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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1.
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Die Druckschrift
EP 2 128 015 A1 beschreibt eine Antriebsvorrichtung mit wenigstens einem piezoelektrischen Aktor, der als Hybridaktor ausgebildet ist und einen Hubabschnitt und zwei Scherabschnitte aufweist. In dem Ausführungsbeispiel nach
2 der
EP 2 128 015 A1 sind jeweils vier solcher Hybridaktoren 2 an einer Platte 10 in hintereinanderliegender Anordnung vorgesehen, wobei die Antriebsvorrichtung zwei entsprechende Platten 10 und ein zwischen den Platten 10 angeordnetes plattenförmiges und durch die an den Platten 10 angebrachten Hybridaktoren 2 anzutreibendes Bauteil 8 aufweist.
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Aus der auf die Anmelderin zurückgehenden
EP 1 267 478 B1 ist ein sogenannter Schreitantrieb bekannt, bei welchem in den Ausführungsbeispielen gemäß den dortigen
1 und
3 ein Antriebsmodul mit insgesamt vier neben- bzw. hintereinanderliegend an einem Substrat angeordneten piezoelektrischen Aktoren offenbart ist. Jeder Aktor ist als Hybridaktor ausgebildet und umfasst einen dem Substrat benachbarten Hubabschnitt und wenigstens einen Scherabschnitt, der sich an den Hubabschnitt in einer Richtung entlang der Erstreckungsrichtung des Aktors anschließt. Die vier Aktoren weisen zueinander eine lineare Anordnung auf, wobei die lineare Anordnung eine entsprechende Anordnungsrichtung definiert, die mit der Antriebsrichtung des anzutreibenden Elements zusammenfällt.
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Durch geeignete gleichzeitige elektrische Ansteuerung der beiden Abschnitte jedes Aktors kann aufgrund einer Überlagerung der Hubbewegung des Hubabschnitts und der Scherbewegung des Scherabschnitts eine definierte Trajektorie des frei beweglichen Endabschnitts des jeweiligen Aktors erzielt werden, welche bevorzugt eine Kreis- oder Ellipsenform aufweist. Hierdurch gelangt der jeweilige Aktor zeitweise in Kontakt mit einem anzutreibenden Element und bewirkt während der entsprechenden Kontakt- oder Antriebsphase einen einzelnen Antriebsschritt.
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Die vier Aktoren der Antriebseinheit lassen sich hierbei in zwei Gruppen zu je zwei Aktoren unterteilen, so dass zwei unterscheidbare Aktorenpaare vorliegen. Die Aktoren eines bzw. des gleichen Aktorenpaars werden phasengleich angesteuert, während die Aktoren unterschiedlicher Aktorenpaare phasenversetzt zueinander angesteuert werden. Durch die phasenversetzte Ansteuerung der beiden Aktorenpaare kann ein zeitlich betrachtet aufeinanderfolgender Kontakt zwischen den beiden Aktorenpaaren und dem anzutreibenden Element realisiert werden. Mit anderen Worten sorgen die beiden Aktorenpaare zeitlich versetzt für eine Antriebsphase bzw. einen Antriebsschritt des anzutreibenden Elements, und durch entsprechende Wiederholung resultiert eine Abfolge von einzelnen Antriebsschritten, die letztlich zu einer im Wesentlichen kontinuierlichen Bewegung des anzutreibenden Elements führt.
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Nachdem ein Aktorenpaar eine Antriebsphase durchlaufen hat bzw. einen wie vorstehend ausgeführten Antriebsschritt vollführt hat, durchläuft es im zeitlichen Anschluss eine Rückbewegungs- oder Rücknahmephase, in welcher es an eine Position bewegt wird, von wo aus eine erneute Antriebsphase gestartet werden kann. In dieser Rücknahmephase macht es eine Bewegung, die von dem Läufer im Wesentlichen weg gerichtet ist, wodurch ein Abheben von diesem bzw. ein Außerkontakttreten mit diesem erzielt werden soll.
