DE102019118426A1

DE102019118426A1 - Antriebsvorrichtung und -verfahren zur linearen oder rotatorischen Positionierung

Info

Publication number: DE102019118426A1
Application number: DE102019118426.6A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack
Original assignee: Picofine GmbH
Current assignee: Picofine GmbH
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antrieb für eine Trägheits- oder Mehraktorantriebsvorrichtung mit einer stationären Basis und einem makroskopisch zu bewegenden Objekt. Erfindungsgemäß wird das Objekt über einen mit der Basis verbunden Kontakteinheit angetrieben, innerhalb derer ein Vortriebsaktor über elastisch gedehnter Materialabschnitte vorgespannt und damit permanent auf Druckbelastung beansprucht ist, wobei zwischen dem Vortriebsaktor und der Basis eine Gelenkstruktur angeordnet ist, welche eine Beweglichkeit des vom Vortriebsaktor vor- und zurückbewegten Teils der Kontakteinheit bei Einwirkung einer Anpresskraft mit einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente erlaubt, und damit die Reibfläche an die Objektoberfläche presst.

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 positionierendes 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.
In DE10 2012 221 892 A1 ist eine Antriebsvorrichtung beschrieben, die es erlaubt, die Antriebseinheit mit einer hohen Toleranz an den anzutreiben Läufer zu pressen, so dass auch ungeübte Anwender die Kräfte für den Antrieb leicht einstellen könnten. Diese Lösung, bei der das angetriebene Objekt noch nicht integriert ist, erlaubt dem Anwender einen hohen Gestaltungsspielraum beim Einsatz der Antriebe.
Am weitesten verbreitet ist es, den Vortriebsaktor eines Trägheitsantriebs mit einer Sägezahnspannung zu betrieben. Neben der Nutzung von Sägezähnkurven sind gemäß dem Stand der Technik weitere geeignete Kurvenformen bekannt. Einige beispielhafte, geeignete Kurvenformen werden in EP 2 678 935 A1 im Zusammenhang mit etwa deren 2 gezeigt. Werden im Folgenden die Begriffe „Sägezahn“ oder „Sägezahnkurve“ verwendet, so ist dies nicht als Bezugnahme auf eine entsprechende Form im strengen Sinne zu verstehen (es sei denn aus dem Kontext, etwa einer Abgrenzung gegenüber anderen Verläufen, ist klar, dass ein solch strenges Verständnis gemeint ist), sondern als allgemeine bzw. stellvertretende Bezugnahme auf alle weiteren Kurvenformen, die ebenfalls für den Betrieb eines Trägheitsantriebs geeignet sind.
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 A1 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 die Aktoren im Betrieb bei hohen Beschleunigungen schnell Schaden nehmen, insbesondere, wenn die Aktoren sich schnell zusammenziehen und dabei auf Zug belastet werden. Aktoren wiederstehen einer hohen Druckbelastung deutlich besser als einer vergleichbaren Zugbelastung.
Um zuverlässige Antriebe zu erhalten, sind also die Aktoren so vorzuspannen, dass diese im Betrieb permanent auf Druck beansprucht sind. So werden dem Stand der Technik entsprechend bei Trägheitsantrieben die Aktoren häufig vorgespannt.
Eine typische Vorspannung baut groß, da eine mechanische Struktur um den Aktor herumgreifen muss, mit einer Struktur, die groß und steif genug ist, um eine Feder, die auf der Seite des bewegten Teils des Aktors angebracht ist, aufzunehmen und die notwenige Kraft gegenüber dem stationären Teil des Aktors über die Vorspannung der Feder aufzubauen.
Groß bauende Vorspannungen sind nachteilig, nicht nur weil damit die resultierenden Antriebe groß bauen, sondern auch, weil diese in der Regel ein niedrige Resonanzfrequenz haben, was dazu führt, dass die Antriebe nicht hochfrequent mit den Sägezahnsignalen getrieben werden können und somit weniger schnell fahren können.
Eine alternative Technik zu Vorspannung von Aktoren ist in DE 10 2014 205 280 B3 beschrieben. Hier wird darauf verzichtet, mit einer steifen Mechanik um den Aktor herumzugreifen. Stattdessen ist in der Mechanik sogar ein ausgedünnter Bereich vorhanden, so dass die herumgreifende Mechanik entsprechend ein drehendes Biegegelenk ausweist, so dass die Mechanik an sich den Aktor nicht vorspannt. An der beweglichen Seite der herumgreifenden Mechanik ist ein Federelement geklemmt, welches mit einer Reibfläche versehen ist. Wird nun dieses Federelement gegen eine Reibfläche eines anzutreibenden Objektes gepresst, so wirkt diese anpressende Kraft über das Federelement auf den herumgreifenden Rahmen, so dass dieser zugepresst wird. Folglich wird so der Aktor vorgespannt. Auch, wenn damit der Beschreibung nach ein kompakter Aufbau möglich ist, so hat diese Antriebsvorrichtung den Nachteil, dass die Vorspannung des Aktors nicht mehr vorhanden ist, sobald die Anpresskraft zwischen Reibfläche des Objekts und der Reibfläche des Federelements aufgehoben wird. Vermutlich ist eine Vorspannung des Aktors nur dann groß genug, wenn diese Anpresskraft zwischen den Reibflächen groß ist, so dass entsprechend dieser Anordnung keine leichtgängigen Antriebe realisierbar sind. Insgesamt ist von Nachteil, dass die Anpresskraft Einfluss auf die Vorspannung des Aktors hat.
Aufgrund er oben genannten Schwierigkeiten wird in vielen Fällen komplett auf eine Vorspannung der Aktoren verzichtet, was dazu führt, dass die Leistung der Aktoren nicht voll ausgenutzt werden, weil zu hohe Beschleunigungen während der Kontraktion den Aktor ansonsten zerreißen.
Es hat sich gezeigt, dass es schwer ist, kompakte, gut funktionierende Trägheitsantriebe zu erhalten, bei denen die Aktoren ausreichend vorgespannt sind. Besonders schwierig ist der Fall bei den Mehraktorantrieb, da hier gleich mehrere Aktoren und Anpresskräfte von Reibflächen eingestellt werden müssen, die wiederum, je nach Ausprägung des Antriebs, unterschiedlich gut aufeinander eingestellt sein müssen.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine Antriebsvorrichtung und ein entsprechendes Antriebsverfahren vorzustellen, die trotz einer Vorspannung der Aktoren besonders kompakte Bauformen erlauben, wobei die Vorspannung der Aktoren unabhängig von der Anpresskraft der Reibflächen ist, so dass die Anpresskräfte problemlos variiert und sogar ganz aufgehoben werden können, ohne die Aktoren dabei mit einer zu geringen Vorspannung zu gefährden.
Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt eine Antriebsvorrichtung zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts relativ zu einer Basis vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, nämlich mit einer Gelenkstruktur, einer Kontakteinheit, die über die Gelenkstruktur an der Basis befestigt oder befestigbar ist, und einer Führungseinheit, die eine Bewegung des Objekts entlang einer vorgegebenen Bewegungsrichtung erlaubt und eine Bewegung des Objekts in wenigstens einer anderen Richtung sperrt, wobei die Kontakteinheit eine Reibfläche zur Kontaktierung mit einer Objektoberfläche des Objekts, einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche über einen Hubbereich des Vortriebsaktors parallel oder tangential zu einer Bewegungsrichtung des Objekts, und eine Vorspannvorrichtung für ein Druckbelasten des Vortriebsaktors umfasst, mit wenigstens einem zum Vortriebsaktor mechanisch parallel geschalteten Vorspannelement mit einem im Betrieb elastischen Verhalten über den Hubbereich des Vortriebsaktors, wobei die Gelenkstruktur eine Beweglichkeit eines vom Vortriebsaktor vor- und zurückbewegten Teils der Kontakteinheit einschließlich der Reibfläche bei Einwirkung einer zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche dienenden Anpresskraft mit einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts gerichteten Komponente erlaubt, und wobei die Antriebsvorrichtung für eine im Betrieb dauerhafte Beibehaltung eines Reibkontakts zwischen der Reibfläche und der Objektoberfläche ausgestaltet ist.
Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts relativ zu einer Basis vorgeschlagen, wie es in Anspruch 16 definiert ist, nämlich mit den Schritten des Vorsehens eines Führens, das eine Bewegung des Objekts entlang einer vorgegebenen Bewegungsrichtung erlaubt und eine Bewegung des Objekts in wenigstens einer anderen Richtung sperrt, des Anordnens einer Reibfläche einer Kontakteinheit in Reibkontakt mit einer Objektoberfläche des Objekts, wobei die Kontakteinheit über eine Gelenkstruktur beweglich gegenüber der Basis angeordnet ist, des Vorspannens mindestens eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktors der Kontakteinheit mit wenigstens einem zum Vortriebsaktor mechanisch parallel geschalteten Vorspannelement, das den Vortriebsaktor druckbelastest, des Bereitstellens einer Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweist, des Bewegens der Reibfläche durch den Vortriebsaktor parallel oder tangential zur Bewegungsrichtung unter dauerhafter Beibehaltung des Reibkontakts zwischen Reibfläche und Objektoberfläche über einen Hubbereich des Vortriebsaktors, und der Durchführung der makroskopischen Bewegung gemäß dem Antriebsprinzip eines Trägheitsantriebs, wobei das Vorspannelement über den Hubbereich des Vortriebsaktors ein elastisches Verhalten zeigt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine Antriebsvorrichtung zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, relativ zu einer stationären Basis vorgeschlagen, mit einer an der Basis befestigten Kontakteinheit, die eine Reibfläche, zur Kontaktierung einer Objektoberfläche des Objekts aufweist, sowie mindestens einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche parallel oder tangential zu einer Bewegungsrichtung des Objekts. Darüber hinaus umfasst die Kontakteinheit eine Vorspannvorrichtung (Vorspannmechanik + Materialabschnitte), welche den Vortriebsaktor permanent mit einer Druckbelastung beaufschlagt, wobei die elastische Dehnung von Materialabschnitten der Vorspannvorrichtung für die permanente Druckbelastung des längenveränderlichen Vortriebsaktors ausgebildet ist. Der Vortriebsaktor ist vorzugsweise zwischen den Materialabschnitten angeordnet, wobei diese Anordnung zwischen den Materialabschnitten nicht zwingend erforderlich ist. Zwischen dem Vortriebsaktor und der stationären Basis ist eine Gelenkstruktur angeordnet. Diese Gelenkstruktur, z.B. in Form von Festkörpergelenken, erlaubt den Teil der Kontakteinheit, die vom Vortriebsaktor vor- und zurückbewegt wird und mit der Reibfläche ausgestattet ist, mit einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente zu bewegen, wenn eine entsprechende Kraft auf die Kontakteinheit wirkt. Dadurch wird eine Anpresskraftzwischen zwischen der Reibfläche der Kontakteinheit und der Reibfläche der Objektoberfläche erzeugt, die nötig ist, um das Objekt entsprechend dem Prinzip eines Trägheitsantriebs oder Mehraktorantriebs zu bewegen. Eine Führungseinheit, erlaubt die Bewegung des Objekts entlang der angestrebten Bewegungsrichtung, relativ zur Basis. Die Antriebsvorrichtung ist für eine im Betrieb dauerhafte Beibehaltung eines Reibkontakts zwischen der Reibfläche und der Objektoberfläche ausgestaltet.
Ebenso wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Antriebsverfahren zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts relativ zu einer stationären Basis vorgeschlagen, mit den Schritten der Befestigung einer Kontakteinheit an der Basis, der Führung des beweglichen Objekts gegenüber der Basis über eine Führung, so dass die Bewegung entlang der angestrebten Bewegungsrichtung möglich ist, der Anordnung einer zu einer Kontrakteinheit gehörenden Reibfläche in Reibkontakt mit der Objektoberfläche des Objekts, wobei die Kontakteinheit über eine Gelenkstruktur beweglich gegenüber der Basis angeordnet ist, der Vorspannung des mindestens einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor über zur Kontakteinheit gehörenden Materialabschnitte die elastisch gedehnt werden, zur permanenten Druckbelastung des Vortriebsaktors, wobei die Kraft für die Vorspannung über die Vorspannvorrichtung samt Vorspannmechanik erzeugt wird, der Bereitstellung einer Anpresskraft auf den beweglichen Teil der Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweist, der Bewegung der Reibfläche durch den Vortriebsaktors, parallel oder tangential zur Bewegungsrichtung des Objekts, und der Versorgung des Vortriebsaktors mit sägezahnähnlichen Spannungssignalen, für die Durchführung der makroskopischen Bewegung des Objekts gemäß dem Antriebsprinzip eines Trägheitsantriebs erfolgt. Während des Ablaufs des gesamten Antriebsverfahrens wird der Reibkontakt zwischen Reibfläche und Objektoberfläche beibehalten.
