur geometrischen Längsachse 38 hat. Auch die Blattfeder 51 ist aus CuBe2 und 0,1 mm dick. Auch die anderen Abmessungen stimmen völlig überein. Die Blattfedern 42, 51 sind platt eben und ohne jede Eigenspannung, die von ungeeigneten Bearbeitungsverfahren oder auch von Ausbeulungen herrühren könnten. Die Homogenität der Eigenschaften ist auch in bezug auf Kräfte von 0,1 bis 0,01 Milli-Newton vorhanden.

Die Blattfeder 42 hat in ihrem freien Endbereich ein kreisrundes Loch 53 von 6 mm Durchmesser. Auch dieses ist spannungsfrei an den Rändern durch Ätzen entstanden. Das Loch 53 liegt sowohl koaxial zur geometrischen Längsachse 38 als auch genau in der Mittellinie 54 der Blattfeder 42. Wegen letzterem entsteht keine Kippneigung. Mit genau der gleichen Geometrie hat die Blattfeder 51 ein Loch 56.

Das Röhrchen 40 besteht aus einer Titan/Aluminium-Legierung, so daß es sowohl leicht als auch steif ist. Es ist aus dem vollen heraus spanabhebend hergestellt. Sein Außendurchmesser entspricht dem Durchmesser der Löcher 53, 56. Im Ruhezustand (Nullage) liegt das Röhrchen 40 exakt koaxial zur geometrischen Längsachse 38. Oben hat es ein Außengewinde 57. Die Befestigung des Röhrchens 40 im Loch 53 erfolgt sowohl durch ein von oben aufgeschobenes Ringchen 58 als auch ein von unten hergeschobenes Ringchen 59. Diese separaten Ringchen sind durch einen kaltabbindenden Klebstoff mit dem Röhrchen 40 verklebt. Im unteren Bereich auf der Höhe der Oberseite der Blattfeder 51 hat das Röhrchen 40 einen kreiszylindrischen Bund 61, dessen Unterseite vom rechten Endbereich der Blattfeder 42 exakt den gleichen Abstand hat, wie der Abstand zwischen dem Austritt 46 und 52. Unterhalb des Bunds 61 durchquert das Röhrchen 40 das Loch 56 und ragt noch ein wenig darunter, so daß es in eine koaxiale Hülse 62 hineinpaßt. An den oberen Bereich dieser Hülse 62 und den Bund 61 wurde etwas kaltabbindender Kiebstoff gegeben. "Kalt" heißt hier natürlich eine Temperatur, die das Gefüge der Blattfedern nicht verändert. Die Hülse 62 faßt ganz unten einen den Prüfkörper bildenden Diamanten 63 und auf das Außengewinde 57 ist koaxial ein elektromotorischer Antrieb 63 aufgeschraubt. Diese Konfiguration würde ausreichen, wenn man sicher ist, daß die geometrische Längsachse 38 beim Messen immer zum Erdmittelpunkt zeigt. Um jedoch in beliebiger Lage messen zu können, sind noch weitere Vorkehrungen getroffen: Eine Blattfeder 54 ist in Fig. 6, Maßstab 2:1, dargestellt. Sie ist 14 mm breit, 25 mm hoch, ebenfalls aus CuBe2 hergestellt, 0,1 mm dick und hat ihre Form spannungsfrei durch Ätzen erhalten. Sie ist in Ruhelage völlig eben. Ihre Mittenebene 66 liegt auch zugleich in der geometrischen Längsachse 38 und der Mittellinie 54. Zur Mittenebene 66 ist sie symmetrisch. Ihre in der Zeichnungsebene von Fig. 6 liegende Ebene ist parallel zur geometrischen Längsachse 38. Die in ihrem Umriß rechteckige Blattfeder 64 hat eine auf dem Kopf