DE3542106C2 - Wellenlängen-Antriebsvorrichtung für Monochromatoren - Google Patents
Wellenlängen-Antriebsvorrichtung für MonochromatorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellenlängen-Antriebs
vorrichtung für Monochromatoren.
Es sind zwei Arten von Wellenlängen-Antriebsvorrichtungen
bekannt, nämlich eine Sinuslineal- und eine Nocken- oder
Mitnehmerbauart. Die beigefügte Fig. 4 zeigt schematisch
eine Draufsicht auf eine Wellenlängen-Antriebsvorrichtung
a der Sinuslinealbauart, die eine Gewindespindel b, eine
mit deren Gewinde in Eingriff befindliche Spindelmutter
d, die längs der Spindel bewegbar ist, und ein Lichtdis
persionselement, z. B. ein Beugungsgitter c, das auf einer
mit einem an der Mutter d anliegenden Arm versehenen Platte
f gehalten ist, umfaßt, so daß bei einer Bewegung der Spin
delmutter d die Platte f mit dem daran befindlichen Beu
gungsgitter c gedreht werden, um das auf das Gitter fallen
de Licht zu zerstreuen oder zu zerlegen. Bei dieser Vor
richtung ist der Betrag der Verlagerung der Mutter d der
Wellenlänge des Lichtstrahls vom Monochromator proportio
nal. Es ist insofern möglich, durch eine Drehung der Spin
del b, um die Mutter d linear zu verlagern, die Wellenlänge
linear anzutreiben. Da jedoch die Präzision, mit der die
Gewindespindel, die Spindelmutter und andere Teile bear
beitet bzw. gefertigt werden, unmittelbar die Genauigkeit
in der Messung beeinflußt, muß die Vorrichtung, nachdem die
Teile zusammengebaut worden sind, um ihr genaues Arbeiten
zu gewährleisten, justiert werden. Weil des weiteren die
Vorschubspindel eine niedrige Übertragungsleistung der An
triebskraft hat, muß, um eine Beschleunigung im Wellenlän
genantrieb zu erlangen, der Antriebsmotor e groß bemessen
werden, wenn er ein großes Drehmoment erzeugen soll, so
daß der Motor teuer wird.
Bei einer Wellenlängen-Antriebsvorrichtung der Nocken- oder
Mitnehmerbauart, müssen die Nocken mit einem hohen Grad an
Präzision gefertigt werden, was die Herstellungskosten an
steigen läßt.
Aus der US-37 33 131 ist es bereits bekannt, in
Wellenlängen-Antrieben von Monochromatoren-
Zahnriemenscheiben und Zahnflachriemen zu verwenden.
Ferner ist es aus der FR-35 40 626 A1 bekannt,
Beugungsgitter auf Zahnsektorscheiben zu montieren, die von
einem Zahnrad angetrieben werden, bzw. mit diesem kämmen.
Es ist im Hinblick auf den Stand der Technik die Aufgabe der
Erfindung, eine Wellenlängen-Antriebsvorrichtung zur Verwen
dung in Monochromatoren zu schaffen, durch die die oben erwähn
ten Schwierigkeiten beseitigt werden, die einen einfachen
Aufbau hat, die einen Wellenlängenantrieb mit hoher Ge
schwindigkeit erreichen läßt und die dennoch mit geringen
Kosten herzustellen ist.
Die Wellenlängen-Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung
umfaßt - kurz gesagt - ein optisches Element, das Licht
in unterschiedliche Wellenlängen zerlegt, eine das optische
Element für eine Drehung um eine erste Achse lagernde Ein
richtung, einen Schrittmotor, eine erste Zahnriemenscheibe
mit relativ kleinem Durchmesser, die mit der Abtriebswelle
des Schrittmotors für eine gleichzeitige, schrittweise Dre
hung mit diesem verbunden ist, ein erstes Zahngetriebeteil
mit relativ großem Durchmesser, das an der das optische Ele
ment lagernden Einrichtung für eine gleichzeitige Drehung
mit dieser um die erste Achse befestigt ist, ein zweites
Zahngetriebeteil mit relativ kleinem Durchmesser, das für
eine Drehung um eine zweite Achse angeordnet ist und mit dem
ersten Zahngetriebeteil kämmt, eine zweite Zahnriemenscheibe
mit relativ großem Durchmesser, die am zweiten Zahngetriebe
teil für eine gleichzeitige Drehung mit diesem um die zweite
Achse fest ist, einen die erste sowie zweite Zahnriemen
scheibe verbindenden Zahnflachriemen und eine Schaltungsan
ordnung, die den Schrittmotor bezüglich seines Drehens steuert.
