DE102020118300A1

DE102020118300A1 - Trägheitsantrieb und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102020118300A1
Application number: DE102020118300.3A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Eike Oliver Schäfer-Nolte
Original assignee: SMARACT HOLDING GmbH
Current assignee: SMARACT HOLDING GmbH
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Trägheitsantrieben. Um eine Lösung vorzustellen, die trotz einer führungslosen Bauweise zu einem haltbaren und robusten Antrieb führen wird ein Aufbau und ein Verfahren vorgestellt, bei dem über die Einbringung mindestens eines Gelenks von der Bewegungsrichtung des mindestens einen Aktuators abweichende Kräfte von dem mindestens einen Aktuatoren ferngehalten wird, so dass der Aktuator nicht aufgrund der mikroskopischen, von der Aktuatorbewegung abweichenden Relativbewegung zwischen Vibrationseinheit und stationärer Basis Schaden nimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Antrieben und bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts und ein entsprechendes Antriebsverfahren, insbesondere auf einen Antrieb für eine Trägheitsantriebsvorrichtung zum direkten Antreiben eines makroskopisch zu bewegenden Objekts.
Solche Antriebe werden in diversen Fällen zum hochpräzisen Positionieren von Objekten herangezogen, wobei häufig ausgenutzt wird, dass diese Antriebe sehr kompakt bauen können (also mit geringem Platzbedarf realisiert werden können), die Position des Objekts auch im stromlosen Zustand halten können und auch unter extremen Umweltbedingungen, wie z.B. im Vakuum, bei Anwesenheit von starken und/oder fluktuierenden Magnetfeldern und/oder bei extrem niedrigen Temperaturen, wie z.B. bei kryogenen Anwendungen, eingesetzt werden können.
Es ist bekannt, Trägheitsantriebe, z.B. Piezo-Stick-Slip-Antriebe, mit elektrischen Signalen zu versorgen, um ein zu positionierendes Objekt mit einer hohen Bewegungsauflösung zu bewegen bzw. mit einer hohen Positionierauflösung zu positionieren. Solche Antriebe sind z.B. aus DE 10 2016 213 596 B4 , EP 2 084 758 B1 und DE 10 2013 201 604 B4 bekannt.
Ebenfalls zu den Trägheitsantrieben gehören Antriebe, die Resonanzeffekte im Antrieb ausnutzen, aber anders als herkömmliche Ultraschallantriebe einen permanenten Reibkontakt zwischen dem anzutreibenden Objekt und einem antreibenden Reibkörper aufweisen. In der Regel werden bei dieser Art der Antriebe Eigenschwingungen überlagert, die durch eine Überlagerung von Sinussignalen der Ansteuerung erzielt werden, wobei anstatt von Sinussignalen auch andere Kurvenformen gewählt werden können. Beispielhafte Ausführungen sind z.B. aus „A miniaturized resonant-type smooth impact drive mechanism actuator‟ von T. Morita et al. (Sensors and Actuators A: Physical 178 (2012), S. 188-192) und „„Multi-degree-of-freedom ultrasonic motors for mass-consumer devices‟ von R. Banseviciusund V. Blechertas (Journal of Electroceramics 20 (2008), No. 3, S. 221-224) bekannt.
Häufig werden die makroskopisch zu bewegenden Objekte der Trägheitsantriebe über mechanische Führungen gegenüber der Basis des Antriebs geführt. Eine leistungsfähige Variante wird in EP 2 916 450 B1 vorgestellt.
Es kann jedoch von Vorteil sein, auf eine solche mechanische Führung des makroskopisch zu bewegenden Objekts gegenüber der stationären Basis zu verzichten, z.B. um den Aufbau der Antriebs- bzw. Positioniervorrichtung möglichst einfach zu halten oder um mit dem Trägheitsantrieb nicht gegen die Stellkräfte der Führung arbeiten zu müssen. Im Folgenden werden solche Trägheitsantriebe „führungslos“ genannt, wobei dieser Begriff mit Blick darauf zu verstehen ist, dass über einen Kontakt des zu bewegenden Objekts mit dem Antrieb selbst keine weitere, zusätzliche Führung vorgesehen ist.
In der Regel wird bei den führungslosen Antrieben ein zu positionierendes Objekt mittels federnder Strukturen in einen definierten Reibkontakt mit einem durch den Aktor in geeignete Vibrationen versetzen, ein- oder mehrteiligen Objekt (im Folgenden Vibrationseinheit genannt) gebracht. Ein Beispiel für einen führungslosen Antrieb wird in „A vertical piezoelectric inertial slider‟ von C. Renner et. al. (Review of Scientific Instruments, Vol. 61 (1990), No. 3, S. 965-967) gezeigt. Hier läuft das zu bewegende Objekt auf zwei, parallel zueinander ausgerichteten Stangen, wobei das Bewegungselement, d.h. die Vibrationseinheit, rinnenförmige Aufnahmen in Form einer V-förmigen Nut ausbildet, entlang der die Stangen entlang der Vibrationseinheit gleiten. Diesem Prinzip entsprechend ist auch der Linearantrieb aus DE 10 2018 217 709 A1 aufgebaut.
Schon in einer der ersten Publikationen zu Trägheitsantrieben ist eine solche führungslose Antriebsvorrichtung gezeigt worden. Die entsprechende Ausführung aus „Dynamic piezoelectric translation devices‟ von D.W. Pohl (Review of Scientific Instruments, Vol. 58 (1987), No. 1, S. 54-57) zeigt den Aufbau einer solchen Vorrichtung. Die Bewegungen des piezoelektrischen Aktuators werden über die Vibrationseinheit mit Hilfe von Reibflächen auf ein zu positionierendes Objekt, die „translation stage“, übertragen, welches ununterbrochen im Reibkontakt mit den Reibflächen der Vibrationseinheit steht. Hervorzuheben ist, dass der piezoelektrische Aktuator vor externen Kräften, die von der Bewegungsrichtung der „translation stage“ abweichen, geschützt wird, indem Festkörpergelenke in Form von dünnen, in Bewegungsrichtung des Aktors beweglichen Platten eingesetzt werden.
Es wurden auch diverse Trägheitsantriebe ohne einen solchen Schutz des piezoelektrischen Aktuators vor Querkräften vorgestellt, z.B. in EP 0 823 738 B1 . Diesen Antrieben ist jedoch gemein, dass diese sehr empfindlich auf externe Kräfte sind und entsprechend häufig Schaden nehmen. In DE 10 2005 026 708 B4 und US 7,579,752 B2 wird der Nachteil durch die Einführung des zuvor aus der oben genannten Publikation „Dynamic piezoelectric translation devices“ von D.W. Pohl bekannten flexiblen Gelenks gelöst. In allen Fällen erlaubt das zum Schutz des piezoelektrischen Aktuators eingesetzte flexible Gelenk eine Bewegung in Richtung des piezoelektrischen Aktuators (da sonst keine Kraftübertragung von Aktuator möglich wäre), sperrt aber die anderen Bewegungsrichtungen.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass solche Antriebe noch immer sehr empfindlich sind, was sich in Mikrorissen und Kurzschlüssen im piezoelektrischen Aktuator zeigt. Das geschieht sowohl, wenn externe Kräfte einwirken (wenn auch durch die obigen Maßnahmen ein gewisser Schutz für den Aktuator gegeben ist), aber auch, wenn es zu großen Temperaturänderungen oder gar Temperaturgradienten innerhalb des Antriebs kommt, welche insbesondere bei kryogenen Anwendungen zu erwarten sind.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, einen führungslosen und dennoch mechanisch robusten Trägheitsantrieb zu realisieren, der auch bei großen Temperaturänderungen und bei Einwirkung von Querkräften keinen Schaden nimmt. Darüber hinaus soll damit ein einfacher und damit kostengünstiger Aufbau möglich sein.
