DE102013201604A1

DE102013201604A1 - Tilting device for tilting angle of e.g. mirror in e.g. optical bench, has friction body and/or tilting axis whose movement is enabled for compensating variable spacing such that rubbing contact is maintained in predetermined manner

Info

Publication number: DE102013201604A1
Application number: DE201310201604
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Christoph Rass
Original assignee: Picofine GmbH
Current assignee: Picofine GmbH
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: DE102013201604B4

Abstract

The device has a piezoelectric or electrostrictive actuator (12) for adjusting a tilt angle between a first component (11) and a second component (14) into area beyond a single stroke of the actuator. A friction body (17) and/or a tilting axis (15) are connected with the first component over a solid body joint (16) in relation to the first component around the axis. A movement of the body and/or the axis is enabled for compensating a variable spacing such that rubbing contact is maintained in a predetermined manner. The actuator is arranged nearer to the axis. The first component is designed as a stationary component, and the second component is designed as a tiltable component. An independent claim is also included for a method for tilting a second component in relation to a first component around a tilting axis.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kippvorrichtung mit einer ersten Komponente und einer gegenüber der ersten Komponente um eine Kippachse kippbaren zweiten Komponente und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor zum Einstellen eines Kippwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des Aktors und ein entsprechendes Verfahren zum Kippen einer zweiten Komponente gegenüber einer ersten Komponente um eine Kippachse.The invention relates to a tilting device with a first component and a relative to the first component about a tilting axis tiltable second component and a piezoelectric or electrostrictive actuator for setting a tilt angle between the first and second components to a range beyond a simple stroke of the actuator and a corresponding A method for tilting a second component relative to a first component about a tilt axis.

Optische Komponenten wie z. B. Spiegel, Lochblenden, Wellenplatten und Linsen werden im Allgemeinen in Optikhaltern als speziellen Beispielen der allgemeineren Objekthalter gehalten.Optical components such. As mirrors, pinhole, wave plates and lenses are generally held in optical holders as specific examples of the more general object holder.

Solche Objekthalter erlauben es beispielsweise, die jeweilige optische(n) Komponente(n) zu verkippen, gerne auch in mehr als einer Richtung, also mit mindestens zwei Freiheitsgraden.Such object holders make it possible, for example, to tilt the respective optical component (s), also in more than one direction, ie with at least two degrees of freedom.

Neben einer Einrichtung zur Bewegung weisen die genannten Objekt- bzw. Optikhalter üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit für die optische Komponente (oder auch nicht-optische Komponenten) und eine Befestigungsmöglichkeit des gesamten Objekt-/Optikhalters an seine Umgebung auf, etwa optische Bänke, Basisplatten, Positionierer oder andere Komponenten.In addition to a device for movement, said object or optics holder usually have a mounting option for the optical component (or non-optical components) and a possibility of attachment of the entire object / optical holder to its environment, such as optical benches, base plates, positioners or other components.

Im Allgemeinen kann man sagen, dass ein typischer Objekthalter vier Hauptkomponenten aufweist, nämlich eine stationäre Komponente, eine bewegliche Komponente, die z. B. die optische Komponente trägt, eine Lagerung der beweglichen Komponente in der stationären Komponente, die die gewünschten Bewegungen erlaubt, und eine Verstellvorrichtung, wie z. B. Mikrometerschrauben.In general, one can say that a typical object holder has four major components, namely a stationary component, a movable component, e.g. B. carries the optical component, a bearing of the movable component in the stationary component, which allows the desired movements, and an adjusting device, such. B. micrometer screws.

Regelmäßig werden bei bekannten Objekthaltern die stationäre und bewegliche Komponente über Zugfedern aufeinander gezogen und können dann über Mikrometerschrauben im Winkel zueinander eingestellt werden.Regularly, the stationary and movable components are pulled together by tension springs in known object holders and can then be adjusted via micrometer screws at an angle to each other.

Eine Weiterentwicklung besteht darin, die Einstellung des Winkels motorisiert zu leisten. Beispiele hierfür umfassen Mikrometerschrauben, die über Elektromotoren angetrieben werden oder auch die Nutzung von piezo-basierenden Antrieben.A further development is to make the setting of the angle motorized. Examples include micrometer screws that are driven by electric motors or the use of piezo-based drives.

Piezo-basierende Antriebe oder allgemeiner die Nutzung von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktoren ermöglichen bei entsprechenden Auslegung, eine Kippvorrichtung sehr kompakt zu bauen.Piezo-based drives or, more generally, the use of piezoelectric or electrostrictive actuators allow, with appropriate design, to build a tilting very compact.

Ein Optikhalter, der piezoelektrische Antriebe nutzt, ist in US 5,410,206 beschrieben. Hier wird eine Mikrometerschraube unter Anwendung des Prinzips des Trägheitsantriebs verdreht, so dass die Mikrometerschraube des Trägheitsantriebs die räumliche Lage der beweglichen Komponente des Optikhalters relativ zur stationären Komponente verändert.An optical holder using piezoelectric actuators is shown in FIG US 5,410,206 described. Here, a micrometer screw is twisted using the principle of inertial drive, so that the micrometer screw of the inertial drive changes the spatial position of the movable component of the optical holder relative to the stationary component.

Da die piezoelektrischen Aktoren bei US 5,410,206 allerdings nur auf die Mikrometerschraube wirken, die Bewegung der beweglichen Komponente des Optikhalters also über den Umweg einer Volumen-einnehmenden Gewindetriebs realisiert wird, nutzt US 5,410,206 noch nicht das volle Potential der piezoelektrischen Aktoren zur Kompaktierung. Hinzu kommt, dass diese Lösung sehr langsam ist, da aufgrund der Untersetzung durch den feinen Gewindetrieb die Reibflächen eine lange relative Strecke zurücklegen müssen, um auch nur eine kleine Verkippung der beweglichen Komponente des Optikhalters zu bewirken.Since the piezoelectric actuators at US 5,410,206 However, only act on the micrometer, the movement of the movable component of the optical holder is thus realized via the detour of a volume-engaging screw drive uses US 5,410,206 not yet the full potential of the piezoelectric actuators for compaction. In addition, this solution is very slow because due to the reduction by the fine screw drive, the friction surfaces have to travel a long relative distance to cause even a small tilt of the movable component of the optical holder.

Es ist möglich, den Kippwinkel durch einen piezoelektrischen Aktor einzustellen, der die bewegliche Komponente und die stationäre Komponente miteinander verbindet. Um angesichts des beschränkten Hubes des Aktoren einen ausreichend großen Winkeleinstellbereich zu erreichen, muss der Aktor relativ nah an der Kippachse angeordnet werden. Die erreichbare Winkelauflösung, d. h. die Einstellgenauigkeit, die für einen gewünschten Winkel erreichbar ist, steht hierbei dann in direktem Verhältnis zur Einstellgenauigkeit der Ausdehnung bzw. Kontraktion des Aktoren, wobei zudem eine Ausdehnung des nutzbaren Winkelbereichs mit einer Verschlechterung der Auflösung verbunden ist.It is possible to adjust the tilt angle by a piezoelectric actuator connecting the movable component and the stationary component. In order to achieve a sufficiently large Winkeleinstellbereich given the limited stroke of the actuators, the actuator must be arranged relatively close to the tilt axis. The achievable angular resolution, d. H. the setting accuracy, which can be achieved for a desired angle, is in this case in direct proportion to the setting accuracy of the expansion or contraction of the actuators, wherein in addition an extension of the usable angle range is associated with a deterioration of the resolution.

Eine im Vergleich zu US 5,410,206 kompaktere Bauform, bei der der Kippwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des Aktors einstellbar ist, wird u. a. von der Firma Newport seit 2007 unter der Bezeichnung Agilis^TM vermarktet.One compared to US 5,410,206 more compact design, in which the tilt angle between the first and second components is adjustable to within a range beyond a simple stroke of the actuator is marketed by the company Newport since 2007 under the name Agilis ^TM .

Hierbei wirken die piezoelektrischen Aktoren der stationären Komponente nach dem Grundsatz des Trägheitsantriebs mehr oder weniger direkt auf die bewegliche Komponente. Eine vereinfachte Prinzipskizze ist in 1 dargestellt.In this case, the piezoelectric actuators of the stationary component act more or less directly on the movable component according to the principle of inertial drive. A simplified schematic is in 1 shown.

Die bewegliche Komponente weist für jeden Freiheitsgrad eine für die jeweilige Bewegung speziell ausgelegte Reibfläche zur Kontaktierung mit dem entsprechenden Aktor der stationären Komponente auf.The movable component has for each degree of freedom for the particular movement specially designed friction surface for contacting with the corresponding actuator of the stationary component.

