DE102014221001A1

DE102014221001A1 - Drive device and method for linear and / or rotational positioning

Info

Publication number: DE102014221001A1
Application number: DE102014221001.1A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Christoph Rass
Original assignee: Picofine GmbH
Current assignee: Picofine GmbH
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2016-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Antriebsvorrichtung zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines zu bewegenden Objektes mittels piezoelektrischer oder elektrostriktiver Aktorik, bei der der mindestens eine piezoelektische oder elektrostriktive Aktor der eine Reibfläche einer kraftübertragende Struktur, die mir dem zu bewegenden Objekt in Reibkontakt steht vor- und zurückbewegt um das zu bewegende Objekt gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantriebs und/oder eines Krabbelantriebs und/oder eines Mehraktorantriebs voranzutreiben, wobei der mindestens eine Aktor über eine thermisch leitfähige Struktur mechanisch direkt oder indirekt an eine thermische Senke angebunden ist, so dass ein großer Teil der vom Aktor im Betrieb erzeugten Wärme an die thermische Senke abgeführt wird, ohne dass die Bewegung des mindestens einen Aktors nicht durch die Struktur verhindert wird.The invention relates to a method and a drive device for linear or rotational positioning of an object to be moved by means of piezoelectric or electrostrictive actuators, in which the at least one piezoelectric or electrostrictive actuator of a friction surface of a force-transmitting structure, which is in frictional contact with the object to be moved and moved back to drive the object to be moved according to the principle of an inertial drive and / or a Krabbelantriebs and / or a multi-actuator, wherein the at least one actuator via a thermally conductive structure is mechanically directly or indirectly connected to a thermal sink, so that a large part the heat generated by the actuator during operation is dissipated to the thermal sink, without the movement of the at least one actuator is not prevented by the structure.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, auch Läufer genannt, und ein entsprechendes Antriebsverfahren, insbesondere ein Verfahren und eine Antriebsvorrichtung zur linearen oder rotatorischen Positionierung eines zu bewegenden Objektes mittels piezoelektrischer oder elektrostriktiver Aktorik, bei der die von dem mindestens einen Aktor erzeugte lokale Wärme über mindestens eine mechanische, thermisch leitfähige Vorrichtung an mindestens eine Wärmesenke abgeführt wird, wobei die mechanische Vorrichtung die Bewegung des mindestens einen Aktors nicht unterdrückt, so dass der mindestens eine Aktor mit hoher Ansteuerfrequenz und hohem Steuersignal betrieben werden kann, ohne dass es zur lokalen Überhitzung des mindestens einen Aktors kommt.The invention relates to a drive device for linear and / or rotational positioning of an object, also called runners, and a corresponding drive method, in particular a method and a drive device for linear or rotational positioning of an object to be moved by means of piezoelectric or electrostrictive actuators, in which the at least one actuator generated local heat is dissipated via at least one mechanical, thermally conductive device to at least one heat sink, wherein the mechanical device does not suppress the movement of the at least one actuator, so that the at least one actuator can be operated with high driving frequency and high control signal, without causing the local overheating of the at least one actuator.

Piezoantriebe sind seit den 1950er Jahren bekannt, wobei bisher bereits eine Vielzahl von unterschiedlichen Antrieben entwickelt worden sind.Piezo drives have been known since the 1950s, whereby a variety of different drives have been developed so far.

Besonders für Präzisionspositionierungen sind Piezoaktoren oder auch Elektrostriktionsaktoren interessant, da diese in der Lage sind, sehr feine Bewegungsauflösungen, sogar im Sub-Nanometerbereich, zu bieten, die mit anderweitigen Antrieben wenn überhaupt nur mit einem sehr großen apparativen Aufwand zu realisieren sind.Piezoelectric actuators or electrostriction actuators are particularly interesting for precision positioning since they are capable of providing very fine motion resolutions, even in the sub-nanometer range, which can only be achieved with other drives, if at all, with a very large amount of equipment.

Ein Überblick über die verschiedenen Klassen der Piezoantriebe findet sich in „Survey of the Various Operating Prinziples of Ultrasonic Piezomotors“ von K. Spanner (Proceedings oft the 10th International Conference on New Actuators, Actuator 2006, Seiten 414 bis 421) . Entsprechendes gilt im Grundsatz auch für elektrostriktive Antriebe.An overview of the different classes of piezo drives can be found in "Survey of the Various Operating Principle of Ultrasonic Piezo Motor" by K. Spanner (Proceedings ofthe 10th International Conference on New Actuators, Actuator 2006, pages 414 to 421) , The same applies in principle for electrostrictive drives.

In dieser Klassifizierung werden die Piezoantriebe in Quasistatische Antriebe (im Folgenden auch „nicht-resonante Antriebe“ genannt) und Ultraschallantrieb unterteilt.In this classification, the piezo drives are divided into quasi-static drives (also referred to below as "non-resonant drives") and ultrasonic drive.

Die Quasistatischen Antriebe können unterteilt werden in Antriebe nach dem Schrittprinzip (häufig auch Inch-Worm-Antrieb genannt), solche nach dem Trägheitsprinzip und solche nach dem Mehraktorantrieb unterteilt.The quasi-static drives can be divided into drives according to the step principle (often called inch-worm drive), those divided according to the inertia principle and those after the multi-actuator drive.

Zu den Ultraschallantrieben zählen solche, die eine stehende Welle und solche die eine Wanderwelle nutzen. Bei der stehenden Welle wird weiter nach bi- oder unidirektional unterschieden. Die bidirektionalen Antriebe können einen einzelnen Aktor oder mehrere Aktoren aufweisen. Kennzeichnend für viele der Ultraschallantriebe sind die verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Läufer bewegt werden können. Diese übertreffen häufig 200 mm/s, wobei diese Geschwindigkeit sogar langfristig gehalten werden kann. Jedoch leiden Ultraschallantriebe erheblich unter der Wärmeentwicklung der Aktoren im Betrieb. In der Regel verschieben sich mit der Erhöhung der Temperatur in den Aktoren und der Antriebsstruktur die Betriebsfrequenzen der Antriebe, so dass diese aufwendig nachgeregelt werden müssen. Steigt die Temperatur zu sehr, kommt es sogar zum Ausfall der Aktoren selber. Besonders problematisch ist der Einsatz bei Vakuumanwendungen, da dann der Wärmeabtransport durch Konvektion fehlt, so dass eine Erwärmung der Aktoren sehr schnell erfolgt. Grundsätzlich könnten die Ultraschallantriebe mit einer aggressiveren Ansteuerung (z.B. höhere Ansteueramplituden) schneller und länger am Stück betrieben werden, wenn die Wärmeentwicklung der Aktoren im Griff gehalten werden kann.The ultrasonic drives include those that use a standing wave and those that use a traveling wave. The standing wave is further divided into bi- or unidirectional. The bidirectional drives may have a single actuator or multiple actuators. Characteristic of many of the ultrasonic drives are the relatively high speeds at which the runners can be moved. These often exceed 200 mm / s, although this speed can even be maintained for a long time. However, ultrasonic drives suffer significantly from the heat generated by the actuators during operation. As a rule, with the increase in the temperature in the actuators and the drive structure, the operating frequencies of the drives are shifted, so that they have to be readjusted in a complicated manner. If the temperature rises too much, it will even lead to the failure of the actuators themselves. Particularly problematic is the use in vacuum applications, since then the heat dissipation by convection is missing, so that a heating of the actuators is very fast. In principle, the ultrasonic drives with a more aggressive drive (e.g., higher drive amplitudes) could be operated faster and longer in a row, if the heat development of the actuators can be kept under control.

200 mm/s und mehr sind Geschwindigkeiten, die bisher von quasi-statischen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Antrieben nicht über lange Zeit (Minuten oder gar Stunden) aufrecht erhalten werden können. Auch hier stellt die Temperaturentwicklung der Aktoren eine wesentliche Limitation der Leistung der Antriebe dar.200 mm / s and more are speeds that up to now can not be maintained by quasi-static piezoelectric or electrostrictive drives for a long time (minutes or even hours). Again, the temperature development of the actuators represents a significant limitation of the performance of the drives.

Der erste bekannte Schrittantrieb-basierende Piezoantrieb ist der sogenannte Inchworm^®-Antrieb der Firma Burleigh Instruments, der beispielsweise in US 3,902,084 beschrieben ist.The first known step drive-based piezo drive is the so-called Inchworm ^® drive the company Burleigh Instruments, for example, in US 3,902,084 is described.

Diese Klasse von Antrieben basiert ursprünglich auf drei Aktoren, von denen zwei ein zu bewegendes Objekt klemmen können (Klemmaktoren), während ein dritter Aktor (Distanzaktor) die Distanz zwischen den Klemmaktoren variieren kann.This class of drives was originally based on three actuators, two of which can clamp an object to be moved (clamp actuators), while a third actuator (distance actuator) can vary the distance between the clamp actuators.

Befindet sich ein erster Klemmaktor in der Klemmung, kann der zweite Klemmaktor innerhalb des Hubes des Distanzaktors bewegt werden. Wird dieser dann nach der Auslenkung des Distanzaktors ebenfalls geklemmt, kann der erste Klemmaktor gelöst und dann durch ein Bewegen des Distanzaktors auf die ursprüngliche Distanz zwischen den Klemmaktoren gebracht werden. Durch diesen Zyklus hat sich das bewegliche Objekt, also der Läufer des Antriebs, ein kleines Stück bewegt. Wird dieser Zyklus immer wieder wiederholt, kann das zu positionierende Objekt sehr präzise über große Distanzen positioniert werden.If a first clamping actuator is in the clamping, the second clamping actuator can be moved within the stroke of the distance actuator. If this is then also clamped after the displacement of the distance actuator, the first clamping actuator can be released and then brought by moving the Distanzaktors to the original distance between the Klemmaktoren. Through this cycle, the moving object, so the runner of the drive has moved a small piece. If this cycle is repeated over and over again, the object to be positioned can be positioned very precisely over long distances.

Ein in diesem Zusammenhang eingesetzter typischer Piezoaktor weist lediglich einen Hub von nur wenigen µm auf. Wenn allerdings die mechanischen Toleranzen nicht deutlich geringer sind als die Hübe der klemmenden Aktoren, kann sicheres Klemmen nicht mehr gewährleistet werden und der Antrieb verliert seine Funktionsfähigkeit. In diesem Zusammenhang ist die vom Antrieb verursachte Temperaturänderung für die Funktion kritisch, da aufgrund der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten ein solcher Antrieb schnell aus den ursprünglich engen Toleranzen gerät. A typical piezoelectric actuator used in this context only has a stroke of only a few μm. However, if the mechanical tolerances are not significantly lower than the strokes of the clamping actuators, safe clamping can no longer be guaranteed and the drive loses its functionality. In this context, the temperature change caused by the drive is critical to its function because of the thermal expansion coefficient of the components such a drive quickly from the originally tight tolerances device.

In der Folge sind derartige Antriebe bisher nicht für schnelle Bewegungen geeignet, da die Aktoren nicht mit hohen Frequenzen angesteuert werden können, insbesondere dann nicht, wenn es sich um große piezo- oder elektrostriktive Aktoren handelt. As a result, such drives are not yet suitable for fast movements, since the actuators can not be controlled with high frequencies, especially not when it comes to large piezoelectric or electrostrictive actuators.

Diese Klasse von Schrittantrieben wird im Folgenden als „Krabbelantrieb“ bezeichnet. Andere Krabbelantriebe, wie z.B. in DE 44 086 18 A1 und US 6,337,532 beschrieben sind zwar toleranter gegenüber geometrischen Veränderungen der mechanischen Komponenten aufgrund veränderlicher Temperatur, die Aktoren können aber nicht hochfrequent mit hoher Signalamplitude angesteuert werden, ohne die Aktoren damit zu zerstören, da die Aktoren sich dabei zu sehr aufheizen. Somit ist nicht bekannt, dass diese Klasse von Antrieben an die Geschwindigkeit von Ultraschallantrieben heranreicht. This class of stepper drives is hereafter referred to as the "crawler drive". Other crawler drives, such as in DE 44 086 18 A1 and US 6,337,532 Although described are tolerant of geometric changes of the mechanical components due to variable temperature, but the actuators can not be controlled high frequency with high signal amplitude without destroying the actuators so that the actuators heat up too much. Thus, this class of drives is not known to match the speed of ultrasound drives.

Auch für die Klasse der nicht-resonanten Trägheitsantriebe und Mehraktorantriebe liegt ein Temperaturproblem vor bzw. limitiert die Wärmeentwicklung in den Aktoren deren breiteren Einsatz für Anwendungen, bei denen hohe Geschwindigkeiten und hohe Kräfte gewünscht oder erforderlich sind. Das ist besonders dann der Fall, wenn die im Zusammenhang mit Trägheitsantrieben und Mehraktorantrieben häufig zum Einsatz kommenden Sägezahnspannungen angelegt werden, da hierbei besonders viel Wärme im Aktor entsteht.Also for the class of non-resonant inertial drives and multi-actuator drives is a temperature problem or limits the heat generation in the actuators their broader use for applications where high speeds and high forces are desired or required. This is particularly the case when the sawtooth voltages often used in connection with inertial drives and multi-actuator drives are applied, since in this case a great deal of heat is generated in the actuator.

