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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Trägheitsantrieb.
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Aus dem Stand der Technik sind piezoelektrische Trägheitsantriebe bekannt, bei denen der Friktionskontakt in Form eines Gewindeeingriffs ausgeführt ist. Sie können beispielsweise als Spindelantrieb in verschiedenen Arten von Mechanismen, wie z.B. in Linearantrieben, in präzisen Verschluss- und Dosieranlagen, in Ventilen, in präzisen Schneidantrieben, in Steuerantrieben, in präzisen Positioniereinrichtungen, wie z.B. in technologischen Koordinatentischen, in Mehrkoordinatenpositionierungseinrichtungen, in Tripoden oder Hexapoden, in optischen Lasersystemen und ähnlichen Geräten, und in Präzisionsmedizingeräten, z.B. Pumpen, Spritzen, Insulinpumpen oder Geräten für die Knochenverlängerung eingesetzt werden.
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Laser werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, sei es in der Metrologie, der Medizintechnik, der Metallbearbeitung etc. Üblicherweise wird hierbei der Laserstrahl präzise mit Hilfe von Kippspiegeln gelenkt bzw. geleitet. Die benötigte Präzision der Laserstrahllenkung wird mit Hilfe von Mikrometerschrauben erreicht. Diese werden oftmals manuell betätigt. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungsfällen, bei denen das manuelle Verstellen der Kippspiegel nicht möglich oder nicht erwünscht ist, etwa innerhalb einer Vakuumkammer, in einer Lithografiemaschine oder bei einem Tachymeter.
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Für ein automatisches Positionieren der Kippspiegel werden oftmals auf der Trägheit basierende piezoelektrische Antriebsvorrichtungen eingesetzt. Bei einem Trägheitsantrieb ist ein anzutreibendes Element, d.h. der Rotor oder Läufer, mit einem piezoelektrischen Aktor über einen Reibkontakt verbunden bzw. gekoppelt. Der Bewegungsablauf solcher Trägheitsantriebe besteht aus zwei Phasen: in der ersten Phase wird der Piezoaktor langsam ausgedehnt und überträgt die entsprechende Bewegung aufgrund von Haftreibung auf das anzutreibende Element. In der zweiten und der ersten Phase folgenden Phase findet eine schnelle Kontraktion des Aktors statt. Das anzutreibende Element kann hierbei aufgrund seiner Trägheit der schnellen Bewegung des Aktors nicht folgen und verharrt in seiner Position. Dabei kommt es zu einer Relativbewegung (Gleiten) zwischen dem Aktor und dem anzutreibenden Element, d.h. der Aktor rutscht durch, und in dem Reibkontakt herrscht Gleitreibung vor. Selbstverständlich ist es möglich, den zeitlichen Ablauf der beiden zuvor erwähnten Phasen zu tauschen, so dass in der ersten Phase eine schnelle Ausdehnung mit einer Relativbewegung bzw. einem Gleiten zwischen Aktor und anzutreibendem Element ohne eine Antriebsbewegung, und in der zweiten Phase eine langsame Kontraktion des Aktors stattfindet, bei welcher aufgrund von Haftreibung eine Mitnahme des anzutreibenden Elements und somit eine entsprechende Antriebsbewegung erfolgt.
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Die
DE 10 2021 113 751 A1 der Anmelderin beschreibt eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben einer Spindel, die zwei Aktorvorrichtungen umfasst, wobei die Aktorvorrichtungen auf eine Betätigungsvorrichtung und eine Rahmenvorrichtung einwirken und über entsprechende Anlage-Oberflächenabschnitte, die zum Kontakt mit der Spindel an zwei unterschiedlichen Kontaktstellen vorgesehen sind, ein Antrieb der Spindel realisiert ist.
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Die Druckschrift
US 2011 / 0 109 197 A1 offenbart eine Antriebsvorrichtung mit einer Antriebswelle, die von einem drehbar gelagerten Antriebselement umgeben ist, wobei mehrere und gleichmäßig über den Umfang verteilte Kontaktelemente an die Antriebswelle angepresst sind. Das Antriebselement wird über zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Aktoren, welche eine gleichsinnige Antriebsbewegung vollführen, in eine Drehbewegung versetzt, die über die Kontaktelemente auf die Antriebswelle übertragen wird. Aufgrund der Beaufschlagung der Aktoren mit einer Sägezahnspannung resultiert ein Stick-Slip-Antriebsverfahren, mit dem eine kontinuierliche Drehbewegung der Antriebswelle realisierbar ist.
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Die
EP 1 396 012 B2 lehrt einen piezoelektrischen Antrieb mit einem Piezoelement, das an einen Resonator mit einem Horn angekoppelt ist, wobei zum Antrieb geeignete Schwingungen von dem Piezoelement auf den Resonator und insbesondere das Horn übertragen werden, welches seinerseits gegen die Oberfläche eines anzutreibenden Elements anpressbar ist, und die Schwingungen des Horns zu einem Antrieb des anzutreibenden Elements führen.
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Aus der
US 5 410 206 A ist eine Antriebsvorrichtung bekannt, die zwei relativ zueinander bewegbare Elemente mit jeweils einem klauenförmigen Abschnitt umfasst, wobei jeder der klauenförmigen Abschnitte zahlreiche Nuten aufweist, die zum Eingriff mit dem Gewinde einer anzutreibenden Spindel vorgesehen sind. Die Relativbewegung der zwei bewegbaren Elemente wird realisiert durch ein darin bzw. dazwischen angeordnetes piezoelektrisches Element.
