DE102012221891B3

DE102012221891B3 - Antriebsvorrichtung und -verfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung

Info

Publication number: DE102012221891B3
Application number: DE201210221891
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Christoph Rass
Original assignee: Picofine GmbH
Current assignee: Picofine GmbH
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Antrieb zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines zu bewegenden Objektes mittels vorzugsweise piezoelektrischer Aktorik, bei der die mechanisch erzeugte Anpresskraft der antreibenden Struktur an das anzutreibende Objekt unter Ausnutzung der Massenträgheit von Teilen der antreibenden Struktur variiert wird, so dass eine gerichtete, hochauflösende Bewegung eines anzutreibenden Objektes des Antriebs möglich wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts und ein entsprechendes Antriebsverfahren, insbesondere ein Verfahren und eine Antriebsvorrichtung zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines zu bewegenden Objektes mittels piezoelektrischer oder elektrostriktiver Aktorik, bei der eine mechanisch erzeugte Anpresskraft, die auf die antreibende Struktur zum Anpressen an das anzutreibende Objekt wirkt, unter Ausnutzung einer Massenträgheit von wenigstens Teilen der antreibenden Struktur variiert wird.
Piezoantriebe sind seit den 1950er Jahren bekannt, wobei bisher bereits eine Vielzahl von unterschiedlichen Antrieben entwickelt worden sind.
Besonders für Präzisionspositionierungen sind Piezoaktoren oder auch Elektrostriktionsaktoren interessant, da diese in der Lage sind, sehr feine Bewegungsauflösungen, sogar im Sub-Nanometerbereich, zu bieten, die mit anderweitigen Antrieben wenn überhaupt nur mit einem sehr großen apparativen Aufwand zu realisieren sind.
Ein Überblick über die verschiedenen Klassen der Piezoantriebe findet sich in „Survey of the Various Operating Prinziples of Ultrasonic Piezomotors” von K. Spanner (Proceedings oft he 10th International Conference on New Actuators, Actuator 2006, Seiten 414 bis 421). Entsprechendes gilt im Grundsatz auch für Elektrostriktionsantriebe.
In dieser Klassifizierung werden die Piezoantriebe in Quasistatische Antriebe und Ultraschallantrieb unterteilt.
Die Quasistatischen Antriebe werden in Antriebe nach dem Schrittprinzip und solche nach dem Trägheitsprinzip unterteilt.
Zu den Ultraschallantrieben zählen solche, die eine stehende Welle und solche die eine Wanderwelle nutzen. Bei der Stehenden Welle wird weiter nach bi- oder unidirektional unterschieden. Die bidirektionalen Antriebe können einen einzelnen Aktor oder mehrere Aktoren aufweisen.
Der erste bekannte Schrittantrieb-basierende Piezoantrieb ist der sogenannte Inchworm^®-Antrieb der Firma Burleigh Instruments, beschreiben beispielsweise in US 3,902,084 .
Ein Antriebssystem gemäß DE 101 18 456 A1 arbeitet nach dem Inchworm-Prinzip als Linearantrieb. Insbesondere dient es als Verstellmechanismus für optische Elemente in optischen Systemen. Es weist zwei relativ zu einem Führungselement bewegbare Abschnitte auf, welche über ein linear längenveränderliches Element miteinander verbunden sind. Jeder der Abschnitte weist jeweils wenigstens eine Klemmeinrichtung auf. Die Klemmeinrichtungen klemmen die Abschnitte in unbetätigtem Zustand ortsfest zu dem Führungselement.
Diese Klasse von Antrieben basieren auf drei Aktoren, von denen zwei ein zu bewegendes Objekt klemmen können (Klemmaktoren), während ein dritter Aktor (Distanzaktor) die Distanz zwischen den Klemmaktoren variieren kann.
Befindet sich ein erster Klemmaktor in der Klemmung, kann der zweite Klemmaktor innerhalb des Hubes des Distanzaktors bewegt werden. Wird dieser dann nach der Auslenkung des Distanzaktors ebenfalls geklemmt, kann der erste Klemmaktor gelöst und dann durch ein Bewegen des Distanzaktors auf die ursprüngliche Distanz zwischen den Klemmaktoren gebracht werden. Durch diesen Zyklus hat sich das bewegliche Objekt, also der Läufer des Antriebs, ein kleines Stück bewegt. Wird dieser Zyklus immer wieder wiederholt, kann das zu positionierende Objekt sehr präzise über große Distanzen positioniert werden.
Es sind diverse solcher Antriebe entwickelt worden. Jedoch haben alle diese Antriebe das Problem gemein, dass es relativ schwer ist, die notwendigen mechanischen Toleranzen einzuhalten, um einen gut funktionierenden Antrieb zu erhalten.
Ein in diesem Zusammenhang eingesetzter typischer Piezoaktor weist lediglich einen Hub von nur wenigen μm auf. Wenn allerdings die mechanischen Toleranzen nicht deutlich geringer sind als die Hübe der klemmenden Aktoren, kann es ein sicheres Klemmen nicht mehr gewährleistet werden und der Antrieb verliert seine Funktionsfähigkeit.
Diese hier also notwendigermaßen sehr engen Toleranzen führen zu sehr hohen Fertigungskosten und einer relativ kurzen Lebensdauer der Antriebe, da schon ein geringer Verschleiß der Reibflächen einen großen Einfluss auf das Laufverhalten hat. Schon Temperaturvariationen können aufgrund der thermischen Ausdehnung der Komponenten zu einem Ausfall dieser Antriebe führen.
Der Ansatz, den Hub der klemmenden Aktoren zu vergrößern, so dass keine ganz so engen mechanischen Toleranzen mehr nötig sind, führt zu keinen befriedigenden Ergebnissen, da hierbei unerwünschte Vibrationen eingekoppelt werden, die orthogonal zur Bewegungsrichtung stehen und jede Präzision während der Positionierung unmöglich machen.
Eine andere Weiterentwicklung der Schrittantriebe nutzt mindestens vier Piezoaktoren, um ein zu bewegenden Objekt im Schrittmodus voranzutreiben. Hierbei arbeiten zwei oder mehr Reibflächen auf dem anzutreibenden Objekt. Während eine erste Reibfläche in hoher Anpresskraft und somit in Haftreibung mit dem anzutreibenden Objekt steht und dieses vorantreibt, wird die zweite Reibfläche aktiv von dem anzutreibenden Objekt abgehoben und entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objektes bewegt. Anschließend wird diese Reibfläche wieder in Kontakt mit dem anzutreibenden Objekt gebracht, so dass auch diese Reibfläche das Objekt vorantrieben kann. Während nun die zweite Reibfläche das Objekt voran treibt, wird die erste Reibfläche abgehoben und entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objekts bewegt. Antriebe dieser Art werden beispielweise in DE 4 408 618 A1 , EP 0 624 912 B1 , WO 2011/023375 A1 , WO 2004/066405 A1 und US 6,337,532 beschrieben.
Alle dieser Antriebe weisen jedoch mindestens 4 oder gar mehr Aktoren auf, so dass der apparative und steuerungstechnische Aufwand zum Betreiben der Antriebe entsprechend groß ist. Die Anforderungen an die mechanischen Toleranzen sind zwar im Vergleich verbessert, absolut betrachtet allerdings noch immer recht hoch.
Eine verhältnismäßig einfache Ansteuerung lässt der in DE 197 15 226 A1 beschriebene Antrieb zu. In diesem Fall liegen zwei Reibflächen vor. Eine Reibfläche liegt statisch im Raum, während die zweite Reibfläche durch Aktoren in den Kontakt mit dem anzutreibenden Objekt gebracht bzw. von dem anzutreibenden Objekt wegbewegt, also abgehoben, werden kann. Wird die bewegliche Reibfläche abgehoben, liegt das anzutreibende Objekt in Reibkontakt auf der statischen Reibfläche auf. Während das anzutreibende Objekt auf der statischen Reibfläche aufliegt, kann die bewegliche Reibfläche, ohne dass diese das anzutreibende Objekt berührt, entlang der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objektes frei vor- und zurückbewegt werden. Wird nun diese Reibfläche in eine entlang der Bewegungsrichtung äußere Lage gebracht, so kann anschließend die Reibfläche über einen Aktor gegen das zu bewegende Objekt gepresst werden. Dabei wird das zu bewegende Objekt von der statischen Reibfläche abhoben. Wird nun die bewegliche Reibfläche in die gegenüberliegende äußere Lage gebracht, so bewegt sich das zu bewegende Objekt dabei mit. Anschließend wird die bewegliche Reibfläche wieder von dem beweglichen Objekt entfernt, so dass der Zyklus wieder von vorne beginnen kann. Somit können über viele kleine Schritte große Distanzen zurückgelegt werden.
Problematisch an diesem Antrieb ist, dass starke Vibrationen erzeugt werden: Das zu bewegende Objekt wird zunächst nicht nur entlang der anvisierten Bewegungsrichtung bewegt sondern prinzipbedingt auch orthogonal dazu. Zudem wechselt der Antrieb ebenfalls prinzipbedingt zwischen den Zuständen „Bewegung” und „Stillstand”. Auch hier werden zusätzlich noch große Anforderungen an die Toleranz gestellt. Der Antrieb funktioniert nur, solange keine Abweichungen auf dem anzutreibenden Objekt vorkommen, die größer sind als der Hub der Aktorik, die die bewegliche Reibfläche von dem anzutreibenden Objekt abhebt.
