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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektromechanische Aktuatoren und insbesondere auf elektromechanische Aktuatoren, die durch Wiederholung von kleinen Schritten eine Bewegung erzeugen.
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HINTERGRUND
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Elektromechanische Aktuatoren und insbesondere elektromechanische Motoren wurden während den vergangenen Jahren in großem Umfang für viele unterschiedliche Aufgaben verwendet. Eine hohe Kraft, geringe Größe, hohe Geschwindigkeit, hoch präzise Positionierung und preiswerte Herstellung sind attraktive Merkmale von vielen der Motoren des Standes der Technik. Jedoch sind die attraktiven Merkmale oftmals widersprüchlich und eine Optimierung in Bezug auf einen Aspekt verringert oft andere Qualitäten.
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Elektromechanische Aktuatoranordnungen, die einen Satz von Antriebselementen verwenden, die eine zweidimensionale Bewegung bieten, wurden eine Zeit lang diskutiert. In der
US 6,066,911 sind Stapel von piezoelektrischen Schichten Seite an Seite auf einer gemeinsamen piezoelektrischen Basis gestapelt. Dieses Antriebselement sollte im Ultraschall-Frequenzbereich angetrieben werden und dadurch von einer hohen Geschwindigkeit und hohen Energieeffizienz profitieren. In der
US 6,337,532 wird ein ähnlicher Basisansatz verwendet, aber die Funktionsweise ist für einen nicht-resonant laufenden Betrieb bestimmt. Die Erregung der Piezo-Abschnitte wird auf sehr kontrollierte Art und Weise ausgeführt, wobei eine gleichmäßige Bewegung und eine sehr präzise Positionierung erfolgt. Jedoch liegen die Betriebsfrequenzen weit unterhalb einer Resonanz.
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Ein ähnlicher Ansatz ist in der
US 7,067,958 offenbart. In einem der darin vorgelegten Ausführungsbeispiele wird die Idee einer Verwendung eines Antriebsaktuators und eines Halteaktuators vorgestellt, um die Wärmeentwicklung in den Volumina des aktiven Elektromechanischenmaterials zu reduzieren. Die Spitze des Antriebsaktuators ist längs eines zweidimensionalen Weges relativ zur gemeinsamen Abstützung beweglich. Die Spitze des (der) Halteaktuator(en)s ist dagegen nur linear senkrecht zur beabsichtigten Bewegungsrichtung beweglich. Kurz gesagt kommt der Antriebsaktuator in eine mechanische Wechselwirkung mit einer Wechselwirkungsfläche eines zu bewegenden Objekts und legt sich an. Durch die Bewegung der Spitze des Antriebsaktuators in die beabsichtigte Bewegungsrichtung, wird eine Kraft auf das Objekt aufgebracht, der die Spitze im Wesentlichen folgt. Wenn der Antriebsaktuator dabei ist, auf seine Ausgangsposition zurückzukehren, kann das Objekt am Halteaktuator anliegen, während der Antriebsaktuator seinen mechanischen Kontakt mit dem Objekt löst. Dadurch wird eine schrittweise Bewegung unter Verwendung lediglich eines zweidimensional beweglichen Aktuators erzeugt. Die Halteaktuatoren sollen während dem Antrieb mehr oder weniger stationär sein, was bedeutet, dass durch diese eine geringe Wärme erzeugt wird. Die Hauptbewegung soll dazu verwendet werden, um einen gleichmäßigen Transfer des mechanischen Kontakts des Objekts zum oder vom Antriebsaktuator zu erhalten. Dazu werden dem Antriebsaktuator und dem Halteaktuator während der Transferdauer im Wesentlichen die gleichen Geschwindigkeiten der Z-Richtung verliehen. Die Abmessungen des (der) Halteaktuator(en)s werden außerdem klein gehalten, um das Volumen des wärmeerzeugenden elektromechanischen Materials zu verringern.
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Dieses Haupt-Antriebsprinzip hat sich in den meisten Punkten als gut funktionierend erwiesen. Bei bestimmten Anwendungen wurden jedoch kleinere Nachteile festgestellt. In Anwendungen, bei denen Bewegungen des Objekts durch sehr lange Inaktivitätsphasen getrennt sind, wurde herausgefunden, dass die Position des Objekts auch während den Inaktivitätsphasen sehr kleine, aber tatsächliche Verschiebungen erfahren kann. Dies war insbesondere bei Hubobjekten feststellbar oder wenn große Normalkräfte aufgebracht wurden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Stabilität und Präzision von elektromechanischen Aktuatoren zu verbessern, die einen einzelnen Satz von Antriebsaktuatoren aufweisen. Diese Aufgabe wird durch elektromechanische Aktuatorvorrichtungen und Verfahren gemäß den anliegenden unabhängigen Ansprüchen erreicht. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen definiert. Gemäß einem ersten Aspekt umfasst eine elektromechanische Aktuatorvorrichtung im Allgemeinen zumindest einen Antriebsaktuator, zumindest einen Halteaktuator, ein zu bewegendes Objekt, ein Abstützteil und eine Vorspanneinrichtung. Das zu bewegenden Objekt weist eine Wechselwirkungsfläche parallel zu einer Hauptbewegungsrichtung auf. Das Abstützteil ist an einem ersten Ende des Antriebsaktuators und einem ersten Ende des Halteaktuators mechanisch befestigt. Die Vorspanneinrichtung ist zum Bereitstellen einer Normalkraft zwischen dem Abstützteil und dem zu bewegenden Objekt vorgesehen. Sowohl der Antriebsaktuator als auch der Halteaktuator weisen jeweilige Volumina eines elektromechanisch aktiven Materials und jeweilige Elektrodenanordnungen auf, die zum Ermöglichen einer Aktivierung des jeweiligen elektromechanisch aktiven Materials ausgelegt sind. Der Antriebsaktuator weist einen Antriebs-Wechselwirkungsbereich an einem zweiten Ende des Antriebsaktuators auf. Das zweite Ende des Antriebsaktuators liegt dem ersten Ende des Antriebsaktuators gegenüber. Der Antriebs-Wechselwirkungsbereich ist zum Bereitstellen von Antriebskräften auf die Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts bestimmt. Die Volumina des elektromechanisch aktiven Materials und die Elektrodenanordnung des Antriebsaktuators sind ausgelegt, um eine Bewegung des zweiten Endes des Antriebsaktuators relativ zum ersten Ende des Antriebsaktuators auf zweidimensionalen Wegen parallel zur Hauptbewegungsrichtung und quer zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts zu ermöglichen. Der Halteaktuator weist einen Halte-Wechselwirkungsbereich an einem zweiten Ende des Halteaktuators auf. Das zweite Ende des Halteaktuators liegt dem ersten Ende des Halteaktuators gegenüber. Der Halte-Wechselwirkungsbereich ist zum Bereitstellen eines Kontakts mit der Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts bestimmt. Die Volumina des elektromechanisch aktiven Materials und die Elektrodenanordnung des Halteaktuators sind ausgelegt, um eine Bewegung des zweiten Endes des Halteaktuators relativ zum ersten Ende des Halteaktuators in eine Richtung senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung und quer zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts zu ermöglichen. Ein größter Abstand in der Hauptbewegungsrichtung zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des Halteaktuators ist größer als ein größter Abstand in der Hauptbewegungsrichtung zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des Antriebsaktuators.
