Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung von Bewegungen eines Objekts.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in Form eines Aktor-Sensor-Systems bekannt, das in zahlreichen Anwendungsgebieten der Technik eingesetzt werden kann, um Bewegungen kontrolliert zu steuern. Eine besonders hohe Dynamik derartiger Systeme ist erforderlich, wenn Anwendungen in der Optik dahinterstehen. Beispielsweise für die Laserbearbeitung sind sehr schnelle Aktoren erforderlich, um den Laserstrahl schnell über ein zu bearbeitendes Werkstück zu führen. Auch in der Messtechnik werden schnelle Aktoren eingesetzt, um z.B. Oberflächen abzuscannen. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Laser-Kommunikation, wo die Kommunikation zwischen bewegten Objekten (z.B. Flugzeuge, Satelliten) mittels Laser erfolgt. Dabei ist es erforderlich, den Laserstrahl des (ggf. bewegten) Senders sehr schnell und zuverlässig dem (ggf. ebenfalls bewegten) Empfänger nachzuführen.

Für derartige Anwendungen steht eine Vielzahl von elektromagnetischen Aktoren zur Verfügung, die grundsätzlich auf die Lorentzkraft oder Reluktanzkraft zurückzuführen sind. Mit diesen Aktoren werden optische Elemente bewegt, die Lichtstrahlen formen oder ablenken können. Beispielsweise für scannende Bewegungen werden häufig Kippspiegel (auch „fast-steering-mirror (FSM)“ genannt) verwendet. Das optische Element ist üblicherweise mit dem Rotor des Aktor-Systems verbunden und somit Teil der bewegten Masse in diesem System. Da optische Elemente in der Regel aus Gläsern bestehen, ist die für die Formung oder Ablenkung zu bewegende Masse nicht zu vernachlässigen. Die Herausforderung besteht also, optische Elemente - Linsen, Spiegel, Prismen etc. - sehr schnell und gezielt zu bewegen. Häufig werden dafür aufgrund der geringen Kosten sogenannte voicecoil-Aktoren verwendet. Die Massenträgheit des vom Aktor zu bewegenden Objektes (das ist in der Regel der Rotor zusammen mit dem optischen Element) ist aufgrund der geforderten optischen Eigenschaften des optischen Elementes und den Anforderungen an die Stabilität und Fertigbarkeit der zugehörigen Mechanik in der Regel festgelegt. Der Aktor wird dann so ausgelegt, dass er die notwendige Kraft und Dynamik aufbringen kann, um die geforderte Auslenkung des Objektes mit der gewünschten Dynamik zu erzielen. Mit Hilfe eines Reglers wird ein Regelkreis geschlossen, so dass gezielte, kontrollierte Bewegungen des Rotors und damit des optischen Elementes erreicht werden. Mit Dynamik ist hier die Bandbreite im geregelten Betrieb (closed loop) des Aktor-Sensor-Systems gemeint. Die Regelbandbreite ist die Frequenz, bis zu der (bei -3dB) Störungen und Fehler ausgeregelt werden können.

Aufgrund der bewegten Massen besitzen derartige Aktoren Resonanzfrequenzen im zweistelligen oder niedrigen dreistelligen Frequenzbereich. Die Grundfrequenz wird dabei durch die bewegte Masse m und die Federkonstante - Steifigkeit - c des Systems nach der grundlegenden Formel a) = j ^c / _m (1 ) bestimmt. In rotatorischen Aktor-Sensor-Systemen kann anstelle der Masse m auch das Trägheitsmoment J für die Bestimmung der Resonanzfrequenzen gemäß der Formel a) = (c / J) gewählt werden. In komplexeren Systemen treten neben der Grundfrequenz auch höhere Harmonische auf.

Bei geregelten Systeme stellt die Grundfrequenz meist kein Problem für die Regelung dar, da der Regler auf diese hin ausgelegt wird. Kritisch sind vor allem die höheren Harmonischen in Form von parasitären Resonanzen, die eine Regelung stören, da höhere Harmonische andere Freiheitsgrade anregen anstelle der gewollten Bewegung mit der Grundfrequenz. Störanregungen würden dann unzureichend ausgeregelt, und es könnte zu positiver Rückkopplung (Aufschwingen) kommen und das ganze System instabil werden.

