专利名称：具有移动的、减轻质量的并且侧向引导的被动单元的线性驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种线性驱动装置，该装置具有固定放置的主动单元、 被动单元、支承单元和控制单元，主动单元包含用于产生可变的磁通 的线圈体，支承单元允许主动单元与被动单元之间的低摩擦的运动， 借助控制单元可以控制磁通。
背景技术：
线性驱动装置(也称为线性马达)目前被应用于各种技术领域， 该装置的工作方式近似于根据电磁原理运行的旋转式马达。这种线性 驱动装置的优点尤其在于，可以把产生力的功能和底座功能集成在少 量结构单元中。在线性驱动装置中，运动元件不仅可以是主动单元而 且也可以是被动单元。为了在施加的力很小的情况下达到高速度以及 大的加速度，通常必须尝试减少移动的质量。由德国专利公开文献DE 32 08 380 A l公知一种线性驱动装置，在 该装置中，在主动单元中包含永磁体和电磁体用于产生可控的磁通。 被动单元由软铁条组成，该软铁条被设有所谓的极齿。在这份出版物 中详尽描述了这种线性马达的通用的功能原理，使得线性马达的工作 方式的知识对于专业人士可以被当作前提。在所述出版物中还给出这 样的提示，即存在这样的可能性，被动单元被用作运动元件，而主动 单元构成定子。而在这种情况下必须移动很高的质量，由此仅可能产 生低的加速度。因为用作被动单元的软铁条必须为由主动单元产生的 磁通提供足够的材料横截面，所以用作被动单元的软铁条不能被任意 薄地设计。否则磁通密度会降低，而使得引发的驱动力变小。在US 4,563,602中也描述了一种线性马达，该线性马达既可以被构 造为单相同步器，也可以被构造为多相同步器。与之相关地需要指出 的是，借助多少数量的电流相位来使主动单元运转以及为了优化驱动 装置或为了提高精度而采用何种特殊的控制方法和调节方法，对于本 发明来说是不重要的。此外，由所述美国专利文献公知，主动单元和 被动单元可以通过空气支承相互联接。因为空气支承极大地减少摩擦损失，所以这种空气支承在线性驱动装置中经常被使用。在杂志"antriebstechnik" 33 (1994)第7期，第68页描述了一种精 密直接驱动装置，该装置使用了混合技术中的永磁体激发的两相磁阻 式步进马达的功能原理。为避免重复，只要涉及到主动单元的构造的 该出版物的内容在这里被包括到本公开中。电磁式步进马达的结构性的构造和作用原理的一般性叙述在E. Kallenbach的"Geratetechnische Antriebe" ISBN 3-446-15872-3中，特别 是在章节2.3.2中出现。关于该发明涉及的线性马达的工作方式的公开 内容对于专业人士也参引该来源。DE 196 43 518 A l示出具有运动的被动单元的线性驱动装置，该 被动单元为了减轻重量，由轻型结构主体和被固定在该结构主体上的可磁化的软铁板组成。虽然可以借助该构造在保持被动单元的足够稳 定性的同时，实际实现被动单元的质量减轻，但是大部分由软铁材料 组成的板还必须具有最小厚度，以提供必需的横截面来传导磁通。由JP 56 117 572公知一种具有呈齿板形式的可移动的被动部件的线性驱动装置。可移动的被动部件在固定放置的主动单元内运动，该 主动单元具有带有齿节的两个相互对置的运行面。主动运行面的齿被布置在可移动的被动单元的齿的对面。由主动单元的部件分别产生的 磁回路在被动元件中闭合。因此，取决于分别所需的驱动力，必须给 被动单元提供不小的横截面。
