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Die
Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung zur Führung eines
entlang einer Bewegungsachse beweglichen Abtriebselementes relativ
zu einem gestellfesten Basiselement, wie sie insbesondere in Mikro-
und Nanopositioniersystemen zum Einsatz kommen kann. Derartige Führungen
sind als so genannte Parallelführungen
bekannt, da das Abtriebselement mit hoher Genauigkeit parallel zum
Gestell bzw. Basiselement geführt
werden soll. Prinzipiell umfassen Parallelführungen mehrere Hebel, welche über Gelenke
kraftsymmetrisch in Bezug auf die Bewegungsachse am Basiselement
und am Abtriebselement angelenkt sind.
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Parallelführungen
sind aus dem Stand der Technik auch in Verbindung mit Antrieben
für Mikro- und
Nanopositioniersysteme bekannt. Sie werden mit Hebeln ausgeführt, welche über mehrteilige
Gelenke einen starren Körper
(Gestell) mit einem beweglichen Element verbinden. Dabei verlaufen
mindestens zwei zumeist gleichlange Hebel parallel zueinander. Erfolgt
eine Krafteinwirkung auf das bewegliche Element in Bewegungsrichtung,
so wird dieses entlang der durch die Auslenkung der Hebel vorgegebenen
Bahn parallel zum starren Körper
verschoben. Aufgrund der kreisförmigen
Bewegung der Hebel um die Gelenke entsteht im einfachsten Fall einer
Parallelführung
für das
bewegliche Element ein Versatz senkrecht zur Richtung der Parallelverschiebung.
Dieser Versatz ist für
viele Anwendungsfälle hinderlich.
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Bekannt
sind auch Parallelführungen,
welche den auftretenden Versatz kompensieren. Dazu ist das bewegliche
Element mit dem ortsfesten Basiselement über eine Hebel-Gelenk-Konstruktion
und beweglich angeordnete Kompensationselemente im Mäanderdesign
verbunden. Für
einen solchen versatzfreien Aufbau sind mindestens acht Hebel-Gelenk-Kombinationen
erforderlich. Um einen solchen Mäander
in Form von Parallelogrammen zu bilden, müssen das ortfeste Basiselement
und das bewegliche Element aufgrund der erforderlichen Hebellängen relativ
weit voneinander entfernt sein. Dies ist nachteilig, da bei einer
Belastung oder Störgröße, welche
seitlich zur Bewegungsrichtung einwirkt, große Momente auf die Gelenke
wirken. Diese Art der Parallelführung
ist mechanisch ,weich' und
kaum belastbar.
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Im
Vergleich zur bekannten versatzbehafteten Linearführung ist
im Mäanderdesign
die doppelte Hebellänge
zur Versatzkompensation erforderlich. Außerdem befinden sich mit den
Kompensationselementen weitere bewegliche Teile im Aufbau, was den Antrieb
in ungewünschter
Weise vergrößert und
die Fertigungskosten erhöht.
Im dynamischen Bereich kann es aufgrund der erhöhten Trägheitsmomente des Systems auch
zu Schwingungs- und Resonanzproblemen kommen, wodurch die Regelung
solcher Antriebe erschwert wird. Die Ausführung der verwendeten Losgelenke,
beispielsweise als Kugelgelenke, ist nicht spielfrei, wodurch Ungenauigkeiten
und Reibungsverluste entstehen können.
