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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Motor (im Folgenden kurz als Piezomotor bezeichnet). Derartige Piezomotoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen üblicherweise einen Resonator auf, in dem ein Piezoelement angeordnet ist, welches diesen Resonator in schwingende Bewegung versetzt. Durch diese schwingende Bewegung kann über ein Kontaktelement des Resonators ein anzutreibendes Element in Bewegung versetzt werden. Derartige Piezomotoren sind oftmals Massenprodukte und daher besteht ein generelles Bedürfnis, die Herstellungskosten für Piezomotoren zu verringern.
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Aus der
US 6,664,714 (
77) ist beispielsweise ein piezoelektrischer Motor bekannt. Dieser Piezomotor weist ein angetriebenes Element auf, das bei zwei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen in zwei entgegengesetzte Richtungen bewegt werden kann. Daneben besitzt dieser piezoelektrische Motor einen Resonator, ein piezoelektrisches Element sowie eine Federaufhängung. Diese Federaufhängung besteht aus einer Blattfeder, welche in eine Öffnung des Resonators eingepresst ist. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch der entsprechende Resonator mit der Öffnung nicht ohne weiteres extrudierbar und daher ist die Herstellung des Resonators vergleichsweise aufwendig.
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Aus der
WO 03/090338 ist ebenfalls ein Piezomotor bekannt. Bei diesem Motor ist eine Federeinrichtung in Form einer Schenkelfeder vorgesehen. Diese Schenkelfeder ist in zwei Schlitzen, die an dem Motorrahmen bzw. Resonator vorgesehen sind, angeordnet. Zwar sind bei dieser Ausführungsform die Schlitze so angeordnet, dass sie gemeinsam mit der Öffnung für das Piezoelement extrodiert werden können.
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Allerdings weist der aus der
WO 03/090338 A2 , ebenso wie der aus der
US 6,664,714 bekannte Piezomotor jeweils eine als idealisiert zu betrachtende Kontaktstelle zu dem angetriebenen Element auf. Die für das Antreiben des anzutreibenden Elements verantwortlichen Motorschwingungen liegen in einer Ebene, welche senkrecht zu der Oberfläche des angetriebenen Elements an dieser idealisierten Kontaktstelle liegt. Werden die Zonen des Rahmen-Feder-Kontakts auf die genannte Ebene projeziert, so sind diese Projektionen bei den beiden genannten piezoelektrischen Motoren gerade Linien, die sich über einen Großteil der Rahmendicke erstrecken. Diese Anordnung ist aus statischer Sicht nachteilig, da sie insbesondere nicht in günstiger und definierter Weise eine statische und dynamische Motoraufhängung gewährleistet.
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Auch ist die Seitenstabilität der Anordnung des Resonators verschlechtert. Daneben werden die Rahmen beim Einpressen der Schenkelfedern lokal plastisch verformt, was eine Entfernung und ein Wiederanbringen der Feder beispielsweise für Tests oder zur Wartung erschwert. Schließlich sind bei den genannten piezoelektrischen Motoren die Rahmen im Verhältnis zur Länge des piezoelektrischen Elements relativ lang, was die Möglichkeiten zum Einbau dieser Motoren gegebenenfalls erschwert.
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Aus der
EP 0 643 427 B1 ist ebenfalls ein piezoelektrischer Motor bekannt. Dieser Motor weist einen elliptisch-ringförmigen Resonator auf, in dessen Öffnung zwei piezoelektrische Elemente entlang der langen Halbachse dieser Ellipse angeordnet sind. Diese beiden Piezoelemente werden jeweils mit einem Sinussignal angetrieben, wobei die beiden Sinussignale um 90°-phasenverschoben sind. Auf diese Weise kann die Peripherie des Resonators elliptisch in Schwingung versetzt werden. Diese Schwingungen werden benutzt, um ein angetriebenes Element zu bewegen. Dabei wird die Bewegungsrichtung des angetriebenen Elements über die relative Phasenlage der an den beiden Piezoelementen angelegten elektrischen Sinussignale bestimmt. Damit werden bei diesem Piezomotor zwei Piezoelemente benötigt, um unterschiedliche Bewegungsrichtungen zu ermöglichen. Daneben müssen die beiden Piezoelemente sowohl mit dem Rahmen als auch miteinander mechanisch verbunden werden, so dass die Lösung der EP 0 643 427 B1 relativ aufwendig in der Herstellung ist.
