DE4133307C2

DE4133307C2 - Betätigungseinrichtung zum Bewegen eines Gegenstands

Info

Publication number: DE4133307C2
Application number: DE4133307A
Authority: DE
Inventors: Takeo Kushida; Toshiro Higuchi
Original assignee: Zexel Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1991-10-08
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JPH04148710A; DE4133307A1; US5148068A; JP2797146B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der WO 90/07821 A1 ist eine derartige für einen Linearmotor hoher Bewegungsgenauigkeit bei kleinen Bewegungsamplituden vorgesehene Vorrichtung bekannt, die einen magnetostriktiven Stab aufweist, der in einigermaßen enger Berührung mit einem ihn umgebenden rohrförmigen Spulenträger steht, auf dem eine Anzahl von Schei benspulen angeordnet ist, die wiederum von einem Weicheisenrohr umgeben sind. Werden die einzelnen Scheibenspulen mit gegen einander phasenverschobenen Strömen angesteuert, so entsteht in dem Stab eine Magnetostriktionswelle, die mit der Phasenver schiebungsrichtung entlang dem Stab wandert und Bewegungen des Stabes gegenüber seiner Umhüllung bewirkt.

Betätigungseinrichtungen zum Bewegen eines Gegenstandes, typi scherweise Förderer und dergleichen, sind aus den JP-OSen 258013/1985 und 166429/1986 bekannt. Eine Betätigungseinrich tung solcher Art verfügt über einen aus einem unter Fe, Cu, Al etc. ausgewählten Material hergestellten, einen Bewegungspfad bildenden Körper, unter dem eine Anzahl von Ultraschallwandlern vorgesehen sind, von denen jeder ein piezoelektrisches Element enthält. Wenn an diese Ultraschallwandler eine Spannung als phasenverschoben angelegt wird, wird in dem den Bewegungspfad bildenden Körper eine wandernde Oberflächenwelle erzeugt, um einen darauf plazierten Gegenstand zu bewegen.

Jedoch sind solche herkömmliche Betätigungseinrichtungen, weil bei ihnen piezoelektrische Elemente als elektromechanische Wandler verwendet werden, insoweit von Nachteil, als daß die Treiberspannung zum Anlegen als Hochfrequenzspannung an die piezoelektrischen Elemente auf mehrere tausend Volt erhöht werden muß, um die Verschiebung zu minimieren und die Bewegungs geschwindigkeit zu erhöhen. Weil das piezoelektrische Element eine kleine Schwingungsamplitude hat, muß auch die mit den Ultraschallwandlern in Kontakt stehende Oberfläche des den Be wegungspfad bildenden Körpers und die mit dem Gegenstand in Kontakt stehende Oberfläche in eine Form von hoher Präzision gebracht und auf eine präzise Oberflächenrauhigkeit bearbeitet werden, und außerdem ist ein die Verschiebung verstärkender Mechanismus notwendig. Weiterhin erzeugt eine solche Betäti gungseinrichtung einen hörbaren Ton und, weil das in der Betäti gungseinrichtung verwendete piezoelektrische Element verhältnis mäßig empfindlich ist, kann die Betätigungseinrichtung nicht leicht zusammengefügt oder in einer Vorrichtung angebracht werden.

Auch in der JP-OS 299785/1988 ist eine Betätigungseinrichtung der Translationsart beschrieben. Die aus dieser Veröffent lichung bekannte Betätigungseinrichtung enthält ein bewegliches Glied, ein am Ende des beweglichen Gliedes befestigtes piezo elektrisches Element und einen von dem piezoelektrischen Ele ment angetriebenen Trägheitskörper, um auf das bewegliche Glied einen Stoß zu übertragen. Das Ausdehnen oder das Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements bewegt den Trägheitskörper impulsweise, dessen Reaktion eine schleichende Bewegung des beweglichen Gliedes bewirkt. Diese Betätigungseinrichtung hat jedoch ähnliche Nachteile wie die der oben angeführten her kömmlichen Technik, und sie kann nur als Einrichtung für Mikro bewegungen beim Positionieren u. a. verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagneti sche Betätigungseinrichtung zum Bewegen von Gegenständen mit relativ großer Geschwindigkeit zu schaffen, die mit niedriger Spannung und niedriger Frequenz arbeitet und sich durch einen einfachen Aufbau und zuverlässigen Betrieb auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 angegebe nen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung enthält ein Sub strat, auf dem eine Anzahl von elektromagnetischen Kreisen angebracht ist, die in der Lage sind, in dem Substrat ein sich bewegendes magnetisches Feld zu erzeugen. Auf dem Substrat ist als Bewegungspfad eine flexible federnde Platte angeordnet, die vollständig oder teilweise aus einem magnetischen Material her gestellt ist. Wenn auf das magnetische Material mittels der elektromagnetischen Kreise eine magnetische Kraft ausgeübt wird, wird in der flexiblen federnden Platte eine wandernde Welle erzeugt.