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In einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Antreiben einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung bereitgestellt. Die elektromechanische Aktuatorvorrichtung ist ein Typ, der zumindest einen ersten Aktuator, der wiederum Volumina eines elektromechanisch aktiven Materials aufweist, zumindest einen zweiten Aktuator, der wiederum Volumina eines elektromechanisch aktiven Materials aufweist, ein Abstützteil und ein in eine Hauptrichtung zu bewegendes Objekt umfasst. Ein größter Abstand in der Hauptbewegungsrichtung zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des zweiten Aktuators ist größer als ein größter Abstand in der Hauptbewegungsrichtung zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des ersten Aktuators. Das Verfahren weist das Bereitstellen einer Normalkraft zwischen dem Abstützteil und dem zu bewegenden Objekts senkrecht zu einer Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts und senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung des zu bewegenden Objekts auf. Die Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des ersten Aktuators werden erregt, um eine Bewegung eines ersten Wechselwirkungsbereichs des ersten Aktuators relativ zu einem ersten Ende des ersten Aktuators, durch die der erste Aktuator am Abstützteil befestigt wird, auf zweidimensionalen Wegen parallel zur Hauptbewegungsrichtung und quer zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts zu bewirken. Der erste Wechselwirkungsbereich des ersten Aktuators ist an einem zweiten Ende des ersten Aktuators gegenüber dem ersten Ende des ersten Aktuators vorgesehen. Die Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des zweiten Aktuators werden erregt, um eine Bewegung eines zweiten Wechselwirkungsbereichs des zweiten Aktuators relativ zu einem ersten Ende des zweiten Aktuators, durch die der zweite Aktuator am Abstützteil befestigt wird, in eine Richtung senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung und quer zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts zu bewirken. Der zweite Wechselwirkungsbereich des zweiten Aktuators ist an einem zweiten Ende des zweiten Aktuators gegenüber dem ersten Ende des zweiten Aktuators vorgesehen.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein elektromechanischer Aktuator bereitgestellt wird, der einfach zu betreiben ist und der eine exzellente Stabilität aufweist, auch wenn er nicht betätigt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird zusammen mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen am besten mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung zusammen mit den anliegenden Zeichnungen verständlich, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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2A–G Skizzen und Darstellungen sind, die ein Ausführungsbeispiel eines zur Verwendung der vorliegenden Erfindung möglichen Bewegungsprinzips veranschaulichen;
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3A–B verschiedene Ausführungsbeispiele von Antriebsaktuatoren veranschaulich, die auf zweidimensionalen Wegen erregbar sind;
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4–9 schematische Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
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10 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Antriebs-Wechselwirkungsbereichs ist;
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11–12 schematische Darstellungen noch weiterer Ausführungsbeispiele einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
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13A–C schematische Darstellungen noch weiterer Ausführungsbeispiele einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind; und
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14 ein Ablaufdiagramm von Schritten eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In den Zeichnungen werden durchweg die gleichen Bezugszeichen für gleichartige oder entsprechende Elemente verwendet.
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1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die elektromechanische Aktuatorvorrichtung 10 weist einen Antriebsaktuator 20 und einen Halteaktuator 30 auf. Ein erstes Ende 22 des Antriebsaktuators 20 und ein erstes Ende 32 des Halteaktuators 30 sind jeweils an einem Abstützteil 40 mechanisch befestigt.
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Der Antriebsaktuator 20 weist ein Volumen eines elektromechanisch aktiven Materials 24 und eine Elektrodenanordnung 26 auf. Das Volumen des elektromechanisch aktiven Materials 24 und die Elektrodenanordnung 26 des Antriebsaktuators 20 sind ausgelegt, um eine Aktivierung des Volumens des elektromechanisch aktiven Materials 24 des Antriebsaktuators 20 zu ermöglichen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Antriebsaktuator 20 eine bimorphe Struktur 29 des Volumens des elektromechanisch aktiven Materials 24 des Antriebsaktuators 20 auf. Das Volumen des elektromechanisch aktiven Materials 24 des Antriebsaktuators 20 umfasst zwei Teile, die unabhängig voneinander erregt werden können. Dies wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass die Elektroden jedes Teils unabhängig voneinander durch zwei Anschlussleitungen 23, 27 aktiviert werden, die mit den jeweiligen Elektroden in jedem Teil elektrisch verbunden sind. Masseelektroden und Anschlussleitungen dazu sind in diesem Ausführungsbeispiel auf der Rückseite der elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10 vorgesehen. Durch eine derartige Anordnung kann ein zweites Ende 28 des Antriebsaktuators 20 auf zweidimensionalen Wegen in einer Ebene bewegt werden, die parallel zu einer beabsichtigten Hauptbewegungsrichtung 2 verläuft und sich längs des Antriebsaktuators 20 erstreckt.
