DE19538978C1 - Drive unit for producing pref. rotary drive motions, esp. with piezoelectric actuators - Google Patents

Drive unit for producing pref. rotary drive motions, esp. with piezoelectric actuators

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Abstract

The drive unit has three or more actuators in the form of variable length elements of a spatially acting positive linkage drive which transfer their length variations, which are generated according to a defined scheme or function, to a tumbling body able to move about a bearing (A0) in three axes. At least a second point (B) on the tumbling body forms a drive point or drive link for an element or group of elements which move the drive element by force or shape locking in a rotary, translational, oscillatory or reciprocal direction. At least one point of the body transfers its motion to a elastic, plastic or fluid medium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit zur Erzeugung vorzugsweise rotatorischer Abtriebsbewegungen, die als eigentliche Antriebselemente vorzugsweise piezoelektrische Aktoren aufweist. Diese Aktoren ändern unter dem Einfluß einer veränderlichen elektrischen Spannung ihre Länge und erzeugen somit in einem kinematischen System gelenkig miteinander verbundener Körper (Glieder) eine zwangläufige Bewegung derart, daß die Translation oder Rotation eines Gliedes genutzt werden kann bis hin zur fortlaufenden Bewegung.The invention relates to a drive unit for generating preferably rotary Output movements, the actual drive elements, preferably piezoelectric actuators having. These actuators change under the influence of a variable electrical voltage their length and thus produce more articulated in a kinematic system Body (limbs) a forced movement such that the translation or rotation of a Links can be used up to continuous movement.

Nach dem heutigen Stand der Technik werden Aktoren als piezoelektrische Biegewandler oder Translatoren einzeln, in Gruppen oder in Verbindung mit Wegveränderungssystemen für eine fortlaufende translatorische oder drehende Bewegung eines Abtriebsgliedes selbst in Längs- oder Biegeschwingungen versetzt, um einen eigenen ausgewählten Punkt auf einer geschlossenen Bahn zu bewegen, die geeignet ist, diese Bewegung durch Reibpaarung mit einem Abtriebsglied auf dieses zu übertragen (Ultraschallmotoren). Andere Ausführungen bewirken durch Klemmen und Lösen eine Mitnahme, also auch durch Reibschluß nach dem "Inch-worm-Motor-Prinzip". Durch ringförmige Anordnung von Aktoren und ihre periodische Ansteuerung kann eine Wanderwelle erzeugt werden, die, auf einen Rotor übertragen, eine Drehung bedingt.According to the current state of the art, actuators are known as piezoelectric bending transducers or Translators individually, in groups or in connection with path change systems for one continuous translatory or rotating movement of an output member even in longitudinal or Bending vibrations offset around a selected point on a closed path to move, which is suitable for this movement by friction pairing with an output member to transmit this (ultrasonic motors). Other designs cause by clamping and Solve a take-away, also by frictional engagement according to the "inch worm motor principle". By annular arrangement of actuators and their periodic activation can be a traveling wave are generated which, when transferred to a rotor, cause rotation.

Diese Ausführungen sind z. B. in folgenden Patenten und Literaturquellen dargestellt:
DE 33 09 239 A1, DE 32 13 348 A1, DE 43 30 032 A1, EP 02 97 574 A2, EP 04 49 048 B1, EP 01 69 297 B1;
ANGER, Piezokeramische Vibromotoren, Feingerätetechnik, Berlin 32 (1983) H. 10, S. 470-473;
BÖGELSACK u. a.; Gerätetechnische Antriebe, Carl Hanser Verlag München Wien 1991.These designs are e.g. B. presented in the following patents and literature sources:
DE 33 09 239 A1, DE 32 13 348 A1, DE 43 30 032 A1, EP 02 97 574 A2, EP 04 49 048 B1, EP 01 69 297 B1;
ANGER, Piezoceramic Vibromotors, Feingerätetechnik, Berlin 32 (1983) H. 10, pp. 470-473;
BÖGELSACK and others; Device technology drives, Carl Hanser Verlag Munich Vienna 1991.

