DE2029715A1

DE2029715A1 - Magnetic-kinematic precision adjustments

Info

Publication number: DE2029715A1
Application number: DE19702029715
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-06-16
Filing date: 1970-06-16
Publication date: 1971-12-23
Also published as: DE2029715B2; FR2096161A5; DE2029715C3; US3720849A; GB1354130A

Description

Dr.Arpad Bardocz ·Dr Arpad Bardocz

Magnetic-kinematic precision adjustments

Mit den magnetisch-kinematischen Präzisionsverstellungen ' nach der Erfindung können lineare und Drehbewegungen verwirklicht werden mit einer !'einheit, die mit anderen, bisher existierenden Anordnungen nicht möglich waren. Ähnliche Peineinsteilungen haben neben der Anwendung in Mikroskopie, Halbleitertechnik und anderen Industriezweigen besondere Bedeutung in der modernen Optik, Lasertechnik, Holografie, Interferometrie, um nur einige Beispiele zu nennen, die mechanische Verstellungen mit Feinheiten und Reproduzierbarkeiten brauchen, die früher nur selten angewendet wurden.With the magnetic-kinematic precision adjustments' according to the invention, linear and rotary movements can be realized be with one! 'unit that with others, so far existing arrangements were not possible. In addition to the application in microscopy, similar penalties have Semiconductor technology and other industries special Significance in modern optics, laser technology, holography, interferometry, to name just a few examples mechanical adjustments with subtleties and reproducibility that were rarely used in the past.

Mit den vollständig auf neuen Konstruktionsprinzipien basierenden Systemen können optische und andere Komponenten mit großer Präzision um die vertikalen X, Y,Z-Achsen gedreht und/ oder entlang dieser verschoben werden. Dabei drehen oder laufen jeweils zwei Platten gegeneinander auf Kugelführungen, die durch Haftmagneten aneinander gehalten werden. Diese Lösung garantiert, daß die Platten in jeder Stellung zueinander spielfrei sind. Da die magnetischen Kraftlinien gegen eine Bewegung senkrecht zu ihrer Richtung keinen Widerstand leisten, können die Platten sehr leicht gegeneinander sich bewegen und ermöglichen präziseste Einstellungen. Die Verstellung erfolgt mit normalen Schrauben oder Mikrometern, die mit einem festen Teil starr verbunden sind. Die Schraubenspindel arbeitet auf einem am beweglichen Teil, der über einen Haftmagneten spielfrei mitWith the systems, which are based entirely on new construction principles, optical and other components can be used with with great precision rotated around the vertical X, Y, Z axes and / or be moved along this. Two plates rotate or run against each other on ball guides that are held together by holding magnets. This solution guarantees that the plates are free from play in any position. Because the magnetic lines of force oppose a movement offer no resistance perpendicular to their direction, the plates can move very easily against each other and allow most precise settings. The adjustment is done with normal screws or micrometers, with a fixed part are rigidly connected. The screw spindle works on a moving part that is free of play via a holding magnet

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der Mikrometerspindel verbunden ist. Die Schrauben oder Mikrometer können durch piesoelektrische Überträger ersetzt werden.the micrometer spindle is connected. The screws or Micrometers can be replaced by piesoelectric transducers.

Die Bedeutung des Systems nach der Erfindung kann man am besten schätzen, wenn man die Forderungen aufstellt, die an eine' ähnliche Anordnung zu stellen sind und die bisher vorhandenen Anordnungen daraufhin überprüft.The importance of the system according to the invention can best be appreciated by making the requirements that an a 'similar arrangement are to be made and the existing ones Arrangements then checked.

Bei einer Präzisionsverstellung, die Feinheiten von O₅001 mm oder mehr leisten muß₉ gibt es drei Konstruktionsprobleme, die die Reproduzierbarkeit der Einstellung beeinträchtigen. Das eine Problem ist die Spielfreiheit zwischen den Komponenten, das zweite die Rückführung der gegeneinander sich bewegenden Teile und das dritte die Sicherung der gleichmäßigen Bewegung.With a precision adjustment, the intricacies of O mm ₅ 001 or more must pay ₉ there are three design issues that affect the reproducibility of the setting. One problem is that there is no play between the components, the second is the return of the parts moving against one another and the third is ensuring smooth movement.

