DD287813A5

DD287813A5 - DEVICE OF PIEZOELECTRIC BENDING PLATES FOR A TRANSLATORIC DRIVE

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}The invention relates to a device comprising piezoelectric bending disks for a translatory drive. It includes a device of piezoelectric elements in the form of piezoelectric bending disks for a translatory drive. The device operates with piezoelectric pairs of bending discs and is preferably suitable for the realization of small positioning movements with high precision in the storage technology, micromechanics, circuit production, optics, etc. The aim and object of the invention is to develop a translational drive, which has a high efficiency and has a similar force curve in both directions of movement. According to the invention, the device consists of pairs of pairs of flexible plates, which are loosely stacked in a drive housing, wherein the opposing bending disks of a pair of flexible disks are supported by a spacer ring and crumple when exposed to an electrical voltage. The pairs of bending discs are summarized in two groups, between which the output is arranged. The two groups are electrically controlled so that one group contracts and the other expands. Fig. 1 {piezoelectric element; translatory drive; Adjusting movement; Force curve; efficiency}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus piezoelektrischen Biegescheiben für einen translatorischen Antrieb, um eine Positionierbewegung im Mikrometerbereich durchführen zu können.The invention relates to a device comprising piezoelectric bending disks for a translatory drive in order to be able to perform a positioning movement in the micrometer range.

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.The invention can be used advantageously everywhere, where low translational travel in a forward and backward movement with high precision and high efficiency must be achieved, eg in the storage technology, micromechanics, in the manufacture of integrated circuits, in the optics, etc.

Characteristics of the known prior art

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.Usual welse be combined in known actuators piezoelectric elements into a stack and each electrically controlled so that maximum thickness changes are achieved. The electrical control can be done digitally in connection with the structural design of the individual disks, so that by driving a stepper drive with digitally coded increments can be erroieht (SU 947 934). The Gesamtstellweg in such known solutions with a change in thickness is low, so that a very high number of discs are required to achieve travel ranges to 0.01 mm. In other known solutions strip-shaped bending elements in Reit \ e or parallel connected to achieve greater Stellwego with very small forces or small travel paths with large restoring forces (I) D 108172, DD 98403). Dio bending elements are clamped on one or both sides and produce correspondingly summed output movements.

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.In other inventions piezoceramic discs are not firmly connected to each other, but loosely stacked and mechanically biased by a resilient element (DE 3218576). However, the paths are very small. In improved solution variants disc-shaped Bicgeelomente opposite polarization are glued together in pairs (DE 2848312), or firmly connected to each other via a clamping device (DD 140946) to achieve greater travel and braced against a direction of adjustment with a spring. Due to the firm connection of the bending discs, the production cost for the pairs of flexible washers is large. The bias with a spring leads to a poorer efficiency due to the work to be done against din force. The restoring force of this spring must be as large as the force generated by the piezo elements. In the case of the drives, this results in different force characteristics and thus a different efficiency in both directions. The theoretically available energy of the Piezoelomento can thus be exploited only to a small extent.

Object of the invention

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.The aim of the invention is to provide a device of piezoelectric bending disks for a translational drive, which has a high efficiency and uinen simple mechanical structure and einoeinfachore control 'ng or regulating the translational drive ensured in both directions, and is characterized by low energy consumption ,

Explanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is to develop a device of piezoelectric bending disks for einon translational drive, which consists of known per se bending elements, which are arranged so that in both directions of motion same force characteristics and thus equal efficiencies arise, the drive power of the piezoelectric Bending discs to be used completely for the achievement of the travel.

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.According to the invention this is achieved in that known per se piezoelectric bending disks in a drive housing, which simultaneously serves to guide the same, are stacked one above the other. The bending discs are arranged in pairs, that by applying a voltage opposing discs that support each other via spacers from each bend as bimetallic opposite. The spacers are formed as broken rings, so that thereby the power supply is ensured to the bending disks. The loosely stacked pairs of bending discs are arranged in two groups, with one or more, but in each group, the same number of pairs of pairs of flexible discs in each group. An increase of the travel is achieved by multiplying the pairs of flexible washers in both groups.

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.The output of the resulting piezoelectric translatory drive is located between these two groups. The output is guided by lateral guide slots in the drive housing to the outside or is designed as a plunger and is guided by centric guide holes in the bending disks of the first and / or the second group to the outside. The electrical control of the two groups eifolgt so that one group contracts and the other expands to the same extent or vice versa. The sum of the signed displacements of the two groups is equal to zero. In the guide device, the bending belt are thereby braced against each other. The output is in the neutral position when the bending disks of both groups each have half of the maximum curvature. The deflection of the output is achieved in that starting from the zero position in which the groups are each subjected to half the maximum electrical voltage, the voltage of one group is increased to the same extent as that of the other group is reduced, so that the sum of both voltages is constant.

