DD287813A5

DD287813A5 - Vorrichtung aus piezoelektrischen biegescheiben fuer einen translatorischen antrieb

Info

Publication number: DD287813A5
Application number: DD89332371A
Authority: DD
Inventors: Andreas Osterer; Richard Kiehnscherf
Original assignee: ��@��@��`��`��k��
Priority date: 1989-09-05
Filing date: 1989-09-05
Publication date: 1991-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben fuer einen translatorischen Antrieb. Sie beinhaltet eine Vorrichtung aus Piezoelementen in Form von piezoelektrischen Biegescheiben fuer einen translatorischen Antrieb. Die Vorrichtung arbeitet mit piezoelektrischen Biegescheibenpaaren und ist vorzugsweise fuer die Realisierung kleiner Stellbewegungen mit hoher Praezision in der Speichertechnik, Mikromechanik, Schaltkreisherstellung, Optik usw. geeignet. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, einen translatorischen Antrieb zu entwickeln, der einen hohen Wirkungsgrad besitzt und in beiden Bewegungsrichtungen einen gleichartigen Kraftverlauf aufweist. Erfindungsgemaesz besteht die Vorrichtung aus Biegescheibenpaaren, die in einem Antriebsgehaeuse lose gestapelt sind, wobei sich die gegenueberstehenden Biegescheiben eines Biegescheibenpaares durch einen Distanzring voneinander abstuetzen und bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung entgegengesetzt kruemmen. Die Biegescheibenpaare werden in zwei Gruppen zusammengefaszt, zwischen denen der Abtrieb angeordnet ist. Die beiden Gruppen werden elektrisch so angesteuert, dasz sich die eine Gruppe kontrahiert und die andere ausdehnt. Fig. 1{Piezoelement; translatorischer Antrieb; Stellbewegung; Kraftverlauf; Wirkungsgrad}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben für einen translatorischen Antrieb, um eine Positionierbewegung im Mikrometerbereich durchführen zu können.

Die Erfindung ist überall dort vorteilhaft einsetzbar, wo geringe translatorische Stellwege in einer Vor- und Rückwärtsbewegung mit hoher Präzision und hohem Wirkungsgrad erzielt werden müssen, 2. B. in der Speichertechnik, Mikromechanik, bei der Herstellung integrierter Schaltkreise, in dor Optik, usw.

Charakteristik dos bekannten Standes der Technik

Üblicherwelse werden in bekannten Stellgliedern piezoelektrische Elemente zu einem Stapel zusammengefügt und jeweils elektrisch so angesteuert, daß maximale Dickenänderungen erzielt werden. Die elektrische Ansteuerung kann im Zusammenhang mit der konstruktiven Gestaltung der Einzelscheiben digital erfolgen, so daß durch die Ansteuerung ein Schrittantrieb mit digital codierten Schrittweiten erroieht werden kann (SU 947934). Der Gesamtstellweg bei derartigen bekannten Lösungen mit Dickenänderung ist gering, so daß zur Erzielung von Stellwegen bis 0,01 mm schon eine sehr hohe Anzahl von Scheiben benötigt werden. In anderen bekannt gewordenen Lösungen werden streifenförmlge Biegeelemente in Reit\e bzw. parallel geschaltet, um größere Stellwego mit sehr geringen Kräften bzw. kleine Stellwege mit großen Stellkräften zu erzielen (I)D 108172, DD 98403). Dio Biegeelemente werden einseitig oder beidseitig eingespannt und erzeugen entsprechend summierte Abtriebsbewegungen.