Insbesondere ist die flexible federnde Platte selbst ein magnetisches Element oder sie verfügt über eine zusam mengesetzte Struktur mit einem in einer darin ausgebildeten Matrix verteilten magnetischen Material. Mit Vorteil ist die Matrix aus einem Material hergestellt, das unter denen mit einer hohen Antireibungsbeständigkeit und auch mit ei ner hervorragenden Verschleißfestigkeit ausgewählt ist. Mit Vorteil ist das in der Matrix verteilte magnetische Mate rial ein Pulver, das in diesem Falle darin verteilt ist. Das magnetische Material kann die Form von Stiften oder Teilchen haben. In diesem Falle ist das magnetische Mate rial in Form einer Schicht im unteren Schichtbereich der Matrix versenkt.

Vorteilhafterweise können die oben genannten elektro magnetischen Kreise jeweils in einer Spule bestehen, die an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und der von ei ner externen Antriebsleistungsquelle bezüglich Zeit und Lage phasenverschoben eine Wechselspannung zugeführt wird. Bei jedem der elektromagnetischen Kreise werden normaler weise zwei der drei Sätze von Spulen verwendet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Anordnung vorgesehen, bei der auf dem Substrat ein magneti sches Fluid vorgesehen ist, auf dessen Oberfläche die fle xible federnde Platte in engem Kontakt damit als Bewegungs pfad angebracht ist, anstelle der oben genannten Anordnung, bei der die flexible federnde Platte direkt auf dem mit der Anzahl von elektromagnetischen Kreisen versehenen Substrat angeordnet ist. Bei dieser Anordnung übt das durch die elektromagnetischen Kreise erzeugte Magnetfeld auf das ma gnetische Fluid eine Magnetkraft aus, die auf die flexible federnde Platte übertragen wird, um darin eine wandernde Welle zu erzeugen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird den die Spulen enthaltenden elektromagnetischen Kreisen eine sowohl bezüg lich Zeit als auch Lage phasenverschobene Spannung zuge führt. Somit ergibt sich in dem Substrat ein sich bewegen des magnetisches Feld, wobei die elektromagnetische Kraft, groß oder klein, des magnetischen Feldes auf das magneti sche Element wirkt und in der in engem Kontakt mit dem Sub strat stehenden oder mit diesem integralen flexiblen fe dernden Platte eine wandernde Welle einer Biegungsschwin gung erzeugt wird. Der Punkt das Kontakts zwischen der neu tralen Phase der wandernden Welle und einem zu bewegenden Gegenstand beschreibt einen eliptischen Ort. Da die Front der wandernden Welle eine Komponente hat, die sich lateral in der entgegengesetzten Richtung zu der wandernden Welle selbst bewegt, wird der mit der flexiblen federnden Platte in Kontakt stehende Gegenstand bewegt.

Daher ist es durch eine geeignete Auswahl der Steifig keit der flexiblen federnden Platte entsprechend der auf den zu bewegenden Gegenstand übertragenen und in einem re sonanten Zustand eine wandernde Welle induzierenden Kraft möglich, aus einer geringen zugeführten Energie in effi zienter Weise eine große Schwingungsamplitude zu erhalten. Auch ist es durch Auswahl einer geeigneten Anzahl von Wicklungen und des Durchmessers jeder Spule möglich, die den elektromagnetischen Kreisen zuzuführende notwendige Spannung frei zu wählen. Die erfindungsgemäße Betätigungs einrichtung kann mit einer niedrigen Frequenz und einer niedrigen Spannung arbeiten, um einen Gegenstand mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen. Auch hat sie einen einfachen Aufbau, hat kein bewegliches Teil und erfordert nicht, daß die mit dem zu bewegenden Gegenstand und die mit der wan dernden Welle in Kontakt stehende Oberfläche mit hoher Prä zision ausgebildet und auf eine präzise Oberflächenrauhig keit bearbeitet ist. Weiterhin kann sie leicht zusammenge setzt oder in einer Vorrichtung angebracht werden, da bei ihr keine empfindlichen Antriebselemente verwendet werden.

Darüberhinaus ist die erfindungsgemäße Betätigungsein richtung insoweit von Vorteil, daß das sich bewegende ma gnetische Feld sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärts richtung bewegt werden kann, so daß der Gegenstand nicht nur in einer Richtung sondern in beiden Richtungen bewegt werden kann.

