DE102020002199B4 - Piezoelectric inchworm linear motor - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrischer Inchworm Linearmotor (1, 1', 1") umfassend:eine erste Klemmzelle (2) mit einem ersten Klemmrahmen (7) und einem ersten piezoelektrischen Klemmstapel (27), wobei der erste piezoelektrische Klemmstapel (27) innerhalb des ersten Klemmrahmens (7) derart angeordnet ist, so dass der erste piezoelektrische Klemmstapel (27) zumindest teilweise mit dem ersten Klemmrahmen (7) in Kontakt ist,eine zweite Klemmzelle (3) mit einem zweiten Klemmrahmen (11) und einem zweiten piezoelektrischen Klemmstapel (31), wobei der zweite piezoelektrische Klemmstapel (31) innerhalb des zweiten Klemmrahmens (11) derart angeordnet ist, so dass der zweite piezoelektrische Klemmstapel (31) zumindest teilweise mit dem zweiten Klemmrahmen (11) in Kontakt ist, undeine Vorschubzelle (5, 5', 5") mit einem piezoelektrischen Vorschubstapel (35, 35', 35"),wobei der piezoelektrische Vorschubstapel (35, 35', 35") zumindest mittelbar mit den beiden Klemmzellen (2, 3) in Kontakt ist und die beiden Klemmzellen (2, 3) miteinander verbindet bzw. aneinander koppelt,wobei die beiden Klemmzellen (2, 3) und die Vorschubzelle (5, 5', 5") in Reihe und entlang einer Bewegungsachse (19) des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors (1, 1', 1") angeordnet sind,wobei jeder piezoelektrische Klemmstapel (27, 31) derart in der Klemmzelle (2, 3) angeordnet ist,so dass eine Änderung einer elektrischen Spannung an dem piezoelektrischen Klemmstapel (2, 3) eine Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Klemmstapels (2, 3) parallel zur Bewegungsachse (19) bewirkt,so dass der Klemmrahmen (7, 11) im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsachse (19) eine Größenänderung erfährt, undso dass der Klemmrahmen (7, 11) mit einer Führungseinheit (47) in Eingriff gelangt oder der Eingriff gelöst wird, undwobei der Vorschubstapel (35, 35', 35") quer zur Bewegungsachse (19) angeordnet ist,so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dem Vorschubstapel (35, 35', 35") der Vorschubstapel (35, 35', 35") eine Längenänderung quer zur Bewegungsachse (19) erfährt.Piezoelectric inchworm linear motor (1, 1', 1") comprising: a first clamp cell (2) having a first clamp frame (7) and a first piezoelectric clamp stack (27), the first piezoelectric clamp stack (27) being located within the first clamp frame (7 ) is arranged such that the first piezoelectric clamp stack (27) is at least partially in contact with the first clamp frame (7),a second clamp cell (3) having a second clamp frame (11) and a second piezoelectric clamp stack (31), wherein the second piezoelectric clamp stack (31) is arranged within the second clamp frame (11) such that the second piezoelectric clamp stack (31) is at least partially in contact with the second clamp frame (11), anda feed cell (5, 5', 5" ) with a piezoelectric feed stack (35, 35', 35"), wherein the piezoelectric feed stack (35, 35', 35") is at least indirectly in contact with the two clamping cells (2, 3) and the two clamping cells ( 2, 3) to one another or coupled to one another, the two clamping cells (2, 3) and the feed cell (5, 5', 5") being connected in series and along a movement axis (19) of the piezoelectric inchworm linear motor (1, 1' , 1"), each piezoelectric clamp stack (27, 31) being arranged in the clamp cell (2, 3) such that a change in an electrical voltage across the piezoelectric clamp stack (2, 3) causes a change in expansion of the piezoelectric clamp stack ( 2, 3) parallel to the movement axis (19), so that the clamping frame (7, 11) undergoes a change in size essentially perpendicular to the movement axis (19), and so that the clamping frame (7, 11) is connected to a guide unit (47) in Engaging occurs or the engagement is released, and wherein the feed stack (35, 35', 35") is arranged transversely to the movement axis (19), so that by applying an electrical voltage to the feed stack (35, 35', 35"), the feed stack (35, 35', 35") a change in length q learns about the movement axis (19).
Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen piezoelektrischen Inchworm Linearmotor (PIL).The present application relates to a piezoelectric inchworm linear motor (PIL).
Ein Inchworm Linearmotor verwendet piezoelektrische Aktoren bzw. Stapel, um eine Führungseinheit, beispielsweise eine Welle, mit einer Präzision im Nanometerbereich zu bewegen bzw. um sich entlang einer Führungseinheit, beispielsweise einer Welle, mit einer Präzision im Nanometerbereich zu bewegen. Aufgrund seiner geringen Masse und seines geringen Volumens findet der Inchworm Linearmotor insbesondere in der Medizintechnik Anwendung, beispielsweise in der Orthopädie und in der Kieferchirurgie z.B. zur Realisierung von Kallus Distraktor Implantaten. Darüber hinaus wird der Inchworm Linearmotor häufig in Rastertunnelmikroskopen verwendet. Ein Rastertunnelmikroskop erfordert eine Steuerung einer Abtastspitze im Nanometerbereich in der Nähe des zu beobachtenden Materials.An inchworm linear motor uses piezoelectric actuators or stacks to move or move along a guide, such as a shaft, with nanometer-level precision. Due to its low mass and small volume, the inchworm linear motor is used in particular in medical technology, for example in orthopedics and in jaw surgery, e.g. for the realization of callus distractor implants. In addition, the inchworm linear motor is widely used in scanning tunneling microscopes. A scanning tunneling microscope requires nanometer-scale control of a scanning tip in close proximity to the material to be observed.
Inchworm Linearmotoren sind in verschiedenen Ausführungen und mit verschiedenen Betriebskonzepten auf dem Markt erhältlich. In seiner einfachsten Form verwendet der Inchworm Linearmotor drei piezoelektrische Stapel, an die nacheinander eine elektrische Spannung angelegt wird, so dass von einem der piezoelektrischen Stapel eine Führungseinheit gegriffen werden kann, wobei die Führungseinheit in eine lineare Richtung bewegt wird oder sich der Inchworm Linearmotor linear entlang der Führungseinheit bewegt. Die Bewegung ist auf die Ausdehnung eines piezoelektrischen Vorschubstapels zurückzuführen, welcher einen piezoelektrischen Klemmstapel in lineare Richtung relativ zur Führungseinheit verschiebt.Inchworm linear motors are available on the market in different designs and with different operating concepts. In its simplest form, the inchworm linear motor uses three piezoelectric stacks to which an electrical voltage is applied sequentially so that a guide unit can be gripped by one of the piezoelectric stacks, with the guide unit being moved in a linear direction or the inchworm linear motor linearly moving along the guide unit moves. The movement is due to the expansion of a piezoelectric feed stack, which translates a piezoelectric clamp stack in a linear direction relative to the guide unit.
Die größte Herausforderung bei der Realisierung eines piezoelektrischen Inchworm Linearmotors sind die Miniaturisierung und kompakte Bauweise bei einem gleichzeitigen Erreichen einer hohen Betätigungs- bzw. Antriebskraft.The greatest challenge in the realization of a piezoelectric inchworm linear motor is the miniaturization and compact design while at the same time achieving a high actuating or driving force.
In „Kim J., Lee, J.; Self-moving cell linear motor using piezoelectric stack actuators. In: Smart Mater. Struct. 14 (2005), S. 934 - 940“ wird ein Linearmotor mit selbstbewegender Zelle (SCLM) unter Verwendung eines piezoelektrischen Stapelaktors beschrieben. Die selbstbewegende Zelle besteht aus einer ovalförmigen Schalenstruktur und einem piezoelektrischen Stapelaktor. Das Konzept der selbstbewegenden Zelle unterscheidet sich von einem konventionellen Inchworm-Linearmotor, da der SCLM eine einheitliche Klemm- und Schubvorrichtung besitzt. Die Klemmkraft des SCLM wird durch das Interferenzmaß und die Reibung zwischen Schalenstruktur und Führungsbahn bestimmt. Somit kann dieser Motor eine große Klemmkraft erzeugen und eine ausfallsichere Verriegelung aufrechterhalten.In "Kim J., Lee, J.; Self-moving cell linear motor using piezoelectric stack actuators. In: Smart Mater. structure 14 (2005), pp. 934 - 940 describes a linear motor with a self-moving cell (SCLM) using a piezoelectric stack actuator. The self-moving cell consists of an oval-shaped shell structure and a piezoelectric stack actuator. The concept of the self-propelled cell differs from a conventional inchworm linear motor because the SCLM has a unified clamping and thrust mechanism. The clamping force of the SCLM is determined by the amount of interference and the friction between the shell structure and the guideway. Thus, this motor can generate a large clamping force and maintain a fail-safe lock.
Die
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausgestaltungen von piezoelektrischen Linearmotoren bekannt. Viele der Ausgestaltungsformen ermöglichen eine kompakte Größe und eine große Hubfähigkeit, wobei allerdings die Antriebskraftreaktion eher gering ist. Motoren und Aktuatoren, die auf der Grundlage des Mechanismus der Kraftverstärkung entwickelt wurden, weisen eine bessere Antriebskraftreaktion auf, was für Anwendungen, bei denen eine große Betätigungskraft der kritische Faktor ist, von wesentlicher Bedeutung ist. Allerdings weisen diese Motoren und Aktuatoren eine kleinere Hubantwort bzw. geringere Hubfähigkeit auf. Mit Hub ist der Weg gemeint, den der piezoelektrische Vorschubstapel des piezoelektrischen Inchworm Motors bei einem Hin- und Hergang entlang der Führungseinheit zurücklegt.Various configurations of piezoelectric linear motors are known from the prior art. Many of the configurations allow for a compact size and a large lift capability, but the driving force response is rather small. Motors and actuators designed based on the force amplification mechanism exhibit better drive force response, which is essential for applications where large actuation force is the critical factor. However, these motors and actuators have less stroke response or lift capability. By stroke is meant the distance covered by the piezoelectric feed stack of the piezoelectric inchworm motor in a reciprocating motion along the guide unit.
Die piezoelektrischen Linearmotoren, die auf der Grundlage eines Kraftverstärkungs-Mechanismus entwickelt wurden, weisen eine bessere Kraftantwort auf, was für Anwendungen, bei denen eine große Betätigungskraft der kritische Faktor ist, von entscheidender Bedeutung ist. Allerdings wird die Hubantwort kleiner und eine Anwendung von mehr Steuerimpulsen ist nötig, um eine große Auslenkung bzw. einen großen Vorschub zu erreichen. Die interne mechanische Beanspruchung des Mechanismus, entweder im Falle einer Auslenkung oder einer Kraftverstärkung, beeinflusst die gesamte Effizienz des Motors.The piezoelectric linear motors, developed based on a force amplification mechanism, exhibit better force response, which is crucial for applications where large actuation force is the critical factor. However, the stroke response becomes smaller and more control pulses need to be applied in order to achieve a large deflection or a large feed. The internal mechanical stress of the mechanism, either in the case of deflection or force amplification, affects the overall efficiency of the motor.
Die an der Last bzw. der Führungseinheit angewandte Betätigungskraft ist die resultierende Kraft des piezoelektrischen Stapels nach Abzug von der internen mechanischen Kraft des Mechanismus. Dies bedeutet, je mehr innere Spannung vorhanden ist, desto weniger Kraft wird verstärkt und umgekehrt.The actuation force applied to the load or guide assembly is the resultant force of the piezoelectric stack after subtracting the internal mechanical force of the mechanism. This means that the more internal tension there is, the less force is amplified and vice versa.
Aus dem Stand der Technik sind Ansätze zur Kraftverstärkung bekannt, welche entweder auf großen Trägern für piezoelektrische Stapel, die durch winzige Scharniere verbunden sind (
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten piezoelektrischen Inchworm Linearmotor bereitzustellen, der einen großen Hub und eine große Kraftauslösung ermöglicht.Proceeding from the prior art, it is therefore the object of the present invention to provide an improved piezoelectric inchworm linear motor that enables a large stroke and a large amount of force to be released.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention, this object is achieved by the subject matter of the independent claim. Preferred embodiments emerge from the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein piezoelektrischer Inchworm Linearmotor bereitgestellt, der piezoelektrische Inchworm Linearmotor umfassend: eine erste Klemmzelle mit einem ersten Klemmrahmen und einem ersten piezoelektrischen Klemmstapel, wobei der erste piezoelektrische Klemmstapel innerhalb des ersten Klemmrahmens derart angeordnet ist, so dass der erste piezoelektrische Klemmstapel zumindest teilweise mit dem ersten Klemmrahmen in Kontakt ist, eine zweite Klemmzelle mit einem zweiten Klemmrahmen und einem zweiten piezoelektrischen Klemmstapel, wobei der zweite piezoelektrische Klemmstapel innerhalb des zweiten Klemmrahmens derart angeordnet ist, so dass der zweite piezoelektrische Klemmstapel zumindest teilweise mit dem zweiten Klemmrahmen in Kontakt ist, und eine Vorschubzelle mit einem piezoelektrischen Vorschubstapel. Der piezoelektrische Vorschubstapel ist zumindest mittelbar mit den beiden Klemmzellen in Kontakt und verbindet die beiden Klemmzellen miteinander bzw. koppelt diese aneinander und die beiden Klemmzellen und die Vorschubzelle sind in Reihe und entlang einer Bewegungsachse des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors angeordnet. Jeder piezoelektrische Klemmstapel ist derart in der Klemmzelle angeordnet, so dass eine Änderung einer elektrischen Spannung an dem piezoelektrischen Klemmstapel eine Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Klemmstapels parallel zur Bewegungsachse bewirkt, so dass der Klemmrahmen im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung eine Größenänderung erfährt, und so dass der Klemmrahmen mit einer Führungseinheit in Eingriff gelangt oder der Eingriff gelöst wird.According to one aspect of the invention, there is provided a piezoelectric linear inchworm motor, the piezoelectric linear inchworm motor comprising: a first clamp cell having a first clamp frame and a first piezoelectric clamp stack, the first piezoelectric clamp stack being disposed within the first clamp frame such that the first piezoelectric clamp stack is at least partially in contact with the first clamping frame, a second clamping cell having a second clamping frame and a second piezoelectric clamping stack, the second piezoelectric clamping stack being arranged within the second clamping frame such that the second piezoelectric clamping stack is at least partially in contact with the second clamping frame and a feed cell with a piezoelectric feed stack. The piezoelectric feed stack is at least indirectly in contact with the two clamp cells and connects or couples the two clamp cells to one another and the two clamp cells and the feed cell are arranged in series and along a movement axis of the piezoelectric inchworm linear motor. Each piezoelectric clamp stack is arranged in the clamp cell such that a change in an electrical voltage across the piezoelectric clamp stack causes a change in expansion of the piezoelectric clamp stack parallel to the axis of movement, so that the clamp frame undergoes a change in size substantially perpendicular to the direction of movement, and so that the clamp frame comes into engagement with a guide unit or the engagement is released.