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Die
DE 10 2010 022 812 B4 beschreibt einen Ultraschallmotor mit einem ringförmigen Ultraschallaktor zur Erzeugung einer Wanderwelle, die auf ein am Innenumfang des Ultraschallaktors angeordnetes Kontaktelement, welches in Gewindeeingriff mit einem anzutreibenden Gewindestab steht, übertragen wird und somit eine Drehbewegung des Gewindestabs resultiert.
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Die Druckschrift
DE 199 09 913 A1 offenbart eine elektromechanische Antriebsvorrichtung mit einem in einer Lagervorrichtung gelagerten und anzutreibenden Rotor und einem Piezoelement, wobei die Lagervorrichtung eine Rotoraufnahme aufweist, die durch das Piezoelement antreibbar ist.
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Aus der Druckschrift
US 5 410 206 A ist ein piezoelektrischer Trägheitsantrieb zum rotatorischen Antreiben eines anzutreibenden Elements in Form einer Spindel bekannt. Hierbei ist die Spindel mit Hilfe einer piezoelektrisch angetriebenen Antriebsvorrichtung in Form von zwei mit Gewinde versehenen Klemmbacken beidseitig gefasst und steht mit diesen in Reibkontakt. Eine der beiden Klemmbacken ist mit einem Piezoaktor verbunden, der basierend auf dem Trägheitsprinzip die Gewindestange in Bewegung bzw. Rotation versetzt. Die zweite Klemmbacke presst die Gewindestange an die erste Klemmbacke an und unterstützt dadurch die Gewindestange.
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Der Hauptnachteil des Spindelantriebs der
US 5 410 206 A besteht darin, dass die Antriebsbewegung für die beiden Dreh- bzw. Rotationsrichtungen der Spindel unterschiedlich ist, da sich der piezoelektrische Aktor bezüglich Dehnung und Stauchung unterschiedlich verhält. Der Antrieb weist somit in den beiden Antriebsrichtungen unterschiedliche Eigenschaften auf, so dass sich unterschiedliche Schrittweiten sowie Verfahrgeschwindigkeiten in den unterschiedlichen Drehrichtungen der Spindel ergeben. Um die Antriebscharakteristik zu linearisieren, sind spezielle Regelungsmaßnahmen in der Ansteuerungselektronik erforderlich. Weiterhin nachteilig ist, dass die zweite Klemmbacke die Spindel bremst, wodurch ein verminderter Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung resultiert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen piezoelektrischen Trägheitsantrieb, insbesondere zum Antreiben einer Spindel, bereitzustellen, der symmetrische Antriebseigenschaften aufweist und somit im Falle einer Spindel als anzutreibendes Element diese in beiden Dreh- bzw. Rotationsrichtungen gleichartig und bevorzugt identisch antreibt, und der zudem einen hohen Wirkungsgrad aufweist, so dass eine reduzierte Ansteuerleistung ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen piezoelektrischen Trägheitsantrieb nach Anspruch 1 bzw. 8, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen beschreiben.
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Sollte im Text - wie vorstehend und gegebenenfalls auch nachfolgend - bei einem Merkmal der unbestimmte Artikel verwendet sein, so wird bei einer nachfolgenden Erwähnung desselben Merkmals durch Verwendung des bestimmten Artikels explizit auf die durch den unbestimmten Artikel implizierte Mengenangabe Bezug genommen, ohne dass dies zu einer entsprechenden Einschränkung auf eben diese Mengenangabe führen soll.
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Der erfindungsgemäße piezoelektrische Trägheitsantrieb umfasst eine Antriebsvorrichtung mit einem Antriebselement, welches Kontaktelemente aufweist und wobei jedes der Kontaktelemente eine ein Gewinde aufweisende Innenumfangsfläche besitzt. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Trägheitsantrieb umfasst ferner ein anzutreibendes Element mit einer mit einem Gewinde versehenen Außenumfangsfläche, sowie eine elektrische Erregervorrichtung zur elektrischen Ansteuerung der Antriebsvorrichtung, wobei das anzutreibende Element mit dem Antriebselement in Gewindeeingriff steht.
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Die Kontaktelemente sind symmetrisch in Bezug auf eine virtuelle diametrale Trennebene (P) angeordnet und umgreifen das anzutreibende Element zumindest teilweise, wobei die Kontaktelemente direkt oder indirekt mit einem Basiselement und zusätzlich miteinander verbunden sind, und die Antriebsvorrichtung wenigstens zwei piezoelektrische und vorzugsweise mehrschichtige Aktoren mit einer virtuellen Aktorlängsachse aufweist, die mit einer jeweiligen ersten Seite an dem Basiselement und mit einer jeweiligen anderen und der ersten Seite gegenüberliegenden Seite an dem jeweiligen Kontaktelement angeordnet sind, und die elektrische Erregervorrichtung wenigstens zwei Erzeuger beinhaltet, die elektrische Spannungen zum Erregen der piezoelektrischen Aktoren bereitstellen.
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Durch die symmetrische Anordnung der Kontaktelemente bzw. der piezoelektrischen Aktoren wird ein symmetrischer und gleichartiger Antrieb des Antriebselements bzw. der Kontaktelemente erreicht, wodurch eine im Wesentlichen gleiche Geschwindigkeit und eine im Wesentlichen gleiche Schrittweite des anzutreibenden Elements in beiden Dreh- bzw. Rotationsrichtungen erzielt wird. Die Kontaktelemente unterstützen bzw. lagern nicht nur das anzutreibende Element, sondern sind beide am Antrieb bzw. Vortrieb des anzutreibenden Elements beteiligt. Somit bremst keines der Kontaktelemente das anzutreibende Element ab, so dass der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs entsprechend hoch ist.