Das Untersetzungsverhältnis zwischen dem ersten und zweiten
Zahngetriebeteil wird hierbei auf einen solchen Wert fest
gesetzt, daß die zweite Zahnriemenscheibe für das Abtasten
oder Durchlaufen eines üblicherweise für eine Messung ver
wendeten Wellenlängenbereichs um einen Winkel gedreht wird,
der kleiner als 360° ist.
Vorzugsweise ist das erste Zahngetriebeteil ein Zahnsektor
mit einem Zentriwinkel, der größer ist als der Drehwinkel,
den das Lichtdispersionselement benötigt, um den gesamten
abzutastenden Wellenlängenbereich einschließlich eines
Lichts nullter Ordnung zu durchlaufen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
anhand ihrer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine gemäß der Erfindung aus
gebildete Wellenlängen-Antriebsvorrichtung;
Fig. 2 den Schnitt nach der Linie II-II, gesehen in Rich
tung der Pfeile;
Fig. 3 das Schema der Steuerung des Schrittmotors von
Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche
Wellenlängen-Antriebsvorrichtung, die eingangs
bereits besprochen wurde.
Gemäß den Fig. 1 und 2 weist eine Wellenlängen-Antriebsvor
richtung 1 einen Fünfphasen-Schrittmotor 4 auf, der ein
Lichtdispersionselement - in diesem Fall ein konkaves
Beugungsgitter 2 - dreht. Bei der in Rede stehenden Aus
führungsform dreht der Schrittmotor 4 um 0,72° pro Schritt,
er führt in 500 Schritten eine vollständige Umdrehung aus
und ist imstande, einen Antrieb mit Geschwindigkeiten, die
größer als etwa 1000 Impulse/sec sind, zu bewirken.
Auf der Abtriebswelle des Schrittmotors 4 ist eine Zahn
riemenscheibe 6 mit kleinem Durchmesser befestigt, während
eine Zahnriemenscheibe 10 mit größerem Durchmesser an einer
Welle 12 fest angebracht ist, die durch Lager 14 sowie 16
und eine Hülse 18 drehbar an einer Grundplatte 20 montiert
ist.
Ein Zahnflachriemen 8 verbindet die beiden Zahnriemenschei
ben 6 und 10 miteinander. Das Verhältnis in der Zahl der
Zähne an der kleinen Riemenscheibe 6 zu der an der größe
ren Riemenscheibe 10 ist im vorliegenden Fall mit 1 : 21
bestimmt.
Auf der Welle 12 ist ein Zahnritzel 22 kleinen Durchmessers
befestigt, das zugleich mit der größeren Riemenscheibe 10
dreht, und mit dem Ritzel 22 kämmt ein Zahnsektor 24 von
großem Durchmesser. Der Zahnsektor 24 hat einen Zentriwin
kel, der größer als der Drehwinkel ist, den das Beugungs
gitter 2 benötigt, um den gesamten Wellenlängenbereich ein
schließlich des Lichts nullter Ordnung zu durchlaufen oder
abzutasten. Der Zahnsektor 24 ist mit Hilfe von Schrauben
28 fest an einer Halterung 26 angebracht, an der das Gitter
2 durch ein Befestigungsglied 30 gehalten ist.
Da im allgemeinen der Drehwinkel eines konkaven Beugungs
gitters zwischen 20° und 45° liegt, ist es für den Zahnsek
tor 24 mit großem Durchmesser ausreichend, wenn sein Zentri
winkel größer ist als der oben genannte Drehwinkelbereich.
