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Die
Erfindung betrifft einen Aktuator, vorzugsweise einen piezoelektrischen
Aktuator und einen mit dem erfindungsgemäßen Aktuator
versehenen Motor.
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Bei
vielfältigen Anwendungen, beispielsweise in Mobiltelefonen
oder sog. Smartphones, besteht das Bedürfnis, die entsprechenden
Geräte immer kleiner bzw. flacher zu bauen. Demzufolge
werden immer kleiner bzw. flacher bauende Komponenten für
solche Geräte benötigt, die aus Fertigungs- und Montagegründen
auch möglichst einfach aufgebaut sein sollten. Die nicht
veröffentlichte
Europäische
Patentanmeldung 09001729.4 /
EP09001729 beschreibt in
diesem Zusammenhang einen einfach aufgebauten, nur sehr wenig Bauraum
einnehmenden piezoelektrischen Motor mit einem flachen und plattenförmigen
Aktuator, der beispielsweise für den Antrieb des Autofokus
einer Mobiltelefon-Kamera verwendet werden kann. Der dort gezeigte
Aktuator bzw. Motor erlaubt allerdings nur Bewegungen entlang einer Achse.
In einigen Fällen ist es notwendig, dass der entsprechende
Motor Bewegungen in zwei Achsrichtungen zulässt, bzw. dass
der Motor eine rotatorische Antriebsbewegung erzeugt.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, einen Aktuator bereitzustellen, der
klein bzw. flach baut und der in der Lage ist, bei relativ einfachem
Aufbau Bewegungen in zwei Achsrichtungen zu realisieren und der
darüber hinaus dazu fähig ist, eine rotatorische Antriebsbewegung
zu erzeugen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Aktuator, der vorzugsweise
ein piezoelektrisches Material aufweist, und welcher in Form einer
einschichtigen oder mehrschichtigen flachen Platte vorliegt, wobei zumindest
bei einer Schicht sowohl auf deren Oberseite, als auch auf deren
Unterseite jeweils zwei, voneinander durch einen Trennbereich beabstandete Elektroden
gegenüberliegend angeordnet sind, und die beiden Elektroden
der Oberseite versetzt zu den beiden Elektroden der Unterseite angeordnet
sind.
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Durch
die beiden auf der Oberseite der Schicht gegenüberliegend
angeordneten Elektroden sind bei entsprechender elektrischer Kontaktierung und
Ansteuerung schwingende Deformationen des Aktuators in einer ersten
Achsrichtung generierbar, wobei besagte schwingende Deformationen
zum Antrieb eines anzutreibenden Elements in eben dieser ersten
Achsrichtung genutzt werden können. Durch die gegenüber
den Elektroden der Oberseite versetzt angeordneten Elektroden der
Unterseite sind nun durch entsprechende elektrische Kontaktierung
und Ansteuerung schwingende Deformationen des Aktuators in einer
anderen, zweiten Achsrichtung generierbar. Auch diese schwingenden
Deformationen können dazu genutzt werden, ein anzutreibendes Element
zu bewegen, und zwar entlang dieser zweiten Achsrichtung.
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Die
elektrische Ansteuerung der Elektroden der Oberseite und der Unterseite
erfolgt vorzugsweise dergestalt, dass der Aktuator zu Schwingungen – insbesondere
im Ultraschallbereich – bei einer mechanischen Resonanzfrequenz
angeregt wird. In besonders bevorzugter Weise wird der Aktuator
unter Anregung der zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz oder
einem ganzzahligen Vielfachen der zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz
betrieben, wobei die Longitudinalrichtung jeweils die Richtung bezeichnet,
entlang derer die jeweils gegenüberliegend angeordneten
Elektroden von Ober- und Unterseite angeordnet bzw. ausgerichtet
sind.
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Durch
Anregung der zweiten longitudinalen Resonanzfrequenz oder ganzzahliger
Vielfacher hiervon ergeben sich schwingende Deformationen des Aktuators,
die im Wesentlichen in der Ebene des Aktuators liegen. Um durch
diese periodischen Deformationen oder Schwingungen des Aktuators
in einer Longitudinalrichtung eine Antriebsbewegung eines anzutreibenden
Elements zu erzeugen, ist es notwendig, dass die Deformationen eine
ganz bestimmte zeitliche Abfolge aufweisen, die ihre Entsprechung
in den elektrischen Ansteuersignalen findet. So muss während
eines Antriebsbewegungsschrittes, bei welchem der mit dem anzutreibenden Element
in Friktionskontakt befindliche Aktuator das anzutreibende Element
mitnimmt, eine vergleichsweise langsame Deformation in Longitudinalrichtung erfolgen,
damit kein relatives Gleiten zwischen Aktuator und anzutreibendem
Element auftritt, d. h. es sollten Haftreibungsbedingungen zwischen
Aktuator und anzutreibendem Element herrschen. Demgegenüber
muss während eines Rückbewegungsschrittes, bei
welchem der Aktuator eine Deformation in entgegengesetzter Richtung
vollführt, eine vergleichsweise schnelle Deformation in
Longitudinalrichtung erfolgen, so dass die Haftreibungsbedingungen
verlassen werden und Gleitreibung eintritt. Damit kann ein relatives
Gleiten des Aktuators zum anzutreibenden Element realisiert werden,
und der Aktuator nimmt das anzutreibende Element während
des Rückbewegungsschritt nicht mit. Es resultiert ein sog.
Stick-Slip-Antrieb bzw. eine Stick-Slip-Bewegung.
