DE102006044000A1

DE102006044000A1 - Elektromechanischer Stellantrieb

Info

Publication number: DE102006044000A1
Application number: DE102006044000A
Authority: DE
Inventors: Heinrich-Jochen Dr. Blume; Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Robert Wolfgang Dr. Kissel; Karl-Heinz Mittenbühler; Tim Dr. Schwebel; Carsten Wallenhauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Noliac AS
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2008034651A1; US20100156242A1; EP2064754A1; JP2010504076A

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen elektromechanischen Stellantrieb 1, insbesondere einen piezoelektrischen Mikroschrittmotor. Dieser Mikroschrittmotor umfasst zwei piezoelektrische Biegewandler 10 mit jeweils einer nicht parallel zueinander ausgerichteten Wirkrichtung alpha, beta. Diese Biegewandler 10 greifen an einem Antriebsring 20 an, um darüber eine Welle 30 zu drehen. Die Biegewandler 10 sind über eine Schiebekupplung 40 oder eine scherflexible Struktur 50 angelenkt, so dass eine gegenseitige Behinderung der Biegewandler 10 während der Verschiebebewegung minimiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb, insbesondere einen piezoelektrischer Schrittmotor.
Das Cockpit eines Kraftfahrzeugs versucht ein optimales Zusammenspiel von Design und Technik zu realisieren. Im Blickfeld des Fahrers liegen dabei verschiedene Zeigerinstrumente. Diese Zeigerinstrumente müssen sowohl unterschiedlichen technischen Anforderungen genügen als auch einen konkurrenzfähigen Preis für die Massenproduktion von Kraftfahrzeugen besitzen. Ein Beispiel für ein derartiges Zeigerinstrument ist das „Messwerk 2000" der Firma Siemens VDO.
Das „Messwerk 2000" basiert auf einem mit einem einstufigen Schneckenradgetriebe untersetzten Schrittmotorantrieb. Der vierpolige Schrittmotor wird durch zwei um 90° im Phasenwinkel zueinander phasenverschobene sinusartige Spulenstromverläufe als Funktion der Zeit angesteuert. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung bestimmt die Drehrichtung und die Frequenz die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle. Im Rahmen einer vollen Periode von 360° der sinusartigen Stromverläufe können bis zu 128 Zwischenstufen reproduzierbar eingestellt werden. Die Nutzung dieser Zwischenstufen wird als Mikroschrittbetrieb bezeichnet.
Ein kompletter Stellantrieb „Messwerk 2000", der den oben charakterisierten Schrittmotor beinhaltet, besteht aus zwölf Einzelteilen. Der Schrittmotor selbst setzt sich aus zwei Spulen mit einem gemeinsamen Statorblech und einem Permanentmagnetrotor zusammen. Hinsichtlich der Bauteilkosten schlagen die Spulen und der Permanentmagnet am stärksten zu Buche. Entscheidend für den Preis sind neben den Materialkosten ebenfalls die Herstellungskosten, die näherungsweise proportional zur Anzahl der Komponenten des Stellantriebs zunehmen.
Diese hohen Materialkosten sowie der mit der Anzahl der Einzelteile zunehmende Herstellungsaufwand für den Stellantrieb wirken sich nachteilig auf dessen Massenproduktion aus.
Es ist daher das technische Problem der vorliegenden Erfindung, einen für die Massenproduktion geeigneten Kleinstellantrieb beispielsweise für Messwerke von Cockpitinstrumenten im Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Das obige Problem wird durch einen elektromechanischen Stellantrieb, insbesondere einen piezoelektrischen Mikroschrittmotor, gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden Ansprüchen hervor.
Der elektromechanische Stellantrieb weist die folgenden Merkmale auf: mindestens zwei elektromechanische, vorzugsweise piezoelektrische, Antriebselemente, die jeweils eine nicht parallel zueinander ausgerichtete Wirkrichtung aufweisen, eine in einem Antriebsring derart drehbar gelagerte Welle, dass der Antriebsring durch eine Auslenkung der piezoelektrischen Antriebselemente in Wirkrichtung zu einer unmittelbar auf die Welle übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, so dass die Welle im Antriebsring abrollt und dadurch rotiert, während die mindestens zwei elektromechanischen Antriebselemente über eine Schiebekupplung oder eine scherflexible Struktur angelenkt sind, so dass eine gegenseitige Behinderung der Antriebselemente während der Verschiebebewegung minimiert ist.
Der elektromechanische Stellantrieb oder rotatorische Stellantrieb wird mit Hilfe von Festkörperaktoren, insbesondere streifenförmige Festkörper-Biegeaktoren, als elektromechanische Energiewandlerelemente betrieben. Derartige Biegeaktoren auf Basis piezoelektrischer Keramikwerkstoffe, die hier als elektromechanische Antriebselemente bezeichnet sind, werden in verschiedenartigen Bauformen seit vielen Jahren vielseitig in der Industrie eingesetzt. Sie zeichnen sich durch eine kleine Bauform, einen niedrigen Energiebedarf und eine hohe Zuverlässigkeit aus. So zeigt beispielsweise ein piezoelektrischer Biegeaktor eine Lebensdauer von mindestens 10⁹ Zyklen im industriellen Umfeld.
Die mindestens zwei elektromechanischen, vorzugsweise piezoelektrischen, Antriebselemente sind derart angeordnet, dass ihre Bewegungsrichtungen entkoppelt voneinander sind, so dass sich die Antriebselemente in ihrer Bewegung nicht oder vernachlässigbar gering behindern. Zu diesem Zweck sind die Antriebselemente an mindestens einem Ende mit Hilfe einer Schiebekulisse oder einer scherweichen, druck- und zugstabilen Flexstruktur befestigt. Die Schiebekulisse bzw. die scherweiche zug- und druckstabile Flexstruktur ermöglichen eine freie oder annähernd freie Bewegung der Antriebselemente in ihrer Längsrichtung relativ zum Antriebsring, während sie in einer anderen Richtung, vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Antriebselements, steif oder unbewegbar befestigt sind. Auf diese Weise wird die durch die Antriebselemente in Bewegung umgewandelte elektrische Energie optimal auf den Antriebsring übertragen, ohne dass aufgrund gegenseitiger Behinderung der Antriebselemente Verlustenergien auftreten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die piezoelektrischen Antriebselemente des Stellantriebs Biegewandler mit jeweils einer Längsrichtung, die rechtwinklig, parallel oder beliebig zueinander ausgerichtet sind, so dass ein Platzbedarf des Stellantriebs an räumliche Begebenheiten optimal anpassbar ist. Mit anderen Worten sind die zwei piezoelektrischen Antriebselemente derart angeordnet, dass die zwei elektromechanischen Antriebselemente in einer durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf eine innere Öffnung des Antriebsrings mit einem Mittelpunkt liegen, so dass die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer um den Mittelpunkt rotationssymmetrischen Anordnung der Antriebselement um einen Winkel γ im Bereich von 180° < γ < 360°, vorzugsweise γ = 270°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei un terschiedlichen Tangentialebenen bei einer an einem gedachten Durchmesser des Antriebsrings spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente um einen Winkel γ im Bereich von 0° < γ < 180°, vorzugsweise γ = 90°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei piezoelektrischen Antriebselemente außerhalb der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung des Antriebsrings liegen oder eines der zwei piezoelektrischen Antriebselemente in der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und das andere Antriebselement außerhalb der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung des Antriebsrings liegen.
