DD143682A1 - PIEZOELECTRIC VIBRATION DRIVE - Google Patents
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Abstract
Der Antrieb realisiert sowohl rotatorische als auchThe drive realizes both rotary and
Description
Titel der Erfindung Piezoelektrischer Vibrationsantrieb Title of the invention Piezoelectric vibration drive
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Vibrationsantrieb für die Realisierung rotatorischer oder translatorischer Bewegungen, der für den direkten schrittweisen Antrieb bzw* durch die Aneinanderreihung kleiner Schritte kontinuierlich bewegter Elemente wie Speicherfolien, Magnetkarten, Kreditkarten, Bändern usw. in der mittleren Datentechnik eingesetzt werden kann.The invention relates to a piezoelectric vibration drive for the realization of rotational or translational movements, which can be used for direct stepwise drive or * by the juxtaposition of small steps continuously moving elements such as imaging plates, magnetic cards, credit cards, tapes, etc. in the medium data technology.
Antriebseinrichtungen für o.g. Anwendungen werden bekannterweise durch Motoren oder Schrittmotoren über entsprechende mechanische Übertragungselemente realisiert, wobei ein relativ hoher mechanischer Aufwand verbunden mit großen Abmessungen notwendig ist* Diese Einrichtungen haben auch den Nachteil, daß die erforderlichen Positionsgenauigkeiten· nicht problemlos erreicht werden.Drive devices for o.g. Applications are known to be realized by motors or stepper motors via corresponding mechanical transmission elements, with a relatively high mechanical complexity associated with large dimensions is necessary * These devices also have the disadvantage that the required position accuracies · are not easily achieved.
Weiterhin ist bekannt, einen piezoelektrischen Längsschwiüger, der an beiden Enden mit Elektromagneten versehen ist, durch geeignete Ansteuerung der PiezosäuleFurthermore, it is known, a piezoelectric Längsschwiüger, which is provided at both ends with electromagnets, by suitable control of the piezoelectric column
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und der Magneten kraftschlüssig entlang einer V-förmigen oder anders gestalteten Gleitbahn aus magnetischem Werkstoff zu bewegen (DL-PS 99264). Nachteilig ist dabei, daß die im Mikrometerbereich liegenden Amplituden der Piezosäule, die Frequenzen > 10 kHz erreichen können, mit dem Magneten nur mit Frequenzen weiter unter 1 kHz übertragen werden können. Zur Beseitigung dieser Nachteile ist bekannt, die Spannelemente als Piezoelemente auszubilden, die in einer Spannschiene mit viereckigem oder kreisförmigen Querschnitt angreifen (DL-PS 110992). Nachteilig ist dabei, daß der mögliche Spannweg einige Mikrometer beträgt, wodurch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erforderlich und die Funktionssicherheit bereits bei geringen Abnutzungen nicht mehr gewährleistet ist. Es ist auch bekannt, den Klemmvorgang durch mit Piezosäulen erzeugtes Verkanten oder durch Kugelsperren zu realisieren (US-P 3.292.019). Nachteilig sind dabei Funktionsunsicherheiten und auftretende Genauigkeitsprobleme.and the magnet non-positively along a V-shaped or otherwise shaped slideway of magnetic material to move (DL-PS 99264). A disadvantage is that the lying in the micrometer range amplitudes of the piezoelectric column, which can reach frequencies> 10 kHz, can be transmitted with the magnet only at frequencies below 1 kHz. To eliminate these disadvantages, it is known to form the clamping elements as piezo elements, which engage in a clamping rail with a square or circular cross-section (DL-PS 110992). The disadvantage here is that the possible clamping distance is a few micrometers, whereby a high machining accuracy required and the reliability is not guaranteed even at low wear. It is also known to realize the clamping operation by tilting generated by piezoelectric columns or by ball locks (US Pat. No. 3,292,019). Disadvantages are functional uncertainties and occurring accuracy problems.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die relativ kleinen und schnellen Bewegungen von Piezoelementen ohne hohe Genauigkeitsforderungen auf ein Abtriebselement zu übertragen, um kleine Schritte zur Realisierung hoher Positionsgenauigkeiten der aus kleinen Schlitten zusammengesetzten kontinuierlichen Bewegungen zu erzeugen.The object of the invention is to transfer the relatively small and fast movements of piezoelectric elements to an output element without high accuracy requirements in order to produce small steps for realizing high positional accuracies of the continuous movements composed of small carriages.
— Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird, besteht darin, einen Vibrator über ein Antriebselement mit einem Abtriebselement so zu verbinden, daß durch Federwirkung eine Verbindung entsteht, wobei die Pederandruckkraft, synchron mit der Vibration variiert wird.- The technical problem, which is solved by the invention, is to connect a vibrator via a drive element with an output member so that by spring action, a connection is formed, wherein the Pederandruckkraft is varied in synchronism with the vibration.
- Merkmale der Erfindung;Features of the invention;
Merkmale der Erfindung sind, daß der Aufbau des Vibrators so erfolgt, daß durch zeitlich verzögerte Ansteuerung der z.B. auf einer durchgehenden Stahllamelle symetrisch angebrachten Piezobiegeelemente oder der beiden auf einem Kipphebel arbeitenden Piezosäulen der Anpreßdruck, mit dem der Reibbelag am Ende des Übertragungshebels elastisch an ein Abtriebselement angedrückt wird, synchron zur Vibration verstärkt bzw. abgeschwächt wird. Bei besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erhöhung des Anpreßdruckes eine Kombination aus Piezosäule und Massenelement senkrecht zur Vibrationsrichtung wirkend angebracht, wobei bei phasengleicher Ansteuerung infolge der auftretenden Trägheitskräfte ein zusätzlicher Anpreßdruck bzw. eine Reduzierung desselben erfolgt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Vibrator als Zylinder aus Piezokeramik mit Elektroden auf dem Innen- und Außenmantel gestaltet, wobei die Änderung des Innenvolumens bei Anlegen einer Spannung mit einer Flüssigkeit über eine Membrane oder einem Kolben auf einen Stößel übertragen wird und so eine große 7/egübersetzung ermöglicht.Features of the invention are that the structure of the vibrator is such that by delayed activation of the e.g. on a continuous steel plate symmetrically mounted piezoelectric bending elements or the two acting on a rocker arm piezoelectric columns of the contact pressure, with which the friction lining is pressed at the end of the transmission lever elastically to an output element, synchronously amplified or attenuated to vibration. In a particularly advantageous embodiment of the invention, a combination of piezosäule and mass element is perpendicular to the direction of vibration mounted to increase the contact pressure, wherein in phase-in control due to the inertial forces occurring an additional contact pressure or a reduction thereof takes place. In a further embodiment of the invention, the vibrator is designed as a cylinder made of piezoceramic with electrodes on the inner and outer sheath, wherein the change of the inner volume is transmitted to a plunger upon application of a voltage with a liquid via a diaphragm or a piston and so a large / eg translation allows.
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Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutertThe invention will be explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen: The accompanying drawings show:
Fig. 1 : Gesamtdarstellung eines Piezovibrationsantriebes mit zwei Biegeelementen auf einer gemeinsamen Stahllamelle.Fig. 1: Overall view of a piezo-vibration drive with two bending elements on a common steel plate.
Pig. 2 : Gesamtdarstellung eines Piezovibrationsantriebes mit zwei Yibrationselementen aus Piezosäulen, die auf einen gemeinsamen Kipphebel wirken.Pig. 2: Overall view of a piezo-vibration drive with two Yibrationselementen of piezo columns, which act on a common rocker arm.
Pig. 3 : Gesamtdarstellung eines Piezovibrationsantriebes mit zusätzlicher Piezosäule und Masse zur Erzeugung des Anpreßdruckes.Pig. 3: Overall view of a piezovibration drive with additional piezo column and ground for generating the contact pressure.
Pig. 4 .: Gesamtdarstellung eines Piezovibrationsantriebes mit zangenförmigen Übertragungselement zum Antrieb flacher Körper.Pig. 4: Overall view of a piezovibration drive with a forceps-shaped transmission element for driving flat bodies.
Pig. 5 : Anordnung von mehreren Antrieben zur Realisierung gleichförmiger Bewegungen.Pig. 5: arrangement of several drives to realize uniform movements.
Pig. 6 : Piezovibrator aus einem Rohrschwinger.Pig. 6: piezovibrator from a tube oscillator.
