DE102007037991A1 - Verfahren zur Steuerung eines piezoelektrischen Antriebs und piezoelektrischer Antrieb - Google Patents

Verfahren zur Steuerung eines piezoelektrischen Antriebs und piezoelektrischer Antrieb Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Antriebs, wobei der Antrieb (1) wenigstens zwei unabhängig voneinander steuerbare Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist und jedes dieser Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) einen Piezomotor (4) mit einem piezoelektrischen Element (6) und einen Antriebskörper (12) aufweist und wobei der Antrieb (1) ein Bewegungselement (8) aufweist, welches durch eine Bewegung der Antriebskörper (12) bezüglich des Bewegungselements relativ zu diesen Antriebselementen (2a, 2b, 2c, 2d) angetrieben wird. Erfindungsgemäß ist das Bewegungselement (8) durch jedes einzelne Antriebselement (2a, 2b, 2c, 2d) antreibbar und die Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) werden derart angesteuert, dass die Bewegungen der Antriebskörper (12) der Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) zeitlich zueinander versetzt sind.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die US 6,717329 B2 beschreibt eine Antriebsvorrichtung mit einem einzelnen Piezomotor.
  • 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.
  • Aus der US 6,066,911 ist ein Ultraschallantriebselement bekannt. Dabei ist eine Vielzahl von Piezoelementen angeordnet, die eine wellenartige Bewegung erzeugen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird wenigstens ein Antriebselement betrieben, während sich ein anderes Antriebselement im Stillstand befindet.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bevorzugt weist jedes Antriebselement wenigstens eine Federungseinrichtung auf, welche dieses Antriebselement bzw. den Antriebskörper dieses Antriebselements gegenüber dem Bewegungselement vorspannt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
    Darin zeigen:
  • 1 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antrieb; und
  • 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Ansteuerungssequenz.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antrieb 1. Dabei sind insgesamt vier Antriebselemente 2a2d 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 2a2d 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.
  • 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 2a2d sind hier in jeweils gleichen Abständen über die Gesamtlänge des Bewegungselements 8 bzw. des Linearlagers 16 angeordnet.
  • Neben dem piezoelektrischen Element weist jedes Antriebselement 2a2d 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 2a2d. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 2a2d bzw. den einzelnen Piezomotoren 4 verbunden ist. Durch die unten im Detail erläuterte sequentielle Ansteuerung der einzelnen Antriebselemente 2a2d 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 2a2d bewerkstelligt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Motoransteuerungssequenz. Dabei entsprechen die in 2 gezeigten Antriebselemente 2a2d 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.
  • In dem ersten Betriebszustand I ist das Antriebselement 2d aktiv, während die drei weiteren Antriebselemente 2a2c in Ruhe sind. Für die folgende Erläuterung wird angenommen, dass die einzelnen Antriebselemente 2a2d 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 2a2c das Bewegungselement B.
  • 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 2a2c 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.
  • 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 2a2c 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 2a2d bzw. Piezomotoren 4 in einem Zeitabschnitt anhält, in dem das jeweilige Federungselement 14 eine maximale Federvorspannung aufweist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
  • 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
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5365296 [0002]
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    • - US 6717329 B2 [0004]
    • - US 5049775 [0005]
    • - US 6066911 [0006]

Claims (14)

  1. Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Antriebs (1) wobei der Antrieb (1) wenigstens zwei steuerbare Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist und jedes dieser Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) einen Piezomotor (4) mit einem piezoelektrischen Element (6) und einen Antriebskörper (12) aufweist, und wobei der Antrieb (1) ein Bewegungselement (8) aufweist, welches Bewegungselement (8) durch eine Bewegung der Antriebskörper (12) bezüglich des Bewegungselements (8) relativ zu diesen Antriebselementen (2a, 2b, 2c, 2d) angetrieben wird, wobei zu der Erzeugung dieses Antriebs die Antriebskörper (12) das Bewegungselement (8) wenigstens zeitweise kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (8) durch jedes einzelne Antriebselement (2a, 2b, 2c, 2d) alleine antreibbar ist und die Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) derart angesteuert werden, dass die Bewegungen der Antriebskörper (12) der Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) zeitlich zueinander versetzt sind.
  2. Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Antriebs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Betriebszeitpunkt wenigstens ein Antriebskörper (12) das Bewegungselement (8) berührt.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich während des Betriebs eines Antriebskörpers (12) die Bewegung dieses Antriebskörpers (12) aus mehreren mikroskopischen Schritten zusammensetzt.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) mit Federungseinrichtungen (14) gegenüber dem Bewegungselement (8) vorgespannt werden.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) an ruhenden Halterungen (18) angeordnet sind und das Bewegungselement (8) bewegt wird.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Antriebselement betrieben wird, während sich ein weiteres Antriebselement (2a, 2b, 2c, 2d) im Stillstand befindet.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zeitdauer eines Stillstands eines bestimmten Antriebselements (2a, 2b, 2c, 2d) der Antriebskörper (12) dieses Antriebselements (2a, 2b, 2c, 2d) das Bewegungselement (8) kontaktiert.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Stillstands eines Antriebselements (2a, 2b, 2c, 2d) ein weiteres Antriebselement (2a, 2b, 2c, 2d) mittels dessen Federungseinrichtung (14) gegenüber dem Bewegungselement (8) vorgespannt wird.
  9. Piezoelektrischer Antrieb (1) mit wenigstens zwei Antriebselementen (2a, 2b, 2c, 2d), welche jeweils ein piezoelektrisches Element (6) sowie einen Antriebskörper (8) aufweisen, mit einem Bewegungselement (8), das durch eine Bewegung der Antriebskörper (8) gegenüber dem Bewegungselement (8) und eine wenigstens zeitweise Kontaktierung des Bewegungselements (8) durch die Antriebskörper (12) relativ zu den Antriebselementen (2a, 2b, 2c, 2d) bewegbar ist, und einer Steuerungseinrichtung (20) zur Steuerung der Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (20) die Antriebselemente derart steuert, dass die Bewegungen der Antriebskörper (12) der Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) zeitlich zuein ander versetzt sind.
  10. Piezoelektrischer Antrieb (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (12) in einem Kontaktbereich mit den Antriebskörpern (12) eine im Wesentlichen ebene Oberfläche aufweist.
  11. Piezoelektrischer Antrieb (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 8–9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Antriebselement (2a, 2b, 2c, 2d) wenigstens eine Federungseinrichtung (14) aufweist, welche dieses Antriebselement (2a, 2b, 2c, 2d) gegenüber dem Bewegungselement (8) vorspannt.
  12. Piezoelektrischer Antrieb (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (20) einen Multiplexer (22) aufweist.
  13. Piezoelektrischer Antrieb (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 8–11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement entlang einer geraden Linie bewegbar ist.
  14. Piezoelektrischer Antrieb (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 8–12, dadurch gekennzeichnet der Antrieb (1) wenigstens drei Antriebselemente (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist und die Steuerungseinrichtung die Antriebselemente derart steuert, dass die Bewegungen aller Antriebskörper (8) zueinander zeitlich versetzt sind.
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