DE102008007899A1

DE102008007899A1 - Vorrichtung zum Positionieren von Objekten

Info

Publication number: DE102008007899A1
Application number: DE102008007899A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Schlüter; Christian Vidal
Original assignee: Elliptec Resonant Actuator AG
Current assignee: Pantec GmbH
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-08-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Positionieren von Objekten. Diese Vorrichtung weist einen Träger, an dem zwei Führungskörper vorgesehen sind, welche in zueinander orthogonalen Bewegungsrichtungen bewegbar sind, auf. Weiterhin ist ein Objektträger vorgesehen, der das zu bewegende Objekt hält, wobei dieser Objektträger derart mit den Führungskörpern in Verbindung steht, dass er in einer Bewegungsrichtung von dem ersten Führungskörper mitnehmbar ist und in einer weiteren Bewegungsrichtung von dem zweiten Führungskörper.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positionieren von Objekten. In vielen technischen Bereichen besteht ein Bedarf an hochdynamischer Präzisionspositionierung und insbesondere Präzisionspositionierung von leichtgewichtigen Elementen. Dabei ist es bei vielen Anwendungen wünschenswert, diese Positionierung in zwei Achsen vorzunehmen. Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf die Positionierung einer Glaskapillare beschrieben, welche gezielt an bestimmte Punkte einer Fläche gefahren werden soll. Es ist beispielsweise denkbar, eine Pipette zur Flüssigkeitspipettierung in verschiedene Näpfe einer Titerplatte zu verfahren oder auch eine elektrische Kontaktnadel durch eine dynamische und präzise X-Y-Verschiebung zu positionieren. Jedoch ist auch in anderen technischen Bereichen eine präzise mehrachsige Positionierung erforderlich.
Aus der DE 10 2005 024 847 A1 ist ein Be- und Entlüftungsventil für ein Tanksystem eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei ist ein Schließelement vorgesehen, welches von einem Piezomotor derart betätigt wird, dass es in beliebige Zwischenstellungen verfahrbar ist.
Die US 4,968,914 beschreibt eine Verschiebungsvorrichtung, welche bewegliche Kanalkörper aufweist, welche mit Hilfe von piezoelektrischen Antriebselementen angetrieben wird.
Aus der US 5,453,653 ist ein keramischer Motor bekannt, wobei dieser Motor zum Bewegen eines Körpers dient und wenigstens eine rechteckige piezoelektrische Platte mit langen und kurzen Seiten aufweist, wobei Elektroden an diese ersten und zweiten Seiten angelegt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Positionieranwendung und insbesondere eine X-Y-Positionieranwendung zur Verfügung zu stellen, welche Objekte auf einer Fläche in einer Größenordnung eines Quadratzentimeters positionieren kann. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Positionierung einer Glaskapillare bzw. einer Glasfaser beschrieben.
Weiterhin sollte es möglich sein, auf dieser Fläche ein Punktmuster abzufahren, wobei die Abstände dieser Punkte in einem Bereich zwischen 1/10 mm bis in den Millimeterbereich variierbar sein sollten. Weiterhin sollte auch die jeweilige Fahrzeit von einem Punkt zum nächsten nur wenige Millisekunden betragen und die Zielposition sollte mit einer hohen Präzision, vorzugsweise mit einer Präzision von weniger als 100 μm sicher angesteuert werden.
Weiterhin sollte ein entsprechendes Gesamtsystem zudem für Massenanwendungen einsetzbar sein und damit in einem günstigen Kostenrahmen zu fertigen sein.
Die genannten Aufgaben werden durch eine Vorrichtung zum Positionieren von Objekten nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass nicht zwangsläufig alle Aufgaben durch die Gegenstände aller Unteransprüche gelöst werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Positionieren von Objekten weist einen Träger auf, einen ersten Führungskörper, der gegenüber dem Träger in einer geradlinigen ersten Bewegungsrichtung bewegbar ist sowie einen ersten Antrieb, der einen Antriebskörper aufweist, um den ersten Führungskörper gegenüber dem Träger zu bewegen. Weiterhin ist ein zweiter Führungskörper vorgesehen, der gegenüber dem Träger in einer zweiten geradlinigen Bewegungsrichtung bewegbar ist, wobei sich die erste und die zweite Bewegungsrichtung voneinander unterscheiden. Daneben ist ein zweiter Antrieb vorgesehen, der einen Antriebskörper aufweist, um den zweiten Führungskörper gegenüber dem Träger zu bewegen, wobei auch der erste Führungskörper und der zweite Führungskörper relativ zueinander beweglich sind. Schließlich ist eine Lagerungseinrichtung zur Lagerung des ersten Führungskörpers vorgesehen und eine zweite Lagerungseinrichtung zur Lagerung des zweiten Führungskörpers. Erfindungsgemäß spannen die Antriebskörper der Antriebe die Führungskörper we nigstens mittelbar gegenüber dem Träger vor. Vorzugsweise ist wenigstens ein Führungskörper gegenüber dem Träger gelagert.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen in der ersten Bewegungsrichtung und in der zweiten Bewegungsrichtung bewegbaren Objektträger zum Tragen eines Objekts auf, wobei der Objektträger gegenüber dem ersten Führungskörper nur in der zweiten Bewegungsrichtung und gegenüber dem zweiten Führungskörper nur in der ersten Bewegungsrichtung bewegbar ist.
