DD203191A1 - Piezoelektrischer schlingfedervibroantrieb - Google Patents

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine neue Variante eines Vibroantriebes dargestellt, bei der als Koppelelement zwischen dem Schwinger und den anzutreibenden Element eine Kombination verwendet wird, die aus einer Schlingfeder und einer darin angeordneten Achse besteht. Diese Kombination hat, durch den Wickelsinn der Schlingfeder bedingt, die Eigenschaft, die vom Schwinger verursachte Bewegung mit dem einen Vorzeichen des Richtungsvektors zu uebertragen, beim anderen Vorzeichen jedoch frei auf der Achse zu gleiten. Daraus resultiert eine rotatorische Bewegung. Die dargestellte Erfindung zeichnet sich durch Einfachheit und ein groszes Anzugsmoment aus.

Description

Beschreibung der Erfindung

Titel der Erfindung: "Piezoelektrischer Schlingfedervibroan-

trieb"

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe, mit der rotatorische Bewegungen erzeugt werden. Als Krafterzeuger dienen piezokeramische Elemente, die elektrisch, zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Diese Schwingungen werden einem Koppler zugeführt, der aus einer Achse und einer oder mehreren Schlingfedern, die ringförmig um diese Achse gelegt sind, besteht. Die Wicklung dieser Schlingfedern ist derart gestaltet, daß bei dem einen "Vorzeichen des Richtungsvektors der Schwingung eine Mitnahme der Achse durch Anzug der Feder in Wickelrichtung erfolgt. Bei dem anderen Vorzeichen des Richtungsvektors wird die Schlingfeder jedoch gelöst und gleitet zwischen Achse und Feder frei zurück. Daraus ergibt sich ein periodischer Anstoß und somit Antrieb der Achse infolge des Zusammenwirkens mit Trägheitskräften.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist für rotatorische Antriebszwecke in der elektrischen Feinwerktechnik vorgesehen, wie elektrische Konsumgüter, Positioniergeräte, Anzeigegeräte, Speicher, Spielzeug.

/ZU 9 3

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ss sind folgende technische Lösungen bekannt:

1. Das Mikrostoßprinzip: bei dem ein oder mehrere piezoelektrische Schwinger ein antreibendes mechanisches Koppelelement in eine kreisförmige, elliptische oder rechteckförmige Bewegung versetzen. Hierbei erfolgt durch die Aufhängung des Systems bedingt eine Mitnahme des Rotors des Antriebes bei der Vorbewegung des Koppelelementes. Die Mitnahme erfolgt stoßförmig und unter Ausnutzung der mechanischen Reibung zwischen Koppelelement und Rotor. Bei der Rückbewegung des Koppelelementes ist die Verbindung zwischen diesen und dem Rotor gelöst. Die bekannten Systeme besitzen Auslenkungen (Hin- bzw. Rückbewegung des Koppelelementes) zwischen 0,1 und 20 pm. bei Frequenzen bis 100 kHz.

Es gibt analog auch translatorische Systeme insbesondere für Mikropositionierungen. Diese Lösungen haben einen einfachen Aufbau, erfördern jedoch eine exakte Optimierung der geometrischen und elektronischen Parameter, um hinreichende Laufeigenschaften zu erzielen.

Die Reproduzierbarkeit der Parameter über einen längeren Zeitraum ist auf Grund der Abnutzungserscheinungen zwischen Koppelelement und Rotor nur bei ausgewählten Anwendungsfällen hinreichend. Das Anlaufmoment ist niedrig.

Eine weitere Ausführung des Mikrostoßprinzips verwendet ein Arbeitspiezoelement und ein Rückkopplungspiezoelement, wobei eines dieser Piezoelemente eine Stufe eines Ultraschallkonzentrators berührt. Dieser Ultraschallkonzentrator kann verschiedene Bauformen haben. Bei einer Variante hat die Stufe die Form eines Zylinders,

in^dessen „Körperauf der gesamten Höhe - aber nicht auf ganzer Tiefe - geneigte nutförmige Schlitze eingebracht sind. Bei einer zweiten Variante sind auf der Seitenfläche des Zylinders unter einem gewissen Winkel Viertelwellenlängenstäbe angebracht.

