DE2029715C3 - Verstelleinrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für ·»< > Linear- oder Winkelverschiebungcn von Tragplattcn relativ zu Basisplattcn, die sich über Rollen oder Kugeln auf Führungen abstützen und über Linear- oder Drehbewegungen übertragende Hinrichtungen miteinander verbunden sind. '"'

Line Verstelleinrichtung dieser Art isl aus der US-PS 46 0Ob bekannt; im ein/einen werden bei dieser Verstelleinrichtung die beiden Platten durch eine Feder zusammengehalten b/w. aneinandergedrückt. Diese Feder stützt sich auf der Unterseite der linieren Plane '>" mil ihren federnden Randern über Kugeln ab. die in Fühningsrillen laufen und in einem plattenförmigen Kiifigieil angeordnet sind. Die Verbindung zur oberen Plane wird durch eine Schraube gebildet, die durch eine Bohrung in der unleren Platte hindurchgeht und in '>"' Cjcwindeeingriff mil einem einsprechenden Loch in der oberen PIaIIc steht, die über die Kugeln und zugehörige Führungen relativ zu der linieren Plane verschiebbar ist. Der Kopf der Schraube stützt sich mit seiner Innenseite ander Feder ab. ^h"

Diese bekannte Verstelleinrichtung ist äußerst kompliziert aufgebaut und hat nur einen sehr beschränkten Verslcllbcrcich. da der Durchmesser der Bohrungen, durch welche die Schraube zur Verbindung der beiden Planen hindurchgeht.beschränkt ist. ··<

Weitere wesentliche Nachteile von Vcrslelleinrichlimgen der Art. wie sie in der US-PS 3046 0Ob beschrieben sind, ergeben sich aus den nachstehenden, weiteren Erläuterungen zum Stand der Technik.

Bei einer Präzisionsverstellung, die Feinheiten von 0,001 mm oder mehr leisten muß, gibt es drei Konstruktionsprobleme, die die Reproduzierbarkeit der Einstellung beeinträchtigen. Das eine Problem ist die Spielfreiheit zwischen den Komponenten, das zweite die Rückführung der sich gegeneinander bewegenden Teile und das dritte die Sicherung der gleichmäßigen Bewegung.

Zur Spielfreiheit ist zu sagen, daß bei dem Stand der Technik eine Spielfreiheit, die Reproduzierbarkeiten in der Größenordnung von 0.001 mm ermöglicht, nur mit Federwirkung verwirklicht werden kann, wie das bei der Verstelleinrichtung nach der US-PS 30 46 006 der Fall ist. 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.

Hinsichtlich der Rückführung ist festzustellen, daß bei jeder Verstellung eine Rückführung des Schlittens in seine ursprüngliche Lage notwendig ist. Um das Spiel auszuschalten, werden alle Rückführungen mit Federn betätigt. Die Anwendung von Federn bedeutet Anwendung von Kraft, und zwar ändert sich die Kraft, wenn sich die Weglänge ties Schlittens ändert.

Was die gleichmäßige Bewegung anbetrifft, so zeigt die Erfahrung, daß eine gleichmäßige Bewegung, d. h. eine Bewegung ohne Sprünge, bei einer Verstellung 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. F.s ist klar, daß solche Anordnungen von Vorteil sind, in denen die Bewegung als Folge kleinster Kräfte zustandekommt.

Um bei der Verstelleinrichtung nach der US-PS 30 46 006 eine Spielfreiheit zu erreichen, müssen die beiden Platten verhältnismäßig si*-..-'< gegen die Kugeln gedrückt werden. Das führt zur Deformation der Kugeln. Ein weiterer, wichtiger Umstand ist. daß die Kugeln nicht vollkommen sphärisch sind, sondern in kleincrem oder größcrem Maße von der reinen Kugelgestalt abweichen. Wenn man unter solchen Umständen versuchl, die beiden Platten gegeneinander zu verschieben, bemerkt man, daß für die Bewegung als Funktion des zurückgelegten Weges unterschiedliche Kräfte benötigt werden. Die Bewegung wird ruckartig, als ob Sand in den Führungsbahnen der Kugeln wäre. Diese ungleichmäßige Bewegung (»Sandwirkung«) resultiert daraus, daß sich während der Bewegung der beiden Platten gegeneinander die »Ovalitäl« der Kugeln ändert und dadurch Spreizungcn verursacht werden. Die .Spreizstellen können erst nach Überwindung der entstandenen Kräfte passiert werden. Dabei muß die Deformation der Kugeln in Kauf genommen werden, was mit zu der vorslehcnd erwähnten, ungleichmäßigen Bewegung be'lrägt.

