DE102006032993A1

DE102006032993A1 - Electromechanical actuator

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Publication number: DE102006032993A1
Application number: DE102006032993A
Authority: DE
Inventors: Armin Dietz; Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Harald Johannes Kastl; Roland Keller; Andreas Dr. Lenk; Carsten Dr. Schuh; Tim Dr. Schwebel; Carsten Wallenhauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2008-01-31
Also published as: WO2008009561A2; EP2041811A2; WO2008009561A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen elektromechanischen Stellantrieb 1, insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor. Dieser umfasst mindestens zwei piezoelektrische Vielschichtaktoren 10, die durch Federbänder 40 zwischen Antriebsring 20 und Querträger 50 mechanisch vorgespannt sind.The present invention discloses an electromechanical actuator 1, in particular a piezoelectric ring motor. This comprises at least two piezoelectric multilayer actuators 10, which are mechanically biased by spring strips 40 between the drive ring 20 and cross member 50.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb, insbesondere einen piezoelektrischen Ringmotor.The The present invention relates to an electromechanical actuator, in particular a piezoelectric ring motor.

Aus dem Stand der Technik sind elektromechanische Stellantriebe bekannt, die beispielsweise in der EP 1 098 429 B1 beschrieben sind. Eine Weiterentwicklung dieser Stellantriebe geht aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2005 022 355.9 hervor.Electromechanical actuators are known from the prior art, for example, in the EP 1 098 429 B1 are described. A further development of these actuators goes from the still unpublished German patent application with the official file number 10 2005 022 355.9 out.

Typischerweise dienen zwei Paare piezoelektrischer Vielschichtaktoren, die im rechten Winkel zueinander an einem Antriebsring angeordnet sind, als Antrieb für einen piezoelektrischen Ringmotor. Die beiden parallelen piezoelektrischen Vielschichtaktoren eines Paares weisen einen möglichst großen Abstand voneinander auf, um eine möglichst hohe Torsionssteifigkeit des Ringmotors bezüglich einer Drehachse einer Welle innerhalb des Antriebsrings zu erreichen. Um die piezoelektrischen Vielschichtaktoren mechanisch vorzuspannen, werden gewöhnlich Hohlfedern eingesetzt. Die Hohlfedern bringen bauraumsparend Druckspannungen auf die piezoelektrischen Vielschichtaktoren unterschiedlicher Bauform auf. Die Hohlfedern werden in aufwendigen Arbeitsschritten aus Blech gestanzt, nachfolgend gerollt und schließlich längsnahtgeschweißt, so dass eine strukturierte und einlagig hohlzylindrische Feder mit schlitzartiger Struktur entsteht.typically, serve two pairs of piezoelectric multilayer actuators, in the right Angle to each other are arranged on a drive ring, as a drive for one piezoelectric ring motor. The two parallel piezoelectric Multilayer actuators of a pair have the greatest possible distance from each other, one as possible high torsional rigidity of the ring motor with respect to a rotation axis of a To achieve shaft within the drive ring. To the piezoelectric Mechanically biasing multilayer actuators usually becomes hollow springs used. The hollow springs bring space-saving compressive stresses on the piezoelectric multilayer actuators of different designs on. The hollow springs are made in elaborate steps of sheet metal punched, subsequently rolled and finally longitudinally welded, so that a Structured and single-layer hollow cylindrical spring with slot-like Structure arises.

