Beschreibung

Elektromechanischer Motor, insbesondere piezoelektrischer Mikroschrittantrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Motor, insbesondere einen piezoelektrischen Stellantrieb.

Das Cockpit eines Kraftfahrzeugs versucht ein optimales Zu- sammenspiel von Design und Technik zu realisieren. Im Blick ^¬ feld des Fahrers liegen dabei verschiedene Zeigerinstrumente. Diese Zeigerinstrumente müssen sowohl unterschiedlichen tech ^¬ nischen Anforderungen genügen als auch einen konkurrenzfähi ^¬ gen Preis für die Massenproduktion von Kraftfahrzeugen besit- zen. Ein Beispiel für ein derartiges Zeigerinstrument ist das "Messwerk 2000" der Firma Siemens VDO.

Das "Messwerk 2000" basiert auf einem mit einem einstufigen Schneckenradgetriebe untersetzten Schrittmotorantrieb. Der vierpolige Schrittmotor wird durch zwei um 90° im Phasenwin ^¬ kel zueinander phasenverschobene sinusartige Spulenstromver- laufe als Funktion der Zeit angesteuert. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung bestimmt die Drehrichtung und die Frequenz die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle. Im Rahmen einer vol- len Periode von 360° der sinusartigen Stromverlaufe können bis zu 128 Zwischenstufen reproduzierbar eingestellt werden. Die Nutzung dieser Zwischenstufen wird als Mikroschrittbe- trieb bezeichnet.

Ein kompletter Stellantrieb "Messwerk 2000", der den oben charakterisierten Schrittmotor beinhaltet, besteht aus zwölf Einzelteilen. Der Schrittmotor selbst setzt sich aus zwei Spulen mit einem gemeinsamen Statorblech und einem Permanent ^¬ magnetrotor zusammen. Hinsichtlich der Bauteilkosten schlagen die Spulen und der Permanentmagnet am stärksten zu Buche. Entscheidend für den Preis sind neben den Materialkosten ebenfalls die Herstellungskosten, die naherungsweise propor ^¬ tional zur Anzahl der Komponenten des Stellantriebs zunehmen.

Aus der EP 1 098 429 Bl ist ein nach einem neuen Motorprin ^¬ zip, das heißt ohne rotierende Spulen, arbeitender elektrome- chanischer Motor bekannt, bei dem wahrend des Betriebs durch eine zeitlich versetzte Betätigung von mindestens zwei elekt- romechanischen Antriebselementen ein Antriebsring umlaufend verschoben wird, so dass durch einen unmittelbaren Kraftuber- trag vom Antriebsring auf die - insbesondere innerhalb des Antriebsrings befindliche - Welle diese gedreht wird. Die um- laufenden Verschiebebewegungen des Antriebsrings können durch einen z. B. piezoelektrisch, magnetostriktiv, elektrostriktiv oder elektrodynamisch angetriebenen Aktor hervorgerufen wer ^¬ den, so dass ein hinsichtlich der Materialkosten und Herstel ^¬ lungskosten besser für die Massenproduktion geeigneter Stel- lantrieb resultiert. Die Piezoaktoren werden so am Antriebs ^¬ ring angebracht, dass ihr jeweiliger Hub radial auf den An ^¬ triebsring wirkt, wobei gegebenenfalls noch weitere Maßnahmen ergriffen werden, um eine möglichst symmetrische Krafteinlei ^¬ tung auf den Antriebsring zu erreichen.

Unter den zuletzt genannten technischen Umstanden ergibt sich zwar ein hinsichtlich der Funktion optimierter Antrieb mit besten Gleichlaufeigenschaften (Konstanz der Drehgeschwindig ^¬ keit unabhängig von der momentanen Stellung der Welle) ohne Drehmomentschwankungen. Insbesondere die Langserstreckung und die radiale Anordnung der Biegeaktoren bringt es dabei jedoch mit sich, dass die ebenen Antriebsvarianten einen erheblichen Platzbedarf in der Ebene erfordern und zumeist wenig kompakt erscheinen. Kompakte ebene Antriebe werden aber aufgrund der in Cockpitinstrumenten vorgegebenen sehr beengten Bauraumverhaltnisse dringend benotigt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen hinsichtlich Teilezahl, Fertigungsaufwand, Bauraumbedarf und Funktionalitat optimierten Schrittantrieb, insbesondere einen Kleinstellantrieb für Messwerke von Cockpitinstrumenten, be ^¬ reitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Motor, insbesondere einen piezoelektrischen Mikroschrittmotor, gemäß Patentanspruch 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhangigen Ansprüchen hervor.

Der erfindungsgemaße elektromechanische Schrittantrieb weist die folgenden Merkmale auf:

Zwei elektromechanische, vorzugsweise piezoelektrische, An ^¬ triebselemente (Aktoren) , die annähernd senkrecht zueinander ausgerichtete Wirkrichtungen aufweisen, und eine in einem An ^¬ triebsring derart drehbar gelagerte Welle, dass der Antriebs- ring durch eine Auslenkung der piezoelektrischen Antriebsele ^¬ mente in die jeweilige Wirkrichtung zu einer unmittelbar auf die Welle übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, so dass die Welle im Antriebsring abrollt und dadurch rotiert. Weiterhin ist der Antriebsring mittels zweier zueinander und zu einer der beiden Wirkrichtungen parallelen Zug-Druckstabe, die jeweils zu ihren beiden Enden hin jeweils ein Gelenk auf ^¬ weisen, an die Enden eines Diagonalstabes angebunden ist, so dass der Antriebsring relativ zum Diagonalstab in Form einer Scherung in die andere, also zu den beiden Zug-Druckstaben senkrechte, Wirkrichtung verschiebbar ist. Außerdem sind die diametral gegenüberliegenden Enden des sich mindestens ab ^¬ schnittsweise schräg zu den beiden Wirkrichtungen erstrecken ^¬ den Diagonalstabes jeweils mittels eines zu der anderen Wirk ^¬ richtung parallelen Zug-Druckstabs, der zu seinen beiden En- den hin jeweils ein Gelenk aufweist, an jeweils ein Fixier ^¬ element angebunden, wobei das Fixierelement des einen Stabes und die Anbindungsstelle des anderen Stabes an den Diagonal ^¬ stab - und umgekehrt - einander jeweils in etwa entlang einer Parallele zu der einen Wirkrichtung gegenüberliegen, so dass der Diagonalstab relativ zu den Fixierelementen in die eine Wirkrichtung verschiebbar ist.

Die erfindungsgemaße Ringaufhangung kombiniert eine (den An-

triebsring teilweise umrahmende) Parallelaufhangung für die eine der beiden Wirkrichtungen mit einer Diagonalaufhangung für die andere, zur ersten senkrechte, Wirkrichtung und er ^¬ möglicht aufgrund der spezifischen, gelenkigen Anbindung ih- rer Elemente bzw. Teile relativ zueinander die gewünschte Ki ^¬ nematik. Als Konsequenz aus der Struktur der Anbindung des Antriebsringes an den Diagonalstab in Kombination mit der Struktur der Anbindung des Diagonalstabes an ein Gehäuse oder damit mechanisch steif verbundene Teile ist der Antriebsring relativ zum Gehäuse in der x-y-Ebene nahezu kraftefrei in je ^¬ de Richtung verschiebbar, aber torsionssteif gelagert. Die Gesamtstruktur wird hier als Tangentialkinematik bezeichnet. Als besonders bemerkenswert wird der stringent planare Aufbau der erfindungsgemaßen Ringaufhangung beziehungsweise x-y-Kinematik angesehen, der auf parallel zur Ebene des An ^¬ triebsringes anzuordnende Elemente, wie zum Beispiel Abstandshalter, verzichten kann.

Jedes am Antriebsring angreifende Drehmoment wird durch die Tangentialkinematik an das Gehäuse übertragen, ohne dass da ^¬ bei der Ring nennenswert rotiert wird. Infolgedessen muss, im Gegensatz zum Stand der Technik, nicht mehr auf die radiale Krafteinleitung der durch die Biegeaktoren bereitgestellten Kräfte in den Antriebsring bezuglich des Mittelpunktes der Ringbohrung geachtet werden, da das durch die nichtradiale, exzentrische Krafteinleitung hervorgerufene Drehmoment auf den Antriebsring durch die Tangentialkinematik und das Gehäu ^¬ se im Wesentlichen torsionsfrei aufgenommen wird. Dies eröff ^¬ net die Möglichkeit einer platzsparenden Anordnung der An- triebselemente, insbesondere entlang der Seiten oder Hälften des Antriebsringes, also beispielsweise parallel zu zwei über Eck angeordneten Seiten eines (nach außen) rechtwinkligen An ^¬ triebsringes. Dadurch ist ein sehr kompakter, bauraumsparen ^¬ der Aufbau des Schrittantriebes realisierbar. Der erfindungs- gemäße Schrittantrieb zeichnet sich weiterhin durch eine sehr geringe Anzahl von einfachen Bauteilen aus, so dass der für die Massenproduktion besonders geeignet ist. Ferner wird eine aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung von Kunststoff und

Aktor auftretende thermische Verstimmung des Antriebs konstruktiv sicher abgefangen. Durch Formschluß, z. B. mittels einer zwischen Antriebsring und Welle ausgebildeten Verzah ^¬ nung, wird eine sehr hohe Stellgenauigkeit des erfindungsge- maßen Antriebs im rein gesteuerten Betrieb erreicht, ohne Sensoren und einen Regelkreis in Anspruch nehmen zu müssen.

Erfindungsgemaß wird - zugunsten der Optimierung der Kompakt ^¬ heit - keine unbedingt vollkommene symmetrische Krafteinlei- tung auf den Antriebsring angestrebt. Die sich hinsichtlich der Funktion daraus gegebenenfalls ergebenden Konsequenzen, z. B. leichte Gleichlauf- und Drehmomentschwankungen, können durch weitere Maßnahmen soweit reduziert werden, dass die Kundenspezifikationen weiterhin eingehalten werden. Insbeson- dere können kleine Drehzahlschwankungen (Abweichungen vom

Soll) durch eine den reinen Sinusverlauf modulierende Ansteu ^¬ erung der Antriebselemente ausgeglichen werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfin- düng sind die Gelenke der Zug-Druckstabe der Ringaufhangung jeweils als ein Festkorpergelenk ausgebildet. Die Festkorper- gelenke können jeweils durch eine Verjüngung des Querschnit ^¬ tes der Zug-Druckstabe in einem kurzen Abschnitt gebildet sein, was insbesondere fertigungstechnisch von Vorteil ist.

