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Die Erfindung betrifft eine Drehantriebsvorrichtung, mit einem mit einer Abtriebswelle antriebsmäßig verbundenen, um eine Drehachse drehbaren Zahnrad, mit einer mindestens einen elektroaktiven Polymeraktuator enthaltenden Aktuatoreinrichtung, an der eine Aktuator-Ausgangsbewegung abgreifbar ist, und mit einer zwischen die Aktuatoreinrichtung und das Zahnrad eingegliederten, zur Umsetzung der Aktuator-Ausgangsbewegung in eine schrittweise unidirektionale Abtriebs-Drehbewegung des Zahnrades dienenden Kopplungseinheit, die über eine antriebsmäßig mit der Aktuatoreinrichtung gekoppelte und durch deren Aktuator-Ausgangsbewegung zu einer hin und her gehenden Arbeitsbewegung antreibbare Tragstruktur sowie mindestens eine schwenkbar an der Tragstruktur angeordnete und bei der hin und her gehenden Arbeitsbewegung ratschenartig mit der Verzahnung des Zahnrades zusammenwirkende und dadurch die schrittweise Abtriebs-Drehbewegung hervorrufende Antriebsklinke verfügt.
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Eine aus der
DE 10 2010 051 127 A1 bekannte Drehantriebsvorrichtung dieser Art ist mit einer Freilaufkupplung zur Unterstützung der Rotation eines Hydraulikmotors ausgestattet und verfügt über ein als Zahnrad ausgebildetes Sperrrad, das ratschenartig mit verschwenkbaren Antriebsklinken einer das Sperrrad umschließenden Nabe zusammenwirkt. An der Nabe greifen ein oder mehrere Aktuatoren an, die beispielsweise aus elektroaktiven Polymeren bestehen und in der Lage sind, die Nabe rotativ hin und her gehend anzutreiben. Die hin und her gehende Rotationsbewegung der als Kopplungseinheit zwischen den Aktuatoren und dem Zahnrad fungierenden Nabe ruft eine schrittweise Abtriebs-Drehbewegung des Zahnrades hervor.
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Aus der
DE 1 871 047 U ist eine Drehantriebsvorrichtung bekannt, durch die translatorische Oszilationsbewegungen in eine Drehbewegung umgewandelt werden. Die Drehbewegung wird von einem Zahnrad ausgeführt, mit dem mehrere Antriebsklinken in Eingriff stehen, die verschwenkbar an einer linear bewegbaren Tragstruktur angebracht sind. Die Linearbewegung der Tragstruktur wird durch eine drehangetriebene Exzenterscheibe hervorgerufen.
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Die
DE 10 2014 002 739 B3 offenbart einen mehrschichtig aufgebauten Elastomeraktuator, an dem stirnseitig unter Zwischenschaltung einer über anisotrope Festigkeitseigenschaften verfügenden Kraftübertragungsstruktur ein Kraftabgabeabschnitt als Schnittstelle zu einer zu betätigenden Komponente angeordnet ist.
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Die
DE 10 2013 009 592 A1 offenbart eine Steuervorrichtung zur Steuerung von Fluidströmen, die mit einer Mehrzahl von elektrisch aktivierbaren Elastomeraktuatoren ausgestattet ist. Durch aufeinander abgestimmte Betätigung dieser Elastomeraktuatoren lässt sich beispielsweise ein peristaltischer Pumpvorgang realisieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakt bauende und energieeffizient betreibbare Drehantriebsvorrichtung zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Realisierung der Drehantriebsvorrichtung unter Verwendung einer mit mindestens einem elektroaktiven Polymeraktuator ausgestatteten Aktuatoreinrichtung erlaubt eine elektromechanische Betätigung des Zahnrades, die energetisch sehr effizient ist, weil die für den Betrieb des Polymeraktuators angelegte Spannung unmittelbar eine reversible Formänderung des Polymeraktuators zur Folge hat, aus der sich hohe Betätigungskräfte ableiten lassen. Die hohe Energiedichte des mindestens einen elektroaktiven Polymeraktuators ermöglicht die Bereitstellung hoher Antriebskräfte in Verbindung mit kompakten Abmessungen. Die Kopplungseinrichtung transformiert die Aktuator-Ausgangsbewegung der Aktuatoreinrichtung in die gewünschte Abtriebs-Drehbewegung des Zahnrades, wobei ein einfacher Aufbau und eine kostengünstige Herstellbarkeit unter anderem darin begründet sind, dass die die mindestens eine Antriebsklinke tragende Tragstruktur der Kopplungseinheit als Arbeitsbewegung eine lineare Hubbewegung in einer zur Drehachse des Zahnrades rechtwinkeligen Arbeitsebene ausführt. Die Aktuatoreinrichtung ist mit einer Kraftumlenkungsstruktur ausgestattet, die die von dem mindestens einen elektroaktiven Polymeraktuator ausgeführte Aktuator-Antriebsbewegung in die Aktuator-Ausgangsbewegung umlenkt bzw. umwandelt, wobei die Aktuator-Ausgangsbewegung rechtwinkelig zur Aktuator-Antriebsbewegung orientiert ist. Dies ermöglicht rechtwinkelig zur Drehachse des Zahnrades besonders kompakte Abmessungen, weil der elektroaktive Polymeraktuator derart ausgerichtet werden kann, dass seine Längsachse rechtwinkelig zur Arbeitsbewegung der Tragstruktur ausgerichtet ist. Die Kraftumlenkungsstruktur enthält zwei bei der Aktuator-Antriebsbewegung ihren Abstand zueinander verändernde Krafteinleitungsabschnitte, die so mit mindestens einem elektroaktiven Polymeraktuator gekoppelt sind, dass dessen Aktuator-Ausgangsbewegung die Abstandsänderung zwischen den beiden Krafteinleitungsabschnitten hervorruft. Zwischen den beiden Krafteinleitungsabschnitten erstreckt sich mindestens ein Umlenksteg, der - beispielsweise aufgrund integrierter Gelenkstellen und/oder aufgrund federelastischer Eigenschaften - in seiner Querrichtung und folglich insbesondere rechtwinkelig zur Längsachse des Polymeraktuators verformbar ist. Aus der Querverformung des Umlenksteges resultiert die Aktuator-Ausgangsbewegung, indem der Umlenksteg entsprechend antriebsmäßig mit der Tragstruktur der Kopplungseinheit zusammenwirkt.
