DE4410248C1 - Piezoelektrische Antriebsvorrichtung - Google Patents
Piezoelektrische AntriebsvorrichtungInfo
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- DE4410248C1 DE4410248C1 DE19944410248 DE4410248A DE4410248C1 DE 4410248 C1 DE4410248 C1 DE 4410248C1 DE 19944410248 DE19944410248 DE 19944410248 DE 4410248 A DE4410248 A DE 4410248A DE 4410248 C1 DE4410248 C1 DE 4410248C1
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
- H02N2/023—Inchworm motors
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung zur Ausführung von
Linearbewegungen relativ zu einer Achse, mit zwei entlang der Achse im Abstand
angeordneten und radial auf die Achse wirkenden piezoelektrischen Klemmvorrich
tungen, mit mindestens einem in Achsrichtung wirkenden Piezoaktuator, wobei der
gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen in Abhängigkeit von der Längenände
rung des Piezoaktuators veränderbar ist und bei Ausführung eines solchen Bewe
gungsschrittes lediglich eine der beiden Klemmvorrichtungen mit der Achse in Eingriff
steht, und mit einem die Bewegung führenden und zugleich die Achse tragenden
Führungskörper.
Derartige piezoelektrische Antriebe, die nach dem Prinzip "Dehnen-Klemmen" funktionieren,
sind allgemein bekannt. Aus der Vielzahl bekannter derartiger Antriebe sei hier exem
plarisch auf die DE 38 25 587 A1 verwiesen, in der ein piezoelektrischer Linearmotor
beschrieben ist, der zur Ausführung von Linearbewegungen relativ zu einer Schiene
eingerichtet ist, auf die im gegenseitigen Abstand piezoelektrische Klemmvorrichtun
gen einwirken, die abwechselnd im Gegentakt die Schiene festklemmen, wobei der
gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen mittels eines diese verbindenden pie
zoelektrischen Vorschubaktuators im Takt des wechselseitigen Klemmens der
Klemmvorrichtungen um das Längungsmaß des Vorschubaktuators veränderbar ist.
Jede der Klemmvorrichtungen weist dabei selbst einen piezoelektrischen Aktuator
auf, an dem längs seiner Längungsrichtung im Abstand voneinander Füße der Basis
eines Klemmbügels angreifen, dessen freien Bügelarme bei Längung des Aktuators
und Durchbiegung der Basis die Schiene festklemmen. An den freien Enden der Bü
gelarme sind Andrucklager vorgesehen, zwischen denen die Schiene einklemmbar ist.
Die Andrucklager sind hierbei entweder beide als V-förmige Lagergruben ausgebildet
oder eines der Andrucklager besteht aus einem Spitzenlager und das andere aus einer
Lagergrube.
Außerdem sei noch auf die DE 35 31 099 C2 hingewiesen, in der ein piezoelektri
scher Motor zur Kraftübertragung auf eine geradlinige oder kurvenförmige Stange be
schrieben ist. Der Motor weist ein Antriebselement und ein
Bewegungsübertragungselement sowie eine Stangenhalterung auf, welche die Be
wegung jeweils zugehöriger piezoelektrischer Elemente vom Antriebselement auf die
Stange durch Festlegen oder Lösen übertragen.
Das auf das Bewegungsübertragungselement wirkende Antriebselement ist dabei als
mechanischer Verstärker dienendes Hebelsystem ausgebildet, wobei das zugeordnete
die eigentliche Verstellbewegung des Motors erzeugende piezoelektrische Element
bezüglich seiner Längungsrichtung senkrecht zur Stangenachse angeordnet ist.
Die mit derartigen Antrieben erzielbare Positioniergenauigkeit wird einerseits vom pie
zoelektrischen Dehnelement bzw. Vorschubaktuator selbst, d. h. von der möglichen
Auflösung der Längenänderung dieses Aktuators in reproduzierbare Einzelschritte, an
dererseits aber auch unmittelbar von der Güte der eingesetzten Lager bzw. Füh
rungselemente, d. h. von dem von diesen Elementen zugelassenen mechanischen
Spiel bestimmt.
Sollen mit den bekannten Antrieben bei einem Stellweg von beispielsweise 1 mm
Führungsgenauigkeiten von kleiner 1% des Stellweges erreicht werden, so erfordert
dies einen vergleichsweise großen mechanischen Aufwand sowie aufwendige Ferti
gungsverfahren für die Herstellung der diesen Anforderungen gerecht werdenden La
ger bzw. Führungselemente. Außerdem sind die bisher bekannten Antriebsvorrichtun
gen mit dem Nachteil behaftet, daß hierbei die Lagerstellen beim Klemmvorgang einer
nicht unerheblichen mechanischen Belastung ausgesetzt sind und somit einem gewis
sen Verschleiß unterliegen, was letztlich im Laufe der Zeit zu einer Verringerung der
Führungsgenauigkeit des Antriebes führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Antriebsvor
richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits ein hohes Maß an
Positionier- und Führungsgenauigkeit gewährleistet, die sich andererseits aber auch
durch einen unkomplizierten und damit in der Herstellung vergleichsweise weniger
aufwendigen sowie durch einen kompakten Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 an
gegebenen Merkmale gelöst. Vorzugsweise Ausführungsformen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehö
rigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße piezoelek
trische Antriebsvorrichtung und
Fig. 2 ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 1, gleichfalls in einer perspekti
vischen Ansicht.
