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Die Erfindung betrifft eine Zweiachspositioniervorrichtung gemäß Anspruch 1.
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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.
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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.
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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 -fehlern kommen kann.
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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.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Genauigkeit und des Fertigungsaufwands verbesserte Zweiachspositioniervorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zweiachspositioniervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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Demgegenüber umfasst sowohl das Basiselement, als auch das zweite Positionierelement eine Leiterplatte, an denen sämtliche mit elektrischem Strom zu versorgende Elemente bzw. Bauteile der Zweiachspositioniervorrichtung angeordnet oder darin integriert sind, so dass das erste Positionierelement keinerlei Stromversorgung bedarf. In bevorzugter Ausführungsform sind die Leiterplatten von Basiselement und zweitem Positionierelement mit einer metallischen Trägerplatte verbunden.
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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.
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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.
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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.
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Im Übrigen ergeben sich Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und - aspekten anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
- 1: perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Zweiachsposition iervorrichtu ng
- 2: Explosionsdarstellung der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß 1
- 3: Seitenansicht der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß 1 und 2
- 4: Darstellung von Einzelheiten der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den 1 bis 3 in perspektivischer Ansicht
- 5: Darstellung von Einzelheiten der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den 1 bis 3 in perspektivischer Ansicht
- 6A und 6B: Unterschiedliche perspektivische Ansichten des metallischen Trägerelements der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den 1 bis 3
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Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße Zweiachspositioniervorrichtung 1 eine dreilagige oder dreischichtige Struktur auf mit einem in 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 1 nicht erkennbare Spulenelemente.
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Auf das unten liegende Basiselement 2 folgt als mittlere Schicht oder Lage ein metallisches Trägerelement 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 1 nicht zu erkennende Magnetanordnung angeordnet, welche jeweils einem Halbach-Array entspricht.
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Die oberste Schicht oder Lage der in 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. 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.
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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. 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.
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Um eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterplatte 5 des Basiselements 2 und der Leiterplatte 5 des zweiten Positionierelements 4 zu realisieren, wodurch die Strom- bzw. Leistungsversorgung der in die Leiterplatten 5 eingebetteten Spulenelemente und 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.
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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.
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2 entspricht einer Explosionsdarstellung der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß 1. Hierbei sind im Vergleich zur Darstellung nach 1 die Linearführungseinrichtungen 100 deutlicher zu erkennen. Zudem kann 2 die in 1 nicht erkennbare Magnetanordnung 8 in Form eines Halbach-Arrays, welche im elektromagnetischen Antrieb für das zweite Positionierelement 4 Anwendung findet, entnommen werden.
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3 entspricht einer Seitenansicht der Zweiachspositioniervorrichtung 1 gemäß den 1 und 2. 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 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.
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In 4 sind nur einzelne herausgestellte bzw. herausgeschnittene Elemente der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den 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 1 bis 3 vollständig in die entsprechende Leiterplatte 5 eingebettet sind und daher bei normaler Darstellungsweise nicht zu erkennen wären, sind sie in 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.
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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.
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In 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.
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5 enthält ebenfalls nur einzelne herausgestellte bzw. herausgeschnittene Elemente der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den 1 bis 3. Insbesondere zeigt 5 das Basiselement 2 und das in dessen Leiterplatte 5 integrierte bzw. eingebettete Spulenelement 7. Weiterhin zeigt 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.
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6 zeigt in den beiden Darstellungen 6A und 6B das metallische Trägerelement 6 der Zweiachspositioniervorrichtung gemäß den 1 bis 3 in verschiedenen perspektivischen Ansichten. 6A ist hierbei die obere Seite des Trägerelements zu entnehmen, während 6B die Unterseite des metallischen Trägerelements zeigt. An der Oberseite des metallischen Trägerelements gemäß 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.
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Die Unterseite des metallischen Trägerelements ist gemäß 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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zweiachspositioniervorrichtung
- 2
- Basiselement
- 3
- erstes Positionierelement
- 4
- zweites Positionierelement
- 5
- Leiterplatte
- 6
- metallisches Trägerelement
- 7
- Spulenelement
- 8
- Magnetanordnung
- 9
- flexibles Verbindungselement
- 22
- Trägerplatte
- 42
- Trägerplatte
- 100
- Linearführungseinrichtung
- 200
- Steckerelement
- 300
- Messvorrichtung
- 302
- Maßelement (der Messvorrichtung 300)
- 304
- Sensor (der Messvorrichtung 300)
- 306
- Maßstab (des Maßelements 302)
- 308
- Referenzierspur (des Maßelements 302)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0241325 A1 [0002, 0004, 0006, 0007]
