DE60218142T2 - Piezoelektrischer antrieb - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb, der einen Stator und einen Rotor umfasst und bei dem der Stator ein zylindrisches Piezoelement aufweist, das mindestens zwei Elektroden und mindestens eine Kontaktfläche und eine erste Resonanzfrequenz aufweist, und bei dem der Rotor ein mechanisches Übertragungselement zwischen dem Piezoelement und dem Rotor aufweist, wobei das Übertragungselement Erhebungen aufweist, die unter einem bestimmten Winkel in die Richtung der Kontaktfläche des Piezoelements zeigen, unter Vorspannung an der Kontaktfläche anliegen und eine zweite Resonanzfrequenz aufweisen.
  • Ein piezoelektrischer Antrieb der eingangs erwähnten Art ist aus der Patentschrift US 5,631,517 bekannt. Bei diesem bekannten piezoelektrischen Antrieb ist ein ringförmiger Rotor um den Außenumfang eines piezoelektrischen Stators herum angeordnet und funktioniert als Ultraschallvibrationselement, das mit den Stator berührenden Auslegern versehen ist. Um den Rotor anzutreiben, wird der Stator mit einer impulsartigen zweiphasigen Spannung mit einer Resonanzfrequenz von etwa 100 kHz angeregt. Ein Teilbereich des Stators, an den die Spannung mit der hinsichtlich der Polarisation selben Polarität angelegt wird, wird zusammengedrückt, damit er sich dadurch in radialer Richtung aufweitet und der gegenüberliegende Teilbereich sich entgegengesetzt dazu zusammenzieht. Dadurch beginnt der Stator bei der Resonanzfrequenz zu präzedieren, und durch Reibungskontakt zwischen den Auslegern und dem Außenumfang des Stators wird die Präzession auf den Rotor übertragen, sodass dieser sich dreht.
  • Die Patentschrift EP 0 557 106 offenbart einen piezoelektrischen Antrieb, der einen Stator aufweist, welcher ein Piezoelement mit mehreren Elektroden an beiden Seiten zur Steuerung beinhaltet, und mit einem ringförmigen Rotor mit mehreren den Stator berührenden Gleitelementen. Der Rotor wird von einer Wanderwelle in Bewegung versetzt, die durch Ansteuerung der Elektroden im Piezoelement des Stators erzeugt wird.
  • Die Patentschrift US 4,959,580 offenbart einen weiteren piezoelektrischen Antrieb, der aus einem einen kreisförmigen Rotor umfassenden Stator besteht. An der Wel le von Stator und Rotor ist ein mit dem Stator über ein Gehäuse verbundenes piezoelektrisches Element befestigt, das radial oszilliert. Am piezoelektrischen Element sind als Pusher bekannte Federelemente angebracht, die auf den Rotor einwirken und ihn in Drehung versetzen.
  • Die Patentschrift US 4,453,103 offenbart ebenfalls einen ähnlichen piezoelektrischen Antrieb. Dieser funktioniert ebenfalls mit als Pushern bekannten Federelementen, die an der Seite des Piezoelements angebracht sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines piezoelektrischen Antriebs der eingangs erwähnten An, der möglichst einfach aufgebaut ist, bei dem das Piezoelement einfach gesteuert werden kann und der einen hohen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, ist ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Antrieb dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Resonanzfrequenz ungefähr übereinstimmen oder in etwa Vielfache voneinander sind, sodass das Piezoelement durch periodische Druckausübung auf die Erhebungen Vibrationen der zweiten Resonanzfrequenz in den Erhebungen anregt, wodurch sich die Erhebungen periodisch von der Kontaktfläche abheben und der Rotor in Drehung versetzt wird, und sodass die Erhebungen zur gleichen Zeit in dieselbe Richtung vibrieren, wobei die Richtung die Drehrichtung des Rotors ist.
  • Damit der Rotor eines piezoelektrischen Antriebs in Bewegung versetzt wird, sind zwei Resonanzfrequenzen in verschiedenen Schwingungsebenen erforderlich. Die beiden Resonanzfrequenzen können elektrisch angeregt werden, wofür am piezoelektrischen Element mindestens vier Ansteuerelektroden erforderlich sind. Außerdem muss die Versorgung der Elektroden zwei sorgfältig aufeinander abgestimmte Wechselspannungen aufweisen. Die erfindungsgemäße Anordnung bringt den Vorteil mit sich, dass nur zwei Elektroden mit einer Wechselspannung versorgt werden müssen, sodass eine relativ einfache Steuerschaltung ausreicht. Die zweite Resonanzfrequenz wird mechanisch im mechanischen Übertragungselement angeregt. Aufgrund der Erhebungen am Übertragungselement wird die mechanische Resonanzfrequenz von der elektrischen Resonanzfrequenz des Stators überlagert, wodurch der Rotor in eine Drehbewegung versetzt wird. Da das mechanische Übertragungselement die Drehbewegung auf den Rotor übertragen muss, ist es mit dem Rotor verbunden. Dadurch, dass ein derartiger piezoelektrischer Antrieb sowohl als radialer Motor als auch als axialer Motor gebaut werden kann, ist er vielseitig verwendbar.
