DE69703871T2

DE69703871T2 - Flexibles planares Gelenk mit einzelnen, monolithischen Modulen

Info

Publication number: DE69703871T2
Application number: DE69703871T
Authority: DE
Inventors: Pierre-Marcel Genequand
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 2001-08-02
Anticipated expiration: 2017-10-11
Also published as: US6283666B1; FR2754577A1; FR2754577B1; US20010022917A1; EP0840023A1; EP0840023B1; DE69703871D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles planares Gelenk mit zwei sich kreuzenden Blättern gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Technik von elastischen Gelenken lehrt, daß es üblicherweise bei Führungen mit geringer Verlagerungsamplitude vorteilhaft ist, die Eigenschaft eines dünnen und länglichen Blattes zu benutzen, das an einem Ende eingespannt und am anderen Ende belastet ist, um einer Biegungsbewegung in einer zum Blatt senkrechten Richtung gleichmäßig nachzugeben, wobei es in den parallelen Richtungen starr bleibt.
Wenn die Deformationen errechnet werden, um ausreichend diesseits elastischer Grenzen und Knicklasten zu bleiben, erhält man eine Vorrichtung, die sehr präzise und reproduzierbar ist, kein Spiel, keine Reibung, keinen Verschleiß und nicht ein Blockierphänomen aufweist. Die Reproduzierbarkeit wird nur durch eine Rest-Hysterese begrenzt, die nichtkompensierten Effekten zuzuordnen ist, die auf die Änderung der Belastung und auf die begrenzte Starrheit der Blätter zurückzuführen sind. Es sei auch darauf hingewiesen, daß keine Schmierung notwendig ist.
Hinsichtlich der erwähnten Grenzen einer statischen Auslenkung weisen die elastischen Gelenke auf diese Weise große Vorteile gegenüber den herkömmlichen kinematischen Gelenken auf, wie die Wellenlagern, Gleitlagern, Wälzlagern. Die zulässigen Belastungsgrenzen sind um so höher, als die erforderlichen Auslenkungen gering sind und die Dicke der elastischen Gelenke stark sein kann.
Das Prinzip des flexiblen Gelenks mit einem Blatt ist in Fig. 1 gezeigt, die eine Seitenansicht eines flexiblen Blatts 10 mit der Länge L darstellt, dessen eines Ende 10a eingespannt ist. Wenn ein Moment T auf das freie Ende 10b des Blattes 10 aufgebracht wird, verbiegt sich dieses und das freie Ende 10d schwenkt in erster Näherung um die Achse, die in Ruhestellung durch das Zentrum 11 des Blattes 10 verläuft, wodurch ein Gelenk mit einem flexiblen Blatt definiert ist.
Jedoch ist das Gelenk mit einem Blatt unter der Wirkung einer zur Blattebene senkrechten Belastung nicht stabil. Um diesem Nachteil zu begegnen, wurde das Gelenk mit sich kreuzenden Blättern entwickelt, von dem ein Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Beispiel kreuzen sich die beiden Blätter 10, 20 in einem rechten Winkel, wobei deren Enden durch Schrauben an Trägern 1, 2 befestigt sind.
Um das flexible Gelenk mit sich kreuzenden Blättern unter dem Effekt von außerebenen Belastungen stabil zu machen, können zwei Paare sich kreuzende Blätter eingesetzt werden, die in einem gewissen axialen Abstand zueinander symmetrisch angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine große transversale Steifigkeit und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen unerwünschte Einwirkungen erreicht. Außerdem ist der momentane Drehpunkt praktisch bis zu Schwenkwinkeln von 10º fest.
Man hat auch versucht, die elastische Dreh-Reaktion der Gelenke mit flexiblen Blättern zu kompensieren, wobei die Blätter einer Zugbelastung unterworfen werden, wobei die elastische Energie zwischen den Blättern und Zugfedern ausgetauscht wird. Unter den Gelenken dieses Typs ist eine Vorrichtung mit drei in einem 120º-Winkel angeordneten Blättern bekannt, welche unter anderem den Vorteil aufweist, im Prinzip eine Drehung um eine unveränderliche Achse abhängig von der Schwenkauslenkung zu erlauben.
Jedoch weisen die bekannten flexiblen Gelenke mit sich kreuzenden Blättern eine gewisse Anzahl von Nachteilen auf.
