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Die Erfindung betrifft eine Kippvorrichtung mit einer ersten Komponente und einer gegenüber der ersten Komponente um eine Kippachse kippbaren zweiten Komponente und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor zum Einstellen eines Kippwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des Aktors und ein entsprechendes Verfahren zum Kippen einer zweiten Komponente gegenüber einer ersten Komponente um eine Kippachse.
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Optische Komponenten wie z. B. Spiegel, Lochblenden, Wellenplatten und Linsen werden im Allgemeinen in Optikhaltern als speziellen Beispielen der allgemeineren Objekthalter gehalten.
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Solche Objekthalter erlauben es beispielsweise, die jeweilige optische(n) Komponente(n) zu verkippen, gerne auch in mehr als einer Richtung, also mit mindestens zwei Freiheitsgraden.
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Neben einer Einrichtung zur Bewegung weisen die genannten Objekt- bzw. Optikhalter üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit für die optische Komponente (oder auch nicht-optische Komponenten) und eine Befestigungsmöglichkeit des gesamten Objekt-/Optikhalters an seine Umgebung auf, etwa optische Bänke, Basisplatten, Positionierer oder andere Komponenten.
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Im Allgemeinen kann man sagen, dass ein typischer Objekthalter vier Hauptkomponenten aufweist, nämlich eine stationäre Komponente, eine bewegliche Komponente, die z. B. die optische Komponente trägt, eine Lagerung der beweglichen Komponente in der stationären Komponente, die die gewünschten Bewegungen erlaubt, und eine Verstellvorrichtung, wie z. B. Mikrometerschrauben.
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Regelmäßig werden bei bekannten Objekthaltern die stationäre und bewegliche Komponente über Zugfedern aufeinander gezogen und können dann über Mikrometerschrauben im Winkel zueinander eingestellt werden.
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Eine Weiterentwicklung besteht darin, die Einstellung des Winkels motorisiert zu leisten. Beispiele hierfür umfassen Mikrometerschrauben, die über Elektromotoren angetrieben werden oder auch die Nutzung von piezo-basierenden Antrieben.
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Piezo-basierende Antriebe oder allgemeiner die Nutzung von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktoren ermöglichen bei entsprechenden Auslegung, eine Kippvorrichtung sehr kompakt zu bauen.
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Ein Optikhalter, der piezoelektrische Antriebe nutzt, ist in
US 5,410,206 A beschrieben. Hier wird eine Mikrometerschraube unter Anwendung des Prinzips des Trägheitsantriebs verdreht, so dass die Mikrometerschraube des Trägheitsantriebs die räumliche Lage der beweglichen Komponente des Optikhalters relativ zur stationären Komponente verändert.
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Da die piezoelektrischen Aktoren bei
US 5,410,206 A allerdings nur auf die Mikrometerschraube wirken, die Bewegung der beweglichen Komponente des Optikhalters also über den Umweg einer Volumen-einnehmenden Gewindetriebs realisiert wird, nutzt
US 5,410,206 noch nicht das volle Potential der piezoelektrischen Aktoren zur Kompaktierung. Hinzu kommt, dass diese Lösung sehr langsam ist, da aufgrund der Untersetzung durch den feinen Gewindetrieb die Reibflächen eine lange relative Strecke zurücklegen müssen, um auch nur eine kleine Verkippung der beweglichen Komponente des Optikhalters zu bewirken.
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Es ist möglich, den Kippwinkel durch einen piezoelektrischen Aktor einzustellen, der die bewegliche Komponente und die stationäre Komponente miteinander verbindet. Um angesichts des beschränkten Hubes des Aktoren einen ausreichend großen Winkeleinstellbereich zu erreichen, muss der Aktor relativ nah an der Kippachse angeordnet werden. Die erreichbare Winkelauflösung, d. h. die Einstellgenauigkeit, die für einen gewünschten Winkel erreichbar ist, steht hierbei dann in direktem Verhältnis zur Einstellgenauigkeit der Ausdehnung bzw. Kontraktion des Aktoren, wobei zudem eine Ausdehnung des nutzbaren Winkelbereichs mit einer Verschlechterung der Auflösung verbunden ist.
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Eine im Vergleich zu
US 5,410,206 A kompaktere Bauform, bei der der Kippwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des Aktors einstellbar ist, wird u. a. von der Firma Newport seit 2007 unter der Bezeichnung Agilis
TM vermarktet.
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Hierbei wirken die piezoelektrischen Aktoren der stationären Komponente nach dem Grundsatz des Trägheitsantriebs mehr oder weniger direkt auf die bewegliche Komponente. Eine vereinfachte Prinzipskizze ist in 1 dargestellt.
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Die bewegliche Komponente weist für jeden Freiheitsgrad eine für die jeweilige Bewegung speziell ausgelegte Reibfläche zur Kontaktierung mit dem entsprechenden Aktor der stationären Komponente auf.
