DE102018132463B4

DE102018132463B4 - Positioning unit

Info

Publication number: DE102018132463B4
Application number: DE102018132463.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Meissner
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: DE102018132463A1

Abstract

Eine Positioniereinheit (1), mit der ein Halter (3) der Positioniereinheit (1), auf dem ein zu positionierendes Element (13) angeordnet werden kann, relativ zu einem Befestigungsabschnitt (5) der Positioniereinheit (1) mittels eines Positionierabschnitts (11) in zwei Rotationsfreiheitsgraden gedreht und in einem Translationsfreiheitsgrad verschoben werden kann,wobei die Positioniereinheit (1) über den Befestigungsabschnitt (5) ortsfest an einem Anschlag befestigt werden kann,wobei der Positionierabschnitt (11) eine Mehrzahl von Ebenen (7, 9) umfasst, von denen jede mit einer weiteren Ebene (7, 9) der Mehrzahl von Ebenen (7, 9) und zumindest einem von noch einer Ebene (7, 9) der Mehrzahl von Ebenen (7, 9), dem Befestigungsabschnitt (5) oder dem Halter (3) jeweils über eine Gelenkanordnung (17, 19, 21) verbunden ist,wobei der Positionierabschnitt (11) so ausgebildet ist, dass eine erste Ebene (7) der Mehrzahl von Ebenen (7, 9) über eine erste Gelenkanordnung (17) entlang einer ersten Translationsrichtung (29) verschoben werden kann, dass eine zweite Ebene (9) der Mehrzahl von Ebenen (7, 9) über eine zweite Gelenkanordnung (19) um eine erste Rotationsachse (39) gedreht werden kann und dass der Halter (3) über eine dritte Gelenkanordnung (21) um eine zweite Rotationsachse (45) gedreht werden kann,wobei eine Stellanordnung (47) der Positioniereinheit (1) eine Mehrzahl von Hebeln (49, 51, 53) aufweist und jeder Hebel (49, 51, 53) der Mehrzahl von Hebeln (49, 51, 53) mit einer Ebene (7, 9) der Mehrzahl von Ebenen (7, 9) des Positionierabschnitts (11) oder dem Halter (3) verbunden und der jeweiligen Ebene (7, 9) oder dem Halter (3) zugeordnet ist,wobei die Stellanordnung (47) so ausgebildet ist, dass ein erster Hebel (49) der Mehrzahl von Hebeln (49, 51, 53) mit der ersten Ebene (7) so verbunden ist, dass durch eine Bewegung des ersten Hebels (49) die erste Ebene (7) entlang der ersten Translationsrichtung (29) verschoben werden kann, dass ein zweiter Hebel (51) mit der zweiten Ebene (9) so verbunden ist, dass durch eine Bewegung des zweiten Hebels (51) die zweite Ebene (9) um die erste Rotationsachse (39) gedreht werden kann, und dass ein dritter Hebel (53) der Mehrzahl von Hebeln (49, 51, 53) mit dem Halter (3) so verbunden ist, dass durch eine Bewegung des dritten Hebels (53) der Halter (3) um die zweite Rotationsachse (45) gedreht werden kann.A positioning unit (1) with which a holder (3) of the positioning unit (1), on which an element (13) to be positioned can be arranged, relative to a fastening section (5) of the positioning unit (1) by means of a positioning section (11) can be rotated in two degrees of freedom of rotation and displaced in one degree of translational freedom, wherein the positioning unit (1) can be fixedly fastened to a stop via the fastening section (5), the positioning section (11) comprising a plurality of planes (7, 9) of each with a further level (7, 9) of the plurality of levels (7, 9) and at least one of another level (7, 9) of the plurality of levels (7, 9), the fastening section (5) or the holder (3) is each connected via a joint arrangement (17, 19, 21), the positioning section (11) being designed such that a first level (7) of the plurality of levels (7, 9) is connected via a first joint arrangement (17) along a first tra nslationsrichtung (29) can be shifted, that a second plane (9) of the plurality of planes (7, 9) can be rotated about a first axis of rotation (39) via a second joint arrangement (19) and that the holder (3) via a third joint arrangement (21) can be rotated about a second axis of rotation (45), wherein an adjusting arrangement (47) of the positioning unit (1) has a plurality of levers (49, 51, 53) and each lever (49, 51, 53) of the A plurality of levers (49, 51, 53) connected to a plane (7, 9) of the plurality of planes (7, 9) of the positioning section (11) or the holder (3) and the respective plane (7, 9) or the Holder (3) is assigned, the adjusting arrangement (47) being designed such that a first lever (49) of the plurality of levers (49, 51, 53) is connected to the first plane (7) in such a way that by a movement of the first lever (49) the first plane (7) can be moved along the first translation direction (29) that a second lever (51) with the two ith plane (9) is connected in such a way that the second plane (9) can be rotated about the first axis of rotation (39) by a movement of the second lever (51), and that a third lever (53) of the plurality of levers (49 , 51, 53) is connected to the holder (3) in such a way that the holder (3) can be rotated about the second axis of rotation (45) by a movement of the third lever (53).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positioniereinheit, mit der ein Halter der Positioniereinheit, auf dem ein zu positionierendes Element angeordnet werden kann, relativ zu einem Befestigungsabschnitt der Positioniereinheit über einen Positionierabschnitt in zwei Rotationsfreiheitsgraden gedreht und in einem Translationsfreiheitsgrad verschoben werden kann. Die Positioniereinheit ist vorzugsweise zur Anwendung im Ultrahochvakuum geeignet und wird verwendet, um ein optisches Element zu positionieren.The present invention relates to a positioning unit with which a holder of the positioning unit, on which an element to be positioned can be arranged, can be rotated in two degrees of freedom of rotation and displaced in one degree of freedom of translation relative to a fastening section of the positioning unit via a positioning section. The positioning unit is preferably suitable for use in an ultra-high vacuum and is used to position an optical element.

Die Positionierung von optischen Elementen im Ultrahochvakuum stellt den Fachmann vor eine Vielzahl von Problemen. Zum einen müssen sämtliche Komponenten der Positioniereinheit für die Verwendung im Ultrahochvakuum geeignet sein, zum anderen steht für die Positioniereinheit regelmäßig nur sehr wenig Platz zur Verfügung. Gleichzeitig werden an die Genauigkeit der Positioniereinheit sehr hohe Anforderungen gestellt.The positioning of optical elements in an ultra-high vacuum poses a number of problems for the person skilled in the art. On the one hand, all components of the positioning unit must be suitable for use in an ultra-high vacuum, and on the other hand, there is usually only very little space available for the positioning unit. At the same time, very high demands are placed on the accuracy of the positioning unit.

Aus dem Stand der Technik sind kommerziell verfügbare Linear-Stage-Systeme bekannt, mit denen Translationsbewegungen entlang einer Translationsachse bzw. -richtung realisiert werden können. Mehrere Linear-Stage-Systeme können kombiniert werden, um eine Positioniereinheit zu bilden, die mehr Bewegungsachsen ermöglicht. Diese Systeme nehmen jedoch einen relativ großen Bauraum ein, so dass sie nicht unter den beengten Platzverhältnissen von Vakuumkammern eingesetzt werden können.Commercially available linear stage systems with which translational movements along a translational axis or direction can be realized are known from the prior art. Multiple linear stage systems can be combined to form a positioning unit that allows more axes of motion. However, these systems take up a relatively large amount of space, so that they cannot be used in the cramped space conditions of vacuum chambers.

Ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind Hexapod-Antriebe, die eine flexible Positionierung in sechs Freiheitsgraden ermöglichen. Die Positionierung eines optischen Elementes mit einer Positioniereinheit, die einen Hexapod-Antrieb verwendet, wird jedoch dadurch erschwert, dass die Bewegungen des Hexapod-Antriebs regelmäßig nicht-linear sind. Zudem sind die Bewegungen entlang der verschiedenen Freiheitsgrade gekoppelt. Beide Faktoren erschweren ein manuelles Positionieren von optischen Elementen mittels des Hexapod-Antriebs.Hexapod drives that enable flexible positioning in six degrees of freedom are also known from the prior art. The positioning of an optical element with a positioning unit that uses a hexapod drive is made more difficult by the fact that the movements of the hexapod drive are regularly non-linear. In addition, the movements are coupled along the various degrees of freedom. Both factors make it difficult to manually position optical elements using the hexapod drive.