stehende U-förmige mittensymmetrische Ausnehmung 67. Darüber ist ein breiter Klemmbereich 58 mit Positionierloch 69 vorgesehen, von dem aus zu beiden Seiten zwei schmale Arme 71, 72 nach unten gehen. Von diesen ist durch die Längsschenkel des U eine Mittenzunge 73 abgegrenzt, die unten durch einen Quersteg 74 in die Arme 71, 72 übergeht. Soweit die Ecken der Ausnehmung 67 im Betrieb mit Spannung beaufschlagt werden können, ist dort ein Radius von 0 75 mm vorgesehen. Die Blattfeder 64 ist in der Längsausnehmung 19 durch eine Klemmplatte 76 in senkrechter Richtung hängend spannungs- und verwölbungsfrei festgeklemmt, wobei die Klemmkraft durch zwei Schrauben 77 aufgebracht wird. Das Positionierloch 95 wird von einem Positionierzapfen durchquert, der fest mit dem Korpus 33 verbunden ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, laufen die Begrenzungsränder der Blattfeder 54 - soweit sie senkrecht verlaufen - parallel zur geometrischen Längsachse 38 und senkrecht zu dieser, sofern sie waagrecht verlaufen. In der Mittenzunge 73 ist mittig ein kreisrundes Loch 78 eingeätzt, dessen Mittenachse die geometrische Längsachse 38 schneidet. Die Radien 79 liegen wesentlich tiefer als die Unterkante des Lochs 78 und haben von der Unterkante einen minimalen Abstand von etwa 2 mm, so daß die Mittenzunge 73 gemäß Fig. 7 sich ungefähr senkrecht stehend nach links bewegen kann, wenn eine Kraft am Loch 78 eine gemäß Fig. 7 nach links gerichtete Kraft ausübt. Die Arme 71, 72 verlaufen dann schwach S-förmig. Diese Kraft kann durch ein zweites Röhrchen 81 aufgebracht werden, das das Loch 78 durchquert und dort in der oben erwähnten Klebetechnik starr festgeklebt ist. Das Röhrchen ist aus Gewichts- und Steifigkeitsgründen ebenfalls aus einer Aluminium-/Titan-Legierung und dünnwandig. Sein Außendurchmesser ist 5 mm, es ist etwa 11, 5 cm lang. Sein gemäß Fig. 1 rechter Endbereich hat einen kurzen Querschlitz 82, der exakt in der Ebene der Blattfedern 42, 51 liegt, das heißt, senkrecht zur geometrischen Längsachse 38. Eine im Vergleich zu den Blattfedern 42, 51 kurze, aber ebenso breite und aus den gleichen Materialien bestehende, in Ruhelage spannungsfreie und in ihrem Umriß geätzte Blattfeder 83 hat gemäß Fig. 5 etwa in ihr Mittenbereich zwei tiefe, seitliche Buchten 84, zwischen denen etwa ein Viertel der Blattfederbreite stehen bleibt. Links davon bleibt eine Finne 86 stehen, die in den Schlitz 92 spannungsfrei eingeklebt ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, hat das rechte Ende des Röhrchens 81 einen geringen Abstand von etwa 8 mm von der geometrischen Längsachse 38. Die Blattfeder 83 steht exakt senkrecht zur geometrischen Längsachse 38 und hat ein Loch 87 entsprechend und vollständig fluchtend mit den Löchern 53, 56. Im Umfangsbereich des Lochs 87 ist mit Hilfe der gleichen Technik von Ringchen oder mit dem Röhrchen 40 einstückigem Gegenflansch eine Verklebung vorgenommen.

