| JP3034206 | FEEDER FOR HOLDER AND CIGARETTE FOR AUTOMATIC SMOKING MACHINE |
| JP62114841 | FINE MOVEMENT LOCK MECHANISM |
| JP61178143 | MICRO DRIVE DEVICE |
Günther, Georg (Gartensiedlung 11, Grossschwabhausen, 99441, DE)
Bartzke, Karlheinz (Schulstrasse 16, Jena, 07749, DE)
Günther, Georg (Gartensiedlung 11, Grossschwabhausen, 99441, DE)
| 1. | Festkörpergelenkführung, die ein Festkörperfederelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperfederelement aus vier Federelementen (1) besteht, die als Viereck angeordnet sind, jeweils zwei Federelemente (1) an ihrer Verbindungsstelle einen Federknoten (3) bilden, der eine Schwächung des Materialquerschnitts aufweist, wobei sich an mindestens zwei benachbarten Federknoten (3) eines Federgelenkes Federelemente eines weiteren Festkörperfedergelenkes anschließen sowie mehrere dieser Festkörperfederelemente in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung angeordnet sind und die freien Enden der parallel geschalteten Festkörperfederelemente durch jeweils ein elastisches Koppelglied (4,4') verbunden sind. |
| 2. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Viereck die Federelemente (1) an zwei gegenüberliegende Seiten parallel zueinander sind. |
| 3. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Viereck die vier Federelemente (1) eine gleiche Länge aufweisen. |
| 4. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied (4) einen stabilen Rahmen aufweist, an dem Festkörperfedern ausgebildet sind, die mit den freien Enden der parallel geschalteten Festkörperfederelemente in Verbindung stehen. |
| 5. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einem einzigen Festkörperfederelement besteht und an zwei diagonal gegenüberliegende Federknoten (3) die Koppelglieder (4,4') angeordnet sind. |
| 6. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese als einlagige strukturierte Platte ausgebildet ist, die planar belassen oder die nach der Strukturierung zylindrisch oder spiralförmige geformt ist. |
| 7. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese als zweilagige Platte ausgebildet ist, die planar belassen oder die nach der Strukturierung zylindrisch oder spiralförmige geformt ist, wobei zwischen den zwei strukturierten Platten eine stabilisierende Zwischenschicht eingebracht ist. |
| 8. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Form ein rundes oder ovales Rohr oder diese vieleckig prismatisch ist oder diese zylindrischen Formen halbiert oder diese längsseitig ausgeschnitten sind. |
| 9. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei geformte Platten an jeweils einem ihrer Enden durch ein formstabiles Koppelglied (4) so miteinander verbunden sind, daß eine geschichtete Anordnung oder eine teleskopartig geschachtelte Anordnung entsteht. |
| 10. | Festkörpergelenkführung, die ein Festkörperfederelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperfederelement einen U förmigen Rahmen (5) hat, wobei an den Innenseiten der gegenüber liegenden USchenkel (6) jeweils mindestens zwei Federelemente (1) an ersten Enden gehalten werden und die zweiten Enden der mindestens vier Federelemente (1) jeweils mit einem Bewegungsteil (7) verbunden sind, wobei die Halterungsstellen der Federelemente (1) Gelenke (8) aufweisen. |
| 11. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente unter einem positiven Winkel a, der größer als 90° und kleiner als 120° bezogen auf die USchenkel (6) ausgeschnitten sind und somit die mindestens vier Federelemente (1) im kraftlosen Zustand mit ihren zweiten Enden vorzugsweise in eine gleiche Richtung zeigen. |
| 12. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Festkörperfederelemente, durch Verbindung des Bewegungsteils (7) eines Festkörperfederelementes mit dem Uförmigen Rahmen (5) eines anderen Festkörperfederelementes in Reihenschaltung und/oder durch Verbindung mehrerer Bewegungsteile (7) untereinander sowie mehrerer Uförmiger Rahmen (5) untereinander in Parallelschaltung angeordnet sind. |
| 13. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese als einlagige strukturierte Platte ausgebildet ist, die planar belassen oder die nach der Strukturierung zylindrisch oder spiralförmig geformt ist. |
| 14. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese als zweilagige Platte ausgebildet ist, die planar belassen oder nach der Strukturierung zylindrisch oder spiralförmig geformt ist, wobei zwischen den zwei strukturierten Platten eine stabilisierende Zwischenschicht eingebracht ist. |
| 15. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen von Verstärkungsringen (10, 11, 12) vorgesehen sind, wobei jede Gruppe einen geschlitzten Außenfederring (10), einen ungeschlitzten Mittenfederring (11) und einen geschlitzten Innenfederring (12) aufweist und die Gruppe in Bereichen der Platten angeordnet sind, in denen keine Federelemente (1) ausgebildet sind. |
