DE102009015201A1

DE102009015201A1 - Piezomotor, has piezo legs arranged in direction of movement, where contact points of respective piezo legs run through circular or elliptical motion and one piezo leg causes driving of drive rod

Info

Publication number: DE102009015201A1
Application number: DE200910015201
Authority: DE
Inventors: Arne Dipl.-Ing. Hauberg
Original assignee: NANOS INSTR GmbH; NANOS INSTRUMENTS GmbH
Current assignee: NANOS INSTR GmbH; NANOS INSTRUMENTS GmbH
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-07

Abstract

The piezomotor has multiple piezo legs (1-4, 1'-4') arranged in a direction of movement, where two of the piezo legs lie next to each other transverse to the direction of movement. Contact points (12) of the respective piezo legs run through a circular or elliptical movement by application of voltage, such that a drive rod (5) lying on the contact points is moved. One of the piezo legs selected from the two piezo legs lying next to each other causes driving of the drive rod, and acts on the drive rod while being offset to the succeeding piezo leg.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezomotor, der wenigstens zwei und insbesondere vier in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Piezobeine aufweist, deren freie Enden durch Anlegen einer Spannung eine kreis- oder ellipsenförmige Bewegung durchlaufen, um einen Körper, der auf den freien Enden liegt, zu bewegen.The The invention relates to a piezoelectric motor comprising at least two and in particular four piezobones arranged one behind the other in the direction of movement whose free ends by applying a voltage a circular or elliptical Undergo movement to a body, which lies on the free ends to move.

Ein solcher Piezomotor ist bekannt. Im Einzelnen ist die Anordnung so getroffen, dass der zu bewegende Körper auf beispielsweise vier hintereinander liegenden Piezobeinen liegt, die an einem Ende in einem Motorgrundkörper verankert sind und deren freien Ende den Körper tragen. Durch Anlegen einer Wechselspannung von jeweils zwei Piezobeinen und einer um 180° phasenverschobenen Wechselspannung an die anderen beiden Piezobeine kann der Körper linear in Bewegungsrichtung bewegt werden. Die freien Enden der einzelnen Piezobeine durchlaufen jeweils eine kreis- oder ellipsenförmige Bewegung, wobei sich das eine Paar um 180° versetzt zum anderen Paar bewegt. Diese Bewegung wird auf den über den freien Enden gelagerten Körper übertragen, so dass dieser sich linear bewegt.One Such a piezomotor is known. In detail, the arrangement is so hit that body to be moved on, for example, four lying behind one another piezobones, which at one end in a motor body are anchored and whose free end carry the body. By creating a AC voltage of two piezo legs and one phase-shifted by 180 ° AC voltage to the other two piezo legs, the body can be linear be moved in the direction of movement. The free ends of each Piezobones each undergo a circular or elliptical movement, where the one pair is offset by 180 ° moved to the other couple. This movement is going on over the transferred to free ends of stored bodies, so that it moves linearly.

Die freien Enden der Piezostäbe können mit einem hervorstehenden Kontaktpunkt versehen sein, der in Berührung mit dem Körper steht. Der Körper wird mittels Kugellager und einer Feder auf die Piezobeine gedrückt, so dass die Bewegung der freien Enden gut übertragen wird. Es kann auch ein weiterer Piezomotor auf der dem einen Motor gegenüberliegenden Seite des Körpers angeordnet sein. Auch dadurch wird der Körper sicher auf die freien Enden der Piezobeine gedrückt, so dass der Körper exakt angetrieben werden kann.The free ends of the piezo rods can be provided with a protruding contact point in contact with the body stands. The body becomes Pressed by means of ball bearings and a spring on the piezo legs, so that the movement of the free ends is well transferred. It can also another piezo motor on the opposite side of the engine Side of the body arranged be. This also makes the body securely pressed onto the free ends of the piezo legs so that the body is driven exactly can be.

