DE19643521A1 - Linearantrieb in Modulbauweise und Verfahren zur Herstellung einer Aktiveinheit eines solchen Linearantriebs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb in Modulbauweise mit einer Passiveinheit mit magnetisierbaren oder magneti­ schen Bereichen, einer Führungseinheit, einer Ansteuerein­ heit, die einen elektrischen Speisestrom bereitstellt, und einer Aktiveinheit.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung einer Aktiveinheit eines derartigen Linearantriebs.

In letzter Zeit kommen insbesondere in der Feinmechanik und Gerätetechnik immer häufiger Linearantriebe zum Einsatz, deren wesentlicher Vorteil in der Integration mehrerer für Antriebe erforderlicher Funktionen in wenigen Baueinheiten besteht. Derartige Linearantriebe besitzen, so wie andere Motoren, die nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeiten, eine Aktiveinheit und eine Passiveinheit. Die Krafterzeugung wird durch das Zusammenwirken dieser beiden Einheiten erreicht, wobei sowohl die Aktiveinheit als auch die Passiv­ einheit das sich gegenüber der jeweils anderen Einheit bewe­ gende Motorteil sein kann. Bei geeigneter konstruktiver Ge­ staltung, wie sie häufig bei Linearantrieben anzutreffen ist, übernehmen die Krafterzeugungselemente gleichzeitig die Funk­ tion der Führung der sich bewegenden Teile und stellen zudem das Gestellsystem für beliebige Anwendungen dar.

Ein derartiger Linearantrieb ist in der deutschen Offenle­ gungsschrift DE 32 08 380 A1 beschrieben. Hier handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstromlinearmotor, bei wel­ chem in der Aktiveinheit Permanentmagneten und Elektromag­ neten zur Erzeugung eines steuerbaren Magnetflusses kombi­ niert sind, während die Passiveinheit aus einem mit Polzähnen versehenen Weicheisenstreifen besteht.

In der amerikanischen Patentschrift US 4 563 602 ist ein Linearmotor beschrieben, der unter anderem eine sehr einfach aufgebaute Passiveinheit angibt und sowohl als Einphasensyn­ chronmaschine als auch als Mehrphasensynchronmaschine ausge­ staltet sein kann. Ebenso ist aus diesem Dokument die Mög­ lichkeit einer Luftlagerung zwischen Aktiv- und Passiveinheit vorbekannt.

Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, daß Linearmotoren nicht nur zur Erzeugung geradliniger Bewegungen in einer Richtung eingesetzt werden können. Beispielhaft wird hier die europäische Patentanmeldung EP 0 237 639 A1 angeführt, die eine Verwendung des Direktantriebs in einem zylinderförmig aufgebauten Motor angibt. Damit lassen sich beispielsweise Bewegungen in Richtung der z-Achse realisieren.

In der Zeitschrift "Antriebstechnik" 33 (1994) Nr. 7, S. 68 ist bereits ein Präzisionsdirektantrieb des Anmelders beschrieben. Dort ist das Funktionsprinzip eines permanent­ magneterregten Zweiphasen-Reluktanzschrittmotors in Hybrid­ technik gezeigt. Der Inhalt dieses Dokuments wird bezüglich der Funktionsweise von Direktantrieben in die Offenbarung einbezogen, um Wiederholungen zu vermeiden.

In einer vorangegangenen Patentanmeldung des Anmelders, die veröffentlicht ist als DE 44 36 865 A1, wird ein modularer Planarläufer angegeben, der aus mehreren Modulbausteinen auf­ gebaut ist. Der Inhalt dieser Schrift wird ebenfalls in die Offenbarung einbezogen, soweit der Aufbau und die Funktions­ weise der hier nicht näher beschriebenen Antriebsmodule betroffen ist. Der gezeigte Planarläufer ermöglicht zwar eine Bewegung in x- und in y-Richtung, jedoch sind nur relativ geringe Kräfte erzielbar, da der verwendete Stator eine kreuzweise Strukturierung besitzt, wodurch die aufbaubaren Magnetfelder zwangsläufig eine geringere Magnetflußdichte besitzen. Es hat sich gezeigt, daß die beschriebene Befesti­ gung der Antriebsmodule in einer Trageplatte mit einem Epoxidharz insbesondere bei größeren Einheiten erhebliche Nachteile mit sich bringt, die aus der Steifigkeit des Kle­ bers resultieren.

In einer Patentanmeldung des Anmelders vom 22.10.1996 mit dem Titel "Linearantrieb und Verfahren zur Herstellung einer Pas­ siveinheit eines Linearantriebs, sowie Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens" ist ein Direktantrieb mit einem besonders ausgestalteten Leichtbaustator beschrieben, wobei auf das Prinzip des Direktantriebs eingegangen wird. Soweit der Antrieb als solches betroffen ist, wird dieses Dokument in die Offenbarung einbezogen, um detaillierte Ausführungen über den Aufbau eines Direktantriebs an dieser Stelle nicht wiederholen zu müssen.