Der in Pig* 1 dargestellte erfindungsgemäße Piezovibrationsantrieb besteht aus dem als Biegestreifen ausgebildeten Vibrator aus dünnein Federstabl 2, auf dem 2 Paare von Piezoelementen 1 aufgeklebt sind, die an der aufgeklebten und gegenüberliegenden Fläche metallisiert sind« Die beiden zu einem Paar gehörenden Streifen sind elektrisch parallelgeschaltet und bewirken je nach. Polari~ sation der angelegten Spannung ein Verbiegen der Stahl-The piezoelectric vibratory drive according to the invention shown in Pig * 1 consists of the stripper made of thin thin spring rod 2, on which 2 pairs of piezoelectric elements 1 are glued, which are metallized on the glued and opposite surface. "The two belonging to a pair of strips are electrically connected in parallel and effect depending on. Polarization of the applied stress a bending of the steel
lamelle 2. Bei gleicher Ansteuerung wird der Stahlblechs tr eif en symetrisch verformt und der Übertragungsbebel 3 führt eine geradlinige Hin- und Herbewegung aus. Bei Ansteuerung der beiden Biegeelemente mit einer definierten Phasenverschiebung, indem z.B. ein Widerstand oder eine Induktivität in Reihe geschaltet werden, erreicht man, daß der Übertragungshebel 3 z.B. bei der Vorwärtsbewegung an das Abtriebselement 5 stärker angedrückt wird und bei der Rückwärtsbewegung von dieser abhebt. Durch Umschaltung kann dieser Vorgang auch rückwärts ablaufen. Damit erreicht man eine Drehbewegung des Abtriebselementes 5 wahlweise in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung.lamella 2. With the same control, the steel plate is symmetrically deformed symmetrically and the transmission lug 3 executes a linear reciprocating movement. When the two bending elements are driven with a defined phase shift, e.g. a resistor or an inductance are connected in series, it is achieved that the transmission lever 3, e.g. is more strongly pressed in the forward movement of the output member 5 and lifts off in the backward movement of this. By switching this process can also run backwards. This achieves a rotational movement of the output element 5 either in the forward or reverse direction.
Hach Fig. 2 kann der gleiche Vorgang durch die phasenverschobene Ansteuerung der beiden Piezosäulen 7 erreicht werden, wobei entsprechend dem technischen Prinzip der Hub kleiner und die Kräfte größer werden. Die Piezosäulen 7 wirken auf den durch Pedern 9 angedrückten gemeinsamen Kipphebel 8 und auf den damit starr verbundenen Übertragungshebel 3.Hach Fig. 2, the same process can be achieved by the phase-shifted control of the two piezoelectric columns 7, and according to the technical principle of the stroke smaller and the forces are greater. The piezoelectric columns 7 act on the common rocker arm 8 pressed by pedals 9 and on the transmission lever 3 rigidly connected thereto.
Bei dein in Pig, 3 dargestellten Beispiel wird der in dem als Piezosäule 12 ausgebildeten Vibrator erzeugte Hub über den Übertragungshebel 3 auf die Scheibe 5 übertragen, indem eine senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnete weitere Piezosäule 14 phaseηsynchroη angesteuert wird, durch ihre Ausdehnung die Masse 15 bewegt und mit der so entstehenden Trägheitskraft den Reibbelag 4 starker gegen die Scheibe 5 drückt. Die Andruckfeder 17 sorgt dafür, daß Fertigungsgenauigkeiten und ein evtl. auftretender Verschleiß ausgeglichen werden· Bei der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Vibrators wird durch phasengerechte Ansteuerung der Piezosäule H in einer Richtung die Trägheitskraft zur Federkraft addiert und in der anderen Richtung von der FederkraftIn your example shown in Pig, 3, the stroke generated in the piezoelectric column 12 formed as a vibrator transmitted to the disc 5 via the transmission lever 3 by a perpendicular to the direction of movement arranged further piezo column 14 phaseηsynchroη is driven by their expansion, the mass 15 moves and with the resulting inertial force the friction lining 4 presses stronger against the disc 5. The pressure spring 17 ensures that manufacturing accuracies and possibly occurring wear are compensated for · In the forward and backward movement of the vibrator is added by phase-responsive control of the piezoelectric column H in one direction, the inertial force to the spring force and in the other direction of the spring force
a ι / α» ιa ι / α »ι
subtrahiert. Bei erfindungsgemäß richtiger Dimensionierung wird bei einer Bewegungsrichtung die Federkraft aufgehoben, wodurch, eine Rückführung ohne Anlage an die Scheibe 5 möglich wird.subtracted. When inventively correct dimensioning the spring force is released in a direction of movement, whereby, a return without contact with the disc 5 is possible.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet als anzutreibeedeη Körper 22 eine flache Scheibe aus Metall oder direkt einen Datenträger. Die Ankopplung der Vibrationsbewegungen des Vibrators 18 erfolgt durch zwei beidseitig eines zangenförmigen Antriebsteiles 19 angeordneten, senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkenden Piezosäulen 21 und daran befestigten Masseelemente 20.The exemplary embodiment illustrated in FIG. 4 uses a flat disk made of metal or directly a data carrier as the drive body 22. The vibration vibrations of the vibrator 18 are coupled by two piezoelectric elements 21 arranged on both sides of a pincer-shaped drive part 19 and perpendicular to the direction of movement, and mass elements 20 attached thereto.