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 kannDue to the loosely arranged bending disks creates the same force characteristics and thus the same efficiency in both directions of movement, since in both directions the same force must be applied for the achievement of the travel paths. The energy consumption is low because the bending washers are not biased by a spring element and thus the energy can be fully used for the achievement of the travel paths

Bedingt durch die lose gestapelten Biegescheiben und Distanzringe ergibt sich ein einfacher Aufbau. Due to the loosely stacked bending disks and spacer rings results in a simple structure.

embodiment The invention will be explained in more detail below with reference to two embodiments. The accompanying drawings show

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 NullageFig. 1: the erfindungsgomäße solution with 4 pairs of bending discs and lateral output in an extreme deflection Flg. 2: the solution according to the invention with 4 pairs of flexible washers and a plunger as output in the neutral position

The device of piezoelectric bending disks according to Figure 1 consists of a mounting plate 1, which is arranged fixed to the frame

ist und einem damit verbundenen Antriebsgehäuso 2, daß zur Führung der Biegescheibenpaare 5a und 5b dient. Dieis and an associated Antriebsgehäuso 2 that serves to guide the pairs of flexible washers 5a and 5b. The

Biegescheibenpaare 5 a and 5 b each consist of paired arrangements of bending disks, the z. B. piezo-metal There are elements and each a spacer 4, which is arranged between the bending discs. The bending disc pairs are

so angeordnet, daß sich die einzelnen Scheiben entgegengesetzt krümmen. Die Biegescheibenpaare 5a werden in einer erstenarranged so that the individual discs curving opposite. The pairs of flexible washers 5a are in a first

Group and the bending plate pairs 5b arranged in a second group. To increase the deflection, the number of Bending disk pairs 5a and 5b are each increased in the same ratio. Between the first group and the second Group of bending disc pairs 5a, 5b is the output 3, by the laterally disposed two guide slots in Drive housing 2 protrudes. The bending discs, the spacers 4 and the output 3 are stacked loose in the drive housing 2. The height of the Stacking space in the drive housing 2 must equal to the sum of the thicknesses of the pairs of flexible washers 5a and 5b, the spacers 4,

des Abtriebes 3 und des Gesamthubes sein.the output 3 and the total stroke.

In order to better ensure the power supply to the innoren part of the bending discs, the spacers 4 are not as Full rings, but formed as broken rings, the interruption of a spacer ring 4 is about the thickness of Ringos corresponds. The zero position of Abtriobes 3 is achieved by applying a variable supply voltage U _A = '/ j (U _m "- U _min ), wherein U _m "represents the maximum operating voltage and U _{min represents} the minimum operating voltage. In this case, the bending discs

der erston und der zweiten Gruppe jeweils bis zur Hälfte der Maximalauslenkung gekrümmt.the erston and the second group each curved to half of the maximum deflection.

In zweiton embodiment of Figure 2, the output 3 is in the form of a plunger and by centric Guide holes in the bending discs of the first and second group passed and rests on the first group.

Claims

1. An apparatus of piezoelectric bending disks for a translational drive, consisting of several known piezoelectric bending disks which curve by applying a voltage and opposite bending bending disks are arranged in pairs in a drive housing, characterized in that the two bending disks arranged a loosely Biegescheibenpaares (5a, 5b) by a spacer ring (4) mutually support, wherein a pair of flexible disks (5a) or η loosely stacked pairs of flexible slats (5a) in a first group and a pair of flexible washers (5b) or η loosely stacked pairs of flexible slices (5 b) in one second group are arranged and between both groups an output (3), wherein the number of pairs of flexible plates (5a, 5b) in the first and second group are the same.

2. Apparatus of piezoelectric bending disks for a translatory drive according to claim 1, characterized in that the drive housing (2), which simultaneously serves to guide the piezoelectric pairs of bending discs (5 a, 5 b), has lateral guide slots, through which the output (3) led to the outside.

3. Apparatus of piezoelectric bending disks for a translatory drive according to claim 1, characterized in that the output (3) is designed in the form of a plunger and by centrally arranged guide holes in the pairs of flexible disks (5a and 5b) of the first and / or the second group led to the outside.

4. Apparatus of piezoelectric bending disks for a translatory drive according to claim 1 to 3, characterized in that the spacer rings (4) are designed to realize the power supply as interrupted rings.