DE102004044616B4

DE102004044616B4 - Sensor-/Aktuator-Modul und Schwingungsisolierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102004044616B4
Application number: DE200410044616
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr.-Ing. Stöbener; Andreas Dipl.-Ing.(FH) Sprenger; Alexander Opfermann
Original assignee: HALCYONICS GmbH
Current assignee: ACCURION GMBH, 37079 GOETTINGEN, DE
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: DE102004044616A1

Abstract

Sensor-/Aktuator-Modul (10), insbesondere zur Verwendung in einer Schwingungsisolationsvorrichtung, umfassend einen Bewegungssensor (200) und einen koaxial zu diesem angeordneten, mit dem Bewegungssensor (200) rückkoppelbaren Aktuator (300),
wobei der Bewegungssensor (200) eine durch äußere Schwingungen bewegbare Schwingmasse (210) und eine piezoelektrische Wandlervorrichtung (270, 272) zur Erzeugung eines von der Bewegung der Schwingmasse (210) abhängigen elektrischen Sensorsignals aufweist und
wobei der Aktuator (300) eine elektromagnetische Wandlervorrichtung (320a, 320b, 332) zur Erzeugung einer von einem elektrischen Stellsignal abhängigen Auslenkung eines mechanischen Hubelementes (330) relativ zu einem Träger (100, 310) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwingmasse (210) des Bewegungssensors (200) als ein den Aktuator (300) rings umgebender und in Auslenkungsrichtung des Hubelementes (330) relativ zu dem Träger (100, 310) beweglicher Hohlkörper ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensor-/Aktuator-Modul insbesondere zur Verwendung in einer Schwingungsisolationsvorrichtung, umfassend einen Bewegungssensor und einen koaxial zu diesem angeordneten, mit dem Bewegungssensor rückkoppelbaren Aktuator, wobei der Bewegungssensor eine durch äußere Schwingungen bewegbare Schwingmasse und eine piezoelektrische Wandlervorrichtung zur Erzeugung eines von der Bewegung der Schwingmasse abhängigen elektrischen Sensorsignals aufweist und wobei der Aktuator eine elektromagnetische Wandlervorrichtung zur Erzeugung einer von einem elektrischen Stellsignal abhängigen Auslenkung eines mechanischen Hubelementes relativ zu einem Träger aufweist.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Schwingungsisolationsvorrichtung, umfassend eine Mehrzahl von Bewegungssensoren, die jeweils mit einer durch äußere Schwingungen bewegbaren Schwingmassen und einer piezoelektrischen Wandlervorrichtung zur Erzeugung eines von der Bewegung der Schwingmasse abhängigen elektrischen Sensorsignals ausgestattet sind, eine Mehrzahl von Aktuatoren, die jeweils mit einer elektromagnetischen Wandlervorrichtung zur Erzeugung einer von einem elektrischen Stellsignal abhängigen Auslenkung eines mechanischen Hubelementes relativ zu einem Träger ausgestattet sind, eine Regeleinrichtung zur Rückkopplung der Bewegungssensoren mit den Aktuatoren, wobei die Bewegungssensoren und die Aktuatoren einander paarweise zugeordnet und jeweils koaxial zueinander angeordnet sind und wobei die Regeleinrichtung die Sensorsignale erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Sensorsignale die Stellsignale für die jeweils zugeordneten Aktuatoren bestimmt und an diese ausgibt, um eine Kompensation der äußeren Schwingungen zu erzielen.
Derartige Module und Schwingungsisolationsvorrichtungen sind aus DE 35 40 431 C2 bekannt. Eine besondere Ausführungsform ist außerdem aus der DE 203 03 784 U1 bekannt. Sie finden überall dort Verwendung, wo empfindliche Aufbauten oder Apparaturen gegen Erschütterungen und Schwingungen ihres Fundaments isoliert werden müssen. Beispiele hierfür sind nanotechnologische Untersuchungs- und Bearbeitungsvorrichtungen, wie etwa AFM (atomic force microscope), Raster-Tunnelmikroskop, Elektronenmikroskop, etc.. Derartige Aufbauten sind extrem empfindlich gegen Schwingungen des Fundaments, d. h. des Gebäudes, des Laborbodens und/oder der Labormöbel, wie beispielsweise eines optischen Tischs, auf dem die Apparatur aufgebaut ist. Die Schwingungsempfindlichkeit ist so groß, dass eine passive Schwingungsdämpfung in der Regel nicht ausreichend ist. Vielmehr ist eine aktive Schwingungsisolation erforderlich.