| 16. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Form ein rundes oder ovales Rohr oder diese vieleckig prismatisch ist oder diese zylindrischen Formen halbiert oder diese längsseitig ausgeschnitten sind. |
| 17. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei geformte Platten an jeweils einem ihrer Enden durch ein formstabiles Koppelglied (4) so miteinander verbunden sind, daß eine geschichtete Anordnung oder eine teleskopartig geschachtelte Anordnung entsteht. |
| 18. | Festkörpergelenkführung, die ein Festkörperfederelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperfederelement mindestens zwei Federelemente (1) und zwei formstabile Stege (2) hat, mit denen ein dünnwandiges Rohr oder eine dünne Platte so strukturiert ist, daß nebeneinanderliegende Festkörperfedergelenke an Ihren Stegen verbunden in Reihe und/oder parallel geschalten sind. |
| 19. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (2) eine LForm aufweisen und jeder der längeren Schenkeln der L Form mit zwei Federelementen (1) verbunden ist. |
| 20. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese als einlagige strukturierte Platte ausgebildet ist, die planar belassen oder nach der Strukturierung zylindrisch oder spiralförmig geformt ist. |
| 21. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese als zweilagige Platte ausgebildet ist, die planar belassen oder die nach der Strukturierung zylindrisch oder spiralförmig geformt ist, wobei zwischen den zwei strukturierten Platten eine stabilisierende Zwischenschicht eingebracht ist. |
| 22. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen von Verstärkungsringen (10,11, 12) vorgesehen sind, wobei jede Gruppe einen geschlitzten Außenfederring (10), einen ungeschlitzten Mittenfederring (11) und einen geschlitzten Innenfederring (12) aufweist und die Gruppe in Bereichen der Platten angeordnet sind, in denen keine Federelemente ausgebildet sind. |
| 23. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Form ein rundes oder ovales Rohr oder diese vieleckig prismatisch ist oder diese zylindrischen Formen halbiert oder diese längsseitig ausgeschnitten sind. |
| 24. | Festkörpergelenkführung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei geformte Platten an jeweils einem ihrer Enden durch ein formstabiles Koppelglied (4) so miteinander verbunden sind, daß eine geschichtete Anordnung oder eine teleskopartig geschachtelte Anordnung entsteht. |
| 25. | Festkörpergelenkführung, die ein Festkörperfederelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden eines steifen Rohrs (13) jeweils eine innere Feder einer kardanischen Ringfeder (14) befestigt ist. |
| 26. | Festkörpergelenkführung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Festkörperfedergelenkführungen parallel nebeneinander angeordnet sind, jeweils ein Ende jeder Festkörperfedergelenkführung mit einem ersten Verbinder (9) verbunden ist und die anderen Enden der Festkörperfedergelenkführungen mit einem zweiten Verbinder (9') verbunden sind, wobei zwischen den Verbindern (9, 9') eine Differenzgewindespindel (15) angeordnet ist, die vorzugsweise von einem Motor (16) angetrieben wird. |
| 27. | Festkörpergelenkführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine Festkörperfedergelenkführung angeordnet ist, ein Ende jeder Festkörperfedergelenkführung mit einem Verbinder (9) verbunden ist und das anderen Ende der Festkörperfedergelenkführung mit dem Verbinder (9') verbunden ist, wobei zwischen den Verbindern (9,9') zwei Differenzgewindespindeln (15,15') als Paar angeordnet sind, die vorzugsweise von jeweils einem Motor (16, 16') angetrieben werden. |
| 28. | Festkörpergelenkführung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Festkörperfedergelenkführungen an jeweils einem Ende mit dem Koppelglied (4) im rechten Winkel zueinanderstehend angeordnet sind, eine Festkörperfedergelenkführung an ihrem andern Ende ein feststehendes Koppelglied (4') hat und die andere Festkörperfedergelenkführung an ihrem anderen Ende einen xyTisch (17) hat. |
Die derzeitigen Führungskonzepte für die Gleitbewegung optischer Elemente bestehen in der Verwendung hoch präziser Stangen oder dünnwandiger Rohre. Beide Konzepte haben Nachteile, wie hohe Herstellkosten, Lagerspiel, Zwangskräfte und im Falle der Stangenführungen hoher Raumbedarf. Die Rohrführungen weisen einen geringen Raumbedarf auf, weil die Linse in ihrer Mitte aufgenommen werden kann.
Die Führung des optischen Gliedes erfolgt bei der Stangenführung durch 2 parallele Präzisionsstangen (Operations-und Stereomikroskope). Die Linse gleitet in einem Abstand zu den Führungen auf den Stangen. Es ist mit einer Lose in den Führungen von 20 um zu rechnen, die beim Zoom schon die gesamte zur Verfügung stehende Toleranz beansprucht. Eine statisch überbestimmte Lagerung der optischen Schiebeglieder durch je eine Lagerbuchse auf jeder Stange oder ihr gegenseitiges Verspannen durch Federn verursacht Zwangskräfte, deren Überwindung stärkere Motoren erfordert. Die Herstellkosten und der Raumbedarf der Führung sind erheblich.
