EP3973622A1 - Zweiachspositioniervorrichtung - Google Patents

Zweiachspositioniervorrichtung

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EP3973622A1
EP3973622A1 EP20731786.8A EP20731786A EP3973622A1 EP 3973622 A1 EP3973622 A1 EP 3973622A1 EP 20731786 A EP20731786 A EP 20731786A EP 3973622 A1 EP3973622 A1 EP 3973622A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
positioning device
circuit board
positioning
axis positioning
positioning element
Prior art date
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Pending
Application number
EP20731786.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Haase
Eric Köhler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Physik Instrumente PI Se and Co KG
Original Assignee
Physik Instrumente PI Se and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Physik Instrumente PI Se and Co KG filed Critical Physik Instrumente PI Se and Co KG
Publication of EP3973622A1 publication Critical patent/EP3973622A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/18—Machines moving with multiple degrees of freedom
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2211/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to measuring or protective devices or electric components
    • H02K2211/03—Machines characterised by circuit boards, e.g. pcb

Definitions

  • the invention relates to a two-axis positioning device according to
  • Two-axis positioning device with a stationary base element and two positioning elements which can be adjusted in different directions (X and Y directions) relative to the base element are known, the two-axis positioning device having two electromagnetic linear motors for driving the respective positioning element, one
  • the motion controller Includes a motion controller and a driver device.
  • the base element and the two positioning elements are herein.
  • the positioning element which is arranged between the base element and the other positioning element, is designed as a printed circuit board (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • the coil elements of the electromagnetic linear motors On or on the circuit board, in addition to the motion controller and the driver device, also on both sides, i.e. on their top and bottom, the coil elements of the electromagnetic linear motors and
  • Two-axis positioning devices are those of conventional ones
  • Circuit boards with a carrier material made of glass fiber mats (FR-4) impregnated with epoxy resin the usual low manufacturing tolerances and their low stiffness with common circuit board thicknesses.
  • deformations of the circuit board can also result from the forces acting between the magnets and the coils of the electromagnetic linear motors to implement a drive, since the forces generated do not point exclusively in the respective drive direction.
  • press-in sleeves that have an internal thread that are subsequently inserted into the circuit board must be used here. Since the press-fit sleeves normally have a collar with which they are supported on the surface of the circuit board, the press-fit sleeves are above the surface of the circuit board
  • Two-axis positioning device enlarged.
  • the invention is therefore based on the object of an improved in terms of accuracy and manufacturing costs
  • the stationary base element and the second include
  • Positioning element in each case a preferably identically designed circuit board, the first positioning element being a metallic one
  • Carrying element is executed and is arranged between the base element and the second positioning element.
  • Sensor devices in particular optical sensor devices, can also be arranged with high precision on such a flat surface.
  • Base element and the second positioning element arranged first positioning element a simple processing and in particular the simple provision of very precisely placed holes or
  • Two-axis positioning device can affect. Low thicknesses of the metallic carrier element or the first positioning element are advantageous to the weight for a high
  • the thickness of the metallic carrier element can be made much thinner than a circuit board with the same rigidity.
  • both the base element and the second positioning element comprise a circuit board on which preferably all elements or components of the two-axis positioning device to be supplied with electrical power are arranged or integrated so that the first positioning element does not require any power supply. It is advantageous if at least one motor driver is integrated in each of the two circuit boards. In addition, in the circuit boards
  • Communication modules (such as a WLAN module) can be integrated.
  • the circuit boards can have integrated receiving devices for sensor elements.
  • the circuit boards preferably have electrical insulation and electrical insulation
  • Circuit boards can also be used for cooling surfaces
  • the circuit boards of the base element and the second positioning element are connected to a metallic carrier plate.
  • At least one of the two drives is designed as an electromagnetic drive comprising at least one coil element and at least one magnet arrangement, and here the magnet arrangement preferably corresponds to a Halbach array.
  • Such a drive can generate high drive forces even with a very flat structure and at the same time very precisely
  • the Halbach array arrangement of the magnets ensures a one-sided, strong magnetic field on the side facing the corresponding coil element, whereby a return element and the metallic one can be dispensed with Carrier element can consist of a magnetically non-conductive metal.
  • the invention is not limited to the use of electromagnetic drives for generating the adjustment movements of the first and second positioning elements. So are too
  • Electric motors or piezoelectric drives are conceivable for this.
  • Magnet arrangement is located, and the respective magnet arrangement with an oppositely arranged coil element
  • Magnet arrangements on the metallic carrier element are advantageous, while the integration of the coil elements in the circuit boards results in an overall very flat structure
  • the coil elements can be integrated into the circuit boards during the manufacture of the circuit boards, so that the assembly of the
  • circuit board of the base element is electrically connected to the circuit board of the second positioning element via a flexible connecting element.
  • a power supply for the circuit board of the second positioning element can be implemented via the circuit board of the base element, and it is also used to forward electrical signals, for example for position control.
  • the connecting element allows the same to be carried along smoothly during adjustment movements of the two-axis positioning device, whereby, due to its high flexibility, it offers only an extremely low resistance to corresponding adjustment movements.
