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Diese Erfindung betrifft einen linearen Aktuator mit zwei durch Verbindungsstäbe verbundenen Drehelementen und einem Hauptkörper aus zwei getrennten Rahmen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen linearen Aktuator, der zur Bewegung einer Spindel durch eine Antriebsquelle wie beispielsweise einen Motor und zur präzisen Positionierung eines Werkstücks verwendet wird.
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Vorrichtungen zur automatischen Ausrichtung verwenden in der optischen Industrie und in mit der optischen Industrie in Verbindung stehenden Industrien wie beispielsweise solchen zur Herstellung von optischen Lichtleitfasern eine Feinpositionierungsvorrichtung zum präzisen Positionieren eines Werkstücks. Einige der Feinpositionierungsvorrichtungen bewegen ein Antriebselement durch eine Antriebsquelle wie beispielsweise einen Motor, wie im Stand der Technik bekannt ist.
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Die
JP 62-037 708 U1 und das US-Patent
US 4 496 865 A offenbaren Feinpositionierungsvorrichtungen, welche die Spindel durch die Antriebsquelle wie beispielsweise einen Motor bewegen.
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Der in der
JP 62-37708 U1 beschriebene lineare Aktuator ist ein Mikrometerkopf. Der Mikrometerkopf enthält eine zylindrische Spindel, die innerhalb eines Hauptkörpers vorgesehen ist und ein Innengewinde an ihrem Innenumfang aufweist, eine Antriebswelle, die von dem Hauptkörper drehbar gelagert ist und ein Außengewinde aufweist, das in Eingriff mit dem Innengewinde der Spindel steht, einen Motor mit einem Rotor, der angrenzend an die Spindel angeordnet ist, und Zahnräder zum Übertragen der Drehung des Rotors des Motors auf die Antriebswelle.
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Bei einem derartigen Aufbau übertragen, wenn der Motor für die Drehung betrieben wird, die Zahnräder die Drehung des Rotors auf die Antriebswelle, und die Drehung der Antriebswelle wiederum bewegt die Spindel in der Axialrichtung.
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Der in der
US 4 496 865 A beschriebene lineare Aktuator enthält einen Hauptkörper, eine Spindel, die mit dem Hauptkörper aber ein Gewinde in Eingriff steht und von einem der Endseiten des Hauptkörpers aus in einer Axialrichtung beweglich angeordnet ist, und einen Motor, der am anderen Ende der Spindel angeordnet ist und an dem ein Rotor so befestigt ist, daß sie sich zusammen drehen können. Eine Nut ist in der Axialrichtung innerhalb des Hauptkörpers gebildet, und der Motor weist einen Vorsprung auf, der in die Nut eingreift. Aufgrund des Eingriffs zwischen der Nut und dem Vorsprung kann sich der Motor in der Axialrichtung der Spindel bewegen, während seine Drehung ausgeschlossen ist.
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Wenn sich bei dem oben beschriebenen Aufbau der Rotor des Motors dreht, wird die Spindel gedreht und aufgrund ihres Eingriffs mit dem Hauptkörper in der Axialrichtung bewegt.
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Ferner ist aus der
JP 07-325 091 A ein linearer Aktuator bekannt, der ein Antriebselement, eine Drehantriebsanordnung und einen Übertragungsmechanismus aufweist und in einem Rastersondenmikroskop verwendet werden kann.
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Über dem hinaus ist aus der
JP 53-111 147 U1 ein linearer Übertragungsmechanismus bekannt, bei dem Verbindungsstäbe als Übertragungselemente einer Drehbewegung genutzt werden.
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Die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sind jedoch nicht frei von den folgenden Problemen.
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Bei der Vorrichtung aus der
JP 62-37708 U sind die Spindel und der Motor in Juxtaposition angeordnet. Daher muß zur Übertragung der Drehung des Rotors des Motors auf die Spindel ein Zahnradmechanismus angeordnet werden, und es muß viel Platz vorgesehen werden, um den Motor und die Zahnradanordnung in der Vertikalrichtung relativ zur Spindel unterzubringen. Als Folge wird die Größe des linearen Aktuators unweigerlich groß.
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Bei der Vorrichtung aus der
US 4 496 865 A sind die Spindel und der Rotor des Motors direkt gekoppelt. Um die Rotation des Motors zu unterbinden, ist es erforderlich, den Hauptkörper mit dem Motor durch den Eingriff zwischen der Nut und dem Vorsprung in Eingriff zu bringen. Da sich auch der Motor zusammen mit der Spindel bewegt, muß Platz zum Unterbringen von Kabeln des Motors im Bewegungsbereich des Motors vorgesehen werden. Auch der Aufbau dieser Vorrichtung führt zu einer großen Größe des linearen Aktuators. Da sich die Kabel bei der Bewegung des Motors ausdehnen und zusammenziehen, besteht die Gefahr, daß sie beschädigt werden.