Die Führung einer Rohrführung erfolgt durch 2 konzentrisch ineinander gleitende Rohre (Ferngläser, Spektive, Photoobjektive), in deren Mitte die Linse angeordnet ist. Es ist mit einer Lose zwischen den Rohren von 20 um zu rechnen, die beim Zoom die gesamte zur Verfügung stehende Toleranz beansprucht. Deformationen und Unrundheiten können Zwangskräfte verursachen. Der Raumbedarf ist gering, aber die Herstellkosten sind hoch.
Lineare Kugelführungen finden wegen ihres hohen Preises und der relativ großen Abmessungen keine Anwendungen beim Zoomen oder Fokussieren in optischen Geräten.
Eine Festkörpergelenkführung die ein Festkörperfederelement aufweist ist aus der DE 31 43 092 A1 bekannt. Die Wand eines Zylinders ist mit Ausnehmungen versehen, die zwischen sich parallele, mit der Querebene des Körpers zusammenfallende Blattfedern bilden. Der Zylinder ist so geschlitzt, daß zwei Teile entstehen, die über die Blattfedern beweglich miteinander verbunden sind.
Festkörperfedergelenke ermöglichen auf Grund kleiner Stellkräfte den Einsatz besonders kleiner Motoren, weisen eine hohe Reproduzierbarkeit der Führung von zehntel Mikrometern und Stellwege von 0, 5 mm auf.
Die Aufgabe besteht darin, die Festkörpergelenkführung so zu gestalten, daß sie große Stellwege, kleine Stellkräfte, eine ausreichende mechanische Stabilität quer zur Führungsrichtung aufweist und kostengünstig herstellbar ist.
Die Führung optischer Schiebeglieder soll signifikant verbessert werden.
Die Festkörpergelenkführungen sollen insbesondere für optische Elemente geschaffen werden, wie sie z. B. bei der Verstellung von Linsen für Zoom oder Fokussierung in Mikroskopen, Ferngläsern oder Fotoapparaten oder auch für x- y-Tischverstellungen eingesetzt werden. Die Zielvorstellungen sind Stellwege von 2 bis 50mm, Führungsgenauigkeiten von +1 lum, Stelikräfte <1 N und Herstellkosten von kleiner 10. Die Festkörpergelenke sollen frei von Zwangskräften und ohne Lagerspiel wirken.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Festkörpergelenkführungen gelöst, die in den Ansprüchen 1,10, 18 und 25 beschrieben sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine Lösungsidee besteht in der Verwendung eines dünnwandigen elastischen Rohres, daß mittig eine Linse oder andere optische Bauteile trägt.
Das Rohr ist der geometrische Körper mit der größten Biegesteifigkeit in allen Richtungen. Das Rohr ist in axialer Richtung durch in die Mantelfläche eingearbeitete Festkörperfedergelenke elastisch leicht dehn-und stauchbar aber in Querrichtung und in Torsionsrichtung steif. Lose und Zwangskräfte treten nicht auf, allerdings wechselseitige Federkräfte durch die Festkörpergelenke, die möglichst gering gehalten oder kompensiert werden.
Der Raumbedarf ist gering, weil die Linse in der Mitte angeordnet ist. Die Herstellkosten sollen niedrig sein. Der Nachteil der geringen Stellwege von Festkörpergelenken wird dadurch behoben, daß eine Vielzahl von Festkörpergelenken in Reihe angeordnet werden, deren Einzelstellwege sich summieren und daß mehrere Rohre ineinander geschachtelt angeordnet werden, mit denen kurze Baulänge erzielen werden. Die mechanische Instabilität durchbrochener dünnwandiger Rohre wird durch deren doppelwandige Gestaltung behoben werden. Außerdem sind für x-y- Tischführungen die Festkörpergelenke zweilagig planar angeordnet.
Die Stegbreite der Festkörpergelenke soll möglichst klein sein, um kleine Gelenkgrößen, große Stellwege und kleine Stellkräfte erzielen zu können.
Praktische Werte für eine Festkörpergelenkführung, bei welcher Parallelfedergelenke verwendet werden, ergeben folgende konstruktive Richtwerte für Parallelfederelemente, die eine Festkörpergelenkführung bilden : Material Federstahlblech Materialdicke dMF=0, 1 mm Stegbreite SF =50um Stellweg AIF =0, 5mm Gelenkgröße hF =10mm Stellkraft FF =+0, 05N Nachgiebigkeit NF =10mm/N Reproduzierbarkeit 1um
Stegbereiten von 501um liegen an der Grenze des technologisch Machbaren beim Laserschneiden, Ätzen, Erodieren oder Stanzen. Sie erfordern kleine Materialdicken von 0, 1 mm. Stegbreiten von 50, um oder auch bedeutend weniger bereiten jedoch keine Probleme bei Verfahren der Photolithographie oder der LIGA-Technik.
