DE2166956A1

DE2166956A1 - Antriebssystem

Info

Publication number: DE2166956A1
Application number: DE19712166956
Authority: DE
Inventors: Bruce A Sawyer
Original assignee: Xynetics Inc
Current assignee: Xynetics Inc
Priority date: 1971-06-28
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1977-03-31
Also published as: DE2162039C3; SE7502549L; AU468349B2; FR2144189A5; US3735231A; AU3794872A; DE2162039B2; JPS5721953B1; GB1375440A; JPS5334076A; IT945460B; SE397222B; GB1375439A; DE2162039A1; NL7117561A; CA997041A

Description

schleife, um definierte Bewegungen des Kopfes relativ zu der Grundplatte zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Antrieb eines Elementes wie z.B. eines Kopfes relativ zu einer Grundplatte ent lang einer einzigen oder eines Paares von Koordinatenachsen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein System, in dem der Kopf oder die Grundplatte einen Motor darstellen, in dem eine Kraft als Ergebnis einer von der Translation eines magnetomotorischen Vek tors verursachten Energieänderungsgeschwindigkeit erzeugt wird.

Systeme zum Antrieb eines Elementes wie z.B. eines Kopfes relativ zu einer Grundplatte sind seit einer Reihe von Jahren bekannt. Seither hat man beträchtliche Mühe darauf verwandt, derartige Systeme zu vervollkommen, damit der Antrieb des Kopfes bzw. eines am Kopf angebrachten Elementes wie z.B. eines Schreibstiftes oder Schneidwerkzeuges relativ zur Grundplatte mittels eines Computers erfolgen kann. Diese Systeme sahen eine Kopfbewegung entlang einer oder eines Paares von Koordinatenachsen vor. Im allgemeinen enthielten sie einen an entgegengesetzten Seiten der Grundplatte geführten Arm, mit dem der Schreibstift in einer Achse geführt wurde. Dieser erste Arm trug seinerseits ein zwei tes, entlang der zweiten Achse bewegbares Element, das den Schreibstift in der zweiten Achse führte. Der Schreibstift war auf dem zweiten Element befestigt, so daß seine Stellung von den Bewe -

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gungen des ersten Armes und des zweiten Elementes abhing.

Die hier beschriebenen Systeme weisen einige wesentliche Nachteile auf. Ein Nachteil liegt darin, daß die Bewegung entlang einer der beiden Achsen von der Bewegung entlang der anderen Achse nicht unabhängig ist, da das sich entlang der zweiten Achse bewegende Glied mit dem gekoppelt ist, das die Bewegung entlang der ersten Achse ausführt. Weiterhin stehen die Arme oder Elemente im allgemeinen mit ihren Führungen in direkter Berührung, so daß die Reibung zwischen den Führungen und den Armen bzw. Elementen die Geschwindigkeit, mit der der Schreib stift bewegt werden kann, ernstlich beeinträchtigt. Die Bewe gungsgeschwindigkeit wird weiterhin durch das Gewicht der Arme und Elemente beschränkt. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß das System nicht von sich aus eine momentane Anzeige der Stellung des Ausgangsgliedes — wie z.B. des Schreibstiftes — liefert, so daß komplizierte Zusatzeinrichtungen erforderlich sind, um eine solche Anzeige zu erhalten.

Die oben beschriebenen Nachteile werden durch das System der US-PS 5 376 578 der Anmelderin überwunden. Die magnetische Stellvorrichtung dieser Patentschrift enthält einen Kopf, der angren zend an eine Grundplatte relativ zu dieser bewegt werden kann, so daß bei der Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte ent lang einer oder zweier Koordinatenachsen keine Reibung zwischen

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Kopf und Grundplatte auftritt. Da der Kopf von der Grundplatte getrennt, aber in unmittelbarer Nähe zu ihr angeordnet ist, läßt sich die Bewegung entlang jeder der Achsen unabhängig von der Bewegung entlang der jeweils anderen Achse durchführen.

Das System der US-PS 3 376 578 verwendet einen Motor mit variab lern magnetischem Widerstand, um die Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte zu erzeugen. In einer Ausführungsform weist die ser Motor magnetische Pole auf der Grundplatte sowie magnetische Pole auf dem Kopf hat, die zu denen auf der Grundplatte in be stimmter Beziehung stehen. Weiterhin sind auf den Kopfpolen Spu len angeordnet. Werden diese erregt, findet eine Wechselwirkung zwischen den Magnetpolen des Kopfes und denen der Grundplatte statt, als deren Ergebnis sich der Kopf nach Maßgabe der wahl weisen Erregung der Spulen relativ zur Grundplatte bewegt. In dem man sowohl am Kopf als auch auf der Grundplatte Pole vor sieht, läßt sich eine dauernde Anzeige der Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte erreichen, da jede Bewegung der Kopf pole relativ zu den Grundplattenpolen eine endliche Entfernung darstellt.

Das System der US-PS 3 376 578 weist Mittel auf, um eine Drehung des Kopfes um eine zur von den Koordinatenachsen aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrechte Achse zu verhindern. Diese Maßnahme ist wünschenswert, um zu gewährleisten, daß die Bewegung

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des Kopfes relativ zur Grundplatte nur entlang der Koordinatenachsen stattfindet und die Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte jederzeit genau angezeigt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, in dem Kopf und Grundplatte einen Motor bilden, bei dem die durch Translation eines magnetomotorischen Vektors verursachte Knderungsgeschwin digkeit magnetischer Energie eine Kraft erzeugt. Ein derartiger Motor kann beispielsweise ein Induktions- oder ein Hysterese motor sein. In einem Induktionsmotor werden in den Spulen eines der Elemente - z.B. des Kopfes - Ströme erzeugt. Diese Ströme führen zu einem Magnetfluß durch das andere Element, d.h. die Grundplatte, so daß in der Grundplatte Wirbelströme auftreten. Die resultierende Kraft, die sich aus der Wechselwirkung des vom Kopf erzeugten magnetischen Flußes mit den Wirbelströmen in der Grundplatte ergibt, bewegt den Kopf relativ zur Grund platte.

Das System, in dem Kopf und Grundplatte einen Induktionsmotor bilden, hat einige der Vorteile, die oben für den Reaktions motor der US-PS 3 376 578 beschrieben wurden. In einem System, in dem Kopf und Grundplatte als Induktionsmotor arbeiten, liegt der Kopf unmittelbar an der Grundplatte, aber in einem gewissen Abstand von dieser, so daß er sich mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit die Grundplatte entlang bewegen läßt. Außerdem

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ist in einem System, in dem Kopf und Grundplatte als Induktionsmotor arbeiten, die Bewegung des Kopfes entlang einer Achse von der Bewegung entlang der anderen Achse unabhängig.

Die Verwendung von Kopf und Grundplatte als Induktionsmotor in dem System der vorliegenden Erfindung bietet bestimmte Vor teile gegenüber dem Reaktionsmotor der US-PS J 376 578 . Durch die Verwendung von Kopf und Grundplatte als Induktionsmotor läßt sich der Motor mit verhältnismäßig hoher Leistung und verhält nismäßig hohem Wirkungsgrad betreiben. Dieser Paktor ist wichtig, wenn das vom Kopf anzutreibene Ausgangsglied verhältnismäßig schwer ist. Weiterhin kann sich hiermit der Motor auch verhält nismäßig leicht und billig aufbauen.

Ein System mit einem Induktionsmotor hat auch andere Vorteile, Im Gegensatz zum Reaktionsmotor nach der US-PS 5 376 578 hat ein Induktionsmotor keine Permanentmagneten. Wenn also die Spulen im Motor nicht erregt werden, tritt auch keine Kraft zwischen Kopf und Grundplatte auf, die das Abheben des Kopfes von der Grundplatte hindern könnte. Dies erleichtert Änderungen in der Kopfstellung relativ zur Grundplatte, bevor eine Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte eingeleitet wird. Ein weiterer Vorteil liegt bei der Ausführungsform als Induktionsmotor darin, daß die Grundplatte sich in wirtschaftlicher Weise aus einem Blech aus kohlenstoffarmen Stahl herstellen läßt, das mit einer

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dünnen Kupferauflage versehen ist.

Das System in der Ausführungsform als Induktionsmotor hat den Nachteil, daß die Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte nicht durch den Betrieb des Motors selbst anzeigbar ist. Die Erfindung enthält jedoch Mittel, die sich mit dem Kopf bewegen und die Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte entlang einer einzigen Achse oder einem Paar von Koordinatenachsen in jedem Augenblick anzeigen.

