DE102007053475B4 - positioning - Google Patents

Abstract

Positioniersystem mit einem Festlager (1) und einem Positionierbereich (2), die mit mindestens einem Paar von Federelementen (3) jeweils mit einer elastischen Nachgiebigkeit in alle Raumrichtungen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Federelement in mindestens zwei unterschiedliche Bewegungsrichtungen jeweils ein relatives oder absolutes Elastizitätsminimum als Vorzugsrichtungen (7) aufweist, sowie mit mindestens ein auf den Positionierbereich oder auf das jeweilige Federelement einwirkendes Stellmittel (6), wobei a) die Federelemente mindestens zwei in Reihe geschaltete Knickblechfederelemente als Einzelfederelemente umfassen, b) jedes Knickblechfederelement einfach gefaltet ist und nur einen Faltenrücken abseits der beiden Federauflager und ein Elastizitätsminimum in einer Raumachse aufweist, sowie c) die Federelemente paarweise und in symmetrisch gegenläufiger Orientierung angeordnet sind.Positioning system with a fixed bearing (1) and a positioning (2), which are connected to each other with at least one pair of spring elements (3) with an elastic compliance in all directions, characterized in that each spring element in at least two different directions of movement in each case a relative or absolute minimum of elasticity as preferred directions (7), and with at least one acting on the positioning region or on the respective spring element adjusting means (6), wherein a) the spring elements comprise at least two series connected Knickblechfederelemente as single spring elements, b) each Knickblechfederelement is simply folded and only one pleat back has off the two spring supports and a minimum of elasticity in a spatial axis, and c) the spring elements are arranged in pairs and in symmetrically opposite orientation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positioniersystem gemäß des ersten Patentanspruchs.The present invention relates to a positioning system according to the first claim.

Positioniersysteme dienen der exakten und reproduzierbaren Positionierung von Komponenten. Sie weisen hierzu exakt führbare manuelle oder pneumatische, hydraulische, aktorische oder motorische betriebene Verstellmöglichkeiten für mindestens einen der insgesamt drei translatorische oder rotatorische Stellfreiheitsgrade auf. Sie umfassen folglich Führungs- und Verstellelemente sowie vorzugsweise Mess- und Regelmittel zur Erfassung, Kontrolle und Regelung der Positionierung.Positioning systems serve the exact and reproducible positioning of components. For this purpose, they have exactly manageable manual or pneumatic, hydraulic, actuator or motor operated adjustment options for at least one of the total of three translatory or rotary actuator degrees of freedom. They therefore include guiding and adjusting elements and preferably measuring and control means for detecting, controlling and regulating the positioning.

Die Auswahl der einstellbaren Freiheitsgrade sowie die erforderliche Verstellgenauigkeit richten sich nach den jeweilig zugrunde liegenden Anwendungen. Typische Anwendungen liegen im Bereich der Mikrosystemtechnik, der hochpräzisen Messtechnik oder in optischen Systemen wie der Lichtleitfasertechnik oder der Mikroskopie. Für bestimmte Aufgaben kann es sinnvoll sein, mehrere Freiheitsgrade im Verstellablauf miteinander zu koppeln oder mehrere Verstellelemente mit unterschiedlicher Verstellempfindlichkeit pro Verstellfreiheitsgrad vorzusehen.The selection of the adjustable degrees of freedom and the required adjustment accuracy depend on the respective underlying applications. Typical applications are in the field of microsystems technology, high-precision measurement technology or in optical systems such as optical fiber technology or microscopy. For certain tasks, it may be useful to couple several degrees of freedom in the adjustment process or provide several adjustment with different Verstellempfindheits per Verstellfreiheitsgrad.

Die DE 36 15 128 A1 repräsentiert beispielhaft für ein Positioniersystem einen Verstelltisch zur Justierung in einem Freiheitsgrad. Verstelltische wie dieser weisen typischerweise Linear-, alternativ auch Schwenkführungen auf, die entweder durch eine manuelle Feinverstellung oder Linearantriebe wie Piezoelektrische Antriebe oder Aktoren gegen eine Federkraft wirkend in eben diesem Freiheitsgrad verstellbar sind. Grundsätzlich sind die Verstellmöglichkeiten durch ein einfaches Hintereinanderschalten, d. h. Übereinanderstapeln mehrerer dieser Verstelltische auf mehrere Freiheitsgrade erweiterbar. Derartige Systeme sind grundsätzlich auch über Mikrometerschrauben im Mikrometerbereich einstellbar und zeichnen sich durch ihren großen Verstellbereich aus.The DE 36 15 128 A1 By way of example, a positioning system represents an adjustment table for adjustment in one degree of freedom. Adjustment tables such as these typically have linear guides, alternatively also pivoting guides, which can be adjusted by a manual fine adjustment or linear drives such as piezoelectric drives or actuators acting against a spring force in precisely this degree of freedom. In principle, the adjustment possibilities can be extended to a plurality of degrees of freedom by a simple series connection, ie stacking several of these adjustment tables. In principle, such systems can also be adjusted using micrometer screws in the micrometer range and are distinguished by their large adjustment range.