Insofern braucht das "Zahnrad 24" nicht unbedingt eine Kreis
form aufzuweisen, vielmehr kann es in vorteilhafter Weise
zur Raumersparnis ein Zahnsektor sein, wie es hier der Fall
ist.
Bei der in Rede stehenden Ausführungsform ist das Zähne
zahlverhältnis vom kleinen Zahnritzel 22 zum großen Zahn
sektor 24 gleich 1 : 12. Wie gesagt wurde, ist das Zähne
zahlverhältnis der kleinen Zahnscheibe 6 zur großen Zahn
scheibe 10 gleich 1 : 21. Damit wird die Drehung des
Schrittmotors 4 auf das Beugungsgitter 2 mit einem Unter
setzungsverhältnis von 1/(12 · 21) = 1/252 übertragen, was
bedeutet, daß ein Drehschritt des Schrittmotors 4 dem Dreh
winkel 0,72° · 1/252 = 0,0029° des Beugungsgitters 2 ent
spricht.
Die das konkave Beugungsgitter 2 mittels des Befestigungs
gliedes 30 tragende Halterung 26 weist ein unteres, waage
rechtes Teil auf, das an einer Nabe 32 befestigt ist, die
ihrerseits durch eine Stellschraube 34 an einer Welle 36
festgehalten ist. Die Welle 36 wird an der Grundplatte 20
durch ein Lager 38 drehbar gehalten, so daß die Halterung 26
mit dem an dieser angebrachten Gitter 2 sowie Zahnsektor
24 um die Achse der Welle 36 gleichzeitig drehbar sind.
Das Gitter 2 ist an der Halterung 26 so befestigt, daß die
zur Reflexionsfläche des Gitters 2 an dessen Drehzentrum
senkrechte Linie einen vorbestimmten Winkel mit der Mittel
linie des Zahnsektors 24 bildet, wobei das Zentrum der Re
flexionsfläche des Gitters mit der Drehachse der Halterung
26 und derjenigen des Zahnsektors 24 koaxial ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist der gesamte zu durch
laufende Wellenlängenbereich einschließlich von Licht null
ter Ordnung auf einen Bereich von 0-1100 nm festgesetzt,
wobei der für eine Messung üblicherweise verwendete Wellen
längenbereich mit einer Größenordnung von 200-1100 nm be
stimmt ist. Der Drehwinkel des Gitters 2 wie auch des Zahn
sektors 24 ist zum Abtasten des gesamten Wellenlängenbereichs
auf etwa 30° und zum Durchlaufen des üblicherweise für eine
Messung verwendeten Wellenlängenbereichs auf etwa 27° fest
gesetzt. Da das Zähneverhältnis zwischen dem Zahnritzel 22
und dem Zahnsektor 24 gleich 1 : 12 ist, beträgt der Winkel,
um den die große Zahnriemenscheibe 10 zum Abtasten des ge
samten Wellenlängenbereichs gedreht wird, 33° · 12 = 396°,
während der Winkel, um den die gleiche Riemenscheibe 10 zum
Durchlaufen des üblicherweise verwendeten Wellenlängenbereichs
gedreht wird, 27° · 12 = 324° beträgt, d. h., kleiner ist als
360°. Deshalb ist, wenn der übliche Wellenlängenbereich von
200-1100 nm benutzt wird, jeder Punkt am Außenumfang der
großen Zahnriemenscheibe 10 in einer Eins-zu-Eins-Überein
stimmung mit den zerstreuten oder zerlegten Wellenlängen.
Der vorher erwähnte Drehwinkel von 0,0029° des Gitters 2, der
mit einem einzelnen Schritt des Schrittmotors 4 übereinstimmt,
entspricht - ausgedrückt als Wellenlänge - annähernd 0,1 nm.