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Nachteilig an dieser bekannten Kippvorrichtung ist es, dass die jeweilige Reibfläche infolge ihrer Geometrie und der damit verbundenen Anforderungen relativ aufwändig und damit teuer in der Herstellung ist. Da die Reibfläche für unterschiedliche Abstände zur Kippachse unterschiedlich geformt wird, lassen sich unterschiedliche Bauteilgrößen nicht einfach miteinander kombinieren. Zudem wurde gefunden, dass es bei unzureichender Einhaltung der Toleranzen oder bei Abnutzung durch Gebrauch der Kippvorrichtung zu unbefriedigenden Laufeigenschaften und sogar einem Verklemmen kommen kann.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist, es eine eingangs genannte Kippvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzustellen, bei denen eine gewünschten Auflösung und ein gewünschter einstellbarer Winkelbereich mit einer kompakten Bauweise erreicht werden können, wobei eine große Toleranz insbesondere gegenüber Fertigungsabweichungen und Verschleiß gegeben sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kippvorrichtung vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
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Ebenso wird ein Verfahren zum Kippen einer zweiten Komponente gegenüber einer ersten Komponente um eine Kippachse vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 9 definiert ist.
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Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zu Grunde:
Wird die bewegliche Komponente um eine Kippachse gekippt, so ergibt sich, sofern der betrachtete Oberflächenbereich nicht einen Kreisbogenausschnitt um die Kippachse darstellt, an einer im Wesentlichen fixierten Relativposition zu der stationären Komponente bzw. in einer fixen Richtung von der Kippachse ein veränderlicher Abstand zwischen der Kippachse und einen entsprechenden Punkt an der Oberfläche der beweglichen Komponente.
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Bei der oben beschriebenen bekannten Kippvorrichtung wird eine solche Abstandsänderung durch die aufwändige Gestaltung der Oberfläche anhand des Kreisbogenabschnitts vermieden. Führt die Nicht-Einhaltung der entsprechenden Fertigungsgenauigkeit, ein Verschleiß oder eine sonstige Formänderung der beweglichen Komponente allerdings zu einem Abweichen vom Kreisbogenabschnitt, resultiert dies typischerweise in einem Verklemmen oder gar einem Versagen der Kippvorrichtung.
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Wird die Kippvorrichtung durch eine Ausgestaltung, die gegenüber einer Änderung des Abstands des Kontaktpunkts zur Kippachse nachgiebig ist, bei der also etwa der Reibkörper oder auch die Position der Kippachse dieser Änderung nachgeben können, von der Notwendigkeit befreit, dass die Oberfläche, an der der Aktor wirkt, einem Kreisbogenabschnitt folgt, erlaubt die gleiche Nachgiebigkeit zudem eine erhöhte Toleranz gegenüber sonstigen Variationen in der Geometrie, so dass weniger strenge Anforderungen an die Fertigung gestellt werden müssen und auch Verschleiß oder ähnliches weniger Einfluss hat.
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Da keine der reibenden Oberfläche mehr auf einen speziellen Abstand zur Kippachse ausgelenkt werden muss, ergibt sich aus fertigungstechnischer Sicht zudem der Vorteil, dass Kippvorrichtungen unterschiedlicher Größe in im Wesentlichen identischer Weise hergestellt werden können, wobei insbesondere ein generisches Antriebsmodul mit einer Baugruppe für die stationäre Komponente und einer Baugruppe für die bewegliche Komponente bei unterschiedlichen Kippvorrichtungen eingesetzt werden kann.
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Beispiele für Anordnungen, die eine Einstellung eines Winkels oder eines Abstandes bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des jeweiligen Aktors erlauben, sind insbesondere Trägheitsantriebe, Ultraschallantriebe und vergleichbare Antriebe, die einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor aufweisen und derart eingerichtet sind, dass der Aktor das jeweils zu bewegende Objekt lokal mittels einer Kopplung durch einen Reibkontakt und einer Lösung dieser Kopplung (z. B. durch Erreichen einer Gleitsituation oder einem Abheben), während der Aktor zurückgeführt wird, über eine Strecke vorantreiben kann, die größer als ein einzelner Hub des Aktors ist.
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Als Beispiele eines Festkörpergelenks sind vorliegend insbesondere Bauteile zu verstehen, die vereinfacht wenigstens einen Biegebereich zwischen zwei diesen Biegebereich einschließenden Endbereichen aufweisen und eine Relativbewegung dieser Endbereichen zueinander durch Biegung des Biegebereichs erlauben.
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Erfindungsgemäße Festkörpergelenke, die in wenigstens einem relevantem Freiheitsgrad blockieren, weisen vorzugsweise eine Steifigkeit in dem blockierten Freiheitsgrad auf, die mindestens doppelt, bevorzugt mindestens fünffach so groß ist wie eine Steifigkeit in einem nachgiebigen Freiheitsgrad.
