BE1022342B1 - Positioneringsinrichting - Google Patents

Abstract

Een piëzo-inrichting voor het positioneren van een last wordt beschreven. De piëzo-inrichting omvat een stator module die één of meer piëzo-elektrische actuator(en) omvat georiënteerd in één enkele richting. De stator module omvat verder ten minste één scharnier die vervorming van de stator module mogelijk maakt bij bekrachtiging van de piëzo-elektrische actuator. De piëzo-inrichting omvat ook een schuif of rotor module, welke schuif of rotor module in contact is met de stator module in ten minste drie contactpunten. Het ten minste één scharnier en de één of meer piëzo-elektrische actuator(en) zijn in positie ten opzichte van elkaar opgesteld voor het verschaffen van een tangentiële beweging van de schuif of rotor module bij bekrachtiging van de ten minste één piëzo-actuator. De schuif of de rotor worden aangedreven en/of ondersteund door de contactpunten.

Description

Positioneringsinrichting

Domein van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op het gebied van mechanische positionering van voorwerpen. Meer specifiek heeft de uitvinding betrekking op piëzo-elektrische positioneringsinrichtingen en werkwijzen voor het positioneren van objecten.

Achtergrond van de uitvinding

Piëzo-elektrische positioneringsinrichtingen worden gebruikt in een veelheid van toepassingen die zeer hoge nauwkeurigheden vereisen. De belangrijkste beperkende factor van deze positioneringsinrichtingen is echter de zeer kleine verplaatsing. Om dit effect tegen te gaan zijn verschillende principes van piëzo-elektrische motoren bedacht om een onbegrensd verplaatsingsbereik te verkrijgen. Drie belangrijke types van motoren werden ontworpen: stappenmotoren, frictie-inertie motoren en résonante motoren. Stappenmotoren hebben een hoge houdkracht maar zijn vaak te langzaam voor vele toepassingen. Résonante motoren bereiken hoge snelheden met vloeiende bewegingen, maar zijn tamelijk complex om aan te drijven.

Voor diverse toepassingen zijn frictie-inertie motoren de ideale oplossing. Een ganse lijst van dergelijke motoren werd beschreven door Zhang et al. in "Piezoelectric friction - inertia actuator - a critical review and future perspective" in Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2012) online gepubliceerd. Deze motoren zijn gebaseerd op de traagheid van de rotor of schuif module en/of op het verschil tussen statische en dynamische wrijving. Volgens de publicatie, bestaan er twee soorten frictie-inertie motoren: frictie-aandrijfmotoren en inertie-aandrijfmotoren. Het werkingsprincipe van frictie-aandrijfmotoren is als volgt: bij langzame expansie/contractie van de piëzo volgt de belasting de beweging, omdat de wrijvingskracht tussen de stator en de schuif module voldoende groot is, wat ervoor zorgt dat de schuif module de beweging van de actuator volgt. Bij snelle beweging van de aandrijvende actuator kan echter slip optreden als gevolg van de inertie van de schuif module, en beweegt de schuif module enigszins achterwaarts of staat in wezen stil, wat resulteert in een netto beweging. De schuif module wordt daarom aangedreven door asymmetrisch gevormde spanningssignalen met een trage 'klevende' fase en een snelle 'slippende' fase. In inertie-aandrijfmotoren staat de belasting in wezen stil tijdens de langzame expansie/contractie, en wordt verplaatst tijdens de snelle beweging van de aandrijvende actuator.

In octrooi US6940210 wordt een voorbeeld gegeven van een zeer kleine roteerbare kleef-slip piëzo-motor. Deze motor is compact, heeft een goed laadvermogen voor een frictie-inertie motor en is werkzaam in extreme omgevingen zoals bij vloeibare helium temperaturen, hoog vacuüm en sterke magnetische velden. De motor is gebaseerd op een stator met twee piëzo's geplaatst aan de buitenzijde van de rotor. De uitloop-afwijking is doorgaans relatief hoog, d.w.z. meestal enkele micrometer of meer. Niettemin is voor een aanzienlijk aantal toepassingen een lagere uitloop-afwijking vereist.

Er is derhalve een behoefte aan piëzo-elektrisch gebaseerde roteerbare positioneringssystemen met kleinere uitloop-afwijkingen.

Samenvatting van de uitvinding

Het is een doel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding om nauwkeurige positioneringsinrichtingen en werkwijzen te verschaffen.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat een specifiek inwendig ontwerp van het systeem toelaat inrichtingen te verkrijgen met hoge uitloop-nauwkeurigheid. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat een uitloop-afwijking beter dan 1 pm kan bereikt worden. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat roteerbare positioneringsinrichtingen worden verschaft die rotatie van de rotor en de bovenplaat toelaten met zeer lage radiale, axiale en kantel bewegingsfouten.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat positioneringsinrichtingen worden verschaft die compact zijn.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat positioneringsinrichtingen verschaft worden die een goed draagvermogen bieden ten opzichte van andere frictie-inertie motoren.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat positioneringsinrichtingen verschaft worden die werkzaam zijn in extreme omgevingen, zoals bij lage temperaturen, hoog vacuüm en sterke magnetische velden. Bovendien produceren deze inrichtingen slechts verwaarloosbare magnetische velden.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat positioneringsinrichtingen verschaft worden die compactheid combineren met goede belastbaarheid en de mogelijkheid om in extreme omgevingen met grote uitloop-nauwkeurigheid te werken.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding dat een kinematische ophanging in het rotor/stator assemblage wordt verkregen.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de aandrijf-functie en de lager-functie door één enkel middel kunnen verwezenlijkt worden, hetgeen resulteert in een compact ontwerp, dat ook vrij is van speling.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat openingen tussen stator en rotor of tussen stator en schuif module gecompenseerd worden. De compensatiemiddelen fungeren tegelijk als voorspanningsmechanisme. Het is een voordeel van ten minste sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de rotor rond de stator is geplaatst, waarbij aandrijving kan bekomen worden gebruik makend van slechts één enkele piëzo-opeenstapeling, hoewel uitvoeringsvormen hiertoe niet beperkt zijn.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat ten minste één scharnier, voorzien op een vooraf bepaalde positie ten opzichte van de contacten, wordt toegepast, wat zorgt voor gelijkmatige tangentiële trekkrachten.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat een mechanische oplossing wordt verschaft voor het bieden van voorspanning, hetgeen resulteert in een oplossing die robuust is tegen vorm- en grootte afwijkingen en tegen slijtage.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat een relatief eenvoudige inrichting wordt verkregen voor het verschaffen van de nauwkeurige positionering. De eenvoud van het ontwerp verhoogt de robuustheid van de inrichting alsook het gemak van de vervaardiging ervan.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat roteerbare positioneringsinrichtingen worden verschaft die een groot centraal gat hebben voor het doorlaten van mechanische elementen of voor het doorlaten van iedere soort kabel of bedrading, die rotatie van de rotor en/of de bovenplaat toelaten met zeer lage radiale, axiale en kantel bewegingsfouten.

Het is een voordeel van sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat nauwkeurige positioneringsinrichtingen worden verschaft met twee piëzo-actuatoren, die het mechanisch uitgangsvermogen van de inrichting (d.w.z. snelheid en/of tractie) verhogen.

Het is een voordeel van sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat roteerbare positioneringsinrichtingen worden verschaft met twee piëzo-actuatoren, die een extra vrijheidsgraad geven om een eventuele resterende uitloop-afwijking verder te compenseren, hoewel ze reeds zeer klein is. Het bovenstaand objectief wordt bereikt door een werkwijze en inrichting volgens de onderhavige uitvinding.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een piëzo-inrichting voor het positioneren van een belasting, welke piëzo-inrichting een stator module omvat die één of meer piëzo-elektrische actuator(en) omvat georiënteerd in één enkele richting, welke stator module verder ten minste één scharnier omvat om vervorming van de stator module mogelijk te maken bij bekrachtiging van de piëzo-elektrische actuator. De piëzo-inrichting omvat ook een schuif of rotor module, welke schuif of rotor module in contact is met de stator module in ten minste drie contactpunten. Het ten minste één scharnier en de één of meer piëzo-elektrische actuator(en) zijn ten opzichte van elkaar opgesteld voor het verschaffen van een tangentiële beweging van de schuif of rotor module bij bekrachtiging van de ten minste één piëzo-actuator. De schuif of motor module worden aangedreven en ondersteund door de contactpunten. Met andere woorden, de lagering en aandrijving zijn gecombineerd, hetgeen resulteert in een compacte opstelling.