Erfindungsgemäß wird damit ein Positionserfassungssystem vorgeschlagen, welches einerseits eine spielfreie X-Y-Mechanik aufweist und insbesondere kein Umkehrspiel aufweist. Dieses Umkehrspiel wird insbesondere durch die beiden Antriebskörper der Antriebe verhindert, welche ungewollte Bewegungen der jeweiligen Führungskörper verhindern. Weiterhin sollte jedoch das Gesamtsystem zwei Bewegungsfreiheitsgrade in zwei Raumrichtungen aufweisen, andererseits jedoch von den Antriebselementen spielfrei bewegt werden können. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine hohe Dynamik erreicht, wobei z. B. auch durch ein Verspannen der Lagereinrichtungen keine ungewollte Kraft verursacht wird.
Damit wird erfindungsgemäß ein Aufbau mit zwei Führungskörpern bzw. zwei Linearschlitten vorgesehen, die jeweils von einem Antrieb angetrieben werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Antrieben um piezoelektrische Antriebe bzw. Piezomotoren. Es wäre jedoch auch möglich, andere Antriebe zur Bewegung der Führungskörper einzusetzen. Piezoelektrische Direkt-Antriebe bzw. Piezomotoren sind jedoch als hochpräzise, hochdynamische und kostengünstige Antriebe besonders für die vorliegende Erfindung geeignet.
Vorzugsweise weist wenigstens ein Führungskörper eine Antriebsfläche auf, die von einem Antriebskörper (wenigstens zeitweise) kontaktiert wird. Damit wird jeder der oben genannten Linearschlitten von dem ihm zugeordneten Motor angetrieben.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Führungskörper einteilig ausgebildet und besonders bevorzugt aus einem Kunststoff hergestellt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind beide Führungskörper aus einem Kunststoff hergestellt. Auch der Objektträger ist vorteilhaft aus einem Kunststoff hergestellt und ebenfalls besonders vorteilhaft einteilig ausgebildet. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auch der Träger aus einem Kunststoff hergestellt. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind sowohl die beiden Führungskörper als auch der Objektträger und der Träger aus einem Kunststoff hergestellt und bevorzugt jeweils einteilig ausgebildet. Durch diese Ausführung kann erreicht werden, dass das Gesamtgewicht der Vorrichtung sehr gering gehalten werden kann. Auch wird auf diese Weise eine besonders kostengünstige Herstellung erreicht.
Vorzugsweise stehen die erste Bewegungsrichtung und die zweite Bewegungsrichtung senkrecht zueinander, das heißt es wird ein Schlittensystem vorgeschlagen, welches in einer X- und einer Y-Komponente bewegt werden kann. Dabei führt ein Antrieb eine Bewegung in der X-Richtung aus und der andere Antrieb eine dazu orthogonale Bewegung in der Y-Richtung. Vorzugsweise wird dabei ein piezoelektrischer Motor verwendet, der die Führungskörper spielfrei antreibt, indem er durch vorzugsweise elliptische Bewegungen reibschlüssig die jeweils anzutreibenden Führungskörper schrittweise verschiebt. Vorzugsweise sind die beiden Führungskörper, besonders vorteilhaft kreuzweise, übereinander angeordnet.
