DE19648726C2 - Piezoelektrisches Antriebselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Antriebselement mit mindestens einem Schwinger aus piezoelektrischer Keramik oder aufgebrachten piezoelektrischen Erregern gemäß dem Ober­ begriff des angefügten Patentanspruchs 1.

Piezoelektrische Antriebselemente mit piezoelektrischen Elementen, an die eine hochfrequente Spannung angelegt wird, um eine Hin- und Her- oder Rotationsbewegung zu erzeugen, sowie zur Bereitstellung einer mechanischen Antriebskraft in Abhängigkeit von dieser Bewegung sind beispielsweise aus der DE 37 03 676 C2 bekannt. Die dort gezeigten piezoelektrischen Antriebselemente können mechanische Antriebskräfte erzeugen und finden Anwendung z. B. als Aktuator für Linearantriebe, zum Verkippen optischer Elemente oder als Antrieb für Relais und dergleichen.

Das grundlegende Wirkungsprinzip von Piezoelementen besteht darin, daß in dem Falle, wenn an piezoelektrisches Material eine Spannung angelegt wird, dieses Material eine Ausdehnung in Längs- oder eine Kontraktion in Querrichtung erfährt. Bekannt sind Piezoelemente z. B. für die Schallerzeugung oder, wie in der DE 37 03 676 C2 gezeigt, zur Bewegungsänderung bzw. Verschiebung. Die erreichbare Wegverschiebung beträgt etwa 0,1% der Baulänge der Piezoelemente.

Mit einem Element von Abmessungen in der Größenordnung von 10 mm ist ein Verschiebeweg von ca. 10 µm zu erreichen. Um größere Verschiebungswege piezoelektrisch zu erzielen, werden mehrere piezoelektrische Keramikscheiben als sogenannter Piezostapel elektrisch parallelgeschaltet. Mit derartigen Elementen lassen sich Verschiebewege in einer Größenordnung bis zu 100 µm erzeugen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, durch die Verwendung von Hebelübersetzungen mittels Piezo­ stellelementen Wege im Bereich bis zu 1 mm zu erzeugen. Da mit der Wegübersetzung gleichzeitig eine Kraftuntersetzung verbunden ist, sind größere Verschiebungen durch den direkten Antrieb eines Piezoelementes nicht zweckmäßig.

Größere Wege lassen sich mit Piezoelementen durch eine Kaska­ dierung der Bewegung erreichen. Hierfür treibt ein Piezoele­ ment mit einem Hub im Mikrometer-Bereich ein mechanisch geführtes Element an und schiebt es durch Wiederholung seiner Bewegung über größere Wege. Zwischen zwei aufeinanderfolgen­ den Bewegungen wird das mechanisch geführte Element in seiner erreichten Position festgehalten. Derartige Antriebe greifen auf das sogenannte Klemm-Dehn-Prinzip zurück. Alternativ kann das mechanisch geführte Element aufgrund seiner Trägheit so ausgerichtet sein, daß es an der jeweiligen Position verharrt.

Bei einem bekanntgewordenen, nicht druckschriftlich belegten piezoelektrischen Antriebselement ist ein Schwingerhalter vorgesehen, auf dem ein oder mehrere Piezo-Schwinger angeord­ net sind. Die Piezo-Schwinger werden mit einer Wechselspan­ nung angesteuert, so daß die Stirnseite des Schwingers bei annähernder Ruhelage des Schwingerhalters in eine gezielte Schwingung versetzt wird. Durch die Gestaltung von Schwinger­ halter und Schwinger sowie die elektrische Ansteuerung werden bestimmte Schwingungsmoden angeregt, dergestalt, daß der Piezoschwinger an seinem freien Ende eine kreisförmige oder elliptische Bewegung ausführen kann. Mit der erwähnten kreis­ förmigen oder elliptischen Bewegung an seinem Ende treibt die Stirnseite des Schwingers bzw. ein dort vorgesehener Stößel eine ihm gegenüber angeordnete, in einer Führung gelagerte mechanische Bewegungsplattform an. Dabei kann das entspre­ chende Ende des Stößels, welches mit der Bewegungsplattform zusammenwirkt, mit einer verschleißfesten Beschichtung verse­ hen sein oder aus einem verschleißfesten Material bestehen.