Weiterhin sind dem Kopf Mittel zugeordnet, die eine Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse verhindern, die im wesentlichen senkrecht zu der von den Koordinatenachsen auf gespannten Ebene liegt. Die Erfindung weist ebenfalls ein Regelsystem auf, mit dem die Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte geregelt wird.

Anstelle des Induktionsmotor lassen sich andere Motorarten ver wenden. Beispielsweise läßt sich ein Hysteresemotor verwenden. In einem Hysteresemotor erzeugt ein Magnetfluß in einem Element - bzw. dem Kopf - Hystereseeffekte in dem Eisen des anderen EIe ments, d.h. hier der Grundplatte. Der Magnetfluß und der Hystereseeffekt erzeugen eine Kraft, die den Kopf relativ zur Grundplatte bewegt.

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Pig. 1 a ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit dem Kopf und der Grundplatte, wobei der Kopf einen Induktionsmotor enthält.

Fig. 1 b zeigt einen aufgebrochenen Schnitt durch eine geän derte Form einer Grundplatte.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten der Anordnung der Pole und Wick lungen auf dem Kopf relativ zur Grundplatte, mitdenen der Kopf entlang einer Achse relativ zur Grundplatte bewegt wird.

Fig. j5 zeigt Einzelheiten der Anordnung der Pole und Wick lungen auf dem Kopf relativ zur Grundplatte, mit denen der Kopf entlang einer zweiten Achse relativ zur
Grundplatte bewegt wird.

Fig. 4 zeigt schematisch die von den Anordnungen der Fig. 2 und 3 in der Grundplatte erzeugten Wirbelströme.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zum Verhindern einer Drehung relativ zur Grundplatte.

Fig. 6 ist eine vergrößerte Ansicht bestimmter Einzelheiten der Fig. 5·

Fig. 7 ist eine Perspektivansicht der Pole und Wicklungen
eines Kopfes und zusätzlicher am Kopf vorgesehener
Wicklungen zum Zweck der Stellungsanzeige bei Verwen -

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dung einer Grundplatte nach Fig. 2.

Fig. 8 a, 8 b,

8 o, und 8 d zeigen schematisch die Funktion der Anordnung der Fig. 7 zur kontinuierlichen Anzeige der Bewegung und Bewegungsrichtung des Kopfes relativ zur Grundplatte.

Fig. 9 ist eine Perspektivansicht eines Kopfes, bei dem eine Drehung relativ zur Grundplatte verhindert ist.

Fig. 10 ist eine Perspektivansicht einer weiteren Anordnung zur Verhinderung einer Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte.

Fig. 11 ist ein vergrößerter Teilschnitt einiger Elemente der Fig. 10

Fig. 12 ist ein vergrößerter Teilschnitt einiger weiterer EIe mente der Fig. 10.

Fig. 13 ist eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungs form der Vorrichtung zur Anzeige der Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte.

Fig. 14 ist eine vereinfachte Perspektivansicht der Vorrichtung nach Fig. 13.

Fig. 15 zeigt schematisch ein elektrisches Ersatzschaltbild der Vorrichtung nach den Fig. 13 und 14.

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,Fig. l6 ist eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit kontinuierlicher Anzeige der Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte.

Fig. 17 ist ein elektrisches Blockschaltbild einer Regelschleife für den Antrieb des Kopfes relativ zur Grundplatte.

Fig. 18 ist eine Perspektivansicht einer Luftlagerung, mit der der Kopf von der Grundplatte auf Abstand, aber in deren unmittelbaren Nähe gehalten wird.

Fig. 19 ist eine Ansicht eines Systems mit einer zusätzlichen AusfUhrungsform der Erfindung, bei der der Kopf unabhängig translatorisch und Drehbewegungen ausführen kann, wobei die translatorische und die Drehbewegung gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden kann.

Fig. 20 ist eine Seitenansicht einer in der AusfUhrungsform naiah Fig. 19 enthaltenen Vorrichtung, mit der Licht in bestimm, ter Beziehung zu den im Kopf enthaltenen Zellen geführt werden kann.

Fig. 21 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung in einer AusfUhrungsform der Erfindung, mit der die Geschwindigkeit des Kopfes relativ zur Grundplatte entlang einer bestimmten Achse angezeigt werden kann.

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Pig. 22 ist eine schematische Darstellung einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung mit Darstellungen des Kopfes und der Grundplatte, wobei der Kopf einen Hysteresemotor aufweist.

Die Erfindung betrifft Motoren, die als Ergebnis einer durch Translation einer magnetomotorischen Kraft verursachten Magnetenergieänderungsgeschwindigkeit eine Kraft erzeugen.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht eine Grundplatte vor, die allgemein mit der Bezugszahl 10 (Fig. l) bezeichnet ist. Die Grundplatte kann ein ebenes Gebilde sein, das mit einer Schicht 12 aus Weicheisen versehen ist. Auf dieser durchgehenden Weicheisenschicht kann ein durchgehendes Blatt 16 eines elektrisch leitenden Materials - wie z.B. Kupfer - angebracht sein. Vorzugsweise ist das Blatt 16 dünn. Alternativ kann auf der Schicht 12 aus Weicheisen ein Blatt 16 vorgesehen sein, wobei auf dem Blatt im Abstand zueinander einzelne Teile 17 aus Weicheisen vorgesehen sind, die das Blatt unterbrechen. Diese einzelnen Teile 17 können einteilig mit der Weicheisenschicht 12 sein und sich inselförmig aus der Schicht 12 erheben. Wenn das Blatt 16 durch die weicheisernen Teile 17 durchbrochen ist, läßt es sich als Gitter betrachten. Die einzelnen voneinander getrennten Weicheisenteile können sich soweit aufwartserstrecken, daß ihre oberen Flächen im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen wie die Oberfläche des Blattes 16. Es ist jedoch einzusehen,

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daß das Blatt l6 auch über der Weicheisenschicht 12 liegen kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Es ist ebenfalls ein zusehen, daß nur das Blatt 16 eingesetzt zu werden braucht und daß sich die Weicheisenschicht 12 durch ein nichtmagnetisches Material ersetzen läßt.

Das Blatt 16 mit den diskreten Teilen 17 aus Eisen läßt sich auf verschiedene Weise ausbilden. Als eine Alternative kann man ein durchgehendes Blatt 16 aus Kupfer vorsehen, aus dem die diskreten Teile 17 ausgeätzt sind. Als weitere Alternative können die diskreten Teile 17 aus Eisen als vorstehende Flächenteile vorgesehen werden, zwischen denen das Kupfer aufgebracht wird, das das Blatt 16 bildet.

Ein allgemein mit der Bezugzahl 18 bezeichneter Kopf 18 ist im Abstand zur Grundplatte 10, aber in unmittelbarer Nähe zu ihr angeordnet und kann sich entlang einer einzigen oder eines Paares von Koordinatenachsen bewegen. Der Kopf 18 weist eine Vielzahl von Polen 20 auf, wenn es erforderlich ist, den Kopf entlang einer einzigen Achse relativ zur Grundplatte zu bewegen. Will man den Kopf 18 entlang eines Koordinatenpaares relativ zur Grundplatte 10 bewegen, weist der Kopf weiterhin eine Vielzahl von Polen 22 auf, die entlang der zweiten Koordinatenachse angeordnet sind. Die Pole 20 und 22 lassen sich in Form von Blechpaketen ausbilden, um Wärmeverluste im Eisen so gering wie möglich zu

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halten.

Der Kopf enthält ein Paar Wicklungen 26 und 28, die voneinander räumlich getrennt sind (vergl. Fig. 2). Die Wicklungen 26 und 28 liegen auf abwechselnden Polen 20 bzw. 22 und werden so erregt, daß ein Magnetfluß zwischen den Polen 20 a und 20 c, auf denen die Wicklungen 26 und 28 angeordnet sind, verläuft. Die Wicklungen 26 und 28 werden nach einer periodischen Zeitfunktion erregt, die bei einer bestimmten Frequenz - z.B. 60 Hz - eine im wesentlichen konstante Amplitude hat.

Die Wicklungen 27 und 29 sind analog auf abwechselnden Polen 20 b und 20 d angeordnet und werden so erregt, daß ein Magnetfluß zwischen den Polen 20 b und 20 d verläuft. Werden die Wicklungen 26 und 28 periodisch erregt, legt man an die Wicklungen 27 und 29 ebenfalls eine periodische Erregung, die zurder der Wlcklun gen 26 und 28 um 90° phasenverschoben ist. Die Amplitude der an die Wicklungen 27 und 29 gelegten Signale kann veränderlich sein, um die entlang der ersten Koordinatenachse auf den Kopf ausgeübte Kraft zu steuern. Beispielsweise kann die Erregung der Wicklungen 26 und 28 sinusförmig, die der Wicklungen 27 und 29 cosinusförmig sein.

