DE102011082008A1

DE102011082008A1 - Vorrichtung zur Positionierung eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102011082008A1
Application number: DE102011082008A
Authority: DE
Inventors: Florian Antretter; Erwin Böhler
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: DE102011082008B4

Abstract

Eine Vorrichtung zur Positionierung eines Messobjekts beinhaltet ein Halteelement (10), eine Trägerplatte (24a) und eine Antriebseinheit (25a). Das Halteelement (10) ist um eine erste Achse (31) drehbar gegenüber der Trägerplatte (24a) gelagert. Die Antriebseinheit (25a) weist zumindest einen Motor und ein Kraftübertragungselement (K1, K2), welches den Motor zumindest mit dem Halteelement (10) verbindet, auf. Der Motor ist auf der, dem Halteelement (10) abgewandten Seite der Trägerplatte (24a) angeordnet. Das Kraftübertragungselement (K1, K2) ist zumindest auf der, dem Halteelement (10) zugewandten Seite der Trägerplatte (24a) linear erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen dreidimensionalen Positionierung von Messobjekten zur Vermessung in Hochfrequenz-Messkammern. Über zwei Drehachsen ist das jeweilige Messobjekt frei positionierbar. Eine typische Anwendung sind Messungen der Over-the-air Eigenschaften (OTA, Dt.: Luftschnittstellen-Eigenschaften) von Mobilfunk-Endgeräten. Dabei werden sowohl die Sendeleistung als auch die Empfängerempfindlichkeit in allen Raumorientierungen gemessen.
Zur Positionierung von Messobjekten in Messkammern sind manuelle Positioniereinrichtungen bekannt. Bei diesen ist es jedoch notwendig, für eine Vielzahl von Messungen mit unterschiedlichen Positionen bzw. Orientierungen des Messobjekts jeweils die Kammer zu öffnen und eine neue Position bzw. Orientierung einzustellen.
Aus der US 2009/0231217 A1 ist eine automatische Positioniereinrichtung bekannt. Dabei ist das Messobjekt in einer kugelförmigen Umhüllung angeordnet. In der Messkammer ist darüber hinaus ein Motor angeordnet, welcher die kugelförmige Umhüllung des Messobjekts und damit auch das Messobjekt dreht und so unterschiedliche Positionen anfährt. Nachteilig ist hieran, dass eine genaue Positionierung nur schwer möglich ist. Es können durch den Motor, welcher innerhalb der Messkammer angeordnet ist, außerdem Störsignale entstehen.
Weiterhin zeigt das US Patent 4,968,983 eine automatische Positionierungseinrichtung für Messobjekte in Messkammern, bei welcher die Motoren zum Verfahren des Messobjekts mittels Absorbern abgedeckt sind. Auch diese Anordnung ist nachteilig, da sich die Motoren auch hier innerhalb der Messkammer befinden. Störsignale werden zwar durch die Absorber gedämpft, können jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden. Darüber hinaus erfolgt die Kraftübertragung von den Motoren auf das Messobjekt mittels Riemen, welche über Umlenkrollen geführt sind. An den Umlenkrollen entstehen dabei nennenswerte Querkräfte, welche einen schnellen Verschleiß bewirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Positionierung eines Messobjekts zu schaffen, welche sich durch eine hohe Lebensdauer und eine große Messgenauigkeit auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionierung eines Messobjekts beinhaltet ein Halteelement, eine Trägerplatte und eine Antriebseinheit. Das Halteelement ist um eine Achse einer ersten Welle drehbar gegenüber der Trägerplatte gelagert. Die Antriebseinheit weist zumindest einen Motor und ein Kraftübertragungselement, welches den Motor zumindest mit dem Halteelement verbindet, auf. Der Motor ist auf der dem Halteelement abgewandten Seite der Trägerplatte angeordnet. Das Kraftübertragungselement ist zumindest auf der dem Halteelement zugewandten Seite der Trägerplatte linear erstreckt, d.h. das Kraftübertragungselement verläuft entlang einer Geraden. Es ist so möglich, das Messobjekt automatisch in jeder beliebigen Ausrichtung zu positionieren. Damit wird eine hohe Positioniergenauigkeit der Vorrichtung erreicht, bei gleichzeitig hoher Lebensdauer.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der das vorteilhafte Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dreidimensionalen Ansicht;
2a ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Schnittdarstellung;
2b das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Schnittansicht;
2c das zweite Ausführungsbeispiel in einer dritten Schnittansicht;
2d das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vierten Schnittansicht;
3a ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Schnittansicht;
3b das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Schnittansicht;
3c das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Schnittansicht;
4a ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Schnittansicht;
4b das vierte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Schnittansicht; und
4c das vierte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Schnittansicht.
Zunächst wird anhand von 1 der Aufbau und die Funktionsweise eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. 2a–2d zeigen den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Mittels 3a–3c wird daraufhin der Aufbau die Funktionsweise eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht. Abschließend wird anhand von 4a–4c der Aufbau und die Funktionsweise eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Identische Elemente werden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.