Gemäß des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Inchworm Linearmotors sind die beiden Klemmzellen und die Vorschubzelle, die vorzugsweise zwischen den Klemmzellen angeordnet ist, in Reihe und entlang einer Bewegungsachse angeordnet, vorzugsweise verläuft die Bewegungsachse parallel zu der Führungseinheit, welche beispielsweise eine Antriebswelle oder ein Gehäuse eines Antriebsobjekts bzw. Zielobjekts sein kann. Eine Änderung der elektrischen Spannung an einem der beiden piezoelektrischen Klemmstapel oder an dem Vorschubstapel bewirkt eine Ausdehnungsänderung des jeweiligen piezoelektrischen Stapels entlang bzw. parallel oder quer bzw. senkrecht zu der Bewegungsachse. Mit Ausdehnungsänderung ist gemeint, dass der jeweilige Stapel durch das Anlegen oder Ändern einer elektrischen Spannung zumindest entlang einer Vorzugsrichtung eine Verlängerung oder Verkürzung erfährt. In der Regel dehnt sich ein herkömmlicher Piezostapel beim Anlegen einer elektrischen Spannung aus, und zwar insbesondere in einer Vorzugsrichtung. Je nach Anordnung des Piezostapel kann die Ausdehnung somit parallel zu Bewegungsachse oder quer zur Bewegungsachse des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors sein. Insbesondere kann je nach Anordnung des Piezostapels der Piezostapel eine Verlängerung oder eine Verkürzung erfahren und zwar parallel zur Bewegungsachse oder quer zur Bewegungsachse. So können entgegengesetzte Seitenflächen der Stapel durch die Ausdehnungsänderung eine veränderte Distanz zueinander aufweisen.According to the piezoelectric inchworm linear motor according to the invention, the two clamping cells and the feed cell, which is preferably arranged between the clamping cells, are arranged in series and along an axis of movement; the axis of movement preferably runs parallel to the guide unit, which is, for example, a drive shaft or a housing of a drive object or Target object can be. A change in the electrical voltage on one of the two piezoelectric clamping stacks or on the feed stack causes a change in expansion of the respective piezoelectric stack along or parallel or transverse or perpendicular to the movement axis. A change in expansion means that the respective stack is lengthened or shortened at least along a preferred direction as a result of the application or change in an electrical voltage. As a rule, a conventional piezo stack expands when an electrical voltage is applied, specifically in a preferred direction in particular. Depending on the arrangement of the piezo stack, the expansion can thus be parallel to the axis of movement or transverse to the axis of movement of the piezoelectric inchworm linear motor. In particular, depending on the arrangement of the piezo stack, the piezo stack can be lengthened or shortened, namely parallel to the axis of movement or transverse to the axis of movement. Thus, opposite side faces of the stack can have a changed distance from one another due to the change in expansion.
Ein Piezostapel wie er Gegenstand dieser Anmeldung ist, kann eine Mehrzahl gestapelter herkömmlicher Piezoelemente umfassen.A piezo stack as is the subject of this application can comprise a plurality of stacked conventional piezo elements.
Im einfachsten Fall ist ein Piezoelement ein Plättchen mit Elektroden an den Endflächen, das sich in Dickenrichtung ausdehnt und in Querrichtung zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Verformung bleibt so lange bestehen, wie die Spannung angelegt bleibt. Treten keine wechselnden äußeren Kräfte auf, so wird keine Energie benötigt, um die Verformung aufrechtzuhalten. Wird die Spannung umgepolt, ändert sich die Richtung der Verformung - in diesem Fall also Kontraktion in Dickenrichtung und Ausdehnung in Querrichtung.In the simplest case, a piezo element is a plate with electrodes on the end faces that expands in the thickness direction and contracts in the transverse direction when a voltage is applied. The deformation persists as long as the stress remains applied. If there are no changing external forces, no energy is required to maintain the deformation. If the polarity of the voltage is reversed, the direction of the deformation changes - in this case contraction in the thickness direction and expansion in the transverse direction.
Insbesondere kann ein Piezostapel durch Kaskadierung einer Mehrzahl herkömmlicher Piezoelemente hergestellt werden, indem mehrere dünne Piezoelemente mit dazwischenliegenden Elektroden zusammengefügt werden. Dadurch ergibt sich eine mechanische Reihenanordnung mit Ansteuerung durch eine elektrische Parallelschaltung. Es können abwechselnd Piezoelemente und Elektroden gestapelt werden. Auf eine Elektrode beispielsweise der Plus-Anschluss kann eine Piezoscheibe gestapelt werden, auf diese Piezoscheibe kann eine Elektrode (-) gestapelt werden und schlussendlich eine weitere Piezoscheibe, aber dieses Mal wird die Polarisierungsrichtung geändert. Eine Vielzahl dieser Anordnungen kann aufeinandergestapelt werden. Die Plus- und Minuselektroden werden jeweils außen verbunden.In particular, a piezo stack can be manufactured by cascading a plurality of conventional piezo elements by joining together a number of thin piezo elements with electrodes in between. This results in a mechanical series arrangement controlled by an electrical parallel circuit. Piezo elements and electrodes can be stacked alternately. A piezo disc can be stacked on top of an electrode, for example the plus connection, an electrode (-) can be stacked on top of this piezo disc, and finally another piezo disc, but this time the polarization direction is changed. A variety of these assemblies can be stacked on top of each other. The plus and minus electrodes are each connected externally.
Die oben genannte Spannung wird an die Elektrode angelegt, sodass sich die Distanz der beiden Elektroden aufgrund einer Längenausdehnung des Piezokristalls vergrößert. Die anzulegende Maximalspannung hängt von den Dicken der Piezoscheiben, vom Material und von den Isoliereigenschaften zwischen den Elektroden ab.The voltage mentioned above is applied to the electrode, so that the distance between the two electrodes increases due to the linear expansion of the piezoelectric crystal. The maximum voltage to be applied depends on the thickness of the piezo discs, the material and the insulating properties between the electrodes.
Die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Klemmstapels kann in beide Richtungen entlang der Bewegungsachse erfolgen. Die in den Zellen angeordneten piezoelektrischen Stapel sind in Reihe und in Richtung der Bewegungsachse angeordnet. Dabei können die beiden Klemmstapel und der Vorschubstapel in Reihe und in Richtung einer Längsachse des PIL angeordnet sein bzw. sich in Richtung der Längsachse des PIL erstrecken, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einem oder beiden Klemmstapel und/oder dem Vorschubstapel der eine oder die beiden Klemmstapel und/oder der Vorschubstapel eine Längenänderung entlang der Längsachse des PIL erfahren. Der Vorschubstapel ist quer zur Längsachse des PIL angeordnet bzw. erstreckt sich quer zur Längsachse des PIL, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dem Vorschubstapel der Vorschubstapel eine Längenänderung quer zur Längsachse des PIL erfährt. Durch das Anlegen einer Spannung an die einzelnen piezoelektrischen Stapel kann der piezoelektrische Inchworm Linearmotor an der Führungseinheit entlang bewegt werden. Vorzugsweise bewegt sich der piezoelektrische Inchworm Linearmotor parallel zur Führungseinheit. Durch die Ausdehnungsfähigkeit des Vorschubstapels in Längsrichtung bzw. in Richtung der Bewegungsachse kann die Piezokraft in Längsrichtung (longitudinale Piezokraft) direkt verwendet werden und eine Miniaturisierung und somit eine kompakte Bauweise des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors wird ermöglicht.The change in expansion of the piezoelectric clamping stack can occur in either direction along the axis of movement. The piezoelectric stacks arranged in the cells are arranged in series and in the direction of the movement axis. The two clamp stacks and the feed stack can be arranged in a row and in the direction of a longitudinal axis of the PIL or extend in the direction of the longitudinal axis of the PIL, so that by applying an electrical voltage to one or both clamp stacks and/or the feed stack, one or the two clamp stacks and/or the feed stack experience a change in length along the longitudinal axis of the PIL. The feed stack is arranged transversely to the longitudinal axis of the PIL or extends transversely to the longitudinal axis of the PIL, so that application of an electrical voltage to the feed stack causes the feed stack to change in length transversely to the longitudinal axis of the PIL. By applying a voltage to the individual piezoelectric stacks, the piezoelectric inchworm linear motor can be moved along the guide unit. Preferably, the linear inchworm piezoelectric motor moves parallel to the guide unit. Due to the expandability of the feed stack in the longitudinal direction or in the direction of the axis of movement, the piezoelectric force in the longitudinal direction (longitudinal piezoelectric force) can be used directly and miniaturization and thus a compact design of the piezoelectric inchworm linear motor is made possible.
Die Klemmzellen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Inchworm Linearmotors umfassen jeweils Klemmrahmen, wobei die in den Klemmrahmen angeordneten Klemmstapel bevorzugt in Richtung der Längsachse des PIL mit entgegengesetzten Seiten der Klemmrahmen in Kontakt sind. Durch das Anlegen oder das Ändern einer Spannung an dem Klemmstapel kann der Klemmstapel eine Ausdehnungsänderung erfahren. Der Klemmstapel erfährt eine Verlängerung in Richtung der Längsachse des PIL bzw. in Richtung der Bewegungsachse und ggf. eine Verkürzung quer zur Längsachse des PIL bzw. quer zur Bewegungsachse. Mit anderen Worten, die Distanz zwischen entgegengesetzten Seitenflächen des Klemmstapels in Richtung der Längsachse des PIL wird vergrößert. Aufgrund mechanischer Eigenschaften des Klemmstapels kann die Distanz zwischen entgegengesetzten Seitenflächen des PIL quer, insbesondere senkrecht zu der Längsachse verkürzt werden. Durch diese Ausdehnungsänderung des Klemmstapels erfährt wiederum der Klemmrahmen aufgrund des Kontakts mit dem Klemmstapel eine Verformung. Da der piezoelektrische Klemmstapel zumindest teilweise mit dem Klemmrahmen in Kontakt ist, wird durch die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Klemmstapels der Klemmrahmen ebenfalls relativ zur Bewegungsachse, d.h., in Richtung der Bewegungsachse bzw. parallel zur Bewegungsachse und senkrecht zur Bewegungsachse gesehen, verformt. Die Verformung des Klemmrahmens erfolgt durch die Längenänderung des piezoelektrischen Klemmstapels, wodurch eine Kraft auf den Klemmrahmen in Richtung der Bewegungsachse ausgeübt wird. Dies bewirkt, dass die Größe bzw. die Form des Klemmrahmens verändert wird. Mit anderen Worten, das Ausmaß des Klemmrahmens verlängert sich in Richtung der Bewegungsachse und verkürzt sich quer bzw. senkrecht zu der Bewegungsachse. Dabei wird die Distanz zwischen entgegengesetzten Seitenflächen des Klemmrahmens in Richtung der Längsachse des PIL bzw. in Richtung der Bewegungsachse vergrößert, und die Distanz zwischen entgegengesetzten Seitenflächen des Klemmrahmens quer bzw. senkrecht zur Längsachse des PIL wird verkürzt.The clamping cells of the piezoelectric inchworm linear motor according to the invention each comprise clamping frames, the clamping stacks arranged in the clamping frames preferably being in contact with opposite sides of the clamping frames in the direction of the longitudinal axis of the PIL. By applying or changing a voltage on the clamp stack, the clamp stack can experience a change in expansion. The clamping stack is lengthened in the direction of the longitudinal axis of the PIL or in the direction of the axis of movement and possibly shortened transversely to the longitudinal axis of the PIL or transversely to the axis of movement. In other words, the distance between opposite side faces of the clamp stack in the direction of the longitudinal axis of the PIL is increased. Due to mechanical properties of the clamping stack, the distance between opposite side surfaces of the PIL can be shortened transversely, in particular perpendicularly, to the longitudinal axis. As a result of this change in expansion of the clamping stack, the clamping frame in turn undergoes a deformation due to the contact with the clamping stack. Since the piezoelectric clamping stack is at least partially in contact with the clamping frame, the clamping frame is also deformed relative to the movement axis, i.e. viewed in the direction of the movement axis or parallel to the movement axis and perpendicular to the movement axis, due to the change in expansion of the piezoelectric clamping stack. The clamping frame is deformed by the change in length of the piezoelectric clamping stack, as a result of which a force is exerted on the clamping frame in the direction of the movement axis. This causes the size or the shape of the clamping frame to be changed. In other words, the extent of the clamping frame lengthens in the direction of the movement axis and shortens transversely or perpendicularly to the movement axis. The distance between opposite side surfaces of the clamping frame in the direction of the longitudinal axis of the PIL or in the direction of the movement axis is increased, and the distance between opposite side surfaces of the clamping frame transversely or perpendicularly to the longitudinal axis of the PIL is shortened.
Durch die Verformung bzw. Größenänderung des Klemmrahmens kann der Klemmrahmen mit der Führungseinheit in Eingriff gelangen oder der Eingriff kann von der Führungseinheit gelöst werden. Dadurch, dass sich das Ausmaß des Klemmrahmens in der Richtung senkrecht zur Bewegungsachse verkürzt, und in Richtung der Bewegungsachse verlängert, wird ein Hebeleffekt erzeugt. Ein erster Bereich des Klemmrahmens hat die Wirkung eines langen Hebels, wohingegen ein zweiter Bereich des Klemmrahmens die Wirkung eines kurzen Hebels hat.Due to the deformation or resizing of the clamping frame, the clamping frame with the Guide unit engage or the engagement can be released from the guide unit. Due to the fact that the extent of the clamping frame shortens in the direction perpendicular to the axis of movement and lengthens in the direction of the axis of movement, a leverage effect is created. A first portion of the clamping frame has a long lever action, whereas a second portion of the clamping frame has a short lever action.
