DE102010024577B4

DE102010024577B4 - Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010024577B4
Application number: DE201010024577
Authority: DE
Inventors: Reinhard Hübner
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: DE102010024577A1

Abstract

Antriebsvorrichtung (1), umfassend ein antreibendes Element (2), dass sich in Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element (3) befindet und das antreibende Element (2) über ein sich in eine Antriebsrichtung ausdehnendes und kontrahierendes Antriebselement (4) in Form eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators bewegt wird, wobei entweder während des Ausdehnens oder des Kontrahierens des Antriebselements (4) eine Bewegung des anzutreibenden Elements (3) in die Antriebsrichtung erfolgt, und sich das antreibende Element (2) an einer ersten Stirnfläche (5) über ein erstes federndes Element (6) unterstützt ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das antreibende Element (2) an einer zweiten Stirnfläche (7), die der ersten Stirnfläche (5) gegenüberliegt, an dem Antriebselement (4) über ein zweites federndes Element (8) abstützt, und sich das Antriebselement (4) an einem ersten Massekörper (10) und sich das erste federnde Element (6) an einem zweiten Massekörper (11) abstützt, wobei sich der erste Massekörper (10) und der zweite Massekörper (11) jeweils gegen ein Federelement...

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, umfassend ein antreibendes Element, dass sich in Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element befindet und das antreibende Element über ein sich in eine Antriebsrichtung ausdehnendes und kontrahierendes Antriebselement in Form eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators bewegt wird, wobei entweder während des Ausdehnens oder des Kontrahierens des Antriebselements eine Bewegung des anzutreibenden Elements in die Antriebsrichtung erfolgt, und sich das antreibende Element an einer ersten Stirnfläche über ein erstes federndes Element unterstützt ist.
Die DE 197 38 407 A1 beschreibt einen elektrostriktiven Stellantrieb mit einem Festkörperaktuator, der ein Ausgangsglied antreibt, wobei zwischen Ausgangsglied und Festkörperaktuatorende eine Zwischenlage angeordnet ist, und sich die Zwischenlage an einem Federelement abstützt. Beim Ausdehnen des Festkörperaktuators arbeitet dieser gegen die Kraft des Federelements, während das Kontrahieren des Festkörperaktuators durch das Federelement begünstigt wird. Auch an der dem Festkörperaktuatorende gegenüberliegenden Einspannstelle ist eine Zwischenlage angeordnet, wobei die Zwischenlagen eine hubverlustarme und in Richtung der Querkontraktion des Festkörperaktuators weiche Einspannung der endseitigen Aktuatorflächen erlauben.
Die JP 08-317674 A offenbart eine Stick-Slip-Antriebsvorrichtung mit piezoelektrischen Elementen, die jeweils in Kontakt mit einer Kugel stehen, welche auf der entsprechend gegenüber liegenden Seite ein Federelement kontaktiert. Das Federelement wiederum stützt sich an einem feststehenden Element ab. Die durch das piezoelektrische Element angetriebene Kugel befindet sich in Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element. Die elektrische Ansteuerung des piezoelektrischen Elements ist dergestalt, dass einer langsamen Ausdehnungsbewegung eine schnelle Kontraktionsbewegung folgt. Die mit dem piezoelektrischen Element in Kontakt stehende Kugel macht in entsprechender Weise eine langsame Vorwärtsbewegung und eine schnelle Rückwärtsbewegung, wobei die Rückwärtsbewegung durch das Federelement, welches bei der Vorwärtsbewegung der Kugel gespannt wurde, unterstützt bzw. durch dieses bewirkt ist.
Die DE 199 40 054 A1 beschreibt ein Dosierventil mit einem Piezoaktor, wobei der Piezoaktor eine Ventilnadel antreibt, die an einer Fußplatte befestigt ist. Die Fußplatte wird auf einer Seite kontaktiert durch den Piezoaktor, und sie stützt sich mit ihrer anderen Seite an einem Federelement ab, so dass beim Ausdehnen des Piezoaktors über die Fußplatte das Federelement gestaucht bzw. gespannt wird. Diese Spannung wird beim Kontrahieren des Piezoaktors dazu genutzt, dass die Fußplatte und mit dieser die Ventilnadel der entsprechenden Rückwärtsbewegung des Piezoaktors folgt. Zur weiteren Verhinderung der Einleitung von schädlichen Zugkräften in den Piezoaktor ist dieser weiterhin durch eine diesen umgebende Rohrfeder vorgespannt.