Mit Blick auf die geometrische Implementierung der Tangenti- alkinematik ist es gunstig, die parallel zu der einen Wirk ^¬ richtung angeordneten Zug-Druckstabe entlang gegenüberliegen ^¬ der Seiten oder Hälften des Antriebsringes anzuordnen und je- weils an eine Verstärkung des Antriebsringes anzubinden, die an einer vom Diagonalstab abgewandten Seite oder Hälfte des Antriebsringes angeordnet ist. Dabei ist es weiterhin guns ^¬ tig, die Lange des zwischen Antriebsring und Diagonalstab an ^¬ geordneten, zu der anderen Wirkrichtung parallelen Zug-Druck- Stabes kleiner als den Abstand zwischen den beiden parallel zu der einen Wirkrichtung angeordneten Zug-Druckstaben zu wählen .

Eine gunstige geometrische Anordnung hinsichtlich des Diago ^¬ nalstabs lasst sich dadurch erreichen, dass der Diagonalstab aus einem annähernd parallel zu der anderen Wirkrichtung an ^¬ geordneten Mittelstuck und aus Endabschnitten besteht, die zum Mittelstuck hin abgewinkelt sind, wobei die Endabschnitte mit gleichem Drehsinn abgewinkelt sind, so dass die Enden des Diagonalstabes einander in etwa diametral gegenüberliegen.

Geometrisch vorteilhaft, das heißt im Wesentlichen in ferti- gungstechnischer Hinsicht, ist es weiterhin, das Fixierele ^¬ ment, das den parallel zu der anderen Wirkrichtung angeordne ^¬ ten, entlang der vom Antriebsring abgewandten Seite des Dia ^¬ gonalstabes verlaufenden Zug-Druckstab anbindet, an einem an ^¬ nähernd rechteckigen mechanisch steifen Rahmenteil zu befes- tigen. In einer Weiterbildung dieser Ausfuhrungsform ist das Rahmenteil als ein Gehauseteil des Schrittantriebs ausgebil ^¬ det ist. Hinsichtlich des anderen Fixierelementes, das den parallel zu der anderen Wirkrichtung angeordneten, entlang der zum Antriebsring gewandten Seite des Diagonalstabes ver- laufenden Zug-Druckstab anbindet, ist eine Integration in ei ^¬ nem Bodenelement und/oder Deckel eines Gehäuses des Schritt ^¬ antriebs vorteilhaft, wobei das zur Anbindung an das Fixier ^¬ element vorgesehene Ende des Zug-Druckstabes mit einem am Fi ^¬ xierelement angebundenen Endstuck versehen ist. Das Endstuck stellt demnach auf einfache Weise eine punktuelle, die we ^¬ sentlich planare Struktur der Ringaufhangung nicht durchbre ^¬ chende, Verbindung zwischen der Ebene des Antriebsringes und dem Deckel oder Bodenelement eines Gehäuses her.

Die zwei elektromechanischen Antriebselemente können beson ^¬ ders vorteilhaft als Biegewandler, vorzugsweise piezoelektri ^¬ sche Biegewandler, ausgestaltet sein.

Derartige Festkorper-Biegeaktoren auf Basis piezoelektrischer Keramikwerkstoffe werden in verschiedenartigen Bauformen seit vielen Jahren vielseitig in der Industrie eingesetzt. Sie zeichnen sich durch eine kleine Bauform, einen niedrigen Energiebedarf und eine hohe Zuverlässigkeit aus. So zeigt

beispielsweise ein piezoelektrischer Biegeaktor eine Lebens ^¬ dauer von mindestens 10 ⁹ Zyklen im industriellen Umfeld. Die in einem Kleinstellantrieb für beispielsweise Zeigerinstru ^¬ mente zum Einsatz kommenden Biegewandler werden typischerwei- se so dimensioniert, dass sie an ihrem bewegten Ende eine freie Auslenkung im Bereich von ca. 0,2 mm bis 2 mm aufwei ^¬ sen. Zudem wird im Fall der Auslenkungsblockierung des frei bewegbaren Endes des Biegewandlers eine Blockierkraft im Be ^¬ reich von 0,5 N bis 2 N erreicht. Die naherungsweise geradli- nige Auslenkung der Biegewandler erfolgt jeweils transversal bezogen auf ihre größte Langserstreckung. Die Richtung der Auslenkung, die der Wirkrichtung des Biegewandlers entspricht, ist somit annähernd orthogonal zur Langsachse des Biegewandlers .

Eine besonders kompakte Variante des erfindungsgemaßen Schrittantriebs ergibt sich durch eine Anordnung, bei der an die Verstärkungen am Antriebsring jeweils ein parallel zu der einen beziehungsweise anderen Wirkrichtung angeordneter, ent- lang einer Seite oder Hälfte des Antriebsringes verlaufender Zug-Druckstab angebunden ist, der zu seinen beiden Enden hin jeweils ein Festkorpergelenk aufweist, und an dessen von der Verstärkung abgewandtem Ende jeweils das bewegte Ende eines senkrecht zum jeweiligen Zug-Druckstab angeordneten, entlang einer Seite oder - bei einem nicht rechtwinklig ausgebildeten Antriebsring - entlang einer Hälfte des Antriebsringes ver ^¬ laufenden Biegewandlers angekoppelt ist. Durch diese scher ^¬ flexible Anlenkung der beiden elektromechanischen, vorzugs ^¬ weise piezoelektrischen, Antriebselemente an den Antriebsring ergibt sich der Vorteil, dass ihre Bewegungsrichtungen ent ^¬ koppelt voneinander sind, so dass sich die Antriebselemente in ihrer Bewegung nicht oder vernachlassigbar gering behin ^¬ dern. Bei der Krafteinleitung treten also keine Verlustener ^¬ gien auf. Außerdem ist die Anordnung beziehungsweise Anlen- kung der Biegewandler gemäß dieser Ausfuhrungsform sehr platzsparend.