Schließlich ist es bekannt, für spezielle Anwendungen im Ultrahochvakuum Festkörpergelenk-Systeme zu verwenden, bei denen die Positioniereinheit aus einem einzigen Werkstück hergestellt wird. Derartige Positioniereinheiten ermöglichen eine besonders präzise Positionierung von optischen Elementen. Allerdings ist der Bewegungsbereich, über den das Festkörpergelenk-System verstellt werden kann, in der Regel sehr beschränkt. Zudem sind oftmals leistungsstarke Aktuatoren notwendig, um die Festkörpergelenk-Systeme zu verstellen. Dies erschwert die Herstellung von kompakten Positioniereinheiten, die unter den beengten Platzverhältnissen von Vakuumkammern eingesetzt werden können.Finally, it is known to use solid-state joint systems for special applications in ultra-high vacuum, in which the positioning unit is produced from a single workpiece. Such positioning units enable particularly precise positioning of optical elements. However, the range of motion over which the flexure joint system can be adjusted is usually very limited. In addition, powerful actuators are often necessary to adjust the flexure joint systems. This makes it difficult to manufacture compact positioning units that can be used in the confined spaces of vacuum chambers.

Aus der US 5,859,947 A ist zur translatorischen Bewegung eines optischen Strahls eine Unteranordnung eines optischen Gerätes offenbart, bei dem über eine kombinierte Rotation einer Objektivlinse um eine Gierachse und um eine Anstellachse eine translatorische Bewegung eines optischen Strahls relativ zu einer optischen Faserunteranordnung erreicht wird. DE 10 2009 025 309 A1 offenbart eine Positioniereinheit für einen in einem Halteteil gehaltenen Spiegel. Die Positioniereinheit ermöglicht eine Rotation des Halteteils um eine vertikale Kippachse und um eine horizontale Kippachse. Eine translatorische Bewegung ist ausdrücklich nicht vorgesehen. Aus der DE 10 2013 221 044 A1 ist die Verwendung von Hebeln zur Ankopplung von Stellanordnungen bekannt. DE 103 44 178 A1 offenbart Kreuzfedergelenke für Positioniereinheiten für optische Elemente.From the U.S. 5,859,947 A discloses a sub-arrangement of an optical device for translatory movement of an optical beam, in which a translatory movement of an optical beam relative to an optical fiber sub-arrangement is achieved via a combined rotation of an objective lens about a yaw axis and about a pitch axis. DE 10 2009 025 309 A1 discloses a positioning unit for a mirror held in a holding part. The positioning unit enables the holding part to be rotated around a vertical tilt axis and around a horizontal tilt axis. A translational movement is expressly not intended. From the DE 10 2013 221 044 A1 the use of levers for coupling actuating assemblies is known. DE 103 44 178 A1 discloses cross spring joints for positioning units for optical elements.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Positioniereinheit bereitzustellen, die zur Verwendung im Ultrahochvakuum unter beengten Platzverhältnissen geeignet ist. Die Positioniereinheit soll weiterhin eine Verschiebung eines optischen Elementes entlang einer Translationsrichtung und eine Drehung des optischen Elements um zwei Rotationsachsen ermöglichen. Zudem sollen möglichst viele der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden.Against this background, it is an object of the present invention to provide a positioning unit which is suitable for use in an ultra-high vacuum in confined spaces. The positioning unit should also enable a displacement of an optical element along a translation direction and a rotation of the optical element about two axes of rotation. In addition, as many of the disadvantages known from the prior art as possible should be avoided.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Positioniereinheit gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Positioniereinheit sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a positioning unit according to claim 1. Preferred embodiments of the positioning unit are specified in the dependent claims.

Bei einer erfindungsgemäßen Positioniereinheit kann ein Halter der Positioniereinheit, auf dem ein zu positionierendes, vorzugweise optisches Element angeordnet werden kann, relativ zu einem Befestigungsabschnitt der Positioniereinheit mittels eines Positionierabschnitt in zwei Rotationsfreiheitsgraden gedreht und in einem Translationsfreiheitsgrad verschoben werden. Der Halter ist folglich über den Positionierabschnitt mit dem Befestigungsabschnitt verbunden. Die Positioniereinheit ist vorzugsweise zur Anwendung im Ultrahochvakuum geeignet. Allerdings ist es auch denkbar, eine erfindungsgemäße Positioniereinheit außerhalb des Ultrahochvakuums einzusetzen oder andere Elemente als optische Elemente mit der Positioniereinheit zu positionieren.In a positioning unit according to the invention, a holder of the positioning unit, on which a preferably optical element to be positioned can be arranged, can be rotated relative to a fastening section of the positioning unit by means of a positioning section in two degrees of rotational freedom and displaced in one degree of freedom of translation. The holder is consequently connected to the fastening section via the positioning section. The positioning unit is preferably suitable for use in an ultra-high vacuum. However, it is also conceivable to use a positioning unit according to the invention outside of the ultra-high vacuum or to position other elements than optical elements with the positioning unit.

Die Positioniereinheit kann über den Befestigungsabschnitt ortsfest an einem Anschlag angeordnet werden, der beispielsweise Teil einer Innenwand einer Vakuumkammer ist. Ortsfest bedeutet dabei, dass der Befestigungsabschnitt relativ zu dem Anschlag weder Rotations- noch Translationsfreiheitsgrade aufweist. Eine Relativbewegung zwischen dem Halter der Positioniereinheit und deren Bewegungsabschnitt ist somit gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen dem Halter der Positioniereinheit und dem Anschlag.The positioning unit can be arranged in a stationary manner via the fastening section on a stop which is, for example, part of an inner wall of a vacuum chamber. Stationary means that the fastening section has neither rotational nor translational degrees of freedom relative to the stop. A relative movement between the The holder of the positioning unit and its movement section is thus at the same time a relative movement between the holder of the positioning unit and the stop.

Der Positionierabschnitt umfasst eine Mehrzahl von Ebenen, von denen jede mit einer weiteren Ebene der Mehrzahl von Ebenen und zumindest einem von noch einer Ebene der Mehrzahl von Ebenen, dem Befestigungsabschnitt oder dem Halter jeweils über eine Gelenkanordnung verbunden ist. Mit anderen Worten ist jede Ebene über eine Gelenkanordnung mit einer anderen Ebene und über eine weitere Gelenkanordnung mit noch einer weiteren Ebene, dem Befestigungsabschnitt oder dem Halter verbunden, wobei der Befestigungsabschnitt und der Halter nur mit jeweils genau einer Ebene verbunden sind.The positioning section comprises a plurality of planes, each of which is connected to a further plane of the plurality of planes and at least one of another plane of the plurality of planes, the fastening section or the holder, in each case via a joint arrangement. In other words, each level is connected to another level via an articulation arrangement and to yet another level, the fastening section or the holder, via a further joint arrangement, the fastening section and the holder each being connected to only exactly one plane.

Der Positionierabschnitt ist so ausgebildet oder konfiguriert, dass eine erste Ebene der Mehrzahl von Ebenen über eine erste Gelenkanordnung entlang einer ersten Translationsrichtung verschoben werden kann, eine zweite Ebene der Mehrzahl von Ebenen über eine zweite Gelenkanordnung um eine erste Rotationsachse gedreht werden kann und dass der Halter über eine dritte Gelenkanordnung um eine zweite Rotationsachse gedreht werden kann. Jede der Ebenen und der Halter ermöglichen somit einen Translations- oder Rotationsfreiheitsgrad. Da die erste und die zweite Ebene zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem Halter angeordnet sind, folgen der Halter und ein darauf angeordnetes Element den Bewegungen der ersten und der zweiten Ebene.The positioning section is designed or configured such that a first plane of the plurality of planes can be displaced along a first translation direction via a first joint arrangement, a second plane of the plurality of planes can be rotated about a first axis of rotation via a second joint arrangement and that the holder can be rotated about a second axis of rotation via a third joint arrangement. Each of the planes and the holder thus allow a degree of translational or rotational freedom. Since the first and the second plane are arranged between the fastening section and the holder, the holder and an element arranged thereon follow the movements of the first and the second plane.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die erste Ebene relativ zum Befestigungsabschnitt entlang der ersten Translationsrichtung verschoben werden kann, die zweite Ebene relativ zur ersten Ebene um die erste Rotationsachse gedreht werden kann und der Halter relativ zur zweiten Ebene um die zweite Rotationsachse gedreht werden kann. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die erste Ebene relativ zur zweiten Ebene entlang der ersten Translationsrichtung verschoben werden kann, die zweite Ebene relativ zum Befestigungsabschnitt um die erste Rotationsachse gedreht werden kann und der Halter relativ zur ersten Ebene um die zweite Rotationsachse gedreht werden kann. Die Reihenfolge der Ebenen und der durch diese vermittelten Freiheitsgrade kann somit, je nach Anforderungen, variiert werden.It is preferred if the first plane can be shifted relative to the fastening section along the first translation direction, the second plane can be rotated around the first axis of rotation relative to the first plane and the holder can be rotated around the second axis of rotation relative to the second plane. Alternatively, however, it is also conceivable that the first plane can be shifted relative to the second plane along the first translation direction, the second plane can be rotated around the first axis of rotation relative to the fastening section and the holder can be rotated around the second axis of rotation relative to the first plane . The order of the levels and the degrees of freedom mediated by them can thus be varied depending on the requirements.

