Die Erfindung betrifft piezoelektrische Antriebe, piezoelektrische Resonatoren für Antriebe und die Verwendung von piezoelektrischen Antrieben sowie piezoelektrischen Resonatoren gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Bestimmte, sogenannte piezoelektrische Materialien lassen sich durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung zum mechanischen Schwingen anregen. Dieser physikalische Effekt wird auch umgekehrter piezoelektrischer Effekt genannt. Eine bekannte Anwendung dieses Effektes ist die Verwendung piezoelektrischer Materialien als Schwingungserreger in Resonatoren. Solche piezoelektrischen Resonatoren lassen sich als Statoren in Antriebe einbauen, um drehbar gelagerte Rotoren anzutreiben.
Derartige piezoelektrische Antriebe sind bspw. in den Schriften EP-0 505 848 und EP-0 723 212 offenbart. Diese Schriften zeigen mehrteilige, zentral angeordnete piezoelektrische Resonatoren mit zwei bzw. drei Resonatorflügeln. Die Enden der Resonatorflügel weisen Stossflächen zum Anstossen von ringförmig aussenseitig um die Resonatoren angeordneten Rotoren auf. Nachteilig an diesen piezo-elektrischen Antrieben ist der Abrieb an den Stossflächen der Resonatorflügel und den Auffangflächen der Rotoren sowie durch Lagerspiel der Rotoren. Der Abrieb hat einen hohen Verschleiss zur Folge, was die Lebensdauer der piezoelektrischen Antriebe verkürzt und ihr potentielles Einsatzgebiet einschränkt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, piezoelektrische Resonatoren und Antriebe aufzeigen, welche gering im Verschleiss, klein und flach in der Konstruktion, kostengünstig in der Herstellung, einfach in der Ansteuerung, robust im Betrieb, kräftig in der Leistung und somit vielfältig einsetzbar sind. Auch soll eine einfache Positionsbestimmung eines anzutreibenden Körpers möglich sein. Diese piezo-elektrischen Resonatoren und Antriebe sollen mit erprobten Materialien und bekannten Methoden herstellbar und mit gängigen Standards kompatibel sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein piezoelektrischer Resonator bei geeigneter asymmetrischer Formgebung sowohl im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingt. Ein in einem solchen Mixmodus betriebener piezoelektrischer Resonator erlaubt es, einen Körper in Rotations- und/oder Linearbewegung anzutreiben. Je nach Formgebung des Resonators und Anordnung eines oder mehrerer Resonators/en zu einem piezoelektrischen Antrieb sind vielfältige Ausführungsformen sowie Verwendungen des piezoelektrischen Resonators und Antriebes möglich.
Der piezoelektrische Antrieb lässt sich zum uni- bzw. bidirektionalen Antreiben von Körpern wie Wellen und Scheiben verwenden. In vorteilhaften Lösungen treibt er die Körper von seiner Aussenseite an. Dies unterscheidet ihn insbesondere vom nächsten Stand der Technik gemäss der EP-0 723 212, wo ein Rotor von seiner Innenseite angetrieben wird. Drei Resonatorflügel führen auf der Innenseite des Rotors eine elliptische Bewegung aus. Dies verunmöglicht eine Adaptation zu einem aussenseitigen Antrieb des Rotors bzw. würde einen solchen sehr ineffizient machen.
In einer vorteilhaften Lösung sorgt eine longitudinale Schwingungskomponente des piezoelektrischen Resonators für ein Antreiben eines Körpers, während eine transversale Schwingungskomponente des Resonators einen Druck auf diesen Körper ausübt. Durch den somit erzeugten Druckwinkel können grosse Kräfte auf den anzutreibenden Körper übertragen werden. Auch wird der Körper gehalten.
In einer anderen vorteilhaften Lösung weist der Antrieb einen einzigen piezoelektrischen Resonator auf, was eine einfache Ansteuerung des Resonators und piezoelektrischen Antriebes über eine einzige Schwingung mit gleicher Frequenz und Phase erlaubt. Dies unterscheidet ihn vom Stand der Technik gemäss den Schriften EP-0 505 848 und EP-0 723 212, wo mindestens zwei unabhängig voneinander angesteuerte piezoelektrische Resonatoren benötigt werden.
Vorteilhafterweise ist ein Verhältnis von Länge zu Breite des Erregers im piezoelektrischen Resonator gleich zwei oder einem Vielfachen davon, wodurch der anzutreibende Körper mit maximalen Amplituden angetrieben wird, was einen optimalen Wirkungsgrad des Antriebes zur Folge hat.
In weiteren vorteilhaften Lösungen ist der piezo-elektrische Antrieb mit Positioniermitteln versehen. Die Positioniermittel verursachen wechselnde Anpresskräfte des piezoelektrischen Antriebes auf den Körper. Diese wechselnden Anpresskräfte lassen sich als Impedanzänderungen messen und zählen. Somit ist eine Positionsbestimmung des Körpers möglich, was eine Verwendung des Antriebes als Schrittmotor erlaubt.
In einer weiteren vorteilhaften Lösung ist der mindestens eine piezoelektrische Resonator über elastische Mittel im Antrieb montiert, wodurch beim Antreiben des Körpers auftretende Störungen kompensiert werden, was zu einer hohen Laufruhe des Antriebes führt. Auch wird Verschleiss durch Abrieb an den Antriebsflächen und Auffangflächen kompensiert.
Der piezoelektrische Antrieb lässt sich sehr flach konstruieren und als Rotationsmotor bzw. Linearmotor verwenden. Die unterschiedlichsten Verwendungen sind möglich. Beispielhafte Verwendungsgebiete sind Uhren, Kameras, Datenspeicher, Mikroskopie-Tische, Tachometer usw.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren im Detail beschrieben. Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil der Bestandteile einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen Resonators mit einem Erreger und zwei Resonatorelementen. Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht und Seitenansicht eines Teiles der ersten beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen Resonators gemäss Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Teiles einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit einem piezoelektrischen Resonator gemäss Fig. 2, der einen Körper antreibt. Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit zwei piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper antreiben.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit drei piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper antreiben. Fig. 6 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit einem piezoelektrischen Resonator, der einen Körper antreibt. Fig. 7 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer fünften beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit einem piezoelektrischen Resonator, der einen Körper antreibt. Fig. 8 zeigt einen schematischen Schnitt sowie eine Seitenansicht durch einen Teil einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen Resonators mit einen Erreger und einem Resonatorelement.
Fig. 9 zeigt einen schematischen Schnitt sowie eine Seitenansicht durch einen Teil einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen Resonators mit zwei Erregern und einem Resonatorelement. Fig. 10 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer sechsten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit zwei piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper im Uhrzeigersinn antreiben. Fig. 11 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil der sechsten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes gemäss Fig. 10, wobei zwei piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper entgegen dem Uhrzeigersinn antreiben. Fig. 12 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer siebten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit einem piezoelektrischen Resonator, der einen Körper antreibt.
Fig. 13 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer achten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit einem piezoelektrischen Resonator, der einen Körper antreibt. Fig. 14 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer neunten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit einem piezoelektrischen Resonator, der einen Körper antreibt. Fig. 15 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer zehnten beispielhaften Ausführungsform eines Antriebes mit zwei piezoelektrischen Resonatoren, die einen Körper antreiben.
Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen Resonators 1. Dieser Resonator weist mindestens einen Erreger 10 aus piezoelektrischem Material zwischen mindestens zwei Resonatorelementen 11, 12 auf. Dieser Aufbau ist nicht zwingend. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann auch einen Resonator mit einem einzigen Erreger 10 in einem einzigen Resonatorelement 11 wie in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 8 gezeigt, bauen. Oder er kann einen Resonator mit zwei Erregern 10, 10' bauen, die in um ein einziges Resonatorelement 11 wie in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 9 gezeigt, bauen. Auch kann er Resonatoren mit mehr als einem Erreger und mit mehr als zwei Resonatorelementen bauen. Bspw. besteht der Resonator aus einer Vielzahl von Erregern bzw.
Resonatorelementen, die in einem Multilayeraufbau vorliegen.
Der Erreger kann aus beliebigen, bekannten piezoelektrischen Materialien wie piezoelektrische Kristalle, Keramiken, Kunststoffe usw. bestehen. Die Resonatorelemente können aus beliebigem Werkstoff wie Metall, Kunststoff usw. bestehen. Die Verbindung des/der Erreger mit den Resonatorelementen erfolgt über bekannte kraft-, stoff- bzw. formschlüssige Mittel. Dem Fachmann stehen bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung vielfältige Möglichkeiten der Verbindung vom Erreger mit den Resonatorelementen frei. Bspw. sind Erreger aus Keramik mit Resonatorelementen aus Metall mittels Komponentenkleber verklebt.
Gemäss der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 1 und 2 ist ein flacher Erreger mittig und in Sandwichbauweise zwischen zwei flachen Resonatorelementen angeordnet. Gemäss der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 8 ist ein flacher Erreger in einem flachen Resonatorelement angeordnet. Gemäss der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 9 ist ein flaches Resonatorelement mittig und in Sandwichbauweise zwischen zwei flachen Erregern angeordnet. Erreger und Resonatorelemente sind bspw. 0,5 mm dicke, 3 mm breite und 6 resp. 10 mm lange Streifen. Auch diese Aufbauten und Abmessungen sind nicht zwingend. Bei Kenntnis der Erfindung kann der Fachmann auch flachere bzw. dickere, schmalere bzw. breitere sowie kürzere bzw. längere Resonatoren bauen.
Vorteilhaft ist ein Verhältnis von Länge zu Breite des Erregers gleich zwei oder einem Vielfachen davon. Ein solches festes Verhältnis von Länge zu Breite gleich 2n (n=1,2,3,...) führt zu maximalen Amplituden im Erreger. Der anzutreibende Körper wird somit mit maximalen Amplituden angetrieben, was einen optimalen Wirkungsgrad des Antriebes zur Folge hat.
Die Resonatorelemente sind in geeigneter Weise asymmetrisch geformt. Die beispielhafte Ausführungsform eines Resonators gemäss Fig. 2 zeigt Resonatorelemente, die bei Spiegelung an ihrer Längsachse asymmetrisch geformt sind. Die untere und obere Längsfläche der Resonatorelemente sind unterschiedlich lang. Diese asymmetrische Formgebung der Resonatorelemente und somit des Resonators ist entscheidend für das Schwingungsverhalten des Resonators. Diese Formgebung der Resonatorelemente ist nicht zwingend. Bei Kenntnis der Erfindung kann der Fachmann anders asymmetrisch geformte Resonatoren bauen.
Elektrische Anschlüsse für die Speisespannung sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Bei Verwendung von elektrisch leitenden Resonatorelementen wie bspw. Metall bilden die Resonatorelemente selbst die elektrischen Anschlüsse. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung wird der Resonator zu mechanischen Schwingungen angeregt. Bspw. wird ein Resonator mit einer sinusförmigen Wechselspannung von 0,1 V und bei einer Frequenz 200 kHz angeregt. Dies ermöglicht die Verwendung vom Resonator und von bspw. im Multilayeraufbau angeordneten Erregern in batteriebetriebenen Geräten wie bspw. in Uhren. Aufgrund der asymmetrischen Form des Resonators breiten sich die mechanischen Schwingungen in den Resonator-elementen unterschiedlich aus.
Dies führt zum Auftreten von sowohl longitudinalen als auch transversalen Schwingungskomponenten in den Resonatorelementen. Diese mechanischen Schwingungen in longitudinalen als auch transversalen Schwingungskomponenten werden durch gekrümmte Schwingungspfeile angedeutet. Natürlich kann der Fachmann Resonatoren bauen, welche mit anderen elektrischen Wechselspannungen und bei anderen Frequenzen angeregt werden.
Fig. 3 zeigt schematisch eine erste beispielhafte Ausführungsform eines Antriebes 2 mit piezoelektrischem Resonator 1 in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2. Der asymmetrisch schwingende Resonator treibt einen Körper 3 an. Ein einziger, sowohl im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingender Resonator treibt den Körper in einer Rotations- und/oder Linearbewegung an. Er treibt mit einer Antriebsfläche 13 eine Auffangfläche des Körpers an. Bspw. dient ein Teil der unteren Längsfläche des Resonators als Antriebsfläche. Die Antriebsfläche ist in den Resonatorelementen 11, 12 angebracht. Vorteilhafterweise sind die Resonatorelemente aus abriebfestem Material wie bspw. Metall wie Kupfer, Stahl usw., so dass eine abriebsfeste Antriebsfläche aus speziellen, teuren Materialien nicht notwendig ist.
Auch leiten Resonatorelemente aus Metall die beim Antreiben des Körpers generierte Wärme gut ab. Der Körper ist schematisiert als Rolle, an der ein Gewicht hängt, dargestellt. Die Aussenfläche der Rolle dient als Auffangfläche. Die longitudinale Schwingungskomponente des Resonators treibt den Körper tangential an, während die transversale Schwingungskomponente des Resonators einen Druck auf den Körper ausübt. Durch dieses tangentiale, quasi gleitende Antreiben bleiben Resonator und Körper im Kontakt miteinander und werden Schläge sowie Lagerspiele vom Körper auf den Resonator minimiert. Der resultierende Druckwinkel ist über die asymmetrische Form des Resonators frei einstellbar. Je nach Druckwinkel treibt der Resonator den Körper in einer Vorwärts- und/oder Rückwärtsbewegung an.
Die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Körpers ist über die asymmetrische Form des Resonators frei einstellbar. Bspw. ist der Druckwinkel in Vorwärtsrichtung bedeutend stärker/schwächer als in Rückwärtsrichtung. Auch kann der Druckwinkel bei der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung ansteigend bzw. abnehmend sein. Es ist auch möglich, Resonatoren mit periodisch bzw. aperiodisch ansteigenden bzw. abnehmenden Druckwinkeln zu bauen. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten, piezoelektrische Antriebe mit anders geformten Resonatoren und mit anders gestalteten Körpern zu bauen. Auch die Fig. 4 bis 7 sowie 10 bis 15 zeigen weitere beispielhafte Ausführungsformen von Antrieben.
Der Resonator ist über bspw. elastische Mittel 20 auf eine Basis 21 des Antriebes montiert. Diese Befestigung des Resonators mittels elastischer Mittel ist optional. Die elastischen Mittel sind aus beliebigen bekannten federnden bzw. dämpfenden Materialien. Sie geben dem piezoelektrischen Antrieb eine hohe Laufruhe. Insbesondere werden störende, beim Antreiben des Körpers auftretende und nachteilig auf den Resonator wirkende Einflüsse kompensiert. Solch störende Einflüsse sind bspw. eventuell auftretende ruckweise Bewegungen des Resonators und/oder Schläge, die vom Körper auf den Resonator übermittelt werden, Lagerspiele des sich bewegenden Körpers usw. Auch wird Verschleiss an den Antriebsflächen des Resonators sowie an Auffangflächen des angetriebenen Körpers kompensiert.
