DE10216340A1

DE10216340A1 - Stosskompensationsvorrichtung für linear oder quasilinear geführte Massen

Info

Publication number: DE10216340A1
Application number: DE10216340A
Authority: DE
Inventors: Frank Herrmann
Original assignee: BRAN and LUEBBE; Bran und Luebbe GmbH
Current assignee: BRAN and LUEBBE; SPX Flow Technology Germany GmbH
Priority date: 2002-04-13
Filing date: 2002-04-13
Publication date: 2003-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stoßkompensationsvorrichtung für linear oder quasilinear geführte Massen, insbesondere für Spiegel eines Interferometers, die linear oder quasilinear geführt sind. Um eine effektivere und zuverlässigere Stoßkompensation zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass ein Hebel zwischen seinen Enden drehbar gelagert ist, wobei ein Ende mit der linear oder quasilinear bewegten Masse und dessen anderes Ende als Kompensationshebel mit einer Kompensationsmasse verbunden ist, so dass die Kompensationskraft eine Trägheitskraft der Kompensationsmasse ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stoßkompensationsvorrichtung für linear oder quasilinear geführte Massen, insbesondere für Spiegel eines Interferometers, die linear oder quasilinear geführt sind, sowie ein Verfahren zur Kompensation von Stößen, insbesondere bei linear oder quasilinear geführten Massen, im wesentlichen von Spiegeln in Interferometern.

Die Erfindung beschränkt sich auf nicht im strengen Sinne linear geführte Massen, sondern auch auf solche Massen, die auf einem Kreisbogenabschnitt mittels eines Hebels geführt sind. Eine solche Führung wird auch als quasilinear im Rahmen dieser Erfindung bezeichnet.

Bei Interferometern werden Phasenänderungen zwischen zwei oder mehr optischen Strahlen zur Messung physikalischer Größen, beispielsweise Längen, Winkel und zur Spektroskopie, eingesetzt. Die bekannteste Grundform ist das Michelson-Interferometer, bei der die Strahlen einer Lichtquelle durch einen halbdurchlässigen Spiegel (Strahlteiler) im Winkel von 45 Grad auf zwei zueinander orthogonale Spiegel geleitet werden, wobei mindestens einer der beiden Spiegel linear verstellbar ist.

Das so erzeugte Interferenzsignal schwankt in seiner Intensität periodisch und zeitabhängig in Abhängigkeit der linearen Verstellung des Spiegels und wird durch einen geeigneten Detektor, beispielsweise eine Photodiode, abgetastet.

Eine besondere Ausführungsform eines Interferometers ist das sogenannte "Double-Cat's Eye-Interferometer" (Yezhevskaya T. B. and Shepilov A. F.; Fourier spectrometr s podvizhnym svetodelitelem, Pribori i tekhnika eksperimenta, N 6 (1981), p. 166.), bei dem der Lichtstrahl zwischen zwei Hohlspiegeln reflektiert wird, in deren Mitte sich ein ringförmiger Strahlteiler befindet. Dieser wird mit einer elektrischen Tauchspule linear bewegt. Es wird damit ein Verstellweg von insgesamt 5 mm und eine Genauigkeit der Führung im Bereich von einigen Nanometern erreicht.

Kritisch ist dabei die lineare Führung des beweglichen Spiegels, weil mechanische Störungen, wie Erschütterungen und Stöße, die Meßgenauigkeit und die Qualität der Messungen vermindern. Es wird deshalb versucht, oben genannte mechanische Einwirkungen durch einen Laser zu messen und mittels einer elektromagnetisch erzeugten Gegenkraft, die durch die Spule elektrisch bewirkt wird, zu kompensieren. Die dadurch erreichbare Kompensation ist aber zu gering und für einen störungsfreien Betrieb nicht ausreichend.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für linear geführte Massen, insbesondere für Spiegel oder Strahlteiler eines Interferometers wie beispielsweise eines Double-Cat's Eye-Interferometer, anzugeben, die eine effektivere und zuverlässigere Stoßkompensation aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe für den gattungsgemäßen Gegenstand sieht vor, dass ein Hebel zwischen seinen Enden drehbar gelagert ist, wobei ein Ende mit der linear oder quasilinear bewegten Masse und dessen anderes Ende als Kompensationshebel mit einer Kompensationsmasse verbunden ist, so dass die Kompensationskraft eine Trägheitskraft der Kompensationsmasse ist. Dadurch wird die Empfindlichkeit der linear oder quasilinear geführten Masse gegen äußere mechanische Störungen vermindert, indem durch die Kompensationsmasse und die Kompensationshebel ein Kraftvektor gleichen Betrages wie die störende Kraft aber mit umgekehrter Richtung erzeugt wird, so dass die resultierende Wirkung gerade null ist. Hierdurch wird die Genauigkeit und Qualität der Messung vorteilhaft gesteigert.