Fig. 1 zeigt eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung zur Ausführung von hochpräzi
sen Linearbewegungen relativ zu einer Achse 1. Die beispielsweise zum hochgenauen
Verstellen von optischen Gittern geeignete Antriebsvorrichtung weist einen die Be
wegung führenden und zugleich die Achse 1 tragenden Führungskörper 2 auf. Dieser
Führungskörper 2 besteht aus Stahl, ist aus einem Stück, z. B. mittels elektroerosiven
Verfahrens, gefertigt und im einzelnen wie folgt ausgebildet:
Der Führungskörper 2 weist vier, ein Parallelogramm bildende äußere Schenkel 3, 4, 5 und 6 auf, wovon der in der Zeichnung mit 3 bezeichnete Schenkel eine Basis ver körpert, zu der die Achse 1 parallel angeordnet ist, und benachbarte Schenkel durch Festkörpergelenke 7, 8, 9 und 10 miteinander verbunden sind. Die Festkörpergelenke 7, 8, 9 und 10 sind dabei so angeordnet, daß die der Basis benachbarten Schenkel 4 und 5 Parallelfedern der Länge 1 bilden. Zwischen den Festkörpergelenken 7 und 9 bzw. 8 und 10 weisen diese Parallelfedern auf einer Länge k jeweils eine Versteifung auf. Der der Basis gegenüberliegende äußere Schenkel 6 ist Teil eines u-förmigen Bügels, dessen Bügelarme 11 und 12 in der von den Schenkeln 3, 4, 5 und 6 aufge spannten Parallelogrammebene und jeweils im Abstand zum benachbarten äußeren Schenkel 4 bzw. 5 liegen. Im Bereich ihres zur Basis weisenden Endes sind die Bü gelarme 11 und 12 starr mit der Achse 1 verbunden, z. B. indem die Achse 1 von ih rem Durchmesser entsprechend großen Bohrungen in den Bügelarmen 11, 12 aufge nommen und dort mittels geeigneten Klebstoffes eingeklebt ist. Zum Führungskörper 2 gehört ferner ein zwischen den Bügelarmen 11 und 12 plazierter und im wesentli chen rechteckförmiger Rahmen 13, dessen eine Rahmenseite 14 von einem Teil der Basis gebildet ist und dessen dieser Rahmenseite 14 benachbarten, einander gegen überliegenden Rahmenseiten 15, 16 jeweils eine Öffnung 18, 19 aufweisen, durch welche die Achse 1 hindurchführt. Innerhalb dieses Rahmens 13 ist in unmittelbarer Nachbarschaft zur Rahmenseite 15 eine aus einem Piezoaktuator 20, einem Klemm stück 21 sowie einer Tellerfeder 22 bestehende erste Klemmvorrichtung 23 angeord net, und zwar so, daß diese sich einerseits an der Basis bzw. Rahmenseite 14 und andererseits an der der Basis gegenüberliegenden Rahmenseite 17 abstützt und somit radial auf die Achse 1 wirkt. Die Rahmenseite 14 weist hierzu einen Vorsprung mit einer Vertiefung auf, in welche die Tellerfeder 22 eingelegt ist, die wiederum auf eine Seite des die Achse 1 umgreifenden Klemmstückes 21 wirkt, an dessen gegen überliegender Seite der Piezoaktuator 20 angreift, der seinerseits von einer Aufnahme gehalten wird, die mittels Festkörpergelenkes mit der Rahmenseite 17 verbunden ist. Vom Rahmen 13 ist ferner ein in Achsrichtung x bewegliches, über zwei Festkör pergelenke 24, 25 mit der Rahmenseite 15 verbundenes Teil 26 aufgenommen. Die ses Teil 26, in dem eine Öffnung vorgesehen ist, durch welche die Achse 1 hin durchführt, weist eine Aussparung 27 auf, in der eine zweite gleichfalls aus einem Piezoaktuator 28, einem Klemmstück 29 sowie aus einer Tellerfeder 30 bestehende und in radialer Richtung auf die Achse 1 wirkende Klemmvorrichtung 31 plaziert ist. Die Klemmvorrichtung 31 ist dabei bezüglich der Klemmvorrichtung 23 um 180° gedreht angeordnet. Die Antriebsvorrichtung wird komplettiert durch zwei innerhalb des Rahmens 13 in Achsrichtung x wirkende, beiderseits der Achse 1 angeordnete Piezoaktuatoren 32, 33, die sich einerseits jeweils an einem als Schulter ausgebilde ten Vorsprung am beweglichen Teil 26 und andererseits an der Rahmenseite 16 ab stützen, die derjenigen gegenüberliegt, mit der die Festkörpergelenke 24, 25 verbun den sind. Beide Piezoaktuatoren 32 und 33 werden dabei jeweils von einer Aufnahme gehalten, die ihrerseits mittels Festkörpergelenkes mit der Rahmenseite 16 in Verbindung steht.