Bei dem bewegbaren Objektträger handelt es sich um eine Halterung für das Objekt, beispielsweise das Ende einer Glaskapillare oder Glasfaser, wobei bevorzugt dieser Objektträger auch dazu dient, um die beiden Führungskörper bzw. Schlitten untereinander und mit dem Objekt spielfrei zu koppeln. Vorzugsweise handelt es sich bei dem bewegbaren Objektträger um einen Kreuzschlitten, der fest mit dem zu bewegenden Elemente, wie beispielsweise der Glaskapillare verbunden ist und der sich besonders bevorzugt durch eine geeignete spielfreie Lagerung jeweils auch auf den beiden angetriebenen Führungskörpern abstützt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wäre es auch möglich, dass der Objektträger direkt an dem Objekt angeordnet bzw. einteilig mit dem Objekt ausgebildet ist. So kann beispielsweise eine Glaskapillare derart ausgeformt sein, dass sie gleichzeitig den genannten Objektträger bzw. Kreuzschlitten bildet.
Die oben erwähnte Führungsfläche wird von dem Führungskörper des Antriebs kontaktiert und auf diese Weise verschoben.
Vorzugsweise weist wenigstens eine Lagerungseinrichtung genau drei Lagerelemente auf, mittels denen der erste Führungskörper gegenüber dem Träger abgestützt ist, wobei diese Lagerelemente geometrisch ein Dreieck aufspannen. Durch die Verwendung von genau drei Lagerelementen wird erreicht, dass der erste Führungskörper stets stabil positioniert ist, da bekanntlich eine Ebene von drei Punkten aufgespannt wird und damit die Position des Führungskörpers gegenüber dem Träger genau bestimmt ist.
Bevorzugt handelt es sich bei diesen Lagerelementen um Kugeln. Es wäre jedoch auch möglich, ein Lagerelement z. B. als Zylinder auszuführen, wobei dieser Zylinder zwei Lagerelemente ersetzt, da er den Führungskörper entlang einer Linie abstützt. Falls als Lagerelement ein zylinderförmiger Körper verwendet wird, wird das Dreieck durch die längsseitigen Enden dieses zylinderförmigen Körpers einerseits und durch den weiteren Lagerpunkt bzw. das weitere Lagerelement andererseits gebildet.
Vorzugsweise liegt ein von dem Antriebskörper kontaktierbarer Bereich der Antriebsfläche innerhalb des von den drei Lagerelementen aufgespannten Dreiecks. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass der Antriebskörper einen Druck ausübt, wobei der Auflagepunkt dieses Drucks innerhalb dieses Dreiecks liegt. Auf diese Weise kann ein Kippen des Führungskörpers gegenüber dem Träger verhindert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist auch der andere Führungskörper genau drei Lagerelemente auf, mittels denen der andere Führungskörper wenigstens mittelbar gegenüber dem Träger abgestützt ist, wobei diese Lagerelemente geometrisch ein Dreieck aufspannen. Unter einem mittelbaren Abstützen wird verstanden, dass sich der Führungskörper nicht unmittelbar gegenüber dem Träger abstützen muss, sondern es auch möglich ist, dass sich der Führungskörper an einem Körper, der wiederum gegenüber dem Träger abgestützt ist, abstützt. So ist es beispielsweise möglich, dass sich der erste Führungskörper gegenüber dem Träger abgestützt ist und der zweite Führungskörper gegenüber dem ersten Führungskörper. Jedoch sind auch in Bezug auf den zweiten Führungskörper bevorzugt die genannten drei Lagerelemente vorgesehen, welche zumindest geometrisch zwischen dem zweiten Führungskörper und dem Träger angeordnet sind. Auch auf diese Weise wird erreicht, dass der zweite Führungskörper genau positioniert ist.
Schließlich ist bevorzugt auch der Objektträger mittels genau drei Lagerelementen (wenigstens mittelbar gegenüber dem Träger) gelagert, wobei diese Lagerelemente ebenfalls geometrisch ein Dreieck aufspannen und jeweils zwischen dem Objektträger und dem Träger angeordnet sind. Insgesamt kann durch diese Vorrichtung erreicht werden, dass beispielsweise durch die beiden Antriebskörper der Motoren die beiden Führungskörper in Richtung des Trägers vorbespannt bzw. vorbelastet werden und auf diese Weise, dass die gesamte Anordnung eine spielfreie Positionierung der Führungskörper erlaubt. Vorzugsweise ist ein Führungskörper mit allen Lagerelementen direkt gegenüber dem Träger gelagert. Bevorzugt ist auch der Objektträger mit allen Lagerelementen gegenüber einem Führungskörper gelagert bzw. stützt sich gegenüber diesem einen Führungskörper ab.