Wird das Piezoeleraent bei beiden Varianten aa einen geeigneten Frequenzgenerator angeschlossen, erfolgt.in der Konzentratorstufe eine Umwandlung der Längsschwingungen in

3 16 11O9 3

Drehschwinsungen. Diese Drehsciiwingungen pflanzen sich längs der Stufe fort und gehen durch geeignete Kopplung in Drehschwingungen der Antriebsstufe über. Ein Übergang erfolgt dann, wenn die Stufen viertelwellig ausgeführt sind. Eine Verstärkung der Schwingungen erfolgt auf Grund der Differenz zwischen dem Querschnitt der Stufe und dem Inhalt der Seitenfläche der Antriebsstufe. Heben den Drehschwingungen werden auch Radialschwingungen in der Antriebsstufe erregt. Das beiderseitige Einwirken auf den Rotor versetzt ihn in eine Drehbewegung. Die angegebenen Lösungen sind in den Patenten 29 10 698 und 29 10 700 dargestellt. Grundlage für die Bewegung sind bei diesen Varianten ebenfalls Reibschlüsse, die die oben erwähnten Kachteile haben.

2. Das Klemmprinzip (inch - worm)

Hierbei erfolgt der Antrieb eines rotatorischen oder translatorischen Systems durch wechselseitiges Ausdehnen bzw. Pesthalten von oder durch Piezoelementen, Elektromagneten oder Elektreten. Das Festhalten erfolgt hierbei ebenfalls durch mechanische Reibung. Das System ist besonders für Positionierungen geeignet. Die Arbeitsfrequenzen betragen meist weniger als 10 kHz und die Stellwege 0,1 bis 100 ^m. Einige Lösungen der aufgeführten Varianten sind Kraftrichtgesperren zuordenbar.

3. Oberflächenwellen auf Pestkörpern

Hierzu liegen nur Informationen aus der Literatur bzw. mündlich vor. Der Antrieb erfolgt durch laufende Wellen an der Oberfläche von Kristallen. Praktische Realisierungsbei- _' spiele konnten nicht gefunden werden.

4. Formschlüssige Richtgesperre

Es werden Ratschen oder Ankerhemmungen zur Umwandlung der Energie der Schwinger in eine rotatorische oder translatorische Schrittbewegung verwendet. Ihr Einsatz ist in der Regel auf Schrittantriebe, insbesondere für mechanische Anzeigen begrenzt, da bei der übertragung großer Drehmomente der Verschleiß erheblich ansteigt.

Alle vier Varianten haben dann, wenn piezoelektrische Keramik

237209 3

als energieerzeugendes Element verwendet wird, den Vorzug einer durchgreifenden Einsparung an Buntmetallen gegenüber Antriebsmotoren mit elektromagnetischen Spulen. Die Antriebe können bei entsprechender Optimierung auch im luftleeren Raumbzw, in der Schwerelosigkeit mit hinreichend reproduzierbaren Parametern eingesetzt werden. Durch die Einsparung von Spulen kann der Arbeitsgang Spulen-Wickeln entfallen, woraus sich eine Steigerung der Arbeitsproduktivität gegenüber klassischen Antriebsmotoren ergibt.

Ziel der Erfindung

Der generelle Torzug keramischer Antriebe besteht darin, daß anstelle von elektrischen Spulen, die Buntmetalle - insbesondere Kupfer - als wesentlichen Bestandteil enthalten, keramische Massen verwendet werden. Die Rohstoffe für diese Massen sind billiger und leichter zu beschaffen als Kupfer. Pur das keramische System wird bei gleicher Leistung eine wesentlich geringere Menge an Buntmetall benötigt als für Systeme, die übliche Elektromotoren als Antrieb verwenden. Unabhängig davon haben die keramischen Antriebe den Vorteil, daß die Herstellung der elektrischen Spulen entfällt, die einen hohen Arbeitszeitaufwand erfordern. Die zur Aufbereitung der elektrischen Steuerspannungen erforderlichen elektrischen Vierpole sind zwar in der Struktur komplizierter als die herkömmlicher Elektromotoren, können jedoch durch die Leistungsfähigkeit der mikroelektroriischen Industrie effektiv in Form integrierter Schaltkreise realisiert werden. Der dargestellte "Piezoelektrische Schlingfedern vi br ο an trieb'¹ besitzt gegenüber anderen Vi broan trieben den Vorteil eines höheren Anzugsmomentes, einen einfachen mechanischen Aufbau und eine höhere Zuverlässigkeit als andere bekannte Lösungen. Dies wird durch die flächenförmig verteilte Wirksamkeit des Klemm-Gleit-Koppelelementes "Schlingfeder" bewirkt, die bei einigen Anwendungsfällen auch geschmiert werden kann.