Tatsächlich basieren alle oben erwähnten Gelenke auf dem Konzept verschiedener getrennter Blätter, die an Trägern angeschraubt, geklebt oder geschweißt werden müssen. In allen Fällen ist die Montagezone Blatt/Träger einem Komplex von Belastungen unterworfen, die auf Effekte zurückzuführen sind, die sich aus der Drehbiegung der Blätter, der externen, insbesondere axialen, Belastung und aus internen statisch unbestimmten Spannungen (Membrane fekte) zusammensetzen, die auf das Gelenk wirken. Dieser Zustand mechanischer Beanspruchung bildet einen wichtigen Faktor hinsichtlich Lockerung und Ablösung von Montageverbindungen und kann zum Bruch durch zyklische Ermüdung von geschweißten Teilen führen. Außerdem verändert sich mit der Drehung die Position der Gelenkachse, was einer Gelenkunwucht entspricht. Unter Berücksichtigung der theoretisch vorgesehenen systematischen Veränderung werden auch mehr oder weniger reversible und stochastische Veränderungen erkannt, die auf statisch unbestimmte Membranwirkungen zurückzuführen sind. Das letztgenannte Verhalten hängt auch von der Einspanndeformation ab, wenn die Befestigungsträger des Gelenks zylindrisch sind.
Schließlich sind die Automatisierung des Zusammenbaus sowie die Miniaturisierung von Gelenken mit getrennten Blättern schwierig zu realisieren, was zu verhältnismäßig hohen Kosten von Gelenken geringer Größe führt.
Es ist unter anderem Aufgabe der Erfindung, ein flexibles Gelenk mit Blättern vorzuschlagen, das erlauben würde, die Montagevorgänge zu vereinfachen und zu automatisieren, die Wirkungen von Belastungen in den Trägern abzuschwächen und die Miniaturisierung von Teilen zu ermöglichen.
Das Dokument US-A-4 919 993 beschreibt nur ein Gelenk mit sich kreuzenden flexiblen Blättern des bekannten Typs, das als Ganzes die Form eines monolithischen Blocks aufweist.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein planes flexibles Gelenk mit sich kreuzenden Blättern des bekannten Typs, das die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist.
Um die Konzentration von erhöhten Belastungen und deren Übertragung auf Verbindungselemente zu meiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß für jedes Modul das flexible Blatt an jedem Ende eine Übergangszone mit einem fortschreitend veränderlichen Querschnitt aufweist, die eine Verbindung zwischen dem Blatt und jedem Verbindungselement bildet.
Für eine gute Funktion des planaren flexiblen Gelenks, was Ziel der Erfindung ist, berühren sich vorteilhafterweise die sich kreuzenden Blätter der beiden benachbarten Module nach der Schichtung nicht. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, daß das flexible Blatt eine Zone geringerer Dicke zwischen den beiden Verbindungselementen aufweist. Eine alternative Lösung stellt die Verwendung von Zwischenlegteilen dar.
Wie schon oben erwähnt worden ist, verlagert sich die Gelenkachse der Gelenkstrukturen auf den sich kreuzenden Blättern im Verlauf der Drehung, was zu Unwuchteffekten führt. Die planaren flexiblen Gelenke gemäß der Erfindung bieten die Möglichkeit, Anordnungen zu realisieren, die Mittel zur Kompensation der Unwuchteffekte umfassen.
Die Erfindung sieht zwei unterschiedliche Anordnungen vor, die diesen Kompensationseffekt herbeiführen und im Detail später beschrieben sind.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine erste Anordnung für eine Serienkompensation ein internes Interface, das an jedem Ende mit einem externen Interface über einen Aufbau aus flexiblen planaren Gelenken mit zwei in Reihe angeordneten einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern verbunden ist.
Eine zweite Anordnung zur parallelen Kompensation zeichnet sich dadurch aus, daß sie einerseits eine erste planare Struktur aus mindestens einem flexiblen planaren Gelenk mit zwei einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern, dessen erste Verbindungselemente ein erstes starres Interface und dessen zweite Verbindungselemente ein zwischengeschaltetes Abstands-Verbindungsteil bilden, das mit einem zweiten starren Interface über ein elastisches, rechtwinkelig zum Gelenk angeordnetes Parallelogramm verbunden ist, und andererseits eine zweite planare Struktur aufweist, die mit der ersten planaren Struktur identisch ist, wobei die erste und zweite planare Struktur parallel zueinander in einer Kopf-an-Fuß-Anordnung aufeinandergesetzt sind und jeweils über ihre ersten und zweiten starren Interfaces zusammengefügt sind und die zwischengeschalteten Abstands-Verbindungsteile frei sind.
