DE2029715A1

DE2029715A1 - Magnetisch-kinematische Präzisionsverstellungen

Info

Publication number: DE2029715A1
Application number: DE19702029715
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-06-16
Filing date: 1970-06-16
Publication date: 1971-12-23
Also published as: FR2096161A5; DE2029715B2; DE2029715C3; US3720849A; GB1354130A

Description

Dr.Arpad Bardocz ·

Magnetisch-kinematische Präzisionsverstellungen

Mit den magnetisch-kinematischen Präzisionsverstellungen ' nach der Erfindung können lineare und Drehbewegungen verwirklicht werden mit einer !'einheit, die mit anderen, bisher existierenden Anordnungen nicht möglich waren. Ähnliche Peineinsteilungen haben neben der Anwendung in Mikroskopie, Halbleitertechnik und anderen Industriezweigen besondere Bedeutung in der modernen Optik, Lasertechnik, Holografie, Interferometrie, um nur einige Beispiele zu nennen, die mechanische Verstellungen mit Feinheiten und Reproduzierbarkeiten brauchen, die früher nur selten angewendet wurden.

Mit den vollständig auf neuen Konstruktionsprinzipien basierenden Systemen können optische und andere Komponenten mit großer Präzision um die vertikalen X, Y,Z-Achsen gedreht und/ oder entlang dieser verschoben werden. Dabei drehen oder laufen jeweils zwei Platten gegeneinander auf Kugelführungen, die durch Haftmagneten aneinander gehalten werden. Diese Lösung garantiert, daß die Platten in jeder Stellung zueinander spielfrei sind. Da die magnetischen Kraftlinien gegen eine Bewegung senkrecht zu ihrer Richtung keinen Widerstand leisten, können die Platten sehr leicht gegeneinander sich bewegen und ermöglichen präziseste Einstellungen. Die Verstellung erfolgt mit normalen Schrauben oder Mikrometern, die mit einem festen Teil starr verbunden sind. Die Schraubenspindel arbeitet auf einem am beweglichen Teil, der über einen Haftmagneten spielfrei mit

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der Mikrometerspindel verbunden ist. Die Schrauben oder Mikrometer können durch piesoelektrische Überträger ersetzt werden.

Die Bedeutung des Systems nach der Erfindung kann man am besten schätzen, wenn man die Forderungen aufstellt, die an eine' ähnliche Anordnung zu stellen sind und die bisher vorhandenen Anordnungen daraufhin überprüft.

Bei einer Präzisionsverstellung, die Feinheiten von O₅001 mm oder mehr leisten muß₉ gibt es drei Konstruktionsprobleme, die die Reproduzierbarkeit der Einstellung beeinträchtigen. Das eine Problem ist die Spielfreiheit zwischen den Komponenten, das zweite die Rückführung der gegeneinander sich bewegenden Teile und das dritte die Sicherung der gleichmäßigen Bewegung.

Die Spielfreiheit; Bei dem heutigen Stand der Technik kann eine Spielfreiheit, die Reproduzierbarkeiten in der Größenordnung von 0,001 mm ermöglicht, nur mit Federwirkung verwirklicht werden. Die Federwirkung kann entweder durch die Anwendung von Federn oder durch federnde Ausbildung der Führungen verwirklicht werden. Beide Lösungen verursachen eine Erschwerung der Bewegung. Solche Schlitten können nur mit Kraftaufwand bewegt werden.

Die Rückführung; Bei jeder Verstellung ist eine Rückführung des Schlittens in seine ursprüngliche Lage notwendig. Um das Spiel auszuschalten, werden alle Rückführungen mit Federn be-

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tätigt. Die Anwendung von Federn "bedeutet Anwendung von Kraft und zwar ändert sich die Kraft, wenn sich die Weglänge ues Schlittens ändert.

Gleichmäßige Bewegung:: Die Erfahrung zeigt, daß eine gleichmäßige Bewegung, d.h. eine Bewegung ohne Sprünge, einer Ver-"stellung nur dann verwirklicht werden kann, wenn die Bewegung kräftefrei und ohne Reibung verläuft. Da wo Kraft ist, gibt es auch Reibung und so auch ungleichmäßige Bewegung. Es wird klar sein, daß solche Anordnungen den Vorteil haben, wo die Bewegung als Folge kleinster Kräfte zustandekommt. Bei dem heutigen Stand der Technik ist dies der Fall bei einer magnetisch-kinematischen Lösung nach der Erfindung.

Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß in der Verwirklichung Bewegungen höchster Präzision, piesoelektrische Wandler große Bedeutung haben. Ihrer Natur nach können piesoelektrisehe Säulen nicht Kraftwirkungen ausgesetzt werden. Die erfindungsmäßigen magneto-kinematischen Anordnungen sind hervorragend geeignet für Operationen mit piesoelektrischen Säulen.

Im Folgenden geben wir einige Beispiele für die Ausführung magnetisch-kinematischer Anordnungen nach der Erfindung.

Abb.1 zeigt eine lineare Verstellung nach der Erfindung. Bei der linearen magnetisch-kinematischen Verstellung bewegen sich die gegenüberliegenden Teile auf Kugeln. Die Kugeln sind von geraden .Rillen geführt. Die Einzelteile sind mit

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magnetischen Kräften zusammengehalten. Die Abb.1 zeigt die Anwendung eines magnetisch-kinematischen Systems in einer optischen-Anordnung.' Nach der Abb.1 wird auf einem optischen Reiter (R) das lineare Verstellglied (V) magnetisch festgehalten. Auf diesem Glied steht der, senkrecht auf der Papierebene bewegliche Schlitten (Z), in Kugeln gelagert. Der untere und -obere Teil des Verstellgliedes ist magnetisch zusammengehalten. Eine seitlich mit Kunststoff bekleidete Spindel (T) sorgt für die Grobbewegung des Schlittens. Die Feinbewegung erfolgt mittels eines Mikrometers (M). Der Mikrometer.ist auf dem unteren Verstellgliedteil befestigt und greift den Schlitten über einen Magneten (Kf). Werden zwei lineare Verstellungen nach der Abb.1 übereinander gelegt, ist eine Verstellung auf zwei zueinander senkrechten Richtungen (X- und Y-Richtung) möglich.

Die magnetisch-kinematischen Verstellungen sind sehr gut geeignet auch für die Herstellung von Drehbewegungen. Eine Anordnung, mit welcher eine Präzisionsverstellung um die Z-Achse (vertikale Achse) möglich ist, zeigt die Abb.2. Das Beispiel ist aus der Optik genommen. Die Reitersäule (S) ist in einem drehbaren Teller (U) befestigt. Der Drehteller ruht

einer
auf Kugeln, die in kreisförmigen Rille herumlaufen. Diese

obere. Rille, hat eine Gegenrille in dem unteren Teil der Verstellung. Teller und Unterteil sind mit Magneten zusammengehalten. Das Unterteil liegt auf einem optischen Reiter (R) und ist mit Magneten auf diesem festgehalten. Teller und damit auch die Säule sind um 5öO° drehbar. Die Mikrometersehraube (M) greift auf einen, mit einem Haftmagneten ver-

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sehenen Griff (G). Der Griff ist auf dem Rande des Tellers beliebig verstellbar.

Werden die Gegenrillen in den optischen Reiter eingedreht, ■ dann liegt der Drehteller direkt auf dem Reiter.

Die X- und Y-Verstellungen sowie die Drehung um die Z-Aehse nach Abb.T und 2 können zusammengebaut werden, wie dies Abb.3 zeigt. Der besseren Übersicht wegen ist Abb.3 in Abb.4 noch einmal auch auseinandergenommen gezeichnet.

Die Anordnung der Verstellschrauben bzw. Mikrometer bei dem magnetisch-kinematischen System bedeutet ein besonderes Problem. Das eigentliche Problem ist, daß es in der Richtung der Bewegung (X-Achse) sehr oft keinen Platz für die Plazierung weit ausragender Objekte gibt. In der Y-Richtung meldet sieh dieses Problem im allgemeinen nicht. Wenn das Platzproblem vorhanden ist, sollen die Mikrometer entweder über den Schlitten oder neben diesen plaziert werden. Die Abb. 5, 6 und 7 zeigen die Möglichkeiten der Unterbringung der Verstellorgane auf dem X-Richtung-Schlitten.

Die Abb.5 zeigt eine Anordnung mit der Versteilschraube oder dem Mikrometer in der Verlängerung des Schlittens.

Abb.6 zeigt eine Anordnung mit Verstellschraube oder Mikrometer über dem Schlitten.

Abb.7 zeifrfj eine Anordnung der Verstellachraube oder des l'ikV'Uet.evu nci>e^vi dem uclV! ^; Iwn.