Wanneer meerdere piëzo-elektrische actuatoren aanwezig zijn, dan kunnen deze doorgaans allemaal in dezelfde, één enkele richting georiënteerd zijn. De tangentiële beweging kan een gelijkmatig verdeelde tangentiële beweging zijn. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding dat een zeer nauwkeurige positioneringsinrichting kan verkregen worden.

De opstelling van het ten minste één scharnier en de één of meer piëzo-elektrische actuator(en) kan zodanig zijn dat het ten minste één scharnier niet collineair is met de één enkele richting.

Ten opzichte van de één enkele richting en het midden van de stator module, bijvoorbeeld in uitvoeringsvormen waar slechts één enkele piëzo-elektrische actuator gebruikt wordt, kan het ten minste één scharnier onder een hoek geplaatst zijn in het bereik van 35° tot 55°. De hoek kan voordeligerwijs 45° zijn.

Tenminste één contact kan ondersteund zijn door middel van een flexibele ondersteuning. De flexibele ondersteuning kan dienen om een mechanische voorspanning te bieden tussen de stator en de schuif of rotor module. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat een voorspanning mechanisch kan toegepast worden tussen de stator module enerzijds en de schuif of rotor module anderzijds.

De stator module en de schuif of de rotor module kunnen met elkaar in contact zijn in ten minste drie contactpunten.

De stator module kan contactelementen hebben en de schuif of de rotor module kunnen een V-vormig inwendig oppervlak omvatten om de contactelementen daartegen te positioneren, zodanig dat het vlak van beweging volledig bepaald is.

De stator module en de schuif of rotor module kunnen dus ten minste zes onderlinge contactposities omvatten. Samen met het ten minste één flexibel opgehangen contact resulteert dit in bepaling van vijf vrijheidsgraden van beweging waardoor dus één vrijheidsgraad van de beweging overblijft, namelijk rotatie in het vlak. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat beweging, bv. rotatie in wezen alleen mogelijk is in dit vlak. In geval van rotatie, is rotatie ook alleen mogelijk rond het midden van de rotor.

De stator module en de schuif of de rotor module kunnen gebruik maken van precies drie contact elementen, waarbij elk contact element twee contactpunten biedt en waarbij één contact element flexibel verbonden is, zodanig dat het flexibel gepositioneerd is in radiale richting.

De schuif of de rotor kunnen aangedreven en/of ondersteund worden door het ten minste één contact.

De piëzo-inrichting zou precies één piëzo-elektrische actuator kunnen bevatten.

De één of meer piëzo-elektrische actuator(en) kunnen twee of meer piëzo-elektrische actuatoren zijn, op een afstand van elkaar gepositioneerd om daartussen een lege ruimte te creëren.

De één of meerdere piëzo-elektrische actuator(en) kunnen van het type parallelle voorgespannen actuator zijn, waarbij het voorspanningsmechanisme geïntegreerd is in het stator ontwerp of als een apart onderdeel dat in de stator dient geplaatst te worden.

De piëzo-inrichting kan een groot intern gat hebben voor het doorlaten van mechanische elementen of voor het doorlaten van elektrische of mechanische kabels en draden. De schuif of de rotor kunnen gepositioneerd zijn in ieder vlak evenwijdig aan het vlak van beweging.

De stator of de rotor kunnen extern gedragen worden door de toepassing van een lager. De lager kan eender welk type of combinatie van verschillende types van externe lager(s) zijn, zoals vloeistoflagers, luchtlagers, folielagers, rollagers, gesmeerde of niet-gesmeerde contactlagers. Op deze wijze biedt de stator hoofdzakelijk de trekkracht.

Het ten minste één scharnier kan één of meer flexibele elementen omvatten. De scharnieren kunnen ook andere typen scharnieren zijn, of een vermenging van verschillende typen scharnieren kunnen eveneens gebruikt worden.

Twee of meer stator modules kunnen gestapeld zijn binnen in één enkele rotor om kracht en vermogensuitgang te verhogen, met hun aandrijfuiteinden geörienteerd om hetzelfde lichaam aan te drijven.

De piëzo-inrichting kan een aantal stator modules omvatten evenwijdig gepositioneerd en gelegen in een vlak dat evenwijdig is aan het vlak van beweging, bv. het vlak van rotatie.

De rotor kan een steunelement omvatten gemonteerd op de rotor of de schuif module voor het ondersteunen van een te verplaatsen belasting.

Het steunelement kan bevestigingsmiddelen omvatten voor het vastmaken van de belasting op het steunelement.

De piëzo-inrichting kan voorts een bodem-montagestructuur omvatten voor het daaraan bevestigen van de stator module.

De rotor kan een naar buiten gerichte groef hebben en kan een vóórspanning hebben die de contactelementen op de stator module drukt tegen de binnenzijde van de groef.

De piëzo-inrichting kan meer dan één, dus minstens twee piëzo-elektrische actuatoren omvatten, waarbij de minstens twee piëzo-elektrische actuatoren op een afstand van elkaar kunnen gepositioneerd zijn voor het creëren van een centraal gat geschikt voor het doorlaten van mechanische of elektrische elementen. Het centraal gat kan bv. aangepast zijn om elektrische kabels door te laten of om mechanische elementen door te laten.

De stator kan een stator ring omvatten en de piëzo-elektrische actuatoren kunnen gepositioneerd zijn buiten de stator ring of in een vlak onder of boven de stator ring. De inrichting kan ten minste twee piëzo-elektrische actuatoren omvatten en de inrichting kan verder een controller omvatten om op de aandrijfsignalen voor de actuatoren een bijkomende DC spanning of een traag veranderende spanning aan te leggen om het midden van de stator te verschuiven. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat een bijkomende actieve compensatie voor een eventuele resterende afwijking kan voorzien zijn door het verschuiven van het stator midden, hetgeen resulteert in nog verder verbeterde piëzo-inrichtingen.

Ten minste één van de één of meer piëzo-elektrische actuatoren kan een parallelle voorgespannen actuator zijn.

De piëzo-inrichting kan geconfigureerd zijn om te werken in frictie-gebaseerde modus. De piëzo-inrichting kan alternatief geconfigureerd zijn om te werken in een resonante-modus of een directe modus.

De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op een piëzo-inrichting voor positioneringsdoeleinden, welke piëzo-inrichting een stator module omvat die één of meer piëzo-elektrische actuator(en) omvat, georiënteerd in één enkele richting, welke stator module verder ten minste één scharnier omvat om vervorming van de stator module mogelijk te maken bij bekrachtiging van de piëzo-elektrische actuator, een schuif of rotor module, waarbij de schuif of de rotor module in contact is met de stator module en aangedreven en/of gesteund wordt door ten minste één contactpunt, waarbij ten minste één contactpunt gelegen is op een flexibele steun.

De onderhavige uitvinding heeft verder betrekking op een inrichting voor het verplaatsen van een last, welke inrichting een eerste piëzo-inrichting omvat volgens één der voorgaande conclusies en ten minste één verdere actuator-inrichting voor het bewegen van een last volgens ten minste één vrijheidsgraad.

De ten minste één verdere actuator-inrichting kan eveneens een piëzo-inrichting zijn, gestapeld in serie met de eerste piëzo-inrichting. De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op het gebruik van een dergelijke inrichting.

De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op het gebruik van een piëzo-inrichting zoals hierboven beschreven voor het bewegen van een last. De belasting kan een te analyseren monster zijn.

Specifieke en voorkeursdragende aspecten van de uitvinding zijn opgenomen in de aangehechte onafhankelijke en afhankelijke conclusies. Kenmerken van de afhankelijke conclusies kunnen worden gecombineerd met kenmerken van de onafhankelijke conclusies en met kenmerken van andere afhankelijke conclusies zoals aangewezen en niet enkel zoals uitdrukkelijk in de conclusies naar voor gebracht.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen duidelijk worden aan de hand van en verhelderd worden met verwijzing naar de hiernavolgende beschreven uitvoeringsvorm(en).

