WO2024028083A1 - Piezoelektrischer lauf- und resonanzantrieb - Google Patents

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WO2024028083A1
WO2024028083A1 PCT/EP2023/069663 EP2023069663W WO2024028083A1 WO 2024028083 A1 WO2024028083 A1 WO 2024028083A1 EP 2023069663 W EP2023069663 W EP 2023069663W WO 2024028083 A1 WO2024028083 A1 WO 2024028083A1
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WO
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piezoelectric
drive
actuators
rotor
friction element
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PCT/EP2023/069663
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Inventor
Burhanettin Koc
Original Assignee
Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/002—Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/026—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors by pressing one or more vibrators against the driven body
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    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/103—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric running and resonance drive according to the preamble of claim 1 and a method for controlling a piezoelectric running and resonance drive.
  • Piezoelectric running and resonance drives essentially include a rotor and one or more drive units.
  • a drive unit contains an arrangement of piezoelectric actuators and a friction element that is set up for contact with the rotor. Basically, it is provided that the arrangement of the actuators, with suitable control of the actuators, causes a movement of the friction element towards or away from the rotor in order to establish or release contact with the rotor and a movement of the friction element along the rotor to drive it.
  • Such drives are e.g. B. disclosed in DE 197 15226 A1 and US 2010/0148629 A1.
  • Shear actuators or bending actuators are used in the drives known from DE 197 15 226 A1 and US 2010/0148629 A1. Such actuators have the disadvantage that they are complex and can only be produced at high costs. Multilayer shear actuators also have the disadvantage that their ceramic layers are comparatively thick, which increases the overall height of the actuator. At the same time, such actuators can only be operated with high control voltages.
  • each of the piezoelectric actuators in the arrangement is a linear actuator.
  • Linear actuators are typically inexpensive and easy to manufacture. They can also be operated with comparatively low control voltages, which makes the design of the entire control system easier.
  • the drive movement is in a plane or along an axis perpendicular to an axis of contact movement.
  • the contact pressure of the friction element generated by the contact movement and required to drive the rotor can be optimally adjusted to generate static friction between the friction element and the underside of the rotor and coordinated with the driving force.
  • the drive unit comprises a base which supports the arrangement of piezoelectric actuators, with the contact movement preferably taking place perpendicular to the base and/or the drive movement taking place parallel to the base. Because the actuators are constructed on a base, a self-contained drive unit can be provided and the assembly of the drive unit in a higher-level structure, such as a frame, can be made easier.
  • the piezoelectric actuators of the arrangement are deflected in parallel directions when activated, preferably parallel to the axis of the contact movement. All linear actuators in the arrangement are oriented in the same way, which simplifies the construction of the arrangement and makes the arrangement itself compact.
  • each of the piezoelectric actuators is a multilayer stack actuator that is designed to generate a deflection along its stack axis, which is preferably oriented parallel to the axis of contact movement.
  • Multilayer stacked actuators can be produced easily, cheaply and quickly by sintering green foil.
  • the piezoelectric actuators are assigned separately controllable actuator units, the friction element executing the contact movement when a first actuator unit is activated with at least one of the piezoelectric actuators and when a second actuator unit is activated with at least one, preferably two, other of the piezoelectric actuators Executes drive movement.
  • the movement components of the friction element are assigned to individual drive units, which simplifies the design of the control system.
  • the piezoelectric actuators within the arrangement are provided in several, preferably two, levels, with all piezoelectric actuators of the same actuator unit preferably being arranged in the same level.
  • a compact arrangement of the actuators can be realized on several levels, in which the actuators on the different levels can work together through coupling.
  • a carrier is arranged between two levels and the piezoelectric actuators of the different levels are coupled to one another via the carrier.
  • the deformation movement of the actuators in one level can be transferred to the other level, whereby the deformation movements of the actuators at different levels can be combined with one another.
  • the friction element is connected to two piezoelectric actuators arranged next to one another within the arrangement, preferably via a base that carries the friction element.
  • a movement suitable for driving the rotor, in particular a tilting movement, of the friction element can be made possible.
  • the drive unit is fastened in a frame, preferably via a support that penetrates the arrangement of piezoelectric actuators and/or a spring element that biases the arrangement of piezoelectric actuators against the frame and particularly preferably has a recess, through which the friction element protrudes.
  • the carrier and the spring element the drive unit can be easily attached to the frame.
  • the arrangement of the piezoelectric actuators comprises three piezoelectric actuators, with one piezoelectric actuator being arranged in a first level and two piezoelectric actuators being arranged in a second level located above the first level, the two piezoelectric actuators being are arranged next to each other on the second level.
  • This arrangement is extremely compact and functional in terms of generating the contact movement and the driving movement of the friction element.
  • the drive has a control device for controlling the piezoelectric actuators with electrical control voltages. Using a control device, the linear actuators can be easily controlled with electrical control voltages.
  • a further aspect of the present invention relates to a method for controlling a piezoelectric running and resonance drive, which comprises: a rotor, and at least one drive unit, which comprises an arrangement of a plurality of piezoelectric linear actuators and a friction element which is set up to come into contact with the rotor reach, wherein at least one piezoelectric linear actuator of the arrangement is controlled so that the friction element carries out a contact movement towards or away from the rotor in order to establish or release contact with the rotor, and at least one other piezoelectric linear actuator, preferably two other piezoelectric linear actuators , the arrangement is/are controlled in such a way that the friction element carries out a drive movement along the rotor.