Die piezoelektrischen Biegewandler weisen die folgenden Vorteile auf: Sie sind in vielfältigen Bauformen und mit einem geringen Bauvolumen erhältlich. Zudem zeichnen sie sich durch eine hohe Dynamik, einen niedrigen Energiebedarf und durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sie ebenfalls mit inhärenten Sensoreigenschaften ausgestattet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die im Wesentlichen streifenförmigen Biegewandler an einem Ende mechanisch steif eingespannt oder befestigt. An diesem Ende wird auch bevorzugt die elektrische Kontaktierung der Biegewandler vorgenommen. Am entgegengesetzten, bewegten Ende wird entsprechend der elektrischen Ansteuerung des Biegewandlers eine Auslenkung in seine Wirkrichtung erzielt. Die in einem Kleinstellantrieb für beispielsweise Zeigerinstrumente zum Einsatz kommenden Biegewandler werden typischerweise so dimensioniert, dass sie an ihrem bewegten Ende eine freie Auslenkung im Bereich von ca. 0,2 mm bis 2 mm aufweisen. Zudem wird im Fall der Auslenkungsblockierung des frei bewegbaren Endes des Biegewandlers eine Blockierkraft im Bereich von 0,5 N bis 2 N erreicht. Die näherungsweise geradlinige Auslenkung der Biegewandler erfolgt jeweils transversal bezogen auf ihre größte Längserstreckung. Die Richtung der Auslenkung, die der Wirkrichtung des Biegewandlers entspricht, ist somit annähernd ortho gonal zur Längsachse des Biegewandlers. Innerhalb des Stellantriebs sind vorzugsweise mindestens zwei voneinander unabhängig auslenkbare Biegewandler mit nicht parallelen, aber bevorzugt orthogonal aufeinander stehenden Wirkrichtungen erforderlich, um den mit den bewegten Enden beider Biegewandler gekoppelten Antriebsring durch Überlagerung der Einzelbewegungen der Biegewandler in jede beliebige ebene Bewegung zu versetzen. Die Bewegungsebene oder Wirkebene wird bei dieser Konstruktion durch die Wirkrichtungen der Biegewandler aufgespannt. Da die Wirkrichtung des Biegewandlers annähernd rechtwinklig zu seiner Längsachse ausgerichtet ist, ist es vorteilhaft, die Längsrichtungen der Biegewandler parallel zueinander, rechtwinklig zueinander oder in einer anderen winkligen Orientierung zueinander anzuordnen. Auf diese Weise ist der Stellantrieb an örtliche Begebenheiten und räumlich Zwänge anpassbar, ohne dass eine Beeinträchtigung der Einleitung der Bewegung in den Antriebsring auftritt.
In Ergänzung zur bereits oben beschriebenen Befestigung der Antriebselemente ist es bevorzugt, diese an einem Ende fest am Antriebsring oder an einem Gehäuse zu befestigen, während das andere Ende über die Schiebekupplung oder die scherflexible Struktur entsprechend am Gehäuse oder dem Antriebsring angreift. In einer weiteren Ausgestaltung der Verbindung zwischen Antriebselement und Antriebsring weist der Antriebsring Vorsprünge zum Aufnehmen der Auslenkung des jeweiligen Antriebselements auf, während der Vorsprung und das jeweils angreifende Antriebselement in Bezug auf die Wirkrichtung eines weiteren Antriebselements derart ausgerichtet sind, das ein Gleiten des Vorsprungs auf dem angreifenden Antriebselement gewährleistet ist.
Mit Hilfe dieser Konstruktion wird die bereits oben genannte Entkopplung der mindestens zwei Antriebselemente realisiert. In Ergänzung dazu wird ebenfalls eine Führung des Antriebsrings auf dem jeweiligen Antriebselement bereitgestellt, so dass die auf den Antriebsring übertragenen Bewegungen der An triebselemente kontrollierbar und verlustfrei übertragbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der elektromechanische Stellantrieb zwei elektromechanische Antriebselemente, die jeweils eine Längsachse und eine nicht parallel zueinander ausgerichtete Wirkrichtung aufweisen, eine in einem Antriebsring derart angeordnete Welle, dass der Antriebsring durch eine Auslenkung der elektromechanischen Antriebselemente in Wirkrichtung zu einer unmittelbar auf die Welle übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, während die zwei elektromechanischen Antriebselemente an ihren Enden mit dem Antriebsring und einem Gehäuse fest verbunden sind und die zwei elektromechanischen Antriebselemente derart angeordnet sind, dass die zwei elektromechanischen Antriebselemente in einer durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf eine innere Öffnung des Antriebsrings mit einem Mittelpunkt liegen, so dass die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer um den Mittelpunkt rotationssymmetrischen Anordnung der Antriebselemente um einen Winkel γ im Bereich von 180° < γ < 360°, vorzugsweise γ = 270°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer an einem gedachten Durchmesser des Antriebsrings spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente um einen Winkel γ im Bereich von 0° < γ < 180°, vorzugsweise γ = 90°, versetzt zueinander angeordnet sind, oder die zwei elektromechanischen Antriebselemente außerhalb der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung des Antriebsrings liegen oder eines der zwei elektromechanischen Antriebselemente in der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und das andere Antriebselement außerhalb der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung des Antriebsrings liegen.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1A, B, C, C' drei verschiedene Ausführungsformen des Stellantriebs,
2A, B, C, C' drei weitere Ausführungsformen des Stellantriebs,
3A, B, C, C' drei weitere bevorzugte Ausführungsformen des Stellantriebs,
4A, B, C, C' drei weitere Ausführungsformen des Stellantriebs,
5A, B, C, C' drei weitere Ausführungsformen des Stellantriebs,
6A, B, C, C' drei weitere Ausführungsformen des Stellantriebs,
7A, A' eine weitere Ausführungsform des Stellantriebs mit scherflexibler Struktur,
8 eine Ausführungsform des Stellantriebs mit Gehäuse,
9 bis 15 verschieden Ausführungsformen der scherflexiblen Struktur des Stellantriebs.
