WO2018060229A1 - Stellantrieb mit formgedächtnis-element - Google Patents

Stellantrieb mit formgedächtnis-element Download PDF

Info

Publication number
WO2018060229A1
WO2018060229A1 PCT/EP2017/074460 EP2017074460W WO2018060229A1 WO 2018060229 A1 WO2018060229 A1 WO 2018060229A1 EP 2017074460 W EP2017074460 W EP 2017074460W WO 2018060229 A1 WO2018060229 A1 WO 2018060229A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
moved
actuator
elements
carrier
shape memory
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2017/074460
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin JOHN
Michael Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microscopy GmbH filed Critical Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority to JP2019516701A priority Critical patent/JP7073350B2/ja
Priority to US16/334,910 priority patent/US11016261B2/en
Priority to CN201780059688.2A priority patent/CN109791265B/zh
Publication of WO2018060229A1 publication Critical patent/WO2018060229A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G02B7/08—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification adapted to co-operate with a remote control mechanism
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F03G7/06147—Magnetic shape memory alloys, e.g. ferro-magnetic alloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/063—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction
    • F03G7/0635—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction with several elements connected in series
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/003—Alignment of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/021—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses for more than one lens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/023—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses permitting adjustment
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B3/00—Focusing arrangements of general interest for cameras, projectors or printers
    • G03B3/10—Power-operated focusing
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B5/00—Adjustment of optical system relative to image or object surface other than for focusing
    • G03B5/02—Lateral adjustment of lens
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B2205/00—Adjustment of optical system relative to image or object surface other than for focusing
    • G03B2205/0053—Driving means for the movement of one or more optical element
    • G03B2205/0076—Driving means for the movement of one or more optical element using shape memory alloys
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B3/00—Focusing arrangements of general interest for cameras, projectors or printers
    • G03B3/10—Power-operated focusing
    • G03B3/12—Power-operated focusing adapted for remote control