  • the two piezoelectric linear actuators which cause the drive movement of the friction element, are controlled so that they behave in anti-phase. As a result, the drive movement of the friction element can be realized particularly easily.
  • linear actuator describes an actuator that is set up to carry out a deformation that can be used for driving, i.e. an expansion or contraction, exclusively along one effective direction.
  • the expansion or contraction of the actuator may be accompanied by a constriction or thickening of the actuator in a plane perpendicular to the direction of action, but this remains unused and is not relevant to the drive.
  • Fig. 1a shows an embodiment of a drive according to the invention in a perspective view.
  • Fig. 1b shows the embodiment of Fig. 1a in an exploded view.
  • FIG. 2a and 2b show the deformation behavior of piezoelectric linear actuators in a drive unit of the drive according to the invention based on an FEM simulation in two different states.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a drive group with several drive units for a linear drive.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of a drive group with several drive units for a rotary drive.
  • the drive comprises at least one drive unit 1 and a rotor 11.
  • the rotor 11 is only shown in sections in the present figures as a flat rod-shaped element, but can fundamentally have different shapes.
  • the runner 11 can also be designed as a ring or table or platform.
  • the drive unit 1 includes a first piezoelectric linear actuator 2, which is arranged on a plate-shaped base 5.
  • Two second piezoelectric linear actuators 3.1, 3.2 are coupled to the piezoelectric linear actuator 2 via a carrier 6.
  • the linear actuators 2, 3.1 and 3.2 are each cuboid.
  • the two second linear actuators 3.1 and 3.2 are arranged next to each other on the carrier 6.
  • the carrier 6 is located between the top end face of the first linear actuator 2 and the bottom end faces of the two second linear actuators 3.1, 3.2.
  • the carrier 6 therefore divides the arrangement of the linear actuators into two levels, with the first linear actuator 2 being positioned in a first level and the two second linear actuators 3.1 and 3.2 being positioned in a second level located above the first level.
  • the first linear actuator 2 is more than twice as wide as one of the second linear actuators 3.1, 3.2, so that the two second linear actuators 3.1, 3.2 can be arranged within the width of the first linear actuator 2.
  • two or more first linear actuators can also be used, each of which is smaller in width.
  • all linear actuators 2, 3.1 and 3.2 have the same height and depth, but other dimensions are conceivable.
  • each of the linear actuators 2, 3.1 and 3.2 is stacked or Multilayer actuator is formed, which is constructed by an alternating arrangement of ceramic layers and internal electrodes.
  • Each of the linear actuators 2, 3.1 and 3.2 has a surface electrode on one of its side surfaces for electrically contacting the internal electrodes.
  • the drive unit 1 includes a friction element 4, which is provided on a plate-shaped base.
  • the friction element is connected to the upper end faces of the two second linear actuators 3.1, 3.2 via the plate-shaped base.
  • the friction element 4 is hemispherical or dome-shaped and intended for contact with a flat underside of the rotor 11.
  • the drive unit 1 includes a spring element 7, with which the linear actuators 2, 3.1, 3.2 can be preloaded.
  • the spring element 7 is designed as a metal strip, which comprises a mounting section at both ends for attachment to a frame structure accommodating the drive unit 1. Each mounting section preferably has a hole. A central section of the spring element 7 is offset parallel to the mounting sections and has a hole through which the friction element can protrude. In the assembled state, the middle section of the spring element 7 presses on the base of the friction element 4 and thus exerts a compressive force on the linear actuators 2, 3.1, 3.2, so that they are subject to a preload.
  • the carrier 6 is also designed as a metal strip, which can be attached to the frame structure using mounting sections. In addition to metal, other materials are also conceivable for the carrier 6 and the spring element 7.
  • the individual linear actuators 2, 3.1 and 3.2 can be controlled with suitable electrical voltages. It is provided that the linear actuators 2, 3.1 and 3.2 are controlled in such a way that the friction element 4 causes both a contact movement towards the rotor 11 or away from it to establish or release contact with the rotor 11 and a drive movement along the rotor 11 whose drive can execute.
  • the contact movement of the friction element 4 can be generated in particular by controlling the first linear actuator 2.
  • the first linear actuator 2 When controlled with an electrical voltage, the first linear actuator 2 carries out an expansion or contraction in a direction perpendicular to the base 5. This movement is first transmitted to the friction element 4 via the carrier 6 and finally via the two second linear actuators 3.1, 3.2. Consequently, the contact movement of the friction element 4 is a movement of the friction element in a direction perpendicular to the base 5.
  • a regular oscillation of the friction element 4 in the direction perpendicular to the base 5 is achieved, for example, by applying a sinusoidal alternating voltage to the first linear actuator 2.
  • the drive movement of the friction element 4 can be generated by suitable control of the two second linear actuators 3.1, 3.2.
  • Each of the two second linear actuators 3.1, 3.2 is also set up to carry out an expansion or contraction in a direction perpendicular to the base 5 when controlled with an electrical voltage.
