特許 7228689 リニアドライブ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-15

(45)【発行日】2023-02-24

(54)【発明の名称】リニアドライブ

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/12 20060101AFI20230216BHJP

   G12B 5/00 20060101ALI20230216BHJP

【ＦＩ】

H02N2/12

G12B5/00 T

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2021521045

(86)(22)【出願日】2019-10-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-14

(86)【国際出願番号】 EP2019078057

(87)【国際公開番号】W WO2020079062

(87)【国際公開日】2020-04-23

【審査請求日】2021-06-14

(31)【優先権主張番号】102018217709.0

(32)【優先日】2018-10-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】505257752

【氏名又は名称】フィジック インストゥルメント（ピーアイ）ゲーエムベーハー アンド ツェーオー．カーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】コッツ，ブルハネッティン

【審査官】三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－２９８６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２１２８４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１１５６７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１２１０４７４９（ＤＥ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２００９－００２１９９０（ＫＲ，Ａ）

【文献】国際公開第９８／１９３４７（ＷＯ，Ａ２）

【文献】欧州特許出願公開第２５９０３１５（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／２３１９７０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ ２／１２

Ｇ１２Ｂ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

リニアドライブ（１）であって、少なくとも１つのアクチュエータ（３ａ、３ｂ）を有するアクチュエータユニット（３）と、２つのガイド要素（４ａ、４ｂ）および移動要素（５）とを備え、前記移動要素（５）は、前記アクチュエータユニット（３）によって生成される運動によるスティックスリップ効果の結果として、両方のガイド要素（４ａ、４ｂ）に沿って変位され得、前記移動要素（５）は、前記スティックスリップ効果の結果として両方のガイド要素（４ａ、４ｂ）に沿って変位させるために、静止摩擦によって前記２つのガイド要素（４ａ、４ｂ）の各々と係合され得、前記リニアドライブ（１）は、閉じたフレーム（２）を有し、前記フレーム（２）は、前記アクチュエータユニット（３）、前記２つのガイド要素（４ａ、４ｂ）および前記移動要素（５）を囲み、各ガイド要素（４ａ、４ｂ）は、前記フレーム（２）に関して、各前記ガイド要素の延在方向を横断して、弾性的に取り付けられ、それにより、各ガイド要素（４ａ、４ｂ）は、前記移動要素（５）に向かって弾性的に予荷重をかけられ、前記予荷重は、異なる方向に作用する、リニアドライブ（１）。

【請求項2】

前記アクチュエータユニット（３）は、両方のガイド要素（４ａ、４ｂ）を同時におよび／または同期しておよび／または平行軌道に沿って動かすように具現化されることを特徴とする、請求項１に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項3】

前記移動要素（５）は、前記アクチュエータユニット（３ａ、３ｂ）の無応力状態において、静止摩擦によって前記２つのガイド要素（４ａ、４ｂ）の各々と係合されることを特徴とする、請求項１または２に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項4】

前記アクチュエータユニット（３ａ、３ｂ）は、前記２つのガイド要素（４ａ、４ｂ）の一方を各々駆動する２つのアクチュエータ（３ａ、３ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項5】

前記アクチュエータユニット（３ａ、３ｂ）は、各々、前記ガイド要素（４ａ、４ｂ）の一端に配置され、運動方向に垂直であり前記ガイド要素（４ａ、４ｂ）を前記運動方向に二分する中間平面に対して、同じ側または反対側に配置されることを特徴とする、請求項４に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項6】

各ガイド要素（４ａ、４ｂ）および／または前記移動要素（５）は、１つの並進自由度のみを有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項7】

前記移動要素（５）および前記ガイド要素（４ａ、４ｂ）は、各ガイド要素（４ａ、４ｂ）と前記移動要素（５）との間のスティック位相において、接触力が、異なる方向において、前記各ガイド要素（４ａ、４ｂ）の延在軸を含む１つの平面に関して対称的に生じるように、連結されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項8】

各ガイド要素（４ａ、４ｂ）は円柱として具現化される、請求項１から７のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項9】

前記移動要素（５）は、各ガイド要素（４ａ、４ｂ）を別個のチャネル状着座部において受容する、請求項１から８のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項10】

前記フレームは直方体の外形を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項11】

各ガイド要素（４ａ、４ｂ）は、前記リニアドライブ（１）の前記フレーム（２）に関して、その延在方向を横断して、弾性的に取り付けられることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項12】

各ガイド要素（４ａ、４ｂ）は、摺動軸受（２ｅ、２ｆ、８ａ１、８ａ２、８ｂ１、８ｂ２）を介して、前記フレーム（２）に、摺動する態様で取り付けられることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項13】

各ガイド要素（４ａ、４ｂ）は、前記アクチュエータユニット（３）の方向に弾性的に予荷重をかけられることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項14】

ばね要素（６）が前記移動要素（５）に固定され、各ガイド要素（４ａ、４ｂ）は、前記移動要素（５）のあるセクションと前記ばね要素（６）のあるセクションとによって形成されるチャネル状着座部内に受容されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項15】