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Da außerdem die Kraft zum Bewegen des Motors selbst zusätzlich zur Kraft zur Drehung der Spindel erforderlich ist, muß die Motorausgangsleistung erhöht werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen, linearen Aktuator zu schaffen, der die Probleme bei den Technologien des Stands der Technik lösen kann und mittels einfachen Aufbaus eine kleinere Größe des Aktuators erzielen kann.
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Die Erfindung schafft einen linearen Aktuator, umfassend: ein Antriebselement, das über ein Gewinde so an einem Hauptkörper befestigt ist, daß es sich in Axialrichtung bewegen kann; eine Drehantriebsanordnung, die an einer ersten Endseite des Antriebselements auf der gleichen Achse wie das Antriebselement angeordnet ist; und einen Übertragungsmechanismus zum Übertragen der Drehkraft der Drehantriebsanordnung auf das Antriebselement; wobei: der Übertragungsmechanismus ein erstes Drehelement, das mit der ersten Endseite des Antriebselements verbunden ist und sich zusammen mit dem Antriebselement dreht, ein zweites Drehelement, das mit einer Drehwelle der Drehantriebsanordnung verbunden ist, und Verbindungsstäbe zum Übertragen der Drehung des zweiten Drehelements auf das erste Drehelement umfaßt; gekennzeichnet durch eine Versatzerfassungsanordnung zum Erfassen des Ausmaßes des Bewegungsversatzes des Antriebselements; einen Hauptkörper, mit einem vorderen Rahmen, welcher das erste Ende des Antriebselementes bedeckt und einem hinteren Rahmen innerhalb dessen der Übertragungsmechanismus angeordnet ist und der mit einem Endabschnitt des vorderen Rahmens verbunden ist, wobei der hintere Rahmen ein von dem vorderen Rahmen getrenntes Teil ist und wobei im hinteren Rahmen ein durchsichtiges Teil angeordnet ist, wodurch aufgrund der relativen Rotierbarkeit des vorderen Rahmens zum hinteren Rahmen ein vereinfachtes Ablesen der Versatzerfassungsanordnung ermöglicht wird; und dadurch dass die Verbindungsstäbe parallel zur Achse des Antriebselements und auf einer Achse, die sich von der Achse des Antriebselements unterscheidet, angeordnet sind und entweder mit dem ersten Drehelement oder dem zweiten Drehelement verbunden sind sowie mit demjenigen der Drehelemente, mit dem sie nicht verbunden sind, so in Eingriff stehen, daß sie in Axialrichtung gleitend verschieblich sind.
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Bei dem oben beschriebenen Aufbau überträgt der Übertragungsmechanismus die Drehkraft der Drehantriebsanordnung auf das Antriebselement, und das Antriebselement wird gedreht. Das Antriebselement wird durch den Eingriff des Hauptkörpers mit dem Antriebselement in der Axialrichtung bewegt, und die Versatzerfassungsanordnung erfaßt dieses Ausmaß des Versatzes des Antriebselements in der Axialrichtung. Daher kann, wenn die Antriebsanordnung auf der Basis des von der Versatzerfassungsanordnung erfaßten Ausmaßes des Versatzes des Antriebselements in der Axialrichtung gesteuert wird, die Bewegung des Antriebselements sehr präzise gesteuert werden.
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Bei der Übertragungsanordnung dreht die Drehkraft der Drehantriebsanordnung das zweite Drehelement durch die Drehwelle. Die Verbindungsstäbe übertragen die Drehung des zweiten Drehelements auf das erste Drehelement, und das erste Drehelement wird gedreht. Außerdem wird auch das Antriebselement gedreht, wenn das Antriebselement und das erste Drehelement sich zusammen drehen. Aufgrund des Eingriffs zwischen dem Hauptkörper und dem Antriebselement wird das Antriebselement in der Axialrichtung bewegt.
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Die Verbindungsstäbe sind parallel zur Achse des Antriebselements angeordnet, und zwar auf Achsen, die sich von der Achse des Antriebselements unterscheiden. Daher werden die Verbindungsstäbe mit der Achse des Antriebselements und der Achse der Drehantriebsanordnung als der Rotationsachse gedreht. Die Drehung des zweiten Drehelements wird durch die Drehung der Verbindungsstäbe mit der Achse des Antriebselements als Mitte auf das erste Drehelement und das Antriebselement übertragen.
