DE3438807C2 - - Google Patents
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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.
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