专利名称：球形定向装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种球形定向装置，尤其涉及一种由两个驱动轴驱动的二自由度球形 定向装置，该球形定向装置支撑具有定向轴线的可定向装置。另一方面，本发明涉及一种制 造这种球形定向装置的方法。
背景技术：
二维球形定向装置通过围绕固定点旋转使可定向的有效负载装置在空间中朝着 期望的方向定向，这种球形定向装置用在许多技术领域中，例如在惯性传感器中诸如陀螺 测试仪中，包括在微机械、在陀螺仪、在 可定向镜子例如在二自由度光学扫描器、在摄影机 和摄影机物镜的陀螺稳定、在用于消防车的水炮或游戏中、在机械腕、人造手和在火炮装置 中。另一个重要的应用领域是操纵杆和类似的输入装置，其检测由使用者转动的目标的球 形定向，例如在汽车或工业应用中的用户接口中，在移动式液压机械中，或在游戏或通用计 算机用户接口中。用于将可定向装置倾斜进两个方向的传统机构是两个万向节的组件，也就是旋转 支撑，其每个容许目标绕单个轴线进行旋转，其中内部万向节装配在外部万向节上，同时旋 转轴线以正交或别的方式以非共线的角度布置。然而，为了驱动内部万向节，驱动马达或者 在输入装置的情况下旋转传感器不得不由外部万向节支承。这导致了外部万向节的惯量提 高，阻碍了在许多应用中需要的快速运动。在另一种传统机构中，可定向装置被压紧到顶端并在两个方向上倾斜。旋转中心 位于顶端的顶点上，那里安装了轴承。由于在旋转中心存在这种材料，目标不能在机构中自 由定位，其对许多应用都是不适合的。例如，在可定向装置是镜子的情况下，例如在镜子扫 描器的应用中，机构不容许镜子定位成旋转中心位于镜面上。US5966991A公开了一种二自由度球形定向装置，其中具有有效负载支撑的球形五 杆(five-bar)机构是由两个旋转驱动器驱动的，旋转驱动器相对于基座位置固定。用于将 有效负载支撑在定向轴线上的有效负载支撑装置包括第一和第二回转支撑接头，其每个布 置成用于围绕支撑轴线旋转，其中定向轴线和每个支撑轴线穿过球形旋转中心相互正交布 置。固定到第一旋转驱动器的轴上的内部球臂联接到有效负载支撑的第一回转支撑接头 上，第一驱动器轴线布置成与第一支撑轴线正交。中间球臂径向向内联接到有效负载支撑 的第二回转支撑接头上并且向外联接到中间回转接头上，中间回转接头布置成用于围绕联 接轴线旋转，联接轴线穿过球形旋转中心，联接轴线布置成正交于第二支撑轴线。外部球臂 固定到第二旋转驱动器的轴上并且联接到中间回转接头上，联接轴线布置成正交于第二驱 动器轴线。尽管公开的定向装置容许有效负载定位在几何旋转中心，该装置需要围绕有效负 载的巨大的球形内部自由空间而不依赖于要被定向的有效负载的形状和它的方位。由于在 一般应用中，例如上面所列的可定向的有效负载装置典型地不是球形形状，这导致了不希 望的巨大的空间需要，尤其对于相当地背离球形形状的可定向有效负载装置，例如扁平的或细长的有效负载。此外，由于惯性矩的增加和寄生(parasitic)运动的可能性，内部、夕卜 部和中间球臂与可定向装置之间的巨大的距离还不利地影响高速操作。
因此期望提供一种球形定向装置，其能够定向非球形有效负载装置，尤其在高速 时，但不需要巨大的安装空间。
发明内容
因此，提供了一种球形定向装置，其具有基座、第一和第二驱动轴、可定向装置、内 部构件、中间构件和外部构件。第一和第二驱动轴由基座可旋转地保持，用于围绕第一和 第二驱动轴线可旋转地驱动，第一和第二驱动轴线在球形旋转中心正交相交。可定向装置 由第一和第二回转支撑接头支撑，第一支撑接头布置成用于围绕可定向装置的定向轴线旋 转，并且第二支撑接头布置成用于围绕支撑轴线旋转，其在球形旋转中心与定向轴线正交 相交。内部构件固定到第一驱动轴上并且联接到第二支撑接头上，第一驱动轴线布置成正 交于支撑轴线。中间构件向内联接到第一支撑接头上并且向外联接到中间回转接头上，中 间回转接头布置成用于围绕联接轴线旋转，联接轴线穿过球形旋转中心并且布置成正交于 定向轴线。外部构件固定到第二驱动轴上并且联接到中间回转接头上，联接轴线布置成正 交于第二驱动轴线。