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Gemäß den Unteransprüchen ist bei einem besonders vorteilhaften Aufbau der Drehantriebsvorrichtung die Kopplungseinheit mit zwei verschwenkbaren Antriebsklinken ausgestattet, die an einander diametral entgegengesetzten Umfangsbereichen des Zahnrades ratschenartig mit der Verzahnung zusammenwirken, wobei eine Besonderheit darin liegt, dass die Schwenkbewegungen dieser beiden Antriebsklinken bezogen auf die beiden möglichen Bewegungsrichtungen der Arbeitsbewegung über einander entgegengesetzte Sperr- und Freigaberichtungen verfügen. Somit erzeugt die Kopplungseinheit bei beiden Hubrichtungen der Tragstruktur ein einen Drehschritt der Abtriebs-Drehbewegung bewirkendes Drehmoment. Folglich ist eine hochfrequente Schrittfolge für die Erzeugung der Abtriebs-Drehbewegung möglich, was die Stillstandszeiten zwischen aufeinanderfolgenden Drehschritten auf ein Minimum reduziert und fast schon die Erzeugung einer kontinuierlichen Abtriebs-Drehbewegung ermöglicht.
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Die Tragstruktur der Kopplungseinheit ist bevorzugt gabelförmig gestaltet und verfügt über zwei Tragarme, die jeweils eine der beiden verschwenkbaren Antriebsklinken tragen und die das Zahnrad an einander diametral entgegengesetzten Umfangsbereichen flankieren. Das Zahnrad kann folglich von der gabelförmigen Tragstruktur, die bevorzugt eine U-Form hat, peripher teilweise umgriffen werden, was in der zur Drehachse rechtwinkligen Arbeitsebene der Kopplungseinheit besonders kompakte Abmessungen zulässt.
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Prinzipiell könnte jeder Antriebsklinke eine eigene aktive Antriebseinheit zugeordnet sein, um die für das Zusammenwirken mit der Verzahnung des Zahnrades erforderliche Schwenkbewegung hervorzurufen. Bevorzugt kommt allerdings eine insoweit passive Anordnung zum Einsatz, bei der jeder Antriebsklinke Federmittel zugeordnet sind, die dafür sorgen, dass jede Antriebsklinke bezüglich der Tragstruktur federnd in eine Sperrstellung vorgespannt ist, aus der sie unter Überwindung der Federkraft in eine Freigabestellung verschwenkbar ist, wenn sie bei entsprechender Bewegungsrichtung der Arbeitsbewegung mechanisch mit der Verzahnung des Zahnrades kooperiert.
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Bei dem mindestens einen elektroaktiven Polymeraktuator handelt es sich vorzugsweise um einen dielektrischen Elastomeraktuator. Dieser ist zugunsten eines großen Verformungsweges bevorzugt als Stapelaktuator ausgeführt, wobei er über eine Mehrzahl von in Achsrichtung seiner Längsachse aufeinander gestapelter Elastomermaterialschichten verfügt, die in Achsrichtung der Längsachse jeweils von zwei flexiblen Elektrodenschichten flankiert sind, die zur Betätigung des Elastomeraktuators abwechselnd elektrisch aufladbar und entladbar sind. Zum Aufladen wird an die Elektrodenschichten eine Betätigungsspannung angelegt, was zur Ausbildung elektrostatischer Felder zwischen den Elektrodenschichten führt, sodass selbige zueinander gezogen werden, wodurch die jeweils dazwischen liegende Elastomermaterialschicht komprimiert wird. Auf diese Weise zieht sich die Elastomerstruktur in Achsrichtung einer Verformungshauptachse zusammen, die bei einem Stapelaktuator von dessen Längsachse gebildet ist. Dies ruft eine Verkürzung des Elastomeraktuators hervor, wobei die zugeordnete Kopplungseinheit in der Lage ist, die Längenänderung des Elastomeraktuators in die Abtriebs-Drehbewegung des Zahnrades umzuwandeln. Durch Wegnehmen der Betätigungsspannung und Entladen der Elektrodenschichten kann der Elastomeraktuator wieder in den Ausgangszustand zurückversetzt werden. Anstatt als Stapelaktuator könnte beispielsweise auch ein gerollter Aktuator mit spiralförmig aufgerollten Elastomermaterial- und Elektrodenstreifen zum Einsatz kommen.
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Bevorzugt ist der mindestens eine elektroaktive Polymeraktuator zwischen die beiden Krafteinleitungsabschnitte eingegliedert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kraftumlenkungsstruktur über zwei sich auf einander entgegengesetzten Seiten eines elektroaktiven Polymeraktuators erstreckende Umlenkstege verfügt, wobei der eine Umlenksteg in der geschilderten Weise antriebsmäßig mit der Tragstruktur der Kopplungseinheit zusammenwirkt und der andere Umlenksteg in Achsrichtung der Aktuator-Ausgangsbewegung an einer zusätzlich zu der Aktuatoreinrichtung vorhandenen Abstützstruktur der Drehantriebsvorrichtung abgestützt ist. Bei der Abstützstruktur handelt es sich insbesondere um ein Gehäuse der Drehantriebsvorrichtung, das zweckmäßigerweise außer der Aktuatoreinrichtung auch noch die Kopplungseinheit und das Zahnrad aufnimmt.
