EP2005566A1

EP2005566A1 - Linearantrieb mit bewegter, massereduzierter und seitengeführter passiveinheit

Info

Publication number: EP2005566A1
Application number: EP06725180A
Authority: EP
Inventors: Eckhard Wendorff; Eberhard Meissner
Original assignee: INA Drives and Mechatronics GmbH and Co KG
Current assignee: Schaeffler Industrial Drives AG and Co KG
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2008-12-24
Also published as: CN101401285B; CN101401285A; US20090127941A1; US7919888B2; WO2007107183A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einer feststehenden Aktiveinheit (1), einem feststehenden Rückflusselement (11), einer beweglich gelagerten Passiveinheit in Form einer dünnen Zahnplatte (10) und einer Lagereinheit (15), welche die Relativbewegung zwischen Aktiv- und Passiveinheit gestattet. An die Zahnplatte (10) ist eine Seitenführungsplatte (30) angebracht, die sich winklig zur Ebene der Zahnplatte (10) in einen Führungsspalt (31) erstreckt und dort geführt ist, wobei der Führungsspalt (31) im Rückflusselement (11) oder in der Aktiveinheit (1) verläuft.

Description

Linearantrieb mit bewegter, massereduzierter und seitengeführter Passiveinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einer feststehenden Aktiveinheit, die Spulenkörpern zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses enthält, mit einer Passiveinheit, einer Lagereinheit, die eine reibungs- arme Bewegung zwischen Aktiv- und Passiveinheit gestattet, und mit einer Steuereinheit, mit welcher der Magnetfluss steuerbar ist.

In verschiedensten Bereichen der Technik werden heutzutage Linearantriebe (auch Linearmotoren genannt) eingesetzt, die ähnlich wie rotatorische Motoren nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeiten. Ein Vorteil solcher Linearantriebe besteht unter anderem darin, dass sowohl krafterzeugende Funktionen als auch Gestellfunktionen in wenigen Baueinheiten integriert werden können. Bei Linearantrieben kann sowohl die Aktivein- heit als auch die Passiveinheit das bewegte Element sein. Um bei geringem Krafteinsatz hohe Geschwindigkeiten und große Beschleunigungen zu erreichen, muss generell versucht werden, die bewegte Masse zu reduzieren.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 32 08 380 A 1 ist ein Linearantrieb bekannt, bei welchem in der Aktiveinheit Permanentmagneten und Elektromagneten zur Erzeugung eines steuerbaren Magnetflusses enthalten sind. Die Passiveinheit besteht aus einem Weicheisenstreifen, der mit sogenannten

Polzähnen versehen ist. In dieser Druckschrift ist das allge- meine Funktionsprinzip solcher Linearmotoren detailliert beschrieben, so dass die Kenntnis der Funktionsweise von Linearmotoren beim Fachmann vorausgesetzt werden kann. In der genannten Druckschrift wird auch ein Hinweis darauf gegeben, dass generell die Möglichkeit besteht, die Passiveinheit als bewegtes Element zu verwenden, während die Aktiveinheit den Stator bildet. In diesen Fällen müssen jedoch hohe Massen bewegt werden, wodurch nur geringe Beschleunigungen möglich sind. Die als Passiveinheiten dienenden Weicheisenstreifen können nämlich nicht beliebig dünn ausgelegt werden, da sie für den von der Aktiveinheit erzeugten Magnetfluss einen ausreichenden Materialquerschnitt bereitstellen müssen.

Andernfalls sinkt die Magnetflussdichte, so dass die resul- tierenden Antriebskräfte klein sind.

In der US 4,563,602 ist ebenfalls ein Linearmotor beschrie- ben, der sowohl als Einphasensynchronmaschine als auch als

Mehrphasensynchronmaschine ausgestaltet sein kann. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass es für die vorlie- gende Erfindung nicht darauf ankommt, mit welcher Anzahl von Stromphasen die Aktiveinheit betrieben wird und welche speziellen Steuer- und Regelverfahren für eine Optimierung des Antriebs bzw. für eine Erhöhung der Genauigkeit einge- setzt werden. Aus der genannten amerikanischen Patentschrift ist es weiterhin bekannt, dass die Aktiveinheit und die Passiveinheit über eine Luftlagerung miteinander gekoppelt sein können. Solche Luftlager werden bei Linearantrieben häufig eingesetzt, da dies die Reibungsverluste drastisch reduziert .

