DE19951176A1 - Rotationslager - Google Patents

Abstract

Ein Rotationslager, insbesondere für die optische Meßtechnik, wie Messung der Abbildtreue eines optischen Gliedes, mit Apertur und zentrischer Achse, ist mit einem äußeren Fassungsteil (1) und mit einem inneren Lagerteil (2) versehen. Das innere Lagerteil (2) ist mit einem Abtriebsteil (6) verbunden, das gegenüber dem äußeren Fassungsteil (1) um die zentrische Achse verdrehbar ist. Das äußere Fassungsteil (1) und das innere Lagerteil (2) liegen in einer gemeinsamen Ebene und sind durch Gelenke miteinander verbunden. Das innere Lagerteil (2) ist in mehrere Segmente aufgeteilt, die jeweils über Federgelenke mit dem Abtriebsteil (6) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotationslager, insbesondere für die optische Meßtechnik, wie Messung der Abbildtreue eines opti­ schen Gliedes.

Rotationslager werden im allgemeinen zur Realisierung von voll­ ständigen Umdrehungen eingesetzt. Hierzu werden im allgemeinen Wälzkörper- oder Gleitlager verwendet. Für eine Verdrehung ei­ nes Objektes in kleinen Winkelbereichen, z. B. in 1/10 Grad- Bereichen oder noch weniger, sind Wälzkörper- oder Gleitlager jedoch nur bedingt geeignet bzw. wegen ihrer Ausgestaltung na­ hezu ungeeignet. Dies betrifft z. B. Laufgenauigkeit, Reibung und Spielfreiheit.

In der optischen Meßtechnik ist es häufig erforderlich, zur Prüfung optischer Abbildungssysteme, z. B. eines Objektives, dieses mit einer Musterkopie bzw. einem Bildgitter zu verglei­ chen, um die Güte des Prüflings festzustellen. Insbesondere bei photolithographischen Verfahren zur Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen werden an die hierfür eingesetzten opti­ schen Systeme höchste Genäuigkeitsanforderungen gestellt. Bei der Prüfung auf eine Verzeichnung, z. B. eines Objektives, wird z. B. auf der Eingangsseite des Prüflings ein Strichgitter ange­ ordnet, welches durchleuchtet wird. Das Licht fällt durch das Meßgitter und das Objektiv, wobei das Objektiv ein Luftbild von diesem Strichgitter erzeugt. Dieses Strichgitter wird dann in ein physikalisches Gitter eingelegt, wobei versucht wird, die beiden Gitter in Übereinstimmung zu bringen bzw. deckungsgleich zu machen. Diese Prüfung kann z. B. auf interferrometrischem Wege oder nach dem Moiré-Verfahren erfolgen. Zu dieser Prüfung muß der Prüfling auf seiner Auflage entsprechend verdreht wer­ den. Die erforderlichen Drehbewegungen liegen jedoch im allge­ meinen im Bereich von 10 Milligrad.

In der DE 30 20 022 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Prüfung optischer Abbildungssysteme beschrieben, bei dem ein Originalmuster mit einer vom zu prüfenden Abbildungssystem hergestellten Musterkopie verglichen wird. Hinweise, wie kon­ struktiv der Prüfling bzw. wie daraus Originalgitter und Git­ terkopie in Deckung gebracht werden, sind in dieser Schrift nicht offenbart.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ro­ tationslager der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das für die Verdrehung in sehr kleinen Winkelbereichen, insbesondere für die optische Meßtechnik, besonders geeignet ist, und zwar insbesondere hinsichtlich einfachem Aufbau, Genauigkeit und Reibungsarmut.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 ge­ nannten Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Rotationslager stellt durch seinen Aufbau eine Verstelleinheit dar, die mit wenig Bauteilen auskommt und darüber hinaus eine hohe Steifigkeit besitzt. Durch die Anord­ nung des äußeren Fassungsteiles und des inneren Lagerteiles in einer Ebene mit den dazwischenliegenden Gelenken ist das Rota­ tionsprinzip zweidimensional, während die Bauhöhe ein Maß für die Steifigkeit des Lagers in Richtung der Rotationsachse dar­ stellt. Die Eigenschaften dieses Lagers sind somit durch die Wahl der Geometrie und der Werkstoffeigenschaft bestimmt. Auf diese Weise kann eine sehr hohe axiale Steifigkeit erreicht werden, während die tangentiale Steifigkeit sehr gering ist.

