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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Motor
(im Folgenden kurz als Piezomotor bezeichnet). Derartige Piezomotoren sind
aus dem Stand der Technik bekannt und weisen üblicherweise
einen Resonator auf, in dem ein Piezoelement angeordnet ist, welches
diesen Resonator in schwingende Bewegung versetzt. Durch diese schwingende
Bewegung kann über ein Kontaktelement des Resonators ein
anzutreibendes Element in Bewegung versetzt werden. Derartige Piezomotoren sind
oftmals Massenprodukte und daher besteht ein generelles Bedürfnis,
die Herstellungskosten für Piezomotoren zu verringern.
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Aus
der
US 6,664,714 (
77) ist beispielsweise ein piezoelektrischer
Motor bekannt. Dieser Piezomotor weist ein angetriebenes Element
auf, das bei zwei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen in zwei entgegengesetzte
Richtungen bewegt werden kann. Daneben besitzt dieser piezoelektrische
Motor einen Resonator, ein piezoelektrisches Element sowie eine
Federaufhängung. Diese Federaufhängung besteht
aus einer Blattfeder, welche in eine Öffnung des Resonators
eingepresst ist. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch
der entsprechende Resonator mit der Öffnung nicht ohne
weiteres extrudierbar und daher ist die Herstellung des Resonators
vergleichsweise aufwendig.
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Aus
der
WO 03/090338 ist
ebenfalls ein Piezomotor bekannt. Bei diesem Motor ist eine Federeinrichtung
in Form einer Schenkelfeder vorgesehen. Diese Schenkelfeder ist
in zwei Schlitzen, die an dem Motorrahmen bzw. Resonator vorgesehen
sind, angeordnet. Zwar sind bei dieser Ausführungsform
die Schlitze so angeordnet, dass sie gemeinsam mit der Öffnung
für das Piezoelement extrodiert werden können.
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Allerdings
weist der aus der
WO
03/090338 A2 , ebenso wie der aus der
US 6,664,714 bekannte Piezomotor jeweils
eine als idealisiert zu betrachtende Kontaktstelle zu dem angetriebenen
Element auf. Die für das Antreiben des anzutreibenden Elements verantwortlichen
Motorschwingungen liegen in einer Ebene, welche senkrecht zu der
Oberfläche des angetriebenen Elements an dieser idealisierten
Kontaktstelle liegt. Werden die Zonen des Rahmen-Feder-Kontakts
auf die genannte Ebene projeziert, so sind diese Projektionen bei
den beiden genannten piezoelektrischen Motoren gerade Linien, die
sich über einen Großteil der Rahmendicke erstrecken.
Diese Anordnung ist aus statischer Sicht nachteilig, da sie insbesondere
nicht in günstiger und definierter Weise eine statische
und dynamische Motoraufhängung gewährleistet.
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Auch
ist die Seitenstabilität der Anordnung des Resonators verschlechtert.
Daneben werden die Rahmen beim Einpressen der Schenkelfedern lokal plastisch
verformt, was eine Entfernung und ein Wiederanbringen der Feder
beispielsweise für Tests oder zur Wartung erschwert. Schließlich
sind bei den genannten piezoelektrischen Motoren die Rahmen im Verhältnis
zur Länge des piezoelektrischen Elements relativ lang,
was die Möglichkeiten zum Einbau dieser Motoren gegebenenfalls
erschwert.
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Aus
der
EP 0 643 427 ist
ebenfalls ein piezoelektrischer Motor bekannt. Dieser Motor weist
einen elliptisch-ringförmigen Resonator auf, in dessen Öffnung
zwei piezoelektrische Elemente entlang der langen Halbachse dieser
Ellipse angeordnet sind. Diese beiden Piezoelemente werden jeweils
mit einem Sinussignal angetrieben, wobei die beiden Sinussignale
um 90°-phasenverschoben sind. Auf diese Weise kann die
Peripherie des Resonators elliptisch in Schwingung versetzt werden.
Diese Schwingungen werden benutzt, um ein angetriebenes Element
zu bewegen. Dabei wird die Bewegungsrichtung des angetriebenen Elements über
die relative Phasenlage der an den beiden Piezoelementen angelegten
elektrischen Sinussignale bestimmt. Damit werden bei diesem Piezomotor
zwei Piezoelemente benötigt, um unterschiedliche Bewegungsrichtungen zu
ermöglichen. Daneben müssen die beiden Piezoelemente
sowohl mit dem Rahmen als auch miteinander mechanisch verbunden
werden, so dass die Lösung der
EP 0 643 427 B1 relativ
aufwendig in der Herstellung ist.