  • Der radiale Motor wird ebenfalls mit einem Rotor als Innen- oder Außenläufer verwendet. Die Kontaktflächen des Piezoelements mit den Erhebungen befinden sich beim radialen Motor an der zylindrischen Außen- oder Innenseite des Piezoelements, das in radialer Richtung von den Erhebungen umgeben ist oder die Erhebungen radial umgibt. Ist der Antrieb als axialer Motor gebaut, befinden sich die Kontaktflächen an einer Seitenwand des Piezoelements, sodass das Piezoelement seitlich gegen die Erhebungen des Übertragungselements gedrückt wird. Grundsätzlich bringt die Erfindung den Vorteil mit sich, dass große Schwingungsamplituden möglich sind und die Reibung zwischen dem Piezoelement und den Erhebungen gering ist, da sich die Erhebungen periodisch vom Piezoelement abheben. Da die erste und die zweite Resonanzfrequenz ungefähr übereinstimmen oder in etwa Vielfache voneinander sind, ist der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Antriebs optimiert. Aus diesem Grund stimmen die Resonanzfrequenzen des Piezoelements und der mechanischen Übertragungseinheit möglichst weitgehend überein oder sind ein Vielfaches voneinander. In der Praxis kann dieser Idealzustand aufgrund von Toleranzen und Verschleißerscheinungen nicht vollständig erreicht werden, ist jedoch dennoch wünschenswert.
  • Auch die Ausführungsform nach Anspruch 2 dient der Erzielung des höchsten Wirkungsgrads. Die Erhebungen werden auf die Kontaktfläche des Piezoelements gedrückt, wo sie eine als Vorspannkraft bekannte Kraft senkrecht zur Kontaktfläche erfahren. Damit sich die Erhebungen bei minimaler Reibung und folglich minimalem Verlust über die Kontaktfläche weiterbewegen, müssen sie gleichmäßig belastet werden. Daher muss auf alle Erhebungen dieselbe Vorspannkraft wirken.
  • Bei der Ausführungsform nach Anspruch 3 ist mit möglichst wenigen Erhebungen auf dem mechanischen Übertragungselement eine kontinuierliche Drehbewegung möglich. Für den Rundlauf des Rotors müssen die Erhebungen auf dem Übertragungselement in regelmäßigen Abständen angeordnet sein, was bei drei Erhebungen einen Abstand von einem Drittel des Umfangs des Übertragungselements bedeutet. Es können auch mehr als drei Erhebungen verwendet werden.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 4 ermöglicht einen besonders kompakten Rotor, wodurch sichergestellt ist, dass die Drehbewegung des Übertragungselements verlustfrei auf den Rotor übertragen wird. Ein derartiger Rotor ist besonders stabil und verringert dadurch Vibrationen.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 5 bringt den Vorteil mit sich, dass der Verschleiß durch Reiben der Kontaktflächen des Piezoelements geringer ist. Dies wird durch Aufbringen einer widerstandsfähigen Beschichtung auf der Kontaktfläche erreicht. Je geringer der Verschleiß der Kontaktfläche ist, umso geringer ist der Leistungsverlust während der Lebensdauer des piezoelektrischen Antriebs und umso stabiler ist das Verhalten des Antriebs über seine gesamte Lebensdauer.
  • Bei der Ausführungsform nach Anspruch 6 weist das Übertragungselement in einem radialen Motor in Bezug auf den Stator immer eine Vorspannung und damit einen besonders hohen Wirkungsgrad auf. Es ist keine zusätzliche Feder erforderlich, wie sie bei einem axialen Motor zur Vorspannung des Übertragungselements gegen den Stator notwendig ist.