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Der Halteaktuator 30 weist gleichermaßen ein Volumen eines elektromechanisch aktiven Materials 34 und eine Elektrodenanordnung 36 auf. Das Volumen des elektromechanisch aktiven Materials 34 und die Elektrodenanordnung 36 des Halteaktuators 30 sind analog ausgelegt, um eine Aktivierung des Volumens des elektromechanisch aktiven Materials 34 des Halteaktuators 30 zu ermöglichen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Halteaktuator 30 ein einzelner Stapel von elektromechanisch aktiven Materialscheiben und Elektroden. Durch Zufuhr einer Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden kann eine Ausdehnung oder Verkürzung des elektromechanisch aktiven Materials in die Erstreckungsrichtung des Halteaktuators 30 erfolgen. Dies wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass die Elektroden durch eine Anschlussleitung 33 aktiviert werden. Masseelektroden und Anschlussleitungen hierzu sind in diesem Ausführungsbeispiel auf der Rückseite der elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10 vorgesehen. Durch eine derartige Anordnung kann ein zweites Ende 38 des Halteaktuators 30 linear in eine Richtung bewegt werden, die senkrecht zur beabsichtigten Hauptbewegungsrichtung 2 verläuft und sich längs des Halteaktuators 30 erstreckt.
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Die elektromechanische Aktuatorvorrichtung 10 umfasst natürlich auch ein in die Hauptbewegungsrichtung 2 zu bewegendes Objekt 50. Das Objekt 50 weist eine Wechselwirkungsfläche 52 auf, die parallel zur Hauptbewegungsrichtung 2 verläuft. Eine Vorspanneinrichtung 60 ist zur Bereitstellung einer Normalkraft 68 zwischen dem Abstützteil 40 und dem zu bewegenden Objekt 50 vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Vorspanneinrichtung 60 eine Rolle 62 und eine Feder 64 auf, welche die Rolle 62 mit einer Stelle 66 am Abstützteil 40 verbindet. Dies stellt sicher, dass das zu bewegende Objekt 50 an den Aktuatoren der elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10 gehalten wird.
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Der Antriebsaktuator 20 weist einen Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 auf, der am zweiten Ende 28 des Antriebsaktuators 20 vorgesehen ist. Das zweite Ende 28 liegt dem ersten Ende 22 des Antriebsaktuators 20 gegenüber. Der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 zeigt somit vom Abstützteil 40 weg. Der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 ist zur Bereitstellung von Antriebskräften auf der Wechselwirkungsfläche 52 des zu bewegenden Objekts 50 bestimmt. Die Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 24 des Antriebsaktuators 20 und die Elektrodenanordnung 26 des Antriebsaktuators 20 sind ausgelegt, um eine Bewegung des zweiten Endes 28 des Antriebsaktuators 20 relativ zum ersten Ende 22 des Antriebsaktuators zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 bewegt wird und z. B. zum Aufbringen einer Antriebskraft auf die Wechselwirkungsfläche 52 des zu bewegenden Objekts 50 verwendet werden kann. Die Bewegung des zweiten Endes 28 des Antriebsaktuators 20 kann auf zweidimensionalen Wegen erfolgen, die auf einer Ebene angeordnet sind, die parallel zur Hauptbewegungsrichtung 2 und quer zur Wechselwirkungsfläche 52 des zu bewegenden Objekts 50 verläuft. Eine solche querverlaufende Richtung ist durch den Pfeil 4 gekennzeichnet. Mit anderen Worten ist der Antriebsaktuator 20 einer, der seine Spitze längs der Hauptbewegungsrichtung 2 sowie quer zur Wechselwirkungsfläche 52 bewegen kann und somit als Antriebsaktuator gegen das zu bewegende Objekt 50 dienen kann. Ein Beispiel derartiger Bewegungswege wird weiter unten detailliert beschrieben.
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Der Halteaktuator 30 weist einen Halte-Wechselwirkungsbereich 35 auf. Der Halte-Wechselwirkungsbereich 35 ist an einem zweiten Ende 38 des Halteaktuators 30 gegenüber dem ersten Ende 32 des Halteaktuators 30 angeordnet. Der Halte-Wechselwirkungsbereich 35 zeigt somit, analog zum Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25, vom Abstützteil 40 weg. Der Halte-Wechselwirkungsbereich 35 ist zum Bereitstellen eines Kontakts mit der Wechselwirkungsfläche 52 des zu bewegenden Objekts 50 bestimmt. Anders als der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 ist der Halte-Wechselwirkungsbereich 35 jedoch nicht zum Aufbringen irgendwelcher Antriebskräfte auf die Wechselwirkungsfläche 52 bestimmt. Die Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 34 des Halteaktuators 30 und die Elektrodenanordnung 36 des Halteaktuators 20 sind ausgelegt, um eine Bewegung des zweiten Endes 38 des Halteaktuators 30 relativ zum ersten Ende 32 des Halteaktuators 30 zu ermöglichen. Diese Bewegung ist in eine Richtung senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung 2 und quer 4 zur Wechselwirkungsfläche 52 des zu bewegenden Objekts 50 gerichtet. Der Halte-Wechselwirkungsbereich 35 kann dadurch von der Wechselwirkungsfläche 52 zurückbewegt werden oder in einen mechanischen Kontakt mit der Wechselwirkungsfläche 52 gebracht werden, ist jedoch primär nicht zum Aufbringen irgendwelcher Kräfte in die Richtung der Hauptbewegungsrichtung 2 bestimmt.
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Die Spannungen, die zum Erregen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 24, 34 des Antriebsaktuators 20 bzw. des Halteaktuators 30 erforderlich sind, werden normalerweise durch eine Energieversorgung 80 bereitgestellt, die mit den Anschlussleitungen 23, 27, 33 verbunden ist. Die Energieversorgung 80 ist ausgelegt, um die Spannungen gemäß bestimmter Spannungskurven zu steuern. Die exakte Form derartiger Spannungskurven hängt von der momentanen geometrischen Konfiguration des Antriebsaktuators 20 und des Halteaktuators 30 und von der gewünschten Bewegung des zu bewegenden Objekts 50 ab.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die elektromechanische Aktuatorvorrichtung 10 nur einen Antriebsaktuator 20 und nur einen Halteaktuator 30 auf. In einem derartigen Ausführungsbeispiel kann die Bewegung des zu bewegenden Objekts 50 etwas instabil sein und normalerweise ist eine Art Lageranordnung 70 vorgesehen, um den Weg zu definieren, längs dessen das zu bewegende Objekt 50 verschoben wird.