Ein Teil des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung findet sich in den folgenden Überlegungen.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein Vortriebsaktor innerhalb einer mit einer stationären Basis in Verbindung stehenden Kontakteinheit über eine Vorspannvorrichtung samt Vorspannmechanik vorgespannt, wobei die elastische Dehnung von Materialabschnitten (als Beispielen von Vorspannelementen) der Vorspannvorrichtung für die permanente Druckbelastung des längenveränderlichen Vortriebsaktors ausgebildet ist. Dabei ist unerheblich, wie die Vorspannung innerhalb der Vorspannvorrichtung durch die Vorspannmechanik erzeugt wird. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass es sich anbietet, diese Vorspannung über eine Keilstruktur (diese bilden dann die Vorspannmechanik) zu erzeugen, die in die Vorspannvorrichtung gepresst wird. Der Vortriebsaktor ist vorzugsweise zwischen den Materialabschnitten der Vorspannvorrichtung angeordnet, so dass dieser bei der Vorspannung nicht oder nur unwesentlich einer Scherbelastung ausgesetzt wird.
Zur relativen Positionierung eines Objektes, gegenüber der Basis wird eine Reibfläche, die einen Teil der Kontakteinheit darstellt, vom piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor, der ebenfalls Teil der Kontakteinheit ist, parallel oder tangential zu der Bewegungsrichtung des Objekts vor- und zurückbewegt, während die Reibfläche der Kontakteinheit mit einer Kraft gegen die anzutreibende Oberfläche des Objektes gepresst wird. Durch die geeignete Ansteuerung des mindestens einen Vortriebsaktors wird das Objekt gemäß dem Antriebsprinzip eines nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Trägheitsantriebs oder Mehraktorantriebs relativ zu einer stationären Basis positioniert.
Zwischen dem Vortriebsaktor und der stationären Basis ist eine Gelenkstruktur angeordnet, welche es erlaubt, dass der vom Vortriebsaktor vor- und zurückbewegte Teils der Kontakteinheit mitsamt der Reibfläche bei Einwirkung einer Kraft in Richtung der Reibfläche des Objekts zu- oder wegbewegt werden kann. Die Kraft, die von einer Krafteinheit aufgebracht wird, soll eine senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweisen, und damit die Reibfläche der Kontakteinheit an die Objektoberfläche pressen. Wie die Kraft der Krafteinheit aufgebracht wird, ist unerheblich. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass sich hier insbesondere Kombinationen aus Schrauben und Federn anbieten, da damit hohe Kräfte erzeugt werden können, während diese aufgrund der Federwirkung trotzdem fein einstellbar sind. Es ist der Einsatz anderer Mittel, wie z.B. Klemmen und reine Federkonstruktionen ohne weiteres möglich. Sollte die Krafteinheit keine senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Kraft-Komponente aufweisen, so muss dies, z.B. über einen Hebel, entsprechend umgelenkt werden, was als Bestandteil der Kraftkomponente betrachtet werden kann. Die Gelenkstruktur kann konstruktiv vielfältig realisiert werden. Bevorzugt wird der Einsatz von Festkörpergelenken, da sich diese einfach herstellen lassen und diese spielfrei sind. Als Festkörpergelenk eigenen sich einfache Biegebalken und Parallelogramme besonders gut. Es ist nicht relevant, ob diese Gelenkstruktur als Teil der Kontakteinheit oder als Teil der Basis ausgeführt, bzw. betrachtet wird.
Das Objekt ist relativ zur Basis über eine Führungseinheit gelagert. Diese Führungseinheit erlaubt die Bewegung des Objekts entlang der angestrebten Bewegungsrichtung. Die Führungseinheit sperrt die Bewegung in Richtung der Anpresskraft der Reibkräfte, so dass eine definierte Kraft aufgebracht werden kann. Auf diese Weise kann der mindestens eine Vortriebsaktor 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 vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Gelenkstruktur als Festkörpergelenk ausgeführt, vorzugsweise als Parallelogramm oder Biegebalken.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Gelenkstruktur integral mit der Kontakteinheit oder integral mit der Basis ausgeführt.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist das Vorspannelement integral mit Abschnitten der Kontakteinheit ausgeführt, zwischen denen der Vortriebsaktor angeordnet ist.
Die Vorspannvorrichtung kann einteilig mit wesentlichen Komponenten der Kontakteinheit hergestellt werden, was die Handhabung besonders einfach macht. Es mag aber vorteilhaft sein, dass die Vorspannvorrichtung und die Kontrakteinheit aus zunächst getrennten Strukturen bestehen, die nachträglich gefügt werden. Auch die Vorspannvorrichtung kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Werden z.B. Keile als Vorspannmechanik verwendet, die nachträglich eingesetzt und eingepresst werden, so handelt es sich um eine mehrteilige Ausführung. Alternativ kann die Vorspannmechanik, z.B. wieder in Form eines Keils, als integraler Bestandteil der Vorspannvorrichtung gefertigt werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung wird das Vorspannelement im Betrieb auf Biegung und/oder auf Dehnung beansprucht.
Die Designfreiheit der Vorspannvorrichtung ist höher, wenn nicht nur Materialabschnitte der Vorspannvorrichtung auf Dehnung beansprucht werden, sondern auch auf Biegung.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Vorspannvorrichtung wenigstens zwei Vorspannelemente auf, zwischen denen der Vortriebsaktor angeordnet ist.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist das Vorspannelement im Betrieb ein linear-elastisches Verhalten auf.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst das Vorspannelement ein metallisches Glas oder besteht daraus, insbesondere eine amorphen Co-Fe-Ta-B-Mo-, Co-Fe-Ta-B-, Fe-Co-B-Si-Nb- oder Fe-Co-B-Si-Nb-Legierung. Zusätzlich können weitere Teile der Kontakteinheit (oder auch die gesamte Kontakteinheit, mit Ausnahme des Vortriebsaktors und ggf. der Reibfläche) aus dem gleichen oder vergleichbaren Material erstellt sein.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst die Antriebsvorrichtung eine Anpresseinheit, insbesondere in Form einer federnden Struktur an der Kontakteinheit oder der Basis, zum einstellbaren Einbringen der Anpresskraft.
