DD222466A1

DD222466A1 - PIEZOCERAMIC DRIVE

Info

Publication number: DD222466A1
Application number: DD25806983A
Authority: DD
Inventors: Hans-Holger Anger; Wolfgang Krause
Original assignee: Mittweida Ing Hochschule
Priority date: 1983-12-16
Filing date: 1983-12-16
Publication date: 1985-05-15

Abstract

Erfindungsgemaess werden die piezokeramischen Schwinger von piezokeramischen Vibromotoren in einer elastischen Substanz wie Gummi, Silikonkautschuk, PUR-Elastomer o. ae. eingebettet. Diese Substanz befindet sich in einem Gehaeuse, das im Bereich des mechanischen Kontaktes von Koppelelement und Laeufer unterbrochen ist. Durch die Einbettung werden wesentliche reproduzierbare Parameter des piezokeramischen Antriebes, z. B. eine verbesserte Konstanz der Schwingamplitude und geringere Neigung zu parasitaeren Schwingungen erzielt.According to the invention, the piezoceramic oscillators of piezoceramic vibromotors in an elastic substance such as rubber, silicone rubber, PUR elastomer o. Ae. embedded. This substance is located in a housing that is interrupted in the region of the mechanical contact of coupling element and Laeufer. By embedding essential reproducible parameters of the piezoceramic drive, z. B. achieved an improved constancy of the oscillation amplitude and less tendency to parasitic vibrations.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft piezokeramische Antriebe, die auf Basis des Mikrostoßprinzips arbeiten, bei denen die elektrische Erregung der verwendeten Schwinger im Bereich von Ultraschallfrequenzen erfolgt.The invention relates to piezoceramic drives which operate on the basis of the micro-shock principle, in which the electrical excitation of the oscillator used takes place in the range of ultrasonic frequencies.

Diese Antriebe werden in der elektrischen Feinwerktechnik verwendet, z. B. als Antrieb für Speicher, für Positioniergeräte, Anzeigegeräte und in elektromechanischen! Spielzeug. ·These drives are used in electrical precision engineering, z. As drive for memory, for positioning, display devices and in electromechanical! Toy. ·

Characteristic of the known technical solutions

Es sind folgende technische Lösungen bekannt:The following technical solutions are known:

1. Das Mikrostoßprinzip,1. The micro-shock principle,

bei dem ein oder mehrere piezoelektrische Schwinger ein antreibendes mechanisches Koppelelement in eine kreisförmige, elliptische oder rechteckförmige Bewegung versetzen. Hierbei erfolgt durch die Aufhängung des Systems bedingt eine Mitnahme des Rotors des Antriebes bei der Vorbewegung des Koppelelementes. Die Mitnahme erfolgt stoßförmig und unter Ausnutzung der mechanischen Reibung zwischen Koppelelement und Rotor. Bei der Rückbewegung des Koppelelementes ist die Verbindung zwischen diesem und dem Rotor gelöst.wherein one or more piezoelectric vibrators translate a driving mechanical coupling element into a circular, elliptical or rectangular motion. This is done by the suspension of the system conditionally entrainment of the rotor of the drive in the forward movement of the coupling element. The entrainment is shock-shaped and taking advantage of the mechanical friction between coupling element and rotor. During the return movement of the coupling element, the connection between this and the rotor is released.

Die bekannten Systeme besitzen Auslenkungen (Hin- bzw. Rückbewegung des Koppelelementes) zwischen 0,1 und 20μνη bei Frequenzen bis 10OkHz.The known systems have deflections (back and forth movement of the coupling element) between 0.1 and 20 μνη at frequencies up to 10OkHz.

Es gibt analog auch translatorische Systeme insbesondere für Mikropositionierungen.Analogously, there are also translational systems, in particular for micropositioning.

