DE60305953T2

DE60305953T2 - Vorrichtung zur zweidimensionalen verschiebung

Info

Publication number: DE60305953T2
Application number: DE60305953T
Authority: DE
Inventors: Anders Poulsen
Original assignee: Hasselblad AS
Current assignee: Hasselblad AS
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: US20050217402A1; ATE328702T1; EP1549458B1; DE60305953D1; US7249535B2; EP1549458A1; WO2004028740A1; AU2003266206A1

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochpräzisions-Zweidimensional-Verschiebevorrichtung zum Verschieben oder Positionieren eines Objekts, wie z.B. eines CCD-Chips in einer Digitalkamera oder einem Digital-Scanner, einer Optikfaser, eines Mikroskopobjekts etc.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Vorrichtungen zur zweidimensionalen Verschiebung eines Objekts, z.B. unter Verwendung von Piezo-Aktuatoren, sind auf dem Sachgebiet bekannt. Die bekannten Vorrichtungen weisen jedoch unterschiedliche Charakteristiken, z.B. Temperaturempfindlichkeit, in den zwei Dimensionen auf, und/oder es bestehen wesentliche Distanzen zwischen dem zu verschiebenden Objekt und Aufbringpunkten von die Verschiebung bewirkenden Kräften, wodurch die erreichbare Verschiebgenauigkeit und -stabilität begrenzt ist.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verschiebevorrichtung bereitzustellen, die symmetrisch ausgeführt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Verschiebevorrichtung bereitzustellen, bei der eine minimale Distanz zwischen den Aufbringpunkten der eine Verschiebung bewirkenden Kräfte und dem zu verschiebenden Objekt besteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Verschiebevorrichtung bereitzustellen, bei der im Wesentlichen kein Drehmoment aufgebracht wird.
Die Lösung dieser und weiterer Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit einer Verschiebevorrichtung zum zweidimensionalen Verschieben eines Objekts relativ zu einem Fixpunkt, die einen Rahmen aufweist, der relativ zum Mittelpunkt des Rahmens symmetrisch ausgebildet und zum Aufnehmen erster und zweiter Aktuatoren vorgesehen ist, von denen jeder zum Verformen jeweils erster und zweiter spezifischer Teile des Rahmens eine Kraft entlang jeweils erster und zweiter Achsen, die durch den Mittelpunkt des Rahmens verlaufen, aufbringt.
Aufgrund der Rahmensymmetrie weist die Vorrichtung inhärent im Wesentlichen identische Charakteristiken in beiden Dimensionen auf, wie z.B. Verschiebegenauigkeit, Temperaturempfindlichkeit, Vibrationsempfindlichkeit etc.
Vorzugsweise ist die Verschiebevorrichtung zum Verschieben des Mittelpunkts des Rahmens relativ zu dem Fixpunkt vorgesehen. Somit kann einer der ersten und zweiten Aktuatoren eine Kraft aufbringen, die bewirkt, dass der Rahmen relativ zu dem Fixpunkt verschoben wird, während der andere der ersten und zweiten Aktuatoren eine Kraft aufbringen kann, die eine Verschiebung eines Elements relativ zu dem Rahmen bewirkt. Hierdurch werden keine Teile der Vorrichtung in beiden Dimensionen wirkenden Kräften ausgesetzt, d.h. es wird kein Drehmoment von den Aktuatoren auf irgendein Teil der Vorrichtung aufgebracht.
Der Rahmen kann einen entlang der ersten Achse verlaufenden ersten Balken und einen die zweite Achse entlang verlaufenden zweiten Balken auf weisen, wobei jeder Balken zum Aufnehmen eines der ersten und zweiten Aktuatoren vorgesehen ist.
Ferner ragt jeder der ersten und zweiten Balken derart über den Mittelpunkt des Rahmens hinaus, dass der Rahmen ein Kreuz bildet, vorzugsweise ein Kreuz, das relativ zu einem Mittelpunkt des Kreuzes symmetrisch ist.
Die ersten und zweiten Balken können zum Aufnehmen jeweils erster und zweiter elastischer Elemente, wie z.B. Federn, zum Aufbringen von Kräften entlang jeweils erster und zweiter Achsen vorgesehen sein.
Ferner können die ersten und zweiten Aktuatoren und die ersten und zweiten elastischen Elemente relativ zu dem Mittelpunkt des Rahmens symmetrisch positioniert sein. Die Symmetrie bewirkt, dass die Vorrichtung im Wesentlichen identische Temperaturempfindlichkeiten entlang der zwei Dimensionen aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die ersten und zweiten Balken zum Aufnehmen von jeweils dritten und vierten Aktuatoren zum Aufbringen von Kräften entlang den jeweiligen ersten und zweiten Achsen vorgesehen, und vorzugsweise sind die ersten, zweiten, dritten und vierten Aktuatoren relativ zu dem Mittelpunkt des Rahmens symmetrisch positioniert.
Die führt zu einer Kompensation der Temperaturempfindlichkeit der Aktuatoren und folglich zu einer Vorrichtung mit einer minimalen Temperaturempfindlichkeit.
Vorzugsweise ist das Objekt zum vollständigen Ausnutzen der Symmetrie der Vorrichtung im Wesentlichen symmetrisch relativ zu dem Mittelpunkt des Rahmens positioniert.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich der Fixpunkt in einer sich bewegenden Ebene des Objekts.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht, Seitenansichten und verschiedene Querschnitte einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine Explosionsansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform,
3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