Zum Erzeugen der Verschiebebewegung des Antriebsrings wird dieser über Zug- und Druckspannungen gezielt verformt. Mit den zur Aktoreinheit verbauten piezoelektrischen Vielschichtaktoren innerhalb eines bekannten Ringmotors sind jedoch aktiv keine Zugkräfte generierbar. Daher erfolgt die Erzeugung der auf den Antriebsring wirkenden Zugkraft durch Umverteilung der durch die Hohlfeder bereitgestellten Druckvorspannkraft des piezoelektrischen Vielschichtaktors auf den Antriebsring. Um dies zu erreichen wird der piezoelektrische Vielschichtaktor durch Entladen verkürzt. Bei diesem Vorgang besteht jedoch die Gefahr, dass der piezoelektrische Vielschichtaktor zu stark bzw. völlig entlastet wird. Infolgedessen wird die steife Ankopplung des Antriebsrings über die Aktoreinheit an ein Gehäuse des Ringmotors geschwächt. Durch diese Schwächung wird ebenfalls die durch die Aktoreinheit vermittelte Drehmomentübertragung von der Welle des Ringmotors über den Antriebsring auf das Gehäuse des Ringmotors negativ beeinflusst. Des Weiteren leidet die Torsionssteifigkeit des Antriebsrings 20 durch die verminderte Anbindung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren.To generate the sliding movement of the drive ring this is deliberately deformed by tensile and compressive stresses. However, with the piezoelectric multilayer actuators built into the actuator unit within a known ring motor, no tensile forces can be actively generated. Therefore, the generation of the tensile force acting on the drive ring is performed by redistributing the pressure biasing force of the piezoelectric multilayer actuator provided by the hollow spring to the drive ring. To achieve this, the piezoelectric multilayer actuator is shortened by discharging. In this process, however, there is a risk that the piezoelectric multilayer actuator is too strong or completely relieved. As a result, the rigid coupling of the drive ring is weakened via the actuator unit to a housing of the ring motor. As a result of this weakening, the torque transmission transmitted by the actuator unit is also negatively influenced by the shaft of the ring motor via the drive ring on the housing of the ring motor. Furthermore, the torsional rigidity of the drive ring suffers 20 due to the reduced connection of the piezoelectric multilayer actuators.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bekannte Stellantriebe für die Massenproduktion noch zu teuer und aufwendig sind. Dies wirkt sich gerade dann negativ aus, wenn die Nachfrage für diese Stellantriebe steigt.One Another disadvantage is that known actuators for mass production still too expensive and expensive. This has a negative effect just then off when the demand for these actuators increase.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen Stellantrieb mit einer im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Stabilität und kostengünstigen Herstellung bereitzustellen.It Therefore, the object of the present invention is an electromechanical Actuator with an improved compared to the prior art stability and cost-effective To provide production.

Die obige Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Stellantrieb gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des elektromechanischen Stellantriebs gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden Ansprüchen hervor.The The above object is achieved by an electromechanical actuator according to the independent claim 1 solved. Advantageous embodiments and further developments of the electromechanical Actuators go from the following description, the drawings and the appended claims.

Die obige Aufgabe löst ein elektromechanischer Stellantrieb, insbesondere ein piezoelektrischer Ringmotor. Dieser Stellantrieb weist die folgenden Merkmale auf: mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente mit einer Wirkrichtung, mindestens einen Antriebsring, der durch eine Längenänderung der elektromechanischen Antriebselemente zu einer Verschiebebewegung anregbar ist, so dass eine Welle durch die Verschiebebewegung des Antriebsrings drehbar ist, und mindestens ein Vorspannelement, dass sich parallel zur Wirkrichtung eines der elektromechanischen Antriebselemente sowie über das elektromechanische Antriebselement hinaus und zumindest teilweise über den Antriebsring erstreckt, so dass das elektromechanische Antriebselement gegen den Antriebsring mechanisch vorspannbar ist.The above task solves an electromechanical actuator, in particular a piezoelectric Ring motor. This actuator has the following features: at least two electromechanical drive elements with a direction of action, at least one drive ring caused by a change in length of the electromechanical Drive elements can be excited to a sliding movement, so that a shaft rotatable by the sliding movement of the drive ring is, and at least one biasing element that is parallel to the Direction of action of one of the electromechanical drive elements and on the electromechanical drive element addition and at least partially over the Drive ring extends so that the electromechanical drive element is mechanically biased against the drive ring.

