DE19712919C1 - Antriebsvorrichtung zur Ausführung von Drehbewegungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zur Ausführung von Drehbewegungen mit mindestens einem Festkörpereffekte ausnutzenden Aktuator, mit der Drehbewegungen in hoher Präzision und hoher Drehwin­ kelauflösung eine hochgenaue Positionierung von Ob­ jekten zueinander ermöglichend, durchführbar sind. Eine solche Antriebsvorrichtung kann in relativ klei­ ner Ausführung hergestellt werden und demzufolge für sehr viele Anwendungsgebiete eingesetzt werden. Sie kann in einem Positioniersystem eingesetzt werden, bei dem sehr hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden und die feinaufgelöste Drehbewegung ausgenutzt oder nach Umwandlung in eine Linearbewegung mit ent­ sprechend ebenfalls hoher Wegauflösung eingesetzt werden. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung auch für verschiedene Meßaufgaben und dabei insbesondere zur Ausrichtung von Sensoren eingesetzt werden.

Herkömmliche Rotationsantriebe verwirklichen aber in der Regel nicht alle Anforderungen, so daß es Systeme gibt, die zwar einen großen Drehbereich aufweisen, bei denen aber die erreichbare Drehwinkelauflösung nicht ausreichend ist. Andere Systeme mit ausreichend großer Drehwinkelauflösung verfügen über einen nicht ausreichend großen Drehbereich.

Die meisten Drehantriebe verwenden für ihre Antriebs­ wellen spielbehaftete Lager, so daß die Drehachse entsprechend des Lagerspieles auswandern kann.

In der DE 44 17 158 C1 ist eine piezoelektrische Ver­ stellvorrichtung bekannt, bei der die Drehbewegung eines Drehtellers unter Verwendung von mindestens zwei Piezo-Aktuatoren schrittweise erreicht werden kann. Der Drehteller wird dabei mit einem Piezo-Ak­ tuator in einen kraft- und formschlüssigen Eingriff eines konusförmigen Bauteiles gebracht, wobei am Drehteller ein entsprechend ausgebildeter Konus vor­ handen sein muß. Bei ausreichend großer Haftreibung kann dann mit einem zweiten Piezo-Aktuator, dessen Wirkrichtung, orthogonal zum ersten Piezo-Aktuator ist, eine Drehung des Drehtellers erreicht werden. Im Anschluß daran wird der erste Piezo-Aktuator abge­ schaltet und die beiden konusförmigen Teile außer Eingriff gebracht. Nach Abschalten des zweiten Piezo- Aktuators kann der erste Piezo-Aktuator erneut einge­ schaltet und der Vorgang wiederholt werden. Mit die­ ser Verstellvorrichtung kann eine schrittweise Dre­ hung des Drehtellers bei entsprechend synchronisier­ ter Ansteuerung der beiden Piezo-Aktuatoren erreicht werden.

Bei dieser bekannten Verstellvorrichtung kann es durch die allein auf der Gravitationskraft beruhenden Haltekräfte zwischen der konischen Aufnahme und dem konischen Bodenteil des Drehtellers bei schnellerer Ansteuerung des die Drehbewegung erzeugenden Piezo- Aktuators zu Schwingungen des Systems kommen, die sich in unerwünschter Weise auf die gewünschte Dreh­ bewegung auswirken. Außerdem ist die Lagefixierung insbesondere, durch den zweiten Piezo-Aktuator lei­ stungsbehaftet und es kann zu Abweichungen von der gewünschten Drehachse kommen.

In US 4,831,306 ist ein piezoelektrischer Antrieb beschrieben, bei dem eine Welle, die in einem Gehäuse drehbar angeordnet und gehalten ist, mit zwei Piezo­ elementen, die dort mit einer Haltevorrichtung gehal­ ten und gegen die Welle wirken, gedreht werden kann.

Daneben ist ein weiterer Drehantrieb aus EP 01 12 454 A2 bekannt, der einen rohrförmigen Stator und einen innenliegenden Rotor aufweist, wobei der Antrieb des Rotors mittels zweier ringförmiger piezoelektrischer Elemente durch Kontraktion und Expansion in radialer Richtung bewegt werden kann.