Es ist bekannt, Trägheitsantriebe (z.B. Piezo-Slip-Stick-Antriebe) mit elektrischen Signalen zu versorgen, um ein zu positionierendes Objekt mit einer hohen Bewegungsauflösung zu bewegen. Es ist allen Trägheitsantrieben gemein, dass eine Anpresskraft zwischen dem zu positionierenden Objekt und einer, die vom Aktor bewegten Reibfläche aufgebracht werden muss, da die Bewegung über eine Reibkraft übertragen wird. Die Anpresskraft wurde bei ersten Systemen über die Gravitation und/oder magnetische Kräfte erzeugt. In späteren, leistungsfähigen Systemen wurde die Anpresskraft mechanisch erzeugt. It is known to provide inertial drives (e.g., piezo-flip-flop drives) with electrical signals to move an object to be positioned with a high motion resolution. It is common to all inertial drives that a contact force between the object to be positioned and one that must be applied by the actuator moving friction surface, since the movement is transmitted via a frictional force. The contact force was generated in the first systems by gravity and / or magnetic forces. In later, efficient systems, the contact pressure was generated mechanically.

Beispielhafte Ausführungen sind z.B. aus „Dynamic piezoelectric translation devices“ von D.W. Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57) und WO 98/19347 A2 bekannt.Exemplary embodiments are, for example "Dynamic piezoelectric translation devices" by DW Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), January 1987, pages 54 to 57) and WO 98/19347 A2 known.

Ebenfalls sind Mehraktorantriebe bekannt, bei denen ein Objekt durch den Einsatz mehrerer Aktoren mit einer hohen Bewegungsauflösung positioniert wird, wobei hier die mehreren Aktoren in einer geeigneten Weise zusammenarbeiten, um gemeinsam ein zu positionierendes Objekt zu bewegen. Beispiele hierzu finden sich in EP 0 750 356 A1 , dem prinzipiell identischen US 3,138,749 , in WO 93/19494 A1 und in DE 10 2009 013 849 A1 . Ähnlich wie bei Trägheitsantrieben muss eine Anpresskraft zwischen dem zu positionierenden Objekt und einer von den Aktoren bewegten Reibfläche aufgebracht werden.Also multi-actuator drives are known in which an object is positioned by the use of multiple actuators with a high motion resolution, in which case the multiple actuators work together in a suitable manner to jointly move an object to be positioned. Examples can be found in EP 0 750 356 A1 , which in principle are identical US 3,138,749 , in WO 93/19494 A1 and in DE 10 2009 013 849 A1 , Similar to inertial drives, a contact force must be applied between the object to be positioned and a friction surface moved by the actuators.

Bei allen drei Klassen von Antrieben (Krabbelantrieb, Trägheitsantrieb und Mehraktorantrieb) handelt es sich um nicht-resonante Antriebe. Es werden also keine Eigenschwingungen ausgenutzt, um über einen oder mehrere Reibflächen ein Objekt voranzutreiben, sondern die Bewegungen der Aktoren werden über Reibflächen auf ein zu positionierendes Objekt übertragen, welches ununterbrochen im Reibkontakt mit den Reibflächen steht. In beiden Fällen hängt die Geschwindigkeit des Antriebs davon ab mit welcher Frequenz die Schritte durchgeführt werden und wie weit die einzelnen Schritte, je Ansteuersignalzyklus sind. Das heißt, dass der Einsatz von großen Aktoren (also mit hoher elektrischer Kapazität und in der Regel mit einem großen Hub), die dann mit einer hohen Frequenz angesteuert werden, zu einer hohen Geschwindigkeit führen sollte. All three drive types (crawler drive, inertial drive and multi-actuator drive) are non-resonant drives. Thus, no natural oscillations are exploited in order to drive an object over one or more friction surfaces, but the movements of the actuators are transmitted via friction surfaces to an object to be positioned, which is in frictional contact with the friction surfaces continuously. In both cases, the speed of the drive depends on what frequency the steps are performed with and how far the individual steps are, each drive signal cycle. This means that the use of large actuators (ie with high electrical capacity and usually with a large stroke), which are then driven at a high frequency, should lead to a high speed.

Jedoch zeigt die Praxis, dass solche Antriebe innerhalb kurzer Zeit (häufig innerhalb weniger Sekunden) einen Defekt aufweisen. Aufgrund der häufig gewählten Sägezahnsignale, erwärmen sich die Aktoren noch viel schneller als es bei Ultraschallantrieben der Fall ist. Typische Defekte sind, dass die Aktoren der Antriebe, insbesondere im Falle von Piezoaktoren, einen geringeren inversen piezoelektrischen Effekt aufweisen als ursprünglich, so dass die Aktoren dramatisch an Geschwindigkeit und Kraft verlieren. In manchen Fällen kommt es auch zu mechanischen Ausfällen, wie z.B. Rissen in den Aktoren, die zu einem schlagartigen Ausfall der Antriebe führen können, insbesondere dann, wenn diese Risse zu einem Kurzschluss der Elektroden der Aktoren führen. Genauso verhält es sich, wenn statt einem großen Aktor mehrere kleinere Aktoren aufeinander gesetzt zum Einsatz kommen. Eine solche Aktorgruppe zeigt das gleiche Ausfallverhalten.However, the practice shows that such drives have a defect within a short time (often within a few seconds). Due to the frequently selected sawtooth signals, the actuators heat up much faster than is the case with ultrasonic drives. Typical defects are that the actuators of the drives, especially in the case of piezo actuators, have a lower inverse piezoelectric effect than originally, so that the actuators lose their speed and power dramatically. In some cases there are also mechanical failures, such as Cracks in the actuators, which can lead to a sudden failure of the drives, especially if these cracks lead to a short circuit of the electrodes of the actuators. The same is true when, instead of a large actuator, several smaller actuators are used on top of each other. Such an actuator group shows the same failure behavior.

Alle piezoelektrischen, bzw. elektrostriktiven Antriebe weisen prinzipbedingt über die notwendige mechanische Ankopplung zum Abgriff der Aktorbewegung eine nur minimale thermische Anbindung der Aktoren an eine oder mehrere weitere Komponenten des Antriebs auf. Prinzipbedingt muss der mindestens eine Aktor an zwei Seiten mit den restlichen Komponenten des Antriebs verbunden sein. So ist z.B. bei den Trägheitsantrieben, wie beschrieben in EP1 894 258 A1 und dem oben bereits erwähnten Trägheitsantrieb von D.W. Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57) , der Aktor auf der einen Seite fest mit einem Rahmen verbunden und auf der anderen Seite mit einem Festkörpergelenk, welches die kraftübertragenden Struktur lokal führt. Jedoch ist eine solche, sich automatisch ergebende thermische Anbindung nicht ausreichend, um die in den Aktoren erzeugte Wärme so schnell abzuführen, dass die Antriebe schnell (hohe Frequenzen mit großen Hüben der Aktoren) und kräftig (hohe Beschleunigung der Aktoren mit großer Kraft) bewegt werden können. Wie der Stand der Technik zeigt, kommt es dabei zur lokalen Überhitzung der Aktoren mit der Folge, dass im besten Fall nur die Leistung der Antriebe nachlässt bis hin zu dem Fall, dass die Aktoren der Antriebe zerstört werden.All piezoelectric or electrostrictive drives have in principle on the necessary mechanical coupling for tapping the actuator movement only a minimal thermal connection of the actuators to one or more other components of the drive. Due to the principle, the at least one actuator must be connected on two sides to the remaining components of the drive. For example, in the inertial drives, as described in EP1 894 258 A1 and the above-mentioned inertial drive of DW Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), January 1987, pages 54 to 57) , the actuator on one side firmly connected to a frame and on the other side with a solid-state joint, which leads the force-transmitting structure locally. However, such an automatically resulting thermal connection is not sufficient to dissipate the heat generated in the actuators so fast that the drives are moved quickly (high frequencies with large strokes of the actuators) and vigorously (high acceleration of the actuators with great force) can. As the state of the art shows, local overheating of the actuators occurs, with the result that in the best case only the power of the drives decreases, up to the point where the actuators of the drives are destroyed.

Bei bisher gut funktionierenden piezoelektrischen oder elektrostriktiven Trägheits- und Mehraktorantrieben werden zwei Ansätze verfolgt:In previously well-functioning piezoelectric or electrostrictive inertia and multi-actuator drives two approaches are pursued:

Im ersten Fall werden verhältnismäßig kleine Aktoren eingesetzt, die dann mit einer hohen Frequenz, auch mit der Nennspannung angesteuert werden können. Jedoch sind aufgrund der kleinen Aktoren (also in der Regel auch mit kleinen elektrischen Kapazitäten) die resultierenden Geschwindigkeiten und Kräfte nicht hoch.In the first case relatively small actuators are used, which can then be controlled at a high frequency, even with the rated voltage. However, due to the small actuators (usually also with small electrical capacities), the resulting speeds and forces are not high.

Im zweiten Fall werden zwar große Aktoren, bzw. mehrere kleine in Reihe angeordnete Aktoren, eingesetzt, die dann aber nicht langfristig mit einer hohen Frequenz und mit Nennspannung betrieben werden, da das erfahrungsgemäß kurzfristig zum Ausfall führt. Statt dessen werden entweder nur geringe Frequenzen zur Ansteuerung genutzt, was dann zu einer langsamen Geschwindigkeit führt, oder es wird die Nennspannung der Ansteuersignale für den Dauerbetrieb reduziert, wenn hohe Frequenzen genutzt werden sollen, was wiederum die Geschwindigkeit gering hält und in der Regel auch zu einer Kraftreduktion der Antriebe führt.In the second case, although large actuators, or several small actuators arranged in series, are used, which are then not operated in the long term with a high frequency and nominal voltage, as experience shows that this leads to short-term failure. Instead, either only low frequencies are used for driving, which then leads to a slow speed, or it is the nominal voltage of the drive signals for continuous operation reduced when high frequencies are to be used, which in turn keeps the speed low and usually too a power reduction of the drives leads.

In den Fällen, in denen hohe Geschwindigkeiten benötigt werden, werden in der Regel Ultraschallantriebe eingesetzt, jedoch auch hier verhindert es die Temperaturentwicklung in den Aktoren, das volle Potential der Technik auszunutzen. So werden z.B. die Ultraschallantriebe der Firma Elliptec nur mit einer Spannung von 5 V angesteuert, obwohl der verwendete Aktor mit einer Nennspannung von 54 V betrieben werden dürfte. Es wird also weniger als 1/10 der zulässigen Nennspannung und somit weniger als 1/100 der Leistung verwendet.Ultrasonic actuators are generally used in cases where high speeds are required, but here too it prevents the temperature development in the actuators from exploiting the full potential of the technology. Thus, e.g. The ultrasonic drives from Elliptec are only activated with a voltage of 5 V, although the actuator used should be operated with a nominal voltage of 54 V. It is therefore less than 1/10 of the rated voltage and thus less than 1/100 of the power used.

Es ist es von großem Interesse, die piezoelektrischen und elektrostriktiven Antriebe so weiterzuentwickeln, dass über eine aggressivere Ansteuerung der Aktoren (z.B. höhere Frequenzen und höhere Ansteueramplituden) höhere Geschwindigkeiten und höhere Kräfte zu erzielen sind.It is of great interest to further develop the piezoelectric and electrostrictive drives in such a way that higher speeds and higher forces can be achieved by a more aggressive actuation of the actuators (for example higher frequencies and higher drive amplitudes).

Es gilt für die vom Aktor erzeugte thermische Leistung P: P ≈ π/4·tanδ·f·C·U_pp ²

P: = Leistung, die in Wärme umgewandelt wird, in [W]
tan: δ = dielektrischer Verlustfaktor (üblicherweise im Bereich 0,01 bis 0,02)
f: = Ansteuerfrequenz [Hz]
C: = elektrische Kapazität [F]
U_pp: = Spannung [V]

The following applies to the thermal power P generated by the actuator:

P ≈ π / 4 · tan δ · f · C · U _pp ²

P: = Power that is converted to heat, in [W]
tan: δ = dielectric loss factor (usually in the range 0.01 to 0.02)
f: = Drive frequency [Hz]
C: = electrical capacity [F]
U _pp: = Voltage [V]

Es ist zu erkennen, dass für gegebene Aktoren die Parameter der Ansteuerfrequenz und der Spannung (Spitze-Spitze) direkten Einfluss auf die Wärmeentwicklung haben. Steigt die Temperatur der Aktoren über die zulässige Betriebstemperatur hinaus, ist ein Schaden am Aktor zu erwarten.It can be seen that for given actuators the parameters of the driving frequency and the voltage (peak-to-peak) have a direct influence on the heat development. If the temperature of the actuators exceeds the permissible operating temperature, damage to the actuator is to be expected.

