DE3438807C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schiebervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Schiebervorrichtung dieser Art ist in der Zeitschrift "Technisches Messen atm 1976", Heft 11 beschrieben. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird zur Verminderung der Reibung zwischen einem bewegbaren Körper und einem Führungs­ element eine mechanische Schwingung an der Reibfläche er­ zeugt. Die Reibung läßt sich dadurch vermindern, daß die Amplitude der Schwingungsbeschleunigung gesteigert wird; insbesondere führt ein Wert der Schwingungsamplitude, der größer als die Erdbeschleunigung ist, zu einer deutlichen Reibungsverminderung. Es gibt jedoch häufig Fälle, in denen eine derartige Schwingungserzeugung sich als ungünstig er­ weist oder gar nicht anwendbar ist, beispielsweise wenn ein empfindlicher Glas- oder Keramikkörper bewegt werden soll, da dabei eine Beschädigung auftreten könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schiebervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Schiebervorrichtung vielen individuellen Gegebenheiten anpaßbar ist und die Reibungskräfte stets exakt variierbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Hierdurch können auch in ungünstigen Fällen, z. B. wenn der bewegbare Körper selbst nicht die nötige Widerstands­ fähigkeit für die Schwingungen besitzt, die Reibungskräfte genau gesteuert werden. Solche Fälle kommen beispielsweise häufig in der Optik vor, wo empfindliche Glas- oder Keramikkörper bewegt werden müssen. Die Dosierung der Reibungskräfte über die Frequenz der stehenden Welle im Führungselement läßt nicht nur eine sehr exakte, sondern gegenüber widrigen Umgebungseinflüssen robuste Steuerung der Reibungskraft zu.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht, aus der das Prin­ zip einer Schiebervorrichtung ersichtlich ist;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines ersten Aus­ führungsbeispiels einer Schiebervorrichtung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels eines Schwingungsgenerators zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels eines Schwingungsgenerators zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Aus­ führungsbeispiels einer Schiebervorrichtung; und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines dritten Aus­ führungsbeispiels einer Schiebervorrichtung.

In Fig. 1 ist das Funktionsprinzip einer Schiebervorrichtung erklärt. Auf der Oberfläche eines elastischen Führungsele­ ments 1 ist mittels Ultraschall eine mechanische Schwingung einer Wellenlänge Lambda ausgebildet. Darauf sitzt ein be­ wegbarer Körper 2, wobei eine (bei der Darstellung untere) Fläche desselben in Berührung mit der die Schwingung tragenden Fläche des elastischen Führungselements 1 steht; der bewegbare Körper ist nur in Richtung der x-Achse ver­ schiebbar.

Wenn die mechanische Schwingung des elastischen Führungsele­ ments 1 den Zustand einer stehenden Welle erreicht, wird der bewegbare Körper 2 nur von den Maxima der Welle in Linienberührung getragen. Demzufolge kann der bewegbare Körper 2 in Richtung der x-Achse durch eine kleine äußere Schiebekraft versetzt werden.

Einem Lastwechsel des bewegbaren Körpers 2 kann durch Steuerung der Reibung zwischen dem elastischen Führungselement 1 und dem bewegbaren Körper 2 durch einen Wechsel der Frequenz der Oberflä­ chenschwingung, d. h. der Wellenlänge Lambda begegnet werden. Die Anzahl n der Maxima der Welle, die den bewegbaren Körper 2 trägt, ist etwa gleich L/Lambda, wobei L die Länge des bewegbaren Körpers 2 und Lambda die Wellenlänge der mechanischen Schwingung in der Oberfläche des elastischen Führungselements ist; das gilt, falls L ausreichend groß gegen Lambda ist. Wenn die Wellen­ länge Lambda kleiner wird, erhöht sich die Anzahl n der Maxima bzw. der Berührungsstellen, wodurch die Reibungskraft erhöht wird. Andererseits, wenn die Wellenlänge Lambda grö­ ßer wird (jedoch Lambda kleiner L/2), erniedrigt sich die Anzahl n der Maxima, wodurch die Reibungskraft verringert wird. In dieser Art und Weise erlaubt eine Änderung der Wellenlänge Lambda der mechanischen Schwingung eine Reaktion auf einen Lastwechsel, wodurch eine etwa konstante Reibung des Schiebers aufrechterhalten werden kann.