Definitions

  • the invention relates to an actuator with shape memory element and devices for adjusting a moving element along a displacement path.
  • the invention further relates to arrangements and devices with an actuator, as well as uses of the actuator.
  • motors and piezo drives For the adjustment of moving elements, in particular in optical arrangements, it is known to use, for example, motors and piezo drives. These can also be used to perform movements in a (partially) automated optical arrangement such as a microscope. For example, the focus can be changed or filters changed.
  • Shape memory metals known to resume their original shape after heating. The forces occurring are suitable for positioning specifically movable elements.
  • EP 2 140 138 Bl A first approach has already been described in EP 2 140 138 Bl and implemented for the generation of a movement in a mobile phone camera. From EP 2,140,138 Bl is in particular a
  • the SMA actuator has an SMA actuator which, upon contraction due to the action of heat, causes the movement of a movable member.
  • the control system includes a power source.
  • the SMA actuator is heated by electrical current flowing through the SMA actuator.
  • a detector circuit for detecting the electrical resistance of the SMA actuator and a controller for controlling the power source are provided.
  • the controller heats the SMA actuator while monitoring the electrical resistance of the SMA actuator. A position of a movable member is detected, and depending on the position, the SMA actuator is further heated or cooled to adjust the position of the movable member. Due to the opposite arrangement of the wires of shape memory metal is an accurate
  • US Pat. No. 8,441,749 B2 describes an actuator based on shape memory alloys (SMA).
  • SMA shape memory alloys
  • This comprises a carrier, an element to be moved and a holding device with a plurality of elastic connecting elements between the carrier and the moving element.
  • the holding device By action of the holding device, the element to be moved is guided along an axis.
  • At least one SMA element in the form of a wire exerts a force on the element to be moved as its length changes.
  • an actuator comprising four SMA elements in the form of wires, a carrier and an element to be moved.
  • the SMA elements are fastened with one of their ends to the carrier and the element to be moved.
  • the force effects generated by the SMA elements are opposite to each other.
  • the element to be moved can be positioned in an XY plane.
  • WO 2007/113478 relates to an actuator for moving a camera lens.
  • the actuator includes a support, the camera lens, a fixture for guiding movement of the camera lens along its optical axis, and at least one pair of SMA elements. These are arranged under tension between the camera lens and the carrier.
  • the invention has for its object to propose further and compared to the prior art improved actuators. Furthermore, the invention has for its object to provide new devices and uses using the actuators.
  • the object is with respect to the actuator by the objects of the independent
  • the object is achieved by an actuator which is designed for adjusting a moving element along a displacement path.
  • the actuator comprises the element to be moved, a support and at least one shape memory element, wherein the shape memory element is in communication with the element to be moved and is supported on the support, so that upon a change in the dimension of the shape memory element a directed
  • shape-memory elements henceforth also referred to as FG elements for short, is understood to mean those elements which essentially consist of a
  • Shape memory material consist. Shape memory materials can be any shape memory material. Shape memory materials can be any shape memory material. Shape memory materials can be any shape memory material. Shape memory materials can be any shape memory material.
  • Shape memory alloys (smart metal alloy, useful, for example, for shape memory actuators), shape memory polymers (SMPs), magnetic shape memory materials (MSM), usable in, for example, magnetic shape memory actuators, dielectric Elastomers (Dielectric Elastomers; Usable for Dielectric Elastomer Actuators, DEA) and combinations thereof. Shape memory materials may also be materials as described in US 7,591,834 B2.
  • Magnetic shape memory alloys may be considered as a subset of
  • Shape memory alloys are considered. The shape memory effect is at these
  • changes of at least one of the dimensions of the magnetic shape memory material, for example its length, up to 10% are possible.
  • Shape memory materials have a large self-locking.
  • the self-locking makes it possible, for example, to hold an optical element in its position without an additional clamping element. Due to the self-locking, an FG element or at least a part of the elements or components that are in operative relationship with this FG element also remains in their position when an external force acts.
  • the adjustment is performed by means of manual control elements, the sensitivity of the adjustment is limited, for example by the thread. Furthermore, accesses to the individual control elements are required, whereby the structural design possibilities are severely limited. Last but not least, additional installation space is needed for the adjustment elements.
  • FG elements and actuators comprising FG elements
  • their space-saving and cost-effective integration is made possible, for example, in optical devices.
  • the achievable positioning accuracies are less than a micrometer, so that the adjustment can be carried out with a high degree of sensitivity.
  • the adjustment can also be accompanied visually and, for example, in real time (live observation).
  • the manufacturing tolerances can be compensated for efficiently by means of the actuator according to the invention.
  • the FG elements adjustment paths between, for example, 100 to 500 ⁇ feasible. Larger travel paths allow a lower manufacturing accuracy of the adjacent mechanics, which contributes to the reduction of manufacturing costs. If the FG elements or the actuator are optionally designed for self-analysis or self-measurement (seif sensing), no additional measuring system is required for readjustment.
  • Shape memory material are exploited. Better is a brake or a brake
  • Clamping unit and / or a clamping element is provided, through whose or by its action the element to be moved can be fixed or fixed at the current adjustment position.
  • an reached adjustment position by the action of a frictional force, for example, occurs between the element to be moved and the carrier.
  • the element to be moved by means of springs and / or magnets may be connected to the carrier, in particular, a design with magnets allows low installation space and low cost.
  • a plurality of magnets are mounted on the element to be moved, wherein the element to be moved may consist for example of a non-magnetic material such as aluminum, plastic, glass or a corresponding composite material.
  • the carrier consists of a (ferro) magnetic material or includes areas of such
  • the magnetic forces acting between the magnets and the carrier hold the element to be moved on the carrier. It is advantageous if the magnets are arranged and dimensioned are that between these and the carrier an air gap remains. Such a design allows high accuracy and requires fewer errors, as when in addition to the element to be moved and the magnets come into direct contact with the carrier.
  • the frictional forces occurring between the element to be moved and the carrier lead to a self-locking between these components.
  • the frictional forces should be lower than the actuating forces caused or realizable by means of the or the existing FG elements. This self-locking is low compared to the brakes or clamping units described below, but usually sufficient for low disturbance forces such as slight vibration accelerations
  • both the carrier and the element to be moved may have magnets. Opposite magnets are arranged with opposite poles, so that attract them.
  • It can be constructed a positioning system in which the element to be moved by means of actuators, in particular by means of FG elements, is set to a desired position.
  • Securing the element to be moved at the desired position is effected by the frictional forces caused by the magnetic forces. Compliance with the position can be monitored by means of suitable sensors. If an impermissible deviation of a current position (actual position) of the element to be moved from the desired position is detected, the element to be moved is brought back into the desired position by the FG elements are driven accordingly.
  • Clamping units are required and that the FG elements are only controlled, for example energized, when the element to be moved is no longer in the desired position (target position).
  • one or more sensors may be arranged in the carrier, for example in the form of induction coils, on the carrier. For example, three at an angle of 120 ° to each other staggered induction coils are present.
  • the element to be moved must consist of or contain an electrically conductive material.
  • a current position of the element to be moved can be detected, for example calculated from the measured values of the induction coils. If a distance between the element to be moved and at least one of the induction coils changes, their measured values, for example the inductance and / or the impedance, change.
  • the actual distances - and accordingly the respective changes in distance - can be determined.
  • the sensors can also be arranged on the element to be moved.
  • the current positions of the carrier and moving element and their distances can be precisely measured.
  • the FG elements can be controlled in such a way that a desired position of carrier and element to be moved is again achieved. It is advantageous that the element to be moved can be detected directly and no additional magnets or other components are required. It is possible to realize highly integrated solutions with a low requirement for installation space and low costs.
  • induction coils of use about 5x5mm 2 , whose accuracy and reproducibility in the range less ⁇ .ln another possible embodiment, the brake or the clamping unit at least one spring element, such as a spring ring, on, by its action, the element to be moved or by the zu moving element held element such as a lens, a diaphragm or a filter is pressed against an abutment.
  • the element to be moved is moved transversely to the force effect of the brake or the clamping unit by means of at least one FG element or is movable transversely to the force effect of the brake or the clamping unit.
  • a connection between the FG element and the element to be moved can be realized by a positive, positive and / or cohesive connection.
  • Such a connection is also understood to mean embodiments in which the FG element bears against the element to be moved over at least a portion of its extent and / or is carried out by the element to be moved and interacts mechanically therewith.
  • a support of the FG element on the carrier can be done with a loose end or a non-positively or cohesively connected to the carrier section.
  • the FG element can be detachably or non-detachably connected to the carrier in further embodiments.
  • Compounds are, for example, releasable compounds, in particular kraft and / or
  • compounds can be non-releasable non-positive, positive and / or cohesive compounds, such as adhesive bonds, welded joints, pouring or compression joints.
  • At least one driven or drivable by means of an FG element clamping element is present, whose force is directed to the element to be moved and by the force of which the element to be moved is clamped against an abutment, so that the clamped element to be moved is held at a clamping position.
  • the force effect occurs in the driven state. If the clamping element is not driven, the force can be directed onto the element to be moved and the element to be moved clamped at a clamping position.
  • the clamping element can be driven in possible further embodiments, when the FG element is in the cooled and / or de-energized state. If the element to be moved is to be delivered, the FG element is heated and / or flowed through by an electric current. The force effect of the clamping element decreases or is canceled, so that the element to be moved is deliverable. In order to fix the element to be moved in its delivered position, the FG element of the clamping element is cooled again and / or de-energized, whereupon the force of the clamping element starts again and the element to be moved is held in position. The same applies to the action of a magnetic field on the FG element or its shutdown.
  • Such an embodiment is advantageous, for example, if the element to be moved is adjusted, for example, to a customer or during on-site assembly of a product comprising the actuator, and after adjustment for a longer period of time is to be held at the clamping position (so-called setpoint). and-forget applications). It is possible in further embodiments that the clamping element is driven when the FG element is in the heated and / or energized state. If the element to be moved is to be delivered, the FG element is cooled and / or de-energized. The force effect of the clamping element decreases or is canceled, so that the element to be moved is deliverable. In order to fix the element to be moved in its delivered position, the FG element of the clamping element is reheated and / or flows through an electric current.
  • the clamping element can be formed directly by the driving FG element, which is then directly in communication with the element to be moved. This design is very space and material saving.
  • At least one of the FG elements is essentially formed from a magnetic shape memory material.
  • Such an FG element may be advantageously actuated by the effects of one or more magnetic fields.
  • the FG element consisting of the magnetic shape memory material can be one of the FG elements connected to the element to be moved and / or the at least one FG element.
  • the force effect of at least one FG element can be partially compensated by the force effects of at least one further FG element, whereby overshooting a desired position can be largely avoided.
  • At least one spring element may be present which acts as an antagonist to the at least one FG element.
  • the actuator may have in a further embodiment at least two FG elements which are arranged such that their respective directed force effects are at least partially directed against each other.
  • the opposite FG elements can be operated in opposite directions. If, for example, a contraction occurs in one of the FG elements, an expansion is caused in the opposite FG element as compensation.
  • the FG elements are oriented such that their force effects are not exactly opposite each other.
  • an element to be moved which is connected to the two FG elements, proportionally displaceable in all spatial directions and tiltable about at least one axis of rotation.
  • At least one coil for generating a magnetic field is arranged such that the
  • the actuator may be part of an arrangement, such as a mechanical or an optical arrangement.
  • the arrangement has a wall, for example a housing or a tube, which delimits the displacement path at least on one of its sides.
  • a conductor made of a magnetically conductive material is present, wherein the conductor extends over at least a portion of its length in the wall and the conductor is in communication with at least one of the FG elements such that in the conductor guided magnetic field lines with the FG element interact. As a result of the interactions, if they are strong enough, the force effect is caused.
  • Such an embodiment is in a small footprint and a robust design of the actuator.
  • such an embodiment is useful for moving optical lenses along an optical axis, such as an optical device.
  • An optical device is in particular an objective.
  • the optical device may also be an optical bench, a section of a beam path of an optical device, for example a microscope or an optical measuring device.
  • the optical device can also be designed as a cine lens, camera lens, riflescope, binocular binoculars or monocular binoculars.
  • the actuator can be arranged in the optical device to move there optical elements, such as optical lenses.
  • An embodiment with an integrated actuator advantageously avoids, for example, a space-intensive design of existing optical or opto-mechanical assemblies.
  • the actuating forces which can be generated by means of an actuator according to the invention are greater than those which can be achieved, for example, with miniaturized piezo drives.
  • the element to be moved may be a holder or socket in which a component to be adjusted, for example one or more optical lenses, a diaphragm, a mirror, a filter, a sensor or a grid is held or can be held.
  • a component to be adjusted for example one or more optical lenses, a diaphragm, a mirror, a filter, a sensor or a grid is held or can be held.
  • the element to be moved can also be monolithic and be the component to be adjusted itself.
  • the element to be moved may be a plate with an aperture.
  • the element to be moved may include one or more lenses, diaphragms and / or a
  • Prism system in particular a reversing system, be.
  • a device for adjustment which comprises an evaluation unit for evaluating current location coordinates including spatial coordinates and relative spatial positions of the elements to be moved and / or the FG elements.
  • the spatial coordinates can be, for example, two-dimensional coordinates and / or spatial coordinates and / or relative spatial positions of, for example, the element to be moved and a profile of a current optical path of an optical arrangement,
  • a microscope for example, a microscope, a measuring device, a device for use in a surgical or therapeutic method, a lighting device or
  • the evaluation unit and / or the control unit which together may be referred to as a control unit, is configured to generate the control commands based on calculation instructions in dependence on incoming measured values of operating parameters and / or depending on selectable operating modes of the device ,
  • Calculation instructions are, for example, stored look-up tables which can be called up by the control unit or mathematical functions, by means of which a correlation between the measured values and the control commands to be generated is predetermined.
  • Wavelength ranges for example, for performing measurements on a sample.
  • Control unit is connected via a data connection with at least one further component in connection and the control unit is configured to generate the control commands in response to data obtained from the at least one further component.
  • the actuator, the arrangement and the device can be used, for example, in optical systems such as microscope systems of any kind, for example laser scanning microscopes,
  • Electron microscopes wide field microscopes, be used.
  • An arrangement may have a plurality of actuators according to the invention of the same or different designs.
  • the existing actuators in different directions X, Y and / or Z can be adjusted. It is also possible that
  • Actuators according to the invention are combined with fixedly installed components, for example optical lenses, diaphragms and / or filters.
  • Correction adjustments of the element to be moved or the elements to be moved indicated can be made both radially and axially.
  • the adjustment according to the prior art must be motor-driven from the outside, while with the inventive device for adjustment a drive in the interior of the optical component is provided. It is advantageous to avoid a displacement of the actuator to the outside of the optical component.
  • the actuator can be used to deliver components of a lens. It can also be used to adjust a pinhole-to-moving element, aperture or correction mirror. Another possible use of the actuator is the adjustment of at least two optical elements relative to each other.
  • the optical elements may be free-form optical elements, for example Alvarez plates, optical lenses and / or sensors.
  • the actuator and / or the device for adjustment can or can be used for adjusting a sensor.
  • the element to be moved, and with this an element to be adjusted or held therein (simplistically referred to as the element to be moved together) is moved under the control of the actuator.
  • actual measured values of a sensor can be detected and evaluated, for example by comparing the actual measured values with desired measured values.
  • the control commands are generated.
  • the measured values can be detected, for example, by means of a resistance measurement of the SMA elements.
  • the measured values are alternatively or additionally using
  • a generation of control commands can be omitted if the deviation of actual measured values and desired measured values is within a permissible tolerance limit.
  • the proposed solutions, in particular the actuator, its uses and the method of adjustment advantageously allow one or more elements to be moved with high accuracy and very good reproducibility to adjust small distances.
  • the solutions described allow the use of actuators under structurally difficult conditions, with little available space and at low cost.
  • a live adjustment ie an adjustment under close temporal observation is possible.
  • the device can be adjusted in the fully assembled state, so no renewed disassembly and / or reworking are necessary.
  • the device in particular the control unit, can be configured such that a
  • Readjustment as may be required for example after a transport of the device or after a certain period of use.
  • a factory state of the device can be stored in a memory of the control unit or in a memory connected to this, which is checked or restored during the readjustment.
  • the configuration of the control unit may also be such that an optimization of the device, so their performance parameters such as the resolution or the precision of Delivery of the element to be moved to a desired desired position, in response to external influences.
  • control commands are generated in order to determine possible effects of
  • the calculation instructions can be selected and / or modified depending on the other actually existing system components.
  • Fig. La is a schematic representation of a shape memory element of a
  • Figure lc is a schematic representation of a shape memory element made of a dielectric elastomer as a shape memory material and its behavior in an electric field.
  • FIG. 2a is a schematic representation of a first embodiment of an actuator according to the invention in a side view
  • FIG. 2b is a schematic representation of the first embodiment of an actuator according to the invention in a lateral plan view
  • Fig. 3 is a schematic representation of a second embodiment of an actuator according to the invention with a shape memory element as a clamping element and a first
  • Embodiment of a device for adjusting elements to be moved Embodiment of a device for adjusting elements to be moved
  • Fig. 4 is a schematic representation of a longitudinal section of an embodiment of an optical device according to the invention with a plurality of actuators, at the same time as a second embodiment of a device according to the invention for the adjustment of to be moved
