DE19747566C1

DE19747566C1 - Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe

Info

Publication number: DE19747566C1
Application number: DE1997147566
Authority: DE
Inventors: Oliver Dipl Ing Barth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-10-28
Filing date: 1997-10-28
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2017-10-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe mit einer, eine Verzahnung aufweisenden starren Einheit, der sogenannten Circular Spline, einer, ebenfalls eine Verzahnung aufweisenden flexiblen Einheit, die sogenannte Flexspline sowie einem ellipsenförmigen Auslenk-Generator, der sogenannte Wave-Generator, der die flexible Einheit derart dynamisch deformiert, daß die Verzahnung der flexiblen Einheit mit der Verzahnung der starren Einheit stets in zwei getrennten Bereichen in Eingriff bringbar ist, so daß sich die flexible Einheit relativ zur starren Einheit bewegt. Ferner weist der Auslenk-Generator Piezostellelemente auf, die ortsfest relativ zur flexiblen Einheit angeordnet sind und die mittels aufeinander abgestimmter Längenänderungen die flexible Einheit deformieren.

Spannungswellen-Getriebe, auch als Harmonic-Drive-Getriebe bekannt, sind seit den 60ger-Jahren bekannt und dienen der mechanischen Kopplung von zwei kinematisch miteinander verbundenen Rotationsachsen und weisen ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis auf. Der Aufbau und das Funktionsprinzip eines Spannungswellen-Getriebes ist zur näheren Erläuterung in Fig. 1 dargestellt. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist ein starrer, mit einer Innenverzahnung ausgestatteter Ring vorgesehen, die sogenannte Circular Spline CS, in dessen Innerem mit einer entsprechenden Außenverzahnung ausgestattet ein flexibles, ebenfalls ringförmiges Element, die sogenannte Flexspline FS, eingebracht ist. Innerhalb der Flexspline FS ist ein Auslenkgenerator, der sogenannte Wavegenerator WG, vorgesehen, der die Flexspline zu einer Ellipse deformiert und die Außenverzahnung der Flexspline gegen die innenverzahnte Circular Spline CS in der dargestellten Weise drückt. Typischerweise weist die Außenverzahnung der Flexspline FS zwei Zähne weniger auf, als die Innenverzahnung der Circular Spline CS.

Dreht man den Wavegenerator WG in Uhrzeigerrichtung, wie es in den Bildsequenzen der Fig. 1a bis d dargestellt ist, so bewegt sich die in Form einer Ellipse deformierte Flexspline FS entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Wavegenerators WG. Nach einer Drehung des Wavegenerators WG um 360° (siehe hierzu Fig. 1d) hat sich die Flexspline FS um zwei Zähne gegenüber der Circular Spline CS zurückgedreht. Im allgemeinen wird der Wavegenerator WG von einem Servomotor angetrieben und entspricht daher der Antriebswelle, die Flexspline FS ist hingegen mit der Abtriebswelle verbunden und die Circular Spline CS ist in ein Getriebegehäuse integriert.

Mit dem nahezu spielfreien Spannungswellen-Getriebe lassen sich derzeit Untersetzungen von 1 : 50 bis 1 : 320 in einer Getriebestufe erzielen.

Die Anwendungsgebiete für Spannungswellen-Getriebe sind äußerst vielfältig, da es sich um eine universell einsetzbare Rotationsachse handelt, die die Abtriebswelle des Getriebes darstellt und mit der Flexspline verbunden ist. Typische Einsatzbereiche stellt beispielsweise die Robotik dar, bei der zur kinematischen Ansteuerung von Robotersystemen fein aufgelöste Weggeber erforderlich sind, um die genaue Verdrehposition der Abtriebswelle zu bestimmen. Beispiele hierfür sind in der DE 35 22 336 A1 sowie der DE 35 45 068 C2 beschrieben.

Der Antrieb für den Wavegenerator, der typischerweise als elliptische Scheibe ausgebildet ist, erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines elektromotorischen Antriebes, wie beispielsweise einem Schrittmotor oder Servomotor. Unter dem Aspekt einer hochpräzisen rotatorischen Positionierung beispielsweise der Abtriebswelle des Spannungswellen-Getriebes, weisen die vorstehend genannten Antriebsarten für den Wavegenerator eine Reihe von Nachteilen auf. Zwar ermöglicht der Einsatz eines Schrittmotors eine sehr hohe Positioniergenauigkeit der Drehachse und ist überdies mit nur geringen Kosten verbunden, doch vermögen Schrittmotoren nur geringe Kräfte und Kraftmomente zu erzeugen. Überdies besteht die Gefahr des Schrittverlustes, wodurch die Information über die Positionierung der Rotationsachse verlorengehen kann. Diese Nachteile können zwar durch Verwendung von Servomotoren mit entsprechender Encoderschaltung und zusätzlicher Getriebeeinheit überwunden werden, doch ist es für die Information über die Positionierung der Rotationsachse nötig, ein externes Wegmeßsystem zu verwenden, das, neben dem zusätzlichen Getriebeaufwand, zu einem hohen Systempreis führt.