Bevorzugt weist die Vorrichtung wenigstens eine Sensoreinrichtung auf, welche die Position des ersten Führungskörpers gegenüber dem Träger bestimmt. Auf diese Weise kann genau die jeweils aktuelle Position des Objekts bezüglich des Trägers und damit auch bezüglich eines weiteren Objekts bestimmt werden. Die Sensoreinrichtung weist bevorzugt eine Lichtschranke auf, sowie ein Strichgitter. Durch Abzählen der einzelnen Striche ist eine genaue Positionserfassung des Führungskörpers möglich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Antriebe Federungseinrichtungen auf, welche die Antriebskörper gegenüber den Führungskörpern vorspannen. Insbesondere bei der Verwendung von Piezomotoren ist es dabei möglich, die Piezomotoren mit Hilfe der Federungseinrichtungen gegenüber den Führungskörpern vorzuspannen, um auf diese Weise die Spielfreiheit zu gewährleisten.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen wenigstens einige Lagereinrichtungen geradlinige Laufbahnen auf, in denen die jeweiligen Lagerelemente angeordnet sind.
Vorzugsweise sind diese Laufbahnen V-förmig ausgebildet.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
Darin zeigen:
1 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
3 die Vorrichtung aus 2 in einer Draufsicht;
4 eine weitere Darstellung der Vorrichtung aus 2 zur Veranschaulichung;
5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform;
6 eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung der Vorrichtung aus 5; und
7 eine Explosionsansicht der Vorrichtung aus 5
1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese Vorrichtung 1 weist einen Träger 2 bzw. Grundkörper 2 auf, dem gegenüber ein erster Führungskörper 4 und ein zweiter Führungskörper 6 gelagert sind. Weiterhin sind an dem Grundkörper 2 Antriebseinrichtungen 12, 22 in Form von Piezomotoren angebracht. Daneben ist eine (nicht gezeigte) Lichtschrankenplatine vorgesehen, die ebenfalls an dem Träger 2 befestigt ist. Dabei sind Lichtschranken (bevorzugt in Form von reflektiven Zweikanallichtschranken) vorgesehen, die beidseitig an dem Träger angebracht sind und jeweils die Bewegung entlang einer Achse auswerten.
Zu diesem Zweck ist an dem Führungskörper 4 ein reflektives Strichgitter (nicht gezeigt) angebracht und auch an dem Führungskörper 6 ist ein reflektives Strichgitter an dessen Unterseite (in 1 nicht sichtbar) angebracht. Diese reflektiven Strichgitter werden von den Lichtschranken ausgewertet. Genauer ist eine nach oben gerichtete Lichtschranke vorgesehen, welche die Position entlang einer Y-Achse (d. h. die Position des Führungskörpers 6 gegenüber dem Träger) auswertet sowie eine nach unten gerichtete Lichtschranke, welche die Position bzgl. der X-Achse (d. h. die Position des Führungskörpers 4 gegenüber dem Träger 2) auswertet.
Die beiden Antriebseinrichtungen 12 und 22 sind jeweils mittels einer Schraube 7 an dem Träger befestigt. Dabei sind die Antriebseinrichtungen derart an dem Träger befestigt, dass sie jeweils von oben die jeweiligen Führungskörper 4, 6 berühren. Das Bezugszeichen 40 bezieht sich auf den Objektträger, der zwischen den beiden Führungskörpern 6 und 4 angeordnet ist. An diesem Objektträger kann das zu bewegende Objekt, wie beispielsweise das Ende einer Glaskapillare oder Glasfaser befestigt werden. Die Lichtschrankenplatine ist bevorzugt in etwa auf der Höhe des Objektträgers 40 angeordnet. Anstelle einer Lichtschrankensensorik könnte auch magnetische Sensorik, resistive Sensorik, kapazitive Sensorik oder dergleichen verwendet werden.
Die Bezugszeichen 52–54, 42,–44 und 62–64 beziehen sich auf Lagerelemente zum Lagern der Führungskörper 4 und 6 sowie des Objektträgers 40. Damit sind hier sämtliche Führungskörper durch Lagerelemente in Form von Kugeln gelagert, wobei auch eine dieser Kugeln 54, wie beschrieben, als Gleitlager in dem Objektträger 40 festgesetzt wurde. Diese Kugeln sind vorteilhaft ebenfalls aus einem Kunststoff hergestellt.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hier erkennt man, dass der zweite Führungskörper 6 gegenüber dem Träger 2 abgestützt ist und wiederum der Objektträger 40 gegenüber dem zweiten Führungskörper 6 abgestützt ist. Schließlich ist auch der erste Führungskörper 4 gegenüber dem Objektträger 40 abgestützt. An dem Objektträger 40 ist vorzugsweise einteilig mit diesem ausgebildet eine Halterung 41 angeordnet, durch welche hindurch das zu bewegende Objekt geführt werden kann und fest damit verbunden werden kann. Das Bezugszeichen 41a bezieht sich auf eine Abkantung, welche eine passgenaue Aufnahme der Halterung in einem Aufnahmeschlitz 18 des ersten Führungskörpers ermöglicht. Gegenüber diesem Aufnahmeschlitz ist die Halterung 41 und damit auch der Objektträger 40 beweglich angeordnet. Der Objektträger 40 ist damit gelagert zwischen den beiden Führungskörpern 4, 6 aufgenommen. Bevorzugt weist daher wenigstens ein Führungskörper einen Führungsschlitz zur Aufnahme wenigstens eines Abschnitts des Objektträgers 40 auf.