Wenn die Schwerpunkte der linear oder quasilinear geführten Masse und der Kompensationsmasse mit der Drehachse fluchtend ausgerichtet ist, werden die auf die Masse wirkenden Kräfte vorteilhaft auf die Kompensationsmasse übertragen.

Dadurch dass die Hebelenden gerade in den Schwerpunktachsen mindestens einer Masse angreifend angeordnet sind, werden Kippmomente der Masse vermieden.

Vorteilhaft ist, dass sich die Normalen auf der Bewegungsebene der Schwerpunkte der linear oder quasilinear bewegten Masse und der Kompensationsmasse mindestens in einem Punkt ihres Verschiebungsweges decken. Hierdurch werden neben der translatorischen Impulsenkompensation zusätzlich auch Drehimpulse, deren Vektoren senkrecht zur Bewegensebene der linear oder quasilinear bewegten Masse stehen, kompensiert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zu kompensierende Masse ein linear oder quasilinear geführter Strahlteiler eines Interferometers, insbesondere Michelson-Interferometer oder sogenanntes "Double Cats Eye-Interferometer", ist. Derartige Interferometer sind sehr empfindlich gegen kleinste mechanische Störungen, weil der Spiegel während der Messung auf einige Nanometer genau verstellt wird. Durch die Erfindung kann das Interferometer auch unter Bedingungen eingesetzt werden, wo die linear geführten Spiegel stärkeren mechanischen Einflüssen ausgesetzt ist, beispielsweise in Prozessumgebungen. Hieraus ergibt sich ein größeres Einsatzgebiet als bei herkömmlichen Meßeinrichtungen.

Wenn zur Führung der Masse parallele Führungshebel vorgesehen sind, von denen mindestens einer als Kompensationshebel eine Verlängerung aufweist, an dessen Ende die Kompensationsmasse angeordnet ist, erhöht sich vorteilhaft die mechanische Stabilität der Vorrichtung.

In einer alternativen Ausgestaltung kann auch die Bewegungsebene, in der der Kompensationshebel schwenkt, außerhalb einer Bewegungsebene angeordnet sein, in der sich der Führungshebel bewegt. Dies kann insbesondere bei beengten Platzverhältnissen vorteilhaft sein.

Die auf die Masse einwirkenden Kräfte werden dann optimal kompensiert, wenn ein Produkt aus Masse und Führungshebellänge gleich dem Produkt aus Kompensationsmasse und Kompensationshebellänge ausgebildet ist. Dadurch kann die Stoßkompensationsvorrichtung den jeweiligen baulichen Erfordernissen, beispielsweise eines Meßgerätes, angepaßt werden, indem die Länge der Kompensationshebel veränderbar ist.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist eine weitere, zur ersten Richtung orthogonal angeordnete Kompensationsvorrichtung vorgesehen. Dadurch wird zusätzlich die Kompensation von Stößen, deren Richtung senkrecht zur linearen oder quasilinearen Bewegungsrichtung der Masse ist, erreicht und ermöglicht eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit und Verbesserung der Qualität der Messungen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Kompensation von Stößen auch dadurch gelöst, dass eine der Trägheitskraft der linear oder quasilinear geführten Masse entgegengesetzte Kompensationskraft erzeugt wird, die auf die linear oder quasilinear geführten Masse bei einem Stoß einwirkt, wobei sie in gleicher Größe, aber in entgegengesetzter Richtung wirkt. Es wird also genau jene Gegenkraft erzeugt, die zur Kompensation notwendig ist. Durch das allein mechanische Verfahren entfällt ein aufwendiger, meßtechnisch rückgekoppelter elektronischer Regelungskreis.