Das Röhrchen 81 hat links ein Außengewinde 88, auf das ein Gegengewicht 89 mit einer Kontermutter 91 geschraubt ist. Ferner befindet sich auf dem Außengewinde 88 eine Scheibe 92, für eine elektrische Dämpfungsvorrichtung, deren Funktion hier nicht interessiert. Mit dem Gegengewicht 89 macht man einen solchen feinen Gewichtsausgleich, daß bei der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration die Blattfedern 42, 51, 83 nicht durchgebogen sind.

Gemäß Fig. 8, die ja in einem darstellenden Maßstab 10:1 zeigt, sieht man oben das im Durchmesser 6 mm messende Röhrchen 40. Die Befestigung der Hülse 62 geschieht durch kaltabbindenden Klebstoff, in der Reihenfolge: Bund 61 an dem die Blattfeder 51 von unten anliegt, die obere koaxiale kreiszylindrische Stirnfläche 93 der aus Aluminium bestehenden Hülse 62 und das überlappende Einfahren des untersten Bereichs des Röhrchens 40 in eine obere koaxiale Bohrung 93 einer weiter nach unten reichenden Stufenbohrung. Gemäß Fig. 8 von links her und gemäß Fig. 1 von rechts her hat die Hülse 62 in der stehenbleibenden Wand ein großes Loch 94, in das ein gehäusefester Arm 96 ragt, in dem elektrische Leitungen 97 verlegt sind, die zu einem Sondenkopf 98 führen, der mit der Sonde 77 aus der eingangs erwähnten Offenlegungschrift vergleichbar ist. Im Spulenraum 99, der koaxial zur geometrischen Längsachse 38 ist, befindet sich - wie angedeutet - eine Spule 101. Der Boden 102 der Bohrung 93 liegt erheblich tiefer als die Unterseite der Spule 101. Aus ihm ragt ein Meßpol 103 nach oben, der aus AlCuMgPbF38 besteht. Seine Stirnfläche 104 ist feinbearbeitet und steht senkrecht zur geometrischen Längsachse 38. Sein Zapfen 106 steckt fest in einer Bohrung 107 eines rotationssymmetrischen Diamantträgers 108. Seine Hülse 109 steckt in einer koaxialen Fortsetzungsbohrung 111, die der Kopf des Meßpols 103 nicht berührt. Im Bereich unterhalb des Endes der Bohrung 107 ragt der Diamantträger 108 mit einem balligen Wulst 112 nach außen. Der Wulst 112 sitzt in einer flachen, in die untere Stirnfläche 113 der Hülse 62 mündenden kreiszylindrischen Bohrung 114. Diese hat in ihrer Wand unterhalb der dicksten Stelle 116 des Wulsts 112 eine Innenumfangsnut 117, die senkrecht zur geometrischen Längsachse 38 verläuft und in der ein Sprengring 118 sitzt, der in seiner mehr der entspannten Lage näheren Lage mindestens teilweise in die Bohrung 114 ragt, aber in seiner vollständig entspannten Lage nicht weiter hineinragt, als diejenige Ecke 119, die der Umfang des Wulsts 112 mit einer kreisringförmigen Schulter 21 bildet, die senkrecht zur geometrischen Längsachse 38 steht und die nach innen zu den Übergang zur Umfangsfläche der Hülse 109 bildet. Diese Schulter 121 liegt am Boden 122 der Bohrung 114 an und zwar sehr definiert und wird in dieser Lage auch sicher durch den Sprengring 118 gehalten, der noch unter Spannung steht und - da er über die dickste Stelle 118 gerutscht ist - versucht, den Wulst 112 und damit den ganzen Diamantträger 108 nach oben zu drängen.

Im Gehäuseboden 11 befindet sich der aus Fig. 8 ersichtliche Einsatz 124, der eine Zentralbohrung 126 hat, durch den die Fassung 127 eines Diamants 128 treten kann. Die Fassung 127 ist über einen Zylinder 129 einstückig mit dem Wulst 112. Der Einsatz 124 hat auch einen Topf 131, der nach oben offen ist, Bewegungen in ungewollter Richtung verhindert und so den unteren Bereich der Hülse 62 samt Diamantträger 108 schützt. Diese Konstruktion gestattet, in unmittelbarer Nachbarschaft des Diamenten 128 koaxial zu messen und gestattet eine einfache, aber reproduzierbare, Auswechselbarkeit des Diamantträgers 108. Die Stirnfläche 104 macht nahezu unmittelbar (praktisch gesehen absolut unmittelbar) die Bewegungen des Diamanten 128 und seiner Spitze mit. Die Stirnfläche 104 entspricht der nach unten weisenden Fläche des Teils 74 aus der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift.

In Fig. 9 erkennt man die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Spindel 132 und die Blattfeder 133 entsprechen der Spindel 104 und der Blattfeder 96 aus der deutschen Offenlegungsschrift. Auf einer Platine 134 ist notwendige Elektronik untergebracht.

Wenn der Meßpol 103 aus Aluminium ist, gibt es keine kräftemäßige Rückwirkung zwischen ihm und der Spule 101. Macht man ihn aber bevorzugt ganz oder zumindest im oberen Bereich aus Ferrit, so erhält man eine wesentlich bessere Empfindlichkeit der Anzeige. Auch bei Ferrit konnte keine Rückwirkung gemessen werden.

Im Loch 78 liegt der Schwerpunkt aller auf das Röhrchen 81 wirkender Massen einschließlich seiner eigenen Masse.