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Die
elektrische Ansteuerung der Elektroden von Ober- und Unterseite
kann zeitlich gesehen entweder vollkommen getrennt voneinander erfolgen, oder
aber im Zusammenspiel und zeitlich aufeinander abgestimmt. Bei vollkommen
getrennter Ansteuerung kann beispielsweise zunächst eine
alleinige Ansteuerung der Elektroden der Oberseite erfolgen, so
dass zum Beispiel eine Bewegung eines über den Aktuator
anzutreibenden Elements in einer ersten Achsrichtung, beispielsweise
der x-Richtung, erzeugt wird. Sobald die vorgegebene x-Position
des anzutreibenden Elements erreicht ist, kann durch die nun alleinige
Ansteuerung der Elektroden der Unterseite eine Bewegung des über
den Aktuator anzutreibenden Elements in einer zweiten Achsrichtung,
beispielsweise der y-Richtung, erzeugt werden.
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Durch
zeitlich aufeinander abgestimmte elektrische Ansteuerung – d.
h. durch Realisierung eines Phasenversatzes oder Phasenunterschieds
bezüglich der Ansteuersignale – der Elektroden
von Ober- und Unterseite ist es möglich, Deformationen
zu erzeugen, die in einer rotatorischen Antriebsbewegung resultieren.
Ein beispielsweise in der Mitte des Aktuators angeordnetes Friktionselement,
das zum Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element vorgesehen
ist, kann durch zeitlich aufeinander abgestimmte elektrische Ansteuerung
der Elektroden von Ober- und Unterseite eine Kreis-Bewegung vollführen,
und somit das anzutreibende Element durch Mitnahme in eine Rotationsbewegung
versetzen.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aktuators
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es
kann von Vorteil sein, dass der Aktuator zumindest eine der folgenden
Anforderungen erfüllt:
- a. der Aktuator
weist die Form einer polygonalen Platte, vorzugsweise einer quadratischen
Platte auf;
- b. der Aktuator weist die Form einer runden Platte, vorzugsweise
einer kreisförmigen Platte auf;
- c. der Aktuator weist die Geometrie einer ringförmigen
Platte auf.
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Derartige
Ausgestaltungen des Aktuators erweitern die konstruktiven Möglichkeiten
und erlauben beispielsweise eine gezielte Anpassung an die geometrischen
bzw. strukturellen Gegebenheiten, in denen der Aktuator zur Anwendung
kommt bzw. in denen der Aktuator Verwendung findet.
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Ebenso
kann es von Vorteil sein, dass die Elektroden zumindest eine der
folgenden Anforderungen erfüllen:
- a.
die Elektroden der Oberseite sind um im Wesentlichen 90° versetzt
zu den Elektroden der Unterseite angeordnet;
- b. die Elektroden der Oberseite und/oder die Elektroden der
Unterseite sind spiegelbildlich zueinander angeordnet.
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Derartige
Ausgestaltungen bezüglich der Anordnung der Elektroden
resultieren in einer besonders effektiven und wirkungsvollen Art
des Antriebes.
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Darüber
hinaus kann es von Vorteil sein, dass der Trennbereich im Wesentlichen
linienförmig ist. Dies ermöglicht die Realisierung
relativ großflächiger Elektrodenbereiche und ist
außerdem fertigungstechnisch vergleichweise einfach ausführbar.
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Zudem
kann es von Vorteil sein, dass der Aktuator wenigstens ein Friktionselement
aufweist, welches zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
- a. das Friktionselement ist entlang des linienförmigen
Trennbereichs angeordnet;
- b. das Friktionselement ist in der Mitte des linienförmigen
Trennbereichs angeordnet;
- c. das Friktionselement ist an einem Ende des linienförmigen
Trennbereichs angeordnet;
- d. das Friktionselement weist ein Material einer Hartkeramik
wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliziumnitrid (Si3N4), oder ein
Material einer Hart-Metall-Legierung oder eines Karbids wie Wolframkarbid
auf und besteht vorzugsweise aus einem dieser Materialien;
- e. das Friktionselement weist die Form einer Kugel oder einer
Halbkugel auf;
- f. das Friktionselement ist in den Aktuator eingesetzt, vorzugsweise
in ein in dem Aktuator vorgesehenes Durchgangsloch.
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Derartige
Ausgestaltungen das Friktionselement betreffend erlauben eine gezielte
Anpassung an die Gegebenheiten, unter denen der Aktuator einsetzbar
ist. Im Falle, dass der Aktuator als polygonale Platte und vorzugsweise
als quadratische Platte ausgeführt ist, ist die Platzierung
des Friktionselements in der Mitte des linienförmigen Trennbereichs
vorteilhaft, da hier in der Regel die höchsten Deformationen auftreten.
In der Mitte des linienförmigen Trennbereichs meint dabei
in der Mitte bezüglich der Längsausdehnung des
Trennbereichs. Es kann jedoch auch günstig sein, beispielsweise
zwei voneinander beabstandete und – bezogen auf die Mitte
hinsichtlich der Längsausdehnung des Trennbereichs – außermittig
angeordnete Friktionselemente entlang des linienförmigen
Trennbereichs vorzusehen. Durch Erhöhung der Anzahl an
Friktionselementen ist eine höhere Antriebskraft erreichbar.
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In
beiden Fällen, also bei Verwendung eines Friktionselements
oder bei Verwendung von zwei (oder mehreren) Friktionselementen
können diese beispielsweise kugelförmig sein und
in ein jeweiliges Durchgangsloch des Aktuators, das von der Oberseite
bis zur Unterseite reicht, eingesetzt sein und in dem Durchgangsloch
mit Hilfe eines Klebstoffs, z. B. Epoxidharz, fixiert bzw. befestigt
sein. Diese Art der Anbringung des Friktionselements bzw. der Friktionselemente
bietet deutliche Vorteile für die Fertigung. So kann insbesondere
in einer automatisierten Fertigung das kugelförmige Friktionselement
einfach in das Durchgangsloch eingesetzt werden, wobei von den Dimensionen
her das Friktionselement so ausgelegt ist, dass sein Radius geringfügig
kleiner als der Radius des Durchgangsloches ist. Dadurch „fällt” das
Friktionselement quasi in das Durchgangsloch, wird jedoch am Durchfallen
gehindert aufgrund eines normalerweise direkt hinter dem Aktuator
angeordneten Strukturelements, beispielsweise dem Strukturelement
eines Motors, in welchen der Aktuator eingebaut ist. Da sowohl die
Höhe des Aktuators bekannt ist, als auch der Durchmesser
des kugelförmigen Friktionselements, ist der aus dem Aktuator
herausragende Teil des Friktionselementes genau bestimmt.