Insofern kann eine Abtastung der Wellenlänge im üblichen Be
reich von 200-1100 nm durch etwa 9000 Schritte des Schritt
motors 4 abgedeckt und in einer kurzen Zeit, nämlich von
etwa 9 sec, fertig ausgeführt werden, wenn der Motor 4 mit
einer Geschwindigkeit von 1000 Impulsen/sec dreht.
Da bei der in Rede stehenden Ausführungsform die große Zahn
riemenscheibe 10 in Richtung des Pfeils C und gleichzeitig
der Zahnsektor 24 in Richtung des Pfeils D gedreht werden,
schreitet das Abtasten oder Durchlaufen von der kürzeren zur
längeren Wellenlänge hin fort.
Die Zahnriemenscheibe 10 von großem Durchmesser ist an ihrem
Außenumfang mit einem Schlitz 40 versehen. Im Bereich des
Außenumfangs dieser Scheibe 10 befindet sich ein auf einem
Träger 44 befestigter Strahlungsempfänger 42, der den Schlitz
40 erfaßt, wenn die Riemenscheibe 10 so gedreht wird, daß der
Schlitz 40 zum Strahlungsempfänger 42 hin verlagert wird.
Nahe den gegenüberliegenden Seitenkanten des Zahnsektors 24
ist je ein Schalter 46 bzw. 48 angeordnet, die dazu dienen,
die Ober- sowie Untergrenze im Drehbereich des Zahnsektors
24 zu bestimmen, wozu dieser Sektor 24 in seiner unteren Flä
che mit einem Obergrenzestift 50 und einem Untergrenzestift
52 versehen ist. Wie die Fig. 3 zeigt, sind der Strahlungs
empfänger 42 und die Grenzschalter 46, 48 an eine Steuer
schaltung 54 angeschlossen, die die Drehung des Schrittmotors
4 regelt. Wenn der Zahnsektor 24 über den gesamten Wellen
längen-Abtastbereich hinaus in den längeren oder kürzeren
Wellenlängenbereich gedreht werden sollte, dann stößt der
Ober- bzw. Untergrenzestift 50 bzw. 52 an den Grenzschal
ter 46 bzw. 48, womit der Motor 4 von einer (nicht gezeigten)
Stromquelle getrennt wird, um ein Weiterlaufen zu unterbin
den.
Die Steuerschaltung 54 regelt den Drehwinkel des Schritt
motors 4 sinusförmig in der Weise, daß das konkave Beugungs
gitter 2 unterschiedliche Wellenlängen bei gleichen Inter
vallen liefert, und sie setzt den Schrittmotor 4 still, wenn
der Strahlungsempfänger 42 den Schlitz 40 erfaßt hat.
Der Schlitz 40 bestimmt einen Wellenlängenursprung. Die große
Riemenscheibe 10 trägt auf ihrer oberen Fläche eine erste
radiale Markierungslinie A, die zum Schlitz 40 um einen vor
bestimmten Winkel R1, der größer als 360° ist, beabstandet
ist, und eine zweite radiale Markierungslinie B, die zur
ersten Linie A mit einem vorbestimmten Winkel R2 beabstandet
ist. Die erste radiale Linie A bestimmt einen Bezugspunkt zur
Justierung der optischen Achse des Monochromators, dem die
Wellenlängen-Antriebsvorrichtung eingegliedert ist, und die
zweite radiale Linie B bestimmt den Ausgangspunkt, an welchem
das Zahnritzel 22 und der Zahnsektor 24 zum Kämmen miteinander
kommen. Der Winkel R1 entspricht dem gesamten, vom Gitter ab
zutastenden Wellenlängenbereich vom Licht nullter Ordnung bis
1100 nm, d. h., ausgedrückt als Drehwinkel der Riemenscheibe
10, 396°. Der Winkel R2 wird auf das Zwölffache des Winkels
α zwischen der einen Seitenkante des Zahnsektors 24 und
einer radialen Linie, die das Drehzentrum 0 1 des Zahnsektors,
das mit demjenigen des Gitters 2 zusammenfällt, und den Punkt
verbindet, an dem das Zahnritzel 22 sowie der Zahnsektor 24
miteinander kämmen, wenn das Gitter 2 mit Bezug zu dem durch
den Eintrittsspalt S1 einfallenden Licht so positioniert ist,
daß ein Lichtstrahl nullter Ordnung durch einen Austritts
spalt S2 gerichtet wird, wie Fig. 1 zeigt, festgesetzt.