Dünnwandige Rohre sind ähnlich einer leeren Getränkebüchse mechanisch nicht sehr stabil, zumal die Rohrwand durch die Federgelenke noch filigran durchbrochen ist. Sie können einbeulen und ausknicken. Stabilität wird aber dadurch erzielt, daß das Rohr vorzugsweise doppelwandig gestaltet wird. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, daß nicht das dünnwandige Rohr selbst strukturiert wird, sondern seine abgewickelte und ebene Mantelfläche.
Dies bietet den Vorteil der produktiven Strukturierung im Paket, z. B. durch Erodieren oder Stanzen. Die strukturierten Mantelflächen werden nach dem Strukturieren über Ringe zu einem doppelwandigen Rohr aufgewickelt. (Figur 18 und Figur 19). Diese Ringe, die im Abstand der Festkörpergelenke an diskreten Stellen angeordnet werden, bewirken die mechanische Stabilisierung des doppelwandigen Rohres.
Eine zusätzliche Stabilität wird dadurch erzielt, daß der Zwischenraum des doppelwandigen Rohres in einem Tauchprozeß z. B. mit Kleber, Kunststoff oder Photolack ausgefüllt wird. Photolack bietet den Vorteil, daß durch einen in der Photolithographie üblichen Belichtungsprozeß überstehender und die Elastizität der Gelenke störender Lack wieder abgetragen werden kann. Eine weiter Möglichkeit besteht in der Verwendung von PMMA als Zwischenschicht, daß durch weiche Röntgenstrahlung und Ethylenentwickler photolithographisch strukturierbar ist (LIGA-Technik).
Die Erfindungen werden nachfolgend an Hand von mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 : Parallefederelement einer Festkörpergelenkführung Fig. 2 : Festkörpergelenkführung aus 5 Parallefederelementen in einer Reihe Fig. 3 : Festkörpergelenkführung aus 15 Parallelfederelementen in 3 parallelen Reihen Fig. 4 : rohrförmige Festkörpergelenkführung aus 5 Parallelfedergelenken in einer Reihe und 10 parallelen Reihen Fig. 5 : teleskopartig geschachtelte Festkörpergelenkführung aus 5 Rohren mit je 5 Parallelfederelementen pro Reihe und 10 parallelen Reihen pro Rohr Fig. 6 : Festkörpergelenkführung gemäß Figur 5 im Schnitt Fig. 7 : spiegelbildliche spiralförmige Festkörpergelenkführung mit je 5 Windungen Fig. 8 : Rhombenfederelement für eine Festkörpergelenkführung Fig. 9 : Festkörpergelenkführung aus 3 Rohmbenfederelementen in einer Reihe und 3 parallelen Reihen Fig. 10 : Federknoten aus 4 Federstegen
Fig. 11 : rohrförmige Festkörpergelenkführung aus 5 Rhombenfederelementen in einer Reihe und 12 parallelen Reihen Fig. 12 : teleskopartig aus 3 Rohren geschachtelte Festkörpergelenkführung im gedehnten Zustand, bestehend aus Rhombenfederelementen Fig. 13 : kraftinvariantes Federelement Fig. 14 : Federkennlinien des kraftinvarianten Federelementes Fig. 15 : Festkörpergelenkführung aus 5 kraftinvarianten Federelementen in einer Reihe Fig. 16 : Festkörpergelenkführung aus 10 kraftinvarianten Federelementen in einer Reihe und 14 parallelen Reihen Fig. 17 : Festkörpergelenkführung mit kardanischer Ringfeder Fig. 18 : Mantelfläche einer rohrförmigen Festkörpergelenkführung (um 90° gedreht gezeichnet) Fig. 19 : Federringe zur Versteifung einer rohrförmigen doppelwandigen Festkörpergelenkführung Fig. 20 : doppelwandige, achtseitige, prismatische Rohrführung aus kraftinvarianten Federelementen Fig. 21 : x-y-Tisch mit planaren, doppellagigen, zweireihigen Festkörpergelenkführungen aus kraftinvarianten Federelementen Fig. 22 : Fokussier-oder Zoomantrieb mit Schrittmotor, Differenzgewindespindeln und rohrförmigen Festkörpergelenkführungen Fig. 23 : Symmetrischer Antrieb für ein teleskopartig geschachteltes elastisches einachsiges Rohrsystem Fig. 24 : Zoomantrieb mit elastischen Halbrohrführungen Fig. 25 : Zoomantrieb mit elastischen Halbrohrführungen im Schnitt Fig. 26 : Zoomantrieb mit elastischen Vollrohrführungen mit teilweise ausgeschnittenen Rohrwandungen Die Figuren 1 bis 3 zeigen, wie durch eine Reihenschaltung von Parallelfederelementen bei unveränderten Stellkräften große Stellwege von zum Beispiel 2,5 mm erzielt werden. Parallelfederelemente bestehen aus zwei L-förmigen Stegen 2, die mittels zwei Federelementen 1 und vier Gelenken 8 miteinander verbunden sind. Ein beweglicher Steg ist bogenförmig in x- Richtung verschiebbar. Durch Reihenschaltung mehrere Federelemente entsteht eine Festkörpergelenkführung (Figur 2). Damit die Gesamtlänge derartiger Führung begrenzt bleibt, können mehrere Festkörpergelenkführung durch Koppelglieder 4 verbunden und parallel gestapelt (Figur 3) oder als Rohre ineinander geschachtelt angeordnet werden (Figur 5).
