DE102020215808B3

DE102020215808B3 - Linearschrittantrieb, Antriebsanordnung, sowie Verfahren zum Betreiben eines Linearschrittantriebs

Info

Publication number: DE102020215808B3
Application number: DE102020215808.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Beuschel; Stefan Bauer
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-03-10
Anticipated expiration: 2040-12-15

Abstract

Linearschrittantrieb (10) aufweisend: ein sich entlang einer Zahnstangenachse (16) erstreckendes Zahnstangenelement (14); ein eine Bewegung des Zahnstangenelements (14) entlang der Zahnstangenachse (16) ermöglichendes Lagerelement (20); ein Aktuatorelement (22) mit einem mit einem Gehäuse (26) des Linearschrittantriebs (10) ortsfest verbundenen Lagerabschnitt (24) und einem mit dem Lagerabschnitt (24) verbundenen Aktuatorabschnitt (28); ein Formgedächtnislegierungselement (32), dessen erstes Ende (34) ortsfest mit einer Leiterplatte (36) des Linearschrittantriebs (10) und dessen zweites Ende (38) mit dem Aktuatorabschnitt (28) verbunden ist; und ein Betätigungselement (40) mit einem an dem Aktuatorabschnitt (28) drehbar gelagerten Betätigungsabschnitt (42) zum Betätigen des Zahnstangenelements (14), einem Rückstellabschnitt (44), der an einem ersten Anlagebereich (48) anliegt, sodass eine Rückstellkraft auf den Betätigungsabschnitt (42) ausgeübt wird, und einem Freigabeabschnitt (46), der an einem zweiten Anlagebereich (50) anliegt und mit dem Gehäuse (26) kontaktierbar ist, sodass bei Kontakt der Freigabeabschnitt (46) eine der Rückstellkraft entgegenwirkende Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt (42) ausübt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearschrittantrieb, eine Antriebsanordnung mit wenigstens zwei derartigen Linearschrittantrieben, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Linearschrittantriebs.
Für vielfältige Anwendungen werden Linearantriebe benötigt, zum Beispiel für Positionieraufgaben, in Ventilen oder zur Einstellung optischer Systeme. Meistens wird dazu die rotatorische Bewegung eines Motors mittels einer Getriebeanordnung in eine lineare Bewegung eines Stellelements umgewandelt. Daneben existieren aber auch direkte lineare Aktuatoren, wie z.B. Hubmagnete, thermische Aktuatoren oder Formgedächtnislegierungselemente. Für sehr kurze Stellwege können diese linearen Aktuatoren in Linearantrieben Verwendung finden.
Aufgrund ihrer hohen Energiedichte stellen dabei die Formgedächtnislegierungselemente eine besonders kompakte und kostengünstige Möglichkeit dar. Es sind bereits Ansätze für kurzhubige Linearantriebe mittels Formgedächtnislegierungselementen bekannt. Darüber hinaus gibt es Ansätze, die kurzhubige Bewegung schrittweise zu einem größeren Hub auszubauen, bspw. mittels Sperrklinke, Peristaltik oder Vibration.
Das Dokument nutzt bspw. einen auf einem Formgedächtnislegierungselement basierenden Linearantrieb mit Sperrklinken-Mechanismus.
Das Dokument JP H09-252 586 A nutzt elastische Fasern zum großhubigen Verschieben eines Rohres.
Die Dokumente DE 10 2014 206 133 A1 und DE 10 2014 206 134 A1 verwenden eine Kulissenscheibe für eine bistabile, mittels Formgedächtnislegierungsdrähten betätigbare Klappe.
Weitere auf Formgedächtnislegierungsdrähten basierende Antriebe sind aus den Dokumenten EP 1 734 294 A2 , WO 2003/095 798 A1 und WO 2012/082 951 A2 bekannt.
Auch die US 2005/ 0160858 A1 offenbart einen Linearschrittantrieb mit einem Zahnstangenelement, dort ist allerdings das Formgedächtnislegierungselement direkt mit dem Betätigungselement verbunden, wobei eine Betätigung des Zahnstangenelements durch eine Feder erfolgt, die gegen das Betätigungselement drückt. Lediglich die Rückführung des Betätigungselements, damit dieses in einen anderen Zahn des Zahnstangenelements eingreifen kann, erfolgt durch das Formgedächtnislegierungselement. Das Betätigungselement hat auch kein Rückstellelement und damit keine eigene federnde Eigenschaft.
Bei dem Linearschrittantrieb der US 2005/0160858 A1 wird somit mittels eines Formgedächtnislegierungselements, eines Federelements und eines Betätigungselements eine Bewegung des Zahnstangenelements ermöglicht.
Allerdings bilden dort das Formgedächtnislegierungselement und das Federelement keine miteinander direkt verbundene Wirkeinheit und außerdem wäre es erforderlich, das Betätigungselement aufwändig zu führen, damit es seine Wirkung entfalten kann. Dazu liefert jedoch die US 2005/0160858 A1 aufgrund der nur schematischen Darstellung keinen Hinweis.
Obige Antriebe sind jedoch komplex und vergleichsweise aufwändig gebaut.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen auf einem Formgedächtnislegierungselement basierenden Linearschrittantrieb bereitzustellen, der vergleichsweise einfach aufgebaut ist. Ferner ist es eine Aufgabe, eine Antriebsanordnung, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Linearschrittantriebs bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch einen Linearschrittantrieb gemäß dem Patentanspruch 1, einer Antriebsanordnung gemäß dem Patentanspruch 9 und einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 10 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Linearschrittantrieb zum Bewegen einer Last bereitgestellt. Der Linearschrittantrieb kann beispielsweise für eine Stellklappe einer Lüftung, zur Einstellung optischer Systeme, wie zum Beispiel zur Verstellung eines Spiegels oder Rückspiegels, wie auch zum Betätigen eines Entriegelungsmechanismus verwendet werden. Der erfindungsgemäße Linearschrittantrieb umfasst ein mit der Last koppelbares Zahnstangenelement, das sich entlang einer Zahnstangenachse erstreckt und mehrere in Richtung der Zahnstangenachse angeordnete Zähne aufweist, sowie ein Lagerelement zum Lagern des Zahnstangenelements, wobei das Lagerelement dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Zahnstangenelements entlang, und zwar ausschließlich entlang, der Zahnstangenachse zu ermöglichen. Der erfindungsgemäße Linearschrittantrieb umfasst ferner ein Aktuatorelement mit einem Lagerabschnitt, der mit einem Gehäuse des Linearschrittantriebs ortsfest verbunden ist, und einem mit dem Lagerabschnitt über einen Biegeabschnitt verbundenen Aktuatorabschnitt, der mittels des Biegeabschnitts relativ zum Lagerabschnitt verkippbar ist. Der erfindungsgemäße Linearschrittantrieb umfasst weiter ein Formgedächtnislegierungselement, dessen Länge durch Beaufschlagung mit elektrischer Leistung einstellbar ist, wobei ein erstes Ende des Formgedächtnislegierungselements ortsfest mit einer Leiterplatte des Linearschrittantriebs verbunden ist, und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende des Formgedächtnislegierungselements mit dem Aktuatorabschnitt verbunden ist. Der erfindungsgemäße Linearschrittantrieb umfasst zudem ein Betätigungselement mit einem an dem Aktuatorabschnitt drehbar gelagerten Betätigungsabschnitt zum Betätigen des Zahnstangenelements, einem Rückstellabschnitt, der mit dem Betätigungsabschnitt verbunden ist und an einem ersten Anlagebereich des Aktuatorabschnitts derart anliegt, dass der Rückstellabschnitt eine Rückstellkraft auf den Betätigungsabschnitt, insbesondere zum Aufrichten des Betätigungsabschnitts, ausübt, sowie mit einem Freigabeabschnitt, der ebenfalls mit dem Betätigungsabschnitt verbunden ist, wobei der Freigabeabschnitt an einem zweiten Anlagebereich des Aktuatorabschnitts anliegt und mit dem Gehäuse des Linearschrittantriebs derart kontaktierbar ist, dass bei Kontakt des Freigabeabschnitts mit dem Gehäuse der Freigabeabschnitt eine der Rückstellkraft entgegenwirkende Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt ausübt, sodass insbesondere eine der Aufrichtung des Betätigungsabschnitts entgegengesetzte Bewegung des Betätigungsabschnitts erreicht wird.
In einem ersten Zustand des Linearschrittantriebs, in dem das Formgedächtnislegierungselement mit einem ersten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, befindet sich der Aktuatorabschnitt in einer ersten Position, insbesondere in einer waagerechten Position, in der der Freigabeabschnitt mit dem Gehäuse in Kontakt ist und sich der Betätigungsabschnitt durch die vom Freigabeabschnitt ausgeübte Freigabekraft in einer Freigabeposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt nicht in Kontakt bzw. frei von Kontakt mit einem jeweiligen Zahn des Zahnstangenelements ist. Mit anderen Worten wird im ersten Zustand des erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs der Betätigungsabschnitt durch die Freigabekraft in die Freigabeposition gezwungen, sodass der Betätigungsabschnitt keinen Kontakt mit einem jeweiligen Zahn des Zahnstangenelements hat. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Formgedächtnislegierungselement im ersten Zustand nicht mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist bzw. der erste Leistungswert ein Wert von 0 Watt ist. Dadurch wird ein energieloser Zustand, d.h. ein Zustand, bei dem keine Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements mit elektrischer Leistung vorhanden ist, erreicht, in dem der Betätigungsabschnitt außer Eingriff mit den Zähnen des Zahnstangenelements ist.
