DE102008003879A1 - Linearantrieb, Antriebseinheit zur Ausbildung eines Linearantriebs sowie Verfahren zum Verschieben eines Objekts mittels eines Linearantriebs - Google Patents

Linearantrieb, Antriebseinheit zur Ausbildung eines Linearantriebs sowie Verfahren zum Verschieben eines Objekts mittels eines Linearantriebs Download PDF

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H02N2/025Inertial sliding motors

Abstract

Der Linearantrieb (1) zum Antreiben eines beweglich gelagerten Objekts (16) umfasst zumindest einen von einer Steuereinrichtung (22) ansteuerbaren Piezoaktor (2, 2'). Der Piezoaktor (2, 2') weist ein von einem Haltekörper (4) gehaltenes Piezoelement (6, 6') sowie einen an dieses angekoppelten Übertrager (8, 8') auf. Zur Übertragung einer Antriebskraft zwischen dem Übertrager (8, 8') und dem zu bewegenden Objekt (16) ist ein mechanischer Reibschluss ausgebildet. Die Steuereinrichtung (22) steuert den Piezoaktor (2, 2') derart, dass unter Ausnutzung der Massenträgheit des Objekts (16) bei einer Auslenkung des Piezoelements (6, 6') in Bewegungsrichtung (24) das Objekt (16) vom Übertrager (8, 8') mitgenommen wird und in der entgegengesetzten Richtung (26) der Übertrager (8, 8') über das Objekt (16) gleitet. Auf diese Weise ist ein einfacher und kostengünstiger Linearantrieb realisiert. Die Ankopplung des Übertragers (8, 8') erfolgt rein passiv mittels Reibschlusses. Eine zusätzliche Einrichtung zur Ankopplung ist nicht vorzusehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearantrieb, auf eine Antriebseinheit zur Ausbildung eines Linearantriebs sowie auf ein Verfahren zum Verschieben eines Objekts mittels eines Linearantriebs.
  • Nach dem Stand der Technik werden als Linearantriebe bzw. als Antriebssysteme mit linear bewegten Elementen vor allem Direktantriebe auf der Basis elektromagnetischer Schrittmotoren sowie hydraulische und pneumatische Stellantriebe eingesetzt. Weiterhin sind Linearantriebe bekannt, bei denen eine Linearbewegung indirekt mit Hilfe mechanischer Übertragungselemente erzeugt wird. So wird bei einem Spindeltrieb indirekt mittels einer an einen Drehstrommotor gekoppelten Spindel eine Drehbewegung in eine Linearbewegung umgesetzt. Alle diese Linearantriebe sind mehr oder weniger mechanisch komplex. Zudem ist für die Erzeugung der Linearbewegung jeweils eine aufwändige Steuerungs- bzw. Regelungstechnik notwendig.
  • Aus der DE 198 53 324 A1 und der DE 100 46 137 A1 ist jeweils ein Linearabtrieb mit bewegungserzeugenden Aktoren und von diesen bewegbaren passiven Elementen bekannt. Hierbei sind die passiven Elemente mit der Oberfläche eines zu bewegenden Objekts magnetisch, elektrostatisch oder mechanisch gekoppelt. Für eine Bewegungsübertragung ist die steuerbare Reibkraft zwischen passiven Elementen und Objekt größer als die am Objekt angreifende Trägheitskraft.