Der Führungskörper 2 weist vier, ein Parallelogramm bildende äußere Schenkel 3, 4, 5 und 6 auf, wovon der in der Zeichnung mit 3 bezeichnete Schenkel eine Basis ver körpert, zu der die Achse 1 parallel angeordnet ist, und benachbarte Schenkel durch Festkörpergelenke 7, 8, 9 und 10 miteinander verbunden sind. Die Festkörpergelenke 7, 8, 9 und 10 sind dabei so angeordnet, daß die der Basis benachbarten Schenkel 4 und 5 Parallelfedern der Länge 1 bilden. Zwischen den Festkörpergelenken 7 und 9 bzw. 8 und 10 weisen diese Parallelfedern auf einer Länge k jeweils eine Versteifung auf. Der der Basis gegenüberliegende äußere Schenkel 6 ist Teil eines u-förmigen Bügels, dessen Bügelarme 11 und 12 in der von den Schenkeln 3, 4, 5 und 6 aufge spannten Parallelogrammebene und jeweils im Abstand zum benachbarten äußeren Schenkel 4 bzw. 5 liegen. Im Bereich ihres zur Basis weisenden Endes sind die Bü gelarme 11 und 12 starr mit der Achse 1 verbunden, z. B. indem die Achse 1 von ih rem Durchmesser entsprechend großen Bohrungen in den Bügelarmen 11, 12 aufge nommen und dort mittels geeigneten Klebstoffes eingeklebt ist. Zum Führungskörper 2 gehört ferner ein zwischen den Bügelarmen 11 und 12 plazierter und im wesentli chen rechteckförmiger Rahmen 13, dessen eine Rahmenseite 14 von einem Teil der Basis gebildet ist und dessen dieser Rahmenseite 14 benachbarten, einander gegen überliegenden Rahmenseiten 15, 16 jeweils eine Öffnung 18, 19 aufweisen, durch welche die Achse 1 hindurchführt. Innerhalb dieses Rahmens 13 ist in unmittelbarer Nachbarschaft zur Rahmenseite 15 eine aus einem Piezoaktuator 20, einem Klemm stück 21 sowie einer Tellerfeder 22 bestehende erste Klemmvorrichtung 23 angeord net, und zwar so, daß diese sich einerseits an der Basis bzw. Rahmenseite 14 und andererseits an der der Basis gegenüberliegenden Rahmenseite 17 abstützt und somit radial auf die Achse 1 wirkt. Die Rahmenseite 14 weist hierzu einen Vorsprung mit einer Vertiefung auf, in welche die Tellerfeder 22 eingelegt ist, die wiederum auf eine Seite des die Achse 1 umgreifenden Klemmstückes 21 wirkt, an dessen gegen überliegender Seite der Piezoaktuator 20 angreift, der seinerseits von einer Aufnahme gehalten wird, die mittels Festkörpergelenkes mit der Rahmenseite 17 verbunden ist. Vom Rahmen 13 ist ferner ein in Achsrichtung x bewegliches, über zwei Festkör pergelenke 24, 25 mit der Rahmenseite 15 verbundenes Teil 26 aufgenommen. Die ses Teil 26, in dem eine Öffnung vorgesehen ist, durch welche die Achse 1 hin durchführt, weist eine Aussparung 27 auf, in der eine zweite gleichfalls aus einem Piezoaktuator 28, einem Klemmstück 29 sowie aus einer Tellerfeder 30 bestehende und in radialer Richtung auf die Achse 1 wirkende Klemmvorrichtung 31 plaziert ist. Die Klemmvorrichtung 31 ist dabei bezüglich der Klemmvorrichtung 23 um 180° gedreht angeordnet. Die Antriebsvorrichtung wird komplettiert durch zwei innerhalb des Rahmens 13 in Achsrichtung x wirkende, beiderseits der Achse 1 angeordnete Piezoaktuatoren 32, 33, die sich einerseits jeweils an einem als Schulter ausgebilde ten Vorsprung am beweglichen Teil 26 und andererseits an der Rahmenseite 16 ab stützen, die derjenigen gegenüberliegt, mit der die Festkörpergelenke 24, 25 verbun den sind. Beide Piezoaktuatoren 32 und 33 werden dabei jeweils von einer Aufnahme gehalten, die ihrerseits mittels Festkörpergelenkes mit der Rahmenseite 16 in Verbindung steht.