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Die
US 6,211,603 B1 beschreibt
ebenfalls einen Piezomotor. In einer Ausführungsform wird
dieser Piezomotor von zwei Blattfedern schwingend gehalten, wobei
diese Blattfedern in Aussparungen des Motors angeordnet sind. Dabei
sind die Blattfedern derart an den Piezoelementen angeordnet, dass
sie im Bereich der Aussparungen parallel zueinander und auf der
selben Gerade verlaufen. Damit halten die beiden Blattfedern den
Motor zwar in einer Symmetrieebene, welche durch den Kontakt zum
angetriebenen Element verläuft, steif und in einer senkrecht
dazu liegenden Richtung federnd. Gleichwohl ist aufgrund der Anordnung
der Federn eine Verkippung des Motors in dieser Symmetrieebene möglich und
zu befürchten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen
Motor mit einer Federungseinrichtung zur Verfügung zu stellen,
der einerseits kostengünstig hergestellt und auf der anderen
Seite durch die Federungseinrichtung stabil gehalten werden kann.
Daneben soll eine kostengünstige und zuverlässige
Aufhängung des Piezomotors möglich sein.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
von Anspruch 1 und 7 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Piezomotor weist einen Resonator
auf, wobei dieser Resonator eine Öffnung besitzt, innerhalb
derer ein Piezoelement angeordnet ist. Weiterhin weist der Resonator
einen Antriebskörper auf, mit dem durch den Piezomotor
ein anzutreibendes Element antreibbar ist sowie eine Federungseinrichtung,
die den Resonator federnd gegenüber dem anzutreibenden
Element anordnet. Dabei weist die Federungseinrichtung einen ersten
Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt auf, und beide Endabschnitte
sind an dem Resonator angeordnet.
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Erfindungsgemäß erstreckt
sich der erste Endabschnitt in einer ersten Richtung ausgehend von
dem Resonator und der zweite Endabschnitt erstreckt sich in einer
zweiten Richtung ausgehend von dem Resonator, wobei die beiden Richtungen
einen von 0° verschiedenen Winkel miteinander einschließen.
Dabei werden die Richtungen hier in Richtung des Endes der Federungseinrichtung
bzw. in Richtung des Resonators definiert.
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Vorzugsweise
weist dieser piezoelektrische Motor nur ein piezoelektrisches Element
auf, um ein angetriebenes Element in zwei Richtungen zu betreiben.
Die Öffnung des Resonators ist bevorzugt ringförmig
ausgebildet, wobei die Öffnung einen kreisförmigen
Querschnitt, einen elliptischen Querschnitt aber auch andere Querschnitte,
die sich durch einen geschlossenen Umfang ergeben, aufweisen kann.
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Der
Antriebskörper weist insbesondere eine Kontaktstelle bzw.
Kontaktfläche auf, mit der der Resonator das angetriebene
Element berühren und bewegen kann. Beim Betrieb des Motors
schwingt diese Kontaktstelle bevorzugt im Wesentlichen parallel
zu einer Symmetrieebene des Resonators, wobei diese Symmetrieebene
senkrecht zu einer Extrusionsachse, welche zur Erzeugung der oben
genannten Öffnung dient, steht.
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Unter
den Endabschnitten des Federelementes werden Endbereiche der Federungseinrichtung
verstanden, die sich aus dem Resonator heraus erstrecken.
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Bevorzugt
erstrecken sich die Endabschnitte bis hin zu den geometrischen Enden
der Federungseinrichtung in den genannten Richtungen. Es wäre jedoch
auch möglich, dass ein kurzer Bereich am äußersten
Ende der Federungseinrichtung gegenüber den besagten Endabschnitten
geknickt oder gekrümmt ist und in eine entsprechend gewinkelte
oder gekrümmte Aussparung des Resonators eingefügt wird.
Auch wäre es möglich, dass das besagte äußerste
Ende des Endabschnitts gegenüber der Richtung des Endabschnittes
gekrümmt oder geknickt ist und/oder an einem Außenumfang
des Resonators befestigt ist.
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Durch
die nicht parallele Anordnung der beiden Richtungen der Endabschnitte
wird erreicht, dass der Piezomotor in einer vorgegebenen Ebene schwingen
kann, jedoch in anderen Ebenen, die nicht parallel zu dieser Ebene
sind, relativ stabil gehalten wird. Mit anderen Worten wird durch
die nicht parallele Anordnung der beiden Richtungen eine höhere Steifigkeit
in den Ebenen erreicht, die von der Schwingungsebene des Resonators
verschieden sind.
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Insbesondere
aber unterstützt die nicht parallele Anordnung der beiden
Richtungen der Endabschnitte, dass die Kontaktfläche zu
dem angetriebenen Element in einer bestimmten Position und Orientierung
mit vorausbestimmbaren Steifigkeiten bezüglich der Oberfläche
des angetriebenen Elementes gehalten werden kann.