Es ist daher gewünscht, eine Lösung für einen Trägheitsantrieb vorzustellen, die die Haltbarkeit des Trägheitsantriebs auch bei stark beanspruchenden bzw. herausfordernden Bedingungen verbessert.
Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt eine Trägheitsantriebsvorrichtung zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, nämlich mit einer Vibrationseinheit, die für einen Reibkontakt mit dem Objekt und für eine Führung des Objekts ausgestaltet ist, einer Basis und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator, der mit der Vibrationseinheit und der Basis zur Bewirkung einer Relativbewegung zwischen der Vibrationseinheit und der Basis entlang einer ersten Richtung gekoppelt ist, wobei die Trägheitsantriebsvorrichtung mit einem Gelenk, das den Aktuator mit der Basis oder der Vibrationseinheit entlang der ersten Richtung koppelt und das entlang mindestens einer zweiten Richtung einen Gelenkfreiheitsgrad aufweist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, so ausgestaltet ist, dass der Aktuator eine Relativbewegung zwischen der Basis und der Vibrationseinheit entlang mindestens der zweiten Richtung nicht oder nur reduziert erfährt.
Da die Trägheitsantriebsvorrichtung mit einem Gelenk, das den Aktuator mit der Basis oder der Vibrationseinheit entlang der ersten Richtung koppelt und das entlang mindestens einer zweiten Richtung einen Gelenkfreiheitsgrad aufweist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, so ausgestaltet ist, dass der Aktuator eine Relativbewegung zwischen der Basis und der Vibrationseinheit entlang mindestens der zweiten Richtung nicht oder nur reduziert erfährt, wird eine Kraft von dem Aktuator entlang einer Relativbewegung auf die Vibrationseinheit übertragen und Kräfte, die an der Vibrationseinheit bzw. zwischen der Vibrationseinheit und der Basis nicht entlang der Relativbewegung wirken, nicht oder nur reduziert auf den Aktuator übertragen. Dadurch, dass die Kräfte, die nicht entlang der Relativbewegung auf den Aktuator wirken, reduziert werden, wird der Aktuator in Richtungen, die nicht der Relativbewegung entsprechen, weniger beansprucht. Dadurch ist die Vorrichtung auch in Umgebungen einsetzbar, in denen möglicherweise vermehrt Kräfte auftreten, die nicht entlang der Relativbewegung des Aktuators wirken, z.B. durch in Umgebungen mit starken Temperaturänderungen, die zu einer Ausdehnung oder einem Zusammenziehen der Antriebsvorrichtung der Basis und des Aktuators führen können. Durch die Reduzierung der Kräfte, die nicht entlang der Relativbewegung des Aktuators auf den Aktuator wirken, wird demnach die Haltbarkeit des Trägheitsantriebs bei stark beanspruchenden Bedingungen verbessert.
Die Vibrationseinheit kann unabhängig vom erfinderischen Gedanken sehr vielfältig gestaltet sein. So ist es z.B. möglich zwei Stangen nebeneinander anzuordnen. Durch eine geeignete Strukturierung des zu bewegenden Objekts kann dieses auf den Stangen entlang der gewünschten Richtung gleiten und dabei die anderen Bewegungsrichtungen sperren.
Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, wie es in Anspruch 14 definiert ist, nämlich mit den Schritten des Herstellens eines Reibkontakts zwischen dem Objekt und einer Vibrationseinheit einer Trägheitsantriebsvorrichtung und des Ansteuern eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators der Trägheitsantriebsvorrichtung, der mit der Vibrationseinheit und einer Basis der Trägheitsantriebsvorrichtung gekoppelt ist, wobei mit dem Ansteuern eine Relativbewegung zwischen der Vibrationseinheit und der Basis entlang einer ersten Richtung bewirkt wird, wobei das Objekt durch die Vibrationseinheit geführt wird, wobei der Aktuator infolge eines Gelenks, das den Aktuator mit der Basis oder der Vibrationseinheit entlang der ersten Richtung koppelt und das entlang mindestens einer zweiten Richtung einen Gelenkfreiheitsgrad aufweist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, eine Relativbewegung zwischen der Basis und der Vibrationseinheit entlang mindestens der zweiten Richtung nicht oder nur reduziert erfährt.
Die Trägheitsantriebsvorrichtung kann dabei mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator, der eine Vibrationseinheit entlang einer ersten Richtung bewegt (etwa zur Schwingung anregt), ausgestaltet sein, wobei vorgesehen ist, dass zwischen der Vibrationseinheit und dem Aktuator, oder dem Aktuator und der Basis ein Gelenk eingebracht ist, welches in mindestens einer von der ersten Richtung des Aktuators abweichenden Richtung nachgiebig ist und somit den Aktuator vor einer Überlast schützt.
Die erfindungsgemäße Trägheitsantriebsvorrichtung kann mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator ausgestaltet sein, der unter Verwendung mindestens eines Gelenks mit einem von der ersten Richtung, d.h. der Bewegungsrichtung des Aktuators, abweichenden Freiheitsgrad vor einer übermäßigen Belastung geschützt wird. Dabei kann die Vibrationseinheit mit Hilfe von Lagern, wie z.B. Festkörpergelenken, gehalten werden und vorgeben, welche Bewegung durch das zu positionierende Objekt durchgeführt wird.
Ein Teil des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung findet sich in den folgenden Überlegungen.
Aktuatoren in führungslosen Trägheitsantrieben weisen häufig Defekte auf, auch wenn diese, z.B. über Blattfedern vor Kräften geschützt werden sollen, die von der Bewegungsrichtung der Aktoren abweichen.
Es wurde gefunden, dass überraschenderweise solche Defekte nicht mehr auftreten, wenn mindestens ein Gelenk eingebracht wird, das ein Ausweichen der Vibrationseinheit gegenüber der Basis, abweichend von der Bewegungsrichtung des Aktuators erlaubt, ohne dass dabei der Aktuator belastet wird, indem das wenigstens eine Gelenk ein in mindestens einer von der Bewegungsrichtung des Aktuators abweichenden Richtung nachgiebig ist.
Dieses Gelenk kann dazu beitragen, dass bei einer von der Bewegungsrichtung des Aktuators abweichenden Relativbewegung zwischen der Basis und der Vibrationseinheit der Aktuator vor mikroskopischen Dreh- und/oder Scherbelastungen geschützt wird. Solche Relativbewegungen können auftreten, z.B., wenn sich eine Antriebsvorrichtung für eine kryogene Anwendung ungleichmäßig abkühlt und es damit zu ungewollten und schwer vorhersehbaren Relativbewegungen zwischen der Basis und der Vibrationseinheit kommt. Ebenso können Kräfte, die von der Bewegungsrichtung des Aktuators abweichen, die Vibrationseinheit gegenüber der Basis auch dann mikroskopisch verschieben, wenn diese durch Festkörpergelenke geführt sind, da die Steifigkeit der Festkörpergelenke in den Sperrrichtungen nur begrenzt ist. Solch eine mikroskopische Verschiebung wird in der Regel selbst bei groß bauenden Trägheitsantrieben unter einem Millimeter liegen. In vielen Trägheitsantrieben wird die mikroskopische Relativbewegung im Bereich von Mikrometern liegen. Auch Relativbewegungen deutlich darunter sind noch vorstellbar.
Die Erfindung erlaubt eine robuste Trägheitsantriebsvorrichtung zu realisieren, ohne dass das zu positionierende Objekt über eine mechanische Führung gegenüber der stationären Basis geführt werden muss. Eine solche Trägheitsantriebsvorrichtung kann einfach gefertigt werden und kann eine sehr kompakte Bauweise aufweisen, die insbesondere für kryogene Anwendungen von Vorteil ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst das Gelenk ein Festkörpergelenk und/oder ein Schubgelenk und/oder ein Kugelgelenk. Dabei kann das Gelenk zwischen dem Aktuator und der Vibrationseinheit, und/oder zwischen der stationären Basis und dem Aktuator angeordnet sein.