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Die
US 6,211,603 B1 beschreibt ebenfalls einen Piezomotor. In einer Ausführungsform wird dieser Piezomotor von zwei Blattfedern schwingend gehalten, wobei diese Blattfedern in Aussparungen des Motors angeordnet sind. Dabei sind die Blattfedern derart an den Piezoelementen angeordnet, dass sie im Bereich der Aussparungen parallel zueinander und auf der selben Gerade verlaufen. Damit halten die beiden Blattfedern den Motor zwar in einer Symmetrieebene, welche durch den Kontakt zum angetriebenen Element verläuft, steif und in einer senkrecht dazu liegenden Richtung federnd. Gleichwohl ist aufgrund der Anordnung der Federn eine Verkippung des Motors in dieser Symmetrieebene möglich und zu befürchten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Motor mit einer Federungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, der einerseits kostengünstig hergestellt und auf der anderen Seite durch die Federungseinrichtung stabil gehalten werden kann. Daneben soll eine kostengünstige und zuverlässige Aufhängung des Piezomotors möglich sein.
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Dies wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände von Anspruch 1 und 2 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Piezomotor weist einen Resonator auf, wobei dieser Resonator eine Öffnung besitzt, innerhalb derer ein Piezoelement angeordnet ist. Weiterhin weist der Resonator einen Antriebskörper auf, mit dem durch den Piezomotor ein anzutreibendes Element antreibbar ist sowie eine Federungseinrichtung, die den Resonator federnd gegenüber dem anzutreibenden Element anordnet. Dabei weist die Federungseinrichtung einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt auf, und beide Endabschnitte sind an dem Resonator angeordnet.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich der erste Endabschnitt in einer ersten Richtung ausgehend von dem Resonator und der zweite Endabschnitt erstreckt sich in einer zweiten Richtung ausgehend von dem Resonator, wobei die beiden Richtungen einen von 0° verschiedenen Winkel miteinander einschließen. Dabei werden die Richtungen hier in Richtung des Endes der Federungseinrichtung bzw. in Richtung des Resonators definiert.
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Vorzugsweise weist dieser piezoelektrische Motor nur ein piezoelektrisches Element auf, um ein angetriebenes Element in zwei Richtungen zu betreiben. Die Öffnung des Resonators ist bevorzugt ringförmig ausgebildet, wobei die Öffnung einen kreisförmigen Querschnitt, einen elliptischen Querschnitt aber auch andere Querschnitte, die sich durch einen geschlossenen Umfang ergeben, aufweisen kann.
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Der Antriebskörper weist insbesondere eine Kontaktstelle bzw. Kontaktfläche auf, mit der der Resonator das angetriebene Element berühren und bewegen kann. Beim Betrieb des Motors schwingt diese Kontaktstelle bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieebene des Resonators, wobei diese Symmetrieebene senkrecht zu einer Extrusionsachse, welche zur Erzeugung der oben genannten Öffnung dient, steht.
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Unter den Endabschnitten des Federelementes werden Endbereiche der Federungseinrichtung verstanden, die sich aus dem Resonator heraus erstrecken.
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Bevorzugt erstrecken sich die Endabschnitte bis hin zu den geometrischen Enden der Federungseinrichtung in den genannten Richtungen. Es wäre jedoch auch möglich, dass ein kurzer Bereich am äußersten Ende der Federungseinrichtung gegenüber den besagten Endabschnitten geknickt oder gekrümmt ist und in eine entsprechend gewinkelte oder gekrümmte Aussparung des Resonators eingefügt wird. Auch wäre es möglich, dass das besagte äußerste Ende des Endabschnitts gegenüber der Richtung des Endabschnittes gekrümmt oder geknickt ist und/oder an einem Außenumfang des Resonators befestigt ist.
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Durch die nicht parallele Anordnung der beiden Richtungen der Endabschnitte wird erreicht, dass der Piezomotor in einer vorgegebenen Ebene schwingen kann, jedoch in anderen Ebenen, die nicht parallel zu dieser Ebene sind, relativ stabil gehalten wird. Mit anderen Worten wird durch die nicht parallele Anordnung der beiden Richtungen eine höhere Steifigkeit in den Ebenen erreicht, die von der Schwingungsebene des Resonators verschieden sind.
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Insbesondere aber unterstützt die nicht parallele Anordnung der beiden Richtungen der Endabschnitte, dass die Kontaktfläche zu dem angetriebenen Element in einer bestimmten Position und Orientierung mit vorausbestimmbaren Steifigkeiten bezüglich der Oberfläche des angetriebenen Elementes gehalten werden kann.