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Die Bauteile Aktor, Reibkörper und Festkörpergelenk sind gemeinsam an der ersten Komponente vorgesehen, so dass die zweite Komponente lediglich mit einem geeigneten Kontaktbereich für eine Reibung zwischen Reibkörper und zweiter Komponente ausgestattet ist. Diese Konzentration der genannten Bauteile auf die erste Komponente und der entsprechend einfache Aufbau der zweiten Komponente erlaubt es insbesondere die zweite Komponente gegen eine andere zweite Komponente auszutauschen, ohne dass mit einem solchen Austausch größere Komplikationen verbunden wären.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kippvorrichtung eine Klemmvorrichtung auf, die zum Bewirken einer Anpresskraft auf den Reibkörper in Richtung des Kontaktbereichs ausgestaltet ist, wobei die Klemmvorrichtung vorzugsweise für eine Einstellung der Anpresskraft ausgestaltet ist.
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Wird die Anpresskraft, die einen gewünschten Reibschluss des Reibkörpers mit dem Kontaktbereich bewirkt, zumindest zum Teil von einer Klemmvorrichtung bereitgestellt, so erlaubt die Klemmvorrichtung eine zumindest teilweise Aufteilung der Aufgaben Führung und Bereitstellung von Anpresskraft, so dass das wenigstens eine Festkörpergelenk in Richtung von Reibkörper zu Kippachse weniger oder gar keine Kraft aufnehmen bzw. leisten muss.
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Die Einstellung der Anpresskraft kann zudem dazu genutzt werden, die Kippvorrichtung in einer gewünschten Position zeitweise zu fixieren, z. B. zur Feststellung vor einem Transport.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Festkörpergelenk für ein Anpressen des Reibkörpers in Richtung des Kontaktbereichs infolge einer elastischen Vorspannung des Festkörpergelenks ausgestaltet.
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Alternativ oder ergänzend zur vorstehenden Ausführungsform kann die Anpresskraft auch durch eine entsprechende (Vor-)Spannung des Festkörpergelenks bereitgestellt werden, wobei das Festkörpergelenk in einen solchen Fall etwa Federeigenschaften aufweist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen der Reibkörper und/oder ein zur Kontaktierung mit dem Reibkörper vorgesehener Bereich der zweiten Komponente eine konvexe Oberflächenform auf.
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Eine konvexe Oberflächenform, insbesondere die Form eines Kugelsektors bzw. einer Kugel, erlaubt, dass im Wesentlichen unabhängig von einer relativen Orientierung des Reibkörpers gegenüber der zweiten Komponente immer ein Kontaktpunkt gewährleistet ist, ohne dass es – wie beispielsweise bei einer plattenförmigen Ausbildung – zu einem Verkanten kommen kann. Ist nur eine Bewegung in einer Ebene vorgesehen, kann ein vergleichbarer Effekt mit einem kreisförmigen bzw. kreissektorförmigen Querschnitt z. B. des Reibkörpers in dieser Ebene erreicht werden.
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Ein Verkanten kann allerdings im Allgemeinen auch durch eine entsprechende Nutzung von Gelenken vermieden werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kippvorrichtung einen Sensor zur Bestimmung der Lage der ersten und zweiten Komponente zueinander auf, wobei der Sensor insbesondere für eine Messung einer Auslenkung des wenigstens einen Festkörpergelenks ausgestaltet ist, vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Dehungsmessstreifen, eines oder mehrerer kapazitiver Sensoren und/oder einer oder mehrerer Lichtschranken.
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Die Auslenkung des wenigstens einen Festkörpergelenks hängt infolge der diese Auslenkung hervorrufenden Abstandsänderung zwischen Kippachse und Kontaktbereich mit dem Kippwinkel zusammen, so dass eine Messung der Auslenkung zur Bestimmung des Kippwinkels genutzt werden kann. Es ist allerdings auch selbstverständlich auch möglich, ergänzend oder alternativ konventionelle Winkelsensoren zu nutzen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente zusätzlich zu dem Kippen um eine von der Kippachse verschiedene Schwenkachse schwenkbar, wobei die Kippvorrichtung einen zweiten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor zum Einstellen eines Schwenkwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des zweiten Aktors aufweist, die erste oder zweite Komponente mit einen zweiten Reibkörper zur reibenden Kontaktierung mit der zweiten oder ersten Komponente versehen ist, so dass sich ein Abstand zwischen einem Kontaktbereich von zweitem Reibkörper und zweiter bzw. erster Komponente zu der Schwenkachse in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel ändert, und der zweite Reibkörper über wenigstens ein Festkörpergelenk mit der ersten oder zweiten Komponente verbunden ist, das eine Bewegung des zweiten Reibkörpers zum Ausgleich des veränderlichen Abstands ermöglicht, damit die reibende Kontaktierung in vorbestimmter Weise aufrechterhalten bleibt.