Die Gelenke können auf beiden Seiten des Aktuators angeordnet sein, also einerseits zwischen der stationären Basis und dem Aktuator und anderseits zwischen dem Aktuator und der Vibrationseinheit. Bei einer solchen Anordnung können die Gelenkfreiheitsgrade der vorgesehenen Gelenke auch unterschiedlich sein: Bei einer vom Aktuator entlang der Z-Richtung bewirkten Relativbewegung kann ein Gelenk (s)einen Gelenkfreiheitsgrad entlang der X-Richtung aufweisen, während das andere (s)einen Gelenkfreiheitsgrad entlang der Y-Richtung aufweist.
Soweit eine Kombination von mehreren in Serie geschalteten Aktuatoren vorgesehen ist, kann das Gelenk auch zwischen zwei solcher in Serie geschalteten Aktuatoren angeordnet sein (von denen dann einer durchaus auch fest mit der Basis und der andere fest mit der Vibrationseinheit verbunden sein kann).
Wenn das Gelenk als Festkörpergelenk ausgeführt ist, z.B. in einer Stangenform, oder durch einen gegenüber dem Aktuator ausgedünnten Bereich, z.B. mittels Kerben, so ist eine eingeschränkte laterale Verschiebung und/oder Verkippung der Vibrationseinheit gegenüber der stationären Basis möglich ist, ohne dass der dazwischenliegende Aktuator dabei übermäßig auf Scherung oder Torsion beansprucht wird.
Wenn das Gelenk, das auch als Trennung angesehen werden kann, als Kugelgelenk ausgeführt ist, kann an dem Aktuator eine Kugel oder vorzugsweise eine Halbkugel befestigt sein, die sich je nach Anordnung gegen die Vibrationseinheit oder die Basis stützt. Solche Kugeln oder Halbkugeln lassen sich auch auf beiden Seiten des Aktuators befestigen und diese Konstruktion zwischen die Vibrationseinheit und der stationären Basis anordnen. Alternativ kann die Kugel oder die Halbkugel auch an der Vibrationseinheit oder der Basis befestigt sein, die sich dann gegen den Aktuator stützt.
Selbstverständlich lassen sich die verschiedenen Gelenke auch beliebig miteinander kombinieren.
Prinzipiell ist es für alle Anordnungen unerheblich, ob ein oder mehrere Aktuatoren parallel eingesetzt werden. Jedoch ist es kostengünstiger, wenn nur ein Aktuator zum Einsatz kommt, da weniger Ausrichtarbeit und weniger Aktuatormaterial eingesetzt werden muss.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist das Gelenk mit der Vibrationseinheit oder der Basis einteilig ausgeführt. Dies kann für eine günstige Fertigung von Vorteil sein. Jedoch ist auch eine mehrteilige Fertigung ohne weiteres möglich.
Für den Aspekt der eigentlichen Funktion des Gelenks, nämlich die Kopplung von Basis und Vibrationseinheit zur Bewegung entlang der ersten Richtung, ist es ausreichend dass das Gelenk so ausgelegt ist, dass das Gelenk den für den Trägheitsantrieb notwendigen Impuls übertragen kann, um eine für das Abgleiten des zu positionierenden Objekts notwendige Beschleunigung zu erzielen. Solange dieser Funktionsaspekt erfüllt ist, bestehen volle Freiheiten in der Ausgestaltung des Gelenks, um den Aktuator davon abzuhalten, eine Relativbewegung zwischen der Basis und der Vibrationseinheit überhaupt oder unvermindert zu erfahren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist das Gelenk, das den Aktuator mit der Basis oder der Vibrationseinheit entlang der ersten Richtung koppelt, dadurch gebildet, dass der Aktuator im Betrieb an der Basis und/oder der Vibrationseinheit zur Bewirkung der Relativbewegung an einem Kontakt anliegt, ohne mit der Basis bzw. der Vibrationseinheit verbunden zu sein, wobei am Kontakt eine Reibungskraft anliegt, die kleiner ist als ein vorbestimmter Toleranzscherkraftwert des Aktuators, und die Trägheitsantriebsvorrichtung ferner eine Rückstelleinheit aufweist, die mit der Vibrationseinheit und der Basis zur Bewirkung einer der Aktuatorwirkung entgegengesetzten Relativbewegung gekoppelt ist. Dabei gibt ein Scherkraftwert einen Wert für eine Scherkraft an, die auf den Aktuator wirken kann. Der vorbestimmte Toleranzscherkraftwert des Aktuators kann als maximaler Toleranzscherkraftwert definiert sein, bei dem die Kopplung des Aktuators mit der Basis und/oder der Vibrationseinheit maximal ist, d.h. bei der eine maximale Kraft vom Aktuator auf die Vibrationseinheit übertragen wird. Alternativ kann der vorbestimmte Toleranzscherkraftwert des Aktuators als minimaler Toleranzscherkraftwert definiert sein, bei dem eine minimale Scherkraft auf den Aktuator wirkt. Der vorbestimmte Toleranzscherkraftwert kann auch über eine Abweichung, d.h. eine Differenz, einer maximal möglichen Kraft, die vom Aktuator auf die Vibrationseinheit übertragen werden kann, und einer minimalen Scherkraft, die auf den Aktuator wirkt, definiert sein. Ergänzend oder alternativ kann der vorbestimmte Toleranzscherkraftwert über eine Minimierung der Abweichung der maximal möglichen Kraft und der minimal möglichen Scherkraft definiert sein. Die Rückstelleinheit ist so ausgelegt, dass sie mindestens eine Kraft entlang einer ersten Richtung in Richtung des Aktuators auf die Vibrationseinheit oder die Vibrationseinheit mit dem Aktuator übertragen kann, die benötigt wird, um die Vibrationseinheit in Kontakt mit dem Aktuator oder die Vibrationseinheit mit dem Aktuator in Kontakt mit der Basis zu bringen, sodass der Scherkraftwert, der die durch den Kontakt auf den Aktuator bewirkte Scherkraft beschreibt, dem Toleranzscherkraftswert des Aktuators entspricht. Die Rückstelleinheit kann weiter ausgelegt sein, zeitlich versetzt zu dem Aktuator auf die Vibrationseinheit oder die Vibrationseinheit mit dem Aktuator zu wirken, wobei dieser zeitliche Versatz beispielsweise damit gegeben ist, dass die Rückstelleinheit ebenfalls einen Aktuator aufweist, so dass sich jeweils einer der zwei einander gegenüberliegenden Aktuatoren ausdehnt und der andere zusammenzieht.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung weist die Rückstelleinheit eine Feder und/oder einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator auf. Im Fall einer Feder wird wenigstens ein Teil der Kraft, die durch den Aktuator auf die Vibrationseinheit übertragen wird, auf die Feder in Form einer Spannkraft der Feder übertragen. Dabei sollte eine Federkonstante der Feder so gewählt sein, dass die Vibrationseinheit eine bestimmte Position entlang der ersten Richtung erreichen kann, wobei die Federkonstante der Feder weiter so gewählt sein sollte, dass die Vibrationseinheit eine zweite bestimmte Position entlang der ersten Richtung erreichen kann, die der Position entspricht, in der die Vibrationseinheit mit dem Aktuator in Kontakt anliegt. Im Fall eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators als Rückstelleinheit, der einem zweiten Aktuator entspricht, sollte der zweite Aktuator so angesteuert werden, dass er zeitversetzt zum ersten Aktuator eine Relativbewegung entlang der ersten Richtung der Vibrationseinheit bewirkt.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Vorrichtung eine Vorspanneinheit auf, die ausgelegt ist, den Aktuator zwischen der Basis und der Vibrationseinheit vorzuspannen, um den Aktuator gegenüber einer Zugbelastung zu schützen. Die Vorspanneinheit kann so ausgelegt sein, dass der Aktuator möglichst nie auf Zug belastet wird. Das ist insbesondere bei piezoelektrischen Multilayer-Aktuatoren von Vorteil.