Aufgrund der nicht vermeidbaren Reibung und des Spiels in solchen
Gelenken ist eine präzise
Positionierung im Mikrometerbereich ausgeschlossen, da es in diesen
Bereichen immer zu einer ,ruckartigen' Bewegung im Gelenk kommt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und
hochgenaue Vorrichtung zur in Querrichtung versatzfreien Linearbewegung
eines Abtriebselementes zu schaffen. Diese Vorrichtung soll vorzugsweise
für den
Einsatz in Mikro- und
Nanopositioniersystemen konzipiert sein. Eine Teilaufgabe der Erfindung
ist es, eine spielfreie und reibungsfreie Führung zu realisieren, die außerdem eine
hohe seitliche Belastbarkeit gestattet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist es u.a. entscheidend, dass die realisierte Parallelführung mehrere
Hebel umfasst, die bezogen auf die Bewegungsachse kraftsymmetrisch
am Abtriebselement angreifen. Die Hebel-Gelenk-Konstruktionen sind
dabei so gestaltet, dass während
der Parallelverschiebung des Abtriebselements die nicht in Bewegungsrichtung
wirkenden Querkräfte
kompensiert werden. Auf diese Weise wird ein Versatz des Abtriebselements
quer zur linearen Parallelverschiebung vermieden. Die Hebel sind
am anderen Ende an einem feststehenden Basiselement angebracht. Der
daraus unter herkömmlichen
technischen Überlegungen
entstehende Konflikt zu der in Richtung der Bewegungsachse gewünschten
Beweglichkeit wird dadurch aufgelöst, dass die Gelenkverbindung
der Hebel mit dem Basiselement und/oder mit dem Abtriebselement über elastische
Festkörpergelenke
erfolgt. Diese Gelenke gestatten dann eine elastische Dehnung in
Längsrichtung,
durch welche die für
die Bewegung des Abtriebselements erforderliche Abstandsvergrößerung zwischen
den sich gegenüberliegenden
Gelenken eines Hebels erreicht wird. Die elastischen Festkörpergelenke
können
dabei lang gestreckt ausgebildet sein und fließend in die Hebel übergehen,
die auf diese Weise an der elastischen Längsdehnung mitwirken. Vorzugsweise
sind sämtliche
Gelenke als elastische Festkörpergelenke
ausgebildet, um einerseits die gesamte Dehnungslänge zu vergrößern und
andererseits unerwünschtes
Gelenkspiel in der Gesamtanordnung zu vermeiden.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind insbesondere darin zu
sehen, dass im Vergleich zu den versatzfreien Parallelführungen
im Mäanderdesign
nur die halbe Anzahl an Hebeln benötigt wird, und damit gegenüber diesen
bekannten Ausführungen
nur noch die halbe Hebellänge
wirksam ist, was die Konstruktion und fertigungstechnische Ausführung wesentlich
erleichtert. Weiterhin werden dadurch die dynamischen Eigenschaften
des Systems und die Stabilität
quer zur Bewegungsrichtung erheblich verbessert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
besitzt die Parallelführung
mindestens vier Hebel, von denen zwei ein erstes Hebelpaar bildende
Hebel parallel zueinander zwischen dem Basiselement und dem Abtriebselement
verlaufen, während
zwei weitere, ein zweites Hebelpaar bildende Hebel ebenfalls parallel
zueinander an der bezogen auf die Bewegungsachse dem ersten Hebelpaar
gegenüberliegenden
Seite zwischen dem Basiselement und dem Abtriebselement angeordnet
sind.
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Zur
Realisierung der zuvor genannten Ausführungsform wird eine an sich
bekannte Parallelführung,
welche zwei parallel verlaufende Hebel umfasst, zwischen einem ortsfesten
Basiselement und einem beweglichen Abtriebselement angeordnet. Die Hebel
befinden sich in der Ausgangsstellung nahezu senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Abtriebselementes Zusätzlich
wird eine zweite, gleich wirkende Parallelführung an der gegenüberliegenden
Seite des Abtriebselementes angeordnet. Abweichend von vorbekannten
Gestaltungen werden jedoch Festgelenke eingesetzt. Diese Anordnung
ergibt bei einer festen Verbindung der Hebel mit dem Basiselement bzw.
dem Abtriebselement über
die Festgelenke zunächst
eine statisch überbestimmte
Anordnung. Erfindungsgemäß werden
bevorzugt alle Gelenke in der Anordnung durch elastische Festkörpergelenke gebildet.