Der erste Bereich umfasst wenigstens teilweise eine der beiden entgegengesetzten Seitenflächen des Klemmrahmens in Richtung der Längsachse des PIL, auf die eine Kraft durch die Ausdehnung des Klemmstapels ausgeübt wird. Dadurch, dass sich der Klemmstapel durch das Anlegen einer elektrischen Spannung in Richtung der Bewegungsachse ausdehnt bzw. seine Länge verändert, drückt der Klemmstapel gegen den Klemmrahmen, so dass sich der Klemmrahmen im ersten Bereich linear in Bewegungsrichtung des PIL bewegt und verformt, wobei der erste Bereich eine Verlagerung in Richtung der Bewegungsachse erfahren kann. Dieser verformte erste Bereich hat die Wirkung eines langen Hebels.The first region at least partially comprises one of the two opposite side surfaces of the clamping frame in the direction of the longitudinal axis of the PIL, on which a force is exerted by the expansion of the clamping stack. Because the clamping stack expands or changes its length in the direction of the movement axis when an electrical voltage is applied, the clamping stack presses against the clamping frame, so that the clamping frame in the first area moves linearly in the direction of movement of the PIL and deforms, with the first Area can experience a shift in the direction of the axis of movement. This deformed first area has the effect of a long lever.
Der zweite Bereich umfasst wenigstens teilweise eine von zwei entgegengesetzten Seitenflächen des Klemmrahmens quer zur Richtung der Längsachse des PIL. Der zweite Bereich kann einem Bereich des Klemmrahmens entsprechen, welcher nicht unmittelbar mit dem Klemmstapel in Kontakt ist und mittels des ersten Bereichs mit dem Klemmstapel verbunden ist. Dadurch, dass sich der Klemmstapel durch das Anlegen einer elektrischen Spannung in Richtung der Bewegungsachse ausdehnt bzw. seine Länge verändert, drückt der Klemmstapel gegen den Klemmrahmen, so dass sich der erste Bereich des Klemmrahmens in Bewegungsrichtung des PIL bewegt und verformt. Gleichzeitig bewegt sich der zweite Bereich quer zur Bewegungsachse bzw. Längsachse des PIL hin und wird verformt, wobei der zweite Bereich eine Verlagerung quer zur Bewegungsachse erfahren kann. Dieser verformte zweite Bereich hat die Wirkung eines kurzen Hebels.The second area at least partially comprises one of two opposite side surfaces of the clamping frame transverse to the direction of the longitudinal axis of the PIL. The second area can correspond to an area of the clamping frame which is not directly in contact with the clamping stack and is connected to the clamping stack by means of the first area. Because the clamping stack expands or changes its length in the direction of the movement axis when an electrical voltage is applied, the clamping stack presses against the clamping frame, so that the first area of the clamping frame moves and deforms in the direction of movement of the PIL. At the same time, the second area moves transversely to the axis of movement or longitudinal axis of the PIL and is deformed, with the second area being able to undergo a displacement transversely to the axis of movement. This deformed second area has the effect of a short lever.
Vorzugsweise ist der zweite Bereich des Klemmrahmens im Ruhezustand der Klemmzelle, d.h., im Zustand, wenn keine elektrische Spannung an dem Klemmstapel angelegt ist, mit der Führungseinheit in Eingriff. Durch das Anlegen einer Spannung an den Klemmstapel und die Formveränderung des Klemmrahmens, wird der erste Bereich des Klemmrahmens zumindest bereichsweise zu der Führungseinheit hin geschwenkt und der zweite Bereich wird von der Führungseinheit wegbewegt. So kann der zweite Bereich des Klemmrahmens von der Führungseinheit gelöst werden. Wird die Spannung an dem Klemmstapel reduziert bzw. abgenommen, so nehmen der Klemmstapel und der Klemmrahmen wieder ihre Ursprungsformen an. Der erste Bereich des Klemmrahmens wird von der Führungseinheit weg geschwenkt und der zweite Bereich wird zu der Führungseinheit hinbewegt und kann mit der Führungseinheit in Eingriff gelangen. Durch den Hebeleffekt kann die maximale Kraft und Energiekapazität des piezoelektrischen Klemmstapels genutzt werde. Die maximale piezoelektrische Kraft des Klemmstapels kann auf die Führungseinheit des Zielobjekts übertragen werden. Aufgrund der Hebelwirkung ist es sogar möglich, dass der zweite Bereich gegen eine Kraft bewegt wird, die die maximale Kraft des piezoelektrischen Klemmstapels übersteigt. Insbesondere ist es möglich, dass der zweite Bereich des Klemmrahmens eine Normalkraft auf die Führungseinheit ausübt, die grösser ist, als die maximale Kraft des piezoelektrischen Klemmstapels. Aufgrund der Hebelwirkung zwischen erstem Bereich und zweiten Bereich kann der piezoelektrischen Klemmstapel dennoch den zweiten Beriech entgegen dieser Normalkraft auslenken und somit den Kontakt zwischen dem piezoelektrischen Klemmstapel und der Führungseinheit lösen. Somit kann eine hohe Haftkraft zwischen Klemmrahmen und Führungselement erzeugt werden.The second region of the clamping frame is preferably in engagement with the guide unit when the clamping cell is in the resting state, i.e. in the state when no electrical voltage is applied to the clamping stack. By applying a voltage to the clamping stack and changing the shape of the clamping frame, the first area of the clamping frame is pivoted at least in areas towards the guide unit and the second area is moved away from the guide unit. In this way, the second area of the clamping frame can be detached from the guide unit. If the tension on the clamping stack is reduced or removed, the clamping stack and the clamping frame return to their original shapes. The first portion of the clamp frame is pivoted away from the guide unit and the second portion is moved toward the guide unit and is engageable with the guide unit. Thanks to the leverage effect, the maximum force and energy capacity of the piezoelectric clamping stack can be used. The maximum piezoelectric force of the clamp stack can be transmitted to the guide unit of the target object. Because of the leverage, it is even possible for the second section to be moved against a force that exceeds the maximum force of the piezoelectric clamping stack. In particular, it is possible for the second area of the clamping frame to exert a normal force on the guide unit that is greater than the maximum force of the piezoelectric clamping stack. Due to the leverage between the first area and the second area, the piezoelectric clamping stack can nevertheless deflect the second area against this normal force and thus release the contact between the piezoelectric clamping stack and the guide unit. A high adhesive force can thus be generated between the clamping frame and the guide element.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Inchworm Linearmotor ermöglicht somit einen großen Hub und eine große Kraftauslösung. Die Piezokraft in Richtung der Bewegungsachse wird direkt verwendet, ohne dass es einer Anwendung von weiteren Strukturen mit Scharnieren bedarf. Somit werden Kraftverluste durch das Auftreten mechanischer Reibung vermieden. Gleichzeitig wird eine Miniaturisierung ermöglicht, so dass keine zusätzliche Trägheitsmassen oder externe mechanische Klemmfedern erforderlich sind. Der piezoelektrische Inchworm Linearmotor weist eine hohe Zuverlässigkeit auf, indem zerbrechliche Elemente, wie Scharniere oder Drehpunkte durch das Verwenden von Klemmrahmen von der Konstruktion ausgeschlossen sind. Darüber hinaus weist der piezoelektrische Inchworm Linearmotor eine hohe elektromechanische Energieeffizienz auf, ist im Ruhezustand selbstklemmend und ist sowohl in der Konstruktion als auch in der Realisierung einfach.The piezoelectric inchworm linear motor according to the invention thus enables a large stroke and a large amount of force to be released. The piezo force in the direction of the movement axis is used directly without the need for the use of further structures with hinges. In this way, power losses due to the occurrence of mechanical friction are avoided. At the same time, miniaturization is made possible, so that no additional inertial masses or external mechanical clamping springs are required. The piezoelectric inchworm linear motor has a high reliability by excluding fragile elements such as hinges or pivot points from the construction by using clamping frames. In addition, the piezoelectric inchworm linear motor has high electromechanical energy efficiency, is self-clamping when not in use, and is simple in both design and implementation.
Vorzugsweise weist der erste Klemmrahmen eine erste Kopplungswand mit einer ersten Eingriffseinheit auf, und der zweite Klemmrahmen weist eine zweite Kopplungswand mit einer zweiten Eingriffseinheit auf, wobei die Eingriffseinheiten zum Eingriff mit der Führungseinheit ausgestaltet sind.Preferably, the first clamping frame has a first coupling wall with a first engagement unit, and the second clamping frame has a second coupling wall with a second engagement unit, the engagement units being designed for engagement with the guide unit.
Die erste Eingriffseinheit kann als eine erste Eingriffsnut ausgebildet sein und/oder die zweite Eingriffseinheit kann als eine zweite Eingriffsnut ausgebildet sein. Die Eingriffsnuten können sich in einer Kopplungswand des entsprechenden Klemmrahmens erstrecken. Vorzugsweise ist die Kopplungswand eine Außenwand der Rahmen, welche von dem Inneren der Rahmen wegweist und somit nicht in Kontakt mit den piezoelektrischen Klemmstapeln ist. Die Eingriffsnuten können sich zumindest teilweise über die Außenwandung erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die beiden Eingriffsnuten über die gesamte Außenwandung und in einer Ebene parallel zur Bewegungsachse. Weiter können die Eingriffsnuten jeweils eine erste seitliche Anlagefläche und eine gegenüberliegende zweite Anlagefläche aufweisen, welche sich parallel zur Bewegungsachse erstrecken. Die beiden seitlichen Anlageflächen können eine innere Anlagefläche begrenzen. Wenn die Eingriffseinheit mit der Führungseinheit in Eingriff ist, kann die innere Anlagefläche an der Führungseinheit anliegen und die beiden seitlichen Anlageflächen können seitlich an der Führungseinheit anliegen bzw. diese umgeben. Die beiden seitlichen Anlageflächen können somit insbesondere den Klemmrahmen an der Führungseinheit führen. Die innere Anlagefläche kann vorzugsweise mit einer vorgegebenen Normalkraft gegen die Führungseinheit drücken und somit die Haftkraft zwischen der inneren Anlagefläche und der Führungseinheit erzeugen.The first engagement unit can be formed as a first engagement groove and/or the second engagement unit can be formed as a second engagement groove. The engagement grooves can be in a coupling wall of the corresponding clamping frame stretch mens Preferably, the coupling wall is an outer wall of the frames, facing away from the interior of the frames and thus not in contact with the piezoelectric clamping stacks. The engagement grooves can extend at least partially over the outer wall. The two engagement grooves preferably extend over the entire outer wall and in a plane parallel to the movement axis. Furthermore, the engagement grooves can each have a first lateral contact surface and an opposite second contact surface, which extend parallel to the movement axis. The two lateral contact surfaces can delimit an inner contact surface. When the engagement unit is in engagement with the guide unit, the inner contact surface can bear against the guide unit and the two lateral contact surfaces can bear laterally on or surround the guide unit. The two lateral contact surfaces can thus in particular guide the clamping frame on the guide unit. The inner contact surface can preferably press against the guide unit with a predetermined normal force and thus generate the adhesive force between the inner contact surface and the guide unit.
Die Eingriffseinheiten bzw. die Eingriffsnuten ermöglichen einen sicheren und festen Eingriff und somit Kopplung der Klemmrahmen mit der Führungseinheit. Im Ruhezustand der Klemmzelle, wenn keine elektrische Spannung an dem Klemmstapel angelegt ist, ermöglichen die Eingriffseinheiten ein sicheres Eingreifen mit der Führungseinheit. Die gegenüberliegenden seitlichen Anlageflächen und die innere Anlagefläche ermöglicht einen besonders festen und sicheren Eingriff des Klemmrahmens mit der Führungseinheit, so dass eine hohe Hebelwirkung und Hebelkraft ermöglicht werden. Durch die hohe Hebelwirkung kann die maximale Kraft und Energiekapazität des piezoelektrischen Klemmstapels genutzt werden, so dass die maximale piezoelektrische Stapelkraft auf die Führungseinheit des Zielobjekts übertragen wird.The engagement units or the engagement grooves enable a secure and firm engagement and thus coupling of the clamping frame with the guide unit. When the clamping cell is in the idle state, when no electrical voltage is applied to the clamping stack, the engagement units enable secure engagement with the guide unit. The opposing lateral contact surfaces and the inner contact surface enable a particularly firm and secure engagement of the clamping frame with the guide unit, so that a high level of leverage and leverage are made possible. The high leverage allows the maximum force and energy capacity of the piezoelectric clamp stack to be used, so that the maximum piezoelectric stack force is transmitted to the guide unit of the target object.
Vorzugsweise gelangen durch die Ausdehnungsänderung der piezoelektrischen Klemmstapel bzw. der Größenänderung der Klemmrahmen die Eingriffseinheiten mit der Führungseinheit reibschlüssig in Eingriff.The engagement units preferably come into frictional engagement with the guide unit as a result of the change in expansion of the piezoelectric clamping stacks or the change in size of the clamping frames.
Im Ruhezustand der Klemmzellen können die Eingriffsnuten mit der Führungseinheit reibschlüssig in Eingriff sein. Dabei kann eine Reibungskraft bzw. eine Haftkraft von den Eingriffsnuten auf die Führungseinheit ausgeübt werden, so dass die Eingriffsnuten mit der Führungseinheit gekoppelt sind. Wird an einen Klemmstapel eine elektrische Spannung angelegt, so kann durch die entsprechende Verformung des Klemmrahmens, insbesondere des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs des Klemmrahmens bedingt die Eingriffsnut von der Führungseinheit wegbewegt werden. Die Haftkraft wird reduziert, bis die Eingriffsnut von der Führungseinheit entkoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich zu einem möglichen Reibschluss zwischen den jeweiligen Eingriffsnuten und der Führungseinheit ist es auch möglich, dass die jeweiligen Eingriffsnuten mit der Führungseinheit einen Formschluss eingehen.In the idle state of the clamping cells, the engagement grooves can be in frictional engagement with the guide unit. In this case, a frictional force or an adhesive force can be exerted by the engagement grooves on the guide unit, so that the engagement grooves are coupled to the guide unit. If an electrical voltage is applied to a clamping stack, the engagement groove can be moved away from the guide unit due to the corresponding deformation of the clamping frame, in particular of the first area and the second area of the clamping frame. The adhesive force is reduced until the engagement groove is decoupled from the guide unit. As an alternative or in addition to a possible frictional connection between the respective engagement grooves and the guide unit, it is also possible for the respective engagement grooves to enter into a form fit with the guide unit.
Die Eingriffsnuten ermöglichen somit eine besonders große Reibungskraft zwischen den Klemmrahmen und der Führungseinheit, so dass die Bewegung der Klemmrahmen und der Führungseinheit gegeneinander verhindert wird. Dadurch wird eine maximale Kraftübertragung des Klemmrahmens auf die Führungseinheit ermöglicht.The engagement grooves thus enable a particularly large frictional force between the clamping frame and the guide unit, so that the movement of the clamping frame and the guide unit against one another is prevented. This enables maximum power transmission from the clamping frame to the guide unit.
Vorzugsweise sind die erste Klemmzelle und die zweite Klemmzelle an gegenüberliegenden Seiten der Vorschubzelle angeordnet.Preferably, the first clamp cell and the second clamp cell are located on opposite sides of the feed cell.