  • Fig. 1 Perspective view of an inventive
  • Fig. 2 Exploded view of the two-axis positioning device
  • FIGS. 1 and 2 side view of the two-axis positioning device according to FIGS. 1 and 2
  • Fig. 5 Representation of details of the two-axis positioning device according to Figs. 1 to 3 in perspective view
  • Two-axis positioning device 1 has a three-layer or three-layer structure with a base element 2 which is at the bottom in FIG. 1 and which comprises a metallic carrier plate 22 and a printed circuit board 5 arranged thereon or connected thereto.
  • the material of the circuit board 5 is a composite material
  • Epoxy resin and fiberglass fabric (FR-4).
  • the circuit board 5 has two connector elements 200 for making electrical contact with the
  • Two-axis positioning device are partially embedded in the circuit board 5.
  • One of the plug elements 200 is used to supply current or power to the one used here
  • electromagnetic drives of the two-axis positioning device while the other of the two connector elements 200 serves as an interface (e.g. via USB, CAN, RS232, Ethernet or Ethercat) for the
  • the base element 2 located below is followed by the first positioning element 3 in the form of a metallic one as a middle layer or layer
  • Support element 6 made of aluminum. Both on the top of the metallic carrier element 6 and on its underside, which faces the printed circuit board 5 of the base element 2, a magnet arrangement (not shown in FIG. 1) is arranged, which in each case corresponds to a Halbach array.
  • the two-axis positioning device forms the second positioning element 4, which is constructed similarly to the base element 2 and, in addition to the printed circuit board 5, also comprises a metallic carrier plate 42 which is connected to the printed circuit board 5.
  • Both the carrier plate 22 of the base element 2 and the carrier plate 42 of the second positioning element 4 primarily serve to connect the two-axis positioning device to or with higher-level structures, such as a stationary base and an object to be positioned opposite the base.
  • Corresponding fastening or connecting devices, such as threaded bores, are in a simple manner in the metallic carrier plates
  • the metallic carrier plates 22 and 42 serve to increase the mechanical stability of the base element 2 and the second positioning element 4. possible to make the circuit boards 5 extremely thin.
  • Carrier plate 22 of the base element 2 and the carrier plate 42 of the second positioning element 4 is dispensed with and the circuit boards 5 themselves have means with which a connection of the
  • Two-axis positioning device is possible on higher-level structures, for example by embedded or embedded in the circuit boards.
  • Positioning elements 3 and 4 can be arranged on the circuit boards 5. Such receiving devices can also serve to receive or attach sensor elements to the circuit boards.
  • the thickness of the printed circuit boards 5 can be varied or adapted and correspondingly thick printed circuit board structures can be used which themselves already have the mechanical stability required for the specific application.
  • Coil elements as well as the additional components or parts integrated therein such as motor drivers, sensor elements,
  • Connecting element 9 is provided, the flexibility of which is sufficient to oppose the movements of the two positioning elements 3 and 4 only with a very low resistance and that the same can be carried along smoothly during adjustment movements
  • Two-axis positioning device allowed.
  • the two-axis positioning device has a total of four
  • Linear guide devices 100 two of which are arranged in a parallel and spaced arrangement between the base element 2 and the first positioning element 3, and of which the remaining two are arranged in a parallel and spaced arrangement between the first positioning element 3 and the second
  • Positioning element 4 are arranged. It is also conceivable to provide only one linear guide device for each of the two directions of movement or adjustment that are perpendicular to one another. [0030] FIG. 2 corresponds to an exploded view of FIG.
  • FIG. 1 Two-axis positioning device according to FIG. 1.
  • the linear guide devices 100 can be seen more clearly.
  • FIG. 2 cannot do that in FIG
  • recognizable magnet arrangement 8 in the form of a Halbach array, which is used in the electromagnetic drive for the second positioning element 4.
  • FIG. 3 corresponds to a side view of the two-axis positioning device 1 according to FIGS. 1 and 2.
  • Fig. 3 can in particular additionally between the metallic carrier element 6 and the second
  • Positioning element 4 arranged measuring device 300 comprising a scale 302 arranged on the metallic carrier element 6 and a sensor 304 interacting with the scale 302, which is arranged opposite it on the second positioning element 4, the measuring device 300 detecting or measuring the position of the second positioning element 4 relative to the first positioning element 3 and from the
  • Position detection derived from the position control of the second positioning element 4 is used.
  • An analog measuring device 300, which cannot be removed from FIG. 3, is on the underside of the metallic
  • Arranged carrier element 6, which is used in an analogous manner to detect or measure the position of the metallic carrier element 6 relative to the base element 2 and thus its position control.
  • Each coil element 7 comprises three nested one inside the other
  • Magnet assemblies 8 each comprise a Halbach array and have a longitudinal direction that corresponds to the
  • Fig. 5 also contains only individual exposed or
  • FIG. 5 shows the base element 2 and the one integrated or embedded in its circuit board 5
  • FIG. 5 shows the magnet arrangement 8 assigned to the coil element 7 in the form of a Halbach array, which together form the electromagnetic linear drive for the first positioning element 3.
