DE102021109072A1

DE102021109072A1 - Direct drive for positioning and moving

Info

Publication number: DE102021109072A1
Application number: DE102021109072.5A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack
Original assignee: SMARACT HOLDING GmbH
Current assignee: SMARACT HOLDING GmbH
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-10-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der hochgenauen Positionierung unter Nutzung eines elektromagnetischen Direktantriebs. Um eine Lösung vorzustellen, die eine Selbsthemmung aufweist, wird ein elektromagnetischer Direktantrieb zur Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, der einen statischen Teil und einen mit dem Objekt koppelbaren oder das Objekt darstellenden beweglichen Teil umfasst, wobei der statische Teil oder der bewegliche Teil mit einer oder mehreren Spulen als magnetischen Elementen versehen ist und der andere Teil wenigstens einen Magneten und/oder wenigstens eine Spule als magnetisches Element aufweist, wobei die magnetischen Elemente des statischen Teils und des beweglichen Teils gemeinsam zur Erzeugung einer Positionierkraft ausgestaltet sind, und der Direktantrieb ein Reibelement aufweist und der statische Teil und der bewegliche Teil über das Reibelement miteinander koppelbar sind, dessen Reibkraft geringer als die Positionierkraft und größer als eine vorbestimmte Störkraft ist, so dass das Reibelement eine Selbsthemmung gegenüber der Störkraft bewirkt.The present invention relates to the field of high-precision positioning using an electromagnetic direct drive. In order to present a solution that has self-locking, an electromagnetic direct drive for positioning an object is proposed, which comprises a static part and a movable part that can be coupled to the object or that represents the object, the static part or the movable part having one or more Coils are provided as magnetic elements and the other part has at least one magnet and/or at least one coil as magnetic element, the magnetic elements of the static part and of the moving part being designed together to generate a positioning force, and the direct drive has a friction element and the static part and the moving part can be coupled to one another via the friction element, the frictional force of which is less than the positioning force and greater than a predetermined disruptive force, so that the frictional element causes self-locking with respect to the disruptive force.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der hochgenauen Positionierung und insbesondere der hochgenauen Positionierung unter Nutzung eines elektromagnetischen Direktantriebs.The present invention relates to the field of high-precision positioning and, more particularly, to high-precision positioning using direct electromagnetic drive.

Die hochgenaue Positionierung wird immer wichtiger für Präzisionsanwendungen, wie z.B. in der Photonik, Mikroskopie, Mikromontage und Halbleitertechnik.High-precision positioning is becoming increasingly important for precision applications, such as in photonics, microscopy, microassembly and semiconductor technology.

Für entsprechende Anwendungen wird unter anderem auf elektromagnetische Direktantriebe zurückgegriffen, die je nach Bauform lineare Bewegungen (z.B. US 6,847,133 B2 ), rotatorische Bewegungen (z.B. US 4,435,673 A ) oder auch Kombinationen aus mehreren Bewegungen realisieren können. Bekannte Direktantriebe ermöglichen eine Positionierung mit einem Freiheitsgrad bis hin zu Freiheitsgraden in allen sechs Raumrichtungen (siehe z.B. US 6,097,114 A , US 8,492,935 B2 oder US 2007/220882 A1 ).For corresponding applications, among other things, electromagnetic direct drives are used, which, depending on the design, can perform linear movements (e.g U.S. 6,847,133 B2 ), rotational movements (eg US 4,435,673A ) or also combinations of several movements. Known direct drives enable positioning with one degree of freedom up to degrees of freedom in all six spatial directions (see e.g US 6,097,114A , U.S. 8,492,935 B2 or U.S. 2007/220882 A1 ).

Im Folgenden wird im Zusammenhang der (elektromagnetischen) Direktantriebe lediglich auf einen Direktantrieb abgestellt, unabhängig davon, ob es sich um eine lineare oder rotatorische Bewegung oder einer Kombination aus mehreren Freiheitsgraden handelt. In the following, in the context of (electromagnetic) direct drives, only a direct drive is referred to, regardless of whether it is a linear or rotary movement or a combination of several degrees of freedom.

Eine schematische Darstellung eines Direktantriebs ist in 1 dargestellt. Ein als stationär oder statisch betrachteter Teil 1 a des Direktantriebs 1 ist mit einem oder mehreren Magneten 1d bestückt. Wenn, wie in 1 dargestellt, mehrere Magneten eingesetzt werden, dann müssen diese zueinander ausgerichtet werden. Eine Möglichkeit ist ein Aufbringen in abwechselnder Polarität, so wie in der 1 gezeigt. Üblich ist aber auch einen Halbach-Anordnung der Magneten. Es gibt selbstverständlich noch viele weitere Arten, Formen und Lagen mit denen Magnete angeordnet werden können. Ein beweglicher Läufer 1 b ist relativ gegenüber dem stationären Teil 1a gelagert. Dabei kann es sich um beliebige Lagerungen handeln, wie z.B. Luftlager, magnetische Lager, Wälzlager und anderes. In 1 ist ein Wälzlager 1c dargestellt. Der Läufer 1b ist mit einer oder mehreren Spulen 1e verstehen. Für eine sogenannte Voice-Coil-Anordnung wird eine Spule vorgesehen. Für elektromagnetische Direktantriebe, die lange Hübe realisieren sollen, wird meist ein Set von mehreren Spulen vorgesehen, die periodisch mit individuellen Signalen angesteuert werden. Werden die Spulen des Linearantriebs 1 positionsabhängig und in geeigneter Weise angesteuert, so „zieht“ und „drückt“ sich der Läufer aufgrund des sich ergebenden Magnetfelds entlang der Magneten, so dass eine Bewegung entlang des Doppelpfeils erzeugt wird, so wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.A schematic representation of a direct drive is in 1 shown. A part 1a of the direct drive 1 that is regarded as stationary or static is equipped with one or more magnets 1d. If, as in 1 shown, several magnets are used, then they must be aligned with each other. One possibility is an application in alternating polarity, as in FIG 1 shown. However, a Halbach arrangement of the magnets is also common. There are of course many other ways, shapes and positions in which magnets can be arranged. A movable runner 1b is mounted relative to the stationary part 1a. This can involve any type of bearing, such as air bearings, magnetic bearings, roller bearings and others. In 1 a roller bearing 1c is shown. The rotor 1b is understood to have one or more coils 1e. A coil is provided for a so-called voice coil arrangement. For electromagnetic direct drives that are to realize long strokes, a set of several coils is usually provided, which are periodically controlled with individual signals. If the coils of the linear drive 1 are controlled in a suitable manner and depending on the position, the runner “pulls” and “pushes” along the magnets due to the resulting magnetic field, so that a movement along the double arrow is generated, as is known from the prior art technology is known.

Befindet sich im Inneren der Spulen Eisenkerne, wird von „eisenbehafteten Linearantrieben“ gesprochen. Eisenbehaftete Linearantriebe sind bei kompakter Bauform kräftiger als vergleichbare große eisenlose Direktantriebe. Sie haben aber den Nachteil positionsabhängiger Kraftschwankungen und Rastkräften, da die Eisenkerne von den Magneten angezogen werden.If there are iron cores inside the coils, we speak of "iron-core linear drives". With a compact design, iron-core linear drives are more powerful than comparable, large, ironless direct drives. However, they have the disadvantage of position-dependent force fluctuations and cogging forces, since the iron cores are attracted by the magnets.

Die Komponente 1a kann selbstverständlich auch beweglich angeordnet sein, während die Komponente 1b dann als stationär oder statisch betrachtet werden kann.The component 1a can of course also be arranged to be movable, while the component 1b can then be regarded as stationary or static.