各ガイド要素（４ａ、４ｂ）は、抵抗材料が設けられた周縁セクション（４ａ１、４ｂ１）を有し、前記ばね要素（６）は、対応するガイド要素（４ａ、４ｂ）の前記周縁セクション（４ａ１、４ｂ１）と各々が導電的な接触状態にある摺動セグメント（６ａ）を有することを特徴とする、請求項１４に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項16】

前記フレーム（２）および／または前記移動要素（５）は、同一のリニアドライブ（１）の機械的インターフェースに連結可能な機械的インターフェースを有し、互いに連結された前記リニアドライブの移動範囲（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、互いに対して垂直な平面において延在することを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）。

【請求項17】

請求項１から１６のいずれか１項に記載のリニアドライブ（１）を２つまたは３つ備える構成であって、前記リニアドライブ（１）は、互いに連結されたリニアドライブの移動範囲（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が、互いに対して垂直な２つまたは３つの平面内にそれぞれ延在するように、互いに連結される、構成。

【請求項18】

請求項１５に記載のリニアドライブにより移動要素（５）の位置を判断する方法であって、ガイド要素（４ａ）の周縁セクション（４ａ１）の１点（Ｐ）から他のガイド要素（４ｂ）の周縁セクション（４ｂ１）のある点（Ｑ）までの抵抗が検出されることを特徴とする、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に精密位置決め手段のためのリニアドライブに関し、少なくとも１つのアクチュエータを有するアクチュエータユニット；２つのガイド要素および移動要素を備え、移動要素は、アクチュエータユニットによって生成される運動によるスティックスリップ効果の結果として、両方のガイド要素に沿って変位され得る。

【背景技術】

【0002】

ＵＳ５，７８６，６５４は（とりわけ、図１および４欄１９行から５欄）、特許請求項１のプリアンブルによるリニアドライブを開示し、２つのガイド要素のうちの第１のガイド要素（１６）は、スティックスリップ効果を発生させる働きをし（４欄１９～３１行参照）、２つのガイド要素のうちの第２のガイド要素（１７）は、トルク抵抗を引き起こして（４欄１９～３１行参照）、第１のガイド要素を中心とする移動要素の回転自由度を阻止する（４欄４６～５４行）。第２のガイド要素（１７）の代替として、リニアボールガイド（１４２、図２３）を設けることができ、それにより、移動要素（１２）は、第１のガイド要素（１６）に沿って移動するときに、第１のガイド要素（１６）の周りを回転しない。

【0003】

電磁式であろうと圧電式であろうと、作動のタイプとは無関係に、線形軸受のような精密ガイド要素が精密位置決めテーブルにおいて広く用いられている。同心面または平行面が大きな接触面にわたって適合する状態で高い剛性を提供することの利点にもかかわらず、これらの線形ガイド要素は、最も大きな空間を占有し、それによって、装置の小型化を制限する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の基底にある目的は、コンパクトな設計と、移動要素のより精密な変位度とを有する汎用リニアドライブを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

この目的を達成するために、本発明は、請求項１に記載のリニアドライブを提供し、少なくとも１つのアクチュエータを有するアクチュエータユニット；２つのガイド要素および移動要素を備え、移動要素は、アクチュエータユニットによって生成される運動によるスティックスリップ効果の結果として両方のガイド要素に沿って変位することができ、移動要素は、スティックスリップ効果の結果として２つのガイド要素に沿って変位させるために静止摩擦によって２つのガイド要素の各々と係合させることができる。それによって、両方のガイド要素が、移動要素の前進を生じさせるために用いられ、片側ドライブに存在する、２つのガイド要素間の移動要素の傾倒のリスクが低減される。したがって、移動要素を変位させるために必要とされる移動要素と２つのガイド要素の各々との間のクリアランスを、比較的小さく寸法決めすることができる。さらに、移動要素は、静止摩擦によって精密な位置で両方のガイド要素に固定され得る。

【0006】

本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
アクチュエータは、例えば電磁式または圧電式のアクチュエータである。好ましくは、アクチュエータユニットによって生成される運動は、電気的に生成される振動である。アクチュエータユニットは、１つ以上のアクチュエータ、特にピエゾアクチュエータを備えることができ、これは、電気機械変換器として働き、交流電圧をピエゾアクチュエータの振動運動に伝達する。

【0007】

アクチュエータユニットが、両方のガイド要素を同時におよび／または同期しておよび／または平行軌道に沿って動かすように具現化されることは有利であり得る。それによって、２つのガイド要素は、特に均一に移動要素を駆動して前進を生じさせることができ、したがって、それを極めて正確に位置決めすることができる。また、アクチュエータユニットは、両方のガイド要素を少なくとも段階的に同時に、および／または同期して、および／または平行軌道に沿って、ならびに少なくとも段階的に非同期に、および／または非平行横軌道に沿って動かすこともできる。