In Figur 4 und Figur 5 sind Rohrführungen dargestellt, deren Basiselement ein Parallelfederelement ist. Die Parallelfederelemente werden in Reihenschaltung und in Parallelschaltung miteinander verbunden. Die freien Enden der parallelgeschalteten Parallelfederelemente sind durch Koppelglieder 4 miteinander verbunden. Durch Ineinanderschachteln mehrerer Rohre werden
große Wege bei beschränkter Gesamtlänge der Führung erzielt werden, z. B.
25mm Weg bei 50mm Länge der Führung.
Figur 6 zeigt die Rohrführung gemäß Figur 5 im Schnitt. Dargestellt sind dünnwandige ineinandergeschachtelte strukturierte Rohre, die durch Koppelglieder 4 miteinander verbunden sind.
In Figur 7a ist eine Anordnung für Zoom oder Fokussierung dargestellt, bei der das Blech mit den Parallelfederelementen nicht zu einem Rohr sondern zu einer Spirale gewickelt ist. Zur Kompensation von Torsionsmomenten sind die beiden Spiralführungen spiegelbildlich gewickelt. Um Zwangskräfte zu vermeiden, sind in den Randzonen der Spirale zusätzliche Gelenke 8 vorhanden. Eine ausreichende Stabilität der Führung entsteht durch Doppelwandigkeit der Rohre und durch Verbinder 9,9'zwischen den beiden Spiralführungen. Figur 7b zeigt einen Schnitt durch die Spiralführung gemäß Figur 7a.
Figur 8 zeigt ein Rhombenfederelement in drei verschiedenen Zuständen : kraftfrei, gestaucht und gestreckt. Die Federknoten 3 (in Figur 10 a im Detail zu sehen) sind durch kleine Kreise dargestellt. Länge und Breite des Rhombus ändern sich gegensätzlich beim Dehnen oder Stauchen. Die äußeren Anschlußpunkte einer gitterförmigen Anordnung von Rhombenfederelementen (Figur 9) sind durch Koppelelemente 4 elastisch miteinander verbunden. Diese müssen Bewegungen in zwei Richtungen zulassen, da sonst eine feste Einspannung des Gitters zu einem starren Gebilde führen würde.
Figur 10 a zeigt einen Federknoten 3, der vier Federelemente 1 vereinigt, im Detail. Die Federelemente 1 weisen an den Verbindungsstellen Verjüngungen auf, die Gelenke 8 bilden.
Figur 10 b zeigt einen Federknoten 3, der zwei Federelemente 1 vereinigt und der eine Verbindung zu dem Koppelglied 4 hat. Diese Verbindung ist als Federgelenk ausgelegt.
Figur 11 zeigt eine elastische Rohrführung aus Rhombenfederelementen.
Der Anschluß der Rhombenfederelemente an die Randzonen der Rohrführung erfolgt durch Federzungen, die sich beim Stauchen des Rohres nach außen und beim Dehnen nach innen wölben. Diese Rohrführung ändert also beim Verstellen ihren Durchmesser. Deshalb ist deren Doppelwandigkeit nicht durch am Umfang des Rohres angeordnete Stabilisierungsringe, wie in der Figur 19 zu sehen, herstellbar. Die Verbindung zwischen den Wänden eines doppelwandigen Rohres kann durch einen Tauchprozeß in flüssigem Kunststoff, Kleber oder Fotolack oder durch PMMA erfolgen. Eine solche Kunststoffverbindung darf die Funktionsfähigkeit der Gelenke nicht behindern.
Eine Behinderung der Bewegung tritt bei einer Kunststoffverbindung zwischen den Rohrwänden im geringen Maße dadurch auf, daß die Durchmesseränderung der äußeren Rohrwand nicht genau identisch mit der Durchmesseränderung der inneren Rohrwand ist, weil die Durchmesseränderung der beiden Rohrwände nicht gleich, sondern proportional zum Durchmesser ist. Bei den anderen Rohrtypen treten beim Dehnen oder Stauchen keine Durchmesseränderungen auf.
Figur 12 zeigt eine geschachtelte Anordnung mehrerer elastischer Rohre gemäß Figur 11. Sie ermöglicht bei großen Stellwegen eine begrenzte
Baulänge. Der Durchmesser der Rohre vergrößert und verringert sich abwechselnd bei ihrem Dehnen oder Stauchen.