In JP 2-119 579 A ist eine Möglichkeit beschrieben und gezeigt, die eine Scheibe verwendet, an deren Rand Antriebselemente und Halteelemente befestigt sind, um eine Drehbewegung eines außen angeordneten Rohres relativ zur Scheibe zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvor­ richtung zur Ausführung von Drehbewegungen vorzuge­ ben, mit der eine sehr hohe Drehwinkelauflösung über einen großen Drehbereich erreichbar ist, und die ein­ fach aufgebaut und universell angewendet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen ge­ nannten Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wird mindestens ein scheibenförmiges Antriebselement ver­ wendet, auf dessen äußerer Mantelfläche ein rohrför­ miges Bauteil aufsetzbar ist. Das scheibenförmige Antriebselement weist dabei mindestens zwei in radia­ ler Richtung verlaufende Schlitze auf, die das schei­ benförmige Antriebselement in mindestens zwei Segmen­ te teilen und mit denen ein Festkörpergelenk defi­ niert ist, das eine Relativbewegung der einzelnen Segmente ermöglicht.

Dabei geben die Schlitze und das Festkörpergelenk die Drehachse vor.

Für die Auslösung einer schrittweisen Drehbewegung ist ein Festkörpereffekte ausnutzender Aktuator an mindestens einem Segment angeordnet. Hierfür kann eine nutenförmige Aussparung in das ein Segment des scheibenförmigen Antriebselementes eingebracht und der Aktuator an einer Seite der Nut, bevorzugt der, die zu äußeren Mantelfläche weist, starr befestigt werden und sich an der anderen Seite über eine bevor­ zugt als Festkörpergelenk ausgebildete Verbindung am anderen Segment abstützen.

Als Aktuatoren können piezoelektrische, elektrostrik­ tive oder magnetostriktive Elemente eingesetzt wer­ den.

Wird nun ein rohrförmiges Bauteil auf das scheiben­ förmige Antriebselement aufgesetzt, kann bei Einhal­ tung eines relativ geringen Spieles zwischen Innen­ durchmesser des rohrförmigen Bauteiles und Außen­ durchmesser des scheibenförmigen Antriebselementes eine Drehung erreicht werden, wenn der Aktuator os­ zillierend betrieben wird.

Das rohrförmige Bauteil kann auch als ein nahezu be­ liebig geformtes Bauteil mit einer Bohrung betrachtet werden.

Eine Relativdrehung zwischen scheibenförmigem An­ triebselement und rohrförmigem Bauteil wird dadurch eingeleitet, daß der Kraftangriffspunkt des Aktuators außerhalb der Drehachse angeordnet ist und bei dessen oszillierendem Betrieb eine Verdrehung der beiden Segmente des scheibenförmigen Antriebselementes um die Drehachse, die durch das Festkörpergelenk möglich ist, erfolgt.

Je nach dem, ob das scheibenförmige Antriebselement oder das rohrförmige Bauteil eingespannt bzw. gehal­ ten ist, kann sich das andere Teil um die Drehachse drehen.

Die Drehwinkelauflösung wird durch den Aktuator und dessen Längenausdehnung bzw. Kontraktion, den äußeren Durchmesser des scheibenförmigen Antriebselementes und die Lage des Kraftangriffes des Aktuators im we­ sentlichen bestimmt. Einen weiteren Einfluß haben auch die äußere Mantelfläche des scheibenförmigen Antriebselementes und die innere Mantelfläche des rohrförmigen Bauteiles in Verbindung mit dem Spiel dieser beiden Elemente, die ebenfalls Einfluß auf die Haftreibung haben. Die Haftreibung wird einmal benö­ tigt, um eine lagegenaue Fixierung des scheibenförmi­ gen Antriebselementes und des rohrförmigen Bauteils zueinander zu sichern, sie wirkt aber der die Drehung auslösenden Kräften entgegen und muß demzufolge so gehalten werden, daß sie mit dem Drehmoment, das mit dem Aktuator erreicht werden kann, überwindbar ist.

Das erzeugbare Drehmoment kann aber durch einen wei­ teren Aktuator erhöht werden. Dieser sollte bevor­ zugt, wie der erste Aktuator, jedoch diagonal am an­ deren Segment angeordnet sein. Dabei wirkt sich die mögliche Verdoppelung der gewünschten Kräfte in Dreh­ richtung ebenso, wie die Verkleinerung der Mantelflä­ che, die mit dem rohrförmigen Bauteil im Kontakt steht und infolge der für die Aufnahme der Aktuatoren ausgebildeten nutenförmigen Einschnitte auftritt, auf die Haftreibung vermindernd aus. Dabei sollten die beiden Aktuatoren immer gleichzeitig aktiviert wer­ den.