【0008】

しかしながら、移動要素が、アクチュエータユニットの無応力状態（または制御電圧がない状態もしくはアクチュエータユニットによって生成される運動がない状態）で、静止摩擦によって２つのガイド要素の各々と係合されることも補助的であることが証明され得る。これにより、移動要素の停止状態において、２つのガイド要素の各々に対する相対移動を効果的に防止することができる。主に精密位置決め手段におけるリニアドライブの適用に対して、この実施形態は特に有利である。

【0009】

さらに、２つのガイド要素の各々および／または移動要素および／または移動要素の少なくとも１つの接触セクションが、非磁性または非磁化可能材料、好ましくはセラミック、好ましくは酸化物セラミック、特に好ましい酸化アルミニウムから形成される場合、有用であることが証明され得る。リニアドライブまたは少なくともその移動要素が非磁性でなければならない用途がある。しかしながら、ガイド要素が構造的セラミックまたはチタンなどの非磁性材料で形成される場合、リニアドライブは、非磁性または非磁化可能リニアドライブを必要とする特別な用途にも利用可能である。また、本実施形態では、ガイド要素と移動要素との間に高いスティックスリップ効果を発生させることができる。

【0010】

アクチュエータユニットが、２つのガイド要素のうちの１つを各々が駆動する２つのアクチュエータを備えることが実用的であることが証明され得る。好ましくは、各ガイド要素は、アクチュエータユニットに関節式に連結されるかまたはしっかりと接続される。２つのアクチュエータは、同一の設計を有し、ガイド要素を互いに対して同期して駆動し、移動要素の均一な前進を生じさせるよう、並列に接続され得る。さらに、単一のアクチュエータと比較して、移動要素の、異なる移動パターンを表すことができる。好ましくは、２つのアクチュエータは独立して制御することができる。それによって、移動要素の位置の特に精密な微調整も可能である。

【0011】

アクチュエータが、各々ガイド要素の一端に配置され、運動方向に垂直でありガイド要素を運動方向に二分する中間平面に対して、同じ側または反対側に配置されることも有利であり得る。前記平面の同じ側にアクチュエータを配置することは、リニアドライブの組み立てを容易にするが、移動要素の位置に応じて異なる駆動力をもたらし得る。この相違は、移動要素の位置依存のステップサイズを引き起こし得る。この問題を解決するため、前記平面の両側にアクチュエータを配置することが推奨される。

【0012】

各ガイド要素および／または移動要素が、１つの並進自由度のみを有し、好ましくは全て平行な方向において有する場合、有利であり得る。好ましくは、ガイド要素の両方および／または移動要素の他の２つの並進自由度ならびにすべての回転自由度は阻止される。これにより、移動要素のその移動範囲に沿った変位中の位置誤差を効果的に排除することができる。また、移動要素の移動制御が比較的容易である。

【0013】

移動要素およびガイド要素が、各ガイド要素と移動要素との間のスティック位相において、接触力が、異なる方向に、好ましくは１つの平面に関して対称的に生成されるように、構成される場合、有利であり得る。平面は、好ましくは、ガイド要素の延在軸を含む。それによって、移動要素は、２つのガイド要素の間のその意図された中心位置および平面内で特に容易に中心合わせされ得る。

【0014】

しかしながら、各ガイド要素が円柱として具現化され、ガイド要素の軌道が好ましくは円柱軸に沿って延びることも有用であり得る。この実施形態では、移動要素は、移動範囲に沿った前進中および特に安定した位置で静止中の両方において位置決めすることができる。また、線形軸受は、通常、精密段において最も高価な部品であり、本発明のリニアドライブの本実施形態では省略可能である。

【0015】

また、移動要素が別個のチャネル状着座部において各ガイド要素を受容することも意味をなし得、チャネル状着座部は、好ましくは、それぞれのガイド要素に沿って延在し、それぞれのガイド要素に向かって開くＶ字形溝として具現化される。これにより、移動要素を、各ガイド要素に対して、静的に定められ、かつ安定的な態様で固定することができ、高い静止摩擦力を伝達することができる。

【0016】

リニアドライブは、好ましくは閉じたフレームを備え、フレームは、好ましくは、アクチュエータユニット、２つのガイド要素および移動要素を囲み、フレームは、特に好ましい態様では、直方体の輪郭を有する場合、支援的であることが証明され得る。有利な変形例では、フレームは、ほぼ矩形を形成する４つの部品、特に基礎部品、相対部品、および基礎部品と相対部品とを接続する２つの側部部品を含む。基礎部品および相対部品は、例えば直方体として設計される。２つの側部部品は、板ばねまたはプレートの形態で具現化することができる。アクチュエータユニットが２つのアクチュエータを備え、第１のアクチュエータがフレームまたは基礎部品にそれぞれしっかりと連結される一方で、第２のアクチュエータがフレームまたは基礎部品にそれぞれしっかりとまたは移動可能に連結されることは、有利であり得る。