Eine Integration von Temperatursensoren kann genutzt werden, um die Ansteuerung abzuschwächen, wenn die Aktoren der nicht-resonanten Trägheitsantriebe, Krabbelantriebe und Mehraktorantriebe zu heiß werden. Das mag dann zwar den Ausfall aufgrund defekter Aktoren verhindern, jedoch bleibt das Problem bestehen, dass die Antriebe nicht langfristig eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Kraft aufbringen können. Integration of temperature sensors can be used to mitigate control when the non-resonant inertial, crawler, and multi-actuator drives become too hot. Although this may prevent the failure due to defective actuators, but the problem persists that the drives can not muster a high speed and high force in the long term.

Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist es, eine Antriebsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzustellen, die eine schnelle Positionierung bzw. einen schnellen Antrieb, bzw. einen kräftigen Antrieb ermöglichen, indem die im Betrieb von den Aktoren entwickelte Wärme mit konstruktiven Mitteln effektiv auf eine ausreichend große Wärmesenke abgeleitet wird, so dass eine lokale Überhitzung der Aktoren verzögert, bzw. verhindert wird.One object of the present invention is to provide a drive device and a corresponding method, which enable a quick positioning or a fast drive or a strong drive by the heat developed by the actuators in operation effectively by constructive means to a sufficient large heat sink is derived, so that a local overheating of the actuators delayed, or prevented.

Die Aufgabe wird mit einer elektromechanischen Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved with an electromechanical drive device having the features of claim 1.

Ebenso wird entsprechend dem Anspruch 15 ein nicht-resonantes Antriebsverfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen.Likewise, according to claim 15, a non-resonant drive method for the linear and / or rotational positioning of an object is proposed.

Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zu Grunde:
Die Aktoren der piezoelektrischen und elektrostriktiven Antriebe können, wenn diese, wie noch beschrieben wird, so in den Antrieb eingebunden werden, dass deren im Betrieb entstehende lokale Wärme auf eine Wärmesenke abgeführt werden deutlich aggressiver, d.h. z.B. mit hohen Ansteueramplituden und hochfrequenter, angesteuert werden als es bei sonst gleicher Bauweise dem Stand der Technik nach möglich ist. In Folge dessen lassen sich deutlich schnellere und kräftigere piezoelektrische und elektrostriktive Antriebe realisieren.The invention is based on the following finding:
The actuators of the piezoelectric and electrostrictive drives, if this, as will be described, are so integrated into the drive that their local heat dissipated during operation are dissipated to a heat sink much more aggressive, ie, for example, with high drive amplitudes and high-frequency, driven as it with otherwise the same construction according to the prior art is possible. As a result, significantly faster and stronger piezoelectric and electrostrictive drives can be realized.

Mit dieser Erfindung werden die Grenzen in Bezug auf erreichbare Geschwindigkeiten und Kräfte für piezoelektrische und elektrostriktive Antriebe deutlich positiv verschoben. Es ist möglich, die Aktoren mit hohen Frequenzen auch bei Nennspannung zu betreiben, ohne dass die Aktoren dabei vorzeitig einen Ausfall aufgrund der lokalen Erwärmung zeigen.With this invention, the limits in terms of achievable speeds and forces for piezoelectric and electrostrictive drives are shifted significantly positive. It is possible to operate the actuators with high frequencies even at nominal voltage, without the actuators prematurely showing a failure due to local heating.

Die hier vorgeschlagene Antriebstechnik kann für lineare und rotatorische Antriebsvorrichtungen verwendet werden. Es sind auch Antriebsvorrichtungen mit mehr als einem Freiheitsgrad möglich.The drive technology proposed here can be used for linear and rotary drive devices. Drive devices with more than one degree of freedom are also possible.

Erfindungsgemäße Antriebsvorrichtungen können im Grunde, wie für leistungsfähige piezoelektrische und elektrostriktive Antriebe üblich, in jeder Raumlage eingesetzt werden. Sie lassen sich somit auch untereinander kombinieren, um komplexere Positioniersysteme zu erhalten.Basically, drive devices according to the invention can be used in any spatial position, as is usual for powerful piezoelectric and electrostrictive drives. They can therefore also be combined with each other to obtain more complex positioning systems.

Die Abführung der von der Aktoren erzeugten Wärme auf eine Wärmesenke erfolgt über erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren, wobei für die Wärmeabfuhr stets konstruktive Maßnahmen vorgesehen sind. Einige beispielhafte Ansätze werden im Folgenden erläutert. Um die Erläuterungen einfach zu halten, erfolgen die Erklärungen im Folgenden hauptsächlich anhand eines einfachen Trägheitsantriebs.The dissipation of the heat generated by the actuators on a heat sink via devices and methods of the invention, wherein for the heat dissipation always constructive measures are provided. Some exemplary approaches are explained below. To simplify the explanation, the explanations below will be made mainly by a simple inertial drive.

Bei der Wärmesenke muss sich nicht unbedingt um einen vom Antrieb zu unterschiedenen Körper handeln. Die thermische Leistung der Aktoren im Betrieb ist an sich in der Regel nicht hoch. Daher kann es in vielen Fällen schon ausreichen, wenn die Wärme, die lokal zu zu hohen Temperaturen am Aktor führen kann, auf einige oder alle weiteren Komponenten des Antriebs verteilt wird, so dass die Aktoren keine Temperaturspitzen oberhalb der zulässigen Betriebstemperatur mehr erfahren. Sollten die thermischen Leistungen in Extremfällen doch zu hoch sein, so kann die Wärme noch immer auf eine separate Wärmesenke angeführt werden. Jedoch in den folgenden Beispielen wird zur Vereinfachung der Erklärung meist die stationäre Komponente des Antriebs als Wärmesenke herangezogen.The heat sink does not necessarily have to be a body differentiated from the drive. The thermal performance of the actuators in operation is usually not high. Therefore, it can be sufficient in many cases, if the heat that can lead locally to high temperatures at the actuator is distributed to some or all other components of the drive, so that the actuators no more temperature peaks above the permissible operating temperature learn more. If the thermal performance is too high in extreme cases, the heat can still be put on a separate heat sink. However, in the following examples, to simplify the explanation, usually the stationary component of the drive is used as the heat sink.

Eine erste Möglichkeit die Wärme abzuführen ist es, dass anstatt großer Aktoren (insbesondere Aktoren mit einer großen elektrischen Kapazität), die im Betrieb zur Überhitzung gebracht werden, mehrere kleine Aktoren (insbesondere jeweils mit einer kleineren Kapazität), vorzugsweise in Reihe, eingesetzt werden, die in der Summe einen Hub und eine Kraft in der Größenordnung des großen Aktors erreichen. Zwischen den einzelnen Aktoren dieser Aktorgruppe können Platten (oder andere entsprechende Elemente, die nicht unbedingt eine plattenförmige Form haben müssen, wobei im hier im Allgemeinen vereinfachend nur auf Platten Bezug genommen wird), mit einer vorzugsweise hohen thermischen Leitfähigkeit gesetzt werden. Diese Platten führen die Wärme vom Inneren der Aktorguppe nach außen, so dass diese Wäre dann durch die Anbindung von wärmeleitfähigen Materialien an die vorgesehene Wärmesenke abtransportiert werden kann.A first possibility to dissipate the heat is that instead of large actuators (in particular actuators with a large electrical capacity), which are brought to overheating during operation, several small actuators (in particular each with a smaller capacity), preferably in series, are used which in sum achieve a stroke and a force of the order of magnitude of the large actuator. Between the individual actuators of this group of actuators plates (or other corresponding elements, which do not necessarily have to have a plate-like shape, wherein in this case generally simplified reference is made only to plates), can be set with a preferably high thermal conductivity. These plates carry the heat from the interior of the actuator group to the outside, so that this heat can then be transported away by the connection of thermally conductive materials to the intended heat sink.

Grundsätzlich muss drauf geachtet werden, dass die Bewegung der Aktoren möglichst nicht gehemmt wird.Basically, care must be taken that the movement of the actuators is not inhibited if possible.

So kann z.B. eine Litze, die einerseits an die Platten zwischen den Aktoren und andererseits an der Wärmesenke befestigt ist, genutzt werden, so dass die Wärme über die Litze an die Senke gebracht wird. Hier bietet sich z.B. eine Kupferlitze an, die so ausgelegt sein, muss, dass die thermische Leistung des Aktors ausreichend abgeführt werden kann. Der Querschnitt darf nicht zu klein sein und die Länge der Litze solle möglichst kurz gehalten werden um einen effizienten Wärmeübergang zu ermöglichen. Da die Litze die Bewegung der Aktoren möglichst wenig hemmen soll, kann die Litze aber nicht beliebig dick und kurz sein. Es gilt im speziellen Einsatzfall einen guten Kompromiss zu finden.Thus, e.g. a strand, which is attached on the one hand to the plates between the actuators and on the other hand to the heat sink, can be used so that the heat is brought to the drain via the strand. Here, for example, offers a copper strand, which should be designed so that the thermal performance of the actuator can be sufficiently dissipated. The cross section must not be too small and the length of the strand should be kept as short as possible to allow efficient heat transfer. Since the strand is to inhibit the movement of the actuators as little as possible, but the strand can not be arbitrarily thick and short. It is a special case to find a good compromise.

Statt der Litze können auch Festkörpergelenke eingesetzt werden, die insbesondere in Bewegungsrichtung der Aktoren nachgiebig sind. D.h. ein für den Wärmeübergang bevorzugter großer Querschnitt ist möglich, ohne damit die Bewegung der Aktoren zu blockieren.Instead of the stranded wire and solid joints can be used, which are yielding in particular in the direction of movement of the actuators. That a preferred for the heat transfer large cross-section is possible without blocking the movement of the actuators.

Die Platten können alternativ auch so ausgestaltet sein, dass diese bis an die Wärmesenke reichen, so dass die Wärme direkt von den Platten auf die Wärmesenke übertragen wird. Hier bietet sich es an die Platten in Form von Festkörpergelenken, wie zuvor beschrieben, auszuführen, damit die Bewegung der Aktoren so gering wie möglich beeinflusst wird.Alternatively, the plates may be configured to extend to the heat sink so that the heat is transferred directly from the plates to the heat sink. Here, it is advisable to carry out the plates in the form of solid-state joints, as described above, so that the movement of the actuators is influenced as little as possible.

Die platten-artigen Strukturen sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass diese miteinander verbunden oder sogar monolithisch ausgeführt sind, da dieses die Handhabung der Teile bei der Fertigung der Antriebe deutlich vereinfacht.The plate-like structures are preferably designed so that they are interconnected or even monolithic, since this significantly simplifies the handling of the parts in the production of the drives.

Diese Strukturen können wiederum so ausgeführt sein, dass sie eine einzelne Aktorguppe oder eine Vielzahl von Aktorgruppen (zwei oder mehr) aufnehmen können. Again, these structures may be configured to accommodate a single actor group or a plurality of actor groups (two or more).

Es sei darauf hingewiesen, dass die Aktorgruppen einzeln und auch in einer Vielzahl (seriell oder parallel) eingesetzt werden können. Insbesondere bei Mehraktorantrieben werden dann mehr als eine Aktorgruppe eingesetzt. It should be noted that the Aktorgruppen individually and in a variety (serial or parallel) can be used. Especially in multi-actuator drives then more than one actuator group are used.

Es ist auch möglich, den mindestens einen Aktor so auszugestalten, dass in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen schichten-ähnliche Strukturen (vorzugsweise mehrere Schichten) aus einem Material mit einer vorzugsweise hohen thermischen Leitfähigkeit eingebracht sind, die im Betrieb entstehende Wärme der Aktoren nach außen führen, wobei diese Wärme dann direkt oder indirekt an eine thermische Senke angebunden ist, wobei eine indirekte Anbindung vorzugsweise über nachgiebige Strukturen erfolgt, die die Bewegung der Aktoren nicht verhindern, wie z.B. Festkörpergelenke oder Litzen. Dabei ist es für den Abtransport der Wärme unerheblich, ob die Schichten gleichzeitig auch als Elektroden genutzt werden, so dass sich ein sogenannter Mehrlagenaktor-Aktor (Multilayer-Aktor) ergibt. Es muss bei der Auslegung der Schichten beachtet werden, dass die Schichten ein ausreichend großes Volumen und eine ausreichend gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, um die Wärme, die im Aktor im Betrieb entsteht, nach Außen abzuführen.It is also possible to design the at least one actuator in such a way that layer-like structures (preferably a plurality of layers) of a material having a preferably high thermal conductivity are introduced at regular or irregular intervals, resulting in the heat of the actuators arising during operation, wherein this heat is then directly or indirectly connected to a thermal sink, with an indirect connection preferably via compliant structures that do not prevent the movement of the actuators, such as Solid joints or strands. It is irrelevant for the removal of heat, whether the layers are also used as electrodes, so that there is a so-called multi-layer actuator (multilayer actuator). When designing the layers, it must be taken into account that the layers have a sufficiently large volume and sufficiently good thermal conductivity to dissipate the heat generated in the actuator during operation to the outside.