Eine solche Anordnung ist aber auch geeignet, eine Drehung in beide möglichen Richtungen auszuführen. Dabei werden entsprechende Aktuatoren ausgewählt und so angesteuert, daß sie alternierend eine Ausdehnung oder Kontraktion ausführen und so eine Relativbewe­ gung der beiden Segmente der scheibenförmigen An­ triebselemente um die Drehachse mit dem Festkörperge­ lenk in der gewünschten Richtung erreicht werden kann.

Eine Antriebsvorrichtung nach der Erfindung, mit ver­ schiedenen Drehrichtungen kann aber auch erhalten werden, wenn zwei Aktuatoren in einem Segment des scheibenförmigen Antriebselementes aufgenommen sind, wobei für eine Drehung in die gewünschte Richtung lediglich ein Aktuator aktiviert werden muß und der andere inaktiv bleibt, was eine Vereinfachung der Ansteuerung mit sich bringt. Selbstverständlich kann aber auch hier alternierend mit einer Ausdehnung und Kontraktion des jeweils anderen Aktuators gearbeitet werden.

Das maximale Spiel zwischen dem Außendurchmesser des scheibenförmigen Antriebselementes und dem rohrförmi­ gen Bauteil sollte bei maximal 20 µm, bevorzugt un­ terhalb 10 µm eingehalten werden.

Zur Verringerung der erforderlichen Kräfte, die durch den bzw. die Aktuator(en) aufgebracht werden müssen, kann das Widerstandsmoment des scheibenförmigen An­ triebselementes zumindest im Wirkbereich des/der Ak­ tuator(en) verkleinert werden. Hierfür können weitere nutenförmige Einschnitte eingebracht werden.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann weiter verbessert werden, wenn parallel zum scheibenförmigen Antriebselement ein zweites Element, aber erstes scheibenförmiges Halteelement mit diesem zumindest teilweise verbunden angeordnet wird. Die teilweise Trennung wird durch Ausbildung nutenförmiger, den Querschnitt schwächender Einschnitte erreicht. Das zweite scheibenförmige Halteelement hat dabei im we­ sentlichen Halte- und Klemmfunktion. Mit dieser Aus­ bildung kann einmal die Ausrichtung in bezug auf das rohrförmige Bauteil mit höherer Genauigkeit erreicht werden und außerdem die Drehbewegung mit erhöhter Drehwinkelauflösung über einen größeren Bereich er­ folgen.

Hierfür sind im zweiten scheibenförmigen Element zwei sich gegenüberliegende abgewinkelte Aussparungen aus­ gebildet, die über einen Teil der äußeren Mantelflä­ che des zweiten scheibenförmigen Elementes zwei sich gegenüberliegend angeordnete Klemmelemente vorgeben. Zwischen diesen Klemmelementen wird ausgehend vom Außendurchmesser des zweiten scheibenförmigen Elemen­ tes ein nutenförmiger Einschnitt eingebracht, in den ein sich beidseitig an den Klemmelementen abstützen­ der Aktuator einsetzbar ist.

Wird mit diesem Aktuator eine Kraft auf die Klemmele­ mente ausgeübt, wird die Kraft, mit der das rohrför­ mige Bauteil gehalten wird, verringert bzw. die Kopp­ lung gelöst. Gleichzeitig können der bzw. die Aktua­ tor(en) am scheibenförmigen Antriebselement aktiviert werden, was zu einer Drehbewegung des einen Segmentes des scheibenförmigen Antriebselementes um die Dreh­ achse führt, ohne diese Drehbewegung auf das rohrför­ mige Bauteil zu übertragen. Nach Abschalten des Ak­ tuators am zweiten scheibenförmigen Halteelement wird die Klemmung des rohrförmigen Bauteils eingeleitet und das scheibenförmige Antriebselement kann das rohrförmige Bauteil mitnehmend in Drehung versetzen.

Bevorzugt ist das zweite scheibenförmige Halteelement so ausgebildet, daß der Radius im Bereich der Klemm­ elemente geringfügig größer als der Radius in den anderen Bereichen des scheibenförmigen Halteelementes ist. Dabei ist die Vergrößerung des Radius im Bereich der Klemmelemente minimal 5 µm größer als in den übrigen Bereichen.