Der Positionierabschnitt kann auch mehr als zwei Ebenen umfassen. Zudem ist nicht zwingend die erste Ebene direkt mit dem Befestigungsabschnitt verbunden und die zweite Ebene ist nicht notwendiger Weise direkt mit der ersten Ebene und dem Halter verbunden. Vielmehr ist es auch denkbar, dass weitere Ebenen zwischen dem Befestigungsabschnitt, der ersten Ebene, der zweiten Ebene und dem Halter angeordnet sind, wobei über jede der weiteren Ebenen ein zusätzlicher Freiheitsgrad realisiert werden kann.The positioning section can also comprise more than two levels. In addition, the first level is not necessarily connected directly to the fastening section and the second level is not necessarily connected directly to the first level and the holder. Rather, it is also conceivable that further planes are arranged between the fastening section, the first plane, the second plane and the holder, wherein an additional degree of freedom can be implemented over each of the further planes.

Die Positioniereinheit weist weiterhin eine Stellanordnung mit einer Mehrzahl von Hebeln auf, wobei jeder Hebel der Mehrzahl von Hebeln mit einer Ebene der Mehrzahl von Ebenen des Positionierabschnitts oder dem Halter verbunden ist und der jeweiligen Ebene oder dem Halter zugeordnet ist. Die Anzahl der Hebel entspricht vorzugsweise zumindest der Anzahl der Ebenen, so dass jeder Ebene genau ein Hebel zugeordnet ist.The positioning unit furthermore has an actuating arrangement with a plurality of levers, each lever of the plurality of levers being connected to a plane of the plurality of planes of the positioning section or the holder and being assigned to the respective plane or the holder. The number of levers preferably corresponds to at least the number of levels, so that exactly one lever is assigned to each level.

Die Stellanordnung ist so ausgebildet, dass ein erster Hebel der Mehrzahl von Hebeln mit der ersten Ebene so verbunden ist, dass durch eine Bewegung des ersten Hebels die erste Ebene entlang der ersten Translationsrichtung verschoben werden kann, dass ein zweiter Hebel mit der zweiten Ebene so verbunden ist, dass durch eine Bewegung des zweiten Hebels die zweite Ebene um die erste Rotationsachse gedreht werden kann, und dass ein dritter Hebel der Mehrzahl von Hebeln mit dem Halter so verbunden ist, dass durch eine Bewegung des dritten Hebels der Halter um die zweite Rotationsachse gedreht werden kann.The actuating arrangement is designed such that a first lever of the plurality of levers is connected to the first level in such a way that the first level can be displaced along the first translational direction by a movement of the first lever, so that a second lever is connected to the second level is that the second plane can be rotated about the first axis of rotation by a movement of the second lever, and that a third lever of the plurality of levers is connected to the holder in such a way that the holder rotates about the second axis of rotation by a movement of the third lever can be.

Die Positioniereinheit hat den Vorteil, dass jeder der wenigstens drei Freiheitsgrade individuell angesteuert werden kann, und eine Kopplung der Bewegungen möglichst vermieden wird. Durch die Verwendung von Hebeln zur Positionierung der Ebenen, die auch als Rahmen bezeichnet werden können, kann unter Berücksichtigung der Hebelgesetze beispielsweise der Halter besonders genau positioniert werden und dabei nur geringe Kräfte zur Positionierung aufgewendet oder aus geringfügigen Bewegungen des Hebels größere Bewegungen der zu bewegenden Ebene abgeleitet werden. Es können sowohl einseitig als auch zweiseitig wirkende Hebel verwendet werden.The positioning unit has the advantage that each of the at least three degrees of freedom can be controlled individually and a coupling of the movements is avoided as far as possible. By using levers to position the levels, which can also be referred to as frames, the holder, for example, can be positioned particularly precisely, taking into account the laws of levers, and only small forces are used for positioning or minor movements of the lever result in larger movements of the level to be moved be derived. Both unilateral and bilateral levers can be used.

Dabei ist es bevorzugt, wenn jeder Hebel der Mehrzahl von Hebeln über einen Stellantrieb bewegt werden kann, wobei der Stellantrieb des Hebels, der der Ebene zugeordnet ist, die direkt mit dem Befestigungsabschnitt verbunden ist, am Befestigungsabschnitt angeordnet ist, und wobei die Stellantriebe der übrigen Hebel an der jeweiligen Ebene angeordnet sind, mit der die Ebene, der der jeweilige Hebel zugeordnet ist, direkt verbunden ist und die die Ebene, der der jeweilige Hebel zugeordnet ist, mit dem Befestigungsabschnitt verbindet. Mit anderen Worten weist jeder Hebel einen Stellantrieb auf. Der Stellantrieb ist dabei stets an dem Element der Positioniereinheit angeordnet, die im Hinblick auf den Halter vor der Ebene angeordnet ist, der der jeweiligen Hebel zugeordnet ist. Die Stellantriebe können rein mechanisch ausgebildet sein, so dass sie manuell verstellt werden müssen. Es ist aber bevorzugt, motorisierte Aktuatoren als Stellantriebe zu verwenden.It is preferred if each lever of the plurality of levers can be moved via an actuator, wherein the actuator of the lever, which is assigned to the plane that is directly connected to the fastening section, is arranged on the fastening section, and the actuators of the rest Levers are arranged on the respective plane with which the plane to which the respective lever is assigned is directly connected and which connects the plane to which the respective lever is assigned to the fastening section. In other words, each lever has an actuator. The actuator is always arranged on the element of the positioning unit which, with regard to the holder, is arranged in front of the plane to which the respective lever is assigned. The actuators can be designed purely mechanically so that they can be adjusted manually Need to become. However, it is preferred to use motorized actuators as actuators.

Die Anordnung der Hebel an den vorhergehenden Ebenen bzw. dem direkt vorhergehenden Befestigungsabschnitt hat den Vorteil, dass sich die relative Position der Anlenkung des Hebels an das vorausgehende Element und die zugeordnete Ebene bzw. den Halter nur dann ändert, wenn der jeweilige Hebel verstellt wird. So wird die Bewegung der Ebenen untereinander möglichst weitgehend entkoppelt. Durch die bevorzugte Anordnung der Stellantriebe wird somit die Bewegung der Positioniereinheit in den verschiedenen Freiheitsgraden weitgehend voneinander entkoppelt.The arrangement of the levers on the preceding planes or the directly preceding fastening section has the advantage that the relative position of the linkage of the lever to the preceding element and the assigned plane or the holder only changes when the respective lever is adjusted. In this way, the movement of the levels is decoupled from one another as far as possible. The preferred arrangement of the actuators means that the movement of the positioning unit is largely decoupled from one another in the various degrees of freedom.

In einer bevorzugten Ausführungsform verbindet die erste Gelenkanordnung die erste Ebene mit dem Befestigungsabschnitt. Ein erstes Drehgelenk der ersten Gelenkanordnung verbindet den Befestigungsabschnitt um eine erste Drehgelenkachse drehbar mit einem ersten Träger der ersten Gelenkanordnung. Ein zweites Drehgelenk der ersten Gelenkanordnung verbindet den Befestigungsabschnitt um eine zweite Drehgelenkachse drehbar mit einem zweiten Träger der ersten Gelenkanordnung. Ein drittes Drehgelenk der ersten Gelenkanordnung verbindet den ersten Träger um eine dritte Drehgelenkachse drehbar mit der ersten Ebene. Ein viertes Drehgelenk der ersten Gelenkanordnung verbindet den zweiten Träger um eine vierte Drehgelenkachse drehbar mit der ersten Ebene. Die erste, zweite, dritte und vierte Drehgelenkachse verlaufen parallel zueinander und senkrecht zur Translationsachse. Die Träger und Drehgelenke der ersten Gelenkanordnung sind so angeordnet und ausgebildet, dass der Abstand des ersten Drehgelenks vom dritten Drehgelenk stets dem Abstand des zweiten Drehgelenks vom dritten Drehgelenk entspricht, dass der Abstand des ersten Drehgelenks vom zweiten Drehgelenk dem Abstand des dritten Drehgelenks vom dritten Drehgelenk entspricht und dass sich der erste Träger stets parallel zum zweiten Träger erstreckt.In a preferred embodiment, the first joint arrangement connects the first level to the fastening section. A first pivot joint of the first joint arrangement connects the fastening section rotatably about a first pivot joint axis to a first carrier of the first joint arrangement. A second pivot joint of the first joint arrangement connects the fastening section rotatably about a second pivot joint axis to a second carrier of the first joint arrangement. A third swivel joint of the first joint arrangement connects the first carrier to the first plane so as to be rotatable about a third swivel joint axis. A fourth pivot joint of the first joint arrangement connects the second carrier to the first plane so as to be rotatable about a fourth pivot joint axis. The first, second, third and fourth pivot axes run parallel to one another and perpendicular to the translation axis. The support and swivel joints of the first joint arrangement are arranged and designed so that the distance between the first swivel joint and the third swivel joint always corresponds to the distance between the second swivel joint and the third swivel joint, that the distance between the first swivel joint and the second swivel joint corresponds to the distance between the third swivel joint and the third swivel joint corresponds and that the first carrier always extends parallel to the second carrier.

