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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
spielfreien Positionieren von Bauteilen, insbesondere
Bauteilen, welche in optischen und optoelektronischen Anlagen
verwendet werden, relativ zu einer festen Referenzeinheit
mittels wenigstens zwei miteinander verbundenen Blöcken,
wobei ein Block ein Hauptbasiselement und ein Block ein
Basiselement aufweist, welches relativ zu dem
Hauptbasiselement und der Referenzeinheit beweglich ist, wobei die
Basiselemente über ein drittes gemeinsames Basiselement
mittels langgestreckter elastischer Elemente untereinander
verbunden sind, welche bezüglich des festen Basiselementes
ein Auslegersystem bilden und wobei eine Anbringvorrichtung
oder ein Halter, an dem die zu positionierenden Bauteile
befestigt sind, an dem beweglichen Basiselement angeordnet
ist, wobei die Vorrichtung mit Einstellmechanismen versehen
ist, welche so angeordnet sind, daß sie steuerbare Kräfte
aufbringen, die auf das Auslegersystem wirken, wobei jeder
elastische Elementblock in einer Hauptachsenrichtung z des
Auslegersystems im wesentlichen starr ist und in x- und y-
Richtungen senkrecht hierzu elastisch ist.
Hintergrund der Erfindung
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Eine moderne Entwicklung der Optik ist die Optronik
(auch Optoelektronik genannt). Anwendungsgebiete der
Optronik sind z.B. optische Faserkommunikationen, Meßlehren zum
Messen von Abmessungen und zum Anzeigen von Positionen,
Sensoren für spezielle Analysen und für Streuungsanalysen
etc. Die optische Ausstattung besteht aus optischen,
mechanischen und elektronischen Bauelementen.
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In optronischen Anlagen ist es wünschenswert, die
Bauelemente in einer stabilen und miniaturisierten Einheit
zusammenzufassen. Speziell in einer Entwicklungsphase ist es
auch bevorzugt, daß einige der Elemente leicht ersetzbar
sind. Eine Anforderung, welche für viele der Elemente
gestellt wird ist, daß sie auch bezüglich Position und Lage
einstellbar sein sollten, so daß der für die Anordnung
angestrebte optische Strahlenpfad erhalten werden kann. Der
Strahlquerschnitt beispielsweise in Halbleiterlasern und
Einzelmode-Fasern, die für optische Kommunikationen
verwendet werden, hat einen Durchmesser in der Größenordnung von
Mikrometern. Es ist daher bei der Ausrichtung derartiger
Anordnungen notwendig, in der Lage zu sein, Einstellungen
mit einer Genauigkeit und Präzision entsprechend einer
Lageänderung um einen Mikrometer oder unterhalb eines
Mikrometers zu machen. Es ist auch wichtig, daß ausgerichtete
Bauteile ihre Position und Lage für eine sehr lange
Zeitdauer einhalten, auch in einer mechanisch schädlichen
Umgebung. In einer Entwicklungsphase ist es üblich, daß
optronische Bauteile auf mechanischen Einheiten angeordnet
werden, welche aus einem standartisierten Bausatz optischer
Bänke, Schlitten, Halter, Translations- und
Drehvorrichtungen ect. erhalten werden. Es ist unvermeidlich, daß eine
derartige Konstruktion massig, unstabil und gegenüber
Vibrationen empfindlich wird. Dies ist auch der Fall selbst
dann, wenn die einzelnen Elemente selbst in der Lage sind,
beispielsweise eine Verschiebung mit einer ausreichenden
Präzision durchzuführen. Verschiedene Auslegungen von
Federblöcken des genannten Typs sind beispielsweise durch
einen Artikel im Journal of Scientific Instruments, Vol. 33,
Januar 1956 mit dem Titel "Some parasitic deflexions in
parallel spring movements" bekannt. Diese Art von
Vorrichtungen hat jedoch nur eingeschränkte Anwendung gefunden.