Auf einer Trägerplatte 24a, bei welcher es sich vorzugsweise um eine aus einem leitfähigen Material gefertigte Abschirmplatte handelt, ist mittels Lagerbolzen 30 ein Trägerelement 22 angeordnet. Die Trägerplatte 24a kann auch durch den Gehäuseboden einer Messkammer gebildet werden. Mit dem Trägerelement 22 sind weitere Abstandselemente 20 und 21 verbunden. Diese tragen eine Welle 31, mit welcher ein Halteelement 10 verbunden ist. Durch die zweiseitige Lagerung des Halteelements 10 können Kräfte auf die Lager minimiert werden. Auf jeder Lagerseite ist der Antrieb für eine Drehachse integriert.
Das Halteelement 10 selbst trägt eine weitere Welle 32, mit welcher über scheibenförmige Teile 12 und eine hier nicht sichtbare Trägerplatte, welche die Scheibenförmigen Teile 12 verbindet ein Aufnahmeelement 11 verbunden ist. Die hier nicht sichtbare Trägerplatte ist mittels einer Steckverbindung mit dem Aufnahmeelement 11 verbunden. Die Steckverbindung ermöglicht den einfachen Austausch des Aufnahmeelements 11. Jedes Aufnahmeelement 11 kann somit an ein bestimmtes Messobjekt angepasst sein. Die weitere Welle 32 ist hier zweiteilig ausgeführt.
Das Aufnahmeelement 11 ist dabei weitgehend in einer Ebene erstreckt und befindet sich innerhalb des Halteelements 10. Das Halteelement 10 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig aufgebaut. Der Durchmesser des Zylinders ist dabei deutlich größer als seine Länge. Es umfasst das Aufnahmeelement 11 zumindest in einer Ebene vollständig. Das Aufnahmeelement 11 ist zur Aufnahme eines Messobjekts ausgebildet. Hierzu weist es in dem Ausführungsbeispiel Kerben auf, in welchen ein Messobjekt mittels elastischer Bänder fixiert werden kann.
Der Abstand zwischen der Trägerplatte 24a und dem Trägerelement 22, welcher durch die Lagerbolzen 30 überbrückt wird, ist dabei mit einem Absorbermaterial, z. B. in Form von pyramidenförmigen Absorberelementen gefüllt. Diese sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Lagerbolzen 30, das Trägerelement 22, die Abstandselemente 20, 21, das Halteelement 10 und das Aufnahmeelement 11 sind dabei aus einem für Hochfrequenz-Strahlung weitgehend transparenten Material, bevorzugt Styropor oder Rohacell gefertigt. Auch sämtliche weitere oberhalb der Trägerplatte 24 angeordnete Bauteile sind bevorzugt aus einem solchen Material gefertigt.
Die Welle 31 besteht aus einer ersten Teil-Welle 31a und einer zweiten Teil-Welle 31b. Diese beiden Teil-Wellen 31a, 31b sind nicht direkt miteinander verbunden. Die erste Teil-Welle 31a verfügt über ein Antriebsrad 13, welches mittels eines Riemens 17 und eines Antriebsrads 28 mit einer Antriebseinheit 25 verbunden ist. Die Antriebseinheit 25 weist dabei einen hier nicht dargestellten Motor auf, welcher das Antriebsrad 28, den Riemen 17 und das Antriebsrad 13 und somit auch die erste Teil-Welle 31a antreibt. Das Halteelement 10 ist drehfest mit der ersten Teil-Welle 31a verbunden, d. h. ein Antrieb des Antriebsrads 13 treibt auch das Halteelement 10 an. Auf der zweiten Teil-Welle 31b ist das Halteelement 10 dagegen drehbar gelagert.
Die zweite Teil-Welle 31b verfügt über zwei Antriebsräder 14 und 15, welche drehfest mit ihr verbunden sind. Die Antriebseinheit 25 weist einen weiteren Motor auf, welcher ein Antriebsrad 29 und darüber einen weiteren Riemen 18, das Antriebsrad 14 und so die zweite Teil-Welle 31b antreibt.
Die Riemen 17, 18 verlaufen durch Schlitze 26, 27 in der Trägerplatte 24a zu den Antriebsrädern 28, 29. Sofern die Motoren ungeschirmt unterhalb der Trägerplatte 24a montiert sind, sind diese Schlitze 26, 27 dabei möglichst klein ausgeführt. D. h. Störstrahlung, welche durch die Motoren verursacht wird, kann so die Messung nicht beeinflussen. Hierzu ist die größte Ausdehnung eines Schlitzes 26, 27 vorzugsweise nicht größer als die kleinste eingesetztes Wellenlänge, bevorzugt nicht größer als die Hälfte der kleinsten eingesetzten Wellenlänge. Sind die Motoren jedoch in einem zusätzlichen Abschirmgehäuse unterhalb der Trägerplatte 24a angeordnet, aus welchem lediglich seitlich die Achsen der Motoren herausragen, spielt die Größe der Öffnungen keine Rolle.