Die erste Gelenkanordnung bildet somit auf vorteilhafte Weise ein Parallelogramm bzw. eine Parallelschwinge, die bei kleinen Auslenkungen eine Parallelführung realisiert. Bei kleinen Auslenkungen der Träger um die erste bzw. zweite Drehgelenkachse und hinreichend langen Trägern ist die Verschiebung der ersten Ebene entlang einer zweiten Translationsachse, die senkrecht zur ersten Translationsachse und zur ersten Drehgelenkachse verläuft, zu vernachlässigen.The first joint arrangement thus advantageously forms a parallelogram or a parallel rocker which realizes a parallel guide in the case of small deflections. In the case of small deflections of the beams around the first or second pivot axis and sufficiently long beams, the displacement of the first plane along a second translation axis that runs perpendicular to the first translation axis and to the first pivot axis is negligible.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Hebel um eine erste Hebeldrehachse drehbar an dem Befestigungsabschnitt angelenkt, wobei die erste Hebeldrehachse parallel zur ersten Drehgelenkachse verläuft. Am Befestigungsabschnitt ist zudem ein erster Stellantrieb vorgesehen, mit dem der ersten Hebel um die erste Hebeldrehachse gedreht werden kann, wodurch die erste Ebene vermittelt durch die erste Gelenkanordnung entlang der Translationsachse verschoben wird.In a preferred embodiment, the first lever is articulated on the fastening section so as to be rotatable about a first lever axis of rotation, the first lever axis of rotation running parallel to the first pivot axis. A first actuating drive is also provided on the fastening section, with which the first lever can be rotated about the first lever axis of rotation, as a result of which the first plane is displaced along the translation axis mediated by the first joint arrangement.

Der erste Hebel ist somit als zweiseitig wirkender Hebel aufgebaut, bei der durch die Wahl der Position der Hebeldrehachse entlang des ersten Hebels beispielsweise die Kraft verstärkt werden kann, die mit dem ersten Stellantrieb zur Veränderung der Position der ersten Ebene aufgewendet werden kann. Dabei ist es bevorzugt, wenn der erste Hebel so am Befestigungsabschnitt bzw. an einem beispielhaften Ausleger des Befestigungsabschnitts angelenkt ist, dass die erste Hebeldrehachse zwischen einer ersten Drehebene und einer zweiten Drehebene angeordnet ist, wobei sich die erste und die zweite Drehgelenkachse in der ersten Drehebene erstrecken und die dritte und die vierte Drehgelenkachse in der zweiten Drehebene erstrecken. Dies ergibt eine besonders kompakte Positionieranordnung, was sich unter den beengten Platzverhältnissen von Vakuumkammern als vorteilhaft erweisen kann.The first lever is thus constructed as a double-acting lever, in which the choice of the position of the lever axis of rotation along the first lever can, for example, increase the force that can be used with the first actuator to change the position of the first level. It is preferred if the first lever is articulated on the fastening section or on an exemplary arm of the fastening section in such a way that the first lever axis of rotation is arranged between a first plane of rotation and a second plane of rotation, the first and second rotary joint axes being in the first plane of rotation extend and the third and fourth pivot axes extend in the second plane of rotation. This results in a particularly compact positioning arrangement, which can prove to be advantageous in the limited space available in vacuum chambers.

Der Stellantrieb kann beispielsweise eine mechanische Schraubanordnung sein, die manuell verstellt werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, dass der erste Stellantrieb ein erster Aktuator ist, der so am Befestigungsabschnitt und dem ersten Hebel angeordnet ist, dass durch eine Linearbewegung des ersten Aktuators die Drehung des ersten Hebels um die erste Hebeldrehachse erzeugt werden kann.The actuator can for example be a mechanical screw arrangement that can be adjusted manually. However, it is preferred that the first actuating drive is a first actuator which is arranged on the fastening section and the first lever in such a way that the rotation of the first lever about the first lever axis of rotation can be generated by a linear movement of the first actuator.

Beispielsweise können als Aktuatoren auf Schrauben oder Spindeln basierende Antriebe bzw. Motoren verwendet werden, die eine Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umsetzen. Dies können unter anderem für ein Ultrahochvakuum geeignete Schrittmotoren mit Trapez- oder Kugelgewindespindel sein. Alternativ ist es auch möglich Piezo-Aktuatoren zu verwenden, bei denen ein Piezokristall eine Schraube dreht.For example, drives or motors based on screws or spindles can be used as actuators, which convert a rotational movement into a linear movement. These can be stepper motors with trapezoidal or ball screw spindles suitable for an ultra-high vacuum. Alternatively, it is also possible to use piezo actuators in which a piezo crystal rotates a screw.

In einer bevorzugten Ausführungsform verbindet ein Drehgelenk der zweiten Gelenkanordnung die zweite Ebene um die erste Rotationsachse drehbar mit der ersten Ebene.In a preferred embodiment, a swivel joint of the second joint arrangement connects the second plane to the first plane so as to be rotatable about the first axis of rotation.

Es ist bevorzugt, aber nicht notwendig, diese Ausführungsform in Verbindung mit der Ausführungsform zu realisieren, in der die erste Gelenkanordnung eine Parallelführung zwischen dem Befestigungsabschnitt und der ersten Ebene bildet. Vorzugsweise verläuft in diesem Fall die Rotationsachse parallel zur ersten Drehgelenkachse. Die erste Ebene ist zudem vorzugsweise so ausgebildet, dass die erste Hebeldrehachse zwischen der ersten Drehebene und der zweiten Drehebene angeordnet ist, wobei sich die erste und die zweite Drehgelenkachse in der ersten Drehebene erstrecken und die dritte und die vierte Drehgelenkachse in der zweiten Drehebene erstrecken. Mit anderen Worten ist die zweite Ebene zwischen dem Befestigungsabschnitt und den Drehgelenken der ersten Gelenkanordnung angeordnet, die die Träger mit der ersten Ebene verbinden. Auf diese Weise erhält man eine besonders kompakte Positioniereinheit, da die maximalen Abmessungen der Positioniereinheit im Wesentlichen von den Abmessungen des Befestigungsabschnitts und den Abmessungen der Träger der ersten Gelenkanordnung vorgegeben sind. Zudem ist das Drehmoment, das von der ersten Gelenkanordnung auf die Befestigungsanordnung ausgeübt wird, im Vergleich zu einer Positioniereinrichtung, bei der die erste Rotationsachse auf einer von der ersten Drehebene wegweisenden Seite der zweiten Drehebene angeordnet ist, reduziert.It is preferred, but not necessary, to implement this embodiment in conjunction with the embodiment in which the first joint arrangement forms a parallel guide between the fastening section and the first plane. In this case, the axis of rotation preferably runs parallel to the first pivot axis. The first plane is also preferably designed in such a way that the first lever axis of rotation is arranged between the first plane of rotation and the second plane of rotation, the first and second rotary joint axes being in the first Extend the plane of rotation and the third and fourth pivot axes extend in the second plane of rotation. In other words, the second level is arranged between the fastening section and the swivel joints of the first joint arrangement, which connect the carrier to the first level. In this way, a particularly compact positioning unit is obtained, since the maximum dimensions of the positioning unit are essentially predetermined by the dimensions of the fastening section and the dimensions of the carriers of the first joint arrangement. In addition, the torque that is exerted by the first joint arrangement on the fastening arrangement is reduced compared to a positioning device in which the first axis of rotation is arranged on a side of the second plane of rotation pointing away from the first plane of rotation.

