CH694540A5 - Piezoelektrische Antriebe. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft piezoelektrische Antriebe, piezoelektrische  Resonatoren für Antriebe und die Verwendung von piezoelektrischen  Antrieben sowie piezoelektrischen Resonatoren gemäss den Oberbegriffen  der unabhängigen Patentansprüche. 



   Bestimmte, sogenannte piezoelektrische Materialien lassen sich durch  Anlegen einer elektrischen Wechselspannung zum mechanischen Schwingen  anregen. Dieser physikalische Effekt wird auch umgekehrter piezoelektrischer  Effekt genannt. Eine bekannte Anwendung dieses Effektes ist die Verwendung  piezoelektrischer Materialien als Schwingungserreger in Resonatoren.  Solche piezoelektrischen Resonatoren lassen sich als Statoren in  Antriebe einbauen, um drehbar gelagerte Rotoren anzutreiben. 



   Derartige piezoelektrische Antriebe sind bspw. in den Schriften EP-0  505 848 und EP-0 723 212 offenbart. Diese Schriften zeigen mehrteilige,  zentral angeordnete piezoelektrische Resonatoren mit zwei bzw. drei  Resonatorflügeln. Die Enden der Resonatorflügel weisen Stossflächen  zum Anstossen von ringförmig aussenseitig um die Resonatoren angeordneten  Rotoren auf. Nachteilig an diesen piezo-elektrischen Antrieben ist  der Abrieb an den Stossflächen der Resonatorflügel und den Auffangflächen  der Rotoren sowie durch Lagerspiel der Rotoren. Der Abrieb hat einen  hohen Verschleiss zur Folge, was die Lebensdauer der piezoelektrischen  Antriebe verkürzt und ihr potentielles Einsatzgebiet einschränkt.                                                              



     Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, piezoelektrische  Resonatoren und Antriebe aufzeigen, welche gering im Verschleiss,  klein und flach in der Konstruktion, kostengünstig in der Herstellung,  einfach in der Ansteuerung, robust im Betrieb, kräftig in der Leistung  und somit vielfältig einsetzbar sind. Auch soll eine einfache Positionsbestimmung  eines anzutreibenden Körpers möglich sein. Diese piezo-elektrischen  Resonatoren und Antriebe sollen mit erprobten Materialien und bekannten  Methoden herstellbar und mit gängigen Standards kompatibel sein. 



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale  der Patentansprüche gelöst. 



   Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein piezoelektrischer  Resonator bei geeigneter asymmetrischer Formgebung sowohl im longitudinalen  als auch im transversalen Modus schwingt. Ein in einem solchen Mixmodus  betriebener piezoelektrischer Resonator erlaubt es, einen Körper  in Rotations- und/oder Linearbewegung anzutreiben. Je nach Formgebung  des Resonators und Anordnung eines oder mehrerer Resonators/en zu  einem piezoelektrischen Antrieb sind vielfältige Ausführungsformen  sowie Verwendungen des piezoelektrischen Resonators und Antriebes  möglich. 



   Der piezoelektrische Antrieb lässt sich zum uni- bzw. bidirektionalen  Antreiben von Körpern wie Wellen und Scheiben verwenden. In vorteilhaften  Lösungen treibt er die Körper von seiner Aussenseite an. Dies unterscheidet  ihn insbesondere vom nächsten Stand der Technik gemäss der EP-0 723  212, wo ein Rotor von seiner Innenseite angetrieben wird. Drei Resonatorflügel  führen auf der Innenseite des Rotors eine elliptische Bewegung aus.  Dies verunmöglicht eine Adaptation zu einem aussenseitigen Antrieb  des Rotors bzw. würde einen solchen sehr ineffizient machen. 



     In einer vorteilhaften Lösung sorgt eine longitudinale Schwingungskomponente  des piezoelektrischen Resonators für ein Antreiben eines Körpers,  während eine transversale Schwingungskomponente des Resonators einen  Druck auf diesen Körper ausübt. Durch den somit erzeugten Druckwinkel  können grosse Kräfte auf den anzutreibenden Körper übertragen werden.  Auch wird der Körper gehalten. 



   In einer anderen vorteilhaften Lösung weist der Antrieb einen einzigen  piezoelektrischen Resonator auf, was eine einfache Ansteuerung des  Resonators und piezoelektrischen Antriebes über eine einzige Schwingung  mit gleicher Frequenz und Phase erlaubt. Dies unterscheidet ihn vom  Stand der Technik gemäss den Schriften EP-0 505 848 und EP-0 723  212, wo mindestens zwei unabhängig voneinander angesteuerte piezoelektrische  Resonatoren benötigt werden. 



   Vorteilhafterweise ist ein Verhältnis von Länge zu Breite des Erregers  im piezoelektrischen Resonator gleich zwei oder einem Vielfachen  davon, wodurch der anzutreibende Körper mit maximalen Amplituden  angetrieben wird, was einen optimalen Wirkungsgrad des Antriebes  zur Folge hat. 