Nachteilig an dieser bekannten Kippvorrichtung ist es, dass die jeweilige Reibfläche infolge ihrer Geometrie und der damit verbundenen Anforderungen relativ aufwändig und damit teuer in der Herstellung ist. Da die Reibfläche für unterschiedliche Abstände zur Kippachse unterschiedlich geformt wird, lassen sich unterschiedliche Bauteilgrößen nicht einfach miteinander kombinieren. Zudem wurde gefunden, dass es bei unzureichender Einhaltung der Toleranzen oder bei Abnutzung durch Gebrauch der Kippvorrichtung zu unbefriedigenden Laufeigenschaften und sogar einem Verklemmen kommen kann.A disadvantage of this known tilting device is that the respective friction surface due to their geometry and the associated requirements relatively complex and therefore expensive in the Production is. Since the friction surface is shaped differently for different distances to the tilting axis, different component sizes can not be easily combined. In addition, it has been found that insufficient compliance with tolerances or wear due to use of the tilting device can lead to unsatisfactory running properties and even jamming.

Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist, es eine eingangs genannte Kippvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzustellen, bei denen eine gewünschten Auflösung und ein gewünschter einstellbarer Winkelbereich mit einer kompakten Bauweise erreicht werden können, wobei eine große Toleranz insbesondere gegenüber Fertigungsabweichungen und Verschleiß gegeben sind.It is an object of the present invention to provide a tilting device and a corresponding method in which a desired resolution and a desired adjustable angular range can be achieved with a compact design, whereby a high tolerance is given in particular with respect to manufacturing deviations and wear.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kippvorrichtung vorgeschlagen, mit einer ersten Komponente und einer gegenüber der ersten Komponente um eine Kippachse kippbaren zweiten Komponente und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor zum Einstellen eines Kippwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des Aktors, wobei die erste Komponente mit einen Reibkörper zur reibenden Kontaktierung mit der zweiten Komponente versehen ist, so dass sich ein Abstand zwischen einem Kontaktbereich von Reibkörper und zweiter Komponente zu der Kippachse in Abhängigkeit vom Kippwinkel ändert, wobei der Reibkörper und/oder die Kippachse über wenigstens ein Festkörpergelenk mit der ersten Komponente verbunden ist, das eine Bewegung des Reibkörpers bzw. der Kippachse zum Ausgleich des veränderlichen Abstands ermöglicht, damit die reibende Kontaktierung in vorbestimmter Weise aufrechterhalten bleibt.To solve this problem, a tilting device is proposed, comprising a first component and a second component tiltable about a tilt axis relative to the first component and a piezoelectric or electrostrictive actuator for setting a tilt angle between the first and second components to within a range beyond a simple stroke of Actuator, wherein the first component is provided with a friction body for frictional contacting with the second component, so that a distance between a contact region of the friction body and the second component to the tilting axis changes depending on the tilt angle, wherein the friction body and / or the tilting axis over at least one solid-state joint is connected to the first component, which allows movement of the friction body or the tilting axis to compensate for the variable distance, so that the frictional contact is maintained in a predetermined manner.

Ebenso wird ein Verfahren zum Kippen einer zweiten Komponente gegenüber einer ersten Komponente um eine Kippachse vorgeschlagen, mit den Schritten eines Einstellens eines Kippwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des Aktors, wobei beim Einstellen des Kippwinkels ein Reibkörper, der an der ersten Komponente vorgesehen ist, in reibender Kontaktierung mit der zweiten Komponente steht, und eines Ausgleichens einer vom Kippwinkel abhängigen Änderung eines Abstands zwischen einem Kontaktbereich von Reibkörper und zweiter Komponente zu der Kippachse mit wenigstens einem Festkörpergelenk, das den Reibkörper und/oder die Kippachse mit der ersten Komponente verbindet, so dass die reibende Kontaktierung in vorbestimmter Weise erhalten bleibt.Likewise, a method for tilting a second component relative to a first component about a tilt axis is proposed, with the steps of setting a tilt angle between the first and second components with a piezoelectric or electrostrictive actuator into a region beyond a simple stroke of the actuator, wherein the Adjusting the tilt angle, a friction body, which is provided on the first component, in frictional contact with the second component, and a compensation of a tilt angle dependent change in a distance between a contact region of friction and second component to the tilt axis with at least one solid-state joint, the connects the friction body and / or the tilting axis with the first component, so that the frictional contact is maintained in a predetermined manner.

Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zu Grunde:
Wird die bewegliche Komponente um eine Kippachse gekippt, so ergibt sich, sofern der betrachtete Oberflächenbereich nicht einen Kreisbogenausschnitt um die Kippachse darstellt, an einer im Wesentlichen fixierten Relativposition zu der stationären Komponente bzw. in einer fixen Richtung von der Kippachse ein veränderlicher Abstand zwischen der Kippachse und einen entsprechenden Punkt an der Oberfläche der beweglichen Komponente.The invention is based on the following finding:
If the movable component is tilted about a tilting axis, if the considered surface area does not represent a circular arc cutout about the tilting axis, a variable distance between the tilting axis results at a substantially fixed relative position to the stationary component or in a fixed direction from the tilting axis and a corresponding point on the surface of the movable component.

Bei der oben beschriebenen bekannten Kippvorrichtung wird eine solche Abstandsänderung durch die aufwändige Gestaltung der Oberfläche anhand des Kreisbogenabschnitts vermieden. Führt die Nicht-Einhaltung der entsprechenden Fertigungsgenauigkeit, ein Verschleiß oder eine sonstige Formänderung der beweglichen Komponente allerdings zu einem Abweichen vom Kreisbogenabschnitt, resultiert dies typischerweise in einem Verklemmen oder gar einem Versagen der Kippvorrichtung.In the known tilting device described above, such a change in distance is avoided by the complex design of the surface on the basis of the circular arc section. However, failure to maintain the appropriate manufacturing accuracy, wear or other change in the shape of the movable component to deviate from the circular arc portion, this typically results in jamming or even failure of the tilting device.

Wird die Kippvorrichtung durch eine Ausgestaltung, die gegenüber einer Änderung des Abstands des Kontaktpunkts zur Kippachse nachgiebig ist, bei der also etwa der Reibkörper oder auch die Position der Kippachse dieser Änderung nachgeben können, von der Notwendigkeit befreit, dass die Oberfläche, an der der Aktor wirkt, einem Kreisbogenabschnitt folgt, erlaubt die gleiche Nachgiebigkeit zudem eine erhöhte Toleranz gegenüber sonstigen Variationen in der Geometrie, so dass weniger strenge Anforderungen an die Fertigung gestellt werden müssen und auch Verschleiß oder ähnliches weniger Einfluss hat.If the tilting device by a configuration which is compliant to a change in the distance of the contact point to the tilt axis, in which thus yield about as the friction body or the position of the tilt axis of this change, relieved of the need that the surface on which the actuator acts, follows a circular arc section, the same flexibility also allows an increased tolerance for other variations in the geometry, so that less stringent requirements must be placed on the production and wear or the like has less influence.

Da keine der reibenden Oberfläche mehr auf einen speziellen Abstand zur Kippachse ausgelenkt werden muss, ergibt sich aus fertigungstechnischer Sicht zudem der Vorteil, dass Kippvorrichtungen unterschiedlicher Größe in im Wesentlichen identischer Weise hergestellt werden können, wobei insbesondere ein generisches Antriebsmodul mit einer Baugruppe für die stationäre Komponente und einer Baugruppe für die bewegliche Komponente bei unterschiedlichen Kippvorrichtungen eingesetzt werden kann.Since none of the rubbing surface has to be deflected to a specific distance to the tilting axis, there is also the advantage, from a manufacturing point of view, that tilting devices of different sizes can be manufactured in a substantially identical manner, in which case a generic drive module with an assembly for the stationary component and an assembly for the movable component in different tilting devices can be used.

Beispiele für Anordnungen, die eine Einstellung eines Winkels oder eines Abstandes bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des jeweiligen Aktors erlauben, sind insbesondere Trägheitsantriebe, Ultraschallantriebe und vergleichbare Antriebe, die einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor aufweisen und derart eingerichtet sind, dass der Aktor das jeweils zu bewegende Objekt lokal mittels einer Kopplung durch einen Reibkontakt und einer Lösung dieser Kopplung (z. B. durch Erreichen einer Gleitsituation oder einem Abheben), während der Aktor zurückgeführt wird, über eine Strecke vorantreiben kann, die größer als ein einzelner Hub des Aktors ist.Examples of arrangements that allow adjustment of an angle or a distance to a range beyond a simple stroke of the respective actuator, in particular inertial drives, ultrasonic drives and comparable drives, which have a piezoelectric or electrostrictive actuator and are set up such that the actuator locally to be moved object by means of a coupling by a frictional contact and a solution of this coupling (eg., By reaching a slip situation or lifting), while the actuator is returned, can drive over a distance that is greater than a single stroke of the actuator.

