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Dokumentenidentifikation DE10119762A1 08.11.2001
Titel Verstellvorrichtung, insbesondere für optische Geräte
Anmelder Vermes Technik GmbH & Co. KG, 83624 Otterfing, DE
Erfinder Hentschel, Lothar, 82024 Taufkirchen, DE
Vertreter G. Koch und Kollegen, 80339 München
DE-Anmeldedatum 23.04.2001
DE-Aktenzeichen 10119762
Offenlegungstag 08.11.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2001
IPC-Hauptklasse H02N 2/00
IPC-Nebenklasse H02K 37/00   
Zusammenfassung Es wird ein Verstellvorrichtung beschrieben, die eine präzise axiale Verstellung eines Abtriebsgliedes gegenüber einem Gehäuse im Mikrometerbereich oder im Nanometerbereich proportional zu angelegten elektrischen Signalen gewährleistet. Das Abtriebsglied ist als Rotor innerhalb eines Stators verdrehbar über eine Gelenkscheibe gelagert. Diese Gelenkscheibe weist im wesentlichen in Tangentialrichtung verlaufende Überbrückungsstege auf, die von einem äußeren Ringabschnitt der Gelenkscheibe nach einem inneren Gelenkabschnitt verlaufen. Der äußere Gelenkabschnitt ist im Stator fest eingespannt, während der innere Abschnitt drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Die Stege sind durch Schlitze gebildet, die bogenförmig oder geknickt ausgebildet sein können, wobei jeweils halbe Schlitzabschnitte einander überlappen und zwischen sich die Überbrückungsstege bilden. Bevorzugt sind die Schlitze geknickt ausgebildet und bestehen aus gleichen Schlitzlängen, wobei die Enden der Schlitze jeweils etwa mit einem Scheitel eines benachbarten Schlitzes zusammenfallen. Die gegenseitige Verdrehung wird durch einen Piezoantrieb bewirkt. Hierzu ist ein Piezostellglied zwischen Stator und Rotor vorgesehen, gegen das zur spielfreien Verstellung eine Druckschraubenfeder entgegenwirkt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstellvorrichtung, die in Abhängigkeit von elektrischen Steuer- oder Regelsignalen eine lineare Verstellbewegung im Mikrometerbereich oder im Nanometerbereich zuläßt. Derartige Stellvorrichtungen werden beispielsweise für Positioniersysteme benötigt, die eine Relativeinstellung zwischen Objektiv und Objektträger bei Mikroskopen ermöglichen. Für derartige feinmechanisch-optische Verstellbewegungen bietet sich als Antrieb ein Piezoelement an, welches spannungsabhängig eine definierte und reproduzierbar genaue Linearverschiebung gewährleistet.

Da die mit Piezoelementen oder anderen durch elektrische Signale betätigbaren Stellglieder in dem praktisch zur Verfügung stehenden Spannungs- oder Strombereich nur kleine Ausschläge zulassen, wird bei der Bewegungsübertragung auf das Abtriebsglied eine mechanische Verstärkung vorgesehen, die möglichst reibungsfrei und genau reproduzierbar arbeitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvorrichtung zu schaffen, die die Erzeugung kleinster Linearbewegungen und eine reproduzierbare Positionierung mit einer Genauigkeit bis in den Nanometerbereich ermöglicht.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Gelenkscheibe bewirkt die Bewegungsübertragung und übernimmt gleichzeitig die Lagerung zwischen Stator und Rotor, wobei die Auslenkung der Überbrückungsglieder bei der Winkelverstellung in dem ringförmigen Freiraum ohne Berührung mit Stator oder Rotor erfolgt, so daß nur die innere Reibung, die bei der Biegebewegung der Überbrückungsstege auftritt, zu überwinden ist. Diese Reibung kann durch entsprechende Materialwahl vernachlässigbar gering gehalten werden. Das Material der Gelenkscheibe und damit der Überbrückungsglieder kann ein Federmaterial sein, jedoch ist eine federnde Rückstellkraft innerhalb der Überbrückungsstege nicht notwendigerweise erforderlich. Wichtig ist eine genügende Steifigkeit, die ein Ausknicken verhindert. Die Form der Überbrückungsstege bzw. der sie bildenden Schlitze kann unterschiedlich sein. Zweckmäßigerweise ist eine tangentiale Anordnung vorgesehen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung und der Gelenkscheibe ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung;

Fig. 2 ist ein Axialschnitt nach der Linie II-II gemäß Fig. 3;

Fig. 3 ist ein Horizontalschnitt nach der Linie III-III gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht des Innenaufbaus der Verstelleinrichtung;

Fig. 5 ist eine Ansicht der die Bewegungsübertragung bewirkenden Gelenkscheibe;

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht der Verschiebebewegung einer Gelenkscheibe;

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht der Verschiebung einer Doppelgelenkscheibe.

Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung weist ein außenquadratisches Gehäuse 10 mit einer kreiszylindrischen Innenwand 11 auf. Das Gehäuse 10 ist oberseitig durch einen Deckel 12 abgeschlossen und trägt auf der Unterseite einen ringförmigen Boden 14. Der Deckel 12 weist ein Anschlußgewinde 16 auf. Zwischen dem Gehäuse 10 und dem Deckel 12 einerseits und dem Gehäuse 10 und dem Boden 14 andererseits sind an ihrem äußeren Umfang Gelenkscheiben 18 eingespannt, deren Ausbildung und Funktion weiter unten beschrieben wird. Die Verspannung der Teile 10, 12 bzw. 10, 14 erfolgt über Schrauben 20. Innerhalb des als Stator ausgebildeten Gehäuses ist ein als Rotor ausgebildetes Abtriebsglied 22 um einen vorbestimmten Winkelbetrag begrenzt schwenkbar und axial verschiebbar angeordnet. Dieses Abtriebsglied 22 besteht aus einem Zylinder 24, der oben und unten Anlagestufen 64 für einen inneren Ringabschnitt der Gelenkscheiben 18 bildet, die durch eine Deckscheibe 26 und einen Abschlußring 30 gegen den Zylinder 24 verspannt sind. Die Deckscheibe 26 weist eine Mittelöffnung 29 mit Innengewinde 28 auf, über das das gegenüber dem Statoraußengehäuse 10 axial zu verstellende Teil festlegbar ist.

Die begrenzte Winkelbewegung des Rotor-Abtriebsgliedes 22 gegenüber dem Statorgehäuse 10 wird über eine Antriebseinheit 32 bewirkt. Diese Antriebseinheit besteht aus einem Piezostellglied 34, das über nicht dargestellte elektrische Leitungen an Spannung gelegt wird und das von einem Gehäuse 36 hermetisch abdichtend umschlossen ist. Das Gehäuse 36 steht in eine seitliche Ausnehmung 37 des Zylinders 24 ein. Der Boden des Gehäuses ist über eine Stützkugel 38 an einer Madenschraube 40 abgestützt, die in ein Innengewinde des Außengehäuses 10 eingeschraubt ist. Der im Gehäuse 36 axial verschiebbare Deckel 31 ist über eine Schubkugel 42 an einer Stiftschraube 44 abgestützt, die in eine Gewindebohrung eines nach außen vorstehenden Ansatzes 46 des Zylinders 24 eingeschraubt ist. Die Stiftschraube trägt einen Federteller 48, gegen den das eine Ende einer Druckschraubenfeder 50 lagert, deren anderes Ende an einem Federteller 52 abgestützt ist, der seinerseits von einem Flanschring 54 gehaltert wird, der in eine Gewindebohrung 56 des Außengehäuses 10 eingeschraubt ist. Eine im Bereich des Piezostellgliedes befindliche Öffnung im Außengehäuse ist durch eine Abschlußplatte 58 abgedeckt, die mit Schrauben am Gehäuse 10 lösbar befestigt ist. Ein Anschlußnippel 60 dient der Zuführung der elektrischen Leitungen für das Piezostellglied 34.