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung weist die Vorspanneinheit eine Feder und/oder ein Festkörpergelenk auf. Im Fall einer Federkann die Feder einteilig mit der der Vibrationseinheit und/oder der stationären Basis ausgeführt sein. Im Fall, wenn die Vibrationseinheit über Festkörpergelenke gegenüber der Basis gelagert ist, kann die Vorspanneinheit durch diese Festkörpergelenke realisiert werden. Insbesondere dienen Rückstellkräfte dieser Festkörpergelenke als Vorspannkräfte, so dass es nicht nötig ist weitere vorspannende Federn einzusetzen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind der Aktuator, das Gelenk, die Rückstelleinheit bzw. die Vorspanneinheit innerhalb eines durch den Reibkontakt bestimmten Bereichs angeordnet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, eine möglichst kompakte Ausführungsform der Trägheitsantriebsvorrichtung zu erhalten. Alternativ kann der Aktuator, das Gelenk, die Rückstelleinheit und/oder die Vorspanneinheit auch außerhalb des durch den Reibkontakt bestimmten Bereichs liegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Vibrationseinheit gegenüber der Basis gelagert, insbesondere mit wenigstens einem Festkörpergelenk und/oder wenigstens einem Gleitlager und/oder wenigstens einem Wälzlager. Vorzugsweise ist die Vibrationseinheit so gelagert, dass diese Lagerung die Bewegung in Richtung des zu bewegenden Objektes zulässt aber die übrigen Freiheitsgrade sperrt. Eine solche Lagerung kann durch Festkörpergelenke realisiert werden oder auch durch andere Lagerungstechniken, wie z.B. Gleitlager oder Wälzlager. So können über die Lagerung lineare und rotatorische Bewegungen vorgesehen werden. Wenn mit Festkörpergelenken gearbeitet wird, können diese als separate Bauteile ausgeführt sein oder auch als integraler Bestandteil der Basis, der Vibrationseinheit oder von beiden.Das zu bewegende Objekt gleitet auf den Reibflächen der Vibrationseinheit. Die Vibrationseinheit kann z.B. parallelangeordnete Stangen aufweisen, die Reibflächen aufweisen. Alternativ zu parallel ausgerichteten Stangen kann auch eine prismatische Struktur in der Vibrationseinheit verwendet werden, so dass ungewollte Bewegungen des zu bewegenden Objekts auf den Reibflächen der Vibrationseinheit verhindert werden. Dafür bieten sich Strukturen mit viereckigen und insbesondere mit dreieckigen Querschnitten an. Je nach Form der Reibflächen kann so das zu bewegende Objekt linear oder rotatorisch bewegt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Vibrationseinheit eine Halteeinheit auf, die ausgelegt ist, das Objekt im Reibkontakt zu halten. Vorteilhaft ist es, wenn die Vibrationseinheit Stangen aufweist, und das zu positionierende Objekt dabei z.B. über eine Federeinheit auf die Stangen im Reibkontakt gehalten wird, so dass sich eine definierte Reibkraft ergibt.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung weist die Halteeinheit wenigstens eine Feder, wenigstens eine Schraube und/oder wenigstens ein Keil auf.
In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist eine Kraft, mit der die Halteeinheit das Objekt im Betrieb im Reibkontakt hält, einstellbar. Das bedeutet, dass die Kraft nachträglich einstellbar gestaltet ist, z.B. durch den Einsatz von Schrauben. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung sind Vorrichtungen ausgebildet eine Einstellbarkeit einer exakten Reibungskraft zwischen den Reibflächen einzustellen. Hier bietet sich insbesondere eine Kombination aus Schrauben und Federn, bzw. federnden Strukturen an.
Grundsätzlich gleiten die in Reibkontakt stehenden Reibflächen aufeinander ab. Daher spielt die Materialkombination eine Rolle. So können z.B. weitere Reibflächen am zu positionierenden Objekt montiert sein und Festkörpergelenke, die die Vibrationseinheit umfasst, oder federnde Elemente aus einem anderen Material hergestellt werden als die mit den Reibflächen der Vibrationseinheit in Kontakt stehenden weiteren Reibflächen. So kann die Vibrationseinheit, d.h. z.B. die Stangen, und beispielsweise das zu bewegende Objekt z.B. aus Stahl, Aluminium, Wolfram, Titan, Kupfer oder Beryllium bestehen und die Reibflächen können z.B. aus keramikähnlichen Materialien bestehen. Auch beliebig andere Materialien sind bekannt und denkbar, wie z.B. Kupfer, Bronze, Gold, gefüllte oder ungefüllte Epoxide, etc. Am weitesten verbreitet ist, wenn die Reibflächen der Vibrationseinheit und die weiteren Reibflächen des Objekts jaus Keramik sind. Eine Kombination von Reibflächen der Vibrationseinheit und der weiteren Reibflächen des Objekts, d.h. einem Reibepaar, aus jeweils verschiedenen Materialien ist aus dem Stand der Technik ebenso bekannt. So werden in US 6,592,591 B2 verschiedene Kombinationen an Materialien, die als Reibpaare für die Reibflächen eines Trägheitsantriebs möglich sind vorgestellt, inklusive einer Kombination aus Keramik und einer dünnen Schicht aus Gold und alternativ auch der Kombination aus Keramik auf Keramik.
Der Aktuator kann, unabhängig von der Ausführungsform monolithisch, d.h. aus einem Stück bestehend, oder als Stapelaktuator ausgeführt sein. Die Erfindung ist zudem nicht darauf beschränkt, dass der Aktuator als solcher einteilig ausgestaltet ist, da der Aktuator auch aus mehreren parallel geschalteten Teilaktuatoren bestehen kann.
Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterungen und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt

1 eine schematische Darstellung zur Illustration eines führungslosen Trägheitsantriebs gemäß dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung zur Illustration des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung,
3 eine schematische Darstellung zur Illustration eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung,
4 eine schematische Darstellung zur Illustration eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung,
5 eine schematische Darstellung zur Illustration eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung,
6 eine schematische Darstellung zur Illustration eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung,
7 eine schematische Darstellung zur Illustration eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung,
8 schematische Darstellungen zur Illustration von Reibkontakten der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtungen,
9 eine schematische Darstellung zur Illustration eines siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung in Form eines rotatorischen Antriebs,
10 eine schematische Darstellung zur Illustration eines achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung,
11 schematische Darstellungen zur Illustration eines neunten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung in zwei verschiedenen Zuständen,
12 schematische Darstellung zur Illustration eines zehnten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung,
13 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionierung eines Objekts.

In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind. Hierbei wird zudem auf Wiederholungen entsprechender Beschreibungen oder Erläuterungen verzichtet, da der Fachmann erkennt, dass die Beschreibungen oder Erläuterungen zu einer oder mehreren vorherigen Ausführungsbeispielen auch hier zutreffen.