Weilerhin ist aus der DF-OS 1944 190 eine .Stabilisierungseinrichtung für optische BiUlei bekannt, bei der ein ebener Spiegel in einer Flüssigkeit schwebt, die sich ihrerseits in einer Kammer befindet, und zwar hat der schwebende Spiegel einen solchen Auftrieb, daß er in irgendeiner Stellung oder Lage in der Flüssigkeit stehenbleibt, wozu ein oder mehrere Schwimmbchältcr vorgesehen sind. Unabhängig davon, daß der Spiegel in der Kammer durch die darin befindliche Flüssigkeit getragen wird, ist es notwendig, ein Driften des Spiegels

aus seiner mittigen Lage zu verhindern und weiterhin sicherzustellen, daß relative Bewegungen zwischen dem Spiegel und dem Gehäuse um das Zentrum des im Mittelpunkt der sphärischen Kammer angeordneten Spiegels erfolgen. Damit dieses geschieht, d. h. ein Driften des in der Flüssigkeit schwebenden Spiegels verhindert wird, und die relativen Bewegungen zwischen dem Spiegel und dem Gehäuse um das Zentrum det, Spiels erfolgen, wird der Spiegel durch Ringmagneten an der tiefsten Stelle eines daran in vorgesehenen Zentrierkonus in Anlage mit der Spitze einer Nadel gehalten.

Diese Ringmagneten sind hinsichtlich der zwischen ihnen verlaufenden Kraftlinien so angeordnet, daß diese Kraftlinien in der Verstellrichtung des Spiegels um das η Zentrum desselben verlaufen, also dieser Verstellung eine Kraft entgegensetzen; und weiterhin verlaufen diese Kraftlinien auch in der Verstellrichtung der Nadel in deren Längsrichtung, sie dienen also lediglich dazu, eine Ankopplung des Spiegels an ein Verstellglied, _>o nämlich die Nudel, zu bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es gegenüber diesem Stand der Technik, eine Verstelleinrichtung zu schaffen, die bei außerordentlicher baulicher Einfachheit und einem wesentlich vergrößerten Verstellbereich sowie bei Feinheiten der Verstellung von 0,001 mm und mehr eine hervorragend gleichmäßige Bewegung ermöglicht, wie sie nicht nur in der Mikroskopie, der Halbleitertechnik und anderen Industriezweigen wichtig is;, sondern insbesondere auch in der modernen Optik, Lasertechnik, so Holographie. Interferometrie u. dgl.

Diese Verstelleinrichtung zeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch aus, daß die Platten durch Magnete, deren Kraftlinien zur Verstellrichtung senkrecht verlaufen, zusammengehalten sind. Ii

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 sich die Platten Sehr leicht gegeneinander bewegen und ermöglichen präziseste Einstellungen.

Mit den magnetisch-kinematischen Präzisionsverstcllungcn. die mit der Verstelleinrichtung nach der Erfindung möglich .sind, können lineare und Drehbewegungen mit einer Feinheit verwirklicht werden, die mit 4·". anderen bisher existierenden Anordnungen nicht möglich war. Ähnliche Feineinstellungen haben neben der Anwendung in Mikroskopie. Halbleitertcchiiik und anderen Industriezweigen besondere Bedeutung in der modernen Optik, Lasertechnik, Holographie. Interfcro- ^r>ti metric, um nur einige Beispiele zu nennen, die mechanischen Verstellungen mit Feinheiten und P.eproduzicrbarkeiten brauchen, die früher nur selten angewendet wurden.

Mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung kon- v> iicn optische und andere Komponenten mit großer Präzision um die vertikalen X. Y, Z-Achscn gedreht und/oder entlang diesen verschoben werden. Dabei drehen oder laufen jeweils zwei Platten gegeneinander beispielsweise auf Kugelführungen, die durch Haft- wi magneten aneinander gehalten werden.

Die Verstellung kann mit normalen Schrauben oder Mikrometern erfolgen, die mit einem festen Teil starr verbunden sind. Die Schraubenspindel arbeitet auf das bewegliche Teil, d.ⁿs über einen Haftmagneten spielfrei ο > mit der Mikromeierspindel verbunden ist. Die Schrauben oder Mikrometer können durch piezoelektrische Übertrager ersetz¹ werden.

Mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung werden die obengenannten Probleme der .Spielfreiheit, der Rückführung und der gleichmäßigen Bewegung gelöst.

Es sei darauf hingewiesen, daß in der Verwirklichung von Bewegungen höchster Präzision piezoelektrische Wandler große Bedeutung haben. Ihrer Natur nach können piezoelektrische Säulen nicht Krafiwirkungen ausgesetzt werden. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung jedoch ist auch hervorragend für Operationen mit piezoelektrischen Säulen geeignet, so daß sie in einem Ausführungsbeispiel zur Feinverstellung mit einer piezoelektrischen Säule versehen ist.

Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den F i g. 1 bis 9 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter ^usführungsbeispiele näher erläutert; es zeigt

Fig. ! ein Ausführungsbeispiel einer Verstelleinrich tung für Linearverschiebungen na-. · der Erfindung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiei eine Verstelleinrichtung für Winkelverschiebungen nach der Erfindung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Verstelleinrichtung nach der Erfindung, womit sowohl Linear- als auch Winkdverschiebungen durchgeführt werden können;

Fig. 4 die Verstelleinrichtung nach F i g. J in auseinandergezogenem Zustand;

Fig. 5 bis 7 verschiedene Anbringungen einer Mikrometerschraube als Verstellorgan;

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel einer Verstelleinrichtung für vertikale Verstellungen; und

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiei einer Verstelleinrich· lung nach der Erfindung mit einer piezoelektrischen Säule als eines der Verstellglieder.

Die Fig. 1 zeigt eine lineare Verstelleinrichtung, in der sich bei der linearen magnetisch-kinematischen Verstellung die gegenüberliegenden Teile auf Kugeln bewegen. Die Kugeln sind von geraden Rillen geführt. Die Einzelteile sind mit magnetischen Kräften zusammengehalten. Die Fig. 1 zeigt die Anwendung einer n.agnetisch-kinematischen Verstelleinrichtung in einer optischen Anordnung. Nach der F i g. 1 wird auf einem optischen Reiter R das lineare Vei stellglied, das zwei Platten V aufweist, von denen die untere Platte eine Basisplatte und die obere Platte eine Tragplatte darstellt, magnetisch festgehalten. Die senkrecht /ur Zeichnungsebenc bewegliche obere Platte V. die auch als Schlitten bezeichnet werden kann, ist auf Kugeln gelagert. Die beiden Platten V sind magnetisch zusammengehalten. Eine seitlich mit Kunststoff bekleidete Spindel T sorgt für die Grobbewegung des Schlittens. Die Feinbewegung erfolgt mittels eines Mi'vometers M. Das Mikrometer ist auf der unteren Platte V befestigt und greift die obere Platte V über einen Magneten N. Werden zwei lineare Verslelieinrichiungen nach der F i g. I übereinander angeordnet, ist eine Verstellung in zwei zueinander senkrechten Richtungen, nämlich einer A'- und V-Richtung, möglich.

