DE602004002396T2

DE602004002396T2 - Piezoelektrischer motor ermöglichend zumindest zwei freiheitsgrade, rotation und lineare verschiebung

Info

Publication number: DE602004002396T2
Application number: DE602004002396T
Authority: DE
Inventors: Rene Marc BUDINGER; Roland Jean-Francois ROUCHON; Bertrand Nogarede
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: WO2004098039A2; WO2004098039A3; CA2524171A1; EP1618648A2; DE602004002396D1; US7671513B2; FR2854284A1; ATE339800T1; FR2854284B1; ES2273276T3; US20070057598A1; EP1618648B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor mit zwei Freiheitsgraden, den einen in Drehung und den anderen in linearer Bewegung gemäß einer Längsrichtung, insbesondere einen elektroaktive Werkstoffe verwendenden Motor. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Motors und ein einen solchen Motor umfassendes bewegliches Element.
Komplexe mechanische Systeme, insbesondere luftfahrttechnische Bordanwendungen, erfordern beispielsweise die Bewegung von Riegeln in Translationsbewegung und in Drehung. Diese Bewegungen werden gegenwärtig mit Hilfe von zwei verschiedenen, im Allgemeinen elektromagnetischen Stellgliedern ausgeführt, was platzraubend ist.
Schrittmotoren, die piezoelektrische Stellglieder verwenden, um entweder lineare oder Drehbewegungen zu erzeugen, werden beispielsweise in den Schriften US 4 219 755 und FR 1 456 127 beschrieben. Außerdem lehrt die Schrift US 6 211 605 die lineare Bewegung oder Drehbewegung eines beweglichen Elements unter Verwendung derselben Stellglieder.
Ziel der Erfindung ist es, einen Motor zu schaffen, der die beiden Bewegungen integrieren kann und von einem kompakteren Format als die Motoren des Stands der Technik sein kann.
Dieses Ziel wird mit einem Motor erreicht, der einen Ständer und einen Läufer umfasst, wobei der Ständer Stellglieder zur Betätigung von Klammern umfasst, die den Halt des Ständers und seine lineare Bewegung längs einer Führung gewährleisten, wobei diesselben Stellglieder für das In-Drehung-Versetzen des Läufers verwendet werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung betrifft diese einen Läufer, der ein bewegliches Organ umfasst, das mindestens eine vordere Klammer und eine hintere Klammer und mindestens ein erstes Stellglied und ein zweites Stellglied mit Doppellängseffekt umfasst, wobei die erste Klammer zwischen den jeweiligen vorderen Enden der Stellglieder gehalten ist und die zweite Klammer zwischen den jeweiligen hinteren Enden der Stellglieder gehalten ist.
Bei einem erfindungsgemäß Motor sind das vordere und das hintere Ende des ersten Stellglieds jeweils vor dem vorderen und dem hinteren Ende des zweiten Stellglieds positioniert. Die Klammern sind umkehrbar verformbar, so dass, wenn eine der Klammern zwischen den Enden der sie haltenden Stellglieder komprimiert ist, diese eine Querausdehnung erfährt.
Dieser Motor umfasst außerdem Mittel zum Steuern der abwechselnden Verlängerungs- und Verkürzungsbewegungen jedes der Stellglieder, wobei die jeweiligen Bewegungen des ersten Stellglieds und des zweiten Stellglieds phasenversetzt sind.
Ein solcher Motor ist dafür ausgelegt, auf einer Führung montiert zu werden, und die Klammern sind vorgesehen, um sich auf dieser Führung zu blockieren. Wenn die Führung beispielsweise rohrförmig ist, kann die Blockierung durch Verklemmen der Klammer im Inneren der Führung infolge ihrer Querausdehnung stattfinden, d.h. dass eine Querabmessung der Klammer bestrebt ist, größer als die der rohrförmigen Führung zu werden, und die Klammer an der Führung in Anlage kommt und sich auf diese Weise an dieser blockiert.
Wenn die Führung die Form einer Stange oder einer Schiene hat, um welche herum die Klammer positionier ist, kann die Blockierung durch Verklemmen der Klammer auf der Führung stattfinden, d.h. infolge der Ausdehnung der Klammer ist der Raum, der für die sie durchquerende Führung verfügbar ist, bestrebt, für den Durchgang der Führung unzureichend zu werden. Auf diese Weise bewegt sich das bewegliche Organ linear längs der Führung wie eine Raupe (das Tier), indem es abwechselnd eine der Klammern blockiert und die andere vorbewegt. Die Führung kann geradlinig sein oder nicht.