   In weiteren vorteilhaften Lösungen ist der piezo-elektrische Antrieb  mit Positioniermitteln versehen. Die Positioniermittel verursachen  wechselnde Anpresskräfte des piezoelektrischen Antriebes auf den  Körper. Diese wechselnden Anpresskräfte lassen sich als Impedanzänderungen  messen und zählen. Somit ist eine Positionsbestimmung des Körpers  möglich, was eine Verwendung des Antriebes als Schrittmotor erlaubt.                                                           



   In einer weiteren vorteilhaften Lösung ist der mindestens eine piezoelektrische  Resonator über elastische Mittel im Antrieb montiert, wodurch beim  Antreiben des    Körpers auftretende Störungen kompensiert werden,  was zu einer hohen Laufruhe des Antriebes führt. Auch wird Verschleiss  durch Abrieb an den Antriebsflächen und Auffangflächen kompensiert.                                                            



   Der piezoelektrische Antrieb lässt sich sehr flach konstruieren und  als Rotationsmotor bzw. Linearmotor verwenden. Die unterschiedlichsten  Verwendungen sind möglich. Beispielhafte Verwendungsgebiete sind  Uhren, Kameras, Datenspeicher, Mikroskopie-Tische, Tachometer usw.                                                             



   Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren im Detail beschrieben.      Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil  der Bestandteile einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines  piezoelektrischen Resonators mit einem Erreger und zwei Resonatorelementen.     Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht und Seitenansicht  eines Teiles der ersten beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen  Resonators gemäss Fig. 1.     Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht  eines Teiles einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes  mit einem piezoelektrischen Resonator gemäss Fig. 2, der einen Körper  antreibt.     Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen  Teil einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes  mit zwei piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper antreiben.

         Fig. 5 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil  einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit  drei piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper antreiben.     Fig. 6 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer  vierten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit einem  piezoelektrischen Resonator, der einen Körper antreibt.     Fig.  7 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer fünften  beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit einem piezoelektrischen  Resonator, der einen Körper antreibt.     Fig. 8 zeigt einen schematischen  Schnitt sowie eine Seitenansicht durch einen Teil einer weiteren  beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen Resonators  mit einen Erreger und einem Resonatorelement.

       Fig. 9 zeigt  einen schematischen Schnitt sowie eine Seitenansicht durch einen  Teil einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen  Resonators mit zwei Erregern und einem Resonatorelement.     Fig.  10 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer sechsten  beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit zwei piezoelektrischen  Resonatoren, die einen Körper im Uhrzeigersinn antreiben.     Fig.  11 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil der sechsten  beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes gemäss Fig. 10, wobei  zwei   piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper entgegen dem  Uhrzeigersinn antreiben.     Fig. 12 zeigt einen schematischen  Schnitt durch einen Teil einer siebten beispielhaften Ausführungsform  eines Antriebes mit einem piezoelektrischen Resonator, der einen  Körper antreibt.

       Fig. 13 zeigt einen schematischen Schnitt  durch einen Teil einer achten beispielhaften Ausführungsform eines  Antriebes mit einem piezoelektrischen Resonator, der einen Körper  antreibt.     Fig. 14 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen  Teil einer neunten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes  mit einem piezoelektrischen Resonator, der einen Körper antreibt.     Fig. 15 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil  einer zehnten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit  zwei piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper antreiben.                                                              



   Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau einer ersten beispielhaften  Ausführungsform eines piezoelektrischen Resonators 1. Dieser Resonator  weist mindestens einen Erreger 10 aus piezoelektrischem Material  zwischen mindestens zwei Resonatorelementen 11, 12 auf. Dieser Aufbau  ist nicht zwingend. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann  der Fachmann auch einen Resonator mit einem einzigen Erreger 10 in  einem einzigen Resonatorelement 11 wie in der beispielhaften Ausführungsform  gemäss Fig. 8 gezeigt, bauen. Oder er kann einen Resonator mit zwei  Erregern 10, 10' bauen, die in um ein einziges Resonatorelement 11  wie in der    beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 9 gezeigt,  bauen. Auch kann er Resonatoren mit mehr als einem Erreger und mit  mehr als zwei Resonatorelementen bauen. Bspw. besteht der Resonator  aus einer Vielzahl von Erregern bzw.

   Resonatorelementen, die in einem  Multilayeraufbau vorliegen. 



   Der Erreger kann aus beliebigen, bekannten piezoelektrischen Materialien  wie piezoelektrische Kristalle, Keramiken, Kunststoffe usw. bestehen.  Die Resonatorelemente können aus beliebigem Werkstoff wie Metall,  Kunststoff usw. bestehen. Die Verbindung des/der Erreger mit den  Resonatorelementen erfolgt über bekannte kraft-, stoff- bzw. formschlüssige  Mittel. Dem Fachmann stehen bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung  vielfältige Möglichkeiten der Verbindung vom Erreger mit den Resonatorelementen  frei. Bspw. sind Erreger aus Keramik mit Resonatorelementen aus Metall  mittels Komponentenkleber verklebt. 



   Gemäss der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 1 und 2 ist  ein flacher Erreger mittig und in Sandwichbauweise zwischen zwei  flachen Resonatorelementen angeordnet. Gemäss der beispielhaften  Ausführungsform gemäss Fig. 8 ist ein flacher Erreger in einem flachen  Resonatorelement angeordnet. Gemäss der beispielhaften Ausführungsform  gemäss Fig. 9 ist ein flaches Resonatorelement mittig und in Sandwichbauweise  zwischen zwei flachen Erregern angeordnet. Erreger und Resonatorelemente  sind bspw. 0,5 mm dicke, 3 mm breite und 6 resp. 10 mm lange Streifen.  Auch diese Aufbauten und Abmessungen sind nicht zwingend. Bei Kenntnis  der Erfindung kann der Fachmann auch flachere bzw. dickere, schmalere  bzw. breitere sowie kürzere bzw. längere Resonatoren bauen. 



