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Der
Antrieb gegeneinander beweglicher Teile in optischen Instrumenten,
insbesondere die Umsetzung einer primärseitigen Drehbewegung in eine sekundärseitige
Linearbewegung, erfolgt üblicherweise
durch ein miteinander kämmendes
Ritzel-/Zahnstangensystem
oder durch ein System aus einer Gewindespindel und einer Gewindemutter.
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Ein
Antrieb des ersten Typs für
die Fokussierbewegung bei einem Mikroskop ist beispielsweise in
der
DE 26 27 486 A1 beschrieben.
Aufgrund des zwangsweise vorhandenen Spiels des Ritzel-/Zahnstangensystems
weisen solche Antriebssysteme eine deutliche Umkehrlose auf. Außerdem wird
die erreichbare Positioniergenauigkeit durch die Oberflächenqualität der miteinander
kämmenden Zahnflanken
bestimmt. Die Umkehrlose des Antriebssystems wirkt sich insbesondere
bei Systemen nachteilig aus, die über einen motorischen Antrieb mit
einer entsprechenden Motorsteuerung eine automatische Repositionierung
einer vorher abgespeicherten Einstellung, wie beispielsweise in
der
DE 34 10 201 A1 ,
oder die Bewegung um durch den Drehwinkel des Motors vorbestimmte
Wegstrecken ermöglichen,
beispielsweise beim automatischen Anfahren einer neuen Fokusposition
mit hoher Reproduzierbarkeit nach einem Objektivwechsel. Ursächlich ist
dafür,
dass die zu einer bestimmten Linearbewegung erforderliche Drehbewegung
des Antriebsmotors davon abhängt,
ob eine Richtungsumkehr gegenüber
der vorherigen Bewegung stattfindet oder ob die Bewegung in Richtung
oder gegen die Richtung der Erdanziehung erfolgt.
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In
der US 4,948,330 ist ein in drei Raumrichtungen verstellbarer Justiertisch
mit motorischen Antrieben beschrieben, bei dem für die Untersetzung der Motorbewegung
ein Harmonic-Drive-Getriebe zwischen dem Antriebsmotor und der Antriebsspindel
vorgesehen ist. Harmonic-Drive-Getriebe zeichnen sich dadurch aus,
dass in ihnen die Anzahl der bewegten Teile minimal ist und dadurch
die Umkehrlose des Getriebes ebenfalls minimiert werden kann. Die
Umsetzung der untersetzten Drehbewegung in die Linearbewegung erfolgt
jedoch bei dem beschriebenen System über ein System des zweiten
Typs aus Gewindespindel und Gewindemutter, das bezüglich der
Umkehrlose mit dem oben beschriebenen System aus Ritzel und Zahnstange
vergleichbar ist. Dadurch wird die geringe Umkehrlose des Harmonic-Drive-Getriebes
durch die relativ große
Umkehrlose des Spindelantriebes überdeckt.
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In
der
GB 1 012 974 und
in der US 4,684,225 ist bereits vorgeschlagen worden, einen Riemenantrieb
für die
Umsetzung einer Drehbewegung in die Linearbewegung des Objekttisches
eines Mikroskops vorzusehen. Solche Riemenantriebe zeigen zwar keine
oder nur eine geringe Umkehrlose, sie besitzen jedoch nicht die
erforderliche Festigkeit bei Überlastung
des Objekttisches. Insbesondere starke Impulse, die beim Aufsetzen
eines schweren Gegenstandes auf den Objekttisch auftreten, oder
ein versehentliches Abstützen
des Mikroskopikers an dem Objekttisch können zu einem Reißen des
Antriebsbandes führen.
Obwohl seit langem bekannt, haben sich derartige Riemenantriebe
für die
Fokussierbewegung in Mikroskopen bisher nicht durchgesetzt.
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Ziel
der Erfindung ist es deshalb, ein Antriebssystem anzugeben, das
eine nahezu spielfreie Bewegungsübertragung
von einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung ermöglicht und
gleichzeitig eine hohe Festigkeit gegen große, von außen auf die bewegten Teile
aufgeprägte
Belastungen aufweist.
