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Dokumentenidentifikation DE68901834T2 17.12.1992
EP-Veröffentlichungsnummer 0357748
Titel GERAT UND VERFAHREN ZUR SPANNUNGSFREIEN LAGERUNG OPTISCHER BAUTEILE.
Anmelder Hughes Aircraft Co., Los Angeles, Calif., US
Erfinder AHMED, Nazeer, Palos Verdes Estates, CA 90274, US;
TOMLINSON, R., Roger, La Palma, CA 90623, US
Vertreter Kuhnen, R., Dipl.-Ing.; Wacker, P., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing.; Fürniß, P., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Brandl, F., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte; Hübner, H., Dipl.-Ing., Rechtsanw.; Röß, W., Dipl.-Ing.Univ.; Kaiser, J., Dipl.-Chem.Univ.Dr.rer.nat.; Winter, K., Dipl.-Ing.; Roth, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8050 Freising
DE-Aktenzeichen 68901834
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 06.02.1989
EP-Aktenzeichen 899033799
WO-Anmeldetag 06.02.1989
PCT-Aktenzeichen US8900423
WO-Veröffentlichungsnummer 8908859
WO-Veröffentlichungsdatum 21.09.1989
EP-Offenlegungsdatum 14.03.1990
EP date of grant 17.06.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.12.1992
IPC-Hauptklasse G02B 7/00
IPC-Nebenklasse G02B 7/18   F16C 29/00   B23Q 3/18   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die spannungsfreie Lagerung eines Bauteiles auf einer Basis. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das spannungsfreie Lagern von optischen Bauteilen, beispielsweise Spiegeln in optischen Systemen und Lasersystemen, welche Temperaturänderungen unterworfen sind.

Das Lagern optischer Bauteile auf eine Weise, welche Verzerrung oder tatsächliche Beschädigung des Bauteiles aufgrund von thermisch eingebrachten Belastungen vermeidet, war für viele Jahre ein schwieriges Problem. Beispielsweise Spiegel werden für gewöhnlich aus Materialien gefertigt, welche einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben und oft notwendigerweise auf Plattformen oder Bühnen gelagert werden müssen, welche aus Metallen sind, die typischerweise einen hohen Ausdehnungskoeffizienten haben.

Wenn der Spiegel starr an der Plattform gelagert werden würde, würde eine temperaturabhängige Ausdehnung oder Zusammenziehung von Spiegel und Plattform Strukturkräfte und Drehmomente in dem Spiegel aufbauen, welche diesen deformieren oder sogar bleibend beschädigen können. Die Notwendigkeit, eine präzise Kontrolle über die Oberflächenformgebung eines Spiegels zu haben, der als Teil eines optischen Systemes verwendet wird, schließt die Akzeptanz von selbst relativ kleinen Deformationen aus und die Ausgaben zur Herstellung eines großen Spiegels machen die Aussicht auf seine Beschädigung sehr unerwünscht. Ähnliche Überlegungen treffen auf andere Arten von optischen Anwendungsfällen zu, so beispielsweise wo der Zielpunkt eines Lasers kritisch gesteuert werden muß.

Zur Zeit gibt es zwei für gewöhnlich verwendete Verfahren zur Lagerung eines Spiegels, um die Effekte mechanischer Belastungen zu vermeiden, die aus solchen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehen. Eine ist die Kugel-und- Sockel-Anordnung gemäß Fig. 1a der beigefügten Zeichnung. Die Kugel ist frei für ein Bewegung in einer zylindrischen Bohrung, welche die Bewegung auf die Achse des Zylinders beschränkt. Ein zweiter Lagerpunkt ist eine steife Befestigung, welche fest verbleibt und die Anordnung an dem dritten Unterstützungspunkt erlaubt eine ebene Bewegung mit zwei translatorischen Freiheitsgraden. Dieses Verfahren leidet unter dem Nachteil, daß die Kugel und der Sockel vorbelastet werden müssen, um die Steifigkeit der Lagerung aufrechtzuerhalten. Eine derartige Vorbelastung erhöht die Reibung zwischen der Kugel und dem Sockel und der Spiegel wird beachtlichen Verzerrungen aufgrund von Restreibung und Momenten unterworfen.

Ein zweites konventionelles Verfahren zur Lagerung eines Spiegels ist in Fig. 1b der beigefügten Zeichnung dargestellt. Drei Lagerpunkte auf einer metallischen Basis (Punkte A, B und C) sind mit drei Lagerpunkten (E, F und G) des Spiegels mittels Stäben verbunden, welche im wesentlichen identische thermische Ausdehnungscharakteristiken haben. Ein gleichmäßiges Erhitzen oder Auskühlen des Spiegels und der Basis führt zu gleichen Beträgen von Längenänderungen in den Stäben und einer winkelförmigen Versetzung, welche durch die Lager ermöglicht wird. Wenn sich die Temperatur des Spiegels und der Basis ändert, dehnen sich die Stäbe zwischen CD, CF, BF, BE, AE und AD aus oder ziehen sich zusammen und die Stäbe zwischen CD, CF, BF, BE, AE und AD drehen an den Punkten A, B, C, D, E und F. Jede der Verbindungen muß vorbelastet werden, um die benötigte Steifigkeit für die Spiegellagerung bereitstellen zu können. Ein derartiges Vorbelasten erhöht jedoch die Reibung an den Verbindungen, was wiederum eine spannungsabhängige Deformation über die Spiegeloberfläche hinweg auslöst.