【0017】

しかしながら、各ガイド要素が、リニアドライブのフレームに関して、好ましくはその延在方向および／またはそれを横断する方向に、好ましくは少なくとも１つの板ばねを介して、弾性的に取り付けられることも、有利であり得る。これにより、移動要素とガイド要素との間の接触圧力を選択的に調整することができる。好ましくは、各ガイド要素は、ガイド要素のその運動方向における撓みがばね張力の増加をもたらすように、フレームの相対部品に、その運動方向に抗して、弾性的に取り付けられる。

【0018】

有利な実施形態では、各ガイド要素は、摺動軸受を介して、フレームに、摺動するように、取り付けられる。摺動軸受は、ガイド要素の屈曲を防止するために、例えば、その端部側の軸受点間で摺動して、ガイド要素を、支持することができる。摺動軸受は、好ましくは、ガイド要素の、移動要素に対面しない側に配置される。

【0019】

しかしながら、各ガイド要素が、移動要素の方向および／またはアクチュエータユニットの方向に弾性的に予荷重をかけられることも実行可能である。それによって、ガイド要素と移動要素との間、またはガイド要素とアクチュエータ要素との間のそれぞれにおける接触圧力が増大される。このようにして、ガイド要素の振動挙動または移動要素とガイド要素との間の静止摩擦を選択的に調整することができる。好ましくは、ばね力は、板ばねおよび任意選択で摺動軸受によってガイド要素に加えられる。

【0020】

さらに、ばね要素が移動要素に固定され、各ガイド要素が、移動要素のあるセクションとばね要素のあるセクションとによって形成されるチャネル状着座部内に受容される場合、意味をなし得る。ばね要素の材料、寸法、および／または取り付け点を意図的に選択することによって、それぞれのガイド要素と移動要素またはばね要素との間の接触圧力をそれぞれ調整することができ、それによって摩擦および摺動条件に直接影響させることができる。

【0021】

また、各ガイド要素が、抵抗材料が設けられた周縁セクションを備え、ばね要素が、対応するガイド要素の周縁セクションと各々が導電的な接触状態にある摺動セクションを備えることも、有利であり得る。このように、リニアドライブは、一方のガイド要素の周縁セクションのある点と他方のガイド要素の周縁セクションのある点との間の電気抵抗を検出することによって移動要素の位置を判断することができるポテンショメータの機能を提供し得る。

【0022】

フレームおよび／または移動要素が、同一のリニアドライブの機械的インターフェースに連結可能な機械的インターフェースを備え、互いに連結されたリニアドライブの移動範囲が、互いに対して垂直な平面において延在することは、意味をなし得る。このようにして、多軸変位可能な構成を、同一のリニアドライブからモジュール式に構成することができる。

【0023】

本発明のさらなる態様は、前述の実施形態のうちの１つによる２つまたは３つのリニアドライブを備える構成に関し、リニアドライブは、互いに連結されたリニアドライブの移動範囲が、互いに対して垂直な２つまたは３つの平面内に延在するように、互いに連結される。リニアドライブの連結は、前述の実施形態による機械的インターフェースによって、好ましく達成される。

【0024】

本発明のさらなる態様は、移動要素の位置を判断する方法に関し、ガイド要素の周縁セクションのある点から他のガイド要素の周縁セクションのある点までの抵抗が検出される。移動要素の位置を判断することにより、移動要素を意図的に移動させることができる。

【0025】

さらに好ましい展開は、特許請求の範囲、図面、および明細書に開示される特徴の組み合わせから生じる。

【0026】

用語および定義
リニアドライブ
リニアドライブという用語は、並進運動をもたらす駆動システムを指す。リニアドライブの運動は、直線または別の所与のコースにおける移動範囲に沿って行うことができる。

【0027】

スティックスリップ効果
スティックスリップ効果は、互いに対して移動する固体の突然遷移摺動を示し、特にＵＳ５，７８６，６５４から公知である。本発明によれば、スティックスリップ効果によるガイド要素に沿った移動要素の変位は、移動要素が静止摩擦によって両方のガイド要素と係合するスティック位相と、移動要素が少なくとも１つのガイド要素に対して移動するスリップ位相とを含む。

【0028】

アクチュエータまたはピエゾアクチュエータ
アクチュエータという用語は、電気信号を機械的運動に変換する駆動要素を指す。アクチュエータは、例えばピエゾアクチュエータである。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明によるリニアドライブの一実施形態の斜視図である。

【図2】図１のリニアドライブの分解斜視図である。

【図3】図（ａ）は、図１によるリニアドライブの平面図を示し、図（ｂ）は、図（ａ）の線ＩＩＩｂ－ＩＩＩｂに沿った断面を示す。

【図4】図１によるリニアドライブの移動要素の斜視図である。

【図5】図１によるリニアドライブの移動要素のさまざまな図であり、特に図（ａ）は、移動要素の意図された移動方向に見た方向における概略側面図であり、図（ｂ）は、移動要素の意図された移動方向に垂直に見た方向における側面図であり、図（ｃ）では、移動要素の意図された移動方向に垂直な方向に見た方向における平面図である。