DE 38 27 960 A1 offenbart ein aufwendiges Positionierelement für zwei laterale Freiheitsgrade (X-Y-Verstellung) mit einem federnd aufgehängten Schlitten. Der Schlitten wird allein durch jeweils paarweise gegeneinander wirkende Federelemente (Blattfedern) ohne zusätzliche Schienen oder Bahnen geführt und durch zwei Stellvorrichtungen in Position gebracht. Das Konzept lässt eine rein translatorische Bewegung nur mit exakt angreifenden Mikrometerschrauben zu. Ein exzentrisches Angreifen würde ohne die ebenfalls dargestellte enge Führung durch weitere Mikrometerschrauben ein einseitiges orthogonales Ausbrechen des Schlittens oder eine Drehbewegung des Schlittens bewirken. Die Mikrometerschrauben übernehmen somit die Aufgabe der vorgenannten Schienen und Bahnen, sodass das offenbarte System als geführtes System zu betrachten ist. DE 38 27 960 A1 discloses a complex positioning element for two lateral degrees of freedom (XY adjustment) with a spring-mounted carriage. The carriage is guided solely by pairwise against each other acting spring elements (leaf springs) without additional rails or tracks and brought into position by two adjusting devices. The concept allows a purely translational movement only with exactly attacking micrometer screws. An eccentric attack would cause unilateral orthogonal breakout of the carriage or rotational movement of the carriage without the tight guidance also represented by further micrometer screws. The micrometer screws thus take on the task of the aforementioned rails and tracks, so that the disclosed system is to be regarded as a guided system.

Ferner wird in der DE 40 41 870 A1 ein Positioniersystem für optische Systeme mit einer federnd aufgehängten Trägerplatte (Schlitten) offenbart, die sich für Justierungen in allen sechs Freiheitsgraden eignet. Die Trägerplatte ist mit drei Federelementen, vorzugsweise in Ruheposition parallel zueinander ausgerichtete quadratische Stabfedern frei in einem Rahmen aufgehängt und wird mit gegeneinander wirkenden Stellschrauben positioniert.Furthermore, in the DE 40 41 870 A1 discloses a positioning system for optical systems with a spring-loaded carrier plate (slide), which is suitable for adjustments in all six degrees of freedom. The support plate is freely suspended in a frame with three spring elements, preferably in the rest position parallel aligned square bar springs and is positioned with counteracting screws.

Auch wird in US 6,229,670 B1 ein solches Positionierelement mit einer Anordnung von jeweils vier Federelementen für die x- bzw. y-Richtung offenbart, das eine Bewegung in die jeweiligen Richtungen zugunsten einer hohen Genauigkeit und Steifigkeit nur in einem sehr geringen Maß zulässt. Vergleichbare Systeme offenbaren auch US 4,559,717 A und US 4,667,415 A .Also will be in US 6,229,670 B1 discloses such a positioning element with an arrangement of four spring elements for the x- and y-direction, which allows a movement in the respective directions in favor of a high accuracy and rigidity only to a very small extent. Comparable systems also reveal US 4,559,717 A and US 4,667,415 A ,

Die vorgenannten Systeme und Konzepte sind jedoch primär für einen ortsfesten Einsatz konzipiert, wobei eine Justierung grundsätzlich ein manuelles Eingreifen eines Bedieners ermöglicht. Sie sind in ihrem Aufbau daher eher groß und eignen sich nur sehr begrenzt für eine Miniaturisierung.However, the aforementioned systems and concepts are primarily designed for a fixed use, with an adjustment basically allows manual intervention of an operator. They are therefore rather large in their construction and are only very limited for miniaturization.

Eingangs genannte Mikropositioniersysteme zeichnen sich dagegen durch sehr kleine Gesamtabmessungen bis unterhalb 1 mm sowie durch eine insbesondere im Vergleich zu Stellantrieben oder Mikroaktoren realisierbare hohe Präzision für sehr kleine Stellwege und Positionierungsstellungen bis in den Mikrometerbereich aus. Verstellgenauigkeiten liegen dabei im einstelligen Mikrometerbereich oder deutlich darunter, d. h. sie unterscheiden sich beispielsweise signifikant von typischen Positionierungsvorrichtungen, Verfahrtischen oder Gelenken aus den Bereichen der Medizintechnik, des Werkzeugmaschinenbaus oder der Robotik.By contrast, micropositioning systems mentioned at the outset are distinguished by very small overall dimensions of less than 1 mm and by a high degree of precision, which can be achieved particularly in comparison with actuators or microactuators, for very small travel ranges and positioning positions down to the micrometer range. Adjustment accuracies are in the single-digit micrometer range or significantly lower, d. H. For example, they differ significantly from typical positioning devices, traversing tables or joints in the fields of medical technology, machine tool construction or robotics.

Ein direktes manuelles Eingreifen eines Bedieners ist bei Mikropositioniersystemen nicht oder nur indirekt über Mikroaktoren, Manipulatoren oder anderen fernsteuerbaren Mikrosystemen möglich. Damit prädestinieren sich Mikropositioniersysteme auch für Positionierungen in unzugänglichen Bereichen oder in mobilen Systemen.A direct manual intervention of an operator is not possible in micropositioning systems or only indirectly via microactuators, manipulators or other remotely controllable microsystems. Thus, micropositioning systems are also predestined for positioning in inaccessible areas or in mobile systems.