Bei der aktiven Schwingungsisolation werden Schwingungen in wenigstens einer Raumdimension von Bewegungssensoren, üblicherweise absolut messende Beschleunigungssensoren, detektiert und in ein von der Bewegung abhängiges Sensorsignal gewandelt. Das Sensorsignal wird zu einem Aktuator rückgekoppelt. In dem Aktuator wird ein mechanisches Hubelement in Abhängigkeit von einem Stellsignal derart angesteuert, dass die unerwünschte Schwingung kompensiert wird. Zum Zwecke der geeigneten Rückkopplung ist eine Regeleinheit vorgesehen, welche in Abhängigkeit von den Sensorsignalen, die erforderlichen Stellsignale zur Ansteuerung der Hubelemente erzeugt. Dies kann auf analoge Weise oder mittels eines Computers oder Mikroprozessors, der nach vorgegebenen, in einem Speicher abgelegten Regeln die erforderlichen Stellsignale berechnet, erfolgen.
Es ist bekannt, die Sensoren und Aktuatoren paarweise einander zuzuordnen und koaxial zueinander anzuordnen. Hierdurch wird eine sehr robuste Regelung ermöglicht, bei der nach der Theorie der SISO-Systeme (Single Input/Single Output) die Pole des Systems in der linken Hälfte der komplexen Ebene liegen. Um den Aufbau zu erleichtern, werden die paarweise einander zugeordneten Sensoren und Aktuatoren als Sensor-/Aktuator-Module vorkonfiguriert.
Die koaxiale Anordnung der bekannten Sensor-/Aktuator-Module führt zu einer Bauhöhe, die mindestens der Summe der Bauhöhen eines Sensorelementes und eines Aktuatorelementes entspricht. Dies ist nachteilig, weil eine Schwingungsisolationsvorrichtung großer Bauhöhe, die unter einer empfindlichen Apparatur auf einem üblichen Labormöbel, wie etwa einem optischen Tisch, eingesetzt wird, die Apparatur in eine bedienungsunfreundliche Position verlagert.
Aus der US 6,954,576 B1 ist ein Schwingungsisolator mit einem aktiven und einem passiven Isolatorteil, die hydraulisch miteinander gekoppelt sind bekannt. Aktuator und Bewegungssensor sind bei dieser bekannten Vorrichtung räumlich voneinander getrennt angeordnet.
Aus der WO 98/44275 A1 ist eine Schwingungsabsorptionsvorrichtung mit zwei Reaktionsmassen bekannt. Bewegungen einer vor Schwingungen zu schützenden Apparatur werden von einem separaten Bewegungssensor gemessen, der ein Signal erzeugt, das zu einem über eine Feder-Dämpfer-Anordnung mit der Apparatur verbundenen Absorbermodul übermittelt wird. Abhängig von diesem Signal erzeugt ein in dem Modul als Spulen/Magnet-Kombination ausgebildeter Aktuator eine Relativbewegung zweier Reaktionsmassen, sodass die Bewegung der Apparatur nach den Prinzipien der Impulserhaltung durch die Bewegung der Reaktionsmassen absorbiert wird. Nachteilig an diesem Prinzip der Schwingungsabsorption im Vergleich zur direkten Kompensation der Schwingung bei der Schwingungsisolation ist die sehr komplexe Ansteuerung der Reaktionsmassen sowie deren hohes Gewicht (ggf. zusätzlich zu dem Gewicht einer Schwingmasse des Bewegungssensors) und Bauraumerfordernis.
Aus der DE 198 20 875 A1 ist ein elektromagnetisch betätigtes Wegeventil mit einem Doppelhubmagneten als Stellelement bekannt.
Aus der US 5,873,559 ist ein Schwingungsabsorber mit zylindrischen Biegelementen bekannt, deren Zylinderwände aus einem Ring flexibler Stäbe aufgebaut ist.
Aus der WO 01/45139 A2 ist ein Sender-Handgerät mit einem piezoelektrischen Druckschalter bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Sensor-/Aktuator-Modul bzw. eine gattungsgemäße Schwingungsisolationsvorrichtung derart weiterzubilden, dass eine geringere Bauhöhe erreicht werden kann.
Ausgehend von dem bekannten Sensor-/Aktuator-Modul wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schwingmasse als ein den Aktuator rings umgebender und in Auslenkungsrichtung des Hubelementes relativ zu dem Träger beweglicher Hohlkörper ausgebildet ist.
Dieser Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die erforderlichen Elemente, nämlich Bewegungssensor und Aktuator räumlich miteinander zu verschachteln, ohne dabei die funktionale Trennung beider Elemente aufzuheben. Dadurch, dass die Schwingmasse den Aktuator rings umgibt, wird die durch die Bauhöhe des Aktuators vorgegebene Mindestbauhöhe auch für den Bewegungssensor genutzt.
Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass der Träger ein Modulgehäuse und einen in dessen Innerem festgelegten Aktuatorträger umfasst, wobei die Schwingmasse und der von ihr umgebene Aktuator von dem Modulgehäuse umschlossen sind und ein Endbereich des Hubelementes eine Öffnung des Modulgehäuses durchsetzt. Der Aktuatorträger ist vorzugsweise ein Aktuatorgehäuse, welches alle wesentlichen Komponenten des Aktuators umgibt. Lediglich ein Endbereich des Hubelementes, welches relativ zu dem Aktuatorträger beweglich ist, muss aus dem Aktuatorgehäuse herausragen. Das Aktuatorgehäuse ist im inneren eines Modulgehäuses festgelegt. Die Schwingmasse umgibt das Aktuatorgehäuse und wird ihrerseits von dem Modulgehäuse umschlossen. Auf diese Weise bilden Aktuatorgehäuse und Modulgehäuse eine feste Bezugsbasis, relativ zu welcher die Schwingmasse einerseits und das Hubelement andererseits bewegbar sind. Erfährt das Modulgehäuse eine äußere Erschütterung, bewegt sich die Schwingmasse in seinem Inneren, was durch Rückkopplung zu einer Auslenkung des Hubelementes führen kann, dessen Endbereich aus dem Modulgehäuse herausragt. Ist das Modulgehäuse an einer gegen Schwingungen zu isolierende Vorrichtung oder Tragplatte angeordnet und über das Hubelement gegen eine erschütterungsbehafteten Grundplatte abgestützt, kann eine effiziente Schwingungsisolierung erfolgen. Das Modul weist eine geringe Bauhöhe und leichte Handhabbarkeit auf, wobei sämtliche Elemente durch das Modulgehäuse gegen Verschmutzung und Störungen von außen geschützt sind.
Um eine besonders präzise Schwingungskompensation zu erreichen, kann günstigerweise vorgesehen sein, dass der Aktuator als Doppelhubmagnet ausgebildet ist, umfassend eine erste mit Strom beaufschlagbare Spule und eine zweite mit Strom beaufschlagbare Spule, die koaxial neben der ersten Spule angeordnet ist, sodass das Hubelement durch Stromfluss in der ersten Spule mit einer in eine erste axiale Richtung gerichteten Kraft beaufschlagbar ist und durch Stromfluss in der zweiten Spule mit einer in eine zweite axiale Richtung gerichteten Kraft beaufschlagbar ist.
Diese Anordnung ist vorteilhaft gegenüber Aktuatoren nach dem Stand der Technik, bei denen nach Art eines Lautsprechers eine einzelne Schwingspule vorgesehen ist. Eine Umkehrung der Bewegungsrichtung des Hubelementes erfordert nämlich keine Umkehrung der Stromrichtung in der Spule. Vielmehr wirken beide Spulen antagonistisch, so dass die Bewegung des Hubelementes durch geeignete Verteilung des Stroms auf beide Spulen sehr präzise und sehr schnell gesteuert werden kann. Obgleich es grundsätzlich möglich ist, beide Spulen an dem Hubelement festzulegen, wird es als günstiger angesehen, die Spulen an dem Aktuatorträger festzulegen, so dass die mit dem Hubelemente bewegte Masse minimiert wird.
Bei einer Ausführungsform ist das Hubelement im wesentlichen als eine Stößelstange ausgebildet, die mittels Buchsen aus reibungsarmem Kunststoff an dem Träger, insbesondere an dem Aktuatorgehäuse, gelagert ist.
Zur Vermeidung von Reibungsverlusten und zur Reduzierung unerwünschten Spiels kann es jedoch günstiger sein, das als Stößelstange ausgebildete Hubelement mittels elastischer Aufhängeelemente, vorzugsweise spiralartiger Biegefedern aufzuhängen. Derartige Biegefedern wären einerseits an dem Aktuatorträger, insbesondere dem Aktuatorgehäuse festzulegen, während ihr zentraler Teil an der Stößelstange festzulegen wäre. Federweg und Federsteifigkeit können durch Materialwahl, Materialdicke oder Länge der Spiralarme beeinflusst werden. Auf diese Weise wird eine spiel- und lagerfreie Halterung des Hubelementes gewährleistet.
Auch die Schwingmasse bedarf einer Abstützung, die eine hinreichende Bewegungsfreiheit gestattet, um die Sensorfunktion zu ermöglichen. Es ist daher vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Schwingmasse mittels elastischer Abstützelemente an dem Träger abgestützt ist. Ähnlich wie bei der Aufhängung des Hubelementes kann bei einer vorteilhaften Ausbildung vorgesehen sein, dass die elastischen Abstützelemente der Schwingmasse spiralartige Biegefedern umfassen. Sofern ein Modulgehäuse vorgesehen ist, ist es grundsätzlich möglich, die elastischen Biegefedern einerseits an dem Modulgehäuse festzulegen. Es wird jedoch bevorzugt, die Biegefedern an dem Aktuatorträger, insbesondere an einem in dem Modulgehäuse festgelegten Aktuatorgehäuse festzulegen.
