DE2314379A1 - Positions-kontrollsystem unter verwendung magnetischer kraft - Google Patents
Positions-kontrollsystem unter verwendung magnetischer kraftInfo
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Description
DIPL.-ING. KLAUS BEHN
DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER
PATENTANWÄLTE O O 1 / OTQ
8 MÜNCHEN 22 Wl DENM AYERSTR ASSE 6 / O I H O / v3
TEL (0811) 232530-295192
A 103 75
Firma HANDOTAI KENKYU SHINKOKAI, Kawauchi, Sendal-Shl,
Miyagi-Ken, Japan
Positions-Kontrollsystem unter Verwendung magnetischer Kraft
Die Erfindung betrifft ein Positions-Kontrollsystem, insbesondere ein solches, bei dem Magnetkraft verwendet wird.
übliche Positionssteuerung für ein zu steuerndes Objekt
wird mittels Schraubspindeln vorgenommen. Besonders präzise Steuerung ist jedoch mit Hilfe der Spindelsteuerung nicht
möglich wegen der Ungleichmäßigkeit der Reibung zwischen einer Spindelmutter und der Spindel selbst, wegen der ungleichmäßigen
Steigung der Spindelgänge, der Hysterese der Schraubenspindel u.s.w.. Das übliche Positions-Steuersystem kann deshalb nicht
zur Lagesteuerung eines zu steuernden Objektes herangezogen werden, bei dem eine besonders hoch-präzise Steuerung benötigt
wird wie etwa die Lagesteuerung einer Maske beim Photoätzen
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2 3;. ' 9
oder bei einem BedampfungsVorgang. Außerdem ist eine zwei- oder
dreidimensionale Steuerung von besonderer Präzision mit der konventionellen Technik schwer auszuführen.
Mit der Erfindung soll nun ein Positions-Steuersystem geschaffen werden, mit Hilfe dessen die Lage eines zu steuernden
Objektes mit großer Präzision mit Hilfe von Magnetkräften durchgeführt
werden kann. Außerdem soll die hoch-präzise Lagesteuerung des Objektes in zwei oder drei Dimensionen möglich sein.
Schließlich soll die Steuerung auch automatisch durchgeführt werden können.
Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein Teil des zu steuernden Objektes aus einer magnetischen Substanz aufgebulat. Dieser
magnetischen Substanz wird wenigstens ein Pol eines Elektromagneten mit einem Luftspalt dazwischen gegenübergestellt, so
daß ein magnetischer Schließungskreis die magnetische Substanz mitjerfaßt wie auch den Luftspalt und den Elektromagneten selbst.
Eine Voreinstellung zum Einstellen der Luftspaltbreite auf einen
Wert, der größer ist als ein bestimmter Wert bei Steuerstrom Null, ist vorgesehen. Es sind Trageinrichtungen vorhanden, die
wenigstens eine Feder zum Tragen des gesteuerten Objekts aufweisen, so daß das zu steuernde Objekt in eine Richtung beweg-
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bar ist, in der die Magnetkräfte zwischen dem Elektromagneten und der magnetischen Substanz wirken. Steuermittel sind mit
dem Elektromagneten verbunden, wodurch der Stauerstram des Elektromagneten für die Einstellung der magnetischen Kraft
eingestellt werden kann wie auch die Weite des Luftspaltes, so daß in der oben genannten Richtung eine bestimmte Lage des
zu steuernden Objektes eingenommen werden kann. Die Magnetflußdichte oder die Induktion führt im Magnetkreis bei einer Bedingung,
bei welcher der Luftspalt einen bestimmten Abstandswert annimmt, bereits im wesentlichen zur Sättigung, wobei
dann die elastische Kraft der Feder durch die Magnetkräfte im Gleichgewicht gehalten wird innerhalb des elastischen Bereichs
der Feder bei den oben erwähnten Bedingungen, so daß eine gegenseitige Berührung des zu steuernden Objektes und des Elektromagneten
vermieden wird. Das vorstehend genannte Prinzip kann zur Ausführung einer zwei- oder dreidimensionalen Steuerung
und zur Rotationssteuerung eines zu steuernden Objektes abgewandelt werden.
Es folgt jetzt eine Beschreibung des Aufbaus und der Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand
der Zeichnung , so daß die Grundgedanken der Erfindung dadurch
noch deutlicher offenbar werden. Es zeigen:
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~4" 23U379
Fig.1 und 2 charakteristische Kurven zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung;
Fig.^A und J5B Seitenansichten einer Prinzipdarstellung
der Erfindung; .
Fig.4jL und 4 B Draufsicht und Seitenansicht eines die Erfindung
aufweisenden Ausführungsbeispiels;
Fig.5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung
in Ansicht;
Fig.6 eine ein anderes Ausführungsbeispiel darstellende
perspektivische Ansicht,'mit dem eine Zweidimensionaisteuerung vorgenommen werden kann;
Fig.7 eine perspektivische Ansicht eines nochmals
anderen Ausführungsbeispiel für eine Zweidimensionalsteuerung;
Fig.8 die perspektivische Ansicht eines weiteren
ZweidimensionalSteuersystems;
Fig.9 eine perspektivische Ansicht als Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit dem eine Eindimensionalsteuerung
in vertikaler Richtung durchgeführt wird;
Fig.10 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
mit Rotationssteuerung;
Fig.11 in perspektivischer Darstellung abermals
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung Jedoch für dreidimensionale Steuerung;
Fig.12A und Draufsicht und Seitenansicht eines Ausführungen
Fig.12B beispiels nach der Erfindung, in welchem
Grobsteuerung und Feinsteuerung vorgenommen
wird;
Fig.13 und 14 Graphische Darstellungen zur Erläuterung
von Abläufen des in der Fig.15 gezeigten
Ausführungsbeispiels; und
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23UV/9
Fig.15 ein Blockschaltbild, das die Erfindung
darstellt mit automatischer Steuerung.