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Vorzugsweise verlaufen die erste Richtung und die zweite Richtung in der gleichen Ebene des Resonators oder geometrisch gesprochen sind diese beiden Richtungen zwar nicht parallel aber auch nicht windschief bezüglich einander angeordnet.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließen die erste Richtung und die zweite Richtung einen Winkel miteinander ein, der zwischen 40° und 140°, bevorzugt zwischen 60° und 120°, bevorzugt zwischen 80° und 100° und besonders bevorzugt bei etwa 90° liegt. Diese genannte Wahl der Winkel lässt eine besonders günstige Stabilität des Resonators gegenüber Schwingungen in anderen Ebenen als seiner Schwingungsebene zu.
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Vorzugsweise ist die oben genannte Ebene des Resonators, in der die beiden Richtungen verlaufen, gleichzeitig eine Symmetrieebene des Resonators.
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Die oben erwähnte ringförmige Öffnung kann besonders bevorzugt extrudiert werden, das heißt der Querschnitt dieser Öffnung bleibt besonders bevorzugt über die gesamte Dicke des Resonators hinweg konstant. Durch die erfinderische Anordnung ist es möglich, den Piezomotor nur mit einem Piezoelement auszustatten und gleichwohl durch die Beaufschlagung mit unterschiedlichen Frequenzen zwei Bewegungsrichtungen zuzulassen.
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Vorzugsweise sind die beiden Endabschnitte des Federungselementes miteinander über einen Übergangsabschnitt verbunden. Es wäre jedoch auch möglich, zwei Federelemente vorzusehen, die beispielsweise gemeinsam an einem Basiselement angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist der Resonator zwei Aussparungen zur Aufnahme von Teilen der Endabschnitte bzw. der äußersten Enden der Federungseinrichtung auf. Mit anderen Worten dienen diese beiden Aussparungen für das Anbringen der Federungseinrichtung zur Motoraufhängung. Vorzugsweise sind die Öffnung des Resonators (für das Piezoelement) sowie die Aussparungen so vorgesehen, dass sie gemeinsam entlang derselben Extrusionsachse extrudiert werden können. Mit anderen Worten ändert sich bevorzugt der Querschnitt der Aussparungen und der Querschnitt der Öffnung in einer Ebene des Resonators (d. h. in der Extrasionsrichtung) über die gesamte Breite des Resonators hinweg nicht.
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Durch diese Vorgehensweise ist eine sehr einfache Herstellung des Resonators und damit auch des gesamten Motors möglich. Die beiden Endabschnitte der Federungseinrichtungen werden in die beiden Aussparungen des Resonators eingefügt bzw. eingeklippt. Besonders bevorzugt weisen diese Aussparungen eine U- oder V-förmige Form auf, die besonders bevorzugt so ausgeführt ist, dass sie sich beim Einklippen der Federungseinrichtung elastisch aufspreizt und auf diese Weise die Endabschnitte des Federungselements definiert festhält.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Federungseinrichtung eine Blattfeder. Die Blattfeder hat eine Dicke, welche typischerweise für die ganze Feder konstant ist, sowie eine Längsachse, welche mit Vorteil gebogen und wesentlich länger als die Breite der Blattfeder ist. Die Längsachse dieser Blattfeder erstreckt sich vorteilhaft in der Ebene des Resonators bzw. weist eine Ausdehnung aus, die in der Ebene des Resonators verläuft. Die Blattfeder ist bevorzugterweise nicht um ihre Längsachse verdrillt, d. h., die Blattfeder hat eine der gekrümmten Längsachse folgenden, gekrümmte Oberfläche, welche senkrecht zu der Ebene des Resonators steht. Vorteilhafterweise ist die Blattfeder aus Edelstahl gefertigt und gehärtet. Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Blattfeder die gleiche Breite auf, wieder Resonator selbst in seiner Extrusionsrichtung (bzw. der Extrusionsrichtungen der Öffnung und der Aussparungen).
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Ende der Federungseinrichtung und besonders bevorzugt können beide Enden breiter gestaltet werden als der übrige Bereich der Federungseinrichtung. Durch ein Umfalzen dieser verbreiterten Stelle entsteht eine seitliche Lasche, welche ein seitliches Herausrutschen der Blattfeder aus der Aussparung verhindert. Dabei kann eine derartige Lasche ein- oder beidseitig an einem der beiden Stirnenden der Blattfeder vorgesehen sein und es ist auch möglich, an beiden Seiten bezüglich des Resonators derartige Laschen vorzusehen. Mit dem Begriff Stirnenden werden die geometrischen (absoluten) Enden der Endabschnitte bezeichnet, d. h. insbesondere die entsprechenden Stirnflächen der Federungseinrichtung.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Federungseinrichtung symmetrisch ausgebildet, das heißt sie ist bezüglich einer vorgegebenen Symmetrieebene symmetrisch.