Auch im Falle des Beibehaltens einer definierten Stel­ lung ist eine zusätzliche Maßnahme nach der Positionierung unnötig, denn durch Abschluß der mechanischen Schwingung kommt das elastische Führungselement 1 anstelle der Linienberührung mit sei­ ner gesamten Fläche mit dem bewegbaren Körper 2 in Berüh­ rung, wodurch zwischen den beiden Elementen eine Haltekraft infolge der Reibung entsteht.

Diese Wirkung kann auch ausgenutzt werden, wenn der bewegbare Körper 2 in der Bewegung gebremst werden soll. Zu­ sätzliche Vorteile, beispielsweise die Unnötigkeit der Schmierung und die einfache Instandhaltung werden erzielt; elektromagnetische Störungen infolge unerwünschter Wirkun­ gen des magnetischen Felds, wie sie bei Schiebervorrichtungen auf der Grundlage magnetischer Abstoßungs- oder Anziehungskräfte auftreten, brauchen nicht beach­ tet zu werden.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird das erfindungs­ gemäße Prinzip erklärt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schiebervorrichtung, bei der ein elastisches Führungselement 3 mit einem bewegbaren Körper 4 versehen ist, der in X-Richtung beweglich und mit zwei seiner äußeren Begrenzungsflächen mit dem Führungselement 3 in Berührung ist. Das Führungs­ element 3 ist an seinen beiden Enden mit Vorrichtungen 5, 5′ zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung versehen, die da­ zu dienen, mechanische Schwingungen auf den mit dem bewegbaren Körper 4 in Berührung stehenden Flächen zu erzeugen. Die Schwingungsgeneratoren 5, 5′ können herkömmliche piezo­ elektrische Elemente sein, die beispielsweise mit Bleizir­ konat Titanat (PZT) oder Bariumtitanat arbeiten.

Die Schwingungsgeneratoren 5, 5′ erzeugen mechanische Schwin­ gungen auf den Oberflächen des Führungselements 3, wodurch der bewegbare Körper 4 in X-Richtung durch eine kleine Kraft bewegt werden kann, die durch eine nicht dargestell­ te Vorrichtung bewirkt wird. Das Führungselement 3 kann beispielsweise aus Messing, Aluminium, Dural, Chrommolybdän­ stahl etc. bestehen. Die Flächen des bewegbaren Körpers 4, die mit dem Führungselement 3 in Berührung stehen, kön­ nen mit einer Plastikschicht über einem Metall, beispiels­ weise Aluminium, versehen sein.

Im folgenden wird anhand der Fig. 3 und 4 der Aufbau der Schwingungsgeneratoren 5, 5′ erklärt.

In Fig. 3 ist an einem Ende des elastischen Führungsele­ ments 3 ein Keil 6 befestigt; auf einer Begrenzungsfläche des Keils 6 sitzt ein piezoelektrisches Element 7, das in der Lage ist, wirksam eine Schwingung auf das Führungsele­ ment 3 zu übertragen. Das piezoelektrische Element 7 wird aus einer Wechselstromquelle 8 mit einer Wechselspannung versorgt, und als Reaktion darauf erzeugt das piezoelektri­ sche Element 7 eine Schwingung in Richtung seiner Dicke; diese Schwingung wird durch den Keil 6 auf das elastische Führungselement 3 übertragen, wodurch auf dessen Flächen eine eine mecha­ nische Schwingung in Form einer fortschreitenden Welle erzeugt wird. Die Wellenlänge Lambda dieser Schwingung ist etwa durch die Eigenfrequenz des piezoelektrischen Elements 7 bestimmt. Zur wirksamen Erzeugung der mechanischen Schwingung muß entsprechend die Frequenz der Wechselstrom­ quelle 8 etwa gleich der spezifischen Frequenz des Elements 7 sein.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Schwingungs­ generatoren 5, 5′. An einem Ende des Führungselements 3 ist ein darauf befestigtes piezoelektrisches Element 7′ an­ geordnet, dessen kammartige Elektroden 9 von der Wechsel­ stromquelle 8 mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden. Als Reaktion auf die mit der Wechselspannung beaufschlagten kammartigen Elektroden 9 erzeugt das piezoelektrische Ele­ ment 7′ eine Schwingung in Richtung seiner Dicke, wodurch auf der Oberfläche des elastischen Führungselements 3 eine mechanische Schwingung in Form einer fortschreitenden Welle erzeugt wird. In diesem Fall ist die Wellenlänge Lambda der Schwingung etwa durch den Abstand der kammartigen Elektroden 9 bestimmt. Um die mechanische Schwingung wirksam zu erzeugen, muß die Fre­ quenz der Wechselstromquelle 8 etwa gleich der Wellenaus­ breitungsgeschwindigkeit auf dem Führungselement 3 geteilt durch den Abstand der kammartigen Elektroden 9 sein.