Das bedeutet, dass die open-loop-Übertragungsfunktion (d.h. die Übertragungsfunktion im ungeregelten Betrieb) bei der Regelbandbreite glatt sein soll und keine unerwünschten, parasitären Resonanzen enthält. Die Auslegung des Aktor-Sensor- Systems muss dann so gestaltet sein, dass die höheren Harmonischen (parasitäre Resonanzen bzw. Moden) erst oberhalb der Regelbandbreite liegen. Damit würde ein lineares Übertragungsverhalten bis zur gewünschten (-3dB)-Bandbreite (Dynamik) des Gesamtsystems erreicht. Für sehr dynamische Systeme, beispielsweis für optische Anwendungen, bedeutet das, dass die Regelbandbreite in einem hohen Bereich, beispielsweise bei 1 ,5 kHz oder 2 kHz liegen muss. Damit die parasitären Moden oberhalb der Regelbandbreite liegen, würde das auch eine sehr hohe Grundfrequenz, beispielsweise 400 bis 500 Hz erfordern. Eine hohe Grundfrequenz kann gemäß Formel (1 ) auf zwei Arten erreicht werden: Entweder wird die Steifigkeit c im System erhöht, oder die bewegte Masse m (oder das Trägheitsmoment J) reduziert. Eine Reduktion der Masse bzw. des Trägheitsmomentes ist jedoch häufig aufgrund der bereits genannten Anforderungen an optische Elemente oder Mechanik nicht möglich, da diese vorgegeben sind. Eine Erhöhung der mechanischen Steifigkeit führt jedoch dazu, dass der Aktor wesentlich mehr Energie aufbringen muss, um das steifere System regeln zu können. Das bedeutet, dass es auf Aktorseite zu einer hohen Energieaufnahme oder Verlustleistung kommt.

Das Zusammenspiel der hier beschriebenen Elemente ist komplex: Es müssen mechanische Elemente mit magnetischen Elementen gekoppelt werden und mit einem elektromagnetischen Aktor gesteuert werden, um optische Elemente zu bewegen. Hinzu kommt dann noch die Sensorik, um einen geschlossenen Regelkreis zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, beispielsweise ein Aktor-Sensor-System, sowie ein entsprechendes Verfahren derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine hohe Dynamik bei hoher Genauigkeit und geringer Energieaufnahme ermöglicht ist.

Gelöst wird die voranstehende Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17.

Danach ist eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung von Bewegungen eines Objekts bereitgestellt, wobei die Vorrichtung einen zur Bewegung des Objekts ausgebildeten elektromagnetischen Aktor mit einem Stator und einem mit dem Stator zur Erzeugung der Bewegung elektromagnetisch wechselwirkenden und mit dem Objekt gekoppelten oder das Objekt tragenden Rotor, ein den Rotor führendes und/oder tragendes Flexure und mindestens einen Sensor zur Detektion einer Bewegung des Rotors und/oder des Objekts aufweist, wobei ein aufgrund einer Bewegung des Rotors und/oder des Objekts erzeugtes Sensorsignal des mindestens einen Sensors zur Steuerung und/oder Regelung einer Position des Rotors nutzbar ist.

Das Verfahren nach Anspruch 17 weist die folgenden Merkmale auf: Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung von Bewegungen eines Objekts, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Vorrichtung einen zur Bewegung des Objekts ausgebildeten elektromagnetischen Aktor mit einem Stator und einem mit dem Stator zur Erzeugung der Bewegung elektromagnetisch wechselwirkenden und mit dem Objekt gekoppelten oder das Objekt tragenden Rotor, ein den Rotor führendes und/oder tragendes Flexure und mindestens einen Sensor zur Detektion einer Bewegung des Rotors und/oder des Objekts aufweist, wobei ein aufgrund einer Bewegung des Rotors und/oder des Objekts erzeugtes Sensorsignal des mindestens einen Sensors zur Steuerung und/oder Regelung einer Position des Rotors genutzt wird.

In erfindungsgemäßer Weise ist dabei erkannt worden, dass durch die geschickte Kombination mechanischer, elektrischer und magnetischer Komponenten innerhalb des Aktors die voranstehende Aufgabe auf überraschend einfache Weise gelöst wird.

Dabei kann in weiter vorteilhafter Weise das Flexure mit einer derart hohen Steifigkeit ausgebildet sein, dass parasitäre Moden oberhalb einer Regelbandbreite liegen, und kann der Aktor eine derart negative Steifigkeit aufweisen, dass die Grundfrequenz im Hinblick auf einen energieeffizienten Betrieb reduziert wird. Weiterhin kann das Flexure mit einer ausreichend hohen Steifigkeit ausgestattet sein, so dass parasitäre Moden oberhalb der Regelbandbreite liegen, und der Aktuator mit seiner negativen Steifigkeit die Grundfrequenz soweit reduziert, dass ein energieeffizienter Betrieb ermöglicht wird.

