DE102019109267A1

DE102019109267A1 - Antriebsvorrichtung und -verfahren zur linearen oder rotatorischen Positionierung

Info

Publication number: DE102019109267A1
Application number: DE102019109267.1A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack
Original assignee: Picofine GmbH
Current assignee: Picofine GmbH
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für beispielsweise eine Trägheits- oder Mehraktorantriebsvorrichtung mit mindestens einem stationären Teil und mindestens einem hierzu beweglich angeordneten Objekt. Erfindungsgemäß wird ein mindestens einmal vorhandener Verschleißstreifen zwischen mindestens einer mit mindestens einem Aktor direkt oder indirekt verbundenen Reibfläche und einem zu bewegenden Objekt angeordnet, wobei der Verschleißstreifen weder zur Reibfläche noch zum zu positionierenden Objekt eine feste Verbindung aufweist, welche dazu dient die Kraft des Aktors über den Verschleißstreifen auf das zu bewegende Objekt zu übertragen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zur linearen oder rotatorischen Positionierung oder Bewegung eines Objekts und ein entsprechendes Antriebsverfahren, insbesondere einen Antrieb für eine Trägheits- oder Mehraktorantriebsvorrichtung, mit einem stationären Teil und mindestens einer hierzu beweglich angeordneten Antriebsstruktur, zum direkten Antreiben eines makroskopisch zu positionierenden oder zu bewegenden Objekts.
Es ist bekannt, Trägheitsantriebe (z.B. Piezo-Slip-Stick-Antriebe) mit elektrischen Signalen zu versorgen, um ein zu positionierenden Objekt mit einer hohen Bewegungsauflösung zu bewegen.
Beispielhafte Ausführungen sind z.B. aus „Dynamic piezoelectric translation devices" von D.W. Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57) und WO 98/19347 bekannt.
Ebenfalls ist es bekannt, ein Objekt durch den Einsatz mehrerer Aktoren mit einer hohen Bewegungsauflösung zu positionieren, wobei hier die mehreren Aktoren in einer geeigneten Weise zusammenarbeiten, um gemeinsam ein zu positionierendes Objekt zu bewegen.
Beispiele hierzu finden sich in EP 0 750 356 A1 , WO 93/19494 und DE 10 2009 013 849 A1 .
Es wird in beiden Fällen über eine oder mehrere Reibflächen ein Objekt angetrieben, wobei die Bewegungen der Aktoren über Reibflächen auf das zu positionierendes Objekt übertragen werden, wobei die Reibflächen des oder der Aktoren und des zu positionierenden Objekts im Reibkontakt stehen. Dem Stand der Technik entsprechend ist eine der Reibflächen über bekannte Verbindungstechnologien, wie z.B. Kleben, fest mit dem zu positionierenden Objekt verbunden. Diese Reibfläche wird im Folgenden „Verschleißstreifen“ oder auch allgemeiner „Verschleißelement“ genannt. In Ausnahmefällen sind das zu positionierende Objekt und der Verschleißstreifen integral aus einem Bauteil gefertigt, z.B. wenn das zu positionierende Objekt aus einem entsprechend verschleißfesten Material gefertigt ist, so dass es keiner separaten, verschleißfesten Reibfläche bedarf.
Soweit sich im Folgenden aus dem Zusammenhang in Einzelfall nichts Anderes ergibt, ist zu verstehen, dass der Begriff „Verschleißstreifen“ synonym und austauschbar mit dem Begriff „Verschleißelement“ ist, also der Einfachheit halber bisweilen der Begriff „Verschleißstreifen“ unabhängig davon genutzt wird, ob damit tatsächlich auch ein Streifen im eigentlichen Sinne oder aber eine andere Geometrie, wie z.B. eine Scheibe, bezeichnet wird.
Es hat sich gezeigt, dass es bei den bekannten Ansätzen aufwendig und verhältnismäßig schwer ist, einen Verschleißstreifen so eben an dem zu positionierende Objekt zu befestigen, dass der von der Anpresskraft abhängige Antrieb, wie z.B. ein Trägheitsantrieb, nicht von Schwankungen in der Ebenheit, z.B. durch eine variierende Klebstoffdicke, negativ beeinflusst wird. Sich verändernde Anpresskräfte aufgrund von Schwankungen in der Ebenheit, mit der der Verschleißstreifen befestigt ist, führen schnell zu veränderlichen Kräften des Antriebs und in der Regel auch zu veränderlichen Geschwindigkeiten, so dass ganz allgemein die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit leidet.
Ein Verschleißstreifen unterliegt einem Verschleiß, selbst wenn dieser aus sehr robusten Material, wie z.B. Keramik gefertigt wird. Ein mit dem zu positionierenden Objekt fest verbundener Verschleißstreifen kann jedoch, wenn ein Verschleiß festgestellt wird, nicht ohne großen Auswand ausgetauscht werden. In der Regel wird bisher entweder der Verbund aus zu positionierendem Objekt und dem Verschleißstreifen entsorgt und gegen einen neuen Verbund ausgetauscht, oder es wird mühsam der Verbund aufgelöst, so dass ein neuer Verschleißstreifen aufgebracht werden kann. Bei einer (an sich seltenen) integralen Ausführung von Verschleißstreifen und Objekt kommt es zuallermeist zur Entsorgung, da eine Aufbereitung eines solchen Objekts normalerweise nicht vernünftig zu leisten ist.