Die indirekte Anbindung an die Wärmesenke sollte vorzugsweise über nachgiebige Strukturen erfolgt, die die Bewegung der Aktoren nicht verhindern, wie z.B. Festkörpergelenke oder Litzen. Im Falle einer direkten Anbindung bietet es sich an, die Anbindung auf der nicht-beweglichen Seite des Aktors zu realisieren, oder die Wärmesenke muss selber nachgiebige Strukturen aufweisen, die die Bewegungen der Aktorik mitmachen kann, so dass die Bewegung der Aktoren nicht verhindert wird. The indirect connection to the heat sink should preferably be via compliant structures that do not prevent the movement of the actuators, e.g. Solid joints or strands. In the case of a direct connection, it is advisable to realize the connection on the non-movable side of the actuator, or the heat sink itself must have yielding structures that can join in the movements of the actuators, so that the movement of the actuators is not prevented.

Es bietet sich an, dass die direkte oder indirekte thermische Anbindung über die Fläche erfolgt, die bei Mehrlagenaktoren in der Regel auch zur elektrischen Kontaktierung genutzt wird (Elektroden), da hierüber eine sehr gute, haltbare Anbindung möglich ist. Die Elektroden können dann bei einer indirekten Anbindung z.B. über Festkörpergelenke angebunden werden, die den Kontakt zur Wärmesenke herstellen. Vorzugsweise wird gelötet oder geklebt, da das bereits etablierte Verfahren für die Kontaktierung der Elektroden sind. Für Befestigungen im beweglichen Bereich der Aktoren sind nachgiebige Strukturen zu wählen, da die Bewegung der Aktoren möglichst wenig gehemmt werden sollen. Schleifende Verbindungen sind möglichst zu vermeiden, da ansonsten ein Verschleiß zu erwarten ist, der die Funktion des Antriebs schnell negativ beeinflussen kann.It is advisable that the direct or indirect thermal connection takes place over the surface, which is usually also used for electrical contacting in multi-layer actuators (electrodes), since a very good, durable connection is possible via this. The electrodes can then be used in an indirect connection e.g. be connected via solid joints that make contact with the heat sink. Preferably, it is soldered or glued, since these are already established methods for contacting the electrodes. For fixings in the movable area of the actuators flexible structures are to be selected, since the movement of the actuators should be inhibited as little as possible. Grinding connections should be avoided as far as possible otherwise wear is likely to have a negative effect on the function of the drive.

Die Elektroden können dann bei einer indirekten Anbindung z.B. über Festkörpergelenke angebunden werden, die den Kontakt zur Wärmesenke herstellen. Vorzugsweise wird gelötet oder geklebt, da das bereits etablierte Verfahren für die Kontaktierung der Elektroden sind. Festkörpergelenke sind hier gegenüber steifen Anbindungen zu bevorzugen, da die Aktoren in Bewegung sind. Diese Bewegung soll möglichst wenig gehemmt werden. Schleifende Verbindungen sind allerdings zu vermeiden, da ansonsten ein Verschleiß zu erwarten ist, der die Funktion des Antriebs schnell negativ beeinflussen kann.The electrodes can then be used in an indirect connection e.g. be connected via solid joints that make contact with the heat sink. Preferably, it is soldered or glued, since these are already established methods for contacting the electrodes. Solid joints are to be preferred over stiff connections here, since the actuators are in motion. This movement should be inhibited as little as possible. However, grinding connections should be avoided as otherwise wear is to be expected, which can quickly negatively affect the function of the drive.

Neben Festkörpergelenken können auch andere nachgiebige Strukturen angebracht werden, wie z.B. eine Litze. Diese sollte dann auf möglichst kurzem Weg an die Wärmesenke geführt und dort befestigt werden, so dass die Wärme der Aktoren an die Wärmesenke abgegeben werden kann. Prinzipiell kann die Wärmeübertragung auch über mit dem Aktor in Verbindung stehenden Platinen erfolgen. Dabei muss weiterhin darauf geachtet werden, dass die Platine die Bewegung des Aktors nicht stört und dass die Platine, oder die auf oder in der Platine befindlichen Materialien (z.B. Kupferleiterbahnen) eine ausreichend gute Fähigkeit zur Wärmeübertragung aufweisen. In addition to solid-state hinges, other compliant structures can also be attached, such as e.g. a strand. This should then be guided as short as possible to the heat sink and fixed there, so that the heat of the actuators can be delivered to the heat sink. In principle, the heat transfer can also take place via boards in communication with the actuator. Care must be taken to ensure that the board does not interfere with the movement of the actuator and that the board, or the materials located on or in the board (e.g., copper traces) have a sufficiently good heat transfer capability.

Eine weitere Möglichkeit, die Wärme abzutransportieren, ist es, die freien Flächen der Aktoren, also die Flächen, die zugänglich sind und die nicht als Elektrodenfläche genutzt werden) direkt oder indirekt mit der Wärmesenke in Kontakt gebracht zu bringen. Dabei gibt es vielfältige Möglichkeiten, wie z.B. Kleben, Löten (z.B. wenn die Fläche zuvor metallisiert wurde) und Klemmen. Wichtig ist dabei stets, dass die Bewegung der Aktoren dabei möglichst wenig Hemmung erfährt. Im Falle einer direkten Anbindung ist es zu bevorzugen, die Anbindung über nachgiebige Strukturen zu realisieren, die direkt in die Wärmesenke eingearbeitet sind, oder die Anbindung auf der Seite zu realisieren, auf der der Aktor seine unbewegliche Masse hat. Die indirekte Anbindung an die Wärmesenke sollte vorzugsweise über nachgiebige Strukturen erfolgen, die die Bewegung der Aktoren nicht verhindern, wie z.B. Festkörpergelenke oder Litzen oder eine wärmeleitende weiche Füllmasse. Für den Fall, dass eine Füllmasse eingesetzte wird, muss darauf geachtet werden, dass diese nachgiebig oder beweglich (insbesondere elastisch) genug ist, um die Bewegung der Aktoren nicht zu hemmen. Eine solche Füllmasse kann auch in Kombination mit den wärme-leitenden nachgiebigen Strukturen eingesetzt werden. Damit ist es dann nicht zwingend notwendig, dass die Füllmasse bis an die Flächen des mindestens einen Aktors heranreicht, da die Füllmasse die wärmeleitenden nachgiebigen Strukturen beim Abtransport der Wärme unterstützt. Bevorzugt wird aber beim Einsatz der Füllmasse, dass diese in Kontakt mit mindestens einer Fläche des mindestens einen Aktors steht. Another way to remove the heat is to bring the free surfaces of the actuators, ie the surfaces that are accessible and not used as an electrode surface) directly or indirectly brought into contact with the heat sink. There are many possibilities, such as Gluing, soldering (e.g., when the surface has been previously metallized) and clamping. It is always important that the movement of the actuators experiences as little inhibition. In the case of a direct connection, it is preferable to realize the connection via compliant structures that are incorporated directly into the heat sink, or to realize the connection on the side on which the actuator has its immovable mass. The indirect connection to the heat sink should preferably be via compliant structures which do not prevent the movement of the actuators, e.g. Solid joints or strands or a thermally conductive soft filling. In the event that a filling material is used, care must be taken that it is yielding or flexible (in particular elastic) enough not to inhibit the movement of the actuators. Such a filling compound can also be used in combination with the heat-conductive resilient structures. Thus, it is then not absolutely necessary for the filling compound to reach the surfaces of the at least one actuator, since the filling compound assists the heat-conducting resilient structures in removing the heat. But when using the filling compound is preferred that it is in contact with at least one surface of the at least one actuator.

Eine Kombination der verschiedenen erfindungsgemäßen Ansätze ist möglich. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeübergang realisiert. A combination of the various approaches according to the invention is possible. As a result, a particularly good heat transfer is realized.

Darüber hinaus ist es selbstverständlich weiterhin möglich die Temperatur zu überwachen, um im Falle von zu hohen Temperaturen, z.B. durch die Reduktion der Leistung reagieren zu können um einen Schaden der Aktoren zu verhindern. In addition, it is of course still possible to monitor the temperature in order to be able to react in the event of excessive temperatures, for example by reducing the power to prevent damage to the actuators.

Im Folgenden werden anhand verschiedener Abbildungen beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtungen vorgestellt. Das erfindungsgemäße Antriebsverfahren wird anhand einer Abbildung erläutert.In the following, exemplary embodiments of the drive devices according to the invention are presented on the basis of various illustrations. The drive method according to the invention will be explained with reference to a figure.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen definiert, wobei zu verstehen ist, dass eine Ausführungsform, die im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben ist ebenso als Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verstehen ist, was auch umgekehrt gilt.Preferred and advantageous embodiments of the invention are defined in particular in the dependent claims, it being understood that an embodiment which is described in connection with a method according to the invention is also to be understood as an embodiment of a device according to the invention, and vice versa.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es handelt sich lediglich um Beispiele, die keinesfalls einschränkend wirken sollen. In the following the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. These are only examples that are not intended to be limiting.

Hierbei zeigtThis shows

1 eine schematische Darstellung einer Trägheitsantriebsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, 1 a schematic representation of an inertial drive device according to the prior art,

2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, 2 a schematic representation of a first embodiment of a drive device according to the invention,

3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, 3 a schematic representation of a second embodiment of a drive device according to the invention,

4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, 4 a schematic representation of a third embodiment of a drive device according to the invention,

5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, 5 a schematic representation of a fourth embodiment of a drive device according to the invention,

6 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, 6 a schematic representation of a fifth embodiment of a drive device according to the invention,

7 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 7 a schematic representation of a sixth embodiment of a drive device according to the invention

8 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 8th a schematic representation of a seventh embodiment of a drive device according to the invention

9 eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 9 a schematic representation of an eighth embodiment of a drive device according to the invention

10 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens. 10 a schematic flow diagram of a drive method according to the invention.

1 zeigt eine Prinzipskizze eines Trägheitsantriebs mit entsprechender, typischer Sägezahnansteuerung. 1 shows a schematic diagram of an inertial drive with corresponding, typical Sägezahnansteuerung.

An dieser Stelle wird nur das Arbeitsprinzip eines Trägheitsantriebs erläutert, da sich der Trägheitsantrieb für die folgenden Erläuterungen der erfindungsgemäßen Antriebe aufgrund des sehr einfachen Aufbaus besonders gut eignet. Zum grundsätzlichen Funktionsprinzip der anderen piezoelektrischen und elektrostriktiven Antriebe, wie z.B. Ultraschallantriebe, Mehraktorantriebe und Krabbelantriebe gibt die Fachliteratur Auskunft, wobei zudem der Fachmann mit den entsprechenden Detail ohnehin so vertraut ist, dass eingehendere Erläuterungen nicht nötig sind.At this point, only the working principle of an inertial drive will be explained, since the inertial drive for the following explanations of the drives according to the invention is particularly well suited due to the very simple structure. For the basic operating principle of the other piezoelectric and electrostrictive drives, such as e.g. Ultrasonic drives, multi-actuator drives and crawler drives are the specialist literature information, in addition, the expert is familiar with the corresponding detail anyway so that more detailed explanations are not necessary.

Zum Aufbau: In Trägheitsantrieben ist ein Aktor (11) vorgesehen, der mit einem sägezahn-ähnlichen, periodischen Signal beaufschlagt wird. Aus der Fachliteratur sind viele weitere geeignete Kurvenformen bekannt. Der Aktor (11) kann monolithisch ausgeführt sein, aber auch als Mehrlagenakor. Der Aktor (11) ist üblicherweise mit einer kraftübertragenden Struktur (12) verbunden, die von dem Aktor (11) lokal bewegt werden kann. Die kraftübertragende Struktur (12) kann vielfältig ausgestaltet sein. So kann diese z.B. den Hub des Aktors (11) auch umlenken und den Hub z.B. über Hebelwirkungen vergrößern oder auch verkleinern. Ein Teil der kraftübertragenden Struktur (12) steht mit einem zu bewegenden Läufer (13) in Reibkontakt, so dass der Läufer den Bewegungen der kraftübertragenden Struktur folgt, solange keine zu hohen Beschleunigungen oder Kräfte auf den Läufer (13) wirken, die der jeweiligen Bewegung der kraftübertragenden Struktur (12) entgegenstehen. Der Läufer ist üblicherweise gegenüber einer stationären Komponente (14) beweglich gelagert. Es sei hier noch darauf hingewiesen, dass auch die Komponente (14) als beweglich betrachtet werden kann, wobei dann das Objekt (13) zur stationären Komponente wird.Construction: In inertial drives, an actuator ( 11 ) provided with a sawtooth-like, periodic signal. From the technical literature many other suitable waveforms are known. The actor ( 11 ) can be monolithic, but also as Mehrlagenakor. The actor ( 11 ) is usually provided with a force-transmitting structure ( 12 ) connected by the actuator ( 11 ) can be moved locally. The force-transmitting structure ( 12 ) can be varied. So this can, for example, the stroke of the actuator ( 11 ) also redirect and increase the stroke, for example, over leverages or reduce. Part of the force-transmitting structure ( 12 ) stands with a runner to be moved ( 13 ) in frictional contact, so that the rotor follows the movements of the force-transmitting structure, as long as no too high accelerations or forces on the rotor ( 13 ), which correspond to the respective movement of the force-transmitting structure ( 12 ). The rotor is usually opposite a stationary component ( 14 ) movably mounted. It should be noted here that the component ( 14 ) can be considered as mobile, in which case the object ( 13 ) becomes the stationary component.

