DE102006014664A1

DE102006014664A1 - Vorrichtung zur Halterung und Verstellung von Funktionselementen

Info

Publication number: DE102006014664A1
Application number: DE200610014664
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Depiereux
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung und Positions- und/oder Lageverstellung von Funktionselementen, insbesondere von optischen Elementen, umfassend eine Basiseinheit (10) und eine damit mindestens ein Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) und mindestens ein Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) verbundene, relativ zur Basiseinheit bewegliche Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c), bei dem die Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c), das mindestens eine Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) und das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) dauerhaft fixierte Bestandteile einer zusammenhängenden Verstelleinheit (1, 1a, 1b, 1c) sind, und wobei das mindestens eine Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) an der Basiseinheit (10) befestigt ist und mindestens ein Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) unmittelbar zwischen der Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) und dem Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) wirkt. Insbesondere vorteilhaft ist hierbei eine Ausbildungsform, in der die Verstelleinheit (1, 1a, 1b, 1c) einstückig ausgeführt ist und aus einem elastischen Material, z. B. Federstahl oder einer Formgedächnislegierung, besteht. Erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Halterung und Verstellung lassen sich auf einfache Weise herstellen und montieren, sind kompakt in der Bauweise und lassen sich gut gegen Lichteinfall abdecken. Ebenso erleichtert die Bauweise den Einbau in gegenüber der Umgebung abgedichtete Aufbauten, in denen beispielsweise ein Vakuum oder eine besondere Schutzatmosphäre herrscht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung und Positions- und/oder Lageverstellung mindestens eines Funktionselements, umfassend eine feststehende Basiseinheit und eine damit über mindestens ein Abstützelement und mindestens ein Rückstellelement verbundene, relativ zur Basiseinheit bewegliche Halteeinheit.
Derartige Versteller und Halteelemente werden insbesondere in der Optik, aber auch in anderen Forschungsgebieten, in vielfältiger Weise zum Aufbau von Versuchen verwendet. Beispielsweise werden damit optische Elemente, wie etwa Linsen, Spiegel oder Prismen auf einer optischen Bank oder einer Grundplatte gehalten und können zur Einstellung des Versuchsaufbaus, beispielsweise des Fokuspunkts einer Sammellinse oder der Strahlrichtung nach Durchlaufen eines Prismas, in ihrer räumlichen Lage verändert werden. Abhängig von dem kinematischen Aufbau existieren verschiedene Varianten dieser Versteller, etwa in der Funktion als Linear-, Winkel-, Rotationsversteller oder Kombinationen davon.
Diese Versteller bestehen üblicherweise aus zwei Einheiten, der eigentlichen Halteeinheit für die optischen Elemente, die die Einstellbewegung ausführt, und einer Basiseinheit, die auf der Grundplatte des Versuchsaufbaus, einer optischen Bank oder ähnlichem fixiert ist. Die Basiseinheit trägt weiterhin eine oder mehrere Verstellschrauben, -motoren oder sonstige Verstellelemente, mit denen die Halteeinheit relativ zur Basiseinheit bewegt werden kann. Zwischen der Basiseinheit und der Halteeinheit befindet sich üblicherweise ein Abstützelement, das ein Zentrum für die Relativbewegung bildet, sowie ein oder mehrere Federelemente, die die Basiseinheit und die Halteeinheit miteinander verspannen und gegebenenfalls für die Rückkehr der Halteeinheit in eine definierte Ruhelage sorgen.
Ein typischer Winkelversteller ist beispielsweise so aufgebaut, dass die Basiseinheit und die Halteeinheit gleich große quadratische Platten sind, die mit ihren Flächen übereinander liegen, wobei in einer Ecke der Platten eine Kugel als Abstützelement zwischen den Platten ruht. Zur Aufnahme der Kugel können in den Platten Vertiefungen angeordnet sein. Weiterhin sind zwischen den beiden Platten eine oder mehrere Zugfedern angebracht, die die Platten aufeinander hinziehen, so dass ohne äußere Einwirkung die der Kugel diagonal gegenüberliegenden Ecken der Platten aufeinander liegen. Dabei ist die Kugel nicht fest mit einer der Platten verbunden, sondern wird nur durch die zwischen den Platten wirkenden Federkräfte gehalten. In der Mitte zweier, um 90° gegeneinander versetzter Seiten oder in zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken der feststehenden Platte sind durch diese hindurch greifende Mikrometerschrauben eingelassen, deren Spitzen auf die gegenüberliegende Halteplatte drücken. So kann die Halteplatte gegenüber der feststehenden Platte bewegt werden, wobei sich ein durch die jeweilige Stellung der Schrauben bedingter Raumwinkel zwischen den beiden Platten ergibt. Manche Ausbildungsformen bekannter Versteller weisen auch in beiden Platten einen Durchbruch zum Durchlass des Strahlengangs auf, wobei in die Halteplatte eine Linse o. Ä. eingesetzt werden kann. Die Basiseinheit ist in diesen Fällen häufig nicht als vollständige Platte, sondern nur L-förmig gestaltet. In analoger Weise aufgebaute Linear- oder Rotationsversteller sind ebenfalls bekannt.