Fig. 2 zeigt das Klemmstück 29 der Klemmvorrichtung 31 im einzelnen, das im übri
gen genauso ausgebildet ist wie das Klemmstück 21 der Klemmvorrichtung 23. Das
Klemmstück 29 weist auf einander gegenüberliegenden Seiten zwei ebene zueinander
parallele Flächen 34 und 35 auf, wobei an der Fläche 34 der Piezoaktuator 28 an
greift und auf die Fläche 35 die Tellerfeder 30 wirkt. Ferner ist das Klemmstück 29
mit einer Öffnung 36 versehen, durch welche die Achse 1 hindurchführt. Die lichte
Weite der Öffnung 36 ist dabei in der Wirkungsrichtung des Piezoaktuators 28 bzw.
der Tellerfeder 30, d. h. in einer zur Achsrichtung x senkrechten Richtung (y-Richtung)
größer als der Durchmesser der Achse 1. Auf ihrer der Fläche 35 zugewandten Seite
37 hat die Öffnung 36 eine an die Geometrie der Achse 1 angepaßte Form, d. h. die
Öffnung 36 weist dort eine rinnen- bzw. im Querschnitt annähernd halbkreisförmige
Gestalt auf.
Im ausgeschalteten Zustand der Piezoaktuatoren 20 und 28 drückt die jeweilige Tel
lerfeder 22 bzw. 30 das entsprechende Klemmstück 21 bzw. 29 gegen die Achse 1,
wodurch sowohl der Rahmen 13 als auch das Teil 26 bezüglich der Achse 1 fixiert
sind. Werden die Piezoaktuatoren 20 und 28 dagegen mit einer elektrischen Span
nung beaufschlagt, so öffnen die entsprechenden Klemmvorrichtungen 23 bzw. 31,
d. h. die Klemmung wird aufgehoben, indem durch die Längung des Piezoaktuators 20
bzw. 28 das jeweilige Klemmstück 21 bzw. 29 gegen die Tellerfeder 22 bzw. 30 ge
drückt wird.
Die Antriebsvorrichtung funktioniert wie folgt:
Als Ausgangssituation sei angenommen, daß die Klemmvorrichtung 23 ihre Wirkung entfaltet, d. h. am Piezoaktuator 20 keine Spannung anliegt, dagegen die Klemmwir kung der Klemmvorrichtung 31 durch eine am Piezoaktuator 28 anliegende Spannung aufgehoben ist und daß die Antriebsvorrichtung am Schenkel 6 festgelegt ist. Werden nun die Piezoaktuatoren 32 und 33 angesteuert, d. h. mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so wird durch deren Längung das Teil 26 samt Klemmvorrichtung 31 innerhalb des Rahmens 13 entgegen der x-Richtung auf der Achse 1 verschoben, indem dabei die symmetrisch zur Achse 1 angeordneten Festkörpergelenke 24, 25 verbogen werden. D.h. das Teil 26 bewegt sich auf die Rahmenseite 15 zu, wobei der gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 um die Längenände rung der Piezoaktuatoren 32, 33 verringert wird. Mit dem nachfolgenden Abschalten des Piezoaktuators 28 wird das Teil 26 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert. Werden in der Folge die Piezoaktuatoren 32 und 33 ab- und der Piezoaktuator 20 ein geschaltet, also die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 23 und damit die Fixierung des Rahmens 13 auf der Achse 1 aufgehoben, so drücken die Festkörpergelenke 24, 25 in ihrem Bestreben, eine unverbogene Stellung einzunehmen, den Rahmen 13 mit der Klemmvorrichtung 23 entgegen der x-Richtung auf der Achse 1 bis der ursprüng liche gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 wieder hergestellt ist. Bei dieser Bewegung wird der Abstand zwischen der Rahmenseite 15 und dem Bü gelarm 11 geringer und der Abstand der Rahmenseite 16 vom Bügelarm 12 um den entsprechenden Betrag größer. Wird nun die Klemmvorrichtung 23 wieder aktiviert, d. h. die Spannung am Piezoaktuator 20 abgeschaltet und damit der Rahmen 13 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert, so kann der Bewegungszyklus in der be schriebenen Weise wiederholt werden, indem die Klemmwirkung der Klemmvorrich tung 31 aufgehoben und die Piezoaktuatoren 32 und 33 erneut angesteuert werden.