Vorteilhaft kann es aber auch sein, wenn das zweite scheibenförmige Halteelement so ausgebildet wird, daß die Außenkontur im Bereich der Klemmelemente von der Kreisform abweicht und sich der Radius ausgehend von der durch den nutenförmigen Einschnitt für die Auf­ nahme des Aktuators gebildeten Kante in Richtung auf die abgewinkelte Aussparung kontinuierlich vergrö­ ßert. Dadurch kann die Klemmkraft besser reguliert werden, insbesondere beim Aufheben der Klemmung, d. h. nach Ansteuerung des Aktuators, können die Klemmele­ mente besser von der Innenwandung des rohrförmigen Bauteiles getrennt werden.

Durch die Verwendung eines zweiten scheibenförmigen Antriebselementes, das bevorzugt an der anderen Seite des scheibenförmigen Halteelementes mit den Klemmele­ menten, angeordnet ist, kann die Erfindung weiter verbessert werden und die Drehgeschwindigkeit weiter erhöht werden. Dabei ist das zweite scheibenförmige Antriebselement analog zum ersten scheibenförmigen Antriebselement ausgebildet. Auch hier befinden sich nutenförmige Einschnitte, die den Querschnitt schwä­ chend um die Drehachse ausgebildet sind, zwischen dem zweiten scheibenförmigen Halteelement mit den Klemm­ elementen und dem zweiten scheibenförmigen Antriebs­ element, so daß eine Relativdrehung, wie bereits be­ schrieben, möglich wird.

Es kann aber auch eine Kombination eines Antriebsele­ mentes mit beidseitig an diesem angeordneten zwei Halteelemente ausgebildet sein.

Mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung kann eine Drehbewegung mit sehr hoher Präzision und großer Drehwinkelauflösung erreicht werden, wobei durch den Schrittbetrieb eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erreichbar ist.

Weiter kann eine leistungslose Lagefixierung und ein relativ lageunabhängiger Einsatz erreicht werden, wobei die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für die verschiedensten Anwendungsbereiche auch in Kom­ bination mit anderen Elementen, für Herstellungs- bzw. Meßprozesse einsetzbar ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der, daß sie mit relativ einfachen Mitteln steuerbar ist.

Im Gegensatz zu den konventionellen Lagerungen wird die Drehachse durch die Antriebsvorrichtung an sich und dabei insbesondere durch das Festkörpergelenk bestimmt und Spiele, wie sie beispielsweise bei her­ kömmlich verwendeten Lagern zum Auswandern der Dreh­ achse führen, sind extrem klein und deshalb vernach­ lässigbar. Die Lagerung wird im wesentlichen durch die Ausbildung der äußeren Mantelflächen der einzel­ nen erfindungsgemäß zu verwendenden Elemente in bezug auf das rohrförmige Bauteil erreicht.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist außerdem relativ einfach aufgebaut und kann auch, wenn die Vorrichtung mit mehreren scheibenförmigen Elementen ausgebildet ist, als ein mechanisches Teil betrachtet und gefertigt werden. Für die Montage ist lediglich der Einsatz des/der Aktuator(en) erforderlich.

Außerdem wird das hohe Auflösungsvermögen der die Festkörpereffekte ausnutzenden Aktuatoren nicht ver­ ringert, sondern wird nahezu spielfrei durch die An­ triebsvorrichtung umgesetzt.

Die erfindungsgemäße Drehantriebsvorrichtung kann aber auch relativ klein ausgebildet werden, so daß ein hoher Miniaturisierungsgrad erreicht werden kann.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len näher beschrieben werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein scheiben­ förmiges Antriebselement;

Fig. 2 ein zweites Beispiel eines scheibenförmigen Antriebselementes;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein scheibenförmi­ ges Halteelement mit Klemmelementen;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch ein scheiben­ förmiges Halteelement mit Klemmelementen in herstellungsbedingter Ausbildung, das se­ riell mit einem Antriebselement verbunden ist;

Fig. 5 eine Ausführungsform eines scheibenförmigen Halteelementes nach Fig. 4 und

Fig. 6 eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Beispieles mit drei in Reihe, miteinander verbundenen scheibenför­ migen Elementen.