In der Zeitschrift „antriebstechnik" 33 (1994) Nr. 7, Seite 68, ist ein Präzisionsdirektantrieb beschrieben, der das

Funktionsprinzip eines permanentmagneterregten Zweiphasen- Reluktanzschrittmotors in Hybridtechnik einsetzt. Soweit der Aufbau der Aktiveinheiten betroffen ist, wird der Inhalt dieser Druckschrift zur Vermeidung von Wiederholungen hier in die Offenbarung einbezogen.

Eine allgemeine Darstellung des konstruktiven Aufbaus und der Wirkungsweise von elektromagnetischen Schrittmotoren erfolgt in E. Kallenbach „Gerätetechnische Antriebe" ISBN 3-446- 15872-3 insbesondere im Kapitel 2.3.2. Im Hinblick auf die Offenbarung der Funktionsweise der von dieser Erfindung betroffenen Linearmotoren wird der Fachmann auch auf diese Quelle verwiesen.

Die DE 196 43 518 A 1 zeigt einen Linearantrieb mit einer bewegten Passiveinheit, die zur Massereduzierung aus einem Leichtbaugrundkörper und einer daran befestigten magnetisier- baren Weicheisenplatte besteht. Zwar kann mit diesem Aufbau tatsächlich eine Massereduzierung der Passiveinheit unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer ausreichenden Stabili- tät der Passiveinheit erzielt werden, jedoch muss die zumeist aus Weicheisenmaterial bestehende Platte weiterhin eine Mindestdicke aufweisen, um den erforderlichen Querschnitt zur Leitung des Magnetflusses bereitzustellen.

Aus der JP 56 117 572 ist ein Linearantrieb mit einem beweg- lichen Passivteil in Form einer Zahnplatte bekannt. Der bewegliche Passivteil bewegt sich innerhalb einer feststehen- den Aktiveinheit mit zwei sich gegenüberliegenden Laufflä- chen, die eine Zahnteilung aufweisen. Die Zähne der Aktiv- laufflächen sind gegenüber den Zähnen der beweglichen Passiv- einheit angeordnet. Der von den Teilen der Aktiveinheit jeweils erzeugte Magnetkreis wird im Passivelement geschlos- sen. In Abhängigkeit von der jeweils benötigten Antriebskraft muss daher ein nicht geringer Querschnitt der Passiveinheit bereitgestellt werden. Die JP 2000 004 575 beinhaltet einen linearen Stellantrieb mit einem Linearantrieb und einem Rotationsantrieb. Eine Erregung der Spulen des Linearantriebs führt zu einer Trans- lationsbewegung der Antriebswelle. Die Rotation der Antriebs- welle wird vom Rotationsantrieb bewirkt, der am Ende der Welle, unterhalb des Linearantriebs angeordnet ist. In axia- ler Richtung ist die Antriebswelle zum Rotationsantrieb frei beweglich, sodass dieser bei einer Translationsbewegung nicht mitbewegt wird.

In der WO 03/041245 Al ist ein Linearantrieb mit bewegter, massereduzierter Passiveinheit erläutert. Für eine effiziente Massereduktion besteht die Passiveinheit lediglich aus einer dünnen Zahnplatte, auf welcher sich magnetisch leitende Zähne mit magnetisch nicht leitenden Zahnlücken abwechseln. Um trotzdem einen ausreichend großen Magnetfluss zu ermöglichen, ist auf der einen Seite der Passiveinheit eine Aktiveinheit mit einer gezahnten Aktivlauffläche vorgesehen, während gegenüberliegend auf der anderen Seite der Passiveinheit ein Rückflusselement angeordnet ist, welches für den Magnetfluss den Rückschluss bereitstellt. Die magnetisch leitenden Zähne der Zahnplatte werden vom Magnetfluss durchströmt, müssen jedoch nicht den Rückschlussquerschnitt für den Magnetfluss bereit stellen. Die Zahnplatte ist beweglich zwischen der