Erfindungsgemäß wird ein piezoelektrischer Schrittmotor 1 vorgestellt, der es erlaubt, durch eine Überlagerung geeigneter periodischer Linearbewegungen der Biegewandler 10 eine kontinuierliche und gleichförmige Rotation zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden die Biegewandler 10 derart an einen flachen Antriebsring 20 angekoppelt, dass dieser in einer Wirkebene entlang der Wirkrichtungen α, β der Biegewandler 10 translatierbar ist. Die Biegewandler 10 werden bevorzugt so angeordnet, dass sich ihre Wirklinien bzw. Wirkrichtungen α, β in einem Winkel von annähernd 90° schneiden. Der Antriebsring 20 enthält eine zylindrische Bohrung 28 mit einem bestimmten Durchmesser. Die Bohrungsachse verläuft idealerweise senkrecht zur Wirkebene, die durch die Wirkrichtungen α und β der Biegewandler 10 aufgespannt wird. Des Weiteren läuft die Bohrungsachse bevorzugt durch den Schnittpunkt X der Wirklinien α, β der Biegewandler 10 (vgl. 8). Dadurch lässt sich der Antriebsring 20 auf jede gewünschte Art und Weise in der Wirkebene im Bereich der Auslenkungen der Biegewandler 10 translatieren. Die zylindrische Ringbohrung 28 mit einem bestimmten Innendurchmesser umfasst eine zylindrische Welle 30 mit einem wenig geringeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Antriebsrings 20. Die Welle 30 ist bevorzugt in einem Gehäuse 70 (vgl. 8) parallel zur Achse der Ringbohrung 28 und um ihre eigene Zylinderachse drehbar, aber nicht verschiebbar gelagert. Durch eine geeignete elektrische Ansteuerung der beiden Biegewandler 10 lässt sich der Antriebsring 20 auf einer Kreisbahn derart translatieren, dass die Außenwand der Welle 3 auf der zylindrischen Innenfläche der Ringbohrung 28 des Antriebsrings 20 abrollt und dadurch in Drehung versetzt wird. Als notwendige Voraussetzung muss der Auslenkungsbereich der Biegewandler 10 die Durchmesserdifferenz zwischen der Ringbohrung des Antriebsrings 20 und dem Außendurchmesser der Welle 30 übersteigen, damit die Innenwand des Antriebsrings 20 und die Welle 30 immer in Kontakt bleiben.
Die piezoelektrischen Biegewandler 10 sind näherungsweise rein kapazitive elektrische Bauelemente, die durch ihre elektrische Kapazität charakterisiert sind. Daher sind ihre elektrischen Steuergrößen Ladung und Spannung miteinander gekoppelt und es existieren streng genommen nur zwei Ansteuervarianten. Im Fall der Spannungssteuerung wird eine Betriebsspannung bzw. ein zeitlicher Spannungsverlauf eingeprägt und die aufgenommene Ladung stellt sich ein. Im Fall der Ladungssteuerung wird die Ladungsmenge eingeprägt und die Spannung stellt sich ein. Das Ansteuersignal kann daher aus einer vorgegebenen Spannungs- oder Ladungsfunktion bestehen. Da sich die Auslenkung der piezoelektrischen Biegewandler 10 in guter Näherung direkt proportional zum Ansteuersignal verhält, ist die kreisförmige Translation des Antriebsrings 20 durch eine ladungs- oder spannungsgeregelte Ansteuerung der Biegewandler 10 mit zwei zueinander um 90° Phasenwinkel phasenverschobenen Ansteuerfunktionen mit sinusartigem Zeitverlauf generierbar. Über das Vorzeichen der Phasenverschiebung lässt sich die Drehrichtung festlegen, während durch die Frequenz der Ansteuerfunktion die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Konstruktion des Stellantriebs 1 ist ein quasi statischer Betrieb realisierbar. Da die Welle 30 auf der Innenfläche des Antriebsrings 20 abrollt, führt dies einerseits zu einem geringen Verschleiß von Welle 30 und Antriebsring 20. Andererseits wird basierend auf dieser Ansteuerung eine gleichförmige Drehbewegung der Welle 30 erzeugt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine hohe Untersetzung für diese Drehbewegung erzielt werden kann, ohne dass ein externes Getriebe verwendet wird. Dies reduziert die Anzahl der Bauteile im Vergleich zu bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik. Bezeichnet man den Innendurchmesser des Antriebsrings 20 mit D und den Außendurchmesser der Welle 30 mit d ergibt sich ein Untersetzungsfaktor gemäß der Formel (D-d)/d. Diese Untersetzung bildet die Grundlage für eine gute Winkelauflösung der Drehbewegung der Welle 30.
Im einfachsten Fall erfolgt die Kraftübertragung vom Antriebsring 20 auf die Welle 30 durch Reibung. Dabei kommt es in Abhängigkeit vom auf die Welle 30 wirkenden Lastdrehmoment eines derartig aufgebauten Stellantriebs 1 zu Schlupf, wodurch die Genauigkeit des Stellantriebs 1 reduziert wird. Der Schlupf wird vorzugsweise dadurch verringert, indem auf die Innenfläche des Antriebsrings 20 und auf die Außenfläche der Welle 30 eine Verzahnung aufgebracht wird. Dabei weisen Antriebsring 20 und Welle 30 vorzugsweise eine Zahndifferenz von mindestens eins auf. Das bedeutet, dass die Verzahnung der Innenfläche des Antriebsrings 20 mindestens einen Zahn mehr als die Außenfläche der Welle 30 umfasst. Werden Antriebsring 20 und Welle 30 innerhalb des Stellantriebs 1 derart betrieben, dass die Verzahnung nicht außer Eingriff gerät, arbeitet der Stellantrieb 1 idealerweise schlupffrei.