Anstatt einer linearen Anordnung sind auch rotatorische Anordnungen bekannt, so dass sich Drehbewegungen ergeben. In diesem Zusammenhang wird häufig auch von Torquemotoren gesprochen.Instead of a linear arrangement, rotary arrangements are also known, resulting in rotational movements. In this context, reference is often made to torque motors.

Eine Alternative zum Einsatz eines Direktantriebs besteht in der Nutzung eines piezo-basierten Antriebs. Solche piezo-basierten Antriebe gewinnen einen immer größeren Anteil an der Präzisionspositionierung, da sie sich dadurch auszeichnen, dass ebenfalls feinste Bewegungen umsetzbar sind und sie bei einer kompakten Bauform noch verhältnismäßig hohe Kräfte ermöglichen, was insbesondere die Miniaturisierung von Geräten ermöglicht. An alternative to using a direct drive is to use a piezo-based drive. Such piezo-based drives are becoming an increasingly important part of precision positioning, since they are characterized by the fact that the finest movements can also be implemented and they still allow relatively high forces with a compact design, which in particular enables the miniaturization of devices.

Ganz besonders schätzen die Anwender der piezo-basierten Trägheitsantriebe, Ultraschallantriebe und Inch-Worm-Antriebe, dass diese im stromlosen Zustand eine angefahrene Position halten, unabhängig davon, wo genau diese Position liegt, und dies selbst dann, selbst wenn eine externe Kraft auf den Läufer wirkt. Das ist insbesondere für Aufgaben wichtig, bei denen eine einmal eingenommene Position lange gehalten werden muss und dann nicht mehr nachgeregelt werden soll. Eine solche Eigenschaft wird hier als „Selbsthemmung“ bezeichnet. Bei entsprechenden piezo-basierten Antrieben ist es also nicht nötig, Energie in das System zu stecken oder sonstigen Aufwand zu treiben, nur um das Ziel zu erreichen, eine einmal eingestellte Position zu halten.The users of the piezo-based inertial drives, ultrasonic drives and inch-worm drives particularly appreciate the fact that they hold a position when they are de-energized, regardless of where this position is, even if an external force is applied to the runner works. This is particularly important for tasks in which a position once taken has to be held for a long time and then should not be readjusted. Such a property is referred to here as "self-locking". With corresponding piezo-based drives, it is therefore not necessary to put energy into the system or to make any other effort just to achieve the goal of holding a position once it has been set.

Anders als die oben erwähnten piezo-basierten Antriebe halten bekannte elektromagnetische Direktantriebe in stromlosen Zustand nicht in beliebiger Position über den Positionierbereich ihre einmal eingenommene Position. Sie weisen also keine Selbsthemmung auf.In contrast to the piezo-based drives mentioned above, known electromagnetic direct drives do not hold their position in any position over the positioning range in the de-energized state. So you have no self-locking.

Um einen Direktantrieb dennoch die Eigenschaft einer Selbsthemmung zu geben, werden bei bekannten Ansätzen zusätzliche Mittel bzw. Maßnahmen vorgesehen. Beispiele hierzu umfassen Ausgleichsvorrichtungen, die einer auf den Läufer wirkenden Kraft entgegenwirken (z.B. mechanische Konstantkraftfedern, magnetische Konstantkraftfedern oder hydraulisch vorgespannte Zylinder), eine Unterdrückung einer Bewegung durch mechanische Sperren, die eine Bewegung des Läufers einschränken, der Einsatz eines Getriebes, welches eine selbsthemmende Wirkung hat und der Einsatz einer öffnenden oder schließenden Bremse, die während der gewollten Bewegung des Läufers die Bewegung nicht hemmt und den Läufer in Position hält, sobald der Läufer steht, indem die Bremse schließt.In order to nevertheless give a direct drive the property of self-locking, additional means or measures are provided in known approaches. Examples of this include balancing devices that counteract a force acting on the rotor (e.g. mechanical constant force springs, magnetic constant force springs or hydraulically preloaded cylinders), suppression of movement by mechanical locks that limit movement of the runner, use of a gear mechanism that has a self-locking effect and use of an opening or closing brake that is activated during the intended movement of the runner does not inhibit movement and holds the runner in position once the runner is stationary by applying the brake.

Die bekannten Ansätze für eine Selbsthemmung bei Direktantrieben sind für Hochpräzisionsanwendungen nicht oder nur bedingt geeignet. Der Einsatz von Ausgleichvorrichtungen führt in der Regel zu einem Drift der Position über die Zeit, wobei zudem meist die Kräfte über die Positionierstrecke auch nicht wirklich konstant sind, so dass nicht über die gesamte Positionierstrecke des Linearantriebs die Position im stromlosen Zustand korrekt gehalten werden kann. Die Bewegung durch Sperren zu blockieren ist unpraktisch und lässt sich konstruktiv nur schwer umsetzen. Ein Getriebe reduziert die Dynamik eines Direktantriebs und bringt in der Regel ein mechanisches Spiel in das System, so dass ein Getriebe dem Antrieb wesentliche Eigenschaften nimmt. Der Einsatz von zu öffnenden oder zu schließenden Bremsen führt beim Öffnen und Schließen zu ungewollten Relativbewegungen zwischen dem stationären Teil des Linearantriebs und dem Läufer. Diese Bewegung, die sich aufgrund verändernder Kräfte beim Bremsen ergibt und deren Richtung auch häufig von der Bewegungsrichtung des Linearantriebs abweicht, ist zwar gering, aber für die Nanopositionierung (oder gar noch feinere Bewegungen) werden die Antriebe damit trotzdem ungeeignet.The known approaches for self-locking in direct drives are not or only partially suitable for high-precision applications. The use of compensating devices usually leads to a drift in the position over time, with the forces usually not really being constant over the positioning distance, so that the position cannot be maintained correctly over the entire positioning distance of the linear drive in the de-energized state. Blocking the movement by locking is impractical and difficult to implement constructively. A gearbox reduces the dynamics of a direct drive and usually brings mechanical play into the system, so that a gearbox robs the drive of essential properties. The use of brakes to be opened or closed leads to unwanted relative movements between the stationary part of the linear drive and the runner when opening and closing. This movement, which results from changing forces when braking and whose direction often deviates from the direction of movement of the linear drive, is small, but the drives are still unsuitable for nanopositioning (or even finer movements).

In der Folge wird häufig auch dann noch auf Piezoantriebe zurückgegriffen - die das Problem der fehlenden Selbsthemmung nicht haben - wenn andere benötigte Eigenschaften für den Einsatz eines Direktantriebs sprechen.As a result, piezo drives are often used - which do not have the problem of the lack of self-locking - when other required properties speak for the use of a direct drive.

Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ziel ist es, einen elektromagnetischen Direktantrieb zur Positionierung eines Objekts, insbesondere zur Präzisionspositionierung eines Objekts, bereitzustellen, der eine Selbsthemmung aufweist und die oben erwähnten Probleme der bekannten Ansätze vermeidet oder zumindest verringert, wobei dies vorzugsweise mit einem einfachen und (damit) kostengünstigen Aufbau erreicht wird.An object underlying the present invention is to provide an electromagnetic direct drive for positioning an object, in particular for precision positioning of an object, which has self-locking and avoids or at least reduces the above-mentioned problems of the known approaches, this preferably with a simple and ( thus) cost-effective construction is achieved.

Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt ein elektromagnetischer Direktantrieb zur Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, wie er in Anspruch 1 definiert ist, nämlich ein elektromagnetischer Direktantrieb zur Positionierung eines Objekts, wobei der Direktantrieb einen statischen Teil und einen mit dem Objekt koppelbaren oder das Objekt darstellenden beweglichen Teil umfasst, wobei der statische Teil oder der bewegliche Teil mit einer oder mehreren Spulen als magnetischen Elementen versehen ist und der andere Teil wenigstens einen Magneten und/oder wenigstens eine Spule als magnetisches Element aufweist, wobei die magnetischen Elemente des statischen Teils und des beweglichen Teils gemeinsam zur Erzeugung einer Positionierkraft ausgestaltet sind, und der Direktantrieb ein Reibelement aufweist und der statische Teil und der bewegliche Teil über das Reibelement miteinander koppelbar sind, dessen Reibkraft geringer als die Positionierkraft und größer als eine vorbestimmte Störkraft ist, so dass das Reibelement eine Selbsthemmung gegenüber der Störkraft bewirkt.According to the invention, an electromagnetic direct drive for positioning an object is proposed according to a first aspect, as defined in claim 1, namely an electromagnetic direct drive for positioning an object, the direct drive having a static part and a movable part that can be coupled to the object or represents the object comprises, wherein the static part or the movable part is provided with one or more coils as magnetic elements and the other part has at least one magnet and/or at least one coil as magnetic element, the magnetic elements of the static part and the movable part being common are designed to generate a positioning force, and the direct drive has a friction element and the static part and the movable part can be coupled to one another via the friction element, the frictional force of which is less than the positioning force and greater than a predetermined disruptive force t, so that the friction element self-locks against the disturbing force.

Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Positionierung eines Objekts mit einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Direktantrieb vorgeschlagen, wie es in Anspruch 10 definiert ist, nämlich ein Verfahren zur Positionierung eines Objekts mit einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Direktantrieb, wobei das Verfahren ein Koppeln des statischen Teils und des beweglichen Teils über das Reibelement und ein Ansteuern des Direktantriebs zur Erzeugung einer die Reibkraft überwindenden Kraft und zur Positionierung des Objekts umfasst, wobei infolge des Koppelns eine Selbsthemmung gegenüber einer von außen auf das Objekt wirkende Störkraft bewirkt ist.According to the invention, according to a second aspect, a method for positioning an object with an electromagnetic direct drive according to the invention is proposed, as defined in claim 10, namely a method for positioning an object with an electromagnetic direct drive according to the invention, the method involving a coupling of the static part and the moving part via the friction element and a control of the direct drive to generate a force that overcomes the frictional force and to position the object, wherein as a result of the coupling a self-locking effect is achieved with respect to a disruptive force acting on the object from the outside.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine hochgenaue Positionierung oder Präzisionspositionierung, wobei hierbei einerseits mit der Positionierung eine Bewegung über eine (etwa durch die Bauweise bestimmte) Strecke verbunden ist und die Positionierung andererseits mit einer Genauigkeit bzw. Bewegungsauflösung erfolgt (bzw. erfolgen kann), die um mehrere Größenordnungen kleiner als die vorgesehene Positionierungsstrecke ist.The invention particularly relates to high-precision positioning or precision positioning, in which case, on the one hand, positioning is associated with a movement over a distance (determined, for example, by the design) and, on the other hand, positioning takes place (or can take place) with an accuracy or movement resolution that is is several orders of magnitude smaller than the intended positioning distance.

Besonders vorteilhaft lässt sich die vorliegende Erfindung im Bereich einer mesoskopischen Positionierung einsetzen. Eine mesoskopische Positionierung ist eine Positionierung mit einer Auflösung, die im Bereich von einem Nanometer (oder sogar Bruchteilen davon) bis zu einem oder wenigen Mikrometern liegt, wobei diese mesoskopische Positionierung über Strecken (oder Hübe) im Bereich von Zentimetern oder sogar noch darüber hinaus vorgesehen werden kann.The present invention can be used particularly advantageously in the field of mesoscopic positioning. Mesoscopic positioning is positioning with a resolution ranging from a nanometer (or even fractions thereof) to a micron or a few, where this mesoscopic positioning is intended over distances (or strokes) in the range of centimeters or even beyond can be.

Erfindungsgemäß ist einer aus statischem Teil und beweglichem Teil mit einer oder mehreren Spulen als magnetischen Elementen versehen und der andere aus statischem Teil und beweglichem Teil weist wenigstens einen Magneten und/oder wenigstens eine Spule als magnetisches Element. Mit anderen Worten sind im Rahmen der Erfindung insbesondere folgende Konstellationen vorgesehen:

- statischer Teil mit einer oder mehreren Spulen und beweglicher Teil mit einem oder mehreren Magneten (wobei hier die Zahl der Spulen nicht der Zahl der Magneten entsprechen muss),
- statischer Teil mit einem oder mehreren Magneten und beweglicher Teil mit einer oder mehreren Spulen (wobei auch hier die Zahl der Magneten nicht der Zahl der Spulen entsprechen muss),
- statischer Teil mit einer oder mehreren Spulen und beweglicher Teil mit einer oder mehreren Spulen (wobei die Zahl der Spulen der Teil einander nicht entsprechen muss), wobei zudem hier einer der Teils zusätzlich einen oder mehrere Magnets aufweist.

According to the invention, one of the static part and the moving part is provided with one or more coils as magnetic elements and the other of the static part and the moving part has at least one magnet and/or at least one coil as the magnetic element. In other words, the following constellations are provided in particular within the scope of the invention:

- static part with one or more coils and moving part with one or more magnets (whereby the number of coils does not have to correspond to the number of magnets),
- Static part with one or more magnets and moving part with one or more coils (although the number of magnets does not have to correspond to the number of coils here either),
- Static part with one or more coils and moving part with one or more coils (whereby the number of coils of the part does not have to correspond to each other), in addition here one of the parts additionally has one or more magnets.

Ein Teil des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung findet sich in den folgenden Überlegungen.Part of the background to the present invention is found in the following considerations.

Die Erfindung kann beispielsweise einen Direktantrieb zur Positionierung eines Objekts vorsehen, mit einem oder mehreren Magneten, einer oder mehreren Spulen, wobei vorgesehen ist, dass zwischen einem statischen Teil des Direktantriebs und einem beweglichen Läufer direkt oder indirekt mindestens ein permanent im Eingriff befindlicher Reibkontakt eingebracht ist, dessen Reibkraft geringer als die Positionierkraft des Direktantriebs ist, wenn kein Reibkontakt eingebracht wäre (die also kleiner als eine durch den/die Magnete(n) und die Spule(n) bewirkbare Kraft ist). Die Reibkraft des Reibkontakts ist hierbei größer als eine zu erwartende externe Kraft, die damit auf den Läufer wirken kann, ohne dass der Läufer die Position verliert.The invention can, for example, provide a direct drive for positioning an object, with one or more magnets, one or more coils, with provision being made for at least one permanently engaged frictional contact to be introduced directly or indirectly between a static part of the direct drive and a movable runner , the frictional force of which is less than the positioning force of the direct drive if no frictional contact were introduced (which is therefore less than a force that can be brought about by the magnet(s) and the coil(s)). The frictional force of the frictional contact is greater than an external force to be expected, which can therefore act on the runner without the runner losing its position.

Im Rahmen der Erfindung kann auch ein Verfahren zur Positionierung eines Objekts mit einem Direktantrieb vorgesehen sein, wobei das Verfahren umfasst, dass mindestens ein permanent im Eingriff befindlicher Reibkontakt direkt oder indirekt zwischen den statischen Teil des Direktantriebs und dem beweglichen Läufer eingebracht wird.A method for positioning an object with a direct drive can also be provided within the scope of the invention, the method comprising that at least one permanently engaged frictional contact is introduced directly or indirectly between the static part of the direct drive and the movable runner.