Die vorliegende Erfindung liefert einen piezoelektrischen Ringmotor, der sich durch eine kostengünstige Herstellung und hohe Stabilität auszeichnet. Dies wird dadurch realisiert, dass nur zwei rechtwinklig zueinander angeordnete elektromechanische Antriebselemente, vorzugsweise piezoelektrische Vielschichtaktoren, zum Antrieb des Antriebsrings genutzt werden. Diese piezoelektrischen Vielschichtaktoren werden mit Hilfe von in ihrer Länge einstellbaren Vorspannelementen gegen den Antriebsring mechanisch vorgespannt. Aufgrund der Vorspannelemente und gerade deren Länge, die sich über die Länge der piezoelektrischen Vielschichtaktoren und teilweise über den Antriebsring erstreckt, wird eine verbesserte Anbindung der piezoelektrischen Vielschichtaktoren an den Antriebsring im Vergleich zum Stand der Technik realisiert. Des Weiteren sind die Vorspannelemente, die gemäß einer Ausführungsform als Federband ausgestaltet sind, kostengünstiger, mechanisch effektiver und leichter austauschbar im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Hohlfedern.The present invention provides a piezoelectric ring motor, which is characterized by a cost-effective Production and high stability distinguished. This is realized by only two right angles mutually arranged electromechanical drive elements, preferably piezoelectric multilayer actuators for driving the drive ring be used. These piezoelectric multilayer actuators become with the help of in their length adjustable biasing elements against the drive ring mechanically biased. Due to the biasing elements and just their length, the over the length the piezoelectric multilayer actuators and partly over the Drive ring extends, an improved connection of the piezoelectric Multilayer actuators to the drive ring compared to the state of Technology realized. Furthermore, the biasing elements, the according to a embodiment designed as a spring band, cost-effective, mechanically effective and more easily replaceable compared to those in the prior art known hollow springs.

Die Federbänder sind an einem Querträger und dem Antriebsring derart angeordnet, dass jeweils ein piezoelektrischer Vielschichtaktor mit vorzugsweise zwei Federbändern zwischen Antriebsring und Querträger mechanisch vorspannbar ist. Um eine ausreichende Länge der Federbänder gewährleisten zu können, ist es zudem bevorzugt, das Federband an Antriebsring und/oder Querträger zu befestigen oder es endlos umlaufend um Querträger, piezoelektrischen Vielschichtaktor und Antriebsring auszubilden. Die Gestaltungsfreiheit bezüglich der Länge des Federbands eröffnet die Möglichkeit, dass eine Tragkraft des Federbands optimal auf die Vorspannerfordernisse des verwendeten piezoelektrischen Vielschichtaktors abstimmbar ist.The spring strips are on a crossbeam and the drive ring arranged such that in each case a piezoelectric Multilayer actuator with preferably two spring bands between drive ring and crossbeam is mechanically prestressed. To have a sufficient length of spring strips guarantee to be able to it is also preferred to attach the spring band to drive ring and / or cross member or it endlessly revolving around cross member, piezoelectric multilayer actuator and drive ring form. The freedom of design regarding the length of the Federbands opened the possibility, that a load capacity of the spring band optimally to the Vorspannerfordernisse of the piezoelectric multilayer actuator used is tunable.

Gemäß einer weiteren Alternative ist das Federband bezogen auf das elektromechanische Antriebselement und in Wirkrichtung gesehen am entferntesten Ort des Antriebsrings befestigt oder umgelenkt. Um beispielsweise die Umlenkung zu gewährleisten, weisen Antriebsring und/oder Querträger Umlenkpunkte auf, die beispielsweise durch Ausrundungen oder Umlenkrollen realisiert sind. Es ist zudem vorteilhaft, die Federbänder innerhalb des Stellantriebs in Nuten anzuordnen, die im Antriebsring und/oder Querträger ausgebildet sind. Diese Nuten gewährleisten eine stabile Positionierung der Federbänder, so dass diese während des Betriebs des Stellantriebs nicht verrutschen. In einer weiteren Ausgestaltung sind diese Nuten unterschiedlich tief ausgebildet, so dass sich kreuzende Federbänder nicht behindern oder aufgrund von Reibung verschleißen.According to one Another alternative is the spring band based on the electromechanical Drive element and seen in the direction of action at the farthest place attached or deflected the drive ring. For example, the To ensure diversion have drive ring and / or cross member deflection points, for example are realized by fillets or pulleys. It is also advantageous, the spring bands to be arranged within the actuator in grooves in the drive ring and / or crossbeam are formed. These grooves ensure stable positioning the spring bands, so that while The operation of the actuator does not slip. In a further embodiment These grooves are formed differently deep, so that not crossing feather bands hinder or wear due to friction.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die mindestens zwei elektrischen Antriebselemente oder piezoelektrischen Vielschichtaktoren eine Breite parallel zu und größer als ein Innendurchmesser der Öffnung im Antriebsring auf. Zudem ist die Breite des piezoelektrischen Vielschichtaktors ein Mehrfaches einer Höhe des piezoelektrischen Vielschichtaktors, so dass der piezoelektrische Vielschichtaktor durch zumindest mittelbare Anlage am Antriebsring zu einer verbesserten Torsionssteifigkeit des Antriebsrings beiträgt.According to one another embodiment have the at least two electric drive elements or piezoelectric Multilayer actuators have a width parallel to and greater than an inner diameter of the opening in the drive ring. In addition, the width of the piezoelectric Multilayer actuator is a multiple of a height of the piezoelectric multilayer actuator, so that the piezoelectric multilayer actuator by at least indirect Installation on the drive ring for improved torsional rigidity of the Drive ring contributes.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described with reference to the accompanying Drawing closer explained. Show it:

1 eine schematische perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Ringmotors, 1 a schematic perspective view of a preferred embodiment of the piezoelectric ring motor,

2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Ausführungsform des piezoelektrischen Ringmotors, 2 a schematic representation of a plan view of an embodiment of the piezoelectric ring motor,

3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der piezoelektrischen Vielschichtaktoren des Ringmotors, 3 a schematic representation of an embodiment of the piezoelectric multilayer actuators of the ring motor,

4 schematische Darstellungen einer Ausführungsform des Querträgers des piezoelektrischen Ringmotors, und 4 schematic representations of an embodiment of the cross member of the piezoelectric ring motor, and

5 schematische Darstellungen einer Ausführungsform des Antriebsrings des piezoelektrischen Ringmotors. 5 schematic representations of an embodiment of the drive ring of the piezoelectric ring motor.

Zur Lösung der obigen Aufgabe erscheint es besonders vorteilhaft, an Stelle eines Paares piezoelektrischer Vielschichtaktoren nur einen einzigen piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 mit rechteckigem Querschnitt zum Aufbau eines Stellantriebs 1 einzusetzen, der senkrecht zu einem weiteren piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 angeordnet ist (vgl. 1). Ein derartiger piezoelektrischer Vielschichtaktor 10 ist in 3 schematisch dargestellt. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des elektromechanischen Stellantriebs 1 in Form eines piezoelektrischen Ringmotors, in dem der oben genannte piezoelektrische Vielschichtaktor 10 genutzt wird. Der piezoelektrische Ringmotor 1 weist einen Antriebsring 20 auf. Der Antriebsring 20 umfasst eine zentrale Öffnung, durch die eine nicht dargestellte anzutreibende Welle 30 laufen würde. In Abstimmung auf den Durchmesser dieser Welle 30 weist die Öffnung am Antriebsring einen Innendurchmesser d auf (vgl. 5).To achieve the above object, it seems particularly advantageous, instead of a pair of piezoelectric multilayer actuators, only a single piezoelectric multilayer actuator 10 with rectangular cross-section for the construction of an actuator 1 which is perpendicular to another piezoelectric multilayer actuator 10 is arranged (see. 1 ). Such a piezoelectric multilayer actuator 10 is in 3 shown schematically. 1 shows a perspective view of an embodiment of the electromechanical actuator 1 in the form of a piezoelectric ring motor in which the above-mentioned piezoelectric multilayer actuator 10 is being used. The piezoelectric ring motor 1 has a drive ring 20 on. The drive ring 20 comprises a central opening through which a shaft, not shown, to be driven 30 would run. In coordination with the diameter of this shaft 30 the opening on the drive ring has an inner diameter d (cf. 5 ).

In rechtwinkeliger Ausrichtung zueinander greifen die zwei piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 unmittelbar oder mittelbar am Antriebsring 20 an. Werden diese piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 elektrisch angesteuert, ist auf diese Weise eine Verschiebbewegung im Antriebsring 20 anregbar, so dass die nicht dargestellte Welle 30 durch diese Verschiebebewegung drehbar wäre. Es ist ebenfalls denkbar, drei oder vier dieser piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 in recht winkeliger Ausrichtung zueinander am Antriebsring 20 anzuordnen.The two piezoelectric multilayer actuators grip each other in a perpendicular orientation 10 directly or indirectly on the drive ring 20 at. Will these piezoelectric multilayer actuators 10 electrically controlled, is in this way a sliding movement in the drive ring 20 excitable, so that the shaft, not shown 30 would be rotatable by this displacement movement. It is also conceivable three or four of these piezoelectric multilayer actuators 10 in a right angular orientation to each other on the drive ring 20 to arrange.

