DE10027128B4

DE10027128B4 - Hochpräzisionsausrichter

Info

Publication number: DE10027128B4
Application number: DE10027128A
Authority: DE
Inventors: Alex Cable
Original assignee: Thorlabs Inc
Current assignee: Thorlabs Inc
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: US6186016B1; GB0010407D0; GB2350875B; JP2001050363A; JP3854039B2; GB2350875A; DE10027128A1

Abstract

Linearer Hochpräzisionsausrichter für relative axiale Grob- und Feinbewegung zwischen einem ersten (20) und einem zweiten (21) Teil, wobei der Ausrichter folgendes umfasst:
Eine am ersten Teil befestigte Hülse;
einen Grobeinstellkörper (1), welcher für axiale Grobbewegung auf der Hülse angebracht ist;
einen Betätigungsstift (8), welcher seitlich im Grobeinstellkörper zur axialen Bewegung entlang einer Achse angebracht ist, wobei der Betätigungsstift (8) mit dem zweiten Teil bei axialer Bewegung des Betätigungsstiftes (8) in Eingriff steht, wobei die Grobbewegung des zweiten Teils durch relative Bewegung zwischen dem Grobeinstellkörper (1) und der Hülse verursacht wird und die Feinbewegung des zweiten Teils durch relative Bewegung zwischen dem Betätigungsstift und dem Grobeinstellkörper verursacht wird;
einen Hauptkörper (3), der am Grobeinstellkörper (1) befestigt ist und eine konische Oberfläche (46, 48) aufweist, die bezüglich der Achse geneigt ist, wobei der Hauptkörper (3) ein erstes Gewinde (34) aufweist;
eine Antriebsvorrichtung (4), die ein zweites Gewinde...

Description

Gebiet und Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf mechanische Hochpräzisionsausrichter, wie sie bei Mikroskopen, Mikrometern, Opto-Elektronik, Faseroptikausrichtungen und Ähnlichem verwendet werden und im Besonderen auf einen neuen und nützlichen Hochpräzisionsausrichter.

Das US Patent 4,617,833 offenbart einen Ausrichter, der ein Hebelsystem zur Bewegung nutzt. Standardschraubgewinde können nicht die Genauigkeit liefern, die für heutige Anwendungen erforderlich sind. Die vorliegende Erfindung vergrößert die Präzision und Bewegung mit hoher Auflösung, wobei sie einen sanften linearen Bewegungsausgang erzielt. Spiel und Ausgangsdrehung entfallen, während eine sanfte Fortbewegung, selbst bei angewandten Lastsituationen zur Verfügung steht.

Das deutsche Patent DE 197 14 486 C2 offenbart eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors auf ein Stellglied. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Übertragungsteil, das in Wirkverbindung mit einem Aktor steht, und ein zweites Übertragungsteil, das in Wirkverbindung mit einem Stellglied steht. Das erste Übertragungsteil weist eine erste Arbeitsfläche auf, die als Innenkegelfläche oder als Außenkegelfläche ausgebildet ist. Das zweite Übertragungsteil weist eine zweite Arbeitsfläche auf, die entsprechend als Außenkegelfläche bzw. als Innenkegelfläche ausgebildet ist, wobei die Arbeitsflächen über ein bewegliches mechanisches Element in Wirkverbindung miteinander stehen und die Außenkegelfläche der Innenkegelfläche zugeneigt angeordnet ist. Die Auflagefläche ist in einem vorgebbaren Winkel, vorzugsweise senkrecht, zu einer Symmetrieachse angeordnet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist ein linearer hochpräziser Translationsausrichter, der für viele Anwendungen verwendet werden kann, bei denen Grob- und Feineinstellung erforderlich sind. Die Erfindung stellt eine lineare Bewegung zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil (Ausgangsteil) zur Verfügung, unter Nutzung einer Antriebsschraube innerhalb eines Einstellknopfs, um einen Antriebsstift vorzurücken, welcher ein, im Hauptkörper liegendes Keilwinkelantriebssystem, aktiviert. Dieses übersetzt die Eingangsbewegung in eine genaue Bewegung am Ausgang.