In dem Falle, daß ein magnetisches Fluid verwendet wird, wird dieses unter der elektromagnetischen Kraft ange zogen, so daß sich die das magnetische Fluid bildenden Teilchen in einer schwingenden Weise bewegen, wobei diese Schwingungsbewegung auf die flexible federnde Platte über tragen wird, um darin eine wandernde Welle zu erzeugen. In diesem Falle ergibt sich eine Schwingungsamplitude mit ei nem eliptischen Ort entsprechend der Dicke der mit dem ma gnetischen Fluid in engem Kontakt stehenden flexiblen fe dernden Platte, was ein Bewegen des darauf befindlichen Ge genstandes möglich macht. Da die elektromagnetische Kraft und das magnetische Fluid in Verbindung genutzt werden, kann eine große Schwingungsamplitude erhalten werden, was eine weitere Vereinfachung des Aufbaus der Betätigungs einrichtung gestattet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Aus führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Betätigungseinrich tung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die die Betäti gungseinrichtung in Betrieb zeigt;

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4-A bis 4-C Teilschnittansichten, die jeweils Varianten der in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten flexiblen federnden Platte zeigen;

Fig. 5 eine Teilschnittansicht, die die flexible fe dernde Platte nach Fig. 4-C in Betrieb zeigt;

Fig. 6-A bis 6-C Zeichnungen zur Erläuterung des Abstandsmechanismus in Fig. 4-C;

Fig. 7 eine teilweise fragmentarische perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie VIII- VIII in Fig. 7;

Fig. 9 eine Teilschnittansicht, die die Betätigungs einrichtung in Betrieb zeigt;

Fig. 10-A eine Zeichnung zur Erläuterung eines Bei spiels des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten elek tromagnetischen Kreises;

Fig. 10-B eine Zeichnung zur Erläuterung der Anord nung der Spulen;

Fig. 11 ein Schaltbild, das ein Beispiel der Treiber schaltung zeigt;

Fig. 12 eine Zeichnung zur Erläuterung eines weiteren Beispiels der Treiberschaltung;

Fig. 13 ein Anschlußdiagramm der in Fig. 12 gezeig ten Treiberschaltung;

Fig. 14 die Schwingungsform des sich bewegenden ma gnetischen Feldes bei der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 die Schwingungsform der elektromagnetischen Kraft bei der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 eine Draufsicht, die eine Anwendung der vor liegenden Erfindung auf eine zylindrische Betätigungsein richtung zeigt;

Fig. 17 und 18 Zeichnungen zur Erläuterung eines anderen Verfahrens zum Bewegen eines Gegenstandes entspre chend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 19 eine perspektivische Ansicht, die die Anwen dung der vorliegenden Erfindung auf eine Universal verbindung zeigt;

Fig. 20 eine perspektivische Ansicht, die ein Bei spiel einer Anordnung von Spulen bei der in Fig. 19 ge zeigten Anwendung darstellt.

Die vorliegende Erfindung soll im folgenden in größe rer Genauigkeit unter Bezugnahme auf die Zeichnungen be schrieben werden, wobei die Fig. 1 bis 6 das erste Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zeigen; die Fig. 7 bis 9 das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektroma gnetischen Betätigungseinrichtung zeigen und die Fig. 10 bis 13 die in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbei spiel verwendeten elektromagnetischen Kreise und Treiber schaltungen zeigen.

Sowohl bei dem ersten als auch bei dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel hat die elektromagnetische Betätigungsein richtung allgemein eine Kreisform. Das Bezugszeichen 1 be zeichnet ein Substrat, das aus einem steifen magnetischen Material hergestellt ist, wie eine Eisenplatte, die in die sen Ausführungsbeispielen eine ringähnliche Form hat.

Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Anzahl von Sätzen oder Paaren von Spulen, die über der Oberfläche des Sub strats 1 verteilt und befestigt sind. Die Spulen sind in Schlitze 100, die in der Oberfläche des Substrats 1 ausge bildet sind, wie in den Fig. 4-B und 4-C gezeigt, einge paßt oder direkt auf der Oberfläche des Substrats 1 ange ordnet, wie in Fig. 4-A dargestellt. Normalerweise sind zwei Sätze (oder Paare) oder drei Sätze (oder Paare) von Spulen 2 vorgesehen. In der Darstellung und der folgenden Beschreibung werden zwei Sätze von Spulen mit den Bezugs zeichen 2a bzw. 2b bezeichnet oder drei Sätze von Spulen mit den Bezugszeichen 2a, 2b bzw. 2c bezeichnet.

Im Falle der Spulen 2 werden zwei Sätze verwendet, die mit einem Zwischenraum von L/4 zwischen aufeinanderfolgen den in einem Abstand von L angebracht sind und auch als einander um L/4 überlappend in einem Abstand von L/2, wie in den Fig. 10-A und 10-B gezeigt. Das beginnende Ende und das abschließende Ende jeder der Spulen 2a und 2b sind mit Antriebsleistungsquellen A bzw. A′ verbunden. Die An triebsleistungsquellen A und- A′ enthalten jeweils bei spielsweise einen Oszillator 21 und einen 90°-Phasenschie ber 22 und Leistungsverstärker 20A bzw. 20A′, wie in Fig. 11 gezeigt.