Als Ausgangssituation sei angenommen, daß die Klemmvorrichtung 23 ihre Wirkung entfaltet, d. h. am Piezoaktuator 20 keine Spannung anliegt, dagegen die Klemmwir kung der Klemmvorrichtung 31 durch eine am Piezoaktuator 28 anliegende Spannung aufgehoben ist und daß die Antriebsvorrichtung am Schenkel 6 festgelegt ist. Werden nun die Piezoaktuatoren 32 und 33 angesteuert, d. h. mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so wird durch deren Längung das Teil 26 samt Klemmvorrichtung 31 innerhalb des Rahmens 13 entgegen der x-Richtung auf der Achse 1 verschoben, indem dabei die symmetrisch zur Achse 1 angeordneten Festkörpergelenke 24, 25 verbogen werden. D.h. das Teil 26 bewegt sich auf die Rahmenseite 15 zu, wobei der gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 um die Längenände rung der Piezoaktuatoren 32, 33 verringert wird. Mit dem nachfolgenden Abschalten des Piezoaktuators 28 wird das Teil 26 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert. Werden in der Folge die Piezoaktuatoren 32 und 33 ab- und der Piezoaktuator 20 ein geschaltet, also die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 23 und damit die Fixierung des Rahmens 13 auf der Achse 1 aufgehoben, so drücken die Festkörpergelenke 24, 25 in ihrem Bestreben, eine unverbogene Stellung einzunehmen, den Rahmen 13 mit der Klemmvorrichtung 23 entgegen der x-Richtung auf der Achse 1 bis der ursprüng liche gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 wieder hergestellt ist. Bei dieser Bewegung wird der Abstand zwischen der Rahmenseite 15 und dem Bü gelarm 11 geringer und der Abstand der Rahmenseite 16 vom Bügelarm 12 um den entsprechenden Betrag größer. Wird nun die Klemmvorrichtung 23 wieder aktiviert, d. h. die Spannung am Piezoaktuator 20 abgeschaltet und damit der Rahmen 13 in dieser Position auf der Achse 1 fixiert, so kann der Bewegungszyklus in der be schriebenen Weise wiederholt werden, indem die Klemmwirkung der Klemmvorrich tung 31 aufgehoben und die Piezoaktuatoren 32 und 33 erneut angesteuert werden.
Soll eine Bewegung bzw. Verstellung in x-Richtung erreicht werden, so werden die
Piezoaktuatoren 32 und 33 dann angesteuert, wenn die Klemmvorrichtung 31 ihre
Wirkung entfaltet und die Wirkung der Klemmvorrichtung 23 aufgehoben ist. In die
sem Fall stützen sich die Piezoaktuatoren 32 und 33 am bezüglich der Achse 1 mit
tels Klemmvorrichtung 31 fixierten Teil 26 ab und drücken bei ihrer Längung den
Rahmen 13 samt Klemmvorrichtung 23 auf der Achse 1 in x-Richtung, wobei die
Festkörpergelenke 24 und 25 verbogen werden. D.h. hierbei wird der gegenseitige
Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 dadurch verringert, daß sich der Rahmen
13 mit seiner Rahmenseite 15 auf das Teil 26 zubewegt. Wird anschließend der Pie
zoaktuator 20 abgeschaltet, so wird der Rahmen 13 in dieser Position auf der Achse
1 fixiert. Mit dem nachfolgenden Abschalten der Piezoaktuatoren 32 und 33 und dem
Aufheben der Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 31 und damit der Fixierung des
Teiles 26 auf der Achse 1 drücken nun die Festkörpergelenke 24, 25 das Teil 26
samt Klemmvorrichtung 31 auf der Achse 1 in x-Richtung bis der ursprüngliche Ab
stand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 wieder hergestellt ist. Auch dieser Bewe
gungszyklus ist selbstverständlich wiederholbar, wobei sich hierbei der Abstand zwi
schen der Rahmenseite 16 und dem Bügelarm 12 verringert und der Abstand der
Rahmenseite 15 vom Bügelarm 11 entsprechend vergrößert.
