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Justiervorrichtung und Ablenkkopf für einen Laserstrahl
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einer Laser-Beschriftunqsanlaqe Die Erfindung betrifft eine Justiervorrichtung
für einen Laserstrahl einer Laser-Beschriftungsanlage mit einem Pilotlichtstrahl,
der auf den Fokus des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene abbildbar ist, wobei
für den Laserstrahl eine Aufweitoptik, bestehend aus einer Zerstreuungs- und einer
Sammeloptik -vorgesehen ist, der wenigstens ein Ablenkerspiegel und eine Fokussieroptik
nachgeordnet sind und einen Ablenkkopf mit einer solchen Justiervorrichtung.
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Bei Laser-Beschriftungs- oder -Bearbeitungsanlagen wird der Laserstrahl
auf die Bearbeitungsebene eines Werkstücks fokussiert, und führt eine Relativbewegung
gegenüber dem Werkstück aus. Diese Relativbewegung kann durch Anordnung des Werkstücks
auf einem Koordinatentisch bei feststehendem Strahl oder durch Bewegen des Strahles
mittels verstellbarer Ablenkerspiegel bewerkstelligt werden, wobei beide Möglichkeiten
auch kombiniert werden können. Schwierigkeiten bereitet dabei die genaue Positionierung
des Werkstückes. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist das Beschriften von Schildern,
z.B. von Typenschildern für Kraftfahrzeuge, elektrische Motoren oder dergleichen
mittels eines Laserstrahls. Dabei müssen -Texte oder Zahlen- bzw. Buchstabenfolgen
in vorgegebene Felder geschrieben werden.
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Während bei der serienmäßigen Beschriftung# einer größeren Anzahl
von Typenschildern mit gleichem Aufbau ein
gewisser Aufwand für
das Einrichten der gegebenenfalls auch automatischen Zuführeinrichtung und für das
Opti#ieL ren der Schriftgröße usw. in Kauf genommen werden kann, ist das Beschriften
einzelner, unterschiedlicher Schilder oder anderer Teile wegen des richtigen Positionierens
schwierig und zeitraubend, da dies von Hand durchgeführt werden muß. Der Laserstrahl
kann für das Positionieren nicht verwendet werden, weil er für das menschliche Auge
unsichtbar ist. Außerdem müssen umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen werden,
um eine Augenschädigung durch den Laserstrahl auszuschießen.
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Bekannte Anlagen sind mit einem Ablenkkopf ausgerüstet, in dem die
Ablenkerspiegel und die Fokussieroptik angeordnet sind. Dieser Ablenkkopf ist um
etwa 3600 um die optische Achse des Laserstrahls drehbar an der optischen Bank des
Lasers befestigt. Ein solcher Ablenkkopf ist beispielsweise aus der DE-OS 31 01
793 bekannt. Bei handelsüblichen Laser-Beschriftungsanlagen wird die Positionierung
des Werkstücks mittels eines Pilotlichtstrahls durchgeführt. Dabei muß der Ablenkkopf
durch mühsames An- und Abschrauben justiert werden und meist verändert sich dabei
die Lage des Pilotlichts, die nicht mit dem Strahlengang des Lasers übereinstimmt.
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Bei der Positionierung eines Werkstückes mittels eines Pilotlichtstrahles
treten eine Reihe von technischen Schwierigkeiten auf. Die Bauteile der Optik des
Pilotlichtes dürften den Strahlengang des Lasers in keiner weise verändern oder
dem Laserstrahl Energie entziehen.
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Pilotlicht und Laserstrahl müssen - nacheinander oder gleichzeitig
- mit hoher Genauigkeit an der gleichen Stelle auf das Beschriftungs- bzw. Bearbeitungsfeld
treffen, unabhängig von der jeweiligen Lage dieses Punktes im nutzbaren Bearbeitungs-
bzw. Beschriftungsfeld.
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Während der Laserstrahl auf der Bearbeitungsfläche
möglichst
stark gebündelt sein soll, um hohe Energiedichten zu erzielen, wozu ein Brennfleck-Durchmesser
von etwa 0,1 mm anzustreben ist, soll die abgebildete Pilotlichtmarke gut sichtbar
sein und nicht blenden. Bei einer Lichtmarke von z.B. 5 mm Durchmesser, die gut
sichtbar ist, ist jedoch die Lage ihres Mittelpunktes nicht mehr abzuschätzen, weshalb
die Positioniergenauigkeit zurückgeht. Die abgebildete Justiermarke soll auch auf
dunklem Material, z.B. auf schwarz eloxiertem Aluminiumblech gut sichtbar sein.
