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Die Erfindung bezieht sich auf einen Piezoantrieb mit einem Stator und einem Rotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein Piezoelement wird vom Stator gehalten und treibt den Rotor an. In der Praxis kann das Piezoelement einen Treibfinger antreiben. Der Rotor ist zum Stator drehbar angeordnet. Dieser Rotor umgibt den Treibfinger und hat eine hohlzylindrische Ringfläche, auf die der Treibfinger einwirkt. Der Stator kann aber auch derart angeordnet sein, dass der Treibfinger außerhalb des Rotors liegt. Der vom Stator an einem Ende gehaltene Treibfinger wirkt in diesem Fall auf eine äußere zylindrische Ringfläche des Rotors ein.
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Bei diesen Piezoantrieben werden mit Hilfe des reziproken Piezoeffekts elektrische Schwingungen durch das Piezoelement in mechanische Schwingungen umgewandelt und auf den mit dem Piezoelement gekoppelten Treibfinger übertragen. Die mechanischen Schwingungen des Treibfingers werden zum Antrieb eines Rotors genutzt. Wenn auch die Ausschläge des Treibfingers sehr klein sind, wird wegen der hohen Geschwindigkeit dieser Ausschläge eine ausreichend hohe Drehzahl des Rotors erreicht.
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Bei den bekannten Piezoantrieben wird der Treibfinger von einem Resonanzkörper gebildet, der von einem Schwingungsgenerator aus piezoelektrischem Material in Schwingung versetzt wird. Das schwingende Ende des Treibfingers wird von einer Federvorrichtung gegen eine Ringfläche eines Rotors gedrückt, wodurch ein Reibkontakt hergestellt wird.
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Der Reibkontakt des Treibfingers mit dem Rotor hat den Nachteil, dass die schwingende Kontaktfläche des Treibfingers relativ schnell verschleißt und dass die in Antriebsrichtung verlaufende Komponente nicht voll genutzt wird. Ferner können nur sehr geringe Kräfte vom Treibfinger auf den Rotor übertragen werden.
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Weitere Druckschriften, die derartige Piezoantriebe beschreiben, sind die
US2009/0140607 A1 ,
DE 10 2009 052 271 A1 ,
DE 10 2008 038 462 B4 sowie die nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlichten
DE 10 2010 035 045 A1 und
DE 10 2010 025 149 A1 . Die
DE 101 27 444 A1 beschreibt einen piezoelektrischen Mechanismus, der insbesondere zur Bremskrafterzeugung bzw. zur Betätigung von Kraftfahrzeugbremsen, aber auch als Stellantrieb für andere Anwendungen in solchen Fällen einsetzbar ist, wo kurze Verstellwege und große Verstellkräfte notwendig sind. Hier wirken benachbarte Klemmiezostapel auf ein Abtriebsteil, dass als Gewindespindel ausgebildet ist, wobei der jedem Klemmpiezopaket zugeordnete Fuss mit einem zum Gewindeprofil der Gewindespindel komplementären Gegenprofil ausgebildet ist und mit dem Gewinde der Gewindespindel zusammenwirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe, einen Piezoantrieb zu schaffen, der zuverlässig und mit einer großen Antriebskraft Hubbewegungen und Absenkbewegungen erzeugt.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein Hubantrieb mit einem Piezoantrieb, der einen Stator, einen Rotor und mindestens ein vom Stator gehaltenes und den Rotor antreibendes Piezoelement aufweist, weist folgende Merkmale auf:
- - zwei in Richtung der Rotorachse zueinander verschiebbare Elemente,
- - die verschiebbaren Elemente sind einerseits mit dem Rotor und andererseits mit dem Stator verbunden,
- - die verschiebbaren Elemente weisen einerseits mindestens eine schräge Gleitfläche und andererseits mindestens eine sich auf der Gleitfläche abstützende Stützfläche auf,
so dass Drehbewegungen des Rotors gegenüber dem Stator in axiale Hub- oder Absenkbewegungen des ersten Elements gegenüber dem zweiten Element umgesetzt werden.
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Die Gleitfläche verläuft zu der Ebene der Drehbewegung des Rotor in einem bestimmten Winkel schräg. Der Winkel kann recht klein sein, zum Beispiel unter 20°. Die Gleitfläche kann entweder an dem Rotor oder an dem Stator befestigt sein. Die sich darauf abstützende Stützfläche ist dann dem jeweils anderen Bauteil, also dem Stator oder dem Rotor zugeordnet.
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Die verschiebbaren Elemente können einstückig mit dem Rotor oder Stator verbunden sein und folglich von Rotor und/oder Stator selbst gebildet werden. In diesem Fall sind schräge Gleitflächen und Stützfläche am Stator und/oder Rotor selbst angeformt. Sie können aber auch separate Elemente sein, die zum Beispiel formschlüssig oder mittels Verbindungselementen mit Stator oder Rotor verbunden sind.
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Die schräge Gleitfläche ermöglicht es, eine recht große Untersetzung der Drehbewegung des Rotors in die axiale Hub- oder Absenkbewegungen zu erzielen. Auf diese Weise können mit einem relativ geringen Drehmoment recht hohe Kräfte in axialer Richtung erzeugt werden. Wenn die Ebene der Drehbewegung des Rotors in einer horizontalen Ebene verläuft, erfolgt die Hub- oder Absenkbewegung in einer hierzu senkrechten, vertikalen Richtung. Je nach Anwendungsfall kann der Rotor aber eine andere Orientierung aufweisen, so dass die Rotorachse nicht vertikal verläuft. In diesem Fall wird der Rotor nicht notwendigerweise durch die Schwerkraft gegen die schräge Gleitfläche gedrückt. Ein elastisches Element, zum Beispiel eine Feder kann dafür vorgesehen sein, dass die Gleitfläche und die Stützfläche gegeneinander gedrückt werden. Es kann aber auch durch formschlüssige Verbindungen ermöglicht werden, dass der die axiale Position des Rotors immer mit seiner Drehstellung übereinstimmt. Wenn die Gleitfläche und die Stützfläche beispielsweise als Außengewinde und Innengewinde ausgebildet sind, wird der Rotor oder das damit verbundene Element immer in eine axiale Stellung gemäß der Drehstellung des Rotors bewegt. Sowohl beim Anheben als auch beim Absenken erfolgt eine formschlüssige Kraftübertragung. Auch können weitere verschiebbare Elemente mit dem Rotor formschlüssig verbunden werden.
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In der Praxis kann sich die Gleitfläche sich entlang einer ringförmigen Bahn um die Achse des Rotors erstrecken. Die Gleitfläche kann sich nach Art einer Windung eines Innengewindes in einer zylindrischen Ausnehmung, welche den Rotor umgibt, erstrecken. An dem Rotor kann eine komplementäre Windung ähnlich der eines Außengewindes angeordnet sein, welche die auf der Windung der Gleitfläche aufliegende Stützfläche bildet. An dem Rotor können aber auch nur mehrere kurze fast punktförmige oder linienförmige Auflageflächen vorgesehen sein, die in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander in der Peripherie des Rotors angeordnet sind und sich auf der Windung der Gleitfläche abstützen. Natürlich kann auch die Gleitfläche am Rotor angeordnet sein, nach Art eines Außengewindes nach außen ragen und sich auf einer oder mehreren Auflageflächen des Stators abstützen.
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In der Praxis können mehrere Gleitflächen vorgesehen sein, die auf einer ringförmigen Bahn um die Achse des Rotors angeordnet sind. In diesem Fall kann die Drehbewegung des Rotors auf die Winkelerstreckung einer Gleitfläche beschränkt sein. Das zweite Element kann komplementäre Abschnitte einer schrägen Ringbahn als Stützflächen aufweisen, die sich gegen die Gleitflächen abstützen.
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Der Hubantrieb weist in der Praxis ein Hubelement auf, das axial verschiebbar und drehfest geführt ist. Das Hubelement kann zum Beispiel auf dem Rotor aufliegen. Die Drehbewegung des Rotors ist eine notwendige Voraussetzung dafür, dass die Hub- und Absenkbewegungen durch den Hubantrieb erzeugt werden. Es existieren Anwendungsfälle, bei denen das Drehen des Hubelements nicht zulässig ist. So kann der Hubantrieb in einer praktischen Ausführungsform einen Mikrolinearantrieb, der eine Hub- und Absenkbewegung in der Größenordnung von einem Millimeter oder weniger erzeugt, bilden. Ein derartiger Hubantrieb kann das Volumen einer mit einer Flüssigkeit befüllten Kammer begrenzen. Eine von dem Hubantrieb bewegte Hubplatte bildet eine Wand der Kammer. Auf diese Weise kann das Volumen und damit die Flüssigkeitsmenge in der Kammer geändert werden. Bei bestimmten Anwendungsfällen ist selbst das maximale Kammervolumen sehr klein. Der Durchmesser der Kammer sowie die maximale Höhe der Kammer können in der Größenordnung von einem Millimeter oder weit darunter liegen. Ein Flüssigkeitstropfen in dieser Kammer wird erheblich von Kapillareffekten und der Oberflächenspannung beeinflusst.
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Es kann gewünscht sein, das eine dem Kammervolumen entsprechende Menge der Flüssigkeit in der Kammer verbleibt. Zu diesem Zweck kann die Oberfläche eines der zueinander verschiebbaren Elemente des Hubantriebs die Kammer begrenzen und diese Oberfläche in der Mitte hydrophil und im peripheren Bereich hydrophob ausgebildet sein. Falls eine auf dem Rotor aufliegende Hubplatte verwendet wird, kann die von dem Rotor abgewandte und der Kammer zugewandte Seite der Hubplatte in der Mitte eine hydrophile Oberfläche und im peripheren Bereich eine hydrophobe Oberfläche aufweisen. Eine glatte Oberfläche hat in der Regel hydrophile Eigenschaften, das heißt sie ist gut mit Wasser benetzbar. Eine Oberfläche mit einer rauhen Mikrostruktur hat hydrophobe Eigenschaften, das heißt, Wasser perlt auf dieser Oberfläche ab. Dieser Effekt wird auch Lotuseffekt genannt. Durch einen glatten, hydrophilen Bereich in der Mitte der der Kammer zugewandten Oberfläche benetzt die Flüssigkeit in diesem mittleren Bereich der Oberfläche die Wand der Kammer. Im peripheren, hydrophoben Bereich der Oberfläche perlt die Flüssigkeit von der Oberfläche ab. Es bildet sich durch die Oberflächenspannung in der Kammer ein Tropfen aus, der den mittleren Bereich der Oberfläche der Hubplatte benetzt und folglich der Bewegung der Hubplatte folgt.
