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Einrichtung zur spielfreien Bewegung optischer Komponenten, insbesondere von Linsen, die in Komponententrägern gehalten sind, umfassend mindestens eine drehbar gelagerte, axial nicht verschiebbare, mit jeweils einer Antriebseinheit versehene Gewindespindel, jeweils eine mit der zugeordneten Gewindespindel zusammenwirkende Spindelmutter, wobei die Komponententräger mit den Spindelmuttern verbunden und über eine parallel zur Gewindespindel angeordnete Führungsstange geführt sind.
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Ein typisches Beispiel für optische Geräte mit entlang der optischen Achse beweglichen optischen Komponenten sind Zoomsysteme, insbesondere Zoommikroskope, bei denen ein oder bei größeren Zoombereichen mehrerer optische Komponenten gegenüber anderen bewegt werden müssen, wie beispielsweise in
DE 10359733 A1 beschrieben. Wenn mehrere optische Komponenten bewegt werden müssen, muss die Bewegung der mindestens zwei bewegten Komponenten bis auf wenige μm synchron erfolgen, da andernfalls das Bild während des Zoomvorganges unscharf würde. Mit „synchron” ist in diesem Zusammenhang nicht eine Bewegung in gleiche Richtung oder gleicher Geschwindigkeit gemeint, sondern dass sich alle bewegten Komponenten gleichzeitig bewegen und dabei die Abweichung jeder einzelnen Komponente von ihrer Sollposition auf der optischen Achse zu einem beliebigen Zeitpunkt nicht mehr als 10 μm, bevorzugt 5 μm beträgt. Diese Genauigkeit ist nötig, damit ein zu beobachtetes Objekt auch während der Zoomfahrt scharf abgebildet wird und der Beobachter sieht, wann die von ihm gewünschten Beobachtungsparameter (Vergrößerung, Feldgröße, Auflösung) erreicht sind.
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Bei der klassischen Bauweise solcher Zoommikroskope werden mehrere bewegte Linsengruppen von einer Antriebswelle (manuelle oder motorische) angetrieben, wobei der Bewegungszusammenhang zwischen den einzelnen Gliedern durch sogenannte Steuerkurven (auf Kurvenscheiben oder Trommeln) realisiert wird.
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In Zoomsystemen mit modernerer Bauweise verfügt stattdessen jede bewegte optische Komponente über einen eigenen Antrieb und der Bewegungszusammenhang kann, wie in
DE 10007201 beschrieben, über virtuelle Steuerkurven realisiert werden.
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Zum Antrieb der bewegten Gruppen werden in einem solchen System aus Kostengründen Schrittmotoren verwendet. Zweckmäßigerweise ist die Motorwelle der Schrittmotoren außerhalb des Motors über den erforderlichen Bewegungsbereich als Spindel ausgebildet.
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Auf dem Linsenträger ist eine Spindelmutter montiert, welche die Drehbewegung der Spindel in eine Längsbewegung in Richtung der optischen Achse umwandelt. Der Linsenträger kann so schrittgenau entlang der optischen Achse positioniert werden. Es gibt die Anforderung an das System, dass die Spindelmutter in Richtung der optischen Achse sowohl gegenüber der Spindel als auch gegenüber dem Linsenträger spielfrei sein muss da jegliches Spiel die ideale Position der Linsen negativ beeinflusst.
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Spindel und Spindelmutter haben jedoch normalerweise ein gewisses Spiel, auch Lose genannt. Dies ist nötig, damit sich die Spindelmutter leichtgängig auf der Spindel bewegen lässt. Bei gleichmäßiger Drehbewegung der Spindel in eine Richtung liegen die Gewindeflanken von Spindelmutter und Spindel gegeneinander auf und der Linsenträger bewegt sich entlang der optischen Achse. Ändert sich die Drehrichtung der Spindel bleibt der Linsenträger so lange stehen bis die gegenüberliegenden Gewindeflanken von Spindel und Spindelmutter aufeinander liegen und der Linsenträger sich in die andere Richtung bewegt.
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Diese sogenannte Hysterese gilt es zu vermeiden, da diese wie bereits beschrieben die Positioniergenauigkeit der Linsenträger negativ beeinflusst, beziehungsweise die Positioniergenauigkeit verringert.
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Des Weiteren darf die Verbindung zwischen Spindelmutter und Linsenträger nicht starr sein.
