DE4223841A1 - Justiervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Justiervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Mit Hilfe von Justiervorrichtungen können z. B. bei opti­ schen Aufbauten Linsen, Spiegel etc. in eine gewünschte Position gebracht werden, oder sie dienen z. B. zur Justierung eines Laserstrahles.

Es sind verschiedene Typen von Justiervorrichtungen bekannt, die sich je nach Einsatzgebiet in ihrer Ausge­ staltung unterscheiden.

Besonders häufig wird zur Längeneinstellung eines Objek­ tes ein Verschiebetisch verwendet, der eine Linearverstellung ermöglicht.

Der Verschiebetisch besteht beispielsweise aus einem Rah­ men auf dem ein Objekthalter, z. B. ein Linsenhalter ent­ langgleitet.

Eine Verschiebung des Objekthalters wird mit Hilfe einer Mikrometerschraube und einer den Objekthalter gegen die Mikrometerschraube drückenden Rückstellfeder erzielt. Es wird mit diesem Verschiebetisch ein Verstellweg von weni­ gen Millimetern bei einer Auflösung von ungefähr 1 Mikro­ meter ermöglicht.

Zur Feinjustierung, d. h. einer Justierung mit einer Auf­ lösung in der Größenordnung von einigen Nanometern eignen sich die herkömmlichen mechanisch geregelten Verschiebe­ tische nicht, es werden statt dessen vorzugsweise piezo­ elektrische Stellelemente für den Aufbau von Verschiebe­ tischen verwendet. Die zur Herstellung der Stellelemente verwendeten piezoelektrischen Werkstoffe bauen bei einer mechanischen Deformation auf ihren Oberflächen elektri­ sche Ladungen auf und umgekehrt, d. h. legt man eine Span­ nung an die Elemente, wird damit eine mechanische Auslen­ kung erzielt.

Um hohe Ausdehnungen bei vernünftigen elektrischen Spannungen zu erreichen, werden viele Scheiben aus dem piezoelektrischen Material elektrisch parallel geschal­ tet, mechanisch aber in Reihe.

Piezoelemente sind nicht nur äußerst teuer, sondern haben noch einen weiteren, entscheidenden Nachteil, denn die Ausdehnung ist keine eindeutige Funktion der Spannung, sondern abhängig von vorherigen Zuständen, d. h. sie zeigt einen Hystereseverlauf. Diese Eigenschaft ist durch die mikrokristalline Struktur der Piezoelemente bedingt.

Bei hochgenauen Meß- und Stellaufgaben kann die Hysterese nicht vernachlässigt werden und erschwert die Justierar­ beit sehr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Justier­ vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß im vorgese­ henen Justierbereich eine hysteresefreie, lineare Ver­ stellung des Objektes möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Justiervorrichtung zur Län­ genfeinjustierung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß das Objekt und der Bezugskörper durch ein blattförmiges Biegeelement verbunden sind und daß das blattförmige Biegeelement im mittleren Bereich durch einen orthogonal zur Blattebene verlagerbaren Justierdorn auslenkbar ist, kann das Objekt gegenüber dem Bezugskör­ per durch Auslenkung des Biegeelementes linear und hysteresefrei verstellt werden, denn die Bewegung des Justierdornes, die Auslenkung des Biegeelementes und der Verstellweg des Objektes sind unabhängig von früher ein­ genommenen Zuständen. Außerdem können wesentlich höhere Stellkräfte ausgeübt werden, als dies mit Piezoelementen möglich wäre.

In praktischer Ausgestaltung der Erfindung wird parallel zum blattförmigen Biegeelement ein Druckelement als Ab­ stoßkraftkomponente angeordnet, welches zwischen dem Ob­ jekt und dem Bezugskörper abgestützt ist.

Das Druckelement erzeugt eine Abstoßkraft zwischen Objekt und Bezugskörper, der die Auslenkung des Biegeelementes entgegenwirkt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Druckelement zwei in teleskopisch zusammen- und aus­ einanderschiebbaren Rohren geführte Druckfedern, welche symmetrisch zur Längsachse des blattförmigen Biegeelemen­ tes angeordnet sind und direkt oder über Druckstangen zwischen dem Objekt und dem Bezugskörper anliegen.

So wird in einfachster Weise ein Druckelement verwirk­ licht, das allen Anforderungen Rechnung trägt. Die Druck­ kraft und der mögliche Verstellweg können durch das Ver­ schieben der Teleskoprohre reguliert werden. Ebenso kann der Verstellweg über die Länge des Biegeelementes, die mit der Länge der Druckstangen gekoppelt ist, verändert werden. Die Symmetrie der Druckelemente zur Längsachse des blattförmigen Biegeelementes gewährleistet eine exakt lineare Verschiebung des Objektes gegenüber dem Bezugs­ körper.