Die bekannten Lösungen besitzen u. a. folgende Mängel:The known solutions have u. a. following defects:

  • - Eine Bewegungsübertragung durch Reibschluß weist Schlupf aufs der u. a. von der Materialpaarung und den wirkenden Kräften abhängig ist, und damit eine Ungenauigkeit in dem Übersetzungsverhältnis.- A transmission of motion by friction shows slip on the u. a. of the Material pairing and the acting forces is dependent, and thus an inaccuracy in the gear ratio.
  • - Die Kraft- und Momentenübertragung wird durch die wirkende Normalkraft (Mindestvorspannung erforderlich) an der Paarungsstelle und den Reibbeiwert bestimmt. Die Nichteinhaltung der vorausberechneten Werte beeinflußt das Nutzmoment und kann zum Anwendungsrisiko werden.- The force and torque transmission is due to the normal force acting (Minimum preload required) at the mating point and the coefficient of friction determined. The Failure to comply with the pre-calculated values affects the useful torque and can lead to Application risk.
  • - Durch Verschleiß an der Reibpaarungsstelle kann die Funktion bin zum Ausfall beeinflußt werden.- The function of failure can be influenced by wear at the friction pairing point will.
  • - Zur Sicherung der Funktion werden Piezomotoren mit Reibschluß an der Bewegungs­ übertragungsstelle mit hoher Frequenz betrieben, eine Drehzahlverstellung ist über die Frequenz kaum möglich.- To ensure the function, piezo motors with frictional engagement on the movement transmission point operated at high frequency, a speed adjustment is via the Frequency hardly possible.
  • - Die übertragbaren Momente dieser Motoren sind insbesondere bei Biegeschwingern sehr gering.- The transmissible moments of these motors are very high, especially with bending vibrators low.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit zur Erzeugung vorzugsweise rotatorischer Abtriebsbewegungen zu schaffen, die folgende Anforderungen mindestens teilweise erfüllt:The invention is therefore based on the object of generating a drive unit preferably rotary output movements to create the following requirements at least partially fulfilled:

  • - vorzugsweise Verwendung piezoelektrischer Aktoren als eigentliche Antriebselemente- Preferably use piezoelectric actuators as the actual drive elements
  • - Verzicht auf die Notwendigkeit zur Bewegungsübertragung durch Reibschluß- Eliminate the need to transmit motion through friction
  • - frequenz- bzw. drehzahlverstellbare translatorische oder rotatorische Abtriebsbewegung bei höherem Nutzmoment.- Frequency or speed adjustable translatory or rotary output movement higher useful torque.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Antriebseinheit gemäß dem Hauptanspruch gelöst.According to the invention, this object is achieved by a drive unit according to the main claim solved.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht folglich darin, daß die Lage eines um drei Achsen beweglichen Taumelkörpers mittels der gesteuerten Längenänderung von mindestens drei Aktoren, die selbst Glieder eines räumlich wirkenden Getriebes sind, geändert wird. Die daraus resultierende Bewegung eines Punktes des Taumelkörpers auf einer geschlossenen Bahn bewirkt eine Translation oder Rotation eines angekoppelten Abtriebsgliedes.The basic idea of the invention is therefore that the position of one around three axes movable wobble body by means of the controlled change in length of at least three Actuators, which are themselves members of a spatially acting gear, is changed. The one from it resulting movement of a point of the wobble body on a closed path causes a translation or rotation of a coupled output member.

Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebseinheit sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.Various advantageous embodiments of the drive unit according to the invention are in the related subclaims specified.

Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The solution according to the invention, including its mode of operation, is described below with reference to Exemplary embodiments explained in more detail. In the accompanying drawing:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung der Antriebsaktoren und ihr Wirken auf einen in dem gestellfesten Punkt kugelgelenkgelagerten Taumelkörper, von dem ein ausgewählter Punkt B die Bewegung auf einen verzahnten Körper als Abtriebsglied weitergibt, Fig. 1 is a schematic representation of the arrangement of the drive actuators and their action on a ball joint mounted in the frame-fixed point wobble body, of which a selected point B passes the motion to a toothed body as the driven member,

Fig. 2 und 3 die Weitergabe der Bewegung des Punktes B auf eine gelenkige Gliedergruppe zur Erzeugung einer rotatorischen Abtriebsbewegung, Fig. 2 and 3 passing on the movement of the point B in a hinge member group for generating a rotary output movement,

Fig. 4 die gleichmäßige Verwendung mehrerer Punkte des kugelgelenkgelagerten Körpers zur Bewegungsübertragung auf einen verzahnten Körper, um durch die Überdeckung der Bewegung eine Sperrfunktion zu integrieren, Fig. 4, the uniform use for the transmission of motion to a toothed body to pass through the coverage of the movement integrate multiple points of the ball joint mounted body, a locking function,

Fig. 5 die konstruktive Ausbildung eines Piezomotors mit einer Zahnradpaarung. Fig. 5 shows the design of a piezo motor with a gear pair.