Schließlich sind die Ablenkerspiegel für den Laserstrahl gewöhnlich aus Glas hergestellt
und mit dielektrischen Schichten versehen, die für die Wellenlänge der Laserstrahlung
(ca. 1,0 - 10,0 » m) eine sehr hohe Reflektion aufweisen. Sichtbares Licht wird
dagegen von diesen Ablenkerspiegeln nur schwach reflektiert. Um eine gut sichtbare,
abgebildete Justiermarke zu erhalten, muß folglich mit Pilotlicht sehr hoher Lichtstärke
g#earbeitet werden.
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Es besteht die Aufgabe, eine Justiervorrichtung der elngangs genannten
Art mit einfachen Mitteln so auszubilden, daß eine Positionierung der Bearbeitungsebene
des Werkstückes ohne besonderen Zeit- und Personalaufwand möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen Zerstreuungs-
und Sammelop.tik ein Umlenkspiegel angeordnet ist, der zumindest im Betriebszustand
den Laserlichtstrahl unbeeinflußt läßt und der das Bild einer Justiermarke in den
Strahlengang von Sammel- und Fokussieroptik einspiegelt, wobei die vom Pilotlicht
ausgeleuchtete Justiermarke im gespiegelten Brennpunkt der Sammeloptik l-iegt.
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Bei der erfindungsgemäßen Justiereinrichtung wird das Pilotlicht über
den Umlenkspiegel in den Strahlengang
der Laseroptik eingespiegelt
und von der Optik etwa im Fokuspunkt abgebildet. Hierzu ist es erforderlich, die
Justiermarke im Brennpunkt der Samme#loptik anzuordnen.
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Bei dieser Justiervorrichtung können die Justiermarke und der Laserstrahl
nacheinander oder gleichzeitig im Foku.spunkt abgebildet werden. Das Positionieren
des Werkstücks ist damit ohne Eingriff in die Optik der Beschriftungsanlage möglich.
Schließlich kann mit Pilotlicht hoher Intensität gearbeitet werden, so daß die Justiermarke
auch auf dunklem Material sichtbar ist und die geringe Reflektion der Ablenkerspiegel
keine Rolle spielt.
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Um den Strahlengang des Laserstrahls nicht zu beeintråchtigen und
um eine Absorbtion von Energie des Laserlichts zu vermeiden, kann im Umlenkspiegel
eine zur optischen Achse des Laserstrahles konzentrische bzw. elliptische Bohrung
vorgesehen sein, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Strahles ist oder
der Umlenkspiegel kann aus dem Laserstrahl herausschwenkbar sein. Bei einem mit
einer Bohrun-g versehenen Spiegel, der vorzugsweise benachbart zur Zerstreuungsoptik
der Aufweitoptik angeordnet ist, kann der Laserstrahl zusammen mit der Abbildung
der Justiermarke auf die Bearbeitungsfläche auch während des Laserbetriebes fokussiert
werden. Bei einer Justiervorrichtung mit Schwenkspiegel ist der Umlenkspiegel während
des Laserbetriebes aus dem Strahl entfernt und eine gleichzeitige Fokussierung des
Laserstrahles und die Abbildung der Justiermarke ist nicht möglich.
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Zur Einjustierung der Justiermarke auf den Strahlengang der Laseroptik
ist vorzugsweise die Lage der Justiermarke in der Ebene senkrecht zur optischen
Achse des Pilotlichtstrahles veränderbar oder es kann die Neigung des Umlenkspiegels
zur optischen Achse des Laserstrahles veränderbar sein.
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Bei einem vorteilhaften Ablenkkopf für eine solche Justiervorrichtung
ist ein Flansch mit der optischen Bank des Lasers fest verbunden, der einen konzentrisch
zur optischen Achse des Laserstrahles liegenden Tubus besitzt, in dem die Aufweitoptik
und der Umlenkspiegel angeordnet sind, in einer Ausnehmung des Flansches ist die
Pilotlichtquelle und die Justiermarke angeordnet, der Flansch weist eine zylinderförmige
Zentrierplatte auf, die konzentrisch zur optischen Achse des Laserstrahles ist und
die formschlüssig von einem Zentrierring eines Drehkopfes umgeben ist, der ein Gehäuse
für Ablenkerspiegel besitzt, das die Fokussieroptik trägt, weiterhin ist mit einer
Klemmvorrichtung der Zentrierring an der Zentrierplatte in jeder Drehstellung lösbar
zu befestigen. Bei dieser Ausbildung des Ablenkkopfes ist die Justiervorrichtung
zusammen mit den Abienkerspiegeln und der Fokussieroptik etwa 3600 um die optische
Achse des Laserstrahles drehbar, ohne daß die Lage der Justiervorrichtung relativ
zum Strahlengang der. Laseroptik verändert wird. In jeder Drehstellung kann daher
in der beschriebenen Weise die Positionierung des Werkstücks vorgenommen werden.