Als besonders bevorzugt wird eine zykloidische Verzahnung von Antriebsring 20 und Welle 30 angesehen. Bei der zykloidischen Verzahnung ist nahezu die Hälfte aller Zähne im Eingriff, wodurch ein hohes Drehmoment zwischen Antriebsring 20 und Welle 30 übertragbar ist. Über die Anzahl der auf der Innenfläche des Antriebsrings 20 und der Außenfläche der Welle 30 befindlichen Zähne ist zunächst eine Untersetzung des Stellantriebs 1 festgelegt, die typischerweise in einem Bereich von 20:1 bis 200:1 liegt. Um den Stellantrieb 1 um nur einen Zahn weiter zu stellen, das heißt die Welle 30 durch den Antriebsring 20 um einen Zahn weiter zu drehen, muss vorzugsweise eine vollständige Periode des ansteuernden Sinussignals des Stellantriebs 1 durchlaufen werden. Da zum Weiterstellen um einen Zahn ein Zyklus des Ansteuersignals durchlaufen werden muss, zeichnet sich der Stellantrieb 1 durch eine hohe Genauigkeit und durch eine hohe Wiederholgenauigkeit aus. Zudem wird über die Anzahl der Zähne und die Nutzung von einem Zyklus des Ansteuersignals pro Zahn eine hohe Winkelauflösung des Stellantriebs 1 realisiert. Ergänzend dazu kann beliebig innerhalb einer Periode des Ansteuersignals interpoliert werden, um einen Mikroschrittbetrieb des Steuerbetriebs 1 zu gewährleisten. Somit liefert der Stellantrieb 1 gemäß bevorzugter Konstruktionen eine hohe Effizienz, eine hohe Untersetzung, ein hohes übertragbares Drehmoment basierend auf der Verzahnung von Antriebsring 20 und Welle 30, Schlupffreiheit bei der Übertragung des Drehmoments, eine beliebige Interpolation des Drehwinkels innerhalb eines Zahns der Welle 30 (Mikroschrittbetrieb), geringe Antriebsdrehmomentschwankungen (Ripple) und eine niedrige Zahnflankenbelastung für Antriebsring 20 und Welle 30, so dass ebenfalls der Verschleiß reduziert wird.
Streifenförmige piezoelektrische Biegewandler 10, die den oben genannten Anforderungen genügen, verhalten sich in ihrer Wirkrichtung α, β mechanisch „weicher" als in jeder anderen Raumrichtung. Diese Eigenschaft sollte bei der Ankopplung der Biegewandler 10 an den Antriebsring 20 beachtet werden. Werden die Biegewandler 10 an ihrem Einspannende 12 mechanisch steif in einem ruhenden Gehäuse 70 (vgl. 8) gelagert und an ihrem bewegten Ende ebenfalls mechanisch steif an den bewegbaren Antriebsring 20 gekoppelt, arbeitet ein Biegewandler 10 in seiner Wirkrichtung α jeweils gegen die vergleichsweise hohe mechanische Steifigkeit des anderen Biegewandlers 10. Dieser Aufbau ist bereits eingeschränkt funktionsfähig. Um die Bewegungen der am Antriebsring 20 angreifenden Biegewandler 10 geeignet zu entkoppeln, werden die Bewegungen des Biegewandlers 10 auf den Antriebsring 20 jeweils über eine Schiebekupplung 40 (vgl. 1 bis 3) oder eine scherflexible Struktur 50, 60 (vgl. 5 bis 8) übertragen. Diese Entkopplung der Bewegungen der Biegewandler 10 zeichnet sich dadurch aus, dass der Antriebsring 20 mechanisch steif an jeden der Biegewandler 10 bezüglich dessen jeweilige Wirkrichtung α, β gekoppelt ist. Zudem behindern sich die Biegewandler 10 gegenseitig in ihrer Wirkrichtung α, β nicht, das heißt, dass sie sich in der Wirkrichtung α, β des jeweils anderen Biegewandlers 10 mechanisch weich verhalten. Dies wird vorzugsweise durch ein Abgleiten des Biegewandlers 10 auf dem Antriebsring 20 senkrecht zu seiner Wirkrichtung α, β oder durch eine geringe Schersteifigkeit der scherflexiblen Struktur 50, 60 senkrecht zu seiner Wirkrichtung α, β erzielt. Zudem zeichnet sich die Entkopplung dadurch aus, dass sie sich torsionssteif bezüglich der von der Welle 30 auf den Antriebsring 20 übertragenen Lastdrehmomente verhält. Die Entkopplung wird dadurch erzielt, dass die Schiebekupplung 40 oder die scherflexible Struktur 50, 60 zwischen Antriebsring 20 und bewegbarem Ende des Biegewandlers 10 angeordnet wird. Eine weitere Alternative besteht darin, die scherflexible Struktur 50, 60 und die Schiebekupplung 40 zwischen dem Biegewandler 10 und dem Gehäuse 70 anzuordnen (vgl. 4, 6). In diesem Fall würde das bewegbare Ende des Biegewandlers 10 fest am Antriebsring 20 befestigt sein. Diese verschiedenen Ausführungsformen sind unten unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 näher erläutert.
Als weitere Vorteile der scherflexiblen Struktur 50, 60 und der Schiebekupplung 40 ist neben der Entkopplung zu nennen, dass sie die Effizienz der Umsetzung der Linearbewegung der Biegewandler 10 in eine Drehung der Welle 30 steigern. Zudem verbessern sie die Linearität der Umsetzung der Phase der Ansteuerfunktion in einen Drehwinkel des Stellantriebs 1.
In den begleitenden Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. In den unterschiedlichen Ausführungsformen sind ähnliche Komponenten des elektromechanischen Stellantriebs 1 jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. 1A, B, C, C' zeigt erste Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In 1A ist eine schematische Schnittansicht des elektromechanischen Stellantriebs 1 dargestellt. Der Stellantrieb 1 umfasst mindestens zwei Antriebselemente 10. Die Antriebselemente 10 sind mechanisch steif an einem Gehäuse (nicht gezeigt) am Punkt 12 befestigt. Des Weiteren sind die Antriebselemente 10 mechanisch steif an einem Antriebsring 20 am Punkt 16 befestigt. Die mechanisch steife Befestigung bzw. Verbindung zwischen Antriebselement 10 und Antriebsring 20 sowie Gehäuse wird durch eine Klebe- oder Steckverbindung realisiert. Es ist ebenfalls bevorzugt, die Antriebselemente 10 in geeigneten Lagern am Gehäuse zu befestigen.
Die Antriebselemente 10 werden gemäß einer Ausführungsform durch piezoelektrische Biegewandler gebildet. Die Biegewandler 10 weisen jeweils eine Wirkrichtung α, β auf, in die sie bei geeigneter elektrischer Ansteuerung auslenken. Die Auslenkung kann in beide Pfeilrichtungen der Pfeile α, β in 1A erfolgen.