Der erste Führungskörper ist entlang des Doppelpfeils X beweglich und der zweite Führungskörper 6 entlang des Doppelpfeils Y. Der Objektträger 40 ist in der Bewegungsrichtung X an den ersten Führungskörper 4 gekoppelt und in der Bewegungsrichtung Y an den zweiten Führungskörper 6. Die Kopplung an den ersten Führungskörper in X-Richtung verläuft dabei, wie oben erwähnt, über den Schlitz 18, in dem die Halterung 41 geführt wird. Die Kopplung an den Führungskörper 6 in Y-Richtung erfolgt über unten genauer beschriebene Schienen 67, die sich in X-Richtung erstrecken und welche zur Lagerung dienen. Der Piezomotor 22 weist ebenso wie der Piezomotor 12 jeweils ein piezoelektrisches Element 11 auf, welches den Motor in Schwingung versetzt. Weiterhin sind zwei Antriebskörper 14, 24 vorgesehen, welche jeweils Antriebsflächen 16 und 17 der Führungskörper 6 und 4 antreiben.
Das Bezugszeichen 30 bezieht sich auf eine Federungseinrichtung, welche jeweils den Antriebskörper vorspannt und damit auch eine Kraft in Richtung des Trägers 2 bzw. in eine zu den Richtungen X und Y senkrecht stehende Richtung Z auf die jeweiligen Führungskörper 4, 6 auswirkt. Durch die Aufbringung dieser Kraft ist eine spielfreie Bewegung der beiden Führungskörper und damit auch des Objektträgers 40 mit der Halterung 41 möglich.
3 zeigt zur Erläuterung eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus 2. Man erkennt hier, dass der zweite Führungskörper 6 mit drei Lagerelementen bzw. Kugeln 42, 43 und 44 gegenüber dem Träger 2 gelagert ist. Durch die Positionen dieser drei Lagerelemente 42, 43, 44 wird ein Dreieck D1 aufgespannt. Die Antriebsfläche 16 ist derart ausgelegt, dass der Antriebskörper des Motors 22 diese stets innerhalb dieses Dreiecks D1 berührt. Auf diese Weise kann ein Kippen verhindert werden.
Genauer gesagt wird der zweite Führungskörper bzw. der zweite angetriebene Schlitten 6 auf einer Basis durch eine geeignete Lagerung (hier: kugelgelagert) in Y-Richtung geführt und von der Federkraft der Antriebseinrichtung 22 spielfrei in unten genauer erläuterte Laufbahnen dieser Lagerung gedrückt. Damit kommt hier eine Lagerung auf drei Lagern zum Einsatz, um den Schlitten zur Basis bzw. dem Träger 2 möglichst exakt zu definieren. Zwei dieser Lager definieren dabei durch eine V-förmige Auslegung sowohl des Trägers 2 als auch des Führungskörpers 6 als Festlager die Bewegungsrichtung (Y) während ein weiteres Lager mit dem Lagerelement 44 als Loselager zum Abfangen des Kippmoments dient und so ein Verkippen des Führungskörpers 6 vermeidet.
Der Objektträger 40 (vgl. 2) stützt sich wiederum durch drei Lagerelemente 62, 63, 64 auf dem zweiten Führungskörper 6 ab und diese drei Lager definieren entsprechend in der oben beschriebenen Weise die Position des Objektträgers 40 gegenüber dem zweiten Füh rungskörper 6. Auch hier kommen zwei Festlager (Lagerelemente 62 und 63) sowie ein Loselager (Lagerelement 64) zum Abfangen des Kippmoments zum Einsatz. Die beiden Festlager sind dabei so ausgerichtet, dass sie nur eine Bewegung des Objektträgers orthogonal zu der Bewegungsrichtung des zweiten Führungskörpers 6 ermöglichen.