  • Bei der Ausführungsform nach Anspruch 7 wird der piezoelektrische Antrieb ohne Lager als radialer Motor betrieben. Dadurch ist ein besonders einfacher und preiswerter Aufbau gewährleistet. Da sich der Rotor in radialer Richtung nicht vom Piezoelement wegbewegen kann, muss der Rotor lediglich in axialer Richtung geführt werden. Dies wird einfach dadurch erreicht, dass der Rotor mit der anzutreibenden Welle verbunden ist oder auf andere Art eine axiale Bewegung des Rotors verhindert wird. Es ist hierbei wichtig, dass auf den Rotor möglichst keine Kräfte in radialer Richtung wirken, da ansonsten der Unrundlauf und damit verbundene Vibrationen nicht vermieden werden können.
  • In Anspruch 8 ist eine einfache Art der Montage eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebs offenbart, wenn er als radialer Motor ausgelegt ist. Da der Rotor mit dem Übertragungselement eine geschlossene Form bildet und relativ zum Stator vorgespannt sein muss, ist sein Innendurchmesser geringer als der Außendurchmesser des Stators. Folglich muss der Innendurchmesser des Rotors vergrößert werden, damit der Rotor auf dem Stator befestigt werden kann. Da der Innendurchmesser des Rotors durch die Erhebungen des Übertragungselements bestimmt wird, wird nun an mehreren Punkten Druck auf den Rotor ausgeübt, wodurch sich der Rotor mit den Übertragungselementen elastisch verformt und die Erhebungen seitlich weggebogen werden. Somit wird der wirksame Innendurchmesser des Übertragungselements größer und der Rotor kann auf den Stator geschoben werden. Anschließend wird kein Druck mehr ausgeübt und die Erhebungen kehren wieder in ihre ursprünglichen Positionen zurück, wodurch der Rotor mit dem Übertragungselement relativ zum Stator vorgespannt wird. Die Verformung des Rotors, des Übertragungselements und der Erhebungen dürfen natürlich nicht über den reversiblen Bereich hinausgehen.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 9 betrifft einen nicht ringförmigen Rotor und ein nicht ringförmiges Übertragungselement und auch hier ist der Antrieb als radialer Motor ausgestaltet. Zur Erhöhung der elastischen Verformbarkeit des Rotors und des Übertragungselements besteht der Rotor aus einem gleichseitigen Dreieck. In der Mitte jeder Seite besitzt der Rotor nach innen weisende Erhebungen, die als Übertragungselemente dienen. So kann sich das gleichseitige Dreieck wie der kreisförmige Rotor auf dem Stator drehen. Auch ein n-seitiges Vieleck mit 6, 9, 12 ... Seiten ist möglich. Der Vorteil des Dreiecks besteht darin, dass sich der Umfang des gleichseitigen Dreiecks wesentlich vergrößert, während zwischen den Erhebungen derselbe Innendurchmesser wie beim kreisförmigen Rotor erhalten bleibt, sodass der Druck des Rotors auf den Stator geringer ist und der dreieckige Rotor viel einfacher durch Verformung aufgeweitet werden kann, z.B. zur Montage.
  • Bei den Ausgestaltungen nach Anspruch 10 und 11 wird der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb als Motor eingesetzt. Da er besonders leicht und kompakt ist und hohe Drehzahlen möglich sind, eignet er sich bestens als Getriebemotor in kleinen elektrischen Einrichtungen.
  • Bei der Ausführungsform nach Anspruch 12 kann ein Elektrorasierer mit einem sich drehenden Schneidwerkzeug ausgestattet werden, das die Vorteile des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebs aufweist. So können bei den heute üblichen Ausgestaltungen mit drei Rotationsschneidwerken alle Schneidwerkzeuge als Rotoren ausgestaltet werden, die sich jeweils um ein Piezoelement als Stator drehen. Eine derartige Anordnung ist kompakt aufgebaut und wartungsarm, da keine Zahnräder erforderlich sind. Ferner benötigt sie wenig Strom, wodurch sie wiederum miniaturisiert werden kann und Batteriegewicht eingespart wird.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 13 bringt den großen Vorteil mit sich, dass die Rotoren ohne weiteres zusammen mit den Schneidwerken ausgetauscht werden können, da Rotor und Schneidwerk ein Bauteil sind. Abgesehen davon weist ein derartiger Rasierer keine weiteren Verschleißteile auf. Dadurch, dass der Rotor leicht abgenommen werden kann, ist eine besonders einfache Reinigung möglich.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 14 stellt einen besonders wartungsarmen, leicht herzustellenden Lüfter dar. Dieser weist eine direkt vom piezoelektrischen Antrieb angetriebene Luftschraube auf und ist somit besonders kompakt aufgebaut. Zudem arbeitet der Antrieb besonders ruhig, wodurch er für die Verwendung als Lüfter in Computern oder Projektoren prädestiniert ist.
