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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern
eines piezoelektrischen Antriebs und einen piezoelektrischen Antrieb.
Derartige piezoelektrische Antriebe sind aus dem Stand der Technik
bekannt. Dabei sind Piezomotoren vorgesehen, welche wiederum Piezoelemente
aufweisen, die bei entsprechender elektrischer Ansteuerung mechanische
Bewegungen auslösen und beispielsweise ein anzutreibendes
Element antreiben können. Zur Erhöhung der über
die Motoren übertragbaren Kräfte ist es dabei
ebenfalls bekannt, mittels mehrerer parallel und synchron angetriebener Antriebselemente
bzw. Motoren einen bestimmten Gegenstand, wie beispielsweise eine
drehbare Scheibe oder einen sich in einer Längsrichtung
bewegenden Stab, anzutreiben.
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Aus
der
US 5,365,296 sind
ein Motor und eine optische Vorrichtung mit einem solchen Motor bekannt.
Dieser Motor weist ein Piezoelement auf, welches durch Kontraktion
und Ausdehnung die Verschiebung einer Stange erreicht. Genauer gesagt wird
hierbei eine Bewegung der Stange durch ein Zusammenwirken zweier
Eingriffsmittel erreicht, deren Bewegungen aufeinander abgestimmt
sind.
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Die
US 4,736,131 beschreibt
eine Antriebsvorrichtung mit einem Linearmotor. Auch hier sind zwei
piezoelektrische Antriebselemente vorgesehen, die in genau aufeinander
abgestimmten Zusammenwirken eine Bewegung zweier zueinander paralleler Platten
erreichen.
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Die
US 6,717329 B2 beschreibt
eine Antriebsvorrichtung mit einem einzelnen Piezomotor.
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Aus
der
US 5,049,775 ist
ein integrierter mikromechanischer piezoelektrischer Motor bekannt. Dabei
sind V-förmige Einzelmotoren, die mittels jeweils zwei
Piezostreifen angetrieben werden, vorgesehen, wobei Hebel in Ausnehmungen
eines anzutreibenden Elements eingreifen können.
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Aus
der
US 6,066,911 ist
ein Ultraschallantriebselement bekannt. Dabei ist eine Vielzahl
von Piezoelementen angeordnet, die eine wellenartige Bewegung erzeugen.
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Wird,
wie eingangs erwähnt, eine Vielzahl von Piezomotoren parallel
verwendet, ergibt sich das Problem, dass die rechnerische Summe
der einzelnen Motorkräfte oft höher ist als die
tatsächlich resultierende Gesamtkraft, da aufgrund von
Asynchronitäten Kraft verloren gehen kann. Hierbei ist
zu beachten, dass Piezomotoren typischerweise bei ihren individuellen
optimalen Betriebsfrequenzen betrieben werden, welche toleranzbedingt
von Motor zu Motor unterschiedlich sein können, so dass
die hochfrequenten Antriebsbewegungen der Einzelmotoren asynchron
zueinander erfolgen und sich dabei möglicherweise gegenseitig
beeinflussen.
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Auch
ist es möglich, dass sich mehrere Einzelmotoren durch die
umliegenden Strukturen, wie beispielsweise die Halterung und das
angetriebene Element gegenseitig vibratorisch beeinflussen und behindern.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass es sich bei
piezoelektrischen Antrieben um schwingende Antriebssysteme handelt,
und dabei das Antriebsprinzip hochfrequent und reibungsbasiert ist.
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Die
Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Reibungskräften
sind so komplex, dass das Endergebnis bzw. die resultierende Kraft
auch für Experten nicht vorhersagbar ist. Dadurch wird
wiederum die Wiederholbarkeit in der Produktion von Vielmotorsystemen
behindert und auch die Systemleistung kann nicht vorhergesagt werden.
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Weiterhin
tritt bei Antrieben mit mehreren Motoren das Problem auf, dass der
aufsummierte Stromverbrauch bisweilen zu hoch wird. Weiterhin benötigt
jeder Piezomotor seine eigene Treiberelektronik.
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Im
Stand der Technik werden mehrere Piezomotoren üblicherweise
im Gleichtakt betrieben, da man sich hierdurch höhere Kraftentwicklungen
verspricht. Jedoch tritt auch in anderen Anwendungsfällen
das Problem auf, dass die Motorschritte insbesondere für
Präzisionspositionieranwendungen zu groß sind
und die Bewegung durch eine Reduktion der Schrittgröße über
eine Reduktion der Motorspitzenamplitude auch eine Kraftreduktion
bewirkt. Genauer gesagt, muss ein Einzelmotor oder müssen auch
mehrere synchron laufende Motoren zunächst eine Hemmschwelle überwinden,
bis sich die angetriebenen Elemente tatsächlich bewegen.