Mikropositioniersysteme werden beispielsweise mit Hilfe der Silizium-Technik aufgebaut, was die Gestaltungsmöglichkeiten der Komponenten sowie die möglichen Bewegungsfreiheitsgrade aufgrund der Kristallorientierung der Siliziumkristalle einschränkt. Meist sind nur Bewegungen in zwei Achsen möglich, ggf. ergänzt um eine zusätzliche durch Stege geführte Rotationsachse auf einer ebenen Auflage.Micropositioning systems are constructed, for example, with the aid of silicon technology, which limits the design possibilities of the components and the possible degrees of freedom of movement due to the crystal orientation of the silicon crystals. In most cases, only movements in two axes are possible, possibly supplemented by an additional through Webs guided axis of rotation on a flat surface.

In der DE 697 34 132 T2 wird beispielhaft ein Positioniersystem offenbart, bei dem ein Laufschlitten auf einem Trägerelement geführt und mittels piezoelektrischer Elemente in seiner Lage verstellbar gestaltet ist.In the DE 697 34 132 T2 For example, a positioning system is disclosed in which a carriage is guided on a carrier element and designed to be adjustable in position by means of piezoelectric elements.

DE 195 48 587 C2 beschreibt ein Mikropositioniersystem mit Stator (Schlitten), Translator (Trägerelement) und einem Stellmechanismus, welcher Stellwege mit einer Auflösung in der Größenordnung von Atomabständen in Festkörpern erlaubt. Stator und Translator sind aneinander reibende Festkörper. Durch Einwirkung einer äußeren Kraft entsteht zwischen den Festkörpern eine Schubspannung, wobei der Translator ein durch die Ausnutzung der nichtelastischen Festkörperformänderung nach Beendigung der äußeren Krafteinwirkung eine bleibende Formänderung einnimmt und damit eine Stellbewegung erzeugt wurde. DE 195 48 587 C2 describes a micropositioning system with stator (slide), translator (carrier element) and a positioning mechanism, which allows adjustment paths with a resolution in the order of atomic distances in solids. Stator and Translator are rubbing solids. By the action of an external force, a shear stress arises between the solids, wherein the translator assumes a permanent change in shape due to the utilization of the nonelastic solid state shape change after the end of the external force action and thus an adjusting movement has been produced.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Positioniersystem für mindestens drei Freiheitsgerade vorzuschlagen, welches sich durch einen kompakten und besonders einfachen Aufbau auszeichnet, wobei in erster Linie nicht die Exaktheit der Stellgenauigkeit, sondern eine universelle Verstellbarkeit, verbunden mit einer einfachen Handhabung mit einfachen Mitteln sichergestellt werden soll.On this basis, it is an object of the invention to provide a positioning system for at least three degrees of freedom, which is characterized by a compact and very simple structure, not primarily the accuracy of the positioning accuracy, but a universal adjustability, combined with easy handling with simple means should be ensured.

Die Aufgabe wird durch ein Positioniersystem mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Die auf diesen rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wider Die Erfindung betrifft Positioniersystem mit einem Festlager und einem Positionierbereich, die durch mindestens ein Federelement miteinander verbunden sind, sowie mindestens ein auf den Positionierbereich oder auf das Federelement einwirkendes Stellmittel.The object is achieved by a positioning system having the features of the first claim. The invention relates to positioning with a fixed bearing and a positioning, which are interconnected by at least one spring element, and at least one acting on the positioning or on the spring element actuating means.

Wesentlich ist, dass das oder die Federelemente in mindestens zwei unterschiedliche Bewegungsrichtungen jeweils ein relatives oder absolutes Elastizitätsminimum aufweisen. Wird der Positionierbereich durch ein oder mehrere Stellmittel direkt oder indirekt aus seiner Federkräftegleichgewichtslage ausgelenkt, folgt der Positionierbereich entsprechend dem geringsten Widerstand oder der größten Nachgiebigkeit, d. h. vorzugsweise in Richtung der vorgenannten Bewegungsrichtungen. Die genannten Elastizitätsminima geben die Reaktionsrichtung bei Einwirkung der Stellmittel vor und stellen die einzige Führung in die Bewegungsrichtungen dar. Sie ersetzen somit auch die Führungselemente gemäß des Stands der Technik und lassen aber in vorteilhafter Weise bei entsprechenden Angreifen weiterer Stellmittel ohne zusätzliche Maßnahmen auch abweichende Bewegungen zu. Damit unterscheidet sich dieses Systems von den Systemen, bei denen beispielsweise eine hohe Steifigkeit von Federblechen in parallel zu der Blechebene für eine Führung eines Verstelltisches genutzt wird, während Kräfte orthogonal zu der Blechebene Stellbewegungen zulassen.It is essential that the one or more spring elements in each case have a relative or absolute minimum of elasticity in at least two different directions of movement. If the positioning region is deflected directly or indirectly out of its spring force equilibrium position by one or more actuating means, the positioning region follows the least resistance or the greatest compliance, ie. H. preferably in the direction of the aforementioned directions of movement. The said elasticity minima specify the direction of reaction under the action of the adjusting means and are the only guide in the directions of movement. They thus also replace the guide elements according to the prior art and, however, advantageously allow corresponding deviations of further actuating means without additional measures and deviating movements , Thus, this system differs from the systems in which, for example, a high stiffness of spring plates is used in parallel to the sheet plane for guiding a Verstellisches, while forces allow orthogonal to the sheet plane actuating movements.