23 72 D 9

Darstellung; des Wesens der Erfindung: -

Technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird Die dargestellte Erfindung verwendet als Koppelelement zur Umsetzung der Schwingenergie des oder der piezoelektrischen Schwinger eine oder mehrere Schlingfedern mit dazugehöriger Achse, die bei einem Vorzeichen des Richtungsvektors dieser Schwingung gesperrt (Mitnahme), beim anderen Vorzeichen jedoch gelöst (Rückbewegung) sind. Gegenüber Vibrokopplern, die das Mikrostoßprinzip ausnutzen, ist durch die flächenförmige Ausdehnung der Berührungsfläche Schling-Peder-Achse der Mi tnahme-Rückgleitvorgang mit einem wesentlich reduzierten mechanischen Abrieb verbunden. Dieser Abrieb kann durch Schmierung noch wesentlich weiter reduziert werden. Bei einigen Varianten von Kopplern, die nach dem inch-worm Prinzip arbeiten, ist zwar ebenfalls ein geringer mechanischer Verschleiß möglich, jedoch ist die Herstellung derartiger Gebilde mit extremen Genauigkeitsforderungen verbunden, woraus ein hoher Fertigungsaufwand mit Genauigkeitsmaschinen erforderlich ist. Der Aufbau des Schlingfedemvibroantriebes ist jedoch einfach, weshalb der Einsatz im Bereich der Konsumgütertechnik ökonomisch vertretbar ist. Heben der Erzeugung von rotatorischen Drehbewegungen kann auch eine Schrittbewegung erzeugt werden, wenn das System durch elektrische Einzelimpulse angesteuert wird. Durch Anlegen definierter statischer Spannungen an die Keramik (en) ist eine Feinpositionierung des Drehwinkels im Bereich dea jeweiligen Einzelschrittes möglich. Sin Vorzug des Schlingfedernvibroantriebes besteht auch darin, daß er den Mikrostoß-Vibroantrieben im Anzugsvermögen.überlegen ist. Dies resultiert daraus, daß die Klemmwirkung der Schlingfeder durch eine große Trägheit oder Bremsung der anzutreibenden Achse noch erhöht wird.

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Schlingfedervibroantrieb verwendet wird, der aus folgenden

237209 3

Teilen entsprechend Bild 1 besteht:

. dem Schwinger 4, der aus einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen unterschiedlicher Ausführung bestehen kann'und eine Schwingung x(t) erzeugt.

. der Schlingfeder 1, die in Zusammenwirkung mit der Achse die vom Schwinger erzeugte Energie in eine rotatorische Bewegung dieser Achse umwandelt.

. der Achse 5, die mit einem Rotor 3 verbunden sein kann und von der das mit der Anordnung erzeugte Drehmoment abgegriffen wird.

Der Schwinger, der aus einem oder mehreren Piezoelementen besteht, ist mit der Schlingfeder direkt oder indirekt starr derart gekoppelt, daß die Schlingfeder die vom Schwinger erzeugten Schwingungen ausführt. Diese Schwingungen können nach der Beziehung x(t) = χ sin (wt + f ) beschrieben werden. Die Schlingfeder ist symmetrisch auf einer Achse angeordnet. Durch den Wickelsinn der Feder ergibt sich bei dem einem Vorzeichen der Schwingung ein Pestziehen auf der Achse, wodurch die Achse um einen Drehwinkel f angetrieben wird, während bei dem anderen Vorzeichen der Schwingung sich die Feder weitet und somit gelöst zum Ausgangspunkt zurückgleitet. Dieser Vorgang wiederholt sich mit w, wodurch die Achse in eine rotatorische Bewegung versetzt wird.