Eine weitere Variante stellt ein Doppelparallelfedergelenk dar, daß insbesondere vorteilhaft als kraftinvariante Federelement nach Figur 13 ausgebildet ist. Das kraftinvariante Federelement ermöglicht eine Festkörpergelenkführung mit konstanter und stets aus einer Richtung wirkender Federkraft. Ähnlich wirkt eine Führung mit Gewichtszug. Hierdurch werden Stellfehler vermieden, die entstehen, wenn Federkräfte sich ändern oder ihre Richtung wechseln, wie es beim Parallelfederelement gemäß Figur 1, bei einem Rhombenfederelement gemäß Figur 8 oder bei einer kardanischen Ringfeder gemäß Figur 17 der Fall ist.
Die Kraftinvarianz wird dadurch erzielt, daß die lineare Federkennlinie des Federgelenkes, die einen positiven Anstieg aufweist, mit der nichtlinearen Federkennlinie eines Doppelparallelfedergelenkes, dessen Kennlinie in einem Teilbereich einen negativen Anstieg aufweist, überlagert wird.
Negativer Anstieg der Federkennlinie heißt, daß beim Auseinanderziehen einer Zugfeder oder beim Zusammendrücken einer Druckfeder die Federkräfte nicht zu-sondern abnehmen (Froscheffekt).
Entscheidend für diese Wirkung ist der Winkel ao, unter dem die Federelemente 1 geschnitten werden (Figur 13 links). Die Federgelenke müssen sich mit ihrem Bewegungsteil 7 beim Verschieben in Kraftrichtung durch die Schenkel 6 des U-förmigen Rahmen 5 hindurchzwängen. Hierbei wirkt zuerst eine Druckkraft. In der Mittelstellung der Parallelfedergelenke besteht ein indifferentes Gleichgewicht. Die Stellkraft ist Null (Figur 13 Mitte). Beim weiteren Verschieben entsteht eine zunehmende Schubkraft auf das Mittelstück, bis es am U-förmigen Rahmen anschlägt (Figur 13 rechts).
Anhand der Kennlinien in Figur 14 soll die Wirkung des kraftinvarianten Federelementes erläutert werden. Die Federgelenke 1 für sich weisen eine Federkennlinie mit positiver Steigung auf (Figur 14 links). Die nur durch die Zwangskräfte verursachte nichtlineare Kennlinie (Figur 14 Mitte) beginnt in der Gelenkstellung ¢=00 bei Null, erreicht dann eine maximale Druckkraft, wird in der Umkehrlage ¢=0 zu Null, erreicht dann eine maximale Schubkraft und würde in der Stellung 0=- (po wieder zu Null werden. Vorher wirkt aber der Grund des u-förmigen Rahmens 5 als Anschlag für das Bewegungsteil 7. Im Arbeitsbereich weist diese Kennlinie eine negative Steigung auf.
Die Gesamtkennlinie des Federsystems entsteht durch Überlagerung der Kennlinie der Federgelenke mit der Kennlinie der Zwangskräfte (Figur 14 rechts). Im Arbeitsbereich des Federelementes wirkt hierdurch eine annähernd konstante Stellkraft F.
Durch FEM-Rechnungen sind die Stegbreiten s der Federgelenke und deren Schneidwinkel ao so zu dimensionieren, daß die Anstiege der Kennlinien von Federgelenk und Zwangsverstellung (Figur 14 links und Mitte) gleichen Betrag aber unterschiedliches Vorzeichen haben, zum Beispiel die konstante Stellkraft F=50mN beträgt und ein Arbeitsbereich von 1 mm entsteht.
Figur 15 zeiget eine Reihenschaltung von Parallelferderelementen.
Figur 16 zeigt eine rohrförmige Anordnung kraftinvarianter Federelemente, bei der Parallelfederelemente in Reihe und parallel geschalten sind. Die freien Rahmen 5 sowie die freien Bewegungsteile 7 der parallel geschalteten Federelemente sind jeweils durch Koppelglieder 4 miteinander verbunden.
Figur 17 zeigt eine Festkörpergelenkführung aus 2 kardanischen Ringfedern. Vorteil ist deren relativ großer Stellweg in positiver und negativer Richtung, die einfache Herstellung und Montage, nachteilig aber deren großer Flächenbedarf. Eine Reihenschaltung kardanischer Ringfedern ist zwar möglich, allerdings geht dann, wie bei einem Wellrohr, die Biegestabilität verloren und die Auslenkung kann nicht mehr über die Umkehrlage hinaus in negativer Richtung erfolgen.