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Vorzugsweise
verlaufen die erste Richtung und die zweite Richtung in der gleichen
Ebene des Resonators oder geometrisch gesprochen sind diese beiden
Richtungen zwar nicht parallel aber auch nicht windschief bezüglich
einander angeordnet.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließen
die erste Richtung und die zweite Richtung einen Winkel miteinander
ein, der zwischen 20° und 160°, bevorzugt zwischen
40° und 140°, bevorzugt zwischen 60° und
120°, bevorzugt zwischen 80° und 100° und
besonders bevorzugt bei etwa 90° liegt. Diese genannte
Wahl der Winkel lässt eine besonders günstige
Stabilität des Resonators gegenüber Schwingungen
in anderen Ebenen als seiner Schwingungsebene zu.
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Vorzugsweise
ist die oben genannte Ebene des Resonators, in der die beiden Richtungen
verlaufen, gleichzeitig eine Symmetrieebene des Resonators.
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Die
oben erwähnte ringförmige Öffnung kann besonders
bevorzugt extrudiert werden, das heißt der Querschnitt
dieser Öffnung bleibt besonders bevorzugt über
die gesamte Dicke des Resonators hinweg konstant. Durch die erfinderische
Anordnung ist es möglich, den Piezomotor nur mit einem
Piezoelement auszustatten und gleichwohl durch die Beaufschlagung
mit unterschiedlichen Frequenzen zwei Bewegungsrichtungen zuzulassen.
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Vorzugsweise
sind die beiden Endabschnitte des Federungselementes miteinander über
einen Übergangsabschnitt verbunden. Es wäre jedoch auch
möglich, zwei Federelemente vorzusehen, die beispielsweise
gemeinsam an einem Basiselement angeordnet sind.
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Vorzugsweise
weist der Resonator zwei Aussparungen zur Aufnahme von Teilen der
Endabschnitte bzw. der äußersten Enden der Federungseinrichtung
auf. Mit anderen Worten dienen diese beiden Aussparungen für
das Anbringen der Federungseinrichtung zur Motoraufhängung.
Vorzugsweise sind die Öffnung des Resonators (für
das Piezoelement) sowie die Aussparungen so vorgesehen, dass sie
gemeinsam entlang derselben Extrusionsachse extrudiert werden können.
Mit anderen Worten ändert sich bevorzugt der Querschnitt
der Aussparungen und der Querschnitt der Öffnung in einer
Ebene des Resonators (d. h. in der Extrasionsrichtung) über
die gesamte Breite des Resonators hinweg nicht.
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Durch
diese Vorgehensweise ist eine sehr einfache Herstellung des Resonators
und damit auch des gesamten Motors möglich. Die beiden
Endabschnitte der Federungseinrichtungen werden in die beiden Aussparungen
des Resonators eingefügt bzw. eingeklippt. Besonders bevorzugt
weisen diese Aussparungen eine U- oder V-förmige Form auf,
die besonders bevorzugt so ausgeführt ist, dass sie sich beim
Einklippen der Federungseinrichtung elastisch aufspreizt und auf
diese Weise die Endabschnitte des Federungselements definiert festhält.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Federungseinrichtung
eine Blattfeder. Die Blattfeder hat eine Dicke, welche typischerweise
für die ganze Feder konstant ist, sowie eine Längsachse,
welche mit Vorteil gebogen und wesentlich länger als die
Breite der Blattfeder ist. Die Längsachse dieser Blattfeder
erstreckt sich vorteilhaft in der Ebene des Resonators bzw. weist
eine Ausdehnung aus, die in der Ebene des Resonators verläuft. Die
Blattfeder ist bevorzugterweise nicht um ihre Längsachse
verdrillt, d. h., die Blattfeder hat eine der gekrümmten
Längsachse folgenden, gekrümmte Oberfläche,
welche senkrecht zu der Ebene des Resonators steht. Vorteilhafterweise
ist die Blattfeder aus Edelstahl gefertigt und gehärtet.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform
weist die Blattfeder die gleiche Breite auf, wie der Resonator selbst
in seiner Extrusionsrichtung (bzw. der Extrusionsrichtungen der Öffnung
und der Aussparungen).
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Ende
der Federungseinrichtung und besonders bevorzugt können
beide Enden breiter gestaltet werden als der übrige Bereich
der Federungseinrichtung. Durch ein Umfalzen dieser verbreiterten
Stelle entsteht eine seitliche Lasche, welche ein seitliches Herausrutschen
der Blattfeder aus der Aussparung verhindert. Dabei kann eine derartige Lasche
ein- oder beidseitig an einem der beiden Stirnenden der Blattfeder
vorgesehen sein und es ist auch möglich, an beiden Seiten
bezüglich des Resonators derartige Laschen vorzusehen.
