DE19535481C1

DE19535481C1 - Piezoelektrische Antriebseinheit zur Erzeugung rotatorischer oder translatorischer Abtriebsbewegungen mittels längsschwingender piezoelektrischer Aktoren

Info

Publication number: DE19535481C1
Application number: DE1995135481
Authority: DE
Inventors: Juergen Baetge; Roland Dr Goetze
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 1995-09-23
Filing date: 1995-09-23
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2015-09-24

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Antriebseinheit zur Erzeugung rotatorischer oder translatorischer Abtriebsbewegungen mittels längsschwingender piezoelektrischer Aktoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter einer piezoelektrischen Antriebseinheit soll im folgenden eine Antriebseinheit verstanden werden, in der der indirekte piezoelektrische Effekt genutzt wird, um durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Feldstärke eine mechanische Deformation eines piezoelektrischen Aktors zu erzeugen.

Aus der US-PS 5068565 ist eine piezoelektrische Antriebseinheit bekannt, bei der die oszillierende translatorische Bewegung von Aktoren einem profilierten Rotor eine kontinuierliche Drehbewegung verleiht. Hierzu sind die Aktoren jeweils zwischen einer Schwinge eines ebenen Koppelgetriebes und einem Gestellpunkt angeordnet. Dabei ist ein Rollenhebel als Glied des Koppelgetriebes so ausgelegt, daß ein Punkt des Rollenhebels während eines Schwingungszyklus der Aktoren eine Koppelkurve beschreibt, die mindestens in einem Kurvenabschnitt näherungsweise ein Kreis ist.

Die Bewegungsumwandlung entsprechend der US-PS 5068565 beruht, wie insbesondere aus der dortigen Fig. 3 hervorgeht, auf einer auf Kraftschluß beruhenden Keilwirkung. Die Verwendung von kreisförmig um einen Rotor herum angeordneten Aktoren setzt im übrigen eine größere Anzahl von Aktoren voraus, was den Preis der Antriebseinheit nachteilig beeinflußt. Da die Lösung gem. US-PS 5068565 nach ihrer eindeutigen Zweckbestimmung der Konversion von Oszillationsbewegungen im Mikroamplituden-Bereich dient, erfordert sie zudem sehr große Übersetzungen und damit, auch wegen der großen Aktoranzahl, eine aufwendige Steuerung.

Ausgehend von der Lösung gem. US-PS 5068565 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit zur Erzeugung rotatorischer oder translatorischer Abtriebsbewegungen mittels längsschwingender piezoelektrischer Aktoren zu schaffen, die eine auf Kraftschluß beruhende Keilwirkung bei der Wandlung der Bewegung der oszillierenden Aktoren vermeidet. Diese Aufgabe soll insbesondere mit einer sehr kleinen Anzahl von Aktoren gelöst werden. Zugleich soll mit der Erfindung erreicht werden, daß die Antriebseinheit nicht an bestimmte Erregerfrequenzen gebunden ist oder die Nachteile einer Friktionskopplung (Verschleiß usw.) aufweist. Die Ansteuerung der Aktoren ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine piezoelektrische Antriebseinheit gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Losung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1a bis Fig. 1d eine schematische Darstellungen zur Verdeutlichung der Funktion wesentlicher Baugruppen bei einer Grundkonfiguration sowie verschiedenen Varianten der piezoelektrischen Antriebseinheit,

Fig. 2a eine Prinzipdarstellung einer konstruktiven Ausführungsform der piezoelektrischen Antriebseinheit, konzipiert für eine umlaufende Koppelebene,

Fig. 2b die Seitenansicht zu Fig. 2a,

Fig. 3a eine Prinzipdarstellung einer konstruktiven Ausführungsform der piezoelektrischen Antriebseinheit, konzipiert für eine nicht umlaufende Koppelebene,

Fig. 3b die Seitenansicht zu Fig. 3a.

Gemäß Fig. Ia wird ein Koppelgetriebe in der Konfiguration einer symmetrischen Doppelschwinge als Übertragungseinheit verwendet wird, deren gleichlange Schwingen b und c sich so kreuzen, daß der Kreuzungsmittelpunkt auf der Mittelsenkrechten der Strecke B₀C₀ liegt. Die Schwingen b und c sind in den Punkten C und B der Koppelebene CBD mit dem Koppelglied d verbunden.