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Der fertigungsbedingte Schlag der Spindel erzeugt beim Drehen der Spindel eine Taumelbewegung, welche sich auf den Linsenträger übertragen würde. Diese Taumelbewegung nimmt der Beobachter als „Bildzittern” oder auch als kreisende Bewegung des Bildes wahr.
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Bei Zoomsystemen mit Einzelmotorspindelantrieb nach dem Stand der Technik wird die die Hysterese verursachende Umkehrlose dadurch eliminiert, indem die Linsenträger gegeneinander oder gegen das Gerätegehäuse durch Zugfedern verspannt werden. Die Federkraft wirkt immer in die gleiche Richtung und sorgt dafür, dass die Gewindeflanken zwischen Spindelmutter und Spindel immer gegeneinander aufliegen.
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Die konventionellen Spindelmuttern sind so ausgebildet, dass sie eine reibungsarme Dreipunktauflage haben mit der sie auf dem Linsenträger aufliegen. Dadurch wird die Übertragung der Taumelbewegung der Spindelmutter auf den Linsenträger unterbunden.
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Die Verspannung der Linsenträger durch Zugfedern hat den Nachteil, dass in unterschiedlichen Zoomstellungen, beziehungsweise Positionen der Linsenträger, die Zugfedern unterschiedlich stark gedehnt werden. Daraus resultiert eine Kraft, gegen die der Motor Arbeiten muss, um den Linsenträger zu bewegen. Je nach Position des Linsenträgers wird die Feder unterschiedlich gedehnt und übt unterschiedlich starke Kräfte aus. Um den Linsenträger immer sicher positionieren zu können, müssen die Leistungsparameter des Motors so dimensioniert sein, dass auch bei maximaler Ausdehnung der Zugfedern genügend Drehmoment bereitsteht, den Linsenträger noch bewegen zu können. Je höher die Leistungsanforderungen an den Motor sind, wie beispielsweise an die Zoomgeschwindigkeit, umso größer sind seine Abmessungen, was sich nachteilig als größerer benötigter Bauraum auswirkt, und umso stärker ist seine Geräuschentwicklung, welche unerwünscht sind.
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Ausgehend von den Nachteilen der Lösungen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bewegung optischer Komponenten zu entwickeln, die unter Vermeidung der Verwendung von verspannten Zugfedern sowie einer Umkehrlose (Hysterese) eine spielfreie Bewegung eines Komponententrägers auf einer Gewindespindel ermöglicht, ohne dass sich dabei ein Spindelschlag auf den Komponententräger auswirkt.
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Diese Aufgabe wird mit einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.
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Erfindungsgemäß sind die Spindelmuttern als spielfreie Spindelmuttern ausgebildet, die jeweils über mindestens ein Federelement mit konstanter Federkraft an den zugeordneten Komponententräger gekoppelt sind.
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Durch die erfindungsgemäße Ankopplung der Spindelmuttern an die Komponententräger lassen sich diese auf den Gewindespindeln leicht bewegen, ohne dass dabei ein Spiel in der Bewegungsrichtung vorhanden ist.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Ankopplung über jeweils zwei Gleitscheiben und eine Wellenfeder, wobei die Spindelmuttern mit Adapterbuchsen fest verbunden sind. Die Adapterbuchsen ragen dabei durch in die Komponententräger eingebrachte Bohrungen hindurch.
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Zwischen den Unterseiten der Komponententräger und einer Anschlagflächen der Adapterbuchsen befindet sich jeweils eine Gleitscheibe. Ferner sind auf den Oberseiten der Komponententräger weitere Gleitscheiben angeordnet, die über die Wellenfedern und Vorschraubringe kraftschlüssig gegen die Komponententräger wirken, wobei die Vorschraubringe Gewinde aufweisen und auf den Adapterbuchsen gegen Anschläge geschraubt werden.
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Diese Konstruktion erlaubt den Spindelmuttern auf den Komponententrägern zu taumeln ohne dabei die Taumelbewegungen auf die Komponententräger selbst zu übertragen.
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Vorteilhafterweise sind die Wellenfedern als Flachdraht-Wellenfedern ausgebildet, deren Federkräfte so bemessen sind, dass die Adapterbuchsen immer auf den Komponententrägern aufliegen, aber in seitlicher Richtung beweglich sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zum Zwecke der Beseitigung von Winkelfehlern zwischen den Gewindespindeln und der Führungsstange Festkörpergelenke vorhanden, welche zwischen den Adapterbuchsen und den der spielfreien Spindelmuttern angeordnet sind.