Eine Steifigkeit der Lager wird benötigt, um die Anforderungen hinsichtlich der Sichtlinien-Stabilität für elektro-optische Sensor- und Lasersysteme zu erfüllen. Keines der oben beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik ist befriedigend aufgrund der unvermeidlichen Belastungen, die in dem gelagerten Bauteil induziert werden, wobei diese Belastungen auf der benötigten Steifigkeit der Lager und der inhärenten Restreibung vorliegen.

Ein Problem, welches eng zu den Schwierigkeiten des Herstellens spannungsfreier Lager in einer Umgebung sich ändernder Temperaturen gehört, ist das Problem des Findens eines geeigneten Lagertyps zur Verwendung in der Lageranordnung. Lager sind in der Technik hoch entwickelt, wobei das Ziel ist, die den Lageroberflächen zugehörige Reibung auf ein Minimum zu reduzieren. Für gewöhnlich verwendete Lager mit wenig Reibung verwenden Kugeln, die in Kugelkäfigen laufen oder zylindrische oder konische Rollen, welche zwischen Lagerkäfigen wirken. Da ein gewisser Betrag von Reibung bei derartigen Lagern aufgrund von Verformungen unter Last vorliegt, wird typischerweise eine Schmierung benötigt, um eine vertretbare Lebensdauer des Lagers sicherzustellen. Eine Schmierung verursacht jedoch Probleme, speziell bei derartigen Einrichtungen, die dafür ausgelegt sind, in der einen oder anderen extremen Temperatur zu arbeiten. Bei sehr hohen Temperaturen neigen Schmierstoffe zur Verdampfung und bei sehr tiefen Temperaturen neigen Schmierstoffe dazu, zu viskos zu werden oder sie verfestigen sich sogar. Bei einigen Anwendungen sollen die Lager im Vakuum arbeiten. Das nicht Vorhandensein von Atmosphärendruck erzeugt weitere Schwierigkeiten. Beispielsweise eine Verdampfung des Schmiermittels und eine nachfolgende Kondensation des Schmiermittels, was empfindliche optische Oberflächen, wie den Spiegel selbst, verunreinigen kann.

Die EP-A-0 053 463, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, zeigt eine optische Vorrichtung mit einem Spiegel und einer Spiegellagerstufe. Das lagern des Spiegels auf der Lagerstufe ist derart, daß unterschiedliche Ausdehnungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten durch dünne oder schlanke plattenförmige Puffereinrichtungen oder Federn kompensiert werden, die als Linearführungen wirken. Diese bekannte optische Vorrichtung ist beispielsweise für eine Elektronenstrahlbelichtung in der Waver-Technologie. Die gesamte Vorrichtung ist daher ziemlich klein und der zu lagernde Spiegel hat ebenfalls entsprechend kleine Abmessungen und ist von geringem Gewicht. Für den Fall, daß ein großes und schweres optisches Bauteil gelagert werden muß, beispielsweise im Falle eines Spiegels für Observatorien, kann die Lageranordnung gemäß der EP-A-0 053 463 den schweren Spiegel und/oder andere schwere Bauteil, wie beispielsweise Laser nicht tragen, da die schlanken plattenförmigen Puffereinrichtungen durch die Masse und das Gewicht des Spiegels oder anderer optischer Bauteile beschädigt werden würden. Werden die plattenförmigen Federn dicker und stabiler ausgelegt, würde dies die Spiegellagervorrichtung jedoch zu steif machen, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen oder Zusammenziehungen zwischen dem Spiegel und der Lagerstufe kompensieren zu können.

Die vorstehenden Probleme werden gemäß der Erfindung gelöst und andere Vorteile werden realisiert durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lagern eines optischen Bauteiles, beispielsweise eines Spiegels, an einer Basis derart, daß Temperaturänderungen keine mechanischen Spannungen induzieren, welche das Bauteil physisch verzerren würden.

Mit anderen Worten, die Probleme bei Lagerverfahren und -Vorrichtungen gemäß des Standes der Technik werden durch das, was im Anspruch 1 bzw. 5 beansprucht ist gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.

In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das optische Bauteil an zwei oder mehr Punkten auf einer Basis mittels einer Linearführung geringer Reibung gelagert, welche eine translatorische Bewegung in nur einer bevorzugten Richtung gestattet. Die Linearführung besteht aus Paaren sogenannter Rolamite-Gruppenmechanismen, welche in einem Y- förmigen Rahmen so angeordnet sind, daß die Rollerachsen einen Winkel von 90º zueinander einschließen. Diese Anordnung stellt eine translatorische und rotatorische Steifigkeit in allen Achsen außer einer sicher. Rollenlagerwellen kuppeln einen Zylinder in jeder Rolamite-Gruppe mit einem zweiten Rahmenteil, welches bezüglich des Y-förmigen Rahmens in Längsrichtung gleitet.

