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