Weiterhin ist es bevorzugt an der ersten Ebene einen zweiten Stellantrieb anzuordnen, durch den der zweite Hebel relativ zur ersten Ebene bewegt werden kann, um die zweite Ebene relativ zur ersten Ebene um die erste Rotationsachse zu drehen, wobei sich der Hebel mit der zweiten Ebene um die erste Rotationsachse dreht. Der zweite Stellantrieb ist vorzugweise ein zweiter Aktuator, der so an der ersten Ebene und dem zweiten Hebel angeordnet ist, dass durch eine Linearbewegung des zweiten Aktuators die Drehung des zweiten Hebels um die erste Rotationsachse erzeugt werden kann. Es ist aber auch denkbar, einen mechanischen Stellantrieb vorzusehen, der manuell verstellt wird.Furthermore, it is preferred to arrange a second actuator on the first plane, by means of which the second lever can be moved relative to the first plane in order to rotate the second plane relative to the first plane about the first axis of rotation, the lever rotating with the second plane the first axis of rotation rotates. The second actuator is preferably a second actuator which is arranged on the first plane and the second lever in such a way that the rotation of the second lever about the first axis of rotation can be generated by a linear movement of the second actuator. But it is also conceivable to provide a mechanical actuator that is adjusted manually.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die unabhängig von den übrigen bevorzugten Ausführungsformen umgesetzt werden kann, verbinden ein erstes und ein zweites Drehgelenk der dritten Gelenkanordnung den Halter um die zweite Rotationsachse drehbar mit der zweiten Ebene. Dabei ist es bevorzugt, wenn an der zweiten Ebene ein dritter Stellantrieb angeordnet ist, durch den der dritte Hebel relativ zur zweiten Ebene bewegt werden kann, um den Halter relativ zur zweiten Ebene um die zweite Rotationsachse zu drehen, wobei sich der dritte Hebel mit dem Halter um die zweite Rotationsachse dreht.In a further preferred embodiment, which can be implemented independently of the other preferred embodiments, a first and a second swivel joint of the third joint arrangement connect the holder to the second plane so as to be rotatable about the second axis of rotation. It is preferred if a third actuator is arranged on the second plane, through which the third lever can be moved relative to the second plane in order to rotate the holder relative to the second plane about the second axis of rotation, the third lever rotating with the Holder rotates around the second axis of rotation.

Der dritte Stellantrieb ist vorzugweise ein dritter Aktuator, der so an der zweiten Ebene und dem dritten Hebel angeordnet ist, dass durch eine Linearbewegung des dritten Aktuators die Drehung des dritten Hebels um die dritte Rotationsachse erzeugt werden kann.The third actuator is preferably a third actuator which is arranged on the second plane and the third lever in such a way that the rotation of the third lever about the third axis of rotation can be generated by a linear movement of the third actuator.

Schließlich ist es bevorzugt, wenn sämtliche Gelenke der Gelenkanordnungen als Festkörpergelenke, vorzugsweise als Kreuzfedergelenke, ausgebildet sind. Die Verwendung von Festkörpergelenken hat den Vorteil, dass diese für das Ultrahochvakuum geeignet sind. Zudem tritt bei Festkörpergelenken anders als bei Wälz- oder Gleitlagern kein Stick-Slip-Effekt auf, der eine präzise Ausrichtung der Positioniereinrichtung deutlich erschwert. Finally, it is preferred if all the joints of the joint arrangements are designed as solid joints, preferably as cross spring joints. The use of solid-state joints has the advantage that they are suitable for the ultra-high vacuum. In addition, unlike roller or plain bearings, there is no stick-slip effect with flexure joints, which makes precise alignment of the positioning device significantly more difficult.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Positioniereinheit bezugnehmend auf die Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt

1 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels, bei dem auf die Darstellung von Hebeln und Stellantrieben verzichtet wurde, um die Erkennbarkeit der übrigen Elemente der Positioniereinheit zu erleichtern,
2 eine Draufsicht auf die Positioniereinheit aus 1, bei der ebenfalls auf die Darstellung von Hebeln und Stellantrieben verzichtet wurde,
3 eine weitere Seitensicht der Positioniereinheit aus 1, bei der ebenfalls auf die Darstellung von Hebeln und Stellantrieben verzichtet wurde,
4 eine perspektivische Darstellung der Positioniereinheit aus 1, bei der ebenfalls auf die Darstellung von Hebeln und Stellantrieben verzichtet wurde,
5 eine weitere Seitenansicht der Positioniereinheit aus 1, in der Hebel und Stellantriebe gezeigt werden,
6 eine weitere Draufsicht der Positioniereinheit aus 1, in der Hebel und Stellantriebe gezeigt werden,
7 eine weitere Seitenansicht der Positioniereinheit aus 1, in der Hebel und Stellantriebe gezeigt werden und
8 eine weitere perspektivische Ansicht der Positioniereinheit aus 1, in der Hebel und Stellantriebe gezeigt werden.

An exemplary embodiment of a positioning unit according to the invention is described in more detail below with reference to the drawings. It shows

1 a side view of the embodiment in which the levers and actuators were not shown in order to make it easier to see the other elements of the positioning unit,
2 a top view of the positioning unit 1 , in which levers and actuators were also omitted,
3 Another side view of the positioning unit 1 , in which levers and actuators were also omitted,
4th a perspective view of the positioning unit 1 , in which levers and actuators were also omitted,
5 a further side view of the positioning unit 1 showing levers and actuators
6th a further top view of the positioning unit 1 showing levers and actuators
7th a further side view of the positioning unit 1 which shows levers and actuators and
8th a further perspective view of the positioning unit 1 which shows levers and actuators.

Die in den 1 bis 8 dargestellte Positioniereinheit 1 umfasst einen Halter 3, einen Befestigungsabschnitt 5 sowie zwei Ebenen 7, 9. Die Ebenen 7, 9 bilden zusammen mit den Gelenkanordnungen 17, 19, 21 einen Positionierabschnitt 11, der den Halter 3 mit dem Befestigungsabschnitt 5 verbindet. Auf dem Halter 3 ist ein optisches Element 13 in Form eines Gitters 13 angeordnet. Das Gitter 13 ist auf einer Trägerplatte 15 angeordnet, die das Gitter 13 mit dem Halter 3 verbindet. Statt eines Gitters 13 könnte beispielsweise auch ein Spiegel oder ein Kristall auf dem Halter 3 angeordnet werden.The ones in the 1 until 8th illustrated positioning unit 1 includes a holder 3 , an attachment portion 5 as well as two levels 7th , 9 . The levels 7th , 9 form together with the hinge assemblies 17th , 19th , 21 a positioning section 11 holding the holder 3 with the fastening section 5 connects. On the holder 3 is an optical element 13th in the form of a grid 13th arranged. The grid 13th is on a carrier plate 15th arranged the the grid 13th with the holder 3 connects. Instead of a grid 13th could for example also a mirror or a crystal on the holder 3 to be ordered.

Die Positioniereinheit 1 kann über den Befestigungsabschnitt 5 an einer Halterung befestigt werden. Wird die Positioniereinheit 1 beispielsweise in einer Vakuumkammer eingesetzt, kann der Befestigungsabschnitt 5 mit der Wandung der Vakuumkammer verbunden werden. Die Befestigung erfolgt dabei ortsfest, also ohne dass Translations- oder Rotationsbewegungen zwischen dem Befestigungsabschnitt 5 und der Halterung möglich sind. Die Halterung kann auch als Anschlag bezeichnet werden.The positioning unit 1 can over the fastening section 5 be attached to a bracket. Becomes the positioning unit 1 For example, used in a vacuum chamber, the fastening section 5 be connected to the wall of the vacuum chamber. The attachment takes place stationary, that is, without translational or rotational movements between the fastening section 5 and the bracket are possible. The bracket can also be referred to as a stop.

Die erste Ebene 7 ist über eine erste Gelenkanordnung 17 direkt mit dem Befestigungsabschnitt 5 und über eine zweite Gelenkanordnung 19 direkt mit der zweiten Ebene 9 verbunden. Die zweite Ebene 9 ist wiederum über eine dritte Gelenkanordnung 21 mit dem Halter 3 verbunden. Jede Gelenkanordnung 17, 19, 21 ermöglicht einen Bewegungsfreiheitsgrad zwischen dem Befestigungsabschnitt 5 und dem Halter 3.The first level 7th is via a first hinge assembly 17th directly to the fastening section 5 and a second hinge arrangement 19th directly to the second level 9 tied together. The second level 9 is in turn via a third hinge arrangement 21 with the holder 3 tied together. Any joint arrangement 17th , 19th , 21 allows a degree of freedom of movement between the attachment portion 5 and the holder 3 .

Die erste Gelenkanordnung 17, die am besten in den 1, 2 und 4 zu erkennen ist, umfasst zwei Träger 23a, 23b und vier Drehgelenke 25a, 25b, 25c, 25d. Bei den Drehgelenken 25a, 25b, 25c, 25d handelt es sich um Festkörpergelenke in Form von Kreuzfedergelenken. Diese sind für den Einsatz im Hochvakuum geeignet und weisen keinen Stick-Slip-Effekt auf, was eine präzise Positionierung des auf dem Halter 3 angeordneten optischen Elements 13 erleichtert.The first joint arrangement 17th that are best in the 1 , 2 and 4th can be seen, comprises two carriers 23a , 23b and four swivel joints 25a , 25b , 25c , 25d . At the swivel joints 25a , 25b , 25c , 25d it is solid state joints in the form of cross spring joints. These are suitable for use in a high vacuum and do not have a stick-slip effect, which enables precise positioning of the on the holder 3 arranged optical element 13th relieved.