Die Spielfreiheit; Bei dem heutigen Stand der Technik kann eine Spielfreiheit, die Reproduzierbarkeiten in der Größenordnung von 0,001 mm ermöglicht, nur mit Federwirkung verwirklicht werden. Die Federwirkung kann entweder durch die Anwendung von Federn oder durch federnde Ausbildung der Führungen verwirklicht werden. Beide Lösungen verursachen eine Erschwerung der Bewegung. Solche Schlitten können nur mit Kraftaufwand bewegt werden. The freedom of play; With the current state of the art, freedom from backlash, which enables reproducibility in the order of magnitude of 0.001 mm, can only be achieved with the action of a spring. The spring action can be achieved either by using springs or by making the guides resilient. Both solutions make movement difficult. Such slides can only be moved with great effort.

Die Rückführung; Bei jeder Verstellung ist eine Rückführung des Schlittens in seine ursprüngliche Lage notwendig. Um das Spiel auszuschalten, werden alle Rückführungen mit Federn be- The repatriation; Each time it is adjusted, the slide must be returned to its original position. In order to eliminate the play, all returns are loaded with springs.

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tätigt. Die Anwendung von Federn "bedeutet Anwendung von Kraft und zwar ändert sich die Kraft, wenn sich die Weglänge ues Schlittens ändert.makes. The use of feathers "means use of force and that the force varies as the path length ues carriage changes.

Gleichmäßige Bewegung:: Die Erfahrung zeigt, daß eine gleichmäßige Bewegung, d.h. eine Bewegung ohne Sprünge, einer Ver-"stellung nur dann verwirklicht werden kann, wenn die Bewegung kräftefrei und ohne Reibung verläuft. Da wo Kraft ist, gibt es auch Reibung und so auch ungleichmäßige Bewegung. Es wird klar sein, daß solche Anordnungen den Vorteil haben, wo die Bewegung als Folge kleinster Kräfte zustandekommt. Bei dem heutigen Stand der Technik ist dies der Fall bei einer magnetisch-kinematischen Lösung nach der Erfindung. Even movement :: Experience shows that even movement, ie a movement without jumps, an adjustment can only be realized if the movement is force-free and without friction. Where there is force, there is also friction and so on It will be clear that such arrangements have the advantage where the movement occurs as a result of the smallest forces. In the current state of the art this is the case with a magnetic-kinematic solution according to the invention.

Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß in der Verwirklichung Bewegungen höchster Präzision, piesoelektrische Wandler große Bedeutung haben. Ihrer Natur nach können piesoelektrisehe Säulen nicht Kraftwirkungen ausgesetzt werden. Die erfindungsmäßigen magneto-kinematischen Anordnungen sind hervorragend geeignet für Operationen mit piesoelektrischen Säulen.It should be expressly pointed out that in the realization of movements of the highest precision, piesoelectric Converters are of great importance. By their nature, piesoelectric pillars cannot be exposed to the effects of force. The magneto-kinematic arrangements according to the invention are ideally suited for operations with piesoelectric Columns.

Im Folgenden geben wir einige Beispiele für die Ausführung magnetisch-kinematischer Anordnungen nach der Erfindung.In the following we give some examples for the implementation of magnetic-kinematic arrangements according to the invention.

Abb.1 zeigt eine lineare Verstellung nach der Erfindung. Bei der linearen magnetisch-kinematischen Verstellung bewegen sich die gegenüberliegenden Teile auf Kugeln. Die Kugeln sind von geraden .Rillen geführt. Die Einzelteile sind mitFig.1 shows a linear adjustment according to the invention. Move with the linear magnetic-kinematic adjustment the opposite parts on balls. The balls are guided by straight grooves. The items are with

