DE102012221892A1

DE102012221892A1 - Antriebsvorrichtung und -verfahren zur linearen oder rotatorischen Positionierung

Info

Publication number: DE102012221892A1
Application number: DE201210221892
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Christoph Rass
Original assignee: Picofine GmbH
Current assignee: Picofine GmbH
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: DE102012221892B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antrieb für eine Trägheits- oder Mehraktorantiebsvorrichtung mit mindestens einem stationären Teil und mindestens einer hierzu beweglich angeordneten Antriebsstruktur, zum direkten Antreiben eines makroskopisch zu bewegenden Objekts. Erfindungsgemäß wird die mindestens eine Antriebsstruktur über mindestens eine Feder an das anzutreibende Objekt gepresst, wobei die mindestens einen Aktor umfassende Antriebsstruktur dabei gegenüber einer stationären Komponente so gelagert ist, dass die Bewegung entlang der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objekts gesperrt ist, während die Bewegung in Richtung orthogonal auf der Antriebsfläche beweglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zur nicht-resonanten linearen oder rotatorischen Positionierung eines Objekts und ein entsprechendes Antriebsverfahren, insbesondere einen Antrieb für eine Trägheits- oder Mehraktorantriebsvorrichtung, mit einem stationären Teil und mindestens einer hierzu beweglich angeordneten Antriebsstruktur, zum direkten antreiben eines makroskopisch zu bewegenden Objekts.
Es ist bekannt, Trägheitsantriebe (z. B. Piezo-Slip-Stick-Antriebe) mit elektrischen Signalen zu versorgen, um ein zu positionierenden Objekt mit einer hohen Bewegungsauflösung zu bewegen.
Beispielhafte Ausführungen sind z. B. aus „Dynamic piezoelectric translation devices" von D. W. Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57) und WO 98/19347 bekannt.
Ebenfalls ist es bekannt, ein Objekt durch den Einsatz mehrerer Aktoren mit einer hohen Bewegungsauflösung zu positionieren, wobei hier die mehreren Aktoren in einer geeigneten Weise zusammenarbeiten, um gemeinsam ein zu positionierendes Objekt zu bewegen. Beispiele hierzu finden sich in EP 0 750 356 A1 , WO 93/19494 und DE 10 2009 013 849 A1 .
Bei beiden Klassen von Antrieben handelt es sich um nicht-resonante Antriebe. Es werden also keine Eigenschwingungen ausgenutzt, um über einen oder mehrere Reibflächen ein Objekt voranzutreiben, sondern die Bewegungen der Aktoren werden über Reibflächen auf ein zu positionierendes Objekt übertragen, welches ununterbrochen im Reibkontakt mit den Reibflächen steht.
Es hat sich gezeigt, dass es anders als bei Resonanzantrieben (häufig auch Ultraschallantriebe genannt) relativ schwer ist, die Reibkräfte innerhalb der engen zur Verfügung stehenden Toleranzen so einzustellen, dass sich ein gut funktionierenden Trägheitsantrieb ergibt. Noch schwieriger ist der Fall bei den Mehraktorantrieb, da hier die Anpresskraft gleich für mehrere Reibflächen eingestellt werden muss, die wiederum, je nach Ausprägung des Antriebs, unterschiedlich gut aufeinander eingestellt sein müssen.
Aufgrund der bisher nur schwer einstellbaren Reibkräfte und einer aufgrund des engen Einstellbereichs großen Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit der Reibflächen, sind am kommerziellen Markt zur Zeit nur Lösungen präsent, bei denen der jeweilige Antrieb einen in sich geschlossenen Aufbau aufweist. Die verfügbaren Antriebe bestehen also stets aus der antreibenden Komponente und einem angetriebenen Objekt.
Wünschenswert sind Lösungen, bei denen das angetriebene Objekt noch nicht integriert ist, damit der Anwender mehr Gestaltungsspielraum beim Einsatz der Antriebe gewinnt, z. B. indem die Form und die Anordnung der anzutreibenden Fläche selbst gewählt wird.