Ein erstes Drehgelenk 25a der vier Drehgelenke 25a, 25b, 25c, 25d verbindet den ersten Träger 23a um eine erste Drehgelenkachse 27a drehbar mit dem Befestigungselement 5. Ein zweites Drehgelenk 25b der vier Drehgelenke 25a, 25b, 25c, 25d verbindet den zweiten Träger 23b um eine zweite Drehgelenkachse 27b drehbar mit dem Befestigungselement 5. Ein drittes Drehgelenk 25c der vier Drehgelenke 25a, 25b, 25c, 25d verbindet den ersten Träger 23a um eine dritte Drehgelenkachse 27c drehbar mit der ersten Ebene 7. Ein viertes Drehgelenk 25d der vier Drehgelenke 25a, 25b, 25c, 25d verbindet den zweiten Träger 23b um eine vierte Drehgelenkachse 27d drehbar mit der ersten Ebene 7. Aller vier Drehgelenkachsen 27a, 27b, 27c, 27d verlaufen parallel zueinander.A first swivel joint 25a of the four swivel joints 25a , 25b , 25c , 25d connects the first carrier 23a rotatable with the fastening element about a first pivot axis 27a 5 . A second swivel joint 25b of the four swivel joints 25a , 25b , 25c , 25d connects the second beam 23b rotatable about a second pivot axis 27b with the fastening element 5 . A third swivel joint 25c of the four swivel joints 25a , 25b , 25c , 25d connects the first carrier 23a rotatable about a third pivot axis 27c with the first plane 7th . A fourth swivel joint 25d of the four swivel joints 25a , 25b , 25c , 25d connects the second beam 23b rotatable about a fourth pivot axis 27d with the first plane 7th . All four pivot axes 27a, 27b, 27c, 27d run parallel to one another.

Die Elemente der ersten Gelenkanordnung 17 bilden ein Parallelogramm, das heißt, der Abstand der ersten Drehgelenkachse 27a von der dritten Drehgelenkachse 27c entspricht stets dem Abstand der zweiten Drehgelenkachse 27b von der vierten Drehgelenkachse 27d und der Abstand der ersten Drehgelenkachse 27a von der zweiten Drehgelenkachse 27b entspricht stets dem Abstand der der dritten Drehgelenkachse 27c von der vierten Drehgelenkachse 27d. Zudem verlaufen der erste und der zweite Träger 23a, 23b parallel zueinander.The elements of the first joint arrangement 17th form a parallelogram, that is, the distance of the first pivot axis 27a from the third pivot axis 27c always corresponds to the distance of the second pivot axis 27b from the fourth pivot axis 27d and the distance of the first pivot axis 27a from the second pivot axis 27b always corresponds to the distance of the third The pivot axis 27c from the fourth pivot axis 27d. In addition, the first and the second carrier run 23a , 23b parallel to each other.

Damit wird durch die erste Gelenkanordnung 17 eine Parallelführung realisiert, mit der die erste Ebene 7 relative zum Befestigungsabschnitt 5 bei kleinen Auslenkungen der Träger 23a, 23b um die erste und die zweite Drehgelenkachse 27a, 27b entlang einer ersten Translationsachse bzw. Translationsrichtung 29 verschoben werden kann, ohne dass dabei eine relevante Verschiebung in einer zweiten Translationsrichtung 31 auftritt, die senkrecht zur ersten Translationsrichtung 31 verläuft. Die erste und die zweite Translationsrichtung 29, 31 erstrecken sich senkrecht zur ersten Drehgelenkachse 27a. Die erste Translationsrichtung 29 ist nur in den 2 bis 4 dargestellt, die zweite Translationsrichtung ist nur in den 1, 2 und 4 gezeigt. Die erste Gelenkanordnung 17 realisiert somit einen Translationsfreiheitsgrad der Positioniereinheit 1.This is due to the first joint arrangement 17th realized a parallel guide with which the first level 7th relative to the fastening section 5 with small deflections of the beams 23a , 23b about the first and second pivot axes 27a, 27b along a first translation axis or translation direction 29 can be shifted without a relevant shift in a second translation direction 31 occurs perpendicular to the first direction of translation 31 runs. The first and second directions of translation 29 , 31 extend perpendicular to the first pivot axis 27a. The first direction of translation 29 is only in the 2 until 4th shown, the second translation direction is only in the 1 , 2 and 4th shown. The first joint arrangement 17th thus realizes a degree of translational freedom of the positioning unit 1 .

Die erste Ebene 7 ist in seitlicher Ansicht der 1 L-förmig mit einem vertikalen Abschnitt 33a, 33b und einem horizontalen Abschnitt 35 ausgebildet. Der vertikale Abschnitt 33a, 33b weist zwei parallele Stege 33a, 33b auf, die sich parallel zu der ersten Drehgelenkachse 27a zwischen dem horizontalen Abschnitt 35 und dem ersten bzw. zweiten Träger 23a, 23b erstrecken. Die parallelen Stege 33a, 33b und der horizontale Abschnitt 35 sind aus einem Stück. Die zweite Gelenkanordnung 19 verbindet den horizontalen Abschnitt 35 der ersten Ebene 7 mit der zweiten Ebene 9 und wird von einem fünften Drehgelenk 37 gebildet, dessen fünfte Drehgelenkachse 39 sich parallel zur ersten Drehgelenkachse 27a des ersten Drehgelenks 25a erstreckt. Auch das fünfte Drehgelenk 37 ist als Kreuzfedergelenk mit den bereits benannten Vorteilen ausgebildet.The first level 7th is in side view of the 1 L-shaped with a vertical section 33a , 33b and a horizontal section 35 educated. The vertical section 33a , 33b has two parallel webs 33a , 33b which extends parallel to the first pivot axis 27a between the horizontal section 35 and the first and second carriers, respectively 23a , 23b extend. The parallel bars 33a , 33b and the horizontal section 35 are made of one piece. The second joint arrangement 19th connects the horizontal section 35 the first level 7th with the second level 9 and is supported by a fifth swivel joint 37 formed, the fifth pivot axis 39 is parallel to the first pivot axis 27a of the first pivot 25a extends. Also the fifth swivel joint 37 is designed as a cross spring joint with the advantages already mentioned.

Die zweite Gelenkanordnung 19 ermöglicht somit eine Drehung der zweite Ebene 9 relativ zur ersten Ebene 7 und damit auch eine Drehung des Halters 3 relativ zum Befestigungsabschnitt 5 um die fünfte Drehgelenkachse 39. Die fünfte Drehgelenkachse 39 bildet eine erste Rotationsachse 39 der Positioniereinheit 1, um die der Träger 3 relativ zum Befestigungsabschnitt 5 gedreht werden. Die zweite Gelenkanordnung 19 ermöglicht damit einen ersten Rotationsfreiheitsgrad der Positioniereinheit 1.The second joint arrangement 19th thus enables the second level to be rotated 9 relative to the first level 7th and with it a rotation of the holder 3 relative to the fastening section 5 about the fifth pivot axis 39. The fifth pivot axis 39 forms a first axis of rotation 39 of the positioning unit 1 to that of the carrier 3 relative to the fastening section 5 to be turned around. The second joint arrangement 19th thus enables a first degree of freedom of rotation of the positioning unit 1 .

Dabei ist die erste Ebene 7 so aufgebaut, dass die zweite Ebene 9 zwischen dem horizontalen Abschnitt 35 der ersten Ebene 7 und den Trägern 23a, 23b der ersten Gelenkanordnung angeordnet ist. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau der Positioniereinheit 1 erreicht, da die Träger 23a, 23b der erste Gelenkanordnung 17 und der horizontale Abschnitt 35 der ersten Ebene 7 die Abmessungen der Positioniereinheit 1 in vertikaler Richtung vorgeben, d.h., in Richtung der ersten Gelenkachse 27a. Vorzugsweise werden diese Abmessungen und der Abstand der Träger 23a, 23b in Richtung der ersten Translationsrichtung 29 so gewählt, dass das optische Element 13 zwischen den Trägern 23a, 23b hindurch auf dem Halter 3 angeordnet werden kann. So kann das optische Element 13 auf einfache Weise gewechselt werden.Here is the first level 7th built so that the second level 9 between the horizontal section 35 the first level 7th and the porters 23a , 23b the first joint arrangement is arranged. This results in a particularly compact construction of the positioning unit 1 reached as the carrier 23a , 23b the first hinge assembly 17th and the horizontal section 35 the first level 7th the dimensions of the positioning unit 1 in the vertical direction, that is, in the direction of the first joint axis 27a. Preferably these dimensions and the spacing of the carriers 23a , 23b in the direction of the first translation direction 29 chosen so that the optical element 13th between the carriers 23a , 23b through on the holder 3 can be arranged. So can the optical element 13th can be changed easily.

