DE4001800C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen Linearmotor beispielsweise zur Bewegung von Linsenhaltern in Ultraschallmikroskopen, und insbesondere einen Linear­ motor, bei dem ein Druckerzeugungsabschnitt und ein Lagerabschnitt in einem Stück kombiniert sind.

Als Antriebseinheit zum Bewegen von Linsenhaltern von Ultraschallmikroskopen wird eine Konstruktion verwendet, die in Fig. 1 in einer teilweise ge­ schnittenen Seitenansicht und in Fig. 2 in einer teilweise geschnittenen Aufsicht dargestellt ist. In beiden Figuren bezeichnen das Bezugszeichen 1 einen Linearmotor, üblicherweise Schwingspulen-Linear­ motor genannt. Der Linearmotor 1 enthält ein Mittel­ joch 2 aus einem ferromagnetischen Material, Außen­ jochs 4 aus einem ferromagnetischen Material, die Permanentmagneten 3 mit Magnetpolen an den Innen- und Außenseiten aufweisen und außerhalb des Mittel­ jochs 2 angeordnet sind, wobei beide Enden magnetisch gekoppelt sind, sowie ein bewegbares Bauteil 5. Das bewegbare Bauteil 5 weist eine Spule 7 auf, die auf seinen Außenumfang gewickelt ist, und ist derart in einem Spalt zwischen dem Mitteljoch 2 und den Außenjochs 4 angeordnet, daß es axial, d.h. links- rechts in den Fig. 4 und 5 bewegbar ist. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Ausleger zum Halten des Linearmotors 1, der fest am oberen Teil der Außen­ jochs 4 angebracht ist. Das Bezugszeichen 9 ist eine Führung, die eine rechteckige Außenquerschnittsform hat und deren linkes Ende mit dem unteren Ende des Auslegers 8 verbunden ist. Das Bezugszeichen 10 be­ zeichnet ein Gleitstück in Form eines hohlen Zylinders, der über die Führung 9 und einen kleinen Zwischenraum axial verschieblich ist. Das linke Ende des Gleitstücks 10 ist über ein Verbindungsteil 11 mit dem bewegbaren Bauteil 5 verbunden, während ein Linsenhalter 12 an dessen rechten Ende befestigt ist. Ein Statikdruckgas­ lager ist durch Ausbildung von mehreren Lufteinlaßöff­ nungen 13 und mehreren Lufteinlässen 14 an der Führung 9 und eine Luftauslaßöffnung 15 an dem Gleitstück 10 gebildet.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1. Gleiche Bauteile sind mit den Bezugszeichen gekennzeichnet, die in den Fig. 1 und 2 verwendet sind. In Fig. 3 sind zwei Verbindungs­ bohrungen 16 in axialer Richtung der Führung 9 ausge­ bildet und mit den Lufteinlaßöffnungen 13 und den Luft­ einlässen 14 verbunden. Die Lufteinlaßöffnungen 13 sind an den vier Seitenflächen der Führung 9 ausgebildet.

Wenn bei dieser Konstruktion Strom abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen in der das bewegbare Bauteil 5 aufweisenden Spule fließt, bewegt sich die Spule und damit das bewegbare Bauteil 5 in seitlicher Richtung (links-rechts) gemäß der Linkshandregel von Flemming. Wenn in diesem Fall Druckluft ständig von einer nicht dargestellten Druckluftquelle in die Lufteinlaßöffnungen 13 fließt, wird Druckluft aus den Lufteinlässen 14 über die Lufteinlaßöffnungen 13 und die Verbindungsbohrung 16 aus den Lufteinlässen 14 in Richtung des Gleitstücks 10 ausgeblasen, wodurch die Führung 9 in dem Gleitstück 10 schwebt und die Reibung zwischen der Führung 9 und dem Gleitstück 10 auf Null reduziert wird. Dies hat zur Folge, daß das Gleitstück 10 glatt und genau von dem bewegbaren Bau­ teil 5 entlang der Führung 9 bewegt wird. Im Ergebnis kann der Linsenhalter 12, der an der Spitze des Gleit­ stücks 10 befestigt ist, ohne Vibration in axialer Richtung bewegt werden. Dies ermöglicht eine zufrieden­ stellende Mikroskopbeobachtung mittels einer nicht dargestellten Linse, die an dem Linsenhalter 12 be­ festigt ist.