Die Auslenkung wird auf den Antriebsring 20 übertragen, um eine Welle 30 anzutreiben. Die Welle 30 ist innerhalb einer Öffnung 28 des Antriebsrings 20 angeordnet und verläuft senkrecht zur Wirkrichtung α, β der Biegewandler 10. Die Biegewandler 10 sind bevorzugt derart angeordnet, dass die Wirkrichtungen α und β im Raum rechtwinklig aufeinander treffen und im Zentrum des Antriebsrings 20 einen gedachten Schnittpunkt X bilden. Durch die Anordnung der Biegewandler 10 spannen die Wirkrichtungen α, β eine Wirkebene auf, die in der Blattebene der 1A liegt. Gemäß den in den 1A und B gezeigten Ausführungsformen sind die Biegewandler 10 innerhalb dieser Wirkebene angeordnet. Bezogen auf die Öffnung 28 im Antriebsring 20 liegen die Biegewandler 10 in unterschiedlichen Tangentialebenen. Die Tangentialebenen verlaufen senkrecht zur Blattebene der 1A und B parallel zu einer gedachten Tangente an die innere Öffnung 28 des Antriebsrings 20.
Die Tangentialebenen der Biegewandler 10 sind in den gezeigten Ausführungsformen bevorzugt rechtwinklig zueinander ausgerichtet, während hier auch andere Winkelausrichtungen zueinander ungleich 0° denkbar sind. Gemäß der in 1A gezeigten Ausführungsform sind die Biegewandler 10 in den Tangentialebenen rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt X des Antriebsrings 20 angeordnet. Die Tangentialebenen sind um einen Winkel γ = 270° gemessen gegen den Uhrzeigersinn versetzt zueinander angeordnet. Es ist ebenfalls denkbar, die Biegewandler 10 rotationssymmetrisch in Tangentialebenen anzuordnen, die um einen beliebigen Winkel γ im Bereich von 180° < γ < 360° versetzt zueinander angeordnet sind.
In der Ausführungsform gemäß 1B sind die Biegewandler 10 in den Tangentialebenen spiegelsymmetrisch zu einem gedachten Durchmesser D des Antriebsrings 20 angeordnet. Die Tangentialebenen in der spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente 10 sind vorzugsweise um einen Winkel γ = 90° versetzt zueinander. Es ist ebenfalls bevorzugt, die Biegewandler 10 in Tangentialebenen anzuordnen, die in einem beliebigen Winkel γ im Bereich von 0 < γ < 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
Die 1C und C' zeigen eine weitere Ausführungsform des Stellantriebs 1 in Draufsicht und in Seitenansicht. Hier sind die Biegewandler 10 ebenfalls in winklig zueinander versetzten Tangentialebenen angeordnet. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Biegewandler 10 zudem außerhalb der durch die Wirkrichtungen α, β aufgespannten Wirkebene angeordnet und verlaufen bevorzugt beide parallel zueinander und zur Welle 30. Es ist ebenfalls bevorzugt, die Biegewandler 10 nicht parallel zueinander und in einem beliebigen Winkel bezüglich der Welle 30 innerhalb der jeweiligen Tangentialebene anzuordnen. Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform des Stellantriebs 1 ist nur einer der Biegewandler 10 innerhalb der Wirkebene angeordnet, während beide Biegewandler 10 in unterschiedlichen Tangentialebenen angeordnet sind.
Trotz der unterschiedlichen oben beschriebenen räumlichen Anordnungen der Biegewandler 10 innerhalb des Stellantriebs 1 ist die Wirkrichtung α, β des jeweiligen Biegewandlers 10 in radialer Richtung des Antriebsrings 20 orientiert. Diese Orientierung ermöglicht eine optimale Krafteinleitung oder ein optimales Versetzen des Antriebsrings 20 durch die Auslenkung des jeweiligen Biegewandlers 10. Neben der optimalen Ansteuerung des Antriebsrings 20 über die Auslenkung der Biegewandler 10 ist der Stellantrieb 1 durch die unterschiedliche räumliche Ausrichtung der Biegewandler 10 an räumliche Gegebenheiten und Zwänge optimal anpassbar.
Die in Bezug auf die Ausführungsformen der 1 beschriebenen räumlichen Anordnungsmöglichkeiten der Biegewandler 10 im Stellantrieb 1 gelten in gleicher Weise für die in den 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 beschriebenen Ausführungsformen des Stellantriebs 1, ohne dass sie für diese Ausführungsformen noch einmal wiederholt werden.
In den Ausführungsformen der 2A, B, C, C' sind die Biegewandler 10 über eine Rutschkupplung 40 am Antriebsring 20 angelenkt. Die Rutschkupplung 40 ermöglicht eine Entkopplung der Bewegungen der beiden Biegewandler 10 voneinander. Auf diese Weise schränkt ein Biegewandler 10 nicht jeweils die Bewegung des anderen Biegewandlers 10 ein, weil sich der Antriebsring 20 entlang der Längsachse des Biegewandlers 10 verschieben kann und nicht starr befestigt ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Rutschkupplung 40 einen Vorsprung 22 am Antriebsring 20, an dem das entsprechende Ende des Biegewandlers 10 auf Druck anliegt. Der Druck des Biegewandlers 10 auf den Vorsprung 22 wird bevorzugt über ein federndes Element 80 erzeugt. Das federnde Element 80 ist jeweils in Wirkrichtung α, β gesehen gegenüber dem am Antriebsring 20 angreifenden Ende des Biegewandlers 10 angeordnet. Die federnden Elemente 80 gewährleisten ein Anliegen der Biegewandler 10 am Vorsprung 22 oder allgemein am Antriebsring 20 auch ohne eine Befestigung des Biegewandlers 10 am Antriebsring 20. Die federnden Elemente 80 sind an der Ringaußenfläche an den Antriebsring 20 gekoppelt. Die federnden Elemente 80 stützen sich auf der Ring abgewandten Seite gegen das nicht näher dargestellte Gehäuse 70 ab.
Es ist ebenfalls denkbar, den Antriebsring ohne die Vorsprünge 22 bereitzustellen und auf diese Weise die Biegewandler 20 direkt an den Antriebsring 20 angreifen zu lassen. Um die Reibung zwischen Vorsprung 22/Antriebsring 20 und Biegewandler 10 zu reduzieren, weist der Vorsprung 22/Antriebsring 20 eine glatte tangential angeschliffene Außenfläche auf. Bezogen auf die räumliche Orientierung der Biegewandler 10 im Stellantrieb 1 bestehen die gleichen Möglichkeiten, wie sie im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der 1 erläutert worden sind.
