DE10104524A1 - Verstellvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorichtung zur Mikrogenauen Einstellung eines Abstandes zwischen einem Trägerelement (1) und einem dazu beweglich gelagerten Gegenelement (2) Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Trägerelement (1) und dem Gegenelement (2) ein Ferrofluid (3) als Verstellelement angeordnet ist, dessen äußere Form von Magnetfeldlinien mindestens eines magnetisch wirksamen und benachbart zum Ferrofluid (3) angeordneten Elements (4) definiert ist, wobei zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Trägerelement (1) und dem Gegenelement (2) die Magnetfeldstärke des mindestens einen magnetisch wirksamen Elements (4) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Verstellvorrichtungen zur mikrogenauen Einstellung eines Ab­ standes zwischen einem Trägerelement und einem dazu beweglich gelagerten Gegenelement sind in verschiedenen Ausführungsfor­ men bekannt. Beispielsweise ermöglicht ein elektronisch ge­ steuerter Servomotor mit Spindelantrieb eine sehr präzise Po­ sitionseinstellung. Bekannt sind aber auch andere mechanische Verstellvorrichtungen mit optischen Regelmechanismen, die eine exakte Distanzeinstellung zwischen zwei Gegenständen erlauben. Je genauer dabei die Positionierung sein soll, desto aufwendi­ ger sind in der Regel die erforderlichen Mess- und Regelungs­ gerätschaften, was wiederum zu hohen Investitionkosten bei solchen Verstellvorrichtungen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei mög­ lichst einfacher Konstruktion und möglichst geringem reglungs­ technischen Aufwand, eine hochpräzise Positionierbarkeit er­ möglicht.

Diese Aufgabe ist mit einer Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genann­ ten Merkmale gelöst.

Nach der Erfindung ist also vorgesehen, die magnetischen Ei­ genschaften eines Ferrofluids in der Weise zu nutzen, dass durch Veränderung eines anliegenden Magnetfelds die äussere Form des Ferrofluids beeinflusst wird und damit das Ferrofluid wie ein Stellglied auf den Abstand zwischen zwei Elementen wirkt. Beispielsweise beim Auseinanderbewegen der beiden Ele­ mente verändert das Ferrofluid seine Form von einem ver­ gleichsweise flachen zu einem etwas runderen Tropfen. Das be­ stehende Kräftgleichgewicht bei stationärer Ruhelage der Vor­ richtung wird also durch die Veränderung des Magnetfelds ge­ stört, und zwar derart, dass das Ferrofluid ein neues Kräfte­ gleichgewicht zwischen der Magnetfeldstärke, der Schwerkraft und den Oberflächenspannungskräften einzustellen versucht. Da­ bei verformt sich das Ferrofluid in Abhängigkeit vom Magnet­ feld und übt Kräfte gegen die zueinander zu verstellenden Ele­ mente aus. Je nach dem wie groß der verwendete Ferrofluidtrop­ fen ist, ergibt sich eine entsprechende Kraftwirkung.

Das Ferrofluid besteht aus einer Öl-Magnetit-Emulsion mit etwa 20 bis 50 nm großen Eisenoxyd-Partikeln. Für eine bessere Lös­ lichkeit und zum Verhindern von Verklumpungen der Partikel sind diese vorteilhaft mit einer Hülle aus löslichkeitsver­ bessernden Molekülen (beispielsweise Tenside) umgeben.

Für den Fall, dass das Ferrofluid mit seiner Umgebung nicht in Wechselwirkung treten soll bzw. darf (beispielsweise in der Medizintechnik) ist vorgesehen, das Fluid in einer vorzugswei­ se aus Kunststoff bestehenden elastische Blase aufzubewahren, was aber an der prinzipiellen Formbeeinflussbarkeit durch das Magnetfeld nichts ändert.

Um die Wirkung des bzw. der eingesetzten magnetisch wirksamen Elemente sowenig wie möglich zu beeinträchtigen, ist vorteil­ haft vorgesehen, dass sowohl das Trägerelement als auch das Gegenelement aus unmagnetischem Material gebildet sind.

In Fällen, in denen die Verstellvorrichtung nur kurzzeitig in Betrieb ist, kann es sinnvoll sein, das magnetisch wirksame Element als Spule auszubilden, d. h., dass nur im Betriebs­ zustand ein Magnetfeld vorhanden ist, dessen Stärke zur Fest­ legung des Abstandes zwischen den Elementen durch Variation der elektrischen Eingangsgrößen an der Spule eingestellt wird.