Um dem Motor einen zweiten Freiheitsgrad zu verleihen, umfasst dieser Motor einen Ständer und einen Läufer, die in Bezug aufeinander drehbeweglich sind, und ist das bewegliche Organ vorteilhafterweise in den Ständer integriert, wodurch die Längsbewegung des Ständers und damit des Läufers und eines Elements gewährleistet wird, das auf dem Läufer montiert ist, um von dem Motor angetrieben zu werden. Der Antrieb dieses Elements kann nun in Drehung, in linearer Bewegung oder gemäß einer Kombination der beiden stattfinden.
Die Stellglieder können ein elektroaktives Material umfassen, d.h. das in der Lage ist, sich unter der Wirkung eines elektrischen Felds zu verformen, insbesondere ein piezoelektrisches Material. Auf diese Weise kann die Ausdehnung des Stellglieds durch die Ausdehnung des Materials unter der Wirkung des elektrischen Felds bestimmt werden. Längenänderungen großer Amplitude, d.h. von einer Amplitude, die ausreicht, um die Blockierung und Lösung der Klammern zu gestatten, gestatten auf diese Weise die Bewegung des be weglichen Organs. Die mindestens einen Stellglieder können ein Paar von ersten Stellgliedern und ein Paar von zweiten Stellgliedern sein, die es dank Längenänderungen kleiner Amplitude, d.h. die nicht die Blockierung und Lösung der Klammern mit sich bringen, gestatten, eine fortschreitende Welle auf dem Ständer zu erzeugen und einen Läufer in Drehung anzutreiben. Man kann hierbei das Prinzip verwenden, das in der Schrift EP 0538791 (Canon) beschrieben wird, die einen piezoelektrischen rotierenden Motor durch Modenrotationseffekt betrifft.
Die elektroaktiven, insbesondere piezoelektrischen Materialien gestatten vorteilhafterweise, eine Verriegelung bei ausgeschalteter Versorgung zu gewährleisten, d.h. die Bestandteile, wie ein Läufer und ein Ständer, bleiben selbst, wenn sie nicht elektrisch versorgt sind, in festen Stellungen zueinander. Zu diesem Zweck wird sichergestellt, dass, wenn die piezoelektrischen Stellglieder nicht mehr gespeist sind, die Klammern dennoch eine ausreichende Blockierung gewährleisten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bewegen eines solchen beweglichen Organs linear längs einer Führung vorgeschlagen, umfassend, ausgehend von einer solchen Anfangsstellung, dass die mindestens eine vordere Klammer und die mindestens eine hintere Klammer beide auf der Führung blockiert sind, die folgenden Schritte:

– Verlängerung des mindestens einen ersten Stellglieds, und dann
– Verlängerung des mindestens einen zweiten Stellglieds, und dann
– Verkürzung des mindestens einen ersten Stellglieds, und dann
– Verkürzung des mindestens einen zweiten Stellglieds.

Der Anfangsschritt wurde aus allen Schritten der Bewegung willkürlich gewählt. Auf diese Weise ist bei der Ausdehnung des ersten Stellglieds dessen hinteres Ende an der hinteren Klammer in Anlage, die ihrerseits auf der Führung blockiert ist, während das vordere Ende sich frei vorbewegt.
Das auf diese Weise beschriebene Verfahren gestattet es, das bewegliche Organ längs der Führung "vorbewegen" zu lassen, d.h. seine lineare Bewegung von hinten nach vorne zu gestatten.
Die Begriffe "vorne", "hinten", "vorderer" und "hinterer" sind bezüglich einer Längsrichtung für die lineare Bewegung des beweglichen Organs und des mit diesem beweglichen Organ versehenen Motors definiert. Natürlich ist bei einem umkehrbaren beweglichen Organ diese Richtung willkürlich gewählt und die verschiedenen Ausdrücke können nun je nach der für die Richtung der Bewegung getroffenen Wahl miteinander vertauscht werden.
So kann das Verfahren zur Rückbewegung des beweglichen Organs folgendermaßen beschrieben werden:
Ausgehend von einer solchen Anfangsstellung, dass die mindestens eine vordere Klammer und die mindestens eine hintere Klammer beide auf der Führung blockiert sind, führt man die folgenden Schritte aus:

– Verlängerung des mindestens einen zweiten Stellglieds, und dann
– Verlängerung des mindestens einen ersten Stellglieds, und dann
– Verkürzung des mindestens einen zweiten Stellglieds, und dann
– Verkürzung des mindestens einen ersten Stellglieds.

Dies entspricht nur einer mechanischen oder semantischen Umkehrung, ohne dass die Erfindung dadurch eine andere ist und ohne dass dies die allgemeine Arbeitsweise des Motors ändert.
Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein bewegliches Element, das einen solchen Motor umfasst, beispielsweise ein auf diese Weise motorisierter Riegel.