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Das Kippen als eine Bewegung in einem Freiheitsgrad kann in entsprechender Weise durch ein Schwenken als einer Bewegung in einem zweiten Freiheitsgrad ergänzt werden, wobei der wesentliche Aufbau, der ein Kippen erlaubt, in analoger Weise für das Schwenken genutzt werden kann.
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Bevorzugt treffen sich die Schwenkachse und die Kippachse in einem durch ein Kugelgelenk oder ein vergleichbares Gelenk definierten Pivotpunkt. Es ist nicht notwendig, dass die Kippachse und die Schwenkachse senkrecht zueinander stehen, sofern nicht eine vollständige Unabhängigkeit einer Bewegung in einem Freiheitsgrad von einer Bewegung in dem anderen Freiheitsgrad gewünscht ist.
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Es ist für viele Anwendungen wünschenswert und von Vorteil, wenn eine Bewegung der Komponente zueinander direkt in mindestens zwei Freiheitsgraden vorgenommen werden kann, obgleich es auch möglich ist, Freiheitsgrade seriell anzuordnen (eine Bewegung bewegt den Antrieb für den zweiten Freiheitsgrad mit), jedoch ist eine parallele Anordnung, wie sie zuvor definiert ist, von Vorteil, da so besonders kompakt gebaut und zudem eine hohe Steifigkeit erzielt werden kann.
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Die vorliegenden Ausführungen und Erläuterungen zu Aspekten der Erfindung, die ein Verkippen von erster und zweiter Komponente gegeneinander betreffen, gelten – soweit nicht anderweitig ersichtlich oder ausgeführt – gleichfalls für das in dieser Ausführungsform vorgesehene Verschwenken. Insbesondere können die beschriebenen Merkmale von Ausgestaltungen der Kippvorrichtung ebenso für den Schwenk-Aspekt der erfindungsgemäßen Kippvorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden.
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In einer Ausgestaltung der vorstehenden Ausführungsform ist die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente zusätzlich zu dem Kippen und Schwenken ohne Änderung eines Kipp- oder Schwenkwinkels zur Änderung eines Abstands beweglich, wobei die Kippvorrichtung einen dritten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor zum Einstellen des Abstands im Zusammenwirken mit dem ersten und dem zweiten Aktor, insbesondere bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des dritten Aktors aufweist, wobei die erste Komponente mit einen dritten Reibkörper zur reibenden Kontaktierung mit der zweiten Komponente versehen ist und der dritte Reibkörper für eine Aufrechterhaltung der reibenden Kontaktierung bei dem Schwenken oder dem Kippen ausgestaltet ist, wobei die Schwenk- bzw. Kippachse durch den dritten Reibkörper verläuft.
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Mit Vorsehen eines dritten Aktors, der mit den zwei weiteren Aktoren in geeigneter Weise zusammenarbeitet, kann ein dritter Freiheitsgrad in Form einer Abstandsänderung, also einer translatorischen Verschiebung von erster und zweiter Komponente zueinander erreicht werden.
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Die vorliegenden Ausführungen und Erläuterungen zu Aspekten der Erfindung, die ein Verkippen und/oder Verschwenken von erster und zweiter Komponente gegeneinander betreffen, gelten – soweit nicht anderweitig ersichtlich oder ausgeführt – gleichfalls für das in dieser Ausführungsform vorgesehene Einstellen des Abstands. Insbesondere können die beschriebenen Merkmale von Ausgestaltungen der Kippvorrichtung ebenso für den Abstands-Aspekt der erfindungsgemäßen Kippvorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden. Insbesondere kann auch der dritte Reibkörper über ein oder mehrere Festkörpergelenke zum Ausgleich mit der ersten Komponente verbunden sein.
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Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen definiert, wobei zu verstehen ist, dass eine Ausführungsform, die im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben ist, ebenso als Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verstehen ist, was auch umgekehrt gilt.