Bekannte Linearantriebe können nur relativ geringe Antriebs­ kräfte erzeugen. Sofern höhere Antriebskräfte erwünscht sind, muß die verwendete Aktiveinheit größer ausgelegt werden. Dies führt zu erhöhten Fertigungstoleranzen, was Fehler bei der Erstellung der erforderlichen feinen Strukturierungen in der Aktiveinheit zur Folge hat. Damit kann der Antrieb aber keine hochgenauen und gleichförmigen Bewegungen mehr ausführen. Mit wachsender Größe der Aktiveinheiten steigt somit auch das Risiko von Fehlern und Ausfällen.

Die Kosten zur Herstellung leistungsstarker Linearantriebe sind immens hoch, da nur mit erhöhtem technologischen und maschinellen Aufwand größere Aktiveinheiten herstellbar sind. Bei Winkelanordnungen von mehreren Antriebsmodulen an einem Linearantrieb ist es oftmals konstruktionsbedingt nicht mög­ lich, nach dem Zusammensetzen des Antriebs die einzelnen Antriebsmodule nachzuarbeiten oder die erforderliche Struktu­ rierung erst nach diesem Zusammenbau einzuarbeiten.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Linearantrieb zur Verfügung zu stellen, der die genann­ ten Nachteile vermeidet, die Erzeugung hoher Kräfte ermög­ licht und dabei nicht die Gefahr erhöhter Fehlerhäufigkeit besitzt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft die Verfügbar­ machung eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Linearantriebs, wobei die erforderlichen Produktionskosten niedrig gehalten werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch einen Linearantrieb gelöst, bei dem die Aktiveinheit aus wenigstens zwei gleichartigen Antriebs­ modulen mit Elementen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses durch Einspeisung des Speisestroms, mit Eisen­ kernen zur Leitung eines Magnetflusses, die an ihrer der Pas­ siveinheit zugewandten Seite strukturiert sind, und mit einem Einsetzbereich; und aus Durchbrüchen in einer Grundplatte, deren Anzahl der Zahl der Antriebsmodule entspricht, in wel­ chen die Antriebsmodule mit ihren Einsetzbereichen unter Belassung eines umlaufenden Spalts eingefügt sind, wobei der Spalt wenigstens teilweise mit einer Klebemasse verfüllt ist, und deren Öffnungsmaße geringfügig größer als die äußeren Abmaße der Einsetzbereiche der Antriebsmodule sind, besteht.

Ein derart aufgebauter Linearantrieb bietet den Vorteil, daß eine Vielzahl von Aktiveinheiten zu einer einzigen Aktivein­ heit zusammengesetzt werden können, ohne daß eine Nachbear­ beitung der Strukturierung erforderlich wird. Es können somit beliebig große Aktiveinheiten aus einer Vielzahl gleicharti­ ger Antriebsmodule zusammengesetzt werden, was technologische und Kostenvorteile mit sich bringt. Die Antriebsmodule lassen sich einzeln fertigen und einer präzisen Endbearbeitung unterziehen. Erst danach werden sie in die Durchbrüche in der Grundplatte der Aktiveinheit eingeklebt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß ein Auflagerand an den Antriebsmodulen vorgesehen ist, der eine besonders einfache Montage ermöglicht. Der Auflagerand kann vollständig umlaufend an den Antriebsmodulen ausgebildet sein oder sich nur über bestimmte Bereiche entlang der Kanten des Einsetzbereichs erstrecken.

Eine andere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Antriebsmodule als im wesentlichen allseitig ebene Quader ausgebildet sind, also keinen Auflagerand aufweisen. Dadurch wird es möglich, besonders flache Aktiveinheiten aufzubauen, wie sie insbesondere in der Mikromechanik erwünscht sind.

Beim Aufbau großer Aktiveinheiten ist es besonders zweckmä­ ßig, wenn eine elastische Klebemasse zur Befestigung der Antriebsmodule in der Grundplatte verwendet wird. Diese Aus­ gestaltung gewährleistet auch nach der Befestigung der Antriebsmodule eine gewisse Beweglichkeit in der Grundplatte, wodurch einerseits auftretende Materialausdehnungen aufgrund von Temperaturveränderungen gut ausgeglichen werden können, andererseits sich die einzelnen Antriebsmodule gegenüber der Passiveinheit aufgrund der magnetischen Kräfte während des Betriebs selbsttätig ausrichten können, wodurch Unebenheiten an der Passiveinheit ausgeglichen werden können. Diese Aus­ führung wird vor allem in Verbindung mit einem als Führungs­ einheit verwendeten Luftlager eingesetzt.

Besonders zu bevorzugende Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, daß der die Klebemasse aufnehmende Spalt derart optimiert ist, daß einerseits die Federwirkung der Klebemasse in der Ebene der Bewegungsrichtung möglichst klein gehalten wird, um unerwünschte Schwingungen bei hohen Beschleunigungen zu vermeiden, andererseits aber die Federwirkung der Klebema­ sse senkrecht zur Ebene der Bewegung möglichst groß ist, um Unebenheiten der Passiveinheit über den gesamten Bewegungsbe­ reich ausgleichen zu können.

Eine Spaltbreite von ca. 0,5 mm in x- und y-Richtung, kombi­ niert mit einer Spaltbreite von ca. 1,0 mm zwischen Grund­ platte und Auflagerand hat sich als sehr geeignet erwiesen. Bei diesen Abmaßen kommen zweckmäßigerweise Silikonkleber zum Einsatz, die eine hohe mechanische und thermische Langzeits­ tabilität aufweisen.