Aktiveinheit und dem feststehenden Rückflusselement gelagert und kann aufgrund der geringern Masse mit hohen Beschleuni- gungswerten bewegt werden. Für eine präzise Positionierung der Zahnplatte ist weiterhin eine Seitenführung erforderlich, wofür in dieser Druckschrift Seitenführungsmagneten vorge- schlagen werden, die mit einer seitlich auf der Zahnplatte angebrachten Reihe aus Hilfszähnen zusammenwirken. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine derartige Seitenführung mehrere Nachteile mit sich bringt. Einerseits erhöht sich die Baugröße des gesamten Linearantriebs durch den Platzbedarf für die Seitenführungsmagnete und die Hilfszahnreihen . Das Gesamtgewicht des Linearantriebs steigt, so dass er sich nur wenig für den Einsatz in bewegten Automatisierungseinheiten eignet. Andererseits ist die mit der magnetischen Seitenfüh- rung erreichbare Genauigkeit bei der Positionierung begrenzt. Es treten Hystereseeffekte auf, welche die Wiederholgenauig- keit reduzieren. Außerdem ist die magnetisch wirkende Seiten- führung relativ anfällig gegenüber Drehmomenten und Querkräf- ten, die auf die Zahnplatte einwirken können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen verbesserten Linearantrieb bereitzustellen, der bei minimaler Masse der Passiveinheit und hohen erzeugbaren

Antriebskräften eine nochmals verringerte Gesamtbaugröße und eine stabilere Seitenführung ermöglicht, als dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Linearantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass die Seitenführung der als Passiveinheit arbeiten- den Zahnplatte mit Hilfe einer Seitenführungsplatte gelingt, die in dem für das Rückflusselement sowieso erforderlichen Bauraum geführt wird. Die Seitenführungsplatte ist dazu wink- lig, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht stehend auf der Zahnplatte befestigt und greift in einen Führungsspalt ein, der sich im Rückflusselement entlang der gesamten Bewegungs- länge erstreckt. Vorzugsweise ist der Führungsspalt mittig im Rückflusselement angeordnet, während die Seitenführungsplatte in einer Ebene mit der Symmetrieachse der Zahnplatte verläuft. Dadurch lassen sich symmetrische Kraftverhältnisse sowohl hinsicht- lieh der Antriebskräfte als auch hinsichtlich der benötigten Seitenführungskräfte erreichen.

Bei abgewandelten Ausführungsformen können im Rückflussele- ment mehrere parallel verlaufende Führungsspalte vorgesehen sein, in welche parallel stehende Seitenführungsplatten eingreifen, die jeweils an der Zahnplatte befestigt sind. Dies kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn die Tiefe des Führungsspalts gering gehalten werden muss, so dass nur kurze Seitenführungsplatten einsetzbar sind.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Führung der Seitenfüh- rungsplatte durch ein im Führungsspalt aufgebautes Sekundär- luftlager gebildet ist. Insbesondere wenn das Passivelement ebenfalls mit Hilfe eines Luftlagers zwischen der Aktivein- heit und dem Rückflusselement gelagert ist, ergibt sich ein unkomplizierter Gesamtaufbau des Linearantriebs. Prinzipiell sind aber auch andere bekannte Lageraufbauten einsetzbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an der Seitenfüh- rungsplatte eine Maßverkörperung angebracht bzw. in diese integriert, die sich in Bewegungsrichtung erstreckt und der Positionsbestimmung der Passiveinheit dient. Der zugehörige Sensor kann am Rückflusselement oder dem Gestell des Antriebs angeordnet sein. Es können beispielsweise magnetische oder optische Messprinzipien in an sich bekannter Weise verwendet werden . Der von der Aktiveinheit erzeugte Magnetfluss durchläuft zur Erzeugung der Antriebskraft die magnetisch leitenden Zähne der Zahnplatte in gleicher Weise, wie dies bei an sich bekannten Linearmotoren der Fall ist. Der Magnetkreis wird jedoch nicht (oder zumindest nicht vollständig) unmittelbar im bewegten Teil der Passiveinheit, also in der beweglich gelagerten Zahnplatte geschlossen. Vielmehr tritt der Magnet- fluss nach Durchlaufen der einzelnen Zähne in das festste- hende Rückflusselement ein, welches in magnetischer Hinsicht gemeinsam mit der bewegten Zahnplatte die Passiveinheit bildet. Der in Bezug auf den Magnetfluss wirksame Material- querschnitt wird durch das feststehende Rückflusselement erhöht. Dadurch kann die beweglich gelagerte Zahnplatte sehr dünn ausgebildet sein, wodurch eine drastische Massereduzie- rung möglich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das festste- hende Rückflusselement durch einen Weicheisenblock gebildet, der eine Passivlauffläche besitzt, welche der Aktivlauffläche des Aktivelements parallel gegenüberliegt. Zwischen diesen beiden parallelen Laufflächen bewegt sich die Zahnplatte, wenn die in der Aktiveinheit erzeugten Magnetfelder geeignet verändert werden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearantriebs besitzt die Passivlauffläche ebenfalls eine Zahnteilung, die der Zahnteilung der Aktivlauffläche entspricht .

Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das feststehende Rückflusselement durch eine zweite feststehende Aktiveinheit mit einer zweiten Aktivlauffläche gebildet ist. Damit befindet sich auf jeder Seite der bewegten Zahnplatte ein Aktivlaufelement, wodurch trotz stark reduzierter Masse der bewegten Zahnplatte große Antriebskräfte bereitgestellt werden können. Da die zweite Aktivlauffläche ebenfalls einen magnetisch leitfähigen Bereich bereitstellt, erfolgt keine Unterbrechung des Magnet- kreises, obwohl die einzelnen Zähne der Zahnplatte nicht unmittelbar durch magnetisch leitfähige Bereiche verbunden sind.

Bei einer veränderten Ausführungsform der Lineareinheit erstrecken sich die einzelne oder die mehreren Seitenfüh- rungsplatten nicht nur in das Rückflusselement hinein sondern durch dieses hindurch bis zu einer gegenüberliegenden Zahn- platte, die ihrerseits eine Passiveinheit für eine gegenüber- liegende Aktiveinheit bildet. Die beiden Zahnplatten und die dazwischen verlaufende Seitenführungsplatte weisen in dieser Ausführungsform einen Doppel-T-Querschnitt auf.

Auch wenn es sich aufgrund des weniger komplizierten Aufbaus als vorteilhaft erweist, den Führungsspalt in einem passiven Rückflusselement anzuordnen, kann es unter bestimmten Einsatzbedingungen zweckmäßig sein, den Führungsspalt in die feststehende Aktiveinheit zu integrieren. Bei einer nochmals abgewandelten Ausführungsform ist es auch möglich, an den beiden Laufflächen der Zahnplatte jeweils ein

Seitenführungsplatte anzubringen, die in Führungsspalten geführt sind, welche einerseits in der Aktiveinheit und andererseits im Rückflusselement verlaufen.

Bei der Verwendung von zwei sich gegenüberliegenden Aktivein- heiten können die einzelnen Spulenkörper der Aktiveinheiten unabhängig voneinander angesteuert werden oder elektrisch zusammengeschaltet sein, so dass sie einen einheitlichen Spulenkörper bilden, welcher von der Steuereinheit angesteu- ert wird.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die bewegte Zahnplatte aus einer magnetisch nicht leitenden Trägerplatte besteht, in welcher die magnetisch leitenden Zähne befestigt sind. Auf diese Weise kann die geforderte hohe Präzision der Positio- nierung der einzelnen Zähne erreicht werden. Beispielsweise besteht die Trägerplatte aus Keramik, wobei zahlreiche gleichmäßig beabstandete, parallel verlaufende Aussparungen vorgesehen sind, in die Weicheisenstreifen eingelegt werden. Die magnetisch leitenden Zähne können auch durch andere Tech- nologien erzeugt werden, z.B. durch galvanische Verfahren oder andere Beschichtungsverfahren .

Bei einer abgewandelten Ausführungsform besteht die Zahn- platte aus einer magnetisch leitfähigen Trägerplatte, aus welcher die einzelnen Zahnlücken als Zwischenräume zwischen den Zähnen ausgespart sind. Um eine ebene Oberfläche der Zahnplatte bereitzustellen, was bei der Anwendung eines Luft- lagers zweckdienlich ist, werden die Zahnlücken mit einem magnetisch nicht leitenden Material (z.B. Kunstharz) ausge- füllt und nachfolgend verschliffen.

Sofern die Anforderungen an die Verringerung der Masse der bewegten Zahnplatte nicht zu groß sind, kann die bewegte Zahnplatte auch einen Rückflussabschnitt besitzen, der die einzelnen Zähne der Zahnplatte magnetisch leitend miteinander verbindet. Dieser Rückflussabschnitt kann beispielsweise durch eine Weicheisenfolie gebildet sein, die auf der dem feststehenden Rückflusselement zugewandten Seite der Zahn- platte angebracht ist. Das feststehende Rückflusselement und der mitbewegte Rückflussabschnitt stellen in diesem Fall gemeinsam den gewünschten Querschnitt zur Durchleitung des Magnetflusses bereit.