Bei phasenricb.tiger Ansteuerung erfolgt in einer Bewegungsrichtung infolge der Trägheitskräfte ein Anklemmen und in der anderen Bewegungsrichtung ein Öffnen der Zange. Dickenunterschiede und Verschleiß werden durch die Federeigenschaften der Zangenhälften ausgeglichen.When phasenricb.tiger control takes place in a direction of movement due to the inertial forces a clamping and in the other direction of movement, an opening of the pliers. Thickness differences and wear are compensated by the spring properties of the pliers halves.
In Fig. 5 ist als Übersichtsdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Piezovibrationsantriebes mit mehreren Antriebselementen dargestellt. Bei gegenphasiger Ansteuerung der beiden Antriebseinheiten und unter Berücksichtigung des Schlupfes, der zwischen den An-» triebselementen 23 und der Scheibe 24 immer auftritt, kann man eine annähernd gleichförmige Bewegung der Scheibe 24 erreichen.In Fig. 5 is an overview of an embodiment of a piezoelectric vibration drive with multiple drive elements shown. In antiphase control of the two drive units and taking into account the slip that always occurs between the arrival »drive elements 23 and the disc 24, one can achieve an approximately uniform movement of the disc 24.
In Fig. β ist das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Piezovibrators dargestellt. Der rohrförmige Körper 28 aus Piezokeramik ist an den äußeren und inneren Mantelflächen 29 metallisiert. Die beiden Enden des Rohres sind durch speziell geformte Abschlußplatten verschlossen, die so gestaltet sind, daß sie sich bei einer Verkleinerung des Durchmessers der Rohrenden elastisch verformen* Dadurch wird ein elastischerIn Fig. Β, the embodiment of a piezoelectric vibrator according to the invention is shown. The tubular body 28 made of piezoceramic is metallized on the outer and inner lateral surfaces 29. The two ends of the tube are closed by specially shaped end plates, which are designed so that they deform elastically with a reduction in the diameter of the pipe ends * This is a more elastic
Abschluß der Rohreadeα erreicht.Completion of Rohreadeα reached.
Bei der Änderung des Innenvolumens wölbt die Flüssigkeit .23, mit der der Zylinder gefüllt ist, die elastische Membrane 30 mit der die Bohrung in der Abschlußplatte 26 verschlossen ist. Über die Membrane wird ein Stößel 31 bewegt· Erfindungsgemäß bewirkt die relativ große Volumenanderung im Zylinder einen je nach Bohrungsdurchmesser an der Membrane 30 einen relativ großen Weg von einigen Zentelmillimetern,When changing the internal volume bulges the fluid .23, with which the cylinder is filled, the elastic membrane 30 with the bore in the end plate 26 is closed. A plunger 31 is moved over the membrane. According to the invention, the relatively large volume change in the cylinder, depending on the diameter of the bore on the membrane 30, causes a relatively large distance of a few centimeters to a few millimeters.
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- 1979-03-22 DD DD21174179A patent/DD143682A1/en not_active IP Right Cessation
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