Die verschiedenen Eigenschaften, welche die Erfindung kennzeichnen, werden in den Einzelheiten in den anliegenden und einen Teil der Offenbarung bildenden Ansprüchen hervorgehoben. Zu einem besseren Verständnis der Erfindung werden ihre Betriebsvorteile und mit ihren Nutzungen einhergehende besondere Ziele in Bezug genommen zu den begleitenden Zeichnungen und der Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführung der Erfindung dargestellt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine axiale, teilweise in die Einzelheiten aufgelöste Querschnittansicht der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Ansicht, ähnlich 1 der vorliegenden Erfindung in zusammengebautem Zustand und einer ersten, extremen, am weitesten linksseitigen Einstellage;
3 ist eine Ansicht, ähnlich 2 der Vorrichtung in der entgegen liegenden, extremen, am weitesten rechtsseitigen Einstellage.
Beschreibung der bevorzugten Ausführung
Wie in den Zeichnungen gezeigt, ist die darin verkörperte Erfindung ein linearer Hochpräzisionsausrichter, welcher einen zylindrischen gewindeförmigen Grobeinstellkörper 1 umfasst, welcher bei 10 in eine äußere Gewindehülse 2 geschraubt ist, welche mit einer Anwendung oder einem Instrument 20, die das erste Teil bildet, festgehalten wird. Ein Betätigungsstift 8 ist zur axialen Bewegung seitlich innerhalb einer Welle 12 des Grobeinstellkörpers 1 angebracht. Der Betätigungsstift 8 erstreckt sich hinter Grobeinstellkörper 1 und greift am Ausgang des, schematisch bei 21 gezeigten, zweiten Teils ein. Der Betätigungsstift 8 ist an jedem Ende mit einer Stahlkugel 14, 16 versehen, für den einzelnen axialen Punktkontakt zwischen dem zweiten Teil 21 und einer flachen Oberfläche des Keilkolbens 7, der zur gleitenden axialen Bewegung in Grobeinstellkörper 1 angebracht ist. Jedes Ende des Betätigungsstifts 8 hat eine zylindrische Öffnung, welche sich zu einer konischen Blindbohrung herabneigt, um eine der Kugeln 14, 16 aufzunehmen.
Ein Gewindeloch 18 ist transversal innerhalb der Außenhülse 2 für die Sperr- oder Stellschraube 22 eingebracht. Die Grobeinstellung wird durch Drehung des Grobeinstellkörpers 1 innerhalb der äußeren Gewindehülse 2 bis zu einer groben Einstellung erzielt, wobei die axiale Position zum Ausfahren des Betätigungsstifts 8 des ersten Teils 20 erreicht wird sowie die grobe Positionierung des zweiten Teils 21. Diese Grobeinstellposition wird dann mit der Schraube 22 fixiert, die den Grobeinstellkörper 1 in seiner festgelegten axialen Lage zur äußeren Gewindehülse 2 hält.
Der Hauptkörper 3 ist bei 24, 25 in den Grobeinstellkörper 1 geschraubt, um die Hauptstruktur des Ausrichters dieser Erfindung auszubilden. Gewinde oder Rillen 26 sind außen auf dem Hauptkörper 3 ausgebildet, um Drehung und Antrieb des Ausrichters intern zu steuern und zu begrenzen.
Ein Feineinstellknopf 4 ist über dem Hauptkörper 3 angebracht und in einen zylindrischen Bohrungsabschnitt des Grobeinstellkörpers 1 eingeführt. Eine ringförmige Spiellücke 28 ist zwischen Knopf 4 und Grobeinstellkörper 1 zur freien Drehung und axialen Einstellung des Knopfs ausgebildet. Knopf 4 ist mit einer Befestigungsschraube 30 an der Antriebsschraube 5 befestigt, welche ins Ende der Antriebsschraube 5 geschraubt ist. Eine zylindrische Öffnung, gefolgt von einer konischen Blindbohrung am entgegenliegenden Ende der Antriebsschraube 5 nimmt eine Stahlkugel 32 auf. Antriebsschraube 5 ist bei 34, 35 in den Hauptkörper 3 geschraubt, wobei sie ein Vorrücken interner Komponenten bewirkt, was zur Verschiebung des Ausgangsteils 21 führt, wenn Knopf 4 gedreht wird.
Die folgenden internen Komponenten bilden ein Keilwinkelantriebssystem, welches die Grundlage für die hochpräzise Ausgangsbewegung für Teil 21 zur Verfügung stellt, wenn Knopf 4 gedreht wird. Innerhalb des Hauptkörpers 3 ist eine Druckfeder 36 zwischen einem konischen hohlen Antriebsstift 6 und einem Keilkolben 7 angeordnet. Drei kreisförmig angeordnete Stahlkugeln 40 sind um die konische Oberfläche 50 des Keilkolbens 7 innerhalb von Körper 3 an und um eine äußere konische Oberfläche des Antriebsstifts 6 angeordnet. Die Kugeln 40 liegen 120 Grad versetzt zu den Nylon-Abstandhalterkugeln, die zwischen die Stahlkugeln 40 eingefügt sind, um den Abstand aufrecht zu erhalten. Nur eine der Stahlkugeln ist in 2 und 3 gezeigt und zwei sind in 1 gezeigt.
