DE19636827C1

DE19636827C1 - Piezoelektrischer Antrieb

Info

Publication number: DE19636827C1
Application number: DE1996136827
Authority: DE
Inventors: Frank Sittig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2016-09-12

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 38 33 342 A1) und ist insbesondere bei Linear- und Zirkularantrieben der Feinmechanik und Optik anwendbar, vorzugsweise für Positionierantriebe bei der Kameraherstellung und in der Medizintechnik, wo es um die Realisierung schneller, relativ kleiner Bewegungsabläufe geht.

Piezoelektrische Antriebe zeichnen sich durch ein hohes Drehmoment, kompakte Bauweise und kurze Anlauf- bzw. Bremszeiten aus. Außerdem blockieren sie im Stillstand die Bewegung, so daß sie besonders vorteilhaft zu Positionierzwecken verwendbar sind, siehe IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 36, No. 6, Nov. 1989, pp. 614-619, sowie DE 38 33 342 A1. Bei der Realisierung dieser Antriebe stellen sich jedoch Schwierigkeiten bezüglich der Materialpaarung von Antriebskörpern und Abtriebskörpern ein. Infolge der Schläge des Antriebskörpers auf den Abtriebskörper kommt es zu erheblichen Abrieben sowie zu funktionsbeeinflussenden unregelmäßigen Ab- und Ausarbeitungen an den Beruhrungsflächen von Antriebs- und Abtriebskörper, die insbesondere bei den in Feinmechanik und Optik erforderlichen kleinen Antrieben störend wirken und zur Blockierung bzw. zum Verlust der reproduzierbaren Wirkung der Antriebe führen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Antrieb so zu gestalten sowie Antriebskörpers und Abtriebskörper so zu paaren, daß durch die Einwirkung des Antriebskörpers auf den Abtriebskörper entlang der Berührungsflächen möglichst wenig Ab- und Ausarbeitung entsteht, der Restabrieb in geeigneter Weise wirkungslos gemacht bzw. beseitigt wird und die Funktionssicherheit des piezoelektrischen Antriebs über eine lange Zeit gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkinale des ersten Patentanspruchs gelöst. Bei Keramiken ist die Mikrostruktur des Materials heterogen; härtere Körner sind in eine weichere Füll- oder Verbundmasse eingebunden und ragen nach kurzer Gebrauchszeit des Antriebs unregelmäßig aus der Oberfläche heraus oder werden herausgeschlagen und hinterlassen Vertiefungen in unregelmäßiger Anordnung in der Oberfläche. Ähnliches gilt für bestimmte Metalle und andere nichtkristalline Materialien. Hingegen ist bei kristallinen Materialien die Struktur gleichmäßig, d. h. die Orientierung analoger Kristallachsen aller Kristalle oder Kristallbereiche eines Körpers ist im wesentlichen gleich; demzufolge treten trotz möglicher Kristallautbaufehler keine harten Körner auf und ist die Körperoberfläche verhältnismäßig glatt. Diese Struktur ist die eines an sich bekannten Einkristalls, der bspw. im Buch Brockhaus abc Physik, VEB F.A. Brockhaus Verlag, Leipzig 1972, Seite 334 beschrieben ist. Da der Antriebskörper gegenüber dem Abtriebskörper klein ist, ist er aus einem härteren Material hergestellt als der Abtriebskörper, so daß noch mögliche geringe Abarbeitungen im wesentlichen am Abtriebskörper erfolgen, sich dort auf eine größere Oberfläche verteilen und deshalb weniger ins Gewicht fallen. Auch der Abtriebskörper muß durch und durch, zumindest nicht nur in einer dünnen Oberflächenschicht gehärtet sein. Günstigerweise ist der Antriebskörper ein Einkristall in Form eines synthetischen Rubins oder Diamanten und der Abtriebskörper aus gehärtetem Stahl. Die Härtedifferenz zwischen Antriebs- und Abtriebskörper soll 30 bis 50% betragen. Vorteilhaft ist der Antriebskörper als Kappe ausgebildet, die an ihrer dem Abtriebskörper zugewandten Seite abgerundet und deren Größe gegenüber dem Aktuator gering ist. Diese geringe Größe der Kappe sorgt für einen raumsparenden, ungedämpften Antrieb, dessen Eigenfrequenz durch den Antriebskörper nicht negativ beeinflußt wird.

Ein hinsichtlich seiner Wirkungsweise und Herstellung günstiger Antrieb ergibt sich, wenn der Aktuator aus zwei gleichen, gegeneinander geneigten, piezoelektrischen Stäben besteht, die einerseits miteinander und andererseits mit einer Basis verbunden sind, die parallel bzw. tangential zur Wirkungsrichtung gerichtet ist, und daß der Antriebskörper an der Verbindungsstelle der beiden Stäbe, der Basis abgewandt, befestigt ist. Die beiden Stäbe bilden also mit der Basis ein gleichschenkliges oder gleichseitiges Dreieck, dessen Spitze abgeschnitten, als Tragstück ausgebildet oder mit einem Tragstück versehen ist und bei dem auf dieser Schnittfläche bzw. dem Tragstück der vorzugsweise kappenförmige Antriebskörper befestigt ist. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebs ergibt sich, wenn der Aktuator aus einem Zylinder aus piezoelektrischem Material, bspw. Keramik besteht, der innen und außen mit einer entsprechenden Anzahl von Schichtelektroden belegt ist und dem der Abtriebskörper, vorzugsweise eine Scheibe mit daran befestigter Drehachse angepaßt ist. Zumindest auf einer Stirnfläche des Zylinders sind vorzugsweise drei Antriebskörper vorgesehen, mit denen der als Stator wirkende Zylinder auf die zu einem Rotor gehörende Scheibe einwirkt.

Zur Beseitigung des Restabriebs, der Resterosion, zwischen den Wirkflächen von Antriebskörper und Abtriebskörper sind geeignete Mittel vorgesehen; bspw. können diese Mittel Abstreifer, Abführrinnen, Abführungsschrägflächen oder Saug- bzw. Blaseinrichtungen oder Kombinationen solcher Mittel sein. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, diese Mittel im Zusammenhang mit den bekannten piezoelektrischen Antrieben zu verwenden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen ersten erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antrieb,

Fig. 2 eine Ansicht eines dritten erfindungsgemäßen Antriebs und

Fig. 3 einen Schnitt entlang einer Linie A-A in Fig. 2.

In Fig. 1 sind an einer Basis 1 zwei aus piezoelektrischem Material bestehende Stäbe 2, 3 befestigt, die mit ihren der Basis 1 abgewandten Enden aneinanderstoßen und auf diese Weise ein gleichschenkliges Dreieck (Aktuator) 14 bilden. An der Spitze 4 des gleichschenkligen Dreiecks 14 ist ein Tragstück 5 für eine einen Antriebskörper darstellende abgerundete Kappe 6 vorgesehen, die in der Ruhelage, wenn der Antrieb nicht eingeschaltet ist, einem Abtriebskörper 7 unmittelbar benachbart liegt. Die Stäbe 2, 3 sind mit Schichtelektroden 8, 9 bzw. 10, 11 und zugehörigen elektrischen Anschlüssen 15, 16 versehen, an die Wechselspannungen +, - angelegt sind, so daß im dargestellten Beispiel der Antriebskörper 6 eine durch einen Kreis (oder eine Ellipse) 12 angedeutete Bewegung durchführt, die den Abtriebskörper 7 in der durch einen Pfeil 13 angedeuteten Richtung bewegt. Ein Abstreifer 34 sorgt für die Beseitigung von evtl. noch vorhandenen Erosionsrückständen auf der Berührungsfläche des Abtriebskörpers 7. Bei Umpolung der Elektroden 8, 9 bzw. 10, 11 wird der Abtriebskörper 7 in der Gegenrichtung bewegt. In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Antriebskörper 6 aus einem synthetischen Rubin mit einer Kappenhöhe von 0,3 mm, einem Kappendurchmesser von 1,2 mm; das gleichschenklige Dreieck 14 hat eine Höhe von 15 mm und eine Basislänge von 12 mm. An die elektrischen Anschlüsse 15, 16 ist eine Wechselspannung von 100 V gelegt. Der Durchmesser des Bewegungskreises 12 des Antriebskörpers 6 beträgt 5 µm und die Verschiebung des aus gehärtetem Stahl bestehenden Abtriebskörpers 7 je Schwingung 3 µm; je Sekunde führt der Aktuator 1, 2, 3 ca. 100 000 Schwingungen aus. Der Abrieb am Abtriebskörper 7 wurde gegenüber dem Stand der Technik auf etwa 5% gesenkt.