Dank ihrer Planarität, ihrem modularem Stapelungsaufbau und ihrem axial verminderten Raumbedarf können die erfindungsgemäßen planaren flexiblen Gelenke in zahlreichen Kombinationen in den mechanischen Konstruktionen untergebracht werden.
Ihre relativ geringe, axiale Steifigkeit ist nicht notwendigerweise ein Nachteil. Diese Eigenschaft erlaubt, die Phänomene der statisch unbestimmten Membraninstabilität abzuschwächen, ja sogar zu unterdrücken. Sie erlaubt auch, eine Deformation zu tolerieren, die für das Herstellen von solchen axialen Verbindungen, wie Sicherheitsanschlägen, ausreichend ist, was mit den im Stand der Technik bekannten Gelenken schwierig ist.
Um die mechanische Gelenkverbindung bei außerebenen Belastungen zu stabilisieren, müssen die erfindungsgemäßen planaren, flexiblen Gelenke, im allgemeinen paarweise in einem gewissen axialen Abstand zueinander angeordnet werden.
Es liegt im Rahmen der Aufgabe, diese Basiskonfiguration zu erhalten, bei der eine Anwendung des erfindungsgemäßen planaren flexiblen Gelenks vorgeschlagen ist, um eine Universal-Anordnung mit einer Gelenkverbindung zu realisieren, die sich dadurch auszeichnet, daß ein zentrales, in ein äußeres Interface einfügbares Interface schwenkbeweglich bezüglich des äußeren Interfaces mittels zumindest eines flexiblen planaren Gelenks mit zwei einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern montiert ist, dessen Verbindungselemente jeweils an das zentrale Interface und an das externe Interface angebunden sind.
Die Universal-Anordnung einer Gelenkverbindung kann in vielen Anwendungen in Betracht kommen, die später erläutert sind, z. B. in einer Kardananordnung, einer Gelenkverbindung mit Kontaktanschlag, einer Gelenkverbindung mit Torsionsstab.
Die nachfolgende Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen, die nicht beschränkende Beispiele darstellen, macht verständlich, woraus die Erfindung besteht und wie sie realisiert werden kann.
- Die Fig. 3a ist eine Seitenansicht eines planaren flexiblen Gelenks mit zwei einheitlichen Modulen gemäß der Erfindung;
- die Fig. 3b ist eine Vorderansicht des Gelenks nach Fig. 3a;
- die Fig. 4 ist eine Draufsicht einer Platte zur gruppenweisen Herstellung von einheitlichen Modulen nach den Fig. 3a und 3b;
- die Fig. 5a ist eine Seitenansicht einer Anordnung von planaren Gelenken zur Reihenkompensation einer Unwucht;
- die Fig. 5b stellt ein Diagramm dar, das die Unwuchtskompensationswirkung der Anordnung nach Fig. 5a zeigt;
- die Fig. 6a ist eine Vorderansicht einer ersten Struktur einer Anordnung von planaren Gelenken zur parallelen Kompensation einer Unwucht;
- die Fig. 6b ist eine Vorderansicht einer zweiten Struktur einer Anordnung von planaren Gelenken zur parallelen Kompensation einer Unwucht;
- die Fig. 6c ist eine Vorderansicht der Anordnung von planaren Gelenken zur Unwuchtskompensation, die durch Stapelung von Strukturen nach den Figuren da und 6b realisiert ist;
- die Fig. 7 ist eine Vorderansicht einer Kardananordnung, die mit Hilfe von erfindungsgemäßen planaren Gelenken realisiert ist;
- die Fig. 8a ist eine Draufsicht einer Gelenkverbindung mit einem Kontaktanschlag, die mittels erfindungsgemäßer planarer Gelenke realisiert ist;
- die Fig. 8b ist eine Vorderansicht der Gelenkverbindung nach Fig. 8a;
- die Fig. 9a ist eine Draufsicht einer Gelenkverbindung mit einem Torsionsstab, welche mittels erfindungsgemäßer planarer Gelenke realisiert ist;
- die Fig. 9b ist eine Vorderansicht der Gelenkverbindung nach Fig. 9a;
- die Fig. 10a ist eine Draufsicht eines Lese-/Speicherarms einer Computerfestplatte, der mit erfindungsgemäßen planaren flexiblen Gelenken bestückt ist;
- die Fig. 10b ist eine Draufsicht eines Stapels individuell mobiler Arme, die mit erfindungsgemäßen planaren flexiblen Gelenken bestückt sind;
- die Fig. 10c ist eine Teilvorderansicht des Stapels von Armen nach Fig. 1 Ob;
- die Fig. 11 ist eine Vorderansicht eines integrierten Winkelpositionssensors;