Bspw. ist der Resonator über die elastischen Mittel gegen den Körper gespannt bzw. vorgespannt. Bei Abrieb an den Antriebsflächen und Auffangflächen spannen die elastischen Mittel den Resonator automatisch gegen den Körper nach. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung solcher elastischen Mittel zur Verfügung. Die Fig. 4 bis 7 zeigen diesbezüglich weitere beispielhafte Ausführungsformen von elastischen Mitteln.
Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines Antriebes 2 mit zwei piezo-elektrischen Resonatoren 1. Die beiden Resonatoren sind von asymmetrischer Form. Bspw. bestehen sie aus einem oder mehreren Erreger/n 10, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen 11, 12 angebracht ist/sind. Die Resonatoren sind sichelförmig gestaltet und weisen an den Enden jeweils zwei Antriebsflächen 13, 13' auf. Die Resonatoren sind um den anzutreibenden Körper 3 angeordnet. Der Körper ist bspw. ein Hohlläufer, bei dem die Lagerung von aussen, d.h. durch die Resonatoren, erfolgt. Dieser Hohlläufer ist frei drehbar um eine zentrale Achse 0 gelagert und wird auf äusseren Auffangflächen von den Resonatoren angetrieben und gehalten.
Die Resonatoren sind über elastische Mittel 20 auf eine geschlossen ringförmig um die Resonatoren angebrachte Basis 21 montiert. Die elastischen Mittel spannen die Resonatoren gegen den Hohlläufer.
Sobald die Resonatoren im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingen, treiben sie über die Antriebsflächen den Hohlläufer an. Die longitudinale Schwingungskomponente der Resonatoren treibt den Hohlläufer tangential an, die transversale Schwingungskomponente der Resonatoren übt einen haltenden und zentrierenden Druck auf den Hohlläufer aus. Bspw. wird der Hohlläufer in den Resonatoren gelagert. Er wird durch die elastischen Mittel in die Resonatoren gespannt und durch die transversale Schwingungskomponente der Resonatoren gehalten. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfaltige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe mit von aussen einen Hohlläufer antreibenden Resonatoren.
Fig. 5 zeigt schematisch eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines Antriebes 2 mit drei piezo-elektrischen Resonatoren 1. Die drei asymmetrischen Resonatoren weisen einen oder mehrere Erreger 10 auf, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen 11, 12 angebracht ist/sind. Die Resonatoren sind im Winkel von 120 DEG voneinander beabstandet um den anzutreibenden Körper 3 angeordnet. Jeder Resonator weist eine Antriebsfläche 13 auf. Der Körper ist in dieser dritten beispielhaften Ausführungsform eines piezo-elektrischen Antriebes ein Rotorkörper 30 mit Welle 31. Dieser Rotorkörper ist frei drehbar um eine zentrale Achse 0 gelagert, er wird auf äusseren Auffangflächen des Rotorkörpers angetrieben. Der Rotorkörper ist starr mit der Welle verbunden.
Die Resonatoren sind über elastische Mittel 20 auf eine geschlossen ringförmig um die Resonatoren angebrachte Basis 21 montiert. Die elastischen Mittel und die Basis sind einstückig mit den Resonatoren und spannen diese gegen den Rotorkörper. Sobald die Resonatoren im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingen, treiben sie über die Antriebsflächen den Rotorkörper an. Die longitudinale Schwingungskomponente der Resonatoren treibt den Rotorkörper tangential an, die transversale Schwingungskomponente der Resonatoren übt einen haltenden und zentrierenden Druck auf den Rotorkörper aus. Bspw. ist der Rotorkörper in den Resonatoren gelagert. Er wird durch die elastischen Mittel in die Resonatoren gespannt und er wird durch die transversale Schwingungskomponente der Resonatoren gehalten.
Grosse Haltekräfte sind möglich, so dass keine weiteren bspw. externen Lager zum Lagern der Welle notwendig sind. Das übermittelte Drehmoment ist sehr gross, da der Schrittwinkel des Rotorkörpers pro Resonatorschwingung sehr klein ist. Bspw. beträgt der Schrittwinkel 0,01 DEG . Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe mit von aussen einen Rotorkörper antreibenden Resonatoren.
Die Fig. 6 und 7 zeigen schematisch eine vierte und fünfte beispielhafte Ausführungsform eines Antriebes 2 mit einem piezoelektrischen Resonator 1. Der asymmetrische Resonator weist einen oder mehrere Erreger 10 auf, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen 11, 12 angebracht ist/sind. Der Resonator ist über elastische Mittel 20 mit einer zentral in einer Achse 0 gelagerten Basis 21 montiert. Der Resonator ist seitlich an einem anzutreibenden Körper 3 angeordnet. Der Resonator in der Ausführungsform gemäss Fig. 6 weist zwei Antriebsflächen 13, 13' auf. Der Resonator in der Ausführungsform gemäss Fig. 7 weist eine Antriebsfläche 13 auf. Der Körper ist in diesen vierten und fünften beispielhaften Ausführungsformen eines piezoelektrischen Antriebes eine Scheibe.
Diese Scheibe ist frei drehbar um eine zentrale Achse 0 gelagert, sie wird auf äusseren, seitlichen Auffangflächen angetrieben und gehalten. Die elastischen Mittel spannen den Resonator seitlich gegen die Scheibe. Sobald der Resonator im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingt, treibt er über Antriebsflächen die Scheibe an. Da der Antrieb nur einen einzigen piezoelektrischen Resonator aufweist, ist eine einfache Ansteuerung des Resonators und piezoelektrischen Antriebes über eine einzige Schwingung mit gleicher Frequenz und Phase möglich. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe mit einem von aus-sen eine Scheibe antreibenden Resonator.
Die Fig. 10 und 11 zeigen schematisch eine sechste beispielhafte Ausführungsform eines Antriebes 2 mit zwei piezoelektrischen Resonatoren 1. Die beiden asymmetrischen Resonatoren weisen je mindestens einen Erreger 10 auf, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen 11, 12 angebracht ist/sind. Die Resonatoren sind seitlich an einem anzutreibenden Körper 3 angeordnet. Die Resonatoren sind über elastische Mittel 20 auf einer zwischen den Resonatoren angebrachten Basis 21 montiert. Die elastischen Mittel und die Basis sind einstückig mit den Resonatoren und spannen diese gegen den Rotorkörper. Die Resonatoren weisen je eine Antriebsfläche 13 auf. Der Körper ist in diesen sechsten beispielhaften Ausführungsformen eines piezoelektrischen Antriebes eine Welle.
Diese Welle ist frei drehbar um eine zentrale Achse 0 gelagert und wird von der zentralen Basis gehalten. Verglichen mit den Ausführungsformen gemäss der Fig. 3 und 7 ist der Antrieb gemäss den Fig. 10 und 11 doppelt ausgeführt. Der Antrieb ist besonders kräftig ausgelegt. Sobald die Resonatoren im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingen, treiben sie über die Antriebsflächen die Welle an. Dies erfolgt bspw. bidirektional, d.h. je nach Ansteuerung der Resonatoren wird der Körper im Uhrzeigersinn (Fig. 10) bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn (Fig. 11) angetrieben. Hierzu werden die Resonatoren über eine einzige Schwingung mit gleicher Frequenz und Phase, aber jedoch mit unterschiedlich hohen Amplituden der Speisespannung angesteuert.