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Vor dem Hintergrund, dass die Hubabschnitte insbesondere bei miniaturisierten Antrieben nur geringste Hubbewegungen ausführen können, die im Bereich der Fertigungstoleranzen hinsichtlich der beabsichtigten Aktorenhöhe (Sollhöhe) liegen, ist es für einen verlässlichen Kontakt der einzelnen Aktoren mit dem anzutreibenden Element zumindest während der Antriebsphase notwendig, das Substrat und damit auch die daran angebrachten Aktoren mit einer bestimmten Kraft in Richtung auf das anzutreibende Element zu zu drücken. Dies geschieht gewöhnlich mit einem Federelement, das an dem Substrat angreift (in der
EP 1 267 478 B1 nicht gezeigt). Jedoch selbst hohe Federkräfte reichen bei größeren Abweichungen von der Sollhöhe der Aktoren unter Umständen nicht aus, dass alle Aktoren in ausreichenden Eingriff mit dem anzutreibenden Element gelangen. Andererseits führen hohe Federkräfte unter Umständen dazu, dass einzelne oder alle Aktoren während der Rückholphase nicht oder nur unzureichend von dem anzutreibenden Element abheben, was zu erhöhtem Verschleiß des Antriebs bzw. zu reduzierter Antriebskraft führen kann.
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Der Schreitantrieb der
EP 1 267 478 B1 weist ferner mit Hinblick auf Anwendungsfälle, bei denen eine geringe Abmessung insbesondere hinsichtlich der Höhe gefordert ist, gewisse Nachteile aufgrund der Eigenhöhe der Aktoren auf.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen, die insbesondere im Hinblick auf deren Höhe sehr kompakt gebaut sein kann, und die es aufgrund ihrer Struktur erlaubt, verlässliche und definierte Kontaktbedingungen zwischen den antreibenden Aktoren und dem anzutreibenden Element zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen davon Gegenstand der Unteransprüche sind.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung umfasst wenigstens eine Basis, wenigstens eine an der Basis angeordnete bzw. mit dieser verbundene Antriebseinheit und einen durch die Antriebseinheit entlang einer Bewegungsrichtung anzutreibenden Läufer. Die Bewegungsrichtung verläuft hierbei vorzugsweise entlang einer Geraden, so dass eine lineare Antriebsvorrichtung vorliegt, wobei aber auch Bewegungsrichtungen entlang einer gekrümmten Linie, etwa bei einer rotatorischen Antriebsvorrichtung, denkbar sind.
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Die Antriebseinheit umfasst mindestens ein Antriebselement mit einem Basiselement und wenigstens zwei an dem Basiselement entlang einer quer zu der Bewegungsrichtung des Läufers ausgerichteten Anordnungsrichtung hintereinanderliegend und vorzugsweise in gegenseitiger Überdeckung angeordnete, durch eine elektrische Ansteuerung dimensionsveränderbare Aktoren, wovon wenigstens einer einen Kontaktaktor bildet, der für einen Reibkontakt mit dem Läufer vorgesehen ist.
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Das Basiselement des Antriebselements ist hierbei der Basis gegenüberliegend und von dieser beabstandet angeordnet. Somit sind die Aktoren zwischen dem Basiselement und der Basis angeordnet. Zudem ist die Antriebseinheit derart an der Basis angeordnet, dass wenigstens einer der Aktoren eines Antriebselements fest mit der Basis verbunden ist und der Kontaktaktor dem Läufer gegenüberliegend angeordnet ist.
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Unter dem Begriff ‚dimensionsveränderbare Aktoren‘ sind hierbei Aktoren zu verstehen, bei denen wenigstens eine Dimension, etwa die Höhe, die Länge, die Breite, die Dicke etc., zumindest abschnittsweise durch elektrische Ansteuerung verändert werden kann.
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Wenigstens einer der Aktoren eines Antriebselements weist einen Scherabschnitt zur Ausführung einer Scherbewegung quer zu der Anordnungsrichtung der Aktoren und entlang oder parallel zu der Bewegungssrichtung des Läufers auf. Hierbei ist denkbar, dass ein Aktor etwa als Stack umfassend einen Abschnitt zur Generierung einer Hubbewegung und einen Abschnitt zur Generierung einer Scherbewegung ausgebildet ist. Denkbar ist ebenso, dass ein Aktor des Antriebselements neben einem Hubabschnitt zwei unterschiedliche Scherabschnitte aufweist, wobei sich die Scherbewegungen der beiden Scherabschnitte voneinander unterscheiden. Vorzugsweise betrifft der Scherabschnitt den gesamten Aktor, so dass der Aktor einen Scheraktor darstellt.