DE 10 2009 009 253 A1 betrifft eine Antriebseinrichtung zum Antrieb eines zu bewegenden Bauteils mit wenigstens einem die Antriebsbewegung bewirkenden Piezoelement, wobei die Antriebseinrichtung zur Herstellung einer Verbindung zu dem Bauteil wenigstens einen an dem Bauteil anliegenden schaltbaren Freilauf aufweist.
JP 2006-187097 A sieht vor, dass ein zweites piezoelektrisches Element in Richtung einer Bewegungsrichtung eines beweglichen Körpers bewegt wird und eine Antriebskraft auf den beweglichen Körper wirken lässt. Die Kapazität des zweiten piezoelektrischen Elements ist größer als die Kapazität eines ersten piezoelektrischen Elements, das nun in einer Richtung bewegt wird, die senkrecht zur Richtung der Bewegung des beweglichen Körpers ist. Die Zeit, die für die Bewegung des zweiten piezoelektrischen Elements benötigt wird, wird damit länger als die Zeit, die für die Bewegung des ersten piezoelektrischen Elements benötigt wird. Daher kann der bewegliche Körper verlässlich mit einer einfachen Struktur positioniert werden. Dies wird durch Verbinden einer gemeinsamen Leistungszufuhr zu dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element und gleichzeitiges Anlegen einer Rechteckspannung von der gemeinsamen Leistungszufuhr an das erste piezoelektrische Element und das zweite piezoelektrische Element erreicht.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist es, eine Antriebsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzustellen, insbesondere im Bereich der quasistatischen Antriebe (auch als „nicht-resonante Antriebe” bezeichnet) unter Nutzung des Schrittprinzips, die eine genaue Positionierung bzw. einen genauen Antrieb mit einer einfachen Ansteuerung und geringen Anforderungen an die Fertigungstoleranzen insbesondere hinsichtlich der Oberfläche des zu bewegenden Objekt erlauben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine nicht-resonante Antriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, mit: einer Kontakteinheit mit einer Reibfläche zur Kontaktierung mit einer Objektoberfläche des Objekts, einem Federelement zur mechanischen Bereitstellung einer Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche zur Erzielung einer Reibungskraft zwischen Reibfläche und Objektoberfläche, und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche parallel zur Bewegungsrichtung, wobei die Kontakteinheit einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Kraftaktor aufweist, der dazu ausgestaltet ist, einen Abstand zwischen der Reibfläche und einem Masseschwerpunkt der Kontakteinheit zu variieren, um zumindest einen Teil der Kontakteinheit zur Variation oder Aufhebung der Reibungskraft zwischen der Reibfläche und der Objektoberfläche unter Ausnutzung einer Massenträgheit zu beschleunigen, wobei der Kraftaktor und/oder der Vortriebsaktor für eine Synchronisierung der Variation oder der Aufhebung der Reibungskraft und der Bewegung der Reibfläche durch den Vortriebsaktor ausgestaltet sind, wobei die Reibungskraft bei einer das Objekt vorantreibenden Bewegung der Reibfläche größer ist als bei einer Bewegung der Reibfläche in einer Richtung entgegen der vorantreibenden Bewegung, und wobei der Vortriebsaktor und der Kraftaktor miteinander fest verbunden oder als ein Aktor ausgeführt sind.
Ebenso wird ein nicht-resonantes Antriebsverfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, wobei eine von einem Federelement mechanisch bereitgestellte Anpresskraft auf eine Kontakteinheit zum Anpressen einer Reibfläche der Kontakteinheit an eine Objektoberfläche des Objekts zur Erzielung einer Reibungskraft zwischen Reibfläche und Objektoberfläche genutzt und die Reibungskraft unter Ausnutzung einer Massenträgheit variiert oder aufgehoben wird, wobei zumindest ein Teil der Kontakteinheit zum Variieren oder Aufheben der Reibungskraft beschleunigt wird, indem ein Abstand zwischen der Reibfläche und einem Masseschwerpunkt der Kontakteinheit durch einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Kraftaktor variiert wird, und das Variieren oder Aufheben der Reibungskraft mit einer Bewegung der Reibfläche durch einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor synchronisiert ist, wobei die Reibungskraft bei einer das Objekt vorantreibenden Bewegung der Reibfläche größer ist als bei einer Bewegung der Reibfläche in einer Richtung entgegen der vorantreibenden Bewegung, und wobei der Vortriebsaktor und der Kraftaktor miteinander fest verbunden oder als ein Aktor ausgeführt sind.
Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zu Grunde:
Anstelle eines Anpressens der Antriebsfläche (oder Reibfläche) über einen fest gelagerten Piezoaktor, kann auch der Piezoaktor (also der Kraftaktor, der auch elektrostriktiv ausgebildet sein kein) mitsamt der Reibfläche selbst mit einer Anpresskraft beaufschlagt werden. Beispielsweise kann die Antriebsfläche über eine oder mehrere Federn an eine makroskopisch anzutreibende Fläche eines Läufers gedrückt werden. Weist die Struktur, die den Läufer vorantreibenden Aktor aufnimmt, in Bewegungsrichtung des Läufers eine Lagerung mit einer hohen Steifigkeit gegenüber einer stationären Komponente auf, kann eine Bewegung der Aktorik möglichst gut auf die anzutreibende Fläche übertragen werden. Eine Anbindung über beispielsweise Federgelenke oder auch Führungen erlaubt jedoch in Richtung der auf die Oberfläche wirkenden Anpresskraft eine geringere Steifigkeit, so dass es über eine geeignete Ansteuerung einer zweiten Aktorik (d. h. des Kraftaktors) möglich wird, die auf die Reibfläche wirkende Anpresskraft zu variieren bzw. zu modulieren oder sogar ganz aufzuheben.
Anders als bei den bekannten technischen Lösungen (siehe oben) wird diese Variation der Anpresskraft nicht durch ein direktes Anpressen oder Abheben der Reibfläche bzw. Reibflächen durch Piezoaktoren erreicht. Der Hub des Kraftaktors ist damit nicht mehr maßgebend für die Anforderungen an die mechanischen Toleranzen der Bauteile, so dass insgesamt nur noch geringere Anforderungen in dieser Hinsicht erfüllt werden müssen.
Verbindet der Kraftaktor die Reibfläche mit einer gegenüberliegenden Masse, kann durch eine Ansteuerung des Kraftaktors ein Abstand zwischen der Reibfläche und dem sich ergebenden Massenschwerpunkt verändert werden. Wird der Kraftaktor bewegt, so wird auch diese gegenüberliegende Masse „m” mitbewegt und sie erfährt die vom Kraftaktor aufgebrachte Beschleunigung „a”. Die aufgrund der Beschleunigung der Masse (m) wirkende Kraft addiert sich auf die statische Anpresskraft. Die auf die statische Anpresskraft addierte Kraft bestimmt sich nach F = m·a, wobei die Richtung der Beschleunigung festlegt, ob eine Anpresskrafterhöhung oder eine Anpresskraftreduzierung stattfindet. Je höher die Beschleunigung „a” der Masse „m” ist, desto größer ist die wirkende Kraft, die je nach Beschleunigungsrichtung die Anpresskraft vergrößern oder verkleinern kann. Je größer die effektive Masse „m” ist und je größer die Beschleunigung „a”, desto größer ist der Effekt.
Eine z. B. von einer gespannten Feder erzeugte Anpresskraft der Reibfläche auf die Objektoberfläche, die für den Antrieb genutzte Reibung zwischen der Reibfläche verantwortlich ist, kann durch den Kraftaktor variiert und insbesondere pulsweise moduliert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Anpresskraft durch den Kraftaktor auch vergrößert werden kann, wobei in einem solchen Fall erst die so vergrößerte Anpresskraft für den Antrieb genutzt werden mag.
Die Reibfläche wird hierbei über einen weiteren Aktor (Vortriebsaktor) entlang der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objektes vor- und zurückbewegt.
Durch eine geeignete Ansteuerung der zwei Aktoren Vortriebsaktor und Kraftaktor kann das zu bewegende Objekt mit einer sehr hohen Präzision auch über große Distanzen bewegt werden.
Ein typischer Zyklus der Erfindung im Einsatz kann wie folgt ablaufen:
Der Vortriebsaktor bewegt das anzutreibende Objekt in eine Richtung. Am Ende des Hubes des Vortriebsaktors wird eine am Kraftaktor befestigte Masse „m” so beschleunigt, dass sich die Anpresskraft signifikant reduziert, wobei ein vollständiges Aufheben der Anpresskraft bevorzugt werden kann. Während der Phase der reduzierten oder aufgehobenen Anpresskraft wird der Vortriebsaktor schnell in die entgegengesetzte Seite seines Hubes bewegt. Liegt dann die (volle) Reibkraft wieder an, so hat sich der Vortriebsaktor bewegt, ohne dass die bewegliche Komponente dabei mitgenommen wurde. Nun kann über die Ansteuerung des Vortriebsaktors das anzutreibende Objekt weiter in die gewünschte Richtung vorangetrieben werden.
Wird dieser Zyklus immer wieder wiederholt, so können große Distanzen zurückgelegt werden. Es ist ohne Weiteres eine Vor- und Rückbewegung möglich. Die Bewegungsrichtung wird durch die Richtung vorgegeben, in die sich der Vortriebsaktor bewegt, während die statische Reibkraft vorliegt.