Das Gegengewicht 89 ist eine kreisförmige metallische Scheibe und hat ein Innengewinde 136, das auf das Außengewinde 88 aufgeschraubt ist. In der Zeichnungsebene ist in das Gegengewicht 89 genau radial ein Schlitz 137 von oben und ein Schlitz 138 von unten eingebracht, der jedoch nicht bis zum Innengewinde 136 reicht. In jeden Schlitz 137, 138 hinein reicht ein Innengewinde 139, 141, in das eine nicht dargestellte Madenschraube hineingeschraubt ist. Diese halten die Scheibe 92 bzw. die Scheibe 142 in ihrem rechten unteren bzw. rechten oberen Eckbereich fest. Beide Scheiben 92, 142 sind etwa 2,5 mm breit. Die Scheibe 142 ist quadratisch und die Scheibe 92 ist 33 mm hoch. Beide sind 0,5 mm dick und sehr eben. Sie sind aus Kupfer mit einem höheren Kupferanteil als 95%. Bewegt sich das Röhrchen 40 mit dem Prüfkörper 63 auf und ab, dann bewegen sich die Scheiben 92, 142 in der jeweils umgekehrten Richtung mit dem Drehpunkt um die Mittenzunge 73 auf und ab.

An der in Fig. 9 dargestellten Stelle ist ein massives rechteckiges Metallprofil 143 fest am Boden 11 angeschraubt. Es ist etwa 6,5 cm hoch und trägt 2 obere Platten 144, 146, die aus Eisen sind. Sie sind jeweils 4 mm dick und messen 3 cm im Quadrat. Mit ihrem gemäß Fig. 10 und 11 linken Randbereich sind sie von beiden Seiten durch eine Schraube 147 vom Metallprofil 143 her und zwei Schrauben 148 von der Platte 144 her am Metallprofil 143 festgeschraubt. Das Ganze bildet also eine sehr massive, überaus steife Konstruktion. Zur Erzeugung eines Schlitzes 149 zwischen den ebenen Innenflächen 151, 152, die völlig parallel zueinander stehen, ist im linken Randbereich eine streifenförmige Beilage 153 vorgesehen. Diese wird ebenfalls von den Schrauben 147, 148 durchquert. Die Beilage 153 ist 1,3 mm dick, so daß bei exakt mittiger Positionierung der Platten 144, 146 im Schlitz 149 beiderseits 0,4 mm Luft verbleibt. Die Platten 144, 146 haben in senkrechter Richtung im nicht vom Metallprofil 143 überdeckten Bereich und unmittelbar angrenzend an die Beilage 153 drei in senkrechter Richtung angeordnete Reihen von identischen Stufenbohrungen 158, 159, die einander genau gegenüberliegen. Die Reihe 154 und 157 hat vier Bohrungen und die Reihe 156 hat drei Bohrungen, wobei die Reihen zwecks Platzersparnis in der gezeichneten Weise versetzt angeordnet sind. Durch dieses Versetzen kann man die einzelnen Stufenbohrungen sehr nahe aneinander setzen. Jede Stufenbohrung 158, 159 ist paarweise auf gleicher Höhe, fluchtend miteinander, vorgesehen. Es entsteht durch die Stufen ein größerer Magnetraum 161, an diesen anschließend ein im Durchmesser kleinerer Raum 162 sowie eine an diesen wiederum anschließende Austrittsbohrung 163. Zwischen den Magnetraum 161 und dem Raum 162 entsteht eine Ringschulter 164. Der Magnetraum hat einen Durchmesser von 6,1 mm und ist 2,15 mm hoch. In ihm sitzt ein kreisringförmiger Permanentmagnet 166, der 2,15 mm hoch ist, also mit seiner Oberseite genau mit der Innenfläche 151, 152 fluchtet. Er ist in dem Magnetraum 161 eingeklebt, wobei die Ringschulter 164 ihn genau positioniert und der Raum 162 sowie die Austrittsbohrung 163 überschüssigen Klebstoff aufnehmen. Wichtig ist, daß alle 11 Permanentmagnete 166 einer Platte 144, 146 die gleiche Polarität haben.

Zum Beispiel muß die Innenfläche 151 mit der Südpolfläche bündig sein und auch in der Innenfläche 152 müssen die gleichen Pole liegen. Es ergab sich kein meßbarer Unterschied, ob sich dann gleichnamige oder ungleichnamige Pole relativ zum Schlitz 149 gegenüberliegen.