   Vorteilhaft ist ein Verhältnis von Länge zu Breite des Erregers gleich  zwei oder einem Vielfachen davon. Ein solches festes Verhältnis von  Länge zu Breite gleich 2n (n=1,2,3,...) führt zu maximalen Amplituden  im Erreger. Der anzutreibende Körper    wird somit mit maximalen  Amplituden angetrieben, was einen optimalen Wirkungsgrad des Antriebes  zur Folge hat. 



   Die Resonatorelemente sind in geeigneter Weise asymmetrisch geformt.  Die beispielhafte Ausführungsform eines Resonators gemäss Fig. 2  zeigt Resonatorelemente, die bei Spiegelung an ihrer Längsachse asymmetrisch  geformt sind. Die untere und obere Längsfläche der Resonatorelemente  sind unterschiedlich lang. Diese asymmetrische Formgebung der Resonatorelemente  und somit des Resonators ist entscheidend für das Schwingungsverhalten  des Resonators. Diese Formgebung der Resonatorelemente ist nicht  zwingend. Bei Kenntnis der Erfindung kann der Fachmann anders asymmetrisch  geformte Resonatoren bauen. 



   Elektrische Anschlüsse für die Speisespannung sind aus Gründen der  Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Bei Verwendung von elektrisch  leitenden Resonatorelementen wie bspw. Metall bilden die Resonatorelemente  selbst die elektrischen Anschlüsse. Durch Anlegen einer elektrischen  Wechselspannung wird der Resonator zu mechanischen Schwingungen angeregt.  Bspw. wird ein Resonator mit einer sinusförmigen Wechselspannung  von 0,1 V und bei einer Frequenz 200 kHz angeregt. Dies ermöglicht  die Verwendung vom Resonator und von bspw. im Multilayeraufbau angeordneten  Erregern in batteriebetriebenen Geräten wie bspw. in Uhren. Aufgrund  der asymmetrischen Form des Resonators breiten sich die mechanischen  Schwingungen in den Resonator-elementen unterschiedlich aus.

   Dies  führt zum Auftreten von sowohl longitudinalen als auch transversalen  Schwingungskomponenten in den Resonatorelementen. Diese mechanischen  Schwingungen in longitudinalen als auch transversalen Schwingungskomponenten  werden durch gekrümmte Schwingungspfeile angedeutet. Natürlich kann  der Fachmann Resonatoren bauen, welche mit anderen elektrischen Wechselspannungen  und bei anderen Frequenzen angeregt werden. 



     Fig. 3 zeigt schematisch eine erste beispielhafte Ausführungsform  eines Antriebes 2 mit piezoelektrischem Resonator 1 in der beispielhaften  Ausführungsform gemäss Fig. 2. Der asymmetrisch schwingende Resonator  treibt einen Körper 3 an. Ein einziger, sowohl im longitudinalen  als auch im transversalen Modus schwingender Resonator treibt den  Körper in einer Rotations- und/oder Linearbewegung an. Er treibt  mit einer Antriebsfläche 13 eine Auffangfläche des Körpers an. Bspw.  dient ein Teil der unteren Längsfläche des Resonators als Antriebsfläche.  Die Antriebsfläche ist in den Resonatorelementen 11, 12 angebracht.  Vorteilhafterweise sind die Resonatorelemente aus abriebfestem Material  wie bspw. Metall wie Kupfer, Stahl usw., so dass eine abriebsfeste  Antriebsfläche aus speziellen, teuren Materialien nicht notwendig  ist.

   Auch leiten Resonatorelemente aus Metall die beim Antreiben  des Körpers generierte Wärme gut ab. Der Körper ist schematisiert  als Rolle, an der ein Gewicht hängt, dargestellt. Die Aussenfläche  der Rolle dient als Auffangfläche. Die longitudinale Schwingungskomponente  des Resonators treibt den Körper tangential an, während die transversale  Schwingungskomponente des Resonators einen Druck auf den Körper ausübt.  Durch dieses tangentiale, quasi gleitende Antreiben bleiben Resonator  und Körper im Kontakt miteinander und werden Schläge sowie Lagerspiele  vom Körper auf den Resonator minimiert. Der resultierende Druckwinkel  ist über die asymmetrische Form des Resonators frei einstellbar.  Je nach Druckwinkel treibt der Resonator den Körper in einer Vorwärts-  und/oder Rückwärtsbewegung an.

   Die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit  des Körpers ist über die asymmetrische Form des Resonators frei einstellbar.  Bspw. ist der Druckwinkel in Vorwärtsrichtung bedeutend stärker/schwächer  als in Rückwärtsrichtung. Auch kann der Druckwinkel bei der Vorwärts-  und Rückwärtsbewegung ansteigend bzw. abnehmend sein. Es ist auch  möglich, Resonatoren mit periodisch bzw. aperiodisch ansteigenden  bzw. abnehmenden Druckwinkeln zu bauen. Bei Kenntnis der vorliegenden  Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten, piezoelektrische  Antriebe mit anders geformten Resonatoren und mit anders gestalteten  Körpern zu bauen. Auch die Fig. 4 bis 7 sowie 10 bis 15 zeigen weitere  beispielhafte Ausführungsformen von Antrieben. 