  • the two second linear actuators 3.1, 3.1 are controlled in such a way that they behave in opposite ways or swing in anti-phase. This behavior is illustrated in Figures 2a and 2b. In the state shown in FIG. 2a, the first of the second linear actuators 3.1 is expanded and the second of the second linear actuators 3.2 is contracted.
  • the friction element 4 which is connected to the two second linear actuators 3.1, 3.2 via a base, experiences a tilting movement in the direction of the contracted second linear actuator 3.2.
  • the first of the second linear actuators 3.1 is contracted and the second of the second linear actuators 3.2 is expanding.
  • the friction element 4 experiences a tilting movement in the direction of the contracted first linear actuator 3.1.
  • the tilting movements of the friction element 4 consequently enable a drive movement or a restoring movement in a direction parallel to the base 5.
  • a regular oscillation of the friction element 4 in the direction parallel to the base 5 is achieved, for example, by applying a sinusoidal alternating voltage to each of the two second linear actuators 3.1, 3.2, these alternating voltages being 180° out of phase with one another.
  • the polarization direction of the two second linear actuators 3.1, 3.2 are the same.
  • the two second linear actuators 3.1, 3.2 can be controlled with the same sinusoidal alternating voltage without phase offset.
  • the contact movement and the drive movement of the friction element 4 can be carried out independently of one another or superimposed.
  • the friction element 4 can initially carry out the contact movement in the direction of the rotor 11 until it comes into contact with the underside of the rotor 11 and exerts a certain contact pressure on the rotor 11.
  • the two second linear actuators 3.1, 3.2 can then be controlled in such a way that the friction element 4, as described above, carries out a tilting movement in a direction parallel to the underside of the rotor 11.
  • the friction element 4 pressed against the rotor 11 thereby causes the rotor 11 to advance in this direction.
  • the two second linear actuators 3.1, 3.2 can be controlled in such a way that the friction element 4 carries out a tilting movement in the opposite direction and consequently a restoring movement.
  • Fig. 3 shows a drive group 10a, in which two drive units 1 are arranged next to each other and fixed in a common frame 8a, 9a.
  • each drive unit 1 is arranged on a base element 8a and fastened to structural elements 9a via the carrier 6 and the spring element 7 with the aid of screws.
  • the drive units 1 are arranged along the feed direction of a rotor and thus extend the travel of the rotor or, in the case of a correspondingly long rotor, make it possible to double the driving force acting on the rotor.
  • the use of two drive units arranged next to one another is merely an example. Of course, three or more drive units can also be arranged next to each other in a corresponding frame.
  • the frame 8a, 9a can also consist of several elements or can even be designed in one piece, as long as it provides suitable receiving sections for the drive units 1.
  • Fig. 4 shows a drive group 10b, in which three drive units 1 are arranged along a circular path and fastened in a common frame 8b, 9b.
  • the attachment of the drive units to the base element 8b and the structural elements 9b of the frame essentially corresponds to the attachment described in connection with FIG. 3.
  • a rotation drive can be realized using an annular rotor.
  • the frame 8b, 9b of the present embodiment can also consist of several elements or can be formed in one piece.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Lauf- und Resonanzantrieb und ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Lauf- und Resonanzantriebs. Der Antrieb umfasst einen Läufer (11) und mindestens eine Antriebseinheit (1), die eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Aktoren (2, 3.1, 3.2) und ein Friktionselement (4) umfasst, das eingerichtet ist, mit dem Läufer (11) in Kontakt zu gelangen, wobei die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1, 3.2) und das Friktionselement (4) so gekoppelt sind, dass das Friktionselement (4) bei Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1, 3.2) sowohl eine Kontaktbewegung hin zum Läufer (11) oder weg von diesem zum Herstellen oder Lösen eines Kontakts mit dem Läufer (11) als auch eine Antriebsbewegung entlang des Läufers (11) zu dessen Antrieb ausführen kann. Um eine kostengünstige und einfache Herstellung zu ermöglichen, ist jeder der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1, 3.2) der Anordnung ein Linearaktor.

Description

Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Lauf- und Resonanzantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Laufund Resonanzantriebs.
Piezoelektrische Lauf- und Resonanzantriebe umfassen im Wesentlichen einen Läufer und eine oder mehrere Antriebseinheiten. Eine Antriebseinheit beinhaltet dabei eine Anordnung aus piezoelektrischen Aktoren und ein Friktionselement, das zum Kontakt mit dem Läufer eingerichtet ist. Grundsätzlich ist es vorgesehen, dass die Anordnung der Aktoren bei geeigneter Ansteuerung der Aktoren eine Bewegung des Friktionselements hin zum Läufer oder weg von diesem zum Herstellen oder Lösen eines Kontakts mit dem Läufer und eine Bewegung des Friktionselements entlang des Läufers zu dessen Antrieb bewirkt. Derartige Antriebe sind z. B. in der DE 197 15226 A1 und der US 2010/0148629 A1 offenbart.
In den aus der DE 197 15 226 A1 und der US 2010/0148629 A1 bekannten Antrieben kommen Scheraktoren bzw. Biegeaktoren zum Einsatz. Derartige Aktoren haben den Nachteil, dass sie aufwändig und nur unter hohen Kosten herstellbar sind. Mehrschicht-Scheraktoren weisen zudem den Nachteil auf, dass ihre Keramikschichten vergleichsweise dick sind, was die gesamte Bauhöhe des Aktors vergrößert. Zugleich sind solche Aktoren nur mit hohen Ansteuerspannungen betreibbar.