Ein weiteres Problem der bisher schwierig einstellbaren Reibkräfte ist, dass bisher die Fertigung der Antriebe teuer ist, da auf Fertigungsprozesse gesetzt werden muss, mit denen die notwendigen engen Fertigungstoleranzen erreicht werden können.
Darüber hinaus verursachen enge Fertigungstoleranzen und schwer einstellbare Reibkräfte einen erhöhten Aufwand bei der Montage und führen, wenn die Toleranzen zu eng gesetzt sind, sogar zu geringen Fertigungsausbeuten.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, einen Antrieb und ein entsprechendes Antriebsverfahren vorzustellen, die nur geringe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen und zudem auch unerfahren Anwender in die Lage versetzen, eine geeignete Einstellung der Parameter, insbesondere der Reibkräfte, vorzunehmen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Antriebsvorrichtung zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, mit einer Kontakteinheit mit einer Reibfläche zur Kontaktierung mit einer Objektoberfläche des Objekts und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche parallel oder tangential zu einer Bewegungsrichtung des Objekts, einer Krafteinheit zur Bereitstellung einer mindestens über ein Federelement erzeugten Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu der Bewegungsrichtung gerichtete Komponente aufweist, und einer Führungseinheit der Kontakteinheit, die eine Bewegung der Kontakteinheit entlang der Richtung der Anpresskraft und/oder senkrecht zur Bewegungsrichtung erlaubt und die eine Bewegung der Kontakteinheit in Bewegungsrichtung sperrt, wobei die Antriebsvorrichtung für eine im Betrieb dauerhafte Beibehaltung eines Reibkontakts zwischen der Reibfläche und der Objektoberfläche ausgestaltet ist.
Ebenso wird ein Verfahren zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, mit den Schritten: Anordnen einer Reibfläche einer Kontakteinheit in Reibkontakt mit einer Objektoberfläche des Objekts, Bereitstellen einer über mindestens ein Federelement erzeugten Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweist, Bewegen der Reibfläche durch mindestens einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor parallel oder tangential zur Bewegungsrichtung unter dauerhafter Beibehaltung des Reibkontakts zwischen Reibfläche und Objektoberfläche, wobei das Bereitstellen der Anpresskraft ein Erlauben einer Bewegung der Kontakteinheit entlang der Richtung der Anpresskraft und/oder senkrecht zur Bewegungsrichtung und ein Sperren einer Bewegung der Kontakteinheit in Bewegungsrichtung umfasst.
Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zu Grunde:
Erfindungsgemäß kann mindestens eine den Aktor beinhaltende Antriebsstruktur in geeigneter Weise an eine makroskopisch anzutreibende Fläche gedrückt werden, wobei diese Antriebsstruktur gegenüber einer stationären Komponente des Antriebs so gelagert ist, dass eine Bewegung der Federstruktur in Bewegungsrichtung der anzutreibenden Struktur gesperrt ist. In diese Richtung weist die Lagerung eine große Steifigkeit auf, so dass die Bewegung der Aktoren möglichst direkt auf die anzutreibende Fläche übertragen wird. Jedoch kann die Antriebsstruktur in Richtung der wirkenden Anpresskraft im Verhältnis zur Bewegungsrichtung der zu bewegenden Fläche leichtgängig verschoben werden.
Auf diese Weise kann der mindestens eine Aktor die mindestens eine Reibfläche entlang der möglichen Bewegungsrichtung des zu bewegenden Objektes bewegen, wobei die Reibfläche dabei im permanenten Reibkontakt mit dem anzutreibenden Objekt bleibt.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung verhindert die Führungseinheit eine Bewegung der Kontakteinheit in Bewegungsrichtung und/oder ein Verkippen der Kontakteinheit gegenüber dem Objekt.
Es ist von deutlichem Vorteil für die Funktion der Antriebsvorrichtung, dass sich die Antriebsstruktur, insbesondere die Kontakteinheit, während des Betriebs des dynamischen Trägheitsantriebs nicht von der Lagerung abhebt.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung weist die Führungseinheit ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein Luftlager und/oder Festkörpergelenke zur Führung der Kontakteinheit auf.