  • Diese sowie weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen erläutert und verständlich.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebs als radialer Motor,
  • 2 einen Querschnitt durch den piezoelektrischen Antrieb in einem Rasierer,
  • 3 eine Draufsicht eines Rasierers mit piezoelektrischem Antrieb,
  • 4 einen dreieckigen Rotor für den piezoelektrischen Antrieb in Radialbauweise,
  • 5 den piezoelektrischen Antrieb als Radialaufbau mit aufgeweitetem kreisförmigem Rotor während der Montage,
  • 6 den piezoelektrischen Antrieb in einer Getriebeanordnung für einen Rasierer mit drei Rotationsscherköpfen,
  • 7 eine Pumpe mit einem radialen piezoelektrischen Antrieb,
  • 8 die Pumpe mit einem zweiteiligen Piezoelement,
  • 9 den radialen piezoelektrischen Antrieb als Explosionsdarstellung,
  • 10 einen axialen piezoelektrischen Antrieb als Explosionsdarstellung,
  • 11 einen piezoelektrischen Antrieb statt eines herkömmlichen Elektromotors in einem Rasierer und
  • 12 einen piezoelektrischen Radnabenmotor.
  • Wie bei dem in 1 dargestellten radialen Motor gezeigt ist, besteht die neue Ausgestaltung eines piezoelektrischen Antriebs aus einem Stator 2a mit einem zylindrischen Piezoelement 2 und einem Rotor 4, wobei das Piezoelement 2 auf der dem Rotor 4 zugewandten Seite eine Kontaktfläche 2b aufweist, die gegen Verschleiß mit einem abriebfesten Material beschichtet ist. Das Piezoelement 2 weist zwei Elektroden auf, durch die sich das Piezoelement 2 in axialer Richtung zusammenziehen kann, wenn elektrische Spannung angelegt wird, und sich folglich in radiale Richtung aufweiten kann. Der ringförmige oder zylindrische Rotor 4 weist an seiner Innenseite ein mechanisches Übertragungselement 1 auf, das das Piezoelement 2 mit Hilfe von drei Erhebungen 3 berührt und relativ zum Piezoelement 2 vorgespannt ist. Diese Vorspannung wird bei der Bauweise als radialer Motor einfach dadurch erreicht, dass der Durchmesser des Piezoelements 2 etwas größer als der wirksame Durchmesser des Kreises an den drei Erhebungen 3 ist. Um den Antrieb in Bewegung zu versetzen, wird an das Piezoelement 2 des Stators 2a eine Wechselspannung angelegt, sodass sich das Piezoelement 2 dann periodisch in axiale Richtung zusammenzieht. Unter Berücksichtigung des Poissonschen Beiwerts des Piezoelements 2 weitet es sich mit einer elektrischen Resonanzfrequenz des Piezoelements 2 in radiale Richtung periodisch auf und übt auf die Erhebungen 3 eine Kraft aus. Diese werden nun in periodische Schwingung versetzt, beginnen sich auf der Kontaktfläche 2b des Piezoelements 4 zu bewegen und erzeugen somit mechanisch die erforderliche zweite Resonanzfrequenz. Folglich wird der Rotor 4 in eine Drehbewegung versetzt. Um das Piezoelement 2 zu aktivieren, wird nur eine elektronische Treiberstufe benötigt.
  • Durch Überlagerung der mechanischen Resonanzfrequenz der drei Erhebungen 3 des Übertragungselements 1 und der elektrischen Resonanzfrequenz des Piezoelements 2 werden der Rotor 4 und das Übertragungselement 1 in eine Drehbewegung versetzt. Die Erhebungen 3 machen somit kleine Sprünge auf der Oberfläche des Piezoelements 2. Der Rotor 4 und das Übertragungselement 1 sind fest miteinander verbunden oder können aus einem Bauteil bestehen. Da der Rotor 4 radial vom Stator 2a geführt wird, ist kein zusätzliches Radiallager erforderlich. Der Rotor 4 kann direkt mit einem zu drehenden Gegenstand, z. B. einer Welle, verbunden sein. Daher ist die neue Ausgestaltung des piezoelektrischen Antriebs äußerst wartungsarm und wirtschaftlich.