Die Fig.^A und JB zeigen Konstruktionen des erfindungsgemäßen
Systems. Das zu steuernde Objekt 1 ist zum Teil oder vollständig aus einer magnetisch leitfähigen Substanz 1a hergestellt.
Ein Elektromagnet 2 aus U-förmig gestalteter magnetischer Substanz mit einer Steuerwicklung 2a weist zwei Magnetpole
auf, die der magnetisch leitfähigen Substanz 1a des zu steuernden Objekts unter Zwischenschaltung eines Luftspaltes
gegenüberstehen, so daß der magnetische Schließungskreis durch die magnetische Substans 1a, den Luftspalt und den Elektromagneten
2 verläuft. Der Elektromagnet 2 ist mit einer Schraubspindel 8 verbunden, die durch einen Spindelträger 5 hindurchgeschraubt
ist, welcher seinerseits ortsfest bei 7 gehalten ist. Die Schraubenspindel 8 ist so eingestellt, daß die Luftspaltbreite
größer ist als eine bestimmte Breite D , wenn der Steuerstrom des Elektromagneten 2 selbst Null ist. Eine
Feder k, die ebenfalls an einem weiteren Fixpunkt 6 befestigt
ist,ist mit dem zu steuernden Objekt 1 verbunden, so daß dieses in einer Richtung bewegbar ist, in der die magnetischen
Anziehungskräfte oder abstoßenden Kräfte zwischen dem Elektromagenten 2 und der magnetischen Substanz 1a wirksam werden.
Ein Stromsteller 3 führt einen Steuerstrom an die Wicklung 2a
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23 ■ ■'
auf ein Steuersignal an der Eingangsklemme 9 hinjzu, so daß
der Steuerstrom zum Elektromagneten 2 für dieEinstellung der Magnetkraft und auch für die Breite des Luftspaltes gesteuert
werden kann, so daß auf diese Weise die gewünschte Lageeinstellung des zu steuernden Objekts 1 in der genannten Richtung
erfolgt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kommt die magnetische Induktion im Magnetkreis im wesentlichen in den Sättigungsbereich,
wie dies in Fig.1 gezeigt ist, bereits bei einem Zustand, in welchem der Luftspalt einen bestimmten Abstand L1
erreicht, während die elastischen Kräfte der Fig.4 durch die Magnetkräfte im Gleichgewicht gehalten werden innerhalb des
elastischen Bereichs der Feder 4. Aus Fig.1 läßt sich ersehen, daß die magnetische Induktion in den Abständen C1, Cp und C,
und Cj+ der Magnetcharakteristik ansteigt. Folglich steigt auch
die Magnetkraft zwischen der magnetischen Substanz 1a und dem Elektromagneten 2 in den Bereichen C1 und Cp sehr stark an,
wogegen der Anstieg in den Abständen C-, und C1, allmählich erfolgt.
Der Luftspalt zwischen der magnetischen Substanz 1a und dem Elektromagneten 2 kann durch die Ausnutzung der schwachen
Steigung im Abschnitt 4 ganz exakt gesteuert werden. Da darüber hinaus die elastische Kraft der Feder 4 durch die Magnetkräfte
im Gleichgewicht gehalten wird, die durch den magnetischen
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Fluß im Magnetkreis entsprechend Abschnitt C, oder Cj. erzeugt
werden, ist es möglich, die Berührung zwischen dem zu steuernden Objekt 1 und dem Elektromagneten 2 oder zwischen dem zu
steuernden Objekt 1 und dem festen Teil 6 zuverlässig zu ver-
für
meiden, und zwar sowohl anziehende als auch für abstoßende
meiden, und zwar sowohl anziehende als auch für abstoßende
Magnetkräfte.
Es ist wünschenswert, den Steuerungsfehler durch Verwendung geeigneter magnetischer Substanz 1A, 2 im Magnetkreis so
klein wie möglich zu halten, in^dem im Magnetkreis keine Hysterese
(C12, Cj-.-C^ - C15 ""ci6 "C17^ sondern eine magnetische
Substanz ohne Hysteresiaschleife (C11, C^) zu verwenden, indem etwa Weicheisen genommen wird, wie dies in Fig.2 gezeigt ist.
Substanz ohne Hysteresiaschleife (C11, C^) zu verwenden, indem etwa Weicheisen genommen wird, wie dies in Fig.2 gezeigt ist.
Die zwei Pole des Elektromagneten 2 stehen, wie dies Fig.3A und 3B zeigen, der magnetischen Substanz 1A gegenüber, Es
genügt jedoch, der magnetischen Substanz 1A auch nur einen
Magnetpol des Elektromagneten gegenüber zu stellen. Es können selbstverständlich auch E-förmige Elektromagneten als Elektromagnet 2 eingesetzt werden.
genügt jedoch, der magnetischen Substanz 1A auch nur einen
Magnetpol des Elektromagneten gegenüber zu stellen. Es können selbstverständlich auch E-förmige Elektromagneten als Elektromagnet 2 eingesetzt werden.
Es werden jetzt die Fig.4A und 4b beschrieben. In diesen
Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das zu steuernde Objekt
1 durch ein paar Tischfedern 4a und 4b getragen, die
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parallel zueinander und im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des zu steuernden Objektes angeordnet sind, während die
Magnetkraft zwischen dem Elektromagneten 2 und der magnetischen Substanz 1 zur Wirkung kommt. Je" eine Kante der Plattenfedern
4a und 4b ist mit dem zu steuernden Objekt 1 verbunden, während
die andere Kante der Federn fest an einer Befestigungsplatte 6a oder an einem Fundament 6 befestigt ist. Mit Hilfe
eines Interferometers 10 wird die genaue Lage des zu steuernden Objekts 1 unter Verwendung eines Prismas 10 festgestellt,
das mit dem zu steuernden Objekt verbunden ist.