Mit dieser Erfindung ist das Problem der bisher notwendigen, hohen mechanischen Toleranzen gelöst, da die Anpresskraft ein im Vergleich zu einer herkömmlichen Piezoanpressung größeres Wegfenster erlaubt. Es ist möglich, auch größere Unebenheiten und Störungen auszugleichen, ohne dass es dabei zu signifikanten Kraftschwankungen kommt. Die erfindungsgemäße Kraftmodulation über die Massenträgheit einiger im Antrieb vorhandener Komponenten wirkt jederzeit gleich, unabhängig davon, ob eine mechanische Toleranz jeweils zu einem Über- oder Untermaß führt. Ein solcher Antrieb ist auch unempfindlich gegenüber Störgrößen, wie z. B. Temperaturschwankungen, die bei bekannten Schrittantrieben schon zu Problemen frühen können.
Die hier vorgeschlagene Antriebstechnik kann für lineare und rotatorische Antriebsvorrichtungen verwendet werden. Es sind auch Antriebsvorrichtungen mit mehr als einem Freiheitsgrad möglich.
Erfindungsgemäße Antriebsvorrichtungen können im Grunde in jeder Raumlage eingesetzt werden. Sie lassen sich somit auch untereinander kombinieren, um komplexere Positioniersysteme zu erhalten.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Antriebsvorrichtung eine Führung für das Objekt auf, die eine Bewegung in wenigstens einem Freiheitsgrad verhindert, der nicht der Zielbewegung des Objekts entspricht, insbesondere bei einer lineare Positionierung in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Objekts, wobei die Führung insbesondere jede Bewegung des Objekts entlang der Bewegungsrichtung bremst, wobei die Führung insbesondere eine mechanisch vorgespannte Wälz- oder Gleitlagerführung mit einem Verschiebewiderstand ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens bewirkt eine Reib- und/oder Klemmstruktur, an der das Objekt entlanggleitet oder -rollt eine einer Bewegung des Objekts entgegenstehende Reibkraft, die stets bremsend auf das Objekt wirkt.
Es wurde als vorteilhaft gefunden, dass das zu positionierende Objekt an einer vorzugsweise passive Reib-/Klemmstruktur, die jederzeit konstant wirkt, entlanggleitet oder -rollt, so dass der Bewegung stets eine geringe Kraft entgegensteht. Dabei ist es irrelevant, ob es sich dabei um ein internes oder externes Bauteil handelt. Eine solche Hemmung erlaubt in einfacher Weise, dass das zu positionierende Objekt auch während der Phasen einer im Vergleich zum Vortrieb geringeren Anpresskraft in seiner Position gehalten werden kann.
Eine besonders einfache Ausprägung einer solchen Hemmung ergibt sich mit einer mechanische Wälzführung oder einer Gleitlagerung, die einen definierten Widerstand gegen eine Bewegung aufweist, so wie es beispielsweise für vorgespannte mechanische Führungen der Fall ist. Das gilt unabhängig davon, ob es sich um eine lineare Führung oder um ein rotatorisches Lager handelt.
Der Einsatz von Führungen bietet sich auch insofern an, als diese externe Kräfte von den empfindlichen Aktoren fernhalten und zu besonderen präzisen Bewegungen führen können. Es kann jede Art von linearen oder rotatorischen Führungen eingesetzt werden. Dabei kann es sich beispielsweise sowohl um mechanische Führungen mit Wälzkörpern als auch um besonders präzise Führungen, wie z. B. Luftlager, handeln.
Um einen einfachen Aufbau zu ermöglichen, bietet es sich an, den Läufer der Führung direkt als anzutreibendes Objekt des Antriebs, also den Läufer, zu verwenden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens erfolgt eine Ansteuerung des Kraftaktors so, dass durch eine Verringerung des Abstands zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt zeitweise wenigstens eine Halbierung der wirkenden Reibungskraft im Vergleich zu einer Reibungskraft bewirkt wird, die in einem Ruhezustand zwischen Reibfläche und Objektoberfläche durch die Anpresskraft bewirkt würde.
Es wurde gefunden, dass bei einer für einen Vortrieb ausreichend dimensionierten Anpresskraft eine Reduktion der jeweils wirkenden Reibungskraft auf die Hälfte oder weniger eine ausreichende Verringerung der Kopplung zwischen Reibfläche und Objektoberfläche erlaubt, um die Reibfläche ohne eine wesentliche Mitnahme der Objektoberfläche zu verschieben.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens erfolgt eine Ansteuerung des Kraftaktors so, dass der Abstand zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt mit einer Beschleunigung verringert wird, die größer ist als eine Beschleunigung, mit der der Massenschwerpunkt durch die Anpresskraft beschleunigt wird, so dass die Reibfläche während eines Trennzeitraums von der Objektoberfläche gelöst wird, wobei zumindest in dem Trennzeitraum eine Bewegung der Reibfläche durch den Vortriebsaktor in einer Richtung entgegen der vorantreibenden Bewegung nicht auf das Objekt übertragen wird.
Die von dem Federelement zum Anpressen bereitstellte Kraft kann infolge der Massenträgheit nicht jeder Verkürzung des Abstands zwischen Reibfläche und Massenschwerpunkt instantan antworten, da die von dem Federelement bewirkte Beschleunigung der Kontakteinheit nur endlich ist. Erfolgt das Heranziehen der Reibfläche nun schneller als die Kontakteinheit vom Federelement zur Objektoberfläche gebracht wird, ergibt sich ein Trennen der Reibfläche vom Objekt, so dass keine Reibungskraft mehr wirkt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens wird durch eine Erhöhung des Abstands zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt eine zeitweise Erhöhung der wirkenden Reibungskraft im Vergleich zu einer Reibungskraft bewirkt, die in einem Ruhezustand zwischen Reibfläche und Objektoberfläche durch die Anpresskraft bewirkt würde.
Als Alternative oder Ergänzung zu einer Verringerung der Reibungskraft kann auch eine zeitweise Erhöhung der Reibungskraft vorgesehen werden, wobei insbesondere die Periode der erhöhten Reibungskraft für ein Vortreiben des Objekts genutzt werden kann, da mit der erhöhten Reibungskraft eine besonders gute Kopplung zwischen einer Bewegung der Reibfläche und einer resultierenden Bewegung des Objekts besteht.
In einer Ausgestaltung der obigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens erhält durch die Erhöhung des Abstands zwischen Reibfläche und Massenschwerpunkt die Kontakteinheit eine kinetische Energie, die der Kontakteinheit eine Bewegung vom Objekt weg zum Abheben der Reibfläche von der Objektoberfläche erlaubt.
Ein komplettes Abheben der Reibfläche von dem anzutreibenden Objekt ist insofern vorteilhaft, als dass sich damit eine Trennung von Reibfläche und Objekt und eine entsprechende Möglichkeit für eine Bewegung der Reibfläche ergibt, die nicht auf das Objekt einwirkt. Um ein Abheben zu erzielen, muss der Kraftaktor die effektive Masse, deren Beschleunigung entgegen der Anpresskraft wirkt und somit auf die Reibkraft wirkt, mit einer höheren Beschleunigung bewegen als eine sich aus der Anpresskraft ergebende Beschleunigung. Beschleunigt also der Kraftaktor die Masse (also die Kontakteinheit) mit einer höheren Beschleunigung, so hebt sich die Reibfläche für eine kurze Weile komplett ab, bevor die Anpresskraft die Kontakteinheit abbremst und letztlich die Reibfläche wieder gegen den Läufer presst. In der kurzen Phase, in der die Reibfläche komplett abhebt, kann vorteilhafterweise der Vortriebsaktor bewegt werden, ohne dass dieses Einfluss auf den Läufer des Antriebs bzw. das zu bewegende Objekt hat. Daher eignet sich das komplette Abheben besonders gut, um den Vortriebsaktor in die für den nächsten Zyklus notwendigen Auslenkungszustand zu bringen.
Die hierbei notwendigen Beschleunigungen ergeben sich aus der Anpresskraft, die beispielsweise durch eine Feder erzeugt werden kann, und der Masse, die durch den Kraftaktor beschleunigt wird.
Beschleunigungen von Massen für kleine, technisch nutzbare Antriebe liegen bei über 2.000 m/s², wobei in praktischen Versuchen schon Antriebe realisiert wurden, bei den die Beschleunigungen deutlich über 60.000 m/s² lagen.
Die Erfindung kann allerdings auch Antriebe nutzen, bei denen die Beschleunigung unterhalb von 2.000 m/s² liegt, auch wert unterhalb. Je größer die zu beschleunigende Masse bei einer ansonsten konstanten Anpresskraft ist, desto geringer ergibt sich eine Beschleunigung, die zum Abheben ausreicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der obigen Ausführungsform ist vorgesehen, während einer Phase einer verringerten Reibungskraft im Anschluss an die Erhöhung der Reibungskraft eine Verringerung des Abstands zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt zu bewirken.
In einer Modifikation der obigen Ausgestaltung wird nach einem Abheben der Reibfläche von der Objektoberfläche der Kraftaktor zu einer Verringerung des Abstands zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt angesteuert, um so einen Trennzeitraum, in dem die Reibfäche von der Objektoberfläche gelöst ist, zu maximieren.
