EP2064754A1 - Elektromechanischer stellantrieb - Google Patents

Elektromechanischer stellantrieb

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Publication number
EP2064754A1
EP2064754A1 EP07729758A EP07729758A EP2064754A1 EP 2064754 A1 EP2064754 A1 EP 2064754A1 EP 07729758 A EP07729758 A EP 07729758A EP 07729758 A EP07729758 A EP 07729758A EP 2064754 A1 EP2064754 A1 EP 2064754A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive
drive ring
electromechanical
drive elements
action
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07729758A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich-Jochen Blume
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Robert Wolfgang Kissel
Karl-Heinz Mittenbühler
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Noliac AS
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2064754A1 publication Critical patent/EP2064754A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors

Definitions

  • the present invention relates to an electromechanical actuator, in particular a piezoelectric stepper motor.
  • the cockpit of a motor vehicle tries to realize an optimal interplay of design and technology.
  • various pointer instruments In the driver's field of vision are various pointer instruments. These pointer instruments must meet different technical requirements as well as have a competitive price for the mass production of motor vehicles.
  • An example of such a pointer instrument is the "Messtechnik 2000" from Siemens VDO.
  • the four-pole stepper motor is controlled by two sinusoidal coil current waveforms phase-shifted by 90 ° phase-to-phase as a function of time: the sign of the phase shift determines the direction of rotation and the frequency the rotational speed In the course of a full period of 360 ° of the sinusoidal current curves, up to 128 intermediate stages can be set reproducibly. The use of these intermediate stages is referred to as micro-stepping operation.
  • a complete "Messtechnik 2000" actuator incorporating the above-identified stepper motor consists of twelve individual parts, the stepper motor itself being composed of two coils with a common stator plate and a permanent magnet rotor, and the coil and permanent magnet costs the most in terms of component cost ,
  • the decisive factors for the price are the production costs, which increase approximately proportionally to the number of components of the actuator. These high material costs as well as the increasing production costs for the actuator with the number of individual parts have an adverse effect on its mass production.
  • the electromechanical actuator has the following features: at least two electromechanical, preferably piezoelectric, drive elements, each having a not parallel aligned direction of action, a rotatably mounted in a drive ring such shaft that the drive ring by a deflection of the piezoelectric drive elements in the direction of action to a can be excited directly on the shaft displaceable sliding movement, so that the shaft rolls in the drive ring and thereby rotates, while the at least two electromechanical drive elements are articulated via a sliding coupling or a shear flexible structure, so that a mutual obstruction of the drive elements during the sliding movement is minimized.
  • the electromechanical actuator or rotary actuator is operated by means of solid state actuators, in particular strip-shaped solid-state bending actuators, as electromechanical energy converter elements.
  • solid state actuators in particular strip-shaped solid-state bending actuators
  • electromechanical drive elements Such bending actuators based on piezoelectric ceramic materials, which are referred to herein as electromechanical drive elements, are used in various types for many years versatile in industry. They are characterized by a Small design, low energy consumption and high reliability. For example, a piezoelectric bending actuator shows a lifetime of at least 10 9 cycles in an industrial environment.
  • the at least two electromechanical, preferably piezoelectric, drive elements are arranged such that their directions of movement are decoupled from one another, so that the drive elements do not hinder or negligible in their movement.
  • the drive elements are attached at least one end by means of a sliding link or a shear soft, pressure and tensile stable flex structure.
  • the sliding link or the shear-soft tensile and pressure-stable flex structure allow a free or approximately free movement of the drive elements in their longitudinal direction relative to the drive ring, while they are rigidly or immovably fixed in another direction, preferably perpendicular to the longitudinal axis of the drive element. In this way, the converted by the drive elements in motion electrical energy is optimally transmitted to the drive ring without loss of energy due to mutual obstruction of the drive elements occur.
  • the piezoelectric drive elements of the actuator bending transducers each having a longitudinal direction, which are aligned at right angles, parallel or any other, so that a space requirement of the actuator is optimally adapted to spatial events.
  • Different tangential planes at an imaginary diameter of the drive ring mirror symmetrical arrangement of the drive elements by an angle ⁇ in the range of 0 ° ⁇ ⁇ 180 °, preferably ⁇ 90 °, offset from each other or the two piezoelectric drive elements outside of the directions of action Plane and in two different tangent planes relative to the inner opening of the drive ring or one of the two piezoelectric drive elements in the plane spanned by the effective directions plane and the other drive element outside the plane spanned by the directions of action and in two different tangent planes with respect to the inner opening lie of the drive ring.
  • the piezoelectric bending transducers have the following advantages: They are available in a variety of designs and with a low overall volume. In addition, they are characterized by high dynamics, low energy consumption and high reliability. Another advantage is that they are also equipped with inherent sensor properties.
  • the substantially strip-shaped bending transducers are mechanically rigidly clamped or fastened at one end. At this end, the electrical contacting of the bending transducer is preferably made. At the opposite, moving end a deflection is achieved in accordance with the electrical control of the bending transducer in its direction of action.
  • the bending transducers used in a small actuator for pointer instruments are typically dimensioned such that they have a free deflection in the range of approximately 0.2 mm to 2 mm at their moving end.
  • a blocking force in the range of 0.5 N to 2 N is achieved.
  • the approximately rectilinear deflection of the bending transducers takes place transversely with respect to their greatest longitudinal extent.
  • the direction of the deflection, which corresponds to the effective direction of the bending transducer, is thus approximately orthogonal. Gonal to the longitudinal axis of the bending transducer.
  • the actuator are preferably at least two mutually independently deflectable bending transducers with non-parallel, but preferably orthogonal successive directions of action required to put the coupled with the moving ends of both bending transducer drive ring by superimposing the individual movements of the bending transducer in any plane motion.
  • the plane of movement or working plane is clamped by the effective directions of the bending transducers. Since the effective direction of the bending transducer is oriented approximately at right angles to its longitudinal axis, it is advantageous to arrange the longitudinal directions of the bending transducers parallel to one another, at right angles to one another or in a different angular orientation relative to one another. In this way, the actuator is to local events and spatial
  • the drive ring has projections for receiving the deflection of the respective drive element, while the projection and the respectively engaging drive element are aligned with respect to the direction of action of a further drive element such that the projection slides is ensured on the attacking drive element.
  • Fig. 1 A, B, C, C three different embodiments of the
  • FIGS 9 to 15 different embodiments of the shear-flexible structure of the actuator.
  • a piezoelectric stepping motor 1 which allows to produce a continuous and uniform rotation by superimposing suitable periodic linear movements of the bending transducers 10.
  • the bending transducers 10 are coupled to a flat drive ring 20 such that this ⁇ in a plane of action along the directions of action ⁇ , ß the bending transducer 10th is translatable.
  • the bending transducers 10 are preferably arranged so that their lines of action or effective directions ⁇ , ß intersect at an angle of approximately 90 °.
  • the drive ring 20 includes a cylindrical bore 28 of a certain diameter.
  • the bore axis is ideally perpendicular to the plane of action, which is spanned by the effective directions ⁇ and ß of the bending transducer 10.
  • the bore axis preferably runs through the intersection point X of the lines of action ⁇ , ⁇ of the bending transducer 10 (see FIG.
  • the cylindrical ring bore 28 with a certain inner diameter comprises a cylindrical shaft 30 with a slightly smaller outer diameter than the inner diameter of the drive ring 20.
  • the shaft 30 is preferably in a housing 70 (see Figure 8) parallel to the axis of the annular bore 28 and at their own cylinder axis rotatably mounted, but not displaceable.
  • the drive ring 20 can be translated on a circular path such that the outer wall of the shaft 3 rolls on the cylindrical inner surface of the annular bore 28 of the drive ring 20 and is thereby rotated.
  • the deflection range of the bending transducer 10 must exceed the diameter difference between the annular bore of the drive ring 20 and the outer diameter of the shaft 30, so that the inner wall of the drive ring 20 and the shaft 30 always remain in contact.
  • the piezoelectric bending transducers 10 are approximately purely capacitive electrical components that are characterized by their e- lekthari capacity. Therefore, their electrical control variables charge and voltage are coupled together and strictly speaking there are only two drive variants. In the case of voltage control, an operating voltage or a temporal voltage curve is impressed and the recorded charge adjusts itself. In the case of charge control, the amount of charge is impressed and the voltage adjusts itself.
  • the drive signal can therefore consist of a predetermined voltage or charge function.
  • the circular translation of the drive ring 20 by a charge or voltage controlled control of the bending transducer 10 with two mutually phase-shifted by 90 ° phase angle control functions with sinusoidal time characteristic is generated.
  • the direction of rotation can be defined via the sign of the phase shift, while the rotational speed is determined by the frequency of the drive function.
  • the power transmission from the drive ring 20 takes place on the shaft 30 by friction.
  • slippage occurs, as a result of which the accuracy of the actuator 1 is reduced.
  • the slip is preferably reduced by a toothing is applied to the inner surface of the drive ring 20 and on the outer surface of the shaft 30.
  • drive ring 20 and shaft 30 preferably have a tooth difference from at least one on. This means that the toothing of the inner surface of the drive ring 20 comprises at least one tooth more than the outer surface of the shaft 30. If drive ring 20 and shaft 30 are operated within actuator 1 in such a way that the toothing does not become disengaged, actuator 1 ideally operates without slip.
  • a cycloidal toothing of drive ring 20 and shaft 30 is considered.
  • the cycloidal toothing almost half of all teeth are engaged, whereby a high torque between the drive ring 20 and shaft 30 is transferable.
  • a reduction of the actuator 1 is initially set, which is typically in a range of 20: 1 to 200: 1.
  • a complete period of the triggering sine signal of the actuator 1 must preferably be traversed.
  • the actuator 1 Since a cycle of the drive signal must be traversed to proceed by one tooth, the actuator 1 is characterized by high accuracy and high repeatability. In addition, a high angular resolution of the actuator 1 is realized on the number of teeth and the use of a cycle of the on control signal per tooth. In addition, it is possible to interpolate arbitrarily within a period of the drive signal in order to ensure a microstep operation of the control operation 1.