Korte beschrijving van de tekeningen FIG. 1 illustreert een gedeelte van een voorbeeldmatige roteerbare piëzo-elektrische positioneringsinrichting volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 2 toont een schematische weergave en een A-A dwarsdoorsnede aanzicht van een voorbeeldmatige rotor gebruikt in een roteerbare piëzo-elektrische positioneringsinrichting volgens FIG. 1. FIG. 3 toont een voorbeeldmatige montageplaat voor het monteren van monsters zoals die op een rotor kunnen geplaatst worden in een positioneringsinrichting volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 4 toont de vervorming van het flexibel opgehangen contact van een stator module wanneer het geplaatst is in de rotor module, volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 5 illustreert de bevestigingselementen voor het bevestigen van een stator module aan een montagedeel, volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 6 toont een samenstel van parallelle stator modules, volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 7 toont een volledig geassembleerde piëzo-inrichting volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, met inbegrip van een bevestigingsconstructie en montageplaat. FIG. 8 toont een bovenaanzicht van een stator voor gebruik in een alternatieve piëzo-inrichting met een gat voor doorgang van mechanische elementen of voor het doorvoeren van elektrische bedrading, volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 9 toont de vervorming van de stator ring in de stator module, zoals gebeurt tijdens de werking van een piëzo-inrichting bij expansie van de piëzo-actuator, volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 10 toont een bovenaanzicht van een stator voor gebruik in een alternatieve piëzo-inrichting met een gat voor doorgang van mechanische elementen of voor het doorvoeren van elektrische bedrading, volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 11 toont een gedeelte van een piëzo-inrichting volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, met een groot centraal gat. FIG. 12 toont een bovenaanzicht van een stator voor gebruik in een alternatieve piëzo-inrichting met een centraal gat, waarbij de contacten gericht zijn naar de binnenzijde van de inrichting, volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 13 toont een aanzicht van een voorbeeldmatige rotor gebruikt in een roteerbare piëzo-elektrische positioneringsinrichting volgens FIG. 1. Voorts is de montageplaat geïntegreerd in deze voorbeeldmatige rotor. FIG. 14 toont een volledig geassembleerde piëzo-inrichting volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, met een groot centraal gat, met inbegrip van een bevestigingsconstructie. De figuren zijn enkel schematisch en niet limiterend. In de tekeningen kan de grootte van bepaalde elementen overdreven en niet op schaal getekend zijn voor illustratieve doeleinden.

Referentienummers in de conclusies mogen niet worden geïnterpreteerd om de beschermingsomvang te beperken.

In de verschillende figuren verwijzen dezelfde referentienummers naar dezelfde of gelijkaardige elementen.

Gedetailleerde beschrijving van uitvoeringsvoorbeelden

De huidige uitvinding zal beschreven worden met betrekking tot bijzondere uitvoeringsvormen en met verwijzing naar bepaalde tekeningen, echter de uitvinding wordt daartoe niet beperkt maar is enkel beperkt door de conclusies. De afmetingen en de relatieve afmetingen komen soms niet overeen met de actuele praktische uitvoering van de uitvinding.

Verder worden de termen eerste, tweede en dergelijke in de beschrijving en in de conclusies gebruikt voor het onderscheiden van gelijkaardige elementen en niet noodzakelijk voor het beschrijven van een volgorde, noch in de tijd, noch spatiaal, noch in rangorde of op enige andere wijze. Het dient te worden begrepen dat de termen op die manier gebruikt onder geschikte omstandigheden verwisselbaar zijn en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding hierin beschreven geschikt zijn om in andere volgorde te werken dan hierin beschreven of weergegeven.

Bovendien worden de termen top, onder en dergelijke in de beschrijving en de conclusies gebruikt voor beschrijvende doeleinden en niet noodzakelijk voor het beschrijven van relatieve posities. Het dient te worden begrepen dat de termen die zo aangewend worden onder gegeven omstandigheden onderling kunnen gewisseld worden en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding hierin beschreven ook geschikt zijn om te werken volgens andere oriëntaties dan hierin beschreven of weergegeven.

Het dient opgemerkt te worden dat de term "omvat", zoals gebruikt in de conclusies, niet als beperkt tot de erna beschreven middelen dient geïnterpreteerd te worden; deze term sluit geen andere elementen of stappen uit. Hij is zodoende te interpreteren als het specificeren van de aanwezigheid van de vermelde kenmerken, waarden, stappen of componenten waarnaar verwezen wordt, maar sluit de aanwezigheid of toevoeging van één of meerdere andere kenmerken, waarden, stappen of componenten, of groepen daarvan niet uit. Dus, de omvang van de uitdrukking "een inrichting omvattende middelen A en B" dient niet beperkt te worden tot inrichtingen die enkel uit componenten A en B bestaan. Het betekent dat met betrekking tot de huidige uitvinding, A en B de enige relevante componenten van de inrichting zijn.

Verwijzing doorheen deze specificatie naar "één uitvoeringsvorm" of "een uitvoeringsvorm" betekent dat een specifiek kenmerk, structuur of karakteristiek beschreven in verband met de uitvoeringsvorm is opgenomen in tenminste één uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Dus, voorkomen van de uitdrukkingen "in één uitvoeringsvorm" of "in een uitvoeringsvorm" op diverse plaatsen doorheen deze specificatie hoeven niet noodzakelijk allemaal naar dezelfde uitvoeringsvorm te refereren, maar kunnen dit wel doen. Voorts, de specifieke kenmerken, structuren of karakteristieken kunnen gecombineerd worden op eender welke geschikte manier, zoals duidelijk zou zijn voor een gemiddelde vakman op basis van deze bekendmaking, in één of meerdere uitvoeringsvormen.

Vergelijkbaar dient het geapprecieerd te worden dat in de beschrijving van voorbeeldmatige uitvoeringsvormen van de uitvinding verscheidene kenmerken van de uitvinding soms samen gegroepeerd worden in één enkele uitvoeringsvorm, figuur of beschrijving daarvan met als doel het stroomlijnen van de openbaarmaking en het helpen in het begrijpen van één of meerdere van de verscheidene inventieve aspecten. Deze methode van openbaarmaking dient hoe dan ook niet geïnterpreteerd te worden als een weerspiegeling van een intentie dat de uitvinding meer kenmerken vereist dan expliciet vernoemd in iedere conclusie. Eerder, zoals de volgende conclusies weerspiegelen, liggen inventieve aspecten in minder dan alle kenmerken van één enkele voorafgaande openbaar gemaakte uitvoeringsvorm. Dus, de conclusies volgend op de gedetailleerde beschrijving zijn hierbij expliciet opgenomen in deze gedetailleerde beschrijving, met iedere op zichzelf staande conclusie als een afzonderlijke uitvoeringsvorm van deze uitvinding.

Voorts, terwijl sommige hierin beschreven uitvoeringsvormen sommige, maar niet andere, in andere uitvoeringsvormen inbegrepen kenmerken bevatten, zijn combinaties van kenmerken van verschillende uitvoeringsvormen bedoeld als gelegen binnen de reikwijdte van de uitvinding, en vormen deze verschillende uitvoeringsvormen, zoals zou begrepen worden door de vakman. Bijvoorbeeld, in de volgende conclusies kunnen eender welke van de beschreven uitvoeringsvormen gebruikt worden in eender welke combinatie.

In de hier voorziene beschrijving worden talrijke specifieke details naar voren gebracht. Het is hoe dan ook te begrijpen dat uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen uitgevoerd worden zonder deze specifieke details. In andere gevallen zijn welgekende werkwijzen, structuren en technieken niet in detail getoond om deze beschrijving helder te houden.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar een piëzo, een piëzo-actuator, een piëzo-elektrisch element, of dergelijke, dan wordt verwezen naar een actief element, dat bestaat uit of dat een piëzo-elektrisch materiaal en elektroden omvat, meestal in de vorm van een piëzo-keramische opeenstapeling en dat van vorm kan veranderen als functie van een aangelegd elektrisch veld.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar een piëzo-elektrische positioneringsinrichting, een piëzo-inrichting of dergelijke, dan wordt verwezen naar het geheel van ten minste een stator en rotor en/of stator en schuif module, waarbij de stator meestal piëzo-actuator(en) omvat en andere mechanische elementen om de piëzo-actuatoren onder te brengen en om de beweging van deze piëzo-actuator(en) om te vormen in een bruikbare beweging van een last. Bijkomende onderdelen zoals een bevestigingselement en een last-bevestigingselement kunnen eveneens deel uitmaken van een dergelijke inrichting.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar een stator, dan wordt verwezen naar het structurele deel van de piëzo-inrichting gebruikt voor het houden van de piëzo-actuator(en), en dat flexibele en starre secties bevat op goed gekozen locaties, om het mechanisme te vormen dat de vervorming van de piëzo-actuator(en) transformeert naar een bruikbare beweging van de last.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar een scharnier, dan wordt verwezen naar een kenmerk in de stator met vernauwde sectie, en daardoor een grotere flexibiliteit, die fungeert als een spil of scharnier in de structuur. Een dergelijk scharnier kan ook aangeduid worden als een buigscharnier.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar een contact, dan wordt meestal verwezen naar de elementen van de stator module die de oppervlakken van de schuif module of rotor raken.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar de rotor of schuif module, dan wordt verwezen naar de component die wordt aangedreven door de stator door relatieve beweging van de contacten.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar "uitloop-afwijking", dan wordt verwezen naar de afwijking veroorzaakt door het feit dat het midden van de motor niet vast is tijdens een rotatiebeweging.