Als Beispiele eines Festkörpergelenks sind vorliegend insbesondere Bauteile zu verstehen, die vereinfacht wenigstens einen Biegebereich zwischen zwei diesen Biegebereich einschließenden Endbereichen aufweisen und eine Relativbewegung dieser Endbereichen zueinander durch Biegung des Biegebereichs erlauben.Examples of a solid-body joint in the present case are to be understood in particular as meaning components which at least have a bending region between two end regions enclosing this bending region and allow a relative movement of these end regions relative to one another by bending the bending region.

Erfindungsgemäße Festkörpergelenke, die in wenigstens einem relevantem Freiheitsgrad blockieren, weisen vorzugsweise eine Steifigkeit in dem blockierten Freiheitsgrad auf, die mindestens doppelt, bevorzugt mindestens fünffach so groß ist wie eine Steifigkeit in einem nachgiebigen Freiheitsgrad.Solid joints according to the invention, which block in at least one relevant degree of freedom, preferably have a stiffness in the blocked degree of freedom which is at least twice, preferably at least five times as great as a stiffness in a compliant degree of freedom.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kippvorrichtung eine Klemmvorrichtung auf, die zum Bewirken einer Anpresskraft auf den Reibkörper in Richtung des Kontaktbereichs ausgestaltet ist, wobei die Klemmvorrichtung vorzugsweise für eine Einstellung der Anpresskraft ausgestaltet ist.In one embodiment of the invention, the tilting device on a clamping device which is designed to effect a contact force on the friction body in the direction of the contact region, wherein the clamping device is preferably designed for adjusting the contact pressure.

Wird die Anpresskraft, die einen gewünschten Reibschluss des Reibkörpers mit dem Kontaktbereich bewirkt, zumindest zum Teil von einer Klemmvorrichtung bereitgestellt, so erlaubt die Klemmvorrichtung eine zumindest teilweise Aufteilung der Aufgaben Führung und Bereitstellung von Anpresskraft, so dass das wenigstens eine Festkörpergelenk in Richtung von Reibkörper zu Kippachse weniger oder gar keine Kraft aufnehmen bzw. leisten muss.If the contact pressure, which causes a desired frictional engagement of the friction body with the contact area, at least partially provided by a clamping device, so the clamping device allows at least partially sharing the tasks leadership and providing contact pressure, so that the at least one solid body joint in the direction of friction body Tilting axle has less or no power to absorb or afford.

Die Einstellung der Anpresskraft kann zudem dazu genutzt werden, die Kippvorrichtung in einer gewünschten Position zeitweise zu fixieren, z. B. zur Feststellung vor einem Transport.The adjustment of the contact pressure can also be used to temporarily fix the tilting device in a desired position, for. B. to determine before a transport.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Festkörpergelenk für ein Anpressen des Reibkörpers in Richtung des Kontaktbereichs infolge einer elastischen Vorspannung des Festkörpergelenks ausgestaltet.In one embodiment of the invention, the at least one solid-body joint is configured for pressing the friction body in the direction of the contact area as a result of an elastic pretensioning of the solid-body joint.

Alternativ oder ergänzend zur vorstehenden Ausführungsform kann die Anpresskraft auch durch eine entsprechende (Vor-)Spannung des Festkörpergelenks bereitgestellt werden, wobei das Festkörpergelenk in einen solchen Fall etwa Federeigenschaften aufweist.Alternatively or in addition to the above embodiment, the contact pressure can also be provided by a corresponding (pre) voltage of the solid-state joint, wherein the solid-body joint in such a case has approximately spring properties.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Aktor zwischen der ersten Komponente und dem Reibkörper vorgesehen, wobei das wenigstens eine Festkörpergelenk zwischen der ersten Komponente und dem Aktor und/oder zwischen dem Aktor und dem Reibkörper vorgesehen ist.In one embodiment of the invention, the actuator between the first component and the friction body is provided, wherein the at least one solid-state joint between the first component and the actuator and / or between the actuator and the friction body is provided.

Es ist möglich, die Bauteile Aktor, Reibkörper und Festkörpergelenk gemeinsam an der ersten Komponente vorzusehen, so dass die zweite Komponente lediglich mit einem geeigneten Kontaktbereich für eine Reibung zwischen Reibkörper und zweiter Komponente ausgestattet ist. Diese Konzentration der genannten Bauteile auf die erste Komponente und der entsprechend einfache Aufbau der zweiten Komponente erlaubt es insbesondere die zweite Komponente gegen eine andere zweite Komponente auszutauschen, ohne dass mit einem solchen Austausch größere Komplikationen verbunden wären.It is possible to provide the components actuator, friction body and solid joint together on the first component, so that the second component is equipped only with a suitable contact area for a friction between the friction body and the second component. This concentration of said components on the first component and the correspondingly simple construction of the second component makes it possible, in particular, to exchange the second component for another second component, without major complications being associated with such an exchange.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Komponente mit dem Aktor und einer Bewegungsfläche versehen, wobei die Bewegungsfläche mit dem Reibkörper in Kontakt steht und der Aktor für eine Bewegung der Bewegungsfläche im Wesentlichen tangential entlang der Kipprichtung ausgestaltet ist.In one embodiment of the invention, the second component is provided with the actuator and a movement surface, wherein the movement surface is in contact with the friction body and the actuator is designed for a movement of the movement surface substantially tangentially along the tilting direction.

Es ist alternativ oder ergänzend zur vorstehenden Ausführungsform ebenfalls möglich, den Aktor einerseits in bzw. an einer Komponente und das Festkörpergelenk andererseits in bzw. an der anderen Komponente vorzusehen.It is alternatively or in addition to the above embodiment also possible to provide the actuator on the one hand in or on one component and the solid-state joint on the other hand in or on the other component.

In einer Ausführungsform der Erfindung weisen der Reibkörper und/oder ein zur Kontaktierung mit dem Reibkörper vorgesehener Bereich der zweiten Komponente eine konvexe Oberflächenform auf.In one embodiment of the invention, the friction body and / or a region of the second component provided for contacting with the friction body have a convex surface shape.

Eine konvexe Oberflächenform, insbesondere die Form eines Kugelsektors bzw. einer Kugel, erlaubt, dass im Wesentlichen unabhängig von einer relativen Orientierung des Reibkörpers gegenüber der zweiten Komponente immer ein Kontaktpunkt gewährleistet ist, ohne dass es – wie beispielsweise bei einer plattenförmigen Ausbildung – zu einem Verkanten kommen kann. Ist nur eine Bewegung in einer Ebene vorgesehen, kann ein vergleichbarer Effekt mit einem kreisförmigen bzw. kreissektorförmigen Querschnitt z. B. des Reibkörpers in dieser Ebene erreicht werden.A convex surface shape, in particular the shape of a spherical sector or a sphere, allows a contact point to be ensured substantially independently of a relative orientation of the friction body relative to the second component, without - as in the case of a plate-shaped formation - for example becoming jammed can come. If only one movement in a plane provided, a comparable effect with a circular or circular sector-shaped cross-section z. B. the friction in this plane can be achieved.

Ein Verkanten kann allerdings im Allgemeinen auch durch eine entsprechende Nutzung von Gelenken vermieden werden.However, tilting can generally also be avoided by appropriate use of joints.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kippvorrichtung einen Sensor zur Bestimmung der Lage der ersten und zweiten Komponente zueinander auf, wobei der Sensor insbesondere für eine Messung einer Auslenkung des wenigstens einen Festkörpergelenks ausgestaltet ist, vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Dehungsmessstreifen, eines oder mehrerer kapazitiver Sensoren und/oder einer oder mehrerer Lichtschranken.In one embodiment of the invention, the tilting device has a sensor for determining the position of the first and second components relative to one another, wherein the sensor is designed in particular for measuring a deflection of the at least one solid-state joint, preferably by means of one or more strain gauges, one or more capacitive sensors and / or one or more light barriers.

Die Auslenkung des wenigstens einen Festkörpergelenks hängt infolge der diese Auslenkung hervorrufenden Abstandsänderung zwischen Kippachse und Kontaktbereich mit dem Kippwinkel zusammen, so dass eine Messung der Auslenkung zur Bestimmung des Kippwinkels genutzt werden kann. Es ist allerdings auch selbstverständlich auch möglich, ergänzend oder alternativ konventionelle Winkelsensoren zu nutzen. The deflection of the at least one solid-body joint is due to the change in distance between tilting axis and contact area which causes this deflection to be associated with the tilt angle, so that a measurement of the deflection for determining the tilt angle can be used. However, it is of course also possible to additionally or alternatively use conventional angle sensors.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente zusätzlich zu dem Kippen um eine von der Kippachse verschiedene Schwenkachse schwenkbar, wobei die Kippvorrichtung einen zweiten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor zum Einstellen eines Schwenkwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des zweiten Aktors aufweist, die erste oder zweite Komponente mit einen zweiten Reibkörper zur reibenden Kontaktierung mit der zweiten oder ersten Komponente versehen ist, so dass sich ein Abstand zwischen einem Kontaktbereich von zweitem Reibkörper und zweiter bzw. erster Komponente zu der Schwenkachse in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel ändert, und der zweite Reibkörper über wenigstens ein Festkörpergelenk mit der ersten oder zweiten Komponente verbunden ist, das eine Bewegung des zweiten Reibkörpers zum Ausgleich des veränderlichen Abstands ermöglicht, damit die reibende Kontaktierung in vorbestimmter Weise aufrechterhalten bleibt.In one embodiment of the invention, the second component is pivotable relative to the first component in addition to tilting about a pivot axis different from the tilt axis, wherein the tilting device comprises a second piezoelectric or electrostrictive actuator for setting a pivot angle between the first and second components to an area beyond a simple stroke of the second actuator, the first or second component is provided with a second friction body for frictionally contacting with the second or first component, so that a distance between a contact region of the second friction body and second or first component to the pivot axis in Depending on the pivoting angle changes, and the second friction body is connected via at least one solid-state joint with the first or second component, which allows movement of the second friction body to compensate for the variable distance, so that the rubbing cont Activation is maintained in a predetermined manner.