Vorteilhaft ist es, bei gelöster Klemmvorrichtung mit Federn den Zentrierring gegen
die Zentrierplatte zu pressen. Ein Verkippen der Laseroptik ist damit auch bei gelöster
Klemmvorrichtung ausgeschlossen.
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I folgenden wird die erfindungsgemäße Justiervorrichtung beispielhaft
anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
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Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang einer Laser-Beschriftungsanlage.
Ein Laserstrahl 1 trifft auf eine Aufweitoptik, die aus der Zerstreuungslinse 2a
und der Sammellinse 2b besteht. In dieser Aufweitoptik wird das aus homogen verteilten,
parallelen Einzel strahlen bestehende Strahlenbündel des Laserstrahles in der Zerstreuungsoptik
2a kegelförmig aufgeweitet und durch die
Sammeloptik 2a wieder in
ein Strahlenbündel mit Parallelstrahlen umgeformt. Um dies zu erreichen, müssen
die laserseitigen Brennpunkte sowohl der Zerstreuungslinse 2a als auch der Sammeloptik
2b in einem Punkt zusammenfallen, der in der Zeichnung mit F gekennzeichnet ist.
Der aufgeweitete Parallelstrahl wird mit der Beschriftungs- bzw.
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Fokussieroptik 3 in dem Punkt A fokussiert, der in der Bearbeitungs-
bzw. Beschriftungsfläche 4 des Werkstü#ckes liegt. Durch die Aufweitung des Laserstrahls
mittels der Aufweitoptik 2a und 2b erhält man einen sehr kleinen Brennfleck A, in
dem die Energie des Laserstrahles voll zur Geltung kommt. Der Fokussierpunkt A liegt
im Brennpunkt der Fokussieroptik 3.
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Um die Übersichtlichkeit zu wahren, sind in Figur 1 die Ablenkerspiegel
für den Laserstrahl nicht dargestellt, die zwischen der Sammeloptik 2b und der Fokussieroptik
3 angeordnet sind. Normalerweise werden zwei Ablenkerspiegel eingesetzt, die um
Achsen drehbar sind, die zueinander senkrecht stehen.
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Beim Positionieren der Bearbeitungsfläche 4 in die Fokusebene A treten
die eingangs beschriebenen Schwierigkeiten auf. Mit einer erfindungsgemäßen Justiervorrichtung
kann die Optik des Lasers für die Abbildung einer Justiermarke in der Fokalebene
A genutzt werden. Hierzu ist im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 eine Pilotlichtquelle
5 angeordnet, die über einen Kondensor 6 eine Justiermarke 7 ausleuchtet, die im
Ausführungsbeispiel ein Pfeil ist.
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Über einen Umlenkspiegel 8 wird der Strahlenkegel des Kondensors 6
in den Strahlengang der Laseroptik eingeblendet. Befindet sich die Justiermarke
7 im gespiegelten #Brennpunkt F der Sammeloptik 2b, so bildet diese die Justiermarke
7 im Unendlichen" als reelles Bild ab.
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Dieses reelle Bild wird von der Fokussieroptik 3 auf die Bearbeitungsfläche
4 als Justiermarke 7a projeziert. Um
eine möglichst lichtstarke
Abbildung 7a der Justiermarke 7 zu erhalten, kann eine sehr lichtstarke Pilotlichtquelle
5 verwendet werden. Die Helligkeit der Abbildung 7a kann dadurch noch gefördert
werden, daß der Kondensor 6 und die Lage der Pilotlichtquelle 5 so bemessen bzw.
gewählt sind, daß das Leuchtsystem z.B. die Leuchtwendel der Pilotlichtquelle 5
im Objektiv 3 vom Kondensor abgebildet wird.
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Um eine möglichst kostengünstige Ausführung zu erhalten, kann die
Justiermarke 7, die ein Pfeil oder ein Fadenkreuz oder dergleichen sein kann, direkt
auf die vorzugsweise plane Fläche der Kondensorlinse 6 aufgebracht sein.