Damit ist der Objektträger 40 bzw. Kreuzschlitten durch die Festlager spielfrei mit der Bewegungsrichtung (X) des zweiten Führungskörpers 6 verbunden. Die drei Lagerelemente 62, 63 und 64 spannen wiederum ein Dreieck D3 auf, wobei auch hier eine Belastung des Führungskörpers stets innerhalb dieses Dreiecks (hier durch das Lagerelement 54) erfolgt und auch so ein Kippen verhindert werden kann.
Der erste Führungskörper 4 ist ebenfalls auf drei Lagerelementen 52, 53, 54 gelagert und wird von der Anpresskraft des ihn antreibenden Motors 12 (vgl. 2) in diese jeweiligen Lager gepresst. Dabei sind hier zwei Lager als Festlager so ausgelegt, dass sie nur eine Bewegung des ersten Führungskörpers 4 orthogonal zu dem zweiten Führungskörper 6 ermöglichen. Durch diese Art der Lagerung sind nun die Bewegungsrichtungen der beiden Führungskörper 4, 6 bezüglich des Trägers 2 festgelegt und jeweils spielfrei orthogonal zueinander. Durch diese drei Lagerelemente 52, 53, 54 wird das in 3 gezeigte Dreieck D2 aufgespannt.
Über das dritte Lagerelement 54 stützt sich der erste Führungskörper 4 gegenüber dem Objektträger 40 ab und presst diesen damit wiederum in seine Lagerung auf den zweiten Führungskörper 6. Die Abstützung des ersten Führungskörpers 4 auf dem Objektträger 40 erfolgt hier durch eine Lagerung, die eine Bewegung zwischen dem Objektträger und dem Führungskörper nur in der Bewegungsrichtung des zweiten Führungskörpers 6 zulässt, jedoch eine spielfreie Verbindung in der Bewegungsrichtung des ersten Führungskörpers 4 ermöglicht.
Auf diese Weise sind alle drei Führungskörper bzw. Schlitten durch jeweils drei Lagerpunkte absolut im Raum positioniert und zueinander definiert positioniert, so dass die Bewegungen jeweils orthogonal und spielfrei zueinander ausgeführt werden können.
Wie oben angemerkt, liegt eine Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform in dem Verlauf der im Wesentlichen durch die Anpresskraft der Antriebseinrichtungen 12 und 22 einge leiteten Kräfte. Durch die Lagerung der jeweiligen Führungskörper bzw. des Objektträgers auf jeweils drei Lagerpunkten werden durch diese Lagerpunkte jeweils die bereits oben beschriebenen Dreiecke D1, D2, D3 aufgespannt. Durch die Bewegung der Führungskörper zueinander verschieben sich diese Dreiecke jeweils zueinander. Damit wird bevorzugt durch die Anordnung dieser Lagerelemente sichergestellt, dass der Schwerpunkt der eingeleiteten Kraft immer innerhalb aller dieser Dreiecke D1, D2, D3 liegt. In der in 2 und 3 gezeigten Ausführungsform wurde dieses Kriterium durch eine geschickte Kombination von Wälzlagern (Kugellagern) und Gleitlagern (die jeweilige Loselagerung zwischen dem Objektträger 40 und dem zweiten Führungskörper 6 wurde als Gleitlager ausgelegt) realisiert. Mit anderen Worten überlappen die drei Dreiecke (D1–D3) und bilden so einen gemeinsamen Arbeitsbereich.
Es wäre jedoch auch möglich, die hier gewählten Kugel- und Gleitlager durch andere verschiedene Lagerungen zu ersetzen. So ist dieser Aufbau auch rein basiert auf Gleitlagern möglich. Durch die im Gegensatz zu Wälzlagern höhere Reibung von Gleitlagern wurde jedoch aufgrund der geringen Kraft der Antriebseinrichtungen bisher auf eine derartige Lösung verzichtet.