Vorzugsweise ist der Justierdorn über eine Hebelunterset­ zung mit einer Zahn- oder Gewindestange gekoppelt, in die ein motorgetriebenes Zahnrad bzw. eine Gewindemutter ein­ greift.

Mittels der Hebeluntersetzung kann der Justierdorn ortho­ gonal zur Blattebene des Biegeelementes bewegt werden, der Motor sorgt für eine automatische Bewegung der Hebel­ untersetzung und somit des Justierdornes, und die Zahn­ bzw. Gewindeelemente gewährleisten eine sehr genaue Posi­ tionierung des Justierdornes.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Justierdorn oder die Zahn- bzw. Gewindestange mit einem Wegaufnehmer gekoppelt.

So kann der Wert der Positionsverschiebung des Justier­ dornes bei laufendem Motor direkt ermittelt werden.

In praktischer Ausgestaltung ist der Antriebsmotor des Zahnrades bzw. der Gewindemutter mit einem Drehwinkelauf­ nehmer gekoppelt.

Der Drehwinkelaufnehmer ermittelt den bei Bewegung der Hebeluntersetzung des Justierdornes sich verändernden Drehwinkel des Zahnrades bzw. der Gewindemutter und zeigt den Wert auf einer Anzeigetafel an.

Schließlich ist nach der Erfindung vorgesehen, daß ein Rechner mit dem Wegaufnehmer bzw. dem Drehwinkelaufnehmer gekoppelt ist, durch welchen der Justierweg des Objektes in Abhängigkeit der Justierführungsgröße gemäß folgender mathematischer Beziehung ermittelbar ist

Δ = D/L mit D = c_*J

wobei Δ der Justierweg, D die Auslenkung des Biegeelemen­ tes und L die halbe Länge des Biegeelementes sind, sowie ferner c der Übersetzungsfaktor einer Hebel- und gegebe­ nenfalls Getriebeübersetzung und J die Justierführungs­ größe sind.

So kann der gewünschte Justierweg über den vom Wegaufnehmer ermittelten Wert und die vorgenannte mathematischer Beziehung mit großer Treffsicherheit und guter Genauigkeit in engen Toleranzen vorgegeben werden. Für eine hochgenaue Feststellung des tatsächlich erreichten Justierweges muß natürlich sicherheitshalber ein übergeordnetes Meßsystem eingesetzt werden.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschrei­ bung und der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, das nachfolgend erläutert wird.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Justiervorrichtung

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Justiervorrich­ tung aus Fig. 1 ohne Justierdorn und Hebeluntersetzung, mit Teilschnitt durch ein Druckelement

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des Biegeelements und des Justierdornes aus Fig. 1

Fig. 1 zeigt eine Justiervorrichtung 10 zur Längenfeinju­ stierung eines Objektes 12 relativ zu einem Bezugskörper 14 über einer Verschiebungsfläche 16. Das Objekt 12 ist über zwei Druckelemente 18a, 18b und eine blattförmiges Biegeelement 20, wobei die Druckelemente 18a, 18b paral­ lel zum blattförmigen Biegeelement 20 angeordnet sind, mit dem Bezugskörper 14 verbunden.

Im mittleren Bereich oberhalb des blattförmigen Biegeele­ mentes 20 ist ein Justierdorn 22 angeordnet, der das Bie­ geelement 20 orthogonal zu seiner Blattebene auslenkt.

Der Justierdorn 22 ist über eine Hebeluntersetzung 34 mit einer Gewindestange 36 gekoppelt, die ihrerseits über eine Gewindemutter (nicht sichtbar) im Motorgehäuse mit dem Motor (nicht sichtbar) verbunden ist.

Mittels der Hebeluntersetzung 34 kann der Justierdorn 22 orthogonal zur Blattebene des Biegeelementes 20 bewegt werden. Der Motor und die Zahn- bzw. Gewindeelemente gewährleisten eine sehr genaue Justierung des Objektes 12.

Mit dieser Justiervorrichtung kann das Objekt 12 gegen­ über dem Bezugskörper 14 durch Auslenkung des Biegeele­ mentes 20 mittels des Justierdornes 22 linear und hy­ steresefrei verstellt werden, da die Bewegung des Ju­ stierdornes 22, die Auslenkung des Biegeelementes 20 und der Verstellweg des Objektes 12 unabhängig von früher eingenommenen Zuständen sind.