4 eine Explosionsansicht der in 3 gezeigten Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Funktionsprinzipien der Erfindung werden nun anhand von 2 erläutert. 2 zeigt eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Verschiebevorrichtung 1 zum zweidimensionalen Verschieben eines Objekts. Die X-, Y- und Z-Richtungen sind in 2 ebenfalls angezeigt. Die Vorrichtung 1 weist einen Rahmen 10 auf, der relativ zu einem Mittelpunkt 12 des Rahmens 10 symmetrisch ausgebildet ist. Elemente 14, 16 sind an entgegengesetzten Seiten des Rahmens angebracht und fixiert. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsform der Erfindung ebenfalls relativ zu einer X-Y-Ebene, die die Verschiebeachsen der Vorrichtung aufweist, symmetrisch ist. Somit kann jedes Element 14, 16 den Fixpunkt aufweisen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Element 14 den Fixpunkt auf.
Der Rahmen 10 weist einen ersten Balken 18, der entlang der ersten Achse (der X-Achse) verläuft, und einen zweiten Balken 20 auf, der entlang der zweiten Achse (der Y-Achse) verläuft. Jeder Balken 18, 20 ist zum Aufnehmen eines jeweiligen Aktuators 22, 24 (der in dem zweiten Balken 20 positionierte Aktuator 24 ist in 2 nicht gezeigt) vorgesehen. Die Balken 18, 20 haben einen U-förmigen Querschnitt entlang ihren jeweiligen Längsrichtungen, d.h. die Balken weisen Endteile 26, 28, 30, 32 auf, die entlang der Z-Achse senkrecht zu der Längsrichtung des übrigen Teils der Balken 18, 20 verlaufen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Endteile 26, 28 des ersten Balkens 18 in der positiven Z-Richtung verlaufen, während die Endteile 30, 32 des zweiten Balkens 20 in der negativen Z-Richtung verlaufen, wodurch die Verschiebeebene des Objekts von der den Fixpunkt aufweisenden Ebene getrennt ist. Jeder Aktuator 22, 24 ist zwischen einem jeweiligen Endteil und einem Mittelteil 8 des Rahmens 10 eingeklemmt. Ferner sind Schwächungsstellen 34, 36, 38, 40 an den Verbindungsstellen zwischen jeweiligen Endteilen und sich in Längsrichtung erstreckenden Teilen der Balken 18, 20 vorgesehen. An den Schwächungsstellen ist die Dicke der Balken wesentlich reduziert, derart, dass von den von den Aktuatoren 22, 24 aufgebrachten Kräfte bewirkte Durchbiegungen an den Schwächungsstellen und im Wesentlichen nur an den Schwächungsstellen 34, 36, 38, 40 auftreten. Gemäß der Figur kann ein elastisches Element 40, 42, wie z.B. eine Feder, auf einer Seite des Mittelpunkts 12 des Rahmens in dem Balken 18, 20 zum Vorspannen des Rahmens 10 vorgesehen sein, während die Kraft zum Verschieben von dem auf der entgegengesetzten Seite des Mittelpunkts 12 an demselben Balken 18, 20 angebrachten Aktuator aufgebracht wird. Die Aktuatoren können piezoelektrische Aktuatoren sein. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Aktuatoren mit 30–40 kp vorgespannt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die elastischen Elemente 42, 44 gegen dritte und vierte Aktuatoren zum Aufbringen von Kräften entlang der jeweiligen ersten und zweiten Achsen zum Bilden einer symmetrisch betätigten Vorrichtung ausgetauscht.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen kann die Dicke des Rahmens 10 an den Schwächungsstellen 34, 36, 38, 40 soweit reduziert sein, bis sie der Dehngrenze des Rahmenmaterials für die betreffenden aufgebrachten Kräfte nahe kommt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist kein Element gegenüber den Aktuatoren in die Balken 18, 20 eingebaut, vielmehr wird die Elastizität von den Schwächungsstellen 36, 40 der Balken 18, 20 bewirkt. Bei dieser Ausführungsform wird die Rahmendicke an den Schwächungsstellen 36, 40 von der erforderlichen Elastizität bestimmt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die ersten und zweiten Aktuatoren 22, 24 Kräfte entlang den jeweiligen Längsachsen der jeweiligen Balken 18, 20 aufbringen und zum Verformen der jeweiligen Endteile des Rahmens 10 durch den Mittelpunkt 12 des Rahmens 10 verlaufen.
Wenn der zweite Aktuator 24 (in 2 verdeckt) derart gesteuert wird, dass er sich in seiner Länge verändert, werden die Endteile 30, 32 entsprechend gebogen und wird der Rahmen 10 mit dem Element 16 relativ zu dem Element 14 (mit dem Fixpunkt) entsprechend in X-Richtung verschoben. Das Objekt, z.B. ein CCD-Chip, ist an dem Element 16 angebracht, vorzugsweise im Mittelpunkt des Elements 16 und bei einer stärker bevorzugten Variante symmetrisch relativ zu dem Mittelpunkt des Elements 16 und somit auch relativ zu dem Mittelpunkt 12 des Rahmens 10.
Ferner werden, wenn der Aktuator 22 derart gesteuert wird, dass er sich in seiner Länge verändert, die Endteile 26, 28 entsprechend gebogen und wird das Element 16 relativ zu dem Rahmen 10 und dem Element 14 entsprechend in die senkrecht zu der X-Richtung verlaufende Y-Richtung verschoben.
1 zeigt eine Draufsicht, Seitenansichten und Querschnitte der in 2 gezeigten Verschiebevorrichtung.
3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Entsprechende Teile in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bei der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform verlaufen sämtliche Endteile 26, 28, 30, 32 in derselben Richtung, wobei die Elemente 14, 16 in derselben Ebene an dem Rahmen 10 angebracht sind, so dass sich der Fixpunkt in einer sich bewegenden Ebene des an dem Element 16 anzubringenden Objekts befindet.