Reibkontakte unterliegen einem Verschleiß und werden in der Positioniertechnik daher möglichst vermieden. Ebenfalls ist es in der Positioniertechnik häufig das Ziel, dass die Positionierung mit einer möglichst hohen Effizienz realisiert wird. Ein (zumindest im Betrieb) permanent im Eingriff befindlicher Reibkörper erscheint da kontraproduktiv. Somit kommt es einem Fachmann nicht in den Sinn, einen Direktantrieb durch die Einbringung mindestens eines dauerhaft im Eingriff befindlichen Reibkontakts zwischen dem statischen Teil und dem Läufer abzuwandeln.Frictional contacts are subject to wear and are therefore avoided as far as possible in positioning technology. It is also often the goal in positioning technology that the positioning is implemented with the highest possible efficiency. A friction body that is permanently engaged (at least during operation) seems counterproductive. Thus, it does not occur to a person skilled in the art to modify a direct drive by introducing at least one permanently engaged frictional contact between the static part and the runner.

Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung allerdings erkannt, dass gerade in der Hochpräzisionstechnik die notwendigen Kräfte und kumulierten Strecken vergleichsweise gering sind, so dass die Nachteile eines permanent in Reibung befindlichen Reibkörpers kaum eine Rolle spielen.However, it was recognized within the scope of the present invention that the necessary forces and accumulated distances are comparatively small, particularly in high-precision technology, so that the disadvantages of a friction body that is permanently in friction hardly play a role.

Wenn die Kräfte eher gering sein müssen, dann können auch die Reibkräfte des Reibkontakts gering eingestellt werden, so dass kein nennenswerter Verschleiß zu erwarten ist, wenn eine passende Materialkombination gewählt wurde. Für Luftanwendungen bieten sich insbesondere harte technische Keramiken als Reibpartner an, die idealerweise auch noch geschmiert sind.If the forces have to be rather low, then the frictional forces of the frictional contact can also be set to be low, so that no significant wear is to be expected if a suitable combination of materials has been selected. For air applications, hard technical ceramics are particularly suitable as friction partners, which ideally are also lubricated.

Bei hochpräzisen Anwendungen sind die kumulierten Stecken (die gesammelte Stecke, die ein Positionierer von der Inbetriebnahme bis zur Entsorgung zurücklegt) eher gering, so dass die Verschleißfestigkeit eines Reibkontakts nicht sehr hoch sein muss. Im Falle der Gleitreibung gilt, dass selbst Kombinationen zwischen Keramiken mit Metallen als Reibpartner bei geeignet gewählter Flächenpressung lange kumulierte Strecken bis zu 100km und mehr erlauben. Bei Keramik/Keramik-Reibpartnern sind die möglichen Stecken bei ansonsten identischem Aufbau sogar deutlich länger.In high-precision applications, the cumulative distances (the accumulated distance traveled by a positioner from commissioning to disposal) are rather small, so the wear resistance of a friction contact does not have to be very high. In the case of sliding friction, even combinations of ceramics with metals as friction partners allow long cumulative distances of up to 100 km and more with a suitably selected surface pressure. In the case of ceramic/ceramic friction partners, the possible distances are even significantly longer with an otherwise identical structure.

Der erfindungsgemäße Reibkontakt kann bei linearen und bei rotatorischen Direktantrieben eingesetzt werden. Auch für mehrdimensionale Direktantriebe kann ein Reibkontakt bzw. eine Kombination von Reibkontakten vorgesehen werden.The frictional contact according to the invention can be used in linear and rotary direct drives. A frictional contact or a combination of frictional contacts can also be provided for multidimensional direct drives.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst das Reibelement wenigstens einen Reibkontakt, wobei die Reibkraft durch eine Haftreibung des wenigstens einen Reibkontakts bestimmt ist. Eine Möglichkeit, das Reibelement zu realisieren, besteht in einer Kombination eines Reibkontakts, etwa mit einem Reibkörper und einer Reibfläche, wobei hier zunächst die Haftreibung einer Bewegung zwischen statischem Teil und beweglichem Teil entgegenwirkt, wobei in der Bewegung noch immer die Gleitreibung überwunden werden muss. Durch eine geeignete Schmierung kann der Unterschied zwischen der Haft- und Gleitreibung reduziert werden.In an advantageous embodiment of one aspect of the invention, the friction element comprises at least one friction contact, the friction force being determined by static friction of the at least one friction contact. One possibility for realizing the friction element is a combination of a friction contact, for example with a friction body and a friction surface, in which case the static friction initially counteracts a movement between the static part and the moving part, with the sliding friction still having to be overcome during the movement. Appropriate lubrication can reduce the difference between static and sliding friction.

In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist der Reibkontakt ein Keramik-Metall-Reibkontakt, wobei die Keramik insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Oxidkeramiken (z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid), Nichtoxidkeramiken (z.B. Siliciumcarbid, Siliciumnitrid) und Mischkeramiken, und wobei das Metall insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Edelmetalle (z.B. Silber, Gold), Halbedelmetalle (z.B. Kupfer), unedle Metalle (z.B. Eisen, Molybdän), Metalllegierungen (z.B. Stahl, Bronze) und Metallmatrix-Verbünde. Die Wahl der jeweiligen Kombination kann angesichts der Umgebungsbedingungen erfolgen, wobei beispielsweise gefunden wurde, dass für Ultrahochvakuum-Anwendungen (bei denen keine Schmierstoffe eingesetzt werden) eine Kombination von Edelmetallen mit einer Keramik gut geeignet ist.In a preferred variant of the above embodiment, the frictional contact is a ceramic-metal frictional contact, with the ceramic being selected in particular from the group consisting of oxide ceramics (e.g. aluminum oxide, zirconium oxide), non-oxide ceramics (e.g. silicon carbide, silicon nitride) and mixed ceramics, and the metal in particular is selected from the group consisting of precious metals (e.g. silver, gold), semi-precious metals (e.g. copper), base metals (e.g. iron, molybdenum), Metal alloys (e.g. steel, bronze) and metal matrix composites. The choice of the particular combination can be made in view of the environmental conditions, for example it has been found that for ultra-high vacuum applications (where lubricants are not used) a combination of precious metals with a ceramic works well.

In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist der Reibkontakt ein Keramik-Keramik-Reibkontakt, wobei die Keramiken insbesondere ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Oxidkeramiken (z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid), Nichtoxidkeramiken (z.B. Siliciumcarbid, Siliciumnitrid), Mischkeramiken und Verbundkeramiken. Es ist hierbei möglich, dass lediglich ein Keramikmaterial für den Reibkontakt verwendet wird, oder auch dass unterschiedliche Keramiken Verwendung finden.In a further preferred variant of the above embodiment, the frictional contact is a ceramic-ceramic frictional contact, with the ceramics being selected in particular from the group consisting of oxide ceramics (e.g. aluminum oxide, zirconium oxide), non-oxide ceramics (e.g. silicon carbide, silicon nitride), mixed ceramics and composite ceramics. It is possible that only one ceramic material is used for the frictional contact, or that different ceramics are used.

In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist der Reibkontakt ein Kunststoff-Kunststoff-Reibkontakt, wobei die Kunststoffe insbesondere ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Polyhalogenolefine (z.B. PTFE, PCTFE), Polyimide und Kombinationen daraus.In a further preferred variant of the above embodiment, the frictional contact is a plastic-plastic frictional contact, with the plastics being selected in particular from the group comprising polyhaloolefins (e.g. PTFE, PCTFE), polyimides and combinations thereof.