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Bei Anwendungen, bei denen die Bewegungsphasen durch lange Inaktivitätsphasen getrennt sind, liegt das zu bewegende Objekt 50 zumindest entweder am Antriebsaktuator 20 oder am Halteaktuator 30 an. Wenn die Position des Antriebsaktuators 20 sich von einer geraden Position unterscheidet, d. h. der Antriebsaktuator 20 seitwärts verschoben ist, kann die Aufnahme der Normalkraft 68 auf das zu bewegende Objekt 50, insbesondere wenn die Normalkraft 68 hoch ist und/oder das zu bewegende Objekt 50 schwer ist, den Antriebsaktuator 20 verformen. Außerdem können geringe Schwankungen der Spannung während der Ruhephase die momentane Position des zu bewegenden Objekts 50 verändern. Es ist daher vorteilhaft, wenn das zu bewegende Objekt 50 während längeren Inaktivitätsphasen nur am Halteaktuator 30 anliegt. Mit anderen Worten, wenn das zu bewegende Objekt eine Position erreicht hat, an der es längere Zeit gehalten werden wird, wird die elektromechanische Aktuatorvorrichtung 10 vorzugsweise in einen Parkzustand versetzt, wobei die Normalkraft und das Gewicht des zu bewegenden Objekts 50 vom Halteaktuator 30 abgestützt werden. Da der Halteaktuator nur längs der Richtung der Normalkraft steuerbar ist, ist das Risiko für Verformungen geringer. Es wurde jedoch herausgefunden, dass sogar ein Halteaktuator 30 verformt werden kann, insbesondere wenn das zu bewegende Objekt 50 Kraftanteilen in der Hauptbewegungsrichtung 2 ausgesetzt ist und ferner insbesondere, wenn die Breite des Halteaktuators 30 in der Hauptbewegungsrichtung 2 relativ gering ist. Daher ist der Halteaktuator 30 in der Hauptbewegungsrichtung 2 breiter als der Antriebsaktuator 20 hergestellt.
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Ein größter Abstand 31 kann in der Hauptbewegungsrichtung 2 zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 34 des Halteaktuators 30 definiert werden. Dieser größte Abstand 31 ist in der Figur durch Pfeile gekennzeichnet. Gleichermaßen kann ein größter Abstand 21 in der Hauptbewegungsrichtung 2 zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 24 des Antriebsaktuators 20 definiert werden. Erfindungsgemäß ist der größte Abstand 31 des Halteaktuators 30 größer als der größte Abstand 21 des Antriebsaktuators 20. Vorzugsweise ist ein Verhältnis zwischen dem größten Abstand 31 in der Hauptbewegungsrichtung 2 zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 34 des Halteaktuators 30 und dem größten Abstand 21 in der Hauptbewegungsrichtung 2 zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 24 des Antriebsaktuators 20 gleich oder größer als 1,5 und noch vorteilhafter gleich oder größer als 2.
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In Ausführungsbeispielen wie in 1, bei denen der Halteaktuator 30 ein einzelnes einfach geformtes Volumen ohne Hohlräume umfasst, wird der größte Abstand 31 des Halteaktuators 30 normalerweise gleichgroß wie die Breite des Halteaktuators 30 in der Hauptbewegungsrichtung 2. Gleichermaßen entspricht der größte Abstand 21 des Antriebsaktuators 20 normalerweise der Breite des Antriebsaktuators 20 in der Hauptbewegungsrichtung 2. Wie nachfolgend ersichtlich, können diese Abstände für komplexere Formen der Aktuatoren schwieriger zu definieren sein.
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Dies entspricht der absolut entgegengesetzten Richtung im Vergleich zum Stand der Technik, wobei die Halteaktuatoren schmal hergestellt wurden, um das Volumen des elektromechanisch aktiven Materials zu reduzieren, das Wärme erzeugen könnte. Es wurde herausgefunden, dass, da die Halteaktuatoren 30 normalerweise sehr wenig bewegt werden, die gesamte Wärmeerzeugung normalerweise nicht allzu sehr durch die Mitwirkung der Halteaktuatoren 30 beeinflusst wird. Darüber hinaus ist bei Anwendungen, bei denen nur kurze Aktivitätsphasen zu erwarten sind, das Wärmeproblem überhaupt nicht sehr wichtig.
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Ein breiter Halteaktuator 30 erzeugt eine stabile Abstützung, auf der das zu bewegende Objekt 50 während den Inaktivitätsphasen sicher anliegen kann. Der Antriebsaktuator 20 kann während dem Parken des zu bewegenden Objekts 50 in eine Position ohne einen mechanischen Kontakt mit der Wechselwirkungsfläche 52, vorzugsweise auch ohne irgendwelche auf die Elektrodenanordnung 26 aufgebrachte Spannungen, gebracht werden.
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In 2A–G wird ein Beispiel einer Bewegung, die zum Erreichen z. B. des Ausführungsbeispiels von 1 möglich ist, etwas detaillierter beschrieben, um das Verständnis des grundlegenden Bewegungsprinzips zu verbessern. Hierbei sei angemerkt, dass die geometrischen Formänderungen des Antriebsaktuators 20 und des Halteaktuators 30 in der Figur extrem übertrieben sind, um die grundlegenden Prinzipien zu visualisieren.
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In 2A wird der Antriebsaktuator 20 derart erregt, dass der rechte Teil des Antriebsaktuators 2 länger wird. Dies führt dazu, dass sich der gesamte Antriebsaktuator 20 etwas ausdehnt und sich gleichzeitig etwas in Richtung zum Halteaktuator 30 biegt. Das zu bewegende Objekt 50 befindet sich in dieser Situation nur in Kontakt mit dem Antriebsaktuator 20. Aus dieser Position wird eine Ausdehnung des linken Teils des Antriebsaktuators bewirkt, was ein Biegen des Antriebsaktuators 20 in eine Richtung weg vom Halteaktuator 30 bewirkt. In 2B sind die Ausdehnungen beider Teile des Antriebsaktuators 20 identisch und der Antriebsaktuator 20 ist gerade, stützt aber das zu bewegende Objekt 50 immer noch allein ab. Die Bewegung des Antriebsaktuators 20 setzt sich vom Halteaktuator 30 weg fort, wobei sich die Ausdehnung des rechten Teils des Antriebsaktuators 20 verringert. In 2C hat der Antriebsaktuator 20 fast seine extreme Position einer Rechtsbiegung erreicht. Gleichzeitig mit dem Biegen zieht sich der Antriebsaktuator 20 auch zusammen und der Antriebsaktuator 20 steht kurz davor, den Kontakt mit dem zu bewegenden Objekt 50 an den Halteaktuator 30 weiterzugeben. In besonderen Ausführungsbeispielen der Funktionsweise der elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10 kann der Halteaktuator 30 an einer solchen Weitergabe aktiv beteiligt sein. In einem Ausführungsbeispiel mit einfachster Funktionsweise kann der Halteaktuator 30 jedoch auch auf einer konstanten Höhe gehalten werden.