Form und Größe der Zahnplatte können den jeweiligen Einsatz- fällen angepasst werden. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn an der Zahnplatte Befestigungsabschnitte vorgesehen sind, die seitlich über die Aktiveinheit und/oder über das Rückflusselement hinausragen, um daran eine Trageinheit, beispielsweise einen Werkzeugträger befestigen zu können. Solche Befestigungsabschnitte können alternativ oder gleich- zeitig auch an der Seitenführungsplatte angeordnet sein, so dass diese auf der der Zahnplatte gegenüberliegenden Seite aus dem Führungsspalt herausragen und wiederum als Befesti- gungspunkte für eine Trageinheit dienen können.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist an der Trageinheit ein rotatorischer Aktor oder Miniaturmotor angebracht. Die Rotationsachse des Miniaturmotors kann in einer Ebene mit der bewegten Passiveinheit liegen, so dass am Ende der Trageinheit eine Drehbewegung um eine Rotationsachse realisiert werden kann, die parallel zur Bewegungsachse der Passiveinheit liegt.

Besonders vorteilhaft sind Zahnplatten, die eine Dicke zwischen 0,4 mm bis 5 mm besitzen. Eine optimale Gestaltung wird erzielt, wenn die Dicke der einzelnen Zähne der Zahn- platte und damit auch die Dicke der Zahnplatte etwa gleich der Breite dieser Zähne ist. Bei entsprechenden Tests konnten Zahnplatten erfolgreich eingesetzt werden, die ein Gesamtge- wicht von nur 10 g aufwiesen. Mit derartigen Zahnplatten wurden Kräfte von bis zu 15 N realisiert, womit ein hervorra- gendes Kraft-Masse-Verhältnis erreicht ist. Wie bereits oben erwähnt wurde, eignen sich Luftlager beson- ders als Lagereinheit für den erfindungsgemäßen Linearan- trieb. Die dafür erforderlichen Luftdüsen können in der Aktiveinheit und im Rückflusselement angebracht werden, so dass die Zahnplatte beidseitig auf einem Luftposter geführt wird. Natürlich kann der erfindungsgemäße Linearantrieb auch mit anderen Führungs- und Lagerelementen realisiert werden, beispielsweise wenn die Zahnplatte in einer Rollenschiene oder in einer Schwalbenschwanzführung gelagert ist.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeich- nung. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines

Linearantriebs nach dem Stand der Technik mit einer vergrößerten Detaildarstellung;

Fig. 2 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer ersten

Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebs ;

Fig. 3 eine vereinfachte Längsschnittansicht des Linear- antriebs aus Fig. 2;

Fig. 4 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Ausfüh- rungsform mit einer Tastspitze;

Fig. 5 eine vereinfachte Seitenansicht einer Seitenfüh- rungsplatte mit einem an dieser befestigten Minia- turmotor . Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Linearantriebs, wie er aus der oben zitierten WO 03/041245 Al bekannt ist. Da wichtige Elemente des erfindungsgemäßen Line- arantriebs mit diesem vorbekannten Antrieb übereinstimmen, wird die prinzipielle Funktionsweise hier kurz beschrieben. Der Linearantrieb besitzt eine Aktiveinheit 1, in welcher mehrere Spulenkörper 2 enthalten sind. Die Spulenkörper 2 bestehen aus paketierten Weicheisenkernen, die mit einer elektrischen Wicklung 4 (siehe Fig. 3) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes versehen sind. Die elektrischen

Wicklungen werden von einer Steuereinheit (nicht dargestellt) angesteuert, um den resultierenden Magnetfluss so zu gestal- ten, dass Antriebskräfte erzeugt werden. Hinsichtlich der Funktionsweise eines solchen Linearantriebs wird auf den in der Beschreibungseinleitung genannten Stand der Technik verwiesen .

Die Spulenkörper besitzen an ihrer nach außen gerichteten Seite eine Aktivlauffläche 5, die ihrerseits eine vom Magnet- fluss durchströmte Zahnteilung aufweist. Die Zahnteilung besteht aus Zähnen und Zahnlücken, wobei die Zahnlücken übli- cherweise mit einem magnetisch nicht leitenden Material aufgefüllt sind, um eine ebene Aktivlauffläche 5 zu erzeugen.