  • Sie eignet sich daher bestens zur Verwendung in einem Elektrorasierer mit Rotationsscherköpfen 19. 2 zeigt einen derartigen Scherkopf 19 mit Direktantrieb. Der Stator 2a liegt geschützt in einem Gehäuse 5, das auch das Gehäuse des Rasierers sein kann, wahlweise kann das Gehäuse 5 auf einer Trägerplatte 6 befestigt sein. Der Rotor 4 mit dem Übertragungselement 1 liegt um das rotationssymmetrische Gehäuse 5 herum. Die Vibrationen des Piezoelements 2 werden hier vom Gehäuse 5 auf das Übertragungselement 1 übertragen. Deshalb dreht sich der Rotor 4 mit dem Übertragungselement 1 um das Gehäuse 5. Der Rotor 4 ist an seiner Außenseite gleichzeitig als Scherkopf 19 geformt und entfernt so das Gesichtshaar eines Benutzers. Somit ist ein einfacher Austausch des verschlissenen Scherkopfs 19 möglich, indem einfach ein neuer Rotor 4 über das Gehäuse 5 geschoben wird. Dies ist in 3 bei einem Rasierer mit drei Scherköpfen dargestellt. Das Gehäuse 5 muss natürlich aus abriebfestem Material bestehen, da das Übertragungsele ment 1 des Rotors 4 direkt auf dem Gehäuse läuft. Es ist zweckmäßig, dass das Gehäuse 5 gegen Verschleiß beschichtet ist.
  • Statt eines kreisförmigen Rotors 4 ist ein dreieckiger Rotor 4 möglich, wie in 4 dargestellt. Hier bestehen der Rotor 4, das Übertragungselement 1 und die Erhebungen 3 aus einem Bauteil. Bei der mittigen Anordnung der Erhebungen 3 in einem gleichseitigen Dreieck liegen alle Berührungspunkte der Erhebungen 3 und des Piezoelements 2 auf einem Inkreis. So kann ein derartiger Rotor 4 gleichmäßige Drehbewegungen ausführen. Im Vergleich zum kreisförmigen Rotor 4 von 1 bringt der dreieckige Rotor den Vorteil mit sich, dass er wesentlich elastischer ist. Er kann daher stärker aufgeweitet werden. Dies ist besonders vorteilhaft beim Befestigen des Rotors 4 auf dem Piezoelement 2, da der Innendurchmesser d des Rotors 4 zwischen den Erhebungen 3 aufgeweitet werden muss. Außerdem ist die Vorspannung während des Betriebs geringer, während der Antrieb effizienter und effektiver ist. Statt eines dreieckigen Rotors 4 ist auch ein Rotor mit mehreren Ecken (vieleckiger Rotor) möglich. Der Rotor 4 kann statt der glatten Verbindungen 4a zwischen den Erhebungen 3 auch mäanderartige Verbindungen aufweisen, insbesondere Verbindungen in Konzertinaform, sodass der Rotor 4 noch elastischer wird und sozusagen Federelemente in den Rotor 4 eingebaut sind.
  • Die Befestigung eines kreisförmigen Rotors 4 auf dem Piezoelement 2 ist in 5 dargestellt. Durch Druckausübung auf den Rotor 4 an mehreren Stellen bewegen sich die Erhebungen 3 des Übertragungselements 1 leicht zur Seite und geben somit einen größeren Innendurchmesser d frei. In diesem Zustand kann das Piezoelement 2 in den Rotor 4 geschoben werden. Anschließend wird kein Druck mehr ausgeübt und der Rotor 4 wird relativ zum Piezoelement 2 vorgespannt.
  • Wenn bei einem Elektrorasierer mehrere Rotationsscherköpfe von einem piezoelektrischen Motor angetrieben werden sollen, wird eine Anordnung wie in 6 empfohlen. Hier ist das Piezoelement 2 über einen Stator 2a mit einer Grundplatte 8 verbunden, die gleichzeitig zur Befestigung der Wellen 9 der Rotationsscherköpfe dient. Der Rotor 4 ist an seiner Außenseite als Zahnrad ausgebildet und treibt so die Wellen über weitere Zahnräder 7 an. Da das Piezoelement fest mit der Grundplatte 8 verbunden ist und die Wellen 9 ebenfalls in der Grundplatte 8 befestigt sind, wird eine sehr stabile und kompakte Anordnung erreicht, die besonders flach ausgeführt werden kann.
