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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektromechanische Aktuatoren.
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HINTERGRUND
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Es
besteht ein großer
Bedarf an einfachen miniaturisierten Hochleistungsaktuatoren mit
langem Hub und großer
Kraftentwicklung. Die Aktuatoren sollten vorteilhafterweise mit
einer tragbaren Spannungsquelle mehrere Tage lang laufen können, und in
einigen Fällen
muss die Positionierungsgenauigkeit hoch sein. Es gibt, wenn überhaupt,
bestenfalls einige wenige Aktuatortypen, die diesen Anforderungen
nahe kommen, und die wenigen Vorschläge, die mehr als nur einige
wenige dieser Anforderungen erfüllen
können,
sind viel zu komplex und kostenintensiv, um kommerziell nutzbar
zu sein.
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Der
Wunsch nach geringem Energieverbrauch erfordert ein gut durchkonstruiertes
Bauteil. Im Stand der Technik gibt es im Wesentlichen nur zwei Aktuatortypen
mit langem Hub (mehr als einige 100% Spannung) und geringem Energieverbrauch. Der
eine ist der traditionelle elektromagnetische Motor, d.h. ein miniaturisierter
DC-Motor, und der andere ist der mechanische Resonanz-Ultraschallmotor.
Der größte Nachteil
des DC-Motors besteht darin, dass er nicht sehr gut zur Miniaturisierung
geeignet ist. Folglich wird der Preis eines DC-Motors steigen, wenn
er miniaturisiert ist. Außerdem
sind die Geschwindigkeit und das Moment, die von einem miniaturisierten DC-Motor
bereit gestellt werden, nicht perfekt an allgemeine Anforderungen
bei kleinen Anwendungen angepasst, und die Herstellungskosten steigen
stark an, wenn bspw. kleine Getriebe benötigt werden.
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Der übliche Resonanz-Ultraschallmotor
erreicht einen hohen Wirkungsgrad, jedoch typischerweise innerhalb
eines schmalen Frequenzintervalls. Außerdem führen verschiedene Faktoren
wie die Qualität
der Antriebselektronik, die Temperatur und der Verschleiß dazu,
dass sich die Motoreigenschaften verschlechtern oder zumindest in
unkontrollierbarer Weise verändern.
Das Frequenzintervall hängt stark
von den Größen und
Formen der Antriebselemente ab. Wenn kleine Antriebselemente verwendet werden,
wird die Betriebsfrequenz im Allgemeinen extrem hoch sein, und jede
Toleranz wird den Betrieb noch mehr beeinflussen. Ferner ist eine
Linearbewegung mit Resonanzmotoren schwer zu erreichen, da die Bedingungen
für die
Ausbreitung der Wellen an den Enden der zu bewegenden Elemente/Gegenstände sehr
schwer zu kontrollieren oder vorauszusagen sind. Normalerweise funktioniert
eine mechanische Resonanz gut mit rotierenden Motoren, während die
reflektierte Welle an den Enden eines Linearmotors diesen zu einer
weniger attraktiven Lösung macht.
Daher gibt es keine Beispiele für
miniaturisierte lineare Ultraschallmotoren im Stand der Technik mit
den gewünschten
Eigenschaften, insbesondere wenn die Antriebselektronik ein Teil
der tragbaren Vorrichtung sein soll.
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Es
wurde bereits früher
gezeigt, dass die Verwendung elektromechanisch aktiver Materialien große Kräfte im Verhältnis zum
Aktuatorvolumen erzeugt, so bspw. in M. Bexell und S. Johansson, „Fabrication
and evaluation of a piezoelectric miniature motor", Sensors & Actuators A 75
(1999), pp. 8-16. Elektromechanisch aktive Materialien sollten daher interessante
Kandidaten sein, um als Grundlage für miniaturisierte Motoren zu
dienen. Eines der Hauptprobleme besteht jedoch darin, einen Bewegungsmechanismus
zu finden, der bei gleichzeitig robuster Konstruktion zu guten Eigenschaften
in Bezug auf Wirkungsgrad und Kraft führt, wobei der Aktuator auf einfache
Weise hergestellt werden kann.
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Eine
bevorzugte Vorgehensweise zur Bereitstellung eines auf elektromechanischen
Aktuatoren beruhenden miniaturisierten Motors besteht darin, den
Aktuator sorgfältig
zu konstruieren, so dass es zu einer guten Anpassung zwischen der
gewünschten maximalen
Kraft und der vom Material selbst aufnehmbaren Kraft kommt. Der
erste Schritt besteht üblicherweise
in der Auswahl des Aktuatormaterials. Je höher die mechanische Energiedichte
ist, die in dem Material erzielt werden kann, desto einfacher wird
die darauf folgende mechanische Konstruktion sein. Bei durchschnittlicher
Energiedichte wird es ferner wichtig sein, ein Material mit einem
relativ niedrigen internen Energieverlust pro Anregungszyklus zu verwenden.
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Das
oben diskutierte Problem mit der mechanischen Resonanz macht es
weniger wünschenswert,
dieses Phänomen
in kleinen Linearmotoren zu nutzen. Stattdessen kann man elektrische
Resonanzen verwenden. Natürlich
wird es immer einige Anwendungen geben, bei denen eine mechanische
Resonanz als ein zusätzliches
Verfahren zur Erhöhung des
Wirkungsgrads verwendet werden kann.
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Der
nächste
Konstruktionsschritt besteht darin, die mechanische Deformation
des Materials mit der Bewegung des zu bewegenden Bauteils so zu koppeln,
dass eine Widerholung der Deformation des Aktuatormaterials zur
Bewegung des Rotors (oder des entsprechenden Bauteils für die Linearbewegung)
hinzu addiert wird. Es gibt im Stand der Technik mehrere verschiedene
Mechanismen für
Schrittwiederholungen, bspw. Schrittmechanismen (
US 3,902,084 ), Wanderbewegungen oder „walking
movements" (
US 6,337,532 ), elliptische
Schwingungen (
US 6,437,485 )
und Wanderwellenmechanismen (
US 4,504,760 ).