Die piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 sind zwischen dem Antriebsring 20 und jeweils einem Querträger 50 unter mechanischer Vorspannung stehend angeordnet. Diese mechanische Vorspannung wird in Form von Druckspannungen durch Federbänder 40 erzeugt. Die Federbänder 40 stehen daher unter Zugspannung und sind parallel zu einer Wirkrichtung 12 des jeweiligen piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 angeordnet.The piezoelectric multilayer actuators 10 are between the drive ring 20 and in each case a cross member 50 arranged under mechanical prestressing. This mechanical bias is in the form of compressive stresses by spring bands 40 generated. The spring bands 40 are therefore under tension and are parallel to a direction of action 12 of the respective piezoelectric multilayer actuator 10 arranged.

Gemäß einer Alternative der vorliegenden Erfindung sind die Federbänder 40 am Querträger 50 und Antriebsring 20 befestigt. Sie erstrecken sich jeweils in Längsrichtung des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 über dessen Länge hinaus und zumindest teilweise über den Antriebsring 20, so dass der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 optimal gegen den Antriebsring 20 mechanisch vorspannbar ist. Die aufwendigen und teuren Hohlfedern des Standes der Technik samt ihrer Kopf- und Bodenplatten und der erforderlichen Schweißprozesse entfallen daher zugunsten der oben genannten Federbänder 40. Diese sind beispielsweise als preiswerte Stahlbänder oder aus ähnlich effektivem, aber kostengünstigem Material hergestellt. Da alle Teile des piezoelektrischen Ringmotors entweder kraftschlüssig oder mit wenig Aufwand lösbar durch die Federbänder 40 miteinander verbunden sind, kann im Falle von Produktionsausschuss durch einfaches Kappen oder Lösen der Federbänder 40 der Antrieb zerlegt und das fehlerhafte Teil entfernt werden. Die anderen Komponenten des Ringmotors 1 werden weiter verwendet. Auf diese Weise wird sowohl bei der Herstellung als auch bei der Wartung des Ringmotors eine wesentliche Kostensenkung im Vergleich zum Stand der Technik erzielt.According to an alternative of the present invention, the spring bands 40 on the cross member 50 and drive ring 20 attached. They each extend in the longitudinal direction of the piezoelectric multilayer actuator 10 beyond its length and at least partially over the drive ring 20 , so that the piezoelectric multilayer actuator 10 optimally against the drive ring 20 is mechanically prestressed. The elaborate and expensive hollow springs of the prior art, including their top and bottom plates and the required welding processes therefore accounts for the benefit of the above-mentioned spring bands 40 , These are made, for example, as inexpensive steel strips or similarly effective but inexpensive material. Since all parts of the piezoelectric ring motor either non-positively or with little effort solvable by the spring bands 40 can be interconnected in the case of production scrap by simply capping or loosening the spring bands 40 the drive is disassembled and the faulty part is removed. The other components of the ring motor 1 will continue to be used. In this way, a significant cost reduction compared to the prior art is achieved both in the manufacture and in the maintenance of the ring motor.

Die Federbänder 40 sind in Wirkrichtung 12 gesehen an einem beliebigen Punkt des Antriebrings 20 befestigt. Dies ermöglicht, die Federbänder 40 möglichst lang auszuführen und deren Länge gezielt einzustellen, so dass die Federeigenschaf ten des Federbands 40 optimal auf eine mechanische Vorspannung des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 abgestimmt sind. Es ist des Weiteren bevorzugt, zu diesem Zweck die Federbänder 40 in Wirkrichtung 12 gesehen und bezogen auf den angrenzenden piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 am entferntesten Ort des Antriebsrings 20 zu befestigen.The spring bands 40 are in working direction 12 seen at any point of the drive ring 20 attached. This allows the spring bands 40 Run as long as possible and set their length targeted, so that the Federeigenschaf th of the spring band 40 optimally to a mechanical bias of the piezoelectric multilayer actuator 10 are coordinated. It is further preferred, for this purpose, the spring bands 40 in the direction of action 12 seen and related to the adjacent piezoelectric multilayer actuator 10 most distant place of the drive ring 20 to fix.