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Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß durch
einen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der
abhängigen Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem weist
eine Kombination aus einem Bandantrieb und einem synchron zum Bandantrieb angetriebenen System
aus einem Ritzel und einer Zahnstange auf. Das Ritzel greift dabei
mit Spiel in die Zahnung der Zahnstange ein. Das Spiel des Ritzel-/Zahnstangensystems
ist dabei so auf die zulässigen
Belastungen des bewegten Teils und die Dehnungsfestigkeit des Antriebsbandes
ausgelegt, dass bei allen zulässigen Belastungen
ein deutliches Spiel zwischen dem Ritzel und der Zahnstange vorhanden
ist. Dadurch erfolgt die Umsetzung der Drehbewegung in die Linearbewegung
bei allen zulässigen
Belastungen ausschließlich über den
Bandantrieb und weist demzufolge eine geringe Umkehrlose und eine
hohe Reproduzierbarkeit auf. Das System aus Ritzel und Zahnstange
läuft bei
den zulässigen
Belastungen ohne Belastung mit. Nur bei einer Überschreitung der zulässigen Belastung
und einer daraus resultierenden stärkeren Dehnung des Antriebsbandes
stützen
sich die Zahnflanken des Ritzels und der Zahnstange aufeinander
ab und vermeiden dadurch eine Überdehnung
und eine daraus resultierende Beschädigungen des Bandes.
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Angemerkt
sei in diesem Zusammenhang, dass bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem keine
hohen Anforderungen an die Präzision
und die Oberflächenqualität des Ritzels
und der Zahnstange gestellt sind, da die Präzision dieser Komponenten auf
die Präzision
des Antriebssystems ohne Auswirkungen ist und diese Komponenten
nur als Überlastungsschutz
in Funktion treten.
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Der
Bandantrieb kann in einfacher Weise in Form eines Flaschenzuges
ausgebildet sein. Das Verhältnis
des Durchmessers des Ritzels und des Durchmessers der angetriebenen
Rolle des Bandantriebes müssen
dann dem Untersetzungsverhältnis des
Flaschenzuges entsprechen. Am bewegten Teil sind dabei je nach gewünschtem
Untersetzungsverhältnis
des Flaschenzuges eine entsprechende Anzahl drehbar gelagerter Rollen
für den
Bandantrieb vorzusehen. Als einfachstes Beispiel eines Flaschenzuges
ist lediglich eine einzige drehbare Rolle am bewegten Teil angeordnet,
die nach dem Prinzip der losen Rolle in das gespannte Band eingehängt ist.
Bei einem solchen System ist der Durchmesser des Ritzels dann halb
so groß wie
der Durchmesser der Antriebsrolle des Bandantriebes.
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Bei
einem weiterhin einfachen Ausführungsbeispiel
sind das Ritzel und die Antriebsrolle für den Bandantrieb auf einer
gemeinsamen, im ruhenden Geräteteil
drehbar gelagerten Antriebswelle und die Zahnstange an dem bewegten
Geräteteil
angeordnet. Dadurch werden zusätzliche
Lagerstellen für
das Ritzel vermieden.
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Die
Vorspannung des Bandes kann je nach vorgesehener Bewegungsrichtung
entweder durch die Gewichtskraft des bewegten Teils oder durch eine Feder
zwischen dem bewegten Teil und dem ruhenden Teil erzeugt sein. Weist
das bewegte Teil nur eine geringe Eigenmasse auf, so kann auch die
Kombination von Spannung durch Gewichtskraft und durch Federkraft
angebracht sein.
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Das
Antriebssystem weist vorzugsweise einen Antriebsmotor und ein Harmonic-Drive-Getriebe zwischen
dem Antriebsmotor und der Antriebsrolle des Bandantriebes auf. Denn
durch die geringe Umkehrlose des Bandantriebes kommt bei einer solchen Kombination
auch die geringe Umkehrlose des Harmonic-Drive-Getriebes voll zur Geltung. Außerdem gleicht
die relativ große
Untersetzung des Harmonic-Drive-Getriebes die relativ geringe Untersetzung des
Bandantriebes aus, so dass eine große Gesamtuntersetzung resultiert.
Mit einem solchen System sind dann hochpräzise Positionierungen oder
Verschiebungen um vorgegebene Wegstrecken über die Bewegung des Motors
um vorgegebene Drehwinkel möglich.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem
ist insbesondere zur Übertragung
der Fokussierbewegung auf einen Objekttisch in Mikroskopen geeignet.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem kommt
weiterhin vorzugsweise in Kombination mit einer Linearführung mit
beidseitiger Doppelführung zum
Einsatz. Derartige beidseitige Doppelführungen weisen sich gegenüber beidseitigen
Einzelführungen durch
eine hohe Stabilität
und Steifigkeit aus. Um die bei Doppelführungen auftretenden Überbestimmungen
zu vermeiden, sollte ein Teil der Führungsflächen durch die Planflächen von
abgeflachten Rundstäben gebildet
werden, die in Ausnehmungen der geführten oder der ruhenden Teile
drehbar eingesetzt sind. Durch die Drehbarkeit der Rundstäbe werden
Keilwinkel zwischen den Teilen der Linearführung kompensiert. Durch das
Zusammenwirken des nahezu spielfreien Antriebssystems mit der hohen
Steifigkeit der als beidseitige Doppelführung ausgebildeten Linearführung wird
die Präzision
des Antriebes voll auf die Bewegung des geführten Teils übertragen.
