DE10158920A1

DE10158920A1 - Miniaturisierbarer Schrittantrieb

Info

Publication number: DE10158920A1
Application number: DE2001158920
Authority: DE
Inventors: Uwe Jungnickel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Der Schrittantrieb besteht im Wesentlichen aus einem festen Gestell und zwei beweglichen Teilen, die sich über den gesamten Verstellweg eines Translators bzw. Rotors erstrecken und so in dem Gestell gelagert sind, dass sie eine gleichartig oszillierende Bewegung kleiner Amplitude ausführen können. Die beweglichen Teile werden von mindestens einem Festkörperaktor, z. B. Piezoaktor, angetrieben und weisen im Betrieb in der Regel eine Phasenverschiebung von 180 DEG auf. Ein weiteres bewegliches Teil, ein Translator bzw. Rotor, kann abhängig von der Bewegung der beiden beweglichen Teile mit zwei Fixiervorrichtungen abwechselnd auf dem einen oder anderen beweglichen Teil fixiert werden, sodass es von diesem mit bewegt wird und keine weitere Führung bzw. Lagerung benötigt. Die Fixierung kann über eine Klemmung mit Verzahnung erfolgen, sodass durch die formschlüssige Kopplung hohe Kräfte übertragen werden können. Der Antrieb kann planar aufgebaut werden, sodass die wesentlichen Funktionselemente aus einem Teil gefertigt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Um große Stellwege mit hohen Auflösungen zu erreichen, werden oft die Stellwege von Festkörperaktoren (z. B. Piezoaktoren) aufsummiert. Unter dem Begriff "Inchworm" sind Antriebe bekannt, die zwei Klemmglieder und dazwischen ein Vorschubglied besitzen. Damit kann zwischen zwei Körpern eine intermittierende Relativbewegung erzeugt werden. Das Grundprinzip für einen Inchwormantrieb wird in US-Pat. 3,902,084 und US- Pat. 3,902,085 beschrieben. Dabei wird ein langer, runder Schaft (Läufer) schrittweise von einem Piezoaktor vorwärts geschoben. Die Klemmung erfolgt über zwei rohrförmige Piezoaktoren. In DE 196 46 769 wurde dieses Antriebsprinzip dahin gehend erweitert, dass die Kontaktflächen zwischen Klemmelement und Läufer eine Verzahnung aufweisen. Durch die zusätzliche Verzahnung lassen sich weitaus größere Vorschubkräfte erzeugen. Andere Weiterentwicklungen haben zum Ziel, das Verhältnis von Vorschubphase zu Ruhephase zu verbessern bzw. eine kontinuierliche Bewegung zu erreichen. In US-Pat. 5,751,090 werden dazu vier Klemm- und drei Vorschubglieder eingesetzt, während in US- Pat. 5,319,257 eine kontinuierliche Bewegung durch zwei Vorschub- und zwei Klemmglieder ermöglicht wird. In DE 199 20 436 wird eine Anordnung vorgestellt, die eine kontinuierliche Bewegung mit formschlüssiger Übertragung der Vorschubkraft ermöglicht. Dazu ist der Rotor bzw. Translator mit einer sägezahnförmigen Verzahnung versehen. Über mindestens zwei Aktorgruppen, die an ihren Enden ebenfalls eine Verzahnung tragen, wird die Vorschubbewegung auf den Rotor bzw. Translator übertragen. Die Funktionsweise besteht darin, dass die beiden Aktorgruppen mit ihren Eingriffsgliedern wechselseitig mit dem Rotor bzw. Translator in Eingriff stehen und die Vorschubbewegung einprägen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass ein Aktorpaar nur Vorschubbewegungen in eine Richtung erzeugen kann, der Läufer nur Kräfte entgegengesetzt der Vorschubrichtung aufnehmen kann und der Rotor bzw. Translator eine externe Lagerung bzw. Führung benötigt. In DE 41 27 163 wird ein Motor mit Piezoelementen beschrieben, der eine endlos umlaufende Drehbewegung erzeugen kann. Auch bei dieser Anordnung ist eine zusätzliche Lagerung des Rotors notwendig.