Diese Lösungen haben einen einfachen Aufbau, erfordern jedoch eine exakte Optimierung der geometrischen und elektronischen Parameter, um hinreichende Laufeigenschaften zu erzielen. Die Reproduzierbarkeit der Parameter über einen längeren Zeitraum ist auf Grund der Abnutzungserscheihungen zwischen Koppelelement und Rotor nur bei ausgewählten Anwehdungsfällen hinreichend. Das Anlaufmoment ist niedrig.These solutions are simple in design but require precise optimization of geometric and electronic parameters to provide adequate runnability. The reproducibility of the parameters over a longer period of time is sufficient due to the Abutment pullout between coupling element and rotor only in selected cases of application. The starting torque is low.

Eine weitere Ausführung des Mikrostoßprinzips verwendet ein Arbeitspiezoelement und ein Rückkopplungspiezoelement, wobei eines dieser Piezoelemente eine Stufe eines Ultraschallkonzentrators berührt. Dieser Ultraschallkonzentrator kannAnother embodiment of the microburst principle employs a working piezoelectric element and a feedback piezo element, one of these piezo elements contacting a stage of an ultrasonic concentrator. This ultrasonic concentrator can

verschiedene Bauformen haben. ' have different types. '

Bei einer Variante hat die Stufe die Form eines Zylinders, in dessen Körper auf der gesamten Höhe — aber nicht auf ganzer Tiefe — geneigte nutförmige Schlitze eingebracht sind.In one variant, the step has the shape of a cylinder, in the body of the entire height - but not at the entire depth - inclined groove-shaped slots are introduced.

Bei einer zweiten Variante sind auf der Seitenfläche des Zylinders unter einem gewissen Winkel Viertelwellenlängenstäbe angebracht.In a second variant, quarter wavelength bars are mounted on the side surface of the cylinder at a certain angle.

Wird das Piezoelement bei beiden Varianten an einen geeigneten Frequenzgenerator angeschlossen, erfolgt in der Konzentratorstufe eine Umwandlung der Längsschwingungen in Drehschwingungen. Diese Drehschwingungen pflanzen sich längs der Stufe fort und gehen durch geeignete Kopplung in Drehschwingungen der Antriebsstufe über. Ein Übergang erfolgt dann, wenn die Stufen viertelwellig ausgeführt sind. Eine Verstärkung der Schwingungen erfolgt auf Grund der Differenz zwischen dem Querschnitt der Stufe und dem Inhalt der Seitenfläche der Antriebsstufe. Neben den Drehschwingungen werden auch Radialschwingungen in der Antriebsstufe erregt. Das beiderseitige Einwirken auf den Rotor versetzt ihn in eine Drehbewegung. Die angegebenen Lösungen sind in den Patenten 2910698 und 2910700 dargestellt.If the piezoelectric element is connected to a suitable frequency generator in both variants, a conversion of the longitudinal vibrations into torsional vibrations takes place in the concentrator stage. These torsional vibrations propagate along the stage and pass through suitable coupling in torsional vibrations of the drive stage. A transition occurs when the stages are performed quarter wave. An amplification of the vibrations is due to the difference between the cross section of the step and the content of the side surface of the drive stage. In addition to the torsional vibrations and radial vibrations are excited in the drive stage. The mutual action on the rotor puts him in a rotary motion. The solutions given are shown in patents 2910698 and 2910700.

Grundlage für die Bewegung.sind bei diesen Varianten ebenfalls Reibschlüsse, die die oben erwähnten Nachteile haben.Basis for the movement. In these variants are also frictions that have the above-mentioned disadvantages.

2. Das Klemmprinzip (inch — worm)2. The clamping principle (inch - worm)

Hierbei erfolgt der Antrieb eines rotatorischen oder translatorischen Systems durch wechselseitiges Ausdehnen bzw. Festhalten von oder durch Piezoelemente, Elektromagnete oder Elektrete. Das Festhalten erfolgt hierbei ebenfalls durch mechanische Reibung.Here, the drive of a rotary or translational system by mutual expansion or retention of or by piezo elements, electromagnets or electrets. The retention is also carried out by mechanical friction.

Das System ist besonders für Positionierungen geeignet. Die Arbeitsfrequenzen betragen meist weniger als 1OkHz und die Stellwege 0,1 bis 100/xm. Einige Lösungen der aufgeführten Varianten sind Kraftrichtgesperren zuordenbar.The system is particularly suitable for positioning. The working frequencies are usually less than 10 kHz and the travel ranges 0.1 to 100 / xm. Some solutions of the listed variants can be assigned to force judges.

