DE102020134641A1 - Antriebsvorrichtung, insbesondere für einen piezoelektrischen Trägheits- oder Resonanzantrieb - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (1), insbesondere für einen piezoelektrischen Trägheits- oder Resonanzantrieb. Die Antriebsvorrichtung (1) umfasst ein Gehäuse (2), zumindest zwei innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete und ein elektromechanisches Material aufweisende Aktuatoren (3), die jeweils bei Anregung mit einer elektrischen Steuerspannung eine Auslenkung erzeugen, und ein außerhalb des Gehäuses (2) angeordnetes Antriebselement (4). Erfindungsgemäß weist die Antriebsvorrichtung (1) eine Kraftübertragungseinrichtung (2c) auf, über welche die Aktuatoren (3) und das Antriebselement (4) derart bewegungsgekoppelt sind, dass das Antriebselement (4) durch Auslenkung der Aktuatoren (3) in Bewegung versetzt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, insbesondere für einen piezoelektrischen Trägheits- oder Resonanzantrieb. Derartige Antriebsvorrichtung umfassen wenigstens zwei elektromechanische Aktuatoren, die jeweils bei Anregung mit einer elektrischen Steuerspannung eine Auslenkung erzeugen, um ein Antriebselement wie z.B. eine Reibnase zum Antrieb eines Läufers in Bewegung zu versetzen. Die Beaufschlagung der elektromechanischen Aktuatoren mit einer elektrischen Steuerspannung erfolgt über Elektroden. Die Elektroden bzw. deren Kontaktstellen zu den elektromechanischen Aktuatoren sind oft sehr empfindlich und erleiden unter schwierigen Einsatzbedingungen Schaden infolge von Korrosion durch Verschmutzung, z.B. durch Einwirkung von Feuchtigkeit, Staub, Abrieb oder Schmierstoffen. Solche Schäden können die Lebensdauer der eingangs genannten Antriebsvorrichtungen ggf. erheblich verkürzen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer solcher Antriebsvorrichtung auch unter schwierigen Einsatzbedingungen deutlich zu erhöhen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung die Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 bereit. Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist insbesondere für einen piezoelektrischen Trägheits- oder Resonanzantrieb vorgesehen und umfasst ein Gehäuse, zumindest zwei innerhalb des Gehäuses angeordnete und ein elektromechanisches Material aufweisende Aktuatoren, die jeweils bei Anregung mit einer elektrischen Steuerspannung eine Auslenkung erzeugen, und ein außerhalb des Gehäuses angeordnetes Antriebselement, wobei die Antriebsvorrichtung eine Kraftübertragungseinrichtung aufweist, über welche die Aktuatoren und das Antriebselement derart bewegungsgekoppelt sind, dass das Antriebselement durch Auslenkung der Aktuatoren in Bewegung versetzt wird. Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung sind die Aktuatoren, die durch elektrische Ansteuerung verformt werden, um die Bewegung des Antriebselements zu erzeugen, innerhalb des Gehäuses vor Umgebungseinflüssen geschützt. Dadurch werden insbesondere die empfindlichen Kontaktstellen zwischen den Elektroden und den Aktuatoren nicht durch Feuchtigkeit, Staub, Abrieb oder Schmierstoffe verschmutzt. Infolgedessen ergeben sich deutlich geringere Abnutzungs- oder Verschleißerscheinungen an diesen Kontaktstellen, was die Lebensdauer der Antriebsvorrichtung deutlich erhöht.
• Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
• Es kann sinnvoll sein, wenn die Kraftübertragungseinrichtung als elastischer Wandabschnitt des Gehäuses ausgebildet ist und durch Auslenkung der Aktuatoren elastisch verformt wird. Durch den elastischen Wandabschnitt, der beispielsweise als Membran ausgeführt sein kann, kann einerseits die Schutzfunktion des Gehäuses unverändert erhalten bleiben, und andererseits die von den Aktuatoren erzeugte Auslenkung direkt auf das Antriebselement übertragen werden.
• Es kann sich als nützlich erweisen, wenn das Antriebselement unter Zwischenschaltung des elastischen Wandabschnitts federnd gegenüber den Aktuatoren vorgespannt ist. Durch die federnde Vorspannung werden sowohl die Aktuatoren, als auch das Antriebselement, eng in Kontakt mit dem elastischen Wandabschnitt erhalten. Die Kraftübertragung zwischen den Aktuatoren und dem Antriebselement erfolgt damit unmittelbar und weitgehend unter Ausschaltung störender Einflüsse.
• Es kann praktisch sein, wenn das Gehäuse aus zwei oder mehr Gehäuseteilen besteht, wobei die Gehäuseteile vorzugsweise unter Zwischenschaltung wenigstens eines Dichtungselements verbunden sind, bevorzugt hermetisch dicht, wobei das Dichtungselement besonders bevorzugt aus Epoxidharz, einem Klebstoff oder aus einem gummielastischen Material besteht. Zum Einbau und Ausbau der Aktuatoren im bzw. aus dem Gehäuse können die Gehäuseteile bedarfsweise verbunden oder getrennt werden.
• Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn das Gehäuse als erstes Gehäuseteil eine vorzugsweise ebene Platte und als zweites Gehäuseteil einen durch die Platte verschließbaren, offenen Hohlkörper mit einer Kavität zur Aufnahme der Aktuatoren aufweist, wobei vorzugsweise das zweite Gehäuseteil die Kraftübertragungseinrichtung aufweist, wobei bevorzugt der elastische Wandabschnitt gemäß Anspruch 2 in einem geschlossenen Zustand des Gehäuses parallel zum ersten Gehäuseteil ausgerichtet ist. Die Gehäuseteilung gemäß dieser Ausführung erweist sich als besonders vorteilhaft, weil sie exakt in einer Ebene liegt. Dadurch können die beiden Gehäuseteile optimal zueinander abgedichtet werden, insbesondere durch einen einfachen Dichtring. Die ebene Platte eignet sich hervorragend zur Anbringung von Leiterstrukturen. Der Hohlkörper weist für sich genommen eine eigene räumliche Stabilität auf und bietet daher auch eine mechanische Schutzfunktion. Dies gilt insbesondere für den elastischen Wandabschnitt, der Teil dieses Hohlkörpers sein kann.
• Es kann zweckdienlich sein, wenn die Antriebsvorrichtung eine elektrische Leiterstruktur mit gehäuseinnenseitigen Anschlussstellen und gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen aufweist, die durch Leiterbahnen verbunden sind, wobei die Aktuatoren an die gehäuseinnenseitigen Anschlussstellen elektrisch angeschlossen sind, vorzugsweise durch elektrisch leitenden Klebstoff, wobei die gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen bevorzugt zum Anschluss an eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Aktuatoren ausgebildet sind und besonders bevorzugt mit einer flexiblen Leiterplatte oder mit elektrisch leitenden Pins, insbesondere für einen Schleifkontakt mit einer Strom- und/oder Signalschiene, verbunden sind. Die Leiterstruktur kann beispielsweise durch Ätzung aus einer auf einem Substrat aufgebrachten, elektrisch leitenden Folie (z.B. aus Kupfer) herausgearbeitet werden. Derartige Leiterstrukturen sind sehr flach und können beispielsweise an einer hermetisch abgedichteten Oberfläche durch eine Dichtungsebene verlaufen. Eine solche Leiterplatte eignet sich insbesondere als erstes Gehäuseteil, wobei das zweite Gehäuseteil durch eine Kappe mit elastischer Membran gebildet wird, welche die auf der Leiterplatte angebrachten Aktuatoren bedeckt.
• Es kann von Vorteil sein, wenn sich die gehäuseinnenseitigen Anschlussstellen und die gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen und ggf. die Leiterbahnen in derselben Ebene erstrecken, vorzugsweise auf einer dem anderen Gehäuseteil zugewandten Seite des einen Gehäuseteils gemäß Anspruch 4 oder 5. Bei dieser Ausführung lässt sich die Leiterstruktur besonders einfach herstellen.
• Es kann sich aber auch als nützlich erweisen, wenn die Leiterstruktur fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Dadurch entfallen z.B. vorstehende Leitungsdrähte, die bei eingeschränkten Platzverhältnissen schwierig unterzubringen sind.
• Es kann sinnvoll sein, wenn die Aktuatoren in einem verschlossenen Zustand des Gehäuses kraftschlüssig im Gehäuse fixiert sind, vorzugsweise klemmend zwischen zwei verbundenen Gehäuseteilen gemäß Anspruch 4 oder 5. Dadurch werden die Aktuatoren auch ohne zusätzliche Befestigungsmittel durch Kraftschluss sicher in ihrer bestimmungsgemäßen Position gehalten. Es kann aber auch praktisch sein, wenn die Aktuatoren zusätzlich formschlüssig und/oder stoffschlüssig im Gehäuse fixiert werden.
• Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Antriebsvorrichtung eine Wärmeableitung zur Ableitung der bei Auslenkung der Aktuatoren erzeugten Abwärme aus dem Gehäuse aufweist. Gerade beim Einsatz in Trägheitsantrieben werden die Aktuatoren mit hoher Frequenz (bis zu 20 kHz) betrieben. Dadurch entsteht innerhalb des Gehäuses eine erhebliche Wärmemenge, die zur Überhitzung der Aktuatoren führen kann. Durch eine Wärmeableitung aus dem Gehäuse wird eine betriebsbedingte Überhitzung der Aktuatoren vermieden.
• Es kann praktisch sein, wenn die Antriebsvorrichtung einen Träger und eine das Gehäuse gegen den Träger drängende Federeinrichtung aufweist, wobei das Antriebselement vorzugsweise auf der Federeinrichtung angeordnet ist. Bei dieser Ausführung sind das Gehäuse bzw. die daran angeordneten Aktuatoren und das von den Aktuatoren angetriebene Antriebselement stets sicher zueinander positioniert.
• Es kann sich als nützlich erweisen, wenn der Träger und die Federeinrichtung einen das Gehäuse umschließenden Rahmen bilden, wobei die Federeinrichtung vorzugsweise als eine das Gehäuse überspannende Federbrücke ausgebildet ist und bevorzugt einerseits oder beiderseits des Gehäuses mit dem Träger verbunden ist. Diese Anordnung erweist sich als besonders kompakt und stabil.