Die drei Sätze (Paare) von Spulen 2a, 2b und 2c werden vorzugsweise verwendet, wenn die benutzte Antriebslei stungsquelle eine kommerzielle dreiphasige Leistungsversor gung von etwa 200 Volt Wechselstrom ist. In diesem Falle können die kommerziellen drei Phasen RST oder UVW verwendet werden und die drei Spulen 2a, 2b und 2c in den drei Sätzen (Paaren) können beispielsweise nach Art einer Sternschal tung, wie in Fig. 13 gezeigt, angeschlossen werden. Wenn diese kommerzielle dreiphasige Leistungsquelle verwendet wird, wird keine besonders ausgebildete Treiberschaltung für die Betätigungseinrichtung benötigt. In diesem Falle sind die Spulen in drei Sätzen mit einem Zwischenraum von L/6 zwischen den aufeinanderfolgenden angeordnet und auch um L/6 gegeneinander überlappt bei einem Abstand von L/3.

Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine weiche, flexible, federnde Platte, die auf dem Substrat 1 vorgesehen ist, auf dem die Spulen 2a und 2b angebracht sind, wie oben angege ben, wobei diese Platte einen Bewegungspfad bildet. Die Fig. 4-A bis 4-C zeigen jeweils Varianten der flexiblen federnden Platte. Die in Fig. 4-A gezeigte flexible fe dernde Platte hat eine zusammengesetzte Struktur, bei der als magnetisches Element ein Pulver 31 eines weichmagneti schen Materials wie Reineisenpulver oder ähnliches in einer weichen Matrix 30 verteilt ist. Die weiche Matrix 30 ist aus einem Material hergestellt, das aus den Materialien ausgewählt ist, die einen großen Reibungsgegenstand und eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweisen, wie Gummi, Kunststoff und dergleichen.

Fig. 4-B zeigt eine Variante der flexiblen federnden Platte 3 mit einem ferromagnetischen Element 32 als magne tisches Element, das in Form einer Schicht nur im unteren Schichtbereich der weichen Matrix 30 versenkt ist, die aus einem hoch reibenden und verschleißfesten Material wie Gummi, Kunststoff oder ähnlichem hergestellt ist. Das elek tromagnetische Element 32 enthält kurze Stifte oder Teil chen eines Materials, das aus Stahl mit niedrigem Kohlen stoffgehalt und dergleichen ausgewählt ist, und ist so in die Matrix 30 eingepaßt, daß es in einer vorgegebenen Iso lationsentfernung von der Oberfläche des Substrats 1 weg gehalten wird.

Vorzugsweise sind an der flexiblen federnden Platte 3 an der Seite, die mit dem zu bewegenden Gegenstand in Kon takt steht, Vorsprünge mit einer festgelegten Höhe h ausge bildet, die willkürlich geformt und in einer vorgegebenen Entfernung voneinander beabstandet sind, um die laterale Verschiebung zu verstärken. Es sollte festgestellt werden, daß solche Vorsprünge auch auf die in Fig. 4-A gezeigte Variante der Platte übertragen werden können.

Fig. 4-C zeigt eine Variante der flexiblen federnden Platte 3, die aus magnetischem Material hergestellt ist. Das magnetische Material ist aus den Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ausgewählt, typischerweise S10C und Schwefelfreischneidstahl. In diesem Falle verfügt die fle xible federnde Platte 3 ähnlich der in Fig. 4-B gezeigten Variante auf ihrem Körperbereich 30 (Oberfläche) über Vor sprünge mit einer vorgegebenen Höhe h, die um eine vorgege bene Entfernung voneinander beabstandet sind, um die late rale Verschiebung zu verstärken.

Die flexible federnde Platte 3 sollte vorzugsweise in einer vorgegebenen Entfernung 34 von dem Substrat 1 gehal ten werden, so daß sie mit dem Substrat 1 nicht direkt in Kontakt steht, damit die Platte 3 ähnlich einer Welle, wie in Fig. 5 gezeigt, federnd verformt wird, wenn an die Spu len 2a und 2b eine Spannung angelegt wird.