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Nachfolgend
werden Einzelheiten der Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 das
Unterteil eines Mikroskops mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystems
für die
Fokussierbewegung des Objekttisches in einem Vertikalschnitt;
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2 einen
Horizontalschnitt durch das Antriebssystem entlang der Ebene II-II
in 1;
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
der Linearführung
in 2 mit drehbar eingesetzten, abgeflachten Rundstäben in Führungsnuten;
und
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4 einen
Schnitt in vertikaler Richtung durch das Antriebssystem in 2 entlang
der Ebene IV-IV.
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In
der 1 ist mit (1) der untere Teil des Mikroskopstativs
bezeichnet. An einer vertikalen Säule (5) des Mikroskopstativs
(1) ist der Objekttisch (2) an einem innerhalb
der vertikalen Säule
(5) angeordneten Fokussiermodul (6) aufgenommen.
Mittels des Fokussiermoduls (6) ist der Objekttisch (2)
relativ zu dem in einem Objektiv-Revolver (3) aufgenommenen Objektiv
(4) in vertikaler Richtung zur Fokussierung verstellbar.
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Für die präzise. Führung des
Objekttisches (2) in vertikaler Richtung weist das Fokussiermodul (6)
eine weiter unten anhand der 2 noch näher beschriebene
beidseitige Doppel-Linearführung mit einer
festen Führungsplatte
(7) und in vertikaler Richtung geführten Platten (8a, 8b)
auf. Der Objekttisch (2) ist mit den geführten Platten
(8a, 8b) verbunden.
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Für die Erzeugung
der Fokussierbewegungen ist ein Elektromotor (9) vorgesehen,
der über eine
nicht dargestellte Motorsteuerung derart ansteuerbar ist, dass die
Welle des Elektromotors (9) Drehbewegungen um durch die
Motorsteuerung definierte Drehwinkel ausführt. Dazu weist der Elektromotor
(9) einen Winkelencoder auf. Da derartige Motoren und die
dazugehörigen
Motorsteuerungen durchaus bekannt sind, braucht auf deren Details
hier nicht näher eingegangen
zu werden.
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Die
Drehbewegung des Elektromotors (9) wird durch ein nachgeschaltetes
Harmonic-Drive-Getriebe untersetzt. Dieses Harmonic-Drive-Getriebe hat
den bekannten Aufbau aus einer elliptischen Stahlscheibe mit zentrischer
Nabe und aufgezogenem, elliptisch verformbarem Dünnringkugellager, die mit der
Welle des Motors (9) gekoppelt ist, einen starren zylindrischen
Ring mit einer Innenverzahnung als äußeres Bauteil und eine zylindrische
Stahlbüchse
mit Außenverzahnung
zwischen der elliptischen Stahlscheibe und dem zylindrischen Ring.
Bei einer Drehbewegung der elliptischen Stahlscheibe wird über das
elliptisch verformbare Kugellager die zylindrische Stahlbüchse, deren
Außenverzahnung in
Richtung der großen
Ellipsenachse mit der Innenverzahnung des zylindrischen Ringes in
Eingriff steht, deformiert. Durch diese Deformation verlagert sich
die große
Ellipsenachse der zylindrischen Stahlbüchse. Da die zylindrische Stahlbüchse zwei
Zähne weniger
als der zylindrische Ring aufweist, resultiert nach einer Umdrehung
der elliptischen Stahlscheibe eine Relativbewegung zwischen der
zylindrischen Stahlbüchse
und dem zylindrischen Ring um zwei Zähne. Die zylindrische Stahlbüchse führt deshalb eine
stark untersetzte Bewegung aus und dient als abgetriebenes Element
des Getriebes.
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Auf
der abgetriebenen Welle (11) des Harmonic-Drive-Getriebes
(10) sind koaxial zueinander eine Antriebsrolle (12)
für den
Bandantrieb und ein Ritzel (13) angeordnet, wobei der Durchmesser
des Ritzels (13) die Hälfte
des Durchmessers der Antriebsrolle (12) beträgt. Das
Ritzel (13) greift mit Spiel in eine Zahnstange (14)
ein, die an der geführten Platte
(8b) der Linearführung
befestigt ist.