JP 2000 004 575包含具有线性驱动装置和旋转驱动装置的线性调 节驱动装置。对线性驱动装置的线圈的激励导致驱动轴的平移运动。 旋转驱动装置导致驱动轴的旋转，该旋转驱动装置被布置在该轴的端 部，在线性驱动装置的下方。用于旋转驱动装置的驱动轴在轴向方向 上可自由运动，使得旋转驱动装置在平移运动时不随动。在WO 03/041245 Al中描述了具有运动的、减轻质量的被动单元的 线性驱动装置。为了有效地减轻质量，被动单元仅由薄齿板组成，传 导磁的齿与不传导磁的齿槽在所述薄齿板上交替布置。尽管如此，为 了使足够大的磁通成为可能，在被动单元的一侧上设置具有齿状主动 运行面的主动单元，而相对地在被动单元的另一侧布置磁轭件，该磁 轭件为磁通提供磁轭。齿板的传导磁的齿被磁通穿流而过，但是不一 定要为磁通提供磁轭横截面。齿板可移动地支承在主动单元与固定放 置的磁轭件之间并且可以因小的质量以高的加速度值运动。为了齿板 的精密定位还需要侧向引导，为此在该出版物中提出侧向引导磁体， 该磁体与侧向安装在齿板上的辅助齿序列共同作用。然而显示出这样 的侧向引导带来一些缺点。 一方面，由于用于侧向引导磁体和辅助齿 序列的空间需求，提高了整个线性驱动装置的结构尺寸。线性驱动装 置的整体重量提高，导致这样的线性驱动不太适于被安装在移动的自 动化单元内。另一方面，借助所述磁的侧向引导可达到的精度在定位 时受到限制。出现降低重复精度的磁滞效应。此外，磁作用的侧向引 导对可能作用于齿板的扭矩和横向力是无抵抗力的。发明内容由此，本发明的任务在于，提供一种改进的线性驱动装置，与已 知的现有技术相比较，在被动单元质量最小且可产生高驱动力的情况 下，该线性驱动装置实现再次减少的整体结构尺寸和稳定的侧向引导。该任务通过根据本发明的直线驱动装置根据权利要求l解决。 本发明的重要方面在于，作为被动单元工作的齿板的侧向引导借 助侧向引导板的帮助实现，所述侧向引导板在对于磁轭件无论如何都 需要的结构空间内被引导。对此，侧向引导板成角度地、优选基本垂 直地立起地固定在齿板上并且嵌入到引导缝隙中，该引导缝隙在磁轭 件内沿整个运动长度延伸。引导缝隙优选被居中布置在磁轭件内，而侧向引导板与齿板的对 称轴线分布在一个平面内。由此，既可以关于驱动力又可以关于所需 的侧向引导力实现对称的力的比例关系。在变动实施方式中，在磁轭件中可以设置多个平行分布的引导缝 隙，平行放置的侧向引导板嵌入到这些引导缝隙中，这些侧向引导板 被分别固定在齿板上。特别适当的是，引导缝隙的深度必须被保持得 很小，使得只能采用短的侧向引导板。特别有利的是，通过在引导缝隙内构成的辅助空气支承形成侧向 引导板的引导装置。特别是，当被动元件同样借助空气辅助支承被支 承在主动单元与磁轭件之间时，获得线性驱动装置的简单的整体构造。但是原则上也可以采用其它已知的支承构造。在优选的实施方式中，量具安装在侧向引导板上或者集成到该侧 向引导板内，该量具在运动方向上延伸并且用于确定被动单元的位置。 附属的传感器可以布置在磁轭件上或者驱动装置的底座上。例如可以 以已知的方式应用磁性的或者光学的测量原理。由主动单元产生的磁通以与已知的线性马达情况相同的方式穿过 齿板的传导磁的齿，以产生驱动力。但是磁回路不是(或者至少不完 全是)直接在被动单元的移动部分内(即在移动支承的齿板内)闭合。 而是磁通在穿过各个齿之后进入到固定放置的磁轭件内，该磁轭件在 磁性方面与移动的齿板共同构成被动单元。通过固定放置的磁轭件提