Mit dem Begriff Stirnenden werden die geometrischen (absoluten)
Enden der Endabschnitte bezeichnet, d. h. insbesondere die entsprechenden
Stirnflächen der Federungseinrichtung.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Federungseinrichtung
symmetrisch ausgebildet, das heißt sie ist bezüglich
einer vorgegebenen Symmetrieebene symmetrisch.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf einen Resonator für
einen Piezomotor gerichtet, wobei dieser Resonator eine Öffnung
aufweist, innerhalb derer ein Piezoelement angeordnet ist. Weiterhin
ist ein Antriebskörper vorgesehen, mit dem durch den Resonator
ein anzutreibendes Element antreibbar ist, wobei der Resonator eine
erste Aussparung zur Aufnahme eines ersten Endabschnitts einer Federungseinrichtung
und eine zweite Aussparung zur Aufnahme eines zweiten Endabschnitts
der Federungseinrichtung aufweist. Dabei sind diese Aussparungen
derart in dem Resonator angeordnet, dass sie gemeinsam mit der Öffnung
extrudiert werden können. Erfindungsgemäß erstreckt
sich die erste Aussparung in einer ersten Erstreckungsrichtung in
den Resonator hinein und die zweite Aussparung erstreckt sich in
einer zweiten Erstreckungsrichtung in den Resonator hinein wobei
die erste Erstreckungsrichtung und die zweite Erstreckungsrichtung
in der gleichen Ebene liegen und einen von 0° verschiedenen
Winkel miteinander einschließen. Unter den Erstreckungsrichtungen
werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die in den Resonator
hineinlaufenden Richtungen verstanden.
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Bevorzugt
schneiden die erste Erstreckungsrichtung und die zweite Erstreckungsrichtung
die Öffnung. Falls die Erstreckungsrichtungen die Öffnung schneiden,
ist es prinzipiell auch möglich, dass die Erstreckungsrichtungen
gegensinnig zueinander verlaufen und damit einen Winkel von 180° miteinander einschließen.
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Wie
oben erwähnt, verlaufen auch die Endabschnitte in einer
von 0° verschiedenen Richtung, wodurch eine höhere
Stabilität der Aufhängung des Piezomotors erreicht
wird. Dabei wäre es prinzipiell möglich, diese
Endabschnitte auf andere Weise an einem Resonator anzubringen, als
hier erläutert. Die gezeigten Schlitze erlauben jedoch
eine besonders einfache Anbringung der Endabschnitte an dem Resonator.
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Wie
oben erwähnt, erstrecken sich auch hier die Öffnungen
und Aussparungen mit gleichbleibendem Querschnitt in einer Richtung,
die senkrecht zu der Ebene des Resonators verläuft bzw.
in der Extrusionsrichtung.
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Vorzugsweise
fallen die Erstreckungsrichtungen mit den oben erwähnten
Richtungen der Endabschnitte zusammen. Bei einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform schließen die erste Erstreckungsrichtung
und die zweite Erstreckungsrichtung einen Winkel miteinander ein,
der zwischen 20° und 160°, bevorzugt zwischen
40° und 140°, bevorzugt zwischen 60° und
120°, bevorzugt zwischen 80° und 100° und
besonders bevorzugt bei etwa 90° liegt. Bei einer weiteren
Bevorzugten Ausführungsform liegt der Winkel zwischen 160° und
200°, bevorzugt zwischen 170° und 190° und
besonders bevorzugt im Bereich von 180°.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der
Resonator einen bezüglich des Resonators nach außen
ragenden Antriebskörper auf, an dem eine Kontaktfläche
zu dem angetriebenen Element angeordnet ist. Besonders bevorzugt
ist dieser Vorsprung zwischen den beiden Aussparungen angeordnet.
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Vorzugsweise
ist die Kontaktstelle dem angetriebenen Element an einem der Öffnung
abgewandten Bereich des Resonators vorgesehen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der
Resonator eine Symmetrieebene auf, bezüglich derer sich
die Aussparungen gegenüberliegen. Mit anderen Worten wird
in einer Projektion auf die Ebene des Resonators ein gleichschenkliges
Dreieck durch die beiden Aussparungen und die Kontaktstelle gebildet.