  • Der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb eignet sich in der Radialbauweise bestens als Antrieb für eine Pumpe. Eine derartige Pumpe gemäß 7 und 8 besteht im Wesentlichen aus einem Rohr 10, das zum Transport des Förderguts dient. Im Rohr 10 befindet sich ein den Rotor 4 haltendes Lager 11. Der Rotor treibt direkt ein Turbinenrad 12 an, das das Fördergut durch das Rohr 10 pumpt. Um den Rotor in Drehung zu versetzen, befindet sich in Höhe des Rotors 4 außerhalb des Rohrs 10 ein ringförmiges oder zylindrisches Piezoelement 2. Dieses Piezoelement 2 versetzt den Rotor 4 durch die Wand des Rohrs 10 hindurch in Drehbewegung. Da sich die Erhebungen 3 an der Innenwand des Rohrs 10 weiterhin bewegen, muss das Rohr 10 aus einem abriebfesten Material bestehen oder, zumindest an dem Punkt, an dem es von den Erhebungen 3 des Rotors 4 berührt wird, mit einer widerstandsfähigen Beschichtung versehen sein, da die Innenwand des Rohrs 10 hier gleichzeitig als Kontaktfläche 2b dient. Zur einfacheren Montage kann das Piezoelement 2 auch aus zwei von einem äußeren Ring 13 zusammengehaltenen Bauteilen bestehen.
  • 9 zeigt den piezoelektrischen Antrieb als radialen Motor, der für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann. Die Anwendungen werden von einem Zahnrad 7 angetrieben. Der gesamte Motor ist in einem zweiteiligen Gehäuse 14a, 14b untergebracht, aus dem nur das Zahnrad 7 und elektrische Anschlüsse herausragen. Das Piezoelement 2 ist zwischen zwei Trägerelementen 15a, 15b mit Hilfe von zwei Befestigungselementen 16a, 16b mit den Gehäuseteilen 14a, 14b verbunden. Der Rotor 4 dreht sich um das Piezoelement 2 und überträgt seine Kraft über einen Ring 17a und ein Federelement 17b auf eine Antriebswelle 18. Die Antriebswelle ragt durch ein Loch aus dem Oberteil 14a des Motors heraus und ist auf diese Weise dort mit dem Zahnrad 7 verbunden. Insgesamt kann ein derartiger Motor sehr flach hergestellt werden und benötigt keine Radiallager, da der Rotor 4 durch das Piezoelement 2 zentriert wird. In axialer Richtung wird ein Wandern des Rotors durch die Gehäusehälften 14a, 14b verhindert, die ein Axiallager bilden. In 11 ersetzt ein derartiger piezoelektrischer Antrieb einen herkömmlichen Motor 18 in einem Elektrorasierer. Hier treibt der Motor über ein Zahnrad 7 eine Getriebewelle 20 an, die wiederum einen Scherkopf 19 zum Drehen bringt. Der Motor befindet sich in einem Gehäuse 21, das gleichzeitig als Griff dient. Der radiale Motor eignet sich bestens als Antrieb für einen Lüfter, insbesondere als Antrieb für einen Computerlüfter. Hier wird eine Luftschraube einfach vom Zahnrad 7 angetrieben. Das Zahnrad 7 kann auch direkt durch die Luftschraube ersetzt werden und so einen Lüfter mit Direktantrieb schaffen.
  • Statt des in den vorstehenden Beispielen beschriebenen radialen Motoraufbaus ist auch eine axiale Bauweise möglich. Ein derartiger axialer Motor ist in 10 dargestellt. Hier ist das Piezoelement 2 an einem ringähnlichen Stator 2a angebracht und treibt zwei Rotoren 4 an, die das Piezoelement 2 jeweils an einer Seite berühren. Der Stator 2a ist zwischen zwei Gehäusehälften 14a und 14b eingespannt. Die Rotoren 4 weisen auf der dem Piezoelement 2 abgewandten Seite Federelemente 15b auf, die die erforderliche Vorspannkraft auf die Rotoren 4 ausüben. Über ein Röhrchen 16a sind die beiden Rotoren 4 und die Federelemente 15b mit einer gemeinsamen Welle 9 verbunden und sind mit den Sicherungselementen 16b, 16c und 16d an der Welle 9 befestigt. Der obere Gehäuseteil 14a weist wie beim radialen Motor ein Loch auf, durch das die Welle 9 nach außen herausragt. An der Außenseite der Welle 9 ist ebenfalls ein Zahnrad 7 befestigt, das die Kraft des Motors auf die anzutreibenden Bauteile auf der Außenseite überträgt. Dieser Motor ist länger als ein vergleichbarer radialer Motor, weist jedoch einen geringeren Durchmesser auf. Ein derartiger axialer Motor kann statt eines herkömmlichen Motors 18 auch in einem in 11 dargestellten Rasierer eingesetzt werden.