  • the actuator 1 provides high efficiency, high reduction, high transmittable torque based on the teeth of drive ring 20 and shaft 30, slip freedom in transmitting torque, any interpolation of the angle of rotation within a tooth the shaft 30 (microstep operation), low drive torque fluctuations (ripple) and a low tooth flank load for drive ring 20 and shaft 30, so that also the wear is reduced.
  • Strip-shaped piezoelectric bending transducers 10 which satisfy the abovementioned requirements behave mechanically softer in their effective direction ⁇ , ⁇ than in any other spatial direction Bending transducers 10 are mounted mechanically rigidly in a stationary housing 70 (see FIG.
  • a bending transducer 10 operates in its direction of action ⁇ against the comparatively high one mechanical stiffness of the other bending transducer 10.
  • the movements of the bending transducer 10 on the drive ring 20 are respectively over a
  • Sliding clutch 40 (see Figures 1 to 3) or a shear flexible structure 50, 60 (see Figures 5 to 8) transmitted.
  • This decoupling of the movements of the bending transducer 10 is characterized in that the drive ring 20 is mechanically rigidly coupled to each of the bending transducers 10 with respect to the respective direction of action ⁇ , ß.
  • the bending transducers 10 do not hinder each other in their direction of action ⁇ , ⁇ , that is, they behave mechanically soft in the direction of action ⁇ , ß of the other bending transducer 10.
  • the decoupling is characterized by the fact that it behaves torsionally stiff with respect to the transmitted from the shaft 30 to the drive ring 20 load torque.
  • the decoupling is achieved by arranging the sliding clutch 40 or the shear-flexible structure 50, 60 between the drive ring 20 and the movable end of the bending transducer 10.
  • Another alternative is the shear flexible
  • shear flexible structure 50, 60 and the sliding clutch 40 is to be mentioned in addition to the decoupling that they increase the efficiency of the implementation of the linear movement of the bending transducer 10 in a rotation of the shaft 30. In addition, they improve the linearity of the implementation of the phase of the on-control function in a rotational angle of the actuator. 1
  • FIG. 1 A is a schematic sectional view of the electromechanical actuator 1 is shown.
  • the actuator 1 comprises at least two drive elements 10.
  • the drive elements 10 are mechanically rigidly attached to a housing (not shown) at the point 12.
  • the drive elements 10 are mechanically rigidly attached to a drive ring 20 at the point 16.
  • the mechanically rigid attachment or connection between see drive element 10 and drive ring 20 and housing is realized by an adhesive or plug connection. It is also preferred to secure the drive elements 10 in suitable bearings on the housing.
  • the drive elements 10 are formed according to an embodiment by piezoelectric bending transducers.
  • the bending transducers 10 each have an effective direction ⁇ , ß, in which they deflect with suitable electrical control. The deflection can take place in both arrow directions of the arrows ⁇ , ⁇ in FIG. 1A.
  • the deflection is transmitted to the drive ring 20 to drive a shaft 30.
  • the shaft 30 is within one
  • the bending transducer 10 are preferably arranged such that the effective directions ⁇ and ß meet in space at right angles to each other and form an imaginary intersection X in the center of the drive ring 20. Due to the arrangement of the bending transducers 10, the effective directions ⁇ , ⁇ span a working plane which lies in the plane of the sheet of FIG. 1A. According to the embodiments shown in FIGS. 1A and B, the bending transducers 10 are arranged within this plane of action. Relative to the opening 28 in the drive ring 20, the bending transducers 10 are in different tangent planes. The tangential planes extend perpendicular to the plane of the figures 1 A and B parallel to an imaginary tangent to the inner opening 28 of the drive ring 20th
  • the tangential planes of the bending transducers 10 are preferably aligned at right angles to each other in the embodiments shown, while other angular orientations to each other unequal 0 ° are conceivable here.
  • the bending transducers 10 are arranged rotationally symmetrically about the center X of the drive ring 20 in the tangential planes.
  • the bending transducers 10 are arranged in the tangential planes mirror-symmetrically to an imaginary diameter D of the drive ring 20.
  • Figures 1 C and C show a further embodiment of the actuator 1 in plan view and in side view.
  • the bending transducers 10 are also arranged in tangent to each other translated tangential planes.
  • the bending transducers 10 are also arranged outside of the working plane spanned by the effective directions ⁇ , ß and preferably both parallel to each other and to the shaft 30. It is also preferred that the bending transducer 10 is not parallel to each other and at any angle with respect to the shaft 30 to arrange within the respective tangent plane. According to a further embodiment, not shown, of the actuator 1, only one of the bending transducers 10 is arranged within the plane of action, while both bending transducers 10 are arranged in different tangential planes.
  • the effective direction ⁇ , ß of the respective bending transducer 10 in the radial direction of the drive ring 20 is oriented. This orientation allows an optimal introduction of force or an optimal displacement of the drive ring 20 by the deflection of the respective bending transducer 10.
  • the different spatial orientation of the bending transducer 10 in spatial Conditions and constraints optimally adaptable.
  • the bending transducers 10 are connected to the drive ring via a slip clutch 40 20 hinged.
  • the slip clutch 40 allows decoupling of the movements of the two bending transducers 10 from each other. In this way, a bending transducer 10 does not limit each movement of the other bending transducer 10, because the drive ring 20 can move along the longitudinal axis of the bending transducer 10 and is not rigidly secured.
  • the slip clutch 40 comprises a projection 22 on the drive ring 20, at which the corresponding end of the bending transducer 10 bears against pressure. The pressure of
  • Bending transducer 10 on the projection 22 is preferably generated via a resilient element 80.
  • the resilient element 80 is seen in the direction of action ⁇ , ß viewed opposite to the drive ring 20 engaging end of the bending transducer 10.
  • the resilient elements 80 ensure a concern of the bending transducer 10 on the projection 22 or generally on the drive ring 20 without attachment of the bending transducer 10 on the drive ring 20.
  • the resilient elements 80 are coupled to the ring outer surface of the drive ring 20.
  • the resilient ele- ments 80 are based on the side facing away from the ring against the housing 70, not shown.
  • the projection 22 / drive ring 20 has a smooth tangentially ground outer surface. Based on the spatial orientation of the bending transducer 10 in the actuator 1, the same possibilities exist, as they have been explained in connection with the embodiments of Figure 1.
  • FIGS. 3 A, B, C, C show embodiments of the actuator 1 in which the bending transducers 10 are mechanically rigidly coupled to the drive ring 20 by pressure and tension.
  • the other side of the bending transducer 10 is mechanically stiff and fixed in bearings 12 of the housing (not shown). orderly.
  • the drive ring 20 instead of the projection 22 of Figure 2 each U-shaped projections 24 at the corresponding points of attack of the bending transducer 10.
  • the U-shaped projection 24 surrounds the movable end of the
  • the U-shaped projection 24 is realized in accordance with FIG. 3 in such a way that sufficient play is present in each case in the longitudinal direction of the drive elements 10. According to a further embodiment, the U-shaped projection 24 is therefore arranged such that it engages around the bending transducer 10 from the side, so that the U-shaped projection 24 is open in the longitudinal direction of the bending transducer 10 and slidable in the longitudinal direction of the bending transducer 10 without being blocked by the projection 24 itself.
  • the projection 24 is also preferred to form the projection 24 in a bruckenformig, so that the movable end of the bending transducer 10 can be inserted into this bridge shape.
  • the movements of the bending transducer 10 were also decoupled from each other, because the bruckenformige projection in the longitudinal direction of the bending transducer 10 is open and therefore the drive ring 20 parallel to the longitudinal direction of the bending transducer 10 would be displaced.
  • the U-shaped projection 24 surrounds the movable end of the bending transducer 10 such that the U-shaped projection 24 is closed as viewed in the longitudinal direction of the bending transducer 10.
  • FIGS. 4 A, B the sliding coupling 40 causes the bending transducers 10 to be displaceable in the longitudinal direction of the bending transducer 10, but fixedly mounted in bearings of the housing not shown in any other spatial directions.
  • the embodiments of the figures 4 C, C show a further design of the sliding clutch 40.
  • the bending transducer 10 are slidably disposed within the sliding clutch 40 transversely to its longitudinal direction, while they are fixed in all other spatial directions. In this way, the decoupling of the movements of the bending transducer 10 is also achieved so that they do not interfere with each other.
  • the bending transducers 10 are preferably arranged such that the directions of action ⁇ and ⁇ in the space meet at right angles to each other and intersect in the center of the drive ring 20.
  • the two bending transducers 10 are fastened to the drive ring 20 via a shear-flexible structure 50.
  • the shear-flexible structure 50 is characterized in that it produces a mechanically rigid or pressure-stable connection with the drive ring 20 in the effective direction ⁇ , ⁇ of the bending transducer 10. Perpendicular to the direction of action ⁇ , ß is the shear flexible structure 50 soft or flexible.
  • the shear-flexible structure 50 due to these properties of the shear-flexible structure 50, when the bending transducer 10 moves in the direction of action ⁇ , the shear-flexible structure 50 at the second bending transducer 10 permits a movement of the drive ring perpendicular to the direction of action ⁇ . In this way, the movement of the two bending transducers 10 is decoupled.
  • the shear-flexible structure 50 is attached via the interfaces or fasteners 52, 54 on the bending transducer 10 and the drive ring 20.
  • the bending transducers 10 are in turn fastened at their end remote from the drive ring 20 end 12 in bearings of the housing, not shown. Again, the various spatial arrangements of the bending transducer 10 are again conceivable to optimally adapt the space requirement of the actuator 1 to the spatial conditions (see Description of FIG.
  • the sliding clutch 40 is preferred for decoupling the movements of the bending transducer 10 both between bending transducer 10 and drive ring 20 and between Biegewand- ler 10 and the housing, not shown or the otherwise fixed articulation of Bending transducer 10 arranged. Therefore, according to the embodiments of FIGS. 6A, B, C, C, it is also preferable to arrange the shear-flexible structure 50 between bending transducer 10 and the housing of the actuator 1 (not shown).