- die Fig. 12 ist ein Schema eines Meßschaltkreises, der in dem integrierten Winkelpositionssensor nach Fig. 11 verwendet werden kann, und
- die Fig. 13 ist eine schematische Anordnung zweier Gelenke, die derart ineinander geschachtelt angeordnet sind, daß die Drehpunkte der Gelenke zueinander versetzt sind.
Die Fig. 3a und 3b zeigen ein planares flexibles Gelenk 100, das durch eine axiale Stapelung der Schichtung zweier einheitlicher Module 101, 102 gebildet ist, wobei jeder der beiden einheitlichen Module eine monolithische Gesamtheit bildet, die zwei koplanare, starre Verbindungselemente 121, 131 bzw. 122, 132 bildet, die präzise zueinander ausgerichtet sind und jeweils diagonal über ein im wesentlichen geradliniges, flexibles Blatt 111, 112 verbunden sind.
Um das planare, flexible Gelenk 100 zu realisieren, sind die beiden einheitlichen Module 101, 102 über ihre jeweiligen Verbindungselemente 121, 131 und 122, 132 durch Klebung, Schweißung oder anodische Verbindung befestigt. Gegebenenfalls können Montagebohrungen 121&sub1;, 121&sub2;, 131&sub1;, 131&sub2;, 122&sub1;, 122&sub2;, 132&sub1;, 132&sub2; in den Verbindungselementen vorgesehen sein.
Wie insbesondere die Fig. 3b zeigt, weisen die flexiblen Blätter, wie das Blatt 111, an jedem Ende eine Übergangszone 141, 151 mit einem fortschreitend veränderlichen Querschnitt auf, die eine Verbindung zwischen dem Blatt 111 und den Verbindungselementen 121, 131 bildet. Diese Anordnung ermöglicht, die Konzentration von erhöhten Belastungen und ihre Übertragung auf die Verbindungselemente zu vermeiden.
In Fig. 3a ist erkennbar, daß die flexiblen Blätter 111, 112 eine Zone 161, 162 verminderter Dicke zwischen den beiden Verbindungselementen 121, 131 und 122, 132 aufweisen, damit sich zwei benachbarte Blätter, wie 111 und 112, nach der Schichtung nicht berühren. Dieser Nachteil kann auch mit Hilfe von Zwischenlegteilen vermieden werden, die zwischen den Verbindungselementen der beiden benachbarten einheitlichen Module plaziert sind.
Die Fig. 3b zeigt, daß die einheitlichen Module 101, 102 des planaren flexiblen Gelenks derart angeordnet sind, daß sich das flexible Blatt 111 des einheitlichen Moduls 101 mit dem flexiblen Blatt 112 des benachbarten einheitlichen Moduls 102 kreuzt. Insbesondere kreuzen sich die flexiblen Blätter 111, 112 in einem rechten Winkel.
Die Module 101, 102 können in verschiedenen Massenproduktionsverfahren einheitlich hergestellt sein, wie mittels Metallbearbeitung durch Elektroerosion mit einem Draht (Stahl, Al, Cu-Be), durch Spritzen eines Kunststoffes, der mit Fasern hoher Festigkeit (Glas, Kohlefasern) verstärkt ist, oder durch bereichsweise Mikrolithographie auf einer Siliziumplatte.
Die Fig. 4 zeigt teilweise eine Siliziumplatte, auf der einheitliche Module 101, 102 mikrolithograpihiert worden sind. Um die Handhabung dieser Basismodule zu erleichtern, die bis zu ihrer Schichtungsanordnung brüchig bleiben, ist vorgesehen, jedes Verbindungselement 121, 131 und 122, 132 jeweils mit einem Trägerrahmen 201, 202 über Befestigungsstege 211, 221 und 212, 222 provisorisch zu verbinden. Diese vorübergehende Struktur kann auch dazu dienen, die Module während des Zusammenbauvorgangs zu positionieren. Schließlich werden die einheitlichen Module durch Trennung der Befestigungsstege freigegeben.
Auf diese Weise kann die Produktion einer Gruppe planarer flexibler Gelenke mit sich kreuzenden Blättern mit zwei Modulen gemäß der folgenden Reihenfolge realisiert werden:
- Abdecken und Zerschneiden der Siliziumplatte;
- Trennen der Rahmen durch Sägen;
- Übereinanderbringen und anodisches Verbinden der Module in einer gekreuzten Position;
- Freigeben der Befestigungsstege durch Sägen.
Es sei auch angemerkt, daß die Zonen verminderter Dicke vor dem Schneidevorgang in der Platte reihenweise maschinell bearbeitet werden können.
Wie bereits oben erwähnt worden ist, bieten die erfindungsgemäßen planaren flexible Gelenke besonders vorteilhafte Möglichkeiten zum Kompensieren von Unwuchts- oder Unrundheitseffekten, die auf die Verlagerung der Gelenkachse der Gelenke im Verlauf der Schwenkung zurückzuführen sind.