In weiteren bevorzugten Varianten der obigen Ausgestaltung ist der Reibkontakt ein Kunststoff/Keramik-Reibkontakt oder ein Kunststoff-Metall-Reibkontakt, wobei hier ebenfalls die oben genannten Materialien bevorzugt sind.In further preferred variants of the above configuration, the frictional contact is a plastic/ceramic frictional contact or a plastic-metal frictional contact, with the abovementioned materials also being preferred here.

Bei einer Nutzung von Kunststoff im Reibkontakt können zudem insbesondere Festschmierstoffe, z.B. Graphit oder Molybdänsulfid, vorteilhaft eingesetzt werden.If plastic is used in frictional contact, solid lubricants in particular, e.g. graphite or molybdenum sulfide, can also be used to advantage.

In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist der Reibkontakt mit einer hybriden Oberfläche (d.h. mit unterschiedliche Materialien in bzw. an der Oberfläche bzw. Grenzfläche) für einen oder beide Reibpartner ausgeführt.In a further preferred variant of the above configuration, the frictional contact is implemented with a hybrid surface (i.e. with different materials in or on the surface or interface) for one or both friction partners.

Hierbei ist es möglich, eine ungleichförmige Steifigkeit des Reibkörpers bzw. Reibpartners vorzusehen, was die Höhe der Haftreibung in Richtung der Gleitreibung schieben kann, so dass eine unerwünschte Stick-Slip-Erscheinung reduziert oder vermieden werden kann.It is possible here to provide a non-uniform stiffness of the friction body or friction partner, which can push the level of static friction in the direction of sliding friction, so that an undesirable stick-slip phenomenon can be reduced or avoided.

Eine ungleichförmige Steifigkeit der Grenzfläche lässt sich auch erzeugen, indem eine der Flächen (idealerweise quer) zur Bewegungsrichtung strukturiert wird, z.B. indem Nuten eingebracht werden. Das verschiebt die Haftreibung in Richtung der Gleitreibung, mit dem Effekt, dass der unerwünschte Stick-Slip-Effekt nicht oder nur reduziert auftritt.A non-uniform stiffness of the interface can also be created by structuring one of the surfaces (ideally transversely) to the direction of movement, e.g. by introducing grooves. This shifts the static friction in the direction of the sliding friction, with the effect that the unwanted stick-slip effect does not occur or only occurs to a reduced extent.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst das Reibelement wenigstens einen Wälzkörper, wobei die Reibkraft durch einen Widerstand gegenüber einem Aufnehmen eines Abrollens des wenigstens einen Wälzkörpers bestimmt ist. Anstelle einer Kombination von Reibfläche und Reibkörper, die gegeneinander abgleiten, kann mit einem Wälzkörper auch eine Kopplung bzw. Selbsthemmung vorgesehen werden, bei dem ein Abrollen vorgesehen ist.In another advantageous configuration of an aspect of the invention, the friction element comprises at least one rolling element, the frictional force being determined by a resistance to the at least one rolling element starting to roll. Instead of a combination of friction surface and friction body, which slide against one another, a rolling body can also be used to provide a coupling or self-locking mechanism, in which rolling is provided.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst das Reibelement ein Schmiermittel, insbesondere einen flüssigen Schmierstoff, einen plastischfesten Schmierstoff und/oder einen festen Schmierstoff, wie z.B. Molybdändisulfid oder Graphit. Eine Schmierung erlaubt insbesondere eine Reduzierung einer Losbrechkraft und eines damit verbundenen unerwünschten Stick-Slip-Effekts, der ansonsten Nachteile hinsichtlich einer präzisen Positionierung mit sich bringen kann.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the friction element comprises a lubricant, in particular a liquid lubricant, a plastically solid lubricant and/or a solid lubricant such as molybdenum disulfide or graphite. Lubrication allows in particular a reduction in a breakaway force and an associated undesired stick-slip effect, which can otherwise entail disadvantages with regard to precise positioning.

Die obige Ausgestaltung kann vorteilhafterweise so ausgeführt werden, dass der Reibkontakt einen Reibkörper und eine Reibfläche umfasst, wobei der Reibkörper für ein hydrodynamisches Aufschwimmen auf dem Schmiermittel bei einer Relativbewegung zwischen Reibkörper und Reibfläche ausgestaltet ist. Kommt es zu dem Aufschwimmen werden der Reibkörper und die Reibfläche als solche voneinander getrennt, so dass sie dann nur noch mittelbar über das Schmiermittel in Kontakt stehen. Insofern wird ein Widerstand des Reibkontakts (dann den Reibkörper, die Reibfläche und das Schmiermittel umfassend) gegen die Bewegung deutlich verringert. Ein hydrodynamisches Aufschwimmen kann auch bei der Nutzung eines Wälzkörpers im Reibelement mit einer entsprechenden Schmierung vorgesehen werden.The above configuration can advantageously be implemented such that the frictional contact comprises a friction body and a friction surface, the friction body being designed for hydrodynamic floating on the lubricant during a relative movement between friction body and friction surface. If floating occurs, the friction body and the friction surface as such are separated from one another, so that they are then only in indirect contact via the lubricant. In this respect, a resistance of the frictional contact (then comprising the friction body, the friction surface and the lubricant) against the movement is significantly reduced. Hydrodynamic floating can also be provided when using a rolling body in the friction element with appropriate lubrication.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung beträgt die Reibkraft wenigstens 25 % der Positionierkraft und liegt vorzugweise im Bereich von 25 % bis 75 % der Positionierkraft, besonders bevorzugt im Bereich von 33% bis 66% der Positionierkraft, und beträgt ganz besonders bevorzugt 50% der Positionierkraft.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the frictional force is at least 25% of the positioning force and is preferably in the range from 25% to 75% of the positioning force, particularly preferably in the range from 33% to 66% of the positioning force, and is very particularly preferably 50 % of positioning force.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Reibkraft des Reibelements einstellbar. Im Rahmen der Erfindung kann eine Anpresskraft (und damit die Reibkraft) des Reibelements über eine oder mehrere Federn aufgebracht werden. Die Federn können integraler Bestandteil einer anderen Komponente des Direktantriebs sein oder auch als separates Bauteil montiert werden. Die Anpresskraft kann beispielsweise durch eine Kombination wenigstens einer Feder und wenigstens einer Schraube einstellbar sein, die auf die Feder einwirkt. Durch Einstellen der Schraube kann ein Anwender den Antrieb auf einen jeweiligen Anwendungsfall anpassen und optimieren.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the frictional force of the frictional element is adjustable. Within the scope of the invention, a pressing force (and thus the frictional force) of the friction element can be applied via one or more springs. The springs can be an integral part of another direct drive component or mounted as a separate component. The pressing force can be adjusted, for example, by a combination of at least one spring and at least one screw that acts on the spring. By setting the A user can adapt and optimize the drive to a particular application with a screw.

