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Die Erfindung bezieht sich auf einen Reibkontaktmotor mit einem Lichtelement zum Emittieren von Laserstrahlen gemäß Anspruch 1.
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Aus der
DE 10 2014 221 001 A1 ist ein Reibkontaktmotor bekannt. Bei Reibkontaktmotoren wird in der Regel eine sich wiederholende, periodische Bewegung oder Deformation eines elektrisch entsprechend angesteuerten Aktuators auf ein anzutreibendes Element über einen Reibkontakt bzw. eine Reibkontaktfläche zwischen dem Aktuator und dem anzutreibenden Element übertragen, wodurch eine Stellbewegung des anzutreibenden Elements bzw. dessen kontinuierliche Bewegung resultiert. Ein besonderer Vorteil von Reibkontaktmotoren ist deren für gewöhnlich vorherrschende Selbsthemmung im strom- bzw. spannungslosen Zustand. Somit kann das anzutreibende Element in seine Zielposition verfahren werden, und hält diese Position dann auch ohne eine an dem Aktuator anliegende Spannung.
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Insbesondere nach einem längeren Verharren des anzutreibenden Elements in einer fixen Position (etwa der vorerwähnten Zielposition) kann es vorkommen, dass ein erneutes Anfahren bzw. Starten des Motors mit den für die vorhergehende Betriebsphase bzw. Positionierung gewählten und angewandten Parametern nicht möglich ist, da es in der Betriebspause zu einer ausgeprägten Haftung zwischen den Reibpartnern gekommen ist. Dann ist es in der Regel notwendig, zumindest für den Anfahrprozess eine höhere elektrische Spannung zur Ansteuerung des Aktuators zu verwenden, um diese Haftung - welche häufig durch Feuchtigkeit im Bereich des Friktionskontakts zwischen den Reibpartnern hervorgerufen wird - zu überwinden.
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Selbst wenn es jedoch gelingt, den Anfahrprozess mit den gleichen Parametern wie vor der Betriebspause zu starten, sind die generierten Motorkräfte zumindest anfangs signifikant niedriger. Ein entsprechend nicht-lineares Verhalten des Reibkontaktmotors ist für bestimmte Anwendungen hingegen sehr nachteilig.
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Eine weitere Quelle nicht-linearen Verhaltens von Reibkontaktmotoren ist in dem aufgrund des üblichen Verschleißes der sich kontaktierenden Reibpartner entstehenden Abrieb zu finden.
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Die
US 6 897 598 B2 beschreibt eine Führungseinrichtung einer mittels eines Ultraschallmotors angetriebenen Plattform, wobei mit Hilfe eines berührungslosen Messmittels wie beispielsweise einem Laser eine Positionsinformation (Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung) eines Reibelements des Ultraschallmotors ermittelt wird.
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Aus der
US 9 225 266 B2 ist ein piezoelektrischer Linearaktuator bekannt, bei dem im Betrieb zwischen den Reibpartnern entstehende Reibpartikel durch Anregung des Aktuators mit einer Wechselspannung entfernt werden.
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Die
US 2007/0251543 A1 offenbart im Zusammenhang mit einer Lithografiemaschine u.a. ein Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche durch Entfernung von darauf befindlichen Partikeln mittels Laserstrahlen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Reibkontaktmotor bereitzustellen, bei welchem die vorstehend aufgeführten nicht-linearen Effekte reduziert oder sogar vollständig eliminiert sind. Diese Aufgabe ist gelöst durch einen Reibkontaktmotor gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche enthalten diesbezüglich zumindest vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Verbesserungen.
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Der erfindungsgemäße Reibkontaktmotor umfasst einen Aktuator und ein durch den Aktuator über einen Reibkontakt anzutreibendes Element. Hierbei ist der Reibkontakt über eine Reibkontaktfläche zwischen einer Kontaktfläche des Aktuators und einer Reibfläche das anzutreibenden Elements realisiert. Erfindungsgemäß weit der Reibkontaktmotor ein Lichtelement zum Emittieren von Laserstrahlen auf, wobei die Laserstrahlen auf die Reibkontaktfläche zu gerichtet sind, und wobei das Laserelement derart ausgebildet und angeordnet ist, dass Feuchtigkeit oder lose Partikel in der Umgebung der Reibkontaktfläche, etwa an der Kontaktfläche und/oder an der Reibfläche und/oder benachbart zu der Reibfläche, entfernt oder dort festgesetzt werden.
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Die Laserstrahlen des Lichtelements können zur Erwärmung bzw. Erhitzung der Kontaktfläche des Aktuators und/oder der Reibfläche des anzutreibenden Elements im Bereich bzw. in der Nähe der Reibkontaktfläche genutzt werden, um in diesem Gebiet gegebenenfalls vorhandene Feuchtigkeit zu reduzieren bzw. zu eliminieren.