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In 2D wird die Normalkraft vom zu bewegenden Objekt 50 nunmehr vom Halteaktuator 30 abgestützt. Der Antriebsaktuator 20 ist vom zu bewegenden Objekt 50 gelöst und kann für einen nächsten Antriebsschritt frei auf seine Ausgangsposition zurückkehren. Diese Rückkehr verdeutlicht z. B. die in 2E dargestellte Situation, bei der der gesamte Antriebsaktuator 20 seinen maximal zusammengezogenen Zustand aufweist. Wenn der Antriebsaktuator 20 schließlich in die Situation wie in 2F kommt, müssen sich der Antriebsaktuator 20 und möglicherweise der Halteaktuator 30 wieder zum Weitergeben des Kontakts mit dem zu bewegenden Objekt 50 an den Antriebsaktuator vorbereiten. Der Prozess kann dann wie gewünscht wiederholt werden.
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In 2G fasst ein Diagramm das Bewegungsmuster des Ausführungsbeispiels der 2A–F zusammen. Der Antriebsaktuator 20 bewegt sich längs eines rautenförmigen Wegs in der X-Z- Ebene, d. h. einer Ebene parallel zur Hauptbewegungsrichtung und senkrecht zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts. Die Buchstaben A–F kennzeichnen die Beziehungen zu den 2A–F. Der Halteaktuator 30 kann, wie oben angegeben, sogar stationär sein, kann aber auch in einem typischen Fall in der Z-Richtung aufwärts und abwärts, d. h. senkrecht zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts, bewegt werden. Durch diese Bewegungsmuster kann eine Bewegung des zu bewegenden Objekts mit ganz einfachen mechanischen und elektrischen Mitteln erreicht werden.
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Es sei jedoch angemerkt, dass das gegenwärtige detaillierte Bewegungsmuster einen geringen Einfluss auf die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung hat. Beispiele von anderen Bewegungsmustertypen des Antriebsaktuators, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung nützlich sind, sind eine Bewegung entlang anderer Polygontypen, wie z. B. von Sechsecken. Außerdem sind gleichmäßig gekrümmte Bewegungsbahnen des Antriebsaktuators in einigen Anwendungen nützlich. Um jedoch eine lange Schrittlänge aufrecht zu erhalten, erfordern solche Lösungen normalerweise eine etwas anspruchsvollere Elektronik. In der Basisversion eines zusammen mit der vorliegenden Erfindung nützlichen Bewegungsmusters ist der Halteaktuator in Bezug auf eine Erzeugung einer Bewegung in der beabsichtigten Antriebsrichtung passiv. Jedoch können die Halteaktuatoren in komplexeren Konfigurationen auch mit Möglichkeiten versehen werden, um sich etwas in die Hauptbewegungsrichtung zu bewegen. Solche Bewegungen können zum Beispiel für Feineinstellungen einer Endposition genutzt werden. In extremen Fällen kann eine Bewegung jedoch sogar zum tatsächlichen Antrieb, normalerweise mit einem kleinen Anteil, beitragen, da ein breiter Aktuator normalerweise einen kleineren Biegehub als ein schmaler aufweist. Der wichtigste Beitrag des Halteaktuators zur gesamten Funktionsweise ist jedoch die Bewegung senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung.
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Im Ausführungsbeispiel von
1 weist der Antriebsaktuator
20 eine bimorphe Struktur auf, die auch das Ausführungsbeispiel darstellt, das momentan als am meisten bevorzugt erachtet wird. Es ist jedoch auch möglich, entsprechende Funktionen des Antriebsaktuators
20 durch andere Anordnungen zu erreichen. In
3A ist der Antriebsaktuator
20 aus zwei Teil-Aktuatoren aufgebaut. Ein Scheraktuator
82 ist auf einer Oberseite eines linearen Aktuators
81 befestigt, der wiederum am Abstützteil
40 befestigt ist. Diese Struktur eines kombinierten Aktuators ist als solches im Stand der Technik, wie z. B. im
US-Patent 4,928,030 , bekannt. Der Scheraktuator
82 führt bei einer Erregung eine Verschiebung in der Hauptbewegungsrichtung der Oberseite relativ zur Unterseite aus. Mit anderen Worten stellt der Scheraktuator
82 eine Antriebskraft in der Hauptbewegungsrichtung bereit. Der lineare Reaktor
81 ist dann für die Bewegung senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung verantwortlich. Eine Kombination dieser beiden Bewegungen kann kombiniert werden, um eine zweidimensionale Gesamtbewegung in einer Ebene zu ergeben.
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In 3B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines möglichen Antriebsaktuators 20 veranschaulicht. Hierbei sind zwei lineare Aktuatoren 81 aufeinander und oben auf dem Abstützteil 40 angeordnet. Die linearen Aktuatoren sind in einer geneigten Richtung angeordnet, so dass eine Ausdehnung oder Verkürzung der linearen Aktuatoren 81 in Bewegungen längs jeweiliger Richtungen resultiert, die in Bezug auf die Hauptbewegungsrichtung geneigt sind. Auch eine Kombination derartiger Bewegungen kann einen Anstieg auf einem zweidimensionalen Bewegungsweg ergeben, der für einen Antriebsaktuator 20 nützlich ist.
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In 3C ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines möglichen Antriebsaktuators 20 veranschaulicht. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Antriebsaktuator 20 zwei bimorphe Strukturen 29A, 29B der Volumina eines elektromechanisch aktiven Materials 24 auf. Die bimorphen Strukturen 29A, 29B sind aufeinander befestigt. Die Elektroden sind über Kreuz angeschlossen, was bedeutet, dass die Elektroden der linken Hälfte der oberen bimorphen Struktur mit den gleichen Spannungen wie die Elektroden der rechten Hälfte der unteren bimorphen Struktur und umgekehrt versorgt werden. Dies bedeutet, dass sich die zwei bimorphen Strukturen 29A, 29B immer in eine entgegengesetzte Richtung biegen, was sicherstellt, dass der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 immer mit dem gleichen Winkel in Bezug auf den zu bewegenden Körper gerichtet wird. Dies reduziert normalerweise einen Verschleiß des Antriebsaktuators, da die Relativbewegung des zu bewegenden Körpers und des Antriebsaktuators während dem Antriebsabschnitt der Bewegung vernachlässigbar sein wird. Da ferner die Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Körpers immer parallel zum Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 sein wird, wird auch der maximale Flächendruck auf den Antriebsaktuator 20 geringer als bei einem einzigen bimorphen Aktuator sein.