Gemäß einer Weiterbildung der Ausfuhrungsformen mit Biegewandlern ist es vorteilhaft, Gehauseteile, den Antriebsring, die Zug-Druckstabe und den Diagonalstab als ein einstuckig in Kunststoffspritzgusstechnik gefertigtes Antriebsmodul auszu- bilden, wobei die Biegewandler mit in das Antriebsmodul ein ^¬ gespritzt sind. Die Realisierung des Antriebsmoduls in Kunst ^¬ stoffspritzgusstechnik ist einfach und kostengünstig, wobei durch die Einbeziehung der Biegeaktoren in den Einspritz- Ar ^¬ beitsgang die Anzahl der Fertigungsschritte noch weiter redu- ziert wird.

Zur steifen Lagerung des Antriebsmoduls bzw. zur drehbaren Lagerung der zugehörigen Welle ist es vorteilhaft, ein annä ^¬ hernd quaderförmiges Gehäuse mit einem Bodenelement und einem Deckel vorzusehen, wobei im Bodenelement ein zentraler Lager ^¬ block mit einer Anlageflache und mit einer ersten Lagerboh ^¬ rung und im Deckel eine zweite Lagerbohrung für die Welle vorgesehen ist, und wobei die Fixierelemente derart im Gehäu ^¬ se angeordnet und dort befestigt oder integriert sind, dass die mindestens eine zylindrische Abrollflache der Welle in einer zugehörigen Abrollflache einer Ringbohrung des Antriebsringes abrollen kann.

Die bevorzugten Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:

Fig. IA und IB eine Ausfuhrungsform eines in einem Gehause ^¬ rahmen fixierten Antriebsmoduls für den erfindungsgemaßen Schrittantrieb jeweils in Draufsicht bzw. in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2A und 2B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, das dortige Antriebsmodul, jedoch mit eingesetzten Biegeaktoren,

Fig. 3A eine Draufsicht auf ein Antriebsmodul mit einem in x-Richtung und, Fig. 3B, einem in y-Richtung ausgelenkten An ^¬ triebsring,

Fig. 4A und 4B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, ein Gehause-Bodenelement zur Lagerung der Welle und des Antriebs ^¬ moduls ,

Fig. 5A und 5B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, einen zum Gehäuse gemäß Figur 1 bzw. 4 passenden Deckel,

Fig. 6A und 6B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, eine Ansicht einer Bugelfeder,

Fig. 7A und 7B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, eine Welle für den erfindungsgemaßen Schrittantrieb,

Fig. 8 einen axialen Querschnitt entlang der z-Achse durch den gehausten Antrieb im zusammengebauten Zustand.

Erfindungsgemaß wird ein piezoelektrischer Schrittmotor vor ^¬ gestellt, der es erlaubt, durch eine überlagerung geeigneter periodischer Linearbewegungen der Biegewandler eine kontinu ^¬ ierliche und gleichförmige Rotation zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden die Biegewandler 19a, 19b, vgl. Figur 2, mittels einer eine Verschiebbarkeit in der x-y-Ebene gewahrleistenden Ringaufhangung, in der die erfindungsgemaße Tangentialkinema- tik implementiert ist, derart an einen flachen Antriebsring 1 angekoppelt, dass dieser entlang der zueinander senkrechten Wirkrichtungen x und y der Biegewandler 19a, 19b (vgl. Figur 2) translatierbar ist. Die im Wesentlichen aus dem (im Rahmenteil 8 integrierbaren) Fixierelement 12 zusammen mit dem Antriebsring 1, dem Diagonalstab 4, den Zug-Druckstaben 3a, 3b, 6a, 6b, IIa, IIb und, gegebenenfalls, den integrier ^¬ ten Biegewandlern 19a, 19b, gebildete Einheit wird im Folgen ^¬ den als 'Antriebsmodul' bezeichnet. Das Antriebsmodul ist mit Hilfe einer Spritzgusstechnik aus Polyethylen, Spritzguss- Kunststoff, POM oder aus anderen geeigneten Werkstoffen herstellbar.

Figur 1 zeigt die im Wesentlichen planare und deshalb einfach

herstellbare Struktur des Antriebsmoduls in der Draufsicht und in der Perspektive. Es besteht zunächst aus einem Antriebsring 1, der eine zylindrische Ringbohrung 2 enthalt, deren Achse z. B. mit der z-Achse eines kartesischen Koordi- natensystems zusammenfallt, dessen x-y-Ebene sich parallel zur Blattebene erstreckt. Der Antriebsring 1 ist beispiels ^¬ halber rechtwinklig ausgebildet und mit seinen (Außen) kanten beziehungsweise Seiten 14 parallel zu den beiden zueinander senkrechten Wirkrichtungen der Antriebselemente 19a, 19b aus- gerichtet. Der Antriebsring 1 ist mittels zweier in etwa zu ^¬ einander parallel verlaufender und in ihrer Langserstreckung in etwa parallel zur x-Richtung ausgerichteter Zug-Druckstabe 3a, 3b mit einem mechanisch hinreichend steifen Diagonalstab 4 verbunden. Die Anbindung der Zug-Druckstabe 3a, 3b an den Antriebsring 1 und an den Diagonalstab 4 erfolgt mittels so genannter Festkorpergelenke 5. Festkorpergelenke ermöglichen, wie gewohnliche Gelenke (allerdings nur innerhalb eines be ^¬ grenzten Winkelbereiches, dafür aber spielfrei) eine nahezu ungehinderte Rotation der angeschlossenen Elemente relativ zueinander. Ihre Funktion basiert auf dem Biegeprinzip. Er ^¬ reicht wird die lokale Biegung durch eine gezielte Verringe ^¬ rung des Stabquerschnittes in einem kurzen Abschnitt. Der re ^¬ duzierte Stabquerschnitt fuhrt zu einer stark reduzierten Biegesteifigkeit . Da die Querschnittsverjungung sehr lokali- siert ist, wird die axiale Federrate (Steifigkeit) des Stabes aber kaum verringert. Die Querschnittsverjungung kann in der (Blatt-) Ebene und/oder auch als Taillierung senkrecht zur Blattebene erfolgen. Die geometrische Ausgestaltung der Fest ^¬ korpergelenke hinsichtlich axialer Steifigkeit und Drehstei- figkeit, sowie Grad der Lokalisierung und deren Einfluss auf die Funktion und Herstellbarkeit des Stellantriebs kann zum Beispiel mit Hilfe von Finite Elemente Modellen noch hinsichtlich des jeweiligen Einsatzfalles optimiert werden.