Das Kippen als eine Bewegung in einem Freiheitsgrad kann in entsprechender Weise durch ein Schwenken als einer Bewegung in einem zweiten Freiheitsgrad ergänzt werden, wobei der wesentliche Aufbau, der ein Kippen erlaubt, in analoger Weise für das Schwenken genutzt werden kann.The tilting as a movement in one degree of freedom can be supplemented in a corresponding manner by pivoting as a movement in a second degree of freedom, wherein the essential structure that allows tilting, can be used in an analogous manner for pivoting.

Bevorzugt treffen sich die Schwenkachse und die Kippachse in einem durch ein Kugelgelenk oder ein vergleichbares Gelenk definierten Pivotpunkt. Es ist nicht notwendig, dass die Kippachse und die Schwenkachse senkrecht zueinander stehen, sofern nicht eine vollständige Unabhängigkeit einer Bewegung in einem Freiheitsgrad von einer Bewegung in dem anderen Freiheitsgrad gewünscht ist.The pivot axis and the tilt axis preferably meet in a pivot point defined by a ball joint or a comparable joint. It is not necessary for the tilting axis and the pivoting axis to be perpendicular to each other unless complete independence of movement in one degree of freedom from movement in the other degree of freedom is desired.

Es ist für viele Anwendungen wünschenswert und von Vorteil, wenn eine Bewegung der Komponente zueinander direkt in mindestens zwei Freiheitsgraden vorgenommen werden kann, obgleich es auch möglich ist, Freiheitsgrade seriell anzuordnen (eine Bewegung bewegt den Antrieb für den zweiten Freiheitsgrad mit), jedoch ist eine parallele Anordnung, wie sie zuvor definiert ist, von Vorteil, da so besonders kompakt gebaut und zudem eine hohe Steifigkeit erzielt werden kann.It is desirable and advantageous for many applications if movement of the component relative to each other can be made directly in at least two degrees of freedom, although it is also possible to serialize degrees of freedom (movement will drive the second degree of freedom), but one is parallel arrangement, as defined above, of advantage, since it built so very compact and also a high rigidity can be achieved.

Die vorliegenden Ausführungen und Erläuterungen zu Aspekten der Erfindung, die ein Verkippen von erster und zweiter Komponente gegeneinander betreffen, gelten – soweit nicht anderweitig ersichtlich oder ausgeführt – gleichfalls für das in dieser Ausführungsform vorgesehene Verschwenken. Insbesondere können die beschriebenen Merkmale von Ausgestaltungen der Kippvorrichtung ebenso für den Schwenk-Aspekt der erfindungsgemäßen Kippvorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden.The present statements and explanations concerning aspects of the invention, which relate to a tilting of the first and second components against each other, apply - unless otherwise apparent or stated - likewise for the pivoting provided in this embodiment. In particular, the described features of embodiments of the tilting device can also be used for the pivoting aspect of the tilting device according to the invention or of the method according to the invention.

In einer Ausgestaltung der vorstehenden Ausführungsform ist die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente zusätzlich zu dem Kippen und Schwenken ohne Änderung eines Kipp- oder Schwenkwinkels zur Änderung eines Abstands beweglich, wobei die Kippvorrichtung einen dritten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor zum Einstellen des Abstands im Zusammenwirken mit dem ersten und dem zweiten Aktor, insbesondere bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des dritten Aktors aufweist, wobei die erste Komponente mit einen dritten Reibkörper zur reibenden Kontaktierung mit der zweiten Komponente versehen ist und der dritte Reibkörper für eine Aufrechterhaltung der reibenden Kontaktierung bei dem Schwenken oder dem Kippen ausgestaltet ist, wobei die Schwenk- bzw. Kippachse durch den dritten Reibkörper verläuft.In an embodiment of the above embodiment, the second component is movable relative to the first component in addition to the tilting and pivoting without changing a tilting or pivoting angle to change a distance, the tilting device a third piezoelectric or electrostrictive actuator for adjusting the distance in cooperation with the the first and the second actuator, in particular to a region beyond a simple stroke of the third actuator, wherein the first component is provided with a third friction body for frictional contact with the second component and the third friction body for maintaining the frictional contacting during pivoting or is designed to tilt, wherein the pivoting or tilting axis extends through the third friction body.

Mit Vorsehen eines dritten Aktors, der mit den zwei weiteren Aktoren in geeigneter Weise zusammenarbeitet, kann ein dritter Freiheitsgrad in Form einer Abstandsänderung, also einer translatorischen Verschiebung von erster und zweiter Komponente zueinander erreicht werden.With provision of a third actuator, which cooperates with the other two actuators in a suitable manner, a third degree of freedom in the form of a change in distance, ie a translational displacement of the first and second components to each other can be achieved.

Die vorliegenden Ausführungen und Erläuterungen zu Aspekten der Erfindung, die ein Verkippen und/oder Verschwenken von erster und zweiter Komponente gegeneinander betreffen, gelten – soweit nicht anderweitig ersichtlich oder ausgeführt – gleichfalls für das in dieser Ausführungsform vorgesehene Einstellen des Abstands. Insbesondere können die beschriebenen Merkmale von Ausgestaltungen der Kippvorrichtung ebenso für den Abstands-Aspekt der erfindungsgemäßen Kippvorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden. Insbesondere kann auch der dritte Reibkörper über ein oder mehrere Festkörpergelenke zum Ausgleich mit der ersten Komponente verbunden sein.The present embodiments and explanations concerning aspects of the invention, which relate to a tilting and / or pivoting of the first and second components relative to each other, apply - unless otherwise apparent or stated - also for the setting of the distance provided in this embodiment. In particular, the described features of embodiments of the tilting device can also be used for the distance aspect of the tilting device according to the invention or the method according to the invention. In particular, the third friction body can be connected via one or more solid joints for compensation with the first component.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen definiert, wobei zu verstehen ist, dass eine Ausführungsform, die im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben ist, ebenso als Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verstehen ist, was auch umgekehrt gilt.Preferred and advantageous embodiments of the invention are defined in particular in the dependent claims, it being understood that an embodiment described in connection with a method according to the invention is also to be understood as an embodiment of a device according to the invention, and vice versa.

Eine erfindungsgemäße Kippvorrichtung ist nicht nur darauf beschränkt, als Objekthalter für die Halterung und/oder Ausrichtung von optischen Komponenten verwendet werden, da ohne weiteres auch eine Halterung und/oder Ausrichtung von Komponenten oder Objekten möglich ist, die nicht zu den optischen Komponenten gehören: Greifer, Klebekanülen, Objekten unter einem Mikroskop, etc. A tilting device according to the invention is not only limited to being used as an object holder for the mounting and / or alignment of optical components, since it is also readily possible to mount and / or align components or objects which do not belong to the optical components: grippers , Adhesive needles, objects under a microscope, etc.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigtIn the following the invention will be explained in more detail with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying figures. This shows

1a eine vereinfachte Prinzipskizze einer bekannten Kippvorrichtung in einem ersten Zustand, 1a a simplified schematic diagram of a known tilting device in a first state,

1b eine vereinfachte Prinzipskizze der Kippvorrichtung aus 1a in einem zweiten Zustand, 1b a simplified schematic diagram of the tilting 1a in a second state,

2a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung in einem ersten Zustand, 2a 1 is a schematic representation of a first embodiment of a tilting device according to the invention in a first state,

2b eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 2a in einem zweiten Zustand, 2 B a schematic representation of the embodiment of 2a in a second state,

3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung, 3 a schematic representation of a second embodiment of a tilting device according to the invention,

4a eine schematische Illustration für einen weiteren Freiheitsgrad, 4a a schematic illustration for a further degree of freedom,

4b eine schematische Illustration für einen anderen weiteren Freiheitsgrad, 4b a schematic illustration for another degree of freedom,

5a eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung, 5a a perspective view of a third embodiment of a tilting device according to the invention,

5b eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels aus 5a, 5b a side view of the embodiment 5a .