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Eine
andere Möglichkeit der Anbringung eines Friktionselements
ist es, auf der Oberfläche des Aktuators einen Kugelabschnitt
und bevorzugt eine Halbkugel anzubringen und diesen/diese vorzugsweise
anzukleben.
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Im
Falle, dass der Aktuator die Form einer ringförmigen Platte
aufweist, ist es vorteilhaft, dass das Friktionselement bzw. die
Friktionselemente am Ende des linienförmigen Trennbereichs
angeordnet ist bzw. sind. Diese Platzierung der Friktionselemente
ist fertigungstechnisch vergleichsweise einfach durchführbar.
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Es
kann sich als günstig erweisen, wenn der Aktuator piezokeramisches
Material aufweist. Besonders geeignet ist hierbei Blei-Zirkonium-Titanat (PZT).
Piezokeramische Materialien weisen in der Regel einen hohen (inversen)
Piezo-Effekt auf, d. h. bei gegebener elektrischer Spannung ergibt
sich bei diesen Materialien eine hohe Ausdehnung bzw. Deformation.
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Ebenso
kann es sich als günstig erweisen, wenn der Aktuator mehrschichtig
aufgebaut ist und eine ungerade Anzahl von Schichten aufweist, wobei die
sich jeweils zugewandten Elektroden angrenzender Schichten die gleiche
Orientierung aufweisen. Durch einen mehrschichtigen Aufbau kann
der Aktuator mit entsprechend geringerer elektrischer Spannung angesteuert
werden.
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Weiterhin
kann es sich als günstig erweisen, wenn die oberste Schicht
und/oder die unterste Schicht des Aktuators als inaktive Schicht
ausgeführt sind/ist. Dadurch resultiert ein besonders zuverlässiger
Aufbau des Aktuators, wobei zudem die Integration des Aktuators
in einen entsprechenden Motor aus Isolationsgründen vereinfacht
wird.
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Außerdem
kann es sich als günstig erweisen, wenn die oberste Schicht
und/oder die unterste Schicht mit Terminationselektroden versehen sind/ist.
Hierdurch ist eine einfach zu realisierende elektrische Kontaktierung
des Aktuators möglich.
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Es
kann von Vorteil sein, dass der Aktuator unter Anregung der zweiten
Resonanzfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen der zweiten
longitudinalen Resonanzfrequenz betrieben wird. Dadurch resultieren
Schwingungen bzw. schwingende Deformationen des Aktuators, die in
besonders effektiver Weise zum Antrieb eines anzutreibenden Elements
genutzt werden können.
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Weiterhin
kann es von Vorteil sein, dass durch elektrisches Ansteuern der
Elektroden der Oberseite schwingende Deformationen des Aktuators
entlang einer ersten Achsrichtung erzielbar sind, die zum Antrieb
eines mit dem Aktuator in Kontakt stehenden beweglichen Elements
in der ersten Achsrichtung nutzbar sind. Ebenso kann es von Vorteil sein,
dass durch elektrisches Ansteuern der Elektroden der Unterseite
schwingende Deformationen des Aktuators entlang einer zweiten Achsrichtung
erzielbar sind, die zum Antrieb eines mit dem Aktuator in Kontakt
stehenden beweglichen Elements in der zweiten Achsrichtung nutzbar
sind. Hierdurch sind unabhängige Bewegungen des Aktuators
in zwei unterschiedlichen, vorzugsweise senkrecht zueinander angeordneten
Achsrichtungen möglich, bzw. der Aktuator kann dazu genutzt
werden, ein mit diesem in Friktionskontakt befindlichen beweglichen
oder anzutreibenden Elements in zwei unterschiedlichen Achsrichtungen
anzutreiben.
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Außerdem
kann es von Vorteil sein, dass durch phasenverschobenes elektrisches
Ansteuern der Elektroden der Oberseite und der Elektroden der Unterseite
Hula-Hoop-artige Deformationen erzielbar sind, die zum rotatorischen
Antrieb eines mit dem Aktuator in Kontakt stehenden beweglichen
Elements nutzbar sind. Beispielsweise können die Elektroden der
Oberseite mit einem sinusförmigen Spannungssignal angesteuert
werden, während gleichzeitig die Elektroden der Unterseite
mit einem co-sinusförmigen Spannungssignal beaufschlagt
werden. Es kommt somit zu Überlagerungen von Deformationen in
zwei verschiedenen Achsrichtungen, wobei sich die Deformationen
kreis- bzw. Hula-Hoop-mäßig ausbreiten bzw. fortpflanzen.
Ein beispielsweise im Zentrum des Aktuators angeordnetes Friktionselement vollführt
somit eine quasi kreisförmige Bewegung, die auf ein anzutreibendes
Element durch Friktionskontakt übertragen werden kann.
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Darüber
hinaus kann es von Vorteil sein, dass der Aktuator einen Stick-Slip-Antrieb
darstellt. Ein Stick-Slip- bzw. Haft-Gleit-Antrieb (auch Trägheitsantrieb)
beinhaltet eine relativ langsame Haftphase, bei der statische Reibung
zwischen Aktuator und anzutreibendem Element vorherrscht und die
für den eigentlichen Antrieb sorgt, und eine Gleitphase mit
dynamischer Reibung zwischen Aktuator und anzutreibendem Element,
die durch ein schnelles Rückzugsmoment realisiert wird.