Es können sich das erste und dritte Piezobein gleichzeitig in Eingriff mit dem Körper befinden, während sich das zweite und vierte Piezobein zurückbewegt. Auch kann vorgesehen werden, dass das erste und vierte und anschließend das zweite und dritte Piezobein den Körper antreibt. Es ergibt sich eine fließende Bewegung.It can The first and third piezo legs engage simultaneously the body while, while the second and fourth piezo legs move back. Also can be provided be that the first and fourth and then the second and third Piezo stone the body drives. It results in a flowing movement.

Bei bekannten Piezomotoren besteht ein Nachteil darin, dass der zu bewegende Körper in Schwingung versetzt wird derart, dass er sich senkrecht zur Bewegungsrichtung verbiegt. Der Körper wird durch die Anpresseinrichtung zwischen den Piezobeinen gehalten, so dass eine derartige Schwingung entstehen kann. Bei höheren Frequenzen, die für höhere Geschwindigkeiten erforderlich sind, führt dies zu hohen Laufgeräuschen und gegebenenfalls auch zum Stehenbleiben des Körpers.at known piezomotors is a disadvantage in that to be moved body is vibrated in such a way that it is perpendicular to the direction of movement bends. The body becomes held by the pressing device between the piezo legs, so that such a vibration can occur. At higher frequencies, the for higher Speeds are required, this leads to high running noise and possibly also to the stoppage of the body.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Piezomotor so auszubilden, dass ein geräuscharmer und sicherer Antrieb des Körpers möglich ist.Of the Invention is the object of such a piezoelectric motor form so that a low-noise and safe driving of the body is possible.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass quer zur Bewegungsrichtung jeweils wenigstens zwei Piezobeine nebeneinander liegen und jeweils wenigstens eins von diesen nebeneinander liegenden Piezobeinen den Antrieb des Körpers bewirken.The Task is according to the invention solved by that transverse to the direction of movement in each case at least two piezo legs lie next to each other and at least one of these next to each other lying piezo legs cause the drive of the body.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: The The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. It demonstrate:

Bild 1, 2 und 3: Einen Piezomotor gemäß dem Stand der Technik,image 1, 2 and 3: A piezomotor according to the state of the technique,

Bild 4: die Seitenansicht auf einen Piezomotor gemäß der Erfindung,image 4: the side view of a piezomotor according to the invention,

Bild 5: die Draufsicht auf den Piezomotor in Bild 4,image 5: the top view of the piezomotor in FIG. 4,

Bild 6: die Seitenansicht auf einen Piezomotor gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, undimage 6: the side view of a piezomotor according to another embodiment the invention, and

Bild 7: die perspektivische Darstellung eines Piezomotors gemäß der Erfindung.image 7: the perspective view of a piezoelectric motor according to the invention.

In den Bildern bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente. Im Einzelnen bezeichnen in der Zeichnung die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 jeweils ein Piezobein bestehend aus zwei parallelen Piezoelementen 1a und 1b. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet den zu bewegenden Körper, der als Antriebsstab ausgebildet ist und der sich links und rechts bewegen kann. Die Bezugszeichen 6, 7 zeigen die Andruckkraft, die z. B. durch ein Kugellager auf den Körper 5 aufgebracht wird.In the drawings, like reference characters designate like or equivalent elements. Specifically, in the drawing, the reference numerals designate 1 . 2 . 3 . 4 one piezobein each consisting of two parallel piezo elements 1a and 1b , The reference number 5 denotes the body to be moved, which is designed as a drive rod and which can move left and right. The reference numerals 6 . 7 show the pressure force z. B. by a ball bearing on the body 5 is applied.

Das Bezugszeichen 8 bezeichnet den Motorgrundkörper, an dem die Piezobeine 1, 2, 3, 4 mit einem Ende verankert sind.The reference number 8th refers to the engine base body on which the piezo legs 1 . 2 . 3 . 4 are anchored with one end.