Die erste Klemmzelle, die zweite Klemmzelle und die Vorschubzelle können derart zueinander angeordnet sei, so dass sich die Zellen entlang einer gemeinsamen Längsachse des PIL erstrecken, welche der zuvor beschriebenen Bewegungsachse entsprechen kann. So kann der PIL ein erstes Ende und ein zweites Ende umfassen, zwischen denen sich die Längsachse erstreckt. Die erste Klemmzelle an dem ersten Ende angeordnet sein und die zweite Klemmzelle kann an dem zweiten Ende angeordnet sein, wobei die Vorschubzelle zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angrenzend oder benachbart zu den beiden Klemmzellen und weiter vorzugsweise dazwischenliegend angeordnet sein kann. In Richtung der Bewegungsachse bzw. in Bewegungsrichtung des PIL ist das erste Ende bevorzugt das vordere Ende und das zweite Ende ist bevorzugt das hintere Ende.The first clamping cell, the second clamping cell and the feed cell can be arranged relative to one another in such a way that the cells extend along a common longitudinal axis of the PIL, which can correspond to the movement axis described above. Thus, the PIL may include a first end and a second end between which the longitudinal axis extends. The first clamp cell may be located at the first end and the second clamp cell may be located at the second end, wherein the feed cell may be located between the first end and the second end adjacent or adjacent to the two clamp cells and more preferably intermediately. In the direction of the axis of movement or in the direction of movement of the PIL, the first end is preferably the front end and the second end is preferably the rear end.
Diese Anordnung der Klemmzellen und der Vorschubzelle begünstigt eine Ausdehnungsänderung der piezoelektrischen Stapel und eine Größenänderung der Klemmrahmen in Längsachsenrichtung bzw. in Richtung der Bewegungsachse, vorzugsweise parallel zur Ausrichtung der Führungseinheit. Dies ermöglicht eine kompakte und somit miniaturisierte Bauweise des PIL. Des Weiteren ermöglichen die beiden seitlichen Klemmzellen einen Eingriff bzw. ein Verklemmen des PIL mit der Führungseinheit. Die Vorschubzelle ermöglicht ein Verschieben bzw. Hin- und Hergang des PIL in linearer Richtung entlang der Führungseinheit.This arrangement of the clamping cells and the feed cell promotes a change in expansion of the piezoelectric stack and a change in size of the clamping frame in the direction of the longitudinal axis or in the direction of the axis of movement, preferably parallel to the alignment of the guide unit. This enables a compact and thus miniaturized design of the PIL. Furthermore, the two lateral clamping cells allow the PIL to be engaged or jammed with the guide unit. The feed cell enables the PIL to be displaced or reciprocated in a linear direction along the guide unit.
Vorzugsweise gelangen durch eine sequentielle Änderung einer elektrischen Spannung an den piezoelektrischen Klemmstapeln und an dem Vorschubstapel die Klemmrahmen abwechselnd mit der Führungseinheit in Eingriff und lösen sich von dieser, so dass die Zellen bzw. der PIL relativ zu der Führungseinheit eine lineare Bewegung ausführen.Preferably, by sequentially changing an electrical voltage across the piezoelectric clamp stacks and the feed stack, the clamp frames alternately engage and disengage from the guide unit this, so that the cells or the PIL perform a linear movement relative to the guide unit.
Indem beispielsweise nacheinander eine elektrische Spannung an den ersten piezoelektrischen Klemmstapel, an den Vorschubstapel und an den zweiten piezoelektrischen Klemmstapel angelegt wird, können die erste Eingriffseinheit und die zweite Eingriffseinheit der beiden Klemmstapel nacheinander mit der Führungseinheit in Eingriff gelangen. So können die Klemmrahmen bzw. die Klemmzelle nacheinander mit der Führungseinheit koppeln. Entsprechend können die erste Eingriffseinheit und die zweite Eingriffseinheit wieder von der Führungseinheit gelöst werden, so dass die Klemmrahmen bzw. die Klemmzelle nicht mit der Führungseinheit gekoppelt sind. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Vorschubstapel kann die Vorschubzelle einen Vorschub des jeweils nicht gekoppelten Klemmrahmens bzw. der nicht gekoppelten Klemmzelle in Richtung der Bewegungsachse bewirken. So kann der PIL in Bewegungsrichtung entlang der Führungseinheit bewegt werden. Ebenfalls denkbar ist, dass durch das sequentielle Anlegen einer elektrischen Spannung an den piezoelektrischen Klemmstapeln und an dem Vorschubstapel die Führungseinheit in Bewegungsrichtung entlang des PIL bewegt wird. Dies ermöglicht eine lineare Bewegung des PIL und/oder eine lineare Bewegung der Führungseinheit.For example, by sequentially applying an electric voltage to the first piezoelectric clamp stack, the feed stack, and the second piezoelectric clamp stack, the first engagement unit and the second engagement unit of the two clamp stacks can be engaged with the guide unit in succession. In this way, the clamping frames or the clamping cell can be coupled to the guide unit one after the other. Correspondingly, the first engagement unit and the second engagement unit can be released from the guide unit again, so that the clamping frames or the clamping cell are not coupled to the guide unit. By applying an electrical voltage to the feed stack, the feed cell can bring about a feed of the respectively uncoupled clamping frame or the uncoupled clamping cell in the direction of the movement axis. In this way, the PIL can be moved in the direction of movement along the guide unit. It is also conceivable that the guide unit is moved in the direction of movement along the PIL by the sequential application of an electrical voltage to the piezoelectric clamping stacks and to the feed stack. This enables linear movement of the PIL and/or linear movement of the guide unit.
Es kann beispielsweise eine Spannung an den ersten piezoelektrischen Klemmstapel angelegt werden, so dass dieser seine Größe in Richtung der Bewegungsachse bzw. Längsachse verändert. Dadurch, dass der erste piezoelektrische Klemmstapel zumindest teilweise mit dem ersten Klemmrahmen in Kontakt ist, verändert der erste Klemmrahmen seine Form, insbesondere erfahren der erste Bereich und der zweite Bereich des ersten Klemmrahmens eine Formveränderung. So kann die erste Klemmzelle von der Führungseinheit gelöst werden. Wird zusätzlich eine Spannung an den Vorschubstapel angelegt, so verändert der Vorschubstapel seine Größe in Richtung der Bewegungsachse und/oder in Richtung quer zu der Bewegungsachse, je nach Ausgestaltung des Vorschubrahmens. Somit kann der PIL linear in Richtung der Bewegungsachse bewegt bzw. verschoben werden.For example, a voltage can be applied to the first piezoelectric clamping stack so that it changes its size in the direction of the movement axis or longitudinal axis. Because the first piezoelectric clamping stack is at least partially in contact with the first clamping frame, the first clamping frame changes its shape, in particular the first area and the second area of the first clamping frame experience a change in shape. In this way, the first clamping cell can be detached from the guide unit. If a voltage is also applied to the feed stack, the feed stack changes its size in the direction of the movement axis and/or in the direction transverse to the movement axis, depending on the design of the feed frame. Thus, the PIL can be moved or shifted linearly in the direction of the movement axis.
Alternativ kann eine Spannung an dem zweiten piezoelektrischen Klemmstapel angelegt werden (und der erste Klemmstapel spannungslos sein), so dass dieser seine Größe in Richtung der Bewegungsachse bzw. Längsachse verändert. Dadurch, dass der zweite piezoelektrische Klemmstapel zumindest teilweise mit dem zweiten Klemmrahmen in Kontakt ist, verändert der zweite Klemmrahmen seine Form, insbesondere erfahren der erste Bereich und der zweite Bereich des zweiten Klemmrahmens eine Formveränderung. Somit kann die zweite Klemmzelle von der Führungseinheit gelöst werden. Wird nun eine Spannung an den Vorschubstapel angelegt, so verändert der Vorschubstapel seine Größe in Richtung der Bewegungsachse und/oder in Richtung quer zu der Bewegungsachse. So kann der PIL linear in Richtung der Bewegungsachse bewegt bzw. verschoben werden.Alternatively, a voltage can be applied to the second piezoelectric clamping stack (and the first clamping stack can be de-energized) so that it changes its size in the direction of the movement axis or longitudinal axis. Because the second piezoelectric clamping stack is at least partially in contact with the second clamping frame, the second clamping frame changes its shape, in particular the first area and the second area of the second clamping frame experience a change in shape. The second clamping cell can thus be detached from the guide unit. If a voltage is now applied to the feed stack, the feed stack changes its size in the direction of the axis of movement and/or in the direction transverse to the axis of movement. In this way, the PIL can be moved or shifted linearly in the direction of the movement axis.
Wird jeweils eine Spannung an den ersten piezoelektrischen Klemmstapel und an den zweiten piezoelektrischen Klemmstapel sequentiell angelegt wie zuvor beschrieben, so können die Klemmzellen bzw. Klemmrahmen sequentiell von der Führungseinheit gelöst werden. Der PIL kann durch das zusätzliche Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Vorschubstapel schrittweise linear in Richtung der Bewegungsachse hin und her bewegt werden.If a voltage is applied sequentially to the first piezoelectric clamping stack and to the second piezoelectric clamping stack as described above, the clamping cells or clamping frames can be released sequentially from the guide unit. The PIL can be stepwise linearly moved back and forth in the direction of the movement axis by additionally applying a voltage to the piezoelectric feed stack.
Vorzugsweise weisen der erste Klemmrahmen und der zweite Klemmrahmen eine ovalförmige Querschnittsfläche auf.The first clamping frame and the second clamping frame preferably have an oval-shaped cross-sectional area.
Der erste Klemmrahmen und der zweite Klemmrahmen können sich entlang einer Klemmrahmenlängsachse erstrecken, wobei die Klemmrahmen eine ovalförmige Querschnittsfläche in einer Ebene entlang der Klemmrahmenlängsachse aufweisen. Die Klemmrahmen weisen jeweils einen Innenraum auf, welcher teilweise umschlossen ist. So kann der Klemmrahmen eine erste offene Seite und eine zweite offene Seite aufweisen, welche gegenüberliegend zur Klemmrahmenlängsachse angeordnet sein können. Durch die beiden offenen Seiten können die piezoelektrischen Klemmstapel besonders einfach in die Klemmrahmen eingeführt und entnommen werden. Zudem wird durch die offenen Seiten ein Zugang zum Anlegen der elektrischen Spannung ermöglicht. Des Weiteren kann der Klemmrahmen eine erste, im Wesentlichen ebene Außenwandung und eine zweite, im Wesentlichen ebene Außenwandung aufweisen. Die ersten und zweiten Außenwandungen können gegenüberliegend in einer Richtung quer zur Klemmrahmenlängsachse angeordnet sein. Die ersten und zweiten ebenen Außenwandungen sind vorzugsweise zum Anliegen an das Zielobjekt bzw. Antriebsobjekt ausgebildet.The first clamping frame and the second clamping frame can extend along a longitudinal axis of the clamping frame, with the clamping frames having an oval-shaped cross-sectional area in a plane along the longitudinal axis of the clamping frame. The clamping frames each have an interior space which is partially enclosed. Thus, the clamping frame can have a first open side and a second open side, which can be arranged opposite to the longitudinal axis of the clamping frame. The two open sides make it particularly easy to insert and remove the piezoelectric clamping stacks in the clamping frames. In addition, the open sides allow access to apply the electrical voltage. Furthermore, the clamping frame can have a first, essentially flat outer wall and a second, essentially flat outer wall. The first and second outer walls can be arranged opposite one another in a direction transverse to the longitudinal axis of the clamping frame. The first and second planar outer walls are preferably designed to rest against the target object or drive object.
Der Klemmrahmen kann eine erste, gekrümmte Außenwandung und eine zweite, gekrümmte Außenwandung aufweisen, welche gegenüberliegend in Richtung der Klemmrahmenlängsachse angeordnet sind. Eine dieser gekrümmten Außenwandungen kann der zuvor beschriebenen Kopplungswand entsprechen und die zuvor beschriebene Eingriffsnut umfassen. Denkbar ist auch, dass beide gekrümmten Außenwandungen als Kopplungswandungen mit den zuvor beschriebenen Merkmalen ausgebildet sind und jeweils eine Führungseinheit mit sämtlichen zuvor beschriebenen Merkmalen umfasst. So können die Klemmrahmen vielseitiger eingesetzt werden, indem ein Eingriff mit einer Führungseinheit prinzipiell mit einer der Eingriffsnuten oder mit beiden Eingriffsnuten auf den beiden gegenüberliegenden gekrümmten Außenwandungen bzw. Kopplungswandungen ermöglicht wird.The clamping frame can have a first, curved outer wall and a second, curved outer wall, which are arranged opposite one another in the direction of the longitudinal axis of the clamping frame. One of these curved outer walls may correspond to the coupling wall previously described and include the engagement groove previously described. It is also conceivable that both curved outer walls as coupling walls with the previously described NEN features are formed and each includes a guide unit with all the features described above. In this way, the clamping frames can be used in a more versatile manner by enabling engagement with a guide unit, in principle, with one of the engagement grooves or with both engagement grooves on the two opposite curved outer walls or coupling walls.
Die Form der ersten und zweiten, gekrümmten Außenwandungen sind darüber hinaus vorteilhaft für den Hebeleffekt, der durch das Anlegen der elektrischen Spannung an die piezoelektrischen Klemmstapel und die dadurch bedingte Größenänderungen der piezoelektrischen Klemmstapel und Verformungen der Klemmrahmen hervorgerufen wird. Der erste Bereich der Klemmrahmen erfährt durch die gekrümmten Außenwandungen bzw. ovale Form der Klemmrahmen eine Verlagerung, wobei die Distanz zwischen den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen des Klemmrahmens in Richtung der Bewegungsachse vergrößert werden kann. Der zweite Bereich der Klemmrahmen erfährt ebenfalls eine Verlagerung, indem die Distanz zwischen den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen des Klemmrahmens quer Bewegungsachse verkleinert werden kann. So kann die maximal mögliche Kraft mittels des zweiten Bereichs des Klemmrahmens auf die Führungseinheit des Zielobjekts ausgeübt werden, was zu einer verbesserten Hubantwort führt.The shape of the first and second, curved outer walls are also advantageous for the leverage effect that is caused by the application of the electrical voltage to the piezoelectric clamping stacks and the resulting size changes in the piezoelectric clamping stacks and deformations of the clamping frames. The first area of the clamping frame experiences a displacement due to the curved outer walls or oval shape of the clamping frame, with the distance between the two opposite side surfaces of the clamping frame being able to be increased in the direction of the movement axis. The second area of the clamping frame is also shifted, in that the distance between the two opposite side surfaces of the clamping frame can be reduced transversely to the axis of movement. In this way, the maximum possible force can be exerted on the guide unit of the target object by means of the second area of the clamping frame, which leads to an improved stroke response.