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Weiterhin können die Laserstrahlen des Lichtelements dazu genutzt werden, Staub- oder Abriebpartikel im Bereich der Reibkontaktfläche zu erwärmen oder zu erhitzen, um insbesondere ein Anhaften dieser Partikel an dem anzutreibenden Element in einem Bereich, der während des Betriebs des Motors nicht in Kontakt mit dem Aktuator gelangt, zu erreichen, so dass die Partikel festgesetzt sind. Die Laserstrahlen des Lichtelements können daneben auch dazu genutzt werden, die Staub- oder Abriebpartikel an dem Aktuator bzw. dessen Kontaktfläche festzusetzen.
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Es kann von Vorteil sein, wenn das Laserelement neben dem Aktuator entlang der Haupterstreckungsrichtung des anzutreibenden Elements oder entlang der Haupterstreckungsrichtung des Aktuators angeordnet ist. Der Begriff ,Haupterstreckungsrichtung‘ kennzeichnet die Erstreckung des Aktuators bzw. des anzutreibenden Elements entlang der jeweils größten Dimension, insbesondere entlang der Länge. Hierdurch gelingt eine gute Erreichbarkeit und effektive Erwärmung bzw. Erhitzung des Bereichs der Reibkontaktfläche bzw. des Bereichs um die Reibkontaktfläche.
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Es kann zudem von Vorteil sein, wenn der Reibkontaktmotor zwei Lichtelemente zum Emittieren von Laserstrahlen aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Aktuators angeordnet sind. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass die beiden Laserelemente symmetrisch oder spiegelbildlich bezüglich des Aktuators angeordnet sind. Dadurch gelingt ein effektiveres Entfernen von Feuchtigkeit bzw. loser Partikel im Bereich der Reibkontaktfläche, wodurch insbesondere im Wesentlichen gleiche Bedingungen hinsichtlich entgegengesetzter Antriebsrichtungen des anzutreibenden Elements resultieren.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn die Laserstrahlen des Lichtelements elektrostatisch geladen sind. Dies ermöglicht es, Staub- oder Abriebpartikel mittels der Lichtstrahlen aus dem Bereich der Reibkontaktfläche heraus zu befördern und gegebenenfalls an einer dafür vorgesehenen und insbesondere von der Reibkontaktfläche entfernten Stelle zu sammeln bzw. festzusetzen.
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Ferner kann es von Vorteil sein, wenn das Lichtelement Laserstrahlen in einem Wellenlängenbereich von 100 bis 380nm oder in einem Wellenlängenbereich von 780 bis 1000nm emittiert.
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Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn die Wärmeleistung der von dem Lichtelement emittierten Laserstrahlen zwischen 0,1 und 10 Watt beträgt.
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Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass die Kontaktfläche des Aktuators durch ein an diesem angeordnetes Reibelement gebildet ist. Das Reibelement kann hierbei unabhängig von dem Aktuator in Form und/oder Material für den spezifischen Anwendungsfall angepasst sein.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn der Aktuator ein elektromechanisches Material aufweist. Unter einem ‚elektromechanischen Material‘ wird hierbei ein Material verstanden, welches bei Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Feldes eine Dimensionsänderung, beispielsweise eine Längenänderung, erfährt. Elektromechanische Materialien haben u.a. den Vorteil, dass sie höchstdynamisch betrieben werden können und dabei keine Getriebelemente benötigen. Entsprechende Aktuatoren können sehr klein und platzsparend ausgeführt werden.
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Es kann von Vorteil sein, dass das elektromechanische Material piezoelektrische Eigenschaften aufweist und vorzugsweise als Piezokeramik ausgeführt ist.
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Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn der Aktuator derart anregbar ist, dass er in unterschiedlichen Frequenzen schwingt. Somit sind Anwendungen denkbar, bei denen der Aktuator derart elektrisch angeregt wird, dass er Resonanzschwingungen vollführt. Aber auch Ansteuerungen, in denen der Aktuator außerhalb seiner Resonanz betrieben wird, sind denkbar, etwa in sogenannten Schreitantrieben, oder aber in Stick-Slip- oder Trägheitsantrieben.