Die Druckschrift DE 10 2008 003 879 A1 offenbart einen Linearantrieb mit einem von einer Steuereinrichtung ansteuerbaren Piezoaktor, welcher ein von einem Haltekörper gehaltenes Piezoelement sowie einen an dieses angekoppelten Übertrager aufweist. Zwischen dem Übertrager und dem zu bewegenden Objekt ist ein mechanischer Rebschluss ausgebildet, mit dessen Hilfe die Übertragung einer Antriebskraft von dem Übertrager auf das zu bewegende Objekt realisiert wird. Damit sich eine Linearbewegung des zu bewegenden Objektes ergibt, erfolgt die Ansteuerung des Piezoaktors über die Steuereinrichtung auf ganz spezielle Art und Weise. Dabei erfolgt zunächst ein relativ schneller Spannungsanstieg am Piezoaktor, so dass sich dieser schnell ausdehnt. Durch die Ausdehnung des Piezoaktors kommt es zu einer Verschiebung des Übertragers entgegen der Antriebsrichtung, wobei sich der Übertrager an einem einstückig mit dem Haltekörper ausgeführten elastischen Element abstützt. Unter Ausnutzung der Massenträgheit des zu bewegenden Objektes erfolgt durch das relativ schnelle Ausdehnen des Piezoaktors und damit einer relativ schnellen Bewegung des Übertragers ein Überwinden der Haftreibung zwischen diesem und dem zu bewegenden Objekt, so dass der Übertrager entlang des zu bewegenden Objektes gleitet, ohne dieses mitzunehmen oder zu bewegen. Im Anschluss daran erfolgt eine gegenüber dem Spannungsanstieg langsamere Reduzierung der Spannung, so dass es zu einer Kontraktion des Piezoaktors kommt, die vergleichsweise langsam ist. Dadurch kommt es zu einer Rückwärtsbewegung des mit dem Piezoaktor verbundenen Übertragers, welche so langsam ist, dass die Haftreibung zwischen Übertrager und zu bewegendem Objekt nicht überwunden wird, und der Übertrager das zu bewegende Element in Antriebsrichtung mitnimmt. Man spricht bei dieser Art des Antriebs auch von einem Haft-Gleit- oder Stick-Slip-Antrieb.
Nachteilig an dem aus der DE 10 2008 003 879 A1 bekannten Antrieb ist jedoch, dass der Piezoaktor während der langsameren Kontraktionsphase durch den mit diesem verbundenen Übertrager auf Zug belastet wird, wie dies explizit beispielsweise in Abschnitt [0033] der besagten Druckschrift beschrieben ist. Gewöhnlicherweise aus keramischem Material hergestellte Piezoaktoren sind aber sehr empfindlich gegenüber einer Zugbelastung und neigen unter dieser Art von Belastung zu Rissbildung, was zu einem vorzeitigen Versagen des Piezoaktors und zu einem Ausfall einer entsprechenden Antriebsvorrichtung führen kann.
Weiterhin ist bei dem aus der DE 10 2008 003 879 A1 bekannten Antrieb von Nachteil, dass die Erzeugung des für den Antrieb notwendigen mechanischen Reibschlusses zwischen Übertrager und zu bewegendem Objekt relativ aufwändig zu realisieren ist. Wenngleich in der DE 10 2008 003 879 A1 nicht näher spezifiziert, ist es notwendig, den Übertrager mit einer definierten Kraft an das zu bewegende Objekt zu drücken, damit bei der vergleichsweise langsamen Kontraktion des Piezoaktors auch tatsächlich eine Mitnahme des zu bewegenden Objekts aufgrund einer ausreichend hohen Reibung erfolgt.