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Jedes Festkörpergelenk ist zweckmäßigerweise eine Metallhülse, die aus drei Ringen besteht, die an jeweils zwei Stellen mit dünnen Stegen miteinander verbunden sind, wobei sich die Stege paarweise gegenüberstehen.
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Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Einrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels mit zwei Gewindespindeln und zwei Komponententrägern zur Fixierung von Linsen (Zoomsystem) näher beschrieben. Dazu zeigen:
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1: eine Darstellung der Einrichtung nach einer Lösung des Standes der Technik,
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2: eine Darstellung des Gesamtsystems der erfindungsgemäßen Einrichtung,
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3: eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Ankopplung einer Spindelmutter an einen Komponententräger und
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4: die Darstellung eines Festkörpergelenkes.
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1 (Stand der Technik) zeigt zwei bewegliche Komponententräger (Linsenträger) KT1 und KT2, die durch zwei Führungsstangen 1 und 2 parallel zur optischen Achse 3 geführt werden. Die Komponententräger KT1 und KT2 werden mit zwei Antriebseinheiten (Schrittmotoren) M1 und M2 entlang der Führungsstangen 1 und 2 positioniert. Dazu sind der Komponententräger KT1 mit einer auf einer Gewindespindel S1 angeordneten Spindelmutter SM1 und der Komponententräger KT2 mit einer auf einer Gewindespindel S2 angeordneten Spindelmutter SM2 verbunden.
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Mit den Antriebseinheiten M1 und M2 werden die Gewindespindeln S1 und S2 angetrieben. Durch die Ankopplungen der Spindelmuttern SM1 und SM2 an die Komponententräger KT1, beziehungsweise KT2, werden diese in axialer Richtung (Längsbewegungen) bewegt.
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Die Spindelmuttern SM1 und SM2 liegen jeweils an drei um 120 Grad versetzt angeordneten Auflagepunkten an den Komponententrägern KT1 und KT2 an und sind gegen Verdrehungen über Bolzen, die aus 1 nicht ersichtlich sind, gesichert. Von den Auflagepunkten sind in 1 nur die Auflagepunkte 4 und 5 (KT1), beziehungsweise 6 und 7 (KT2) zu erkennen.
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Die Komponententräger KT1 und KT2 sind mit zwei Zugfedern 8 und 9 gegeneinander verspannt. Bei einer Längsbewegung nach oben drückt die Antriebseinheit M2 den Komponententräger KT2 ebenfalls nach oben. Durch eine synchrone Bewegung über die Antriebseinheit M1 bewegt sich Spindelmutter SM1 ebenfalls nach oben. Über die Zugfedern 8 und 9 wird dabei der Komponententräger KT1 gegen die Spindelmutter SM1 gezogen. Durch dieses Prinzip der gegenseitigen Verspannung gibt es keine Umkehrlose, auch dann nicht, wenn die Umkehr der Fahrtrichtung beider Antriebseinheiten M1 und M2 nicht gleichzeitig erfolgt.
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Bei einer Fahrt über den Zoombereich ändert sich der Abstand der Komponententräger KT1 und KT2 zueinander um etwa den Faktor 2. Die Zugfedern 8 und 9 sind deshalb so dimensioniert, dass deren Federkräfte bei kleinstem Abstand noch ausreichen, um beide Komponententräger KT1 und KT2 jeweils gegen die Spindelmuttern SM1 und SM2 zu ziehen. Bei maximalem Abstand wir die Federkräfte dann viel größer, als eigentlich notwendig. Die Leistungsparameter der Antriebseinheiten M1 und M2 sind deshalb so ausgelegt, dass sich die Komponententräger KT1 und KT2 auch bei maximal ausgedehnten Zugfedern 8 und 9 (maximale Federkräfte) noch sicher und präzise bewegen lassen.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung mit zwei Gewindespindeln S3 und S4, die über zwei zugeordnete Antriebseinheiten M3 und M4 angetrieben werden und damit die Positionen der auf den Gewindespindeln S3 und S4 angeordneten Komponententräger KT3 und KT4, die von einer Führungsstange 10 geführt werden, verändern.