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Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf einen Resonator für einen Piezomotor gerichtet, wobei dieser Resonator eine Öffnung aufweist, innerhalb derer ein Piezoelement angeordnet ist. Weiterhin ist ein Antriebskörper vorgesehen, mit dem durch den Resonator ein anzutreibendes Element antreibbar ist, wobei der Resonator eine erste Aussparung zur Aufnahme eines ersten Endabschnitts einer Federungseinrichtung und eine zweite Aussparung zur Aufnahme eines zweiten Endabschnitts der Federungseinrichtung aufweist. Dabei sind diese Aussparungen derart in dem Resonator angeordnet, dass sie gemeinsam mit der Öffnung extrudiert werden können. Erfindungsgemäß erstreckt sich die erste Aussparung in einer ersten Erstreckungsrichtung in den Resonator hinein und die zweite Aussparung erstreckt sich in einer zweiten Erstreckungsrichtung in den Resonator hinein wobei die erste Erstreckungsrichtung und die zweite Erstreckungsrichtung in der gleichen Ebene liegen und einen von 0° verschiedenen Winkel miteinander einschließen. Unter den Erstreckungsrichtungen werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die in den Resonator hineinlaufenden Richtungen verstanden.
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Bevorzugt schneiden die erste Erstreckungsrichtung und die zweite Erstreckungsrichtung die Öffnung. Falls die Erstreckungsrichtungen die Öffnung schneiden, ist es prinzipiell auch möglich, dass die Erstreckungsrichtungen gegensinnig zueinander verlaufen und damit einen Winkel von 180° miteinander einschließen.
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Wie oben erwähnt, verlaufen auch die Endabschnitte in einer von 0° verschiedenen Richtung, wodurch eine höhere Stabilität der Aufhängung des Piezomotors erreicht wird. Dabei wäre es prinzipiell möglich, diese Endabschnitte auf andere Weise an einem Resonator anzubringen, als hier erläutert. Die gezeigten Schlitze erlauben jedoch eine besonders einfache Anbringung der Endabschnitte an dem Resonator.
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Wie oben erwähnt, erstrecken sich auch hier die Öffnungen und Aussparungen mit gleichbleibendem Querschnitt in einer Richtung, die senkrecht zu der Ebene des Resonators verläuft bzw. in der Extrusionsrichtung.
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Vorzugsweise fallen die Erstreckungsrichtungen mit den oben erwähnten Richtungen der Endabschnitte zusammen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließen die erste Erstreckungsrichtung und die zweite Erstreckungsrichtung einen Winkel miteinander ein, der zwischen 20° und 160°, bevorzugt zwischen 40° und 140°, bevorzugt zwischen 60° und 120°, bevorzugt zwischen 80° und 100° und besonders bevorzugt bei etwa 90° liegt. Bei einer weiteren Bevorzugten Ausführungsform liegt der Winkel zwischen 160° und 200°, bevorzugt zwischen 170° und 190° und besonders bevorzugt im Bereich von 180°.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Resonator einen bezüglich des Resonators nach außen ragenden Antriebskörper auf, an dem eine Kontaktfläche zu dem angetriebenen Element angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist dieser Vorsprung zwischen den beiden Aussparungen angeordnet.
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Vorzugsweise ist die Kontaktstelle dem angetriebenen Element an einem der Öffnung abgewandten Bereich des Resonators vorgesehen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Resonator eine Symmetrieebene auf, bezüglich derer sich die Aussparungen gegenüberliegen. Mit anderen Worten wird in einer Projektion auf die Ebene des Resonators ein gleichschenkliges Dreieck durch die beiden Aussparungen und die Kontaktstelle gebildet. Diese Ausführungsform hat sich als besonders vorteilhaft in der Anwendung erwiesen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Aussparungen ein U- oder V-förmiges Profil auf, um ein Einbringen der Endabschnitte der Federungseinrichtungen zu erleichtern.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind an dem Resonator zwei gegenüberliegende bevorzugt quaderförmige Vorsprünge vorgesehen, wobei besonders bevorzugt durch diese gegenüberliegenden Vorsprünge ein geometrischer Quader gebildet wird, in dessen Mitte das Piezoelement ruht. Das Piezoelement ist besonders bevorzugt ebenfalls in der geometrischen Form eines Quaders ausgeführt und liegt damit bei dieser Ausführungsform auf derjenigen Achse, die durch eine Verbindung der beiden sich gegenüberliegenden Vorsprünge gebildet wird.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Piezomotor mit einer Federungseinrichtung in einer ersten Ausführungsform;
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2 einen erfindungsgemäßen Piezomotor mit einer Federungseinrichtung in einer zweiten Ausführungsform;
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3 einen Ausschnitt für einen erfindungsgemäßen Piezomotor in einer dritten Ausführungsform;
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4 einen erfindungsgemäßen Piezomotor in einer vierten Ausführungsform;
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5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Resonators zur Veranschaulichung der Geometrien; und
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6 eine Projektion zur Veranschaulichung der Anordnung der Aussparungen und der Kontaktstelle.