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Die Verbindungsstäbe sind entweder an dem ersten Drehelement oder dem zweiten Drehelement fest angebracht und stehen in Eingriff mit dem jeweils anderen, und zwar so, daß sie in der Axialrichtung gleitend verschieblich sind. Daher wird der Eingriffszustand selbst dann durch ein Gleiten der Verbindungsstäbe beibehalten, wenn der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Drehelement sich ändert. Als Folge wird die Drehung von dem zweiten Drehelement durch die Verbindungsstäbe selbst dann auf das erste Drehelement übertragen, wenn sich der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Drehelement ändert. In anderen Worten kann selbst dann, wenn sich nur das Antriebselement bewegt, während die Position der Drehantriebsanordnung als zwischen dem ersten und dem zweiten Drehelement ändert. In anderen Worten kann selbst dann, wenn sich nur das Antriebselement bewegt, während die Position der Drehantriebsanordnung als solche beibehalten wird, die Drehung von der Drehantriebsanordnung auf das Antriebselement übertragen werden.
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Als Folge ist es nicht erforderlich, die Nut und den Vorsprung zu bilden, die bei dem linearen Aktuator gemäß dem Stand der Technik erforderlich waren, bei dem sich die Drehantriebsanordnung mit dem Antriebselement dreht. Der Platz für das Unterbringen der Kabel in einem Abstand entsprechend der Bewegungsentfernung der Drehantriebsanordnung ist nicht erforderlich, und ein Brechen der Kabel aufgrund des Auseinanderziehens und Zusammenziehens kann somit beseitigt werden.
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Bei dem linearen Aktuator gemäß dem Stand der Technik sind der Hauptkörper und die Drehantriebsanordnung durch die Eingriffsanordnung miteinander verbunden, oder das Antriebselement und die Drehantriebsanordnung sind einstückig miteinander ausgebildet. Daher ist es nicht möglich, oder es ist sehr schwierig, die Drehantriebsanordnung auszutauschen. Da die Drehantriebsanordnung bei der Erfindung lediglich mit dem zweiten Drehelement verbunden ist, kann sie jedoch in einfacher Weise durch verschiedene Drehantriebsanordnungen nach Maßgabe der beabsichtigten Anwendung ersetzt werden. Warm das erste Drehelement und andere Elemente (Verbindungsstab bzw. Verbindungsstäbe, zweites Drehelement, Drehantriebselement) zum manuellen Drehen des Antriebselements mit dem Antriebselement in dem linearen Aktuator verbunden werden, kann der lineare Aktuator in einfacher Weise zu einem linearen Aktuator geändert werden, der die Drehantriebsanordnung verwendet.
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Der lineare Aktuator gemäß der Erfindung kann das Merkmal aufweisen, daß dasjenige Drehelement, mit dem die Verbindungsstäbe nicht festverbunden sind, eine Anzahl von Durchgangslöchern enthält, die der Anzahl der Verbindungsstäbe entspricht, in die die Verbindungsstäbe so eingreifen, daß sie in der Axialrichtung gleitend verschieblich sind.
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Gemäß diesem Aufbau können die in das Durchgangsloch eingesteckten Verbindungsstäbe in der Axialrichtung gleiten. Daher kann der Eingriffszustand durch Gleiten der Verbindungsstäbe selbst dann beibehalten werden, wenn der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Drehelement sich ändert. Als Folge kann die Drehung von dem zweiten Drehelement selbst dann auf das erste Drehelement übertragen werden, wenn sich der Abstand zwischen ihnen ändert.
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Der lineare Aktuator gemäß der Erfindung kann das weitere Merkmal aufweisen, daß ein Knopf, der sich zusammen mit der Drehwelle der Drehantriebsanordnung dreht, an der Drehantriebsanordnung auf der vom Antriebselement abgewandten Seite vorgesehen ist.
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Gemäß diesem Aufbau überträgt, wenn der Knopf manuell gedreht wird, um die Drehwelle der Drehantriebsanordnung zu drehen, der Übertragungsmechanismus diese Drehung auf das Antriebselement. Daher kann das Antriebselement manuell bewegt werden. Da das Antriebselement ohne Zurückgreifen auf die Drehantriebsanordnung manuell bewegt werden kann, können hervorragende Betätigungseigenschaften erzielt werden, wenn die Position des Antriebselements fein eingestellt wird.
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Der lineare Aktuator gemäß der Erfindung kann das weitere Merkmal aufweisen, daß er ein drittes Drehelement, das sich zusammen mit dem Antriebselement bewegt und dreht, ein durchsichtiges Element, das an einem Teil der Seitenfläche des Hauptkörpers entsprechend dem Bewegungsbereich des dritten Drehelements vorgesehen ist, eine Skala, die in der Bewegungsrichtung des dritten Drehelements gebildet ist und eine weitere Skala enthält, die auf der Umfangsfläche des dritten Drehelements gebildet ist.