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration einer führungslosen Trägheitsantriebsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
Die Trägheitsantriebsvorrichtung 1 weist einen Aktuator 1a auf. Der Aktuator 1a ist auf einer Seite an einer Basis 1b befestigt. Mit der beweglichen Seite ist der Aktuator 1a mit einer Vibrationseinheit 1e, 1f befestigt und kann diese mit den für Trägheitsantriebe typischen abwechselnden hohen und geringen Beschleunigungen gezielt zum Vibrieren anregen. Ein typischer Aufbau der Vibrationseinheit weist Reibflächen auf, in diesem Ausführungsbeispiel sind die Reibflächen an zwei Stangen 1e, 1f realisiert, die die Vibrationseinheit bilden und über Komponenten 1c, 1d relativ zueinander fixiert sind. Zum Schutz des Aktuators 1a vor externen Kräften und Momenten, die von der Bewegungsrichtung des Aktuators 1a abweichen, werden Festkörpergelenke eingesetzt, wie in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Ausdünnung der Komponenten 1c, 1d. Diese Festkörpergelenke erlauben die Bewegung des Aktuators 1a entlang einer ersten Richtung, d.h. entlang der Bewegungsrichtung des Aktuators, sperren aber so gut wie möglich Freiheitsgrade in andere Richtungen. Die Bewegungsrichtung des Aktuators 1a ist entlang des Doppelpfeils anzusehen, welche auch die Bewegungsrichtung eines von der Trägheitsantriebsvorrichtung 1 anzutreibenden Objekts 1g ist. Das anzutreibende Objekt 1g steht, wie für Trägheitsantriebe typisch, in Reibkontakt mit den Reibflächen der Vibrationseinheit 1e, 1f. Häufig werden die Reibkräfte über hier nicht dargestellte mechanische Federn eingestellt.
Hier sei angemerkt, dass selbstverständlich auch das Objekt 1g stationär gehalten werden kann, wobei dann die Trägheitsantriebsvorrichtung als beweglich zu betrachten ist. Das gilt entsprechend auch für alle folgenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele und das erfindungsgemäße Verfahren.
2 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung. Das anzutreibende Objekt 2g wird relativ zur Basis 2b bewegt. Anders als im Stand der Technik, wie er in 1 dargestellt ist, wird nicht versucht, durch eine hohe Steifigkeit der flexiblen Gelenke 2c, 2d der Vibrationseinheit 2e, 2f externe Kräfte und Momente vollständig aufzunehmen und damit den Aktuator 2a zu schützen. Die Gelenke 2c, 2d dienen vielmehr dazu, die Bewegungsrichtung der Vibrationseinheit 2e, 2f gegenüber der Basis 2b vorzugeben. Verbleibende, von der vorgesehenen Bewegungsrichtung (entlang des Doppelpfeils) abweichende Relativbewegungen (in der Regel mikroskopisch) werden von einem zusätzlichen Gelenk 2h aufgenommen, welches in mindestens einer von der Bewegungsrichtung des Aktuators 2a abweichenden Richtung elastisch ausgeführt ist, so dass diese mikroskopischen Bewegungen nicht im vollen Umfang bis an den empfindlichen Aktuator 2a kommen und diesen somit nicht übermäßig scheren und/oder tordieren können. Solche auf den Aktuator 2a wirkenden Kräfte und Momente treten auf, da die flexiblen Gelenke 2c, 2d der Vibrationseinheit 2e, 2f auch in abweichender Richtung der gewünschten Bewegung nur begrenzt steif sind, so dass es bei extern einwirkenden Kräften immer zu mikroskopischen Verschiebungen kommt, welche den Aktuator 2a beschädigen können. Die Einführung des Gelenks 2h reduziert oder unterbindet entsprechend die ungewollte Last auf den Aktuator 2a. Ganz ähnlich wird der Aktuator 2a im Fall von kryogenen Anwendungen geschützt. Insbesondere während einer Abkühlung wandert ein Temperaturgradient durch die Trägheitsantriebsvorrichtung. Da von den meisten Materialien der Wärmeausdehnungskoeffizient ungleich Null ist, kommt es im Antrieb 2 zu Relativbewegungen der Komponenten zueinander, welche den Aktuator 2a stressen. Die Einbringung des Gelenks 2h schützt den Aktuator 2a auch vor solchen Relativbewegungen und trägt dazu bei, dass der sich ergebene Trägheitsantrieb 2 besonders gut für kryogene Anwendungen geeignet ist. Gleiches gilt auch, wenn die Vibrationseinheit 2e, 2f gegenüber der Basis 2b nicht über Festkörpergelenke 2c, 2d gelagert wird sondern über eine andere Lagerung, wie z.B. eine Wälzlagerung.
3 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung. Die Trägheitsantriebsvorrichtung 3 des zweiten Ausführungsbeispiels ähnelt der des ersten Ausführungsbeispiels (Trägheitsantriebsvorrichtung 2). Anstelle der Einführung eines separaten Gelenks 2h ist im zweiten Ausführungsbeispiel das Gelenk 3h einteilig mit der Vibrationseinheit (3e, 3f, 3h) ausgeführt, was insbesondere für die Fertigung Vorteile mit sich bringt, da weniger Teile zueinander ausgerichtet werden müssen.
4 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung. Die Trägheitsantriebsvorrichtung 4 des dritten Ausführungsbeispiels ähnelt der des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels (Trägheitsantriebsvorrichtung 2 bzw. 3). Anstelle der Einführung eines separaten Gelenks 2h, bzw. der integralen Ausführung des Gelenks 3h mit der Vibrationseinheit 3e, 3f, 3h, ist im dritten Ausführungsbeispiel das Gelenk 4h einteilig mit der Basis 4b ausgeführt, was insbesondere im Vergleich zur Trägheitsantriebsvorrichtung 2 für die Fertigung Vorteile mit sich bringt, da weniger Teile zueinander ausgerichtet werden müssen. Dieses dritte Ausführungsbeispiel macht auch deutlich, dass es für den erfinderischen Gedanken unerheblich ist, ob das den Aktuator 4a schützende Gelenk 4h vor oder nach dem Aktuator 4a angeordnet ist. Selbstverständlich können innerhalb eines Trägheitsantriebs 4 solche schützenden Gelenke auch gleichzeitig vor und hinter dem Aktuator 4a eingebracht sein.
5 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung. Anders als in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen aus 2 bis 4, wird im vierten Ausführungsbeispiel kein Festkörpergelenk verwendet, um störende, von der Bewegungsrichtung des Aktuators 5a abweichende Kräfte und Momente vom Aktuator 5a fernzuhalten sondern ein Kugelgelenk 5h. Dabei ist es unerheblich, ob das Kugelgelenk 5h vor oder hinter oder jeweils vor und hinter dem Aktuator 5a angeordnet ist. Ebenfalls ist unerheblich, ob das Kugelgelenk 5h auf Seiten des Aktuators 5a befestigt ist oder nicht. Grundsätzlich kann ein solches Kugelgelenk 5h auch mit Festkörpergelenken kombiniert werden. Denkbar ist auch der Einsatz von abgleitenden oder rollenden Schubgelenken.
6 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung. Anders als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird nicht nur ein Aktuator eingesetzt sondern zwei Aktuatoren 6a1, 6a2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für jeden Aktuator ein schützendes Gelenk 6h1, bzw. 6h2 vorgesehen. Es ist aber auch denkbar, dass sich mehrere Aktuatoren (6a1, 6a2) ein schützendes Gelenk teilen. Selbstverständlich kann eine beliebige Anzahl von Aktuatoren eingesetzt werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung. Es ist bekannt, dass piezoelektrische oder elektrostriktive Aktuatoren empfindlich auf Zugbelastungen reagieren. Es ist deshalb von Vorteil, die Aktuatoren vor eine Zugbelastung zu schützen. Entsprechend ist im sechsten Ausführungsbeispiel eine Vorspanneinheit, hier als Vorspannfeder 7i, dargestellt, welche die Vibrationseinheit 7e, 7f, 7h über den Aktuator 7a gegen die Basis 7b spannt, so dass der Aktuator 7a stets auf Druck belastet wird. Die Federwirkung muss nicht zwangsweise mit einem zusätzlichen Bauteil wie der Vorspannfeder 7i erzeugt werden, unabhängig davon, ob diese integral mit der Basis 7b oder der Vibrationseinheit 7e, 7f, 7h hergestellt wird. In einer bevorzugten Ausführung übernehmen die Festkörpergelenke 7c, 7d, welche die Bewegungsrichtung der Vibrationseinheit 7e, 7f, 7h gegenüber der Basis 7b vorgeben, auch die Funktion der Vorspannung des Aktuators 7a, so dass sich ein besonders einfach aufzubauender Trägheitsantrieb 7 ergibt.