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.
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.
Vorzugsweise stützt sich die Anpresseinheit (hier auch Krafteinheit genannt) an einem zur Basis stationären Element oder in der Basis selber ab. So biete es sich an, dass die Krafteinheit über eine Schraube mit Feder realisiert wird, die in die Basis geschraubt wird. Ebenfalls ist es möglich, dass der an der Basis befestige Teil der Kontakteinheit genutzt wird, um den beweglichen Teil der Kontakteinheit gegenüber dieser zu verspannen, z.B. indem zwischen diese Strukturen eine Feder eingebracht wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Krafteinheit sich über die Gelenkstruktur ergibt, die zwischen dem Vortriebsaktor und der stationären Basis angeordnet ist, insofern, als dass die Gelenkstruktur eine ein rückstellende Kraftwirkung aufweist, wenn diese von der neutralen Stellung ausgelenkt wird. Wird also durch das Fixieren der Kontakteinheit an der Basis die Reibfläche der Kontakteinheit gegen die Objektoberfläche gedrückt, so kommt es zu einer Anpresskraft, die bei geeigneter Auslegung der Gelenkstruktur ausreichend für den Antrieb ist. Dafür eigenen sich Festkörpergelenke als Gelenkstruktur im besonderen Maße, da diese spielfrei sind und sich über die Dimension leicht mit passender Kraft auslegen lassen.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Kontakteinheit eine Schutzstruktur auf, die den Vortriebsaktor vor Scherbelastungen beim Aufbringen der Anpresskraft schützt.
Es wurde als vorteilhaft erkannt, wenn die Vorspannvorrichtung derart ausgelegt ist, dass der mindestens eine Vortriebsaktor vor Scherkräften aufgrund der Anpresskräfte geschützt ist, indem die Vorspannvorrichtung mindestens einen wesentlichen Anteil diese Kräfte aufnimmt. Das gelingt insbesondere bei Festkörpergelenken gut, wenn diese lediglich in Bewegungsrichtung des Vortriebsaktor nachgiebig gestaltet sind, und ausdrücklich steif in die Richtung der Anpresskraft.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Führungseinheit ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein Luftlager und/oder Festkörpergelenke zur Führung des Objekts auf.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist das Objekt ein Läufer der Antriebsvorrichtung ist, 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 anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Kontakteinheit wenigstens zwei Vortriebsaktoren aufweist, die für Vor- und Zurückbewegungen der Reibfläche in zwei nicht-parallelen Bewegungsrichtungen entlang der Objektoberfläche ausgestaltet sind.
Die Bewegung bzw. Positionierung ist hierbei 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 anderen vorteilhaften Ausgestaltungen eines Aspekts der Erfindung ist die Antriebsvorrichtung als Trägheitsantrieb oder als Mehraktorantrieb ausgestaltet ist.
Erfindungsgemäße Antriebsvorrichtungen können in unterschiedlicher Weise in Mehraktorantriebsvorrichtungen verwendet werden. Eine sehr flexible Variante ist es, wenn mehrere der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtungen parallel eingesetzt werden. Die Aktoren der verschiedenen Kontakteinheiten können dann mit für Trägheitsantrieben geeigneten Steuersignalen angetrieben werden und treiben somit ein gemeinsam zu bewegendes Objekt an.
Alternativ kann eine Kontakteinheit auch mit mehreren Vortriebsaktoren und mehreren Reibflächen ausgestattet sein, so dass schon mit dem Einsatz einer Kontakteinheit eine 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.
Alternativ kann eine Kontakteinheit auch mit mehreren Vortriebsaktoren und mehreren Reibflächen ausgestattet sein, so dass schon mit dem Einsatz einer Kontakteinheit eine 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.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Kontakteinheit lösbar an der Basis befestigt oder befestigbar, und die Basis und die Kontakteinheit verfügen über lösbare, elektrische Kontakte, die bei der Befestigung der Kontakteinheit an der Basis in Verbindung treten, so dass der Vortriebsaktor der Kontakteinheit über diese Kontakte mit den zum Betrieben der Antriebsvorrichtung notwenigen Spannungssignalen versorgt werden kann.
Für eine hohe Wartungsfreundlichkeit ist es von Vorteil, wenn die Kontrakteinheit über eine lösbare Verbindung, wie z.B. Schraub- oder Klemmverbindungen mit der Basis verfügt, so dass die Kontakteinheit als Ganzes entnommen werden kann. Besonders von Vorteil ist es, wenn dabei die elektrische Versorgung des Vortriebsaktors über elektrische Kontakte erfolgt, die sowohl auf der Basis, als auch auf der Kontakteinheit vorhanden sind und bei der Befestigung der Kontakteinheit an der Basis in elektrische Verbindung treten.
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 den 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 der Vorspannung eines Vortriebaktuators innerhalb eines Trägheitsantriebs, gemäß dem Stand der Technik
5 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
6 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
7 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
8 eine schematische Darstellung eines vierten, bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
9 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
10 eine schematische Darstellung verschiedener, beispielhafter Ausführungen von der Kontakteinheit integrierten Reibflächen und der Ausgestaltung des beweglichen Teils der Kontakteinheit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
11 eine schematische Darstellung verschiedener, beispielhafter Ausführungen von verschiedenen Vorspannvorrichtungen der Kontakteinheit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
12 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 1₁, 1₂, 1₃vorgesehen, 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 2₁, 2₂, 2₃ 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 Trägheitsantriebs gemäß dem Stand der Technik mit einer Vorspannung des Vortriebsaktors.