     Der Resonator ist über bspw. elastische Mittel 20 auf eine Basis  21 des Antriebes montiert. Diese Befestigung des Resonators mittels  elastischer Mittel ist optional. Die elastischen Mittel sind aus  beliebigen bekannten federnden bzw. dämpfenden Materialien. Sie geben  dem piezoelektrischen Antrieb eine hohe Laufruhe. Insbesondere werden  störende, beim Antreiben des Körpers auftretende und nachteilig auf  den Resonator wirkende Einflüsse kompensiert. Solch störende Einflüsse  sind bspw. eventuell auftretende ruckweise Bewegungen des Resonators  und/oder Schläge, die vom Körper auf den Resonator übermittelt werden,  Lagerspiele des sich bewegenden Körpers usw. Auch wird Verschleiss  an den Antriebsflächen des Resonators sowie an Auffangflächen des  angetriebenen Körpers kompensiert.

   Bspw. ist der Resonator über die  elastischen Mittel gegen den Körper gespannt bzw. vorgespannt. Bei  Abrieb an den Antriebsflächen und Auffangflächen spannen die elastischen  Mittel den Resonator automatisch gegen den Körper nach. Bei Kenntnis  der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten  der Realisierung solcher elastischen Mittel zur Verfügung. Die Fig.  4 bis 7 zeigen diesbezüglich weitere beispielhafte Ausführungsformen  von elastischen Mitteln. 



   Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite beispielhafte Ausführungsform  eines Antriebes 2 mit zwei piezo-elektrischen Resonatoren 1. Die  beiden Resonatoren sind von asymmetrischer Form. Bspw. bestehen sie  aus einem oder mehreren Erreger/n 10, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise  wie in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen  Resonatorelementen 11, 12 angebracht ist/sind. Die Resonatoren sind  sichelförmig gestaltet und weisen an den Enden jeweils zwei Antriebsflächen  13, 13' auf. Die Resonatoren sind um den anzutreibenden Körper 3  angeordnet. Der Körper ist bspw. ein Hohlläufer, bei dem die Lagerung  von aussen, d.h. durch die Resonatoren, erfolgt. Dieser Hohlläufer  ist frei drehbar um eine zentrale Achse 0 gelagert und wird auf äusseren  Auffangflächen von den Resonatoren angetrieben und gehalten.

   Die  Resonatoren sind über elastische Mittel 20 auf eine geschlossen ringförmig  um die Resonatoren angebrachte Basis 21 montiert. Die elastischen  Mittel spannen die Resonatoren gegen den Hohlläufer. 



     Sobald die Resonatoren im longitudinalen als auch im transversalen  Modus schwingen, treiben sie über die Antriebsflächen den Hohlläufer  an. Die longitudinale Schwingungskomponente der Resonatoren treibt  den Hohlläufer tangential an, die transversale Schwingungskomponente  der Resonatoren übt einen haltenden und zentrierenden Druck auf den  Hohlläufer aus. Bspw. wird der Hohlläufer in den Resonatoren gelagert.  Er wird durch die elastischen Mittel in die Resonatoren gespannt  und durch die transversale Schwingungskomponente der Resonatoren  gehalten. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann  vielfaltige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe  mit von aussen einen Hohlläufer antreibenden Resonatoren. 



   Fig. 5 zeigt schematisch eine dritte beispielhafte Ausführungsform  eines Antriebes 2 mit drei piezo-elektrischen Resonatoren 1. Die  drei asymmetrischen Resonatoren weisen einen oder mehrere Erreger  10 auf, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der beispielhaften  Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen 11, 12  angebracht ist/sind. Die Resonatoren sind im Winkel von 120 DEG   voneinander beabstandet um den anzutreibenden Körper 3 angeordnet.  Jeder Resonator weist eine Antriebsfläche 13 auf. Der Körper ist  in dieser dritten beispielhaften Ausführungsform eines piezo-elektrischen  Antriebes ein Rotorkörper 30 mit Welle 31. Dieser Rotorkörper ist  frei drehbar um eine zentrale Achse 0 gelagert, er wird auf äusseren  Auffangflächen des Rotorkörpers angetrieben. Der Rotorkörper ist  starr mit der Welle verbunden.

   Die Resonatoren sind über elastische  Mittel 20 auf eine geschlossen ringförmig um die Resonatoren angebrachte  Basis 21 montiert. Die elastischen Mittel und die Basis sind einstückig  mit den Resonatoren und spannen diese gegen den Rotorkörper. Sobald  die Resonatoren im longitudinalen als auch im transversalen Modus  schwingen, treiben sie über die Antriebsflächen den Rotorkörper an.  Die longitudinale Schwingungskomponente der Resonatoren treibt den  Rotorkörper tangential an, die transversale Schwingungskomponente  der Resonatoren übt einen haltenden und zentrierenden Druck auf den  Rotorkörper aus. Bspw. ist der Rotorkörper in den Resonatoren     gelagert. Er wird durch die elastischen Mittel in die Resonatoren  gespannt und er wird durch die transversale Schwingungskomponente  der Resonatoren gehalten.

