SE467474B - Positioneringsanordning - Google Patents

Description

ca -J 10 15 20 25 30 35 472 _ 2 en lägesändring av mikrometer eller submikrometer. Det är också viktigt att komponenter som positionerats bibehåller läge och orientering under mycket lång tid även i mekaniskt besvärlig yttre miljö.

I utvecklingssammanhang är det vanligt att man monterar de optroniska komponenterna på mekaniska enheter ur en standar- diserad byggsats bestående av optiska bänkar, slädar, hålla- re, translations- och vridningsanordningar etc. En sådan uppbyggnad blir med nödvändighet skrymmande, ostabil och vibrationskänslig. Detta gäller även om det enskilda elemen- tet i sig medger t.ex. en translation med tillräcklig pre- cission.

Flera utföranden av fjäderblock av åsyftad typ är kända bl.a. genom en artikel i Journal of Scientific Instruments, Vol. 33, January 1956 med titeln "Some parasitic deflexions in parallel spring movements". Denna typ av anordning har dock endast funnit användning i begränsad omfattning.

UPPFINNINGENS ÄNDAMAL ocn VIKTIGASTE KÄNNETECKEN Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en position- eringsanordning som tillåter translation i flera riktningar, kombination av translation och vridning eller enbart vrid- ning. Vidare skall alla justeringar kunna göras glappfritt och dimensionerna på ingående komponenter vara tillräckligt små, för att tillåta en kompakt integrering med elektroniska eller optoelektroniska instrument. Dessa uppgifter har lösts genom att vardera fjäderblocket är väsentligen styvt i det elastiskt odeformerade fribärande systemets huvudaxelrikt- ning, och är elastiskt i riktningar tvärs däremot, och att anordningen är försedd med justeringsmekanismer som mellan det fasta baselementet, eller annan med detta förenad del, och det fribärande systemets, rörliga baselement eller en vid detta anordnad arm, som kan vara hållaren, applicerar i valda riktningar och angreppspunkter verkande reglerbara krafter, vars i plan (x- och y-) vinkelrät huvudaxelrikt- ningen (Z) verksamma komponenter translaterar och/eller 10 15 20 25 30 35 467 4-74 3 vrider komponenthàllaren under elastiskt deformering av fjäderorganen.

BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nedan att närmare beskrivas med hän- visning till närslutna ritningar, som visar några utförings- exempel.

Fig. 1 visar en ändvy av positioneringsanordningen enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar ett snitt efter linjen II-II i fig. 1.

Fig. 3 visar i större skala en i positioneringsanordningen enligt fig. 1 och 2 ingående differentialskruv.

Fig. 4 ningen visar en modifierad utföringsform av justeranord- enligt uppfinningen, delvis i snitt och omfattande dels en differentialskruv och dels en piezoelektrisk juster- anordning.

Fig. 5 visar i större skala komponenthållaren enligt fig. 2 med i denna inplacerade komponenter, vilka tillsammans med komponenter i en fast enhet definierar en optisk strålgång.

Fig. 6 visar en med fig. 1 analog vy av en utbyggd positio- neringsanordning, i vilken en inre enhet, som består av positioneringsanordningen i fig. 1, kan translateras i en riktning och/eller vridning kring en mot denna vinkelrät axel.

Fig. 7 visar ett snitt efter linjen VII-VII i fig. 6.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Den i fig. 1 och 2 visade positioneringsanordningen enligt uppfinningen, på ritningen betecknad med 10, består av två fjäderblock ll och 12, vilka är förbundna med varandra och 10 15 20 25 30 35 4 av vilka det ena systemet 11 består av två baselement 13 och 14 i form av med en central urtagning 15 resp. 16 försedda plattor. Med positionering menas i detta sammanhang både förflyttning och/eller vridning. Dessa plattor är distanse- rade och förbundna med varandra medelst ett antal, exempel- vis 4 st. fjäderorgan 17, vilka i det visade utföringsexem- plet utgörs av stavar av t.ex. berylliumkoppar, rostfritt stål eller liknande. Det ena, första baselementet 13 är fast förbundet med ett hus 18, som har formen av en rektangulär ram, vilken omger de båda fjäderblocken, medan det andra baselementet 14 är rörligt.