Diese Ausführungsform hat sich als besonders vorteilhaft
in der Anwendung erwiesen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Aussparungen
ein U- oder V-förmiges Profil auf, um ein Einbringen der
Endabschnitte der Federungseinrichtungen zu erleichtern.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind an dem
Resonator zwei gegenüberliegende bevorzugt quaderförmige
Vorsprünge vorgesehen, wobei besonders bevorzugt durch
diese gegenüberliegenden Vorsprünge ein geometrischer Quader
gebildet wird, in dessen Mitte das Piezoelement ruht. Das Piezoelement
ist besonders bevorzugt ebenfalls in der geometrischen Form eines
Quaders ausgeführt und liegt damit bei dieser Ausführungsform
auf derjenigen Achse, die durch eine Verbindung der beiden sich
gegenüberliegenden Vorsprünge gebildet wird.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Piezomotor mit einer Federungseinrichtung
in einer ersten Ausführungsform;
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2 einen
erfindungsgemäßen Piezomotor mit einer Federungseinrichtung
in einer zweiten Ausführungsform;
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3 einen
Ausschnitt für einen erfindungsgemäßen
Piezomotor in einer dritten Ausführungsform;
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4 einen
erfindungsgemäßen Piezomotor in einer vierten
Ausführungsform;
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5 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Resonators zur Veranschaulichung der Geometrien; und
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6 eine
Projektion zur Veranschaulichung der Anordnung der Aussparungen
und der Kontaktstelle.
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7 einen
erfindungsgemäßen Piezomotor in einer fünften
Ausführungsform;
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8 einen
erfindungsgemäßen Piezomotor in einer sechsten
Ausführungsform; und
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9 zwei
Ausführungsformen eines Piezomotors mit einem angetriebenen
Element.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Motors 1. Dieser Motor weist eine Federungseinrichtung 20 auf,
deren Endabschnitte 21 und 22 in entsprechende
Aussparungen 14, 16 eines Resonators 2 eingeklippt
sind.
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Die
Federungseinrichtung 20 ist in dieser Ausführungsform
als Blattfeder ausgeführt. Diese Blattfeder ist so dimensioniert
bzw. die Aussparungen 14 und 16 sind so an dem
Resonator 2 angeordnet, dass die Endabschnitte 21, 22 der
Blattfeder bei den Betriebsmoden des piezoelektrischen Motors 1 bevorzugterweise
in einem Schwingungsknoten des Resonators 2 liegen. Auf
diese Weise können andere unerwünschte Schwingungsmoden
gezielt behindert werden.
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Der
Resonator 2 weist in Extrusionsrichtung eine Breite B auf.
Ferner besitzt der Resonator bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform
zwei Symmetrieebenen. Eine erste Symmetrieebene liegt parallel zur
Ebene des Resonators 2 selbst und verläuft durch
die halbe Breite desselben. Die zweite Symmentrieebene (A) steht
senkrecht zu der ersten genannten Symmetrieebene.
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Die
Federungseinrichtung 20 weist eine der Feder folgende,
gekrümmte Längsachse auf, wobei ein Abschnitt
dieser Längsachse durch das Bezugszeichen L angedeutet
ist. In der in 1 gezeigten Darstellung weist
die Blattfeder gekrümmte Abschnitte 28 auf, die
gemeinsam mit einem verbreiteten Übergangsabschnitt 26 die
beiden Endabschnitte 21 und 22 miteinander verbinden.
Das Bezugszeichen 27 bezieht sich auf eine Öffnung
in der Feder, um die Feder an einem weiteren Element befestigen
zu können. Die Längsachse L steht dabei bevorzugt
in einem rechten Winkel zu den Stirnenden bzw. Stirnflächen 21a, 22a der
Federungseinrichtung 20.
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Die
Bezugszeichen 18 und 19 beziehen sich auf Vorsprünge,
die aus dem Resonator 2 herausragen. Innerhalb dieser Vorsprünge
sind Aussparungen 14 und 16 gebildet, in denen
die Endabschnitte 21, 22 eingeschoben werden.
Diese Aussparungen 14, 16 weisen bei der gezeigten
Ausführungsform ein U-förmiges Profil auf, um
bei dem Einschieben der Endabschnitte 21 und 22 geringfügig
gespreizt zu werden, um auf diese Weise eine Klemmwirkung bezüglich
der Endabschnitte 21, 22 und damit der Federungseinreichung 20 zu
erreichen. Genauer gesagt werden die Enden 21a, 22a der
Endabschnitte 21, 22 in die Aussparungen 14, 16 eingeklippt.
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Das
Bezugszeichen 4 bezieht sich auf eine Öffnung
des Resonators 2, in der ein Piezoelement 6, das
heißt das eigentlich elektromechanisch aktive Element des
Piezomotors 1 angeordnet ist. Durch Schwingungen dieses
Piezoelements kann eine Schwingung des Resonators 2 erreicht
werden und damit auch ein (nicht gezeigtes) anzutreibendes Element
angetrieben werden. Genauer gesagt weist der Resonator 2 einen
Finger bzw. Antriebskörper 8 auf, an dessen Ende
eine Kontaktfläche 9 vorgesehen ist, die wiederum
das anzutreibende Element antreibt. Dabei ist dieser Finger 8 bzw.
der Vorsprung bevorzugterweise herausragend bezüglich eines
Bauchabschnittes 7 des Resonators 2 angeordnet,
welcher die Öffnung 4 des Resonators 2 bildet.