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magnetischen Kräften zusammengehalten. Die Abb.1 zeigt die Anwendung eines magnetisch-kinematischen Systems in einer optischen-Anordnung.' Nach der Abb.1 wird auf einem optischen Reiter (R) das lineare Verstellglied (V) magnetisch festgehalten. Auf diesem Glied steht der, senkrecht auf der Papierebene bewegliche Schlitten (Z), in Kugeln gelagert. Der untere und -obere Teil des Verstellgliedes ist magnetisch zusammengehalten. Eine seitlich mit Kunststoff bekleidete Spindel (T) sorgt für die Grobbewegung des Schlittens. Die Feinbewegung erfolgt mittels eines Mikrometers (M). Der Mikrometer.ist auf dem unteren Verstellgliedteil befestigt und greift den Schlitten über einen Magneten (Kf). Werden zwei lineare Verstellungen nach der Abb.1 übereinander gelegt, ist eine Verstellung auf zwei zueinander senkrechten Richtungen (X- und Y-Richtung) möglich.magnetic forces held together. Figure 1 shows the application of a magnetic-kinematic system in a optical arrangement. ' According to Fig.1, an optical Tab (R) magnetically held the linear adjustment element (V). The slide (Z), which can move vertically on the plane of the paper, is mounted in balls on this link. The lower and upper part of the adjusting member is held together magnetically. A spindle (T) lined with plastic on the side ensures the rough movement of the slide. The fine movement is done using a micrometer (M). The micrometer. Is attached to the lower adjuster part and grips the Slide over a magnet (Kf). If two linear adjustments according to Fig. 1 are superimposed, there is one adjustment possible in two mutually perpendicular directions (X and Y direction).

Die magnetisch-kinematischen Verstellungen sind sehr gut geeignet auch für die Herstellung von Drehbewegungen. Eine Anordnung, mit welcher eine Präzisionsverstellung um die Z-Achse (vertikale Achse) möglich ist, zeigt die Abb.2. Das Beispiel ist aus der Optik genommen. Die Reitersäule (S) ist in einem drehbaren Teller (U) befestigt. Der Drehteller ruhtThe magnetic-kinematic adjustments are very suitable also for the production of rotary movements. An arrangement with which a precision adjustment around the Z-axis (vertical axis) is possible, Figure 2 shows. The example is taken from optics. The equestrian column (S) is fixed in a rotating plate (U). The turntable rests

einer
auf Kugeln, die in kreisförmigen Rille herumlaufen. Dieseone
on balls that run around in circular grooves. These

obere. Rille, hat eine Gegenrille in dem unteren Teil der Verstellung. Teller und Unterteil sind mit Magneten zusammengehalten. Das Unterteil liegt auf einem optischen Reiter (R) und ist mit Magneten auf diesem festgehalten. Teller und damit auch die Säule sind um 5öO° drehbar. Die Mikrometersehraube (M) greift auf einen, mit einem Haftmagneten ver-upper. Groove, has a mating groove in the lower part of the Adjustment. The plate and base are held together with magnets. The lower part lies on an optical tab (R) and is held in place with magnets. Plate and thus the column can also be rotated by 50 °. The micrometer hood (M) accesses a, with a holding magnet

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sehenen Griff (G). Der Griff ist auf dem Rande des Tellers beliebig verstellbar.handle (G). The handle is on the edge of the plate adjustable as required.

Werden die Gegenrillen in den optischen Reiter eingedreht, ■ dann liegt der Drehteller direkt auf dem Reiter.If the mating grooves are screwed into the optical rider, ■ then the turntable lies directly on the rider.

Die X- und Y-Verstellungen sowie die Drehung um die Z-Aehse nach Abb.T und 2 können zusammengebaut werden, wie dies Abb.3 zeigt. Der besseren Übersicht wegen ist Abb.3 in Abb.4 noch einmal auch auseinandergenommen gezeichnet.The X and Y adjustments as well as the rotation around the Z axis according to Fig.T and 2 can be assembled, as shown in Fig.3. For a better overview, Fig.3 is in Fig.4 once again drawn apart, too.