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Schrittmechanismen
und Wanderbewegungen sind in der Tat sehr nützlich für eine Feinpositionierung.
Es gibt jedoch einige Schwierigkeiten, einen hohen Wirkungsgrad
zu erzielen. Außerdem
wurden im Stand der Technik Motoren im Hinblick auf die Positionierungsgenauigkeit
optimiert. Mit den bekannten Konstruktionsmöglichkeiten wird die Steifigkeit
in diesen Fällen
sehr hoch sein. Dies führt
zu einer schlechten Anpassung an die Last und daher zu einem reduzierten
Wirkungsgrad.
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Motoren,
die auf elliptischen Schwingungen beruhen, können mit einem größeren Wirkungsgrad konstruiert
werden. Stattdessen wird die Feinpositionierung heikler, und es
könnte
schwierig sein, eine Konstruktion zu erhalten, die für die gewünschten
Anwendungen mechanisch robust genug ist.
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Der
Wanderwellen-Mechanismus nutzt das Phänomen, wonach, wenn eine mechanische
Welle sich in eine Richtung bewegt, die Wellenberge, die mit dem
Rotor in Kontakt stehen, sich in die entgegengesetzte Richtung zur
Wellenausbreitung bewegen. Der Druck/die Last orthogonal zur Bewegungsrichtung
muss gering oder mäßig sein,
um den Rotor von den Wellentälern
fern zu halten. Eine zu hohe Last dämpft oder zerstört den Wellenmechanismus. Um
hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, sollte der Rotor nur mit einem
kleinen Bereich der Oberfläche in
Kontakt stehen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Aktuatoren bereit
zu stellen, die einen großen
Energietransfer aufweisen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, einen Aktuator bereit zu stellen, der eine
hochgenaue Positionierung ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, mechanisch
robuste Aktuatoren bereit zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, Aktuatorzusammenstellungen bereit zu stellen,
die einen großen
Wirkungsgrad ermöglichen.
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Die
oben genannten Aufgaben werden gelöst mit Vorrichtungen und Verfahren
gemäß den beigefügten Patentansprüchen. Im
Allgemeinen wird ein peristaltisches Aktuatorelement mit Körpern aus elektromechanischem
Material so angeordnet, dass eine Dimensionsänderung in der Hauptbewegungsrichtung
des peristaltischen Aktuatorelements in einem begrenzten peristaltischen
Abschnitt selektiv erzeugt wird. Durch die Änderung von die Körper aktivierenden
Spannungssignalen wird der peristaltische Abschnitt veranlasst,
sich entlang dem peristaltischen Aktuatorelement zu bewegen. Ein
mit dem peristaltischen Aktuatorelement wechselwirkender Gegenstand
wird dadurch relativ zum peristaltischen Aktuatorelement verschoben.
Die Länge
des peristaltischen Abschnitts beträgt vorzugsweise weniger als die
Hälfte
der Länge
des gesamten peristaltischen Aktuatorelements, besonders bevorzugt
wesentlich weniger. Es ist ferner bevorzugt, dass das peristaltische
Element so angeordnet ist, dass die mit dem Gegenstand wechselwirkende
Oberfläche
innerhalb des peristaltischen Abschnitts von diesem entfernt wird.
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Die
Vorteile eines erfindungsgemäßen Aktuators
bestehen darin, dass ein Bewegungsprinzip geschaffen wird, welches
eine große
Energieübertragung
zwischen dem Aktuator und dem Gegenstand, auf den der Aktuator wirkt,
zeigt. Die Bewegung ist sehr energieeffizient und erlaubt ferner
einen quasi-statischen Betrieb. Dadurch kann eine hoch präzise Positionierung
erreicht werden. Der erfindungsgemäße Aktuator ist außerdem gut
für schwere
Lasten geeignet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung, zusammen mit weiteren Eigenschaften und Vorteilen,
kann am besten mittels der folgenden Beschreibung unter Einbeziehung
der beigefügten
Zeichnungen verstanden werden.
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1A–E sind
schematische Darstellungen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators
und illustrieren das Bewegungsprinzip;
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2 ist
ein Blockschema einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen elektromechanischen
Aktuatorvorrichtung;
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3 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Aktuators;
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4 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Aktuators;
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators,
der mit mehr als einem simultanen peristaltischen Abschnitt arbeitet;
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6 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Aktuators;
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7 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators,
wobei der zu bewegenden Körper
Dimensionsänderungen
aufweist;
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8 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators
mit Zähnen;
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9 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Aktuators
mit Zähnen;
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10 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen peristaltischen
Pumpe;
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11 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators
mit einem zentralen Stator;
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12 ist
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Das
aktive Material, dass als Beispiel in der vorliegenden ausführlichen
Beschreibung verwendet wird, ist ein piezoelektrisches Material,
aber ein beliebiges anderes elektromechanisches Aktuatormaterial
kann selbstverständlich
genauso gut verwendet werden. Von besonderem Interesse sind die
sich schnell entwickelnden Polymer-Aktuatormaterialien, aber auch
andere alte oder neue elektromechanische Materialien, die unter
einem äußeren Reiz
ihre Form verändern,
können
verwendet werden.
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Zunächst soll
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Aktuator
dargestellt und beschrieben werden, um die grundlegenden Ideen hervor
zu heben. Darauf wird ein Vergleich mit aus dem Stand der Technik
bekannten Aktuatoren folgen, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung
zu betonen. Schließlich
sollen eine Mehrzahl verschiedener Modifikationen und Variationen
von Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kurz diskutiert werden.
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Eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung
in Form eines elektromechanischen Motors 10 ist in den 1A–E dargestellt.
Es sind nur Teile, die von besonderem Interesse für die Bewegungsprinzipien
sind, dargestellt. Jeder Fachmann erkennt, dass die Teile, die mechanische
Festigkeit, Normalkräfte
und elektronische Steuerung vermitteln, fehlen, um das Verständnis der grundlegenden
Bewegungsprinzipien zu erleichtern.
