CN110730918A - 调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调节装置(1)，包括基体(2)、至少两个实现驱动运动的驱动元件(3)、以及相对于所述基体可移动的平台(4)，其中每个所述驱动元件(3)抵靠与所述驱动元件(3)相关联的杠杆传动装置(5)，并且由所述杠杆传动装置(5)传递的驱动元件(3)的驱动运动通过连接至所述杠杆传动装置和所述平台(4)的接合元件(6)转移至所述平台(4)，以使所述平台(4)能够相对于所述基体实施限定的调节运动，该调节运动是围绕穿过所述平台的轴线的倾斜运动的形式和/或平行于布置成垂直于由所述平台限定的平台平面的轴线的平移运动的形式，其中所述接合元件允许所述平台仅围绕至少一个倾斜轴线的倾斜运动，并且在所述平台还布置有用于引导所述调节运动和牢固地连接至所述基体的弹性元件(7)，其中所述弹性元件(7)抵消由所述调节运动引起的的在所述平台平面中的寄生平移运动和/或所述平台的围绕布置成垂直于所述平台平面的旋转轴线的寄生旋转运动。本发明还涉及所述调节装置在倾斜镜单元中的应用。

Description

调节装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1至17所述的调节装置，以及这种调节装置在倾斜镜单元中的应用。

背景技术

由DE 103 44 178 B4已知一种用于光学元件的调节装置，其中该光学元件通过操纵器单元安装在基体上。那里的操纵器单元包括线性调节元件和可移动操纵器构件，其中线性调节元件和可移动操纵器构件通过柔性铰链装置彼此连接。可移动操纵器构件本身通过另外的柔性铰链连接至操纵器头，光学元件通过框架环布置在操纵器头上。

柔性铰链装置构造成使得其起到杠杆减小的作用，由此线性调节元件的已经很小的调节运动可以转换成光学元件的甚至更低并且高精度的调节运动。

由DE 103 44 178 B4已知的调节装置的主要缺点是调节运动范围非常有限。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种调节装置，该调节装置利用调节运动的高精度使得调节范围更大。

该目的通过根据权利要求1的调节装置得以解决，其中从属权利要求描述了至少有利的进一步改进。

在说明书的以下部分中，与诸如角度、尺寸、位置、定位或者方向之类的几何数据的说明相关的多次使用的术语“基本上”，应理解为是指与分别指定的几何数据相比，对应的几何数据可以具有+/-5％的偏差，其中该偏差例如是由于制造或者装配公差所引起。

根据本发明的调节装置包括基体和相对于基体可移动的平台，其中待移动或者待定位的元件(优选为光学元件)能够连接至平台。通过至少两个驱动元件来实现平台或者待定位的元件的移动，其中至少两个驱动元件中的每个接合至其专用并且相关联的杠杆传动装置。

利用杠杆传动装置，可以将通常使用的驱动元件—例如对于压电致动器形式的驱动元件—的很小的驱动运动转换成比较大的最终运动。

经由连接至杠杆传动装置和平台的接合元件，通过相应的杠杆传动装置传递的相关联的驱动元件的驱动运动以无摩擦的方式传递到平台，从而平台能够相对于基体实施所限定的调节运动，该调节运动是围绕穿过平台的轴线的倾斜运动的形式和/或平行于布置成与由平台限定的平台轴线垂直的轴线的平移运动的形式。接合元件允许平台仅围绕至少一个倾斜轴线的倾斜运动。

弹性元件连接至平台并且用于引导调节运动，该弹性元件同样连接至基体并且抵消平台平面中的寄生平移运动和/或平台的围绕布置成与平台平面垂直的旋转轴线的轴线的寄生旋转运动，其中所述寄生运动由调节运动产生。然而，与此同时，弹性元件允许沿着布置成平行于旋转轴线的轴线进行平移运动。弹性元件优选是板簧，或者是由金属材料、特别是弹簧钢制成的膜状物。