Erst dann kann wieder gebremst werden. Durch Einflüsse
wie Trägheit ergibt sich eine gewisse Mindestschrittgröße,
die nicht unterschritten werden kann, ohne dass das angetriebene
Element bzw. dessen Bewegung beeinflusst wird, das heißt
das angetriebene Element im schlechtesten Fall stehen bleibt. Zwar
wäre es möglich, die Amplitude der Motorvibration
zu reduzieren um auf diese Weise ein sanfteres Anfahren und damit
auf kleinere bzw. präzisere Schritte zu erreichen. In diesem
Fall verliert man jedoch auch Motorkraft.
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Ein
weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Steuerungen
besteht in einem höheren Elektronikaufwand für
die Ansteuerung des Motors. So müssen beispielsweise mehrere
identische Endstufen für die Ansteuerung des Antriebs verwendet
werden.
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Weiterhin
tritt im Stand der Technik des Öfteren der Fall auf, dass
auf das anzutreibende System von außen eine Kraft einwirkt,
wie beispielsweise die Gravitationskraft. Im Falle einer gleichzeitigen
Ansteuerung aller Motoren des Systems kann es daher in Richtung
der von außen einwirkenden Kraft zu einem unkontrollierten
Durchrutschen eines angetriebenen Elements kommen. Dies ist darauf
zurückzuführen, dass piezoelektrische Motoren
prinzipbedingt zeitweise den Kontakt zu dem angetriebenen Element
bzw. Bewegungselement verlieren, oder zumindest zeitweise variable
Antriebskräfte erzeugen.
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Falls
beabsichtigt ist, große bzw. sehr träge Massen
anzutreiben, treten zudem oft Problemen auf, wenn die Ansteuerung
der Motoren schneller erfolgt als die Masse des angetriebenen Elements
folgen kann. Falls beispielsweise eine Geschwindigkeitsreduktion
durch eine äußere Plusweitenmodulation, das heißt
ein kurzfristiges Ein- und Ausschalten der Motoren, vorgenommen
wird, führt dies dazu, dass die Motorkraft stark abnimmt,
wenn die Einschaltzeiten kürzer sind als die Zeitkonstante
des Systems bzw. des Antriebs. Auf diese Weise wird eine kontrollierte
langsame Bewegung von großen Massen erschwert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Antriebssysteme
mit mehr als einem Piezomotor hinsichtlich ihres Kraftübertragungsverhaltens
zu verbessern und die Effizienz derartiger Antriebe zu erhöhen.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
nach Anspruch 1 und einen Antrieb nach Anspruch 9 erreicht. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern
eines piezoelektrischen Antriebs weist der Antrieb wenigstens zwei
vorzugsweise unabhängig voneinander steuerbare Antriebselemente
auf und jedes dieser Antriebselemente weist einen Piezomotor mit
einem piezoelektrischen Element und einem Antriebskörper
auf, wobei der Antrieb ein Bewegungselement aufweist, welches durch
eine Bewegung der Antriebskörper bezüglich des
Bewegungselements relativ zu diesen Antriebselementen angetrieben
wird. Zur Erzeugung dieses Antriebs des Bewegungselements kontaktieren
die Antriebskörper wenigstens zeitweise das Bewegungselement.
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Erfindungsgemäß ist
das Bewegungselement durch jedes einzelne Antriebselement antreibbar
und die Antriebselemente werden derart angesteuert, dass die Bewegungen
der Antriebskörper der einzelnen Antriebselemente zeitlich
zueinander versetzt sind.
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Damit
bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren auf
eine Anordnung, welche mehrere Antriebe in Form von Piezomotoren
aufweist, wobei jeder einzelne dieser Piezomotoren für
sich genommen in der Lage wäre, die gewünschte
Bewegung des Bewegungselements zu erreichen, wenn auch mit jeweils
geringerer Antriebskraft. Diese Antriebselemente weisen dabei stets
ein piezoelektrisches Element sowie einen Antriebskörper
auf, der durch eine bestimmte Bewegung das Bewegungselement gegenüber
den Antriebselementen antreibt. Im Gegensatz zum Stand der Technik
werden jedoch die einzelnen angetriebenen Elemente nicht synchron angesteuert,
sondern sequentiell zueinander. Überraschenderweise hat
sich gezeigt, dass im Falle dieser sequentiellen Ansteuerung der
Antriebselemente die resultierende Kraft des Systems derjenigen
einer vollständigen Summierung der Einzelkräfte
entspricht. In aufwendigen Experimenten konnte gezeigt werden, dass
bei einer sequentiellen Ansteuerung der einzelnen Antriebselemente
eine deutliche Erhöhung der Systemkraft gegenüber
einer synchronen Ansteuerung erreicht wird.