Sind die Kugeln 40 eingesetzt, so sind drei unabhängige Winkel zur Verfügung gestellt, derart, dass sie einen Pfad bilden, auf den diese Kugeln bei ihrer Fortbewegung gezwungen werden. Bei Drehung des Feineinstellungsknopfes 4 wird die Gewindeantriebsschraube 5 betätigt, um eine axiale Kraft auf den konischen Antriebsstift 6 und die Druckfeder 36 auszuüben und somit zu bewirken, dass sich die Stahlkugeln 40 entlang der Bahnen, welche radiale Komponenten haben, entlang dreier unabhängiger Winkel bewegen.
Dies rückt den Keilkolben 7 um einen kleinen und genauen Betrag vor, welcher den Betätigungsstift 8 um denselben Betrag bewegt, um die Ausgangsbewegung und relative lineare Bewegung zum Ausgangsteil 21 herzustellen. Wenn der konische Antriebsstift 6 axial vorrückt, fahren die Stahlkugeln entlang der Keiloberfläche 48 des Hauptkörpers 3, mit dem Ergebnis einer Vorwärtsbewegung und -kraft der Kugeln, die an den Keilkolben 7 und den Betätigungsstift 8 vorrücken, wenn die Kugeln ebenso entlang der Keiloberfläche 50 des Antriebskeils 7 rollen. Die Bewegung nach außen und Fortbewegung der Kugeln vermindert das Ausmaß der Vorwärtsbewegung und -kraft auf den Antriebskeil um 10:1, wobei eine sanfte hochpräzise lineare Translation des Einstellstiftausgangs erzeugt wird.
Die äußere Gewindehülse 2 wird innerhalb des Instruments 20 festgedrückt oder festgehalten, so dass keinerlei Drehung erlaubt wird. Der Grobeinstellkörper 1 ist die einzige Komponente, die innerhalb der äußeren Gewindehülse 2 zur Grobeinstellung gedreht wird. Ist die gewünschte Grobeinstellung erst einmal erzielt, wird die Stellschraube 22 in der äußeren Gewindehülse 2 zum Sperren des Grobausrichters ab seinen obengenannten Positionen benutzt. Eine Drehung des Stellknopfes 4 wird letztlich die Feineinstellbewegung des Betätigungsstiftes 8 erzeugen, der durch die Welle 12 des Grobeinstellkörpers 1 gleitet. Da Grobeinstellkörper 1 und äußere Gewindehülse 2 gegen relative Drehung gesperrt sind, ist nur ein Vorrücken des Betätigungsstiftes 8 erlaubt. Der Betätigungsstift 8 hat kein Gewinde und bewegt sich axial frei innerhalb der Welle 12 des Grobeinstellkörpers 1 durch die Kraft des Keilkolbens 7. Der Grundeinstellkörper 1 ist in die äußere Gewindehülse 2 nur zwecks Grobeinstellung geschraubt.
Es folgen Konstruktionsanmerkungen:
Der Hauptkörper 3 hat ein Gewinde und ist in den mit einem Gewinde versehenen Grobeinstellkörper 1 eingeklebt.
Dies erlaubt den Stellknopf 4 und die Antriebsschraube 5 in den befestigten Hauptkörper 3 einzuschrauben, welcher den konischen Stift 6 treibt und das Keilwinkelantriebssystem aktiviert.
Ein Stapel von Tellerfederunterlegschreiben 52 ist in der zylindrischen Bohrung des Grobeinstellkörpers 1 angeordnet, um als Feder gegen den Keilkolben 7 zu wirken, was zur sanften Translation des Betätigungsstiftes 8 beiträgt. Das interne Ende des Betätigungsstiftes 8 wird lose in die Welle des Grobeinstellkörpers 1 und die Unterlegscheiben eingesetzt, um den Kontakt mit dem Keilkolben 7 herzustellen. Der Betätigungsstift 8 wird durch Herstellen des Kontaktes mit der Oberfläche des Instrumentes 21 innerhalb des Ausrichters gehalten.
Die Erfindung bietet günstigere Herstellungskosten unter Beibehaltung der Qualität. Im Ausrichter enthaltene Komponenten können durch einfaches, weniger teures Drehen der Teile bearbeitet werden, anstatt die Teile zu fräsen, was beim Herstellen ähnlicher Ausrichtertypen vorwiegend gemacht wird. Die Erfindung führt zu einem mechanischen Vorteil bei dem Keilwinkelantriebssystem, indem sie für eine 1:10-Reduktion der Eingangs- gegen die Ausgangstranslation sorgt. Dies führt zu größerer Auflösung und Empfindlichkeit bei geringeren Kosten, während eine vergrößerte und lineare hochpräzise Verschiebung erzeugt wird. Die Erfindungsgestaltung schafft Spiel und Ausgangsdrehung ab, während sie einen sanften Betrieb und lineare Fortbewegung unter den angewandten Lastsituationen erzeugt. Wie in 2 und 3 gezeigt, kann die Antriebsvorrichtung durch Drehung mit einem Gesamtzug S (3) zwischen der äußerst rechten Position des Teils 21 in 2 und der äußerst linken Position in 3 axial bewegen. Dieser Zug S führt zu etwa einem Zehntel der axialen Bewegung für Stift 8 und Ausgangsteil 21.
Eine alternative Modifikation kann es sein, die Winkel des Keilantriebssystems zu verstellen, um das Verhältnis der Ein- und Ausgangsbewegungen zu ändern. Dies würde Verschiebung und Translation für größere oder kleinere Änderungen in der Auflösung erlauben.