Die Fig. 6-A bis 6-C zeigen Varianten der oben ge nannten Abstandsstruktur. Fig. 6-A zeigt eine solche Ab standsstruktur, die aus einem expandierten Gummi 35, wie einem Schwamm besteht (dieses Material ist nur ein Beispiel), das zwischen dem Körperbereich 30 der flexiblen federnden Platte 3 und dem Substrat 1 vorgesehen ist. Fig. 6-B zeigt eine andere Variante, bei dem aus einem iso lierenden Material hergestellte Federelemente 36 verwendet werden, die die beiden unteren Seiten des Körperbereichs 30 der flexiblen federnden Platte 3 unterstützen. Die Feder elemente 36 haben eine leicht biegbare Form, wie eine seit liche U-förmige Vertiefung, von denen die eine Seite an dem Substrat 1 befestigt ist, wogegen die andere Seite mit dem Boden des Körperbereichs 30 verbunden ist. Es erübrigt sich festzustellen, daß die Federelemente 36 auch integral, näm lich als Beine, mit dem Körperbereich 30 ausgebildet sein können. Bei der in Fig. 6-C gezeigten Variante ist der Körperbereich 30 selbst ein Blattfederelement mit darauf ausgebildeten Vorsprüngen 33, die in ihrer Länge kürzer sind als die Breite des Körperbereichs 30, von dem die beiden unteren Seiten mittels Abstandshalter 37 auf dem Substrat 1 abgestützt sind.

Es sollte festgestellt werden, daß, obwohl sich die Matrix 30 in direktem Kontakt mit dem Substrat 1 befindet, wie in den Fig. 4-A und 4-B gezeigt, die vorliegende Er findung nicht auf diese Anordnung beschränkt ist, sondern daß jede der in den Fig. 6-A bis 6-C gezeigten Abstands strukturen zu diesem Zweck verwendet werden kann.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 7 bis 9 gezeigt ist, sind an dem inneren und dem äu ßeren Umfang des Substrats 1 aus einem nicht magnetischen Material hergestellte Seitenwände 11 und 12 vorgesehen. So mit hat der Querschnitt des Substrats 1 allgemein die Form einer Ausnehmung. Ein von einer Bodenwand 10 und den Sei tenwänden 11 und 12 begrenzter Bereich ist mit einem ma gnetischen Fluid 4 gefüllt. Das magnetische Fluid 4 ist eine stabile kolloidale Lösung, die feine in einer nichtmagnetischen Basislösung dispergierte ferromagnetische Teilchen enthält. Die nichtmagnetische Basislösung ist geeigneterweise ausgewählt unter Öl, Wasser, Quecksilber, Toluol etc . . Die feinen ferromagnetischen Teilchen sind ge eigneterweise ausgewählt unter Eisenoxid, Kobalt, Fe be schichtet mit SN, Fe beschichtet mit Na etc.

Mit dem magnetischen Fluid 4 steht eine flexible fe dernde Platte 5 in engem Kontakt. Die flexible federnde Platte 5 ist aus einem Material hergestellt, bei dem Rei bungskoeffizient und Verschleißfestigkeit hoch sind, wie Gummi, Kunststoff oder ähnliches. Diese Platte 5 ist durch Klebung oder auf andere Weise an ihren beiden Kanten mit den Seitenwänden 11 und 12 des Substrats 1 fest verbunden.

Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen zu bewegenden Ge genstand. Der Gegenstand wird auf die flexible federnde Platte 3 oder 5 plaziert.

Indem die Betätigungseinrichtung so entworfen ist, daß sie bei Betrachtung in der Draufsicht eine Kreisform hat, wie in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel, kann sie von geringem Gewicht sein. Weil auch eine wandernde Welle mit einer Anzahl von sich im Verlauf der Zeit in Umfangsrich tung bewegenden Spitzen erzeugt werden kann, kann der Ge genstand 7 schnell bewegt werden. Jedoch ist die vorliegen de Erfindung nicht beschränkt auf einen Bewegungspfad mit einer linearen (planaren Oberfläche). Der Bewegungspfad kann auch zylindrisch oder sphärisch sein.

Fig. 16 zeigt eine zylindrische Betätigungseinrich tung. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Substrat 1 eine zylindrische Form (ob kurz oder lang) und ist an der inneren zylindrischen Wand mit einer Anzahl von Spulen 2a und 2b versehen, wie sie vorher beschrieben worden sind. Weiterhin ist die flexible federnde Platte 3, wie sie in irgend einer der Fig. 4-A bis 4-C gezeigt ist, innerhalb der Spulen angeordnet. Bei diesem Aufbau hat die flexible federnde Platte 3 eine Ringform und wenn er in diesen Ring eingesetzt ist, kann ein Gegenstand 7 in Richtung des Pfeils rotiert werden.