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Weiterhin
kann durch diese sequentielle Ansteuerung der Motoren die Taktzeit
bzw. die Schrittzeit verkürzt werden. Unter einer sequentiellen
Ansteuerung wird ein schrittweiser Betrieb der Motoren bzw. Antriebselemente
nacheinander bezeichnet. Dabei ist es möglich, dass die
einzelnen Antriebselemente zeitlich gegeneinander vollständig
versetzt angetrieben werden, unter einer sequentiellen Ansteuerung
wird jedoch auch eine zeitlich überlappende Ansteuerung
verstanden.
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Weiterhin
ist es auch möglich, dass die einzelnen Motoren derart
sequentiell hintereinander betrieben werden, dass zumindest auch
zeitweise noch ein Betrieb mehrerer hintereinander betriebener Motoren
auftritt. So kann beispielsweise eine zeitliche Überlappung
der einzelnen Betriebszeiten zwischen 25 und 50% auftreten.
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Vorzugsweise
berührt zu jedem Betriebszeitpunkt wenigstens ein Antriebskörper
das Bewegungselement. Unter dem Betrieb wird dabei der laufende
Betrieb verstanden, in dem sich das Bewegungselement relativ zu
den Antriebselementen bewegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass
das Bewegungselement während der gesamten Betriebsdauer immer
von wenigstens einem Bewegungselement berührt und auf diese
Weise gehalten wird. Daher kann durch diese Vorgehensweise eine
ungewollte Bewegung des Bewegungselements gegenüber den Antriebselementen
verhindert werden.
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Weiterhin
wäre es auch möglich, eine Vielzahl von Antriebselementen
vorzusehen, wobei diese Antriebselemente jeweils in Gruppen unterteilt werden
und die einzelnen Gruppen derart angesteuert werden, dass die Bewegungen
aller Antriebselemente jeweils gleicher Gruppen zeitlich synchronisiert
sind.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Verfahren setzt sich während
des Betriebs eines Antriebskörpers bzw. des diesem Antriebskörper
zugeordneten Piezomotors die Bewegung dieses Antriebskörpers aus
mehreren mikroskopischen Schritten zusammen. Anders als dies teilweise
im Stand der Technik der Fall ist, wird bei dieser bevorzugten Variante
nicht nur ein bestimmter Bewegungsschritt durchgeführt, sondern
dieser Bewegungsschritt setzt sich aus einer Vielzahl von Teilschritten
zusammen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die
Antriebselemente mit Federungseinrichtungen gegenüber dem
Bewegungselement vorgespannt. Genauer gesagt wer den vorzugsweise
zumindest die jeweiligen Antriebskörper und bevorzugt auch
die Piezomotoren dieser Antriebselemente gegenüber dem
Bewegungselement vorgespannt. Dabei wird besonders bevorzugt in
einem ersten Schritt bei dem Betreiben des Antriebs wenigstens ein
Antriebselement betrieben, während gleichzeitig ein wenigstens
weiteres Antriebselement stillsteht. Durch diesen Betrieb wird eine
Bewegung des jeweils angetriebenen Antriebselements bzw. einer Vielzahl
der jeweils angetriebenen Antriebselemente in einer Form erreicht,
bei der der oder die Motor(en) die diesem Antriebselement zugeordnete(n) Federungseinrichtung(en)
mit einer Kraft vorspannt bzw. vorspannen.
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Dabei
kann sich das betreffende Antriebselement entlang einer vorgegebenen
Wegstrecke gegenüber dem Bewegungselement bewegen. Diese Wegstrecke
wird jedoch durch die Dauer des Einschaltvorgangs des betreffenden
Antriebselements begrenzt und andererseits auch maximal durch die Haltekraft
der jeweils anderen Motoren, deren Antriebskörper an dem
Bewegungselement anliegen. Hierdurch wird ein Schritt des Antriebs
d. h. ein Schritt des Bewegungselements ausgeführt.
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Durch
einen Antrieb mindestens eines anderen Antriebselements, wobei gleichzeitig
wenigstens ein Antriebselement das Bewegungselement hält bzw.
kontaktiert, wird der nächste Schritt ausgelöst. Auf
diese Weise kann durch sukzessives Betätigen aller Antriebselemente
eine kontinuierliche Bewegung des angetriebenen Elements bzw. des
Bewegungselements erzeugt werden.