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Eine erfindungsgemäße Kippvorrichtung ist nicht nur darauf beschränkt, als Objekthalter für die Halterung und/oder Ausrichtung von optischen Komponenten verwendet werden, da ohne weiteres auch eine Halterung und/oder Ausrichtung von Komponenten oder Objekten möglich ist, die nicht zu den optischen Komponenten gehören: Greifer, Klebekanülen, Objekten unter einem Mikroskop, etc.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt
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1a eine vereinfachte Prinzipskizze einer bekannten Kippvorrichtung in einem ersten Zustand,
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1b eine vereinfachte Prinzipskizze der Kippvorrichtung aus 1a in einem zweiten Zustand,
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2a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung in einem ersten Zustand,
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2b eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 2a in einem zweiten Zustand,
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3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung,
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4a eine schematische Illustration für einen weiteren Freiheitsgrad,
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4b eine schematische Illustration für einen anderen weiteren Freiheitsgrad,
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5a eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung,
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5b eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels aus 5a,
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5c eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels aus den 5a und 5b und
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6 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1a und 1b zeigen vereinfachte Prinzipskizzen einer bekannten Kippvorrichtung in einem ersten und einem zweiten Zustand
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Die bewegliche Komponente des AgilisTM Optikhalters der Fa. Newport ist gleichzeitig Teil der Trägheitsantriebe. Es handelt sich also um ein Bauteil der Antriebe, die in der Lage sind die bewegliche Komponente in zwei Freiheitsgraden zu verkippen. Mit anderen Worten wirken die Antriebe direkt auf die bewegliche Komponente. Die von den Piezoaktoren angetriebenen Flächen arbeiten auf einer gekrümmten Fläche mit der Form eines Bogensegments, dessen Mittelpunkt mit einem zur stationären Komponente unbeweglich angeordnetem Pivotpunkt übereinstimmt. Dieses Prinzip ist stark vereinfacht für einen Freiheitsgrad dargestellt in 1a und 1b dargestellt.
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Die stationäre Komponente 1 ist mit einer Piezokeramik 2 und einem lokal bewegten Reibkörper 3 versehen. Der Reibkörper 3 steht in Kontakt mit einem Oberflächenbereich der beweglichen Komponente 4. Hier ist nur ein Teil der beweglichen Komponente 4 gezeigt, insofern dieser für die Prinzipdarstellung relevant ist. Die dem Reibkörper 3 zugewandte Oberfläche der beweglichen Komponente 4 weist die Form eines Kreisbogens auf, dessen Mittelpunkt mit der Kippachse 5 zusammenfällt.
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Diese Anordnung kann in Form eines Trägheitsantriebs genutzt werden, d. h. bei einer ausreichend geringen Beschleunigung des Reibkörpers 3 folgt die bewegliche Komponente 4, da diese in Reibkontakt mit dem Reibkörper 3 steht, während oberhalb einer Grenzbeschleunigung des Reibkörpers 3 die bewegliche Komponente 4 den mitführenden Reibkontakt verliert, da die Massenträgheit der beweglichen Komponente 4 größer wird als die Reibkraft, so dass der Reibkörper 3 gegenüber der beweglichen Komponente 4 durchrutscht. Bei ausreichend großen Beschleunigungen geht die Reibung zwischen beweglicher Komponente 4 und Reibkörper 3 von einer Haftreibung in einer Gleitreibung über, so dass die bewegliche Komponente 4 einer (z. B. Rück-)Bewegung des Reibkörpers nicht mehr folgen kann.
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Durch das Anlegen etwa einer Sägezahnspannung kann die sich ergebene richtungsabhängige Beschleunigung des Reibköpers 3 genutzt werden, um die bewegliche Komponente 4 über große Strecken jenseits der Größe des Hubes der Piezokeramik 2 zu bewegen. Dabei bewegt sich die bewegliche Komponente 4 im Ergebnis in Richtung der geringeren Beschleunigung.
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Da die äußere Kontur des hier relevanten Teils der beweglichen Komponente 4 eine Kreisbogenform um die Kippachse 5 aufweist, ändert sich ein Abstand 9 zwischen der Kippachse 5 und dem Kontaktpunkt zwischen beweglicher Komponente 4 und Reibkörper 3 im Grunde nicht, so dass sich der Reibkörper 3 immer auf der Tangente zur Oberfläche der beweglichen Komponente 4 befindet.
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1a zeigt hierbei die bewegliche Komponente 4 in einer mittleren Stellung, während 1b die bewegliche Komponente 4 in einer ausgelenkten Stellung zeigt.
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Abgesehen von einer Auslenkung durch die Piezokeramik 2 (in 1a bzw. 1b nach oben bzw. unten) hat sich hierbei die Position des Reibkörpers 3 nicht verändert, insbesondere nicht gegenüber der Kippachse 5.
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Folgt allerdings die Oberfläche der beweglichen Komponente 4 nicht sauber dem vorgesehenen Kreisbogen, so reduziert dies die Wirksamkeit des Trägheitsantriebs. Eine Einbuchtung oder Abplattung kann dazu führen, dass der Kontakt zwischen beweglicher Komponente 4 und Reibkörper 3 verloren geht, so dass der Reibkörper 3 nicht mehr auf die bewegliche Komponente 4 wirken kann. Eine Ausbuchtung bzw. ein Vorsprung kann zudem zu einem Verkeilen oder Verklemmen führen.
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2a und 2b zeigen schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung in einem ersten und einem zweiten Zustand.
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Ähnlich zu der bekannten Kippvorrichtung aus 1a und 1b weist die Kippvorrichtung eine stationäre Komponente 11 und eine bewegliche Komponente 14 auf. Wiederum ist nur der hier relevante Teil der beweglichen Komponente 14 gezeigt.
