DE19610692A1 - Guide element for drives with concentric translators and elastic elements - Google Patents

Guide element for drives with concentric translators and elastic elements

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Abstract

Each of three elastic elements (2) equi-spaced round the periphery of the guide each consists of a flat strip in the non-deflected setting to lie in spiral or twisted form in this plane. Several guides may be arranged coaxially in series so the stator (1) of the succeeding element can be rigidly joined to the translator (3) of the preceding element, or in a case where several elements are joined up in parallel, their respective stators and translators may be connected to one another. The elastic elements can be fitted with piezoelectric elements and the translator is connected to an electromagnetic drive and to a coaxial membrane. The guide can combine with a fibre-optic sensor, either as fibre light guides applied to the element or again the entire element made of a glass structure thus transmitting light signals from sender (7) into the fibre light guides (4) for routing to a reflection area (5) and/or to a receiver (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Führungselement, vor­ zugsweise für Antriebssysteme, bestehend aus einem ringförmigen Stator und einem konzentrisch dazu angeordneten Translator, die mit elastischen Ele­ menten miteinander verbunden sind.The invention relates to a guide element preferably for drive systems consisting of a annular stator and one concentric to it arranged translator, which with elastic Ele elements are interconnected.

Führungselemente mit elastischen Elementen in Form von Federn werden im Stand der Technik in vielfäl­ tigen Formen angewendet.Guide elements with elastic elements in shape of springs are widely used in the prior art shapes.

Ein häufiger Einsatzfall ist die Anwendung in Meß­ elementen, bei denen ihre Eigenschaft auf Kraftein­ wirkungen mit definierten Verformungen zu reagieren und die Verformungsenergie reversibel zu speichern, ausgenutzt. A common application is the application in measuring elements where their property is on force to react effects with defined deformations and reversibly store the deformation energy, exploited.  

Ein weiteres Einsatzgebiet, in dem zahlreiche Federelemente verwendet werden, ist die Anwendung als Führungs- bzw. Lagerelement. Hierbei wird die definierte Bewegung eines Punktes des Federelemen­ tes entlang einer Leitlinie genutzt. Im allgemeinen wird dabei die Führung längs einer Geraden ange­ strebt.Another area of application in which numerous Spring elements are used is the application as a guide or bearing element. Here, the defined movement of a point of the spring element used along a guideline. In general the guide is along a straight line strives.

Für diese Einsatzgebiete bestehen unterschiedliche Anforderungen an die zu erfüllenden Parameter. Für den Einsatz als Meßelement wird eine hohe Steifig­ keit der Anordnung gefordert, während für den Ein­ satz von Federelementen als Führungselemente ein möglichst großer Verformungsweg bei geringem Kraft­ bedarf und bei sehr geringen Abweichungen von einer Leitgeraden gefordert werden.There are different ones for these areas of application Requirements for the parameters to be met. For the use as a measuring element is very stiff required of the arrangement, while for the one set of spring elements as guide elements Deformation path as large as possible with little force required and with very small deviations from one Straight lines are required.

Die herkömmlichen Anordnungen sind nur in sehr begrenztem Maße geeignet, gleichzeitig beide Anfor­ derungsbereiche zu erfüllen. Führungselemente mit Federn, die sich vor allem durch geringe Reibung, geringe Hysterese und Spielfreiheit auszeichnen sind sowohl in Ausführungen mit Blattfedern als auch mit Membranfedern bekannt.The conventional arrangements are only very suitable to a limited extent, both requirements at the same time areas to be met. Guide elements with Springs that are mainly characterized by low friction, low hysteresis and freedom from play are available in versions with leaf springs as well also known with diaphragm springs.

Die häufigsten Ausführungsformen derartiger Feder­ anordnungen weisen Blattfederelemente auf, bei denen die Federanordnungen im wesentlichen auf Bie­ gung beansprucht werden. Derartige Anordnungen sind jedoch sehr aufwendig in der Herstellung und erfor­ dern einen großen Raumbedarf.The most common embodiments of such a spring Arrangements have leaf spring elements, at which the spring arrangements essentially on Bie be claimed. Such arrangements are however, very complex to manufacture and research a large space requirement.