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Es kann daneben vorteilhaft sein, wenn das anzutreibende Element Ausnehmungen aufweist, in welchen mittels der Laserstrahlen Partikel festsetzbar sind. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, wenn die Ausnehmungen als entlang der Haupterstreckungsrichtung des anzutreibenden Elements verlaufende und parallel zueinander ausgerichtete Nuten ausgebildet sind. Durch die Festsetzung von Abrieb- oder sonstigen Partikeln in solchen Ausnehmungen wird ein ggf. nachteiliger Einfluss von direkt an der Reibfläche des anzutreibenden Elements festgesetzten Partikeln vermieden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen und Ausführungsbeispielen, anhand derer die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden soll, ohne die Erfindung auf diese zu beschränken. Es zeigen:
- 1: schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reibkontaktmotors
- 2: Darstellung a) Ansicht des Reibkontaktmotors gemäß 1 aus Richtung des in 2 nicht dargestellten Aktuators und mit Blick in Richtung auf die Unterseite des anzutreibenden Elements; Darstellung b) Schnittansicht zu Darstellung a)
- 3: Darstellung a) Ansicht eines Reibkontaktmotors mit einem Ausnehmungen aufweisenden anzutreibenden Element aus Richtung des in 3 nicht dargestellten Aktuators und mit Blick in Richtung auf die Unterseite des anzutreibenden Elements; Darstellung b) Schnittansicht zu Darstellung a)
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1 zeigt in einer schmatischen Darstellung eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reibkontaktmotors 1. Dessen Aktuator 2 liegt in Form einer rechteckförmigen Platte aus einem piezokeramischen Material vor, wobei an einer der beiden längeren Seitenflächen ein im Querschnitt dreicksförmiges Reibelement 6 aus Aluminiumoxid angeordnet ist. Hierbei bildet das Reibelement 6 die Kontaktfläche 22 des Aktuators 2 aus, also diejenige Fläche, die sich mit der Reibfläche 32 des anzutreibenden Elements 3 über die Reibkontaktfläche 4 in Reib- oder Friktionskontakt befindet. Aufgrund des Reibkontakts zwischen dem Aktuator 2 bzw. dem am Aktuator angeordneten Reibelement 6 und der Reibfläche 32 des anzutreibenden Elements 3 können die durch entsprechende elektrische Ansteuerung des Aktuators hervorgerufenen gezielten Deformationen, die beispielsweise eine ellipsenförmige Trajektorie der Spitze des Reibelements 6 bewirken, auf das anzutreibende Element übertragen und dieses in eine gewünschte Bewegung versetzt werden.
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Jeweils seitlich neben dem Aktuator 2 in einer Richtung entlang seiner Haupterstreckungsrichtung ist ein Lichtelement 5 in Form eines Excimerlasers angeordnet. Die Lichtelemente 5 sind demnach an gegeüberliegenden Seiten des Aktuators 2 und in symmetrischer bzw. spiegelbildlicher Anordnung vorgesehen. Die Strahlen beider Excimerlaser sind in Richtung auf die Reibkontaktfläche 4 zu gerichtet, so dass in 1 von links und von rechts Laserstrahlen in den Bereich der Reibkontaktfläche 4 gelenkt sind. Die Laserstrahlen weisen eine Wellenlänge von 200nm auf und besitzen eine Wärmeleistung von 0,5 Watt.
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Anhand der Darstellung a) von 2, welche den Reibkontaktmotor 1 von 1 aus Richtung des in 2 weggelassenen Aktuators und mit Blickrichtung auf das anzutreibende Element 3 zu zeigt, wird deutlicher erkennbar, in welchem Bereich die Laserstrahlen 52 der Lichtelemente 5 ihre Wärme- bzw. Hitzeeintragswirkung entfalten, nämlich in 2 links und rechts des Reibelements 6 in den Wirkbereichen 54, die jeweils bis nahe an die Reibkontaktfläche 4 heranreichen. Darstellung b) von 2 zeigt einen Schnitt bzgl. der in Darstellung a) von 2 skizzierten Schnittlinie.
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Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reibkontaktmotors gemäß den Darstellungen a) und b) von 3 unterscheidet sich von derjenigen in 2 nur dadurch, dass das anzutreibende Element 3 hier Ausnehmungen 34 in Form von sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des anzutreibenden Elements 3 erstreckenden und parallel zueinander verlaufenden Nuten aufweist, wie dies insbesondere in der Schnittdarstellung b) von 3 zu erkennen ist. Diese nutenförmigen Ausnehmungen 34 dienen der Aufnahme bzw. der gezielten Ablage bzw. Festsetzung von Staub- oder Abriebpartikeln mittels der Laserstrahlen der Lichtelemente 5, insbesondere mittels elektrostatisch aufgeladener Laserstrahlen.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben des vorstehend ausgeführten Reibkontaktmotors werden jeweils vor dem Anfahren Laserstrahlen mit einer bestimmten Wellenlänge, Wärmeleistung und Zeitdauer in Richtung der Reibkontaktfläche gelenkt, um dadurch insbesondere Feuchtigkeit im Bereich der Reibkontaktfläche zu beseitigen. Erst zeitlich danach erfolgt eine elektrische Ansteuerung des Aktuators zur Generierung einer Bewegung des anzutreibenden Elements. Es ist jedoch auch denkbar, den Wärme- bzw. Hitzeeintrag mittels der Laserstrahlen in den Bereich um die Reibkontaktfläche herum mit dem Anfahrprozess zu koppeln, so dass beide Prozesse gleichzeitig gestartet werden. Zudem ist denkbar, den Wärme- bzw. Hitzeeintrag mittels der Laserstrahlen während des gesamten Bewegungs- bzw. Verfahrprozesses des anzutreibenden Elements aufrecht zu erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reibkontaktmotor
- 2
- Aktuator
- 3
- anzutreibende Element
- 4
- Reibkontaktfläche
- 5
- Lichtelement
- 6
- Reibelement
- 22
- Kontaktfläche (des Aktuators 2)
- 32
- Reibfläche (des anzutreibenden Elements 3)
- 34
- Ausnehmungen
- 52
- Laserstrahlen (des Lichtelements 5)
- 54
- Wirkbereich (der Laserstrahlen 52)