Die Anordnungen nach dem Stand der Technik sind komplexe räumliche Gebilde, die aus vielen einzelnen Komponenten bestehen und sich nur schlecht miniaturisieren lassen. Alle rotatorischen Antriebe, die nach dem Inchwormprinzip arbeiten, benötigen eine externe Lagerung, die in der Regel mit Wälzlagern realisiert wird. Diese Wälzlager sind aufwendig zu fertigen und setzen Grenzen bei der Genauigkeit und der Miniaturisierbarkeit. Darüber hinaus weisen die Anordnungen nach dem Stand der Technik einen kurzen Stator und einen langen Translator auf, sodass die vom Translator aufnehmbaren Querkräfte mit zunehmendem Stellweg abnehmen. Abhilfe kann nur durch Einsatz einer zusätzlichen Führung bzw. Lagerung des Translators bzw. Rotors geschaffen werden, die wiederum weitere Bauteile, Montageschritte und Fehlerquellen mit sich bringt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass zumindest ein Aktor mit bewegt werden muss, sodass flexible Zuleitungen zu den Aktoren realisiert werden müssen, die wiederum aufwendig und störanfällig sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen miniaturisierbaren Schrittantrieb zu schaffen, der große Stellwege mit einer hohen Auflösung gewährleistet und dabei aus wenigen Komponenten mit geringem Montageaufwand zu realisieren ist.

Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einem festen Gestell und zwei beweglichen Teilen, die sich über den gesamten Verstellweg eines Translators bzw. Rotors erstrecken und so in dem Gestell gelagert sind, dass sie eine gleichartige, oszillierende Bewegung kleiner Amplitude ausführen können. Dabei kann es sich um parallele Linear- oder konzentrische Rotationsbewegungen handeln. Soll eine Linearbewegung erzeugt werden, werden die bewegten Teile vorzugsweise als parallele Stege ausgeführt, die in Richtung ihrer größten Ausdehnung bewegt werden. Soll eine Rotationsbewegung erzeugt werden, können die bewegten Teile als Ringe oder Kreissegmente ausgeführt werden, die um ihren Krümmungsmittelpunkt rotiert werden. Die beweglichen Teile (im folgenden Basisteile genannt) werden von mindestens einem Festkörperaktor, z. B. Piezoaktor, angetrieben und weisen im Betrieb in der Regel eine Phasenverschiebung von 180° auf. Ein weiteres bewegliches Teil, ein Translator oder Rotor, kann abhängig von der Bewegung der beiden Basisteile mit zwei Fixiervorrichtungen abwechselnd auf dem einen oder anderen Basisteil fixiert werden, sodass es von diesem mit bewegt wird und damit eine entsprechende Translations- oder Rotationsbewegung ausführt. Zu Beginn einer Bewegungsperiode der Basisteile wird der Translator bzw. Rotor an das Basisteil gekoppelt, das als erstes in die gewünschte Richtung bewegt wird. Während der Bewegung des einen Basisteiles, führt das zweite Basisteil die gleiche Bewegung nur in die entgegen gesetzte Richtung aus. Ist das Ende der Bewegung erreicht, wird der Translator bzw. Rotor auf dem zweiten Basisteil fixiert und bei der folgenden Bewegung weiter in die gewünschte Richtung bewegt. Nach wiederum einem vollständigen Hub wird der Translator bzw. Rotor an das erste Basisteil gekoppelt. Ist die Zielposition weniger als ein Hub entfernt, kann durch eine gesteuerte oder geregelte Ansteuerung des Vorschubaktors eine Feinpositionierung erfolgen, um beliebige Zwischenpositionen zu erreichen.