   Grosse Haltekräfte sind möglich, so dass  keine weiteren bspw. externen Lager zum Lagern der Welle notwendig  sind. Das übermittelte Drehmoment ist sehr gross, da der Schrittwinkel  des Rotorkörpers pro Resonatorschwingung sehr klein ist. Bspw. beträgt  der Schrittwinkel 0,01 DEG . Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung  hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer  Antriebe mit von aussen einen Rotorkörper antreibenden Resonatoren.                                                            



   Die Fig. 6 und 7 zeigen schematisch eine vierte und fünfte beispielhafte  Ausführungsform eines Antriebes 2 mit einem piezoelektrischen Resonator  1. Der asymmetrische Resonator weist einen oder mehrere Erreger 10  auf, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der beispielhaften  Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen 11, 12  angebracht ist/sind. Der Resonator ist über elastische Mittel 20  mit einer zentral in einer Achse 0 gelagerten Basis 21 montiert.  Der Resonator ist seitlich an einem anzutreibenden Körper 3 angeordnet.  Der Resonator in der Ausführungsform gemäss Fig. 6 weist zwei Antriebsflächen  13, 13' auf. Der Resonator in der Ausführungsform gemäss Fig. 7 weist  eine Antriebsfläche 13 auf. Der Körper ist in diesen vierten und  fünften beispielhaften Ausführungsformen eines piezoelektrischen  Antriebes eine Scheibe.

   Diese Scheibe ist frei drehbar um eine zentrale  Achse 0 gelagert, sie wird auf äusseren, seitlichen Auffangflächen  angetrieben und gehalten. Die elastischen Mittel spannen den Resonator  seitlich gegen die Scheibe. Sobald der Resonator im longitudinalen  als auch im transversalen Modus schwingt, treibt er über Antriebsflächen  die Scheibe an. Da der Antrieb nur einen einzigen piezoelektrischen  Resonator aufweist, ist eine einfache Ansteuerung des Resonators  und piezoelektrischen Antriebes über eine einzige Schwingung mit  gleicher Frequenz und Phase möglich. Bei Kenntnis der vorliegenden  Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung  piezoelektrischer Antriebe mit einem von aus-sen eine Scheibe antreibenden  Resonator. 



     Die Fig. 10 und 11 zeigen schematisch eine sechste beispielhafte  Ausführungsform eines Antriebes 2 mit zwei piezoelektrischen Resonatoren  1. Die beiden asymmetrischen Resonatoren weisen je mindestens einen  Erreger 10 auf, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der  beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen  11, 12 angebracht ist/sind. Die Resonatoren sind seitlich an einem  anzutreibenden Körper 3 angeordnet. Die Resonatoren sind über elastische  Mittel 20 auf einer zwischen den Resonatoren angebrachten Basis 21  montiert. Die elastischen Mittel und die Basis sind einstückig mit  den Resonatoren und spannen diese gegen den Rotorkörper. Die Resonatoren  weisen je eine Antriebsfläche 13 auf. Der Körper ist in diesen sechsten  beispielhaften Ausführungsformen eines piezoelektrischen Antriebes  eine Welle.

   Diese Welle ist frei drehbar um eine zentrale Achse 0  gelagert und wird von der zentralen Basis gehalten. Verglichen mit  den Ausführungsformen gemäss der Fig. 3 und 7 ist der Antrieb gemäss  den Fig. 10 und 11 doppelt ausgeführt. Der Antrieb ist besonders  kräftig ausgelegt. Sobald die Resonatoren im longitudinalen als auch  im transversalen Modus schwingen, treiben sie über die Antriebsflächen  die Welle an. Dies erfolgt bspw. bidirektional, d.h. je nach Ansteuerung  der Resonatoren wird der Körper im Uhrzeigersinn (Fig. 10) bzw. entgegen  dem Uhrzeigersinn (Fig. 11) angetrieben. Hierzu werden die Resonatoren  über eine einzige Schwingung mit gleicher Frequenz und Phase, aber  jedoch mit unterschiedlich hohen Amplituden der Speisespannung angesteuert.

    Bspw. wird der eine der Resonatoren mit einer hohen Amplitude angesteuert,  so dass seine longitudinale Schwingungskomponente den Körper bei  einer Vorwärtsbewegung kräftig nach rechts (Fig. 10) resp. links  (Fig. 11) antreibt, während der andere der Resonatoren mit einer  niedrigen Amplitude angesteuert wird, so dass seine longitudinale  Schwingungskomponente den Körper bei derselben Vorwärtsbewegung weniger  kräftig nach rechts (Fig. 10) resp. links (Fig. 11) antreibt. Der  eine mit hoher Amplitude betriebene Resonator überwindet somit bei  der Vorwärtsbewegung die Reibung des anderen mit geringer Amplitude  betriebenen Resonators und dreht die Welle in eine Richtung vorwärts.  Diese Reibung erhöht die Haltekräfte der transversalen Schwingungskomponenten  des    Antriebes.