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Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist der Umlenkspiegel 8 mit einer
Bohrung 8a versehen, die konzentrisch zur optischen Achse des Laserlichtstrahles
1 liegt-. Bei geeigneter Bemessung der Bohrung kann der aufgeweitete Laserlichtstrahl
1 damit ungehihdert und ohne Energieverlust durch den Spiegel 8 treten. Der Durchmesser
der Bohrung 8a kann relativ klein gewählt werden, wenn der Umlenkspiegel 8, wie
im Ausführungsbeispiel nach Figur 1, in der Nähe der Zerstreuungslinse 2a angeordnet
ist, wo der aufgeweitete Laserstrahl 1 einen noch relativ geringen Durchmesser hat.
Bei dieser Ausführungsform kann die Justiermarke 7 auch während des Laserbetriebes
auf die Bearbeitungsfläche 4 zusammen mit dem Fokus A abgebildet werden, was gegebenenfalls
eine Änderung der Werkstückposition während der Bearbeitung erleichtert.
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Eine zweite Ausführungsform ist in Figur 2 dargestellt.
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Dabei ist nur die Aufweitoptik 2a und 2b der Beschriftungsanlage gezeigt,
da die anderen Teile gegenüber Figur 1 unverändert bleiben. Im Ausführungsbeispiel
nach Figur 2 ist als Umlenkspiegel 8 ein Kippspiegel angeordniet, der um die Achse
8b drehbar ist und, wie gestrichelt
angedeutet, aus dem Strahlengang
des Lasers herausgeschwenkt werden kann. Dabei ist für den Spiegel 8 ein Anschlag
9 vorgesehen, an dem er im eingeschwenkten Zustand anliegt und der seine Lage fixiert.
Die Abbildung der Justiermarke 7 auf die Bearbeitungsfläche 4 bleibt im übrigen
unverändert. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil, daß der durch die Bohrung
8a im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erhaltene Lichtverlust für das Pilotlicht
entfällt. Andererseits muß jedoch bei der Ausführungsform nach Figur 2 der Spiegel
8 im Betriebszustand aus dem Laserstrahl herausgeschwenkt werden, um Energieverluste
durch Absorbtion zu vermeiden. Dies bedeutet, daß bei Fokussierung des Laserstrahls
auf die Bearbeitungsebene 4 nicht gleichzeitig die Justiermarke 7 abgebildet werden
kann. Außerdem ist beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 eine Drehachse 8b für den
Spiegel 8 vorzusehen.
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Figur 2 zeigt noch eine weitere Abwandlung. Um die radiale Ausdehnung
der Gesamtanordnung, bezogen auf die optische Achse des Laserstrahls klein zu halten,
ist ein Zusatzspiegel 10 vorgesehen, der den Pilotlichtstrahl ein zweites Mal umlenkt
und mit dem es möglich ist, die Pilotlichtquelle 5 und den Kondensor 6 etwa parallel
zur optischen Achse des Lasers anzuordnen.
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Zur Er-stjustierung der Abbildung 7a der Jusitermarke 7 auf den Fokus
A des Laserlichtstrahles kann entweder die Justiermarke 7 in der Ebene senkrecht
zur optischen Achse des Pilotlichtes verschiebbar angeordnet sein oder es kann die
Neigung des Umlenkspiegels 8 verändert werden.
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Bei der Ausführungsform nach Figur 2 kann zu dieser Justierung auch
die Neigung des Spiegels 10 verändert werden.