Die Gelenkscheiben 18 weisen eine kreisförmige Mittelöffnung 62 auf, deren Durchmesser dem Durchmesser der Ringstufe 64 zwischen Zylinder 24 und Deckscheibe 26 bzw. Abschlußring 30 entspricht. In diesem Bereich der Ringstufe 64 wird der innere Ringabschnitt der Gelenkscheibe 18 über Schrauben verspannt, die durch die radialen Einschnitte 66 geführt sind. Der Außenrand der Gelenkscheibe 18 wird zwischen dem Gehäuse 10 und dem Deckel 12 bzw. dem Boden 14 durch die Schrauben 20 festgelegt, die durch entsprechende Löcher der Gelenkscheiben 18 geführt sind. Eine genaue Festlegung der Federscheiben erfolgt über nicht dargestellte Paßstifte, die durch Paßlöcher 68 der Gelenkscheibe geführt sind. Der mittlere Ringabschnitt 70 liegt frei zwischen den ringförmigen Einspannflächen in dem Ringraum 72 zwischen Statorgehäuse 10 und Rotor-Abtriebsglied 22. In diesem mittleren Ringabschnitt 70 sind die Gelenkscheiben 18 mit Schlitzen versehen, die zwischen sich Überbrückungsstege 74 bilden, die bei einer Relativverdrehung zwischen Rotor und Stator in Umfangsrichtung gestaucht werden und ein axiales Anheben des Rotors 22 gegenüber dem Statorgehäuse 10bewirken. Um ein definiertes Auslenken dieser Stege 74 bei der Relativdrehung zu bewirken, sind die Stege in Ruhestellung gemäß Fig. 2 und 3 bereits um einen gewissen Betrag angehoben, um dann bei der durch die Antriebseinheit 32 veranlaßten Relativdrehung definiert in gleicher Richtung weiter ausgelenkt zu werden.

Die durch die Schlitze begrenzten Überbrückungsstege 74 können in unterschiedlicher Form geradlinig oder bogenförmig begrenzt angeordnet sein. Um die erwünschte axiale Stellbewegung hervorzurufen, müssen sie in einer von der Radialrichtung abweichenden Richtung verlaufen, wobei die maximale Übersetzung bei einer allgemein tangentialen Anordnung erhalten wird. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gestaltung von Schlitzen und Stegen ergibt sich aus Fig. 5. Jeder Schlitz besteht aus zwei im Winkel gegeneinander angestellten Abschnitten 76 und 78, deren Scheitel auf Radien liegen, die im Winkelabstand von 30° gegeneinander versetzt sind. Der radial außen liegende Schlitzabschnitt 76 bildet jeweils die äußere Begrenzung des Überbrückungssteges, und der radial innen liegende Schlitzabschnitt 78 des benachbarten Schlitzes bildet die Innenbegrenzung. Wie ersichtlich, weisen die einander gegenüberliegenden und den Steg 74 einschließenden Schlitzabschnitte 76 bzw. 78 im wesentlichen die gleiche Länge auf, wobei jeweils ein Schlitzende radial über bzw. radial unter dem Scheitel des benachbarten Schlitzes zu liegen kommt. Der Bewegungsverlauf ist aus den Fig. 6 bzw. 7 ersichtlich, wobei durch Einsatz von Doppelgelenkscheiben bei gleicher Winkelverdrehung zwischen Rotor und Motor die doppelte Hubhöhe erreichbar ist. Hierbei ist der Rotor baulich vom Abtriebsglied getrennt und mit der Verbindungsstelle zweier gegensinnig gepaarten Gelenkscheiben fest verbunden, wodurch keine Relativdrehung zwischen Abtriebsglied und Gehäuse stattfindet.

Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, erfolgt bei Anlegen bzw. Erhöhen der Spannung an das Piezostellglied 34 eine axiale Streckung, und das Piezostellglied 34 drückt über die Schubkugel 42 auf den Ansatz 46 und verdreht dadurch den Zylinder 24 praktisch reibungsfrei im Statorgehäuse 10, wodurch der Rotor proportional zur Piezospannung gegenüber dem Statorgehäuse angehoben wird. Die spielfreie Bewegung und Rückstellung bei absinkender Piezospannung wird durch die Druckschraubenfeder 50 bewirkt, die in Gegenrichtung zum Piezostellglied 34 auf den Rotorzylinder 24 einwirkt.