Für die vorliegende Erfindung ist es unerheblich, wie die den Vortrieb erzeugenden Strukturen des Direktantriebs aufgebaut sind. Im Rahmen einer Implementierung der Erfindung kann jede für einen Direktantrieb taugliche Anordnung der Magneten (z.B. abwechselnde Polung von Nord zu Süd oder einer Anordnung als Halbach-Array) und jede für einen Direktantrieb taugliche Anordnung der stromdurchflossenen Spulen (z.B. nebeneinander, ineinander verschachtelt, zueinander verdreht, etc.) vorgesehen werden. Der Aufbau der Spulen, z.B. als gewickelte Spule oder als PCB, ist für die Erfindung ebenfalls unerheblich. Es spielt auch keine Rolle, ob es sich um einen eisenlosen oder einen eisenbehafteten Direktantrieb handelt.For the present invention, it is irrelevant how the structures of the direct drive that generate the propulsion are constructed. Within the framework of an implementation of the invention, any arrangement of the magnets suitable for a direct drive (e.g. alternating polarity from north to south or an arrangement as a Halbach array) and any arrangement of the current-carrying coils suitable for a direct drive (e.g. next to each other, nested within one another, rotated in relation to one another , etc.) are provided. The structure of the coils, e.g. as a wound coil or as a PCB, is also irrelevant to the invention. It also makes no difference whether it is an ironless or an iron-core direct drive.

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 Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.Features of advantageous embodiments of the invention are defined in particular in the dependent claims, with further advantageous features, designs and configurations for the person skilled in the art also being inferred from the above explanation and the following discussion.

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 des generellen Konzepts eines bekannten Direktantriebs,
2 eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs,
3 eine schematische Darstellung zur Illustration eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs,
4 eine schematische Darstellung zur Illustration eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs,
5 eine schematische Darstellung zur Illustration eines Aspekts eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs,
6 eine schematische Darstellung zur Illustration eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs und
7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionierung eines Objekts mit einem elektromagnetischen Direktantrieb.

The present invention is further illustrated and explained below with reference to exemplary embodiments shown in the figures. Here shows

1 a schematic representation to illustrate the general concept of a known direct drive,
2 a schematic representation to illustrate a first embodiment of the direct drive according to the invention,
3 a schematic representation to illustrate a second embodiment of the direct drive according to the invention,
4 a schematic representation to illustrate a third embodiment of the direct drive according to the invention,
5 a schematic representation to illustrate an aspect of a fourth embodiment of the direct drive according to the invention,
6 a schematic representation to illustrate a fifth embodiment of the direct drive according to the invention and
7 a schematic flowchart of an embodiment of the inventive method for positioning an object with an electromagnetic direct drive.

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.In the accompanying drawings and the explanations of such drawings, where appropriate, corresponding or related elements are designated by corresponding or similar reference characters, even though they may be found in different embodiments.

2 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs. 2 shows a schematic representation to illustrate a first embodiment of the direct drive according to the invention.

Der Aufbau des in 2 (und auch den in den weiteren 3, 4 und 6) gezeigten Direktantriebs entspricht in weiten Teilen dem Antrieb aus 1, so dass im Folgenden vornehmlich auf die Unterschiede zu einem bekannten Direktantrieb abgestellt wird.The structure of the 2 (and also the one in the following 3 , 4 and 6 ) shown direct drive largely corresponds to the drive 1 , so that in the following primarily the differences to a known direct drive are taken into account.

Der Läufer 2b (als beweglicher Teil) des Direktantriebs 2 ist mit einer Feder 2f ausgestattet, die wiederum einem Reibkörper 2g aufweist, der mit einer Anpresskraft F auf eine Reibfläche 2h drückt, so dass eine Relativbewegung nur zwischen dem statischen Teil 2a und dem Läufer 2b nur möglich ist, wenn die Kraft der Reibung zwischen Reibkörper 2g und Reibfläche 2h überwunden wird (hierbei muss zunächst die Haftreibung überwunden werden, wobei für die Bewegung dann die Gleitreibung relevant ist - bei Implementierungen der Erfindung ist allerdings oft genug der Größenunterschied zwischen der bei Haftreibung und der bei Gleitreibung auftretenden Haftkraft vernachlässigbar, insbesondere wenn eine Schmierung eingesetzt wird). In der Folge bewegt sich der Läufer 2b nur dann relativ zum statischen Teil 2a, wenn entweder die Kraft des Antriebs größer als die Reibkraft ist oder eine externe Kraft auf den Läufer einwirkt, die (ggf. in Summe mit einer vom Antrieb selbst bewirkten Kraft) ausreicht, um die Reibkraft zu überwinden.The runner 2b (as the moving part) of the direct drive 2 is equipped with a spring 2f, which in turn has a friction body 2g, which presses on a friction surface 2h with a contact force F, so that a relative movement is only possible between the static part 2a and the runner 2b is only possible if the force of the friction between the friction body 2g and the friction surface 2h is overcome (in this case, the static friction must first be overcome, with the sliding friction then being relevant for the movement - with implementations of the invention, however, the size difference between the static friction is often enough and the adhesive force occurring during sliding friction are negligible, especially if lubrication is used). As a result, the runner 2b only moves relative to the static part 2a if either the force of the drive is greater than the frictional force or an external force acts on the runner which (possibly in combination with a force caused by the drive itself) enough to overcome the frictional force.

3 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs. 3 shows a schematic representation to illustrate a second embodiment of the direct drive according to the invention.

Es ist im Rahmen der Erfindung unerheblich, ob der Reibkörper mit dem beweglichen Läufer mitbewegt wird oder ob er auf der Seite des statischen Teils des Direktantriebs angeordnet ist.Within the scope of the invention, it is irrelevant whether the friction body is moved with the movable runner or whether it is arranged on the side of the static part of the direct drive.

In 3 ist ein Antrieb 3 analog zum Antrieb 2 aus 2 dargestellt, mit dem Unterschied, dass die Feder 3f mit dem Reibkörper 3g am statischen Teil 3a angeordnet ist und sich die Reibfläche 3h am Läufer 3b befindet.In 3 a drive 3 analogous to drive 2 is off 2 shown, with the difference that the spring 3f is arranged with the friction body 3g on the static part 3a and the friction surface 3h is on the runner 3b.

4 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs. 4 shows a schematic representation to illustrate a third embodiment of the direct drive according to the invention.

Der in 4 gezeigte Direktantrieb 4 unterscheidet sich vom Antrieb 2, der in 2 gezeigt ist, dadurch, dass eine Schraube 4i vorgesehen, die die Feder 4f geeignet verformt, so dass sich zwischen dem Reibkörper 4g und der Reibfläche 4h eine passende Anpresskraft einstellen lässt.the inside 4 The direct drive 4 shown differs from the drive 2 shown in 2 is shown in that a screw 4i is provided, which suitably deforms the spring 4f, so that a suitable contact pressure force can be set between the friction body 4g and the friction surface 4h.

Anstellte einer Schraube kann auch ein anderes Mittel zum Einstellen der Anpresskraft gewählt werden, wie z.B. Keile.Instead of a screw, another means of adjusting the contact pressure can be chosen, such as wedges.

5 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines Aspekts eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs. 5 shows a schematic representation to illustrate an aspect of a fourth embodiment of the direct drive according to the invention.

Die Besonderheit des vierten Ausführungsbeispiels liegt im Bereich des Reibelements, genauer im Kontakt zwischen Reibkörper 5g und Reibfläche 5f, so dass hier lediglich diese Elemente und eine mit dem Reibkörper 5g verbundene Feder 5f dargestellt sind.The special feature of the fourth exemplary embodiment lies in the area of the friction element, more precisely in the contact between the friction element 5g and the friction surface 5f, so that only these elements and a spring 5f connected to the friction element 5g are shown here.