  • Insbesondere im Hinblick auf eine Miniaturisierung eines Linearantriebes ist aus der DE 102 27 509 A1 ein Piezomotor bekannt, der als Linearantrieb nutzbar ist. Hierzu weist der Piezomotor ein mit einem Resonator verbundenes Piezoelement auf. Mittels des Piezoelements wird der Resonator in periodi sche Schwingungen versetzt, die zu einer Bewegung des Resonatorendes führen. Im Betrieb des Piezomotors drückt das Resonatorende periodisch gegen ein zu bewegendes Element. Dieses zu bewegende Element ist als Linearläufer ausgeführt und längsverschieblich gelagert, so dass sich mittels des Piezomotors eine Linearbewegung erzeugen lässt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb anzugeben, der einfach und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin soll dieser Linearantrieb auf der Basis der Piezotechnologie ausgeführt sein, um die Vorteile der Piezotechnologie nutzen zu können.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Linearantrieb zum Antreiben eines beweglichen Objekts nach Anspruch 1. Hierzu umfasst der Linearantrieb zumindest einen von einer Steuereinrichtung ansteuerbaren Piezoaktor. Der Piezoaktor weist ein von einem Haltekörper gehaltenes Piezoelement sowie einen an dieses angekoppelten Übertrager auf. Zur Übertragung einer Antriebskraft ist zwischen dem Übertrager und dem zu bewegenden Objekt ein mechanischer Reibschluss ausgebildet. Die Steuereinrichtung steuert den Piezoaktor derart an, dass unter Ausnutzung der Massenträgheit des Objekts bei einer Auslenkung des Objekts in Bewegungsrichtung das Objekt mitgenommen wird und in der entgegengesetzten Richtung der Übertrager über das Objekt gleitet. Mit anderen Worten wird das verschieblich gelagerte Objekt nach der Herstellung des Reibkontaktes mit dem Übertrager von diesem mittels Haftreibung bewegt. Die mechanische Kopplung zwischen Übertrager und Objekt mittels Reibschluss ist rein passiver Natur. Es ist daher keine Steuerung der Kopplungskraft notwendig. Da der Übertrager direkt mit dem verschieblich gelagerten Objekt mittels Reibschluss verbunden ist, liegt keinerlei mechanisches Spiel zwischen Übertrager und Objekt vor. Somit lässt sich eine sehr hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit erzielen. Eine komplizierte Steuerungstechnik zum Ausgleich von Positionierungsungenauigkeiten, wie sie selbst bei hochgenauen Schrittmotoren notwendig ist, muss nicht ein gesetzt werden. Weiterhin ist die Ausdehnung eines Piezoelements zu einer an ihm angelegten Versorgungsspannung proportional. Somit lässt sich über die Versorgungsspannung exakt und in einfacher Weise vorgeben, wie weit der am Piezoelement befestigte Übertrager verschoben wird und wie weit der Übertrager somit mittels Reibschluss das Objekt verschiebt. Durch eine wiederholte Ansteuerung des Piezoelements ist somit eine sukzessive Linearbewegung des Objekts erreichbar.
  • Ein Piezoaktor benötigt lediglich einen geringen Bauraum. Daher kann der Linearantrieb sehr geringe Ausmessungen aufweisen. Er ist daher auch in miniaturisierter Form vorteilhaft einsetzbar. Da mittels des Übertragers über Reibschluss eine direkte Kraftübertragung auf das zu bewegende Objekt erfolgt, kann weiterhin auf ein Getriebe zur Kraftübertragung verzichtet werden, so dass der Antrieb einfach und kostengünstig ausführbar ist. Die Ausdehnung des Piezoelements erfolgt praktisch lautlos, so dass die Geräuschentwicklung während des Verfahrens des Objekts gering ist. Zudem weist das Piezoelement und somit der Piezoaktor eine geringe Stromaufnahme während des Bewegens des Übertragers, aber vor allem während des Haltens des Objekts mittels Reibschluss in einer Halteposition auf. Ein die elektrische Versorgung des Piezoaktors bereitstellender Transformator benötigt somit nur eine geringe Leistung. Der Energiebedarf des Piezoaktors und damit des Linearantriebs ist somit gering, so dass die Betriebskosten des Linearantriebs im Vergleich zu einem elektromotorisch getriebenen Linearantrieb niedrig liegen. Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme ist zudem die Geräuschentwicklung beim Betrieb des Transformators gering.
  • Vorteilhaft ist die Steuereinheit eingerichtet, den Piezoaktor derart anzusteuern, dass die Geschwindigkeit des Übertragers in Bewegungsrichtung geringer ist, als in der entgegengesetzten Richtung. Ein rascher Aufbau oder ein rascher Abbau der Versorgungsspannung führt zu einem raschen Ausdehnen oder Zusammenziehen des Piezoelements. Somit überwindet der am Piezoelement befestigte Übertrager die an seiner Reibfläche durch Reibschluss angreifende Haftreibungskraft. Der Übertrager wird mittels Gleitreibung an der Oberfläche des zu bewegenden Objekts in der der Bewegungsrichtung entgegengesetzten Richtung bewegt. Auf diese Weise ist der Angriffspunkt des Übertragers am Objekt veränderbar. Hierbei ist ausgenutzt, dass das zu bewegende Objekt gegenüber dem Übertrager eine bedeutend größere Masse aufweist und somit aufgrund seiner Massenträgheit in seiner Position verbleibt.
  • Ein langsamer Aufbau oder ein langsamer Abbau der Versorgungsspannung führt zu einem langsamen Ausdehnen oder Zusammenziehen des Piezoelements. Auf diese Weise kommt es zu einem Reibschluss zwischen dem Übertrager und dem Objekt. Die Massenträgheit des Objekts wird durch die Haftreibungskraft zwischen Übertrager und Objekt überwunden. Das Objekt wird mittels des an ihm angreifenden Übertragers in der Bewegungsrichtung verschoben.