Zudem weist der horizontale Abschnitt 35 der ersten Ebene 7 von den vertikalen Abschnitten 33a, 33b der ersten Ebene 7 weg und auf den Befestigungsabschnitt 5 zu, so dass der Abstand der dritten und vierten Drehgelenkachse 27c, 27d von der ersten und zweiten Drehgelenkachse 27a, 27b entlang der zweiten Translationsrichtung 31 größer ist, als der Abstand der fünften Drehgelenkachse 39 von der ersten und zweiten Drehgelenkachse 27a, 27b entlang der zweiten Translationsrichtung 31. Mit anderen Worten ist die fünfte Drehgelenkachse 39 zwischen einer ersten Drehebene, in der sich die ersten und die zweite Drehgelenkachse 27a, 27b erstrecken, und einer zweiten Drehebene, in der sich die dritte und die vierte Drehgelenkachse 27c, 27d erstrecken, angeordnet. Die erste und zweite Drehebene sind in den Figuren nicht dargestellt.In addition, the horizontal section 35 the first level 7th from the vertical sections 33a , 33b the first level 7th away and onto the fastening section 5 to, so that the distance between the third and fourth pivot axis 27c, 27d from the first and second pivot axis 27a, 27b along the second translation direction 31 is greater than the distance of the fifth pivot axis 39 from the first and second pivot axis 27a, 27b along the second translation direction 31 . In other words, the fifth pivot axis 39 is arranged between a first plane of rotation in which the first and second pivot axes 27a, 27b extend, and a second plane of rotation in which the third and fourth pivot axes 27c, 27d extend. The first and second planes of rotation are not shown in the figures.

Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau der Positioniereinheit 1 in Richtung der zweiten Translationsrichtung 31 bei gleichzeitig maximaler Länger der ersten und zweiten Träger 23a, 23b erreicht. Je länger die Träger 23a, 23b sind, umso größer ist die absolute Strecke, über die der Halter 3 in der ersten Translationsrichtung 29 verschoben werden kann, ohne dass die Bewegung in Richtung der zweiten Translationsrichtung 31 einen vorgegebenen Toleranzbereich überschreitet. Gleichzeitig wird durch die bevorzugte Ausbildung der ersten Ebene 7 auch der Schwerpunkt der Positioniereinheit 1 in möglichst geringem Abstand zu den ersten und zweiten Drehgelenken 25a, 25b verschoben. Damit wird das Drehmoment verringert, dass von den Trägern 23a, 23b und den ersten und zweiten Drehgelenken 25a, 25b bzw. dem Befestigungsabschnitt 5 übertragen werden muss. Die Träger 23a, 23b, die Drehgelenke 25a, 25b und der Befestigungsabschnitt 5 sind hierdurch geringeren Lasten ausgesetzt und müssen weniger steif ausgebildet werden, um die gleiche Positioniergenauigkeit erreichen zu können. Auch hierdurch kann ein insgesamt kompakterer Aufbau der Positioniereinheit 1 erreicht werden.This results in a particularly compact construction of the positioning unit 1 in the direction of the second translation direction 31 with the maximum length of the first and second carriers at the same time 23a , 23b achieved. The longer the carrier 23a , 23b are, the greater is the absolute distance over which the holder 3 in the first translation direction 29 can be moved without the movement in the direction of the second translation direction 31 exceeds a specified tolerance range. At the same time, through the preferred training of the first level 7th also the center of gravity of the positioning unit 1 as close as possible to the first and second swivel joints 25a , 25b postponed. This will reduce the torque from that of the girders 23a , 23b and the first and second pivot joints 25a , 25b or the fastening section 5 must be transferred. The porters 23a , 23b who have favourited Swivel Joints 25a , 25b and the attachment portion 5 are thereby exposed to lower loads and have to be made less rigid in order to be able to achieve the same positioning accuracy. This also enables an overall more compact design of the positioning unit 1 can be achieved.

Schließlich ist der Halter 3 über ein sechstes und ein siebtes Drehgelenk 43a, 43b, die die dritte Gelenkanordnung 21 bilden, mit der zweiten Ebene 9 verbunden. Das sechste und siebte Drehgelenk 43a, 43b ermöglichen eine Rotation des Halters 3 relativ zu der zweiten Ebene 9 um eine sechste Drehgelenkachse 45. Die sechste Drehgelenkachse 45 verläuft senkrecht zu fünften Drehgelenkachse 39. Die sechste Drehgelenkachse 45 ist somit eine zweite Rotationsachse 45 der Positioniereinheit 1, um die der Halter 3 relativ zum Befestigungsabschnitt 5 gedreht werden kann.Finally, the keeper is 3 a sixth and a seventh swivel joint 43a , 43b who have favourited the third hinge assembly 21 form, with the second level 9 tied together. The sixth and seventh swivel joint 43a , 43b allow the holder to rotate 3 relative to the second level 9 about a sixth pivot axis 45. The sixth pivot axis 45 runs perpendicular to the fifth pivot axis 39. The sixth pivot axis 45 is thus a second axis of rotation 45 of the positioning unit 1 to that of the keeper 3 relative to the fastening section 5 can be rotated.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf die 5 bis 8 der Aufbau einer Stellanordnung 47 der Positioniereinheit 1 näher erläutert werden. In den 5 bis 8 sind die in den 1 bis 4 dargestellten Rotations- und Drehgelenkachsen 27a, 27b, 27c, 27d, 39, 45 sowie die Translationsrichtungen 29, 31 nicht dargestellt, um die Verständlichkeit der Figuren zu gewährleisten.In the following, reference is made to the 5 until 8th the structure of an actuator arrangement 47 the positioning unit 1 are explained in more detail. In the 5 until 8th are those in the 1 until 4th illustrated rotation and swivel joint axes 27a, 27b, 27c, 27d, 39, 45 and the directions of translation 29 , 31 not shown in order to ensure the intelligibility of the figures.

Die Stellanordnung 47 weist einen ersten Hebel 49, einen zweiten Hebel 51 und einen dritten Hebel 53 auf. Weiterhin weist die Stellanordnung 47 einen ersten Stellantrieb 55, einen zweiten Stellantrieb 57 und einen dritten Stellantrieb 59 auf. Die Stellantriebe 55, 57, 59 sind als Linearmotoren ausgebildet, die für ein Ultrahochvakuum geeignet sind.The positioning arrangement 47 has a first lever 49 , a second lever 51 and a third lever 53 on. Furthermore, the adjusting arrangement 47 a first actuator 55 , a second actuator 57 and a third actuator 59 on. The actuators 55 , 57 , 59 are designed as linear motors that are suitable for an ultra-high vacuum.

Der erste Hebel 49 ist ein zweiseitig wirkender Hebel, dessen erstes freies Ende 61a mit der ersten Ebene 7 verbunden ist und dessen zweiten freies Ende 61b mit dem ersten Stellantrieb 55 verbunden ist. Das erste und das zweite freie Ende 61a, 61b sind nur in 5 bezeichnet. Der erste Hebel 49 ist mittig über ein Hebelgelenk 63, ebenfalls ein Kreuzfedergelenk, mit einem Vorsprung oder Ausleger 65 des Befestigungsabschnitts 5 drehbar verbunden. Der Ausleger 65 legt einen Drehpunkt fest, um den sich der erste Hebel 59 dreht. Hierdurch wird der erste Hebel 49 auf vorteilhafte Weise übersetzt. Durch eine Bewegung des ersten Hebels 49 wird die erste Ebene 7 vermittelt durch die erste Gelenkanordnung 17 in Richtung der ersten Translationsrichtung 29 verschwenkt.The first lever 49 is a double-acting lever, the first free end of which 61a with the first level 7th is connected and its second free end 61b with the first actuator 55 connected is. The first and the second free end 61a , 61b are only in 5 designated. The first lever 49 is in the middle via a lever joint 63 , also a universal spring joint, with a protrusion or cantilever 65 of the fastening section 5 rotatably connected. The boom 65 defines a fulcrum around which the first lever moves 59 turns. This becomes the first lever 49 translated in an advantageous way. By moving the first lever 49 becomes the first level 7th mediated by the first joint arrangement 17th in the direction of the first translation direction 29 pivoted.