Folgt die Erregung der Wicklungen 26 und 28 einer periodischen Beziehung wie z.B. der Sinusfunktion, und die Erregung der Wick-

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lungen 27 und 29 einer periodischen, zu ersterer um 90° phasenverschobenen Beziehung, wie z.B. der Cosinusfunktion, bewegt sich das magnetische Feld in Richtung der Pfeile 31 oder 33. Beispielsweise pflanzt sich das magnetische Feld in der Richtung des Pfeiles 31 fort, wenn die Wicklungen 26 und 28 einerseits und die Wicklungen 27 und 29 andererseits nach einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion erregt werden; der resultierende Vektor der Erregung bewegt sich in einer Richtung die Grundplatte entlang. Das magnetische Feld wandert in Richtung des Pfeiles 33* wenn der aus der Erregung der Wicklungen 26 und 28 entlang der Wicklungen 27 und 29 resultierende Vektor sich in zu dem im vorigen Satz beschriebenen Vektor entgegengesetzter Richtung bewegt.

Bei Erregung der Wicklungen 26 und 28 erzeugen die Pole 20 a und 20 c den Magnetfluß 30» der sich durch die Grundplatte erstreckt. Der Fluß verläuft von einem der Pole 20 a bzw. 20 c um die Weicheisenschicht 12 und kehrt in einer geschlossenen Schleife zu dem anderen der Pole 20 a bzw. 20 c zurück. In gleicher Weise verursacht die Erregung der Wicklungen 27 und 29 einen magnetischen Fluß zwischen den Polen 20 b und 20 d, der sich durch die Grundplatte 10 hindurch erstreckt. Da der durch die Wicklungen 26 und 28 bzw. 27 und 29 erzeugte Fluß sich auch durch das elektrisch leitende Blatt l6 erstreckt, werden in diesem Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme sind in Fig. mit der Bezugszahl 32- angedeutet. Die Wirbelströme 32 und der

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durch die Wicklungen 26, 28 und 27, 29 erzeugte Magnetfluß wirken zusammen, um eine Kraft zu erzeugen, die im wesentlichen rechtwinklig zu sowohl der Richtung der Wirbelströme 32 und der des Flusses 30 gerichtet ist. Diese Kraft verläuft in einer Richtung, die dem entspricht, was man die "X-Achse" nennen kann.

Die Kraft, die eine Bewegung des Kopfes 18 relativ zur Grund platte 10 entlang der X-Achse verursacht, ergibt sich aus der fortschreitenden zeitlichen Änderung der durch die Wicklungen 26, 28 erzeugten Sinusfunktion und der durch die Wicklungen 27, 29 erzeugten Cosinusfunktion. Beispielsweise haben in einem ersten Zeitpunkt, der dem Winkel 0° entspricht, die Erregungen der Wicklungen 26,28 einen Wert von sin 0° und erzeugen also keinen Fluß, während die Wicklungen 27,29 einen Wert von cos und somit ein Flußmaximum beitragen. Nach einer gewissen Zeit führen die Wicklungen 26,28 einen Wert von sin 45° = 0,707 und die Wicklungen 27,29 einen Wert von cos 45° = 0,707 der an den Wicklungen liegenden Maximalamplitude. Der von den Wicklungen 26,28 und 27,29 erzeugte Magnetfluß ist gegenüber dem im oben erwähnten Zeitpunkt erzeugten stellungsverschoben. Diese Lage verschiebung des Flusses verursacht im Blatt l6 Wirbelströme. Die Wirbelströme im Blatt 16 und der Magnetfluß wirken zusammen und haben eine Kraft zum Ergebnis, die den Kopf in X-Richtung relativ zur Grundplatte beaufschlagt.

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Wie bereits dargelegt, ist die auf den Kopf 18 relativ zur Grundplatte 10 in X-Richtung ausgeübte Kraft in jedem Augen blick von der Amplitude der an den Wicklungen 27,29 liegenden Signale abhängig. Indem man die an die Wicklungen 27,29 ange legte Spannung veränderlich macht, kann die Stärke des in der Grundplatte 10 durch die Wicklungen erzeugten Magnetflusses entsprechend verändert werden. Dadurch verändert sich auch die Stärke der im Blatt 16 induzierten Wirbelströme. Auf diese Weise läßt sich die auf dem Kopf 18 zwecks Bewegung entlang der X-Achse aufgebrachte Kraft steuern.

Die Richtung der auf dem Kopf 18 aufgebrachten Kraft, um diesen in X-Richtung relativ zur Grundplatte 10 zu bewegen, hängt von der Polarität des an den Wicklungen 27,29 liegenden Signals ab. Beispielsweise wird eine Kraft in einer Richtung aufgebracht, um den Kopf relativ zur Grundplatte entlang der X-Achse zu bewegen, wenn man die Wicklungen 27,29 mit einer positiven Cosinusfunk tion erregt, und eine Kraft wird in der entgegengesetzten Richtung aufgebracht, um den Kopf 18 relativ zur Grundplatte entlang der X-Achse zu bewegen, wenn man die Windungen 27,29 mit einer negativen Cosinus funkt ion erregt,.

Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfluß und den Wirbelströ men J>2, die ausgenutzt wird, um den Kopf 18 linear relativ zur Grundplatte 10 zu bewegen, ist der Wechselwirkung ähnlich, die in einem rotierenden Motor zwischen dem durch den Ständer erzeug-

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ten Magnetfluß und den im Läufer erzeugten Wirbelströmen auftritt. Beim Linearmotor sind jedoch die Ständer- und Läuferfunktionen gegenüber denen des rotierenden Motors vertauscht, da die Spulen und Pole sich auf dem beweglichen Glied und die elektrisch leitende Schicht auf dem stationären Glied befinden.

Die Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte erfolgt bei einer Geschwindigkeit, deren Maximum etwas kleiner ist als die, mit der der von den Wicklungen 26,28 und 27*29 erzeugte Magnetfluß sich die Grundplatte entlang bewegt. Infolge dieses kleinen Geschwindigkeitsunterschiedes verläuft der Fluß bei der Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte weiterhin durch das Blatt 16 und verursacht in diesem Wirbelströme einer Frequenz, die der Differenz zwischen der des Magnetflusses und der Kopfgeschwindigkeit entspricht. Wenn beispielsweise die Flußfrquenz 60 Hz beträgt, kann die Frequenz der Wirbelströme im Blatt 16 etwa 1 - 2 Hz betragen und zwischen -f und +2f liegen, wenn an den Wicklungen 26,28 und 27,29 ein Signal der Frequenz f anliegt.

Die Kraft,die den Kopf 18 relativ zur Grundplatte 10 bewegt, läßt sich ausdrücken als

F = Bi

mit F = Kraft, die den Kopf entlang einer Achse relativ zur Grundplatte bewegt,

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- 4β -

B = Flußdi eilte,
i = Wirbelströme im Blatt 16,

1 = Länge des Blattes 16, über die die Wirbelströme fließen.

Die obige Beschreibung bezog sich auf Bewegungen des Kopfes 18 entlang einer bestimmten Achse, z.B. der X-Achse. Es ist jedoch einzusehen, daß entsprechende Anordnungen sich für die Bewegung des Kopfes entlang einer zweiten Achse, z.B. der Y-Achse, relativ zur Grundplatte vorsehen lassen. Beispielsweise können wenn der Kopf entlang der Y-Achse bewegt werden soll, die Pole 22 a, 22 b, 22 c und 22 d (Fig. J5) vorgesehen werden. Die Wicklungen und 66 können relativ zueinander angeordnet, auf die Pole 22 a und 22 c gewickelt und so erregt werden, daß die Wicklungen einen Fluß nach einer ersten periodischen Funktion - z.B. der Sinusfunktion - liefern. In gleicher Weise können die Wicklungen 65 und 67 auf die Pole 22 b und 22 d gewickelt und so erregt werden, daß ein um 90⁰ verschobener Magnetfluß - z.B. nach der Cosinusfunktion - entsteht. Die Wicklungen lassen sich in jedem Zeitpunkt mit veränderlicher Amplitude und bestimmter Polarität erregen, um die Bewegungsrichtung und die Beschleunigung des Kopfes relativ zur Grundplatte entlang der Y-Achse in jedem Zeitpunkt steuern zu können. Die Wicklungen 64 und 66 und die Wicklungen 65 und 67 erzeugen im Blatt l6 entsprechend dem erzeugten Magnetfluß und dessen Durchgang durch das Blatt

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und der Weicheisenschicht 12 Wirbelströme, die in Wechselwir kung mit dem von den Wicklungen 64,66 und 65,67 erzeugten Fluß eine Kraft erzeugen, die den Kopf entsprechend der Wanderung des Stromvektors aus den Wicklungen 64,66 und 65*67 entlang der Y-Achse bewegen.