Die in Fig. 3 oder 4 dargestellten Schwingungsgeneratoren 5, 5′ sind an beiden Enden des Führungselements 3, das in Fig. 2 dargestellt ist, befestigt. Das Vorhandensein der zwei identischen Schwingungserzeugungsvorrichtungen für die mecha­ nische Schwingung an beiden Enden des Führungselements 3 dienen dazu, zwei fortschreitende Wellen derselben Wellenlänge zu er­ zeugen, wodurch eine stehende Welle auf den Flächen des Führungselements 3 ausgebildet wird. Um eine solche stehende Welle auszubilden, muß die Länge des Führungselements 3 zwischen den Schwingungsgeneratoren 5, 5′ gleich einem Vielfachen der halben Wellenlänge der elastischen Welle sein. Die stehende Welle kann auch dadurch ausgebildet wer­ den, daß an einem Ende des Führungselements ein Schwingungs­ generator vorgesehen ist und die davon ausgehende Welle von einer vom anderen Ende des Führungselements 3 reflek­ tierten Welle überlagert wird. Dann kann das andere Ende des Führungselements entweder als offenes Ende oder als festes Ende ausgebildet sein, jedoch muß die Länge des Führungs­ elements von dem Schwingungsgenerator zum anderen Ende wiederum gleich einem Vielfachen der halben Wellenlänge der mechanischen Schwingung sein. Außerdem kann das andere Ende des Führungselements zur Reflexion der fortschreitenden Welle mit einem Reflektor versehen sein, der aus einem Reflexions­ gitter mit Frequenzeinstellmöglichkeiten besteht. Um eine starke Reflexion zu erzielen, sollte in einem solchen Fall die Frequenz des Reflexionsgitters gleich einem Vielfachen der halben Wellenlänge der fortschreitenden Welle der mechanischen Schwingung sein.

Die Wellenlänge Lambda der mechanischen Schwingung, die durch das obenerwähnte piezoelektrische Element er­ zeugt wird, ist etwa durch die spezifische Frequenz des piezoelektrischen Elements bestimmt, wie schon oben erklärt, jedoch ist eine Änderung der Frequenz bis zu 10% möglich, wenn sich die Frequenz der Wechselspannung, mit der das piezoelektrische Element 7 oder 7′ beaufschlagt wird, durch Anwendung einer Wechselstromspannungsquelle 8 variabler Frequenz ändert. Zum Zwecke einer größeren Änderung der Wellenlänge können mehrere Schwingungsgeneratoren für eine mechanische Schwingung verschiedener spezifischer Frequenzen zueinander parallel auf den Führungselementen 3 angeordnet sein, und zwar in der Weise, wie sie in Fig. 3 oder 4 dar­ gestellt ist. Wie bereits erklärt, kann die Reibung des Schiebers durch eine Änderung der Wellenlänge der stehenden Welle gesteuert werden.

Fig. 5 zeigt ein zweites Auführungsbeispiel der Schiebervorrichtung, bei dem die der Darstellung in Fig. 2 entsprechenden Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Wie in Fig. 5 dargestellt, kann eine Be­ weglichkeit in X-Y-Richtung erzielt werden, indem mehrere in Fig. 2 dargestellte Schiebervorrichtungen miteinander kombiniert werden.

Obwohl die vorstehende Beschreibung auf Schieber mit linea­ rer Bewegung begrenzt war, ist die vorliegende Erfindung genauso auf Schiebervorrichtungen anwendbar, die eine Bewegung in Rotations­ richtung vorsehen, wobei sich die gleichen Vorteile ergeben. Fig. 6 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel dar, bei dem eine mechanische Schwingung auf der Oberfläche eines ringförmigen elasti­ schen Führungselements 10 in Form einer stehenden Welle ausgebildet ist, wobei das Führungselement 10 in Berührung mit einem Rotationselement 11 steht; durch eine solche Aus­ bildung kann das Rotationselement 11 in einer Richtung R durch eine kleine äußere Kraft gedreht werden. In einem solchen Fall muß der Schwingungsgenerator 12, falls er aus einem piezoelektrischen Element 7′, wie in Fig. 4 dar­ gestellt, besteht, nicht den gesamten Umfang des Führungs­ elements 10 überdecken, sondern kann an mehreren Stel­ len des Führungselements angeordnet sein. Entsprechend kann die Reibung geeignet gesteuert werden, wenn mehrere Schwingungs­ generatoren 12 (piezoelektrische Elemente 7′) unter­ schiedlicher spezifischer Frequenzen vorgesehen sind. Zur Erzeugung einer stehenden Welle muß jedoch die mittlere Umfangsausdehnung des elastischen Führungselements 10 etwa gleich einem Vielfachen des Abstandes der kammarti­ gen Elektroden 9 auf dem piezoelektrischen Element 7′ sein, wobei dieser Abstand etwa der halben Wellenlänge der zu erzeugenden mechanischen Schwingung entspricht.

Bei der erfindungsgemäßen Schiebervorrichtung ist die Amplitude der mechanischen Schwingung in der Oberfläche im allgemeinen kleiner als ein Mikrometer, obwohl sie auch davon abhängt, aus welchem Material das elastische Element hergestellt ist. Die er­ findungsgemäße Schiebervorrichtung kann daher eine weit höhere Präzi­ sion verglichen mit herkömmlichen Schiebervorrichtungen erreichen; da­ her ist er auch bei Hochpräzisionsinstrumenten anwendbar, die bei Herstellung oder Überwachung integrierter Schalt­ kreise benötigt werden.

Außerdem kann der erfindungsgemäße Schieber im Vakuum oder bei Schwerelosigkeit angewendet werden, da er weder Schmie­ rung noch hydraulischen oder pneumatischen Druck benötigt; das führt dazu, daß er bei verschiedenen Vorrichtungen an­ gewendet werden kann, die im Vakuum oder im Weltraum be­ nutzt werden.

Claims (10)

1. Schiebervorrichtung mit einem bewegbaren Körper, der zumindest mit einer seiner Flächen mit einem elastischen Führungselement in Berührung steht und längs desselben be­ wegbar ist, und mit zumindest einem Schwingungsgenerator, der zur Verminderung der Reibung zwischen dem bewegbaren Körper und dem Führungselement mechanische Schwingungen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungs­ generator (7, 12) mechanische Schwingungen wählbarer Frequenz zum Ausbilden einer fortschreitenden Welle auf derjenigen Oberfläche des Führungselements (3, 10) erzeugt, die mit dem bewegbaren Körper (4) in Berührung steht, und daß eine von dem Schwingungsgenerator beabstandete Vor­ richtung vorgesehen ist, die zum Ausbilden einer stehenden Welle eine der fortschreitenden Welle überlagerte gegen­ läufige Welle erzeugt.

2. Schiebervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Führungselement (10) ringförmig und der bewegbare Körper (11) derart ausgebildet ist, daß er eine Umlaufbewegung längs des Führungselements ausführen kann.

3. Schiebervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mittlere Umfangslänge des Führungs­ elements (10) gleich einem Vielfachen der halben Wellen­ länge der fortschreitenden Welle ist.

4. Schiebervorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungs­ generator (7, 12) ein ein auf dem Führungselement (3) sitzendes piezoelektrisches Element (7), auf diesem ange­ ordnete kammartige Elektroden und eine Wechselspannungs­ vorrichtung (8) zur Beaufschlagung der kammartigen Elek­ troden (9) mit einer Wechselspannung aufweist.

5. Schiebervorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselspannung etwa gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der fortschreitenden Welle im Führungselement (3) geteilt durch den Abstand der kammartigen Elektroden (9) ist.

6. Schiebervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wechselspannungsvorrichtung (8) eine Vor­ richtung zur Änderung der Frequenz der Wechselspannung auf­ weist.

7. Schiebervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingungsgenerator (5) ein piezo­ elektrisches Element (7), eine Vorrichtung (8) zur Beauf­ schlagung desselben mit einer Wechselspannung und ein keil­ förmiges Element (6) zur Übertragung der Schwingung des piezoelektrischen Elements (7) auf das Führungselement (3) aufweist.

8. Schiebervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Frequenz der Wechselspannung etwa gleich der spezifischen Frequenz des piezoelektrischen Elements (7) ist.

9. Schiebervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wechselspannungs-Vorrichtung (8) eine Vorrichtung zur Änderung der Frequenz der Wechselspannung aufweist.

10. Schiebervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsgenerator (5) mehrere piezoelektrische Elemente (7) unterschiedlicher spezifischer Frequenzen aufweist.