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Die
Aussparungen 14, 16 sowie die Öffnung 4 können
entlang der gleichen Extrusionsrichtung, die hier senkrecht zu der
oben erwähnten Ebene des Resonators 2 steht, gebildet
werden.
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Die
Endabschnitte 21 und 22 erstrecken sich entlang
der in 1 gezeigten Richtungen R1 und R2. Diese beiden
Richtungen schließen miteinander einen (in 5 gezeigten)
Winkel von α = 90° ein. Entsprechend erstrecken
sich auch die Aussparungen 14 und 16 des Resonators 2 in
den jeweiligen (in 5 gezeigten) Erstreckungsrichtungen
E1 und E2, die den gleichen Winkel miteinander einschließen. Durch
diese Anordnung in dem besagten Winkel wird eine relativ hohe Steifigkeit
der Federungseinrichtung 20 bezüglich des Resonators 2 in
anderen Richtungen als den Schwingungsrichtungen des Resonators 2 erreicht.
Die Richtungen R1 und R2 werden dabei durch die jeweiligen Pfeilspitzen
der Richtungspfeile angezeigt, welche zu den jeweiligen Stirnenden 21a, 22a der
Federungseinrichtung 20 weisen.
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2 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Federungseinrichtung 20.
Bei dieser Ausführungsform weist der Endabschnitt 21 der
Federungseinrichtung 20 ein verbreitertes Ende auf. Das
breitere Ende kann in Form einer Lasche 25 um den Resonator 2 gelegt
werden und auf diese Weise ein seitliches Herausrutschen des Endabschnitts 21 bzw.
des Klipps verhindern. Besonders bevorzugt wird der jeweilige eingeklippte
Endabschnitt 21 bzw. 22 hakenförmig gebogen
und der andere Endabschnitt wird nur leicht gekrümmt gelassen
oder gerade geführt. Bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform weist die Federungseinrichtung 20,
einen geraden Abschnitt 32, zwei gekrümmte Abschnitte 33 und 35 und
einen gekrümmten, schleifenförmigen Endabschnitt 36 sowie
einen geradlinig verlaufenden Abschnitt 34 auf. Innerhalb
der Abschnitte 33, 34 und 35 ist es möglich,
dass sich die Blattfeder selbst befährt, das heißt
der jeweilige rücklaufende Teil der Feder berührt
den entsprechenden vorlaufenden Teil. Das Bezugszeichen X bezieht
sich auf die Extrusionsrichtung. In 5 steht
diese Extrusionsrichtung senkrecht zu der Zeichnungsebene.
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Das
Piezoelement 6 ist wie bei den anderen gezeigten Ausführungsformen
quaderförmig ausgebildet und weist zwei gegenüberliegende
Hauptflächen 6a und 6b auf, mit denen
es jeweils mit dem ringförmigen Rand der Öffnung 4a (5)
ihres Resonators 2 mechanisch in Verbindung steht. Entsprechend
können diejenigen Ränder, an denen die Hauptflächen 6a und 6b des
Piezoelements angeordnet sind, bevorzugterweise geradlinig verlaufen.
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Das
piezoelektrische Element 6 ist so angeordnet, dass eine
seiner Symmetrieebenen mit der Symmetrieebene A des Resonators 2 übereinstimmt und
senkrecht zu der oben erwähnten Extrusionsachse des Resonators 2 steht.
Der Kontakt zwischen dem Resonator 2 und mindestens einer
der Hauptflächen 6a, 6b des Piezoelements 6 ist
gezielt so reduziert, dass im Motorbetrieb bei zumindest einer Antriebsrichtung
des angetriebenen Elements das piezoelektrische Element 6 einer
dynamischen Biegebelastung ausgesetzt wird. Besonders bevorzugt
steht eine Hälfte einer Hauptfläche 6a, 6b bis
zur Symmetrieebene des Resonators 2 hin nicht in Kontakt
mit dem Resonator 2. Zu diesem Zweck ist die in den 1–5 erkennbare
Ausnehmung 5 des Resonators 2 bzw. der Öffnung 4 vorgesehen.
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Wie
oben erwähnt, weist die Blattfeder 20 einer der
Feder folgende gekrümmte Längsachse L auf. Die
beiden Endtangenten der gekrümmten Längsachse
L verlaufen hier unter einem Winkel von 90° zueinander
und verlaufen allgemein nicht senkrecht zueinander.
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Die
Kontaktfläche 9, die zum Antreiben des (nicht
gezeigten) angetriebenen Elements dient, liegt bevorzugt an einem
von der Öffnung 4 bzw. vom ringförmigen
Teil abgewandten Ende des vorzugsweise gerade ausgeführten
Fingers 8. Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform
ist dieser Finger 8 gleich weit von den beiden Aussparungen 14, 16 entfernt.