Die vorgenannte Gestaltung der Erfindung mit einer grundsätzlich für Stellbewegungen in alle Richtungen vorhandene und nutzbaren Nachgiebigkeit des Felderelements fördert zusätzlich eine einfache Handhabung des Systems. Werden auf den Positionierbereich außer Stellkräften keine weiteren Kräfte übertragen, die ein Ausweichen und damit zu einer unerwünschten Verschiebung des Positionierbereichs bewirken, zeichnet sich das Positioniersystem zudem durch eine hohe Positioniergenauigkeit bei gleichzeitigem großen Stellwegebereich aus. Präzise und damit aufwendige Führungselemente sind nicht erforderlich und können auch nicht verschleißen, womit sich die Erfindung insbesondere für die Erstellung kostengünstiger, aber dennoch zuverlässig und vielseitig einstellbare Positioniersysteme prädestiniert. Durch den quasimonolithischen Aufbau ohne reibende oder gleitende Führungen erfolgt keine oder nur geringe Emission von Abrieb oder Schmiermittelaerosolen und ermöglicht damit in besonders vorteilhafter Weise eine Verwendung unter Reinraumbedingungen oder in einem Vakuum (z. B. im Rasterelektronenmikroskop). Einsatzgebiete finden sich vorzugsweise da, wo nur sich wenig ändernde Kräfte auf den Positionierbereich einwirken, wie z. B. in der Positionierung von Mikrokomponenten, in Mikroskopen als Objektträger, für Ausrichtung optischer Elemente wie Ablenkspiegel, Linsen, Prismen oder optische Fasern oder zum Verfahren von Werkstücken bei optischen, chemischen oder physikalischen wie erodierenden Bearbeitungen.The aforementioned design of the invention with a fundamentally available for adjusting movements in all directions and usable resilience of the field element additionally promotes easy handling of the system. If no further forces are transmitted to the positioning area other than actuating forces which cause deflection and thus an undesired displacement of the positioning area, the positioning system is also characterized by a high positioning accuracy and a simultaneously large positioning area. Precise and therefore expensive guide elements are not required and can not wear out, so that the invention predestined in particular for the creation of cost-effective, yet reliable and versatile adjustable positioning. Due to the quasi-monolithic structure without rubbing or sliding guides, no or only little emission of abrasion or lubricant aerosols takes place and thus makes it possible in a particularly advantageous manner to use under clean-room conditions or in a vacuum (eg in a scanning electron microscope). Areas of application are preferably found where only slightly changing forces act on the positioning area, such. In the positioning of microcomponents, in microscopes as slides, for alignment of optical elements such as deflection mirrors, lenses, prisms or optical fibers or for moving workpieces in optical, chemical or physical as well as eroding operations.

Die Erfindung schließt die Verwendung des Positioniersystem für die vorgenannten Verfahren und Aufgaben mit ein.The invention includes the use of the positioning system for the aforementioned methods and tasks.

Durch den Ansatz mit führenden Federelementen wird eine Reduzierung der Komponenten ohne Verluste der Bewegungspräzision ermöglicht. Damit einhergehend gibt es wesentliche Einsparungen gegenüber Aufbau mit miniaturisierten Komponenten wie Präzisionsführungen und Piezo-Stellern.The approach with leading spring elements enables a reduction of the components without loss of precision of movement. As a result, there are significant savings compared to design with miniaturized components such as precision guides and piezo actuators.