Der Stick-Slip-Antrieb bzw. das langsame Vorbewegen und das schnelle Rückbewegen
werden dabei durch entsprechende elektrische Ansteuerung der am
Aktuator angebrachten Elektroden realisiert. Dies kann sowohl für
lineare Bewegungen, als auch für rotatorische Bewegungen angewendet
werden. Ein Stick-Slip-Antrieb ist vergleichsweise einfach aufgebaut
und dementsprechend sowohl relativ einfach zu realisieren als auch zu
montieren.
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Zudem
kann es von Vorteil sein, dass die durch das elektrische Ansteuern
der Elektroden erzielten Deformationen in der Ebene des Aktuators
liegen. Dies wirkt sich insbesondere günstig auf die tribologischen
Eigenschaften des Tribokontaktes zwischen Aktuator und anzutreibendem
Element und hierbei besonders auf einen niedrigen Verschleiß aus.
Zudem ergibt sich hierdurch gegenüber Aktuatoren, bei denen
das Friktionselement beispielsweise in eine elliptische Bewegung
versetzt wird mit einer Bewegungskomponente in der dritten Dimension – also
aus der Ebene des Aktuators heraus –, eine stabilere Performance.
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Ein
weiterer bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft einen Motor,
umfassend den Aktuator nach einer der vorangegangenen vorteilhaften
Ausführungen und ein durch den Aktuator anzutreibendes
bewegliches Element.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich durch Kombinationen
der Unteransprüche oder Teilen davon.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Weise:
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1 Erfindungsgemäßer
Aktuator in Form einer quadratischen Platte
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2 Erfindungsgemäßer
Aktuator in Form einer ringförmigen Platte
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3 Darstellung
der elektrischen Ansteuerung des Aktuators gemäß 1 zur
Realisierung einer zweiachsigen linearen Bewegung
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4 Darstellung
der elektrischen Ansteuerung des Aktuators gemäß 2 zur
Realisierung einer zweiachsigen linearen Bewegung
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5 Darstellung
der elektrischen Ansteuerung des Aktuators gemäß 1 zur
Realisierung einer rotatorischen Bewegung
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6 Darstellung
der elektrischen Ansteuerung des Aktuators gemäß 2 zur
Realisierung einer rotatorischen Bewegung
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7 Darstellung
von Deformationen des Aktuators nach 1 bei elektrischer
Ansteuerung gemäß 5 mit Hilfe
der Finiten-Elemente-Methode
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8 Darstellung
von Deformationen des Aktuators nach 2 bei elektrischer
Ansteuerung gemäß 4 und 6 mit
Hilfe der Finiten-Elemente-Methode
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9 Darstellung
eines erfindungsgemäßen Aktuators in Form einer
quadratischen Platte, der in mehreren Schichten aufgebaut ist
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10 Darstellung
eines weiteren erfindungsgemäßen Aktuators in
Form einer quadratischen Platte, der in mehreren Schichten aufgebaut ist
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11 Darstellung
eines erfindungsgemäßen Aktuators in Form einer
ringförmigen Platte, der in mehreren Schichten aufgebaut
ist
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12 Darstellung
eines Motors mit dem erfindungsgemäßen Aktuator
gemäß 1 Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
in schematischer Weise einen erfindungsgemäßen
Aktuator 1 in Form einer quadratischen, einschichtigen
Platte. Die obere Darstellung 30 zeigt in perspektivischer
Ansicht den Aktuator von oben, d. h. mit Blickrichtung auf dessen
Oberseite 3, während die untere Darstellung 31 den
Aktuator von unten zeigt, d. h. mit Blickrichtung auf dessen Unterseite 4.
Auf der Oberseite 3 sind zwei im Wesentlichen dreiecksförmige
Elektroden 6 und 7 angeordnet, wobei sich zwischen
den beiden Elektroden 6, 7 ein im Wesentlichen
linienförmiger und unelektrodierter Trennbereich 5 befindet,
der sich von einer Ecke des Aktuators zur diagonal gegenüberliegenden Ecke
erstreckt. Somit bildet besagter im Wesentlichen linienförmiger
Trennbereich quasi eine Symmetrielinie, bezüglich derer
die Elektroden 6 und 7 gespiegelt sind.
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Die
Elektroden 6, 7 erstrecken sich bis zu den entsprechenden
Seitenflächen des Aktuators und schließen mit
diesen ab. Genauso gut ist jedoch denkbar, dass die Elektroden zumindest
abschnittsweise nicht ganz bis zu den Seitenflächen reichen,
so dass ein entsprechender Bereich der Oberseite 3 zusätzlich
zu dem Trennbereich 5 unelektrodiert ist. In Bezug auf
die Längserstreckung des im Wesentlichen linienförmigen
Trennbereichs 5 ist in dessen Mitte bzw. im Mittenbereich
ein Friktionselement 10 angeordnet. Der Aktuator 1 weist
hierzu ein entsprechendes Durchgangsloch auf, in welches das kugelförmige
Friktionselement 10 eingesetzt bzw. eingebettet ist. Das
Friktionselement 10 ist mittels eines Klebers, z. B. Epoxidharz,
in dem Durchgangsloch befestigt. Ein definierter Teil des kugelförmigen
Friktionselements 10 ragt über die Oberfläche
des Aktuators an dessen Oberseite 3 heraus. Genauso gut kann
das kugelförmige Friktionselement 10 über
die Oberfläche des Aktuators an dessen Unterseite 4 herausragen.
Darüber hinaus ist denkbar, dass ein Friktionselement 10 in
Form eines Kugelabschnitts vorliegt, welches mit seiner flachen
Seite an der Oberfläche des Aktuators 1 an dessen
Oberseite 3 oder dessen Unterseite 4 angebracht
ist, vorzugweise mittels eines Klebers.