3. Oberflächenwellen auf Festkörpern3. Surface waves on solids

Hierzu liegen nur Informationen aus der Literatur bzw. mündlich vor. Der Antrieb erfolgt durch laufende Wellen an der Oberfläche von Kristallen. Praktische Realisierungsbeispiele konnten nicht gefunden werden.For this only information from the literature or verbally available. The drive is made by running waves on the surface of crystals. Practical implementation examples could not be found.

4. Formschlüssige Richtgesperre4. Positive directional locking device

Es werden Ratschen oder Ankerhemmungen zur Umwandlung der Energie der Schwinger in eine rotatorische oder translatorische Schrittbewegung verwendet. Ihr Einsatz ist in der Regel auf Schrittantriebe, insbesondere für mechanische Anzeigen begrenzt, da bei der Übertragung großer Drehmomente der Verschleiß erheblich ansteigt.Ratchet or armature inhibitions are used to convert the energy of the vibrators into a rotational or translatory step motion. Their use is usually limited to stepper drives, especially for mechanical displays, as in the transmission of large torques wear increases significantly.

-2- 258 069 5-2- 258 069 5

Ziel der Erfindung 'Object of the invention

Bei den bekannten piezokeramischen Antrieben, die auf der Basis des Mikrostoßantriebes im Bereich der Ultraschallschwingungen arbeiten, ist der Umstand zu verzeichnen, daß die erreichbaren technischen Parameter, wie die Drehzahl bzw. Laufgeschwindigkeit, wesentlich von der gewählten Erregerfrequenz abhängen. Die zulässige Toleranz der Schwankung der optimalen Erregerfrequenz ist daher gering.In the known piezoceramic drives, which operate on the basis of micro-shock drive in the field of ultrasonic vibrations, the fact is that the achievable technical parameters, such as the speed or running speed, depend essentially on the selected exciter frequency. The allowable tolerance of the fluctuation of the optimum excitation frequency is therefore small.

Durch Temperaturveränderungen und Abnutzungserscheinungen verändert sich die optimale Erregerfrequenz. Dies kann ein Nachstellen des Generators erfordern.Temperature changes and signs of wear change the optimal exciter frequency. This may require adjusting the generator.

Bei der Serienfertigung der Antriebe kann es sich als notwendig erweisen, jeden Schwinger auf eine andere spezifischeIn mass production of the drives, it may be necessary to move each oscillator to another specific one

Erregerfrequenz abzugleichen. · ,Adjusting the exciter frequency. ·,

Mit der dargestellten Erfindung wird die zulässige Toleranz der optimalen Erregerfrequenz wesentlich verbreitert. Dies führt zur Verbesserung der Langzeitstabilität der Parameter des Antriebes. Die Fertigung der Antriebe wird reproduzierbarer und die Tendenz zu parasitären Schwingungen vermindert.With the illustrated invention, the allowable tolerance of the optimum excitation frequency is significantly widened. This leads to the improvement of the long-term stability of the parameters of the drive. The production of the drives becomes more reproducible and the tendency for parasitic vibrations is reduced.

Explanation of the essence of the invention

— Technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird- Technical problem, which is solved by the invention

Erfindungsgemäß wird der piezoelektrische Schwinger einschließlich der Zuleitungen innerhalb eines Gefäßes in eine elastische Substanz eingebettet. Die direkte Berührung des Schwingers mit dem Gehäuse wifd durch diese elastische Substanz vermieden. ' . According to the invention, the piezoelectric oscillator, including the feed lines within a vessel, is embedded in an elastic substance. The direct contact of the vibrator with the housing wifd avoided by this elastic substance. '.