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Erfindungsgemäß sind die Kontaktelemente des Antriebselements über ein elastisches Element miteinander und mittels Verbindungselementen mit zwei oder mit vier elastischen Elementen von Trägern des Basiselementes verbunden, wobei die piezoelektrischen Aktoren durch die elastischen Elemente in axialer Richtung mittels der Verbindungselemente vorgespannt sind. Das elastische Element ermöglicht die Ausbildung eines auf das anzutreibende Element wirkenden Drehmoments, wenn die piezoelektrischen Aktoren angesteuert und entsprechend deformiert werden. Die elastischen Elemente von Trägern des Basiselementes ermöglichen ein Vorspannen der piezoelektrischen Aktoren in axialer Richtung mit Hilfe der Verbindungselemente. Bei Vorhandensein von vier elastischen Elementen der Träger ergibt sich eine symmetrische Konstruktion, die einer etwaigen Verbiegung der Träger entgegenwirkt bzw. diese kompensiert.
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Es kann von Vorteil sein, dass jede virtuelle Aktorlängsachse parallel zu der virtuellen diametralen Trennebene (P) angeordnet ist. Dadurch kann die auf die Kontaktelemente wirkende Kraft maximiert werden.
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Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass der piezoelektrische Trägheitsantrieb elastische Elemente aufweist, die mit dem Basiselement verbunden sind und durch welche die Kontaktelemente an das anzutreibende Element angepresst sind. Durch die Verbindung der elastischen Elemente mit dem Basiselement wird eine Hebelwirkung sowie das Entstehen eines Drehmoments an dem anzutreibenden Element erreicht. Des Weiteren nimmt die Verbindung der elastischen Elemente mit dem Basiselement mögliche senkrecht zu der Aktorlängsachse wirkende nachteilige Außenkräfte auf.
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Es kann zudem von Vorteil sein, dass die Antriebsvorrichtung ein elastisches Element umfasst, durch das die Kontaktelemente an das anzutreibende Element angepresst sind. Durch das elastische Element kann eine senkrecht zu der Längsachse des anzutreibenden Elements wirkende Kraft aufgebracht werden, die die Kontaktelemente an das anzutreibende Element anpresst.
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Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass das Basiselement zwei bewegliche Elemente und zwei elastische Elemente aufweist, durch welche die Kontaktelemente an das anzutreibende Element angepresst sind.
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Ferner kann es von Vorteil sein, dass das Antriebselement ein elastisches Element aufweist, durch welches der entsprechende piezoelektrische Aktor in axialer Richtung vorgespannt ist. Hierbei kann es von besonderem Vorteil sein, dass das Antriebselement zusätzlich ein Verbindungselement aufweist, durch welches der entsprechende piezoelektrische Aktor im Zusammenspiel mit dem elastischen Element vorgespannt ist, wodurch eine erhöhte Vorspannung ermöglich ist. Insbesondere piezoelektrische Mehrschichtaktoren erfordern eine axiale Vorspannkraft, damit keine Delaminierung der Schichten stattfindet.
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Die Erfindung betrifft zudem eine Antriebsvorrichtung mit einem Antriebselement, das Kontaktelemente mit einer ein Gewinde aufweisenden Innenumfangsfläche umfasst, ein anzutreibendes Element mit einer mit einem Gewinde versehenen Außenumfangsfläche, und eine elektrische Erregervorrichtung zur elektrischen Ansteuerung der Antriebsvorrichtung, wobei das anzutreibende Element mit den Antriebselementen in Gewindeeingriff steht, und die Kontaktelemente symmetrisch in Bezug auf eine virtuelle diametrale Trennebene angeordnet sind und das anzutreibende Element zumindest teilweise umgreifen, wobei die Kontaktelemente direkt oder indirekt mit einem Basiselement verbunden sind, und die Antriebsvorrichtung wenigstens zwei mehrschichtige piezoelektrische Aktoren mit einer virtuellen Aktorlängsachse aufweist, die mit einer jeweiligen ersten Seite an dem Basiselement und mit einer jeweiligen anderen und der ersten Seite gegenüberliegenden Seite an dem jeweiligen Kontaktelement angeordnet sind, und die elektrische Erregervorrichtung wenigstens zwei Erzeuger beinhaltet, die elektrische Spannungen zum Erregen der piezoelektrischen Aktoren bereitstellen, wobei das Antriebselement als ein zweiteiliges Element ausgeführt und mittels Verbindungselementen mit zwei oder vier elastischen Elementen von Trägern des Basiselements verbunden ist, und die piezoelektrischen Aktoren durch die elastischen Elemente mittels der Verbindungselemente in axialer Richtung vorgespannt sind. Bei solch einer Antriebsvorrichtung ist eine größere Vorschubamplitude des anzutreibenden Elements realisierbar.
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Es kann vorteilhaft sein, dass das anzutreibende Element als hohle Gewindestange ausgeführt ist und der entsprechende Hohlraum mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt ist. Hierdurch ist es möglich, die im anzutreibenden Element gegebenenfalls entstehenden parasitären Schwingungen zu verringern, wodurch die Antriebsfunktion des piezoelektrischen Trägheitsantriebs verbessert wird.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, dass das Gewinde des anzutreibenden Elementes oder das Gewinde der Kontaktelemente aus einem abriebfesten Material hergestellt oder mit einer abriebfesten Schicht versehen ist, wodurch ein geringerer Verschleiß und eine verlängerte Lebensdauer resultieren. Es ist ebenfalls denkbar, dass das anzutreibende Element oder die Kontaktelemente aus einem abriebfesten Material hergestellt ist bzw. hergestellt sind.