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Ein
zu bewegender Gegenstand 20 ist gegen ein peristaltisches
Aktuatorelement 30 gehalten. Der Gegenstand 20 soll
relativ zum peristaltischen Aktuatorelement 30 in eine
Hauptbewegungsrichtung bewegt werden, die mit einem Pfeil 90 gekennzeichnet ist.
In dieser Ausführungsform
umfasst das peristaltische Aktuatorelement 30 sieben Körper aus
elektromechanischem Material 34A-G, in diesem Fall aus einem
piezoelektrischen Material, das typischerweise in der Hauptbewegungsrichtung
polarisiert ist. Eine wechselwirkende Oberfläche 32 des peristaltischen
Aktuatorelements 30 steht in Kontakt mit dem Gegenstand 20 und
besteht vorzugsweise aus ei nem Material mit hinreichender Verschleißfestigkeit
und einer geeigneten Reibung. Sowohl an den Enden des peristaltischen
Aktuatorelements 30 als auch zwischen den Körpern aus
elektromechanischem Material 34A-G sind Elektroden 36 vorgesehen.
(Nur einige von ihnen sind in den 1A–E mit Bezugszeichen
versehen, um die Lesbarkeit der Figuren zu verbessern.) Steuereinrichtungen
(nicht dargestellt) sind so angeordnet, um die Elektroden mit geeigneten Spannungssignalen
zu versorgen. In 1A beträgt die Spannungsdifferenz zwischen
den Elektroden gleich Null, und die Körper aus elektromechanischem Material 34A-G
nehmen jeweils eine nicht-angeregte Form an.
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In 1B wurde
an die Körper 34A und 34B jeweils
eine Spannung angelegt. Die Körper 34A, 34B reagieren
mit einer Veränderung
ihrer Form. Beide Körper 34A, 34B vergrößern ihre
Abmessung parallel zur Hauptbewegungsrichtung 90, aber
sie verkleinern ihre Abmessung senkrecht zur wechselwirkenden Oberfläche 32.
Jeder Fachmann erkennt, dass die Veränderungen der Form in den Zeichnungen
stark übertrieben
dargestellt sind, um die grundlegenden Konzepte sichtbar zu machen.
Auf diese Weise wird ein peristaltischer Abschnitt 40 mit
den jeweiligen Begrenzungen 38A, 38B geschaffen.
Ein Ende 42 des peristaltischen Aktuatorelements 30 wird
dadurch über
eine durch den Doppelpfeil 44 gekennzeichnete Distanz relativ
zum Gegenstand 20 bewegt.
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In 1C sind
die Spannungssignale zu den verschiedenen Elektroden verändert. Nun
liegt stattdessen eine Spannungsdifferenz an den Körpern 34B und 34C an.
Die Körper 34B and 34C expandieren
entlang der Hauptbewegungsrichtung 90 und schrumpfen senkrecht
zur wechselwirkenden Oberfläche 32.
Dafür ist
der Körper 34A nicht
mehr angeregt und hat seine nicht-angeregte Form wieder angenommen.
Der peristaltische Abschnitt 40 umfasst nun die Körper 34B und 34C,
und die Begrenzungen 38A, 38B wurden entsprechend
verschoben. Die Gesamtlänge
des peristaltischen Aktuatorelements 30 ist im Wesentlichen
die gleiche wie in 1B, da jedes Mal zwei Körper angeregt
sind. Da der Körper 34A nun
seine ursprüngliche
Form aufweist, steht die wechselwirkende Oberfläche 32 dieses Körpers wieder
in Kontakt mit dem Gegenstand 20. Die relative Lage verglichen
mit 1A, ist jedoch um die Distanz 44 verschoben.
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Der Übergang
von 1B zu 1C wird vorzugsweise
in einer im Wesentlichen graduellen Weise vorgenommen, die dazu
führt,
dass sich der peristaltische Abschnitt 40 im Wesentlichen
kontinuierlich entlang dem peristaltischen Aktuatorelement 30 bewegt.
Wenn dieser graduelle Wechsel der Spannungssignale fortgesetzt wird,
wird in einem späteren
Stadium die in 1D gezeigte Situation auftreten.
Hier sind die Körper 34F und 34G angeregt und
zeigen die longitudinale Ausdehnung und transversale Komprimierung.
Der peristaltische Abschnitt 40 hat nun das andere Ende 46 des
peristaltischen Aktuatorelements 30 erreicht. In dieser
Situation haben sich alle Bereiche der wechselwirkenden Oberfläche 32 des
peristaltischen Aktuatorelements 30, die in Kontakt mit
dem Gegenstand 20 stehen, relativ zu dem Gegenstand über die
Distanz 44 verglichen mit 1A bewegt.
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In 1E sind
alle Körper 34A–G wieder nicht-angeregt
und stehen in Kontakt mit dem Gegenstand 20. Die Situation
ist mit derjenigen in 1A vergleichbar, jedoch mit
dem Unterschied, dass das gesamte peristaltische Aktuatorelement 30 sich
relativ zum Gegenstand 20 bewegt hat. Wenn das peristaltische
Aktuatorelement 30 ortsfest gehalten wird, wird sich stattdessen
der Gegenstand 20 bewegen.
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Die
in den 1A–E dargestellte Bewegung wird
erzeugt, indem ein Teil des peristaltischen Aktuatorelements 30 veranlasst
wird, einen peristaltischen Abschnitt 40 zu bilden und
indem dieser Abschnitt 40 oder vielmehr die Begrenzungen
dieses Abschnitts 40 entlang dem peristaltischen Aktuatorelement 30 bewegt
werden. Diese Bewegung des peristaltischen Abschnitts 40 wird
durch eine sukzessive Anregung der verschiedenen Körper 34A–G aus elektromechanischem
Material hervorgerufen. Der peristaltische Abschnitt 40 des
peristaltischen Aktuatorelements 30 wird so mit im Wesentlichen
kontinuierlich entlang dem peristaltischen Aktuatorelement 30 versetzt.