Zur Verringerung dieser Nachteile ist nach DE 35 13 935 eine Meßfederanordnung bekannt, bei der paarig angeordnete Federelemente gleicher Form verwendet werden. Die Federelemente sind als Kreisringaus­ schnitte mit über die Länge konstantem Querschnitt ausgebildet, paarig drehsymmetrisch angeordnet und an ihren Enden längs eines Radiusfederelementes senkrecht zur Achse des Federelementes an torsions­ steifen Verbindungselementen angeschlossen.To reduce these disadvantages, according to DE 35 13 935 a measuring spring arrangement known in the pair  arranged spring elements used the same shape will. The spring elements are made of a circular ring cuts with a constant cross-section over the length trained, arranged in pairs symmetrically and at their ends along a radius spring element perpendicular to the axis of the spring element on torsion rigid connecting elements connected.

Führungselemente mit Membranfedern zeichnen sich insbesondere durch ein symmetrisches Verhalten gegenüber einer Querkraftbelastung aus und weisen eine hohe Quersteifigkeit auf.Guide elements with membrane springs stand out especially through symmetrical behavior against a shear load and show a high transverse rigidity.

Nachteilig ist dabei, daß Membranfederanordnungen nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinien aufweisen und daß diese Anordnungen nur einen geringen Führungsweg ermöglicht. Um die mögliche Auslenkung von Membran­ federanordnungen zu vergrößern, ist es auch bekannt in den Membranfedern radiale Schlitze anzuordnen.The disadvantage here is that diaphragm spring arrangements have non-linear force-displacement characteristics and that these arrangements have only a small routing path enables. To the possible deflection of the membrane to enlarge spring arrangements, it is also known to arrange radial slots in the diaphragm springs.

Allen im Stand der Technik bekannten Anordnungen haftet der Nachteil an, daß sie entweder nur für sehr kleine Wege oder für Führungen mit größeren Abweichungen von einer Leitgeraden eingesetzt wer­ den können.All arrangements known in the prior art has the disadvantage that it is either only for very small paths or for tours with larger ones Deviations from a straight line who used that can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Füh­ rungselement anzugeben, das sowohl definierte kleine, reproduzierbare Verformungen in Abhängig­ keit von einer eingeleiteten Kraft als auch relativ große Wege längs einer Leitgeraden ermöglichen kann. Die Anordnung soll technologisch einfach her­ stellbar, an verschiedene Anforderungen einfach anzupassen sein und nur einen geringen Bauraum beanspruchen.The invention has for its object a Füh stating element that is both defined small, reproducible deformations depending speed of an applied force as well as relative enable long distances along a straight line can. The arrangement is supposed to be technologically simple  adjustable, easy to meet different requirements be adaptable and only a small space claim.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens drei elastische Elemente am Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind und daß die elastischen Elemente jeweils aus einem in der nichtausgelenkten Stellung ebenen streifenförmigen Teil bestehen, welches in der Ebene eine gewundene Form aufweist.According to the invention, the object is achieved by that at least three elastic elements on the circumference are evenly distributed and that the elastic elements each from one in the undeflected position flat strip-shaped Part exist, which is a winding in the plane Has shape.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.Advantageous configurations are in the Unteran sayings.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Sie ist sowohl als Verformungskörper in der Meßtechnik einsetzbar, wobei möglichst kleine, reproduzierbare Verformun­ gen realisierbar sind, als auch als Führungselement für präzise Führungsaufgaben.The arrangement according to the invention is characterized by a number of advantages. It is both as Deformation body can be used in measurement technology, whereby the smallest possible, reproducible deformation gene realizable, as well as a guide element for precise management tasks.

Sie sind gut geeignet um mit verschiedenen Antrie­ ben kombiniert zu werden. Dazu sind sowohl piezo­ elektrische als auch elektromagnetische oder elek­ trostatische Antriebe geeignet, bevorzugt werden piezoelektrische Antriebselemente angewendet.They are well suited for use with different drives ben to be combined. These are both piezo electrical as well as electromagnetic or elec trostatic drives are suitable, are preferred piezoelectric drive elements applied.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist eine ebene Struktur mit räumlicher Wirkung auf. Sie ist des­ halb sehr einfach herstellbar und erfordert nur einen geringen Bauraum. Dabei ist eine einfache Anpassung lediglich durch Variation der Abmessung an unterschiedliche Aufgaben möglich. Ferner ergibt sich eine besonders vorteilhafte Anwendung durch Integration eines optischen Wandlers in die Struk­ tur des Führungselementes. Vorteilhafterweise wird hierzu das Bauelement aus einer Glasstruktur gefer­ tigt.The arrangement according to the invention has a plane Structure with spatial effect. It is the semi easy to manufacture and only requires a small installation space. It is a simple one  Adjustment only by varying the dimensions possible for different tasks. Furthermore results a particularly advantageous application Integration of an optical converter in the structure ture of the guide element. Advantageously the component made of a glass structure does.