Claims

Verschiebevorrichtung (1) zur zweidimensionalen Verschiebung eines Objekts relativ zu einem Fixpunkt, die einen Rahmen (10) aufweist und zum Aufnehmen erster und zweiter Aktuatoren (22, 24) vorgesehen ist, von denen jeder zum Verformen jeweils erster und zweiter spezifischer Teile (26, 28, 30, 32) des Rahmens (10) eine Kraft entlang jeweils erster und zweiter Achsen aufbringt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (10) relativ zu einem Mittelpunkt des Rahmens (10) symmetrisch ausgebildet ist und die ersten und zweiten Achsen durch den Mittelpunkt des Rahmens (10) verlaufen.
Verschiebevorrichtung nach Anspruch 1, die zum Verschieben des Mittelpunkts des Rahmens (10) relativ zu dem Fixpunkt vorgesehen ist.
Verschiebevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Rahmen (10) einen ersten Balken (18), der entlang der ersten Achse verläuft, und einen zweiten Balken (20) aufweist, der entlang der zweiten Achse verläuft, wobei jeder Balken zum Aufnehmen eines der ersten und zweiten Aktuatoren (22, 24) vorgesehen ist.
Verschiebevorrichtung nach Anspruch 3, bei der jeder der ersten und zweiten Balken über den Mittelpunkt des Rahmens (10) hinausragt.
Verschiebevorrichtung nach Anspruch 4, bei der die ersten und zweiten Balken (18, 20) zum Aufnehmen jeweils erster und zweiter elastischer Elemente (40, 42) zum Aufbringen von Kräften entlang jeweils der ersten und zweiten Achsen vorgesehen sind.
Verschiebevorrichtung nach Anspruch 5, bei der die ersten und zweiten Aktuatoren (22, 24) und die ersten und zweiten elastischen Elemente (40, 42) relativ zu dem Mittelpunkt des Rahmens (10) symmetrisch angeordnet sind.
Verschiebevorrichtung nach Anspruch 4, bei der die ersten und zweiten Balken (18, 20) zum Aufnehmen jeweils dritter und vierter Aktuatoren zum Aufbringen von Kräften entlang der jeweiligen ersten und zweiten Achsen vorgesehen sind.
Verschiebevorrichtung nach Anspruch 7, bei der die ersten, zweiten, dritten und vierten Aktuatoren relativ zu dem Mittelpunkt des Rahmens (10) symmetrisch angeordnet sind.
Verschiebevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Objekt relativ zu dem Mittelpunkt des Rahmens (10) im Wesentlichen symmetrisch positioniert ist.
Verschiebevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich der Fixpunkt in einer sich bewegenden Ebene des Objekts befindet.