Bei länger andauernden Anwendungsfällen ist dagegen zur Erzeu­ gung eines stationären Magnetfelds neben der elektrischen Spu­ le ein Dauermagnet vorgesehen, wodurch dem Ferrofluid dauernd eine bestimmte äußere Form aufprägt wird. Durch Hinzuschaltung der Spule ergibt sich eine Änderung des Magnetfelds und damit letztlich eine Änderung des Abstands zwischen den beiden Elementen.

Alternativ ist es auch möglich, das Magnetfeld ausschließlich mit Dauermagneten zu erzeugen und durch räumliche Verschiebung der Magneten die Magnetfeldstärke am Ort des Ferrofluids zu variieren. In diesem Fall wird also durch Verschieben minde­ stens eines Dauermagneten der Abstand zwischen den beiden Ele­ menten eingestellt.

Um die Verstellvorrichtung gegenüber möglichen Umwelteinflüs­ sen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc.) weitestgehend unabhän­ gig zu halten, ist vorgesehen, beidseitig des beweglich gela­ gerten Gegenelements Ferrofluidtropfen, Trägerelemente und magnetisch wirksame Elemente anzuordnen. Das Gegenelement ist somit beidseitig gewissermaßen in ein Ferrofluidlager einge­ spannt, d. h. seine räumliche Lage kann sich nur dann ändern, wenn sich die magnetischen Verhältnisse ändern. Diese Ausfüh­ rungsform, die später noch genauer erläutert wird, schließt also insbesondere durch ihre beidseitige Lagerung eine ungewollte Verstellung des Gegenelements aufgrund sich ändernder Umweltbedingungen aus.

Das Verstellelement ist aber auch als Lager für kleine, rei­ bungsarme Auslenkungen eines aufgelagerten Körpers geeignet, der aus mehreren, mindestens eine Auflagefläche definierenden Verstellvorrichtungen besteht, was noch näher erläutert wird.

Ferner ist noch eine mehrdimensional wirksame Verstellvorrich­ tung vorgesehen, die aus mindestens zwei zueinander orthogonal angeordneten Verstellvorrichtungen der beschriebenen Art be­ steht, was ebenfalls später noch genauer erläutert wird.

Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung sowie ihre vorteil­ haften Weiterbildungen nach den abhängigen Ansprüchen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von mehreren Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 in Seitenansicht einen Ferrofluidtropfen im Magnet­ feld;

Fig. 2 in Seitenansicht und teilweise im Schnitt die Ver­ stellvorrichtung mit einem Dauermagneten und einer Spule;

Fig. 3 in Seitenansicht und teilweise im Schnitt die Ver­ stellvorrichtung mit einem beidseitig gelagerten Gegenelement;

Fig. 4 in Seitenansicht eine als Gleitlager ausgebildete Verstellvorrichtung;

Fig. 5 perspektivisch ein aus drei Verstellvorrichtungen bestehendes Mehrfachsystem und

Fig. 6 perspektivisch eine weitere Ausführungsform eines Mehrfachsystems.

In Fig. 1 ist zunächst zur Veranschaulichung einer typischen Magnetfeldsituation die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung mit einem Ferrofluidtropfen 3, aber ohne Gegenelement 2 darge­ stellt. Die angedeutet dargestellten Magnetfeldlinien durch­ dringen den auf dem Trägerelement 1 aufliegenden und vom Dau­ ermagneten 4 angezogenen Ferrofluidtropfen 3 und bestimmen dessen äußere geometrische Form.

In Fig. 2 ist nun die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung zur mikrogenauen Einstellung eines Abstandes zwischen einem sta­ tionären Trägerelement 1 und dem dazu beweglich gelagerten Ge­ genelement 2 dargestellt. Für diese Vorrichtung ist wesent­ lich, dass zwischen dem Trägerelement 1 und dem Gegenelement 2 ein Ferrofluid 3 als Verstellelement angeordnet ist, dessen äussere Form von Magnetfeldlinien mindestens eines magnetisch wirksamen und benachbart zum Ferrofluid 3 angeordneten Ele­ ments 4 definiert ist, wobei zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Trägerelement 1 und dem Gegenelement 2 die Mag­ netfeldstärke des mindestens einen magnetisch wirksamen Ele­ ments 4 einstellbar ist.