Die Klammern können eine insbesondere metallische, hohle Blechschale umfassen. Sie können auch ein volles und elastisch verformbares Material, beispielsweise Kautschuk, umfassen. Diese Klammern können auch auf einem Auflageband, das dazu bestimmt ist, mit der Führung in Kontakt zu kommen, Gleitschutzmittel umfassen, die an die Beschaffenheit der Führung und an die auf sie zu übertragenden Kräfte angepasst sind.
Erfindungsgemäße Motoren besitzen wirtschaftliche Vorteile und Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit. Die Verwendung von piezoelektrischen Werkstoffen ist besonders an die Herstellung von kleinen Steuermotoren, insbesondere für die Luftfahrtindustrie, angepasst.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von nicht begrenzenden Ausführungsbeispielen. In der beiliegenden Zeichnung zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Motors,
2 eine auseinandergezogene Ansicht des Ständers des Motors von 1,
3 einen Längsschnitt auf einer schalenförmigen Klammer des Motors in 1,
4A–4E eine Darstellung einer Art der linearen Bewegung des Motors von 1,
5 ein Schema einer elektrischen Versorgung für den Motor von 1 und
6 eine Darstellung von Kennlinien der elektrischen Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Zeit bei einer linearen Bewegung und bei einer Drehung des Motors von 1.
1 zeigt einen Motor 1, der in einem zylindrischen Rohr 2 mit der Rotationsachse X montiert ist, das ihm als Führung und Träger dient. Der Motor umfasst ein bewegliches Organ 3, um sich in dem Rohr gemäß einer zur Achse X parallelen Längsrichtung L linear zu bewegen. Der Motor 1 umfasst außerdem einen Läufer 6, und das bewegliche Organ ist Bestandteil eines Ständers 4, der vorgesehen ist, um den Läufer 6 in Drehung R um die Achse X anzutreiben. Der Ständer 4 und der Läufer 6 haben eine allgemeine Rotationsform, deren Achse mit der Achse X des Rohrs 2 zusammenfällt; sie werden axial von einer Drehwelle 7 durchquert. Die Welle 7 ist mit dem Läufer 7 drehbeweglich; sie ist vorgesehen, um an ihr ein nicht dargestelltes Element, beispielsweise einen Riegel, zu befestigen, der von dem Motor 1 angetrieben wird. Der Läufer und der Ständer sind längs einer Querkontaktebene PC, d.h. die zur Achse X des Rohrs 2 senkrecht ist, in Kontakt. "Vorderen Teil" des Motors nennt man den Teil des Motors, in dem der Läufer 6 montiert ist. Der Läufer 6 ist also vor dem Ständer montiert.
Nun wird der Ständer 4 unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. 2 zeigt die Hauptbestandteile des Ständers in einer auseinandergezogenen Darstellung. Diese Teile sind: zwei erste Stellglieder 11, 12, und zwar ein rechtes Stellglied 11 und ein linkes Stellglied 12, zwei zweite Stellglieder 21, 22, und zwar ein oberes Stellglied 21 und ein unteres Stellglied 22, eine vordere Klammer 30A, eine hintere Klammer 30Z, einen vorderen Koppler 40A, einen hinteren Koppler 40Z, eine vordere Gegenmasse 50A und eine hintere Gegenmasse 50Z. Die beiden Koppler haben untereinander identische Formen und Größen. Die beiden Gegenmassen haben untereinander identische Formen und Größen. Die Gegenmassen und die Koppler sind starre Teile, die jeweils eine sie in Längsrichtung durchquerende zylindrische Öffnung 8 für den Durchgang und die Führung der Welle 7 in Drehung umfassen.
Die Ausdrücke "links", "rechts", "oben" und "unten" werden nur verwendet, um die Relativstellung der Teile in der Stellung des Motors, wie sie in den Figuren dargestellt ist, anzugeben. Diese Stellung des Motors ist jedoch willkürlich und der Motor kann in seiner tatsächlichen Konfigurierung eine beliebige und variable Stellung im Raum haben. Insbesondere beziehen sich die Ausdrücke "links" und "rechts" auf eine Ansicht von hinten.
Der hintere Koppler 40Z hat von vorne oder von hinten gesehen eine Schmetterlingsform, von der ein kubischer Körper 41 von einer der Öffnungen 8 durchquert wird. Er umfasst außerdem zu beiden Seiten des Körpers zwei symmetrische Flügel 42, die sich von dem Körper 41 aus in Querrichtung erstrecken. Der Koppler ist in Längsrichtung durch zwei ebene Seiten, die zur Längsachse X des Motors senkrecht sind, begrenzt, und zwar eine Stellseite 47 und eine Anschlagseite 48. Jeder der Flügel ist außen durch einen Rotationszylinderabschnitt 44 um die Achse X begrenzt, der sich von der Rückseite 43Z aus erstreckt und vorne durch eine Schulter 46 begrenzt wird.