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Die Hubplatte kann in der Praxis eine Kammer begrenzen, deren Seitenwand eine hydrophobe Oberfläche aufweisen. Insbesondere kann die Kammer eine zylinderförmig umlaufende Seitenwand aufweisen, die hydrophob ist. Der Flüssigkeitstropfen in der Kammer perlt dann von der Seitenwand ab. Auch die dem hydrophilen Bereich der Hubplatte gegenüberliegende Oberfläche der Kammer kann eine hydrophile Oberfläche aufweisen. Mit anderen Worten ist auch die Kammerwand, die der Hubplatte gegenüberliegt im mittleren Bereich hydrophil und im peripheren Bereich hydrophob. Der Flüssigkeitstropfen in der Kammer benetzt also die einander gegenüberliegenden mittleren Bereiche der Hubplatte und der gegenüberliegenden Kammerwand und werden von den restlichen Bereichen der Kammerwände abgestoßen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Flüssigkeitsvolumen in der Kammer sich analog zur Hubbewegung der Hubplatte ändert und keine Flüssigkeit an den seitlichen, hydrophoben Wänden der Kammer anhaftet.
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Es kann auch die Hubplatte selber mit den Stützflächen oder mit der Gleitfläche versehen sein. In diesem Fall ist die Hubplatte zu dem Stator axial verschiebbar und drehfest geführt und stützt sich über ihre Gleitfläche oder ihre Stützfläche auf dem Rotor ab.
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Der Piezoantrieb des Hubantriebs kann in der Praxis folgenden Aufbau aufweisen:
- - er weist einen Treibfinger auf, der mit seinem freien Ende eine gegen eine Ringfläche des Rotors andrückbare Mitnehmerbacke bewegt,
- - das freie Ende des Treibfingers ist radial verschieblich zwischen zwei Anschlägen der Mitnehmerbacke gehalten
- - die Mitnehmerbacke ist während der Antriebsbewegung des Treibfingers von mindestens einem Piezoaktor im Rhythmus der Antriebsbewegung des Treibfingers gegen den Rotor andrückbar und zusammen mit dem Piezoaktor entsprechend der Größe eines Ausschlages des Treibfingers in Antriebsrichtung und zurück um die Rotorachse bewegbar.
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Bei diesem Piezoantrieb werden die Schwingungen des Treibfingers von einer Mitnehmerbacke aufgenommen, die von einem weiteren Piezoaktor im Rhythmus der Schwingung des Treibfingers gegen eine hohlzylindrische oder zylindrische Ringfläche des Rotors gedrückt wird. Dadurch werden Schlupfverluste weitgehend vermieden und es können relativ große Kräfte vom Treibfinger über den Mitnehmer auf den Rotor übertragen werden.
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Die Kontaktfläche der Mitnehmerbacke ist relativ groß und so beschaffen, dass eine gute Reibverbindung zwischen Rotor und Mitnehmerbacke zustande kommt.
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Das freie Ende des Treibfingers ist derart zwischen den Anschlägen der Mitnehmerbacke gehalten, dass das freie Ende sich in Längsrichtung des Treibfingers und rechtwinklig dazu bewegen kann. Das freie Ende des Treibfingers kann dann nicht nur in Antriebsrichtung und zurück, sondern auch im Kreis oder in einem Oval schwingen.
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Der Treibfinger kann als Biegepiezo ausgebildet sein, der mit seinem festsitzenden Ende unverdrehbar im Stator gehalten ist, der einseitig oder beidseitig mit Piezokristallen beschichtet und nach einer oder zwei Seiten verbiegbar ist und teilweise aus einem elastischen Material besteht, das als Rückstellfeder dient.
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Der Treibfinger kann aber auch mit seinem festsitzendem Ende um die Rotorachse schwenkbar am Stator gehalten sein und von einem Stapelaktor und einer Rückstellfeder oder einem zweiten Stapelaktor in Schwingung gesetzt werden.
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Auf den Rotor können zwei oder mehrere von Treibfingern bewegte Mitnehmerbacken einwirken, deren Antriebspiezos und Andrück-Piezoaktoren mit gleicher Frequenz und zumindest teilweise phasenversetzt auf den Rotor einwirken.
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In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in
- 1 eine Schnittansicht eines Piezoantriebs nach den Schnittlinien I-I in 2,
- 2 eine Schnittansicht des Piezoantriebs gemäß 1 nach den Schnittlinien II-II in 1,
- 3 eine perspektivische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Piezoantriebs,
- 4 eine Prinzipdarstellung,
- 5 eine Explosionsdarstellung des Piezoantriebs nach 3,
- 6 eine Draufsicht auf ein von einem Stapelpiezoaktor angetriebenen Treibfinger,
- 7 eine Draufsicht auf eine Piezowölbescheibe mit Mitnehmerbacken, die von einem Treibfinger bewegt werden, der von beidseitig angeordneten Stapelpiezoaktoren angetrieben wird ,
- 8 eine Draufsicht entsprechend 7, bei der die Mitnehmerbacke und die Innenseite des Rotors mit Zahnungen versehen sind,
- 9 vergrößerter Ausschnitt aus 8,
- 10 perspektivische Explosionsansicht der Bauelemente eines Piezoantriebs,
- 11 eine Seitenansicht der Bauelemente des Piezoantriebs aus 10,
- 12 - 14 eine Seitenansicht, eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht des Rotors des Piezoantriebs der 10 und 11,
- 15 geschnittene Darstellungen des Piezoantriebs der 10 - 14 in zwei verschiedenen Stellungen,
- 16 den Darstellungen der 15 entsprechende Darstellungen einer Abwandlung des Piezoantriebs.