  • the shear-flexible structure 50 is fastened, for example, via the boundary surface 56 on the housing (not shown) of the actuator 1.
  • the interface 52 establishes the connection of the shear-flexible structure 50 to the bending transducer 10.
  • the compounds 52, 56 can be produced, inter alia, by gluing, clamping, plugging or the like.
  • the respective other movable end of the bending transducer 10 is fixedly connected to the drive ring 20.
  • FIG. 7 A further embodiment of a shear-flexible structure 60 within the actuator 1 is shown in FIG.
  • the embodiment of Figure 7 is substantially equivalent to the embodiment of Figure 5.
  • the shear flexible structure 50 is generally shown as a block with specific mechanical properties.
  • the special feature of this block 50 is a mechanically high rigidity in the direction of action ⁇ , ⁇ of the coupled bending transducer 10 and a mechanically soft behavior at least in a direction of action arranged perpendicular to the other.
  • Drive ring 20 coupled bending transducer 10.
  • the structure of the shear flexible structure 60 is shown in more detail with regard to their shape design.
  • the shear-flexible structure 60 is connected to the drive ring 20 and the bending transducer 10 via the interfaces 62, 64.
  • the shear-flexible structure 60 has a specific construction consisting of tapers and thickenings which generate compressive and tensile stability and rigidity parallel to the effective direction ⁇ of the coupled bending transducer 10. Furthermore, the shear-flexible structure 60 ensures flexibility in the arrow directions ⁇ in order to decouple the movements of the two bending transducers 10 of the actuator 1.
  • FIGS. 9 to 15 show a simplified schematic representation of the shear flexible structure 60.
  • This comprises two mutually parallel bars Sl and S2. These are preferably arranged parallel to the direction of action ⁇ , ⁇ of the connected bending transducer 10.
  • the rods Sl, S2 are connected via joints Gl, G2 with horizontally extending Anlenkflachen for bending transducer 10 and drive ring 20. If a deflection of the bending transducer 10 is transmitted parallel to the rods S1, S2, the shear-flexible structure 60 remains due to the rigidity of the rods S1,
  • the shear-flexible structure 60 thus has the following properties. It is mechanically rigid in the direction of action ⁇ of the directly coupled bending transducer 10 and mechanically soft in the direction of action ⁇ of the bending transducer 10, which is also not directly coupled. In addition, the shear-flexible structure 60 is easy to produce.
  • a production alternative is to produce the drive ring 20 in one piece with scherflexibler structure 60 and a plug connection to the bending transducer 10. This production alternative can be realized in one embodiment with the aid of an injection molding technique made of polyethylene, injection-molded plastic, POM or other suitable materials.
  • FIGS. 10 to 15 show possible embodiments of the shear-flexible structure 60.
  • the illustrated embodiments of the shear-flexible structure 60 are characterized by a different mechanical rigidity in the directions X and Y.
  • a force on the large mechanical rigidity in the Y direction from the end face Fl on the end face F3 is transferable.
  • a torque between the end faces Fl and F3 is transmitted. Only forces in the X direction are not transmitted.
  • the bending transducers 10 are coupled to the end face F1 and the drive ring 20 is coupled to the end face F3.
  • A is the frontal views and A 'is the side views of various embodiments of the shear flexible structure 60.
  • a ' is the side views of various embodiments of the shear flexible structure 60.
  • a sidecut of the shear-flexible structure 60 having a waist radius R is illustrated. With this representation, the extreme case of the sidecut is covered, in which R goes to infinity and thus no sidecut is no longer available. With decreasing waist radii R takes the
  • the parameter R can be used to set the ratio of the stiffness in the X direction to the stiffness in the Y direction. As the radius R decreases, the stiffness decreases in the X direction, while the rigidity in the Y direction changes only slightly.
  • Advantageous for the production and function of the shear-flexible structure 60 are the symmetries shown in FIGS. 10 to 15, whereas these are not absolutely necessary.
  • a hinge F4 is coupled to the shear-flexible structure 60 on the side of the drive ring 20 or according to the embodiment of FIG. 15 on the side of the bending transducer 10. It is also preferable to provide a hinge on both sides of the shear flexible structure 60.
  • the construction shown in FIG. 8 represents a preferred embodiment of the actuator 1.
  • the two piezoelectric bending transducers 10 are arranged within the housing 70 shown schematically. They have the respective effective direction ⁇ , ⁇ , so that deflections and forces of the bending transducers 10 can be transmitted to the drive ring 20 via the shear-flexible structure 60.
  • the bending transducers 10 are arranged in space such that the effective directions ⁇ , ß intersect preferably at an angle of 90 ° in the center of the drive ring 20.
  • the piezoelectric bending transducers 10 are each fixedly mounted at one end by the bearings 12 on the housing 70.
  • the shear-flexible structure already mentioned above is firmly connected to the bending transducer 10 and the drive ring 20 via the interfaces 62 and 64.
  • This connection is realized by welding, soldering, gluing, plugging or a similar type of fastening.
  • the shear-flexible structure 60 behaves in the direction of action of the associated bending transducer 10 mechanically rigid and in the effective direction of further bending coupled to the drive ring 20. changer mechanically soft.
  • a transmitted from the shaft 30 to the drive ring 20 load torque is transmitted to the bending transducer 10 and finally received by the housing 70.
  • the shaft 30 is rotatably mounted on the housing 70. It is guided through the inner opening 28 of the drive ring 20 such that it can roll on the inner surface of the drive ring 20.
  • the power transmission from the drive ring 20 to the shaft 30 is preferably carried out frictionally or form gleichig.
  • a form gleichige power transmission is realized according to an embodiment by a toothing, preferably a cycloidal toothing on the drive ring 20 and the shaft 30.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen elektromechanischen Stellantrieb (1), insbesondere einen piezoelektrischen Mikroschrittmotor. Dieser Mikroschrittmotor umfasst zwei piezoelektrische Biegewandler (10) mit jeweils einer nicht parallel zueinander ausgerichteten Wirkrichtung. Diese Biegewandler (10) greifen an einem Antriebsring (20) an, um darüber eine Welle (30) zu drehen. Die Biegewandler (10) sind über eine Schiebekupplung (40) oder eine scherflexible Struktur (50) angelenkt, so dass eine gegenseitige Behinderung der Biegewandler während der Verschiebebewegung minimiert ist.

Description

Beschreibung
Elektromechanischer Stellantrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb, insbesondere einen piezoelektrischer Schrittmotor .
Das Cockpit eines Kraftfahrzeugs versucht ein optimales Zu- sammenspiel von Design und Technik zu realisieren. Im Blickfeld des Fahrers liegen dabei verschiedene Zeigerinstrumente. Diese Zeigerinstrumente müssen sowohl unterschiedlichen technischen Anforderungen genügen als auch einen konkurrenzfähigen Preis für die Massenproduktion von Kraftfahrzeugen besit- zen. Ein Beispiel für ein derartiges Zeigerinstrument ist das „Messwerk 2000" der Firma Siemens VDO.
Das „Messwerk 2000" basiert auf einem mit einem einstufigen Schneckenradgetriebe untersetzten Schrittmotorantrieb. Der vierpolige Schrittmotor wird durch zwei um 90° im Phasenwinkel zueinander phasenverschobene sinusartige Spulenstromver- läufe als Funktion der Zeit angesteuert. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung bestimmt die Drehrichtung und die Frequenz die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle. Im Rahmen einer vol- len Periode von 360° der sinusartigen Stromverläufe können bis zu 128 Zwischenstufen reproduzierbar eingestellt werden. Die Nutzung dieser Zwischenstufen wird als Mikroschrittbe- trieb bezeichnet.
Ein kompletter Stellantrieb „Messwerk 2000", der den oben charakterisierten Schrittmotor beinhaltet, besteht aus zwölf Einzelteilen. Der Schrittmotor selbst setzt sich aus zwei Spulen mit einem gemeinsamen Statorblech und einem Permanentmagnetrotor zusammen. Hinsichtlich der Bauteilkosten schlagen die Spulen und der Permanentmagnet am stärksten zu Buche.
Entscheidend für den Preis sind neben den Materialkosten e- benfalls die Herstellungskosten, die näherungsweise proportional zur Anzahl der Komponenten des Stellantriebs zunehmen. Diese hohen Materialkosten sowie der mit der Anzahl der Einzelteile zunehmende Herstellungsaufwand für den Stellantrieb wirken sich nachteilig auf dessen Massenproduktion aus.
Es ist daher das technische Problem der vorliegenden Erfindung, einen für die Massenproduktion geeigneten Kleinstellantrieb beispielsweise für Messwerke von Cockpitinstrumenten im Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Das obige Problem wird durch einen elektromechanischen Stellantrieb, insbesondere einen piezoelektrischen Mikroschritt- motor, gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschrei- bung, den Zeichnungen und den anhängenden Ansprüchen hervor.
Der elektromechanische Stellantrieb weist die folgenden Merkmale auf: mindestens zwei elektromechanische, vorzugsweise piezoelektrische, Antriebselemente, die jeweils eine nicht parallel zueinander ausgerichtete Wirkrichtung aufweisen, eine in einem Antriebsring derart drehbar gelagerte Welle, dass der Antriebsring durch eine Auslenkung der piezoelektrischen Antriebselemente in Wirkrichtung zu einer unmittelbar auf die Welle übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, so dass die Welle im Antriebsring abrollt und dadurch rotiert, während die mindestens zwei elektromechanischen Antriebselemente über eine Schiebekupplung oder eine scherflexible Struktur angelenkt sind, so dass eine gegenseitige Behinderung der Antriebselemente während der Verschiebebewegung minimiert ist.