  • the magnet arrangement 8 is arranged or fastened to the first positioning element 3 (not shown) in the form of the metallic carrier element 6. Parallel to the
  • Linear guide devices 100 arranged. These are connected on the one hand to the printed circuit board 5 of the base element 3 and on the other hand to the metallic carrier element 6 of the first positioning element 3.
  • Fig. 6 shows the metallic in the two representations 6A and 6B
  • FIG. 6A shows the upper side of the carrier element
  • FIG. 6B shows the underside of the metallic carrier element.
  • On the top of the metallic carrier element according to FIG. 6A are in
  • two linear guide devices 100 are arranged in parallel alignment to one another, and the magnet arrangement 8 is located between these in an analogous alignment.
  • a measuring element 302 of a corresponding measuring device which has a scale 306 and a reference track 308, is arranged on the upper side of the metallic carrier element.
  • the underside of the metallic carrier element is according to FIG. 6B
  • Linear guide devices 100, the magnet arrangement 8 and a measuring element 302 of a measuring device comprising a scale 306 and a reference track 308.
  • Linear guide devices 100 and the magnet arrangement 8 on the underside of the metallic carrier element is identical and is perpendicular to the alignment of the linear guide devices 100 and the magnet arrangement 8, which are arranged on the upper side of the metallic carrier element.
  • Two-axis positioning device with a further positioning device for example a further linear positioning device or a
  • Rotation positioning device or a tilt positioning device to combine
  • Measuring element (of measuring device 300) Sensor (of measuring device 300) Scale (of measuring element 302) Referencing track (of measuring element 302)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zweiachspositioniervorrichtung mit einem stationären Basiselement (2), einem ersten, gegenüber dem Basiselement (2) entlang einer ersten Richtung mittels einer ersten Führungseinrichtung beweglich gelagertes Positionierelement (3), einem zweiten, gegenüber dem ersten Positionierelement (3) entlang einer zweiten und von der ersten Richtung abweichenden Richtung mittels einer zweiten Führungseinrichtung beweglich gelagerten Positionierelement (4), einem ersten Antrieb zum Verstellen des ersten Positionierelements (3) entlang der ersten Bewegungsrichtung und einem zweiten Antrieb zum Verstellen des zweiten Positionierelements (4) entlang der zweiten Bewegungsrichtung. Erfindungswesentlich weist das stationäre Basiselement (2) und das zweite Positionierelement (4) eine Leiterplatte (5) auf, und das erste Positionierelement (3) ist als metallisches Trägerelement (6) ausgeführt und zwischen dem Basiselement (2) und dem zweiten Positionierelement (4) angeordnet.

Description

Beschreibung
Zweiachspositioniervorrichtung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Zweiachspositioniervorrichtung gemäß
Anspruch 1.
[0002] Aus der US 2018/0241325 A1 ist eine gattungsgemäße
Zweiachspositioniervorrichtung mit einem stationären Basiselement und zwei gegenüber dem Basiselement in unterschiedlichen Richtungen (X- und Y-Richtung) verstellbaren Positionierelementen bekannt, wobei die Zweiachspositioniervorrichtung zwei elektromagnetische Linearmotoren zum Antrieb des jeweiligen Positionierelements, einen
Bewegungscontroller und eine Treibervorrichtung umfasst. Das
Basiselement und die beiden Positionierelemente sind hierbei
übereinander gestapelt angeordnet, und das Positionierelement, welches zwischen dem Basiselement und dem anderen Positionierelement angeordnet ist, ist als Leiterplatte (Printed Circuit Board oder PCB) ausgeführt.
[0003] Auf bzw. an der Leiterplatte sind neben dem Bewegungscontroller und der Treibervorrichtung auch beidseitig, d.h. an deren Ober- und Unterseite, die Spulenelemente der elektromagnetischen Linearmotoren und
Linearführungsvorrichtungen angeordnet, wobei sowohl für die Verstellung in X-Richtung, als auch in Y-Richtung jeweils zwei parallel zueinander angeordnete Linearführungen vorgesehen sind.
[0004] Nachteilig bei der aus der US 2018/0241325 A1 bekannten
Zweiachspositioniervorrichtung sind die bei herkömmlichen
Leiterplatten mit einem Trägermaterial aus mit Epoxidharz getränkten Glasfasermatten (FR-4) üblichen geringen Fertigungstoleranzen und deren niedrige Steifigkeit bei gängigen Leiterplattendicken. Die
geringen Fertigungstoleranzen, die in erster Linie aus dem
Herstellungsprozess in Zusammenhang mit den verwendeten
Materialien resultieren, führen insbesondere zu einer geringen Ebenheit der Leiterplatte, so dass eine hochgenaue und definierte Ausrichtung der daran angeordneten Linearführungsvorrichtungen bzw. die Ausrichtung der beiden Linearführungen pro Verstellrichtung
zueinander erschwert ist. Eine ungenaue Ausrichtung der beiden für die Realisierung einer Verstellrichtung zuständigen Linearführungen kann dazu führen, dass beim Verstellen bzw. Positionieren unerwünschte Kräfte in die Leiterplatte oder in die Linearführungen eingeleitet werden, wobei in die Leiterplatte eingeleitete Kräfte zu Verformungen derselben führen können, was durch die geringe Steifigkeit der Leiterplatte weiter begünstigt wird, während in die Linearführungen eingeleitete Kräfte zu erhöhter Reibung führen können. Verformungen der Leiterplatte können sich in mechanischer Weise negativ auf die Verstell- bzw.