Die paarweise in etwa parallel zueinander und parallel zur x-Achse verlaufende Anordnung der Stabelemente 3a, 3b in Kom ^¬ bination mit ihrer Anbindung an den mechanisch hinreichend steifen Antriebsring 1 und an den mechanisch hinreichend

steifen Diagonalstab 4 durch Festkorpergelenke 5 hat zur Fol ^¬ ge, dass der Antriebsring 1 relativ leicht (d. h. nahezu kraftefrei) relativ zum Diagonalstab 4 in Form einer Scherung in y-Richtung verschoben werden kann. Einer Torsion des An- triebsringes 1 und einer Verschiebung des Ringes in x-Rich- tung relativ zum Diagonalstab 4 setzt diese Struktur sehr ho ^¬ hen Widerstand entgegen.

Die beiden diametral gegenüberliegenden Enden des Diagonal- Stabes 4 sind mittels zweier in etwa parallel zueinander ver ^¬ laufender und in ihrer Langserstreckung in etwa parallel zur y-Richtung ausgerichteter Zug-Druckstabe 6a, 6b mit dem Ge ^¬ häuse des Schrittantriebs verbunden. Im Falle des Stabes 6a erfolgt die Gehauseanbindung beispielsweise über ein sich teilweise senkrecht zum Stab 6a erstreckendes Endstuck 7 des Stabes 6a, das steif mit einem hier nicht dargestellten Bo ^¬ den-, und/oder Deckelelement eines Gehäuses mechanisch hin ^¬ reichend steif kraft- oder formschlussig verbunden ist, z. B. durch Verpressen, Verstiften, Schweißen, Kleben etc. Der Stab 6b ist an seinem von der Anbindung an den Diagonalstab 4 ab ^¬ gewandten Ende mit einem Rahmenteil 8 verbunden. Das Rahmen ^¬ teil 8 kann integraler Bestandteil eines (weiter unten in Fi ^¬ gur 8 dargestellten) Gehäuses sein oder mit diesem hinrei ^¬ chend steif verbunden sein. Die Anbindung der mechanisch steifen Zug-Druckstabe 6a, 6b an das Rahmenteil 8, das End ^¬ stuck 7 beziehungsweise an den Diagonalstab 4 erfolgt eben ^¬ falls über Festkorpergelenke 5.

Die zueinander paarweise, und zur y-Achse in etwa parallele Anordnung der Stabelemente 6a, 6b, wobei sich die Anbindungs- stellen der Stabe 6a, 6b an entgegengesetzten Enden des Dia ^¬ gonalstabes 4 befinden, und wobei die Anbindung eines Stabes ans Gehäuse (oder einer damit steif verbundenen Komponente) in etwa auf gleicher Hohe (y-Koordinate) mit der Anbindung des anderen Stabes an den Diagonalstab 4 zu liegen kommt, und wobei die Stabanbindungen der Stabelemente 6a, 6b an allen vier Enden mittels Festkorpergelenken 5 erfolgen, bedingt, dass der Diagonalstab 4 ohne nennenswerten Widerstand (d. h.

nahezu kraftefrei) relativ zum Gehäuse in x-Richtung verscho ^¬ ben werden kann. Einer Torsion des Diagonalstabes 4 und einer Verschiebung des Diagonalstabes in y-Richtung relativ zum Ge ^¬ häuse setzt diese Struktur sehr hohen Widerstand entgegen.

Als Konsequenz aus der Struktur der Anbindung des Antriebs ^¬ ringes 1 an den Diagonalstab 4 in Kombination mit der Struk ^¬ tur der Anbindung des Diagonalstabes an das Gehäuse oder da ^¬ mit mechanisch steif verbundener Teile (z.B. Endstuck 7, Rah- menteil 8) ist der Antriebsring 1 relativ zum Gehäuse in der x-y-Ebene nahezu kraftefrei in jede Richtung verschiebbar, aber torsionssteif gelagert. Jedes am Antriebsring 1 angrei ^¬ fende Drehmoment wird durch die erfindungsgemaße Tangential- kinematik an das Gehäuse übertragen, ohne dass dabei der Ring nennenswert rotiert wird. Die verursachten Auslenkungen in der Ringaufhangung bewegen sich im Bereich von nur ca. hun ^¬ dert Mikrometer.