Die Riemen 17, 18 verlaufen dabei zumindest oberhalb der Trägerplatte 24a linear. Die Lagerbolzen 30 sind optional in Richtung der Trägerplatte 24a jeweils mit einer Feder versehen, welche die Riemen 17, 18 unter Spannung halten. Eine mögliche Verlängerung der Riemen 17, 18 im Laufe der Zeit wird damit kompensiert. Einem Schlupf der Riemen 17, 18 wird so vorgebeugt. Die zweite Welle 32 verfügt über ein Antriebsrad 16. Dieses Antriebsrad 16 ist mittels eines noch weiteren Riemens 19 mit dem Antriebsrad 15 der Teil-Welle 31b verbunden. Der noch weitere Riemen 19 wird durch Abstandshalter 23 von dem äußeren Umfang des Halteelements 10 auf Abstand gehalten. Der noch weitere Riemen 19 gleitet über die Abstandshalter 23. Alternativ können die Abstandshalter 23 mit Rollen versehen sein, über welche der weitere Riemen 19 abrollt. Dies reduziert den Widerstand des Riemens 19 signifikant. Um eine Verlängerung des Riemens 19 zu kompensieren können die Abstandshalter 23 weiterhin mit Federn ausgestattet sein, welche den Riemen 23 unter Spannung von dem Halteelement 10 abhalten. Die Federn sind dabei derart klein ausgeführt, dass sie keine nennenswerten Feldverzerrungen verursachen, obwohl sie aus Metall gefertigt sind. Alternativ sind die Federn aus einem Material gefertigt, welches keine oder nur geringe Feldverzerrungen verursacht.
Die Teil-Welle 31b ist dabei drehbar in dem Halteelement 10 gelagert.
Werden durch die Antriebseinheit 25 die Antriebsräder 28 und 29 und mittels der Riemen 17 und 18 auch gleichzeitig die Antriebsräder 13 und 14 gleichläufig angetrieben, so vollführt das Halteelement 10 eine Drehung um die durch die Welle 31 definierte Drehachse 31. Werden die Antriebsräder 13 und 14 dagegen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit angetrieben, so drehen sich die beiden Teil-Wellen 31a und 31b nicht länger synchron. So kann eine Drehung des Aufnahmeelements 11 um die Welle 32 ausgelöst werden. Wird beispielsweise das Antriebsrad 13 festgehalten, d. h. nicht gedreht, gleichzeitig aber das Antriebsrad 14 gedreht, so bleibt das Halteelement 10 in Ruhe, während sich die gesamte Drehung der Teil-Welle 31b über das Antriebsrad 15 und damit auf den noch weiteren Riemen 19 und das Antriebsrad 16 überträgt. Da das Antriebsrad 16 mit dem Aufnahmeelement 11 drehfest verbunden ist, dreht sich nun das Aufnahmeelement 11 gegenüber dem Halteelement 10.
Zur Beschleunigung des Verfahrens der Positionierung des Messobjekts können Drehungen um die Wellen 31 und 32 ebenfalls gleichzeitig durchgeführt werden. Dies geschieht durch gleichzeitiges Drehen der beiden Teil-Wellen 31a und 31b mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
Die Riemen 17 und 18 verlaufen dabei zumindest oberhalb der Trägerplatte 24a geradlinig. D. h. es entstehen keine Querkräfte, welche von Umlenkrollen aufgenommen werden müssten. Da Materialien, welche weitgehend transparent für Hochfrequenz-Strahlung sind, üblicherweise eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen, wären solche Umlenkrollen einem starken Verschleiß ausgesetzt. Insbesondere die Lager der Umlenkrollen in dem weichen Material wären einem starken Verschleiß ausgesetzt.
Bei einer alternativen Ausgestaltung sind die Riemen 17, 18 nicht direkt mit den Antriebsrädern 28, 29, sondern mit zusätzlichen, oberhalb der Trägerplatte 24a angeordneten Antriebsrädern verbunden. Diese zusätzlichen Antriebsräder sind mittels einer Zahnradverbindung oder mittels zusätzlicher Riemen mit den Antriebsrädern 28, 29 verbunden. Es ist so möglich, sämtliche Bauteile, welche oberhalb der Trägerplatte 24a angeordnet sind, mit geringem Aufwand auszutauschen. Es muss hierfür lediglich die Zahnradverbindung oder die Verbindung über Riemen zu den Antriebsrädern 28, 29 getrennt werden. Eine Anpassung des gesamten Aufbaus oberhalb der Trägerplatte 24a an das jeweilige Messobjekt ist so möglich.
Um die gegenwärtige Orientierung des Messobjekts um die Achsen der ersten Welle 31 und der zweiten Welle 32 einfach ablesen zu können, sind vorteilhafterweise auf der Außenseite des Halteelements 10 im Bereich der Teil-Wellen 31a und 31b Winkelskalen aufgebracht. Zusätzlich trägt bevorzugt die Steckverbindung 12 ebenfalls eine solche Skala.