Man kann zur Kenntnis nehmen, dass in der vorliegenden Ausführungsform,
bei der die Dimensionsänderung
des peristaltischen Aktuatorelements 30 in der Hauptbewegungsrichtung 90 eine Verlängerung
ist, der Gegenstand 20 sich in derselben Richtung wie der
peristaltische Abschnitt 40 bewegt.
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Der
Begriff „peristaltisch" wird verwendet,
um die Art und Weise der Entstehung der Bewegung zu beschreiben.
Analog zu seiner Verwendung im medizinischen Zusammenhang, bezeichnet „peristaltisch" eine durch Zusammenziehen
oder Vergrößern verursachte
graduelle Bewegung. Bei der Auswertung des in der
US 5,751,090 offenbarten Burleigh-Motors kann
dies auch als eine Art peristaltischer Bewegung aufgefasst werden.
Diese Bewegung beruht dort jedoch auf einer schrittweisen Bewegung,
bei der die verschiedenen Abschnitte wohl definierte Aufgaben haben,
und die Bewegung könnte
somit als eine diskrete peristaltische Bewegung beschrieben werden. Die
vorliegende Erfindung beruht stattdessen auf einem durchgehenden
Gegenstand, an dem sich eine Kontraktions-/Expansionsbewegung fortpflanzt.
Der peristaltische Gegenstand sollte demnach so konstruiert sein,
dass wie gewünscht
ein maximaler Energietransfer stattfindet.
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Die
vorliegende Erfindung könnte
auch als eine Expansions-/Kontraktionswelle angesehen werden, die
sich durch eine peristaltisches Aktuatorelement 30 fortpflanzt.
Aus dieser Sicht gibt es auch Ähnlichkeiten
mit Wanderwellen-Motoren. In einem Wanderwellen-Motor werden jedoch
die verschiedenen Oberflächenabschnitte
des Aktuators entlang einem elliptischen Weg in Bewegung versetzt,
und die Kontaktpunkte zwischen dem Aktuator und dem zu bewegenden
Gegenstand bewegen sich in der entgegen gesetzten Richtung zu der
Richtung, in der sich die Wellen ausbreiten. Da die Wechselwirkung an
den Kontaktpunkten die hauptsächliche
die Bewegung erzeugende Maßnahme
ist, wird der zu bewegende Gegenstand auch in diese Richtung befördert. In
einem Wanderwellen-Aktuator weisen die im Wellental befindlichen
Oberflächensegmente
eine entgegensetzt zur Hauptbewegungsrichtung gerichtete Bewegungskomponente
auf. Um eine effiziente Bewegung zu erhalten, ist es somit von Interesse,
Kontakte zwischen sich in der entgegen gesetzten Richtung bewegenden
Oberflächensegmenten
und dem zu bewegenden Körper
zu vermeiden. Der Kontaktbereich zwischen dem Aktuatorelement und
dem zu bewegenden Körper
beträgt
daher typischerweise nur einen Bruchteil der gesamten Aktuatoroberfläche, mindestens
weniger als die Hälfte.
Wanderwellen-Aktuatoren verwenden typischerweise Transversalwellen,
die durch das Aktuatorelement geschickt werden.
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Die
vorliegende Erfindung beruht im Gegensatz hierzu auf einem Mechanismus,
an dem die Fortpflanzung einer Kontraktions-/Expansionswelle beteiligt
ist, mit einer unwesentlichen Bewegung des Kontaktbereichs zwischen
Stator und Rotor. Der bewegungsfreie Kontakt der den Großteil der
Last tragenden Abschnitte ist somit einer der Hauptunterschiede
zu Wanderwellen-Motoren. Die Kontraktions-/Expansionswelle ist im
Wesentlichen eine Longitudinalwelle, und jede Bewegung in Transversalrichtung
ist von geringer Bedeutung. Ferner ist die Breite des peristaltischen
Abschnitts 40 verglichen mit der Gesamtlänge des
gesamten peristaltischen Aktuatorelements 30 vorzugsweise
klein. In den meisten Fällen
bedeckt der peristaltische Abschnitt 40 weniger als die
Hälfte
der Länge
des peristaltischen Aktuatorelements 30, vorzugsweise viel
weniger davon. Der Hauptteil des peristaltischen Aktuatorelements 30 ist
immer in Kontakt mit dem Gegenstand. Dies ermöglicht es, mit kleinen Aktuatoren sehr
hohe Kräfte
zu erreichen. Ein anderer wesentlicher Unterschied zu einem Wanderwellen-Motor
ist dieser vergleichsweise große
unmittelbare Kontaktbereich.
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Die
Konstruktion eines peristaltisch aktiven Stators ist im Wesentlichen
abhängig
vom Material. Mit einem Material, das sowohl robust ist als auch eine
große
Formänderung
aufweist, kann der Bedarf an zusätzlichen
Mate rialien und Bauteilen minimiert werden, und die Körper aus
elektromechanischem Material selbst können den vorherrschenden Teil
des peristaltischen Aktuatorelements ausmachen. Dort, wo die sich
ausbreitenden Welle sich bewegt, sollte vorzugsweise kein oder nur
wenig Kontakt zwischen dem Stator und dem Rotor bestehen. Da die
meisten der aktiven elektromechanischen Materialien eine gleichzeitige
Kontraktion und Expansion in verschiedene Richtungen aufweisen,
kann dies direkt genutzt werden.
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2 zeigt
ein Blockschema einer Anordnung elektronischer Bauteile eines erfindungsgemäßen elektromechanischen
Motors. Das peristaltische Aktuatorelement 30 ist mit einer
Anzahl von Elektroden 36 zur Aktivierung benachbarter elektromechanisch
aktiver Körper
versehen. Die Elektroden 36 werden über Verbindungselemente 52 von
einer Kontrolleinrichtung, in dieser Ausführungsform eine Spannung erzeugende
Antriebseinheit 54, mit Spannungssignalen 50 versorgt.