In einer bevorzugten Bauform für einen Linearantrieb sind die beiden Basisteile als Stege ausgeführt, wobei ein Steg von einem Festkörperaktor über ein Hebelgetriebe zur Stellwegvergrößerung angetrieben wird. Der zweite Steg wird über einen Umlenkhebel von dem ersten mit angetrieben, wodurch eine feste Phasenbeziehung von 180° zwischen den beiden Bewegungen eingeprägt wird. In einer weiteren bevorzugten Bauform für einen Linearantrieb werden beide Stege von jeweils einem Piezoaktor und Hebelgetriebe angetrieben, wobei die Phasenverschiebung zwischen den Bewegungen in der Ansteuerung erzeugt wird. Mit einer Anordnung mit zwei getrennten Aktoren für die beiden Stege kann eine kontinuierliche Bewegung des Translators erreicht werden. Dazu muss sich der Steg, der nicht den Translator, trägt schneller zurück bewegen als der andere Steg. Bevor der Steg mit dem angekoppelten Translator die Endlage erreicht, beginnt der "freie" Steg nach der schnellen Rückbewegung mit einer Bewegung in die gleiche Richtung wie der erste Steg. Das Wechseln der Fixierung des Translators von einem auf den anderen Steg vollzieht sich während der Bewegung der Stege.

In einer bevorzugten Bauform werden die Stege mit Federführungen geführt, sodass weder zusätzliche Reibung noch Spiel die Präzision der Bewegung verringern.

In einer bevorzugten Bauform für einen Rotationsantrieb sind die beiden Basisteile als konzentrische Ringe ausgeführt, die übereinander angeordnet sind, von jeweils einem Festkörperaktor angetrieben werden und eine Rotationsbewegung um ihren Mittelpunkt ausführen. Der Rotor befindet sich innerhalb der Ringe und wird alternierend an dem einen oder anderen Ring fixiert. In einer bevorzugten Bauform werden die Ringe in einem Rahmen gelagert, dessen Gelenke als Federlager ausgeprägt sind und der eine Rotation der Ringe um ihren Krümmungsmittelpunkt erreicht.

Der Translator bzw. Rotor kann kraft- oder formschlüssig temporär an die Stege gekoppelt werden. Erfindungsgemäß werden die zur kraftschlüssigen Kopplung notwendigen Normalkräfte durch elektromagnetische, elektrostatische Kräfte oder mit Festkörperaktoren aufgebracht. Zum Erzeugen der elektromagnetischen Kräfte ist in den Basisteilen jeweils mindestens ein Elektromagnet anzuordnen. Zum Erzeugen der elektrostatischen Kräfte ist in den Basisteilen jeweils mindestens eine Elektrode anzuordnen. Für eine formschlüssige Kopplung wird eine der Berührungsflächen zwischen dem Translator bzw. Rotor und einem beweglichen Teil der Basisteile mit einer Mikroverzahnung versehen.

In einer bevorzugten Bauform für einen Linearantrieb wird der bewegliche Teil der Stege, der für eine formschlüssige Kopplung verantwortlich ist, über Federgelenke gelagert. Dabei wird die Bewegung zum Eingreifen und Lüften der Verzahnung von Festkörperaktoren über ein Hebelgetriebe erzeugt.