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7 einen erfindungsgemäßen Piezomotor in einer fünften Ausführungsform;
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8 einen erfindungsgemäßen Piezomotor in einer sechsten Ausführungsform; und
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9 zwei Ausführungsformen eines Piezomotors mit einem angetriebenen Element.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors 1. Dieser Motor weist eine Federungseinrichtung 20 auf, deren Endabschnitte 21 und 22 in entsprechende Aussparungen 14, 16 eines Resonators 2 eingeklippt sind.
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Die Federungseinrichtung 20 ist in dieser Ausführungsform als Blattfeder ausgeführt. Diese Blattfeder ist so dimensioniert bzw. die Aussparungen 14 und 16 sind so an dem Resonator 2 angeordnet, dass die Endabschnitte 21, 22 der Blattfeder bei den Betriebsmoden des piezoelektrischen Motors 1 bevorzugterweise in einem Schwingungsknoten des Resonators 2 liegen. Auf diese Weise können andere unerwünschte Schwingungsmoden gezielt behindert werden.
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Der Resonator 2 weist in Extrusionsrichtung eine Breite B auf. Ferner besitzt der Resonator bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform zwei Symmetrieebenen. Eine erste Symmetrieebene liegt parallel zur Ebene des Resonators 2 selbst und verläuft durch die halbe Breite desselben. Die zweite Symmentrieebene (A) steht senkrecht zu der ersten genannten Symmetrieebene.
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Die Federungseinrichtung 20 weist eine der Feder folgende, gekrümmte Längsachse auf, wobei ein Abschnitt dieser Längsachse durch das Bezugszeichen L angedeutet ist. In der in 1 gezeigten Darstellung weist die Blattfeder gekrümmte Abschnitte 28 auf, die gemeinsam mit einem verbreiteten Übergangsabschnitt 26 die beiden Endabschnitte 21 und 22 miteinander verbinden. Das Bezugszeichen 27 bezieht sich auf eine Öffnung in der Feder, um die Feder an einem weiteren Element befestigen zu können. Die Längsachse L steht dabei bevorzugt in einem rechten Winkel zu den Stirnenden bzw. Stirnflächen 21a, 22a der Federungseinrichtung 20.
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Die Bezugszeichen 18 und 19 beziehen sich auf Vorsprünge, die aus dem Resonator 2 herausragen. Innerhalb dieser Vorsprünge sind Aussparungen 14 und 16 gebildet, in denen die Endabschnitte 21, 22 eingeschoben werden. Diese Aussparungen 14, 16 weisen bei der gezeigten Ausführungsform ein U-förmiges Profil auf, um bei dem Einschieben der Endabschnitte 21 und 22 geringfügig gespreizt zu werden, um auf diese Weise eine Klemmwirkung bezüglich der Endabschnitte 21, 22 und damit der Federungseinreichung 20 zu erreichen. Genauer gesagt werden die Enden 21a, 22a der Endabschnitte 21, 22 in die Aussparungen 14, 16 eingeklippt.
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Das Bezugszeichen 4 bezieht sich auf eine Öffnung des Resonators 2, in der ein Piezoelement 6, das heißt das eigentlich elektromechanisch aktive Element des Piezomotors 1 angeordnet ist. Durch Schwingungen dieses Piezoelements kann eine Schwingung des Resonators 2 erreicht werden und damit auch ein (nicht gezeigtes) anzutreibendes Element angetrieben werden. Genauer gesagt weist der Resonator 2 einen Finger bzw. Antriebskörper 8 auf, an dessen Ende eine Kontaktfläche 9 vorgesehen ist, die wiederum das anzutreibende Element antreibt. Dabei ist dieser Finger 8 bzw. der Vorsprung bevorzugterweise herausragend bezüglich eines Bauchabschnittes 7 des Resonators 2 angeordnet, welcher die Öffnung 4 des Resonators 2 bildet.