In erfindungsgemäßer Weise ist weiter erkannt worden, dass eine hohe - positive

- Steifigkeit des mechanischen Subsystems innerhalb eines Aktor-Sensor-Systems durch eine negative Steifigkeit des elektrisch-magnetischen Subsystems ausgeglichen werden kann. Die hohe positive Steifigkeit des mechanischen Subsystems ist erforderlich, damit - wie oben bereits ausgeführt - parasitäre Moden oberhalb der geforderten Regelbandbreite liegen. Es ist erkannt worden, dass durch die Verwendung eines elektrisch-magnetischen Subsystems eine negative Steifigkeit erzeugt werden kann, wodurch das System quasi entdämpft wird, also eine niedrige Gesamtsteifigkeit erzielt wird. Die Gesamtsteifigkeit des Systems setzt sich somit aus der positiven Steifigkeit des mechanischen Subsystems und der negativen Steifigkeit des elektrisch-magnetischen Subsystems zusammen. In überraschender Weise führt die Einführung der negativen Steifigkeit dazu, dass einerseits die Grundfrequenz weiter reduziert wird, andererseits jedoch die parasitären Moden davon nicht oder nur gering beeinflusst werden und nach wie vor oberhalb der Regelbandbreite liegen. Die Reduzierung der Grundfrequenz führt dazu, dass damit auch die Energieaufnahme des Aktors reduziert wird, wodurch eine einfache und stabile Regelung mit hoher Dynamik bei gleichzeitig geringer Energieaufnahme erzielt werden kann.

Um eine Bewegung des Objektes in bestimmten Freiheitsgraden zu ermöglichen, enthält das mechanische Subsystem bestimmte Bauelemente, die die Bewegung in diesen Freiheitsgraden ermöglichen und andere Freiheitsgrade unterdrücken. Beispielsweise muss bei einer Kippbewegung in einer Achse die Bewegung in Kipprichtung möglich sein, während Bewegungen senkrecht dazu oder Torsionsbewegungen unterdrückt werden. In erfindungsgemäßer Weise ist ein solches Bauelement als Flexure ausgebildet, das Bewegungen des Rotors und damit des Objekts auf vielfältige vorgebbare Weise und je nach individuellem Erfordernis ermöglicht. Ganz allgemein kann als Flexure ein starrer Körper dienen, der so ausgelegt wird, dass er in einem vordefinierten Bereich einer Bewegung elastisch verformbar ist. Somit kann als Flexure ein flexibles Element oder eine Kombination von Elementen bezeichnet werden, das oder die in einer vorgebbaren Anzahl von Freiheitsgraden nachgiebig oder bewegbar ist oder sind. Ein solches Flexure kann beispielsweise eine Bewegung in einer vorgebbaren Richtung zumindest weitestgehend verhindern, während es eine Bewegung in einer anderen vorgebbaren Richtung in einem gewünschten Umfang zulässt. Eine hohe Dynamik bei hoher Genauigkeit und geringer Energieaufnahme der beschriebenen Vorrichtung werden hierdurch ermöglicht.

Je nach individuellem Erfordernis und individueller Ausgestaltung kann der Stator mindestens eine Spule aufweisen, die mit Strom beaufschlagt werden kann. In Verbindung mit einem ferromagnetischen oder permanentmagnetischen Gegenstück am Rotor wird damit eine Kraft auf den Rotor ausgeübt, womit das Objekt bewegt werden kann Hierdurch ist eine elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Rotor gewährleistet.

Im Hinblick auf eine geeignete Verstärkung und Führung eines mit der Spule erzeugten Magnetfelds kann die mindestens eine Spule einen vorzugsweise weichmagnetischen Kem aufweisen.

In erfindungsgemäßer Weise ist weiterhin erkannt worden, dass - je nach individuellem Erfordernis und individueller Ausgestaltung - der Rotor mindestens einen Permanentmagneten aufweisen kann. Mit Hilfe des Permanentmagneten wird eine negative Steifigkeit des Aktors erreicht, die der positiven mechanischen Steifigkeit entgegenwirkt. Im Ergebnis ist hierdurch eine besonders dynamische und gleichzeitig energiesparende Bewegung des Rotors und damit des Objekts ermöglicht.

Im Hinblick auf eine einfache Erzeugung einer zweiachsigen Vorrichtung mit einer Bewegungsmöglichkeit des Rotors und damit des Objekts um zwei Achsen kann der Stator zwei Spulen aufweisen, die seitlich gegeneinander versetzt angeordnet sind. In einer besonders geeigneten Anordnung sind die mindestens zwei Spulen um einen Winkel von 90° versetzt, so dass eine Bewegung in zwei um 90° zueinander versetzte Achsen erreicht wird

Im Hinblick auf eine besonders effiziente Erzeugung einer Bewegung kann der Stator zwei Spulen aufweisen, die jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei bewirkt die erste Spule eine Verstärkung, die andere Spule eine Abschwächung der Kraftwirkung des/der Permanentmagneten (differenzielle Anordnung). Daraus resultiert eine Kraft bzw. ein Drehmoment, was zu einer besonderes effizienten Auslenkung bzw. Verkippung des Rotors führt. Für eine zweiachsige Vorrichtung können dann für jede Bewegungsrichtung jeweils zwei Spulen, zwei Permanentmagnete und zwei Sensorelemente verwendet werden.