Das Bezugszeichen 9 bezeichnet die Biegelinie im Antriebsstab 5, das Bezugszeichen diejenige Biegelinie im Motorgrundkörper 8.The reference number 9 refers to the bending line in the drive rod 5 , the reference numeral that bending line in the engine body 8th ,

Das Bezugszeichen 11 verdeutlicht die Bewegungslinie der freien Enden der Piezobeine 1, 2, 3, 4. Das Bezugszeichen 12 zeigt den Kontaktpunkt des Piezobeines 1, 2, 3, 4 an dem Antriebsstab 5. Der Kontaktpunkt ist als Nase auf dem freien Ende des jeweiligen Piezobein ausgebildet.The reference number 11 clarifies the line of movement of the free ends of the piezo legs 1 . 2 . 3 . 4 , The reference number 12 shows the contact point of the piezo leg 1 . 2 . 3 . 4 on the drive rod 5 , The contact point is formed as a nose on the free end of the respective piezoelectric bone.

Das Bezugszeichen 13 stellt Kraft und Kraftrichtung der auf die Kugellager einwirkenden Spannkraft dar, mit der der Antriebsstab 5 auf die freien Enden der Piezobeine 1, 2, 3, 4 gedrückt wird.The reference number 13 represents the force and force direction of the force acting on the ball bearing clamping force, with the drive rod 5 on the free ends of the piezo legs 1 . 2 . 3 . 4 is pressed.

Im Folgenden wird das Funktionsprinzip näher beschrieben. Durch Anlegen einer Spannung an die Phasen beziehungsweise Piezoelemente a, b der Piezobeine 1, 2, 3, 4 kann das Piezobein sich bewegen. Z. B., wenn die Spannung an beiden Phasen zwischen Minimum und Maximum gleichzeitig angelegt ist, bewegt sich der Kontaktpunkt 12 senkrecht zum Antriebsstab hin und weg (hoch und runter). Durch wechselseitiges Anlegen einer Spannung bewegt sich der Kontaktpunkt 12 nach links und rechts.The functional principle is described in more detail below. By applying a voltage to the phases or piezo elements a, b of the piezo legs 1 . 2 . 3 . 4 the Piezo Stone can move. For example, when the voltage is applied to both phases simultaneously between minimum and maximum, the contact point moves 12 perpendicular to the drive rod back and forth (up and down). By mutual application of a voltage, the contact point moves 12 left and right.

Wird nun ein sinus- oder kosinusförmiges oder ein ähnliches Spannungssignal an den Phasen a, b angelegt, erzeugt der Kontaktpunkt 12 eine kreis- oder ellipsenähnliche Bewegung 11. Wird nun paarweise (Piezobein 1, 4 und 2, 3 oder 1, 3 und 2, 4) vorgegangen, und die Paare werden um etwa 180° phasenversetzt angesteuert, kann dadurch ein Umgreifen der Beine erfolgen. Demnach bewirken z. B. das Paar 1, 4 die Bewegung des Antriebsstabes, während sich das Paar 2, 3 zurückbewegt.If a sinusoidal or cosinusoidal or a similar voltage signal is applied to the phases a, b, the contact point is generated 12 a circular or elliptical movement 11 , Now in pairs (Piezo stone 1 . 4 and 2 . 3 or 1 . 3 and 2 . 4 ) proceeded, and the pairs are driven by about 180 ° out of phase, this can be done embracing the legs. Accordingly, z. For example, the couple 1 . 4 the movement of the drive rod while the couple 2 . 3 moved back.

Im Einzelnen kann z. B. das Paar 1, 3 beziehungsweise die Phase 1a, 3a sinusförmig und die Phasen 1b, 3b kosinusförmig angeregt werden. Die Phasen a, b des Paares 2, 4 werden dann entgegengesetzt angeregt, so dass die Phasen 2a, 4a-sinusförmig und die Phasen 2b, 4b-kosinusförmig angeregt werden. Der Antriebsstab 5 kann sich nun über beliebig lange Wege linear, im Bild 1 nach links oder rechts, bewegen.In detail, z. For example, the couple 1 . 3 or the phase 1a . 3a sinusoidal and the phases 1b . 3b be stimulated cosinusoidally. The phases a, b of the pair 2 . 4 are then excited oppositely, so that the phases 2a . 4a - sinusoidal and the phases 2 B . 4b be stimulated cosinusoidally. The drive rod 5 can now move linearly over arbitrarily long paths, in image 1 to the left or right.