   Damit die Welle bei der Rückwärtsbewegung der Resonatoren  nicht zurückgedreht wird, erfolgt die Vorwärtsbewegung unter einem  hohen Druckwinkel und die Rückwärtsbewegung unter einem kleinen Druckwinkel.  Die Druckwinkel lassen sich durch die asymmetrische Form der Resonatoren  einstellen. Je nach gewählter Amplitudendifferenz und Verhältnis  der Druckwinkel bei Vorwärts- resp. Rückwärtsbewegung lässt sich  die Höhe der Reibung sowie der Wirkungsgrad des Antriebes einstellen.  Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige  Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe mit zwei  oder mehr von aussen eine Welle gemäss einer Schwingung mit gleicher  Frequenz aber unterschiedlichen Amplituden antreibenden Resonatoren.                                                           



   Die Fig. 12 bis 14 zeigen schematisch eine siebte, achte und neunte  beispielhafte Ausführungsform eines Antriebes 2 mit einem piezoelektrischen  Resonator 1. Der asymmetrische Resonator weist einen oder mehrere  Erreger 10 auf, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der  beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen  11, 12 angebracht ist/sind. Der Resonator ist über elastische Mittel  20 mit einer zentral in einer Achse 0 gelagerten Basis 21 montiert.  Der Resonator ist seitlich an einem anzutreibenden Körper 3 angeordnet.  Der Resonator weist eine Antriebsfläche 13 auf. Der Körper ist eine  frei drehbar um eine Achse 0 gelagerte Welle, die auf äusseren, seitlichen  Auffangflächen angetrieben und gehalten wird. Die elastischen Mittel  spannen den Resonator seitlich gegen die Welle.

   Sobald der Resonator  im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingt, treibt  er über die Antriebsfläche die Welle bspw. in einer Links- bzw. Rechtsdrehung  an. 



   Der Antrieb ist mit Positioniermitteln zum Bestimmen der Position  des Körpers vorgesehen. In der Ausführungsform gemäss Fig. 12 ist  der Körper leicht exzentrisch in der Achse gelagert. Als Positioniermittel  dient diese exzentrische Lagerung des Körpers. Infolge der exzentrischen  Lagerung des Körpers schwankt die Anpresskraft,    die von der Antriebsfläche  des Resonators auf die Auffangflächen des Körpers wirkt. Dieses Schwanken  der Anpresskraft wiederum verursacht eine messbare Impedanz-änderung.  In der Ausführungsform gemäss Fig. 13 ist der Körper mit einem Schlitz  bzw. einer Unebenheit versehen. Als Positioniermittel dient dieser  Schlitz bzw. diese Unebenheit.

   Beim Drehen des Körpers und Durchgang  des Schlitzes bzw. der Un-ebenheit an der Antriebsfläche des Resonators  schwankt die Anpresskraft vom Resonator auf den Körper, was wiederum  eine messbare Impedanzänderung verursacht. In der Ausführungsform  gemäss Fig. 14 ist der Körper mit einer Vielzahl von Schlitzen bzw.  Unebenheiten versehen. Als Positioniermittel dienen diese Vielzahl  von Schlitzen bzw. Unebenheiten. Diese Vielzahl von Schlitzen bzw.  Unebenheiten ermöglicht eine feinere Auflösung der Positionsbestimmung.  Bspw. sind 12 Schlitze bzw. Unebenheiten im Abstand von 30 DEG  auf  dem Umfang der Welle angebracht. 



   Diese durch verschiedene Positioniermittel hervorgerufenen Impedanzänderungen  können auf bekannte Art und Weise gemessen werden. Eine bevorzugte  Position des Körpers kann somit als Referenz festgelegt werden. Bspw.  wird die Position des Körpers eines Antrieb in der Ausführungsform  gemäss Fig. 12, die einer maximalen Impedanzänderung entspricht,  als Referenz festgelegt werden, oder es wird die Position des Körpers  eines Antriebs in der Ausführungsform gemäss Fig. 13, die der Impedanzänderung  entspricht, als Referenz festgelegt. Auch kann die Anzahl der gemessenen  Impedanzänderungen ermittelt werden. Bspw. kann die Anzahl der Links-  bzw. Rechtsdrehungen des Körpers ermittelt werden. In der Ausführungsform  eines Antriebes gemäss Fig. 14 lässt sich die Drehung des Körpers  auf einen Positionswinkel von +/- 30 DEG  genau bestimmen.

   Natürlich  lassen sich diese Ausführungen von Positioniermitteln miteinander  kombinieren. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann  vielfältige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe  mit einem von aussen eine Welle antreibenden Resonator und Positioniermitteln  zur Positionsbestimmung des Körpers. 



     Fig. 15 zeigt schematisch eine zehnte beispielhafte Ausführungsform  eines Antriebes 2 mit zwei piezoelektrischen Resonatoren 1. Diese  zehnte Ausführungsform gemäss Fig. 15 ähnelt weitgehend der zweiten  Ausführungsform gemäss Fig. 4, so dass auf deren Beschreibung verwiesen  und im Folgenden die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsformen  erläutert werden. In Analogie zur neunten Ausführungsform eines Antriebes  gemäss Fig. 14 ist der Körper 3 auf seinen Auffangflächen mit einer  Vielzahl von Schlitzen bzw. Unebenheiten versehen. Die Schlitzen  bzw. Unebenheiten dienen als Positioniermittel. Die beiden Resonatoren  sind bspw. im Winkel von 120 DEG  zueinander um den Körper angeordnet.  Sie sind von gleicher Bauart und besitzen somit im Winkel von 120  DEG  zueinander angeordnete Antriebsflächen 13, 13', um den Körper  anzutreiben.