【図6】本発明による構成Ａの斜視図を示し、この構成は、図１によるリニアドライブを２つ含み、それらの移動要素は、リニアドライブが互いに対して垂直な２つの平面での運動を生じさせるように、互いに連結される。

【図7】本発明による構成Ｂの斜視図を示し、この構成は、図６による構成Ａと、図１によるさらなるリニアドライブとを備え、そのフレームは、構成Ｂの３つのリニアドライブが互いに垂直な全体で３つの平面で運動を生じさせるように、構成Ａのリニアドライブのフレームに連結されている。

【図8】本発明によるリニアドライブの第２の実施形態の斜視図を示す。

【図9】図（ａ）は、図８によるリニアドライブの平面図を示し、図（ｂ）は、図（ａ）の線ＩＸｂ－ＩＸｂに沿った断面を示す。

【図10】図８によるリニアドライブの分解斜視図である。

【図11】図（ａ）は、第３の実施形態によるリニアドライブの平面図を示し、図（ｂ）は、図（ａ）の線ＩＸｂ－ＩＸｂに沿った断面を示す。

【図12】図１１（ａ）によるリニアドライブの断面図である。

【図13】図（ａ）は、移動要素の位置を判断するための第３の実施形態によるリニアドライブのポテンショメータ機能を概略的に示し、図（ｂ）は、ポテンショメータ機能を示す数値を例示する。

【発明を実施するための形態】

【0030】

好ましい例示的実施形態の詳細な説明
本発明の好ましい例示的な実施形態による本発明のリニアドライブ１は、フレーム２内に並列に配置された構造的セラミックの円柱形ロッド４ａ、４ｂの形態でガイド要素４ａ、４ｂが各々取り付けられた圧電多層アクチュエータ３ａ、３ｂの対からなるアクチュエータユニットを備える。

【0031】

フレーム２は、略同じ大きさの直方体の基礎部品２ａと直方体の相対部品２ｂとからなる。基礎部品２ａおよび相対部品２ｂは、２つの板状の側部部品２ｃおよび２ｄを介して連結され、例えば、図２に見られるように、ほぼ直方体の外形を有するほぼ矩形の囲いフレーム２を形成する。

【0032】

基礎部品２ａは、図３（ａ）において可視である上側に、好ましくは相対部品２ｂに面しない側面に、所定の距離Ａ１でねじ開口部として形成された２つの係合セクション２ａ１を含む。ねじ開口部２ａ１は、リニアドライブ１を別の同一のリニアドライブ１と機械的に連結して、２つのリニアドライブ１が互いに対して垂直な２つの平面（Ｘ；Ｙ）内で運動を実行するようにするための標準化されたインターフェースとして働く。フレーム２およびその構成要素は、プラスチックおよび／または金属および／またはセラミックから作製されることが好ましい。フレーム２の２つの側から、半割軸受２ｅ、２ｆを介して板ばねとして形成された側部部品２ｃ、２ｄによって、ガイド要素４ａ、４ｂに、および２つのガイド要素４ａ、４ｂの間に配置された移動要素５に間接的に、押圧力が作用する。半割軸受２ｅ、２ｆは、チャネル状に設計され、各々、対応するガイド要素４ａ、４ｂの円柱形の横方向領域に相補的な凹状の内側輪郭を有する。半割軸受２ｅ、２ｆは、ガイド要素４ａ、４ｂをそれらの延在および運動方向に対して垂直に支持し、ガイド要素４ａ、４ｂのそれらの延在および運動方向における摺動運動を可能にする。それによって、挿入された移動要素５の広がり力によって引き起こされる、ガイド要素４ａ、４ｂのそれらの延在および運動方向に対して横方向の曲げが低減または防止され、移動要素５とガイド要素４ａ、４ｂの各々との間の接触圧力が増大される。

【0033】

相対部品２ｂも、基礎部品２ａに対応する同一のリニアドライブ１と連結するための係合セクション（２ａ１）を有することが好ましい。相対部品２ｂは、基礎部品２ａと対向する側において、中央に略直方体状の突起を備え、この突起に、平面内に延在する板ばね２ｇが取り付けられている。ここで、延在方向において互いに面していない板ばね２ｇの２つの端部は、基礎部品２ａに面する相対部品２ｂの側と平行に、ある距離で延在し、２つのガイド要素４ａ，４ｂの軸方向端部に対する弾性軸受セクションとなっている。