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Bei
diesem erfindungsgemäßen Verfahren dienen damit
die Federungseinrichtungen der jeweils nicht angetriebenen Motoren
zur elastischen Vorspannung des Bewegungselements bzw. eines Lagers
für das Bewegungselement oder eines mit dem Bewegungselement
kombinierten Getriebes. Hierin ist ein weiterer Unterschied zum
Stand der Technik zu sehen, der beispielsweise spielfrei vorgespannte Lager
oder Getriebe aufweist, wobei nur eine Feder zur Vorspannung vorhanden
ist, nicht jedoch eine Kombination aus einer Federungseinrichtung
und aus einem Motor bzw. Antriebselement.
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Die
Federungseinrichtung ist bevorzugt an dem Antriebselement angeordnet
und fungiert als Motorhalterung, um den Motor an die anzutreibende Fläche
zu pressen und um Toleranzen auszugleichen. Es wäre jedoch
auch möglich, dass eine Federungseinrichtung an dem bewegten
Element oder dessen Lager angeordnet ist und umgekehrt das bewegte
Element an den Antriebskörper des Antriebselements andrückt.
Die Federungseinrichtung kann daher als mechanischer Energiezwischenspeicher genutzt
werden.
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Bevorzugt
sind die Antriebselemente an ruhenden Halterungen angeordnet und
das Bewegungselement wird bewegt. Es wäre jedoch auch möglich,
dass die Halterungen mit den daran angeordneten Antriebselementen
gegenüber einem ruhenden Bewegungselement bewegt werden.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird wenigstens ein Antriebselement
betrieben, während sich ein anderes Antriebselement im
Stillstand befindet.
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Bevorzugt
kontaktiert während der Zeitdauer des Stillstandes eines
bestimmten Antriebselements der Antriebskörper dieses Antriebselements
das Bewegungselement. Zu jedem Zeitpunkt ist bevorzugt wenigstens
eines der Antriebselemente im Stillstand, d. h. nicht in Betrieb,
so dass das Bewegungselement im Betrieb ständig von mindestens
einem Antriebskörper kontaktiert wird. Auch auf diese Weise
kann ein ungewolltes Bewegen dieses Bewegungselements verhindert
werden.
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Dieses
bevorzugte Verfahren hat sich überraschenderweise als durchführbar
gezeigt, da man bisher davon ausging, dass durch Antriebselemente, welche
im Stillstand das Bewegungselement kontaktieren, eine Bewegung des
Bewegungselements verhindert wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass
gleichwohl eine Bewegung des Bewegungselements durch einen Ausgleich
der Kräfte der einzelnen Federungseinrichtungen stattfindet.
Bevorzugt erlauben daher die Federungseinrichtungen nicht nur eine
federnde Bewegung des Antriebskörpers in einer senkrecht oder
radial zu dem Bewegungselement oder dessen Bewegungsrichtung stehenden
Richtung sondern auch in der Bewegungsrichtung des Bewegungselements
(bzw. in der Umfangsrichtung im Falle einer rotativen Bewegung).
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Bevorzugt
wird während des Stillstandes eines Antriebselements ein
weiteres Antriebselement mittels dessen Federungseinrichtung gegenüber dem
Bewegungselement vorgespannt. So ist es beispielsweise möglich,
dass sich bei einer Anordnung mit vier Antriebselementen nur ein
Antriebselement bewegt, während zum gleichen Zeitpunkt
die drei anderen Antriebselemente stehen. Nach einer Bewegung dieses
einen Antriebselements stellt sich ein Kräftegleichgewicht
zwischen den Federspannungen aller Federeinrichtungen der einzelnen
Antriebselemente ein.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf einen piezoelektrischen
Antrieb mit wenigstens zwei Antriebselementen gerichtet, welche
jeweils ein piezoelektrisches Element sowie einen Antriebskörper aufweisen.
Weiterhin weist der Antrieb ein Bewegungselement auf, das durch
eine Bewegung der Antriebskörper gegenüber dem
Bewegungselement relativ zu den Antriebselementen und eine wenigstens zeitweise
Kontaktierung des Bewegungselements durch die Antriebskörper
bewegbar ist. Schließlich ist eine Steuerungseinrichtung
zur Steuerung der Antriebselemente vorgesehen. Erfindungsgemäß steuert
die Steuerungseinrichtung die Antriebselemente derart, dass die
Bewegungen der Antriebskörper der Antriebselemente zeitlich
zueinander versetzt sind. Durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung wird wiederum ein sequentielles Antreiben eines Bewegungselements
erreicht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bewegungselement
in einem Kontaktbereich mit dem Antriebskörper eine im
Wesentlichen ebene Oberfläche auf. Unter einer im Wesentlichen ebenen
Oberfläche wird verstanden, dass diese möglicherweise
kleine Unebenheiten im mikro- oder auch mm-Bereich aufweisen kann
aber insbesondere keine der Bewegungserzeugung dienlichen Vorsprünge
und Wiederhaken, wie dies im Stand der Technik zum Teil der Fall
ist.