Wanneer in uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding wordt verwezen naar een frictie-gebaseerde aandrijfmodus, dan wordt verwezen naar een frictie-gebaseerde aandrijfmodus zoals gedefinieerd door Zhang et al. in "Piezoelectric friction - inertia actuator - a critical review and future perspective" in Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2012) online gepubliceerd.

In een eerste aspect heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een piëzo-elektrische positioneringsinrichting, ook aangeduid als een piëzo-inrichting. Positioneringsinrichtingen volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding werken voordeligerwijs in een kleef-slip modus, ook wel wrijvings-aandrijvings modus genoemd, hoewel uitvoeringsvormen daartoe niet beperkt zijn, en een inertie-gebaseerde aandrijfmodus, een resonante modus of een directe modus kunnen eveneens verkregen worden. De positioneringsinrichtingen volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding zijn bijzonder geschikt in toepassingen waar een hoge nauwkeurigheid vereist is, omdat ze bewegingen verschaffen met kleine radiale, axiale en kantel bewegingsfouten. De inrichting kan een roteerbare piëzo-inrichting zijn, hoewel uitvoeringsvormen daartoe niet beperkt zijn en bijvoorbeeld lineaire piëzo-inrichtingen kunnen eveneens overwogen worden. Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvat de inrichting een stator module die één of meer piëzo-elektrische actuator(en) omvat, georiënteerd in één enkele richting. De stator module omvat verder ten minste één scharnier om vervorming van een gedeelte van de stator module mogelijk te maken bij bekrachtiging van de piëzo-elektrische actuator. Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvat de inrichting ook een schuif of rotor module, welke schuif of rotor module in contact is met de stator module in ten minste drie contactpunten. Meestal zal een schuif module gebruikt worden voor lineaire inrichtingen, terwijl een rotor module gebruikt zal worden voor roteerbare inrichtingen. Volgens uitvoeringsvormen zijn de minstens één scharnier en de één of meer piëzo-elektrische actuator(en) in positie ten opzichte van elkaar opgesteld voor het verschaffen van een tangentiële beweging van de schuif of rotor module bij bekrachtiging van de ten minste één piëzo-actuator. Bij langzame bekrachtiging van de piëzo-elektrische actuator(en), wordt een tangentiële beweging of dergelijke van het/de contact(en) gemaakt. Deze beweging wordt vertaald naar de schuif of rotor module door wrijving in de contacten, die de 'kleef'-fase wordt genoemd. Bij snelle bekrachtiging van de actuator(en) kan evenwel slip optreden vanwege de inertie van de schuif of rotor module, en staat de schuif of rotor module in hoofdzaak stil. Door de piëzo-elektrische actuator te voorzien van een geschikt asymmetrisch aandrijfsignaal, beweegt de schuif of rotor module dus door kleef-slip, ook wel wrijving-gebaseerde beweging genoemd.

De schuif of motor module worden beiden aangedreven en ondersteund door de contactpunten.

Piëzo-inrichtingen die twee of meer piëzo-actuatoren hebben, kunnen extra vrijheidsgraden hebben voor het compenseren van resterende bewegingsfouten. In dit geval kan een DC of een traag variërende spanning toegevoegd worden aan de verschillende aandrijfsignalen van de piëzo-elektrische actuator(en). De aanpassing van het aandrijfsignaal kan bijvoorbeeld aanleiding geven tot een kleine verplaatsing of rotatie van het midden van de statormodule. Op deze wijze kunnen eventuele resterende bewegingsfouten verder verminderd worden.

Standaard en optionele kenmerken van uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding zullen nu verder besproken worden met verwijzing naar FIG. 1 tot FIG. 14, zonder specifieke uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding daartoe te beperken. Hoewel de uitvoeringsvormen zijn beschreven met verwijzing naar wrijving-gebaseerde aandrijfmodi, zijn uitvoeringsvormen voor gebruik in inertie-gebaseerde, resonantie-gebaseerde of direct aangedreven inrichtingen mutatis mutandis eveneens omvat.

In een voorbeeldmatige uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, wordt een roteerbare piëzo-elektrische positioneringsinrichting beschreven. Volgens de voorbeeldmatige uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, omvat de positioneringsinrichting een stator module 22, bij wijze van illustratie wordt een voorbeeld getoond in FIG. 1. De stator module 22 omvat in wezen één piëzo-actuator 10, die elektrisch wordt bekrachtigd om de kleep-slip beweging te veroorzaken. Een contractie of krimp van de actuator 10 vervormt ring 6 in een ellips of ellips-achtige vorm, die in de beschrijving hieronder beiden ellips zullen genoemd worden voor het gemak van de toelichting. Het dient opgemerkt dat in uitvoeringsvormen waar de piëzo-actuatoren niet meer centraal gepositioneerd zijn maar buiten of onder de ring, doorgaans geen vervorming van de ring zal optreden en een zuivere rotatie zal geïnduceerd worden. Ter illustratie, wordt de vervorming van de stator, met name de stator ring 6, getoond in FIG. 9.

De piëzo-actuator 10 raakt de stator ring 6 aan grensvlakken 8a en 8b. De ringvormige stator is ontworpen om twee gebieden te hebben waar de stator niet vervormd wordt en kan bevestigd worden aan de omgeving, bv. gebied 5a en 5b. In sommige voordelige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, zijn de buigscharnieren 3a, 3b in de stator module 22 geplaatst onder een hoek tussen 35° en 55°, bv. nagenoeg 45°, ten opzichte van de piëzo-actuator 10 omdat deze punten neutrale punten zijn op de ellips, in de zin dat hun afstand tot het centrum vast blijft onder bekrachtiging van de piëzo. De positie van contacten 1a, 1b en 2 wordt voordeligerwijs gekozen om een gelijke tangentiële beweging te verkrijgen van de contacten 1a, 1b en 2 in de zone van het daadwerkelijk contact met de rotor 15. Contact 1a beweegt door een rotatie rond scharnier 3a. De effectieve tangentiële vertaling in het contact is gelijk aan of kan geschat worden als de vermenigvuldiging van deze rotatiehoek met de afstand tot het scharnier 3a. Contact 2 volgt een soortgelijke verplaatsing, maar de beweging wordt uitgevoerd met een hoek in het bereik van 50° tot 70°, bij voorkeur 60° vanwege de flexibele arm 7. Contact 1b is voordeligerwijs geplaatst op een plaats van de ellips die hoofdzakelijk vertaalt in een tangentiële richting. Op deze manier is de tangentiële beweging van alle contacten nagenoeg gelijk in de eigenlijke contactzone met de rotor 15. Voor contact 1a kan dit bv. verkregen worden door de afstand tussen de ring en de contactpunten te variëren. Volgens de voorbeeldmatige uitvoeringsvorm omvat de inrichting ook de rotor 15, zoals getoond in bovenaanzicht en in A-A dwarsdoorsnede aanzicht in FIG. 2. De trekkracht op de rotor 15 wordt gelijkmatig verdeeld over het/de binnenoppervlak(ken) 18 van de rotor 15 zodat geen van de contacten 1a, 1b en 2 slippen tijdens de 'kleef-fase', of zodat slechts zeer beperkte slip optreedt. De bovenen ondervlakken 16 en 17 van de rotor 15 kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden om hetzij een montageplaat zoals afgebeeld in FIG. 3 te bevestigen, hetzij een component voor een meetinrichting zoals een rooster van een codeerder. Bovenop de rotor 15 is een montageplaat 14 bevestigd die een monster kan vasthouden op het bovenoppervlak 13 door één of meer bevestigingspunten 12, die van eender welk type kunnen zijn. FIG. 3 toont een voorbeeld van zulke montageplaat 14 en deze versie heeft zes schroefgaten als bevestigingspunten 12.