Vorzugsweise umfasst die Vorschubzelle einen Vorschubrahmen, wobei der piezoelektrische Vorschubstapel zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig innerhalb des Vorschubrahmens derart angeordnet ist, so dass der piezoelektrische Vorschubstapel zumindest teilweise mit dem Vorschubrahmen und/oder mit den beiden Klemmrahmen in Kontakt ist.The feed cell preferably includes a feed frame, the piezoelectric feed stack being arranged at least in regions, preferably completely, within the feed frame such that the piezoelectric feed stack is at least partially in contact with the feed frame and/or with the two clamping frames.
Die Vorschubzelle kann einen Vorschubrahmen umfassen, welcher mit den beiden Klemmrahmen verbunden oder verbindbar sein kann. Der piezoelektrische Vorschubstapel kann innerhalb des Vorschubrahmens angeordnet sein. Dadurch, dass auch der piezoelektrische Vorschubstapel in einem Vorschubrahmen angeordnet ist, welcher mit den Klemmrahmen verbunden oder verbindbar ist, kann die maximal mögliche Piezokraft in Bewegungsrichtung übertragen werden, ohne dass es einer Anwendung von weiteren Strukturen mit Scharnieren bedarf. Somit werden Kraftverluste durch das Auftreten mechanischer Reibung vermieden. Gleichzeitig wird eine Miniaturisierung ermöglicht, so dass keine zusätzliche Trägheitsmassen oder externe mechanische Klemmfedern erforderlich sind. Der piezoelektrische Inchworm Linearmotor ist somit zuverlässiger, indem zerbrechliche Elemente, wie Scharniere oder Drehpunkte durch die Klemmrahmen von der Konstruktion ausgeschlossen sind.The feed cell can comprise a feed frame which can be connected or can be connected to the two clamping frames. The piezoelectric feed stack may be located within the feed frame. Because the piezoelectric feed stack is also arranged in a feed frame, which is connected or can be connected to the clamping frame, the maximum possible piezo force can be transmitted in the direction of movement without the need for additional structures with hinges. In this way, power losses due to the occurrence of mechanical friction are avoided. At the same time, miniaturization is made possible, so that no additional inertial masses or external mechanical clamping springs are required. The piezoelectric inchworm linear motor is thus more reliable because fragile elements such as hinges or pivot points are excluded from the construction by the clamping frames.
Vorzugsweise weist der Vorschubrahmen eine ovalförmige Querschnittsfläche auf.The feed frame preferably has an oval-shaped cross-sectional area.
Der Vorschubrahmen kann sämtliche Ausgestaltungsmerkmale der zuvor beschriebenen Klemmrahmen aufweisen mit Ausnahme der Eingriffseinheit. Somit kann sich der Vorschubrahmen entlang einer Vorschubrahmenlängsachse erstrecken, wobei der Vorschubrahmen einen ovalförmigen Querschnittsfläche in einer Ebene durch die Vorschubrahmenlängsachse aufweist. Der Vorschubrahmen kann einen Innenraum aufweisen, welcher teilweise umschlossen ist. So kann der Vorschubrahmen eine erste offene Seite und eine zweite offene Seite aufweisen, welche gegenüberliegend zur Ebene der Vorschubrahmenlängsachse angeordnet sein können. Durch die beiden offenen Seiten kann der piezoelektrische Vorschubstapel besonders einfach in den Vorschubrahmen eingeführt und entnommen werden. Zudem wird durch die offenen Seiten ein Zugang zum Anlegen der elektrischen Spannung ermöglicht. Des Weiteren kann der Vorschubrahmen eine erste, im Wesentlichen ebene Außenwandung und eine zweite, im Wesentlichen ebene Außenwandung aufweisen. Die ersten und zweiten Außenwandungen können gegenüberliegend in einer Richtung quer zur Vorschubrahmenlängsachse angeordnet sein.The feed frame can have all the design features of the clamping frame described above, with the exception of the engagement unit. The feed frame can thus extend along a feed frame longitudinal axis, the feed frame having an oval-shaped cross-sectional area in a plane through the feed frame longitudinal axis. The feed frame may have an interior space that is partially enclosed. Thus, the feed frame can have a first open side and a second open side, which can be arranged opposite to the plane of the longitudinal axis of the feed frame. Due to the two open sides, the piezoelectric feed stack can be inserted into and removed from the feed frame particularly easily. In addition, the open sides allow access to apply the electrical voltage. Furthermore, the feed frame can have a first, essentially flat outer wall and a second, essentially flat outer wall. The first and second outer walls can be arranged opposite one another in a direction transverse to the longitudinal axis of the feed frame.
Der Vorschubrahmen kann, wie die Klemmrahmen, eine erste, gekrümmte Außenwandung und eine zweite, gekrümmte Außenwandung aufweisen, welche gegenüberliegend in Richtung der Vorschubrahmenlängsachse angeordnet sind. Anstelle von Eingriffsnuten können beide gekrümmten Außenwandungen des Vorschubrahmens jeweils einen Vorsprung aufweisen, wobei sich die Vorsprünge vorzugsweise in der Ebene der Vorschubrahmenlängsachse erstrecken und sich von den gekrümmten Außenwandungen in entgegengesetzte Richtungen wegerstrecken. Die beiden Vorsprünge können als Verbindungselemente zum Verbinden des Vorschubrahmens mit den beiden Klemmrahmenrahmen dienen. So kann der Vorsprung bzw. das Verbindungselement der ersten, gekrümmten Außenwandung mit einer der beiden, im Wesentlichen ebenen Außenwände des ersten Klemmrahmenrahmens verbunden oder verbindbar sein. Der Vorsprung bzw. das Verbindungselement der zweiten, gekrümmten Außenwandung kann mit einer der beiden, im Wesentlichen ebenen Außenwände des zweiten Klemmrahmenrahmens auf vorteilhafte Weise verbunden oder verbindbar sein. Dies ermöglicht einen PIL mit einer kompakten bzw. miniaturisierten Bauweise.Like the clamping frames, the feed frame can have a first, curved outer wall and a second, curved outer wall, which are arranged opposite one another in the direction of the longitudinal axis of the feed frame. Instead of engagement grooves, both curved outer walls of the feed frame can each have a projection, the projections preferably extending in the plane of the longitudinal axis of the feed frame and extending away from the curved outer walls in opposite directions. The two projections can serve as connecting elements for connecting the feed frame to the two clamping frame frames. Thus, the projection or the connecting element of the first curved outer wall can be connected or can be connected to one of the two essentially flat outer walls of the first clamping frame. The projection or the connecting element of the second, curved outer wall can advantageously be connected or can be connected to one of the two essentially flat outer walls of the second clamping frame. This enables a PIL with a compact or miniaturized design.
Wird nun eine Spannung an den piezoelektrischen Vorschubstapel im Inneren des Vorschubrahmens angelegt, so erfährt der piezoelektrische Vorschubstapel eine Formveränderung. Dadurch, dass der Vorschubstapel wenigstens teilweise in Kontakt mit dem Vorschubrahmen ist, wird durch die Kraftübertragung der Vorschubrahmen verformt. Insbesondere erfahren der erste Bereich und der zweite Bereich eine Formveränderung. Dabei umfasst der erste Bereich wenigstens teilweise eine der beiden entgegengesetzten Seitenflächen des Klemmrahmens quer zur Richtung der Längsachse des PIL gesehen, auf die eine Kraft durch die Ausdehnung des Klemmstapels ausgeübt wird. Dadurch, dass der Vorschubstapel durch das Anlegen einer elektrischen Spannung sich in Richtung quer zu der Bewegungsachse ausdehnt bzw. seine Länge verändert, drückt der Vorschubstapel gegen den Vorschubrahmen, so dass sich der Vorschubrahmen im ersten Bereich quer zur Bewegungsrichtung des PIL bewegt und verformt, wobei der erste Bereich eine Verlängerung erfahren kann. Dieser verformte erste Bereich hat die Wirkung eines langen Hebels.If a voltage is now applied to the piezoelectric feed stack inside the feed frame, the piezoelectric feed stack undergoes a change in shape. Because the feed stack is at least partially in contact with the feed frame, the feed frame is deformed by the force transmission. In particular, the first area and the second area experience a change in shape. The first area at least partially comprises one of the two opposite side faces of the clamping frame, viewed transversely to the direction of the longitudinal axis of the PIL, on which a force is exerted by the expansion of the clamping stack. Because the feed stack expands or changes its length in the direction transverse to the movement axis when an electrical voltage is applied, the feed stack presses against the feed frame, so that the feed frame in the first area moves transverse to the direction of movement of the PIL and deforms, wherein the first area can experience an extension. This deformed first area has the effect of a long lever.
Der zweite Bereich umfasst wenigstens teilweise eine von zwei entgegengesetzten Seitenflächen des Vorschubrahmens in Richtung der Längsachse des PIL. Der zweite Bereich kann einem Bereich des Vorschubrahmens entsprechen, welcher nicht unmittelbar mit dem Vorschubstapel in Kontakt ist und nicht mit dem Vorschubstapel verbunden ist. Dadurch, dass der Vorschubstapel durch das Anlegen einer elektrischen Spannung sich in Richtung quer zu der Bewegungsachse ausdehnt bzw. seine Länge verändert, drückt der Vorschubstapel gegen den Vorschubrahmen, so dass sich der erste Bereich des Vorschubrahmens quer zur Bewegungsrichtung des PIL bewegt und verformt. Gleichzeitig bewegt sich der zweite Bereich in Richtung der Bewegungsachse bzw. Längsachse des PIL hin und wird verformt. Dieser verformte zweite Bereich hat die Wirkung eines kurzen Hebels, so dass eine große Kraft in Bewegungsrichtung ausgeübt werden kann.The second area at least partially comprises one of two opposite side surfaces of the feed frame in the direction of the longitudinal axis of the PIL. The second area can correspond to an area of the feed frame that is not directly in contact with the feed stack and is not connected to the feed stack. Because the feed stack expands or changes its length in the direction transverse to the movement axis when an electrical voltage is applied, the feed stack presses against the feed frame, so that the first area of the feed frame moves and deforms transverse to the direction of movement of the PIL. At the same time, the second area moves in the direction of the movement axis or longitudinal axis of the PIL and is deformed. This deformed second area has the effect of a short lever, so that a large force can be exerted in the direction of movement.
Vorzugsweise entspricht das Volumen bzw. das Ausmaß des piezoelektrischen Vorschubstapels dem Volumen bzw. dem Ausmaß der beiden piezoelektrischen Klemmstapel. Der Vorschubstapel ist bevorzugt um einen Winkel von 90 Grad versetzt zu den beiden Klemmstapel in dem PIL angeordnet. Der ovalförmige Vorschubrahmen wird nach dem Prinzip des mechanischen Kraftvorteils eingesetzt. Bei der Verwendung des ovalförmigen Vorschubrahmens wird durch das Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Vorschubstapel im Inneren des Vorschubrahmens eine Hubauflösung im Nanometerbereich (Nano-Hub-Auflösung) erzielt. Der ovalförmige Vorschubrahmen und die ovalförmigen Klemmrahmen können das gleiche Verformungsverhalten aufweisen. Es ist eine Hubauflösung zwischen etwa 600 und 800 Nanometer, besonders bevorzugt von etwa 800 Nanometer möglich. Eine Hubauflösung von 600 Nanometer ist bevorzugt bei einer mechanischen Belastung von 50 N möglich. Eine Hubauflösung von 800 Nanometer ist bevorzugt bei einer mechanischen Belastung von 0 N möglich.The volume or extent of the piezoelectric feed stack preferably corresponds to the volume or extent of the two piezoelectric clamping stacks. The feed stack is preferably offset by an angle of 90 degrees to the two clamp stacks in the PIL. The oval-shaped feed frame is used according to the principle of mechanical advantage. When using the oval-shaped feed frame, a stroke resolution in the nanometer range (nano-stroke resolution) is achieved by applying a voltage to the piezoelectric feed stack inside the feed frame. The oval-shaped feed frame and the oval-shaped clamping frame can have the same deformation behavior. A stroke resolution of between approximately 600 and 800 nanometers, particularly preferably approximately 800 nanometers, is possible. A stroke resolution of 600 nanometers is preferably possible with a mechanical load of 50 N. A stroke resolution of 800 nanometers is preferably possible with a mechanical load of 0 N.
Dabei ermöglichen die ovalförmigen Klemmrahmen an den beiden gegenüberliegenden Enden des PIL eine Klemmfunktion mit dem Zielobjekt. Der ovalförmige Vorschubrahmen in der Mitte zwischen den beiden ovalförmigen Klemmrahmen ermöglicht eine Ausdehnungsfunktion bzw. Vorschubfunktion. Die piezoelektrischen Stapel können in die entsprechenden Rahmen derart eingesetzt und konfiguriert werden, dass sie im Längsmodus bzw. in Längsrichtung bzw. in Richtung der Bewegungsachse angeordnet sind und somit eine maximale elektromechanische Kopplungsreaktion ermöglichen.The oval-shaped clamping frames at the two opposite ends of the PIL enable a clamping function with the target object. The oval-shaped feed frame in the middle between the two oval-shaped clamping frames enables an expansion function or feed function. The piezoelectric stacks can be inserted into the respective frames and configured to be arranged in the longitudinal mode or in the longitudinal direction or in the direction of the movement axis, thus enabling a maximum electromechanical coupling response.
Vorzugsweise weist der Vorschubrahmen eine gefaltete Struktur auf.Preferably, the feed frame has a folded structure.