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Gemäß diesem Aufbau bewegt sich, wenn sich das Antriebselement unter Drehung in der Axialrichtung bewegt, auch das dritte Drehelement mit ihm und wird mit ihm gedreht. Da das durchsichtige Element an der Seitenfläche des Hauptkörpers entsprechend dem Bewegungsbereich des dritten Drehelements vorgesehen ist, kann die Bewegung des dritten Drehelements durch das durchsichtige Element hindurch mit bloßem Auge überprüft werden, und der Umfang des Bewegungsversatzes des Antriebselements kann von der am Hauptkörper vorgesehenen Skala abgelesen werden. Außerdem kann das Ausmaß der Drehung des Antriebselements von der an der Umfangsfläche des dritten Drehelements vorgesehenen Skala abgelesen werden. Da das Ausmaß der Drehung des Antriebselements in das Ausmaß des Bewegungsversatzes in der Axialrichtung durch die Gewindesteigung des Gewindes umgesetzt wird, kann ein kleiner Versatz des Antriebselements von der Skala des dritten Drehelements zusätzlich zur Skala des Hauptkörpers abgelesen werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines linearen Aktuators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Schnittansicht des linearen Aktuators der ersten Ausführungsform;
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3 eine perspektivische Ansicht von Hauptbestandteilen der ersten Ausführungsform;
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4 eine perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform;
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5 eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Form des zweiten Drehelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine Vorderansicht des zweiten Drehelements von 5;
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7 eine Seitenansicht des zweiten Drehelements von 5; und
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8 eine Seitenansicht eines linearen Aktuators gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Erste Ausführungsform
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Ein linearer Aktuator gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung treibt über einen Motor eine Spindel 2 eines Mikrometerkopfs an, wie in 1 gezeigt. Der in 2 gezeigte lineare Aktuator enthält einen Hauptkörper 1, eine Spindel 2 als Antriebselement, die so durch eine Schraube an dem Hauptkörper 1 befestigt ist, daß sie sich in einer Axialrichtung bewegen kann, einen Schrittmotor 3 als Drehantriebseinrichtung, die an einem der Endabschnitte der Spindel 2 auf der gleichen Achse wie diejenige der Spindel 2 angeordnet ist, einen Übertragungsmechanismus 4, der zwischen dem Schrittmotor 3 und der Spindel 2 angeordnet ist, und eine Versatzerfassungsanordnung 5 zum Lesen des Ausmaßes eines Bewegungsversatzes der Spindel 2a.
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Der Hauptkörper 1 enthält einen vorderen Rahmen 11, der ein Durchgangsloch aufweist und die andere Endseite der Spindel 2 bedeckt, und einen hinteren Rahmen 12, der von außen mit einem der Endabschnitte des vorderen Rahmens 11 verbunden ist und sich zu dieser Endseite hin öffnet.
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Der vordere Rahmen 11 umfaßt einen am offenen Abschnitt der anderen Endseite angeordneten zylindrischen Stab 111 zum Führen der Spindel 2 und einen Schraubzylinder 112, der durch eine Schraube in den offenen Abschnitt an einer Endseite befestigt ist und an seinem Innenumfang ein Innengewinde 112A aufweist, die in Eingriff mit der Spindel 2 steht.
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Eine Schulter 112B mit zunehmendem Durchmesser ist in dem Durchgangsloch des Schraubzylinders 112 in einem mittleren Teil zwischen einer Endseite und der anderen Endseite vorgesehen, und das Innengewinde 112A ist an dem Innenumfang an der einen Endseite mit dem großen Durchmesser vorgesehen.
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Der Stab 111 umfaßt einen vorderen Stab 111A, der in den offenen Abschnitt an der anderen Endseite des vorderen Rahmens 11 eingesetzt ist, und einen hinteren Stab 111B, der über eine Schraube 111C am vorderen Stab 111A befestigt ist.
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Ein Digitalanzeigeabschnitt 113 ist an der Seitenfläche des vorderen Rahmens 11 vorgesehen, und ein Ausgangskabel 113A ist zum Ausgeben von Daten aus diesem Digitalanzeigeabschnitt 113 angebracht.
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Der hintere Rahmen 12 ist so auf dem Schraubzylinder 112 verbunden, daß er eine der Endseiten des Schraubzylinders 112 bedeckt, und er wird an dem Schraubzylinder 112 befestigt, wenn eine Einstellschraube 121 in Eingriff mit dem Schraubzylinder 112 gelangt.
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Ein durchsichtiges Element 122 ist an der Seitenfläche des hinteren Rahmens 12 vorgesehen, und eine Skala 123 ist in der Axialrichtung der Spindel 2 definiert, wie in 1 gezeigt.
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Die Spindel 2 weist eine Länge auf, die größer als die Länge des vorderen Rahmens 11 ist. Eine der Endseiten der Spindel 2 ragt in den hinteren Rahmen 12 hinein, während die andere Endseite nach außen vorsteht. Der Stab 111 führt den Abschnitt der Spindel 2 von deren Mitte bis zur anderen Endseite, wie bereits beschrieben.