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Die Aussparungen 14, 16 sowie die Öffnung 4 können entlang der gleichen Extrusionsrichtung, die hier senkrecht zu der oben erwähnten Ebene des Resonators 2 steht, gebildet werden.
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Die Endabschnitte 21 und 22 erstrecken sich entlang der in 1 gezeigten Richtungen R1 und R2. Diese beiden Richtungen schließen miteinander einen (in 5 gezeigten) Winkel von α = 90° ein. Entsprechend erstrecken sich auch die Aussparungen 14 und 16 des Resonators 2 in den jeweiligen (in 5 gezeigten) Erstreckungsrichtungen E1 und E2, die den gleichen Winkel miteinander einschließen. Durch diese Anordnung in dem besagten Winkel wird eine relativ hohe Steifigkeit der Federungseinrichtung 20 bezüglich des Resonators 2 in anderen Richtungen als den Schwingungsrichtungen des Resonators 2 erreicht. Die Richtungen R1 und R2 werden dabei durch die jeweiligen Pfeilspitzen der Richtungspfeile angezeigt, welche zu den jeweiligen Stirnenden 21a, 22a der Federungseinrichtung 20 weisen.
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2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Federungseinrichtung 20. Bei dieser Ausführungsform weist der Endabschnitt 21 der Federungseinrichtung 20 ein verbreitertes Ende auf. Das breitere Ende kann in Form einer Lasche 25 um den Resonator 2 gelegt werden und auf diese Weise ein seitliches Herausrutschen des Endabschnitts 21 bzw. des Klipps verhindern. Besonders bevorzugt wird der jeweilige eingeklippte Endabschnitt 21 bzw. 22 hakenförmig gebogen und der andere Endabschnitt wird nur leicht gekrümmt gelassen oder gerade geführt. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform weist die Federungseinrichtung 20, einen geraden Abschnitt 32, zwei gekrümmte Abschnitte 33 und 35 und einen gekrümmten, schleifenförmigen Endabschnitt 36 sowie einen geradlinig verlaufenden Abschnitt 34 auf. Innerhalb der Abschnitte 33, 34 und 35 ist es möglich, dass sich die Blattfeder selbst befährt, das heißt der jeweilige rücklaufende Teil der Feder berührt den entsprechenden vorlaufenden Teil. Das Bezugszeichen X bezieht sich auf die Extrusionsrichtung. In 5 steht diese Extrusionsrichtung senkrecht zu der Zeichnungsebene.
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Das Piezoelement 6 ist wie bei den anderen gezeigten Ausführungsformen quaderförmig ausgebildet und weist zwei gegenüberliegende Hauptflächen 6a und 6b auf, mit denen es jeweils mit dem ringförmigen Rand der Öffnung 4a (5) ihres Resonators 2 mechanisch in Verbindung steht. Entsprechend können diejenigen Ränder, an denen die Hauptflächen 6a und 6b des Piezoelements angeordnet sind, bevorzugterweise geradlinig verlaufen.
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Das piezoelektrische Element 6 ist so angeordnet, dass eine seiner Symmetrieebenen mit der Symmetrieebene A des Resonators 2 übereinstimmt und senkrecht zu der oben erwähnten Extrusionsachse des Resonators 2 steht. Der Kontakt zwischen dem Resonator 2 und mindestens einer der Hauptflächen 6a, 6b des Piezoelements 6 ist gezielt so reduziert, dass im Motorbetrieb bei zumindest einer Antriebsrichtung des angetriebenen Elements das piezoelektrische Element 6 einer dynamischen Biegebelastung ausgesetzt wird. Besonders bevorzugt steht eine Hälfte einer Hauptfläche 6a, 6b bis zur Symmetrieebene des Resonators 2 hin nicht in Kontakt mit dem Resonator 2. Zu diesem Zweck ist die in den 1–5 erkennbare Ausnehmung 5 des Resonators 2 bzw. der Öffnung 4 vorgesehen.
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Wie oben erwähnt, weist die Blattfeder 20 einer der Feder folgende gekrümmte Längsachse L auf. Die beiden Endtangenten der gekrümmten Längsachse L verlaufen hier unter einem Winkel von 90° zueinander und verlaufen allgemein nicht senkrecht zueinander.
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Die Kontaktfläche 9, die zum Antreiben des (nicht gezeigten) angetriebenen Elements dient, liegt bevorzugt an einem von der Öffnung 4 bzw. vom ringförmigen Teil abgewandten Ende des vorzugsweise gerade ausgeführten Fingers 8. Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist dieser Finger 8 gleich weit von den beiden Aussparungen 14, 16 entfernt.