Die Antriebseinheit 54 ermittelt die benötigten Spannungen
für die
verschiedenen Elektroden und liefert die gewünschten Spannungssignale mit
ausgewählten
Phasenunterschieden. Die Antriebseinheit 54 umfasst vorzugsweise eine
Energierückgewinnungseinheit 56.
Die Energierückgewinnungseinheit 56 ist
so ausgelegt, dass sie zumindest einen Teil der Energie zurück gewinnt,
die freigesetzt wird, wenn sich die Spannung an den elektromechanisch
aktiven Körpern 30 ändert. Die Energie
kann entweder zu einer anderen Elektrode geleitet werden, die zur
gleichen Zeit aufgeladen wird oder kann gespeichert werden, um zu
einem späteren
Zeitpunkt genutzt zu werden. Eine derartige Energierückgewinnungseinheit 56 als
solche ist im Stand der Technik bekannt und wird daher nicht weiter
beschrieben.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen elektromechanischen
kontinuierlichen peristaltischen Motors. Bei dieser Ausführungsform
ist das elektromechanische Material in den Körpern 34H-N derart,
dass es eine Kontraktion in der Hauptbewegungsrichtung zeigt, wenn
eine Spannung an den Körpern
angelegt wird. Ein peristalti scher Abschnitt 40 umfasst
bei dieser Ausführungsform
Körper 34L–M, die
in der Hauptbewegungsrichtung verkürzt sind. Die grundlegenden Prinzipien
sind analog zu den 1A–E, aber die Bewegungsrichtung
des Gegenstandes 20 wird umgekehrt.
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Bei
einigen Anwendungen, bei denen Effizienz nicht die wichtigste Anforderung
darstellt, kann sogar der gleiche Druck auf der Oberfläche der
Kontraktionswelle und der verbleibenden Statoroberfläche akzeptiert
werden. Eine solche Situation ist in 4 dargestellt.
Ein peristaltisches Aktuatorelement 30 mit Körpern 34O–X zeigt
bei Anregung eine Kontraktion in der Hauptbewegungsrichtung, aber
im Wesentlichen keine Dimensionsänderung
in transversaler Richtung. Der Bereich der Kontraktionswelle bei
dieser Ausführungsform,
d.h. der peristaltische Abschnitt 40 sollte typischerweise
kleiner, vorzugsweise viel kleiner als der nicht-kontrahierte Statorbereich 41 sein.
Bei Anregung oder Abregung eines Körpers 34O–X ändert der
Körper
die Lage seines Schwerpunkts relativ zu den unbeeinflussten Körpern. Da
alle Körper
mit dem Gegenstand 20 in Kontakt stehen, bedeutet dies,
dass zumindest einer der sich verändernden Körper oder der unbeeinflussten Körper in
Bezug auf die Oberfläche
des Gegenstands gleiten muss. Da der Bereich des peristaltischen
Abschnitts 40 viel kleiner ist als der nicht kontrahierte Bereich 41 des
Stators, gleitet als Ergebnis der peristaltische Abschnitt 40 während der
nicht kontrahierte Bereich 41 des Stators im feststehenden
Kontakt mit dem Gegenstand 20 verbleibt. Auf den kontrahierten
Wellenbereich wird eine geringere Kraft ausgeübt, und die Kontraktion sollte
ausreichen, um ein Gleiten an der Oberfläche der Kontraktionswelle auszulösen. Wenn
außerdem
die Geschwindigkeit der Kontraktion im peristaltischen Abschnitt
recht hoch ist, nimmt der Reibungskoeffizient typischerweise ab, wodurch
die Situation weiter verbessert wird. Diese Anordnung führt aufgrund
der Gleitbewegung zu einem größeren Verschleiß, aber
gleichzeitig verringern sich die Anforderungen and die Ebenheit
(flatness) zwischen dem Stator und dem Rotor/Shuttle.
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Die
Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Gegenstand 20 und
dem peristaltischen Aktuatorelement 30 kann auf unterschiedliche Weise
verändert
werden. Eine offensichtliche Möglichkeit
besteht darin, die Frequenz/Dauer der Spannungssignale zu verändern. Verschiedene
Aspekte hierzu werden weiter unten erläutert. Eine andere Möglichkeit,
die Durchschnittsgeschwindigkeit anzupassen, besteht darin, die
Zeitabschnitte zwischen den Anregungen zur Bildung neuer peristaltischer Abschnitte 40 zu
variieren. Indem Zeitabschnitte eingeführt werden, in denen überhaupt
keine peristaltischen Abschnitte 40 vorhanden sind, wird
die Durchschnittsgeschwindigkeit gesenkt. Es ist auch möglich, die
Durchschnittsgeschwindigkeit zu erhöhen, indem die Bildung eines
neuen peristaltischen Abschnitts 40 angeregt wird, bevor
der Vorgänger
das entgegengesetzte Ende des peristaltischen Aktuatorelements 30 erreicht
hat. Es kann mit anderen Worten zur gleichen Zeit mehr als ein peristaltischer
Abschnitt 40 vorhanden sein. Eine derartige Situation ist in 5 dargestellt.
Hier sind innerhalb des peristaltischen Aktuatorelements 30 ein
erster peristaltischer Abschnitt 40A und ein zweiter peristaltischer
Abschnitt 40B mit Begrenzungen 38A, 38B bzw. 38C, 38D vorhanden.
Die beiden peristaltischen Abschnitte 40A, 40B werden
gleichzeitig entlang der Ausdehnungsrichtung des peristaltischen
Aktuatorelements 30 bewegt. Jeder Fachmann erkennt aus 5,
dass eine beliebige Anzahl peristaltischer Abschnitte gleichzeitig
verwendet werden kann, so lange sie nicht störend oder löschend aufeinander einwirken. Der
gesamte Bereich der peristaltischen Abschnitte sollte im Vergleich
mit der gesamten wechselwirkenden Oberfläche 32 vorzugsweise
immer noch klein sein.