Zur Kompensation des Schwerkrafteinflusses und um eine geeignete Dämpfung der Schwingung der Schwingmasse zu erreichen, ist günstigerweise vorgesehen, dass die elastischen Abstützelemente Dämpfersockel umfassen. Diese können als dämpfend-elastische Kunststoffsockel ausgebildet sein, welche die Schwingmasse von unten (gegen die Schwerkraft) gegen eine Trägerbasis, insbesondere einen Boden eines Modulgehäuses abstützen.
Wie erwähnt, wird die Bewegung der Schwingmasse mittels eines piezoelektrischen Wandlers in ein Sensorsignal umgesetzt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der piezoelektrische Wandler wenigstens ein an dem Träger festgelegtes piezoelektrisches Biegeplättchen mit einem randständigen, gehalterten Bereich und einem relativ zu diesem bewegbaren Bereich aufweist, wobei eine Bewegung der Schwingmasse über ein mechanisches Übertragungselement auf den bewegbaren Bereich des Biegeplättchens übertragbar ist. Diese Ausführungsform, die eine eigenständige Erfindung darstellt, steht im Gegensatz zu Bewegungssensoren nach dem Stand der Technik. In der bereits zitierten DE 35 40 431 C2 wird ausdrücklich daraufhingewiesen, dass die piezoelektrischen Elemente des Wandlers im sogenannten Kompressionsmodus zu benutzen seien. Der hier vorgeschlagenen Ausführungsform liegt hingegen die Erkenntnis zugrunde, dass dieses Vorurteil der Fachwelt unzutreffend ist, sofern die als Biegeplättchen ausgebildeten piezoelektrischen Elemente geeignet, d. h. in der oben genannten Weise, angeordnet sind. Der Vorteil dieser Anordnung liegt gegenüber dem Betrieb im Kompressionsmodus darin, dass deutlich geringere Kräfte erforderlich sind, um ein messbares Sensorsignal zu erzeugen. Umgekehrt bedeutet diese eine deutlich stärkere Empfindlichkeit des Sensors. Auf diese Weise können geringere Erschütterungen wahrgenommen und entsprechend kompensiert werden, als dies mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik möglich ist. Ein sich ggf. einstellendes, höheres Rauschen kann kompensiert werden, indem mehrere Biegeplättchen verwendet werden, deren Einzelsignale aufsummiert oder gemittelt oder in anderer Weise miteinander verrechnet werden.
Als besonders günstig hat sich eine Anordnung herausgestellt, bei der der randständige, gehalterte Bereich des Biegeplättchens, dessen bewegbaren Teil rings umgibt. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem auf der Innenseite eines Modulgehäusedeckels ringförmige Vorsprünge vorgesehen sind, welche ein Biegeplättchen nach oben abstützen. Nach unten wird das Biegeplättchen von einem mechanischen Übertragungselement, welches mit der Schwingmasse in Verbindung steht, in seinem zentralen Bereich abgestützt. Eine Bewegung der Schwingmasse hat eine Membranschwingung des Biegeplättchens zur Folge, die aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften des Materials in ein elektrisches Sensorsignal umgewandelt wird.
Als Übertragungselemente haben sich – bei den bei bestimmungsgemäßem Betrieb auftretenden Kräften – unverformbare Kugeln als besonders vorteilhaft erwiesen. Sollten sich nämlich trotz der oben beschriebenen präzisen und weitestgehend spielfreien Aufhängung der Schwingmasse unerwünschte, nicht-axiale Bewegungskomponenten ergeben, werden diese durch eine entsprechende, relative Seitbewegung des kugelförmigen Übertragungselementes kompensiert, so dass lediglich die erwünschte axiale Bewegungskomponente auf das Biegeplättchen übertragen und in ein Sensorsignal umgewandelt wird.
Zur weiteren Steigerung der Integrationsdichte, Modularität und Einfachheit der Handhabbarkeit können bei einer Weiterbildung der Erfindung Sensor-/Aktuator-Supermodule vorgesehen sein, die jeweils drei Sensor-/Aktuator-Module der vorgenannten Art aufweisen, die jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Die Einzelmodule sind vorzugsweise positionsstarr, d. h. fest oder mindestens stabil miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschrauben, Verlöten oder anderweitiges Festlegen der Modulgehäuse aneinander oder an einem gemeinsamen, starren Träger. Mit derartigen Supermodulen, die als sog. Triachsysteme alle drei Raumdimensionen abdecken, können auf besonders einfache Weise Schwingungsisolationsvorrichtungen realisiert werden. Die günstige, orthogonale Vorkonfiguration erlaubt dem Benutzer einen raschen und leichten Einbau ohne die Notwendigkeit einer komplizierten und störanfälligen, eigenen Justage.