Für schwingungssensible Aufbauten eignet sich demgegenüber eine Ausführungsform, bei der eine Klebemasse mit möglichst hoher Steifigkeit eingesetzt wird, um die Federwirkung der Klebemasse gering zu halten. Diese Variante ist auch immer dann vorteilhaft, wenn die Aktiveinheit nicht nur dem Antrieb anderweitig geführter Teile dient, sondern selbst als Führung arbeitet und auch Drehmomente aufnehmen muß.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt der Linearan­ trieb vier Antriebsmodule. Die Durchbrüche sind auf der Grundplatte so aufgeteilt, daß jeweils zwei in Bewegungsrich­ tung hintereinander und zwei nebeneinander plaziert sind. Mit dem gezeigten Beispiel lassen sich Haltekräfte bis zu 440 N erzielen.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich durch die U-för­ mige Gestaltung der Aktiveinheit aus, die eine Passiveinheit mit beispielsweise quadratischem Querschnitt an drei Seiten umgreift. Die Aktiveinheit besitzt dabei wenigstens drei Antriebsmodule. Die beiden an den gegenüberliegenden Schen­ kein angeordneten Antriebsmodule müssen in diesem Fall not­ wendig elastisch eingeklebt sein, da es ansonsten zu einer Überbestimmung der Führung kommt und Verkantungen nicht aus­ zuschließen wären.

Bei einer nochmals weitergebildeten Variante besitzt die Aktiveinheit einen rechteckigen bzw. quadratischen Quer­ schnitt, wobei die Passiveinheit vollständig umschlossen ist. An jeder Seite der Aktiveinheit ist wenigstens ein Antriebs­ modul plaziert. Eine elastische Klebung ist hier wegen der statischen Überbestimmtheit zweckmäßig.

Unter Abwandlung dieser Ausführungsformen ist ein Linearan­ triebssystem, das eine Bewegung in x- und y-Richtung ermög­ licht, ausgebildet. An einer sich in x-Richtung erstreckenden Passiveinheit ist eine erste Aktiveinheit angeordnet, die ihrerseits eine sich in y-Richtung erstreckende Passiveinheit trägt, an der eine zweite Aktiveinheit angeordnet ist. Die beiden Aktiveinheiten sind so ausgebildet, daß wenigstens zwei Antriebsmodule senkrecht zueinander befestigt sind, die an senkrecht zueinander stehenden Seiten der zugeordneten Passiveinheit angreifen.

Eine andere Gestaltung zeichnet sich durch eine Aktiveinheit aus, die eine rechteckige Grundplatte besitzt, wobei an jeder Seite wenigstens eine Aktiveinheit angeordnet ist. Die zuge­ hörige Passiveinheit besitzt eine Strukturierung, die im Unterschied zu bekannten Planarantrieben keine Kreuzstruktu­ rierung sondern einzelne linear strukturierte Bereiche besitzt. Damit sind wesentlich höhere Antriebskräfte erziel­ bar, da die an der Passiveinheit zur Verfügung stehende Eisenmenge wesentlich höher ist als bei Kreuzstrukturierung. Es können bei geeigneter Ansteuerung der Aktiveinheit mit dieser Ausgestaltung auch Drehbewegungen bis zu einem Winkel von ca. 3° ausgeführt werden.

Durch die Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Herstel­ lung der Aktiveinheiten von derartigen Linearantrieben bereitgestellt, welches gekennzeichnet ist durch folgende Verfahrensschritte:

• a) die Antriebsmodule werden in die Durchbrüche in der Grundplatte lose eingesetzt,
• b) der Spalt zwischen Antriebsmodul und Grundplatte wird zumindest teilweise mit einer Klebemasse aufgefüllt,
• c) die derart bestückte Aktiveinheit wird auf die Passivein­ heit aufgesetzt, so daß sich die Strukturierungen von Aktiv- und Passiveinheit gleichsinnig ausgerichtet gegen­ überliegen,
• d) mit Hilfe der Führungseinheit wird ein Abstand zwischen Aktiv- und Passiveinheit hergestellt,
• e) jedem Antriebsmodul der Aktiveinheit wird dieselbe Phase des Speisestroms zugeführt, so daß sich jedes Antriebsmo­ dul selbsttätig gegenüber der Passiveinheit ausrichtet,
• f) durch Abwarten des Abbindens der Klebemasse werden die Antriebsmodule in dieser Stellung fixiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Linearantriebs, bei der als Führungseinheit ein Luftlager verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn im Verfahrensschritt d) das Luftlager durch Zufuhr von Druckluft aufgebaut wird, so daß sich die Antriebsmodule frei innerhalb der Durchbrüche bewegen können. Nach Verfahrensschritt e) kann die Luftzufuhr abgestellt wer­ den, so daß das Luftlager zusammenfällt und die Aktiveinheit mit den ausgerichteten Antriebsmodulen auf der Passiveinheit unmittelbar aufliegt, wodurch eine höhere Stabilität gegen Lageveränderungen während der Abbindezeit der Klebemasse erzielt wird. Soweit keine äußeren Kräfte einwirken und das Schrumpfungsverhalten der Klebemasse vernachlässigbar ist, kann auch der Speisestrom während der Abbindezeit abgeschal­ tet werden.