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Der Piezoantrieb nach den 1 und 2 hat einen Stator 1 und einen um die Achse 11 drehbaren Rotor 2, der von einem Treibfinger 3 angetrieben wird. Der Treibfinger 3 hat ein vom Stator 1 gehaltenes festsitzendes Ende 4 und ein freies, bewegliches Ende 5. Der Treibfinger 3 wirkt mit mindestens einem Piezoelement 17 zusammen, welches das freie Ende 5 des Treibfingers 3 in eine Antriebsrichtung bewegt. Das freie Ende 5 des Treibfingers 3 ist radial verschieblich zwischen zwei Anschlägen 8 und 9 einer Mitnehmerbacke 7 gehalten, die während der Antriebsbewegung des Treibfingers 3 von mindestens einen Piezoaktor 10, der unter Spannung seine Länge ändert, gegen die Ringfläche 6 des Rotors 2 gedrückt wird. Der die Mitnehmerbacke 7 an den Rotor 2 andrückende Piezoaktor 10 kann beispielsweise ein Piezo-Stapelaktor sein.
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Die mit dem Rotor 2 in Berührung kommende Fläche der Mitnehmerbacke 7 ist derart, dass bei Anlage eine gute Reibverbindung mit dem Rotor 2 zustande kommt. Weil die Mitnehmerbacke 7 während der Antriebsphase sich mit dem Rotor 2 um die Achse 11 verschwenkt, muss auch die Mitnehmerbacke 7 zusammen mit ihren Piezoaktor 10 um die Rotorachse 11 schwenkbar sein. Das antreibende Piezoelement 17 sowie der andrückende Piezoaktor 10 arbeiten mit gleicher Frequenz und im gleichen Rhythmus, so dass am Ende der Antriebsbewegung der Kontakt der Mitnehmerbacke 7 mit dem Rotor 2 aufgehoben und der Treibfinger 3 zusammen mit der Mitnehmerbacke 7 in die Ausgangsstellung zurückschnellt und ein neuer Antriebsschritt beginnen kann. Das Zurückschnellen des Treibfingers 3 kann aufgrund der Materialseigenschaft und Elastizität des Treibfingers 3 erfolgen oder aber auch durch einen weiteren in gleicher Frequenz aber phasenversetzt arbeitenden Piezoaktor. Das Abheben der Mitnehmerbacke 7 von der Ringfläche 6 kann mit Hilfe einer Rückstellfeder erfolgen.
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Das freie Ende 5 des Treibfingers 3 kann auch nicht nur in Längsrichtung des Treibfingers 3, sondern auch rechtwinklig dazu und rechtwinklig zur Antriebsrichtung verschieblich zwischen den Anschlägen 8 und 9 der Mitnehmerbacke 7 gehalten sein, so dass das freie Ende 5 des Treibfingers 3 auch ovale Bewegungen ausführen kann.
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Der Treibfinger 3 arbeitet in vorteilhafter Weise als Resonator, der von Piezokristallen zu Schwingungen in Eigenfrequenz erregt wird. Die Schwingungen können in Antriebsrichtung und zurück erfolgen oder aber auch entsprechend einer Ellipsenbahn oder Kreisbahn.
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Die Piezokristalle 17 sind auf einer Seite des Treibfingers 3 angeordnet, sodass unter Spannung sich der Treibfinger zu dieser Seite hinbiegt und dabei die Mitnehmerbacke 7 mitnimmt. Weil am Ende dieser Bewegung die Mitnehmerbacke 7 ihren Kontakt mit der hohlzylindrischen Ringfläche 6 des Rotors 2 aufhebt, springt der Treibfinger 3 mit der Mitnehmerbacke 7 zurück in die Ausgangsstellung. Der Treibfinger 3 kann auch beidseitig mit Piezokristallen beschichtet sein, so dass der Rotor 2 sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn drehen kann, sofern nur jeweils eine Seite des Treibfingers 3 unter Spannung versetzt wird und der Treibfinger 3 sich nach links oder rechts verbiegt.
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Um einen größeren Gleichlauf des Rotors 2 und eine größere Leistung des Piezoantriebs zu erreichen, können zwei oder mehrere Treibfinger und mit diesen zusammenarbeitenden Mitnehmerbacken auf den Rotor 2 einwirken.
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Wie 2 zeigt, sind zu beiden Seiten eines scheibenförmigen Stators 1 Treibfinger 3, 3' angeordnet, die mit Mitnehmerbacken 7 und 7' zusammenwirken. Die Treibfinger 3, 3' und die Mitnehmerbacken 7, 7' arbeiten mit gleicher Frequenz, jedoch um eine halbe Wellenlänge oder Phase versetzt. Bei drei Treibfingern mit Mitnehmerbacken sollte der Phasenversatz ein Drittel einer Phase und bei vier Treibfingern mit Mitnehmerbacken ein Viertel einer Wellenlänge oder Phase betragen.
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Bei der Ausführung eines Piezoantriebs nach den 3 bis 5 ist die Arbeitsweise entsprechend dem Piezoantrieb nach 1 und 2. Die gleich wirkenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Rotor 2 umgibt den Stator 1 und ist über zwei Deckel 21, 22 und über Wälzlager 12 um eine feststehende Statorachse 13 drehbar gelagert. Der Stator 1 weist mindestens einen Treibfinger 3 auf, der mit mindestens einer Mitnehmerbacke 7 auf eine hohlzylindrische Ringfläche 6 des Rotors 2 einwirkt. Der Stator setzt sich zusammen aus einem oberen scheibenförmigen Stator 1, auch Statorscheibe genannt, die mit der feststehenden Statorachse 13 fest verbunden ist und in der das festsitzende Ende 4 des Treibfingers 3 gehalten ist und einem unteren scheibenförmigen Stator 1', in der das festsitzende Ende 4' des Treibfinger 3' gehalten ist. Beide Statorscheiben 1, 1' sind über Bolzen 25 starr miteinander verbunden.