Ein so aufgebauter Winkelversteller ist beispielsweise unter der Bezeichnung „Objective Mount 5OBM119" von Standa Ltd., Litauen (http://www.standa.lt) erhältlich, von wo auch weitere Varianten verschiedener Verstelleinrichtungen bezogen werden können, ebenso wie bei Edmund Optics Inc., USA (http://www.edmundoptics.com).
Derartige Versteller bestehen somit aus einer Vielzahl von Einzelteilen und weisen überdies, bedingt durch die Anordnung des Abstützelements, wie etwa der erwähnten Kugel, einen Spalt zwischen der Basiseinheit und der Halteeinheit auf. Dies erschwert den Einsatz in Fällen, in denen der Strahlengang lichtdicht und/oder in einem Vakuum oder sonstigem speziellem Umgebungsmedium abgeschlossen sein soll. Der Versteller kann nicht ohne weitere Modifikationen beispielsweise in einen Tubus eingesetzt werden, sondern es muss ausgehend von der Basiseinheit ein Gehäuse um die Halteeinheit herum angebracht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Halte- und Verstelleinrichtung bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik einfacher aufgebaut ist und auf einfache Weise in eine abgeschlossene Umgebung integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Halteeinheit, das mindestens eine Abstützelement und das mindestens eine Rückstellelement dauerhaft fixierte Bestandteile einer zusammenhängenden Verstelleinheit sind, wobei das mindestens eine Abstützelement an der Basiseinheit befestigt ist und mindestens ein Rückstellelement unmittelbar zwischen der Halteeinheit und dem mindestens einen Abstützelement wirkt. Durch diese Integration der Halteeinheit, des abstützenden Elements und des Rückstellelements in einer Verstelleinheit ergibt sich ein wesentlich vereinfachter Aufbau, wobei das Abstützelement nun gleichzeitig zur festen Verbindung zwischen der Basiseinheit und der Verstelleinheit dient und das mindestens eine Rückstellelement zwischen dem Abstützelement und der Halteeinheit wirkt und nicht zwischen der Halteeinheit und der Basiseinheit, wie es bei den bekannten Verstelleinrichtungen nach dem Stand der Technik der Fall ist. Neben der Verringerung der Anzahl der Bauteile ergibt sich hiermit auch die Möglichkeit zu einer besonders kompakten und gekapselten Bauweise, wie im Weiteren ersichtlich wird.
Das Funktionselement kann dabei bevorzugt ein optisches Element sein. Aber auch andere Arten von Funktionselementen sind denkbar, z.B. elektromagnetisch, akustisch oder mechanisch wirkende Elemente, oder beliebige Arten sensorischer Elemente.
Das mindestens eine Rückstellelement kann beispielsweise als Feder wirken. Dabei kann das mindestens eine Rückstellelement mindestens einen elastischen Steg umfassen. Durch die Formgestaltung und Dimensionierung dieses mindestens einen Steges können die Federeigenschaften des Rückstellelements gezielt eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausbildungsform kann mindestens ein Rückstellelement gleichzeitig als Stellelement wirken. So kann die aktive Verstellung der Halteeinheit und deren Rückstellung in eine Ruhelage durch dasselbe Stellelement bewirkt werden, so dass beispielsweise separate Stellschrauben überflüssig werden. Das als Stellelement wirkende Rückstellelement kann dabei etwa ein piezoelektrisches Element sein. Dieses kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Formänderung veranlasst werden, die wiederum eine Positions- oder Lageänderung der daran befestigten Halteeinheit bewirkt. Liegt keine Spannung mehr an, so kehrt das Element in seinen Ausgangszustand zurück und wirkt so wieder als Rückstellelement. Eine andere Möglichkeit zur gleichzeitigen Verwendung des Rückstellelements als Stellelement besteht darin, dass das als Stellelement wirkende Rückstellelement aus einer Formgedächtnislegierung besteht. Damit kann zumindest ein Umschalten zwischen zwei Extremstellungen bewirkt werden, wobei das Stellelement durch Anlegen einer Spannung oder durch Wärmezufuhr in die eine Stellung bewegt wird und bei Wegfallen der Spannung oder Beenden der Wärmezufuhr wieder in die Ausgangsstellung zurückkehrt und dabei als Rückstellelement wirkt.
Ein besonders kompakter Aufbau entsprechend dem oben angeführten ergibt sich etwa, wenn das mindestens eine Abstützelement, das mindestens eine Rückstellelement und die Halteeinheit im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildungsform ist die Verstelleinheit einstückig ausgeführt. Dabei bestehen das mindestens eine Abstützelement, das mindestens eine Rückstellelement und die Halteeinheit aus demselben Material und können durch geeignete Materialbearbeitungstechniken, beispielsweise Laserschneiden oder auch Ausstanzen, aus einem einzigen Werkstück hergestellt werden. Insbesondere wenn alle Elemente der Verstelleinheit im Wesentlichen in einer Ebene liegen, ist so eine wesentlich vereinfachte und beschleunigte Herstellung möglich, da die gesamte integrierte Verstelleinheit automatisiert in einem einzigen Bearbeitungsvorgang hergestellt werden kann. Falls eine Anwendung eine dreidimensionale Gestaltung der Verstelleinheit erfordert, in der einzelne Elemente gegenüber anderen abgeknickt und/oder verdreht sind, also z. B. die Halteeinheit gegenüber dem Abstützelement einen Winkel aufweisen soll, so kann die Herstellung auch in zwei Arbeitsgängen erfolgen, wobei etwa das Ausschneiden oder -stanzen zunächst in flacher Form erfolgt und danach die Verstelleinheit in die gewünschte dreidimensionale Form gebogen wird.