Positioniergenauigkeit der Zweiachspositioniervorrichtung auswirken. Zudem wirken sich Verformungen der Leiterplatte auch negativ auf an dieser angeordneter bzw. in dieser integrierter Mess- oder
Sensorsysteme aus, wobei es zu Messungenauigkeiten oder -fehlem kommen kann.
[0005] Verformungen der Leiterplatte können aber auch aus den zwischen den Magneten und den Spulen der elektromagnetischen Linearmotoren zur Realisierung eines Antriebs wirkenden Kräften resultieren, da die erzeugten Kräfte nicht ausschließlich in die jeweilige Antriebsrichtung weisen.
[0006] Weiterhin nachteilig bei der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß der US 2018/0241325 A1 ist der Aufwand zur Befestigung der einzelnen Komponenten an der Leiterplatte und insbesondere der
Linearführungsvorrichtungen. Hier muss in der Regel mit nachträglich in die Leiterplatte eingesetzten Einpresshülsen gearbeitet werden, die ein Innengewinde aufweisen. Da die Einpresshülsen normalerweise einen Bund aufweisen, mit dem sie sich an der Oberfläche der Leiterplatte abstützen, stehen die Einpresshülsen über die Oberfläche der
Leiterplatte hinaus, was die gesamte Höhe der
Zweiachspositioniervorrichtung vergrößert.
[0007] Ein weiterer Nachteil bei der aus der US 2018/0241325 A1 bekannten Zweiachspositioniervorrichtung ergibt sich daraus, dass die durch die Spulen des elektromagnetischen Antriebs erzeugten elektromagnetischen Felder praktisch ungehindert in die Leiterplatte eindringen können und dort Ströme in Leiterbahnen, die nicht zur elektrischen Versorgung der Spulen dienen, beeinflussen können, beispielsweise Ströme von Sensorkomponenten, woraus ebenfalls Messungenauigkeiten oder -fehler resultieren können.
[0008] Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Genauigkeit und des Fertigungsaufwands verbesserte
Zweiachspositioniervorrichtung anzugeben.
[0009] Diese Aufgabe wird durch eine Zweiachspositioniervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
[0010] Dazu umfassen das stationäre Basiselement und das zweite
Positionierelement jeweils eine bevorzugt identisch ausgebildete Leiterplatte, wobei das erste Positionierelement als metallisches
Trägerelement ausgeführt ist und zwischen dem Basiselement und dem zweiten Positionierelement angeordnet ist.
[0011] Aufgrund der metallischen Ausführung des Trägerelements kann dieses unter Einhaltung spezifizierter Toleranzen hochpräzise und
insbesondere äußerst eben, beispielsweise durch eine Läppbehandlung seiner Oberflächen, gefertigt werden, so dass eine entsprechend präzise Anordnung bzw. Ausrichtung der Lager- oder
Führungsvorrichtungen ermöglicht ist. Auch Sensoreinrichtungen, insbesondere optische Sensoreinrichtungen, lassen sich auf einer solchen ebenen Oberfläche hochpräzise anordnen.
[0012] Zudem erlaubt die metallische Ausführung des zwischen dem
Basiselement und dem zweiten Positionierelement angeordneten ersten Positionierelements eine einfache Bearbeitung und insbesondere das einfache Vorsehen von sehr exakt platzierten Bohrungen bzw.
Gewindebohrungen, worüber sich die an dem ersten Positionierelement anzuordnenden Elemente leicht und gleichzeitig mechanisch stabil befestigen lassen. Aufgrund der hohen Steifigkeit des metallischen Trägerelements neigt dieses selbst bei geringen Dicken nicht zu
Deformationen, die sich negativ auf die Genauigkeit der
Zweiachspositioniervorrichtung auswirken können. Geringe Dicken des metallischen Trägerelements bzw. des ersten Positionierelements sind dabei vorteilhaft, um das Gewicht für eine hohe
Stellbewegungsdynamik soweit wie möglich zu reduzieren, wobei die Dicke des metallischen Trägerelements bei gleicher Steifigkeit wesentlich dünner ausgeführt werden kann als bei einer Leiterplatte.
[0013] Demgegenüber umfasst sowohl das Basiselement, als auch das zweite Positionierelement eine Leiterplatte, an denen bevorzugt sämtliche mit elektrischem Strom zu versorgende Elemente bzw. Bauteile der Zweiachspositioniervorrichtung angeordnet oder darin integriert sind, so dass das erste Positionierelement keinerlei Stromversorgung bedarf. Hierbei ist vorteilhaft, wenn in beiden Leiterplatten zumindest jeweils ein Motortreiber integriert ist. Zusätzlich können in den Leiterplatten
Kommunikationsmodule (wie etwa ein WLAN-Modul) integriert sein. Zudem können die Leiterplatten integrierte Aufnahmeeinrichtungen für Sensorelemente aufweisen. Weiterhin weisen die Leiterplatten bevorzugt eine elektrische Isolierung sowie elektrische
Durchontaktierungen auf. Besonders bevorzugt sind sämtliche elektrische Verbindungen (Verdrahtung) zwischen den Komponenten bzw. Bauteilen der Leiterplatten ebenfalls darin integriert. Die
Leiterplatten können darüber hinaus Kühlflächen zum
Wäremabtransport aufweisen. In bevorzugter Ausführungsform sind die Leiterplatten von Basiselement und zweitem Positionierelement mit einer metallischen Trägerplatte verbunden.
[0014] Es kann von Vorteil sein, dass wenigstens einer der beiden Antriebe als elektromagnetischer Antrieb umfassend wenigstens ein Spulenelement und wenigstens eine Magnetanordnung ausgeführt ist, und hierbei die Magnetanordnung in bevorzugter Weise einem Halbach-Array entspricht. Ein solcher Antrieb kann selbst bei sehr flachem Aufbau hohe Antriebskräfte generieren und dabei sehr präzise
Verstellbewegungen ausführen. Die Halbach-Array-Anordnung der Magnete sorgt für ein einseitiges, starkes Magnetfeld auf der dem entsprechenden Spulenelement zugewandten Seite, wobei auf ein Rückschlusselement verzichtet werden kann und das metallische Trägerelement aus einem magnetisch nicht leitfähigen Metall bestehen kann. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf die Verwendung elektromagnetischer Antriebe zur Generierung der Verstellbewegungen von erstem und zweitem Positionierelement. So sind auch
Elektromotoren oder piezoelektrische Antriebe hierfür vorstellbar.
[0015] Es kann hierbei von Vorteil sein, dass an dem metallischen
Trägerelement an dessen Ober- und Unterseite jeweils eine
Magnetanordnung gelegen ist, und die jeweilige Magnetanordnung mit einem gegenüberliegend angeordneten Spulenelement
zusammenwirkt. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass das Spulenelement in die Leiterplatte integriert ist. Aufgrund des vergleichsweise hohen Gewichts ist eine Befestigung der
Magnetanordnungen an dem metallischen Trägerelement vorteilhaft, während die Integration der Spulenelemente in die Leiterplatten zu einem insgesamt sehr flachen Aufbau der
Zweiachspositioniervorrichtung führt. Zudem kann die Integration der Spulenelemente in die Leiterplatten bereits bei der Herstellung der Leiterplatten durchgeführt werden, so dass die Montage der
Zweiachspositioniervorrichtung erheblich erleichtert ist, da weniger Teile zusammengefügt werden müssen.
[0016] Es kann vorteilhaft sein, dass die Leiterplatte des Basiselements über ein flexibles Verbindungselement elektrisch mit der Leiterplatte des zweiten Positionierelements verbunden ist. Über dieses flexible
Verbindungselement ist eine Stromversorgung der Leiterplatte des zweiten Positionierelements über die Leiterplatte des Basiselements realisierbar, und es dient darüber hinaus der Weiterleitung elektrischer Signale, beispielsweise für die Positionsregelung. Das flexible
Verbindungselement erlaubt ein reibungsloses Mitführen desselben bei Verstellbewegungen der Zweiachspositioniervorrichtung, wobei es aufgrund seiner hohen Flexibilität entsprechenden Verstellbewegungen nur einen äußerst geringen Widerstand entgegensetzt. [0017] Im Übrigen ergeben sich Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und - aspekten anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
[0018] Fig. 1 : perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Zweiachspositioniervorrichtung
[0019] Fig. 2: Explosionsdarstellung der Zweiachspositioniervorrichtung
gemäß Fig. 1
[0020] Fig. 3: Seitenansicht der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 2
[0021] Fig. 4: Darstellung von Einzelheiten der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den Figs. 1 bis 3 in perspektivischer Ansicht
[0022] Fig. 5: Darstellung von Einzelheiten der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den Figs. 1 bis 3 in perspektivischer Ansicht
[0023] Fig. 6A und 6B: Unterschiedliche perspektivische Ansichten des
metallischen Trägerelements der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den Figs. 1 bis 3
[0024] Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße
Zweiachspositioniervorrichtung 1 eine dreilagige oder dreischichtige Struktur auf mit einem in Fig. 1 unten liegenden Basiselement 2, welches eine metallische Trägerplatte 22 und eine daran angeordnete bzw. eine damit verbundene Leiterplatte 5 umfasst. Beim Material der Leiterplatte 5 handelt es sich um einen Verbundwerkstoff aus
Epoxidharz und Glasfasergewebe (FR-4). Die Leiterplatte 5 weist zwei Steckerelemente 200 zur elektrischen Kontaktierung der
Zweiachspositioniervorrichtung auf. Diese sind in die Leiterplatte 5 teilweise eingebettet. Eines der Steckerelemente 200 dient der Strom- bzw. Leistungsversorgung der hier zum Einsatz kommenden
elektromagnetischen Antriebe der Zweiachspositioniervorrichtung, während das andere der beiden Steckerelemente 200 als Interface (z.B. via USB, CAN, RS232, Ethernet oder Ethercat) für die
Kommandierung von Stellbewegungen bzw. Positionsvorgaben der Zweiachspositioniervorrichtung fungiert. Vollständig eingebettet in die Leiterplatte 5 des Basiselements 2 sind in Fig. 1 nicht erkennbare Spulenelemente. Ebenfalls nicht zu erkennen ist ein in die Leiterplatte 5 des Basiselements 2 integrierter Motortreiber.