Wünschenswert sind Lösungen, bei denen ein Verschleißstreifen problemlos mit der Ebenheit des zu positionierenden Objekts aufgebracht werden kann und im Falle eines zu hohen Verschleißes einfach ausgetauscht werden kann. Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, einen Antrieb und ein entsprechendes Antriebsverfahren vorzustellen, die einen Verschleißstreifen mit minimalen Aufwand integrieren lassen und insbesondere einen späteren Austausch des Verschleißstreifens in einfacher Weise erlauben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Antriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung oder Bewegung eines Objekts vorgeschlagen, mit einem Aktor mit einer direkt oder indirekt daran befestigten Reibfläche und einem Verschleißelement, das zwischen dem Objekt und der Reibfläche des Aktors angeordnet ist oder dazu ausgestaltet ist, zwischen dem Objekt und der Reibfläche des Aktors angeordnet zu werden, wobei die Antriebsvorrichtung dazu ausgestaltet, zumindest im Betrieb das Verschleißelement zwischen dem Objekt und der Reibfläche zu klemmen, und wobei das Verschleißelement weder zur Reibfläche noch zum Objekt eine feste Verbindung aufweist, welche dazu ausgelegt wäre, eine Kraft des Aktors über das Verschleißelement auf das Objekt zu übertragen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also eine Antriebsvorrichtung zur Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, bei der der Verschleißstreifen nicht mit dem anzutreibenden Objekt fest verbunden wird. Stattdessen wird der Verschleißstreifen durch die Reibfläche, die am Aktor angeordnet ist, an das zu positionierende Objekt gepresst. Es wurde gefunden, dass es dabei erstaunlicherweise nicht zu einem Wandern des Verschleißstreifens relativ zum zu positionierenden Objekt kommt. Das Objekt bleibt relativ zum anzutreibenden Objekt in fester relativer Position, so dass es die Kraft und Bewegung des Aktors voll auf das anzutreibende Objekt übertragen wird. Dieses unerwartete Verhalten erlaubt es, dass ein Verschleißstreifen also ohne ein Medium zur Verbindung zum anzutreibenden Objekt eingesetzt werden kann, so dass keine Schwankungen, z.B. durch eine unregelmäßige Klebstoffschicht, mehr auftreten und es möglich ist den Verschleißstreifen problemlos auszutauschen. Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts umfasst mindestens einem Verschleißstreifen, der zwischen einem zu positionierenden Objekt und mindestens einer an einem Aktor direkt oder indirekt befestigten Reibfläche angeordnet ist, wobei der Verschleißstreifen zwischen dem zu positionierenden Objekt und der Reibfläche geklemmt wird und wobei der Verschleißstreifen weder zur Reibfläche noch zum zu positionierenden Objekt eine feste Verbindung aufweist, welche dazu dient, die Kraft des Aktors über den Verschleißstreifen auf das zu bewegende Objekt zu übertragen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Antriebsverfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung oder Bewegung eines Objekts mit den Schritten des Anordnens eines Verschleißelements zwischen einer direkt oder indirekt an einem Aktor befestigen Reibfläche und dem Objekt, derart dass das Verschleißelement weder zur Reibfläche noch zum Objekt eine feste Verbindung aufweist, welche dazu ausgelegt wäre, eine Kraft des Aktors über das Verschleißelement auf das Objekt zu übertragen, des Bereitstellens einer Anpresskraft, so dass das Verschleißelement zwischen dem Objekt und der Reibfläche geklemmt ist, und des Bewegens der Reibfläche durch den Aktor, um das Objekt zu positionieren oder zu bewegen, vor.
Zumindest ein Aspekt eines erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich auch als Verfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts beschreiben, mit einem Anordnen eines Verschleißstreifens zwischen der Reibfläche, die direkt oder indirekt am Aktor befestigt ist, und einem zu bewegenden Objekt, ohne dass der Verschleißstreifen über eine feste Verbindung zum zu bewegenden Objekt verfügt, welche die Kraft des Aktors über den Verschleißstreifen auf das zu bewegenden Objekt überträgt, einem Bereitstellen einer Anpresskraft, so dass der Verschleißstreifen zwischen dem Reibstreifen und dem zu positionierenden Objekt geklemmt ist, und einem Bewegen der Reibfläche durch mindestens einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor parallel oder tangential zur Bewegungsrichtung unter dauerhafter Beibehaltung des Reibkontakts zwischen Reibfläche und Objektoberfläche
Ebenso wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, mit den Schritten: Anordnen eines Verschleißstreifens zwischen der Reibfläche eines am piezoelektrischen oder elektrostriktiven, direkt oder indirekt, befestigten Aktors und einem zu positionierenden Objekts, wobei der Verschleißstreifen keine feste Verbindung mit dem zu positionierenden Objekt, die dafür ausgelegt ist die Kräfte des Aktors zu übertragen, aufweist und zwischen diesen zwei Objekten eingepresst ist.
Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zu Grunde:

Erfindungsgemäß kann mindestens ein Verschleißstreifen, zwischen mindestens einer Reibfläche, die direkt oder indirekt an mindestens einem Aktor befestigt ist, und einem zu positionierenden Objekt angeordnet sein, wobei der Verschleißstreifen zwischen der Reibfläche und dem anzutreibenden Objekt geklemmt ist, und die Kraft und Bewegung des Aktors über den Verschleißstreifen auf das zu bewegende Objekt übertragen wird, ohne dass der Verschleißstreifen zu dem zu bewegenden Objekt eine feste Verbindung aufweist, die ausgestaltet ist, die Kraft und Bewegung des Aktors auf den Verschleißstreifen zu übertragen.

Auf diese Weise kann der mindestens eine Aktor das zu bewegende Objekt verschieben, wobei die Reibfläche und das zu positionierende Objekt im permanenten Kontakt mit dem Verschleißstreifen bleiben.
Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere eine nicht-resonante lineare und/oder rotatorische Positionierung oder Bewegung des Objekts vor, ohne notwendigerweise hierauf beschränkt zu sein, soweit sich nicht jeweils aus den Details einer Ausgestaltung etwas Anderes ergibt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Fehlen einer festen Verbindung zwischen dem Verschleißelement und der Reibfläche, welche dazu ausgelegt wäre, die Kraft des Aktors über das Verschleißelement auf das Objekt zu übertragen, insbesondere dadurch gegeben, dass zwischen der Reibfläche und dem Verschleißelement weder eine stoffschlüssige Verbindung noch eine zumindest entlang einer Positionierungs- oder Bewegungsrichtung spielfreie formschlüssige Verbindung besteht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Fehlen einer festen Verbindung zwischen dem Verschleißelement und dem Objekt, welche dazu ausgelegt wäre, die Kraft des Aktors über das Verschleißelement auf das Objekt zu übertragen, insbesondere dadurch gegeben, dass entweder zwischen dem Verschleißelement und dem zu positionierenden Objekt keine stoffschlüssige oder entlang einer Positionierungs- oder Bewegungsrichtung spielfreie formschlüssige Verbindung besteht, oder die Antriebsvorrichtung dazu ausgestaltet, zumindest im Betrieb das Verschleißelement zwischen dem Objekt und der Reibfläche mit einer derartigen Kraft einzuklemmen, dass sich ein Reibschluss zwischen dem zu positionierenden Objekt und dem Verschleißelement zur Aufnahme einer Kraft entlang der Positionierungs- oder Bewegungsrichtung ergibt, die größer ist als eine Kraft, die von der stoffschlüssigen oder formschlüssigen Verbindung entlang der Positionierungs- oder Bewegungsrichtung aufgenommen werden kann.
Hierbei wird eine „spielfreie formschlüssige Verbindung“ dann angenommen, wenn der entsprechende Formschluss so ausgelegt ist, dass entweder eine vollständige Passung vorliegt oder der Formschluss bei einer Vor- und Zurückbewegung allenfalls eine Relativbewegung zulässt, die in der gleichen Größenordnung wie die Positioniergenauigkeit des Aktors liegt. Bei der Darstellung in 5 (siehe näheres weiter unten) liegt zwar ein (loser) Formschluss zwischen Objekt und Verschleißstreifen vor, dieser ist (unter der Annahme einer maßstäblichen Darstellung hinsichtlich der relativen Abmessungen) aber mit einem großen Spiel versehen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist das Verschleißelement zwischen der Reibfläche und dem anzutreibenden Objekt eingeschoben und dabei geklemmt, ohne dass das Verschleißelement gegen ein Verdrehen oder Verschieben aufgrund äußerer Kräfte gesichert wird. Das macht einen Austausch des Verschleißelements besonders einfach, wenn dieses z.B. einen gewissen Verschleißgrad überschritten hat.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Teil des Verschließelemente in einer Aussparung des Objekts angeordnet oder anzuordnen und/oder zumindest ein Teil des Objekts in einer Aussparung des Verschleißelements aufgenommen oder kann darin aufgenommen werden. Beispielsweise ist das Verschleißelement in einer Aussparung innerhalb des anzutreibenden Objektes eingelegt, so dass der Verschleißstreifen nicht über die Wandungen innerhalb der Aussparung hinaus bewegt werden kann. Ebenso ist es möglich, dass das anzutreibende Objekt in einer Aussparung innerhalb des Verschleißstreifens eingelegt wird. Alternativ zur Aussparung ist es selbstverständlich auch möglich stoppende Elemente, wie z.B. einen Rahmen, an dem anzutreibenden Objekt oder an dem Verschleißstreifen zu befestigen, so dass der Verschleißstreifen nicht entfernt werden kann, ohne die stoppenden Elemente zu entfernen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wird das zu positionierende Objekt über eine Führung bezüglich der beweglichen Freiheitsgrade eingeschränkt. Mit anderen Worten weist die Antriebsvorrichtung eine Objektführung zur Beschränkung wenigstens eines Freiheitsgrads des Objekts auf. Dabei kann es sich z.B. um ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein magnetisches Lager, ein Luftlager und/oder Festkörpergelenke handeln.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Verschleißelement geführt, so dass dieses in den frei beweglichen Freiheitsgraden eingeschränkt wird. Mit anderen Worten weist hierbei die Antriebsvorrichtung eine Verschleißelementführung für ein bewegliches Führen des Verschleißelements zum Objekt auf bzw. wird das Verschleißelement zum zu bewegenden oder zu positionierenden Objekt beweglich geführt.