Das Antriebsrad 13, der Riemen 17 und das Antriebsrad 28 und die erste Teil-Welle 31a bilden dabei eine erste Kraftübertragungsvorrichtung K1. Das Antriebsrad 29, der weitere Riemen 18, das Antriebsrad 14, die zweite Teil-Welle 31b, das Antriebsrad 15, der noch weitere Riemen 19 und das Antriebsrad 16 bilden dabei eine zweite Kraftübertragungsvorrichtung K2.
Sämtliche Antriebsräder sind dabei vorzugsweise mit einer Rundrille oder einem Unterschnitt zur Aufnahme des jeweiligen Riemens ausgestattet.
Die Motoren können als Schrittmotoren oder Servomotoren mit Drehimpulsgeber ausgestattet sein. Eine einfache und genaue Positionierung ist so möglich.
In 2a ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Schnittansicht dargestellt. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kraftübertragung nicht mittels Riemen, sondern mittels Zahnrädern.
Ein Messobjekt 60 wird von einem Aufnahmeelement 41 gehalten. Das Aufnahmeelement 41 wird von einem Zahnrad 46a, welches sich mit einer Welle 46c drehen kann, gehalten. Die Welle 46c und eine zweite Welle 46d liegen auf einer gemeinsamen Achse 62. Das Aufnahmeelement 41 ist somit um die Achse 62 gegenüber dem Halteelement 40 drehbar. Die Wellen 46c und 46d werden von einem Halteelement 40, welches hohlzylinderförmig aufgebaut ist, drehbar gehalten. Die Ansicht der 2a stellt eine Schnittansicht durch die Länge des Zylinders dar.
Das zylinderförmige Halteelement 40 verfügt über seitliche Einkerbungen 50a und 50b. Mittels Lager-Kugeln 51a und 51b wird das Halteelement 40 zwischen den Einkerbungen 50a, 50b und einem trogförmigen Trägerelement 52 gehalten. Dieses Trägerelement 52 ist dabei oberhalb einer Trägerplatte 24b angeordnet oder ist Teil der Trägeplatte 24b. Durch die Lagerung mittels der Lager-Kugeln 51a, 51b ist das Halteelement 40 somit um eine Achse 63 gegenüber dem Trägerelement 52 drehbar.
Das Zahnrad 46a steht dabei mit einem Kegelrad 49a in Verbindung. Dieses Kegelrad 49a ist um eine Achse 49c drehbar. Das Kegelrad 49a greift mittels dieser in ein weiteres Zahnrad 44, welches als Zahnkranz ausgebildet ist ein. Dieses weitere Zahnrad 44 ist in einer Aussparung des Trägerelements 40 angeordnet und erstreckt sich entlang des gesamten Umfangs des Trägerelements 40. Das weitere Zahnrad 44 ist dabei drehbar gegenüber dem Trägerelement 40. Auf seiner Außenseite verfügt das Zahnrad 44 darüber hinaus ebenfalls über eine Zahnung.
Die Zahnräder 46a und 44 sowie das Kegelrad 49a sind dabei in Aussparungen des Trägerelements 40 angeordnet. Sie sind gegenüber dem Trägerelement 40 mit geringem Widerstand drehbar. Das Halteelement 40 verfügt zusätzlich über eine Zahnung 43 auf seiner Außenseite. Die Zahnung 43 des Halteelements 40 ist dabei vorzugsweise durch Prägung des Materials erzeugt. Auch die übrigen Zahnungen können durch Prägung des Materials hergestellt sein. Die Zahnung 43 des Trägerelements 40 greift dabei in die Zahnung eines Antriebszahnrads 47, welches als Antriebsrad eingesetzt ist. Das Antriebszahnrad 47 ist dabei an einer schlitzförmigen Öffnung des Trägerelements 52 angeordnet und durchdringt diese teilweise. Auch die Trägerplatte 24b weist in diesem Bereich eine schlitzförmige Öffnung auf.
Das Antriebszahnrad 47 greift in ein weiteres Zahnrad 55, welches mit einem Motor 53 verbunden ist. Der Motor 53 treibt das Zahnrad 55 an, welches ebenfalls ein Antriebsrad ist. Dieses weitere Zahnrad 55 treibt das Antriebszahnrad 47 an, welches wiederum das Trägerelement 40 um die Achse 63 dreht.