  • Somit lässt sich mit einer periodischen Versorgungsspannung, die zeitlich rasch ansteigt und langsam abfällt, eine Linearbewegung des Objekts in Bewegungsrichtung in einfacher Weise erzielen. Mit einer periodischen Versorgungsspannung, die rasch abfällt und langsam ansteigt, lässt sich in ebenso einfacher Weise eine Umkehr der Bewegungsrichtung erzielen.
  • Damit ist mittels einer asymmetrischen Versorgungsspannung eine beidseitige Linearbewegung umsetzbar. Als Versorgungsspannung eignet sich beispielsweise eine periodische Spannung nach Art eines asymmetrischen Sägezahns.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Piezoaktoren zur Bewegung des Objekts vorgesehen. Somit lässt sich auch ein Objekt mit einer hohen Masse und damit hohen Massenträgheit mittels des Linearantriebs bewegen. Die Piezoaktoren sind mittels der Steuereinrichtung zusammen bewegbar, so dass die mittels Haftreibung auf das Objekt übertragene Haftreibungskraft zur Verschiebung des Objekts mittels Reibschluss ausreicht.
  • Vorteilhaft ist die Steuereinrichtung eingerichtet, die Piezoaktoren sukzessive zu betätigen. Dadurch ist eine sukzessive Änderung der Angriffspunkte der einzelnen Übertrager mittels Gleitreibung unter Ausnutzung der Massenträgheit des Objekts und eine kontinuierliche unterbrechungsfreie Verschiebung des Objekts möglich.
  • In einer vorteilhaften Variante ist die Steuereinrichtung eingerichtet, in Bewegungsrichtung die gleiche oder eine höhere Anzahl von Übertragern zu betätigen, als in der entgegengesetzten Richtung. Für die Neupositionierung der Übertrager werden immer nur so viele Übertrager zusammen bewegt, dass das Objekt aufgrund seiner Massenträgheit keine Verschiebung durch die an ihm angreifende Reibkraft erfährt. Das Verschieben der Angriffspunkte der Übertrager kann zudem durch ein rasches Aufbauen oder Abbauen der an den Piezoelementen angreifenden Versorgungsspannung unterstützt werden. Anschließend erfolgt durch eine Ansteuerung der gleichen oder einer höheren Zahl von Übertragern eine Verschiebung des Objekts mittels Haftreibung und somit eine Überwindung seiner Massenträgheit.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zwischen Haltekörper und Übertrager eine Linearführung zur Führung des Übertragers angeordnet. Diese Linearführung ist beispielsweise als Rollenlager oder als Kugellager ausgeführt. Auf diese Weise ist die Bewegung des Übertragers mittels des Piezoelements gegen den Haltekörper geführt. Es ist somit eine besonders präzise Positionierung des Übertragers möglich. Weiterhin ist eine Linearführung nach Art eines Rollenlagers oder nach Art eines Kugellagers einfach und kostengünstig umsetzbar.
  • Vorteilhaft ist der Übertrager gegen den Haltekörper mittels eines elastischen Elements vorgespannt derart, dass bei einer Bewegung des Reibkörpers gegen das elastische Element die Vorspannung erhöht ist. Das elastische Element ist beispielsweise nach Art einer Blattfeder ausgeführt sein, die den Ü bertrager bevorzugt an seiner dem Piezoelement gegenüberliegenden Stirnseite umfasst. Wird die am Piezoelement anliegende Versorgungsspannung reduziert, so wird der Übertrager nicht nur in Längsrichtung vom Piezoelement gezogen, sondern zudem mittels des elastischen Elements auf das Piezoelement zu geschoben. Hierdurch ist die Bewegung des Übertragers zusätzlich unterstützt und geführt. Es lassen sich somit besonders präzise und spielarme Bewegungen des Objekts realisieren.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung umspannt der Haltekörper das Piezoelement mit dem Übertrager klammerartig. Auf diese Weise ist eine besonders gute Führung des Übertragers erreicht.
  • Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Antriebseinheit zur Ausbildung eines Linearantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Hierzu umfasst die Antriebseinheit zumindest einen von einer Steuereinrichtung ansteuerbaren Piezoaktor. Der Piezoaktor weist ein Piezoelement sowie einen an dieses angekoppelten Übertrager auf. Der Übertrager ist als ein Reibkörper zur Ausbildung eines Reibschlusses und zur Übertragung einer Antriebskraft auf ein zu bewegendes Objekt ausgebildet. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, den Piezoaktor richtungsabhängig unterschiedlich anzusteuern, um unter Ausnutzung der Massenträgheit des Objekts dieses nur in einer Bewegungsrichtung zu bewegen. Dabei sind die auf den Linearantrieb gerichteten Ansprüche mit ihren Vorzügen sinngemäß auf die Antriebseinheit zu übertragen.
  • Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Verschieben eines Objekts mittels eines Linearantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Der Linearantrieb weist zumindest einen Piezoaktor mit einem Piezoelement sowie einen an das Piezoelement angekoppelten Übertrager auf. Eine Antriebskraft zwischen dem Übertrager und dem Objekt wird mittels eines mechanischen Reibschlusses übertragen. Dabei wird der Piezoaktor derart angesteuert, dass das Objekt unter Ausnut zung seiner Massenträgheit vom Übertrager in Bewegungsrichtung mitgenommen wird und in der entgegengesetzten Richtung der Übertrager über das Objekt gleitet. Dabei sind die auf den Linearantrieb gerichteten Ansprüche mit ihren Vorzügen sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 in einer schematischen Seitenansicht einen ersten Linearantrieb mit einem Piezoaktor zur Bewegung eines Objekts,
  • 2a–c schematisch die Bewegung des Objekts in einer Bewegungsrichtung mittels des Linearantriebs in zwei Phasen und in einem Zeit-Spannungs-Diagramm für die Versorgungsspannung des Piezoaktors,
  • 3a–c die Bewegung des Objekts mittels des Linearantriebs entgegen der Bewegungsrichtung aus 2, ebenfalls in zwei Phasen und in einem Zeit-Spannungs-Diagramm für die Versorgungsspannung des Piezoaktors,
  • 4a–c die Linearbewegung eines Objekts mittels eines zweiten, zwei Piezoaktoren umfassenden Linearantriebs in einer Bewegungsrichtung in drei Phasen,
  • 5a–c die Bewegung des Objekts aus 4 entgegen der Bewegungsrichtung aus 4 ebenfalls in drei Phasen,
  • 6a–c die Bewegung eines Objekts mittels eines dritten Linearantriebs mit zwei an einer Seite des Objekts angeordneten Piezoaktoren in einer Bewegungsrichtung in drei Phasen, sowie
  • 7a–c die Bewegung des Objekts aus 6 entgegen der Bewegungsrichtung aus 6 ebenfalls in drei Phasen.
  • 1 zeigt einen ersten Linearantrieb 1, umfassend einen Piezoaktor 2. Der Piezoaktor 2 weist einen ortsfesten Haltekörper 4 zur Aufnahme eines Piezoelements 6 auf. Am Piezoelement 6 ist ein Übertrager 8 längsverschieblich befestigt. Der Übertrager 8 ist gegen den ortsfesten Haltekörper 4 mittels einer Linearführung 10 gelagert. Die Linearführung 10 umfasst zwei zylinderförmige Wälzkörper. Zudem wird der Übertrager 8 an seiner dem Piezoelement 6 gegenüberliegenden Stirnseite 12 von einem nach Art einer Blattfeder ausgeführten und in den Haltekörper 4 integrierten elastischen Element 14 in einer Vorspannung gehalten. Dabei umspannt der Haltekörper 4 mit seinem elastischen Element 14 das Piezoelement 2 mit dem Übertrager 8 klammerartig.
  • Der Übertrager 8 steht in Reibkontakt zu einem zu bewegenden Objekt 16. Hierbei wird der Reibkontakt durch eine am Übertrager angeordnete Reibfläche 18 und die ebenfalls als Reibfläche 20 ausgebildete Oberfläche des Objekts 16 gebildet.
  • Mittels einer Steuereinrichtung 22 erfolgt über die Vorgabe einer Versorgungsspannung V eine Ansteuerung des Piezoelementes 6. Dabei dehnt sich das Piezoelement 6 mit ansteigender Versorgungsspannung V in seiner Ausdehnungsrichtung 23 aus. Somit wird der am Piezoelement 6 befestigte Übertrager 8 in Längsrichtung 23 gegen das elastische Element 14 bewegt. Die Federspannung des elastischen Elements 14 erhöht sich sukzessive.
  • Wird von der Steuereinrichtung 22 hingegen die Versorgungsspannung V des Piezoelementes 6 reduziert, so reduziert sich die Ausdehnung des Piezoelementes 6. Der am Piezoelement 6 befestigte Übertrager wird entgegen seiner Ausdehnungsrichtung 23 vom Piezoelement 6 gezogen. Dabei reduziert sich die Federspannung des elastischen Federelements 14. Das elastische Element 14 und die Linearführung 10 unterstützen die Führung des Übertragers 8 in der und entgegen der Ausdehnungsrichtung 23.