Die Anordnung der Verstellschrauben bzw. Mikrometer bei dem magnetisch-kinematischen System bedeutet ein besonderes Problem. Das eigentliche Problem ist, daß es in der Richtung der Bewegung (X-Achse) sehr oft keinen Platz für die Plazierung weit ausragender Objekte gibt. In der Y-Richtung meldet sieh dieses Problem im allgemeinen nicht. Wenn das Platzproblem vorhanden ist, sollen die Mikrometer entweder über den Schlitten oder neben diesen plaziert werden. Die Abb. 5, 6 und 7 zeigen die Möglichkeiten der Unterbringung der Verstellorgane auf dem X-Richtung-Schlitten.The arrangement of the adjusting screws or micrometers in the magnetic-kinematic system poses a particular problem. The real problem is that it's in the direction of Movement (X-axis) very often no space for placement there are more protruding objects. In the Y direction, it generally does not report this problem. If the space problem is present, the micrometers should be placed either above the carriage or next to it. Figs. 5, 6 and 7 show the possibilities of accommodating the adjusting elements on the X-direction slide.

Die Abb.5 zeigt eine Anordnung mit der Versteilschraube oder dem Mikrometer in der Verlängerung des Schlittens.Fig.5 shows an arrangement with the adjusting screw or the micrometer in the extension of the slide.

Abb.6 zeigt eine Anordnung mit Verstellschraube oder Mikrometer über dem Schlitten.Figure 6 shows an arrangement with an adjusting screw or micrometer above the sled.

Abb.7 zeifrfj eine Anordnung der Verstellachraube oder des l'ikV'Uet.evu nci>e^vi dem uclV! ^; Iwn. Fig.7 shows an arrangement of the adjusting screw or the l'ikV'Uet.evu nci> e ^v i the uclV! ^; Iwn.

. ί.Οί^Γ- J/QB Bu . ί.Οί ^ Γ- J / QB Bu

Die Bedeutung der magnetisch-kinematischen Verstellungen ist besonders groß bei den vertikalen Präzisionsführungen. Bei den Präzisionsverstellungen bildet die vertikale Verstellung ein schwer zu lösendes Problem. Die Schwierigkeit liegt in der Ausschaltung der Gewichte der zu verstellenden Bestandteile. Das Prinzip der Erfindung schafft auch hier Hilfe, indem es die vollständige Ausschaltung der Wirkung des G-ewichtes ermöglicht. Die elegante und vollständige technische Lösung der präzisen vertikalen Verstellung zeigt die Abb.8. Die Vorrichtung steht auf einem optischen Reiter und auf einer geraden um 90 versetzten Doppelführung. Die vertikal zu führende Komponente, Linse oder Spiegel (0), hängt auf einer Säule (P1)» Die Säule hat beiderseits gerade Führungsrillen, Diesen Führungen gegenüber stehen die geraden Führungsriilen des Linsen- oder Spiegelhalters (0), bzw. des Gegengewichtes (P3). Spiegelhalter und Gegengewicht werden mit Magneten an der Säule gehalten« Spiegelhalter und Gegengewicht sind mit einem Metallband (M) aufgehängt. Das Metallband ist mit Hilfe einer kugelgelagerten Rolle (K) geführt. Der Spiegelhalter kann sowohl um die Y- (horizontale) wie auch um die Z-Achse (vertikal) eingestellt werden, und zwar ermöglichen beide Einstellungen je eine 36O°-Umdrehung des Spiegels. Die Drehung um die Y-(horizontale) Achse erfolgt mit Hilfe einer magnetisch-kinematischen Drehvorrichtung ο Der Übersichtlichkeit halber sind die Verstellschrauben bzw» Verstellmikrometer in die Abbildung nicht eingezeichnet. Besonders zu bemerken ist folgendes? Dje vertikale Grobverstellung der optischen Komponenten The importance of the magnetic-kinematic adjustments is particularly great for vertical precision guides. In the case of precision adjustments, vertical adjustment is a problem that is difficult to solve. The difficulty lies in eliminating the weights of the components to be adjusted. The principle of the invention also provides help here, in that it enables the effect of the weight to be completely eliminated. The elegant and complete technical solution of the precise vertical adjustment is shown in Fig. 8. The device stands on an optical rider and on a straight double guide offset by 90. The component to be guided vertically, lens or mirror (0), hangs on a column (P1) »The column has straight guide grooves on both sides ). The mirror holder and counterweight are held on the column with magnets «The mirror holder and counterweight are suspended with a metal band (M). The metal band is guided with the help of a roller (K) on ball bearings. The mirror holder can be adjusted around the Y (horizontal) as well as the Z axis (vertical), and both settings allow a 360 ° rotation of the mirror. The rotation around the Y (horizontal) axis takes place with the help of a magnetic-kinematic rotating device ο For the sake of clarity, the adjusting screws or »adjusting micrometers are not shown in the figure. Particularly noteworthy is the following? The rough vertical adjustment of the optical components