Durch Reihen- oder Parallelschaltung mehrerer Anordnungen lassen sich vielfältige Lösungsmöglich­ keiten für Lagerungen, Antriebe oder Verformungs­ körper der Meßtechnik gestalten. Ferner besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Anordnung als Pumpen- oder Ventilanordnung einzusetzen. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Anordnung in einfacher Weise mit einer Membran zu koppeln.By connecting several in series or in parallel Arrangements can be made using a variety of solutions for bearings, drives or deformation Design the body of the measuring technology. Furthermore, there is Possibility of the arrangement according to the invention as Use a pump or valve arrangement. For this it is only necessary to arrange in easy to couple with a membrane.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch als Struk­ turelement der Mikrosystemtechnik einsetzbar. Es wird eine schnelle konstruktive Anpassung verschie­ dener Anforderungen ohne Veränderung der Fer­ tigungstechnologie erreicht.The arrangement according to the invention is also a structure Door element of microsystem technology can be used. It a quick constructive adjustment will be different their requirements without changing the distance technology achieved.

Ein wichtiger funktioneller Vorteil ist die erreichbare hohe Eigenfrequenz.An important functional advantage is that achievable high natural frequency.

Ein besonderer Anwendungsfall ergibt sich durch die Integrationsfähigkeit von Sensoren, insbesondere von faseroptischen Sensoren. Das erfindungsgemäße Bauelement läßt sich kostengünstig als Massenfer­ tigungsartikel herstellen und ist ebenso für eine flexible Kleinserienfertigung geeignet. Mit dem erfindungsgemäßen Führungselement lassen sich hohe Genauigkeiten, Reproduzierbarkeiten der Funktions­ eigenschaften und geringe Toleranzen der mechani­ schen Parameter verwirklichen. Besonders vorteil­ haft ist dabei, daß durch den Einsatz moderner Fer­ tigungsmethoden nur wenige Herstellungsschritte erforderlich sind, wobei Änderungen der Funktions­ eigenschaften kaum Einfluß auf die Herstellung haben.A special application arises from the Ability to integrate sensors, in particular of fiber optic sensors. The invention Component can be inexpensively used as a mass remote Manufacture articles and is also for one flexible small series production suitable. With the Guide element according to the invention can be high Accuracies, reproducibility of the functions properties and low tolerances of the mechani realize parameters. Particularly advantageous  What is imprisonment is that the use of modern Fer methods only a few manufacturing steps are required, with changes in function properties hardly influence the production to have.

Insbesondere in Verbindung mit faseroptischen Sen­ soren ergeben sich Nutzungsmöglichkeiten als ein- und mehrdimensionale Kraftsensoren, als optomecha­ nische Schalter sowie als piezomechanische Antriebseinheiten, (Piezoventil oder Spiegelver­ stellung für Leistungslasersteuereinheiten).Especially in connection with fiber optic Sen possible uses arise as and multi-dimensional force sensors, as optomecha African switches as well as piezomechanical Drive units, (piezo valve or mirror ver position for power laser control units).

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is based on Ausfüh tion examples explained in more detail. In the associated Drawings show:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das erfindungs­ gemäße Führungselement; Figure 1 is a plan view of the guide element according to the Invention.

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch das er­ findungsgemäße Führungselement im nichtausge­ lenkten Zustand; Figure 2 is a sectional view through the inventive guide element in the non-steered state.

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch das er­ findungsgemäße Führungselement im ausgelenkten Zustand; Figure 3 is a sectional view through the guide element according to the invention in the deflected state.

Fig. 4 eine Parallelschaltung von zwei Füh­ rungselementen; Fig. 4 is a parallel connection of two Füh approximately elements;

Fig. 5 eine Reihenschaltung von zwei Füh­ rungselementen und Fig. 5 is a series connection of two Füh approximately and elements

Fig. 6 ein Beispiel für eine Kombination des Führungselementes mit einem faseroptischen Sen­ sor. Fig. 6 shows an example of a combination of the guide element with a fiber optic sensor.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht das Füh­ rungselement aus einem ringförmigen Stator 1, an dem das elastische Element 2 befestigt ist. Das elastische Element 2 besteht im vorliegenden Fall aus zwei konzentrisch angeordneten kreisförmigen Teilen, nämlich einem äußeren als Kreisring ausge­ bildeten Teil und einem inneren kreisförmigen Teil. Diese beiden Teile sind mit bogenförmigen gewun­ denen elastischen Elementen verbunden. Am inneren kreisförmigen Teil ist der Translator 3 abgebracht.As can be seen from Fig. 1, the Füh approximately element consists of an annular stator 1 to which the elastic element 2 is attached. The elastic element 2 consists in the present case of two concentrically arranged circular parts, namely an outer part formed as a circular ring and an inner circular part. These two parts are connected with arcuate thread which elastic elements. The translator 3 is attached to the inner circular part.