Die 3A, B, C, C' zeigen Ausführungsformen des Stellantriebs 1, in denen die Biegewandler 10 auf Druck und Zug mechanisch steif an den Antriebsring 20 gekoppelt sind. Die jeweils andere Seite des Biegewandlers 10 ist mechanisch steif und fest in Lagern 12 des Gehäuses (nicht gezeigt) an geordnet. Für diese Druck-Zug-Ankopplung der Biegewandler 10 an den Antriebsring 20 weist der Antriebsring 20 anstelle des Vorsprungs 22 aus 2 jeweils U-förmige Vorsprünge 24 an den entsprechenden Angriffspunkten der Biegewandler 10 auf. Der U-förmige Vorsprung 24 umgreift das bewegbare Ende des Biegewandlers 10 derart, dass Bewegungen des Biegewandlers 10 in beide Pfeilrichtungen der Wirkrichtungen α, β auf den Antriebsring 20 übertragbar sind. Der U-förmige Vorsprung 24 ist gemäß 3 derart realisiert, dass ein ausreichendes Spiel jeweils in Längsrichtung der Antriebselemente 10 vorhanden ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der U-förmige Vorsprung 24 daher derart angeordnet, dass er den Biegewandler 10 von der Seite umgreift, so dass der U-förmige Vorsprung 24 jeweils in Längsrichtung des Biegewandlers 10 gesehen offen bzw. in Längsrichtung des Biegewandlers 10 verschiebbar ist, ohne durch den Vorsprung 24 selbst blockiert zu werden.
Es ist ebenfalls bevorzugt, den Vorsprung 24 brückenförmig auszubilden, so dass das bewegbare Ende des Biegewandlers 10 in diese Brückenform eingeschoben werden kann. Die Bewegungen der Biegewandler 10 wären ebenfalls entkoppelt voneinander, weil der brückenförmige Vorsprung in Längsrichtung der Biegewandler 10 offen und daher der Antriebsring 20 parallel zur Längsrichtung des Biegewandlers 10 verschiebbar wäre.
In den 3C, C' umgreift der U-förmige Vorsprung 24 das bewegbare Ende des Biegewandlers 10 derart, dass der U-förmige Vorsprung 24 in Längsrichtung des Biegewandlers 10 gesehen geschlossen ist. Durch diese Anordnung wird ebenfalls eine Druck-Zug-Ankopplung des Biegewandlers 10 an den Antriebsring 20 und eine Entkopplung der Bewegungen der Biegewandler 10 voneinander realisiert.
In den Ausführungsformen der 4 sind zwei Biegewandler 10 tangential zur umlaufenden Außenfläche des Antriebsrings 20 und somit auch tangential zu dessen Öffnung 28 an jeweils einer Seite 26 fest, mechanisch steif an den Antriebsring 20 des Stellantriebs 1 gekoppelt. Die Kopplungen 26 sind bevorzugt durch Klebe- oder Steckverbindungen realisiert. Die jeweils andere Seite des Biegewandlers 10 ist in einer Schiebekupplung 40 befestigt. In den Ausführungsformen der 4A, B, bewirkt die Schiebekupplung 40, dass die Biegewandler 10 in Längsrichtung des Biegewandlers 10 verschiebbar, aber in allen anderen Raumrichtungen fest in Lagern des nicht näher dargestellten Gehäuses gelagert sind. Die Ausführungsformen der 4C, C' zeigen eine weitere Gestaltung der Schiebekupplung 40. Hier sind die Biegewandler 10 innerhalb der Schiebekupplung 40 quer zu ihrer Längsrichtung verschiebbar angeordnet, während sie in allen anderen Raumrichtungen fest angeordnet sind. Auf diese Weise wird ebenfalls die Entkopplung der Bewegungen der Biegewandler 10 erzielt, so dass sie sich nicht gegenseitig behindern. In Übereinstimmung mit den bereits oben diskutierten Ausführungsformen der 1 bis 3 sind die Biegewandler 10 bevorzugt so angeordnet, dass die Wirkrichtungen α und β im Raum rechtwinklig aufeinander treffen und sich gedacht im Zentrum des Antriebsrings 20 schneiden.
In den Ausführungsformen der 5A, B, C, C' sind die beiden Biegewandler 10 über eine scherflexible Struktur 50 am Antriebsring 20 befestigt. Die scherflexible Struktur 50 zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine mechanisch steife oder druckstabile Verbindung mit dem Antriebsring 20 in Wirkrichtung α, β der Biegewandler 10 herstellt. Senkrecht zur Wirkrichtung α, β ist die scherflexible Struktur 50 weich oder flexibel.
Aufgrund dieser Eigenschaften der scherflexiblen Struktur 50 lässt bei einer Bewegung des Biegewandlers 10 in Wirkrichtung α die scherflexible Struktur 50 am zweiten Biegewandler 10 senkrecht zur Wirkrichtung β eine Bewegung des Antriebsrings zu. Auf diese Weise wird die Bewegung der beiden Biegewandler 10 entkoppelt.
Die scherflexible Struktur 50 ist über die Grenzflächen oder Befestigungen 52, 54 am Biegewandler 10 und am Antriebsring 20 befestigt. Die Biegewandler 10 sind wiederum an ihrem dem Antriebsring 20 abgewandten Ende 12 fest in Lagern des nicht gezeigten Gehäuses befestigt. Auch hier sind wieder die verschiedenen räumlichen Anordnungen der Biegewandler 10 denkbar, um den Platzbedarf des Stellantriebs 1 an die räumlichen Begebenheiten optimal anzupassen (vgl. Beschreibung zu 1).
Wie bereits in den Ausführungsformen der 3 und 4 gezeigt ist, ist die Schiebekupplung 40 bevorzugt zur Entkopplung der Bewegungen der Biegewandler 10 sowohl zwischen Biegewandler 10 und Antriebsring 20 als auch zwischen Biegewandler 10 und dem nicht gezeigten Gehäuse oder der sonst festen Anlenkung des Biegewandlers 10 angeordnet. Daher ist es gemäß den Ausführungsformen der 6A, B, C, C' ebenfalls bevorzugt, die scherflexible Struktur 50 zwischen Biegewandler 10 und dem nicht gezeigten Gehäuse des Stellantriebs 1 anzuordnen. Die scherflexible Struktur 50 ist beispielsweise über die Grenzfläche 56 am nicht gezeigten Gehäuse des Stellantriebs 1 befestigt. Die Grenzfläche 52 stellt die Verbindung der scherflexiblen Struktur 50 zum Biegewandler 10 her. Die Verbindungen 52, 56 lassen sich unter anderem durch Kleben, Klemmen, Stecken oder ähnliches herstellen. Das jeweils andere bewegbare Ende des Biegewandlers 10 ist am Antriebsring 20 fest angelenkt.