  • 5a is a schematic representation of a third embodiment of the actuator according to the invention and a third embodiment of the device according to the invention in plan view,
  • 5b is a schematic representation of the third embodiment of the actuator according to the invention and the third embodiment of the device according to the invention in a sectional side view
  • 6a is a schematic representation of a fourth embodiment of the actuator according to the invention and a fourth embodiment of the device according to the invention in plan view
  • 6b is a schematic representation of the fourth embodiment of the actuator according to the invention and the fourth embodiment of the device according to the invention in a lateral sectional view
  • FIG. 7 is a schematic representation of a fifth embodiment of an actuator according to the invention and a fifth embodiment of the device according to the invention,
  • Fig. 8 is a schematic representation of a sixth embodiment of the actuator according to the invention and a sixth embodiment of the device according to the invention and an embodiment of an inventive arrangement.
  • FIG. 9 is a schematic representation of a seventh embodiment of the actuator according to the invention and a seventh embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 10 is a schematic representation of an eighth embodiment of the device according to the invention with actuators according to the seventh embodiment
  • FIG. 11 is a schematic representation of a ninth embodiment of the device according to the invention with actuators according to an eighth embodiment
  • FIG. 12 is a schematic representation of a tenth embodiment of the device according to the invention with actuators according to a ninth embodiment
  • FIG. 13 is a schematic representation of an eleventh embodiment of the device according to the invention with actuators according to the seventh and ninth embodiment,
  • FIG. 14 is a schematic representation of a twelfth embodiment of the device according to the invention with an actuator according to a tenth embodiment
  • 15a is a schematic representation of a twelfth embodiment of the device according to the invention with an actuator according to a tenth embodiment in plan view,
  • 15b is a schematic representation of the twelfth embodiment of the device according to the invention with the actuator according to a tenth embodiment in side view,
  • Fig. 16 is a schematic representation of a thirteenth embodiment of the
  • 17 is a schematic representation of the thirteenth embodiment of the device according to the invention in a plan view with radially acting FG elements
  • Fig. 18 is a schematic representation of a fourteenth embodiment of the
  • Device with sensors for the inductive measurement of positions.
  • Figures la bislc were taken from the Internet site http://www.smartroch3.de/ueber-smart3/smart-materials (as of May 30, 2016) and supplemented by figure numbers and reference numerals.
  • Figures 2 to 15b are as
  • FG element 7 shape memory element 7
  • the FG element exhibits a specific grid structure in an initial form (subfigure (1)). If the FG element 7 is brought into a changed shape, for example, by a mechanical force (part figure (2)), its lattice structure is changed at least in some areas.
  • a stimulus in the illustrated case of heat, acts on the deformed FG element 7 (sub-figure (3)), it returns to its original shape (sub-figure (4)). If the FG element 7 cools down again, the original grid structure is restored.
  • Magnetic shape memory materials (FIG. 1b) also behave in the manner explained. Depending on the direction and strength of the magnetic field acting on the FG element 7, illustrated by the associated magnetic field lines MFL (see FIGS. 5 to 7), a change in shape of the FG element 7 is effected.
  • So-called dielectric elastomer actuators consist essentially of a dielectric elastomer. If this is exposed to an electric field, the shape and / or dimensions of the DEA (FIG. 1c) change.
  • An actuating drive 1 comprises as essential components a moving element 6, a carrier 5 and at least one FG element 7, wherein the FG element 7 is in communication with the element 6 to be moved and is supported on the carrier 5 (FIG 2a).
  • a first FG element 7.1 and a second FG element 7.2 are present.
  • the moving member 6 is formed as a socket of an optical lens 20.
  • the FG elements 7.1 , 7.2 are arranged in the free space 15.
  • a directed force F is exerted on the element 6 to be moved (symbolized by the double arrows), through which the element 6 to be moved in the XY plane XY is displaceable and the optical lens 20 is adjustable with respect to an extending in the direction of the Z-axis Z optical axis 4 of an optical arrangement 2, not shown.
  • the FG elements 7.1 and 7.2 are arranged and designed such that the force F is generated in the direction of the Z-axis Z and the moving element 6 with the optical lens 20 along the optical axis 4 is adjustable ,
  • FIG. 3 shows a second embodiment of an actuator 1 according to the invention with a FG element 7.1 for adjusting the element 6 to be moved along the optical axis 4 and a driven by a FG element 7K clamping element 8.
  • the clamping element 8 is formed by the directly related to the moving element 6 FG element 7K itself.
  • the force F of the FG element 7K is orthogonal to the direction of the force F of the first FG element 7.1 directed or directable to the element 6 to be moved.
  • the first FG element 7.1 is supported on the carrier 5, which is formed on the housing 18.
  • the FG element 7K is in the illustrated embodiment, an MSM-FG element of a magnetic shape memory material.
  • the FG element 7.1 consists essentially of a shape memory alloy and is thermally controllable.
  • the FG element 7.1 and the FG element 7K each of a thermally controllable shape memory material, a magnetically controllable
  • Shape memory material or consist of a dielectric elastomer as shape memory material.
  • an evaluation unit 9 and a control unit 10 are present.
  • the FG elements 7.1 and 7K can be controlled independently of one another by means of the control unit 10.
  • the control takes place, for example, that each FG elements 7.1, 7K, an electric current of a certain strength and with a certain electrical voltage flows through them.
  • a change of at least one dimension of the FG elements 7.1, 7K is effected.
  • a current length and a current ohmic resistance of each of the FG elements 7.1, 7K can be detected by means of a suitable measuring circuit 11 or a sensor 11 known to the person skilled in the art.
  • the measured values obtained are transmitted to the evaluation unit 9, which in turn is in communication with the control unit 10 in a manner suitable for the transmission of data and can be designed as its component or subunit.
  • the evaluation unit 9 is configured to evaluate current location coordinates, for example of the FG elements 7.1, 7K and their current expansion states, the current spatial position of a beam path of the optical arrangement 2 and / or the current relative position of the element 6 to be moved with respect to the current beam path ,
  • the actuator 1, the evaluation unit 9 and the control unit 10 are essential elements of a device 3 for adjusting the element 6 to be moved, whose first embodiment is shown in FIG.
  • Evaluation results of the evaluation unit 9 and optionally using further measured values, for example the ambient temperature, are generated and output by the control unit 10 control signals for driving the FG elements 7.1, 7K. Due to the current beam path or its current profile, the optical axis 4 of the optical arrangement 2 is given.
  • the control commands are implemented in devices not shown and causes the corresponding current flows and / or temperature changes of the FG elements 7.1, 7K.
  • the moving element 6 can be adjusted along the optical axis 4. If the element 6 to be moved is adjusted by means of the first FG element 7.1 along the Z axis Z and is located at a current adjustment position, a control command for the FG element 7K is generated and executed, whereupon the element 6 to be moved by the force effect F of the FG element 7K is pressed against the carrier 5 and held at the current adjustment position in a clamping position.
  • FIG. 4 A second embodiment of an optical device 3 according to the invention with a plurality of actuators 1 is shown in FIG. 4.
  • the optical device 3 in the form of an objective 19 is at the same time designed as a device 3 according to the invention for the adjustment of elements 6 to be moved.
  • a socket 17 of a front lens designed as an optical lens 20 and a tubular support 5 are arranged.
  • the carrier 5 there are four moving elements 6.1 to 6.4 in the form of sockets of optical lenses 20 which are lined up along the optical axis 4 of the optical arrangement 2.
  • the FG elements 7.1 and 7.2 or 7.3 and 7.4 are adjustable by means of the respective FG elements 7.1 to 7.4 in the direction of the Z-axis Z in the direction of the optical axis 4 of the arrangement 2.
  • the element 6.4 to be moved is in direct contact with the FG elements 7.5 and 7.6 and is adjustable in the X-Y plane XY.
  • first to third elements to be moved 6.1 to 6.3 may be provided in a further embodiment with a clamping element 8 (see Fig. 3).
  • the fourth element to be moved 6.4 may alternatively or additionally to in a further embodiment
  • Clamping elements 8 of the first to third elements to be moved 6.1 to 6.3 with a
  • Fig. 5a shows a plan view of a third embodiment of the invention
  • the element 6 to be moved is directly connected via four FG elements 7.1 to 7.4 with the housing 18 functioning as a carrier 5.
  • the moving element 6, and thus the optical lens 20, is adjustable in the XY plane XY.
  • the element 6 Upon reaching a current adjustment position, the element 6 to be moved by means of the clamping elements 8, which are driven by the FG elements 7K, in the axial direction, ie in the direction of the Z-axis Z, against acting as a stop 14 part of the housing 18th Pressed and held at the current adjustment position (clamping position).
  • the FG elements 7.1 to 7.4 consist of a magnetically controllable shape memory material (MSM-FG elements).
  • the housing 18 radially extending are a first coil 16.1 and a second coil 16.2 to
  • the orientations of the coils 16.1, 16.2 and an electrical current flow through them are selected such that the magnetic field lines MFL run transversely to the directional force F of the FG elements 7.1 to 7.4.
  • the FG elements 7.1 to 7.4 are controlled without contact.
  • the drive takes place through the housing 18, so that no openings in a wall 13 of the housing 18 are required.
  • the FG elements 7.1 to 7.3 are arranged such that their force F occurs coaxially to the optical axis 4 in the Z-axis Z direction.
  • the FG elements 7.1 to 7.3 consist of magnetically controllable shape memory material (MSM-FG elements).
  • the two coils 16.1 and 16.2 are each arranged in planes parallel to the optical axis 4.
  • the magnetic field lines MFL of the magnetic field generated or generated by the coils 16.1, 16.2 extend again transversely to the force F of the FG elements 7.1 to 7.3, but now in the direction of the Y-axis Y and thus transversely to the optical axis 4th
  • the change of the dimensions, in particular the length of the FG elements, 7.1 to 7.3 effected or effected by means of the magnetic field in the FG elements 7.1 to 7.3 can be used for an adjustment of the element 6 to be moved along the Z-axis Z.
  • tilting movements of the element 6 to be moved about the X-axis X and / or about the Y-axis Y can be generated with the tilting angles cpX or cpY.
  • a further embodiment of the actuator 1 and the device 3 is shown, which represents a modification of the embodiment described for Fig. 6b.
  • two moving elements 6 are arranged along the optical axis 4, each holding an optical lens 20. Between the elements to be moved 6, two FG elements 7.1, 7.2 are arranged, whose force F is directed parallel to the optical axis 4.
  • the FG elements 7.1, 7.2 are arranged between the formed as sockets to moving elements 6 and are based on one of the elements to be moved from 6 while the FG elements 7.1, 7.2 are mounted in the other element 6 to be moved.
  • the coils 16.1 and 16.2 are arranged so that the magnetic field lines MFL of the
  • Coils 16.1, 16.2 generated magnetic fields transverse to the optical axis 4 and the force F of the FG elements 7.1, 7.2.
  • the two elements 6 to be moved are adjustable by means of the actuator 1 relative to each other along the optical axis 4.
  • the effect of the magnetic field or the magnetic fields of the coils 16.1, 16.2 can be applied through the wall 13 of the housing 18.
  • One of the elements to be moved 6 is fixedly connected to the housing 18 while the other moving element 6 along the optical axis 4 is displaceable.
  • the FG elements 7.1, 7.2 are connected via the fixed to the housing 18 to be moved element 6 with acting as a carrier 5 housing 18 in indirect connection.
  • a sixth embodiment of the actuator 1 according to the invention and a sixth
  • Embodiment of the device 3 according to the invention is shown schematically in FIG. 8.
  • the illustrated arrangement 2 comprises an actuator 1 with a FG element 7, which projects into a first wall 13.1 of the housing 18.
  • a displacement transverse to the optical axis 4 is through the housing 18 and its walls
  • a conductor 12 made of a magnetically conductive material is introduced in a U-shape, wherein the conductor 12 extends over at least a portion of its length in the first wall 13.1 and the conductor 12 is in communication with the FG element 7.1.
  • the conductor 12 guided or feasible magnetic fluxes, symbolized by the magnetic field lines MFL, interact with the FG element 7.1 and cause the force F.
  • the conductor 12 is, for example, a part of a core of the coil 16.1 and consists of a material with good magnetic conductivity.
  • the conductor 12 is formed, for example, by an iron core or a core of iron sheets.
  • the element 6 to be moved is connected to a plurality of FG elements 7.1 to 7.n. These may allow an adjustment additionally or alternatively in the direction of the optical axis 4. Furthermore, a clamping element 8 and an associated FG element 7K may be provided.
  • FIG. 9 Another possible embodiment of the actuator 1 according to the invention and the device 3 according to the invention is shown in FIG. 9.
  • the first and second FG elements 7.1, 7.2 are designed for lateral displacement and adjustment of the element 6 to be moved.
  • the formed as a clamping element 8 FG element 7K may be replaced by a spring element 21 in alternative embodiments.
  • a FG element 7K and a spring element 21 is present.
  • a spring element 21 acts as a clamping element 8 transversely to the first FG element 7.1 and a FG element 7K acts transversely to the second FG element 7.1.
  • the carrier 5 surrounds in each case one of the FG elements 7.1 or 7.2 and one of the components FG element 7K and / or spring element 21.
  • the FG elements 7.1, 7.2 are designed so that they can develop a force F, with the spring forces Fcoil can be overcome and a precise and controllable adjustment of the moving element 6 is possible.
  • the generated or producible force effects Fcoil can also be greater than the producible force effects F of the first and the second FG elements 7.1, 7.2.
  • actuators 1 are transversely displaceable and adjustable transversely to the optical axis 4.
  • other numbers of actuators 1, for example, two, three or five, may be present.
  • the existing actuators 1 in mutually different directions X, Y and / or Z are adjustable.
  • actuators 1 according to the invention are combined with fixedly installed components, for example optical lenses, diaphragms and / or filters.
  • each of the carrier 5 has transversely to the optical axis 4 and facing away from this an extended wall portion 5.1 (active alignment stacking).
  • the extended wall portions 5.1 adjacently arranged actuators 1 abut each other and are each connected by means of a schematically illustrated fastener, advantageously releasably connected.
  • the device realized in this way represents an optical system comprising a plurality of active alignment staples.
  • FIG. 12 shows a further possible embodiment of an actuator 1 and a device 3, wherein the first and second FG elements 7.1, 7.2 are arranged opposite one another on the element 6 to be moved.
  • the effective direction ie the direction in which the actuator 1 and a device 3
  • Force action F of the first and second FG elements 7.1, 7.2 occurs, runs parallel to the optical axis 4. Transversely to the optical axis 4, the FG element 7K is arranged, the clamping effect, the associated clamping force is denoted by Fcoil, orthogonal to the optical axis 4th is directed.
  • the element 6 to be moved is pressed against the part of the carrier 5 due to an effected and sufficiently large clamping force Fcoil, which lies opposite the FG elements 7.1, 7.2 and 7K.
  • FIG. 13 A use of an actuator 1 described with reference to FIG. 12 is shown in FIG. 13 in the form of a device 3 comprising an assembly 2, which is designed as an optical system, for example an objective 19. On a wall 13 functioning as a common base
  • a housing 18 are each arranged alternately to Fig. 9 described and described to FIG. 12 actuator 1 along the optical axis 4.
  • the optical lenses 20 of the individual actuators 1 are adjustable transversely or in the direction of the optical axis 4, depending on the design of the actuator 1.
  • the embodiment of the device 3 and the actuator 1 according to FIG. 14 corresponds in its basic structure to the embodiment described with reference to FIG. 9, wherein the Clamping elements 8 are formed by spring elements 21.
  • the FG elements 7.1 and 7.2 consist of magnetically controllable shape memory material (MSM-FG elements).
  • MSM-FG elements magnetically controllable shape memory material
  • the housing 18 radially surrounding a first coil 16.1 and a second coil 16.2 are arranged to generate a magnetic field.
  • the orientations of the coils 16.1, 16.2 and an electrical current flow through them are selected such that the magnetic field lines MFL run transversely to the directional force F of the FG elements 7.1 to 7.4.
  • the FG elements 7.1 to 7.4 are controlled without contact.
  • the drive takes place through the housing 18, so that no openings in a wall 13 of the housing 18 are required.
  • FIGS. 15a and 15b schematically show an embodiment of a device 3 for 5-dimensional adjustment.
  • FIG. 15a in addition to lateral, ie transverse to the optical axis 4 acting FG elements 7.1 to 7.3, three further FG elements 7.4 to 7.6 are present, which act parallel to the optical axis 4.
  • the laterally acting FG elements 7.1 to 7.3 -as a result of the sectional illustration only the FG element 7.1 can be seen-produce a force F orthogonal to the optical axis 4.
  • the element 6 to be moved with the optical lens 20 is displaceable along the optical axis 4 and may additionally be tilted about a tilt angle cpX about the X-axis X and / or about a tilt angle cpY about the Y-axis Y.
  • FIG. 16 illustrates a positioning system in which the element 6 to be moved has magnets 22 on its side facing the carrier 5.
  • the carrier 5 is made of a magnetic material, so that the moving member 6 and the carrier 5 are connected to each other by a magnetic force Fmag between the magnets 22 and the carrier 5.
  • the element 6 to be moved and the carrier 5 touch each other along a bearing surface 23, while the magnets 22 do not come into direct contact with the carrier 5.
  • the current position of the element 6 to be moved can be detected by means of sensors 11 whose measured values are evaluated by the evaluation unit 9 and transmitted to the control unit 10.
  • the control unit 10 generates and, depending on the data provided by the evaluation unit 9, issues control commands which serve to control the FG elements 7.
  • the FG elements 7, 7.1, 7.2 can be arranged between the carrier 5 and the element 6 to be moved.
  • the FG elements 7 can also be designed as wires or strips and act on the element 6 to be moved from a radial direction, that is to say essentially transversely to the optical axis 4 (FIG. 17).
  • the formed as a strip FG elements 7.1, 7.2 are hinged to the carrier 5 and controlled by the control unit 10.
  • the FG elements 7.1, 7.2 act on a respective projection 6.1 of the moving element 6 on this one.
  • the element 6 to be moved and the optical lens 20 are displaced essentially in a plane orthogonal to the optical axis 4 (symbolized by a double arrow).
  • further FG elements 7 may be present, by means of which an adjusting movement of the element 6 to be moved in an XY plane is made possible.
  • One possibility is that along the optical axis 4 there is a further arrangement, such as that shown in FIG. 17, but which is at an angle to the first arrangement. for example, is arranged rotated by 90 °. In this way, the moving member 6 and the optical lens 20 can be displaced by one of the arrays substantially along the X-axis X and by the other arrangement substantially along the Y-axis Y.
  • FG elements 7 are arranged in arrangements in different planes along the optical axis 4 (in the direction of the Z-axis Z).
  • Fig. 18 shows schematically an embodiment of the invention, which is designed as a positioning system.
  • induction coils are arranged at an angle of 120 ° to each other as sensors.
  • the material of the element 6 to be moved consists at least of a portion of electrically conductive material, so that by means of the sensors 11 a current position (actual position) of the element 6 to be moved can be determined.
  • This current position can be described by the respective distances D between each sensor 11 and the element 6 to be moved.
  • the distances D are symbolically illustrated by double arrows.
  • the inductances and / or the detected impedances at the respective sensors 11 also change. These changes are transmitted to an induction-digital converter 24 and converted before the converted data are transmitted to the evaluation unit 9 .
  • the control unit 10 By means of the control unit 10, it is possible to actuate the FG elements 7, 7.1, 7.2, 7.3 as a function of the data transmitted by the evaluation unit.
  • a detected deviation of the current position of the element 6 to be moved from a desired position (desired position) can be compensated by a corresponding control of the FG elements 7, 7.1, 7.2, 7.3.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Lens Barrels (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb (1) zur Justage eines zu bewegenden Elements (6) in einem Strahlengang einer optischen Anordnung (2), umfassend das zu bewegende Element (6), einen Träger (5) und mindestens ein FG-Element (7.1 bis 7.4), wobei das FG-Element (7.1 bis 7.4) mit dem zu bewegenden Element (6) in Verbindung steht und sich an dem Träger (5) abstützend ausgebildet ist, so dass bei einer Änderung der Ausdehnung des FG-Elements (7.1 bis 7.4) eine gerichtete Kraftwirkung (F) zwischen dem zu bewegendem Element (6) und dem Träger (5) erzeugt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin Vorrichtungen zur Justage eines zu bewegenden Elements (6) in einem Strahlengang einer optischen Anordnung (2) sowie Verwendungen der Stellantriebe (1).