Zur Justierung der Wellenlängen-Antriebsvorrichtung 1 wird
die große Riemenscheibe 10 in eine solche Lage gebracht, daß
ihre zweite Markierungslinie B mit der Mitte des Strahlungs
empfängers 42 fluchtet und zugleich der Zahn am linken Ende
des Zahnsektors 24 mit dem Zahnritzel 22 in Eingriff ist.
Wenn dann die Zahnriemenscheibe 10 in Richtung des Pfeils C
gedreht wird, so werden zugleich der Zahnsektor 24 und das
Beugungsgitter 2 in Richtung des Pfeils D gedreht, bis die
erste Markierung auf die Mitte des Strahlungsempfängers 42
ausgerichtet ist, wobei der Zahnsektor 24 um den Winkel α
und gleichzeitig die Riemenscheibe 10 um den Winkel R2 ge
dreht worden sind, so daß ein Lichtstrahl nullter Ordnung
aus dem Austrittsspalt S2 des Monochromators austritt. In
der Praxis können die miteinander kämmenden Zahngetriebe
teile 22 und 24 einen geringfügigen Fehler hervorrufen, der
aber durch Justieren des Trägers 44 des Strahlungsempfängers
42 nach links oder rechts hin beseitigt werden kann. Die
Riemenscheibe 10 wird dann um einen Winkel, der größer als
R1-390° und kleiner als R1 ist, in Richtung des Pfeils C
vom kürzeren zum längeren Wellenlängenbereich gedreht, bis
der Schlitz 40 am Strahlungsempfänger 42 durchläuft, wor
auf die Zahnscheibe 10 zur Fertigstellung der Justierung an
gehalten wird.
Zur Selbstinitialisierung des Monochromators wird der
Schrittmotor 4 erregt, um die Riemenscheibe 10 in Richtung
des Pfeils C zu drehen, bis der Schlitz 40 vom Strahlungs
empfänger 42 erfaßt wird, womit der Motor 4 stillgesetzt
wird und hierauf ein Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von
1100 nm aus dem Spalt S2 tritt. Die Position des Schlitzes
40 liefert somit den Wellenlängenursprung. Erfindungsgemäß
kann die optische Achse korrekt auf einfache Weise durch
die erste sowie zweite Markierung A und B justiert werden.
Um die Präzision in der Ermittlung des Wellenlängenursprungs
zu steigern, kann ein Verfahren zur Erfassung des Energie
spitzenwerts der Lichtquelle zusätzlich zur Anwendung
kommen.
Im allgemeinen erhält in einem Mechanismus zur Übertragung
der Drehung eines Motors mit einem hohen Untersetzungswert
ein Fehler in der Winkelübertragung einen größeren Einfluß
in den hinteren Stufen, in denen ein höherer Präzisionsgrad
im Mechanismus gefordert wird, und weil die Bauteile in den
vorderen Stufen mit höheren Geschwindigkeiten gedreht werden,
müssen diese Teile der vorderen Stufen so geräuschlos und/oder
störungsfrei wie möglich sein. Bei der hier gezeigten und er
läuterten Wellenlängen-Antriebsvorrichtung verwendet der
Übertragungsmechanismus in der vorderen Stufe Zahnriemen
scheiben sowie einen Zahnflachriemen, die einen geringeren
Präzisionsgrad erfordern sowie wenig Geräusch bzw. Störungen
erzeugen, und in der hinteren Stufe die präzis gefertigten
Zahngetriebeteile (Zahnritzel und -sektor), die mit niedri
ger Geschwindigkeit gedreht werden, so daß es möglich ist,
eine störungsfreie Drehübertragung mit einer hohen Präzision
zu erlangen.