Eine besonders effiziente Kraftreduktion der Reibungskraft wird erzielt, wenn zunächst ein aktives Abstoßen der antreibenden Struktur von dem zu bewegenden Objekt (bzw. vom Läufer) ausgeführt wird. Das ist z. B. möglich, wenn die Masse kurz vor der kraftreduzierenden Wirkung schnell von dem Kraftaktor vom Objekt weg beschleunigt wird. Die darauf folgend einsetzende Richtungsumkehr der antreibenden Struktur, wieder hin zum Objekt, fällt dann mit einem Zusammenziehen des Kraftaktors zusammen, um die Trennzeit zu maximieren.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist der Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche mittelbar über eine Vor- und Zurückbewegung der Kontakteinheit und/oder eine unmittelbare Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche ausgestaltet.
Der Vortriebsaktor kann einerseits die Kontakteinheit als Ganzes bewegen und andererseits in der Kontakteinheit so angeordnet sein, dass lediglich die Reibfläche (und eventuell damit intern in der Kontakteinheit verbundene Elemente) in Richtung der Bewegung des zu bewegenden Objekts bewegt wird, wobei dann die Kontakteinheit in Richtung dieser Bewegung unbewegt bleibt. Es ist allerdings auch eine Kombination möglich, bei der ein Teil einer Vortriebsaktoranordnung die Kontakteinheit als Ganzes und ein weiterer Teil lediglich innerhalb der Kontakteinheit die Reibfläche unmittelbar oder mittelbar bewegt.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wirken der Vortriebsaktor und/oder der Kraftaktor jeweils über eine Hebelanordnung zur Unter- oder Übersetzung, wobei die Hebelanordnung insbesondere Festkörpergelenkbasiert ist.
Die bevorzugt einzusetzenden Piezoaktoren haben in der Regel nur kleine Hübe. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die kraftübertragende Struktur so gestaltet wird, dass sich eine Hebelwirkung ergibt. So ist es z. B. aus der Nanopositioniertechnik bekannt, Festkörpergelenke einzusetzen, um die Bewegung von Piezoaktoren zu vergrößern. In der Folge kann dann ein großer Hub genutzt werden, die nutzbare Kraft reduziert sich dabei.
Umgekehrt kann es auch sinnvoll sein, die kraftübertragende Struktur, welche die Kraft der Aktoren an die Reibfläche überträgt, so auszulegen, dass eine z. B. auf einem Festkörpergelenk basierende Hebelstruktur zu besonderes großen Kräften führt, auch wenn dadurch der nutzbare Hub kleiner wird. Das kann beispielsweise für den Kraftaktor interessant sein, da hier sehr hohe Beschleunigungen nötig sein können, wenn die zu beschleunigenden effektiven Massen gering, aber die Reibkraft sehr hoch ist.
Konstruktiv kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Bewegungsrichtung der Aktoren durch in der kraftübertragenden Struktur vorhandene Festkörpergelenke umgelenkt werden. Das erlaubt es z. B. die Aktoren in Positionen zu anzubringen, in denen diese im Aufbau möglichst wenig Raum in Anspruch nehmen. Dies erlaubt eine weitere Miniaturisierung und kann insofern erhebliche Vorteile mit sich bringen und einen großen gestalterischen Freiraum bieten.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist das Objekt ein Läufer der Antriebsvorrichtung, der mittelbar oder unmittelbar seine Bewegung an ein Zielobjekt weitergibt.
Wenn das zu bewegende Objekt des Antriebs ein Läufer des Antriebs ist, kann die Bewegung bzw. Positionierung des Läufers wiederum genutzt werden, um ein mittelbares Zielobjekt zu bewegen oder zu positionieren, das mit dem Läufer verbunden ist oder auf das der Läufer einwirkt. Alternativ kann auch schon das Zielobjekt selbst von dem Antrieb bewegt bzw. positioniert werden, so dass hierbei Zielobjekt und Läufer zusammenfallen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anpresskraft (insbesondere einer Feder) über Mittel, wie z. B. Schrauben, einstellbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein weiter Bereich zum Einstellen der Anpresskraft (die in einem Ruhezustand des Antriebs zu einer statischen Reibkraft führt) genutzt werden kann. Das macht es auch unerfahrenen Anwendern möglich, die Kraft richtig zu justieren und erleichtert die Fertigung und Nutzung von erfindungsgemäßen Positioniereinheiten erheblich. Schon ein Einstellbereich von mehreren 10 μm bringt erhebliche Vorteile mit sich. Liegt der Bereich bei mehreren 100 μm bis in den Millimeterbereich, fällt die Einstellung besonders einfach.
Je nach Bauform kann es auch sinnvoll sein, die Wirkrichtung einer Feder über eine mechanische Vorrichtung umzulenken, z. B. um an einer gewissen Stelle Platz zu sparen oder eine baulich günstiger Form zu erhalten.
Vorzugsweise erfolgt die Bewegung des Vortriebsaktors während der Phase der Anpresskraftreduktion sehr schnell, da die erfindungsgemäße Anpresskraftreduktion lediglich in zeitlich begrenzter Weise eintreten kann, nämlich bis die durch Kraftaktor aufgebrachte Energie von der Anpresskraft kompensiert wurde und sich somit die Reibungskraft entsprechend der wirkenden Anpresskraft eingestellt hat. Entsprechendes gilt auch für den Fall, dass der Vortrieb in einem Zeitbereich erfolgt, in dem die Reibungskraft durch die Wirkung des Kraftaktors erhöht ist.
Es können viele verschiedene Kurvenformen zur Ansteuerung des Vortriebsaktors verwendet werden. Besonders gut geeignet sind Kurvenformen, bei denen es eine kurze Phase gibt, in der sich der Vortriebsaktor wieder in eine für den nächsten Zyklus notwendige Lage bringen kann, so dass die jeweils kurze Zeit, in der die Kraft aufgrund der Beschleunigung durch den Kraftaktor reduziert, bzw. aufgehoben ist, effektiv ausgenutzt wird. Neben Rechtecksignalen bieten sich hier ganz besonders gut Sägezahnkurven zur Ansteuerung an, da diese zu einer quasi-kontinuierlichen Bewegung des zu positionierenden Objektes des Antriebs führen.
Auch der Kraftaktor kann mit vielen verschiedenen Ansteuerkurven angesteuert werden, wie z. B. Rechtecksignalen oder Sägezahnsignalen. Es bieten sich z. B. auch parabolische Ansteuersignale mit spitzen Umkehrphasen an. Wichtig ist stets, dass durch die Ansteuersignale ausreichend große Beschleunigungen erzielt werden.
Hinsichtlich eines Positionierungsaspekts kann innerhalb des Hubes des Vortriebsaktors das zu positionierende Objekt mit der Bewegungsauflösung des Vortriebsaktors bewegt bzw. positioniert werden, wenn dieser durch eine quasi-statische (also langsam veränderliche) Spannung angesteuert wird.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung sind der Kraftaktor und der Vortriebsaktor als ein Aktor ausgeführt, der wenigstens über zwei unabhängige, über separate Elektroden ansteuerbare Bewegungsrichtungen verfügt.
Es ist nicht notwendig, dass es sich bei dem Kraftaktor und bei dem Vortriebsaktor um zwei getrennte Aktoren handelt. Es ist beispielsweise auch möglich, einen monolithischen Aktor zu verwenden, der zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Segmente aufweist, mit denen dann die Funktionen „Vortrieb” und „Kraftmodulation” erfüllt werden können.
Es ist auch möglich, die Aktoren so anzuordnen, dass die vortriebserzeugende und die kraft-modulierende Wirkung in Kombination der Bewegung beider Aktoren erzielt werden. Mit einer solchen Anordnung ist allerdings ein erhöhter Ansteueraufwand verbunden, der unter besonderen Bedingungen gerechtfertigt sein mag.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist zwischen Reibfläche und Vortriebsaktor und/oder Reibfläche und Kraftaktor jeweils eine kraftübertragende Struktur vorgesehen, die über wenigstens ein Festkörpergelenk eine Bewegung eines Aktors auf die Reibfläche umlenkt.
Es ist nicht notwendig, dass der Vortriebsaktor oder der Kraftaktor direkt und unmittelbar auf die Reibfläche wirken. Insbesondere kann für eine Umlenkung und/oder Umsetzung der zu wirkenden Kräfte eine kraftübertragende Struktur vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Antriebssystem mit mehreren erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtungen vorgesehen, wobei die mehreren Antriebsvorrichtungen parallel und/oder seriell auf ein gemeinsames Objekt wirken, wobei das Antriebssystem für eine Ansteuerung der Antriebsvorrichtungen mit identischen Ansteuerkurven oder mit zeitlich versetzten Ansteuerkurven gleicher Periodenlänge ausgestaltet ist.
Mehrere der erfindungsgemäßen Antriebe können parallel oder in Serie eingesetzt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn besonders große Kräfte erforderlich sind. Dabei ist es insbesondere sowohl möglich, die Antriebe über identische Ansteuerkurven anzusteuern, als auch über phasenversetzte Ansteuerkurven.
Das Objekt kann sowohl einteilig sein als auch aus mehreren Komponenten bestehen, die in direkter oder indirekter Verbindung stehen.
Ziel kann es sein, entweder das Objekt als solches zu bewegen oder einen anderen Gegenstand über die Positionierung des Objektes mit zu bewegen (hierbei ist dann die Bewegung bzw. Positionierung des Objekts Mittel zu einer Bewegung oder Positionierung des anderen Gegenstands).