In het uitvoeringsvoorbeeld, is ten minste één van de contacten 1, 2 opgehangen via een flexibele drager 7 op de stator module 22, hier een opgehangen contact 2 genoemd. Het/de andere contact(en) is/zijn star verbonden met de stator module 22 en elk dergelijk contact wordt hierin een "vast contact" 1 genoemd. De flexibele steun 7 overbrugt de spleet tussen stator module 22 en rotor 15 en stelt een bepaalde voorspanning in. FIG. 4 toont de vervorming van flexibele steun 7 en 7' wanneer de rotor 15 over de contacten 1, 2 van de stator module 22 is geplaatst. In de vervormde toestand leidt de flexibele steun 7' tot een voorspankracht van de stator module 22 tegen de rotor 15. De flexibele steun is voordeligerwijs stijf in een aandrijfrichting en flexibel in de voorspanningsrichting. In de axiale lager-richting, loodrecht op de aandrijf- en voorspanningsrichting, is de flexibele steun voordeligerwijs eveneens stijf. Elke flexibele steun 7 wordt vervormd totdat hij een positie 7' bereikt met het bijbehorend opgehangen contactpunt 2 enigszins naar een binnenwaartse positie 2' verplaatst. Elke flexibele steun 7 vervormt totdat een evenwicht wordt gevonden tussen de krachten gedragen door de contacten 1, 2. Een cirkel 9 met middelpunt 11 wordt gedefinieerd door het/de vaste contact(en) 1 en het/de afgebogen contact(en) 2'. De cirkel 9 wordt gedefinieerd door ten minste drie contacten 1, 2. Voordeligerwijs worden drie contacten gebruikt, waarvan één flexibel. Drie punten bepalen één vlak en daarom is dit vlak kinematisch bepaald. Dit zorgt ervoor dat de rotatiebeweging in één vlak blijft. Indien meer dan drie contacten 1, 2 worden gebruikt op de stator module, dan moeten tenminste twee ervan flexibele contacten 2 zijn, welke ten minste twee flexibele steunen 7 vereisen, opdat de piëzo-inrichting in een kinematisch bepaalde toestand blijft. Het gebruik van meer dan drie contacten (met de vereiste flexibiliteit in ten minste twee contacten) kan bijdragen om een hogere stijfheid te bekomen. Dit kan interessant zijn om het draagvermogen te verhogen of om de maximale frequentie te verhogen van het bekrachtigingssignaal van de piëzo-inrichting, wat leidt tot een hogere aandrijfsnelheid. De rotor 15 wordt in hoofdzaak bewogen langs deze cirkel 9.

De flexibele steun 7 vergemakkelijkt ook de montage van de rotor 15, die gepositioneerd is rondom de stator module 22 en in contact is met de contacten 1, 2. Een ander effect van de flexibele steun 7, 7' is dat het automatisch compenseert voor kleine tekortkomingen in de rondheid/cilindriciteit van de rotor oppervlakken 18.

In de onderhavige uitvinding worden zowel de lager- als de tractie-functie van de motor gecombineerd in één ontwerp. De contacten 1, 2 fungeren als lager-punten en verschaffen tevens een kracht voor het bewegen van de rotor 15. Door beide functies te combineren kan de piëzo-inrichting zeer compact worden gemaakt en nog steeds een zeer goede prestatie leveren. Bovendien elimineert dit de noodzaak van een extern lager-mechanisme, dat vaak gevoelig is aan mechanische speling, zoals in rollagers.

De piëzo-inrichting van het uitvoeringsvoorbeeld kan zeer klein worden gemaakt en kan een relatief hoog koppel bereiken, omdat de tractie wordt uitgevoerd bij een grote diameter. Deze hoge tractie wordt gecombineerd met een goede uitloop-afwijking gemeten op de rotor 15. Het kan met name gebruikt worden voor het positioneren van een monster in een meetinstrument dat vereist dat het middelpunt van de rotatie 11 vast in positie wordt gehouden. De piëzo-inrichting is een ideale oplossing voor toepassingen in hoog-vacuüm omstandigheden en cryogene temperaturen. Het produceert geen storende magnetische velden en de materialen kunnen gekozen worden om de omgeving niet magnetisch te beïnvloeden, bv. elektronenstralen, ionen-stralen, X-stralen,....

De buigscharnieren 3a, 3b in de stator module 22 zijn in sommige uitvoeringsvormen van elkaar gescheiden door een hoek van 180 graden. Niettemin kan in wezen elke scheidingshoek gebruikt worden zolang de netto beweging van elk contact 1,2 leidt tot een in wezen soortgelijke tractie-beweging. De voorkeursuitvoeringsvorm gebruikt (een) buigscharnier(en) 3a, 3b omdat deze vrij zijn van speling en wrijving, maar elk ander type scharnier kan eveneens gebruikt worden. De positie van de scharnieren kan gevarieerd worden in de radiale richting of tangentiale richting.

In één uitvoeringvorm zijn de scharnieren 3a, 3b, 3c niet allen in hetzelfde vlak gelegen als de stator ring 6. De stator ring 6 kan bv. verbonden zijn met de montagestructuur 19 door flexibele staven, die fungeren als scharnieren tussen de stator ring 6 en het bodemgedeelte 19, zie FIG. 11. Deze staven geleiden de beweging van de stator ring. Bij bekrachtiging van de piëzo-actuatoren 10a, 10b wordt de ring bewogen in de gewenste vrijheidsgraad. Door de twee piëzo-actuatoren 10a, 10b van FIG. 11 in tegengestelde richtingen te bekrachtigen (d.w.z. een expansie van de eerste piëzo-actuator 10a en een samentrekking van de tweede piëzo-actuator 10b, of vice versa), zal de stator ring 6 bewegen op zuiver roterende wijze. Alle contacten 1, 2 zullen bewegen in dezelfde tangentiale richting en zullen gelijkmatig bijdragen aan de tractie van de rotor 15. Het gebruik van twee piëzo-actuatoren 10a, 10b verhoogt het mechanisch uitgangsvermogen en verschaft een meer symmetrische lay-out. Een hogere graad van symmetrie kan voordelig zijn om de effecten van thermische vervorming op de bewegingsfouten te beperken. Bovendien kan het gebruik van twee piëzo-actuatoren 10a, 10b een extra functionaliteit verschaffen aan de piëzo-inrichting. Door de twee piëzo-inrichtingen 10a, 10b van FIG. 11 in dezelfde richting te bekrachtigen, kan het rotatiecentrum met een kleine hoeveelheid verschoven worden. Op deze manier kan de uitloop-afwijking van de roteerbare piëzo-inrichting gecompenseerd worden.

Alhoewel de voorgestelde uitvinding reeds aanleiding geeft tot zeer kleine bewegingsfouten vanwege haar mechanisch ontwerp, is het mogelijk eventuele bewegingsfouten nog verder te verminderen door een compensatie. Het fase- en spanningsverschil van de twee signalen kan enigszins aangepast worden om de nog resterende bewegingsfouten te compenseren. De uitloop-afwijking kan bv. verminderd worden door het midden van het statorlichaam een beetje te verplaatsen vanwege een vervorming van de buigscharnieren. Daarom kan de uitloop-afwijking op voorhand of tijdens werking gemeten worden met een sensor, en deze afwijking kan gebruikt worden als invoer voor deze bijkomende compensatie werkwijze.

Alle onderdelen kunnen bestaan uit materialen zoals (maar niet beperkt tot) aluminium, titanium, beryllium koper, magnetische en niet-magnetische (roestvrij) stalen of polymeren. De motor heeft een open structuur in de zin dat lucht (of eender welk gas) gemakkelijk kan afgevoerd worden uit het inwendige van de motor. Tenzij de toepassing het niet vereist, zijn alle materialen van de piëzo-inrichting bij voorkeur zoveel als mogelijk niet-magnetische teneinde geen invloed te hebben op de magnetische velden van de omgeving.

Bovenop de rotor 15 kan een montagestuk 14 bevestigd worden om een voorwerp te monteren zoals bijvoorbeeld een monster of eender welk ander type nuttige lading. Het bevestigingsstuk 14 kan ook een integraal onderdeel, bv. monolitisch deel zijn van de rotor 15. Een voorbeeld van een dergelijk systeem wordt getoond in FIG.13. De montage van het monster dat gepositioneerd dient te worden op de piëzo-inrichting, bovenop het bovenste bevestigingsvlak 13 wordt bereikt door één of meer bevestigingselement(en) 12, bijvoorbeeld bouten, perspassingen, lijm of andere bevestigingsmiddelen of bevestigingsmethoden.

Alle bevestigingselementen 12 of zelfs structurele elementen kunnen een of ander dempend materiaal omvatten (zoals bijvoorbeeld rubber) om de trillingen komende van de actuator(en) te dempen om overmatige trilling van het monster en/of de omgeving waarop de piëzo-inrichting is gemonteerd, te vermijden. De piëzo-inrichting kan eenvoudig geschaald worden (isometrisch of niet) zonder het werkingsprincipe van de inrichting te belemmeren. Ook de breedte van de stator module 22 en/of de rotor 15 kan willekeurig gewijzigd worden.