Die Mikroverzahnung kann zugleich als Maßverkörperung dienen, da die Anordnung schlupffrei arbeitet. Daher kann mit einer Positionsmessung der Basisteile gegenüber dem Gestell und einem Aufsummieren der erfolgten Fixierungswechsel die Position des Translators bzw. Rotors relativ zum Gestell exakt bestimmt werden. Somit wird nur eine Positionssensorik für einen kleinen Weg benötigt, um die Lage des Translators bzw. Rotors in einem großen Stellbereich zu bestimmen. Die Positionssensorik kann auch zur Regelung der oder des Vorschubaktors bei der Feinpositionierung verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert und drei vorteilhafte Ausführungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung der Hauptkomponenten und vier Schritte eines Bewegungszyklus bei einem Linearantrieb. Zwei bewegliche Elemente 1, 2 (Stege) sind parallel angeordnet und so geführt, dass sie eine oszillierende Linearbewegung parallel zu einander ausführen können. Auf den Stegen ist ein Translator 3 angeordnet. Soll dieser bewegt werden, so wird er auf dem Steg fixiert, der sich in die gewünschte Richtung bewegt (Fig. 1b). Die Stege führen eine gegensinnige Bewegung aus, sodass während der Bewegung des ersten Steges der zweite die gleiche Bewegung in die entgegengesetzte Richtung ausführt. Ist das Ende des Bewegungshubes erreicht, wird der Translator auf dem anderen Steg fixiert und bei der darauf folgenden Bewegung weiter in die gewünschte Richtung bewegt (Fig. 1c). In den Endlagen der Bewegung der Stege findet jeweils ein Wechsel der Fixierung vom einen auf den anderen Steg statt.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anordnung zum Antrieb der Stege. Dabei wird ein Steg von einem Festkörperaktor 4, z. B. Piezoelement über ein Hebelgetriebe 5 angetrieben. Der zweite Steg wird über einen Umlenkhebel 6, der gestellfest gelagert ist, mit angetrieben und führt somit eine exakt gegensinnige Bewegung zu dem ersten Steg aus.
Fig. 3 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung zum Antrieb der Stege. Dabei wird jeder Steg von jeweils einem Festkörperaktor 4 über ein Hebelgetriebe 5 angetrieben.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung und den prinzipiellen Bewegungsablauf für einen rotatorischen Antrieb. Zwei Kreissegmente 1, 2 mit gleichem Radius sind konzentrisch in ihrem Krümmungsmittelpunkt gelagert. Ein Rotor 3 wird wechselweise an den Stirnflächen der Kreissegmente fixiert. Die Kreissegmente führen jeweils eine Bewegung um den Winkel α aus. Zu Beginn einer Bewegungsperiode wird der Rotor an das Kreissegment gekoppelt, dass als erstes in die gewünscht Richtung bewegt wird (Fig. 4b). In den Endlagen der Bewegung wechselt die Fixierung von einem Kreissegment auf das andere und bei der darauffolgenden Bewegung wird der Rotor weiter in die gewünscht Richtung bewegt (Fig. 4c). Nach einem vollständigen Zyklus ist der Rotor um den Winkel φ = 2α gedreht worden (Fig. 4d).
Fig. 5 zeigt eine weitere Anordnung für einen rotatorischen Schrittantrieb. Die Basiselemente sind dabei als Ringe 1, 2 ausgeführt, die sich wiederum um ihren Mittelpunkt drehen können. Der Rotor hat die Form einer Welle 3, die abwechselnd in dem einen oder anderen Ring fixiert wird. Der Bewegungsablauf ist analog zu Fig. 4.
Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer bevorzugten Anordnung für einen rotatorischen Antrieb in Explosionsdarstellung. Dazu sind zwei gleiche Rahmenlager (entsprechend Fig. 7) übereinander angeordnet. Die Welle 3 wird abwechselnd von dem oberen und unteren Basisteil geklemmt und weiter gedreht.
Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Anordnung zur Lagerung der ringförmigen Basisteile mit mechanischer Klemmung. In einem Rahmen 15 wird das Basisteil um den Schnittpunkt der Verbindungsgeraden zwischen den beiden Gestelllagern 7 und der Verbindungsgerade zwischen den beiden Lagern des Basisteils 1 gedreht. Damit wird das Rotationszentrum nicht konstruktiv genutzt und der Rotor kann z. B. als Hohlwelle ausgeführt werden.
Fig. 8 zeigt den Bewegungsablauf einer Anordnung nach Fig. 2. Die Stege führen eine oszillierende Bewegung mit einer Phasenverschiebung von 180° zu einander aus. In den Umkehrpunkten der Bewegung findet der Wechsel der Fixierung von einem Steg auf den anderen statt. Während dieses Wechsels findet keine Vorwärtsbewegung des Translators statt.
Fig. 9 zeigt den Bewegungsablauf einer Anordnung nach Fig. 3. Die Stege führen eine ungleichförmige Bewegung aus, wobei der Weg in die eine Richtung schneller zurück gelegt wird als in die andere. Damit ist es möglich, den Wechsel der Fixierung während der Bewegung durch zuführen und somit eine kontinuierliche Bewegung des Translators zu erreichen.
Fig. 10 und Fig. 11 zeigen den Ablauf der Bewegungen bei einer formschlüssigen Kopplung zwischen Translator und Stegen. Dabei ist in Fig. 10 eine Anordnung dargestellt, bei der der Zahnabstand den doppelten Hub beträgt. Damit ist nur ein Wechsel der Fixierung in den Endlagen möglich. In Fig. 11 ist eine Anordnung gezeigt, bei der der Zahnabstand gleich dem Hub der Stege ist. Damit ist auch ein Fixierungswechsel in Mittelposition (Ruhelage) möglich.
Fig. 12 zeigt eine mögliche Bauform für eine Antriebsanordnung nach Fig. 3. Die Stege 1 und 2 sind über Federführungen 11 mit dem Gestell 7 verbunden. Die Festkörperaktoren 4 zum Antrieb der Stege sind im Gestell gelagert, ebenso die Hebelgetriebe 5. Die beweglichen Teile 12 der Stege sind über Federführungen mit den jeweiligen Stegen verbunden. Sie tragen auf einer Seite eine Mikroverzahnung 10. Ebenso trägt der Translator 3 eine Mikroverzahnung. Die Festkörperaktoren 8 und 9 zum Antrieb der beweglichen Teile sind gestellfest angeordnet und übertragen die Bewegung über eigene Hebelgetriebe 13 auf die beweglichen Teile. Vorzugsweise ist die Anordnung bis auf den Translator und die Festkörperaktoren aus einem Teil zu fertigen.
Fig. 13 zeigt eine weitere bevorzugte Bauform in einer Explosionsdarstellung, wobei die beiden Stege mit den dazugehörigen Aktoren, Hebelgetrieben und Federführungen auf zwei getrennten Ebenen angeordnet sind. Zwischen den beiden Ebenen ist ein Abstandshalter 14 angeordnet, der vorzugsweise die elektrischen Anschlüsse zur Kontaktierung der Festkörperaktoren trägt.
Ein Schrittantrieb nach der vorgestellten Anordnung bietet die Vorteile, dass keine aufwendige Lagerung bzw. Führung des Translators bzw. Rotors über einen großen Stellbereich notwendig ist, da der Gesamtstellweg aus kleinen Teilbewegungen zusammen gesetzt wird, die mit Festkörpergelenken realisiert werden können. Da sich die Basisteile über den gesamten Stellweg erstrecken, kann der Translator bzw. Rotor unabhängig von seiner Stellung die gleichen Querkräfte aufnehmen. Durch den Verzicht auf zusätzliche Lagerungen bzw. Führungen ist ein flächiger, monolithischer Aufbau möglich, sodass die Anzahl der Einzelteile und Montageschritte und damit zusätzliche Fehlereinflüsse minimiert werden. Bezugszeichenliste 1 Basisteil 1
2 Basisteil 2
3 Translator/Rotor
4 Festkörperaktor für Vorschubbewegung
5 Hebelgetriebe
6 Umlenkhebel
7 Stator
8 Festkörperaktor für Fixierung auf Basisteil 1
9 Festkörperaktor für Fixierung auf Basisteil 2
10 Verzahnung
11 Federführung
12 bewegter Teil des Basisteils
13 Hebelgetriebe zur Fixierung
14 Platine (u. a. zur Kontaktierung der Aktoren)
15 Rahmen zur Lagerung der Rotationsbewegung