Das mindestens eine magnetisch wirksame Element 4 besteht im dargestellten Fall aus einer (schematisch angedeuteten) elek­ trischen Spule 5 und einem Dauermagneten 6. Letzterer defi­ niert bei ausgeschalteter Spule gewissermaßen die Grundform des Ferrofluidtropfens 3. Mit der Spule 5 wird das Magnetfeld des Dauermagneten 6 derart beeinflußt, dass sich aufgrund der Verformung des Ferrofluids das Gegenelement 2 wahlweise hebt oder senkt, d. h. auf diese Weise ändert sich der Abstand zwi­ schen dem Trägerelement 1 und dem Gegenelement 2. Man erhält also eine sehr genau regelbare Verstellvorrichtung, mit der man durch die Änderung der Spulenspannung (bzw. des Spulen­ stroms) den Abstand zwischen zwei Flächen innerhalb von eini­ gen Millisekunden (abhängig von der Viskosität des Ferro­ fluids) mit einer sehr hohen Auflösung einstellen kann (Ge­ nauigkeiten von kleiner 1 nm sind möglich). Zur Verstärkung ihrer magnetischen Wirkung umschließt die Spule 5 einen mit dem Dauermagneten 6 in Verbindung stehenden Eisenkern 11.

Statt der Verwendung einer elektrischen Spule ist aber ebenso gut der Einsatz beispielsweise zweier Dauermagneten 6 vor­ stellbar, deren gemeinsames Magnetfeld durch Änderung der ge­ genseitigen räumlichen Zuordnung variiert werden kann, was keiner besonderen Darstellung bedarf.

Um die magnetische Wirkung der magnetisch wirksamen Elemente 4, seien es nun Spule 5 oder Dauermagnet 6, möglichst optimal auszunutzen, ist vorteilhaft vorgesehen, dass sowohl das Trä­ gerelement 1 als auch das Gegenelement 2 aus unmagnetischem Material, bspw. Kunststoff, gebildet sind.

Bezüglich des Ferrofluids 3 ist vorteilhaft vorgesehen, dass dieses aus einer Öl-Magnetit-Emulsion besteht, wobei die mag­ netisch wirksamen Eisenoxydpartikel von löslichkeitsfördernden Molekülen (vorzugsweise Tenside) umschlossen sind, damit es innerhalb des Öls nicht zu Verklumpungen oder Ausfällen kommt.

Bei Anwendungsfällen, bei denen das Ferrofluid 3 auf keinen Fall mit der Umgebung in Wechselwirkung treten darf (bei­ spielsweise bei Anwendungen in der Medizin- oder Biotechnik), ist vorgesehen (nicht dargestellt), das Ferrofluid 3 mit einer elastischen Blase zu umschließen.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der beidseitig des beweglich gelagerten Gegenelements 2 Ferro­ fluid 3, Trägerelemente 1 und magnetisch wirksame Elemente 4 angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist, wie erläutert, be­ sonders bei sich ändernden äußeren Bedingungen zur präzisen Verstellung des Gegenelements 2 geeignet, da sich Randbedin­ gungen wie Temperatur oder Luftdruck gleichmäßig auf das Ge­ samtsystem auswirken und insofern bedeutungslos sind.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung ge­ zeigt, bei der es neben der in diesem Fall weniger relevanten Abstandseinstellung insbesondere darum geht, beispielsweise einen auf dem Gegenelement 2 gelagerten Körper praktisch haft­ reibungsfrei verschieben zu können. Die Ferrofluidtropfen 3 werden durch die Dauermagneten 6 in Position gehalten, während das Gegenelement lediglich von einem geringen, durch die Vis­ kosität des Fluids hervorgerufenen Fließwiderstand in seiner horizontalen Bewegung gehemmt ist. Die erfindungsgemäße Vor­ richtung ist also auch als reibungsarme bzw. praktisch rei­ bungsfreie Lagerung geeignet.