Bei anderen Ausführungsformen kommen z. B. Rollenlager als Führungseinheit zum Einsatz.

Weitere Vorteile, Weiterbildungen und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 in einer geschnittenen Ansicht von vorn einen Bereich eines Linearantriebs mit einer Aktiveinheit und einer Passiveinheit;

Fig. 2 in einer geschnittenen Seitenansicht ein Antriebsmo­ dul der Aktiveinheit, gesehen entlang der Schnitt­ linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 als geschnittene Einzelheitendarstellung einen Abschnitt eines Antriebsmoduls, der in eine Grund­ platte eingesetzt ist;

Fig. 4 eine Ausführungsform des Antriebsmoduls mit einem umlaufenden Auflagerand;

Fig. 5 als Einzelheitendarstellung eine Ansicht von oben auf das in die Grundplatte eingeklebte Antriebsmodul mit Abschnitten von Klebemasse;

Fig. 6 eine Ausführungsform des Linearantriebs mit zwei hin­ tereinander angeordneten Antriebsmodulen in einer Ansicht von oben;

Fig. 7 eine Vorderansicht des in Fig. 6 gezeigten Linear­ antriebs;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform des Linearantriebs mit vier Antriebsmodulen in einer Ansicht von oben;

Fig. 9 eine Vorderansicht des in Fig. 8 gezeigten Linear­ antriebs;

Fig. 10 eine Ausführungsform des Linearantriebs mit einer Aktiveinheit mit U-förmigem Querschnitt in einer Ansicht von oben;

Fig. 11 eine Seitenansicht des in Fig. 10 gezeigten Linear­ antriebs;

Fig. 12 eine Ausführungsform des Linearantriebs mit einer Aktiveinheit mit quadratischem Querschnitt in einer Ansicht von oben;

Fig. 13 eine geschnittene Seitenansicht des in Fig. 12 gezeigten Linearantriebs;

Fig. 14 ein Linearantriebssystem mit einer sich in x-Richtung erstreckenden Passiveinheit und einer sich in y-Rich­ tung erstreckenden Passiveinheit;

Fig. 15 eine Ansicht von vorn des in Fig. 14 gezeigten Linearantriebssystems;

Fig. 16 eine Seitenansicht des in den Fig. 14 und 15 gezeig­ ten Linearantriebssystems;

Fig. 17 eine Ausführungsform des Linearantriebs, welche über kurze Strecken in x- und y-Richtung verfahrbar ist;

Fig. 18 eine seitliche Schnittansicht des in Fig. 17 gezeig­ ten Linearantriebs.

Fig. 1 zeigt in einer geschnittenen Ansicht von vorn den prinzipiellen Aufbau eines Linearantriebs 1. Der Linearan­ trieb besteht aus einer Passiveinheit 2, einer Führungsein­ heit 3, einer hier nicht dargestellten Ansteuereinheit und einer Aktiveinheit 4. Aktiv- und Passiveinheit führen während des Betriebs eine Relativbewegung zueinander aus, wobei je nach Einsatzzweck entweder Aktiv- oder Passiveinheit gestell­ fest angeordnet sind. Dabei wird die Führung von der Füh­ rungseinheit 3 übernommen, die in allen gezeigten Beispielen als Luftlager ausgebildet ist, welches durch die Zufuhr von Druckluft aufgebaut wird. Die Passiveinheit 2 umfaßt magneti­ sche oder magnetisierbare Bereiche 5 die eine unten näher bezeichnete Struktur aufweisen. Beispielsweise eignen sich strukturierte Weicheisenbleche, die auf einem aus Verbund­ material hergestellten Leichtbaugrundkörper aufgeklebt sind.

Die Aktiveinheit 4 besteht aus wenigstens zwei gleichartigen Antriebsmodulen 10 und einer Grundplatte 11. Die Grundplatte 11 weist Durchbrüche auf, in welche die einzelnen Antriebsmo­ dule 10 eingesetzt sind.

Der grundlegende Aufbau der Antriebsmodule ergibt sich unter Berücksichtigung von Fig. 2, die eine seitliche Schnittan­ sicht zeigt. Ergänzend wird auf die in der Einleitung genannten Dokumente verwiesen, in denen derartige Antriebsmo­ dule detailliert beschrieben sind.

Das Antriebsmodul 10 umfaßt mit elektrischen Wicklungen 13 bestückte Eisenkerne 14 und Permanentmagnete 15, die in einem Gehäuse 16 untergebracht sind. Damit wird ein permanenter Magnetfluß in den Eisenkernen 14 erzeugt, der durch die Spei­ sung der elektrischen Wicklungen 13 mit dem Speisestrom gezielt verändert werden kann, woraus im Ergebnis zwischen Aktiv- und Passiveinheit magnetische Antriebskräfte resultie­ ren. Diese Kräfte wirken unmittelbar zwischen den struktu­ rierten magnetisierbaren Bereichen der Passiveinheit und der gleichfalls strukturierten Unterseite der Antriebsmodule. Die Strukturierung wird durch quer zur Bewegungsrichtung verlau­ fende Polzähne und Polzahnlücken gebildet, wobei die Tei­ lungsperiode p, die einen Polzahn und eine Polzahnlücke umfaßt, an Aktiv- und Passiveinheit gleich ist.