因为第一支撑接头布置成用于围绕可定向装置的定向轴线旋转，中间构件关于可 定向装置的旋转运动描绘了围绕定向轴线的旋转对称的生成表面。这使中间构件能按照 可定向装置的外部轮廓形成，甚至当可定向装置基本上背离球形形状时。特别是在典型情 况下，例如镜子、透镜、摄影机、操纵杆、炮或喷嘴，其中可定向装置典型地是扁平的、盘状的 或细长的、管状的物体，其明显背离球形对称，但至少部分表现出围绕定向轴线近似旋转对 称，中间构件能够成形为具有最小间隙地密切符合可定向装置的外部轮廓。因此，需要很小 的安装空间，而可靠的高速操作能够通过惯性矩最小化和阻止寄生运动实现。按照优选的拓展方案，可定向装置是光学装置，定向轴线是光学装置的光学轴线。 这种装置典型地构造成至少部分地来自镜子、透镜、光圈、管等，其布置成围绕光学轴线旋 转对称。从而，中间构件能够成形为具有特别小的间隙地符合光学装置或其旋转对称部分 的外部形状。优选地，可定向装置是镜子，其中定向轴线垂直相交于镜子的镜子表面。这使 得能够构造例如扫描仪、投影机和类似的光线反射装置，它们是紧凑的并且能够高速操作， 甚至用于THz应用，其中由于与可见光相比THz辐射的更长的波长，需要比较大的镜子。优 选地，定向轴线在球形旋转中心与镜子表面相交。按照优选的拓展方案，可定向装置具有基本上盘状的形状。中间构件具有径向腿， 其沿着可定向装置的后侧径向延伸。这使定向装置能以尤其紧凑的方式构造，同时中间构 件仅仅需要最少的材料。按照优选的拓展方案，第一支撑接头、第二支撑接头和中间回转接头中的至少一 个由弹性接头构成。由于减少了部件的数目和组装步骤的数目，这能减少制造成本。按照优选的拓展方案，可定向装置具有一种围绕定向轴线基本上旋转对称的外部 形状。中间构件由护套构成，其具有与可定向装置的外部形状相对应的内部形状。护套可 旋转地保持可定向装置。通过这种方式，即使在细长的可定向装置的情况下，由于中间构件 不必例如沿着可定向装置的长度纵向延伸，也可以实现中间构件的小惯性矩和由此实现定向装置的移动部分的小惯性矩。此外，在操作期间需要沿着定向轴线后侧和前侧的路径保 持无障碍的可定向装置例如透镜也能够定向。优选地，护套具有至少一个槽缝，其围绕定向轴线周向延伸，第二支撑接头构造成 用于通过槽缝支撑可定向装置。通过这种方式，护套能够沿着可定向装置的长度定位在任 何位置。例如，护套能够定位成使可定向装置的质心位于由护套围绕的容积内，从而在高速 时能平稳地控制旋转。另一方面，提供了一种制造球形定向装置的方法。该方法包括提供基底的步骤以 及另一个步骤，在另一个步骤中，基座、内部构件、中间构件和外部构件中的至少两个是由 基底形成的。通过这种方式，定向装置能够以低成本制造并且具有小的整体尺寸，例如作为 微机械装置。小的整体尺寸又能够得到小惯性矩和由此带来的特别高的操作速度。优选地， 基底是硅片基底，以至于能采用微机械制造的传统的、高效的工艺。
按照优选的拓展方案，当定向装置包括镜子时，该方法进一步包括由基底形成镜 子。这通过减少部件数目和组装步骤数目进一步简化了制造工艺。按照优选的拓展方案，该方法进一步包括由基底作为弹性接头形成第一支撑接 头、第二支撑接头和的中间回转接头中的至少一个。由于在制造这种弹性接头时需要较低 的精度，这实现了进一步的小型化和成本降低。此外，弹性接头能构造成作为弹簧的起作 用，例如用于将定向装置送回中立位置，或者作为与可定向装置的电连接起作用。
另外的方面在附图中说明并且在说明书的以下部分中具体描述。在图中，图1为按照本发明的实施例的球形定向装置的正视图；图2为图1中定向装置的正视图，其中第一驱动轴与图1相比已转过90° ；图3为图1中定向装置的正视图，其中第一驱动轴与图1相比已转过135°，并且 第二驱动轴与图1相比已转过45° ；图4为按照本发明的另一个实施例的球形定向装置的后透视图；图5为按照另一个实施例的球形定向装置的前透视图；以及图6为按照进一步的实施例的球形定向装置的透视图。除非明确另外说明，在全部附图中相同的附图标记表示相同的或功能相当的机 构。