In der Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein erfin­ dungsgemäß zu verwendendes scheibenförmiges Antriebs­ element 1, das durch Schlitze 3, 3' in Segmente 2, 2' geteilt ist, dargestellt. Die Schlitze geben ein Festkörpergelenk 4 und dementsprechend auch eine Drehachse vor. In einem der beiden Segmente 2' ist eine nutenförmige Aussparung eingebracht, in die ein Aktuator 5 einsetzbar ist. Der Aktuator 5 stützt sich dabei an einer Fläche der nutenförmigen Aussparung im Segment 2' und an einer anderen Seite an einer Wan­ dung des Schlitzes 3 am Segment 2 ab. Dabei sollte die letzte Abstützung bevorzugt als Gelenk ausgebil­ det sein. Beim Ein- oder Ausschalten des Aktuators 5 kann eine Relativdrehung der beiden Segmente 2 und 2', und so eine Relativdrehung zu einem nicht darge­ stellten rohrförmigen Bauteil erreicht werden, wenn dieses auf die äußere Mantelfläche des scheibenförmi­ gen Antriebselementes 1 aufgesetzt ist.

Die Fig. 2 zeigt eine verbesserte Ausführungsform eines Beispieles für ein scheibenförmiges Antriebs­ element 1 nach Fig. 1.

Dabei sind in den beiden Segmenten 2 und 2' sich dia­ metral gegenüberliegend angeordnete Aktuatoren 5 in dort jeweils eingebrachte nutenförmige Aussparungen eingesetzt, was zu einer nahezu Verdoppelung der zur Verfügung gestellten Drehkräfte führt. Außerdem sind zusätzliche nutenförmige Einschnitte 6 und 6' zur Verringerung des Widerstandsmomentes des scheibenför­ migen Antriebselementes 1 in die Segmente 2 und 2' eingebracht. Dadurch ist es möglich, den Bereich der Segmente 2 und 2', der durch die nutenförmige Ein­ schnitte 6' vom übrigen Bereich getrennt ist, mit dem durch die Aktuatoren 5 ausgelösten Bewegungen dieser Mantelflächenbereiche der Segmente 2 und 2' getrennt in Drehung zu versetzen. Der andere, größere Bereich der Mantelfläche der beiden Segmente 2 und 2' dient zur Führung und Fixierung des ebenfalls nicht darge­ stellten rohrförmigen Bauteils.

Die Fig. 3 zeigt ein scheibenförmiges Halteelement 7, das in Verbindung mit dem scheibenförmigen An­ triebselement 1 eingesetzt werden kann. Dabei werden das scheibenförmige Antriebselement 1 und das schei­ benförmige Halteelement 7 seriell zueinander angeord­ net, so daß die äußeren Mantelflächen überwiegend fluchtend angeordnet sind. Eine teilweise Trennung des scheibenförmigen Antriebselementes 1 und des scheibenförmigen Elementes 7 wird mit nutenförmigen, den Querschnitt schwächenden Einschnitten erreicht. Im zweiten scheibenförmigen Element 7 sind in Längs­ richtung verlaufende abgewinkelte Aussparungen 8 und 8' eingearbeitet, die Klemmelemente 9 und 9' als Tei­ le der äußeren Mantelfläche vorgeben. Zwischen den Klemmelementen 9 und 9' ist eine nutenförmige Ausspa­ rung ausgebildet, in die ein weiterer Aktuator 10 eingesetzt wird, mit dem in Verbindung mit den recht­ winkligen Aussparungen 8 und 8' eine Bewegung der Klemmelemente 9 und 9' möglich wird.

Die Fig. 4 zeigt das zweite scheibenförmige Halte­ element 7 in einer bevorzugt fertigungsbedingten Aus­ führung. Da das scheibenförmige Element 7 in Verbin­ dung mit einem scheibenförmigen Antriebselement 1 verwendet, wird, ist es aus fertigungstechnischer Sicht günstig, dieses so auszubilden, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist. Dabei wird auch mindestens eine nutenförmige Aussparung 11 ausgebildet, wie sie zur Aufnahme von Aktuatoren 5, wie dies bei den Fig. 1 und 2 bereits beschrieben worden ist, verwendet wer­ den kann. Sie bleibt jedoch beim scheibenförmigen Halteelement 7 leer, da dieses ausschließlich für die klemmende Fixierung eines aufgesetzten rohrförmigen Bauteiles verwendet werden soll.