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Weiterhin weist wenigstens einer der Aktoren eines Antriebselements einen Hubabschnitt zur Ausführung einer Hubbewegung quer zu der Anordnungsrichtung der Aktoren und quer zu der Bewegungsrichtung des Läufers auf. Auch hier ist denkbar, dass der entsprechende Aktor neben dem Hubabschnitt noch mindestens einen Scherabschnitt aufweist. Vorzugsweise betrifft der Hubabschnitt den gesamten Aktor, so dass der Aktor einen Hubaktor darstellt.
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Im Falle einer Antriebsvorrichtung mit zwei oder mehr als zwei Antriebseinheiten sind diese entlang der Bewegungs- oder Antriebsrichtung des Läufers hintereinanderliegend und vorzugsweise in gegenseitiger Überdeckung zueinander angeordnet.
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Aufgrund der nebeneinanderliegenden, linearen Anordnung der Aktoren einer Antriebseinheit und der Möglichkeit der Verteilung von Hub- und Scherfunktion auf die einzelnen Aktoren bzw. Aktorabschnitte, kann jeder der Aktoren eine vergleichsweise geringe Höhe aufweisen, so dass die Antriebseinheit und damit die gesamte Antriebsvorrichtung insbesondere in Bezug auf deren Höhenausdehnung sehr kompakt realisiert werden kann.
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Zudem erlaubt eine Verteilung der Hub- und Scherfunktion auf die entsprechenden Aktoren einer Antriebseinheit die Möglichkeit, im Falle von mehreren Antriebseinheiten jede einzelne der entlang der Bewegungs- bzw. Antriebsrichtung des Läufers hintereinanderliegend angeordneten Antriebseinheiten mit einer separaten Vorspannkraft zu beaufschlagen, welche die jeweilige Antriebseinheit mit einer wohldefinierten Kraft gegen den Läufer bzw. in einer Richtung auf den Läufer zu drückt. Hierbei sollte die Vorspannkraft einerseits so groß sein, dass der zum Kontakt mit dem Läufer vorgesehene Aktor, d.h. der Kontaktaktor, auch bei größeren Abweichungen von einer Sollhöhe den Läufer während der Antriebsphase verlässlich kontaktiert, und andererseits so gering sein, dass ein definiertes Abheben des Kontaktaktors während der Rücknahmephase bzw. der Rückbewegung gewährleistet ist.
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Es kann von Vorteil sein, wenn an dem Basiselement wenigstens drei Aktoren entlang einer Reihe bzw. linear angeordnet sind und die beiden hinsichtlich der Anordnungsrichtung äußeren Aktoren jedes Antriebselements einen Hubabschnitt aufweisen oder als Hubaktor ausgebildet sind und der wenigstens eine zwischen den äußeren Aktoren angeordnete Kontaktaktor einen Scherabschnitt aufweist oder als Scheraktor ausgebildet ist. Die Hubabschnitt aufweisenden Aktoren bzw. die Hubaktoren sorgen dabei durch entsprechende Dimensionsänderung für ein Abheben oder ein Inkontaktbringen des wenigstens einen Scheraktors bzw. des wenigstens einen einen Scherabschnitt aufweisenden Aktors von bzw. mit dem anzutreibenden Element.
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Daneben ist im Falle von wenigstens drei an dem Basiselement angeordneten Aktoren denkbar, dass die beiden bezüglich der Anordnungsrichtung äußeren Aktoren einen Scherabschnitt aufweisen bzw. als Scheraktor ausgebildet sind und der wenigstens eine zwischen den äußeren Aktoren angeordnete Aktor einen Hubabschnitt aufweist bzw. als Hubaktor ausgebildet ist. Der Hubabschnitt aufweisende Aktor bzw. der Hubaktor sorgt dabei durch entsprechende Dimensionsänderung selbständig für sein Abheben von dem anzutreibenden Element oder für sein Inkontaktbringen mit dem anzutreibenden Element.