In einem zweiten Zustand des erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs, in dem das Formgedächtnislegierungselement mit einem zweiten Leistungswert, der größer als der erste Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, ist das Formgedächtnislegierungselement derart verkürzt, dass sich der Aktuatorabschnitt in einer gegenüber der ersten Position verkippten zweiten Position befindet, bei der der Freigabeabschnitt nicht mehr in Kontakt mit dem Gehäuse ist, sodass sich der Betätigungsabschnitt des Betätigungselements aufgrund der von dem Rückstellabschnitt ausgeübten Rückstellkraft in eine bezüglich der Freigabeposition verdrehten Eingriffsposition befindet. In der Eingriffsposition ist der Betätigungsabschnitt in Eingriff mit einem ersten Zahn der mehreren Zähne des Zahnstangenelements. Mit anderen Worten ist in dem zweiten Zustand des erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs kein Kontakt mehr zwischen dem Freigabeabschnitt und dem Gehäuse des Linearschrittantriebs vorhanden, sodass die von dem Rückstellabschnitt aufgebrachte Rückstellkraft den Betätigungsabschnitt in die Eingriffsposition zwingt, in der der Betätigungsabschnitt in Eingriff mit einem der mehreren Zähne des Zahnstangenelements ist.
In einem dritten Zustand des erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs, in dem das Formgedächtnislegierungselement mit einem dritten Leistungswert, der größer oder gleich dem zweiten Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, ist das Formgedächtnislegierungselement derart weiter verkürzt, dass sich der Aktuatorabschnitt nunmehr in einer bezüglich der zweiten Position weiter verkippten, dritten Position befindet, bei der der Aktuatorabschnitt nun seinerseits eine Betätigungskraft auf den Betätigungsabschnitt des Betätigungselements ausübt, dergestalt, dass sich der Betätigungsabschnitt in einer bezüglich der Eingriffsposition verschobenen Betätigungsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt zwar weiter in Eingriff mit dem ersten Zahn ist, das Zahnstangenelement aber wenigstens um eine Zahnteilung (Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Zähnen des Zahnstangenelements) verschoben ist. Mit anderen Worten wird durch die Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements mit einem dritten Leistungswert der Aktuatorabschnitt weiter verkippt, sodass der sich in Eingriff befindliche Betätigungsabschnitt derart betätigt wird, dass das Zahnstangenelement verschoben wird und dadurch beispielsweise die mit dem Zahnstangenelement koppelbare Last bewegt werden kann.
In einem vierten Zustand des erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs, ist das Formgedächtnislegierungselement schließlich mit einem vierten Leistungswert, der kleiner als der dritte Leistungswert ist, derart mit elektrischer Leistung beaufschlagt, dass sich der Aktuatorabschnitt in einer in Richtung der zweiten Position zumindest teilweise zurückgekippten, vierten Position befindet, bei der sich der Betätigungsabschnitt des Betätigungselements erneut in der Eingriffsposition befindet, wobei der Betätigungsabschnitt jedoch in Eingriff mit einem dem ersten Zahn benachbarten zweiten Zahn des Zahnstangenelements ist. Der zweite Zahn muss dabei nicht zwangsläufig der direkt benachbarte Zahn des ersten Zahns sein. Es ist auch möglich, dass der Betätigungsabschnitt beim Zurückbewegen bzw. Zurückspringen entlang der Zahnstangenachse einen oder mehrere Zähne überspringt, sodass zwischen dem ersten Zahn und den zweiten Zahn ein oder mehrere Zähne vorhanden sein können. Da das Lagerelement des Zahnstangenelements immer auch eine inhärente Haftreibung aufweist, führt ein Zurückbewegen bzw. Zurückspringen des Betätigungsabschnitts vom ersten Zahn zum zweiten Zahn im Übrigen nicht zu einem Zurückbewegen des Zahnstangenelements. Die inhärente Haftreibung des Lagerelements wirkt sozusagen der Zurückbewegung des Betätigungsabschnitts entgegen, wie dem Fachmann für derartige Anordnungen bekannt ist.
Der erfindungsgemäße Linearschrittantrieb ermöglicht es, dass allein durch eine entsprechende Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements mit elektrischer Leistung der relativ kleine Hub des Formgedächtnislegierungselements über einen Schrittantrieb in einen vergleichsweisen großen Hub des Zahnstangenelements umgesetzt werden kann. Die drehbare Lagerung des Betätigungsabschnitts und das Vorhandensein des Rückstellabschnitts und des Freigabeabschnitts führen dazu, dass sich bei entsprechender Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements mit elektrischer Leistung der Betätigungsabschnitt von der Freigabeposition in die Eingriffsposition und von dort in die Betätigungsposition bewegt, wodurch das Zahnstangenelement schrittweise entlang der Zahnstangenachse bewegt werden kann. Dies ist eine besonders einfache Bauweise für einen Linearschrittantrieb, da auf kaskadierte Formgedächtnislegierungsdrähte oder dergleichen verzichtet werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Linearschrittantriebs erstreckt sich der Aktuatorabschnitt in einer Ebene und befinden sich der Freigabeabschnitt und der Betätigungsabschnitt des Betätigungselements auf gegenüberliegenden Seiten des Aktuatorabschnitts bezüglich dieser Ebene. Dadurch wird eine vergleichsweise geringe Bauhöhe bei weiterhin einfacher Bauweise des Linearschrittantriebs erreicht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der Aktuatorabschnitt in einer ersten Ebene und erstreckt sich der Betätigungsabschnitt in einer zweiten Ebene, wobei die zweite Ebene mit der ersten Ebene einen spitzen Winkel einschließt. In dieser bevorzugten Ausgestaltung wird erreicht, dass der Betätigungsabschnitt zumindest in der Betätigungsposition immer auch eine ausreichend große Kraftkomponente in Richtung der Zahnstangenachse aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der spitze Winkel in einem Bereich von ungefähr 30° bis ungefähr 60° liegt. In diesem Bereich ergibt sich zum Beispiel für einen spitzen Winkel von ungefähr 60° ein Hebelverhältnis von ungefähr 2, da bei 60° die Horizontalbewegung des Betätigungsabschnitts ungefähr doppelt so groß ist wie die Vertikalbewegung des Betätigungsabschnitts. Umgekehrt ergibt sich bei einem spitzen Winkel von ungefähr 30° ein Hebelverhältnis von 0,5, da bei 30° die Horizontalbewegung des Betätigungsabschnitts ungefähr halb so groß ist wie die Vertikalbewegung des Betätigungsabschnitts. Durch eine entsprechende Wahl des spitzen Winkels, lässt sich somit auch das Hebelverhältnis an die jeweilige Anforderung anpassen. Dabei hat sich gezeigt, dass bei einem spitzen Winkel von mehr als 60° der Anteil der Kraftkomponente senkrecht zur Zahnstangenachse unverhältnismäßig groß werden würde und somit das Betätigungselement eine vergleichsweise hohe Kraft auf das Zahnstangenelement senkrecht zur Zahnstangenachse ausübt, was zu einer unverhältnismäßig hohen Reibung bei dem Zahnstangenelement führen würde. Auch hat sich gezeigt, dass bei einem spitzen Winkel von weniger als 30° der Anteil der Kraftkomponente in Richtung der Zahnstangenachse unverhältnismäßig gering werden würde.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs ist eine Länge des Betätigungsabschnitts mindestens doppelt so groß wie eine Länge des Freigabeabschnitts. Dadurch wird ein vergleichsweiser geringer Hub des Formgedächtnislegierungselements dazu benutzt, den Kontakt zwischen dem Freigabeabschnitt und dem Gehäuse zu lösen. Der restliche, verfügbare Hub des Formgedächtnislegierungselements kann zum Bewegen des Zahnstangenelements verwendet werden. Somit wird sichergestellt, dass der verfügbare Hub des Formgedächtnislegierungselements effizient zum Bewegen des Zahnstangenelements genutzt werden kann. Der Begriff „Länge“ des Betätigungsabschnitts bzw. Freigabeabschnitts bedeutet in diesem Zusammenhang ein Abstand von einem Drehpunkt des Betätigungselements bis hin zu einem Endbereich des jeweiligen Abschnitts, der entweder in Kontakt mit dem Zahnstangenelement oder dem Gehäuse des Linearschrittantriebs kommt. Mit anderen Worten wird die „Länge“ des Betätigungsabschnitts bzw. Freigabeabschnitts in Längserstreckungsrichtung des Betätigungselements gemessen, was dem Fachmann klar sein sollte.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schrittantriebs weist der Aktuatorabschnitt eine Ausnehmung auf und erstreckt sich das Betätigungselement durch diese Ausnehmung hindurch. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauweise erreicht, da das Betätigungselement sozusagen durch den Aktuatorabschnitt hindurchragen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung bildet zumindest ein Teil einer Umrandungsfläche dieser Ausnehmung den zweiten Anlagebereich für den Freigabeabschnitt. In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das Betätigungselement also durch die Ausnehmung geführt und kann an der Umrandungsfläche der Ausnehmung anliegen. Dadurch kann ein Kraftschluss zwischen dem Betätigungselement und dem Aktuatorabschnitt erzeugt werden. Gleichzeitig kann das Betätigungselement aber auch eine drehbewegliche Ausweichbewegung durchführen, sodass der Teil der Umrandungsfläche, der den zweiten Anlagebereich bildet, eine (implizite) Drehachse für die Drehbewegung des Betätigungselements aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs weist das Zahnstangenelement zwischen zwei benachbarten Zähnen eine Zahnlücke auf, die derart bemessen ist, dass im dritten Zustand des Linearschrittantriebs, also in dem Zustand, in dem das Formgedächtnislegierungselement mit dem dritten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, der Betätigungsabschnitt keine Verschiebung des Zahnstangenelements bewirkt. Sobald sich also der Betätigungsabschnitt im dritten Zustand des Linearschrittantriebs in der Zahnlücke befindet, führt eine weitere Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements mit elektrischer Leistung, zwar zum Bewegen des Betätigungsabschnitts, nicht aber zum Bewegen des Zahnstangenelements. Mit anderen Worten kann sich das Betätigungselement auch bei einem darauffolgenden Betätigungszyklus frei bewegen, ohne dass das Formgedächtnislegierungselement „auf Block“ oder gegen einen festen Anschlag läuft. Die Zahnlücke verhindert also eine Beschädigung des Formgedächtnislegierungselements. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn ein Endlagenkontakt verwendet wird, der den Wechsel der elektrischen Beaufschlagung vom dritten zum vierten Leistungswert angibt. Ohne Zahnlücke würde in einem solchen Fall der Endlagenkontakt niemals auslösen und damit das Formgedächtnislegierungselement beschädigt werden. Mit Zahnlücke wird hingegen der Endlagenkontakt erreicht, da sich das Betätigungselement in der Zahnlücke bis zum Auslösen des Endlagenkontakts frei bewegen kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Antriebsanordnung zum Bewegen einer Last bereitgestellt. Die Antriebsanordnung umfasst einen ersten Linearschrittantrieb gemäß dem ersten Aspekt bzw. dessen Ausgestaltungen, sowie einen zweiten Linearschrittantrieb gemäß dem ersten Aspekt bzw. dessen Ausgestaltungen, wobei das Zahnstangenelement des ersten Linearschrittantriebs und das Zahnstangenelement des zweiten Linearschrittantriebs als ein gemeinsames Zahnstangenelement ausgebildet sind, und wobei das Betätigungselement des ersten Linearschrittantriebs und das Betätigungselement des zweiten Linearschrittantriebs derart zueinander angeordnet sind, dass die Last in zwei entgegengesetzte Richtungen bezüglich der Zahnstangenachse bewegbar ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Linearschrittantriebs zum Bewegen einer Last bereitgestellt, wobei der Linearschrittantrieb aufweist: ein mit der Last koppelbares Zahnstangenelement, das sich entlang einer Zahnstangenachse erstreckt und mehrere in Richtung der Zahnstangenachse angeordnete Zähne aufweist; ein Lagerelement zum Lagern des Zahnstangenelements, wobei das Lagerelement dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Zahnstangenelements entlang, und zwar ausschließlich entlang, der Zahnstangenachse zu ermöglichen; ein Aktuatorelement mit einem Lagerabschnitt, der mit einem Gehäuse des Linearschrittantriebs ortsfest verbunden ist, und einem mit dem Lagerabschnitt über einen Biegeabschnitt verbundenen Aktuatorabschnitt, der mittels des Biegeabschnitts relativ zum Lagerabschnitt verkippbar ist; ein Formgedächtnislegierungselement, dessen Länge durch Beaufschlagung mit elektrischer Leistung einstellbar ist, wobei ein erstes Ende des Formgedächtnislegierungselements ortsfest mit einer Leiterplatte des Linearschrittantriebs verbunden ist, und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende des Formgedächtnislegierungselements mit dem Aktuatorabschnitt verbunden ist; und ein Betätigungselement mit einem an dem Aktuatorabschnitt drehbar gelagerten Betätigungsabschnitt zum Betätigen des Zahnstangenelements, einem Rückstellabschnitt, der mit dem Betätigungsabschnitt verbunden ist und an einem ersten Anlagebereich des Aktuatorabschnitts derart anliegt, dass der Rückstellabschnitt eine Rückstellkraft auf den Betätigungsabschnitt ausübt, und einem Freigabeabschnitt, der ebenfalls mit dem Betätigungsabschnitt verbunden ist, wobei der Freigabeabschnitt an einem zweiten Anlagebereich des Aktuatorabschnitts anliegt und mit dem Gehäuse des Linearschrittantriebs derart kontaktierbar ist, dass bei Kontakt des Freigabeabschnitts mit dem Gehäuse der Freigabeabschnitt eine der Rückstellkraft entgegenwirkende Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt ausübt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Schritt a):
- Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements mit einem ersten Leistungswert mit elektrischer Leistung, sodass sich der Aktuatorabschnitt in einer ersten Position, insbesondere waagerechten Position, befindet, bei der der Freigabeabschnitt des Betätigungselements mit dem Gehäuse in Kontakt ist und sich der Betätigungsabschnitt des Betätigungselements durch die vom Freigabeabschnitt ausgeübte Freigabekraft in einer Freigabeposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt nicht in Kontakt mit einem jeweiligen Zahn des Zahnstangenelements ist,
Schritt b):
- Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements mit einem zweiten Leistungswert, der größer als der erste Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung, sodass das Formgedächtnislegierungselement derart verkürzt ist, dass sich der Aktuatorabschnitt in einer gegenüber der ersten Position verkippten zweiten Position befindet, bei der der Freigabeabschnitt nicht in Kontakt bzw. frei von Kontakt mit dem Gehäuse ist, sodass sich der Betätigungsabschnitt des Betätigungselements aufgrund der von dem Rückstellabschnitt des Betätigungselements ausgeübten Rückstellkraft in einer bezüglich der Freigabeposition verdrehten Eingriffsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt in Eingriff mit einem ersten Zahn der mehreren Zähne des Zahnstangenelements ist,
Schritt c):
- Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements mit einem dritten Leistungswert, der größer oder gleich dem zweiten Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung, sodass das Formgedächtnislegierungselement derart weiter verkürzt ist, dass der Aktuatorabschnitt sich in einer bezüglich der zweiten Position weiter verkippten dritten Position befindet, bei der der Aktuatorabschnitt eine entgegen der Rückstellkraft wirkende Betätigungskraft ausübt, sodass sich der Betätigungsabschnitt des Betätigungselements in einer bezüglich der Eingriffsposition verschobenen Betätigungsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt weiter in Eingriff mit dem ersten Zahn der mehreren Zähne des Zahnstangenelements ist und das Zahnstangenelement um wenigstens eine Zahnteilung verschoben ist,
und Schritt d):
- Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements mit einem vierten Leistungswert, der kleiner als der dritte Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung, sodass sich der Aktuatorabschnitt in einer in Richtung der zweiten Position zumindest teilweise zurückgekippten vierten Position befindet, bei der sich der Betätigungsabschnitt des Betätigungselements erneut in der Eingriffsposition befindet, wobei der Betätigungsabschnitt in Eingriff mit einem dem ersten Zahn benachbarten zweiten Zahn der mehreren Zähne des Zahnstangenelements ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte c) und d) solange wiederholt durchgeführt, bis eine in Richtung der Zahnstangenachse gemessene, vorbestimmte Bewegungslänge des Zahnstangenelements erreicht ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren müssen also die Schritte a) und b) gegebenenfalls nur einmal durchgeführt werden und können anschließend nur noch die Schritte c) und d) durchgeführt werden, bis die vorbestimmte Bewegungslänge erreicht ist. Dies ermöglicht ein besonders effizientes Betreiben des Linearschrittantriebs.
Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs, wobei sich der Linearschrittantrieb in einem ersten Zustand befindet,
2 eine schematische Ansicht des Linearschrittantriebs von 1, wobei sich der Linearschrittantrieb in 2 in einem zweiten Zustand befindet,
3 eine schematische Ansicht des Linearschrittantriebs von 1, wobei sich der Linearschrittantrieb in 3 in einem dritten Zustand befindet,
4 eine schematische Ansicht des Linearschrittantriebs von 1, wobei sich der Linearschrittantrieb in 4 in einem vierten Zustand befindet,
5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs, wobei sich der Linearschrittantrieb in einem ersten Zustand befindet,
6 eine schematische Ansicht des Linearschrittantriebs von 6, wobei sich der Linearschrittantrieb in 6 in einem zweiten Zustand befindet,
7 eine schematische Ansicht des Linearschrittantriebs von 6, wobei sich der Linearschrittantrieb in 7 in einem dritten Zustand befindet,
8 eine schematische Ansicht des Linearschrittantriebs von 6, wobei sich der Linearschrittantrieb in 8 in einem vierten Zustand befindet,
9 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs,
10 eine schematische Ansicht des Linearschrittantriebs von 9, wobei sich der Linearschrittantrieb in 10 einem anderen Zustand befindet, und
11 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Linearschrittantriebs.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es sei zunächst auf 1 verwiesen, die eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearschrittantriebs 10 zeigt. Wie bereits erwähnt, kann der Linearschrittantrieb 10 für diverse Positionieraufgaben verwendet werden. Dazu zählt allgemein das Bewegen einer Last, die in 1 beispielhaft mit dem Bezugszeichen 12 angedeutet ist. Zur Vermeidung unnötiger Komplexität ist die Last 12 lediglich in 1 dargestellt.