In weiteren Erfindungen werden piezokeramischo Scheiben nicht fest miteinander verbunden, sondern lose gestapelt und durch ein federndes Element mechanisch vorgespannt (DE 3218576). Die erzielten Wege sind jedoch sehr gering. Bei verbesserten Lösungsvarianten werden scheibenförmige Bicgeelomente entgegengesetzter Polarisation paarweise miteinander verklebt (DE 2848312), bzw. über eine Klemmvorrichtung fest miteinander verbunden (DD 140946), um größere Stellwege zu erzielen und entgegen einer Stellrichtung mit einer Feder verspannt. Bedingt durch die feste Verbindung der Biegescheiben ist der Herstellungsaufwand für die Biegescheibenpaare groß. Die Vorspannung mit einer Feder führt zu einem schlechteren Wirkungsgrad infolge der gegen din Kraft zu verrichtenden Arbeit. Die Rückstellkraft dieser Feder muß so groß sein, wie die Kraft, die durch die Piezoelemente erzeugt wird. Bei den Antrieben ergeben sich dadurch unterschiedliche Kraftcharakteristiken und somit ein unterschiedlicher Wirkungsgrad in beiden Richtungen. Die theoretisch zur Verfügung stehende Energie der Piezoelomento kann somit nur zu dinem geringen Teil ausgenutzt werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben für einen translatorischen Antrieb zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad sowie uinen einfachen mechanischen Aufbau besitzt und einoeinfachore Steuer" ng bzw. Regelung des translatorischen Antriebes in beidon Richtungen gewährleistet, sowie sich durch geringen Energieverbrauch auszeichnet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben für einon translatorischen Antrieb zu entwickeln, der aus an sich bekannten einzelnen Biegeelementen besteht, die so angeordnet sind, daß in beiden Bewegungsrichtungen gleiche Kraftcharakteristiken und damit gleiche Wirkungsgrade entstehen, wobei die Antriebsenergie der piezoelektrischen Biegescheiben vollständig für die Erreichung des Stellweges genutzt werden soll.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß an sich bekannte piezoelektrische Biegescheiben in einem Antriebsgehäuse, das gleichzeitig zur Führung derselben dient, lose übereinander gestapelt werden. Die Biegescheiben sind dabei paarweise angeordnet, daß durch Anlegen einer Spannung sich gegenüberstehende Scheiben, die sich über Distanzringe voneinander abstützen, wie Bimetallstreifen entgegengesetzt krümmen. Die Distanzringe sind als unterbrochene Ringe ausgebildet, so daß dadurch die Stromzuführung an die Biegescheiben gewährleistet wird. Die lose gestapelten Biegescheibenpaare werden in zwei Gruppen angeordnet, wobei sich in jeder Gruppe ein oder mehrere, jedoch in jeder Gruppe die gleiche Anzahl, Biegescheibenpaare befinden. Eine Erhöhung des Stellweges wird durch Vervielfachung der Biegescheibenpaare in beiden Gruppen erreicht.

Der Abtrieb des.so entstandenen piezoelektrischen translatorischen Antriebes befindet sich zwischen diesen beiden Gruppen. Der Abtrieb wird durch seitliche Führungsschlitze im Antriebsgehäuse nach außen geführt oder ist als Stößel ausgebildet und wird durch zentrische Führungslöcher in den Biegescheiben der ersten und/oder der zweiten Gruppe nach außen geführt. Die elektrische Ansteuerung der beiden Gruppen eifolgt so, daß sich eine Gruppe kontrahiert und die andere im gleichen Maße ausdehnt bzw. umgekehrt. Die Summe der vorzeichenbehafteten Auslenkungen der beiden Gruppen ist gleich Null. In der Führungseinrichtung sind die Biegescheiban dadurch gegeneinander verspannt. Der Abtrieb befindet sich in der Nullage, wenn die Biegescheiben beider Gruppen jeweils die Hälfte der maximalen Krümmung aufweisen. Die Auslenkung des Abtriebs wird dadurch erreicht, daß ausgehend von der Nullage, in der die Gruppen mit jeweils der halben maximalen elektrischen Spannung beaufschlagt werden, die elektrische Spannung der einen Gruppe im gleichen Maße erhöht wird, wie die der anderen Gruppe verringert wird, so daß die Summe beider Spannungen konstant ist.

Durch die lose angeordneten Biegescheiben entsteht in beiden Bewegungsrichtungen die gleiche Kraftcharakteristik und damit der gleiche Wirkungsgrad, da in beiden Richtungen die gleiche Kraft für die Erzielung der Stellwege aufgebracht worden muß. Der Energieverbrauch ist gering, da die Biegescheiben nicht durch ein Federelement vorgespannt sind und somit die Energie voll für die Erzielung der Stellwege genutzt werden kann

Bedingt durch die lose gestapelten Biegescheiben und Distanzringe ergibt sich ein einfacher Aufbau.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: die erfindungsgomäße Lösung mit 4 Biegescheibenpaaren und seitlichen Abtrieb in einer Extremauslenkung Flg. 2: die erfindungsgemäße Lösung mit 4 Biegescheibenpaaren und einem Stößel als Abtrieb in der Nullage