4 zeigt eine weitere Ansicht zur Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Man erkennt hier die jeweiligen Führungsbahnen 45 und 46 für die Lagerelemente 42 und 43, welche die Bewegung des zweiten Führungskörpers 6 in der Bewegungsrichtung Y festlegen. Entsprechend erkennt man auch die beiden Festlagerschienen bzw. Führungsbahnen 56 und 55, die eine Bewegung des ersten Führungskörpers 4 in X-Richtung zulassen. Die Führungsbahn 47 bewirkt ein Loselager, welches, wie oben erwähnt, ein Verkippen des ersten Führungskörpers 6 verhindert. Die Bezugszeichen 65, 66 beziehen sich auf in den zwei Führungskörpern angeordnete in X-Richtung verlaufende Führungsbahnen für die Lagerelemente 62, 63. Das Bezugszeichen 67 bezieht sich auf eine weitere Führungsbahn, welche an der Oberseite des zweiten Führungskörpers 6 angeordnet ist und die sich in der Richtung X erstreckt. Mittels dieser Führungsbahn 67 sowie den beiden weiteren Führungsbahnen 65, 66 wird der Objektträger 40 gegenüber dem Führungskörper 6 in der Richtung X geführt. Die beiden Führungsbahnen 65 und 66 sind dabei ebenfalls an der Oberseite des zweiten Führungskörpers 6 angeordnet und erstrecken sich ebenfalls in der Richtung X.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Man erkennt hier, dass an dem Träger 2 (hier sich senkrecht erstreckende) Seitenwände 2a und 2b angeordnet sind, denen gegenüber die beiden Führungskörper 4 und 6 geführt werden. Zu diesem Zweck sind ebenfalls in diesen Seitenwänden 2a und 2b Laufbahnen für Lagerelemente angeordnet. Bei der in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsform ist ein rechtwinklig gedrehter Motor vorgesehen. Hiervon abgesehen wird jedoch auch hier der Objektträger 40 zwischen den beiden Führungskörpern 4 und 6 geführt, wobei auch hier ähnlich wie in der oben beschriebenen Weise Zusammensetzungen aus Fest- und Loselagern zum Einsatz kommen, welche ein Kippen verhindern. Zu diesem Zweck sind auch die beiden Antriebsflächen 16 und 17 jeweils unterhalb der zugehörigen Laufbahnen angeordnet, um eine stabile Positionierung der beiden Führungskörper 4 und 6 erreichen. Dieser Sachverhalt ist in 6 gezeigt. Auch hier fällt damit der Schwerpunkt der Krafteinleitung derart, dass es nicht zu einem Verkippen der beiden Führungskörper 4 und 6 gegenüber dem Träger 2 kommt.
7 zeigt eine Explosionsansicht der in 6 gezeigten Vorrichtung. Man erkennt, dass auch hier jeder Führungskörper 4,6 sowie der Objektträger jeweils durch drei Lagerelemente abgestützt sind. Auch hier erfolgt die jeweilige Krafteinleitung innerhalb der jeweils gebildeten Dreiecke. Hier ist jedoch zu beachten, dass im Fall der Lagerelemente 42, 43 sowie 52, 53, welche in den Seitenwänden 2a und 2b angeordnet sind, die Krafteinleitung jeweils unterhalb dieser Lagerelemente und zwischen denselben erfolgt. Genauer werden hier keine ebenen Dreiecke gebildet sondern diese werden, ebenso wie die Seitenwände 2a, 2b gegenüber dem Träger 2, ebenfalls umgeklappt. Ein derartiges umgeklapptes Dreieck D1 ist in 7 dargestellt.
Entsprechend weisen jedoch auch die beiden Führungskörper 4, 6 eine jeweils L-förmige Gestalt auf und sind so auf den Träger 2 mit seinen Seitenwänden 2a, 2b angepasst.
Als Material für die Antriebflächen und auch für die Führungskörper 4, 6, den Träger 2 sowie den Objektträger 40 können Kunststoffe wie PF, POM oder PA verwendet werden.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Vorrichtung
2: Träger bzw. Grundkörper
2a, 2b: Seitenwände
4: erster Führungskörper
6: zweiter Führungskörper
7: Kunststoffschraube
9: Unterlegkeil
11: piezoelektrisches Element
12, 22: Piezomotor, Antriebseinrichtung
14, 24: Antriebskörper
16, 17: Antriebsfläche
18: Aufnahmeschlitz
25: Lichtschrankenplatine
30: Federungseinrichtung
38, 39: Strichgitter
40: Objektträger
41: Halterung
41a: Abkantung
42–44, 52–54, 62–64: Lagerelemente
45, 46, 47: Führungsbahnen
55, 56, 57: Festlagerschienen
65, 66, 67: Schiene, Führungsbahn
X: Doppelpfeil, X-Achse
Y: Doppelpfeil, Y-Achse
Z: Richtung
D1, D2, D3: Dreiecke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005024847 A1 [0002]
- US 4968914 [0003]
- US 5453653 [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zum Positionieren von Objekten mit einem Träger (2), einem ersten Führungskörper (4), der gegenüber dem Träger in einer geradlinigen ersten Bewegungsrichtung (X) bewegbar ist, mit einem ersten Antrieb (12), der einen Antriebskörper (14) aufweist, um den ersten Führungskörper (4) gegenüber dem Träger (2) zu bewegen, mit einem zweiten Führungskörper (6), der gegenüber dem Träger (2) in einer zweiten geradlinigen Bewegungsrichtung (Y) bewegbar ist, wobei sich die erste (X) und die zweite (Y) Bewegungsrichtung voneinander unterscheiden, mit einem zweiten Antrieb (22), der einen Antriebskörper (24) aufweist, um den zweiten Führungskörper (6) gegenüber dem Träger (2) zu bewegen, mit einer ersten Lagerungseinrichtung zur Lagerung des ersten Führungskörpers (4) und mit einer zweiten Lagerungseinrichtung zur Lagerung des zweiten Führungskörpers (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskörper (14, 24) der Antriebe (12, 22) die Führungskörper (4, 6) gegenüber dem Träger (2) vorspannen.