Der Linearschrittantrieb 10 umfasst ein mit der Last 12 koppelbares Zahnstangenelement 14. Die Kopplung zwischen der Last 12 und dem Zahnstangenelement 14 kann entweder direkt sein, wie in 1 exemplarisch dargestellt, oder sie kann auch mittelbar sein, beispielsweise mittels eines Bowdenzugs oder mittels anderer Hilfsmittel.
Das Zahnstangenelement 14 umfasst mehrere sich entlang einer Zahnstangenachse 16 erstreckende Zähne 18, die allgemein auch als Eingriffsmittel bezeichnet werden können, wie dem Fachmann für derartige Zahnstangenelement geläufig ist. Das Zahnstangenelement 14 ist mittels eines Lagerelements 20 derart gelagert, dass das Zahnstangenelement 14 lediglich eine Bewegung entlang der Zahnstangenachse 16 durchführen kann.
Der Linearschrittantrieb 10 umfasst ferner ein Aktuatorelement 22. Das Aktuatorelement 22 weist einen Lagerabschnitt 24 auf, der mit einem Gehäuse 26 des Linearschrittantriebs 10 ortsfest verbunden ist. Die Bezeichnung „ortsfest“ meint im Zusammenhang mit dieser Offenbarung, dass der Lagerabschnitt 24 im Wesentlichen keine räumliche Bewegung relativ zum Gehäuse 26 durchführen kann. Neben dem Lagerabschnitt 24 weist das Aktuatorelement 22 einen mit dem Lagerabschnitt 24 verbundenen Aktuatorabschnitt 28 auf. Der Aktuatorabschnitt 28 und der Lagerabschnitt 24 sind mittels eines Biegeabschnitts 30 derart miteinander verbunden, dass der Aktuatorabschnitt 28 relativ zum Lagerabschnitt 24 verkippbar ist. An seinem vorderen Ende weist der Aktuatorabschnitt 28 zudem eine Ausnehmung 31 auf. Das Aktuatorelement 22 kann beispielsweise ein gestanztes und/oder gekantetes Federelement sein.
Der Linearschrittantrieb 10 umfasst ferner ein Formgedächtnislegierungselement 32, dessen Länge durch Beaufschlagung mit elektrischer Leistung einstellbar ist, wie dem Fachmann für derartige Elemente bekannt ist. Ein erstes Ende 34 des Formgedächtnislegierungselements 32 ist mittels eines in 1 dargestellten Crimps mit einer Leiterplatte 36, die ebenfalls ortsfest mit dem Gehäuse 26 verbunden ist, elektrisch und mechanisch verbunden. Ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende 38 des Formgedächtnislegierungselements 32 ist zumindest mechanisch mit dem Aktuatorabschnitt 28 verbunden. Durch Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit elektrischer Leistung verkürzt sich das Formgedächtnislegierungselement 32, wie dem Fachmann bekannt ist. Die Verkürzung hat zur Folge, dass der Aktuatorabschnitt 28 gegenüber der in 1 gezeigten waagerechten Position verkippt wird, wie näher in Zusammenhang mit 2 bis 4 erklärt wird.
Der Linearschrittantrieb 10 umfasst weiterhin ein Betätigungselement 40, das ebenfalls ein gestanztes und/oder gekantetes Federelement sein kann. Das Betätigungselement 40 weist einen Betätigungsabschnitt 42 auf. Der Betätigungsabschnitt 42 dient zum Betätigen des Zahnstangenelements 14, wie näher in Zusammenhang mit 2 bis 4 beschrieben wird. Das Betätigungselement 40 umfasst neben dem Betätigungsabschnitt 42 auch noch einen Rückstellabschnitt 44, der mit dem Betätigungsabschnitt 42 verbunden ist, sowie einen Freigabeabschnitt 46, der ebenfalls mit dem Betätigungsabschnitt 42 verbunden ist. Der Rückstellabschnitt 44 liegt an einem ersten Anlagebereich 48 des Aktuatorabschnitts 28 an. Der Freigabeabschnitt 46 liegt an einem zweiten Anlagebereich 50 des Aktuatorabschnitts 28 an. Der erste und zweite Anlagebereich 48, 50 kann Teil einer Umrandungsfläche der Ausnehmung 31 sein. Im konkreten Beispiel von 1 sind der erste und zweite Anlagebereich 48, 50 durch nach oben gebogene Kanten im Aktuatorabschnitt 28 realisiert.
Der Rückstellabschnitt 44 übt eine Rückstellkraft auf den Betätigungsabschnitt 42 dergestalt aus, dass sich der Betätigungsabschnitt 42 aufgrund der von dem Rückstellabschnitt 44 ausgeübten Rückstellkraft aufrichten möchte.
Der Freigabeabschnitt 46 liegt nicht nur an dem zweiten Anlagebereich 50 des Aktuatorabschnitts 28 an, sondern ist zudem derart ausgebildet, dass er das Gehäuse 26 des Linearschrittantriebs 10 kontaktieren kann. Durch Kontaktieren des Gehäuses 26 übt der Freigabeabschnitt 46 eine der Rückstellkraft entgegenwirkende Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt 42 aus. Die Freigabekraft wirkt der Aufrichtung des Betätigungsabschnitts 42 entgegen. Solange der Freigabeabschnitt 46 in Kontakt mit dem Gehäuse 26 ist drückt die Freigabekraft den Betätigungsabschnitt 42 entgegen der Rückstellkraft nach unten, sodass eine in 1 gezeigte Freigabeposition des Betätigungsabschnitts 42 erreicht ist. In der Freigabeposition des Betätigungsabschnitts 42 ist der Betätigungsabschnitt 42 gerade nicht in Kontakt oder gerade nicht in Eingriff mit den Zähnen 18 des Zahnstangenelements 14.
Der Teil der Umrandungsfläche der Ausnehmung 31, der den zweiten Anlegebereich 50 bildet, ermöglicht ein kraftschlüssiges Anliegen des Betätigungselements 40 am zweiten Anlegebereich 50. Gleichzeitig ist eine gewisse Drehbeweglichkeit des Betätigungselements 40, insbesondere des Betätigungsabschnitts 42, relativ zum Aktuatorabschnitt 28 möglich. Mit anderen Worten kann sich der Betätigungsabschnitt 42 relativ zum Aktuatorabschnitt 28 verdrehen. In der in 1 dargestellten Position ist der Betätigungsabschnitt 42 aufgrund der vom Freigabeabschnitt 46 ausgeübten Freigabekraft gerade derart verdreht, dass der Betätigungsabschnitt 42 die bereits erwähnte Freigabeposition einnimmt.
Wie ferner in 1 dargestellt, erstreckt sich der Aktuatorabschnitt 28 im Wesentlichen entlang einer ersten Ebene 52 und erstreckt sich der Betätigungsabschnitt 42 entlang einer zweiten Ebene 54, die mit der ersten Ebene 52 einen spitzen Winkel 56 einnimmt. Der spitze Winkel 56 kann beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 30° bis ungefähr 60° liegen.
Außerdem ist in 1 ersichtlich, dass sich das Betätigungselement 40 durch die Ausnehmung 31 des Aktuatorabschnitts 28 hindurch erstreckt und der Freigabeabschnitt 46 und der Betätigungsabschnitt 42 auf gegenüberliegenden Seiten bezüglich der ersten Ebene 52 angeordnet sind. Eine Länge 58 des Betätigungsabschnitts 42 ist mindestens doppelt so groß wie eine Länge 60 des Freigabeabschnitts 46. Die Länge 58 des Betätigungsabschnitts 42 ist dabei gemessen von einem Drehbereich im Bereich des zweiten Anlagebereichs 50 bis zu einem Eingriffsbereich 62 des Betätigungsabschnitts 42, der zum Eingreifen in die Zähne 18 dient. Die Länge 60 des Freigabeabschnitts 46 ist gemessen von dem Drehbereich im Bereich des zweiten Anlagebereichs 50 bis zu einem Kontaktbereich 64 des Freigabeabschnitts 46, der zum Kontaktieren des Gehäuses 26 dient.
Im Folgenden soll nun die Funktionsweise des Linearschrittantriebs 10 beschrieben werden. Dies erfolgt anhand der 1 bis 4, wobei 1 bis 4 den Linearschrittantrieb 10 in vier unterschiedlichen Zuständen zeigen.
Die bereits diskutierte 1 zeigt den Linearschrittantrieb 10 in einem ersten Zustand, in dem das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem ersten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist. Im konkreten Beispiel von 1 ist der erste Leistungswert 0 Watt. Mit anderen Worten wird im konkreten Beispiel von 1 das Formgedächtnislegierungselement 32 nicht mit elektrischer Leistung beaufschlagt. In anderen nicht dargestellten Ausführungsformen kann jedoch der erste Leistungswert einen Wert von größer 0 Watt aufweisen.
Im ersten Zustand des Linearschrittantriebs 10 befindet sich der Aktuatorabschnitt 28 in einer ersten Position. Im konkreten Beispiel von 1 ist diese erste Position eine waagerechte Position, die sich durch die innere Vorspannkraft des Aktuatorelements 22 und der sich einstellenden Länge des Formgedächtnislegierungselements 32 ergibt. Die erste Position des Aktuatorabschnitts 28 muss aber nicht zwingend eine waagerechte Position sein.