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Bevorzugt
weist jedes Antriebselement wenigstens eine Federungseinrichtung
auf, welche dieses Antriebselement bzw. den Antriebskörper
dieses Antriebselements gegenüber dem Bewegungselement
vorspannt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die
Steuerungseinrichtung einen Multiplexer auf. Wie aus dem Stand der
Technik bekannt, ermöglicht ein Multiplexer aus einer Anzahl von
Eingangssignalen die Auswahl eines bestimmten Ausgangssignals. Auf
diese Weise ist eine Vereinfachung der Steuerungseinrichtung bzw.
der Steuerungselektronik möglich, da eine einzelne Endstufe, welche
die einzelnen Antriebselemente versorgt, nacheinander von mehreren
Antriebselementen verwendet werden kann. In diesem Multiplexbetrieb
wird daher die betreffende Endstufe sequentiell von den einzelnen
Eingangssignalen angesprochen und versorgt damit ebenso sequentiell
die einzelnen Antriebseinrichtungen.
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Vorzugsweise
sind die einzelnen Antriebseinrichtungen derart gestaltet, dass
sie funktionell sowohl einen Antrieb leisten als auch je nach Zeitpunkt ein
elastisches Vorspannen des Lagers bzw. Bewegungselements, während
ein anderes Antriebselement im Betrieb ist. Mit anderen Worten leisten
auch diejenigen Antriebselemente, die zu einem bestimmten Zeitpunkt
in Ruhe sind, ihren Beitrag zu der Gesamtbewegung des Systems, da
sie eine federnde Gegenkraft zu derjenigen Kraft zur Verfügung
stellen, die durch das momentan im Betrieb befindliche Antriebselement
geleistet wird. Dies wird unter Bezugnahme auf die Figuren genauer
erläutert.
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Durch
dieses Zusammenspiel der einzelnen Antriebselemente wir die oben
erwähnte Kraftsummierung erreicht. Wie oben erwähnt,
kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein
unkontrolliertes Durchrutschen eines Systems bzw. des Bewegungselements
(beispielsweise bei Betrieb mit einer großen abwärts
bewegten Masse) vermieden werden, da die jeweils nicht angetriebenen
Antriebselemente das System bzw. das Bewegungselement bremsen oder
halten.
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Weiterhin
ist es auch möglich, größere Massen kontrolliert
anzutreiben, da die Antriebselemente über die vorgespannten
Federn der jeweils nicht betriebenen Antriebselemente unabhängig
von dem System insbesondere auch unabhängig von der an dem
System befindlichen Last eine Kraft auf das System ausüben.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen:
Darin zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antrieb; und
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2 eine
Darstellung zur Veranschaulichung einer Ansteuerungssequenz.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antrieb 1.
Dabei sind insgesamt vier Antriebselemente 2a–2d mit
Piezomotoren 4 vorgesehen, welche ein schienenförmiges
Bewegungselement 8, welches gegenüber einem Linearlager 16 entlang
des Doppelpfeils P1 bewegbar ist, antreiben. Die vier Antriebselemente 2a bis 2d sind
jeweils gleichartig gestaltet und weisen jeweils ein (nur schematisch
gezeigtes) Piezoelement 6 auf, welches innerhalb eines
ringförmigen Körpers 7 angeordnet ist. Die
genannten Antriebselemente 2a–2d weisen
jeweils einen Piezomotor 4 und eine Federungseinrichtung 18 auf.
Solche Piezomotoren 4 werden beispielsweise von der Firma
Elliptec Resonant Actuator AG mit Sitz in Dortmund, Deutschland,
vertrieben.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform handelt es sich damit bei
dem Bewegungselement 8 um ein auf dem Linearlager 16 laufendes
angetriebenes Bewegungselement. Dieses Bewegungselement weist ein
Querschnittsprofil auf, welches auf die oben erwähnten
Antriebselemente 2a bis 2d angepasst ist. Genauer
gesagt weist das Querschnittsprofil einen Vorsprung 17 mit
einer gekrümmten Oberfläche zwei seitlich bezüglich
dieses Vorsprungs angeordnete gerade Flächen 19 auf.
Die vier Antriebseinrichtungen 2a–2d sind
hier in jeweils gleichen Abständen über die Gesamtlänge
des Bewegungselements 8 bzw. des Linearlagers 16 angeordnet.