Die Verstelleinheit kann dabei auch aus einem elastischen Material bestehen. Damit ist schon das Material der Verstelleinheit an sich geeignet, eine Rückstellkraft gegenüber einer Auslenkung aus einer Ruhelage zu bewirken. Durch eine geeignete Ausformung können nun einzelne Bereiche der Verstelleinheit gezielt als Rückstellelemente definiert werden.
Als elastisches Material für die Verstelleinheit kommen u. a. Federstahl oder eine Formgedächtnislegierung, wie beispielsweise Nitinol, in Frage. Derartige Materialien sind aufgrund ihrer hohen Stabilität, ihrer Federeigenschaften und der guten Bearbeitbarkeit bevorzugt. Allerdings ist auch die Verwendung anderer Materialien, etwa eines geeigneten elastischen Kunststoffes denkbar. Wird die Verstelleinheit ferner nicht einstückig ausgebildet, so können auch die Einzelelemente aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei wiederum das mindestens eine Rückstellelement bevorzugt aus elastischem Material besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Basiseinheit eine gegenüber einer optischen Achse in einem spitzen Winkel geneigte Fläche zur Aufnahme des mindestens einen Abstützelements aufweisen. Eine Anordnung in einem spitzen Winkel bedeutet hier, dass Winkel von 0° und 90° ausgeschlossen werden, da sie dem nachfolgend geschilderten Zweck nicht dienlich sind. Es ist dem Fachmann dabei klar, dass zu einem spitzen Winkel stets ein stumpfer Gegenwinkel zwischen den jeweiligen Elementen existiert. Diese Winkellage kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Basiseinheit eine gegenüber ihrer Grundfläche, die üblicherweise entweder parallel oder im rechten Winkel zur optischen Achse angeordnet wird, geneigte Aufnahmefläche aufweist. Dadurch wird die Verstelleinheit schon in ihrer Einbaulage, die somit eine Ruhelage definiert, einen Winkel zur Basiseinheit aufweisen, wie dies beispielsweise auch bei dem oben beschriebenen Winkelversteller gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Somit kann sich ein Schwenkbereich ergeben, der um eine als senkrecht zur optischen Achse definierte Mittellage herum symmetrisch ist und in dem überall eine Rückstellkraft in Richtung auf die Ruhelage hin wirkt. Diese Anordnung ermöglicht es, Verstellelemente wie Schrauben so einsetzen zu können, dass diese nur Druck auf das Halteelement ausüben müssen und nicht auch ziehend wirken müssen, um eine Bewegung in zwei Richtungen um eine Mittellage herum zu bewirken.
Dem mindestens einen Rückstellelement kann auch eine Auslenkung gegenüber einer Ruhelage eingeprägt werden. Dies kann beispielsweise bei Verwendung einer Formgedächtnislegierung dadurch geschehen, dass dem Material diese Auslenkung eingeprägt wird. Materialunabhängig kann dies z.B. dadurch geschehen, dass dem mindestens einen Rückstellelement eine entsprechende Form gegeben wird. Hierbei kann etwa die Verstelleinheit so ausgeformt sein, dass die Halteeinheit gegenüber dem Abstützelement einen Winkel aufweist. Mit diesen Ausbildungsformen kann unter anderem der gleiche Zweck erfüllt werden wie mit der oben geschilderten Verkippung der Verstelleinheit gegenüber einer optischen Achse. Dafür wäre der Winkel vorzugsweise ein spitzer Winkel gemäß der obenstehenden Definition. Eine derartige dreidimensionale Ausformung der Verstelleinheit kann aber auch, wie oben angeführt, anwendungsbezogen wünschenswert sein. In diesem Fall besteht keine Einschränkung des Winkels zwischen Abstützelement und Halteeinheit, er kann hier z.B. auch 90° betragen.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die Halteeinheit ein Zwischenelement umfasst und zwischen dem Abstützelement und dem Zwischenelement sowie zwischen dem Zwischenelement und einem inneren Halteelement jeweils mindestens ein Rückstellelement wirkt. Dabei können das Rückstellelement zwischen dem Abstützelement und dem Zwischenelement und dasjenige zwischen dem Zwischenelement und dem inneren Halteelement in verschiedenen Orientierungen angeordnet sein und/oder in verschiedene Richtungen wirken. Weiterhin kann die Halteeinheit mindestens zwei Zwischenelemente umfassen, wobei zwischen dem Abstützelement und einem ersten Zwischenelement, zwischen jeweils zwei benachbarten Zwischenelementen und zwischen einem letzten Zwischenelement und dem inneren Halteelement jeweils mindestens ein Rückstellelement wirkt. In diesem Fall können das Rückstellelement, das zwischen dem Abstützelement und dem ersten Zwischenelement wirkt, diejenigen, die zwischen jeweils zwei benachbarten Zwischenelementen wirken und dasjenige, das zwischen dem letzten Zwischenelement und dem inneren Halteelement wirkt, in jeweils verschiedenen Orientierungen angeordnet sein und/oder in verschiedene Richtungen wirken.