Die beiden gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen des Vorschubrahmens können eine gefaltete Struktur aufweisen. Die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen können durch einen Stab bzw. einen Balken gebildet werden, welcher gezielt deformiert ist, so dass er in einer Ebene hin und her gebogen ist. Vorzugsweise weisen die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen in der Ebene der Außenwandung eine rechteckig gefaltete Struktur auf. So kann der Stab zwischen einer ersten Außenwandungsseite und einer zweiten Außenwandungsseite hin und her gefaltet sein, wobei eine Faltung eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsfläche aufweist. In Richtung der Vorschubrahmenlängsachse können die gegenüberliegenden, ebenen Außenwände wenigstens eine Faltung aufweisen, welche mit den beiden Klemmenrahmen verbindbar oder verbunden ist. Die Anzahl der Faltungen ist von der Länge des verwendeten piezoelektrischen Piezostapels abhängig. Vorzugsweise weisen die beiden gegenüberliegenden, ebenen Außenwände mehr als eine Faltung, vorzugsweise zwischen 2 und 20 Faltungen, besonders bevorzugt zwischen 10 und 15 Faltungen, weiter bevorzugt vierzehn Faltungen auf. Eine der Faltungen der gegenüberliegenden Außenwandungen kann mit dem ersten Klemmrahmen verbunden oder verbindbar sein. Eine andere der Faltungen der gegenüberliegenden Außenwandungen kann mit dem zweiten Klemmrahmen verbunden oder verbindbar sein. Es sind aber auch weniger als vierzehn Faltungen denkbar. Vorzugsweise erstrecken sich die beiden gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen in Ebenen, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Weiter vorzugsweise erstrecken sich die beiden Außenwandungen in parallelen Ebenen im gesamten Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmrahmen.The two opposite, flat outer walls of the feed frame can have a folded structure. The opposite, planar outer walls can be formed by a rod or a beam, which is specifically deformed so that it is bent back and forth in one plane. The opposite, flat outer walls preferably have a rectangularly folded structure in the plane of the outer wall. Thus, the rod can be folded back and forth between a first outer wall side and a second outer wall side, one fold having a substantially rectangular cross-sectional area. In the direction of the longitudinal axis of the feed frame, the opposite, flat outer walls can have at least one fold, which can be connected or is connected to the two clamping frames. The number of folds depends on the length of the piezoelectric piezo stack used. The two opposite, planar outer walls preferably have more than one fold, preferably between 2 and 20 folds, particularly preferably between 10 and 15 folds, more preferably fourteen folds. One of the folds of the opposite outer walls can be connected or connectable to the first clamping frame. Another of the folds of the opposite outer walls can be connected or connectable to the second clamping frame. However, fewer than fourteen folds are also conceivable. The two opposite, planar outer walls preferably extend in planes which are aligned parallel to one another. More preferably, the two outer walls extend in parallel planes in the entire area between the first and the second clamping frame.
Die gefaltete Struktur der beiden gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen des Vorschubrahmens ermöglichen einen sanften bzw. weichen Mechanismus des Vorschubs. Je nach Anzahl der Faltungen können unterschiedlich große Hubantworten erzielt werden. So ermöglicht eine Ausgestaltungsform des Vorschubrahmens, bei dem die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen eine Faltung aufweisen, durch das Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Vorschubstapel im Inneren des Vorschubrahmens eine Hubauflösung im Nanometerbereich (Nano-Hub-Auflösung). Eine Ausgestaltungsform des Vorschubrahmens, bei dem die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen vierzehn Faltungen aufweisen, kann eine Hubauflösung im Mikrometerbereich (Mikro-Hub-Auflösung). Es ist eine Hubauflösung zwischen etwa 1 und 8 Mikrometer, besonders bevorzugt von etwa 1.7 Mikrometer möglich. Eine Hubauflösung von 1.7 Mikrometer ist bevorzugt bei einer mechanischen Belastung von 50 N möglich. Eine Hubauflösung von 8 Mikrometer ist bevorzugt bei einer mechanischen Belastung von 0 N möglich. Eine Ausgestaltungsform des Vorschubrahmens, bei dem die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen zwei Faltungen aufweisen, kann eine Hubauflösung im Mikrometerbereich (Mikro-Hub-Auflösung). Es ist eine Hubauflösung zwischen etwa 1 und 2 Mikrometer, besonders bevorzugt von etwa 1.7 Mikrometer möglich. Eine Hubauflösung von 1.7 Mikrometer ist bevorzugt bei einer mechanischen Belastung von 50 N möglich. Eine Hubauflösung von 2 Mikrometer ist bevorzugt bei einer mechanischen Belastung von 0 N möglich. Der Kraftwert bzw. die maximal mögliche Kraftauswirkung der piezoelektrischen Stapel sind von dem Material der piezoelektrischen Stapel abhängig, sowie von deren Größe.The folded structure of the two opposite, flat outer walls of the feed frame enable a gentle or soft mechanism of the feed. Depending on the number of folds, lift responses of different sizes can be achieved. An embodiment of the feed frame, in which the opposite, planar outer walls have a fold, enables a stroke resolution in the nanometer range (nano-stroke resolution) by applying a voltage to the piezoelectric feed stack inside the feed frame. An embodiment of the feed frame, in which the opposite, flat outer walls have fourteen folds, can have a stroke resolution in the micrometer range (micro-stroke resolution). A stroke resolution of between about 1 and 8 micrometers, particularly preferably about 1.7 micrometers, is possible. A stroke resolution of 1.7 microns is preferably possible with a mechanical load of 50 N. A stroke resolution of 8 micrometers is preferably possible with a mechanical load of 0 N. An embodiment of the feed frame, in which the opposite, flat outer walls have two folds, can have a stroke resolution in the micrometer range (micro-stroke resolution). A stroke resolution of between about 1 and 2 micrometers, particularly preferably about 1.7 micrometers, is possible. A stroke resolution of 1.7 microns is preferably possible with a mechanical load of 50 N. A stroke resolution of 2 micrometers is preferably possible with a mechanical load of 0 N. The force value or the maximum possible force effect of the piezoelectric stack depends on the material of the piezoelectric stack and its size.
Dabei ermöglichen die ovalförmigen Klemmrahmen an den beiden gegenüberliegenden Enden des PIL eine Klemmfunktion mit der Führungseinheit des Zielobjekts. Der Vorschubrahmen mit der gefalteten Struktur in der Mitte zwischen den beiden ovalförmigen Klemmrahmen ermöglicht eine Ausdehnungsfunktion bzw. Vorschubfunktion. Die piezoelektrischen Stapel können in die entsprechenden Rahmen derart eingesetzt und konfiguriert werden, dass sie im Längsmodus bzw. in Längsrichtung bzw. in Richtung der Bewegungsachse angeordnet sind und somit eine maximale elektromechanische Kopplungsreaktion ermöglichen.The oval-shaped clamping frames on the two opposite ends of the PIL enable a clamping function with the guide unit of the target object. The feed frame with the folded structure in the middle between the two oval-shaped clamping frames enables an expansion function or feed function. The piezoelectric stacks can be inserted into the respective frames and configured to be arranged in the longitudinal mode or in the longitudinal direction or in the direction of the movement axis, thus enabling a maximum electromechanical coupling response.
Vorzugsweise ist das Volumen bzw. das Ausmaß des piezoelektrischen Vorschubstapels größer, als das Volumen bzw. das Ausmaß der beiden piezoelektrischen Klemmstapel. Der Vorschubstapel weist bevorzugt ein Volumen auf, dass dem Volumen des Vorschubrahmens entspricht. Der Vorschubstapel kann somit derart ausgestaltet sein, so dass er mit den beiden Klemmrahmen und mit den beiden gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen des Vorschubrahmens in Kontakt ist.The volume or extent of the piezoelectric feed stack is preferably greater than the volume or extent of the two piezoelectric clamping stacks. The feed stack preferably has a volume that corresponds to the volume of the feed frame. The feed stack can thus be designed in such a way that it is in contact with the two clamping frames and with the two opposite, flat outer walls of the feed frame.
Vorzugsweise erstreckt sich die Vorschubzelle im Wesentlichen in Richtung der Bewegungsachse des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors, wobei sich die beiden Klemmzellen im Wesentlichen in einer Richtung quer zur Bewegungsachse des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die piezoelektrischen Klemmstapel und der piezoelektrische Vorschubstapel parallel zueinander und/oder parallel zur Bewegungsachse. Vorzugsweise erstrecken sich die piezoelektrischen Klemmstapel parallel zueinander und/oder parallel zur Bewegungsachse und der piezoelektrische Vorschubstapel ist senkrecht zu den piezoelektrischen Klemmstapeln und/oder zu der Bewegungsachse ausgerichtet. Diese Ausgestaltungen ermöglichen auf vorteilhafte Weise eine lineare Bewegung des PIL entlang der Führungseinheit oder eine lineare Bewegung der Führungseinheit entlang des PIL in Richtung der Bewegungsachse durch das gezielte Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrischen Stapel und die dadurch bewirkte Größenänderung der Zellen bzw. der Rahmen. Ein PIL mit einer miniaturisierten und somit kompakten Bauweise wird ermöglicht.The feed cell preferably extends essentially in the direction of the axis of movement of the linear inchworm piezoelectric motor, with the two clamping cells extending essentially in a direction transverse to the axis of movement of the linear inchworm piezoelectric motor. The piezoelectric clamping stacks and the piezoelectric feed stack preferably extend parallel to one another and/or parallel to the movement axis. Preferably, the clamping piezoelectric stacks extend parallel to each other and/or parallel to the axis of movement, and the feed piezoelectric stack is oriented perpendicular to the clamping piezoelectric stacks and/or to the axis of movement. These configurations advantageously enable a linear movement of the PIL along the guide unit or a linear movement of the guide unit along the PIL in the direction of the axis of movement by the targeted application of an electrical voltage to the piezoelectric stack and the resulting change in size of the cells or frames. A PIL with a miniaturized and thus compact design is made possible.
Vorzugsweise sind die beiden Klemmrahmenzellen bzw. Klemmrahmenrahmen und die Vorschubzelle bzw. der Vorschubrahmen derart zueinander angeordnet, so dass die Vorschubrahmenlängsachse in Richtung der Bewegungsachse ausgerichtet ist, und so dass die beiden Klemmrahmenlängsachsen quer, vorzugsweise senkrecht zur Vorschubrahmenlängsachse ausgerichtet sind. Dies ermöglicht, dass durch das Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Vorschubstapel eine maximale Vorschubkraft in Bewegungsrichtung ausgeübt werden kann und durch das Anlegen der elektrischen Spannung an die piezoelektrischen Klemmstapel und die dadurch bedingte Größenänderungen der piezoelektrischen Klemmstapel und Verformungen der Klemmrahmen kann die maximal mögliche Kraft in den zweiten Bereichen der Klemmrahmen auf die Führungseinheit des Zielobjekts ausgeübt werden. Dies ermöglicht einen verbesserten PIL, welcher eine kompakte bzw. miniaturisierte Bauweise und eine verbesserte Hubantwort aufweist.Preferably, the two clamping frame cells or clamping frame frames and the feed cell or the feed frame are arranged relative to one another in such a way that the longitudinal axis of the feed frame is aligned in the direction of the axis of movement, and so that the two longitudinal axes of the clamping frame are aligned transversely, preferably perpendicularly, to the longitudinal axis of the feed frame. This enables a maximum feed force to be exerted in the direction of movement by applying a voltage to the piezoelectric feed stack and by applying the electrical voltage to the piezoelectric clamp stack and the resulting size changes in the piezoelectric clamp stack and deformation of the clamp frame, the maximum possible force in the second areas of the clamping frames are exerted on the guide unit of the target object. This enables an improved PIL that has a compact or miniaturized design and an improved stroke response.
Vorzugsweise bilden die beiden Klemmrahmen mit dem Vorschubrahmen eine monolithische Struktur.The two clamping frames preferably form a monolithic structure with the feed frame.
Die beiden Klemmrahmen und der Vorschubrahmen können einstückig miteinander ausgebildet sein und somit aus einem Stück bestehend und zusammenhängend gefertigt sein. Des Weiteren können die drei Rahmen aus demselben Material ausgebildet sein. Die monolithische Struktur ermöglicht eine kompakte bzw. miniaturisierte Bauweise. Ferner können eine Kraftverstärkung und eine verbesserte Hubantwort erzielt werden, wobei auf große Träger für piezoelektrische Stapel und Scharniere zum Verbinden dieser Träger verzichtet werden kann. Auch müssen keine verschachtelten Rahmen gefertigt werden. Das vereinfacht zum einen den Fertigungsprozess des PIL. Zum anderen wird die Zuverlässigkeit des PIL verbessert, indem mechanische Verluste durch innere Spannungen und sperrigen Größen der Bauelemente reduziert werden.The two clamping frames and the feed frame can be formed in one piece with one another and thus consist of one piece and can be manufactured in one piece. Furthermore, the three frames can be formed from the same material. The monolithic structure enables a compact or miniaturized design. Furthermore, force amplification and improved stroke response can be achieved while eliminating the need for large supports for piezoelectric stacks and hinges to connect these supports. Also, no nested frames need to be manufactured. On the one hand, this simplifies the manufacturing process of the PIL. On the other hand, the reliability of the PIL is improved by reducing mechanical losses due to internal stresses and bulky component sizes.
Vorzugsweise umfasst der piezoelektrische Inchworm Linearmotor Aluminium oder Edelstahl oder Titan oder ist aus Aluminium oder Edelstahl oder Titan ausgebildet.Preferably, the linear inchworm piezoelectric motor comprises or is formed of aluminum or stainless steel or titanium.
Der piezoelektrische Inchworm Linearmotor kann aus unterschiedlichen piezoelektrischen Materialien ausgebildet sein. Vorzugsweise sind sämtliche Komponenten des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus denselben piezoelektrischen Materialien ausgebildet. So können die piezoelektrischen Stapel und die Rahmen aus Titan oder aus Edelstahl oder aus Aluminium oder aus einem PZT5A-3195HD Material ausgebildet sein. Die piezoelektrischen Stapel und die Rahmen können aber auch Titan oder Edelstahl oder Aluminium oder PZT5A-3195HD umfassen. Beispielsweise können Ferroelektrika wie Bariumtitanat (BTO) und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet werden. Als piezoelektrische Kristalle sind auch Quarzkristall SiO2, Lithiumniobat oder Galliumorthophosphat, Berlinit, Minerale der Turmalingruppe, Seignettesalz denkbar.The piezoelectric inchworm linear motor can be made of different piezoelectric materials. All components of the piezoelectric inchworm linear motor are preferably made of the same piezoelectric materials. Thus, the piezoelectric stacks and the frames can be made of titanium, or of stainless steel, or of aluminum, or of a PZT5A-3195HD material. However, the piezoelectric stacks and frames may also include titanium, or stainless steel, or aluminum, or PZT5A-3195HD. For example, ferroelectrics such as barium titanate (BTO) and lead zirconate titanate (PZT) can be used. Quartz crystal SiO2, lithium niobate or gallium orthophosphate, berlinite, minerals from the tourmaline group, Seignette salt are also conceivable as piezoelectric crystals.
Auch sind piezoelektrische Keramiken denkbar, welche aus synthetischen, anorganischen, ferroelektrischen und polykristallinen Keramikwerkstoffen gefertigt sind. Als weitere piezoelektrische Materialien sind Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrat (AIN) denkbar. Auch Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF) lässt sich - ähnlich wie piezoelektrische Keramiken - polarisieren und kann dann als Material für die piezoelektrisches Stapel verwendet werden.Piezoelectric ceramics made from synthetic, inorganic, ferroelectric and polycrystalline ceramic materials are also conceivable. Zinc oxide (ZnO) or aluminum nitrate (AlN) are conceivable as further piezoelectric materials. Like piezoelectric ceramics, plastic polyvinylidene fluoride (PVDF) can also be polarized and can then be used as a material for the piezoelectric stack.