Lediglich im Bereich des mechanischen Kontaktes von Schwinger und Rotor oder Translator ist das Gefäß bzw. die Einbettung unterbrochen. Es wird die Schwingamplitude der optimalen Erregerfrequenz gedämpft und in einem großen Frequenzbereich relativ konstant gehalten. Dadurch sind größere Toleranzen der Erregerfrequenz zulässig. Die Serienfertigung der Antriebe wird reproduzierbarer. Die Tendenz zu parasitären Schwingungen verringert sich. Die Einbettung bewirkt gleichzeitig eine Zugentlastung der Zuleitungen und deren mechanischen Schutz. Der Schwinger wird zu einer leicht handhabbaren austauschbaren Baugruppe. Das piezokeramische Element ist gegen unzulässige mechanische Beanspruchungen weitgehend geschützt. _v Only in the area of the mechanical contact between oscillator and rotor or translator is the vessel or the embedding interrupted. The oscillation amplitude of the optimum excitation frequency is damped and kept relatively constant over a wide frequency range. As a result, larger tolerances of the excitation frequency are allowed. Series production of the drives becomes more reproducible. The tendency for parasitic vibrations decreases. The embedding also causes a strain relief of the leads and their mechanical protection. The transducer becomes an easy-to-handle, interchangeable assembly. The piezoceramic element is largely protected against impermissible mechanical stresses. _v

— Merkmale der ErfindungFeatures of the invention

In piezokeramischen Vibroantrieben, die nach bekannten technischen lösungen arbeiten, wird erfindungsgemäß eine konstruktive Veränderung vorgenommen, die darin besteht, daß der piezokeramische Schwinger oder bei Mehrschwingersystemen die piezokeramischen Schwinger zum überwiegenden Teil in ein elastisches Material wie PUR, - Gummi, Silikonkautschuk, Weich-PVC, eingebettet werden. Diese eingebetteten Schwinger befinden sich in einem Becher oder Gehäuse, das im Bereich des Angriffspunktes von Schwinger und Rotor oder Translator des Antriebes ausgespart ist. Eine direkte Berührung des Gehäuses mit dem Schwinger wird in jedem Fall vermieden. Durch die Wahl des elastischen Materials, dessen Wanddicke, sowie die geometrische Abmessung des Gehäuses, werden die mechanischen Schwingeigenschaften des piezokeramischen Schwingers wesentlich verändert. So werden die ansonsten vorkommenden zahlreichen Extrema der Amplitude der mechanischen Schwingungen wesentlich reduziert. Die Schwingamplitude der Erregerfrequenz, die optimale Betriebsparameter des Antriebes ermöglicht, wird zwar gedämpft, kann aber in einem großen Bereich variiert werden, ohne die positiven Eigenschaften des Antriebes wesentlich zu beeinflussen. Daraus ergibt sich eine verbesserte Langzeitkonstanz der Parameter, und es ist möglich, auch größere Stückzahlen mit bedeutend verbesserter Reproduzierbarkeit zu fertigen. Durch die gewählte Konstruktion entsteht eine mechanisch handhabbare Baugruppe, in der auch die Zugentlastung der Zuleitungen für die Elektroden realisiert ist. Durch die Einbettung wird außerdem das Abstrahlen akustischer Energie in den Raum und die Erscheinung der parasitären Schwingungen vermindert.In piezoceramic vibro drives, which operate according to known technical solutions, a constructive change is made according to the invention, which consists in that the piezoceramic oscillator or in Mehrschwingersystemen the piezoceramic oscillator for the most part in an elastic material such as polyurethane, rubber, silicone rubber, plasticized PVC to be embedded. These embedded oscillators are located in a cup or housing, which is recessed in the area of the point of application of oscillator and rotor or translator of the drive. A direct contact of the housing with the vibrator is avoided in any case. The choice of elastic material, its wall thickness, as well as the geometric dimension of the housing, the mechanical oscillating properties of the piezoceramic oscillator are significantly changed. Thus, the otherwise occurring numerous extremes of the amplitude of the mechanical vibrations are substantially reduced. The oscillation amplitude of the excitation frequency, which enables optimum operating parameters of the drive is indeed attenuated, but can be varied within a wide range, without significantly affecting the positive characteristics of the drive. This results in an improved long-term stability of the parameters, and it is possible to produce larger quantities with significantly improved reproducibility. The chosen construction creates a mechanically manageable assembly, in which the strain relief of the leads for the electrodes is realized. The embedding also reduces the emission of acoustic energy into the room and the appearance of the parasitic vibrations.