Zur Überwindung der mit elektromotorischen Antrieben verbundenen Nachteile ist in der russischen Druckschrift 441975 die Verwendung von Piezostellelementen vorgeschlagen worden, mit denen die elliptische Deformation der Flexspline realisiert werden soll. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, den Wavegenerator durch 12 Piezoaktoren zu ersetzen, die raumfest relativ zur Flexspline angeordnet sind. Die Verformung der Flexspline wird durch elektrische Ansteuerung der Piezoaktoren erreicht, so daß diese insgesamt eine Ellipsenform in die Flexspline drücken. Durch geeignete Ansteuerung kann die Ellipse und somit die Flexspline mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit relativ zur Circular Spline verdreht werden, so daß sich nach einer vollständigen Umdrehung der Flexspline diese sich relativ zur Circular Spline verschiebt. Aus der russischen Druckschrift ist zwar der Grundgedanke der Verwendung von Piezostellelementen zur Deformation der Flexspline zu entnehmen, doch stößt die technische Realisierung, wie sie in dieser Druckschrift vorgeschlagen wird, aufgrund der nur sehr begrenzten Ausdehnungseigenschaften von Piezostellelementen an ihre Grenzen. So ist es beispielsweise nicht möglich, Stapel-Piezoaktoren kinematisch unmittelbar mit der Flexspline zu kombinieren, zumal die Ausdehnung derartiger Stapel-Piezoaktoren nur ca. 1 Promille ihrer Aktorlänge beträgt. Mit den derzeit verfügbaren Piezostellelementen wäre die in der russischen Druckschrift vorgeschlagene Lösung aufgrund der nur geringen Ausdehnungsmöglichkeit der Piezostellelemente nicht realisierbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spannungswellen-Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 unter Verwendung von Piezostellelementen für die kinematische Ansteuerung des Wavegenerators derart auszubilden, so daß der Aufbau des Spannungswellen-Getriebes sehr kompakt und funktionsfähig ausgeführt werden kann, der überdies eine sehr präzise und energiesparende Positioniermöglichkeit beispielsweise der Abtriebswelle des Getriebes ermöglicht. Insbesondere soll die Ausführungsform kostengünstig und einfach ausgestaltet werden, mit gleichzeitiger Möglichkeit der exakten Erfassung der Lage der Abtriebswelle.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe sind in den Ansprüchen 1, 7 und 13 alternative erfindungsgemäße Ausführungsformen für ein piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe angegeben. Die sich an die nebengeordneten Ansprüche anschließenden Unteransprüche enthalten Merkmale, die den erfindungsgemäßen Gedanken vorteilhaft ausbilden.

Die Erfindung geht grundsätzlich von der Idee aus, Biegeaktoren sowie Stapelaktoren zur Deformation der flexiblen Einheit des Spannungswellen-Getriebes einzusetzen. Im Unterschied zu der russischen Ausführungsform, die ebenfalls die Verwendung von Stapelaktoren zeigt, werden in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform die Stapelaktoren zusammen mit einer Wegübersetzungseinheit gekoppelt, die die Längenausdehnung des Stapelaktors mittels eines drehbar gelagerten Hebelarmes derart vergrößert, daß der durch den Stapelaktor angelenkte Hebelarm die elastische Einheit entsprechend deformiert. Die Wegübersetzung erfolgt hierbei über die Wahl der Länge des Hebelarmes. Grundsätzlich kommen jedoch auch andere Wegübersetzereinheit in Frage, beispielsweise hydraulisch arbeitende Wegübersetzer oder Wegübersetzer auf der Basis von Festkörpergelenken.

Zum anderen werden Biegeaktoren verwendet, die aus einem länglich geformten Plättchen bestehen, die einseitig mit Translationspiezostellelementen fest verbunden sind, so daß sich das Plättchen senkrecht zur Längenausdehnungsrichtung der Translations-Piezoaktoren verformt. Zwar können derartige Biegeaktoren nur geringe Kräfte generieren, doch ist es möglich, aufgrund der Länge des Plättchens Hubwege im Millimeterbereich zu erzeugen. Die Biegeaktoren können auf diese Weise direkt mit der Flexiblespline in Kontakt treten und diese entsprechend verformen.

Ein besonderer Vorteil von Biege-Piezoaktoren liegt darin, daß durch entsprechende Parallelschaltung einer Vielzahl derartiger Biege-Piezoaktoren die zu generierenden Hubkräfte vervielfacht werden können.

Auch bieten Biege-Piezoaktoren die Möglichkeit, bei entsprechend paralleler Anordnung derart, so daß ihr Auslenkverhalten jeweils entgegengesetzt gerichtet ist und sogenannte Cross-Bow-Aktoren bilden, einer unmittelbaren Deformation der Flexspline ohne Zwischenschaltung jeglicher mechanischer Übersetzungskonstruktionen.

Zur vollständigen Deformation der flexiblen Einheit des Spannungswellen-Getriebes zu einer dynamischen Ellipse sind wenigstens 3 Piezostellelemente erforderlich. Die jeweilige Steuerung der Piezostellelemente erfolgt über eine Schaltungselektronik, die vorzugsweise die Piezostellelemente zur Längenausdehnung ausschließlich mit diskreten Spannungswerten beaufschlagt. So sind einfache Schaltungselektroniken denkbar, die lediglich über einen Umschalter verfügen, der selbst kaum Wärme erzeugt, so daß für den Betrieb der Steuer- und Schaltungselektronik keine aufwendigen Kühleinrichtungen nötig sind. Besonders geeignet sind digitale Ansteuerschaltungen, wie beispielsweise Output-Kanäle eines Mikroprozessors.

Je nach Präzisions- und Ansteuerungsbedingungen können mehr als 3 Piezostellelemente entlang der Verzahnung der flexiblen Einheit angeordnet werden.

Um ein Durchgleiten der flexiblen Einheit relativ zur starren Einheit, der Circular Spline im spannungslosen Fall zu vermeiden, sind die Piezostellelemente vorzugsweise jeweils federkraftbeaufschlagt, so daß die flexible Einheit in wenigstens zwei Teilbereichen ihrer Verzahnung mit der Verzahnung der starren Einheit der Circular Spline in Eingriff stehen. Auf diese Weise kann ein unkontrolliertes Durchgleiten der flexiblen Einheit vermieden werden.

Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Möglichkeit der Ausbildung eines piezoangetriebenen Spannungswellen-Getriebes in Maßstäben der Mikrostrukturtechnik, d. h. in Größenordnungen zwischen 10^-3bis 10^-6 m. Die für das Spannungswellen-Getriebe erforderlichen einzelnen Komponenten können mit geeigneten Beschichtungs- und/oder Äztechniken in Schichtbauweise hergestellt werden, um auf diese Weise Mikrogetriebe für den Einsatz in der Mikrostrukturtechnik bereitzustellen. Erst durch die Verwendung von Piezomaterialien zum Antrieb der flexiblen Einheit ist eine derartige mikrostrukturierte Ausbildung eines Getriebes möglich.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 prinzipieller Aufbau eines Spannungswellen-Getriebes,

Fig. 2 prinzipieller Aufbau eines piezoangetriebenen Spannungswellen-Getriebes,

Fig. 3 piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe mit 3 bzw. 5 Aktoren,

Fig. 4 erfindungsgemäßes Spannungswellen-Getriebe mit Biege- Piezoaktoren,

Fig. 5 erfindungsgemäßes Spannungswellen-Getriebe mit "Cross-Bow"-Piezoaktoren,

Fig. 6 Spannungswellen-Getriebe mit Piezo-Stapelaktoren und jeweils einer Wegübersetzereinheit,

Fig. 7 kompakter Aufbau eines Spannungswellen-Getriebes mit Stapelaktoren,

Fig. 8 Anordnung zur Messung der Position der Rotationsachse mittels Wegaufnehmer,

Fig. 9 Anordnung zur Erfassung des Abtriebmomentes an der Abtriebswelle mittels Dehnungsmeßstreifen,

Fig. 10 Ausführungsform einer Schaltungselektronik,

Fig. 11 Spannungswellen-Getriebe mit flexiblem Innenring,

Fig. 12 Federkraftbeaufschlagte Wegübersetzereinheiten und

Fig. 13 Verbundkonstruktion aus Biegeaktoren und flexibler Einheit.

Das Funktionsprinzip eines Spannungswellen-Getriebes unter Verwendung des bekannten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1a-d ist bereits in der Beschreibungseinleitung entsprechend dargestellt worden.

Bei einem in Fig. 2 dargestellten piezoangetriebenen Spannungswellen-Getriebe wird die Funktion des Wavegenerators WG durch Piezoaktoren P ersetzt. Die stationär angebrachten Piezoaktoren P drücken nacheinander eine umlaufende Ellipse in die flexible Einheit FS. Der Hub H eines Aktors entspricht dabei in etwa der doppelten Zahnhöhe des Spannungswellen-Getriebes.

Die Anzahl der eingesetzten Piezoaktoren P kann variieren, es sind jedoch zur Erzeugung der rotierenden Ellipse in der flexiblen Einheit FS mindestens 3 Piezoaktoren P notwendig. Aus Symmetriegründen ist jedoch eine Anordnung mit 4 Aktoren nicht möglich, so daß mögliche Aktorzahlen 5, 3, 6, 7, 8 ..., darstellen.

In Fig. 3, obere Darstellung, ist ein Spannungswellen-Getriebe mit 3 Piezoaktoren P dargestellt, die die flexible Einheit FS von innen gegen die starre Einheit CS gemäß einer Ellipse verformen. Der angulär angebrachte Pfeil entspricht der Verformungsrichtung der flexiblen Einheit FS. In der unteren Darstellung gemäß Fig. 3 ist eine Ausführungsform mit jeweils 5 Piezostellelementen P dargestellt.

In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit Piezostellelementen dargestellt, die als Biege-Piezoaktoren BP ausgebildet sind. Die Biege-Piezoaktoren weisen jeweils ein längliches Plättchen PL auf, auf dessen einen Seite Translations- Piezoaktoren TP fest aufgebracht sind. Die Translations-Piezoaktoren TP sind jeweils mittig auf den Plättchen aufgebracht und weisen zwei freie Plättchenenden auf. In der dargestellten Anordnung sind die Biege-Piezoaktoren BP einseitig fest mit der Gehäusewandung G verbunden, die zugleich auch die starre Einheit CS des Spannungswellen-Getriebes darstellt.

Das jeweils freie Ende der Biege-Piezoaktoren BP ist aus einer Ruhelage gegen die flexible Einheit FS auslenkbar, so daß die an der flexiblen Einheit aufgebrachte Außenverzahnung AV in die Innenverzahnung IV der starren Einheit CS eingreift.

Zur Erhöhung der Anpreßkräfte des Biege-Piezoaktors BP an der flexiblen Einheit FS sind in der dargestellten Ausführungsform zwei Biege-Piezoaktoren BP parallel angeordnet und jeweils an ihrem freien Ende über ein Verbindungselement VE in Form einer Kugel gekoppelt. Der, der flexiblen Einheit FS unmittelbar gegenüberliegende Biege-Piezoaktor BP ist ebenfalls über ein Koppelelement K in Form einer Kugel mit der flexiblen Einheit FS verbunden. Die flexible Einheit FS ist mit einer Abtriebswelle ABW verbunden, die geführt über ein Kugellager KU die starre Einheit CS durchsetzt. Je nach Ansteuerung der Biege-Piezoaktoren BP, die zirkular im Inneren der flexiblen Einheit FS angeordnet sind und deren zyklische Verformung die Umlaufgeschwindigkeit der flexiblen Einheit bestimmen, wird die Abtriebswelle ABW in Rotation versetzt.

Um eine genaue Information der gegenwärtigen Drehposition der Abtriebswelle ABW zu erhalten, ist jeweils den Biege-Piezoaktoren BP ein Wegmeßsensor WS angeordnet, der die Auslenkweite der Biege-Piezoaktoren BP erfaßt. Durch entsprechende Erfassung der momentanen Stellung aller Biege-Piezoaktoren ist eine genaue Angabe des rotatorischen Verstellweges an der Abtriebswelle ABW möglich. Beispielsweise können hierzu Hall-Sensoren oder Tauchspulen als Wegmeßsensoren verwendet werden.

Zusätzlich dienen Dehnungsmeßstreifen DMS, die an die Biege-Piezoaktoren aufgebracht sind (im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 nicht dargestellt), zur Erfassung der auf die flexible Einheit FS übertragenden Kraftmomente, die den Grad der elastischen Durchbiegung der Biege-Piezoaktoren erfassen und die direkt proportional zum, an der Abtriebswelle ABW angreifenden Lastmoment stehen. Auf diese Weise kann das Lastmoment an der Abtriebswelle erfaßt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Koppelelementes K in der Weise, daß sowohl Zug- als auch Druckkräfte zwischen dem Biege-Piezoaktor und der flexiblen Einheit FS übertragen werden können.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel mit Biege-Piezoaktor-Paaren als Piezostellelemente dargestellt, die in Art eines "Cross-Bow"-Aktors CBA ausgebildet sind. Hierbei sind zwei Biege-Piezoaktoren BP derart parallel angeordnet, daß ihr Auslenkverhalten jeweils entgegengesetzt gerichtet ist. Die Biege-Piezoaktoren BP sind an ihren Endbereichen jeweils über ein Distanzstück D fest miteinander verbunden.