Eine weitere Ausführungsform einer scherflexiblen Struktur 60 innerhalb des Stellantriebs 1 ist in 7 dargestellt. Die Ausführungsform nach 7 ist im Wesentlichen äquivalent zur Ausführungsform nach 5. Jedoch ist in den 5 und 6 die scherflexible Struktur 50 allgemein als Block mit speziellen mechanischen Eigenschaften dargestellt. Das besondere Merkmal dieses Blocks 50 ist eine mechanisch hohe Steifigkeit in Wirkrichtung α, β des angekoppelten Biegewandlers 10 und ein mechanisch weiches Verhalten mindestens in eine senkrecht dazu angeordnete Wirkrichtung weiterer an den An triebsring 20 gekoppelter Biegewandler 10. In 7 ist der Aufbau der scherflexiblen Struktur 60 im Hinblick auf ihre Formgestaltung detaillierter dargestellt. Die scherflexible Struktur 60 ist über die Grenzflächen 62, 64 mit dem Antriebsring 20 und dem Biegewandler 10 verbunden. Wie in der Ausschnittvergrößerung der 7 zu erkennen ist, weist die scherflexible Struktur 60 eine bestimmte Konstruktion bestehend aus Verjüngungen und Verdickungen auf, die Druck- und Zugstabilität und Steifigkeit parallel zur Wirkrichtung α des angekoppelten Biegewandlers 10 erzeugen. Des Weiteren gewährleistet die scherflexible Struktur 60 eine Flexibilität in den Pfeilrichtungen δ, um die Bewegungen der beiden Biegewandler 10 des Steilantriebs 1 zu entkoppeln.
Weitere Details der scherflexiblen Struktur 60 gehen aus den Darstellungen in den 9 bis 15 hervor. 9A zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der scherflexiblen Struktur 60. Diese umfasst zwei parallel zueinander angeordnete Stäbe S1 und S2. Diese sind bevorzugt parallel zur Wirkrichtung α, β des angeschlossenen Biegewandlers 10 angeordnet. Die Stäbe S1, S2 sind über Gelenke G1, G2 mit horizontal verlaufenden Anlenkflächen für Biegewandler 10 und Antriebsring 20 verbunden. Wird eine Auslenkung des Biegewandlers 10 parallel zu den Stäben S1, S2 übertragen, bleibt die scherflexible Struktur 60 aufgrund der Steifigkeit der Stäbe S1, S2 formstabil und überträgt den durch den Biegewandler 10 erzeugten Druck und Zug nahezu ohne Verluste. Wirkt eine Scherkraft F_x > 0 (vgl. 9C), beispielsweise durch eine Auslenkung des um 90° versetzt angeordneten Biegewandlers 10, erfolgt eine Drehung der Stäbe S1, S2 in Bezug auf die horizontalen Anlenkflächen in den Gelenken G1, G2.
Zusammengefasst besitzt somit die scherflexible Struktur 60 folgende Eigenschaften. Sie ist mechanisch steif in Wirkrichtung α des direkt angekoppelten Biegewandlers 10 und mechanisch weich in Wirkrichtung β des Weiteren nicht direkt angekoppelten Biegewandlers 10. Zudem ist die scherflexible Struktur 60 einfach herstellbar. Eine Herstellungsalternative besteht darin, den Antriebsring 20 einteilig mit scherflexibler Struktur 60 und einer Steckverbindung zum Biegewandler 10 herzustellen. Diese Herstellungsalternative ist gemäß einer Ausführungsform mit Hilfe einer Spritzgusstechnik aus Polyethylen, Spritzguss-Kunststoff, POM oder aus anderen geeigneten Werkstoffen realisierbar.
In den 10 bis 15 sind mögliche Ausführungsformen der scherflexiblen Struktur 60 dargestellt. Wie bereits oben beschrieben, zeichnen sich auch die dargestellten Ausführungsformen der scherflexiblen Struktur 60 durch eine in den Richtungen X und Y unterschiedliche mechanische Steifigkeit aus. Auf dieser Grundlage ist eine Kraft über die große mechanische Steifigkeit in Y-Richtung von der Stirnfläche F1 auf die Stirnfläche F3 übertragbar. Auch ein Drehmoment zwischen den Stirnflachen F1 und F3 wird übertragen. Nur Kräfte in X-Richtung werden nicht übertragen. Wie in den Ausführungsformen der 8 dargestellt ist, werden die Biegewandler 10 an die Stirnfläche F1 und der Antriebsring 20 an die Stirnfläche F3 gekoppelt.
In den 10 bis 15 sind mit A die Frontalansichten und mit A' die Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen der scherflexiblen Struktur 60 gezeichnet. Als ein besonderes Merkmal ist in den Seitenansichten der 10 bis 15 eine Taillierung der scherflexiblen Struktur 60 mit einem Taillierungsradius R dargestellt. Mit dieser Darstellung ist auch der Extremfall der Taillierung abgedeckt, bei dem R gegen unendlich geht und somit keine Taillierung mehr vorhanden ist. Mit kleiner werdenden Taillierungsradien R nimmt die Taillierung zu. Durch den Parameter R lässt sich das Verhältnis der Steifigkeit in X-Richtung zur Steifigkeit in Y-Richtung einstellen. Mit kleiner werdendem Radius R nimmt die Steifigkeit in X-Richtung ab, während sich die Steifigkeit in Y-Richtung nur geringfügig ändert. Vorteilhaft für die Herstellung und Funktion der scherflexiblen Struktur 60 sind die in den 10 bis 15 dargestellten Symmetrien, während diese jedoch nicht zwingend erforderlich sind.
In der Ausführungsform der scherflexiblen Struktur 60 gemäß 14 ist ein Drehgelenk F4 auf der Seite des Antriebsrings 20 oder gemäß der Ausführungsform der 15 auf der Seite des Biegewandlers 10 an die scherflexible Struktur 60 gekoppelt. Es ist ebenfalls bevorzugt, an beiden Seiten der scherflexiblen Struktur 60 ein Drehgelenk vorzusehen. Mit Hilfe des Drehgelenks F4 wird eine Kraft in einem Punkt bzw. in einer Linie in die scherflexible Struktur 60 eingeleitet. Auf der Seite des angekoppelten Biegewandlers 10 bedeutet dies gemäß 15, dass die Kraft am Ende des Biegewandlers 10 abgenommen wird und dadurch die volle aktive Länge des Biegewandlers 10 nutzbar ist. Vorteilhaft in beiden Ausführungsformen der 14 und 15 ist ebenfalls, dass eine Drehmomententkopplung zwischen dem verbundenen Biegewandler 10 und dem Antriebsring 20 realisierbar ist.