具体实施例方式图1-3描述了一种球形定向装置100，其包括镜子114，该镜子作为有效负载相对 于固定的基座102在空间中被定向。基座102形成为矩形的框架，其围绕镜子114。在图 1-3中，基座102的矩形的框架位于绘图平面中。镜子114包括一种外部形状，其基本上符合围绕定向轴线116的旋转对称的盘，由 柱形外围表面128限界。图1示出了布置在中立位置的镜子114，在该中立位置中它被平行 于绘图平面定向，也就是由基座框架102限定的平面。镜子114的面向观察者的一侧包括 圆形反射镜面115。外接(circumscribing)于镜面115的边缘134沿着镜子114的外围在 镜面115的侧面上形成，从而镜面115作为整体关于镜子114的柱形外部形状凹进。在图2和3中，示出了镜子114围绕球形旋转中心112关于基座框架102已旋转到两个不同的示 范性的方位。镜子112被定位成球形旋转中心112与它的圆形镜面115的中心相一致。
在镜子114的后表面200上，也就是镜子114的与镜面115对置的一侧，中心轴 400形成为围绕镜子114的定向轴线116柱形对称地从后表面200的中心凸出。提供了 L 形的中间构件122，其包括径向腿130和纵向腿131，所述径向腿从中心轴400沿着后表面 200径向向外延伸直到略微超出镜子124的外围128，所述纵向腿从径向腿130的外端朝着 镜子114的前侧面垂直延伸。中间构件122的径向腿130包括孔，中心轴142可旋转地保 持在其中，从而形成了第一回转支撑接头118，其将镜子114可旋转地支撑在它的定向轴线 116 上。第一旋转驱动器104和第二旋转驱动器105刚性地装配在基座框架102的邻近 侧，每个在位置上靠近各自框架侧面的中心。旋转驱动器104、105例如构造成电动步进马 达。第一驱动器104包括第一驱动轴106，其沿着第一驱动轴线108布置，而第二驱动器105 包括第二驱动轴107，其沿着第二驱动轴线109布置。可旋转地引导每个驱动轴106、107穿 过基座框架102中各自的孔，从相应的驱动器104、105进入由基座框架102围绕的内部空 间，同时两个驱动轴线108、109在球形旋转中心112垂直相交。在引导第一驱动轴106的孔的面向内部的一侧，两个内部构件120固定到第一驱 动轴106上，它们从那里垂直延伸到相反的方向。尽管在本实施例中是由分段线性的部分 形成的，但每个内部构件120遵循对弧90°角的一般形状，同时该弧的内半径略微大于镜 子114的柱形外围表面128的外半径。两个内部构件一起形成组合的对弧120°角的一般 形状。每个内部构件120在其端部包括孔，其可旋转地保持两个支撑轴404中的一个，所 述支撑轴从镜子114的柱形外围表面128的直径对置的位置径向地延伸。每个支撑轴404 和相应的孔一起形成第一回转支撑接头119，从而内部构件120将镜子114可旋转地支撑在 支撑轴线117上，所述支撑轴线由支撑轴404的共同的对称轴线限定。所述支撑轴线117 穿过球形旋转中心112并且布置成正交于第一驱动轴线108和镜子114的定向轴线116两 者ο在引导第二驱动轴107穿过基座框架102的孔的面向内部的一侧，外部构件124 固定到第二驱动轴107上，其从那里垂直延伸。尽管在本实施例中是由分段线性的部分形 成的，但外部构件124大约遵循对弧90°角的一般形状，同时该弧的内半径略微大于内部 构件120的外半径。如图1所示，外部构件124形成为在一个所述内部构件120和所述镜 子114被旋转进入一个与由基座框架102也就是由驱动轴线108、109限定的平面共面的方 位并且所述外部构件124被旋转进入一个与由基座框架102限定的平面共面并且背向第一 驱动器104的一侧的位置中的位置中，所述外部构件124既没有接触镜子114也没有接触 内部构件120。外部构件124在其端部包括孔，其可旋转地保持中间轴406，中间轴从中间构件 122的纵向腿131径向向外延伸。中间轴406和相应的孔一起形成中间回转接头132，其构 造成围绕联接轴线126旋转，联接轴线穿过球形旋转中心112并且构造成正交于镜子114 的定向轴线116。如图2和3所示，镜子114能通过驱动轴106、107的旋转驱动在一个大角度范围内旋转进入任意球形方位中。在图2中，第一驱动轴106已从图1中所示的位置逆时针一 从第一驱动器104观察一旋转了 90°。在图3中，第二驱动轴107已从它在从图1中的位 置沿相同的方向进一步旋转了总共135° C，而第一驱动轴109已从它在图1中的位置顺时 针一从第二驱动器105观察一旋转了 45°。