8a) bis 8g) zeigt schematische Darstellungen zur Illustration von Reibkontakten der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebe.
In 8a) ist der Querschnitt durch zwei Stangen 8e, 8f der Vibrationseinheit dargestellt. Das anzutreibende Objekt 8g1) ist ebenfalls im Schnitt dargestellt. Die relativ zueinander stationär angeordneten Stangen 8e, 8f laufen in Nuten des Körpers 8g1 des anzutreibenden Objekts 8g1. Über Federn 8g2 wird ein passender Anpressdruck erzeugt, so dass der Trägheitsantrieb bestimmungsgemäß arbeiten kann. Die Federn 8g2 können einteilig mit dem Objekt 8g1 realisiert sein oder, wie in der 8a) dargestellt, als separates Bauteil, welches z.B. über eine oder mehrere Schrauben 8g3 an dem Objekt 8g1 befestigt ist. Es ist von Vorteil, wenn bei der Anordnung der Reibflächen eine Überbestimmung verhindert wird, da ein überbestimmter Aufbau extrem hohe Anforderungen an einen exakten Aufbau stellt, der nur schwer zu erzielen ist.
In 8b) ist ein Schnitt durch eine alternative Anordnung dargestellt, die ebenso eine gezielte Reibkraft zwischen den Stangen 8e, 8f der Vibrationseinheit und den Oberflächen des anzutreibenden Objekts 8g1 und der Federn 8g2 erzeugt. Je nach Bauform des Trägheitsantriebs kann die Bauform in a) oder b) besser geeignet sein.
In 8c) ist der Schnitt wie in 8b) dargestellt. Hier sind lediglich die Reibflächen 8j1, 8j2, 8j3, 8j4 in das anzutreibende Objekt 8g1 und die Feder 8g2 integriert worden, was sinnvoll sein kann, um bei der Materialkombination der Reibpartner nicht auf das Material des Objekts 8g1 oder der Feder 8g2 eingeschränkt zu sein. Grundsätzlich ist es möglich, sowohl das anzutreibende Objekt 8g1 aber auch die Vibrationseinheit mit Reibflächen 8j1, 8j2, 8j3, 8j4 zu bestücken, die eine besonders gute Materialkombination für den jeweiligen Einsatzzweck bieten.
In 8d) ist der Schnitt wie in 8c) dargestellt. Es ist lediglich ergänzend dargestellt, wie über eine oder mehrere Schrauben 8k die Feder 8g2 gegenüber dem Objekt 8g1 verspannt werden kann, so dass die Reibkraft zwischen den Stangen 8e, 8f und den Reibflächen 8j1, 8j2, 8j3, 8j4 des anzutreibenden Objekts 8g1 einstellbar, bzw. nachstellbar ist.
In 8e) ist zu erkennen, dass anstatt der Stangen 8e, 8f auch andere Bauformen als Reibflächenkörper der Vibrationseinheit verwendet werden können. Das prismatische Bauteil 8l hat einen viereckigen Querschnitt und wird über eine Feder 8g2 in das Objekt 8g1 gepresst, so dass sich eine passende Reibkraft ergibt. In der schematischen Abbildung wird die Feder 8g2 über Schrauben 8g3 mit dem Objekt 8g1 verbunden. Es sind selbstverständlich auch andere Ausführungen, wie z.B. einteilige Aufbauten mit Festkörpergelenken denkbar.
In 8f) ist ein Schnitt, wie in 8e) dargestellt, mit dem Unterschied, dass das prismatische Bauteil 8m der Vibrationseinheit hier einen dreieckigen Querschnitt hat.
In 8g) ist ein Schnitt durch eine beispielhafte, stark vereinfachte rotatorische Antriebsvorrichtung gezeigt. Die Vibrationseinheit 8c, 8e2 wird über einen Aktuator 8a zur Vibration um eine Achse, die entlang der gestrichelten Linie liegt, gebracht. Die Reibflächen der Vibrationseinheit sind in diesem Fall anstatt auf Stangen auf einem Ring 8e2 realisiert, auf dem das zu bewegende Objekt 8g4) mit Hilfe einer Feder 8g5 aufgepresst ist, so dass das Objekt 8g4 dem Prinzip des Trägheitsantriebs entsprechend um die gestrichelte Linie rotiert werden kann.
9 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung in Form eines rotatorischen Antriebs. Zur Erklärung wird auf einen führungslosen Trägheitsantrieb, wie aus DE 199 09 913 B4 bekannt, zurückgegriffen und um das den Aktuator 9a schützende Gelenk 9h und eine Vorspannfeder 9i, um den Aktuator vorzuspannen, erweitert. Der Aktuator 9a treibt die Vibrationseinheit 9c mit einer idealerweise tangentialen Bewegung zum Aktuator 9a zu einer Vibration relativ zur Basis 9b an. Die Festkörpergelenke 9p, 9q, 9r werden eingesetzt, um eine Reibfläche 9e um einen Mittelpunkt herum zu führen. Der Aktuator 9a wird vor von dessen Bewegungsrichtung abweichenden Kräften und Momenten über den Einsatz des Gelenks 9h geschützt, so dass sich ein robuster Trägheitsantrieb 9 ergibt, der Kräfte und Momente verkraftet, auch wenn diese die Federgelenke 9p, 9q, 9r in ungewollte Freiheitsgrade verformt. Ebenfalls ist der Antrieb 9 gegenüber Relativbewegungen, z.B. der Basis 9b gegenüber der Vibrationseinheit 9c, unempfindlich, die beim Abkühlen des Antriebs 9 oder auch im Betrieb des Antriebs 9 auftreten können, wenn dieser für eine kryogene Anwendung genutzt wird. Die Vorspannung des Aktuators 9a, z.B. über eine Feder 9i, bietet sich an, um den Aktuator 9a vor Zugbelastungen zu schützen. Das anzutreibende Objekt 9g ist in der beispielhaften Ausführung im Inneren der Vibrationseinheit 9c angeordnet und gleitet auf der Fläche 9e ab. (Der Spannmechanismus ist stark vereinfacht über ein Federgelenk symbolisiert. Wie die Kraft erzeugt wird, spielt für die Erfindung keine Rolle.) Wie in den vorhergehenden Beispielen, ist es von Vorteil, wenn die Reibflächen gut aufeinander abgestimmt sind, so dass diese verschleißfest in der jeweiligen Einsatzumgebung genutzt werden können. Von Vorteil ist auch, wenn die Reibflächen über eine Halteeinheit (in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt), vorzugsweise über Schrauben, Keile, etc. einstellbar, mit einer geeigneten Kraft aufeinandergedrückt werden.
10 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung. Es kommt vor, dass die Trägheitsantriebe besonders kompakt bauen müssen, wenn also wenig Raum für die Trägheitsantriebsvorrichtung selbst zur Verfügung steht. Für einen solchen Fall ist die Vibrationseinheit 10e so geformt, dass das Gelenk 10h und die möglicherweise zum Einsatz kommende Vorspannfeder 10i im inneren der Vibrationseinheit 10e angeordnet werden können. Falls sinnvoll, kann auch der Aktuator 10a im Inneren der Vibrationseinheit 10e versenkt werden. Indem der Aktuator 10a die Vibrationseinheit 10e in eine für Trägheitsantriebe 10 typische Vibration versetzt, kann das zu bewegende Objekt 10g entlang des Doppelpfeils bewegt werden. Im Ausführungsbeispiel sind die Federgelenke 10y, 10z integral mit der Basis 10b verbunden. Das ist jedoch keine Voraussetzung. Die Gelenke 10y, 10z können ebenso Bestandteil der Vibrationseinheit 10e oder sowohl der Vibrationseinheit 10e als auch der Basis 10b sein.