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Die Spindel 2 weist eine Schulter 21 auf, deren Durchmesser von deren Mitte zu der anderen Endseite zunimmt. Ein Außengewinde 22 ist auf dem Außenumfang der Schulter am Außenumfang der Schulter mit einem großen Durchmesser auf einer der Endseiten in der Axialrichtung gebildet. Dieses Außengewinde 22 steht in Eingriff mit dem Innengewinde 112A des Schraubzylinders 112 des vorderen Rahmens 11.
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Eine V-Nut 23 mit einer vorbestimmten Länge ist im mittleren Teil der Spindel in der Axialrichtung gebildet.
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Der Schrittmotor 3 weist Rotoren 31 an beiden seiner Seiten als Drehwellen auf, und er ist so angeordnet, daß er den offenen Abschnitt an einer der Endseiten des hinteren Rahmens 12 verschließt, so daß die Drehwellen 31 die gleiche Drehachse wie die Spindel 2 aufweisen. Ein Knopf 32, der sich zusammen mit dem Rotor 31 dreht, ist an einer der Endseiten des Schrittmotors 3 angeordnet. Der Schrittmotor 3 enthält des weiteren ein nach außen führendes Kabel 33.
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Ein Übertragungsmechanismus 4 ist innerhalb des hinteren Rahmens 12 an einer der Endseiten der Spindel 2 angeordnet. Wie in 3 gezeigt, umfaßt der Übertragungsmechanismus 4 ein sich zusammen mit der Spindel 2 drehendes erstes zylindrisches Drehelement 41, ein an der anderen Endseite des Schrittmotors 3 angeordnetes und sich zusammen mit dem Rotor 31 des Schrittmotors 3 drehendes zweites Drehelement 42 und eine Verbindungsstabanordnung 43, die das zweite Drehelement 42 mit dem ersten Drehelement 41 verbindet.
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Das erste Drehelement 41 weist eine kurze zylindrische Form mit einem Durchgangsloch in seiner Mitte auf. Dieses Durchgangsloch und die andere Endseite der Spindel 2 sind mittels einer Konusanordnung 412 miteinander verbunden. Ein Innengewinde 24 ist von der anderen Endseite der Spindel 2 aus mit ihr verbunden, um die Spindel 2 und das erste Drehelement 41 fest miteinander zu verbinden. Das erste Drehelement 41 weist zwei Ausnehmungen 411 an zwei Positionen auf der kurzen Zylinderachse auf, und ein runder Ring 44 ist als drittes Drehelement mit dem erstes Drehelement verbunden und bedeckt den äußeren Umfang.
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Eine Skala 441 ist am Umfang des runden Rings 44 vorgesehen. Eine Basislinie 442 zum Anzeigen der Position der Spindel 2 auf der Skala 123 des hinteren Rahmens 12 ist ebenfalls auf dem Umfang vorgesehen. Das oben beschriebene durchsichtige Element 122 des hinteren Rahmens 12 ist entsprechend des Bewegungsbereichs dieses runden Rings 44 angeordnet.
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Hier bilden das durchsichtige Element 122 und die Skala 123 des hinteren Rahmens 12 und die Skala 441 und die Basislinie 442 des runden Rings 44 zusammen die erste Versatzerfassungsanordnung 5A.
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Das zweite Drehelement 42 weist eine kurze zylindrische Form auf, und der Rotor 41 am anderen Ende des Schrittmotors 3 ist in die Mitte des zweiten Drehelements 42 eingesetzt und fest mit ihm verbinden.
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Zwei Verbindungsstäbe 43 sind vorgesehen, und ihre Länge ist größer als die Summe des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Drehelement 41 bzw. 42 und die Betriebsentfernung, in der sich die Spindel 2 in der Axialrichtung bewegen kann. Eines der Enden jedes Verbindungsstabs 43 ist in das zweite Drehelement 42 eingesetzt, während das andere Ende in die Ausnehmung 411 des ersten Drehelements 41 eingesetzt ist. Die Verbindungsstäbe 43 sind somit parallel zur Achse der Spindel 2 angeordnet, wobei ihre Achsen sich von der Achse der Spindel 2 unterscheiden.
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Die Versatzerfassungsanordnung 5 enthält die oben beschriebene erste Versatzerfassungsanordnung 5A und eine zweite Versatzerfassungsanordnung 5B zum elektrischen Erfassen der Drehung der Spindel 2 und deren Ausgabe als Ausmaß der Bewegung der Spindel 2. Die zweite Versatzerfassungsanordnung 5B enthält eine Schraube 53, die mit der V-Nut 23 der Spindel 2 in Eingriff steht, einen Rotor 52, der sich über diese Schraube 53 zusammen mit der Spindel 2 dreht, und einen Stator 51 zum Ablesen bzw. Aufnehmen der Drehung des Rotors 52.
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Der Stator 51 ist durch die Eingriffsverbindung der Einstellschraube 54 mit dem Schraubzylinder 112 fest verbunden, und der Rotor 52 ist unabhängig von dem Stator 51 drehbar angeordnet.