Description

Stellantrieb mit Formgedächtnis-Element
Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit Formgedächtnis-Element sowie Vorrichtungen zur Justage eines zu bewegenden Elements entlang eines Verschiebewegs. Die Erfindung betrifft weiterhin Anordnungen und Vorrichtungen mit einem Stellantrieb, sowie Verwendungen des Stellantriebs.
Zur Justage von zu bewegenden Elementen, insbesondere in optischen Anordnungen, werden bekanntermaßen beispielsweise Motoren und Piezo-Antriebe, eingesetzt. Diese können auch dazu verwendet werden, um in einer (teil-) automatisierten optischen Anordnung wie einem Mikroskop Bewegungen auszuführen. So kann beispielsweise der Fokus verändert oder Filter gewechselt werden.
Seit längerem ist die Fähigkeit von bestimmten Legierungen (Formgedächtnislegierungen,
Formgedächtnismetalle, shape memory alloy, SMA) bekannt, nach Erwärmung ihre ursprüngliche Form wieder anzunehmen. Die dabei auftretenden Kräfte sind dazu geeignet, um gezielt bewegliche Elemente zu positionieren.
Ein erster Ansatz wurde bereits in EP 2 140 138 Bl beschrieben und für die Erzeugung einer Bewegung in einer Handykamera umgesetzt. Aus der EP 2 140 138 Bl ist insbesondere ein
Steuerungssystem für eine SMA-Betätigungsvorrichtung bekannt. Die SMA-Betätigungsvorrichtung weist einen SMA-Betätiger auf, der bei Kontraktion aufgrund von Wärmeeinwirkung die Bewegung eines bewegbaren Bauteils bewirkt. Das Steuerungssystem umfasst eine Stromquelle. Der SMA- Betätiger wird durch elektrischen Strom erwärmt, der durch den SMA-Betätiger fließt. Ferner sind eine Detektorschaltung zu Detektieren des elektrischen Widerstands des SMA-Betätigers und eine Steuerung zum Steuern der Stromquelle vorhanden. Mittels der Steuerung wird der SMA-Betätiger erwärmt, während der elektrische Widerstand des SMA-Betätigers überwacht wird. Eine Position eines bewegbaren Bauteils wird erfasst und in Abhängigkeit der Position wird der SMA-Betätiger weiter erwärmt beziehungsweise gekühlt, um die Position des bewegbaren Bauteils einzustellen. Durch die gegenläufige Anordnung der Drähte aus Formgedächtnismetall ist eine genaue
Positionierung des Aktuators möglich. Gleichzeitig kann durch Widerstandsmessung der verwendeten Drähte auf die aktuelle Position geschlossen werden.
In der US 8,441,749 B2 ist ein auf Formgedächtnislegierungen (shape memory alloy; SMA) basierender Stellantrieb beschrieben. Dieser umfasst einen Träger, ein zu bewegendes Element und eine Haltevorrichtung mit einer Vielzahl von elastischen Verbindungselementen zwischen Träger und zu bewegendem Element. Durch Wirkung der Haltevorrichtung wird das zu bewegende Element entlang einer Achse geführt. Mindestens ein SMA-Element in Form eines Drahtes übt bei einer Änderung seiner Länge eine Kraft auf das zu bewegende Element aus.
Aus der WO 2013/121225 AI ist ein Stellantrieb bekannt, der vier SMA-Elemente in Form von Drähten, einen Träger und ein zu bewegendes Element umfasst. Die SMA-Elemente sind mit je einem ihrer Enden an dem Träger und dem zu bewegenden Element befestigt. Die durch die SMA-Elemente erzeugten Kraftwirkungen sind einander entgegengerichtet. Mittels einer gezielten Längenänderung der SMA-Elemente ist das zu bewegende Element in einer XY-Ebene positionierbar. Die WO 2007/113478 betrifft einen Stellantrieb zur Bewegung einer Kameralinse. Der Stellantrieb umfasst einen Träger, die Kameralinse, eine Haltevorrichtung zur Führung der Bewegung der Kameralinse entlang ihrer optischen Achse und mindestens ein Paar SMA-Elemente. Diese sind unter Zugspannung zwischen der Kameralinse und dem Träger angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere und gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Stellantriebe vorzuschlagen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, neue Vorrichtungen sowie Verwendungen unter Nutzung der Stellantriebe anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Stellantriebs durch die Gegenstände des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtungen wird die Aufgabe durch die Gegenstände der Ansprüche 6, 7 und 9 gelöst. Hinsichtlich der Verwendungen wird die Aufgabe durch die
Gegenstände der Ansprüche 13 bis 15 gelöst. Eine Anordnung umfassend einen Stellantrieb ist in Anspruch 6 angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Aufgabe wird durch einen Stellantrieb gelöst, der zur Justage eines zu bewegenden Elements entlang eines Verschiebewegs ausgebildet ist. Der Stellantrieb umfasst das zu bewegende Element, einen Träger und mindestens ein Formgedächtnis-Element, wobei das Formgedächtnis-Element mit dem zu bewegenden Element in Verbindung steht und sich an dem Träger abstützend ausgebildet ist, so dass bei einer Änderung der Ausdehnung des Formgedächtnis-Elements eine gerichtete
Kraftwirkung zwischen dem zu bewegenden Element und dem Träger erzeugt ist.
In der vorliegenden Beschreibung werden unter Formgedächtnis-Elementen, fortan auch kurz als FG- Elemente bezeichnet, solche Elemente verstanden, die im Wesentlichen aus einem
Formgedächtnismaterial bestehen. Formgedächtnismaterialien können
Formgedächtnislegierungen (smart metall alloy; nutzbar z. B. für Formgedächtnisaktuatoren), Formgedächtnispolymere (shape memory polymers, SMPs), magnetische Formgedächtnismaterialien (MSM, magnetic shape memory alloy; nutzbar z. B. für magnetische Formgedächtnisaktuatoren; magnetic shape memory actuators), dielektrische Elastomere (dielektrische Elastomeren; nutzbar für dielektrische Elastomeraktoren, DEA) sowie deren Kombinationen sein. Formgedächtnismaterialien können ferner Materialien sein, wie diese in der US 7,591,834 B2 beschrieben sind.
Magnetische Formgedächtnislegierungen können als eine Untergruppe der
Formgedächtnislegierungen angesehen werden. Der Formgedächtniseffekt wird bei diesen
Materialien in erster Linie durch die Einwirkung entsprechend ausgerichteter und starker
Magnetfelder bewirkt. Dabei sind, abhängig vom jeweiligen Formgedächtnismaterial, Änderungen mindestens einer der Dimensionen des magnetischen Formgedächtnismaterials, beispielsweise dessen Länge, bis zu 10% möglich. FG-Elemente auf der Basis von magnetischen
Formgedächtnismaterialien weisen eine große Selbsthemmung auf. Die Selbsthemmung ermöglicht es, beispielsweise ein optisches Element auch ohne ein zusätzliches Klemmelement an seiner Position zu halten. Aufgrund der Selbsthemmung verbleibt ein FG-Element beziehungsweise mindestens ein Teil der mit diesem FG-Element in Wirkbeziehung stehenden Elemente oder Bauteile auch bei Einwirken einer externen Kraft in ihrer Position.
An die Justage insbesondere optischer Systeme werden sehr hohe Anforderungen gestellt, um eine gleichbleibend hohe Abbildungsqualität zu sichern. Zugleich sollen Fertigungskosten reduziert werden, indem beispielsweise solche technische Lösungen genutzt werden, bei denen die erforderlichen Toleranzen nicht zu gering gewählt werden müssen.
Bisher wurden Justagen zu bewegender Elemente beispielsweise mit Hilfe von Abstimmringen oder mit manuellen Stellelementen (z. B. Gewindestifte) realisiert. Dabei muss bei einer Justage mittels Abstimmringen das zu justierende System montiert, vermessen und anschließend wieder demontiert werden. Dieses Vorgehen bedingt einen hohen Zeitaufwand und das Risiko, bei der erneuten Montage des Systems dessen Eigenschaften zu verändern. Zudem ist keine Auswertung eines aktuellen Zustands der Justage in Echtzeit möglich.
Wird die Justage mittels manueller Stellelemente ausgeführt, ist die Feinfühligkeit der Justage beispielsweise durch das Gewinde limitiert. Ferner sind Zugänge zu den einzelnen Stellelementen erforderlich, wodurch die konstruktiven Ausführungsmöglichkeiten stark eingeschränkt werden. Nicht zuletzt wird für die Justagelemente zusätzlicher Bauraum benötigt.
Durch die Verwendung von FG-Elementen sowie von Stellantrieben umfassend FG-Elemente ist deren platzsparende und kostengünstige Integration beispielsweise in optischen Vorrichtungen ermöglicht. Die erreichbaren Stellgenauigkeiten liegen unter einem Mikrometer, sodass die Justage mit einer hohen Feinfühligkeit ausgeführt werden kann. Die Justage kann ferner visuell und beispielsweise in Echtzeit begleitet werden (live-Beobachtung).
Von Vorteil ist zudem, dass die einzuhaltenden Fertigungstoleranzen groß sein können
(beispielsweise Wurfpassung). Die Fertigungstoleranzen sind mittels des erfindungsgemäßen Stellantriebs effizient ausgleichbar.
Auch sind mittels der FG-Elemente Stellwege zwischen beispielsweise 100 bis 500 μιτι realisierbar. Größere Stellwege erlauben eine geringere Fertigungsgenauigkeit der benachbarten Mechanik, was zur Senkung der Fertigungskosten beiträgt. Sind die FG-Elemente respektive der Stellantrieb optional zur Selbstanalyse bzw. zur Selbstvermessung (seif sensing) ausgebildet, wird kein zusätzliches Messsystem für eine Nachjustage benötigt.
Soll eine erreichte Justageposition über einen längeren Zeitraum, beispielsweise für mehrere Stunden, Tage, Wochen oder Monate, beibehalten werden, kann die Selbsthemmung des
Formgedächtnismaterials ausgenutzt werden. Besser ist zusätzliche eine Bremse oder eine
Klemmeinheit und/oder ein Klemmelement vorgesehen, durch deren beziehungsweise durch dessen Wirkung das zu bewegende Element an der aktuellen Justageposition fixierbar ist oder fixiert wird.
Es ist auch möglich eine erreichte Justageposition durch Wirkung einer Reibkraft zu sichern, die beispielsweise zwischen dem zu bewegenden Element und dem Träger auftritt. Dazu kann das zu bewegende Element mittels Federn und/oder Magneten mit dem Träger verbunden sein, wobei insbesondere eine Ausführung mit Magneten geringe Bauräume und niedrige Kosten zulässt.
Beispielsweise sind an dem zu bewegenden Element mehrere Magnete angebracht, wobei das zu bewegende Element beispielsweise aus einem nicht-magnetischen Material wie Aluminium, Kunststoff, Glas oder einem entsprechenden Verbundwerkstoff bestehen kann. Der Träger besteht aus einem (ferro-)magnetischen Material oder beinhaltet Bereiche aus einem solchen
(ferro-)magnetischen Material.
Die zwischen den Magneten und dem Träger wirkenden Magnetkräfte halten das zu bewegende Element an dem Träger. Dabei ist von Vorteil, wenn die Magnete so angeordnet und dimensioniert sind, dass zwischen diesen und dem Träger ein Luftspalt verbleibt. Eine solche Ausführung erlaubt eine hohe Genauigkeit und bedingt weniger Fehler, als wenn neben dem zu bewegenden Element auch die Magnete mit dem Träger in direkten Kontakt gelangen. Die zwischen dem zu bewegenden Element und dem Träger auftretenden Reibkräfte führen zu einer Selbsthemmung zwischen diesen Bauteilen. Die Reibkräfte sollen geringer als die mittels des oder der vorhandenen FG-Elemente bewirkten beziehungsweise bewirkbaren Stellkräfte sein. Diese Selbsthemmung ist im Vergleich zu den nachfolgend beschriebenen Bremsen oder Klemmeinheiten gering, reicht aber meist aus um geringe Störkräfte wie zum Beispiel leichte erschütterungsbedingte Beschleunigungen zu
kompensieren.
In weiteren Ausführungen können sowohl der Träger als auch das zu bewegende Element Magnete aufweisen. Einander gegenüberliegende Magnete sind mit einander entgegengesetzten Polen angeordnet, so dass sich diese anziehen.
Es kann ein Positioniersystem aufgebaut werden, bei dem das zu bewegende Element mittels Aktoren, insbesondere mittels FG-Elementen, an eine gewünschte Position gestellt wird. Die
Sicherung des zu bewegenden Elements an der gewünschten Position erfolgt durch die infolge der Magnetkräfte bewirkten Reibkräfte. Die Einhaltung der Position kann mittels geeigneter Sensoren überwacht werden. Wird eine unzulässige Abweichung einer aktuellen Position (Ist-Position) des zu bewegenden Elements von der gewünschten Position festgestellt, wird das zu bewegende Element wieder in die gewünschte Position gebracht, indem die FG-Elemente entsprechend angesteuert werden.
Die Vorteile eines solchen Systems bestehen darin, dass keine zusätzlichen Bremsen oder
Klemmeinheiten benötigt werden und dass die FG-Elemente nur angesteuert, beispielsweise bestromt, werden, wenn sich das zu bewegende Element nicht mehr an der gewünschten Position (Soll-Position) befindet.
In einer weiteren Ausführungsmöglichkeit können an dem Träger eine oder mehrere Sensoren in beispielsweise in Form von Induktionsspulen angeordnet sein. Beispielsweise sind drei unter einem Winkel von je 120° zueinander versetzte Induktionsspulen vorhanden. Das zu bewegende Element muss aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen oder ein solches enthalten. Mittels der Induktionsspulen kann eine aktuelle Position des zu bewegenden Elements erfasst, beispielsweise aus den Messwerten der Induktionsspulen berechnet, werden. Verändert sich ein Abstand zwischen dem zu bewegenden Element und mindestens einer der Induktionsspulen, so verändern sich deren Messwerte, beispielsweise die Induktanz und/oder die Impedanz. Mittels eines geeigneten Wandlers, beispielsweise eines Induktanz-Digital-Wandlers wie den LDC1000 Inductance-Digital-Converter von Texas Instruments (eingetragene Marke), lassen sich die aktuellen Abstände - und dementsprechend die jeweiligen Abstandsänderungen - ermitteln. In weiteren Ausführungen können die Sensoren auch an dem zu bewegenden Element angeordnet sein.
Wenn das System aus Sensoren, Träger und zu bewegendem Element einmal kalibriert ist, lassen sich die aktuellen Positionen von Träger und zu bewegendem Element sowie deren Abstände präzise messen. Bei unzulässigen Abweichungen können die FG-Elemente derart angesteuert werden, dass wieder eine gewünschte Position von Träger und zu bewegendem Element erreicht wird. Dabei ist von Vorteil, dass das zu bewegende Element direkt detektiert werden kann und keine zusätzlichen Magnete oder andere Bauteile erforderlich sind. Es lassen sich hochintegrierte Lösungen mit einem geringen Bedarf an Bauraum und niedrigen Kosten realisieren. So können Induktionsspulen von beispielsweise ca. 5x5mm2 verwenden, deren Genauigkeit und Reproduzierbarkeit im Bereich weniger μιτι liegt.ln einer weiteren möglichen Ausführung weist die Bremse oder die Klemmeinheit mindestens ein Federelement, beispielsweise einen Federring, auf, durch dessen Wirkung das zu bewegende Element beziehungsweise ein durch des zu bewegende Element gehaltenes Element wie zum Beispiel eine Linse, eine Blende oder ein Filter gegen ein Widerlager gedrückt ist. Das zu bewegende Element wird mittels mindestens eines FG-Elements quer zur Kraftwirkung der Bremse oder der Klemmeinheit bewegt beziehungsweise ist quer zur Kraftwirkung der Bremse oder der Klemmeinheit bewegbar.
Eine Verbindung zwischen dem FG-Element und dem zu bewegenden Element kann durch eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung realisiert sein. Unter einer solchen Verbindung werden auch Ausführungen verstanden, bei denen das FG-Element an dem zu bewegenden Element mindestens über einen Abschnitt seiner Ausdehnung anliegt und/oder durch das zu bewegende Element durchgeführt ist und mit diesem mechanisch wechselwirkt.
Ein Abstützen des FG-Elements auf dem Träger kann mit einem losen Ende oder einem nicht form- oder stoffschlüssig mit dem Träger verbundenen Abschnitt erfolgen. Das FG-Element kann in weiteren Ausführungen lösbar oder unlösbar mit dem Träger verbunden sein.
Verbindungen sind beispielsweise lösbare Verbindungen, insbesondere kraft- und/oder
formschlüssige Verbindungen, wie Verschraubungen, Klemmverbindungen oder Steckverbindungen. Verbindungen können in weiteren Ausführungen unlösbare kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindungen wie Klebverbindungen, Schweißverbindungen, Eingießen oder Pressverbindungen sein.