Wird nun ein piezoelektrischer Aktor 1, der zwischen dem Gestellpunkt A₀ und der Schwinge b angeordnet ist, so erregt, daß er in Längsrichtung schwingt, so wird die Schwinge b oder c ebenfalls in eine Schwingbewegung um den Punkt B₀ oder C₀ versetzt.

Infolge dieser Schwingbewegung beschreibt der Koppelpunkt D des Koppelgliedes d bei entsprechender Wahl der Gliedlängen und der Gelenkpunkte eine Koppelkurve k_d, die in ihrem oberen Teil einem Kreisbogen angenähert ist, dessen Krümmungsmittelpunkt M auf der Mittelsenkrechten der Geraden B₀C₀ liegt. Im unteren Teil der Koppelkurve wird der Koppelpunkt D wieder zurückgeführt, so daß sich ein geschlossener Kurvenzug ergibt. Die Länge des kreisförmigen Bogenstückes wird durch die Gliedlängen bestimmt. Versieht man einen Teil der Koppelebene CBD so mit einer Verzahnung oder einem adäquaten, ebenfalls Formschluß gewährleistenden Profil in der Weise, daß dieses in ein innenprofiliertes Rad eingreift, dessen Drehpunkt mit dem Punkt M identisch ist, so wird die Schwingbewegung in eine Rotation umgewandelt, die über das Rad abgegriffen werden kann.

Über die Erregerfrequenz ist die Drehzahl des Abtriebsrades zu beeinflussen.

Der Schwingenwinkel der Doppelschwinge kann erweitert werden, wenn der Weg des piezoelektrischen Aktors durch eine Wegübersetzung, beispielsweise einen Winkelhebel a₁ gemäß Fig. Ib, vergrößert wird.

Um Strecklagen des Getriebes zu überfahren, kann gemäß Fig. 1c jede der Schwingen b und c durch je einen Aktor 1a und 1b phasenverschoben in Schwingung versetzt werden.

Um den Koppelpunkt D auch bei kleineren Schwingenwinkel außer Eingriff zu bringen, wird ein weiterer Aktor 1h so angeordnet, daß die Lage des Gestellpunktes C₀ verändert werden kann, wie Fig. 1d zeigt.

Da es sich bei dieser Konstruktion der Antriebseinheit um ein ebenes Getriebe handelt, ist die Kontaktzone Koppel/Abtriebsrad in dem Bereich, wo die Krümmungsradien des Kontaktpunktes des Rades 9 (vgl. Fig. 2a) und des Koppelpunktes D übereinstimmen, als Fläche ausgebildet. Durch Wahl der Breite der Zone kann die Flächenpressung so reduziert werden, daß der Verschleiß minimiert ist.

In den beiden folgenden Beispielen werden anhand der Fig. 2a bis Fig. 3b weitere Details der Erfindung beschrieben, wobei auf eine Darstellung der Ansteuerung und Verdrahtung der Aktoren verzichtet wird.

Die in Fig. 2a dargestellte Variante betrifft den Fall, daß die Koppelebene 8 bei der Rückkehrbewegung außer Eingriff ist. Fig. 2b zeigt die zugehörige Seitenansicht. Ein Ständer 3 nimmt zwei piezoelektrische Aktoren 1 auf, die wechselseitig so auf den Winkelhebel 2 wirken, daß dieser eine Schwingbewegung um die Achse 4 ausführt. Diese Schwingung wird durch das Verbindungsstück 5 auf die symmetrische Doppelschwinge mit den Schwingen 6 und 7 übertragen, die ihrerseits mit der Koppel 8 verbunden sind. Diese Koppel 8 ist als Ebene ausgebildet, die an ihrem oberen Punkt D eine Keilverzahnung besitzt, die formschlüssig in eine gleichartige Verzahnung des innenverzahnten Rades 9 eingreift. Das Rad 9 ist auf einem Wälzlager 10 gelagert, wobei der Lagermittelpunkt so angeordnet ist, daß er mit dem Krümmungsmittelpunkt des Koppelpunktes D übereinstimmt, d. h. auf der Mittelsenkrechten der Verbindungslinie der Gestellpunkte B₀ und C₀ liegt. Das Rad 9 ist fliegend im Ständer 3 gelagert, wird über die Scheibe 11 und die Schraube 12 fixiert und dient als Abtriebselement, an das weitere Glieder angeschlossen werden können.