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Bei dieser Ausführung werden die Mitnehmerbacken 7, 7' von je einer Piezo-Wölbescheibe 23, 23' gegen die Innenfläche 6 des Rotors 2 gedrückt, wenn die Treibfinger 3, 3' mit ihren freien Enden 5, 5' eine Bewegung in Antriebsrichtung machen. Die Piezo-Wölbescheiben 23, 23' haben an einer Seite eine Schicht aus Piezokristallen, die bewirken, dass sich unter Spannung die Scheiben wölben. Dabei verringert sich der Umfang der Scheiben 23, 23'. Sind die Scheiben 23, 23' spannungslos, dann sind sie eben und haben einen größeren Umfang, sodass die Mitnehmerbacken 7, 7' gegen den Rotor 2 gedrückt werden.
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In 3 ist zwischen den oberen und unteren Mitnehmerbacken 7 und 7' eine feststehende Zwischenscheibe 26 angeordnet, die einen Gleitring 27 trägt, an den die Mitnehmerbacken 7 und 7' anliegen.
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In der Prinzipdarstellung nach 4 arbeitet der Treibfinger 3 mit den Mitnehmerbacke 7 und der Treibfinger 3' mit den Mitnehmerbacke 7' zusammen. Die Piezo-Wölbescheiben 23, 23' sind starr und gegebenenfalls einstückig mit den zugehörigen Mitnehmerbacken 7, 7' verbunden. Die Piezo-Wölbescheibe 23 des oberen Treibfingers 3 ist ohne Spannung und liegt flach in einer Ebene, so dass die Mitnehmerbacken 7 von der Piezo-Wölbescheibe 23 gegen die Innenfläche 6 des Rotors 2 gedrückt werden. Gleichzeitig steht die Piezo-Wölbescheibe 23' des unteren Treibfingers 3' unter Spannung, wodurch sich diese Wölbescheibe 23' wölbt und sich ihr Umfang verkleinert und die Mitnehmerbacke 7' sich vom Rotor 2 löst.
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Die 5 mit den Einzelzeichnungen a), b), c), d), e), f), g), h), i) und j) zeigt in einer Gesamtübersicht Einzelteile eines Piezoantriebs.
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Die 5 a) ist eine Verkleinerung der 3.
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Die 5 b) zeigt eine Schnittansicht des Piezoantriebs mit einem Schnitt parallel zur Rotorachse 11 und parallel zu den Treibfingern 3, 3'.
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Die 5 c) zeigt eine Ansicht nach der Schnittlinie B-B in 5 b) auf die Piezo-Wölbescheibe 23 mit den Mitnehmerbacken 7 und den Verbindungsbolzen 25 des Stators 1.
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Die 5 d) zeigt eine perspektivische Ansicht des Teiles nach 5 c).
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Die 5 e) zeigt eine Ansicht nach der Schnittlinie A-A in 5 b) mit Draufsicht auf die untere Statorscheibe 1' den unteren Treibfinger 3' und die unteren Mitnehmerbacken 7' mit den Anschlägen 8, 9, zwischen denen das freie Ende 5 des Treibfingers 3' längsverschieblich gehalten ist.
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Ferner ist die Größe eines Antriebsschnittes 30, der durch die Biegeverformung des Treibfingers 3' zustande kommt, angedeutet.
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Die 5 f) zeigt perspektivisch den oberen Deckel 21, der auf den Rotor 2 beziehungsweise auf das Zahnrad 20 aufschraubbar ist.
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Die 5 g) zeigt perspektivisch die obere Statorscheibe 1 mit Statorachse 13.
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Die 5 h) zeigt perspektivisch den oberen Treibfinger 3, der mit seinem freien Ende 5 zwischen den Anschlägen 8 und 9 der Mitnehmerbacke 7 gehalten ist.
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Die 5 i) zeigt perspektivisch den Gleitring 27, die Stator-Verbindungsbolzen 25 und die unteren Mitnehmerbacken 7'.
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Die 5 j) zeigt perspektivisch den Rotor 2 mit seiner hohlzylindrischen Fläche 6 und die untere Statorscheibe 1' mit dem unteren Treibfinger 3'.
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Die 6 zeigt, dass der Treibfinger 3 von einem Stapelpiezoaktor 28 - auch Stack-Piezoaktor genannt - angetrieben wird. Der Stapelpiezoaktor 28 kann an einer Seite des Treibfingers 3 oder auch an beiden Seiten des Treibfingers 3 angeordnet werden, um den Treibfinger 3 nach einer Seite zu biegen oder entweder nach einer Seite oder nach der anderen Seite zu biegen, sodass der Rotor 2 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn angetrieben wird. Der Stapelpiezoaktor 28 kann in bekannter Weise gerade sein oder aber auch zur Vergrößerung der Zahl der Piezoaktorscheiben kreisbogenförmig gekrümmt, wie die 7 und 8 zeigen.