Der elektromechanische Stellantrieb oder rotatorische Stellantrieb wird mit Hilfe von Festkörperaktoren, insbesondere streifenförmige Festkörper-Biegeaktoren, als elektromechanische Energiewandlerelemente betrieben. Derartige Biegeaktoren auf Basis piezoelektrischer Keramikwerkstoffe, die hier als elektromechanische Antriebselemente bezeichnet sind, werden in verschiedenartigen Bauformen seit vielen Jahren vielseitig in der Industrie eingesetzt. Sie zeichnen sich durch eine kleine Bauform, einen niedrigen Energiebedarf und eine hohe Zuverlässigkeit aus. So zeigt beispielsweise ein piezoelektrischer Biegeaktor eine Lebensdauer von mindestens 109 Zyklen im industriellen Umfeld.
Die mindestens zwei elektromechanischen, vorzugsweise piezoelektrischen, Antriebselemente sind derart angeordnet, dass ihre Bewegungsrichtungen entkoppelt voneinander sind, so dass sich die Antriebselemente in ihrer Bewegung nicht oder ver- nachlassigbar gering behindern. Zu diesem Zweck sind die Antriebselemente an mindestens einem Ende mit Hilfe einer Schiebekulisse oder einer scherweichen, druck- und zugstabilen Flexstruktur befestigt. Die Schiebekulisse bzw. die scherweiche zug- und druckstabile Flexstruktur ermöglichen eine freie oder annähernd freie Bewegung der Antriebselemente in ihrer Längsrichtung relativ zum Antriebsring, wahrend sie in einer anderen Richtung, vorzugsweise senkrecht zur Langsachse des Antriebselements, steif oder unbewegbar befestigt sind. Auf diese Weise wird die durch die Antriebselemente in Bewegung umgewandelte elektrische Energie optimal auf den Antriebsring übertragen, ohne dass aufgrund gegenseitiger Behinderung der Antriebselemente Verlustenergien auftreten.
Gemäß einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung sind die piezoelektrischen Antriebselemente des Stellantriebs Biegewandler mit jeweils einer Längsrichtung, die rechtwinklig, parallel oder beliebig zueinander ausgerichtet sind, so dass ein Platzbedarf des Stellantriebs an raumliche Begebenheiten optimal anpassbar ist. Mit anderen Worten sind die zwei pie- zoelektrischen Antriebselemente derart angeordnet, dass die zwei elektromechanischen Antriebselemente in einer durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf eine innere Öffnung des Antriebsrings mit einem Mittelpunkt liegen, so dass die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer um den Mittelpunkt rotationssymmetrischen Anordnung der Antriebselement um einen Winkel γ im Bereich von 180°< γ < 360°, vorzugsweise γ = 270°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei un- terschiedlichen Tangentialebenen bei einer an einem gedachten Durchmesser des Antriebsrings spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente um einen Winkel γ im Bereich von 0° < γ < 180°, vorzugsweise γ = 90°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei piezoelektrischen Antriebselemente außerhalb der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung des Antriebsrings liegen oder eines der zwei piezoelektrischen Antriebselemente in der durch die Wirkrichtun- gen aufgespannten Ebene und das andere Antriebselement außerhalb der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung des Antriebsrings liegen.
Die piezoelektrischen Biegewandler weisen die folgenden Vorteile auf: Sie sind in vielfaltigen Bauformen und mit einem geringen Bauvolumen erhaltlich. Zudem zeichnen sie sich durch eine hohe Dynamik, einen niedrigen Energiebedarf und durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sie ebenfalls mit inhärenten Sensoreigenschaften ausgestattet sind. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung werden die im Wesentlichen streifenförmigen Biegewandler an einem Ende mechanisch steif eingespannt oder befestigt. An diesem Ende wird auch bevorzugt die elektrische Kontaktierung der Biegewandler vorgenommen. Am entgegengesetzten, bewegten Ende wird entsprechend der elektrischen Ansteuerung des Biegewandlers eine Auslenkung in seine Wirkrichtung erzielt. Die in einem Kleinstellantrieb für beispielsweise Zeigerinstrumente zum Einsatz kommenden Biege- wandler werden typischerweise so dimensioniert, dass sie an ihrem bewegten Ende eine freie Auslenkung im Bereich von ca. 0,2 mm bis 2 mm aufweisen. Zudem wird im Fall der Auslenkungsblockierung des frei bewegbaren Endes des Biegewandlers eine Blockierkraft im Bereich von 0,5 N bis 2 N erreicht. Die naherungsweise geradlinige Auslenkung der Biegewandler erfolgt jeweils transversal bezogen auf ihre größte Langserstreckung. Die Richtung der Auslenkung, die der Wirkrichtung des Biegewandlers entspricht, ist somit annähernd ortho- gonal zur Langsachse des Biegewandlers. Innerhalb des Stellantriebs sind vorzugsweise mindestens zwei voneinander unabhängig auslenkbare Biegewandler mit nicht parallelen, aber bevorzugt orthogonal aufeinander stehenden Wirkrichtungen er- forderlich, um den mit den bewegten Enden beider Biegewandler gekoppelten Antriebsring durch Überlagerung der Einzelbewegungen der Biegewandler in jede beliebige ebene Bewegung zu versetzen. Die Bewegungsebene oder Wirkebene wird bei dieser Konstruktion durch die Wirkrichtungen der Biegewandler aufge- spannt. Da die Wirkrichtung des Biegewandlers annähernd rechtwinklig zu seiner Langsachse ausgerichtet ist, ist es vorteilhaft, die Längsrichtungen der Biegewandler parallel zueinander, rechtwinklig zueinander oder in einer anderen winkligen Orientierung zueinander anzuordnen. Auf diese Weise ist der Stellantrieb an ortliche Begebenheiten und raumlich
Zwange anpassbar, ohne dass eine Beeinträchtigung der Einleitung der Bewegung in den Antriebsring auftritt.
In Ergänzung zur bereits oben beschriebenen Befestigung der Antriebselemente ist es bevorzugt, diese an einem Ende fest am Antriebsring oder an einem Gehäuse zu befestigen, wahrend das andere Ende über die Schiebekupplung oder die scherflexible Struktur entsprechend am Gehäuse oder dem Antriebsring angreift. In einer weiteren Ausgestaltung der Verbindung zwi- sehen Antriebselement und Antriebsring weist der Antriebsring Vorsprunge zum Aufnehmen der Auslenkung des jeweiligen Antriebselements auf, wahrend der Vorsprung und das jeweils angreifende Antriebselement in Bezug auf die Wirkrichtung eines weiteren Antriebselements derart ausgerichtet sind, das ein Gleiten des Vorsprungs auf dem angreifenden Antriebselement gewahrleistet ist.
Mit Hilfe dieser Konstruktion wird die bereits oben genannte Entkopplung der mindestens zwei Antriebselemente realisiert. In Ergänzung dazu wird ebenfalls eine Fuhrung des Antriebsrings auf dem jeweiligen Antriebselement bereitgestellt, so dass die auf den Antriebsring übertragenen Bewegungen der An- triebselemente kontrollierbar und verlustfrei übertragbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfin- düng umfasst der elektromechanische Stellantrieb zwei elekt- romechanische Antriebselemente, die jeweils eine Langsachse und eine nicht parallel zueinander ausgerichtete Wirkrichtung aufweisen, eine in einem Antriebsring derart angeordnete Welle, dass der Antriebsring durch eine Auslenkung der elektro- mechanischen Antriebselemente in Wirkrichtung zu einer unmittelbar auf die Welle übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, wahrend die zwei elektromechanischen Antriebselemente an ihren Enden mit dem Antriebsring und einem Gehäuse fest verbunden sind und die zwei elektromechanischen Antriebsele- mente derart angeordnet sind, dass die zwei elektromechanischen Antriebselemente in einer durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf eine innere Öffnung des Antriebsrings mit einem Mittelpunkt liegen, so dass die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer um den Mittelpunkt rotationssymmetrischen Anordnung der Antriebselemente um einen Winkel γ im Bereich von 180°< γ < 360°, vorzugsweise γ = 270°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer an einem gedachten Durchmes- ser des Antriebsrings spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente um einen Winkel γ im Bereich von 0° < γ < 180°, vorzugsweise γ = 90°, versetzt zueinander angeordnet sind, oder die zwei elektromechanischen Antriebselemente außerhalb der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung des Antriebsrings liegen oder eines der zwei elektromechanischen Antriebselemente in der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und das andere Antriebselement außerhalb der durch die Wirkrichtungen aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung des Antriebsrings liegen. Die bevorzugten Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 A, B, C, C drei verschiedene Ausfuhrungsformen des
Stellantriebs,
Fig. 2 A, B, C, C drei weitere Ausfuhrungsformen des Stellantriebs,
Fig. 3 A, B, C, C drei weitere bevorzugte Ausfuhrungsformen des Stellantriebs,
Fig. 4 A, B, C, C drei weitere Ausfuhrungsformen des Stel- lantriebs,
Fig. 5 A, B, C, C drei weitere Ausfuhrungsformen des Stellantriebs,
Fig. 6 A, B, C, C drei weitere Ausfuhrungsformen des Stellantriebs,
Fig. 7 A, A' eine weitere Ausfuhrungsform des Stellantriebs mit scherflexibler Struktur,
Fig. 8 eine Ausfuhrungsform des Stellantriebs mit Gehäuse,
Figuren 9 bis 15 verschieden Ausfuhrungsformen der scher- flexiblen Struktur des Stellantriebs.