Was hier genau für die Platten 144, 146 beschrieben wurde, gilt analog für die beiden Platten 176, von denen in der Fig. 10 nur die eine sichtbar ist. Deren Schlitz fluchtet genau mit dem Schlitz 149 und in ihm liegt völlig symmetrisch die Scheibe 142. Die völlige Symmetrie bringt mit sich, daß auf das Röhrchen 81 keine senkrecht zur Zeichnungsebene von Fig. 1 wirkenden Kräfte erzeugt werden.

Das Gegengewicht 89 vereinigt die Hauptmasse. Hinzu kommt die kleinere Masse der Scheiben 92, 142. Das Gesamtgewicht von allen drei Bauteilen liegt etwa bei 15 Gramm. Die Scheiben 92, 142 könnte man auch aus Silber herstellen. Es fragt sich jedoch, ob die etwa 10% größere elektrische Leitfähigkeit den Preisunterschied wettmacht.

Läßt man das Außengewinde 88 links vom Gegengewicht 89 enden, so kann man den Abstand zwischen den Scheiben 92, 142 weglassen und eine einzige, durchgehende Scheibe vorsehen, der dann durchgehende Platten 144, 146 mit mehr Permanentmagneten 166 entsprechen würden.

Die beschriebene Dämpfungsvorrichtung dämpft aperiodisch sogar das Stromrauschen im Antrieb 63. Größenordnungsmäßig dämpft die Vorrichtung schon bei Geschwindigkeiten von einigen Nano-Metern/Zehntelsekunde.

Die verwendeten Magnete sind Produkte der Firma Krupp, wie sie unter dem Warenzeichen Koermax vertrieben werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung für ein Härtemeßgerät,

    mit einer Stabvorrichtung, an deren einem Endbereich ein Prüfkörper gehalten ist, deren Mittenbereich um ein Schwenkzentrum schwenkbar ist und die einen zweiten Endbereich aufweist, sowie

    mit einer sanft absenkbaren Meßvorrichtung, die auf der Basis von Sonden zur Messung der Dicke dünner Schichten arbeitet,

    gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. a) Am einen Endbereich der Stabvorrichtung ist der bewegliche erste Teil einer Schwingungs-Dämpfungsvorrichtung vorgesehen.
    2. b) Die Längserstreckung des ersten Teils fluchtet mit der Bewegungsrichtung des Prüfkörpers.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich des Schwenkzentrums das Moment aus Gewicht des ersten Teils der Dämpfungsvorrichtung × erste Länge Stabvorrichtung bis zum Schwenkzentrum mindestens etwa gleich dem am Prüfkörper-seitigen zweiten Endbereich wirkenden Gewicht × zweite Länge Stabvorrichtung bis zum Schwenkzentrum ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung lageunabhängig ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung passiv ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung Permanentmagnete aufweist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche erste Teil der Dämpfungsvorrichtung ein elektrisch gut leitendes Metallblech ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblech in seinem wirksamen Bereich sehr eben ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblech Kupferblech ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferblech aus hochreinem Kupfer mit einem Kupferanteil von höher als 95% ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einseitige Fläche des Kupferblechs im Bereich von 5 bis 30 cm2, vorzugsweise zwischen 10 und 20 cm2 liegt.
  11. 11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gehäusefeste zweite Teil der Dämpfungsvorrichtung eine massive, sehr steife Trägervorrichtung für Permanentmagnete aufweist, deren Austrittsfläche bzw. Eintrittsfläche mit geringem Abstand der Fläche des Metallblechs gegenüberliegt.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägervorrichtung mindestens eine auf ihrer Vorderseite ebene Platte umfaßt, in die die Permanentmagnete in Einsenkungen eingebettet sind.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Permanentmagnete mit der Vorderseite der Platte fluchtet.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete mit Klebstoff angeklebt sind.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete vom Typus anisotroper Dauermagnetwerkstoffe aus Seltenerdmetall und Kobalt sind.
  16. 16 Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander parallele Platten vorgesehen sind, die aus Eisenmetall bestehen, die mit einem kleinen Abstand zueinander starr montiert sind, und daß in dem so gebildeten schmalen Spalt das Metallblech symmetrisch angeordnet ist.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen Weicheisen ist.






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