Diese Anordnung führt zu einer minimalen Belastung der Rollenlager, da jedes von einem ringförmigen Zylinder eingeschlossen ist, dessen Umfang einen Kontakt von mehr als 180º mit einem Metallband hat, welches einen Teil eines jeden Rolamite-Mechanismus bildet. Wenn Temperaturänderungen unterschiedliche thermische Ausdehnungen oder Zusammenziehungen zwischen den Bauteilen bewirken, werden die induzierten Verformungsspannungen von den Relativbewegungen aufgenommen, welche zwischen dem Spiegel und der Basis der Lagerplattform durch die Linearführungen an den Lagerstellen erlaubt werden.

Somit ist es ein vorteilhafter Effekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die spannungsfreie Lagerung einer Struktur auf einer anderen zu schaffen, wo Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen oder Zusammenziehungen zwischen unterschiedlichen Materialien auftreten.

Es ist ein weiterer vorteilhafter Effekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagerung eines optischen Bauteiles auf einer Stützstruktur derart zu schaffen, daß keine radialen oder tangentialen Spannungen in dem Bauteil vorliegen, wobei die Lagerung in allen Richtungen steif ist mit Ausnahme der Möglichkeit einer "atmenden" Ausdehnung oder Zusammenziehung, welche durch eine Bewegung in den Linearführungen entlang einer einzelnen bevorzugten translatorischen Achse kompensiert wird.

Es ist ein weiterer vorteilhafter Effekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagerung eines optischen Bauteiles auf einer Stützstruktur zu schaffen mit einem einfachen Typ einer Linearführung, welche minimale Reibung hat und dennoch hoch widerstandsfähig gegenüber Bewegungen anders als der Translation in einer bevorzugten Richtung ist, daß heißt steif in allen Richtungen außer einer ist.

Es ist ein weiterer vorteilhafter Effekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagerung eines Bauteiles auf einer Stützstruktur mit einem einfachen Typ einer Linearführung geringer Reibung zu schaffen, welche in allen außer einer bevorzugten Richtung steif ist, welche vorteilhafterweise bei Anwendungsfällen verwendbar ist, wo eine präzise gesteuerte Bewegung von Instrumenten oder Werkzeugen nötig ist, wie beispielsweise in chirurgischen Vorgängen, der Teilefabrikation, Metallschneiden und einer großen Anzahl anderer Anwendungsfälle.

Es ist noch ein weiterer vorteilhafter Effekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagerung eines optischen Bauteiles auf einer Stützstruktur zu schaffen mit einem einfachen Typ einer Linearführung, welche in allen Richtungen außer einer steif ist und eine minimale Menge von Schmierung benötigt, so daß temperaturbezogene Probleme bei Schmiermitteln oder Probleme mit optischen Verunreinigungen durch Schmiermitteldämpfe beseitigt sind.

Ein weiterer vorteilhafter Effekt der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagerung eines Spiegels auf einer Basis derart zu schaffen, daß die Bildung von thermisch induzierten mechanischen Spannungen, welche die Oberflächenkonfiguration des Spiegels verzerren und die Leistung in einem optischen System abschwächen würden ausgeschlossen ist.

Schließlich ist es ein vorteilhafter Effekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lagern von Lasern zu schaffen, die präzise ausgerichtet werden müssen trotz schädlicher Effekte durch thermische Ausdehnung oder Zusammenziehung.

Diese und weitere vorteilhafte Effekte und Details werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung leichter verständlich, in der:

Fig. 1a ein schematisches Diagramm der Kugel-im-Zylinder-Vorrichtung ist, welche im Stand der Technik verwendet wird, um die Effekte unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen bei der Lagerung eines großen Spiegels zu vermeiden;

Fig. 1b eine schematische Draufsicht auf einen Spiegel ist, gelagert auf einer Basis gemäß einem Verfahren des Standes der Technik mit Lagern in Punkten A, B und C des Spiegels und in Punkten D, E und F an der Basis;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Lagerung eines Spiegels gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung dreier Linearführungen ist;

Fig. 3a einen Kreis zeigt, der verwendet wird, die Anordnung der drei Punkte X, Y und Z zu bestimmen, in denen die Linearführungen gemäß Fig. 2 anzuordnen sind;

Fig. 3b ein alternatives Verfahren zum Zeichnen eines Lagerkreises zeigt, wobei der Mittelpunkt des Kreises einen Punkt darstellt, in dem der Spiegel mit der Basis verbunden ist und wobei die Punkte Y und Z Punkte darstellen, an denen zwei der Linearführungen angeordnet sind;

Fig. 4 eine Seitenansicht des Paares von Rolamite-Mechanismen ist, die sich in einer Öffnung in einem der oberen Arme eines erfindungsgemäßen Y- förmigen Rahmens bewegen;

Fig. 5 eine auseinandergezogene Darstellung des Y-förmigen Rahmens der vorliegenden Erfindung zeigt zur Darstellung, wie Paare von Rolamite-Mechanismen in gegenüberliegenden Armen des Y-förmigen Rahmens angeordnet sind; und