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Auf
der Unterseite 4 des Aktuators 1 sind ebenfalls
zwei Elektroden 8, 9 angeordnet, die in ihrer
Form den Elektroden 6, 7 der Oberseite 3 im
Wesentlichen entsprechen, die jedoch in etwa 90° zu diesen
versetzt angeordnet sind. Auch hier sind die Elektroden 8, 9 durch
einen im Wesentlichen linienförmigen, unelektrodierten
Trennbereich 5 voneinander getrennt. Der Trennbereich 5 der
Unterseite 4 ist hierbei im Wesentlichen senkrecht zum
Trennbereich 5 der Oberseite 3 angeordnet. Die
Elektroden 8, 9 erstrecken sich bis zu den entsprechenden
Seitenflächen des Aktuators und schließen mit
diesen ab. Genauso gut ist jedoch denkbar, dass die Elektroden zumindest
abschnittsweise nicht ganz bis zu den Seitenflächen reichen,
so dass ein entsprechender Bereich der Oberseite 4 zusätzlich
zu dem Trennbereich 5 unelektrodiert ist
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Zwischen
Oberseite 3 und Unterseite 4 bzw. zwischen den
Elektroden 6, 7 und den Elektroden 8, 9 befindet
sich piezokeramisches Material.
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2 zeigt
in schematischer Weise einen erfindungsgemäßen
Aktuator 1 in Form einer ringförmigen, einschichtigen
Platte. Die obere Darstellung 32 zeigt in perspektivischer
Ansicht den Aktuator von oben, d. h. mit Blickrichtung auf dessen
Oberseite 3, während die untere Darstellung 33 den
Aktuator von unten zeigt, also mit Blickrichtung auf dessen Unterseite 4.
Auf der Oberseite 3 sind zwei im Wesentlichen halbkreisförmige
Elektroden 6 und 7 angeordnet, wobei sich zwischen
den beiden Elektroden 6, 7 ein im Wesentlichen
linienförmiger und unelektrodierter Trennbereich 5 befindet.
Besagter linienförmiger Trennbereich 5 ist hierbei
quasi durch die Aussparung 12 im Innenbereich des ringförmigen
Aktuators unterbrochen, so dass sich zwei Trennbereichsabschnitte 13 und 14 ergeben.
Diese Trennbereichsabschnitte 13 und 14 sind entlang
einer durch den Mittelpunkt des ringförmigen Aktuators
verlaufenden Linie angeordnet. Diese Linie ist gleichzeitig die
Symmetrielinie, bezüglich derer die Elektroden 6 und 7 gespiegelt
sind.
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Die
Elektroden 6, 7 erstrecken sich in radialer Richtung
bis zu den Seitenflächen des Aktuators und schließen
mit diesen ab. Ebenso ist jedoch denkbar, die Elektroden so zu gestalten,
dass sie zumindest abschnittsweise von den Seitenflächen
des Aktuators beabstandet sind. In Bezug auf die Längserstreckung
der Trennbereichsabschnitte 13, 14 ist in deren
Mitte jeweils ein Friktionselement 10 angeordnet, welches
kugelförmig und in den Aktuator eingebettet ist, so dass
nur Kugelabschnitt aus dem Aktuator an dessen Oberseite 3 herausragt.
Zusätzlich zu besagten beiden gegenüberliegend
angeordneten Friktionselementen 10 sind zwei weitere Friktionselemente 10' vorhanden,
die ebenfalls gegenüberliegend angeordnet sind, jedoch
um im Wesentlichen 90° versetzt zu den beiden zuvor erwähnten
Friktionselementen 10. Die Friktionselemente 10' sind hierbei
innerhalb des Bereiches der Elektroden 6 und 7 angeordnet.
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Ebenso
ist denkbar, dass die Friktionselemente 10 in Bezug auf
die Längserstreckung der Trennbereichsabschnitte 13, 14 an
deren Ende angeordnet sind, vorzugsweise am radial inneren Ende der
Trennbereichsabschnitte.
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Auf
der Unterseite 4 des ringförmigen Aktuators 1 sind
ebenfalls zwei Elektroden 8, 9 angeordnet, die
in ihrer Form den Elektroden 6, 7 der Oberseite 3 entsprechen,
die jedoch 90° zu diesen versetzt angeordnet sind. Auch
hier sind die Elektroden 8, 9 durch einen im Wesentlichen
linienförmigen, unelektrodierten Trennbereich 5 umfassend
die zwei Trennbereichsabschnitte 15, 16 voneinander
getrennt. Die Trennbereichsabschnitte 15 und 16 sind
entlang einer durch den Mittelpunkt des Aktuators verlaufenden Linie
angeordnet, die gleichzeitig die Symmetrielinie darstellt, bezüglich
derer die Elektroden 8, 9 gespiegelt sind. Besagte
Symmetrielinie, entlang derer die Trennbereichsabschnitte 15 und 16 angeordnet
sind, schneidet die Symmetrielinie, entlang derer die Trennbereichabschnitt 13 und 14 angeordnet sind,
in einem Winkel von im Wesentlichen 90°.
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Es
ist denkbar, dass die Friktionselemente 10' in Bezug auf
die Längserstreckung der Trennbereichsabschnitte 15, 16 an
deren Ende angeordnet sind, vorzugsweise am radial inneren Ende
der Trennbereichsabschnitte.