Erfindungsgemaß wird ein piezoelektrischer Schrittmotor 1 vorgestellt, der es erlaubt, durch eine Überlagerung geeigneter periodischer Linearbewegungen der Biegewandler 10 eine kontinuierliche und gleichförmige Rotation zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden die Biegewandler 10 derart an einen flachen Antriebsring 20 angekoppelt, dass dieser in einer Wirkebene entlang der Wirkrichtungen α, ß der Biegewandler 10 translatierbar ist. Die Biegewandler 10 werden bevorzugt so angeordnet, dass sich ihre Wirklinien bzw. Wirkrichtungen α, ß in einem Winkel von annähernd 90° schneiden. Der Antriebsring 20 enthält eine zylindrische Bohrung 28 mit einem be- stimmten Durchmesser. Die Bohrungsachse verläuft idealerweise senkrecht zur Wirkebene, die durch die Wirkrichtungen α und ß der Biegewandler 10 aufgespannt wird. Des Weiteren läuft die Bohrungsachse bevorzugt durch den Schnittpunkt X der Wirklinien α, ß der Biegewandler 10 (vgl. Figur 8) . Dadurch lässt sich der Antriebsring 20 auf jede gewünschte Art und Weise in der Wirkebene im Bereich der Auslenkungen der Biegewandler 10 translatieren . Die zylindrische Ringbohrung 28 mit einem bestimmten Innendurchmesser umfasst eine zylindrische Welle 30 mit einem wenig geringeren Außendurchmesser als der Innen- durchmesser des Antriebsrings 20. Die Welle 30 ist bevorzugt in einem Gehäuse 70 (vgl. Figur 8) parallel zur Achse der Ringbohrung 28 und um ihre eigene Zylinderachse drehbar, aber nicht verschiebbar gelagert. Durch eine geeignete elektrische Ansteuerung der beiden Biegewandler 10 lässt sich der An- triebsring 20 auf einer Kreisbahn derart translatieren, dass die Außenwand der Welle 3 auf der zylindrischen Innenfläche der Ringbohrung 28 des Antriebsrings 20 abrollt und dadurch in Drehung versetzt wird. Als notwendige Voraussetzung muss der Auslenkungsbereich der Biegewandler 10 die Durchmesser- differenz zwischen der Ringbohrung des Antriebsrings 20 und dem Außendurchmesser der Welle 30 übersteigen, damit die Innenwand des Antriebsrings 20 und die Welle 30 immer in Kontakt bleiben.
Die piezoelektrischen Biegewandler 10 sind näherungsweise rein kapazitive elektrische Bauelemente, die durch ihre e- lektrische Kapazität charakterisiert sind. Daher sind ihre elektrischen Steuergrößen Ladung und Spannung miteinander gekoppelt und es existieren streng genommen nur zwei Ansteuer- Varianten. Im Fall der Spannungssteuerung wird eine Betriebsspannung bzw. ein zeitlicher Spannungsverlauf eingeprägt und die aufgenommene Ladung stellt sich ein. Im Fall der Ladungssteuerung wird die Ladungsmenge eingeprägt und die Spannung stellt sich ein. Das Ansteuersignal kann daher aus einer vorgegebenen Spannungs- oder Ladungsfunktion bestehen. Da sich die Auslenkung der piezoelektrischen Biegewandler 10 in guter Näherung direkt proportional zum Ansteuersignal verhalt, ist die kreisförmige Translation des Antriebsrings 20 durch eine ladungs- oder spannungsgeregelte Ansteuerung der Biegewandler 10 mit zwei zueinander um 90° Phasenwinkel phasenverschobenen Ansteuerfunktionen mit sinusartigem Zeitverlauf generierbar. Über das Vorzeichen der Phasenverschiebung lasst sich die Drehrichtung festlegen, wahrend durch die Frequenz der Ansteuerfunktion die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Konstruktion des Stellantriebs 1 ist ein quasi statischer Betrieb realisierbar. Da die Welle 30 auf der Innenflache des Antriebsrings 20 abrollt, fuhrt dies einerseits zu einem geringen Verschleiß von Welle 30 und Antriebsring 20. Andererseits wird basierend auf dieser Ansteuerung eine gleichförmige Drehbewegung der Welle 30 erzeugt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine ho- he Untersetzung für diese Drehbewegung erzielt werden kann, ohne dass ein externes Getriebe verwendet wird. Dies reduziert die Anzahl der Bauteile im Vergleich zu bekannten Losungen aus dem Stand der Technik. Bezeichnet man den Innendurchmesser des Antriebsrings 20 mit D und den Außendurchmes- ser der Welle 30 mit d ergibt sich ein Untersetzungsfaktor gemäß der Formel (D-d) /d. Diese Untersetzung bildet die Grundlage für eine gute Winkelauflosung der Drehbewegung der Welle 30.
Im einfachsten Fall erfolgt die Kraftübertragung vom Antriebsring 20 auf die Welle 30 durch Reibung. Dabei kommt es in Abhängigkeit vom auf die Welle 30 wirkenden Lastdrehmoment eines derartig aufgebauten Stellantriebs 1 zu Schlupf, wodurch die Genauigkeit des Stellantriebs 1 reduziert wird. Der Schlupf wird vorzugsweise dadurch verringert, indem auf die Innenflache des Antriebsrings 20 und auf die Außenflache der Welle 30 eine Verzahnung aufgebracht wird. Dabei weisen Antriebsring 20 und Welle 30 vorzugsweise eine Zahndifferenz von mindestens eins auf. Das bedeutet, dass die Verzahnung der Innenflache des Antriebsrings 20 mindestens einen Zahn mehr als die Außenflache der Welle 30 umfasst. Werden Antriebsring 20 und Welle 30 innerhalb des Stellantriebs 1 der- art betrieben, dass die Verzahnung nicht außer Eingriff gerat, arbeitet der Stellantrieb 1 idealerweise schlupffrei.
Als besonders bevorzugt wird eine zykloidische Verzahnung von Antriebsring 20 und Welle 30 angesehen. Bei der zykloidischen Verzahnung ist nahezu die Hälfte aller Zahne im Eingriff, wodurch ein hohes Drehmoment zwischen Antriebsring 20 und Welle 30 übertragbar ist. Über die Anzahl der auf der Innenflache des Antriebsrings 20 und der Außenflache der Welle 30 befindlichen Zahne ist zunächst eine Untersetzung des Stellantriebs 1 festgelegt, die typischerweise in einem Bereich von 20:1 bis 200:1 liegt. Um den Stellantrieb 1 um nur einen Zahn weiter zu stellen, das heißt die Welle 30 durch den Antriebsring 20 um einen Zahn weiter zu drehen, muss vorzugsweise eine vollständige Periode des ansteuernden Sinussignals des Stel- lantriebs 1 durchlaufen werden. Da zum Weiterstellen um einen Zahn ein Zyklus des Ansteuersignals durchlaufen werden muss, zeichnet sich der Stellantrieb 1 durch eine hohe Genauigkeit und durch eine hohe Wiederholgenauigkeit aus. Zudem wird über die Anzahl der Zahne und die Nutzung von einem Zyklus des An- Steuersignals pro Zahn eine hohe Winkelauflosung des Stellantriebs 1 realisiert. Ergänzend dazu kann beliebig innerhalb einer Periode des Ansteuersignals interpoliert werden, um einen Mikroschrittbetrieb des Steuerbetriebs 1 zu gewahrleisten. Somit liefert der Stellantrieb 1 gemäß bevorzugter Kon- struktionen eine hohe Effizienz, eine hohe Untersetzung, ein hohes übertragbares Drehmoment basierend auf der Verzahnung von Antriebsring 20 und Welle 30, Schlupffreiheit bei der U- bertragung des Drehmoments, eine beliebige Interpolation des Drehwinkels innerhalb eines Zahns der Welle 30 (Mikroschritt- betrieb) , geringe Antriebsdrehmomentschwankungen (Ripple) und eine niedrige Zahnflankenbelastung für Antriebsring 20 und Welle 30, so dass ebenfalls der Verschleiß reduziert wird. Streifenförmige piezoelektrische Biegewandler 10, die den o- ben genannten Anforderungen genügen, verhalten sich in ihrer Wirkrichtung α, ß mechanisch „weicher" als in jeder anderen Raumrichtung. Diese Eigenschaft sollte bei der Ankopplung der Biegewandler 10 an den Antriebsring 20 beachtet werden. Werden die Biegewandler 10 an ihrem Einspannende 12 mechanisch steif in einem ruhenden Gehäuse 70 (vgl. Figur 8) gelagert und an ihrem bewegten Ende ebenfalls mechanisch steif an den bewegbaren Antriebsring 20 gekoppelt, arbeitet ein Biegewand- ler 10 in seiner Wirkrichtung α jeweils gegen die vergleichsweise hohe mechanische Steifigkeit des anderen Biegewandlers 10. Dieser Aufbau ist bereits eingeschränkt funktionsfähig. Um die Bewegungen der am Antriebsring 20 angreifenden Biegewandler 10 geeignet zu entkoppeln, werden die Bewegungen des Biegewandlers 10 auf den Antriebsring 20 jeweils über eine
Schiebekupplung 40 (vgl. Figuren 1 bis 3) oder eine scherflexible Struktur 50, 60 (vgl. Figuren 5 bis 8) übertragen. Diese Entkopplung der Bewegungen der Biegewandler 10 zeichnet sich dadurch aus, dass der Antriebsring 20 mechanisch steif an jeden der Biegewandler 10 bezüglich dessen jeweilige Wirkrichtung α, ß gekoppelt ist. Zudem behindern sich die Biegewandler 10 gegenseitig in ihrer Wirkrichtung α, ß nicht, das heißt, dass sie sich in der Wirkrichtung α, ß des jeweils anderen Biegewandlers 10 mechanisch weich verhalten. Dies wird vorzugsweise durch ein Abgleiten des Biegewandlers 10 auf dem Antriebsring 20 senkrecht zu seiner Wirkrichtung α, ß oder durch eine geringe Schersteifigkeit der scherflexiblen Struktur 50, 60 senkrecht zu seiner Wirkrichtung α, ß erzielt. Zudem zeichnet sich die Entkopplung dadurch aus, dass sie sich torsionssteif bezüglich der von der Welle 30 auf den Antriebsring 20 übertragenen Lastdrehmomente verhält. Die Entkopplung wird dadurch erzielt, dass die Schiebekupplung 40 oder die scherflexible Struktur 50, 60 zwischen Antriebsring 20 und bewegbarem Ende des Biegewandlers 10 angeordnet wird. Eine weitere Alternative besteht darin, die scherflexible
Struktur 50, 60 und die Schiebekupplung 40 zwischen dem Biegewandler 10 und dem Gehäuse 70 anzuordnen (vgl. Figuren 4, 6) . In diesem Fall würde das bewegbare Ende des Biegewandlers 10 fest am Antriebsring 20 befestigt sein. Diese verschiedenen Ausführungsformen sind unten unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8 näher erläutert.