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In den Ausführungsbeispielen, die die Aktuatoren detailliert veranschaulichen, wurden die Elektroden parallel zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Körpers positioniert dargestellt. Wie beim Stand der Technik bekannt, sind auch andere Anordnungen der Elektroden, z. B. senkrecht zur Wechselwirkungsfläche, entweder parallel oder senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung möglich.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10. Um die Lesbarkeit der Figur zu verbessern, wurden das zu bewegende Objekt und die Vorspannvorrichtung weggelassen. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektromechanische Aktuatorvorrichtung 10 mehr als einen Halteaktuator 30, in diesem speziellen Ausführungsbeispiel zwei Halteaktuatoren 30, auf. Der Antriebsaktuator 20 und die Halteaktuatoren 30 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Hauptbewegungsrichtung hintereinander positioniert. Eine derartige Anordnung erhöht die Gesamtsteifigkeit in der Hauptbewegungsrichtung 2 in Situationen, bei denen das zu bewegende Objekt von den Halteaktuatoren 30 abgestützt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ragt das Abstützteil 40 mit Vorsprüngen 41 auf beiden Seiten der äußersten Halteaktuatoren 30 in der Hauptbewegungsrichtung nach außen heraus. Diese Anordnung erhöht die Steifigkeit der Befestigung der Halteaktuatoren 30 weiter und macht die Befestigung symmetrischer, was die Berechenbarkeit der Funktionsweise normalerweise steigert. Auch in einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Antriebsaktuatoren 20 an einem oder an beiden Enden positioniert sind, sind derartige Vorsprünge 41 von Vorteil. Um eine noch größere Steifigkeit zu erreichen, weist das Abstützteil 40 ein Material auf, dass steifer als das elektromechanisch aktive Materials 24, 34 des Antriebsaktuators 20 bzw. des Halteaktuators 30 ist. Dies stellt eine besser gesteuerte und berechenbare Funktionsweise der elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10 bereit. Dies kann z. B. durch Kleben, Löten oder irgendein anderes Verfahren zum Befestigen getrennter Aktuatoren auf einem gemeinsamen Teil erreicht werden. Es ist jedoch auch möglich, die gesamte Baugruppe des Halteaktuators 30, Antriebsaktuators 20 und des Abstützteils 40 einstückig und im gleichen gemeinsamen Produktionsprozess herzustellen.
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5 veranschaulicht noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektromechanische Aktuatorvorrichtung 10 einen Halteaktuator 30 und zwei Antriebsaktuatoren 20 auf. Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, kann gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung jede Anzahl von Antriebsaktuatoren und Halteaktuatoren konfiguriert werden. Wenn mehr als ein Antriebsaktuator 20 verwendet wird, verringert sich die Notwendigkeit an externen Lageranordnungen und kann sogar völlig entfallen.
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Die Steifigkeit des Halteaktuators ist für die vorliegenden Ideen von großer Wichtigkeit. Die Steifigkeit ist weitgehend von der Materialmenge in der Hauptbewegungsrichtung, normalerweise der Maximalabmessung des Halteaktuators, abhängig. Einlagerungen von Hohlvolumina in den Halteaktuatoren 30 wird die Steifigkeit im Vergleich zu völlig massiven Halteaktuatoren 30, zumindest hinsichtlich der Steifigkeit in der Hauptbewegungsrichtung, jedoch nur geringfügig verringern. In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10 veranschaulicht, bei der die Halteaktuatoren 30 zwei Teilvolumina 83 eines elektromechanisch aktiven Materials 34 aufweisen. Die oberen Teile der Teilvolumina 83 sind durch eine Brücke 84, normalerweise einem gemeinsamen Halte-Wechselwirkungsbereich 35, mechanisch verbunden. Dadurch wird ein Hohlvolumen 85 erzeugt. Auf diese Weise wird der Halteaktuator 30 ohne eine Verwendung einer großen Menge an elektromechanisch aktivem Material 34 relativ steif. Der größte Abstand 31 in der Hauptbewegungsrichtung 2 zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 34 des Halteaktuators 30 ist jedoch immer noch größer als die Breite des Antriebsaktuators 20. Mit anderen Worten, die Breite des elektromechanisch aktiven Materials 34, das durch einen gemeinsamen Halte-Wechselwirkungsbereich 35 verbunden ist, ist größer als die Breite des elektromechanisch aktiven Materials 24, das durch einen gemeinsamen Betätigungs-Wechselwirkungsbereich 25 verbunden ist.
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Diese Ideen werden im Ausführungsbeispiel von 7 weiter verwendet. Hierbei weist der Halteaktuator 30 ebenfalls ein Hohlvolumen 85 auf. Der Antriebsaktuator 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Hohlvolumen 85 des Halteaktuators 30 positioniert. Dieses spezielle Ausführungsbeispiel stellt eine äußerst kompakte Bauform mit hoher Steifigkeit in der Hauptbewegungsrichtung bereit. Der Halte-Wechselwirkungsbereich 35 ist mit einer Öffnung 86 versehen, durch die der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 herausragen kann. Der Aufbau ist außerdem symmetrisch, was die Funktionsmerkmale normalerweise vereinfacht. Der größte Abstand 31 in der Hauptbewegungsrichtung 2 zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 34 des Halteaktuators 30 ist hierbei ebenfalls größer als der größte Abstand 21 in der Hauptbewegungsrichtung 2 zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 24 des Antriebsaktuators 20.