Das Rahmenteil 8 bildet in diesem Ausfuhrungsbeispiel gleich- zeitig einen Teil des Antriebsgehauses und kann gegebenen ^¬ falls Verstärkungen 16, 17 aufweisen (z.B. in den Ecken und Kanten) . Das Rahmenteil 8 kann zur Befestigung des Stellan ^¬ triebs, insbesondere des Fixierelementes 12 dienen und wird daher als raumfest angenommen. Wie in Figur 1 weiterhin zu erkennen ist, enthalten die Verstärkungen 16 und 17 des Rah ^¬ menteiles 8 Aufnahmen 9a bzw. 9b zur torsionssteifen Befesti ^¬ gung von streifenförmigen elektromechanischen (beispielsweise piezoelektrischen) Biegeaktoren. Im Rahmenteil 8 können hier nicht gezeigte Maßnahmen vorgesehenen sein, um die Biegeakto- ren an ihrem (im Rahmenteil 8) ruhenden Ende elektrisch zu kontaktieren (z.B. Druckkontaktstifte, Klemmkontakte, Bugel- federkontakte etc.) . Alternativ können die Biegeaktoren auch im bewegten Bereich bzw. an ihrem entgegengesetzten bewegten Ende elektrisch angeschlossen sein.

Zur Aufnahme der bewegten Enden der mit ihren ruhenden Enden in die Aufnahmen 9a, 9b des Rahmenteils 8 einzusetzenden Bie ^¬ geaktoren sind geeignete Aufnahmekorper 10a, 10b vorgesehen,

die jeweils über eine Sequenz bestehend aus einem Festkorper- gelenk 5, einem starren Zug-Druckstab IIa, IIb und einem wei ^¬ teren Festkorpergelenk 5 am Antriebsring 1 befestigt werden.

Figur 2 zeigt das Antriebsmodul mit eingesetzten Festkorper- biegeaktoren 19a, 19b, die im Folgenden nur kurz Aktor genannt werden. In der dargestellten beispielhaften Konfiguration sind die Aktoren 19a, 19b an ihrem ruhenden Ende mecha ^¬ nisch steif im Rahmenteil 8 befestigt und in etwa orthogonal zueinander angeordnet. Die Steifigkeit der Anbindung der Ak ^¬ toren 19a, 19b an das Rahmenteil 8 kann durch Verstärkungen 16, 17 des Rahmenteils 8 erhöht werden. Wird ein Aktor 19a, 19b elektrisch angesteuert, so vollzieht er eine Biegebewe ^¬ gung, wobei sein bewegtes Ende im Wesentlichen eine Bewegung senkrecht zu seiner Langserstreckung ausfuhrt. Die Bewegungs ^¬ richtung der Aktoren 19a, 19b wird auch mit Wirkrichtung be ^¬ zeichnet .

Daher lenkt sich der Biegeaktor 19a bei elektrischer Ansteue- rung in x-Richtung aus bzw. erzeugt bei Widerstand eine Kraft in x-Richtung. Diese Bewegung bzw. Kraft wird mechanisch steif durch den Zug-Druckstab IIa auf den starren Antriebs ^¬ ring 1 übertragen. Der Biegeaktor 19b lenkt sich bei elektri ^¬ scher Ansteuerung in y-Richtung aus bzw. erzeugt bei Wider- stand eine Kraft in y-Richtung. Diese Bewegung bzw. Kraft wird mechanisch steif durch den Zug-Druckstab IIb auf den starren Antriebsring 1 übertragen. Die Anbindung der Zug- Druckstabe IIa, IIb an die Aufnahmekorper 10a, 10b und dar ^¬ über an den Antriebsring 1 mittels Festkorpergelenken 5 be- wirkt, dass die Biegeaktoren 19a, 19b völlig unabhängig von ^¬ einander wirken und sich nicht gegenseitig beeinflussen kön ^¬ nen. Die Aktoren müssen also insbesondere nicht gegen die vergleichsweise hohe mechanische Steifigkeit des jeweils an ^¬ deren Biegewandlers arbeiten. Die Bewegungen der Biegewandler 19a, 19b sind also entkoppelt.

Wird ein Biegeaktor elektrisch angesteuert, so biegt er sich naherungsweise in Form eines Kreisbogens, wodurch sich die

Tangentensteigung der Biegelinie am bewegten Ende des Biegeaktors ändert. Diese Art der „Drehbewegung", wird durch die Festkorpergelenke 5 sicher abgefangen. Ebenso wird eine ände ^¬ rung der Biegerlange relativ zum Antriebsmodul (hervorgerufen z.B. durch unterschiedliche thermische Dehnung der Materia ^¬ lien der Tangentialkinematik, des Gehäuses und der Biegeakto ^¬ ren 19a, 19b) durch die Zug-Druckstabkopplung IIa, IIb mit Festkorpergelenken 5 sicher abgefangen, indem die Stabe IIa, IIb minimal rotiert werden, ohne dass hierdurch deren Kraft- bzw. Wegubertragungsfunktion merklich beeinträchtigt wird.

Figur 3A zeigt die Reaktion (Deformation) der Tangentialkine ^¬ matik bei Ansteuerung von Biegeaktor 19a zu einer Auslenkung parallel zur positiven x-Richtung. Der Diagonalstab 4 wird durch die Zug-Druckstabe 3a, 3b in positive x-Richtung ver ^¬ schoben. Als Ergebnis gilt es festzuhalten, dass der Antriebsring 1 der x-Bewegung des bewegten Endes von Aktor 19a unmittelbar folgt ohne zu tordieren, wobei die Struktur der Aufhangung des Diagonalstabes 4 die notige Fuhrung und Flexi- bilitat gewahrleistet. Möglich wäre auch eine alternative

Ausfuhrungsform, bei der sich die Enden des Diagonalstabes 4 von "links oben" nach "rechts unten", also umgekehrt wie in den in den Figuren 1 bis 8 gezeigten Ausfuhrungsbeispielen dargestellt, diametral gegenüberstehen.