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Diese Ausführungsform nutzt die Änderung einer elektrostatischen Kapazität zum Ablesen bzw. Aufnehmen des Ausmaßes der Drehung des Rotors 52 relativ zum Stator 51 aus, aber es besteht keine besondere Beschränkung auf dieses System.
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Das von dem Stator 51 abgelesene Ausmaß der Drehung des Rotors 52 wird über ein Kabel 511 an den Digitalanzeigeabschnitt 113 geschickt, in das Ausmaß des Bewegungsversatzes der Spindel 2 umgesetzt und dann angezeigt.
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Um den linearen Aktuator zu benutzen, wird zuerst der Schrittmotor 3 so angetrieben, daß die Spindel 2 in Übereinstimmung mit einem Meßobjekt oder in Übereinstimmung mit der Einstellposition des Objekts um ein vorbestimmtes Ausmaß bewegt werden kann.
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Dabei wird das Ausmaß des Bewegungsversatzes der Spindel 2 auf dem Digitalanzeigeabschnitt 113 angezeigt und kann von der Position der Basislinie 442 auf dem runden Ring 44 und von den Skalen 123 und 441 durch das am hinteren Rahmen 12 vorgesehene durchsichtige Element 122 abgelesen werden.
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Wenn der Schrittmotor 3 in dem linearen Aktuator mit dem oben beschriebenen Aufbau angetrieben wird, dreht die Drehung des Rotors 41 des Schrittmotors 3 das zweite Drehelement 42. Die mit dem zweiten Drehelement 42 und dem ersten Drehelement 41 verbundenen Verbindungsstäbe 43 werden mit der Achse der Spindel 2 als Drehachse gedreht, und die Drehung wird von dem zweiten Drehelement 42 auf das erste Drehelement 41 übertragen. Da sich die Spindel 2 und das erste Drehelement gemeinsam drehen, wird die Spindel 2 gedreht und bewegt sich in der Axialrichtung aufgrund des Eingriffs zwischen dem Innengewinde 112A des Schraubzylinders 112 und dem Außengewinde 22 der Spindel 2.
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Wenn somit die Spindel 2 gedreht wird und sich in der Axialrichtung bewegt, dreht die in Eingriff mit der V-Nut 23 der Spindel 2 stehende Schraube 53 den Rotor 52. Da die V-Nut 23 in diesem Beispiel mit einer vorbestimmten Länge gebildet ist, wird der Eingriff zwischen der Schraube 53 und der V-Nut 23 selbst dann beibehalten, wenn sich die Spindel 2 in der Axialrichtung bewegt. Der Stator 51 liest die Drehung des Rotors 52 ab, und der Digitalanzeigeabschnitt 113 zeigt das Ausmaß des Bewegungsversatzes der Spindel 2 an.
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Die Verbindungsstäbe 43 sind mit dem zweiten Drehelement 42 verbunden, stehen jedoch so in Eingriff, daß sie in der Axialrichtung mit dem ersten Drehelement 41 gleiten. Somit erhält das Gleiten der Verbindungsstäbe 43 den Eingriffszustand zwischen den Verbindungsstäben 43 und dem ersten Drehelement 41 selbst dann bei, wie in den 3 und 4 gezeigt, wenn sich der Abstand zwischen dem ersten Drehelement 41 und dem zweiten Drehelement 42 ändert, und die Drehung wird von dem zweiten Drehelement 42 auf das erste Drehelement 41 übertragen.
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In anderen Worten wird selbst dann, wenn sich die Spindel 2 alleine bewegt, wobei die Position des Schrittmotors 3 beibehalten wird, die Drehung von dem Schrittmotor 3 auf die Spindel 2 übertragen.
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Demzufolge ist es nicht erforderlich, den Raum zum Unterbringen des Kabels 33 des Schrittmotors 3 abzusichern, wie es bei dem herkömmlichen linearen Aktuator der Fall war, bei dem sich die Drehantriebseinrichtung zusammen mit der Spindel 2 bewegt, so daß die Reduzierung der Größe des linearen Aktuators erreicht werden kann. Da sich das Kabel 33 nicht auseinander- und zusammenzieht, kann außerdem eine Beschädigung des Kabels 33 verhindert werden.
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Das durchsichtige Element 122 und die in der Axialrichtung gebildete Skala 123 sind an der Seitenfläche des hinteren Rahmens 12 angeordnet. Die Basislinie 442 zum Anzeigen der Position der Spindel 2 und die Skala 441 zum Anzeigen des Ausmaßes des Bewegungsversatzes der Spindel 2 auf der Basis des Drehungswinkels sind auf dem runden Ring 44 angeordnet, der mit dem Außenumfang des ersten Drehelements 41 verbunden ist. Daher kann das Ausmaß des Bewegungsversatzes der Spindel 2 abgelesen werden.