Der Linearantrieb besitzt in der gezeigten Ausführungsform weiterhin eine dünne, beweglich gelagerte Zahnplatte 10 und ein feststehendes Rückflusselement 11. Die Zahnplatte 10 und das passive Rückflusselement 11 bilden bezogen auf den Magnetfluss gemeinsam die passiven Elemente des Linearan- triebs . In der in Fig. 1 enthaltenen Detailvergrößerung ist der Verlauf des erzeugten Magnetflusses durch einzelne Stri- che 12 dargestellt. Der Magnetfluss geht von den Zähnen der Aktivlauffläche 5 aus, durchdringt die magnetisch leitenden Zähne 13 der Zahnplatte 10 und verläuft dann in das aus Weicheisenmaterial bestehende Rückflusselement 11, welches den Magnetkreis schließt. Um Wirbelströme im Rückflusselement 11 zu reduzieren, kann dieses in na sich bekannter Weise in geblechter Bauweise (aus Einzelblechen zusammengesetzt) hergestellt werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform besitzt das Rück- flusselement 11 ebenfalls Zähne, die eine Passivlauffläche 14 bilden. Die Passivlauffläche 14 kann bei anderen Ausführungs- formen auch als ebene Fläche gestaltet sein, da die für die Erzeugung der Antriebskräfte erforderliche Zahnteilung nur in der Zahnplatte 10 zwingend notwendig ist.

Die Zahnplatte 10 ist somit beweglich zwischen der Aktivein- heit 1 und dem Rückflusselement 11 gelagert, wobei die Lage- rung durch mehrere Luftdüsen 15 gebildet wird, die für die Zahnplatte 10 ein Luftlager bereitstellen.

Je nach verwendetem Ansteuerverfahren kann die elektrische

Wicklung 4 zwei nebeneinander liegende Weicheisenkerne durch- laufen oder jeweils auf einem eigenständigen Weicheisenkern 3 angebracht sein. Die zuerst genannte Wickeltechnik ist beispielsweise in dem in der Beschreibungseinleitung genann- ten Stand der Technik dargestellt. Bei abgewandelten Ausfüh- rungsformen wäre es auch möglich, die elektrische Wicklung 4 mit einer Teilwicklung zu verbinden, die an einem weiteren Spulenkörper angebracht ist, der sich in einer zweiten Aktiv- einheit befindet (nicht dargestellt) . Diese zweite Aktivein- heit ersetzt in diesem Fall das Rückflusselement 11 und wird auf der anderen Seite der Zahnplatte 10 positioniert. Ebenso wäre es möglich, den Spulenkörper der Aktiveinheit über einen Eisenrückschluss magnetisch mit dem Rückflussele- ment bzw. einem Abschnitt davon zu verbinden. Der Magnetkreis würde weiterhin wie gewünscht durch die Zähne der Zahnplatte verlaufen. Jedoch können mit diesem Aufbau ggf. größere Antriebskräfte pro Fläche der Zahnplatte erzeugt werden.

Die Zahnplatte 10 besteht beispielsweise aus einer Träger- platte 20, die eine Vielzahl von Aussparungen aufweist, in denen die einzelnen Zähne 13 angeordnet sind. Die Trägerplat- te 20 besteht in diesem Fall aus einem magnetisch nicht leit- fähigen Material, beispielsweise Keramik. Es wäre aber auch möglich, die Zahnplatte 10 aus einem Weicheisenmaterial herzustellen, wobei die einzelnen Zähne 13 auf der der Aktiv- einheit 1 abgewandten Seite magnetisch durch eine dünne

Platte bzw. Folie miteinander verbunden sind, die einen Rück- flussabschnitt bilden. Dieser Rückflussabschnitt würde dann mit dem Rückflusselement 11 zusammenwirken, bei welchem auf die Zähne an der Passivlauffläche 14 verzichtet werden kann.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Linearantriebs. Soweit gleichwirkende Funk- tionselemente wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Antrieb verwen- det werden, wurden diese mit denselben Bezugsziffern bezeich- net . Eine entscheidende Besonderheit der Erfindung ist darin zu sehen, dass an der bewegten Zahnplatte 10 eine im wesent- lichen senkrecht zur Zahnplatte stehende Seitenführungsplatte 30 angebracht ist. Die Seitenführungsplatte 30 verläuft in einem Führungsspalt 31, welcher bei der dargestellten Ausfüh- rungsform in der Symmetrieebene des Rückflusselements 11 positioniert ist. Vorzugsweise besteht die Seitenführungs- platte 30 aus demselben Material wie die Zahnplatte 10, z.B. Keramik, wodurch unterschiedliche wärmebedingte Ausdehnungen vermieden werden. Für eine technologische Vereinfachung kann das Rückflusselement 11 zweiteilig hergestellt werden, wobei die beiden Teile beim Zusammenbau derart voneinander beab- standet angeordnet werden, dass zwischen ihnen der Führungs- spalt 31 verbleibt.