Insbesondere eine hochauflösende Bewegung des Objekts durch eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann durch den Einsatz von Wegsensoren, wie z. B. optischen Encodern oder Laserinterferometern überwacht werden.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen definiert, wobei zu verstehen ist, dass eine Ausführungsform, die im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben ist ebenso als Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verstehen ist, was auch umgekehrt gilt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in verschiedenen Zuständen,
2 schematische Darstellungen von Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels,
3 schematische Darstellungen von Versionen eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
6 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
7 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
8 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
9 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
10 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
11 ein schematisches Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens und
12 ein schematisches Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in verschiedenen Zuständen. 1a) zeigt die Antriebsvorrichtung 31 in einem Ausgangszustand. Die Antriebsvorrichtung 31 weist eine stationäre Komponente 32 auf, mit der ein Vortriebsaktor 34 über ein Federgelenk 33 verbunden ist. Über das Federgelenk 33 ist der Vortriebsaktor 34 in Richtung einer Bewegung des zu bewegenden Objekts (hier Läufer 38) gegenüber der stationären Komponente 32 fixiert. Die Bewegungsrichtung des Läufers 38 ist in 1a) durch einen Doppelpfeil angedeutet. Das Federgelenk 33 erlaubt allerdings eine Bewegung des Vortriebsaktors 34 mit einer Bewegungskomponente senkrecht zur Oberfläche des Läufers 38. Der Vortriebsaktor 34 verbindet zudem das Federgelenk 33 mit einer Reibfläche 37, einer kraftübertragenden Struktur einer Kontakteinheit 30. Die Reibfläche 37 ist ihrerseits über einen Kraftaktor 35 mit einer Masse 36 verbunden, wobei die Kontakteinheit 30 (mit Reibfläche 37, Kraftaktor 35 und Masse 36) durch die Verbindung mit dem Vortriebsaktor 34 ebenfalls in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Läufers 38 beweglich gehalten ist. Von dem Federgelenk 33 wird die Kontakteinheit 30 auf die Oberfläche des Läufers 38 gepresst, wobei der Läufer 38 von einer Rollführung 39 geführt wird. Der Kraftaktor 35 kann die Masse 36 relativ zur Reibfläche 37 bewegen, wobei bei einer ausreichend starken Beschleunigung der Masse 36 durch den Kraftaktor 35 die Reibfläche 37 kurzfristig vom Läufer 38 abgehoben werden kann. Die Antriebsvorrichtung 31 erlaubt eine sehr hochauflösende Bewegung des Läufers, auch über große Distanzen.
Die weiteren Teilfiguren von 1 zeigen beispielhaft einen Ablauf eines typischen Bewegungszyklus gemäß der vorliegenden Erfindung.
1a) zeigt die Antriebsvorrichtung in einer Ausgangslage, wobei die Aktoren 34 und 35 gestreckt sind und die Kontakteinheit 30 durch das Federgelenk 33 an den Läufer 38 gepresst wird.
In der Situation von 1b) wurde der Kraftaktor 35 schnell komprimiert. Infolge der Massenträgheit der Masse 36 wird die Reibfläche 37 vom Läufer 38 abgehoben, da das Federgelenk der Komprimierung des Kraftaktors 35 nicht durch eine entsprechende Nachführung folgen konnte. Hier wird tatsächlich durch den Kraftaktor 35 die Reibfläche 37 an die Masse 36 gezogen, so dass hierbei das Federgelenk 33 gespannt wird.
Wenn, wie es in der 1b) dargestellt ist, die Trägheitskraft größer ist als die Reibungskraft-erzeugende Anpresskraft ist, so hebt sich die kraftübertragende Struktur, also die Reibfläche 37, von dem anzutreibenden Objekt 38 ab, so dass kein Kontakt mehr vorliegt. Sollte die Beschleunigung nicht derart groß sein, um die kraftübertragende Struktur abzuheben, so wirkt die Massenträgheit der beschleunigten Masse 36 noch immer Anpresskraft-reduzierend.
Das Federgelenk 33 wird dem Abheben zwar entgegen, benötigt allerdings eine bestimmten Zeitraum, um die Kontakteinheit 30 wieder zurück zum Läufer 38 zu bringen. Da die Feder nur eine begrenzte Kraft zum Rücktreiben der Struktur aufbringen kann, vergeht eine gewisse Zeit, bis die volle Kraft wieder auf den Reibflächen wirkt. Während also die Reibungskraft reduziert ist oder – wie hier – im Fall des Abhebens der Reibfläche 37 sogar ganz aufgehoben ist, wird der Vortriebsaktor 34 schnell komprimiert (1c), und zwar so dass die Bewegung abgeschlossen ist, noch bevor die volle Reibungskraft wieder vorliegt.
Im Zustand, der in 1d) gezeigt ist, liegt die Reibungskraft wieder in dem Maße wie in 1a) vor. Wann der Kraftaktor 35 wieder auf die ursprüngliche Länge gebracht wurde, ist an dieser Stelle zunächst irrelevant, obgleich es hier als vorteilhaft vorgesehen ist, dass der Kraftaktor 35 vor dem Beginn eines anschließenden Zyklus wieder die Anfangslänge eingenommen hat.
Folgende auf die Situation aus 1e) wird der Vortriebsaktor 34 gestreckt und treibt somit über die Reibfläche 37 das zu bewegende Objekt, also hier den Läufer 38 ein Stück voran, bis der Vortriebsaktor 38 wieder seine ursprüngliche Länge angenommen hat. Aufgrund der wirkenden Haftreibung zwischen der Reibfläche 37 und dem Läufer 38 wird der Läufer 38 dabei mitbewegt.
Durch ein wiederholtes Anlegen dieses Zyklus kann der Läufer 38 mit einer sehr hohen Bewegungsauflösung über große Strecken bewegt werden.
Der Antrieb fährt in die entgegengesetzte Richtung, wenn sich der Vortriebsaktor 34 im angepressten Zustand der Reibflächen komprimiert und sich im abgehobenen, bzw. kraftreduziertem Zustand ausdehnt.
Innerhalb des Hubes des Vortriebsaktors 34 kann der Läufer 38 mit der Bewegungsauflösung des Vortriebsaktors 34 bewegt werden, wenn dieser durch eine quasi-statische (also langsam veränderliche) Spannung angesteuert wird.
2 zeigt schematische Darstellungen von Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels. Abgesehen von den folgenden diskutierten Abweichungen entsprechen die Abwandlungen dem Ausführungsbeispiel aus 1 und können auch entsprechend eingesetzt werden.
2 zeigt einige weitere beispielhafte Konfigurationen eines erfindungsgemäßen Antriebs. Es handelt sich lediglich um Beispiele, die keinesfalls einschränkend wirken sollen. Es sind viele weitere erfindungsgemäße Konfigurationen möglich.
Die Abwandlung der Antriebsvorrichtung 31a in 2a) unterscheidet sich durch die Anordnung von Vortriebsaktor 34a und Federgelenk 33a, die in der Position getauscht sind, so dass der Vortriebsaktor 34a direkt mit der stationären Komponente verbunden und über das Federgelenk 33a mit der Kontakteinheit 30 verbunden ist.
Die Abwandlung der Antriebsvorrichtung 31b in 2b) ist zusätzlich mit einer weiteren Feder 51 versehen, die die Anpresskraft aufbringt, indem sie auf die Verbindung zwischen Federgelenk und Vortriebsaktor wirkt. Es handelt sich hier um eine Federstruktur, die eine ausreichend große Federkraft für das Anpressen aufbringt, so dass das Federgelenk lediglich für die Übertragung der Antriebskraft des Vortriebsaktors genutzt wird.
Die Abwandlung der Antriebsvorrichtung 31c in 2c) unterscheidet sich von der aus 2b) lediglich in der Positionierung der Feder 51, die hier direkt auf die Masse der Kontakteinheit wirkt.
Bei der Abwandlung der Antriebsvorrichtung 31d in 2d) ist die Masse 36d mit dem Federgelenk verbunden, wobei die Reibfläche sowohl über den Vortriebsaktor als auch über den Kraftaktor mit der Masse 36d verbunden ist. Die Masse 36d ist somit nicht mehr separat von der sonstigen trägen Masse aus 1 vorhanden, sondern allgemein mit der die hinter dem Federgelenk angeordneten und von diesem getragenen Masse kombiniert.
Die Abwandlung der Antriebsvorrichtung 31e in 2e) ist gegenüber der Abwandlung aus 2d) insofern weitergebildet, als hier wiederum eine zusätzliche Feder 51 vorgesehen ist, deren Federkraft durch die Anordnung mit der Federlängsachse parallel zum Federgelenk umgelenkt wird.
3 zeigt schematische Darstellungen von Versionen eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Anders als beim ersten Ausführungsbeispiel wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der die Aktorik tragende Antriebsteil nicht über ein Federgelenk, sondern über eine Linearführung in Form einer Wälzlagerführung 63 in Position gehalten.
Die Antriebsvorrichtung 50a einer ersten Version (3a) weist eine stationäre Komponente 61 auf, in der die Kontakteinheit 62 über das Wälzlager 63 gelagert ist. Das Wälzlager 63 erlaubt im Wesentlichen nur eine Bewegung der Kontakteinheit 62 als Ganzes senkrecht zur Oberfläche des Läufers 68 und unterbindet eine Bewegung der Kontakteinheit 62 als Ganzes in Bewegungsrichtung des Läufers 68. Der Läufer 68 wird, wie schon bei den obigen Ausführungsbeispielen von einer Linearführung 63 geführt.