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Diese
Festkörpergelenke
ermöglichen
sowohl eine Drehbewegung der Hebel um die Befestigungspunkte, als
auch eine Ausdehnung in Richtung der Längserstreckung der Hebel. Bei
einer Krafteinwirkung auf das Abtriebselement in Richtung einer Bewegungsachse
erfolgt neben der Drehung der Hebel um die Gelenke auch eine Dehnung
der Festkörpergelenke
in Richtung der Hebelerstreckungsachse, welche nun eine versatzfreie
hochgenaue Parallelverschiebung des Abtriebs ermöglichen. Die Ausdehnung der
Gelenke in Richtung der Hebellängserstreckung
kann bevorzugt bis 50 μm
betragen. Die doppelseitige Anordnung erhöht auch die seitliche Festigkeit,
also die Stabilität
der Führung
gegen auftretende Querkräfte.
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Bei
abgewandelten Ausführungsformen
sind aber auch schräg
zur Bewegungsachse verlaufende oder andersartig geformte Hebel möglich, sowie
ungleiche Hebelanzahl auf den beiden durch die Bewegungsachse definierten
Symmetriehälften
der Führungsanordnung.
Auch in diesen Fällen
muss jedoch die kraftsymmetrische Anordnung der Hebel gewährleistet
bleiben, was beispielsweise durch Verwendung unterschiedlicher Elastizitätswerte
der Gelenk-/Hebelmaterialien realisierbar ist.
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Die
Krafteinwirkung erfolgt bevorzugt durch einen piezoelektrischen
Aktor, ggf. unter Nutzung einer Hebelübersetzung, welcher direkt
am Abtriebselement oder auch an der Hebelanordnung angreifen kann.
Der Aktor kann aber auch ein anderer aus dem Stand der Technik bekannter
Antrieb sein, beispielsweise ein Schwingspulbetätiger. Eine zwischen Aktor und
Abtriebselement gekoppelte Hebelübersetzung kann
je nach gewähltem
Antrieb und Einsatzgebiet ein Übersetzungsverhältnis von
größer oder
kleiner Eins aufweisen.
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Die
besonderen Vorteile piezoelektrischer Antriebe, die u.a. in der
Bereitstellung sehr präziser Längenänderungen
liegen, können
mit Hilfe der Festkörpergelenke
optimal genutzt werden. Durch Verzicht auf form- oder kraftschlüssig gekoppelte
Einzelbauteile entfällt
hinderliches Lagerspiel und unerwünschte Reibung in den Lagern.
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Vorteilhaft
bei der Krafteinwirkung an der Hebelanordnung ist, dass ein geringerer
Aktorweg zur Erzielung eines größeren Stellweges
des Abtriebselementes ausreicht. Das ist besonders vorteilhaft,
da der piezoelektrische Aktor, kleiner und preiswerter ausgeführt werden
kann, da dieser aus einem Stapel von Piezoelementen gefertigt werden
muss, um einen bestimmten Stellweg zu erreichen. Der an der Hebelanordnung
angreifende Aktor kann an dieser ebenfalls über ein Festkörpergelenk
an dem jeweiligen Hebel angebracht werden. Dazu kann ebenfalls einstückig am
gewünschten
Angriffspunkt ein Festkörpergelenk
angeformt sein, an welchem der Aktor befestigt ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden Verstellwege im μm-Bereich
bis etwa 5 mm erreicht, je nach Wahl der Hebel und Aktoren.
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Vorzugsweise
wird die gesamte Vorrichtung monolithisch aufgebaut. Als Materialien
eignen sich Edelstahl, andere Metalle mit hoher Steifigkeit und generell
Materialien, die im Mikrometerbereich elastische Dehnungen gestatten
und trotzdem eine hohe Steifigkeit besitzen. Denkbar sind auch spezielle
Keramiken, Silizium, Glas oder Kunststoffe. Die Herstellung der Festkörpergelenke
und ggf. der gesamten Führung
erfolgt vorzugsweise durch Erodieren, Ätzen, spanende Bearbeitung
oder auch Spritzgussverfahren.