Die Fig. 19 und 20 zeigen jeweils Anwendungen der vorliegenden Erfindung auf eine Schaftverbindung. Wie zu sehen ist, sind eine Anzahl von Spulen 2a, 2b und 2c je weils senkrecht zueinander auf dem äußeren Umfang einer Ku gel 80 (entsprechend dem Substrat 1 in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel) am Ende eines Antriebsschaftes 8 ange ordnet. Als eine äußere Schicht ist eine flexible federnde Platte 3, ähnlich wie in Fig. 4-A gezeigt, entweder nur auf den Spulen oder auf dem gesamten Umfang der die Spulen enthaltenden Kugel 80 vorgesehen. Fig. 20 zeigt eine ima ginäre Ansicht der flexiblen federnden Platte 3. Über der flexiblen federnden Platte 3 ist ein sphärischer Sitz 90 eines zu bewegenden Schaftes angepaßt. Mit dieser Betäti gungseinrichtung kann der Schaft 9 um die Achse des An triebschaftes 8 und auch um die X-Achse und auch um die zu der X-Achse senkrechte Y-Achse bewegt werden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Betätigungsein richtung auch in Form einer endlosen eliptischen Schleife ähnlich einem Förderband konstruiert sein. Auch wenn die Betätigungseinrichtung wie ein lineares Band hergestellt ist und die Schwingung an dessen beiden Enden gedämpft ist, kann ein Gegenstand nach Art einer Translation bewegt wer den.

Auch wenn ein zu bewegender Gegenstand 7 mit Rollen 70 versehen ist, wie in Fig. 17 gezeigt, kann er in Richtung der wandernden Welle bewegt werden. Weiterhin kann ein Ge genstand auch durch Rotation aufgrund der Reibung der flexiblen federnden Platte 3 bewegt werden, wie Fig. 18 zeigt.

Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung funktio niert wie im folgenden beschrieben.

Zur Bewegung des Gegenstandes 7 mittels einer an einer zweiphasigen Antriebsleistungsquelle betriebenen Betäti gungseinrichtung wird je zwei benachbarten Spulen 2a und 2b eine mittels eines Phasenschiebers 22 in Bezug auf Zeit und Lage um π/2 (90°) phasenverschobene Wechselspannung zuge führt.

Es sei angenommen, daß die Bewegungsrichtung der wan dernden Welle x ist, die Zeit t ist, die Winkelgeschwindig keit ω ist und die Wellenlänge des magnetischen Feldes l ist. Dann wird der Spule 2a eine Wechselspannung mit Acosωt·cos(2π/1·x) zugeführt, wogegen der Spule 2b eine Wechselspannung mit Acos(ωt-π/2)·cos(2π/1·x - π/2) zuge führt wird.

Somit bewirken eine durch die Spulen 2a hervorgerufene sinusoidale Welle B und eine durch die Spulen 2b hervorge rufene sinusbidale Welle B′, daß sich zwischen den Spitzen der Wellen B bzw. B′, wie in Fig. 14 gezeigt, ein sich be wegendes magnetisches Feld H entwickelt. Dieses magnetische Feld H kann wie folgt ausgedrückt werden:

H = H₀Acos(ωt - 2π/1 · x - ϕ)

wobei

R: Spulenwiderstand
L: Spuleninduktivität
n: Wicklungszahl

ϕ: durch die Spuleninduktivität hervorgerufene Phasendifferenz.

Als Ergebnis beschreibt das sich bewegende magnetische Feld zwei Arten von Sinuskurven H und δH/δx, wie in Fig. 15 gezeigt, wobei die Kombination dieser Kurven zu einer elektromagnetischen Kraft F(=F_x ∼H·δH/δx) führt, die wan dert.

H = H₀Acos (ωt - 2π/l· x -ϕ)δH/δx = H0A ·2π/ sin(ωt - 2π/l·x - ϕ)

Daher gilt:

H·δH/δx = 2π/l·H₀²A²·1/2sin(2ωt - 4π/l·x - 2ϕ)

Der Ausdruck (2ωt - 4π/l·x - 2ϕ) in der Formel be zeichnet die Form der wandernden Welle, die Bewegungsge schwindigkeit kann durch Verändern der Frequenz der Lei stungsquelle frei eingestellt werden.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein magnetisches Fluid 4 auf die Spulen 2a und 2b gefüllt. Daher wird das magnetische Fluid 4 an einem Ort angezogen, wo die elektromagnetische Kraft F auftritt, und entsprechend der Stärke der elektromagnetischen Kraft. Da das magnetische Fluid 4 am Boden und an seinen Seiten von starren Elementen umgeben ist, vibriert es nur in Rich tung der Höhe, wodurch eine wandernde Welle ξ erzeugt wird, die sich im Verlauf der Zeit in Richtung des in Fig. 9 ge zeigten Pfeils bewegt. Da sie mit dem magnetischen Fluid 4 in engem Kontakt steht, wirkt die flexible federnde Platte 3 ähnlich auf das magnetische Fluid 4. In diesem Ausfüh rungsbeispiel wird die Schwingung nicht auf irgendein starres Element übertragen, sondern das magnetische Fluid 4 wird dazu verwendet, eine Schwingung aufgrund der Anordnung und Verteilung der feinen Teilchen zu erzeugen. Somit kann in effektiver und effizienter Weise eine große Schwingungs amplitude erreicht werden.