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Im
unteren Bereich der Zahnstange (14) ist an der geführten Platte
(8b) der Linearführung über ein
nicht näher
dargestelltes Kugellager eine weitere Rolle (16) drehbar
befestigt. Diese Rolle (16) an der Linearführung hängt, wie
der 4 entnehmbar ist, in einer U-förmigen Schleife eines flachen
Stahlbandes (15), das an der Antriebsrolle (12)
befestigt ist. Das zweite Ende des Stahlbandes (15) ist
in etwa in der gleichen Höhe
wie die Antriebsrolle (12) an einer festen Welle (17)
am Fokussiermodul (6) befestigt.
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Der
Bandantrieb aus der festen Welle (17), der Antriebsrolle
(12) am ruhenden Teil und der ebenfalls drehbaren Rolle
(16) am bewegten Teil wirkt nach dem Prinzip der losen
Rolle. Bei einer Drehung der Antriebsrolle (12) im Uhrzeigersinn
wird die lose Rolle (16) um eine Strecke angehoben, die
der Hälfte der
Umfangsbewegung der Antriebsrolle (12) entspricht. Da der
Durchmesser des Ritzels (13) den halben Durchmesser der
Antriebsrolle (12) aufweist, wird das System aus Ritzel
(13) und Zahnstange (14) bei Vernachlässigung
der Dicke des Antriebsbandes (15) synchron zur Bewegung
des Bandantriebes und damit des angetriebenen Teils (8b)
mitbewegt. Das voreingestellte Spiel zwischen der Verzahnung des Ritzels
(13) und der Verzahnung der Zahnstange (14) bleibt
daher bei der Bewegung erhalten. Eine Belastung des Systems aus
Ritzel und Zahnstange tritt nur auf, wenn der Objekttisch (2)
(1) stärker
als zulässig
belastet und das Band (15) dadurch entsprechend stark gedehnt
wird. Die Präzision
der Bewegungsübertragung,
insbesondere hinsichtlich der Spielfreiheit und der Umkehrlose,
ist dadurch einzig und allein durch den Bandantrieb bestimmt. Das
System aus Ritzel (13) und Zahnstange (14) dient
lediglich zum Schutz des Bandantriebes bei zu starken Belastungen.
Dabei ist von entscheidender Bedeutung, dass die Präzision der
Verzahnungselemente, insbesondere deren Oberflächenqualität, die Präzision der Positionierung nicht
entscheidend mitbestimmt und dass gleichzeitig durch die Sicherung
des Bandantriebes eine lange Lebensdauer des Antriebes gewährleistet
ist.
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Bei
dem in den 1 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Bandantrieb ausschließlich
durch das Eigengewicht des Objekttisches (2) und der Linearführung vorgespannt.
Reicht die Masse des Objekttisches (2) für die Spannung des
Bandantriebes nicht aus, so kann zusätzlich eine Spannfeder vorgesehen
sein, die die beweglichen Teile der Linearführung (8a, 8b)
gegen die Zugrichtung des Bandes (15) zieht oder drückt.
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In
den Schnittdarstellungen der 2 und 3 sind
Details der Linearführung
vergrößert dargestellt.
Die Linearführung
ist sandwichartig aus drei Platten (8a, 7, 8b)
aufgebaut. Die mittlere Platte (7) ist dabei mit dem Rahmen
des Fokussiermoduls (6) verschraubt. An der objekttischseitigen
Außenplatte (8a)
ist der Objekttisch (2) und an der antriebsseitigen Platte
(8b) sind die Zahnstange (14) und die lose Rolle
(16) aufgenommen. Die beiden äußeren Platten (8a, 8b)
sind durch die in der 1 dargestellten, durch Langlöcher der
mittleren Platte (7) hindurchgreifenden Schrauben verbunden.
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Die
Mittelplatte (7) weist an ihren beiden gegenüberliegenden
Flächen
jeweils zwei parallel, senkrecht zur Zeichenrichtung in 2 verlaufende Nuten
(18a, 19a, 20a, 21a) in Bewegungsrichtung auf.