• Ein weiterer unabhängiger Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Linear- oder Rotationsmotor, umfassend eine Antriebsvorrichtung nach einer der vorangehenden Ausführungen, ebenso wie einen Stator und einen Läufer, wobei der Stator und der Läufer über eine Führungseinrichtung derart verbunden sind, dass sich der Läufer gegenüber dem Stator entlang einer Führungsrichtung bewegen kann, wobei die Antriebsvorrichtung so mit dem Stator und dem Läufer gekoppelt ist, dass sie den Läufer bei elektrischer Anregung der Aktuatoren mit einer Antriebskraft in Führungsrichtung beaufschlagt. Weil die Aktuatoren der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einem Gehäuse angeordnet sind, sind sie vor Feuchtigkeit, Staub, Abrieb oder Schmierstoffen, die in einem Linear- oder Rotationsmotor naturgemäß auftreten, geschützt. Eine Lebensdauer verkürzende Verschmutzung der Aktuatoren kann dadurch zuverlässig verhindert werden.
• Es kann sinnvoll sein, wenn die Antriebsvorrichtung fest mit dem Stator verbunden und vorzugsweise federnd gegenüber dem Läufer vorgespannt ist, oder umgekehrt. Dadurch kann eine gute Kraftübertragung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Läufer sichergestellt werden.
• Es kann sich auch als nützlich erweisen, wenn der Läufer eine federnde Kraftaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der Antriebskraft der Antriebsvorrichtung aufweist, wobei vorzugsweise die Kraftaufnahmeeinrichtung in einem Zustand, in welchem die Antriebsvorrichtung am Stator montiert ist, austauschbar ist. Durch die federnde Kraftaufnahmeeinrichtung kann die Haftreibung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Läufer gezielt eingestellt werden.
• Vorzugsweise weist das Gehäuse wenigstens eines der folgenden Merkmale auf:
• - Wenigstens ein Gehäuseteil ist eine Platte.
• - Wenigstens ein Gehäuseteil umfasst eine Aufnahme für wenigstens einen der Aktuatoren, insbesondere für beide Aktuatoren, wobei wenigstens ein anderer Gehäuseteil die Aufnahme verschließt.
• - Wenigstens ein Gehäuseteil umfasst eine Leiterstruktur zur Übertragung der elektrischen Steuerspannungen auf die Aktuatoren.
• Vorzugsweise weisen die Aktuatoren wenigstens eines der folgenden Merkmale auf:
• - Jeder Aktuator ist als Mehrschichtaktuator ausgebildet.
• - Jeder der Aktuator ist quaderförmig oder würfelförmig ausgebildet.
• - Jeder der Aktuator umfasst einen Stapelverbund aus Schichtelektroden unterschiedlicher Polarität und dazwischen angeordneten Piezokeramikschichten, wobei jeweils die Schichtelektroden derselben Polarität über eine Seitenelektrode angeschlossen sind und die Seitenelektroden für die Schichtelektroden unterschiedlicher Polarität auf voneinander abweisenden Seiten des Stapelverbunds angeordnet sind.
• - Die Aktuatoren erzeugen Auslenkungen in parallelen Richtungen.
• - Die Aktuatoren erzeugen Auslenkungen senkrecht zu einer Grundplatte des Gehäuses.
• - Die Aktuatoren erzeugen Auslenkungen senkrecht zu einem elastisch verformbaren Wandabschnitt des Gehäuses.
• - Die Aktuatoren erzeugen Auslenkungen senkrecht zu einer Antriebsbewegung des Antriebselements.
• - Die Aktuatoren erzeugen Auslenkungen in derselben Ebene, wie die Antriebsbewegung des Antriebselements.
• - Die Aktuatoren sind identisch ausgebildet.
• - Die Aktuatoren sind symmetrisch zu wenigstens einer durch das Antriebselement verlaufenden Symmetrieebene angeordnet.
• Vorzugsweise weist das Antriebselement wenigstens eines der folgenden Merkmale auf:
• - Das Antriebselement weist eine flache Seite auf, die zu den Aktuatoren weist.
• - Das Antriebselement weist eine konvex gewölbte Seite auf, die von den Aktuatoren abweist.
• - Das Antriebselement ist kugelförmig bzw. halbkugelförmig ausgebildet.
• - Das Antriebselement ist in eine Mittelebene zwischen den Aktuatoren angeordnet.
• - Das Antriebselement ist unter Zwischenschaltung des Kraftübertragungselements federnd gegenüber den Aktuatoren vorgespannt.
• - Das Antriebselement wird durch Auslenkung der Aktuatoren entgegen der Federkraft einer Vorspanneinrichtung verdrängt.
• Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren im Detail beschrieben
• Figurenliste
• Es zeigen:
• 1: eine perspektivische Explosionsansicht von verschiedenen Komponenten einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 2: perspektivische Ansichten einer Baugruppe der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Aktuatoren der Antriebsvorrichtung auf einer ebenen und mit einer Leiterstruktur versehenen Grundplatte des Gehäuses angeordnet sind, wobei Ansicht (a) die Baugruppe von einer ersten Seite und Ansicht (b) die Baugruppe von einer anderen Seite zeigt.
• 3: perspektivische Ansichten einer Baugruppe der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Aktuatoren in dem abgedichteten Gehäuse eingeschlossen sind, wobei Ansicht (a) eine perspektivische Schnittansicht der Baugruppe und Ansicht (b) eine perspektivische Außenansicht der Baugruppe einschließlich angeschlossener, flexibler Leiterplatte zeigt.
• 4: eine perspektivische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, einschließlich der in den 1 bis 3 dargestellten Komponenten und Baugruppen.