De rotor 15 heeft een in hoofdzaak V-vormig binnenvlak waarin elk contact 1, 2 contact maakt op beide vlakken van het V-vormige oppervlak 18a en 18b. De vlakken van de V in de V-vorm kunnen een willekeurige hoek van 0 tot 90 graden ten opzichte van elkaar hebben en een willekeurige afstand tussen de twee. Deze groef in de rotor 15 hoeft niet noodzakelijk een V-vorm te hebben: haar vorm hoeft niet symmetrisch te zijn en één of beide van de contactoppervlakken 18a, 18b kan ook een (dubbel-)gekromd binnenoppervlak hebben. De contacten la, lb, 2 definiëren de positie van het midden 11 van de rotor 15. Het centrum van macroscopische draaiing van de rotor 15 is in hoofdzaak gelijk aan het midden 11 van de rotor 15. Dit betekent dat de contacten 1,2 ook fungeren als lagerpunten, naast het feit dat zij een trekkracht doorgeven. Dit is vergelijkbaar met een vier-punt contact kogellager, maar waarbij de kogels in de helft worden gesplitst en bovenop de stator module 22 bevestigd worden zodat enkel de rotor 15 kan glijden over de contacten 1, 2. In principe kunnen ook andere vormen van kogel- of cilindrische lagers gebruikt worden in een soortgelijke redenering voor dit doel, zoals bijvoorbeeld enkelvoudige of dubbele rij hoekcontactkogellagers, diepgroefkogellagers, zelfinstellende lagers, druklagers, cilindrische rollagers, naaldlagers, kegellagers, kogellagers, en vergelijkbare soorten.

In een voordelige uitvoeringsvorm worden drie contacten la, lb, 2 gekozen, precies drie in aantal, waarbij ieder contact 1, 2 twee werkelijke contactpunten heeft met de groef, één op binnenoppervlak 18a en één op binnenoppervlak 18b. Eén contact heeft een elastische ophanging in de radiale richting. Dit bepaalt tegelijk het draaipunt 11 en het rotatievlak, en op een kinematische manier. Dus worden vijf vrijheidsgraden van de rotor 15 op een kinematische manier vastgelegd: de drie translatie vrijheidsgraden en twee vrijheidsgraden van kantelen. Door deze configuratie wordt enkel een rotatiebeweging rond de centrale as van de rotor 15 toegestaan. Het zorgt er tevens voor dat de rotatie-as loodrecht staat op de groef.

De slijtage van het/de binnenoppervlak(ken) 18 van de rotor 15 kan verminderd worden door het aanbrengen van coating materialen of smeermiddelen. Deze coatings kunnen ook deeltjes vangen die gegenereerd worden door slijtage van de contacten en de groef, om zo de verontreiniging te verminderen in schone omgevingen, bijvoorbeeld in vacuümkamers van elektronenmicroscopen.

In sommige voorbeelden, zonder uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding daartoe te beperken, kan de rotor 15 ook extern gedragen worden met een roteerbare lager, zoals: een luchtlagers, hydrostatisch lager, een gesmeerde / droge glijlager, een rollager of eender welk ander type lager. De stator module oefent dan uitsluitend een trekkracht uit en de contacten 1, 2 worden niet op een soortgelijke wijze gebruikt als het doel van een lager.

In een andere uitvoering omvat de rotor 15 een flexibele binnenring direct onder het/de contactoppervlak(ken). Deze flexibiliteit kan samen met, of ter vervanging van de flexibiliteit van de één of meer flexibele steunen 7 van de contacten 1, 2 gebruikt worden. De rotor 15 kan ook uit twee of meer delen bestaan die verbonden zijn door één of meer veer/veren, om flexibiliteit te bieden in de genoemde rotor.

Een rooster structuur kan eenvoudig op de boven- of onderoppervlakken 16,17 van de rotor 15 gemonteerd worden om te fungeren als deel van een positie-codeerder. Ook andere soorten codeerders of positiesensoren kunnen gebruikt worden, bijvoorbeeld gebaseerd op resistieve, magnetische of optische principes.

In een voorkeursuitvoeringsvorm wordt de piëzo-actuator 10 voorgespannen door ring 6, die elastisch vervormd wordt alvorens inbrenging van piëzo-actuator 10, om zo een continu normale drukkracht te verschaffen aan beide piëzo-actuator uiteinden. Deze voorspanning houdt de piëzo-actuator 10 op zijn plaats en onder compressie. Ook andere voorspanningselementen kunnen gebruikt worden, zoals bijvoorbeeld een type bevestigingsbout evenwijdig geplaatst aan de piëzo-actuator, of ingebracht via een gat in een holle piëzo-actuator(buis). Of eender welke parallelle combinatie van één of meer piëzo-actuatoren en één of meer voorspanningselementen kunnen gebruikt worden. De piëzo-actuator kan ook bevestigd worden met lijm of soortgelijk verbindingsmateriaal. De piëzo-actuator kan ook van het type parallel voorgespannen actuator zijn, die een voorziening heeft om een voorspanning te induceren alvorens de piëzo-actuator in het stator-lichaam te monteren. Zulke voorziening kan ook in het stator-lichaam zelf geïntegreerd zijn.

In een voordelige uitvoeringsvorm, is de piëzo-actuator 10 een actuator van het gestapeld type vanwege de relatief grote verplaatsing die hij kan genereren in vergelijking met andere typen piëzo-actuatoren voor een gegeven spanning. Maar ook monolitische piëzo-componenten kunnen gebruikt worden ten koste van hogere spanningen. Andere implementaties van piëzo-materialen kunnen gebruikt worden, zoals piëzo-elektrische platen die bevestigd zijn op het oppervlak van een centraal flexibel gedeelte dat het origineel onderdeel 10 vervangt, en dat zich uitstrekt door de lengterichting (richting 33), transversale richting (richting 31) of de richting met een afschuif-effect (richting 51). De actuatoren kunnen bijvoorbeeld ook actuatoren zijn van de groep bestaande uit piëzo-elektrische actuatoren (inclusief piëzo buigers), elektrostrictieve actuatoren en magnetostrictieve actuatoren. De piëzo-actuator 10 kan vervangen worden door twee (of meer) piëzo-actuatoren, in parallel of in serie geplaatst, met een tussenafstand en/of tussenschakel gedeelte tussen de twee (of meer) piëzo-actuatoren. Deze tussenafstand of een gat in het tussenschakel gedeelte kan voordelig zijn voor het doorlaten van mechanische elementen (bv. van optische aard), elektrische bedrading of kabels door de piëzo-inrichting. Zulke tussenafstand of gat kan gecreëerd worden door het plaatsen van de piëzo-actuatoren 10 in een vlak onder of boven de stator ring 6, waarvan een voorbeeld is getoond in FIG. 11. Op die manier kan een veel grotere tussenafstand gecreëerd worden. Een ander voorbeeld van een uitvoeringsvorm van de piëzo-inrichting, die een grote centrale tussenafstand heeft, is getoond in FIG. 12. In dit geval liggen de piëzo-actuatoren nog steeds in hetzelfde vlak als de stator ring 6, maar zijn ze gelegen aan de buitenkant van de stator ring 6.

In het geval van een enkelvoudige piëzo-actuator, kan deze actuator buiten het midden 11 van het statorlichaam 22 geplaatst zijn, met een verlenging van één van de stator-naar-piëzo grensvlakken 8. In deze verlenging kan een gat gemaakt worden voor het doorlaten van mechanische elementen (bv. van optische aard), elektrische bedrading of kabels door het midden van de piëzo-inrichting. FIG. 8 toont een uitvoeringsvorm waarbij één van de eindvlakken verschoven is naar de top en waar een gat 23 is aangegeven. Een dergelijk gat kan gebruikt worden voor het uitzenden van elektromagnetische, optische, X-straal ... golven, alsook bijvoorbeeld voor het doorlaten van elektrische draden en kabels.