Als Antrieb für die relative Drehbewegung zwischen Rotor und Stator wird bevorzugt ein Piezoelement benutzt. Es soll für die Erfindung jedoch vorbehalten bleiben, die Verstellbewegung in Abhängigkeit von elektrischen Signalen auch durch andere elektrische oder elektronische Vorrichtungen zu bewirken, beispielsweise magnetostriktiv oder elektromagnetisch oder durch rotierende oder lineare Schrittmotoren. Bezugszeichenliste 10 Gehäuse

11 Innenwand

12 Deckel.

14 Boden

16 Anschlußgewinde

18 Gelenkscheibe

20 Schrauben

22 Abtriebsglied

24 Zylinder

26 Deckscheibe

28 Innengewinde

29 Mittelöffnung

30 Abschlußring

31 Deckel

32 Antriebseinheit

34 Piezostellglied

36 Gehäuse

37 Ausnehmung

38 Stützkugel

40 Madenschraube

42 Schubkugel

44 Stiftschraube

46 Ansatz

48 Federteller

50 Druckschraubenfeder

52 Federteller

54 Flanschring

56 Gewindebohrung

58 Abschlußplatte

60 Anschlußnippel

62 kreisförmige Mittelöffnung

64 Ringstufe

66 radiale Einschnitte

68 Paßlöcher

70 mittlerer Ringabschnitt

72 Ringraum

74 Überbrückungsstege

76 Schlitzabschnitt

78 Schlitzabschnitt


Anspruch[de]
  1. 1. Verstellvorrichtung, insbesondere für optische Geräte, mit den folgenden Merkmalen:
    1. - die Stellbewegung wird durch relative Winkeldrehung zwischen einem Stator (10) und einem Rotor (22) bewirkt;
    2. - zur Bewegungsübertragung zwischen Stator (10) und Rotor (22) ist wenigstens eine Gelenkscheibe (18) vorgesehen, die in einem radial äußeren bzw. einem radial inneren Bereich mit jeweils einem der Teile (Stator bzw. Rotor) drehfest verbunden ist;
    3. - zwischen den radial äußeren und radial inneren Einspannbereichen erstrecken sich in einem ringförmigen Freiraum (72) Überbrückungsglieder (74) der Gelenkscheibe (18), die durch umfängliche Stauchung bzw. Streckung einer im wesentlichen reibungsfreien Auslenkung unterworfen sind;
    4. - zwischen Rotor und Stator befindet sich eine Antriebseinheit, die durch elektrische Signale steuer- bzw. regelbar ist.
  2. 2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit ein Piezostellglied (34) aufweist.
  3. 3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungsglieder Stege (74) aufweisen, die durch Schlitze in der Gelenkscheibe (18) gebildet sind.
  4. 4. Verstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungsstege (74) im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufen.
  5. 5. Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege von Schlitzabschnitten (76, 78) gebildet sind, die im Winkel zueinander angestellt sind, wobei die Scheitelwinkel von in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Schlitzabschnitten im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind.
  6. 6. Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzabschnitte (76, 78) von in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Schlitzen einander überlappen und zwischen sich die Überbrückungsstege (74) bilden.
  7. 7. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzabschnitte (76, 78) im wesentlichen tangential verlaufen.
  8. 8. Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Überbrückungsstege bildenden Schlitze bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, angeordnet sind.
  9. 9. Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezostellglied (34) von einem Gehäuse (36) hermetisch abdichtend umschlossen ist.
  10. 10. Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das das Piezostellglied (34) umschließende Gehäuse über Kugellager (38, 42) am Stator bzw. Rotor abgestützt ist.
  11. 11. Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schubkugel (42) abstützende Gehäusedeckel im Gehäuse (36) verschiebbar ist.
  12. 12. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Piezostellglied (34) eine Druckschraubenfeder zur spielfreien Bewegungsübertragung entgegenwirkt.
  13. 13. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (36) des Piezostellgliedes (34) über eine Stützkugel (38) an einer im Gehäuse einstellbaren Justierschraube (40) abgestützt ist.
  14. 14. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Doppelgelenkscheibe mit einander entgegengesetzt ausgelenkten Überbrückungsstegen zur Hubvergrößerung und zur rotationsfreien Verstellung des Abtriebsgliedes.
  15. 15. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Stator (10) und Rotor (22) mit koaxial zueinander liegenden Gewindeanschlüssen (16, 28) versehen sind.
  16. 16. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebseinheit ein magnetostriktiver Antrieb vorgesehen ist.
  17. 17. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebseinheit ein elektromagnetischer Antrieb vorgesehen ist.
  18. 18. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebseinheit ein rotierender oder ein linearer Schrittmotor vorgesehen ist.






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