Der vordere Koppler 40A ist gegenüber dem hinteren Koppler 40Z so angeordnet, dass ihre jeweiligen Stellseiten 47 einander gegenüberstehen. Die Koppler sind außerdem zueinander in neunzig Grad angeordnet, so dass die Flügel 42 des hinteren Kopplers 40Z rechts und links von seinem Körper 41 angeordnet sind, während die Flügel des vorderen Kopplers 40A über und unter seinem Körper angeordnet sind.
Die hintere Gegenmasse 50Z umfasst eine zylindrische Masse 51 mit der Rotationsachse X, die in ihrer Achse mit einer der Öffnungen 8 versehen ist und hinten durch eine Außenfläche 57 und nach vorne durch eine Innenfläche 58 begrenzt ist, die beide eben und zur Achse X senkrecht sind. Sie umfasst ferner zwei Fortsätze 52, die symmetrisch über und unter der Achse X angeordnet sind und sich von der Innenfläche 58 aus in Längsrichtung nach vorne erstrecken.
Die Fortsätze 52 haben Formen, die zu denen des hinteren Kopplers ergänzend sind, damit der Koppler mit diesen in Eingriff kommen kann, so dass die Fortsätze 52 bei einer Relativlängsbewegung des Kopplers und der Gegenmasse als Längsgleitführung dienen. Jeder der Fortsätze ist außen durch einen Rotationszylinderabschnitt 54 um die Achse X begrenzt, der denselben Durchmesser wie die Zylinderabschnitte 44 hat, die die Flügel 42 außen begrenzen. Die Masse 51 hat einen Durchmesser, der größer als er der Zylinderabschnitte ist, so dass sie eine Schulter 56 bildet. Jeder Fortsatz ist nach vorne durch eine ebene Seite 53, die zur Achse X senkrecht ist, begrenzt.
Die vordere Gegenmasse 50A ist gegenüber der hinteren Gegenmasse 50Z so angeordnet, dass ihre jeweiligen Innenseiten 58 einander gegenüberstehen. Die Gegenmassen sind außerdem in neunzig Grad angeordnet, so dass die Fortsätze 22 der vorderen Gegenmasse 50A rechts und links angeordnet sind und auf diese Weise das Einstecken und Gleiten des vorderen Kopplers 40A in der vorderen Gegenmasse 50A gestatten.
Auf diese Weise steht jeder Fortsatz 52 einem Flügel 42 gegenüber und die Seite 53 jedes Fortsatzes 52 steht einer Stellseite 47 eines Kopplers 50A, 50Z gegenüber. Die Außenseite 57 der vorderen Gegenmasse 50 definiert die Kontaktebene PC zwischen dieser vorderen Gegenmasse und dem Läufer 6.
Die Stellglieder 11, 12, 21, 22 sind Rotationszylinder von identischen Größen, die aus einer piezoelektrischen Keramik hergestellt sind. Die Stellglieder sind in Längsrichtung parallel zur Welle 7 angeordnet und von dieser Welle gleich beabstandet. Sie sind um die Welle 7 herum regelmäßig verteilt, so dass, wenn man sie von vorne nach hinten betrachtet und von dem linken Stellglied 12 aus im trigonometrischen Sinn um die Welle herumgeht, man nacheinander, jeweils um neunzig Grad voneinander entfernt, zum linken Stellglied 12, zum oberen Stellglied 21, zum rechten Stellglied 11 und dann zum unteren Stellglied 22 kommt (5).
Der Motor 1 besitzt außerdem eine elektrische Versorgung, die in den 1 und 2 nicht dargestellt ist, in 5 jedoch schematisch dargestellt ist. Diese Versorgung gestattet es, zwischen beiden in Längsrichtung einander entgegengesetzten Enden jedes der Stellglieder eine Spannung anzulegen, die jedem der Stellglieder eigen ist. Auf diese Weise kann sich ein piezoelektrisches Stellglied unter der Wirkung dieser Spannung und ihrer Änderung verlängern oder verkürzen. Die Größen der Stellglieder sind also nur bei identischen Spannungsbedingungen identisch. In 2 ist zur Veranschaulichung eine an das obere Stellglied 21 angelegte Spannung V21 in Form eines Vektors dargestellt.