Es ist aber auch ebensogut möglich, die Antriebsvorrichtung statt am Schenkel 6 an
der Basis 3 festzulegen. In diesem Fall funktioniert die Antriebsvorrichtung wie folgt:
Als Ausgangssituation sei auch hier angenommen, daß die Klemmvorrichtung 23 ihre
Wirkung entfaltet, d. h. am Piezoaktuator 20 keine Spannung anliegt, dagegen die
Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 31 durch eine am Piezoaktuator 28 anliegende
Spannung aufgehoben ist. Werden nun die Piezoaktuatoren 32 und 33 angesteuert,
d. h. mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so wird durch deren Längung das
Teil 26 samt Klemmvorrichtung 31 innerhalb des Rahmens 13 entgegen der x-Rich
tung auf der Achse 1 verschoben, indem dabei die symmetrisch zur Achse angeord
neten Festkörpergelenke 24, 25 verbogen werden. D.h. das Teil 26 bewegt sich auf
die Rahmenseite 15 zu, wobei der gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen 23
und 31 um die Längenänderung der Piezoaktuatoren 32, 33 verringert wird. Mit dem
nachfolgenden Abschalten des Piezoaktuators 28 wird das Teil 26 in dieser Position
auf der Achse 1 fixiert. Werden in Folge der Piezoaktuator 20 eingeschalten und die
Piezoaktuatoren 32, 33 abgeschalten, also die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung
23 auf die Achse 1 aufgehoben, so drücken die Festkörpergelenke 24, 25 in ihrem
Bestreben, eine unverbogene Stellung einzunehmen, das Teil 26 in seine Ausgangs
lage zurück. Die in der Klemmvorrichtung 31 fixierte Achse 1 wird in x-Richtung ge
zogen, und durch die starre Verbindung der Achse 1 mit den Bügelarmen 11 und 12
werden diese über die von den Schenkeln 3, 4, 5 und 6 und den Festkörpergelenken
7 bis 10 gebildete Parallelfederführung in x-Richtung bewegt. Bei dieser Bewegung
wird der Abstand zwischen der Rahmenseite 15 und dem Bügelarm 11 geringer und
der Abstand der Rahmenseite 16 vom Bügelarm 12 um den entsprechenden Betrag
größer. Wird nun die Klemmvorrichtung 23 wieder aktiviert, d. h. die Spannung am
Piezoaktuator 20 abgeschaltet und damit der Rahmen 13 in dieser Position auf der
Achse 1 fixiert, so kann der Bewegungszyklus in der beschriebenen Weise wiederholt
werden, indem die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 31 aufgehoben und die Pie
zoaktuatoren 32 und 33 erneut angesteuert werden.
Soll eine Bewegung bzw. Verstellung entgegen der x-Richtung erreicht werden, so
werden die Piezoaktuatoren 32 und 33 dann angesteuert, wenn die Klemmvorrich
tung 31 ihre Wirkung entfaltet und die Wirkung der Klemmvorrichtung 23 aufgehoben
ist. In diesem Fall schieben die Piezoaktuatoren 32 und 33 die in der Klemmvorrich
tung 31 fixierte Achse 1 entgegen der x-Richtung, und durch die starre Verbindung
der Achse 1 mit den Bügelarmen 11 und 12 werden diese über die aus den Schen
keln 3 bis 6 und den Festkörpergelenken 7 bis 10 gebildete Parallelfederführung ent
gegen der x-Richtung bewegt. Wird anschließend der Piezoaktuator 20 abgeschalten,
so werden die Achse 1 und die Bügelarme 11 und 12 in dieser Position fixiert. Mit
dem nachfolgenden Aufheben der Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 31 und dem
Abschalten der Piezoaktuatoren 32 und 33 drücken nun die Festkörpergelenke 24, 25
das Teil 26 samt Klemmvorrichtung 31 auf der Achse 1 in x-Richtung, bis der ur
sprüngliche Abstand der Klemmvorrichtungen 23 und 31 wieder hergestellt ist. Auch
dieser Bewegungszyklus ist selbstverständlich wiederholbar, wobei sich hierbei der
Abstand zwischen der Rahmenseite 16 und dem Bügelarm 12 verringert und der Ab
stand der Rahmenseite 15 vom Bügelarm 11 entsprechend vergrößert.
Der maximal erreichbare Stellweg in x-Richtung bzw. in der entgegengesetzten Rich
tung wird von der vorgegebenen Abstandssumme zwischen dem Bügelarm 11 und
der Rahmenseite 15 sowie dem Bügelarm 12 und der Rahmenseite 16 bestimmt.
Dadurch, daß die Achse 1 starr in den Bügelarmen 11, 12 befestigt ist und damit die
Achse 1 nicht - wie sonst üblich - unmittelbar im Bereich der Klemmstellen der
Klemmvorrichtung gelagert bzw. geführt ist, die Führung der Verstellbewegung viel
mehr mit Hilfe der von den äußeren Schenkeln 4, 5 mit den Festkörpergelenken 7 bis
10 gebildeten Parallelfedern und damit spielfrei erfolgt, ist eine hochpräzise geradli
nige Verstellbewegung möglich.
Die bei der Verstellbewegung auftretende Querabweichung (y-Richtung) der von den
Parallelogrammschenkeln 4, 5 und 6 sowie den Bügelarmen 11 und 12 gebildeten
Koppel wird durch die offene Gestaltung der Klemmstücken 21 und 28 und deren
bewegliche Anordnung in y-Richtung ausgeglichen.