Zum Bewegungszyklus: Anhand der Bezeichnungen „I, II, III, IV“ sind die typischen Abschnitte eines Bewegungszyklus dargestellt.To the movement cycle: The designations "I, II, III, IV" show the typical sections of a movement cycle.

I stellt den Ausgangszustand dar.I represents the initial state.

II stellt die Situation dar, nachdem der Aktor (11) mit einem langsam erhöhten Signal beaufschlagt wurde. In der Folge hat sich der Aktor (11) ausgedehnt und dabei die kraftübertragenden Komponente (12) mitbewegt. Der mit der kraftübertragenden Komponente (12) im Reibkontakt stehende Läufer (13) folgt der Bewegung entsprechend.II represents the situation after the actuator ( 11 ) was applied with a slowly increased signal. As a result, the actuator ( 11 ) and thereby the force-transmitting component ( 12 ) moved. The one with the force-transmitting component ( 12 ) runners in frictional contact ( 13 ) follows the movement accordingly.

III stellt die Situation dar, nachdem das am Aktor (11) anliegende Signal schlagartig zurückgenommen wurde. In der Folge hat der Aktor (11) seine ursprüngliche Länge sprunghaft wieder angenommen und dabei die kraftübertragenden Komponente (12) entsprechend mitgenommen und dabei stark beschleunigt. Dieser hohen Beschleunigung konnte der Läufer (13) aufgrund der Massenträgheit nicht folgen, so dass dieser gegenüber der kraftübertragenden Komponente (12) verrutscht, so dass nun der Aktor (11) zwar seine ursprüngliche Länge hat, der Läufer (13) aber ein Stück nach links verschoben ist. Wir dieser Zyklus wiederholt, so verfährt der Läufer (13) ein weiteres Stück.III represents the situation after the actor ( 11 ) signal was abruptly withdrawn. As a result, the actuator ( 11 ) its original length jumped again assuming the force-transmitting component ( 12 ) taken accordingly and thereby greatly accelerated. This high acceleration allowed the runner ( 13 ) do not follow because of the inertia, so that this compared to the force-transmitting component ( 12 ) slips, so that now the actuator ( 11 ) Although its original length has, the runner ( 13 ) but a bit to the left. If this cycle is repeated, the runner moves ( 13 ) another piece.

IV stellt den Zustand während der nächsten langsam steigenden Flanke dar. Hier wird der Läufer (13) wieder parallel zur Auslenkung des Aktors (11) mitbewegt. IV represents the state during the next slowly rising edge. Here, the runner ( 13 ) again parallel to the deflection of the actuator ( 11 ) moved.

Zur Feinpositionierung kann der Aktor (11) und damit der Läufer (13) quasi-statisch durch langsam variierende Steuersignale in die gewünschte Lage gebracht werden, so dass eine Bewegungsauflösung vorliegt, die deutlich feiner als die Schrittweite ist. Der Begriff „Schrittweite“ bezeichnet hier die Strecke, die der Läufer nach Durchlaufen eines Sägezahn der Ansteuerung versetzt wurde.For fine positioning, the actuator ( 11 ) and thus the runner ( 13 ) are brought into the desired position quasi-statically by slowly varying control signals, so that there is a motion resolution which is significantly finer than the step size. The term "increment" here refers to the distance that the rotor has been offset after passing through a sawtooth of the drive.

Soll die Bewegung nicht nach links, sondern nach rechts erfolgen, so muss die langsame Flanke fallen und die schnelle Flanke steigen. If the movement is not to the left, but to the right, the slow edge must fall and the fast edge rise.

Durch ein wiederholtes Anlegen dieses Zyklus kann der Läufer (13) mit einer sehr hohen Bewegungsauflösung über große Strecken, die größer sein können als der Hub der eingesetzten Aktorik, bewegt werden.By repeatedly applying this cycle, the runner ( 13 ) are moved with a very high motion resolution over long distances that can be greater than the stroke of the actuators used.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Trägheitsantriebs. Zu erkennen ist, dass der in 1 gezeigte Aktor (11) nicht mehr vorhanden ist, sondern dass stattdessen mehrere kleinere Aktoren (21a, 21b, 21c) genutzt werden. Dabei können prinzipiell zwei oder mehr Aktoren verwendet werden. Zwischen den Aktoren sind platten-ähnliche Strukturen (25a, 25b) angeordnet. Vorzugsweise haben diese Platten eine hohe thermische Leitfähigkeit. Die Platten sind thermisch über die Strukturen (26a, 26b) an die Wärmesenke (24), die im dargestellten Fall gleichzeitig die stationäre Komponente (24) darstellt, angebunden, so dass die im inneren der Aktoren (21a, 21b, 21c) entstehende Wärme, bzw., die Wärme, die im Aktor (11) aus 1 im Inneren entstanden wäre, gut an die Wärmesenke abgeführt wird. In Folge dessen wird die lokale Aufheizung der Aktoren, die zur Zerstörung der Aktoren führen kann, verhindert. Bei den Strukturen (26a, 26b) kann es sich z.B. um thermisch gut leitende Litzen (z.B. Kupferlitzen) oder z.B. um Festkörpergelenke handeln. Wichtig ist, dass diese Strukturen die freie Bewegung der Aktoren (21a, 21b, 21c) möglichst wenig beschränken. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a drive device according to the invention by means of an inertial drive. It can be seen that the in 1 shown actuator ( 11 ) is no longer present, but that instead several smaller actuators ( 21a . 21b . 21c ) be used. In principle, two or more actuators can be used. Between the actuators are plate-like structures ( 25a . 25b ) arranged. Preferably, these plates have a high thermal conductivity. The plates are thermally over the structures ( 26a . 26b ) to the heat sink ( 24 ), which in the case shown simultaneously the stationary component ( 24 ), so that the inside of the actuators ( 21a . 21b . 21c ) generated heat, or, the heat in the actuator ( 11 ) out 1 would have arisen inside, well dissipated to the heat sink. As a result, the local heating of the actuators, which can lead to the destruction of the actuators, prevented. In the structures ( 26a . 26b ) may be, for example, thermally highly conductive strands (eg copper strands) or, for example, solid-state joints. It is important that these structures allow the free movement of the actuators ( 21a . 21b . 21c ) limit as little as possible.

Es ist in der 2 zwar nicht dargestellt, aber es ist vorteilhaft die kraftübertragende Struktur (22) ebenfalls mit einer Struktur wie die Strukturen (26a, 26b) an die Wärmesenke (24) thermisch anzubinden.It is in the 2 Although not shown, but it is advantageous the force-transmitting structure ( 22 ) also with a structure like the structures ( 26a . 26b ) to the heat sink ( 24 ) thermally bond.

Es kann auch vorgesehen werden (ebenfalls nicht dargestellt), dass zwischen dem Aktor (21c) und der kraftübertragenden Struktur (22) eine plattenähnliche Struktur entsprechend den plattenähnlichen Strukturen (25a, 25b) vorgesehen ist, die ebenfalls thermisch mit der einen oder auch einer anderen Wärmesenke verbunden ist.It can also be provided (also not shown) that between the actuator ( 21c ) and the force-transmitting structure ( 22 ) a plate-like structure corresponding to the plate-like structures ( 25a . 25b ) is provided, which is also thermally connected to one or another heat sink.

Selbstverständlich kann statt der stationären Komponente (24) auch ein anderes Objekt als Wärmesenke genutzt werden. Es ist auch möglich die Wärmesenke aktiv auf einer Temperatur zu halten. Of course, instead of the stationary component ( 24 ) Another object can be used as a heat sink. It is also possible to keep the heat sink active at a temperature.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Trägheitsantriebs. Der Aufbau ist dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich. Konkret wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die thermische Anbindung der Aktoren (31a, 31b, 31c) über Festkörpergelenke (26a, 26b) realisiert. Diese Festkörpergelenke (26a, 26b) erlauben die freie Bewegung der Aktoren (31a, 31b, 31c) und ermöglichen eine gute thermische Anbindung an die thermische Senke (24). 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a drive device according to the invention by means of an inertial drive. The structure is similar to the first embodiment. Specifically, in the present embodiment, the thermal connection of the actuators ( 31a . 31b . 31c ) over solid joints ( 26a . 26b ) realized. These solid joints ( 26a . 26b ) allow the free movement of the actuators ( 31a . 31b . 31c ) and allow a good thermal connection to the thermal sink ( 24 ).

Festkörpergelenke können dem Stand der Technik so ausgelegt werden, dass einige Freiheitsgrade gesperrt werden, während andere nicht gesperrt werden. Das kann für die erfindungsgemäßen Antriebe einen wertvollen Zusatznutzen bringen. So können die Festkörpergelenke so ausgelegt werden, dass die Bewegung der Aktoren entlang der Schubrichtung des Läufers nicht gehemmt werden, aber alle anderen linearen Bewegungen entsprechend gehemmt werden. Bereits ein Festkörpergelenk in Form einer Blattfeder hat diese Eigenschaft. Das hat zur Folge, dass die ersten Biegemoden gehemmt, bzw. in einen höheren Frequenzbereich verschoben werden. Das ist insbesondere bei lang bauenden Aktorgruppen von Interesse, da diese dann mit höheren Frequenzen angesteuert werden können, ohne dass die Aktoren sich aufschwingen, im Vergleich zu Aktorgruppen ohne die Anbindung über solche Festkörpergelenke.Solid state hinges can be designed in the prior art to lock some degrees of freedom while not locking others. This can bring a valuable additional benefit for the drives according to the invention. Thus, the solid-state joints can be designed so that the movement of the actuators along the thrust direction of the rotor are not inhibited, but all other linear movements are inhibited accordingly. Already a solid-body joint in the form of a leaf spring has this property. As a result, the first bending modes are inhibited or shifted to a higher frequency range. This is of particular interest in long-term actuator groups, since these can then be driven at higher frequencies without the actuators swinging up, in comparison to actuator groups without the connection via such solid-body joints.

Es ist von Vorteil, wenn auch nicht notwendig, wenn die plattenähnlichen Strukturen (35a, 35b) aus einem Stück mit den Festkörpergelenken (36a, 36b) gefertigt werden, da so eine idealer Wärmeübergang gewährleistet ist und die Fertigung besonders einfach ausfällt. It is advantageous, although not necessary, if the plate-like structures ( 35a . 35b ) in one piece with the solid-state joints ( 36a . 36b ), since an ideal heat transfer is ensured and the production is particularly simple.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Trägheitsantriebs. Der Aufbau ist dem zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich. Bei diesem Beispiel wird deutlich gemacht, dass die Festkörpergelenke (46a, 46b) auch gleich einteilig mit der Wärmesenke (44) gefertigt werden können, was wiederum vorteilhaft für einen guten Wärmeübergang zur Wärmesenke ist. 4 shows a schematic representation of a third embodiment of a drive device according to the invention by means of an inertial drive. The structure is similar to the second embodiment. In this example, it is made clear that the solid-state joints ( 46a . 46b ) also in one piece with the heat sink ( 44 ), which in turn is advantageous for a good heat transfer to the heat sink.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Trägheitsantriebs. Die Struktur (57) beinhaltet sowohl die Platten (55a, 55b), die zwischen den Aktoren (51a, 51b, 51c) aufgenommen sind, als auch die Festkörpergelenke (56a, 56b). Vorzugsweise ist die Struktur (57) einteilig gefertigt. Es ist in der 5 zwar nicht dargestellt, aber es ist vorteilhaft, die kraftübertragende Struktur (52) ebenfalls thermisch an die Struktur (57) anzubinden. Von Vorteil ist, wenn die kraftübertragende Struktur (52) auch Teil einer idealerweise einteilig gefertigten Struktur (57) ist. 5 shows a schematic representation of a fourth embodiment of a drive device according to the invention by means of an inertial drive. The structure ( 57 ) contains both the plates ( 55a . 55b ), between the actuators ( 51a . 51b . 51c ), as well as the solid-state joints ( 56a . 56b ). Preferably, the structure is ( 57 ) made in one piece. It is in the 5 Although not shown, but it is advantageous to the force-transmitting structure ( 52 ) also thermally to the structure ( 57 ). It is advantageous if the force-transmitting structure ( 52 ) also part of an ideally one-piece structure ( 57 ).