Die beiden äußeren Platten
(8a, 8b) weisen jeweils auf der der Mittenplatte
(7) zugewandten Seite zwei parallel verlaufende Nuten (18b, 19b, 20b, 21b) mit
rechteckförmigen
Querschnitten auf, die ebenfalls parallel zu den V-förmigen Nuten
(18a, 19a, 20a, 21a) der mittleren
Platte (7) verlaufen und bezüglich ihrer Abstände an die
Abstände
der V-förmigen
Nuten angepaßt
sind. Diese beidseitige Doppelführung weist
damit insgesamt vier Führungsbahnen
auf, die jeweils durch eine V-förmige
Nute in der Mittelplatte (7) und die gegenüberliegende
rechteckförmige
Nute der Außenplatte
(8a, 8b) gebildet werden. In diese Führungsbahnen
sind Wälzkörper in
Form von Rollen (18c, 19c, 20c, 21c)
oder Kugeln eingelegt. Außerdem
sind in die Ecken der rechteckförmigen
Nuten (18b, 19b, 20b, 21b) abgeflachte
Rundstäbe (18d, 18e, 19d, 20d, 21d, 21e)
mit den Wälzkörpern (18c–21c)
zugewandter Planfläche
drehbar eingesteckt. Die Planflächen
dieser abgeflachten Rundstäbe
bilden die Führungsbahnen
für die
Wälzkörper.
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In
zwei einander gegenüberliegende
rechteckförmige
Nuten (18d, 21d) sind dabei zwei abgeflachte Rundstäbe eingesteckt
und die Rollen (18c, 21c) kreuzweise in die verbleibenden
Führungsnuten eingelegt.
Auf der beabstandeten anderen Seite ist in die einander gegenüberliegenden
rechteckförmigen Nuten
jeweils nur ein Rundstab (19d, 20d) eingesteckt
und die Rollen sind alle in der gleichen Richtung ausgerichtet.
Dieses richtungsmäßig gleiche Einlegen
der Rollen in die einen Führungsnuten
(19a, 19b) und das kreuzweise Einlegen der Rollen
in die anderen Führungsnuten
(18a, 18b) ist in der vergrößerten Darstellung der 3 durch
die gestrichelt angedeuteten Drehachsen der Wälzkörper angedeutet.
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Dadurch
dass die abgeflachten Rundstäbe, in
ihren durch die Ecken der rechteckförmigen Nuten gebildeten Auflagen
drehbar sind, werden Keilwinkel zwischen den Platten (8a und 7 bzw. 7 und 8b)
kompensiert. Dadurch werden Überbestimmtheiten,
die ansonsten bei beidseitigen Doppelführungen auftreten, vermieden.
Fertigungstechnisch ist deshalb lediglich wichtig, dass die Parallelität der Nuten (18a–21a, 18b–21b)
in den drei Platten (8a, 7, 8b) zueinander
sichergestellt ist. Bezüglich
der Abstände der
Nuten (18a–21a, 18b–21b)
sind dagegen keine hochgenauen Anforderungen zu stellen, da eventuelle
Fehler durch die Drehung der Rundstäbe ausgeglichen werden. Die
passende Ausrichtung der abgeflachten Rundstäbe in ihren Auflagen stellt
sich beim Zusammenschrauben und Anziehen der die beiden äußeren Platten
(8a, 8b) verbindenden Schrauben von allein ein.
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Eine
derartige Linearführung
mit beidseitiger Doppelführung
zeichnet sich durch eine hohe Stabilität und Steifigkeit aus, so dass
kaum Kippmomente auftreten, die auf den Objekttisch übertragen
werden könnten.
Gleichzeitig ist ein hohes Maß an
Leichtgängigkeit
gewährleistet,
da keine Überbestimmtheiten
zu Verklemmungen führen
können.
Deshalb kann auch die Bewegung des Objekttisches (2) mit
der hohen Präzision,
die durch den Bandantrieb gewährleistet
ist, erfolgen.
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Bei
dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Bandantrieb
nach dem Prinzip der losen Rolle aufgebaut. Dieser Bandantrieb liefert ein
Untersetzungsverhältnis
von 1:2 zwischen der Bewegung des angetriebenen Teils (8b)
und der Umfangsbewegung der Antriebsrolle (12). Alternativ
ist es auch möglich,
andere flaschenzugähnliche
Bandantriebe einzusetzen. Beispielsweise könnte die Welle (17)
drehbar gelagert, das Band (15) über eine zweite Rolle am bewegten
Teil geführt
und auf der Höhe
der Welle (17) wieder am Fokussiermodul befestigt sein.
Ein solcher Flaschenzug liefert dann ein Untersetzungsverhältnis von
1:4. In diesem Fall ist das Ritzel (13) mit einem Durchmesser
auszuführen, der
einem Viertel des Durchmessers der Antriebsrolle (12) entspricht.