Das in Fig. 5 gezeigte scheibenförmige Halteelement 7 ist lediglich durch die dort erkennbaren nutenför­ migen Einschnitte 6 und 6' ergänzt, die die bereits genannten Vorteile mit sich bringen.

Die dreidimensionale Darstellung eines Beispiels ei­ ner erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung läßt die parallel hintereinander Anordnung von drei scheiben­ förmigen Elementen 1 und 7 erkennen. Dabei kann eine Kombination von scheibenförmigen Antriebselementen 1 mit einem scheibenförmigen Halteelement 7 mit Klemm­ elementen 9 und 9', aber auch eine Kombination von zwei scheibenförmigen Halteelementen 7 mit einem scheibenförmigen Antriebselement 1 verwendet werden. Die scheibenförmigen Elemente 1 und 7 sind durch nu­ tenförmige, den Querschnitt schwächende Einschnitte 12 zumindest teilweise voneinander getrennt. Zwei scheibenförmige Elemente 1 und 7 sind lediglich über die knappe Hälfte eines Antriebselementes parallel zu den radial verlaufenden Nuten 3 und 3', ausschließ­ lich des Bereiches der Festkörpergelenke 4 und des Bereiches der Klemmelemente 9 und 9' miteinander ver­ bunden.

In der Fig. 6 sind die erfindungsgemäß zu verwenden­ den Festkörpereffekte ausnutzenden Aktuatoren 5 bzw. 10 nicht dargestellt. Sie können aber in den vorge­ fertigten, aus den drei scheibenförmigen Elementen 1 und 7 gebildeten Block, in die dort bereits eingear­ beiteten nutenförmigen Aussparungen, je nach Bedarf, eingesetzt werden. Dies kann die tatsächlichen Anwen­ dungen berücksichtigend, erfolgen, um optimal die tatsächlich auftretenden Momente und Kräfte zu be­ rücksichtigen, und so, insbesondere die Fixierung eines oder mehrerer ebenfalls nicht dargestellter rohrförmigen Bauteile oder der Antriebsvorrichtung berücksichtigend, ausgewählt werden.

So kann beispielsweise, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, das scheibenförmige Halteelement 7 außenseitig ausgewählt werden, wenn beispielsweise das rohrförmi­ ge Bauteil an der entgegengesetzten Seite eingespannt ist.

Im Folgenden soll die Funktion einer erfindungsgemä­ ßen Antriebsvorrichtung mit mehreren scheibenförmigen Elementen 1 und 7 in verschiedenen Varianten be­ schrieben werden.

In einer ersten Variante besteht eine erfindungsgemä­ ße Antriebsvorrichtung aus einem scheibenförmigen Antriebselement und zwei scheibenförmigen Halteele­ menten 7 mit Klemmelementen 9 und 9', die beidseitig vom Antriebselement 1 angeordnet sind, und es soll ein rohrförmiges Bauteil bei fixierter Antriebsvor­ richtung gedreht werden.

Bei diesem Beispiel wird am Antriebselement 1 ledig­ lich ein Aktuator 5 verwendet, dessen translatorische Bewegung durch seine Anordnung über das Festkörperge­ lenk 4 in eine Drehbewegung umgewandelt werden kann. Zwischen den drei scheibenförmigen Elementen 1 und 7 werden infolge der nutenförmigen den Querschnitt schwächenden Einschnitte 12 definiert gekoppelte und gleichzeitig andere entkoppelte Bereiche ausgebildet, so daß eine Relativdrehung der drei scheibenförmigen Elemente 1 und 7 ermöglicht wird, wobei die Drehachse der gesamten Antriebsvorrichtung durch das Festkör­ pergelenk 4 definiert wird.

Dabei kann der Teil des Segmentes 2', in den der Ak­ tuator 5 nicht angeordnet ist, und in dem sich kein Klemmelement 9' befindet, also überwiegend der Teil des Segmentes 2', der in Fig. 4 den mittleren Teil der unteren Scheibenhälfte darstellt, fest mit einem ersten scheibenförmigen Halteelement 7 und der Teil des Segmentes 2, der kein Klemmelement 9 beinhaltet, mit dem zweiten scheibenförmigen Halteelement 7 auf der anderen Seite verbunden sein. Das auf dem Grund­ körper nicht fixierte erste scheibenförmige Haltee­ lement 7 und das andere scheibenförmige Halteelement 7 werden zur Klemmung des rohrförmigen Bauteiles aus­ genutzt.