Anhand 6 wird ein Beispiel gezeigt, wie eine solche Struktur die kraftübertragende Struktur bilden kann. Die Struktur (57) des Ausführungsbeispiels aus der 5 kann an, bzw. in der stationäre Komponente (54) befestigt werden. Die Funktion der Wärmesenke wird in diesem Fall sowohl von der Struktur (57), als auch von der stationären Komponente (54) übernommen. Based 6 an example is shown how such a structure can form the force-transmitting structure. The structure ( 57 ) of the embodiment of the 5 can, or in the stationary component ( 54 ) are attached. The function of the heat sink in this case depends both on the structure ( 57 ), as well as of the stationary component ( 54 ) accepted.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Antriebs, der entsprechend dem Prinzip eines Trägheitsantriebs oder eines Mehraktorantriebs betrieben werden kann. Gezeigt sind zwei Aktorguppen („ga“ bzw. „gb“) die jeweils eine kraftübertragende Struktur (66a bzw. 66b) beschleunigen können. Die kraftübertragenden Strukturen (66a und 66b) stehen mit dem Läufer (63) in Reibkontakt und können diesen wahlweise gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantriebs oder einer Mehraktorantriebs vorantreiben. Selbstverständlich ist die Anzahl der Aktorgruppen beliebig. Gleiches gilt für die Anzahl von Aktoren in den jeweiligen Aktorguppen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Bewegungen der Aktoren durch die wärmeübertragende Struktur (67) nicht behindert, da geeignete Federgelenke eingesetzt werden, die in Bewegungsrichtung der Aktoren nachgiebig sind. Selbstverständlich können statt Federgelenke auch andere Strukturen, wie z.B. Litzen verwendet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel stehen sowohl die zwischen den Aktoren befindlichen platten-ähnliche Strukturen, als auch die kraftübertragenden Strukturen in guter thermischer Anbindung mit dem Rest der Struktur (67). Die Struktur (67) des Ausführungsbeispiels aus der 6 kann an, bzw. in der stationären Komponente (64) befestigt werden. Die Funktion der Wärmesenke wird in diesem Fall sowohl von der Struktur (67), als auch von der stationären Komponente (64) übernommen. Prinzipiell ist es auch möglich, eine andere Wärmesenke zu wählen, mit der die Struktur (67) in Kontakt gebracht wird. Das kann insbesondere dann von Interesse sein, wenn die sonstigen Komponenten des Antriebs nicht betriebsabhängigen Temperaturschwankungen unterworfen sein sollen. Auch eine einteilige Ausführung von stationärer Komponente (64) und Struktur (67) ist möglich. 6 shows a schematic representation of a fifth embodiment of a drive device according to the invention with reference to a drive which can be operated according to the principle of an inertial drive or a multi-actuator drive. Shown are two Aktorguppen ("ga" or "gb") which each have a force-transmitting structure ( 66a respectively. 66b ) can accelerate. The force-transmitting structures ( 66a and 66b ) stand with the runner ( 63 ) in frictional contact and can drive this either in accordance with the principle of an inertial drive or a multi-actuator drive. Of course, the number of actuator groups is arbitrary. The same applies to the number of actuators in the respective actuator groups. In the illustrated embodiment, the movements of the actuators by the heat-transmitting structure ( 67 ) is not hindered, since suitable spring joints are used, which are compliant in the direction of movement of the actuators. Of course, instead of spring joints, other structures such as strands can be used. In the illustrated embodiment, both the plate-like structures located between the actuators and the force-transmitting structures are in good thermal connection with the rest of the structure ( 67 ). The structure ( 67 ) of the embodiment of the 6 can on or in the stationary component ( 64 ) are attached. The function of the heat sink in this case depends both on the structure ( 67 ), as well as of the stationary component ( 64 ) accepted. In principle, it is also possible to choose a different heat sink with which the structure ( 67 ) is brought into contact. This may be of particular interest if the other components of the drive should not be subject to operational temperature fluctuations. Also a one-piece design of stationary component ( 64 ) and structure ( 67 ) is possible.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Trägheitsantriebs. Zu erkennen ist, dass ein Aktor (71) zum Einsatz kommt, der mit Elektrodenschichten (75) im Inneren versehen ist. Dargestellt ist das durch einen virtuellen Schnitt durch den Aktor, so dass der innere Aufbau schematisch zu erkennen ist. Die thermisch angebundenen Elektroden (75) sind für eine bessere Visualisierung dicker dargestellt es die in der 7 nicht angebundenen Elektroden. Die Elektroden (75) durchziehen den Aktor, so dass diese beim Erwärmen des Aktors die Wärme gut aufnehmen und an einen äußeren Terminal (77) weiterleiten können. Dieser Terminal (77) kann direkt mit einer Wärmesenke in Kontakt stehen, oder indirekt, so wie in der 7, wo die Strukturen (76) die Wärme vom Terminal (77) aufnehmen und an die Wärmesenke (74) abgeben. Die Strukturen (76) können beliebige Formen annehmen. Bevorzugt ist die Ausprägung als Festkörpergelenk oder als thermisch gut leitende Litze mit einem ausreichend großen Querschnitt und einer idealerweise kurzen Länge. Es ist nicht notwendig, dass die in den Aktor eingezogenen Schichten auch als Elektrode(n) genutzt werden. Es reicht, wenn die Schichten für die Wärmeableitung herangezogen werden. Wichtig ist, dass die Schichten in Kombination mit dem Terminal (77) die Bewegung des Aktors (71) nicht behindern. Hierfür kann der Terminal (77) z.B. nachgiebig gestaltet werden, z.B. durch eine ausreichend dünne, vorzugsweise metallische, Schicht, die aber noch dick genug ist, um die Wärme an die Strukturen (76) weiterzuleiten, oder indem nachgiebige Strukturen in die Schichten bzw. in den Terminal (77) vorgesehen werden. 7 shows a schematic representation of a sixth embodiment of a drive device according to the invention by means of an inertial drive. It can be seen that an actor ( 71 ) used with electrode layers ( 75 ) is provided inside. This is shown by a virtual section through the actuator, so that the internal structure is shown schematically. The thermally connected electrodes ( 75 ) are thicker for better visualization 7 untethered electrodes. The electrodes ( 75 ) pass through the actuator, so that they absorb the heat well when heating the actuator and to an external terminal ( 77 ) can forward. This terminal ( 77 ) can be directly in contact with a heat sink, or indirectly, as in the 7 where the structures ( 76 ) the heat from the terminal ( 77 ) and to the heat sink ( 74 ) submit. The structures ( 76 ) can take any forms. The expression is preferably as a solid-body joint or as a thermally highly conductive strand having a sufficiently large cross section and an ideally short length. It is not necessary that the layers drawn into the actuator are also used as the electrode (s). It is sufficient if the layers are used for heat dissipation. It is important that the layers in combination with the terminal ( 77 ) the movement of the actuator ( 71 ) do not hinder. For this purpose, the terminal ( 77 ), for example, by a sufficiently thin, preferably metallic, layer, but which is still thick enough to transfer the heat to the structures ( 76 ) or by adding compliant structures to the layers or terminal ( 77 ).

Die Kabel, die genutzt werden, um den Aktor elektrisch mit der Quelle der Steuersignale zu verbinden, können nicht als thermische Anbindung betrachtet werden. Diese Kabel haben nicht das Potential Wärmeleistung im nennenswerten Umfang abzutransportieren. Zunächst sind die Kabel dem Stand der Technik nach dafür zu dünn und in der Regel auch zu lang, so dass die Wärmeleitfähigkeit praktisch nicht nutzbar ist. Im Gegensatz dazu muss für die Struktur (76) eine Form gewählt werden, die einen großen Querschnitt aufweist und idealerweise möglichst kurz ist, ohne die Bewegung der Aktoren dabei zu sehr zu behindern. Hinzu kommt, dass die Kabel im Betrieb aufgrund eines hohen Stroms selber Wärme erzeugen. Als Struktur (76) bieten sich beispielsweise Festkörpergelenke oder korrekt ausgelegte Litzen, wie z.B. aus dem Bereich der Cryotechnik bekannt, an. Wichtig ist auf jedem Fall, dass diese Strukturen (76) die Bewegung der Aktoren so wenig wie möglich hemmen.The cables that are used to electrically connect the actuator to the source of the control signals can not be considered a thermal connection. These cables do not have that Potential to dissipate heat output to a significant extent. First, the cables are the prior art for too thin and usually too long, so that the thermal conductivity is practically unusable. In contrast, for the structure ( 76 ) are chosen a shape that has a large cross-section and ideally as short as possible, without hindering the movement of the actuators too much. In addition, the cables generate heat themselves during operation due to a high current. As a structure ( 76 ) are, for example, solid joints or correctly designed strands, such as known from the field of cryotechnology, on. It is important in any case that these structures ( 76 ) inhibit the movement of the actuators as little as possible.

8 zeigt eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Trägheitsantriebs. Die Wärme des Aktors (81) kann auch an Flächen abgegriffen werden, die nicht als Elektrode genutzt werden oder die nicht mit evtl. eingezogenen Schichten verbunden sind. Hierzu wird, wie in 8 schematisch dargestellt, mindestens eine Fläche des Aktors (81), bei dem es sich sowohl um einen monolithischen, oder auch um einen Mehrlagenaktor handeln kann, mit einer Kontaktstruktur (85) in Kontakt gebracht. Diese Kontaktstruktur muss so ausgebildet sein, dass diese die Bewegung des Aktors so wenig wie möglich behindert. Es ist möglich, die Kontaktstruktur durch eine ausreichend dünne, vorzugsweise metallische, Schicht zu realisieren, die die Bewegung der Aktoren nicht behindert aber ausreichend dick ist um die Wärme der Aktoren direkt oder indirekt an die Wärmesenke abzuführen. An einer solchen Kontaktfläche können die nachgiebigen Strukturen (86) sehr gut befestigt werden, z.B. durch Löten oder Kleben, während ein guter thermischer Übergang gewährleistet werden kann. Selbstverständlich können die nachgiebigen Strukturen (86) auch direkt, ohne den Einsatz einer Kontaktfläche oder einer Kontaktstruktur (85) an den Aktor (81) geführt werden. Bevorzugt wird aber der Einsatz einer räumlichen Kontaktstruktur (85), an die die Strukturen (86) und/oder die kraftübertragende Struktur (82) und/oder die stationäre Komponente (84) angebunden sind. Hier bietet es sich beispielsweise an die Kontaktstruktur (85) wie in der 8 dargestellt mäanderförmig auszugestalten. Das erlaubt die freie Bewegung der Aktoren, da die Mäanderform eine hohe Nachgiebigkeit in Bewertungsrichtung aufweist. Aufgrund der vielen Kontakte mit dem Aktor (81) kann die Wärme des Aktors gut von der Kontaktstruktur (84) aufgenommen und an die Struktur (86) weitergegeben werden. Die Strukturen (86) und die Kontaktstruktur (84) können vorzugsweise einteilig ausgeführt werden. Eine einteilige Ausführung samt der stationären Komponente (84) ist ebenfalls möglich. 8th shows a schematic representation of a seventh embodiment of a drive device according to the invention by means of an inertial drive. The heat of the actuator ( 81 ) can also be tapped on surfaces that are not used as an electrode or that are not connected to any retracted layers. For this purpose, as in 8th schematically illustrated, at least one surface of the actuator ( 81 ), which may be either a monolithic or a multilayer actuator, having a contact structure ( 85 ). This contact structure must be designed so that it obstructs the movement of the actuator as little as possible. It is possible to realize the contact structure by a sufficiently thin, preferably metallic, layer, which does not hinder the movement of the actuators but is sufficiently thick to dissipate the heat of the actuators directly or indirectly to the heat sink. At such a contact surface, the compliant structures ( 86 ) are very well secured, for example by soldering or gluing, while a good thermal transition can be ensured. Of course, the compliant structures ( 86 ) directly, without the use of a contact surface or a contact structure ( 85 ) to the actuator ( 81 ). However, the use of a spatial contact structure ( 85 ) to which the structures ( 86 ) and / or the force-transmitting structure ( 82 ) and / or the stationary component ( 84 ) are connected. Here, for example, it offers the contact structure ( 85 ) like in the 8th illustrated meander-shaped. This allows the free movement of the actuators, since the meander shape has a high compliance in the evaluation direction. Due to the many contacts with the actuator ( 81 ), the heat of the actuator can be well defined by the contact structure ( 84 ) and to the structure ( 86 ). The structures ( 86 ) and the contact structure ( 84 ) may preferably be made in one piece. A one-piece design including the stationary component ( 84 ) is also possible.