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Es kann sich als günstig erweisen, dass der piezoelektrische Trägheitsantrieb eine Anpressvorrichtung aufweist, mit welcher das anzutreibende Element gegen das Antriebselement gedrückt ist und welches auf das anzutreibende Element in axialer Richtung direkt oder indirekt wirkt. Dadurch wird eine höhere Kontaktkraft erreicht, aus der ein größeres Drehmoment des piezoelektrischen Trägheitsantriebs resultiert.
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Zudem kann es sich als günstig erweisen, dass der piezoelektrische Trägheitsantrieb zwei oder mehr als zwei Antriebsvorrichtungen aufweist, welche auf ein gemeinsames anzutreibendes Element wirken, wobei die Antriebsvorrichtungen gegeneinander durch elastische Elemente fixiert sind. Durch Verwendung mehrerer Antriebsvorrichtungen wird die Antriebskraft des piezoelektrischen Trägheitsantriebs erhöht. Die elastischen Elemente unterbinden hierbei eine Bewegung der Antriebsvorrichtungen in der aufeinander zu weisenden Richtung, ermöglichen aber Bewegungen in anderen Freiheitsgraden. Dies verhindert ein Verkeilen des anzutreibenden Elementes, insbesondere dann, wenn dieses in Form einer Gewindestange bzw. einer Spindel vorliegt.
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Darüber hinaus kann es sich als günstig erweisen, dass die elektrische Erregervorrichtung dazu ausgebildet ist, zwei komplementäre sägezahnförmige elektrische Spannungen U1, U2 zu erzeugen, um die piezoelektrischen Aktoren anzuregen. Dies führt zu einem besonders effektiven Betrieb des piezoelektrischen Trägheitsantriebs.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Es zeigen:
- 1: Perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Trägheitsantriebs
- 2: Perspektivische Darstellung der Antriebsvorrichtung des piezoelektrischen Trägheitsantriebs nach 1
- 3: Perspektivische Darstellung eines mehrschichtigen Aktuators für einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantrieb
- 4: Perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Trägheitsantriebs
- 5: Perspektivische Darstellung einer Antriebsvorrichtung eines piezoelektrischen Trägheitsantriebs
- 6a): Zwei unterschiedliche perspektivische Darstellungen einer möglichen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs; 6b): Explosionsdarstellung der Antriebsvorrichtung gemäß 6a)
- 7a): Zwei unterschiedliche perspektivische Darstellungen einer möglichen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs; 7b): Explosionsdarstellung der Antriebsvorrichtung gemäß 7a)
- 8: Zwei unterschiedliche perspektivische Darstellungen einer möglichen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs
- 9a)-c): Unterschiedliche Ausführungsformen für ein anzutreibendes Element eines erfindungsgemäßen Trägheitsantriebs in Form eines Gewindestabs
- 10a), 10b): Unterschiedliche perspektivische Darstellungen eines piezoelektrischen Antriebs mit zwei Antriebsvorrichtungen und einem gemeinsamen anzutreibenden Element
- 11, 12: Ausführungsformen für einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antrieb mit zwei Antriebsvorrichtungen und einem gemeinsamen anzutreibenden Element
- 13a): Prinzipieller Aufbau einer elektrische Erregervorrichtung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs; 13b): Darstellung des zeitlichen Verlaufs der von der Erregervorrichtung nach 13a) erzeugten elektrischen Spannungen sowie die dadurch generierte Bewegung des anzutreibenden Elements
- 14a)-d): Mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnete maximale Deformationen der Antriebsvorrichtung gemäß den 2, 5, 6 und 8 bei Ansteuerung der Aktoren für die Generierung einer Antriebsbewegung eines anzutreibenden Elements in bzw. gegen den Uhrzeigersinn
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Der in 1 gezeigte piezoelektrische Trägheitsantrieb 1 weist ein mit einem Gewinde versehenes anzutreibendes Element 6 in Form einer Spindel sowie eine elektrische Erregervorrichtung 16 auf. Der Trägheitsantrieb 1 beinhaltet eine durch zwei mehrschichtige piezoelektrische Aktoren 11 angetriebene Antriebsvorrichtung 2. Die Antriebsvorrichtung wird durch eine virtuelle diametrale Ebene P geteilt, die durch den Mittelpunkt bzw. die Achse des anzutreibenden Elements 6 verläuft.
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Die Antriebsvorrichtung 2 weist ein Antriebselement 5 mit zwei symmetrisch in Bezug auf die diametrale Ebene P angeordneten Kontaktelementen 9 und 10 auf, welche integral bzw. einstückig mit dem Antirbselement 5 ausgebildet sind. Jedes der Kontaktelemente 9, 10 weist eine mit einem Gewinde versehene Innenumfangsfläche 4 auf. Die beiden Kontaktelemente 9, 10 fassen bzw. kontaktieren das anzutreibende Element 6 von zwei Seiten, und dieses befindet sich in einem Gewindefriktionseingriff mit den beiden Kontaktelementen 9, 10. Jeder der piezoelektrischen Aktoren 11 stützt sich mit einer Seite 12 an einem Basiselement 14 ab. Die jeweils andere und gegenüberliegende Seite 13 des entsprechenden piezoelektrischen Aktors 11 ist mit dem jeweiligen Kontaktelement 9, 10 des Antriebselements 5 verbunden. Es ist denkbar, dass die piezoelektrischen Aktoren 11 mit der Seite 12 an dem Basiselement 14 durch Klebung fixiert sind. Jedes der Kontaktelemente 9, 10 weist zwei elastische Abschnitte 20 auf.