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Einen Ablenkkopf in dem die erfindungsgemäße Justiereinrichtung integriert
ist zeigt Figur 3 teilweise im
Schnitt. Der schwenkbare Ablenkkopf
besteht im wesentlichen aus zwei Einheiten, nämlich der Flanschplatte 11, die mit
der optischen Bank 12 des Lasers fest verbunden ist und dem eigentlichen Ablenkkopf
13, der die als Spiegelgalvanometer ausgebildeten Ablenkspiegel 14 und die Fokussieroptik
3 trägt. In der Flanschplatte 11 ist in einem Tubus 15, der konzentrisch zur optischen
Achse des Lasers ist, die Aufweitoptik mit der Zerstreuungslinse 2a und der Sammeloptik
2b angeordnet. Parallel zum Tubus 15 für die Aufweitoptik 2a und 2b ist die Halterung
16 für die Pilotlichtquelle 5 und den Kondensor 6 angeordnet, wobei die J#ustiermarke
7 direkt auf die Kondensorlinse 6 aufgebracht ist. Das Pilotlicht trifft durch eine
Bohrung 17 auf einen Spiegel 10, von dem es, entsprechend dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 2, auf einen Klappspiegel 8 reflektiert wird, der als Umlenkspiegel zwischen
der Zerstreuungslinse 2a und der Sammeloptik 2b der Aufweitoptik angeordnet ist.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 kann selbstverständlich auch ein
Spiegel mit einer zentralen Bohrung eingesetzt werden, der auch während des Laserbetriebes
eine Abbildung der Justiermarke 7 auf die Bearbeitungsebene 4 ermöglicht. Beim Ausführungsbeispiel
nach Figur 3 wird der Umlenkspiegel 8 in herkömmlicher Weise aus dem Strahlengang
des Lasers im Betriebszustand herausgeklappt. Dabei kann auch ein Schalter vorgesehen
sein, mit dem das Pilotlicht 5 ausgeschaltet wird, wenn der Umlenkspiegel 8 aus
dem Laserstrahl herausgeschwenkt ist. Die Flanschplatte 11 ist mit allen Zentrieransätzen
so ausgebildet, daß alle auf die optische Achse des Laserstrahls bezogenen Durchmesser
in einer Aufspannung bei der Bearbeitung hergestellt werden können. Die Flanschplatte
11 wird mit mindestens zwei Schrauben 18 an der optischen Bank 12 befestigt. Der
Zentrierbund 19 greift in eine Nut der optischen Bank ein. Durch die Bohrung 17
wird das Pilotlicht geleitet, während durch einen anderen
Durchbruch
20 die elektrischen Speiseleitungen für die Elektronik des Ablenkkopfes geführt
sind. Das Aufnahm## teil 16 für die Pilotlichtlampe 5 und- die Kondensorlinse 6
können auch aus der Flanschplatte 11 herausgearbeitet sein. Der Spiegel 10 kann
mit einer justierbaren Halterung an die Flanschplatte 11 gekoppelt werden. Die Sammellinse
2b der Aufweitoptik ist im Ausführungsbeispiel mit einer gesonderten Fassung eingesetzt.
Sie kann auch im Tubus 15 des Flansches direkt eingebracht sein. Beim Ausführungsbeispiel
ist die Zerstreuungslinse 2a der Aufweitoptik mit einer beweglichen Fassung 21 in
den Tubus 15 eingebaut. Damit kann der Brennfleck A bei unterschiedlichem Werkstückabstand
etwas korrigiert werden. Die Verstellung der Fassung 21 geschieht in bekannter Weise
über einen Hebel, ein Gewinde oder über ein Zahnrad und eine Zahnstange.
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Der eigentliche Ablenkkopf oder Drehkopf 13 besteht aus einem runden
Flansch 22, an dem ein rechteckiges Gehäuse 23 befestigt ist. In diesem rechteckigen
Gehäuse 23 sind die Ablenkspiegel 14 angeordnet und die Abbildungsoptik 3 befestigt.
Am rechteckigen Gehäuse 23 sind zwei weitere Gehäuse 24 befestigt, in denen die
Galvanometer für die Auslenkung der Ablenkerspiegel 14 angeordnet sind. Hierzu wird
auf die obengenannte Literaturstelle verwiesen.
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Der Flansch 22 zentriert sich formschlüssig mit einem Zentrierring
25 an einer zylinderförmigen Zentrierplatte 26 der Flanschplatte 11. Dabei ist eine
Klemmvorrichtung vorgesehen, mit der der drehbare Ablenkkopf in jeder Drehstellung
an der Flanschplatte 11 festgeklemmt werden kann. Im Ausführungsbeispiel besteht
die Klemmvorrichtung aus Druckplatten 27, die die Zentrierplatte 26 hintergreifen
und die mit Schrauben 28 an die Zentrierplatte 26 angepreßt werden können. Um bei
der Justage zu vermeiden, daß der Ablenkkopf 22 von der Flanschplatte 11
abkippt,
sind Federn 29 vorgesehen, mit denen die Druckplatten 27 auch bei gelösten Schrauben
28 federn gegen den Zentrierring 26 gepreßt werden. Beim Ausführungsbeispiel sind
außerdem noch Begrenzungsstifte 24 vorgesehen, die die Drehung des Ablenkkopfes
auf ca. 3550 begrenzt, um ein Abreißen der elektrischen Leitungen zu den Galvanometern
zu verhindern.
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8 Patentansprüche 3 Figuren
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