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Wie aus die Kippvorrichtung aus 1a und 1b nutzt dieses Ausführungsbeispiel das Prinzip des Trägheitsantriebs, wobei zu bemerken ist, dass auch andere Antriebskonzepte unter Nutzung von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktoren (alternativ oder ergänzend) genutzt werden können, insbesondere das Prinzip eines Ultraschallantriebs. Da die Details solcher Antriebe dem Fachmann ausreichend geläufig sind, bedarf es hierzu keiner detaillierten Erläuterung.
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Die bewegliche Komponente 14 ist wiederum um eine Kippachse 15 kippbar und steht mit einem Reibkörper 17 in Kontakt. Der Reibkörper 17 ist hier allerdings über ein Festkörpergelenk 16 mit einem Aktor 12 verbunden, der seinerseits an der stationären Komponente angebracht ist.
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Durch geeignete alternierende Beschleunigungen des Reibkörpers 17 wird die bewegliche Komponente 14 um den Pivotpunkt 15 (die Kippachse) gekippt, wobei sich beim Kippen der Abstand 19 zwischen der Kippachse 15 und der Kontaktstelle zwischen Reibkörper 17 und der beweglichen Komponente 14 in Abhängigkeit vom Kippwinkel ändert, da die Oberfläche der beweglichen Komponente 14 anders als im Fall von 1a und 1b nicht in Form eines Kreisbogens um die Kippachse 15 wölbt.
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Diese Abstandsänderung wird mit dem Festkörpergelenk 16 ausgeglichen, so dass ein ausreichender Kontakt zwischen der Oberfläche der beweglichen Komponente 14 und dem Reibkörper 17 gewährleistet ist.
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Für eine optimierte Kraftübertragung ist das Festkörpergelenk 16 (das im Übrigen auch mehrteilig ausgeführt sein kann) bevorzugt in der Richtung nachgiebig, in der eine Ausgleichsbewegung notwendig ist. Bevorzugt hemmt das Festkörpergelenk jede Bewegung in den anderen Freiheitsgraden. Dies gilt entsprechend auch für die anderen Ausführungsbeispiele.
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In dieser Ausführungsform ist das Festkörpergelenk 16 mit einer Vorspannung versehen, die den Reibkörper 17 an die Oberfläche der beweglichen Komponente 14 drückt, so dass bei einem Kippen in beiden Richtungen (hoch und runter in 2a und 2b) sichergestellt ist, dass der Reibkörper 17 stets in dem für den Antrieb notwenigen Reibkontakt mit der beweglichen Komponente 14 steht.
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Abweichend von der schematischen Darstellung in diesem Ausführungsbeispiel kann das Festkörpergelenk auch (ergänzend oder alternativ) zwischen der stationären Komponente 11 und dem Aktor 12 angeordnet sein.
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Die Bauteile stationäre Komponente und Reibkörper können auch – entweder einzeln oder kombiniert – die Funktion des Festkörpergelenks mit übernehmen, sofern sie insgesamt oder Teile von Ihnen entsprechend ausgestaltet sind. So kann beispielsweise der Reibkörper einteilig mit dem Festkörpergelenk ausgeführt sein, ebenso wie das Festkörpergelenk in die stationäre Komponente integriert sein kann.
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Diese Ausführungen gelten entsprechend auch für die anderen Ausführungsbeispiele.
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Abweichend von oder ergänzend zu den Merkmalen dieses Ausführungsbeispiels kann das Festkörpergelenk auch für eine entsprechende Nachführung der Oberfläche der beweglichen Komponente gegenüber dem veränderlichen Abstand zwischen Kontaktbereich und Kippachse vorgesehen werden.
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Es ist zudem ebenfalls möglich, die gewünschte tangentiale Relativbewegung zwischen der Oberfläche der beweglichen Komponente und dem Reibkörper durch einen Aktor zu erreichen oder zu unterstützen, der die Oberfläche relativ zur restlichen beweglichen Komponente bewegt.
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Ergänzend oder alternativ zu der Ausgestaltung des obigen Ausführungsführungsbeispiels, bei dem der Reibkörper über ein Festkörpergelenk mit der stationären Komponente verbunden ist, kann ein Festkörpergelenk zum Ausgleich des veränderlichen Abstands zwischen der stationären Komponente und der beweglichen Komponente vorgesehen werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung. Die hier gezeigte Anordnung entspricht weitgehend der Anordnung, die in 2a gezeigt ist, so dass auf eine Beschreibung entsprechender Elemente verzichtet werden kann.
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Allerdings ist hier die bewegliche Komponente 14' zum Klemmen des Reibkörpers 17 ausgestaltet, wobei die bewegliche Komponente 14' mit einem Festkörpergelenk 18 ausgestattet ist, das von der Oberfläche der beweglichen Komponente 14' um den Reibkörper 17 herumgreift und diesen in Richtung der Kippachse 15 auf die Oberfläche der beweglichen Komponente 14' drückt, um so eine erhöhte bzw. gewünschte Anpresskraft zu bewirken.