In der ersten Position des Aktuatorabschnitts 28 ist der Freigabeabschnitt 46, wie in 1 gezeigt ist, in Kontakt mit dem Gehäuse 26. Indem der Freigabeabschnitt 46 in Kontakt mit dem Gehäuse 26 ist, wirkt eine Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt 42 und zwingt den Betätigungsabschnitt 42 in die in 1 gezeigte Freigabeposition, in der der Betätigungsabschnitt 42 nicht in Kontakt mit den Zähnen 18 des Zahnstangenelements 14 ist. Im ersten Zustand des Linearschrittantriebs 10 wird somit das Zahnstangenelement 14 nicht kontaktiert vom Betätigungsabschnitt 42. Die Position des Zahnstangenelements 14 wird somit gehalten beziehungsweise nicht verändert. Wenn, wie im konkreten Beispiel von 1, der erste Leistungswert 0 Watt beträgt, dann kann man im ersten Zustand des Linearschrittantriebs 10 auch von einem „energielosen Halten“ des Zahnstangenelements 14 sprechen.
Es sei nun auf 2 verwiesen, die den Linearschrittantrieb 10 in einem zweiten Zustand zeigt. Im zweiten Zustand ist das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem zweiten Leistungswert, der größer als der erste Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt. Im konkreten Beispiel von 2 kann der zweite Leistungswert beispielsweise 1 Watt sein.
Durch die Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit elektrischer Leistung erwärmt sich das Formgedächtnislegierungselement 32 und verkürzt sich dadurch, wie dem Fachmann bei derartigen Elementen bekannt ist. Die Verkürzung hat zur Folge, dass sich der Aktuatorabschnitt 28 in einer gegenüber der ersten Position (im konkreten Beispiel von 1 der waagerechten Position) verkippten, zweiten Position befindet. In der zweiten Position ist der Freigabeabschnitt 46 gerade nicht mehr in Kontakt mit dem Gehäuse 26. Dadurch kann die von dem Rückstellabschnitt 44 auf den Betätigungsabschnitt 42 wirkende Rückstellkraft wirken, sodass der Betätigungsabschnitt 42 aufgerichtet wird, bis sich der Betätigungsabschnitt 42 in einer bezüglich der Freigabeposition (siehe 1) verdrehten Eingriffsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt 42 in Eingriff mit einem ersten Zahn 66 der mehreren Zähne 18 des Zahnstangenelements 14 ist.
Es sei nun auf 3 verwiesen, die den Linearschrittantrieb 10 in einem dritten Zustand zeigt. Im dritten Zustand ist das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem dritten Leistungswert, der größer oder gleich dem zweiten Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist. Im konkreten Beispiel von 3 kann der dritte Leistungswert beispielsweise 2 Watt sein.
Durch Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit dem dritten Leistungswert verkürzt sich das Formgedächtnislegierungselement 32 weiter, sodass sich der Aktuatorabschnitt 28 in einer bezüglich der zweiten Position (siehe 2) weiter verkippten, dritten Position befindet. Durch dieses weitere Verkippen des Aktuatorabschnitts 28 übt der Aktuatorabschnitt 28 eine Betätigungskraft auf den Betätigungsabschnitt 42 aus, sodass sich der Betätigungsabschnitt 42 in einer bezüglich der Eingriffsposition (siehe 2) entlang der Zahnstangenachse 16 verschobenen Betätigungsposition befindet. In der Betätigungsposition ist der Betätigungsabschnitt 42 weiter in Eingriff mit dem ersten Zahn 66, jedoch ist aufgrund der Betätigungskraft des Aktuatorabschnitts 28 das Zahnstangenelement 14 in Richtung der Zahnstangenachse 16 um mindestens eine Zahnteilung verschoben. Die Zahnteilung ist dabei, wie dem Fachmann für derartige Elemente bekannt ist, der Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Zähnen 18 des Zahnstangenelements 14. Die Verschiebung des Zahnstangenelements 40 ist in 3 exemplarisch durch den nach links gerichteten Pfeil 68 dargestellt.
Es sei nun auf 4 verwiesen, die den Linearschrittantrieb 10 in einem vierten Zustand zeigt. Im vierten Zustand ist das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem vierten Leistungswert, der kleiner als der dritte Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt. Im konkreten Beispiel von 4 kann der vierte Leistungswert beispielsweise 1 Watt sein.
Durch Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit dem vierten Leistungswert längt sich das Formgedächtnislegierungselement 32 etwas. Dadurch befindet sich der Aktuatorabschnitt 28 in einer in Richtung der zweiten Position (siehe 2) zumindest teilweise zurückgekippten, vierten Position. Die vierte Position kann beispielsweise der in 2 gezeigten zweiten Position des Aktuatorabschnitts 28 entsprechen, wobei dies nicht zwingend der Fall sein muss.
Auch in der vierten Position des Aktuatorabschnitts ist der Freigabeabschnitt 46 nicht in Kontakt mit dem Gehäuse 26, sodass keine Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt 42 ausgeübt wird. Das zumindest teilweise Zurückkippen des Aktuatorabschnitts 28 führt jedoch dazu, dass sich der Betätigungsabschnitt 42 aufgrund der vom Rückstellabschnitt 44 ausgeübten Rückstellkraft teilweise wieder aufrichten kann und dadurch der Betätigungsabschnitt 42 um mindestens einen Zahn entlang des Zahnstangenelements 14 zurückspringt. Im vierten Zustand des Linearschrittantriebs 10 befindet sich der Betätigungsabschnitt 42 also weiterhin in der Eingriffsposition, ist jedoch nicht mehr in Eingriff mit dem ersten Zahn 66, sondern vielmehr mit einem dem ersten Zahn benachbarten zweiten Zahn 70 des Zahnstangenelements 14. Im konkreten Beispiel von 4 ist der zweite Zahn 70 der dem ersten Zahn 66 direkte benachbarte Zahn. Selbstverständlich ist es denkbar, dass der Betätigungsabschnitt 42 um mehr als einen Zahn zurückspringt, sodass ein oder mehrere Zähne zwischen dem zweiten Zahn 70 und dem ersten Zahn 66 vorhanden sein können. Wie bereits erklärt wurde und wie dem Fachmann bei derartigen Zahnstangenelementen bekannt ist, weist jedes Lagerelement, so wie auch das Lagerelement 20 des Linearschrittantriebs 10, eine gewisse inhärente Haftreibung auf, die dem Zurückbewegen des Zahnstangenelements 14 entgegenwirkt. Aus diesem Grund kann der Betätigungsabschnitt 42 ein oder mehrere Zähne zurückspringen, ohne dass sich das Zahnstangenelement 14 zurückbewegt.
Infolge des Zurückbewegens des Betätigungsabschnitts 42 ist der Betätigungsabschnitt 42 nunmehr in Kontakt mit dem zweiten Zahn 70. Jetzt kann das Formgedächtnislegierungselement 32 erneut mit einem dritten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt werden, wodurch die bereits in 3 beschriebene Bewegung des Zahnstangenelements 14 in Richtung des Pfeils 68 erneut erfolgen kann. Durch wiederholtes Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements 32 mit dem dritten und vierten Leistungswert kann somit eine schrittweise Bewegung des Zahnstangenelements 14 in Richtung des Pfeils 68 (siehe 3) erfolgen, bis eine vorbestimmte Bewegungslänge des Zahnstangenelements 14 erreicht ist. Es ist also nicht notwendig, dass das Formgedächtnislegierungselement 32 ausgehend vom vierten Leistungswert wieder mit dem ersten Leistungswert beaufschlagt wird. Stattdessen reicht eine Beaufschlagung mit dem dritten Leistungswert, gefolgt von einer Beaufschlagung mit dem vierten Leistungswert, bis die vorbestimmte Bewegungslänge des Zahnstangenelements erreicht ist. Dann erst kann die Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit dem ersten Leistungswert erfolgen, die, wenn der erste Leistungswert 0 Watt ist, eine Beendigung der Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit elektrischer Leistung bedeutet.
Es sei schließlich nochmals auf 3 verwiesen, in der ein Endlagenkontakt 72 dargestellt ist. Der Endlagenkontakt 72 gibt an, wann ein Wechsel von dem dritten Leistungswert auf den vierten Leistungswert erfolgen kann. Der Endlagenkontakt 72 schließt einen Stromkreis, wie dem Fachmann bei derartigen Endlagenkontakten bekannt ist, was beispielsweise durch einen elektrischen Kontakt mit der Leiterplatte 36 erfolgen kann.
Die in 1 bis 4 gezeigte konkrete Ausgestaltung des Linearschrittantriebs 10 führte zu einer Bewegung des Zahnstangenelements 14 nach links bzw. in Richtung des Pfeils 68 (siehe 3). Selbstverständlich ist es auch möglich, bei geeigneter Anordnung, eine Bewegung des Zahnstangenelements 14 in entgegengesetzter Richtung, also in diesem Beispiel nach rechts, zu ermöglichen.
Eine derartige Bewegung des Zahnstangenelements 14 nach rechts sollen nun beispielhaft anhand der 5 bis 8 erläutert werden.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Der Linearschrittantrieb 10 von 5 weist wiederum das Zahnstangenelement 14, das Lagerelement 20, das Aktuatorelement 22, das Formgedächtnislegierungselement 32 und das Betätigungselement 40 auf.
