Die Erfindung betrifft einen Zwei-Achs-Rotator, d.h. eine Einrichtung, die die Erzeugung einer Rotation um zwei orthogonale Raumachsen ermöglicht, sowie eine Handhabungsvorrichtung mit einem derartigen Zwei-Achs- Rotator und eine Analysevorrichtung zum Analysieren von Eigenschaften eines Untersuchungsobjekts mit einem derartigen Zwei-Achs-Rotator oder/und mit einer derartigen Handhabungsvorrichtung . Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen zur

Handhabung von Gegenständen beliebiger Art und Größe.

In besonderen Ausgestaltungen betrifft die Erfindung Vorrichtungen zur Winkelpositionierung zu untersuchender Materialproben in der Anwendung verschiedener analytischer Messmethoden, d.h. zur definierten räumlichen Anordnung derartiger Materialproben im Wirkungsbereich wissenschaftlich-technischer Analyse- oder Messeinrichtungen bzw. von Energiefeldern, die von oder in derartigen Einrichtungen erzeugt werden. Derartige Methoden umfassen beispielsweise die Untersuchung elektronischer Probeneigenschaften unter extremen Umgebungsbedingungen, wie etwa sehr starken Magnetfeldern oder/und tiefsten kryogenen Temperaturen, auch und insbesondere bei gleichzeitig stark limitiertem Baugruppenvolumen. Repräsentative Beispiele stellen herbei die Kernspinresonanz, die Messung elektronischer Transportgrößen, wie etwa des elektrischen Widerstands oder der Wärmeleitfähigkeit, der spezifischen Wärme, magnetischer Wechselfeldsuszeptibilität usw., oder Untersuchungen mittels Ultraschall, Neutronen- oder Röntgenstrahlung usw. dar. Die genannten analytischen Methoden werden weltweit in verschiedenen Laborumgebungen im Forschungsbereich grundlegender und anwendungsnaher Festkörperphysik und Materialwissenschaften angewandt.

Von kommerziellen Anbietern für analytische Messmethoden bei extrem hohen Magnetfeldern und kryogenen Temperaturen sind Positioniereinrichtungen mit einer Rotationsachse verfügbar. Hierdurch lassen sich jedoch keine beliebigen Ausrichtungen zu untersuchender Materialproben einstellen, wodurch zum einen residuelle Fehlorientierungen zur gewünschten Ausrichtung unvermeidbar sind, und zum anderen vollständige Untersuchungen winkelabhängiger Probeneigenschaften nicht durchgeführt werden können.

Bekannte Zwei-Achs-Rotatoren, die im Bereich der Festkörperphysik genutzt werden, erlauben entweder keinen gleichzeitigen Antrieb der beiden Rotationsachsen oder nur einen stark beschränkten Winkelbereich für die Probenrotation. Durch einen eingeschränkten Winkelbereich lassen sich keine beliebigen Ausrichtungen zu untersuchender Materialproben einstellen, wodurch zum einen residuelle Fehlorientierungen zur gewünschten Ausrichtung akzeptiert werden müssen, und zum anderen bestimmte Untersuchungen winkelabhängiger Probeneigenschaften grundsätzlich ausgeschlossen sind. Insbesondere ist bei Lösungen, die keinen gleichzeitigen Antrieb beider Achsen ermöglichen, eine vollautomatisierte Messung winkelabhängiger Eigenschaften nicht möglich.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, verbesserte Vorrichtungen zur Handhabung von Gegenständen beliebiger Art und Größe anzugeben, die eine Winkelpositionierung, d.h. eine definierte räumliche Anordnung eines Gegenstands ermöglichen, wobei eine Rotation um mindestens zwei orthogonale Raumachsen unabhängig voneinander steuerbar ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Zwei-Achs-Rotator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Handhabungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Der vorgeschlagene Zwei-Achs-Rotator zur Erzeugung einer Rotation um zwei zueinander orthogonale Rotationsachsen umfasst einen Grundkörper, einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor, wobei der erste Rotor an oder in dem Grundkörper um eine erste Rotationsachse drehbar gelagert ist und der zweite Rotor an oder in dem ersten Rotor um eine zweite Rotationsachse drehbar gelagert ist, und wobei der erste Rotor einen ersten Antrieb aufweist und der zweite Rotor einen zweiten Antrieb aufweist, und der erste Antrieb und der zweite Antrieb unabhängig voneinander antreibbar sind.