Jedes Stellglied ist zwischen der Seite eines Fortsatzes und der Stellseite eines Kopplers fest montiert. Das rechte Stellglied 11 ist zwischen dem rechten Fortsatz der vorderen Gegenmasse 50A und dem rechten Flügel des hinteren Kopplers 40Z montiert. Das linke Stellglied 12 ist zwischen dem linken Fortsatz der vorderen Gegenmasse 50A und dem linken Flügel des hinteren Kopplers 40Z montiert. Das obere Stellglied 21 ist zwischen dem oberen Fortsatz der hinteren Gegenmasse 50Z und dem unteren Flügel des vorderen Kopplers 40A montiert. Das untere Stellglied 22 ist zwischen dem unteren Fortsatz der hinteren Gegenmasse 50Z und dem unteren Flügel des vorderen Kopplers 40A montiert. Die Abdrücke 10 der Stellglieder auf dem hinteren Koppler und der hinteren Gegenmasse sind in 2 dargestellt.
Die Klammern 30A, 30Z sind biegsame Metallschalen mit im Wesentlichen trapezförmigem Querschnitt. Sie haben eine Rotationsform und ihr Innendurchmesser ist gleich dem Durchmesser der zylindrischen Abschnitte 44, 54. Die beiden Klammern sind identisch. Ein Teilschnitt in einer Querebene ist in 3 dargestellt. Jede Klammer umfasst an ihrem Außenumfang ein zylindrisches Auflageband 31, das die kleine Basis des Trapezes bildet. Es umfasst ferner einen vorderen Rand 32A und einen hinteren Rand 32Z, deren Innendurchmesser den Innendurchmesser der Klammer definiert. Der Längsabstand der Ränder 32A, 32Z definiert die große Basis des Trapezes. Jeder Rand ist mit dem Auflageband durch eine kegelstumpfförmige Flanke 33 verbunden. Die große Basis der Flanke 33 ist an dem Auflageband 31 angelenkt und ihre kleine Basis ist an dem Rand angelenkt. Die Klammer ist in der Lage, sich radial und in Längsrichtung unter der Wirkung einer Längskraft zu verformen.
Der vordere Rand 32A der vorderen Klammer 30A ist an der Schulter 56 der vorderen Gegenmasse 50A befestigt und ihr hinterer Rand 32Z ist an der Schulter 46 des vorderen Kopplers 40A befestigt. Der vordere Rand 32A der hinteren Klammer 30Z ist an der Schulter 46 des hinteren Kopplers 40Z befestigt und ihr hinterer Rand 32Z ist an der Schulter 56 der hinteren Gegenmasse 50Z befestigt. Auf diese Weise bringt ein Längsgleiten eines Kopplers bezüglich der entsprechenden Gegenmasse eine Längsverformung der Klammer mit sich, die an diesem befestigt ist. Die Längsverformung dieser Klammer bringt eine Querverformung derselben Klammer mit sich. Bei dem dargestellten Beispiel erzeugt eine Annäherung des Kopplers und der Gegenmasse eine radiale Ausdehnung der Klammer, bis das Auflageband 31 der Klammer mit dem Inneren des Rohrs 2 in Kontakt kommt, was auf diese Weise eine Einkupplung der Klammer an dem Rohr gestattet. Dagegen erzeugt eine relative Entfernung des Kopplers und der Gegenmasse ein radiales Aufbiegen der Klammer und das Ablösen des Auflagebandes 31 von dem Inneren des Rohrs 2. Um die Kräfte auf den Klammern zu begrenzen, ist die Annäherung einer Gegenmasse und des in diese eingreifenden Kopplers durch den Anschlag der Anschlagseite 48 des Kopplers an der Innenseite 57 der Gegenmasse begrenzt.
Die aus der hinteren Gegenmasse 50Z, dem hinteren Koppler 40Z, den Stellgliedern 11, 12, 21, 22, dem vorderen Koppler 40A und der vorderen Gegenmasse 50A gebildeten Stapel sind auf der Welle 7 in Längsrichtung vorgespannt montiert. Dies gestattet einen Schutz der Keramiken und die Optimierung ihrer Arbeitsweise. Andererseits gewährleistet das eine Verriegelung der Translations- und Rotationsfunktionen, wenn der Motor nicht mehr elektrisch versorgt wird. Die Vorspannungsmittel umfassen vorne eine einen Anschlag bildende Mutter 61, die an einer Vorderseite 62 des Läufers anliegt. Diese Vorspannungsmittel umfassen andererseits auf der der Mutter 61 entgegengesetzten Seite nicht dargestellte Anschlagsmittel, die an der Außenfläche 57 der hinteren Gegenmasse 50Z anliegen. Diese Anschlagsmittel sind vorgesehen, um die Verlängerung und die Drehung des Ständers bezüglich der Welle 7 zu gestatten.
Die Formen der Werkstücke sind so gezeichnet, dass die Figuren ausreichend lesbar werden, sind jedoch nicht notwendigerweise optimale Formen. Um den Hub der Stellglieder zu optimieren, ist also der Motor vorzugsweise so konfiguriert, dass die radiale Verformung der Klammern von größerer Amplitude ist als ihre entsprechende Längsverformung.