Das Aktuatorelement 22 weist den Aktuatorabschnitt 28 auf, der sich in der ersten Ebene 52 erstreckt. Das Betätigungselement 40 weist den Betätigungsabschnitt 42 auf, der sich in der zweiten Ebene 54 erstreckt. Auch hier schließen die erste Ebene 52 und die zweite Ebene 54 wieder einen spitzen Winkel 56 ein. Wie durch einen Vergleich von 1 mit 5 ersichtlich ist, ist das Betätigungselement 40 in 5 allerdings derart angeordnet, dass es in entgegengesetzte Richtung zum Betätigungselement 42 von 1 zeigt. Mit anderen Worten erstreckt sich der Betätigungsabschnitt 42 in 5 schräg nach rechts oben, wohingegen sich der Betätigungsabschnitt 42 in 1 schräg nach links oben erstreckt. Die Betätigungsabschnitte 42 sind somit bezüglich einer gedachten vertikalen Ebene gespiegelt angeordnet. Allgemein lässt sich sagen, dass der Betätigungsabschnitt 42 in Richtung der gewünschten Bewegungsrichtung angeordnet sein muss. Das heißt, wenn eine Bewegung nach links erwünscht ist (1 bis 4), dann muss auch der Betätigungsabschnitt 42 nach links gerichtet sein. Wenn eine Bewegung nach rechts gewünscht ist (5 bis 8), dann muss der Betätigungsabschnitt 42 nach rechts gerichtet sein, in beiden Fällen am besten jeweils unter einem spitzen Winkel 56 zur ersten Ebene 52 des Aktuatorabschnitts 28.
Im Folgenden sollen nun in Zusammenhang mit 5 bis 8 die vier Zustände des Linearschrittantriebs für die Bewegung der Zahnstangenachse 14 nach rechts kurz beschrieben werden.
5 zeigt den Linearschrittantrieb 10 wiederum in einem ersten Zustand, in dem das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem ersten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist. Der erste Leistungswert kann wiederum 0 Watt sein.
Wie in 5 zu erkennen ist, befindet sich im ersten Zustand des Linearschrittantriebs 10 der Aktuatorabschnitt 28 in einer ersten Position, die im konkreten Beispiel von 5 wiederum eine waagerechte Position ist, und kontaktiert im ersten Zustand des Linearschrittantriebs 10 der Freigabeabschnitt 46 das Gehäuse 26. Dadurch wird die Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt 42 ausgeübt, sodass der Betätigungsabschnitt 42 in die Freigabeposition, in der der Betätigungsabschnitt 42 keinen Kontakt mit den Zähnen 18 des Zahnstangenelements 14 aufweist, gezwungen wird.
In dem in 6 gezeigten zweiten Zustand des Linearschrittantriebs 10 ist nunmehr das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem zweiten Leistungswert, der größer als der erste Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt. Im konkreten Beispiel von 6 ist der zweite Leistungswert beispielsweise wiederum 1 Watt. Durch die Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit dem zweiten Leistungswert mit elektrischer Leistung verkürzt sich das Formgedächtnislegierungselement 32. Dadurch befindet sich der Aktuatorabschnitt 28 in einer bezüglich der ersten Position (siehe 5) verkippten, zweiten Position. In der zweiten Position ist der Freigabeabschnitt 46 nicht mehr in Kontakt mit dem Gehäuse 26, sodass keine Freigabekraft wirken kann. Gleichwohl wirkt aber die vom Rückstellabschnitt 44 ausgeübte Rückstellkraft auf den Betätigungsabschnitt 42, sodass sich der Betätigungsabschnitt 42 in einer bezüglich der Freigabeposition (5) verdrehten Eingriffsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt 42 in Eingriff mit einem ersten Zahn 66 der Zähne 18 des Zahnstangenelements 14 ist.
In dem in 7 gezeigten dritten Zustand des Linearschrittantriebs 10 ist das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem dritten Leistungswert, der größer oder gleich dem zweiten Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt.
Im konkreten Beispiel von 7 ist der dritte Leistungswert beispielsweise wiederum 2 Watt. Durch die Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit dem dritten Leistungswert mit elektrischer Leistung verkürzt sich das Formgedächtnislegierungselement 32 weiter. Dadurch befindet sich der Aktuatorabschnitt 28 in einer bezüglich der zweiten Position (siehe 6) weiter verkippten, dritten Position. In der dritten Position hat der Freigabeabschnitt 46 wiederum keinen Kontakt zu dem Gehäuse 26. Aufgrund der weiteren Verkippung des Aktuatorabschnitts 28 wirkt allerdings eine Betätigungskraft auf den Betätigungsabschnitt 42, sodass sich der Betätigungsabschnitt 42 in einer bezüglich der Eingriffsposition (siehe 6) entlang der Zahnstangenachse 16 verschobenen Betätigungsposition befindet. In der Betätigungsposition ist der Betätigungsabschnitt 42 weiter in Eingriff mit dem ersten Zahn 66, jedoch ist aufgrund der Betätigungskraft des Aktuatorabschnitts 28 das Zahnstangenelement 14 in Richtung der Zahnstangenachse 16 wiederum um mindestens eine Zahnteilung verschoben. Die Verschiebung des Zahnstangenelements 14 erfolgt dieses Mal jedoch nach rechts, was in 7 durch den nach rechts gerichteten Pfeil 74 dargestellt ist.
In dem in 8 gezeigten vierten Zustand des Linearschrittantriebs 10 ist das Formgedächtnislegierungselement 32 schließlich mit einem vierten Leistungswert, der kleiner als der dritte Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt. Im konkreten Beispiel von 8 ist der vierte Leistungswert beispielsweise wiederum 1 Watt. Durch Beaufschlagung des Formgedächtnislegierungselements 32 mit dem vierten Leistungswert längt sich das Formgedächtnislegierungselement 32 wieder etwas. Dadurch befindet sich der Aktuatorabschnitt 28 in einer in Richtung der zweiten Position (siehe 6) zumindest teilweise zurückgekippten, vierten Position. Die vierte Position kann beispielsweise der in 6 gezeigten zweiten Position des Aktuatorabschnitts 28 entsprechen, wobei dies nicht zwingend der Fall sein muss.
Auch in der vierten Position des Aktuatorabschnitts 28 ist der Freigabeabschnitt 46 nicht in Kontakt mit dem Gehäuse 26, sodass keine Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt 42 ausgeübt wird. Das zumindest teilweise Zurückkippen des Aktuatorabschnitts 28 führt jedoch dazu, dass sich der Betätigungsabschnitt 42 aufgrund der vom Rückstellabschnitt 44 ausgeübten Rückstellkraft teilweise wieder aufrichten kann und dadurch der Betätigungsabschnitt 42 um mindestens einen Zahn entlang des Zahnstangenelements 14 zurückspringt. Im vierten Zustand des Linearschrittantriebs 10 befindet sich der Betätigungsabschnitt 42 also weiterhin in der Eingriffsposition, ist jedoch nicht mehr in Eingriff mit dem ersten Zahn 66, sondern mit dem zweiten Zahn 70, der benachbart zum ersten Zahn 66 ist. Auch hier können wieder ein oder mehrere Zähne zwischen dem zweiten Zahn 70 und dem ersten Zahn 66 vorhanden sein. Die bereits erläutert Haftreibung des Lagerelements 20 verhindert, dass sich das Zahnstangenelement 14 beim Zurückspringen des Betätigungsabschnitts 42 zurückbewegt.
Da der Betätigungsabschnitt 42 nunmehr in Kontakt mit dem zweiten Zahn 70 ist, kann das Formgedächtnislegierungselement 32 erneut mit dem dritten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt werden, wodurch die bereits in 7 beschriebene Bewegung des Zahnstangenelements 14 in Richtung des Pfeils 74 erneut erfolgen kann. Durch wiederholtes Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements 32 mit dem dritten und vierten Leistungswert kann somit eine schrittweise Bewegung des Zahnstangenelements 14 in Richtung des Pfeils 74 (siehe 7) erfolgen, bis eine vorbestimmte Bewegungslänge des Zahnstangenelements 14 erreicht ist.
Durch eine geeignete Kombination von einem Linearschrittantrieb 10 gemäß 1 bis 4 und einem Linearschrittantrieb 10 gemäß 5 bis 8 kann eine Antriebsanordnung geschaffen werden, in der ein gemeinsames Zahnstangenelement 14 in zwei entgegengesetzte Richtungen bezüglich der Zahnstangenachse 16 bewegt werden kann.
Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch denkbar, dass in einer nicht gezeigten Antriebsanordnung zwei oder mehrere Linearschrittantriebe 10 gemäß 1 bis 4 oder zwei oder mehrere Linearschrittantriebe gemäß 5 bis 8 verwendet werden, wobei die jeweiligen Betätigungselemente bzw. Betätigungsabschnitte derart angeordnet sind, dass eine Betätigungskraft auf das Zahnstangeelement ausgeübt wird, die in dieselbe Richtung bzgl. der Zahnstangenachse wirkt. Derartige Antriebsanordnungen ermöglichen eine besonders kontinuierliche Bewegung des Zahnstangenelements.