   Die Antriebsflächen sind derart geformt, dass sie auch  mit den Schlitzen bzw. Unebenheiten in Formschluss treten. Bspw.  sind die Antriebsflächen als Keile geformt, die in entsprechende  Schlitze bzw. Unebenheiten der Auffangflächen greifen. Die Vielzahl  von Schlitzen bzw. Unebenheiten ermöglicht eine feine Auflösung der  Positionsbestimmung des Körpers. Bspw. sind Standardschlitze bzw.  Unebenheiten im Abstand von 72 DEG  auf dem Umfang vom Körper angebracht.  Zusätzlich ist ein Extraschlitz im Abstand von 120 DEG  zu einem  dieser Standardschlitze auf dem Umfang vom Körper angebracht. Beim  Drehen des Körpers und beim Formschluss der Antriebsflächen mit Schlitzen  bzw. Unebenheiten schwankt die Anpresskraft vom Resonator auf den  Körper, was eine messbare Impedanzänderung verursacht.

   Bei jeder  360 DEG -Drehung vom Körper gibt es eine einzige Körperposition,  wo die beiden Antriebsflächen in einen Standardschlitz und in den  Extraschlitz greifen. Die Schlitze sind beliebig tief, bspw. sind  sie lediglich 1/100 mm bzw. 2 mm tief. Durch dieses Eingreifen erfolgt  eine besonders prägnant messbare Positionsbestimmung (Fig. 15). Die  Impedanzänderungen können auf bekannte Art und Weise gemessen werden.  Eine bestimmte Position des Körpers kann als Referenz festgelegt  werden. Bspw. entspricht die Position des Körpers gemäss Fig. 15  einer eindeutigen Nullposition. Erst nach einer Drehung des Körpers  um weitere 360 DEG  greifen sie wieder in dieses um 120 DEG  voneinander  beabstandete Paar aus Standardschlitz und Extraschlitz. Die    Anzahl  der gemessenen Impedanzänderungen kann somit ermittelt werden. Bspw.

    wird durch Zählen der Nullpositionen die Anzahl der Links- bzw. Rechtdrehungen  des Körpers ermittelt. Ferner lässt sich durch Zählen der Standardschlitze  der Positionswinkel des Körpers auf +/- 72 DEG  genau bestimmen.  Natürlich sind andere, feinere bzw. gröbere Auflösungen einer Nullposition  bzw. von Positionswinkeln möglich. Bei Kenntnis der vorliegenden  Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung  piezoelektrischer Antriebe mit von aussen einen Körper antreibenden  Resonatoren und speziell geformten Positioniermitteln zur eindeutigen  Positionsbestimmung des Körpers. 



   Die in mehreren beispielhaften Ausführungsformen gezeigten piezoelektrischen  Antriebe lassen sich insbesondere in der Mechanik und Feinmechanik  verwenden. Sie können sehr flach sein mit weniger als 1 mm Dicke.  Insbesondere kann der Körper sehr klein sein und bspw. weniger als  1 mm Durchmesser besitzen. Die Antriebe lassen sich uni- bzw. bidirektional  betreiben. Die Rotationsgeschwindigkeit ist frei einstellbar. Sehr  hohe Drehzahlen von mehr als 6000 Umdrehungen pro Minute sind möglich.  Als Parameter gelten dabei die Grösse des Körpers (je kleiner der  Durchmesser des Körpers, desto höher die Drehzahl vom Antrieb) bzw.  Variationen der Ansteuerspannung.

   So sind bspw. bei entsprechend  klein dimensionierten Körpern von 0,4 mm oder 0,2 mm Durchmesser  bzw. bei entsprechender Variation der Ansteuerspannung Drehzahlen  von 10 000 oder 20 000 Umdrehungen pro Minute möglich. Die Antriebe  eignen sich sowohl als Schrittmotoren als auch als kontinuierliche  Rotationsmotoren. Insbesondere vermögen sie Körper in sehr kleinen,  bspw. in 0,1 bis 0,4 mu m kleinen Schritten anzutreiben. 



   In den gezeigten Ausführungsformen treiben die piezoelektrischen  Antriebe Körper auf aussenseitigen Auffangflächen an. Natürlich ist  es dem Fachmann freigestellt, bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung  auch Antriebe zu konstruieren, bei denen Körper über innenseitige  Auffangflächen angetrieben werden. Selbstverständlich    lässt sich  der Antrieb nicht nur als Rotationsmotor, sondern auch als Linearmotor  verwenden. 



   Der piezoelektrische Antrieb lässt sich sehr flach konstruieren.  Die unterschiedlichsten Verwendungen sind möglich. Beispielhafte  Verwendungsgebiete sind Uhren, Kameras, Datenspeicher, Mikroskopie-Tische,  Tachometer usw. In Uhren kann er die Uhrzeiger -direkt bzw. indirekt  antreiben. In Kameras kann er um die Linsen angeordnet sein und so  in Zoom-Kameras bzw. Normal-Kameras die Linsenverstellung bspw. bei  der Tiefenschärfeeinstellung durchführen. In -Datenspeichern wie  Harddisk-Laufwerken bzw. CD-Laufwerken kann er den Lesekopf antreiben.  In Mikroskopie-Tischen kann er den Tisch bzw. Arbeitsplattformen  antreiben. In Tachometern kann er den Geschwindigkeitszeiger direkt  antreiben. All diese Verwendungen sind beispielhaft. Diese Aufzählung  ist nicht ausschliesslich.

   Der Fachmann kann bei Kenntnis der vorliegenden  Erfindung vielfältige andere Verwendungen eines flachen piezoelektrischen  Antriebes realisieren. 



   Der piezoelektrische Antrieb ist kostengünstig herstellbar, da er  wenige Teile umfasst, da bei der Herstellung dieser Teile keine strengen  Toleranzen erfüllt werden müssen und da die verwendeten Materialien  kostengünstig sind.