Claims

Linearer Hochpräzisionsausrichter für relative axiale Grob- und Feinbewegung zwischen einem ersten (20) und einem zweiten (21) Teil, wobei der Ausrichter folgendes umfasst: Eine am ersten Teil befestigte Hülse; einen Grobeinstellkörper (1), welcher für axiale Grobbewegung auf der Hülse angebracht ist; einen Betätigungsstift (8), welcher seitlich im Grobeinstellkörper zur axialen Bewegung entlang einer Achse angebracht ist, wobei der Betätigungsstift (8) mit dem zweiten Teil bei axialer Bewegung des Betätigungsstiftes (8) in Eingriff steht, wobei die Grobbewegung des zweiten Teils durch relative Bewegung zwischen dem Grobeinstellkörper (1) und der Hülse verursacht wird und die Feinbewegung des zweiten Teils durch relative Bewegung zwischen dem Betätigungsstift und dem Grobeinstellkörper verursacht wird; einen Hauptkörper (3), der am Grobeinstellkörper (1) befestigt ist und eine konische Oberfläche (46, 48) aufweist, die bezüglich der Achse geneigt ist, wobei der Hauptkörper (3) ein erstes Gewinde (34) aufweist; eine Antriebsvorrichtung (4), die ein zweites Gewinde (34) aufweist, welches mit dem ersten Gewinde zur axialen Bewegung der Antriebsvorrichtung bezüglich des Hauptkörpers (3) bei der Drehung der Antriebsvorrichtungen (4) verschraubt wird, wobei die Antriebsvorrichtung eine zweite konische Oberfläche aufweist, die bezüglich der Achse geneigt ist; einen Keilkolben (7), der im Grobeinstellkörper (1) axial beweglich ist, und eine dritte konische Oberfläche aufweist, die bezüglich der Achse geneigt ist; und eine Vielzahl um die erste, zweite und dritte konische Oberfläche herum in Umfangsrichtung im Abstand angeordneter Kugeln (40), wobei jede Kugel (40) mit allen drei konischen Oberflächen in Eingriff steht und die Neigungen der Oberflächen so gewählt sind, dass bei relativ großer axialer Bewegung der Antriebsvorrichtung die Oberflächen mit den Kugeln (40) so wechselwirken, dass die Bewegung des Keilkolbens einen relativ kleinen Anteil ausmacht.
Ausrichter nach Anspruch 1, wobei die Antriebsvorrichtung (4) einen Feineinstellknopf, eine an dem Knopf befestigte Antriebsschraube (5), einen mit einer Antriebsschraube (5) in Eingriff stehenden und axial im Hauptkörper (3) beweglichen Antriebsstift (6), umfasst, wobei der Antriebsstift (6) die zweite konische Oberfläche trägt.
Ausrichter nach Anspruch 2, welcher eine Feder (52) zwischen dem Antriebsstift (6) und dem Keilkolben (7) enthält.
Ausrichter nach Anspruch 3, wobei der Antriebsstift (6) hohl ist und die Feder (52) sich zumindest teilweise in den Antriebsstift erstreckt.
Ausrichter nach Anspruch 3, wobei der Betätigungsstift (8) eine Kugel zum Eingriff mit dem zweiten Teil und eine Kugel zum Eingriff mit dem Keilkolben enthält.
Ausrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher eine Feder (53) zwischen dem Keilkolben und dem Grobeinstellkörper enthält.
Ausrichter nach Anspruch 6, wobei der Grobeinstellkörper (1) eine zylindrische Bohrung enthält, wobei der Einstellknopf axial in die zylindrische Bohrung eingreifen kann und dabei über den Hauptkörper (3) greift.