Bei der gemäß der Erfindung ausgebildeten Wellenlängen-An
triebsvorrichtung kommen als ein Mechanismus für die Drehung
eines Lichtdispersionselements ein Zahnflachriemen, durch
diesen verbundene Zahnriemenscheiben und Zahngetriebeteile
zur Anwendung, so daß die gesamte Konstruktion bei allenfalls
geringen Fehlern in der Winkelübertragung vereinfacht wird.
Da der Mechanismus eine hohe Übertragungsleistung der An
triebskraft hat, kann ein Wellenlängenantrieb bei hoher Ge
schwindigkeit mit einem ein kleines Ausgangsdrehmoment auf
weisenden Schrittmotor bewerkstelligt werden, woraus eine
Verminderung in den Herstellungskosten resultiert.
Claims (5)
1. Wellenlängen-Antriebsvorrichtung für
Monochromatoren, gekennzeichnet
- a) durch ein optisches Element (2), das Licht in unter schiedliche Wellenlängen zerlegt,
- b) durch eine das optische Element (2) lagernde Einrichtung (26), die um eine erste Achse drehbar ist,
- c) durch einen Schrittmotor (4),
- d) durch eine erste Zahnriemenscheibe (6) mit relativ geringem Durchmesser, die mit der Abtriebswelle des Schrittmotors für eine schrittweise Drehung mit diesem verbunden ist,
- e) durch ein erstes Zahngetriebeteil (24) mit relativ großem Durchmesser, das an der lagernden Einrichtung (26) für eine gleichzeitige Drehung mit dieser um die erste Achse befestigt ist,
- f) durch ein zweites Zahngetriebeteil (22) mit relativ kleinem Durchmesser, das für eine Drehung um eine zweite Achse angeordnet ist und mit dem ersten Zahn getriebeteil (24) kämmt,
- g) durch eine zweite Zahnriemenscheibe (10) mit relativ großem Durchmesser, die am zweiten Zahngetriebeteil (22) für eine gleichzeitige Drehung mit diesem um die zweite Achse befestigt ist,
- h) durch einen die erste sowie zweite Zahnriemenscheibe verbindenden Zahnflachriemen (8) und
- i) durch eine die Drehung des Schrittmotors (4) steuern de Schaltungseinrichtung (42, 46, 48, 50, 52, 54).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Untersetzungsverhältnis des ersten Zahngetriebeteils (24)
zum zweiten Zahngetriebeteil (22) auf einen solchen Wert
festgesetzt ist, daß die zweite Zahnriemenscheibe (10)
für das Abtasten eines üblicherweise für eine Messung
verwendeten Wellenlängenbereichs um einen Winkel, der
kleiner als 360° ist, gedreht wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Zahngetriebeteil ein Zahnsektor (24) ist,
der einen Zentriwinkel hat, welcher größer als der für
das Lichtdispersionselement (2) erforderliche Drehwinkel,
um den gesamten abzutastenden Wellenlängenbereich ein
schließlich von Licht nullter Ordnung zu durchlaufen, ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Zahnriemenscheibe (10)
mit einer Einrichtung zur Bestimmung eines Wellenlängen
ursprungs versehen ist, wobei eine erste Markierung (A)
um einen vorbestimmten Winkel (R1) zum Wellenlängenur
sprung beabstandet ist sowie einen Bezugspunkt zur Justie
rung der optischen Achse festlegt und wobei eine zweite
Markierung (B) um einen vorbestimmten Winkel (R2) zur
ersten Markierung beabstandet ist sowie die Anfangsstel
lung, an der das erste und zweite Zahngetriebeteil (24,
22) miteinander kämmen, festlegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zur Bestimmung des Wellenlängenursprungs
aus einem im Außenumfang der zweiten Zahnriemenscheibe
(10) ausgebildeten Schlitz (40) sowie einem nahe diesem
Außenumfang angeordneten, den Schlitz (40) erfassenden
Strahlungsempfänger (42) besteht, dessen Ort in der
Umfangsrichtung der zweiten Zahnriemenscheibe (10) ju
stierbar ist.
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