Wie ersichtlich, braucht die Grundplatte 10 keine weicheiserne Schicht 12,aufzuweisen. Das Weicheisen ist lediglich vorteilhaft, da es den Magnetfluß verstärkt. Ein Magnetfluß ergibt sich Jedoch lediglich aus der Erregung der Wicklungen 26,28 und 27,29 und 64,66 und 65,67, selbst wenn keine magnetische Schicht vorliegt, und dieser Fluß verkettet das Blatt l6 und erzeugt in ihm Wirbelströme.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform für das Verhindern von Kopfdrehungen. Diese Ausführungsform enthält ein Paar Induktionsmotore 100 und 102 zum Antrieb eines hier allgemein mit "l8" bezeichneten Kopfes relativ einer hier allgemein mit "106" bezeichneten Grundplatte, und zwar entlang eines Paares von Koordinatenachsen, die hier als X-Achse und Y-Achse bezeichnet sind. Der Kopf weist an einem Ende einen Permanentmagneten IO8, der sich zwischen den Außenpunkten dieses Endes befindet, sowie ein Paar Rollen 110 beiderseits des Magneten I08 an diesem Ende auf.

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Die Rollen 110 liegen an einem Schenkel einer T-Profilstange aus Weicheisen oder einem mit Weicheisen überzogenem Material an. Die T-Profilstange 112 wird also von Permanentmagneten 108 angezogen und bewegt sich mit dem Kopf 104 in der X-Richtung. Da die Rollen 110 am Schenkel des T-Profils 112 in zwei auf Abstand liegenden Punkten anliegen, kann keine Drehung des Kopfes stattfinden.

Der andere Schenkel der T-Profilstange 112 liegt in X-Richtung und weist an entgegengesetzten Enden ein Paar Rollen 114 sowie zwischen diesen einen Permanentmagneten 116 auf, der in unmittelbarer Nähe einer aus Weicheisen hergestellten Schiene 118 liegt. Die Anziehung zwischen dem Magneten 116 und der Schiene 118 in Verbindung mit der Anlage der Rollen 114 an der Schiene gewährleistet weiterhin, daß der Kopf sich nicht um eine Achse drehen kann, die zu der durch die Koordinatenachsen aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrecht liegt.

Wie zuvor beschrieben, kann das elektrisch leitende Blatt 16 durchgehend oder durch diskrete Teile I7 unterbrochen sein. Ein durch diskrete Teile 17 unterbrochenes Blatt 16 hat bestimmte Vorteile gegenüber einem durchgehenden Blatt. Ein Vorteil liegt darin, daß bei durchbrochenen Blatt 16 die Schicht 12 aus Weicheisen näher am Kopf l8 angeordnet werden kann als bei durchgehenden Blatt 16. Der Luftspalt zwischen dem Kopf l8 und der weich-

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eisernen Schicht 12 läßt sich also reduzieren, so daß die Stärke des Magnetflusses zwischen dem Kopf und der weicheisernen Schicht bei vorgegebener Stromstärke höher ist und der Wirkungsgrad des Motors folglich steigt.

Ein durch diskrete Teile 17 unterbrochenes Blatt 16 hat weitere Vorteile. Wie ersichtlich, läßt sich mit dem oben beschriebenen System zwar eine unabhängige Bewegung entlang der beiden Koordinatenachsen erreichen; es ist jedoch nicht möglich, bei durchgehendem Blatt 16 in jedem Augenblick die Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte zu bestimmen. In dieser Hinsicht unterscheidet sich das beschriebene System von dem der US-PS J5 yj6 578* da dieses von sich aus die Bestimmung der Kopfstellung relativ zur Grundplatte gestattet, wenn sich der Kopf entlang der Koordinatenachsen über die Grundplatte bewegt.

Wenn man das Blatt 16 durch die diskreten Teile VJ unterbricht, lassen sich dem Kopf 18 verschiedene mit diesem bewegbare Vorrichtungen zuordnen, die die Bewegung des Kopfes an den diskreten Teilen bzw. den Blattflächen zwischen den diskreten Teilen vorbei erfassen. Es lassen sich beispielsweise magnetische Einrichtungen verwenden, um die Bewegung des Kopfes in der X- und der Y-Richtung bezüglich der diskreten Teile 17 aus Weicheisen einsetzen. Alternativ können Einrichtungen mit anderen Eigenschaften verwendet werden, um die Bewegung des Kopfes in der X- und Y-Rich-

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-Setting an den Flächenteilen vorbei zu erfassen, die zwischen den weicheisernen Inseln liegen. Weiterhin lassen sich Vorrichtungen vorsehen, die eine Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine Achse verhindern, die im wesentlichen senkrecht zu der von den Koordinatenachsen aufgespannten Ebene liegt.

Die Ausführungsform in Fig. 7 spricht auf die Bewegung des Kopfes über die zwischen den weicheisernen Teile I7 liegenden Abschnitte des Kupferblattes l6 an, um in jedem Augenblick die Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte anzuzeigen. Die Ausführungsform der Fig. 7 weist ein Paar Wicklungen 120 und 121 auf, die in Form gedruckter Spulen ausgeführt sein können. Die Wicklungen 120 und 121 bewegen sich mit dem Kopf und liegen in unmittelbarer Nähe des Kupferblattes 16. Sie können jeweils auf den den Polen 20 a bzw. 20 c der Fig. 2 angeordnet sein, und zwar in einer Lage, die den hervorstehenden Enden dieser Pole entspricht. Betrachtet man das Blatt l6 als Sekundärwicklung in dem Sinn, daß darin Wirbelströme erzeugt werden, lassen sich die Wicklungen 120 und 121 als Tertiärwicklung betrachten.

Wenn man die Wicklungen 120 und 121 in unmittelbarer Nähe zu den zwischen den diskreten weicheisernen Teilen I7 liegenden Teilen des Blattes 16 anordnet, reagieren sie auf die in das Blatt l6 induzierten Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen einen magnetischen Fluß, der die Wicklungen 120 und 121 verkettet und in

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ihnen verhältnismäßig hohe Spannungen induziert. Im Gegensatz hierzu ist die in den Wicklungen 120 und 121 induzierte Spannung niedrig, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe der weicheisernen Teile 17 befinden. In den Wicklungen 120 und 121 werden also abwechselnd Spannungen induziert bzw. nicht induziert, wenn sie sich entlang der X-Achse über die Grundplatte bewegen. Dadurch werden also bei der Bewegung der Wicklungen 120 und 121 relativ zur Grundplatte indiese periodische Signale induziert.

Die Fig. 8a zeigen aufeinanderfolgende Windungen 120a, 120b, 120c, 12Od usw. der Tertiärwicklung 120 in einer bestimmten Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte. Fig. 8b zeigt die Windungen 120a, 120b, 120c, 12Od usw. in einer gegenüber der der Fig. 8a versetzten Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte. Fig. 8c zeigt die Windungen 120a, 120b, 120c, 12Od usw. in schematischer Form und zeigt weiterhin die Wirbelströme 127 in dem einen Teil der Grundplatte bildenden Blatt 16, wenn die Windungen die Lage haben, die in Fig. 8a gezeigt ist. Die Fig. 8d zeigt die Windungen 120a, 120b, 120c, 12Od usw. in schematischer Form und weiterhin die Wirbelströme 127 in dem einen Teil der Grundplatte bildenen Blatt 16, wenn die Windungen sich in der in Fig. 8b gezeigten Lage befinden.

Wenn der Kopf sich in der in den Figuren 8a und 8c gezeigten Lage befindet, fließen die Wirbelströme 127 im Blatt 16 an der

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-erfrechten Kante der Windung 120a der Tertiärwicklung 120. Diese Wirbelströme im Blatt 16 induzieren in der Windung 120a der Tertiärwicklung eine Spannung, die mit dem Pfeil 123 bezeichnet ist. Befindet sich der Kopf jedoch in der in den Fig. 8b und 8d gezeigten Lage, fließen die Wirbelströme 127 im Blatt 16 an der linken Kante der Windung 120a der Tertiärwicklung 120. Diese Wirbelströme 127 induzieren in die Windung 120a der Tertiärwicklung eine Spannung, die mit dem Pfeil 125 bezeichnet ist. Wie ersichtlich, ist die Spannung 125 der Spannung 123 entgegengesetzt. Es wird also bei einer Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte in die Windung 120a eine elektromotorische Kraft (bzw. Spannung) induziert, die einer periodischen Punktion folgt.

Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform weist die Merkmale zum Verhindern einer Kopfdrehung um eine zu der von den Koordinatenachsen aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrechte Achse auf.

In der Ausführungsform der Fig. 9 ist entlang der X-Achse eine Vielzahl von Polen 122, 124, 126 und 128 angeordnet, auf denen sich die Wicklungen 130, 132, 134 und 136 befinden. Die Wicklungen 130 und 134 sind so in Reihe geschaltet, daß ein magnetischer Fluß in einem geschlossenen Kreislauf in den Pol 122 hinein und aus dem Pol 126 heraus fließt. In gleicher Weise sind die Wicklungen 132 und 136 in Reihe geschaltet, so daß ein magnetischer Fluß in einem geschlossenen Kreislauf in den Pol 124 hinein und

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aus dem Pol 128 heraus fließen kann. Die Wicklungen 130 und liefern eine periodische Funktion wie beispielsweise ein Sinussignal, die Wicklungen 132 und 136 eine hierzu um 90° phasenverschobene Punktion wie beispielsweise ein Cosinussignal. Indem sie beispielsweise ein Sinussignal und ein Cosinussignal liefern, läßt sich eine Bewegung des Kopfes entlang der X-Achse relativ zur Grundplatte erreichen. Auf den Polen 130 und 134 sind die Tertiärwicklungen 139 und l40 vorgesehen, in die Spannungen induziert werden, wenn die Pole sich in der Nähe des Blattes l6 befinden; dies geschieht in ähnlicher Weise, wie es oben unter Bezug auf die Fig. 7 und 8 beschrieben wurde. Wenn die Primärwicklungen Signale der Frequenz erhalten, ist die in der Tertiärwicklung 139 induzierte Spannung E · sin wt · sin 2 7Tx/p, wobei χ die Verschiebung des Kopfes entlang der X-Achse und ρ die Teilung ist, d.h. der Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier aufeinanderfolgender diskreter Teile I7. In gleicher Weise läßt sich die in der Wicklung l40 induzierte Spannung als E · sin wt · cos 2 7Γ'χ/ρ ausdrücken. Tertiärwicklungen lassen sich auch - ähnlich wie oben für die Fig. 7 erläutert - auf den Polen 132 und 136 anordnen.

Die Ausführungsform der Fig. 9 zeigt für die Y-Achse ein Paar auf Abstand liegender Anordnungen, die allgemein mit den Bezugszahlen 14O und 142 bezeichnet sind. Jede der Anordnungen l40 und 142 ist ähnlich aufgebaut, wie es oben für die Anordnungen

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für die X-Achse beschrieben ist. Eine Tertiärwicklung 144 ist auf einem Pol l40a an einem Ende der Anordnung l40 angeordnet, und eine Tertiärwicklung 145 kann auf einem Pol l40c der Anordnung l40 vorgesehen sein. Die Tertiärwicklungen 144 und 145 können sich auf den freiliegenden Enden der zugehörigen Pole befinden. In ähnlicher Weise ist eine Tertiärwicklung 146 auf einem Pol l42d an dem Pol l40a entgegengesetzten Ende der Anordnung 142 und eine Tertiärwicklung 147 auf einem Pol 142 b der Anordnung 142 angeordnet. Die Tertiärwicklungen 144 und 146 sind parallel geschaltet, und auch die Tertiärwicklungen 145 und 147 können parallel geschaltet sein. Indem man die Wicklungen in dieser Art diagonal über den Kopf miteinander verbindet, verursacht Jede Drehung des Kopfes um eine zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene senkrechte Achse eine Induktionsspannung in den Wicklungen 144, 146 und 145, 147. Diese Spannungen erzeugen Ströme in den Wicklungen 144 und 146, die so gerichtet sind, daß sich Kräftepaare ergeben, die einer solchen Drehung entgegenwirken. In gleicher Weise erzeugen die Spannungen in den Wicklungen 145, 147 Ströme, die so gerichtet sind, daß sich Kräftepaare ergeben, die einer unerwünschten Drehung entgegenwirken. Auf diese Weise wird der Kopf parallel zu der X- und der Y-Achse gehalten - ein Effekt, der erwünscht ist, um zu gewährleisten, daß die Bewegung in jeder Stellung des Kopfes immer über die gewünschten Abschnitte entlang der X- und Y-Achse erfolgt.

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Es ist einzusehen, daß andere Wicklungen auf den Anordnungen l40 und 142 diagonal miteinander verbunden werden können, wie es oben für die Wicklungen 144 und 146 beschrieben ist, um die drehungsverhindernde Wirkung zu verstärken. Beispielsweise können Tertiärwicklungen auf dem anderen Polpaar der Anordnungen l40 und l42 angeordnet und entsprechend den Wicklungen 144, 146 und 145, 1^7 miteinander verbunden sein. Weiterhin läßt sich ein Paar Polanordnungen für die X-Achse in gleicher Weise wie die Polanordnungen 140 und 142 für die Y-Achse vorsehen, und Tertiärwicklungen auf diesen Polanordnungen können über Kreuz verbunden werden, wie es oben für die Polanordnungen 140 und 142 beschrieben ist.

Die Ausführungsform der Fig. 10,11 und 12 wirkt ebenfalls einer Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene senkrechte Achse entgegen. Der Kopf 104 weist die Induktionsmotoren 100 und 102 wie in der Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 auf. Zwei Lager 220 sind auf Abstand zueinander angeordnet. Die Lager 220 tragen eine Welle 222, die sich in ihnen drehen kann. Die Welle 222 trägt ihrerseits an jedem der beiden Enden ein Paar Halbräder 224, bei denen es sich um Permanentmagneten handelt und die Zähne 226 aufweisen. Die Abmessungen der Zähne 226 entsprechen dem Abstand der eisernen diskreten Teile 17 im leitenden Blatt 16. Bei Bewegung des Kopfes 18 in X-Richtung drehen sich die magnetischen

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Zähne 226 und nähern sich den diskreten Teilen I¹J des leitenden Blattes 16. Die Welle 222 kann man als entlang der X-Achse bewegbar und entlang der Y-Achse gerichtet betrachten, wenn sie genau eingestellt ist. Ist die Welle 222 genau mit der Y-Achse ausgerichtet, entstehen keine Kräfte, die die Lage der Welle ändern könnten, da die magnetischen Halbräder 224 an ihren Enden mit gleichen Kräften beaufschlagt werden. Wenn die Welle 222 sich jedoch auch ihrer Normallage entfernt, entstehen Tangentialkräfte, deren resultierendes Kräftepaar die Ausrichtung wieder herstellt. Ein solches Kräftepaar entsteht besonders dann, wenn eines der Halbräder sich in unmittelbarer Nähe des Kupferblattes l6 und das andere Halbrad sich in unmittelbarer Nähe eines der diskreten Teile VJ befindet. Mit der Welle 22 läßt sich ein Präzisionspotentiometer oder ein anderer Analog- oder Digitalfühler 228 koppeln, der die Drehung der Welle und damit die Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte erfaßt.

Die Fig. 1~$, 14 und 15 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zur kontinuierlichen Erfassung der Stellung des Kopfes relativ zur Grundplatte. Diese Ausführungsform enthält ein erstes Glied 250 in Form eines umgekehrten U, das aus geeignetem ferromagnetischem Material - wie z.B. einem Ferrit oder einem Weicheisenblechpaket - besteht. Ein zweites Glied 2J52, das in Form und Aufbau dem ersten Glied 230 entspricht, ist parallel und auf Abstand zu diesem angeordnet. Die Oberteile der Glieder 230 und

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232 sind durch ein Querglied 234 verbunden, das ebenfalls aus einem ferromagnetischem Material wie einem Ferrit oder einem Weicheisenblechpaket besteht; es erhält die Lage der Glieder 230 und 232 relativ zueinander aufrecht.

Auf dem Querglied 234 befindet sich eine Wicklung 234, und die Schenkel 230a und 230b des Gliedes 230 tragen die Windungen 238 bzw. 240, die in Reihe geschaltet sind. Auch die Schenkel 230a und 230b können aus ferromagnetischem Material wie z.B. einem Ferrit oder einem Weicheisenblechpaket - gefertigt sein. Auf den Schenkeln 232a und 232b des Gliedes 232 befinden sich die Wicklungen 242 und 244, die in Reihe geschaltet sind. Wird die Primärwicklung mit einem periodischen Signal erregt, wird in die Wicklungen 238, 240 eine periodische Spannung - wie z.B. eine mit sinusförmiger Hüllkurve - induziert, und in die Wicklungen 242 und 244 wird eine periodische Spannung wie z.B. eine mit cosinusförmiger Hüllkurve - induziert.