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Wenn
der Antriebspannungskreis so angeordnet ist, dass die dem Aktuatormaterial
zur Verfügung
gestellte Energie auf effiziente Weise zurück gewonnen wird, kann ohne
große
Verluste im Gesamtwirkungsgrad auch eine quasi-statische peristaltische
Ausbreitung genutzt werden. Ein quasi-statischer Betrieb wird definiert
als eine Betriebsart, bei der dynamische Beiträge zum Betrieb im Wesentlichen
vernachlässigt
werden können.
Ein quasi-statischer Betrieb wird oft dann gewünscht, wenn die Genauigkeit
der Positionierung von großer
Bedeutung ist. Ferner ist die Optimierung einfacher, wenn nur die statischen
Kräfte
in einem System berücksichtigt werden
müssen.
Da der Gegenstand immer von einem großen Bereich der wechselwirkenden
Oberfläche 32 getragen
wird, kann der Betrieb eines erfindungsgemäßen Motors willkürlich langsam
sein und sogar im Wesentlichen bei jeder Veranlassung gestoppt werden.
Dies ist bei der Nutzung von Wanderwellen-Mechanismen nicht möglich.
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Bei
den bisherigen Ausführungsformen
ist das peristaltische Aktuatorelement im Wesentlichen aus den elektromechanisch
aktiven Körpern
selbst gebildet. Bei bestimmten Anwendungen und für bestimmte
elektromechanische Materialien kann es jedoch einige zusätzliche
Beschränkungen
geben. Wenn ein elektromechanisches Material ausgewählt wird,
dessen Formänderung
in der Richtung senkrecht zur wechselwirkenden Oberfläche nicht
genügt, um
bspw. Anforderungen an die Verschleißfestigkeit zu erfüllen, müssen andere
Konstruktionskonzepte angewendet werden. In ähnlicher Weise müssen bspw.
bei Anwendungen, für
die dünne
Statoren benötigt
werden, andere Techniken verwendet werden, um die sich ausbreitende
Welle vom Rotor zu lösen. Eine
mögliche
einfache Technik, um eine große
Deformation zu erhalten, besteht darin, Biegen als interne Hebelkraft
zu nutzen. Darüber
hinaus ist, wenn ein piezoelektrisches Material in Betracht gezogen
wird, ein Stator aus einem piezokeramischen Material als durchgehendem
Körper
aufgrund der Sprödigkeit dieses
Materials nicht immer wünschenswert.
In diesen Fällen
kann ein anderes robusteres Material als durchgehendes Material
verwendet werden, bspw. Metall oder Polymer, und das piezokeramische
Material kann lediglich verwendet werden, um die Bewegungen herbeizuführen.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen kontinuierlichen
peristaltischen Motors. Bei dieser Ausführungsform umfasst das peristaltische
Aktuatorelement 30 einen Hauptträger 60, welcher die
wech selwirkende Oberfläche 32 aufweist.
Der Hauptträger 60 ist
zum Zweke der mechanischen Abstützung
mit einem Statorelement 62 verbunden. Auf dem Hauptträger 60 sind
Körper 64A–M aus elektromechanischem
Material in regelmäßigen Positionen
entlang dem Hauptträger 60 angebracht. Der
Hauptträger 60 sorgt
für eine
Flexibilität
der Form, die sowohl eine Dimensionsänderung entlang der Hauptbewegungsrichtung
als auch die Entfernung eines Teils der wechselwirkenden Oberfläche vom
Gegenstand 20 erlaubt. Bei dieser Ausführungsform kann der Hauptträger 60 gekrümmt werden,
so dass eine Wölbung
gebildet wird, wodurch sowohl eine Verkürzung der Gesamtlänge des
peristaltischen Aktuatorelements 30 verursacht als auch
die Entfernung der wechselwirkenden Oberfläche 32 vom Gegenstand 20 im
Bereich der Wölbung
herbeigeführt
wird. Die Verkürzung
ist zum Teil auf das aktive Material und zum Teil auf die Krümmung selbst zurückzuführen. Die
Körper 64A–M werden
angeregt, indem Elektroden 36 über Verbindungselemente 52 mit
geeigneten Spannungen versorgt werden, und die Formänderung
der Körper 64A–M veranlasst den
Hauptträger 60,
bspw. eine Wölbung
zu bilden. Eine peristaltischer Abschnitt 40 wird geschaffen.
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Die
Arbeitsweise ist ähnlich
wie bei den vorhergegangenen Ausführungsformen. Indem die Spannungssignale
zu den Elektroden 36 der Körper 64A–M kontrolliert
werden, kann der Hauptträger
gezwungen werden, seine Form zu ändern
und dadurch im Wesentlichen kontinuierlich die Begrenzungen 38A,
B des peristaltischen Abschnitts 40 entlang dem peristaltischen
Aktuatorelement 30 zu bewegen.
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Der
Rotor/Shuttle wird normalerweise als passiv und steif angesehen,
aber in einigen Fällen führt die
Deformierung des Stators zur hauptsächlichen Bewegung, 7.
In 6 ist die Verkürzung auf
eine Kombination von aktivem Material und der Krümmung selbst zurückzuführen, wobei
jede Verkürzung
des Gegenstands 20 selbst vernachlässigt wird. In 7 weist
der Gegenstand 20 eine nicht unbedeutende Elastizität auf. Die
Nor malkraft ist typischerweise gleichmäßig über die Statoroberfläche verteilt,
wobei ein elastisches Material wie bspw. Silikonkautschuk 101 verwendet
wird. Die Statorbereiche 62 wird mit einer Normalkraft 86 beaufschlagt, und
der Druck auf die wechselwirkende Oberfläche verursacht eine Verringerung
der Dicke des elastischen Körpers.