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3 zeigt
teilweise eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Piezomotors 1, wobei hier eine Öffnung 39 zum
Befestigen der Federungseinrichtung 20 vorgesehen ist.
Weiterhin weist hier die Blattfeder einen gekrümmten Endabschnitt 41 und
einen geraden Abschnitt 38 auf. In den 2 und 3 ist
die Federungseinrichtung 20 in ihrer Gesamtheit, d. h.,
ausser bzgl. der Ebene der Resonators 2, nicht symmetrisch
ausgeführt.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform zur Veranschaulichung von
möglichen Geometrien von Federungseinrichtungen 20,
wobei hier die Federungseinrichtung 20 symmetrisch bezüglich
der Ebene A ausgeführt ist. Auch hier können die
Endabschnitte 41, 42 der Feder entweder hinsichtlich der
Breite B verdickt ausgeführt sein oder aber umgefalzt sein.
Damit ist bei der in 4 gezeigten Ausführungsform
der gesamte Piezomotor 1 einschließlich seiner
Federungseinrichtung symmetrisch ausgebildet. Eine Ausnahme zu dieser
Symmetrie bildet die Ausnehmung 5 in der Öffnung 4 des
Resonators 2, welche zum Zweck hat, den mechanischen Kontakt
zwischen dem Resonator 2 und der Hauptfläche 6b des
Piezoelementes 6 gezielt zu reduzieren.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf den Resonator 2, wobei das Piezoelement 6 hier
nicht gezeigt ist. Deutlich erkennbar ist wiederum die Ausnehmung 5. Man
erkennt, dass der Öffnungswinkel α zwischen den
Erstreckungsrichtungen E1 und E2 der beiden Aussparungen bei 90° liegt.
Diese Aussparungen 14, 16 werden durch Vorsprünge 18, 19 bzw.
Abschnitte 18a, 18b, 19a und 19b der
einzelnen Vorsprünge 18, 19 gebildet.
Zwischen diesen Vorsprüngen 18, 19 ist ein
gekrümmter Abschnitt 15 des Resonators 2 angeordnet.
Auch durch die Geometrie dieses Abschnitts 15 wird der
Betrieb des Resonators 2 ermöglicht und verbessert.
Die Aussparungen 14, 16 sind entlang den äußeren
Peripherie des Resonators 2 gebildet. Damit fällt
in 5 die Ebene des Resonators mit der Figurenebene
zusammen.
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Die
Bezugszeichen 17a und 17b beziehen sich auf Vorsprünge,
die nach außen bezüglich des Resonators 2 ragen.
Diese beiden Vorsprünge sind quaderförmig ausgebildet,
wobei jeweils ein Vorsprung zwischen dem Finger 8 und der
jeweiligen Aussparung 14, 16 liegt. Vorzugsweise
sind die beiden quaderförmigen Vorsprünge 17a, 17b gleich
weit von dem Finger 8 entfernt. Bei einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform stellen diese quaderförmigen Auswölbungen 17a, 17b die
Enden eines Quaders dar, in dessen Mitte das Piezoelement 6 (nicht gezeigt)
liegt.
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Generell
können die beiden Aussparungen 14, 16,
der Finger 8 und die quaderförmigen Vorsprünge 17a, 18b in
beliebigen Verhältnissen um die Öffnung 4 herum
angeordnet werden, um ein gewünschtes Betriebsverhalten
des Piezomotors 1 zu erzielen.
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6 zeigt
ein Dreieck D, welches sich als Projektion wesentlicher Merkmale
des Resonators 2 ergibt. Werden die beiden Endabschnitte 21, 22 bzw. die
Aussparungen 14, 16 und die Kontaktfläche 9 des Resonators 2 zu
dem angetriebenen Element entlang der Extrusionsrichtung der Aussparungen 14, 16 auf
die Resonator-Symmetrieebene projeziert, so wird in dieser Ebene
im Wesentlichen ein ebenes Montagedreieck D definiert, welches in
einer bevorzugten Ausführung der Resonators 2 gleichschenklig ist.
Im ersten und zweiten Endpunkt dieses Dreiecks D sitzt jeweils ein
Stirnende der Blattfeder bzw. eine Aussparung 14, 16 und
im Dritten Eckpunkt sitzt die genannte Kontaktfläche 9.
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In
den Richtungen der Endtangenten der Blattfederlängsachse
L ist das Montagedreieck D an den ersten zwei Eckpunkten 21, 22 relativ
steifer befestigt und rechtwinklig dazu ver gleichsweise weicher.