Die Stellmittel sind vorzugsweise ein oder mehrere Aktoren wie z. B. Stellgetriebemotoren oder Servoantriebe, die als eigenständige Komponenten oder als Systemkomponenten z. B. im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises z. B. mit Weg- oder Bewegungssensoren in das Positioniersystem integriert sind. Sie weisen bevorzugt eine unidirektionaler Wirkrichtung einer Kraft und/oder eines Weges auf. Vorzugsweise ist für jede Bewegungsrichtung ein eigener Aktor vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff Aktor grundsätzlich auch manuelle oder andere fernbedienbaren Stellglieder wie Mikrometerschauben, piezoelektrische, magnetostriktive oder fluidische Mikroaktoren, Formgedächtnislegierungsbleche (können auch Teil des Federelements sein), die für reproduzierbare Verstellungen für Positionsänderungen bis 5 mm, bevorzugt zwischen 100 nm und 1 mm, weiter bevorzugt zwischen 1 μm und 1 mm geeignet sind, bei einer Positionierauflösung zwischen 100 nm und 100 μm, bevorzugt zwischen 100 nm und 10 μm. Die muss ein Aktor nicht zwingend den gesamten Bereich überspannen. Vielmehr sind für größere Stellwege mit hoher Positioniergenauigkeit ein Aktor als Kombination zwischen einen Aktor mit einem großen Stellweg bei geringerer Genauigkeit und einen auf diesen aufgesetzten Aktor für Feinjustierungen vorteilhaft. Bei mit gleichen Parametern wie z. B. mit gleichen angreifenden Lasten wiederkehrenden Positionierungsbewegungen ist bei einer exakten Wiederholung der, Positionierung mit gleichen Ansteuerungsparametern (Steuersignale) für die Aktoren auszugehen. In diesem Fall ist es zur weiteren Vereinfachung der Handhabung vorteilhaft, die Stellbewegung der Aktoren zunächst positionskontrolliert (z. B. mit Positionssensoren für Weg und Winkel) zu betätigen, die entsprechenden Steuersignale zu speichern und bei gleichen Stellbewegungen ohne eine weitere Positionskontrolle wieder anzufahren.The adjusting means are preferably one or more actuators such. B. Stellgetriebemotoren or servo drives that are used as standalone components or as system components z. B. in the context of a closed loop z. B. are integrated with displacement or motion sensors in the positioning. They preferably have a unidirectional effective direction of a force and / or a path. Preferably, a separate actuator is provided for each direction of movement. In the context of the invention, the term actuator basically also includes manual or other remotely controllable actuators such as micrometer, piezoelectric, magnetostrictive or fluidic microactuators, shape memory alloy sheets (may also be part of the spring element), for reproducible adjustments for position changes to 5 mm, preferably between 100 nm and 1 mm, more preferably between 1 .mu.m and 1 mm are suitable, with a positioning resolution between 100 nm and 100 microns, preferably between 100 nm and 10 microns. An actor does not necessarily have to span the entire area. Rather, an actuator as a combination between an actuator with a large travel with lower accuracy and an attached actuator for fine adjustments are advantageous for larger travel with high positioning accuracy. With the same parameters such. B. with the same attacking loads recurring positioning movements is to be assumed in an exact repetition of, positioning with the same control parameters (control signals) for the actuators. In this case, in order to further simplify the handling, it is advantageous to first actuate the actuating movement of the actuators in a position-controlled manner (eg with position sensors for path and angle), to store the corresponding control signals and to start again during the same actuating movements without any further position control.

Die Federelemente umfassen bevorzugt mindestens zwei in Reihe geschaltete Einzelfederelemente (z. B. paarige Anordnung mit symmetrisch gegenläufiger Orientierung), wobei jedes Einzelfederelement vorzugsweise ein Elastizitätsmodulminimum in einer Raumachse aufweist und damit in vorgenannter Weise eine Vorzugsrichtung vorgibt. Werden dann die Stellmittel wie die vorgenannten Aktoren jeweils separat parallel zu einem Einzelfederelement zur selektiven Auslenkung desselben vorgesehen, d. h. jeweils ein Einzelfederelement wird jeweils mindestens durch einen Aktoren überbrückt, ist eine vorteilhafte Auslenkung eines jeden Einzelfederelements in eine Vorzugsrichtung unabhängig von den anderen Einzelfederelementen erzielbar. Die einzelnen Stellmittel wirken dann direkt auf das Federelement und nur über dieses, d. h. indirekt zwischen Festlager und Positionierbereich.The spring elements preferably comprise at least two individual spring elements connected in series (eg a paired arrangement with symmetrically opposite orientation), wherein each individual spring element preferably has a modulus of elasticity minimum in a spatial axis and thus predetermines a preferred direction in the aforesaid manner. Are then the actuating means such as the aforementioned actuators each separately provided parallel to a single spring element for selective deflection of the same, d. H. in each case a single spring element is in each case bridged by at least one actuator, an advantageous deflection of each individual spring element in a preferred direction is independent of the other single spring elements achievable. The individual actuating means then act directly on the spring element and only over this, d. H. indirectly between fixed bearing and positioning area.

Die genannten Bewegungsrichtungen, die durch die Elastizitätsminima der Einzelfederelemente und/oder des Federelements als Gesamtsystem vorgegeben sind, sind grundsätzlich als rotatorische und/oder translatorsiche (z. B. durch ein oder mehrere Drehfederelemente) Richtungen konzipierbar. Die Kombination von rotatorischen und translatorischen Bewegungsrichtung wird durch die zu lösende Positionieraufgabe vorgegeben.The said directions of movement, which are predetermined by the minimum of elasticity of the individual spring elements and / or of the spring element as an overall system, can basically be designed as rotational and / or translatory (for example by one or more torsion spring elements) directions. The combination of rotational and translational movement direction is specified by the positioning task to be solved.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments with the following figures. Show it

1 eine erste Ausführungsform für mit zwei, eine Ebene aufspannende translatorischen Vorzugsrichtungen, 1 a first embodiment for with two, one plane spanning translational preferred directions,

2 eine zweite Ausführungsform für mit drei translatorischen Vorzugsrichtungen für Positionierungen in alle Raumrichtungen, 2 a second embodiment for having three translational preferred directions for positioning in all spatial directions,

3 ein Einzelfederelement für die in 2 dargestellte Ausführungsform sowie 3 a single spring element for the in 2 illustrated embodiment and

4 eine weitere Ausführungsform für mindesten eine translatorische und eine rotatorische Vorzugsrichtung. 4 a further embodiment for at least one translational and a rotary preferred direction.