  • In den 2 und 3 ist die Bewegung des Objekts 16 mittels des Linearantriebs 1 in einer der Ausdehnungsrichtung 23 des Piezoelements 6 parallelen Bewegungsrichtung 24 erläutert. Der Einfachheit halber sind vom Piezoaktor 2 lediglich sein Piezoelement 6 sowie sein am Piezoelement 6 befestigter Ü bertrager 8 gezeigt. Für eine Bewegung des Objekts in Bewegungsrichtung 24 wird gemäß 2a zunächst mittels der Steuereinrichtung 22 die Versorgungsspannung V des Piezoelements 6 rasch erhöht. Das Piezoelement 6 dehnt sich in der der Bewegungsrichtung 24 entgegengesetzten Richtung 26 aus. Da diese Ausdehnung schnell erfolgt, wird die zwischen dem Übertrager 8 und dem Objekt 16 herrschende Reibkraft überwunden. Der Übertrager 8 wird mittels Gleitreibung entlang der Oberfläche des Objekts 16 bewegt. Dabei wird in der entgegengesetzten Richtung 26 das Wegintervall 28 zurückgelegt. Der Übertrager 8 verändert somit seinen Angriffspunkt am Objekt 16 um das Wegintervall 28.
  • Im Anschluss wird gemäß 2b mittels der Steuereinrichtung 22 die Versorgungsspannung V des Piezoelements 6 verringert. Diese Verringerung der Versorgungsspannung V geschieht zeitlich langsam. Das Piezoelement 6 zieht sich in Bewegungsrichtung 24 zusammen. Der Übertrager 8 wird vom Piezoelement 6 um das Wegintervall 28 in der Bewegungsrichtung 24 gezogen. Da dieses Ziehen des Übertragers 8 langsam erfolgt, ist ein Reibschluss über Haftreibung zwischen dem Übertrager 8 und dem Objekt 16 hergestellt. Das Objekt 16 wird somit mittels Haftreibung vom Übertrager 8 in der Bewegungsrichtung 24 um das Wegintervall 28 mitbewegt.
  • Im Anschluss wird wiederum gemäß 2a der Angriffspunkt des Übertragers 8 am Objekt 16 verändert. Anschließend wird das Objekt 16 wiederum gemäß 2a in der Bewegungsrichtung 24 um das Wegintervall 28 bewegt. Somit ergibt sich eine kontinuierliche Linearbewegung des Objekts 16 in der Bewegungsrichtung 24.
  • In 2c ist die am Piezoelement 6 angreifende Versorgungsspannung V zeitlich abhängig dargestellt. Die Versorgungsspannung V verläuft zeitlich gesehen nach Art eines asymmetrischen Sägezahns. Der schnelle Anstieg der Versorgungsspannung V gemäß 2 entspricht der steil ansteigenden ersten Flanke 30 des Sägezahns. Der langsame Abfall der Versorgungs spannung V des Piezoelements 6 gemäß 2b entspricht der langsam abfallenden Flanke 32 des Sägezahns. Jeweils bei einem langsamen Abfall des Sägezahns wird gemäß 2b das Objekt 16 in der Bewegungsrichtung 24 verschoben. Somit ist durch die Vorgabe der periodischen Sägezahnspannung als Versorgungsspannung V des Piezoelements 6 eine kontinuierliche Linearbewegung des Objekts 16 in der Bewegungsrichtung 24 erreicht.
  • In den 3a–c ist die Bewegung des Objekts 16 mittels des Linearantriebs 1 in der der Bewegungsrichtung aus 2a–c entgegengesetzten Bewegungsrichtung 24 beschrieben. Gemäß 3a wird bei vollständig ausgedehntem Piezoelement 6 mittels der Steuereinrichtung 22 die Versorgungsspannung V rasch reduziert. Der Übertrager 8 wird vom Piezoelement 6 in der der Bewegungsrichtung 24 entgegengesetzten Richtung 26 gezogen. Da dieses Ziehen rasch erfolgt, wird die Haftkraft zwischen Übertrager 8 und Objekt 16 überwunden. Der Übertrager 8 wird um das Wegintervall 28 an der Oberfläche des Objekts 16 mittels Gleitreibung in der entgegengesetzten Richtung 26 verschoben. Somit ändert sich der Angriffspunkt des Übertragers 8.