高关于磁通有效的材料横截面。由此可移动支承的齿板可以被构造得 非常薄，因而极大地减轻质量是可能的。根据有利的实施方式，由软铁块构成具有被动运行面的固定放置 的磁轭件，该被动运行面与主动元件的主动运行面平行对置。如果在 主动单元内产生的磁场被适当地改变，那么齿板在这两个平行的运行面之间移动。在根据本发明的线性驱动装置的变动实施方式中，被动运行面同 样具有齿节，该齿节与主动运行面的齿节相对应。再次变动实施方式的突出之处在于，通过具有第二主动运行面的 固定放置的第二主动单元构成固定放置的磁轭件。由此在移动的齿板 的每个侧面上都存在主动运行元件，因此尽管大幅度减少了移动齿板 的质量，仍然可以提供大的驱动力。因为第二主动运行面同样提供了 磁传导性区域，虽然齿板的各个齿不直接通过磁传导性区域连接，但 磁回路不中断。在线性单元的改动实施方式中，单个或多个侧向引导板不仅延伸 进入到磁轭件内而且穿过该磁轭件直至对置的齿板，该齿板在其一侧 为对置的主动单元构成被动单元。在该实施方式中，这两个齿板和在 这两者之间分布的侧向引导板具有工字钢形横截面。尽管将引导缝隙布置在被动的磁轭件内，由于复杂度较低的构造 被证实为是有利的，但在特定的使用条件下，将引导缝隙集成到固定 放置主动单元内也是适当的。在再次变动的实施方式中，这也是可能 的，即将侧向引导板分别安装在齿板的两个运行面上，该侧向引导板 在引导缝隙内被引导，该引导缝隙一方面分布在主动单元内，另一方 面分布在磁轭件内。
当应用两个对置的主动单元时，主动单元的单个线圈体可以彼此 独立地被操控或被电联接在一起，使得这些单个线圈体构成由控制单 元操控的一体化的线圈体。特别有利的是，移动的齿板由不传导磁的承载板组成，传导磁的 齿固定在该承载板内。以这种方式可以实现各个齿的定位的所需要的 高精度。例如承载板由陶瓷组成，其中设置有大量相同间距、平行分 布的凹口，软铁条被装入到凹口内。传导磁的齿也可以通过其它技术 生产，例如通过电镀方法或者其它涂覆方法。在变动实施方式中，齿板由磁传导性承载板构成，由该承载板省 去作为齿之间的间隙的各个齿槽。为了制备齿板的平整的表面(这在 应用空气支承时是合乎目的的)，用不传导磁的材料(例如合成树脂) 填充齿槽并且随后打磨该齿槽。假如对降低移动齿板质量要求不太大，那么移动齿板也可以具有 磁轭部分，该磁轭部分将齿板的各个齿以传导磁的方式相互连接。该 磁轭部分例如可以通过软铁箔构成，该软铁箔被安装在齿板的朝向固 定放置的磁轭件的那一侧。在这种情况下，固定放置的磁轭件和随动 的磁轭部分共同提供所期望的横截面，用以传导磁通穿过。齿板的形状和尺寸可以配合于各自的使用情况。在这里特别适当 的是，在齿板上设置固定部，该固定部侧向凸出于主动单元和/或凸出 于磁轭件，以便能够在该固定部上固定承载单元，例如工具架。这样 的固定部也可以可选地或者同时被布置在侧向引导板上，从而在相对 于齿板对立放置的侧面上的固定部可以凸出于引导缝隙并且可以再次 用作用于承载单元的固定点。在特别优选的实施方式中，旋转致动器或者微型马达安装在承载 单元上。微型马达的旋转轴线可以与移动的被动单元位于一个平面内，
使得可以在承载单元端部实现围绕该旋转轴线的转动运动，该旋转轴 线平行于被动单元的运动轴线。特别有利的是，齿板具有在0.4mm到5mm之间的厚度。当齿板的 各个齿厚度大约等于该齿的宽度并且由此齿板的厚度也大约等于该齿 的宽度时，就获得一种优化构造方式。在相应的测试中，已经能够成 功使用总重量仅为10g的齿板。借助这样的齿板，实现了直至15N的力， 由此实现了突出的力-质量-比例关系。如上面已经提及的，空气支承特别适合作为用于根据本发明的线 性驱动装置的支承单元。为此所需的空气喷嘴可以安装在主动单元和 磁轭件内，使得齿板以两侧均在空气垫被引导。当然根据本发明的线 性驱动装置也可以凭借其它引导元件和支承元件来实现，例如齿板支 承在辊式导轨或者燕尾槽式引导装置内。