Alle dargestellten Ausführungsformen weisen einen Rahmen als Festlager 1, einen Positionierbereich 2, die mit dem Federelement 3 mit hintereinander geschalteten Einzelfederelementen 4 und Verbindungselementen 5 miteinander verbunden sind. Die Einzelfederelemente besten aus Federblechstreifen. Die Verbindungselemente sind als separate Teile (vgl. z. B. 1) oder mit gleicher Wirkung als stoff- oder formschlüssige Verbindung (vgl. z. B. 2) vorgesehen. Ferner zeigen 1 bis 3 auch die Anordnung von Aktoren 6 als Stellmittel, die die Einzelfederelemente 4 in die jeweilige Vorzugsrichtung 7 auslenken.All illustrated embodiments have a frame as a fixed bearing 1 , a positioning area 2 that with the spring element 3 with successively connected individual spring elements 4 and fasteners 5 connected to each other. The single spring elements best from Federblechstreifen. The connecting elements are as separate parts (cf., for. 1 ) or with the same effect as a material or positive connection (cf. 2 ) intended. Further show 1 to 3 also the arrangement of actuators 6 as adjusting means, the individual spring elements 4 in the respective preferred direction 7 deflect.

1 zeigt beispielsweise eine erste Ausführungsform mit zwei, eine Ebene aufspannenden Vorzugsrichtungen, wobei zwei der vorgenannten Einzelfederelemente 4 durch ein Blechstreifenringe unterschiedlichen Umfangs gebildet sind, die konzentrisch ineinander angeordnet sind und jeweils an die benachbarten Blechstreifenringe an je zwei sich gegenüberliegenden Punkten jeweils über die genannten Verbindungselemente 5 fest verbunden sind. 1 shows, for example, a first embodiment with two, a plane spanning preferential directions, wherein two of the aforementioned single spring elements 4 are formed by a metal strip rings of different circumference, which are arranged concentrically with each other and in each case to the adjacent metal strip rings at two opposite points in each case via said connecting elements 5 are firmly connected.

Die in 2 dargestellte Ausführungsform zeigt ein speziell für einen Einsatz im Mikroskop oder einer Laserstrukturierungsvorrichtung konzipiertes Positioniersystem mit lateralen Positioniermöglichkeiten in allen drei Raumrichtungen. Das Federelement 3 hierfür umfasst vier parallel geschaltete Einzelfederelementen 4 aus gefalteten Federblech (vgl. 3), die über je eine Fixierungsfläche 13 durch Klebung, Verschweißung, Verlötung, Verschraubung etc. mit dem Festlager 1 (Gehäuse 11) verbunden dieses direkt mit einer nicht dargestellten, aber auf je ein Auflagerpunkt 8 der Einzelfederelemente 4 fixierten Platte als Positionierbereich verbindet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in 1 umfassen die Einzelfederelemente mehrere, im Beispiel gem. 2 und 3 drei hintereinander geschaltete Knickblechfederelemente. Jedes dieser Knickblechfederelemente weist eine entsprechend der Richtung mit dem jeweils geringsten Elastizitätsminimum vorgegebene Vorzugsrichtung auf. Ein Einzelfederelement gemäß 3 umfasst drei Knickblechfederlemente 12 und folglich drei Vorzugsrichtungen 7 in alle drei Raumrichtungen auf. Vier Einzelfederelemente 4 gem. 3 bilden gemeinsam das Federelement 3 in 2, wobei die Vorzugsrichtungen 7 aller Einzelfederelemente in drei gemeinsame translatorische Hauptrichtungen weisen.In the 2 illustrated embodiment shows a specially designed for use in a microscope or a laser structuring device positioning with lateral positioning options in all three spatial directions. The spring element 3 this includes four parallel individual spring elements 4 from folded spring plate (see. 3 ), each with a fixation surface 13 by gluing, welding, soldering, screwing etc. with the fixed bearing 1 (Casing 11 ) connected this directly with a not shown, but on each support point 8th the individual spring elements 4 fixed plate as positioning area connects. In contrast to the embodiment in FIG 1 the single spring elements comprise several, gem. 2 and 3 three consecutive Knickblechfederelemente. each this Knickblechfederelemente has a corresponding to the direction of the lowest elasticity minimum predetermined preferred direction. A single spring element according to 3 includes three kink plate spring elements 12 and thus three preferred directions 7 in all three spatial directions. Four individual spring elements 4 gem. 3 together form the spring element 3 in 2 , wherein the preferred directions 7 have all single spring elements in three common translational main directions.

Dabei ist zu beachten, dass die Vorzugsrichtungen 7 von Knickfederelementen wie in 3 dargestellt genau genommen um die Knickung 9 bogenförmig, d. h. rotatorisch sind. Bei dem im Ausführungsbeispiel vorliegenden kleinen Wegauslenkungen und langen Knickhebeln 10 sowie bei in 2 dargestellten spiegelbildlich symmetrischen Anordnung von vier identischen Federelementen 4 mit jeweils drei hintereinander geschalteten Knickfederelementen (gefaltetes Federblech), die auch die die Erfindung charakterisierenden Nachgiebigkeiten in allen Richtungen zulassen, werden mit mögliche Abweichungen von einer rein translatorischen geradlinigen Vorzugsrichtung des gesamten Federelements in Summa ausgeglichen.It should be noted that the preferred directions 7 of buckling spring elements as in 3 actually represented by the buckling 9 arcuate, ie are rotational. In the present in the embodiment, small Wegauslenkungen and long articulated levers 10 as well as in 2 illustrated mirror image symmetrical arrangement of four identical spring elements 4 with three successively connected buckling spring elements (folded spring plate), which also allow the invention characterizing resiliencies in all directions are compensated with possible deviations from a purely translational rectilinear preferred direction of the entire spring element in total.