Das Gehäuse 16 umfaßt einen Einsetzbereich 17, der in den Durchbrüchen der Grundplatte aufgenommen wird. Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist weiterhin am Gehäuse ein umlaufender Auflagerand 18 vorgesehen, der nach dem Einstecken des Antriebsmoduls in die Durchbrüche im wesentlichen an der Grundplatte zu liegen kommt.

Damit läßt sich auf einfache Weise gewährleisten, daß die Grundplatte relativ nah an der strukturierten Unterseite der Antriebsmodule plaziert ist. Dies ist erforderlich, um die dort entstehenden Kräfte unmittelbar auf die Grundplatte zu übertragen, unter Vermeidung großer Kippmomente, die zu einer unerwünschten Lageveränderung der Antriebseinheiten in der Aktiveinheit während der Bewegung führen würden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform fehlt der Auflage­ rand. Die Grundplatte kann in diesem Fall noch näher an der strukturierten Unterseite der Antriebsmodule angeordnet wer­ den, wodurch die entstehenden Momente kleiner sind. Aller­ dings ist die Montage der Antriebsmodule etwas schwieriger.

Die Einzelheitendarstellung von Fig. 3 zeigt einen Abschnitt eines in einen Durchbruch eingeführten Antriebsmoduls.

Zwischen den mit Polzähnen und Polzahnlücken strukturierten magnetisierbaren Bereichen 5 der Passiveinheit 2 und dem an seiner Unterseite gleichfalls strukturierten Eisenkern 14 ist das Luftlager 3 ausgebildet. Der Einsetzbereich 17 des Antriebsmoduls erstreckt sich durch den Durchbruch in der Grundplatte 11. Zwischen dem Einsetzbereich 17 und der Wan­ dung des Durchbruchs verbleibt ein senkrechter Spalt 20. Zwischen dem Auflagerand 18 und der Unterseite der Grund­ platte 11 verbleibt ein waagerechter Spalt 21. Die beiden Spalte 20, 21 sind mit einer Klebemasse 23 ausgefüllt, die einerseits das Antriebsmodul in der Grundplatte befestigt und bei geeigneter Ausgestaltung auch als Federelement und/oder Gelenk zwischen Antriebsmodul und Grundplatte wirkt.

Bedingt durch den sehr kleinen Abstand, der durch das Luftla­ ger zwischen Aktiv- und Passiveinheit bei der Bewegung auf­ rechterhalten wird (ca. 10 µm) können bereits kleinste Unebenheiten der Passiveinheit zu Funktionsstörungen führen, wenn großflächige Aktiveinheiten mit einer Vielzahl von Antriebsmodulen zum Einsatz kommen. Dies läßt sich vermeiden, wenn die Antriebsmodule elastisch in der Grundplatte be­ festigt werden, wodurch eine geringfügige Beweglichkeit in z- Richtung erhalten bleibt. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine elastische Klebemasse eingesetzt werden. Insbesondere wird angestrebt, daß das Antriebsmodul um einen kleinen Win­ kelbereich zur x- und zur y-Achse kippbar gelagert ist. Damit kann das Antriebsmodul aufgrund des Luftlagers eine exakt parallel zur Oberfläche der Passiveinheit liegende Stellung einnehmen, wodurch einerseits Berührungen während der Bewe­ gung vermieden werden und andererseits die Stabilität des Luftlagers gewährleistet ist.

Eine erhöhte Elastizität der Klebemasse führt aber auch zu einer Beweglichkeit der Antriebsmodule in x- und y-Richtung. Es hat sich gezeigt, daß bei vielen Anwendungen diese Beweg­ lichkeit nicht erwünscht ist, da die Klebemasse wie eine Feder zwischen Antriebsmodul und Grundplatte wirkt. Ein der­ artiges Federverhalten kann bei höheren Beschleunigungen Schwingungen hervorrufen, die ein schnelles und exaktes Posi­ tionieren nicht möglich machen.

Eine optimale Befestigung des Antriebsmoduls wird erzielt, wenn durch geeignete Abstimmung zwischen der Breite des waagerechten Spalts 21 und des senkrechten Spalts 20 unter Berücksichtigung der zu verwendenden Klebemasse 23 ein bestimmtes Verhältnis eingestellt wird. Das Verhältnis soll so ausgewählt werden, daß die erzielte Steifigkeit der Anord­ nung in x-Richtung etwa sieben mal höher ist als die Steifig­ keit in z-Richtung. Dies gelingt z. B. bei der Verwendung eines Silikonklebstoffs, wenn der senkrechte Spalt 20 eine Breite von etwa 0,5 mm und der waagerechte Spalt 21 eine Breite von etwa 1,0 mm besitzen. Die Wandungshöhe im Durch­ bruchbereich der Grundplatte soll in dieser Gestaltung etwa 3 mm betragen.

Die verbleibenden Klebemassen wirken aufgrund ihrer Elastizi­ tät nicht nur federnd, sondern auch dämpfend. Dies kann vor­ teilhaft zur Dämpfung insbesondere von Resonanzfrequenzen verwendet werden.