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Der elektroaktive Polymeraktuator ist zweckmäßigerweise in Achsrichtung der Aktuator-Ausgangsbewegung relativ zu der Abstützstruktur bewegbar. Auf diese Weise kann mithilfe der Kraftumlenkungsstruktur eine besonders vorteilhafte Hebelübersetzung realisiert werden, die schon bei geringem Hub des elektroaktiven Polymeraktuators einen relativ großen Hub der Arbeitsbewegung bewirkt.
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Die Kraftumlenkungsstruktur ist bezüglich des mindestens einen elektroaktiven Polymeraktuators zweckmäßigerweise in Achsrichtung der Verformungshauptachse des Polymeraktuators federnd vorgespannt. Auf diese Weise wird die Kraftumlenkungsstruktur dem sich bei Betätigung zusammenziehenden Polymeraktuator stets spielfrei nachgeführt. Bei Deaktivierung dehnt sich der Polymeraktuator wieder aus und drückt die Kraftumlenkungsstruktur unter Überwindung der vorspannendwirkenden Federkraft in die Ausgangsstellung zurück.
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Die vorgenannte federnde Vorspannung lässt sich besonders vorteilhaft dadurch realisieren, dass mindestens ein und bevorzugt jeder Umlenksteg der Kraftumlenkungsstruktur nach Art einer Blattfeder ausgebildet ist und quer zu seiner Längsrichtung über federelastische Eigenschaften verfügt. Selbstverständlich können zusätzlich oder alternativ von dem mindestens einen Umlenksteg unabhängige Federmittel zur Erzeugung der Vorspannung vorhanden sein.
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Das ratschenartige Zusammenwirken der mindestens einen Antriebsklinke mit dem Zahnrad wird dadurch begünstigt, dass die Verzahnung des Zahnrades sägezahnartig ausgebildet ist und über eine Vielzahl von Zähnen verfügt, die jeweils über zwei Zahnflanken mit unterschiedlicher Steilheit verfügen.
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Die beschriebene Anordnung bezüglich Zahnrad, Kopplungseinheit und Aktuatoreinrichtung ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Drehantriebsvorrichtung doppelt vorhanden, allerdings mit umgekehrter Wirkungsrichtung der Ratschenfunktion, sodass die Möglichkeit besteht, die Drehrichtung der Abtriebs-Drehbewegung nach Bedarf auszuwählen. Je nachdem, welche der beiden auf diese Weise realisierten Antriebseinheiten aktiviert wird, dreht sich das Zahnrad im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinns. Um ein gegenseitiges Sperren zu verhindern, ist in diesem Fall zweckmäßigerweise eine Freilaufkupplung vorhanden oder die Antriebseinheiten sind so ausgebildet, dass die momentan nicht aktive Kopplungseinheit vollständig außer Eingriff mit dem zugeordneten Zahnrad bringbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der einzigen Figur (1) ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehantriebsvorrichtung in schematischer Darstellung gezeigt.
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Die in ihrer Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Drehantriebsvorrichtung verfügt über eine zur Montage am Einsatzort nutzbare Abstützstruktur 2, die bevorzugt mit mindestens einer nicht weiter abgebildeten Montageschnittstelle ausgestattet ist.
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Die Abstützstruktur 2 ist insbesondere von einem Vorrichtungsgehäuse 3 der Drehantriebsvorrichtung 1 gebildet, in dem die relevanten Funktionskomponenten der Drehantriebsvorrichtung 1 untergebracht sind.
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Die Drehantriebsvorrichtung 1 verfügt über eine Abtriebswelle 4 mit einer Längsachse 5, die bezüglich der Abstützstruktur 2 drehbar gelagert ist, wobei ihre Drehachse 6 mit der Längsachse 5 zusammen fällt.
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Die Drehantriebsvorrichtung 1 enthält außerdem ein Zahnrad 7, das relativ zu der Abstützstruktur 2 bezüglich einer das Zentrum des Zahnrades 7 durchsetzenden Drehachse 8 verdrehbar ist. Das Zahnrad 7 ist mit der Abtriebswelle 4 antriebsmäßig verbunden, sodass eine durch Pfeile angedeutete Abtriebs-Drehbewegung 12 des Zahnrades 7 eine ebenfalls durch einen Pfeil angedeutete Ausgangs-Drehbewegung 13 der Abtriebswelle 4 hervorruft. Diese Ausgangs-Drehbewegung 13 kann außerhalb des Vorrichtungsgehäuses 3 an der Abtriebswelle 4 abgegriffen werden, um eine mit der Abtriebswelle 4 verbundene externe Komponente beliebiger Art rotativ anzutreiben.
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Die Drehachse 8 des Zahnrades 7 und die Drehachse 6 der Abtriebswelle 4 sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Zahnrad 7 direkt an der Abtriebswelle 4 befestigt ist. Beim Ausführungsbeispiel ist das Zahnrad 7 auf die Abtriebswelle 4 koaxial aufgesteckt und durch geeignete Mittel, beispielsweise eine Pressverbindung und/oder eine Formschlussverbindung, drehfest an der Abtriebswelle 4 fixiert. Abtriebswelle 4 und Zahnrad 7 können auch einstückig miteinander ausgebildet sein.