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8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10, die für eine extrem hohe Parkstabilität konzipiert wurde. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektromechanische Aktuatorvorrichtung 10 zwei Antriebsaktuatoren 20 und zwei Halteaktuatoren 30A, 30B auf. Wenn das zu bewegende Objekt während dem Betrieb bewegt wird, kommt nur der Halteaktuator 30A, der zwischen den Antriebsaktuatoren 20 positioniert ist, in eine Wechselwirkung mit dem zu bewegenden Objekt. Der Halteaktuator 30B wird nur während längeren Inaktivitätsphasen verwendet, wenn das zu bewegende Objekt an einer stationären Position gehalten werden soll. Es ist vorteilhaft, wenn der Halteaktuator 30B in der Nähe einer Position für irgendwelche Sensoren zum Messen der Bewegungen angeordnet ist. Dies minimiert unerwünschte Bewegungen, wie sie z. B. durch Temperaturänderungen verursacht werden. Die beiden Halteaktuatoren bieten ebenfalls eine hohe Steifigkeit in der Richtung der Normalkraft.
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Während langen Inaktivitätsphasen ist es normalerweise erforderlich, dass das zu bewegende Objekt lange Zeit stationär gehalten werden sollte. Selbst wenn der Energieverbrauch im elektromechanisch aktiven Material (bzw. eine Umwandlung in Wärme und Bewegung) vernachlässigbar wird, ist der Standby-Energieverbrauch der Energieversorgung noch vorhanden. Darüber hinaus wird die elektromechanische Aktuatorvorrichtung 10 empfindlich für Spannungsstörungen oder Stromausfälle. Es ist daher vorteilhaft, wenn eine Parkeinrichtung bereitgestellt werden kann, bei der alle angelegten Spannungen auf Null gesetzt werden können. 9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10 in einem Parkzustand. Die Abmessungen des Antriebsaktuators 20 und des Halteaktuators 30 sind so angepasst, dass der Halte-Wechselwirkungsbereich 35 weiter in eine Richtung senkrecht zur Wechselwirkungsfläche 52 als der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 herausragt, wenn die jeweiligen Volumina des elektromechanisch aktiven Materials 24, 34 des Antriebsaktuators 20 und des Halteaktuators 30 nicht aktiviert sind, d. h. wenn alle angelegten Spannungen gleich Null sind. Mit anderen Worten, wenn der Antriebsaktuator 20 und der Halteaktuator 30 nicht aktiviert sind, existiert ein schmaler Spalt 71 zwischen der Wechselwirkungsfläche 52 und dem Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 und das zu bewegende Objekt 50 liegt ausschließlich am Halte-Wechselwirkungsbereich 35 an. Eine Null-Spannung ist Spannungsdrifts weniger ausgesetzt und der Erregungszustand wird unempfindlich für Stromausfälle.
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Der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 kann außerdem abhängig von den Erfordernissen unterschiedlich aufgebaut sein. 10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Antrieb-Wechselwirkungsbereichs 25 mit einer mittigen Kante 87. Dieser Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 ergibt einen größeren Hub für die Bewegung und wird in der Richtung der Normalkraft steifer als ein Antriebs-Wechselwirkungsbereich ohne die Kante 87 sein. Jedoch wird der Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 in der Hauptbewegungsrichtung 2 weniger steif sein. Durch einen geeigneten Kompromiss zwischen den zwei Typen der Steifigkeit, kann die resultierende Steifigkeit ausreichend sein und immer noch einen Anstieg auf eine vergrößerte Schrittlänge ergeben.
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Darüber hinaus ist die Form des Halte-Wechselwirkungsbereichs 35 von Bedeutung. 11 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10, bei der der Halte-Wechselwirkungsbereich 35 zwei durch einen Abstand getrennte Vorsprünge 88 aufweist. Dieses Ausführungsbeispiel gewährleistet eine gut ausgebildete Kontaktebene zwischen dem zu bewegenden Körper und der elektromechanischen Aktuatorvorrichtung 10. Ein größerer Bereich einer Fläche kann ohne extremen Aufwand nicht exakt plan hergestellt werden. Das bedeutet normalerweise, dass ein auf einer relativ ebenen Fläche irgendwie anliegender Körper nur zwei oder ein paar Berührungspunkte aufweisen wird. Wenn der Körper einer Belastung längs der Fläche ausgesetzt ist, kann sich die Position dieser Berührungspunkte verändern und das Ergebnis kann eine geringfügige Drehung des Körpers in Bezug auf die Fläche sein. Wenn die Berührung zwischen dem Körper und der Oberfläche stattdessen von Beginn an auf die zwei schmalen Vorsprünge 88 beschränkt ist, wird sich die Relativposition des Körpers und des Halte-Wechselwirkungsbereichs 35, z. B. bei Änderung der Lastzustände, nicht verändern. Dies wird insbesondere während langen Inaktivitätsphasen wichtig, wenn der Körper unabhängig von sich beispielsweise verschiebenden Lastzuständen stationär sein soll.
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In allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind der Antriebsaktuator 20 und der Halteaktuator 30 hintereinander in der Hauptbewegungsrichtung 2 positioniert. Im Gegensatz dazu sind in 12 der Antriebsaktuator 20 und die Halteaktuatoren 30 stattdessen nebeneinander positioniert. Die Wahl der Anordnung hängt z. B. vom Lasttyp, dem das zu bewegende Objekt ausgesetzt ist, oder einfach von Herstellungsgesichtspunkten, z. B. hinsichtlich Positionen der Anschlüsse usw., ab. Jeder Durchschnittsfachmann erkennt, dass die Anzahl von möglichen Anordnungen nahezu unendlich ist.
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Außerdem kann der Antriebsaktuator 20 zum Erreichen einer relativ hohen Steifigkeit ausgelegt sein, wobei sich die Menge des aktiven Materials analog dazu verringert, was zuvor für die Halteaktuatoren dargestellt wurde. In 13A ist der Antriebsaktuator 20 aus zwei Teil-Aktuatoren, die jeweils gemäß den in 3A dargelegten Ideen ausgelegt sind, die durch eine Brücke 89 überbrückt sind, zusammengesetzt, die vorzugsweise durch den Antriebs-Wechselwirkungsbereich 25 gebildet wird. Da die Oberseite jedes Antriebs-Aktuatorteils immer parallel zur Hauptbewegungsrichtung gerichtet ist, können diese miteinander überbrückt werden, ohne das Bewegungsmuster zu beeinflussen, wenn beide Teile parallel angetrieben werden. Eine solche Einrichtung wird ein geringeres Gesamtvolumen des elektromechanisch aktiven Materials verwenden, wird jedoch eine relativ hohe Steifigkeit gewährleisten.
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In 13B und 13C sind analoge Ausführungsbeispiele dargestellt, die auf den Antriebsaktuatorideen von 3B bzw. 3C basieren.