Im Inneren der starren Einheit CS, die zugleich auch das Getriebegehäuse GH darstellt, ist ein Gegenlager G vorgesehen, an dem jeweils Biege-Piezoaktor-Paare CBA in der dargestellten Form angeordnet sind. Hierbei ist ein Biege-Piezoaktor fest mit dem Gegenlager G verbunden, wohingegen der gegenüberliegende Biege- Piezoaktor frei geführt ist und über ein Koppelelement K mit der flexiblen Einheit FS in Kontakt tritt. Bei Anlegen einer bestimmten Steuerspannung dehnen sich die Biege-Piezoaktoren in entgegengesetzte Richtung aus, so daß der, der flexiblen Einheit FS unmittelbar gegenüberliegende Biege-Piezoaktor BP in Richtung der flexiblen Einheit ausgelenkt wird. Das Gegenlager G ist dabei mittig zur Längserstreckung des einen Piezoaktors und das Koppelelement K mittig zur Längserstreckung des anderen Piezoaktors eines Biege-Piezoaktor-Paares CBA angeordnet.

Auch diese Form der Ausbildung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Piezostellelementes in einem Spannungswellen-Getriebe kann mit Wegmeßsensoren zur Erfassung der rotatorischen Lage der Abtriebswelle ABW sowie mit Dehnungsmeßstreifen zur Erfassung des auf der Abtriebswelle lastenden Lastmomentes ausgestattet werden.

Da Piezo-Stapelaktoren nur über ein äußerst begrenztes Ausdehnungsverhalten verfügen, werden diese erfindungsgemäß in einem Spannungswellen-Getriebe in Verbindung mit einer Wegübersetzereinheit eingesetzt.

In Fig. 6 ist hierzu eine vorteilhafte Ausführungsform dargestellt. Ein einseitig angelenkter Piezo-Stapelaktor PS, dessen ein Ende über ein Koppelelement K fest an der Innenwandung der starren Einheit CS angelenkt ist, wirkt bei entsprechender Längenausdehnung auf eine Wegübersetzereinheit WE, die über eine Drehachse DA drehbeweglich an der starren Einheit CS angelenkt ist. Die Wegübersetzereinheit WE weist einen Hebelarm HA auf, der bei entsprechender Auslenkung des Piezo- Stapelaktors PS gegen die flexible Einheit FS über ein Koppelelement K drückt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind 8 derartige Kombinationen aus Piezo- Stapelaktoren mit der entsprechenden Wegübersetzereinheit zirkular im Innenraum des Spannungswellen-Getriebes angeordnet (siehe rechte Querschnittsdarstellung). Durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen Piezo-Stapelaktoren PS wird die flexible Einheit FS gemäß einer dynamisch sich verformenden Ellipse deformiert, wodurch die mit der flexiblen Einheit FS verbundene Abtriebswelle ABW angetrieben wird.

Eine sehr kompakte Ausführungsform der Kombination aus Piezo-Stapelaktoren PS mit Wegübersetzereinheiten WE ist in Fig. 7 gezeigt. Der Hebelarm HA der Wegübersetzereinheit WE ist derart im Innenraum der flexiblen Einheit FS untergebracht, so daß die Baulänge, unter anderem bedingt durch die Länge des Piezo-Stapelaktors PS des gesamten Spannungswellen-Getriebes sehr verkürzt ausgeführt werden kann. Die einzelnen Piezo-Stapelaktoren PS sind ebenfalls an der Rückwand der starren Einheit CS angelenkt und reichen in das Innere der flexiblen Einheit FS hinein. Über einen ebenso mittig in das Innere der flexiblen Einheit FS geführter Steg S ist die Drehachse DA der Wegübersetzereinheit WE angelenkt. Nahe der Drehachse DA ist jeweils der Piezo-Stapelaktor PS angelenkt, der aufgrund seiner nur geringen Wegausdehnung den Hebelarm HA der Wegübersetzereinheit WE wegübersetzt gegen die flexible Einheit FS auslenkt.

Wie bereits vorstehend unter Bezugnahme des Ausführungsbeispiels mit den Biege- Piezoaktoren kurz erläutert, kann ein Wegsensor WS im Inneren des Spannungswellen-Getriebes gegenüber des auslenkbaren Hebelarms HA angebracht werden. Eine diesbezügliche Ausführungsform zeigt Fig. 8. Der vorzugsweise lineare Wegsensor WS ist stationär im Innenraum an einen Steg S angebracht und erfaßt das Auslenkverhalten der Wegübersetzereinheit WE. Durch entsprechende Erfassung aller Wegübersetzereinheiten kann auf diese Weise hochgenau die rotatorische Lage der Abtriebswelle ABW bestimmt werden. Zu diesem Zweck muß nur die funktionale Beziehung zwischen dem Weg des Hebelarms HA und dem zurückgelegten Weg der Abtriebswelle bekannt sein. Durch den nur geringen linearen zu erfassenden Meßweg am Hebelarm ist auch nur ein relativ niedriger technischer Aufwand bei einer sehr hohen erzielbaren Meßgenauigkeit nötig. Geeignete Meßsensoren sind beispielsweise Hall-Sensoren oder kleine Tauchspulen.