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Die Ankopplung der Komponententräger KT3 und KT4 an die Gewindespindeln S3 und S4 erfolgt jedoch nicht mehr über konventionelle Spindelmuttern, wie mit 1 beschrieben, sondern mit zwei spielfreien Spindelmuttern SM3 und SM4. Bei Drehung der Gewindespindeln S3 und S4 ist die Reibung zwischen den Gewindespindeln S3, S4 und den spielfreien Spindelmuttern SM3, SM4 größer als bei einer konventionellen Spindelmutter.
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Der Vorteil der spielfreien Spindelmuttern SM3, SM4 ist die konstante Kraft über die gesamte Verfahrstrecke (Zoombereich).
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Bei den mit den Zugfedern 8 und 9 gegeneinander verspannten konventionellen Spindelmuttern SM1 und SM2 (1) treten bei maximal gespannten Zugfedern 8 und 9 deutlich höhere Reibungskräfte auf. Dieser Zustand ist dann erreicht, wenn die Komponententräger KT1 und KT2 maximal voneinander entfernt sind mit maximaler Kraft gegen die Spindelmuttern SM1 und SM2 gezogen werden.
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Aus diesem Grund lassen sich bei gleicher Leistung der Antriebseinheiten M1, M2, M3 und M4 mit den spielfreien Spindelmuttern SM3 und SM4 höhere Fahrgeschwindigkeiten erzielen, so dass ein Vergrößerungswechsler schneller arbeiten kann.
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3 zeigt eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Ankopplung der Gewindespindel S3 an den Komponententräger KT3 Die spielfreie Spindelmutter SM3 ist mit einer Adapterbuchse 11 fest verschraubt. Die Adapterbuchse 11 ragt durch eine Bohrung im Komponententräger KT3. Zwischen der Unterseite des Komponententrägers KT3 und der Auflagefläche der Adapterbuchse 11 befindet sich eine Gleitscheibe 12 aus einem besonders gleitfähigen Material. Eine zweite Geleitscheibe 13 befindet sich auf der Oberseite des Komponententrägers KT3 und wird über eine Flachdraht-Wellenfeder 14 und einem Vorschraubring 15 gegen den Komponententräger KT3 gedrückt. Der Vorschraubring 15 wird mit einem Gewinde auf die Adapterbuchse 11 gegen einen Anschlag geschraubt.
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Die Adapterbuchse 11 ist gegenüber den Komponententräger KT3 mit einem Bolzen, welcher aus 3 nicht ersichtlich ist, gegen Verdrehung gesichert.
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Die Federkraft der Flachdraht-Wellenfeder 14 ist dabei so groß, dass die Adapterbuchse 11 immer auf dem Komponententräger KT3 aufliegt, sie sich jedoch in seitlicher Richtung bewegen kann. Auf diese Weise wird eine Übertragung des Spindelschlags auf den Komponententräger KT1 verhindert. Die auftretenden Kräfte gegen die Antriebseinheit M3 arbeiten muss um den Komponententräger KT1 zu bewegen ist bei gleichmäßiger Geschwindigkeit über den gesamten Verfahrbereich (Zoombereich) konstant.
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3 zeigt ein Festkörpergelenk, welches in einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet werden kann, um zusätzlich einen Winkelfehler von den Gewindespindeln S3 und S4 zu den Führungen der Komponententräger KT3 und KT4 ausgeglichen werden. Das Festkörpergelenk ist eine Metallhülse, die jeweils zwischen die Spindelmuttern SM3, SM4 und den Adapterbuchsen 11, beziehungsweise den Komponententrägern KT3 und KT4 angeordnet ist. Diese Metallhülse besteht aus drei Ringen 16, 17 und 18, die an je zwei Stellen mit dünnen Stegen 19 und 20 miteinander verbunden sind. Diese dünnen Metallstege 19 und 20 stehen sich paarweise gegenüber und ermöglichen eine geringe Biegung im elastischen Bereich.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2, 10
- Führungsstange
- 3
- optische Achse
- 4, 5, 6, 7
- Auflagepunkte
- 8, 9
- Zugfeder
- 11
- Adapterbuchse
- 12, 13
- Gleitscheibe
- 14
- Wellenfeder
- 15
- Vorschraubring
- 16, 17, 18
- Ring
- 19, 20
- Steg
- KT1, KT2, KT3, KT4
- Komponententräger
- S1, S2, S3, S4
- Gewindespindel
- SM1, SM2, SM3, SM4
- Spindelmutter
- M1, M2, M3, M4
- Antriebseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10359733 A1 [0002]
- DE 10007201 [0004]