Det andra fjäderblockets 12 "ena" baselement sammanfaller med det förstnämnda systemets 11 rörliga baselement 14, till vilket förutom fjäderorganen 17 är anslutna ytterligare ett antal, exempelvis 4 st. fjäderorgan 19 med motsvarande funktion som fjäderorganen 17. Fjäderorganen 19 är med sina motsatta ändar förbundna med ett tredje rörligt baselement 20, likaledes i form av en med en central borrning 21 för- sedd platta. Denna är så dimensionerad, att den med visst spel får plats i det första, fasta baselementets 13 urtag- ning 15. I den med innergängor försedda urtagningen 21 är iskruvad en arm 22, som i det visade utföringsexemplet utgöres av ett rör, som tjänar som hållare för ett antal komponenter 23 - se fig. 5 -, vilka för en viss tillämpning exempelvis kan utgöras av en kollimeringslins 24, ett antal optiska isolatorer och filter 25, en fokuseringslins 26 och en ferrule 27, dvs. en sammanhållningsring för en glasfiber- ledare 28. I fig. 5 betecknar vidare 29 en ljuskälla, t.ex. en halvledarlaser, som tillhör den fasta referensenheten, relativt vilken de optiska komponenterna 23 skall positio- neras med hjälp av justeringsmekanismer 30.

De två fjäderblocken 11 och 12 utgör tillsammans ett fribä- rande system med roten via baselementet 13 förankrad i huset 18. Det elastiskt odeformerade fribärande systemet har sin huvudaxelriktning z vinkelrät plattelementen 13, 14 och 20.

Den i fig. l och 2 visade positioneringsanordningen är visad 10 15 20 25 30 35 467 474 5 i övernaturlig skala. I verkligheten är denna endast någon eller några centimeter stor. Fjäderblockens delar utformas så att de tillåter en kompakt integrering med i den optiska eller optoelektroniska apparaten ingående delar. Slaglängden i injusteringsmekanismen 30 skall vara begränsad till vad som verkligen behövs och vid t.ex. en injustering av en fiberledare 28 relativt en laser 29 i ett kommunikations- system krävs kanske endast en slaglängd av någon eller några tiondels millimeter.

Multipla funktioner skall kunna integreras i samma position- eringsanordning, t.ex. skall translation i flera riktningar eller kombinationer av translation och vridning eller enbart vridning vara möjlig. För att åstadkomma dessa funktioner kan en justeringsmekanism 30 användas, som kan påverka fjäderblocken ll och 12 på olika sätt, beroende på var man låter ställskruven 31 verka på olika angreppspunkter på armen 22. I normalfallet är de valda angreppspunkterna fixa punkter, som med hänsyn till tillämpningen är belägna på ett visst bestämt avstånd från systemets rot. Genom att förlänga armen 22, så att denna sträcker sig ovanför det gemensamma baselementet 14 och placera ställskruvens 31 angreppspunkt vid detta förlängda ändparti åstadkommes en vridning av systemet i området kring det tredje baselementet 20. Den anbringade kraftens storlek bestämmer storleken av den geometriska förändringen hos det fribärande systemet. I det visade utföringsexemplet enligt figurerna 1 och 2 kan två av varandra oberoende förändringar utföras, t.ex. två orto- gonala translationer. Det är exempelvis även möjligt att translatera komponenthållaren 22 i en riktning och oberoende därav vrida den kring en axel som har samma riktning som translationen.

Eftersom förflyttningsrörelsen hos de båda fjäderblocken är mycket små, är det även viktigt att justeringsmekanismen är För detta ändamål är ställskruven 31 lämpligen utformad som en differentialställ- skruv, vilket innebär att den består av en mutterdel 32, som med yttergängor 33 är fastskruvad i huset 18 och vars inner- anpassad till dessa små rörelser. $> -<1 10 15 20 25 30 35 -ßs \1 -m- 6 gängor 34, samverkar med yttergängor 36 till en skruvmut- terdel 35, vars innergängor 37 i sin tur samverkar med yttergängor 38 i en skruvtapp 47, vars ena ändparti 39 har orunt tvärsnitt, t.ex. sexkantigt tvärsnitt, motsvarande den urtagning 40 i mutterdelen 32, genom vilken skruvtappens ändparti 39 sträcker sig. Stigningen hos gängorna 34 och 36, som exempelvis kan vara 0,25 mm/varv, avviker något från stigningen hos gängorna 37 och 38, vars stigning exempelvis kan vara 0,2 mm/varv, så att en utväxling motsvarande en förflyttning av skruvtappen 47 av 0,05 mm/varv erhålles.