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Die Erregervorrichtung 16 beinhaltet zwei elektrische Erzeuger 17, 18, die komplementäre elektrische sägezahnartige Spannungen U1, U2 erzeugen. Die Erregervorrichtung 16 ist mit den piezoelektrischen Aktoren 11 elektrisch über an den Aktoren vorgesehene elektrische Anschlüsse 21 verbunden. Durch eine Ansteuerung der Aktoren der Antriebsvorrichtung mit der elektrischen Erregervorrichtung 16 wird das anzutreibende Element 6 direkt in eine rotatorische und indirekt in eine translatorische Bewegung versetzt. Das anzutreibende Element 6 kann mit Klebetaschen 12 zum Einfüllen eines Klebemittels ausgestattet sein, um die piezoelektrischen Aktoren 11 zusätzlich zu fixieren.
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2 zeigt in einer Einzeldarstellung die Antriebsvorrichtung 2 des piezoelektrischen Trägheitsantriebs 1 nach 1. Die Antriebsvorrichtung 2 umfasst das Antriebselement 5 und piezoelektrische mehrschichtige Aktoren bzw. Multilayer-Aktoren 11. Die Antriebsvorrichtung 2 ist durch die virtuelle diametrale Ebene P in zwei gleiche symmetrische Hälften geteilt. Die integral mit dem Antriebselement 5 ausgebildeten Kontaktelemente 9, 10 weisen jeweils eine mit einem Gewinde versehene Innenumfangsfläche 4 auf. Die piezoelektrischen Aktoren stützen sich mit einer Seite 12 an dem Basiselement 14 des Antriebselements 5 ab und mit der anderen gegenüberliegenden Seite sind sie mit dem Antriebselement 5 verbunden. Die Stützpunkte befinden sich zwischen den beiden Aktoren. Ihre virtuellen Längsachsen 19 verlaufen parallel zu der virtuellen diametralen Ebene P. Die piezoelektrischen Aktoren haben elektrische Anschlüsse 21. Eine Befestigungsbohrung 23 dient dem Anschrauben der Antriebsvorrichtung 2 an einem Grundkörper oder einem Gerätegehäuse. Die Befestigungsbohrungen 24 dienen der Fixierung von in 2 nicht gezeigten elastischen Elementen. Des Weiteren weist das Antriebselement 5 vier elastische Abschnitte 20 auf. Die elastischen Abschnitte ermöglichen das Anpressen der Kontaktelemente 9, 10 an das anzutreibende Element 6. In der Bohrung 22 kann ein optionales elastisches Element 27 in Form einer Spiralfeder platziert sein, das die Kontaktelemente 9, 10 zusammenzieht bzw. aufeinander zu zieht und sie damit an das anzutreibende Element anpresst.
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3 zeigt einen mehrschichtigen piezoelektrischen Aktor 11 für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantrieb. Die einzelnen Aktorschichten 26 weisen jeweils Elektroden an ihren großen Flächen und dazwischen angeordnetes piezoelektrisches Material auf. Alle benachbarten Schichten 26 weisen eine entgegengerichtete, durch die Pfeile P gekennzeichnete elektrische Polarisation auf. Gleichpolige Elektroden sind miteinander verbunden und an die elektrischen Anschlüsse 21 ausgeführt.
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4 zeigt eine Antriebsvorrichtung 2 eines Trägheitsantriebs. Bei dieser Ausführungsvariante der Antriebsvorrichtung 2 sind beide Kontaktelemente 9, 10 des Antriebselements 5 durch ein elastisches Element in Form einer Spiralfeder 27 verbunden und so an das angetriebene Element 6 angepresst. Andere Formen für das elastische Element sind denkbar, etwa in Form einer Flachfeder. Das Antriebselement 5 der in 4 dargestellten Ausführungsvariante weist außerdem elastische Elemente 30 sowie bewegliche Elemente 31 auf, die die Kontaktelemente 9, 10 an das anzutreibende Element anpressen. Außerdem weist jedes der Kontaktelemente 9, 10 ein elastisches Element 28 auf. Die elastischen Elemente 28 ermöglichen eine Vorspannung der piezoelektrischen Aktoren in axialer Richtung. Eine zusätzliche Vorspannkraft wird mit Hilfe der Verbindungselemente 29 in Form von Schrauben erreicht.
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5 zeigt eine weitere Antriebsvorrichtung 2 eines Trägheitsantriebs 1. Bei dieser Ausführungsvariante der Antriebsvorrichtung 2 weisen beide Kontaktelemente 9, 10 des Antriebselements 5 jeweils ein elastisches Element 32 auf. Die elastische Elemente 32 sind mit dem elastischen Element 33 verbunden. Die elastischen Elemente 32 und 33 ermöglichen das Anpressen der Kontaktelemente 9, 10 an das anzutreibende Element. Die Kontaktelemente 9, 10 sind mit dem Basisabschnitt 14 über die elastischen Elemente 32 und 33 verbunden.
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6a) zeigt zwei unterschiedliche perspektivische Darstellungen einer möglichen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung 2 eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs 1. Die Kontaktelemente 9, 10 des Antriebselementes 5 sind hierbei miteinander über ein elastisches Element 34 verbunden. Das Basiselement 14 weist zwei Träger 35 auf, über die das Antriebselement 5 mittels der Verbindungselemente 36 mit dem Basiselement 14 verbunden ist. Die Träger 35 weisen elastische Abschnitte 37 auf, die ein Vorspannen der piezoelektrischen Aktoren 11 in axialer Richtung bzw. entlang ihrer virtuellen Längsachse ermöglichen. 6b) zeigt die Antriebsvorrichtung 2 gemäß 6a) in einer entsprechenden Explosionsdarstellung.
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7a) zeigt zwei unterschiedliche perspektivische Darstellungen einer weiteren möglichen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung 2 eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs 1. Hierbei sind die Kontaktelemente 9, 10 des Antriebselementes 5 miteinander über ein elastisches Element 34 verbunden. Das Basiselement 14 weist vier Träger 35 auf, über die das Antriebselement 5 mittels der Verbindungselemente 36 mit dem Basiselement 14 verbunden ist. Die Träger 35 weisen elastische Abschnitte 37 auf, die ein Vorspannen der piezoelektrischen Aktoren 11 in axialer Richtung ermöglichen. 7b) zeigt die Antriebsvorrichtung 2 gemäß 7a) in einer entsprechenden Explosionsdarstellung.
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8 zeigt zwei unterschiedliche perspektivische Darstellungen einer alternativen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung 2 eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs 1. Hier weist die Antriebsvorrichtung 2 ein zweiteiliges Antriebselement 15 auf. Die Kontaktelemente 9, 10 des Antriebselementes 15 sind nicht miteinander verbunden. Das Basiselement 14 weist zwei Träger 35 auf, über die das Antriebselement 15 mittels der Verbindungselemente 36 mit dem Basiselement 14 verbunden ist. Die Träger 35 weisen elastische Abschnitte 37 auf, die ein Vorspannen der piezoelektrischen Aktoren 11 in axialer Richtung ermöglichen.
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Die 9a) bis 9c) zeigen unterschiedliche Ausführungsformen für ein anzutreibendes Element 6 eines erfindungsgemäßen Trägheitsantriebs 1 in Form eines Gewindestabs. Gemäß 9a) ist das anzutreibende Element 6 als Vollgewindestab 38 aus einem harten und abriebfesten Material, etwa wärmebehandeltem Stahl, Oxid- oder Metallkeramik, ausgeführt. Darüber hinaus ist es gemäß 9b) bzw. 9c) möglich, das anzutreibende Element 6 als Hohlgewindestab 40 auszuführen, wobei die entsprechende innere Öffnung 41 eine runde Form hat. Jedoch sind auch andere Geometrien der inneren Öffnung denkbar, etwa eine mehreckige Form. In der Öffnung 41 des Hohlgewindestabs 40 kann gemäß 9c) ein Stab 42 aus schallabsorbierendem Material eingesetzt sein. Dieser Stab 42 ist aus einem elastischen Material wie z. B. Gummi ausgeführt. Hierbei kann das elastische Material mit harten Teilchen wie z. B. Metallteilchen gefüllt sein. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass der Stab 42 aus einem viskoelastischen Material, z. B. einem thermoplastischen Material, besteht, wobei das viskoelastische Material mit Partikeln, z. B. Metall- und/oder Gummipartikeln gefüllt sein kann. Weiterhin kann der Stab 36 auch aus einem harten porösen Material bestehen, wie z. B. aus poröser Oxidkeramik, dessen Poren mit einem viskosen Material aufgefüllt sind. Es sind vielfältige weitere Materialien bzw. Materialmischungen mit einem hohen Schallabsorptionsfaktor für den Stab 42 denkbar. Der Stab 42 kann beispielsweise auch aus einem harten Material wie Stahl, Oxidkeramik, Metallkeramik gefertigt sein, wobei zwischen dem Stab 42 und dem Antriebselement 5 eine Schicht schallabsorbierenden Materials 43 (z. B. Gummi, Epoxidharz oder ähnliches) angeordnet ist.
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Die 10a) und 10b) zeigen unterschiedliche perspektivische Darstellungen eines piezoelektrischen Trägheitsantriebs 1 mit zwei Antriebsvorrichtungen 2 gemäß den 2, 4 und 5 und einem gemeinsamen anzutreibenden Element 6. Die Antriebsvorrichtungen 2 werden mit Hilfe von elastischen Elementen 44 in einem Abstand zueinander gehalten. Die elastischen Elemente 44 werden mit Hilfe von in die Bohrungen 45 eingeschraubten Befestigungselementen in Form von Madenschrauben an dem Basiselement 14 fixiert. Es ist auch denkbar, die Antriebsvorrichtungen 2 mit Hilfe von flachen elastischen Elementen in Form von Blattfedern gegeneinander zu fixieren. Die Befestigungsbohrung 46 dient der Befestigung des piezoelektrischen Trägheitsantriebs an einem Grundkörper oder Gerätegehäuse. Es ist denkbar, anstatt den hier gezeigten zwei Antriebsvorrichtungen drei oder mehr Antriebsvorrichtungen 2 zu verwenden.