Der zweite Hebel 51 ist jeweils mit dem zweiten Stellantrieb 57 und der zweiten Ebene 9 verbunden und kann über den zweiten Stellantrieb 57 bewegt werden. Eine Bewegung des zweiten Hebels 51 dreht die zweite Ebene 9 relativ zur ersten Ebene 7 um die erste Rotationsachse 39. Da der zweite Hebel 51 ausschließlich mit der ersten Ebene 7 und der zweiten Ebene 9 verbunden ist, wirken sich weder eine Bewegung entlang der ersten Translationsrichtung 29 noch eine Rotation um die zweite Rotationsache 45 auf die Anschlagspunkte des zweiten Hebels 51 aus. Die Bewegung um die erste Rotationsachse 39 ist daher von den übrigen Bewegungen der Positioniereinheit 1 entkoppelt. Selbiges gilt auch für die Bewegung entlang der ersten Translationsrichtung 29, die durch den ersten Hebel 49 veranlasst werden kann.The second lever 51 is in each case with the second actuator 57 and the second level 9 connected and can be via the second actuator 57 be moved. A movement of the second lever 51 rotates the second level 9 relative to the first level 7th about the first axis of rotation 39. As the second lever 51 only with the first level 7th and the second level 9 is connected, neither a movement along the first translation direction act 29 another rotation around the second rotation axis 45 on the stop points of the second lever 51 the end. The movement about the first axis of rotation 39 is therefore different from the other movements of the positioning unit 1 decoupled. The same also applies to the movement along the first translation direction 29 that through the first lever 49 can be initiated.

Schließlich ist der dritte Hebel 53 am Halter 3 und am dritten Stellantrieb 59 angeordnet. Durch eine Bewegung des dritten Hebels 53 mit dem dritten Stellantrieb 59 kann der Halter 3 um die zweite Rotationsachse 45 gedreht werden.Finally is the third lever 53 on the holder 3 and on the third actuator 59 arranged. By moving the third lever 53 with the third actuator 59 can the holder 3 be rotated about the second axis of rotation 45.

Claims

A positioning unit (1) with which a holder (3) of the positioning unit (1), on which an element (13) to be positioned can be arranged, relative to a fastening section (5) of the The positioning unit (1) can be rotated in two degrees of rotational freedom by means of a positioning section (11) and displaced in one degree of translational freedom, wherein the positioning unit (1) can be fixedly fastened to a stop via the fastening section (5), the positioning section (11) having a plurality of levels (7, 9), each of which with a further level (7, 9) of the plurality of levels (7, 9) and at least one of another level (7, 9) of the plurality of levels (7, 9 ), the fastening section (5) or the holder (3) is each connected via a joint arrangement (17, 19, 21), the positioning section (11) being designed so that a first level (7) of the plurality of levels (7 , 9) can be displaced via a first joint arrangement (17) along a first translation direction (29) so that a second plane (9) of the plurality of planes (7, 9) can be displaced about a first axis of rotation (39 ) be rotated k ann and that the holder (3) can be rotated about a second axis of rotation (45) via a third joint arrangement (21), an actuating arrangement (47) of the positioning unit (1) having a plurality of levers (49, 51, 53) and each lever (49, 51, 53) of the plurality of levers (49, 51, 53) is connected to a plane (7, 9) of the plurality of planes (7, 9) of the positioning section (11) or the holder (3) and is assigned to the respective level (7, 9) or the holder (3), wherein the adjusting arrangement (47) is designed such that a first lever (49) of the plurality of levers (49, 51, 53) with the first level ( 7) is connected in such a way that the first level (7) can be displaced along the first translation direction (29) by moving the first lever (49) so that a second lever (51) is connected to the second level (9) that by moving the second lever (51) the second plane (9) can be rotated about the first axis of rotation (39), and that a third lever (53) de The plurality of levers (49, 51, 53) are connected to the holder (3) in such a way that the holder (3) can be rotated about the second axis of rotation (45) by a movement of the third lever (53).

Positioning unit (1) Claim 1 wherein the first plane (7) can be displaced relative to the fastening section (5) along the first translation direction (29), wherein the second plane (9) can be rotated about the first axis of rotation (39) relative to the first plane (7) and wherein the holder (3) can be rotated relative to the second plane (9) about the second axis of rotation (45).

Positioning unit (1) Claim 1 or 2 , wherein each lever (49, 51, 53) of the plurality of levers (49, 51, 53) can be moved via an actuator (55, 57, 59), wherein the actuator (55) of the lever (49), which the Level (7) is assigned, which is connected directly to the fastening section (5), is arranged on the fastening section (5), and wherein the actuators (57, 59) of the remaining levers (51, 53) on the respective plane (7, 9) are arranged which connects the plane (9) or the holder (3) assigned to the respective lever (51, 53) to the fastening section (5) and which connects directly to the plane (9) assigned to the respective lever (51, 53) ) or the holder (3) is connected.

Positioning unit (1) Claim 1 , 2 or 3 , wherein the first joint arrangement (17) connects the first plane (7) to the fastening section (5), wherein a first swivel joint (25a) of the first joint arrangement (17) connects the fastening section (5) to a first carrier (23a) of the first joint arrangement (17) rotatably connects about a first swivel joint axis (27a), a second swivel joint (25b) of the first joint arrangement (17) connects the fastening section (5) with a second carrier (23b) of the first joint arrangement (17) about a second swivel joint axis (27b) rotatably connects, a third pivot joint (25c) of the first joint arrangement (17) connects the first carrier (23a) with the first plane (7) rotatably about a third pivot joint axis (27c) and a fourth pivot joint (25d) of the first joint arrangement (17) den second carrier (23b) rotatably connects to the first plane (7) about a fourth pivot axis (27d), the first, second, third and fourth pivot axis (27a, 27b, 27c, 27d) parallel to each other and perpendicular to the first translation direction device (29) run, and wherein the carrier (23a, 23b) and pivot joints (25a, 25b, 25c, 25d) of the first joint arrangement (17) are arranged and designed so that the distance between the first pivot joint (25a) and the third pivot joint (25c) always corresponds to the distance between the second pivot joint (25b) and the fourth pivot joint (25d), so that the distance between the first pivot joint (25a) and the second pivot joint (25b) corresponds to the distance between the third pivot joint (25c) and the fourth pivot joint (25d) and that the first carrier (23a) always extends parallel to the second carrier (23b).

Positioning unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the first lever (49) is articulated rotatably about a first lever axis of rotation on the fastening section (5), wherein the first lever axis of rotation runs parallel to the first pivot axis (27a), and wherein the fastening section (5 ) a first actuator (55) is provided with which the first lever (49) can be rotated about the first lever axis of rotation, whereby the first plane (7) is displaced along the first translation direction (29) mediated by the first joint arrangement (17) .

Positioning unit (1) Claim 5 , wherein the first lever (49) so on the attachment portion (5) is articulated that the first lever axis of rotation is arranged between a first plane of rotation and a second plane of rotation, the first and the second hinge axis (27a, 27b) extending in the first plane of rotation and the third and fourth hinge axis (27c, 27d ) extend in the second plane of rotation.

Positioning unit (1) Claim 5 or 6th , wherein the first actuator (55) is a first actuator (55) which is arranged on the fastening section (5) and the first lever (49) that the rotation of the first lever (49) is caused by a linear movement of the first actuator (55) ) can be generated around the first lever rotation axis.

Positioning unit (1) according to one of the preceding claims, wherein a swivel joint (37) of the second joint arrangement (19) connects the second plane (9) to the first plane (7) so as to be rotatable about the first axis of rotation (39).

Positioning unit (1) Claim 8 if dependent on one of the Claims 4 until 7th , wherein the first axis of rotation (39) runs parallel to the first pivot axis (27a) and wherein the first plane (7) is designed such that the first axis of rotation (39) is arranged between the first plane of rotation and the second plane of rotation, the first and the second pivot axis (27a, 27b) extend in the first plane of rotation and the third and fourth pivot axis (27c, 27d) extend in the second plane of rotation.

Positioning unit (1) after one of the Claims 8 or 9 , wherein a second actuator (57) is arranged on the first level (7), by means of which the second lever (51) can be moved relative to the first level (7) in order to move the second level (9) relative to the first level (7 ) to rotate around the first axis of rotation (39), the lever (51) rotating with the second plane (9) about the first axis of rotation (39).

Positioning unit (1) Claim 10 , wherein the second actuator (57) is a second actuator (57) which is arranged on the first plane (7) and the second lever (51) that the rotation of the second lever by a linear movement of the second actuator (57) (51) can be generated about the first axis of rotation (39).

Positioning unit (1) according to one of the preceding claims, wherein a first and a second swivel joint (43a, 43b) of the third joint arrangement (21) connect the holder (3) to the second plane (9) so as to be rotatable about the second axis of rotation (45).

Positioning unit (1) Claim 12 , wherein a third actuator (59) is arranged on the second level (9), by means of which the third lever (53) can be moved relative to the second level (9) in order to adjust the holder (3) relative to the second level (9) to rotate the second axis of rotation (45), the lever (3) rotating with the holder (3) about the second axis of rotation (45).

Positioning unit (1) Claim 13 , wherein the third actuator (59) is a third actuator (59) which is arranged on the second plane (9) and the third lever (53) that by a linear movement of the third actuator (59) the rotation of the third lever (53) can be generated about the second axis of rotation (45).

Positioning unit (1) according to one of the preceding claims, wherein all joints (25a, 25b, 25c, 25d, 37, 43a, 43b, 63) of the joint arrangements are designed as solid joints, preferably as cross-spring joints.