11a) und 11b) zeigen schematische Darstellungen zur Illustration eines neunten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung in zwei verschiedenen Zuständen. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Gelenk dadurch realisiert, dass der Aktuator 11a nicht mit der Vibrationseinheit 11e, 11f verbunden ist. In der Darstellung von 11a) wird deutlich, dass der Aktuator 11a und die Vibrationseinheit 11e, 11f in Kontakt sind, d.h. gekoppelt sind, wenn die Vibrationseinheit 11e, 11f die in dieser Figur unterste Position der Vibrationseinheit 11e, 11f einnimmt, sodass die Vibrationseinheit 11e, 11f durch den Aktuator 11a nach in dieser Figur oben bewegt werden kann. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Rückstelleinheit 11i, in diesem Fall eine Feder, auf, die dafür sorgt, dass die Vibrationseinheit 11e, 11f entgegen der Richtung, in der sie von dem Aktuator 11a bewegt wurde, nach in dieser Figur unten bewegt wird. In 11b) ist der Zustand der Vorrichtung dargestellt, in der die Rückstelleinheit 11i die größtmögliche Kraft auf die Vibrationseinheit 11e, 11f ausübt. Während die Rückstelleinheit 11i eine Kraft auf die Vibrationseinheit 11e, 11f ausübt, ist der Aktuator 11a nicht mit der Vibrationseinheit 11e, 11f in Kontakt, d.h. er ist entkoppelt, sodass jegliche Scherkräfte, die möglicherweise auf die Vibrationseinheit 11e, 11f wirken, nicht auf den Aktuator 11a wirken.
Die Beabstandung der Vibrationseinheit 11e, 11f vom Aktuator 11a in 11b) dient insbesondere zur Illustration dahingehend, dass der Aktuator 11a und die Vibrationseinheit 11e, 11f nicht direkt miteinander verbunden sind. Es kann theoretisch durchaus vorkommen, dass im Betrieb einer Anordnung, wie sie in 11 illustriert ist, die Vibrationseinheit 11e, 11f durch einen stoßartigen Antrieb durch den Aktuator 11a so stark beschleunigt wird, dass sie sich - trotz der entgegenwirkenden Kraft der Feder 11i - vom Aktuator 11a löst. Es ist allerdings eher davon auszugehen und auch, insbesondere angesichts der damit verbundenen Bestimmtheit des Bewegungszustands, bevorzugt, dass die Feder 11i die Vibrationseinheit 11e, 11f im Betrieb weitestgehend (bevorzugt ständig) an den Aktuator 11a drückt. Um hierbei zu verhindern, dass ungewollte Kräfte auf den Aktuator 11a wirken, sind Aktuator 11a und/oder Vibrationseinheit 11e, 11f so ausgestaltet, dass eine nur geringe Reibung in Richtungen quer zur Bewegungsrichtung der Vibrationseinheit 11e, 11f besteht.
12 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines zehnten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung. In dieser Ausführung ist wieder eine Rückstelleinheit 12i durch eine Federeinheit realisiert. Die Entkopplung des Aktuators von Kräften in eine Richtung, die nicht der Bewegungsrichtung der Vibrationseinheit 12e, 12f entsprechen, ist hier durch ein Schubgelenk 12h1, 12h2 erzielt worden, welches mit Hilfe eines Kugellagers 12h1 zwischen der Vibrationseinheit 12e, 12f und dem Aktuator 12a positioniert ist. Alternativ kann das Schubgelenk 12h1, 12h2 auch durch jedes weitere Gelenk gelagert werden, z.B. durch ein Gleitlager. Für die erfindungsgemäße Entkopplung des Aktuators 12a ist es zudem unerheblich, ob das Schubgelenk 12h1, 12h2 zwischen der Vibrationseinheit 12e, 12f und dem Aktuator 12a gelagert ist, wie in 12 dargestellt, oder zwischen dem Aktuator 12a und der Basis 12.
13 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionierung eines Objekts.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines Objekts wird eine Trägheitsantriebsvorrichtung mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator mit für Trägheitsantrieben typischen Impulsfolgen angesteuert (S1), so dass dieser periodisch mit abwechselnder hoher und geringer Beschleunigung vibriert (S2).
Über das Gelenk (2h, 3h, 4h, 5h, 6h1, 6h2, 7h, 9h, 10h, 12h1, 12h2) werden die Pulse auf eine Vibrationseinheit übertragen (S2).
Die Vibrationen der Vibrationseinheit lassen das zu bewegende Objekt auf den Gleitflächen der Vibrationseinheit entsprechend des Prinzips eines Trägheitsantriebs bewegen (S3).
Das Gelenk (2h, 3h, 4h, 5h, 6h1, 6h2, 7h, 9h, 10h, 12h1, 12h2) weicht störenden mikroskopischen Relativbewegungen der Vibrationseinheit gegenüber einer Basis in mindestens einer von der Bewegungsrichtung des Aktuators abweichenden Richtung aus (S4), da das Gelenk (2h, 3h, 4h, 5h, 6h1, 6h2, 7h, 9h, 10h, 12h1, 12h2) in diese mindestens eine Richtung nachgiebig gestaltet ist und damit den mindestens einen Aktuator vor einer Überlast schützt (S5).
Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutierten Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.