有利的是，平台由两部分组成，包括平台上部和平台下部，在平台上部上可以连接通过调节装置而移动的元件，弹性元件布置在平台下部中的与其形状相对应的凹部中，并且优选地粘接至平台下部。由此得到弹性元件靠近接合元件或者靠近平台的枢轴点的布置，这尤其使得可变形部件中的机械应力较低。理想地，移动质量的质量重心与平台的枢轴点重合，从而分别防止或者尽可能防止平台的不希望的寄生摆动。将弹性元件布置在平台下部的凹部中还导致较小以及减小的安装空间，并且通过粘接工艺的连接省去了其他部件的使用，因此减少了安装工作量。除了通过粘接工艺将弹性元件连接至平台下部之外，还可以想到其他类型的连接，例如钎焊或者焊接。还可以想到纯机械连接，其中例如弹性元件放置或者安装在诸如平台下部的插槽的凹部中。

还有利的是，弹性元件包括中心部分和从中心部分延伸的至少两个臂部。这样以简单的方式实现高的引导精度，其中同时，对应的弹性元件利用调节装置上的较小机械应力实现相对较大的调节范围。

另外，有利的是，接合元件形成为柔性铰链。柔性铰链可以无摩擦运行，其变形仅需很小的磁滞。另外，柔性铰链允许相应调节运动的高动态，并且其效率的等级较高。因此，尤其在对根据本发明的调节装置的精度和速度有高要求的情况下，使用柔性铰链是有利的。

另外，有利的是，接合元件构造成一对彼此基本垂直布置的板簧。在复杂的力作用下，在调节装置中彼此基本垂直布置的板簧提供低的机械负载或者应力。特别地，分别彼此垂直或者彼此交叉布置的板簧可以满足对于每个相应的调节或者倾斜轴线的可比较的动力学和可比较的调节运动的需求。

另外，有利的是，平台可释放地连接至基体。对于根据本发明的调节装置的更简单并且因此更具成本效益的制造而言，这是有利的。另外，这提供了与其相关联的待定位的平台或者元件的简单更换的可能性。如果接合元件构造成永久地连接至平台或者与平台一体形成，则更换是特别有利的，因为接合元件承受高的机械负荷并且在操作期间可能发生相应的故障。

另外，有利的是，杠杆传动装置包括至少两个相互作用的杠杆部分。这允许实现所期望的传动比。特别有利的是，杠杆传动装置的总杠杆传动在5和7之间，特别优选为6.25。

有利的是，至少两个相互作用的杠杆部分彼此嵌套地布置。这可以实现较大的传动比，而同时需要很小的安装空间。换句话说，因此可以实现非常紧凑的杠杆传动装置。

另外，有利的是，杠杆部分通过至少一个柔性铰链彼此连接。这实现了无摩擦和高动态的杠杆传动装置的操作。

另外，有利的是，杠杆传动装置与基体一体地形成。这允许调节装置的更紧凑的设计，同时保持非常低的制造公差。

还有利的是，平台可以围绕以直角相交并且穿过平台的两个倾斜轴线倾斜，并且调节装置包括四个驱动元件和以柔性铰链形式连接至平台的四个接合元件。这扩展了根据本发明的调节装置的应用领域。

特别地，有利的是，柔性铰链一体地连接至平台。这大大减少了安装工作量。

另外，有利的是，弹性元件包括环形的中心部分和以星形方式从中心部分延伸的四个臂部。这样以简单的方式实现高的引导精度，其中同时，对应的弹性元件利用调节装置上的较小机械应力实现相对较大的调节范围。也可以考虑具有三个或者四个以上的从中心部分以星形的方式延伸的臂部的弹性元件。

另外，有利的是，两个倾斜轴线的相交点限定枢轴点，该相交点基本与由接合元件至平台的四个连接点所限定的平面在同一平面中。这使得臂部和接合元件中的机械负载较低。

还有利的是，在调节装置的外壳的体积在55cm³和60cm³之间的情况下，倾斜运动可以围绕在5x10E-6度和1度之间的倾斜角发生，和/或平移运动可以在1nm和200μm之间的范围内进行。即使调节装置的尺寸较小，其中调节装置的体积或者调节装置的外壳的体积对应地较小，根据本发明的调节装置也允许相对较大的倾斜角和/或相对较大的平台的平移运动或者偏移。

另外，有利的是，平台能够以高达200Hz的频率在最小和最大倾斜角之间和/或在最小和最大平移偏移之间进行转换。因此，根据本发明的调节装置提供了关于调节运动的高动态。