Bspw. wird der eine der Resonatoren mit einer hohen Amplitude angesteuert, so dass seine longitudinale Schwingungskomponente den Körper bei einer Vorwärtsbewegung kräftig nach rechts (Fig. 10) resp. links (Fig. 11) antreibt, während der andere der Resonatoren mit einer niedrigen Amplitude angesteuert wird, so dass seine longitudinale Schwingungskomponente den Körper bei derselben Vorwärtsbewegung weniger kräftig nach rechts (Fig. 10) resp. links (Fig. 11) antreibt. Der eine mit hoher Amplitude betriebene Resonator überwindet somit bei der Vorwärtsbewegung die Reibung des anderen mit geringer Amplitude betriebenen Resonators und dreht die Welle in eine Richtung vorwärts. Diese Reibung erhöht die Haltekräfte der transversalen Schwingungskomponenten des Antriebes.
Damit die Welle bei der Rückwärtsbewegung der Resonatoren nicht zurückgedreht wird, erfolgt die Vorwärtsbewegung unter einem hohen Druckwinkel und die Rückwärtsbewegung unter einem kleinen Druckwinkel. Die Druckwinkel lassen sich durch die asymmetrische Form der Resonatoren einstellen. Je nach gewählter Amplitudendifferenz und Verhältnis der Druckwinkel bei Vorwärts- resp. Rückwärtsbewegung lässt sich die Höhe der Reibung sowie der Wirkungsgrad des Antriebes einstellen. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe mit zwei oder mehr von aussen eine Welle gemäss einer Schwingung mit gleicher Frequenz aber unterschiedlichen Amplituden antreibenden Resonatoren.
Die Fig. 12 bis 14 zeigen schematisch eine siebte, achte und neunte beispielhafte Ausführungsform eines Antriebes 2 mit einem piezoelektrischen Resonator 1. Der asymmetrische Resonator weist einen oder mehrere Erreger 10 auf, der/die in ähnlicher Sandwichbauweise wie in der beispielhaften Ausführungsform gemäss Fig. 2 zwischen Resonatorelementen 11, 12 angebracht ist/sind. Der Resonator ist über elastische Mittel 20 mit einer zentral in einer Achse 0 gelagerten Basis 21 montiert. Der Resonator ist seitlich an einem anzutreibenden Körper 3 angeordnet. Der Resonator weist eine Antriebsfläche 13 auf. Der Körper ist eine frei drehbar um eine Achse 0 gelagerte Welle, die auf äusseren, seitlichen Auffangflächen angetrieben und gehalten wird. Die elastischen Mittel spannen den Resonator seitlich gegen die Welle.
Sobald der Resonator im longitudinalen als auch im transversalen Modus schwingt, treibt er über die Antriebsfläche die Welle bspw. in einer Links- bzw. Rechtsdrehung an.
Der Antrieb ist mit Positioniermitteln zum Bestimmen der Position des Körpers vorgesehen. In der Ausführungsform gemäss Fig. 12 ist der Körper leicht exzentrisch in der Achse gelagert. Als Positioniermittel dient diese exzentrische Lagerung des Körpers. Infolge der exzentrischen Lagerung des Körpers schwankt die Anpresskraft, die von der Antriebsfläche des Resonators auf die Auffangflächen des Körpers wirkt. Dieses Schwanken der Anpresskraft wiederum verursacht eine messbare Impedanz-änderung. In der Ausführungsform gemäss Fig. 13 ist der Körper mit einem Schlitz bzw. einer Unebenheit versehen. Als Positioniermittel dient dieser Schlitz bzw. diese Unebenheit.
Beim Drehen des Körpers und Durchgang des Schlitzes bzw. der Un-ebenheit an der Antriebsfläche des Resonators schwankt die Anpresskraft vom Resonator auf den Körper, was wiederum eine messbare Impedanzänderung verursacht. In der Ausführungsform gemäss Fig. 14 ist der Körper mit einer Vielzahl von Schlitzen bzw. Unebenheiten versehen. Als Positioniermittel dienen diese Vielzahl von Schlitzen bzw. Unebenheiten. Diese Vielzahl von Schlitzen bzw. Unebenheiten ermöglicht eine feinere Auflösung der Positionsbestimmung. Bspw. sind 12 Schlitze bzw. Unebenheiten im Abstand von 30 DEG auf dem Umfang der Welle angebracht.
Diese durch verschiedene Positioniermittel hervorgerufenen Impedanzänderungen können auf bekannte Art und Weise gemessen werden. Eine bevorzugte Position des Körpers kann somit als Referenz festgelegt werden. Bspw. wird die Position des Körpers eines Antrieb in der Ausführungsform gemäss Fig. 12, die einer maximalen Impedanzänderung entspricht, als Referenz festgelegt werden, oder es wird die Position des Körpers eines Antriebs in der Ausführungsform gemäss Fig. 13, die der Impedanzänderung entspricht, als Referenz festgelegt. Auch kann die Anzahl der gemessenen Impedanzänderungen ermittelt werden. Bspw. kann die Anzahl der Links- bzw. Rechtsdrehungen des Körpers ermittelt werden. In der Ausführungsform eines Antriebes gemäss Fig. 14 lässt sich die Drehung des Körpers auf einen Positionswinkel von +/- 30 DEG genau bestimmen.
Natürlich lassen sich diese Ausführungen von Positioniermitteln miteinander kombinieren. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe mit einem von aussen eine Welle antreibenden Resonator und Positioniermitteln zur Positionsbestimmung des Körpers.
Fig. 15 zeigt schematisch eine zehnte beispielhafte Ausführungsform eines Antriebes 2 mit zwei piezoelektrischen Resonatoren 1. Diese zehnte Ausführungsform gemäss Fig. 15 ähnelt weitgehend der zweiten Ausführungsform gemäss Fig. 4, so dass auf deren Beschreibung verwiesen und im Folgenden die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsformen erläutert werden. In Analogie zur neunten Ausführungsform eines Antriebes gemäss Fig. 14 ist der Körper 3 auf seinen Auffangflächen mit einer Vielzahl von Schlitzen bzw. Unebenheiten versehen. Die Schlitzen bzw. Unebenheiten dienen als Positioniermittel. Die beiden Resonatoren sind bspw. im Winkel von 120 DEG zueinander um den Körper angeordnet. Sie sind von gleicher Bauart und besitzen somit im Winkel von 120 DEG zueinander angeordnete Antriebsflächen 13, 13', um den Körper anzutreiben.
Die Antriebsflächen sind derart geformt, dass sie auch mit den Schlitzen bzw. Unebenheiten in Formschluss treten. Bspw. sind die Antriebsflächen als Keile geformt, die in entsprechende Schlitze bzw. Unebenheiten der Auffangflächen greifen. Die Vielzahl von Schlitzen bzw. Unebenheiten ermöglicht eine feine Auflösung der Positionsbestimmung des Körpers. Bspw. sind Standardschlitze bzw. Unebenheiten im Abstand von 72 DEG auf dem Umfang vom Körper angebracht. Zusätzlich ist ein Extraschlitz im Abstand von 120 DEG zu einem dieser Standardschlitze auf dem Umfang vom Körper angebracht. Beim Drehen des Körpers und beim Formschluss der Antriebsflächen mit Schlitzen bzw. Unebenheiten schwankt die Anpresskraft vom Resonator auf den Körper, was eine messbare Impedanzänderung verursacht.