9a zeigt eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Trägheitsantriebs. Die Wärme des Aktors (91) kann auch an dessen Flächen abgegriffen werden. Hierzu wird, wie in 9 schematisch dargestellt mindestens eine Fläche des Aktors (91), bei dem es sich sowohl um einen monolithischen, oder auch um einen Mehrlagenaktor handeln kann, mit einer wärmeleitenden, nachgiebigen Kontaktmasse (98) in Kontakt gebracht. (Die Kontaktmasse ist mit einer Kreuzschraffur gekennzeichnet). Diese Kontaktmasse muss eine derartige Konsistenz aufweisen, dass diese die Bewegung des Aktors so wenig wie möglich behindert. Vorzugsweise hat die Kontaktmasse eine Konsistenz, die ihre Form beibehält. Es ist aber auch möglich, dass diese Füllmasse flüssig ist oder aus einem feinen Schüttgut besteht. Die Kontaktmasse kann sehr gut in Kombination mit anderen wärmeleitenden Strukturen eingesetzt werden, wie beispielhaft anhand der 9b gezeigt wird. 9a shows a schematic representation of an eighth embodiment of a drive device according to the invention by means of an inertial drive. The heat of the actuator ( 91 ) can also be tapped on its surfaces. For this purpose, as in 9 schematically illustrated at least one surface of the actuator ( 91 ), which may be either a monolithic or a multi-layer actuator, with a thermally conductive, resilient contact mass ( 98 ). (The contact mass is marked with crosshatching). This contact mass must have a consistency such that it obstructs the movement of the actuator as little as possible. Preferably, the contact mass has a consistency that retains its shape. But it is also possible that this filling material is liquid or consists of a fine bulk material. The contact material can be used very well in combination with other heat-conducting structures, as exemplified by 9b will be shown.

9b zeigt eine schematische Darstellung einer Kombination aus dem dritten Ausführungsbeispiel und dem achten Ausführungsbeispiel. Die Wärme des Aktors (91) wird bei diesem Beispiel an dessen Flächen durch die Kontaktmasse (98) (visualisiert durch eine Kreuzschraffur) abgegriffen und parallel durch die Festkörpergelenke (96a, 96b), die in diesem Beispiel auch gleich einteilig mit der Wärmesenke (94) ausgeführt sind, so dass die Wärme effizient an die Wärmesenke (94) geführt wird. Eine solche, beispielhafte Kombination ist vorteilhaft für einen guten Wärmeübergang zur Wärmesenke. 9b shows a schematic representation of a combination of the third embodiment and the eighth embodiment. The heat of the actuator ( 91 ) is in this example on its surfaces by the contact mass ( 98 ) (visualized by a cross-hatching) tapped and parallel through the solid-state joints ( 96a . 96b ), which in this example also in one piece with the heat sink ( 94 ) are carried out so that the heat is efficiently transferred to the heat sink ( 94 ) to be led. Such an exemplary combination is advantageous for a good heat transfer to the heat sink.

10 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens. Das Antriebsverfahren 100 umfasst die Schritte Anordnen 101 einer Reibfläche einer kraftübertragenden Struktur mit einer Objektoberfläche des anzutreibenden Läufers und Bereitstellen 102 einer Anpresskraft zum Anpressen der Reibfläche an die Objektoberfläche, wobei die Anpresskraft eine senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objekts gerichtete Komponente aufweist. 10 shows a schematic flow diagram of a drive method according to the invention. The driving method 100 includes the steps Arrange 101 a friction surface of a force-transmitting structure with an object surface of the rotor to be driven and providing 102 a pressing force for pressing the friction surface against the object surface, wherein the pressing force has a directed perpendicular to a direction of movement of the object component.

Im Anschluss an Schritt 102 werden die Schritte des Positionierens des Läufers wahlweise über die Positionierung mittels des Trägheitsantriebsprinzips 103 oder die Positionierung mittels des Prinzips eines Mehraktorantriebs 104 oder mittels des Prinzips eines Krabbelantriebs 105 oder mittels des Prinzips eines Ultraschallantriebs 106 erzeugt. Im Schritt 107 wird die in den Aktoren im Betrieb erzeugte Wärme mittels thermisch leitfähigen Vorrichtungen nach Außen transportiert. Im Schritt 108 wird die in den Aktoren erzeugte Wärme indirekt über eine wärmeleitende Struktur an eine Wärmesenke abgeführt, die mit den Aktoren in Kontakt steht und die die Bewegung der Aktoren weiterhin zulässt, oder im Schritt 109 wird die in den Aktoren erzeugte Wärme direkt an die Wärmesenke abgeführt, wobei die mit den Aktoren in Kontakt stehende Wärmesenke die Bewegung der Aktoren weiterhin zulässt, wobei die Schritte 108 und 109 wahlweise einzeln oder auch parallel durchgeführt werden können.Following step 102 For example, the steps of positioning the rotor are optionally via the positioning by means of the inertial drive principle 103 or the positioning by means of the principle of a multi-actuator drive 104 or by the principle of a Krabbelantriebs 105 or by the principle of an ultrasonic drive 106 generated. In step 107 The heat generated in the actuators during operation is transported by means of thermally conductive devices to the outside. In step 108 the heat generated in the actuators is dissipated indirectly via a heat-conducting structure to a heat sink, which is in contact with the actuators and which still allows the movement of the actuators, or in the step 109 the heat generated in the actuators is dissipated directly to the heat sink, wherein the heat sink in contact with the actuators continues to allow the movement of the actuators, wherein the steps 108 and 109 can be performed either individually or in parallel.

Auch wenn die oben diskutierten Ausführungsbeispiele sich vornehmlich auf eine lineare Bewegung beziehen, ist die Erfindung nicht auf eine solche lineare Bewegung beschränkt und eine rotatorische Bewegung sowie zusammengesetzte Bewegungen und Positionierungen sind ebenfalls möglich.Although the embodiments discussed above primarily refer to linear motion, the invention is not limited to such linear motion, and rotational motion, as well as compound movements and positioning are also possible.

In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Positionierung eines zu bewegenden Objektes mittels vorzugsweise piezoelektrischer Aktorik.In one embodiment of the invention, a positioning of an object to be moved by means of preferably piezoelectric actuators takes place.

Es kann zudem vorgesehen sein, dass eine mechanische Führung die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Objektes vorgibt, wobei es sich entweder um eine separate Führung (bzw. Lager) oder eine in den Antrieb integrierte Führung handeln kann. It may also be provided that a mechanical guide determines the direction of movement of the object to be driven, which may be either a separate guide (or bearing) or integrated into the drive guide.

Es kann vorgesehen sein, dass die kraftübertragende Struktur die Bewegungsrichtung der Aktorik umlenkt und/oder über Hebelstrukturen den am Reibkontakt abgreifbaren Hub der Aktoren vergrößert oder verkleinert.It can be provided that the force-transmitting structure deflects the direction of movement of the actuators and / or enlarges or reduces the stroke of the actuators that can be picked off at the friction contact via lever structures.

Es können mehrere Antriebe parallel eingesetzt werden, wobei es sowohl möglich ist diese Antriebe entweder mit identischen Ansteuerkurven anzusteuern, oder auch alternativ mit versetzten Ansteuerkurven mit gleicher Periodenlänge, oder mit Ansteuerkurven, bei denen eine oder mehrere Periodenlängen ein ganzes Vielfaches der anderen Periodenlängen ist. Several drives can be used in parallel, it being possible to control these drives either with identical drive curves, or alternatively with offset drive curves with the same period length, or with drive curves in which one or more period lengths is an integral multiple of the other period lengths.

Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere in den Ausführungsbeispielen in der Weise beschrieben, dass die Antriebsvorrichtung als solche ortsfest ist, während das zu bewegende Objekt relativ zur Antriebsvorrichtung und damit auch absolut bewegt wird. Es muss jedoch verstanden werden, dass die Bewegung zwischen Antriebsvorrichtung und Objekt primär als die Relativbewegung zwischen diesen Elementen zu verstehen ist. Es ist ebenfalls möglich, dass die Bewegung zwischen Objekt und Antriebsvorrichtung sich als eine absolute Bewegung der Antriebsvorrichtung äußert, wobei dann das Objekt absolut gesehen ortsfest bleiben würde. Ebenso ist es möglich, dass die Relativbewegung zu einer jeweiligen Absolutbewegung von sowohl Antriebsvorrichtung als auch Objekt (in jeweils entgegengesetzter Richtung) führt.The present invention has been described in particular in the embodiments in such a way that the drive device is stationary as such, while the object to be moved is moved relative to the drive device and thus also absolutely. However, it must be understood that the movement between the drive device and the object is primarily to be understood as the relative movement between these elements. It is also possible that the movement between the object and the drive device manifests itself as an absolute movement of the drive device, in which case the object would then remain stationary in absolute terms. It is also possible that the relative movement leads to a respective absolute movement of both the drive device and the object (in the opposite direction).

In einer Ausgestaltung sieht die Erfindung eine piezoelektrische oder elektrostriktive Antriebsvorrichtung vor zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung mindestens eines Läufers über eine Strecke bis in den Bereich jenseits des einfachen Hubs des mindestens einen Aktors, der die Reibfläche mindestens einer kraftübertragenden Struktur vor- und zurückbewegt, um den oder die in Reibkontakt stehenden Läufer anzutreiben, wobei der mindestens eine Aktor über die übliche zweiseitige, mechanische Anbindung hinaus über mindestens eine thermisch leitfähige Struktur mechanisch so an eine oder mehrere thermische Senken angebunden ist, dass ein erheblicher Teil der vom Aktor im Betrieb erzeugten Wärme an die thermische Senke abgeführt wird, wobei die thermische Anbindung mindestens eine vorzugsweise elastische Komponente aufweist, welche der lokalen Bewegung des Aktors folgen kann, so dass die Bewegung des mindestens einen Aktors nicht behindert oder gar verhindert wird.In one embodiment, the invention provides a piezoelectric or electrostrictive drive device for the linear and / or rotational positioning of at least one rotor over a distance up to the region beyond the simple stroke of the at least one actuator, which moves the friction surface of at least one force-transmitting structure back and forth, to drive the one or more runners in frictional contact, wherein the at least one actuator is connected via the usual two-sided, mechanical connection beyond at least one thermally conductive structure mechanically to one or more thermal sinks that a significant part of the generated by the actuator during operation Heat is dissipated to the thermal sink, wherein the thermal connection has at least one preferably elastic component, which can follow the local movement of the actuator, so that the movement of the at least one actuator is not hindered or even prevented.

In einer anderen Ausgestaltung sieht die Erfindung ein piezoelektrische oder elektrostriktive Antriebsvorrichtung vor zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung mindestens eines Läufers über eine Strecke bis in den Bereich jenseits des einfachen Hubs des mindestens einen Aktors, der die Reibfläche mindestens einer kraftübertragenden Struktur vor- und zurückbewegt, um den oder die in Reibkontakt stehenden Läufer anzutreiben, wobei der mindestens eine Aktor mit mindestens einer wärmeableitenden Struktur ausgestattet ist, welche die Bewegung des Aktors aufgrund einer vorzugsweise elastischen Ausführung mitmacht, wobei die mindestens eine thermisch leitfähige Struktur mechanisch an eine oder mehrere thermische Senken angebunden ist, so dass ein erheblicher Teil der vom Aktor im Betrieb erzeugten Wärme an die thermische Senke abgeführt wird.In another embodiment, the invention provides a piezoelectric or electrostrictive drive device for the linear and / or rotational positioning of at least one rotor over a distance to the region beyond the simple stroke of the at least one actuator, which moves the friction surface of at least one force-transmitting structure back and forth to drive the one or more runners in frictional engagement, the at least one actuator being provided with at least one heat dissipating structure which participates in the movement of the actuator due to a preferably resilient design, the at least one thermally conductive structure mechanically to one or more thermal sinks is connected, so that a significant portion of the heat generated by the actuator in operation is dissipated to the thermal sink.

In einer Variante der obigen Ausgestaltung bilden mehrere Aktoren eine Aktorgruppe, die gemeinsam die mindestens eine kraftübertragende Struktur bewegen, wobei zwischen den Aktoren mindestens eine platten-ähnliche Struktur, aus einem Material, welches vorzugsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, angeordnet ist, die über eine direkte oder indirekten Anbindung an eine Wärmesenke Wärme der Aktoren abführt.In a variant of the above embodiment, a plurality of actuators form an actuator group, which move together the at least one force-transmitting structure, wherein between the actuators at least one plate-like structure, of a material which preferably has a high thermal conductivity, is arranged over a Direct or indirect connection to a heat sink dissipates heat from the actuators.