Der Elektromagnet 2 kann weiterhin mit wenigstens einem Paar von Hilfsmagnetpolen 2-3 zusätzlich zu den übrigen Magnetpolen
2-1 und 2-2 in Fig.5 ausgestattet sein. Die Hilfsmagnetpole
2-3 stehen einander gegenüber und sind durch einen Luftspalt
voneinander getrennt, dessen magnetischer Widerstand kejliner ist als der des Luftspalts zwischen der magnetischen
Substi%z 1A und den Magnetpolen 2-1 und 2-2 zuden Elektromagneten
2. Dadurch wird der magnetische Fluß im Magnetkreis zu dem auch die magnetische Substanz 1A, der Luftspalt und
der Elektromagnet 2 gehören, durch den magnetischen Nebenschluß der magnetischen Hilfspole 2-5 zum Teil auf einen
Streupfad geleitet, bevor die Induktion den magnetischen
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Schließungskreis vollständig in Sättigung bringt. Zusammengefaßt
kann über vorstehend beschriebenes Prinzip gesagt werden, daß die Lage eines zu steuernden Objektes 1A, das auf
zwei Federn 4-1, 4-2 ruht, durch Stellen des Steuerstroms der Wicklung 2a des Elektromagneten 2 kontrolliert wird, ohne
daß eine Berührung zwischen dem zu steuernden Objekt 1 und dem Elektromagenten 2 stattfindet.
Die Fig.6 zeigt ein AusfÜhrungsbeispiel der Erfindung,
mit Hilfe dessen zweidimensionale Lagesteuerung möglich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Elektromagnet
2-2 mit einer zweiten Wicklung 2A-2 zusätzlich zum ersten Elektromagneten 2-1 mit seiner ersten Erregerwicklung 2A-1
angebracht. Der erste Elektromagnet 2-1 steuert das zu steuernde Objekt, das auf einer Tragplatte 6k ruht, die mittels
zweier parallelenPlattenfedern 4A und 4B abgestützt ist.Die Tragplatte 6A ruht dabei auf dem Fundament 6B-1 und 6B-2 mit
einem Paar paralleler Plattenfedern 11A und 11B. Die erste Richtung einer ersten Magnetkraft, die zwischen dem ersten
Elektromagneten 2-1 und der magnetischen Substanz des zu steuernden Objektes 1 wirksam wird, steht mit ihren Feldlinien
im rechten Win^kel zu einer zweiten Richtung der zweiten magnetischen Kraft, die zwischen dem zweiten Elektromagneten
2-2 und der magnetischen Substanz der Tragplatte 6A wirksam wird. Die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels läßt sich
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2 3 i ' 7 9
aus dem bereits vorstehend beschriebenen Prinzip leicht erkennen, so daß Einzelheiten hier keiner neuen Erwähnung bedürfen.
Die Fig.7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung, mit Hilfe dessen eine zweidimensional Lagesteuerung
vorgenommen werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Paare von Stabfedern 4-1 bis 4-4 parallel
zueienander angeordnet und an einer Befestigungsplatte 6A
so befestigt, daß ein zu steuerndes Objekt 1 fest getragen wird. Ein erster Elektromagnet 2-1 und ein zweiter Elektromagent
2-2 steuern unabhängig vonv»einanander das zu steuernde Objekt 1. Da die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels
sich leicht aus dem vorstehenden ableiten läßt, werden keine weiteren Einzelheiten hier beschrieben. In der Fig.8 ist ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Durchführung einer zweidimensionalen Steuerung gezeigt. Bei diesem AusfUhrungsbeispiel
sind zwei Paare nicht elastischer Seile 12-1 bis 12-4 eingesetzt, die an Fixpunkten 6-3 befestigt sind und
das zu steuernde Objekt 1 an vier Eckpunkten halten. Zwei Schraubenfedern 4-3 und 4-4 sind zwischen einen Fixpunkt
6-1 und das zu steuernde Objekt 1 sowie einen Fixpunkt 6-2 und das zu steuernde Objekt 1 dermaßen angeschlossen, daß
das Gleichgewicht mit Hilfe der magnetischen Kräfte des
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ersten Elektromagneten 2-1 und des zweiten Elektromagneten 2-2 herbeigeführt wird. Auch in diesem Fall läßt sich die
Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels leicht nach obigen
Prinzip verstehen, so daß Einzelheiten weggelassen werden.
Wenn die Lage eines zu steuernden Objekts 1 in vertikaler
Richtung zu stellen ist, wird das Objekt, wie in Fig.9 gezeigt, durch ein Paar paralleler Plattenfedern 1}A und 1}B
getragen, die im rechten Winkel zur Vertikalen angeordnet und an einer festen Wand 6A befestigt sind.
In Fig.10 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt,
mit dessen Hilfe die Steuerung an einem zu steuernden Objekt 1 vorgenommen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird das zu steuernde Objekt 1 durch eine Torsionsfeder ^-5 gehalten, die einerseits am zu steuernden Objekt 1 und
andererseits an einer Befestigungsplatte 6A befestigt ist. Der Elektromagnet 2-4 und der Elektromagnet 2-5 sind so angeordnet,
daß sie das zu steuernde Objekt 1 gegenüber dem Fixpunkt der Torsionsfeder 4-5 verdrehen. Einer der Elektromagneten
2-4 und 2-5 kann weggelassen werden, doch sind zwei Elektromagenten 2-4 und 2-5 zur vollständigen Durchführung
der Drehsteuerung ohne Verschiebung -4«· der Lage des zu steuernden
Objektes 1 wünschenswert.