In einer weiteren Ausführung des Stellantriebs ist mindestens ein mittels eines FG-Elements angetriebenes oder antreibbares Klemmelement vorhanden, dessen Kraftwirkung auf das zu bewegende Element gerichtet ist und durch dessen Kraftwirkung das zu bewegende Element gegen ein Widerlager geklemmt ist, so dass das geklemmte zu bewegende Element an einer Klemmposition gehalten ist. Die Kraftwirkung tritt im angetriebenen Zustand auf. Ist das Klemmelement nicht angetrieben ist die Kraftwirkung auf das zu bewegende Element richtbar und zu bewegende Element an einer Klemmposition klemmbar.
Das Klemmelement kann in möglichen weiteren Ausführungen angetrieben sein, wenn sich das FG- Element im abgekühlten und/oder stromlosen Zustand befindet. Soll das zu bewegende Element zugestellt werden, wird das FG-Element erwärmt und/oder von einem elektrischen Strom durchflössen. Die Kraftwirkung des Klemmelements lässt nach oder wird aufgehoben, sodass das zu bewegende Element zustellbar ist. Um das zu bewegende Element an seiner zugestellten Position zu fixieren, wird das FG-Element des Klemmelements wieder abgekühlt und/oder stromlos geschalten woraufhin die Kraftwirkung des Klemmelements wieder einsetzt und das zu bewegende Element an seiner Position gehalten ist. Entsprechendes gilt für die Einwirkung eines Magnetfelds auf das FG- Element beziehungsweise dessen Abschaltung.
Eine solche Ausführung ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn das zu bewegende Element vor der Auslieferung beispielsweise an einen Kunden oder bei der Vorortmontage eines den Stellantrieb umfassenden Produkts justiert wird und nach der Justage für einen längeren Zeitraum an der Klemmposition gehalten werden soll (sogenannte Set-and-Forget-Applikationen). Es ist in weiteren Ausführungen möglich, dass das Klemmelement angetrieben ist, wenn sich das FG- Element im erwärmten und/oder stromführenden Zustand befindet. Soll das zu bewegende Element zugestellt werden, wird das FG-Element abgekühlt und/oder stromlos geschalten. Die Kraftwirkung des Klemmelements lässt nach oder wird aufgehoben, sodass das zu bewegende Element zustellbar ist. Um das zu bewegende Element an seiner zugestellten Position zu fixieren, wird das FG-Element des Klemmelements wieder erwärmt und/oder von einem elektrischen Strom durchflössen.
Entsprechendes gilt für die Einwirkung eines Magnetfelds auf das FG-Element beziehungsweise dessen Abschaltung.
Das Klemmelement kann direkt durch das antreibende FG-Element gebildet sein, welches dann unmittelbar mit dem zu bewegenden Element in Verbindung steht. Diese Ausführung ist sehr platz- und materialsparend.
In einer weiteren möglichen Ausführung ist mindestens eines der FG-Elemente im Wesentlichen aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial gebildet. Ein solches FG-Element kann vorteilhaft durch die Wirkungen von einem oder mehrere Magnetfeldern betätigt werden. Es sind
beispielsweise keine elektrischen Anschlüsse an dem FG-Element erforderlich.
In weiteren Ausführungen kann auf elektrische und/oder elektronische Bauteile an dem Stellantrieb verzichtet werden, wenn dieser mittels geeigneter Magnetfelder betätigt ist.
Das aus dem magnetischen Formgedächtnismaterial bestehende FG-Element kann dabei eines der mit dem zu bewegenden Element verbundenen FG-Elemente und/oder das mindestens eine FG- Element sein.
Werden die FG-Elemente in weiteren Ausführungsformen des Stellantriebs gegensinnig betrieben, kann die Kraftwirkung mindestens eines FG-Elements durch die Kraftwirkungen mindestens eines weiteren FG-Elements teilweise kompensiert werden, wodurch ein Überfahren einer gewünschten Position weitestgehend vermieden werden kann.
Anstatt gegensinnig betriebener FG-Elemente oder zusätzlich zu diesen kann mindestens ein Federelement vorhanden sein, das als Antagonist zu dem mindestens einen FG-Element fungiert.
Der Stellantrieb kann in einer weiteren Ausführung mindestens zwei FG-Elemente aufweisen, die derart angeordnet sind, dass deren jeweilige gerichtete Kraftwirkungen wenigstens anteilig gegeneinander gerichtet sind. Die sich gegenüberliegenden FG-Elemente können gegensinnig betrieben werden. Wird beispielsweise bei einem der FG-Elemente eine Kontraktion bewirkt, wird als Ausgleich bei dem gegenüberliegenden FG-Element eine Ausdehnung verursacht.
In weiteren Ausführungsmöglichkeiten sind die FG-Elemente derart ausgerichtet, dass deren Kraftwirkungen nicht genau einander entgegengerichtet sind. Mittels einer solchen Ausführung ist ein zu bewegendes Element, das mit den beiden FG-Elementen verbunden ist, anteilig in allen Raumrichtungen verschiebbar und um mindestens eine Rotationsachse verkippbar.
Um das aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial bestehende FG-Element anzusteuern und eine Formänderung des FG-Elements zu bewirken, ist in einer weiteren Ausführung des Stellantriebs mindestens eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds derart angeordnet, dass die
Magnetfeldlinien des Magnetfelds quer zur auftretenden gerichteten Kraftwirkung des mindestens einen FG-Element aus magnetischem Formgedächtnismaterial verlaufen. Mittels des Magnetfelds ist vorteilhaft eine berührungslose Ansteuerung des FG-Elements möglich.
Der Stellantrieb kann Bestandteil einer Anordnung, beispielsweise einer mechanischen oder einer optischen Anordnung sein. Die Anordnung weist dabei eine den Verschiebeweg wenigstens auf einer seiner Seiten begrenzenden Wand beispielsweise eines Gehäuses oder eines Tubus auf. Weiterhin ist ein Leiter aus einem magnetisch leitfähigen Material vorhanden, wobei der Leiter wenigstens über einen Abschnitt seiner Länge in der Wand verläuft und der Leiter mit mindestens einem der FG- Elemente derart in Verbindung steht, dass in dem Leiter geführte Magnetfeldlinien mit dem FG- Element wechselwirken. Infolge der Wechselwirkungen, sofern diese stark genug sind, wird die Kraftwirkung verursacht.
Die Vorteile einer solchen Ausführung liegen in einem geringen Platzbedarf und einer robusten Ausführung des Stellantriebs. Beispielsweise ist eine solche Ausführung zum Verfahren optischer Linsen entlang einer optischen Achse, beispielsweise einer optischen Vorrichtung, verwendbar.
Eine optische Vorrichtung ist insbesondere ein Objektiv. Die optische Vorrichtung kann in weiteren Ausführungen auch eine optische Bank, ein Abschnitt eines Strahlengangs eines optischen Geräts, beispielsweise eines Mikroskops oder eines optischen Messgeräts sein. Die optische Vorrichtung kann auch als Cineobjektiv, Kameraobjektiv, Zielfernrohr, binokulares Fernglas oder monokulares Fernglas ausgebildet sein.
Der Stellantrieb kann in der optischen Vorrichtung angeordnet sein um dort optische Elemente, beispielsweise optische Linsen, zu bewegen.
Gemäß dem Stand der Technik wurden Bewegungen im Inneren von optischen Vorrichtungen, z. B. in Objektiven oder anderen optischen oder opto-mechanischen Baugruppen, bislang durch Antriebe bewirkt, die aus dem optischen Baugruppen nach außen verlagert wurden und beispielsweise mittels Elektromotoren betrieben wurden.
Eine Ausführung mit einem integrierten Stellantrieb vermeidet beispielsweise vorteilhaft eine platzintensive Ausführung vorhandener optischer beziehungsweise opto-mechanischer Baugruppen. Zudem sind die mittels eines erfindungsgemäßen Stellantriebs erzeugbaren Stellkräfte größer als solche, die beispielsweise mit miniaturisierten Piezoantrieben erreichbar sind.
Das zu bewegende Element kann eine Halterung oder Fassung sein, in der ein zu justierendes Bauteil, beispielsweise eine oder mehrere optische Linsen, eine Blende, ein Spiegel, ein Filter, ein Sensor oder ein Gitter gehalten ist oder gehalten werden kann.
Das zu bewegende Element kann auch monolithisch ausgebildet sein und das zu justierende Bauteil selbst sein. Beispielsweise kann das zu bewegende Element eine Platte mit einer Blendenöffnung sein. Das zu bewegende Element können eine oder mehrere Linsen, Blenden und/oder ein
Prismensystem, insbesondere ein Umkehrsystem, sein.
Es ist auch möglich, dass wenigstens zwei zu bewegende Elemente vorhanden sind, die als optische Freiformelemente ausgebildet sind. Beispielsweise ist jeweils eine Alvarezplatte ausgebildet, die relativ zueinander bewegt werden sollen. Insbesondere die Bewegung von Alvarezplatten erfordert eine sehr präzise Bewegung in eng begrenztem Bauraum. Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Justage gelöst, die eine Auswerteeinheit zur Auswertung aktueller Ortskoordinaten inklusive Raumkoordinaten und relativer räumlicher Lagen der zu bewegenden Elemente und/oder der FG-Elemente umfasst. Außerdem ist eine Steuereinheit zur Generierung von Steuerbefehlen in Abhängigkeit der ausgewerteten aktuellen Ortskoordinaten vorhanden. Die Ortskoordinaten können beispielsweise zweidimensionale Koordinaten und/oder Raumkoordinaten sein und/oder relative räumliche Lagen beispielsweise des zu bewegenden Elements und eines Verlaufs eines aktuellen Strahlengangs einer optischen Anordnung,
beispielsweise eines Mikroskops, eines Messgeräts, eines Geräts zur Verwendung in einem chirurgischen oder therapeutischen Verfahren, einer Beleuchtungsvorrichtung oder
Belichtungsvorrichtung.
In einer weitergebildeten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Auswerteeinheit und/oder die Steuereinheit, die gemeinsam als Steuereinheit bezeichnet werden können, konfiguriert, um in Abhängigkeit von eingehenden Messwerten von Betriebsparametern und/oder in Abhängigkeit von auswählbaren Betriebsarten der Vorrichtung die Steuerbefehle anhand von Berechnungsvorschriften zu generieren.
Berechnungsvorschriften sind beispielsweise gespeicherte und durch die Steuereinheit abrufbare look-up-tables oder mathematische Funktionen, durch die ein Zusammenhang der Messwerte und der zu generierenden Steuerbefehle vorgegeben ist.
Betriebsarten sind beispielsweise die Nutzung unterschiedlicher Wellenlängen oder
Wellenlängen bereiche zum Beispiel für die Durchführung von Messungen an einer Probe.
Die Vorrichtung kann in einer weiteren Ausführungsform derart ausgebildet sein, dass die
Steuereinheit über eine datentechnische Verbindung mit mindestens einem weiteren Bauteil in Verbindung steht und die Steuereinheit konfiguriert ist, um die Steuerbefehle in Abhängigkeit von erhaltenen Daten des mindestens einen weiteren Bauteils zu generieren.
Der Stellantrieb, die Anordnung sowie die Vorrichtung können beispielsweise in optischen Systemen wie Mikroskopsystemen jedweder Art, beispielsweise Laserscanningmikroskope,
Elektronenmikroskope, Weitfeldmikroskope, verwendet sein.
Eine Anordnung kann mehrere erfindungsgemäße Stellantriebe gleicher oder unterschiedlicher Ausführungen aufweisen.
In weiteren Ausführungen der Anordnung können die vorhandenen Stellantriebe in voneinander verschiedenen Richtungen X, Y und/oder Z verstellbar sein. Es ist ferner möglich, dass
erfindungsgemäße Stellantriebe mit ortsfest verbauten Bauteilen, beispielsweise optischen Linsen, Blenden und/oder Filtern, kombiniert sind.
Mittels der Vorrichtung zur Justage ist beispielsweise eine Möglichkeit des Stellantriebs für
Korrekturverstellungen des zu bewegenden Elements beziehungsweise der zu bewegenden Elemente angegeben. Die erforderlichen Verstellungen können sowohl radial als auch axial erfolgen.
Bei Unzugänglichkeit des optischen Bauteils, beispielsweise durch einen Inkubationsaufbau, muss die Verstellung gemäß dem Stand der Technik von außen motorisch angetrieben werden, während mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Justage ein Antrieb im Inneren des optischen Bauteils bereitgestellt ist. Es ist vorteilhaft eine Verlagerung des Stellantriebs nach außerhalb des optischen Bauteils vermieden.
Der Stellantrieb kann zur Zustellung von Komponenten eines Objektivs verwendet werden. Er kann auch zur Justage eines ein Pinhole aufweisenden zu bewegenden Elements, einer Blende oder eines Korrekturspiegels verwendet werden. Eine weitere mögliche Verwendung des Stellantriebs liegt in der Justage wenigstens zweier optischer Elemente relativ zueinander. Die optischen Elemente können optische Freiformelemente, beispielsweise Alvarezplatten, optische Linsen und/oder Sensoren sein.
Der Stellantrieb und/oder die Vorrichtung zur Justage kann beziehungsweise können zur Justage eines Sensors verwendet werden.
Das zu bewegende Element, und mit diesem ein in diesem gefasstes oder gehaltenes zu justierendes Element (vereinfachend gemeinsam als zu bewegendes Element bezeichnet) wird mittels des Stellantriebs gesteuert bewegt. Dazu können Ist-Messwerte eines Sensors erfasst und ausgewertet werden, indem beispielsweise die Ist-Messwerte mit Soll-Messwerten verglichen werden. In Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs werden die Steuerbefehle generiert.
Die Messwerte sind beispielsweise mittels einer Widerstandsmessung der SMA-Elemente erfassbar. In weiteren Ausführungen werden die Messwerte alternativ oder zusätzlich mithilfe von
Bildauswertungsverfahren ermittelt.
Eine Generierung von Steuerbefehlen kann unterbleiben, wenn die Abweichung von Ist-Messwerten und Soll-Messwerten innerhalb einer zulässigen Toleranzgrenze liegt.
Die vorgeschlagenen Lösungen, insbesondere der Stellantrieb, dessen Verwendungen und die Verfahren zur Justage ermöglichen vorteilhaft, ein oder mehrere zu bewegende Elemente mit hoher Genauigkeit und sehr guter Reproduzierbarkeit um kleine Strecken zu verstellen. Die beschriebenen Lösungen ermöglichen den Einsatz von Stellantrieben unter konstruktiv schwierigen Bedingungen, bei geringem verfügbaren Bauraum und mit geringen Kosten.
Es sind vorteilhaft keine Zugänge für Werkzeug notwendig. Eine Live-Justage, also eine Justage unter enger zeitlicher Beobachtung ist möglich. Die Vorrichtung kann im vollständig montierten Zustand justiert werden, sodass keine erneute Demontage und/oder Nachbearbeitung notwendig sind.
Weitere Vorteile bestehen in der Möglichkeit Vor-Ort-Justage beim Kunden durchzuführen, wobei diese beispielsweise über ein Netzwerk ohne die unmittelbare Präsenz eines Servicetechnikers erfolgen kann. Die Justage kann natürlich auch vor Ort durch einen Servicetechniker durchgeführt werden.
Die Vorrichtung, insbesondere die Steuereinheit, kann derart konfiguriert sein, dass eine
Nachjustage, wie diese beispielsweise nach einem Transport der Vorrichtung oder nach einem bestimmten Nutzungszeitraum erforderlich sein kann, vorgenommen wird. Dazu kann in einem Speicher der Steuereinheit oder in einem mit dieser verbundenen Speicher ein Werkzustand der Vorrichtung hinterlegt sein, der bei der Nachjustage überprüft oder wiederhergestellt wird.
Die Konfiguration der Steuereinheit kann ferner auch derart erfolgen, dass eine Optimierung der Vorrichtung, also deren Leistungsparameter wie zum Beispiel die Auflösung oder die Präzision der Zustellung des zu bewegenden Elements an eine gewünschte Soll-Position, in Abhängigkeit äußerer Einflüsse erfolgt.
So können Messwerte der aktuellen Raumtemperatur erfasst werden. Anhand der hinterlegten Berechnungsvorschriften werden Steuerbefehle generiert, um eventuelle Auswirkungen von
Temperaturänderungen, z. B. Längenänderung von Teilen der Vorrichtung und/oder des
Stellantriebs, auszugleichen.
Es ist ebenfalls möglich, die Anordnung oder die Vorrichtung zusammen mit anderen
Systemkomponenten zu verwenden. Die Berechnungsvorschriften können in Abhängigkeit der anderen tatsächlich vorhandenen Systemkomponenten ausgewählt und/oder modifiziert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. la eine schematische Darstellung eines Formgedächtnis-Elements aus einer