Fig. 6 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines zweiten Rahmens zeigt, der der Linearführung der vorliegenden Erfindung zugehörig ist zur Darstellung der Beziehung des Y-förmigen Rahmens mit dem zweiten Rahmen.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sichtbar, welche drei Linearführungen 10a, 10b und 10c verwendet, welche nachfolgend gemeinsam als Linearführungen 10 bezeichnet sind und welche an bestimmten Punkten auf dem Umfang eines Lagerkreises oder von Lagerkreisen angeordnet sind, um einen Spiegel 11 auf einer Basisplattform 13 zu lagern. Die Linearführungen 10 sind so ausgerichtet, daß der Aufbau mechanischer Spannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen oder Zusammenziehungen unterschiedlicher Materialien im Spiegel 11 und der Plattform 13 aufgrund von Temperaturänderungen ausgeschlossen ist. Die Linearführungen 10 erlauben eine Relativbewegung zwischen dem Spiegel 11 und der Plattform 13 entlang dreier Achsen, welche mit 12, l4 und 16 bezeichnet sind und welche Radius- Verlängerungen eines Lagerkreises sind. Jede Linearführung, beispielsweise 10a, hat ein Y-förmiges erstes Rahmenteil 18 bzw. ein zweites Rahmenteil 19, welches an der Plattform 13 bzw. an dem Spiegel 11 befestigt ist.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann der Spiegel 11 aus einem Material mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sein, beispielsweise Glas, während die Plattform 13 aus einem Material mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sein kann, beispielsweise Beryll oder Aluminium. Um mechanischen Spannungen auszugleichen, denen der Spiegel 11 unterworfen wäre, wenn er steif mit der Plattform 13 verbunden wäre und sich die Umgebungstemperatur ändert, bewirken die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Linearführungen, daß der Spiegel auf den Stützlagern 10 "schwimmt". Die Linearführungen 10 gestatten die Freiheit einer Linearbewegung entlang jeder der Achsen 12, 14 oder 16, während sie eine Bewegung hemmen, das heißt eine benötigte Steifigkeit entlang den zwei Achsen erzeugen, die senkrecht zu diesen Achsen stehen. Entlang allen drei Achsen, die jedem Lager 10 zugeordnet sind ist eine Rotationsbewegung gehemmt.

In Fig. 3a ist ein Diagramm eines Lagerkreises für einen Spiegel M dargestellt, der, gemäß der vorliegenden Erfindung, Lagerpunkte X, Y und Z hat, welche durch Punkte dargestellt sind, die auf einen Umfang A eines Lagerkreises mit einem Mittelpunkt C liegen. Falls gewünscht kann so ein Lagerkreis aus zwei oder mehreren konzentrischen Kreisen bestehen, beispielsweise dem Kreis mit dem Umfang AA. Wenn zwei oder mehr Lagerkreise verwendet werden, ist einer oder sind mehrere der Lagerpunkte, beispielsweise ZZ auf einem der Kreise angeordnet, während die anderen Lagerpunkte auf dem einen oder den mehreren der anderen Lagerkreise angeordnet sind. Es soll vergegenwärtigt werden, daß mehr als drei Lagerpunkte und somit Linearführungen verwendet werden können.

In Fig. 3b ist eine alternative Ausführungsform des Lagerverfahrens der Erfindung dargestellt, wo der Spiegel M steif mit der Basis an dem Punkt X verbunden ist und zwei Linearführungen verwendet werden, um den Spiegel an den Punkten Y und Z zu stützen, welche Punkte auf dem Umfang B eines Lagerkreises mit einem Mittelpunkt im Punkt X sind.

Es soll vergegenwärtigt werden, daß mehr als zwei Lagerpunkte und somit Linearführungen in einem Lagerverfahren gemäß Fig. 3b verwendet werden können. Es sollte ebenfalls vergegenwärtigt werden, daß die Linearführungen auf den Umfängen einer Mehrzahl von konzentrischen Lagerkreisen mit einem gemeinsamen Mittelpunkt X angeordnet sein können. Die Wahl der Lagerpunkte und die Anzahl derartiger Punkte ist typischerweise anwendungsspezifisch und abhängig von solchen Faktoren wie Gewicht des Spiegels, Oberfläche des Spiegels und anderer derartiger Faktoren.

Bezugnehmend auf Fig. 4 ist eine Seitendarstellung eines Teiles des Y-förmigen Rahmens 18 der Linearführung 10 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zwei feste zylindrische Rollen 20a und 20b und zwei ringförmige zylindrische Rollenlager 30a und 30b werden jeweils durch die Spannung in einem flexiblen Band 40 an Ort und Stelle gehalten, welches durch einen engen Schlitz 42 zwischen Öffnungen 44a und 44b verläuft. Die Spannung in dem flexiblen Band 40 wird durch Haltemittel an den äußersten Enden des Bandes aufrechterhalten, welche schematisch in Form von Federn 46a und 46b dargestellt sind.

Die Rollenlager 30a und 30b drehen auf Wellen 65a und 65b, welche auch dazu dienen, die Rollenlager 30a und 30b mit dem zweiten Rahmenteil 19 zu koppeln.