图4示出了一个实施例，其中中心轴400和中间构件122的径向腿130由一对弹 性薄片402连接，从而将第一支撑接头118作为弹性轴承提供。在作为替代方案的实施例 中，作为附加方案或者作为替代方案，所述第二支撑接头119和/或所述中间回转接头132 中任一个都能构造成弹性轴承。图5示出了一个实施例，其仅包括一个单个的内部构件120和一个单个的第二回 转支撑接头119。在这个实施例中，外部构件124在形状上与内部构件120相同，其具有减 少要制造的不同部件的数目的优点。此外，由于形状上的相似性，内部球形构件120和外部 球形构件124在机械性能上相似，例如它们围绕相应的驱动轴线108、109的各自的惯性矩 以及它们的弹性弯曲性能等。这使定向装置100基本上能表现出与来自驱动器104、105中 任一个的驱动的相似性，导致了尤其平稳和精确的操作。间隔环500已插在内部构件120 和镜子114的外围表面128之间，其在长度上与中间构件122的纵向腿131的径向厚度相 对应，从而使得能够使用形状相同的内部球形构件120和外部球形构件124。图6示出了另一个实施例，其中可定向装置614具有拉长的柱形形状，围绕定向轴 线116旋转对称。可定向装置614出于简化的目的表示为普通柱形，其示例可包括透镜系 统或摄影机、机械臂、操作杆、聚光灯、水炮或喷嘴。这里，在图1-5的实施例中为L形的中 间构件是具有略微大于柱形形状的可定向装置614的外直径的内直径的柱形护套620。在 护套620内，可定向装置614围绕定向轴线116可旋转地被保持着。因此，在本实施例中， 所述护套620和所述可定向装置614本身的外部形状形成了第一支撑接头118。在护套620的两个直径对置的部分中形成有周向的槽缝690，每个槽缝延伸大约 90°角。第二回转支撑接头119的支撑轴404将可定向装置615可旋转地连接到内部构件 120上，每个通过槽缝690中相应的一个。当可定向装置614围绕它的定向轴线116旋转 时，支撑轴404沿着相应的槽缝690的长度滑动。在内部构件106和可定向装置614之间 已经插入间隔环500，其比可定向装置614和护套620的外半径之间的差略长，从而阻止了 摩擦并且使得能够使用形状相同的内部球形构件120和外部球形构件124，具有如图5中实 施例相似的优点。在图1-6中所示的定向装置100基本上能够通过使用微机械制造方法制造。例如， 图1-3中的定向装置可由位于图1中的中立位置中看出，其中所有主要结构部分也就是基 座102、镜子114、内部构件120、中间构件122和外部构件124位于扁平的容积内，该容积由 基座框架102的外部尺寸限定。在示例性的微机械制造工艺中，这些部分是由共同的基底 成形的，例如传统的硅片，其包括对应于基座框架102的高度的厚度，垂直于图1-3中的绘 图平面。在进一步的步骤中，镜子表面115形成在镜子114上，例如通过金属蒸发。此外，图4和5中的定向装置100以及当将可定向装置620排除在外时图6中的 定向装置100也能基本上旋转到如图1所示的中立位置，其中所有主要结构部分位于扁平 的容积内，该容积由各自基座框架102的外部尺寸限定，从而原则上致使它们适合通过微 机械工艺由共同的基底制造而成。此外适合于这种工艺的是作为弹性接头的回转接头118、
8· 119,132中的一个或多个的形成，例如图4中的定向装置的弹性的第一支撑接头118。
权利要求