Die Schenkel 230 und 232 bewegen sich mit dem Kopf wie beispielsweise dem Kopf l8 der Fig. 1-5. Die Schenkel 230 und 232 tragen Mahnungen 248, die vorzugsweise mit jeweils gleichen Abstand angeordnet sind und voneinander durch Aussparungen getrennt sind. Die Schenkel sind relativ zu einer Grundplatte 250 bewegbar, die aus einem magnetischem Gitter besteht, das aus dem Blatt 16 und den diskreten Teilen 17 aus Weicheisen besteht. Der Abstand zwi-

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sehen den Zähnen 248 kann dem Abstand zwischen den weicheisernen diskreten Teilen I7 entsprechen. Die Zähne 248 auf dem Schenkel 2^Oa unterscheiden sich in ihrer Lage relativ zu den diskreten Teilen I7 der Grundplatte von den Zähnen 248 des Schenkels 230b. In ähnlicher Weise sind die Zähne 248 auf dem Schenkel 232a anders zu den diskreten Teilen I7 auf der Grundplatte angeordnet als die Zähne 248 auf dem Schenkel 232b. Die Anordnung der Zahnungen auf den Schenkeln 230a, 230b relativ zu den diskreten Teilen I7 der Grundplatte kann der in den US-PSn 3 376 578 oder 3 457 482 entsprechen.

Wird die Primärwicklung 236 erregt, verläuft ein magnetischer Pluß zwischen den Zähnen 248 der jeweiligen Schenkel - wie z.B. den Schenkeln 230 - und den diskreten Teilen 17 auf der Grundplatte 250. In bestimmten Lagen der Schenkel 230a, 230b relativ zu den diskreten Teilen I7 der Grundplatte verläuft der größte Teil des von der Primärwicklung 236 erzeugten magnetischen Flusses bei Erregung der Pole 230 und 230b durch den Schenkel 230a und die Grundplatte 250. Dadurch wird in die Wicklung 238 eine hohe Spannung induziert. In anderen Lagen der Schenkel 230a, 230b relativ zu der Weicheisenschicht auf der Grundplatte verläuft fast der gesamte magnetische Pluß bei Erregung der Primärwicklung 236 durch den Schenkel 230b und die Grundplatte und induziert in die Wicklung 240 eine hohe Spannung. In weiteren Lagen der Schenkel 230ä, 230b relativ zur Grundplatte verteilt

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sich der Magnetfluß auf beide Schenkel 230a, 230b und induziert eine Spannung in die Wicklungen 238 und 240. Obgleich dies eine vereinfachte Erläuterung der Funktion des in den Fig. IJ, 14 und 15 gezeigten Systems ist, ist einzusehen, daß die in die verschiedenen Wicklungen induzierten Spannungen als analog anzusehen sind und daß das System als Analogsystem arbeitet.

Die Summe der durch die Schenkel 2JOa und 230b verlaufenden magnetischen Flüsse ist in jeder Stellung der Schenkel relativ zur Grundplatte im wesentlichen konstant, weil die Permeanz bzw. Reluktanz der Schenkel 230a, 2JOb relativ zur Grundplatte 250 zusammen mit dieser im wesentlichen konstant bleibt. Ein ähnlicher Zusammenhang besteht für den Fluß aus den Schenkeln 232a, 232b zur Grundplatte 250, so daß der in jeder Lage der Schenkel 232a, 232b relativ zur Grundplatte durch diese verlaufende magnetische Fluß im wesentlichen konstant bleibt.

Fig. 15 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der obenbeschriebenen Ausführungsform. Dieses Ersatzschaltbild enthält eine Signalquelle 260, die der durch die Wicklung 236 erzeugten magnetomotorischen Kraft entspricht. Entsprechend dem elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 15 wird in den Schenkeln, mit den Widerständen 262, 264 ein Signal erzeugt, daß angenähert einer periodischen Funktion - wie z.B. der Sinusfunktion - folgt, während ein hierzu um 90° phasenverschobenes Signal - wie z.B. eine

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Cosinuswelle - in den Schenkeln mit den Widerständen 266 und 268 auftritt. Die Widerstände 262, 264, 266, 268 entsprechen der veränderlichen Reluktanz zwischen den Schenkeln 2JOa, 230b und der Grundplatte 250 sowie den Schenkeln 232a, 232b und der Grundplatte 250. Die Signale mit derartigen periodischen Funktion - wie z.B. Sinus- und Cosinuswellen - werden erzeugt, um sowohl die Verschiebung des Kopfes als auch deren Richtung relativ zur Grundplatte entlang der X-Achse zu bestimmen.

Die Anordnung der Fig. 13, 14 und 15 bietet eine Anzeige der Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte entlang einer einzigen Achse wie z.B. der X-Achse. Eine der in den Fig. 13* 14 und 15 ähnliche Anordnung läßt sich verwenden, um die Verschiebung des Kopfes relativ zur Grundplatte entlang einer anderen Achse - wie z.B. der Y-Achse - festzustellen.

Verwendet man ein durchgehendes Blatt 16, lassen sich am Kopf verschiedene Vorrichtungen vorsehen, um die Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte zu erfassen. Ein Kopf 300 (Fig. 16) kann z.B. ein Paar Laser 301,302 tragen. Der Laser 301 richtet einen Strahl auf eine Vielzahl von optischen Einrichtungen 306, die auf der Grundplatte in jeweils gleichen Abständen entlang der X-Achse angeordnet sind. Bei der Bewegung des Kopfes entlang der X-Achse trifft der Strahl des Lasers 301 auf bestimmte der Einrichtungen 306 und erzeugt so eine Anzeige der Kopfstellung

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bezüglich der X-Achse. In gleicher Weise läßt sich eine Vielzahl von optischen Einrichtungen 308 auf der Grundplatte in jeweils gleichen Abständen bezüglich der Y-Achse anordnen. Bei einer Bewegung des Kopfes in Richtung der Y-Achse trifft der Strahl des Lasers 302 auf bestimmte der Einrichtungen 308 und erzeugt so eine Anzeige der Stellung des Kopfes bezüglich der Y-Achse. Geeignete Mittel lassen sich vorsehen, um eine Drehung des Kopfes um eine zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrechte Achse zu verhindern.

Die Fig. 17 zeigt ein Regelsystem zum Antrieb eines Kopfes, der allgemein mit der Bezugszahl 401 bezeichnet ist, relativ zu einer Grundplatte. Die Aus führungs form der Fig. 17 sorgt nicht nur für den Antrieb des Kopfes relativ zur Grundplatte, sondern verhindert auch eine Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte.

In der Aus führungs form der Fig. 17 werden Signale, die die erwünschte Bewegung des Kopfes relativ zur Grundplatte entlang der X-Achse darstellen, auf eine Leitung 400 gegeben, um den Kopf in einer Richtung zu treiben, und auf eine Leitung 402, um den Kopf in der entgegengesetzten Richtung zu treiben. Die Signale auf den Leitungen 400 und 402 gelangen zu einem Addier-Subtrahier-Zähler 404, der je nach dem Vorliegen von Signalen auf den Leitungen 400 und 402 addiert oder subtrahiert.

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Die Signale aus dem Addier-Subtrahier-Zähler 4O4 gelangen zu einem Digital-Analog-Konverter 4o6, dessen analoges Ausgangssignal der Verstärker 4o8 verstärkt. Die Ausgangssignale des Leistungsverstärkers 4o8 werden auf eine Anordnung 410 - wie beispielsweise die Wicklungen der Fig. 2 - gegeben, um den Kopf entlang der X-Achse anzutreiben. Die sich ergebene Bewegung des Kopfes entlang der X-Achse wird vom Fühler 411 erfaßt, der Signale an eine Richtungserfassungslogik 412 abgibt, die die Richtung und Größe einer solchen Verschiebung bestimmt. Die Ausgangssignale der Richtungserfassungslogik 412 werden wieder auf den Addier-Subtrahier-Zähler 404 gegeben und dort von den auf den Leitungen 400 und 402 am Zähler liegenden Signalen subtrahiert. Auf diese Weise liefert der Zähler 404 in jedem Augenblick eine Anzeige der Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Lage des Kopfes relativ zur Grundplatte entlang der X-Achse. Diese Differenz wird ausgenutzt, um Kräfte und den Kopf auszuüben und ihn relativ zur Grundplatte so bewegen, daß die Istbewegung der Sollbewegung entspricht.