Wie man erkennen kann, ist ein derartiger Aufbau in der Technik als Rolamite-Mechanismus bekannt. In einem derartigen Mechanismus sind die durch das flexible Band voneinander getrennten zylindrischen Rollen dazu gezwungen, sich zwischen parallelen Oberflächen zu bewegen, die um eine Distanz voneinander getrennt sind, die kleiner ist als die Summe der Durchmesser der Zylinder. Die Spannung in dem Band drängt die Zylinder zusammen und verhindert, daß die Zylinder rutschen, so daß sich jeder mit nur einem vernachlässigbaren Betrag von Rollreibung bewegt. Zusätzlich zum Trennen der beiden Rollen hat das Band auch eine starke Neigung dazu, die beiden Rollen in Ausrichtung zueinander zu halten. Da so ein Mechanismus mit einer relativ niedrigen Bandspannung arbeitet, liegt ein Grad von Freiheit in den Tangentenzonen benachbart den beiden Rollen vor, welches das Überlaufen kleiner Unregelmäßigkeiten, wie partikelförmige Verschmutzung erlaubt.

Aufgrund der Natur des Rollprozesses in einem Rolamite-Mechanismus ist eine Schmierung für eine erfolgreiche Arbeitsweise des Lagers nicht zwingend nötig. Herkömmliche Rollenlager erfahren Kontaktdrücke in der Größenordnung von 100 000 psi in der Kontaktzone, wobei so hohe Kontaktdrücke einen hohen Betrag von Reibung erzeugen, die wiederum Belastungen in einem Spiegel induzieren, der auf solchen Lagern gelagert ist. Im Gegensatz hierzu arbeitet ein Rolamite-Mechanismus sehr gut bis herunter in einen Bereich von Kontaktdrücken von einigen 100 psi. Werden solche Rolamite-Mechanismen gemäß der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung als Lager in einer Spiegellagerung verwendet, ist sichergestellt, daß der Spiegel im wesentlichen belastungsfrei ist, da jegliche verbleibende Reibung eine Rollreibung ist, welche im wesentlichen vernachlässigbar ist.

Die Selbstausrichtungs-Tendenz des Rolamite-Mechanismus macht es diesem möglich, Seitenbelastungen unabhängig von den Proportionen der Rollen erfolgreich zu widerstehen. Da die Selbstausrichtungs-Tendenz um so besser ist, je breiter die Rollen sind, sind die Lager so breit wie gewünscht gemacht.

Die Breite der Rollen macht einen derartigen Mechanismus auch resistent gegenüber translatorischen oder rotatorischen Bewegungen entlang allen Achsen außer der Achse senkrecht zu einer Ebene, welche eine Normale zu der Kontaktzone zwischen den beiden Rollen ist.

Eine auseinandergezogene Darstellung des im wesentlichen Y- förmigen Rahmens 18 der Linearführung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. In der Darstellung von Fig. 5 ist die Linearführung 10a aus Fig. 2 um 135º entgegen Uhrzeigerrichtung gedreht, um die Darstellung der verschiedenen Einzelteile, die hierin enthalten sind zu erleichtern. Zwei Arme 50a und 50b des "Y" sind in einem gewissen Winkel, beispielsweise 90º, zueinander angeordnet. Jeder Arm 50 beinhaltet einen hohlen Kammerabschnitt, der ein flexibles Band 40 beinhaltet, welches in seinem Mittenbereich mit dem Rahmen 18 und ebenfalls an seinen Enden mit diesem verbunden ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Mittenbereich eines jeden der flexiblen Bänder 40a und 40b mittels Bolzen 51a und 51b (nur 51a ist dargestellt) festgelegt und die Enden werden durch Endklemmstücke 52a und 52b gehalten, welche wiederum über Spannschrauben 54a, 54b, 54c und 54d mit dem Rahmen 18 befestigt sind. Die Spannung in den S-förmigen Abschnitten des flexiblen Bandes wird dadurch eingestellt, wie stark die Spannschrauben 54a, b, c, d gegen ein Druckfederteil, beispielsweise Belleville-Federscheiben 56a, b, c, d in Gewindebohrungen in jedem der Endklemmstück 52 geschraubt werden. Jeder S-förmige Abschnitt des flexiblen Bandes 40 hält ein Paar der zylindrischen Rollen 20 und 30, welche jeweils massiv und kreisförmig sind. Die kreisförmigen zylindrischen Rollenlager 30a und 30b, durch deren offene mittige Abschnitte die Wellen 65a und 65b eingesetzt sind verbinden jede Rollengruppe mit dem zweiten Rahmenteil 19, welches in den Bereich zwischen den Rahmen 50a und 50b paßt. Das Rahmenteil 19 trägt die Rollengruppen mit sich, wenn es sich bezüglich dem Y-förmigen Rahmen 18 bewegt. Die zylindrischen Rollen 20 und 30 dienen dazu, die Position der S-förmigen Biegungen in dem flexiblen Band 40 zu ändern.

Es sollte vergegenwärtigt werden, daß in anderen nicht dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Paar von Rolamite-Rollen in jedem der Arme verwendet werden kann, wobei das flexible Band an einem Ende festgelegt und durch eine Spannvorrichtung an dem anderen Ende gehalten ist.