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3 zeigt teilweise eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Piezomotors 1, wobei hier eine Öffnung 39 zum Befestigen der Federungseinrichtung 20 vorgesehen ist. Weiterhin weist hier die Blattfeder einen gekrümmten Endabschnitt 41 und einen geraden Abschnitt 38 auf. In den 2 und 3 ist die Federungseinrichtung 20 in ihrer Gesamtheit, d. h., ausser bzgl. der Ebene der Resonators 2, nicht symmetrisch ausgeführt.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Veranschaulichung von möglichen Geometrien von Federungseinrichtungen 20, wobei hier die Federungseinrichtung 20 symmetrisch bezüglich der Ebene A ausgeführt ist. Auch hier können die Endabschnitte 41, 42 der Feder entweder hinsichtlich der Breite B verdickt ausgeführt sein oder aber umgefalzt sein. Damit ist bei der in 4 gezeigten Ausführungsform der gesamte Piezomotor 1 einschließlich seiner Federungseinrichtung symmetrisch ausgebildet. Eine Ausnahme zu dieser Symmetrie bildet die Ausnehmung 5 in der Öffnung 4 des Resonators 2, welche zum Zweck hat, den mechanischen Kontakt zwischen dem Resonator 2 und der Hauptfläche 6b des Piezoelementes 6 gezielt zu reduzieren.
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5 zeigt eine Draufsicht auf den Resonator 2, wobei das Piezoelement 6 hier nicht gezeigt ist. Deutlich erkennbar ist wiederum die Ausnehmung 5. Man erkennt, dass der Öffnungswinkel α zwischen den Erstreckungsrichtungen E1 und E2 der beiden Aussparungen bei 90° liegt. Diese Aussparungen 14, 16 werden durch Vorsprünge 18, 19 bzw. Abschnitte 18a, 18b, 19a und 19b der einzelnen Vorsprünge 18, 19 gebildet. Zwischen diesen Vorsprüngen 18, 19 ist ein gekrümmter Abschnitt 15 des Resonators 2 angeordnet. Auch durch die Geometrie dieses Abschnitts 15 wird der Betrieb des Resonators 2 ermöglicht und verbessert. Die Aussparungen 14, 16 sind entlang den äußeren Peripherie des Resonators 2 gebildet. Damit fällt in 5 die Ebene des Resonators mit der Figurenebene zusammen.
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Die Bezugszeichen 17a und 17b beziehen sich auf Vorsprünge, die nach außen bezüglich des Resonators 2 ragen. Diese beiden Vorsprünge sind quaderförmig ausgebildet, wobei jeweils ein Vorsprung zwischen dem Finger 8 und der jeweiligen Aussparung 14, 16 liegt. Vorzugsweise sind die beiden quaderförmigen Vorsprünge 17a, 17b gleich weit von dem Finger 8 entfernt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellen diese quaderförmigen Auswölbungen 17a, 17b die Enden eines Quaders dar, in dessen Mitte das Piezoelement 6 (nicht gezeigt) liegt.
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Generell können die beiden Aussparungen 14, 16, der Finger 8 und die quaderförmigen Vorsprünge 17a, 18b in beliebigen Verhältnissen um die Öffnung 4 herum angeordnet werden, um ein gewünschtes Betriebsverhalten des Piezomotors 1 zu erzielen.
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6 zeigt ein Dreieck D, welches sich als Projektion wesentlicher Merkmale des Resonators 2 ergibt. Werden die beiden Endabschnitte 21, 22 bzw. die Aussparungen 14, 16 und die Kontaktfläche 9 des Resonators 2 zu dem angetriebenen Element entlang der Extrusionsrichtung der Aussparungen 14, 16 auf die Resonator-Symmetrieebene projeziert, so wird in dieser Ebene im Wesentlichen ein ebenes Montagedreieck D definiert, welches in einer bevorzugten Ausführung der Resonators 2 gleichschenklig ist. Im ersten und zweiten Endpunkt dieses Dreiecks D sitzt jeweils ein Stirnende der Blattfeder bzw. eine Aussparung 14, 16 und im Dritten Eckpunkt sitzt die genannte Kontaktfläche 9.