5c eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels aus den 5a und 5b und 5c a sectional view of the embodiment of the 5a and 5b and

6 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 6 a schematic flow diagram of an embodiment of a method according to the invention.

1a und 1b zeigen vereinfachte Prinzipskizzen einer bekannten Kippvorrichtung in einem ersten und einem zweiten Zustand 1a and 1b show simplified schematic diagrams of a known tilting device in a first and a second state

Die bewegliche Komponente des Agilis^TM Optikhalters der Fa. Newport ist gleichzeitig Teil der Trägheitsantriebe. Es handelt sich also um ein Bauteil der Antriebe, die in der Lage sind die bewegliche Komponente in zwei Freiheitsgraden zu verkippen. Mit anderen Worten wirken die Antriebe direkt auf die bewegliche Komponente. Die von den Piezoaktoren angetriebenen Flächen arbeiten auf einer gekrümmten Fläche mit der Form eines Bogensegments, dessen Mittelpunkt mit einem zur stationären Komponente unbeweglich angeordnetem Pivotpunkt übereinstimmt. Dieses Prinzip ist stark vereinfacht für einen Freiheitsgrad dargestellt in 1a und 1b dargestellt.The moving component of the Agilis ^TM Optic Holder from Newport is also part of the inertial drives. So it is a component of the drives, which are able to tilt the movable component in two degrees of freedom. In other words, the drives act directly on the moving component. The surfaces driven by the piezoactuators operate on a curved surface having the shape of an arcuate segment whose center coincides with a pivot point immovably fixed to the stationary component. This principle is greatly simplified for a degree of freedom shown in 1a and 1b shown.

Die stationäre Komponente 1 ist mit einer Piezokeramik 2 und einem lokal bewegten Reibkörper 3 versehen. Der Reibkörper 3 steht in Kontakt mit einem Oberflächenbereich der beweglichen Komponente 4. Hier ist nur ein Teil der beweglichen Komponente 4 gezeigt, insofern dieser für die Prinzipdarstellung relevant ist. Die dem Reibkörper 3 zugewandte Oberfläche der beweglichen Komponente 4 weist die Form eines Kreisbogens auf, dessen Mittelpunkt mit der Kippachse 5 zusammenfällt.The stationary component 1 is with a piezoceramic 2 and a locally moving friction body 3 Mistake. The friction body 3 is in contact with a surface area of the movable component 4 , Here is just part of the moving component 4 shown, insofar as it is relevant to the schematic representation. The friction body 3 facing surface of the movable component 4 has the shape of a circular arc whose center with the tilt axis 5 coincides.

Diese Anordnung kann in Form eines Trägheitsantriebs genutzt werden, d. h. bei einer ausreichend geringen Beschleunigung des Reibkörpers 3 folgt die bewegliche Komponente 4, da diese in Reibkontakt mit dem Reibkörper 3 steht, während oberhalb einer Grenzbeschleunigung des Reibkörpers 3 die bewegliche Komponente 4 den mitführenden Reibkontakt verliert, da die Massenträgheit der beweglichen Komponente 4 größer wird als die Reibkraft, so dass der Reibkörper 3 gegenüber der beweglichen Komponente 4 durchrutscht. Bei ausreichend großen Beschleunigungen geht die Reibung zwischen beweglicher Komponente 4 und Reibkörper 3 von einer Haftreibung in einer Gleitreibung über, so dass die bewegliche Komponente 4 einer (z. B. Rück-)Bewegung des Reibkörpers nicht mehr folgen kann.This arrangement can be used in the form of an inertial drive, ie at a sufficiently low acceleration of the friction body 3 follows the moving component 4 because these are in frictional contact with the friction body 3 stands, while above a limit acceleration of the friction body 3 the movable component 4 loses the entraining frictional contact, since the inertia of the movable component 4 becomes larger than the frictional force, so that the friction body 3 opposite the moving component 4 slips. With sufficiently large accelerations, the friction between moving component goes 4 and friction body 3 from a static friction in a sliding friction, so that the movable component 4 can no longer follow a (eg return) movement of the friction body.

Durch das Anlegen etwa einer Sägezahnspannung kann die sich ergebene richtungsabhängige Beschleunigung des Reibköpers 3 genutzt werden, um die bewegliche Komponente 4 über große Strecken jenseits der Größe des Hubes der Piezokeramik 2 zu bewegen. Dabei bewegt sich die bewegliche Komponente 4 im Ergebnis in Richtung der geringeren Beschleunigung.By applying approximately a sawtooth voltage, the resulting directional acceleration of the Reibköpers 3 be used to the moving component 4 over long distances beyond the size of the stroke of the piezoceramic 2 to move. The moving component moves 4 in the result in the direction of the lower acceleration.

Da die äußere Kontur des hier relevanten Teils der beweglichen Komponente 4 eine Kreisbogenform um die Kippachse 5 aufweist, ändert sich ein Abstand 9 zwischen der Kippachse 5 und dem Kontaktpunkt zwischen beweglicher Komponente 4 und Reibkörper 3 im Grunde nicht, so dass sich der Reibkörper 3 immer auf der Tangente zur Oberfläche der beweglichen Komponente 4 befindet.Since the outer contour of the relevant here part of the movable component 4 a circular arc around the tilt axis 5 has changed, a distance changes 9 between the tilt axis 5 and the contact point between the movable component 4 and friction body 3 basically not, so the friction body 3 always on the tangent to the surface of the moving component 4 located.

1a zeigt hierbei die bewegliche Komponente 4 in einer mittleren Stellung, während 1b die bewegliche Komponente 4 in einer ausgelenkten Stellung zeigt. 1a shows here the movable component 4 in a middle position while 1b the movable component 4 in a deflected position.

Abgesehen von einer Auslenkung durch die Piezokeramik 2 (in 1a bzw. 1b nach oben bzw. unten) hat sich hierbei die Position des Reibkörpers 3 nicht verändert, insbesondere nicht gegenüber der Kippachse 5.Apart from a deflection by the piezoceramic 2 (in 1a respectively. 1b up or down) here has the position of the friction body 3 not changed, in particular not with respect to the tilt axis 5 ,

Folgt allerdings die Oberfläche der beweglichen Komponente 4 nicht sauber dem vorgesehenen Kreisbogen, so reduziert dies die Wirksamkeit des Trägheitsantriebs. Eine Einbuchtung oder Abplattung kann dazu führen, dass der Kontakt zwischen beweglicher Komponente 4 und Reibkörper 3 verloren geht, so dass der Reibkörper 3 nicht mehr auf die bewegliche Komponente 4 wirken kann. Eine Ausbuchtung bzw. ein Vorsprung kann zudem zu einem Verkeilen oder Verklemmen führen.However, it follows the surface of the moving component 4 not clean the intended arc, this reduces the effectiveness of the inertial drive. An indentation or flattening can cause the contact between the moving component 4 and friction body 3 gets lost, leaving the friction body 3 no longer on the moving component 4 can work. A bulge or a projection can also lead to a wedging or jamming.

2a und 2b zeigen schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung in einem ersten und einem zweiten Zustand. 2a and 2 B show schematic representations of a first embodiment of a tilting device according to the invention in a first and a second state.

Ähnlich zu der bekannten Kippvorrichtung aus 1a und 1b weist die Kippvorrichtung eine stationäre Komponente 11 und eine bewegliche Komponente 14 auf. Wiederum ist nur der hier relevante Teil der beweglichen Komponente 14 gezeigt.Similar to the known tilting device 1a and 1b the tilting device has a stationary component 11 and a movable component 14 on. Again, only the relevant part of the moving component is here 14 shown.

Wie aus die Kippvorrichtung aus 1a und 1b nutzt dieses Ausführungsbeispiel das Prinzip des Trägheitsantriebs, wobei zu bemerken ist, dass auch andere Antriebskonzepte unter Nutzung von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktoren (alternativ oder ergänzend) genutzt werden können, insbesondere das Prinzip eines Ultraschallantriebs. Da die Details solcher Antriebe dem Fachmann ausreichend geläufig sind, bedarf es hierzu keiner detaillierten Erläuterung.As from the tilting device 1a and 1b this embodiment uses the principle of inertial drive, it being noted that other drive concepts using piezoelectric or electrostrictive actuators (alternative or supplementary) can be used, in particular the principle of an ultrasonic drive. Since the details of such drives are familiar enough to the person skilled in the art, no detailed explanation is required for this purpose.

Die bewegliche Komponente 14 ist wiederum um eine Kippachse 15 kippbar und steht mit einem Reibkörper 17 in Kontakt. Der Reibkörper 17 ist hier allerdings mit einem Festkörpergelenk 16 mit einem Aktor 12 verbunden, der seinerseits an der stationären Komponente angebracht ist.The moving component 14 is in turn about a tilt axis 15 tiltable and stands with a friction body 17 in contact. The friction body 17 is here, however, with a solid-state joint 16 with an actor 12 connected, which in turn is attached to the stationary component.