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Feingeschieht mit Hand, die vertikale Verstellung erfolgt mit Mikrometer oder Schraube. Aber weil diese in verschiedenen Höhen fixiert werden müssen, werden sie in verschiedenen Höhenlagen magnetisch befestigt.Finely done by hand, the vertical adjustment is done with Micrometer or screw. But because these need to be fixed at different heights, they will be at different Magnetically attached at high altitudes.

Wie elegant man eine piezoelektrische Verstellung magnetischkinematisch lösen kann, zeigt Abb.9. Es wird dafür wieder ein optisches Beispiel gegeben. -Einleitend sollte erwähnt werden, daß alle heutigen horizontalen, piesoelektrischen optischen Verstellungen so ausgeführt sind, daß die piesoelektrische Säule auf einer Seite "eingefangen" ist, die andere trägt die optische Komponente. Dies bedeutet eine Belastung der piesoelektrischen ^äule. Die Säule wird auf Biegung beansprucht. Kompliziert wird eine solche Anordnung, wenn die Strahlung das System passieren muß. In diesem Falle ist die Säule aus piesoelektrischen Ringen mit großen Abmessungen aufgebaut.Figure 9 shows how elegantly a piezoelectric adjustment can be solved using magnetic kinematics. It'll be for that again given a visual example. -In the introduction it should be mentioned that all of today's horizontal, piesoelectric optical adjustments are designed so that the piesoelectric Column is "captured" on one side, the other carries the optical component. This means one Load on the piezoelectric column. The pillar will open Bending stressed. Such an arrangement becomes complicated when the radiation has to pass through the system. In this case the column is made up of piesoelectric rings with large dimensions.

In Abb.9 ist wieder die lineare Verstellung (T1, 12, M) nach. Abb.1 dargestellt. Das eine Ende der piesoelektrischen Säule (P) ist auf dem feststehenden Teil (TT) der Verstellvorrichtung fixiert. Der obere Schlitten (T2) trägt eine Stütze (Z), an welcher die Schiebekraft der piesoelektrischen Säule angreift. Das gegen die Stütze wirkende Ende der piesoelektrischen Säule ist mit einem Haftmagneten versehen, welcher eine Spielfreiheit garantiert. Aus Abb.9 ist ersichtlich, daß die piesoelektriüche Säule nur auf Druck und Zug beansprucht wird und daß die Dimensionen dieser Säule völlig unabhängig von denThe linear adjustment (T1, 12, M) is shown again in Fig.9. Fig.1 shown. One end of the piesoelectric column (P) is fixed on the fixed part (TT) of the adjustment device. The upper slide (T2) carries a support (Z), on which the pushing force of the piesoelectric column acts. The end of the piesoelectric that acts against the support The column is provided with a holding magnet, which guarantees freedom from play. From Fig.9 it can be seen that the piesoelektriüche column is only subjected to pressure and tension and that the dimensions of this column are completely independent of the

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optischen Komponenten sind, x-y sind die Spannungsanschlußpunkte der piesoelektrischen Säule.are optical components, x-y are the voltage connection points the piesoelectric column.

Es versteht sich von selbst, daß diese Konzeption auch für Rotationsverstellungen angewendet werden kann.It goes without saying that this concept can also be used for rotational adjustments.

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Claims

Dr Arpad Bardocz

Magnetic-kinematic precision adjustments

Claims

h) J Linear and circular adjusting device, characterized in that the cohesion of the components moving next to one another on rollers is effected by magnets.

2) Linear adjustment device according to claim 1) characterized in that it is arranged vertically in order to eliminate the weight with a counterweight is provided.

3) The adjusting device according to claim point 1) Λ characterized in that it is provided as a fine adjustment with a piezoelectric adjustment.

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