In einem einfachen Fall werden sowohl das zu bewegenden bzw. zu positionierende Objekt als auch das Verschleißelement geführt und die Freiheitsgrade sind dabei identisch oder es liegt zumindest ein gleicher Freiheitsgrad vor. Dabei kann es sich wieder z.B. um ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein magnetisches Lager, ein Luftlager und/oder Festkörpergelenke handeln.
Eine besonders interessante Ausführung ergibt sich, wenn der oder die Freiheitsgrade des geführten Verschleißelements nicht mit dem oder den Freiheitsgraden des geführten, zu positionierenden oder zu bewegenden Objekts übereinstimmen. So ist es z.B. möglich, einen Verschleißstreifen rotatorisch zu lagern, während das zu positionierende Objekt linear gelagert ist. Das erlaubt es dann, das zu positionierende Objekt über lange Strecken zu bewegen, ohne dass ein unter Umständen schwer herstellbarer Verschleißstreifen hergestellt werden muss, der so lang ist wie die lange Strecke. Stattdessen reicht es z.B. den Verschleißstreifen als eine einfache Scheibe auszuführen, was sehr viel einfacher herzustellen ist als ein langer Streifen. Im Ergebnis ist es möglich, dass das bewegliche Objekt aus verhältnismäßig weichem Material besteht und trotzdem nicht schnell verschleißt, da der Verschleißstreifen davor schützt.
Insbesondere bei einer Ausführung, bei der jeweils eine Führung für Objekt und Verschleißelement vorgesehen ist, die sich hinsichtlich des oder der Freiheitsgrade(s) unterscheiden, ist nicht nur eine nicht-resonante sondern auch (alternativ oder ergänzend) eine resonante linearen und/oder rotatorischen Positionierung oder Bewegung des Objekts vorgesehen (etwa per Ultraschallantrieb).
Unter bestimmten Bedingungen kann es sinnvoll oder gar nötig sein, etwa ein Verdrehen oder Herausschieben des Verschleißelements durch externe Kräfte verhindert, indem dieses durch eine schwache stoffschlüssige Verbindung (z.B. ein wenig Kleber) leicht auf dem zu bewegenden Objekt fixiert wird, wobei der Kleber oder dergleichen dabei nicht zwischen dem zu positionierenden Objekt und dem Verschleißelement so angeordnet wird, das der Vorteil einer sich als eben ergebenen Lauffläche auf dem Verschleißelement zunichtegemacht würde und/oder einen Austausch des Verschleißelements zu sehr erschweren würde. Wichtig ist, dass die Verbindung nicht dazu genutzt wird, die auf den Verschleißstreifen übertragenen Kräfte auf das zu positionierende Objekt zu bringen. Dafür bedarf es eben nicht dieser Verbindung. Daher reicht es eine sehr schwache Verbindung herzustellen, die deutlich geringer sein darf als die Kraft des Aktors. Anstatt des Klebens können auch andere Verbindungstechniken, wie z.B. Löten verwendet werden. Während bei herkömmlichen, etwa geklebten Verschleißstreifen die damit vorgesehene stoffschlüssige Verbindung Scherkräfte von bis zu 3 N oder gar 10 N aufnehmen kann und soll, kann eine Sicherung gegen etwa ein ungewolltes Verrutschen in einem Zustand, bei dem in der Antriebsvorrichtung die an sich das Verschleißelement fixierende Anpresskraft noch nicht (oder noch nicht ausreichend) aufgebracht wird, eine deutlich geringe (z.B. um eine Größenordnung kleiner) Festigkeit aufweisen. Es kann beispielsweise vorgesehen werden, dass das Verschleißelement lediglich durch eine kleine Klebstoffmenge am seitlichen Rand des Verschleißelements auf dem Objekt gegen ein ungewolltes Lösen oder dergleichen gesichert ist, wobei bei einem Austausch des Verschleißelements der Stoffschluss relativ leicht gebrochen und verbleibender Klebstoff auch vom Objekt vergleichsweise einfach entfernt werden kann. Es kann hierbei sogar vorgesehen sein, das Klebstoffreste am Objekt verbleiben, die dann nach einem Einlegen eines neuen Verschleißelements dieses im Form eines Formschlusses mit geringem Spiel halten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anpresskraft des Reibkontakts über eine Feder erzeugt wird, gegebenenfalls einstellbar, über Mittel, wie z.B. Schrauben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein weiter Bereich zum Einstellen der Anpresskraft (die in einem Ruhezustand des Antriebs zu einer statischen Reibkraft führt) genutzt werden kann. Das macht es auch unerfahrenen Anwendern möglich, die Kraft richtig zu justieren und erleichtert die Fertigung und Nutzung von erfindungsgemäßen Positioniereinheiten erheblich.
Es ist möglich, dass durch die Wahl der Materialien, Oberflächenbeschaffen und gegebenenfalls Schmierung zwischen den Verschleißstreifen und dem Reibkontakt einen anderen Reibungskoeffizienten einzustellen als zwischen dem Verschleißstreifen und dem anzutreibenden Objekt. Erstaunlicherweise funktioniert der Antrieb sogar dann tadellos, wenn der Reibungskoeffizienten zwischen dem Verschleißstreifen und dem anzutreibenden Objekt niedriger ist als zwischen Verschleißstreifen und dem Reibkontakt. Bei einem Trägheitsantrieb nach dem „Stick-Slip“-Prinzip muss allerdings der Kraftschluss zwischen dem Verschleißelement und dem Objekt so groß sein, dass bei der „Stick“-Phase noch kein Übergang zur Gleitreibung auftritt. In einer vorteilhaften Ausführung ist allerdings der Reibungskoeffizient zwischen dem Verschleißelement und dem anzutreibenden Objekt höher als der zwischen dem Verschleißelement und der Reibfläche des Aktors.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung weist die Antriebseinheit wenigstens zwei Aktoren auf.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist die Antriebsvorrichtung als Trägheitsantrieb ausgestaltet.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist der Antriebsvorrichtung als Mehraktorantrieb ausgestaltet.
Erfindungsgemäße Antriebsvorrichtungen können in unterschiedlicher Weise in Mehraktorantriebsvorrichtungen verwendet werden. Eine sehr flexible Variante ist es, wenn mehrere der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtungen parallel eingesetzt werden. Die Aktoren der verschiedenen Antriebsstrukturen können dann mit für Trägheitsantrieben geeigneten Steuersignalen angetrieben werden und treiben somit ein gemeinsam zu bewegendes Objekt an.
Alternativ kann eine stationäre Basis auch mit mehreren Aktoren ausgestattet sein, so dass schon mit einer Antriebsstruktur eine Bewegung gemäß eines Mehraktorantriebs erzeugt werden kann. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Aktoren und Reibkörper dabei mechanisch parallel oder seriell auf das zu bewegende Objekt wirken.
Die Antriebe können für lineare und rotatorische Trägheits- oder Mehraktorantriebsvorrichtungen verwendet werden. Es sind auch Antriebsvorrichtungen mit mehr als einem Freiheitsgrad möglich.
Das zu positionierende Objekt kann sowohl einteilig sein als auch aus mehreren Komponenten bestehen, die in direkter oder indirekter Verbindung stehen.
Ziel kann es sein, entweder das Objekt als solches zu bewegen oder einen anderen Gegenstand über die Positionierung des Objektes mit zu bewegen (hierbei ist dann die Bewegung bzw. Positionierung des Objekts Mittel zu einer Bewegung oder Positionierung des anderen Gegenstands).
Insbesondere eine hochauflösende Bewegung des Objekts durch eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann durch den Einsatz von Wegsensoren, wie z.B. optischen Encodern oder Laserinterferometern überwacht werden.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen definiert, wobei zu verstehen ist, dass eine Ausführungsform, die im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben ist, ebenso als Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verstehen ist, was auch umgekehrt gilt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt

1 eine Prinzipskizze eines bekannten Trägheitsantriebs mit typischer Sägezahnansteuerung,
2 eine schematische Illustration eines bekannten Mehraktorantriebs,
3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung eines bekannten Mehraktorantriebs und der resultierenden Bewegung,
4 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
7 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
8 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
9 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung und
10 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens.

1 zeigt eine Prinzipskizze eines bekannten Trägheitsantriebs mit typischer Sägezahnansteuerung.
Bei einem bekannten Trägheitsantrieb ist ein Aktor D vorgesehen, der typischerweise mit einem sägezahn-ähnlichen, periodischen Signal beaufschlagt wird und eine Beschleunigung relativ zu einem reibschlüssig mit dem Aktor verbundenen beweglich gelagerten Läufer E bewirkt. An der abfallenden Flanke der Aktorsignals zieht sich der Aktor D wieder zusammen, wobei infolge der Trägheit des Läufers E dieser dem Rückzug des Aktors D nicht folgt, so dass sich eine Relativverschiebung zwischen Aktor D und Läufer E ergibt.
Werden mehrere solcher Antriebe parallel zueinander eingesetzt, lassen sich einfach sogenannten Mehraktorantriebe aufbauen.
2 zeigt eine schematische Illustration eines bekannten Mehraktorantriebs.
Ein bekannter Mehrantrieb weist mehrere Aktoren auf. In diesem Fall sind drei Aktoren 1₁, 1₂, 1₃ vorgesehen, wobei der Mehraktorantrieb aber im Grunde beliebig viele Aktoren aufweisen kann, die jeweils über ein Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub (im Falle von Piezoaktoren in der Regel bis zu einigen µm) angeregt werden können. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2₁, 2₂, 2₃ auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt stehen. Die Aktoren stehen jeweils mit einem Träger 4 in festen Kontakt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansteuerung eines bekannten Mehraktorantriebs, wie er in 2 gezeigt ist, und der resultierenden Bewegung. In 3 sind typische Spannungsverläufe a, b, c über die Zeit zur Ansteuerung der drei Aktoren dargestellt, wobei jeweils eine zeitversetzte Sägezahnansteuerung vorliegt. Hierbei ergibt sich die in 3 die daraus für den Läufer resultierende typische Bewegung d.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 40 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst ein anzutreibendes Objekt 41und einen Aktor 42, der direkt oder indirekt mit einer Reibfläche 43 verbunden ist. Über eine Kraft F wird die Reibfläche gegen den Verschleißstreifen 44 gepresst, wodurch der Verschleißstreifen 44, der an dem anzutreibenden Objekt 41 anliegt, zwischen der Reibfläche 43 und dem anzutreibenden Objekt 41 geklemmt wird. Es ist von Vorteil, wenn auch nicht notwendig, wenn das anzutreibende Objekt 41 gegenüber einer stationären Basis 45 geführt wird, wobei in der Abbildung als Beispiel eine Kugellagerung 46 dargestellt ist. Der Verschleißstreifen 44 weist keine feste Verbindung zum anzutreibenden Objekt 41 auf, welche geeignet ist, die volle Kraft des Aktors 42 auf das anzutreibende Objekt 41 zu übertragen. Auch wenn in der 4 eine lineare Antriebsvorrichtung gezeigt wurde, kann das Prinzip so auch für rotatorische Antriebsvorrichtungen genutzt werden.
Wenn mehrere Aktoren bzw. Antriebe parallel vorliegen, kann die Ansteuerung u.a. auch gemäß der obigen Darstellung zum Betrieb eines Mehraktorantriebs erfolgen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 50 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst, ähnlich zur Antriebsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, ein anzutreibendes Objekt 51 und einen Aktor 52, der direkt oder indirekt mit einer Reibfläche 53 verbunden ist. Über eine Kraft F wird die Reibfläche 53 gegen den Verschleißstreifen 54 gepresst, wodurch der Verschleißstreifen 54, der an dem anzutreibenden Objekt 51 anliegt, zwischen der Reibfläche 53 und dem anzutreibenden Objekt 51 geklemmt wird. Dabei ist von Vorteil, wenn auch nicht notwendig, wenn das anzutreibende Objekt 51 gegenüber einer stationären Basis 55 geführt wird, wobei in der Abbildung eine Kugellagerung 56 dargestellt ist. Der Verschleißstreifen 54 weist keine feste Verbindung zum anzutreibenden Objekt 51 auf, welche geeignet ist die volle Kraft des Aktors 52 auf das anzutreibende Objekt 51 zu übertragen. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, weist im zweiten Ausführungsbeispiel das anzutreibende Objekt 51 eine Aussparung (mehrere sind auch möglich) auf, innerhalb derer der Verschleißstreifen 54 liegt. Alternativ, wenn auch im Allgemeinen nicht vorteilhaft, ist es auch möglich, dass anstatt des anzutreibenden Objektes 51 der Verschleißstreifen 54 eine oder mehrere Aussparungen aufweist. Ebenfalls möglich, wenn auch unpraktisch, ist es, wenn das anzutreibende Objekt 51 und auch der Verschleißstreifen 54 über ineinandergreifende Strukturen verfügen. Anstatt Strukturen direkt in die Objekte 51 (anzutreibende Objekt) oder 54 (Verschleißstreifen) einzuarbeiten, ist es auch möglich zunächst separate Strukturen, wie z.B. Rahmen aufzubringen.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 60 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel umfasst, ähnlich zur den Antriebsvorrichtungen gemäß der ersten zwei Ausführungsbeispiele, ein anzutreibendes Objekt 61 und einen Aktor 62, der direkt oder indirekt mit einer Reibfläche 63 verbunden ist. Über eine Kraft F wird die Reibfläche 63 gegen den Verschleißstreifen 64 gepresst, wodurch der Verschleißstreifen 64, der an dem anzutreibenden Objekt 61 anliegt, zwischen der Reibfläche und dem anzutreibenden Objekt 61 geklemmt wird. Dabei ist von Vorteil, wenn auch nicht notwendig, wenn das anzutreibenden Objekt 61 gegenüber einer stationären Basis 65 geführt wird, wobei in der Abbildung eine Kugellagerung 66 dargestellt ist.
Der Verschleißstreifen 64 weist keine feste Verbindung zum anzutreibenden Objekt 61 auf, welche geeignet ist die volle Kraft des Aktors 62 auf das anzutreibende Objekt 61 zu übertragen. Allerdings wird der Verschleißstreifen 64 gegenüber der stationären Basis 65 geführt, wobei diese Führung in der Abbildung über eine lineare Kugellagerung 67 dargestellt ist. Es ist möglich, dass der Verschleißstreifen 64 mit einer von der Kraft F abweichenden Kraft auf das anzutreibende Objekt 61 gepresst wird, da über die Lagerung des Verschleißstreifens 64 eine positive oder negative Kraft auf den Verschleißstreifen 64 wirken gelassen werden kann. Von Vorteil ist, wenn diese zusätzliche Kraft positiv ist, so dass der Verschleißstreifen 64 mit einer höheren Kraft als F an das anzutreibende Objekt 61 gepresst wird.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 70 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel umfasst, ähnlich zur den Antriebsvorrichtungen gemäß der ersten drei Ausführungsbeispiele, ein anzutreibendes Objekt 71 und einen Aktor 72 der direkt oder indirekt mit einer Reibfläche 73 verbunden ist. Über eine in der Abbildung nicht dargestellte Kraft wird die Reibfläche 73 gegen den Verschleißstreifen 74 gepresst, wodurch der Verschleißstreifen 74, der in einem Bereich an dem anzutreibenden Objekt 71 anliegt, zwischen der Reibfläche 73 und dem anzutreibenden Objekt 71 geklemmt wird. In der Abbildung ist der Verschleißstreifen 74 scheibenförmig ausgeführt und wird über ein Lager 77 drehbar gelagert. Es ist von Vorteil, wenn auch nicht notwendig, wenn das anzutreibenden Objekt 71 gegenüber einer stationären Basis 75 geführt wird, wobei in der Abbildung eine lineare Kugellagerung 76 dargestellt ist. Der Verschleißstreifen 74 weißt keine feste Verbindung zum anzutreibenden Objekt 71 auf.
Es ist auch hier möglich, dass der Verschleißstreifen 74 mit einer von der Kraft F abweichenden Kraft auf das anzutreibende Objekt 71 gepresst wird, da über die Lagerung des Verschleißstreifens 74 eine positive oder negative Kraft auf den Verschleißstreifen 74 wirken gelassen werden kann.
Es ist möglich, dass in Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels der Verschleißstreifen linear geführt wird, während das anzutreibende Objekt rotatorisch geführt wird.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 80 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem vierten Ausführungsbeispiel. Jedoch greift die Reibfläche 83 weiter innen im Radius des Verschleißstreifens 84 an, während der Kontakt des Verschleißstreifens 84 zum anzutreibenden Objekt 81 weiter außen am Radius greift. In der Folge dessen wirkt der Verschleißstreifen 84 wie ein Hebel, so dass der Hub des Aktors 82 vergrößert auf das anzutreibende Objekt wirkt. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Lagen der Angriffspunkte für die Reibfläche und/oder des anzutreiben Objekts auf den Radius des Verschleißstreifens verschiebbar vorgesehen werden, was dann wie ein Getriebe genutzt werden kann um die Geschwindigkeit stufenlos eizustellen.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 90 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel umfasst, ähnlich zur den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen für Antriebsvorrichtungen, ein anzutreibendes Objekt 91 und einen Aktor 92 der direkt oder indirekt mit einer Reibfläche 93 verbunden ist. Über eine Kraft F wird die Reibfläche 93 gegen die Mantelfläche des Verschleißstreifen 94 gepresst, wodurch der Verschleißstreifen 94, der an der identischen oder einer weiteren Mantelfläche an dem anzutreibenden Objekt 91 anliegt, zwischen der Reibfläche 93 und dem anzutreibenden Objekt 91 geklemmt wird. In der Abbildung ist der Verschleißstreifen 94 scheibenförmig ausgeführt und wird über ein Lager 97, drehbar gelagert. Es ist von Vorteil, wenn auch nicht notwendig, wenn das anzutreibenden Objekt 91, gegenüber einer stationären Basis 95 geführt wird, wobei in der Abbildung eine lineare Kugellagerung 96 dargestellt ist. Der Verschleißstreifen 94 weißt keine feste Verbindung zum anzutreibenden Objekt 91 auf. In der Abbildung wird der Verschleißstreifen 94 auf einem kleineren Radius angetrieben als der Radius, der mit dem der Verschleißstreifen 94 mit dem anzutreiben Objekt 91 in Kontakt steht. In der Folge dessen wirkt der Verschleißstreifen 94 wie ein Hebel, so dass der Hub des Aktors 92 vergrößert auf das anzutreibende Objekt wirkt. Selbstverständlich können die jeweiligen Radien identisch gewählt werden oder das Verhältnis umgekehrt werden.
10 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens.
Das in diesem Beispiel als nicht-resonant vorgesehene Antriebsverfahren 100 umfasst die Schritte des

- Anordnens 110 eines Verschleißstreifens zwischen der Reibfläche, die direkt oder indirekt am Aktor befestigt ist, und einem zu bewegenden Objekt, ohne dass der Verschleißstreifen über eine feste Verbindung zum zubewegenden Objekt verfügt, welche die Kraft des Aktors über den Verschleißstreifen auf das zu bewegenden Objekt überträgt,
- Bereitstellens 120 einer Anpresskraft, so dass der Verschleißstreifen zwischen dem Reibstreifen und dem zu positionierenden Objekt geklemmt ist und des
- Bewegens 130 der Reibfläche durch mindestens einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor parallel oder tangential zur Bewegungsrichtung unter dauerhafter Beibehaltung des Reibkontakts zwischen Reibfläche und Objektoberfläche.

Auch wenn die oben diskutierten Ausführungsbeispiele sich jeweils auf eine lineare Bewegung des anzutreibenden Objektes beziehen, ist die Erfindung nicht auf eine solche lineare Bewegung beschränkt und eine rotatorische Bewegung sowie zusammengesetzte Bewegungen und Positionierungen sind ebenfalls möglich. Bei einer rotatorischen Bewegung bzw. Positionierung erfolgt das Bewegen der Reibfläche tangential statt parallel.
Vorzugsweise sind die relativ zum stationären Teil zu bewegenden Objekte beweglich über ein oder mehrere Walzkörperführungen oder eine Gleitlagerung gelagert. Als Lager können auch andere Lager, wie z.B. Luftlager oder magnetische Lager eingesetzt werden.
Bevorzugt ist es, dass die anpressende Kraft, mit der der Verschleißstreifen zwischen Reibfläche und anzutreiben Objekt geklemmt wird, über eine einstellende Federstruktur festgelegt wird. Es ist möglich, dass die Wirkrichtung der zum Einsatz kommenden Federn durch eine mechanische Struktur umgelenkt wird.
Es ist ferner möglich, dass mehrere Aktoren parallel eingesetzt werden, so dass die Aktoren so angesteuert werden können, dass eine anzutreibende Fläche auch gemäß dem Prinzip des Mehraktorantriebs angesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere in den Ausführungsbeispielen in der Weise beschrieben, dass die Antriebsvorrichtung als solche ortsfest ist, während das zu bewegende Objekt relativ zur Basis und damit auch absolut bewegt wird. Es muss jedoch verstanden werden, dass die Bewegung zwischen Basis und Objekt primär als die Relativbewegung zwischen diesen Elementen zu verstehen ist. Es ist ebenfalls möglich, dass die Bewegung zwischen Objekt und Basis sich als eine absolute Bewegung der Antriebsvorrichtung äußert, wobei dann das Objekt absolut gesehen ortsfest bleiben würde. Ebenso ist es möglich, dass die Relativbewegung zu einer jeweiligen Absolutbewegung von sowohl Basis als auch Objekt (in jeweils entgegengesetzter Richtung) führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 98/19347 [0003]
EP 0750356 A1 [0005]
WO 9319494 [0005]
DE 102009013849 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Dynamic piezoelectric translation devices“ von D.W. Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57 [0003]

Claims

Antriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung oder Bewegung eines Objekts, mit: einem Aktor mit einer direkt oder indirekt daran befestigten Reibfläche und einem Verschleißelement, das zwischen dem Objekt und der Reibfläche des Aktors angeordnet ist oder dazu ausgestaltet ist, zwischen dem Objekt und der Reibfläche des Aktors angeordnet zu werden, wobei die Antriebsvorrichtung dazu ausgestaltet, zumindest im Betrieb das Verschleißelement zwischen dem Objekt und der Reibfläche zu klemmen, und wobei das Verschleißelement weder zur Reibfläche noch zum Objekt eine feste Verbindung aufweist, welche dazu ausgelegt wäre, eine Kraft des Aktors über das Verschleißelement auf das Objekt zu übertragen.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antriebsvorrichtung zur nicht-resonanten linearen und/oder rotatorischen Positionierung oder Bewegung des Objekts ausgestaltet ist, insbesondere als eine Trägheitsantriebsvorrichtung oder als eine Mehraktorantriebsvorrichtu ng.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Fehlen einer festen Verbindung zwischen dem Verschleißelement und der Reibfläche, welche dazu ausgelegt wäre, die Kraft des Aktors über das Verschleißelement auf das Objekt zu übertragen, dadurch gegeben ist, dass zwischen der Reibfläche und dem Verschleißelement weder eine stoffschlüssige Verbindung noch eine zumindest entlang einer Positionierungs- oder Bewegungsrichtung spielfreie formschlüssige Verbindung besteht.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Fehlen einer festen Verbindung zwischen dem Verschleißelement und dem Objekt, welche dazu ausgelegt wäre, die Kraft des Aktors über das Verschleißelement auf das Objekt zu übertragen, dadurch gegeben ist, dass entweder zwischen dem Verschleißelement und dem zu positionierenden Objekt keine stoffschlüssige oder entlang einer Positionierungs- oder Bewegungsrichtung spielfreie formschlüssige Verbindung besteht, oder die Antriebsvorrichtung dazu ausgestaltet, zumindest im Betrieb das Verschleißelement zwischen dem Objekt und der Reibfläche mit einer derartigen Kraft einzuklemmen, dass sich ein Reibschluss zwischen dem zu positionierenden Objekt und dem Verschleißelement zur Aufnahme einer Kraft entlang der Positionierungs- oder Bewegungsrichtung ergibt, die größer ist als eine Kraft, die von der stoffschlüssigen oder formschlüssigen Verbindung entlang der Positionierungs- oder Bewegungsrichtung aufgenommen werden kann.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil des Verschließelemente in einer Aussparung des Objekts angeordnet oder anzuordnen ist und/oder zumindest ein Teil des Objekts in einer Aussparung des Verschleißelements aufgenommen ist oder aufgenommen werden kann.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Objektführung zur Beschränkung wenigstens eines Freiheitsgrads des Objekts, wobei die Objektführung ein Gleitlager, ein Wälzlager, ein magnetisches Lager, ein Luftlager und/oder ein Festkörpergelenk aufweist oder daraus besteht.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Verschleißelementführung für ein bewegliches Führen des Verschleißelements zum Objekt.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6 in Kombination mit Anspruch 7, wobei die Objektführung und die Verschleißelementführung wenigstens einen gemeinsamen Freiheitsgrad aufweisen.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6 in Kombination mit Anspruch 7, wobei die Objektführung und die Verschleißelementführung jeweils wenigstens einen Freiheitsgrad aufweisen, den die andere Führung nicht aufweist.
Antriebsverfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung oder Bewegung eines Objekts, mit den Schritten: Anordnen eines Verschleißelements zwischen einer direkt oder indirekt an einem Aktor befestigen Reibfläche und dem Objekt, derart dass das Verschleißelement weder zur Reibfläche noch zum Objekt eine feste Verbindung aufweist, welche dazu ausgelegt wäre, eine Kraft des Aktors über das Verschleißelement auf das Objekt zu übertragen, Bereitstellen einer Anpresskraft, so dass das Verschleißelement zwischen dem Objekt und der Reibfläche geklemmt ist, und Bewegen der Reibfläche durch den Aktor, um das Objekt zu positionieren oder zu bewegen.