Durch geeignete alternierende Beschleunigungen des Reibkörpers 17 wird die bewegliche Komponente 14 um den Pivotpunkt 15 (die Kippachse) gekippt, wobei sich beim Kippen der Abstand 19 zwischen der Kippachse 15 und der Kontaktstelle zwischen Reibkörper 17 und der beweglichen Komponente 14 in Abhängigkeit vom Kippwinkel ändert, da die Oberfläche der beweglichen Komponente 14 anders als im Fall von 1a und 1b nicht in Form eines Kreisbogens um die Kippachse 15 wölbt.By suitable alternating accelerations of the friction body 17 becomes the moving component 14 around the pivot point 15 (the tilt axis) tilted, with tilting the distance 19 between the tilt axis 15 and the contact point between the friction body 17 and the movable component 14 depending on the tilt angle changes, because the surface of the movable component 14 unlike in the case of 1a and 1b not in the form of a circular arc around the tilt axis 15 bulges.

Diese Abstandsänderung wird mit dem Festkörpergelenk 16 ausgeglichen, so dass ein ausreichender Kontakt zwischen der Oberfläche der beweglichen Komponente 14 und dem Reibkörper 17 gewährleistet ist.This change in distance is done with the solid-state joint 16 balanced, allowing sufficient contact between the surface of the movable component 14 and the friction body 17 is guaranteed.

Für eine optimierte Kraftübertragung ist das Festkörpergelenk 16 (das im Übrigen auch mehrteilig ausgeführt sein kann) bevorzugt in der Richtung nachgiebig, in der eine Ausgleichsbewegung notwendig ist. Bevorzugt hemmt das Festkörpergelenk jede Bewegung in den anderen Freiheitsgraden. Dies gilt entsprechend auch für die anderen Ausführungsbeispiele.For an optimized power transmission is the solid state joint 16 (Which may also be executed in several parts) preferably in the direction yielding, in which a compensating movement is necessary. Preferably, the solid-state joint inhibits any movement in the other degrees of freedom. This also applies accordingly to the other embodiments.

In dieser Ausführungsform ist das Festkörpergelenk 16 mit einer Vorspannung versehen, die den Reibkörper 17 an die Oberfläche der beweglichen Komponente 14 drückt, so dass bei einem Kippen in beiden Richtungen (hoch und runter in 2a und 2b) sichergestellt ist, dass der Reibkörper 17 stets in dem für den Antrieb notwenigen Reibkontakt mit der beweglichen Komponente 14 steht.In this embodiment, the solid-body joint is 16 provided with a bias, which is the friction body 17 to the surface of the moving component 14 presses, so when tilting in both directions (up and down in 2a and 2 B ) ensures that the friction body 17 always in the necessary for the drive frictional contact with the movable component 14 stands.

Abweichend von der schematischen Darstellung in diesem Ausführungsbeispiel kann das Festkörpergelenk auch (ergänzend oder alternativ) zwischen der stationären Komponente 11 und dem Aktor 12 angeordnet sein.Notwithstanding the schematic representation in this embodiment, the solid-state joint can also (supplementary or alternative) between the stationary component 11 and the actor 12 be arranged.

Die Bauteile stationäre Komponente und Reibkörper können auch – entweder einzeln oder kombiniert – die Funktion des Festkörpergelenks mit übernehmen, sofern sie insgesamt oder Teile von Ihnen entsprechend ausgestaltet sind. So kann beispielsweise der Reibkörper einteilig mit dem Festkörpergelenk ausgeführt sein, ebenso wie das Festkörpergelenk in die stationäre Komponente integriert sein kann.The components stationary component and friction body can also - either individually or in combination - take over the function of the solid state joint, if they are designed in total or parts of you accordingly. Thus, for example, the friction body can be made in one piece with the solid-body joint, just as the solid-state joint can be integrated into the stationary component.

Diese Ausführungen gelten entsprechend auch für die anderen Ausführungsbeispiele.These statements apply accordingly for the other embodiments.

Abweichend von oder ergänzend zu den Merkmalen dieses Ausführungsbeispiels kann das Festkörpergelenk auch für eine entsprechende Nachführung der Oberfläche der beweglichen Komponente gegenüber dem veränderlichen Abstand zwischen Kontaktbereich und Kippachse vorgesehen werden.Notwithstanding or in addition to the features of this embodiment, the solid-state joint can also be provided for a corresponding tracking of the surface of the movable component with respect to the variable distance between the contact area and tilt axis.

Es ist zudem ebenfalls möglich, die gewünschte tangentiale Relativbewegung zwischen der Oberfläche der beweglichen Komponente und dem Reibkörper durch einen Aktor zu erreichen oder zu unterstützen, der die Oberfläche relativ zur restlichen beweglichen Komponente bewegt.In addition, it is also possible to achieve or assist the desired tangential relative movement between the surface of the movable component and the friction body by means of an actuator which moves the surface relative to the remaining movable component.

Ergänzend oder alternativ zu der Ausgestaltung des obigen Ausführungsführungsbeispiels, bei dem der Reibkörper über ein Festkörpergelenk mit der stationären Komponente verbunden ist, kann ein Festkörpergelenk zum Ausgleich des veränderlichen Abstands zwischen der stationären Komponente und der Kippachse und/oder zwischen der Kippachse und der beweglichen Komponente vorgesehen werden.In addition or as an alternative to the embodiment of the above exemplary embodiment, in which the friction body has a solid-state joint with the stationary component is connected, a solid-state joint can be provided to compensate for the variable distance between the stationary component and the tilting axis and / or between the tilting axis and the movable component.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung. Die hier gezeigte Anordnung entspricht weitgehend der Anordnung, die in 2a gezeigt ist, so dass auf eine Beschreibung entsprechender Elemente verzichtet werden kann. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a tilting device according to the invention. The arrangement shown here largely corresponds to the arrangement shown in FIG 2a is shown, so that a description of corresponding elements can be dispensed with.

Allerdings ist hier die bewegliche Komponente 14' zum Klemmen des Reibkörpers 17 ausgestaltet, wobei die bewegliche Komponente 14' mit einem Festkörpergelenk 18 ausgestattet ist, das von der Oberfläche der beweglichen Komponente 14' um den Reibkörper 17 herumgreift und diesen in Richtung der Kippachse 15 auf die Oberfläche der beweglichen Komponente 14' drückt, um so eine erhöhte bzw. gewünschte Anpresskraft zu bewirken.However, here is the moving component 14 ' for clamping the friction body 17 designed, with the movable component 14 ' with a solid-state joint 18 equipped, that of the surface of the movable component 14 ' around the friction body 17 grabs and this in the direction of the tilt axis 15 on the surface of the moving component 14 ' presses, so as to effect an increased or desired contact force.

Vorzugsweise lässt sich die Kraft dieser Klemmvorrichtung einstellen, z. B. über Schrauben, wobei es in einer spezielleren Ausgestaltung vorgesehen sein kann, dass die Klemmvorrichtung so hoch/stark gestellt werden kann, dass eine Blockierung der Bewegung erzielt wird. Das kann z. B. für Transportzwecke sinnvoll sein, wenn verhindert werden soll, dass sich durch Vibrationen o. ä. während des Transports die Winkellage verschiebt.Preferably, the force of this clamping device can be adjusted, for. B. about screws, wherein it may be provided in a more specific embodiment, that the clamping device can be made so high / strong that a blockage of the movement is achieved. This can z. B. be useful for transport purposes, if it is to be prevented that shifts due to vibrations o. Ä. During transport, the angular position.

Anstelle eines Festkörpergelenks oder ergänzend dazu sind auch andere Klemmvorrichtungen denkbar.Instead of a solid state joint or in addition to other clamping devices are conceivable.

4a und 4b zeigen schematische Illustrationen für einen und einen anderen weiteren Freiheitsgrad, 4a and 4b show schematic illustrations for one and another further degree of freedom,

Die Ausführungsbeispiele aus 2a, 2b und 3 betrachten zunächst der einfachen Erläuterung willen nur den Fall einer Verkippung um einen Freiheitsgrad. In vielen praktischen Anwendungen wird jedoch ein Objekthalter mit mindestens zwei Freiheitsgraden gewünscht.The embodiments of 2a . 2 B and 3 For the sake of simplicity of explanation, consider only the case of tilting by one degree of freedom. In many practical applications, however, an object holder with at least two degrees of freedom is desired.

Entsprechend leistet die Erfindung auch einen Bewegungsausgleich in nicht nur einem Freiheitsgrad.Accordingly, the invention also provides a motion compensation in not just one degree of freedom.

4a zeigt eine schematische Illustration für einen weiteren Freiheitsgrad in Draufsicht auf die Anordnung, die in 2a und 2b gezeigt ist. 4a shows a schematic illustration of a further degree of freedom in plan view of the arrangement, which in 2a and 2 B is shown.