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3 zeigt
in schematischer Weise die Darstellung der elektrischen Ansteuerung
des quadratischen Aktuators gemäß 1 zur
Realisierung einer zweiachsigen linearen Bewegung. Hierbei werden unabhängig
voneinander die Elektroden 6, 7 der Oberseite 3 und
die Elektroden 8, 9 der Unterseite 4 mit
einer elektrischen Ansteuerspannung beaufschlagt. Gemäß der
oberen Darstellung 34 von 3 erfolgt
eine Ansteuerung der Elektroden 6, 7 mit einer Rechteckwelle,
wobei die Elektroden 6, 7 gegenpolig angesteuert
sind. Die Rechteckwelle besitzt hierbei vorzugsweise ein Tastverhältnis
von 60 bis 80. Bei zuvor beschriebener elektrischer Ansteuerung
der Elektroden 6 und 7 ergeben sich periodische
Deformationen bzw. Schwingungen oder Vibrationen im Wesentlichen
senkrecht zum linienförmigen Trennbereich 5 der
Oberseite 3, die über das Friktionselement 10 auf
ein anzutreibendes Element übertragbar sind, wodurch das anzutreibende
Element in entsprechende Bewegung versetzt werden kann. In Analogie zu
dem Vorstehenden erfolgt gemäß der unteren Darstellung 35 von 3 eine
Ansteuerung der Elektroden 8 und 9 mit einer Rechteckwelle,
wobei die Elektroden 8, 9 ebenfalls gegenpolig
angesteuert sind. Die Rechteckwelle besitzt hierbei ebenso ein Tastverhältnis
von 60 bis 80. Besagte elektrische Ansteuerung der Elektroden 8, 9 führt
zu periodischen Deformationen bzw. Schwingungen oder Vibrationen im
Wesentlichen senkrecht zum linienförmigen Trennbereich 5 der
Unterseite 4, wobei die Schwingungen über das
Friktionselement 10 auf ein anzutreibendes Element übertragbar
sind, wodurch das anzutreibende Element in eine entsprechende Bewegung
versetzt werden kann. Durch zeitlich voneinander getrenntes elektrisches
Ansteuern der Elektroden 6, 7 der Oberseite 3 und
der Elektroden 8, 9 der Unterseite 4 sind
somit Deformationen bzw. Schwingungen in zwei unterschiedlichen
Achsrichtungen des Aktuators möglich und damit auch eine
entsprechende zweiachsige Bewegung eines durch den Aktuator anzutreibenden
Elements. Unter zeitlichem Gesichtspunkt erfolgt zunächst
die Ansteuerung der Elektroden 6, 7 und danach
die Ansteuerung der Elektroden 8, 9 oder umgekehrt.
Daraus folgen zeitlich gesehen zunächst Schwingungen entlang
einer Achsrichtung, und sobald die entsprechende Bewegung eines
mit dem Aktuator zu bewegenden Elements abgeschlossen ist folgen
Schwingungen entlang der zweiten Achsrichtung, die das anzutreibende
Element entlang der zweiten Achsrichtung antreiben.
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4 zeigt
in schematischer Weise die Darstellung der elektrischen Ansteuerung
des ringförmigen Aktuators gemäß 2 zur
Realisierung einer zweiachsigen linearen Bewegung. Hierbei zeigt
die obere Darstellung 36 die Kontaktierung der Elektroden 6, 7 der
Oberseite 3, während die untere Darstellung 37 die
Kontaktierung der Elektroden 8 und 9 der Unterseite 4 zeigt.
Da die elektrische Kontaktierung in identischer Weise wie in der
Beschreibung zu 3 erfolgt, wird diese daher
hier nicht weiter erläutert.
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5 zeigt
in schematischer Weise die Darstellung der elektrischen Ansteuerung
des quadratischen Aktuators gemäß 1 zur
Realisierung einer rotatorischen Bewegung. Hierbei ist die Kontaktierung
an sich identisch zu der in 3 gezeigten, während
bei der (zeitlichen) elektrischen Ansteuerung der Unterschied besteht,
dass die Elektroden 6, 7 der Oberseite 3 mit
einem sinusförmigen Spannungssignal angesteuert werden,
während die Elektroden 8, 9 der Unterseite 4 gleichzeitig
mit einem co-sinusförmigen Spannungssignal angesteuert
werden. Die Spannungssignale zum Ansteuern der Elektroden 6, 7 und 8, 9 sind
identisch, weisen jedoch eine Phasendifferenz von 90° auf.
Es findet somit eine definierte zeitliche Anpassung bezüglich
der elektrischen Beaufschlagung der Elektroden 6, 7 und 8, 9 statt,
so dass insgesamt eine Deformation des Aktuators resultiert, die
einer Hula-Hoop-Bewegung gleicht. Der Mittenbereich des Aktuators – in
dem normalerweise das Friktionselement angeordnet ist, was in 5 nicht
dargestellt ist – beschreibt hierbei eine im Wesentlichen
kreisförmige Bewegung. Ein im Mittenbereich des Aktuators
angeordnetes Friktionselement ist daher in der Lage, ein anzutreibendes Element
in eine rotatorische Bewegung zu versetzen.
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6 zeigt
in schematischer Weise die Darstellung der elektrischen Ansteuerung
des ringförmigen Aktuators gemäß 2 zur
Realisierung einer rotatorischen Bewegung. Da die Ansteuerung prinzipiell
in gleicher Weise geschieht wie beim Aktuator gemäß 5,
wird hier auf eine weitergehende Beschreibung verzichtet.
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7 zeigt
in den Darstellungen 38 bis 41 Deformationen des
quadratischen Aktuators nach 1 bei elektrischer
Ansteuerung gemäß 5, die mit
Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) berechnet wurden. Von oben
nach unten bzw. ausgehend von Darstellung 38 bis zu Darstellung 41 sind vier
unterschiedliche Deformationszustände zu unterschiedlichen,
aufeinanderfolgenden Zeiten dargestellt. Hierbei bewegt sich der
Mittelpunkt des Aktuators im Wesentlichen auf einer Kreisbahn, während die
Deformationen des Aktuators im Bereich um den Mittelpunkt einer
Hula-Hoop-Bewegung gleichen. Weiterhin ist 7 zu entnehmen,
dass die Ecken des plattenförmigen Aktuators relativ große
Deformationen bzw. Schwingungen vollführen. Daher ist es hier
vorteilhaft, den Aktuator in eingebautem Zustand an seinen Seitenflächen,
vorzugsweise in deren Mitte, zu unterstützen, da hier wesentlich
geringere Deformationen auftreten. Hiermit ist eine Lagerung des Aktuators
möglich, die einen besonders effizienten Betrieb des Aktuators
erlaubt.