• 5: perspektivische Ansichten der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß 4 in einem montierten Zustand, wobei Ansicht (a) eine perspektivische Außenansicht der Antriebsvorrichtung und Ansicht (b) eine perspektivische Schnittansicht der Antriebsvorrichtung jeweils aus ähnlicher Blickrichtung zeigt.
• 6: verschiedene Schnittansichten eines Linearmotors mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß 4 und 5, wobei die Antriebsvorrichtung an einem Stator des Linearmotors montiert ist und das Antriebselement der Antriebsvorrichtung mit einem über eine Linearführung gegenüber dem Stator beweglich gelagerten Läufer gekoppelt ist, um den Läufer bei elektrischer Anregung der Aktuatoren durch deren Auslenkung mit einer Antriebskraft in Führungsrichtung zu beaufschlagen, wobei Ansicht (a) eine perspektivische Schnittansicht und Ansicht (b) eine vorderseitige Schnittansicht, jeweils in einer senkrecht zur Führungsrichtung ausgerichteten Schnittebene, zeigt.
• 7: eine perspektivische Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Antriebs nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, einschließlich der in den 1 bis 3 dargestellten Komponenten und Baugruppen, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel die Federbrücke anders ausgebildet ist.
• 8: perspektivische Ansichten der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß 7 in einem montierten Zustand, wobei Ansicht (a) eine perspektivische Außenansicht der Antriebsvorrichtung und Ansicht (b) eine perspektivische Schnittansicht der Antriebsvorrichtung jeweils aus ähnlicher Blickrichtung zeigt.
• 9: perspektivische Ansichten von Baugruppen eines Linearmotors mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß 8, wobei Ansicht (a) den Lineartisch und Ansicht (b) die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung gemäß 8 zeigt.
• 10: eine perspektivische Ansicht des Linearmotors gemäß 9 in montierten Zustand.
• 11: eine Vorderansicht des Linearmotors gemäß 9 bzw. 10 in montierten Zustand.
• 12: eine perspektivische Explosionsansicht einer Antriebsvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 13: eine perspektivische Ansicht der Antriebsvorrichtung gemäß 12 im montierten Zustand.
• 14: eine Draufsicht (a) und zwei verschiedene Seitenansichten (a, b) der Antriebsvorrichtung gemäß 13.
• 15: eine Draufsicht (a) und zwei verschiedene Seitenansichten (a, b) sowie eine perspektivische Ansicht (d) eines Linearmotors, umfassend die Antriebsvorrichtung gemäß den 12 bis 14.
• 16: eine perspektivische Ansicht (a) sowie eine perspektivische Schnittansicht (b) einer Antriebsvorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung im montierten Zustand.
• 17: perspektivische Ansichten (a, b) der Antriebsvorrichtung gemäß 16 ohne bzw. mit Deckel.
• 18: eine Draufsicht sowie eine Schnittansicht der Antriebsvorrichtung gemäß 16 und 17.
• Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
• Erstes Ausführungsbeispiel (Fig. 1 bis 6)
• Im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachstehend mit Bezug auf die 1 bis 6 beschrieben wird, umfasst die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 zwei identische elektromechanische Aktuatoren 3, die näherungsweise würfelförmig ausgebildet sind und aus einer Vielzahl abwechselnd angeordneter piezoelektrischer Schichten und Schichtelektroden bestehen. Die Schichtelektroden zwischen den piezoelektrischen Schichten sind abwechselnd mit Seitenelektroden 3b, 3c unterschiedlicher Polarität verbunden, die sich an den vorderen und hinteren Stirnseiten der Aktuatoren 3 befinden.
• Die Aktuatoren 3 sind spiegelsymmetrisch nebeneinander in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse 2 angeordnet und können über eine Leiterstruktur 6 von außerhalb des Gehäuses 2 mit elektrischen Steuerspannungen beaufschlagt werden. Das Gehäuse 2 umfasst als Gehäuseunterteil 2a eine ebene, im Wesentlichen rechteckige Platte 2a, auf deren Oberseite sich die Leiterstruktur 6 zum elektrischen Anschluss der Aktuatoren 3 befindet. Diese Leiterstruktur 6 umfasst gehäuseinnenseitige Anschlussstellen 6a für die Seitenelektroden 3b, 3c der Aktuatoren 3 sowie gehäuseaußenseitige Anschlussstellen 6b. Die gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen 6b und die gehäuseinnenseitigen Anschlussstellen 6a sind über zwischenliegende Leiterbahnen 6c miteinander verbunden. Das Gehäuseoberteil 2b ist im vorliegenden Fall als offener Hohlkörper in Gestalt eines quaderförmigen Deckels ausgebildet. Der Deckel 2b definiert im Inneren davon eine Aufnahme bzw. Kavität für die beiden Aktuatoren 3. Zwischen dem Gehäuseunterteil 2a und dem Gehäuseoberteil 2b befindet sich ein umlaufender Dichtungsring 7. Anstelle eines gegenständlichen Dichtungsrings 7 können die beiden Gehäuseteile 2a, 2b über aushärtenden Klebstoff verbunden und abgedichteten sein. Im Montagezustand, der nachstehend mit Bezug auf die 3 bis 5 erläutert wird, sind das Gehäuseunterteil 2a und das Gehäuseoberteil 2b unter Einklemmung des