Fig. 2 zeigt ein Aufsicht auf die Justiervorrichtung aus Fig. 1. Der Teilschnitt zeigt einen Längsschnitt durch das obere Druckelement 18a. Es besteht aus einem teles­ kopisch zusammen- und auseinanderschiebbaren Rohr 24, in dem eine Druckfeder 28 symmetrisch zur Längsachse ange­ ordnet ist. Das Rohr 24 liegt an den Druckstangen 30 und 32 an, die mit dem Objekt 12 bzw. dem Bezugskörper 14 verbunden sind.

So können die Druckkraft und der mögliche Verstellweg durch Verschieben des teleskopisch zusammen- und ausein­ anderschiebbaren Rohres 24 und durch die Wahl der Druck­ stangenlänge reguliert werden. Die Symmetrie der Druck­ elemente zur Längsachse des blattförmigen Biegeelementes gewährleistet eine exakt lineare Verschiebung des Objek­ tes gegenüber dem Bezugskörper.

Fig. 3 zeigt die Seitenansicht des Biegeelementes und des Justierdornes aus Fig. 1. Diese Figur soll das Verständ­ nis der in einer der nächsten Abschnitte erläuterten mathematischen Beziehung erleichtern.

Ferner ist noch zu erwähnen, daß nach der Erfindung ein Wegaufnehmer (nicht sichtbar) am Justierdorn 22 oder an der Zahn- und Gewindestange 36 vorgesehen ist, der den Verstellweg des Justierdorns 22 ermittelt und auf einer entsprechenden Anzeigetafel anzeigt.

Der Wegaufnehmer ist mit einem Rechner gekoppelt, durch welchen der Justierweg des Objektes in Abhängigkeit der Justierführungsgröße gemäß folgender mathematischer Beziehung ermittelbar ist:

Δ = D/L mit D = c_*J

wobei Δ der Justierweg, D die Auslenkung des Biegeelemen­ tes und L die halbe Länge des Biegeelementes sind, sowie ferner c der Übersetzungsfaktor einer Hebel- und gegebe­ nenfalls Getriebeübersetzung und J die Justierführungs­ größe sind.

So kann der gewünschte Justierweg einfach aus dem vom Wegaufnehmer ermittelten Wert berechnet werden.

Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen.

Claims (7)

1. Justiervorrichtung (10) zur Längenfeinjustierung eines Objektes (12) relativ zu einem Bezugskörper (14) über eine Verschiebungsfläche (16), wobei das Objekt (12) mit einer parallel zur Verschiebungsfläche (16) verlau­ fenden, vom Bezugskörper (14) weggerichteten Abstoßkraft­ komponente beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (12) und der Bezugskörper (14) durch ein blattförmiges Biegeelement (20) verbunden sind, und daß das blattförmige Biegeelement (20) im mittleren Bereich durch einen orthogonal zur Blattebene verlagerbaren Justierdorn (22) auslenkbar ist.

2. Justiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß parallel zum blattförmigen Biegeelement (20) ein Druckelement (18a, 18b) zur Erzeugung der Abstoßkraftkomponente angeordnet ist, welches zwischen dem Objekt (12) und dem Bezugskörper (14) abgestützt ist.

3. Justiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Druckelement (18a, 18b) zwei in tele­ skopisch zusammen- und auseinanderschiebbaren Rohren (24) geführte Druckfedern (28) umfaßt, welche symmetrisch zur Längsachse (A) des blattförmigen Biegeelementes (20) angeordnet sind und direkt oder über Druckstangen (30, 32) zwischen dem Objekt (12) und dem Bezugskörper (14) anliegen.

4. Justiervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Justierdorn (22) über eine Hebeluntersetzung (34) mit einer Zahn- oder Gewindestange (36) gekoppelt ist, in die ein motorgetriebene Zahnrad bzw. eine motorgetriebene Gewindemutter eingreift.

5. Justiervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Justierdorn (22) oder die Zahn bzw. Gewindestange (36) mit einem Wegaufnehmer gekoppelt ist.

6. Justiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor des Zahnrades bzw. der Gewindemutter mit einem Drehwinkelaufnehmer gekoppelt ist.

7. Justiervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner mit dem Wegaufnehmer bzw. mit dem Drehwinkelaufnehmer gekoppelt ist, durch welchen der Justierweg des Objektes (12) in Abhängigkeit der Justierführungsgröße gemäß folgender mathematischer Beziehung ermittelbar ist: Δ = D/L mit D = c_*Jwobei Δ der Justierweg, D die Auslenkung des Biegeele­ mentes (20) und L die halbe Länge des Biegeelementes (20) sind, sowie ferner c der Übersetzungsfaktor einer Hebel- und gegebenenfalls Getriebeübersetzung und J die Justier­ führungsgröße sind.