DE102010025149A1

DE102010025149A1 - Elektronisch ansteuerbare Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010025149A1
Application number: DE102010025149A
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Josef Sacher
Original assignee: ASPRE AG
Current assignee: ASPRE AG
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2030-06-26
Also published as: WO2011160835A1; DE102010025149B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit mindestens einem Mikrolinear- oder Piezoantrieb, dessen Stellglied sich schrittweise entlang einer ebenen Bewegungsbahn bewegt. Die Bewegung des Stellgliedes wird in eine vertikale Bewegung eines Stößels dadurch umgesetzt, dass das Stellglied oder ein damit verbundenes Teil auf eine im spitzen Winkel zur Bewegungsbahn des Stellglieds verlaufende Gleitbahn eines vertikal geführten, heb- und senkbaren Stößels einwirkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung mit mindestens einem Piezoaktor oder Piezolinearmotor, dessen Stellglied sich schrittweise entlang einer ebenen Bewegungsbahn bewegt.
Derartige Aktoren können zwischen oder in den Schichten einer aus Kunststoff, Glas, Silizium und dergleichen Schichten sich zusammensetzenden flächigen Struktur angeordnet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in der Ebene der flächigen Struktur erfolgende Bewegung des Stellgliedes in eine rechtswinklige dazu verlaufende Bewegung eines Stößels umzusetzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Stellglied oder ein damit verbundenes Teil auf eine im spitzen Winkel zur Bewegungsbahn des Stellglieds verlaufende Gleitbahn eines vertikal geführten, heb- und absenkbaren Stößels einwirkt, sodass die Bewegungen des Stellgliedes in vertikale und verkürzte Hub- oder Absenkbewegungen des Stößels umgesetzt werden.
Die vertikalen Bewegungen des Stößels können beispielsweise im Labor zum Betreiben von Pumpen genutzt werden, um kleinste, aber genau dosierbare Flüssigkeitsmengen wie Reagenzien zu fördern und Hohlräume oder anderen Stoffen zuzuführen.
Insbesondere bei DNA-Analysen und molekularen gentechnischen Untersuchungen können zahlreiche derartiger Pumpen eingesetzt werden, um gleichzeitig oder in vorbestimmter zeitlicher Aufeinanderfolge unterschiedliche Reagenzien den Proben oder gleiche Reagenzien unterschiedlichen Proben zuzuführen.
Ferner können mit den erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtungen Mikrowerkzeuge bewegt werden oder Farbstoffe aus Düsen gespritzt werden oder Hohlräumen eines Displays zugeführt werden.
Für den Antrieb des Stellgliedes sind alle Mikrolinearantriebe geeignet, deren Stellglied auf kleinste Schritte genau positionierbar ist und mit ausreichender Kraft und Geschwindigkeit den Stößel in die programmierte Stellung bringen kann.
Das Stellglied ist mit dem Läufer des piezoelektrischen Antriebes verbunden, der eine Friktionsoberfläche aufweist, die in Kontakt bringbar ist mit einem Antriebselement in Form eines piezoelektrischen Erregers.
In vorteilhafter Weise ist das Stellglied des Linearantriebes mit einem Schlitten verbunden, auf den sich der Stößel abstützt und der eine zur Ebene der Bewegungsbahn des Stellglieds parallele Gleitfläche und eine spitzwinklig dazu verlaufende Gleitbahn am Stößel aufweist. Dieser Schlitten ist zwischen der Bewegungsbahn des Stellgliedes und der im spitzen Winkel dazu verlaufenden Gleitbahn angeordnet und bewirkt eine bessere Verteilung der Kräfte und reduziert die von der Führung des Stößels aufzunehmenden Kraftmomente.
Falls die Verstellkraft eine Mikrolinearantriebes nicht ausreicht, könne zwei oder mehr Piezoaktoren vorgesehen sein, deren Stellglieder die Enden einer sich drehenden Hubbrücke einwirken, die sich bei Drehung hebt oder senkt und den Stößel dabei mitnimmt.
Diese Antriebsvorrichtung hat symmetrisch zu beiden Seiten einer Mittellinie je einen Linearantrieb mit Bewegungsbahnen der Stellglieder, die im spitzen Winkel zur Horizontalen verlaufen und entgegengesetzt geneigt sind und hat eine um eine vertikale Mittelachse drehbare Hubbrücke, die sich beidseitig auf die entgegengesetzt geneigten Bewegungsbahnen der Stellglieder so abstützt, dass die Hubbrücke stets horizontal gehalten ist. Die Hubbrücke ist von den Stellgliedern aus einer unteren Ausgangsstellung um 170° in eine obere Endstellung verdrehbar um die Mittelachse.
Bei dieser Ausführung können die Bewegungsbahnen gerade sein, dabei aber wandern während der Drehung der Hubbrücke die Stützpunkte der Hubbrücke auf den geraden Bewegungsbahnen. Dieses Wandern der Stützpunkte der Hubbrücke kann vermieden werden, wenn die Bewegungsbahnen halbkreisförmig so gekrümmt sind, dass die Hubbrücke an beiden Enden sich auf die entgegengesetzt geneigten Bewegungsbahnen abstützt.