  • Anschließend wird gemäß 3b mittels der Steuereinrichtung 22 die Versorgungsspannung V des Piezoelements 6 sukzessive und langsam erhöht. Das Piezoelement 6 dehnt sich langsam in der Bewegungsrichtung 24 aus. Da das Verschieben des Übertragers 8 langsam erfolgt, kommt es zu einem Reibschluss zwischen dem Übertrager 8 und dem Objekt 16. Das Objekt 16 wird zusammen mit dem Übertrager 8 um das Wegintervall 28 in der Bewegungsrichtung 24 verschoben. Dann wird der Bewegungsverlauf gemäß 3a fortgesetzt, so dass sich eine kontinuierliche Linearbewegung in der Bewegungsrichtung 24 ergibt.
  • In 3c ist die am Piezoelement 6 angreifende Versorgungsspannung V zeitabhängig dargestellt. Sie verläuft wiederum nach Art eines asymmetrischen Sägezahns. Zunächst wird die Versorgungsspannung V mittels der Steuereinrichtung 22 rasch reduziert. Dies entspricht im zeitlichen Verlauf der Versorgungsspannung V einer steil abfallenden Flanke 34 des Sägezahns. Anschließend wird die Versorgungsspannung V mittels der Steuereinrichtung 22 langsam erhöht. Dies entspricht einer langsam ansteigenden Flanke 36 des Sägezahns. Somit ist durch die Vorgabe der periodischen Sägezahnspannung als Versorgungsspannung V des Piezoelements 6 eine kontinuierliche Linearbewegung des Objekts 16 in der ersten Längsrichtung 24 erreicht.
  • Insgesamt ist gemäß 2a–c und 3a–c mittels zweier asymmetrischer Sägezahnspannungen eine Linearbewegung in beiden Richtungen möglich.
  • Mittels eines einzelnen Piezoaktors sind lediglich Objekte 16 einer vergleichsweise geringen Masse 16 bewegbar. Es sind jedoch auch zwei oder mehr Piezoaktoren 2 zu einem Linearantrieb kombinierbar. Gemäß 4a bilden zwei Piezoaktoren 2, 2' einen Linearantrieb zur Verschiebung eines Objekts 16. Die beiden Übertrager 8, 8' der Piezoaktoren 2, 2' stehen mit den gegenüberliegenden Flachseiten des Objekts 16 in Reibkontakt. Das Verschieben des Objekts 16 in der zweiten Längsrichtung 26 verläuft im wesentlichen, wie in den 2a bis 2c beschrieben. Zunächst wird mittels der Steuereinrichtung 22 die Versorgungsspannung V des Piezoelements 6 des ersten Piezoaktors 2 rasch erhöht. Der Übertrager 8 des Piezoaktors 2 gleitet mittels Gleitreibung über die Oberfläche 16 des Objekts. Er legt dabei in der der Bewegungsrichtung 24 entgegengesetzten Richtung 26 das Wegintervall 28 zurück und verändert somit seinen Angriffspunkt. Anschließend wird mittels der Steuereinrichtung 22 gemäß 4b die Versorgungsspannung V' des Piezoelements 6' rasch erhöht. Auch der Übertrager 8' des Piezoaktors 2' verschiebt sich somit in der entgegengesetzten Richtung 26 an der Oberfläche des Objekts 16 um das Wegintervall 28. Nunmehr weisen beide Übertrager 8, 8' der beiden Piezoaktoren 2, 2' einen um das Wegintervall 28 in der entgegengesetzten Richtung 26 verschobenen neuen Angriffspunkt auf.
  • Schließlich wird gemäß 4c mittels der Steuereinrichtung 22 gleichzeitig die Versorgungsspannung V, V' beider Piezoelemente 6, 6' langsam reduziert. Die beiden Übertrager 8, 8' werden von den Piezoelementen 6, 6' um das Wegintervall 28 in Bewegungsrichtung 24 bewegt. Somit greift die Reibkraft beider Reibflächen 18 der Übertrager 8, 8' gemeinsam am Objekt 16 über einen Reibschluss an. Da die Bewegung der beiden Übertrager 8, 8' zudem langsam erfolgt, wird auch das Objekt 16 mittels Reibschluss mit den Übertragern 8, 8' mitgeführt und in der Bewegungsrichtung 24 um das Wegintervall 28 bewegt. Anschließend erfolgt wiederum, für die 4a und 4b beschrieben, eine erneute Veränderung des Angriffspunktes der beiden Übertrager 8, 8'. Somit ist eine kontinuierliche Linearbewegung des Objekts 16 in der Bewegungsrichtung 24 erreicht.