Die notwendige Verschaltung der Module und Supermodule ist für den Fachmann im Lichte der hiesigen Erläuterung erkennbar.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen, in denen
1: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensor-/Aktuator-Moduls zeigt,
2: eine Explosionsdarstellung des Moduls von 1 zeigt,
3: eine Explosionszeichnung des Aktuators des Moduls von 1 zeigt,
4: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen alternativen Sensor-/Aktuator-Moduls zeigt.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensor-/Aktuator-Moduls 10. 1 zeigt die einzelnen Bestandteile des Moduls in zusammengebautem Zustand zur Veranschaulichung der relativen Lage der Einzelelemente zueinander. Einen besseren Eindruck der Ausgestaltung der Elemente im Einzelnen vermittelt hingegen die Explosionsdarstellung von 2, auf die sich die nachfolgende Beschreibung gleichzeitig bezieht.
Von innen nach außen gestaffelt, umfasst das Modul 10 ein Modulgehäuse 100, einen Bewegungssensor 200 und einen Aktuator 300.
Das Gehäuse 100 umfasst einen Gehäusemantel 120, der bei der dargestellten Ausführungsform einstückig mit einem Gehäuseboden 110 verbunden ist. Die einstückige Ausbildung bietet sich an, da ein solches Teil leicht gefräst werden kann; sie ist jedoch nicht erfindungsrelevant. Im zentralen Bereich des Gehäusebodens 110 ist ein Sockel 112 vorgesehen, auf welchem der Aktuator 300 aufsitzt. Der Sockel 112 ist von Bohrungen durchsetzt zur Durchführung von Aktuator-Festlegungsschrauben 116, mit denen der Aktuator 300 mit dem Gehäuseboden 110 verschraubt werden kann. Weiter ist im Gehäuseboden 110 in diesen durchsetzender Weise ein Zentrierstift 118 zur präzisen Positionierung des Aktuators 300 im Gehäuse 100 vorgesehen. Der Zentrierstift 118 kann beispielsweise mittels einer Presspassung im Gehäuseboden 110 festgelegt sein.
Der Gehäusemantel entspricht im Wesentlichem einem Würfel mit einer zentralen zylindrischen Ausnehmung 122. Die Ausnehmung 112 stellt den Innenraum des Modulgehäuses 100 dar. Bei der dargestellten Ausführungsform sind an zwei Kanten des Würfels jeweils Ausfräsungen vorgenommen, die Laschen 124 zur Befestigung des Moduls an einer gegen Schwingungen zu isolierenden Vorrichtung bzw. einer Tragplatte für eine Vorrichtung sowie Laschen zur Festlegung eines Gehäusedeckels 130 stehen lassen. Die Laschen 124 sind mit Bohrungen zur Durchführung von Modul-Befestigungsschrauben versehen. Die Laschen 126 sind mit Gewindebohrungen zur Verschraubung des Deckels 130 versehen. Der Gehäusedeckel 130 weist in seinen Ecken jeweils Bohrungen 132 für Deckel-Festlegungsschrauben 134 auf. Weiter weist der Gehäusedeckel 130 eine zentrale Öffnung 136 auf, durch welche ein weiter unten beschriebenes Hubelement des Aktuators 300 ragt. Das Modulgehäuse 100 bildet somit einen abgeschlossenen Raum zur Anordnung des Bewegungssensors 200 und des Aktuators 300 und gleichzeitig einen starren Träger, der als Wiederlager bzw. Referenz für innere und äußere Schwingungs- und Kompensationsbewegungen dient. Durch die Verschraubung mit dem Gehäusesockel 112 wird auch das starre, im Wesentlichen zylindrische Gehäuse 310 des Aktuators 300 Teil der starren Trägerstruktur. Dies wird bei der Aufhängung der Schwingmasse 210 ausgenutzt. Die im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildete Schwingmasse 210 ist im Zwischenraum zwischen der zylindrischen Innenwand des Modulgehäuses 100 und der zylindrischen Außenwand des Aktuatorgehäuses 310 angeordnet. Die Schwingmasse 210 ist mittels zweier Biegefedern 220 (unten) und 230 (oben) an dem Aktuatorgehäuse 310 aufgehängt. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Schwingmasse 210 am Modulgehäuse 100 aufzuhängen. Wegen der starren Verbindung von Modulgehäuse und Aktuatorgehäuse bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Effekt der gleiche. Die dargestellte Anordnung ist jedoch in Bezug auf Flexibilität und Präzision der Zentrierung günstiger. Beide Biegefedern 220, 230 sind spiralartig ausgebildet. Jeweils ein äußerer Ring 222 bzw. 232 ist an der Schwingmasse 210 festgelegt. Die Festlegung erfolgt mittels Klemmringen 240 bzw. 250, die mittels Schwingmassen-Klemmschrauben 242 bzw. 252 mit der Schwingmasse über entsprechende Gewindebohrungen 212 verschraubt sind (die Gewindebohrungen zur Befestigung der unteren Biegefeder 222) sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Jeweils ein innerer Ring 224 bzw. 234 der Biegefedern 220 bzw. 230 ist an dem Träger festgelegt. Insbesondere ist der innere Ring der unteren Biegefeder 220 zwischen dem Sockel 112 des Modulgehäusebodens 110 und dem Boden 314 des Aktuatorgehäuses 310 eingeklemmt. Der äußere Ring 222 ist mit dem inneren Ring 224 über Spiralarme 226 verbunden, deren Länge und Dicke in Abstimmung mit der Materialwahl der Biegefeder 220 Federweg und Federsteifigkeit der Biegefeder 220 bestimmen. Neben den Bohrungen zur Durchführung der Schwingmassen-Klemmschrauben 242 und der Aktuator-Festlegungsschrauben 116 durch den äußeren bzw. den inneren Ring der Biegefeder 220 sind weiter Zentrier- und Positionieröffnungen vorgesehen. Eine zentrale Öffnung 228 im Inneren Ring 224 dient der Durchführung des Zentrierstiftes 118 zur Zentrierung der Biegefeder 220. Zwei weitere Durchführungen 229 im äußeren Ring 222 der Biegefeder 220 dienen der Durchführung zweier Positionierstifte 119 zur azimutalen Positionierung der Biegefeder 220.