Eine Integration mehrerer Einzelfederelemente wie Knickfederelemente reduziert die erforderlichen Verbindungselemente dieser zum Festlager, Zwischenrahmen und/oder zum Positionierbereich und reduziert damit die erforderliche Baugröße.An integration of several individual spring elements such as buckling spring elements reduces the required connecting elements of these to the fixed bearing, intermediate frame and / or the positioning and thus reduces the required size.

Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der massiv reduzierten Anzahl von Komponenten, aber auch in der einfachen und montagegerechten Gestaltung dieser Komponenten. Jedes Einzelfederelement übernimmt im Rahmen des Systems mehrere Funktionen wie Führen, Dämpfen und Halten. Damit wird grundsätzlich ein besonders kompakter Aufbau möglich. Gleichzeitig ermöglicht ein konsequent montagegerechtes Design der Einzelfederelemente mit Knickfederelementen eine weitere Reduzierung des Bauvolumens sowie der umgebenden Komponenten. Ferner ermöglicht die Erfindung eine Verwendung von preiswerten und kompakten Miniaturantrieben sowie Getrieben aus dem Modellbau (sog. Servos), die von einem Festlager wie dem Gehäuse 11 direkt an den Positionierbereich angreifen. Das Gehäuse kann wie auch das gesamtes System z. B. durch eine Einbuchtung 18, dargestellt z. B. in 2 an die umgebenden Systeme (im Beispiel: ein Mikroskop) angepasst werden.The particular advantage of this embodiment lies in the massively reduced number of components, but also in the simple and easy to install design of these components. Each individual spring element performs several functions within the system, such as guiding, damping and holding. This basically makes a particularly compact design possible. At the same time, a consistent assembly-compatible design of the individual spring elements with buckling spring elements enables a further reduction in the overall volume and the surrounding components. Furthermore, the invention allows a use of inexpensive and compact miniature drives and gearboxes from the model (so-called servos), of a fixed bearing such as the housing 11 attack directly on the positioning area. The housing can as well as the entire system z. B. by a recess 18 , represented z. In 2 be adapted to the surrounding systems (in the example: a microscope).

4 offenbart dagegen beispielhaft eine Ausführungsform für mindestens eine translatorische und eine rotatorische Vorzugsrichtung 7. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten, dass das innen liegende Einzelfederelement durch einen Zwischenrahmen 14 ersetzt wurde, in dem der Positionierbereich 2 um eine virtuelle Drehachse 15 drehbar durch symmetrisch zu der Drehachse angeordnete Einzelfederelemente 4 (gebogene Blechstreifen 17) federnd aufgehängt ist und über zwei ebenso symmetrisch um die Drehachse angeordnete Antriebe 16 (als Stellmittel) auslenkbar ist. 4 By contrast, an embodiment for at least one translational and one rotational preferred direction is disclosed by way of example 7 , This embodiment differs from that in FIG 1 shown that the inner single spring element by an intermediate frame 14 has been replaced, in which the positioning area 2 around a virtual axis of rotation 15 rotatable by symmetrical to the axis of rotation arranged single spring elements 4 (curved metal strips 17 ) is suspended resiliently and two symmetrically about the axis of rotation arranged drives 16 (as adjusting means) is deflectable.

Mit den Konzepten der beschriebenen Ausführungsformen lassen sich Komplettsysteme mit praktisch beliebigen Vorzugsrichtungskombiationen zusammenstellen, z. B für sechs Freiheitsgrade, d. h. in alle Translations- und Rotationsfreiheitsgrade.With the concepts of the described embodiments, complete systems can be assembled with virtually any preferred direction combinations, z. B for six degrees of freedom, d. H. in all translational and rotational degrees of freedom.