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Die
Festkörpergelenke
werden bevorzugt als Materialausnehmungen gestaltet, wobei durch
entsprechende Formgestaltung eine Anpassung an die mechanischen
Erfordernisse, wie Steifigkeit und Dehnbarkeit erfolgen kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 Prinzipskizzen
von mehreren Ausführungsformen
von Parallelführungen
nach dem Stand der Technik;
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2 Prinzipskizzen
einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Parallelführung ohne
und mit Aktor;
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3 Prinzipskizzen
einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Parallelführung ohne
und mit Aktor;
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4 eine
Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Parallelführung;
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5 Prinzipskizzen
weiterer Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Parallelführung mit angepassten
Hebelformen und -anordnungen;
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6 eine
Schnittdarstellung einer technologisch ausgeführten Vorrichtung mit der Parallelführung.
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In 1 sind
Prinzipskizzen von herkömmlichen
Parallelführungen,
wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind, dargestellt. Abbildung
a) zeigt eine einfache versatzbehaf tete Parallelführung. Ein ortsfestes
Basiselement 01 ist über
zwei parallel verlaufende Hebel 02 mit einem beweglichen
Abtriebselement 03 verbunden. Die Verbindung der Hebel
zum Basiselement 01 und zum Abtriebselement 03 erfolgt über herkömmliche
Gelenke 04, beispielsweise Kugellager. Bei Einwirken einer
Kraftkomponente 06 in angegebener Pfeilrichtung wird das
Abtriebeselement 03 parallel zum Basiselement 01 verschoben. Die
Lage nach der Verschiebung ist gestrichelt dargestellt. Aufgrund
der Hebelbewegung auf einer Kreisbahn, deren Mittelpunkt jeweils
durch das am Basiselement angebrachte Gelenk gebildet wird, hat das
verschobene Abtriebselement 03' einen Versatz 07 in senkrechter
Richtung zur Bewegungsrichtung gegenüber seiner Ausgangslage.
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Abbildung
b) von 1 zeigt eine Parallelführung mit Versatzkompensation
im Mäanderdesign.
Der ortsfeste Basiskörper 01 ist über ein
erstes Paar parallel verlaufender Hebel 08 mittels Gelenken 04 mit
einem ersten Zwischenkörper 09 verbunden. Ein
zweites gleichartiges Paar Hebel 11 verbindet ebenfalls über Gelenke 04 das
Basiselement mit einem zweiten Zwischenelement 12 auf der
einer Bewegungsachse 13 gegenüberliegenden Seite. Die Bewegungsachse 13 bildet
gleichzeitig eine Symmetrieachse für die Führungsanordnung. Das Abtriebselement 03 ist
wiederum über
jeweils ein Hebelpaar 14 bzw. 16 und dazugehörige Gelenke 04 mit
den Zwischenelementen 09 bzw. 12 verbunden. Basiselement 01,
Abtriebselement 03, Zwischenelemente 09, 12 und
Hebelpaare 08, 11, 14, 16 befinden
sich in einer Ebene. Erfolgt eine Krafteinwirkung 06 in
Pfeilrichtung auf das Abtriebselement 03, so wird dieses entlang
der Bewegungsachse 13 versatzfrei verschoben. Den Versatz 07 erfahren
die beweglich gelagerten Zwischenelemente 09, 12.
Die Situation nach der Verschiebung ist gestrichelt dargestellt.
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In
Abbildung c) der 1 ist ein Viermäanderdesign
einer Parallelführung
dargestellt. Die beiden außen
liegenden Festpunkte 17 bilden gemeinsam das ortsfeste
Basiselement. Mit diesem Aufbau werden höhere Belastbarkeiten erreicht.
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In 2 wird
das Prinzip einer Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Parallelführung in
einer ersten Ausführungsform
gezeigt. Das ortfeste Basiselement 01 wird durch die zwei
Festpunkte 17 gebildet, die z.B. Bestandteil eines gestellfesten
Rahmens sein können.
Mittig zwischen den Festpunkten 17 ist das Abtriebselement 03 gelagert.
Die Hebel 02 verlaufen je Verbindungsseite parallel zueinander.
Die verbindenden Gelenke sind erfindungsgemäß als Festkörpergelenke 05 ausgebildet.