Die Spaltbreite des waagerechten Spalts 21 sollte nicht zu groß gewählt werden, da sonst während der Bewegung Schwingun­ gen im hörbaren Bereich entstehen können, die zu einem erhöh­ ten Geräuschpegel führen.

Die Gesamtdicke der Grundplatte kann, wie im gezeigten Bei­ spiel, größer sein. In diesem Fall wird die Grundplatte im Bereich des Durchbruchs entsprechend ausgearbeitet, so daß die gewünschte Wandungshöhe erlangt wird.

Um mehrere Antriebsmodule in der Grundplatte exakt auszurich­ ten, eignet sich besonders folgendes Verfahren. Eine genaue Ausrichtung ist erforderlich, damit alle Antriebsmodule gegenüber der Strukturierung der Passiveinheit identische Positionen einnehmen, d. h. daß gleichartige Polzähne der Antriebsmodule immer die gleiche Position gegenüber den Polzähnen der Passiveinheit haben. Andernfalls käme es zu erheblichen Funktionsstörungen am Linearantrieb.

In einem ersten Verfahrensschritt werden die Antriebsmodule in die Durchbrüche in der Grundplatte lose eingesetzt. Der Spalt zwischen Antriebsmodul und Grundplatte wird zumindest teilweise mit einer Klebemasse aufgefüllt, die vor oder nach dem Einsetzen des Antriebsmoduls aufgetragen werden kann. Die derart bestückte Aktiveinheit wird auf die zugeordnete oder eine gleichartige Passiveinheit aufgesetzt, so daß sich die Strukturierungen von Aktiv- und Passiveinheit gleichsinnig ausgerichtet gegenüberliegen. Sofern die Führungseinheit durch ein Luftlager gebildet wird, wird dieses jetzt durch Zufuhr von Druckluft aufgebaut. Andernfalls wird durch ein beliebiges anderes Lager ein Abstand zwischen Aktiv- und Pas­ siveinheit erzeugt, der eine freie Bewegung zwischen diesen beiden Einheiten ermöglicht. Im nachfolgenden Verfahrens­ schritt wird jedem Antriebsmodul der Aktiveinheit dieselbe Phase des Speisestroms zugeführt, so daß sich jedes Antriebs­ modul selbsttätig gegenüber der Passiveinheit ausrichtet. Besitzt ein Antriebsmodul mehrere elektrische Wicklungen, wie z. B. bei mehrphasigen Linearantrieben, so ist es ausreichend, wenn diejenigen Wicklungen mit dem Speisestrom versorgt wer­ den, die zu einer gemeinsamen Phase zugeordnet sind. Im Fall der Verwendung eines Luftlagers kann dieses nach der Ausrich­ tung der Antriebsmodule abgeschaltet werden. Damit liegen die Antriebseinheiten auf der Passiveinheit auf, wodurch eine höhere Stabilität erreicht wird. Soweit keine Veränderungen durch Ausdehnungen oder Einwirkung äußerer Kräfte zu befürch­ ten sind, kann auch der Speisestrom abgeschaltet werden. Anschließend werden durch Abwarten des Abbindens der Klebe­ masse die Antriebsmodule in dieser Stellung fixiert.

Es ist vorteilhaft, wenn zur Gewährleistung gleichmäßiger Spaltbreiten und damit gleichmäßiger Dicken der Klebemasse, Abstandshalter, z. B. dünne Drähte, an einzelnen Stellen in die Spalte 20, 21 eingelegt werden. Bei zu unterschiedlichen Spaltdicken können sich die Ausdehnungskoeffizienten der ver­ wendeten Materialien störend bemerkbar machen.

Das Übermaß der Durchbrüche in der Grundplatte wird dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt. Für Anwendungen, bei denen eine besondere Steifigkeit in Fahrtrichtung erforder­ lich ist, kommt ein geringes Übermaß zum Einsatz. Die Anfor­ derungen an die Fertigungsgenauigkeit bei der Herstellung der Grundplatte nehmen in dem Maße zu, wie das verbleibende Spiel zwischen Antriebsmodul und Durchbruchswandung abnimmt. In jedem Fall muß gewährleistet bleiben, daß die einzelnen Antriebsmodule mit der exakt gleichen Lage in bezug auf die Teilungsperiode p in der Grundplatte befestigt werden können. Der Abstand zwischen identischen Antriebsmodulen in Bewe­ gungsrichtung muß damit immer n.p betragen, wobei n eine positive ganze Zahl und p die Teilungsperiode sind.

In Fig. 4 ist in einer Ansicht von vorn ein Antriebsmodul 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist angrenzend an den Einsetzbereich 17 ein umlaufender Auflagerand 18 ausgebildet. Es sind aber auch Ausführungen denkbar, bei denen der Aufla­ gerand nur abschnittsweise ausgebildet ist oder gänzlich fehlt. Sollen Antriebsmodule ohne Auflagerand in die Grund­ platte eingesetzt werden, kann dies beispielsweise durch Anbringen von Klebemasse in Form einer Kehlnaht zwischen Antriebsmodul und Grundplatte geschehen. Dies kommt insbeson­ dere bei Ausführungen in Betracht, bei denen eine Klebemasse verwendet wird, die nach dem Abbinden nur noch eine sehr geringe Elastizität besitzt, z. B. Epoxidharz. Derartige Ver­ bindungen mit harten Klebstoffen führen zu minimalem Nach­ schwingverhalten und werden daher besonders bei Linearantrie­ ben mit kleinerer Fläche, die aber für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind, eingesetzt.

