DE19646769A1 - Piezoelektrischer Schrittantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schrittan­ trieb mit einem piezoelektrischen Vorschubelement und mit zwei Klemmelementen, die die erzeugte Kraft auf eine An­ triebswelle übertragen.

Motorische Antriebe mit Piezowandlern, mit denen sich Stellwege im Millimeterbereich erzielen lassen, sind z. B. unter dem Begriff "Inch-worm"-Motor bekannt, bei dem eine glatte Welle, die axial positioniert werden soll, von einem Stator, der drei Piezokeramik-Elemente enthält, auf einem Teil ihrer Länge fest umschlossen ist (Technischer Einsatz neuer Aktoren: Grundlagen, Werkstoffe, Designregeln und An­ wendungsbeispiele von Daniel J. Jendritza et al, Bd. 484, 1985, S. 206, Expert-Verlag). Die beiden äußeren Elemente sind dabei in Form von Tubussen ausgestaltet und sitzen mit einer Spielpassung auf der Welle. Werden nun die Elemente elektrisch angesteuert, so klemmen sie die Welle fest. Das mittlere Piezokeramik-Element ist zylinderförmig ausgestal­ tet und ebenfalls konzentrisch zur Welle angeordnet, wobei es sich bei Anlegen einer Spannung in axialer Richtung aus­ dehnt, so daß bei einer minimalen Schrittweite von 2 nm ein Stellweg bis zu 200 mm erreicht wird, bei einer maximal er­ zielbaren Stellkraft von ca. 20 N.

Derartige Inch-worm-Motoren mit einem piezoelektrischen Vorschubelement und zwei Klemmelementen arbeiten auf Rei­ bung, wobei die Kraftübertragung vom Vorschubelement auf die Antriebswelle begrenzt ist, d. h. es müssen übermäßig hohe Normalkräfte aufgebracht werden, um eine genügend hohe Antriebskraft übertragen zu können. Dies ist jedoch äußerst nachteilig, da Piezoelemente aufgrund ihrer außerordentlich hohen gewichtsspezifischen Kraftentwicklung für die Reali­ sierung leichter und starker Antriebe prädestiniert sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen starken piezoelektrischen Antrieb zu schaffen, dessen Klemmelemente eine hohe Kraftübertragung bei kleinen Normalkräften ermög­ lichen.

Ausgehend von einem piezoelektrischen Schrittantrieb der eingangs näher genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß sowohl die der Antriebswelle zugewandten und mit ihr in Eingriff gelangenden Flächen der Klemmele­ mente als auch die Antriebswelle mit einer Verzahnung ver­ sehen sind.

Diese Verzahnung kann entweder eine Riffelung oder ein Ge­ winde sein; vorteilhafterweise ist die Verzahnung der An­ triebswelle in mehrere, entlang des Außenumfangs der An­ triebswelle angeordnete noniusförmige Abschnitte unter­ teilt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Klemme­ lemente über Biegegelenke mit dem piezoelektrischen Vor­ schubelement verbunden.

Die Erfindung bietet den Vorteil, aufgrund der erheblich besseren Kraftübertragung zwischen den Klemmelementen und der Antriebswelle durch den aufgrund der Verzahnung erhöh­ ten Formschluß einen piezoelektrischen Antrieb zu schaffen mit hoher Kraftübertragung bei kleinen Normalkräften.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

In der einzigen Figur ist mit 1 die Antriebswelle des pie­ zoelektrischen Schrittantriebes bezeichnet, mit 2 die bei­ den Klemmelemente und mit 3 das piezoelektrische Vorschube­ lement.

Die der Antriebswelle 1 zugewandten Flächen der beiden Klemmelemente 2 sind nun mit einer Verzahnung 5 versehen, die entweder eine Riffelung oder aber ein Gewinde sein kann, wobei das Gewinde nur teilweise, d. h. auf den der An­ triebswelle zugewandten Flächen der Klemmelemente einge­ schnitten ist.

Die Antriebswelle 1 ist zumindest auf ihren den Klemmele­ menten 2 zugewandten Flächen ebenfalls mit einer an die Verzahnung der Klemmelemente angepaßten Verzahnung entweder in Form einer Riffelung oder in Form eines Gewindes 5 ver­ sehen; vorteilhafterweise sind Greifstücke der Klemmelemente 2 in mehrfache Ab­ schnitte unterteilt, deren Verzahnungen entlang des Umfangs des Eingriffs in die Antriebswelle noniusförmig angeordnet sind, wodurch im Vergleich zu einer Ausführung mit unge­ teilten Greifstücken bei gleichem Arbeitshub des Vor­ schubaktors eine Verzahnung von Welle und Greifstücken mit mehrfach größerem Abschnitt resultiert, wodurch eine erheb­ lich höhere Kraftübertragung im Größenordnungsbereich von 4000 N möglich wird; bei einem Hub von 80 bis 100 µm der Antriebsweile hat sich eine Verzahnung von weniger als 80 bis 100 µm als besonders vorteilhaft herausgestellt.

Anstelle des piezoelektrischen Antriebes kann auch ein elektromagnetischer Antrieb vorgesehen werden.

Die Fig. läßt noch erkennen, daß die Klemmelemente 2 vor­ teilhafterweise über Biegegelenke 4 mit dem Vorschubelement 3 verbunden sind, um so dem piezoelektrischen Schrittan­ trieb eine gewisse Flexibilität zu verleihen, wie es durch den Pfeil F angedeutet ist; mit f ist die Wirkungsrichtung des Vorschubelementes 3 bezeichnet.

Claims (5)

1. Piezoelektrischer Schrittantrieb mit einem piezoelek­ trischen Vorschubelement und mit zwei Klemmelementen, die die erzeugte Kraft auf eine Antriebswelle übertra­ gen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die der An­ triebswelle (1) zugewandten und mit ihr in Eingriff ge­ langenden Flächen der Klemmelemente (2) als auch die Antriebswelle (1) mit einer Verzahnung (5) versehen sind.

2. Piezoelektrischer Schrittantrieb nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verzahnung (5) aus einer Riffelung besteht.

3. Piezoelektrischer Schrittantrieb nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verzahnung aus einem Ge­ winde besteht.

4. piezoelektrischer Schrittantrieb nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifstücke der Klemmelemente 2 in mehrfache Abschnitte unterteilt sind, deren Verzahnungen entlang des Umfangs des Eingriffs in die Antriebswelle noniusförmig angeordnet sind.

5. Piezoelektrischer Schrittantrieb nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmelemente (2) über Biegegelenke (4) mit dem piezo­ elektrischen Vorschubelement (3) verbunden sind.