Zur Gewährleistung einer stabilen Anordnung des Rotors kann das Flexure ein vorzugsweise als Stabflexure ausgebildetes Biegeelement aufweisen. Die Bewegung des Rotors und damit auch des Objekts kann hiermit entlang einer Biegerichtung des Biegeelements erfolgen. Entlang einer Längsrichtung des Biegeelements, die beispielsweise eine z-Richtung vorgibt, kann hierbei eine stabile Positionierung des Rotors erreicht werden, sodass eine Bewegung des Rotors in der Längsrichtung zumindest stark gedämpft oder ganz verhindert werden kann.

Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel kann das Flexure den Stator und den Rotor miteinander koppeln. Das Flexure trägt den Rotor (zusammen mit dem Objekt) und sorgt für einen starre Verbindung in z-Richtung, während über das Biegeelement eine Bewegung um mindestens eine, zu der z-Richtung senkrechten Achse (Kippachse) ermöglicht wird. Weitere Bauteile wären hierbei im Hinblick auf eine einfache und kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung nicht erforderlich. Die Steifigkeit der Bewegung um die Kippachse wird durch die Elastizität des Biegeelements definiert. Die Elastizität wird durch das Elastizitätsmodul des verwendeten Materials des Biegeelementes und dessen geometrischen Abmessungen definiert.

Weiterhin im Hinblick auf eine besonders stabile Anordnung und sichere Positionierung des Rotors und damit des Objekts kann das Flexure ein Flachflexure aufweisen. Ein derartiges Flachflexure kann zur Verhinderung oder Eindämmung von ungewünschten Torsionsbewegungen des Rotors um eine Längsachse (z-Achse) eines Stabflexures dienen.

In konstruktiv besonders einfacher Weise kann das Flachflexure im Wesentlichen als Scheibe mit flexiblen Armen ausgebildet sein. Ein derartiges Flachflexure kann in einer x-y-Ebene angeordnet sein, wenn eine Längsrichtung des Biegeelements oder Stabflexure in einer z-Richtung angeordnet ist. Zur Positionierung eines derartigen Flachflexures können die Arme mit einem Ring gekoppelt sein. Der Ring kann Bestandteil des Flachflexures sein, sodass eine besonders kompakte Ausgestaltung des Flachflexures bereitgestellt ist. Der Ring des Flachflexure kann mit dem Stator starr verbunden sein. Der zentrale Bereich des Flachflexure kann dagegen mit dem Rotor verbunden werden. Dadurch sind Torsionsbewegungen des Rotors um die z-Achse unterdrückt, und nur Kippbewegungen um die x- (bzw. in zweiachsiger Ausführung auch um die y-Achse) sind möglich.

Je nach Anwendungsfall kann bei einem konkreten Ausführungsbeispiel das Objekt ein optisches Element aufweisen oder sein. Ein derartiges optisches Element kann eine Linse, ein Spiegel, ein Prisma usw. sein.

Für eine geregelte Bewegung des Rotors enthält die Vorrichtung mindestens einen Sensor, der die Bewegung des Rotors erfasst und den Regelkreis schließt. Der Sensor kann ein Abstands-, Positions- oder Winkelsensor sein. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel und je nach Anwendungsfall kann der mindestens eine Sensor als kapazitiv, induktiv oder nach dem Wirbelstrom-Messprinzip arbeitender berührungsloser Abstandssensor ausgebildet sein. Unterschiedliche Anwendungsfälle können dabei unterschiedliche Erfordernisse mit sich bringen und es kann der jeweils geeignetste Sensor ausgewählt werden.

Wie oben bereits kurz erwähnt kann der mindestens eine Sensor mindestens zwei Sensorelemente zur voneinander unabhängigen Detektion der Bewegung des Rotors und/oder Objekts in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen aufweisen. Hierdurch können zahlreiche Einsatzmöglichkeiten unterschiedlichster Art realisiert werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Vorrichtung eine Regeleinrichtung zur Einstellung einer vorgebbaren Position des Rotors und/oder Objekts aufweisen. Hierdurch kann eine hohe Genauigkeit beim Erhalt einer gewünschten Position des Rotors und/oder des Objekts gewährleistet werden. Bei einer weiterhin besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass die Grundfrequenz in der Vorrichtung unterhalb der Regelbandbreite liegt und dass erste parasitäre Frequenzen oberhalb der Regelbandbreite liegen. Besonders günstig ist es, wenn die Regelbandbreite im Bereich oberhalb 1 kHz, besser 1 ,5 kHz liegt. Hierdurch kann eine besonders schnelle und gezielte Bewegung des Rotors erreicht werden.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung können als Aktor-Sen- sor-Systeme bezeichnet werden und können ein oder mehrere Sensoren in einem flachen Substrat aufweisen.