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Neben
dem piezoelektrischen Element weist jedes Antriebselement 2a–2d einen
Antriebskörper 12 auf, der gegenüber
dem Bewegungselement 8 bewegt wird, um dieses gegenüber
dem Linearlager 16 zu bewegen. An dem Linearlager 16 ist
weiterhin fest je eine Halterung 18 für die jeweiligen
Antriebe 2a bis 2d angeordnet. Damit sind auch
die Halterungen 18 in dem gesamten Antrieb 1 fest
angeordnet. Der Piezomotor 4 ist, wie gesagt, Bestandteil
jedes der Antriebselemente 2a–2d. Weiterhin
ist der Piezomotor 4 an einer Federungseinrichtung 14 federnd
gegenüber der Halterung 18 und auch federnd gegenüber dem
Bewegungselement 8 angeordnet. Bei der Federungseinrichtung 14 handelt
es sich um eine Schenkelfeder, welche die einzelnen Piezomotoren 4 bzw.
die Antriebskörper 12 an das Bewegungselement 8 drückt.
Diese Schenkelfeder 14 erzeugt dabei bevorzugt sowohl Kräfte
in der Bewegungsrichtung als auch senkrecht hierzu. Die Federungseinrichtungen 14 sind
mit Befestigungseinrichtungen 15 an den Halterungen 18 befestigt.
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Jeder
Piezomotor 4 wird bevorzugt mit einer motorspezifischen
Ultraschallwechselspannung im Bereich von ca. 100 kHz betrieben
(Details sind aus den Datenblättern des jeweiligen Motorherstellers
zu entnehmen), welche dazu führt, dass die Piezomotoren 4 schwingen
und diese mikroskopische Schwingung in Folge von Reibung an der
Kontaktstelle zu dem Bewegungselement 8 das Bewegungselement 8 makroskopisch
bewegt. Dabei ist die Nachgibigkeit dieser Federungseinrichtung 14 derart
gewählt, dass sich jeder einzelne Piezomotor 4 unter
eigener Kraft in mehreren, d. h. mehr als einem, Mikroschritten
gegen die ihm zugeord nete Federungseinrichtung 14 verspannen
kann. Der Verspannweg der Federungseinrichtung 14 ist hierbei
wesentlich grösser als ein mikroskopischer Einzelschritt
des Piezomotors 4, so dass der Piezomotor 4 viele
Ultraschall-Schritte ausüben muss, um die Federungseinrichtung 14 vorzuspannen.
Dies stellt eine weitere Abgrenzung zum Stand der Technik dar. Bei
der in den Figuren gezeigten Ausführungsform sind vier
Piezomotoren 4 hintereinander angeordnet. Es wäre
jedoch auch möglich, beispielsweise je zwei Piezomotoren 4 auf
zwei Bewegungselementen 8, welche parallel zueinander miteinander
verbunden sind, vorzusehen. Auch wäre es möglich,
jeweils einen Piezomotor auf einem von vier Bewegungselementen 8 vorzusehen,
und diese vier Bewegungselemente 8 parallel zueinander
und miteinander zu verbinden.
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Weiterhin
wäre es auch möglich, das Bewegungselement 8 nicht
als linear bewegtes Element, sondern als rotatorisch bewegtes Element
auszuführen, beispielsweise als Kreisscheibe, an deren
Außenumfang die Piezomotoren 4 angreifen.
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Das
Bezugszeichen 20 bezieht sich auf eine in 1 schematisch
angedeutete Steuerungseinrichtung, welche die einzelnen Piezomotoren 4 ansteuert.
Diese Steuerungseinrichtung weist hier eine Endstufe 24 auf,
die über (nicht gezeigte) Zuleitungen mit den einzelnen
Antriebselementen 2a–2d bzw. den einzelnen
Piezomotoren 4 verbunden ist. Durch die unten im Detail
erläuterte sequentielle Ansteuerung der einzelnen Antriebselemente 2a–2d genügt
es, lediglich eine Endstufe 24 vorzusehen und nicht, wie
im Stand der Technik üblich, für jeden Piezomotor
eine einzelne Endstufe. Das Bezugszeichen 22 bezieht sich
auf einen Multiplexer, der die sequentielle Ansteuerung der einzelnen
Antriebselemente 2a–2d bewerkstelligt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Motoransteuerungssequenz. Dabei
entsprechen die in 2 gezeigten Antriebselemente 2a–2d den
in 1 gezeigten Antriebselementen und sind daher zur
besseren Übersichtlichkeit nicht mehr genauer gekennzeichnet.
In 2 sind vier Betriebsschritte bzw. Betriebszustände I bis IV gezeigt,
welche den Betrieb und das Verfahren zur Steuerung veranschaulichen.
Auch hier ruht das Linearlager 16 und das Bewegungselement 8 bewegt
sich hier in Richtung des Pfeils P2.