Ein zweiter Motor 54 ist mit einem weiteren Zahnrad 56 verbunden. Dieses weitere Zahnrad 56 greift in ein weiteres Antriebszahnrad 48, welches durch eine schlitzförmige Öffnung des Trägerelements 52 bzw. der Trägerplatte 24b in die äußere Zahnung des Zahnrades 44 eingreift. Die Zahnräder 48 und 56 sind dabei ebenfalls Antriebsräder. Treibt der Motor 54 das weitere Zahnrad 56 an, so treibt dieses das weitere Antriebszahnrad 48 an, welches seinerseits das Zahnrad 44 antreibt. Das Zahnrad 44 dreht sich somit um die Achse 63. Die Zahnung auf der Diagonalen des Zahnrads 44 greift in die Zahnung des Kegelrads 49a ein. Eine Drehung des Zahnrads 44 um die Achse 63 führt somit zu einer Drehung des Kegelrads 49a um die Achse 49c. Da das Kegelrad 49a in die Zahnung des Zahnrads 46a eingreift, sorgt dies zusätzlich für eine Drehung des Zahnrads 46a und damit auch des Aufnahmeelements 41 um die Achse 62.
Die Zahnräder 47, 48 sind dabei optional. Alternativ ist auch eine direkte Verbindung über die Zahnräder 55, 56 möglich. Die Zahnräder 47, 55 bilden dabei eine erste Kraftübertragungsvorrichtung K3. Die Zahnräder 56, 48, 44, 49a, 46a bilden dabei eine zweite Kraftübertragungsvorrichtung K4.
Drehen die beiden Motoren 53, 54 synchron, werden das Halteelement 40 und das Zahnrad 44 synchron angetrieben. Das Zahnrad 44 dreht sich somit nicht in Relation zu dem Halteelement 40. Die Zahnräder 49a und 46a verbleiben somit in Ruhe. Eine Drehung des Halteelements 40 um die Achse 63 ist somit die Folge. Wird jedoch der Motor 53 festgehalten, während der Motor 54 eine Drehung vollführt, dreht sich das Zahnrad 44 gegenüber dem Halteelement 40 um die Achse 63. Dies führt zu einer Drehung der Zahnräder 49a und 46a und damit zu einer Drehung des Aufnahmeelements 41 um die Achse 62. Zur Beschleunigung der Einstellung einer Position des Messobjekts 60 können beiden Motoren 53, 54 auch gleichzeitig mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden.
In 2b ist eine zweite Schnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Die Schnittachse entspricht dabei der Schnittlinie B aus 2a. Deutlich erkennbar ist hier der Querschnitt des Halteelements 40 und das darin angeordnete Kegelrad 49a mit seiner Achse 49c. Es ist dabei in einer Aussparung des Halteelements 40 angeordnet. Zusätzlich ist hier das Trägerelement 52 deutlich zu erkennen.
In 2c ist eine dritte Schnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Diese Ansicht entspricht einem Schnitt durch die Schnittlinie C aus 2a. Deutlich erkennbar ist hier das Zahnrad 44 mit seiner außen liegenden Zahnung. Darüber hinaus ist hier deutlich, die zweite Kraftübertragungsvorrichtung K4 mit den Zahnrädern 48 und 56 zu erkennen.
In 2d ist zusätzlich ein Schnitt durch die Schnittlinie A aus 2a gezeigt. Hier ist deutlich der reduzierte Querschnitt des Halteelements 40 erkennbar. Auch die Lagerung des Zahnrads 46a und einer gegenüberliegenden Scheibe in Aussparungen des Halteelements 40 ist hier anschaulich.
In dem Ausführungsbeispiel, welches in den 2A–2D dargestellt ist, sind die Motoren 53, 54 parallel zu der Trägerplatte 24b angeordnet.
3a zeigt eine erste Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier sind Motoren 84, 85 senkrecht zu einer Trägerplatte 94 angeordnet. Durch die Trägerplatte 94 hindurch ragen nach oben Wellen 82, 83, welche mit Zahnrädern 77, 78 verbunden sind.
Die Zahnung des Zahnrads 77 greift dabei in eine seitliche Zahnung 73 eines Halteelements 70 ein. Das Halteelement 70 ist auch hier zylinderförmig ausgeführt. Die Ansicht der 3a stellt eine Schnittansicht entlang der Länge des Zylinders dar. Die seitliche Zahnung 73 des Halteelements 70 erstreckt sich dabei um den gesamten Umfang des Halteelements 70 an seiner Stirnseite. In einer Aussparung des Halteelements 70 ist ein Zahnrad 76a angeordnet, welche mit einem Aufnahmeelement 71 verbunden ist. Das Zahnrad 76a ist dabei um eine Achse 92 gegenüber dem Halteelement 70 drehbar. Das Aufnahmeelement 71 ist zur Aufnahme eines Messobjekts 90 ausgebildet. In einer zusätzlichen Ausnehmung des Halteelements 70 ist ein Zahnrad 79 angeordnet. Das Zahnrad 79 steht mit dem Zahnrad 76a in Verbindung. Zusätzlich steht das Zahnrad 79 mit einem Zahnrad 74 in Verbindung. Das Zahnrad 74 ist dabei um eine Achse 93 gegenüber dem Halteelement 70 drehbar. Die Achse 93 steht senkrecht gegenüber der Achse 92.