一种球形定向装置(100)，包括—基座(102)；—第一驱动轴(106)和第二驱动轴(107)，其由所述基座(102)可旋转地保持用于围绕第一驱动轴线(108)和第二驱动轴线(109)进行旋转驱动，所述第一驱动轴线和所述第二驱动轴线在球形旋转中心(112)正交相交；—可定向装置(114；614)，其由第一回转支撑接头(118)和第二回转支撑接头(119)支撑，其中所述第一支撑接头(118)布置成用于围绕所述可定向装置(114；614)的定向轴线(116)旋转，并且所述第二支撑接头(119)布置成用于围绕支撑轴线(117)旋转，所述支撑轴线在所述球形旋转中心(112)正交相交于所述定向轴线(116)；—内部构件(120)，其固定到所述第一驱动轴(106)上并且联接到所述第二支撑接头(119)上，所述第一驱动轴线(108)布置成正交于所述支撑轴线(117)；—中间构件(122；620)，其向内联接到所述第一支撑接头(118)上并且向外联接到中间回转接头(132)上，所述中间回转接头布置成用于围绕联接轴线(126)旋转，所述联接轴线穿过所述球形旋转中心(112)，所述联接轴线(126)布置成正交于所述定向轴线(116)；以及—外部构件(124)，其固定到所述第二驱动轴(107)上并且联接到所述中间回转接头上，所述联接轴线(126)布置成正交于所述第二驱动轴线(109)。
2.如权利要求1所述的球形定向装置，其中，所述可定向装置(114；614)是光学装置， 所述定向轴线(116)是所述光学装置的光学轴线。
3.如权利要求2所述的球形定向装置，其中，所述可定向装置(114;614)是镜子 (114)，所述定向轴线(116)尤其在球形旋转中心(112)垂直相交于所述镜子(114)的镜子 表面(115)。
4.如前述权利要求中任一项所述的球形定向装置，其中，所述可定向装置(114)具有 基本上盘状的形状，并且其中，所述中间构件(122)具有沿着所述可定向装置(114)的后侧 (129)径向延伸的径向腿(130)。
5.如前述权利要求中任一项所述的球形定向装置，其中，所述第一支撑接头(118)、所 述第二支撑接头(119)和所述中间回转接头(132)中的至少一个由弹性接头(402)构成。
6.如前述权利要求中任一项所述的球形定向装置，其中，所述可定向装置(614)具有 围绕所述定向轴线(116)基本上旋转对称的外部形状，所述中间构件(620)由护套(620) 构成，所述护套具有与所述可定向装置(614)的外部形状相对应的内部形状。
7.如权利要求6所述的球形定向装置，其中，所述护套(620)包括至少一个槽缝 (690)，该槽缝围绕所述定向轴线(116)周向延伸，所述第二支撑接头(119)通过所述槽缝 (690)支撑所述可定向装置。
8.—种制造如前述权利要求中任一项所述的球形定向装置(100)的方法，包括一提供基底，尤其是硅片基底；以及一由所述基底形成基座(102)、内部构件(120)、中间构件(122)和外部构件(124)中 的至少两个。
9.如权利要求8所述的方法，当引用权利要求3时，进一步包括由所述基底形成镜子 (112)。
10.如权利要求8或9所述的方法，包括由所述基底作为弹性接头(402)形成第一支撑 接头(118)、第二支撑接头(119)和中间回转接头(132)中的至少一个。
全文摘要
球形定向装置及其制造方法，球形定向装置包括基座、驱动轴、可定向装置、内部构件、中间构件和外部构件。驱动轴由基座可旋转地保持用以围绕在球形旋转中心正交相交的驱动轴线旋转驱动。可定向装置由回转支撑接头支撑，第一支撑接头用于围绕可定向装置的定向轴线旋转，第二支撑接头用于围绕与定向轴线正交相交的支撑轴线旋转。内部构件固定到第一驱动轴上并且联接到第二支撑接头上，第一驱动轴线与支撑轴线正交。中间构件向内联接到第一支撑接头上并且向外联接到用于围绕联接轴线旋转的中间回转接头上，联接轴线穿过球形旋转中心并与定向轴线正交。外部构件固定到第二驱动轴上并且联接到中间回转接头上，联接轴线与第二驱动轴线正交。
文档编号F16M11/12GK101943312SQ20101022921
公开日2011年1月12日 申请日期2010年5月25日 优先权日2009年5月26日
发明者P·梅拉德 申请人:罗伯特·博世有限公司