Ganz grundsätzlich können Ausführungsbeispiele eine geschickte Kombination von mechanischen, magnetischen und elektrischen Komponenten aufweisen, die zusammen ein extrem kompaktes, hochdynamisches Aktor-Sensor-System mit geringer Energieaufnahme zur geregelten Bewegung eines beweglichen Elementes bilden können.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1a in einer Seitenansicht, geschnitten, ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 1 b in einer Seitenansicht, geschnitten, ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 in einer perspektivischen Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 in einer schematischen Draufsicht ein Flachflexure für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 4 ein Bode-Diagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Ausführungsbeispiel als zweiachsiges Aktor-Sen- sor-System realisiert ist.

Fig. 5 ein Bode-Diagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Ausführungsbeispiel als zweiachsiges Aktor-Sen- sor-System realisiert ist.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert:

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Aktor- Sensor-Systems kann aus einem elektromagnetischen Aktor, einem Sensor, einem Stabflexure und einem Flachflexure bestehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel besteht der Aktor aus einem elektromagnetischen Aktor mit Stator und Rotor, wobei der Rotor das bewegte Element ist. Der Stator enthält eine Spule, die mit Strom durchflossen wird und dadurch ein Magnetfeld erzeugt. Der Rotor weist einen Permanentmagneten auf. Durch die magnetische Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor wird eine Bewegung erzeugt. Der Rotor als bewegliches Element wird durch ein sogenanntes Flexure geführt. Der Rotor trägt auch das optische Element, das zur Formung bzw. Ablenkung von Lichtstrahlen eingesetzt wird. Um einen geschlossenen Regelkreis zu erhalten, weist das System einen Sensor auf, der die Bewegung des Rotors detektiert. Das Sensorsignal wird dann in der Regelung dazu verwendet, die Position des Rotors gezielt anzusteuern und zu regeln.

Im Detail:

Stator: Der Stator definiert im weitesten Sinne den Grundaufbau des Aktor-Sensor-System mit dem Gehäuse, der Spule und den Bauelementen, die den Rotor und das optische Element tragen. Es ist vorteilhaft, wenn die Spule einen vorzugsweise weichmagnetischen Kern aufweist, womit das Magnetfeld verstärkt und geführt werden kann.

Rotor:

Der Rotor kann einen Permanentmagneten aufweisen, auf den die Lorentzkraft der Spulen wirkt. Weiterhin kann der Rotor das optische Element aufweisen.

Aktor:

In einem einfachen Fall kann der Aktor einen Stator mit nur einer Spule - mit oder ohne Kem - und einen Rotor mit einem Permanentmagneten aufweisen. Je nach Polung des Permanentmagneten oder der Stromrichtung durch die Spule können anziehende oder abstoßende Kräfte erzeugt werden. Damit kann bereits eine Bewegung in eine Richtung mit Vorzeichenänderung, z.B. „vor und zurück“ oder „auf und ab“, erzeugt werden. Günstiger ist es, wenn der Stator jeweils zwei Spulen und der Rotor zwei Permanentmagnete in gegenüberliegender Anordnung aufweisen. Damit kann die Effizienz direkt um einen Faktor 2 gesteigert werden. Weiterhin wird durch den Permanentmagneten des Rotors in Verbindung mit einem ferromagnetischen Gegenstück am Stator eine statische magnetische Kraft auf den Rotor ausgeübt, die zu der gewünschten negativen Steifigkeit des Aktors führt. Das ferromagnetische Gegenstück kann ein konstruktives Element des Stators sein, beispielsweise der Boden des Gehäuses, oder die Halterung der Spule. Besonders günstig ist es, wenn der weichmagnetische Kem der Spule das ferromagnetische Gegenstück bildet.

Flexure:

Das Flexure erfüllt mehrere Funktionen: Erstens trägt es den Rotor und muss damit eine gewisse Stabilität und Steifigkeit aufweisen. Zweitens muss es genügend flexibel ausgestaltet sein, um die mechanische Bewegung des Rotors zu erlauben. Drittens soll es unerwünschte Freiheitsgrade unterbinden, damit z.B. der Rotor nicht am Gehäuse oder anderen Bauteilen anschlägt. In einer besonders bevorzugten Form ist das Flexure zweiteilig ausgeführt: Ein Stabflexure, beispielweise in Form eines Biegeelementes, ist auf der einen Seite fest mit dem Stator verbunden. Auf der anderen Seite sitzt der Rotor, der durch das Stabflexure gestützt wird. Durch das Stabflexure wird eine z-Achse definiert. Durch elastische Verformung des Stab- flexure senkrecht zur z-Achse sind Bewegungen in alle Richtungen in derx-y-Ebene - rotationssymmetrisch auf einem Kreis von 360° - möglich, sofern diese nicht durch andere mechanische Mittel eingeschränkt werden.

Ein einfacher Fall ist ein einachsiger Aktor für eine Kippbewegung um z.B. die y- Achse, also in positive oder negative Richtung der x-Achse, womit Lichtstrahlen innerhalb einer Ebene gezielt abgelenkt werden können.