Bei jeder 360 DEG -Drehung vom Körper gibt es eine einzige Körperposition, wo die beiden Antriebsflächen in einen Standardschlitz und in den Extraschlitz greifen. Die Schlitze sind beliebig tief, bspw. sind sie lediglich 1/100 mm bzw. 2 mm tief. Durch dieses Eingreifen erfolgt eine besonders prägnant messbare Positionsbestimmung (Fig. 15). Die Impedanzänderungen können auf bekannte Art und Weise gemessen werden. Eine bestimmte Position des Körpers kann als Referenz festgelegt werden. Bspw. entspricht die Position des Körpers gemäss Fig. 15 einer eindeutigen Nullposition. Erst nach einer Drehung des Körpers um weitere 360 DEG greifen sie wieder in dieses um 120 DEG voneinander beabstandete Paar aus Standardschlitz und Extraschlitz. Die Anzahl der gemessenen Impedanzänderungen kann somit ermittelt werden. Bspw.
wird durch Zählen der Nullpositionen die Anzahl der Links- bzw. Rechtdrehungen des Körpers ermittelt. Ferner lässt sich durch Zählen der Standardschlitze der Positionswinkel des Körpers auf +/- 72 DEG genau bestimmen. Natürlich sind andere, feinere bzw. gröbere Auflösungen einer Nullposition bzw. von Positionswinkeln möglich. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung hat der Fachmann vielfältige Möglichkeiten der Realisierung piezoelektrischer Antriebe mit von aussen einen Körper antreibenden Resonatoren und speziell geformten Positioniermitteln zur eindeutigen Positionsbestimmung des Körpers.
Die in mehreren beispielhaften Ausführungsformen gezeigten piezoelektrischen Antriebe lassen sich insbesondere in der Mechanik und Feinmechanik verwenden. Sie können sehr flach sein mit weniger als 1 mm Dicke. Insbesondere kann der Körper sehr klein sein und bspw. weniger als 1 mm Durchmesser besitzen. Die Antriebe lassen sich uni- bzw. bidirektional betreiben. Die Rotationsgeschwindigkeit ist frei einstellbar. Sehr hohe Drehzahlen von mehr als 6000 Umdrehungen pro Minute sind möglich. Als Parameter gelten dabei die Grösse des Körpers (je kleiner der Durchmesser des Körpers, desto höher die Drehzahl vom Antrieb) bzw. Variationen der Ansteuerspannung.
So sind bspw. bei entsprechend klein dimensionierten Körpern von 0,4 mm oder 0,2 mm Durchmesser bzw. bei entsprechender Variation der Ansteuerspannung Drehzahlen von 10 000 oder 20 000 Umdrehungen pro Minute möglich. Die Antriebe eignen sich sowohl als Schrittmotoren als auch als kontinuierliche Rotationsmotoren. Insbesondere vermögen sie Körper in sehr kleinen, bspw. in 0,1 bis 0,4 mu m kleinen Schritten anzutreiben.
In den gezeigten Ausführungsformen treiben die piezoelektrischen Antriebe Körper auf aussenseitigen Auffangflächen an. Natürlich ist es dem Fachmann freigestellt, bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung auch Antriebe zu konstruieren, bei denen Körper über innenseitige Auffangflächen angetrieben werden. Selbstverständlich lässt sich der Antrieb nicht nur als Rotationsmotor, sondern auch als Linearmotor verwenden.
Der piezoelektrische Antrieb lässt sich sehr flach konstruieren. Die unterschiedlichsten Verwendungen sind möglich. Beispielhafte Verwendungsgebiete sind Uhren, Kameras, Datenspeicher, Mikroskopie-Tische, Tachometer usw. In Uhren kann er die Uhrzeiger -direkt bzw. indirekt antreiben. In Kameras kann er um die Linsen angeordnet sein und so in Zoom-Kameras bzw. Normal-Kameras die Linsenverstellung bspw. bei der Tiefenschärfeeinstellung durchführen. In -Datenspeichern wie Harddisk-Laufwerken bzw. CD-Laufwerken kann er den Lesekopf antreiben. In Mikroskopie-Tischen kann er den Tisch bzw. Arbeitsplattformen antreiben. In Tachometern kann er den Geschwindigkeitszeiger direkt antreiben. All diese Verwendungen sind beispielhaft. Diese Aufzählung ist nicht ausschliesslich.
Der Fachmann kann bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung vielfältige andere Verwendungen eines flachen piezoelektrischen Antriebes realisieren.
Der piezoelektrische Antrieb ist kostengünstig herstellbar, da er wenige Teile umfasst, da bei der Herstellung dieser Teile keine strengen Toleranzen erfüllt werden müssen und da die verwendeten Materialien kostengünstig sind.
The invention relates to piezoelectric actuators, piezoelectric resonators for drives and the use of piezoelectric actuators and piezoelectric resonators according to the preambles of the independent claims.
Certain, so-called piezoelectric materials can be stimulated by applying an electrical alternating voltage for mechanical oscillation. This physical effect is also called reverse piezoelectric effect. A known application of this effect is the use of piezoelectric materials as vibration exciters in resonators. Such piezoelectric resonators can be installed as stators in drives to drive rotatably mounted rotors.
Such piezoelectric drives are, for example. in EP-0 505 848 and EP-0 723 212. These documents show multipart, centrally arranged piezoelectric resonators with two or three resonator wings. The ends of the resonator wings have abutment surfaces for abutting annular rotors arranged around the resonators rotors. A disadvantage of these piezoelectric drives is the abrasion on the abutting surfaces of the resonator blades and the collecting surfaces of the rotors and by bearing clearance of the rotors. The abrasion results in high wear, which shortens the life of the piezoelectric drives and limits their potential field of application.
It is therefore an object of the present invention to provide piezoelectric resonators and drives, which are low in wear, small and flat in construction, inexpensive to manufacture, easy to control, robust in operation, powerful in performance and thus versatile. Also, a simple position determination of a body to be driven should be possible. These piezo-electric resonators and drives are to be manufactured with proven materials and methods known and compatible with common standards.
This object is achieved according to the invention by the characterizing features of the claims.
The invention is based on the finding that a piezoelectric resonator vibrates in both longitudinal and transverse modes with suitable asymmetric shaping. A piezoelectric resonator operated in such a mixing mode makes it possible to drive a body in rotational and / or linear motion. Depending on the shape of the resonator and arrangement of one or more resonators / s to a piezoelectric drive manifold embodiments and uses of the piezoelectric resonator and drive are possible.
The piezoelectric drive can be uni- or Use bidirectional driving of bodies such as shafts and discs. In advantageous solutions, he drives the bodies from the outside. This distinguishes him in particular from the closest prior art according to EP-0 723 212, where a rotor is driven from its inside. Three resonator blades execute an elliptical movement on the inside of the rotor. This makes it impossible to adapt to an external drive of the rotor or would make such a very inefficient one.
In an advantageous solution, a longitudinal vibration component of the piezoelectric resonator provides for driving a body, while a transverse vibration component of the resonator exerts a pressure on this body. Due to the pressure angle thus generated, large forces can be transmitted to the body to be driven. Also, the body is held.