Das Zahnrad 74 weist dabei eine Zahnung auf Höhe des Zahnrads 79, erstreckt um seinen gesamten Umfang auf. D. h. diese Zahnung ist auf der linksseitigen Oberfläche des Zahnrads 74 aufgebracht und greift in die Zahnung des Zahnrads 79 ein. Zusätzlich verfügt das Zahnrad 74 auf seiner rechten Seite auf Höhe des Zahnrades 78, welches mit der Welle 83 verbunden ist über eine weitere Zahnung. Das Zahnrad 74 wird durch eine Halterung 81 an seinem Platz gegenüber dem Halteelement 70 gehalten. Die Welle 82 und das Zahnrad 77 bilden dabei eine erste Kraftübertragungsvorrichtung K5. Die Welle 83, das Zahnrad 78, das Zahnrad 74, das Zahnrad 79 und das Zahnrad 76 abilden dabei eine zweite Kraftübertragungsvorrichtung K6. Alternativ kann das Zahnrad 74 zusätzlich über weitere Zahnräder gerader Anzahl mit einem Zahnrad 76b verbunden sein. In diesem Fall treibt das Zahnrad 74 das Aufnahmeelement 71 beidseitig an.
In 3b ist eine Ansicht von oben gezeigt. 3c zeigt eine Schnittansicht entlang der Achse 92. Die Trägerplatte 94 ist auch hier mit Absorptionselementen 86 belegt.
Werden die beiden Motoren 84, 85 gegenläufig mit identischer Geschwindigkeit betrieben, drehen sich auch die Zahnräder 77, 78 mit identischer Geschwindigkeit gegenläufig. Dies führt zu einer synchronen Drehung des Halteelements 70 und des Zahnrads 74. Es existiert somit keine Relativbewegung des Halteelements 70 gegenüber dem Zahnrad 74. Die Zahnräder 79, 76a und 76b verbleiben somit gegenüber dem Halteelement 70 in Ruhe. Eine Drehung des Halteelements 70 um die Achse 93 ist somit die Folge.
Wird jedoch das Zahnrad 77 festgehalten oder zumindest mit geänderter Geschwindigkeit angetrieben, während sich das Zahnrad 78 dreht, entsteht eine Relativbewegung des Zahnrads 74 gegenüber dem Halteelement 70. Dies resultiert in einer Drehung der Zahnräder 79, 76a und ggf. 76b. Eine Drehung des Aufnahmeelements 71 und damit auch des Messobjekts 90 um die Achse 92 ist somit die Folge. Zur schnelleren Einstellung einer dreidimensionalen Orientierung des Messobjekts 90 können auch beide Motoren 84, 85 mit unterschiedlicher Geschwindigkeit betrieben werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel dienen die Zahnräder 77, 78 lediglich dem Antrieb. Das Halteelement 70 wird dabei von einer hier nicht dargestellten Halterung zusätzlich gehalten.
Anhand von 4a–4c wird ein viertes Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung veranschaulicht. Auch hier sind Motoren 114, 115 unter einer Trägerplatte 124 angebracht. Wie in 4c anschaulich gezeigt, verlaufen die Wellen 112 und 113 nicht senkrecht, sondern schräg gegenüber der Trägerplatte 124 zu einem Halteelement 100.
Über Wellen 112, 113 sind Trägerelemente 107b und 108b und Zahnräder 107a und 108a mit den Motoren 114, 115 verbunden. Die Trägerelemente 107b, 108b halten dabei das Halteelement 100 in Position. Zusätzlich zu den Trägerelementen 107b, 108b wird das Halteelement 100 von einer Welle 130, welche von einem Halter 133 über der Trägerplatte 124 gehalten wird, gehalten. Auf der Welle 130 sind zusätzlich Räder 131b und 132b angebracht, auf welchen das Halteelement 100 drehbar gelagert ist.
Darüber hinaus trägt die Achse 130 Positionsräder 131a und 132a, welche das Halteelement 100 entlang einer Achse 123 in Position halten.
Das Halteelement 100 verfügt an seiner Stirnseite gegenüber dem Zahnrad 107a über eine Zahnung 103. Auch diese Zahnung 103 kann durch Prägung des Materials des Halteelements 100 entstanden sein. Die Zahnung 103 greift dabei in die Zahnung des Zahnrads 107a ein. Das Halteelement 100 ist um die Achse 123 drehbar gelagert. Mit dem Halteelement 100 verbunden ist ein Zahnrad 104, welches ebenfalls um die Achse 123 drehbar gelagert ist. Das Zahnrad 104 wird durch eine Halterung 111 an seinem Platz gegenüber dem Halteelement 100 gehalten. Es ist lediglich entlang der Achse 123 mit dem Halteelement 100 verbunden und gegenüber diesem ebenfalls um die Achse 123 drehbar. Das Zahnrad 104 verfügt über eine erste Zahnung, angeordnet gegenüber dem Zahnrad 108a. Diese Zahnung verläuft entlang des gesamten Umfangs des Zahnrads 104 und greift in die Zahnung des Zahnrads 108a ein. Weiterhin verfügt das Zahnrad 104 über eine zweite Zahnung auf seiner dem Zahnrad 109 zugewandten Seite.