  • Ein radialer piezoelektrischer Antrieb kann auch als Direktantrieb für das Rad eines Fahrzeugs verwendet werden. Ein derartiges in 12 dargestelltes Antriebskonzept beruht auf einem Radnabenmotor. Das Radlager besteht aus dem radialen Piezoelement 2 und die Felge bildet den Rotor 4. Die Vorspannkraft auf den Rotor 4 wird dann vom Gewicht des Fahrzeugs ausgeübt. Ein derartiges Fahrzeug kann ohne weiteres Allradantrieb aufweisen und benötigt keine Antriebswellen. Das Piezoelement 2 benötigt lediglich eine entsprechende Stromversorgung.

Claims (15)

  1. Piezoelektrischer Antrieb, der einen Stator (2a) und einen Rotor (4) umfasst und bei dem der Stator (2a) ein zylindrisches Piezoelement (2) aufweist, das mindestens zwei Elektroden und mindestens eine Kontaktfläche (2b) und eine erste Resonanzfrequenz aufweist, und bei dem der Rotor ein mechanisches Übertragungselement (1) zwischen dem Piezoelement (2) und dem Rotor (4) aufweist, wobei das Übertragungselement (1) Erhebungen (3) aufweist, die unter einem bestimmten Winkel in die Richtung der Kontaktfläche (2b) des Piezoelements (2) zeigen, unter Vorspannung an der Kontaktfläche (2b) anliegen und eine zweite Resonanzfrequenz aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Resonanzfrequenz ungefähr übereinstimmen oder in etwa Vielfache voneinander sind, sodass durch das Piezoelement (2a) durch periodische Druckausübung auf die Erhebungen (3) Vibrationen der zweiten Resonanzfrequenz in den Erhebungen (3) angeregt werden, wodurch sich die Erhebungen (3) periodisch von der Kontaktfläche (2b) abheben und der Rotor (4) in Drehung versetzt wird, und sodass die Erhebungen (3) zur gleichen Zeit in dieselbe Richtung vibrieren, wobei die Richtung die Drehrichtung des Rotors (4) ist.
  2. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (3) eine senkrecht auf die Kontaktfläche (2b) wirkende, beinahe gleich große Vorspannkraft erfahren.
  3. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Übertragungselement (1) drei oder mehr in regelmäßigen Abständen angeordnete Erhebungen (3) aufweist.
  4. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) und das mechanische Übertragungselement (1) ein Bauteil sind oder fest miteinander verbunden sind.
  5. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) zumindest auf der Kontaktfläche (2b) beschichtet ist.
  6. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Übertragungselement (1) elastische Eigenschaften und zwischen seinen Erhebungen (3) einen geringeren Durchmesser als das Piezoelement (2) aufweist und somit relativ zum Piezoelement (2) vorgespannt ist.
  7. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Antrieb ohne zusätzliches Lager in Richtung der Vorspannkraft betrieben werden kann.
  8. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Befestigen des Rotors (4) mit dem mechanischen Übertragungselement (1) am Piezoelement (2) eine elastische Verformung des Rotors (4) und des mechanischen Übertragungselements (1) durch die Ausübung von Kräften an bestimmten Punkten am Rotor (4) geschaffen wird, sodass der Durchmesser zwischen den Erhebungen (3) größer ist als der des Piezoelements (2).
  9. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (1) und der Rotor (4) die Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweisen, bei dem sich in der Mitte jeder Seite des Dreiecks eine nach innen weisende Erhebung (3) befindet.
  10. Motor zum Antreiben drehbarer oder beweglicher Teile (7) mit einem piezoelektrischen Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor in einem Mechanismus enthalten ist und zum Antreiben von Zahnrädern (7) vorgesehen ist.
  12. Elektrorasierer mit Rotationsschneidwerkzeugen (19), dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1 zum Antrieb der Rotationsschneidwerkzeuge (19) vorgesehen ist.
  13. Elektrorasierer mit Rotationsschneidwerkzeugen (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsschneidwerkzeuge (19) die Rotoren (4) eines piezoelektrischen Antriebs nach Anspruch 1 sind.
  14. Elektrisch angetriebener Lüfter, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter eine Luftschraube aufweist, die dafür vorgesehen ist, von einem piezoelektrischen Antrieb nach Anspruch 1 angetrieben zu werden.
  15. Elektrische Einrichtung mit einem piezoelektrischen Antrieb nach Anspruch 1.
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1485985B1 (de) * 2002-03-15 2006-08-02 miniswys SA Piezoelektrischer motor und verfahren zum antrieb desselben
US7118356B2 (en) * 2002-10-02 2006-10-10 Nanyang Technological University Fluid pump with a tubular driver body capable of selective axial expansion and contraction
US7157830B2 (en) * 2003-04-02 2007-01-02 Piezomotor Uppsala Ab Near-resonance wide-range operating electromechanical motor
JP2004350764A (ja) * 2003-05-27 2004-12-16 Izumi Products Co 充電式電気かみそり
CH696993A5 (de) * 2004-06-24 2008-02-29 Miniswys Sa Antriebseinheit.