Innerhalb der Kontakteinheit 62 ist ein Vortriebsaktor 64 vorgesehen, der die Reibfläche 67 ansteuert. Ferner ist innerhalb der Kontakteinheit 62 eine Masse 66 vorgesehen, die über einen Kraftaktor 65 angesteuert wird. Der Vortriebsaktor 64 ist für eine Bewegung entlang der Bewegungsrichtung des Läufers 68 ausgelegt, während der Kraftaktor 64 für eine Bewegung (der Masse 66) senkrecht zur angetriebenen Oberfläche des Läufers 68 ausgelegt ist.
Auf die Kontakteinheit 62 und damit mittelbar auf die Reibfläche 67 wirkt eine Feder 69, die zwischen der Kontakteinheit 62 und der stationären Komponente 61 vorgesehen ist. Die Reibfläche 67 wird somit auf die Oberfläche des Läufers 68 gepresst.
Der Betrieb der Antriebsvorrichtung entspricht insbesondere hinsichtlich der Ansteuerung der Aktoren dem des ersten Ausführungsbeispiels.
Die Version einer Antriebsvorrichtung 50b, die in 3b) gezeigt ist, unterscheidet sich in der Anordnung der Aktoren von der ersten Version aus 3a). Der Kraftaktor ist hier nicht mit der Kontakteinheit und damit mittelbar mit der Reibfläche verbunden, sondern direkt an der Reibfläche angebracht, wobei der Kraftaktor die Reibfläche und die Masse miteinander verbindet. Bei dieser Anordnung werden bei einer Bewegung des Vortriebsaktors, die auf die Reibfläche wirkt, ebenfalls der Kraftaktor und die Masse mitbewegt.
Die Version aus 3c) entspricht der Version aus 3b), wobei allerdings bei der Antriebsvorrichtung 50c aus 3c) eine Feder 71 direkt auf die über den Kraftaktor mit der Reibfläche verbundene Masse wirkt, während bei den Versionen von 3a) und 3b) die Feder 69 jeweils auf die Kontakteinheit wirkt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 54 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend der Antriebsvorrichtung 50a aus 3a). Allerdings weist die Antriebsvorrichtung 54 anstellte eines Wälzlagers eine Kombination eines Gleitlagers 56 mit einer Feder 57 auf.
Wie schon bei dem Ausführungsbeispiel aus 3a umfasst eine Kontakteinheit 82 eine Reibfläche 87, die im dargestellten Zustand an einer Oberfläche eines von einer Führung 83 geführten Läufers 88 anliegt. Die Reibfläche 87 ist über einen Vortriebsaktor 84, der in Bewegungsrichtung wirkt, mit der Kontakteinheit 82 verbunden. Die Kontakteinheit 82 ist zudem mit einem Kraftaktor 85 versehen, der in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Läufers 88 wirkt und eine Masse 86 mit der Kontakteinheit 82 verbindet. Die Kontakteinheit 82, genauer die Reibfläche 87 der Kontakteinheit 82, wirkt durch eine auf die Kontakteinheit 82 wirkende Feder 89 auf den Läufer 88 gepresst.
Eine Bewegung der Kontakteinheit 82 in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Läufer 88 wird durch die Gleitlagerführung 56 in Kombination mit der Feder 57 erlaubt, während eine Bewegung der Kontakteinheit 82 in Bewegungsrichtung unterbunden wird.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 58, die in 5 gezeigt ist, entspricht weitgehend der Antriebsvorrichtung 31e, die in 2e) gezeigt ist. Anstelle zwei separater Aktoren, die als Kraft- und als Vortriebsaktor wirken, besitzt die Antriebsvorrichtung einen monolithischen Aktor 91, der deren Funktionen erfüllt.
Der Aktor 91 ist in diesem Fall mit zwei Elektroden 92, 93 versehen, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. In der dargestellten Skizze kann über an die Elektrode 93 angelegte Steuersignale die Anpresskraft, wie es für das erfindungsgemäße Verfahren notwendig ist, moduliert werden, indem die effektive Masse über den Aktor beschleunigt wird. Über die Ansteuerung der Elektrode 92 kann die Funktion des Vortriebsaktors übernommen werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung 31' des fünften Ausführungsbeispiels entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1, wobei hier allerdings statt einer linearen Verschiebung eines Läufers eine Rotation eines Rotationsläufers 38' als zu bewegendem Objekt vorgesehen ist. Ähnlich zur Antriebsvorrichtung aus 1 umfasst die Antriebsvorrichtung 31' eine stationäre Komponente 32', an der über ein Federgelenk 33' ein Vortriebsaktor 34' befestigt ist. Der Vortriebsaktor 34' wirkt auf eine Reibfläche 37' in Tangentialrichtung der Bewegung des Läufers 38', der von einer Führung 39' geführt wird. Ander Reibfläche 37' greift zudem in Radialrichtung ein Kraftaktor 35' an, der wiederum mit einer Masse 36' verbunden ist, deren Massenträgheit (genauer die Massenträgheit einer Kontakteinheit, die die Reibfläche 37', den Kraftaktor 35' und die Masse 36' umfasst) zur Variation der durch das Federgelenk 33' auf die Reibfläche ausgeübten Anpresskraft ausgenutzt werden kann. Der Kraftaktor 35' variiert den Abstand zwischen der Reibfläche 37' und dem Massenschwerpunkt der Kontakteinheit, insbesondere so dass entweder durch den Kraftaktor 35' selbst eine Beschleunigung auf die Kontakteinheit bewirkt oder aber durch eine Abstandsverringerung der Kontakteinheit die Möglichkeit gegeben wird, der durch die Feder 33' ausgeübten Anpresskraft nachzugeben (d. h. sich in Richtung des Läufers 38' zu bewegen), was zu einer Verringerung der wirkenden Reibungskraft zwischen Reibfläche 37' und Läufer 38' führt.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung. Das oberste Diagramm zeigt, dass in diesem Beispiel an den Vortriebaktor Rechtecksignale angelegt werden. Zur fallenden Flanke dieser Rechtecksignale wird jeweils ein Anpresskraft-reduzierender Puls auf den Kraftaktor gegeben (mittleres Diagramm). In Folge dessen wird die Bewegung des Vortriebaktors auf die fallende Flanke nicht auf die bewegliche Komponente übertragen, während die Bewegung bei der steigenden Flanke übertragen wird, da hier die volle Anpresskraft und somit die für den Vortrieb notwendige Reibkraft vorhanden sind. In Folge dessen bewegt der Antrieb sein zu bewegendes Objekt in Schritten vor, so wie im untersten Diagramm gezeigt wird.
Soll die Bewegungsrichtung umgekehrt werden, so muss der Puls des Kraftaktors lediglich zeitlich auf die steigende Flanke, anstatt die fallende Flanke des Ansteuersignals vom Vortriebsaktor gelegt werden.
Die in 7 gezeigte Ansteuerung des Vortriebsaktors über ein Rechtecksignal führt zu einer stufenweise voranschreitenden Bewegung des Läufers.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Soll anstelle einer stufenweisen Bewegung des Läufers eine (annährend) kontinuierliche Bewegung erreicht werden, kann anstellte des Rechtecksignals für den Vortriebsaktor ein Sägezahnform als Ansteuerkuve verwendet werden (oberes Diagramm von 8).
Während der langsam steigenden Flanke des Sägezahns liegt die volle Reibkraft vor, so dass das bewegliche Objekt des Antriebs über den Vortriebsaktor kontinuierlich vorangetrieben wird. Immer dann wenn es zur steilen Flanke des Sägezahns kommt, wird erfindungsgemäß die Anpresskraft über die Ansteuerung des Kraftaktors reduziert oder sogar komplett aufgehoben (mittleres Diagramm). Somit kann sich der Vortriebsaktor schnell in die Ausgangslage für den nächsten Sägezahn bringen, ohne dass die bewegliche Komponente dieser Bewegung folgt.
Somit ist eine quasi-kontinuerliche Bewegung des anzutreibenden Objektes des Antriebs möglich, so wie im untersten Diagramm von 8 gezeigt.
Soll die Bewegungsrichtung umgekehrt werden, so muss lediglich der Sägezahn gedreht werden, so dass die steile Flanke steigt, und die langsame Flanke fällt. Auch dann muss der Kraftaktor immer zum Zeitpunkt der steilen Flanke die Kraft erfindungsgemäß modulieren oder sogar ganz aufheben.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
9 zeigt eine Ansteuerung, die an die Ansteuerung aus 8 angelehnt ist. Anstelle eines Anlegens von Rechtecksignale an den Kraftaktor, werden in diesem Fall parabolische Kurvenformen an den Kraftaktor angelegt (mittleres Diagramm), die in der spitzen Umkehr eine hohe Beschleunigung der zu beschleunigenden Masse zur Folge haben, so dass der Kraftaktor die für die erfahrungsgemäße Ansteuerung notwendige Kraftmodulation durchführen kann. Die Sägezahn-Form der Ansteuerung des Vortriebsaktors (oberes Diagramm) ist beibehalten, wobei auch die quasi-kontinuierliche Bewegung erreicht wird.