Angesichts der oben aufgezeigten Nachteile der bekannten Antriebe, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Lauf- und Resonanzantrieb bereitzustellen, der mit geringen Kosten und geringem Aufwand hergestellt werden kann und nur niedrige Ansteuerspannungen erfordert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen piezoelektrischen Lauf- und Resonanzantriebs gemäß Anspruch 1. Erfindungsgemäß ist jeder der piezoelektrischen Aktoren der Anordnung ein Linearaktor. Linearaktoren sind in der Regel kostengünstig und einfach herzustellen. Außerdem können sie mit vergleichsweise niedrigen Ansteuerspannungen betrieben werden, was die Auslegung des gesamten Steuersystems erleichtert.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren und das Friktionselement so gekoppelt sind, dass das Friktionselement bei Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren die Kontaktbewegung und die Antriebsbewegung unabhängig voneinander oder überlagert ausführen kann. Je nach Ansteuerung der Linearaktoren können dadurch verschiedene Bewegungsbahnen des Friktionselements realisiert werden.
Es kann nützlich sein, wenn die Antriebsbewegung in einer Ebene oder entlang einer Achse senkrecht zu einer Achse der Kontaktbewegung erfolgt. Dadurch kann der durch die Kontaktbewegung erzeugte und für den Antrieb des Läufers erforderliche Anpressdruck des Friktionselements zur Erzeugung einer Haftreibung zwischen Friktionselement und Unterseite des Läufers optimal eingestellt und auf die Antriebskraft abgestimmt werden.
Es kann sich als praktisch erweisen, wenn die Antriebseinheit eine Basis umfasst, die die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren trägt, wobei die Kontaktbewegung vorzugsweise senkrecht zur Basis erfolgt und/oder die Antriebsbewegung parallel zur Basis erfolgt. Dadurch, dass die Aktoren auf einer Basis aufgebaut sind, kann eine abgeschlossene Antriebseinheit bereitgestellt und die Montage der Antriebseinheit in eine übergeordnete Struktur, wie beispielsweise einem Rahmen, erleichtert werden.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die piezoelektrischen Aktoren der Anordnung bei Ansteuerung in parallele Richtungen ausgelenkt werden, vorzugsweise parallel zur Achse der Kontaktbewegung. Alle Linearaktoren der Anordnung sind dadurch gleich orientiert, was den Aufbau der Anordnung erleichtert und die Anordnung selbst kompakt macht.
Es kann von Nutzen sein, wenn jeder der piezoelektrischen Aktoren ein Mehrschicht-Stapelaktor ist, der ausgebildet ist, eine Auslenkung entlang seiner Stapelachse zu erzeugen, die vorzugsweise parallel zur Achse der Kontaktbewegung orientiert ist. Mehrschicht-Stapelaktoren sind durch Sintern von Grünfolien einfach, günstig und schnell herstellbar.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die piezoelektrischen Aktoren separat ansteuerbaren Aktoreinheiten zugeordnet sind, wobei das Friktionselement bei Ansteuerung einer ersten Aktoreinheit mit wenigstens einem der piezoelektrischen Aktoren die Kontaktbewegung ausführt und bei Ansteuerung einer zweiten Aktoreinheit mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei, anderen der piezoelektrischen Aktoren die Antriebsbewegung ausführt. Die Bewegungskomponenten des Friktionselements sind einzelnen Antriebseinheiten zugeordnet, was die Auslegung des Steuersystems vereinfacht.
Es kann praktisch sein, wenn die piezoelektrischen Aktoren innerhalb der Anordnung in mehreren, vorzugsweise zwei, Ebenen bereitgestellt sind, wobei vorzugsweise alle piezoelektrischen Aktoren derselben Aktoreinheit in derselben Ebene angeordnet sind. Durch Bereitstellung der Aktoren in mehreren Ebenen kann eine kompakte Anordnung der Aktoren realisiert werden, bei der die Aktoren der verschiedenen Ebenen durch Kopplung Zusammenwirken können.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn zwischen zwei Ebenen ein Träger angeordnet ist und die piezoelektrischen Aktoren der verschiedenen Ebenen über den Träger miteinander gekoppelt sind. Mithilfe des Trägers kann die Verformungsbewegung der Aktoren in einer Ebene auf die andere Ebene übertragen werden, wodurch die Verformungsbewegungen der Aktoren verschiedener Ebenen miteinander kombiniert werden können.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Friktionselement mit zwei innerhalb der Anordnung nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Aktoren verbunden ist, vorzugsweise über eine Basis, die das Friktionselement trägt. Durch ein Zusammenwirken der beiden Aktoren kann eine für den Antrieb des Läufers geeignete Bewegung, insbesondere eine Kippbewegung, des Friktionselements ermöglicht werden.