Neben der vorbeschriebenen Wegerfassung ist überdies die Erfassung der auf das Getriebe wirkenden Momente interessant und möglich. Zu diesem Zweck wird im Falle der Kombination aus einem Piezo-Stapelaktor und einer Wegübersetzereinheit ein Dehnmeßstreifen DMS am Hebelarm HA, wie in Fig. 9 dargestellt, angebracht. Die elastische Durchbiegung des Hebelarms ist direkt proportional zu dem an der Abtriebswelle ABW angreifenden Lastmoment. In Fig. 9 sind hierzu die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele mit entsprechenden Dehnmeßstreifen für Stapelaktoren dargestellt. Auf eine nochmalige Beschreibung der vorstehend beschriebenen Einzelkomponenten wird im einzelnen verzichtet.

Die Leistungsansteuerung von Piezoaktoren erfolgt üblicherweise über transistor- oder pulsweitenmodulierte Verstärker. Bei dem vorgestellten piezoangetriebenen Spannungswellen-Getriebe ist jedoch eine kontinuierliche Ansteuerung der Piezoaktoren nicht nötig, da bereits eine niedrige Schrittrasterung des jeweiligen Piezoaktors über die Weguntersetzung des Getriebes eine hohe Positionierauflösung der Abtriebswelle bewirkt. Aus diesem Grunde ist es daher möglich, die Leistungsansteuerung der einzelnen Piezostellelemente in diskreten Schritten, d. h. mit diskreten Spannungswerten, durchzuführen. In Abb. 10 ist hierzu eine einfache Schaltungseinheit dargestellt, die einen Transformator T mit mehreren Abgriffen aufweist, zwischen denen ein Umschalter U schaltbar ist. Je nach Schalterstellung wird der Piezoaktor P mit den in dem nebenstehend dargestellten Spannungs/Zeit-Diagramm diskreten Spannungshüben versorgt.

Besonders vorteilhaft bei der Verwendung von Piezostellelementen ist der nur sehr geringe Schaltungsaufwand sowie bei Verwendung eines bloßen Umschalters der Wegfall jeglicher Kühleinrichtungen, da beim Umschalten zwischen diskreten Spannungswerten kaum Wärme erzeugt wird. Die einfachste Ausgestaltung kann mittels einer digitalen Ansteuerlogik erfolgen, so daß die mit Spannung zu versorgenden einzelnen Piezoaktoren an den jeweiligen Ausgangskanälen eines Mikroprozessors angeschlossen werden können.

Bei der Verwendung von Biege-Stapelaktoren ist es von großem Vorteil, daß zu ihrem dynamischen Betrieb die Stapelaktoren vorzugsweise mit einer mechanischen Feder vorgespannt werden. Nach dem Ausdehnen der Stapelaktoren enthält die Feder potentielle Energie, die genutzt werden kann. Bei entsprechender Vorspannung können Stapelaktoren also nicht nur Druck- sondern auch Zugkräfte aufbringen. Hierzu ist gemäß Fig. 11 eine elastische Einheit EE, in Form eines Innenrings innerhalb der flexiblen Einheit FS vorgesehen. Der Innenring EE drückt dabei, in einem spannungslosen Zustand, die flexible Einheit FS gleichmäßig gegen die nicht in der Figur dargestellte starre Einheit. Bei entsprechender Verformung der Piezostellelemente P in der unteren Darstellung gemäß Fig. 11 bewirkt der Innenring ein gleichmäßiges Andrücken der flexiblen Einheit an die nicht dargestellte starre Einheit. Insbesondere bei Verwendung von nur wenigen Piezoaktoren, wie beispielsweise 3, ist nur durch den Innenring zu gewährleisten, daß die flexible Einheit auch zwischen den Aktorpositionen gleichmäßig zu einer Ellipse verformt wird. Der Innenring trägt zu einer Steigerung des Wirkungsgrades des Betriebes bei, da auch die Rückbewegung der Piezoaktoren genutzt werden kann. Ebenso sorgt er für eine gleichmäßige Verformung der flexiblen Einheit, die für einen einwandfreien Betrieb unerläßlich ist.

Ferner kann die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform auch dadurch weitergebildet werden, daß im Falle eines spannungslosen Zustands, d. h. die Piezostellelemente werden nicht mit einer elektrischen Spannung versorgt, die flexible Einheit stets in wenigstens zwei getrennten Bereichen mit der starren Einheit in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise wird ein unkontrolliertes Durchgleiten der flexiblen Einheit durch die starre Einheit vermieden.

So besitzen im spannungslosen Zustand alle Piezoaktoren eine minimale Länge. Die flexible Einheit würde sich aufgrund der elastischen Rückstellkräfte zu einem Kreis verformen und ließe sich daher frei drehen. Dieser Zustand ist jedoch bei Positionierantrieben unerwünscht. Um ein definiertes Haltemoment auch im spannungslosen Zustand zu erreichen, wird ein Piezoelementpaar als Öffner ausgelegt. Das Wirkprinzip ist in Fig. 12 dargestellt.