Die Front der wandernden Welle ξ, nämlich ein bestimm tes Teilchen an der mit dem zu bewegenden Gegenstand 7 in Kontakt stehenden Oberfläche wandert indem es einen elip tischen Ort der Bewegung aufgrund des Verhältnisses zwi schen den longitudinalen und lateralen Verschiebungen be schreibt. Die Front der wandernden Welle ξ (der Maximumpunkt der longitudinalen Verschiebung) bewegt sich in seiner Natur lateral in der entgegengesetzten Richtung zu der wan dernden Welle. Daher steht ein zu bewegender Gegenstand 7 mit größeren Abmessungen als die Wellenlänge der Biegungs schwingung allein mit der Wellenfront in Kontakt und kann infolge der Reibung der flexiblen federnden Platte 5 in Richtung des Pfeils in Fig. 9 bewegt werden.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Schallwelle (wandernde Welle ξ) auf grund der in Fig. 14 gezeigten elektromagnetischen Kraft in der flexiblen federnden Platte 3 erzeugt. Wenn die Front der Schallwelle kontinuierlich wandert während sich die Teilchen an der Oberfläche entlang dem eliptischen Ort be wegen, kann der Gegenstand 7 bewegt werden. Das erste Aus führungsbeispiel ist insoweit vorteilhaft verglichen mit dem zweiten Ausführungsbeispiel, daß die Schwingungsampli tude durch das Young′sche Modul der flexiblen federnden Platte frei geändert werden kann, und insoweit, als daß die Betätigungseinrichtung so entworfen werden kann, daß sie einen einfachen Aufbau hat.

Bei der Betätigungseinrichtung, bei der die in Fig. 4-A gezeigte Variante einer flexiblen federnden Platte ver wendet wird, wird in der flexiblen federnden Platte 3 eine wandernde Schallwelle erzeugt, weil das in der Matrix 30 verteilte Pulver 31 eines magnetischen Materials magnetisch angezogen wird. Bei der Betätigungseinrichtung der in Fig. 4-B gezeigten Variante wird, wenn das ferromagnetische Ele ment 32 magnetisiert und angezogen wird, in dem flexiblen Material eine Schallwelle erzeugt, aber der Gegenstand kann mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt werden, weil die laterale Verschiebung durch die Vorsprünge 33 verstärkt wird. Bei der Betätigungseinrichtung unter Verwendung der in Fig. 4-C gezeigten flexiblen federnden Platte wird die Platte 3 unter der Wirkung des Magnetismus selbst ähnlich einer Welle federnd verformt, wie in Fig. 5 gezeigt, so daß der Gegenstand 7 effektiv bewegt wird während er sich mit den Enden der Vorsprünge 33 (der Wellenfront) in Kon takt befindet.

Zum Betrieb der Betätigungseinrichtung an einer kom merziellen Antriebsleistungsquelle mit drei Phasen von etwa 200 Volt wird der elektromagnetische Kreis so gebildet wie in Fig. 13 gezeigt und eine wie im folgenden angegebene sinusoidale Welle wird hinsichtlich Zeit und Lage um 120° (2/3π) phasenverschoben angelegt:

A₁ = A₀cosωtcos(2π/l·x)
A₂ = A₀cos(ωt - 2/3·π)cos(2π/l·x - 2/3·π)
A₃ = A₀cos(ωt - 4/3·π)cos(2π/l·x - 4/3·π)

In dem Falle, daß eine solche kommerzielle Leistungs quelle verwendet wird, um einen Gegenstand mittels einer Betätigungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu bewegen, kann die Bewegungsgeschwindigkeit nicht durch Ver änderung der Frequenz der Leistungsquelle, die fest ist, geändert werden, aber wenn es notwendig ist, die Geschwin digkeit zu ändern, genügt es die Amplitude der zugeführten Spannung zu verändern. Auch ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, das magnetische Feld in Rückwärtsrich tung zu bewegen ebenso wie in Vorwärtsrichtung. Dieses Än dern der Bewegungsrichtung kann in dem Falle von beispiels weise einer zweiphasigen zum Betrieb der Betätigungsein richtung verwendeten Leistungsquelle erfolgen, indem die Zeitphase der Spulen 2a und 2b von einem Nacheilen um 90° auf ein Voreilen um 90° verschoben wird.

Genauer gesagt, die den Spulen 2a und 2b zugeführte Spannung mit 90° Nacheilung ist wie folgt:

Acosωt ·cos(2π/l·x) + Acos(ωt - π/2)·cos(2π/l·x - π/2)

Daher

Acos(ωt - 2π/l·x) (1)

Der Punkt mit ωt - 2π/1·x = 0 in dieser Gleichung (1), nämlich der Spitzenpunkt der in Fig. 14 gezeigten Cosinus kurve wird sich in positiver Richtung bewegen, weil x = l/2π ·ωt und wegen des Verlaufs der Zeit.