Eine vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit ist die Lagerung der Antriebsstruktur in einer stationären Komponente über ein Gleitlager in der Art, dass sich das Gleitlager in Bewegungsrichtung der anzutreibenden Fläche in der stationären Komponente abstützt. Dadurch ist eine Bewegung der Antriebsstruktur entlang der Bewegungsrichtung der anzutreibenden Fläche blockiert. In Richtung der für den Antrieb benötigten Anpresskraft kann die Antriebsstruktur beispielsweise über eine Feder oder Federstruktur gegen die anzutreibende Fläche gepresst werden Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein großer einstellbarer Federweg zur Verfügung steht, so dass die Kraft über eine weite Wegstrecke eingestellt werden kann.
Das führt zu einem einfach einzustellenden Antrieb, der auch unempfindlich gegenüber schwankenden Abständen zwischen der stationären Komponente und der anzutreibenden Fläche ist.
Statt eines Gleitlagers kann auch eine vorgespannte oder verspannte auf Walzkörpern beruhende Führung eingesetzt werden. Auch hier kann eine hohe Steifigkeit in Bewegungsrichtung der anzutreibenden Fläche erzielt werden.
Möglich ist ferner eine Lagerung der Antriebsstruktur über sogenannte Festkörpergelenke. Im Vergleich zu einer Gleit- bzw. Wälzlagerung bauen auf Festkörpergelenken basierende Lagerungen zwar vergleichsweise groß und es kann vorkommen, dass sich bei einer erwünschten weiten Nachstellung bei Festkörpergelenken Bewegungen überlagern, die Korrekturen zur Vermeidung einer unerwünschten Wanderung und oder eines Verkippens der Reibkontakte nötig machen. Allerdings lassen sich auf Festkörpergelenken basierende Varianten sehr einfach fertigen, da z. B. die Antriebsstruktur, die relativ zur stationären Komponente beweglich gelagert ist, aus einem Stück gefertigt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Lagerung der Antriebsstruktur in einer stationären Komponente über eine Luftlagerung vorzusehen.
In einer Abwandlung der obigen Ausführungsform weist die Führungseinheit ein Gleitlager zur Führung der Kontakteinheit auf, wobei das Gleitlager mit einer Führungskraft beaufschlagt ist, insbesondere mit einer durch eine mechanische Feder erzeugten Führungskraft.
Eine Möglichkeit, ein unerwünschtes Verkippen zu vermeiden, besteht darin, die Antriebsstruktur über beispielsweise eine zusätzliche Feder in ein Gleitlager zu pressen und so vorzuspannen. Um ein unerwünschtes Verkippen besonders wirksam zu verhindern, kann eine breite Auflagefläche vorgesehen werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist das Objekt ein Läufer der Antriebsvorrichtung, der mittelbar oder unmittelbar seine Bewegung an ein Zielobjekt weitergibt.
Wenn das zu bewegende Objekt des Antriebs ein Läufer des Antriebs ist, kann die Bewegung bzw. Positionierung des Läufers wiederum genutzt werden, um ein mittelbares Zielobjekt zu bewegen oder zu positionieren, das mit dem Läufer verbunden ist oder auf das der Läufer einwirkt. Alternativ kann auch schon das Zielobjekt selbst von dem Antrieb bewegt bzw. positioniert werden, so dass hierbei Zielobjekt und Läufer zusammenfallen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist Krafteinheit für eine Einstellung der Anpresskraft über einen Federweg ausgestaltet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anpresskraft einer Feder über Mittel, wie z. B. Schrauben, einstellbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein weiter Bereich zum Einstellen der Anpresskraft (die in einem Ruhezustand des Antriebs zu einer statischen Reibkraft führt) genutzt werden kann. Das macht es auch unerfahrenen Anwendern möglich, die Kraft richtig zu justieren und erleichtert die Fertigung und Nutzung von erfindungsgemäßen Positioniereinheiten erheblich. Schon ein Einstellbereich von mehreren 10 μm bringt erhebliche Vorteile mit sich. Liegt der Bereich bei mehreren 100 μm bis in den Millimeterbereich, fällt die Einstellung besonders einfach.