Die magnetisch-kinematische Verstelleinrichtung ist auch sehr gut für die Herbeiführung von Drehbewegungen geeignet. Eine Anordnung, mit welcher eine Präzisionsverstellung um die Z-Achse. d. h. die vertikale Achse, möglich ist, zeigt die F i g. 2. Das Beispiel ist aus der Optik genommen. Die Rciiersäule S ist in einem Drehteller U befestigt, der die Tragplatte bildet. Der Drehteller ruht auf Kugeln, die in einer kreisförmigen Rille umlaufen. Diese obere Rille hat eine Gegellrille in dem unteren Teil der Verstelleinrichtung. Der Drehtel-

ler und der untere Teil sind mit Magneten zusammengehalten. Der untere Teil liegt auf einem optischen Reiter R und ist mit Magneten auf diesem festgehalten. Der Drehteller und damit auch die Rcilersäule S sind um 360° drehbar, fine Mikrometerschraube Λ/ greift an einem mit einem Haftmagneten versehenen Griff CS an. Der Griff ist auf dem Rand des Drehteller beliebig verstellbar.

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

Die X- und V-Verstellungen sowie die Drehung um die /-Achse nach Ii g. I und 2 können kombiniert werden, wie dies fig. i /eigt. Der besseren Übersicht wegen ist die Vorrichtung nach fig. J in fig. 4 noch einmal auseinandergenommen dargestellt.

Die Anordnung der Verstellschrauben b/w. Mikrometer bei der magnetisch kinematischen Verstelleinrichtung bedeutet ein besonderes Problem. Das eigentliche Problem ist. daß es in der Richtung der Bewegung gemäß der Y-Achse sehr oft keinen Plat/ für die Placierung weit aiisragender Objekte gibt. In der V-Richtung ergibt sich dieses Problem im allgemeinen nicht. Wenn das Plat/problem vorhanden ist. sollen die Mikrometer entweder über der als Schlitten dienenden tragplatte oder neben dieser placiert werden. Die f ig. 5. b und 7 /eigt die Möglichkeiten der Unterbringungder Verstellorgane auf dem A-Richlimgs-Schlitlen.

I ig. ") zeigt cmc Anordnung nut der Versiellschraube

Mikrometer in der

\ erlängening des Vcrsielkchraube

oder dem
Schlittens.

I i g. h /eigt eine Anordnung mit oder Mikrometer über dem Sch in ι cn.

I ig. 7 /eigt cmc Anordnung tier Verstellschraube oder des Mikrometers neben dem Schlitten.

Die Bedeutung der magnetisch-kinematischen Verstelleinrichiungen ist besonders groli bei ilen vertikalen Pra/isionsführuiigen. Bei den Prä/isioiis\ersiellungen bildet die vertikale Verstellung ein schwer /ii losendes Problem. Die Schwierigkeit liegt in der Ausschaltung M*. ι VH-IMl-IlH. UU /H \ LI ML 11 U I I U U I I OC M .1 I Ili t C I ί L*. DlC Frfindung schafft auch hier Hilfe, indem sie die vollständige Ausschaltung der Wirkung des Gewichts ermöglicht. Die Losung der prä/isen. vertikalen Verstellung /eigt die I ig.«. Die Vorrichtung steht auf einem optischen Reiter und auf einer geraden, um 40 ν ersetzten Doppelführung. Die vertikal /u führende Komponente. I insc oder Spiegel 0. hangt auf einer Säule, welche die Basisplatte /'I bildet. Die Säule hat beiderseits gerade Rihrungsriiien. Diesen führungen gegenüber stehen die geraden führungsrillen des Linsen- oder Spiegelhalters, welcher von einer Tragplatte f'2 gebildet wird. b/w. des Gegengewichtes /M. Tragplatte Pl und Gegengewicht /M werden mit Magneten an der Säule gehalten. Tragplatten und Gegengewicht sind mit einem Metallband Haufgehängt. > Das Metallband ist mit I IiITc einer kugelgelagertcn Rolle geführt. Der Spiegclhaltcr kann sowohl um die horizontale V-Achse als auch um die vertikale /-Achse eingestellt werden, und /war ermöglichen beide !-Umstellungen je eine 360 -Umdrehung des Spiegels. Die " Drehung um die hori/onlalc V-Achse erfolgt mit Hilfe einer magnetisch kinematischen Verstelleinrichtung. Der Übersichtlichkeit halber sind die Verslellschraiibcn b/w. Verstellmikrometer in die figuren nicht eingezeichnet. Besonders /u bemerken ist folgendes: Die ' vertikale Grobvcrstellung der optischen Komponenten geschieht mit Hand. Die vertikale feinverstellung erfolgt mit Mikrometer oder Schraube. Aber weil diese in verschiedenen Höhen fixiert werden müssen, werden sie in verschiedenen Höhenlagen magnetisch befestigt. " Wie man eine piezoelektrische Verstellung magnetisch-kinematisch lösen kann, /eigt Ii g. 4. fs wird dafür wieder ein optisches Beispiel gegeben. In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, daß alle bisherigen, horizontalen, piezoelektrischen, optischen ■· Verstellungen so ausgeführt sind, daß die piezoelektrische Säule auf einer Seile »eingefangen« ist. die andere trägt die optische Komponente. Dies bedeutet eine Belastung der piezoelektrischen Säule. Die Säule wird auf Biegung beansprucht. Kompliziert wird eine solche " Anordnung, wenn Strahlung das System passieren muß. In diesem fall ist die Säule aus piezoelektrischen Ringen mit großen Abmessungen aufgebaut.