Die Fig. 5a zeigt eine erste Anordnung, einen sogenannten Reihenaufbau, von planaren flexiblen Gelenken, die denjenigen nach den Fig. 3a und 3b entsprechen, welche ermöglichen, die Unwuchtseffekte zu kompensieren. Diese Anordnung umfaßt ein internes Interface 401, das mit jedem Ende eines externen Interfaces 402, 402' mittels einer Anordnung 300, 300' von planaren flexiblen Gelenken 100 mit zwei in Reihe angeordneten Modulen 101, 102 mit sich kreuzenden Blättern verbunden ist. In dem Beispiel nach Fig. 5a werden die Anordnungen durch zwei Gelenke 100 in Reihe gebildet, die über einen Abstandhalter 301, 301' und durch Verklebung verbunden sind.
Die erhaltene Kompensation ist sehr effektiv, wie das Diagramm nach Fig. 5b zeigt, das in einem Koordinatensystem X-Y, das auf einem Gelenk zentriert angeordnet ist, die Verschiebung CMo des Massendrehmittelpunkts bei drei kleinen Auslenkungen des Gelenks angibt (d. h., einen Massenpunkt bei kleinen Rotationen), die bei einer Rotation Θ nicht kompensiert wird, die Verlagerung CMo' des Massendrehpunkts des gleichen Gelenks, die bei einer Rotation Θ/2 nicht kompensiert wird, und die Verlagerung cm des Massendrehpunkts eines Gelenks, die bei einer Rotation Θ der Reihe nach kompensiert wird.
Obwohl diese Anordnung radial geringfügig weniger steif ist, weil sie eine Achsverlagerung D und ein schwimmendes Zwischenteil umfaßt, erlaubt die planare Ausführung, eine Zwischenmasse zu halten und die Achsverlagerung sehr gering zu halten.
Das schwimmende Teil und die Achsverlagerung der Reihenkompensation, die vorstehend beschrieben ist, können durch die parallele Kompensationsanordnung vermieden werden, wie in den Fig. 6a, 6b und 6c gezeigt ist.
Gemäß dieser Anordnung umfaßt eine erste Struktur S1 gemäß Fig. 6a zumindest ein planares flexibles Gelenk 500 mit zwei einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern, dessen erste Verbindungselemente 501 ein erstes starres Interface bilden und dessen zweite Verbindungselemente 502 ein Rückstell-Zwischeninterface bilden, welches mit einem zweiten starren Interface 503 über ein elastisches, rechtwinkelig zum Gelenk 500 angeordnetes Parallelogramm 504 verbunden ist.
Die Fig. 6b zeigt eine zweite Struktur S2, die mit der ersten identisch, jedoch in einer Kopf- an-Fuß-Anordnung bezüglich der Struktur S1 plaziert ist.
Die beiden Strukturen S1 und S2 sind in dieser Relativ-Position übereinandergelegt, um die Endanordnung nach Fig. 6c zu bilden, wobei die ersten 501, 501' und zweiten 503, 503' starren Interfaces jeweils miteinander verbunden sind, während die Rückstell- Zwischeninterface 502, 502' frei bleiben, um in Richtung der in der Fig. 6c erkennbaren Pfeile R und R' zurückzudrehen.
Unter diesen Voraussetzungen kann man zeigen, daß sich die einzig mögliche Position für den Massendrehpunkt des modifizierten globalen Interface 501l im Kreuzungspunkt der beiden Rückstellinien befindet.
Die Fig. 7 illustriert ein erstes Ausführungsbeispiel von planaren flexiblen Gelenken mit sich kreuzenden Blättern gemäß der Erfindung. Dieses Beispiel, das eine Kardananordnung betrifft, wird durch eine Universal-Anordnung einer Gelenkverbindung gebildet, die durch ein zentrales Interface 701 gebildet ist, das in ein äußeres Interface 702 einfügbar ist und schwenkbeweglich bezüglich des äußeren Interface 702 mittels zweier planarer flexibler Gelenke 600, 600' mit zwei einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern angebracht ist, dessen Verbindungselemente 601, 601', 602, 602' an das zentrale Interface 701 bzw. an das externe Interface 702 angefügt sind.
Um die Kardananordnung nach Fig. 7 mit zwei senkrechten Drehachsen zu realisieren, reicht aus, die vorstehende Universal-Anordnung mit wenigstens einem planaren flexiblen Gelenk 700 mit zwei einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern zu vervollständigen, das senkrecht zu den Gelenken 600, 600' ist und das zentrale Interface 701 mit einem zweiten äußeren Interface 703 verbindet.
Die Fig. 8a und 8b zeigen eine zweite Anwendung der Universal-Anordnung, die oben anhand der Ausführung einer Gelenkverbindung mit einem Kontaktanschlag beschrieben ist, in welcher das zentrale Interface 701 einen axial verstellbaren Kontaktanschlag 801 umfaßt, der durch eine Klemmschraube 802 gehalten ist.