In gleicher Weise sind die Eingangsleitungen 420 und 422 vorgesehen, um Signale aufzunehmen, die die gewünschte Verschiebung entlang der Y-Achse darstellen. Diese Leitungen befinden sich in einer Regelschleife für die Y-Achse, die der oben für die X-Achse beschriebenen entspricht. Die Regelschleife enthält einen Addier-Subtrahier-Zähler 424, einen Digital/Analog-Konverter 426, eine

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Antriebsanordnung 428, eine Fühl vorrichtung 430 und eine Richtungserfassungslogik 432, Diese Regelschleife erzeugt Kräfte, die auf den Kopf ausgeübt werden, um ihn entsprechend den Stellsignalen auf den Leitungen 420 und 424 in der Y-Richtung zu bewegen.

Der Addier/Subtrahier-Zähler 440 erhält auch die Signale der Leitungen 420 und 422. Die Signale aus dem Zähler 440 werden durch einen Digital/Analog-Konverter 442 analogisiert, sodann verstärkt und auf eine Antriebsanordnung 444 gegeben. Es kann eine Fühleinrichtung 446 vorgesehen werden, um die Bewegung des Kopfes entlang der Y-Achse in der FUhlerstellung zu erfassen. Die Ausgangssignale der Fülleinrichtung 446 können auf eine Richtungserfassungslogik 448 gegeben werden, die die Richtung und Größe der Bewegung des Kopfes erfasst und Signale an den Zähler 440 abgibt, um die weitere Bewegung des Kopfes zu steuern.

Wenn der Kopf nicht gedreht wird, entspricht die von der Fühleinrichtung 430 erfasste Bewegung der durch die Fühleinrichtung 446 erfaßten, was bedeutet, daß der durch die Anordnung 428 ausgeführte Antrieb dem der Anordnung 444 im wesentlichen gleich ist. Wenn der Kopf sich jedoch um eine Achse gedreht hat, die zu der durch die erste und zweite Achse aufgespannten Ebene im wesentlichen senkrecht liegt, ist die durch die Fühleinrichtung 430 erfaßte Stellungsgröße der von der Fühleinrichtung 444 er-

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faßten nicht gleich, und die Anordnung 428 liefert also einen anderen Antrieb in Richtung der Y-Achse als die Anordnung 444. Dieser Unterschied resultiert in einer Drehung des Kopfes, die der vorherigen entgegenwirkt.

Es ist einzusehen, daß die Anordnung nach Fig. 9 ebenfalls verwendet werden kann, um eine Drehung des Kopfes relativ zur Grundplatte um eine zu der von der X- und der Y-Achse aufgespannten Ebene senkrechte Achse zu korrigieren. Bei Einsatz der Anordnung nach Fig. 9 lassen sich die Eingangsleitungen 400 und 402, der Addier/Subtrahier-Zähler 4O4, der Digital/Analog-Konverter 406, der Verstärker 4o8, die Antriebsanordnung 410, die Fühleinrichtung 411 und die Richtungserfassungslogik 412 wie oben für die X-Achse vorsehen. Die FUhleinrichtungen 411 können jedoch in Form der in Fig. 9 dargestellten Tertiärwicklungen vorliegen.

Entsprechende Vorrichtungen lassen sich für die Y-Achse vorsehen. Für die Y-Achse können die Antriebsanordnungen 428 und 444 in einer in der Fig. 9 dargestellten und oben beschriebenen Weise über Kreuz verbunden sein. Bei Verwendung der Anordnung nach Fig. 9 ersetzen die Tertiärwicklungen - wie z.B. die Wicklungen 144, 146 und 146,147 der Fig. 9 - die FUhleinrichtungen 430,446. Diese Wicklungen liefern die periodischen Signale mit 90° Phasenabstand wie z.B. ein Sinus- und ein Cosinussignal.

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Mil

-5T-

Eine Luftlageranordnung läßt sich vorsehen, um den Kopf in unmittelbarer Nähe der Grundplatte, jedoch von dieser auf Abstand zu halten. Eine solche Luftlagerung kann verschiedene Formen annehmen, wobei eine in der Fig. 18 gezeigt ist. Die Luftlageranordnung weist eine Steuerleitung 500 auf, die Druckluft führt. Das in die Steuerleitung 500 eingeführte Strömungsmittel strömt durch vier öffnungen 502 in der der Grundplatte zugewandten Oberfläche des Kopfes. Diese öffnungen 502 können sich in einem Hohlraum 504 befinden, der einige Tausendstel Zoll (einige Hundertstel Millimeter) tief ist. Auf diese Weise strömt die Druckluft aus der S teuer leitung 500, durch die öffnung 502 und an der Oberfläche zwischen Kopf und Grundplatte entlang, so daß der Kopf in einem kleinen Abstand von der Grundplatte zu liegen kommt.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden Mittel vorgesehen, um eine Drehung des Kopfes zu verhindern. Wie jedoch einzusehen ist, kann es zuweilen erwünscht sein, den Kopf zu drehen. Es kann z.B. erwünscht sein, den Kopf aus einer ersten Stellung in einer ersten Richtung in eine zweite Stellung zu bringen, so daß die Bewegung bei in die erste Richtung weisendem Kopf entlang der X- und der Y-Achse erfolgt. Es kann sodann erwünscht sein, den Kopf in dieser zweiten Stellung zu drehen, so daß er in eine zweite Richtung, die ungleich der ersten ist, weist. Es kann weiterhin erwünscht sein, den Kopf nunmehr in der zweiten Rich-

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tung aus der zweiten Stellung in eine dritte Stellung zu bringen, die von der zweiten Stellung entfernt liegt. Es kann ebenso erwünscht sein, den Kopf während einer Bewegung von einem Punkt zu einem anderen zu drehen.

In der Ausführungsform der Fig.19 und 20 weist die Anordnung nach Fig. 1 ein elektrisch leitendes Blatt 16 auf. Das Blatt kann mit in gleichen Abständen angeordneten Streifen 600 einer ersten Farbe - z.B. grün - versehen sein, die entlang der X-Achse angeordnet sind. Weiterhin kann das Blatt 16 mit in gleichen Abstand angeordneten Streifen 602 einer zweiten Farbe - wie z.B. rot - versehen sein, die entlang der Y-Achse angeordnet sind. Wenn es erwünscht ist, von einer ersten Stellung zu einer zweiten Stellung zu laufen, wird die Bewegungsrichtung gesteuert durch das Verhältnis der roten Linien zu den grünen Linien, über die der Kopf 603 sich bewegt.

Ein allgemein mit der Bezugszahl 603 bezeichneter Kopf ist in unmittelbarer Nähe zur Grundplatte angeordnet, wie es oben beschrieben ist. Der Kopf kann mit einem ersten Induktionsmotor 60k versehen sein, der sich in einer Ecke des Kopfes befindet, um diesen entlang der X-Achse zu bewegen. Der Kopf kann ebenfalls mit einem zweiten Induktionsmotor 6θβ versehen sein, der sich on der diagonal gegenüberliegenden Ecke des Kopfes befindet, um diesen die X-Achse entlang zu bewegen. Der Kopf kann weiterhin

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mit einem dritten Induktionsmotor 608 versehen sein, der den Kopf entlang der Y-Achse bewegen soll.

Die Induktionsmotor 6O²I-, 606 gleichen einander im Aufbau. Jeder von ihnen kann beispielsweise ein erstes Paar zueinander auf Abstand liegender Zellen aufweisen, die auf die roten Linien ansprechen, sowie ein zweites Paar zueinander auf Abstand liegender Zellen, die auf die grünen Linien ansprechen. Insbesondere kann für den Induktionsmotor 6o4 eine Lampe 610 vorgesehen und ihr eine Linse 612 zugeordnet werden, um Licht auf die grünen Streifen 600 zu fokussieren. Das von den grünen Streifen 600 reflektierte Licht gelangt durch die Linse 6l4 zu einem Paar von Zellen 6l6, 618, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, um eine bestimmte Phasenbeziehung - wie z.B. einen Phasenunterschied von 90° - zu erzeugen. Eine der Zellen kann eine rote Zelle, die andere eine grüne Zelle sein. Die Zelle 616 kann beispielsweise ein Sinussignal und die Zelle 618 ein Cosinussignal liefern. Ähnliche Anordnungen lassen sich für die roten und grünen Zellen für den Induktionsmotor 6θ4, für die roten und grünen Zellen im Induktionsmotor βοβ, für die roten und grünen Zellen im Induktionsmotor 606 und für die roten und grünen Zellen im Motor 608 vorsehen.

Den Induktionsmotoren 6θ4 und 606 und 608 wird ein Computer 620 zugeordnet, der die von den dem Motor zugeordneten Zellenpaaren

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gelieferten Signale verarbeitet.