Um Kipp-Bewegungen in zwei Achsen zu ermöglichen, kann das Aktor-Sensor-Sys- tem weitergebildet werden, indem zwei Aktor-Sensor-Systeme unter einem Winkel, beispielsweise 90°, zusammengesetzt werden. Damit sind Bewegungen sowohl um die y-Achse als auch um die x-Achse möglich. Damit lassen sich Lichtstrahlen in einen Kegel ablenken, der durch die erzielbaren Winkelbereiche der beiden Ablenkrichtungen aufgespannt wird. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung zweier Aktor- Sensor-Systeme mit einem gemeinsamen Stabflexure und Flachflexure, sodass das Flexure zweiteilig ausgebildet ist. Das zweiachsige System besteht somit aus Stator mit mindestens zwei Spulen, einem Rotor mit mindestens zwei Permanentmagneten, einem gemeinsame Stabflexure und Flachflexure und einem Sensor mit mindestens zwei Sensorelementen zur unabhängigen Erfassung der Bewegung in die jeweils zwei unabhängigen Richtungen - x- und y-Richtung. Besonders vorteilhaft ist eine differentielle Anordnung, indem für jede Bewegungsrichtung jeweils zwei Spulen, zwei Permanentmagnete und zwei Sensorelemente verwendet werden.

Klarstellung: Kipp-Bewegungen sind geregelte Bewegungen, bei denen eine bestimmte Position gezielt angefahren wird. Damit sind nicht einfache Bewegungen im Sinne eines bistabilen Systems mit zwei, ggf. durch mechanische Endanschläge, bestimmten Endpositionen gemeint. Das Stabflexure besitzt eine sehr hohe Steifigkeit in z-Richtung und stützt den Rotor gegen die magnetischen Kräfte des Stators ab. Es wirkt der negativen Steifigkeit des Magnetkreises mit einer positiven Steifigkeit entgegen. Zusätzlich enthält das Flexure ein Flachflexure in Form einer flachen Scheibe mit flexiblen Armen, mit der die Scheibe an einem Befestigungsring angebracht ist. Das Flachflexure hat eine sehr geringe Steifigkeit in z-Richtung, verhindert jedoch Drehbewegungen um die z-Achse - Torsionsbewegungen -, die durch das relativ dünne Stabflexure alleine nicht verhindert würden. In Kombination von Flach- und Stabflexure kann eine definierte positive Steifigkeit ganz gezielt so eingestellt werden, dass die Grundfrequenz und insbesondere die höheren Harmonischen die gewünschte Dynamik des Gesamtsystems erreichen. Die Einstellung der positiven Steifigkeit erfolgt durch ein geeignetes Design von Stab- und Flachflexure, z. B. durch deren Geometrie, Stabdurchmesser des Stabflexure, Arm längen oder -breiten des Flachflexure, Dicke des Flachflexure, verwendete Materialien etc.. Der positiven Steifigkeit wirkt die negative Steifigkeit des Aktors entgegen, wodurch das System quasi entdämpft wird. Entscheidend ist jedoch, dass der Aktor aufgrund seiner Auslegung nur die Grundmode entdämpft, d.h. nur die Steifigkeit in Bewegungsrichtung kompensiert, so dass nur die Grundresonanz nach unten verschoben wird. Die parasitären Resonanzen bleiben dabei bei den - durch Auslegung - erzielten hohen Frequenzen oberhalb der Regelbandbreite, wodurch eine einfache und stabile Regelung mit hoher Dynamik erzielt werden kann. Besonders vorteilhaft für eine wirksame Entdämpfung ist es, wenn die statische magnetische Kraft so ausgelegt wird, dass sie die mechanische Kraft des Flexure über einen weiten Bereich der Bewegung kompensiert, die Entdämpfung also über möglichst den gesamten Stellbereich des Aktors wirkt. Dies kann durch eine geschickte Anordnung des Permanentmagneten gegenüber dem ferromagnetische Gegenstück realisiert werden. Mechanische Kräfte nehmen gemäß der Beziehung F = -c * x mit zunehmender Auslenkung zu. Im Gegensatz dazu steigt die magnetische Kraftwirkung mit kleiner werdendem Abstand (Luftspalt) an. Durch eine konstruktive Maßnahme, wodurch sich bei zunehmender Auslenkung (Verkippung) des Rotors der Luftspalt verringert, kann über einen weiten Bereich der Bewegung eine nahezu konstante Entdämpfung erreicht werden. Optisches Element:

Häufig ist dies ein Spiegel, der am Rotor angebracht ist. Mit Hilfe des Spiegels lassen sich Lichtstrahlen durch das Aktor-Sensor-System gezielt ablenken. Um Masse einzusparen, kann auch der Rotor direkt mit einer reflektierenden Schicht, beispielsweise Aluminium oder Silber, beschichtet werden. Alternativ könnten auch Linsen, Prismen oder andere optische Elemente zur Strahlablenkung oder -formung auf dem Rotor angebracht werden.