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Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Aktoren ein elektromechanisches Material und bevorzugt ein piezoelektrisches und besonders bevorzugt ein piezokeramisches Material umfassen oder aus diesem bestehen. Solche Aktoren können mit einer sehr hohen Dynamik betrieben werden und eignen sich insbesondere für Anwendungsfälle, in welchen Antriebsvorrichtungen mit magnetischen bzw. magnetisierbaren Teilen ausscheiden.
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Ferner kann es von Vorteil sein, dass die Aktoren die Form einer Säule mit im Wesentlichen identischer Höhe, bevorzugt mit gleicher Querschnittsgeometrie, aufweisen. Die Querschnittsfläche der Säule ist hierbei vorzugsweise quadratisch, wobei jedoch auch kreisförmige oder rechteckförmige Querschnitte denkbar sind. Zudem ist denkbar, die Aktoren in Form von Hohlzylindern auszuführen. All dies erlaubt eine vergleichsweise einfache Herstellung und Montage bei gleichzeitig optimierten bzw. maximierten Stellbewegungen.
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Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn die Antriebsvorrichtung eine Vorspanneinrichtung aufweist, mit der das/die Antriebselement/e in Richtung auf den Läufer zu bzw. gegen den Läufer gedrückt ist/sind, so dass der Kontaktaktor des jeweiligen Antriebselements in einem elektrisch unangesteuerten Zustand, d.h. einem inaktiven oder passiven Zustand aller Aktoren dieses Antriebselements in Kontakt mit dem Läufer steht. Dadurch besteht in einem elektrisch nicht angesteuerten Zustand der Antriebsvorrichtung eine Selbsthemmung, aufgrund welcher der Läufer stabil an seiner letzten angefahrenen Position verharrt, was insbesondere bei senkrechter Anordnung der Antriebsvorrichtung vorteilhaft ist.
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Insbesondere im Falle einer Antriebsvorrichtung mit mehreren Antriebselementen kann es hierbei von Vorteil sein, wenn die Vorspanneinrichtung derart ausgebildet ist, dass auf jedes der Antriebselemente eine separate, unabhängige und definierte Druckkraft aufbringbar ist, mit welcher dieses auf den Läufer zu bzw. gegen den Läufer gedrückt ist. Dabei ist es möglich, unterschiedlich hohe Druckkräfte auf die einzelnen Antriebselemente aufzubringen, je nach Anforderung und Anwendungsfall. Hierbei kann es von besonderem Vorteil sein, wenn die Antriebsvorrichtung eine der Mehrzahl von Antriebselementen entsprechende Anzahl von separat vorliegenden Vorspannelementen aufweist, und jedem Antriebselement ein Vorspannelement, beispielsweise eine Druckfeder, zugewiesen ist, wobei sich die Druckfeder ihrerseits an einer übergeordneten Struktur abstützt. Jedoch ist ebenso denkbar, dass an jedem Antriebselement mehrere Vorspannelemente angreifen. Denkbar ist zudem, dass an unterschiedlichen Antriebselementen eine unterschiedliche Anzahl von Vorspannelementen angreift.
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Durch das vorstehend beschriebene Vorsehen separater Vorspannelemente, welche jeweils einem einzelnen Antriebselement zugeordnet sind, und die dadurch auf jedes einzelne Antriebselement einwirkende, wie vorstehend beschriebene wohldefinierte Vorspannkraft ist es bei jedem Antriebselement durch Betätigung des Hubaktors bzw. der Hubaktoren separat möglich, den oder die Kontaktaktor/en in eine Richtung zu bewegen, die der Richtung der durch das jeweilige Vorspannelement generierten Druckkraft bzw. Vorspannkraft im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Dies erleichtert insbesondere die Montage der Antriebsvorrichtung, da so das anzutreibende Element leicht eingesetzt bzw. eingeschoben werden kann.