Dichtungsrings 7 gegeneinandergedrückt, wie in 3a und 3b dargestellt, sodass das Gehäuse 2 hermetisch abgedichtet ist. Da die Gehäuseteilung zwischen dem Gehäuseunterteil 2a und dem Gehäuseoberteil 2b exakt in einer Ebene liegt, kann hier eine besonders einfache Dichtung des Gehäuses 2 erreicht werden. An der geschlossenen Oberseite des Gehäuseoberteils 2b befindet sich eine elastische Membran 2c, die, wie in 3a dargestellt, im montierten Zustand des Gehäuses 2 mit der Oberseite 3a der Aktuatoren 3 in Kontakt steht. Die elastische Membran 3c wird bei elektrischer Ansteuerung der Aktuatoren 3 durch selbige verformt. Im montierten Zustand umfasst das Gehäuse 2 einen näherungsweise quaderförmigen Umriss, wobei die gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen 6b seitlich in der Ebene des Gehäuseunterteils 2a aus dem Gehäuse 2 vorstehen. An diesen gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen 6b kann, wie in 3b dargestellt, eine flexible Leiterplatte 8 angeschlossen werden. Eine solche flexible Leiterplatte 8 weist eine mit der Leiterstruktur 6 auf dem Gehäuseunterteil 2a kommunizierende Leiterstruktur auf, um die Aktuatoren 3 mit elektrischen Steuerspannungen zu beaufschlagen.
• 4 zeigt eine Explosionsansicht der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1, umfassend die aus dem Gehäuse 2 und den Aktuatoren 3 bestehende Antriebseinheit, eine als Rahmen ausgebildete Lagerstruktur 5 und die flexible Leiterplatte 8. Die als Rahmen ausgebildete Lagerstruktur 5 besteht im vorliegenden Fall aus einem näherungsweise C-förmigen Träger 5a, der einen längeren Mittelschenkel und zwei kürzere Seitenschenkel aufweist. Der Mittelschenkel des Trägers 5a bildet eine Auflage für die Antriebseinheit. Die kürzeren Seitenschenkel des Trägers 5a weisen oberseitig, d. h. an der von dem Mittelschenkel abweisenden Seite, Öffnungen auf, an welchen eine mit einem Friktionselement 4 versehene Federbrücke 5b in Gestalt eines ebenen Blechstreifens mit Schraubenbolzen festgeschraubt werden kann. Im montierten Zustand wird das Gehäuse 2 zwischen dem Träger 5a und der Federbrücke 5b eingeklemmt. Das Friktionselement 4 ist hierbei eine halbkugelförmige Reibnase, die mit ihrer flächigen Seite mittig auf der Oberseite der Federbrücke 5b aufliegt und mit der halbkugelförmigen Mantelfläche von dieser Federbrücke 5b abweist. Zur Erhöhung der Festigkeit der Anordnung kann das Gehäuse 2 zusätzlich mit dem Träger 5a und/oder mit der Federbrücke 5b verklebt werden.
• Die Lagerstruktur 5 ist so dimensioniert, dass im montierten Zustand der Antriebsvorrichtung 1 die Federbrücke 5b exakt auf der elastischen Membran 2c des Gehäuses 2 aufliegt, wie anschaulich in den 5a und 5b dargestellt ist. Bei einer elektrischen Ansteuerung der Aktuatoren 3 wird die Auslenkung der Aktuatoren 3 entlang der Linien A zunächst auf die elastische Membran 2c, und von dort auf die gegenüber der Membran 2c federnd vorgespannte Federbrücke 5b übertragen, um das Friktionselement 4 entlang der Linie B in Bewegung zu versetzen. Je nach Ansteuerung der Aktuatoren 3 sind dabei unterschiedliche Bewegungsmuster des Friktionselements 4 darstellbar. In einem Betriebsmodus der Antriebsvorrichtung 1 sind die Aktuatoren 3 beispielsweise derart ansteuerbar, dass das Friktionselement 4 ein damit gekoppeltes, anzutreibendes Bauteil per Haft-Gleit-Effekt in einer Richtung entlang der Linie B antreibt. In einem anderen Betriebsmodus der Antriebsvorrichtung 1 treibt das Friktionselement 4 das anzutreibende Bauteil in einer entgegengesetzten Richtung entlang der Linie B an. In diesen Betriebsmodi wird jeweils einer der Aktuatoren 3 aufgrund der elektrischen Ansteuerung entlang der Linie A expandiert, und der andere der Aktuatoren 3 entlang der Linie A kontrahiert. Durch die elektrisch induzierten Verformungen der Aktuatoren 3 neigt sich das Friktionselement 4 entlang der Linie B zu einem Ende des Trägers 5a in Richtung des zusammengezogenen Aktors 3. In der Antriebsrichtung des anzutreibenden Elements entlang der Linie B ist die Bewegung des Friktionselements 4 langsamer als in der entgegengesetzten Richtung, sodass das Friktionselement 4 das anzutreibende Element in der Haft-Phase in der Antriebsrichtung per Haftreibung mitnimmt, und in der Gleit-Phase in der entgegengesetzten Richtung an dem anzutreibenden Element entlang gleitet. Der Haft-Gleit-Effekt und entsprechende Antriebsvorrichtungen 1 sind grundsätzlich bekannt und werden im Folgenden daher nicht näher erläutert.
• Zur bestimmungsgemäßen Anwendung in einem Linearmotor 10 wird die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1, wie in 6a und 6b dargestellt, an einem Stator 11 derart montiert, dass die Antriebsrichtung B parallel zu einer durch eine Linearführung 13 vorgegebenen Führungsrichtung F des Läufers 12 ausgerichtet ist. Über einen Positionsencoder 14 und einen Positionssensor 15 ist eine Positionsbestimmung des Läufers 12 gegenüber dem Stator 11 möglich. Diese Information wird zur Ansteuerung der Aktuatoren 3 der Antriebsvorrichtung 1 verwendet, um die Position des Läufers 12 gegenüber dem Stator 11 zu regeln.
• Gemäß der Darstellung in 6b ist der Läufer 12 federnd gegenüber dem Stator 11 bzw. gegenüber dem Friktionselement 4 der Antriebsvorrichtung 1 vorgespannt. Dazu befindet sich an der Unterseite des Läufers 12 eine auskragende Federplatte 16, die an einem Ende davon mit dem Läufer 12 verschraubt ist und mit ihrem freien Ende mit dem Friktionselement 4 der Antriebsvorrichtung 1 in Kontakt steht. Durch diese Federplatte 16 kann der Läufer 12 die von dem Friktionselement 4 ausgeübten Antriebskräfte der Antriebsvorrichtung 1 besonders gut aufnehmen.
• Zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 7 bis 11)
• Das zweite Ausführungsbeispiel, das nachstehend mit Bezug auf die 7 bis 11 beschrieben wird, basiert im Wesentlichen auf dem ersten Ausführungsbeispiel und umfasst weitgehend identische Merkmale. Zur Vermeidung von Wiederholungen sind diese identischen Merkmale in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Zur Erläuterung dieser Bezugszeichen wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Die wesentlichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel werden nachstehend im Detail beschrieben.
• Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Federbrücke 5b der Lagerstruktur 5 der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1 eine andere Ausgestaltung. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die Federbrücke 5b der Lagerstruktur 5 nicht lediglich als Blechstreifen mit näherungsweise identischer Breite wie der Träger 5a ausgebildet, sondern kragt einseitig deutlich über den Träger 5a aus. An dieser auskragenden Seite der Federbrücke 5b wird die Antriebsvorrichtung 1 federnd am Stator 11 des Linearantriebs 10 gelagert. Zur Erhöhung der Stabilität und Federwirkung kann an der Unterseite des Trägers 5a eine entsprechende Federbrücke 5c wie oben vorgesehen sein, wie beispielsweise in den 9 bis 11 ersichtlich ist. Durch Materialaussparungen und Einschnitte kann das Gewicht solcher Federbrücken 5b, 5c in Anwendungen der Erkenntnisse der Leichtbautechnik bei nahezu unveränderter Stabilität minimiert werden.
• Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel erzeugt insbesondere die Federbrücke 5b der Antriebsvorrichtung 1 also nicht nur eine federnde Vorspannung des Friktionselements 4 zu den Aktuatoren 3, sondern auch eine federnde Vorspannung des Friktionselements 4 gegenüber dem Läufer 12. Folglich wird durch diese Anordnung sowohl die Kraftübertragung zwischen den Aktuatoren 3 und dem Friktionselement 4, als auch die Kraftübertragung zwischen dem Friktionselement 4 und dem Läufer 12 verbessert.
• Drittes Ausführungsbeispiel (Fig. 12 bis 15)
• Das dritte Ausführungsbeispiel, das nachstehend mit Bezug auf die 12 bis 15 beschrieben wird, basiert ebenfalls im Wesentlichen auf dem ersten Ausführungsbeispiel und umfasst weitgehend identische Merkmale. Zur Vermeidung von Wiederholungen sind diese identischen Merkmale mit identischen Bezugszeichen versehen. Zur Erläuterung dieser Merkmale wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen. Die wesentlichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel werden nachstehend im Detail erläutert.
• Im dritten Ausführungsbeispiel ist die das Gehäuseunterteil 2a bildende Platte 2 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel vergrößert und steht beidseitig über den das Gehäuseoberteil 2b bildenden Hohlkörper bzw. Deckel hervor. Auf der Oberseite der Platte 2a erstreckt sich die Leiterstruktur 6 mit gehäuseinnenseitigen und gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen 6a, 6b, die über Leiterbahnen 6c verbunden sind. An den gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen 6b sind elektrisch leitende Pins 6d nach oben vorstehend angeordnet.
• Im Montagezustand eines Linearmotors 10, der in 15 anschaulich dargestellt ist, stehen die freien Enden der Pins 6d der statorseitigen Antriebsvorrichtung 1 mit langgestreckten, läuferseitigen Strom- und/oder Signalschienen 17, die sich parallel zur Führungsrichtung F erstrecken, in Kontakt. Nach dem Prinzip eines Stromabnehmers können Strom und/oder Signale über den Schleifkontakt auch bei einer relativen Bewegung zwischen Stator 11 und Läufer 12 übertragen werden.
• Viertes Ausführungsbeispiel (Fig. 16 bis 18)
• Das vierte Ausführungsbeispiel, das nachstehend mit Bezug auf die 16 bis 18 beschrieben wird, basiert ebenfalls im Wesentlichen auf dem ersten Ausführungsbeispiel und umfasst weitgehend identische Merkmale. Zur Vermeidung von Wiederholungen sind diese identischen Merkmale mit identischen Bezugszeichen versehen. Zur Erläuterung dieser Merkmale wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen. Die wesentlichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel werden nachstehend im Detail erläutert.