Zudem ist es bei dem Antrieb gemäß der DE 10 2008 003 879 A1 von Nachteil, dass der Übertrager über eine Linearführung geführt werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen, die bei einfachem Aufbau zuverlässig und sicher über einen langen Zeitraum betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird gelost durch eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art, welche derart weitergebildet ist, dass sich das antreibende Element an einer zweiten Stirnfläche, die der ersten Stirnfläche gegenüberliegt, an dem Antriebselement über ein zweites federndes Element abstützt, und sich das Antriebselement an einem ersten Massekörper und sich das erste federnde Element an einem zweiten Massekörper abstützt, wobei sich der erste Massekörper und der zweite Massekörper jeweils gegen ein Federelement abstützen.
Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung stützt sich das antreibende Element, das sich in Friktionskontakt mit dem anzutreibenden Element befindet, auf einer seiner Stirnseiten über das erste federnde Element und an der gegenüberliegenden Stirnseite über das zweite federnde Element ab. Hierbei ist das zweite federnde Element im montierten Zustand bzw. zumindest im Ruhezustand der Antriebsvorrichtung im Wesentlichen vollständig zusammengestaucht, während das erste federnde Element nur teilweise gestaucht ist.
Ein Antriebszyklus beginnt beispielsweise mit einer vergleichsweise langsamen Ausdehnung des Antriebselements in Antriebsrichtung, die durch eine entsprechende elektrische Spannungsbeaufschlagung des Antriebselements realisiert wird. Aufgrund der Ausdehnung des Antriebselements vollführt das antreibende Element – das über das zweite federnde Element mit dem Antriebselement in Verbindung steht – eine Bewegung in Antriebsrichtung. Da das zweite federnde Element komplett gestaucht ist, wird die Ausdehnung des Antriebselements praktisch verlustfrei auf das antreibende Element übertragen.
Die Ausdehnung des Antriebselements bzw. die Bewegung des anzutreibenden Elements in Antriebsrichtung ist dabei so langsam, dass die Haftreibung zwischen antreibendem und anzutreibendem Element nicht überschritten wird. Somit nimmt das antreibende Element das anzutreibende Element in Antriebsrichtung mit, wobei der zurückgelegte Weg des antreibenden Elements und des anzutreibenden Elements nahezu der Ausdehnung des Antriebselements entspricht.
Bei der Bewegung des antreibenden Elements in Antriebsrichtung wird das erste federnde Element, welches das antreibende Element unterstützt, aus seiner bereits gestauchten Ausgangslage im Ruhezustand weiter gestaucht bzw. komprimiert. Bei der sich an die Ausdehnung anschließenden vergleichsweise schnellen Kontraktion des Antriebselements wird das antreibende Element durch die Federkraft des ersten federnden Elements in Richtung des Antriebselements und entgegen der Antriebsrichtung gedrückt bzw. geschoben. Diese Bewegung ist so schnell, dass die Haftreibung zwischen antreibendem Element und anzutreibendem Element überwunden wird und es zu einer Relativ-Gleitbewegung zwischen antreibendem und anzutreibendem Element kommt.
Das im Wesentlichen vollständig gestauchte zweite federnde Element übt auch während der besagten Kontraktionsphase des Antriebselements eine stetige Druckkraft auf dieses aus, so dass das Antriebselement zu keinem Zeitpunkt auf Zug belastet wird. Dies selbst dann nicht, wenn aufgrund einer hohen Betriebsfrequenz der Antriebsvorrichtung das erste federnde Element den schnellen Kontraktionen des Antriebselements nicht mehr folgen kann, d. h. wenn die Ausdehnung des ersten federnden Elements langsamer als die Kontraktion des Antriebselements ist. In diesem Fall dehnt sich das im Wesentlichen vollständig zusammengestauchte und komprimierte Federelement geringfügig aus, wobei die Ausdehnung sehr schnell erfolgen kann, da das zweite federnde Element im Gegensatz zum ersten federnden Element keine zusätzliche Masse bewegen muss. Durch die Ausdehnung des zweiten federnden Elements bleibt der Kontakt zwischen diesem und dem Antriebselement gewahrt. Somit wirkt – unabhängig von der Betriebsfrequenz der Antriebsvorrichtung – stets eine Druckkraft auf das Antriebselement, und es besteht keine Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung des Antriebselements in Form eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators aufgrund einer auf diesen wirkenden Zugkraft.
Dadurch, dass sich das Antriebselement an einem ersten Massekörper und sich das erste federnde Element an einem zweiten Massekörper abstützt, kann ein besonders sicherer und zuverlässiger Betrieb gewährleistet werden, der sich darüber hinaus einfach realisieren lässt. Zudem lässt sich auf diese Weise ein definierter Antriebsimpuls realisieren. Darüber hinaus ergeben sich hierdurch Vorteile bezüglich der Geräusch- oder Vibrationsausbreitung, wodurch letztlich die Effizienz und die Genauigkeit der Antriebsvorrichtung gesteigert wird.
Indem sich der erste Massekörper und der zweite Massekörper jeweils gegen ein Federelement abstützen, kann eine gezielte Anpassung der gegenseitigen Anpresskräfte der Elemente der Antriebsvorrichtung vorgenommen werden.
Es kann von Vorteil sein, dass das antreibende Element das anzutreibende Element zumindest teilweise umgreift. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise großer Friktionskontakt zwischen antreibendem und anzutreibendem Element, der die Übertragung relativ großer Kräfte vom antreibenden Element auf das anzutreibende Element erlaubt.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass das antreibende Element von wenigstens einem Komprimierungselement zumindest abschnittsweise umfangen ist. Das Komprimierungselement sorgt dafür, dass das antreibende Element gegen das antreibende Element gedrückt wird. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe und gleichmäßige bzw. konstante (Haft-)Reibungskraft.
Ebenfalls kann es von Vorteil sein, dass die Masse des zweiten Massekörpers größer ist als die Masse des ersten Massekörpers. Hierdurch wird bezüglich des antreibenden Elements eine im Wesentlichen symmetrische Massenverteilung erzielt, woraus im Wesentlichen symmetrische Antriebseigenschaften in den beiden möglichen Antriebsrichtungen resultieren.
Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die Federsteifigkeit k₂ des zweiten federnden Elements kleiner ist als die Federsteifigkeit k₁ des ersten federnden Elements. Dadurch wird erreicht, dass in montiertem Zustand des Antriebselements, d. h. bei Vorhandensein eines Gleichgewichts der auf die Komponenten des Antriebselements einwirkenden definierten Kräfte, das zweite federnde Element im Wesentlichen komplett zusammengestaucht bzw. zusammengedrückt ist, während das erste federnde Element nur teilweise zusammengestaucht bzw. zusammengedrückt ist.
Ebenso kann es günstig sein, dass sich die Federelemente jeweils gegen ein Lagerelement abstützen, welche das anzutreibende Element beweglich lagern, und die Lagerelemente jeweils ein Halteelement tragen, das an einem gemeinsamen Gehäuse befestigt ist. Dies vereinfacht den Aufbau und die Montage der Antriebsvorrichtung. Die Lagerelemente dienen hierbei primär nicht der Führung der Antriebsvorrichtung, sondern in erster Linie als Schutz des Antriebselements, d. h. des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators, Vor einer unsymmetrischen Krafteinwirkung, die zu einer Beschädigung oder sogar einer Zerstörung des Aktuators führen kann.
Darüber hinaus kann es günstig sein, dass das anzutreibende Element ein Rundstab ist, und das antreibende Element und das Antriebselement und der erste Massekörper und der zweite Massekörper und die Lagerelemente im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sind und den Rundstab zumindest teilweise umfangen. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte und einfach zu realisierende bzw. montierbare Antriebsvorrichtung mit preiswerten Komponenten.
Es kann auch günstig sein, dass das erste federnde Element und/oder das zweite federnde Element zumindest eine Tellerfeder umfassen/umfasst. Aufgrund der bei Tellerfedern üblichen steilen Federkennlinie bzw. hohen Federsteifigkeit ergibt sich eine relativ hohe Kreisfrequenz, so dass die Antriebsrichtung mit einer hohen Betriebsfrequenz betrieben werden kann.