4b zeigt eine schematische Illustration für einen anderen weiteren Freiheitsgrad in Seitenansicht auf die Anordnung, die in 2a und 2b gezeigt ist. 4b shows a schematic illustration of another degree of freedom in side view of the arrangement, which in 2a and 2 B is shown.

Um eine entsprechende Bewegung in diesen anderen Freiheitsgraden zu ermöglichen, ist zu vermeiden, dass es zu einer kinematischen Sperre des mechanischen Aufbaus in dem gewünschten weiteren Freiheitsgrad kommt.In order to enable a corresponding movement in these other degrees of freedom, it must be avoided that there is a kinematic barrier of the mechanical structure in the desired further degree of freedom.

Es ist möglich, wenn allerdings auch mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden, der Oberfläche der anzutreibenden Komponente eine Form geben, die sich in diesen bzw. diesem Freiheitsgrad(en) um den Pivotpunkt als Schnittpunkt beispielsweise einer Schwenk- mit einer Kippachse wölbt.It is possible, although associated with a comparatively high outlay, to give the surface of the component to be driven a shape that bulges in this or this degree of freedom about the pivot point as an intersection of, for example, a pivot axis with a tilt axis.

Solange vermieden werden kann, dass das System als ganzes eine zu große Labilität erhält, kann auch für den weiteren Freiheitsgrad eine Nachgiebigkeit durch Festkörpergelenke erreicht werden.As long as it can be avoided that the system as a whole receives too much instability, compliance with solid-state joints can also be achieved for the further degree of freedom.

Eine bevorzugte Lösung besteht darin, wie in den vorliegenden Darstellungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung, dem Reibkörper 17 eine Form zu geben, die Drehungen o. ä. auf der Oberfläche des anzutreibenden Objektes 14 erlaubt, insbesondere eine Kugelform oder zumindest die Form eines Kugelsektors. Im Grunde sind andere konvexe Formen ebenfalls möglich.A preferred solution is, as in the present illustrations of the embodiments of the invention, the friction body 17 to give a shape, the rotations o. Ä. On the surface of the object to be driven 14 allowed, in particular a spherical shape or at least the shape of a spherical sector. Basically, other convex shapes are also possible.

5a, 5b und 5c zeigen eine perspektivische Ansicht, eine Seitenansicht und eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung. 5a . 5b and 5c show a perspective view, a side view and a sectional view of a third embodiment of a tilting device according to the invention.

Das dritte Ausführungsbeispiel betrifft einen optischen Objekthalter mit zwei Freiheitsgraden, mit einer stationären Komponente 21 und einer beweglichen Komponente 24, wobei die bewegliche Komponente 24 mit einer Aussparung bzw. Aufnahme 20 versehen ist, in die ein optisches Objekt wie beispielsweise ein Spiegel eingesetzt werden kann.The third embodiment relates to a two-degree-of-freedom optical object holder having a stationary component 21 and a movable component 24 , wherein the movable component 24 with a recess or receptacle 20 is provided, in which an optical object such as a mirror can be used.

Der Objekthalter umfasst zwei Antriebsanordnungen, eine im rechten oberen Bereich und eine im linken unteren Bereich (siehe 5b), wobei im rechten unteren Bereich eine Kugelgelenkanordnung (nicht dargestellt) die stationäre Komponente 21 mit der beweglichen Komponente 24 verbindet.The object holder comprises two drive arrangements, one in the upper right area and one in the lower left area (see FIG 5b ), wherein in the lower right a ball joint assembly (not shown) the stationary component 21 with the moving component 24 combines.

Durch die Anordnung der Antriebe und der Kugelgelenkanordnung, in der sich Schwenk- und Kippachse treffen, kann die bewegliche Komponente 24 gegenüber der stationären Komponente 21 gekippt und geschwenkt werden.Due to the arrangement of the drives and the ball joint assembly in which meet pivoting and tilting axis, the movable component 24 opposite the stationary component 21 be tilted and tilted.

In 5c ist schematisch eine der Antriebsanordnungen dargestellt, die einen Aktor 22 aufweist, der über ein Festkörpergelenk 26 (das Festkörpergelenk 26 des zweiten Antriebs ist ebenfalls erkennbar, so dass ersichtlich ist, dass die Festkörpergelenke 26 im Wesentlichen Streifenform aufweisen, um so eine Flexibilität in einer Richtung und Steifigkeit in anderen Richtungen aufzuweisen) mit einem Reibkörper 27 verbunden ist. Der Reibkörper 27 ist innerhalb einer Ausnehmung in der beweglichen Komponente 24 angeordnet und wird von der beweglichen Komponente 27 mit einer gewünschten Kraft eingeklemmt, so dass ein Antrieb nach dem Trägheitsprinzip vorgesehen ist. Der Freiheitsgrad, für den der dargestellte Antrieb vorgesehen ist, besteht darin, die bewegliche Komponente 24 gegenüber der stationären Komponente 21 in der Darstellungsebene der 5c im bzw. gegen den Uhrzeigersinn zu bewegen.In 5c schematically one of the drive arrangements is shown, which is an actuator 22 that has a solid-state joint 26 (the solid-state joint 26 The second drive is also recognizable, so that it can be seen that the solid state joints 26 have substantially strip shape, so having flexibility in one direction and stiffness in other directions) with a friction body 27 connected is. The friction body 27 is within a recess in the movable component 24 arranged and used by the moving component 27 clamped with a desired force, so that a drive is provided according to the principle of inertia. The degree of freedom for which the illustrated drive is provided is the movable component 24 opposite the stationary component 21 in the presentation level of 5c to move clockwise or counterclockwise.

Wird dieses Ausführungsbeispiel dahingehend abgewandelt, dass das Kugelgelenk durch einen dritten Antrieb beweglich ausgestaltet ist, kann zusätzlich zu der Kipp- und der Schwenkbewegung auch eine lineare Bewegung realisiert werden, wenn alle drei Antriebe die bewegliche Komponente 24 gleichzeitig voran treiben.If this embodiment is modified to the effect that the ball joint is designed to be movable by a third drive, in addition to the tilting and the pivoting movement, a linear movement can be realized if all three drives the movable component 24 at the same time.

6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 6 shows a schematic flow diagram of an embodiment of a method according to the invention.

Das Verfahren umfasst einerseits ein Einstellen 50 eines Kippwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des Aktors, wobei beim Einstellen 50 des Kippwinkels ein Reibkörper, der an der ersten Komponente vorgesehen ist, in reibender Kontaktierung mit der zweiten Komponente steht. Dieses Einstellen 50 des Kippwinkels umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Anlegen einer Sägezahnspannung an den Aktor mit abwechselnd mehreren steilen Flanken 52 und mehreren flacheren Flanken 54, wobei jede steile Flanke 52 eine große Beschleunigung bewirkt, der die zweite Komponente nicht folgt, während die zweite Komponente bei einer flacheren Flanke 54 mitgeführt wird, da keine Beschleunigung auftritt, die die Haftreibung zwischen Reibkörper und zweiter Komponente überwinden würde.On the one hand, the method comprises a setting 50 a tilt angle between the first and second components with a piezoelectric or electrostrictive actuator into a region beyond a simple stroke of the actuator, wherein the setting 50 of the tilt angle, a friction body, which is provided on the first component, is in frictional contact with the second component. This setting 50 the tilt angle comprises in this embodiment applying a sawtooth voltage to the actuator with alternately several steep edges 52 and several flatter flanks 54 where each steep flank 52 causes a large acceleration, which does not follow the second component, while the second component at a flatter edge 54 is entrained, since no acceleration occurs, which would overcome the static friction between the friction body and the second component.

Parallel zum Einstellen 50 umfasst das Verfahren andererseits ein Ausgleichen 56 einer vom Kippwinkel abhängigen Änderung eines Abstands zwischen einem Kontaktbereich von Reibkörper und zweiter Komponente zu der Kippachse mit wenigstens einem Festkörpergelenk, das den Reibkörper und/oder die Kippachse mit der ersten Komponente verbindet, so dass die reibende Kontaktierung in vorbestimmter Weise erhalten bleibt.Parallel to setting 50 On the other hand, the method includes balancing 56 a tilt angle dependent change in a distance between a contact region of the friction body and the second component to the tilt axis with at least one solid-body joint connecting the friction body and / or the tilting axis with the first component, so that the frictional contact is maintained in a predetermined manner.

Die Schritte Einstellen 50 und Ausgleichen 56 können wiederholt erfolgen.The steps set 50 and balancing 56 can be repeated.