Von besonderer Bedeutung ist die Anwendung in einem Mehrfach­ system mit mehreren, vorzugsweise zwei oder drei Verstellvor­ richtungen, mit denen ein Körper in mindestens zwei Richtungen exakt verschoben werden kann. Fig. 5 zeigt ein solches Mehr­ fachsystem, das aus insgesamt drei Verstellvorrichtungen ge­ bildet ist, wobei zwei dazu dienen, eine Arbeitsfläche 8 in X- und Y-Richtung zu verschieben, und eine dritte Verstellvor­ richtung einen Greifer 9 in Z-Richtung variieren kann. Mit einer solchen Vorrichtung können kleinste Montagevorgänge vor­ genommen werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 6 zeigt alternativ dazu ein mit dem Bezugszeichen 10 versehenes Element, das im wesentlichen aus drei zueinander orthogonalen Angriffsebenen besteht, an denen jeweils zu beiden Seiten eine oder auch zwei Verstell­ vorrichtung 7 angeordnet sind. Man erkennt in Fig. 6 das je­ weils mit dem Element 10 in Verbindung stehende Ferrofluid 3, den runden Dauermagneten 6, der das Ferrofluid 3 in Form hält, und die Spule 5, die über einen Eisenkern 11 das Magnetfeld im Bereich des Ferrofluids 3 variiert. Durch Änderung der Span­ nung an einer Spule wird das Element 10 ohne von den anderen Verstellvorrichtungen 7 daran gehindert zu werden (reibungs­ freie Verschiebung ist, wie zu Fig. 4 erläutert, möglich), in die vorgesehene Richtung verschoben. Das Element 10 ist somit in alle drei Raumrichtungen frei verschieblich gelagert und zwar mit der Möglichkeit, die gewünschte Verschiebung hoch­ exakt einstellen zu können. Das dafür erforderliche Regelgerät besteht dabei im wesentlichen aus einer genau einstellbaren Strom- bzw. Spannungsquelle und geeigneten Sensoren, die den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Änderung des Stroms bzw. der Spannung und der Formänderungen des Fluidtropfens 3 in der Weise erfassen können, dass sich eine reproduzierbare Verstellung des Gegenelements 2 ergibt.

Bezugszeichenliste

1

Trägerelement

2

Gegenelement

3

Ferrofluid

4

magnetisch wirksames Element

5

elektrische Spule

6

Dauermagnet

7

Verstellvorrichtung

8

Arbeitsfläche

9

Greifer

10

Element

11

Eisenkern

Claims (13)

1. Verstellvorrichtung zur mikrogenauen Einstellung eines Ab­ standes zwischen einem Trägerelement (1) und einem dazu beweglich gelagerten Gegenelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trägerelement (1) und dem Gegenelement (2) ein Ferrofluid (3) als Verstellelement angeordnet ist, dessen äussere Form von Magnetfeldlinien mindestens eines magnetisch wirksamen und benachbart zum Ferrofluid (3) an­ geordneten Elements (4) definiert ist, wobei zur Einstel­ lung des Abstandes zwischen dem Trägerelement (1) und dem Gegenelement (2) die Magnetfeldstärke des mindestens einen magnetisch wirksamen Elements (4) einstellbar ist.

2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Trägerelement (1) als auch das Gegenelement (2) aus unmagnetischem Material gebildet sind.

3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferrofluid (3) aus einer Öl-Magnetit-Emulsion be­ steht.

4. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferrofluid (3) magnetisch wirksame Partikel ent­ hält, die von löslichkeitsfördernden Molekülen umschlossen sind.

5. Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die löslichkeitsfördernden Moleküle Tenside sind.

6. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferrofluid (3) unter Magnetfeldwirkung Tropfenform aufweist.

7. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferrofluid (3) von einer elastischen Blase um­ schlossen ist.

8. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine magnetisch wirksame Element (4) als elektrische Spule (5) ausgebildet ist.

9. Verstellvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass neben der elektrischen Spule (5) zur Erzeugung eines stationären Magnetfelds ein Dauermagnet (6) vorgesehen ist.

10. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Magnetfeldstärke mindestens zwei zueinander räumlich verstellbare Dauermagnete (6) vorgese­ hen sind.

11. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig des beweglich gelagerten Gegenelements (2) Ferrofluid (3), Trägerelemente (1) und magnetisch wirksame Elemente (4) angeordnet sind.

12. Lager für reibungsarme Auslenkungen eines auf dem Gegen­ element (2) aufgelagerten Körpers, bestehend aus mehreren, mindestens eine Auflagefläche definierenden Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Mehrdimensional wirksame Verstellvorrichtung, bestehend aus mindestens zwei zueinander orthogonal angeordneten Ver­ stellvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 11.