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Der hintere Rahmen 12 ist ein vom vorderen Rahmen 11 getrenntes Teil, ist jedoch durch die Einstellschraube 121 mit dem Schraubzylinder 112 des vorderen Rahmens 11 verbunden. Daher kann das durchsichtige Element 122 zu einer Position bewegt werden, in der die Skalen 123 und 441 leichter abgelesen werden können, indem der hintere Rahmen 12 nach Maßgabe der Art der Benutzung des linearen Aktuators gedreht wird.
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Der Knopf 32 ist am Rotor 31 des Schrittmotors 3 vorgesehen. Wenn der Knopf 32 manuell von außen gedreht wird, ist es möglich, den Rotor 31 des Schrittmotors 3 zu drehen und die Spindel 2 manuell zu bewegen. Somit kann die Spindel 2 ohne Antrieb des Schrittmotors 3 manuell bewegt werden, und es können hervorragende Betätigungseigenschaften erzielt werden, wenn die Position der Spindel 2 fein eingestellt ist.
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Bei dem linearen Aktuator gemäß dem Stand der Technik ist eine Eingriffsanordnung oder eine Getriebeanordnung zwischen den Hauptkörper 1 und die Drehantriebsanordnung zwischengeschaltet, und der Hauptkörper 1 und die Drehantriebsanordnung sind einstückig. Daher ist es nicht möglich oder mindestens sehr schwierig, die Drehantriebsanordnung auszutauschen.
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Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch der Schrittmotor 3 ein von dem Hauptkörper 1 getrennter Körper und mit dem Hauptkörper 1 in keiner Weise verbunden. Da der Schrittmotor 3 lediglich in das zweite Drehelement 42 eingesetzt ist, können verschiedene Drehantriebsanordnungen verwendet werden, um den Schrittmotor 3 entsprechend der beabsichtigten Verwendung zu ersetzen.
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Bei dem linearen Aktuator gemäß dem Stand der Technik liest die Versatzerfassungsanordnung das Ausmaß des Bewegungsversatzes der Spindel 2 nicht direkt ab, sondern liest die Drehung des Rotors 31 der Antriebswelle oder des Motors ab. Daher ist es wahrscheinlich, daß sich bei dem Ausmaß des Bewegungsversatzes der Spindel 2 ein Fehler ergibt. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die V-Nut 23 in der Spindel 2 gebildet, und der Rotor 52 wird durch den Eingriff zwischen der V-Nut 23 und der Schraube 53 gedreht. Daher kann das Ausmaß der Drehung der Spindel 2 direkt abgelesen werden, und der Fehler aus dem Ausmaß des Bewegungsversatzes der Spindel 2 entsteht nicht.
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Der lineare Aktuator dieser Ausführungsform umfaßt das Ausgangskabel 113A zum Ausgeben der Daten aus dem Digitalanzeigeabschnitt 113 und das Kabel 33, das sich aus dem Schrittmotor 3 heraus erstreckt. Daher ist es auch möglich, die Daten des Ausmaßes des Bewegungsversatzes der Spindel 2, die von der Versatzerfassungsanordnung 5 gemessen wurden, über das Ausgangskabel 113 an externe Geräte auszugeben und eine Regelung des Schrittmotors 3 aus den externen Geräten über das Kabel 33 auf der Basis dieser Daten auszufahren.
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Wenn sich die Spindel 2 übermäßig zur Seite des anderen Endes hin bewegt, können das erste Drehelement 41 und die Verbindungsstäbe 43 außer Eingriff geraten. Da jedoch die Schultern 112B und 21 an dem Schraubzylinder 112 bzw. der Spindel 2 gebildet sind, beschränken diese Schultern 112B und 21 die übermäßige Bewegung der Spindel 2 zur Seite des anderen Endes hin. Daher ist es möglich, die übermäßige Bewegung der Spindel 2 zur Seite des anderen Endes hin und das Lösen des ersten Drehelements 41 von den Verbindungsstäben 43 zu verhindern.
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Zweite Ausführungsform
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung enthält ein anderes zweites Drehelement 60, das anders als das zweite Drehelement 42 der ersten Ausführungsform ist, wie in den 5, 6 und 7 gezeigt ist. Das zweite Drehelement 60 der zweiten Ausführungsform ist gemäß Darstellung in 5 in zwei Teildrehelemente 60A und 60B unterteilt. Die zwei Teildrehelemente 60A und 60B sind durch acht Schrauben 62 und zwei rechteckförmige dünne Blattfedern 61 verbunden. Das Teildrehelement 60A ist an dem Rotor 31 befestigt. Das andere Teildrehelement 60B hält die zwei Verbindungsstäbe 43. Die Anordnung dieser Elemente ist außerdem in der Vorderansicht von 6 und der Seitenansicht von 7 gezeigt.