Die Antriebsvorrichtung 40 gemäß dem Stand der Technik weist eine Basis 4a und einen Vortriebsaktor 4c auf, der eine kraftübertragende Struktur 4k bewegt, welche über eine Feder 4d gegenüber der Basis 4a verspannt ist Die kraftübertragende Struktur 4k hat einen federnd ausgestalteten Bereich 4e, der mit einer Reibfläche 4f versehen ist, die gegen die Oberfläche des Objekts 4g presst. Das Objekt 4g ist über eine Führung 4h gegenüber der Basis 4a beweglich gelagert. Die Feder 4d wird über das Einpressen einer Keilstruktur (oder ähnlicher Mittel) 4i gestaucht, bis die notwendige Vorspannung der Vortriebsaktors erreicht ist. Wie zu erkennen ist, greift die Basis 4a, bzw. eine andere stationäre Struktur, um die Antriebseinheit (4c, 4k, 4d, 4e, 4f und 4i) herum, so dass die stationäre Seite 4i und schwingende Seite 4k der Antriebseinheit über die Feder 4d vorgespannt werden. Das baut verhältnismäßig groß.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 50 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst eine Kontakteinheit (5b, 5j, 5i, 5h, 5c, 5d, 5e), bestehend aus einem an der Basis 5a befestigten Bereich 5b, einer Gelenkstruktur 5j, die in 5 als Festkörper-Parallelogramm ausgebildet ist, einer Vorspannmechanik 5i, die in 5 als Keilstrukturen dargestellt ist, den elastisch dehnbaren Materialabschnitten 5h (als Beispielen von Vorspannelementen) und dem beweglichen Teil der Kontakteinheit 5d, auf dem die Reibfläche 5e befestigt ist.
Wenn die Vorspannmechanik 5i eine Kraft aufbaut, dehnen sich die Materialabschnitte 5h entsprechend, so dass über den beweglichen Teil 5d der Kontakteinheit eine entsprechende Gegenkraft aufgebaut wird, so dass der Vortriebsaktor 5c entsprechend vorgespannt ist. Vorzugsweise erfolgt die Dehnung im linear-elastischen Bereich. Längt sich also der Vortriebsaktor 5c infolge einer Spannungsänderung, so werden die Materialabschnitte 5h entsprechend elastisch gedehnt. Staucht sich der Vortriebsaktor 5c, so wird dieser Bewegung von den elastisch geestreckten Materialabschnitten 5h gefolgt, so dass der Vortriebsaktor 5c stets einer Druckbeanspruchung unterliegt. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, dass der bewegliche Teil 5d der Kontakteinheit sehr klein und leicht baut, was einer hohen Resonanzfrequenz der gesamten Kontakteinheit zuträglich ist. Die Vorspannung des Vortriebsaktors 5c erfolgt über die Vorspannvorrichtung, bestehend aus den Materialabschnitten 5h, die vorzugsweise als dünne Streifen ausgebildet sind, und der Vorspannmechanik 5i. Eine solche Vorspannvorrichtung baut sehr klein und die Resonanzfrequenz der sich mit der Auslenkung des Vortriebsaktors elastisch dehnenden Materialabschnitte 5h ist in der Bewegungsrichtung des Aktors aufgrund der geringen Massen von 5d und 5h im Verhältnis zu der notwendigen Steifigkeit in Bewegungsrichtung des Vortriebsaktors 5c sehr hoch, so dass die Antriebsvorrichtung besonders hochfrequent gefahren werden kann.
Die Reibfläche 5e wird mit einer Kraft F gegen die Oberfläche des anzutreibenden Objektes 5f gepresst. Dabei ist hier nicht dargestellt, wie die Kraft F erzeugt wird. Das für den erfinderischen Gedanken unerheblich. Trotzdem seien hier einige Beispiele genannt:

In einem einfachen Fall wird die Kraft F über die Rückstellkraft des Gelenkstruktur 5j erzeugt, was insbesondere bei Festkörpergelenken einfach zu realisieren ist.

Alternativ kann die Kraft über die stationäre Basis 5a eingebracht werden, z.B. indem an dieser eine Federstruktur montiert ist, die auf den beweglichen Teil 5d der Kontakteinheit drückt. Dies ist vorzugsweise eine Kombination aus Schraube und Feder, so dass die Anpresskräfte gut eingestellt werden können. Bei einer ausreichend nachgiebigen Gelenkstruktur 5j führt dies dazu, dass der Vortriebsaktor 5c kaum einer Scherbelastung ausgesetzt ist, selbst, wenn die Materialabschnitte 5h kaum die Querbelastung aufnehmen sollten, was jedoch auch entsprechend entworfen werden kann.
In einer Abwandlung ist es ebenso möglich, dass die Kraft über den stationären Teil 5b der Kontakteinheit aufgebracht wird, was aufgrund der bevorzugten Ausführungsform anhand der 8 näher erläutert wird.
Vom Vortriebsaktor 5c wird die Reibfläche 5e parallel zu einer Bewegungsrichtung des zu positionierenden Objektes 5f bewegt (siehe Doppelpfeil in 5). Hier wird für den Vortriebsaktor 5c 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 üblichen Baugrößen bis zu einigen µm.
Wird die Reibfläche 5e gegen die Oberfläche des Objektes 5f mit der Kraft F gepresst, so ist es möglich das Objekt 5f gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantriebs anzutreiben, wobei dementsprechend im Betrieb der Antriebsvorrichtung die Reibfläche 5e nicht von der Oberfläche des Objekts 5f getrennt wird und daher ständig mit dem Objekt 5f 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.
Die Materialabschnitte 5h können auch die Funktion der Vorspannmechanik 5i übernehmen, wenn der stationäre Teil der Kontakteinheit 5b und der bewegliche Teil der Kontakteinheit 5d während des Einsetzens des Vortriebsaktors 5c auseinandergezogen werden.
Dehnen sich die Materialabschnitte 5h dabei nur im elastischen Bereich, so ziehen sich diese nach dem Auseinanderziehen wieder zusammen, so dass der Vortriebsaktor 5c eine Vorspannung erfährt. Bevorzugt wird jedoch der Einsatz einer Vorspannmechanik 5i, wie z.B. Keile, da mit diesen die Fertigungstoleranzen deutlich gröber ausfallen können.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 60 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ähnelt der Antriebsvorrichtung 50. Anstatt des im ersten Ausführungsbeispiels dargestellten Parallelogramms für die Gelenkstruktur 5j, wird in dem zweiten Ausführungsbeispiel die Gelenkstruktur 6j durch einen einfachen Biegebalken gebildet, was für eine einfache Fertigung erlaubt. Ansonsten sind die Funktion und der Aufbau der Antriebsvorrichtung 60 mit der Antriebsvorrichtung 50 identisch, so dass auf die obigen Ausführungen zu 5 verwiesen werden kann.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 70 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ähnelt wiederum der Antriebsvorrichtung 50. Der Unterschied liegt hier darin, dass die Strukturelemente 7b, 7j 7h und 7d nicht einteilig ausgeführt sind, während im ersten Ausführungsbeispiel die Strukturelemente (5b, 5j, 5h, 5d) einteilig vorgesehen sind. Ansonsten sind die Funktion und der Aufbau der Antriebsvorrichtung 70 mit der Antriebsvorrichtung 50 identisch, so dass ebenfalls auf die obigen Ausführungen zu 5 verwiesen werden kann.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 80 in der bevorzugten Ausführung.