Diese zweite Zahnung greift in die Zahnung eines Zahnrads 109 ein. Das Zahnrad 109 wiederum greift in die Zahnung eines Zahnrads 106a ein. Das Zahnrad 106a ist um eine Achse 122 drehbar. Das Zahnrad 106a ist mit einem Aufnahmeelement 101 verbunden, welches zur Aufnahme eines Messobjekts 120 ausgebildet ist. Optional ist das Aufnahmeelement 101 mit einem weiteren Zahnrad verbunden. Dieses ist über weitere Zahnräder gerader Anzahl, welche hier nicht dargestellt sind, ebenfalls mit dem Zahnrad 104 verbunden sein. Die Welle 112 und das Zahnrad 107a bilden dabei eine Kraftübertragungsvorrichtung K7. Die Welle 113 und das Zahnrad 107b bilden dabei eine Kraftübertragungsvorrichtung K8
Wie bereits anhand von 3a–3c erläutert, sorgt eine gegenläufige, aber gleich schnelle Drehung der Motoren 114, 115 für eine Drehung des Halteelements 100 um die Achse 123, da keine Relativbewegung zwischen dem Halteelement 100 und dem Zahnrad 104 entsteht. Wird jedoch der Motor 114 angehalten, während sich der Motor 115 dreht, entsteht eine Relativbewegung, welche zu einer Drehung der Zahnräder 109 und 106a und damit auch zu einer Drehung des Aufnahmeelements 101 um die Achse 122 führt. So können die Position und Orientierung des Messobjekts 120 um die Achsen 122 und 123 eingestellt werden. Zur Beschleunigung der Einstellung können zusätzlich beide Motoren 114 und 115 gleichzeitig mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen.
Das Halteelement 100 ist zusätzlich mit einem Reflektor 133b ausgestattet. Dieser Reflektor 133b reflektiert Hochfrequenz-Strahlung mit einer starken Richtcharakteristik. Weiterhin ist das Aufnahmeelement 101 mit einem solchen Reflektor 133a ausgestattet. Die Reflektoren 133a und 133b werden zur Ermittlung eines Nullpunkts, d. h. einer Ausgangsposition für die Positionierung eingesetzt. Bei einer bestimmten Orientierung des Aufnahmeelements 101 und des Halteelements 100 ergibt sich ein Maximum der Reflexion eines eingestrahlten Hochfrequenz-Signals. Bei Erreichen dieses Maximums befinden sich beide Achsen in dieser Nullstellung. Die Reflektoren 133a, 133b können dabei als Reflektorfolien ausgeführt sein. Alternativ ist eine optische Nullpunktfeststellung mittels optischer Reflektoren denkbar. Solche Reflektoren sind mit sämtlichen Ausführungsbeispielen kombinierbar. In diesem Fall sind dann zumindest eine zusätzliche Lichtquelle und zumindest ein Lichtdetektor Bestandteil der Vorrichtung. Der Lichtdetektor kann dabei als Fotodiode ausgeführt sein.
Darüber hinaus können die außen liegende Zahnung 103 des Halteelements 100 und des Zahnrads 104 als Skala für die gegenwärtige Position entlang der beiden Achsen ausgebildet sein.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0231217 A1 [0003]
US 4968983 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Positionierung eines Messobjekts (60, 90, 120) mit einem Halteelement (10, 40, 70, 100), einer Trägerplatte (24a, 24b, 94, 124) und einer Antriebseinheit (25a, 25b, 25c, 25d), wobei das Halteelement (10, 40, 70, 100) um eine Achse einer ersten Welle (31, 63, 93, 123) drehbar gegenüber der Trägerplatte (24a, 24b, 94, 124) gelagert ist, und wobei die Antriebseinheit (25a, 25b, 25c, 25d) zumindest einen Motor (53, 54, 84, 85, 114, 115) und ein Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8), welche den Motor (53, 54, 84, 85, 114, 115) zumindest mit dem Halteelement (10, 40, 70, 100) verbindet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (53, 54, 84, 85, 114, 115) auf der, dem Halteelement (10, 40, 70, 100) abgewandten Seite der Trägerplatte (24a, 24b, 94, 124) angeordnet ist, und dass die Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8) zumindest auf der, dem Halteelement (10, 40, 70, 100) zugewandten Seite der Trägerplatte (24a, 24b, 94, 124) linear erstreckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin ein Aufnahmeelement (11, 41, 71, 101) zur Aufnahme des Messobjekts (60, 90, 120) aufweist, dass das Aufnahmeelement (11, 41, 71, 101) mittels einer zweiten Welle (32, 62, 92, 122) mit dem Halteelement (10, 40, 70, 100) verbunden und um die Achse der zweiten Welle (32, 62, 92, 122) gegenüber dem Halteelement (10, 40, 70, 100) drehbar gelagert ist, und dass die Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8) den Motor (53, 54, 84, 85, 114, 115) mit Aufnahmeelement (11, 41, 71, 101) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeelement (11) eine Steckvorrichtung (12) aufweist, welche es mit der zweiten Welle (32) verbindet, und dass die Steckverbindung (12) einen werkzeuglosen Austausch des Aufnahmeelements (11) ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeelement (11, 41, 71, 101) zweiseitig mittels der zweiten Welle (32, 62, 92, 122) mit dem Halteelement (10, 40, 70, 100) verbunden ist, und dass das Halteelement (10, 40, 70, 100) zweiseitig gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (10, 40, 70, 100) das Aufnahmeelement (11, 41, 71, 101) zumindest in einer Ebene vollständig umschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8) mittels Öffnungen (26, 27), bevorzugt Schlitzen in der Trägerplatte (24a, 24b, 94, 124) geführt ist, und dass die Öffnungen (26, 27) höchstens eine Länge und Breite der Wellenlänge, bevorzugt der halben Wellenlänge der kleinesten eingesetzten Messfrequenz aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (24a, 24b, 94, 124) eine weitgehend gegenüber hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung undurchlässige Abschirmplatte ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8) über eine Steckverbindung verfügt, mittels welcher es werkzeuglos von dem zumindest einen Motor (53, 54, 84, 85, 114, 115) lösbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (10, 40, 70, 100) zumindest teilweise von der Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8) gehalten ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2) zumindest einen Riemen (17, 18, 19) aufweist, welcher zumindest mittelbar den zumindest einen Motor mit dem Halteelement (10) und/oder dem Aufnahmeelement (11) verbindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (31) ein erstes Antriebsrad (13) aufweist, dass die zweite Welle (32) ein zweites Antriebsrad (16) aufweist, dass das erste Antriebsrad (13) und das zweite Antriebsrad (16) mittels jeweils zumindest eines Riemens (17, 18, 19) angetrieben sind, und dass die Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2) das erste Antriebsrad (13), das zweite Antriebsrad (16) und die Riemen (17, 18, 19) beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebsrad (13) fest mit dem Halteelement (10) verbunden ist, dass die erste Welle (31) ein drittes Antriebsrad (14) und ein viertes Antriebsrad (15) aufweist, dass ein erster Riemen (17) das erste Antriebsrad (13) antreibt, dass das dritte Antriebsrad (14) und das vierte Antriebsrad (15) nicht drehbar miteinander und drehbar um die Achse der ersten Welle (32) mit dem Halteelement (10) verbunden sind, dass ein zweiter Riemen (18) das dritte Antriebsrad (14) antreibt, dass ein dritter Riemen (19) das vierte Antriebsrad (15) mit dem zweiten Antriebsrad (16) verbindet, und dass die Kraftübertragungsvorrichtung (K1, K2) das erste Antriebsrad (13), das zweite Antriebsrad (16), dritte Antriebsrad (14), das vierte Antriebsrad (15) und die Riemen (17, 18, 19) beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsvorrichtung (K3, K4, K5, K6, K7, K8) zumindest ein Zahnrad (44, 46a, 49a, 49b, 74, 76a, 76b, 77, 78, 79, 104, 106a, 107a, 108a, 109), aufweist, welches zumindest mittelbar den zumindest einen Motor (53, 54, 84, 85, 114, 115) mit dem Halteelement (40, 70, 100) und/oder dem Aufnahmeelement (41, 71, 101) verbindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (63, 93, 123) ein erstes Zahnrad (44, 74, 104) als Antriebsrad aufweist, dass die zweite Welle (62, 92, 122) ein zweites Zahnrad (46a, 76a, 76b, 106a) als Antriebsrad aufweist, und dass das erste Zahnrad (44, 74, 104) und das zweite Zahnrad (46a, 76a, 76b, 106a) mittels jeweils zumindest eines Antriebszahnrads (47, 48, 77, 78, 107a, 107b) angetrieben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (40, 70, 100) über eine außen liegende Zahnung (43, 73, 103) verfügt, dass ein erstes Antriebszahnrad (47, 77, 107a) das Halteelement (40, 70, 100) über die außen liegende Zahnung (43, 73, 103) antreibt, dass das erste Zahnrad (44, 74, 104) eine außen liegende Zahnung aufweist, dass ein zweites Antriebszahnrad (48, 78, 108a) das erste Zahnrad (44, 74, 104) über die außen liegende Zahnung antreibt, und dass ein drittes Zahnrad (49a, 79, 109) das erste Zahnrad (44, 74, 104) mit dem zweiten Zahnrad (46a, 76a, 76b, 106a) verbindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (100) und/oder das Aufnahmeelement (101) über zumindest einen Reflektor (133a, 133b) verfügt, dass der Reflektor (133a, 133b) Hochfrequenzsignale oder Licht reflektiert, und dass anhand der Reflexion des Reflektors (133a, 133b) auf eine Orientierung des Halteelements (100) bzw. des Aufnahmeelements (101) geschlossen werden kann.