embodiment

Ein piezokeramischer Schwinger 1, der flache Abmessungen besitzt und an seinen Stirnflächen Kontaktelektroden 5 trägt, ist in einem Gehäuse 3 in eine elastische Substanz 2, z.B. Silikonkautschuk, eingebettet. Eine direkte Berührung zwischen Gehäuse und Schwinger gibt es nicht. Die Zuleitungen für die Elektroden sind ebenfalls mit eingebettet.A piezoceramic oscillator 1, which has flat dimensions and carries contact electrodes 5 at its end faces, is formed in a housing 3 in an elastic substance 2, e.g. Silicone rubber, embedded. There is no direct contact between housing and oscillator. The leads for the electrodes are also embedded.

Im Bereich des mechanischen Kontaktes des Schwingers mit dem Rotor 4 oder Translator 4 des Antriebes ist das Gehäuse und das Einbettungsmaterial ausgespart.In the area of the mechanical contact of the oscillator with the rotor 4 or translator 4 of the drive, the housing and the embedding material are recessed.

Die konstruktiven Abmessungen und Details von Gehäuse und Einbettung richten sich nach der Anwendung in den jeweiligen bekannten keramischen Vibroantrieben.The structural dimensions and details of housing and embedding are determined by the application in the respective known ceramic vibro drives.

Je ein Beispiel füriOtatorische Bewegungen wird in figure 1 und 2, je ein Beispiel für translatorische Bewegungen wird in figure 3 und 4 gezeigt.An example of each of these is shown in FIGS. 1 and 2, and each example of translational motion is shown in FIGS. 3 and 4.

Durch die gewählte Einbettung wird die mechanische Güte des Schwingers herabgesetzt. Die ansonsten oft zahlreich auftretenden Nebenextrema der Schwingamplitude waren verringert oder ganz beseitigt. Der Frequenzbereich der Eigenfrequenz, die günstige Betriebsparameter des Antriebes ermöglicht, wird wesentlich verbreitert. Daraus ergibt sich eine ' verbesserte Reproduzierbarkeit bei der Fertigung derartiger Antriebe. Die Längzeitkonstanz der Eigenschaften wird ebenfalls gesteigert. Durch die Einbettung wird weniger akustische Energie abgestrahlt und die Tendenz zu parasitären Schwingungen herabgesetzt. Die dargestellte Lösung hat weiterhin den Vorteil, daß eine mechanische Schwingerbaugruppe entsteht, in der sowohl der Schwinger selbst als auch die Anschlüsse der elektrischen Zuleitungen mechanisch geschützt sind. Der Austausch dieser Baugruppe ist somit einfach möglich. <Due to the chosen embedding the mechanical quality of the vibrator is reduced. The otherwise often numerous Nebenextrema the vibration amplitude were reduced or completely eliminated. The frequency range of the natural frequency, which allows favorable operating parameters of the drive is significantly widened. This results in an 'improved reproducibility in the production of such drives. The long-term constancy of the properties is also increased. By embedding less acoustic energy is emitted and reduced the tendency to parasitic vibrations. The solution shown has the further advantage that a mechanical oscillator assembly is formed, in which both the oscillator itself and the terminals of the electrical leads are mechanically protected. The replacement of this module is thus easily possible. <

Claims

-1- 258 069

Invention claims:

1. piezoceramic drive, characterized in that the one or more piezoceramic oscillator 1 used are embedded in a partially open housing or a partially open cup 3.

2. piezoceramic drive according to claim 1, characterized in that the embedding with elastic substance 2 such as polyurethane, rubber, silicone rubber, polyethylene o.a. takes place, the mechanical connection between the housing and piezoceramic oscillator (s) is given only on this elastic substance, a direct contact is therefore excluded-and at the same time so that the connections for the electrical leads are mechanically fixed.

3. piezoceramic drive according to claim 1 and 2, characterized in that the housing is interrupted in the region of contact between piezoceramic element and rotor or translator.

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