Gemäß Fig. 1 sind drei Aktoren wesentlicher Bestandteil der Erfindung, wobei in anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsformen auch mehr als drei Aktoren zugelassen sein können. Als Aktoren kommen bevorzugt längsschwingende piezoelektrische Aktoren zum Einsatz. Prinzipiell können jedoch auch auf anderen Funktionsprinzipien aufbauende Aktoren verwendet werden, z. B. hydraulische Aktoren. Diejenigen Aktorenachsen, die in Richtung der Längenänderung der Aktoren liegen, sind zweckmäßigerweise zueinander geneigt.Referring to FIG. 1, three actuators integral part of the invention, in other not shown embodiments can also be admitted as three actuators more. Longitudinally vibrating piezoelectric actuators are preferably used as actuators. In principle, however, actuators based on other functional principles can also be used, e.g. B. hydraulic actuators. Those actuator axes that lie in the direction of the change in length of the actuators are advantageously inclined to one another.

Die Aktoren sind in den ausgewählten Punkten A1, A2, A3 eines Taumelkörpers sowie den vorbestimmten, vorzugsweise gestellfesten Punkten C01, C02, C03 eines anderen Körpers gelagert. Die Längenänderung der Aktoren kann nach einem vorgegebenen Schema oder einer vorgegebenen Funktion gesteuert werden. The actuators are in the selected points A1, A2, A3 of a wobble body as well as the predetermined, preferably frame-fixed points C01, C02, C03 of another body stored. The change in length of the actuators can be according to a predetermined scheme or predetermined function can be controlled.  

Infolge dieser Längenänderungen wird der in A0 gelagerte Taumelkörper in definierter Weise so in Bewegung versetzt, daß ein im Abstand BA0 vom Lager A0 entfernter Punkt B des Taumelkörpers eine geschlossene Bahn kB beschreibt, die weitergenutzt wird.As a result of these changes in length, the swash body stored in A0 becomes so in a defined manner set in motion that a point B at a distance BA0 from the bearing A0 of the Swash body describes a closed path kB, which is used further.

Das Lager A0 ist in Fig. 1 als Kugelgelenk dargestellt. Dies ist nicht zwingend, da im Sinne der erfindungsgemäßen Lösung auch allgemeinere Bewegungen des Taumelkörpers zulässig sind, sofern sie sich bezüglich des Lagers A0 in Dreh- und/oder Schubbewegungen um drei Achsen eines räumlichen karthesischen Koordinatensystems zerlegen lassen.The bearing A0 is shown in Fig. 1 as a ball joint. This is not mandatory, since in the sense of the solution according to the invention, more general movements of the wobble body are also permissible, provided that they can be broken down with respect to the bearing A0 into rotational and / or pushing movements about three axes of a spatial Cartesian coordinate system.

Für die Art der Weiternutzung der erfindungsgemäß erzeugten Bewegung des Punktes B bestehen vielfältige Möglichkeiten, von denen jedoch die meisten zum Fachwissen eines Antriebstechnikers zählen. Daher wird hier z. B. auf die zahlreichen Möglichkeiten, die Bewegungen des Taumelkörpers auf ein elastisches, plastisches oder fluides Medium zu übertragen, nicht weiter eingegangen.For the type of continued use of the movement of point B generated according to the invention diverse possibilities, most of which are related to the expertise of a drive technician counting. Therefore, z. B. on the numerous possibilities, the movements of the Transfer the swash body to an elastic, plastic or fluid medium, no further received.