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Die Drehantriebsvorrichtung 1 enthält des Weiteren eine elektrisch aktivierbare Aktuatoreinrichtung 14 und eine funktionell zwischen die Aktuatoreinrichtung 14 und das Zahnrad 7 eingegliederte Kopplungseinheit 15. Mit diesen Komponenten 14, 15 kann eine unidirektionale, schrittweise Abtriebs-Drehbewegung 12 des Zahnrades 7 und folglich auch eine ebenfalls unidirektionale, schrittweise Ausgangs-Drehbewegung 13 der Abtriebswelle 4 hervorgerufen werden. Sowohl die Aktuatoreinrichtung 14 als auch die Kopplungseinheit 15 sind zweckmäßigerweise, wie auch das Zahnrad 7, im Innern des Vorrichtungsgehäuses 3 untergebracht.
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Bei Betätigung der Aktuatoreinrichtung 14 ist an einer Koppelstelle 16 der Aktuatoreinrichtung 14 eine Aktuator-Ausgangsbewegung 17 abgreifbar. Abgegriffen wird diese Aktuator-Ausgangsbewegung 17 von der Kopplungseinheit 15, genauer gesagt von einer Tragstruktur 18 der Kopplungseinheit 15, die mindestens eine bezüglich der Tragstruktur 18 schwenkbewegliche Antriebsklinke 22 trägt. Die an der Koppelstelle 16 antriebsmäßig mit der Aktuatoreinrichtung 14 gekoppelte Tragstruktur 18 wird durch die Aktuator-Ausgangsbewegung 17 zu einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Arbeitsbewegung 23 angetrieben. Selbige wird durch das Zusammenwirken zwischen der Kopplungseinheit 15 und dem Zahnrad 7 in die angesprochene Abtriebs-Drehbewegung 12 konvertiert.
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Sowohl die Aktuator-Ausgangsbewegung 17 als auch die Arbeitsbewegung 23 ist eine hin und her gehende Bewegung. Zumindest die Arbeitsbewegung 23 ist eine lineare Hubbewegung und verläuft in einer zur Drehachse 8 des Zahnrades 7 rechtwinkeligen Arbeitsebene, die beim Ausführungsbeispiel parallel zur Zeichenebene angeordnet ist. Bevorzugt liegen die Koppelstelle 16 und die Drehachse 9 des Zahnrades 7 auf einer zu der Drehachse 8 rechtwinkeligen geraden Linie.
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Vorzugsweise handelt es sich auch bei der Aktuator-Ausgangsbewegung 17 um eine Linearbewegung, insbesondere derart, dass die Aktuator-Ausgangsbewegung 17 und die Arbeitsbewegung 23 miteinander übereinstimmende synchrone Bewegungen sind.
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Beim Ausführungsbeispiel ist die Tragstruktur 18 über ein beispielsweise laschenförmig ausgebildetes Koppelelement 24 an der Koppelstelle 16 mit der Aktuatoreinrichtung 14 verbunden. Von Vorteil ist es, wenn das Koppelelement 24 sowohl an der Tragstruktur 18 als auch an der Aktuatoreinrichtung 14 gelenkig angebracht ist, sodass toleranzbedingte Winkelabweichungen kompensiert werden können.
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Die mindestens eine Antriebsklinke 22 ist um eine zur Drehachse 8 des Zahnrades 7 parallele Schwenkachse 25 relativ zu der Tragstruktur 18 hin und her verschwenkbar, wobei die entsprechende Schwenkbewegung 26 durch einen Doppelpfeil illustriert ist. Zur Schwenklagerung ist eine geeignete Lagerwelle oder Lagerachse vorhanden, jedoch besteht auch die Möglichkeit, die Antriebsklinke 22 einstückig mit der Tragstruktur 18 auszubilden und die Schwenkachse 25 durch einen gelenkigen und/oder nachgiebigen Materialbereich zu definieren.
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Bei der hin und her gehenden Arbeitsbewegung 23 wirkt jede Antriebsklinke 22 ratschenartig mit einer Verzahnung 27 des Zahnrades 7 zusammen. Die Verzahnung 27 ist bevorzugt ein Zahnkranz, der sich rings um die Drehachse 8 des Zahnrades 7 herum erstreckt und bei der es sich vorzugsweise um eine am Außenumfang des Zahnrades 7 ausgebildete Außenverzahnung handelt. Durch die erläuterte Ratschenfunktion wird erreicht, dass jede Antriebsklinke 22 jeweils nur bei einer der beiden einander entgegensetzten Bewegungsrichtungen 23a, 23b der Arbeitsbewegung 23 derart in Mitnahmeeingriff mit der Verzahnung 27 steht, dass in das Zahnrad 7 ein Drehmoment eingeleitet wird, das einen Drehschritt der Abtriebs-Drehbewegung 12 hervorruft. Bei der entgegengesetzten Bewegungsrichtung 23b, 23a ist die betreffende Antriebsklinke 22 bezüglich der Verzahnung 27 antriebsmäßig unwirksam.
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Linearführungsmittel 28, die zwischen der Tragstruktur 18 und der Abstützstruktur 2 wirksam sind, geben die in der zur Drehachse 8 des Zahnrades 7 rechtwinkeligen Arbeitsebene verlaufende Achsrichtung der Arbeitsbewegung 23 vor. Die Linearführungsmittel 28 enthalten beim Ausführungsbeispiel zwei quer zur Achsrichtung der Arbeitsbewegung 30 zueinander beabstandete Linearführungseinheiten, die sich jeweils aus einer in der Tragstruktur 18 ausgebildeten Führungsnut und einem an der Abstützstruktur 2 angeordneten und in die Führungsnut eingreifenden Führungszapfen zusammensetzen. Die Führungsnut erstreckt sich parallel zu den Bewegungsrichtungen 23a, 23b der Arbeitsbewegung 23.