In bestimmten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators kann vorgesehen sein, dass der erste Rotor eine zylindrische Innenfläche aufweist und der zweite Rotor eine zylindrische Außenfläche aufweist und die Innenfläche und die Außenfläche als Drehlager _Z usammenwirken, wobei deren

Mittelachsen die zweite Rotationsachse definieren. Auf diese Weise wird die benötigte Relativverdrehbarkeit zwischen erstem Rotor und zweitem Rotor auf mechanisch einfache Weise und ohne zusätzliche Drehlager gelöst. In bestimmten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators kann vorgesehen sein, dass der erste Rotor zwei fluchtend einander gegenüberliegend angeordnete Wellenenden aufweist, deren Mittelachsen die erste Rotationsachse definieren. Diese Wellenenden können direkt zur drehbaren Lagerung des ersten Rotors an oder in dem Grundkörper genutzt werden, wofür keine separaten Drehlager benötigt werden. Die Wellenenden können z.B. in Form von Wellenstummeln ausgebildet sein.

In bestimmten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators kann vorgesehen sein, dass auf einem ersten Wellenende eine erste Hohlwelle drehfest angeordnet ist. Um eine Drehung des ersten Rotors zu bewirken, wird in diesem Fall die erste Hohlwelle verdreht, die aufgrund ihrer drehfesten Anbringung auf dem Wellenende eine entsprechende Verdrehung des ersten Rotors bewirkt.

In bestimmten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators kann vorgesehen sein, dass ein zweites Wellenende eine zylindrische Außenfläche aufweist und auf dem zweiten Wellenende eine zweite Hohlwelle mit einer zylindrischen Innenfläche angeordnet ist, wobei die Innenfläche und die Außenfläche als Drehlager _Z usammenwirken, wobei die zweite Hohlwelle an oder in dem Grundkörper um die erste Rotationsachse drehbar gelagert ist und der erste Rotor in der zweiten Hohlwelle um die erste Rotationsachse drehbar gelagert ist. In diesem Fall ist die zweite Hohlwelle ein mechanisch wirksames Glied, das zwischen dem Grundkörper und dem ersten Rotor angeordnet ist. Dabei ist die zweite Hohlwelle relativ zum Grundkörper ebenso verdrehbar wie relativ zum ersten Rotor. In bestimmten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators kann vorgesehen sein, dass die Wellenenden bzw. die Hohlwellen jeweils eine Antriebsverzahnung aufweisen. Mit anderen Worten kann eine Antriebsverzahnung direkt an oder auf den Wellenenden angebracht sein. Alternativ kann, wenn auf den Wellenenden die oben erwähnten Hohlwellen angeordnet sind, die jeweilige Antriebsverzahnung an oder auf den Hohlwellen angebracht sein. Dies kann Vorteile bei der Fertigung haben, gleichzeitig aber auch den Austausch einer defekten Verzahnung erleichtern.

Gemäß einer Ausgestaltung kann mindestens ein Wellenende bzw. mindestens eine Hohlwelle bzw. mindestens eine Antriebsverzahnung mit einem Schneckentrieb in Wirkverbindung stehen. Dies schließt Ausgestaltungen mit ein, bei denen beide Wellenenden, Hohlwellen oder Antriebsverzahnungen mit je einem Schneckentrieb in Wirkverbindung stehen. Der Antrieb über Schneckentriebe ist jedoch nicht zwingend, sondern stellt lediglich eine vorteilhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators dar. Auch die durch Schneckentriebe erfolgende Umleitung der Rotationsbewegungen ist nicht zwingend notwendig. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann eine Umleitung der Rotationsbewegungen auch auf andere Weise erfolgen, oder die Wellenenden bzw. die Hohlwellen werden direkt angetrieben, falls das der Bauraum zulässt.

In bestimmten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators kann vorgesehen sein, dass die Schneckentriebe parallel zueinander angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, weil sie den Antrieb der Schneckentriebe insbesondere in beengten Umgebungen, wie sie in einigen Analyse- oder Messeinrichtungen anzutreffen sind, deutlich einfacher gestalten.