Zudem z eigen die Fig. 9a und 9b eine dritte Anwendung der oben erwähnten Universal- Anordnung mit der Realisierung einer Gelenkverbindung mit einem Torsionsstab, bei welcher das zentrale Interface 701 einen axial einstellbaren Torsionsstab 901 und Klemmschrauben 902 aufweist.
Schließlich können die Gelenke mit begrenztem Gelenkspiel vorteilhafterweise mit elektrodynamischen Betätigern ausgestattet werden, wobei der Magnet und die Spule jeweils an einem der Interfaces des Gelenks befestigt sind.
Eine solche Integration ist bei planaren flexible Gelenken beispielsweise realisierbar für den Einbau von leichten Gelenken von Montageautomaten oder von Steuereinrichtungen der Bewegung von Beobachtungs-Minikamerasystemen. Es ist auch möglich, wie die Fig. 10 andeutet, die Form der Interfaces zu verändern, um sie an eine bestimmte Anwendung anzupassen, wie bei einem Gelenk eines Lese-/Speicherarms für Computerfestplatten. In der Ausführung nach Fig. 10a ist der die Spule 170 tragende Arm 130 gelenkig an einem beweglichen Interface 110 des Gelenks 100 mit sich kreuzenden Blättern montiert, wobei der Drehweg der Arme durch den Anschlag 150 und den Anschlag 160 mit einem Lagerriegel begrenzt ist. Das zweite Interface 120 des Gelenks ist an einem fixierten Element 140 montiert.
Aktuell sind die Arme für Mehrfachscheiben auf einem starren Block gestapelt, der auf Kugellagern montiert ist. Es ist möglich, noch weiterzugehen und die Arme 130 mittels planarer flexibler Gelenke individuell auszurichten, wie die Fig. 10b und 10c darstellen. Es sei angemerkt, daß das letztgenannte Konzept mit Kugellagern nicht realisierbar ist.
Die Fig. 11 ist eine Vorderansicht einer anderen Anwendung des einheitlichen Moduls filz ein flexibles Gelenk gemäß der Erfindung zur Realisierung eines integrierten Winkelpositionssensors. Hierzu sind das flexible Blatt 111 und eines der Verbindungselemente, z. B. das mit dem Bezugszeichen 131 versehene, mit einem Streifen 180, z. B. einem Widerstandsstreifen, wie einem Piezowiderstandsstreifen oder einem piezoelektrischen Streifen 180, versehen, der einem Pfad in einer geschlossenen Schleife ACBD folgt. Dieser Streifen ist mittels einer Isolierschicht 181 befestigt. Der Streifen 180 und die Isolierschicht 181 können durch ein Schichtverfahren oder ähnliches erhalten werden.
Im Falle eines Widerstandsstreifens ist in Folge seiner Deformation der Wert des Widerstands RAD zwischen den Punkten A und D proportional dem Drehwinkel +Φ, während der Wert des Widerstands RAC zwischen den Punkten A und C proportional dem Drehwinkel -Φ ist. Im Gegensatz dazu bleiben die Werte des Widerstands RBC zwischen den Punkten B und C und RBD zwischen den Punkten B und D konstant.
Um den Winkel Φ zu messen, wird ein Schaltkreis des Wheatstone-Brückentyps gemäß dem Schema nach Fig. 12 verwendet. Die Ausgangsspannung VM ist von dem Drehwinkel Φ abhängig.
Der mit dem Schema nach Fig. 13 vorgeschlagene Aufbau umfaßt zwei Gelenke, wie diejenigen, die anhand der Fig. 3a und 3b beschrieben sind, die ineinander derart geschachtelt sind, daß die Drehpunkte 711 und 712 der Gelenke zueinander versetzt sind.
Das erste Gelenk 721 umfaßt ein Modul 722 und ein Modul 723, die jeweils einerseits an einem Arm 724 und andererseits an einem beweglichen Stück 725 befestigt sind.
Das zweite Gelenk 726 umfaßt ein Modul 727 und ein Modul 728, die jeweils einerseits an einem Hebelarm 724 und andererseits an einer festen Basis 729 befestigt sind.
Wenn der Hebelarm 724 unter der Wirkung einer piezoelektrischen Vorrichtung 730 verlagert wird, bewirkt das Doppelgelenk die Verlagerung des mobilen Stücks 725 in entgegengesetzer Richtung um eine reduzierte Distanz bezüglich der Verlagerung der piezoelektrischen Vorrichtung. Der Faktor der Reduzierung hängt von der Länge des Hebelarms sowie von dem Abstand zwischen den Drehpunkten 711 und 712 der beiden Gelenke ab.
Der beschriebene Aufbau funktioniert in beiden Richtungen, d. h. eine Verlagerung des mobilen Stücks 725 bewirkt eine Verlagerung des Hebelarms mit einem Verstärkungsfaktor.