Claims (28)

1. Resonator (1) mit piezoelektrischen Materialien, zum Antreiben eines Körpers (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator eine asymmetrische Form aufweist und sowohl im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingt.

2. Resonator (1) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Erreger (10, 10') aus piezoelektrischem Material an mindestens einem Resonatorelement (11, 12) angeordnet ist.

3. Resonator (1) gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge zu Breite des mindestens einen Erregers (10, 10') gleich zwei oder einem Vielfachen davon ist.

4. Resonator (1) gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein flacher Erreger (10) in einem flachen Resonatorelement (11) angeordnet ist.

5.

Resonator (1) gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein flacher Erreger (10) in Sandwichbauweise zwischen zwei flachen Resonatorelementen (11, 12) angeordnet ist.

6. Resonator (1) gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein flaches Resonator-element (11, 12) in Sandwichbauweise zwischen zwei flachen Erregern (10, 10') angeordnet ist.

7. Resonator (1) gemäss Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Erregern (10, 10') mit einer Vielzahl von Resonatorelementen (11, 12) zu einem Multilayeraufbau angeordnet sind.

8. Resonator (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Resonatorelemente (11, 12) aus elektrisch leitendem und/oder abriebfestem und/oder thermisch leitendem Material sind.

9.

Antrieb (2) mit mindestens einem Resonator (1) mit piezoelektrischen Materialien, welcher Resonator (1) einen Körper (3) antreibt, welcher mindestens einen Resonator (1) mit asymmetrischer Form sowohl mit einer longitudinalen als auch mit einer transversalen Schwingungskomponente schwingt und den Körper (3) in Rotations- und/oder Linearbewegung versetzt.

10. Antrieb (2) gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er den Körper (3) auf einer aussenseitigen Auffangfläche antreibt.

11. Antrieb (2) gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die longitudinale Schwingungskomponente des mindestens einen Resonators (1) den Körper (3) tangential antreibt während die transversale Schwingungskomponente des mindestens einen Resonators (1) einen Druck auf den Körper (3) ausübt.

12.

Antrieb (2) gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwinkel sowie die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Körpers (3) über die asymmetrische Form des mindestens einen Resonators (1) frei einstellbar sind.

13. Antrieb (2) gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Resonator (1) vorgesehen ist, der den Körper (3) über mindestens eine Antriebsfläche (13, 13') tangential antreibt.

14. Antrieb (2) gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Resonatoren (1) vorgesehen sind, die den Körper (3) über mindestens zwei Antriebsflächen (13, 13') antreiben.

15.

Antrieb gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Resonatoren (1) über eine einzige Schwingung mit gleicher Frequenz aber unterschiedlichen Amplituden ansteuerbar sind und den Körper (3) in entsprechend den Amplituden unterschiedlich kräftigen Vorwärtsbewegungen antreiben.

16. Antrieb (2) gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Resonatoren (1) sichelförmig gestaltet sind, dass sie an ihren Enden jeweils zwei Antriebsflächen (13, 13') aufweisen und dass sie um den Körper (3) angeordnet sind.

17. Antrieb (2) gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass drei Resonatoren (1) im Winkel von 120 DEG voneinander beabstandet um den Körper (3) angeordnet sind, dass jeder Resonator (1) eine Antriebsfläche (13) aufweist und dass sie den Körper (3) halten und zentrieren.

18.

Antrieb (2) gemäss einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) ein Hohlläufer bzw. eine Scheibe ist.

19. Antrieb (2) gemäss einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Resonator (1) über elastische Mittel (20) im Antrieb (2) montiert ist.

20. Antrieb (2) gemäss Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Mittel (20) Verschleiss an Antriebsflächen (13, 13') des mindestens einen Resonators (1) sowie an Auffangflächen des angetriebenen Körpers (3) kompensieren.

21. Antrieb (2) gemäss Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Resonator (1) über elastische Mittel (20) gegen den Körper (3) gespannt ist.

22.

Antrieb (2) gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Positioniermittel vorgesehen ist, dass das mindestens eine Positioniermittel messbare Impedanzänderungen erzeugt und dass eine Position des Körpers, die einer messbaren Impedanzänderung entspricht, als Referenz zur Positionsbestimmung dient.

23. Antrieb (2) gemäss Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Positioniermittel Änderungen der Anpresskraft von Antriebsflächen (13, 13') des mindestens einen Resonators (1) auf Auffangflächen des angetriebenen Körpers (3) erzeugt und dass diese Änderungen der Anpresskraft als Impedanzänderungen messbar sind.

24. Antrieb (2) gemäss Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Positioniermittel eine exzentrische Lagerung des Körpers und/oder ein Schlitz bzw. eine Unebenheit ist.

25.

Antrieb (2) gemäss Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Positioniermittel eine Vielzahl von Schlitzen und/oder Unebenheiten für eine Bestimmung vom Positionswinkel des Körpers vorgesehen sind.

26. Verfahren zum Betreiben eines Antriebes (2) gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er uni- oder bidirektional betrieben wird.

27. Verfahren zum Betreiben eines Antriebes (2) gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Resonator (1) des Antriebes (2) über eine einzige Schwingung gesteuert wird.

28. Verwendung eines Antriebes (2) gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er schrittweise und/oder kontinuierlich Körper in Uhren, Kameras, Datenspeichern, Mikroskopie-Tische oder Tachometern antreibt.