Erfindungsgemäß wird das innere Lagerteil gegenüber dem äußeren Fassungsteil, das fest angeordnet ist, verstellt. Die Verstell­ bewegung wird über die Segmente, aus denen das innere Lagerteil gebildet ist, auf ein Abtriebsteil, das jeweils über Federge­ lenke mit den einzelnen Segmenten verbunden ist, derart weiter­ gegeben, daß sich eine reine Rotation des Abtriebsteiles er­ gibt. Auf das Abtriebsteil wird das zu vermessende optische Glied, z. B. ein Objektiv, aufgesetzt, sofern nicht bereits das Abtriebsteil das zu vermessende optische Glied ist.

Wenn in einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß das äußere Fassungsteil und das innere La­ gerteil einstückig ausgebildet und durch Festkörpergelenke mit­ einander verbunden sind, so wird ein weiteres Bauteil einge­ spart. Gleichzeitig ergibt sich auf diese Weise eine Spielfrei­ heit. Darüber hinaus können Zusatzstoffe für eventuelle Not­ laufeigenschaften oder eine Minimierung von Reibung entfallen.

Da erfindungsgemäß das Lager nur aus Festkörpergelenken mit gleichgerichteten Rotationsachsen besteht, ist ein Übersprechen auf andere Freiheitsgrade, d. h. entsprechende Auswirkungen auf andere Achsen als die vorgesehene Drehachse, ausgeschlossen. Der Verstellbereich des Lagers wird bestimmt durch das Durch­ messerverhältnis von äußerem Fassungsteil und innerem Lagerteil sowie den elastischen Eigenschaften des Werkstoffes.

In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß jedes Segment des inneren Lagerteils über je­ weils zwei Gelenke derart mit dem äußeren Fassungsteil verbun­ den ist, daß sich eine parallelogrammartige Verschiebung jedes Segmentes gegenüber dem äußeren Fassungsteil ergibt.

Durch die erfindungsgemäße parallelogrammartige Verschiebung der Segmente des inneren Lagerteiles gegenüber dem äußeren Fas­ sungsteil ergibt sich für das Abtriebsteil, das über die Feder­ gelenke mit den Segmenten verbunden ist, lediglich eine Rota­ tion um das Lagerzentrum, während die radiale und tangentiale Translation der Segmente durch die Bewegung der angeschlossenen Federgelenke kompensiert wird. Dabei kann die Kopplung der ein­ zelnen Innenringsegmente über zwei Festkörpergelenke erfolgen, deren gemeinsamer Verbindungspunkt den Abtrieb darstellt.

Die erfindungsgemäße Kopplung mit der parallelogrammartigen Verschiebung hat den weiteren Vorteil, daß die resultierende radiale Bewegung der Segmente in einem strengen mathematischen Zusammenhang mit der erzeugten Rotation steht, so daß sie als Meßstrecke für einen Meßsensor zur Messung der Drehbewegung genutzt werden kann. Neben der radialen Bewegung der Segmente stellt sich auch eine tangentiale Bewegung der Segmente auf­ grund der parallelogrammartigen Verschiebung untereinander ein, womit sich auch die Abstände der einzelnen Segmente zueinander verändern.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den übrigen Un­ teransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Rotationsla­ ger; und

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1.

Das Rotationslager gemäß den Fig. 1 und 2 weist als Außen­ fassung einen Außenring 1 auf und als inneres Lagerteil einen Innenring 2, der aus drei Segmenten 2a, 2b und 2c besteht.