Die Antriebskraft wird über die Reibung erzeugt. Diese ist um so stärker, je größer der Druck ist, mit dem der Antriebsstab auf die freien Enden 12 der Piezobeine 1, 2, 3, 4 ist. Dieser wird insbesondere durch die Kugellager 6, 7 aufgebracht.The driving force is generated by the friction. This is the stronger, the greater the pressure with which the drive rod on the free ends 12 the piezo legs 1 . 2 . 3 . 4 is. This is especially due to the ball bearings 6 . 7 applied.

Der negative Effekt hierbei ist, dass sich durch das Aufbringen des Andruckes der Antriebsstab 5 und der Motorgrundkörper 8 elastisch verformen. Das hat wiederum zur Folge, dass sich bei einer anliegenden Spannungsfrequenz, welche die Bewegung erzeugt, diese als Schwingungen, Resonanzen oder als akustisches Geräusch deutlich bemerkbar machen.The negative effect here is that by applying the pressure of the drive rod 5 and the engine body 8th deform elastically. This in turn means that at an applied voltage frequency, which generates the movement, these clearly noticeable as vibrations, resonances or as an acoustic noise.

Ist der Andruck anstatt über Kugellager durch eine weiteres Motorelement auf der gegenüberliegenden Seite realisiert so sind die Schwingungen und Resonanzen des Antriebsstabes zwar reduziert aber im Motorgrundkörper noch enthalten.is the pressure instead of over Ball bearing by another motor element on the opposite Side realized so are the vibrations and resonances of the drive rod Although reduced but still contained in the engine body.

Bei dem Piezomotor in den Bildern 4 bis 7 sind quer zur Bewegungsrichtung jeweils zwei Piezobeine 1, 2'; 2, 1'; 3, 4' und 4, 3' nebeneinander angeordnet, die jeweils zwei Piezoelemente a, b aufweisen, die in Bewegungsrichtung hintereinander liegen.At the piezo motor in the pictures 4 to 7 are each transverse to the direction of movement two piezo legs 1 . 2 '; 2 . 1'; 3 . 4 ' and 4 . 3 ' arranged side by side, each having two piezo elements a, b, which lie in the direction of movement one behind the other.

Es werden demnach anstatt 4 Piezobeine 1, 2, 3, 4 nun 8 Piezobeine 1, 1', 2, 2', 3, 3' und 4, 4 verwendet die jeweils paarweise 1, 2'; 2, 1'; 3, 4'; 4, 3' in Bewegungsrichtung hintereinander liegen. Dieses werden vorzugsweise versetzt angesteuert. Die jeweils zusammenwirkenden Piezobeinpaare gemäß Bild 5 sind 1, 1' mit 3, 3' und 2, 2' mit 4, 4'. Es wird eine Ansteuerung der einzelnen Piezobeine bewirkt derart, dass in Bewegungsrichtung das linke (obere) Piezobein 1 des ersten Beinpaares, dass rechte (untere) Piezobein 1' des zweiten Beinpaares, dass linke (obere) Piezobein 3 des dritten Beinpaares und das rechte (untere) Piezobein 3' des vierten Beinpaares in Bewegungsrichtung den Antriebsstab 5 bewegen, während die jeweils anderen Piezobeine 2, 2', 4, 4' sich zurückbewegen. Anschließend kommen die letztgenannten Piezobeine in Eingriff mit dem Antriebstab 5.It will be instead 4 Piezo legs 1 . 2 . 3 . 4 now 8 piezo legs 1 . 1' . 2 . 2 ' . 3 . 3 ' and 4 . 4 uses the pairs in each case 1 . 2 '; 2 . 1'; 3 . 4 '; 4 . 3 ' lie one behind the other in the direction of movement. These are preferably controlled offset. The respective cooperating pairs of piezoelectric elements according to Figure 5 are 1 . 1' With 3 . 3 ' and 2 . 2 ' With 4 . 4 ' , It is a control of the individual piezo legs causes such that in the direction of movement, the left (upper) piezo leg 1 of the first pair of legs, that right (lower) piezo bone 1' of the second leg pair, that left (upper) piezo leg 3 of the third leg pair and the right (lower) piezo leg 3 ' of the fourth leg pair in the direction of movement of the drive rod 5 move while each other's piezo legs 2 . 2 ' . 4 . 4 ' to move back. Subsequently, the last-mentioned piezo legs come into engagement with the drive rod 5 ,