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Die 7 zeigt eine Draufsicht auf drei Mitnehmerbacken 7, 7' und 7", die von einer einstückig damit verbundenen Piezo-Wölbescheibe 23 in Anlage an die hohlzylindrische Ringfläche des Rotors 2 gehalten wird. Unter Spannung wölbt sich die Piezo-Wölbescheibe 23, wodurch sich ihr Umfang verkleinert und die Mitnehmerbacke 7 sich von der hohlzylindrischen Fläche 6 des Rotors 2 abhebt.
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Wie insbesondere die 7 zeigt, sind in der Piezo-Wölbescheibe 23 Durchlassöffnungen 33 eingearbeitet für die Bolzen 25, welche die scheibenförmigen Teile des Stators 1 starr miteinander verbinden. Diese Durchlassöffnungen 33 sind so geformt, dass sich die Wölbescheibe 23 relativ zu den Bolzen 25 mindestens um die Größe eines Ausschlages 30 verschwenken lässt. Ferner sind diese Öffnungen 33 so geformt und angeordnet, dass die Wölbescheibe 23 in der gewölbten Stellung an diesen drei Bolzen anliegt und sich so zur Rotorachse 11 zentriert. Damit ist sichergestellt, dass sich die Mitnehmerbacken 7, 7' von der Ringfläche 6 des Rotors 2 abheben, wenn der Umfang der Wölbescheibe 23 kleiner wird.
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In den 1 bis 5 ist der Treibfinger 3 mit seinem festsitzendem Ende 4 unverdrehbar im Stator 1 gehalten und durch Verbiegen des Treibfingers 3 erfolgt der Ausschlag 30. Die Rückstellung des Treibfingers erfolgt durch seine Elastizität.
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In 7 wird der Treibfinger 3 von einem Stapelaktor 29 in Antriebsrichtung und von einem zweiten Stapelaktor 29' in die Ausgangsstellung bewegt. In diesem Fall ist der Treibfinger 3 an seinem festsitzendem Ende 4 um die Rotorachse drehbar gelagert. Die Schwingungen des Treibfingers 3 werden von den Stapelaktoren 29, 29' erzeugt.
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Wie die 8 und 9 zeigen, kann der Piezoantrieb auch als Mikro-Stellmotor arbeiten, wenn die Ringfläche 6 des Rotors 2 und die Mitnehmerbacke 7 Zahnungen 31 und 32 aufweisen, die beim Andrücken der Mitnehmerbacke 7 ineinander greifen. Die Teilung dieser Zahnung entspricht dabei einem Ausschlag 30 des Treibfingers 3.
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Der Piezoantrieb ist dargestellt und beschrieben mit einem Rotor 2, der den Stator 1 umgibt. In kinematischer Umkehrung kann aber auch der Stator den Rotor umgeben oder neben einem Rotor angeordnet sein und der Treibfinger und die Mitnehmerbacken wirken auf einer zylindrischen Ringfläche des Rotors.
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Die 10 und 11 zeigen in perspektifischer Darstellung und in Seitenansicht eine Explosionsansicht eines Hubantriebs mit einem Piezoantrieb der zuvor beschriebenen Art. Diese Ausführungsform in den 10 und 11 weist nur eine Statorscheibe 1 auf. Die Statorscheibe 1 ist drehfest in einem Gehäuse 34 bestehend aus zwei Gehäuseteilen 35, 36 aufgenommen. In diesem Gehäuse 34 sind die Antriebselemente des oben beschriebenen Piezoantriebs, nämlich ein Treibfinger 3, die zwei Anschläge 8, 9 und ein Rotor 2 einfügbar. Der Rotor 2 ist in den 12 bis 14 im Detail dargestellt. Er weist an seiner Unterseite drei schräg zur Drehebene des Rotors 2 verlaufende Gleitflächen 37, 38 und 39 auf. Die Gleitflächen 37, 38, 39 stützen sich auf entsprechend geneigte Stützflächen 40,41 in der unteren Teil 35 des Gehäuses 34 abstützen. Die drei Gleitflächen 37, 38, 39 liegen auf einem Ring um die Rotorachse. Eine Drehung des Rotors 2 gegenüber dem Gehäuse 34 führt dazu, dass der Rotor 2 gegenüber dem Stator in axialer Richtung angehoben oder abgesenkt wird. Die Richtung der Rotorbewegung ist dabei abhängig von seiner Drehrichtung.
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Die Gleitflächen 37, 38 und 39 verteilen sich gleichmäßig auf einer Ringfläche um die Rotorachse und erstrecken sich jeweils um ein Drittel des Umfangs des Rotors, also um 120°. Dadurch ist die Drehbewegung des Rotors auf 120° begrenzt.
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Alternativ ist es möglich, die schräge Gleitfläche in zwei Abschnitte von jeweils 180° aufzuteilen, so dass in diesem Fall die Drehbewegung des Rotors auf 180° beschränkt ist. Es ist auch möglich, eine einzige geschlossene schräge Ringfläche innerhalb des unteren Gehäusteils 35 anzuordnen. Diese kann sich über eine oder mehrere Windungen erstrecken und ist nach Art eines Innengewindes ausgebildet. Der Rotor 2 kann sich dann mit einer Windung oder mit mehreren Windungen von über den Umfang verteilten und Radial nach außen ragenden Stützflächen auf den nach Innen ragenden Windungen des Stators abstützen. Bei eine derartigen Aufbau werden Drehbewegungen des Rotors von über 180° möglich.