• Im vierten Ausführungsbeispiel ist die Antriebsvorrichtung 1 als Mehrachsantrieb wie z.B. für einen Objekttisch ausgelegt, um ein anzutreibendes Element wie den Objekttisch in zwei zueinander senkrecht stehenden Antriebsachsen X, Y anzutreiben. Dabei befinden sich insgesamt vier Aktuatoren 3 in kreuzförmiger Anordnung in einem ringförmigen Träger 5a, der zwischen einem Gehäuseunterteil 2a und einem Gehäuseoberteil 2b eingeklemmt und abgedichtet ist, um damit eine hermetisch dichtes, zylindrisches Gehäuse 2 zu bilden. Das Friktionselement 4 befindet sich dabei in einer Senke im Zentrum des kreisförmigen Gehäuseoberteils 2b, das gleichzeitig ein Federelement 5b bildet, um die Aktuatoren 3 innerhalb des Gehäuses 2 vorzuspannen. Wie insbesondere in der perspektivischen Schnittansicht gemäß 16b zu erkennen ist, wirken die Aktuatoren 3 innerhalb des Gehäuses 2 über eine elastische Innenwand bzw. Membran 2c mit dem außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Friktionselement 4 zusammen. Durch entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren 3 kann das Friktionselement 4 verschiedene Bewegungsmuster erzeugen, um ein anzutreibendes Element entlang der Antriebsachsen X, Y anzutreiben. Anders als im ersten Ausführungsbeispiel bildet der Träger 5a einen Teil des Gehäuses 2 und ist zwischen dem Gehäuseunterteil 2a und dem Gehäuseoberteil 2b angeordnet. Das Gehäuseoberteil 2b wirkt dabei zugleich als Federelement 5b, um die Aktuatoren 3, den Träger 5a und das Gehäuseunterteil 2a gegeneinander vorzuspannen. Die Leiterstruktur (6) zur elektrischen Ansteuerung der Aktuatoren 3 befindet sich vorzugsweise auf der Oberseite des Gehäuseunterteils 2a.
• Das Prinzip der vorliegenden Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen:
• Die vorliegende Erfindung offenbart eine eingekapselte Antriebsvorrichtung 1, insbesondere für einen piezoelektrischen Trägheits- oder Resonanzantrieb, wobei wenigstens zwei Aktuatoren 3 (z.B. piezoelektrische Mehrschichtaktuatoren 3) in einem Gehäuse 2 auf einer Basisplatte 2a angeordnet sind, wobei ein Friktions(kopplungs)element 4 an der Oberseite dieses Gehäuses 2 angeordnet ist. Die Besonderheit dieser Struktur ist, dass die Kraftübertragung zwischen den Aktuatoren 3 und dem Friktions(kopplungs)element 4 nicht durch die Einkapselung der Aktuatoren 3 im Gehäuse 2 beeinträchtigt wird. Eine sekundäre Funktion des Gehäuses 2 ist die Abfuhr der Wärme, die von den Aktuatoren 3 im Betrieb erzeugt wird, an die Umgebung. Das Gehäuse 2 kann piezoelektrische Kontakte und äußere Anschlusselektroden 6b der Aktuatoren 3 vor Oxidation schützen.
• Die Einkapselung der Aktuatoren 3 schützt selbige auch vor dem staubförmigen Abrieb, der beim Gleitkontakt zwischen Läufer 12 und Stator 11 eines piezoelektrischen Trägheits- oder Resonanzantriebs 10 erzeugt wird, ebenso wie vor dem Schmierstoff, der im Kontaktbereich und der Linearführung 13 oder Rotationsführung eingesetzt wird.
• Die vorliegende Erfindung kann in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz kommen. Durch die modulare Bauweise kann die Antriebsvorrichtung 1 ohne Demontage des Motors 10 ausgetauscht werden.
• Der Aufbau der Antriebsvorrichtung 1 ermöglicht die Einkapselung der Aktuatoren 3 ohne Beeinträchtigung der Antriebsfunktion. Die Aktuatoren 3 können über Leiterbahnen 6c, welche durch die Wand des Gehäuses 2 verlaufen, von außen elektrisch kontaktiert und angesteuert werden.
• Die Isolation der Kontaktstellen von Aktuatoren 3 und Elektroden verhindert staub- oder feuchtigkeitsbedingte Oxidation auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen. Die Isolation der Aktuatoren 3 bringt einen erheblichen Vorteil für einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer der Antriebsvorrichtung 1 mit sich.
• Für den Einsatz von Mehrschichtaktuatoren im Stator 11 eines piezoelektrischen Motors 10 ist das Einkapseln der Aktuatoren 3 grundsätzlich nur eingeschränkt möglich, weil der Läufer 12 bzw. Rotor von den Aktuatoren 3 angetrieben werden muss. Jedenfalls besteht die Gefahr, dass der Betrieb des Motors 10 durch Einkapseln der Aktuatoren 3 nachteilig beeinträchtigt wird. In einem piezoelektrischen Trägheitsantrieb werden die Mehrschichtaktuatoren mit vergleichsweise hoher Frequenz (bis zu 20 kHz) betrieben. Die Einkapselung der Aktuatoren 3 könnte einen Wärmestau bewirken, falls die Abwärme der Aktuatoren 3 nicht abgeführt werden kann. Zudem kann sich Feuchtigkeit an den Oberflächen der Aktuatoren 3 absetzen, was zur Korrosion oder allgemeinen Verschlechterung der oft auf Silber basierenden Piezokeramik- und Anschlusselektroden führen kann. Eine Wärmeableitung aus dem Gehäuse 2 kann beispielsweise durch wärmeleitfähiges Gehäusematerial erreicht werden.
• Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Kombinationen der Merkmale, die in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart sind.
• Bezugszeichenliste