Dünnwandige Rohre lassen sich wegen ihrer geringen mechanischen Stabilität nur mit erhöhtem Aufwand strukturieren. Gemäß Figur 18 wird deshalb vorgesehen, daß die aufgerollte ebene Mantelfläche des Rohres strukturiert und anschließend zum Rohr gebogen wird. Es entsteht kein mechanischer Nachteil dadurch, daß das Rohr aus ebenen Mantelflächen gebogen wird, weil das Rohr aus Streben besteht und die Rohrenden durch die Koppelglieder 4 fest eingespannt werden. Eine weitere Stabilisierung wird durch Ringe erreicht, die mit der Mantelfläche des Rohres verbunden werden.
Die aufgerollte Mantelfläche des Rohres wird durch Laserschneiden, Ätzen, Erodieren oder Stanzen strukturiert. Die Strukturen, die zu doppelwandigen Rohren verarbeitet werden, müssen auf der inneren Mantelfläche wegen dessen kleineren Durchmessers etwas kleinere Abmessungen in Umfangsrichtung aufweisen als die Strukturen auf der äußeren Mantelfläche.
Das Präzisionsstanzen der Mantelflächen mit den Festkörpergelenken ist ein besonders produktives Verfahren. Es erfordert die Bereitstellung von Stanzformen. Kleine Stegbreiten können durch einen elektrolytischen Ätzprozeß gewonnen werden, der sich dem Stanzen anschließt und die Stegbereiten, die nach dem Stanzen z. B. 100um betragen, auf 50um verringert.
Solche Ätzprozesse werden auch beim elektrolytischen Entgraten angewendet.
Eine Montage der Mantelflächen zu einem doppelwandigen Rohr erfolgt dadurch, daß die Innenmantelfläche des Rohres in eine entsprechende Anzahl von Mittenringen 11 eingelegt und durch Innenfederringe 12 gesichert wird.
Über die Mittenringe 11 wird die Außenmantelfläche des Rohres gelegt und durch die Außenfederringe 10 gesichert (Figur 19). Alle Ringe 10, 11, 12 befinden sich an den Stellen der Mantelflächen, an denen keine Federelemente 1 vorhanden sind. Sie stabilisieren das Rohr und stören hier deren Beweglichkeit nicht. Zusätzlich Stabilität kann durch ein Tauchverfahren oder durch PMMA erzielt werden, durch das alle Räume zwischen den Rohrwänden mit Kunststoff ausgefüllt werden.
Dieses Herstellungs-und Montageverfahren ist auf elastische Rohre mit Parallel-und kraftinvarianten Federelementen aber nicht auf Rohre mit Rhombenfederelementen, bei denen beim Dehnen oder Stauchen der
Rohrdurchmesser sich ändert, anwendbar. Bei den letzteren kann die Montage zu Rohren durch ein Tauchverfahren in Kunststoff oder durch PMMA erfolgen, durch das die äußeren und inneren Federgelenke fest verbunden werden.
Eine weitere Montage des doppelwandigen Rohres erfolgt dadurch, daß auf einem rohförmigen PMMA-Träger innen und außen die dünnen strukturierten Stahiflächen, die gleichzeitig als Lithographiemaske für weiche Röntgenstrahlung dienen, aufgeklebt werden. Die bestrahlten PMMA-Teile werden anschließend in einem Ethylenentwickler aufgelöst, während die nicht bestrahlten PMMA-Teile als mechanischer Stabilisator zwischen innerem und äußerem Stahlmantel stehen bleiben (LIGA-Technik).
Es ist aber auch möglich, mit Methoden der herkömmlichen Fertigungstechnologie die für die Verbindung der Rohrwände erforderlichen Kunststoffelemente in hoher Stückzahl rationell anzufertigen und durch spezielle Montage-und Klebeverfahren das doppelwandige Rohr zu montieren.
Die Herstellung der Mantelflächen des Rohres kann auch durch mikromechanische Verfahren, wie photolithographisches Ätzen von dünnen Siliziumwafern oder dünnen photosensiblen Gläsern oder durch die LIGA- Technik erfolgen. Diese Verfahren bieten die Möglichkeit, besonders kleine Stegbreiten von z. B. 10 um erzielen zu können. Silizium bietet außerdem den Vorteil einer um ein Vielfaches höheren Belastbarkeit der Federgelenke gegenüber Stahl. Als Materialien kommen auch Keramiken und Kunststoffe in Frage. Bei Kunststoffen kann eventuell auf die Doppelwandigkeit des Rohres verzichtet werden, weil bestimmte Kunststoff in einem weiten Bereich elastisch verformbar sind und nur geringe Kräfte beim Biegen, Dehnen und Stauchen des Rohres auftreten.
In Figur 20 ist eine Anordnung kraftinvarianter Federelemente in einem doppelwandigen prismatischen Rohr dargestellt. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß auf die Federelemente keine Quertorsionen wirken, weil die inneren und äußeren Federelemente eben und gleich groß sind.
Die Montage prismatischer Rohrführungen ist einfacher zu gestalten, weil in einem ersten Schritt ebene doppelwandige Wandelementen montiert werden können, die dann zum prismatischen Rohr zusammengesetzt werden.