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In der Pig.11 ist nun ein weiteres AusfUhrungsbeispiel der
Erfindung gezeigt, mit Hilfe dessen eine dreidimensionale Steuerung vorgenommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist
im wesentlichen eine Kombination der in Fig.6 gezeigten Anordnung
mit der in Fig.9. Mit anderen Worten Tragplatten 6B-1 und 6B-2 sind weiterhin gehalten durch Befestigungspunkte 6C-1 und 6C-2 über zwei Paar paralleler Federplatten
I3A-I und I3B-I und I5A-2, 13B-2. Die Elektromagnete 2-2
und 2-3 sind so angeordnet, daß sie die Lage der Tragplatte 6a steuern. Die dreidimensionale Steuerung wird durch unabhängige
Steuerung der drei Elektromagnete 2-1, 2-2 und 2-3 durchgeführt. Die Fig.12A und 12B geben ein anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wieder, an dem zunächst einmal eine Grobeinstellung der Lage und danach eine Feinsteuerung
des zu steuernden Objekts 1 vorgenommen wird. Bei diesem Aus-
führungsbeispiel sind Gleitbuäain 15-I bis 15-4 an einer Tragplatte
6a vorgesehen, die auf ein Paar paralleler Gleitführungen I7A und I7B aufgesetzt sind, welche mittels Tragklötze
16-1, 16-4 gehalten werden. Eine Spindelmutter 5A ist mit der
Tragplatte 6A verbunden und auf eine Stellspindel 8 aufgeschraubt.
Die Spindel wird von einem Motor 29 angetrieben. Wenn der Motrjj 29 nun durch einen Steuerstrom aus einer
Steuereinrichtung 3 versorgt und damit angetrieben wird, wird die Lage des zu steuernden Objektes 1 in grober Weise ver-
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stellt, während eine präzise Lagesteuerung durch Steuerung des Elektromagneten 2 in bekannter Weise durchgeführt wird,
der auf dem Tragbett 6 sitzt. Die Steuereinrichtung 3 wird vom Ausgang eines Geschwindigkeitsdetektors 30 gesteuert, wie
dies unten noch näher beschrieben wird. Die Fig.15 stellt in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine automatische
Lagesteuerung eines zu steuernden Objekts dar, welches auf einer Tragplatte 6A unter Zwischenschätung eines
Plattenfederpaars 4A und 4B gehalten ist. Eine Steuercodeeinheit
wird zunächst zur Voreinstellung den Eingangsklemmen
20 eines Registers 21 zugeführt. Ein Interferometer 32 stellt
die Lage des Steuerobjekts gegenüber einer Bezugsposition fest.
Die daraus gebildete Ausgangsgröße des Interferrometers 32 wird einem Wandler 33 zugeleitet, durch den der festgestellte
Ausgangswert in Impulse umgewandelt wird. Die Zahl der Impulse ist ein Maß für den Ausgangswert des Interferrometers
32. Ein reversibler Zähler 34- zählt die Ausgangsimpulse des
Wandlers 33 unter Berücksichtigung der Polarität des festgestellten Ausgangswertes des Interferrometers 32. Der Zählzustand
des Zählers 34- wird dann in einem Register 35 gespeichert.
Ein Komparator 22 vergleicht den Inhalt der Register
21 und 35» wodurch ein Steuercode gewonnen wird, der den Unterschied
zwischen dem Inhalt des Registers 21 und des Registers 35 anzeigt und der einem Gatterkreis 23 zugeleitet
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23 H 73
wird. Die oberen Stellen des Steuercodes bewirken, daß ein Schrittschaltmotor 29 über eine Motorsteuerung 28 in Gang
gesetzt wird, durch den die Grobeinstellung der Tragplatte 6a vorgenommen wird. Die unterste Stelle des Steuercode wird
in ein Analogsteuersignal im D-A-Wandler 24 umgewandelt,
so bald die oberen Stellen Νυ11 geworden sind. Das analoge
Steuersignal wird über einen PID-Regler 25 und einem Gleichspannungsverstärker
26 an den Elektromagneten 17 geleitet, wodurch eine exakte Lagesteuerung des zu steuernden Objekts
1 erzielt wird. Ein Geschwindigkeitsdetektor 30 stellt die Bewegungsgeschwindigkeit des zu steuernden Objekts 1 fest
und wirkt durch einen logischen Schaltkreis 31 auf den PID-Regler
25 ein, wodurch eine Beschleunigung der gewünschten Stellung für das zu steuernde Objekt 1 erzielt wird.
Eine derartige Einrichtung macht es möglich, daß zunächst die Lage der Tragplatte 6A mit Hilfe der oberen Stellen des
Kontrollcodes vom Komparator 22 vorgenommen wird. Nachdem dann die oberen Stellen des Kontrollcodes Null geworden sind,
gewinnt die niedrigste Stelle des Kontrollcodes Einfluß auf den PID-Regler 25, bis auch diese niedrigste Stelle auf Null
zurückgegangen ist, wie dies in Fig,1j5 durch Pfeile angedeutet ist. Auf den Einfluß der untersten Stelle auf den PID-Reg-
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ORIGINAL
23U379
ler 25 hin wird die Stellung des zu steuernden Objekts 1 auf
der Tragplatte 6k verändert, wie dies in Fig.i4 dargestellt
ist. So wird die Lage des zu steuernden Objekts 1 automatisch bis zu der gewünschten Stellung geändert, die durch die Steuercodeeinheit
am Ausgang 20 angezeigt wird.
Die beschriebene automatische Steuerung kann auch bei den an früherer Stelle genannten zwei- und dreidimensionalen
Steuerungen und bei der Drehsteuerung angewendet werden. Es lassen sich auch Kombinationen der einzelnen Steuerungen wie
etwa eine Kombination einer eindimensionalen Steuerung und einer Drehsteuerung mit der Erfindung verwirklichen. Wenn
außerdem ein Hilfselektromagnet für jeden der oben erwähnten
Elektromagnete vorgesehen wird, so daß der eine im Schnelländerungsabschnitt C1 oder C2 und der andere im Langsamänderungsabschnitt
Cj5 oder C4 wirksam wird, kann eine Hauptsteuerung
ebenfalls durch Elektromagnete statt mit den beschriebenen Steuerspindeln der Figuren 12a, 12b und I5 vorgenommen
werden.