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Auf dem Rotor 2 stützt sich eine Hubplatte 42 ab. Die Hubplatte 42 weist zwei einander gegenüberliegende Führungslaschen 43, 44 auf, die in sich in axialer Richtung des Rotors erstreckenden Führungsnuten 55, 56 aufgenommen sind. Die Hubplatte 42 wird folglich durch den Rotor 2 angehoben und abgesenkt, kann dabei aber keine Drehbewegung ausüben.
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In der dargestellten Ausführungsform kann die Hubplatte 42 und der Rotor 2 durch die Schwerkraft abgesenkt werden. Alternativ kann eine Feder (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die zum Beispiel im Bereich der Führungslaschen 43, 44 auf die Hubplatte 42 drückt und diese gegen den Rotor 2 presst. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Hubplatte 42 jederzeit gegen den Rotor 2 anliegt und entsprechend der Drehstellung des Rotors 2 angehoben oder abgesenkt ist. Als weitere Alternative können die übereinanderliegenden Bauteile formschlüssig miteinander verbunden sein. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Rotor 2 an seinem Umfang oberhalb der Rotoroberfläche angeordnete, nach innen ragende Vorsprünge 45, 46 auf, die in Umfangsnuten 47 der Hubplatte 42 eingreifen, so dass die Hubplatte 42 drehbar aber in axialer Richtung fest mit dem Rotor 2 verbunden ist.
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In den 13 und 14 ist zu erkennen, dass die ringförmige Umfangsfläche des Rotors 2 kleine Vertiefungen 54 aufweist. Diese reduzieren die Kontaktoberfläche zwischen dem Rotor 2 und der Hubplatte 42 und damit die Reibung zwischen beiden Bauteilen. Ferner können die Vertiefungen Schmierstoffe wie z.B. Fette aufnehmen, um die Reibung weiter Herabzusetzen.
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Der Explosionsansicht in 10 dargestellte Piezoantrieb wird montiert, indem der zweite, obere Gehäuseteil 36 umgedreht und auf den unteren Gehäuseteil 35 aufgesetzt wird. Die in der 10 sichtbare obere Seite des zweiten Gehäuseteils 36 ist nach dem Drehen nach unten gerichtet. Es ist zu erkennen, dass diese Seite des Gehäuseteils 36 eine Aussparung 48 aufweist, deren Kontur der Kontur der Hubplatte 42 entspricht. Die Hubplatte 42 wird in dieser Aussparung in axialer Richtung verschiebbar geführt. Die in 10 erkennbare ebene Oberfläche der Aussparung weist bei montiertem Piezoantrieb nach unten und bildet die obere Deckwand einer Kammer. Die in 10 sichtbare Oberfläche der Hubplatte 42 liegt bei fertig montiertem Piezoantrieb dieser Deckwand gegenüber. Die zylinderförmige Seitenwand 49 der Aussparung bildet bei fertig montiertem Piezoantrieb die Seitenwand der Kammer.
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Sowohl die im oberen Gehäuseteil 36 liegende Deckwand als auch die Oberseite der Hubplatte 42 weisen in der 10 in ihrem mittleren Bereich jeweils einen schraffierten Bereich 50, 51 auf. In diesem schraffierten Bereich ist die Oberfläche sehr glatt und gut durch Flüssigkeit benetzbar, das heißt, sie ist hydrophil ausgebildet. Die peripheren Bereiche 52, 53 welche sich ringförmig um diese hydrophilen Bereiche 50, 51 herum erstrecken, weisen dagegen eine rauhe Oberflächenstruktur auf, die gemäß dem Lotuseffekt Flüssigkeit abstößt, also hydrophob wirkt. Die Vorrichtung hat bevorzugterweise sehr kleine Abmessungen. Der Durchmesser des Rotors 2 bzw. der Kammer kann z.B. im Bereich von 1 bis 5 mm liegen. Bei geschlossener Kammer wird folglich ein Flüssigkeitstropfen in der Kammer gebildet, der in den mittleren Bereichen der nach unten weisenden Deckwand des Gehäuseteils 36 und der nach oben weisenden Oberfläche der Hubplatte 42 anhaftet und im Umfangsbereich von den dort befindlichen hydrophoben Bereichen 52, 53 abgestoßen wird. Das Volumen dieses Flüssigkeitstropfens ändert sich proportional zur Hub- und Absenkbewegung der Hubplatte. Mit dem dargestellten Hubantrieb kann also eine bestimmte Flüssigkeitsmenge präzise aus der Kammer ausgetrieben und in die Kammer angesaugt werden.
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Die 15a und 15b zeigen das geschlossene Gehäuse 34 mit dem Rotor 2 und der Hubplatte 42 in zwei verschiedenen Hubstellungen. Es ist die Kammer 57 zu erkennen, die zwischen dem oberen Gehäuseteil 36 und dem unteren Gehäuseteil 35 gebildet wird. In der Kammer 57 ist eine bestimmten Menge Flüssigkeit 60 aufgenommen. Die Kammer 57 ist über einen Verbindungskanal 59 mit einem Hohlraum 58 verbunden. In der 15a ist der Rotor 2 mit der Hubplatte 42 in der untersten Position dargestellt. In dieser Position hat die Kammer 57 ihr maximales Volumen. Die Flüssigkeit 60 befüllt bei dieser Stellung der Hubplatte 42 nur die Kammer 57 und den Verbindungskanal 59. Der Hohlraum 58 ist leer.