Je nach Bauform kann es auch sinnvoll sein, die Wirkrichtung einer Feder über eine mechanische Vorrichtung umzulenken, z. B. um an einer gewissen Stelle Platz zu sparen oder eine baulich günstigere Form zu erhalten.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung weist die Kontakteinheit wenigstens zwei Vortriebsaktoren auf, die für Vor- und Zurückbewegungen der Reibfläche in zwei nicht-parallelen Bewegungsrichtungen entlang der Objektoberfläche ausgestaltet sind.
Die Bewegung bzw. Positionierung ist nicht auf eine Richtung beschränkt, da es möglich ist, durch unterschiedlich orientierte Bewegungen der Reibfläche das Objekt in entsprechende nicht-parallele Richtungen zu bewegen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist die Antriebsvorrichtung als Trägheitsantrieb ausgestaltet.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist der Vortriebsaktor als Mehraktorantrieb ausgestaltet.
Erfindungsgemäße Antriebsvorrichtungen können in unterschiedlicher Weise in Mehraktorantriebsvorrichtungen verwendet werden. Eine sehr flexible Variante ist es, wenn mehrere der erfindungsgemäße Antriebsvorrichtungen parallel eingesetzt werden. Die Aktoren der verschiedenen Antriebsstrukturen können dann mit für Trägheitsantrieben geeigneten Steuersignalen angetrieben werden und treiben somit ein gemeinsam zu bewegendes Objekt an.
Alternativ kann eine Antriebsstruktur auch mit mehreren Aktoren ausgestattet sein, so dass schon mit einer Antriebsstruktur ein Bewegung gemäß eines Mehraktorantriebs erzeugt werden kann. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Aktoren und Reibkörper dabei mechanisch parallel oder seriell auf das zu bewegende Objekt wirken.
Die Antriebe können für lineare und rotatorische Trägheits- oder Mehraktorantriebsvorrichtungen verwendet werden. Es sind auch Antriebsvorrichtungen mit mehr als einem Freiheitsgrad möglich.
Das Objekt kann sowohl einteilig sein als auch aus mehreren Komponenten bestehen, die in direkter oder indirekter Verbindung stehen.
Ziel kann es sein, entweder das Objekt als solches zu bewegen oder einen anderen Gegenstand über die Positionierung des Objektes mit zu bewegen (hierbei ist dann die Bewegung bzw. Positionierung des Objekts Mittel zu einer Bewegung oder Positionierung des anderen Gegenstands).
Insbesondere eine hochauflösende Bewegung des Objekts durch eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann durch den Einsatz von Wegsensoren, wie z. B. optischen Encodern oder Laserinterferometern überwacht werden.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in der abhängigen Ansprüchen definiert, wobei zu verstehen ist, dass eine Ausführungsform, die im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben ist ebenso als Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verstehen ist, was auch umgekehrt gilt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt
1 eine Prinzipskizze eines bekannten Trägheitsantriebs mit typischer Sägezahnansteuerung,
2 eine schematische Illustration eines bekannten Mehraktorantriebs,
3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung eines bekannten Mehraktorantriebs und der resultierenden Bewegung,
4 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung und
7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines bekannten Trägheitsantriebs mit typischer Sägezahnansteuerung.
Bei einem bekannten Trägheitsantrieb ist ein Aktor D vorgesehen, der typischerweise mit einem sägezahn-ähnlichen, periodischen Signal beaufschlagt wird und eine Beschleunigung relativ zu einem reibschlüssig mit dem Aktor verbundenen beweglich gelagerten Läufer E bewirkt. An der abfallenden Flanke der Aktorsignals zieht sich der Aktor D wieder zusammen, wobei infolge der Trägheit des Läufers E dieser dem Rückzug des Aktors D nicht folgt, so dass sich eine Relativverschiebung zwischen Aktor D und Läufer E ergibt.