由以下描述的本发明优选的实施方式并结合附图得到其它优点、 细节和改进。图中图l以放大细节示出根据现有技术的线性驱动装置的部分剖切侧视图；图2示出根据本发明的线性驱动装置的第一实施方式的简化横截 面视图；图3示出图2所示的线性驱动装置的简化的纵剖面视图；图4示出具有探测头的实施方式的简化横截面视图；图5示出具有固定在侧向引导板上的微型马达的该侧向引导板的简化侧视图。
具体实施方式
图l示出线性驱动装置的部分剖切侧视图，正如该装置由上文中所 引用的WO 03/041245 Al所公知的那样。因为根据本发明的线性驱动装
置的重要元件与之前已知的驱动装置相同，所以在这里简短描述其原 理性的工作方式。线性驱动装置具有主动单元l，在该主动单元l中包 含多个线圈体2。线圈体2由被包裹的软铁芯构成，该软铁芯被设有电绕组4 (参见图3)，用以产生可变磁场。电绕组由控制单元(未被示 出)操控，以便配置所引发的磁通，从而产生驱动力。关于这种线性 驱动装置的工作方式参见说明书开始部分提及的现有技术。线圈体在其指向外侧的侧面上具有主动运行面5，该主动运行面5 在其一侧具有被磁通穿流的齿节。齿节由齿和齿槽组成，其中齿槽通常被以不传导磁的材料填充，以形成平整的主动运行面5。线性驱动装置在所示实施方式中还具有薄的、可移动地支承的齿 板10和固定放置的磁轭件11。齿板10和被动磁轭件11关于磁通共同构 成了线性驱动装置的被动元件。在图l中包含的细节放大图中，通过各 个线条12示出了所产生的磁通的分布。磁通从主动运行面5的齿出发， 穿过齿板10的传导磁的齿13，然后进入由软铁材料制成的磁轭件ll， 该磁轭件ll闭合所述磁回路。为了减少在磁轭件ll内的涡流，磁轭件 ll可以依照已知的方式以成片的构造方式(由各个单金属片组合)制 造。在图1所示的实施方式中，磁轭件11同样具有齿，该齿构成被动 运行面14。在其它实施方式中，被动运行面14也可以被构造为平面， 因为用于产生驱动力所需的齿节仅在齿板10中是一定必需的。借此，齿板10可移动地支承在主动单元1与磁轭件11之间，其 中该支承通过多个空气喷嘴15形成，该气体喷嘴15为齿板10提供空 气支承。根据所采用的操控方法，电绕组4可以穿过两个并排放置的软铁 芯或者分别安装在一个独立的软铁芯3上。最初所述的绕组技术例如
在说明书引言部分所述的现有技术中有所阐述。在变动实施方式中也 可能把电绕组4与分绕组连接，该分绕组被安装在另一个线圈体上， 所述另一个线圈体位于第二主动单元内(未示出)。第二主动单元在 这种情况下替代磁轭件11并且被定位在齿板10的另一侧。同样可能的是，主动单元的线圈体通过铁磁轭与磁轭件或者该磁 轭件中的一部分磁性地连接。磁回路仍然如所期望那样穿过齿板的齿。 然而，可以借助这种构造在可能的情况下在齿板的单位面积上产生较 大的驱动力。齿板10例如由承载板20构成，承载板20具有大量凹口，各个齿 13布置在这些凹口内。在这种情况下，承载板20由不传导磁的材料， 例如陶瓷制成。以软铁材料制造齿板10也是可能的，其中各个齿13 在背离主动单元1的那一侧上通过薄板或箔片相互磁性连接，所述薄 板或者箔片构成磁轭部分。该磁轭部分可能将与磁轭件11共同作用， 在该磁轭部分中可以取消被动运行面14上的齿。图2示出根据本发明的线性驱动装置的简化横截面视图。只要采 用与在图1中所示的驱动装置相同作用的功能元件，已以相同的附图 标记表示。在其中可以看到本发明的决定性的特别之处，即在移动的 齿板10上安装有基本垂直于齿板的侧向引导板30。