Grundsätzlich können alle Kurvenformen verwendet werden, mit denen ausreichend hohe Beschleunigungen erzielt werden können.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
Wie in 8 bereits gezeigt, erfolgt die Ansteuerung des Vortriebsaktors in diesem Beispiel über ein Sägezahnsignal (oberes Diagramm), wobei selbstverständlich auch andere Kurvenformen möglich sind. Es wird jeweils kurz vor der steilen Flanke des Sägezahnsignals eine, die Masse beschleunigende Flanke angelegt (mittleres Diagramm), die zu einer Anpresskrafterhöhung führt und somit die Kontakteinheit von der Oberfläche des Läufers weg beschleunigt. Da der Läufer eine in der Regel sehr viel größere Masse hat als der antreibende Teil, kann davon ausgegangen werden, dass der Läufer nahezu in der Ursprungslage bleibt, insbesondere dann, wenn der Läufer noch durch eine Führung in Position gehalten wird. In Folge dessen hat die träge Masse eine Bewegungsrichtung weg von der Oberfläche des Läufers noch bevor die Anpresskraft-reduzierende Beschleunigung der Masse aufgrund einer an den Kraftaktor angelegten steilen Flanke in die umgekehrte Richtung einsetzt. Die somit erzwungene Richtungsumkehr wirkt Anpresskraft reduzierend und kann der Kraftreduktion aufgrund der Beschleunigung hinzuaddiert werden, so dass die für die erfindungsgemäße Ansteuerung notwendige Kraftmodulation besonders effizient umgesetzt wird.
Es handelt sich also um ein aktives Abstoßen der antreibenden Struktur, mit dem Ziel eine besonders effiziente Kraftreduktion zu erzielen, bzw. die Reibflächen besonders effizient voneinander abheben zu lassen.
Es ist generell zu beachten, dass es in der Realität, z. B. aufgrund von Elastizitäten im Material der Antriebe, immer zu einem zeitlichen Versatz zwischen dem Anlegen eines Steuersignals und der darauf folgenden Bewegung der Aktorik und der weiteren mechanischen Komponenten kommt. Es gilt die Ansteuerungen zeitlich so zu synchronisieren, dass die mechanische Reaktion aufeinander passend eingestellt sind.
Soll z. B. die kraft-reduzierte Phase genutzt werden, um über den Vortriebsaktor die kraftübertragende Struktur schnell durchzuziehen, ohne den Läufer zu bewegen, so müssen diese Phasen mechanisch zeitlich zusammenfallen. Ob diese elektrisch auch zusammenfallen ist irrelevant.
11 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens.
Das Antriebsverfahren 100 umfasst die Schritte Anordnen 110 einer Reibfläche einer Kontakteinheit in Kontakt mit einer Objektoberfläche des Objekts und Bereitstellen 120 einer Anpresskraft zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweist.
Im Anschluss an Schritt 120 werden die Schritte des Variierens 130 eines Abstandes zwischen der Reibfläche und einem Masseschwerpunkt der Kontakteinheit durch einen Kraftaktor zur Variation einer durch die Anpresskraft bewirkten Reibungskraft zwischen der Reibfläche und der Objektoberfläche, und des Bewegens 140 der Reibfläche parallel zur Bewegungsrichtung koordiniert zur Variation der Anpresskraft zum Bewegen des Objekts bis zur gewünschten Positionierung des Objekts wiederholt ausgeführt.
12 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens.
Ausgangspunkt für den in 12 schematisch dargestellten Ablauf eines Antriebsverfahrens 200 des zweiten Ausführungsbeispiels ist es, dass ein Kraftaktor einer Antriebsvorrichtung, wie sie beispielsweise in den 1 bis 6 illustriert ist, maximal komprimiert (d. h. hier ist der Abstand zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt der Kontakteinheit minimiert) und ein Vortriebsaktor maximal ausgelenkt ist (z. B. durch den Vortriebsaktor der Läufer gerade vorangetrieben wurde).
In Schritt 210 wird der Abstand zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt durch den Kraftaktor schnell vergrößert. Da die Reibfläche an dem Läufer anliegt, ergibt sich damit ein Abstoßen der Kontakteinheit (mit Reibfläche und Kraftaktor) vom Läufer, wobei die Abstandsvergrößerung derart schnell erfolgt, dass die Kontakteinheit entgegen der die Kontakteinheit auf den Läufer pressenden Anpresskraft beschleunigt wird und sich von dem Läufer trennen kann (Schritt 220 eines Abhebens).
Mit dem Abheben 220 besteht zwischen dem Läufer und der Reibfläche kein (Reib-)Kontakt mehr, so das in Schritt 230 die Reibfläche von dem Vortriebsaktor entgegen der für den Läufer vorgesehenen Bewegungsrichtung zurückgezogen werden kann, so kann die Reibfläche auf den Läufer reibend einwirkt.
Zur Verlängerung der Trenndauer wird in Schritt 240 parallel der Kraftaktor für eine Komprimierung angesteuert, so dass die Reibfläche möglichst spät erst wieder in Kontakt mit dem Läufer kommt (Schritt 250).
Die Komprimierung muss nicht notwendigerweise abgeschlossen sein, bevor die Reibfläche in Schritt 250 wieder in Kontakt mit dem Läufer kommt, obwohl eine bereits abgeschlossene Komprimierung letztlich die Trenndauer maximiert.
In Schritt 260 erfolgt durch ein Ausdehnen des zuvor zusammengezogenen Vortriebsaktors, der auf die Reibfläche wirkt, die durch den Reibschluss mit dem Läufer diesen mitführt.
Nach Abschluss des Ausdehnens in Schritt 260 befindet sich die Antriebsvorrichtung als solches wieder in dem Zustand, der oben für vor Schritt 210 beschrieben wurde, wobei allerdings der Läufer um einen Hub des Vortriebsaktors vorgeschoben ist. Das Verfahren kann dann bei Schritt 210 weitergeführt werden.
Zu einer genauen Positionierung kann der Vorschub in Schritt 260 allerdings auch bis lediglich zu einer gewünschten Position des Läufers ausgeführt werden.
Auch wenn die oben diskutierten Ausführungsbeispiele sich vornehmlich auf eine lineare Bewegung beziehen, ist die Erfindung nicht auf eine solche lineare Bewegung beschränkt und eine rotatorische Bewegung sowie zusammengesetzte Bewegungen und Positionierungen sind ebenfalls möglich.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Positionierung eines zu bewegenden Objektes mittels vorzugsweise piezoelektrischer Aktorik, so dass die mechanisch erzeugte Anpresskraft der antreibenden Struktur an das anzutreibende Objekt unter Ausnutzung der Massenträgheit von Teilen der antreibenden Struktur variiert wird, wobei die Variation der Anpresskraft mit der das zu bewegende Objekt vorantreibenden Bewegung der Aktorik synchronisiert wird, in der Art, dass die Anpresskraft reduziert wird, wenn die antreibende Aktorik den Reibkontakt entgegengesetzt der beabsichtigten Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objektes bewegt.
Bevorzugt wird hierbei die Anpresskraft reduziert, indem sich die antreibende Struktur zunächst aktiv von dem anzutreibenden Objekt abstößt.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass das anzutreibende Objekt an einer vorzugsweise passiven Reib-/Klemmstruktur entlanggleitet bzw. -rollt, die zwar nicht die Bewegung des, zu bewegenden Objektes verhindert, wohl aber eine der Bewegung widerstrebende Reibkraft erzeugt.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass eine mechanische Führung die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objektes vorgibt, wobei es sich entweder um eine separate Führung (bzw. Lager) oder eine in den Antrieb integrierte Führung handeln kann.
Bevorzugt wird die in der Bewegungsrichtung hemmend wirkende Reibkraft durch die vorzugsweise mechanisch vorgespannten Führung und deren Rollwiderstand erzeugt.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine die Anpresskraft reduzierende Bewegung mit einer höheren Beschleunigung erfolgt als es die mechanischen Vorspannung vermag, die antreibende Struktur aufgrund der Nachstellkraft der mechanischen Vorspannkraft nachstellend zu beschleunigen, mit der Folge, dass die antreibende Struktur kurzzeitig vollständig von der anzutreibenden Objekt abhebt, so dass in dieser Phase die Bewegung der Aktorik entlang der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objektes nicht auf das anzutreibende Objekt übertragen werden kann.
Bei einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch eine dynamische Erhöhung des Abstandes zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt der Kontakteinheit durch den Kraftaktor aufgrund der Beschleunigung von Komponenten der Kontakteinheit die wirkende Anpresskraft im Vergleich zur statischen Anpresskraft zeitweise erhöht wird, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die zeitweise Anpresskrafterhöhung für die Kontakteinheit eine von der Reibfläche abstoßende Wirkung hat, wenn der Kraftaktor entweder die Hubgrenze erreicht hat, oder die Bewegung des Kraftaktors dynamisch gestoppt wird, oder die Bewegung des Kraftaktors dynamisch umgekehrt wird, mit der Folge, dass die Abstandserhöhung zwischen Reibfläche und Masseschwerpunkt der Kontakteinheit dynamisch gestoppt oder sogar umgekehrt wird, so dass die Kontakteinheit aufgrund der zuvor auf die Kontakteinheit aufgebrachten Beschleunigung, weg von der Objektoberfläche, zeitweise, aufgrund der Massenträgheit der Kontakteinheit, weiterhin weg von der Objektoberfläche getrieben wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die die Anpresskraft variierende Bewegung eine Beschleunigung von über 2.000 m/s² aufweist.