Da die Bewegung des Stößels im Bereich weniger Mikrometer liegt, muß der Abstand zwischen Stößel und Bewegungsplattform kleiner als der Schwingungsbereich des Schwingers bzw. des Stößels sein. Eine derartige Genauigkeit ist über größere Strecken nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar. Aus diesem Grunde werden die Schwinger, die auf dem Schwingerhal­ ter befestigt sind, durch eine Feder unter Vorspannung gegen die Bewegungsplattform gepreßt. Entsprechende Führungsschie­ nen sind vorgesehen, um eine Bewegung des Schwingerhalters senkrecht zur Bewegungsplattform zuzulassen und unerwünschte Bewegungen in z- und y-Richtung zu unterdrücken. Um eine derartige Bewegung in x-Richtung bei gleichzeitiger Unterdrü­ ckung der Bewegung in y- und z-Richtung zu ermöglichen, ist eine Führungskonstruktion mit entsprechendem Aufwand beim Justieren mittels Justier- und Einstellschrauben erforder­ lich.

Eine derartige mechanische Führung erfordert also bei der Herstellung einen entsprechenden Material- und Justageauf­ wand.

Aus der DE 39 22 420 A1 ist ein elektroakustischer Wandler bekannt, welcher einen Schwinger besitzt, der im wesentlichen linear bewegbar ist. Zur Gewährleistung einer bevorzugten Bewegungsrichtung ist die Form der piezoelektrischen Elemente so gewählt, daß eine Deformierung des piezoelektrischen Mate­ rials im wesentlichen in Längsrichtung erfolgt. Die Piezoele­ mente erfüllen dabei selbsttragende Funktionen für den Strahler und sind zwischen den Schenkeln eines Tragteiles und dem Fuß des Schwingers angeordnet. Durch ein entsprechendes elektrisches Feld können die Piezoelemente als Scherschwinger arbeiten. Die freie Weglänge eines derart ausgebildeten Schwingers ist jedoch außerordentlich gering, so daß dessen Anwendung für Präzisionsantriebs- oder -justierelemente nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.

Der piezoelektrische Wandler zur Verwendung als Vibrations­ quelle in einer Teilezuführeinrichtung gemäß DE 37 11 388 C2 weist piezokeramische Elemente auf, welche sandwichartig angeordnet sind. Der Wandler selbst ist in Form einer Paral­ lelfederführung ausgebildet, so daß Relativbewegungen zwischen einer Basis und einem Trog erzeugbar sind. Die mit einem derartigen Wandler erzielbaren Stellkräfte und Führungs- bzw. Bewegungsgenauigkeiten sind für einen Präzi­ sionsantrieb allerdings unzureichend.

Ein Vibrationsmotor, der ein Arbeits-Piezoelement verwendet, ist in der DE 29 19 125 A1 beschrieben. Eine einseitig einge­ spannte Blattfeder drückt die von Piezoelementen angetriebene Antriebsstufe an einen Rotor.

Die DE 44 35 882 C2 zeigt einen Ultraschallmotor, der als Linearantrieb aufgebaut ist. Das Antriebselement wird auch hier durch mehrere Piezoelemente gebildet. Dabei sind mehrere Biegeschwinger realisiert, die über parallelogrammartig ange­ ordnete Biegefedern an einer gemeinsamen Haltebrücke befes­ tigt sind. Die Biegeschwinger sind mit den Biegefedern einstückig gestaltet.

Schließlich ist aus der US 5,453,653 ein keramischer Motor bekannt, in welchem ein Piezoschwinger zwischen zwei Widerla­ gern und zwei Federlagern eingespannt ist. Eine derartige Einspannung des Piezoschwingers ermöglicht eine Schwingung in einer ersten Richtung und verhindert eine Bewegung in den zwei dazu senkrecht stehenden Richtungen. Um eine Vorspannung des Piezoschwingers in der gewünschten Bewegungsrichtung zu erhalten, ist eine weitere Federlagerung in dieser Richtung erforderlich. Insbesondere bei sehr klein dimensionierten Ausbildungen bereitet die Herstellung und Justierung mehrerer eigenständiger Lager und Federelemente jedoch erhebliche Schwierigkeiten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein piezoelektrisches Antriebselement, umfassend einen von einem Schwingerhalter an einem Tragteil gehaltenen Schwinger mit einer linear zu nutzenden Bewegung anzugeben, das einfach, kostengünstig und kompakt trotz hoher Auslenkkraft ausbildbar ist. Insbesondere soll der Aufbau der Lagerung des Schwingers vereinfacht werden, um Justage und Montagearbeiten weitgehend überflüssig zu machen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand nach den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Gemäß einem ersten Grundgedanken der Erfindung wird das Gehäuse oder das Tragteil so ausgebildet, daß der Schwingerhalter mittels Federlager, insbesondere Biegefedergelenken, am Tragteil oder Gehäuse befestigbar ist.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung bestehen Schwingerhalter und Tragteil einschließlich der Biegefeder­ gelenke aus einer einstückig gefertigten Baugruppe, die beispielsweise durch Elektroerosion im Spritzgußverfahren oder Laserstrahlverfahren herstellbar ist.

Die Biegefedergelenke sind als versteifte oder unversteifte Parallelfederführung für den Schwingerhalter ausgebildet, so daß sich sowohl die ungehinderte Bewegung in x-Richtung ein­ stellt als auch die Bewegungen in z- und y-Richtung unterdrückt werden.

Durch die Biegefedergelenke ist die gewünschte Vorspannung des Schwingerhalters gegenüber einer Bewegungsplattform gewähr­ leistet, ohne daß zusätzliche Vorspannfedern, die sich zwischen Schwingerhalter und Tragteil oder Gehäuse abstützen, notwendig sind.

Durch die Federlagerung sind keinerlei Justier- oder Wartungs­ arbeiten beim Einsatz des piezoelektrischen Antriebselementes mehr erforderlich.

Gemäß Ausführungsformen ist die Parallelfederführung des Federlagers als Doppelparallelogramm- oder Parallelogramm­ führung ausgebildet.

Im Falle einer Parallelogrammführung, die herstellungsseitig besonders einfach zu realisieren ist, kann am biegefederfreien Ende zur Kennlinienbeeinflussung ein Feder- oder Massensystem angekoppelt werden.

Hierdurch ist sichergestellt, daß die Federführung bei Aus­ lenkung keine extrem ansteigenden Rückstellkräfte aufweist. Durch die angekoppelten Systeme läßt sich die Kraft-Weg-Kenn­ linie so beeinflussen, daß innerhalb des x-Auslenkungsbereiches die Auslenkkraft annähernd konstant bleibt.

Die angekoppelten Zusatzsysteme erzeugen eine wegabhängige Kraft, die der Rückstellkraft entgegenwirkt, so daß sich eine Kompensation ergibt, mit der Folge der oben erwähnten nahezu konstanten Kräfte innerhalb eines größeren Auslenkbereiches.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken kann das Federlager eine Membranfederführung bilden, wobei der Schwingerhalter an der Membranmitte und die Umrandung der Membranen am Tragteil befestigt ist.

Mit dem piezoelektrischen Antriebselement wird also Führung und Vorspannung durch Federgelenke erreicht, die den Schwingerhal­ ter und das Tragteil bzw. das Gehäuse miteinander verbinden.

Die Ausführung der erwähnten Federgelenke kann unterschiedlich sein dergestalt, daß diese aus Metall oder einem anderen Werk­ stoff bestehen, und die am Tragteil einerseits und am Schwin­ gerhalter andererseits befestigt bzw. eingespannt werden.

Besonders vorteilhaft ist eine Realisierungsform der Erfindung, wenn die Federgelenke monolithisch ausgebildet sind. Dabei bilden Federgelenke und Schwingerhalter sowie Tragteil bzw. Gehäuse eine einheitliche Baugruppe. Wie erwähnt, sind als Herstellungsverfahren erosive Verfahren, z. B. Drahterosion oder Spritzguß oder dergleichen, vorteilhaft.

Der besondere Vorteil dieser Federlagerung mit Biegefederge­ lenken besteht in der einfachen Montage, der spielfreien, verschleißfreien Führung sowie der kostengünstigen Herstellung.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spieles und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen An­ triebselementes mit Biegefedergelenken nach Art einer Doppelparallelogrammführung und

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Antriebselementes mit Biegefedergelenk nach Art einer Parallelogrammführung und der Möglichkeit des Einsatzes angekoppelter Zusatzsysteme zur Kennlinienbeein­ flussung.

Die gezeigten piezoelektrischen Antriebselemente weisen einen Schwingerhalter 2 auf, der Schwinger 1 aus piezoelektrischer Keramik oder aufgebrachten piezoelektrischen Erregern umfaßt. Beim ersten Ausführungsbeispiel, wie anhand der Fig. 1 gezeigt, ist ein Federlager, insbesondere realisiert durch Biegefeder­ gelenke, vorgesehen. Die Biegefedergelenke 4; 5 verbinden den Schwingerhalter 2 mit dem Tragteil 3, das wiederum Bestandteil eines Gehäuses 10 ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird von einer Doppelparallelogrammführung ausgegangen. In diesem Falle ist der Schwingerhalter 2 mit paarweise angeordneten Biegefederge­ lenken 4, 5 am Tragteil 3 befestigt, so daß Bewegungen in z- und y-Richtung unterdrückt werden können, gleichzeitig aber eine freie Bewegung in x-Richtung hin zu einer nicht gezeigten Bewegungsplattform möglich wird.