Gedächtnislegierung sowie dessen Verhalten bei Verformung und Erwärmung;
Fig. lb eine schematische Darstellung eines Formgedächtnis-Elements aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial und dessen Verhalten bei unterschiedlichen Magnetfeldeinflüssen;
Fig. lc eine schematische Darstellung eines Formgedächtnis-Elements aus einem dielektrischen Elastomer als Formgedächtnismaterial und dessen Verhalten in einem elektrischen Feld;
Fig. 2a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stellantriebs in einer seitlichen Darstellung,
Fig. 2b eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stellantriebs in einer seitlichen Draufsicht,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stellantriebs mit einem Formgedächtnis-Element als Klemmelement und ein erstes
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Justage von zu bewegenden Elementen,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung mit mehreren Stellantrieben, die zugleich als ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Justage von zu bewegenden
Elementen ausgebildet ist,
Fig. 5a eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stellantriebs und eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Draufsicht,
Fig. 5b die schematische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stellantriebs und des dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer seitlichen Schnittdarstellung,
Fig. 6a eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stellantriebs und eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Draufsicht, Fig. 6b die schematische Darstellung des vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stellantriebs und des vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer seitlichen Schnittdarstellung,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stellantriebs und eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stellantriebs und eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines siebenten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stellantriebs und eines siebenten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Stellantrieben gemäß des siebten Ausführungsbeispiels,
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Stellantrieben gemäß eines achten Ausführungsbeispiels,
Fig. 12 eine schematische Darstellung eines zehnten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Stellantrieben gemäß eines neunten Ausführungsbeispiels,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines elften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Stellantrieben gemäß des siebenten und des neunten Ausführungsbeispiels,
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines zwölften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Stellantrieb gemäß eines zehnten Ausführungsbeispiels,
Fig. 15a eine schematische Darstellung eines zwölften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Stellantrieb gemäß eines zehnten Ausführungsbeispiels in der Draufsicht,
Fig. 15b eine schematische Darstellung des zwölften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Stellantrieb gemäß eines zehnten Ausführungsbeispiels in der Seitenansicht,
Fig. 16 eine schematische Darstellung eines dreizehnten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Magneten zur Verbindung von Träger und zu bewegenden Element in einer Seitenansicht als Schnittdarstellung
Fig. 17 eine schematische Darstellung des dreizehnten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Draufsicht mit radial wirkenden FG-Elementen,
Fig. 18 eine schematische Darstellung eines vierzehnten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Sensoren zur induktiven Messung von Positionen.
In den schematischen Darstellungen der Ausführungsbeispiele sind gleiche technische Element mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, falls nicht ausdrücklich anders angegeben. Die
Darstellungen sind nicht maßstabsgerecht. Die Figuren la bislc wurden der Internetseite http://www.smarthoch3.de/ueber-smart3/smart-materials (Stand 30. Mai 2016) entnommen und durch Figurennummern und Bezugszeichen ergänzt. Die Figuren 2 bis 15b sind als
Schnittdarstellungen oder als Teilschnitte gezeigt. Die Eigenschaften eines Formgedächtnis-Elements 7 (fortan: FG-Element 7) aus einer thermischen Formgedächtnislegierung sind in den Teilfiguren (1) bis (4) der Fig. la dargestellt. Das FG- Element lweist in einer Ausgangsform eine bestimmte Gitterstruktur auf (Teilfigur (1)). Wird das FG- Element 7 beispielsweise durch eine mechanische Krafteinwirkung in eine veränderte Form gebracht (Teilfigur (2)), wird wenigstens bereichsweise dessen Gitterstruktur verändert. Bei Einwirken eines Stimulus, im dargestellten Fall von Wärme, auf das verformte FG-Element 7 (Teilfigur (3)) nimmt dieses wieder seine Ausgangsform an (Teilfigur (4)). Kühlt das FG-Element 7 wieder ab, wird die ursprüngliche Gitterstruktur wieder hergestellt.
In dem erläuterten Sinne verhalten sich auch magnetische Formgedächtnismaterialien (Fig. lb). Je nach Richtung und Stärke des auf das FG-Element 7 einwirkenden Magnetfelds, veranschaulicht durch die zugehörigen Magnetfeldlinien MFL (siehe Fig. 5 bis 7), wird eine Formänderung des FG- Elements 7 bewirkt.
Sogenannte Dielektrische Elastomeraktoren bestehen im Wesentlichen aus einem dielektrischen Elastomer. Wird dieses einem elektrischen Feld ausgesetzt, verändern sich die Form und/oder die Dimensionen des DEA (Fig. lc).
Ein Stellanrieb 1 umfasst als wesentliche Bestandteile ein zu bewegendes Element 6, einen Träger 5 und mindestens ein FG-Element 7, wobei das FG-Element 7 mit dem zu bewegenden Element 6 in Verbindung steht und sich an dem Träger 5 abstützend ausgebildet ist (Fig. 2a).
In einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellantriebs 1, sind ein erstes FG- Element 7.1 und ein zweites FG-Element 7.2 vorhanden. Das zu bewegende Element 6 ist als eine Fassung einer optischen Linse 20 ausgebildet. Zwischen dem zu bewegenden Element 6 und dem Träger 5, der hier durch einen Tubus 18 oder in Hinblick auf weitere mögliche Ausführungen verallgemeinernd durch ein Gehäuse 18 gebildet ist, befindet sich umlaufend um das zu bewegende Element 6 ein Freiraum 15. Die FG-Elemente 7.1, 7.2 sind in dem Freiraum 15 angeordnet.
Durch eine Änderung der Ausdehnung der FG-Elemente 7.1 und/oder 7.2 in mindestens einer ihrer Dimensionen wird eine gerichtete Kraftwirkung F auf das zu bewegende Element 6 ausgeübt (mittels der Doppelpfeile symbolisiert), durch die das zu bewegende Element 6 in der X-Y-Ebene XY verschiebbar ist und die optische Linse 20 in Bezug auf eine in Richtung der Z-Achse Z verlaufende optische Achse 4 einer nicht näher dargestellten optischen Anordnung 2 justierbar ist.
In weiteren Ausführungsmöglichkeiten des Stellantriebs 1 sind die FG-Elemente 7.1 und 7.2 derart angeordnet und ausgebildet, dass die Kraftwirkung F in Richtung der Z-Achse Z erzeugt wird und das zu bewegende Element 6 mit der optischen Linse 20 entlang der optischen Achse 4 justierbar ist.
Es ist in weiteren Ausführungen möglich, dass mittels der FG-Elemente 7.1, 7.2 Verschiebungen des zu bewegenden Elements 6 sowohl in der X-Y-Ebene XY als auch in Richtung der Z-Achse Z realisierbar sind.
Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellantriebs 1 mit einem FG-Element 7.1 zur Justage des zu bewegenden Elements 6 entlang der optischen Achse 4 sowie ein mittels eines FG-Elements 7K angetriebenes Klemmelement 8. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 ist das Klemmelement 8 durch das unmittelbar mit dem zu bewegenden Element 6 in Verbindung stehenden FG-Element 7K selbst gebildet. Mittels des ersten FG-Elements 7.1 ist das zu bewegende Element 6 entlang der Z-Achse Z, die hier wiederum mit der optischen Achse 4 zusammenfällt, verschiebbar. Die Kraftwirkung F des FG- Elements 7K ist orthogonal zur Richtung der Kraftwirkung F des ersten FG-Elements 7.1 auf das zu bewegende Element 6 gerichtet oder richtbar. Das erste FG-Element 7.1 stützt sich an dem Träger 5 ab, der an dem Gehäuse 18 angeformt ist.
Das FG-Element 7K ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein MSM-FG-Element aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial. Das FG-Element 7.1 besteht im Wesentlichen aus einer Formgedächtnislegierung und ist thermisch ansteuerbar.
In weiteren Ausführungen können das FG-Element 7.1 und das FG-Element 7K aus jeweils einem thermisch steuerbaren Formgedächtnismaterial, einem magnetisch steuerbaren
Formgedächtnismaterial oder aus einem dielektrischen Elastomer als Formgedächtnismaterial bestehen.
Die entsprechende Austauschbarkeit der Formgedächtnismaterialien der FG-Elemente 7 beziehungsweise der FG-Elemente 7K der Klemmelemente 8 gilt für alle beschriebenen
Ausführungen der Erfindung, falls dieses nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
Um die Bewegungen und die Kraftwirkungen F der FG-Elemente 7.1 und 7K zu steuern, sind eine Auswerteeinheit 9 und eine Steuereinheit 10 vorhanden. Die FG-Elemente 7.1 und 7K sind mittels der Steuereinheit 10 unabhängig voneinander ansteuerbar. Dabei erfolgt die Ansteuerung beispielsweise dadurch, dass je FG-Elemente 7.1, 7K ein elektrischer Strom bestimmter Stärke und mit einer bestimmten elektrischen Spannung durch diese fließt. Infolge der Wirkung des ohmschen Widerstands der jeweiligen FG-Elemente 7.1, 7K und der dabei erzeugten Wärme wird eine Änderung wenigstens einer Dimension der FG-Elemente 7.1, 7K bewirkt.
Eine aktuelle Länge sowie ein aktueller ohmscher Widerstand jedes der FG-Elemente 7.1, 7K ist mittels einer geeigneten und dem Fachmann bekannten Messschaltung 11 oder eines Sensors 11 erfassbar. Die dabei erhaltenen Messwerte werden der Auswerteeinheit 9 übermittelt, die wiederum mit der Steuereinheit 10 in einer für die Übertragung von Daten geeigneten Weise in Verbindung steht und als dessen Bestandteil oder Untereinheit ausgebildet sein kann. Die Auswerteeinheit 9 ist zur Auswertung aktueller Ortskoordinaten beispielsweise der FG-Elemente 7.1, 7K sowie deren aktueller Ausdehnungszustände, der aktuellen räumlichen Lage eines Strahlengangs der optischen Anordnung 2 und/oder der aktuellen relativen Lage des zu bewegenden Elements 6, in Bezug zum aktuellen Strahlengang konfiguriert.
Der Stellantrieb 1, die Auswerteeinheit 9 und die Steuereinheit 10 sind wesentliche Elemente einer Vorrichtung 3 zur Justage des zu bewegenden Elements 6, deren erstes Ausführungsbeispiel in der Fig. 3 gezeigt ist.
In Abhängigkeit der von der Auswerteeinheit 9 übermittelten Messwerte und/oder von
Auswerteergebnissen der Auswerteeinheit 9 sowie optional unter Verwendung weiterer Messwerte beispielsweise der Umgebungstemperatur, werden durch die Steuereinheit 10 Steuersignale zur Ansteuerung der FG-Elemente 7.1, 7K generiert und ausgegeben. Durch den aktuellen Strahlengang beziehungsweise dessen aktuellen Verlauf ist die optische Achse 4 der optischen Anordnung 2 gegeben. Die Steuerbefehle werden in nicht dargestellten Vorrichtungen umgesetzt und die entsprechenden Stromflüsse und/oder Temperaturänderungen der FG-Elemente 7.1, 7K bewirkt.
Das zu bewegende Element 6 kann entlang der optischen Achse 4 justiert werden. Ist das zu bewegende Element 6 mittels des ersten FG-Elements 7.1 entlang der Z-Achse Z justiert und befindet sich an einer aktuellen Justageposition, wird ein Steuerbefehl für das FG-Element 7K generiert und ausgeführt, worauf das zu bewegende Element 6 durch die Kraftwirkung F des FG-Elements 7K gegen den Träger 5 gepresst und an der aktuellen Justageposition in einer Klemmposition gehalten wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 3 mit mehreren Stellantrieben 1 ist in der Fig. 4 dargestellt. Die optische Vorrichtung 3 in Form eines Objektivs 19 ist zugleich als eine erfindungsgemäße Vorrichtung 3 zur Justage von zu bewegenden Elementen 6 ausgebildet.
In einem Gehäuse 18 sind eine Fassung 17 einer als Frontlinse ausgebildeten optischen Linse 20 sowie ein rohrförmiger Träger 5 angeordnet. In dem Träger 5 befinden sich vier zu bewegende Elemente 6.1 bis 6.4 in Form von Fassungen optischer Linsen 20, die entlang der optischen Achse 4 der optischen Anordnung 2 aufgereiht sind. Zwischen den zu bewegenden Elementen 6.1 und 6.2 sowie 6.2 und 6.3 befinden sich die FG-Elemente 7.1 und 7.2 beziehungsweise 7.3 und 7.4. Die zu bewegenden Elemente 6.1 bis 6.3 sind mittels der jeweiligen FG-Elemente 7.1 bis 7.4 in Richtung der Z-Achse Z in Richtung der optischen Achse 4 der Anordnung 2 justierbar.
Das zu bewegende Element 6.4 steht mit den FG-Elementen 7.5 und 7.6 in unmittelbarer Verbindung und ist in der X-Y-Ebene XY justierbar.
Einzelne oder alle der ersten bis dritten zu bewegenden Elemente 6.1 bis 6.3 können in einer weiteren Ausführung mit einem Klemmelement 8 versehen sein (siehe Fig. 3). Das vierte zu bewegende Element 6.4 kann in einer weiteren Ausführung alternativ oder zusätzlich zu
Klemmelementen 8 der ersten bis dritten zu bewegenden Elemente 6.1 bis 6.3 mit einem
Klemmelement 8 versehen sein, wie dies beispielsweise in der Fig. 5b beschrieben ist.
Die Fig. 5a zeigt eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Stellantriebs 1 und ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 entlang der optischen Achse 4.
Das zu bewegende Element 6 ist über vier FG-Elemente 7.1 bis 7.4 mit dem als Träger 5 fungierenden Gehäuse 18 unmittelbar verbunden.
In der seitlichen Schnittdarstellung des dritten Ausführungsbeispiels des Stellantriebs 1 und der Vorrichtung 3 sind weitere Elemente zu sehen, auf die aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Fig. 5a verzichtet wurde.
Das zu bewegende Element 6, und somit die optische Linse 20, ist in der X-Y-Ebene XY justierbar. Mit dem Erreichen einer aktuellen Justageposition wird das zu bewegende Element 6 mittels der Klemmelemente 8, die durch die FG-Elemente 7K angetrieben sind, in axialer Richtung, also in Richtung der Z-Achse Z, gegen einen als Anschlag 14 wirkenden Teil des Gehäuses 18 gepresst und an der aktuellen Justageposition (Klemmposition) gehalten. Die FG-Elemente 7.1 bis 7.4 bestehen aus einem magnetisch steuerbaren Formgedächtnismaterial (MSM-FG-Elemente).
Das Gehäuse 18 radial umfangend sind eine erste Spule 16.1 und eine zweite Spule 16.2 zur
Erzeugung eines Magnetfelds angeordnet. Die Orientierungen der Spulen 16.1, 16.2 und ein elektrischer Stromfluss durch diese sind derart gewählt, dass die Magnetfeldlinien MFL quer zur auftretenden gerichteten Kraftwirkung F der FG-Elemente 7.1 bis 7.4 verlaufen.
Durch die Wirkung des Magnetfelds, insbesondere durch dessen Stärke und Richtung, werden die FG-Elemente 7.1 bis 7.4 berührungslos angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt dabei durch das Gehäuse 18 hindurch, so dass keine Öffnungen in einer Wand 13 des Gehäuses 18 erforderlich sind.
Dabei ist dem Fachmann bekannt, dass die Magnetfeldlinien MFL eines Magnetfelds gebogenen Bahnen folgen. Der Fachmann versteht die gegebene vereinfachende Beschreibung und wählt die Spulen 16.1, 16.2 und deren Anordnung so aus, dass der vorgenannte Effekt auf die FG-Elemente 7.1 bis 7.4 in einem technisch sinnvoll nutzbaren Umfang auftritt.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Stellantriebs 1 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 sind die FG-Elemente 7.1 bis 7.3 (Fig. 6a und 6b) derart angeordnet, dass deren Kraftwirkung F koaxial zur optischen Achse 4 in Richtung der Z-Achse Z auftritt. Die FG-Elemente 7.1 bis 7.3 bestehen aus magnetisch steuerbaren Formgedächtnismaterial (MSM-FG-Elemente).