Bei einer Antriebsvorrichtung quasi-statischen, linearen oder rotatorischen Positionierung eines zu bewegenden Objektes mittels vorzugsweise piezoelektrischer Aktorik wird bevorzugt eines der vorstehenden Konzepte zur Positionierung benutzt, wobei die Bewegungen durch mindestens zwei Aktoren erzeugt werden oder durch mindestens einen Aktor erzeugt werden, der wenigstens zwei unabhängig ansteuerbare Segmente aufweist, so dass für das Verfahren mindestens benötigten zwei unabhängigen Bewegungen erzeugt werden können.
Hierbei kann vorteilhafterweise die mechanische Kraftübertragung so ausgelegt sein, dass diese durch eine konstruktiv integrierte Hebelwirkungen eine kraft-vergrößernde, also Weg verringernde, oder kraft verringernde, also Weg vergrößernde, Wirkung hat, wobei es auch möglich ist, dass die die Vortrieb erzeugende Bewegung vergrößert wird, während die die Anpresskraft variierende Bewegung verkleinert wird oder genau anders herum.
Es kann vorgesehen sein, dass die kraftübertragende Struktur die Bewegungsrichtung der Aktorik umlenkt.
Es können mehrere Antriebe parallel eingesetzt werden, wobei es sowohl möglich ist diese Antriebe entweder mit identischen Ansteuerkurven anzusteuern, oder auch alternativ mit versetzten Ansteuerkurven mit gleicher Periodenlänge.
Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere in den Ausführungsbeispielen in der Weise beschrieben, dass die Antriebsvorrichtung als solche ortsfest ist, während das zu bewegende Objekt relativ zur Antriebsvorrichtung und damit auch absolut bewegt wird. Es muss jedoch verstanden werden, dass die Bewegung zwischen Antriebsvorrichtung und Objekt primär als die Relativbewegung zwischen diesen Elementen zu verstehen ist. Es ist ebenfalls möglich, dass die Bewegung zwischen Objekt und Antriebsvorrichtung sich als eine absolute Bewegung der Antriebsvorrichtung äußert, wobei dann das Objekt absolut gesehen ortsfest bleiben würde. Ebenso ist es möglich, dass die Relativbewegung zu einer jeweiligen Absolutbewegung von sowohl Antriebsvorrichtung als auch Objekt (in jeweils entgegengesetzter Richtung) führt.

Claims

Nicht-resonantes Antriebsverfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, wobei eine von einem Federelement mechanisch bereitgestellte Anpresskraft auf eine Kontakteinheit zum Anpressen einer Reibfläche der Kontakteinheit an eine Objektoberfläche des Objekts zur Erzielung einer Reibungskraft zwischen Reibfläche und Objektoberfläche genutzt und die Reibungskraft unter Ausnutzung einer Massenträgheit variiert oder aufgehoben wird, wobei zumindest ein Teil der Kontakteinheit zum Variieren oder Aufheben der Reibungskraft beschleunigt wird, indem ein Abstand zwischen der Reibfläche und einem Masseschwerpunkt der Kontakteinheit durch einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Kraftaktor variiert wird, und das Variieren oder Aufheben der Reibungskraft mit einer Bewegung der Reibfläche durch einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor synchronisiert ist, wobei die Reibungskraft bei einer das Objekt vorantreibenden Bewegung der Reibfläche größer ist als bei einer Bewegung der Reibfläche in einer Richtung entgegen der vorantreibenden Bewegung, und wobei der Vortriebsaktor und der Kraftaktor miteinander fest verbunden oder als ein Aktor ausgeführt sind.
Nicht-resonantes Antriebsverfahren nach Anspruch 1, wobei eine Ansteuerung des Kraftaktors so erfolgt, dass durch eine Verringerung des Abstands zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt zeitweise wenigstens eine Halbierung der wirkenden Reibungskraft im Vergleich zu einer Reibungskraft bewirkt wird, die in einem Ruhezustand zwischen Reibfläche und Objektoberfläche durch die Anpresskraft bewirkt würde.
Nicht-resonantes Antriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Ansteuerung des Kraftaktors so erfolgt, dass der Abstand zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt mit einer Beschleunigung verringert wird, die größer ist als eine Beschleunigung, mit der der Massenschwerpunkt durch die Anpresskraft beschleunigt wird, so dass die Reibfläche während eines Trennzeitraums von der Objektoberfläche gelöst wird, wobei zumindest in dem Trennzeitraum eine Bewegung der Reibfläche durch den Vortriebsaktor in einer Richtung entgegen der vorantreibenden Bewegung nicht auf das Objekt übertragen wird.
Nicht-resonantes Antriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch eine Erhöhung des Abstands zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpunkt eine zeitweise Erhöhung der wirkenden Reibungskraft im Vergleich zu einer Reibungskraft bewirkt wird, die in einem Ruhezustand zwischen Reibfläche und Objektoberfläche durch die Anpresskraft bewirkt würde.
Nicht-resonantes Antriebsverfahren nach Anspruch 4, wobei durch die Erhöhung des Abstands zwischen Reibfläche und Massenschwerpunkt die Kontakteinheit eine kinetische Energie erhält, die der Kontakteinheit eine Bewegung vom Objekt weg zum Abheben der Reibfläche von der Objektoberfläche erlaubt.
Nicht-resonantes Antriebsverfahren nach Anspruch 5, wobei nach einem Abheben der Reibfläche von der Objektoberfläche der Kraftaktor zu einer Verringerung des Abstands zwischen der Reibfläche und dem Massenschwerpuinkt angesteuert wird, um so einen Trennzeitraum, in dem die Reibfäche von der Objektoberfläche gelöst ist, zu maximieren.
Nicht-resonantes Antriebsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Reib- und/oder Klemmstruktur, an der das Objekt entlanggleitet oder -rollt eine einer Bewegung des Objekts entgegenstehende Reibkraft bewirkt, die stets bremsend auf das Objekt wirkt.
Nicht-resonante Antriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, mit: einer Kontakteinheit mit einer Reibfläche zur Kontaktierung mit einer Objektoberfläche des Objekts, einem Federeelement zur mechanischen Bereitstellung einer Anpresskraft auf die Kontakteinheit zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche zur Erzielung einer Reibungskraft zwischen Reibfläche und Objektoberfläche, und einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche parallel zur Bewegungsrichtung, wobei die Kontakteinheit einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Kraftaktor aufweist, der dazu ausgestaltet ist, einen Abstand zwischen der Reibfläche und einem Masseschwerpunkt der Kontakteinheit zu variieren, um zumindest einen Teil der Kontakteinheit zur Variation oder Aufhebung der Reibungskraft zwischen der Reibfläche und der Objektoberfläche unter Ausnutzung einer Massenträgheit zu beschleunigen, wobei der Kraftaktor und/oder der Vortriebsaktor für eine Synchronisierung der Variation oder der Aufhebung der Reibungskraft und der Bewegung der Reibfläche durch den Vortriebsaktor ausgestaltet sind, wobei die Reibungskraft bei einer das Objekt vorantreibenden Bewegung der Reibfläche größer ist als bei einer Bewegung der Reibfläche in einer Richtung entgegen der vorantreibenden Bewegung, und wobei der Vortriebsaktor und der Kraftaktor miteinander fest verbunden oder als ein Aktor ausgeführt sind.
Nicht-resonante Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, mit: einer Führung für das Objekt, die eine Bewegung in wenigstens einem Freiheitsgrad verhindert, der nicht der Zielbewegung des Objekts entspricht, insbesondere bei einer lineare Positionierung in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Objekts.
Nicht-resonante Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Führung jede Bewegung des Objekts entlang der Bewegungsrichtung bremst, wobei die Führung insbesondere eine mechanisch vorgespannte Wälz- oder Gleitlagerführung mit einem Verschiebewiderstand ist.
Nicht-resonante Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Vortriebsaktor für eine Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche mittelbar über eine Vor- und Zurückbewegung der Kontakteinheit und/oder eine unmittelbare Vor- und Zurückbewegung der Reibfläche ausgestaltet ist.
Nicht-resonante Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Vortriebsaktor und/oder der Kraftaktor jeweils über eine Hebelanordnung zur Unter- oder Übersetzung wirken, wobei die Hebelanordnung insbesondere Festkörpergelenkbasiert ist.
Nicht-resonante Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Objekt ein Läufer der Antriebsvorrichtung ist, der mittelbar oder unmittelbar seine Bewegung an ein Zielobjekt weitergibt.
Nicht-resonante Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Kraftaktor und der Vortriebsaktor als ein Aktor ausgeführt sind, der wenigstens über zwei unabhängige, über separate Elektroden ansteuerbare Bewegungsrichtungen verfügt.
Nicht-resonante Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei zwischen Reibfläche und Vortriebsaktor und/oder Reibfläche und Kraftaktor eine kraftübertragende Struktur vorgesehen ist, die über wenigstens ein Festkörpergelenk eine Bewegung eines Aktors auf die Reibfläche umlenkt.
Antriebssystem mit mehreren nicht-resonanten Antriebsvorrichtungen nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die mehreren nicht-resonanten Antriebsvorrichtungen parallel und/oder seriell auf ein gemeinsames Objekt wirken, wobei das Antriebssystem für eine Ansteuerung der nicht-resonanten Antriebsvorrichtungen mit identischen Ansteuerkurven oder mit zeitlich versetzten Ansteuerkurven gleicher Periodenlänge ausgestaltet ist.