Die Doppelschwinge gewährleistet, daß der Punkt D der Koppel 8 sich auf einer zyklischen Bahn bewegt, die teilweise einen kreisförmigen Abschnitt aufweist. Auf diesem Abschnitt greift der Punkt D infolge der Verzahnung in das Rad 9 ein und bewegt dies weiter. Dann verläßt er den kreisförmigen Abschnitt und kehrt außer Eingriff zurück, um dort mit dem Rad 9 wieder in Eingriff zu kommen. Der Vorgang wiederholt sich. Damit bei kleinem Schwingenwinkel die Verzahnung sicher außer Eingriff kommt, ist ein weiterer piezoelektrischer Aktor 13 so angeordnet, daß in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Aktoren 1 die Lage des Gestellpunktes C₀ entsprechend verändert wird.

Auf diese Weise rotiert das Rad 9 und kann seinerseits als Antrieb für weitere Übertragungsglieder oder Effektoren dienen.

Die in Fig. 3a dargestellte Variante betrifft den Fall, daß die Koppelebene 8 keine umlaufende Bewegung ausführt sondern nur schwingt. Fig. 3b zeigt die zugehörige Seitenansicht. Die Koppelebene 8 ist in diesem Fall mit einem verzahnten Rad 14 versehen, bei dem durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. ein Gesperre 15, nur eine Drehrichtung zugelassen wird. Im gesperrten Zustand wird das Rad 9 mitgenommen, im ungesperrten Zustand dreht sich das Rad 14 nur um seine Achse.

Weitere vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich unmittelbar aus den Unteransprüchen.

Claims

1. Piezoelektrische Antriebseinheit zur Erzeugung rotatorischer oder translatorischer Abtriebsbewegungen mittels längsschwingender piezoelektrischer Aktoren, bestehend aus den Hauptbaugruppen Aktor oder Aktoren, Übertragungsmechanismus und Abtriebsglied, wobei

- ein oder mehrere translatorisch oszillierende, piezoelektrische Aktoren (1; 1a; 1b) einzeln oder kombiniert jeweils zwischen mindestens einer Schwinge (b; c; 6; 7) eines ebenen, im Grundaufbau zwangsläufigen Koppelgetriebes mit Dreh-, Schub-, und/oder Kurvengelenken und einem Gestellpunkt angeordnet sind,
- ein Glied (d; 8) des Koppelgetriebes, so ausgelegt ist, daß ein Punkt (D) dieses Gliedes während eines Schwingungszyklus der vorgenannten Aktoren eine Koppelkurve k_d beschreibt, die mindestens in einem Kurvenabschnitt näherungsweise ein Kreisbogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem vorgenannten Glied (d; 8) im Bereich des mindestens abschnittsweise annähernd einen Kreisbogen beschreibenden Punktes (D) ein profiliertes Element angeordnet ist, das während eines vorgenannten Schwingungszyklus
a) mit seinem Profil im Bereich des von ihm durchlaufenen näherungsweise kreisabschnittsförmigen Kurvenbereichs der Koppelkurve k_d formschlüssig in Eingriff mit einem entsprechend gestaltetem Profil eines Abtriebsgliedes (9) oder einer Abtriebsgliedergruppe tritt,
b) dieser Eingriff nach Verlassen des näherungsweise kreisabschnittsförmigen Kurvenbereichs der Koppelkurve k_d gelöst wird und
c) dieser Vorgang mit dem nächsten Schwingungszyklus der vorgenannten Aktoren wiederholt wird, um eine Abtriebsbewegung zu erzeugen.

2. Piezoelektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Aktoramplitude durch ein Wegübersetzungssystem (a₁) vergrößert wird.

3. Piezoelektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch weitere Getriebeglieder durch Aktoren angetrieben werden.

4. Piezoelektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage von Gestellpunkten durch Aktoren verändert wird.

5. Piezoelektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl oder Schwingfrequenz eines Abtriebsrades (9) durch die Erregerfrequenz der Aktoren variiert wird.

6. Piezoelektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Abtriebsrades (9) oder nachgeordneter Glieder durch Zählen der Erregerimpulse ermittelt bzw. vorgegeben wird.

7. Piezoelektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Drehgelenke durch Feder- oder Festkörpergelenke ersetzt sind.

8. Piezoelektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Koppelgetriebe auf das Abtriebselement einwirkt.