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Diese überbrückten Antriebsaktuatoren 20 können natürlich auch mit überbrückten Halteaktuatoren, z. B. gemäß den in 6, 7 oder 11 dargestellten Ideen, kombiniert werden.
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Im Ausführungsbeispiel von 1 ist ein Beispiel einer Vorspanneinrichtung veranschaulicht. Jedoch ist der detaillierte Aufbau der Vorspanneinrichtung nicht von besonderer Bedeutung für die vorliegende Erfindung, solange diese eine Normalkraft zwischen dem Abstützteil und dem zu bewegenden Objekt bereitstellt. Mit anderen Worten ist die Vorspanneinrichtung ausgelegt, um die elektromechanische Aktuatorvorrichtung zusammenzuhalten, wobei der Antriebs-Wechselwirkungsbereich und/oder der Halte-Wechselwirkungsbereich in Richtung zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts gepresst wird. Die Vorspanneinrichtung könnte Federanordnungen, wie in 1 gekennzeichnet, oder Federanordnungen anderer Typen beinhalten. Jedoch können auch andere Typen von Krafterzeugungsprinzipien, beispielhaft aber nicht beschränkt auf elektrostatische Kräfte, Magnetkräfte, elektrodynamische Kräfte, verwendet werden. Fast alle Arten von beim Stand der Technik verwendeten Normalkraft erzeugenden Vorrichtungen können in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Eine erfindungsgemäße elektromechanische Aktuatorvorrichtung könnte auch in einer Joch-Anordnung konfiguriert sein, bei der ein zu bewegender Körper zwischen zwei Sätzen von Aktuatoren positioniert ist. Der allgemeine Aufbau kann z. B. wie der LT20-Motor aussehen, der von PiezoUppsala AB hergestellt und vertrieben wird. Die Vorspanneinrichtung stellt folglich normalerweise eine Normalkraft zwischen dem jeweiligen Abstützteil, normalerweise durch Federn oder irgendeine andere bekannte Normalkraft-Erzeugungsvorrichtung, bereit.
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Die vorliegende Erfindung wurde bisher als Idee einer verbesserten Vorrichtung beschrieben. Jedoch können die Ideen auch als neuartiges Verfahren zum Antreiben einer elektromechanischen Aktuatorvorrichtung angesehen werden. 14 veranschaulicht Schritte eines Ausführungsbeispiels eines derartigen erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein derartiges Verfahren beginnt an einem Schritt 200 und betrifft den Antrieb der elektromechanischen Aktuatorvorrichtung die zumindest einen ersten Aktuator und zumindest einen zweiten Aktuator aufweist. Der erste Aktuator weist Volumina eines elektromechanisch aktiven Materials auf und der zweite Aktuator weist ebenfalls Volumina eines elektromechanisch aktiven Materials auf. Die betreffende elektromechanische Aktuatorvorrichtung weist außerdem ein Abstützteil und ein in einer Hauptbewegungsrichtung zu bewegendes Objekt auf. Der größte Abstand in der Hauptbewegungsrichtung zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des zweiten Aktuators ist größer als ein größter Abstand in der Hauptbewegungsrichtung zwischen allen Teilen der Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des ersten Aktuators. In einem Schritt 210 wird eine Normalkraft zwischen dem Abstützteil und dem zu bewegenden Objekt senkrecht zu einer Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts und senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung des zu bewegenden Objekts bereitgestellt. Die Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des ersten Aktuators werden in einem Schritt 212 erregt, um eine Bewegung eines ersten Wechselwirkungsbereichs des ersten Aktuators relativ zu einem ersten Ende des ersten Aktuators zu bewirken. Der erste Aktuator ist durch dieses erste Ende am Abstützteil befestigt. Die Bewegung wird auf zweidimensionalen Wegen parallel zur Hauptbewegungsrichtung und quer zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts ausgeführt. Der erste Wechselwirkungsbereich des ersten Aktuators ist an einem zweiten Ende des ersten Aktuators gegenüber dem ersten Ende des ersten Aktuators vorgesehen. In einem Schritt 214 werden die Volumina des elektromechanisch aktiven Materials des zweiten Aktuators erregt, um eine Bewegung eines zweiten Wechselwirkungsbereichs des zweiten Aktuators relativ zu einem ersten Ende des zweiten Aktuators zu bewirken. Der zweite Aktuator ist am Abstützteil durch dessen erstes Ende befestigt. Die Bewegung wird in einer Richtung senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung und quer zur Wechselwirkungsfläche des zu bewegenden Objekts ausgeführt. Der zweite Wechselwirkungsbereich des zweiten Aktuators ist an einem zweiten Ende des zweiten Aktuators gegenüber dem ersten Ende des zweiten Aktuators versehen. Die Schritte 212 und 214 sind dargestellt, als würden sie der Reihe nach auftreten. Abhängig von der momentanen Anwendung können die Schritte 212 und 214 jedoch zumindest teilweise gleichzeitig auftreten. Einer der oder beide Schritte 212 und 214 können auch wiederholt werden. Der Ablauf endet an einem Schritt 299.
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In den oben dargestellten Ausführungsbeispielen wird das elektromechanische Material als piezoelektrisches Material angenommen. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch für andere Typen von elektromechanischen Materialien verwendet werden. Die meisten Aktuatormaterialien könnten als elektromechanische Materialien charakterisiert werden, aber in der vorliegenden Offenbarung werden elektromechanische Materialien als Materialien angesehen, die ihre Form verändern, wenn eine elektrische Spannung oder ein Strom angelegt wird. Typische Beispiele von elektromechanischen Materialien gemäß der Bedeutung in der vorliegenden Offenbarung sind piezoelektrische, elektrostriktive und antiferroelektrische Materialien und diese Materialien können einzelkristallin sowie polykristallin oder amorph sein.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind als einige Veranschaulichungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Dem Durchschnittsfachmann wird einleuchten, dass diverse Modifikationen, Kombinationen und Veränderungen in den Ausführungsbeispielen erfolgen können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere können unterschiedliche Teillösungen in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen mit anderen Konfigurationen, wo technisch möglich, kombiniert werden. Der Schutzumfang der Erfindung ist jedoch durch die anliegenden Ansprüche definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6066911 [0003]
- US 6337532 [0003]
- US 7067958 [0004]
- US 4928030 [0037]