Werden mehrere solcher Antriebe parallel zueinander eingesetzt, lassen sich einfach sogenannten Mehraktorantriebe aufbauen.
2 zeigt eine schematische Illustration eines bekannten Mehraktorantriebs.
Ein bekannter Mehrantrieb weist mehrere Aktoren auf. In diesem Fall sind drei Aktoren 1 ₁, 1 ₂, 1 ₃ vorgesehen, wobei der Mehraktorantrieb aber im Grunde beliebig viele Aktoren aufweisen kann, die jeweils über ein Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub (im Falle von Piezoaktoren in der Regel bis zu einigen μm) angeregt werden können. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2 ₁, 2 ₂, 2 ₃ auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt stehen. Die Aktoren stehen jeweils mit einem Träger 4 in festen Kontakt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansteuerung eines bekannten Mehraktorantriebs, wie er in 2 gezeigt ist, und der resultierenden Bewegung. In 3 sind typische Spannungsverläufe a, b, c über die Zeit zur Ansteuerung der drei Aktoren dargestellt, wobei jeweils eine zeitversetzte Sägezahnansteuerung vorliegt. Hierbei ergibt sich die in 3 die daraus für den Läufer resultierende typische Bewegung d.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 40 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst eine Kontakteinheit 43 mit einem Vortriebsaktor 41 und einer Reibfläche 42 (siehe 4a)). Die Kontakteinheit 43 wird in einer Wälzkörper-Linearführung 44 geführt und von einer Feder 46 mit einer Anpresskraft beaufschlagt. Die Feder 46 und die Linearführung 44 stützen sich gegen eine stationäre Komponente 45.
Vom Vortriebsaktor 41 wird die Reibfläche 42 parallel zu einer Bewegungsrichtung eines Läufers 47 bewegt (siehe Doppelpfeil in 4a)). Hier wird für den Vortriebsaktor ein Piezoaktor verwendet (alternativ kann ein elektrostriktiver Aktor oder eine Kombination aus Piezoaktor(en) und/oder elektrostriktivem/n Aktor(en) eingesetzt werden) und der Hub beträgt bei einer realistischen Baugröße bis zu einige μm. Der Vortriebsaktor 41 sitzt in einem Träger der Kontakteinheit 43. Die Baugruppe aus Vortriebsaktor 41, Reibfläche 42 und Träger bilden die Antriebsstruktur bzw. Kontakteinheit 43. Die Kontakteinheit 43 ist wiederum über Wälzlager 44 in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Läufers 47 beweglich gegenüber der stationären Komponente 45 gelagert. In die durch den Doppelpfeil dargestellte Bewegungsrichtung ist die Bewegung der Kontakteinheit 43 gesperrt. Solange die Kontakteinheit 43 nicht an die anzutreibende Fläche des Läufers 47 gepresst wird, ist diese auf diese Fläche zu oder von dieser weg frei beweglich. Wenn die stationäre Komponente 45 an die anzutreibende Fläche angenähert wird, kann die Feder 46 die Kontakteinheit 43 auf den Läufer 47 aufpressen (siehe 4b)).
4b) zeigt den anhand 4a) beschriebenen Antrieb 40 im an den Läufer 47 angepressten Zustand. Es ist zu sehen, dass die skizzenhaft dargestellte Feder 46 komprimiert ist. Somit wirkt auf der Reibfläche eine Kraft. Diese Kraft erlaubt, den Antrieb gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantriebs anzutreiben, wobei dementsprechend im Betrieb der Antriebsvorrichtung die Reibfläche 42 nicht vom Läufer 47 getrennt wird und daher ständig mit dem Läufer in Reibkontakt steht.
Wenn mehrere solche Aktoren bzw. Antriebe parallel vorliegen, kann die Ansteuerung u. a. auch gemäß der obigen Darstellung zum Betrieb eines Mehraktorantriebs erfolgen (siehe 6)
5 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 50 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst, ähnlich zur Antriebsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, eine Kontakteinheit 53 mit einem Träger, der einen Vortriebsaktor 51 und eine Reibfläche 52 trägt (siehe 5a)). Die Kontakteinheit 53 wird mit einer Feder 56 mit Kraft beaufschlagt. Anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel liegt hier für die Führung der Kontakteinheit 53 eine Kombination eines Gleitlagers 54 mit einer die Kontakteinheit 53 in das Gleitlager pressenden Feder 58 anstelle eines Wälzlagers vor. Der Aufbau und die Funktionsweise der Antriebsvorrichtung 50 entsprechen ansonsten denen der Antriebsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiel.