Die meisten Materialien werden mit geringen Volumenänderungen
deformiert und daher tritt eine longitudinale Ausdehnung des Gegenstandes 20 dort
auf, wo der Druck wirkt. Die relative longitudinale Längenänderung
des Gegenstands 20 zwischen einem dem peristaltischen Abschnitt 40 des
Stators 30 entsprechenden Abschnitt 66 und den unter
Druck stehenden Bereichen dominiert bei einigen Stator/Gegenstand-Kombinationen
und stellt daher den Hauptgrund für die Bewegung dar, wenn sich der
peristaltische Abschnitt 40 bewegt.
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Bei
einigen Anwendungen, bei denen sehr große Kräfte wirken, könnte die
Reibung zwischen Stator und Rotor nicht groß genug, um ein Gleiten zwischen
Rotor und Stator zu verhindern. Wenn außerdem eine exakte Positionierung
gewünscht
wird, müssen
auch die wechselwirkenden Oberflächen des
Rotors/Gegenstands und des Stators berücksichtigt werden. 8 zeigt
eine mögliche
Lösung. Die
wechselwirkende Oberfläche 32 des
peristaltischen Aktuatorelements 30 ist mit geometrischen Strukturen
versehen, bei dieser Ausführungsform
in Form von Statorzähnen 82.
In ähnlicher
Weise ist eine wechselwirkende Oberfläche des zu bewegenden Gegenstands 20 mit
geometrischen Strukturen 84 versehen, deren Form zu derjenigen
der geometrischen Strukturen 82 komplementär ist. (Elektromechanische
Körper
sind in dieser Zeichnung nicht dargestellt.) Bei dieser Ausführungsform
sind die geometrischen Strukturen 84 ebenfalls dreieckig
geformte Zähne.
Das peristaltische Aktuatorelement 30 ist gezwungen, sich
innerhalb des peristaltischen Abschnitts 40 vom Gegenstand 20 zu
lösen,
und die Statorzähne 82 können in
Eingriff mit einem neuen Zahn 84 des Gegenstands gebracht
werden, wenn sie sich erneut dem Gegenstand 20 nähern. Die
parallel zur Hauptbewegungsrichtung 90 gerichteten Kräfte können in
solch einer Ausführungsform
erheblich größer sein
als bei Aus führungsformen
mit flachen wechselwirkenden Oberflächen. Bei diesem speziellen
Ausführungsbeispiel
gibt es keine Notwendigkeit für
eine Dimensionsänderung
des peristaltischen Aktuatorelements in der Hauptbewegungsrichtung,
weil Zähne
verwendet werden. Eine orthogonale Dimensionsänderung ist statt dessen ausreichend,
vorausgesetzt dass die Anzahl der Zähne von Rotor und Stator unterschiedlich
sind.
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Eine
relative Dimensionsänderung,
d.h. eine Änderungen
des Dimensionsunterschieds zwischen dem peristaltischen Aktuatorelement 30 und
dem Gegenstand 20, kann daher Komponenten sowohl in einer
zur Hauptbewegungsrichtung parallelen Richtung als auch in einer
zur Hauptbewegungsrichtung orthogonalen oder senkrechten Richtung
oder beides aufweisen.
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Die
Anzahl der Zähne 82, 84 am
Gegenstand 20 und am Stator 30 ist aus mehreren
Gesichtspunkten wichtig. Der relative Unterschied in der Anzahl der
Zähne kann
genutzt werden, um das Übersetzungsverhältnis zwischen
der verwendeten Frequenz und der Frequenz des Gegenstandes oder
der Geschwindigkeit zu kontrollieren. Wenn zum Beispiel ein Zyklussder
angelegten Spannungssignals mit einer vollen Drehung des peristaltischen
Abschnitts korrespondiert, dann ergibt das Übersetzungsverhältnis 1/H
= (Nr – Ns)/Ns, wobei Nr die Anzahl der Zähne im Gegenstand 20 und
NS die Anzahl der Zähne im Stator 30 bezeichnet,
einen „Herunterschalteffekt„ (gear
down) am Gegenstand 20. Sind keine Zähne vorhanden, gibt es immer
einen „Herunterschalteffekt" (gear down effect),
und eine Lösung
besteht darin, dasselbe Verhältnis
zu verwenden, wenn Gegenstände
und Statoren mit Zähnen
versehen sind. Eine andere Lösung
besteht darin, ein höheres Übersetzungsverhältnis (d.h.
einen geringeren Wert von H) vorzusehen, um die Geschwindigkeit
zu erhöhen,
während
sich die Reibung zwischen den Zähnen vergrößert. Die
Motorkraft wird somit erhöht.
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Geometrische
Strukturen der wechselwirkenden Oberflächen können auch zu anderen Zwecken
verwendet werden. 9 zeigt eine Ausführungsform
mit einer Zahngeometrie der Statorzähne 82 und der Zähne 84 des Gegenstands,
die es ermöglicht,
einen peristaltischen Abschnitt zu bewegen, ohne dass irgendeine
orthogonale Formänderung
notwendig ist. Die Länge
der Statorzähne
im peristaltischen Abschnitt ist typischerweise verschieden von
der Länge
der Zähne
des Rotors, und mit abgeflachten Zähnen gibt es keinen Eingriff
im peristaltischen Abschnitt. Die Bewegung des peristaltischen Abschnitts
bewegt den Gegenstand, und eine große tangentiale Kraft wird von
den anderen, miteinander in Eingriff stehenden Zähnen aufrechterhalten. Natürlich kann
das Gegenteil hierzu auch genutzt werden, d.h. die Länge der
Zähne im
peristaltischen Abschnitt ist gleich der Länge der Zähne des Gegenstands. Ein weiterer
Vorteil besteht im Arretieren des Gegenstands, wenn eine an den
elektromechanischen Körpern
anliegende Spannung abgeschaltet wird. Wenn die mit den Pfeilen 86 bezeichnete
Normalkraft durch eine ausgedehnte Last verursacht wird, wird das
peristaltische Aktuatorelement 30 dem Gegenstand 20 entsprechend
justiert, und nur dort, wo die Zähne
es erlauben, greifen sie ineinander. Auf diese Weise kann eine Feinpositionierung
ausgeführt werden,
und wenn die gewünschte
Position erreicht ist, können
alle Spannungen abgeschaltet werden, während die relative Position
zwischen Stator und Gegenstand in der gewünschten Lage verbleibt.