US7696673B1 (en) 2006-12-07 2010-04-13 Dmitriy Yavid Piezoelectric generators, motor and transformers
US9590534B1 (en) 2006-12-07 2017-03-07 Dmitriy Yavid Generator employing piezoelectric and resonating elements
US10355623B1 (en) 2006-12-07 2019-07-16 Dmitriy Yavid Generator employing piezolectric and resonating elements with synchronized heat delivery
US9027251B2 (en) 2009-04-29 2015-05-12 Spectrum Brands, Inc. Rotary electric shaver
CN201525040U (zh) * 2009-11-19 2010-07-14 上海真博电器有限公司 一种三刀头电动剃须刀
US10011035B2 (en) * 2015-02-23 2018-07-03 Makita Corporation Machining device and electric motor for the same
DE102015102711A1 (de) * 2015-02-25 2016-08-25 Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH Rekuperationsfähige Antriebsvorrichtung
DE102015009833B3 (de) * 2015-08-03 2017-01-19 Kocks Technik Gmbh & Co Kg "Lager für einen Walzenzapfen einer Walze oder für eine Walzenwelle eines Walzgerüsts und Walzgerüst"
EP3300848B1 (de) * 2016-09-28 2019-10-23 Braun GmbH Elektrischer rasierapparat
CN107332460B (zh) * 2017-02-27 2019-05-24 西安交通大学 一种高性能压电单晶贴片式环型超声电机用振子
CN108039405B (zh) * 2018-01-11 2023-10-20 中国工程物理研究院总体工程研究所 一种压电元件、压电传感器和速度及位移检测装置
CN110067832B (zh) * 2019-05-05 2022-04-19 广东工业大学 一种压电陶瓷驱动器预紧装置
CN113395014B (zh) * 2021-06-02 2023-07-11 温州大学 一种微型高转速中空超声电机
CN113928055B (zh) * 2021-10-25 2024-05-28 江西农业大学 基于压电驱动的高机动性轮式移动装置及其控制方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE436675B (sv) 1975-08-12 1985-01-14 Ki Politekhnichsky I Im 50 Let Elektrisk motor driven genom piezoelektriska krafter
AT384912B (de) * 1982-04-16 1988-01-25 Ki Polt I Piezoelektrischer motor
AT382262B (de) * 1982-04-16 1987-02-10 Ki Polt I Piezoelektrischer motor
JPH0648910B2 (ja) * 1987-02-12 1994-06-22 日本電気株式会社 圧電モ−タ
US4959580A (en) 1987-02-28 1990-09-25 Kievsky Politekhnichesky Institut Imeni Piezoelectric motor
JP2608413B2 (ja) * 1987-07-26 1997-05-07 本多電子株式会社 超音波駆動装置
JP2968352B2 (ja) * 1991-02-08 1999-10-25 貞行 上羽 超音波モータ
CH685183A5 (fr) 1991-08-30 1995-04-13 Asulab Sa Moteur piézo-électrique.
US5332941A (en) * 1992-02-21 1994-07-26 Honda Electronics Co., Ltd. Ultrasonic driving motor
US5631517A (en) * 1994-05-23 1997-05-20 Hitachi, Ltd. Ultrasonic motor and driving for the ultrasonic motor
CH686854B5 (de) * 1994-12-29 1997-01-31 Ebauchesfabrik Eta Ag Piezoelektrischer Motor mit Einrichtung, die Informationen bezueglich der Rotorposition und/oder -drehzahl liefert.
JP3828256B2 (ja) * 1997-11-21 2006-10-04 アスモ株式会社 超音波モータ及びその駆動方法
DE19757139A1 (de) * 1997-12-20 1999-06-24 Philips Patentverwaltung Antriebsvorrichtung für wenigstens zwei Rotationselemente mit wenigstens einem piezoelektrischen Antriebselement

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Publication number Publication date
CN1459141A (zh) 2003-11-26
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WO2002075913A1 (en) 2002-09-26
EP1374384B1 (de) 2007-02-14
ATE354203T1 (de) 2007-03-15
DE10113660A1 (de) 2002-09-26
IL157997A0 (en) 2004-03-28
JP2004519984A (ja) 2004-07-02
US20030177642A1 (en) 2003-09-25
EP1374384A1 (de) 2004-01-02

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