Bei der herkömmlichen Vorrichtung führen das Mittel­ joch 2 und das bewegbare Bauteil 5 des Linearmotors 1 eine relative Bewegung im kontaktlosen Zustand aus. Der Grund hierfür liegt darin, daß die beiden Bauteile eine Vibration in vertikaler und horizontaler Richtung erzeugen würden, wenn die relative Bewegung in einem Kontaktgleitzustand erfolgen würde, so daß der Linsen­ halter 12 vibrieren würde und die mikroskopische Beobach­ tung oder die Meßgenauigkeit signifikant beeinträchtigt wäre. Um dies zu vermeiden, ist ein Statikdruckgaslager zwischen dem bewegbaren Bauteil 5 und der Führung 9 in einem Zustand gebildet, in dem das bewegbare Bau­ teil 5 mit dem Gleitstück 10 verbunden ist. Durch diese Anordnung werden jedoch die Abmessungen der gesamten Vorrichtung vergrößert,und es ist viel Zeit beim Be­ festigen, Entfernen oder Positionieren eines Proben­ objekts erforderlich. Außerdem bewirkt der große Ab­ stand zwischen dem Statikdruckgaslagerabschnitt und dem bewegbaren Bauteil 5, daß sich die Länge des überlappten Abschnitts der Führung 9 und des Gleit­ stücks 10, der den Statikdrucklagerabschnitt bildet, entsprechend der Bewegung des bewegbaren Bauteils 5 ändert. Um dies zu berücksichtigen, muß der Druck und/oder die Strömungsmenge der zugeführten Luft in aufwendigen Vorgängen fein gesteuert werden. Bei einer Vorrichtung mit einem größeren Hub können die vor­ stehend erwähnten Probleme noch schwerwiegender werden. Da andererseits in den letzten Jahren ein zunehmender Bedarf nach höherer Geschwindigkeit zu verzeichnen ist, ist es erforderlich, derartige Vorrichtungen kleiner und leichter auszugestalten. Dies ist jedoch bei einem Linearmotor herkömmlicher Art, bei dem An­ triebsabschnitt und Lagerabschnitt getrennt vorge­ sehen sind, nicht möglich.

In der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 10 078/1986 ist ein Linearmotor mit einem Luftlager­ abschnitt vorgeschlagen worden, bei dem ein Druckgene­ rator und ein Lager integriert sind. Der Linearmotor enthält ein mittig angeordnetes Joch, mehrere beweg­ bare Spulen, die auf solche Weise fortlaufend ange­ ordnet sind, daß sie das Joch umgeben, wobei ein kleiner Zwischenraum zu dem Außenumfang des Jochs verbleibt, wobei ein Permanentmagnet an einer Seite oder beiden Seiten der Spulen mit einem geeigneten Zwischenraum zu dem Außenumfang der Spulen angeordnet ist. Zwischen dem Außenumfang des mittig angeordneten Jochs und der Innenfläche der bewegbaren Spulen ist eine Luftschicht ausgebildet, indem Druckluft in die Innenseite der bewegbaren Spulen zugeführt wird. Bei dieser Konstruktion, bei der der Druckerzeuger und das Lager integriert sind, kann die Vorrichtung kleiner und leichter als ein herkömmlicher Linearmotor ausgebildet sein. Allerdings ist es bei dem aus der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung bekannten Linearmotor erforderlich, daß ein Luftkanal und mehrere Nuten, die mit dem Luftkanal in Verbindung stehen, an Trommeln ausgebildet sind, die die bewegbaren Spulen enthalten. Die Herstellung von dünnwandigen Trommeln ist jedoch nur begrenzt möglich, so daß es schwierig ist, eine wesentliche Verringerung der Größe und des Gewichtes des Linearmotors zu verwirklichen. Außerdem erfordert der vorgeschlagene Linearmotor mehrere Nuten in der Innenfläche der Trommeln. Dies erfordert auf­ wendige Bearbeitungsvorgänge und eine Hochpräzisions­ bearbeitung. Somit kann der vorgeschlagene Linearmotor nicht zu den Zwecken verwendet werden, bei denen Vi­ brationskomponenten von weniger als 0,2 Mikrometer gefordert sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearmotor mit kleinen Abmessungen anzugeben, bei dem der Druckerzeuger und das Lager integriert sind. Außerdem soll ein Hochpräzisions-Linearmotor angegeben werden, bei dessen Betrieb und Stop nur eine sehr ge­ ringe Vibration auftritt. Ferner sollen die bewegbaren Bauteile oder Spulen vor Erhitzung geschützt sein, so daß die Stromzufuhr und der Druck erhöht sein können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt

Fig. 1 und 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht und eine teilweise geschnittene Aufsicht auf eine herkömmliche Antriebseinheit;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 4 und

Fig. 6 und 7 teilweise geschnittene Seitenansichten einer zweiten und einer dritten Ausführungs­ form der Erfindung.

Fig. 4 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführung der Erfindung. Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 4. Gleiche Bauteile sind durch die Bezugszeichen gekennzeichnet, die in den Fig. 1 bis 3 verwendet sind. ln den Fig. 4 und 5 hat ein Linearmotor 1 eine solche Konstruktion, daß ein Mitteljoch 2 aus einem ferromagnetischen Material wie Weicheisen und äußere Jochs 4 aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise Weicheisen magnetisch an beiden Enden der Längsrichtung miteinander gekoppelt sind. Permanentmagneten 3, die an den Innen- und Außen­ seiten Magnetpole haben, sind fest an der Innenseite der äußeren Jochs 4 befestigt, während ein bewegbares Bauteil 5 in einem Zwischenraum 6 zwischen dem Mittel­ joch 2 und dem Permanentmagneten 3 axial bewegbar an­ geordnet ist. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Hülse aus einem nichtmagnetischen Material wie bei­ spielsweise Aluminium, wobei die Hülse eine hohle, rechteckige, zylindrische Form hat und in einem kontakt­ losen Zustand axial bewegbar ist, in dem ein Zwischen­ raum von etwa 10 Mikrometer zwischen der Hülse 17 und der äußeren Umfangsfläche des Mitteljochs 2 ausgebildet ist. Ein bewegbares Bauteil 5 ist dadurch gebildet, daß eine Spule 7 auf die äußere Umfangsfläche der Hülse 17 aufgewickelt ist. Außerdem sind mehrere Aus­ sparungen 18 mit einer axialen Länge L in der äußeren Umfangsfläche des Mitteljochs 2 ausgebildet, wobei die Tiefe D der Aussparungen 18 etwa 50 Mikrometer und die Beziehung zwischen der axialen Länge L und der axialen Länge L₁ der Hülse 17 L₁<L ist. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Lufteinlaßöffnung, die zu einer Endfläche des Mitteljochs 2 geöffnet ist und mit einem Lufteinlaß 20 verbunden ist, der zur Mitte der Aussparung 18 geöffnet ist.

Wenn bei dieser Konstruktion die Lufteinlaßöffnung 19 mit einer nicht dargestellten Quelle eines Druck­ gases verbunden ist, wie z.B. Luft oder Stickstoff, tritt das Druckgas aus der Lufteinlaßöffnung 19 über den Lufteinlaß 20 in die Aussparungen 18 gegenüber der Hülse 17 aus. Damit schwebt die Hülse 17, ohne in Kontakt mit dem Mitteljoch 2 zu geraten, wodurch ein sogenanntes Statikdruckgaslager gebildet ist. Wenn in diesem Zustand Strom abwechselnd in entgegen­ gesetzten Richtungen in der Spule 7, die das beweg­ bare Bauteil 5 aufweist, fließt, kann die Spule 7 und damit das bewegbare Bauteil 5 in seitlicher Rich­ tung (links-rechts) bewegt werden, d.h. in axialer Richtung entsprechend Flemmings Linkshandregel. Der Hub des bewegbaren Bauteils 5 entspricht hierbei der Differenz zwischen der Hülsenlänge und der axialen Länge der Aussparung 18 (L₁-L). Auf diese Weise kann das bewegbare Bauteil 5 sowohl die Funktion des Druckgenerators als auch des Lagers in Verbindung mit dem Mitteljoch 2 ausüben. Wenn somit ein geeigneter Linsenhalter an dem bewegbaren Bauteil 5 angeordnet ist, kann der Linearmotor wirkungsvoll als Antriebs­ einheit für ein Ultraschallmikroskop verwendet werden.

Fig. 6 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bauteile sind mit den Bezugszeichen gekennzeichnet, die in den Fig. 4 und 5 verwendet sind. In Fig. 6 sind die äußeren Jochs 4 gebildet, indem diese in ihrer Mitte in Hälften geteilt sind. Das heißt zwei U-förmige Stücke der Außenjochs 4 sind an beiden End­ flächen des Mitteljochs 2 beispielsweise mit Hilfe von nicht dargestellten Schrauben befestigt und mag­ netisch miteinander gekoppelt. Außerdem sind die Permanentmagneten 3, die an der Innenseite der Außen­ jochs 4 befestigt sind, so geformt, daß Magnetpole derselben Polarität (beispielsweise die Nordpole) an der Innenfläche der Permanentmagneten 3 erscheinen. Die Spulen 7, die das bewegbare Bauteil 5 aufweisen, sind in der derselben Richtung auf die äußere Umfangs­ fläche beider Enden der Hülse 17 gewickelt.

Bei dieser Konstruktion können zwei Gruppen von rechts­ händigen und linkshändigen Magnetflüssen, die in Fig. 6 strichpunktiert dargestellt sind, zwischen dem Mittel­ joch 2 und dem Außenjoch 4 gebildet werden. Da zudem die Spulen 7 in jedem der Magnetflüsse angeordnet sind, kann das bewegbare Bauteil 5 in axialer Richtung bewegt werden, wie dies bei der ersten Ausführungsform der Fall ist, wenn Strom in den Spulen 7 fließt. In diesem Fall kann der Hub des bewegbaren Bauteils 5 vergrößert sein, da die Außenjochs 4 und die Spulen 7 in geteilter Form angeordnet sind. Anders ausgedrückt, kann diese Konstruktion bei der Anwendung auf Linearmotoren des­ selben Hubs zur Verringerung der Größe und des Ge­ wichts des Motors beitragen. Außerdem kann die vor­ stehend beschriebene Konstruktion, bei der der Magnet­ kreis in Hälften geteilt ist, die magnetische Sättigung der äußeren Jochs 4 und/oder des Mitteljochs 2 ver­ hindern. Damit trägt diese Konstruktion dazu bei, dünn­ wandige Jochbauteile geringen Gewichts zu erhalten.

Fig. 7 ist eine teilweise geschnittene Querschnitts­ ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bauteile sind mit den Bezugszeichen gekenn­ zeichnet, die in den Fig. 4 bis 6 verwendet sind. In Fig. 7 sind die Permanentmagneten so angeordnet, daß Magnetpole unterschiedlicher Polarität N und S abwechselnd an der Innenfläche beider Enden des Außen­ jochs 4 erscheinen. Die das bewegbare Bauteil 5 auf­ weisenden Spulen sind in unterschiedlichen Richtungen auf die äußere Umfangsfläche der beiden Enden der Hülse 17 gewickelt.

Bei dieser Konstruktion kann das bewegbare Bauteil 5 in axialer Richtung bewegt werden, wie dies bei der ersten und der zweiten Ausführungsform der Fall ist, wenn Strom in den Spulen 7 fließt, da drei Gruppen von linken, rechten und mittigen Magnetflüssen, die in Fig. 7 strichpunktiert dargestellt sind, zwischen dem Mitteljoch 2 und den Außenjochs 4 ausgebildet werden können, wobei die Spulen an den parallelen Ab­ schnitten dieser Magnetflüsse angeordnet sind. Wie bei den obigen zwei Ausführungsformen trägt auch diese Ausführungsform zur Erhöhung des Hubs des beweg­ baren Bauteils 5, zum Erhalten dünnwandiger Jochbau­ teile und zur Verringerung der Größe und des Gewichts des Linearmotors bei.