Auf ähnliche Weise ist die Befestigung der oberen Biegefeder 230 vorgesehen. Während der äußere Ring 232 mittels des Klemmrings 250 durch die Schrauben 252 an der Schwingmasse 210 befestigt wird, wird ein innerer Ring 234 über einen weiteren Klemmring 260 kleineren Durchmessers mit der oberen Fläche des Aktuatorgehäuses 310 verbunden. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise durch Verpressung. Andere Verbindungsmöglichkeiten wie Löten, Verschrauben etc. sind jedoch ebenfalls möglich. Die Zentrierung der oberen Biegefeder 230 erfolgt durch Abstimmung der Ausnehmung des inneren Rings 234 auf einen entsprechenden Vorsprung 318 auf dem Deckel 316 des Aktuatorgehäuses 310. Die azimutale Orientierung der oberen Biegefeder 230 erfolgt durch Positionierstifte 139, die den äußeren Ring 232 durch im Durchmesser abgestimmte Öffnungen 239 durchsetzen. Auch bei der oberen Biegefeder 230 wird die Verbindung zwischen äußerem Ring 232 und innerem Ring 234 durch Spiralarme 236 hergestellt.
Durch die besonders vorteilhafte Anordnung wird die Schwingmasse 210 im Wesentlichen spiel- und lagerfrei in einer Weise gelagert, die eine rein axiale Schwingung relativ zum Modulgehäuse 100 bzw. zum Aktuator 300 erlaubt. Zur Erzeugung eines entsprechenden Sensorsignals wird die Schwingungsbewegung der Schwingmasse 210 auf piezoelektrische Biegeplättchen 270 übertragen. Die Übertragung erfolgt durch Kugeln 272 aus hartem Material, die in entsprechenden Ausnehmungen 254 des Klemmrings 260 gelagert sind. Die Biegeplättchen 270 sind mit ihrem Rand an Vorsprüngen 138 des Gehäusedeckels 130 abgestützt. Die Vorsprünge 138 sind vorzugsweise ringförmig und in ihrem Durchmesser auf den Durchmesser der vorzugsweise kreisförmigen Biegeplättchen 270 abgestimmt. Durch die Biegeschwingung der Plättchen 270 wird an nicht dargestellten Elektroden eine piezoelektrische Spannung erzeugt, die nach geeigneter Verstärkung und ggf. weiterer Verarbeitung das Sensorsignal darstellt.
Da es sich erwiesen hat, dass eine ungedämpfte Schwingung der Schwingmasse 210 ungünstig ist, ist bei der dargestellten Ausführungsform vorgesehen, dass die Schwingmasse nach unten gegen den Modulgehäuseboden 110 durch elastische Dämpfersockel 246 abgestützt ist. Diese können beispielsweise aus dämpfend-elastischem Kunststoff gefertigt sein. Um ein Verrutschen der Dämpfersockel 246 zu vermeiden, sind in dem unteren Klemmring 240 entsprechende Lagerausnehmungen 244 vorgesehen.