[0025] Auf das unten liegende Basiselement 2 folgt als mittlere Schicht oder Lage das erste Positionierelement 3 in Form eines metallischen
Trägerelements 6 aus Aluminium. Sowohl an der Oberseite des metallischen Trägerelements 6, als auch an dessen Unterseite, welche der Leiterplatte 5 des Basiselements 2 zugewandt ist, ist eine in Fig.1 nicht zu erkennende Magnetanordnung angeordnet, welche jeweils einem Halbach-Array entspricht.
[0026] Die oberste Schicht oder Lage der in Fig. 1 dargestellten
Zweiachspositioniervorrichtung bildet das zweite Positionierelement 4, welches ähnlich zu dem Basiselement 2 aufgebaut ist und neben der Leiterplatte 5 ebenfalls eine metallische Trägerplatte 42 umfasst, die mit der Leiterplatte 5 verbunden ist. Nicht zu erkennen ist ein in die
Leiterplatte 5 des zweiten Positionierelements 4 integrierter
Motortreiber. Sowohl die Trägerplatte 22 des Basiselements 2, als auch die Trägerplatte 42 des zweiten Positionierelements 4 dienen in erster Linie der Verbindung der Zweiachspositioniervorrichtung an bzw. mit übergeordneten Strukturen, etwa einer ortsfesten Basis und einem gegenüber der Basis zu positionierenden Objekt. In die metallischen Trägerplatten sind auf einfache Weise entsprechende Befestigungs- bzw. Verbindungseinrichtungen wie etwa Gewindebohrungen
einbringbar. Des Weiteren dienen die metallischen Trägerplatten 22 und 42 der Erhöhung der mechanischen Stabilität von Basiselement 2 und zweitem Positionierelement 4. Hierdurch ist es u.a. möglich, die Leiterplatten 5 extrem dünn auszuführen.
[0027] Es sind jedoch auch Ausführungen denkbar, bei denen auf die
Trägerplatte 22 des Basiselements 2 und die Trägerplatte 42 des zweiten Positionierelements 4 verzichtet wird und die Leiterplatten 5 selbst Mittel aufweisen, mit denen eine Verbindung der
Zweiachspositioniervorrichtung an übergeordneten Strukturen möglich ist, beispielsweise durch in die Leiterplatten eingebettete bzw.
eingepresste Gewindeelemente. Über solche Aufnahmeeinrichtungen können zudem Lager zur beweglichen Lagerung der
Positionierelemente 3 und 4 an den Leiterplatten 5 angeordnet sein. Weiterhin können solche Aufnahmeeinrichtungen zur Aufnahme bzw. Befestigung von Sensorelementen an den Leiterplatten dienen. Zudem können die Leiterplatten 5 in der Dicke variiert bzw. angepasst und entsprechend dicke Leiterplattenstrukturen verwendet werden, die selbst bereits die für den spezifischen Anwendungsfall benötigte mechanische Stabilität aufweisen.
[0028] Um eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterplatte 5 des
Basiselements 2 und der Leiterplatte 5 des zweiten Positionierelements 4 zu realisieren, wodurch einerseits die Strom- bzw.
Leistungsversorgung der in die Leiterplatten 5 eingebetteten
Spulenelemente sowie den darin integrierten weiteren Komponenten bzw. Bauteilen wie Motortreiber, Sensorelemente,
Kommunikationsmodule etc., und andererseits die Weiterleitung elektrischer Signale, etwa zur Kommandierung von Stellbewegungen ermöglicht ist, ist ein flexibles und elektrisch leitfähiges
Verbindungselement 9 vorgesehen, dessen Flexibilität ausreichend ist, den Bewegungen der beiden Positionierelemente 3 und 4 nur einen sehr geringen Widerstand entgegenzusetzen und das ein reibungsloses Mitführen desselben bei Verstellbewegungen der
Zweiachspositioniervorrichtung erlaubt.