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Es kann von besonderem Vorteil sein, dass an oder in der Basis eine Lagervorrichtung angeordnet ist, über welche der Läufer wenigstens in bzw. entlang der Bewegungsrichtung beweglich gelagert ist. Ein derartiger Aufbau ist besonders kompakt und vergleichsweise einfach zu montieren.
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Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass die Antriebsvorrichtung zwei Antriebseinheiten aufweist, die an gegenüberliegenden bzw. unterschiedlichen Seiten der Basis angeordnet sind und der Läufer zwischen den beiden Antriebseinheiten gelegen ist. Somit kann eine deutlich größere Anzahl an antreibenden Aktoren bzw. Kontaktaktoren an dem Läufer angreifen, und dies an bzw. von gegenüberliegenden Seiten, wodurch höhere Antriebskräfte realisierbar sind. Aufgrund der sich ergebenden geringeren Lagerkräfte vereinfacht sich auch die Lagerung des Läufers.
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Gemäß einem Verfahren zum Betreiben der vorstehend beschriebenen Antriebsvorrichtung mit wenigstens zwei Antriebselementegruppen, wobei jede Antriebselementegruppe wenigstens ein Antriebselement umfasst, werden die jeweiligen Aktoren der ersten und der zweiten Antriebselementegruppe phasenversetzt zueinander elektrisch angesteuert, so dass deren Kontaktaktoren zeitlich versetzt in Reibkontakt mit dem Läufer gelangen und dadurch zeitlich nacheinander für eine Antriebsbewegung des Läufers sorgen. Hierdurch kann ein sogenannter Schreitantrieb realisiert werden, und durch wiederholtes Ausführen ist eine quasi-kontinuierliche Bewegung des Läufers ermöglicht. Es ist denkbar, den Phasenversatz so zu gestalten, dass das Inkontakttreten eines Kontaktaktors eines Antriebselements einer Antriebselementegruppe erst nach dem Außerkontakttreten eines Kontaktaktors eines Antriebselements eines anderen Antriebselements stattfindet. Vorteilhaft kann hingegen ein solcher Phasenversatz sein, bei dem es zu einem zeitlichen Überlapp der Kontaktphasen der Kontaktaktoren unterschiedlicher Antriebselementegruppen kommt, wobei ein sehr kurzer zeitlicher Überlapp besonders vorteilhaft ist.
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Gemäß einem weiteren Verfahren zum Betreiben der vorstehend beschriebenen Antriebsvorrichtung mit wenigstens zwei Antriebselementegruppen umfassend jeweils wenigstens ein Antriebselement werden die jeweiligen Aktoren der ersten und der zweiten Antriebselementegruppe derart elektrisch angesteuert, dass deren Kontaktaktoren bei bestehendem Reibkontakt mit dem Läufer eine gleichsinnige Bewegung vollführen und dadurch gleichzeitig für eine Antriebsbewegung des Läufers sorgen. Durch diese Art der Ansteuerung können insbesondere bei Verwendung piezoelektrischer Aktoren minimalste und hochpräzise Antriebsbewegungen des Läufers realisiert werden.
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Es folgt die Beschreibung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung mit Hinblick auf die entsprechenden Figuren, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile der unterschiedlichen Figuren beziehen.
- 1: Perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
- 2: Perspektivische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1. An einer Basis 100 sind vier identisch ausgestaltete Antriebselemente 20 neben- bzw. hintereinanderliegend und sich dabei gegenseitig überdeckend angeordnet. Jedes der vier Antriebselemente 20 umfasst drei piezoelektrische Aktoren 200 in Form einer Säule mit quadratischem Querschnitt, wobei die Säulen im Wesentlichen die gleiche Geometrie und insbesondere die gleiche Höhe aufweisen. Die drei Aktoren eines Antriebselements 20 sind hierbei an einem plattenförmigen Basiselement 210 angeordnet, dessen Länge deutlich größer ist als dessen Breite oder dessen Höhe bzw. Dicke. Jedes Basiselement 210 ist hierbei der Basis 100 gegenüberliegend und zu dieser beabstandet angeordent, so dass die drei Aktoren 200 zwischen dem jeweiligen Basiselement 210 und des Basis 100 gelegen sind.