  • In den 5a–c ist die Bewegung des Objekts 16 mittels des zweiten Linearantriebs 1 in der Bewegungsrichtung 24 entgegen der Bewegungsrichtung aus den 4a–c beschrieben. Die Bewegung des Objekts 16 erfolgt analog der für einen einzelnen Piezoaktor 2 in den 3a bis 3c beschriebenen Weise. Gemäß 5a wird zunächst mittels der Steuereinrichtung 22 die Versorgungsspannung V des Piezoelements 6' rasch reduziert. Der Übertrager 8' des Piezoaktors 2' bewegt sich um das Wegintervall 28 in der der Bewegungsrichtung 24 entgegengesetzten Richtung 26. Anschließend wird gemäß der 5b mittels der Steuereinrichtung 22 die Versorgungsspannung V des Piezoelements 6 des ersten Piezoaktors 2 reduziert. Somit bewegt sich auch der Übertrager 8 des Piezoaktors 2 um das Wegintervall 28 mittels Gleitreibung in der entgegengesetzten Richtung 26. Somit ist der Angriffspunkt beider Übertrager 8, 8' der beiden Piezoaktoren 2, 2' jeweils um das Wegintervall 28 verändert.
  • Schließlich wird gemäß der 5c mittels der Steuereinrichtung 22 die Versorgungsspannung V der beiden Piezoaktoren 6, 6' gleichzeitig langsam erhöht. Beide Übertrager 8, 8' werden um das Wegintervall 28 in der Bewegungsrichtung 24 verschoben. Da diese Verschiebung langsam erfolgt und zudem die beiden Reibflächen 18 der beiden Übertrager 8, 8' eine Reibkraft mittels Reibschluss auf das Objekt 16 übertragen, wird das Objekt 16 mittels Haftreibung ebenfalls in der Bewegungsrichtung 24 um das Wegintervall 28 bewegt.
  • Da die beiden Piezoaktoren 2, 2' mit ihren Übertragern an den beiden gegenüberliegenden Flachseiten des Objekts 16 angreifen, wird das Objekt 16 nicht mit einer zusätzlichen Kraft beaufschlagt. Eine Führung des Objekts 16 kann somit einfach ausgeführt sein.
  • Die 4a bis 4c und die 5a bis 5c sollen lediglich ein Zusammenwirken mehrerer Piezoaktoren 2, 2' verdeutlichen. Prinzipiell lassen sich durch den Einsatz einer noch größeren Zahl von Piezoaktoren 2, 2' auch Objekte 16 mit einer sehr großen Masse bewegen. Weiterhin müssen in diesem Fall die Piezoaktoren 2, 2' nicht einzeln hintereinander angesteuert sein, sondern es kann auch eine Ansteuerung in Gruppen erfolgen. Weist das Objekt 16 eine sehr hohe Masse auf, so bewirkt seine Massenträgheit, dass einzelne Übertrager 8, 8' auch dann verschiebbar sind, wenn sie vergleichsweise langsam angesteuert werden. Je nach zu bewegendem Objekt 16 wird somit die Zahl der Piezoaktoren 2, 2', ihre Ansteuerung und ihre Reibflächen 18 aufeinander abgestimmt, um eine gleichmäßige Bewegung zu erhalten.
  • Weiterhin ist es möglich, zwei oder mehr Piezoaktoren 2, 2' an einer Seite eines Objekts 16 anzuordnen. Gemäß 6a sind bei einem dritten Linearantrieb 1 an einer der beiden Flachseiten eines Objekts 16 zwei Piezoaktoren 2, 2' angeordnet. Das Bewegen des Objekts 16 in Bewegungsrichtung 24 verläuft gemäß den 4a–c. Der einzige Unterschied zu den 4a–c besteht in der Anordnung der Piezoaktoren 2, 2'.
  • Analog dazu ist in den 7a–c eine Bewegung des Objekts 16 in der zu den 6a–c entgegengesetzten Bewegungsrichtung gezeigt. Das Bewegen des Objekts 16 verläuft in Bewegungsrichtung 24 gemäß der Beschreibung zu den Figuren 5a bis 5c.