Die beiden Spulen 16.1 und 16.2 sind jeweils in Ebenen parallel zur optischen Achse 4 angeordnet. Die Magnetfeldlinien MFL des durch die Spulen 16.1, 16.2 erzeugten beziehungsweise erzeugbaren Magnetfelds verlaufen wieder quer zur Kraftwirkung F der FG-Elemente 7.1 bis 7.3, allerdings nun in Richtung der Y-Achse Y und damit quer zur optischen Achse 4.
Die mittels des Magnetfelds in den FG-Elementen 7.1 bis 7.3 bewirkte oder bewirkbare Änderung der Dimensionen, insbesondere der Länge der FG-Elemente, 7.1 bis 7.3 kann für ein Justage des zu bewegenden Elements 6 entlang der Z-Achse Z genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ können Kippbewegungen des zu bewegenden Elements 6 um die X-Achse X und/oder um die Y-Achse Y mit den Kippwinkeln cpX beziehungsweise cpY erzeugt werden.
In der Fig. 7 ist eine weitere Ausführung des Stellantriebs 1 und der Vorrichtung 3 dargestellt, die eine Abwandlung der zu Fig. 6b beschriebene Ausführung darstellt.
In dem Gehäuse 18 sind entlang der optischen Achse 4 zwei zu bewegende Elemente 6 angeordnet, die jeweils eine optische Linse 20 halten. Zwischen den zu bewegenden Elementen 6 sind zwei FG- Elemente 7.1, 7.2 angeordnet, deren Kraftwirkung F parallel zur optischen Achse 4 gerichtet ist. Die FG-Elemente 7.1, 7.2 sind zwischen den als Fassungen ausgebildeten zu bewegenden Elementen 6 angeordnet und stützen sich an einem der zu bewegenden Elemente 6 ab während die FG- Elemente 7.1, 7.2 in dem jeweils anderen zu bewegenden Element 6 gelagert sind.
Die Spulen 16.1 und 16.2 sind so angeordnet, dass die Magnetfeldlinien MFL der von den
Spulen 16.1, 16.2 erzeugten Magnetfelder quer zur optischen Achse 4 und zur Kraftwirkung F der FG- Elemente 7.1, 7.2 verlaufen. Die beiden zu bewegenden Elemente 6 sind mittels des Stellantriebs 1 relativ zueinander entlang der optischen Achse 4 justierbar. Die Wirkung des Magnetfelds beziehungsweise der Magnetfelder der Spulen 16.1, 16.2 ist durch die Wand 13 des Gehäuses 18 applizierbar.
Eines der zu bewegenden Elemente 6 ist fest mit dem Gehäuse 18 verbunden während das andere zu bewegende Element 6 entlang der optischen Achse 4 verschiebbar ist. Die FG-Elemente 7.1, 7.2 stehen über das fest mit dem Gehäuse 18 verbundene zu bewegende Element 6 mit dem als Träger 5 fungierenden Gehäuse 18 in mittelbarer Verbindung.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stellantriebs 1 und ein sechstes
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 ist in der Fig. 8 schematisch gezeigt.
Die dargestellte Anordnung 2 umfasst einen Stellantrieb 1 mit einem FG-Element 7, das in eine erste Wand 13.1 des Gehäuses 18 ragt.
Ein Verschiebeweg quer zur optischen Achse 4 ist durch das Gehäuse 18 und dessen Wände
13.1, 13.2 (nur diese beiden gezeigt) auf seinen Seiten parallel zur optischen Achse 4 begrenzt.
In der ersten Wand 13.1 ist ein Leiter 12 aus einem magnetisch leitfähigen Material U-förmig eingebracht, wobei der Leiter 12 wenigstens über einen Abschnitt seiner Länge in der ersten Wand 13.1 verläuft und der Leiter 12 mit dem der FG-Element 7.1 in Verbindung steht. In dem Leiter 12 geführte oder führbare magnetische Flüsse, symbolisiert durch die Magnetfeldlinien MFL, wechselwirken mit dem FG-Element 7.1 und verursachen die Kraftwirkung F.
Der Leiter 12 ist beispielsweise ein Teil eines Kerns der Spule 16.1 und besteht aus einem Material mit guter magnetischer Leitfähigkeit. Der Leiter 12 ist beispielsweise durch einen Eisenkern oder einen Kern aus Eisenblechen gebildet.
In weiteren Ausführungen der zu Fig. 8 gezeigten Anordnung 2 und Vorrichtung 3 steht das zu bewegende Element 6 mit mehreren FG-Elementen 7.1 bis 7.n in Verbindung. Diese können eine Justage zusätzlich oder alternativ in Richtung der optischen Achse 4 ermöglichen. Ferner kann ein Klemmelement 8 und ein zugehöriges FG-Element 7K vorgesehen sein.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stellantriebs 1 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 ist in Fig. 9 dargestellt. Das erste und das zweite FG- Element 7.1, 7.2 sind zur lateralen Verschiebung und Justage des zu bewegenden Elements 6 ausgebildet. Das als Klemmelement 8 ausgebildete FG-Element 7K kann in alternativen Ausführungen durch ein Federelement 21 ersetzt sein. In weiteren Ausführungen ist ein FG-Element 7K und ein Federelement 21 vorhanden. Beispielsweise wirkt ein Federelement 21 als Klemmelement 8 quer zum ersten FG-Element 7.1 und ein FG-Element 7K wirkt quer zum zweiten FG-Element 7.1. Kräfte, insbesondere Klemmkräfte, an deren Entstehung wenigstens ein Federelement 21 beteiligt ist oder, ja nach Ausführungsalternative, beteiligt sein kann , werden nachfolgend auch mit Fcoil bezeichnet. Der Träger 5 umfängt jeweils eines der FG-Elemente 7.1 beziehungsweise 7.2 und je eines der Bauteile FG-Element 7K und/oder Federelement 21.
Vorteile einer solchen Ausführung liegen in der möglichen Reduzierung der Anzahl aktiver FG- Elemente. Mittels des Federelements 21 beziehungsweise der Federelemente 21 werden
Federkräfte Fcoil auf das zu bewegende Element 6 gerichtet, die groß genug sind, um in
Zusammenwirken mit auftretenden Reibungskräften eine Dejustierung des zu bewegenden Elements 6 zu verhindern. Die FG-Elemente 7.1, 7.2 sind so ausgelegt, dass diese eine Kraftwirkung F entfalten können, mit der die Federkräfte Fcoil überwunden werden können und eine präzise und steuerbare Verstellung des zu bewegenden Elements 6 ermöglicht ist.
Wird das Klemmelement 8 durch FG-Elemente 7K realisiert, können die erzeugten oder erzeugbaren Kraftwirkungen Fcoil auch größer als die erzeugbare Kraftwirkungen F des ersten und des zweiten FG-Elements 7.1, 7.2 sein.
Eine weitere Ausführung einer Vorrichtung 3 in Form eines Optiksystems, beispielsweise eines Fülltrichters, ist dadurch realisiert und in der Fig. 10 gezeigt, dass vier Stellantriebe 1 der zu Fig. 9 beschriebenen Ausführungsbeispiel entlang der optischen Achse 4 in einem Gehäuse 18
übereinander aufgestapelt sind. Zwischen den optischen Linsen 20 ist jeweils ein Freiraum 15 vorhanden. Die derart gestapelt angeordneten Stellantriebe 1 sind quer zur optischen Achse 4 verschiebbar und justierbar. In weiteren Ausführungen der Vorrichtung 3 können andere Anzahlen von Stellantrieben 1, beispielsweise zwei, drei oder fünf, vorhanden sein.
In weiteren Ausführungen der Vorrichtung 3 sind die vorhandenen Stellantriebe 1 in voneinander verschiedenen Richtungen X, Y und/oder Z verstellbar.
Es ist ferner möglich, dass erfindungsgemäße Stellantriebe 1 mit ortsfest verbauten Bauteilen, beispielsweise optischen Linsen, Blenden und/oder Filtern, kombiniert sind.
In einer in der Fig. 11 dargestellten Abwandlung der Vorrichtung 3 sind vier Stellantriebe 1 des zu Fig. 9 beschriebenen Ausführungsbeispiels entlang der optischen Achse 4 übereinander aufgestapelt. Jeder der Träger 5 weist quer zur optischen Achse 4 und von dieser abgewandt einen verlängerten Wandbereich 5.1 auf (active alignment Stapelfassung). Die verlängerten Wandbereiche 5.1 benachbart angeordneter Stellantriebe 1 liegen aneinander an und sind mittels je eines schematisch dargestellten Befestigungsmittels miteinander, vorteilhaft lösbar, verbunden. Die derart realisierte Vorrichtung stellt ein Optiksystem aus mehreren active alignment Stapelfassungen dar.
In der Fig. 12 ist eine weitere mögliche Ausführung eines Stellantriebs 1 und einer Vorrichtung 3 dargestellt, wobei das erste und zweite FG-Element 7.1, 7.2 sich einander gegenüberliegend an dem zu bewegenden Element 6 angeordnet sind. Die Wirkrichtung, also die Richtung, in der die
Kraftwirkung F der ersten und zweiten FG-Elemente 7.1, 7.2 auftritt, verläuft parallel zur optischen Achse 4. Quer zur optischen Achse 4 ist das FG-Element 7K angeordnet, dessen Klemmwirkung, die zugehörige Klemmkraft ist mit Fcoil bezeichnet, orthogonal zur optischen Achse 4 gerichtet ist. Das zu bewegende Element 6 wird infolge einer bewirkten und hinreichend großen Klemmkraft Fcoil gegen den Teil des Trägers 5 gedrückt, der den FG-Elementen 7.1, 7.2 und 7K gegenüber liegt.
Eine Verwendung eines zu Fig. 12 beschriebenen Stellantriebs 1 ist in der Fig. 13 in Form einer eine Anordnung 2 umfassenden Vorrichtung 3 gezeigt, die als ein Optiksystem, beispielsweise ein Objektiv 19, ausgebildet ist. Auf einer als eine gemeinsame Basis fungierenden Wand 13
beispielsweise eines Gehäuses 18 sind alternierend je ein zu Fig. 9 beschriebener und ein zu Fig. 12 beschriebener Stellantrieb 1 entlang der optischen Achse 4 angeordnet. Die optischen Linsen 20 der einzelnen Stellantriebe 1 sind je nach Ausführung des Stellantriebs 1 quer beziehungsweise in Richtung der optischen Achse 4 justierbar.
Das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 3 und des Stellantriebs 1 gemäß der Fig. 14 entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau der zu Fig. 9 beschriebenen Ausführungsmöglichkeit, wobei die Klemmelemente 8 durch Federelemente 21 gebildet sind. Die FG-Elemente 7.1 und7.2 bestehen aus magnetisch steuerbaren Formgedächtnismaterial (MSM-FG-Elemente). Das Gehäuse 18 radial umfangend sind eine erste Spule 16.1 und eine zweite Spule 16.2 zur Erzeugung eines Magnetfelds angeordnet. Die Orientierungen der Spulen 16.1, 16.2 und ein elektrischer Stromfluss durch diese sind derart gewählt, dass die Magnetfeldlinien MFL quer zur auftretenden gerichteten Kraftwirkung F der FG-Elemente 7.1 bis 7.4 verlaufen.
Durch die Wirkung des Magnetfelds, insbesondere durch dessen Stärke und Richtung, werden die FG-Elemente 7.1 bis 7.4 berührungslos angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt dabei durch das Gehäuse 18 hindurch, so dass keine Öffnungen in einer Wand 13 des Gehäuses 18 erforderlich sind.
In Fig. 15a und 15b ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 3 zur 5-dimensionalen Justage dargestellt. In der Draufsicht der Fig. 15a sind neben lateral, also quer zur optischen Achse 4 wirkenden FG-Elementen 7.1 bis 7.3 drei weitere FG-Elemente 7.4 bis 7.6 vorhanden, die parallel zur optischen Achse 4 wirken.
Wie aus der schematischen Seitenansicht der Fig. 15b zu entnehmen ist, erzeugen die lateral wirkenden FG-Elemente 7.1 bis 7.3 -infolge der Schnittdarstellung ist nur das FG-Element 7.1 zu sehen - eine Kraftwirkung F orthogonal zur optischen Achse 4. Mittels der weiteren FG-Elemente 7.4 bis 7.6 ist das zu bewegende Element 6 mit der optischen Linse 20 entlang der optischen Achse 4 verschiebbar und kann zusätzlich um einen Kippwinkel cpX um die X-Achse X und/oder um einen Kippwinkel cpY um die Y-Achse Y gekippt werden.
Die Fig. 16 illustriert ein Positioniersystem, bei dem das zu bewegende Element 6 an seiner dem Träger 5 zugewandten Seite Magnete 22 aufweist. Der Träger 5 besteht aus einem magnetischen Material, sodass das zu bewegende Element 6 und der Träger 5 durch eine Magnetkraft Fmag zwischen den Magneten 22 und dem Träger 5 miteinander verbunden sind. Das zu bewegende Element 6 und der Träger 5 berühren sich entlang einer Auflagefläche 23, während die Magnete 22 nicht in unmittelbaren Kontakt mit dem Träger 5 gelangen. Die aktuelle Position des zu bewegenden Elements 6 kann mittels Sensoren 11 erfasst werden, deren Messwerte von der Auswerteeinheit 9 ausgewertet und an die Steuereinheit 10 übermittelt werden. Die Steuereinheit 10 erzeugt und erteilt in Abhängigkeit der von der Auswerteeinheit 9 bereitgestellten Daten Steuerbefehle, die zur Ansteuerung der FG-Elemente 7 dienen. Die FG-Elemente 7, 7.1, 7.2 können zwischen dem Träger 5 und dem zu bewegenden Element 6 angeordnet sein.
In weiteren Ausführungen können die FG-Elemente 7 auch als Drähte oder Streifen ausgebildet sein und aus einer radialen Richtung, also im Wesentlichen quer zur optischen Achse 4, auf das zu bewegende Element 6 einwirken (Fig. 17). Die als Streifen ausgebildeten FG-Elemente 7.1, 7.2 sind dabei an dem Träger 5 angelenkt und mittels der Steuereinheit 10 ansteuerbar. Die FG-Elemente 7.1, 7.2 wirken über je einen Vorsprung 6.1 des zu bewegenden Elements 6 auf dieses ein. Je nach Änderung der Länge der jeweiligen FG-Elemente7.1, 7.2 wird das zu bewegende Element 6 und die optische Linse 20 im Wesentlichen in einer Ebene orthogonal zur optischen Achse 4 verschoben (durch Doppelpfeil symbolisiert).
In weiteren Ausführungen der Vorrichtung können weitere FG-Elemente 7 vorhanden sein, mittels denen eine Stellbewegung des zu bewegenden Elements 6 in einer X-Y-Ebene ermöglicht ist. Eine Möglichkeit besteht darin, dass entlang der optischen Achse 4 eine weitere Anordnung wie die in Fig. 17 gezeigte vorhanden ist, die jedoch gegenüber der ersten Anordnung um einen Winkel, beispielsweise um 90°, gedreht angeordnet ist. Auf diese Weise können das zu bewegende Element 6 und die optische Linse 20 durch eine der Anordnungen im Wesentlichen entlang der X-Achse X und durch die andere Anordnung im Wesentlichen entlang der Y-Achse Y verstellt werden. Das
Zusammenwirken mindestens zweier solcher gegeneinander gedrehter Anordnungen ermöglicht eine freie Positionierbarkeit des zu bewegenden Elements 6 in der X-Y-Ebene im Rahmen der jeweils realisierbaren Stellwege.
Es ist auch möglich, dass in einer Ebene drei, vier oder mehr FG-Elemente 7 angeordnet sind, durch deren Zusammenwirken das zu bewegende Element 6 in der X-Y-Ebene verstellbar ist.
Ferner ist es möglich, dass FG-Elemente 7 in Anordnungen in unterschiedlichen Ebenen entlang der optischen Achse 4 (in Richtung der Z-Achse Z) angeordnet sind.
Eine Positionierung erfolgt wie oben beschrieben mittels Sensoren 11 (nicht gezeigt),
Auswerteeinheit 9 und Steuereinheit 10.
Die Fig. 18 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als ein Positioniersystem ausgebildet ist. An dem Träger 5 sind als Sensoren 11 Induktionsspulen unter einem Winkel von je 120° zueinander angeordnet. Das Material des zu bewegenden Elements 6 besteht wenigstens zu einem Anteil aus elektrisch leitfähigem Material, sodass mittels der Sensoren 11 eine aktuelle Position (Ist-Position) des zu bewegenden Elements 6 ermittelbar ist. Diese aktuelle Position kann durch die jeweiligen Abstände D zwischen einem jedem Sensor 11 und dem zu bewegenden Element 6 beschrieben werden. Die Abstände D sind symbolisch durch Doppelpfeile veranschaulicht.
Verändert sich wenigstens einer der Abstände D, verändern sich auch die Induktivitäten und/oder die erfassten Impedanzen an den jeweiligen Sensoren 11. Diese Veränderungen werden an einen Induktion-Digital-Wandler 24 übermittelt und gewandelt, bevor die gewandelten Daten an die Auswerteeinheit 9 übertragen werden. Mittels der Steuereinheit 10 ist eine Ansteuerung der FG- Elemente 7, 7.1, 7.2, 7.3 in Abhängigkeit der von der Auswerteeinheit übermittelten Daten möglich. Eine festgestellte Abweichung der aktuellen Position des zu bewegenden Elements 6 von einer gewünschten Position (Soll-Position) kann durch eine entsprechende Ansteuerung der FG- Elemente 7, 7.1, 7.2, 7.3 kompensiert werden.
Bezugszeichen
1 Stellantrieb
2 optische Anordnung
3 Vorrichtung
4 optische Achse
5 Träger
5.1 verlängerter Wandbereich (des Trägers 5)
6 zu bewegendes Element
6.1 Vorsprung
7 FG-Element
7.1 erstes FG-Element
7.2 zweites FG-Element
7.3 drittes FG-Element
7.4 viertes FG-Element
7K FG-Element (des Klemmelements 8)
8 Klemmelement
9 Auswerteeinheit
10 Steuereinheit
11 Messschaltung / Sensor
12 Leiter
13 Wand
13.1 Wand
13.2 Wand
14 Anschlag
15 Freiraum
16.1 erste Spule
16.2 zweite Spule
17 Fassung 18 Gehäuse / Tubus
19 Objektiv
20 optische Linse
21 Federelement
22 Magnet
23 Auflagefläche
24 Induktion-Digital-Konverter
MFL Magnetfeldlinien
D Abstand
F Kraftwirkung
Fcoil Kraftwirkung (des Federelements 21)
Fmag Magnetkraft
X X-Achse
Y Y-Achse
Z Z-Achse
XY X-Y-Ebene
XZ X-Z-Ebene
YZ Y-Z-Ebene
cpX Kippwinkel (um die X-Achse X) cpY Kippwinkel (um die Y-Achse Y)