Claims (21)
1. ) Mit Verwendung von Magnetkräften arbeitendes
Lagesteuersystem, gekennzeichnet durch folgende Kombination: ein zu steuerndes Objekt (1), von dem wenigstens
ein Teil (1a) aus einer magnetisch leitfähigen Substanz besteht, einen ersten Elektromagneten (2), von dem wenigstens
ein Magnetpol (2a) der magnetischen Substanz des zu steuernden Objektes unter Zwischenschaltung eines
Luftspaltes gegenübergestellt ist, so daß ein magnetischer Schließungskreis unter Einbeziehung der magnetischen
Substanz, des Luftspaltes und des Elektromagneten gebildet ist, in dem die magnetische Induktion durch
Stromsteuerung am ersten Elektromagneten gesteuert wird, eine erste Stelleinrichtung (5,7,8) zur Voreinstellung
der Weite des Luftspaltes auf einen Wert, der größer ist
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-Η- 23 U
als die Luftspaltbreite bei Steuerstrom gleich Null, erste und zweite Unterstützungsmittel (4,4a,4b,6,6a), die wenigstens
eine Feder zum Abstützen des zu steuernden Objektes (1) aufweist, so daß es in einerRichtung bewegbar
ist, in der Magnetkräfte zwischen dem Elektromagneten und der magnetischen Substanz zur Wirkung kommen, und eine
erste Steuereinrichtung (3#9)> die mit dem Elektromagneten
zur Steuerung des Steuerstroms des ersten Elektromagneten (2) -veitounden ist für die Einstellung der Magnetkräfte
und auch der Breite des Luftspaltes, wodurch eine gewünschte
zu
Lage des/steuernden Objektes (1) in der Richtung erhalten wird und die magnetische Induktion im magnetischen Schliessungskreis im wesentlichen zur Sättigung führt, wenn der Luftspalt einen bestimmten Wert angenommen hat und dabei die elastischen Kräfte der Feder mit der Magnetkraft im Gleichgewicht sind und sich die Feder bei diesem Zustand im elastischen Bereich befindet.
Lage des/steuernden Objektes (1) in der Richtung erhalten wird und die magnetische Induktion im magnetischen Schliessungskreis im wesentlichen zur Sättigung führt, wenn der Luftspalt einen bestimmten Wert angenommen hat und dabei die elastischen Kräfte der Feder mit der Magnetkraft im Gleichgewicht sind und sich die Feder bei diesem Zustand im elastischen Bereich befindet.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Elektromagnet (2) eine Mehrzahl von Polen
aufweist, die in einer Linie angeordnet sind, und eine u-förmige magnetische Substanz ohne Hystereseeigenschaften
vorhanden ist, wobei um die u-förmige magnetische Substanz eine Steuerspule gewickelt ist und zwei Pole der u-förmigen
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magnetischen Substanz mit Abstand des Luftspaltes der magnetischen Substanz des gesteuerten Objektes gegenüberstehen.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Elektromagnet (2) wenigstens ein Paar Hilfspole
(2-3) aufweist, die einander durch einen Luftspalt getrennt gegenüberstehen und einen magnetischen Widerstand
haben, der kleiner ist als der Luftspalt zwischen der magnetischen Substanz (1a) und dem ersten Elektromagneten
(2), wodurch ein Nebenschluß für den Magnetfluß des magnetischen Schließungskreises durch die Hilfspole gebildet
ist, bevor die magnetische Induktion den magnetischen Kreis vollständig in Sättigung bringt (Figur 5).
4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung ein paar Plattenfedern (4a,4b) aufweist,
die parallel zueinander in rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des einzustellenden Objektes angeordnet
sind, wobei je eine Kante der Plattenfedern mit dem zu steuernden Objekt (1) verbunden ist, während die andere
-Kante der Plattenfedern an einer feststehenden Basis (6a) "befestigt ist.
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5. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Meßvorrichtung (10, 32) zum Messen des Abstendes des zu
steuernden Objekts (1) von einer Bezugsstellung, Wandler (33» 34-» 35)» die mit der Meßvorrichtung verbunden sind
und die Distanzmeßwerte in einen Steuerdigitalwert umwandeln; eine Eingabevorrichtung (20, 21) zum zeitweiligen
Speichern eines Eingabedigitalwertes, der die gewünschte Lage des zu steuernden Objekts darstellt, einen Komparator
(22), der mit den Wandlern und der Eingabevorrichtung verbunden ist zur Erzeugung einer Differenz zwischen dem
gesteuerten Digitalwert und dem Eingabedigitalwert, mit dem Komparator (22) verbundene Einrichtungen (23, 24, 25,
26), die auch mit der Steuereinrichtung (27) verbunden
sind, um diese zur Steuerung des Steuerstroms in Abhängigkeit von der Differenz zu steuern und so die Differenz
zu verkleinern.
6. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Elektromagneten (2-2), von dem wenigstens ein Pol
der magnetischen Substanz des zu steuernden Objektes 1 gegenübersteht, einen zweiten Luftspalt dazwischen freilassend,
so daß ein zweiter magnetischer Kreis, bestehend aus der magnetischen Substanz, dem zweiten Luftspalt und
dem zweiten Elektromagneten geschaffen ist und die Induktion des zweiten magnetischen Kreises durch den zweiten Steuer-
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strom des zweiten Elektromagneten gesteuert wird, zweite
Einstellmittel zum Voreinstellen der Breite des zweiten Luftspalts auf einen Wert größer als eine zweite vorbestimmte
Weite vorgenommen wird, wenn der zweite Steuerstrom des zweiten Elektromagneten Null ist, und eine Trageinrichtung
mit wenigstens zwei Federn (4a, 4b, 11a, 11b) zum Unterstützen
des zu steuernden Objekts (1) vorgesehen ist, so daß dieses in einer Ebene bewegbar ist, in der eine erste Richtung einer
ersten Magnetkraft, die zwischen dem ersten Elektromagneten (2-1) und der magnetischen Substanz wirkt, die zweite
Richtung einer zweiten magnetischen Kraft zwischen dem zweiten Elektromagneten (2-2) und der magnetischen Substanz
im rechten Winkel schneidet, zweite Kontrollmittel mit dem zweiten Elektromagneten (2-2) zum Steuern des zweiten Steuerstroms
des zweiten Elektromagneten vorgesehen sind, um die zweite magnetische Kraft und auch die Breite des zweiten
Luftspaltes einzustellen und so die gewünschte Stellung des zu steuernden Objekts in der zweiten Richtung zu erhalten,
wobei die Induktion im zweiten magnetischen Kreis im wesentlichen bei einer zweiten Bedingung in Sättigung geht,
wo der zweite Luftspalt einen bestimmten zweiten Abstand erreicht und die elastische Kraft der anderen von zwei Federn
mit der zweiten magnetischen Kraft innerhalb des elastischen Dehnungsbereichs der anderen Feder bei dieser zweiten
Bedingung im Gleichgewicht ist. (Fig. 6)
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7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten Elektromagnete (2-1) und der zweiten Elektromagnete
(2-2) eine Mehrzahl von Po len aufweist, die in einer Linie angeordnet sind und eine U-förmige magnetische
Substanz ohne Hysterese enthalten und eine Steuerspule um die U-förmige magnetische Substanz gewickelt ist, wobei zwei
Pole der U-förmigen magnetischen Substanz der magnetischen Substanz des zu steuernden Objekts (1) unter·Zwischenschaltung
des ersten oder zweiten Luftspalts gegenüberstehen. (Fig. 6)
8. System nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet wenigstens ein Paar von Hilfsmagnetpolen
(2-3) besitzt, die durch einen Luftspalt getrennt einander gegenüberstehen, welcher einen magnetischen Widerstand hat,
der kleiner ist als derjenige des ersten oder auch des zweiten Luftspalts, so daß vom ersten und vom zweiten magnetischen
Kreis durch die Hilfsmagnetpole ein Streufluß fließt, bevor die Induktion den ersten Magnetkreis und den zweiten
Magnetkreis vollständig in Sättigung gehen läßt. (Fig. 5)
9- System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trageinrichtung zwei Paare von Blattfedern (4a, 4b, 11a,
11b) aufweist, wobei die Blattfedern eines Paares (4a, 4b)
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zueinander parallel und im rechten Winkel zu der ersten Richtung verlaufen, während das Paar (11a, 11b) der anderen
Blattfedern zueinander parallel und im rechten Winkel zu der zweiten Richtung angeordnet ist, daß je eine Kante
des einen Paars (4a, 4b) der Blattfeder mit dem zu steuernden Objekt (1) verbunden ist, während die andeie Kante
des Paars von Blattfedern mit einer beweglichen Tragplatte (6a) verbunden ist, und daß je eine Kante des anderen Paars
(11a, 11b) von Blattfedern mit der bewegbaren Tragplatte (6a) verbunden ist, während die ander Kante jedes Paars
von Blattfedern mit einer festen Basis (6b-1, 6b-2) in
Verbindung steht. (Fig. 6)
10. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragmittel zwei Paare von Stabfedern (4-1, 4-2, 4-3,
4-4) aufweisen, die zueinander parallel angeordnet sind, wobei je ein Ende der Stabfedern mit dem zu steuernden
Objekt (1) und das andeie Ende der Stabfedern fest mit einem
Fundament (6a) verbunden ist. (Fig. 7)
11. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtungen zwei Paar nicht elastischer Seile
(12-1, 12-2, 12-3, 12-4) und zwei Schraubenfedern (4-3,4-4)
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aufweist, wobei je ein Ende der Seile an einer festen Basis
(6-3) befestigt ist, während die anderen Seilenden an vier
Verbindungspunkten mit dem zu steuernden Objekt (1) verbunden sind, wobei eine (4—3) der zwei Schraubenfedern zwischen
das zu steuernde Objekt (1) und einen Fixpunkt (6-1) angesetzt ist und in einer ersten Richtung wirkt, während die
andere (4—4) der zwei Schraubenfedern zwischen das zu steuernde Objekt (1) und einen zweiten Fixpunkt (6-2) eingefügt
ist, so daß sie in der zweiten Richtung wirkt. (Fig. 8)
12. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten und für den zweiten Elektromagneten Meßeinrichtungen
(32) zum Messen des Abstands des zu steuernden Objekts (1) von einer Bezugsstellung vorgesehen sind, Wandler
(33, 34-, 35) mit der Meßeinrichtung verbunden sind zum
Umwandeln der gemessenen:Distanz in einen Steuerdigitalwert,
Eingabeeinrichtungen (20, 21), die zeitweilig ein digitales Eingangssignal speichern, das die gewünschte Stellung des
zu steuernden Objekts beinhaltet, vorgesehen sind, ein Komparator (22) mit den Wandlern und den Eingabemitteln verbunden
ist, um die Differenz zwischen dem Steuerdigitalwert und dem Eingangsdigitalwert festzustellen, und Mittel (23,
24, 25, 26) mit dem Komparator und einem der Steuermittel
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in Verbindung sind zum Steuern der Steuermittel (27) und Beeinflussen des Steuerstroms in Abhängigkeit von der Differenz,
um diese zu vermindern.
13. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein zweiter Elektromagnet (2-2) vorgesehen ist, von dem wenigstens ein Pol der magnetischen Substanz am zu steuernden
Objekt (1) gegenübersteht und von ihm durch einen zweiten Luftspalt getrennt ist, so daß der zweite Magnetkreis
die magnetische Substanz, den zweiten Luftspalt und den zweiten Elektromagneten einschließt und die Induktion im
zweiten magnetischen Kreis durch den zweiten Steuerstrom des zweiten Elektromagneten gesteuert wird, ein dritter
Elektromagnet (2-3) vorgesehen ist, von dem wenigstens ein Pol der magnetischen Substanz des zu steuernden Objekts unter
Zwischenschaltung eines dritten Luftspalts gegenübersteht, so daß ein dritter Magnetkreis entsteht, der die magnetische
Substanz, den dritten Luftspalt und den dritten Elektromagneten umfaßt und die Induktion im dritten magnetis
chen Schließungskreis durch den dritten Steuerstrom des dritten Elektromagneten gesteuert wird, zweite Voreinstellmittel
zum Voreinstellen der Breite des zweiten Luftspalts auf einen Wert von mehr als einer zweiten bestimmten Luftspaltbreite
vorhanden sind, wenn der zweite Steuerstrom im
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zweiten Elektromagneten (2-2) Null ist, dritte Einstellmittel zum Einstellen der Luftspaltbreite des dritten Luftspalts
vorgesehen sind auf einen Wert, der größer ist als derjenige, der sich einstellt, wenn der dritte Steuerstrom
des dritten Elektromagneten (2-3) Null ist, die Trageinrichtung wenigstens drei Federn (4a, 4b, 11a, 11b, 13a-1, 13b-1,
13a-2, 13b-2) zum Tragen des zu steuernden Objekts (1) enthält, so daß dieses in allen drei Dimensionen bewegbar
ist, wobei eine erste Magnetkraft in einer ersten Richtung zwischen dem ersten Elektromagneten und der magnetischen
Substanz wirkt, eine zweite Magnetkraft zwischen dem zweiten Elektromagneten und der magnetischen Substanz in Wirkung
tritt und eine dritte magnetische Kraft zwischen dem dritten Elektromagneten und der magnetischen Substanz einwirkt und
sich diese Kräfte sämtlich im rechten Winkel zueinander schneiden, zweite Steuermittel mit dem zweiten Elektromagneten
(2-2) zur Steuerung seines Steuerstroms und damit zur Einstellung der zweiten magnetischen Kraft, die auch der
Breite des zweiten Luftspalts vorgesehen sind, um eine gewünschte Lage des zu steuernden Objektes auf der zweiten
Richtung zu erhalten, wobei die magnetische Induktion im zweiten magnetischen Schließungskreis diesen bei einer
Bedingung im wesentlichen sättigt, bei der der zweite Luftspalt eine bestimmte zweite Distanz erreicht hat und dabei
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die elastische Kraft der zweiten Federn mit der zweiten magnetischen Kraft innerhalb der elastischen Dehnungszone
der Feder bei dieser zweiten Bedingung im Gleichgewicht ist, und Steuermittel mit einem dritten Elektromagneten
(2-3) verbunden sind zur Steuerung des dritten Steuerstroms zum dritten Elektromagneten, um die dritte magnetische
Kraft und auch die Luftspaltbreite des dritten Luftspalts so einzustellen, so daß das zu steuernde Objekt eine bestimmte
Position in der dritten Richtung einnimmt, wobei die magnetische Induktion im dritten magnetischen Schliessungskreis
diesen bei einer dritten Bedingung im wesentlichen in Sättigung gehen läßt, in der der dritte Luftspalt
einen bestimmten dritten Abstand hat und die elastischen Kräfte der drei Federn mit der dritten magnetischen Kraft
innerhalb des elastischen Bereichs der Feder bei dieser dritten Bedingung im Gleichgewicht sind. (Fig. 11)
14. System nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Elektromagnet (2-1) der zweite Elektromagnet (2-2) und der dritte Elektromagnet (2-3) eine Mehrzahl von
in einer Reihe angeordneten Polen aufweisen und eine !I-förmige magnetische Substanz ohne Hystereseschleife aufweisen
und eine Steuerspule auf die U-förmige magnetische Substanz gewickelt ist, wobei zwei Pole der U-formigen magnetischen
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Substanz der magnetischen Substanz des zu steuernden Objekts (1) über einen der drei Luftspalte gegenübersteht.(Fig. 11)
15· System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet wenigstens ein Paar Hilfsmagnetpole (2-3)
aufweist, die über einen Luftspalt einander gegenüberstehen, der einen magnetischen Widerstand hat, der kleiner ist als
derjenige des ersten, zweiten und dritten Luftspalts, wodurch für die Induktion des ersten magnetischen Schließungskreises,
des zweiten magnetischen Schließungskreises und des dritten magnetischen Schließungskreises über die Hilfsmagnetpole
ein Streuflußpfad vorhanden ist, bevor die magnetischen Hauptschließungskreise entsprechend der Induktion
vollständig in Sättigung gehen. (Fig. 5)
16. Steuersystem nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet,
daß die Trageinrichtung drei Paare von Blattfedern (4a, 4b, 11a, 11b, 13a-1, 13b-1, 13a-2, 13b-2) aufweist, deren erstes
Paar (4a, 4b) zueinander parallel und im rechten Winkel zu einer ersten Richtung angeordnet ist, deren zwites Paar
(11a, 11b) parallel zueinander und im rechten Winkel zu der zweiten Richtung angeordnet ist und deren drittes Paar
(I3a-1, 13b-1, 13a-2, 13b-2) zueinander parallel und im
rechten Winkel zu der dritten Richtung angeordnet sind, so
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daß die eine Kante des ersten Paares (4a, 4b) mit dem zu steuernden Objekt (1) verbunden ist, während die andere
Kante des ersten Paares von Blattfedern (4a, 4b) an eine erste bewegbare Tragplatte (6a) angeschlossen sind, daß