Die Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben nach Figur 1 besteht aus einer Montageplatte 1, die gestellfest angeordnet

ist und einem damit verbundenen Antriebsgehäuso 2, daß zur Führung der Biegescheibenpaare 5a und 5b dient. Die

Biegescheibenpaare 5 a und 5b bestehen jeweils aus paarweisen Anordnungen von Biegescheiben, die z. B. aus Piezo-Metall- Elementen bestehen und je einem Distanzring 4, der zwischen den Biegescheiben angeordnet ist. Die Biegescheibenpaare sind

so angeordnet, daß sich die einzelnen Scheiben entgegengesetzt krümmen. Die Biegescheibenpaare 5a werden in einer ersten

Gruppe und die Biegescheibenpaare 5b in einerzweiten Gruppe angeordnet. Zur Erhöhung der Auslenkung kann die Anzahl der Biegescheibenpaare 5a und 5b jeweils im gleichen Verhältnis vergrößert werden. Zwischen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe der Biegescheibenpaare 5a, 5b befindet sich der Abtrieb 3, der durch die seitlich angeordneten zwei Führungsschlitze im Antriebsgehäuse 2 herausragt. Die Biegescheiben, die Distanzringe 4 und der Abtrieb 3 werden im Antriebsgehäuse 2 lose gestapelt. Die Höhe des Stapelraumes im Antriebsgehäuse 2 muß gleich der Summe der Dicken der Biegescheibenpaare 5a und 5b, der Distanzringe 4,

des Abtriebes 3 und des Gesamthubes sein.

Um die Stromversorgung zum innoren Teil der Biegescheiben besser zu gewährleisten, sind die Distanzringe 4 nicht als Vollringe, sondern als unterbrochene Ringe ausgebildet, wobei die Unterbrechung eines Distanzringes 4 etwa der Dicke des Ringos entspricht. Die Nullage des Abtriobes 3 wird durch Anlegen einer variablen Versorgungsspannung U_A = '/j(U_m„ - U_min) erreicht, wobei U_m„ die maximale Betriebsspannung und U_min die minimale Betriebsspannung darstellt. In diesem Falle sind die Biegescheiben

der erston und der zweiten Gruppe jeweils bis zur Hälfte der Maximalauslenkung gekrümmt.

Im zweiton Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist der Abtrieb 3 in Form eines Stößels ausgebildet und durch zentrische Führungslöcher in den Biegescheiben der ersten und zweiten Gruppe hindurchgeführt und liegt auf der ersten Gruppe auf.

Claims

1. Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben für einen translatorischen Antrieb, bestehend aus mehreren an sich bekannten piezoelektrischen Biegescheiben, die sich durch Anlegen einer Spannung krümmen und sich entgegengesetzt krümmende Biegescheiben paarweise in einem Antriebsgehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zwei Biegescheiben eines lose angeordneten Biegescheibenpaares (5a, 5b) durch einen Distanzring (4) gegenseitig abstützen, wobei ein Biegescheibenpaar (5a) oder η lose übereinandergestapelte Biegescheibenpaare (5a) in einer ersten Gruppe und ein Biegescheibenpaar (5b) oder η lose übereinandergestapelte Biegescheibenpaare (5 b) in einer zweiten Gruppe angeordnet sind und sich zwischen beiden Gruppen ein Abtrieb (3) befindet, wobei die Anzahl der Biegescheibenpaare (5a, 5b) in der ersten und zweiten Gruppe gleich sind.

2. Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben für einen translatorischen Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsgehäuse (2), das gleichzeitig zur Führung der piezoelektrischen Biegescheibenpaare (5a, 5 b) dient, seitliche Führungsschlitze aufweist, durch die der Abtrieb (3) nach außen geführt ist.

3. Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben für einen translatorischen Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrieb (3) in Form eines Stößels ausgebildet ist und durch zentrisch angeordnete Führungslöcher in den Biegescheibenpaaren (5a und 5b) der ersten und/ oder der zweiten Gruppe nach außen geführt ist.

4. Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben für einen translatorischen Antrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzringe (4) zur Realisierung der Stromzuführung als unterbrochene Ringe ausgebildet sind.