In diesem Ausführungsbeispiel der Reibkontakt (konkret die der Reibfläche 5h zugewandte Fläche des Reibkörpers 5g) eine Form, die bei schnellen Relativbewegungen zwischen dem statischen Teil des Direktantriebs 5 und dem beweglichen Läufer bei Vorliegen eines geeigneten Schmiermittels 5j zu einem hydrodynamischen Aufschwimmen führt, so dass sich die Reibkraft während der schnellen Bewegung deutlich reduziert. Auf dem sich bildenden Schmierfilm gleitet der mindestens eine Reibkörper 5g dann nahezu frei von Reibkräften ab. In 5 ist ein Reibkörper 5g dargestellt, der über eine Feder 5f auf eine Reibfläche 5h gepresst wird. Die Reibfläche 5h ist mit einem Schmiermittel 5j geschmiert. Kommt es in Richtung des Doppelpfeils zu einer schnellen Bewegung, dann wird das Schmiermittel 5j zwischen den Reibkörper 5g und die Reibfläche 5h getrieben und bildet einen entsprechenden Schmierfilm aus.In this exemplary embodiment, the frictional contact (specifically the surface of the friction body 5g facing the friction surface 5h) has a shape which, in the event of rapid relative movements between the static part of the direct drive 5 and the movable runner, results in hydrodynamic floating if a suitable lubricant 5j is present, so that the frictional force is significantly reduced during fast movement. The at least one friction body 5g then slides on the lubricating film that is forming, almost free of frictional forces. In 5 a friction body 5g is shown, which is pressed onto a friction surface 5h by a spring 5f. The friction surface 5h is lubricated with a lubricant 5j. If there is a rapid movement in the direction of the double arrow, then the lubricant 5j is driven between the friction body 5g and the friction surface 5h and forms a corresponding lubricating film.

6 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Direktantriebs. 6 shows a schematic representation to illustrate a fifth embodiment of the direct drive according to the invention.

Bei den Ausführungsbeispielen, die in den 2 bis 5 gezeigt sind, ist jeweils ein Reibelement in Form einer Kombination von Reibfläche und Reibkörper vorgesehen.In the embodiments shown in the 2 until 5 are shown, a friction element is provided in the form of a combination of friction surface and friction body.

Es ist auch möglich, anstatt eines solchen Reibkontakts ein oder mehrere Wälzkörper zwischen dem beweglichen Läufer und dem statischen Teil des Direktantriebs vorzuspannen, so dass für eine Relativbewegung deren Rollwiderstand (bzw. zunächst der Widerstand gegen ein Anrollen) überwunden werden muss. Das kann den Vorteil haben, dass größere kumulierte Stecken möglich sind, da abrollende Bewegungen tendenziell einen geringeren Verschleiß aufweisen als Gleitkontakte. In 6 ist ein entsprechender, beispielhafter Direktantrieb dargestellt.It is also possible, instead of such frictional contact, to preload one or more rolling elements between the movable runner and the static part of the direct drive, so that their rolling resistance (or initially the resistance against rolling) must be overcome for a relative movement. This can have the advantage that longer cumulative distances are possible, since rolling movements tend to show less wear than sliding contacts. In 6 a corresponding, exemplary direct drive is shown.

Der Antrieb 6 entspricht weitestgehend dem Antrieb, der in 3 illustriert ist. Anstelle eines Reibkörpers wird vorliegend eine Wälzkörperanordnung 6g auf eine Laufbahn 6h gepresst, so dass eine Relativbewegung zwischen dem statischen Teil 6a und dem Läufer 6b entlang des Doppelpfeils nur möglich ist, wenn die Rollreibung des vorgespannten Wälzkörpers 6g überwunden wird.The drive 6 largely corresponds to the drive in 3 is illustrated. Instead of a friction body, a rolling body arrangement 6g is pressed onto a raceway 6h so that a relative movement between the static part 6a and the runner 6b along the double arrow is only possible if the rolling friction of the prestressed rolling body 6g is overcome.

Im Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, sind das Wälzlager 6c und die Wälzkörperanordnung 6g getrennt voneinander vorgesehen, wobei es allerdings auch möglich ist, diese beiden Elemente miteinander zu kombinieren bzw. durch ein Wälzlager zu realisieren, dass zumindest einen oder mehrere Wälzkörper aufweist, deren Rollwiderstand bzw. Widerstand gegen ein Anrollen geeignet eingestellt ist.In the embodiment shown in 6 is shown, the rolling bearing 6c and the rolling element arrangement 6g are provided separately from one another, although it is also possible to combine these two elements with one another or to implement them with a rolling bearing that has at least one or more rolling elements whose rolling resistance or resistance to a roll-on is set appropriately.

7 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionierung eines Objekts mit einem elektromagnetischen Direktantrieb. 7 shows a schematic flowchart of an embodiment of the method according to the invention for positioning an object with an electromagnetic direct drive.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst in Schritt S1 ein Vorbereiten bzw. Bereitstellen eines elektromagnetischen Direktantriebs, wobei der Direktantrieb einen statischen Teil und einen beweglichen Teil umfasst. Hierbei ist beispielsweise der bewegliche Teil mit mehreren Spulen (beim Einsatz einer sogenannten „Voice Coil“ kann auch nur eine Spule vorgesehen sein) als magnetischen Elementen versehen, während statische Teil mehrere geeignet angeordnete Magnete als magnetische Elemente (im Fall der „Voice Coil“ kann auch ein Magnet ausreichen) aufweist. In Schritt S1 werden der statische Teil und der bewegliche Teil über ein Reibelement des Direktantriebs miteinander gekoppelt. Zudem wird der bewegliche Teil mit dem zu positionierenden Objekt gekoppelt, wobei allerdings im Grunde auch der bewegliche Teil selbst als das zu positionierende Objekt angesehen werden kann.The method according to the invention initially comprises, in step S1, preparing or providing an electromagnetic direct drive, the direct drive comprising a static part and a moving part. Here, for example, the moving part is provided with several coils (when using a so-called "voice coil", only one coil can be provided) as magnetic elements, while the static part has several suitably arranged magnets as magnetic elements (in the case of the "voice coil". a magnet is also sufficient). In step S1, the static part and the moving part are coupled to one another via a friction element of the direct drive. In addition, the movable part is coupled to the object to be positioned, although basically the movable part itself can also be regarded as the object to be positioned.

Im optionalen Schritt S2 wird der Direktantrieb angesteuert. Hierbei wird durch das Zusammenspiel der Magnete und der entsprechend angesteuerten Spulen im Direktantrieb eine Kraft aufgebaut, die allerdings zunächst geringer ist als die Reibkraft des Reibelements, so dass der Direktantrieb (noch) gehemmt ist.In the optional step S2, the direct drive is activated. Here, through the interaction of the magnets and the correspondingly controlled coils in the direct drive, a force is built up, which, however, is initially lower than the frictional force of the friction element, so that the direct drive is (still) inhibited.

Wirkt im nicht-angesteuerten Zustand aus Schritt S1 oder im Zustand zu Schritt S2, bei dem die Reibkraft noch nicht überwunden ist, eine externe Störkraft auf die Anordnung von statischem Teil und beweglichem Teil, so muss diese Störkraft zunächst eine gewisse Größe erreichen, bevor es zu einer Relativbewegung zwischen statischem Teil und beweglichem Teil kommt, so dass der Direktantrieb somit eine Selbsthemmung aufweist.In the non-actuated state from step S1 or in the state from step S2, in which the frictional force has not yet been overcome, does an external disruptive force act on the arrangement of the static part and moving part, this disruptive force must first reach a certain size before there is a relative movement between the static part and the moving part, so that the direct drive thus has a self-locking effect.