Es kann nützlich sein, wenn die Antriebseinheit in einem Rahmen befestigt ist, vorzugsweise über einen Träger, der die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren durchdringt, und/oder ein Federelement, das die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren gegen den Rahmen vorspannt und besonders bevorzugt eine Ausnehmung aufweist, durch die das Friktionselement hindurchragt. Mithilfe des T rägers und des Federelements kann die Antriebseinheit einfach im Rahmen befestigt werden.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren drei piezoelektrische Aktoren umfasst, wobei ein piezoelektrischer Aktor in einer ersten Ebene angeordnet ist und zwei piezoelektrische Aktoren in einer über der ersten Ebene befindlichen zweiten Ebene angeordnet sind, wobei die zwei piezoelektrischen Aktoren der zweiten Ebene nebeneinander angeordnet sind. Diese Anordnung ist äußerst kompakt und funktional hinsichtlich der Erzeugung der Kontaktbewegung und der Antriebsbewegung des Friktionselements.
Es kann von Nutzen sein, wenn mindestens zwei Antriebseinheiten in einer Richtung parallel zur Richtung der Antriebsbewegung nebeneinander angeordnet sind oder dass mindestens drei Antriebseinheiten entlang einer Kreisbahn angeordnet sind. Durch diese Konfigurationen kann ein Linearantrieb mit verlängertem Stellweg des Läufers bzw. erhöhter Antriebskraft oder ein Rotationsantrieb bereitgestellt werden. Es kann von Vorteil sein, wenn der Antrieb ein Steuergerät zur Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren mit elektrischen Steuerspannungen aufweist. Mithilfe eines Steuergeräts kann die Ansteuerung der Linearaktoren mit elektrischen Steuerspannungen einfach umgesetzt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Lauf- und Resonanzantriebs, der umfasst: einen Läufer, und mindestens eine Antriebseinheit, die eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Linearaktoren und ein Friktionselement umfasst, das eingerichtet ist, mit dem Läufer in Kontakt zu gelangen, wobei mindestens ein piezoelektrischer Linearaktor der Anordnung so angesteuert wird, dass das Friktionselement eine Kontaktbewegung hin zum Läufer oder weg von diesem ausführt, um einen Kontakt mit dem Läufer herzustellen oder zu lösen, und mindestens ein anderer piezoelektrischer Linearaktor, vorzugsweise zwei andere piezoelektrische Linearaktoren, der Anordnung so angesteuert wird/wer- den, dass das Friktionselement eine Antriebsbewegung entlang des Läufers ausführt.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die zwei piezoelektrischen Linearaktoren, die die Antriebsbewegung des Friktionselements bewirken, so angesteuert werden, dass sie sich gegenphasig verhalten. Dadurch kann die Antriebsbewegung des Friktionselements besonders einfach realisiert werden.
Begriffe und Definitionen
Linearaktor
Der Begriff Linearaktor beschreibt einen Aktor, der eingerichtet ist, eine zum Antrieb nutzbare Verformung, d.h. eine Expansion oder Kontraktion, ausschließlich entlang einer Wirkrichtung auszuführen. Mit der Expansion oder Kontraktion des Aktors kann gegebenenfalls eine Einschnürung oder Aufdickung des Aktors in einer Ebene senkrecht zur Wirkrichtung einhergehen, die aber ungenutzt bleibt und für den Antrieb nicht relevant ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebs in perspektivischer Darstellung. Fig. 1b zeigt die Ausführungsform von Fig. 1a in einer Explosionsdarstellung.
Fig. 2a und 2b zeigen das Verformungsverhalten von piezoelektrischen Linearaktoren in einer Antriebseinheit des erfindungsgemäßen Antriebs anhand einer FEM-Simulation in zwei verschiedenen Zuständen. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Antriebsgruppe mit mehreren Antriebseinheiten für einen Linearantrieb.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Antriebsgruppe mit mehreren Antriebseinheiten für einen Rotationsantrieb.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 1a und 1b zeigen den Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebs an einer bevorzugten Ausführungsform. Im Wesentlichen umfasst der Antrieb mindestens eine Antriebseinheit 1 und einen Läufer 11 . Der Läufer 11 ist in den vorliegenden Figuren nur abschnittsweise als flaches stabförmiges Element dargestellt, kann aber grundsätzlich verschiedene Formen aufweisen. Insbesondere kann der Läufer 11 auch als Ring oder Tisch bzw. Plattform ausgeführt sein.
Die Antriebseinheit 1 umfasst einen ersten piezoelektrischen Linearaktor 2, der auf einer plattenförmigen Basis 5 angeordnet ist. Über einen Träger 6 sind zwei zweite piezoelektrische Linearaktoren 3.1 , 3.2 mit dem piezoelektrischen Linearaktor 2 gekoppelt. Die Linearaktoren 2, 3.1 und 3.2 sind jeweils quaderförmig ausgebildet. Die zwei zweiten Linearaktoren 3.1 und 3.2 sind nebeneinander auf dem Träger 6 angeordnet. Der Träger 6 befindet sich zwischen der oberseitigen Stirnfläche des ersten Linearaktors 2 und den unterseitigen Stirnflächen der beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2. Durch den Träger 6 wird die Anordnung der Linearaktoren demzufolge in zwei Ebenen unterteilt, wobei der erste Linearaktor 2 in einer ersten Ebene und die zwei zweiten Linearaktoren 3.1 und 3.2 in einer oberhalb der ersten Ebene befindlichen zweiten Ebene positioniert sind. Weiterhin ist der erste Linearaktor 2 mehr als doppelt so breit wie einer der zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2, sodass die beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 innerhalb der Breite des ersten Linearaktors 2 angeordnet werden können. Anstatt eines breiten ersten Linearaktors 2 können auch zwei oder mehrere erste Linearaktoren verwendet werden, deren Breite jeweils geringer ist. In der vorliegenden Ausführungsform weisen alle Linearaktoren 2, 3.1 und 3.2 die gleiche Höhe und Tiefe auf, andere Dimensionierungen sind aber denkbar. Vorzugsweise ist jeder der Linearaktoren 2, 3.1 und 3.2 als Stapel-bzw. Mehrschichtaktor ausgebildet, der durch eine alternierende Anordnung aus keramischen Schichten und Innenelektroden aufgebaut ist. Jeder der Linearaktoren 2, 3.1 und 3.2 weist an einer seiner Seitenflächen eine Flächenelektrode zur elektrischen Kontaktierung der Innenelektroden auf.