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8 zeigt
in den Darstellungen 42 bis 50 Deformationen des
ringförmigen Aktuators nach 2 bei elektrischer
Ansteuerung gemäß 4 und 6,
welche mit Hilfe der FEM berechnet wurden. Darstellung 42 wiederholt
hierbei die bereits in Darstellung 36 von 4 gezeigte
elektrische Kontaktierung zur Realisierung einer Deformations- bzw. Vibrationsbewegung
in einer Achsrichtung. Anhand der Darstellungen 43 und 44,
welche die mittels FEM berechnete Deformation des Aktuators zu zwei
unterschiedlichen Zeitpunkten zeigen, ist zu sehen, dass der Aktuator
im Wesentlichen Deformationen in Richtung der eingezeichneten x-Achse
vollführt, und so in der Lage ist, ein mit diesem in Friktionskontakt
stehendes anzutreibendes Element in entsprechende Bewegung zu versetzen.
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In
Darstellung 45 von 8 ist die
bereits in Darstellung 37 von 4 gezeigte
elektrische Kontaktierung zur Realisierung einer Deformations- bzw. Vibrationsbewegung
in einer zweiten Achsrichtung wiederholt. Anhand der Darstellungen 46 und 47, welche
die mittels FEM berechnete Deformation des Aktuators zu zwei unterschiedlichen
Zeitpunkten zeigen, ist zu sehen, dass der Aktuator im Wesentlichen Deformationen
in Richtung der eingezeichneten y-Achse vollführt, und
so in der Lage ist, ein mit diesem in Friktionskontakt stehendes
anzutreibendes Element in entsprechende Bewegung zu versetzen.
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Darstellung 48 von 8 schließlich
wiederholt die bereits in 6 gezeigte
elektrische Ansteuerung eines ringförmigen Aktuators zur
Realisierung einer rotatorischen Bewegung. Die Darstellungen 49 und 50 verdeutlichen
die Deformationen des Aktuators zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten
anhand von FEM-Berechnungen.
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9 zeigt
in den Darstellungen 51 und 52 einen erfindungsgemäßen
Aktuator in Form einer quadratischen Platte, wobei der Aktuator
in mehreren Schichten 11 aufgebaut ist. Darstellung 51 zeigt
die einzelnen Schichten 11 und den entsprechenden, daraus
zusammengesetzten Aktuator 1 in perspektivischer Weise
mit Blickrichtung auf die Oberseite/n des Aktuators 1 bzw.
der Schichten 11, während Darstellung 52 die
einzelnen Schichten und den entsprechenden, daraus zusammengesetzten
Aktuator 1 in perspektivischer Weise mit Blickrichtung
auf die Unterseite/n des Aktuators 1 bzw. der Schichten 11 zeigt.
Der Aktuator 1 ist hierbei aus fünf einzelnen Schichten 11 aufgebaut,
wobei jede Schicht einen Aufbau aufweist, der dem Aufbau des Aktuators
als Ganzes entspricht. Somit besitzt jede Schicht auf ihrer Oberseite 3 und
ihrer Unterseite 4 je zwei spiegelbildlich angeordnete,
dreiecksförmige Elektroden 6, 7, 8 und 9,
wobei die Elektroden 8, 9 der Unterseite 4 im
Wesentlichen 90° versetzt zu den Elektroden 6, 7 der
Oberseite 3 angeordnet sind. Angrenzende Schichten 11 sind
jeweils 90° versetzt zueinander angeordnet. Die Kontaktierung
der Elektroden 6, 7, 8, 9 auf
den Ober- und Unterseiten geschieht über Seitenelektroden 17,
die an den Seitenflächen der einzelnen Schichten 11 angeordnet
sind.
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Jede
Schicht 11 besitzt in ihrem Flächenmittelpunkt
ein Durchgangsloch 18, so dass auch der zusammengesetzte
Aktuator ein Durchgangsloch 18 in dessen Mitte aufweist,
in welches das hier nicht gezeigte Friktionselement, bevorzugt in
Form einer Kugel, einsetzbar und vorzugsweise einklebbar ist.
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10 zeigt
in den Darstellungen 53 und 54 eine weitere mögliche
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Aktuators in Form einer quadratischen Platte, der in mehreren Schichten
aufgebaut ist. Während Darstellung 53 die einzelnen
Schichten 11, 11', 11'' und den entsprechenden,
daraus zusammengesetzten Aktuator 1 in perspektivischer
Weise mit Blickrichtung auf die Unterseite/n 4 des Aktuators bzw.
der Schichten zeigt, zeigt Darstellung 54 die einzelnen
Schichten 11, 11', 11'' und den entsprechenden,
daraus zusammengesetzten Aktuator 1 in perspektivischer
Weise mit Blickrichtung auf die Oberseite/n 3 des Aktuators
bzw. der Schichten. Der Aktuator 1 besteht aus insgesamt
sieben Schichten, wobei die jeweils äußersten
Schichten inaktive Schichten 11', 11'' darstellen.
Inaktiv bedeutet in diesem Zusammenhang, dass diese Schichten aufgrund
entsprechender (fehlender) Elektrodierung nicht dazu vorgesehen
sind, Deformationen auszuführen. Sie führen aktiv – also
aufgrund elektrischer Anregung – keine Deformationen aus.