Der in 8 dargestellte Aufbau stellt eine bevorzugte Ausführungsform des Steilantriebs 1 dar. Die beiden piezoelektrischen Biegewandler 10 sind innerhalb des schematisch dargestellten Gehäuses 70 angeordnet. Sie weisen die jeweilige Wirkrichtung α, β auf, so dass Auslenkungen und Kräfte der Biegewandler 10 über die scherflexible Struktur 60 auf den Antriebsring 20 übertragbar sind. Die Biegewandler 10 sind derart im Raum angeordnet, dass sich die Wirkrichtungen α, β vorzugsweise unter einem Winkel von 90° im Zentrum des Antriebsrings 20 schneiden. Die piezoelektrischen Biegewandler 10 sind jeweils an einem Ende durch die Lager 12 am Gehäuse 70 fest gelagert. Am anderen Ende der Biegewandler 10 ist jeweils die bereits oben genannte scherflexible Struktur über die Grenzflächen 62 und 64 mit dem Biegewandler 10 und dem Antriebsring 20 fest verbunden. Diese Verbindung wird durch Schweißen, Löten, Kleben, Stecken oder eine ähnliche Befestigungsart realisiert.
Die scherflexible Struktur 60 verhält sich in Wirkrichtung des zugehörigen Biegewandlers 10 mechanisch steif und in Wirkrichtung weiterer an den Antriebsring 20 gekoppelter Bie gewandler mechanisch welch. Zusätzlich wird durch die scherflexible Struktur 60 ein von der Welle 30 auf den Antriebsring 20 übertragenes Lastdrehmoment an die Biegewandler 10 übermittelt und schließlich vom Gehäuse 70 aufgenommen. Die Welle 30 ist drehbar am Gehäuse 70 gelagert. Sie ist derart durch die innere Öffnung 28 des Antriebsrings 20 geführt, dass sie auf der Innenfläche des Antriebsrings 20 abrollen kann. Die Kraftübertragung vom Antriebsring 20 auf die Welle 30 erfolgt bevorzugt reibschlüssig oder formschlüssig. Eine formschlüssige Kraftübertragung wird gemäß einer Ausführungsform durch eine Verzahnung, vorzugsweise eine zykloidische Verzahnung, auf dem Antriebsring 20 und der Welle 30 realisiert.

Claims

Elektromechanischer Stellantrieb (1), insbesondere ein elektromechanischer Mikroschrittmotor, der die folgenden Merkmale aufweist: a. mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente (10), die jeweils eine nicht parallel zueinander ausgerichtete Wirkrichtung (α, β) aufweisen, b. eine in einem Antriebsring (20) derart drehbar gelagerte Welle (30), dass der Antriebsring (20) durch eine Auslenkung der elektromechanischen Antriebselemente (10) in Wirkrichtung (α, β) zu einer unmittelbar auf die Welle (30) übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, so dass die Welle (30) im Antriebsring (20) abrollt und dadurch rotiert, während c. die mindestens zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) über eine Schiebekupplung (40) oder eine scherflexible Struktur (50) angelenkt sind, so dass eine gegenseitige Behinderung der Antriebselemente (10) während der Verschiebebewegung minimiert ist.
Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß Anspruch 1, dessen elektromechanischen Antriebselemente (10) Biegewandler, vorzugsweise piezoelektrische Biegewandler, sind.
Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Antriebselemente (10) an einem Ende fest am Antriebsring (20) oder an einem Gehäuse (60) befestigt sind, während das andere Ende über die Schiebekupplung (40) oder die scherflexible Struktur (50) entsprechend am Gehäuse (60) oder Antriebsring (20) angreift.
Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß Anspruch 3, dessen Antriebsring (20) Vorsprünge (22) zum Aufnehmen der Auslenkung des jeweiligen Antriebselements (10) aufweist, während der Vorsprung (22) und das jeweils angreifende Antriebselement (10) in Bezug auf die Wirkrichtung (12) eines weiteren Antriebselements (10) derart ausgerichtet sind, dass ein Gleiten des Vorsprungs (22) auf dem angreifenden Antriebselement (10) gewährleistet ist.
Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die jeweilige Wirkrichtung (α, β) der Antriebselemente (10) in radialer Richtung bezogen auf den Antriebsring (20) orientiert sind.
Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen zwei elektromechanische Antriebselemente (10) derart angeordnet sind, dass d1. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) in einer durch die Wirkrichtungen (α, β) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf eine innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) mit einem Mittelpunkt (X) liegen, so dass die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer um den Mittelpunkt (X) rotationssymmetrischen Anordnung der Antriebselemente (10) um einen Winkel γ im Bereich von 180° < γ < 360°, vorzugsweise γ = 270°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer an einem gedachten Durchmesser (D) des Antriebsrings (20) spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente (10) um einen Winkel γ im Bereich von 0° < γ < 180°, vorzugsweise γ = 90°, versetzt zueinander angeordnet sind, oder d2. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) außerhalb der durch die Wirkrichtungen (α, β) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangen tialebenen bezogen auf die innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) liegen oder d3. eines der zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) in der durch die Wirkrichtungen (α, β) aufgespannten Ebene und das andere Antriebselement (10) außerhalb der durch die Wirkrichtungen (α, β) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) liegen.
Elektromechanischer Stellantrieb (1), insbesondere ein piezoelektrischer Mikroschrittmotor, der die folgenden Merkmale aufweist: a. zwei elektromechanische, vorzugsweise piezoelektrische, Antriebselemente (10), die jeweils eine Längsachse und eine nicht parallel zueinander ausgerichtete Wirkrichtung (α, β) aufweisen, b. eine in einem Antriebsring (20) derart angeordnete Welle (30), dass der Antriebsring (20) durch eine Auslenkung der elektromechanischen Antriebselemente (10) in Wirkrichtung (α, β) zu einer unmittelbar auf die Welle (30) übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, während c. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) an ihren Enden mit dem Antriebsring (20) und einem Gehäuse (70) fest verbunden sind und d. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) derart angeordnet sind, dass d1. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) in einer durch die Wirkrichtungen (α, β) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf eine innere Öffnung (28) des Antriebs rings (20) mit einem Mittelpunkt (X) liegen, so dass die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer um den Mittelpunkt (X) rotationssymmetrischen Anordnung der Antriebselemente (10) um einen Winkel γ im Bereich von 180° < γ < 360°, vorzugsweise γ = 270°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer an einem gedachten Durchmesser (D) des Antriebsrings (20) spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente (10) um einen Winkel γ im Bereich von 0° < γ < 180°, vorzugsweise γ = 90°, versetzt zueinander angeordnet sind, oder d2. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) außerhalb der durch die Wirkrichtungen (α, β) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) liegen oder d3. eines der zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) in der durch die Wirkrichtungen (α, β) aufgespannten Ebene und das andere Antriebselement (10) außerhalb der durch die Wirkrichtungen (α, β) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) liegen.