Insbesondere ist von Vorteil, dass die entgegengesetzte Richtung der Kompensationskraft durch ein Hebelgetriebe erzeugt wird, weil diese Art der Kraftübertragung zuverlässig und verlustarm ist. Außerdem ist ein Hebelgetriebe einfach und kostengünstig herzustellen.

Die Erfindung wird in einer bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten der Figur der Zeichnung zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Vertikalschnitt einer Stoßkompensationsvorrichtung für linear oder quasilinear geführte Massen, insbesondere für Spiegel eines Double- Cat's Eye-Interferometers.
Das Double-Cat's Eye-Interferometers 4 besteht im wesentlichen aus zwei Hohlspiegeln 14, die in einem festen Abstand mittig mit ihren konkaven Innenseiten sich gegenüber in einem Gehäuse angeordnet und auf einem gemeinsamen nicht dargestellten Fundament befestigt sind. Zwischen den beiden Hohlspiegeln 14 ist eine Masse 2, bevorzugt als teilweise durchlässiger Spiegel 3, so angeordnet, dass alle drei Spiegel eine gemeinsame Mittelpunktsachse haben und die Spiegelebenen zueinander parallel sind. Der mittlere Spiegel 3 kann dabei mittels einer geeigneten Führung linear oder quasilinear, d. h. orthogonal zur Spiegelebene, bewegt werden. Die lineare Bewegung 1 wird in einer Tauchspule 13 elektrisch erzeugt und durch eine Vorrichtung auf den Spiegel übertragen. Am oberen Ende des Spiegels 2 ist eine Führungsstange 12 fest mit dem Spiegel verbunden, so dass es sich bei der linearen oder quasilinearen Bewegung des Spiegels mitbewegt. Die Führungsstange ist außerhalb des Strahlengangs und parallel zur Bewegungsrichtung 1 des Spiegels angeordnet. Am Ende der Führungsstange 12 ist über ein Gelenk jeweils das obere Ende 6 eines Hebels 5 angelenkt, wobei Hebel 5 und Führungsstange 12 einen rechten Winkel bilden. Eine Tangente am Weg des Hebelendes 6 ist mit der Führungsrichtung des linear oder quasilinear geführten Spiegels sich deckend ausgerichtet. In der Fig. 1 ist die obere Hälfte des Hebels als Führungshebel 5 und die untere Hälfte des gerade verlängerten Hebels als Kompensationshebel 8 bezeichnet. Beide Hälften sind starr verbunden und in der Mitte 11 gelagert. Am unteren Ende 7 des Kompensationshebels 8 ist eine Führungsstange 15 angelenkt, wobei Hebel und Führungsstangen 12, 15 ein Parallelogramm bilden. An der Führungsstange 15 ist eine Kompensationsmasse 9 fest angebracht. Die Hebel 5, 8, 5', 8' sind mittels Schwenklager 11, 11' schwenkbar aber raumfest mit dem Fundament des Interferometers verbunden. Um die Stabilität zu erhöhen, kann die Vorrichtung derart ausgeführt werden, dass zusätzlich ein paralleler Führungs- und Kompensationshebel vorgesehen ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ergibt sich ein Parallelogramm aus den parallelen Führungs- 5, 5, und Kompensationshebeln 8, 8' und der Führungsstange 12 und Führungsstange 15. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen möglich, bei denen beispielsweise nur ein Hebelpaar genutzt wird und kein vollständiges Parallelogramm vorliegt oder in der die Stoßkompensationsvorrichtung in einer anderen Ebene als die Führung angeordnet ist.
Bei Erschütterungen wirken diese über das Fundament auf die Schwenklager 11. Die Massen haben dabei aufgrund ihrer Trägheit das Bestreben, da sie gelagert sind, zunächst ihre Position beizubehalten. Dadurch ergibt sich eine Relativbewegung zwischen Fundament und Massen, die auf die linear oder quasilinear geführte Masse wie ein Stoß wirkt, etwa durch eine Erschütterung, d. h. die so erzeugte Kraft wird über die Führungsstange 12 auf den Führungshebel 5 übertragen. Gleichzeitig wirkt derselbe Stoß auch auf die Kompensationsmasse 9. Die Kraft wird über die Führungsstange 15 auf den Kompensationshebel 8 übertragen. Da Kompensationsmasse 9 und Spiegel 3 dieselben Massen haben, werden zwei gleich große Kräfte erzeugt. Die von der Kompensationsmasse 9 erzeugte Kraft wird durch die Hebelübersetzung 5, 8 jeweils um 180 Grad gedreht und weist deshalb die genau entgegengesetzte Richtung auf. Weil in Fig. 1 Führungshebel 5 und Kompensationshebel 8 dieselben Längen aufweisen, kompensieren sich beide Kräfte gerade.
In anderen Ausführungsformen können beide Massen und Hebellängen unterschiedliche Beträge haben, sofern die Bedingung erfüllt ist, dass Produkt aus Masse 2 und Führungshebellänge 5 gleich dem Produkt aus Kompensationsmasse 9 und Kompensationshebellänge 8 ist.
Auf diese Weise ist eine besonders einfache aber überraschend wirksame Kompensation erfolgt, die das Gerät auch für Laien in der Praxis leicht handhabbar werden läßt. BEZUGSZEICHENLISTE 1. Bewegungsrichtung der linear oder quasilinear bewegte Masse
2 linear oder quasilinear bewegte Masse
3 Spiegel
4 Interferometer-Aufbau
5 Führungshebel
6 Oberes Ende des Führungshebels
7 Unteres Ende des Führungshebels
8 Kompensationshebel
9 Kompensationsmasse
10 Bewegungsrichtung der Kompensationsmasse
11 Mittelgelenk von Führungshebel und Kompensationshebel
12 Führungsstange der linear oder quasilinear bewegten Masse
13 Tauchspule
14 Hohlspiegel
15 Führungsstange der Kompensationsmasse