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Die Kopplungseinheit 15 ist bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel mit nur einer einzigen Antriebsklinke 22 ausgestattet. Eine Besonderheit des illustrierten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Kopplungseinheit über zwei Antriebsklinken 22 verfügt, die im Folgenden zur besonderen Unterscheidung auch als erste Antriebsklinke 22a und zweite Antriebsklinke 22b bezeichnet werden. Diese beiden Antriebsklinken 22a, 22b sind im Bereich zweier einander diametral entgegengesetzter Umfangsbereiche des Zahnrades 7 angeordnet, die im Folgenden auch als Arbeitsbereiche 32 bezeichnet werden. Die Arbeitsbereiche 32 definieren die Bereiche, in denen jeweils eine der beiden Antriebsklinken 22 mit der Verzahnung 27 des Zahnrades 7 kooperiert.
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Die beiden Arbeitsbereiche 32 liegen mit gleichem Abstand zu einer Mittelebene 33 auf entgegengesetzten Seiten dieser Mittelebene 33, die die Drehachse 8 des Zahnrades 7 und auch die strichpunktiert angedeutete lineare Bewegungsachse 34 der Arbeitsbewegung 23 enthält.
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Die Tragstruktur 18 ist bevorzugt gabelförmig gestaltet mit insbesondere einer U-Konfiguration, wobei sie über zwei von den Gabelschenkeln bzw. den U-Schenkeln gebildete Tragarme 35 verfügt, die das Zahnrad 7 an jeweils einem der beiden Arbeitsbereiche 32 flankieren und jeweils eine der verschwenkbaren Antriebsklinken 22 tragen. Die beiden Tragarme 35 sind in einem Verbindungsabschnitt 36 der Tragstruktur 18 starr miteinander verbunden, wobei die Tragstruktur 18 zweckmäßigerweise an diesem Verbindungsabschnitt 36 mit der Aktuatoreinrichtung 14 antriebsmäßig gekoppelt ist.
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Der Verbindungsabschnitt 36 liegt zweckmäßigerweise zwischen der Aktuatoreinrichtung 14 und dem Zahnrad 7. Die seitlich von den beiden Tragarmen 35 begrenzte Gabelöffnung 37 der gabelförmigen Tragstruktur 18 weist von der Aktuatoreinrichtung 14 weg und ist dem Zahnrad 7 zugewandt, wobei das Zahnrad 7 zweckmäßigerweise mit zumindest einem Teil seines Umfanges in die Gabelöffnung 37 der gabelförmigen Tragstruktur 18 eintaucht.
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Jede Antriebsklinke 22 ist im Rahmen ihrer Schwenkbewegung 26 zwischen einer in der Zeichnung illustrierten Sperrstellung und einer diesbezüglich verschwenkten Freigabestellung verschwenkbar. Die Schwenkbewegung aus der Sperrstellung in die Freigabestellung folgt einer durch einen Pfeil angedeuteten Freigaberichtung 26a, während die Schwenkbewegung aus der Freigabestellung in die Sperrstellung einer ebenfalls durch einen Pfeil angedeuteten Sperrrichtung 26b folgt. In der Sperrstellung ist die Antriebsklinke 22 durch Anschlagmittel 38 an einer Weiterbewegung in der Sperrrichtung 26b gehindert. Jeder Antriebsklinke 22 sind Rückstellfedermittel 42 zugeordnet, durch die die Antriebsklinke 22 relativ zur Tragstruktur 18 in der Sperrrichtung 26b vorgespannt ist, so dass die Sperrklinke 22, wenn durch das Zahnrad 7 keine Kraft auf sie ausgeübt wird, durch die Rückstellfedermittel 22 in der Sperrstellung gehalten wird. Unter Überwindung der Federkraft der Rückstellfedermittel 42 kann jede Antriebsklinke 22 in der Freigaberichtung verschwenkt werden.
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Die Verzahnung 27 und die Antriebsklinken 22 sind so aufeinander abgestimmt, dass jede Antriebsklinke 22 bei der Arbeitsbewegung 23 abhängig von der Bewegungsrichtung mit der Verzahnung 27 in Mitnahmeeingriff steht oder bezüglich der Verzahnung 27 antriebsmäßig unwirksam ist. Der Mitnahmeeingriff resultiert daraus, dass die in der Sperrstellung befindliche Antriebsklinke 22 auf eine als Antriebszahnflanke 43 bezeichnete erste von zwei Zahnflanken eines benachbarten Zahns 45 der Verzahnung 27 einwirkt und selbigen unter rotativer Mitnahme des Zahnrades 7 vor sich her schiebt. Die Antriebsklinke 22 stützt sich dabei an den Anschlagmitteln 38 ab. Bei entgegengesetzter Bewegungsrichtung kann die Antriebsklinke 22 an einer bezüglich der Antriebszahnflanke 43 flacheren Freigabezahnflanke 44 abgleiten und wird dabei gleichzeitig aus der Sperrstellung in der Freigaberichtung 26a in die Freigabestellung verlagert, bis sie in den darauffolgenden Zahnzwischenraum zurückschnappt.
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Zur Realisierung dieser Funktionalität ist es von Vorteil, wenn die Verzahnung 27 entsprechend des Ausführungsbeispiels sägezahnartig mit unterschiedlich steilen Zahnflanken ihrer 45 Zähne ausgebildet ist.