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Die US-PS 4 930 858 bezieht sich auf eine
Positioniervorrichtung für optische Fasern, wobei beabsichtigt ist,
zwei Faserenden oder ein Faserende und einen Laserstrahl
parallel zueinander zu machen. Die Vorrichtung besteht aus
drei kreisförmigen Platten, die in einem Abstand
voneinander angeordnet und untereinander durch "Schultern"
verbunden sind, die in den Platten integriert sind, d.h.
segmentförmige Abschnitte des Materials. In den Platten sind
mittige
Ausnehmungen vorgesehen zur Anordnung beispielsweise
eines Faserendes in der beweglichen oberen Platte, um einen
freien optischen Strahlenpfad zu beispielsweise einem Laser
zu gestatten, der im festen Teil der Vorrichtung angeordnet
ist.
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Die obere bewegliche Platte kann bewegt werden, um mit
der mittigen Platte einen ersten Winkel zu bilden, was
durch Schrauben erfolgt, welche Kräfte auf die Platten in
einer Querrichtung, d.h. in die Achsenrichtung der
Vorrichtung aufbringen. Auf gleiche Weise kann die mittige Platte
bewegt werden, um einen zweiten Winkel mit der Bodenplatte
zu bilden, was durch die Hilfe von weiteren Schrauben
erfolgt, welche ebenfalls in der Achsenrichtung wirken, wobei
die letztere Drehbewegung um die Kreissehne der
Segmentabschnitte erfolgt, so daß die beiden beweglichen Platten
gekippt werden und damit auch das Teil - z.B. das Faserende -
welches eingestellt werden soll.
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Die letztere Vorrichtung kann verwendet werden, wenn
zwei Richtungen zueinander entsprechend gemacht werden
sollen ünd wenn es nicht wichtig ist, daß das bewegliche
Bauteil, welches einzustellen ist, verschoben und auch gedreht
werden soll. Diele bekannte Vorrichtung kann jedoch nicht
zur Positionierung eines optischen Bauteils verwendet
werden, wo es notwendig ist, daß das bewegliche Bauteil seine
Winkelposition relativ zu einem festen Bauteil während der
Einstellung einhält. Mit anderen Worten, das bewegliche
Bauteil sollte in der Lage sein, in eine gewünschte
Position verschoben werden zu können, ohne hierbei gedreht zu
werden. Weiterhin sollte es für bestimmte Anwendungsfälle
möglich sein, daß das bewegliche Bauteil einer gewünschten
Drehung unterworfen werden kann, wobei der Punkt/die Punkte
der Krafteinwirkung durch den Einstellmechanismus an einer
bestimmten Stelle entlang der Hauptachse des Systems,
nämlich der Z-Achse erzeugt werden.
Aufgabe der Erfindung und ihre wichtigsten
Eigenschaften
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Positioniervorrichtung zu schaffen, welche Verschiebungen in
verschiedenen Richtungen, eine Kombination von Verschiebung und
Drehung oder nur eine Drehung erlaubt. Weiterhin sollen alle
Einstellungen spielfrei sein und die Abmessungen der
verwendeten Bauteile sollten ausreichend klein sein, um eine
kompakte Integration mit elektronischen oder
optoelektronischen Instrumenten zu ermöglichen. Diese Aufgaben wurden
dadurch gelöst, daß in dem unverformten Ruhezustand der
Vorrichtung die langgestreckten Elemente im wesentlichen
parallel und die plattenförmigen festen und beweglichen
Basiselemente in einer Ebene sind und daß die
Einstellmechanismen so angeordnet sind, daß die steuerbare
Versetzungskräfte bereitstellen, welche eine Relativbewegung zwischen
dem festen Basiselement oder einem fest hieran angebrachten
Teil und dem beweglichen Basiselement oder einem
Bauelement-Haltearm, der hieran angeordnet ist und den Halter
bilden kann, bewirken und direkt dazwischen wirken, wobei
die Kräfte jeweils in einer unterschiedlichen Richtung und
auf einen unterschiedlichen Punkt einwirken und jede Kraft
Hauptkomponenten in der Ebene (x und y) senkrecht zur
Hauptachsenrichtung (z) hat, so daß der Bauelementhalter
verschoben und/oder gedreht wird, während die elastischen
Elemente ausgelenkt werden.
Beschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend unten unter Bezug auf
die beigefügte Zeichnung beschrieben, welche einige
Beispiele von Ausführungsformen zeigt.
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Fig. 1 zeigt eine Endansicht auf die
Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang Linie II-II in Fig.
1.