Die Kontakteinheit 53 wird über die Feder 58 in die Gleitlagerung 54 gedrückt. Somit ist die Kontakteinheit 53 beweglich gegenüber einer stationären Komponente 55 gelagert. In die durch den Doppelpfeil dargestellte Bewegungsrichtung ist die Bewegung der Kontakteinheit 53 gesperrt. Solange die Kontakteinheit 53 nicht über die Feder 56 an die anzutreibende Fläche eines Läufers 57 gepresst wird, ist diese auf diese Fläche zu oder von dieser weg beweglich. Wenn die stationäre Komponente 55 an die anzutreibende Fläche angenähert wird, kann die Feder 56 eine Kraft auf die Kontakteinheit 53 aufbringen und diese an den Läufer 57 pressen.
Alternativ oder ergänzend kann auch die anzutreibende Fläche (bzw. der Läufer 57) aktiv gegen die die Antriebsstruktur gepresst werden oder die zwischen der stationären Komponente und der Antriebsstruktur sitzende Feder verspannt werden. Wie die Anpresskraft zur Erzeugung der Reibkraft aufgebracht wird ist sekundär, solange die Reibkraft so groß ist, dass die Antriebsstruktur das zu bewegende Objekt beispielsweise entsprechend dem Prinzip von Trägheitsantrieben oder den Prinzip der Mehraktorantriebe bewegen kann.
5b) zeigt den anhand 5a) beschriebenen Antrieb im an den Läufer 57 angepressten Zustand. Es ist zu sehen, dass die skizzenhaft dargestellte Feder 56 komprimiert ist. Somit wirkt auf der Reibfläche eine Kraft.
In dem dargestellten Beispiel wird die Kontakteinheit 53 über die Feder 58 in die Gleitführung 54 gepresst, wobei die Feder 58 derart stark gespannt und steif ist, dass ein Abheben oder Verkippen der Antriebsstruktur im dynamischen Betrieb gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantrieb oder eines Mehraktorantriebs verhindert wird.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
6a) illustriert, dass die Antriebsvorrichtung 60 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weitgehend der Antriebsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels entspricht.
Wie schon bei dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Antriebsvorrichtung 60 eine stationäre Komponente 65 mit einer Feder 66 und einem Wälzlager 64, die zur Kraftbeaufschlagung bzw. Führung einer Kontakteinheit 63 vorgesehen sind. Die Kontakteinheit 63 dient letztlich zum Antrieb eines Läufers 67.
Allerdings umfasst die Kontakteinheit 63 hier abweichend von der in 4 dargestellten Kontakteinheit mehrere Vortriebsaktoren 61, die jeweils mit Reibflächen 62 verbunden sind. Hierbei sind die Vortriebsaktoren 61 mit ihren Reibflächen 62 in Serie angeordnet, so dass ein vorhergehender Aktor einen folgenden Aktor mitbewegt. Alternativ oder ergänzend ist jedoch auch eine parallele Anordnung der Aktoren mit ihren Reibkörpern möglich.
6b zeigt den anhand 6a beschriebenen Antrieb im an den Läufer 67 angepressten Zustand. Es ist zu sehen, dass die skizzenhaft dargestellte Feder 66 komprimiert ist. Somit wirkt auf den Reibflächen 62 eine Kraft. Diese Kraft erlaubt, den Antrieb gemäß dem Prinzip eines Mehraktorantriebs zu betreiben.
7 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens.