[0029] Zur Realisierung einer präzise geführten linearen Bewegung entlang der beiden senkrecht zueinander angeordneten Bewegungsrichtungen weist die Zweiachspositioniervorrichtung insgesamt vier
Linearführungseinrichtungen 100 auf, wovon zwei in paralleler und beabstandeter Anordnung zueinander zwischen dem Basiselement 2 und dem ersten Positionierelement 3 angeordnet sind, und wovon die übrigen zwei in paralleler und beabstandeter Anordnung zueinander zwischen dem ersten Positionierelement 3 und dem zweiten
Positionierelement 4 angeordnet sind. Es ist ebenso denkbar, für jede der beiden senkrecht zueinander ausgerichteten Bewegungs- bzw. Verstellrichtungen nur eine Linearführungsvorrichtung vorzusehen. [0030] Fig. 2 entspricht einer Explosionsdarstellung der
Zweiachspositioniervorrichtung gemäß Fig. 1. Hierbei sind im Vergleich zur Darstellung nach Fig. 1 die Linearführungseinrichtungen 100 deutlicher zu erkennen. Zudem kann Fig. 2 die in Fig. 1 nicht
erkennbare Magnetanordnung 8 in Form eines Halbach-Arrays, welche im elektromagnetischen Antrieb für das zweite Positionierelement 4 Anwendung findet, entnommen werden.
[0031] Fig. 3 entspricht einer Seitenansicht der Zweiachspositioniervorrichtung 1 gemäß den Figs. 1 und 2. Fig. 3 kann insbesondere zusätzlich die zwischen dem metallischen Trägerelement 6 und dem zweiten
Positionierelement 4 angeordnete Messvorrichtung 300 umfassend einen an dem metallischen Trägerelement 6 angeordneten Maßstab 302 und einen mit dem Maßstab 302 zusammenwirkenden Sensor 304, der diesem gegenüberliegend an dem zweiten Positionierelement 4 angeordnet ist, entnommen werden, wobei die Messvorrichtung 300 der Erfassung bzw. Messung der Position des zweiten Positionierelements 4 relativ zu dem ersten Positionierelement 3 und aus der
Positionserfassung abgeleitet der Positionsregelung des zweiten Positionierelements 4 dient. Eine Fig. 3 nicht entnehmbare analoge Messvorrichtung 300 ist an der Unterseite des metallischen
Trägerelements 6 angeordnet, welche in analoger Weise der Erfassung bzw. Messung der Position des metallischen Trägerelements 6 gegenüber dem Basiselement 2 und damit dessen Positionsregelung dient.
[0032] In Fig. 4 sind nur einzelne herausgestellte bzw. herausgeschnittene
Elemente der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den Figs. 1 bis 3 gezeigt. Hierbei handelt es sich um die jeweils zusammenwirkenden Spulenelemente 7 und Magnetanordnungen 8 der beiden
elektromagnetischen Antriebe. Da die Spulenelemente 7 bei der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den Figs. 1 bis 3 vollständig in die entsprechende Leiterplatte 5 eingebettet sind und daher bei normaler Darstellungsweise nicht zu erkennen wären, sind sie in Fig. 4 aus der Leiterplatte herausgeschnitten dargestellt. Die Magnetanordnungen 8 sind jeweils an dem metallischen Trägerelement 6 befestigt, wobei die Spulenelemente 7 und die Magnetanordnungen 8 jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet sind.
[0033] Jedes Spulenelement 7 umfasst drei ineinander verschachtelt
angeordnete separate Leiterzüge, so dass eine dreiphasige
Ansteuerung der Spulenelemente 7 ermöglicht ist. Die
Magnetanordnungen 8 umfassen jeweils ein Halbach-Array und weisen eine Längserstreckungsrichtung auf, die mit der
Längserstreckungsrichtung des zugeordneten Spulenelements 7 zusammenfällt.
[0034] In Fig. 4 sind zudem die insgesamt vier Linearführungseinrichtungen 100 deutlich zu entnehmen, die jeweils paarweise parallel zueinander ausgerichtet sind und für die hochgenaue Führung des zugeordneten Positionierelements in der jeweiligen Führungsrichtung sorgen.
[0035] Fig. 5 enthält ebenfalls nur einzelne herausgestellte bzw.
herausgeschnittene Elemente der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den Figs. 1 bis 3. Insbesondere zeigt Fig. 5 das Basiselement 2 und das in dessen Leiterplatte 5 integrierte bzw. eingebettete
Spulenelement 7. Weiterhin zeigt Fig. 5 die dem Spulenelement 7 zugeordnete Magnetanordnung 8 in Form eines Halbach-Arrays, die gemeinsam den elektromagnetischen Linearantrieb für das erste Positionierelement 3 bilden. Die Magnetanordnung 8 ist hierbei an dem nicht darstellten ersten Positionierelement 3 in Form des metallischen Trägerelements 6 angeordnet bzw. befestigt. Parallel zu der
Längserstreckungsrichtung des Spulenelements 7 bzw. der
Magnetanordnung 8, welche der Antriebsrichtung des
elektromagnetischen Antriebs entspricht, sind die beiden
Linearführungseinrichtungen 100 angeordnet. Diese sind einerseits mit der Leiterplatte 5 des Basiselements 3, und andererseits mit dem metallischen Trägerelement 6 des ersten Positionierelements 3 verbunden.
[0036] Fig. 6 zeigt in den beiden Darstellungen 6A und 6B das metallische
Trägerelement 6 der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den Figs. 1 bis 3 in verschiedenen perspektivischen Ansichten. Fig. 6A ist hierbei die obere Seite des Trägerelements zu entnehmen, während Fig. 6B die Unterseite des metallischen Trägerelements zeigt. An der Oberseite des metallischen Trägerelements gemäß Fig. 6A sind in
entsprechenden Ausnehmungen zwei Linearführungseinrichtungen 100 in paralleler Ausrichtung zueinander angeordnet, und zwischen diesen ist in analoger Ausrichtung die Magnetanordnung 8 gelegen. Zudem ist an der Oberseite des metallischen Trägerelements ein Maßelement 302 einer entsprechenden Messvorrichtung angeordnet, welches einen Maßstab 306 und eine Referenzierspur 308 aufweist.
[0037] Die Unterseite des metallischen Trägerelements ist gemäß Fig. 6B
identisch zu dessen Oberseite bestückt und trägt neben zwei
Linearführungseinrichtungen 100 die Magnetanordnung 8 sowie ein Maßelement 302 einer Messvorrichtung umfassend einen Maßstab 306 und eine Referenzierspur 308. Die Ausrichtung der
Linearführungseinrichtungen 100 und der Magnetanordnung 8 an der Unterseite des metallischen Trägerelements ist identisch und liegt hierbei senkrecht zu der Ausrichtung der Linearführungseinrichtungen 100 und der Magnetanordnung 8, welche an der Oberseite des metallischen Trägerelements angeordnet sind.
[0038] Es ist denkbar, zwei oder mehr der vorstehend beschriebenen
Zweiachspositioniervorrichtungen miteinander zu kombinieren. Zudem ist denkbar, eine vorstehend beschriebene
Zweiachspositiniervorrichtung mit einerweiteren Positioniervorrichtung, etwa einer weiteren Linearpositioniervorrichtung oder einer
Rotationspositioniervorrichtung oder einer Kipppositioniervorrichtung zu kombinieren.
[0039] Bezugszeichenliste
1 Zweiachspositioniervorrichtung
2 Basiselement
3 erstes Positionierelement
4 zweites Positionierelement
5 Leiterplatte metallisches Trägerelement
Spulenelement
Magnetanordnung
flexibles Verbindungselement
T rägerplatte
Trägerplatte
Linearführungseinrichtung
Steckerelement
Messvorrichtung
Maßelement (der Messvorrichtung 300) Sensor (der Messvorrichtung 300) Maßstab (des Maßelements 302) Referenzierspur (des Maßelements 302)

Claims

Ansprüche
Anspruch 1. Zweiachspositioniervorrichtung (1) umfassend ein Basiselement (2), ein erstes, gegenüber dem Basiselement (2) entlang einer ersten Richtung beweglich gelagertes Positionierelement (3), ein zweites, gegenüber dem ersten Positionierelement (3) entlang einer zweiten und von der ersten Richtung abweichenden Richtung beweglich gelagertes Positionierelement (4), einen ersten Antrieb zum Verstellen des ersten Positionierelements (3) entlang der ersten Bewegungsrichtung, einen zweiten Antrieb zum Verstellen des zweiten Positionierelements (4) entlang der zweiten Bewegungsrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das stationäre Basiselement (2) und das zweite Positionierelement (4) eine Leiterplatte (5) aufweisen, und das erste Positionierelement (3) als metallisches Trägerelement (6) ausgeführt ist und zwischen dem
Basiselement (2) und dem zweiten Positionierelement (4) angeordnet ist.
Anspruch 2. Zweiachspositioniervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Antriebe als elektromagnetischer Antrieb umfassend wenigstens ein Spulenelement (7) und wenigstens eine Magnetanordnung (8) ausgeführt ist.
Anspruch 3. Zweiachspositioniervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass an dem metallischen Trägerelement (6) wenigstens eine Magnetanordnung (8) angeordnet ist, und die
Magnetanordnung mit einem gegenüberliegend vorgesehenen
Spulenelement (7) zusammenwirkt.
Anspruch 4. Zweiachspositioniervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenelement (7) in einer Leiterplatte (5) integriert ist.
Anspruch 5. Zweiachspositioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (8) einem
Halbach-Array entspricht. Anspruch 6. Zweiachspositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens eine der Leiterplatten (5) ein Kommunikationsmodul integriert ist.
Anspruch 7. Zweiachspositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Leiterplatten (5) Aufnahmeeinrichtungen für ein Lager oder für ein Sensorelement aufweist.
Anspruch 8. Zweiachspositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) des Basiselements (2) über ein flexibles Verbindungselement (9) elektrisch mit der Leiterplatte (5) des zweiten Positionierelements (4) verbunden ist.
Anspruch 9. Zweiachspositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) des Basiselements (2) identisch zu der Leiterplatte (5) des zweiten
Positionierelements (4) ausgeführt ist.
Anspruch 10. Computerprogrammprodukt, das dazu ausgebildet ist, ein
digitales Abbildung der Zweiachspositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu erzeugen.
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