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Fig. 3 zeigt im vergrößerten Maßstab eine
Differentialschraube, welche gemäß den Figuren 1 und 2 Teil der
Positioniervorrichtung ist.
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Fig. 4 zeigt ein abgewandeltes Beispiel einer
Ausführungsform der Einstellschraube gemäß der Erfindung,
teilweise im Schnitt, welche einerseits eine
Differentialschraube und andererseits eine piezoelektrische
Einstellanordnung aufweist.
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Fig. 5 zeigt im vergrößerten Maßstab den Halter für
Bauteile gemäß Fig. 2 zusammen mit hierin angeordneten
Bauteilen, wobei diese Bauteile zusammen mit Bauteilen in
einer festgelegten Einheit einen optischen Strahlenpfad
definieren.
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Fig. 6 zeigt eine zu Fig. 1 andloge Darstellung einer
erweiterten Positioniervorrichtung, in der eine innere
Einheit, welche aus der Positioniervorrichtung von Fig. 1
besteht, um eine Achse senkrecht zu der Verschiebung
verschoben und/oder gedreht werden kann.
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Fig. 7 zeigt einen Schnitt entlang Linie VII-VII von
Fig. 6.
Beschreibung von Beispielen von Ausführungsformen
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Die Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie
in den Figuren 1 und 2 dargestellt und welche durch das
Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist, besteht aus zwei
elastischen Blöcken 11 und 12, welche miteinander verbunden sind,
wobei das eine System 11 aus zwei Basiselementen 13 und 14
besteht, welche die Form von Platten haben und mittige
Ausnehmungen aufweisen. In diesem Zusammenhang sei unter
Positionierung
Bewegen und/oder Drehen verstanden. Die
erwähnten Platten werden zueinander in einem Abstand gehalten und
untereinander durch eine Anzahl von, beispielsweise vier,
elastischen Elementen 17 verbunden, die in der gezeigten
Ausführungsform aus Stäben bestehen, die aus
Berylliumkupfer, rostfreiem Stahl oder dergleichen sind. Eines, nämlich
das erste Basiselement 13, ist fest mit einem Gehäuse 18 zu
einer Einheit verbunden, das die Form eines
rechteckförmigen Rahmens hat, der beide Federblöcke umgibt, wohingegen
das andere, das Basiselement 14, beweglich ist.
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Ein Basiselement des zweiten elastischen Blockes 12
fällt mit dem beweglichen Basiselement 14 des Systems 11
gemäß obiger Beschreibung zusammen, an weichem zusätzlich
zu den elastischen Elementen 17 ein weiterer Satz von
elastischen Elementen 19 angebracht ist, beispielsweise vier
Stück, welche eine entsprechende Funktion wie die
elastischen Elemente 17 haben. Die elastischen Elemente 19 sind
an ihren gegenüberliegenden Enden an einem dritten
beweglichen Basiselement 20 befestigt, welches aus einer Platte
mit einer mittigen Öffnung 21 besteht. Seine Form wird so
gewählt, daß es mit einem gewissen Spiel in der Öffnung 15
des ersten festen Basiselementes 13 aufgenommen werden
kann. Ein Arm 22 ist in ein Innengewinde der Öffnung 21
eingeschraubt, wobei der Arm in der gezeigten
Ausführungsform aus einer Röhre besteht, welche als Halter für eine
Anzahl von Bauteilen 23 - siehe Fig. 5 - dient, wobei
letztere bei einer bestimmten Anwendung beispielsweise eine
Kollimatorlinse, eine Anzahl von optischen Isolatoren und
Filtern 25, eine Fokussierlinse 26 und aus einem Ring 27
bestehen können, d.h. einer Ringbefestigung für einen
Glasfaserleiter 28. Weiterhin in Fig. 5 bezeichnet das
Bezugszeichen 29 eine Lichtquelle, z.B. einen Halbleiterlaser,
der zu der festen Referenzeinheit gehört, relativ zu der
die optischen Bauteile 23 mit Hilfe des Einstellmechanismus
30 positioniert werden sollen.