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In 15b ist der Rotor 2 und die Hubplatte 42 in einer angehobenen Position dargestellt. Der Rotor 2 ist in Bezug auf die Position in 15a um ca. 90° verdreht. Hier ist das Volumen der Kammer 57 reduziert und die Flüssigkeit 60 befindet sich auch in dem Hohlraum 58 oberhalb der Kammer 57. Ein derartiger Antrieb kann beispielsweise verwendet werden, um eine farbige Flüssigkeit in einen Hohlraum 58 hinein zu fördern und wieder heraus zu ziehen. Der Hohlraum 58, der einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 - 2 mm haben kann, kann in einer transparente Platte angeordnet sein und ein Bildelement (Pixel) einer elektronisch ansteuerbaren Plakatwand bilden.
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Die Flüssigkeit 60 in der Kammer 57 haftet an den mittleren hydrophilen Bereichen der Deckwand und der Oberseite der Hubplatte 42. Die äußeren Bereiche der Deckwand und der Oberseite der Hubplatte 42 sowie die Seitenwand der Kammer 57 sind hydrophob und stoßen die Flüssigkeit ab. Aufgrund der Oberflächenspannung bildet sich ein Tropfen mit einem fest definierten Flüssigkeitsvolumen innerhalb der Kammer 57, dessen Größe im wesentlichen proportional von der Stellung der Hubplatte 42 abhängt.
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Die 16a und 16b zeigen eine den 15a und 15b entsprechende Anordnung, bei der der obere Teil 36' des Gehäuses anders ausgebildet ist. Die Deckwand der Kammer 57' hat hier die Form eines Trichters und mündet in einen zentralen Kanal 61. Der Flüssigkeitsspiegel in dem Kanal 61 hängt von der Position des Rotors 2 und der damit verbundenen Hubplatte 42 ab. Wie in 16a zu erkennen, ist bei abgesenkter Hubplatte 42 der Flüssigkeitsspiegel in dem Kanal 61 niedrig. Bei angehobener Hubplatte 42 ist der Flüssigkeitsspiegel in dem Kanal 61 hoch.
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Dieser Antrieb kann als hydraulischer Stößel verwendet werden, der in Abhängigkeit der Drehposition des Rotors 2 über die Flüssigkeitssäule in dem Kanal 61 ein Bauteil anhebt oder absenkt. Bei dieser Ausführungsform ist wiederum der mittlere Bereich der Hubplatte 42 hydrophil ausgebildet und der periphere Bereich der Hubplatte 42 hydrophob. Die mit der Flüssigkeit 60 in Kontakt stehenden Bereiche des oberen Gehäuseteils 36' sind überall hydrophil ausgebildet, so dass sie von der Flüssigkeit an jeder Stelle benetzt werden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, entsprechende Hubantriebe mit den Piezoantrieben aus den 1 bis 9 zu realisieren. Hierzu kann mit dem Rotor 2 eine schräge, insbesondere ringförmige, Gleitfläche verbunden werden, die die Hubbewegung erzeugt. Ein Hubelement kann sich mit komplementären Stützflächen auf dieser Gleitfläche abstützen. Insbesondere kann die komplementäre Stützfläche direkt in die Hubplatte integriert sein, die drehfest und in axialer Richtung verschiebbar in dem Gehäuse oder in einer sonstigen, mit dem Stator verbundenen Führung geführt sein kann. In diesem Fall wirkt die Gleitfläche des sich gegenüber dem Stator drehenden Rotors unmittelbar auf das Hubelement.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statorscheibe
- 2
- Rotor
- 3
- Treibfinger
- 4
- festsitzendes Ende
- 5
- freies Ende
- 6
- Ringfläche des Rotors 2
- 7, 7'
- Mitnehmerbacke
- 8
- Anschlag
- 9
- Anschlag
- 10
- andrückender Piezoaktor
- 11
- Rotorachse
- 12
- Lager, Wälzlager, Kugellager
- 13
- Statorachse
- 14
- umgreifende Statorwände
- 15
- Brücke
- 16
- Anschlussflansch
- 17
- Piezo-Kristallschicht
- 20
- Zahnrad
- 21
- Deckel
- 22
- Deckel
- 23
- Piezo-Wölbescheibe
- 24
- Teil der Mitnehmerbacke 7 mit den Anschlägen 8, 9
- 25
- Verbindungsbolzen
- 26
- Zwischenscheibe
- 27
- Gleitring
- 28
- Piezo-Stapelaktoren
- 29
- Piezo-Stapelaktoren
- 30
- Ausschlag des Treibfingers 3
- 31
- Zahnung des Rotors
- 32
- Zahnung der Mitnehmerbacke
- 33
- Durchlassöffnungen
- 34
- Gehäuse
- 35
- unteres Gehäuseteil
- 36
- oberes Gehäuseteil
- 37
- schräge Gleitfläche
- 38
- schräge Gleitfläche
- 39
- schräge Gleitfläche
- 40
- Stützfläche
- 41
- Stützfläche
- 42
- Hubplatte
- 43
- Führungslasche
- 44
- Führungslasche
- 45
- Vorsprung
- 46
- Vorsprung
- 47
- Umfangsnut
- 48
- Aussparung
- 49
- Seitenwand
- 50
- hydrophiler Bereich des Gehäuseteils
- 51
- hydrophiler Bereich der Hubplatte
- 52
- peripherer hydrophober Bereich
- 53
- peripherer hydrophober Bereich
- 54
- Vertiefung
- 55
- Führungsnut
- 56
- Führungsnut
- 57,57'
- Kammer
- 58
- Hohlraum
- 59
- Verbindungskanal
- 60
- Flüssigkeit
- 61
- Kanal