Eine erfindungsgemäße Trägheitsantriebsvorrichtung kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines Objekts mit mindestens einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator ausgestaltet sein, wobei vorgesehen ist, dass der mindestens eine Aktuator mit für Trägheitsantriebe typischen Impulsfolgen angesteuert wird, welche diesen periodisch abwechselnd mit hohen und geringen Beschleunigungen vibrieren lässt, wobei eine Vibrationseinheit, über ein Gelenk, welches in der Lage ist, die Beschleunigungen des Aktuators auf die Vibrationseinheit zu übertragen, zur Vibration angeregt wird, welche ebenfalls mit Impulsfolgen von hoher und niedriger Beschleunigung besteht, wobei das Gelenk derart ausgestaltet ist, dass es in Bewegungsrichtung des Aktuators steif ist, aber in mindestens einer, zur Bewegungsrichtung des Aktuators abweichenden Richtung nachgiebig ausgestaltet ist, so dass von der Bewegungsrichtung des Aktuators abweichende, mikroskopische Verschiebungen der Vibrationseinheit gegenüber der Basis nicht in voller Größe an den Aktuator weitergegeben werden können, wobei die Vibrationseinheit vorzugsweise durch ein oder mehrere weitere Lager gegenüber einer Basis gelagert ist, die vorzugsweise nur in Bewegungsrichtung des Aktuators bewusst nachgiebig ausgestaltet ist, wobei auf eine direkte Lagerung des zu bewegenden Objekts gegenüber der Basis verzichtet wird. Das Gelenk kann hierbei insbesondere zwischen der Basis und dem Aktuator, zwischen der Vibrationseinheit und dem Aktuator oder sowohl zwischen der Basis und dem Aktuator als auch zwischen der Vibrationseinheit und dem Aktuator angeordnet sein. Dabei kann das mindestens eine Gelenk z.B. als Festkörpergelenk oder als Kugelgelenk ausgeführt sein. Die Vibrationseinheit kann über Festkörpergelenke gegenüber der Basis der Trägheitsantriebsvorrichtung gelagert sein, wobei die Lagerung über Festkörpergelenke realisiert wird oder indem die Lagerung über Wälzlager realisiert wird. Des Weiteren kann in der Vibrationseinheit mindestens eine zylinderförmige Reibfläche vorhanden sein, auf die das zu positionierende Objekt gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantriebs im Betrieb verschoben wird, wobei die Vibrationseinheit vorzugsweise zwei zylinderförmige Reibflächen aufweist. Allerdings kann die Vibrationseinheit auch prismatisch angeordnete Reibflächen aufweisen, auf denen das zu positionierende Objekt gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantriebs im Betrieb verschoben wird, wobei die prismatischen Flächen vorzugsweise eine einfach zu fertigende viereckige oder dreieckige Anordnung aufweisen. Außerdem kann der Aktuator über eine Federeinheit vor einer Zugbelastung geschützt sein, wobei die Federeinheit vorzugsweise Federn, mit der die Vibrationseinheit gegenüber der Basis gelagert wird, realisiert wird oder über eine weitere Feder, die auch einteilig mit der Basis oder der Vibrationseinheit gestaltet sein kann. Dabei kann eine Reibkraft zwischen der Vibrationseinheit und dem zu positionierenden Objekt über die Federeinheit eingestellt werden, wobei die Krafteinstellung idealerweise über eine Schraube oder über Keile fein justiert werden kann. Generell kann das Gelenk für die Erzielung einer kompakten Bauform zumindest teilweise innerhalb der Reibflächen der Vibrationseinheit angeordnet sein. Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines Objekts mit einer Trägheitsantriebsvorrichtung mit mindestens einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator, der mit für Trägheitsantrieben typischen Impulsfolgen angesteuert wird, so dass dieser periodisch mit abwechselnder hoher und geringer Beschleunigung vibriert, kann umfassen, dass ein Gelenk die Impulse auf eine relativ zu einer Basis gelagerten Vibrationseinheit überträgt und die Vibrationen der Vibrationseinheit genutzt werden, um das zu positionierende Objekt, welches nicht direkt gegenüber der Basis gelagert ist, auf den Reibflächen der Vibrationseinheit gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantriebs gleiten zu lassen, wobei das Gelenk mikroskopische, von der Bewegungsrichtung des Aktuators abweichende Bewegungen zwischen der Basis und der Vibrationseinheit nicht vollständig an den mindestens einen Aktuator weitergibt und diesen damit vor einer Überlastung schützt, da das Gelenk in mindestens einer der abweichenden Bewegungsrichtungen nachgibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016213596 B4 [0003]
EP 2084758 B1 [0003]
DE 102013201604 B4 [0003]
EP 2916450 B1 [0005]
DE 102018217709 A1 [0007]
EP 0823738 B1 [0009]
DE 102005026708 B4 [0009]
US 7579752 B2 [0009]
US 6592591 B2 [0042]
DE 19909913 B4 [0064]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„A miniaturized resonant-type smooth impact drive mechanism actuator‟ von T. Morita et al. (Sensors and Actuators A: Physical 178 (2012), S. 188-192) [0004]
„„Multi-degree-of-freedom ultrasonic motors for mass-consumer devices‟ von R. Banseviciusund V. Blechertas (Journal of Electroceramics 20 (2008), No. 3, S. 221-224) [0004]
„A vertical piezoelectric inertial slider‟ von C. Renner et. al. (Review of Scientific Instruments, Vol. 61 (1990), No. 3, S. 965-967) [0007]
„Dynamic piezoelectric translation devices‟ von D.W. Pohl (Review of Scientific Instruments, Vol. 58 (1987), No. 1, S. 54-57) [0008]

Claims

Trägheitsantriebsvorrichtung zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, mit: einer Vibrationseinheit, die für einen Reibkontakt mit dem Objekt und für eine Führung des Objekts ausgestaltet ist, einer Basis und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator, der mit der Vibrationseinheit und der Basis zur Bewirkung einer Relativbewegung zwischen der Vibrationseinheit und der Basis entlang einer ersten Richtung gekoppelt ist, wobei die Trägheitsantriebsvorrichtung mit einem Gelenk, das den Aktuator mit der Basis oder der Vibrationseinheit entlang der ersten Richtung koppelt und das entlang mindestens einer zweiten Richtung einen Gelenkfreiheitsgrad aufweist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, so ausgestaltet ist, dass der Aktuator eine Relativbewegung zwischen der Basis und der Vibrationseinheit entlang mindestens der zweiten Richtung nicht oder nur reduziert erfährt.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gelenk ein Festkörpergelenk und/oder ein Schubgelenk und/oder ein Kugelgelenk umfasst.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gelenk mit der Vibrationseinheit oder der Basis einteilig ausgeführt ist.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gelenk, das den Aktuator mit der Basis oder der Vibrationseinheit entlang der ersten Richtung koppelt, dadurch gebildet ist, dass der Aktuator im Betrieb an der Basis und/oder der Vibrationseinheit zur Bewirkung der Relativbewegung an einem Kontakt anliegt, ohne mit der Basis bzw. der Vibrationseinheit verbunden zu sein, wobei am Kontakt eine Reibungskraft anliegt, die kleiner ist als ein vorbestimmter Toleranzscherkraftwert des Akutators, und die Trägheitsantriebsvorrichtung ferner eine Rückstelleinheit aufweist, die mit der Vibrationseinheit und der Basis zur Bewirkung einer der Aktuatorwirkung entgegengesetzten Relativbewegung gekoppelt ist.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Rückstelleinheit eine Feder und/oder einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuator aufweist.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Vorspanneinheit aufweist, die ausgelegt ist, den Aktuator zwischen der Basis und der Vibrationseinheit vorzuspannen, um den Aktuator gegenüber einer Zugbelastung zu schützen.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorspanneinheit eine Feder und/oder ein Festkörpergelenk aufweist.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Aktuator, das Gelenk, die Rückstelleinheit bzw. die Vorspanneinheit innerhalb eines durch den Reibkontakt bestimmten Bereichs angeordnet sind.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vibrationseinheit gegenüber der Basis gelagert ist, insbesondere mit wenigstens einem Festkörpergelenk und/oder wenigstens einem Gleitlager und/oder wenigstens einem Wälzlager.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vibrationseinheit wenigstens eine Reibfläche für den Reibkontakt mit dem Objekt aufweist, wobei das Objekt im Betrieb an der Reibfläche geführt wird, wobei die Reibfläche insbesondere zylinderförmig oder prismatisch, vorzugweise mit dreieckigem oder viereckigem Querschnitt, ausgestaltet ist.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vibrationseinheit eine Halteeinheit aufweist, die ausgelegt ist, das Objekt im Reibkontakt zu halten.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Halteeinheit wenigstens eine Feder, wenigstens eine Schraube und/oder wenigstens ein Keil aufweist.
Trägheitsantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei eine Kraft, mit der die Halteeinheit das Objekt im Betrieb im Reibkontakt hält, einstellbar ist.
Verfahren zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen eines Reibkontakts zwischen dem Objekt und einer Vibrationseinheit einer Trägheitsantriebsvorrichtung, Ansteuern eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators der Trägheitsantriebsvorrichtung, der mit der Vibrationseinheit und einer Basis der Trägheitsantriebsvorrichtung gekoppelt ist, wobei mit dem Ansteuern eine Relativbewegung zwischen der Vibrationseinheit und der Basis entlang einer ersten Richtung bewirkt wird, wobei das Objekt durch die Vibrationseinheit geführt wird, wobei der Aktuator infolge eines Gelenks, das den Aktuator mit der Basis oder der Vibrationseinheit entlang der ersten Richtung koppelt und das entlang mindestens einer zweiten Richtung einen Gelenkfreiheitsgrad aufweist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, eine Relativbewegung zwischen der Basis und der Vibrationseinheit entlang mindestens der zweiten Richtung nicht oder nur reduziert erfährt.