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Die beiden elastischen Blöcke 11 und 12 bilden zusammen
ein Auslegersystem, welches über das Basiselement 13 mit
seinem Fuß an dem Gehäuse verankert ist. Das elastisch
undeformierte Auslegersystem liegt mit seiner Hauptachse
senkrecht zu den Plattenelementen 13, 14 und 20. Die
Positioniervorrichtung gemäß den Figuren 1 und 2 ist in einem
größeren Maßstab als tatsächlich gezeigt. In der Realität
beträgt seine Größe nur einen oder ein paar Zentimeter. Die
Teile der elastischen Blöcke sind so geformt, daß sie eine
kompakte Integration in wichtige Teile eines optischen und
elektrooptischen Gerätes integriert werden können. Die
Bewegung des Einstellmechanismus 30 sollte auf die
tatsächlich benötigte Länge beschränkt sein und bei der
Einstellung z.B. des Faserleiters 28 relativ zum Laser 29 in einem
Kommunikationssystem ist vielleicht nur eine Bewegung von
einigen Zehntel-Millimetern notwendig.
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Es sollte möglich sein, Mehrfachfunktionen in die
gleiche Positioniervorrichtung zu integrieren, d.h. es soll
möglich sein, Verschiebungen in unterschiedliche Richtungen
oder Kombinationen von Verschiebung und Drehung oder nur
eine Drehung zu haben. Um diese Funktionen zu erzielen,
wird ein Einstellmechanismus 30 verwendet, der die
elastischen Blöcke 11 und 12 auf unterschiedliche Wege
beeinflussen kann, abhängig, wie man eine Einstellschraube 31 auf
unterschiedliche Punkte des Arms 22 einwirken läßt. Im
Normalfall sind die Punkte, die zur Krafteinwirkung ausgewählt
sind festgelegte Punkte, d.h. sie sind in bestimmten
Abständen vom Fußpunkt des Systems angeordnet. Durch
Verlängern des Arms 22 derart, daß er sich über das gemeinsame
Basiselement 14 hinaus erstreckt und durch Einwirkenlassen
der Einstellschraube 31 auf einen Punkt in diesem
verlängerten Endteil wird ein Drehen der Systeme im Bereich des
dritten Basiselementes 20 erhalten. Die Stärke der
aufgebrachten Kraft bestimmt die Größe der Geometrieänderung im
Auslegersystem. In dem Ausführungsbeispiel gemäß den
Figuren 1 und 2 können zwei voneinander unabhängige Änderungen
durchgeführt werden, d.h. zwei aufeinander senkrecht
stehende Verschiebungen. Es ist beispielsweise auch möglich,
den Bauteilhalter 22 in eine Richtung zu verschieben und
ihn unabhängig um eine Achse zu drehen, welche in die
gleiche Richtung wie die Verschiebung verläuft.
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Da die Bewegungen der beiden elastischen Blöcke sehr
klein sind, ist es auch wichtig, daß der
Einstellmechanismus dafür angepaßt ist, diese kleinen Bewegungen zu machen.
Hierzu ist die Einstellschraube 31 in geeigneter Weise als
Differentialeinstellschraube ausgelegt, was bedeutet, daß
sie aus einem Mutternstück 32 besteht, welches mit seinem
Außengewinde 33 in das Gehäuse 18 eingeschraubt ist und ein
Innengewinde hat, welches zusammen mit einem Außengewinde
36 eines Schraubenstückes 35 zusammenwirkt, welches ein
Innengewinde 37 hat, welches wiederum mit einem
Außengewinde-38 eines Schraubbolzens 47 zusammenwirkt, der einen
Endabschnitt 39 mit nicht kreisförmigen Querschnitt hat
entsprechend einer Öffnung 40 des Mutternstücks 32, durch welche
der Endabschnitt 39 des Schraubbolzens verläuft. Die
Steigung der Gewinde 34 und 36, welche beispielsweise bei 0,25
mm/Uindrehung liegen kann, weicht von der Steigung der
Gewinde 37 und 38 ab, welche beispielsweise eine Steigung von
0,2 mm/Umdrehung sein kann, so daß die Verschiebung des
Schraubbolzens 47 eine Untersetzung von 0,05 mm/Umdrehung
hat.
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Um den Einstellmechanismus 30 noch empfindlicher zu
machen, kann der modifizierte Einstellmechanismus gemäß Fig.