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Die Bedeutung der magnetisch-kinematischen Verstellungen ist besonders groß bei den vertikalen Präzisionsführungen. Bei den Präzisionsverstellungen bildet die vertikale Verstellung ein schwer zu lösendes Problem. Die Schwierigkeit liegt in der Ausschaltung der Gewichte der zu verstellenden Bestandteile. Das Prinzip der Erfindung schafft auch hier Hilfe, indem es die vollständige Ausschaltung der Wirkung des G-ewichtes ermöglicht. Die elegante und vollständige technische Lösung der präzisen vertikalen Verstellung zeigt die Abb.8. Die Vorrichtung steht auf einem optischen Reiter und auf einer geraden um 90 versetzten Doppelführung. Die vertikal zu führende Komponente, Linse oder Spiegel (0), hängt auf einer Säule (P1)» Die Säule hat beiderseits gerade Führungsrillen, Diesen Führungen gegenüber stehen die geraden Führungsriilen des Linsen- oder Spiegelhalters (0), bzw. des Gegengewichtes (P3). Spiegelhalter und Gegengewicht werden mit Magneten an der Säule gehalten« Spiegelhalter und Gegengewicht sind mit einem Metallband (M) aufgehängt. Das Metallband ist mit Hilfe einer kugelgelagerten Rolle (K) geführt. Der Spiegelhalter kann sowohl um die Y- (horizontale) wie auch um die Z-Achse (vertikal) eingestellt werden, und zwar ermöglichen beide Einstellungen je eine 36O°-Umdrehung des Spiegels. Die Drehung um die Y-(horizontale) Achse erfolgt mit Hilfe einer magnetisch-kinematischen Drehvorrichtung ο Der Übersichtlichkeit halber sind die Verstellschrauben bzw» Verstellmikrometer in die Abbildung nicht eingezeichnet. Besonders zu bemerken ist folgendes? Dje vertikale Grobverstellung der optischen Komponenten

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Feingeschieht mit Hand, die vertikale Verstellung erfolgt mit Mikrometer oder Schraube. Aber weil diese in verschiedenen Höhen fixiert werden müssen, werden sie in verschiedenen Höhenlagen magnetisch befestigt.

Wie elegant man eine piezoelektrische Verstellung magnetischkinematisch lösen kann, zeigt Abb.9. Es wird dafür wieder ein optisches Beispiel gegeben. -Einleitend sollte erwähnt werden, daß alle heutigen horizontalen, piesoelektrischen optischen Verstellungen so ausgeführt sind, daß die piesoelektrische Säule auf einer Seite "eingefangen" ist, die andere trägt die optische Komponente. Dies bedeutet eine Belastung der piesoelektrischen ^äule. Die Säule wird auf Biegung beansprucht. Kompliziert wird eine solche Anordnung, wenn die Strahlung das System passieren muß. In diesem Falle ist die Säule aus piesoelektrischen Ringen mit großen Abmessungen aufgebaut.

In Abb.9 ist wieder die lineare Verstellung (T1, 12, M) nach. Abb.1 dargestellt. Das eine Ende der piesoelektrischen Säule (P) ist auf dem feststehenden Teil (TT) der Verstellvorrichtung fixiert. Der obere Schlitten (T2) trägt eine Stütze (Z), an welcher die Schiebekraft der piesoelektrischen Säule angreift. Das gegen die Stütze wirkende Ende der piesoelektrischen Säule ist mit einem Haftmagneten versehen, welcher eine Spielfreiheit garantiert. Aus Abb.9 ist ersichtlich, daß die piesoelektriüche Säule nur auf Druck und Zug beansprucht wird und daß die Dimensionen dieser Säule völlig unabhängig von den

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optischen Komponenten sind, x-y sind die Spannungsanschlußpunkte der piesoelektrischen Säule.

Es versteht sich von selbst, daß diese Konzeption auch für Rotationsverstellungen angewendet werden kann.

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Claims

Dr.Arpad Bardocz

Magnetisch-kinematische Präzisionsverstellungen

Patentansprüche

h)J Lineare und kreisförmige Verstellvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhalt der nebeneinander auf Rollen sich "bewegenden Komponenten durch Magneten bewirkt wird.
2) Lineare Verstellvorrichtung nach Anspruchsplmkt 1) dadurch gekennzeichnet, daß sie in Vertikalanordnung zwecks Ausschaltung des Gewichts mit einem Gegengewicht versehen ist.
3) Verstellvorrichtung nach Anspruchspunkt 1) dadurch Λ gekennzeichnet, daß sie als Feinverstellung mit einer piezoelektrischen Verstellung versehen ist.

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