Andererseits, wenn den Spulen eine Spannung mit 90° Voreilung zugeführt wird, ergibt sich das folgende:

Acos(ωt + 2π/l·x) (2)

Der Spitzenpunkt von ωt + 2π/l·x = 0 in dieser Glei chung (2) wird sich in der negativen Richtung bewegen, weil x = -1/2π · ωt und dem Verlauf der Zeit.

Claims

1. Betätigungseinrichtung zum Bewegen eines Gegenstandes mit

- einem aus magnetischem Material bestehenden starren Substrat (1),
- einer Anzahl von im Oberflächenbereich des Substrats (1) an geordneten Spulen (2), die mit
- Antriebsstromquellen (A, A′) verbunden sind zur Zuführung phasenverschobener Wechselströme, die ein sich bewegendes Magnetfeld erzeugen,
- und mit einem im Bereich des Magnetfeldes angeordneten, magnetisches Material aufweisenden Körper, der sich unter dem Einfluß des Magnetfeldes bewegt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als flexible, federnde Platte (3) ausgebildet ist, die als Bewegungspfad auf dem Substrat (1) angeordnet ist und vollständig oder teilweise aus einem magnetischen Material besteht.

2. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (2) in zwei oder drei Sätzen angeordnet sind, deren Einzelspulen (2a, 2b oder 2a, 2b, 2c) sich über die Länge des Substrats wiederholen.

3. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible federnde Platte (3) eine zusammengesetzte Struktur aufweist, in der ein Pulver (31) eines magnetischen Materials in einer weichen Matrix (30), bei der der Reibungskoeffizient und die Verschleißfestigkeit hoch sind, verteilt ist.

4. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die flexible federnde Platte (3) stift- oder teilchenförmige ferromagnetische Elemente (32) aufweist, die in dem unteren Schichtbereich einer weichen Matrix (30), bei der der Reibungskoeffizient und die Ver schleißfestigkeit hoch sind, versenkt sind und die die Ver schiebung verstärkende Vorsprünge (33) aufweist, die um eine vorgegebene Entfernung voneinander beabstandet auf de ren mit dem zu bewegenden Gegenstand in Kontakt stehenden Seite ausgebildet sind.

5. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die flexible federnde Platte (3) aus einem magnetischen Material hergestellt ist und die Verschiebung verstärkende Vorsprünge (33) aufweist, die eine vorgegebene Entfernung voneinander beabstandet auf de ren mit dem zu bewegenden Gegenstand in Kontakt stehenden Seite ausgebildet sind.

6. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible federnde Platte (3) mit Hilfe von Abstandsvorrichtungen in einer Isolationsentfernung (34) von dem Substrat (1) gehalten ist.

7. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abstandsvorrichtung ein, beispiels weise schwammähnliches, expandiertes Material (35) ist.

8. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abstandsvorrichtung Federelemente (36) enthält.

9. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible federnde Platte (3) eine Blattfeder enthält, deren beide Seiten durch Abstandshalter (37) auf dem Substrat (1) abgestützt sind.

10. Betätigungseinrichtung zum Bewegen eines Gegenstandes mit

- einem aus magnetischem Material bestehenden starren Substrat (1),
- einer Anzahl von im Oberflächenbereich des Substrats angeord neten Spulen (2), die mit
- Antriebsstromquellen (A,A′) verbunden sind zur Zuführung phasenverschobener Wechselströme, die ein sich bewegendes Magnetfeld erzeugen,
- und mit im Bereich des Magnetfeldes angeordneten magnetischen Material, das sich unter Einfluß des Magnetfeldes bewegt,
dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Material ein fließfähiges Material (4) ist, mit dessen Oberfläche in engem Kontakt eine flexible federnde Platte (5) als Bewegungsbahn angeordnet ist.

11. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) wannenförmig mit Seiten wänden (11,12) ausgebildet ist und das magnetische fließfähige Material (4) in dem vom Substrat (1) und der an den Seiten wänden befestigten flexiblen federnden Platte (5) umschlossen ist.

12. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie von oben gesehen kreis förmig ist, wobei der Bewegungspfad eben ist.

13. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zylindrisch oder sphärisch ist, wobei der Bewegungspfad gewölbt ist.

14. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Form eines linearen Bandes hat.

15. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige Material eine kolloidale Lösung mit dispergierten ferromagnetischen Teilchen aufweist.

16. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die kolloidale Lösung eine nichtmagnetische Basislösung aus Öl, Wasser, Quecksilber oder Toluol enthält und die ferromagnetischen Teilchen Eisenoxid, Kobalt und/oder mit Zinn oder Natrium beschichtetes Eisen aufweisen.