In einer Modifikation dieser Variante erfolgt die Anbindung der mindestens einen platten-ähnlichen Struktur an die Wärmesenke über mindestens eine verformbare Struktur, welche mindestens in Bewegungsrichtung der Aktoren lokal nachgiebig ist und so die Bewegung der Aktoren zulässt, wobei es sich bei dem nachgiebigen Teil der Struktur um Litze handelt, die nahezu verschleißfrei der Bewegung der Aktoren folgen kann.In a modification of this variant, the connection of the at least one plate-like structure to the heat sink takes place via at least one deformable structure, which is locally yielding at least in the direction of movement of the actuators and thus allows the movement of the actuators, wherein it is at the compliant part of the structure is strand, which can follow the movement of the actuators almost wear-free.

In einer anderen Modifikation dieser Variante erfolgt die Anbindung der mindestens einen platten-ähnlichen Struktur an die Wärmesenke über mindestens eine verformbare Struktur, welche mindestens in Bewegungsrichtung der Aktoren lokal nachgiebig ist und so die Bewegung der Aktoren zulässt, wobei es sich bei dem nachgiebigen Teil der Struktur um Festkörpergelenke handelt, die nahezu verschleißfrei der Bewegung der Aktoren folgen können.In another modification of this variant, the connection of the at least one plate-like structure to the heat sink via at least one deformable structure, which is locally resilient at least in the direction of movement of the actuators and thus allows the movement of the actuators, wherein it is the yielding part of the Structure is about solid joints, which can follow the movement of the actuators almost wear-free.

In einer Weiterbildung dieser anderen Modifikation bilden die zwischen den Aktoren angeordneten platten-ähnlichen Strukturen eine zusammenhängender Struktur, die vorzugsweise aus einem Teil gefertigt ist und aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit besteht, wobei die Verbindung zwischen den platten-ähnlichen Strukturen über elastisch verformbare Bereiche verfügt, die die Bewegung der Aktoren erlaubt. Insbesondere weist hierbei die die platten-ähnliche Struktur umfassende, zusammenhängende Struktur mehr als eine Aktorgruppe auf, die jeweils eine eigene kraftübertragenden Struktur lokal bewegen.In a development of this other modification, the plate-like structures arranged between the actuators form a coherent structure, which is preferably made of one part and consists of a material with high thermal conductivity, the connection between the plate-like structures via elastically deformable regions which allows the movement of the actuators. In particular, in this case, the coherent structure comprising the plate-like structure has more than one actuator group, each of which locally moves its own force-transmitting structure.

In einer anderen Variante der obigen Ausgestaltungen ist der mindestens eine Aktor so ausgestaltet ist, dass in (regelmäßigen oder unregelmäßigen) Abständen eingebrachte schichten-ähnliche Strukturen aus einem Material mit einer vorzugsweise hohen thermischen Leitfähigkeit die im Betrieb entstehende Wärme der Aktoren nach außen führen, wobei diese Wärme dann direkt oder indirekt an eine thermische Senke angebunden ist, wobei die Anbindung vorzugsweise über nachgiebige Strukturen erfolgt, die die Bewegung nicht hemmen, wobei es sich dabei vorzugsweise um Festkörpergelenke oder Litze handelt.In another variant of the above embodiments, the at least one actuator is designed such that layers (similar or irregular) introduced layer-like structures of a material having a preferably high thermal conductivity lead the resulting heat during operation of the actuators to the outside this heat is then directly or indirectly connected to a thermal sink, wherein the connection is preferably via compliant structures that do not inhibit the movement, which are preferably solid-state joints or stranded wire.

In einer Modifikation dieser Variante sind die eingebrachten Schichten elektrisch leitfähig und können als interne Elektrode eines Mehrschichtaktors genutzt werden, wobei die Schichten eines gemeinsamen elektrischen Potentials vorzugsweise auf dem Aktor zusammengeführt werden und diese, vorzugsweise flächigen Zusammenführung über eine direkte oder indirekten Ankopplung an eine thermische Senke verfügt, wobei die indirekte Anbindung vorzugsweise über nachgiebige Strukturen erfolgt, die die Bewegung nicht hemmen, wobei es sich dabei vorzugsweise um Festkörpergelenke oder Litze handelt.In a modification of this variant, the layers introduced are electrically conductive and can be used as the internal electrode of a multilayer actuator, wherein the layers of a common electrical potential are preferably combined on the actuator and this, preferably flat merging via a direct or indirect coupling to a thermal sink wherein the indirect connection is preferably via compliant structures that do not inhibit the movement, which are preferably solid-state joints or stranded wire.

In einer weiteren Variante der obigen Ausgestaltungen ist der mindestens eine Aktor so ausgestaltet, dass über die in Bewegungsrichtung ausgerichteten Stirnflächen des mindestens einen Aktors hinaus weitere Flächen an mindestens eine wärme-leitende Struktur angekoppelt sind, welche direkt oder indirekt an eine thermische Senke angebunden ist, wobei die Anbindung vorzugsweise über nachgiebige Strukturen erfolgt, welche die Bewegung des mindestens eine Aktuators nicht hemmen, wobei es sich bei der nachgiebigen Struktur vorzugsweise um Festkörpergelenke oder Litze handelt.In a further variant of the above embodiments, the at least one actuator is configured in such a way that further surfaces are coupled to at least one heat-conducting structure via the end faces of the at least one actuator aligned in the direction of movement, which surfaces are directly or indirectly connected to a thermal sink. wherein the connection preferably takes place via resilient structures which do not inhibit the movement of the at least one actuator, wherein the resilient structure is preferably solid-state joints or stranded wire.

In einer weiteren Ausgestaltung sieht die Erfindung eine piezoelektrische oder elektrostriktive Antriebsvorrichtung vor zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung mindestens eines Läufers über eine Strecke bis in den Bereich jenseits des einfachen Hubs des mindestens einen Aktors, der die Reibfläche mindestens einer kraftübertragenden Struktur vor- und zurückbewegt, um den oder die in Reibkontakt stehenden Läufer anzutreiben, wobei der mindestens eine Aktor über mindestens eine thermisch leitfähige Kontaktmasse thermisch so an eine oder mehrere thermische Senken angebunden ist, dass ein erheblicher Teil der vom Aktor im Betrieb erzeugten Wärme an die thermische Senke abgeführt wird, wobei die Kontaktmasse eine nachgiebige Konsistenz aufweist, so dass die der der lokalen Bewegung des Aktors folgen kann, so dass die Bewegung des mindestens einen Aktors nicht verhindert wird, wobei vorzugsweise der mindestens eine Aktor mit einer wärmeableitenden Struktur ausgestattet ist, welche der Bewegung des Aktors aufgrund einer elastischen Ausführung folgen kann und thermisch an eine oder mehrere thermische Senken angebunden ist.In a further embodiment, the invention provides a piezoelectric or electrostrictive drive device for the linear and / or rotational positioning of at least one rotor over a distance to the region beyond the simple stroke of the at least one actuator, which moves the friction surface of at least one force-transmitting structure back and forth to drive the one or more runners in frictional contact, wherein the at least one actuator is thermally connected via at least one thermally conductive contact mass to one or more thermal wells that a significant portion of the heat generated by the actuator in operation is dissipated to the thermal sink in that the contact mass has a yielding consistency such that it can follow the local movement of the actuator, so that the movement of the at least one actuator is not prevented, wherein preferably the at least one actuator is equipped with a heat-dissipating structure i st, which can follow the movement of the actuator due to an elastic design and is thermally connected to one or more thermal sinks.

Die Erfindung sieht zudem ein nicht-resonantes Antriebsverfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objektes vor, wobei mindestens eine Reibfläche der mindestens einen kraftübertragenden Struktur durch das Bereitstellen einer Anpresskraft mit einer Objektoberfläche des anzutreibenden Läufers in Reibkontakt steht und so Bewegungen des mindestens einen Aktors auf den Läufer überträgt, und im Betrieb gemäß dem Prinzip eines Trägheitsantriebs und/oder eines Krabbelantriebs und/oder eines Ultraschallantriebs und/oder eines Mehraktorantriebs die im Aktor entstehende Wärme durch eine direkte oder indirekte Ankopplung an mindestens eine Wärmesenke abführt wird, wobei die wärme-transportierende Struktur so ausgeführt ist, dass die Bewegung des mindestens einen Aktors nicht verhindert wird.The invention also provides a non-resonant drive method for linear and / or rotational positioning of an object, wherein at least one friction surface of the at least one force-transmitting structure is in frictional contact with the provision of a contact force with an object surface of the rotor to be driven and thus movements of the at least one actuator transferred to the rotor, and in operation according to the principle of an inertial drive and / or a Krabbelantriebs and / or an ultrasonic drive and / or a multi-actuator drive, the resulting heat in the actuator is dissipated by a direct or indirect coupling to at least one heat sink, wherein the heat transporting structure is designed so that the movement of the at least one actuator is not prevented.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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WO 98/19347 A2 [0017]
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US 3,138,749 [0018]
WO 93/19494 A1 [0018]
DE 102009013849 A1 [0018]
EP 1894258 A1 [0021]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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DW Pohl (Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), January 1987, pages 54 to 57) [0021]

Claims

Piezoelectric or electrostrictive drive device for linear and / or rotational positioning of at least one runner over a distance to the region beyond the simple stroke of the at least one actuator, which moves a friction surface of at least one force-transmitting structure back and forth to the standing in frictional contact or runners to drive, wherein the actuator is held at one of its end faces by a stationary component of the drive device and holds the force-transmitting structure on the other end face, wherein the actuator is thermally connected in at least one area except the end faces with a thermally conductive structure that is configured to dissipate heat generated during operation of the actuator from the actuator to a heat sink, wherein the thermally conductive structure has a mobility, such that a movement of the actuator for the forward and backward movement of the force-transmitting structure is not hindered.

Drive device according to claim 1, wherein the actuator is formed from an actuator group with a plurality of subactuators, which move together the at least one force-transmitting structure, wherein between sub-actuators at least one plate-like structure is arranged as part of the thermally conductive structure.

Drive device according to claim 2, wherein the connection of the at least one plate-like structure to the heat sink via at least one deformable structure as part of the thermal conductive structure, which is locally resilient at least in the direction of movement of the actuators and thus allows the movement of the actuators.

Drive device according to claim 3, wherein the deformable structure strand and / or a solid-body joint and is designed to follow the movement of the actuators substantially wear-free.

Drive device according to one of claims 2 to 4, wherein a plurality of arranged between the part actuators plate-like structures form a coherent structure, which is preferably made of a part, wherein the connection between the plate-like structures over one or more deformable, in particular elastically deformable Has areas that allow the movement of the actuators.

Drive device according to claim 5, wherein the drive device has a plurality of actuators which are each provided for a local movement of a separate force-transmitting structure, wherein the contiguous structure has plate-like structures arranged between respective sub-actuators of all the actuators.

Drive device according to one of the preceding claims, wherein the at least one actuator has at least one recess, in which a layer-like structure is incorporated as part of the thermally conductive structure to dissipate heat from the interior of the actuator.

Drive device according to claim 7, wherein the respectively introduced layer-like structure is electrically conductive and designed for use as an internal electrode of a multilayer actuator, wherein a plurality of layer-like structures of a common electrical potential are preferably brought together on the actuator and this, preferably flat, merging is part of the thermally conductive structure.

Drive device according to one of the preceding claims, wherein the thermally conductive structure is thermally coupled to at least one surface of the at least one actuator in addition to the aligned in the direction of movement faces.

Drive device according to claim 9, wherein the thermally conductive structure for coupling to the at least one surface comprises a thermally conductive and resilient contact mass, wherein the resilience of the contact mass contributes to the mobility of the thermally conductive structure.

Drive device according to claim 10, wherein contact mass comprises a thermally conductive elastomer, a thermally conductive paste, a thermally conductive liquid and / or a thermally conductive bulk material.

Drive device according to one of the preceding claims, wherein the thermally conductive structure in the range of a working temperature of the drive device in the direction of heat dissipation from the actuator to the heat sink has a thermal resistance of not more than 100 K / W.

Drive device according to claim 12, wherein the thermal resistance of the thermally conductive structure is smaller than a quotient of a predetermined for the operation of the actuator as permissible temperature difference between the actuator and heat sink and a maximum generated by the actuator during operation heat output.

Drive device according to one of the preceding claims, wherein the drive device is a non-resonant drive device.

Non-resonant driving method for linear and / or rotational positioning of at least one rotor using a piezoelectric or electrostrictive drive device over a distance to the region beyond the simple stroke of the at least one actuator, which moves a friction surface of at least one force-transmitting structure back and forth to to drive the one or more runners in frictional contact, wherein the actuator is held at one of its end faces by a stationary component of the drive device and holds on the other end face the force-transmitting structure, comprising the steps of: - Providing the drive device such that the actuator in at least one Area except the end faces with a thermally conductive structure is thermally connected, wherein the thermally conductive structure has a mobility, such that movement of the actuator for forward and backward movement of the force-transmitting structure nic ht obstructed, - operating the drive device while dissipating heat generated in the operation of the actuator through the thermally conductive structure dissipate a heat sink.