  • Die Anordnung mehrerer Piezoaktoren 2, 2' an einer Seite des Objekts 16 macht nur auf dieser Seite des Objekts 16 einen Einbauraum für die Piezoaktoren 2, 2' notwendig. Ein derartiger Linearantrieb mit an einer Seite des Objekts angeordneten Piezoaktoren 2, 2' lässt sich somit kompakt ausführen. Andererseits greifen die Haftreibungskräfte der Übertrager 8, 8' beim Verschieben des Objekts 16 nur an einer Seite des Objekts an, so dass für ein leichtgängiges Bewegen des Objekts 16 in Bewegungsrichtung 24 eine dementsprechende Führung bereitzustellen ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19853324 A1 [0003]
    • - DE 10046137 A1 [0003]
    • - DE 10227509 A1 [0004]

Claims (15)

  1. Linearantrieb (1) zum Antreiben eines beweglich gelagerten Objekts (16) umfassend zumindest einen von einer Steuereinrichtung (22) ansteuerbaren Piezoaktor (2, 2'), der ein von einem Haltekörper (4) gehaltenes Piezoelement (6, 6') sowie einen an dieses angekoppelten Übertrager (8, 8') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung einer Antriebskraft zwischen dem Übertrager (8, 8') und dem zu bewegenden Objekt (16) ein mechanischer Reibschluss ausgebildet ist und die Steuereinrichtung (22) den Piezoaktor (2, 2') derart ansteuert, dass unter Ausnutzung der Massenträgheit des Objekts (16) bei einer Auslenkung des Piezoelements in Bewegungsrichtung (24) das Objekt (16) vom Übertrager (8, 8') mitgenommen und in der entgegengesetzten Richtung (26) der Übertrager (8, 8') über das Objekt (16) gleitet.
  2. Linearantrieb (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (22) eingerichtet ist, den Piezoaktor (2, 2') derart anzusteuern, dass die Geschwindigkeit des Übertragers (8, 8') in Bewegungsrichtung (24) geringer ist als die in entgegengesetzter Richtung (26).
  3. Linearantrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere Piezoaktoren (6, 6') zur Bewegung des Objekts (16) vorgesehen sind.
  4. Linearantrieb (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (22) eingerichtet ist, die Piezoaktoren (6, 6') sukzessive zu betätigen.
  5. Linearantrieb (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuereinrichtung (22) eingerichtet ist, dass in Bewegungsrichtung (24) die gleiche oder eine höhere Anzahl von Übertragern (8, 8') als in entgegengesetzter Richtung (26) gleichzeitig betätigt werden.
  6. Linearantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen Haltekörper (4) und Übertrager (8, 8') eine Linearführung (10) zur Führung des Übertragers (8, 8') angeordnet ist.
  7. Linearantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Übertrager (8, 8') gegen den Haltekörper (4) mittels eines elastischen Elements (14) vorgespannt ist.
  8. Linearantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Haltekörper (4) das Piezoelement (6, 6') mit dem Übertragern (8, 8') klammerartig umspannt.
  9. Antriebseinheit zur Ausbildung eines Linearantriebs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zumindest einen von einer Steuereinrichtung (22) ansteuerbaren Piezoaktor (2, 2'), der ein von einem Haltekörper (4) gehaltenes Piezoelement (6, 6') sowie einen an dieses angekoppelten Übertrager (8, 8') aufweist, wobei der Übertrager (8, 8') als ein Reibkörper zur Ausbildung eines mechanischen Reibschlusses und zur Übertragung einer Antriebskraft auf ein zu bewegendes Objekt (16) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass Sie den Piezoaktor (2, 2') richtungsabhängig unterschiedlich ansteuert, um unter Ausnutzung der Massenträgheit des Objekts (16) dieses bei einer Auslenkung des Piezoelements nur in einer Bewegungsrichtung (26) das Objekt (16) zu bewegen.
  10. Verfahren zum Verschieben eines Objekts (16) mittels eines Linearantriebs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der zumindest einen Piezoaktor (2, 2') mit einem Piezoelement (6, 6') sowie einen an das Piezoelement (6, 6') angekoppelten Übertrager (8, 8') aufweist, wobei eine Antriebskraft zwischen dem Übertrager (8, 8') und dem Obbjekt (16) mittels eines mechanischen Reibschlusses übertragen wird, wobei der Piezoaktor derart angesteuert wird, dass unter Ausnutzung der Massenträgheit des Objekts (16) das Objekt (16) vom Übertrager (8, 8') in Bewegungsrichtung (24) mitgenommen wird und dass in der entgegengesetzten Richtung (26) der Übertrager (8, 8') über das Objekt (16) gleitet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Piezoaktor (2, 2') derart angesteuert wird, dass die Geschwindigkeit des Übertragers (8, 8') in Bewegungsrichtung (24) geringer ist als in der entgegengesetzten Richtung (26).
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Objekt (16) mittels mehrerer Piezoaktoren (2, 2') bewegt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Piezoaktoren (2, 2') sukzessive betätigt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei in Bewegungsrichtung (24) eine die gleiche oder eine größere Zahl von Piezoaktoren (2, 2') betätigt wird, als in der entgegengesetzten Richtung (26).
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Übertrager (8, 8') zusätzlich mittels einer Linearführung (10) geführt wird.
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