Claims

1. Flexibles planares Schwenkgelenk mit sich kreuzenden Blättern, die von mindestens zwei identischen Teilen (101, 102) gebildet sind, die jeweils zwei starre, koplanare Verbindungselemente (121, 131; 122, 132) aufweisen, die zueinander exakt ausgerichtet und diagonal über ein flexibles, im wesentlichen geradliniges Blatt (111, 112) verbunden sind, wobei das flexible Blatt (111) eines Teils (101) das flexible Blatt (112) des benachbarten Teils (102) kreuzt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teil einen monolithischen einheitlichen Modul darstellt, wobei die einheitlichen Module mittels ihrer jeweiligen Verbindungselemente (121, 131; 122, 132) derart aneinandergefügt sind, daß jedes Verbindungselement eines Moduls in direktem Kontakt mit einem benachbarten Verbindungselement montiert ist, was zu einer axialen Schichtung führt.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Blatt (111) jedes Moduls an jedem Ende eine Übergangszone (141, 151) mit einem fortschreitend veränderlichen Querschnitt hat, die eine Verbindung zwischen dem Blatt (111) und jedem Verbindungselement (121, 133) bildet.

3. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Blatt (111, 112) eine Zone (161, 162) verminderter Dicke zwischen den beiden Verbindungselementen (121, 131; 122, 132) aufweist.

4. Gelenk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Blätter (111, 112) einander rechtwinklig kreuzen.

5. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (121, 131; 122, 132) der Module (101, 102) durch Kleben, Löten oder anodisches Bonden zusammengesetzt sind.

6. Verfähren zum Herstellen eines einheitlichen Moduls eines Gelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine Herstellung von Metallplatten durch Elektroerosion umfaßt.

7. Verfahren zum Herstellen eines einheitlichen Moduls eines Gelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Spritzen von Kunststoff umfaßt, der durch Fasern mit hohem Widerstand verstärkt ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines einheitlichen Moduls eines Gelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Mikrolithographieren in Bereichen einer Siliziumscheibe umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der einheitliche Modul (101; 102) im Inneren eines Tragrahmens (201, 202) realisiert ist, an welchem er provisorisch über Befestigungsbrücken (211, 221; 212, 222) angebunden ist.