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Die beiden Antriebsklinken 22a, 22b haben bezogen auf die beiden möglichen Bewegungsrichtungen 23a, 23b der Arbeitsbewegung 23 einander entgegengesetzte Freigabe- und Sperrrichtungen 26a, 26b. In der ersten Bewegungsrichtung 23a steht die erste Antriebsklinke 22a mit dem Zahnrad 7 im Mitnahmeeingriff, während die zweite Antriebsklinke 22b antriebsmäßig unwirksam ist und durch die auf sie einwirkende Verzahnung 27 in der Freigaberichtung 26a verschwenkt wird. Bei entgegengesetzter zweiter Bewegungsrichtung 23b kehrt sich die Funktionalität der beiden Antriebsklinken 22 um, wobei nun die zweite Antriebsklinke 22b mit dem Zahnrad 7 im Mitnahmeeingriff steht, während die erste Antriebsklinke 22a antriebsmäßig unwirksam ist.
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Das Zahnrad 7 erfährt also bei beiden Bewegungsrichtungen 23a, 23b ein Drehmoment, und zwar abwechselnd einmal von der ersten Antriebsklinke 22a und das andere mal von der zweiten Antriebsklinke 22b.
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Bewegt sich die Tragstruktur 18 in der einen, ersten Bewegungsrichtung 23a, erfährt die erste Antriebsklinke 22a durch die Verzahnung 27 ein von den Anschlagmitteln 38 aufgenommenes Drehmoment in der Sperrrichtung 26b, während gleichzeitig die zweite Antriebsklinke 22b ein Drehmoment in der Freigaberichtung 26a erfährt. Dabei kooperiert die erste Antriebsklinke 22a mit einer Antriebszahnflanke 43 und die zweite Antriebsklinke 22b mit einer Freigabezahnflanke 44. Bei entgegengesetzter zweiter Bewegungsrichtung 23b kehren sich diese Verhältnisse um. Nun wird die erste Antriebsklinke 22a durch eine mit ihr kooperierende Freigabezahnflanke 44 in der Freigaberichtung 26a beaufschlagt, während gleichzeitig die in der Sperrstellung befindliche zweite Antriebsklinke 22b durch eine mit ihr kooperierende Antriebszahnflanke 43 ein von den Anschlagmitteln 38 aufgenommenes Drehmoment in der Sperrrichtung 26b erfährt.
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Die hin und her gehende Arbeitsbewegung 23 hat somit praktisch keinen Leerhub. Die Kopplungseinheit 15 übt bei jeder ihrer beiden Hubrichtungen bzw. Bewegungsrichtungen 23a, 23b ein einen Drehschritt der Abtriebs-Drehbewegung 12 hervorrufendes Drehmoment auf das Zahnrad 7 aus.
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Die bisher beschriebene Einheit lässt sich in ihrer Gesamtheit als eine Antriebseinheit bezeichnen. Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu einer Antriebseinheit der beschriebenen Art eine mit einer Ausnahme gleich aufgebaute zweite Antriebseinheit vorhanden, wobei die Ausnahme darin besteht, dass die Kopplungseinheit 15 und das Zahnrad 7 so ausgebildet sind, dass die erzeugbare Abtriebs-Drehbewegung 12 entgegengesetzt zu der beschriebenen Abtriebs-Drehbewegung 12 der anderen, ersten Antriebseinheit ist. Dies bietet die vorteilhafte Möglichkeit, ein und dieselbe Abtriebswelle 4, die in diesem Falle mit beiden Zahnrädem 7 antriebsmäßig gekoppelt ist, wahlweise zu einer Abtriebs-Drehbewegung 12 im Uhrzeigersinn oder zu einer Abtriebs-Drehbewegung 12 entgegen des Uhrzeigersinns anzutreiben.
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Die Aktuatoreinrichtung 14 enthält als eigentliche Antriebsquelle mindestens einen, beim Ausführungsbeispiel genau einen elektroaktiven Polymeraktuator 46. Er liefert die Betätigungskraft zur Erzeugung der Arbeitsbewegung 23 der Tragstruktur 18. Prinzipiell besteht ohne weiteres die Möglichkeit, in die Aktuatoreinrichtung 14 mehrere parallel und/oder in Reihe geschaltete elektroaktive Polymeraktuatoren 46 vorzusehen.
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Der im Folgenden zur Vereinfachung auch nur noch als „Polymeraktuator“ bezeichnete elektroaktive Polymeraktuator 46 ist aus Polymermaterial aufgebaut, das durch Anlegen einer elektrischen Spannung seine äußere Form ändert. Diese Formänderung wird zur Abgabe der Betätigungskraft genutzt.
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Bei dem Polymeraktuator 46 kann es sich beispielsweise um einen ionischen Polymeraktuator handeln, bei dem das polymere Aktuatormaterial aufgrund einer elektrochemischen Reaktion eine Formänderung erfährt. Der Vorteil solcher ionischen Polymeraktuatoren besteht darin, dass sie mit geringen Betätigungsspannungen betreibbar sind. Allerdings ist der zu ihrer Realisierung erforderliche konstruktive Aufbau auf einem etwas höheren Niveau angesiedelt.
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Als vorteilhafter wird es daher angesehen, wenn der Polymeraktuator 46 in der Form eines dielektrischen Elastomeraktuators 46a realisiert ist, was auf das Ausführungsbeispiel zutrifft. Die weitere Beschreibung orientiert sich daher an einem als dielektrischer Elastomeraktuator 46a ausgebildeten Polymeraktuator 46, wobei jedoch sich nicht speziell auf einen solchen dielektrischen Elastomeraktuator 46a beziehende Maßnahmen für eine Ausstattung der Drehantriebsvorrichtung 1 mit jedweder Art von Polymeraktuator 46 gelten.