Kombinationen der zuvor angeführten vorteilhaften Weiterbildungen oder Kombinationen von Teilen davon sind ebenso denkbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Weise:
1: Erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung in Längsschnittdarstellung
2: Erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung gemäß 1 in perspektivischer Darstellung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 in Längsschnittdarstellung. Ein antreibendes Element 2 in Form einer Buchse oder Hülse aus Bronze umgibt bzw. umfängt ein anzutreibendes Element 3 aus Stahl in Form eines Rundstabs vollständig und liegt an diesem an. Die Buchse oder Hülse des antreibenden Elements 2 kann dabei ebenso aus Keramik bestehen. Weiterhin ist denkbar, dass das anzutreibende Element 3 aus einem anderen Material als Stahl, beispielsweise Kunststoff, besteht und keine runde Außengeometrie, sondern einer eckige Außengeometrie, z. B. in Form eines viereckigen oder sechseckigen Stabs, besitzt.
Zur Erhöhung der Andruckkraft ist das antreibende Element 2 von zwei Komprimierungselementen 9 vollständig umfangen bzw. umgeben, wobei es sich bei den Komprimierungselementen 9 um Ringe aus Federstahl handelt. Es ist ebenso denkbar, das antreibende Element als Teil-Buchse oder Teil-Hülse auszuführen, die den Rundstab nicht vollständig umgibt. In diesem Fall kann gegebenenfalls auf die Verwendung der Komprimierungselemente 9 verzichtet werden.
An der Stirnfläche 5 des antreibenden Elements liegt ein erstes federndes Element 6 in Form einer Tellerfeder an, während die gegenüberliegende Stirnfläche 7 mit einem zweiten federnden Element 8, ebenfalls in Form einer Tellerfeder, in Kontakt steht. Die Federsteifigkeit k₁ des ersten federnden Elements 6 ist hierbei wesentlich größer als die Federsteifigkeit k₂ des zweiten federnden Elements 8. Das zweite federnde Element 8 stützt sich seinerseits an einem Antriebselement 4 in Form eines piezoelektrischen Aktuators ab, wobei das Antriebselement 4 mit einem ersten Massekörper 10 verbunden ist.
Der erste Massekörper 10 befindet sich in Kontakt mit einem Federelement 12', das als Packung mehrerer Tellerfedern vorliegt. Das Federelement 12' stützt sich auf der gegenüberliegenden Seite an einem Lagerelement 13' in Form einer Lagerbuchse aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ab. Die Lagerbuchse kann auch aus einem anderen Material als PTFE sein, vorausgesetzt, dass es in Paarung mit Stahl einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist. Denkbar sind hierbei weitere thermoplastische Polymere, die zur Anpassung der Reibung und des Verschleißes auch mit Füllstoffen oder Partikeln gefüllt sein können. Das Lagerelement 13' trägt ein Halteelement 14', mit dem ein Gehäuse 15 über eine Schraubverbindung verbunden ist. Andere Arten der Verbindung zwischen Halteelement 14' und Gehäuse 15 sind natürlich ebenso denkbar, beispielsweise eine Klebeverbindung.
Das erste federnde Element 6 stützt sich an einem zweiten Massekörper 11 ab, wobei der zweite Massekörper 11 eine größere Masse als der erste Massekörper 10 aufweist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der zweite Massekörper 11 in Kontakt mit einem Federelement 12, das zum Federelement 12' identisch ausgeführt ist und ebenso aus einer Packung mit mehreren Tellerfedern besteht. Das Federelement 12 stützt sich an einem Lagerelement 13 ab, wobei das Lagerelement 13 das Halteelement 14 trägt, das mittels Schraubverbindung mit dem Gehäuse 15 verbunden ist. Das Lagerelement 13 und das Halteelement 14 sind identisch zu dem Lagerelement 13' und dem Halteelement 14' ausgeführt.
Alle zuvor aufgeführten Teile der Antriebsvorrichtung 1 sind konzentrisch zum anzutreibenden Element 3 angeordnet, d. h. sowohl das antreibende Element 2, als auch das Antriebselement 4, die Massekörper 10, 11, die Lagerelemente 13, 13' und die Halteelemente 14, 14' sind ringförmig ausgeführt. Das Gehäuse 15 besitzt die Form eines Hohlzylinders, und umhüllt weitestgehend die Teile der Antriebsvorrichtung 1.