Wird im Rahmen des Ansteuerns durch den Direktantrieb eine Kraft aufgebaut, die zusammen mit einer möglicherweise vorhandenen Störkraft die Reibkraft des Reibelements übersteigt, wird in Schritt S3 die Selbsthemmung überwunden und der Direktantrieb bewegt den beweglichen Teil relativ zum statischen Teil.If a force is built up during actuation by the direct drive which, together with a possibly existing disturbing force, exceeds the frictional force of the friction element, the self-locking is overcome in step S3 and the direct drive moves the movable part relative to the static part.

Wird im Rahmen der Ansteuerung in Schritt S4 die im Direktantrieb bewirkte Kraft (bzw. die aus einer Kombination von Störkraft und Kraft des Direktantriebs resultierende Gesamtkraft) wieder ausreichend klein (also geringer als eine Gleitreibungskraft oder ein Rollwiderstand) kommen der statische Teil und der bewegliche Teil relativ zueinander in Ruhe und auch die Selbsthemmung liegt wieder vor.If the force caused in the direct drive (or the total force resulting from a combination of disruptive force and force of the direct drive) is sufficiently small again (i.e. less than a sliding friction force or a rolling resistance) as part of the activation in step S4, the static part and the moving part come into play relative to each other at rest and self-locking is also present again.

Bei einer folgenden Positionierung bzw. Bewegung setzt sich das Verfahren wieder in Schritt S2 fort.In the case of a subsequent positioning or movement, the method continues again in step S2.

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 diskutieren Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden. Dies gilt insbesondere für eine Implementierung des in 5 gezeigten Aufschwimmens in einer der ersten drei Ausführungsbeispiele.Even if different aspects or features of the invention are shown in combination in the figures, it is obvious to the person skilled in the art—unless otherwise stated—that the combinations shown and discussed are not the only possible ones. In particular, mutually corresponding units or complexes of features from different exemplary embodiments can be exchanged with one another. This is especially true for an implementation of the in 5 shown floating in one of the first three embodiments.

BezugszeichenlisteReference List

1, 2, 3, 4, 61, 2, 3, 4, 6: Direktantriebdirect drive
1a, 2a, 3a, 4a, 6a1a, 2a, 3a, 4a, 6a: statischer Teilstatic part
1 b, 2b, 3b, 4b, 6b1b, 2b, 3b, 4b, 6b: Läufer (beweglicher Teil)runner (moving part)
1c, 2c, 3c, 4c, 6c1c, 2c, 3c, 4c, 6c: Wälzlagerroller bearing
1d, 2d, 3d, 4d, 6d1d, 2d, 3d, 4d, 6d: Magnet(e)magnet(s)
1e, 2e, 3e, 4e, 6e1e, 2e, 3e, 4e, 6e: Spule(n)Wash)
1f, 2f, 3f, 4f, 5f, 6f1f, 2f, 3f, 4f, 5f, 6f: FederFeather
1g, 2g, 3g, 4g, 5g1g, 2g, 3g, 4g, 5g: Reibkörperfriction body
1h, 2h, 3h, 4h, 5h1 hour, 2 hours, 3 hours, 4 hours, 5 hours: Reibflächefriction surface
4i4i: Schraubescrew
5j5y: Schmiermittellubricant
6g6g: Wälzkörperrolling elements
6h6h: Laufbahncareer
S1S1: Bereitstellen des DirektantriebsProviding the direct drive
S2S2: Ansteuern mit Kraft kleiner als ReibkraftControl with force smaller than friction force
S3S3: Ansteuern mit Kraft größer als ReibkraftControl with force greater than frictional force
S4S4: Ende des Ansteuernsend of driving

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 6847133 B2 [0003]
US4435673A [0003]
US6097114A [0003]
US8492935B2 [0003]
US2007220882A1[0003]

Claims

Electromagnetic direct drive (2, 3, 4, 5, 6) for positioning an object, wherein the direct drive (2, 3, 4, 5, 6) has a static part (2a, 3a, 4a, 6a) and one that can be coupled to the object or the moving part (2b, 3b, 4b, 6b) representing the object, wherein the static part (2a, 3a, 4a, 6a) or the moving part (2b, 3b, 4b, 6b) is provided with one or more coils (2e , 3e, 4e, 6e) as magnetic elements and the other part (2b, 3b, 4b, 6b; 2a, 3a, 4a, 6a) at least one magnet (2d, 3d, 4d, 6d) and/or at least one has a coil as a magnetic element, wherein the magnetic elements of the static part (2a, 3a, 4a, 6a) and the movable part (2b, 3b, 4b, 6b) are designed together to generate a positioning force, characterized in that , the direct drive (2, 3, 4, 5, 6) has a friction element (1g, 1h; 2g, 2h; 3g, 3h; 4g; 4h; 5g, 5j, 5h; 6g, 6h) and the static part (2a, 3a, 4a, 6a) and the movable part (2b, 3b, 4b, 6b) via the friction element (1g, 1h; 2g, 2h; 3g, 3h; 4g; 4h; 5g, 5j, 5h; 6g, 6h) with each other can be coupled, the frictional force of which is less than the positioning force and greater than a predetermined disruptive force, so that the friction element (1g, 1h; 2g, 2h; 3g, 3h; 4g; 4h; 5g, 5j, 5h; 6g, 6h) is self-locking effected against the disturbing force.

Direct drive (2, 3, 4, 5) after claim 1 , wherein the friction element (1g, 1h; 2g, 2h; 3g, 3h; 4g; 4h; 5g, 5j, 5h) comprises at least one frictional contact, wherein the frictional force is determined by a static friction of the at least one frictional contact.

Direct drive (2, 3, 4, 5) after claim 2 , wherein the friction contact is a ceramic-metal friction contact, wherein the ceramic is selected in particular from the group consisting of oxide ceramics, non-oxide ceramics, mixed ceramics, and wherein the metal is selected in particular from the group consisting of precious metals, semi-precious metals, base metals, metal alloys and metal matrix alliances.

Direct drive (2, 3, 4, 5) after claim 2 , wherein the frictional contact is a ceramic-ceramic frictional contact, wherein the ceramics are selected in particular from the group consisting of oxide ceramics, non-oxide ceramics, mixed ceramics and composite ceramics.

Direct drive (6) according to one of the preceding claims, wherein the friction element (6g, 6h) comprises at least one rolling element (6g), the frictional force being determined by a resistance to receiving a rolling of the at least one rolling element (6g).

Direct drive (5) according to one of the preceding claims, wherein the friction element comprises a lubricant (5j), in particular a liquid lubricant, a plastically solid lubricant and/or a solid lubricant.

Direct drive (5) after claim 6 , wherein the friction element has a friction contact (5g, 5j, 5h) which comprises a friction body (5g) and a friction surface (5h), the friction body (5g) for hydrodynamic floating on the lubricant (5j) during a relative movement between friction bodies (5g) and friction surface (5h) is designed.

Direct drive (2, 3, 4, 5, 6) according to one of the preceding claims, wherein the frictional force is at least 25% of the positioning force and is preferably in the range from 25% to 75% of the positioning force, particularly preferably in the range from 33% to 66% % of positioning force.

Direct drive (4) according to one of the preceding claims, wherein the frictional force of the friction element (4g; 4h) is adjustable.

Method for positioning an object with an electromagnetic direct drive (2, 3, 4, 5, 6). claim 1 , with coupling (S1) of the static part (2a, 3a, 4a, 6a) and the moving part (2b, 3b, 4b, 6b) via the friction element (1g, 1h; 2g, 2h; 3g, 3h; 4g; 4h ; 5g, 5j, 5h; 6g, 6h), and activation (S3) of the direct drive to generate a force that overcomes the frictional force and to position the object, whereby as a result of the coupling (S1) a self-locking (S2, S4) against an external disturbing force acting on the object is effected.