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In
dem ersten Betriebszustand I ist das Antriebselement 2d aktiv,
während die drei weiteren Antriebselemente 2a–2c in
Ruhe sind. Für die folgende Erläuterung wird angenommen, dass
die einzelnen Antriebselemente 2a–2d bis
auf fertigungsbedingte Toleranzen jeweils identisch, das heißt
auch mit identischen Federungseinrichtungen 14 usw. ausgeführt sind.
In ihrer Ruhestellung berühren die Antriebskörper 12 der
drei Antriebselemente 2a–2c das Bewegungselement
B.
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In
dem gezeigten Zustand I wird, wie gesagt, das Antriebselement 2d bewegt
und auf diese Weise der Piezomotor 4, wie gezeigt, in eine
steilere Stellung verschoben und damit entlang des Bewegungselements 8 um
einen Schritt nach links verschoben. In diesem Zustand wirkt das
Federungselement 14 dieses Antriebselements 2d,
so dass das Bewegungselement 8 nach rechts in Richtung
des Pfeils P2 gespannt wird. Allerdings wirken die jeweiligen Federkräfte
der drei weiteren Antriebselemente 2a–2c diesem
entgegen, so dass sich bei dem hier gezeigten System mit vier Piezomotoren
aufgrund des einzustellenden Federgleichgewichts das Bewegungselement
um ein Viertel der Schrittweite eines Gesamt-Schritts nach rechts
bewegt.
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Diese
Bewegung ist in 2 jeweils übertrieben
dargestellt. Damit beträgt bei der erfindungsgemäßen
sequentiellen Ansteuerung die minimale Schrittweite eines Systemschritts
in einem System aus n-Motoren allgemein 1/n-tel eines einzelnen
Motorschritts. In der Praxis wird die Schrittweite nur ungefähr
1/n-tel betragen, da die einzelnen Antriebselemente geringfügig
zueinander unterschiedlich ausgelegt sind. Das Antriebselement 2d,
welches den Schritt in I ausführt, bewegt sich
selbst entgegengesetzt zu den anderen Motoren um einen (n – 1)/n-tel Schritt
während sich die anderen Antriebselemente 2a–2c und
damit das angetriebene Element insgesamt um einen 1/n-tel Schritt
in der anderen Bewegungsrichtung, das heißt in der Richtung
des Pfeils P2 bewegen. Insgesamt stellt sich, wie oben erwähnt,
ein Kräftegleichgewicht zwischen allen beteiligten Federungseinrichtungen 14 ein.
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In
dem mit dem Bezugszeichen II gekennzeichneten Schritt ist
das Antriebselement 2c aktiv, während die drei
anderen Antriebselemente 2a, 2b und 2d ruhen
und damit, wie oben erwähnt, deren Antriebskörper
wiederum an dem Bewegungselement 8 anliegen. Nunmehr wiederholt
sich der oben erwähnte Vorgang und das Bewegungselement
wird wiederum um einen 1/4 Schritt entlang des Pfeils P2 nach rechts
verschoben. Die Verschiebung der jeweils ruhenden Motoren um einen
Schritt der Länge 1/4 ist in den Figuren nicht erkennbar.
Die Verschiebung des jeweils aktiven Motors ist hingegen explizit und
stark übertrieben dargestellt. Damit arbeitet dasjenige
Antriebselement, das sich jeweils bewegt, in 2 nach links,
wodurch der Anstellwinkel, wie gezeigt, steiler und das Bewegungselement 8 nach rechts
gedrückt wird.
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In
dem Zustand III ist das Antriebselement 2b aktiv
und die Antriebselemente 2a, 2c und 2d ruhen
und in dem Zustand IV ist schließlich lediglich das
Antriebselement 2a aktiv. Es könnte hier jedoch auch
eine andere sequentielle Ansteuerung vorgenommen werden, beispielsweise
derart, dass zunächst das Antriebselement 2a,
dann das Antriebselement 2c, anschließend das
Antriebselement 2b und schließlich das Antriebselement 2d aktiviert
wird.
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Eingehende
Versuche zur Positionierungsgenauigkeit von Einzelantriebselementen
bzw. Einzelmotoren 4 haben gezeigt, dass der jeweilige
Motor durch die kinetische Bewegungsenergie des Bewegungselements 8 auch
nach Abschalten des Piezomotors 4 das Bewegungselement 8 gegen
die Feder vorspannt und dadurch ein Nachschwingen des Systems entsteht.