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Die
hauptsächlichen
Vorteile ergeben sich bei Anwendungen, bei denen ein Gegenstand
in Form eines Festkörpers
bewegt werden soll. Erfindungsgemäße peristaltische Aktuatorelemente
können
aber auch zum Pumpen einer Flüssigkeit
oder eines Gases verwendet werden. 10 zeigt
zwei peristaltische Aktuatorelemente 30A, 30B,
die durch eine Normalkraft 86 zusammengepresst werden.
Die beiden peristaltischen Aktuatorelemente 30A, 30B sind
mit Statorzähnen 82A, 82B versehen,
deren Oberflächen
eine hohe Genauigkeit aufweisen. Indem jeweils ein peristaltischer
Abschnitt 40C, 40D mit Begrenzungen 38A-D
entlang jedem peristaltischen Aktuatorelement 30A, 30B bewegt
wird, wird ein sich bewegendes Volumen 88 zwischen den
peristaltischen Aktuatorelementen 30A, 30B erzeugt. Wenn
die ses Volumen eine Flüssigkeit
oder ein Gas enthält,
wird eine peristaltische Pumpe geschaffen.
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11 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
für Anwendungen,
die sehr große
Kräfte
und gleichzeitig eine große
Verschleißfestigkeit
verlangen. Das peristaltische Aktuatorelement 30 besteht aus
Körpern
aus laying-down d33-Aktuatoren. Die quer verlaufende Kontraktion/Expansion
dient der Erzeugung der peristaltischen Funktion analog zu den 1A–E. Bei
dieser Ausführungsform
ist der zu bewegende Gegenstand 20 zu beiden Seiten des
peristaltischen Aktuatorelements 30 angeordnet. Das peristaltische
Aktuatorelement 30 weist somit auf jeder Seite eine wechselwirkende
Oberfläche 32 auf.
Ein peristaltischer Abschnitt 40 mit einem kurzen peristaltischen
Abstand 92 erlaubt sehr große Normalkräfte 86. Die meisten
verschleißfesten
Materialien sind verglichen mit bspw. piezokeramischen Materialien sehr
steif. Eine durchgehende verschleißfeste Schicht würde daher
die Ausdehnung des Stators in longitudinaler Richtung einschränken. Um
die Beweglichkeit des peristaltischen Aktuatorelements 30 in
longitudinaler Richtung nicht einzuschränken, können Aluminiumoxidfasern 94 entlang
der Ausdehnungsrichtung auf dem peristaltischen Aktuatorelement 30 angeordnet
werden. Der Gegenstand 20 enthält vorzugsweise eine steife
verschleißfeste Schicht 96,
mit der das peristaltische Aktuatorelement 30 wechselwirkt.
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12 ist
ein Flussdiagramm, das die wesentlichen Schritte eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
darstellt. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt 200. Beim
Schritt 202 wird ein peristaltisches Aktuatorelement gegen
einen Gegenstand positioniert. Das peristaltische Aktuatorelement
weist elektromechanische Körper
auf, die so angeordnet sind, dass sie bei ihrer Aktivierung die
Dimension des peristaltischen Aktuatorelements örtlich verändern. Die elektromechanischen
Körper
werden beim Schritt 204 selektiv aktiviert, um einen peristaltischen
Abschnitt im Wesentlichen kontinuierlich entlang dem peristaltischen
Ak tuatorelement zu bewegen. Während
dieses Schrittes verbleibt das peristaltische Aktuatorelement über außerhalb
des peristaltischen Abschnitts liegende Abschnitte des peristaltischen
Aktuatorelements in nicht-gleitendem Kontakt mit dem Gegenstand.
Das Verfahren endet beim Schritt 206. Das Verfahren wird
vorzugsweise wiederholt, wie es mit dem durchbrochenen Pfeil 208 angedeutet
wird.
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Der
Fachmann versteht, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen
an den Ausführungsbeispielen
der in dieser Offenbarung dargelegten vorliegenden Erfindung vorgenommen
werden können,
ohne den Schutzbereich dieser Erfindung zu verlassen, der ausschließlich durch
die beigefügten Ansprüche definiert
wird.
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LITERATURHINWEISE
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- M. Bexell und S. Johansson, „Fabrication and evaluation
of a piezoelectric miniature motor", Sensors & Actuators A75 (1999), S.8-16
US 3,902,084
US 4,504,760
US 5,751,090
US 6,337,532
US 6,437,485
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
peristaltisches Aktuatorelement 30 ist gegen einen Gegenstand 20 angeordnet.
Das peristaltische Aktuatorelement 30 umfasst Körper 34A–G eines
elektromagnetischen Materials und ist angeordnet, um gezielt eine
Dimensionsänderung
in einer Hauptbewegungsrichtung 90 des peristaltischen
Aktuatorelements 30 innerhalb eines begrenzten peristaltischen
Abschnitts 40 zu veranlassen. Durch Ändern von Spannungssignalen,
welche die Körper 34A–G aktivieren,
wird der peristaltische Abschnitt 40 veranlasst, sich entlang
des peristaltischen Aktuatorelements 30 zu bewegen. Der
Gegenstand 20, der mit dem peristaltischen Aktuatorelement
in Wechselwirkung steht, wird dadurch relativ zu dem peristaltischen
Aktuatorelement 30 verschoben. Vorzugsweise beträgt die Länge des
peristaltischen Abschnitts 40 weniger als die Hälfte der
Länge des
gesamten peristaltischen Aktuatorelements 30, noch bevorzugter
viel weniger. Es ist ebenfalls bevorzugt, wenn das peristaltische
Aktuatorelement 30 derart angeordnet ist, dass die mit
dem Körper
wechselwirkende Oberfläche 32 von
demselben entfernt wird innerhalb des peristaltischen Abschnitts 40.