Durch die Biegefedergelenke 4 ergibt sich gleichzeitig eine vorteilhafte Vorspannung des Schwingerhalters 2, ohne daß die Notwendigkeit besteht, eine separate Vorspannfeder einzusetzen.

Zur Einstellung der Federkennlinie der Biegefedergelenke kann eine Versteifung 7 vorgesehen sein.

Um eine entsprechende Reproduzierbarkeit der Nullage und Federkennlinien der Biegefedergelenke zu erreichen, können bestimmte Einspannungen gewählt werden. Vorteilhaft ist bei­ spielsweise eine Abrundung an der Einspannkante oder auch ein Versatz der Einspannbacken.

Vorzugsweise wird jedoch das Tragteil 10 mit Biegefedergelenken 4, 5 und Schwingerhalter 2 aus dem Vollen gefertigt, bei­ spielsweise durch elektroerosive Verfahren oder durch Spritz­ guß. In diesem Falle ist es nicht notwendig, die Federgelenke einerseits am Schwingerhalter 2 und andererseits am Tragteil 3 einzuspannen, wodurch sich die Herstellungs- und Montagekosten verringern.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind Biegefedergelenke 4; 6 nach Art einer Parallelogrammführung vorgesehen. Bei einer derartigen Ausführungsform lassen sich die Herstellungskosten weiter reduzieren, wobei der geringfügige Bewegungsversatz in y-Richtung vernachlässigbar ist.

Insbesondere bei dieser Ausführungsform kann am freien Ende des Schwingerhalters 2 ein angekoppeltes Feder- oder Massezusatz­ system 8 vorgesehen sein. Diese angekoppelten Zusatzsysteme dienen dem Ziel, eine wegabhängige Kraft zu erzeugen, die der Rückstellkraft kompensierend entgegenwirkt, so daß innerhalb des Auslenkbereiches nahezu konstante Kräfte gegeben sind. Ein nicht gezeigtes Ausführungsbeispiel umfaßt ein Federlager, das eine Membranfederführung bildet, wobei der Schwingerhalter an der Membranmitte und die Umrandung der Membranen am Tragteil befestigt sind.

Allen voranstehend geschilderten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Montage der mittels Federlager befestigten Schwingerhalter wesentlich einfacher im Vergleich zu mechanischen Führungen ist und daß aufgrund der in den Biege­ federgelenken innewohnenden Vorteile auf ansonsten notwendig werdende Justage und Wartungsarbeiten weitgehend verzichtet werden kann. Durch die vielfältigen Möglichkeiten der Beein­ flussung der Federkennlinien, z. B. durch Versteifung, durch Einspannen oder durch Membranfederführungen, die z. B. konzen­ trisch profiliert oder eben sind, lassen sich ganz unter­ schiedliche Anforderungen an piezoelektrische Antriebselemente erfüllen. Der besondere Vorteil der Membranfederführung des Schwingerhalters besteht darin, daß dort, wo erforderlich, ein Versatz quer zur Führungsrichtung nahezu vollständig vermieden werden kann.

Claims (6)

1. Piezoelektrisches Antriebselement mit mindestens einem Schwinger aus piezoelektrischer Keramik oder aufgebrachten piezoelektrischen Erregern, wobei der mindestens eine Schwinger auf einem Schwingerhalter (2) und dieser an einem Tragteil (3) derart befestigt ist, daß eine Bewegung des Schwingerhalters (2) in mindestens einer Richtung unterdrückbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwin­ gerhalter (2) mittels parallel zueinander ausgerichteter und gegenüber einer Bewegungsplattform (14) Vorgespannter Biegefedern (4, 5, 6) mit dem Tragteil (3) verbunden ist und der Schwingerhalter (2), die Biegefedern und das Trag­ teil (3) einstückig ausgebildet sind.

2. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern Versteifungen (7) aufweisen.

3. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern als Doppelpa­ rallelogrammführung (5) ausgebildet sind.

4. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern als Membranfe­ derführung ausgebildet sind, wobei der Schwingerhalter an der Membranenmitte und die Umrandung der Membranen am Tragteil befestigt sind.

5. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wegabhängige Rückstellkraft der Federführung durch ein angekoppeltes Feder- oder Massezu­ satzsystem (8) reduziert ist.

6. Piezoelektrisches Antriebselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (3) mindestens einen Abschnitt eines Gehäuses (10) des Antriebselements bildet.