Als weitere Vorteile der scherflexiblen Struktur 50, 60 und der Schiebekupplung 40 ist neben der Entkopplung zu nennen, dass sie die Effizienz der Umsetzung der Linearbewegung der Biegewandler 10 in eine Drehung der Welle 30 steigern. Zudem verbessern sie die Linearität der Umsetzung der Phase der An- Steuerfunktion in einen Drehwinkel des Stellantriebs 1.
In den begleitenden Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. In den unterschiedlichen Ausführungsformen sind ähnliche Komponenten des elektromechanischen Stellantriebs 1 jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Figur 1 A, B, C, C zeigt erste Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In Figur 1 A ist eine schematische Schnittansicht des elektromechanischen Stellantriebs 1 dargestellt. Der Stellantrieb 1 umfasst mindestens zwei Antriebselemente 10. Die Antriebselemente 10 sind mechanisch steif an einem Gehäuse (nicht gezeigt) am Punkt 12 befestigt. Des Weiteren sind die Antriebselemente 10 mechanisch steif an einem Antriebsring 20 am Punkt 16 befestigt. Die mechanisch steife Befestigung bzw. Verbindung zwi- sehen Antriebselement 10 und Antriebsring 20 sowie Gehäuse wird durch eine Klebe- oder Steckverbindung realisiert. Es ist ebenfalls bevorzugt, die Antriebselemente 10 in geeigneten Lagern am Gehäuse zu befestigen.
Die Antriebselemente 10 werden gemäß einer Ausführungsform durch piezoelektrische Biegewandler gebildet. Die Biegewandler 10 weisen jeweils eine Wirkrichtung α, ß auf, in die sie bei geeigneter elektrischer Ansteuerung auslenken. Die Auslenkung kann in beide Pfeilrichtungen der Pfeile α, ß in Fi- gur 1 A erfolgen.
Die Auslenkung wird auf den Antriebsring 20 übertragen, um eine Welle 30 anzutreiben. Die Welle 30 ist innerhalb einer Öffnung 28 des Antriebsrings 20 angeordnet und verlauft senkrecht zur Wirkrichtung α, ß der Biegewandler 10. Die Biegewandler 10 sind bevorzugt derart angeordnet, dass die Wirkrichtungen α und ß im Raum rechtwinklig aufeinander treffen und im Zentrum des Antriebsrings 20 einen gedachten Schnittpunkt X bilden. Durch die Anordnung der Biegewandler 10 spannen die Wirkrichtungen α, ß eine Wirkebene auf, die in der Blattebene der Figur 1 A liegt. Gemäß den in den Figuren 1 A und B gezeigten Ausfuhrungsformen sind die Biegewandler 10 innerhalb dieser Wirkebene angeordnet. Bezogen auf die Öffnung 28 im Antriebsring 20 liegen die Biegewandler 10 in unterschiedlichen Tangentialebenen. Die Tangentialebenen verlaufen senkrecht zur Blattebene der Figuren 1 A und B parallel zu einer gedachten Tangente an die innere Öffnung 28 des Antriebsrings 20.
Die Tangentialebenen der Biegewandler 10 sind in den gezeigten Ausfuhrungsformen bevorzugt rechtwinklig zueinander ausgerichtet, wahrend hier auch andere Winkelausrichtungen zu- einander ungleich 0° denkbar sind. Gemäß der in Figur 1 A gezeigten Ausfuhrungsform sind die Biegewandler 10 in den Tangentialebenen rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt X des Antriebsrings 20 angeordnet. Die Tangentialebenen sind um einen Winkel γ = 270° gemessen gegen den Uhrzeigersinn versetzt zueinander angeordnet. Es ist ebenfalls denkbar, die Biegewandler 10 rotationssymmetrisch in Tangentialebenen anzuordnen, die um einen beliebigen Winkel γ im Bereich von 180° < γ < 360° versetzt zueinander angeordnet sind.
In der Ausfuhrungsform gemäß Figur 1 B sind die Biegewandler 10 in den Tangentialebenen spiegelsymmetrisch zu einem gedachten Durchmesser D des Antriebsrings 20 angeordnet. Die Tangentialebenen in der spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente 10 sind vorzugsweise um einen Winkel γ = 90° versetzt zueinander. Es ist ebenfalls bevorzugt, die Biegewandler 10 in Tangentialebenen anzuordnen, die in einem beliebigen Winkel γ im Bereich von 0 < γ < 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Die Figuren 1 C und C zeigen eine weitere Ausführungsform des Stellantriebs 1 in Draufsicht und in Seitenansicht. Hier sind die Biegewandler 10 ebenfalls in winklig zueinander ver- setzten Tangentialebenen angeordnet. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Biegewandler 10 zudem außerhalb der durch die Wirkrichtungen α, ß aufgespannten Wirkebene angeordnet und verlaufen bevorzugt beide parallel zueinander und zur Welle 30. Es ist ebenfalls bevorzugt, die Biegewandler 10 nicht parallel zueinander und in einem beliebigen Winkel bezüglich der Welle 30 innerhalb der jeweiligen Tangentialebene anzuordnen. Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform des Stellantriebs 1 ist nur einer der Biegewandler 10 innerhalb der Wirkebene angeordnet, während beide Biege- wandler 10 in unterschiedlichen Tangentialebenen angeordnet sind.
Trotz der unterschiedlichen oben beschriebenen räumlichen Anordnungen der Biegewandler 10 innerhalb des Stellantriebs 1 ist die Wirkrichtung α, ß des jeweiligen Biegewandlers 10 in radialer Richtung des Antriebsrings 20 orientiert. Diese Orientierung ermöglicht eine optimale Krafteinleitung oder ein optimales Versetzen des Antriebsrings 20 durch die Auslenkung des jeweiligen Biegewandlers 10. Neben der optimalen Ansteue- rung des Antriebsrings 20 über die Auslenkung der Biegewandler 10 ist der Stellantrieb 1 durch die unterschiedliche räumliche Ausrichtung der Biegewandler 10 an räumliche Gegebenheiten und Zwänge optimal anpassbar.
Die in Bezug auf die Ausführungsformen der Figur 1 beschriebenen räumlichen Anordnungsmöglichkeiten der Biegewandler 10 im Stellantrieb 1 gelten in gleicher Weise für die in den Figuren 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 beschriebenen Ausführungsformen des Stellantriebs 1, ohne dass sie für diese Ausführungsfor- men noch einmal wiederholt werden.
In den Ausführungsformen der Figuren 2 A, B, C, C sind die Biegewandler 10 über eine Rutschkupplung 40 am Antriebsring 20 angelenkt. Die Rutschkupplung 40 ermöglicht eine Entkopplung der Bewegungen der beiden Biegewandler 10 voneinander. Auf diese Weise schränkt ein Biegewandler 10 nicht jeweils die Bewegung des anderen Biegewandlers 10 ein, weil sich der Antriebsring 20 entlang der Längsachse des Biegewandlers 10 verschieben kann und nicht starr befestigt ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Rutschkupplung 40 einen Vorsprung 22 am Antriebsring 20, an dem das entsprechende Ende des Biegewandlers 10 auf Druck anliegt. Der Druck des
Biegewandlers 10 auf den Vorsprung 22 wird bevorzugt über ein federndes Element 80 erzeugt. Das federnde Element 80 ist jeweils in Wirkrichtung α, ß gesehen gegenüber dem am Antriebsring 20 angreifenden Ende des Biegewandlers 10 angeordnet. Die federnden Elemente 80 gewährleisten ein Anliegen der Biegewandler 10 am Vorsprung 22 oder allgemein am Antriebsring 20 auch ohne eine Befestigung des Biegewandlers 10 am Antriebsring 20. Die federnden Elemente 80 sind an der Ringaußenfläche an den Antriebsring 20 gekoppelt. Die federnden E- lemente 80 stützen sich auf der Ring abgewandten Seite gegen das nicht näher dargestellte Gehäuse 70 ab.
Es ist ebenfalls denkbar, den Antriebsring ohne die Vorsprünge 22 bereitzustellen und auf diese Weise die Biegewandler 20 direkt an den Antriebsring 20 angreifen zu lassen. Um die
Reibung zwischen Vorsprung 22/Antriebsring 20 und Biegewandler 10 zu reduzieren, weist der Vorsprung 22/Antriebsring 20 eine glatte tangential angeschliffene Außenfläche auf. Bezogen auf die räumliche Orientierung der Biegewandler 10 im Stellantrieb 1 bestehen die gleichen Möglichkeiten, wie sie im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der Figur 1 erläutert worden sind.
Die Figuren 3 A, B, C, C zeigen Ausführungsformen des Stel- lantriebs 1, in denen die Biegewandler 10 auf Druck und Zug mechanisch steif an den Antriebsring 20 gekoppelt sind. Die jeweils andere Seite des Biegewandlers 10 ist mechanisch steif und fest in Lagern 12 des Gehäuses (nicht gezeigt) an- geordnet. Für diese Druck-Zug-Ankopplung der Biegewandler 10 an den Antriebsring 20 weist der Antriebsring 20 anstelle des Vorsprungs 22 aus Figur 2 jeweils U-formige Vorsprunge 24 an den entsprechenden Angriffspunkten der Biegewandler 10 auf. Der U-formige Vorsprung 24 umgreift das bewegbare Ende des
Biegewandlers 10 derart, dass Bewegungen des Biegewandlers 10 in beide Pfeilrichtungen der Wirkrichtungen α, ß auf den Antriebsring 20 übertragbar sind. Der U-formige Vorsprung 24 ist gemäß Fig. 3 derart realisiert, dass ein ausreichendes Spiel jeweils in Längsrichtung der Antriebselemente 10 vorhanden ist. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform ist der U- formige Vorsprung 24 daher derart angeordnet, dass er den Biegewandler 10 von der Seite umgreift, so dass der U-formige Vorsprung 24 jeweils in Längsrichtung des Biegewandlers 10 gesehen offen bzw. in Längsrichtung des Biegewandlers 10 verschiebbar ist, ohne durch den Vorsprung 24 selbst blockiert zu werden.