Für die Drehung des rohrförmigen Bauteiles wird mit nachfolgenden Schritten verfahren:

• a) Das fixierte erste scheibenförmige Halteelement 7 wird über den Aktuator 10 so beeinflußt, daß die form- und kraftschlüssige Verbindung mit dem rohrförmigen Bauteil gelöst wird, dabei wird das rohrförmige Bauteil vom anderen scheibenförmigen Element 7 weiter gelagert.
• b) Der Aktuator 5 im Antriebselement 1 wird akti­ viert und vergrößert dabei seine Länge. Hier­ durch wird eine entsprechend der Anordnung des Aktuators 5 im Abstand von der Drehachse und seiner Längenausdehnung große Drehung des Seg­ mentes 2, gemeinsam mit dem unfixierten zweiten scheibenförmigen Halteelement 7 und dem darauf geklemmten rohrförmigen Bauteil erreicht.
• c) Das fixierte erste scheibenförmige Halteelement 7 klemmt das rohrförmige Bauteil wieder.
• d) Das nicht fixierte zweite scheibenförmige Hal­ teelement 7 löst dann die Klemmelemente 9 und 9' vom rohrförmigen Bauteil, wobei dieses dann vom auf dem Grundkörper fixierten ersten scheiben­ förmigen Halteelement 7 gelagert gehalten wird.
• e) Der Aktuator 5 im Antriebselement 1 kontrahiert und dies hat die Drehung des Segmentes 2 mit dem nicht fixierten zweiten scheibenförmigen Haltee­ lement 7 zur Folge, ohne daß das rohrförmige Bauteil mitgenommen wird.
• f) Im Anschluß daran erfolgt die Klemmung des rohr­ förmigen Bauteiles durch Aktivierung des Aktua­ tors 10 des nicht fixierten zweiten scheibenför­ migen Halteelementes 7.

Durch Wiederholung der einzelnen Schritte a) bis f) kann eine schrittförmige Drehung des rohrförmigen Bauteiles mit großer Drehwinkelauflösung im Prinzip über den gesamten Umfang erreicht werden.

In einer zweiten Variante kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung auch in der Form eingesetzt wer­ den, daß eine abwechselnde Drehung des fixierten und des nicht fixierten scheibenförmigen Halteelementes 7 durch entsprechende Aktivierung der Aktuatoren 5 und 10 nacheinander erfolgen kann.

Beim Betreiben der erfindungsgemäßen Antriebsvorrich­ tung in der zweiten Variante ist das Segment 2' mit dem zweiten scheibenförmigen Halteelement 7 verbun­ den. Das Segment 2 ist mit dem ersten scheibenförmi­ gen Halteelement 7 auf der anderen Seite verbunden, wobei die Fixierung durch alternierende Klemmung der Klemmelemente 9 und 9' eines der beiden scheibenför­ migen Halteelemente 7 im rohrförmigen Bauteil er­ reicht wird. Das jeweils nicht fixierte scheibenför­ mige Halteelement 7 wird durch Aktivierung des Aktua­ tors 5 und Mitnahme des entsprechenden scheibenförmi­ gen Halteelementes 7 gedreht. Dabei kann jedes der beiden scheibenförmigen Halteelemente 7 ein gesonder­ tes Bauteil aufnehmen. Im Ruhezustand klemmen die beiden beidseitig vom Antriebselement 1 angeordneten scheibenförmigen Halteelemente 7 das rohrförmige Bau­ teil. Für die Drehung des/der Bauteile wird wie folgt verfahren:

• a) Das eine scheibenförmige Halteelement löst die Klemmung zum rohrförmigen Bauteil und die Fixie­ rung wird durch das andere scheibenförmige Hal­ teelement wahrgenommen.
• b) Der Aktuator 5 im Antriebselement 1 dehnt sich aus, was zur Drehung des Segmentes 2' gemeinsam mit dem mit diesem Segment 2' verbundenen schei­ benförmigen Halteelement 7 führt.
• c) Das jetzt gedrehte scheibenförmige Halteelement 7 klemmt dann das rohrförmige Bauteil, so daß eine Klemmung durch beide scheibenförmige Hal­ teelemente 7 realisiert wird.
• d) Im Anschluß daran wird durch Aktivierung des Aktuators 10 die Klemmung des anderen scheiben­ förmigen Halteelementes 7 zum rohrförmigen Bau­ teil gelöst. Dabei wechselt die Fixierung des rohrförmigen Bauteiles zu dem scheibenförmigen Halteelement 7, das mit dem Segment 2' des An­ triebselementes verbunden ist.
• e) Der Aktuator 5 im Antriebselement 1 kontrahiert und das Segment 2 nimmt bei seiner Drehung das scheibenförmige Halteelement 7, das vom rohrför­ migen Bauteil getrennt ist, mit.
• f) Im Anschluß daran klemmt das zuletzt gedrehte scheibenförmige Halteelement 7 durch Deaktivie­ rung des an ihm vorhandenen Aktuators 10 das rohrförmige Bauteil.