In another advantageous solution, the drive has a single piezoelectric resonator, which allows easy control of the resonator and piezoelectric drive via a single oscillation with the same frequency and phase. This distinguishes him from the prior art according to the documents EP-0 505 848 and EP-0 723 212, where at least two independently driven piezoelectric resonators are needed.
Advantageously, a ratio of length to width of the exciter in the piezoelectric resonator is equal to two or a multiple thereof, whereby the body to be driven is driven with maximum amplitudes, resulting in an optimal efficiency of the drive.
In further advantageous solutions, the piezoelectric drive is provided with positioning means. The positioning cause changing contact forces of the piezoelectric drive on the body. These changing contact forces can be measured and counted as impedance changes. Thus, a position determination of the body is possible, which allows use of the drive as a stepping motor.
In a further advantageous solution, the at least one piezoelectric resonator is mounted in the drive via elastic means, whereby disturbances occurring when the body is driven are compensated, which leads to a high level of smoothness of the drive. Wear is also compensated by abrasion on the drive surfaces and collecting surfaces.
The piezoelectric drive can be designed very flat and as a rotary motor or Use linear motor. The most diverse uses are possible. Exemplary fields of use are watches, cameras, data storage, microscopy tables, speedometer etc.
The invention will be described in detail with reference to the following figures. FIG. 1 shows a schematic section through part of the components of a first exemplary embodiment of a piezoelectric resonator with one exciter and two resonator elements. FIG. FIG. 2 shows a schematic top view and side view of a part of the first exemplary embodiment of a piezoelectric resonator according to FIG. 1. FIG. 3 shows a schematic view of a part of a first exemplary embodiment of a drive with a piezoelectric resonator according to FIG. 2, which drives a body. FIG. 4 shows a schematic section through a part of a second exemplary embodiment of a drive with two piezoelectric resonators that drive a body.
FIG. 5 shows a schematic section through a part of a third exemplary embodiment of a drive with three piezoelectric resonators that drive a body. FIG. 6 shows a schematic section through part of a fourth exemplary embodiment of a drive with a piezoelectric resonator that drives a body. FIG. 7 shows a schematic section through a part of a fifth exemplary embodiment of a drive with a piezoelectric resonator which drives a body. FIG. 8 shows a schematic section and a side view through a part of a further exemplary embodiment of a piezoelectric resonator with a pathogen and a resonator element.
FIG. 9 shows a schematic section and a side view through part of a further exemplary embodiment of a piezoelectric resonator with two exciters and one resonator element. FIG. 10 shows a schematic section through part of a sixth exemplary embodiment of a drive with two piezoelectric resonators that drive a body in a clockwise direction. FIG. 11 shows a schematic section through part of the sixth exemplary embodiment of a drive according to FIG. 10, wherein two piezoelectric resonators driving a body in a counterclockwise direction. FIG. 12 shows a schematic section through a part of a seventh exemplary embodiment of a drive with a piezoelectric resonator that drives a body.
FIG. 13 shows a schematic section through part of an eighth exemplary embodiment of a drive with a piezoelectric resonator that drives a body. FIG. 14 shows a schematic section through part of a ninth exemplary embodiment of a drive with a piezoelectric resonator that drives a body. FIG. 15 shows a schematic section through a part of a tenth exemplary embodiment of a drive with two piezoelectric resonators that drive a body.
The Fig. 1 and 2 schematically show the structure of a first exemplary embodiment of a piezoelectric resonator 1. This resonator has at least one exciter 10 of piezoelectric material between at least two resonator elements 11, 12. This structure is not mandatory. With the knowledge of the present invention, the person skilled in the art can also use a resonator with a single exciter 10 in a single resonator element 11 as in the exemplary embodiment according to FIG. 8, build. Or it can build a resonator with two exciters 10, 10 ', which in a single resonator element 11 as in the exemplary embodiment according to FIG. 9, build. It can also build resonators with more than one exciter and with more than two resonator elements. For example. the resonator consists of a plurality of pathogens or
Resonator elements, which are present in a multilayer structure.
The exciter can be made of any known piezoelectric materials such as piezoelectric crystals, ceramics, plastics, etc. consist. The resonator elements can be made of any material such as metal, plastic, etc. consist. The connection of the / the exciter with the resonator elements via known force, substance or positive means. With the knowledge of the present invention, those skilled in the art are free to choose from a wide range of possibilities for the connection between the exciter and the resonator elements. For example. ceramic exciters are bonded to resonator elements made of metal using component adhesives.
According to the exemplary embodiment according to FIG. 1 and 2, a flat exciter is centered and sandwiched between two flat resonator elements. According to the exemplary embodiment according to FIG. 8, a shallow exciter is arranged in a flat resonator element. According to the exemplary embodiment according to FIG. 9, a flat resonator element is centered and sandwiched between two flat exciters. Exciters and resonator elements are, for example. 0.5 mm thick, 3 mm wide and 6 resp. 10 mm long strips. These structures and dimensions are not mandatory. With knowledge of the invention, the expert can also flatter or thicker, narrower or wider and shorter or build longer resonators.
Advantageously, a ratio of length to width of the exciter is equal to two or a multiple thereof. Such a fixed ratio of length to width is equal to 2n (n = 1,2,3,. , , ) leads to maximum amplitudes in the pathogen. The driven body is thus driven at maximum amplitudes, resulting in optimum efficiency of the drive.
The resonator elements are suitably asymmetrically shaped. The exemplary embodiment of a resonator according to FIG. Figure 2 shows resonator elements that are asymmetrically shaped when mirrored on their longitudinal axis. The lower and upper longitudinal surfaces of the resonator elements have different lengths. This asymmetric shaping of the resonator elements and thus of the resonator is decisive for the vibration behavior of the resonator. This shaping of the resonator elements is not mandatory. With knowledge of the invention, the skilled person can otherwise build asymmetrically shaped resonators.
Electrical connections for the supply voltage are not shown for reasons of clarity. When using electrically conductive resonator elements such as. Metal form the resonator elements themselves the electrical connections. By applying an alternating electrical voltage, the resonator is excited to mechanical vibrations. For example. a resonator is excited with a sinusoidal alternating voltage of 0.1 V and at a frequency of 200 kHz. This allows the use of the resonator and of eg. arranged in multilayer structure pathogens in battery-powered devices such as. in watches. Due to the asymmetrical shape of the resonator, the mechanical oscillations in the resonator elements spread differently.
This results in the occurrence of both longitudinal and transverse vibration components in the resonator elements. These mechanical vibrations in longitudinal as well as transverse vibration components are indicated by curved oscillation arrows. Of course, those skilled in the art can build resonators which are excited with other AC electrical voltages and at other frequencies.
FIG. 3 schematically shows a first exemplary embodiment of a drive 2 with piezoelectric resonator 1 in the exemplary embodiment according to FIG. Second The asymmetrically oscillating resonator drives a body 3. A single resonator oscillating in both longitudinal and transverse modes drives the body in a rotational and / or linear motion. He drives with a drive surface 13 a collecting surface of the body. For example. Part of the lower longitudinal surface of the resonator serves as a driving surface. The drive surface is mounted in the resonator elements 11, 12. Advantageously, the resonator elements made of abrasion resistant material such as. Metal like copper, steel etc. , so that an abrasion-resistant drive surface made of special, expensive materials is not necessary.