Gemäß weiterer Alternativen der vorliegenden Erfindung laufen die Federbänder 40 zumindest teilweise um den Querträger 50 und/oder den Antriebsring 20 herum (vgl. 1). Basierend auf dieser Konstruktion ist es ebenfalls denkbar, die Enden eines Federbands 40 miteinander zu verbinden, um ein endlos verlaufendes Federband 40 bereitzustellen.According to other alternatives of the present invention, the spring bands run 40 at least partially around the cross member 50 and / or the drive ring 20 around (cf. 1 ). Based on this construction, it is also conceivable the ends of a spring band 40 connect with each other to an endless feather band 40 provide.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen Querträger 50 und Antriebsring 20 Nuten 22 und 52 auf, in denen die Federbänder 40 geführt sind (vgl. 1, 4, 5). Die Nuten 22, 52 stellen sicher, dass die Federbänder 40 lateral fixiert sind, so dass sie nicht während des Betriebs der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 oder allgemein des Ringmotors 1 seitlich verrutschen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind beispielsweise sich kreuzende Nuten 22 für sich kreuzende Federbänder 40 am Antriebsring 20 unterschiedlich tief ausgebildet. Die unterschiedliche Tiefe der Nuten 22 verhindert eine gegenseitige Behinderung der sich kreuzenden Federbänder 40 sowie einen Verschleiß durch eine mögliche Reibung der Federbänder 40 aneinander.According to a further embodiment have cross member 50 and drive ring 20 groove 22 and 52 on where the spring bands 40 are guided (cf. 1 . 4 . 5 ). The grooves 22 . 52 Make sure the spring bands 40 are fixed laterally so that they are not during operation of the piezoelectric multilayer actuators 10 or generally the ring motor 1 slip sideways. According to another embodiment, for example, intersecting grooves 22 for intersecting spring bands 40 on the drive ring 20 formed differently deep. The different depth of the grooves 22 prevents a mutual obstruction of the intersecting spring bands 40 and wear due to possible friction of the spring bands 40 together.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Nuten 22 und 52 Ausrundungen R auf (vgl. 4, 5). Diese Ausrundungen R dienen als Umlenkpunkte der Federbänder 40. Als Alternative zu den als starre Umlenkpunkte ausgestalteten Ausrundungen R ist es ebenfalls denkbar, die Umlenkung der Federbänder 40 mit Hilfe von Umlenkrollen zu realisieren.According to a further embodiment, the grooves 22 and 52 Fillets R (cf. 4 . 5 ). These fillets R serve as deflection points of the spring bands 40 , As an alternative to the configured as rigid deflection points fillets R, it is also conceivable, the deflection of the spring bands 40 to realize with the help of pulleys.

Gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung sind die Federbänder 40 als Federdrähte ausgestaltet.According to another alternative of the present invention, the spring bands 40 designed as spring wires.

In weiterer Ausgestaltung der Querträger 50 weisen diese an den seitlichen Stirnflächen verlaufende Nuten 54 auf. In diesen Nuten 54 sind die elektrischen Zuleitungen 12 der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 angeordnet. Die Nuten 54 gewährleisten, dass die elektrischen Zuleitungen 12 der piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 gegen Beschädigungen während des Aktorbetriebs geschützt sind.In a further embodiment of the cross member 50 have these running on the lateral faces grooves 54 on. In these grooves 54 are the electrical leads 12 the piezoelectric multilayer actuators 10 arranged. The grooves 54 ensure that the electrical leads 12 the piezoelectric multilayer actuators 10 protected against damage during actuator operation.