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11 zeigt eine Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantrieb 1 mit zwei Antriebsvorrichtungen 2 gemäß 6 und einem gemeinsamen anzutreibenden Element 6. Die Antriebsvorrichtungen 2 werden mit Hilfe von elastischen Elementen 44 in einem Abstand zueinander gehalten. Die elastischen Elemente werden mit Hilfe von in die Bohrungen 46 eingeschraubten Befestigungselementen in Form von Madenschrauben an dem Basiselement 14 fixiert. Es ist denkbar, anstatt den hier gezeigten zwei Antriebsvorrichtungen drei oder mehr Antriebsvorrichtungen 2 zu verwenden.
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12 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantrieb 1 mit zwei Antriebsvorrichtungen 2 gemäß 7 und einem gemeinsamen anzutreibenden Element 6. Die Antriebsvorrichtungen 2 werden mit Hilfe von elastischen Elementen 44 in einem Abstand zueinander gehalten. Die elastischen Elemente werden mit Hilfe von in die Bohrungen 46 eingeschraubten Befestigungselementen in Form von Madenschrauben an dem Basiselement 14 fixiert. Es ist denkbar, anstatt den zwei hier gezeigten Antriebsvorrichtungen drei oder mehr Antriebsvorrichtungen zu verwenden.
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13a) verdeutlich den prinzipiellen Aufbau einer elektrischen Erregervorrichtung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Trägheitsantriebs. Die Erregervorrichtung kann in einem Mikrokontroller, in einem FPGA oder aus diskreten Integralschaltkreisen aufgebaut sein. Die Erregervorrichtung beinhaltet einen Phasenakkumulator (PA) 47, einen Pulsweitenmodulator- oder Pulsdichtemodulator (PWM oder PDM) 48, eine geschaltete Leistungsendstufe (SPS) 49, einen Tiefpassfilter (LP) 50, einen Stromsensor 51 sowie eine Stromregeleinheit 52.
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Der Phasenakkumulator 47 stellt einen inkrementierenden oder dekrementierenden n-bit Register dar, der eine linear ansteigende oder abfallende Binärzahl erzeugt. Der PWM - oder PDM 48 moduliert die Pulsweite oder Pulsdichte eines hochfrequenten Rechteckträgersignals entsprechend der von PA 47 erzeugten Binärzahl (Rampenfunktion). Die Frequenz fcar des Trägersignals ist in Bezug auf die Frequenz fexc, mit der die piezoelektrischen Aktoren angeregt werden, vorzugsweise 10 mal höher. Die rampenfunktionsmodulierte Rechteckträgerspannung wird weiter von der SPS 49 verstärkt und über den LP (50) an die piezoelektrische Aktoren 11 weitergegeben. Die Erzeuger 17, 18 sind zwei Transistor-Brücken- oder Halbbrücken-Schaltungen innerhalb der geschalteten Leistungsendstufe 49. Der elektrische Strom der Aktoren 11 wird von dem Stromsensor (CS) 51 gemessen, mit einem Referenzsignal verglichen und an die Stromregeleinheit (CUU) 52 weitergeleitet. Die Stromregeleinheit (CCU) 52 regelt den elektrischen Strom entsprechen dem vorgegebenen Referenzsignal und beeinflusst damit die Ausdehnung der piezoelektrischen Aktoren.
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13b entspricht einer Darstellung des zeitlichen Verlaufs der von der Erregervorrichtung 16 nach 13a erzeugten elektrischen Spannungen U1, U2 sowie die dadurch generierte Bewegung S des anzutreibenden Elements 6.
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Die piezoelektrischen Aktoren des erfindungsgemäßen Trägheitsmotors werden in vier Zeitabschnitten mit zwei elektrischen Wechselspannungen U1, U2 einer gleichen Amplitude, aber unterschiedlicher Polarität angesteuert. Während in dem ersten Zeitabschnitt innerhalb der Zeit t1 die Spannung U1 des Erzeugers 17 linear bis auf den Maximalwert U1max mit einer Steigung Kup ansteigt (Rampenfunktion), hat die Spannung U2 des Erzeugers 18 eine identische, aber negative Steigung bzw. Neigung -Kup d.h. sie fällt auf den negativen Maximalwert -U2max. In dem zweiten Zeitabschnitt, d.h. innerhalb der Zeit t2, bleiben die Amplituden der beiden Spannungen U1, U2 unverändert. Danach fällt die Spannung U1 innerhalb der Zeit t3 mit der Steigung -Kdw ab und die Spannung U2 steigt mit Kdw an. Innerhalb der Zeit t4 ist die Amplitude der Spannungen U1, U2 Null. Die Frequenz fexc der Wechselspannungen U1, U2 ist gleich und beträgt einige Zehn kHz. Die Anstiegszeit t1 ist deutlich kleiner als die Abfallzeit t3.
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Die 14a) bis 14d) zeigen mittels FEM berechnete maximale Deformationen der Antriebsvorrichtung gemäß den 2, 5, 6 und 8 bei Ansteuerung der Aktoren für die Generierung einer Antriebsbewegung eines anzutreibenden Elements in bzw. gegen den Uhrzeigersinn. Dabei zeigt 14a) die entsprechenden Deformationen bei einer Antriebsvorrichtung 2 gemäß 2, 14b) die entsprechenden Deformationen bei einer Antriebsvorrichtung 2 gemäß 5, 14c) die entsprechenden Deformationen bei einer Antriebsvorrichtung 2 gemäß 6 und 14d) die entsprechenden Deformationen bei einer Antriebsvorrichtung gemäß 8.