Also, resonator elements made of metal conduct the heat generated when the body is driven well. The body is schematized as a roller to which a weight hangs. The outer surface of the roll serves as a collecting surface. The longitudinal vibration component of the resonator drives the body tangentially, while the transverse vibration component of the resonator exerts a pressure on the body. Through this tangential, quasi-sliding driving resonator and body remain in contact with each other and impacts and bearing clearances are minimized from the body to the resonator. The resulting pressure angle is freely adjustable via the asymmetrical shape of the resonator. Depending on the pressure angle, the resonator drives the body in a forward and / or backward motion.
The direction of movement and speed of the body is freely adjustable via the asymmetrical shape of the resonator. For example. the contact angle in the forward direction is significantly stronger / weaker than in the backward direction. Also, the pressure angle in the forward and backward movement may increase or to be decreasing. It is also possible to use resonators with periodic or aperiodically increasing or to build decreasing pressure angles. With knowledge of the present invention, the skilled person has many opportunities to build piezoelectric actuators with differently shaped resonators and with differently shaped bodies. Also the Fig. FIGS. 4 to 7 and FIGS. 10 to 15 show further exemplary embodiments of drives.
The resonator is over bspw. elastic means 20 mounted on a base 21 of the drive. This attachment of the resonator by means of elastic means is optional. The elastic means are made of any known resilient or damping materials. They give the piezoelectric drive a very smooth running. In particular, disturbing influences which occur when the body is driven and are adversely affected by the resonator are compensated. Such disturbing influences are, for example. possibly occurring jerky movements of the resonator and / or shocks transmitted from the body to the resonator, bearing movements of the moving body, etc. Also, wear on the drive surfaces of the resonator and on collecting surfaces of the driven body is compensated.
For example. the resonator is stretched over the elastic means against the body or biased. When worn on the drive surfaces and collecting surfaces, the elastic means automatically tension the resonator against the body. With knowledge of the present invention, the person skilled in the art has many possibilities for realizing such elastic means. The Fig. 4 to 7 show in this regard further exemplary embodiments of elastic means.
FIG. 4 schematically shows a second exemplary embodiment of a drive 2 with two piezoelectric resonators 1. The two resonators are of asymmetric shape. For example. they consist of one or more exciters, which are of similar sandwich construction as in the exemplary embodiment according to FIG. 2 is mounted between resonator elements 11, 12 is / are. The resonators are sickle-shaped and have at the ends in each case two drive surfaces 13, 13 '. The resonators are arranged around the body 3 to be driven. The body is, for example. a hollow rotor in which the storage from the outside, d. H. through the resonators. This hollow rotor is freely rotatably mounted about a central axis 0 and is driven and held on outer collecting surfaces of the resonators.
The resonators are mounted via elastic means 20 on a closed ring 21 mounted around the resonators base 21. The elastic means bias the resonators against the hollow rotor.
As soon as the resonators vibrate in longitudinal as well as in transverse mode, they drive over the drive surfaces the hollow rotor. The longitudinal oscillation component of the resonators drives the hollow rotor tangentially, the transverse oscillation component of the resonators exerts a holding and centering pressure on the hollow rotor. For example. the hollow rotor is stored in the resonators. It is stretched by the elastic means in the resonators and held by the transverse vibration component of the resonators. With knowledge of the present invention, the person skilled in the art has many possibilities of realizing piezoelectric drives with resonators driving a hollow rotor from the outside.
FIG. 5 schematically shows a third exemplary embodiment of a drive 2 with three piezoelectric resonators 1. The three asymmetric resonators have one or more exciters 10, which in a similar sandwich construction as in the exemplary embodiment according to FIG. 2 is mounted between resonator elements 11, 12 is / are. The resonators are arranged at an angle of 120 ° apart from one another about the body 3 to be driven. Each resonator has a drive surface 13. In this third exemplary embodiment of a piezoelectric drive, the body is a rotor body 30 with shaft 31. This rotor body is freely rotatably mounted about a central axis 0, it is driven on outer collecting surfaces of the rotor body. The rotor body is rigidly connected to the shaft.
The resonators are mounted via elastic means 20 on a closed ring 21 mounted around the resonators base 21. The elastic means and the base are integral with the resonators and clamp them against the rotor body. As soon as the resonators oscillate in longitudinal as well as in transverse mode, they drive the rotor body via the drive surfaces. The longitudinal oscillation component of the resonators drives the rotor body tangentially, the transverse oscillation component of the resonators exerts a holding and centering pressure on the rotor body. For example. the rotor body is mounted in the resonators. It is stretched by the elastic means in the resonators and it is held by the transverse vibration component of the resonators.
Large holding forces are possible, so that no further example. external bearings are necessary for bearing the shaft. The transmitted torque is very large, since the step angle of the rotor body per resonator vibration is very small. For example. the step angle is 0.01 °. With knowledge of the present invention, the person skilled in the art has many possibilities of realizing piezoelectric drives with resonators driving a rotor body from the outside.
The Fig. FIGS. 6 and 7 schematically show fourth and fifth exemplary embodiments of a drive 2 having a piezoelectric resonator 1. The asymmetric resonator has one or more exciters 10, which in a similar sandwich construction as in the exemplary embodiment according to FIG. 2 is mounted between resonator elements 11, 12 is / are. The resonator is mounted via elastic means 20 with a base 21 mounted centrally in an axis O. The resonator is arranged laterally on a body 3 to be driven. The resonator in the embodiment according to FIG. 6 has two drive surfaces 13, 13 '. The resonator in the embodiment according to FIG. 7 has a drive surface 13. The body is a disc in these fourth and fifth exemplary embodiments of a piezoelectric actuator.
This disc is freely rotatably mounted about a central axis 0, it is driven and held on outer, lateral collecting surfaces. The elastic means clamp the resonator laterally against the disc. As soon as the resonator vibrates in longitudinal as well as in transverse mode, it drives the disk via drive surfaces. Since the drive has only a single piezoelectric resonator, a simple control of the resonator and piezoelectric drive via a single oscillation with the same frequency and phase is possible. With knowledge of the present invention, the person skilled in the art has many possibilities of realizing piezoelectric drives with a resonator driving a disk out of a disk.
The Fig. 10 and 11 schematically show a sixth exemplary embodiment of a drive 2 with two piezoelectric resonators 1. The two asymmetrical resonators each have at least one exciter 10, which in a similar sandwich construction as in the exemplary embodiment according to FIG. 2 is mounted between resonator elements 11, 12 is / are. The resonators are arranged laterally on a body 3 to be driven. The resonators are mounted via elastic means 20 on a base 21 mounted between the resonators. The elastic means and the base are integral with the resonators and clamp them against the rotor body. The resonators each have a drive surface 13. The body is a shaft in these sixth exemplary embodiments of a piezoelectric actuator.
This shaft is freely rotatably supported about a central axis O and held by the central base. Compared with the embodiments according to FIG. 3 and 7 is the drive according to FIGS. 10 and 11 executed twice. The drive is designed particularly powerful. As soon as the resonators oscillate in longitudinal as well as in transverse mode, they drive the shaft via the drive surfaces. This is done, for example. bidirectional, d. H. depending on the control of the resonators, the body is rotated clockwise (Fig. 10) or counterclockwise (Fig. 11) driven. For this purpose, the resonators are driven by a single oscillation with the same frequency and phase, but with different high amplitudes of the supply voltage.