【0034】

圧電リニアドライブ１の２つの駆動ユニットは、同一の設計を有し、各々、圧電アクチュエータ３ａ、３ｂと、それに連結されるガイド要素４ａ、４ｂとからなる。圧電アクチュエータ３ａ，３ｂは層状に形成され、略立方体形状を有する。ガイド要素４ａ、４ｂは、立方体アクチュエータ３ａ、３ｂの縁部長さに本質的に対応する直径を有する円柱形状を有する。交流電圧を圧電アクチュエータ３ａ、３ｂに印加することによって、圧電アクチュエータ３ａ、３ｂは、それに連結されたガイド要素４ａ、４ｂがその延在軸に沿って振動運動を形成するように変形する。２つのガイド要素４ａ、４ｂは、互いに対して正確に平行に配向され、関連付けられたアクチュエータ３ａ、３ｂによって互いに対して同期して動かされる。アクチュエータ３ａ，３ｂに面しないガイド要素４ａ，４ｂの端面は、各々、フレーム２の相対部品２ｂに板ばね２ｇによって弾性的に取り付けられており、板ばね２ｇによってアクチュエータ３ａ，３ｂに向かって押圧される。

【0035】

図１による組み立てられた状態では、ガイド要素４ａに面しないアクチュエータ３ａの端部は、フレーム２の基礎部品２ａにしっかりと接続される。これに対して、ガイド要素４ｂに面しないアクチュエータ３ｂの端部は、アクチュエータ３ｂは、フレーム２上に、その基礎部品２ａに沿って移動可能に取り付けることができる。フレーム２の基礎部品２ａにアクチュエータ３ｂを摺動式または関節式に取り付けることによって、２つのガイド要素４ａ、４ｂの間における移動要素５の傾倒による締め付けを防止することができる。

【0036】

本実施形態では、移動要素５は、略直方体形状を有する。それは、２つの最小側面において、それぞれのガイド要素４ａ、４ｂに沿って延在するチャネル状Ｖ溝の形態の楔形着座部５ｂを備え、それらは、図３（ｂ）に示されるように、その中にそれぞれのガイド要素４ａ、４ｂを受容し、スティックスリップ効果でその上で案内されるように具現化される。楔形着座部５ｂの対向する２つの内面には、各々、摩擦要素として、構造的セラミックスから形成される摩擦クラッチ５ｃの形態の３つの環状接触セクション５ｃが設けられ、対応するガイド要素４ａ，４ｂの、関連付けられる接触面において、スティックスリップ効果により、交互に滑着する。図５（ｃ）に示されるように、移動要素５の直方体形状は、移動要素５の意図された移動方向に沿って移動要素５の両側に延びる２つの突起５ｄによって中断される。図５（ｃ）に見られる上側と、それとは反対側の移動要素５の底面との間には、リニアドライブ１をさらに同一のリニアドライブ１に連結するための係合セクション５ｅ、５ｆとして具現化される貫通孔またはねじ開口部が延びている。これらの係合セクション５ｅおよび５ｆの直径および距離は、それぞれ同一であるが、互いに対して９０°オフセットされている。これらの係合セクション５ｅ、５ｆを介して、２つの同一のリニアドライブ１は、それらの移動範囲が、互いに対して垂直に配置された２つの平面内で２つの軸（Ｘ、Ｙ；図５参照）に沿って延びるように、互いに連結されることができる。

【0037】

基礎部品２ａと相対部品２ｂとの間の移動範囲に沿って移動要素５を変位させるためには、アクチュエータユニット３に交流電圧を印加して、両方のガイド要素４ａ、４ｂを互いに対して同期して平行に運動させるようにする。２つのガイド要素４ａ、４ｂの加速度は、スティック位相において十分に小さいので、移動要素５と２つのガイド要素４ａ、４ｂの各々との間のスティック係合は維持され、移動要素５は、ガイド要素４ａ、４ｂの運動に追従する。その結果、移動要素５は、その移動範囲に沿って前進する。アクチュエータ３ａ、３ｂに印加する制御電圧を変化させることにより、ガイド要素４ａ、４ｂの運動方向を急激に反転させて、移動要素５を２つのガイド要素４ａ、４ｂに沿ってスリップ位相で摺動させることができる。スリップ位相では、移動要素５の慣性力が、移動要素５と２つのガイド要素４ａ、４ｂとの間の静止摩擦力よりも大きい。

【0038】

移動要素５と２つのガイド要素４ａ、４ｂとの間の係合構造は、ここでは、別々のガイド手段を置換し、なぜならば、両方のガイド要素４ａ、４ｂおよび移動要素５はわずか１つの並進自由度を有し、一方、両方のガイド要素４ａ、４ｂおよび移動要素５の他の２つの並進自由度および全ての回転自由度は阻止されるからである。

【0039】

リニアドライブ１は、慣性駆動原理に従って動作する。複数の自由度（ＤＯＦ）を有する運動を得るために、図６および図７に示されるように、複数のリニアドライブ１を互いに取り付けてもよい。