Die Materialien Aluminium, Edelstahl und Titan, oder PZT5A-3195HD, sind flexibel und somit elastisch verformbar, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Durch den piezoelektrischen Effekt verändern diese Materialien ihre Geometrie und sind als Materialien für den zuvor beschriebenen piezoelektrischen Inchworm Linearmotor besonders geeignet. Darüber hinaus sind diese Materialen für die Energieübertragung in dem PIL vorteilhaft.The materials aluminium, stainless steel and titanium, or PZT5A-3195HD, are flexible and thus elastically deformable when an electrical voltage is applied. Due to the piezoelectric effect, these materials change their geometry and are particularly suitable as materials for the previously described piezoelectric inchworm linear motor. In addition, these materials are beneficial for energy transfer in the PIL.
Die Energieübertragung erfolgt in verschiedenen Stufen von der elektrischen Eingangsform in den piezoelektrischen Stapel bis zur mechanischen Ausgangsform am zu betätigenden Zielobjekt. Die zugeführte elektrische Energie wird von den piezoelektrischen Stapeln in eine bestimmte Menge mechanischer Energie umgewandelt, die durch den elektromechanischen Kopplungsfaktor der piezoelektrischen Stapel bestimmt wird. Dieser Faktor hängt von der Betriebsart des piezoelektrischen Stapels, dem Normalmodus (Längs- und Querrichtung) oder dem Schermodus ab.The energy transfer occurs in different stages from the electrical input form in the piezoelectric stack to the mechanical output form at the target object to be actuated. The supplied electrical energy is converted by the piezoelectric stacks into a certain amount of mechanical energy, which is determined by the electromechanical coupling factor of the piezoelectric stacks. This factor depends on the mode of operation of the piezoelectric stack, normal mode (longitudinal and transverse) or shear mode.
Zum Beispiel hat das Material PZT5A-3195HD im Normalmodus (k33) einen elektromechanischen Kopplungsfaktor von 0,72, während er im Schermodus (k15) bei 0,61 liegt. Nur wenige Materialien haben einen Schermodus k15, der größer ist als der Normalmodus k33. In allen Fällen ist es möglich, das piezoelektrische Material in der Betriebsart mit dem höchsten elektromechanischen Kopplungsfaktor elektrisch zu konfigurieren. Dabei ist es effizienter, den Normalmodus anstelle des Schermodus anzuwenden. Daher ist es wichtig, ein piezoelektrisches Material zu wählen, das einen größeren elektromechanischen Kopplungsfaktor im Normalmodus als im Schermodus aufweist.For example, the PZT5A-3195HD material has an electromechanical coupling factor of 0.72 in normal mode (k33), while in shear mode (k15) it is 0.61. Few materials have a shear mode k15 larger than the normal k33 mode. In all cases it is possible to electrically configure the piezoelectric material in the mode with the highest electromechanical coupling factor. It is more efficient to use Normal mode instead of Shear mode. Therefore, it is important to choose a piezoelectric material that has a larger electromechanical coupling factor in the normal mode than in the shear mode.
Die durch den piezoelektrischen Stapel in mechanische Energie umgewandelte elektrische Energie kann aufgrund eines mechanischen Vorspannungsverlusts entweder durch einen Gehäusemechanismus oder durch mechanische Belastung, die für die mechanische Kontaktierung erforderlich ist, reduziert werden. Der Mechanismus kann auch eine Art mechanischer Verstärker sein. Der Verstärkungswert sollte jedoch mit dem Fall eines sehr weichen Mechanismus, der keine Kraftverstärkung bietet, deutlich vergleichbar sein.The electrical energy converted to mechanical energy by the piezoelectric stack can be reduced due to mechanical bias loss either by a housing mechanism or by mechanical stress required for mechanical contacting. The mechanism can also be some kind of mechanical amplifier. However, the boost value should be clearly comparable to the case of a very soft mechanism that offers no power boost.
Die letzte Stufe der Energieübertragung ist, wenn die resultierende Energie nach dem mechanischen Vorspannungsverlust auf das Zielobjekt übertragen wird. Diese resultierende Energie wird am Zielobjekt als Verschiebungs- und Kraftbetätigung beobachtet. Der Verschiebungskoeffizient der piezoelektrischen Stapel ist im Schermodus im Allgemeinen größer als im Normalmodus. Das Material PZT5A-3195HD hat beispielsweise einen Verschiebungskoeffizienten von 350 pm/V im longitudinalen Normalmodus (d33) und 360 pm/V im Schermodus (d15). Dies bedeutet, dass der Betrieb der piezoelektrischen Stapel im Schermodus zu einem höheren Verschiebungsverhalten führt als im Normalmodus. Je größer die Auslenkungsreaktion, desto geringer ist jedoch die damit verbundene Kraftreaktion. Wenn man weiß, dass der elektromechanische Kopplungsfaktor im Normalmodus im Allgemeinen größer ist als der im Schermodus, dann kann im Normalmodus mehr mechanische Energie umgewandelt werden, und dann kann mehr Energie für die Kraft- als für die Wegbetätigung verwendet werden. Diese Kraftbetätigung kann entweder direkt am Zielobjekt oder durch mechanische Reibung erfolgen. Letzteres führt jedoch zu weiteren Energieverlusten sowie zu einer weiteren geringen Effizienz der Reaktion.The final stage of energy transfer is when the resulting energy is transferred to the target after mechanical bias loss. This resultant energy is observed at the target as displacement and force actuation. The displacement coefficient of the piezoelectric stacks is generally larger in the shear mode than in the normal mode. For example, the material PZT5A-3195HD has a displacement coefficient of 350 pm/V in the longitudinal normal mode (d33) and 360 pm/V in the shear mode (d15). This means that operating the piezoelectric stacks in shear mode results in higher displacement behavior than in normal mode. However, the larger the deflection response, the smaller the associated force response. Knowing that the electromechanical In general, if the coupling factor in normal mode is greater than that in shear mode, then more mechanical energy can be dissipated in normal mode, and then more energy can be used for force actuation than displacement actuation. This force actuation can be done either directly on the target object or by mechanical friction. However, the latter leads to further energy losses as well as further low efficiency of the reaction.
Vorzugsweise weisen der erste piezoelektrische Klemmstapel und der zweite piezoelektrische Klemmstapel eine Höhe von etwa 1 mm bis 4 mm, vorzugsweise von etwa 2 mm, eine Breite von etwa 2 mm bis 5 mm, vorzugsweise von etwa 3 mm und eine Länge von etwa 2 mm bis 5 mm, vorzugsweise von etwa 3 mm auf, und/oder der Vorschubstapel weist eine Höhe von etwa 1 mm bis 4 mm, vorzugsweise von etwa 2 mm oder von etwa 7 mm bis 12 mm, vorzugsweise von etwa 9 mm, eine Breite von etwa 2 mm bis 5 mm, vorzugsweise von etwa 3 mm und eine Länge von etwa 2 mm bis 5 mm, vorzugsweise von etwa 3 mm auf.Preferably, the first piezoelectric clamp stack and the second piezoelectric clamp stack have a height of about 1 mm to 4 mm, preferably about 2 mm, a width of about 2 mm to 5 mm, preferably about 3 mm, and a length of about 2 mm to 5 mm, preferably about 3 mm, and/or the feed stack has a height of about 1 mm to 4 mm, preferably about 2 mm or about 7 mm to 12 mm, preferably about 9 mm, a width of about 2 mm to 5 mm, preferably about 3 mm and a length of about 2 mm to 5 mm, preferably about 3 mm.
Der PIL kann in der Ausführungsform, bei der die beiden Klemmrahmen und der Vorschubrahmen jeweils einen ovalförmigen Querschnitt aufweisen, ein Volumen von etwa 14 × 7 × 3 mm3 aufweisen. In der Ausführungsform, bei der die beiden ebenen, gegenüberliegenden Außenwandungen des Vorschubrahmens eine gefaltete Struktur mit einer Faltung, kann der PIL ein Volumen von etwa 8 × 7 × 3 mm3 aufweisen. In der Ausführungsform, bei der die beiden ebenen, gegenüberliegenden Außenwandungen des Vorschubrahmens eine gefaltete Struktur mit vierzehn Faltungen aufweist, kann der PIL ein Volumen von etwa 15 × 7 × 3 mm3 aufweisen.In the embodiment in which the two clamping frames and the feed frame each have an oval cross section, the PIL can have a volume of approximately 14×7×3 mm 3 . In the embodiment in which the two flat, opposite outer walls of the feed frame have a folded structure with a fold, the PIL can have a volume of approximately 8×7×3 mm 3 . In the embodiment in which the two flat, opposite outer walls of the feed frame have a folded structure with fourteen folds, the PIL can have a volume of approximately 15×7×3 mm 3 .
Die zuvor beschriebenen Ausmaße der piezoelektrischen Stapel und der entsprechenden Rahmen ermöglichen einen PIL mit einer kompakten und somit miniaturisierten Bauweise bei gleichzeitig hoher Kraftübertragung auf das Zielobjekt und verbesserter Hubantwort. Mit den zuvor beschriebenen Ausgestaltungsformen kann ein miniaturisierter piezoelektrischer Inchworm-Linearmotor (PIL) mit hohem Wirkungsgrad und großer Stellkraft realisiert werden, wenn folgende Merkmale berücksichtigt werden: Implementierung von piezoelektrischen Stapeln in Längsrichtung des PIL entlang der Bewegungsachse. So kann der PIL im Normalmodus mit einem maximalen elektromechanischen Kopplungsfaktor betrieben werden. Implementierung von Mechanismen mit sehr geringer mechanischer Vorspannung und mit mechanischen Vorteilen. Anwendung der Kraftbetätigung mittels direkter und reibungsfreier Konfiguration.The dimensions of the piezoelectric stacks and the corresponding frames described above enable a PIL with a compact and thus miniaturized design while at the same time high power transmission to the target object and improved stroke response. With the embodiments described above, a miniaturized piezoelectric inchworm linear motor (PIL) with high efficiency and large force can be realized if the following features are taken into account: Implementation of piezoelectric stacks in the longitudinal direction of the PIL along the movement axis. In this way, the PIL can be operated in normal mode with a maximum electromechanical coupling factor. Implementation of mechanisms with very low mechanical preload and with mechanical advantages. Applying power actuation using a direct and frictionless configuration.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnungen erläutert, wobei
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1A eine seitliche Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Inchworm Linearmotors (PIL) mit zwei ovalförmigen Klemmrahmen und einem ovalförmigen Vorschubrahmen zeigt, -
1B eine seitliche Ansicht des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus der1A zeigt, bei dem die piezoelektrischen Stapel jeweils in die Klemmrahmen und Vorschubrahmen eingefügt sind, -
2A eine seitliche Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Inchworm Linearmotors mit zwei ovalförmigen Klemmrahmen und einem Vorschubrahmen mit gefalteter Struktur zeigt, -
2B eine seitliche Ansicht des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus der2A zeigt, bei dem die piezoelektrischen Stapel jeweils in die Klemmrahmen und in den Vorschubrahmen eingefügt sind, -
3A eine seitliche Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Inchworm Linearmotors mit zwei ovalförmigen Klemmrahmen und einem Vorschubrahmen mit gefalteter Struktur zeigt, -
3B eine seitliche Ansicht des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus der3A zeigt, bei dem die piezoelektrischen Stapel jeweils in die Klemmrahmen und in den Vorschubrahmen eingefügt sind, -
4 eine seitliche Ansicht des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus der3A in Relation mit einem Zielobjekt zeigt, -
5A und5B die Formveränderung des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus der3B zeigen, wenn eine Spannung an den ersten piezoelektrischen Klemmstapel in dem ersten Klemmrahmen angelegt ist und keine mechanische Belastung vorliegt, -
6A und6B die Formveränderung des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus der3B zeigen, wenn jeweils eine Spannung an den ersten piezoelektrischen Klemmstapel in dem ersten Klemmrahmen und an den Vorschubstapel in dem Vorschubstapel angelegt ist und keine mechanische Belastung vorliegt, -
7A und7B die Formveränderung des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus der3B zeigt, wenn eine Spannung an den ersten piezoelektrischen Klemmstapel in dem ersten Klemmrahmen angelegt ist und eine mechanische Belastung mit einer Kraft von 50 N vorliegt, und -
8A und8B die Formveränderung des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors aus der3B zeigen, wenn jeweils eine Spannung an den ersten piezoelektrischen Klemmstapel in dem ersten Klemmrahmen und an den Vorschubstapel in dem Vorschubstapel angelegt ist und eine mechanische Belastung mit einer Kraft von 50 N vorliegt.
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1A shows a side view of a first embodiment of a piezoelectric inchworm linear motor (PIL) with two oval-shaped clamping frames and an oval-shaped feed frame, -
1B FIG. 14 is a side view of the linear inchworm piezoelectric motor of FIG1A shows, in which the piezoelectric stacks are respectively inserted into the clamp frames and feed frames, -
2A shows a side view of a second embodiment of a piezoelectric inchworm linear motor with two oval-shaped clamping frames and a feed frame with a folded structure, -
2 B FIG. 14 is a side view of the linear inchworm piezoelectric motor of FIG2A shows, in which the piezoelectric stacks are respectively inserted in the clamping frame and in the feed frame, -
3A shows a side view of a third embodiment of a piezoelectric inchworm linear motor with two oval-shaped clamping frames and a feed frame with a folded structure, -
3B FIG. 14 is a side view of the linear inchworm piezoelectric motor of FIG3A shows, in which the piezoelectric stacks are respectively inserted in the clamping frame and in the feed frame, -
4 FIG. 14 is a side view of the linear inchworm piezoelectric motor of FIG3A in relation to a target object shows -
5A and5B the shape change of the piezoelectric inchworm linear motor from the3B show when a voltage is applied to the first piezoelectric clamping stack in the first clamping frame and there is no mechanical load, -
6A and6B the shape change of the piezoelectric inchworm linear motor from the3B show when a voltage is applied to the first piezoelectric clamping stack in the first clamping frame and to the feed stack in the feed stack and there is no mechanical load, -
7A and7B the shape change of the piezoelectric inchworm linear motor from the3B shows when a voltage is applied to the first piezoelectric clamp stack in the first clamp frame and a there is a mechanical load with a force of 50 N, and -
8A and8B the shape change of the piezoelectric inchworm linear motor from the3B show when a voltage is respectively applied to the first piezoelectric clamping stack in the first clamping frame and to the feed stack in the feed stack and a mechanical load with a force of 50 N is present.