Die mittels der in 3 gezeigten piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 erzielbare mechanische Leistung ist direkt proportional zum elektromechanisch aktiven piezoelektrischen Keramikvolumen. Die Kraft des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 ist proportional zu dessen Querschnittsfläche und die Längsdehnung des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 ist proportional zu seiner Länge. Bei gegebenen Leistungsdaten eines piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 in Form von Längsdehnung und Kraft, d.h. bei gegebener Länge und bei gegebenem Querschnittsflächeninhalt, ist es für den piezoelektrischen Vielschichtaktor 10 mechanisch vorteilhaft, seinen Querschnittsflächeninhalt mit einem möglichst hohen Aspektverhältnis auszubilden. D.h., dass der Querschnitt des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 möglichst dünn mit einer Höhe h und möglichst breit mit einer Breite b ausgebildet ist (vgl. 3). Diese Geometrie fördert die Torsionssteifigkeit des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 und somit auch des gesamten Ringmotors 1, weil der piezoelektrische Vielschichtaktor 10 am Antriebsring 20 anliegt.The means of in 3 shown piezoelectric multilayer actuators 10 achievable mechanical power is directly proportional to the electromechanically active piezoelectric ceramic volume. The force of the piezoelectric multilayer actuator 10 is proportional to its cross-sectional area and the longitudinal strain of the piezoelectric multilayer actuator 10 is proportional to its length. For given performance data of a piezoelectric multilayer actuator 10 in the form of longitudinal strain and force, ie given length and given cross-sectional area, it is for the piezoelectric multilayer actuator 10 mechanically advantageous to form its cross-sectional area content with the highest possible aspect ratio. That is, the cross section of the piezoelectric multilayer actuator 10 is formed as thin as possible with a height h and as wide as possible with a width b (see. 3 ). This geometry promotes torsional rigidity of the piezoelectric multilayer actuator 10 and thus the entire ring motor 1 because of the piezoelectric multilayer actuator 10 on the drive ring 20 is applied.

Die Torsionssteifigkeit verhält sich direkt proportional zum Flächenträgheitsmoment I der Querschnittsfläche des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 bezüglich der Mittellinie der Breitseite. Das Flächenträgheitsmoment I lässt sich daher nach folgender Formal berechnen: I = h·b3/12 The torsional rigidity is directly proportional to the area moment of inertia I of the cross-sectional area of the piezoelectric multilayer actuator 10 with respect to the midline of the broadside. The area moment of inertia I can therefore be calculated according to the following formula: I = h · b 3 / 12

Hieraus ist ersichtlich, dass bei gegebenem Flächeninhalt eine dünne aber breite Querschnittsgeometrie des piezoelektri schen Vielschichtaktors zu bevorzugen ist. Die Breite b des piezoelektrischen Vielschichtaktors 10 ist daher bevorzugt ein Mehrfaches seiner Höhe h. Neben der Unterstützung der Torsionssteifigkeit bedeutet die Anwendung obiger Geometrie des piezoelektrischen Vielschichtaktors an Stelle der Doppelaktor-Ausführung zudem eine Kostenreduktion bei der Herstellung des Ringmotors 1. Es werden beispielsweise bei der Herstellung des Ringmotors 1 Kontaktierungsprozesse eingespart, da nur ein Aktor eingesetzt wird.It can be seen that for a given area a thin but broad cross-sectional geometry of the piezoelectric multilayer actuator is to be preferred. The width b of the piezoelectric multilayer actuator 10 is therefore preferably a multiple of its height h. In addition to supporting the torsional stiffness, the application above means Geometry of the piezoelectric multilayer actuator in place of the double-actuator design also a cost reduction in the production of the ring motor 1 , For example, in the manufacture of the ring motor 1 Contacting processes saved, since only one actuator is used.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform übersteigt die Breite b des piezoelektrischen Vielschichtaktors einen Innendurchmesser d (vgl. 5) des Antriebsrings 20 in ausreichendem Maße. Mit Hilfe dieser Geometrie ist jeweils mindestens ein Federband 40 jeweils seitlich von der mittigen Öffnung des Antriebsrings 20 anordenbar. Dadurch sind Antriebsring 20, Federband 40 und piezoelektrischer Vielschichtaktor 10 in ihrer Breite aufeinander abgestimmt ausgestaltet.According to a further embodiment, the width b of the piezoelectric multilayer actuator exceeds an inner diameter d (cf. 5 ) of the drive ring 20 sufficiently. With the help of this geometry is at least one spring band 40 each side of the central opening of the drive ring 20 arranged. As a result, drive ring 20 , Spring band 40 and piezoelectric multilayer actuator 10 designed coordinated in their width.