Es ist ebenfalls bevorzugt, den Vorsprung 24 bruckenformig auszubilden, so dass das bewegbare Ende des Biegewandlers 10 in diese Bruckenform eingeschoben werden kann. Die Bewegungen der Biegewandler 10 waren ebenfalls entkoppelt voneinander, weil der bruckenformige Vorsprung in Längsrichtung der Biegewandler 10 offen und daher der Antriebsring 20 parallel zur Längsrichtung des Biegewandlers 10 verschiebbar wäre.
In den Figuren 3 C, C umgreift der U-formige Vorsprung 24 das bewegbare Ende des Biegewandlers 10 derart, dass der U- formige Vorsprung 24 in Längsrichtung des Biegewandlers 10 gesehen geschlossen ist. Durch diese Anordnung wird ebenfalls eine Druck-Zug-Ankopplung des Biegewandlers 10 an den Antriebsring 20 und eine Entkopplung der Bewegungen der Biegewandler 10 voneinander realisiert.
In den Ausfuhrungsformen der Figur 4 sind zwei Biegewandler 10 tangential zur umlaufenden Außenflache des Antriebsrings 20 und somit auch tangential zu dessen Öffnung 28 an jeweils einer Seite 26 fest, mechanisch steif an den Antriebsring 20 des Stellantriebs 1 gekoppelt. Die Kopplungen 26 sind bevorzugt durch Klebe- oder Steckverbindungen realisiert. Die jeweils andere Seite des Biegewandlers 10 ist in einer Schiebekupplung 40 befestigt. In den Ausfuhrungsformen der Figuren 4 A, B, bewirkt die Schiebekupplung 40, dass die Biegewandler 10 in Längsrichtung des Biegewandlers 10 verschiebbar, aber in allen anderen Raumrichtungen fest in Lagern des nicht naher dargestellten Gehäuses gelagert sind. Die Ausfuhrungsformen der Figuren 4 C, C zeigen eine weitere Gestaltung der Schiebekupplung 40. Hier sind die Biegewandler 10 innerhalb der Schiebekupplung 40 quer zu ihrer Längsrichtung verschiebbar angeordnet, wahrend sie in allen anderen Raumrichtungen fest angeordnet sind. Auf diese Weise wird ebenfalls die Entkopplung der Bewegungen der Biegewandler 10 erzielt, so dass sie sich nicht gegenseitig behindern. In Übereinstimmung mit den bereits oben diskutierten Ausfuhrungsformen der Figuren 1 bis 3 sind die Biegewandler 10 bevorzugt so angeordnet, dass die Wirkrichtungen α und ß im Raum rechtwinklig aufeinander treffen und sich gedacht im Zentrum des Antriebsrings 20 schneiden.
In den Ausfuhrungsformen der Figuren 5 A, B, C, C sind die beiden Biegewandler 10 über eine scherflexible Struktur 50 am Antriebsring 20 befestigt. Die scherflexible Struktur 50 zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine mechanisch steife oder druckstabile Verbindung mit dem Antriebsring 20 in Wirkrichtung α, ß der Biegewandler 10 herstellt. Senkrecht zur Wirkrichtung α, ß ist die scherflexible Struktur 50 weich o- der flexibel.
Aufgrund dieser Eigenschaften der scherflexiblen Struktur 50 lasst bei einer Bewegung des Biegewandlers 10 in Wirkrichtung α die scherflexible Struktur 50 am zweiten Biegewandler 10 senkrecht zur Wirkrichtung ß eine Bewegung des Antriebsrings zu. Auf diese Weise wird die Bewegung der beiden Biegewandler 10 entkoppelt. Die scherflexible Struktur 50 ist über die Grenzflächen oder Befestigungen 52, 54 am Biegewandler 10 und am Antriebsring 20 befestigt. Die Biegewandler 10 sind wiederum an ihrem dem Antriebsring 20 abgewandten Ende 12 fest in Lagern des nicht gezeigten Gehäuses befestigt. Auch hier sind wieder die verschiedenen räumlichen Anordnungen der Biegewandler 10 denkbar, um den Platzbedarf des Stellantriebs 1 an die räumlichen Begebenheiten optimal anzupassen (vgl. Beschreibung zu Figur
D •
Wie bereits in den Ausführungsformen der Figuren 3 und 4 gezeigt ist, ist die Schiebekupplung 40 bevorzugt zur Entkopplung der Bewegungen der Biegewandler 10 sowohl zwischen Biegewandler 10 und Antriebsring 20 als auch zwischen Biegewand- ler 10 und dem nicht gezeigten Gehäuse oder der sonst festen Anlenkung des Biegewandlers 10 angeordnet. Daher ist es gemäß den Ausführungsformen der Figuren 6 A, B, C, C ebenfalls bevorzugt, die scherflexible Struktur 50 zwischen Biegewandler 10 und dem nicht gezeigten Gehäuse des Stellantriebs 1 anzu- ordnen. Die scherflexible Struktur 50 ist beispielsweise über die Grenzfläche 56 am nicht gezeigten Gehäuse des Stellantriebs 1 befestigt. Die Grenzfläche 52 stellt die Verbindung der scherflexiblen Struktur 50 zum Biegewandler 10 her. Die Verbindungen 52, 56 lassen sich unter anderem durch Kleben, Klemmen, Stecken oder ähnliches herstellen. Das jeweils andere bewegbare Ende des Biegewandlers 10 ist am Antriebsring 20 fest angelenkt.
Eine weitere Ausführungsform einer scherflexiblen Struktur 60 innerhalb des Stellantriebs 1 ist in Figur 7 dargestellt. Die Ausführungsform nach Figur 7 ist im Wesentlichen äquivalent zur Ausführungsform nach Figur 5. Jedoch ist in den Figuren 5 und 6 die scherflexible Struktur 50 allgemein als Block mit speziellen mechanischen Eigenschaften dargestellt. Das beson- dere Merkmal dieses Blocks 50 ist eine mechanisch hohe Steifigkeit in Wirkrichtung α, ß des angekoppelten Biegewandlers 10 und ein mechanisch weiches Verhalten mindestens in eine senkrecht dazu angeordnete Wirkrichtung weiterer an den An- triebsring 20 gekoppelter Biegewandler 10. In Figur 7 ist der Aufbau der scherflexiblen Struktur 60 im Hinblick auf ihre Formgestaltung detaillierter dargestellt. Die scherflexible Struktur 60 ist über die Grenzflächen 62, 64 mit dem An- triebsring 20 und dem Biegewandler 10 verbunden. Wie in der Ausschnittvergrößerung der Figur 7 zu erkennen ist, weist die scherflexible Struktur 60 eine bestimmte Konstruktion bestehend aus Verjüngungen und Verdickungen auf, die Druck- und Zugstabilität und Steifigkeit parallel zur Wirkrichtung α des angekoppelten Biegewandlers 10 erzeugen. Des Weiteren gewährleistet die scherflexible Struktur 60 eine Flexibilität in den Pfeilrichtungen δ, um die Bewegungen der beiden Biegewandler 10 des Stellantriebs 1 zu entkoppeln.
Weitere Details der scherflexiblen Struktur 60 gehen aus den Darstellungen in den Figuren 9 bis 15 hervor. Figur 9 A zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der scherflexiblen Struktur 60. Diese umfasst zwei parallel zueinander angeordnete Stäbe Sl und S2. Diese sind bevorzugt parallel zur Wirk- richtung α, ß des angeschlossenen Biegewandlers 10 angeordnet. Die Stäbe Sl, S2 sind über Gelenke Gl, G2 mit horizontal verlaufenden Anlenkflachen für Biegewandler 10 und Antriebsring 20 verbunden. Wird eine Auslenkung des Biegewandlers 10 parallel zu den Stäben Sl, S2 übertragen, bleibt die scher- flexible Struktur 60 aufgrund der Steifigkeit der Stäbe Sl,
S2 formstabil und überträgt den durch den Biegewandler 10 erzeugten Druck und Zug nahezu ohne Verluste. Wirkt eine Scherkraft Fx > 0 (vgl. Figur 9 C), beispielsweise durch eine Auslenkung des um 90° versetzt angeordneten Biegewandlers 10, erfolgt eine Drehung der Stäbe Sl, S2 in Bezug auf die horizontalen Anlenkflachen in den Gelenken Gl, G2.
Zusammengefasst besitzt somit die scherflexible Struktur 60 folgende Eigenschaften. Sie ist mechanisch steif in Wirkrich- tung α des direkt angekoppelten Biegewandlers 10 und mechanisch weich in Wirkrichtung ß des Weiteren nicht direkt angekoppelten Biegewandlers 10. Zudem ist die scherflexible Struktur 60 einfach herstellbar. Eine Herstellungsalternative besteht darin, den Antriebsring 20 einteilig mit scherflexibler Struktur 60 und einer Steckverbindung zum Biegewandler 10 herzustellen. Diese Herstellungsalternative ist gemäß einer Ausführungsform mit Hilfe einer Spritzgusstechnik aus PoIy- ethylen, Spritzguss-Kunststoff, POM oder aus anderen geeigneten Werkstoffen realisierbar.
In den Figuren 10 bis 15 sind mögliche Ausführungsformen der scherflexiblen Struktur 60 dargestellt. Wie bereits oben be- schrieben, zeichnen sich auch die dargestellten Ausführungsformen der scherflexiblen Struktur 60 durch eine in den Richtungen X und Y unterschiedliche mechanische Steifigkeit aus. Auf dieser Grundlage ist eine Kraft über die große mechanische Steifigkeit in Y-Richtung von der Stirnfläche Fl auf die Stirnfläche F3 übertragbar. Auch ein Drehmoment zwischen den Stirnflächen Fl und F3 wird übertragen. Nur Kräfte in X- Richtung werden nicht übertragen. Wie in den Ausführungsformen der Figur 8 dargestellt ist, werden die Biegewandler 10 an die Stirnfläche Fl und der Antriebsring 20 an die Stirn- fläche F3 gekoppelt.