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Der erfindungsgemäße piezoelektrische Trägheitsantrieb 1 und dessen Erregervorrichtung 16 haben folgende Funktionsweise: die Erzeuger 17, 18 der Erregervorrichtung 16 generieren zwei sägezahnartige elektrische Spannungen U1, U2 mit einem gleichen zeitlichen Verlauf, einem gleichen Spannungsbetrag und einer unterschiedlichen Polarität (siehe 13). Der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannungen U1, U2 hat zwei Bereiche t1, t3 mit einer unterschiedlichen Steigung. In dem ersten Bereich t1 ist die Steigung klein. In diesem Bereich wächst der Betrag der Spannungen U1, U2 bis zu ihrem Endwert U1max, U2max langsam. In dem zweiten Bereich mit einer großen Steigung t3 verringert sich der Betrag der Spannung U1, U2 sehr schnell. Der Unterschied beträgt bevorzugt eine Größenordnung. Des Weiteren kann es in dem zeitlichen Verlauf der Spannungen U1, U2 zwei weitere Bereiche t2, t4 geben, in denen die Beträge der Spannungen U1, U2 unverändert bleiben.
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Zum Anregen des piezoelektrischen Trägheitsantriebs 1 werden die Spannungen U1, U2 zu der Zeit t=0 (siehe 12b) an jeden piezoelektrischen Aktor 11 angelegt. Daraufhin dehnt sich der mit positiver elektrischer Spannung U1 beaufschlagte Aktor langsam aus, während der mit der negativen Spannung U2 beaufschlagte Aktor kontrahiert. Durch die Ausdehnung bzw. Kontraktion der Aktoren erfährt das mit ihnen verbundene Antriebselement 5 der Antriebsvorrichtung 2 eine in 14 dargestellte Deformation. Die mit dem anzutreibenden Element 6 im Gewindefriktionsangriff stehende Innenumfangsflächen 4 des Antriebselements 5 verleihen ihm aufgrund der dazwischen herrschenden Haftreibungskraft eine Rotation. Die Drehrichtung ist dabei von der Polarität der Spannungen U1, U2 bzw. der Deformationsrichtung der Aktoren abhängig und ist in 13a) durch Pfeile gekennzeichnet.
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Nach der Phase der kleinen Steigung t1 kann die Phase t2 erfolgen, in der die Aktorspannungen unverändert bleiben und das anzutreibende Element 6 zur Ruhe kommt. In der daraufhin folgenden Phase der großen Steigung t3 verringern sich die Beträge der Spannungen U1, U2 sehr schnell. Die Aktoren folgen den elektrischen Spannungen und ändern zeitgleich ihre Deformationsrichtung. D.h. der zuvor ausgedehnte Aktor kontrahiert, und der kontrahierte dehnt sich aus. Da das anzutreibende Element massebehaftet ist, kann es aufgrund der Trägheit nicht der Aktorbewegung bzw. der Bewegung des Antriebselements folgen und verharrt in seiner Position. Aufgrund der im Friktionskontakt auftretenden Kräfte geht die Haftreibung in eine Gleitreibung über. Die Flächen des Friktionskontaktes zwischen dem Antriebselement und dem anzutreibenden Element gleiten gegeneinander. Anschließend folgt die Phase t4, in der die elektrischen Spannungen U1, U2 Null sind und in welcher das anzutreibende Element ruht. Der Bewegungsablauf wiederholt sich periodisch mit einer Frequenz von maximal einigen kHz. Das anzutreibende Element wird direkt in eine rotatorische und indirekt in eine geradlinige Bewegung versetzt. Zu der Umkehr der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elementes werden die Spannungen U1, U2 vertauscht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Piezoelektrischer Trägheitsantrieb
- 2
- Antriebsvorrichtung
- 3
- Gewinde (der Innenumfangsfläche 4)
- 4
- Innenumfangsfläche
- 5, 15
- Antriebselement
- 6
- anzutreibendes Element
- 7
- Gewinde (des anzutreibenden Elements 6)
- 8
- Außenumfangsfläche (des anzutreibenden Elements 6)
- 9, 10
- Kontaktelement (des Antriebselements 5)
- 11
- mehrschichtiger piezoelektrischer Aktor
- 12, 13
- Seiten (des mehrschichtigen piezoelektrischen Aktors 11)
- 14
- Basiselement
- 16
- Erregervorrichtung
- 17, 18
- Erzeuger elektrischer Spannung
- 19
- virtuelle Längsachse
- 20
- elastisches Element
- 21
- elektrische Anschlüsse des Aktors
- 22
- Federbohrung
- 23
- Befestigungsbohrung
- 24
- Befestigungsbohrung eines elastischen Elements
- 25
- Klebertaschen
- 26
- piezoelektrische Schicht (des Aktors 11)
- 27, 28
- elastisches Element
- 29
- Verbindungselement
- 30
- elastisches Element
- 31
- bewegliches Element
- 32, 33, 34
- elastisches Element
- 35
- Träger (des Basiselements 14)
- 36
- Verbindungselement
- 37
- elastisches Element
- 38
- Gewindestab
- 39
- anzutreibendes Element in Form eines monolithischen Stabs
- 40
- Hohlgewindestab
- 41
- Axialöffnung im anzutreibenden Element
- 42
- Schallabsorbierender Stab
- 43
- Schicht schallabsorbierenden Materials
- 44
- elastisches Element
- 45, 46
- Befestigungsbohrung
- 47
- Phasenakkumulator (PA)
- 48
- Pulsweite- oder Pulsdichtemodulator (PWM oder PDM)
- 49
- geschaltete Leistungsendstufe (SPS)
- 50
- Tiefpassfilter (LP)
- 51
- Stromsensor (CS)
- 52
- Stromregeleinheit (CCU)