Prinzipiell ist es ausreichend, wenn an jedem Hebel ein Festkörpergelenk
angeordnet ist, während
das gegenüberliegende
Gelenk am selben Hebel auch in herkömmlicher Weise als mehrteiliges
Gelenk ausgebildet sein könnte.
Bei der hier näher
beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
sind aber an beiden Koppelpunkten zwischen Hebel und Basiselement
bzw. Abtriebselement Festkörpergelenke 05 vorgesehen.
Die Festkörpergelenke 05 sind
in Richtung der Hebelerstreckung elastisch dehnbar. Bei der Einwirkung
einer Kraftkomponente 06 in Richtung der Bewegungsachse 13 wird
durch eine Dehnung der Festkörpergelenke 05 ein
Verschwenken der Hebel 02 möglich, so dass genau ein Freiheitsgrad
der Anordnung freigegeben wird. Es ist anzumerken, dass die Elastizität der Festkörpergelenke
auch durch eine Elastizität der
Hebel ergänzt
werden kann.
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Abbildung
b) in 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem piezoelektrischen
Aktor 18. Dieser ist am Basiselement 01 angebracht
und greift bei einer durch Anlegen einer Spannung hervorgerufenen
Ausdehnung direkt an einem der Hebel 02 an. Dadurch genügt ein kleiner
Aktorweg zum Erreichen eines großen Abtriebsweges am Abtriebselement 03.
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In 3 sind
Prinzipskizzen abgewandelter Ausführungsformen der Erfindung
dargestellt, bei denen das ortsfeste Basiselement durch einen gestellfesten
Rahmen 19 gebildet wird. Die Funktionsweise ist analog
zu der in 2 beschriebenen. In der Anordnung
nach Abbildung a) ist kein Aktor eingezeichnet. Die Abbildung b)
und c) zeigen verschieden Möglichkeiten
für den
Angriffspunkt der Krafteinwirkung durch den piezoelektrischen Aktor 18.
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4 zeigt
in einer Prinzipskizze eine Möglichkeit
der weiteren Versteifung der Anordnung und der Erhöhung der
Genauigkeit durch zusätzliche
Stabilisierungshebel 21 an jeder Seite der Anordnung. Auf
diese Weise können
am Abtriebselement größere Querkräfte aufgenommen
werden, die über
die Hebel und Festkörpergelenke
an den Rahmen abgeführt
werden.
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In 5 sind
in drei weiteren Abbildungen abgewandelte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Form von Prinzipskizzen dargestellt. Die Ausführungsform nach Abbildung a)
verwendet wiederum zwei Hebelpaare, vergleichbar der Anordnung in 2a).
Allerdings liegen die auf einer Seite – bezogen auf die Bewegungsachse 13 als Symmetrielinie – angeordneten
Hebel 02 zueinander nicht parallel. Vielmehr ist jeweils
ein Hebel der beiden Hebelpaare schräg zur Bewegungsachse 13 angeordnet.
Die beiden Hebelpaare sind bezogen auf die Bewegungsachse 13 weiterhin
symmetrisch angeordnet.
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Abbildung
b) von 5 zeigt ein nochmals abgewandeltes Prinzip, um
die Variationsmöglichkeiten
bei der Hebelan ordnung zu verdeutlichen. Die Parallelführung kann
auch in diesem Fall sichergestellt werden, obwohl die Hebelanordnung
zur Bewegungsachse 13 nicht symmetrisch ist. Dies gelingt durch
veränderte
Gestaltung eines Verbundhebels 20, welcher das Gegenstück zu den
beiden Hebeln 02 auf der gegenüberliegenden Seite der Bewegungsachse 13 bildet.
Entscheidend ist dafür,
dass das Kräftegleichgewicht
auf beiden Seiten der Bewegungsachse 13 (Symmetrielinie)
aufrechterhalten wird. Dies gelingt beispielsweise durch angepasste Steifigkeit
und Elastizität
des Verbundhebels 20 gegenüber den Hebeln 02.
Diesem Prinzip folgend, können
angepasst an den jeweiligen Anwendungsfall auch andere Hebelstückzahlen
verwendet werden.