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Der im Folgenden zur Vereinfachung auch nur noch als „Elastomeraktuator“ bezeichnete dielektrische Elastomeraktuator 46a hat eine Längsachse 47 und zwei in Achsrichtung dieser Längsachse 47 zueinander beabstandete, beim Ausführungsbeispiel jeweils blockförmig ausgebildete Kraftabgabeabschnitte 48a, 48b. Zwischen den beiden Kraftabgabeabschnitten 48a, 48b befindet sich eine polymere Antriebsstruktur 52, die die Eigenheit hat, sich beim Anlegen einer elektrischen Betätigungsspannung in Achsrichtung der Längsachse 47 zusammenzuziehen. Die beiden Kraftabgabeabschnitte 48a, 48b liegen stirnseitig an der Antriebsstruktur 52 an und verändern ihren Abstand zueinander in Abhängigkeit von der aktuellen Länge der Antriebsstruktur 52.
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Jeder Kraftabgabeabschnitt 48a, 48b ist stirnseitig an die Antriebsstruktur 52 zweckmäßigerweise angedrückt. Die hierzu erforderliche Drückkraft liefern beim Ausführungsbeispiel zwei drückend wirkende Federelemente 53, die jeweils mit in Achsrichtung der Längsachse 47 orientierter Wirkungsrichtung zwischen einen der Kraftabgabeabschnitte 48a, 48b und die Abstützstruktur 2 eingegliedert sind. Die Federelemente 53 garantieren einen permanenten Kontakt zwischen der Antriebsstruktur 52 und einem jeweiligen Kraftabgabeabschnitt 48a, 48b. Insbesondere wird durch die Federelemente 53 erreicht, dass die Kraftabgabeabschnitte 48 der Antriebsstruktur 52 entsprechend ihrer Kontraktion nachgeführt werden.
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Im deaktivierten Zustand nimmt die Antriebsstruktur 52 eine unkomprimierte Ausgangslänge ein. Zwischen den beiden Kraftabgabeabschnitten 48a, 48b liegt dabei in Achsrichtung der Längsachse 47 ein Ausgangsabstand vor. Bei Aktivierung des Elastomeraktuators 46a wird die Antriebsstruktur 52 axial komprimiert, sodass sich der Abstand zwischen den beiden Kraftabgabeabschnitten 48a, 48b verringert. Bei anschließender erneuter Deaktivierung verlängert sich die Antriebsstruktur 52 wieder und die Kraftabgabeabschnitte 48a, 48b werden in ihren Ausgangsabstand zurückgedrückt. Die bei dieser abwechselnden Aktivierung und Deaktivierung stattfindende Bewegung des Elastomeraktuators 46a sei als Aktuator-Antriebsbewegung 54 bezeichnet und ist in 1 mit einem Doppelpfeil angedeutet.
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Die Längsachse 47 definiert zugleich eine Verformungshauptachse 47a des Elastomeraktuators 46a, in deren Richtung die maßgebliche elastische Verformung stattfindet. Der axialen Komprimierung und Ausdehnung in Achsrichtung der Verformungshauptachse 47a bzw. Längsachse 47 ist stets in geringerem Ausmaße eine elastische Querdehnung der Antriebsstruktur 52 überlagert.
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Um eine Aktuator-Antriebsbewegung 54 mit relativ großer Kraft und verhältnismäßig großem Hub zu ermöglichen, ist der Elastomeraktuator 46a zweckmäßigerweise als ein Stapelaktuator ausgeführt, was auf das Ausführungsbeispiel zutrifft.
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Der als Stapelaktuator ausgeführte Elastomeraktuator 46a verfügt über eine Mehrzahl von Elastomermaterialschichten 55, die rechtwinkelig zu ihrer Schichtebene, in Achsrichtung der Längsachse 47 aufeinanderfolgend, aufeinander geschichtet bzw. aufeinander gestapelt sind. Jede Elastomermaterialschicht 55 besteht aus einem Elastomermaterial, insbesondere aus einem Silikonmaterial oder Polyurethanmaterial. Zwischen benachbarten Elastomermaterialschichten 55 und an der axialen Außenseite der beiden äußeren Elastomermaterialschichten 55 befindet sich jeweils eine elektrisch leitfähige, flexible Elektrodenschicht 56. Die Elektrodenschichten 56 liegen wechselweise auf gleichem Potenzial, was mittels zweier Verbindungsleiter 57 realisiert ist, die sich außen in der Längsrichtung der Antriebsstruktur 52 erstrecken. Diese beiden Verbindungsleiter 57 sind über elektrischen Außenleiter 58 mit einer nicht weiter abgebildeten Ansteuereinrichtung verbindbar, mit deren Hilfe die Elektrodenschichten 56 abwechselnd elektrisch aufladbar und entladbar sind, um das abwechselnde axiale Kontrahieren und Entspannen der Antriebsstruktur 52 hervorzurufen.
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Der Polymeraktuator 46 kann so ausgerichtet sein, dass seine Längsachse 47 mit der Achsrichtung der linearen Bewegungsachse 34 gleichgerichtet ist. In diesem Fall würde von den beiden Kraftabgabeabschnitten 48a, 48b der eine an der Tragstruktur 18 und der andere an der Abstützstruktur 2 angreifen. Platzsparender ist allerdings die beispielhafte Bauform, bei der der Polymeraktuator 46 so orientiert ist, dass seine Längsachse 47 rechtwinkelig zur der linearen Bewegungsachse 34 verläuft. Hier verfügt die Aktuatoreinrichtung 14 zusätzlich über eine Kraftumlenkungsstruktur 62 zur Umlenkung der Aktuator-Antriebsbewegung 54 in die diesbezüglich rechtwinkelig orientierte Aktuator-Ausgangsbewegung 17.