Figur 3B zeigt die Reaktion (Deformation) der Tangentialkine ^¬ matik bei Ansteuerung von Biegeaktor 19b zu einer Auslenkung parallel zur negativen y-Richtung. Als Ergebnis gilt es fest ^¬ zuhalten, dass der Antriebsring 1 der y-Bewegung des bewegten Endes von Aktor 19b unmittelbar folgt ohne zu tordieren, wo ^¬ bei die Struktur der Aufhangung des Ringes 1 am Diagonalstab 4 die hierfür notige Fuhrung und Flexibilität gewahrleistet.

Insgesamt bewegen die Biegeaktoren 19a und 19b den Antriebs- ring 1 völlig unabhängig voneinander in x- bzw. y-Richtung relativ zum Gehäuse. Eine Ringtorsion wird durch die Tangen ^¬ tialkinematik unterbunden. Es resultiert eine sehr kompakte und stringent planare Struktur des Antriebsmoduls mit einer

sehr geringen Anzahl von einfachen Bauteilen. Das Antriebsmo ^¬ dul ist deshalb auch produktionsfreundlich. Das Antriebsmodul kann beispielsweise einfach und kostengünstig in Kunststoff ^¬ spritzgusstechnik realisiert werden und besonders vorteilhaft können die Biegeaktoren 19a, 19b in einem Arbeitsgang mit in den Antriebsmodul eingespritzt werden, wodurch die Anzahl der Fertigungsschritte weiter reduziert wird. Im übrigen fangt die Struktur der Anbindung der Biegeaktoren 19a, 19b an den Antriebsring 1 relative Langenanderungen der Elemente zuein- ander (z.B. durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der eingesetzten Werkstoffe) ab.

Zur Realisierung des mit dem Antriebsmodul verbundenen tan- gentialkinematischen Prinzips im Schrittmotor sind des Weite- ren eine Welle und eine möglichst spielfreie, aber drehbare Lagerung derselben, sowie eine steife Lagerung des Antriebs ^¬ moduls erforderlich:

Figur 4 zeigt ein hierfür im Zusammenhang mit dem Gehauserah- men 8 geeignetes Bodenelement 18. Es enthalt eine zu einer Umlaufkante des Rahmenteils des Antriebsmoduls gepaarte Um ^¬ laufnut 25, die beim Einsetzen des Bodenelementes 18 in das Antriebsmodul gewahrleistet, dass die Bohrungsachse einer La ^¬ gerbohrung 26 kongruent zur Achse der Ringbohrung 2 des Rin- ges 1 zu liegen kommt. Der Durchmesser der Lagerbohrung 26 ist zu einer zylindrischen Gleitflache zur Welle 39, verglei ^¬ che Figur 8, gepaart, die zusammen eine erste spielfreie, aber reibungsarme Drehlagerung für die Welle 39 bilden. Die Stirnflache 27 des zentralen Lagerblocks 28 dient als Anlage- flache für die Welle 39, damit eine Abrollflache der Welle 39 auf gleicher Hohe mit der Ringbohrung 2 zu liegen kommt.

Figur 5 zeigt den zum Gehauserahmen 8 und Bodenelement 18 passenden Deckel 20, der an seiner Unterseite ebenfalls eine Umlaufnut aufweist, die zu einer Umlaufkante des Rahmenteils 8 des Antriebsmoduls gepaart ist, so dass beim Einsetzen des Deckels 20 in das Antriebsmodul die Achse einer Lagerbohrung 29 kongruent zur Achse der Ringbohrung 2 zu liegen kommt. Der

Durchmesser der Lagerbohrung 29 ist zu einer zweiten zylind ^¬ rischen Gleitflache zur Welle 39 gepaart, die zusammen eine zweite spielfreie, aber reibungsarme Drehlagerung für die Welle 39 bilden, vergleiche Figuren 7 und 8.

Figur 6 zeigt eine geeignete Bugelfeder 21. Sie enthalt eine Bohrung 30 zum Durchtritt der Wellenachse, wodurch sicherge ^¬ stellt wird, dass diese im Betrieb nicht 'Auswandern' kann. Die Bugelfeder 21 stutzt sich über Flachen 31 nahe der Boh- rungsachse in Form einer Beruhrungslinie auf der Welle 39 ab, um ein durch Reibung erzeugtes Bremsdrehmoment auf die Welle 39 möglichst klein zu halten. Die weit außen liegenden unte ^¬ ren Flachen 32 dienen zur Abstutzung der Bugelfeder 21 auf einer Deckelflache. Die Kraft der Bugelfeder 21 ist hinrei- chend bemessen, um die Welle 39 in allen Betriebszustanden sicher auf Anlage mit der Stirnflache 27 des Lagerblocks 28 des Bodenelementes 18 zu halten, aber auch möglichst klein gehalten, um nennenswerte Reibungskräfte, die die Drehung der Welle 39 behindern wurden zu vermeiden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Abrollflachen von Antriebsring 1 und Welle 39 unter allen Betriebsbedingungen hinreichend genau in z-Richtung zueinander lokalisiert bleiben.

Figur 7 zeigt eine geeignete Welle 39. Sie besitzt zwei zy- lindrische Gleitlagerflachen 33, 34, die mit den zylindri ^¬ schen Innenflachen der Lagerbohrungen 29, 26 gepaart sind, und mindestens eine zylindrische Abrollflache 35, die mit mindestens einer Abrollflache 105 der Ringbohrung 2 des An ^¬ triebsringes 1 gepaart ist. Die axiale Verlängerung der Fla- che 33 dient zum Anschluss des jeweiligen, vom Schrittmotor anzutreibenden Elementes an die Welle 39.