Claims

1. Schrittantrieb insbesondere für große Stellwege und hohe Auflösungen mit zwei bewegten Teilen, die abwechselnd einen Translator bzw. Rotor fixieren und schrittweise weiter bewegen dadurch gekennzeichnet, dass zwei Basisteile (1, 2), die sich über den gesamten Verstellweg eines Translators bzw. Rotors erstrecken, von mindestens einem Festkörperaktor (4) angetrieben werden und eine gleichartige, oszillierende aber gegensinnige Bewegung kleiner Amplitude ausführen, vorhanden sind und ein Translator bzw. Rotor ohne zusätzliche Führung oder Lagerung mit mindestens zwei Fixiereinrichtungen, die die erzeugte Kraft auf den Translator bzw. Rotor übertragen, abhängig von der Position und Bewegung der Basisteile an das eine oder andere Basisteil gekoppelt wird, um eine gerichtete Bewegung zu erzeugen.

2. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Basisteil von einem Festkörperaktor (4) direkt oder über ein Hebelgetriebe (5) angetrieben wird und dem zweiten Basisteil über einen Umlenkhebel (6) eine entgegengesetzte Bewegung gleicher Amplitude eingeprägt wird.

3. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Basisteil von einem Festkörperaktor direkt oder über ein Hebelgetriebe (5) angetrieben wird, wobei durch die Ansteuerung der Aktoren eine feste oder variable Phasenbeziehung zwischen den Bewegungen der Basisteilen erzeugt wird.

4. Schrittantrieb nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisteile zur Erzeugung einer gleichförmigen Bewegung kurzzeitig eine Bewegung in die gleiche Richtung mit der gleichen Geschwindigkeit ausführen, damit die Fixiereinrichtungen kurzzeitig gemeinsam in Eingriff sind, sodass die Lastübernahme von einem Basisteil auf das andere erfolgt, ohne dass die Bewegung angehalten werden muss.

5. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisteile über Federgelenke (11) geführt bzw. gelagert werden.

6. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer Rotationsbewegung die Basisteile in einem Rahmen (15) gelagert werden, der nur Festkörpergelenke besitzt und eine Rotation des Basisteils um einen Drehpunkt ermöglicht.

7. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Translator bzw. Rotor kraftschlüssig an die Basisteile gekoppelt wird, wobei die Haltekraft über elektrische Felder (elektrostatisch), magnetische Felder (elektromagnetisch) oder über Festkörperaktoren erzeugt wird.

8. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Translator bzw. Rotor formschlüssig an die Basisteile gekoppelt wird, wobei die formschlüssige Verbindung über eine Mikroverzahnung (10) hergestellt wird.

9. Schrittantrieb nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikroverzahnung zur formschlüssigen Kopplung als Maßverkörperung der Translationsbewegung bzw. Rotationsbewegung ausgelegt ist.

10. Schrittantrieb nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung außerhalb der Basisteile, ortsfest auf dem Stator angeordnet ist und die Bewegung über geeignete Gestänge auf die bewegten Teile (12) der Basisteile übertragen wird.

11. Schrittantrieb nach Anspruch 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Position der Basisteile in Bezug auf das Gestell gemessen und gespeichert wird und durch eine Addition der zurück gelegten Wege die genaue Position des Translators bzw. Rotors relativ zum Gestell ohne zusätzliches Messsystem bestimmt werden kann.

12. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle wesentlichen Funktionselemente, wie Basisteile, Führungen, Hebel u. s. w., in einer Ebene liegen, damit ein planarer Aufbau möglich ist und die wesentlichen Funktionselemente monolithisch gefertigt werden können.

13. Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisteile mit den entsprechenden Funktionselementen in zwei Ebenen übereinander angeordnet sind.

14. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein schichtweiser Aufbau möglich ist, der eine planare Herstellung unter Einsatz von Mikrotechnologien gewährleistet.