Die erste Klemmzelle 2 weist einen ersten Klemmrahmen 7 auf und erstreckt sich entlang einer ersten Klemmrahmenlängsachse 9. Der erste Klemmrahmen 7 weist eine ovalförmige Querschnittsfläche in Richtung der ersten Klemmrahmenlängsachse 9 auf. Die zweite Klemmzelle 3 weist einen zweiten Klemmrahmen 11 auf und erstreckt sich wie die erste Klemmzelle 2 entlang einer Klemmrahmenlängsachse 13. Der zweite Klemmrahmen 11 weist eine ovalförmige Querschnittsfläche in Richtung der Klemmrahmenlängsachse 13 auf. Die Vorschubzelle 5 umfasst einen Vorschubrahmen 15, welcher ebenfalls eine ovalförmige Querschnittsfläche in Richtung einer Vorschubrahmenlängsachse 17 aufweist.The
Die erste Klemmzelle 2 ist in Richtung einer Bewegungsachse 19 bzw. Längsachse 19 des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors 1 an einem ersten Ende 21 angeordnet, und die zweite Klemmzelle 3 ist in Richtung der Bewegungsachse 19 an einem zweiten Ende 23 des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors 1 angeordnet. Die Vorschubzelle 5 ist zwischen der ersten Klemmzelle 2 und der zweiten Klemmzelle 3 angeordnet. Mit anderen Worten sind die erste Klemmzelle 2 und die zweite Klemmzelle 3 an gegenüberliegenden Seiten der Vorschubzelle 5 angeordnet.The
Der erste Klemmrahmen 7 weist einen ersten Innenraum 25 mit einem ersten piezoelektrischen Klemmstapel 27 auf, wobei der erste piezoelektrische Klemmstapel 27 derart in dem ersten Innenraum 25 angeordnet ist bzw. anordbar ist, so dass der erste piezoelektrische Klemmstapel 27 zumindest teilweise mit dem ersten Klemmrahmen 7 in Kontakt ist. Der zweite Klemmrahmen 11 weist einen zweiten Innenraum 29 mit einem zweiten piezoelektrischen Klemmstapel 31 auf, wobei der zweite piezoelektrische Klemmstapel 31 derart in dem zweiten Innenraum 29 angeordnet ist bzw. anordbar ist, so dass der zweite piezoelektrische Klemmstapel 31 zumindest teilweise mit dem zweiten Klemmrahmen 11 in Kontakt ist.The
Die Vorschubzelle 5 weist einen dritten Innenraum 33 auf, in dem ein piezoelektrischer Vorschubstapel 35 derart angeordnet ist bzw. anordbar ist, so dass der piezoelektrische Vorschubstapel 35 zumindest teilweise mit dem Vorschubrahmen 15 in Kontakt ist.The
Die Innenräume 25, 29, 33 der drei Zellen 2, 3, 5 sind teilweise von den Rahmen 7, 11, 15 umschlossen ist. So weist jeder der drei Rahmen 7, 11, 15 eine erste offene Seite 37 und eine zweite offene Seite 39 auf, welche gegenüberliegend zur Ebene der Klemmrahmenlängsachsen 9, 13 bzw. der Vorschubrahmenlängsachse 17 angeordnet sind.The
Des Weiteren weisen die drei Rahmen 7, 11, 15 jeweils eine erste, im Wesentlichen ebene Außenwandung 41 und eine zweite, im Wesentlichen ebene Außenwandung 43 auf. Die ersten und zweiten Außenwandungen 41, 43 sind gegenüberliegend in einer Richtung quer zur jeweiligen Rahmenlängsachse 9, 13, 17 angeordnet. Eine erste der im Wesentlichen ebenen Außenwandungen 41, 43 des ersten Klemmrahmens 7 und des zweiten Klemmrahmens 11 kann zum Anliegen an ein Zielobjekt 45 bzw. Antriebsobjekt 45 (nicht in den
Der piezoelektrische Vorschubstapel 35 ist zumindest mittelbar mit den beiden Klemmzellen 2, 3 in Kontakt ist und verbindet bzw. koppelt die beiden Klemmzellen 2, 3 miteinander. In dem in den
Der erste Klemmrahmen 7 weist eine erste Kopplungswand 49 mit einer ersten Eingriffseinheit 51 auf und der zweite Klemmrahmen 11 weist eine zweite Kopplungswand 53 mit einer zweiten Eingriffseinheit 55 auf, wobei die Eingriffseinheiten 51, 55 zum Eingriff mit der Führungseinheit 47 (nicht in
Die beiden Eingriffseinheiten 51, 55 sind als Eingriffsnuten 51, 55 ausgebildet. Die Eingriffsnuten 51, 55 erstrecken sich über die Außenwandungen bzw. Kopplungswandungen 49, 53 in einer Ebene parallel zur Bewegungsachse 19. Die Eingriffsnuten 51, 55 weisen jeweils eine erste seitliche Anlagefläche 57 und eine gegenüberliegende zweite Anlagefläche 59 auf, welche sich jeweils parallel zur Bewegungsachse 19 erstrecken und eine innere Anlagefläche 58 begrenzen. Entsprechend sind die weiteren Eingriffseinheiten als Eingriffsnuten wie zuvor beschrieben ausgebildet.The two
Durch die Ausdehnungsänderung der piezoelektrischen Klemmstapel 27, 31 bzw. der Größenänderung der Klemmrahmen 7, 11 gelangen die Eingriffseinheiten bzw. Eingriffsnuten 51, 55 mit der Führungseinheit 47 (nicht in den
Anstelle von Eingriffsnuten kann der Vorschubrahmen 15 Vorsprünge 61 aufweisen, wobei sich die Vorsprünge 61 vorzugsweise in der Ebene der Vorschubrahmenlängsachse 17 erstrecken und sich von gekrümmten Außenwandungen des Vorschubrahmens 15 in entgegengesetzte Richtungen wegerstrecken. Die beiden Vorsprünge 61 dienen als Verbindungselemente zum Verbinden des Vorschubrahmens 15 mit den beiden Klemmrahmen 7, 11. Der Vorschubrahmen 15 weist somit eine symmetrische Struktur auf.Instead of engagement grooves, the
Die zuvor beschriebene Ausgestaltungsform des Vorschubrahmens 5, welcher eine ovalförmige Querschnittsfläche aufweist, ermöglicht durch das Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Vorschubstapel 35 eine Hubauflösung im Nanometerbereich (Nano-Hub-Auflösung).The embodiment of the
Die beiden gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen 41', 43' des Vorschubrahmens 5' weisen eine gefaltete Struktur 63 auf. Die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen 41', 43' sind jeweils durch einen deformierten bzw. gebogenen Stab 65 gebildet, wobei der deformierte bzw. gebogene Stab 65 in einer Ebene hin und her gebogen ist.The two opposite, flat outer walls 41', 43' of the feed frame 5' have a folded
Die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen 41', 43' weisen jeweils eine rechteckig gefaltete Struktur bzw. Faltung 67 auf. Der gebogene Stab 65 ist zwischen einer ersten Außenwandungsseite 69 und einer zweiten Außenwandungsseite 71 hin und her gefaltet, wobei die Faltung 67 eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsfläche aufweist. Die Faltung 67 ist mit den beiden Klemmenrahmen 7, 11 verbunden. Der innerhalb des Vorschubrahmens 5' angeordnete Vorschubstapel 35' ist unmittelbar mit den beiden Klemmrahmen 7, 11 in Kontakt.The opposite, flat outer walls 41', 43' each have a rectangularly folded structure or fold 67. The curved rod 65 is folded back and forth between a first
Die Ausgestaltungsform des Vorschubrahmens 5', bei dem die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen 41', 43' jeweils eine Faltung 67 aufweisen, ermöglicht durch das Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Vorschubstapel 35 im Inneren des Vorschubrahmens 5' eine Hubauflösung im Nanometerbereich (Nano-Hub-Auflösung).The embodiment of the feed frame 5', in which the opposite, flat outer walls 41', 43' each have a fold 67, enables a stroke resolution in the nanometer range (nano-stroke -Resolution).
Die beiden gegenüberliegenden, ebenen Außenwände 41", 43" weisen eine Vielzahl 69 an Faltungen auf. Die Vielzahl 69 an Faltungen umfasst vierzehn Faltungen. Die ebene Außenwand 41" umfasst sieben Faltungen, und die ebene Außenwand 43" umfasst sieben Faltungen. Insgesamt liegen also vierzehn Faltungen vor. Eine erste der Vielzahl 69 an Faltungen ist mit dem ersten Klemmrahmen 7 verbunden. Die zweite der Vielzahl 69 an Faltungen ist mit dem zweiten Klemmrahmen 11 verbunden.The two opposite, flat
Die Ausgestaltungsform des Vorschubrahmens 5", bei dem die gegenüberliegenden, ebenen Außenwandungen 41", 43" eine Vielzahl 69 von Faltungen, insbesondere vierzehn Faltungen, aufweisen, ermöglicht eine Hubauflösung im Mikrometerbereich (Mikro-Hub-Auflösung).The configuration of the
Bei sämtlichen zuvor beschriebenen Ausführungsformen des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors 1, 1', 1" erstreckt sich die Vorschubzelle 5, 5', 5" im Wesentlichen in Richtung der Bewegungsachse 19 des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors 1, 1', 1" und die beiden Klemmzellen 2, 3 erstrecken sich im Wesentlichen in einer Richtung quer und zwar in einen Winkel von 90 Grad zur Bewegungsachse 19 des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors 1, 1', 1". Die beiden Klemmrahmen 7, 11 bilden jeweils mit dem Vorschubrahmen 15, 15', 15" eine monolithische Struktur. Der piezoelektrische Inchworm Linearmotor 1, 1', 1" kann Aluminium oder Edelstahl oder Titan umfassen oder aus Aluminium oder Edelstahl oder Titan ausgebildet sein.In all of the previously described embodiments of the piezoelectric inchworm
Der erste piezoelektrische Klemmstapel 27 und der zweite piezoelektrische Klemmstapel 31 der drei Ausführungsformen des piezoelektrischen Inchworm Linearmotors 1, 1', 1" (siehe
In der in den
In der in den
In der in den
In der in den
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines piezoelektrischen Inchworm Linearmotors 1, 1', 1" ermöglichen einen großen Hub und eine große Kraftauslösung. Die Piezokraft in Richtung der Bewegungsachse 19 wird direkt verwendet, ohne dass es einer Anwendung von weiteren Strukturen mit Scharnieren bedarf. Somit werden Kraftverluste durch das Auftreten mechanischer Reibung vermieden. Gleichzeitig wird eine Miniaturisierung ermöglicht, so dass keine zusätzliche Trägheitsmassen oder externe mechanische Klemmfedern erforderlich sind. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Inchworm Linearmotor 1, 1', 1" weist eine hohe Zuverlässigkeit auf, indem zerbrechliche Elemente, wie Scharniere oder Drehpunkte durch das Verwenden von Klemmrahmen von der Konstruktion ausgeschlossen sind. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße piezoelektrische Inchworm Linearmotor 1, 1', 1" eine hohe elektromechanische Energieeffizienz auf und ist sowohl in der Konstruktion als auch in der Realisierung einfach.The previously described embodiments of a piezoelectric inchworm
Bezugszeichenlistereference list
- 1, 1', 1"1, 1', 1"
- piezoelektrischen Inchworm Linearmotorpiezoelectric inchworm linear motor
- 22
- erste Klemmzellefirst clamp cell
- 33
- zweite Klemmzellesecond clamp cell
- 5, 5', 5"5, 5', 5"
- Vorschubzellefeed cell
- 77
- erster Klemmrahmenfirst clamping frame
- 99
- erste Klemmrahmenlängsachsefirst longitudinal axis of the clamping frame
- 1111
- zweiter Klemmrahmensecond clamping frame
- 1313
- zweite Klemmrahmenlängsachsesecond clamping frame longitudinal axis
- 15, 15', 15"15, 15', 15"
- Vorschubrahmenfeed frame
- 1717
- Vorschubrahmenlängsachsefeed frame longitudinal axis
- 1919
- Bewegungsachsemotion axis
- 2121
- erstes Ende des piezoelektrischen Inchworm Linearmotorsfirst end of the piezoelectric inchworm linear motor
- 2323
- zweites Ende des piezoelektrischen Inchworm Linearmotorssecond end of the piezoelectric inchworm linear motor
- 2525
- erster Innenraumfirst interior
- 2727
- erster piezoelektrischer Klemmstapelfirst piezoelectric clamp stack
- 2929
- zweiter Innenraumsecond interior
- 3131
- zweiter piezoelektrischer Klemmstapelsecond piezoelectric clamp stack
- 3333
- dritter Innenraumthird interior
- 35, 35', 35"35, 35', 35"
- piezoelektrischer Vorschubstapelpiezoelectric feed stack
- 3737
- erste offene Seite der Rahmenfirst open side of the frame
- 3939
- zweite offene Seite der Rahmensecond open side of the frames
- 41, 41', 41"41, 41', 41"
- erste, ebene Außenwandungfirst, flat outer wall
- 4242
- freies Endefree end
- 43, 43', 43"43, 43', 43"
- zweite, ebene Außenwandungsecond, flat outer wall
- 4545
- Zielobjekt bzw. AntriebsobjektTarget object or drive object
- 4747
- FührungseinheitGuide unit
- 4949
- erste Kopplungswandfirst coupling wall
- 5151
- erste Eingriffseinheitfirst intervention unit
- 5353
- zweite Kopplungswandsecond coupling wall
- 5555
- zweite Eingriffseinheitsecond engagement unit
- 5757
- erste seitliche Anlageflächefirst lateral contact surface
- 5858
- innere Anlageflächeinner contact surface
- 5959
- zweite seitliche Anlageflächesecond lateral contact surface
- 6161
- Vorsprüngeprotrusions
- 6363
- gefaltete Strukturfolded structure
- 6565
- deformierter bzw. gebogener Stabdeformed or bent rod
- 6767
- rechteckig gefaltete Struktur bzw. Faltungrectangular folded structure or fold
- 6969
- Vielzahl an Faltungenvariety of folds
- 7171
- FührungseinheitlängsachseGuide unit longitudinal axis
- 7373
- erstes Endefirst end
- 7575
- zweites Endesecond end
- 7777
- Öffnungopening
- 7979
- Federelement bzw. SpannungselementSpring element or tension element
- 8181
- erster Bereichfirst area
- 8383
- zweiter Bereichsecond area
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