Weiterhin umfasst die Antriebseinheit 1 ein Friktionselement 4, das auf einer plattenförmigen Basis bereitgestellt ist. Über die plattenförmige Basis steht das Friktionselement mit den oberseitigen Stirnflächen der beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 in Verbindung. Das Friktionselement 4 ist halbkugelförmig oder kuppelförmig ausgebildet und zum Kontakt mit einer ebenen Unterseite des Läufers 11 vorgesehen.
Darüber hinaus umfasst die Antriebseinheit 1 ein Federelement 7, mit dem eine Vorspannung der Linearaktoren 2, 3.1 , 3.2 bewerkstelligt werden kann. Das Federelement 7 ist als Metallstreifen ausgebildet, der an seinen beiden Enden jeweils einen Montageabschnitt zur Befestigung an einer die Antriebseinheit 1 aufnehmenden Rahmenstruktur umfasst. Vorzugsweise weist jeder Montageabschnitt eine Bohrung auf. Ein Mittelabschnitt des Federelements 7 ist parallel zu den Montageabschnitten versetzt und weist eine Bohrung auf, durch die das Friktionselement hindurchragen kann. Im montieren Zustand drückt der Mittelabschnitt des Federelements 7 auf die Basis des Friktionselements 4 und übt somit eine Druckkraft auf die Linearaktoren 2, 3.1 , 3.2 aus, sodass diese einer Vorspannung unterliegen. Ähnlich zum Federelement 7 ist auch der Träger 6 als Metallstreifen ausgebildet, der mithilfe von Montageabschnitten an der Rahmenstruktur befestigt werden kann. Neben Metall sind auch andere Werkstoffe für den Träger 6 und das Federelement 7 denkbar.
Mithilfe eines Steuergeräts können die einzelnen Linearaktoren 2, 3.1 und 3.2 mit geeigneten elektrischen Spannungen angesteuert werden. Dabei ist vorgesehen, dass die Linearaktoren 2, 3.1 und 3.2 so angesteuert werden, dass das Friktionselement 4 sowohl eine Kontaktbewegung hin zum Läufer 11 oder weg von diesem zum Herstellen oder Lösen eines Kontakts mit dem Läufer 11 als auch eine Antriebsbewegung entlang des Läufers 11 zu dessen Antrieb ausführen kann.
Die Kontaktbewegung des Friktionselements 4 kann insbesondere durch eine Ansteuerung des ersten Linearaktors 2 erzeugt werden. Bei Ansteuerung mit einer elektrischen Spannung führt der erste Linearaktor 2 eine Expansion bzw. Kontraktion in einer Richtung senkrecht zur Basis 5 aus. Diese Bewegung wird zunächst über den Träger 6 und schließlich über die beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 auf das Friktionselement 4 übertragen. Folglich ist die Kontaktbewegung des Friktionselements 4 eine Bewegung des Friktionselements in einer Richtung senkrecht zur Basis 5. Eine regelmäßige Schwingung des Friktionselements 4 in der Richtung senkrecht zur Basis 5 wird beispielsweise durch das Anlegen einer sinusförmigen Wechselspannung an den ersten Linearaktor 2 erreicht.
Die Antriebsbewegung des Friktionselements 4 kann durch geeignete Ansteuerung der beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 erzeugt werden. Jeder der beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 ist ebenfalls dazu eingerichtet, bei Ansteuerung mit einer elektrischen Spannung eine Expansion bzw. Kontraktion in einer Richtung senkrecht zur Basis 5 auszuführen. Allerdings werden die beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.1 so angesteuert, dass sie sich gegensätzlich verhalten bzw. gegenphasig schwingen. Dieses Verhalten ist in Fig. 2a und 2b veranschaulicht. Im Zustand, der in Fig. 2a gezeigt ist, ist der erste der zweiten Linearaktoren 3.1 expandiert und der zweite der zweiten Linearaktoren 3.2 kontrahiert. Das Friktionselement 4, das über eine Basis mit beiden zweite Linearaktoren 3.1 , 3.2 verbunden ist, erfährt in diesem Zustand eine Kippbewegung in Richtung des kontrahierten zweiten Linearaktors 3.2. In einem gegensätzlichen Zustand, der in Fig. 2b gezeigt ist, ist der erste der zweiten Linearaktoren 3.1 kontrahiert und der zweite der zweiten Linearaktoren 3.2 expandiert. Das Friktionselement 4 erfährt in diesem Zustand eine Kippbewegung in Richtung des kontrahierten ersten Linearaktors 3.1. Mit den Kippbewegungen des Friktionselements 4 wird folglich eine Antriebsbewegung oder eine Rückstellbewegung in einer Richtung parallel zur Basis 5 ermöglicht. Eine regelmäßige Schwingung des Friktionselements 4 in der Richtung parallel zur Basis 5 wird beispielsweise dadurch erreicht, dass an jede der beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 eine sinusförmige Wechselspannung angelegt wird, wobei diese Wechselspannungen um 180° zueinander phasenversetzt sind. In diesem Fall sind die Polarisationsrichtung der beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 gleich. In einem Fall, in dem die Polarisationsrichtungen der beiden zweiten Linearaktoren 3.1. 3.2 entgegengesetzt zueinander sind, können die beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 mit der gleichen sinusförmigen Wechselspannung ohne Phasenversatz angesteuert werden.