Bei den obigen Ausführungsformen ist die Querschnitts­ form des Mitteljochs und der Außenjochs rechteckig, jedoch kann dieselbe Wirkung mit Jochs einer Kreis­ form oder einer beliebigen anderen geometrischen Form erzielt werden. Das Material der Hülse, das wegen der Leistungsfähigkeit vorzugsweise ein geringes Gewicht haben sollte, ist vorzugsweise Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung, jedoch nicht auf diese Ma­ terialien beschränkt. Das Material des Mitteljochs und der Außenjochs kann ein beliebiges anderes ferro­ magnetisches Material als Stahl sein. Die Form und Abmessungen der Aussparung, der Lufteinlaßleitung, des Lufteinlasses können geeignet festgelegt werden, wobei der erforderliche Druck, die spezifische An­ wendung und andere Faktoren zu berücksichtigen sind.

Die Erfindung erzielt die folgenden Wirkungen und Vorteile:

• 1) Die Konstruktion, bei der der Druckgenerator und das Lager integriert sind, vermeidet das Erfordernis anderer Haltemechanismen und ermöglicht eine Redu­ zierung der Größe der Antriebseinheit.
• 2) Da der Linearmotor ein Statikdruckgaslager enthält, ist seine Betriebsweise sehr glatt, wobei beim Lauf und beim Stop des Motors nur eine minimale Vibration auftritt. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der Genaugkeit des Linearmotors, so daß dieser für optische Instrumente und Präzisions­ geräte geeignet ist.
• 3) Da stets Gas zugeführt wird und zwischen dem bewegbaren Bauteil und dem Mitteljoch zwangs­ weise zirkuliert, kann eine Erhitzung der Spule verhindert werden, und die Stromzufuhr zu der Spule kann erhöht sein. Dies führt zu einem er­ höhten Druck.

Claims (3)

1. Linearmotor mit einem Mitteljoch aus einem ferro­ magnetischen Material, einem Außenjoch aus einem ferromagnetischen Material mit Permanentmagneten, die jeweils an ihrer Innenfläche und Außenfläche Magnetpole haben und an der Innenseite der Außen­ jochs befestigt sind, wobei die Außenjochs an der Außenseite des Mitteljochs angeordnet und mit dessen beiden Enden magnetisch gekoppelt sind, und mit einem bewegbaren Bauteil mit Spulen, die auf dessen Außen­ umfang gewickelt sind, wobei das bewegbare Bauteil in einem Spalt zwischen dem Mitteljoch und den Außen­ jochs axial bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aussparungen (18) mit einer axialen Länge (L) an der Außenumfangsfläche des Mitteljochs (2) aus­ gebildet sind, daß eine Lufteinlaßleitung (19), die mit den Aussparungen in Verbindung steht, in dem Mittel­ joch (2) ausgebildet ist und daß eine Hülse (17), die den Aussparungen gegenüberliegt und eine axiale Länge (L₁) hat, die größer als die axiale Länge (L) der Aus­ sparungen ist, an dem bewegbaren Bauteil (5) angeord­ net ist, wobei die Aussparungen und die Hülse ein Statikdruckgaslager bilden.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenjochs (4) in der Mitte getrennt sind, daß die Permanentmagneten (3) an den Innenflächen der Außenjochs derart fest angebracht sind, daß Magnet­ pole derselben Polarität an der Innenseite der Per­ manentmagneten liegen, und daß Spulen (7) jeweils in derselben Richtung auf beide Enden der Hülse (17) gewickelt sind.

3. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Permanentmagnete (3) fest an der Innenseite beider Enden der Außenjochs (4) derart angebracht sind, daß Magnetpole unterschiedlicher Polarität an der Innen­ seite der Permanentmagneten liegen, und daß Spulen (7) jeweils in unterschiedlichen Richtungen auf beide Enden der Hülse (17) gewickelt sind.