Im Unterschied zur Antriebsvorrichtung 50 weist bei der Antriebsvorrichtung 80 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der stationäre Teil 8b der Kontakteinheit einen Ausleger auf, der ebenfalls stationär ist. Durch ein Gewinde kann die Schraube 8j geschraubt werden, die dann auf das Federgelenk 8k drückt, so dass die Kraft, die über den Steg 8m die Kraft auf den beweglichen Teil 8d der Kontakteinheit übertagen wird, fein eingestellt werden kann. Ansonsten sind die Funktion und der Aufbau der Antriebsvorrichtung 80 mit der Antriebsvorrichtung 50 identisch.
Anstatt den Ausleger als Teil der Kontakteinheit auszuführen, ist es aus möglich diesen als Bestandteil der Basis 8a umzusetzen, ohne dass sich etwas an der Umsetzung des erfinderischen Gedankens ändert.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 90.
Die Antriebsvorrichtung 90 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ähnelt der Antriebsvorrichtung 50. Der Unterschied liegt darin, dass die Gelenkstruktur 9j nicht als Bestandteil der Kontakteinheit dargestellt ist, sondern als Bestandteil der Basis 9a. Ansonsten sind die Funktion und der Aufbau der Antriebsvorrichtung 90 mit der Antriebsvorrichtung 50 identisch.
10 zeigt drei verschiedene Kontakteinheiten mit den Elementen stationärer Teil 5b, Gelenkstruktur 5j, Vorspannmechanik 5i (in Form von Keilen), den Materialabschnitten 5h (als Beispielen der Vorspannelemente), dem Vortriebsaktor 5c, dem beweglichen Teil 5d und der Reibfläche 5e. Jeder der Varianten a), b) und c) sind in der Seitenansicht (oben) und Draufsicht (unten) gezeigt.
Der Variante a) ist aus der Draufsicht zu entnehmen, dass die Materialabschnitte 5h sehr dünn ausfallen können. Ebenso ist zu erkennen, wie der Vortriebsaktor 5c zwischen den Materialabschnitten 5h angeordnet sein kann.
In der Variante b) ist gezeigt, dass die Reibfläche in dem beweglichen Teil 5d der Kontakteinheit versenkt werden kann.
In der Variante c) ist gezeigt, dass der beweglichen Teil 5d der Kontakteinheit materialsparend ausgeführt werden kann, mit dem Ziel die Resonanzfrequenz so hoch wie möglich zu bekommen.
11 zeigt zwei verschiedene Kontakteinheiten mit den Elementen stationärer Teil der Kontakteinheit, Gelenkstruktur, Vorspannmechanik, den Materialabschnitten 10aj, dem Vortriebsaktor, dem beweglichen Teil der Kontakteinheit und der Reibfläche. Beide Varianten a) und b) sind in der Seitenansicht (oben) und Draufsicht (unten) gezeigt.
In der Variante a) ist gezeigt, dass es möglich ist die Materialabschnitte 10aj, anders als in 10 a) leicht gebogen auszuführen, so dass diese bei der Vorspannung nicht nur auf Dehnung, sondern auch auf Biegung beansprucht werden. Es ist von Vorteil, wenn die Materialabschnitte 10aj im eingebauten und vorgespannten Zustand nahezu gerade gezogen sind. Prinzipiell ist es auch möglich, dass gebogene Materialabschnitte auch die Funktion der Vorspannmechanik übernehmen, wenn diese gebogenen Strukturen seitlich so mit einem Druck beaufschlagt werden, dass sich der stationäre Teil der Kontakteinheit und der bewegliche Teil der Kontakteinheit etwas voneinander entfernen. Wird dann der Aktor eingelegt und der seitliche Druck dann entfernt, so ist der Aktor vorgespannt, ohne dass es einer weiteren Vorspannmechanik bedarf.
In der Variante b) ist hinter der Gelenkstruktur ein stabiler Träger ausgebildet, der über ein Parallelogramm 10bj den beweglichen Teil der Kontakteinheit bei den kleinen Vor- und Zurückbewegungen führt. Das kann sinnvoll sein über eine solche Struktur eine Scherbelastung des Vortriebsaktors zu verhindern, wenn eine hohe Kraft nötig ist um die Gelenkstruktur auszulenken, bis die Reibflächen der Kontakteinheit das Objekt berührt.
12 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens.
Das nicht-resonante Antriebsverfahren 100 zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts relativ zu einer stationären Basis umfasst die Schritte der Befestigung 110 einer Kontakteinheit an der Basis, der Führung 120 des beweglichen Objekts gegenüber der Basis, so dass die Bewegung entlang der angestrebten Bewegungsrichtung möglich ist, des Anordnens 130 einer zur Kontakteinheit gehörenden Reibfläche in Reibkontakt mit einer Objektoberfläche des Objekts, wobei die Kontakteinheit über eine Gelenkstruktur beweglich gegenüber der Basis angeordnet ist und des Vorspannens 140 des mindestens einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor über zur Kontakteinheit gehörenden Materialabschnitte die elastisch gedehnt werden, zur permanenten Druckbelastung des Vortriebsaktors, wobei die Kraft für die Vorspannung von der Vorspannvorrichtung (Materialabschnitte + Vorspannmechanik) stammt und des Bereitstellens 150 einer Anpresskraft auf den beweglichen Teil der 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 160). Durchführung (170) der makroskopischen Bewegung gemäß dem Antriebsprinzip eines Trägheitsantriebs durch die Versorgung des Vortriebsaktors mit sägezahnähnlichen Spannungssignalen. 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.
Es ist möglich, dass die Wirkrichtung der zum Einsatz kommenden Federn durch eine mechanische Struktur umgelenkt wird, was sinnvoll sein kann, um Strukturen möglichst kompakt anzuordnen oder eine besonders gute Erreichbarkeit für die Einstellung einer Kraft zu ermöglichen.