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Entlang der Längserstreckungsrichtung des Basiselements 210 sind die Aktoren 200 linear bzw. in Reihe derart neben- bzw. hintereinanderliegend und in gegenseitiger Überdeckung zueinander angeordnet, dass zwischen den beiden äußeren als Hubaktoren 240 ausgeführte Aktoren ein als Scheraktor 220 ausgeführter Aktor gelegen ist. Hierbei definiert die entsprechende Anordnung der Aktoren eine Anordnungsrichtung AR, die zu der Längserstreckungsrichtung des plattenförmigen Basiselements 210 parallel angeordnet ist bzw. mit dieser zusammenfällt.
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Die Scheraktoren 220 der vier Antriebselemente 20 sind einem anzutreibenden Element 3 in Form einer langgestreckten Platte jeweils gegenüberliegend angeordnet, und die Richtung der hinter- oder nebeneinanderliegenden Anordnung der Scheraktoren 220 ist parallel zu der Längserstreckungsrichtung des anzutreibenden Elements 3. Das anzutreibende Element 3 ist mittels einer innerhalb der Basis 100 angeordneten bzw. in diese integrierte Lagervorrichtung 4 linear beweglich entlang der Bewegungsrichtung BR gelagert.
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Über der 1 nicht entnehmbare Vorspannelemente einer Vorspanneinrichtung ist jedes Antriebselement 20 separat bzw. einzeln in Richtung auf das anzutreibende Element 3 bzw. in Richtung auf die Basis 4 zu gedrückt (in 1 durch einen Kraftpfeil F angedeutet). Somit drücken insgesamt vier separat vorliegende Vorspannelemente das jeweilige Antriebselement 20 mit einer definierten Kraft in Richtung auf das anzutreibende Element 3 zu, wodurch zumindest im unbetätigten Zustand der Aktoren eines Antriebselements 20 ein Kontakt des jeweiligen Scheraktors 220 mit dem anzutreibenden Element 3 gewährleistet ist.
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Im einer Betriebsart der Antriebsvorrichtung 1 gemäß 1 werden die Antriebselemente 20 paarweise phasengleich angesteuert bzw. betätigt, d.h. die Aktoren 200 des in 1 vordersten Antriebselements 20 und die Aktoren 200 des dritten Antriebselements 20 von vorne (wobei der Begriff „vorne“ die Seite der Antriebsvorrichtung 1 von 1 meint, an welcher die Lagervorrichtung 4 bzw. das anzutreibende Element 3 zu sehen ist), die eine erste Antriebselementegruppe bilden, werden phasengleich, d.h. mit identischen elektrischen Signalen, angesteuert, so dass sich die Aktoren dieses Paars von Antriebselementen identisch und simultan bewegen. Ebenso werden die Aktoren 200 des zweiten Antriebselements 20 von vorne und die Aktoren 200 des hintersten Antriebselements 20, die eine zweite Antriebselementegruppe bilden, phasengleich angesteuert, allerdings mit elektrischen Signalen, die einen Phasenversatz zu den elektrischen Signalen haben, mit denen die Aktoren der ersten Antriebselementegruppe angesteuert werden.
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Ausgehend von dem Zustand, in dem sämtliche Aktoren der Antriebsvorrichtung 1 unbetätigt bzw. unangesteuert sind, werden die Aktoren der Antriebselemente derart angesteuert, dass bezüglich der ersten (oder der zweiten) Antriebselementegruppe die äußeren Hubaktoren 240 eine Längenausdehnung vollführen und sich in einer Richtung, die quer zu der Antriebs- bzw. Bewegungsrichtung BR des anzutreibenden Elements 3 gelegen ist, ausdehnen. Dadurch bewegt sich das Basiselement 210 und mit diesem der zwischen den beiden Hubaktoren angeordnete und ebenfalls fest mit dem Basiselement 210 verbundene Scheraktor 220 in einer von dem anzutreibenden Element 3 bzw. von der Basis 100 weg weisenden Richtung, wobei die Hubaktoren 240 die Anpresskraft des jeweiligen Vorspannelements der Vorspanneinrichtung überwinden müssen. Es kommt in der Folge zu einem Abheben des jeweiligen Scheraktors 220 von dem anzutreibenden Element 3.