Der Außenring 1 und der segmentierte Innenring 2 liegen beide in einer Ebene und sind über Gelenke, die als Festkörpergelenke 3 ausgebildet sind, miteinander verbunden. Dies bedeutet, daß der Außenring 1 und der segmentierte Innenring 2 zusammen mit den Festkörpergelenken 3 monolithisch bzw. einstückig ausgebil­ det sind, wobei in bekannter Weise Verengungen an beiden Enden der Festkörpergelenke 3 für eine entsprechende Elastizität bzw. Beweglichkeit sorgen.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß sich die Festkörpergelenke 3 speichenförmig vom Außenring 1 von außen nach innen erstrecken, wobei jedes Segment 2a, 2b und 2c des Innenringes 2 jeweils über zwei Festkörpergelenke 3 mit dem Außenring 1 verbunden ist. Die Festkörpergelenke 3 sind dabei jeweils im Bereich der Enden der Segmente 2a, 2b und 2c angeordnet und stellen auf diese Weise eine parallelogrammartige Verbindung jedes Segmen­ tes 2a, 2b, 2c mit dem Außenring 1 her. Jeweils an den beiden umfangsseitigen Enden der Segmente 2a, 2b und 2c greifen die Enden von Federgelenken 4 an. Die jeweils anderen Enden der Federgelenke 4, die jeweils als Festkörpergelenke ausgebildet sein können, sind in Abtriebsknoten 5 gelagert, welche an einem Abtriebsteil 6 angeordnet sind.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist bei dem Rotationslager eine zentrische Achse mit einem freien Innenraum bzw. einer Apertur innerhalb des Innenringes 2 vorhanden.

Aus der Fig. 2, die einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 darstellt, und sich auf einer Seite durch ein Festkör­ pergelenk 3 und auf der anderen Seite durch ein Federgelenk 4 und einen Abtriebsknoten 5 erstreckt, ist ersichtlich, daß das Abtriebsteil 6 über der Ebene des Außenringes 1 und des Innen­ ringes 2 gelagert ist und über insgesamt sechs Federgelenke 4 mit den drei Segmenten 2a, 2b und 2c des Innenringes 2 verbun­ den ist.

Die Einbringung der Drehbewegung bzw. der Rotation des Innen­ ringes 2 und damit auch des Abtriebsteiles 6 gegenüber dem Au­ ßenring 1 erfolgt durch eine nicht näher dargestellte An­ triebseinrichtung (in Fig. 2 gestrichelt angedeutet). Der An­ trieb kann dabei über die Abtriebsknoten 5 eingebracht werden.

Bei Einbringung einer Drehbewegung über die Abtriebsknoten 5 verschieben sich die drei Segmente 2a, 2b und 2c des Innenrin­ ges 2 parallelogrammartig gegenüber dem feststehenden Außenring 1. Dies bedeutet, sie führen sowohl eine radiale als auch eine tangentiale Bewegung untereinander aus. Durch die Verbindung der drei Segmente 2a, 2b und 2c des Innenringes 2 über die Fe­ dergelenke 4 mit den Abtriebsknoten 5 und damit auch mit dem Abtriebsteil 6 führt das Abtriebsteil 6 lediglich eine Rotation um das Lagerzentrum aus, wobei die radiale und die tangentiale Translation der Segmente durch die Bewegung der angeschlossenen Federgelenke 4 kompensiert wird.

Auf das Abtriebsteil 6 kann das zu messende Objekt, wie z. B. ein Objektiv, aufgelegt werden. Es ist jedoch auch möglich, daß das Abtriebsteil 6 bereits das zu messende optische Glied dar­ stellt.

Da die bei der Rotation des Lagers an den Segmenten 2a, 2b und 2c des Innenringes 2 auftretende radiale Bewegung in einem strengen mathematischen Zusammenhang mit der erzeugten Rotation steht, kann die radiale Bewegung als Meßstrecke für den Rota­ tionsweg verwendet werden. Hierzu kann z. B. ein Meßsensor 7 vorgesehen sein, der z. B. den radialen Weg des Segmentes 2b mißt. Hierfür sind verschiedene bekannte Meßsensoren geeignet, wie z. B. ein kapazitiver Aufnehmer, der einen sehr hohen Genau­ igkeitsgrad bzw. eine sehr hohe Auflösung besitzt und damit eine sehr präzise Messung auch kleinster Verdrehwinkel erlaubt.

Aufgrund der monolithischen Bauweise von Fassungsring 1, Fest­ körpergelenke 3 und Innenring 2 ergibt sich kein Umkehrspiel bei einer Rotation und keine Reibung. Darüber hinaus kann eine hohe Steifigkeit erreicht werden, die durch die Bauhöhe be­ stimmt wird. Gleichzeitig wird durch diese Bauweise ein system­ imanenter bzw. definierter Nullpunkt für die Rotation zur Ver­ fügung gestellt.

Anstelle einer Einleitung des Antriebs über die Abtriebsknoten 5 sind selbstverständlich im Rahmen der Erfindung auch noch andere Möglichkeiten gegeben, um eine Rotation des Abriebteiles 6 gegenüber dem Außenring 1 zu bewirken. Eine weitere Möglich­ keit wären z. B. über die Federgelenke 4 bei entsprechendem Auf­ bau.

Claims (10)

1. Rotationslager, insbesondere für die optische Meßtechnik, wie Messung der Abbildtreue eines optischen Gliedes, mit Apertur und zentrischer Achse, mit einem äußeren Fassungs­ teil (1) und mit einem inneren Lagerteil (2), wobei das in­ nere Lagerteil (2) mit einem Abtriebsteil (6) verbunden ist, das gegenüber dem äußeren Fassungsteil (1) um die zen­ trische Achse verdrehbar ist, wobei das äußere Fassungsteil (1) und das innere Lagerteil (2) in einer gemeinsamen Ebene liegen und durch Gelenke (3) miteinander verbunden sind, und wobei das Lagerteil (2) in mehrere Segmente (2a, 2b, 2c) aufgeteilt ist, die jeweils über Federgelenke (4) mit dem Abtriebsteil (6) verbunden sind.

2. Rotationslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Fassungsteil (1) und das innere Lagerteil (2) einstückig ausgebildet und durch Festkörpergelenke (3) mit­ einander verbunden sind.

3. Rotationslager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Segment (2a, 2b, 2c) des inneren Lagerteils (2) über jeweils zwei Gelenke (3) derart mit dem äußeren Fassungsteil (1) verbunden ist, daß sich eine parallelo­ grammartige Verschiebung jedes Segmentes (2a, 2b, 2c) gegen­ über dem äußeren Fassungsteil (1) ergibt.

4. Rotationslager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Lagerteil (2) mit drei Seg­ menten (2a, 2b, 2c) versehen ist.

5. Rotationslager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment (2a, 2b, 2c) an seinen bei­ den umfangsseitigen Segmentenden mit einem Ende eines dazu­ gehörigen Federgelenkes (4) verbunden ist, während das an­ dere Ende des Federgelenkes (4) an einem Abtriebsknoten (5) angelenkt ist, an welchem gleichzeitig auch das Ende des Federgelenkes (4) des benachbart dazu liegenden Segementes (2a, 2b, 2c) angelenkt ist.

6. Rotationslager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebsknoten (5) mit einer Antriebseinrichtung (8) zur Einbringung einer Drehbewegung für das Abtriebsteil (6) versehen sind.

7. Rotationslager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsteil (6) das zu vermessende optische Glied ist.

8. Rotationslager nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Segmente (2a, 2b, 2c) des inneren Lagerteils (2) mit einem Meßsensor (7) zum Messen der Drehbewegung versehen ist.

9. Rotationslager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsensor (7) vorgesehen ist, der die durch die Drehung hervorgerufene Radialbewegung eines Segmentes (2b) des in­ neren Lagerteils (2) mißt.

10. Rotationslager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsensor (7) ein kapazitiver Aufnehmer ist.