Durch die feste Verbindung zwischen der Seitenführungsplatte 30 und der Zahnplatte 10, die beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben erzielt werden kann, bewirkt die Führung der Seitenführungsplatte 30 im Führungsspalt 31 gleichzeitig die Seitenführung (bezogen auf die Bewegungsrichtung) der bewegten Zahnplatte 10.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird die Führung im Führungsspalt 31 durch ein Sekundärluftlager gebildet, welches wiederum von Luftdüsen 15 aufgebaut wird. Die Seitenführungsplatte 30 besitzt vorzugsweise im Wesentlichen die selbe Länge wie die Zahnplatte 10. Auch die Breite der Seitenführungsplatte 30 kann großzügig gewählt werden, da in dem Rückflusselement 11 ausreichender Bauraum in der Tiefe zur Verfügung steht. Zur Bereitstellung der seitlichen Führung der Zahnplatte 10 steht damit eine große Führungsfläche zur Verfügung, so dass die Bewegungsgenauigkeit der Zahnplatte 10 sehr unabhängig von seitlich wirkenden Kräften und Momenten wird.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Längsschnittansicht des in Fig. 2 gezeichneten Linearantriebs. Aus dieser Ansicht ist gut erkennbar, dass sich die Seitenführungsplatte 30 im Wesentlichen über die gesamte Tiefe des Rückflusselements 11 erstreckt. Bei der gezeigten Ausführungsform trägt die Seitenführungsplatte 30 weiterhin eine Maßverkörperung 32, die für die genaue Erfassung der Position der bewegten Passiveinheit ausgewertet werden kann. Außerdem sind an der Seitenführungsplatte 30 zwei Befestigungsabschnitte 33 ausge- bildet, die während der Bewegung aus dem Rückflusselement 11 herausragen. Gleichartige Befestigungsabschnitte 33 finden sich auch an der Zahnplatte 10 (siehe Fig. 2), wobei diese Befestigungsabschnitte seitlich über das Rückflusselement hinausragen und ebenfalls währende der Bewegung zugänglich bleiben .

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer abgewandelten

Ausführungsform des Linearantriebs. Der Linearantrieb dient in diesem Fall der Bewegung und Positionierung einer Tastna- del 34, die über eine Trageinheit 35 an den Befestigungsab- schnitten 33 angebracht ist. Anstelle der Tastnadel 34 können andere Werkzeuge an der Trageinheit 35 befestigt werden. Ebenfalls ist die Positionierung von Werkstücken mit der Lineareinheit möglich.

Um die Vorteile der Lineareinheit aufrecht zu erhalten, die sich unter anderem aus dem geringen Gewicht der bewegten

Passiveinheit ergeben, sollte die Trageinheit 35 möglichst leicht und steif aufgebaut sein. Beispielsweise können kera- mische, leichtmetallische oder aus Kohlefaser bestehende Streben an den Befestigungsabschnitten 33 angebracht werden.

Fig. 5 zeigt als Detailansicht eine abgewandelte Ausführungs- form der Seitenführungsplatte 30 des Linearantriebs. Anstelle der Tastnadel ist am Befestigungsabschnitt 33 der Seitenfüh- rungsplatte 30 mittels der Trageinheit 35 ein Miniaturmotor 36 angebracht. Der Miniaturmotor 36 wird daher bei einer vom Linearantrieb hervorgerufenen Translationsbewegung mitbewegt. Am Miniaturmotor 36 kann beispielsweise ein Greifer 37 ange- ordnet sein, der damit linear verschiebbar und um die Rota- tionsachse des Miniaturmotors 36 verdrehbar ist. Mit einem solchen Greifer können zahlreiche Positionierungsaufgaben gelöst werden, insbesondere so genannte Z-φ Bewegungen. Der erfindungsgemäße Linearantrieb kann dazu an einem in der X-Y Ebene bewegten Tragarm befestigt sein, wie es beispielsweise von Automaten zur Leiterplattenbestückung bekannt ist. Es lassen sich damit große Genauigkeiten sowie hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erreichen.