Durch Optimierung der Länge l der Parallelfedern, der Länge k der Versteifung und
des Abstandes a dieser Parallelfedern können die Größen für Querabweichung und
Verdrehung der Koppel stark minimiert werden.
So sind mit der beschriebenen Antriebsvorrichtung bei einem Verstellweg (in x-Rich
tung) von 1000 µm Querabweichungen (in y-Richtung) von kleiner 0,15% des Stell
weges und eine Verdrehung kleiner (6,1 × 10-6)° erreichbar.
Bemerkenswert ist bei der beschriebenen Antriebsvorrichtung darüber hinaus der
Vorteil, daß sich Verschleißerscheinungen an der Achse 1 infolge der mechanischen
Belastung des Klemmens an den Klemmstellen nicht auf die Lagerung der Achse 1
auswirken.
Die Fertigung des Führungskörpers 2 samt (Antriebs-) Teil 26 aus einem Stück ver
meidet schließlich die bei einer üblichen mechanischen Kopplung ansonsten notwen
dige Justage der Elemente zueinander.
Claims (6)
1. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung zur Ausführung von Linearbewegungen
relativ zu einer Achse, mit zwei entlang der Achse im Abstand angeordneten
und radial auf die Achse wirkenden piezoelektrischen Klemmvorrichtungen,
mit mindestens einem in Achsrichtung wirkenden Piezoaktuator, wobei der
gegenseitige Abstand der Klemmvorrichtungen in Abhängigkeit von der Län
genänderung des Piezoaktuators veränderbar ist und bei Ausführung eines sol
chen Bewegungsschrittes lediglich eine der beiden Klemmvorrichtungen mit
der Achse in Eingriff steht, und mit
einem die Bewegung führenden und zugleich die Achse (1) tragenden
Führungskörper (2), dadurch gekennzeichnet,
daß der Führungskörper (2) aus einem Stück gefertigt ist und vier, ein Paral lelogramm bildende äußere Schenkel (3, 4, 5, 6) aufweist, wovon ein Schenkel (3) eine Basis bildet, zu der die Achse (1) parallel angeordnet ist und benachbarte Schenkel (3, 4, 5, 6) durch Festkörpergelenke (7, 8, 9, 10) derart miteinander verbunden sind, daß
die der Basis benachbarten Schenkel (4, 5) Parallelfedern bilden, daß der der Basis gegenüberliegende äußere Schenkel (6) Teil eines u-för migen Bügels ist, dessen Bügelarme (11, 12) in der Parallelogramm ebene und jeweils im Abstand innerhalb der benachbarten äußeren Schenkel (4, 5) liegen, und die Bügelarme (11, 12) im Bereich ihres zur Basis wei senden Endes mit der Achse (1) starr verbunden sind und
daß der Führungskörper (2) ferner einen zwischen den Bügelarmen (11, 12) plazierten, im wesentlichen rechteckförmigen Rahmen (13) umfaßt, dessen eine Rahmenseite (14) von einem Teil der Basis verkörpert ist und dessen dieser Rahmenseite (14) benachbarten einander gegenüber liegenden Rahmenseiten (15, 16) jeweils eine Öffnung (18, 19) aufwei sen, durch welche die Achse (1) geführt ist und
daß eine der beiden Klemmvorrichtungen (23) so innerhalb des Rahmens (13) angeordnet ist, daß diese sich einerseits an der Basis und ande rerseits an der der Basis gegenüberliegenden Rahmenseite (17) ab stützt und
daß vom Rahmen (13) ferner ein in Achsrichtung (x) bewegliches, über zwei Festkörpergelenke (24, 25) mit einer der Rahmenseiten (15) verbunde nes Teil (26) aufgenommen ist,
daß dieses bewegliche Teil (26) eine Aussparung (27) aufweist, in der die zweite Klemmvorrichtung (31) plaziert ist, und daß zwei in Achsrichtung (x) wirkende, beiderseits der Achse (1) angeord nete Piezoaktuatoren (32, 33) vorgesehen sind, die sich einerseits am beweglichen Teil (26) und andererseits an der Rahmenseite (16) ab stützen, die derjenigen gegenüberliegt, mit der die zwei weiteren Festkörpergelenke (24, 25) verbunden sind.