10. Anordnung von flexiblen planaren Gelenken nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Kompensation von Unwuchts- oder Unrundheits- Effekten umfaßt.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein internes Interface (401) umfaßt, das mit jedem Ende an einem externen Interface (402, 402') über einen Aufbau (300, 300') aus flexiblen planaren Gelenken (100) mit zwei in Reihe angeordneten einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern angebunden ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einerseits eine erste planare Struktur (S1) aus mindestens einem flexiblen planaren Gelenk (500) mit zwei einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern, dessen erste Verbindungselemente (501) ein erstes starres Interface und dessen zweite Verbindungselemente (502) ein zwischengeschaltetes Abstands-Verbindungsteil bildet, das mit einem zweiten starren Interface (503) über ein elastisches, rechtwinklig zum Gelenk (500) angeordnetes Parallelogramm (504) verbunden ist, und andererseits eine zweite planare Struktur (S2) aufweist, die mit der ersten planaren Struktur identisch ist, wobei die erste (S1) und zweite (S2) planare Struktur parallel zueinander in einer Kopf-an-Fuß-Anordnung aufeinandergesetzt sind und jeweils über ihre ersten (501, 501') und zweiten (503, 503') starren Interfaces zusammengefügt sind und die zwischengeschalteten Abstands-Verbindungsteile (502, 502') frei sind.

13. Verwendung des flexiblen planaren Gelenkes nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Realisierung einer Universal-Anordnung einer Gelenkverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentrales Interface (701), das in ein äußeres Interface (702) einfügbar ist, schwenkbeweglich bezüglich des äußeren Interfaces (702) dank zumindest eines flexiblen planaren Gelenks (600, 601) mit zwei einheitlichen Modulen mit sich kreuzenden Blättern montiert ist, dessen Verbindungselemente (601, 601', 602, 602') jeweils an das zentrale Interface (701) bzw. an das externe Interface (702) angebunden sind.

14. Verwendung der Universal-Anordnung nach Anspruch 13 zur Realisierung einer Cardan- Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Interface (701) mindestens ein flexibles planares Gelenk (700) mit zwei unitären Modulen mit sich kreuzenden Blättern umfaßt, die rechtwinklig zu dem flexiblen planaren Gelenk (600, 600') liegen und das zentrale Interface (701) an ein zweites externes Interface (703) anbinden.

15. Verwendung der Universal-Anordnung nach Anspruch 13 zur Realisierung einer Gelenkverbindung mit Kontaktanschlag, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Interface (701) einen einstellbaren axialen Anschlag (801) umfaßt, der durch eine Klemmschraube (802) gehalten ist.

16. Verwendung der Universal-Anordnung nach Anspruch 13 zur Realisierung einer Gelenkverbindung mit einem Torsionsstab, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Interface (701) einen axial einstellbaren Torsionsstab (901) und mindestens eine Klemmschraube umfaßt.

17. Verwendung des flexiblen planaren Gelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bei einem elektrodynamischen Aktor mit Magnet und Spule, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (170) mit einem Schwenk-Interface (110) fest verbunden ist, welches über das Gelenk (100) schwenkbeweglich ist während das andere Interface (120) mit dem Magneten fest verbunden ist.

18. Verwendung nach Anspruch 17 für Arme von Mehrfachscheiben, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (130) jeweils mit einem flexiblen planaren Gelenk (100) für eine individuelle Orientierung jedes Arms ausgestattet sind.

19. Verwendung des flexiblen planaren Gelenkes nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für einen integrierten Winkelpositionssensor, dadurch gekennzeichnet, daß

- das flexible Blatt (111) und eines der zwei starren Elemente (121 oder 131) einen Widerstandsstreifen, Piezo-Widerstandsstreifen oder piezo-elektrischen Streifen (180) aufweisen, durch den ein geschlossener Schaltkreis (ABCD) realisiert wird, so daß die Werte der gemessenen Parameter zwischen dem Punkt A und den Punkten C und D als Funktion des Drehwinkels (φ) des flexiblen Blattes variieren, während die Werte zwischen dem Punkt B und den Punkten C und D konstant bleiben, und

- daß mindestens die Punkte A, C und D mit einem Schaltkreis zum Messen der Werte von variablen Parametern verbunden sind.

20. Anordnung von flexiblen planaren Gelenken nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei flexible Gelenke umfaßt, die so ineinandergeschachtelt sind, daß ihre Drehmitten zueinander versetzt sind,

- wobei ein erstes Gelenk (721) einen ersten einheitlichen Modul (722) und einen zweiten einheitlichen Modul umfassen, die jeweils zum einen an einem Hebelarm (724) und zum anderen an einem beweglichen Stück (725) befestigt sind,

- wobei ein zweites Gelenk (722) einen ersten Modul (727) und einen zweiten Modul (728) umfasst, die jeweils zum einen an dem Hebelarm (724) und zum anderen an einer festen Basis (729) befestigt sind.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm (724) mit einer piezo-elektrischen Vorrichtung (730) verbunden ist.