本发明还涉及调节装置在倾斜镜单元中的应用。然后实现了光学设备的紧凑的倾斜镜单元内的光束路径的高度动态偏移。

具体实施方式

在下文中，将基于附图描述本发明的实施例。

图1以透视分解图示出了根据本发明的调节装置1。由钛Ti6Al4V(等级5)制成的基体2包括总共四个基体凹部100，用于分别容纳压电线性致动器形式的驱动元件3。压电线性致动器通过预紧装置120在其纵向延伸方向上受到压缩应力作用，该预紧装置120包括基本为T形的预紧元件121、两个压缩弹簧122和轴承部分123。在调节装置的组装状态下，每个压缩弹簧122部分地嵌入到预紧元件121的对应凹部中，并且其两个远端的一者抵靠预紧元件121或者支撑在其上。各个压缩弹簧的另一远端分别抵靠相关的轴承部分123或者支撑在其上，其中轴承部分也包括相应的凹部，压缩弹簧部分地伸入其中。预紧元件和轴承部分至凹部中的相应局部突出完成了对压缩弹簧122的支承或者引导。

总共四个杠杆传动装置5与基体2整体地或者一体地形成，每个杠杆传动装置5包括彼此嵌套的两个杠杆部分10，这两个杠杆部分通过柔性铰链11彼此连接或者可操作地连接。

平台4包括平台上部41和平台下部42，其中总共四个接合元件6与平台上部整体地或者一体地形成，但是在图1中仅可见其中两个。由弹簧钢制成的弹性元件7布置在平台上部41和平台下部42之间，其中弹性元件7包括环形的中心部分8和从中心部分8以星形方式延伸的四个臂部9。在组装或者安装状态下，弹性元件7放置在平台下部42的互补的并且因此也是星形的凹部43中，或者优选地通过粘接而连接至其上。

弹性元件7在组装或者安装状态下通过未在图1中示出的连接元件、优选地通过螺钉连接至基体。那里的连接元件与基体2的连接构件160一起起作用。通过将弹性元件7连接至基体2，由于弹性元件7与平台下部42之间的牢固连接以及平台下部42与平台上部41之间的牢固连接，使得整个平台4也与基体2连接。

另外，在调节装置的组装状态下，接合元件6穿过平台下部42的对应通道伸出，并且分别伸入面对的杠杆部分10的对应凹部中，其中它们通过连接元件140分别连接至对应的杠杆部分10。

图2以侧视图示出了在组装状态下的根据图1的调节装置。在那里可以看到未在图1中示出的螺钉形式的连接元件150，其与连接构件160中的对应螺纹相互作用。在图2中无法辨认的螺钉150的头部抵靠弹性元件7，而螺钉或者螺纹轴穿过弹性元件7的环形开口8伸出。通过将螺钉拧入连接元件150的螺纹中，弹性元件以及因此整个平台分别连接至基体或者固定至基体上。

另外，从图2可以了解到，两个可识别的线性致动器3，其各自的远端的一者抵靠预紧装置120的相应轴承部分123，而预紧元件121连接至基体，并且在预紧元件121和相应的轴承区段123之间布置压缩弹簧122，使得相应的部分放置在预紧元件和轴承部分的凹部中。由于预紧元件牢固地连接至基体，压缩弹簧的作用使得轴承部分123(其转而形成为杠杆传动装置5的邻接部分101的一部分或者与之一体)沿着到相应的线性致动器上的方向受压。邻接部分101也因此沿着相应的线性致动器的方向受压，并且由于相应的线性致动器的相对设置的远端的牢固支撑，线性致动器因此承受压缩应力。

两个杠杆部分10在线性致动器的纵向延伸方向上一个接一个地布置，其中面向线性致动器的杠杆部分短于背向线性致动器的杠杆部分。当较短的杠杆部分是约2的杠杆传动时，较长的杠杆部分可以获得约3的杠杆传动。总杠杆传动为约6.25。