In sommige uitvoeringsvormen kan de piëzo-actuator 10 één van de spanningspolen aangesloten hebben op de stator zodat slechts één draad gebruikt hoeft te worden om een differentiëel spanningssignaal aan te leggen aan de actuator. Zoals hierboven aangegeven, wordt de piëzo-inrichting meestal ontworpen om in een kleef-slip modus te werken. Het is echter ook mogelijk om de piëzo-inrichting, gelijktijdig en/of achtereenvolgens in andere werkingsmodi te gebruiken, zoals een résonante modus of een directe modus. In de resonantie modus wordt de piëzo-actuator geëxciteerd bij hogere frequenties die samenvallen met een resonantie van de structuur. Hierdoor kunnen hogere snelheden bereikt worden. In de directe modus wordt een (langzaam variërend) DC-signaal aangelegd op de piëzo-actuator zodat deze de rotor 15 over een korte slag doet draaien zonder te slippen, waarbij de slag beperkt is tot de maximale slag van de piëzo-actuator. Met de directe modus is het mogelijk om de rotor met zeer hoge nauwkeurigheid en zeer hoge resolutie te positioneren, en een verplaatsing te veroorzaken quasi evenredig met de aangelegde spanning.

De aandrijfsnelheid en de trekkracht van de relatieve beweging tussen de stator module 22 en de genoemde rotor 15 is bestuurbaar door het veranderen van de vorm, frequentie, spanningsverschil en slew-rate van het aangelegde spanningssignaal, een principe dat goed bekend is bij de vakman.

Ook de wrijving en voorspankracht(en) tussen de contacten 1, 2 en de binnenoppervlakken 18a,b van de rotor kunnen afgesteld worden, aangezien deze krachten sterk beïnvloed worden door de keuze van de afmetingen van de flexibele steun 7 en kan enigszins gewijzigd worden om de prestaties van de piëzo-inrichting te verbeteren.

In sommige uitvoeringsvormen is de flexibele steun 7 een integraal onderdeel van de stator ring 6. De flexibele steun 7 kan bevestigd zijn aan het statorlichaam 6 gebruik makend van meer dan één arm. De belangrijkste functie van de flexibele steun 7 is dat het werkt als een mechanische veer. Dit wordt schematisch weergegeven in FIG. 12. In sommige uitvoeringsvormen kan de flexibele steun 7 een apart onderdeel zijn dat verbonden is aan het statorlichaam 6.

In sommige uitvoeringsvormen kan de stator module 22 één of meer montage vormdelen (zoals een eenvoudige flens) bevatten om de motor te positioneren ten opzichte van zijn omgeving binnen zekere toleranties betreffende de positie en oriëntatie. In de uitvoeringsvorm getoond in FIG. 5, is het bodemvlak van de bevestigingsconstructie 19 evenwijdig aan het vlak gedefinieerd door de contacten 1,2 om te garanderen dat rotor 15 draait in een vlak evenwijdig aan het genoemd bodemvlak. In dezelfde uitvoeringsvorm, is het bovenoppervlak van de montageplaat 14 evenwijdig aan het vlak van de groef gevormd door oppervlakken 18a en 18b in rotor 16. Beide maatregelen garanderen dat het bovenste montageoppervlak 14 van de piëzo-inrichting roteert in een vlak evenwijdig aan het bodem-montagevlak van de stator, en zonder te wiebelen.

Het/de contact(en) 1,2 kan/kunnen van elk type materiaal zijn, maar bij voorkeur is het materiaal keramisch om de slijtage van de stator module 22 te verminderen. De contacten 1, 2 kunnen een integraal deel zijn van de stator module 22 zelf, zonder de behoefte afzonderlijke contactpunt(en) 1, 2 te hoeven monteren boven op de module. In dit geval worden de contacten 1, 2 weggelaten, maar vindt het contact dan plaats tussen de buitenste punten van de stator module (die in feite de externe contacten 1,2 vervangen) en het/de binnenoppervlak(ken) 18 van de rotor 15. Ieder contact 1,2 heeft bij voorkeur een vorm als een deel van een bol of bolvormig oppervlak, maar kan in wezen elke vorm hebben, zoals een deel van een cilinder of iedere andere vorm. De contacten 1, 2 kunnen ook van een volledige bol, of een bolvormig object zijn. De hoekposities van de contacten 1, 2 zijn bij voorkeur, maar niet noodzakelijk, symmetrisch langs de buitenomtrek van de stator module 22.

De bevestiging van de stator module 22 aan het onderste bevestigingsdeel 19, dat deel kan zijn of buiten de positioneringsinrichting kan zijn, kan op een aantal manieren gerealiseerd worden.

De bevestigingsconstructie 19 kan voorzien zijn van één of meer bevestigingsvoorzieningen zoals bijvoorbeeld bevestigingsgat(en) 21 voor bevestigingsdoeleinden, zoals bouten. Een voorbeeld van een dergelijke bevestigingsstructuur met een montageplaat daarop geplaatst, wordt getoond in FIG. 7. Nogmaals, de bevestiging van dit onderdeel kan van ieder ander type zijn, zoals bijvoorbeeld het gebruik van klinknagels, lijm, perspassingen of andere bevestigingsmiddelen of bevestigingsmethoden.

In een alternatieve uitvoeringsvorm kan de bevestigingsstructuur 19 en stator module 22 vervaardigd worden als één enkel monolithisch geheel.

In sommige uitvoeringsvormen kunnen twee of meer van de genoemde piëzo-inrichtingen in serie samengesteld zijn. Bijvoorbeeld kan een L-vormig stuk bovenop een eerste piëzo-inrichting gemonteerd worden en de tweede piëzo-inrichting wordt dan gemonteerd bovenop dit L-vormig stuk. Dit kan ook in meer dan twee vrijheidsgraden uitgevoerd worden, door het op elkaar stapelen van meerdere piëzo-inrichtingen.

Twee of meer van de genoemde stator modules 6 kunnen in parallel samengesteld worden om één dikkere piëzo-inrichting te vormen. Het dient opgemerkt dat in principe de parallelle stators niet dezelfde oriëntatie moeten hebben: ze kunnen geroteerd worden ten opzichte van elkaar in het rotatievlak van de rotor. Een voorbeeld van een dergelijk parallel samenstel is weergegeven in FIG. 6 (de punten geven aan dat meerdere stators kunnen passen tussen de getoonde stator modules). Wanneer twee of meer stator modules 6 in parallel worden geplaatst, wordt een nieuw ontwerp van de rotor 15 gebruikt, bijvoorbeeld met een grotere afstand tussen de contacterende oppervlakken 18a, b van de V-vormige dwarsdoorsnede. Maar andere ontwerpen zijn eveneens mogelijk. De bovenste en onderste stator modules 6 kunnen, maar hoeven niet noodzakelijk, één van de twee oppervlakken van de V-vormige dwarsdoorsnede (te) contacteren, terwijl andere tussenliggende stators, indien aanwezig in het ontwerp, werken op een cilindrisch oppervlak. Andere voorbeelden kunnen een inrichting zijn met één stator in contact met een V-vormige groef waarbij de andere stators in contact zijn met een cilindervormige groef, een inrichting met één stator in contact met een cilindervormig groef en de andere stators in contact met een V-vormige groef. Elk stator kan daarbij zijn eigen piëzo hebben. De trekkracht is in hoofdzaak vermenigvuldigd met het aantal stator modules 6 in de ganse piëzo-inrichting.

Verscheidene stator modules 6 kunnen ook in parallel geplaatst worden, niet axiaal zoals geïllustreerd in FIG. 6, maar in een vlak evenwijdig aan het vlak van rotatie. Op die manier drijven verscheidene stator modules 6 de rotor 22 aan, maar slechts via één contact per stator module 6. Dit kan voordelig zijn wanneer de rotor een relatief grote radius heeft.

Waar in de bovenstaande uitvoeringsvoorbeelden een positioneringsinrichting werd beschreven waarbij de contacten in een inwaarts gerichte groef worden gedrukt, zijn uitvoeringsvormen hiertoe niet beperkt en het systeem kan aangepast zijn om een uitwaarts gerichte groef te verschaffen (in de rotor) en die een voorspanning hebben die de contacten (op de stator module) drukt tegen de binnenzijde van deze groef. FIG. 12 en FIG. 13 tonen een uitvoeringsvoorbeeld van zulke stator module en rotor respectievelijk. Het is eenvoudig een rotor volgens FIG. 13 te produceren dan een rotor volgens FIG. 2. FIG. 14 toont een voorbeeld van een volledig samengestelde inrichting volgens een uitvoeringsvorm, waarbij de contacten van de stator zijn gericht naar de groef aan de buitenkant van de rotor.

Terwijl in de bovenstaande uitvoeringsvoorbeelden werd beschreven dat de stator module 6 is vastgemaakt aan de omgeving en dat de rotor 15 kan draaien, kan omgekeerd ook de zogenaamde rotor vastgemaakt zijn aan de omgeving zodat de stator module wordt geroteerd tijdens de werking van de inrichting.