Das durch die Bewegung der Schwingmasse erzeugte Sensorsignal kann bei einer komplexen Schwingungsisolationsvorrichtung durch geeignete Verarbeitung in ein Stellsignal für den Aktuator 300 umgerechnet werden, von dem 3 einen besonders vorteilhaften Aufbau zeigt. Die wesentlichen Elemente des Aktuators sind in einem Aktuatorgehäuse 310, umfassend einen Gehäusemantel 312, einen Gehäuseboden 314 und einen Gehäusedeckel 316 angeordnet. Gemeinsam bilden diese das in etwa zylindrische Aktuatorgehäuse 310. Der Deckel 316 ist mit einem Zentriervorsprung 318 zur Zentrierung der oberen Biegefeder 230 versehen. Im Inneren des Aktuatorgehäuses 310 sind zwei Spulen 320a, 320b in vorgegebenem Abstand und elektrisch voneinander isoliert angeordnet. Als Spulenkern ist eine Hubstange 330 vorgesehen, die einen fest mit ihr verbundenen Kernkörper 332 trägt. Je nach dem, welche der beiden Spulen 320a, 320b bestromt wird bzw. stärker bestromt wird, wird der Kernkörper 332 und damit die Hubstange 330 mit einer axial nach oben oder nach unten wirkenden Kraft beaufschlagt. Der Auslenkungsweg der Hubstange ist im Wesentlichen durch den Freiraum des Kernkörpers 332 zwischen dem Aktuatorgehäusedeckel 316 und dem Aktuatorgehäuseboden 314 begrenzt. Die Führung der Hubstange 330 erfolgt bei der dargestellten Ausführungsform über Lagerbuchsen 334, 336 im Gehäuseboden 314 bzw. Gehäusedeckel 316. Die Lagerbuchsen 334, 336 sind vorzugsweise aus reibungsarmem Kunststoff, wie beispielsweise Teflon, gefertigt. Alternativ könnten zur spiel- und lagerfreien Führung der Hubstange 330 auch spiralartige Biegefedern 335a, 335b verwendet werden. Eine solche Ausführungsform ist in 4 dargestellt, die sich ansonsten nicht von 1 unterscheidet.
An dem über das Aktuatorgehäuse 310 hinausragenden Endbereich der Hubstange 330 ist ein Übertragungskopf 340 angebracht. Der Übertragungskopf 340 umfasst bei der dargestellten Ausführungsform einen auf die Hubstange aufschraubbaren Halter 342. In den Halter 340 ist eine abgerundete Kappe 344, die vorzugsweise aus weichem Material, wie z. B. Kupfer, besteht, eingeschraubt. Zur Erzeugung einer zusätzlichen Dämpfung ist zwischen der Kappe 344 und dem Halter 342 ein O-Ring 346 angeordnet. Dieser Übertragungskopf 340 stützt sich im Betriebszustand gegen eine erschütterungsbehaftete Grundplatte ab. Der Übertragungskopf 340 muss daher so gestaltet sein, dass auch hochfrequente Bewegungen des Aktuators umittelbar übertragen werden können, ohne dass der mechanische Kontakt zum Übertragungskopf 340 verloren geht. Selbstverständlich ist es auch möglich, das dargestellte Modul in umgekehrter Orientierung zu verwenden, wobei der Übertragungskopf 340 das Modul nach oben abstützt, d. h. eine gegen Schwingungen zu isolierende Vorrichtung oder deren Tragplatte trägt.
Natürlich stellt die speziell beschriebene und in den Figuren gezeigte Ausführungsform lediglich ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, das lediglich illustrativen Zwecken und nicht der Beschränkung des durch die Patentansprüche definierten Schutzbereichs dienen soll.

10: Sensor-/Aktuator-Modul
100: Modulgehäuse
110: Gehäuseboden von 100
112: Sockel
116: Aktuator-Festlegungsschraube
118: Aktuator-Zentrierstift
119: Positionierstift
120: Gehäusemantel von 100
122: Gehäuse-Innenraum
124: Festlegungslasche
126: Deckelbefestigungslaschen
130: Gehäusedeckel von 100
132: Eckbohrung in 130
134: Deckel-Festlegungsschraube
136: Zentralbohrung in 130
138: Ringvorsprung
139: Positionierstift
200: Bewegungssensor
210: Schwingmasse
212: Gewindebohrung
220: untere Biegefeder
222: äußerer Ring von 220
224: innerer Ring von 220
226: Spiralarm von 220
228: Zentrierloch
229: Positionierloch
230: obere Biegefeder
232: äußerer Ring von 230
234: innerer Ring von 230
236: Spiralarm von 230
239: Positionierloch
240: unterer Klemmring
242: Schwingmassen-Klemmschraube
244: Dämpfersockel-Lager
246: Dämpfersockel
250: oberer Klemmring
252: Schwingmassen-Klemmschraube
254: Übertragungskugel-Lager
260: Pressring
270: piezoelektrisches Biegeplättchen
272: Übertragungskugel
300: Aktuator
310: Aktuatorgehäuse
312: Gehäusemantel von 310
314: Gehäuseboden von 310
316: Gehäusedeckel von 310
318: Zentriervorsprung
320a, b: Spule
330: Hubstange
332: Spulenkernkörper
334: Lagerbuchse
335a, b: spiralartige Biegefedern
336: Lagerbuchse
340: Übertragungskopf
342: Halter
344: Kappe
346: O-Ring

Claims

Sensor-/Aktuator-Modul (10), insbesondere zur Verwendung in einer Schwingungsisolationsvorrichtung, umfassend einen Bewegungssensor (200) und einen koaxial zu diesem angeordneten, mit dem Bewegungssensor (200) rückkoppelbaren Aktuator (300), wobei der Bewegungssensor (200) eine durch äußere Schwingungen bewegbare Schwingmasse (210) und eine piezoelektrische Wandlervorrichtung (270, 272) zur Erzeugung eines von der Bewegung der Schwingmasse (210) abhängigen elektrischen Sensorsignals aufweist und wobei der Aktuator (300) eine elektromagnetische Wandlervorrichtung (320a, 320b, 332) zur Erzeugung einer von einem elektrischen Stellsignal abhängigen Auslenkung eines mechanischen Hubelementes (330) relativ zu einem Träger (100, 310) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (210) des Bewegungssensors (200) als ein den Aktuator (300) rings umgebender und in Auslenkungsrichtung des Hubelementes (330) relativ zu dem Träger (100, 310) beweglicher Hohlkörper ausgebildet ist.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Modulgehäuse (100) und einen in dessen Innerem festgelegten Aktuatorträger (310) umfasst, wobei die Schwingmasse (210) und der von ihr umgebene Aktuator (300) von dem Modulgehäuse (100) umschlossen sind und ein Endbereich (340) des Hubelementes (330) eine Öffnung (136) des Modulgehäuses (100) durchsetzt.
Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (300) als Doppelhubmagnet ausgebildet ist, umfassend eine erste mit Strom beaufschlagbare Spule (320a) und eine zweite mit Strom beaufschlagbare Spule (320b), die koaxial neben der der ersten Spule (320a) angeordnet ist, sodass das Hubelement (330) durch Stromfluss in der ersten Spule (320a) mit einer in eine erste axiale Richtung gerichteten Kraft beaufschlagbar ist und durch Stromfluss in der zweiten Spule (320b) mit einer in eine zweite axiale Richtung gerichteten Kraft beaufschlagbar ist.
Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubelement eine Stößelstange (330) umfasst, die mittels Buchsen (334; 336) aus reibungsarmem Kunststoff an dem Träger (310) gelagert ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubelement eine Stößelstange umfasst, die mittels elastischer Aufhängungselemente an dem Träger aufgehängt ist.
Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Aufhängungselemente als spiralartige Biegefedern ausgebildet sind.
Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (210) mittels elastischer Abstützelemente (220, 230; 246) an dem Träger abgestützt ist.
Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Abstützelemente spiralartige Biegefedern (220, 230) umfassen.
Modul nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Abstützelemente Dämpfersockel (246) umfassen.
Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Wandler wenigstens ein an dem Träger (100) festgelegtes piezoelektrisches Biegeplättchen (270) mit einem randständigen, gehalterten Bereich und einem relativ zu diesem bewegbaren Bereich aufweist, wobei eine Bewegung der Schwingmasse (210) über ein mechanisches Übertragungselement (272) auf den bewegbaren Bereich des Biegeplättchens (270) übertragbar ist.
Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der randständige, gehalterte Bereich des Biegeplättchens (270) dessen bewegbaren Teil rings umgibt.
Modul nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement eine unverformbare Kugel (272) umfasst.
Sensor-/Aktuator-Supermodul mit drei Sensor-/Aktuator-Modulen (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Sensor-/Aktuator-Module (10) orthogonal zueinander ausgerichtet und positionsstarr miteinander verbunden sind.
Schwingungsisolationsvorrichtung, umfassend: – eine Mehrzahl von Bewegungssensoren (200), die jeweils mit einer durch äußere Schwingungen bewegbaren Schwingmasse (210) und einer piezoelektrischen Wandlervorrichtung (270, 272) zur Erzeugung eines von der Bewegung der Schwingmasse (210) abhängigen elektrischen Sensorsignals ausgestattet sind, – eine Mehrzahl von Aktuatoren (300), die jeweils mit einer elektromagnetischen Wandlervorrichtung (320a, 320b, 332) zur Erzeugung einer von einem elektrischen Stellsignal abhängigen Auslenkung eines mechanischen Hubelementes (330) relativ zu einem Träger (100, 310) ausgestattet sind, – eine Regeleinrichtung zur Rückkopplung der Bewegungssensoren (200) mit den Aktuatoren (300), wobei die Bewegungssensoren (200) und die Aktuatoren (300) einander paarweise zugeordnet und jeweils koaxial zueinander angeordnet sind und wobei die Regeleinrichtung die Sensorsignale erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Sensorsignale die Stellsignale für die jeweils zugeordneten Aktuatoren (200) bestimmt und an diese ausgibt, um eine Kompensation der äußeren Schwingungen zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugeordneten Bewegungssensoren (200) und Aktuatoren (300) jeweils als Sensor-/Aktuator-Modul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet sind.
Schwingungsisolationsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor-/Aktuator-Modul (10) für jede Raumdimension vorgesehen ist.
Schwingungsisolationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-/Aktuator-Module (10) in wenigstens einem Supermodul nach Anspruch 13 organisiert sind.