In bestimmten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators kann vorgesehen sein, dass die zweite Hohlwelle eine Abtriebsverzahnung aufweist, die mit einer

Antriebsverzahnung des zweiten Rotors in Wirkverbindung steht. Bei dieser Ausgestaltung dient also die Antriebsverzahnung der zweiten Hohlwelle, die mit dem zugeordneten Schneckentrieb in Wirkverbindung steht, dem Antrieb der zweiten Hohlwelle relativ zum Grundkörper und relativ zum ersten Rotor. Die Abtriebsverzahnung der zweiten Hohlwelle, die mit der Antriebsverzahnung des zweiten Rotors im Eingriff steht, sorgt dafür, dass diese Drehbewegung der zweiten Hohlwelle auf den zweiten Rotor übertragen wird. In bestimmten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Zwei-Achs- Rotators kann vorgesehen sein, dass die Abtriebsverzahnung der zweiten Hohlwelle und die Antriebsverzahnung des zweiten Rotors Kegelräder sind. Diese Ausgestaltung trägt der Tatsache Rechnung, dass das zweite Wellenende des ersten Rotors, bzw. die zweite Hohlwelle, parallel zur ersten Rotationsachse und damit orthogonal zur zweiten Rotationsachse, um die der zweite Rotor verdrehbar ist, ausgerichtet ist.

Für die mechanische Funktionalität des Zwei-Achs-Rotators ist es wichtig, ein ausreichend festes Material zu verwenden, welches sich für alle Bauteile eignet.

In einer für bestimmte Anwendungen besonders geeigneten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bestimmte Bauteile oder auch alle Bauteile des Zwei-Achs-Rotators aus einem thermisch und/oder elektrisch nichtleitenden bzw. isolierenden Material gefertigt sind. Für andere Anwendungen wiederum kann es vorteilhaft sein, dass bestimmte Bauteile oder auch alle Bauteile des Zwei-Achs-Rotators aus einem nichtmagnetischen oder nicht magnetisierbaren Material gefertigt sind.

In anderen Ausgestaltungen kann für bestimmte Bauteile oder auch für alle Bauteile des Zwei-Achs-Rotators vorteilhaft metallisches Material, beispielsweise Edelstahl, Aluminium, Messing, Titan oder Kupfer, verwendet werden.

Für bestimmte Bauteile oder auch für alle Bauteile des Zwei- Achs-Rotators kann in anderen Ausgestaltungen vorteilhaft Kunststoff, beispielsweise PEEK verwendet werden.

In anderen Ausgestaltungen können bestimmte Bauteile oder auch alle Bauteile des Zwei-Achs-Rotators aus Saphir,

Keramik oder dergleichen gefertigt sein.

Einzelne Bauteile können beispielsweise aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt werden, wenn damit die mechanische Funktion und die Anforderungen der Arbeitsumgebung in Einklang gebracht werden können.

Besonders vorteilhaft sind alle Bauteile des Zwei-Achs- Rotators aus demselben Material gefertigt. Durch die Reduktion auf einen Werkstoff ist gewährleistet, dass alle Passungen temperaturunabhängig bestehen bleiben und so die Funktionalität auch bei sehr hohen oder sehr tiefen Temperaturen sichergestellt ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Handhabungsvorrichtung, die einen derartigen Zwei-Achs-Rotator aufweist. Eine solche Handhabungsvorrichtung kann vorteilhaft dazu benutzt werden, zu untersuchende Materialproben bei der Anwendung verschiedener analytischer Messmethoden zu handhaben, d.h. Materialproben im Wirkungsbereich wissenschaftlich- technischer Analyse- oder Messeinrichtungen im Raum zu positionieren .

Beispielsweise kann der Zwei-Achs-Rotator an einem Manipulator angeordnet sein, der mit den Antrieben des ersten Rotors und des zweiten Rotors wirkverbunden ist.

Um eine Rotation auch um die dritte Raumrichtung zu ermöglichen, kann die vorgeschlagene Handhabungsvorrichtung so gestaltet sein, dass der Zwei-Achs-Rotator an dem Manipulator um eine dritte Rotationsachse drehbar angeordnet ist. In diesem Fall wird die Rotation um die dritte Raumrichtung dadurch realisiert, dass der Zwei-Achs-Rotator insgesamt um diese dritte Achse verdreht wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Analysevorrichtung zum Analysieren von Eigenschaften eines Untersuchungsobjekts in Abhängigkeit von der Orientierung des Untersuchungsobjekts relativ zu einem vorgegebenen Feld einer physikalischen Feldgröße, einer Energiestrahlung oder dergleichen. Eine derartige Analysevorrichtung kann beispielsweise eine Felderzeugungseinrichtung oder/und eine Strahlungsquelle sowie einen Zwei-Achs-Rotator der beschriebenen Art umfassen, um das Untersuchungsobjekt in dem erzeugten Feld bzw. in der erzeugten Strahlung durch Rotation um mindestens zwei Raumachsen unterschiedlich zu positionieren. Eine solche Analysevorrichtung kann weiterhin beispielsweise eine Temperiereinrichtung, beispielsweise einen Ofen oder einen Kryostaten, umfassen, wobei der Zwei-Achs-Rotator in der Temperiereinrichtung angeordnet sein kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Zwei- Achs-Rotators, und

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1.

Drei Haltestäbe 9 einer Handhabungseinrichtung halten eine Grundplatte 11, an der ein Grundkörper 1 angebracht ist. Der erste Rotor 3 ist in dem Grundkörper 1 um eine erste Rotationsachse drehbar gelagert. Der erste Rotor 3 weist zwei konzentrische, einander gegenüberliegend angeordnete Wellenenden 31, 32 auf, deren Mittelachsen die erste Rotationsachse definieren. Der zweite Rotor 4 ist in dem ersten Rotor 3 um eine zweite Rotationsachse drehbar gelagert. Der erste Rotor 3 weist eine zylindrische Innenfläche auf und der zweite Rotor 4 weist eine zylindrische Außenfläche auf. Die Innenfläche des ersten Rotors 3 und die Außenfläche des zweiten Rotors 4 wirken als Drehlager zusammen, und ihre Mittelachsen definieren die zweite Rotationsachse. Auf einem ersten Wellenende 31 des ersten Rotors 3 ist eine erste Hohlwelle 5 drehfest angeordnet, die eine Antriebsverzahnung 51 aufweist, welche mit einem ersten Schneckentrieb 71 wirkverbunden ist, der in einer Hülse 8 angeordnet ist.

Das dem ersten Wellenende 31 gegenüberliegende zweite Wellenende 32 weist eine zylindrische Außenfläche auf und darauf ist eine zweite Hohlwelle 6 mit einer zylindrischen Innenfläche angeordnet. Die Innenfläche der zweiten

Hohlwelle 6 und die Außenfläche des zweiten Wellenendes 32 wirken als Drehlager zusammen. Die zweite Hohlwelle 6 ist in dem Grundkörper 1 um die erste Rotationsachse drehbar gelagert und der erste Rotor 3 ist in der zweiten Hohlwelle 6 um die erste Rotationsachse drehbar gelagert. Die zweite

Hohlwelle 6 weist eine Antriebsverzahnung 61 auf, welche mit einem zweiten Schneckentrieb 72 wirkverbunden ist, der in einer Hülse 8 angeordnet ist. Die zweite Hohlwelle 6 weist eine Abtriebsverzahnung 62 auf, die mit einer Antriebsverzahnung 41 des zweiten Rotors 4 in Wirkverbindung steht.

Der erste Schneckentrieb 71 und der zweite Schneckentrieb 72 sind parallel zueinander angeordnet und in je einer Hülse 8 drehbar gelagert. Die Besonderheit der Erfindung besteht in der gleichzeitigen Ansteuerbarkeit zweier orthogonaler Rotationsachsen, wodurch eine präzise Ausrichtung z.B. zu untersuchender Probenmaterialien bezüglich einer Sondierungsachse ermöglicht wird, welche z.B. durch ein technisch erzeugtes Magnetfeld oder einen Röntgenstrahl gegeben ist. Weiterhin erlaubt die geringe Baugröße des Zwei-Achs-Rotators den Einsatz in verschiedensten Apparaturen.

Der Zwei-Achs-Rotator ermöglicht es, eine verhältnismäßig große Probe (z.B. 10 x 10 x 3mm) in einem kleinen Bauraum (z.B. D=29mm) um zwei orthogonal stehende Achsen um jeweils 360° und mehr zu rotieren. Diese Achsen sind im Antrieb einseitig unabhängig und können beim Antrieb der Lagerachse durch gleichschnellen und gleichgerichteten Antrieb beider Achsen den gegenseitigen Einfluss vollständig kompensieren.