Es sei nun auf 9 verwiesen, die eine weitere Ausführungsform eines Linearschrittantriebs 10 in vereinfachter Form zeigt. Die Besonderheit des Linearschrittantriebs 10 von 9 besteht darin, dass das Zahnstangenelement 14 eine Zahnlücke 76 aufweist. Die Zahnlücke 76 ist derart bemessen, dass im dritten Zustand des Linearschrittantriebs 10 der Betätigungsabschnitt 42 keine Verschiebung des Zahnstangenelements 14 bewirkt. Die Zahnlücke 76 muss dabei also mindestens so breit wie ein oder mehrere Zähne 18 des Zahnstangenelements sein. In 9 ist der Linearschrittantrieb 10 in einem Zustand gezeigt, bei dem das Formgedächtnislegierungselement (nicht gezeigt) mit dem zweiten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist und der Betätigungsabschnitt 42 in Eingriff mit dem ersten Zahn 66 ist. Wird nun das Formgedächtnislegierungselement mit dem dritten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt betätigt der Betätigungsabschnitt 42 ein letztes Mal das Zahnstangenelement 14 und bewegt dieses im konkreten Beispiel von 9 nach links, mit der Folge, dass sich der Betätigungsabschnitt 42 anschließend in der Zahnlücke 76 befindet, was in 10 dargestellt ist. Eine weitere Beaufschlagung des Betätigungsabschnitts 42 mit elektrischer Leistung mit einem vierten Leistungswert oder mit einem der ersten bis dritten Leistungswerte führt zwar zu einer Bewegung des Betätigungsabschnitts 42, nicht jedoch zu einer Bewegung des Zahnstangenelements 14, da sich der Betätigungsabschnitt 42 weiterhin in der Zahnlücke 76 befindet.
Schließlich sei auf 11 verwiesen, die ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Linearschrittantriebs 10 zeigt.
Das Verfahren startet mit Schritt 100. Danach folgt ein Schritt a), der mit dem Bezugszeichen 102 bezeichnet ist. In Schritt a) wird das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem ersten Leistungswert mit elektrischer Leistung derart beaufschlagt, dass sich der Aktuatorabschnitt 28 in einer ersten Position (vergleiche 1 oder 5) befindet, bei der der Freigabeabschnitt 46 des Betätigungselements 40 in Kontakt mit dem Gehäuse 26 ist und sich der Betätigungsabschnitt 42 des Betätigungselements 40 durch die vom Freigabeabschnitt 46 ausgeübte Freigabekraft in einer Freigabeposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt 42 nicht in Kontakt mit einem jeweiligen Zahn 18 des Zahnstangenelements 14 ist.
Anschließend folgt ein Schritt b), der mit dem Bezugszeichen 104 bezeichnet ist. In Schritt b) wird das Formgedächtnislegierungselement mit einem zweiten Leistungswert, der größer als der erste Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung derart beaufschlagt, dass das Formgedächtnislegierungselement 32 verkürzt wird und sich dadurch der Aktuatorabschnitt 28 in einer gegenüber der ersten Position (siehe 1 oder 5) verkippten, zweiten Position (siehe 2 oder 6) befindet, bei der der Freigabeabschnitt 46 nicht mehr in Kontakt mit dem Gehäuse 26 ist, sodass sich der Betätigungsabschnitt 42 aufgrund der von dem Rückstellabschnitt 44 ausgeübten Rückstellkraft in eine bezüglich der Freigabeposition (siehe 1 oder 5) vertreten Eingriffsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt in Eingriff mit einem ersten Zahn 66 der Zähne 18 des Zahnstangenelements 14 ist.
Anschließend folgt ein Schritt c), der mit dem Bezugszeichen 106 bezeichnet ist. In Schritt c) wird das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem dritten Leistungswert, der größer oder gleich dem zweiten Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung derart beaufschlagt, dass das Formgedächtnislegierungselement 32 derart weiter verkürzt wird und sich dadurch der Aktuatorabschnitt 28 in einer bezüglich der zweiten Position (siehe 2 oder 6) weiter verkippten, dritten Position (siehe 3 oder 7) befindet, bei der der Aktuatorabschnitt 28 eine entgegen der Rückstellkraft wirkende Betätigungskraft ausübt, sodass sich der Betätigungsabschnitt 42 in einer bezüglich der Eingriffsposition (siehe 2 oder 6) verschobenen Betätigungsposition befindet. In der Betätigungsposition ist der Betätigungsabschnitt 42 weiter in Eingriff mit dem ersten Zahn 66, allerdings ist das Zahnstangenelement 14 um wenigstens eine Zahnteilung verschoben.
Anschließend folgt ein Schritt d), der mit dem Bezugszeichen 108 bezeichnet ist. In Schritt d) wird das Formgedächtnislegierungselement 32 mit einem vierten Leistungswert, der kleiner als der dritte Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung derart beaufschlagt, dass sich der Aktuatorabschnitt 28 dadurch in einer in Richtung der zweiten Position (siehe 2 oder 6) zumindest teilweise zurückgekippten, vierten Position (siehe 4 oder 8) befindet, bei der sich der Betätigungsabschnitt 42 erneut in der Eingriffsposition befindet, wobei der Betätigungsabschnitt 42 allerdings in Eingriff mit einem dem ersten Zahn 66 benachbarten zweiten Zahn 70 des Zahnstangenelements 14 ist.
In einem Schritt 110 wird abgefragt, ob die bewirkte Bewegungslänge des Zahnstangenelements 14 einer vorbestimmten Bewegungslänge entspricht. Wird in Schritt 110 festgestellt, dass die vorbestimmte Bewegungslänge noch nicht erreicht ist, springt das Verfahren zurück und wiederholt die Schritte c) und d) solange, bis die vorbestimmte Bewegungslänge erreicht ist.
Das Verfahren endet schließlich mit Schritt 112.

Claims

Linearschrittantrieb (10) zum Bewegen einer Last (12), aufweisend: - ein mit der Last (12) koppelbares Zahnstangenelement (14), das sich entlang einer Zahnstangenachse (16) erstreckt und mehrere in Richtung der Zahnstangenachse (16) angeordnete Zähne (18) aufweist, - ein Lagerelement (20) zum Lagern des Zahnstangenelements (14), wobei das Lagerelement (20) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Zahnstangenelements (14) entlang der Zahnstangenachse zu ermöglichen, - ein Aktuatorelement (22) mit + einem Lagerabschnitt (24), der mit einem Gehäuse (26) des Linearschrittantriebs (10) ortsfest verbunden ist, und + einem mit dem Lagerabschnitt (24) über einen Biegeabschnitt (30) verbundenen Aktuatorabschnitt (28), der mittels des Biegeabschnitts (30) relativ zum Lagerabschnitt (24) verkippbar ist, - ein Formgedächtnislegierungselement (32), dessen Länge durch Beaufschlagung mit elektrischer Leistung einstellbar ist, wobei + ein erstes Ende (34) des Formgedächtnislegierungselements (32) ortsfest mit einer Leiterplatte (36) des Linearschrittantriebs (10) verbunden ist, und + ein dem ersten Ende (34) gegenüberliegendes zweites Ende (38) des Formgedächtnislegierungselements (32) mit dem Aktuatorabschnitt (28) verbunden ist, und - ein Betätigungselement (40) mit: + einem an dem Aktuatorabschnitt (28) drehbar gelagerten Betätigungsabschnitt (42) zum Betätigen des Zahnstangenelements (14), + einem Rückstellabschnitt (44), der mit dem Betätigungsabschnitt (42) verbunden ist und an einem ersten Anlagebereich (48) des Aktuatorabschnitts (28) derart anliegt, dass der Rückstellabschnitt (44) eine Rückstellkraft auf den Betätigungsabschnitt (42) ausübt, und + einem Freigabeabschnitt (46), der ebenfalls mit dem Betätigungsabschnitt (42) verbunden ist, wobei der Freigabeabschnitt (46) an einem zweiten Anlagebereich (50) des Aktuatorabschnitts (28) anliegt und mit dem Gehäuse (26) des Linearschrittantriebs (10) derart kontaktierbar ist, dass bei Kontakt des Freigabeabschnitts (46) mit dem Gehäuse (26) der Freigabeabschnitt (46) eine der Rückstellkraft entgegenwirkende Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt (42) ausübt, wobei - in einem ersten Zustand, in dem das Formgedächtnislegierungselement (32) mit einem ersten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, sich der Aktuatorabschnitt (28) in einer ersten Position befindet, bei der der Freigabeabschnitt (46) des Betätigungselements (40) mit dem Gehäuse (26) in Kontakt ist und sich der Betätigungsabschnitt (42) des Betätigungselements (40) durch die vom Freigabeabschnitt (46) ausgeübte Freigabekraft in einer Freigabeposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt (42) nicht in Kontakt mit einem der mehreren Zähne (18) des Zahnstangenelements (14) ist, - in einem zweiten Zustand, in dem das Formgedächtnislegierungselement (32) mit einem zweiten Leistungswert, der größer als der erste Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, das Formgedächtnislegierungselement (32) derart verkürzt ist, dass sich der Aktuatorabschnitt (28) in einer gegenüber der ersten Position verkippten zweiten Position befindet, bei der der Freigabeabschnitt (46) nicht in Kontakt mit dem Gehäuse (26) ist, sodass sich der Betätigungsabschnitt (42) aufgrund der von dem Rückstellabschnitt (44) ausgeübten Rückstellkraft in einer bezüglich der Freigabeposition verdrehten Eingriffsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt (42) in Eingriff mit einem ersten Zahn (66) der mehreren Zähne (18) des Zahnstangenelements (18) ist, - in einem dritten Zustand, in dem das Formgedächtnislegierungselement (32) mit einem dritten Leistungswert, der größer oder gleich dem zweiten Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, das Formgedächtnislegierungselement (32) derart weiter verkürzt ist, dass der Aktuatorabschnitt (28) sich in einer bezüglich der zweiten Position weiter verkippten dritten Position befindet, bei der der Aktuatorabschnitt (28) eine Betätigungskraft auf den Betätigungsabschnitt (42) ausübt, sodass sich der Betätigungsabschnitt (42) in einer bezüglich der Eingriffsposition verschobenen Betätigungsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt (42) weiter in Eingriff mit dem ersten Zahn (66) ist und das Zahnstangenelement (14) um wenigstens eine Zahnteilung verschoben ist, und - in einem vierten Zustand, in dem das Formgedächtnislegierungselement (32) mit einem vierten Leistungswert, der kleiner als der dritte Leistungswert ist, derart mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, dass sich der Aktuatorabschnitt (28) in einer in Richtung der zweiten Position zumindest teilweise zurückgekippten vierten Position befindet, bei der sich der Betätigungsabschnitt (42) erneut in der Eingriffsposition befindet, wobei der Betätigungsabschnitt (42) in Eingriff ist mit einem dem ersten Zahn (66) benachbarten zweiten Zahn (70) der mehreren Zähne (18) des Zahnstangenelements (18).