Ist es erwünscht, den Kopf linear aus einer ersten Stellung heraus zu bewegen, werden die Signale der Zellen durch den Computer 620 in einer ersten bestimmten Beziehung kombiniert, um eine lineare Bewegung des Kopfes 60J> aus der ersten Stellung in die zweite Stellung zu bewirken. Soll der Kopf in der zweiten Stellung gedreht werden, kombiniert der Computer 620 die Signale der Zellen in einer zweiten Beziehung, um eine Drehbewegung der Zellen um einen festen Punkt als Drehmittelpunkt zu erzeugen. Der Kopf 60J> kann sodann linear aus der zweiten Stellung in eine dritte Stellung übergeführt werden. Wie einzusehen ist, lassen sich die Signale der Zellen durch den Computer auch nach der ersten und zweiten Beziehung gleichzeitig kombinieren, um eine gleichzeitige lineare und eine Drehbewegung des Kopfes zu bewirken. Es ist ebenfalls einzusehen, daß der Kopf durch die Ausführungsform nach Fig. 19 und 20 gleichzeitig auf einer gekrümmten Bahn geführt und gedreht werden kann.

Die Fig. 21 zeigt eine Anordnung in einem Induktionsmotor zur Anzeige der Bewegungsgeschwindigkeit eines Kopfes relativ zu einer Grundplatte entlang einer bestimmten Achse. Der Kopf weist dabei ein Paar Primärwicklungen 65O, 652 auf, die auf den Polen 654 bzw. 656 angeordnet sind. Diese Pole liegen in X-Richtung zueinander auf Abstand. Die Primärwicklungen 65O, 652 werden mit

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-Xk-

einem Signal der Frequenz, w erregt. Dieses Signal verursacht Wirbelströme in einer Grundplatte 660, die vom Kopf auf Abstand, aber in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist. Die Wirbelströme induzieren ihrerseits Signale in die Wicklungen 662, 664, die auf den Polen 666 bzw. 668 angeordnet sind. Die Wicklungen 662, 664 sind in Reihe geschaltet, um ein periodisches Signal ν- = K * sin wt * dx/dt mit χ = Verschiebung des Kopfes entlang der X-Achse, dx/dt = Geschwindigkeit des Kopfes entlang der X-Achse und K = const. Es ist einzusehen, daß einer der in Fig. 21 dargestellten ähnlichen Anordnung vorgesehen werden kann, um die Kopf geschwindigkeit in Y-Richtung anzuzeigen.

Die Erfindung umfasst ebenfalls die Verwendung eines Hysteresemotors, wie in Fig. 22 gezeigt. Der Hysteresemotor kann einen Kopf aufweisen, der im Aufbau dem in Fig. 2 und 3 für einen Induktionsmotor gezeigten entspricht. Die Grundplatte kann jedoch aus einem festen Blech 700 aus härtbarem Stahl bestehen - beispielsweise aus mit Kobalt legiertem Eisen wie z.B. Chromstahl mit 15 % Kobalt. Eine in dieser Weise ausgebildete Grundplatte stellt einen schwach permanentmagnetischen Magneten dar. Erzeugt nun der Kopf einen Magnetfluß mit einem sich verschiebenden Vektor, erfolgt eine magnetische Hysterese des Restmagnetisierungszustandes in der Grundplatte. Mit dem durch den Kopf erzeugten Fluß kombiniert, erzeugt diese magnetische Hysterese Kräfte, die den Kopf beaufschlagen und ihn relativ zur Grundplatte bewegen.

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Obgleich in dieser Anmeldung die Offenbarung und Erläuterung sich auf bestimmte Anwendungsfälle beziehen, lassen sich die zugrunde liegenden Prinzipien auf zahlreiche andere Fälle anwenden, die für die Fachwelt offensichtlich sind. Die Erfindung ist also als nur durch den Umfang der nachfolgenden Ansprüche begrenzt aufzufassen.

-Patentansprüche-

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE
(Ausscheidung aus P 2162039·5-32j X4)

1. Positionierungsvorrichtung zum Ausführen einer beliebigen Translation entlang einer Achse mit einem Läuferglied und einem Ständerglied, bei der das Läuferglied Antriebsvorrichtungen aufweist, die durch Steuersignale wechselnder Polarität elektromagnetisch erregbar sind, wobei das Läuferglied mit Spulen versehen ist, in der Richtung der Achse auf Abstand liegen, und Magnetflußvektoren erzeugen, die sich in Richtung der Achse fortpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (130,132,134,136) des Läufergliedes (l8) mit dem Ständerglied (10) einen Induktionsmotor bilden, und daß auf dem Läuferglied eine Vorrichtung (144, 145,146,147) vorgesehen ist, mit der eine Drehung des Läufe» gliedes (l8) um eine Achse unterdrückbar ist, die zu der Translationsebene senkrecht steht. (Alternative B)

2. Positionierungsvorrichtung zum Ausführen einer beliebigen Translation entlang einer Achse mit einem Läuferglied und einem Ständerglied, bei der das Läuferglied Antriebsvorrichtungen aufweist, die durch Steuersignale wechselnder Polarität elektromagnetisch erregbar sind, wobei das Läuferglied mit Spulen versehen ist, die Spulen jeder Gruppe in

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der Richtung der Achse auf Abstand liegen, und Magnetflußvektoren erzeugen, die sich in Richtung der Achse fortpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Spulen (139,132,134,156) des Läufergliedes (l8) mit dem Ständerglied (10) einen Hysteresemotor bilden, und daß auf dem Läuferglied eine Vorrichtung (144,145,146,147) vorgesehen ist, mit der eine Drehung des Läufergliedes (l8) um eine Achse unterdrückbar ist, die zu der Translationsebene senkrecht steht. (Alternative D)

3. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ständerglied (10) aus einem magnetisch verhältnismäßig hysteretischen Material besteht.

4. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ständerglied (10) eine ebene Platte aus leitendem Material ist.

5. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Anzeige der Verschiebung des Läufergliedes (l8) relativ zum Ständerglied (10).

6. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung aus mindestens einer

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Fühlspule (120) besteht, die das Läuferglied (l8) trägt, und daß das Ständerglied periodisch variierende Eigenschaften aufweist, durch die während der Relativbewegung ein die Verschiebung anzeigendes periodisches Signal in der Fühlspule (120) induziert wird.

ο Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ständerglied (10) ein gitterförmig ausgebildetes leitendes Material aufweist.

8. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlspule (120) eine parallel zum Ständerglied liegende Flachspule ist.

9. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung aus Markierungen (600, 602) auf dem Ständerglied (10) sowie einer optischen Abfühleinrichtung (6IO-618) auf dem Läuferglied (603) besteht.

10. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen gegeneinander geschaltet sind.

11. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Anzeige einer Drehung

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des Läufergliedes, sowie durch eine auf diese Vorrichtung ansprechende Stellvorrichtung, die die Erregung der auf Abstand liegenden Spulen derart steuert, daß die Drehung korrigiert wird.

12. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Drehung unterdrückende Vorrichtung (112) eine erste bewegbare Führung parallel zu einer Achse aufweist, eine zweite, bezüglich des Ständergliedes feststehende und parallel zur anderen Achse liegende Führung 118 und eine Vorrichtung aufweist, die die erste Führung auf eine Bewegung entlang der anderen Achse beschränkt, während sie zur einen Achse parallel bleibt, sowie eine Vorrichtung aufweist, die das Läuferglied auf eine Bewegung entlang der ersten Führung beschränkt. (Fig. 5)

13. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Drehung unterdrückende Vorrichtung ein drehbares Glied (224) aufweist, das vom Läuferglied (18) getragen wird und eine periodische magnetische Struktur entlang seines Umfangs aufweist, wobei das Ständerglied (10) eine periodische magnetische Struktur aufweist und mindestens eine periodische magnetische Struktur dauernd magnetisiert ist, wodurch die beiden Strukturen Kräfte erzeugen, die einer Drehung des Läufergliedes entgegenwirken,

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und das drehbare Glied bei der Relativbewegung entlang einer Achse eine rollende Bewegung ausführt. (Fig. 10)

14. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Gruppen von Spulen auf dem Läuferglied, die so auf Abstand angeordnet sind, daß die Kräfte entlang auf Abstand liegenden Linien erzeugen, sowie durch eine Vorrichtung, um die Spulen wahlweise zu erregen, um entweder eine Relativbewegung entlang dieser Achse oder eine Drehung des Läufergliedes um eine senkrecht zu dieser Achse liegende Linie zu bewirken. (Pig. 13)

15. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, um ein Strömungsmittel zwischen das Läuferglied und das Ständerglied einzubringen und dadurch ein Strömungsmittellager zwischen diesen zu schaffen. (Fig. 18)

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