För att göra justeringsmekanismen 30 ännu mera känslig kan den i fig. 4 visade modifierade justeringsmekanismen komma till användning, där differentialställskruvens 31 mutterdel 32 har uppdelats i två delar, ett basfäste 42 och en mutter- del 43, mellan vilka har fast anordnats ett rörformigt piezoelektriskt element 44, som när det anslutes till elekt- risk spänning får en ändrad längd och därmed förflyttar mutterdelen 43 axiellt en av den pålagda spänningen bestämd sträcka.

Justeringsmekanismen 30, som applicerar en kraft på armen 22 behöver inte innehålla någon skruvanordning. Den kan ersät- tas med ett annat kraftgivande mekaniskt arrangemang eller t.ex. enbart ett elektro- eller magnetostruktivt element.

I vissa fall kan det vara nödvändigt att kunna utföra en positionering i tre koordinater x, y och z. Den i fig. 6 och 7 visade modifikationen av den i fig 1 och 2 åskådliggjorda positioneringsanordningen är kompletterad med ett utanför de båda fjäderblocken 11 och 12 i den fasta referensenheten anordnat 4:e baselement 45, som kan vara den utbyggda positioneringsanordningens yttre hus, från vilket utgår ett antal fjäderorgan 46, vilka med sin motsatta ände är för- bundna med anordningens inre hus 18. Fjäderorganen 46 kan med fördel vara plattfjädrar, som tillåter endast rörelser i anordningens huvudaxelriktning z.

Den visade och beskrivna uppfinningen är icke begränsad till 10 15 20 25 30 35 467 474 7 de visade utföringsexemplen utan kan varieras på en mängd olika sätt inom ramen för patentkraven. Positioneringsan- ordningar kan utnyttjas i många sammanhang där precissions- betonade förflyttningar och orienteringar skall göras av stabilt monterade små byggelement, t.ex. injustering av linser och andra optiska element i inriktningsapparaturer, förflyttning av objekt i mikroskop, balansering av element i mekanisk apparatur, plattavståndstrimmning i elektriska mätkondensatorer osv. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 uPPs-I-ÄLLNING övEn HÄNVISNINGSBETECKNINGAR positioneringsanordning 1:a fjäderblock 2:a fjäderblock 1:a baselement, t.ex. en platta 2:a baselement, t.ex. en platta central urtagning i 1:a baselementet i 2:a baselementet fjäderorgan, t.ex. stavar hus fjäderorgan, t.ex. stavar 3:e baselement, t.ex. en platta central urtagning i 3:e baselementet arm = rör = hållare i optiska eller optoelektroniska apparater ingående komponenter kollimeringslins optisk isolator och filter fokuseringslins ferrule (sammanhållningsring) glasfiberledare ljuskälla, t.ex. halvledarlaser, ingående i den fasta referensenheten justeringsmekanismen ställskruv, t.ex. differentialställskruv mutterdel yttergängor i 32 innergängor i 32 467 474- 8 35 = skruvmutterdel 36 = yttergängor i 35 37 = innergängor i 35 38 = yttergängor i 47 5 39 = ändparti § 40 = urtagning 42 = basfäste “ 43 = mutterdel 44 = piezoelektriskt element 10 45 = 4:e baselement, t.ex. den utbyggda positione- rings anordningens yttre hus, ingående i den fasta enheten 46 = fjäderorgan 47 = skruvtapp 15 Z = huvudaxel

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 a). b). d). e). f). 9)- PATENTKRAV