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In den Richtungen der Endtangenten der Blattfederlängsachse L ist das Montagedreieck D an den ersten zwei Eckpunkten 21, 22 relativ steifer befestigt und rechtwinklig dazu vergleichsweise weicher. Bei dem dritten Eckpunkt, der durch die Kontaktfläche 9 gebildet wird, hat das Montagedreieck D ebenfalls eine steifere und relativ dazu weichere Aufhängungsrichtung. Die steifere Richtung ist rechtwinklig zur Oberfläche des angetriebenen Elements und die weichere Richtung ist tangenzial zu dieser Oberfläche in Bewegungsrichtung des angetriebenen Elements.
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Die Aufhängung des piezoelektrischen Motors 1 mittels zweier, aus Blattfedern gefertigten, Federklipps hat damit den Vorteil, dass das erwähnte Montagedreieck D gebildet wird, welches eine statisch definierte Montage des Motors 1 erlaubt, das heißt der Motor 1 hat im Kontakt zum angetriebenen Element eine definierte Lage, Orientierung, statische Vorlast und Lagersteifigkeit und diese Größen sind über die Formgebung der Blattfeder wählbar.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform verlaufen die Richtungen R1 und R2 und damit auch die Richtungen E1 und E2 gegenläufig zueinander, schließen also gemeinsam einen Winkel von 180° ein. Weiterhin schneiden hier die Erstreckungsrichtungen R1 und R2 jeweils die Öffnung 4. Die Erstreckungsrichtungen R1 und R2 sind bei der in 7 gezeigten Ausführungsform schräg bzgl. der Längsrichtung LR des Piezoelements 6. Die Erstreckungsrichtungen können parallel zueinander verschoben sein oder auch (gegensinnig) zusammenfallen. Die Federungseinrichtung ist bei der in 7 gezeigten Ausführungsform weitgehend symmetrisch ausgebildet, wobei die Symmetrieebene der Federungseinrichtung hier jedoch nicht mit der Symmetrieebene des Resonators zusammenfällt. Das Bezugszeichen 52 bezieht sich auf einen gekrümmten Abschnitt der Federungseinrichtung, der hier gleichzeitig auch als Aufhängung dient.
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Die in 8 gezeigte Ausführungsform ähnelt der in 2 gezeigten Ausführungsform, wobei hier jedoch an dem Resonator 2 noch zwei weitere Vorsprünge angeordnet sind.
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9 zeigt zwei erfindungsgemäße Piezomotoren 1, welche jeweils angetriebene Elemente 10a bzw. 10b antreiben. Bei der linken Teilfigur handelt es sich bei dem angetriebenen Element 10a um ein Rad, d. h., hier wird eine rotative Bewegung erzeugt. Bei der rechten Teilfigur handelt es sich bei dem angetriebenen Element 10b um einen langgestreckten Körper, d. h. hier wird eine Linearbewegung erzeugt.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Piezomotor
- 2
- Resonator
- 4
- Öffnung
- 5
- Ausnehmung der Öffnung
- 6
- Piezoelement
- 6a, 6b
- Hauptflächen des Piezoelements
- 7
- Bauchabschnitt des Resonators
- 8
- Finger bzw. Antriebskörper
- 9
- antreibende Kontaktfläche zu einem angetriebenen Element
- 10a, 10b
- angetriebenes Element
- 14, 16
- Aussparungen
- 15
- gekrümmter Abschnitt des Resonators
- 17a, 17b
- Vorsprünge
- 18, 19
- Vorsprünge
- 18a, 18b, 19a, 19b
- Abschnitte der Vorsprünge 18, 19
- 20
- Federungseinrichtung
- 21, 22
- Endabschnitte der Federungseinrichtung 20
- 21a, 22a
- Stirnenden der Federungseinrichtung
- 25
- Lasche
- 26
- Übergangsabschnitt
- 27
- Öffnung (= 39)
- 28, 33, 35
- gekrümmter Abschnitt der Federungseinrichtung 20
- 34
- geradlinig verlaufender Abschnitt
- 36, 41
- gekrümmter Endabschnitt
- 39
- Öffnung (= 27)
- 42, 43
- weitere Vorsprünge
- 51
- geradlinig verlaufender Abschnitt der Federungseinrichtung 20
- 52
- gekrümmter Abschnitt der Federungseinrichtung 20
- A
- Symmetrieebene
- B
- Breite des Resonators
- D
- Montagedreieck
- E1 und E2
- Erstreckungsrichtungen
- L
- Längsachse
- LR
- Längsrichtung des Piezoelements
- R1 und R2
- Richtungen
- α
- Winkel zwischen den Richtungen R1, R2 bzw. den Erstreckungsrichtungen E1 und E2
- X
- Extrusionsrichtung