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Vorzugsweise lässt sich die Kraft dieser Klemmvorrichtung einstellen, z. B. über Schrauben, wobei es in einer spezielleren Ausgestaltung vorgesehen sein kann, dass die Klemmvorrichtung so hoch/stark gestellt werden kann, dass eine Blockierung der Bewegung erzielt wird. Das kann z. B. für Transportzwecke sinnvoll sein, wenn verhindert werden soll, dass sich durch Vibrationen o. ä. während des Transports die Winkellage verschiebt.
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Anstelle eines Festkörpergelenks oder ergänzend dazu sind auch andere Klemmvorrichtungen denkbar.
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4a und 4b zeigen schematische Illustrationen für einen und einen anderen weiteren Freiheitsgrad,
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Die Ausführungsbeispiele aus 2a, 2b und 3 betrachten zunächst der einfachen Erläuterung willen nur den Fall einer Verkippung um einen Freiheitsgrad. In vielen praktischen Anwendungen wird jedoch ein Objekthalter mit mindestens zwei Freiheitsgraden gewünscht.
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Entsprechend leistet die Erfindung auch einen Bewegungsausgleich in nicht nur einem Freiheitsgrad.
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4a zeigt eine schematische Illustration für einen weiteren Freiheitsgrad in Draufsicht auf die Anordnung, die in 2a und 2b gezeigt ist.
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4b zeigt eine schematische Illustration für einen anderen weiteren Freiheitsgrad in Seitenansicht auf die Anordnung, die in 2a und 2b gezeigt ist.
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Um eine entsprechende Bewegung in diesen anderen Freiheitsgraden zu ermöglichen, ist zu vermeiden, dass es zu einer kinematischen Sperre des mechanischen Aufbaus in dem gewünschten weiteren Freiheitsgrad kommt.
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Es ist möglich, wenn allerdings auch mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden, der Oberfläche der anzutreibenden Komponente eine Form geben, die sich in diesen bzw. diesem Freiheitsgrad(en) um den Pivotpunkt als Schnittpunkt beispielsweise einer Schwenk- mit einer Kippachse wölbt.
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Solange vermieden werden kann, dass das System als ganzes eine zu große Labilität erhält, kann auch für den weiteren Freiheitsgrad eine Nachgiebigkeit durch Festkörpergelenke erreicht werden.
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Eine bevorzugte Lösung besteht darin, wie in den vorliegenden Darstellungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung, dem Reibkörper 17 eine Form zu geben, die Drehungen o. ä. auf der Oberfläche des anzutreibenden Objektes 14 erlaubt, insbesondere eine Kugelform oder zumindest die Form eines Kugelsektors. Im Grunde sind andere konvexe Formen ebenfalls möglich.
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5a, 5b und 5c zeigen eine perspektivische Ansicht, eine Seitenansicht und eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippvorrichtung.
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Das dritte Ausführungsbeispiel betrifft einen optischen Objekthalter mit zwei Freiheitsgraden, mit einer stationären Komponente 21 und einer beweglichen Komponente 24, wobei die bewegliche Komponente 24 mit einer Aussparung bzw. Aufnahme 20 versehen ist, in die ein optisches Objekt wie beispielsweise ein Spiegel eingesetzt werden kann.
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Der Objekthalter umfasst zwei Antriebsanordnungen, eine im rechten oberen Bereich und eine im linken unteren Bereich (siehe 5b), wobei im rechten unteren Bereich eine Kugelgelenkanordnung (nicht dargestellt) die stationäre Komponente 21 mit der beweglichen Komponente 24 verbindet.
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Durch die Anordnung der Antriebe und der Kugelgelenkanordnung, in der sich Schwenk- und Kippachse treffen, kann die bewegliche Komponente 24 gegenüber der stationären Komponente 21 gekippt und geschwenkt werden.
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In 5c ist schematisch eine der Antriebsanordnungen dargestellt, die einen Aktor 22 aufweist, der über ein Festkörpergelenk 26 (das Festkörpergelenk 26 des zweiten Antriebs ist ebenfalls erkennbar, so dass ersichtlich ist, dass die Festkörpergelenke 26 im Wesentlichen Streifenform aufweisen, um so eine Flexibilität in einer Richtung und Steifigkeit in anderen Richtungen aufzuweisen) mit einem Reibkörper 27 verbunden ist. Der Reibkörper 27 ist innerhalb einer Ausnehmung in der beweglichen Komponente 24 angeordnet und wird von der beweglichen Komponente 27 mit einer gewünschten Kraft eingeklemmt, so dass ein Antrieb nach dem Trägheitsprinzip vorgesehen ist. Der Freiheitsgrad, für den der dargestellte Antrieb vorgesehen ist, besteht darin, die bewegliche Komponente 24 gegenüber der stationären Komponente 21 in der Darstellungsebene der 5c im bzw. gegen den Uhrzeigersinn zu bewegen.