In einem Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung eine Vorrichtung eines Objekthalters zum Verkippen einer beweglichen Komponente gegenüber einer stationären Komponente, dessen bewegliche Komponente über einen oder mehrere Piezoantriebe (Aktoren) oder elektrostriktive Antriebe (Aktoren) angetrieben wird, wobei ein sich mit der Winkelstellung der beweglichen Komponente veränderlicher Abstand zwischen dem Pivotpunkt (als Schnittpunkt von Schwenk- und Kippachse) und dem Reibkontakt zwischen Reibkörper und der angetriebenen, beweglichen Komponente durch ein oder mehrere nachstellende/ausgleichende Festkörpergelenke ausgeglichen wird.In one embodiment, the invention relates to a device of an object holder for tilting a movable component relative to a stationary component, the movable component of which is driven by one or more piezoelectric actuators or electrostrictive actuators, which becomes more variable with the angular position of the movable component Distance between the pivot point (as the intersection of pivot and tilt axis) and the frictional contact between the friction body and the driven, movable component is compensated by one or more adjusting / compensating solid joints.

In einer Ausgestaltung ist das nachstellende/ausgleichende mechanische Wirkung durch ein Festkörpergelenk realisiert wird, welches funktional zwischen dem Aktor und der stationären Komponente und/oder zwischen dem Aktor und dem Reibkörper angeordnet sein kann.In one embodiment, the adjusting / compensating mechanical action is realized by a solid-state joint, which may be functionally arranged between the actuator and the stationary component and / or between the actuator and the friction body.

In einer weiteren Ausgestaltung wird neben dem Ausgleich über das mindestens eine Festkörpergelenk ein Teil der ausgleichenden Bewegung durch ein Gleitlager realisiert wird, welches die gleichen Reibflächen nutzt wie der Antrieb.In a further embodiment, in addition to the compensation via the at least one solid-body joint part of the compensating movement is realized by a sliding bearing, which uses the same friction surfaces as the drive.

In einer Weiterführung bringt das mindestens eine nachstellende/ausgleichende Festkörpergelenk den für den Antrieb notwendigen Anpressdruck auf und erhält ihn aufrecht, auch wenn es zum Verkippen der beweglichen Komponente kommt, indem dieses Festkörpergelenk mechanisch gegen den Reibkontakt vorgespannt wird.In a continuation brings the at least one adjusting / compensating solid-state joint necessary for the drive pressure and maintains it, even if it comes to tilting of the movable component by this solid state joint is mechanically biased against the frictional contact.

In einer weiteren Weiterführung presst eine Klemmvorrichtung den Reibkörper gegen die anzutreibende Fläche, so dass stets ein für den Betrieb des Antriebs notwendiger Anpressdruck über den zur Verfügung stehenden Winkelbereich gewährleistet ist.In a further continuation, a clamping device presses the friction body against the surface to be driven so that a contact pressure necessary for the operation of the drive is always ensured over the available angular range.

Die Lage der beweglichen Komponente gegenüber der stationären Komponente kann über einen oder mehrere Sensoren festgestellt werden, wobei insbesondere die Auslenkung der nachstellende/ausgleichende Mechanik gemessen wird um, darüber eine Aussage über die Winkellage der beweglichen Komponente gegenüber der stationären Komponente zu treffen. Die Auslenkung des mindestens einen nachstellenden/ausgleichenden Festkörpergelenks kann über Dehnungsmessstreifen, eine oder mehrere Lichtschranken oder einen kapazitiven Ansatz bestimmt werden.The position of the movable component relative to the stationary component can be determined via one or more sensors, wherein in particular the deflection of the adjusting / compensating mechanism is measured in order to make a statement about the angular position of the movable component relative to the stationary component. The deflection of the at least one adjusting / compensating solid-state joint can be determined via strain gauges, one or more light barriers or a capacitive approach.

Neben der Kipp- und Schwenkbewegungen kann auch eine lineare Bewegung erzielt werden, insbesondere dann, wenn ein dritter Antrieb integriert wird, so dass ein paralleles Antrieben über alle drei Antriebe den Abstand der beweglichen Komponente von der stationären Komponente verändert.In addition to the tilting and pivoting movements, a linear movement can also be achieved, in particular if a third drive is integrated, so that a parallel drive via all three drives changes the distance of the movable component from the stationary component.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5410206 [0009, 0010, 0010, 0012]

Claims

Tilting device, with a first component ( 11 . 21 ) and one compared to the first component ( 11 . 21 ) about a tilt axis ( 15 ) tiltable second component ( 14 . 14 ' . 24 ) and a piezoelectric or electrostrictive actuator ( 12 . 22 ) for setting a tilt angle between the first and second components to within a range beyond a simple stroke of the actuator ( 12 . 22 ), the first component ( 11 . 21 ) with a friction body ( 17 . 27 ) for frictional contact with the second component ( 14 . 14 ' . 24 ), so that a distance between a contact region of friction body ( 17 . 27 ) and second component ( 14 . 14 ' . 24 ) to the tilt axis ( 15 ) changes in dependence on the tilt angle, wherein the friction body ( 17 . 27 ) and / or the tilt axis ( 15 ) via at least one solid-state joint ( 16 . 26 ) with the first component ( 11 . 21 ), which is a movement of the friction body ( 17 . 27 ) or the tilting axis ( 15 ) to compensate for the variable distance, so that the frictional contact is maintained in a predetermined manner.

Tilting device according to claim 1, with a clamping device ( 18 ), which for causing a contact force on the friction body ( 17 . 27 ) is designed in the direction of the contact region, wherein the clamping device ( 18 ) is preferably designed for setting the contact pressure.

Tilting device according to one of the preceding claims, wherein the at least one solid-body joint ( 16 . 26 ) for pressing the friction body ( 17 . 27 ) in the direction of the contact area due to a resilient bias of the solid state joint ( 16 . 26 ) is configured.

Tilting device according to one of the preceding claims, wherein the actuator ( 12 . 22 ) between the first component ( 11 . 21 ) and the friction body ( 17 . 27 ) is provided and the at least one solid-state joint ( 16 . 26 ) between the first component ( 11 . 21 ) and the actuator ( 12 . 26 ) and / or between the actuator ( 12 . 26 ) and the friction body ( 17 . 27 ) is provided.

Tilting device according to one of the preceding claims, wherein the second component ( 14 . 14 ' . 24 ) is provided with the actuator and a movement surface, the movement surface with the friction body ( 17 . 27 ) is in contact and the actuator is designed for a movement of the movement surface substantially tangentially along the tilting direction.

Tilting device according to one of the preceding claims, wherein the friction body ( 17 . 27 ) and / or a for contacting with the friction body ( 17 . 27 ) provided area of the second component ( 14 . 14 ' . 24 ) have a convex surface shape.

Tilting device according to one of the preceding claims, with a sensor for determining the position of the first and second components to each other, wherein the sensor is designed in particular for measuring a deflection of the at least one solid-state joint, preferably by means of one or more strain gauges, one or more capacitive sensors and / or one or more light barriers.

Tilting device according to one of the preceding claims, wherein the second component ( 24 ) compared to the first component ( 21 ) is pivotable about a pivot axis different from the tilt axis in addition to tilting, the tilting device comprises a second piezoelectric or electrostrictive actuator ( 22 ) for setting a pivoting angle between the first and second components to within a range beyond a simple stroke of the second actuator ( 22 ), the first or second component with a second friction body ( 27 ) is provided for frictional contacting with the second or first component, so that a distance between a contact region of the second friction body ( 27 ) and second or first component to the pivot axis in response to the pivot angle changes, and the second friction body ( 27 ) via at least one solid-state joint ( 26 ) is connected to the first or second component, which is a movement of the second friction body ( 27 ) to compensate for the variable distance, so that the frictional contact is maintained in a predetermined manner.

Tilting device according to claim 8, wherein the second component ( 24 ) compared to the first component ( 21 ) is movable in addition to the tilting and pivoting without changing a tilting or pivoting angle for changing a distance, the tilting device comprises a third piezoelectric or electrostrictive actuator for adjusting the distance in cooperation with the first and the second actuator ( 22 ), in particular up to a region beyond a simple stroke of the third actuator, where the first component ( 21 ) with a third friction body for frictional contact with the second component ( 24 ) is provided and the third friction body is designed for maintaining the frictional contacting in the pivoting or tilting, wherein the pivot axis extends through the third friction body.

Method for tilting a second component ( 14 . 14 ' . 24 ) compared to a first component ( 11 . 21 ) about a tilt axis ( 15 ), with: Setting ( 50 ) a tilt angle between the first and second components with a piezoelectric or electrostrictive actuator ( 12 . 22 ) into an area beyond a simple stroke of the actuator, wherein when setting ( 50 ) of the tilt angle a friction body ( 17 . 27 ) at the first component ( 11 . 21 ) is in frictional contact with the second component ( 14 . 14 ' . 24 ), and balancing ( 56 ) of a tilt angle dependent change in a distance between a contact region of the friction body ( 17 . 27 ) and second component ( 14 . 14 ' . 24 ) to the tilt axis ( 15 ) with at least one solid-state joint ( 16 . 26 ), which is the friction body ( 17 . 27 ) and / or the tilt axis ( 15 ) with the first component ( 11 . 21 ) so that the frictional contact is maintained in a predetermined manner.