Die Fig. 2 und 3 erläutern die Stellung des Translators 3 im Ausgangszustand und im ausgelenk­ ten Zustand. Figs. 2 and 3 illustrate the position of the translator 3 in the initial state and in the out-directing th state.

In Fig. 4 ist eine Parallelschaltung von zwei Füh­ rungselementen dargestellt. Damit wird eine hohe Stabilität des Translators 3 gegenüber Verkippungen erreicht.In Fig. 4, a parallel connection of two Füh approximately elements is shown. A high stability of the translator 3 against tilting is thus achieved.

Fig. 5 erläutert eine Reihenschaltung von zwei Führungselementen, mit der eine Vergrößerung des Führungsweges erreicht werden kann. Fig. 5 explains a series connection of two guide elements with which an increase in the guide path can be achieved.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kom­ bination des Führungselementes mit einem faserop­ tischen Sensor. Hierbei können entweder auf dem elastischen Element 2 lichtleitende Fasern aufge­ bracht werden oder das gesamte elastische Element 2 wird aus einer Glasstruktur gebildet. Hierzu sind vielfältige Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Es können beispielsweise Lichtsignale von einem Sender 7 ausgesendet und in die lichtleitende Faser 4 ein­ gespeist werden. Dort werden sie einem Reflexions­ gebiet 5 zugeführt und/oder an einen Empfänger 6 weitergeleitet. Fig. 6 shows an embodiment for a combination of the guide element with a fiber optic sensor. Here, either light-conducting fibers can be brought up on the elastic element 2 or the entire elastic element 2 is formed from a glass structure. A variety of possible applications are conceivable for this. For example, light signals can be emitted from a transmitter 7 and fed into the light-conducting fiber 4 . There they are fed to a reflection area 5 and / or forwarded to a receiver 6 .

BezugszeichenlisteReference list

1 Stator
2 Elastisches Element
3 Translator
4 Lichtleitende Faser
5 Reflexionsgebiet
6 Empfänger
7 Sender 1 stator
2 Elastic element
3 translator
4 Light guiding fiber
5 reflection area
6 receivers
7 transmitters

Claims (6)

1. Führungselement, vorzugsweise für Antriebs­ systeme, bestehend aus einem ringförmigen Stator und einem konzentrisch dazu angeordneten Transla­ tor, die mit elastischen Elementen miteinander ver­ bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei elastische Elemente am Umfang gleichmäßig ver­ teilt angeordnet sind und daß die elastischen Ele­ mente jeweils aus einem in der nichtausgelenkten Stellung ebenen, streifenförmigen Teil bestehen, welches in der Ebene eine gewundene Form aufweist.1. Guide element, preferably for drive systems, consisting of an annular stator and a concentrically arranged Transla tor, which are connected to each other with elastic elements, characterized in that at least three elastic elements are arranged on the circumference evenly ver and that the elastic Elements each consist of a flat, strip-shaped part in the undeflected position, which has a sinuous shape in the plane. 2. Führungselement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Führungselemente koaxial in Reihe angeordnet sind, wobei der Stator des nach­ folgenden Elementes starr mit dem Translator des vorhergehenden Elementes verbunden ist.2. Guide element according to claim 1, characterized records that several guide elements coaxially in Row are arranged, the stator of the following element rigid with the translator of the preceding element is connected. 3. Führungselement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Elemente parallel miteinander verbunden sind, wobei jeweils die Statoren und die Translatoren der Elemente miteinander verbunden sind.3. Guide element according to claim 1, characterized records that several elements in parallel with each other are connected, the stators and the Translators of the elements linked together are. 4. Führungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den ela­ stischen Elementen piezoelektrische Elemente ange­ bracht sind. 4. Guide element according to one of the preceding Claims, characterized in that the ela tical elements piezoelectric elements are brought.   5. Führungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator mit einem elektromagnetischen Antrieb verbunden ist.5. Guide element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the translator with an electromagnetic drive is connected. 6. Führungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transla­ tor mit einer koaxial angeordneten Membran verbun­ den ist.6. Guide element according to one of the preceding Claims, characterized in that the Transla gate with a coaxially arranged membrane that is.
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