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Wird dieses Ausführungsbeispiel dahingehend abgewandelt, dass das Kugelgelenk durch einen dritten Antrieb beweglich ausgestaltet ist, kann zusätzlich zu der Kipp- und der Schwenkbewegung auch eine lineare Bewegung realisiert werden, wenn alle drei Antriebe die bewegliche Komponente 24 gleichzeitig voran treiben.
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6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Verfahren umfasst einerseits ein Einstellen 50 eines Kippwinkels zwischen der ersten und zweiten Komponente mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor bis in einen Bereich jenseits eines einfachen Hubes des Aktors, wobei beim Einstellen 50 des Kippwinkels ein Reibkörper, der an der ersten Komponente vorgesehen ist, in reibender Kontaktierung mit der zweiten Komponente steht. Dieses Einstellen 50 des Kippwinkels umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Anlegen einer Sägezahnspannung an den Aktor mit abwechselnd mehreren steilen Flanken 52 und mehreren flacheren Flanken 54, wobei jede steile Flanke 52 eine große Beschleunigung bewirkt, der die zweite Komponente nicht folgt, während die zweite Komponente bei einer flacheren Flanke 54 mitgeführt wird, da keine Beschleunigung auftritt, die die Haftreibung zwischen Reibkörper und zweiter Komponente überwinden würde.
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Parallel zum Einstellen 50 umfasst das Verfahren andererseits ein Ausgleichen 56 einer vom Kippwinkel abhängigen Änderung eines Abstands zwischen einem Kontaktbereich von Reibkörper und zweiter Komponente zu der Kippachse mit wenigstens einem Festkörpergelenk, das den Reibkörper mit der ersten Komponente verbindet, so dass die reibende Kontaktierung in vorbestimmter Weise erhalten bleibt.
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Die Schritte Einstellen 50 und Ausgleichen 56 können wiederholt erfolgen.
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In einem Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung eine Vorrichtung eines Objekthalters zum Verkippen einer beweglichen Komponente gegenüber einer stationären Komponente, dessen bewegliche Komponente über einen oder mehrere Piezoantriebe (Aktoren) oder elektrostriktive Antriebe (Aktoren) angetrieben wird, wobei ein sich mit der Winkelstellung der beweglichen Komponente veränderlicher Abstand zwischen dem Pivotpunkt (als Schnittpunkt von Schwenk- und Kippachse) und dem Reibkontakt zwischen Reibkörper und der angetriebenen, beweglichen Komponente durch ein oder mehrere nachstellende/ausgleichende Festkörpergelenke ausgeglichen wird.
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In einer Ausgestaltung ist das nachstellende/ausgleichende mechanische Wirkung durch ein Festkörpergelenk realisiert wird, welches funktional zwischen dem Aktor und der stationären Komponente und/oder zwischen dem Aktor und dem Reibkörper angeordnet sein kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird neben dem Ausgleich über das mindestens eine Festkörpergelenk ein Teil der ausgleichenden Bewegung durch ein Gleitlager realisiert wird, welches die gleichen Reibflächen nutzt wie der Antrieb.
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In einer Weiterführung bringt das mindestens eine nachstellende/ausgleichende Festkörpergelenk den für den Antrieb notwendigen Anpressdruck auf und erhält ihn aufrecht, auch wenn es zum Verkippen der beweglichen Komponente kommt, indem dieses Festkörpergelenk mechanisch gegen den Reibkontakt vorgespannt wird.
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In einer weiteren Weiterführung presst eine Klemmvorrichtung den Reibkörper gegen die anzutreibende Fläche, so dass stets ein für den Betrieb des Antriebs notwendiger Anpressdruck über den zur Verfügung stehenden Winkelbereich gewährleistet ist.
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Die Lage der beweglichen Komponente gegenüber der stationären Komponente kann über einen oder mehrere Sensoren festgestellt werden, wobei insbesondere die Auslenkung der nachstellende/ausgleichende Mechanik gemessen wird um, darüber eine Aussage über die Winkellage der beweglichen Komponente gegenüber der stationären Komponente zu treffen. Die Auslenkung des mindestens einen nachstellenden/ausgleichenden Festkörpergelenks kann über Dehnungsmessstreifen, eine oder mehrere Lichtschranken oder einen kapazitiven Ansatz bestimmt werden.
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Neben der Kipp- und Schwenkbewegungen kann auch eine lineare Bewegung erzielt werden, insbesondere dann, wenn ein dritter Antrieb integriert wird, so dass ein paralleles Antrieben über alle drei Antriebe den Abstand der beweglichen Komponente von der stationären Komponente verändert.