Die in Darstellung 53 obere inaktive Schicht 11' weist
keinerlei Elektroden auf, während die in Darstellung 53 untere
inaktive Schicht 11'' auf ihrer Unterseite 4 vier,
jeweils 90° zueinander versetzte Terminationselektroden 19 aufweist, über
welche die an den Seitenflächen der zwischen den inaktiven
Schichten 11', 11'' angeordneten Schichten 11 vorgesehenen
Elektroden 17 mit einer entsprechenden elektrischen Ansteuerspannung
versorgt werden können. Somit ist eine elektrische Kontaktierung
von nur einer Seite des Aktuators 1, und hier im Speziellen
von der Unterseite 4, möglich, was insbesondere für
eine automatisierte Fertigung von Vorteil ist. Selbstverständlich
ist es auch möglich, nur die obere inaktive Schicht 11' mit
Terminationselektroden 19 zu versehen. Ebenso können
sowohl die obere inaktive Schicht 11', als auch die untere
inaktive Schicht 11'' mit Terminationselektroden versehen
sein.
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Die
Schichten 11, die zwischen den inaktiven Schichten 11', 11'' angeordnet
sind, weisen jeweils an ihrer Oberseite 3 und ihrer Unterseite 4 zwei
spiegelbildlich angeordnete, dreiecksförmige Elektroden 6, 7, 8, 9 auf,
wobei die Elektroden 6, 7 der Oberseite 3 90° versetzt
zu den Elektroden 8, 9 der Unterseite 4 angeordnet
sind. Alle Schichten 11, 11', 11'' weisen in
ihrer Mitte ein Durchgangsloch 18 bzw. eine Durchgangsbohrung
auf, so dass der zusammengesetzte Aktuator 1 in entsprechender
Weise ein Durchgangsloch 18 aufweist, in das beispielsweise
ein kugelförmiges Friktionselement einsetzbar ist. Darstellung 54 von 10 zeigt
in nicht maßstabsgetreuer Weise ein in das Durchgangsloch 18 eingesetztes
kugelförmiges Friktionselement 10, das bis zur
Unterseite 4 des Aktuators 1 reicht und mit dieser
abschließt.
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11 zeigt
in den Darstellungen 55 und 56 einen erfindungsgemäßen
Aktuator in Form einer ringförmigen Platte, wobei der Aktuator
in mehreren Schichten 11, 11', 11'' aufgebaut
ist. Während Darstellung 55 die einzelnen Schichten 11, 11', 11'' und den
entsprechenden, daraus zusammengesetzten Aktuator 1 in
perspektivischer Weise mit Blickrichtung auf die Oberseite/n 3 des
Aktuators 1 bzw. der Schichten 11, 11', 11'' zeigt,
zeigt Darstellung 56 die einzelnen Schichten 11, 11', 11'' und
den entsprechenden, daraus zusammengesetzten Aktuator 1 in perspektivischer
Weise mit Blickrichtung auf die Unterseite/n 4 des Aktuators 1 bzw.
der Schichten 11, 11', 11''. Insgesamt
weist der Aktuator sieben Schichten auf, wovon die oberste und die
unterste Schicht jeweils inaktive Schichten 11', 11'' sind.
Die fünf zwischen den inaktiven Schichten 11', 11'' angeordneten Schichten 11 weisen
an ihrer Oberseite 3 jeweils zwei im Wesentlichen halbkreisförmige
und durch die Trennbereichsabschnitte 13, 14 voneinander
getrennte Elektroden 6, 7 auf. An der Unterseite 4 der zwischen
den inaktiven Schichten 11', 11'' angeordneten
Schichten 11 befinden sich ebenso jeweils zwei im Wesentlichen
halbkreisförmige und durch die Trennbereichsabschnitte 15, 16 voneinander
getrennte Elektroden 8, 9, die gegenüber
den Elektroden 6, 7 der Oberseite 3 um
etwa 90° versetzt angeordnet sind. Die sich jeweils gegenüberliegenden Elektroden
benachbarter Schichten 11 weisen die gleiche Orientierung
auf.
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Die
obere inaktive Schicht 11' weist an ihrer Oberseite 3 vier
Terminationselektroden 19 auf, die jeweils im Wesentlichen
die Form eines Viertelkreises aufweisen und wovon jeweils zwei benachbarte Elektroden
durch Isolationsabschnitte 20 voneinander getrennt bzw.
isoliert sind. Die untere inaktive Schicht 11'' weist hingegen
keinerlei Elektroden auf. Über die Terminationselektroden
können die an den Seitenflächen der zwischen den
inaktiven Schichten angeordneten Schichten vorgesehenen Elektroden – die
in den Darstellungen 55 und 56 der 11 nicht abgebildet
sind – mit einer entsprechenden elektrischen Ansteuerspannung
versorgt werden können. Somit ist eine elektrische Kontaktierung
von nur einer Seite des Aktuators, und hier im Speziellen von der Oberseite,
möglich, was insbesondere für eine automatisierte
Fertigung von Vorteil ist. Genauso gut ist es natürlich
möglich, nur die untere inaktive Schicht 11'' mit
Terminationselektroden 19 zu versehen. Auch das Vorsehen
von Terminationselektroden an der oberen inaktiven Schicht 11' und
an der unteren inaktiven Schicht 11'' ist denkbar.
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12 zeigt
in den Darstellungen 57 und 58 einen Motor 21 mit
dem erfindungsgemäßen Aktuator 1 gemäß 1.
Es handelt sich hierbei um einen Rotationsmotor, wobei der Aktuator 1 gemäß der Darstellung
in 5 so elektrisch angesteuert wird, dass sein im Zentrum
angeordnetes Friktionselement 10 eine kreisförmige
Bewegung vollführt. Diese kreisförmige Bewegung überträgt
sich auf den Rotor 22, mit dem sich das Friktionselement 10 in
Friktionskontakt befindet. In diesem Fall fungiert der Aktuator 1 als
Stator, und das über das Friktionselement 10 zu bewegende
Element als Rotor 22.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 09001729 [0002, 0002]