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Durch die phasenversetzte Ansteuerung der Aktoren der zweiten (oder der ersten) Antriebselementegruppe beginnen deren Scheraktoren 220 spätestens zum Zeitpunkt des Abhebens der Scheraktoren 330 der jeweils anderen Antriebselementegruppe mit der Ausführung einer Scherdeformation bzw. zu einer Scherbewegung, welche parallel zur Antriebs- bzw. Bewegungsrichtung BR des anzutreibenden Elements liegt bzw. mit dieser zusammenfällt. Aufgrund des Kontakts der Scheraktoren dieser Antriebselementegruppe mit dem anzutreibenden Element 3 resultiert deren Scherbewegung bzw. Scherdeformation in einer Antriebsbewegung bzw. zu einem Antriebsschritt des anzutreibenden Elements.
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Im Zustand der maximal möglichen Scherdeformation bzw. bereits zeitlich davor werden die zugehörigen Hubaktoren 240 des jeweiligen Antriebselements 20 derart angesteuert, dass sie eine Längenausdehnung vollführen und dadurch ein Abheben des zwischen diesen angeordneten und ausgelenkten Scheraktors 220 bewirken. In dem abgehobenen Zustand werden die Scheraktoren 220 derart angesteuert, dass die Scherdeformation rückgebildet wird bzw. eine Scherdeformation in der zur Antriebs- bzw. Bewegungsrichtung BR entgegengesetzten Richtung stattfindet.
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Während der entsprechenden Rückhol- oder Rücknahmephase der Scheraktoren einer Antriebselementegruppe werden in analoger Weise die Scheraktoren der jeweils anderen Antriebselementegruppe so angesteuert, dass sie eine Scherdeformation bzw. eine Scherbewegung in Antriebs- bzw. Bewegungsrichtung BR vollführen. Da die Scheraktoren dieser Antriebselementegruppe zwischenzeitlich - d.h. nach der initialen Abhebephase - durch Rückbildung der Längendeformation der Hubaktoren wieder in Kontakt mit dem anzutreibenden Element 3 gelangt sind, bewirkt die Scherbewegung der Scheraktoren dieser Antriebselementegruppe nun seinerseits für eine Antriebsbewegung bzw. einen Antriebsschritt des anzutreibenden Elements.
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Somit wechseln sich die beiden Paare von Antriebselementen bzw. die Antriebselemente der beiden Antriebselementgruppen - bedingt durch das phasenversetzte Ansteuern ihrer Aktoren - bei der Ausübung einer Antriebsbewegung bzw. eines Antriebsschritts ab, und durch sukzessive Abfolge von einzelnen Antriebsschritten resultiert eine im Wesentlichen kontinuierliche und nur durch die Länge des anzutreibenden Elements begrenzte Bewegung.
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Hierbei ist es möglich, mit unterschiedlichen Phasenversätzen zu arbeiten. Bevorzugt ist ein Ansteuerverfahren, bei welchem ein Überlapp der durch die Scheraktoren der beiden Antriebselementegruppen hervorgerufenen Antriebsbewegungen existiert. Das bedeutet, dass die gerade eine Rückhol- bzw. Rücknahmebewegung beendenden Scheraktoren einer Antriebselementegruppe in Kontakt mit dem anzutreibenden Element gelangen, während der Antriebsschritt der Scheraktoren der jeweils anderen Antriebselementegruppe noch nicht vollständig beendet ist. Somit ist ein unterbrechungsfreier Antrieb des anzutreibenden Elements gewährleistet. Hierbei kann die zeitliche Dauer des Überlapps variiert und dem spezifischen Anwendungsfalls angepasst werden.
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Aufgrund der sukzessiven Abfolge einzelner Antriebsschritte durch die beiden Antriebselementegruppen, die der Fortbewegung von Lebewesen mittels Beinpaaren ähnelt, spricht man bei solchen Antrieben auch von Schreitantrieben bzw. und bei der entsprechenden Betriebsart von Schreitmodus.