1

Antriebsvorrichtung

2

Gehäuse

2a

Gehäuseunterteil (Platte)

2b

Gehäuseoberteil (Hohlkörper bzw. Deckel)

2c

Membran (elastischer Wandabschnitt)

3

Aktuator

3a

Stapelverbund

3b

Seitenelektroden

3c

Seitenelektroden

4

Antriebselement bzw. Friktions(kopplungs)element

5

Lagerstruktur (Rahmen)

5a

Unterteil (Träger)

5b

Oberteil (Federelement bzw. -brücke)

5c

Hinterteil (Federelement bzw. -brücke)6 Leiterstruktur

6a

gehäuseinnenseitige Anschlussstellen

6b

gehäuseaußenseitige Anschlussstellen

6c

Leiterbahnen

7

Dichtung

8

Leiterplatte

10

Linearmotor

11

Stator

12

Läufer

13

Linearführung

14

Positionssensor

15

Positionsencoder

16

Blattfeder

17

Strom- und/oder Signalschiene

A

Auslenkungsrichtung der Aktuatoren

B

Bewegungsrichtung des Antriebselements

F

Führungsrichtung Läufer ggüb. Stator

Claims (15)

1. Antriebsvorrichtung (1), insbesondere für einen piezoelektrischen Trägheits- oder Resonanzantrieb, umfassend: ein Gehäuse (2), zumindest zwei innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete und ein elektromechanisches Material aufweisende Aktuatoren (3), die jeweils bei Anregung mit einer elektrischen Steuerspannung eine Auslenkung erzeugen, und ein außerhalb des Gehäuses (2) angeordnetes Antriebselement (4), wobei die Antriebsvorrichtung (1) eine Kraftübertragungseinrichtung (2c) aufweist, über welche die Aktuatoren (3) und das Antriebselement (4) derart bewegungsgekoppelt sind, dass das Antriebselement (4) durch Auslenkung der Aktuatoren (3) in Bewegung versetzt wird.
2. Antriebsvorrichtung (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinrichtung (2c) als elastischer Wandabschnitt (2c) des Gehäuses (2) ausgebildet ist und durch Auslenkung der Aktuatoren (3) elastisch verformt wird.
3. Antriebsvorrichtung (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (4) unter Zwischenschaltung des elastischen Wandabschnitts (2c) federnd gegenüber den Aktuatoren (3) vorgespannt ist.
4. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus zwei oder mehr Gehäuseteilen (2a, 2b) besteht, wobei die Gehäuseteile (2a, 2b) vorzugsweise unter Zwischenschaltung wenigstens eines Dichtungselements (7) verbunden sind, bevorzugt hermetisch dicht, wobei das Dichtungselement (7) besonders bevorzugt aus Epoxidharz, einem Klebstoff oder aus einem gummielastischen Material besteht.
5. Antriebsvorrichtung (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) als erstes Gehäuseteil (2a) eine vorzugsweise ebene Platte und als zweites Gehäuseteil (2b) einen durch die Platte (2a) verschließbaren, offenen Hohlkörper (2b) mit einer Kavität zur Aufnahme der Aktuatoren (3) aufweist, wobei vorzugsweise das zweite Gehäuseteil (2b) die Kraftübertragungseinrichtung (2c) aufweist, wobei bevorzugt der elastische Wandabschnitt (2c) gemäß Anspruch 2 in einem geschlossenen Zustand des Gehäuses (2) parallel zum ersten Gehäuseteil (2a) ausgerichtet ist.
6. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (1) eine elektrische Leiterstruktur (6) mit gehäuseinnenseitigen Anschlussstellen (6a) und gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen (6b) aufweist, die durch Leiterbahnen (6c) verbunden sind, wobei die Aktuatoren (3) an die gehäuseinnenseitigen Anschlussstellen (6a) elektrisch angeschlossen sind, vorzugsweise durch elektrisch leitenden Klebstoff, wobei die gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen (6b) bevorzugt zum Anschluss an eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Aktuatoren (3) ausgebildet sind und besonders bevorzugt mit einer flexiblen Leiterplatte (8) oder mit elektrisch leitenden Pins (6d), insbesondere für einen Schleifkontakt mit einer Strom- und/oder Signalschiene (17), verbunden sind.
7. Antriebsvorrichtung (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die gehäuseinnenseitigen Anschlussstellen (6a) und die gehäuseaußenseitigen Anschlussstellen (6b) und ggf. die Leiterbahnen (6c) in derselben Ebene erstrecken, vorzugsweise auf einer dem anderen Gehäuseteil (2b) zugewandten Seite des einen Gehäuseteils (2a) gemäß Anspruch 4 oder 5.
8. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstruktur (6) fest mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.
9. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (3) in einem verschlossenen Zustand des Gehäuses (2) kraftschlüssig im Gehäuse (2) fixiert sind, vorzugsweise klemmend zwischen zwei verbundenen Gehäuseteilen (2a, 2b) gemäß Anspruch 4 oder 5.
10. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (1) eine Wärmeableitung (6c) zur Ableitung der bei Auslenkung der Aktuatoren (3) erzeugten Abwärme aus dem Gehäuse (2) aufweist.
11. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (1) einen Träger (5a) und eine das Gehäuse (2) gegen den Träger (5a) drängende Federeinrichtung (5b) aufweist, wobei das Antriebselement (4) vorzugsweise auf der Federeinrichtung (5b) angeordnet ist.
12. Antriebsvorrichtung (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5a) und die Federeinrichtung (5b) einen das Gehäuse (2) umschließenden Rahmen (5) bilden, wobei die Federeinrichtung (5b) vorzugsweise als eine das Gehäuse (2) überspannende Federbrücke (5a) ausgebildet ist und bevorzugt einerseits oder beiderseits des Gehäuses (2) mit dem Träger (5a) verbunden ist.
13. Linear- oder Rotationsmotor (10), umfassend eine Antriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, einen Stator (11) und einen Läufer (12), wobei der Stator (11) und der Läufer (12) über eine Führungseinrichtung (13) derart verbunden sind, dass sich der Läufer (12) gegenüber dem Stator (11) entlang einer Führungsrichtung (F) bewegen kann, wobei die Antriebsvorrichtung (1) so mit dem Stator (11) und dem Läufer (12) gekoppelt ist, dass sie den Läufer (12) bei elektrischer Anregung der Aktuatoren (3) mit einer Antriebskraft in Führungsrichtung (F) beaufschlagt.
14. Linear- oder Rotationsmotor (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (1) fest mit dem Stator (11) verbunden und vorzugsweise federnd gegenüber dem Läufer (12) vorgespannt ist, oder umgekehrt.
15. Linear- oder Rotationsmotor (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (12) eine federnde Kraftaufnahmeeinrichtung (16) zur Aufnahme der Antriebskraft der Antriebsvorrichtung (1) aufweist, wobei vorzugsweise die Kraftaufnahmeeinrichtung (16) in einem Zustand, in welchem die Antriebsvorrichtung (1) am Stator (11) montiert ist, austauschbar ist.

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