Die Stellglieder und/oder der Stößel stehen unter der Wirkung einer Rückstellkraft zum Beispiel einer Rückstellfeder. Die Rückstellung in die Ausgangsstellung kann auch elektromagnetisch erfolgen.
In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in
1 eine Schnittansicht einer Antriebsvorrichtung in Ausgangsstellung
2 eine Schnittansicht der Antriebsvorrichtung gemäß 1 in Hubstellung
3 eine Schnittansicht einer Antriebsvorrichtung in Ausgangsstellung
4 eine Schnittansicht der Vorrichtung gemäß 3 in Hubstellung
5 eine Draufsicht auf eine Antriebsvorrichtung mit zwei Mikrolinear- oder Piezoaktoren, bei denen die Bewegungsbahn der Stellglieder gerade ist
6 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 5
7 eine Draufsicht auf eine Antriebsvorrichtung mit zwei Mikrolinear- oder Piezoaktoren, bei denen die Bewegungsbahn der Stellglieder kreisbogenförmig ist, in Ausgangsstellung
8 eine Ansicht nach der Schnittlinie A-A in 7
9 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gem. 7 in Hubstellung
10 eine Ansicht nach der Schnittlinie B-B in 9
Die 1 und 2 zeigen eine Antriebsvorrichtung mit einem elektronisch steuerbaren Mikrolinearaktor 1, dessen Stellglied 2 entlang einer geraden horizontalen Bewegungsbahn 3 bewegbar ist. Das Stellglied 2 oder ein damit verbundenes Teil 5 wirkt auf eine im spitzen Winkel zur Bewegungsbahn 3 des Stellglieds 2 verlaufende Gleitbahn 4 ein, die an einem vertikal geführten Stößel 6 angeordnet ist. Bewegt sich das Stellglied 2 mit dem schlittenartigen Teil 5 in 1 von links nach rechts, dann wird der Stößel 6 in die in 2 dargestellte Stellung gehoben.
Während bei der Vorrichtung nach den 1 und 2 die Bewegungsbahn 3 horizontal verläuft, ist bei der in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel in kinematischer Umkehrung die Bewegungsbahn 3 des Stellgliedes 2 spitzwinklig zur Horizontalen angeordnet und die Gleitbahn 4 am Stößel 6 verläuft horizontal. Bewegt sich in 3 das Stellglied 2 aus der Ausgangsstellung von rechts nach links, dann hebt sich Stößel 6 in die in 4 gezeigte Hubstellung.
Das schlittenartige Teil 5, das sich zusammen mit dem Stellglied 2 bewegt, ist keilförmig und hat eine horizontale Gleitebene und eine im spitzen Winkel dazu verlaufende Gleitebene.
Der spitze Winkel zwischen der Bewegungsbahn 3 des Stellglieds 2 und der Gleitbahn 4 am Stößel 6 oder an einem mit dem Stößel 6 verbundenen Zwischenglied ist abhängig von dem Verhältnis des maximalen Verstellweges des Stellgliedes 2 und dem maximalen Hub des Stößels 6. Beträgt beispielsweise der maximale Verstellweg des Stellgliedes 0,4 mm und der maximale Hub des Stößels 01 bis 0,25 mm, dann beträgt der spitze Winkel 15° bis 20°.
Die in den 5 und 6 im Prinzip dargestellte Antriebsvorrichtung arbeitet mit symmetrisch zu beiden Seiten einer Mittellinie 10 angeordnete Mikrolinearaktoren oder Piezoaktoren 1, 1', deren Bewegungsbahnen 3, 3' der Stellglieder 2, 2' gerade sind und im spitzen Winkel zur Horizontalen verlaufen. Die Bewegungsbahn 3 des Stellgliedes 2 ist gegenüber der Bewegungsbahn 3' des Stellgliedes 2' entgegengesetzt geneigt. Der Abstand der zueinander parallelen Bewegungsbahnen 3, 3' voneinander beträgt 60 bis 80% der Länge der Bewegungsbahn 3 oder 3' der Stellglieder 2, 2'. Die Bewegungsbahnen 3, 3' der Stellglieder 2, 2' sind als Gleitbahnen ausgebildet, auf die sich eine um die vertikale Mittelachse 11 drehbare Hubbrücke 12 abstützt. In den 5 und 6 befindet sich die Hubbrücke 12 in maximaler Hubstellung. Wird die Hubbrücke 12 in 5 von einer Rückstellfeder in Gegenuhrzeigersinn um einen Drehwinkel von 100–110° zurückgedrückt, dann gleiten die Brückenarme auf den entgegengesetzt geneigten Bewegungsbahnen 3, 3' nach unten in die Ausgangsstellung. In 5 ist in Phantomlinien auch die Mittelstellung der Hubbrücke 12 gekennzeichnet.