Die Fig. 2 und 3 beinhalten einen hohlzylindrischen Körper (Aktuator) 19 aus piezoelektrischer Keramik, der außen mit drei Schichtelektroden 20, 21, 22 versehen ist, die voneinander durch elektrisch isolierende Zwischenräume 23, 24, 25 getrennt sind, und innen eine im wesentlichen die gesamte Innenfläche einnehmende Elektrode 26 aufweist. An die Außenelektroden 20, 21, 22 werden drei hinsichtlich ihrer Phasenlagen um 120° versetzte Spannungen angelegt. An einer Stirnfläche 27 des Aktuators 19 sind drei um 120° gegeneinander versetzte Antriebskörper 28, 29, 30 vorgesehen, die aus Diamant bestehen, und infolge der an die Elektroden 20, 21, 22, 26 angelegten Spannungen Kreis- oder Ellipsenbewegungen, ähnlich der Bewegung 12 in Fig. 1, ausführen. In Ruhestellung tangieren die Antriebskörper 28, 29, 30 eine mit einer Achswelle 3 1 starr verbundene Scheibe 32. Bei angelegter Spannung vollführen sie ihre Kreisbewegungen und treiben die Scheibe 32 mit der Achswelle 31 zu Drehungen in Richtung eines Doppelpfeiles 33 an. Die Richtung der Drehungen ist abhängig von den angelegten Spannungen.

Die Erfindung ist weder an die Formen der in den Ausführungsbeispielen dargestellten Aktuatoren noch an die gezeigte Form des Antriebskörpers gebunden. Wichtig ist allerdings, daß auch durch die Gestaltung der Berührungsflächen von Antriebskörper und Abtriebskörper das Anliegen der Erfindung, möglichst keine Erosion, insbesondere an der Berührungsfläche des Abtriebskörpers zu gewährleisten, erreicht wird.

Ebenso wie den bekannten piezoelektrischen Antrieben können auch dem erfindungsgemäßen Antrieb Mittel zur Beseitigung von Erosionsrückständen zugeordnet sein.

Bezugszeichenliste

1

Basis

2, 3

Stäbe

4

Spitze

5

Tragstück

6

Antriebskörper (Kappe)

7

Abtriebskörper

8

,

9

,

10

,

11

,

20

,

21

,

22

,

26

Elektroden

12

Kreis

13

Pfeil

14

Dreieck (Aktuator)

15

,

16

Anschlüsse

19

Körper (Aktuator)

23

,

24

,

25

Zwischenräume

27

Stirnfläche

28

,

29

,

30

Antriebskörper

31

Achswelle

32

Scheibe

33

Doppelpfeil

34

Abstreifer

Claims

1. Piezoelektrischer Antrieb mit einem Aktuator (14), einem Abtriebskörper (7) und mindestens einem zwischen Aktuator (14) und Abtriebskörper (7) befindlichen Antriebskörper (6; 28, 29, 30), der mit dem Aktuator (14) fest verbunden ist und auf den Abtriebskörper (7) nach Maßgabe der Antriebsbewegung des Aktuators (14) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskörper (6) die Struktur eines Einkristalls aufweist und aus einem härteren Material besteht als der Abtriebskörper (7).

2. Piezoelektrischer Antrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskörper (6; 28, 29, 30) ein synthetischer Rubin ist.

3. Piezoelektrischer Antrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskörper (6; 28, 29, 30) ein synthetischer Diamant ist.

4. Piezoelektrischer Antrieb gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskörper (6; 28, 29, 30) als Kappe ausgebildet ist, die an ihrer dem Abtriebskörper (7; 32) zugewandten Seite abgerundet und deren Größe gegenüber dem Aktuator (14; 19) gering ist.

5. Piezoelektrischer Antrieb gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (14) aus zwei gegeneinander geneigten, gleichen piezoelektrischen Stäben besteht, die einerseits miteinander und andrerseits mit einer Basis (1) verbunden sind, die parallel zur Wirkungsrichtung (13) gerichtet ist und daß der Antriebskörper (7) an der Verbindungsstelle (4) der beiden Stäbe (2, 3), der Basis (1) abgewandt, befestigt ist.

6. Piezoelektrischer Antrieb gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (19) ein Zylinder aus elektrostriktivem Material ist, dem der Abtriebskörper (32) angepaßt ist.

7. Piezoelektrischer Antrieb gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Zylinder (19) stirnseitig mindestens drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Antriebskörper (28, 29, 30) fest verbunden sind.

8. Piezoelektrischer Antrieb gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtriebskörper (7; 19) aus einem homogen gehärteten Material besteht.

9. Piezoelektrischer Antrieb gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (34) zu Beseitigung eines Abriebs vorgesehen sind, der bei der Einwirkung des Antriebskörpers (6; 28, 29, 30) auf den Abtriebskörper (7; 32) von diesem entsteht.

10. Piezoelektrischer Antrieb gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Beseitigung des Abriebs aus mindestens einem Abstreifer (34) bestehen.