Bei dem dritten Eckpunkt, der durch die Kontaktfläche 9 gebildet
wird, hat das Montagedreieck D ebenfalls eine steifere und relativ
dazu weichere Aufhängungsrichtung. Die steifere Richtung
ist rechtwinklig zur Oberfläche des angetriebenen Elements und
die weichere Richtung ist tangenzial zu dieser Oberfläche
in Bewegungsrichtung des angetriebenen Elements.
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Die
Aufhängung des piezoelektrischen Motors 1 mittels
zweier, aus Blattfedern gefertigten, Federklipps hat damit den Vorteil,
dass das erwähnte Montagedreieck D gebildet wird, welches
eine statisch definierte Montage des Motors 1 erlaubt,
das heißt der Motor 1 hat im Kontakt zum angetriebenen Element
eine definierte Lage, Orientierung, statische Vorlast und Lagersteifigkeit
und diese Größen sind über die Formgebung
der Blattfeder wählbar.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform verlaufen die Richtungen R1
und R2 und damit auch die Richtungen E1 und E2 gegenläufig
zueinander, schließen also gemeinsam einen Winkel von 180° ein.
Weiterhin schneiden hier die Erstreckungsrichtungen R1 und R2 jeweils
die Öffnung 4. Die Erstreckungsrichtungen R1 und
R2 sind bei der in 7 gezeigten Ausführungsform
schräg bzgl. der Längsrichtung LR des Piezoelements 6.
Die Erstreckungsrichtungen können parallel zueinander verschoben
sein oder auch (gegensinnig) zusammenfallen. Die Federungseinrichtung
ist bei der in 7 gezeigten Ausführungsform
weitgehend symmetrisch ausgebildet, wobei die Symmetrieebene der
Federungseinrichtung hier jedoch nicht mit der Symmetrieebene des
Resonators zusammenfällt. Das Bezugszeichen 52 bezieht
sich auf einen gekrümmten Abschnitt der Federungseinrichtung,
der hier gleichzeitig auch als Aufhängung dient.
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Die
in 8 gezeigte Ausführungsform ähnelt
der in 2 gezeigten Ausführungsform, wobei hier
jedoch an dem Resonator 2 noch zwei weitere Vorsprünge
angeordnet sind.
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9 zeigt
zwei efindungsgemäße Piezomotoren 1,
welche jeweils angetriebene Elemente 10a bzw. 10b antreiben.
Bei der linken Teilfigur handelt es sich bei dem angetriebenen Element 10a um ein
Rad, d. h., hier wird eine rotative Bewegung erzeugt. Bei der rechten
Teilfigur handelt es sich bei dem angetriebenen Element 10b um
einen langgestreckten Körper, d. h. hier wird eine Linearbewegung erzeugt.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber
dem Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Piezomotor
- 2
- Resonator
- 4
- Öffnung
- 5
- Ausnehmung
der Öffnung
- 6
- Piezoelement
- 6a,
6b
- Hauptflächen
des Piezoelements
- 7
- Bauchabschnitt
des Resonators
- 8
- Finger
bzw. Antriebskörper
- 9
- antreibende
Kontaktfläche zu einem angetriebenen Element
- 10a,
10b
- angetriebenes
Element
- 14,
16
- Aussparungen
- 15
- gekrümmter
Abschnitt des Resonators
- 17a,
17b
- Vorsprünge
- 18,
19
- Vorsprünge
- 18a,
18b, 19a, 19b
- Abschnitte
der Vorsprünge 18, 19
- 20
- Federungseinrichtung
- 21,
22
- Endabschnitte
der Federungseinrichtung 20
- 21a,
22a
- Stirnenden
der Federungseinrichtung
- 25
- Lasche
- 26
- Übergangsabschnitt
- 27
- Öffnung
(= 39)
- 28,
33, 35
- gekrümmter
Abschnitt der Federungseinrichtung 20
- 34
- geradlinig
verlaufender Abschnitt
- 36,
41
- gekrümmter
Endabschnitt
- 39
- Öffnung
(= 27)
- 42,
43
- weitere
Vorsprünge
- 51
- geradlinig
verlaufender Abschnitt der Federungseinrichtung 20
- 52
- gekrümmter
Abschnitt der Federungseinrichtung 20
- A
- Symmetrieebene
- B
- Breite
des Resonators
- D
- Montagedreieck
- E1
und E2
- Erstreckungsrichtungen
- L
- Längsachse
- LR
- Längsrichtung
des Piezoelements
- R1
und R2
- Richtungen
- α
- Winkel
zwischen den Richtungen R1, R2 bzw. den Erstreckungsrichtungen E1
und E2
- X
- Extrusionsrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6664714 [0002, 0004]
- - WO 03/090338 [0003]
- - WO 03/090338 A2 [0004]
- - EP 0643427 [0006]
- - EP 0643427 B1 [0006]
- - US 6211603 B1 [0007]