Nun wird eine lineare Bewegung des Motors 1 unter Bezugnahme auf die 4A–4E beschrieben. Da das Rohr geradlinig ist, ist diese Bewegung eine Translationsbewegung. Die Figuren beschreiben eine Bewegung des Motors um einen Schritt P nach vorne. Eine Bewegung nach hinten würde auf dieselbe Weise vor sich gehen. Die 4A–4E sind Längsschnitte durch das bewegliche Organ 3 gemäß einer in 5 darge stellten virtuellen Fläche IV-IV, wobei diese Fläche die Achse des oberen Stellglieds 21 und die Achse des rechten Stellglieds 11 verbindet, sich vertikal nach oben von der Achse des oberen Stellglieds 21 erstreckt und sich von der Achse des rechten Stellglieds 11 an horizontal nach rechts erstreckt. Bei der Translationsbewegung hat das linke Stellglied 12 Bewegungen, die mit denen des rechten Stellglieds 11 – des einzigen der beiden, das in den 4A–4E dargestellt ist – identisch und simultan sind. Ebenso hat das untere Stellglied 22 Bewegungen, die mit denen des oberen Stellglieds 21 – des einzigen dieser beiden, das in den 4A–4E dargestellt ist – identisch und simultan sind.
5 zeigt einen Querschnitt V-V durch das bewegliche Organ, von vorne gesehen, auf Höhe der Stellglieder (vgl. 4A) und das Schaltbild der elektrischen Versorgung des Motors. Bezüglich einer elektrischen Masse T wird eine veränderliche Spannung V11 an das rechte Stellglied 11 angelegt, wird eine veränderliche Spannung V12 an das linke Stellglied 12 angelegt, wird eine veränderliche Spannung V21 an das obere Stellglied 21 angelegt und wird eine veränderliche Spannung V22 an das untere Stellglied 22 angelegt.
In 6 zeigen Translationsgrafiken V21T, V22T, V11T und V12T jeweils die Änderung der Spannung V21, V22, V11 und V12 während der Translation der 4A–4E. In den Translationsgrafiken ist auf der Abszisse eine Zeitskala in Millisekunden und auf der Ordinate eine willkürliche Spannungsskala aufgetragen.
Bei einer willkürlichen Anfangsstellung, die in 4A dargestellt ist, haben die Stellglieder 21, 22 die gleiche Anfangslänge, die Klammern sind an der Innenwand des Rohrs 2 angekuppelt und die Koppler sind an der Gegenmasse, mit der sie jeweils in Eingriff sind, in Anschlag.
Wie in 4B und auf den Translationsgrafiken der 6 zwischen den Abszissen 0 und 0,5 dargestellt, werden die ersten Stellglieder 11, 12 in einem ersten Takt unter der Wirkung von Spannungen V11 und V12, die auf dem Wert 1 konstant gehalten werden, um die Schrittlänge P verlängert. Da die Bewegung des hinteren Kopplers 40Z durch die Ankupplung der hinteren Klammer 30Z blockiert ist, wird die vordere Gegenmasse 50A um den Schritt P vorbewegt, was zur Wirkung hat, dass die vordere Klammer 30A von dem Rohr 2 abgekuppelt wird.
Wie in 4C und auf den Translationsgrafiken der 6 zwischen den Abszissen 0,5 und 1 dargestellt, werden die zweiten Stellglieder 21, 22 in einem zweiten Takt unter der Wirkung von Spannungen V21 und V22, die auf dem Wert 1 konstant gehalten werden, um die Schrittlänge P verlängert. Während dieses zweiten Takts werden die Spannungen V11 und V12 auf dem Wert 1 konstant gehalten, damit die Verlängerung der ersten Stellglieder konstant gehalten wird. Der vordere Koppler 40A nähert sich, bis er an der vorderen Gegenmasse 50A in Anschlag kommt, indem er die vordere Klammer 30A verformt, bis diese sich wieder an dem Rohr 2 ankuppelt.
Wie in 4D und in den Translationsgrafiken der 6 zwischen den Abszissen 1 und 1,5 dargestellt, werden die ersten Stellglieder 11, 12 in einem dritten Takt unter der Wirkung von Spannungen V11 und V12, die auf dem Wert 0 konstant gehalten werden, um die Schrittlänge P verkürzt. Während dieses zweiten Takts werden die Spannungen V21 und V22 auf dem Wert 1 konstant gehalten, um die Verlängerung der zweiten Stellglieder konstant zu halten. Da die Bewegung der vorderen Gegenmasse 50A durch die Verkupplung der vorderen Klammer 30A blockiert ist, wird der hintere Koppler 40Z um den Schritt P vorbewegt, was zur Wirkung hat, dass die hintere Klammer 30Z von dem Rohr 2 abgekuppelt wird.