Gemäß Fig. 6 kann gesehen werdend daß der zweite Rahmen 19 innerhalb des Raumes zwischen den oberen Armen 50a und 50b des Y-förmigen Rahmens 18 sitzt. Die beiden Paare von gegenüberliegenden Rolamite-Mechanismen sind sichtbar, wie sie in die Öffnungen 44a und 44b in den oberen Armen des Y-förmigen Rahmens 18 eingesetzt sind. Die beiden flexiblen Bandvorrichtungen 40a und 40b halten die vier Paare von massiven zylindrischen Rollen 20a, b, c, d und die ringförmigen zylindrischen Rollenlager 30a, b, c und d unter der Spannung der Bänder 40a und 40b an Ort und Stelle. Wie in Fig. 5 dargestellt sind die ringförmigen Lager 30a, b, c und d auf die spielfreien Wellen 65a, b, c und d aufgesetzt, die an dem zweiten Rahmen 19 befestigt sind.

Eine erste Verbindungseinrichtung 70a und 70b zur Befestigung einer ersten mechanischen Anordnung beispielsweise einer Spiegelanordnung ist in Fig. 6 in Form zweier Bolzen dargestellt, welche in Gewindebohrungen in dem zweiten Rahmen 19 eingeschraubt werden, nachdem sie entsprechende Bohrungen durchlaufen haben, welche in einem bestimmten Teil der Spiegelanordnung mit einem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser der Bolzen ausgespart sind. Eine zweite Verbindungseinrichtung 80a und 80b zur Verbindung des Y-förmigen Rahmens 18 mit einer zweiten mechanischen Anordnung, beispielsweise der Plattform 13 ist in ähnlicher Weise als zwei Bolzen ausgeführt, welche in Gewindebohrungen in dem Rahmen 18 eingeschraubt werden, nachdem sie durch entsprechend angeordnete Bohrungen in der Plattform 13 geführt worden sind.

Um die Art, in der ein optisches Bauteil, beispielsweise der Spiegel 11 unter Verwendung der Linearführungen der vorliegenden Erfindung gelagert wird, erneut zu betrachten: es enthalten die Linearführungen 10 jeweils die zwei Sätze von gegenüberliegenden Rolamite-Mechanismen, welche sich in parallelen Richtungen zu den senkrecht stehenden Armen 50a und 50b des Y-förmigen ersten Rahmens 18 bewegen. Einer der beiden Zylinder in jedem der vier Rolamite-Gruppen ist von ringförmiger Form und nimmt eine rollentragend gelagerte Welle auf, wobei die ringförmigen Zylinder zapfengeführt sind für eine Drehung im zweiten Rahmen 19, der innerhalb des ersten Rahmens 18 geführt ist. Die Rolamite-Gruppen bewegen sich mit dem zweiten Rahmen 19. Die Linearführungs-Bewegung tritt zwischen dem Y-förmigen ersten Rahmen 18 und dem zweiten Rahmen 19 auf.

Ein Demonstrationsmodell unter Verwirklichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt unter Verwendung eines Glasspiegels und einer Stützplattform aus Stahl. Die Größe des Spiegels war 25,4 x 36 cm (10 x 15 inch). Drei Lagerpunkte wurden auf den Umfang eines Lagerkreises mit einem Durchmesser von 33,6 cm (14 inch) verteilt. Linearführungen wie oben beschrieben wurden an jedem der Lagerpunkte verwendet. Der Siegel und die Plattform wurden von 20º C Raumtemperatur (ungefähr 68º F) auf ein 104º C (ungefähr 220º F) aufgeheizt. Die radiale Bewegung entlang der Richtungen einer freien Beweglichkeit der Linearführungen, daß heißt entlang der Radiusverlängerungen des Lagerkreises wurde mit annähernd 0,053 cm (0,021 inch) gemessen. Die Spiegellagerung nahm die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen leicht auf, ohne die Struktur oder die optischen Eigenschaften des Spiegels nachteilig zu beeinflussen.

Die vorliegende Erfindung wurde im Detail unter Bezug auf eine spezielle bevorzugte Ausführungsform beschrieben, wobei jedoch Personen mit durchschnittlichem Fachwissen auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung erkennen können, daß unterschiedliche Abwandlungen ohne Abweichung von der Erfindung gemacht werden können. Zum Beispiel kann es, obwohl die in der Zeichnung dargestellte spezielle Ausführungsform zwei zylindrische Rollen in jedem Rolamite-Mechanismus verwendet, wünschenswert sein, bei bestimmten Anwendungsfällen Rolamite-Gruppen von mehr als zwei zylindrischen Rollen zu verwenden. Auf ähnliche Weise ist das gezeigte Verfahren, die Enden der flexiblen Bänder so festzulegen, daß die Spannung in ihnen einstellbar ist nur eine der möglichen Verfahren und Personen mit durchschnittlichen Fachwissen auf diesem Gebiet sind in der Lage, andere geeignete Anordnung zu finden. Weiterhin kann gesehen werden, daß der Spiegel 11 entweder an dem Y-förmigen Rahmen 18 oder dem zweiten Rahmen 19 gelagert werden kann. Auf ähnliche Weise kann gesehen werden, daß die vorliegende Erfindung vorteilhaft das spannungsfreie Lagern einer Vielzahl von Vorrichtungen ermöglicht, unter anderem und nicht beschränkend Laser, chirurgische Präzisionseinrichtungen und eine Vielzahl von anderen ähnlichen Vorrichtungen. Somit ist das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt zu betrachten.