Ein Anspruch der Erfindung liegt darin, bei einem gegebenen geringen Raumvolumen, im Ausführungsbeispiel gem. 2 in einem Mikroskop von etwa 50 cm³ ein besonders leichtes, verlustarmes, billiges und hinreichend genaues Positioniersystem anzubieten. Das genannte Ausführungsbeispiel eignet sich für Positionierungen mit einer Genauigkeit unter 10 μm bei +/–1 mm Verfahrweg, eine Aufgabe, die das Positionierungssystem mit geführten Laufschlittensystemen in Konkurrenz treten lässt. Diese sind zwar sehr kompakt, aber aufgrund der geforderten Genauigkeit auch teuer und wegen ihrer Baugröße nur noch durch Kleben oder Klemmen zu montieren. Beim Kleben muss eine entsprechende Justierung erfolgen, weil Lagekorrekturen nach dem Kleben erschwert werden. Zudem ermöglichen sie keine homogene Lastverteilung in den zwei Bewegungsrichtungen, weil der Schlitten (Positionierungsbereich) als wesentliches und schwerstes bewegliches Element durch die Bewegung eine Position ändert und damit die Massenverteilung entlang der Schiene. Je nach Position und Auslenkung wirken unterschiedliche Kräfte auf die Lagerung. Dies kann über paarig angebrachte Führungen teilweise kompensiert werden, erhöht aber gleichzeitig das Bauvolumen und die Kosten. Eine Aufhängung aus einer sub-mm dünnen Zungenfeder verändert zwar ebenso ihre Lage und den dazugehörigen Schwerpunkt, dies fällt aber wegen der sehr geringen Gesamtmasse der Feder viel weniger ins Gewicht. Weiterhin werden für Positionieraufgaben im Allgemeinen spezielle Schrittmotoren angewendet, deren Steuerung weitere Komponenten verlangt. Damit wird ein Komplettsystem immer zweigeteilt ausfallen und weitere Steuerleitungen sind nötig.A claim of the invention is, according to a given low volume, in the embodiment. 2 In a microscope of about 50 cm ³ to offer a particularly lightweight, low-loss, cheap and sufficiently accurate positioning. Said embodiment is suitable for positioning with an accuracy of less than 10 microns at +/- 1 mm travel, a task that makes the positioning system compete with guided carriage systems. Although these are very compact, but due to the required accuracy also expensive and because of their size only to be mounted by gluing or clamping. When gluing a corresponding adjustment must be made because positional corrections are difficult after gluing. In addition, they do not allow a homogeneous load distribution in the two directions of movement, because the carriage (positioning area) as an essential and heaviest moving element by the movement changes a position and thus the mass distribution along the rail. Depending on the position and deflection, different forces act on the bearing. This can be partially compensated for paired guides, but at the same time increases the volume and cost. Although a suspension of a sub-mm thin tongue spring also changes their position and the corresponding center of gravity, but this falls much less important because of the very low total mass of the spring. Furthermore, for positioning tasks in general special stepper motors are used, the control of which requires further components. Thus, a complete system will always be split into two and more control lines are needed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Festlagerfixed bearing

22

Positionierbereichpositioning

33

Federelementspring element

44

Einzelfederelement VerbindungselementSingle spring element connecting element

66

Aktoractuator

77

Vorzugsrichtungpreferred direction

88th

Auflagerpunktsupport point

99

Knickungbuckling

1010

KnickhebelArticulated lever

1111

Gehäusecasing

1212

KnickblechfederelementBend sheet metal spring element

1313

Fixierungsflächefixation surface

1414

Zwischenrahmenintermediate frame

1515

Virtuelle DrehachseVirtual rotation axis

1616

Antriebdrive

1717

Blechstreifenmetal strip

1818

Einbuchtungindentation

Claims (5)

Positioniersystem mit einem Festlager (1) und einem Positionierbereich (2), die mit mindestens einem Paar von Federelementen (3) jeweils mit einer elastischen Nachgiebigkeit in alle Raumrichtungen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Federelement in mindestens zwei unterschiedliche Bewegungsrichtungen jeweils ein relatives oder absolutes Elastizitätsminimum als Vorzugsrichtungen (7) aufweist, sowie mit mindestens ein auf den Positionierbereich oder auf das jeweilige Federelement einwirkendes Stellmittel (6), wobei a) die Federelemente mindestens zwei in Reihe geschaltete Knickblechfederelemente als Einzelfederelemente umfassen, b) jedes Knickblechfederelement einfach gefaltet ist und nur einen Faltenrücken abseits der beiden Federauflager und ein Elastizitätsminimum in einer Raumachse aufweist, sowie c) die Federelemente paarweise und in symmetrisch gegenläufiger Orientierung angeordnet sind.Positioning system with a fixed bearing ( 1 ) and a positioning area ( 2 ) provided with at least one pair of spring elements ( 3 ) are each connected to each other with an elastic compliance in all spatial directions, characterized in that each spring element in at least two different directions of movement in each case a relative or absolute minimum of elasticity as preferred directions ( 7 ), and with at least one acting on the positioning region or on the respective spring element actuating means ( 6 ), wherein a) the spring elements comprise at least two series connected Knickblechfederelemente as single spring elements b) each Knickblechfederelement is simply folded and has only a pleat back off the two spring supports and a minimum elasticity in a spatial axis, and c) the spring elements in pairs and in symmetrically opposite directions Orientation are arranged. Positioniersystem nach Anspruch 1, wobei die Stellmittel Aktoren (6) jeweils mit unidirektionaler Wirkrichtung einer Kraft und/oder eines Weges umfassen.Positioning system according to claim 1, wherein the actuating means actuators ( 6 ) each with unidirectional effective direction of a force and / or a path. Positioniersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stellmittel jeweils ein oder mehrere Einzelfederelemente (4) überbrückende Aktoren (6) umfassen.Positioning system according to claim 1 or 2, wherein the adjusting means in each case one or more individual spring elements ( 4 ) bridging actuators ( 6 ). Positioniersystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die zwei Bewegungsrichtungen mindestens eine rotatorische und eine translatorische Bewegungsrichtung umfassen.Positioning system according to one of the preceding claims, wherein the two directions of movement comprise at least one rotational and one translational movement direction. Positioniersystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend mindestens ein Drehfederelement.Positioning system according to one of the preceding claims, comprising at least one torsion spring element.

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