Claims

1. Stoßkompensationsvorrichtung (1) für linear oder quasilinear geführte Massen (2), insbesondere für Spiegel (3) eines Interferometers (4), die linear oder quasilinear geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hebel (5) zwischen seinen Enden (6, 7) drehbar gelagert ist, wobei ein Ende (6) mit der linear oder quasilinear bewegten Masse (2) und dessen anderes Ende (7) als Kompensationshebel (8) mit einer Kompensationsmasse (9) verbunden ist, so dass die Kompensationskraft eine Trägheitskraft der Kompensationsmasse ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwerpunkte der linear oder quasilinear geführten Masse (2) und der Kompensationsmasse mit der Drehachse fluchterid ausgerichtet sind.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelenden (6, 7) in den Schwerpunktachsen mindestens einer Masse angreifend angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Normalen auf der Bewegungsebene der Schwerpunkte der linear oder quasilinear bewegten Masse und der Kompensationsmasse mindestens in einem Punkt ihres Verschiebungsweges decken.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kompensierende Masse (2) ein linear oder quasilinear geführter Strahlteiler eines Interferometers (4), insbesondere Michelson- Interferometer oder sogenanntes "Double Cats Eye- Interferometer", ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung der Masse (2) parallele Führungshebel (5', 8') vorgesehen sind, von denen mindestens einer als Kompensationshebel (8) eine Verlängerung aufweist, an dessen Ende (7) die Kompensationsmasse (9) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsebene (10), in der der Kompensationshebel schwenkt, außerhalb einer Bewegungsebene angeordnet ist, in der sich der Führungshebel (5) bewegt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, ein Produkt aus Masse (2) und Führungshebellänge gleich dem Produkt aus Kompensationsmasse (9) und Kompensationshebellänge ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere, zur ersten Richtung (10) orthogonal angeordnete Kompensationsvorrichtung vorgesehen ist.

10. Verfahren zur Kompensation von Stößen, insbesondere bei linear oder quasilinear geführten Massen (2), im wesentlichen von Spiegeln (3) in Interferometern, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Trägheitskraft der linear oder quasilinear geführten Masse (2) entgegengesetzte Kompensationskraft erzeugt wird, die auf die linear oder quasilinear geführten Masse bei einem Stoß einwirkt, wobei sie in gleicher Größe, aber in entgegengesetzter Richtung wirkt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzte Richtung der Kompensationskraft durch ein Hebelgetriebe (5, 6, 7, 8,) erzeugt wird.