Figur 8 zeigt einen axialen Querschnitt entlang der z-Achse durch den Antrieb im zusammengebauten Zustand. Sie zeigt ins- besondere die Lage seiner Bestandteile zueinander. Die Welle 39 ist an zwei Stellen in Form enger Spielpassungen anhand der Gleitflachenpaare 33, 22 und 34, 23 um die z-Achse rei ^¬ bungsarm drehbar, aber mechanisch steif gegenüber Translation

gelagert. Eine geeignete Bugelfeder 21 halt im Zusammenwirken mit der Anlageflache 27 die Welle 39 bezuglich der z-Richtung reibungsarm fixiert. Das Antriebsmodul halt im Ruhezustand die Abrollflache 24 der Ringbohrung 2 sowohl konzentrisch als auch in z-Richtung in geeigneter Lage relativ zur Abrollfla ^¬ che 35 der Welle 39.

Mit Hilfe geeigneter elektrischer Ansteuerfunktionen vollzie ^¬ hen die Biegeaktoren 19a, 19b jeweils an ihrem bewegten Ende Auslenkungen mit sinus- bzw. kosinusformigen zeitlichem Ver ^¬ lauf um die Ruhelage, wodurch die Abrollflache 24 der Ring ^¬ bohrung 2 auf Anlage mit der Abrollflache 35 der Welle 39 gehalten und in Form einer kreisförmigen Verschiebebewegung um die Abrollflache 35 der Welle 39 bewegt wird und dadurch die Welle 39 in Rotation versetzt. Mittels der relativen Pha ^¬ senlage der x- bzw. y-Auslenkungen des Antriebsringes 1 wird die Drehrichtung festgelegt und mit Hilfe der Steuerfrequenz die Drehgeschwindigkeit.

Im einfachsten Fall erfolgt die Kraftübertragung vom Antriebsring 1 auf die Welle 39 durch Reibung. Dabei kann es in Abhängigkeit vom auf die Welle 39 wirkenden Lastdrehmoment eines derartig aufgebauten Stellantriebs zu Schlupf kommen, wodurch die Genauigkeit des Stellantriebs reduziert wird. Der Schlupf wird vorzugsweise durch die Einfuhrung eines Form ^¬ schlusses zwischen den Abrollflachen von Antriebsring 1 und Welle 39 verringert, insbesondere indem auf die Innenflache 24 des Antriebsrings 1 und auf die Außenflache 35 der Welle 39 eine Verzahnung aufgebracht wird. Dabei weisen Antriebs- ring 1 und Welle 39 vorzugsweise eine Zahndifferenz von min ^¬ destens eins auf. Das bedeutet, dass die Verzahnung der In ^¬ nenflache 24 des Antriebsrings 1 mindestens einen Zahn mehr als die Außenflache 35 der Welle 39 umfasst. Werden Antriebs ^¬ ring 1 und Welle 39 innerhalb des Stellantriebs derart be- trieben, dass die Verzahnung nicht außer Eingriff gerat, ar ^¬ beitet der Stellantrieb idealerweise schlupffrei.

Als besonders bevorzugt wird eine zykloidische Verzahnung von Antriebsring 1 und Welle 39 angesehen. Bei der zykloidischen Verzahnung ist nahezu die Hälfte aller Zahne im Eingriff, wo ^¬ durch ein hohes Drehmoment zwischen Antriebsring 1 und Welle 39 übertragbar ist. über die Anzahl der auf der Innenflache 24 des Antriebsrings 1 und der Außenflache 35 der Welle 39 befindlichen Zahne ist zunächst eine Untersetzung des Stel ^¬ lantriebs festgelegt, die typischerweise in einem Bereich von 20:1 bis 200:1 liegt. Um den Stellantrieb um nur einen Zahn weiter zu stellen, das heißt die Welle 39 durch den Antriebs ^¬ ring 1 um einen Zahn weiter zu drehen, muss vorzugsweise eine vollständige Periode des ansteuernden Sinussignals des Stel ^¬ lantriebs durchlaufen werden. Da zum Weiterstellen um einen Zahn ein Zyklus des Ansteuersignals durchlaufen werden muss, zeichnet sich der Stellantrieb durch eine hohe Genauigkeit und durch eine hohe Wiederholgenauigkeit aus. Zudem wird über die Anzahl der Zahne und die Nutzung von einem Zyklus des An ^¬ steuersignals pro Zahn eine hohe Winkelauflosung des Stellan ^¬ triebs realisiert. Ergänzend dazu kann beliebig innerhalb ei- ner Periode des Ansteuersignals interpoliert werden, um einen Mikroschrittbetrieb des Stellantriebs zu gewahrleisten. Somit liefert der Stellantrieb gemäß bevorzugter Konstruktionen ei ^¬ ne hohe Effizienz, eine hohe Untersetzung, ein hohes über ^¬ tragbares Drehmoment basierend auf der Verzahnung von An- triebsring 1 und Welle 39, Schlupffreiheit bei der übertra ^¬ gung des Drehmoments, eine beliebige Interpolation des Dreh ^¬ winkels innerhalb eines Zahns der Welle 39 (Mikroschrittbe ^¬ trieb) , geringe Antriebsdrehmomentschwankungen (Ripple) und eine niedrige Zahnflankenbelastung für Antriebsring 1 und Welle 39, so dass ebenfalls der Verschleiß reduziert wird.