Wie in 4E und in den Translationsgrafiken der 6 zwischen den Abszissen 1,5 und 2 dargestellt, werden in einem vierten Takt die zweiten Stellglieder 21, 22 unter der Wirkung von Spannungen V21 und V22, die auf dem Wert 0 konstant gehalten werden, um die Schnittlänge P verkürzt. Während dieses zweiten Takts werden die Spannungen V11 und V12 auf dem Wert 0 konstant gehalten, um die ersten Stellglieder kurz zu halten. Die hintere Gegenmasse 50Z nähert sich, bis sie an dem hinteren Koppler 40Z in Anschlag kommt, indem sie die hintere Klammer 30Z verformt, bis diese sich wieder an dem Rohr 2 ankuppelt. Das bewegliche Organ 3 befindet sich nun in einer Endstellung, die der Anfangsstellung der 4A ähnlich ist, jedoch bezüglich der Anfangsstellung um den Schritt P versetzt ist.
Es können mehrere Schritte nacheinander ausgeführt werden. Der Schritt kann in Abhängigkeit von der für die Klammern akzeptablen maximalen Längsverformung gewählt werden. Die Längsabmessungen der Flügel 42 und der Fortsätze 52 sind so gewählt, dass eine ständige Führung und ein ständiger Eingriff zwischen Kopplern und Gegenmassen gewährleistet wird. Die Dauer, im vorliegenden Fall 0,5 Millisekunden, jeder der oben beschriebenen Phasen ist mindestens diejenige, die für jedes der Stellglieder erforderlich ist, um sich um die Länge P zu verlängern oder zu verkürzen.
Die Drehbewegung wird erhalten, indem ein Modenrotationseffekt ausgenutzt wird. Dieser Effekt wird durch die Kombina tion von zwei Querbiegungsmoden des Ständers im Frei-Frei-Betrieb erhalten, wobei diese beiden Moden zueinander rechtwinklig sind. Die Schwingungsknoten dieser beiden Biegungsmoden sind auf Höhe der Klammern gelegen.
Die Rotationsgrafiken V21R, V22R, V11R und V12R von 6 veranschaulichen jeweils die Änderung der Spannungen V21, V22, V11 und V12, die den Drehantrieb des Läufers 6 bezüglich des Ständers 4 gestatten. In den Rotationsgrafiken ist auf der Abszisse eine Zeitskala in hunderttausendstel Sekunden und auf der Ordinate eine willkürliche Spannungsskala aufgetragen.
Um die Drehung zu bewirken, legt man an die Stellglieder sinusförmige Hochfrequenzspannungen von etwa 10⁵ Hertz an. Diese Spannungen sind um neunzig Grad phasenverschoben, d.h. die an das rechte Stellglied 11 angelegte Spannung V11 ist der an das untere Stellglied 22 angelegten Spannung V22 um eine Viertelperiode voraus, das seinerseits der an das linke Stellglied 12 angelegten Spannung V12 um eine Viertelperiode voraus ist, das seinerseits der an das obere Stellglied 21 angelegten Spannung V21 um eine Viertelperiode voraus ist.
Auf diese Weise ist die Verlängerung des oberen Stellglieds 21 gleichzeitig mit der Verkürzung des unteren Stellglieds 22 bestrebt, den Ständer sich um einen unter dem Ständer gelegenen virtuellen Mittelpunkt biegen zu lassen, während die Verlängerung des rechten Stellglieds 11 gleichzeitig mit der Verkürzung des linken Stellglieds 12 bestrebt ist, den Ständer sich um einen links vom Ständer gelegenen virtuellen Mittelpunkt biegen zu lassen, und umgekehrt.
Die aufeinanderfolgenden Verlängerungen und Verkürzungen der Stellglieder bewirken auf der Außenseite 57 der vorderen Gegenmasse 50A progressive Wellen, die in der Lage sind, den Läufer in Drehung zu versetzen.
Die Umkehr der Phasenverzögerungen zwischen den einzelnen Spannungen gestattet die Umkehrung des Drehsinns des Läufers 6.
Es werden also die gleichen aktiven Elemente, im vorliegenden Fall zwei Paare von Stellgliedern, von dem Motor 1 gleichzeitig für die Translation und die Drehung verwendet.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt und an diesen Beispielen können zahlreiche Änderungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
So ist es beispielsweise anstelle einer Schale möglich, Klammern torischer Form aus einem Elastomermaterial herzustellen. Derartige Klammern können um eine Führung herum oder in ihrem Inneren angepresst werden.
Anstelle einer geradlinigen Führung, wie oben beschrieben wurde, kann die Führung gekrümmt sein und auf diese Weise andere lineare Bewegungen als eine einfache Translation gestatten.