侧向引导板30分 布在引导缝隙31内，引导缝隙31在所示实施方式中被定位在磁轭件 ll的对称平面内。侧向引导板30优选由与齿板IO相同的材料，如陶 瓷制成，由此可以避免因温度条件导致的不同的膨胀。为了技术简化， 磁轭件11可以被分两部分制造，其中这两个部分在组装时被相互间隔 地布置，使得在这两个部分之间保留引导缝隙31。通过在侧向引导板30与齿板10之间的固定连接，(例如通过焊 接或粘接实现)，侧向引导板30在引导缝隙31内的引导同时导致移 动的齿板10的侧向引导(关于运动方向而言)。 在图2中所示的实施方式中，在引导缝隙31内的引导装置通过辅 助空气支承形成，该辅助空气支承也是由气体喷嘴15形成的。侧向引 导板30优选具有与齿板IO基本相同的长度。侧向引导板30的宽度也 可以在很大范围内选择，因为在磁轭件ll内存在就深度而言足够的结 构空间可供使用。由此，为了提供齿板10的侧向引导而提供大的引导 面可供使用，使得齿板IO的移动精度几乎不受侧向作用的力和力矩的 影响。图3示出图2所示的线性驱动装置的简化的纵剖面视图。在该视 图中可以清楚看出，侧向引导板30基本在磁轭件11的整个深度上延 伸。在所示的实施方式中，侧向引导板30还承载了量具32，可以利用 该量具32精确检测移动的被动单元的位置。此外，在侧向引导板30 上构成有两个固定部33，这两个固定部33在运动中凸出于磁轭件11。 同样的固定部33也存在于齿板IO上(参见图2)，其中该固定部侧向 上凸出于磁轭件并且在运动中仍可供使用。图4示出线性驱动装置的变动实施方式的横截面视图。在这种情 况下，线性驱动装置用于移动和定位探针34，该探针34通过承载单元 35安装在固定部33上。其它工具可以代替探针34被固定在承载单元 35上。同样借助线性单元来定位工件也是可能的。为了保持线性单元的的优点，尤其是由于移动的被动单元质量很 小而获得的优点，承载单元35应该被构造得尽可能轻且坚固。例如可 以把由陶瓷的、轻质金属的或者碳纤维制成的支架安装在固定部33上。图5以细节视图形式示出线性驱动装置的侧向引导板30的变动实 施方式。在侧向引导板30的固定部33上借助承载单元35安装有微型 马达36，以代替探针。该微型马达36因而在由线性驱动装置引起的平 移运动中被拖动。在微型马达36上例如可以布置夹具37，该夹具37
由此可以线性移动并且可以围绕微型马达36的旋转轴线旋转。借助这 种夹具，可以解决大量的定位任务，特别是所谓的Z-cp运动。为此， 根据本发明的线性驱动装置可以被固定在在X-Y平面内移动的承载臂 上，正如例如已知的用于装配电路板的自动机械一样。由此可以实现 大精度以及高速度和高加速度。 附图标记列表1主动单元2线圈体3软铁芯4电绕组主动运行面10齿板11磁轭件12磁通13齿板的齿14被动运行面15空气喷嘴20承载板30侧向引导板31引导缝隙32fig33固定部34探针35承载单元36微型马达37夹具
权利要求
1. 线性驱动装置，具有·固定放置的主动单元(1)，所述主动单元(1)具有线圈体(2)，用以产生可控制的磁通；和主动运行面(5)，所述主动运行面(5)具有被所述磁通穿过的齿节；·固定放置的磁轭件(11)；·被动单元，所述被动单元以薄的齿板(10)的形式构成并且可移动地支承在所述主动运行面(5)与所述磁轭件(11)之间，并且所述被动单元以与所述主动运行面(5)的所述齿节和所述齿节的排布相应的方式包含传导磁的齿(13)和不传导磁的齿槽；以及·支承单元(15)，所述支承单元(15)允许所述主动单元与所述被动单元之间的相对运动；其特征在于，至少一个侧向引导板(30)被安装在所述齿板(10)上，所述侧向引导板(30)相对于所述齿板(10)的平面成角度地延伸到引导缝隙(31)内并且在那里被引导，其中，所述引导缝隙(31)分布在所述磁轭件(11)内或分布在所述主动单元(1)内。