In fig. 9 ist wieder eine lineare Verstelleinrichtung

mit einer Basisplattc 7"1. einer Tragplatte T2 und einem "> Mikrometer Λ7 nach Fig. I dargestellt. Das eine fndc der piezoelektrischen Säule /'ist auf der feststehenden Basisplatle 7*1 der Verstelleinrichtung fixiert. Die verschiebbare Tragplatte T2 trägt eine Stütze Z. an welcher die .Schiebekraft der piezoelektrischen Säule ■ angreift. Das gegen die .Stütze wirkende finde der l'IC/.Wl'ICItil IM-IICM Sdult IM Mill CIIIUII i I .1 i I I Π .1 JJ I H. I L Il versehen, welcher eine Spiclfreiheit garantiert. Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die piezoelektrische Säule nur auf Druck und Zug beansprucht wird und daß die · Dimensionen dieser Säule völlig unabhängig von den optischen Komponenten sind. Mit \ und \ sind die .Spannungsanschlußpunkte der piezoelektrischen Säule bezeichnet.

fs versteht sich von selbst, daß diese Konzeption auch für Rotationsvcrstcllungen angewendet werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verstelleinrichtung für Linear- oder Winkel verschiebungen von Tragplatten relativ zu Basisplauen, die sich über Rollen oder Kugeln auf Führungen abstützen und über Linear- oder Drehbewegungen übertragende Einrichtungen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daB die Platten (V U, Pi, P2, P3, Tl, TT) durch Magnete, deren Kraftlinien zur Verstellrichtung senkrecht verlaufen, zusammengehalten sind.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Basisplatte (V) ein Mikrometer (M) als Verstellglied befestigt ist, das über einen Magneten (N) an der Tragplatte (V) angreift.

3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Feinverstellung mit einer piezoelektrischen Säule (P) versehen ist.

4. Versie.leinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Säule (P) als Verstellglied an der Basisplatte (T\) befestigt ist und über einen Magneten an der Tragplatte (Z. T2) angreift.

5. Verstelleinrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Vertikalanordnung zum Ausgleich des Gewichts der zu verstellenden Teile (P2.Q) mit einem Gegengewicht (P3) versehen ist.

6. Verstelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht angeordnete Basisplattc -'Pi) beiderseits gerade Fühningsrillen hat, denen gerade Führungsrjllen der Tragplatte (Pl) und des Gegengewichts (P 3) gegenüberstehen, wobei auch das Gegengewicht /P3) durch Magnetkraft ander Basisplattc (Pl)gei .allen isl.

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