Der Punkt B des Taumelkörpers kann insbesondere Antriebspunkt für ein Abtriebsglied mit Translations- oder Rotationsbewegung sein, indem er z. B. mit benachbarten Punkten einen Zahn bildet und und in eine Verzahnung des Abtriebsgliedes eingreift (Fig. 1, 4 und 5). Entsprechend der in Fig. 4 dargestellten Variante können auch mehrere Punkte des Taumelkörpers mit vorgegebenem Zeitversatz zur Bewegungsübertragung auf ein verzahntes Abtriebsglied verwendet werden. Auf diese Weise wird für beide Drehrichtungen des Abtriebsgliedes eine Sperrfunktion integriert. Auf die Darstellung von in anderen Ausführungsformen (z. B. gem. Fig. 1) gegebenenfalls erforderlichen Sperreinrichtungen wurde verzichtet.The point B of the wobble body can in particular be the drive point for an output member with a translational or rotational movement, by z. B. forms a tooth with adjacent points and engages in a toothing of the output member ( Fig. 1, 4 and 5). According to the variant shown in FIG. 4, several points of the wobble body with a predetermined time offset can also be used to transmit motion to a toothed output member. In this way, a locking function is integrated for both directions of rotation of the output member. The illustration of locking devices which may be required in other embodiments (for example according to FIG. 1) has been dispensed with.

Der Punkt B kann auch als Gelenkpunkt einer anderen nachgeschalteten Gliedergruppe seine Bewegung übertragen (Fig. 2 und 3).The point B can also transmit its movement as the hinge point of another downstream link group ( FIGS. 2 and 3).

Ein wesentlicher Vorteil der mit der Erfindung realisierten kraftschlüssigen Bewegungs­ übertragung besteht in der Möglichkeit, die Frequenz der Abtriebsbewegung in weiten Grenzen durch Änderung der Erregerfrequenz der Aktoren zu ändern.A major advantage of the non-positive movement realized with the invention Transmission consists in the possibility of changing the frequency of the output movement within wide limits by changing the excitation frequency of the actuators.

Diese vorteilhafte Eigenschaft steht bei einer reibschlüssigen Bewegungsübertragung, die sich mit der Erfindung zwar ebenfalls realisieren läßt, nicht zur Verfügung.This advantageous property stands for a frictional transmission of movement that deals with the invention can also be implemented, not available.

Durch Wahl der Lage der Punkte A als Anlenkpunkte der Aktoren am Taumelkörper und der Lage und Anzahl der Punkte B werden verschiedene Varianten der erfindungsgemäßen Lösung realisiert. So können die Punkte A1, A2, A3, A0 und B annähernd in einer Ebene liegen, woraus eine in Fig. 4 dargestellte flache, scheibenförmige Bauweise resultiert.By choosing the position of the points A as the articulation points of the actuators on the wobble body and the position and number of points B, different variants of the solution according to the invention are realized. The points A1, A2, A3, A0 and B can thus lie approximately in one plane, which results in a flat, disk-shaped construction shown in FIG. 4.

Andererseits sind auch schlanke Bauweisen gemäß Fig. 2 möglich, bei denen der Punkt B auf der Normalen zur Fläche A1, A2, A3 liegt.On the other hand, slim designs according to FIG. 2 are also possible, in which point B lies on the normal to surface A1, A2, A3.

Der Abstand der Punkte B von A0 und ihre Lage gegenüber den Punkten A und die Lage der Aktoren-Anlenkpunkte C0 bestimmen Größe und Form der Kurve des Punktes B und haben dadurch ebenfalls konstruktiven und funktionellen Einfluß. The distance of points B from A0 and their position relative to points A and the position of the Actuator articulation points C0 determine the size and shape of the curve of point B and have thereby also constructive and functional influence.  

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 5 zeigt die Konstruktion eines aktorgetriebenen Motors ohne den elektrischen/elektronischen Teil. In einem mit Deckeln 2 und 3 verschlossenen Gehäuse 1 ist auf einer Kugel 4 ein Taumelkörper 5 gelagert.The embodiment in Fig. 5 shows the construction of an actuator-driven motor without the electrical / electronic part. A swash body 5 is mounted on a ball 4 in a housing 1 closed with covers 2 and 3 .

Dieser Taumelkörper 5 wird durch drei Aktoren 6, die zwischen ihm und dem Gehäuse 1 durch eine Schraube 7 vorgespannt angebracht sind, entsprechend der Längsdehnung der Aktoren durch periodisch wechselnde Erregerspannungen bewegt.This wobble body 5 is moved by three actuators 6 , which are attached between it and the housing 1 by a screw 7 , according to the longitudinal expansion of the actuators by periodically changing excitation voltages.