Als Material für die federnden Strukturen eigenen sich sehr viele Materialien. Insbesondere sind Federmaterialien, wie Kupferberyllium, Federstahl, Federbonze, Messing und Titanlegierungen sehr gut geeignet. Hochinteressant ist insbesondere der Einsatz von metallischen Gläsern, da diese eine besonders hohe Dehnung erlauben. Selbstverständlich können auch Kunststoffe eingesetzt werden. Im eingeschränkten Maße lassen sich sogar Keramiken verwenden.
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 Basis als solche ortsfest ist, während das zu bewegende Objekt relativ zur Basis und damit auch absolut bewegt wird. Es muss jedoch verstanden werden, dass die Bewegung zwischen Basis und Objekt primär als die Relativbewegung zwischen diesen Elementen zu verstehen ist. Es ist ebenfalls möglich, dass die Bewegung zwischen Objekt und Basis sich als eine absolute Bewegung der Basis äußert, wobei dann das Objekt absolut gesehen ortsfest bleiben würde. Ebenso ist es möglich, dass die Relativbewegung zu einer jeweiligen Absolutbewegung von sowohl Basis als auch Objekt (in jeweils entgegengesetzter Richtung) führt. Die Antriebsvorrichtung als Ganzes kann beweglich angeordnet sein, z.B. indem diese auf einer weiteren Antriebsvorrichtung befestigt und mitbewegt wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht eine Antriebsvorrichtung zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts relativ zu einer stationären Basis mit einer an der Basis befestigten Kontakteinheit mit einer Reibfläche zur Kontaktierung mit einer Objektoberfläche des Objekts, einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche parallel oder tangential zu einer Bewegungsrichtung des Objekts, und einer Vorspannvorrichtung, die den Vortriebsaktor permanent mit einer Druckbelastung beaufschlagt, wobei die elastische Dehnung von Materialabschnitten der Vorspannvorrichtung für die permanente Druckbelastung des längenveränderlichen Vortriebsaktors ausgebildet ist und wobei der Vortriebsaktor zwischen den Materialabschnitten angeordnet ist, wobei zwischen dem Vortriebsaktor und der stationären Basis eine Gelenkstruktur angeordnet ist, welche eine Beweglichkeit des vom Vortriebsaktor vor- und zurückbewegten Teils der Kontakteinheit bei Einwirkung einer Anpresskraft einer Krafteinheit mit einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente erlaubt, und damit die Reibfläche an die Objektoberfläche presst, und einer Führungseinheit vor, die eine Bewegung des Objekts entlang der angestrebten Bewegungsrichtung erlaubt, wobei die Antriebsvorrichtung für eine im Betrieb dauerhafte Beibehaltung eines Reibkontakts zwischen der Reibfläche und der Objektoberfläche ausgestaltet ist.
Hierbei kann im Rahmen der Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Verbindung zwischen der Kontakteinheit mit der Basis lösbar, z.B. durch Schrauben oder Klemmen, ausgestaltet ist.
Ferner kann im Rahmen der Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Gelenkstruktur als Festkörpergelenk ausgeführt ist, vorzugsweise als Parallelogramm oder Biegebalken.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform jeweils vorgesehen sein, dass die Gelenkstruktur Teil der Kontakteinheit oder Teil der Basis ist.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Vorspannvorrichtung einteilig mit der Kontakteinheit ausgeführt ist.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Materialabschnitte der Vorspannvorrichtung auf Biegung und vorzugsweise auch auf Dehnung beansprucht werden.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Kontakteinheit oder die Basis mit einer federnden Struktur ausgestattet ist, über die die anpressende Kraft eingestellt wird, indem auf diese Feder mit einem Mittel, wie z.B. einer Schraube gedrückt wird.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Kontakteinheit eine stabile Struktur aufweist, die den Vortriebsaktor vor Scherbelastungen beim Aufbringen einer durch die Krafteinheit aufgebrachten Krafteinheit schützt.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Führungseinheit ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein Luftlager und/oder Festkörpergelenke zur Führung der Kontakteinheit aufweist.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass das Objekt ein Läufer der Antriebsvorrichtung ist, der mittelbar oder unmittelbar seine Bewegung an ein Zielobjekt weitergibt.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Kontakteinheit wenigstens zwei Vortriebsaktoren aufweist, die für Vor- und Zurückbewegungen der Reibfläche in zwei nicht-parallelen Bewegungsrichtungen entlang der Objektoberfläche ausgestaltet sind.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform jeweils ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Antriebsvorrichtung als Trägheitsantrieb oder als Mehraktorantrieb ausgestaltet ist.
Es kann im Rahmen der Ausführungsform ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Basis und die Kontakteinheit über lösbare, elektrische Kontakte verfügen, die bei der Befestigung der Kontakteinheit an der Basis in Verbindung treten, so dass der mindestens eine Vortriebsaktor der Kontakteinheit über diese Kontakte mit den zum Betrieben der Antriebsvorrichtung notwenigen Spannungssignale versorgt wird.