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Bei der zweiten Ausführungsform mit den vorgenannten Teildrehelementen können die zwei Verbindungsstäbe 43 sich nahezu parallel zur Mittelachse des Schrittmotors 3 verschieben. Demzufolge wird selbst in dem Fall, daß die Mittelachse des Schrittmotors 3 gegenüber der Achse der Spindel 2 verschoben ist, der Betrieb des linearen Aktuators stetig bzw. ruckfrei beibehalten werden. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Änderung der Gleitbedingung zwischen den zwei Ausnehmungen bzw. Schlitzen 411 des ersten Drehelements 41 und den zwei Verbindungsstäben 43 durch die Bewegung der zwei Verbindungsstäbe 43 absorbiert wird. In anderen Worten wird der Reibungswiderstand an den Ausnehmungen bzw. Schlitzen 411 durch das Verbiegen der zwei Blattfedern 61 konstant gehalten.
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Dritte Ausführungsform
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Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Spindel 2 des externen Mikrometers mittels des Schrittmotors 3 angetrieben, wie in 8 gezeigt ist.
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Der grundlegende Aufbau ist gleich wie bei den beiden vorhergehenden Ausführungsformen. Es ist jedoch ein Arm 114 an dem Hauptkörper 1 vorgesehen, und ein Amboß 114A ist am distalen Ende des Arms 114 so angeordnet, daß er der Spindel 2 auf der Achse dieser Spindel gegenüberliegt.
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Außerdem ist ein Schalter 114B zum Betreiben des Schrittmotors 3 vorgesehen, und eine Zelle zum Betreiben des Schrittmotors 3 ist eingebaut.
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Bei diesem Aufbau kann der lineare Aktuator die Größe des Meßabschnitts messen, wenn die Spindel 2 und der Amboß 114A in Kontakt mit der Meßposition des Meßobjekts gebracht werden.
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Da diese Ausführungsform den Schalter 114B zum Betreiben des Schrittmotors 3 und die eingebaute Zelle enthält, kann ein Bediener das Meßobjekt einhändig messen, ohne durch Leitungen (113A, 33) beeinträchtigt zu werden.
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Wie aus den vorstehenden Ausführungsformen hervorgeht, weist der Übertragungsmechanismus 4 der Erfindung einen einfachen Aufbau insofern auf, als das andere Ende des ersten Drehelements 41 lediglich am anderen Ende der Spindel 2 befestigt ist. Daher können existierende Mikrometerköpfe und externe Mikrometer in einfacher Weise unter Verwendung des Motors angetrieben werden.
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Unter Verwendung des Schrittmotors 3 kann der lineare Aktuator der Erfindung die an den Schrittmotor 3 angelegte Last durch Erfassen der Differenz der Drehphase des Rotors 31 zu derjenigen des Rotors 52 auf der Basis des Treibersignals zum Treiben des Schrittmotors 3 messen. Daher kann, wenn bei dem Schrittmotor 3 eine Regelung eingesetzt wird, die Kraft zum Antreiben der Spindel, das heißt die Meßkraft, innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten werden.
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Der erfindungsgemäße lineare Aktuator ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann natürlich in verschiedener Weise geändert bzw. modifiziert werden.
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Die Anwendung des linearen Aktuators ist nicht auf Mikrometerköpfe oder externe Mikrometer beschränkt, sondern erstreckt sich auf viele Fälle, in denen das Antriebselement durch Drehung bewegt wird.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen enthält der Hauptkörper 1 den vorderen Rahmen 11 und den hinteren Rahmen 12, der Hauptkörper kann jedoch auch aus einer einstückigen Einheit gebildet sein.
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Es können verschiedene Motoren außer dem Schrittmotor 3 als Drehantriebsanordnung verwendet werden.
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Bei dem Übertragungsmechanismus 4 gemäß den Ausführungsformen sind die Verbindungsstäbe 43 an dem zweiten Drehelement 42 bzw. 60 befestigt, stehen jedoch mit dem ersten Drehelement 41 so in Eingriff, daß sie gleiten können. Die Verbindungsstäbe 43 können jedoch auch an dem ersten Drehelement 41 befestigt sein und so in Eingriff mit dem zweiten Drehelement 42 bzw. 60 stehen, daß sie gleiten können.
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Das Einführungsloch des ersten Drehelements 41 kann auch ein Durchgangsloch statt der parallel zur Zylinderwelle gebildeten Ausnehmung 411 sein.
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Bei den oben angegebenen Ausführungsformen ist das dritte Drehelement der runde Ring 44, der in Eingriff mit dem ersten Drehelement 41 steht. Es kann jedoch ein zylindrischer Drehkörper gesondert zu dem ersten Drehelement 41 vorgesehen sein.
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Wie oben erläutert, kann diese Erfindung einen kompakten linearen Aktuator mit einem einfachen Aufbau schaffen.