Werden harte Klebstoffe verwendet, ist das oben beschriebene Verhältnis zwischen senkrechtem Spalt 20 und waagerechtem Spalt 21 nicht von so erheblicher Bedeutung. Jedoch sollte darauf geachtet werden, die Spalte generell so klein wie mög­ lich zu halten, um die Auswirkungen der Ausdehnungskoeffi­ zienten bei Temperaturschwankungen zu minimieren.

Fig. 5 zeigt als Einzelheitendarstellung eine Ansicht von oben auf das in die Grundplatte eingeklebte Antriebsmodul. Durch unterschiedliches Ausdehnungsverhalten kann es zu uner­ wünschten Spannungen im Gesamtaufbau kommen. Es hat sich daher eine Ausführungsform als besonders geeignet erwiesen, bei der die Klebemasse nur abschnittsweise in den Spalten 20, 21 eingebracht ist. Gemäß der Abbildung werden vorzugsweise die kurzen Seiten des Antriebsmoduls, die quer zur Bewegungs­ richtung liegen, über die gesamte Länge mit Klebemasse 23 an der Grundplatte 11 befestigt. An den langen Seiten wird nur in den Endbereichen Klebemasse aufgebracht, wobei an jedem Ende etwa ein Viertel der Länge angeklebt wird.

Der in den Fig. 6 und 7 gezeigte Linearantrieb besitzt zwei in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Antriebsmo­ dule 10, deren aktive Elemente mit jeweils zwei Gehäuse­ deckeln 25 abgedeckt sind. Dieser Linearantrieb vollführt in x-Richtung eine Bewegung und ist durch ein Luftlager auf der Passiveinheit gelagert. Seine seitliche Führung erfährt der Linearantrieb durch ein Federblech 26. Das Federblech 26 weist in Bewegungsrichtung eine hohe Steifigkeit auf, gestat­ tet aber in z-Richtung ein geringes Spiel, wodurch unvermeid­ bare Divergenzen zwischen externer Führung und der Ebene der Passiveinheit ausgeglichen werden.

Es können bei derartigen Linearantrieben auch mehrere Antriebsmodule aneinandergereiht werden, womit sich höhere Antriebskräfte erzielen lassen.

Bei dem in den Fig. 8 und 9 gezeigten Linearantrieb sind zwei Reihen von Antriebsmodulen nebeneinander angeordnet, so daß in der Summe vier Antriebsmodule zum Einsatz kommen. Die zur Verfügung gestellte Antriebskraft verdoppelt sich gegen­ über der Variante nach den Fig. 6 und 7, wenn gleiche Antriebsmodule verwendet werden. Im übrigen entspricht der Aufbau dem vorher beschriebenen Linearantrieb.

Fig. 10 und 11 zeigen eine Ausführungsform des Linearan­ triebs, bei welcher die Aktiveinheit 4 einen U-förmigen Quer­ schnitt besitzt. Die Aktiveinheit 4 umgreift die Passivein­ heit 2 mit quadratischem Querschnitt an drei Seiten und bedeckt diese im gezeigten Beispiel auf ihrer ganzen Breite. An jedem der drei Schenkel der Aktiveinheit ist ein Antriebs­ modul 10 angeordnet. Bei abgewandelten Ausführungsformen kön­ nen aber auch mehrere Antriebsmodule an einem Schenkel ange­ ordnet sein. Alle Antriebsmodule sind über Luftlager 3 an der Passiveinheit angekoppelt. Diese Lagerung ist als Führung besonders geeignet, da Verkantungen der sich gegenüberliegen­ den Schenkel vermieden werden.

Eine weitere Ausführungsform des Linearantriebs ist in den Fig. 12 und 13 wiedergegeben. Die Aktiveinheit hat hier einen quadratischen Querschnitt. Derartige Ausgestaltungen lassen sich mit herkömmlichen Verfahren, die nicht von der Modulbauweise Gebrauch machen, nicht herstellen, da eine Nachbearbeitung der strukturierten, nach innen gewandten Flä­ chen der Antriebsmodule nicht möglich ist. Die hier einge­ setzten Antriebsmodule unterscheiden sich von den oben beschriebenen Varianten dahingehend, daß Auflagerand 18 nicht an dem der strukturierten Seite des Antriebsmoduls zugewand­ ten Ende der Seitenflächen des Gehäuses sondern am gegenüber­ liegenden Ende angeordnet sind. Dies ist zweckmäßig zum Ein­ setzen der Antriebsmodule mit ihren Einsetzbereichen 17 von außen in die Grundplatte 11.

Mit derart ausgebildeten Linearantrieben lassen sich z. B. Hubsysteme aufbauen.