Die Anzahl von Stellgliedern kann von vier abweichen und die Klammern können zahlreicher sein. Indem man auf diese Weise die Klammern in Paaren verwendet, wobei mindestens zwei Klammern zu jedem Zeitpunkt an der Führung verklammert sind, erhöht man die Stabilität des Motors in dem Rohr.
Anstelle eines einzigen Läufers kann der Motor auch zwei von diesen umfassen, und zwar jeweils einen an einem Ende des Ständers, den eine vor und den andere hinter diesem. Diese beiden Läufer können nun in vorteilhafter Weise beispielsweise durch die Welle über den Ständer bezüglich Drehung verbunden sein. Diese Anordnung gestattet eine Kumulierung der von jedem der Läufer gelieferten Drehmomente, wodurch die Leistung des Motors erhöht wird.

Claims

Motor (1), umfassend einen Ständer (4) und einen Läufer (6), wobei der Ständer Stellglieder (11, 12, 21, 22) zur Betätigung von Klammern (30A, 30Z) umfasst, die den Halt des Ständers und seine lineare Bewegung (L) längs einer Führung (2) gewährleisten, wobei ebendiese Stellglieder für das In-Drehung-Versetzen (R) des Läufers verwendet werden.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer ein bewegliches Organ (3) umfasst, das mindestens eine vordere Klammer (30A) und eine hintere Klammer (30Z) und mindestens ein erstes Stellglied (11, 12) und ein zweites Stellglied (21, 22) mit Doppellängseffekt umfasst, wobei die erste Klammer zwischen den jeweiligen vorderen Enden der Stellglieder gehalten ist und die zweite Klammer zwischen den jeweiligen hinteren Enden der Stellglieder gehalten ist, das vordere und das hintere Ende des ersten Stellglieds jeweils vor dem vorderen und dem hinteren Ende des zweiten Stellglieds positioniert sind und die Klammern umkehrbar verformbar sind, so dass, wenn eine der Klammern zwischen den Enden der sie haltenden Stellglieder komprimiert ist, diese eine Querausdehnung erfährt.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem Mittel zum Steuern der abwechselnden Verlängerungs- und Verkürzungsbewegungen jedes der Stellglieder umfasst, wobei die jeweiligen Bewegungen des ersten Stellglieds und des zweiten Stellglieds phasenversetzt sind.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (2) rohrförmig ist und dass der Halt des beweglichen Organs durch Verklemmen mindestens einer Klammer (30A, 30Z) im Inneren der Führung stattfindet.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem eine vordere Gegenmasse (50A), eine hintere Gegenmasse (50Z), einen vorderen Koppler (40A) und einen hinteren Koppler (40Z) umfasst, wobei das mindestens eine erste Stellglied zwischen der vorderen Gegenmasse und dem hinteren Koppler montiert ist, das mindestens eine zweite Stellglied zwischen dem vorderen Koppler und der hinteren Gegenmasse montiert ist, die Gegenmasse und der hintere Koppler zum Verformen der mindestens einen hinteren Klammer dienen und die Gegenmasse und der vordere Koppler zum Verformen der mindestens einen vorderen Klammer dienen.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klammern biegsame Metallschalen sind.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer und der Ständer in Längsrichtung vorgespannt gehalten sind.
Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer mit einer Außenseite (57) der vorderen Gegenmassen (50A) in Kontakt ist.
Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Stellglied ein Paar von ersten Stellgliedern (11, 12) ist und dass das mindestens eine zweite Stellglied ein Paar von zweiten Stellgliedern (21, 22) ist, wobei diese Stellglieder um eine Längsachse (X) des Motors herum regelmäßig angeordnet und von dieser Achse gleich beabstandet sind und jedes Stellglied eine Stellung einnimmt, die zu der eines Stellglieds desselben Paars diametral entgegengesetzt ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder ein elektroaktives Material umfassen.
Bewegliches Element, das einen Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Verfahren zum Bewegen eines Motors nach einem der Ansprüche 2 bis 10 linear längs einer Führung (2), umfassend, ausgehend von einer solchen Anfangsstellung, dass die mindestens eine vordere Klammer (30A) und die mindestens eine hintere Klammer (30Z) beide auf der Führung blockiert sind, die folgenden Schritte: – Verlängerung des mindestens einen ersten Stellglieds (11, 12) und dann – Verlängerung des mindestens einen zweiten Stellglieds (21, 22) und dann – Verkürzung des mindestens einen ersten Stellglieds und dann – Verkürzung des mindestens einen zweiten Stellglieds.
Verfahren zum In-Drehung-Versetzen des Rotors (6) eines Motors nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man mit Hilfe der Stellglieder auf der Außenseite (57) der vorderen Gegenmasse (50A) eine fortschreitende Welle erzeugt.