【0040】

図６による構成Ａでは、本発明による２つのリニアドライブ１は、２つのリニアドライブ１の移動範囲が、互いに対して垂直に配置された２つの平面（リニアドライブ１の厚みは考慮しない）において２つの軸Ｘ、Ｙに沿って延びるように、移動要素５のそれぞれの係合セクション（５ｅ、５ｆ）を介して互いに連結される。

【0041】

図６による構成Ａに基づく図７による構成Ｂでは、本発明によるさらなるリニアドライブ１が、その基礎部品（２ａ）によって、構成Ａのリニアドライブ１の基礎部品（２ａ）に連結され、その結果、全部で３つのリニアドライブ１が、互いに対して垂直に配置された３つの平面（リニアドライブ１の厚みは考慮しない）において３つの軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿って延びる。

【0042】

本発明に係るリニアドライブ１によれば、特に容易かつ安価に多軸変位可能な精密位置決め手段を製造することができる。

【0043】

図８～図１０を参照して以下に説明される本発明によるリニアドライブ１の第２の実施形態では、フレーム部品２ａ、２ｂ、および２ｃは、第１の実施形態とは異なり、一体として具現化され、長方形または正方形を形成するようにストリップ状または板状の側部部品２ｄと接続されるＣ字型フレーム要素を形成する。ここで、Ｃ字型フレーム要素２ａ、２ｂ、２ｃは、本質的に剛性で非降伏性であるように具現化される一方、ガイド要素４ａ、４ｂおよびそれらの間に配置される移動要素５に対する予荷重は、Ｃ字型フレーム部品２ａ、２ｂ、２ｃに螺合される側部部品２ｄによってかけられ、側部部品２ｄは板ばねとして作用する。

【0044】

第１の実施形態と等しく異なり、板ばね２ｇは、ガイド要素４ａ、４ｂに対してそれらの延在方向において軸方向に予荷重をかけるために、２つの長い脚部が互いから９０°オフセットされた平面内に延在し、長い脚部の間に中心に位置する短い脚部が９０°曲げられる、Ｈ字形ばね要素として具現化される。ここで、Ｈ字形ばね要素の長脚部は、この目的のために対応して設けられた係合セクションまたはねじ開口部を介してフレーム部品２ｂの上側にボルトで螺合される一方、ガイド要素４ａ，４ｂに予荷重をかける板ばね２ｇの部分は、アクチュエータ３ａ，３ｂに対向するフレーム部品２ｂの内側に平行に延びている。

【0045】

本発明によるリニアドライブ１の第３の実施形態を図１１および図１２に示す。第１の実施形態と同様に、フレーム２は、直方体の基礎部品２ａと、類似の、好ましくは同一の相対部品２ｂとからなる。基礎部品２ａと相対部品２ｂとは、好ましくはねじ切りされた継手によって基礎部品２ａと相対部品２ｂとに固定された２つの板ばね２ｈ，２ｉを介して互いに接続される。基礎部品２ａおよび相対部品２ｂには、それぞれ基礎部品２ａおよび相対部品２ｂと略同じ寸法の着座要素８ａ，８ｂが、フレーム２内において対向するように、各々、固定されている。基礎部品２ａまたは相対部品への取り付けは、ここではねじ切りされた継手を介して行われることが好ましい。好ましくは同一の着座要素８ａ、８ｂは、非導電性、好ましくはポリマー系材料からなり、各々、２つの貫通孔８ａ１、８ａ２、８ｂ１、８ｂ２を有し、ガイド要素４ａ、４ｂを受容し、摺動軸受として機能する。

【0046】

各着座要素８ａ、８ｂの貫通孔８ａ１、８ｂ２は、それぞれのガイド要素４ａ、４ｂに固定されたアクチュエータ３ａ、３ｂを追加的に収容できるように設計されており、それぞれのガイド要素４ａ、４ｂに面しないアクチュエータ３ａ、３ｂの端面は、基礎部品２ａまたは相対部品２ｂにそれぞれ接触している。この実施形態では、アクチュエータ３ａは、基礎部品２ａに接続される着座要素８ａの貫通孔８ａ１に収容され、他方のアクチュエータ３ｂは、相対部品２ｂに接続される着座要素８ｂの貫通孔８ｂ２に収容される。これにより、アクチュエータ３ａ，３ｂは、フレーム２に対して斜めに対向して位置している。

【0047】

基礎部品２ａと相対部品２ｂとを接続する板ばね２ｈ，２ｉにより、ガイド要素４ａ，４ｂが対応するアクチュエータ３ａ，３ｂに押し付けられる。

【0048】

移動要素５は、ねじ切りされた継手７を介して板ばねの形態のばね要素６を設けられることが好ましい。ばね要素６は、移動方向に対して垂直に延在し、移動方向に平行に配置された移動要素５の側面を越えて突出し、各ガイド要素４ａ、４ｂは、チャネル状の着座部内に受容され、移動要素５の側面と移動要素５を越えて突出するばね要素６のセクションとによって受容されるる。特に、ここでは、移動要素５の側面は、移動要素５の主面に対して傾斜して具現化され、１つ以上の接触セクション５ｃを設けられる。同様に、ばね要素の対応するセクションは、各々、接触セクション６ｃを設けられ、各ガイド要素４ａ、４ｂは、摩擦要素として機能する接触セクション５ｃ、６ｃを介して直接接触される。ばね要素６の様々な材料、寸法および／または取り付け点を選択することによって、ガイド要素４ａ、４ｂへの接触圧力を変化させることができる。