Voorts, waar de bovenstaande uitvoeringsvoorbeelden werden beschreven als een roteerbare piëzo-elektrische positioneringsinrichting, hebben uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding eveneens betrekking op een lineaire piëzo-elektrische inrichting. In dergelijke uitvoeringsvormen wordt de rotor vervangen door een schuif module met twee parallelle oppervlakken met een V-vormige groef, waarbij de stator module de schuif module op een lineaire manier zal aandrijven. Ten minste twee contacten zijn in contact met één lineaire V-groef, terwijl ten minste één contact een tweede lineaire V-groef raakt. Eén of meer van de contacten kunnen opgehangen worden door een flexibele arm, vergelijkbaar met de roteerbare uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding. In een andere uitvoeringsvorm kunnen vier contacten gebruikt worden, twee voor elke groef. De twee lineaire V-groeven kunnen in één onderdeel opgenomen zijn. In dit geval hoeft de flexibiliteit niet noodzakelijkerwijs gesitueerd te zijn onder één of meer van de contacten, maar ze kan geïntegreerd zijn in het onderdeel dat de beide V-groeven omvat. Dit geeft een zeer compacte vormgeving van de lineaire piëzo-aandrijving. Andere kenmerken en voordelen kunnen verkregen worden door mutatis mutandis kenmerken te implementeren van de roteerbare uitvoeringsvormen.

In een ander aspect heeft de onderhavige uitvinding ook betrekking op een inrichting die één of meer van de piëzo-inrichtingen volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvat, en die bestuurbaar is om gelijktijdig of achtereenvolgens het gebruik van deze piëzo-inrichtingen toe te laten om de inrichting te positioneren in één of meer vrijheidsgraden. Zulke inrichting kan, in sommige uitvoeringsvormen, verder een mobiele eenheid omvatten, met één of meer lineaire en/of roteerbare actuatoren, bijvoorbeeld een xyz-positioneringseenheid. Deze lineaire actuatoren kunnen één of meer rotatie-assen positioneren. De actuatoren in elk van deze motoren kunnen actuatoren zijn gekozen uit de groep bestaande uit piëzo-elektrische actuatoren, elektrostrictieve actuatoren en magnetostrictieve actuatoren. Kenmerken en voordelen van een inrichting volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kunnen overeenkomen met kenmerken en voordelen van positioneringsinrichting volgens uitvoeringsvormen van het eerste aspect van de onderhavige uitvinding.

In nog een ander aspect heeft de onderhavige uitvinding betrekking op het gebruik van een inrichting volgens een uitvoeringsvorm van het eerste aspect van de onderhavige uitvinding of een inrichting volgens het tweede aspect van de onderhavige uitvinding voor het verplaatsen van een last.

Claims (27)

1. Conclusies

   1. Een piëzo-inrichting voor het positioneren van een belasting, waarbij de piëzo-inrichting omvat: - een stator module die één of meer piëzo-elektrische actuator(en) omvat, georiënteerd in één enkele richting, welke stator module verder ten minste één scharnier omvat om vervorming van de stator module mogelijk te maken bij bekrachtiging van de piëzo-elektrische actuator. - een schuif of rotor module, waarbij de schuif of rotor module in contact is met de stator module in minstens drie contactpunten, waarbij het minstens één scharnier en de één of meer piëzo-elektrische actuator(en) in positie ten opzichte van elkaar opgesteld zijn voor het verschaffen van een tangentiële beweging van de schuif of rotor module bij bekrachtiging van de ten minste één piëzo-actuator, waarbij de schuif of de rotor module aangedreven wordt en ondersteund wordt door de contactpunten.
2. 2. Een piëzo-inrichting volgens conclusie 1, waarbij de opstelling van het ten minste één scharnier en de één of meer piëzo-elektrische actuatoren zodanig is dat het ten minste één scharnier niet collineair is met de één enkele richting.
3. 3. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij ten minste één contact ondersteund wordt door een flexibele steun.
4. 4. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de stator module contactelementen heeft en waarin de schuif of de rotor module een V-vormig inwendig oppervlak omvat om de contactelementen daartegen te positioneren, zodanig dat het vlak van beweging volledig bepaald is.
5. 5. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de stator module en de schuif of de rotor module precies drie contactelementen gebruiken, waarbij ieder contactelement twee contactpunten verschaft en waarbij één contactelement flexibel verbonden is, zodat het flexibel gepositioneerd is in radiale richting.
6. 6. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de piëzo-inrichting precies één piëzo-elektrische actuator omvat.
7. 7. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, in zoverre dat deze afhankelijk is van conclusie 2, waarbij het ten minste één scharnier geplaatst is onder een hoek in het bereik van 35° tot 55° ten opzichte van de één enkele richting en het midden van de stator module.
8. 8. Een piëzo-inrichting volgens één van de conclusies 1 tot 5, waarbij de één of meer piëzo-elektrische actuator(en) twee of meer piëzo-elektrische actuatoren zijn, op een afstand van elkaar geplaatst om zo een lege ruimte ertussen te creëren.
9. 9. Een piëzo-inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de schuif of de rotor geplaatst is in een willekeurig vlak evenwijdig aan het vlak van beweging.
10. 10. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de stator of de rotor extern wordt gedragen door de toepassing van een lager.
11. 11. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij het ten minste één scharnier één of meer flexibele elementen omvat.
12. 12. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij twee of meer stator modules gestapeld zijn binnenin één enkele rotor voor het verhogen van kracht en vermogensuitgang, met hun aandrijfuiteinden georiënteerd om hetzelfde lichaam aan te drijven.
13. 13. Een piëzo-inrichting volgens één van de conclusies 1 tot 12, waarbij de piëzo-inrichting een veelheid van stator modules omvat evenwijdig geplaatst in een vlak dat evenwijdig is aan het vlak van beweging, bv. het vlak van rotatie.
14. 14. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de rotor een steunelement omvat gemonteerd aan de rotor of schuif voor het ondersteunen van een te verplaatsen last.
15. 15. Een piëzo-inrichting volgens de voorgaande conclusie, waarbij het steunelement bevestigingsmiddelen omvat voor het bevestigen van de last aan het steunelement.
16. 16. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de piëzo-inrichting verder een bodem-montagestructuur omvat voor het daaraan monteren van de stator module.
17. 17. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de rotor een naar buiten gerichte groef heeft en een voorspanning heeft die contactelementen op de stator module tegen de binnenzijde van de groef drukt.
18. 18. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de piëzo-inrichting geconfigureerd is om te werken in een frictie-inertie gebaseerde modus.
19. 19. Een piëzo-inrichting volgens één van de conclusies 1 tot 18, waarbij de piëzo-inrichting geconfigureerd is om te werken in één van een resonantie modus of een directe modus.
20. 20. De piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de piëzo-inrichting meer dan één piëzo-elektrische actuator omvat, en waarbij de meer dan één piëzo-elektrische actuator op een afstand van elkaar gepositioneerd zijn voor het creëren van een centraal gat geschikt voor het doorlaten van mechanische of elektrische elementen.
21. 21. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarin de stator een stator ring omvat en waarin de piëzo-elektrische actuatoren gepositioneerd zijn buiten de stator ring of in een vlak onder of boven de stator ring.
22. 22. De piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, welke inrichting ten minste twee piëzo-elektrische actuatoren omvat en waarbij de inrichting verder een besturingsapparaat omvat om op de aandrijfsignalen voor de actuatoren een bijkomende DC spanning of een traag veranderende spanning aan te leggen om het midden van de stator te verschuiven.
23. 23. Een piëzo-inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij ten minste één van de één of meer piëzo-elektrische actuatoren een parallelle voorgespannen actuator is.
24. 24. Een inrichting voor het verplaatsen van een last, welke inrichting een eerste piëzo-inrichting omvat volgens één van de voorgaande conclusies en ten minste één verdere actuator-inrichting voor het bewegen van een last volgens ten minste één vrijheidsgraad.
25. 25. Een inrichting volgens de voorgaande conclusie, waarbij de ten minste één verdere actuator een piëzo-inrichting is volgens één der conclusies 1 tot 2, in serie gestapeld met de eerste piëzo-inrichting.
26. 26. Het gebruik van een piëzo-inrichting volgens één van de conclusies 1 tot 23, voor het bewegen van een last.
27. 27. Het gebruik van een inrichting volgens één van de conclusies 24 tot 25 voor het bewegen van een last.