Entsprechend zur vorstehenden Ausführungsform und ihren Variationen umfasst eine Ausführungsform eines Verfahren zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts relativ zu einer stationären Basis, die Schritte des Befestigens einer Kontakteinheit an der Basis, des Führens des beweglichen Objekts gegenüber der Basis, so dass die Bewegung entlang der angestrebten Bewegungsrichtung möglich ist, des Anordnens einer Reibfläche einer Kontakteinheit in Reibkontakt mit einer Objektoberfläche des Objekts, wobei die Kontakteinheit über eine Gelenkstruktur beweglich gegenüber der Basis angeordnet ist, des Vorspannens des mindestens einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor über zur Kontakteinheit gehörenden Materialabschnitte die elastisch gedehnt werden, zur permanenten Druckbelastung des Vortriebsaktors, wobei die Kraft der Vorspannung von der Vorspannvorrichtung stammt, des Bereitstellens einer Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweist, des Bewegens der Reibfläche durch mindestens einen Vortriebsaktor parallel oder tangential zur Bewegungsrichtung unter dauerhafter Beibehaltung des Reibkontakts zwischen Reibfläche und Objektoberfläche, und der Durchführung der makroskopischen Bewegung gemäß dem Antriebsprinzip eines Trägheitsantriebs durch die Versorgung des Vortriebsaktors mit sägezahnähnlichen Spannungssignalen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 9819347 [0003]
DE 102012221892 A1 [0004]
EP 2678935 A1 [0005]
EP 0750356 A1 [0006]
WO 9319494 A1 [0006]
DE 102009013849 A1 [0006]
DE 102014205280 B3 [0012]

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 (50, 60, 70, 80, 90) zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) relativ zu einer Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a), mit: einer Gelenkstruktur (5j, 6j, 7j, 8j, 9j), einer Kontakteinheit, die über die Gelenkstruktur (5j, 6j, 7j, 8j, 9j) an der Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a) befestigt oder befestigbar ist, und einer Führungseinheit (5g, 6g, 7g, 8g, 9g), die eine Bewegung des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) entlang einer vorgegebenen Bewegungsrichtung erlaubt und eine Bewegung des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) in wenigstens einer anderen Richtung sperrt, wobei die Kontakteinheit umfasst: eine Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) zur Kontaktierung mit einer Objektoberfläche des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f), einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) über einen Hubbereich des Vortriebsaktors (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) parallel oder tangential zu einer Bewegungsrichtung des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f), und eine Vorspannvorrichtung für ein Druckbelasten des Vortriebsaktors (5c, 6c, 7c, 8c, 9c), mit wenigstens einem zum Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) mechanisch parallel geschalteten Vorspannelement (5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10aj) mit einem im Betrieb elastischen Verhalten über den Hubbereich des Vortriebsaktors (5c, 6c, 7c, 8c, 9c), wobei die Gelenkstruktur (5j, 6j, 7j, 8j, 9j) eine Beweglichkeit eines vom Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) vor- und zurückbewegten Teils der Kontakteinheit einschließlich der Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) bei Einwirkung einer zum Anpressen der Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) an die Objektoberfläche dienenden Anpresskraft (F) mit einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) gerichteten Komponente erlaubt, und wobei die Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) für eine im Betrieb dauerhafte Beibehaltung eines Reibkontakts zwischen der Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) und der Objektoberfläche ausgestaltet ist.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach Anspruch 1, wobei die Gelenkstruktur (5j, 6j, 7j, 8j, 9j) als Festkörpergelenk ausgeführt ist, vorzugsweise als Parallelogramm oder Biegebalken.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gelenkstruktur (5j, 6j, 7j, 8j, 9j) integral mit der Kontakteinheit oder integral mit der Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a) ausgeführt ist.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einen der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorspannelement (5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10aj) integral mit Abschnitten der Kontakteinheit ausgeführt ist, zwischen denen der Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorspannelement (5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10aj) im Betrieb auf Biegung und/oder auf Dehnung beansprucht wird.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorspannvorrichtung wenigstens zwei Vorspannelemente (5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10aj) aufweist, zwischen denen der Vortriebsaktor angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorspannelement (5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10aj) im Betrieb ein linear-elastisches Verhalten aufweist.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorspannelement (5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10aj) ein metallisches Glas umfasst oder daraus besteht, insbesondere eine amorphen Co-Fe-Ta-B-Mo-, Co-Fe-Ta-B-, Fe-Co-B-Si-Nb- oder Fe-Co-B-Si-Nb-Legierung.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Anpresseinheit, insbesondere in Form einer federnden Struktur an der Kontakteinheit oder der Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a), zum einstellbaren Einbringen der Anpresskraft (F).
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontakteinheit eine Schutzstruktur aufweist, die den Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) vor Scherbelastungen beim Aufbringen der Anpresskraft (F) schützt.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Führungseinheit (5g, 6g, 7g, 8g, 9g) ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein Luftlager und/oder Festkörpergelenke zur Führung des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) aufweist.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Objekt (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) ein Läufer der Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) ist, der mittelbar oder unmittelbar seine Bewegung an ein Zielobjekt weitergibt.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontakteinheit wenigstens zwei Vortriebsaktoren aufweist, die für Vor- und Zurückbewegungen der Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) in zwei nicht-parallelen Bewegungsrichtungen entlang der Objektoberfläche ausgestaltet sind.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) als Trägheitsantrieb oder als Mehraktorantrieb ausgestaltet ist.
Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontakteinheit lösbar an der Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a) befestigt oder befestigbar ist, und wobei die Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a) und die Kontakteinheit über lösbare, elektrische Kontakte verfügen, die bei der Befestigung der Kontakteinheit an der Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a) in Verbindung treten, so dass der Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) der Kontakteinheit über diese Kontakte mit den zum Betrieben der Antriebsvorrichtung (50, 60, 70, 80, 90) notwenigen Spannungssignalen versorgt werden kann.
Verfahren (100) zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positiionierung eines Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) relativ zu einer Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a), mit den Schritten: Vorsehen (120) eines Führens, das eine Bewegung des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) entlang einer vorgegebenen Bewegungsrichtung erlaubt und eine Bewegung des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) in wenigstens einer anderen Richtung sperrt, Anordnen (130) einer Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) einer Kontakteinheit in Reibkontakt mit einer Objektoberfläche des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f), wobei die Kontakteinheit über eine Gelenkstruktur (5j, 6j, 7j, 8j, 9j) beweglich gegenüber der Basis (5a, 6a, 7a, 8a, 9a) angeordnet ist, Vorspannen (140) mindestens eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktors (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) der Kontakteinheit mit wenigstens einem zum Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) mechanisch parallel geschalteten Vorspannelement (5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10aj), das den Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) druckbelastest, Bereitstellen (150) einer Anpresskraft (F) auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft (F) eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts (5f, 6f, 7f, 8f, 9f) gerichtete Komponente aufweist, Bewegen (160) der Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) durch den Vortriebsaktor (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) parallel oder tangential zur Bewegungsrichtung unter dauerhafter Beibehaltung des Reibkontakts zwischen Reibfläche (5e, 6e, 7e, 8e, 9e) und Objektoberfläche über einen Hubbereich des Vortriebsaktors (5c, 6c, 7c, 8c, 9c), Durchführung (170) der makroskopischen Bewegung gemäß dem Antriebsprinzip eines Trägheitsantriebs, wobei das Vorspannelement (5h, 6h, 7h, 8h, 9h, 10aj) über den Hubbereich des Vortriebsaktors (5c, 6c, 7c, 8c, 9c) ein elastisches Verhalten zeigt.