图3详细示出了根据图1和图2的调节装置的上部，不过其中为清楚起见省略了预紧装置120。

相应的线性致动器的上部远端分别与预紧装置120的轴承部分123邻接或者接合至其中，其中轴承部分123形成为杠杆传动装置的邻接部分101的一部分或者与之一体。

在背向相应的线性致动器的方向上的与邻接部分101毗连的是杠杆传动装置的第一柔性铰链11。

在背向相应的线性致动器的方向上与前述柔性铰链毗连的是第一杠杆部分10，其中该第一杠杆部分首先通过另外的柔性铰链11连接至基体，其次通过附加的柔性元件11连接至第二杠杆部分，该第二杠杆部分在背向相应的线性致动器的方向上布置在第一杠杆部分的后面。

第一杠杆部分在大约8mm的长度上延伸，其中该纵向延伸方向布置成基本上垂直于分别相关联的线性致动器的延伸方向。

与第一杠杆部分不同，第二杠杆部分具有成角度的形状，其中有效杠杆长度为约10mm。第二杠杆部分通过另外的柔性铰链连接到基体。

杠杆传动装置的所有柔性铰链具有1mm的长度和0.4mm的宽度。

第二较长的杠杆部分与相应的和平台下部42一体形成的接合元件6之间的连接通过螺钉形式的连接元件140建立。

图4是调节装置的上部的基于图1至图3的详细图示，与下图3相比，其中省略了轴承部分123，并且切割了接合元件6。

从图4可以了解到，所示的两个接合元件6中的每一个均由一对板簧61和62形成，其中两个板簧基本上彼此垂直地布置，从而使得在基本上彼此垂直地布置的各个运动或者倾斜方向上能够具有所需的自由度。

如上所述，每个接合元件通过连接元件140(为了清楚起见，在图4中省略了连接元件140)连接或者耦合到分别相关联的杠杆传动装置，因此通过杠杆传递的线性致动器的偏移可以转移到平台4。这是从图5的有关前面的图1至图4的进一步详细信息得出。连接元件140在那里构造为平头螺钉。

图6是根据图1至图5的调节装置的上部的详细的透视图，其具有穿过平台下部42的截面图，其中该截面图平行于平台平面延伸。然后可以详细看到在平台下部42的凹部43中的弹性元件7的布置。

十字形的弹性元件7包括环形的中心部分8和从其延伸的四个臂部9，其中相邻的臂部彼此之间分别形成大致90°的角度。

弹性元件分别由弹簧钢板或者弹簧钢制成，并且具有0.15mm的厚度或者材料厚度。从环形中心部分的中心开始测量，每个臂部的长度是7.5mm，并且在最窄的点，即具有恒定宽度的位置，每个臂部的宽度是1.5mm。

十字形的弹性元件7分别布置在互补的凹部43中或者嵌入到其中，其中各个臂部的较宽的端部粘接至平台下部42。

图7示出了在根据图1至图6的调节装置处的垂直于平台平面的截面图。再次清楚地看到弹性元件7在平台上部41和平台下部42之间的布置，其中弹性元件的环形的中心部分8抵靠连接构件160。

图8在很大程度上对应于图7，不过，其首先示出了螺钉形式的连接元件150，其次示出了也构造为螺钉的将连接构件160连接至基体2的连接元件170。

图9以透视图示出通过计算模拟的根据图1至图8的调节装置的偏移或者定位情况，其中，图9所示的杠杆传动装置在左前侧偏移，而图9中斜对面设置的并且无法识别的杠杆传动装置在右后侧偏移。当与布置在左前方的杠杆传动装置相关联的线性致动器实施伸长运动时，斜对面设置的线性致动器实施收缩运动。总体而言，这导致围绕两个倾斜轴所限定的倾斜过程。

在图9的图示中要牢记的是，所示的偏移或者变形比实际的要大得多。这也适用于图10的图示，该图示是关于根据图9的偏移情况的侧视图。

在图10中可以清楚地看出，随着相关联的线性致动器的伸长，左前方的杠杆传动装置向上(即朝向平台的方向)实施对应的放大运动，而随着斜对面设置的线性致动器的收缩，导致杠杆传动装置的向下(即背向平台的方向)运动。在图10中还可以清楚地看出由于两个致动的杠杆传动装置的对应的偏移引起的板簧61的弯曲变形。