In den Fig. 14, 15 und 16 ist eine Linearantriebssystem gezeigt, welches aus zwei Linearantrieben zusammengesetzt ist. Das System umfaßt die erste sich in x-Richtung erstreckende Passiveinheit 2 mit der daran angeordneten ersten Aktiveinheit 4. An der ersten Aktiveinheit 4 ist über ein Gestellsystem 30 eine zweite sich in y-Richtung erstreckende Passiveinheit 31 befestigt, an der eine zweite Aktiveinheit 32 angeordnet ist. Die zweite Passiveinheit 31 ist an ihrem der ersten Aktiveinheit abgewandten Ende zusätzlich auf einer zweiten Führungseinheit 33 geführt, welche z. B. als Rollenschiene oder als Luftlager ausgebildet sein kann.

Die erste Aktiveinheit 4 greift an zwei Seiten der ersten Passiveinheit 2 an dieser an. Dazu sind auf der oberen Seite zwei Antriebsmodule 10 vorgesehen. Senkrecht zu diesen sind an der vorderen Längsseite vier weitere Antriebsmodule 10 in der ersten Aktiveinheit aufgenommen. Insbesondere die äußeren dieser vier Module dürfen nicht mit Klebemassen mit hoher Elastizität in der zugehörigen Grundplatte befestigt werden, da ansonsten die durch die zweite Passiveinheit vermittelten Kippmomente zu erheblichen Lageveränderungen der Module füh­ ren könnten, was in einer gestörten Funktionsweise resultie­ ren würde.

Eine weiterhin abgewandelte Ausführungsform des Linearan­ triebs ist in den Fig. 17 und 18 gezeigt. Diese Bauform ermöglicht über kurze Strecken Bewegungen in x- und in y- Richtung, wobei auf der Passiveinheit 2 keine Kreuzstruktu­ rierung aufgebracht ist. Dadurch sind höhere Antriebskräfte erzielbar als bei Lösungen, die eine Kreuzstrukturierung auf­ weisen.

Bei geeigneter Ansteuerung der vier auf der Grundplatte 11 angeordneten Antriebsmodule 10, das heißt die jeweils gegen­ überliegenden Module werden im entgegengesetzten Richtungs­ sinn bewegt, kann die Aktiveinheit auch um einen Winkel (ϕ_z, der bis zu ±3∘ betragen kann, verdreht werden.

Durch den modularen Aufbau ist es auch möglich, daß in einer Aktiveinheit unterschiedliche Antriebsmodule eingesetzt wer­ den, von denen wenigstens ein Modul mit Sensoren ausgerüstet ist, wie dies in der o.g. Patentanmeldung des Anmelders aus­ führlich beschrieben ist.

Somit lassen sich unter Verwendung von Modulen gesteuerte und geregelte Antriebe aufbauen.

Verschiedenste Anforderungen und Anwendungslösungen können in kürzester Zeit durch das gezeigte modulare System realisiert werden. Die gleichartigen Antriebsmodule lassen sich im end­ gültigen Zustand vorrätig halten und brauchen ggf. nur noch in leicht herzustellende Grundplatten eingeklebt zu werden.

Claims (2)

1. Linearantrieb (1) in Modulbauweise mit

• - einer Passiveinheit (2) mit magnetisierbaren oder magnetischen Bereichen (5);
• - einer Führungseinheit (3);
• - einer Ansteuereinheit, die einen elektrischen Speisestrom bereitstellt; und
• - einer Aktiveinheit (4), bestehend aus
  • * wenigstens zwei gleichartigen Antriebsmodulen (10) mit
    + Elementen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses (14) durch Einspeisung des Speisestroms,
    + Eisenkernen (13) zur Leitung eines Magnetflusses, die an ihrer der Passiveinheit (2) zugewandten Seite strukturiert sind,
    + einem Einsetzbereich (17);
  • * Durchbrüchen in einer Grundplatte (11),
    + deren Anzahl der Zahl der Antriebsmodule (10) entspricht,
    + in welchen die Antriebsmodule (10) mit ihren Einsetzbereichen (17) unter Belassung eines umlaufenden Spalts (20, 21) eingefügt sind, wobei der Spalt wenigstens teilweise mit einer Klebemasse (23) verfüllt ist,
    + deren Öffnungsmaße geringfügig größer als die äußeren Abmaße der Einsetzbereiche (17) der Antriebsmodule (10) sind.

2. Verfahren zur Herstellung einer Aktiveinheit (4) eines Linearantriebs gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) die Antriebsmodule (10) werden in die Durchbrüche in der Grundplatte (11) lose eingesetzt,
• b) der Spalt (20, 21) zwischen Antriebsmodul (10) und Grundplatte (11) wird zumindest teilweise mit einer Klebemasse (23) aufgefüllt,
• c) die derart bestückte Aktiveinheit (4) wird auf die Passiveinheit (2) aufgesetzt, so daß die Strukturierungen von Aktiv- und Passiveinheit gleichsinnig ausgerichtet gegenüberliegen,
• d) mit Hilfe der Führungseinheit (3) wird ein Abstand zwischen Aktiv- und Passiveinheit hergestellt, der die Bewegung zwischen diesen beiden Einheiten ermöglicht,
• e) jedem Antriebsmodul (10) der Aktiveinheit (4) wird dieselbe Phase des Speisestroms zugeführt, so daß sich jedes Antriebsmodul (10) selbsttätig gegenüber der Passiveinheit (2) ausrichtet,
• f) durch Abwarten des Abbindens der Klebemasse (23) werden die Antriebsmodule (10) in dieser Stellung fixiert.