4 verwendet werden, bei dem das Mutternstück 32 der
Differenzschraube 31 in zwei Teile unterteilt ist, nämlich eine
Basisbefestigung 42 und ein Mutternstück 43, zwischen denen
ein rohrförmiges piezoelektrisches Element 44 fest
angeordnet ist, welches, wenn eine elektrische Spannung angelegt
wird, sich in seiner Länge ändert und hierdurch das
Mutternstück 43 axial um einen Betrag versetzt, der von der
angelegten Spannung bestimmt ist.
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Der Einstellmechanismus 30, der eine Kraft auf den Arm
22 aufbringt, muß nicht notwendigerweise eine
Schraubenvorrichtung enthalten. Letzere kann durch eine andere
kraftaufbringende mechanische Anordnung ersetzt werden, oder
z.B. vollständig durch ein elektro- oder magnetostriktives
Element.
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In manchen Fällen kann es notwendig sein, eine
Positionierung in den drei Koordinaten x, y und z durchzuführen.
Die Abwandlung der Positioniervorrichtung gemäß den Figuren
1 und 2, wie sie in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist,
ist durch ein viertes Basiselement 45 ergänzt, das
außerhalb der elastischen Elemente 11 und 12 in der festgelegten
Referenzeinheit angeordnet ist, welche das äußere Gehäuse
der erweiterten Positioniervorrichtung sein kann, von dem
eine Anzahl von elastischen Elementen 46 aus verläuft,
deren gegenüberliegende Enden an dem inneren Gehäuse der
Vorrichtung angebracht sind. Die elastischen Elemente 46
können in vorteilhafter Weise flache elastische Elemente sein,
die lediglich Bewegungen in Richtung der Hauptachse z der
Vorrichtung erlauben.
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Die dargestellte und beschriebene Erfindung ist
nichtauf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern
kann auf verschiedene unterschiedliche Arten innerhalb des
Umfanges der Patentansprüche abgewandelt werden.
Positioniervorrichtungen können in vielen Verbindungen verwendet
werden, wo die Betonung auf Präzision der Bewegungen und
Änderungen von Lagen liegt, welche an kleinen, fest
angeordneten Bauelementen durchzuführen sind, beispielsweise
Einstellungen von Linsen und anderen optischen Elementen in
Ausrichtungsanordnungen, Bewegungen von Objektiven in
Mikroskopen, Ausbalancieren von Elementen in mechanischen
Vorrichtungen, das Trimmen des Plattenabstandes in
elektrischen Kondensatoren etc..
Tabelle der Bezugszeichen
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10 = Positioniervorrichtung
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11 = erster elastischer Block
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12 = zweiter elastischer Block
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13 = erstes Basiselement, z.B. eine Platte
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14 = zweites Basiselement, z.B. eine Platte
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15 = mittige Öffnung im ersten Basiselement
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16 = mittige Öffnung im zweiten Basiselement
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17 = elastische Elemente, z.B. Stäbe
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18 = Gehäuse
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19 = elastische Elemente, z.B. Stäbe
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20 = drittes Basiselement, z.B. eine Platte
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21 = mittige Öffnung im dritten Basiselement
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22 = Arm = Röhre = Halter
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23 = Bautoile, die in optischen und optoelektronischen
Anlagen verwendet werden
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24 = Kollimatorlinse
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25 = optischer Isolator und Filter
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26 = Fokussierlinse
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27 = Ringmuffe (Ringbefestigung)
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28 = Glasfaserleiter
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29 = Lichtquelle, z.B. Halbleiterlaser in der festen
Referenzeinheit
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30 = Einstellmechanismus
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31 = Einstellschraube, z.B. Differenzeinstellschraube
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32 = Mutternstück
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33 = Außengewinde von 32
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34 = Innengewinde von 32
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35 = Schraubenstück
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36 = Außengewinde von 35
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37 = Innengewinde von 35
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38 = Außengewinde von 47
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39 = Endabschnitt
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40 = Öffnung
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42 = Basisbefestigung
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43 = Mutternstück
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44 = piezoelektrisches Element
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45 = viertes Basiselement, z.B. äußeres Gehäuse der
erweiterten Positioniervorrichtung, enthalten in
der festen Referenzeinheit
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46 = elastische Elemente
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47 = Schraubbolzen
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z = Hauptachse