Linearschrittantrieb (10) nach Anspruch 1, wobei sich der Aktuatorabschnitt (28) in einer Ebene (52) erstreckt und der Freigabeabschnitt (46) und der Betätigungsabschnitt (42) des Betätigungselements (40) auf gegenüberliegenden Seiten des Aktuatorabschnitts (28) bezüglich der Ebene (52) angeordnet sind.
Linearschrittantrieb (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich der Aktuatorabschnitt (28) in einer ersten Ebene (52) erstreckt und sich der Betätigungsabschnitt (42) in einer zweiten Ebene (54) erstreckt, die mit der ersten Ebene (52) einen spitzen Winkel (56) einschließt.
Linearschrittantrieb (10) nach Anspruch 3, wobei der spitze Winkel (56) in einem Bereich von ungefähr 30° bis ungefähr 60° liegt.
Linearschrittantrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Länge (58) des Betätigungsabschnitts (42) mindestens doppelt so groß ist wie eine Länge (60) des Freigabeabschnitts (46).
Linearschrittantrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuatorabschnitt (28) eine Ausnehmung (31) aufweist und sich das Betätigungselement (40) durch die Ausnehmung (31) erstreckt.
Linearschrittantrieb (10) nach Anspruch 6, wobei zumindest ein Teil einer Umrandungsfläche der Ausnehmung (31) den zweiten Anlagebereich (50) bildet.
Linearschrittantrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zahnstangenelement (14) zwischen zwei benachbarten Zähnen (18) eine Zahnlücke (76) aufweist, die derart bemessen ist, dass im dritten Zustand, in dem das Formgedächtnislegierungselement (32) mit dem dritten Leistungswert mit elektrischer Leistung beaufschlagt ist, der Betätigungsabschnitt (42) keine Verschiebung des Zahnstangenelements (14) bewirkt.
Antriebsanordnung zum Bewegen einer Last (12), mit: - einem ersten Linearschrittantrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und - einem zweiten Linearschrittantrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zahnstangenelement (14) des ersten Linearschrittantriebs (10) und das Zahnstangenelement (14) des zweiten Linearschrittantriebs (10) als ein gemeinsames Zahnstangenelement ausgebildet sind, und das Betätigungselement (42) des ersten Linearschrittantriebs (10) und das Betätigungselement (42) des zweiten Linearschrittantriebs (10) derart zueinander angeordnet sind, dass die Last (12) in zwei entgegengesetzte Richtungen bewegbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Linearschrittantriebs (10) zum Bewegen einer Last (12), wobei der Linearschrittantrieb (10) aufweist: - ein mit der Last (12) koppelbares Zahnstangenelement (14), das sich entlang einer Zahnstangenachse (16) erstreckt und mehrere in Richtung der Zahnstangenachse (16) angeordnete Zähne (18) aufweist, - ein Lagerelement (20) zum Lagern des Zahnstangenelements (14), wobei das Lagerelement (20) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Zahnstangenelements (14) entlang der Zahnstangenachse (16) zu ermöglichen, - ein Aktuatorelement (22) mit + einem Lagerabschnitt (24), der mit einem Gehäuse (26) des Linearschrittantriebs (10) ortsfest verbunden ist, und + einem mit dem Lagerabschnitt (24) über einen Biegeabschnitt (30) verbundenen Aktuatorabschnitt (28), der mittels des Biegeabschnitts (30) relativ zum Lagerabschnitt (24) verkippbar ist, - ein Formgedächtnislegierungselement (32), dessen Länge durch Beaufschlagung mit elektrischer Leistung einstellbar ist, wobei + ein erstes Ende (34) des Formgedächtnislegierungselements (32) ortsfest mit einer Leiterplatte (36) des Linearschrittantriebs (10) verbunden ist, und + ein dem ersten Ende (34) gegenüberliegendes zweites Ende (38) des Formgedächtnislegierungselements (32) mit dem Aktuatorabschnitt (28) verbunden ist, und - ein Betätigungselement (40) mit: + einem an dem Aktuatorabschnitt (28) drehbar gelagerten Betätigungsabschnitt (42) zum Betätigen des Zahnstangenelements (14), + einem Rückstellabschnitt (44), der mit dem Betätigungsabschnitt (42) verbunden ist und an einem ersten Anlagebereich (48) des Aktuatorabschnitts (28) derart anliegt, dass der Rückstellabschnitt (44) eine Rückstellkraft auf den Betätigungsabschnitt (42) ausübt, und + einem Freigabeabschnitt (46), der ebenfalls mit dem Betätigungsabschnitt (42) verbunden ist, wobei der Freigabeabschnitt (46) an einem zweiten Anlagebereich (50) des Aktuatorabschnitts (28) anliegt und mit dem Gehäuse (26) des Linearschrittantriebs (10) derart kontaktierbar ist, dass bei Kontakt des Freigabeabschnitts (46) mit dem Gehäuse (26) der Freigabeabschnitt (46) eine der Rückstellkraft entgegenwirkende Freigabekraft auf den Betätigungsabschnitt (42) ausübt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Schritt a): Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements (32) mit einem ersten Leistungswert mit elektrischer Leistung, sodass sich der Aktuatorabschnitt (28) in einer ersten Position befindet, bei der der Freigabeabschnitt (46) mit dem Gehäuse (26) in Kontakt ist und sich der Betätigungsabschnitt (42) durch die vom Freigabeabschnitt (46) ausgeübte Freigabekraft in einer Freigabeposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt (42) nicht in Kontakt mit einem der mehreren Zähne (18) des Zahnstangenelements (14) ist, - Schritt b): Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements (32) mit einem zweiten Leistungswert, der größer als der erste Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung, sodass das Formgedächtnislegierungselement (32) derart verkürzt ist, dass sich der Aktuatorabschnitt (28) in einer gegenüber der ersten Position verkippten zweiten Position befindet, bei der der Freigabeabschnitt (46) nicht in Kontakt mit dem Gehäuse (26) ist, sodass sich der Betätigungsabschnitt (42) aufgrund der von dem Rückstellabschnitt (44) ausgeübten Rückstellkraft in einer bezüglich der Freigabeposition verdrehten Eingriffsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt (42) in Eingriff mit einem ersten Zahn (66) der mehreren Zähne (18) des Zahnstangenelements (14) ist, - Schritt c): Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements (32) mit einem dritten Leistungswert, der größer oder gleich dem zweiten Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung, sodass das Formgedächtnislegierungselement (32) derart weiter verkürzt ist, dass der Aktuatorabschnitt (28) sich in einer bezüglich der zweiten Position weiter verkippten dritten Position befindet, bei der der Aktuatorabschnitt (28) eine entgegen der Rückstellkraft wirkende Betätigungskraft ausübt, sodass sich der Betätigungsabschnitt (42) in einer bezüglich der Eingriffsposition verschobenen Betätigungsposition befindet, in der der Betätigungsabschnitt (42) weiter in Eingriff mit dem ersten Zahn (66) des Zahnstangenelements (14) ist und das Zahnstangenelement (14) um wenigstens eine Zahnteilung verschoben ist, und - Schritt d): Beaufschlagen des Formgedächtnislegierungselements (42) mit einem vierten Leistungswert, der kleiner als der dritte Leistungswert ist, mit elektrischer Leistung, sodass sich der Aktuatorabschnitt (28) in einer in Richtung der zweiten Position zumindest teilweise zurückgekippten vierten Position befindet, bei der sich der Betätigungsabschnitt (42) erneut in der Eingriffsposition befindet, wobei der Betätigungsabschnitt (42) in Eingriff mit einem dem ersten Zahn (66) benachbarten zweiten Zahn (70) der mehreren Zähne (18) des Zahnstangenelements (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit einem wiederholten Durchführen der Schritte c) und d) so lange, bis eine in Richtung der Zahnstangenachse (16) gemessene, vorbestimmte Bewegungslänge des Zahnstangenelements (14) erreicht ist.