Die Andruckkräfte 6, 7 der Kugellager werden jeweils durch zwei relativ dicht nebeneinander liegende Piezobeine 1, 1' und 3, 3' aufgenommen. In der sich anschließenden Schwingungsphase erfolgt die Abstützung durch die Piezobeine 2, 2' und 4, 4'. Dadurch entsteht eine symmetrische Abstützung der Andruckpunkte in Bezug auf die einwirkenden Kräfte 6, 7 der Kugellager.The pressure forces 6 . 7 The ball bearings are each by two relatively close together piezobones 1 . 1' and 3 . 3 ' added. In the subsequent oscillation phase, the support is provided by the piezo legs 2 . 2 ' and 4 . 4 ' , This creates a symmetrical support of the pressure points with respect to the forces acting 6 . 7 the ball bearing.

Des Weiteren ist der Abstand der einwirkenden Kontaktpunkte 12 deutlich geringer zueinander, so dass die Schwingungsamplitude geringer ist. Hierdurch wird zusätzlich eine Art akustischer Kurzschluss erreicht. Das hat zur Folge, dass der Motor resonanzfrei den Antriebsstab durch den gesamten Frequenzbereich bewegen kann und die Schallemission deutlich geringer ausfällt.Furthermore, the distance between the acting contact points 12 significantly lower to each other, so that the oscillation amplitude is lower. As a result, a kind of acoustic short circuit is additionally achieved. As a result, the motor can move the drive rod without resonance through the entire frequency range and the sound emission is much lower.

Wenn anstatt der Kugellager ein weiteres Motorelement für den Andruck verwendet wird, liegt der Vorteil in der geringeren Schwingungsamplitude im Motorgrundkörper 8 und der geringeren Schallemission.If instead of the ball bearing another motor element is used for the pressure, the advantage lies in the lower vibration amplitude in the engine body 8th and the lower noise emission.

Durch die acht Elemente, die entsprechend Bild 5 über Kreuz betrieben werden, wird die Verbiegung des Abtriebstabs 5 und des Motorbodens 8 erheblich verringert. Als Gegendruck kann anstatt der Kugellager auch ein weiteres Motorelement verwendet werden, das umgekehrt zum ersten Motorelement auf dieses montiert wird. Die übereinander liegenden freien Enden der Piezobeine liegen in einer Flucht. Die Schwingungsreduzierung entsteht dann nur noch im Motorgehäuse.By the eight elements, which are operated crosswise according to Figure 5, the bending of the output rod 5 and the engine floor 8th significantly reduced. As counter-pressure can be used instead of the ball bearing and a further motor element which is mounted in reverse to the first motor element on this. The overlying free ends of the piezo legs lie in alignment. The vibration reduction then arises only in the motor housing.

Claims

Piezomotor, the at least two and in particular four or more in the direction of movement successively arranged piezo legs ( 1 . 2 . 3 . 4 ) whose free ends ( 12 ) by applying a voltage a circular or elliptical Be supply ( 11 ) go through a body ( 5 ), which lies on the free ends, characterized in that transversely to the direction of movement in each case at least two piezo legs ( 1 . 2 '; 2 . 1'; 3 . 4 '; 4 . 3 ' ) are juxtaposed and at least one of these juxtaposed piezo legs ( 1 . 1'; 2 . 2 '; 3 . 3 '; 4 . 4 ' ) the drive of the body ( 5 ) cause.

Piezomotor according to claim 1, characterized in that in each case a piezo-bone ( 1 ) offset in the direction of movement to the subsequent piezo-bone ( 1' ) acts on the body.