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Die Kraftumlenkungsstruktur 62 enthält zweckmäßigerweise zwei in Achsrichtung der Längsachse 47 beabstandet zueinander angeordnete Krafteinleitungsabschnitte 63, in die die Betätigungskraft der Antriebsstruktur 52 eingeleitet wird. Diese Krafteinleitungsabschnitte 63 sind beim Ausführungsbeispiel in Baueinheit und bevorzugt einstückig mit den beiden Kraftabgabeabschnitten 48a, 48b ausgebildet, sodass bezüglich ihrer Eigenschaften auf die Erläuterung dieser Kraftabgabeabschnitte 48a, 48b verwiesen wird.
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Zusätzlich zu den Krafteinleitungsabschnitten 63 enthält die Kraftumlenkungsstruktur 62 zwei den zwischen den beiden Krafteinleitungsabschnitten 63 angeordneten Längenabschnitt des Elastomeraktuators 46a auf einander entgegengesetzten Längsseiten flankierende erste und zweite Umlenkstege 64, 65, die mit ihren Endbereichen an jeweils einem der Krafteinleitungsabschnitte 63 befestigt sind, insbesondere durch eine einstückige Verbindung. Beide Umlenkstege 64, 65 haben einen bogenförmigen Verlauf, wobei die Innenseite der Wölbung der Antriebsstruktur 52 zugewandt ist. Der eine, erste Umlenksteg 64 weist die Koppelstelle 16 auf und ist antriebsmäßig mit der Tragstruktur 18 verbunden. Die Koppelstelle 16 liegt dabei zweckmäßigerweise im Bereich des Scheitelpunktes der Wölbung des ersten Umlenksteges 64. Er ist folglich zumindest im Wesentlichen gleichweit entfernt von den beiden Krafteinleitungsabschnitten 63.
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Der andere, zweite Umlenksteg 65 bildet mit seinem Scheitelbereich einen Abstützabschnitt 66, mit dem er sich an der Abstützstruktur 2 abstützt. Exemplarisch liegt er mit dem Abstützabschnitt 66 an einer Innenfläche der Wandung des Vorrichtungsgehäuses 3 an.
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Beide Umlenkstege 64, 65 sind in ihrer Querrichtung verformbar. Die Ebene der Verformung fällt mit der zur Drehachse 8 rechtwinkeligen Arbeitsebene zusammen oder erstreckt sich parallel dazu. Nähern sich die beiden Krafteinleitungsabschnitte 63 einander an, vergrößert sich der Abstand zwischen der Kopplungsstelle 16 und dem Abstützabschnitt 66. Dieser Abstand verringert sich wieder, wenn sich die Krafteinleitungsabschnitte 63 wieder voneinander entfernen.
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Die Verformbarkeit quer zu der Längsachse 47 der Umlenkstege 64, 65 resultiert beim Ausführungsbeispiel aus einer gelenkigen Struktur jedes Umlenksteges 64, 65. Jeder Umlenksteg 64, 65 hat mehrere eher unflexible Längenabschnitte 70, die durch Gelenkabschnitte 67 miteinander verbunden sind. Die Gelenkabschnitte 67 sind zweckmäßigerweise einstückig in die Umlenkstege 64, 65 integriert und resultieren aus Bereichen reduzierter Wandstärke, vergleichbar mit sogenannten Filmscharnieren.
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Die Umlenkstege 64, 65 können zusätzlich oder alternativ in ihrer Querrichtung auch federelastisch verformbar sein. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, einen oder beide Umlenkstege 64, 65 nach Art einer Blattfeder auszubilden. Solche Blattfedern können sogar die oben beschriebenen Federelemente 53 wirkungsmäßig ersetzen.
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Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Aktuatoreinrichtung 14 mit nur einem einzigen Umlenksteg ausgestattet, der dann vorzugsweise dem seither beschriebenen ersten Umlegsteg 64 entspricht. In diesem Fall kann der Polymeraktuator 46 in der Achsrichtung der linearen Bewegungsachse 34 ortsfest bezüglich der Abstützstruktur 2 angeordnet sein.
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Mit der Verwendung von zwei Umlenkstegen 64, 65 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist in vorteilhafter Weise eine Hebelübersetzung verbunden, die bei gleichem Hub der Aktuator-Antriebsbewegung 54 einen größeren Hub der linearen Arbeitsbewegung 23 hervorruft. Dadurch, dass der zweite Umlenksteg 65 mit seinem Abstützabschnitt 66 an der Abstützstruktur 2 abgestützt ist, führt das auf einer axialen Kontraktion der Antriebsstruktur 52 zurückzuführende Ausbauchen der beiden Umlenkstege 64, 65 dazu, dass sich nicht nur die Koppelstelle 16 in Achsrichtung der linearen Bewegungsachse 34 von dem Polymeraktuator 46 entfernt, sondern auch der Abstützabschnitt 66. Da letzterer jedoch ortsfest an der Abstützstruktur 2 abgestützt ist, führt der Polymeraktuator 46 in seiner Gesamtheit eine Linearbewegung in Achsrichtung der linearen Bewegungsachse 34 aus, sodass sich der Hub der Koppelstelle 16 verdoppelt. Da hierfür jedoch eine Beweglichkeit des Polymeraktuators 46 in Achsrichtung der Aktuator-Ausgangsbewegung 17 erforderlich ist, sind die beiden Krafteinleitungsabschnitte 63 über geeignete Lagermittel 68 zur Ausführung einer durch Doppelpfeile angedeuteten Aktuator-Querbewegung 69 linear beweglich an der Abstützstruktur 2 gelagert. Die Aktuator-Querbewegung 69 hat die gleiche Erstreckungsrichtung wie die Aktuator-Ausgangsbewegung 17. Bei den Lagermitteln 68 handelt es sich vorzugsweise um Wälzlagermittel.