【0049】

さらに、本実施形態では、各ガイド要素４ａ，４ｂの周縁セクション４ａ１，４ｂ１に抵抗材料が設けられている。移動要素５のばね要素６は、その外側端に、ガイド要素４ａ、４ｂの周縁セクション４ａ１、４ｂ１と導電接触する摺動セクション６ａを有する。ばね要素６自体が導電性であるように設計されもする。このようにして、一例として図１３に示されるように、移動要素５の位置を判断することができるポテンショメータを実現することができる。特に、ガイド要素４ａ、４ｂの周縁セクション４ａ１、４ｂ１は、この目的のために、異なる抵抗値Ｒ１、Ｒ２を有する。異なる抵抗値Ｒ１、Ｒ２により、抵抗ＲＰＱは、移動要素５の位置に応じて、ガイド要素４ａの周縁セクション４ａ１の一方の点Ｐから他方のガイド要素４ｂの周縁セクション４ｂ１の点Ｑまで変化する。

【0050】

図１３（ａ）は、移動要素５の位置を判断することができるポテンショメータの好ましい設計を概略的に示す。この位置を判断するためには、移動要素５を通り、かつ、移動方向に対して垂直な１つの平面の両側に位置する点Ｐと点Ｑとの間の電気抵抗ＲＰＱを検出する必要がある。移動要素５の位置は、０と１との間の値をとることができ、移動要素５の位置と共に変化する、正規化された位置αとして示される。ここでの値０は、好ましくは、移動要素５が着座要素８ａと接触している、移動要素５の前端位置に対応し、値１は、移動要素５が着座要素８ｂと接触している、移動要素５の後端位置に対応する。

【0051】

この構成において、抵抗ＲＰＱは、以下の式に従って計算される：
Ｒ_ＰＱ＝αＲ_１＋（１－αＲ_２）。

【0052】

図１３（ｂ）は、例として、Ｒ１が１０ｋΩであり、Ｒ２が４０ｋΩであると仮定して、移動要素５の正規化された位置αに応じた抵抗値ＲＰＱを示す。抵抗値ＲＰＱを検出することにより、結果として、移動要素５の位置を算出することができる。

【0053】

第２および第３の実施形態による本発明のリニアドライブ１は、第１の実施形態によるリニアドライブ１と同じ方法で、多軸変位可能な構成を形成するように連結可能である。しかしながら、第１および第３の発明の実施形態とは対照的に、第２の発明の実施形態に係るリニアドライブ１は、全体で、個々の部品がより少なく、より安定した基本構造を有し、個々の構成要素、特に２つのガイド要素４ａ、４ｂの動きの自由度がさらに制限され、全体として、ガイド要素４ａ、４ｂ間の移動要素５のさらに精密な位置決めを達成することができる。

【0054】

なお、第２および第３の実施形態において、第１の実施形態と同じ要素には同じ符号が付されている。重複を避けるため、同様に動作する要素についての別途の説明は省略する。

【符号の説明】

【0055】

１ 圧電リニアドライブ
２ フレーム
２ａ 基礎部品
２ａ１ 基礎部品における係合セクションまたはねじ開口部
２ｂ 相対部品
２ｃ，ｄ 側部部品または板ばね
２ｅ，ｆ 連結セクションまたは半割軸受
２ｇ 板ばね
２ｈ、ｉ 板ばね
３ アクチュエータユニット
３ａ，ｂ アクチュエータ
４ａ，ｂ ガイド要素
４ａ１，４ｂ１ ガイド要素４ａ，４ｂの周縁セクション
５ 移動要素
５ａ ボディ
５ｂ 着座部
５ｄ 接触セクション
５ｄ 突起
５ｅ 移動要素における係合セクションまたはねじ開口部
５ｆ 移動要素における係合セクションまたはねじ開口部
６ ばね要素
６ａ 摺動セクション
６ｃ 接触セクション
７ ねじ切りされた継手
８ａ、ｂ 着座要素
８ａ１、８ａ２ 着座部８ａの貫通孔
８ｂ１、８ｂ２ 着座部８ｂの貫通孔
Ａ１ 基礎部品におけるねじ開口部の距離
Ａ２ 移動要素におけるねじ開口部の距離
Ｂ ガイド要素の運動方向

【図1】

【図2】

【図3(a)】

【図3(b)】

【図4】

【図5(a)】

【図5(b)】

【図5(c)】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9(a)】

【図9(b)】

【図10】

【図11(a)】

【図11(b)】

【図12】

【図13】