Das nicht-resonante Antriebsverfahren 100 umfasst die Schritte des Anordnens 110 einer Reibfläche einer Kontakteinheit in Reibkontakt mit einer Objektoberfläche des Objekts und des Bereitstellens 120 einer über mindestens ein Federelement erzeugten Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweist. Anschließend an diese Schritte wird die Reibfläche von einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor parallel zur Bewegungsrichtung bewegt (Schritt 130), wobei das Bereitstellen 120 der Anpresskraft u ein Erlauben einer Bewegung der Kontakteinheit entlang der Richtung der Anpresskraft und/oder senkrecht zur Bewegungsrichtung und ein Sperren einer Bewegung der Kontakteinheit in Bewegungsrichtung umfasst. Während des Ablaufs des gesamten Antriebsverfahrens wird der Reibkontakt zwischen Reibfläche und Objektoberfläche beibehalten.
Auch wenn die oben diskutierten Ausführungsbeispiele sich jeweils auf eine lineare Bewegung beziehen ist die Erfindung nicht auf eine solche lineare Bewegung beschränkt und eine rotatorische Bewegung sowie zusammengesetzte Bewegungen und Positionierungen sind ebenfalls möglich. Bei einer rotatorischen Bewegung bzw. Positionierung erfolgt das Bewegen der Reibfläche tangential statt parallel.
In einer Ausführungsform eines Antriebs für eine Trägheits- oder Mehraktorantriebsvorrichtung, mit einem stationären Teil und einer hierzu beweglich angeordneten Antriebsstruktur, zum direkten linearen oder rotatorischen Antreiben eines makroskopisch zu bewegenden Objekts, ist vorgesehen, dass die mindestens eine Reibfläche, die durch die Aktoren nur in einem Freiheitsgrad entlang der Bewegungsrichtung des zu bewegenden Objektes bewegt wird, im permanenten Reibkontakt mit dem zu bewegenden Objekt steht, wobei eine, mindestens einen Aktor umfassende, Antriebsstruktur über mindestens eine Feder zwischen dem stationären Teil des Antriebs und der beweglichen Antriebsstruktur gegen die anzutreibende Fläche gedrückt wird, und wobei wobei der mindestens eine Aktor relativ zur beweglichen Antriebsstruktur unbeweglich gelagert ist, und die Antriebsstruktur gegenüber dem stationären Teil so gelagert ist, dass die Bewegung der Antriebsstruktur relativ zur stationären Struktur bei Nichtvorhandensein der mindestens einen die Reibkraft erzeugenden Feder in Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objektes mit einer hohen Steifigkeit gesperrt ist, während die Bewegungsrichtung in Richtung der Anpresskraft beweglich ist.
Vorzugsweise ist die relativ zum stationären Teil beweglich angeordnete Antriebsstruktur über ein oder mehrere Walzkörperführungen oder eine Gleitlagerung beweglich gelagert.
Die Flächen, die bei der Gleitlagerung die Reibpaarung bilden, können vorteilhafterweise über eine weitere Federstruktur aufeinander gepresst werden.
Ferner können die die Gleitlagerung bildenden Flächen so zueinander ausgebildet sein, dass ein Verkippen der beweglich angeordneten Antriebsstruktur auf der stationären Komponente ausgeschlossen wird, wobei diese Ausbildung vorzugsweise durch eine breite Auflagefläche realisiert wird.
Als Lager zwischen dem stationären Teil und der hierzu beweglichen Antriebsstruktur kann ein Luftlager eingesetzt werden.
Als Lager zwischen dem stationären Teil und der hierzu beweglichen Antriebsstruktur kann auch ein Festkörpergelenk, bzw. eine Struktur, bestehend aus mehreren Festkörpergelenken eingesetzt werden.
Bevorzugt ist für die die Reibkraft einstellende Federstruktur einen weiter Einstellbereich von mehreren 10 μm, vorzugsweise mehreren 100 μm bis in den Millimeterbereich möglich ist.
Es ist möglich, dass die Wirkrichtung der zum Einsatz kommenden Federn durch eine mechanische Struktur umgelenkt wird.