附图标记列表

1调节装置

2基体

3驱动元件

4平台

5杠杆传动装置

6接合元件

7弹性元件

8中心部分

9臂部

10杠杆部分

11柔性铰链

41平台上部

42平台下部

43(平台4的)凹部

61板簧

62板簧

100基体凹部

101邻接部分

120预紧装置

121预紧元件

122压缩弹簧

123轴承部分

140连接元件

150连接元件

160连接构件

170连接元件

Claims (18)

1.一种调节装置(1)，包括基体(2)、至少两个实现驱动运动的驱动元件(3)、以及相对于所述基体可移动的平台(4)，其中每个所述驱动元件(3)抵靠与所述驱动元件(3)相关联的杠杆传动装置(5)，并且由所述杠杆传动装置(5)传递的驱动元件(3)的驱动运动可通过连接至所述杠杆传动装置和所述平台(4)的接合元件(6)转移至所述平台(4)，以使所述平台(4)能够相对于所述基体实施限定的调节运动，所述调节运动是围绕穿过所述平台的轴线的倾斜运动的形式和/或平行于布置成与由所述平台限定的平台平面垂直的轴线的平移运动的形式，其中所述接合元件允许所述平台仅围绕至少一个倾斜轴线的倾斜运动，并且在所述平台还布置有用于引导所述调节运动和牢固地连接至所述基体的弹性元件(7)，其中所述弹性元件(7)抵消由所述调节运动引起的在所述平台平面中的寄生平移运动和/或所述平台围绕布置成与所述平台平面垂直的旋转轴线的寄生旋转运动。

2.根据权利要求1所述的调节装置，其特征在于，所述平台(4)由两部分组成，并且包括：平台上部(41)，在所述平台上部(41)上连接通过所述调节装置而移动的元件；以及平台下部(42)，所述弹性元件(7)布置在所述平台下部中的与所述弹性元件(7)的形状相对应的凹部(43)中，并且优选地粘接至所述平台下部。

3.根据权利要求1或2所述的调节装置，其特征在于，所述弹性元件(7)包括中心部分(8)和从所述中心部分延伸的至少两个臂部(9)。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的调节装置，其特征在于，所述接合元件(6)形成为柔性铰链。

5.根据权利要求4所述的调节装置，其特征在于，每个所述接合元件(6)形成为一对彼此基本垂直布置的板簧(61、62)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的调节装置，其特征在于，所述平台(4)可释放地连接至所述基体(2)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的调节装置，其特征在于，所述杠杆传动装置(5)包括至少两个相互作用的杠杆部分(10)。

8.根据权利要求7所述的调节装置，其特征在于，所述至少两个相互作用的杠杆部分(10)彼此嵌套地布置。

9.根据权利要求7或8所述的调节装置，其特征在于，所述杠杆部分通过至少一个柔性铰链(11)彼此连接。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的调节装置，其特征在于，所述杠杆传动装置(5)与所述基体(2)一体地形成。

11.根据权利要求7至10中的任一项所述的调节装置，其特征在于，所述杠杆传动装置(5)的总杠杆传动在5和7之间。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的调节装置，其特征在于，所述平台(4)围绕以直角相交并且穿过所述平台的两个倾斜轴线倾斜，并且所述调节装置包括四个驱动元件(3)和以柔性铰链的形式连接至所述平台的四个接合元件(6)。

13.根据权利要求12所述的调节装置，其特征在于，所述柔性铰链一体地连接至所述平台。

14.根据权利要求12或13所述的调节装置，其特征在于，所述弹性元件包括环形的中心部分(8)和以星形方式从所述中心部分(8)延伸的四个臂部(9)。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的调节装置，其特征在于，所述两个倾斜轴线的相交点限定枢轴点，所述相交点基本与由所述接合元件至所述平台的四个连接点所限定的平面在同一平面中。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的调节装置，其特征在于，在所述调节装置的外壳的体积在55cm³和60cm³之间时，倾斜运动能够围绕在5x10E-6°和1°之间的倾斜角发生，和/或平移运动能够在1nm和200μm之间的范围内发生。

17.根据权利要求16所述的调节装置，其特征在于，所述平台能够以高达200Hz的频率在最小和最大倾斜角之间和/或在最小和最大平移偏移之间进行转换。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的调节装置在倾斜镜单元中的应用。

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