In direktem Kontakt mit dem anzutreibenden Element stehen die Teile antreibendes Element 2 und die Lagerelemente 13, 13', während die Massekörper 10, 11, das Antriebselement 4, das erste federnde Element 5 und das zweite federnde Element 6 und die Federelemente 12, 12' keinen Kontakt mit dem anzutreibenden Element besitzen. Der Massekörper 11 wird hierbei durch das Federelement 12' und das erste federnde Element 6 gehalten, während das Paket aus miteinander verbundenem ersten Massekörper 10 und Antriebselement 4 über das Federelement 12' und das zweite federnde Element 8 gehalten ist. Denkbar ist auch, dass die Massekörper 10, 11 vom Gehäuse 15 gehalten werden.
2 zeigt die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung gemäß 1 in perspektivischer Darstellung. Gleiche Teile sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Da es sich hierbei nur um eine andere Darstellungsweise der Antriebsvorrichtung gemäß 1 handelt, wird auf eine nähere Beschreibung verzichtet.
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wird das antreibende Element 2, das sich in Friktionskontakt mit dem anzutreibenden Element 3 befindet, von beiden Seiten mittels federnder Elemente unterstützt. Hierzu befinden sich ein erstes federndes Element 6 und ein zweites federndes Element 8 in Kontakt mit den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten 5, 7 des antreibenden Elements 2. Auf das erste und das zweite federnde Element 6, 8 wirkt die gleiche, durch das Gesamtsystem der Antriebsvorrichtung vorgegebene und definierte Kraft, wobei sich die Federkonstanten k₁ und k₂ der beiden federnden Elemente jedoch deutlich voneinander unterscheiden, d. h. k₁ ist wesentlich größer als k₂. Dadurch wird das zweite federnde Element 8 viel stärker gestaucht bzw. komprimiert als das erste federnde Element 6. Konkret ist das zweite Federelement 8 im Wesentlichen komplett zusammengestaucht, während das erste Federelement 6 nur teilweise zusammengedrückt ist.
Das antreibende Element 2 wird bewegt über ein Antriebselement 4 in Form eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators. Durch eine Ausdehnung des Antriebselements 4 infolge einer Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung überträgt das Antriebselement 4 über das zweite federnde Element 8 eine Kraft auf das antreibende Element 2. Da das zweite federnde Element 8 im Wesentlichen vollständig zusammengestaucht ist, erfolgt die Kraftübertragung nahezu verlustfrei, da das zweite federnde Element 8 praktisch nicht weiter zusammengedrückt werden kann. Die durch das Antriebselement 4 erzeugte Kraft (Aktorkraft) ist dabei so bemessen, dass sie im Wesentlichen dem Zweifachen der Haftreibungskraft F_Haft zwischen antreibendem Element 2 und anzutreibendem Element 3 entspricht. Dadurch ist in jedem Falle gewährleistet, dass die durch Ausdehnung des Antriebselements 4 erzeugte Kraft auf das antreibende Element 2 ausreicht, dieses gegenüber dem anzutreibenden Element 3 zu verschieben.
Der zugrunde liegende Antriebsmechanismus der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung untergliedert sich im Wesentlichen in die zwei im Folgenden charakterisierten Phasen:
In der Ausdehnungsphase wird der Aktuator 4 durch eine geeignete elektrische Einrichtung so angesteuert, dass es zu einem bestimmten zeitlichen Verlauf seiner Ausdehnung kommt. Der Aktuator 4 besteht vorzugsweise aus einem piezokeramischen Material, wobei der Aktuator 4 entweder kompakt oder in Multilager-Bauweise aufgebaut ist. Bei einem kompakten Aufbau ist die Piezokeramik lediglich an den Außenflächen elektrisch kontaktiert, und zwischen den entsprechenden Außenelektroden befindet sich die Piezokeramik, die in geeigneter Weise polarisiert ist. Hiervon unterscheidet sich die Multilager-Bauweise dadurch, dass auch in dem piezokeramischen Material zahlreiche, sogenannte Innenelektroden, angeordnet sind, wobei die Innenelektroden normalerweise über Terminierungs- oder Kontaktelektroden miteinander verbunden sind. Der wesentliche Vorteil der Multilager-Bauweise besteht darin, dass die Ansteuerspannungen des Aktuators für eine definierte Auslenkung bzw. Ausdehnung wesentlich niedriger sein können als bei kompakter Bauweise. Der Vorteil bei kompakter Bauweise liegt hingegen in der deutlich einfacheren Herstellung entsprechender Aktuatoren.
Die Ausdehnung des Aktuators 4 in der Ausdehnungsphase überträgt sich auf das antreibende Element 2, das über das zweite federnde Element 8 mit dem Aktuator 4 gekoppelt ist. Das zweite federnde Element 8 steht unter einer solchen Vorspannung, dass es im Wesentlichen vollständig zusammen- oder plattgedrückt ist und der zurückgelegte Weg des antreibenden Elements 2 während der Ausdehnung des Aktuators 4 im Wesentlichen dem Vorschubweg des anzutreibenden Elements 3 entspricht. Das bedeutet, dass das zweite federnde Element 8 während der Übertragung einer Kraft von dem Antriebselement 4 auf das antreibende Element 2 – bedingt durch die Ausdehnung des Aktuators – so gut wie keine weitere Stauchung erfährt, die über die Stauchung aufgrund der systembedingten Vorspannung hinausgeht.
An die oben beschriebene Ausdehnungsphase schließt sich die Kontraktionsphase des Aktuators 4 an. Dabei erfolgt durch die elektrische Einrichtung eine solche Ansteuerung des Aktuators, dass es zu einem bestimmten zeitlichen Verlauf der Kontraktion des Aktuators kommt. Das bedeutet, dass sich der Aktuator nach der vorausgegangenen Ausdehnung wieder verkürzt, d. h. es kommt zu einer entsprechenden Rückwärtsbewegung. Dieser Rückwärtsbewegung folgt das antreibende Element 2, da es von dem ersten federnden Element 6 in Richtung des Aktuators gedrückt wird. Die vom ersten federnden Element 6 ausgehende Federkraft F₁, die auf das antreibende Element 2 wirkt, hat während des Ausdehnungsphase noch zugenommen, da hierbei das erste federnde Element 6 weiter gestaucht wurde. Die Federkraft F₁ des ersten federnden Elements 6 ist somit deutlich höher als die Federkraft F₂ des zweiten federnden Elements 8, so dass die Rückwärtsbewegung des antreibenden Elements 2 durch das Vorhandensein des zweiten federnden Elements 8 – welches das antreibende Element 2 genau in die entgegen gesetzte Richtung zu drücken versucht – im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt.
Auf der anderen Seite bewirkt das zweite federnde Element 8, dass stets, d. h. auch während der Kontraktionsphase, eine Druckkraft auf den Aktuator wirkt.
Es sind zwei unterschiedliche Arten der Ansteuerung des Aktuators 4 möglich. Zum Einen kann der Aktuator so elektrisch angesteuert werden, dass es zu einer vergleichsweise langsamen Ausdehnungsphase kommt. Hierbei ist die Ausdehnung und die entsprechende Bewegung des antreibenden Elements 2 so langsam, dass die Haftreibung zwischen antreibendem Element 2 und anzutreibendem Element 3 nicht überwunden wird, so dass es zu einer Mitnahme des anzutreibenden Elements 3 durch das antreibende Element 2 kommt. Dadurch bewegt sich das anzutreibende Element 3 in die Richtung der Ausdehnung des Aktuators 4 bzw. in Antriebsrichtung, wobei der Vorschubweg im Wesentlichen der Ausdehnung des Aktuators entspricht. Bei der sich anschließenden Kontraktionsphase wird der Aktuator elektrisch so angesteuert, dass es zu einer vergleichsweise schnellen Kontraktion oder Verkürzung des Aktuators auf seine Ursprungsausdehnung kommt. Trotz der schnellen Kontraktion kann das antreibende Element 2 dem Aktuator 4 folgen, da es mit Hilfe des ersten federnden Elements 6 in Richtung des Aktuators gedrückt wird. Die Bewegung des antreibenden Elements 2 ist dabei so schnell, dass die Haftreibung zwischen diesem und dem anzutreibenden Element 3 überschritten wird und das antreibende Element 2 entlang der Oberfläche des anzutreibenden Elements 3 gleitet, ohne dieses während der Rückwärtsbewegung, d. h. entgegen der Antriebsrichtung, mitzunehmen. Durch wiederholtes Ausführen der Ausdehnungsphase und der Kontraktionsphase ist eine sukzessive Bewegung des anzutreibenden Elements erzielbar.
Bei sehr hohen Betriebsfrequenzen kann es vorkommen, dass die Rückwärtsbewegung des Aktuators 4 in der Kontraktionsphase so schnell ist, dass das antreibende Element nur mit gewisser zeitlicher Verzögerung der Rückwärtsbewegung folgt, da die Ausdehnung des ersten federnden Elements 6 langsamer erfolgt als die Kontraktion des Aktuators. Selbst in diesem Fall bleibt der Aktuator unter Druckbelastung aufgrund des zwischen antreibendem Element 2 und Aktuator 4 angeordneten zweiten federnden Elements 8.
Entgegen der zuvor beschriebenen Art der Ansteuerung des Aktuators ist es ebenfalls möglich, den Aktuator 4 so anzusteuern, dass die Ausdehnungsphase wesentlich schneller abläuft als die sich daran anschließende Kontraktionsphase. Hierbei kommt es zu einer Mitnahme des anzutreibenden Elements 3 durch das antreibende Element 2 in der Kontraktionsphase und damit zu einer Bewegung des anzutreibenden Elements 3 in Antriebsrichtung, während es in der Ausdehnungsphase zu einer Relativbewegung zwischen antreibendem Element 2 und anzutreibendem Element 3 kommt, wobei sich das antreibende Element 2 entgegen der Antriebsrichtung bewegt.
Durch sukzessives Wiederholen der zuvor beschriebenen Ausdehnungs- und der Kontraktionsphase kommt es zu einer schrittweisen Bewegung bzw. zu einem schrittweisen Antrieb des anzutreibenden Elements 3. Mit Hilfe der ebenfalls zuvor beschriebenen unterschiedlichen Ansteuerarten des Aktuators ist eine Bewegung in beiden Richtungen des anzutreibenden Elements 3 möglich.

Claims

Antriebsvorrichtung (1), umfassend ein antreibendes Element (2), dass sich in Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element (3) befindet und das antreibende Element (2) über ein sich in eine Antriebsrichtung ausdehnendes und kontrahierendes Antriebselement (4) in Form eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktuators bewegt wird, wobei entweder während des Ausdehnens oder des Kontrahierens des Antriebselements (4) eine Bewegung des anzutreibenden Elements (3) in die Antriebsrichtung erfolgt, und sich das antreibende Element (2) an einer ersten Stirnfläche (5) über ein erstes federndes Element (6) unterstützt ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das antreibende Element (2) an einer zweiten Stirnfläche (7), die der ersten Stirnfläche (5) gegenüberliegt, an dem Antriebselement (4) über ein zweites federndes Element (8) abstützt, und sich das Antriebselement (4) an einem ersten Massekörper (10) und sich das erste federnde Element (6) an einem zweiten Massekörper (11) abstützt, wobei sich der erste Massekörper (10) und der zweite Massekörper (11) jeweils gegen ein Federelement (12, 12') abstützen.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das antreibende Element (2) das anzutreibende Element (3) zumindest teilweise umgreift.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das antreibende Element (2) von wenigstens einem Komprimierungselement (9) zumindest abschnittsweise umfangen ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des zweiten Massekörpers (11) größer als die Masse des ersten Massekörpers (10) ist.
Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit k₂ des zweiten federnden Elements (8) kleiner ist als die Federsteifigkeit k₁ des ersten federnden Elements (6).
Antriebsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Federelemente (12, 12') jeweils gegen ein Lagerelement (13, 13') abstützen, welche das anzutreibende Element (3) beweglich lagern, und die Lagerelemente (13, 13') jeweils ein Halteelement (14, 14') tragen, das an einem gemeinsamen Gehäuse (15) befestigt ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das anzutreibende Element (3) ein Rundstab ist, und das antreibende Element (2) und das Antriebselement (4) und der erste Massekörper (10) und der zweite Massekörper (11) und die Lagerelemente (13, 13') im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sind und den Rundstab zumindest teilweise umfangen.
Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste federnde Element (6) und/oder das zweite federnde Element (8) zumindest eine Tellerfeder umfassen/umfasst.