Der Taumelkörper bewegt dabei ein fest mit ihm verbundenes außenverzahntes Rad 10. Dieses außenverzahnte Rad 10 steht im Eingriff mit einem innenverzahnten Rad 9, das auf der Welle 8 drehfest angeordnet ist, so daß die Welle eine Rotation ausführt.The wobble body moves an externally toothed wheel 10 that is firmly connected to it. This externally toothed wheel 10 is in engagement with an internally toothed wheel 9 which is arranged in a rotationally fixed manner on the shaft 8 , so that the shaft executes a rotation.

Claims (8)

1. Antriebseinheit zur Erzeugung vorzugsweise rotatorischer Abtriebsbewegungen, insbesondere mittels piezoelektrischer Aktoren, mit mindestens drei als längenveränderliche Glieder eines räumlich wirkenden zwangläufigen Gelenkgetriebes ausgebildeten Aktoren, die ihre nach einem vorgegebenem Schema oder einer vorgegebenen Funktion erzeugten Längenänderungen auf einen um ein Lager (A0) um drei Achsen beweglichen Taumelkörper als positionsbestimmend übertragen, wobei mindestens ein zweiter Punkt (B) dieses Taumelkörpers als Antriebspunkt oder Antriebsgelenk für ein Glied oder eine Gliedergruppe ausgebildet ist, die das Abtriebsglied kraft- oder formschlüssig in einer Richtung drehend oder translatorisch, schwingend bzw. hin- und hergehend bewegt, und/oder mindestens ein Punkt dieses Taumelkörpers seine Bewegungen einem elastischen, plastischen oder fluiden Medium überträgt.1. Drive unit for generating preferably rotational output movements, in particular by means of piezoelectric actuators, with at least three elements of variable length spatially acting inevitable articulated gear trained their after a predefined scheme or a predefined function changes in length generated a wobble body movable about a bearing (A0) about three axes as position-determining transferred, with at least a second point (B) of this wobble body as the drive point or drive joint is formed for a link or a group of links that the Output member non-positively or positively rotating or translational in one direction, oscillating or moving back and forth, and / or at least one point this Wobble its movements an elastic, plastic or fluid medium transmits. 2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein, vorzugsweise jedoch alle Aktoren längsschwingende piezoelektrische Baugruppen sind.2. Drive unit according to claim 1, characterized in that at least one, preferably however, all actuators are longitudinally vibrating piezoelectric assemblies. 3. Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Bewegungsachsen des Taumelkörpers in dessen Lager (A0) als Dreh- und/oder Schubachsen ausgebildet sind.3. Drive unit according to claim 1 or 2, characterized in that the three Movement axes of the wobble body in its bearing (A0) as rotating and / or pushing axes are trained. 4. Antriebseinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Taumelkörper sich im Lager (A0) um drei sich schneidende Drehachsen eines Kugelgelenks bewegt.4. Drive unit according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the wobble body in the bearing (A0) around three intersecting axes of rotation one Ball joint moves. 5. Antriebseinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Orte der Gelenke zwischen den Aktoren und dem Taumelkörper sowie dem Lager (A0) dieses Körpers annähernd eine Scheibe bilden.5. Drive unit according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the Locations of the joints between the actuators and the wobble body and the bearing (A0) this Body approximately form a disc. 6. Antriebseinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Lage der Aktoren die Eingrenzung der Bewegung des Taumelkörpers bestimmt wird.6. Drive unit according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that with the position of the actuators, the limitation of the movement of the wobble body is determined. 7. Antriebseinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Eingrenzung der die Längenveränderung der Aktoren erzeugenden Größe, z. B. der Erregerspannung bei piezoelektrischen Aktoren, die Bewegung des Taumelkörpers bestimmt wird.7. Drive unit according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that with the limitation of the size producing the length change of the actuators, e.g. B. the Excitation voltage in piezoelectric actuators that determines the movement of the wobble body becomes. 8. Antriebseinheit nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der als Antriebspunkt oder Antriebsgelenk für ein Glied oder eine Gliedergruppe ausgebildete zweite Punkt (B) des Taumelkörpers funktionell durch einen Punkt eines anderen Körpers ersetzt ist, der mit dem Taumelkörper verbunden ist.8. Drive unit according to at least one of the preceding claims, characterized characterized in that as a drive point or drive joint for a link or a Link group formed second point (B) of the wobble functionally by a point another body is replaced, which is connected to the wobble body.
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