1. Anordning för glappfri positionering av företrädes- vis i optiska eller optoelektroniska apparater ingåen- de komponenter (23) relativt en fast referensenhet (29) med hjälp av minst två sammankopplade fjäderblock (l1,12), fjäderblocken (1l,12) innefattar var sitt baselement, varav ett är fast (13) och ett är rörligt (20) i förhållande till referensenheten, båda baselementen (l3,20) är via ett tredje, gemensamt baselement (14) förbundna med varandra medelst fjäder- organ (l7,l9), bildande ett i förhållande till det fasta baselementet (13) fribärande system, till systemet är ansluten en fästanordning eller hållare (22), på vilken komponenter som skall positio- neras är fixerade, anordningen är försedd med justeringsmekanismer för applicering av på det fribärande systemet verkande reglerbara krafter, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att vardera fjäderblocket (ll,l2) är väsentligen styvt i edet elastiskt odeformerade fribärande systemets huvudaxelriktning (z), och är elastiskt i x- och y- riktningar tvärs däremot, och att anordningen är försedd med justeringsmekanismer, som mellan det fasta baselementet (13), eller annan med detta fast förenad del, och det fribärande syste- mets, (20) eller en vid detta anordnad arm, som kan vara hållaren (22), applicerar rörliga baselement i valda riktningar och angreppspunkter verkande reg- lerbara krafter, vars i plan (x- och y- ) vinkelrät huvudaxelriktningen (Z) verksamma komponenter trans- laterar och/eller vrider komponenthållaren (22) under elastiskt deformering av fjäderorganen (l7,l9). 467 474 467 474 10 15 20 25 30 /Û

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att sett i det fribärande systemets axelriktning (z), det fasta baselementet (13) och det rörliga baselemen- tet (20) är belägna på samma sida om det gemensamma baselementet (14).

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att vardera baselement (l3,14,20) utgörs av med en cen- tral urtagning (15,16,21) försedd platta, för anordnande av en optisk strålgång centralt genom det fribärande systemet i dess huvudaxelriktning (z), i vilken med en lämpligt utformad hållare (22), optiska och optroniska komponenter kan inplaceras.

4. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att komponenthàllaren (22) är utformad som en fribärande arm, mot vilken i vardera av två vinkelräta riktningar (x,y), minst en förskjutningskraft från en justerings- mekanimn (30), som kan vara en ställskruv (31) ett elektro- eller magnetostriktivt element eller liknande är applicerbar.

5. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att systemet (10) är placerat i ett hus (18), i vilket systemets ena, första baselement (13) är fast anordnat, att ett andra, rörligt baselement (14) är gemensamt element för båda fjäderblocken (11,12), att ett tredje baselement (20) är beläget i plan med det första baselementet (13), och att ställskruvar (31), är infästade i huset (18) och anordnade att verka på komponenthållararmen (22) i två mot varandra vinkelräta riktningar (x,y). II “\ 10 15 20 25 30 'f 467 474

6. Anordning enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att vardera ställskruv (31) är en differentialställskruv innefattande tre i varandra skruvbara delar (32,35,47), där stigningen hos gängorna som verkar mellan den första (32) och andra delen (35) avviker från stigningen hos gängorna som verkar mellan.den andra (35) och tredje (47) delen, så att en utväxling delarna emellan erhålles.

7. Anordning enligt krav 1 eller 5, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att huset (18) är anordnat i ett gemensamt hus (45), som är fast i förhållande till den fasta referensenheten (29), på ett sådant sätt, att det kan förskjutas och/- eller vridas relativt den fasta referensen (29).

8. Anordning enligt krav 1, 5 eller 7, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att ett tredje fjäderblock vars två baselement utgörs av, eller är förankrade i huset (18) och det gemensamma huset (45) och vars fjäderorgan (46), som sammanbinder husen (18) och (45) är så riktade att fjäderblocket är elas- tiskt i det odeformerade fribärande systemets huvudaxel- riktning (z) och styvt i däremot vinkelräta riktningar, och att minst en reglerbar kraft, som verkar i huvudaxelrikt- ningen (z) appliceras mellan det gemensamma huset (45) och huset (18) för att kunna translatera huset (18) i huvudaxelriktningen (z) och/eller vrida det kring en.axel vinkelrät däremot beroende av hur kraftens angreppspunkt på huset (18) är vald.

9. Anordning enligt något eller några av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att fjäderorganen (17,19;46) utgöras av stav- och/eller plattformade fjädrar. 467 474 IQ

10. Anordning krav 6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att differentialskruven (31) är sammankopplad med en piezoelektrisk justeranordning (44), för finjustering av skruvens position.