daß der Führungskörper (2) aus einem Stück gefertigt ist und vier, ein Paral lelogramm bildende äußere Schenkel (3, 4, 5, 6) aufweist, wovon ein Schenkel (3) eine Basis bildet, zu der die Achse (1) parallel angeordnet ist und benachbarte Schenkel (3, 4, 5, 6) durch Festkörpergelenke (7, 8, 9, 10) derart miteinander verbunden sind, daß
die der Basis benachbarten Schenkel (4, 5) Parallelfedern bilden, daß der der Basis gegenüberliegende äußere Schenkel (6) Teil eines u-för migen Bügels ist, dessen Bügelarme (11, 12) in der Parallelogramm ebene und jeweils im Abstand innerhalb der benachbarten äußeren Schenkel (4, 5) liegen, und die Bügelarme (11, 12) im Bereich ihres zur Basis wei senden Endes mit der Achse (1) starr verbunden sind und
daß der Führungskörper (2) ferner einen zwischen den Bügelarmen (11, 12) plazierten, im wesentlichen rechteckförmigen Rahmen (13) umfaßt, dessen eine Rahmenseite (14) von einem Teil der Basis verkörpert ist und dessen dieser Rahmenseite (14) benachbarten einander gegenüber liegenden Rahmenseiten (15, 16) jeweils eine Öffnung (18, 19) aufwei sen, durch welche die Achse (1) geführt ist und
daß eine der beiden Klemmvorrichtungen (23) so innerhalb des Rahmens (13) angeordnet ist, daß diese sich einerseits an der Basis und ande rerseits an der der Basis gegenüberliegenden Rahmenseite (17) ab stützt und
daß vom Rahmen (13) ferner ein in Achsrichtung (x) bewegliches, über zwei Festkörpergelenke (24, 25) mit einer der Rahmenseiten (15) verbunde nes Teil (26) aufgenommen ist,
daß dieses bewegliche Teil (26) eine Aussparung (27) aufweist, in der die zweite Klemmvorrichtung (31) plaziert ist, und daß zwei in Achsrichtung (x) wirkende, beiderseits der Achse (1) angeord nete Piezoaktuatoren (32, 33) vorgesehen sind, die sich einerseits am beweglichen Teil (26) und andererseits an der Rahmenseite (16) ab stützen, die derjenigen gegenüberliegt, mit der die zwei weiteren Festkörpergelenke (24, 25) verbunden sind.
2. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Klemmvorrichtungen (23, 31) jeweils aus der Hintereinanderanordnung eines Piezoaktuators (20, 28) eines Klemmstückes (21, 29) und eines Feder elementes (22, 30) bestehen,
daß das Klemmstück (21, 29) auf einander gegenüberliegenden Seiten zwei ebene zueinander parallele Flächen (34, 35) aufweist, wobei an einer der Flä chen (34) der Piezoaktuator (20, 28) angreift und auf die andere dieser Flä chen (35) das Federelement (22, 30) wirkt und
daß das Klemmstück (21, 29) mit einer Öffnung (36) versehen ist, durch wel che die Achse (1) hindurchführt, wobei die lichte Weite der Öffnung (36) in der Wirkungsrichtung (y-Richtung) des Piezoaktuators (20, 28) größer als der Durchmesser der Achse (1) ist.
daß die Klemmvorrichtungen (23, 31) jeweils aus der Hintereinanderanordnung eines Piezoaktuators (20, 28) eines Klemmstückes (21, 29) und eines Feder elementes (22, 30) bestehen,
daß das Klemmstück (21, 29) auf einander gegenüberliegenden Seiten zwei ebene zueinander parallele Flächen (34, 35) aufweist, wobei an einer der Flä chen (34) der Piezoaktuator (20, 28) angreift und auf die andere dieser Flä chen (35) das Federelement (22, 30) wirkt und
daß das Klemmstück (21, 29) mit einer Öffnung (36) versehen ist, durch wel che die Achse (1) hindurchführt, wobei die lichte Weite der Öffnung (36) in der Wirkungsrichtung (y-Richtung) des Piezoaktuators (20, 28) größer als der Durchmesser der Achse (1) ist.
3. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Klemmvorrichtung (31) gegenüber der ersten Klemmvorrichtung
(23) um 180° gedreht angeordnet ist.
4. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnung (36) des Klemmstückes (21, 29) auf ihrer der Fläche (35), an
der das Federelement (22, 30) angreift, zugewandten Seite (37) eine an die
Geometrie der Achse (1) angepaßte Form aufweist.
5. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Federelemente (22, 30) als Tellerfedern ausgebildet sind.
6. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse (1) in die Öffnungen der Bügelarme (11, 12) eingeklebt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944410248 DE4410248C1 (de) | 1994-03-24 | 1994-03-24 | Piezoelektrische Antriebsvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944410248 DE4410248C1 (de) | 1994-03-24 | 1994-03-24 | Piezoelektrische Antriebsvorrichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4410248C1 true DE4410248C1 (de) | 1995-07-13 |
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ID=6513763
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DE19944410248 Expired - Fee Related DE4410248C1 (de) | 1994-03-24 | 1994-03-24 | Piezoelektrische Antriebsvorrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4410248C1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1994
- 1994-03-24 DE DE19944410248 patent/DE4410248C1/de not_active Expired - Fee Related
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