je eine Kante des zweiten Paares von Blattfedern (11a, 11b) an die erste bewegbare Tragplattenanordnung (6a) angeschlossen
ist, während die zwäte Kante des zweiten Paares (11a, 11b) des Blattfederpaars an ein Paar von zweiten, bewegbaren
Tragplatten (6b-1, 6b-2) angeschlossen ist, und daß je eine Kante des dritten Blattfederpaars (I3a-1» 13t>-1»
13a-2, 13"b-2) mit den zweiten beweglichen Tragplatten (6b-1,
6b-2) in Verbindung stehen, während die andere Kante des dritten Paars (I3a-1, 13b-1, 13a-2, 1Jb-2) fest mit wenigstens
einem Fundament (6c-1, 6c- 2) in Verbindung stehen. (Fig. 11)
17· System nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß
für die ersten, zweiten und dritten Elektromagnete Meßeinrichtungen
(32) zum Messen eines Abstandes des zu steuernden Objekts (T) von einer Bezugsstellung aufweisen
sowie Wandler (335 34, 35)» die mit den Meßeinrichtungen
verbunden sind und die gemessene Distanz in einen Steuerdigitalwert umwandeln, Eingabemittel (20, 21) zum zeitweiligen
Speichern eines Eingabesignals enthalten, das die ange-
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strebte Position des zu steuernden Objekts (1) darstellt, ein Komparator (22) vorgesehen ist, der mit den Wandlern
und den Eingabemitteln zur Erzeugung einer Differenz zwischen dem festgestellten Digitalwert und dem Eingabedigitalwert
eingeschaltet ist, sowie Mittel (23, 24, 25, 26) vorhanden sind, die mit dem Komparator und der zugehörigen
Steuereinrichtung verbunden ist-zum Steuern der Steuermittel
(27)» über die der Steurstrom in Abhängigkeit von der Differenz gesteuert wird, um diese zu vermindern.
18. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung eine Torsionsfeder (4-5) zum Tragen
des zu steuernden Objekts (1) enthält» so daß dieses bezüglich der Achse der Torsionsfeder drehbar ist und die
magnetische Kraft zwischen dem Elektromagneten und der magnetischen Substanz wirksam wird, und daß Steuermittel
an den Elektromagneten (2-4, 2-5) zur Steuerung des Steuerstroms des Elektromagneten angeschlossen sind um die magnetische
Kraft so einzustellen, daß eine gewünschte Stellung des zu steuernden Objekts in Drehrichtung eingenommen wird,
wobei die Induktion den magnetischen Schließungskreis im wesentlichen in Sättigung bringt, wenn der Luftspalt einen
bestimmten Abstand erreicht und die Torsionskraft der Torsionsfeder mit der magnetischen Kraft innerhalb des elastischen
Bereichs der Feder im Gleichgewichtszustand ist. (Fig. 10)
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19· System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (2-4, 2-5) zwei Pole auf v/eist, die in
einer Linie angeordnet sind und eine U-förmige magnetische Substanz ohne magnetische Hystereseeigenschaften aufweist
und eine Steuerspule um die U-förmige magnetische Substanz gewickelt ist, während zwi Pole der U-förmigeη magnetischen
Substanz der magnetischen Substanz des zu steuernden Objekts über einen Luftspalt gegenüberstehen. (Fig. 10)
20. System nach Anspruch 19■>
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet wenigstens ein Paar von Hilfsmagnetpolen
(2-3) hat, die einander unter Zwischenschaltung eines Luftspalts gegenüberstehen, wobei der magnetische Widerstand
kleiner ist als der des Luftspaltes, wodurch ein magnetischer Streufluß des magnetischen Kreises durch die Hilfsmagnetpole
erzielt wird, bevor die Induktion den magnetischen Schliessungskreis vollständig in Sättigung bringt. (Fig. 5)
21. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der Elektromagnete eine Meßeinrichtung (23) zum
Messen des Abstandes des zu steuernden Objektes von einer Bezugsstellung vorgesehen sind, ferner Wandler (33, 34-» 35),
die mit der Meßeinrichtung verbunden sind und die gemessene Substanz in einen Digitalsteuerwert umwandeln, Eingabeein-
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richtungen (20, 21), die ein Eingabesignal zeitweilig speichern, dessen Wert maßgebend ist für die gewünschte
Lage des zu steuernden Objektes, einen Komparator (22), der mit den Wandlern und den Eingabemitteln verbunden ist
und einen Differenzwert zwischen dem Steuerdigitalwert und dem Eingabedigitalwert bildet, Mittel (23, 24, 25, 26),
die mit dem Komparator und den zugehörigen Steuermitteln (27) verbunden sind zur Steuerung des Steuerstroms in Abhängigkeit
von der Differenz, um diese zu vermindern. (Fig. 15)
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Applications Claiming Priority (2)
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DE2314379A1 true DE2314379A1 (de) | 1973-10-18 |
DE2314379B2 DE2314379B2 (de) | 1976-06-16 |
DE2314379C3 DE2314379C3 (de) | 1977-01-27 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2537800A1 (fr) * | 1982-12-09 | 1984-06-15 | Magnetic Peripherals Inc | Moteur lineaire a deux axes |
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FR2537800A1 (fr) * | 1982-12-09 | 1984-06-15 | Magnetic Peripherals Inc | Moteur lineaire a deux axes |
EP0131155A2 (de) * | 1983-06-10 | 1985-01-16 | The Perkin-Elmer Corporation | Elektromagnetische Ausrichtvorrichtung |
EP0131155A3 (en) * | 1983-06-10 | 1986-02-12 | The Perkin-Elmer Corporation | Electro-magnetic alignment apparatus |
Also Published As
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US3789285A (en) | 1974-01-29 |
SU637102A3 (ru) | 1978-12-05 |
FR2178640A5 (de) | 1973-11-09 |
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GB1424413A (en) | 1976-02-11 |
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JPS4912307A (de) | 1974-02-02 |
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