Es ist ferner möglich, dass mehrere Antriebsstrukturen parallel eingesetzt werden, so dass die Aktoren der verschiedenen Antriebsstrukturen so angesteuert werden können, dass eine anzutreibende Fläche auch gemäß dem Prinzip des Mehraktorantriebs angesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere in den Ausführungsbeispielen in der Weise beschrieben, dass die Antriebsvorrichtung als solche ortsfest ist, während das zu bewegende Objekt relativ zur Antriebsvorrichtung und damit auch absolut bewegt wird. Es muss jedoch verstanden werden, dass die Bewegung zwischen Antriebsvorrichtung und Objekt primär als die Relativbewegung zwischen diesen Elementen zu verstehen ist. Es ist ebenfalls möglich, dass die Bewegung zwischen Objekt und Antriebsvorrichtung sich als eine absolute Bewegung der Antriebsvorrichtung äußert, wobei dann das Objekt absolut gesehen ortsfest bleiben würde. Ebenso ist es möglich, dass die Relativbewegung zu einer jeweiligen Absolutbewegung von sowohl Antriebsvorrichtung als auch Objekt (in jeweils entgegengesetzter Richtung) führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 98/19347 [0003]
EP 0750356 A1 [0004]
WO 93/19494 [0004]
DE 102009013849 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Dynamic piezoelectric translation devices” von D. W. Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57) [0003]

Claims

Antriebsvorrichtung zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, mit: einer Kontakteinheit mit einer Reibfläche zur Kontaktierung mit einer Objektoberfläche des Objekts und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche parallel oder tangential zu einer Bewegungsrichtung des Objekts, einer Krafteinheit zur Bereitstellung einer mindestens über ein Federelement erzeugten Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu der Bewegungsrichtung gerichtete Komponente aufweist, und einer Führungseinheit der Kontakteinheit, die eine Bewegung der Kontakteinheit entlang der Richtung der Anpresskraft und/oder senkrecht zur Bewegungsrichtung erlaubt und die eine Bewegung der Kontakteinheit in Bewegungsrichtung sperrt, wobei die Antriebsvorrichtung für eine im Betrieb dauerhafte Beibehaltung eines Reibkontakts zwischen der Reibfläche und der Objektoberfläche ausgestaltet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Führungseinheit eine Bewegung der Kontakteinheit in Bewegungsrichtung und/oder ein Verkippen der Kontakteinheit gegenüber dem Objekt verhindert.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Führungseinheit ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein Luftlager und/oder Festkörpergelenke zur Führung der Kontakteinheit aufweist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Führungseinheit ein Gleitlager zur Führung der Kontakteinheit aufweist, wobei das Gleitlager mit einer Führungskraft beaufschlagt ist, insbesondere mit einer durch eine mechanische Feder erzeugten Führungskraft.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Objekt ein Läufer der Antriebsvorrichtung ist, der mittelbar oder unmittelbar seine Bewegung an ein Zielobjekt weitergibt.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Krafteinheit für eine Einstellung der Anpresskraft über einen Federweg ausgestaltet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontakteinheit wenigstens zwei Vortriebsaktoren aufweist, die für Vor- und Zurückbewegungen der Reibfläche in zwei nicht-parallelen Bewegungsrichtungen entlang der Objektoberfläche ausgestaltet sind.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antriebsvorrichtung als Trägheitsantrieb ausgestaltet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Vortriebsaktor als Mehraktorantrieb ausgestaltet ist.
Verfahren zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, mit den Schritten: Anordnen einer Reibfläche einer Kontakteinheit in Reibkontakt mit einer Objektoberfläche des Objekts, Bereitstellen einer über mindestens ein Federelement erzeugten Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweist, Bewegen der Reibfläche durch mindestens einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor parallel oder tangential zur Bewegungsrichtung unter dauerhafter Beibehaltung des Reibkontakts zwischen Reibfläche und Objektoberfläche, wobei das Bereitstellen der Anpresskraft ein Erlauben einer Bewegung der Kontakteinheit entlang der Richtung der Anpresskraft und/oder senkrecht zur Bewegungsrichtung und ein Sperren einer Bewegung der Kontakteinheit in Bewegungsrichtung umfasst.