In den Figuren 10 bis 15 sind mit A die Frontalansichten und mit A' die Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen der scherflexiblen Struktur 60 gezeichnet. Als ein beson- deres Merkmal ist in den Seitenansichten der Figuren 10 bis 15 eine Taillierung der scherflexiblen Struktur 60 mit einem Taillierungsradius R dargestellt. Mit dieser Darstellung ist auch der Extremfall der Taillierung abgedeckt, bei dem R gegen unendlich geht und somit keine Taillierung mehr vorhanden ist. Mit kleiner werdenden Taillierungsradien R nimmt die
Taillierung zu. Durch den Parameter R lässt sich das Verhältnis der Steifigkeit in X-Richtung zur Steifigkeit in Y- Richtung einstellen. Mit kleiner werdendem Radius R nimmt die Steifigkeit in X-Richtung ab, während sich die Steifigkeit in Y-Richtung nur geringfügig ändert. Vorteilhaft für die Herstellung und Funktion der scherflexiblen Struktur 60 sind die in den Figuren 10 bis 15 dargestellten Symmetrien, während diese jedoch nicht zwingend erforderlich sind. In der Ausführungsform der scherflexiblen Struktur 60 gemäß Figur 14 ist ein Drehgelenk F4 auf der Seite des Antriebsrings 20 oder gemäß der Ausführungsform der Figur 15 auf der Seite des Biegewandlers 10 an die scherflexible Struktur 60 gekoppelt. Es ist ebenfalls bevorzugt, an beiden Seiten der scherflexiblen Struktur 60 ein Drehgelenk vorzusehen. Mit Hilfe des Drehgelenks F4 wird eine Kraft in einem Punkt bzw. in einer Linie in die scherflexible Struktur 60 eingeleitet. Auf der Seite des angekoppelten Biegewandlers 10 bedeutet dies gemäß Figur 15, dass die Kraft am Ende des Biegewandlers 10 abgenommen wird und dadurch die volle aktive Länge des Biegewandlers 10 nutzbar ist. Vorteilhaft in beiden Ausführungsformen der Figuren 14 und 15 ist ebenfalls, dass eine Drehmomententkopplung zwischen dem verbundenen Biegewandler 10 und dem Antriebsring 20 realisierbar ist.
Der in Figur 8 dargestellte Aufbau stellt eine bevorzugte Ausführungsform des Stellantriebs 1 dar. Die beiden piezo- elektrischen Biegewandler 10 sind innerhalb des schematisch dargestellten Gehäuses 70 angeordnet. Sie weisen die jeweilige Wirkrichtung α, ß auf, so dass Auslenkungen und Kräfte der Biegewandler 10 über die scherflexible Struktur 60 auf den Antriebsring 20 übertragbar sind. Die Biegewandler 10 sind derart im Raum angeordnet, dass sich die Wirkrichtungen α, ß vorzugsweise unter einem Winkel von 90° im Zentrum des Antriebsrings 20 schneiden. Die piezoelektrischen Biegewandler 10 sind jeweils an einem Ende durch die Lager 12 am Gehäuse 70 fest gelagert. Am anderen Ende der Biegewandler 10 ist je- weils die bereits oben genannte scherflexible Struktur über die Grenzflächen 62 und 64 mit dem Biegewandler 10 und dem Antriebsring 20 fest verbunden. Diese Verbindung wird durch Schweißen, Löten, Kleben, Stecken oder eine ähnliche Befestigungsart realisiert.
Die scherflexible Struktur 60 verhält sich in Wirkrichtung des zugehörigen Biegewandlers 10 mechanisch steif und in Wirkrichtung weiterer an den Antriebsring 20 gekoppelter Bie- gewandler mechanisch weich. Zusatzlich wird durch die scherflexible Struktur 60 ein von der Welle 30 auf den Antriebsring 20 übertragenes Lastdrehmoment an die Biegewandler 10 übermittelt und schließlich vom Gehäuse 70 aufgenommen. Die Welle 30 ist drehbar am Gehäuse 70 gelagert. Sie ist derart durch die innere Öffnung 28 des Antriebsrings 20 gefuhrt, dass sie auf der Innenflache des Antriebsrings 20 abrollen kann. Die Kraftübertragung vom Antriebsring 20 auf die Welle 30 erfolgt bevorzugt reibschlussig oder formschlussig. Eine formschlussige Kraftübertragung wird gemäß einer Ausfuhrungsform durch eine Verzahnung, vorzugsweise eine zykloidische Verzahnung, auf dem Antriebsring 20 und der Welle 30 realisiert .

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanischer Stellantrieb (1), insbesondere ein elektromechanischer Mikroschrittmotor, der die folgenden Merkmale aufweist:
a. mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente
(10), die jeweils eine nicht parallel zueinander ausgerichtete Wirkrichtung (α, ß) aufweisen,
b. eine in einem Antriebsring (20) derart drehbar gelagerte Welle (30), dass der Antriebsring (20) durch eine Auslenkung der elektromechanischen Antriebselemente
(10) in Wirkrichtung (α, ß) zu einer unmittelbar auf die Welle (30) übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, so dass die Welle (30) im Antriebsring (20) abrollt und dadurch rotiert, während
c. die mindestens zwei elektromechanischen Antriebsele- mente (10) über eine Schiebekupplung (40) oder eine scherflexible Struktur (50) angelenkt sind, so dass eine gegenseitige Behinderung der Antriebselemente (10) während der Verschiebebewegung minimiert ist.
2. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß Anspruch 1, dessen elektromechanischen Antriebselemente (10) Biegewandler, vorzugsweise piezoelektrische Biegewandler, sind.
3. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Antriebselemente (10) an einem Ende fest am Antriebsring (20) oder an einem Gehäuse (60) befestigt sind, während das andere Ende über die Schiebekupplung (40) oder die scherflexible Struktur (50) entsprechend am Gehäuse (60) oder Antriebsring (20) angreift .
4. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß Anspruch 3, dessen Antriebsring (20) Vorsprunge (22) zum Aufnehmen der Auslenkung des jeweiligen Antriebselements (10) aufweist, wahrend der Vorsprung (22) und das jeweils angrei- fende Antriebselement (10) in Bezug auf die Wirkrichtung (12) eines weiteren Antriebselements (10) derart ausgerichtet sind, dass ein Gleiten des Vorsprungs (22) auf dem angreifenden Antriebselement (10) gewahrleistet ist.
5. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die jeweilige Wirkrichtung (α, ß) der Antriebselemente (10) in radialer Richtung bezogen auf den Antriebsring (20) orientiert sind.
6. Elektromechanischer Stellantrieb (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen zwei elektromechanische Antriebselemente (10) derart angeordnet sind, dass
dl. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) in einer durch die Wirkrichtungen (α, ß) aufgespannten
Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf eine innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) mit einem Mittelpunkt (X) liegen, so dass die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer um den Mittelpunkt (X) rotationssymmetrischen Anordnung der Antriebselemente (10) um einen Winkel γ im Bereich von 180°< γ < 360°, vorzugsweise γ = 270°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer an einem gedachten Durchmesser (D) des Antriebsrings (20) spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente (10) um einen Winkel γ im Bereich von 0° < γ < 180°, vorzugsweise γ = 90°, versetzt zueinander angeordnet sind, oder
d2. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) außerhalb der durch die Wirkrichtungen (α, ß) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangen- tialebenen bezogen auf die innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) liegen oder
d3. eines der zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) in der durch die Wirkrichtungen (α, ß) aufgespannten Ebene und das andere Antriebselement (10) außerhalb der durch die Wirkrichtungen (α, ß) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) liegen.
7. Elektromechanischer Stellantrieb (1), insbesondere ein piezoelektrischer Mikroschrittmotor, der die folgenden MerkmaIe aufweist:
a. zwei elektromechanische, vorzugsweise piezoelektrische, Antriebselemente (10), die jeweils eine Langsachse und eine nicht parallel zueinander ausgerichtete Wirkrichtung (α, ß) aufweisen,
b. eine in einem Antriebsring (20) derart angeordnete Welle (30), dass der Antriebsring (20) durch eine Auslenkung der elektromechanischen Antriebselemente (10) in Wirkrichtung (α, ß) zu einer unmittelbar auf die Welle (30) übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, wahrend
c. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) an ihren Enden mit dem Antriebsring (20) und einem Gehau- se (70) fest verbunden sind und
d. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) derart angeordnet sind, dass
dl. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) in einer durch die Wirkrichtungen (α, ß) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf eine innere Öffnung (28) des Antriebs- rings (20) mit einem Mittelpunkt (X) liegen, so dass die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer um den Mittelpunkt (X) rotationssymmetrischen Anordnung der Antriebselemente (10) um einen Winkel γ im Bereich von 180°< γ < 360°, vorzugsweise γ = 270°, versetzt zueinander angeordnet sind oder die zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bei einer an einem gedachten Durchmesser (D) des Antriebsrings (20) spiegelsymmetrischen Anordnung der Antriebselemente (10) um einen Winkel γ im Bereich von 0° < γ < 180°, vorzugsweise γ = 90°, versetzt zueinander angeordnet sind, oder
d2. die zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) außerhalb der durch die Wirkrichtungen (α, ß) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangentialebenen bezogen auf die innere Öffnung (28) des Antriebsrings (20) liegen oder
d3. eines der zwei elektromechanischen Antriebselemente (10) in der durch die Wirkrichtungen (α, ß) aufgespannten Ebene und das andere Antriebselement (10) außerhalb der durch die Wirkrichtungen (α, ß) aufgespannten Ebene und in zwei unterschiedlichen Tangen- tialebenen bezogen auf die innere Öffnung (28) des
Antriebsrings (20) liegen.
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