Auf diese Weise kann mit einer einzigen Verstelleinheit eine zwei- oder mehrstufige Verstellung realisiert werden. Es können beispielsweise ein oder mehrere Zwischenelemente ringförmig um das innere Halteelement herum angeordnet sein, wobei jeweils zwischen den Elementen eine elastische Verbindung existiert.
Wenn die Rückstellelemente, die zwischen verschiedenen Elementen wirken, in verschiedenen Orientierungen angeordnet sind und/oder in verschiedene Richtungen wirken, können in der einen Verstelleinheit mehrere Verstellrichtungen integriert werden, beispielsweise eine Rotation oder Verkippung um zwei orthogonale Achsen, eine Translation und eine Rotation oder ähnliches. Die einzelnen Verstellrichtungen werden dabei durch die Anordnung und Ausgestaltung der jeweiligen Rückstellelemente und die entsprechenden Angriffspunkte der Verstelleinrichtungen auf dem inneren Halteelement und dem oder den Zwischenelementen definiert. Vorzugsweise kann dabei der gesamte Aufbau der Verstelleinheit wie oben beschrieben aus einem einzigen Werkstück gefertigt werden, wobei die jeweils zwischen den Elementen wirkenden Rückstellelemente als elastische Stege ausgeführt sind.
Das mindestens eine Rückstellelement kann dabei so ausgebildet sein, dass es eine Rotation der Halteeinheit um eine optische Achse oder mindestens eine zu einer optischen Achse senkrechte Achse und/oder eine entsprechende Rotation des inneren Halteelements relativ zum Rest der Halteeinheit zulässt. Natürlich sind aber auch Rotationen oder Kippbewegungen um beliebige räumliche Achsen denkbar. Weiterhin kann das mindestens eine Rückstellelement so ausgebildet sein, dass es eine Translation der Halteeinheit relativ zum Abstützelement und/oder des inneren Halteelements relativ zum Rest der Halteeinheit zulässt.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass eine Führung für die Halteeinheit und/oder das Halteelement vorhanden ist. Dies kann insbesondere bei einer Rotation um eine optische Achse sinnvoll sein, damit die Halteeinheit bzw. das innere Halteelement nicht gleichzeitig zur Rotation eine gegebenenfalls unerwünschte Translation vollzieht.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Halteeinheit eine Einrichtung zur Aufnahme des Funktionselementes aufweist. Dies kann, wenn das Funktionselement ein optisches Element ist, beispielsweise ein Durchbruch in der Halteeinheit oder im inneren Halteelement sein, in den eine Linse, ein Spiegel oder ein anderes optisches Element eingesetzt werden kann. Hier können gegebenenfalls weitere Elemente zum Festschrauben oder -klemmen des optischen Elements vorgesehen sein. Es ist in diesem Fall auch in der Basiseinheit ein entsprechender Durchbruch für den Strahlengang oder eine geeignete Formgebung der Basiseinheit vorzusehen. Es kann aber auch eine auf die Halteeinheit bzw. das innere Halteelement aufgesetzte und dort beispielsweise verschraubte oder aufgeklebte weitere Halterung vorgesehen sein. Daneben ist es auch denkbar, dass beispielsweise ein Spiegel ganz einfach plan auf eine Fläche der Halteeinheit bzw. des inneren Halteelements aufgeklebt wird.
Es ist aber auch denkbar, dass zumindest ein Teil der Halteeinheit gleichzeitig das Funktionselement bildet. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Halteeinheit oder das innere Halteelement aus Metall bestehen, das spiegelnd poliert, beschichtet oder in sonstiger Weise reflektierend gestaltet ist und so als optischer Spiegel wirken kann. Ebenso könnte die Halteeinheit und/oder das innere Halteelement auch ein mechanisch wirkendes Element sein.
Insgesamt ergibt sich somit die Möglichkeit, flache und kompakte Versteller für Funktionselemente beliebiger Art, aber insbesondere optische Elemente aufzubauen, die sich insbesondere für den Einsatz in Tubussystemen eignen und einfach gegen Lichteinfall und/oder eine Umgebungsatmosphäre abgedichtet werden können. Vorteilhaft wirkt sich auch aus, dass die Anzahl der Bauteile reduziert werden kann, insbesondere durch den Wegfall separater Abstützelemente, Federn oder Ähnlichem.
Die Herstellung von erfindungsgemäßen Verstellelementen kann dabei durch verschiedenste Techniken der Materialbearbeitung erfolgen, z.B. Laserschneiden und -schweißen, Fräsen oder Stanzen. Letzteres bietet sich beispielsweise an, wenn die Verstelleinheit an sich aus einem flachen Werkstück hergestellt wird, aber ihr auch eine dreidimensionale Form gegeben werden soll. Falls eine Verstelleinheit oder Teile davon aus Kunststoffen hergestellt werden soll, kommt auch z.B. Spritzgießen oder eine ähnliche Technik in Frage.
Einige Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Verstelleinheit für einen Zweiachs-Winkelversteller,
2 eine Basiseinheit zur Aufnahme einer Verstelleinheit, und
3a, 3b und 4 drei Ausbildungsformen von Verstelleinheit für rotatorische Versteller.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Verstelleinheit 1 für einen xz/yz-Winkelversteller entsprechend dem dargestellten Koordinatensystem. Diese Verstelleinheit 1 besteht aus einem als Abstützelement dienenden Befestigungsbügel 2, der mittels Ösen 3 an einer Basiseinheit 10 (2) befestigt werden kann, einem Zwischenring 6 und einer Halteplatte 7 zur Aufnahme eines optischen Elements. Zwischenring 6 und Halteplatte 7 bilden dabei eine Halteeinheit 8. Zwischen dem Haltebügel 2 und dem Zwischenring 6 sowie zwischen dem Zwischenring 6 und der Halteplatte 7 befinden sich Rückstellelemente 4, die jeweils aus mehreren elastischen Stegen 5 bestehen. Die beiden Rückstellelemente 4 sind gegeneinander um 90° versetzt angeordnet. Die Halteplatte 7 weist im Zentrum eine Bohrung 9 auf, in der beispielsweise eine Halterung für ein optisches Element befestigt werden kann, die jedoch auch so groß ausgebildet werden kann, dass ein optisches Element in sie eingesetzt werden kann. In diesem Falle wären gegebenenfalls weitere Befestigungselemente vorzusehen. Es könnte aber auch etwa ein Spiegel direkt auf die Halteplatte 7 aufgeklebt werden. Die Verstelleinheit 1 ist aus einem einzigen Werkstück gefertigt, beispielsweise aus einer Federstahlplatte. Die Herstellung der Halteeinheit 1 kann vorzugsweise automatisiert durch Laserschneiden oder eine ähnliche Bearbeitungstechnik stattfinden. Durch die Gestaltung der Form und der Dimensionen der Stege 5 kann deren Federverhalten, insbesondere die Steifigkeit, eingestellt werden.
Weiterhin sind Angriffspunkte A1 und A2 auf Halteplatte 7 und Zwischenring 6 dargestellt, an denen Verstellelemente, wie z. B. Schrauben ansetzen können, um eine Auslenkung der Halteplatte 7 zu erreichen. Greift etwa eine Verstellschraube am Angriffspunkt A1 an und übt darauf einen Druck senkrecht zur Zeichenebene aus, so wird die Halteplatte 7 aufgrund der Elastizität der Stege 5 zwischen Zwischenring 6 und Halteplatte 7 relativ zum Zwischenring 6 ausgelenkt. Da die Steifigkeit der Halteplatte 7 wesentlich größer ist als die der Stege 5, wird trotz des an sich identischen Materials die in der Halteplatte 7 bewirkte Verbiegung wesentlich geringer sein als in den Stegen 5, oder sogar kaum feststellbar sein. Es ergibt sich somit eine Veränderung der Winkellage der Halteplatte 7 zum Rest der Verstelleinheit 1. In gleicher Weise kann durch das Angreifen einer Verstellschraube am Angriffspunkt A2 der Zwischenring 6 relativ zum Haltebügel 2 ausgelenkt werden. Eine eventuelle Auslenkung der Halteplatte 7 gegenüber dem Zwischenring 6 durch das Angreifen einer Verstellschraube am Angriffspunkt A1 wird dieser Auslenkung überlagert, so dass insgesamt die Halteplatte 7 gegenüber dem Haltebügel 2 entlang zweier zueinander orthogonaler Achsen, die durch die Rückstellelemente 4 definiert sind, jeweils einen spitzen Winkel aufweisen kann. Mit der gezeigten Anordnung lässt sich eine Auslenkung der Halteplatte 7 gegenüber dem Haltebügel 2 in beiden Richtungen um z.B. ±5° erzielen, was beispielsweise für optische Aufbauten im Allgemeinen ausreichend ist. Aber auch größere Auslenkungen sind natürlich denkbar. Die erforderliche Genauigkeit bzw. ein eventuelles Mindestinkrement der Einstellung der Auslenkung kann in bekannter Weise durch die Auswahl der Stellelemente, z.B. in Form von Mikrometerschrauben, erzielt werden.
2 zeigt eine beispielhafte Ausbildungsform einer Basiseinheit 10 zur Aufnahme einer Verstelleinheit 1 wie anhand von 1 beschrieben. Dargestellt ist eine Ansicht von vorne in der gleichen Orientierung wie die Verstelleinheit 1 aus 1 mit entsprechenden Schnitten aus zwei orthogonalen Richtungen sowie eine dazugehörige Deckplatte 16.
Die Basiseinheit 10 besteht aus einem ringförmigen Gehäuse 11, in das eine Aufnahmefläche 12 zur Aufnahme des Haltebügels 2 und ein Absatz 13 zur Aufnahme der Deckplatte 16 eingeformt sind. In der Aufnahmefläche 12 sind Gewinde 14 eingelassen, die zur Aufnahme von Befestigungsschrauben durch die Ösen 3 des Haltebügels 2 der Verstelleinheit 1 (1) dienen. Die Aufnahmefläche 12 ist in zwei Richtungen gegenüber der Grundfläche des feststehenden Elements 10 geneigt, so dass auch eine darin eingebaute Verstelleinheit 1 diesen Winkel gegenüber dem Gehäuse 11 aufweist. Damit wird eine Ruhelage der Verstelleinheit definiert, die bereits einer maximalen Auslenkung aus einer Mittellage entspricht; die Mittellage ist dabei als Parallele zur Grundfläche des Gehäuses 11 und somit senkrecht zu einer optischen Achse definiert. Es kann nun durch eine rein drückende Einwirkung entsprechender Verstellschrauben auf entsprechende Angriffspunkte A1 und A2 der Verstelleinheit 1 deren Halteplatte 7 aus der Ruhelage in die Mittellage und darüber hinaus bewegt werden, so dass insgesamt eine Schwenkbewegung um im wesentlichen gleiche Beträge in zwei Richtungen um die Mittellage bewirkt werden kann, wobei in jeder Position eine rückstellende Kraft auf das Halteelement 7 einer eingesetzten Verstelleinheit 1 wirkt.
In den Absatz 13 im Gehäuse 11 kann die Deckplatte 16 eingesetzt werden, durch die hindurch Verstellschrauben an den Angriffspunkten A1 und A2 auf eine eingebaute Halteeinheit 1 einwirken können. Dazu sind in der Deckplatte 16 Gewinde S1 und S2 zur Aufnahme entsprechender Verstellschrauben angebracht, die so angeordnet sind, dass sie sich bei erfolgter Montage der Deckplatte 16 am Gehäuse 11 direkt über den Angriffspunkten A1 und A2 auf der eingebauten Verstelleinheit 1 befinden. Zur Befestigung der Deckplatte 16 können im Gehäuse 11 weitere, hier nicht dargestellte, Einrichtungen wie Gewinde o. Ä. vorgesehen sein. Die Deckplatte 16 kann aber auch durch Klemmen, Kleben o.Ä. am Gehäuse 11 fixiert werden. Weiterhin kann, falls erforderlich, zwischen Deckplatte 16 und Gehäuse 11 eine Dichtung vorgesehen sein.
Auf der der Deckplatte 16 gegenüberliegenden Seite der Basiseinheit 10 befindet sich eine Öffnung 15, die durch das ringförmige Gehäuse 11 gebildet wird, und durch die beispielsweise ein Lichtstrahl auf ein an einer eingesetzten Verstelleinheit 1 befestigtes optisches Element gelangen kann. Falls der Strahlengang durch das feststehende Element 10 hindurchgehen soll, also das optische Element beispielsweise eine Linse im Zentrum der Halteplatte 7 der Halteeinheit 1 ist, muss auch die Deckplatte 16 eine entsprechende Öffnung aufweisen. Falls das optische Element ein Spiegel ist, der auf der Halteplatte 7 der Halteeinheit 1 befestigt ist, kann die eingesetzte Deckplatte 16 aber auch völlig geschlossen sein.
Weitere Einrichtungen, über die eine erfindungsgemäße Basiseinheit je nach Bedarf verfügen kann, wie etwa zu ihrer Befestigung auf einer Grundplatte, optischen Bank etc., sind nicht dargestellt, können aber vom Fachmann in üblicher Weise vorgesehen werden.
Anhand der Darstellung in 2 wird somit deutlich, dass durch eine erfindungsgemäße Gestaltung eines Verstellers die Verstelleinheit 1 vollständig im Inneren einer Basiseinheit 10 untergebracht werden kann. Es ergibt sich also kein Spalt zwischen der Basiseinheit 10 und der Verstelleinheit 1 wie in den Verstellern nach dem Stand der Technik, so dass die Anordnung auf einfache Weise vollständig gekapselt werden kann, um beispielsweise unter Lichtabschluss, im Vakuum oder unter einer besonderen Atmosphäre betrieben werden zu können.
3a und 3b zeigen alternative Verstelleinheiten 1a und 1b zur rotatorischen Verstellung. Die Verstelleinheit 1a in 3a weist hier zwei Befestigungspunkte 2a zur Befestigung an einer nicht dargestellten Basiseinheit auf. Zwischen diesen Befestigungspunkten 2a und der Halteplatte 7a, die hier gleichzeitig als einziger Bestandteil die Halteeinheit 8a bildet, wirken wiederum Rückstellelemente 4a in Form von federartig ausgebildeten elastischen Stegen 5a. Durch das Angreifen einer nicht dargestellten Verstellschraube am Angriffspunkt A3 kann nun die Halteplatte 7a um die durch die beiden Befestigungspunkte 2a definierte Achse rotatorisch ausgelenkt werden. Wiederum kann die gesamte Verstelleinheit 1a aus einem einzigen Stück Federstahl gefertigt sein, wobei entsprechend dem oben ausgeführten Techniken der Laserbearbeitung zum Einsatz kommen können. Auch für diesen rotatorischen Versteller bietet es sich an, ähnlich wie in der in 2 gezeigten Basiseinheit 10, in der dazugehörigen Basiseinheit jeweils geneigte Flächen zur Aufnahme der Befestigungspunkte 2a vorzusehen, um so eine entsprechend vorausgelenkte Ruhelage zu erzielen.
Die in 3a dargestellte Verstelleinrichtung 1a kann allerdings auch als linearer Versteller eingesetzt werden, wenn beispielsweise eine Verstellschraube am Angriffspunkt A4 in der gezeigten Pfeilrichtung angreift.
Die Versteileinrichtung 1b in 3b stellt eine Weiterbildung der Versteileinrichtung 1a aus 3a mit einem zur Verstelleinrichtung aus 1 analogen Aufbau dar, bei dem ein Zwischenring 6b mit einem zweiten Satz von Rückstellelementen 4b eingefügt wird. Die Verstelleinrichtung 1b weist ebenso wie Verstelleinrichtung 1a zwei Befestigungspunkte 2b und ein Paar (äußerer) Rückstellelemente 4b auf, verfügt demgegenüber aber über ein weiteres Paar (innerer) Rückstellelemente 4b, die zwischen dem Zwischenring 6b und der Halteplatte 7b wirken. Die Rückstellelemente 4b bestehen wiederum aus elastischen Stegen 5b. Zwischenring 6b und Halteplatte 7b bilden in ähnlicher Weise wie zu 1 dargelegt eine Halteeinheit 8b. Weiterhin sind Angriffspunkte A5 und A6 für Verstellschrauben auf dem Zwischenring 6b und auf der Halteplatte 7b dargestellt, wodurch Zwischenring 6b und/oder Halteplatte 7b rotatorisch um die durch die jeweiligen Rückstellelemente 4b definierten Achsen ausgelenkt werden können. Somit kann die Verstelleinheit 1b als rotatorischer Zweiachs-Versteller dienen.
Eine andere Ausbildungsform einer Verstelleinheit 1c für einen rotatorischen Versteller zeigt 4. Die Verstelleinheit 1c verfügt über einen Befestigungspunkt 2c, an dem über ein durch einen elastischen Steg 5c gebildetes Rückstellelement 4c eine Halteplatte 7c befestigt ist, die eine Halteeinheit 8c bildet. Hier greift nun eine Verstellschraube am Angriffspunkt A7 in der gezeigten Pfeilrichtung an, so dass eine Schwenkbewegung um eine durch den Befestigungspunkt 2c laufende Achse senkrecht zur Zeichenebene bewirkt wird. Alternativ zu dem oben auf der Halteplatte 7c angebrachten Angriffspunkt A7 ist hier auch der gestrichelt dargestellte, im Wesentlichen in einer Ebene aus der Halteplatte 7c ausgeformte Angriffspunkt A7' denkbar. Falls eine rein rotatorische Bewegung der Halteplatte 7b gewünscht wird, ist vorzugsweise eine Führung vorzusehen, beispielsweise in Form einer Achse durch die Bohrung 9c in der Halteplatte 7c. So wird die Halteplatte 7c bei einer Kraftwirkung auf einen der Angriffspunkte A7, A7' nur rotatorisch um ihr Zentrum herum bewegt und nicht aus ihrer Position verschoben.
In allen dargestellten Ausbildungsformen von erfindungsgemäßen Halteeinheiten können am Halteelement weitere Befestigungsvorrichtungen vorgesehen werden, etwa zusätzliche Spiegel- oder Linsenhalter, wobei auch eine Öffnung im Halteelement vorhanden sein kann, in die ein optisches Element eingesetzt werden kann. Weiterhin können Führungen für die beweglichen Anteile vorgesehen sein, um die Einhaltung der erwünschten Bewegungsrichtungen sicherzustellen und/oder höhere Stabilität zu gewährleisten. Diese Führungen sind bevorzugt an der Basiseinheit anzubringen.
Die Gestaltung der Rückstellelemente kann je nach gewünschter Anwendung gewählt werden, wobei die anhand der Figuren gezeigten als Ausgangspunkt dienen können. Dabei können in einem Versteller auch mehrere verschiedene Rückstellelemente zur Unterstützung verschiedener Bewegungsrichtungen kombiniert werden, wobei gegebenenfalls ein oder mehrere Zwischenringe eingesetzt werden können.
Entsprechend ist dann eine geeignete Anordnung von Angriffspunkten und diesen zugeordneten Verstellelementen zu wählen.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, wie die in 2 dargestellte Basiseinheit 10 abgewandelt werden kann, um als Basiseinheit für andere Ausbildungsformen erfindungsgemäßer Verstelleinheiten zu dienen. Z.B. wären für die in den 3a und 3b gezeigten Verstelleinheiten 1a und 1b zwei Aufnahmeflächen für die beiden Befestigungspunkte 2a, 2b vorzusehen. Ebenso wäre für die rotatorische Verstelleinheit 1c aus 4 eine Aufnahmefläche für den Befestigungspunkt 2c vorzusehen sowie eine Führung, die beispielsweise als durch die Bohrung 9c der Halteplatte 7c reichender Stift ausgebildet werden kann. Aber auch für beliebige andere Ausbildungsformen von Verstelleinheiten wird der Fachmann Lösungen zur Gestaltung einer entsprechenden Basiseinheit leicht auffinden können.