Diese Kompensation ist nicht als Nachregelung zu verstehen, sondern führt zu einer verzögerungsfreien Relativrotation um eine genau in der gewünschten Richtung stehenden Achse. Werden beide Achsen gleichzeitig, aber mit verschiedenen Geschwindigkeiten oder Drehrichtungen oder einer Kombination von beiden angetrieben, ergeben sich räumliche Rotationen, die je nach Experimentanforderungen sehr hilfreich sein können.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurden alle Bauteile, mit Ausnahme der Kontaktierungsstifte auf dem Probenträger, aus PEEK (Polyetheretherketon) gefertigt. Dadurch ist die Funktionalität und Leichtgängigkeit aller verwendeten Passungen und Lagerungen unter allen zu erwartenden Temperaturen, auch im kyrogenen Bereich, gewährleistet.

Durch die Verwendung unmagnetischer Materialien wird beim Einsatz in Kryomagneten das Entstehen magnetischer Streufelder vermieden, dies ist für die erfolgreiche Anwendung besonders empfindlicher Messmethoden, wie etwa der Kernspinresonanz, unabdingbar. Durch die hohe Festigkeit und geringe Verschleißanfälligkeit von PEEK konnten feinere und trotzdem stabile Strukturen geschaffen werden, die so eine Verkleinerung der Gesamtkonstruktion ermöglichten. Durch diese Verkleinerung war es möglich, die Forderung nach einer Konstruktion mit einem maximalen Durchmesser von 29mm zu erfüllen und gleichzeitig die Verwendung von Proben einer Größe, die sonst Konstruktionen größeren Gesamtdurchmessers _V orbehalten blieben, zu ermöglichen.

Durch die im Winkel unbegrenzte Bewegung ist es möglich, den Probenträger beim Probenwechsel stets in eine Position zu rotieren, die einen leichten Probenwechsel ermöglicht.

Die Erfindung ermöglicht die unabhängige, einflusskompensierte Rotation beider orthogonal stehender Achsen durch den Aufbau der Lagerung und des Antriebs über konzentrische Antriebsachsen. Diese Achsen werden einzeln über ein weiteres Winkelgetriebe um 90° umgelenkt, was den Einbau in einen Probenraum mit einem Durchmesser von 30mm ermöglicht.

Durch die Verwendung eines Werkstoffs für alle Komponenten treten keine unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, was die Wahrung der Passungen und Lagerspiele in allen Temperaturbereichen, auch im kryogenen Bereich, sicherstellt.

Der wechselbare Probenträger bietet erhebliche Vorteile bei der Bestückung des Rotators, da diese Tätigkeiten nur entfernt vom Rotator ausgeführt werden können und so eine genauere Probenpositionierung auf dem Träger bei gleichzeitig geringerem zeitlichen Aufwand möglich wird.

Die Konstruktion soll für Kryoanwendungen aus einem nichtleitenden Material gefertigt werden. Für die rein mechanische Funktionalität ist es wichtig, ein ausreichend festes Material zu verwenden, welches sich für alle Bauteile eignet. Mit der Reduktion auf einen Werkstoff ist gewährleistet, dass alle Passungen temperaturunabhängig bestehen bleiben und so die Funktion sicherstellen. Für die primär anvisierte Einsatzumgebung stellte sich PEEK als geeigneter Werkstoff heraus. Für andere

Anwendungsmöglichkeiten ist es jedoch auch möglich, die Konstruktion aus anderen Kunststoffen oder auch metallischen Werkstoffen zu fertigen. Auch Varianten, beispielsweise aus Saphir, sind denkbar. Dafür können einzelne Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt werden, wenn damit die mechanische Funktion und die Anforderungen der Arbeitsumgebung in Einklang gebracht werden können.

Zwei-Achs-Rotator Bezugszeichenliste

1 Grundkörper 11 Grundplatte

2 Probenträger 21 Kontaktstift

3 erster Rotor

31 erstes Wellenende 32 zweites Wellenende

4 zweiter Rotor

41Antriebsverzahnung

5 erste Hohlwelle

51Antriebsverzahnung 6 zweite Hohlwelle

61Antriebsverzahnung

62Abtriebsverzahnung

71 erster Schneckentrieb

72 zweiter Schneckentrieb

8 Hülse

9 Haltestab