Anspruch[de]

1. Ein Verfahren zur Anordnung eines ersten mechanischen Aufbaus (13) eines ersten Materiales mit einem charakteristischen Ausdehnungskoeffizienten an einem zweiten mechanischen Aufbau (11) eines zweiten Materiales mit einem unterschiedlichen charakteristischen Ausdehnungskoeffizienten, um die Entstehung mechanischer Belastungen innerhalb der Aufbauten (11, 13), welche durch eine Veränderung in der Umgebungstemperatur entstehen, was eine ungleichmäßige Ausdehnung oder Zusammenziehung eines der mechanischen Aufbauten relativ zu dem anderen bewirkt, im wesentlichen zu eliminieren, mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen einer Mehrzahl von Linearführungen (10) auf dem Umfang des zweiten mechanischen Aufbaus (11), wobei jede der Linearführungen (10) ,eine Translationsachse (12, 14, 16) hat, welche bezüglich der Mitte des zweiten Aufbaus (11) radial ausgerichtet ist; und

Befestigen eines ersten Verbindungsteils (80) an jeder der Linearführungen (10) mit dem ersten mechanischen Aufbau (13) und Befestigen eines zweiten Verbindungsteils (70) an jeder der Linearführungen (10) mit dem zweiten mechanischen Aufbau (11) derart, daß der erste mechanische Aufbau (13) für eine Relativbewegung gegenüber dem zweiten mechanischen Aufbau (11) so beweglich gekoppelt ist, daß ungleichmäßige Ausdehnung und Zusammenziehung von jedem der Auf bauten in einer Linearbewegung entlang jeder der Linearführungen (10) resultiert, wodurch mechanische Belastungen zwischen den beiden Aufbauten (11, 13) im wesentlichen eliminiert werden, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt

des Bereitstellens einer Mehrzahl von Rolamite-Mechanismen in jeder der Linearführungen (10), wobei die Rolamite-Mechanismen das erste Verbindungsteil (80) einer jeden Linearführung (10) mit dem zweiten Verbindungsteil (70) einer jeden Linearführung (10) beweglich koppeln.

2. Das Verfahren von Anspruch 1, mit den Schritten des Bestimmens des Radius' eines ersten virtuellen Montagekreises auf dem Umfang, auf dem die Linearführungen (10) anzuordnen sind, um den ersten mechanischen Aufbau (13) auf dem zweiten mechanischen Aufbau (11) anzuordnen.

3. Das Verfahren von Anspruch 2, worin der Schritt des Bestimmens weiterhin einen zusätzlichen Schritt des Bestimmens des Radius' von einem oder mehreren Montagekreisen aufweist, welche konzentrisch zu dem ersten Montagekreis sind und wobei der erste mechanische Aufbau (13) mit dem zweiten mechanischen Aufbau (11) durch eine Mehrzahl der Linearführungen (10), welche auf den Umfängen der Montagekreise vorgesehen sind beweglich gekoppelt ist.

4. Das Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, worin der erste mechanische Aufbau (13) fest an dem zweiten mechanischen Aufbau (11) in einem Punkt befestigt ist, der im wesentlichen mit dem Mittelpunkt (C) des ersten Montagekreises zusammenfällt.

5. Eine Lageranordnung zur Bereitstellung einer gerichteten Linearbewegung zwischen einem ersten (13) und einem zweiten (11) im wesentlichen koplanaren mechanischen Aufbau, wobei der erste mechanische Aufbau (13) aus einem ersten Material mit einem charakteristischen Ausdehnungskoeffizienten ist und der zweite mechanische Aufbau (11) aus einem zweiten Material mit einem unterschiedlichen charakteristischen Ausdehnungskoeffizienten ist, um die Entstehung mechanischer Belastungen innerhalb der Aufbauten (11, 13), welche durch eine Veränderung in der Umgebungstemperatur entstehen, was eine ungleichmäßige Ausdehnung oder Zusammenziehung eines der mechanischen Aufbauten relativ zu dem anderen bewirkt, im wesentlichen zu eliminieren, wobei die Lageranordnung aufweist:

eine Mehrzahl von Linearführungen (10) auf dem Umfang des zweiten mechanischen Aufbaus (11), wobei jede der Linearführungen (10) eine Translationsachse (12, 14, 16) hat, welche bezüglich der Mitte des zweiten Aufbaus (11) radial ausgerichtet ist; und

ein erstes Verbindungsteils (80) an jeder der Linearführungen (10), welches mit dem ersten mechanischen Aufbau (13) befestigt ist und ein zweites Verbindungsteils (70) an jeder der Linearführungen (10), welches mit dem zweiten mechanischen Aufbau (11) befestigt ist derart, daß der erste mechanische Aufbau (13) beweglich für eine Relativbewegung gegenüber dem zweiten mechanischen Aufbau (11) so gekoppelt ist, daß ungleichmäßige Ausdehnung und Zusammenziehung von jedem der Aufbauten in einer Linearbewegung entlang jeder der Linearführungen (10) resultiert, wodurch mechanische Belastungen zwischen den beiden Aufbauten im wesentlichen eliminiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Linearführungen (10) mit einer Mehrzahl von Rolamite-Mechanismen versehen ist, um das erste Verbindungsteil (80) einer jeden Linearführung (10) mit dem zweiten Verbindungsteil (70) einer jeden Linearführung (10) beweglich zu koppeln, wobei der Rolamite-Mechanismus aufgebaut ist aus:

einem ersten Rahmenteil (18), welches fest an dem ersten mechanischen Aufbau (13) befestigt ist, wobei das erste Rahmenteil (18) ein Grundteil aufweist, welches an einem unteren Bereich angeordnet ist zur Befestigung an dem ersten mechanischen Aufbau (13), wobei das erste Rahmenteil weiterhin erste und zweite Armteile (50a, 50b) aufweist, von denen jeder von einem oberen Abschnitt des Grundteiles in einer im wesentlichen nach oben gerichteten Art vorspringt, wobei jeder der Armteile (50a, 50b) wenigstens einen im Inneren angeordneten hohlen Abschnitt (44a, 44b) aufweist zur Aufnahme einer ersten Mehrzahl von zylindrischen Rollen (20) und einem flexiblen Band (40) darin, wobei jedes der Bänder (40) an jedem Ende von einer Spannvorrichtung gehalten ist, um die Spannung innerhalb des Bandes (40) einzustellen; und

einem zweiten Rahmenteil (19) mit einer Querschnittsform, welche erlaubt, daß das zweite Rahmenteil (19) wenigstens teilweise innerhalb eines Bereiches zwischen den Armteilen (50a, 50b) angeordnet wird, wobei das zweite Rahmenteil (19) eine zweite Mehrzahl von zylindrischen Rollen (30) aufweist, welche drehbeweglich für eine Drehung hieran befestigt sind, wobei die zweite Mehrzahl von Rollen (30) in ihrer Anzahl der Anzahl der ersten Rollen (20) entspricht und wobei jede an dem zweiten Rahmenteil (19) so angeordnet ist, daß die äußere zylindrische Oberfläche von jeder in enger Nachbarschaft zu der äußeren zylindrischen Oberfläche einer entsprechenden der ersten Rollen (20) ist, so daß eines der Bänder (40) zwischen entsprechenden der ersten und zweiten Rollen (20, 30) verläuft und diese teilweise umgreift, um eine Mehrzahl von S-förmigen Bereichen in dem Band (40) zu schaffen, wobei jeder der S-förmigen Bereiche einem entsprechenden Paar der Rollen (20, 30) entspricht, wodurch die entsprechenden Rollen durch die Spannung in dem Band (40) so aufeinander zu gespannt werden, daß eine Drehung einer der Rollen aufgrund einer Linearbewegung von einem der mechanischen Aufbauten auf die andere der Rollen übertragen wird.

6. Die Lageranordnung nach Anspruch 5, worin das erste Rahmenteil (18) im Querschnitt eine im wesentlichen Y- förmige Formgebung hat.

7. Die Lageranordnung nach Anspruch 5 oder 6, worin jedes der flexiblen Bänder (40) in einem Mittenbereich an dem ersten Rahmenteil (18) so befestigt ist, daß eine Einstellung der Spannvorrichtung an einem Ende des Bandes (40) die Spannung in dem Abschnitt des Bandes (40) zwischen der eingestellten Spannvorrichtung und dem Mittenbereich entsprechend einstellt.

8. Die Lageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, weiterhin mit einer Vorrichtung (51) zum unbeweglichen Festlegen eines Mittenbereiches eines jeden der flexiblen Bänder (40).

9. Die Lageranordnung nach Anspruch 8, worin die Vcrrichtung (51) zum Festlegen einen ersten und einen zweiten Bolzen (51a, 51b) aufweist, wobei die Bolzen in Gewindebohrungen eingeschraubt sind, die in einem entsprechenden der ersten und zweiten Armteile (50a, 50b) vorgesehen sind, wobei die Bolzen zuerst durch eine Öffnung eingeführt werden, welche innerhalb eines Mittenbereiches eines entsprechenden der Bänder (40) ausgebildet ist.

10. Die Lageranordnung nach Anspruch 5, worin die Spannvorrichtung für jedes der flexiblen Bänder (40) ein Paar von Klemmvorrichtungen (52) für das Bandende aufweist, welche an den Enden der flexiblen Bänder befestigt sind, wobei jede der End-Klemmvorrichtungen eine oder mehrere Gewindebohrungen aufweist, wobei jede der Gewindebohrungen einen Spannbolzen (54) aufnimmt, wobei jeder der Spannbolzen (54) zunächst durch einen Abschnitt in dem ersten Rahmenteil (18) läuft und durch eine Druckfedervorrichtung, wobei die Federvorrichtung zwischen dem ersten Rahmenteil und den End-Klemmvorrichtungen (52) angeordnet ist, um zusammen mit dem Spannbolzen (54) die Spannung in dem flexiblen Band (40) zu ändern.

11. Die Lageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, worin ein erstes, zweites, drittes und viertes Paar von Rolamite-Rollen in jeder der Linearführungen (10) angeordnet ist.

12. Die Lageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, worin der erste mechanische Aufbau (13) eine optische Plattform aufweist und worin der zweite mechanische Aufbau (11) einen Spiegel aufweist.







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