Vorrichtung (1) zum Positionieren von Objekten mit einem Träger (2), einem ersten Führungskörper (4), der gegenüber dem Träger in einer geradlinigen ersten Bewegungsrichtung (X) bewegbar ist, mit einem ersten Antrieb (12), der einen Antriebskörper (14) aufweist, um den ersten Führungskörper (4) gegenüber dem Träger (2) zu bewegen, mit einem zweiten Führungskörper (6), der gegenüber dem Träger (2) in einer zweiten geradlinigen Bewegungsrichtung (Y) bewegbar ist, wobei sich die erste (X) und die zweite (Y) Bewegungsrichtung voneinander unterscheiden, mit einem zweiten Antrieb (22), der einen Antriebskörper (24) aufweist, um den zweiten Führungskörper (6) gegenüber dem Träger (2) zu bewegen, mit einer ersten Lagerungseinrichtung zur Lagerung des ersten Führungskörpers (4) und mit einer zweiten Lagerungseinrichtung zur Lagerung des zweiten Führungskörpers (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen in der ersten Bewegungsrichtung (X) und in der zweiten Bewegungsrichtung (Y) bewegbaren Objektträger (40) zum Tragen eines Objekts aufweist, wobei der Objektträger (40) gegenüber dem ersten Führungskörper nur in der zweiten Bewegungsrichtung (Y) und gegenüber dem zweiten Führungskörper (24) nur in der ersten Bewegungsrichtung (X) bewegbar ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Führungskörper (4, 6) eine Antriebsfläche (16, 17) aufweist, welche von dem Antriebskörper (14, 24) kontaktiert wird.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Lagerungseinrichtung genau drei Lagerelemente (42, 43, 44), aufweist, mittels denen der erste Führungskörper (4, 6) wenigstens mittelbar gegenüber dem Träger (2) abgestützt ist, wobei diese Lagerelemente (42, 43, 44) geometrisch ein Dreieck (D1) aufspannen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Antriebskörper (14, 24) kontaktierbarer Bereich der Antriebsfläche (16, 17) innerhalb des von den drei Lagerelementen (42, 43, 44) aufgespannten Dreiecks (D1) liegt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen in der ersten Bewegungsrichtung (X) und in der zweiten Bewegungsrichtung (Y) bewegbaren Objektträger (40) zum Tragen des Objekts aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektträger (40) gegenüber der ersten Führungskörper (4) nur in der zweiten Bewegungsrichtung (Y) und gegenüber dem zweiten Führungskörper (6) nur in der ersten Bewegungsrichtung (X) bewegbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektträger (40) mittels genau drei Lagerelementen (62, 63, 64) gelagert wobei diese Lagerelemente (62, 63, 64) geometrisch ein Dreieck (D3) aufspannen und jeweils zwischen dem Objektträger (40) und dem Träger (2) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Antriebe (12, 24) ein piezoelektrischer Antrieb ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Führungskörper (4, 6) aus Kunststoff hergestellt ist
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Sensoreinrichtung (25) aufweist, welche die Position des ersten Führungskörpers (4) gegenüber dem Träger (2) bestimmt.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe an dem Träger (2) befestigt sind.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (12, 22) Federungseinrichtungen (30) aufweisen, welche die Antriebskörper (14, 24) gegenüber den Führungskörpern (4, 6) vorspannen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtungen geradlinige Laufbahnen (28) aufweisen, in denen die Lagerelemente angeordnet sind.