Sensor:

Um eine besonders kompakte Bauform zu erzielen, kann der Sensor als Flachsensor ausgeführt sein. Das ermöglicht eine flache Bauweise des Aktor-Sensor- Systems, das besonders für beengte Einbauverhältnissen geeignet ist oder überall dort eingesetzt werden kann, wo geringe Masse erwünscht ist, z.B. in Fahr- oder Flugzeugen. Zur Erfassung der Bewegung des Rotors in zwei Richtungen genügt bereits ein Sensor. Günstiger ist jedoch die Verwendung von zwei Sensoren in differentieller Anordnung, da damit in bekannter Weise Störungen unterdrückt werden und ein symmetrisches Signal generiert wird. Am besten geeignet sind berührungslose Abstandssensoren entweder nach dem induktiven oder Wirbelstrom-Messprinzip oder nach dem kapazitiven Messprinzip. Diese weisen keine Beeinflussung des Messobjektes - hier der Rotor - auf und besitzen eine genügend hohe Bandbreite, um eine hochdynamische Regelung des Aktors zu gewährleisten.

Regelung:

Das Aktor-Sensor-System kann einen Regler enthalten, der es erlaubt, die Position des Rotors exakt einzustellen. Die Position des Rotors wird durch das Sensorelement gemessen - Regelgröße - und mit der Sollvorgabe - Stellgröße - verglichen. Die Regelung kann verhältnismäßig einfach ausgeführt werden, da keine parasitären Resonanzen in der Systemübertragungsfunktion vorhanden sind. Außerdem variiert die Grundfrequenz nur um weniger als +/- 20 Hz, bei besonders günstiger Auslegung nur um weniger als +/- 10 Hz, über den Verkippungsbereich des Rotors. Somit kann z.B. ein Standard PID Regler verwendet werden. Weitere Ausführungsbeispiele:

Fig. 1 a zeigt ein einachsiges Aktor-Sensor System 1 mit besonders hoher Dynamik in kompakter Bauweise. Ein Aktor 2 besteht aus einem Stator 3 und einem Rotor 4. Der Stator 3 enthält zwei Spulen 5a, 5b, die in diesem Beispiel als Luftspulen ohne Kern ausgeführt sind. Der Stator 3 bildet gleichzeitig ein Gehäuse 6 des Aktor-Sen- sor-Systems 1 . Am Stator 3 fest angebracht ist ein Stabflexure 7 in Form eines Biegeelements und konkret eines Biegebalkens. Im Bereich eines reduzierten Durchmessers 8 ist das Stabflexure 7 elastisch verformbar. Im Beispiel ist eine Kippbewegung 9 um die y-Achse in positive und negative x-Richtung dargestellt. Ein Achsensystem 10 ist links oben gezeigt. Der Rotor 4 enthält zwei Permanentmagnete 11 a, 11 b, die zusammen mit den Spulen 5a, 5b die dynamische magnetische Kraftwirkung erzeugen, die den Rotor 4 bewegt. Je nach Polung der Permanentmagnete 11 a, 11 b und der Richtung des Stromflusses durch die Spulen 5a, 5b werden anziehende und abstoßende Kräfte erzeugt, die den Rotor 4 um die y-Achse verkippen lassen. Die statische Kraftwirkung zur Entdämpfung des Systems, d.h. zur Erzielung einer negativen Steifigkeit des Magnetkreises, wird durch die Permanentmagnete 11 a, 11 b in Verbindung mit einer ferromagnetischen Struktur des Stators 3 erzielt. Der Rotor 4 ist neben dem Stabflexure 7 noch mit einem weiteren Flachflexure 12 mit dem Stator 3, hier: mit dem Gehäuse 6, verbunden. Das Flachflexure 12 führt den Rotor 4 in seitlicher Richtung - in der x-y-Ebene - und verhindert, dass der Rotor 4 am Gehäuse 6 anschlägt. Weiterhin verhindert das Flachflexure 12 eine Torsion des Stabflexure 7, so dass einzig eine Kippbewegung um die y-Achse in positive und negative x-Richtung 9 möglich ist. Das Aktor-Sensor-System enthält einen Sensor 13 in Form eines Wirbelstromsensors, der in einem flachen Substrat angeordnet ist.

Fig. 1 b zeigt ein einachsiges Aktor-Sensor System 1 mit besonders hoher Dynamik in kompakter Bauweise aus Figur 1a, wobei die Spulen 5a, 5b jeweils einen ferromagnetischen Kern 27a, 27b aufweisen. Der Kem dient zum einen zur Verstärkung und Formung des magnetischen Flusses der Spulen 5a, 5b, zum anderen als Gegenstück für die Permanentmagneten 11a, 11 b. Die statische Kraftwirkung zur Entdämpfung des Systems, d.h. zur Erzielung einer negativen Steifigkeit des Magnetkreises, wird durch die Permanentmagnete 11 a, 11 b in Verbindung mit dem ferromagnetischen Kem 27a, 27b der Spulen 5a, 5b erzielt.