Gemäß der Konfiguration des erfindungsgemäßen Antriebs können die Kontaktbewegung und die Antriebsbewegung des Friktionselements 4 unabhängig voneinander oder überlagert ausgeführt werden. Das heißt, durch die alleinige Ansteuerung des ersten Linearaktors 2 kann das Friktionselement 4 zunächst die Kontaktbewegung in Richtung des Läufers 11 ausführen bis es in Kontakt mit der Unterseite des Läufers 11 gelangt und einen gewissen Anpressdruck auf den Läufer 11 ausübt. Anschließend können die beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 so angesteuert werden, dass das Friktionselement 4, wie oben beschrieben, eine Kippbewegung in einer Richtung parallel zur Unterseite des Läufers 11 ausführt. Das gegen den Läufer 11 gedrückte Friktionselement 4 bewirkt dadurch einen Vortrieb des Läufers 11 in diese Richtung. Durch ein geeignetes Ansteuern des ersten Linearaktors 2 kann der Kontakt zwischen Friktionselement 4 und Unterseite des Läufers 11 wieder gelöst werden. Schließlich können die beiden zweiten Linearaktoren 3.1 , 3.2 so angesteuert werden, dass das Friktionselement 4 eine Kippbewegung in die entgegengesetzte Richtung und folglich eine Rückstellbewegung ausführt. Durch wiederholte Abfolge dieser Ansteuerschritte wird ein kontinuierlicher Vortrieb des Läufers 11 ermöglicht.
Auf der anderen Seite ist es auch möglich, die Linearaktoren 2, 3.1 und 3.2 so anzusteuern, dass sich die Kontaktbewegung und die Antriebsbewegung des Friktionselements 4 überlagern. Im Ergebnis kann so eine elliptische Schwingungsbahn des Friktionselements 4 erzeugt werden, deren Hauptachse gegenüber der Unterseite des Läufers 11 geneigt ist. Schwingt das Friktionselement 4 auf dieser Bahn, wird ebenfalls ein kontinuierlicher Vortrieb des Läufers erreicht.
Fig. 3 zeigt eine Antriebsgruppe 10a, bei der zwei Antriebseinheiten 1 nebeneinander angeordnet und in einem gemeinsamen Rahmen 8a, 9a fixiert sind. Insbesondere ist jede Antriebseinheit 1 auf einem Grundelement 8a angeordnet und über den T räger 6 und das Federelement 7 mit Hilfe von Schrauben an Aufbauelementen 9a befestigt. Die Antriebseinheiten 1 sind entlang der Vorschubrichtung eines Läufers angeordnet und verlängern damit den Stellweg des Läufers oder ermöglichen es, im Falle eines entsprechend langen Läufers, die auf den Läufer wirkende Antriebskraft zu verdoppeln. Die Verwendung von zwei nebeneinander angeordneten Antriebseinheiten ist lediglich beispielhaft. Selbstverständlich können auch drei oder mehr Antriebseinheiten nebeneinander in einem entsprechenden Rahmen angeordnet werden. Auch der Rahmen 8a, 9a kann aus mehrere Elementen bestehen oder sogar einstückig ausgebildet sein, solange er geeignete Aufnahmeabschnitte für die Antriebseinheiten 1 bereitstellt.
Fig. 4 zeigt eine Antriebsgruppe 10b, bei der drei Antriebseinheiten 1 entlang einer Kreisbahn angeordnet und in einem gemeinsamen Rahmen 8b, 9b befestigt sind. Die Befestigung der Antriebseinheiten an dem Grundelement 8b und den Aufbauelementen 9b des Rahmens entspricht im Wesentlichen der in Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben Befestigung. Dadurch, dass die Antriebseinheiten 1 auf einer Kreisbahn angeordnet sind, kann unter Verwendung eines ringförmigen Läufers ein Rotationsantrieb realisiert werden. Ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3, kann auch der Rahmen 8b, 9b der vorliegenden Ausführungsform aus mehreren Elementen bestehen oder einstückig ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste
1 Antriebseinheit
2 piezoelektrischer Linearaktor
3.1 , 3.2 piezoelektrischer Linearaktor
4 Friktionselement
5 Basis
6 Träger
7 Federelement
8a, 8b Grundelement des Rahmens
9a, 9b Aufbauelement des Rahmens
10a, 10b Antriebsgruppe
11 Läufer

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb, umfassend einen Läufer (11), und mindestens eine Antriebseinheit (1), die eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Aktoren (2, 3.1 , 3.2) und ein Friktionselement (4) umfasst, das eingerichtet ist, mit dem Läufer (11) in Kontakt zu gelangen, wobei die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) und das Friktionselement (4) so gekoppelt sind, dass das Friktionselement (4) bei Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) sowohl eine Kontaktbewegung hin zum Läufer (11) oder weg von diesem zum Herstellen oder Lösen eines Kontakts mit dem Läufer (11) als auch eine Antriebsbewegung entlang des Läufers (11) zu dessen Antrieb ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) der Anordnung ein Linearaktor ist.
2. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) und das Friktionselement (4) so gekoppelt sind, dass das Friktionselement (4) bei Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) die Kontaktbewegung und die Antriebsbewegung unabhängig voneinander oder überlagert ausführen kann.
3. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsbewegung in einer Ebene oder entlang einer Achse senkrecht zu einer Achse der Kontaktbewegung erfolgt.
4. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) eine Basis (5) umfasst, die die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) trägt, wobei die Kontaktbewegung vorzugsweise senkrecht zur Basis (5) erfolgt und/oder die Antriebsbewegung parallel zur Basis (5) erfolgt.
5. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) der Anordnung bei Ansteuerung in parallele Richtungen ausgelenkt werden, vorzugsweise parallel zur Achse der Kontaktbewegung.
6. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) ein Mehrschicht- Stapelaktor ist, der ausgebildet ist, eine Auslenkung entlang seiner Stapelachse zu erzeugen, die vorzugsweise parallel zur Achse der Kontaktbewegung orientiert ist.
7. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) separat ansteuerbaren Aktoreinheiten (2, 3) zugeordnet sind, wobei das Friktionselement (4) bei Ansteuerung einer ersten Aktoreinheit (2) mit wenigstens einem der piezoelektrischen Aktoren (2) die Kontaktbewegung ausführt und bei Ansteuerung einer zweiten Aktoreinheit mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei, anderen der piezoelektrischen Aktoren (3.1 , 3.2) die Antriebsbewegung ausführt.
8. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) innerhalb der Anordnung in mehreren, vorzugsweise zwei, Ebenen bereitgestellt sind, wobei vorzugsweise alle piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) derselben Aktoreinheit (2, 3) in derselben Ebene angeordnet sind.
9. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Ebenen ein Träger (6) angeordnet ist und die piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) der verschiedenen Ebenen über den T räger (6) miteinander gekoppelt sind.
10. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Friktionselement (4) mit zwei innerhalb der Anordnung nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Aktoren (3.1 , 3.2) verbunden ist, vorzugsweise über eine Basis, die das Friktionselement (4) trägt.
11 . Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1 ) in einem Rahmen (8a, 8b, 9a, 9b) befestigt ist, vorzugsweise über einen Träger (6), der die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) durchdringt, und/oder ein Federelement (7), das die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) gegen den Rahmen (8a, 8b, 9a, 9b) vorspannt und besonders bevorzugt eine Ausnehmung aufweist, durch die das Friktionselement (4) hindurchragt.
12. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) drei piezoelektrische Aktoren umfasst, wobei ein piezoelektrischer Aktor (2) in einer ersten Ebene an- geordnet ist und zwei piezoelektrische Aktoren (3.1 , 3.2) in einer über der ersten Ebene befindlichen zweiten Ebene angeordnet sind, wobei die zwei piezoelektrischen Aktoren (3.1 , 3.2) der zweiten Ebene nebeneinander angeordnet sind.
13. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Antriebseinheiten (1) in einer Richtung parallel zur Richtung der Antriebsbewegung nebeneinander angeordnet sind oder dass mindestens drei Antriebseinheiten (1) entlang einer Kreisbahn angeordnet sind.
14. Piezoelektrischer Lauf- und Resonanzantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein Steuergerät zur Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren (2, 3.1 , 3.2) mit elektrischen Steuerspannungen aufweist.
15. Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Lauf- und Resonanzantriebs, der umfasst: einen Läufer (11), und mindestens eine Antriebseinheit (1), die eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Linearaktoren (2, 3.1 , 3.2) und ein Friktionselement (4) umfasst, das eingerichtet ist, mit dem Läufer in Kontakt zu gelangen, wobei mindestens ein piezoelektrischer Linearaktor (2) der Anordnung so angesteuert wird, dass das Friktionselement (4) eine Kontaktbewegung hin zum Läufer oder weg von diesem ausführt, um einen Kontakt mit dem Läufer herzustellen oder zu lösen, und mindestens ein anderer piezoelektrischer Linearaktor (3.1 , 3.2), vorzugsweise zwei andere piezoelektrische Linearaktoren (3.1 , 3.2), der Anordnung so angesteuert wird/werden, dass das Friktionselement (4) eine Antriebsbewegung entlang des Läufers (11) ausführt.
16. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei piezoelektrischen Linearaktoren (3.1 , 3.2), die die Antriebsbewegung des Friktionselements (4) bewirken, so angesteuert werden, dass sie sich gegenphasig verhalten.
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