Bevorzugt ist es daher möglich, zum Zeitpunkt maximaler
Federspannung einen Bewegungsimpuls an dem jeweils angetriebenen
Antriebselement bzw. Piezomotor 4 zu erzeugen, so dass die
gespeicherte Energie entladen und damit ein Nachschwingen vermieden
werden kann. Bezogen auf die hier gezeigte sequentielle Ansteuerung
von mehreren Piezomotoren 4 ist ein umgekehrtes Vorgehen
denkbar. Wenn der jeweilige einzelne Piezomotor 4 bzw.
das einzelne Antriebselement sehr lange betrieben wird, wird die
zugehörige Federungseinrichtung 14 zunächst
vorgespannt und zwar aufgrund der kinetischen Energie des Piezomotors
und auch des Bewegungselements 8 über den Endpunkt
hinaus, wobei dieser Endpunkt quasi-statisch erreicht würde.
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Bei
weiterem Betrieb dieses Piezomotors 4 wird sich dieser
auf ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Motorkraft und der Federkraft
des Federungselements 14 einpendeln. Wenn der Piezomotor 4 jedoch
genau an dem Punkt maximaler Federvorspannung angehalten wird, so
ist ein Erreichen einer höheren Kraft als der Gleichgewichtskraft
des Motors denkbar. Durch dieses Vorgehen wäre es möglich, eine
Art "Resonanzaufladung" der Motorbewegung zu erreichen. Bei einem
derartigen Verfahren ist daher die Steuerungseinrichtung so ausgelegt
dass sie die einzelnen Antriebselemente 2a–2d bzw.
Piezomotoren 4 in einem Zeitabschnitt anhält,
in dem das jeweilige Federungselement 14 eine maximale
Federvorspannung aufweist.
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In 2 ist
die Ansteuerungssequenz so dargestellt, dass die einzelnen Antriebselemente nacheinander
bewegt werden. Es ist jedoch, wie oben erwähnt, auch möglich,
dass die einzelnen Antriebselemente überlappend bewegt
werden, dass also beispielsweise die Bewegung des Antriebselements 2d noch
nicht abgeschlossen ist, während die Bewegung des Antriebselements 2c bereits
beginnt. Dabei sind Überlappungszeiten von 25 bis 50% bevorzugt.
Gleichwohl wird auch bei einer überlappenden sequentiellen
Ansteuerung eine Reduktion des Stromverbrauchs des Gesamtsystems
erreicht, da zu jeder Zeit mindestens ein Antriebselement stillsteht und
damit die Stromaufnahme des Antriebs um die Stromaufnahme des stillstehenden
Motors oder der stillstehenden Motoren reduziert wird. Falls gewünscht,
kann die Stromaufnahme bis auf die Stromaufnahme eines einzelnen
Antriebselements reduziert werden. Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass bei der erfindungsgemäßen
sequentiellen Ansteuerung die resultierende Kraft des Antriebs der vollständigen
Summierung der Einzelkräfte der Einzelantriebe entspricht.
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Bei
der in 2 gezeigten Darstellung bewegen sich damit mehrere
Antriebselemente mit sequentieller Ansteuerung wie eine Raupe oder
eine Welle, welche durch das System läuft. Ein wesentlicher
Unterschied ist jedoch, dass jedes Antriebselement während
einer Betriebsphase viele mikroskopische Schritte unternimmt, um
die Federungseinrichtung(en) vorzuspannen.
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Wie
oben gesagt, existieren unterschiedliche Möglichkeiten
der Ausführung eines erfindungsgemäßen
Antriebs. So könnten jeweils zwei Motoren vorgesehen sein
die zwei Schienen antreiben, welche auf einem gemeinsamen Schlitten
angeordnet sind.
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Weiterhin
könnten bei einer Variante der Ansteuerung beispielsweise
von vier Antriebselementen jeweils zwei angetrieben werden, während
die beiden anderen ausgeschaltet bleiben um dann nach einer kurzen
Pause diese beiden Motoren anzutreiben und die erstegenannten in
ihre Ruhestellung zu bringen. Auch wäre es möglich,
wie gezeigt, jeweils nur einen Motor oder eine Gruppe von Motoren
anzutreiben und die anderen Motoren bzw. die anderen Gruppen von
Motoren abzuschalten.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber
dem Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Antrieb
- 2a,
2b, 2c, 2d
- Antriebselemente
- 4
- Piezomotor
- 6
- Piezoelement
- 7
- ringförmiger
Körper
- 8
- Bewegungselement
- 12
- Antriebskörper
- 14
- Federungseinrichtung
- 15
- Befestigungseinrichtung
- 16
- Linearlager
- 17
- Vorsprung
- 18
- Halterung
- 19
- gerade
Fläche
- 20
- Steuerungseinrichtung
- 22
- Multiplexer
- 24
- Endstufe
- P1,
P2
- Pfeil
- I–IV
- Betriebszustand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5365296 [0002]
- - US 4736131 [0003]
- - US 6717329 B2 [0004]
- - US 5049775 [0005]
- - US 6066911 [0006]