1, 1a, 1b, 1c: Verstelleinheiten
2, 2a, 2b, 2c: Befestigungsbügel/-punkte
3: Ösen
4, 4a, 4b, 4c: Rückstellelemente
5, 5a, 5b, 5c: elastische Stege
6, 6b: Zwischenringe
7, 7a, 7b, 7c: Halteplatten
8, 8a, 8b, 8c: Halteeinheiten
9, 9a, 9b, 9c: Bohrungen
10: Basiseinheit
11: Gehäuse
12: Aufnahmefläche
13: Absatz für Deckplatte
14: Gewinde
15: Öffnung
16: Deckplatte
A1, ..., A7, A7': Angriffspunkte für Verstellschrauben
S1, S2: Gewinde für Verstellschrauben

Claims

Vorrichtung zur Halterung und Positions- und/oder Lageverstellung mindestens eines Funktionselements, umfassend eine feststehende Basiseinheit (10) und eine damit über mindestens ein Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) und mindestens ein Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) verbundene, relativ zur Basiseinheit (10) bewegliche Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c), dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c), das mindestens eine Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) und das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) dauerhaft fixierte Bestandteile einer zusammenhängenden Verstelleinheit (1, 1a, 1b, 1c) sind, wobei das mindestens eine Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) an der Basiseinheit (10) befestigt ist und mindestens ein Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) unmittelbar zwischen der Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) und dem mindestens einen Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement ein optisches Element ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) als Feder wirkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) mindestens einen elastischen Steg (5, 5a, 5b, 5c) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) gleichzeitig als Stellelement wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das als Stellelement wirkende Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) ein piezoelektrisches Element ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das als Stellelement wirkende Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) aus einer Formgedächtnislegierung besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c), das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) und die Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (1, 1a, 1b, 1c) einstückig ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (1, 1a, 1b, 1c) aus einem elastischen Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (1, 1a, 1b, 1c) aus Federstahl besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (1, 1a, 1b, 1c) aus einer Formgedächtnislegierung besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit (10) eine gegenüber einer optischen Achse in einem spitzen Winkel geneigte Fläche (12) zur Aufnahme des mindestens einen Abstützelements (2, 2a, 2b, 2c) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) eine Auslenkung gegenüber einer Ruhelage eingeprägt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (1, 1a, 1b, 1c) so ausgeformt ist, dass die Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) gegenüber dem Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) einen Winkel aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) ein Zwischenelement (6, 6b) umfasst und zwischen dem Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) und dem Zwischenelement (6, 6b) sowie zwischen dem Zwischenelement (6, 6b) und einem inneren Halteelement (7, 7b) jeweils mindestens ein Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) zwischen dem Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) und dem Zwischenelement (6, 6b) und dasjenige zwischen dem Zwischenelement (6, 6b) und dem inneren Halteelement (7, 7b) in verschiedenen Orientierungen angeordnet sind und/oder in verschiedene Richtungen wirken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) mindestens zwei Zwischenelemente (6, 6b) umfasst und zwischen dem Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) und einem ersten Zwischenelement (6, 6b), zwischen jeweils zwei benachbarten Zwischenelementen (6, 6b) und zwischen einem letzten Zwischenelement (6, 6b) und einem inneren Halteelement (7, 7b) jeweils mindestens ein Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c), das zwischen dem Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) und dem ersten Zwischenelement (6, 6b) wirkt, diejenigen, die zwischen jeweils zwei benachbarten Zwischenelementen (6, 6b) wirken und dasjenige, das zwischen dem letzten Zwischenelement (6, 6b) und dem inneren Halteelement (7, 7b) wirkt, in jeweils verschiedenen Orientierungen angeordnet sind und/oder in verschiedene Richtungen wirken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) eine Rotation der Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) um eine optische Achse zulässt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) eine Rotation der Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) um mindestens eine zu einer optischen Achse senkrechte Achse zulässt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) eine Translation der Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) relativ zum Abstützelement (2, 2a, 2b, 2c) zulässt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führung für die Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) eine Rotation des inneren Halteelements (7, 7b) um eine optische Achse und relativ zum Rest der Halteeinheit zulässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) eine Rotation des inneren Halteelements (7, 7b) um mindestens eine zu einer optischen Achse senkrechte Achse und relativ zum Rest der Halteeinheit zulässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rückstellelement (4, 4a, 4b, 4c) eine Translation des inneren Halteelements (7, 7b) relativ zum Rest der Halteeinheit (2, 2a, 2b, 2c) zulässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führung für das innere Halteelement (7, 7b) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (8, 8a, 8b, 8c) eine Einrichtung zur Aufnahme des Funktionselements aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Halteeinheit gleichzeitig das Funktionselement bildet.