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Abbildung
c) der 5 zeigt eine nochmals abgewandelte Ausführungsform.
Hier wird mit gekrümmten
Hebeln 22 beiderseits der Bewegungsachse gearbeitet. Die
veränderte
Hebelform bewirkt eine angepasste Reaktion des Abtriebselements 03 auf die
eingeprägte
Antriebskraft 06. Weitere, nahezu beliebige Hebelformen
sind denkbar, so dass die Elastizität der Festkörpergelenke 05 und
der anschließenden
Hebel an den speziellen Einsatzfall gut angepasst werden kann.
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In 6 ist
eine Schnittansicht eines praktischen Ausführungsbeispiels der Erfindung
dargestellt. Das ortsfeste Basiselement ist durch den Rahmen 19 gebildet.
Es ist darauf hinzuweisen, dass auch Ausführungsformen möglich sind,
bei denen das Abtriebselement gestellfest ist und das Basiselement
beweglich ist. An der Funktionsweise ändert diese Umkehrung nichts.
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Der
piezoelektrische Aktor 18 ist am Rahmen 19 angebracht
und auch an das Abtriebselement 03 gekoppelt. Das Abtriebselement 03 ist über die
elastischen Festkörpergelenke 05 und
die biegesteifen Hebel 02 mit dem Rahmen 19 verbunden.
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Bei
Ausdehnung des Aktors 18 in Längsrichtung entsteht die Kraftkomponente 06 auf
das Abtriebselement 03 in angegebener Pfeilrichtung. Die Hebel 02 und
die sich längs
dehnenden Festkörpergelenke 05 ermöglichen
entsprechend der zuvor ausgeführten
Wirkungsweise eine versatzfreie, hochgenaue Parallelverschiebung
des Abtriebselementes 03 relativ zum Rahmen 19.
Das Abtriebselement 03 kann auf diese Weise mit hoher Präzision um
mehrere Mikrometer bis zu ca. 1-5 mm parallel verschoben werden.
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In 6 ist
gut ersichtlich, dass die Festkörpergelenke 05 durch
eine deutliche Materialausdünnung
im Vergleich mit den stärkeren
Materialbereichen der Hebel 02 gebildet sind. Die Übergänge zwischen
Gelenken und Hebeln können
aber auch kontinuierlich erfolgen. Die Anlenkpunkte der Gelenke, sowohl
am Basiselement (Rahmen 19) als auch am Abtriebselement 03 sind
ebenfalls mit größerer Materialstärke ausgebildet,
wodurch die elastische Verformung im gezeigten Beispiel auf die
die Gelenke bildenden Materialabschnitte beschränkt bleibt. Durch die im Gelenkbereich
gewählte
Materialstärke
werden die Biegesteifigkeit und die Elastizität des Gelenks in der gewünschten
Weise bestimmt. Entsprechende Berechnungen kann der Fachmann ohne weiteres
ausführen.
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Am
Abtriebselement können
beispielsweise Stellelemente für
optische Fasern oder Schalter angebracht sein. Anwendungsbereiche
sind auch in der Resonatoreinstellung für Laser, Positionierung von Objekten
unter Mikroskopen, Präzisionsmesseinheiten
wie Laserinterferometern oder anderen Geräten mit kleinen aber präzisen Stellwegen
zu sehen.
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- 01
- Basiselement
- 02
- Hebel
- 03
- Abtriebselement
- 04
- Gelenk
- 05
- Festkörpergelenk
- 06
- Kraftkomponente
- 07
- Versatz
- 08
- erstes
Hebelpaar
- 09
- erstes
Zwischenelement
- 11
- zweites
Hebelpaar
- 12
- zweites
Zwischenelement
- 13
- Bewegungsachse
- 14
- drittes
Hebelpaar
- 16
- viertes
Hebelpaar
- 17
- Festpunkt
- 18
- Aktor
- 19
- Rahmen
- 20
- Verbundhebel
- 21
- Stabilisierungshebel
- 22
- gekrümmte Hebel