Claims

Patentansprüche
1. Stellantrieb (1) zur Justage eines zu bewegenden Elements (6) entlang eines Verschiebewegs, umfassend das zu bewegende Element (6), einen Träger (5) und mindestens ein Formgedächtnis- Element (7, 7.1 bis 7.4), wobei das Formgedächtnis-Element (7, 7.1 bis 7.4) mit dem zu bewegenden Element (6) in Verbindung steht und sich an dem Träger (5) abstützend ausgebildet ist, so dass bei einer Änderung der Ausdehnung des Formgedächtnis-Elements (7, 7.1 bis 7.4) eine gerichtete Kraftwirkung (F) zwischen dem zu bewegenden Element (6) und dem Träger (5) erzeugt ist.
2. Stellantrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mittels eines FG- Elements (7K) angetriebenes oder antreibbares Klemmelement (8) vorhanden ist, dessen
Kraftwirkung (F) auf das zu bewegende Element (6) gerichtet ist und durch dessen Kraftwirkung (F) das zu bewegende Element (6) gegen ein Widerlager geklemmt ist, so dass das geklemmte zu bewegende Element (6) an einer Klemmposition gehalten ist.
3. Stellantrieb (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der FG- Elemente (7, 7k, 7.1 bis 7.4) aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial besteht.
4. Stellantrieb (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spule (16.1, 16.2) zur Erzeugung eines Magnetfelds derart angeordnet ist, dass die Magnetfeldlinien (MFL) des Magnetfelds quer zur auftretenden gerichteten Kraftwirkung (F) des mindestens einen FG- Element (7K, 7.1 bis 7.4) aus magnetischem Formgedächtnismaterial verlaufen.
5. Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bewegende Element (6) und/oder der Träger (5) mindestens ein Magnet (22) aufweist und das dem Magnet (22) gegenüberliegende zu bewegende Element (6) beziehungsweise der Träger (5) wenigstens teilweise aus einem magnetischen Material besteht oder sich gegenüberliegende Magnete (22) einander anziehen, sodass zwischen dem zu bewegenden Element (6) und dem Träger (5) eine Magnetkraft wirkt und das zu bewegende Element (6) und der Träger (5) einander anziehen.
6. Anordnung (2) umfassend einen Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend eine den Verschiebeweg wenigstens auf einer seiner Seiten begrenzenden
Wand (13, 13.1) und einen Leiter (12) aus einem magnetisch leitfähigen Material, wobei der Leiter (12) wenigstens über einen Abschnitt seiner Länge in der Wand (13, 13.1) verläuft und der Leiter (12) mit mindestens einem der FG-Elemente (7K, 7.1 bis 7.4) derart in Verbindung steht, dass in dem Leiter (12) geführte Magnetfeldlinien (MFL) mit dem FG-Element (7K, 7.1 bis 7.4)
wechselwirken.
7. Optische Vorrichtung (3) umfassend einen Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder eine Anordnung (2) nach Anspruch 6.
8. Optische Vorrichtung (3) nach Anspruch 7 in Form eines Objektivs (19).
9. Vorrichtung (3) zur Justage eines zu bewegenden Elements (6) umfassend mindestens einen Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie eine Auswerteeinheit (9) zur Auswertung aktueller Ortskoordinaten und einer Steuereinheit (10) zur Generierung von Steuerbefehlen in Abhängigkeit der ausgewerteten aktuellen Ortskoordinaten.
10. Vorrichtung (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) und/oder die Steuereinheit (10) konfiguriert sind, um in Abhängigkeit von eingehenden Messwerten von Betriebsparametern und/oder in Abhängigkeit von auswählbaren Betriebsarten der Vorrichtung (3) die Steuerbefehle anhand von Berechnungsvorschriften zu generieren.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) und/oder die Steuereinheit (10) über eine datentechnische Verbindung mit mindestens einem weiteren Bauteil in Verbindung steht und die Steuereinheit (10) konfiguriert ist, um die
Steuerbefehle in Abhängigkeit von erhaltenen Daten des mindestens einen weiteren Bauteils zu generieren.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, aufweisend mindestens einen als
Induktionssensor ausgebildeten Sensor (11) zwischen Träger (5) und zu bewegendem Element (6) sowie einen Induktion-Digital-Konverter (24) zur Digitalisierung von durch den mindestens einen Sensor (11) erfasster Messwerte.
13. Verwendung eines Stellantriebs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Anordnung (2) nach Anspruch 6 zur Zustellung von Komponenten eines Objektivs (19).
14. Verwendung eines Stellantriebs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Anordnung nach Anspruch 6 zur Justage einer Blende, eines reflektierenden Elements und/oder eines Sensors (11) in einem Strahlengang einer optischen Vorrichtung (3).
15. Verwendung eines Stellantriebs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Anordnung (2) nach Anspruch 6 zur Justage wenigstens zweier optischer Elemente relativ zueinander.
PCT/EP2017/074460 2016-09-30 2017-09-27 Stellantrieb mit formgedächtnis-element Ceased WO2018060229A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019516701A JP7073350B2 (ja) 2016-09-30 2017-09-27 形状記憶要素を有するアクチュエータ
US16/334,910 US11016261B2 (en) 2016-09-30 2017-09-27 Actuator with shape-memory element
CN201780059688.2A CN109791265B (zh) 2016-09-30 2017-09-27 具有形状记忆元件的致动器

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016219054.7 2016-09-30
DE102016219054.7A DE102016219054A1 (de) 2016-09-30 2016-09-30 Stellantrieb mit Formgedächtnis-Element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018060229A1 true WO2018060229A1 (de) 2018-04-05

Family

ID=60043158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2017/074460 Ceased WO2018060229A1 (de) 2016-09-30 2017-09-27 Stellantrieb mit formgedächtnis-element

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11016261B2 (de)
JP (1) JP7073350B2 (de)
CN (1) CN109791265B (de)
DE (1) DE102016219054A1 (de)
WO (1) WO2018060229A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11821410B2 (en) 2018-12-14 2023-11-21 Cambridge Mechatronics Limited SMA actuator assembly

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018105745A1 (de) * 2018-03-13 2019-09-19 Hengst Se Wärmedehnelement und Verfahren zum Betreiben des Wärmedehnelements
KR102264881B1 (ko) * 2019-11-08 2021-06-14 중앙대학교 산학협력단 듀얼 msm 소자를 구비한 휴대단말기 카메라용 액추에이터 및 이를 구비한 휴대단말기용 카메라모듈
GB2592002B (en) * 2020-02-06 2022-04-20 Cambridge Mechatronics Ltd A shape memory alloy apparatus
CN111913265A (zh) * 2020-07-09 2020-11-10 诚瑞光学(常州)股份有限公司 一种变焦镜头组
CN112034583B (zh) * 2020-08-25 2022-11-11 长春长光智欧科技有限公司 一种显微物镜高集成度整机装置
CN113238372A (zh) * 2021-04-30 2021-08-10 北京理工大学 一种基于介电弹性体驱动的Alvarez变焦透镜
GB202116400D0 (en) 2021-11-15 2021-12-29 Cambridge Mechatronics Ltd An actuator assembly
CN114839763B (zh) * 2022-02-15 2023-03-21 北京理工大学 一种基于介电弹性体驱动的Alvarez透镜变焦扫描装置
TWI831693B (zh) * 2023-05-15 2024-02-01 和碩聯合科技股份有限公司 電子裝置

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06313833A (ja) * 1993-04-30 1994-11-08 Toshiba Corp 光学装置
EP1298478A1 (de) * 2001-09-27 2003-04-02 Carl Zeiss Microelectronic Systems GmbH Linsenfassung mit Klemmung durch piezoelektrische Elemente oder Formgedächtnismaterialien
JP2006091410A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 Fujinon Corp レンズ鏡胴
WO2007113478A1 (en) 2006-03-30 2007-10-11 1...Limited Camera lens actuation apparatus
US7591834B2 (en) 2004-03-26 2009-09-22 Lawrence Livermore National Security, Llc Shape memory system with integrated actuation using embedded particles
EP2140138B1 (de) 2007-04-23 2012-04-11 Cambridge Mechatronics Limited Gedächtnislegierungsbetätigungsvorrichtung
US8441749B2 (en) 2009-02-09 2013-05-14 Cambridge Mechatronics Limited Shape memory alloy actuation apparatus
WO2013121225A1 (en) 2012-02-16 2013-08-22 Cambridge Mechatronics Limited Shape memory alloy actuation apparatus
DE102012219591A1 (de) * 2012-10-25 2014-04-30 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil, Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils
WO2014076463A1 (en) * 2012-11-14 2014-05-22 Cambridge Mechatronics Limited Control of an sma actuation apparatus
DE102014215159A1 (de) * 2014-08-01 2014-09-25 Carl Zeiss Smt Gmbh Transportsicherung für ein optisches system mit formgedächtnisaktuatoren
WO2016048546A1 (en) * 2014-09-26 2016-03-31 Intel Corporation Techniques for optical image stabilization using magnetic shape memory actuators

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3785678B2 (ja) * 1996-05-07 2006-06-14 松下電器産業株式会社 脱水兼用洗濯機
WO2002033761A1 (en) 2000-10-20 2002-04-25 International Business Machines Corporation Scanner for precise movement and low power consumption
US7294102B2 (en) * 2003-04-14 2007-11-13 Pentax Corporation Method and apparatus for providing depth control or z-actuation
WO2009135500A1 (de) * 2008-05-06 2009-11-12 Siemens Aktiengesellschaft Schaltvorrichtung
JP5231137B2 (ja) 2008-08-25 2013-07-10 オリンパスメディカルシステムズ株式会社 内視鏡
DE102010010801B4 (de) 2010-03-09 2013-02-21 Eto Magnetic Gmbh Aktuator
US20130205770A1 (en) * 2010-08-23 2013-08-15 GM Global Technology Operations LLC Methods of priming thermally activated active material elements
DE102012202170A1 (de) * 2012-02-14 2013-06-13 Carl Zeiss Smt Gmbh Positionsmanipulator für ein optisches Bauelement
US9986628B2 (en) * 2012-11-07 2018-05-29 Asml Netherlands B.V. Method and apparatus for generating radiation
US9267494B2 (en) * 2012-11-14 2016-02-23 GM Global Technology Operations LLC Shape memory alloy based linear actuator assembly
US9479134B2 (en) 2013-03-04 2016-10-25 Texas Instruments Incorporated Position detecting system
DE102013205044B4 (de) * 2013-03-21 2022-08-11 Metismotion Gmbh Aktorvorrichtung

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06313833A (ja) * 1993-04-30 1994-11-08 Toshiba Corp 光学装置
EP1298478A1 (de) * 2001-09-27 2003-04-02 Carl Zeiss Microelectronic Systems GmbH Linsenfassung mit Klemmung durch piezoelektrische Elemente oder Formgedächtnismaterialien
US7591834B2 (en) 2004-03-26 2009-09-22 Lawrence Livermore National Security, Llc Shape memory system with integrated actuation using embedded particles
JP2006091410A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 Fujinon Corp レンズ鏡胴
WO2007113478A1 (en) 2006-03-30 2007-10-11 1...Limited Camera lens actuation apparatus
EP2140138B1 (de) 2007-04-23 2012-04-11 Cambridge Mechatronics Limited Gedächtnislegierungsbetätigungsvorrichtung
US8441749B2 (en) 2009-02-09 2013-05-14 Cambridge Mechatronics Limited Shape memory alloy actuation apparatus
WO2013121225A1 (en) 2012-02-16 2013-08-22 Cambridge Mechatronics Limited Shape memory alloy actuation apparatus
DE102012219591A1 (de) * 2012-10-25 2014-04-30 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil, Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils
WO2014076463A1 (en) * 2012-11-14 2014-05-22 Cambridge Mechatronics Limited Control of an sma actuation apparatus
DE102014215159A1 (de) * 2014-08-01 2014-09-25 Carl Zeiss Smt Gmbh Transportsicherung für ein optisches system mit formgedächtnisaktuatoren
WO2016048546A1 (en) * 2014-09-26 2016-03-31 Intel Corporation Techniques for optical image stabilization using magnetic shape memory actuators

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11821410B2 (en) 2018-12-14 2023-11-21 Cambridge Mechatronics Limited SMA actuator assembly
US12292038B2 (en) 2018-12-14 2025-05-06 Cambridge Mechatronics Limited SMA actuator assembly

Also Published As

Publication number Publication date
JP7073350B2 (ja) 2022-05-23
US20190285829A1 (en) 2019-09-19
US11016261B2 (en) 2021-05-25
DE102016219054A1 (de) 2018-04-05
CN109791265A (zh) 2019-05-21
CN109791265B (zh) 2022-06-14
JP2019534973A (ja) 2019-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018060229A1 (de) Stellantrieb mit formgedächtnis-element
WO2018060223A1 (de) Stellantrieb zur justage eines zu bewegenden elements, verwendungen und verfahren zur justage
EP3108294B1 (de) Positioniervorrichtung für einen bildstabilisator
DE102008035297B4 (de) Aberrationskorrektureinrichtung für Ladungsteilchenstrahlen in einem optischen System einer Ladungsteilchenstrahlvorrichtung und Ladungsteilchenstrahlvorrichtung mit der Aberrationskorrektureinrichtung
DE102009054549A1 (de) Gravitationskompensation für optische Elemente in Projektionsbelichtungsanlagen
DE102012202553A1 (de) Lithographievorrichtung mit dämpfungsvorrichtung
DE102012221831A1 (de) Anordnung zur Aktuierung wenigstens eines optischen Elementes in einem optischen System
DE102012202170A1 (de) Positionsmanipulator für ein optisches Bauelement
DE112012000586B4 (de) Mehrpol, chromatischer und sphärischer Aberrationskorrektor und Ladungsteilchen-Strahlvorrichtung mit demselben
DE102012202167A1 (de) Vorrichtung zur magnetfeldkompensierten Positionierung eines Bauelements
DE102013102819A1 (de) Kameramodul sowie Verfahren zur Herstellung
WO2019020315A1 (de) Gewichtskraftkompensationseinrichtung
DE102008040218A1 (de) Drehbares optisches Element
DE4342538A1 (de) Mikroskop
EP2740002B1 (de) Verfahren und anordnung zum betreiben eines dynamischen nanofokussiersystems
WO2020069787A1 (de) Aktuatoreinrichtung zur ausrichtung eines elements, projektionsbelichtungsanlage für die halbleiterlithografie und verfahren zur ausrichtung eines elements
DE3122987C2 (de) Linsenverschiebevorrichtung
DE102017209794B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Ausrichtung eines optischen Elements, sowie Projektionsbelichtungsanlage
DE102019202868A1 (de) Aktuatoreinrichtung und Verfahren zur Ausrichtung eines optischen Elements, optische Baugruppe sowie Projektionsbelichtungsanlage
DE102012202169A1 (de) Haltevorrichtung
DE102022209214A1 (de) Einzelspiegel eines Pupillenfacettenspiegels und Pupillenfacettenspiegel für eine Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage
DE102012224022A1 (de) Anordnung zur Aktuierung wenigstens eines optischen Elementes in einem optischen System
WO2011098303A1 (de) Vorrichtung zum scannen eines objekts, verfahren zum betreiben der vorrichtung und scanmikroskop
DE102010049771A1 (de) Risley-Prismenpaar mit Piezoantrieb
DE102018130290A1 (de) Aktuatoreinrichtung und Projektionsbelichtungsanlage

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17781036

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019516701

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17781036

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1