Bei Durchführung eines Zyklusses nach diesen Schrit­ ten, kann eine schrittweise Drehbewegung der beiden scheibenförmigen Elemente 7 alternierend durchgeführt werden und zwei verschiedene Bauteile entsprechend schrittweise gedreht werden. Dabei wird eine Drehung für beide scheibenförmigen Halteelemente 7, also auch für die beiden an ihnen fixierten Bauteile in glei­ cher Richtung erreicht.

Weitere mögliche Varianten mit zwei Aktuatoren 5 im Antriebselement 1 oder mehreren Antriebselementen 1 führen zu einer Erhöhung der erreichbaren Drehge­ schwindigkeit.

Claims (13)

1. Antriebsvorrichtung zur Ausführung von Drehbewe­ gungen, mit mindestens einem Festkörpereffekte ausnutzenden Aktuator (5),
einem scheibenförmigen Antriebselement (1), das durch Schlitze (3, 3') in Segmente (2, 2') geteilt ist, wobei mit den Schlitzen ein die Drehachse vorgebendes Festkörpergelenk (4) definiert ist,
mindestens einem Aktuator (5), der sich außerhalb der Drehachse mit je einem Ende an je einem der beiden Segmente (2, 2') abstützt, und
mit einem rohrförmigen Bauteil, das auf die Man­ telflächen der Segmente (2, 2') aufgesetzt ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Aktuator(en) (5, 10) piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente sind.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Aktuatoren (5) symmetrisch zur Drehachse mit dem Antriebsele­ ment verbunden sind.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (1) mit den Schlitzen (3, 3') in mindestens zwei Segmente (2, 2') geteilt ist, die mit dem Fest­ körpergelenk (4) verbunden sind.

5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Aktuator(en) (5) einseitig starr und an der entgegengesetzten Seite gelenkig mit dem Antriebselement (1) ver­ bunden ist/sind.

6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiel von maxi­ mal 20 µm zwischen dem Außendurchmesser des An­ triebselementes und dem Innendurchmesser des rohrförmigen Bauteils eingehalten ist.

7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (1) oder das rohrförmige Bauteil extern einge­ spannt oder gehalten ist.

8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (1) mit einem parallel ausgerichteten, durch ei­ nen nutenförmigen, den Querschnitt schwächenden Einschnitt (12) teilweise voneinander getrennt, mit einem scheibenförmigen Halteelement (7) ver­ bunden ist und das scheibenförmige Halteelement (7) durch zwei sich gegenüberliegende, abgewin­ kelte Aussparungen über einen Teil der äußeren Mantelfläche zwei Klemmelemente (9, 9'), die mit einem in einer Nut zwischen den Klemmelementen (9, 9') eingesetzten Aktuator (10) bewegbar sind, zur klemmenden Aufnahme des rohrförmigen Bauteils vorgeben.

9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius im Be­ reich der Klemmelemente (9, 9') geringfügig grö­ ßer als der Radius in den anderen Bereichen die­ ses scheibenförmigen Elementes (7) ist.

10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmelemente (9, 9') eine von der Kreisform abweichende Kon­ tur aufweisen.

11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei scheibenförmige Halteelemente (7) beidseitig an einem Antriebs­ element (1) angeordnet sind.

12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres schei­ benförmiges Antriebselement (1) mit dem zweiten scheibenförmigen Halteelement (7) verbunden ist, wobei ein weiterer nutenförmiger radialer Ein­ schnitt (12) diese Elemente (1, 7) teilweise voneinander trennt.

13. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß je ein rohrförmiges Bauteil auf jeweils einem der Halteelemente (7) aufgesetzt ist.