Bezugszeichenliste

1 Aktiveinheit

2 Spulenkörper

3 Weicheisenkern

4 elektrische Wicklung

5 Aktivlauffläche

10 Zahnplatte

11 Rückflusselement

12 Magnetfluss

13 Zähne der Zahnplatte

14 Passivlauffläche

15 Luftdüsen

20 Trägerplatte

30 Seitenführungsplatte

31 Führungsspalt

32 MaßVerkörperung

33 Befestigungsabschnitte

34 Tastnadel

35 Trageinheit

36 Miniaturmotor

37 Greifer

Claims

Patentansprüche

1. Linearantrieb mit

• einer feststehenden Aktiveinheit (1) mit Spulenkörpern (2) zur Erzeugung eines steuerbaren Magnetflusses und einer Aktivlauffläche (5), die eine vom Magnetfluss durchströmte Zahnteilung besitzt;

• einem feststehenden Rückflusselement (11);

• einer Passiveinheit, die in Form einer dünnen Zahnplatte (10) ausgebildet und beweglich zwischen der Aktivlauf- fläche (5) und dem Rückflusselement (11) gelagert ist, und die magnetisch leitende Zähne (13) und magnetisch nicht leitende Zahnlücken in einer der Zahnteilung der Aktivlauffläche (5) und deren Ausrichtung entsprechenden Weise umfasst; und

• einer Lagereinheit (15), welche die Relativbewegung zwischen Aktiv- und Passiveinheit gestattet; dadurch gekennzeichnet, dass an der Zahnplatte (10) mindestens eine Seitenführungsplatte (30) angebracht ist, die sich winklig zur Ebene der Zahnplatte (10) in einen Führungsspalt (31) erstreckt und dort geführt ist, wobei der Führungsspalt (31) im Rückflusselement (11) oder in der Aktiveinheit (1) verläuft.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführungsplatte im Wesentlichen senkrecht zur Zahnplatte (10) verläuft, und dass die Führung der Seitenführungsplatte (30) durch ein im Führungsspalt (31) aufgebautes Sekundärluftlager gebildet ist.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass die Seitenführungsplatte (30) eine sich in Bewe- gungsrichtung erstreckende Maßverkörperung (32) trägt, welche zur Ermittlung der Position der Passiveinheit von einem am Rückflusselement (11) angeordneten Sensor abge- tastet wird.

4. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnplatte (10) eine magnetisch nicht leitende Trägerplatte (20) mit einer Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten, parallel verlaufenden Ausspa- rungen umfasst, in welche die magnetisch leitenden Zähne (13) eingebracht sind; und dass die Dicke der Zahnplatte (10) im wesentlichen gleich der Breite der einzelnen Zähne (13) ist.

5. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinheit für die Zahnplatte (10) durch ein Luftlager gebildet ist.

6. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnplatte (10) und/oder die Seitenführungsplatte (30) Befestigungsabschnitte (33) aufweisen, die über den vom Rückflusselement (11) einge- nommenen Raum hinausragen.

7. Linearantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Befestigungsabschnitten (33) eine Trageinheit (35) befestigt ist.

8. Linearantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trageinheit (35) ein Aktor oder Miniaturmotor

(36) angebracht ist, welcher die Drehung eines Werkzeugs

(37) um eine Rotationsachse ermöglicht.

9. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückflusselement durch eine zweite feststehende Aktiveinheit gebildet ist, die eine zweite Aktivlauffläche mit einer vom Magnetfluss durch- strömten Zahnteilung und mit Spulenkörpern zur Erzeugung eines steuerbaren Magnetflusses besitzt.

10. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (20) und die Seitenführungsplatte (30) aus einem magnetisch nicht- leitenden Material, insbesondere aus Keramik, Kunststoff oder Glas bestehen.

11. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnplatte (10) eine Dicke von

0,4 bis 5 mm besitzt.

12. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Seitenführungsplatte (30) im Wesentlichen über die gesamte Länge der Zahnplatte (10) in Bewegungsrichtung erstreckt.

13. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Seitenführungsplatte (30) zwischen zwei gegenüberliegenden Zahnplatten (10) erstreckt, wobei die gegenüberliegenden Zahnplatten jeweils zwei gegenüberliegenden Aktiveinheiten zugeordnet sind.