Vorzugsweise sind an zwei gegenüberliegenden Hebelarmen HA innerhalb der flexiblen Einheit FS jeweils eine Zugfeder ZF vorgesehen, die die Hebelarme gegen die starre Einheit CS ziehen und somit die flexible Einheit relativ zur starren Einheit blockiert. Ebenso sind Druckfedern DF vorgesehen, die gezielt die flexible Einheit FS von der starren Einheit beabstanden. Durch Spannungsbeaufschlagung der Pie zostellelemente werden die, von den Feder herrührenden Kraftmomente kompensiert, so daß das Ineinandergreifen der flexiblen Einheit in die starre Einheit kontrolliert erfolgt.

Eine weiter Ausführungsform ist in Fig. 13 dargestellt, die eine Verbundkonstruktion eines Biege-Piezoaktors BP direkt in der flexiblen Einheit FS vorsieht. Neben den Integrationsvarianten von Biege-Piezoaktoren i. V. m. Wegübersetzereinheiten ist der Biege-Piezoaktor BP radial an der Innenseite der flexiblen Einheit FS befestigt. Wie beim Biegeaktor das Plättchen, wirkt die flexible Einheit als flexible Biegebasis.

Bezugszeichenliste

ABWAbtriebswelle
AVAußenverzahnung
BPBiege-Piezoaktor
CBABiege-Piezo-Paar
CSstarre Einheit
DDistanzstück
DADrehachse
DFDruckfeder
DMSDehnungsmeßstreifen
EEelastische Einheit
FSflexible Einheit
GGegenlager
GHGehäuse
HHub
HAHebelarm
IVInnenverzahnung
KKoppelelement
KUKugellager
PPiezostellelement
PLPlättchen
PSPiezo-Stapelaktor
SSteg
TPTranslation-Piezoaktor
VEVerbindungselement
WEWegübersetzereinheit
WGAuslenkgenerator
WSWegsensor
ZFZugfeder

Claims

1. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe mit einer, eine Verzahnung aufweisenden starren Einheit (CS = Circular Spline), einer, ebenfalls eine Verzahnung aufweisenden flexiblen Einheit (Flexspline = FS) sowie einem ellipsenförmigen Auslenk-Generator (Wave-Generator = WG), der die flexible Einheit derart dynamisch deformiert, daß die Verzahnung der flexiblen Einheit (FS) mit der Verzahnung der starren Einheit (CS) stets in zwei getrennten Bereichen in Eingriff bringbar ist, so daß sich die flexible Einheit (FS) relativ zur starren Einheit (CS) bewegt, daß der Auslenkgenerator Piezostellelemente (P) aufweist, die ortsfest relativ zur flexiblen Einheit (FS) angeordnet sind und die mittels aufeinander abgestimmter Längenänderungen die flexible Einheit (FS) deformieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezostellelemente (P) jeweils wenigstens einen Biege-Piezoaktor (BP) aufweisen, der einseitig fest eingespannt ist und mit seinem freien Ende aus seiner Ruhelage gegen die flexible Einheit (FS) auslenkbar ist und diese an dieser Stelle deformiert.

2. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biege-Piezoaktor (BP) einseitig fest mit der starren Einheit (CS) verbunden ist.

3. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß pro Piezostellelement (P) zwei oder mehr Biege- Piezoaktoren (BP) in ihrem Auslenkverhalten gleichgerichtet und parallel zueinander eingespannt sind, so daß sich bei Auslenkung der Biege-Piezoaktoren (BP) die Auslenkkräfte der Biege-Piezoaktoren (BP) additiv überlagern.

4. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Biege-Piezoaktoren (BP) über ein Verbindungselement (VE) mechanisch miteinander gekoppelt sind.

5. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Einheit (FS) mit den Piezostellelementen (P) über ein Koppelelement (K) verbunden ist.

6. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (VE) und das Koppelelement (K) Zug- und Druckkräfte überträgt.

7. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezostellelemente (P) jeweils wenigstens ein Biege-Piezoaktor-Paar (Cross-Bow Aktor = CBA) aufweisen, das zwei Biege- Piezoaktoren (BP) vorsieht, die in ihrem Auslenkverhalten entgegengesetzt und parallel zueinander verlaufend angeordnet und über Distanzstücke (D) an ihren Endbereichen miteinander fest verbunden sind,
daß ein Gegenlager (GL) vorgesehen ist, das mit einem Piezoaktor des Biege- Piezoaktor-Paars (CBA) verbunden ist, und
daß der andere Piezoaktor des Biege-Piezoaktor-Paars über ein Koppelelement (K) mit der flexiblen Einheit verbunden ist.

8. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager fest mit der starren Einheit (CS) verbunden ist.

9. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager mittig zur Längserstreckung des einen Piezoaktors und das Koppelelement (K) mittig zur Längserstreckung des anderen Piezoaktors des Biege-Piezoaktor-Paar (CBA) angeordnet sind.

10. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Biege-Piezoaktor (PB) ein längliches Plättchen (PL) aufweist, auf dessen einen Plättchenseite wenigstens über einen Teilbereich ein Translations-Piezoaktor (TP) fest aufgebracht ist, der aufgrund seines Ausdehnungsverhaltens das Plättchen senkrecht zur Plättchenlängsrichtung verformt.

11. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Biege-Piezoaktor (PB) ein Wegmeßsensor (WS) vorgesehen ist, der den geometrischen Verformungszustand des Biege-Piezoaktors (PB) erfaßt.

12. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu wenigstens einem Biege-Piezoaktor (PB) ein stationärer Wegmeßsensor (WS) beabstandet zugeordnet ist, der die räumliche Lage des Biege-Piezoaktors (PB) erfaßt.

13. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezostellelemente (P) jeweils wenigstens einen Piezo-Stapelaktor (PS) aufweisen, der einseitig fest angelenkt ist und mit seinem freien Ende eine Wegübersetzereinheit (WE) kontaktiert, und daß die Wegübersetzereinheit (WE) durch Längenausdehnung des Piezo- Stapelaktors (PS) aus einer Ruhelage gegen die flexible Einheit (FS) auslenkbar ist und diese an dieser Stelle deformiert.

14. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegübersetzereinheit (WE) einen Hebelarm aufweist, der um eine Drehachse (DA) schwenkbar gelagert ist und dessen freies Ende über ein Koppelelement (K) mit der flexiblen Einheit (FS) verbunden ist.

15. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Piezo-Stapelaktors (PS) und die Drehachse (DA) fest an der starren Einheit angelenkt sind.

16. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hebelarm gegenüberliegend ein stationärer Wegmeßsensor (WS) angeordnet ist, der die räumliche Lage des Biege-Piezoaktors (PB) erfaßt.

17. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 12 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegmeßsensor (WS) ein Hall-Sensor oder eine Tauchspule ist.

18. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wegübersetzereinheit (WE) ein Dehnungsmeßstreifen (DMS) zur Erfassung der geometrischen Verformung des Hebelarmes vorgesehen ist.

19. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungselektronik vorgesehen ist, die die Piezostellelemente (P) zur Längenausdehnung ausschließlich mit diskreten Spannungswerten beaufschlagt und zwischen diesen jeweils umschaltet.

20. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselektronik einen Umschalter vorsieht, der zwischen den diskreten Spannungswerten umschaltet.

21. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezostellelemente (P) mittels einer elastischen Einheit (EE) gleichmäßig gegen die flexible Einheit (FS) vorgespannt werden.

22. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Einheit (CS) ein hohlzylinderartiger Körper ist, dessen Zylinderinnenseite eine umlaufende Verzahnung aufweist,
daß die flexible Einheit (FS) einen ringförmigen Querschnitt aufweist, auf deren Außenfläche eine umlaufende Verzahnung vorgesehen ist, und
daß im Innenbereich der flexiblen Einheit (FS) der Auslenk-Generator (WG) vorgesehen ist.

23. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einheit (EE) ein elastischer Innenring ist, der im Innenraum der flexiblen Einheit (FS) vorgesehen ist und die Piezostellelemente (P) gleichmäßig gegen die flexible Einheit (FS) vorspannt.

24. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegübersetzereinheit (WE) derart in die flexible Einheit integriert ist, daß der Hebelarm im Innern des ringförmigen Querschnittes verläuft.

25. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Einheit (FS) mit einer Abtriebswelle verbunden ist, deren auf die Abtriebswelle lastendes Drehmoment mittels des Dehnungsmeßstreifens (DMS) erfaßbar ist.

26. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezostellelemente (P) derart kraftbeaufschlagt sind, daß die flexible Einheit (FS) derart deformiert wird, daß die Verzahnung der flexiblen Einheit (FS) mit der Verzahnung der starren Einheit (CS) stets in zwei getrennten Bereichen in Eingriff steht.

27. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezostellelemente (P) mittels Federn kraftbeaufschlagt sind.

28. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß mittels üblicher Schicht- und Äztechnologien die starre Einheit (CS), die flexible Einheit (FS) sowie der Auslenk-Generator (WG) derart kleindimensioniert herstellbar sind, daß sie für den Einsatz in der Mikrostrukturtechnik geeignet sind.

29. Piezoangetriebenes Spannungswellen-Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezostellelemente direkt auf die flexible Einheit (FS) aufgebracht sind.