Durch die Trägheit der Achse bzw. des Rotors wird erreicht, daß die Rotation mit einheitlichem Richtungsvektor erfolgt. Wird die Anordnung für Positionierzwecke eingesetzt, so ist eine Ansteuerung der Keramik (en) mit einer entsprechenden Folge elektrischer Impulse durchzuführen, wobei bei jedem Impuls eine definierte Schrittweite erzielt wird. Durch Anlegen von statischen Gleichspannungen an die Keramik (en) kann eine Feinpositionierung innerhalb der Schrittweite vorgenommen werden. ,

Ausführungsbeispiel

Ein Schwinger 4, der aus einem oder mehreren Piezoelementen besteht, ist mit einer Schlingfeder 1 direkt oder indirekt starr derart gekoppelt, daß die Schlingfeder die vom Schwinger erzeugten Schwingungen ausführt. Diese Schwingungen kön-

23720 9 3

ηen nach der Beziehung x(t) = χ sin (wt + / ) beschrieben werden. Die Schlingfeder ist symmetrisch auf einer Achse angeordnet.

Durch den Wickelsinn der Jeder ergibt sich bei dem einen Vorzeichen der Schwingung ein Festziehen auf der Achse, wodurch die Achse um einen Drehwinkel f angetrieben wird, während bei dem anderen Vorzeichen der Schwingung sich die Feder weitet und somit gelöst zum Ausgangspunkt zurückgleitet. Dieser Vorgang wiederholt sich mit w, wodurch die Achse in eine rotatorische Bewegung versetzt wird.

Durch die Trägheit der Achse bzw. des Rotors wird erreicht, daß die Rotation mit einheitlichem Richtungsvektor erfolgt. Die Anordnung ist auch dazu geeignet Einzel- und Mehrfachschritte um einen definierten Drehwinkel f zu vollführen. Hierzu wird der Schwinger mit elektrischen Einzelimpulsen bzw. Impulsfolgen angesteuert.

Innerhalb der damit erzeugten Schrittweiten kann eine Feinpositionierung durch das Anlegen statischer elektrischer Spannungen an den Schwinger erfolgen.

Die in der Erfindung dargestellte Anordnung besitzt folgende Vorteile.

Es können piezokeramisehe Elemente als krafterzeugendes Element verwendet werden, wodurch die bei herkömmlichen Antrieben erforderlichen elektromagnetischen Spulen entfallen. Daraus ergibt sich die Reduzierung des Buntmetallaufwandes, insbesondere an Kupfer, sowie die Einsparung des relativ zeitaufwendigen Arbeitsganges "Spulen wickeln". Gegenüber anderen Vibroantrieben ist der Schlingfedernvibroantrieb einfacher im Aufbau, besitzt einen wesentlich geringeren Verschleiß als andere mikrostoßgetriebene Vibroantriebe sowie ein wesentlich höheres Anzugsmoment. Außerdem kann er so optimiert werden, daß der Schrittbetrieb sowie eine Feinpositionierung möglich sind. Aus diesen Vorteilen ergeben sich sinnvolle Einsatzgebiete für Haupt- und Nebenbewegungen in Tonaufzeichnungsgeräten als auch in Positioniergeräten z.B. für die Halbleiterindustrie, als auch für andere Zwecke der Halbleiterindustrie.

Claims (1)

1. Erf indungsan spruch

   Piezoelektrischer Schlingfedernvibroantrieb zur Erzeugung rotatorischer Bewegungen insbesondere für

   elektrische Peinmrktechnik,

   Tonaufzeichnungs- und Wiedergabegeräte,

   Positioniermaschinen,

   elektrische Konsumgüter und Spielzeug

   geeignet, gekennzeichnet dadurch, daß ein Schwinger, der aus einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen besteht,
   starr mit einer Schlingfeder verbunden, die vom Schwinger in Schwingungen versetzt wird und dabei auf einer Achse symmetrisch sich derart bewegt, daß verursacht durch ihren Wickelsinn sie sich bei dem einen Vorzeichen der Bewegung an der
   Achse festzieht und somit mit der Achse mechanisch verbunden, bei anderem Torzeichen der Schwingung jedoch weitet und dadurch frei auf der Achse zurückgleitet, wodurch ein pulsierender Schub der Achse eine Rotation der Achse bewirkt, die
   durch deren Trägheit bzw. die Trägheit eines mit ihr verbundenen Rotors eine gleichförmige rotatorische Bewegung der Achse bewirkt. Bei Ansteuerung des Schwingers mit elektrischen Einzel- oder Polgeimpulsen können auch Einzel- oder Polgeschritte der Achse mit einem Schrittwinkel f erfolgen. Innerhalb
   dieses Schrittwinkels ist eine Peinpositionierung durch Anlegen definierter Gleichspannungen an den Schwinger vornehmbar.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen