JP2017532941A - スティックスリップドライブ、特に圧電作動慣性ドライブ - Google Patents

Abstract

基部とロータとを備え、基部とロータとは、摩擦面を介して互いに接触し、ロータが基部に対して慣性の運動を行うことができるように互いに結合し、２つの材料、貴金属およびセラミックス材料は、基部とロータとの間の摩擦面において組になることを特徴とする、スティックスリップドライブが開示されている。

Description

本発明は、スティックスリップドライブ、特に圧電作動慣性ドライブに関する。さらに、本発明は、そのようなスティックスリップドライブを有するポジショナに関する。

スティックスリップに基づく圧電ドライブシステムはEP823738B1またはEP1894258B1から知られている。ブロックアンドスライド原理に基づく圧電ドライブシステムはEP1310038B1またはWO1993019494A1から知られている。そのようなドライブの使用は、繰り返される作動により、圧電セラミックスの微視的なストロークを巨視的な動きに変換することを可能にする。これに関連して、スティックスリップを基にしたドライブ（スティックスリップドライブ）は、特に簡素な設計により特に区別され、それは、費用効果が高い小型の位置決めシステムを製造することを可能にする。これらのシステムは、ナノメートル範囲の位置分解能とともに、数センチメートルの移動距離を有する。これらのシステムの用途は特に研究（真空または低温における試料の位置決め）に見られる。

真空および低温の範囲では、従来のスティックスリップドライブは、特に、ブロックアンドスライド機構に比べて特に顕著な欠点を有する。この特定の欠点の理由は、スティックスリップ技術で従来に使用された材料の組合せの全てにおいて、粘着係数および滑り摩擦係数が特定の環境条件に大きく左右されるという事実である。特に、低温におけるピエゾメカニカル変換定数の低下との組合せで、これはドライブユニットの動力の急激な減少をもたらし、この減少は周囲条件に応じて５倍までの動力の損失に対応する。これらの特定の環境条件に対して、ドライブ要素と摩擦面との間の接触力に関して、スティックスリップ位置決めシステムを適合させることができるが、この方法論も十分な解決手段を示さない。上記修正により、位置決めユニットを目標の条件に適合させることができるが、今度は、ある周囲条件の下で把持力が非常に大きく、特に静止摩擦に打勝つことがもはや不可能であるため、スティックスリップ原理をもはや達成できない。従って、異なる環境条件下で無制限の使用を達成することは不可能である。

従って、本発明の目的は、特に真空および低温条件下で、信頼性および動力が向上したスティックスリップドライブを創作することにある。

前記目的は、基部とロータとを備え、基部とロータとは、摩擦面を介して互いに接触し、ロータが基部に対して慣性の運動を行うことができるように、換言すると、基部に対してロータにより慣性の運動が行われ得るように、互いに結合し、貴金属およびセラミックスから構成される材料の組合せは、基部とロータとの間の摩擦面に設けられる、スティックスリップドライブにより達成される。

所謂スティックスリップドライブ（または（圧電）慣性ドライブ）では、スティック段階において、ロータは基部によって進行し、一方、スリップ段階において、基部とロータとの間の相対運動のため、ロータは進行しない。進行を達成するために、圧電アクチュエータは、比較的ゆっくりと伸長または収縮するように電気的に作動し、その結果、ロータは、基部と駆動されるロータとの間の摩擦のために、基部の対応する運動により運ばれる。この段階はスティック段階と呼ばれる。対照的に、次のスリップ段階において、圧電アクチュエータは、速く収縮または伸長するように電気的に作動し、その結果、ロータの慣性のために、ロータは、基部の対応する速い運動により運ばれず、ロータは基部に沿って滑る。ここで、ドライブは両方向に機能し、即ち、圧電アクチュエータは、先ずゆっくり伸長して次に速く収縮するか、または、逆に作動する。この原理により、ポジショナ、特に慣性ポジショナを提供することができる。

ロータと基部との間において、ロータと基部とが互いに接触し、摩擦面が形成されている。この摩擦面を介して、静止摩擦と滑り摩擦との間の相互作用で、スティックスリップドライブが実現される。基部とロータとは、ロータが基部に対して慣性の運動を行うことができるように互いに結合している。ロータと基部との材料の組合せは貴金属とセラミックスとからなることが好ましい。ロータ側の接触面はセラミックスからなり、基部側の接触面は貴金属からなることが特に好ましい。材料の組合せは酸化ジルコニウムおよび金であることが特に好ましい。

本発明の更なる実施例において、貴金属および／またはセラミックス製のインレイは基部および／またはロータに設けられている、スティックスリップドライブが提供される。

インレイは、好ましくは、基部またはロータに挿入され、そこで摩擦面を形成する。このため、特に、ロータの全体または基部の全体を摩擦面のための材料から製造しなくても、その材料を使用できる。これにより、システムの製造コストを特に低減できる。

本発明の更なる実施例において、セラミックスまたは単結晶材料、特に、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、亜硝酸シリコンまたはサファイアがセラミックスとして使用されている、スティックスリップドライブが提供される。

セラミックス材料は、工業用セラミックスであることが好ましく、無機、非金属および多結晶であることが特に好ましい。概して、それは、セラミックス粉末、有機バインダおよび液体から室温で作られる未加工の混合物から形成され、高温での焼結工程において典型的な材料特性を得るにすぎない。セラミックス材料は、また、本発明の意味の範囲内において、単結晶材料であることが特に好ましい。セラミックス材料として、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムまたは亜硝酸シリコンが使用されることが好ましい。サファイアは特に単結晶材料として適している。

本発明の更なる実施例において、セラミックスは、高い表面品質を有し、特に、ラッピング、ホーニングおよび／またはポリッシングされている、スティックスリップドライブが提供される。

表面品質は、表面検査における粗さの表現であり、通常、製造工程または表面仕上げと関連している。粗さの高さの一般的な指標は、μｍ単位の平均粗さの値（中心線からの算術平均偏差）またはμｍ単位の平均された粗さの高さ（測定された粗さの高さの平均値）である。

ラッピングまたはホーニングは、表面の平滑化（表面粗さの低減）のために、または、厳密な許容誤差を維持しつつ製造工程中の部品を分離するために、機械でまたは選択的に手でも行われる機械加工の経時的な製造工程である。これにより、０．２μｍ以下の平均粗さの値が実現され得る。好ましくは０．１μｍ以下、特に好ましくは０．０５μｍ以下、非常に特に好ましくは０．０１μｍ以下の平均粗さの値が実現される。特定の実施形態において、０．００６μｍ以下の平均粗さの値が使用される。（典型的には、研磨用フェルトと、粒子サイズを変えたダイヤモンドペーストとを使った）ポリッシングにより、さらにより良い表面品質を達成できる。

本発明の更なる実施例において、白金、金、イリジウム、パラジウム、銀、および/または、これらの材料の合金または基合金が貴金属として使用されている、スティックスリップドライブが提供される。

合金は、金属結合を有する結晶構造の金属に特有の特徴を共に有する少なくとも２つの元素からなる金属材料である。

ベース合金は、主成分としての１つの元素と、（更なる）元素とを有する合金である。パラジウム基合金、および、白金合金、特に白金とイリジウムとの比が９０：１０の合金が特に好ましい。

本発明の更なる実施例において、貴金属および/またはセラミックスは、ガルバニック処理（galvanisch）、および/または、ＰＶＤ工程を介して基体に適用されている、スティックスリップドライブが提供される。

貴金属および/またはセラミックスである摩擦のパートナーが、好ましくは、純粋にガルバニック処理、またはガルバニック処理、および/またはＰＶＤ工程を介して、（好ましくは異なる）基体に適用される場合、２〜４０μｍ、好ましくは５〜３０μｍ、特に好ましくは１０〜２０μｍのロータおよび/または基部の層の厚さを生成でき、それは、本質的に１００，０００回以上の移動サイクルについて要求される耐性寿命を達成する手段として、応用に十分である。これらは、銅−ベリリウム（ＣｕＢｅ）製の基体に適用されることが好ましい。基体は、Ａｕを用いたガルバニック処理でコートされ、機械研磨された金属インレイであることが特に好ましい。

本発明の更なる実施例において、基部に対してロータを機械的に安定させるように、ローラーベアリングが設けられている、スティックスリップドライブが提供される。

ローラーベアリングは、所謂内レースと外レースとの間で、スライドベアリング（すべり軸受）の潤滑剤とは対照的に、ローラー（転動体）が摩擦抵抗を低減するベアリングである。ローラーベアリングは、基部に対して機械的にロータを安定させる働きをする。クロスローラーガイドは、高いガイド精度のために、この用途に特に好ましい。積極的に駆動されるクロスローラーガイドにおいて、使用されるローラーまたはローラーケージのケージクリープが完全に防止されるが、そのクロスローラーガイドが特に好ましい。

本発明の更なる実施例において、駆動力を増加させるように複数のドライブ要素が使用される、スティックスリップドライブが提供される。ドライブ要素は互いを強めるように並列に接続することが好ましい。

本発明の更なる実施例において、インレイは、火花浸食を使用して作製された凹部に嵌め込まれている、スティックスリップドライブが提供される。火花浸食を使用すると、ポジショナの基体を容易に機械加工することができ、従って、正確にインレイを入れる、換言すると、嵌め込むことができる凹部を高い精度で製造することができる。

前記目的は、上記のようなスティックスリップドライブを備えるポジショナによっても達成される。

本発明および有利な更なる事柄が添付図面に示されている。

ガイドされてないドライブを有する、本発明のスティックスリップポジショナの実施例の３次元的な概略図である。 図１ａのスティックスリップポジショナを上方から見たときの断面の概略図である。 図１ａのスティックスリップポジショナを側方から見たときの断面の概略図である。 ガイドされたドライブを有する、本発明のスティックスリップポジショナの更なる実施例の３次元的な概略図である。 図２ａのスティックスリップポジショナの側面の概略図である。 ２つのドライブ要素を有する、本発明におけるガイドされたスティックスリップポジショナの上面の概略図である。

図１ａ、１ｂおよび１ｃは、ガイドされてないドライブ１０を有する本発明のスティックスリップポジショナ４０の実施例における、３次元的な概略図、上方から見た断面図、および側方から見た断面図を示す。基部１は、その基部に接続されたセラミックス軸１１を介して、ロータ（移動部）２に結合されている。摩擦面３は、セラミックス軸１１とロータ２内の貴金属インレイ１２と間に形成されている。セラミックス軸１１は、それを軸方向に貫く穴を有し、それ故、質量を低減するように形成されている。このため、より小さい質量によって、ドライブの高い加速および効率が達成される。貴金属インレイ１２は、ロータ２上の火花浸食された凹部１３内に配置されている。確動接続は現代の結合技術によって達成される。ここで、ドライブ１０の可動構成要素としてのロータ２は、セラミックス軸１１への締付によってのみガイドされ、その他に、例えばローラーベアリング（例えばローラーまたはクロスローラーガイド）のような、システムを補強する更なるガイドを有しない。この設計は、費用効果が高い位置決めシステムの製造に、または低温における使用に理想的に適している。ここで、外部レース／ローラーベアリングの歪みは部分的にまたは完全にポジショナの動きを妨げるが、その歪みはポジショナ内の温度勾配のために概して起こり得るので、低温と両立するポジショナには、ただ、非常に費用をかけて外部レースを備え付けることができるだけである。

動作中、ロータ２は、圧電セラミックス２１が作動することで、セラミックス軸１１とロータ２上の貴金属インレイ１２とで形成された摩擦面を介して、セラミックス軸１１に沿って基部１に対して移動する。ロータ２側において、その構造は所謂インレイ１２を有し、それは、火花浸食により作製された凹部に嵌め込まれている。

インレイはセラミックス軸と機械的に（摩擦により）接触する。インレイは、貴金属製の異なる表面でコートされた金属物からなる。これに関して、特に、白金、金、イリジウム、パラジウム、さらに、銀、または挙げられた貴金属の合金もしくは基合金のような貴金属の表面コーティングが特に適している。従って、これらの材料の弱い酸化力および低い反応性のため、インレイは化学的に不活性な表面を示し、これは、物理的特性、特に摩擦係数の安定性に明白な効果を有する。貴金属の高い引張特性およびセラミックス軸１１の顕著な表面品質のために、アクチュエータの動作中に材料の磨耗はほとんどない。むしろ、貴金属は、移動サイクル中にセラミックス軸１１に付着するが、次の移動サイクルで貴金属表面によって再び拾い上げられる。従って、貴金属コーティングの不断の再循環があり、それにより、貴金属コーティングは、事実上、化学的に不活性な固体の潤滑剤として働く。そのような位置決めシステムにより、小さな圧電セラミックス（例えば、５×５×４ｍｍ）を使用してさえ、その時に支配的な環境条件に無関係に、５Ｎを超える高い動的な力を生成できる。

図２ａおよび２ｂは、ガイドされたドライブを有する本発明のスティックスリップポジショナ４０の更なる実施例における、３次元的な概略図および側面図である。このポジショナ４０は、ローラーベアリング３１により安定しており、従って、工業上の移動工程に特に適している。作動に使用される圧電セラミックス２１、および、インレイ１１，１２間に規定された接触力を調節する力伝達屈曲構造、換言するとドライブ要素２２を、図２ｂの断面図に見ることができる。その中に位置する貴金属インレイ１２も見ることができる。ロータ２には、高い表面品質を有するセラミックスインレイ１１が結合しており、それは貴金属インレイ１２の摩擦のパートナーとして働く。

ロータ２は、ローラーベアリング３１（ローラーまたはクロスローラーガイド）によって位置決めユニット４０の本体に接続されている。この構成は、特に、より大きな機械的負荷がドライブに加えられてローラーベアリング３１を介して直接吸収され得る場合に適している。第１実施例とは対照的に、この場合、セラミックスドライブ軸は存在しない。むしろ、ドライブ側は、火花浸食で形成された屈曲構造２２からなり、それは、一方端において、圧電セラミックス２１に確動接続されているが、他方端において、挿入された貴金属インレイ１２を介してロータ２に摩擦接触している。こちら側において、今度は、凹部１３がロータ２に侵食で形成され、その中にセラミックスインレイ１１が嵌め込まれている。第１実施例でもそうであるように、セラミックスインレイ１１は、高い表面品質を有し、即ち、特に、ラッピングされ、繊細にラッピングされ、またはホーニングされている。ロータ２に挿入された貴金属インレイ１２は、同様に、白金、金、イリジウム、パラジウム、さらに、銀、および、これらの材料の合金または基合金のような貴金属の１つからなることが好ましい。第１実施例と同様に、この構成は、典型的に５〜１０Ｎ以上（動的な場合）または１０〜１５Ｎ以上（静的な場合）の高い動的および静的な力を可能にする。ローラーベアリングによるアクチュエータの機械的な安定化のために、この調節ユニットは、特に、環境条件下および真空での工業上の用途に適している。

図３には、２つのドライブ要素２２．１および２２．２を有する、本発明のガイドされたスティックスリップポジショナ４０の上面の概略図が示されている。ポジショナ４０の基部１は２つの圧電セラミックス２１．１および２１．２を有し、それらは、基部１に適用された貴金属インレイ１２．１および１２．２とセラミックインレイ１１（図示せず）との間に規定された接触力を調節するための２つのドライブ要素２２．１および２２．２に作用的に接続されている。いくつかのドライブユニット２２を位置決めユニット４０内に配置することにより、望むように力を増加させることができる。

示された目的を達成するために、新しい材料の組合せが提案され、第１に、それらの摩擦特性は特定の環境条件に殆ど無関係であり、第２に、それらの粘着係数と滑り摩擦係数とが十分に異なり、これはスティックスリップ原理に必要な要求を表している。同様に、公知の「自己修復」特性のために特に長い耐性寿命を有し、従って、このようなドライブシステムにおける使用に特に適している材料が提案されている。

１…基部
２…ロータ
３…基部とロータとの間の摩擦面
１０…スティックスリップドライブ
１１…セラミックスインレイ
１２…貴金属インレイ
１３…セラミックスインレイを実装するための凹部
１５…基体
２１…圧電セラミックス
２２…１２と１１との間に規定された接触力を調節するためのドライブ要素
３１…ローラーベアリング
４０…ポジショナ

ロータ２は、ローラーベアリング３１（ローラーまたはクロスローラーガイド）によって位置決めユニット４０の本体に接続されている。この構成は、特に、より大きな機械的負荷がドライブに加えられてローラーベアリング３１を介して直接吸収され得る場合に適している。第１実施例とは対照的に、この場合、セラミックスドライブ軸は存在しない。むしろ、ドライブ側は、火花浸食で形成された屈曲構造２２からなり、それは、一方端において、圧電セラミックス２１に確動接続されているが、他方端において、挿入された貴金属インレイ１２を介してロータ２に摩擦接触している。こちら側において、今度は、凹部１３がロータ２に侵食で形成され、その中にセラミックスインレイ１１が嵌め込まれている。第１実施例でもそうであるように、セラミックスインレイ１１は、高い表面品質を有し、即ち、特に、ラッピングされ、繊細にラッピングされ、またはホーニングされている。ロータ２に接触する貴金属インレイ１２は、同様に、白金、金、イリジウム、パラジウム、さらに、銀、および、これらの材料の合金または基合金のような貴金属の１つからなることが好ましい。第１実施例と同様に、この構成は、典型的に５〜１０Ｎ以上（動的な場合）または１０〜１５Ｎ以上（静的な場合）の高い動的および静的な力を可能にする。ローラーベアリングによるアクチュエータの機械的な安定化のために、この調節ユニットは、特に、環境条件下および真空での工業上の用途に適している。

Claims (10)

1. 基部（１）とロータ（２）とを備え、
   前記基部（１）と前記ロータ（２）とは、摩擦面（３）を介して互いに接触し、前記ロータ（２）が前記基部（１）に対して慣性の運動を行うことができるように互いに結合し、
   貴金属およびセラミックスから構成される材料の組合せは、前記基部（１）と前記ロータ（２）との間の前記摩擦面（３）に設けられ、前記基部（１）および／または前記ロータ（２）は、１０〜２０μｍの層の厚さを有することを特徴とするスティックスリップドライブ（１０）。
2. 貴金属および／またはセラミックス製のインレイ（１２，１１）は前記基部（１）および／または前記ロータ（２）に設けられている、請求項１に記載のスティックスリップドライブ（１０）。
3. セラミックスまたは単結晶材料、特に、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、亜硝酸シリコンまたはサファイアがセラミックスとして使用されている、請求項１または２に記載のスティックスリップドライブ（１０）。
4. 前記セラミックスは、高い表面品質を有し、特に、ラッピング、ホーニングおよび／またはポリッシングされている、請求項１から３の何れかに記載のスティックスリップドライブ（１０）。
5. 白金、金、イリジウム、パラジウム、銀、および/または、これらの材料の合金または基合金が貴金属として使用されている、請求項１から４の何れかに記載のスティックスリップドライブ（１０）。
6. 前記貴金属および/または前記セラミックスは、ガルバニック処理、および/または、ＰＶＤ工程を介して基体（１５）に適用されている、請求項１から５の何れかに記載のスティックスリップドライブ（１０）。
7. 前記基部（１）に対して前記ロータ（２）を機械的に安定させるように、ローラーベアリング（３１）が設けられている、請求項１から６の何れかに記載のスティックスリップドライブ（１０）。
8. 駆動力を増加させるように複数のドライブ要素（２２）が並列に接続されている、請求項１から７の何れかに記載のスティックスリップドライブ（１０）。
9. 前記インレイ（１１，１２）は、火花浸食を使用して作製された凹部に嵌め込まれている、請求項２から８の何れかに記載のスティックスリップドライブ（１０）。
10. 請求項１から９の何れかに記載のスティックスリップドライブ（１０）を備えるポジショナ（４０）。

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