For example. the one of the resonators is driven with a high amplitude, so that its longitudinal vibration component, the body in a forward movement strong to the right (Fig. 10) resp. left (Fig. 11), while the other of the resonators is driven at a low amplitude, so that its longitudinal oscillatory component less vigorously moves the body to the right in the same forward movement (FIG. 10) resp. left (Fig. 11) drives. The one high-amplitude resonator thus overcomes the friction of the other low-amplitude resonator as it advances, and rotates the shaft in a forward direction. This friction increases the holding forces of the transversal vibration components of the drive.
So that the wave is not turned back during the backward movement of the resonators, the forward movement takes place under a high pressure angle and the backward movement takes place under a small pressure angle. The pressure angles can be adjusted by the asymmetrical shape of the resonators. Depending on the selected amplitude difference and ratio of the pressure angle at forward resp. Backward movement can be adjusted the amount of friction and the efficiency of the drive. With knowledge of the present invention, the person skilled in the art has many possibilities of realizing piezoelectric drives with two or more externally a shaft according to a vibration with the same frequency but different amplitudes driving resonators.
The Fig. 12 to 14 schematically show seventh, eighth and ninth exemplary embodiments of a drive 2 including a piezoelectric resonator 1. The asymmetric resonator has one or more exciters 10, which in a similar sandwich construction as in the exemplary embodiment according to FIG. 2 is mounted between resonator elements 11, 12 is / are. The resonator is mounted via elastic means 20 with a base 21 mounted centrally in an axis O. The resonator is arranged laterally on a body 3 to be driven. The resonator has a drive surface 13. The body is a shaft which is freely rotatable about an axis 0 and which is driven and held on outer lateral collecting surfaces. The elastic means tension the resonator laterally against the shaft.
As soon as the resonator vibrates in longitudinal as well as in transverse mode, it drives the shaft via the drive surface, for example. in a left or Turn to the right.
The drive is provided with positioning means for determining the position of the body. In the embodiment according to FIG. 12, the body is slightly eccentrically mounted in the axle. As positioning this eccentric bearing of the body is used. As a result of the eccentric bearing of the body, the contact force that acts from the driving surface of the resonator on the collecting surfaces of the body varies. This fluctuation of the contact force in turn causes a measurable impedance change. In the embodiment according to FIG. 13 is the body with a slot or a rub. As positioning this slot or this rub.
When turning the body and passage of the slot or the non-flatness on the drive surface of the resonator, the contact force from the resonator to the body, which in turn causes a measurable impedance change. In the embodiment according to FIG. 14 is the body with a plurality of slots or Bumps provided. As a positioning means serve these plurality of slots or Irregularities. This variety of slots or Unevenness allows a finer resolution of the position determination. For example. are 12 slots or Unevenness is placed at a distance of 30 ° on the circumference of the shaft.
These changes in impedance caused by various positioning means can be measured in a known manner. A preferred position of the body can thus be defined as a reference. For example. the position of the body of a drive in the embodiment according to FIG. 12, which corresponds to a maximum impedance change, are set as a reference, or the position of the body of a drive in the embodiment of FIG. 13, which corresponds to the impedance change, set as a reference. Also, the number of measured impedance changes can be determined. For example. can the number of left or Right turns of the body are determined. In the embodiment of a drive according to FIG. 14, the rotation of the body can be precisely determined to a position angle of +/- 30 °.
Of course, these versions of positioning can be combined with each other. With knowledge of the present invention, the person skilled in the art has manifold possibilities of realizing piezoelectric drives with a resonator driving a shaft from the outside and positioning means for determining the position of the body.
FIG. 15 schematically shows a tenth exemplary embodiment of a drive 2 with two piezoelectric resonators 1. This tenth embodiment according to FIG. 15 is largely similar to the second embodiment according to FIG. 4, so that reference is made to their description and the differences between these two embodiments are explained below. In analogy to the ninth embodiment of a drive according to FIG. 14 is the body 3 on its collecting surfaces with a plurality of slots or Bumps provided. The slots or Unevennesses serve as positioning means. The two resonators are, for example. at an angle of 120 ° to each other around the body. They are of the same type and thus have at an angle of 120 ° to each other arranged drive surfaces 13, 13 'to drive the body.
The drive surfaces are shaped so that they also with the slots or Unevenness occurs in positive connection. For example. the drive surfaces are formed as wedges, which in corresponding slots or Unevennesses of the collecting surfaces are effective. The variety of slots or Bumps allow a fine resolution of the position of the body. For example. are standard slots or Bumps at 72 DEG on the circumference of the body. In addition, an extra slot is placed 120 degrees apart from one of these standard slots on the perimeter of the body. When turning the body and the positive fit of the drive surfaces with slots or Unevenness fluctuates the contact force from the resonator to the body, causing a measurable impedance change.
Every 360 DEG rotation from the body, there is a single body position, where the two drive surfaces engage in a standard slot and in the extra slot. The slots are arbitrarily deep, eg. they are only 1/100 mm or 2 mm deep. By this intervention, a particularly concise measurable position determination (Fig. 15). The impedance changes can be measured in a known manner. A specific position of the body can be specified as a reference. For example. corresponds to the position of the body according to FIG. 15 of a unique zero position. Only after rotating the body for another 360 ° do they resort to this 120 ° apart pair of standard slot and extra slot. The number of measured impedance changes can thus be determined. For example.
is counted by counting the zero positions, the number of left or Right turns of the body determined. Furthermore, by counting the standard slots, the positional angle of the body can be accurately determined to +/- 72 °. Of course, others, finer or coarser resolutions of a zero position or possible from position angles. With knowledge of the present invention, the person skilled in the art has many possibilities of realizing piezoelectric drives with resonators driving a body from the outside and specially shaped positioning means for unambiguously determining the position of the body.
The piezoelectric drives shown in several exemplary embodiments can be used in particular in mechanics and precision mechanics. They can be very flat with less than 1 mm thickness. In particular, the body can be very small and bspw. have less than 1 mm in diameter. The drives can be uni- or operate bidirectionally. The rotation speed is freely adjustable. Very high speeds of more than 6000 revolutions per minute are possible. The parameters are the size of the body (the smaller the diameter of the body, the higher the speed of the drive) or Variations of the drive voltage.
So are, for example. with correspondingly small-sized bodies of 0.4 mm or 0.2 mm diameter or With appropriate variation of the drive voltage speeds of 10,000 or 20,000 revolutions per minute possible. The drives are suitable both as stepping motors and as continuous rotary motors. In particular, they can body in very small, for example. in small increments of 0.1 to 0.4 μm.
In the embodiments shown, the piezoelectric drives drive bodies on outer side collecting surfaces. Of course, it is up to the skilled person, with knowledge of the present invention, also to design drives in which bodies are driven via inside collecting surfaces. Of course, the drive can be used not only as a rotary motor, but also as a linear motor.
The piezoelectric drive can be designed very flat. The most diverse uses are possible. Exemplary fields of use are watches, cameras, data storage, microscopy tables, speedometer etc. In watches, he can watch the clock directly or drive indirectly. In cameras, it can be arranged around the lenses and so in zoom cameras or Normal cameras, the lens adjustment, for example. in depth-of-field adjustment. In data storage such as hard disk drives or CD drives, he can drive the read head. In microscopy tables, he can table or Power work platforms. In tachometers he can directly drive the speed indicator. All these uses are exemplary. This list is not exclusive.
The person skilled in the art can realize various other uses of a flat piezoelectric actuator with knowledge of the present invention.
The piezoelectric drive is inexpensive to produce, since it comprises few parts, since in the production of these parts no strict tolerances must be fulfilled and because the materials used are inexpensive.