2. 根据权利要求l所述的线性驱动装置，其特征在于，所述侧向 引导板基本垂直于所述齿板(10)地分布，并且所述侧向引导板(30) 的引导装置通过在所述引导缝隙(31)内构成的辅助空气支承来形成。
3. 根据权利要求1或2所述的线性驱动装置，其特征在于，所述 侧向引导板(30)承载在运动方向上延伸的量具(32)，为了确定所 述被动单元的位置，由布置在所述磁轭件(11)上的传感器对所述量 具(32)进行探测。
4. 根据权利要求1至3之一所述的线性驱动装置，其特征在于， 所述齿板(10)包含不传导磁的承载板(20)，所述承载板(20)具 有大量相同间距的、平行分布的凹口，所述传导磁的齿(13)被引入到所述凹口中；并且所述齿板(10)的厚度与各个所述齿(13)的宽 度基本相等。
5. 根据权利要求1至4之一所述的线性驱动装置，其特征在于， 通过空气支承形成用于所述齿板(10)的所述支承单元。
6. 根据权利要求1至5之一所述的线性驱动装置，其特征在于， 所述齿板(10)和/或所述侧向引导板(30)具有固定部(33)，所述 固定部(33)凸出于被所述磁轭件(11)占据的空间。
7. 根据权利要求6所述的线性驱动装置，其特征在于，在所述固 定部(33)上固定承载单元(35)。
8. 根据权利要求7所述的线性驱动装置，其特征在于，在所述承 载单元(35)上安装致动器或者微型马达(36)，所述致动器或者微 型马达(36)使得工具(37)围绕旋转轴线转动成为可能。
9. 根据权利要求1至8之一所述的线性驱动装置，其特征在于， 通过固定放置的第二主动单元形成所述磁轭件，所述固定放置的第二 主动单元具有第二主动运行面，所述第二主动运行面具有被磁通穿过的齿节，以及具有用于产生可控制的磁通的线圈体。
10. 根据权利要求1至9之一所述的线性驱动装置，其特征在于， 所述承载板(20)和所述侧向引导板(30)由不传导磁的材料，特别 是由陶瓷、合成材料或玻璃制成。
11. 根据权利要求1至IO之一所述的线性驱动装置，其特征在于， 所述齿板(10)具有0.4mm到5mm的厚度。
12. 根据权利要求1至11之一所述的线性驱动装置，其特征在于，所述侧向引导板(30)基本在所述齿板(10)的整个长度上、在运动 方向上延伸。
13.根据权利要求1至12之一所述的线性驱动装置，其特征在于， 所述侧向引导板(30)在两个对置的齿板(10)之间延伸，其中，所 述对置的齿板被分别分配给两个对置的主动单元。
全文摘要
本发明涉及一种线性驱动装置，该线性驱动装置具有固定放置的主动单元(1)、固定放置的磁轭件(11)、薄齿板(10)形式的可移动支承的被动单元以及支承单元(15)，该支承单元(15)允许主动单元与被动单元之间的相对运动。侧向引导板(30)被安装到齿板(10)上，该侧向引导板(30)相对于齿板(10)的平面成角度地延伸到引导缝隙(31)内并且在那里被引导，其中，引导缝隙(31)分布在磁轭件(11)内或分布在主动单元(1)内。
文档编号H02K41/03GK101401285SQ200680053910
公开日2009年4月1日 申请日期2006年3月20日 优先权日2006年3月20日
发明者埃伯哈德·迈斯纳, 埃克哈德·文多夫 申请人:伊纳驱动及机电有限商业两合公司