Fig. 2 zeigt ein Aktor-Sensor-System 14 für zweiachsige Bewegungen. Im Prinzip sind zwei einachsige Aktor-Sensor-Systeme 1 unter 90° zueinander angeordnet, wobei einige Komponenten gemeinsam genutzt werden und daher nur einmal vorhanden sind: Das zentrale Stabflexure 7, das Flachflexure 12 und der Rotor 4 werden bei entsprechender Auslegung nur einfach benötigt. Das Aktor-Sensor System enthält vier Spulen - sichtbar nur die Spulen 5a, 5b und 5c - und vier Permanentmagnete - sichtbar nur 11 a, 11 b und 11 c. Der Sensor 13 enthält vier Spulen - nicht gezeigt -, die als Messelemente in differentieller Anordnung zwei Bewegungsrichtungen - Drehung oder Schwenkung um die x-Achse bzw. y-Achse - erfassen. Auf dem Rotor 4 ist ein verspiegelter Bereich 15 angebracht, mit dessen Hilfe Lichtstrahlen in eine bestimmte Raumrichtung abgelenkt werden können.

Fig. 3 zeigt beispielhaft ein Flachflexure 12 mit einem zentralen Bereich 16, der mit dem Rotor 4 verbunden wird. Der zentrale Bereich 16 ist mit vier Armen 17a, 17b, 17c, 17d mit einem außenliegenden Befestigungsring 18 verbunden. Dieser wird mit dem Stator 3 oder dem Gehäuse 6 oder anderen, starr mit dem Stator verbundenen Teilen mit Schrauben - nicht gezeigt -, die durch die Bohrungen 19a, 19b, 19c, 19d reichen, befestigt. Die Arme 17a, 17b, 17c, 17d sind flexibel ausgestaltet und erlauben Kippbewegungen um die x-Achse bzw. y-Achse, unterbinden jedoch Rotationen - Torsionbewegungen - um die z-Achse.

Fig. 4 zeigt ein Bode-Diagramm 20 eines erfindungsgemäßen zweiachsigen Aktor- Sensor-Systems 14 mit besonders hoher Dynamik. Gezeigt werden verschiedene Übertragungsfunktionen 21 bei unterschiedlicher, jeweils einzuregelnder Verkippung 22. Konkret werden Übertragungsfunktionen bei Verkippungen um -0, 1 °, -0,3°, -0,6°, -0,9°, -1 ,1 ° und -1 ,4° gezeigt. Wichtig ist, dass die parasitären Moden, die eine dynamische Regelung stören oder verhindern könnten, oberhalb von 1 ,5 kHz liegen - im Diagramm nicht mehr ersichtlich. Besonders günstig für die Regelung ist es, wenn der - sich mit der Verkippung ändernde - Bereich der Grundresonanz 23 um weniger als +/- 20 Hz variiert. Besonders günstig ist eine Veränderung um nur +/- 10 Hz, wie sie im vorliegenden Diagramm zu erkennen ist, nämlich im Bereich 24 von 87 Hz bis 94 Hz.

Fig. 5 zeigt ein Bode-Diagramm 20 eines erfindungsgemäßen zweiachsigen Aktor- Sensor-Systems 14 mit besonders hoher Dynamik mit der Grundresonanz 23 und der ersten Harmonischen 25, die bei ca. 2 kHz liegt. Die Regelbandbreite 26 des Systems ist auf 1 ,5 kHz ausgelegt. Damit ist die Bedingung für eine stabile Regelung mit einem einfachen Regler (z.B. PID-Regler) erfüllt: Die Grundresonanz 23 liegt unterhalb der Regelbandbreite 26 bei einer Frequenz im Bereich bei ca. 80 Hz, die höheren Harmonischen, insbesondere die erste höhere Harmonische 25 liegt oberhalb der Regelbandbreite bei ca. 2,1 kHz.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Bezugszeichenliste

1 Aktor-Sensor-System

2 Aktor

3 Stator

4 Rotor

5 Spule

6 Gehäuse

7 Stabflexure

8 Durchmesser

9 Kippbewegung

10 Achsensystem a, 11b, 11c Permanentmagnet

12 Flachflexure

13 Sensor

14 Aktor-Sensor-System

15 verspiegelter Bereich

16 zentraler Bereich

17a-17d Arm

18 Befestigungsring

19a-19d Bohrung

20 Bode-Diagramm

21 Übertragungsfunktion

22 Verkippung in Grad [°]

23 Grundresonanz

24 Bereich

25 Erste Harmonische

26 Regelbandbreite

27a, 27b ferromagnetischer Kem