Bei doppelwandigen prismatischen Rohren weisen die inneren und äußeren Festkörpergelenke gleiche Abmessungen auf.
Figur 21 zeigt einen x-y-Tisch mit planaren, doppellagige Festkörpergelenkführungen, die raumsparend auch unterm Tisch angeordnet werden können. Senkrecht zur Zeichenebene ist die Steifigkeit dieser Führungen geringer als die eines Rohres. Der am rechtsseitigen Ende der Führung befestigte Tisch sollte deshalb abgestützt werden, z. B. auch durch Festkörpergelenkführungen.
Bei doppellagigen planaren Festkörpergelenkführungen weisen die inneren und äußeren Festkörpergelenke gleiche Abmessungen auf.
Figur 22 zeigt einen Zoom-oder Fokussierantrieb, der aus 2 miteinander mechanisch gekoppelten Rohrsystemen und einem hochauflösenden Differenzspindelantrieb 15 mit Schrittmotor 16 besteht.
Die Vorteile der Festkörpergelenkführung bestehen darin, daß die Umkehrlose etwa 1 um beträgt, bei Stangen-oder Rohrführungen 20 um.
Das Abbesche Komperatorprinzip wird eingehalten. Der Raumbedarf ist vergleichsweise sehr gering.
Die Stellkraft liegt bei der Festkörpergelenkführung in der Größenordnung von kleiner 0, 5N, im Vergleich zu Stangen oder Rohrführungen bei 1 N.
Die Herstellkosten sind etwa 5-fach geringer.
Figur 23 zeigt ein symmetrisches Antriebssystem zur Vermeidung von Biegemomenten und Zwangskräften auf die Federgelenkführung, die im Beispiel ein teleskopartig geschachteltes elastisches Rohrsystem 18 ist. Der doppelte Motorantrieb 16,16'ist für ein einachsiges Rohrsystem dargestellt, der zwei Motoren 16,16'und zwei Differenzgewindespindelpaare 15 und 15' aufweist. Zur Vermeidung von Torsionsmomenten auf das elastische Rohrsystem hat eine der Differenzgewindespindeln Rechtsgewinde und die andere hat Linksgewinde. Die Krafteinkopplung zum elastischen Rohr erfolgt über zusätzliche Gelenke 8, die zwischen dem Verbinder 9 und dem Rohr angeordnet sind. Diese vermeiden Biegemomente auf das Rohr 18.
Figur 24 zeigt eine Schachtelung von Halbrohrsystemen, das biokular ausgebildet ist. Die Rohre einer Festkörpergelenkführung sind hier als Halbrohre ausgeführt, wobei jeweils eine Halbrohrführung eine Linse 19 verstellt. Die Linsen liegen beide innerhalb der Baulänge der Führungen. Figur 25 zeigt das biokulare Optiksystem gemäß Figur 24 im Schnitt. Auch hier sorgen Differenzgewindespindelpaare 15 und 15'mit Motorantrieben 16 und 16 für die gleichmäßige Verstellung jeder der Halbrohrführungen in beiden optischen Strahlengängen auf Bahnkurven.
Figur 26 zeigt eine weitere Ausführungsform, die es ermöglicht, Optik innerhalb der Baulänge der Festkörpergelenkführungen zu positionieren. In diesem Beispiel sind zwei unabhängige Festkörpergelenkführungen koaxial ineinander geschachtelt. Die jeweils außen liegenden Festkörpergelenkführungen weisen Ausschnitte auf, deren Länge entsprechend des gewünschten Verstellweges bemessen wird. Verbinder 9 verbinden die zugehörigen optischen Systeme einer biokularen Anordnung.
Die Anordnungen gemäß der Figuren 7,22, 24 und 25 sowie 26 sind auch in der Ausführung mit einem einzigen optischen Strahlengang ausführbar. Dann erhält die Differenzgewindespindel eine entsprechend stabile Lagerung, die Verkippungen vermeidet. Alternativ kann die Verstellung durch die zweifache Differenzgewindespindelanordnung entsprechend Figur 23 erfolgen.
Bezugszeichenliste 1 Federelement 2 Steg 3 Federknoten 4 Koppelglied 5 Rahmen 6 Schenkel 7 Bewegungsteil 8 Gelenk 9 Verbinder 10 Außenfederring 11 Mittenfederring 12 I nnenfederring 13 Rohr 14 Ringfeder 15 Differenzgewindespindel 16 Motor 17 x-y-Tisch 18 teleskopartig geschachteltes Rohr 19 Linse 20 Rohrausschnitte A (p Winkel der Federauslenkung a Schnittwinkel der Federelemente F Kraft zur Auslenkung FB Biegkraft Fz Zwangskraft s Stegbreite des Gelenkes Länge im Ruhezustand Al Auslenkung Ay Versatz h Länge des Federelementes d Dicke der Federmaterials c Federkonstante x x-Richtung y y-Richtung
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