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Eine Antriebsvorrichtung, bei der zwei Antriebselementegruppen jeweils nur ein Antriebselement 20 aufweisen, ist ebenso möglich. Daneben ist denkbar, dass bei zwei Antriebselementegruppen jede davon mehr als zwei Antriebselemente aufweist. Unabhängig von der Anzahl der Antriebselemente pro Antriebselementegruppe ist bei zwei Antriebselementegruppen die vorstehend beschrieben phasenversetzte und zweiphasige Ansteuerung vorteilhaft. Es ist darüber hinaus denkbar, mehr als zwei Antriebselementegruppen mit zumindest jeweils einem Antriebselement vorzusehen, und etwa bei drei Antriebselementegruppen eine dreiphasige Ansteuerung ihrer jeweiligen Aktoren anzuwenden. Schließlich ist denkbar, eine Antriebsvorrichtung mit nur einem Antriebselement zu bilden.
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In einer weiteren Betriebsart der Antriebsvorrichtung 1 gemäß 1 werden die Aktoren sämtlicher Antriebselemente 20 phasengleich angesteuert, so dass während der Antriebsphase alle vier Scheraktoren 220 in Kontakt mit dem anzutreibenden Element 3 stehen und eine gleichsinnige, analoge Bewegung vollführen, so dass sie das anzutreibende Element gemeinsam und simultan antreiben, wobei hierbei nur ein einzelner und gemeinsamer Antriebsschritt mit sehr geringer Schrittweite, aber sehr hoher Auflösung realisierbar ist. Diese Betriebsart wird auch Analogmodus genannt.
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Beliebige Kombinationen der beiden vorstehend skizzierten Betriebsarten ist denkbar, etwa zunächst und bei großer Entfernung von der beabsichtigten Position (Sollposition) bzw. von dem beabsichtigten Stellweg bezüglich des anzutreibenden Elements den Schreitmodus anzuwenden, um bei Erreichen einer Position nahe der Sollposition auf den Analogmodus umzuschalten.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 im Wesentlichen dadurch, dass hier zwei der zu 1 beschriebenen Antriebseinheiten 2 vorgesehen sind. Da deren Aufbau bzw. Struktur bereits zu Ausführungsform 1 im Detail beschrieben wurde, wird an dieser Stelle auf deren nähere Beschreibung verzichtet.
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Die beiden Antriebseinheiten 2 liegen sich in spiegelsymmetrischer Anordnung einander gegenüber, wobei das anzutreibende Element 3 zwischen ihnen gelegen ist. Ebenfalls zwischen den beiden gegenüberligenden Antriebseinheiten 2 ist die plattenförmige Basis 100 angeordnet, mit der jeweils die Hubaktoren 240 der Antriebselemente 20 verbunden sind. Das anzutreibende Element 3 in Form eines Flachstabes ist den Scheraktoren 220 gegenüberliend angeordnet, und eine Lagervorrichtung 4 außerhalb der Basis 100 sorgt für die lineare Beweglichkeit des anzutreibenden Elements 3 entlang bzw. in Bewegungsrichtung BR. Hierbei entspricht die Dicke des anzutreibenden Elements 3 im Wesentlichen der Dicke der plattenförmigen Basis 100, wobei das anzutreibende Element 3 zwischen zwei Abschnitten der Basis 100 und beabstandet von diesen angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsvorrichtung
- 2
- Antriebseinheit
- 3
- anzutreibendes Element
- 4
- Lagervorrichtung
- 20
- Antriebselement (der Antriebseinheit 2)
- 100
- Basis
- 200
- Aktor (des Antriebselements 20)
- 202
- Kontaktaktor (des Antriebselements 20)
- 210
- Basiselement (des Antriebselements 20)
- 220
- Scherabschnitt (eines Aktors 200)
- 240
- Hubabschnitt (eines Aktors 200)
- BR
- Bewegungsrichtung (des anzutreibenden Elements 3)
- AR
- Anordnungsrichtung (bezüglich der Aktoren 200)