In den 7, 8, 9 und 10 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der die im spitzen Winkel zur Horizontalen geneigten Bewegungsbahnen 3, 3' der Stellglieder 2, 2' und Gleitbahnen für die Stützpunkte der um die Mittelachse 12 drehbaren Hubbrücke 12 halbkreisförmig um die Mittelachse 11 gekrümmt sind. Die stets in gleicher Höhe sich befindenden Stützpunkte der Hubbrücke 12 befinden sich stets an den beiden Enden der Hubbrücke 12 und verschieben sich nicht während der Drehung der Hubbrücke 12. Die 7 und 8 zeigen die Hubbrücke 12 nach Verlassen der Ausgangsstellung und die 9 zeigt die Hubbrücke 12 nach einer Drehung um ca. 120° in einer Stellung vor Erreichen des maximalen Hubs.
Zwischen der Hubbrücke 12 und den Bewegungsbahnen 3, 3', auf die sich die Hubbrücke 12 abstützt, sind an den Stützpunkten keilförmige Gleitstilcke oder Schlitten 5 angeordnet.
Bei der Vorrichtung nach den 7 und 9 sind auf einer kreisrunden Fläche zwei Piezoaktoren mit halbkreisförmigen Bewegungsbahnen der Stellglieder angeordnet. Um die Hubkraft des Stößels 6 zu verstärken, können auch vier Piezoaktoren 1 mit 90° oder viertelkreisbogenförmige Bewegungsbahnen und eine Hubbrücke mit vier auf die Bewegungsbahnen sich abstützende Arme vorgesehen sein. In diesem Fall sind die Bewegungsbahnen der Stellglieder kürzer und steiler.
Bezugszeichenliste

1, 1': Mikrolinearantrieb, Piezoantrieb
2, 2': Stellglied
3, 3': Bewegungsbahn des Stellglieds
4, 4': Gleitbahne
5: Schlitten
6: Stößel
7: Hubteil
8: Gehäusewand
9
10: Mittellinie
11: Mittelachse
12: Hubbrücke
13: Gleitstücke

Claims

Elektronisch ansteuerbare Antriebsvorrichtung mit mindestens einem Mikrolinear- oder Piezoantrieb (1), dessen Stellglied (2) sich schrittweise auf einer ebenen Bahn (3) bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (2) oder ein damit verbundenes Tei (5) auf eine im spitzen Winkel zur Bewegungsbahn (3) des Stellglieds (2) verlaufende Gleitbahn (4) eines vertikal geführten, heb- und senkbaren Stößels (6) einwirkt, sodass die Bewegungen des Stellgliedes (2) in vertikale und verkürzte Hub- oder Absenkbewegungen des Stößels (6) umgesetzt werden.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (2) mit einem keilförmigen Schlitten (5) verbunden ist, auf den sich der Stößel (6) abstützt und der Schlitten (5) eine parallel zur Bewegungsbahn (3) verlaufende Gleitebene und eine parallel zu im spitzen Winkel zur Bewegungsbahn (3) verlaufende Gleitbahn (4) verlaufende Gleitebene aufweist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahn (3) des Stellgliedes (2) horizontal verläuft und die im spitzen Winkel dazu verlaufende Gleitbahn (4) am Stößel (6) oder einem damit verbundenen Teil (7) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahn (3) des Stellglieds (2) im spitzen Winkel zur Horizontalen verläuft und die Gleitbahn (4) horizontal verläuft und am Stößel (6) oder einem damit verbundenen Teil (7) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (6) mit einem Hubteil (7) verbunden ist, an dessen dem Stellglied (2) zugewandte Seite sich die Gleitbahn (4) befindet.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch zu beiden Seiten einer Mittellinie (10) je ein Linearantrieb (1, 1') mit Bewegungsbahnen (3, 3') der Stellglieder (2, 2'), die im spitzen Winkel zur Horizontalen verlaufen und entgegengesetzt geneigt sind, und dass sich auf diese Bewegungsbahnen (3, 3') ein um eine vertikale Mittelachse (11) drehbare und mit dem Stößel (6) zusammenwirkende Hubbrücke (12) abstützt, die von den Stellgliedern (2, 2') aus einer unteren Ausgangsstellung in eine obere Endstellung verdrehbar ist und die beim Verdrehen um die Mittelachse (11) sich hebt oder absenkt und dabei den Stößel (6) mitnimmt.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahnen (3, 3') der Stellglieder (2, 2') gerade sind und die Hubbrücke (12) über zwei axial verschiebbare Gleitstücke (13) auf die Bewegungsbahnen (3, 3') der Stellglieder (2, 2') abgestützt sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahnen (3, 3') der Stellglieder (2, 2') und Gleitbahnen (13) für die Stützpunkte der Hubbrücke (12) um die Mittelachse (11) kreisbogenförmig gekrümmt sind.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (6) unter der Wirkung einer Rückstellfeder steht.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (6) elektromagnetisch in die Ausgangsposition rückführbar ist.