Neben den bereits oben genannten Kostenvorteilen auf Grund der Verwendung von nur zwei piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 ist es zudem günstig, den piezoelektrischen Ringmotor 1 mit einer reduzierten Anzahl von Bestandteilen im Vergleich zum Stand der Technik herzustellen. Kostenvorteile ergeben sich zudem durch den Ersatz der komplexen Rohrfeder und der damit verbundenen Schweißprozesse zugunsten der preiswerteren Federbänder und/oder Federdrähte. Es ist ebenfalls hilfreich, dass im Falle von Ausschuss bei der Herstellung des Ringmotors 1 eine hohe Recyclingrate in Bezug auf die einzelnen Komponenten des Ringmotors 1 besteht. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der piezoelektrische Ringmotor 1 auf Grund der Nutzung der oben beschriebenen piezoelektrischen Vielschichtaktoren 10 wesentlich schmaler und mit einem Geometrie- und Bauraumvorteil herstellbar ist. Auf diese Weise sind Stellantriebe flacher Bauform realisierbar.In addition to the above-mentioned cost advantages due to the use of only two piezoelectric multilayer actuators 10 It is also cheap, the piezoelectric ring motor 1 to produce with a reduced number of components compared to the prior art. Cost advantages also result from the replacement of the complex Bourdon tube and the associated welding processes in favor of the cheaper spring strips and / or spring wires. It is also helpful that in the case of rejects in the production of the ring motor 1 a high recycling rate with respect to the individual components of the ring motor 1 consists. Another significant advantage is that the piezoelectric ring motor 1 due to the use of the piezoelectric multilayer actuators described above 10 is much narrower and can be produced with a geometry and space advantage. In this way, actuators flat design can be realized.

Claims

Electromechanical actuator ( 1 ), in particular a piezoelectric ring motor having the following features: a. at least two electromechanical drive elements ( 10 ) with a direction of action ( 12 b. at least one drive ring ( 20 ) caused by a change in length of the electromechanical drive elements ( 10 ) is excitable to a sliding movement, so that a wave ( 30 ) by the sliding movement of the drive ring ( 10 ) is rotatable, and c. at least one biasing element ( 40 ) parallel to the direction of action of one of the electromechanical drive elements ( 10 ) and via the electromechanical drive element ( 10 ) and at least partially via the drive ring ( 20 ), so that the electromechanical drive element ( 10 ) against the drive ring ( 20 ) is mechanically prestressed.

Electromechanical actuator ( 1 ) according to claim 1, whose electromechanical drive element ( 10 ) is a piezoelectric multilayer actuator.

Electromechanical actuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, whose biasing element ( 40 ) is a spring band.

Electromechanical actuator ( 1 ) according to claim 3, whose spring band ( 40 ) on a cross member ( 50 ) and the drive ring ( 20 ) is arranged such that the electromechanical drive element ( 10 ) between drive ring ( 20 ) and cross beams ( 50 ) is mechanically prestressed.

Electromechanical actuator ( 1 ) according to claim 4, whose spring band ( 40 ) to drive ring ( 20 ) and / or cross members ( 50 ) or its spring band ( 40 ) is formed endlessly circulating.

Electromechanical actuator ( 1 ) according to one of claims 3 to 5, whose spring band ( 40 ) relative to the electromechanical drive element ( 10 ) and in the direction of action ( 12 ) seen at the farthest place of the drive ring ( 20 ) is attached or deflected.

Electromechanical actuator ( 1 ) according to one of claims 3 or 6, in which at least one of the drive elements ( 10 ) with two spring bands ( 40 ) is biased.

Electromechanical actuator ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, in which the at least two electromechanical drive elements ( 10 ) has a width (b) parallel to and greater than an inner diameter (d) of the drive ring (16) 20 ) exhibit.

Electromechanical actuator ( 1 ) according to claim 8, in which the width (b) of the drive element ( 10 ) a multiple of a height (h) of the drive element ( 10 ) and the drive element ( 10 ) over its width (b) at least indirectly on the drive ring ( 20 ) is applied, so that a torsional rigidity of the drive ring ( 20 ) is supported.