DE19755490C2

DE19755490C2 - Piezoelektrischer Antrieb

Info

Publication number: DE19755490C2
Application number: DE19755490A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Klaus-Peter Schmoll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-13
Filing date: 1997-12-13
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2017-12-14
Also published as: DE19755490A1

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen An trieb mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genann ten Merkmalen.

Stand der Technik

Bekannt sind Schwingungsantriebe wie Piezomotoren oder Ultraschallmotoren. Hierbei wird ein Schwingele ment (Stator) aus Piezokeramik mit einer sinusförmi gen Spannung beaufschlagt, aufgrund dessen die Piezo keramik eine mechanische Verformung erfährt, und zu Schwingungen, vorzugsweise im Ultraschallbereich, an geregt wird. Diese mechanische Verformung wird ausge nutzt, um einen Reibschluß zwischen einem die Verfor mung übertragenden Antriebsmittel und einem beweglich gelagerten Arbeitsmittel zu erzielen. Hierbei sind sowohl Drehbewegungen eines Rotors als auch Linearbe wegungen eines Läufers erzeugbar.

Aus der EP 0 297 574 A2 ist eine Antriebseinheit mit zwei piezoelektrischen Antrieben bekannt, die in ei nem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind für und einen Linearantrieb sorgen. Durch eine 90°-Stel lung der piezoelektrischen Antriebe zueinander ist eine wellenähnliche beziehungsweise elliptische Bewe gung eines mit beiden Antrieben verbundenen Kopfes möglich, der wiederum mit dieser Bewegung ein an den Kopf angepreßtes Teil, einen Rotor oder dergleichen, antreiben kann. Nachteilig bei diesem bekannten pie zoelektrischen Antrieb ist der erhebliche Bauaufwand durch die Vielzahl der erforderlichen Einzelteile so wie die relativ große Aufbauhöhe der Antriebseinheit durch die notwendige Kinematik zur Erzeugung einer Vorschubbewegung.

Weiterhin ist aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegenden US 5,132,582 ein piezoelektri scher Antrieb mit Reibschlußverbindung bekannt. Dabei weist ein einteiliger sechseckiger Träger zwei pas sive und vier aktive Bereiche auf. Der obere passive Bereich stellt den Reibschluß her und führt die el liptische Bewegung aus, wenn die piezoelektrischen Elemente in den aktiven Bereichen mit Spannung ver sorgt werden. Die piezoelektrischen Elemente sind auf dem Träger aufgeklebt oder ähnlich befestigt. Nach teilig an einer solchen Anordnung ist wiederum die relativ große Aufbauhöhe der Antriebseinheit und eine mögliche Einschränkung in der Anwendung hinsichtlich der Konturen der Antriebselemente beziehungsweise de ren Dimensionierung.

Bekannt ist ferner aus der DE 196 36 827 C1 ein An trieb mit zwei im Winkel stehenden piezoelektrischen Elementen, an deren Spitze ein passiver Bereich den Reibschluß herstellt. Auch hier wird durch anlegen einer Spannung eine elliptische Bewegung initiiert.

Neben der relativ großen Aufbauhöhe ist nachteilig, daß die Herstellung eines solchen Antriebs, insbeson dere, wenn dieser mehrere Antriebselemente aufweist, relativ aufwendig ist, da eine Vielzahl von Einzel teilen miteinander gefügt werden müssen.

Ferner ist aus der DE 36 26 389 C2 und der JP 2-111 269 bekannt, piezoelektrische Elemente zur Erzeugung einer wandernden Schwingungswelle zu nutzen. Dazu ist ein durchgehendes piezoelektrisches Element mit einem elastischen Element verbunden und führt entsprechend einer angelegten Spannung periodisch eine Kontrak tionsbewegung aus. Nachteilig bei diesen Antrieben ist, daß einerseits ein erhöhter Materialverbrauch piezoelektrischer Werkstoffe gegeben ist und anderer seits nicht einzelne Bereiche, die den Reibschluß zu einem Abtriebskörper bilden, einzeln angesteuert wer den können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach aufgebau ten, einfach zu fertigenden und kompakten piezoelek trischen Antrieb zu schaffen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß der gesamte Antrieb sehr unkompliziert und ein fach aufgebaut ist. Dadurch, daß das Antriebselement eine Vielzahl piezoelektrischer anregbarer aktiver Bereiche mit jeweils dazwischen angeordneten passiven Bereichen aufweist und eine regelmäßige wellenartige Kontur besitzt kann in einfacher Weise eine beliebige Dimensionierung der Antriebselemente verwirklicht werden.

Ein gebogenes, insbesondere Wellen- oder sinusförmi ges, Antriebselement weist aktive und passive Berei che auf. Die aktiven Bereiche sind vorzugsweise in den geraden Abschnitten zwischen zwei (oberen oder unteren) Krümmungen, das heißt Umkehrpunkten der sich in einer Seitenansicht ergebenden gebogenen Kontur, angeordnet. Diese aktiven Bereiche sind piezoaktiv, das heißt, sie sind durch Anlegen einer äußeren Span nung an ihre, hier nicht dargestellten, Elektroden dehnbar und kontrahierbar. Die oberen Scheitelpunkte der oberen passiven Bereiche sind durch geeignete An steuerung der aktiven Bereiche in der Lage, eine el liptische Bewegung auszuführen, wodurch eine An triebsbewegung eines reibschlüssig an diesen ange preßten Rotors ermöglicht wird. Diese Antriebselemen te sind sehr einfach zu fertigen, beispielsweise aus Metall mit darauf aufgebrachten piezoaktiven Be schichtungen, oder auch aus Keramik mit darauf aufge brachten bedruckten und anschließend gesinterten Fo lien. Auf diese Weise sind nahezu beliebige Konturen der Antriebselemente in vielfältigen Größenmaßstäben herstellbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten, Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines schlangenförmigen Antriebselementes und

Fig. 2 eine schematische Detailansicht des Antriebselementes aus Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines im wesentlichen Wellen- beziehungsweise schlangenför migen Antriebselementes 2, das durch piezoelektrische Festkörperschwingungen, vorzugsweise im Ultraschall bereich, ein anzutreibendes Teil (Rotor 6) vorwärts bewegen kann. Das Antriebselement 2 hat in der Sei tenansicht die Kontur eines gekrümmten oder gewellten konstant oder variabel dünnen Streifens bestimmter konstanter oder variabler Breite. Das Antriebselement 2 weist wenigstens einen Bogen 3 auf, im gezeigten Ausführungsbeispiel sind sechs Bögen 3 vorhanden. Der untere Bereich 16 jedes Bogens 3 ist auf einem Ab stützelement, beispielsweise einem Gehäuse 4 oder ei nem Gegenlager, befestigt. Gegen den oberen Bereich 12 jedes Bogens 3 wird ein anzutreibender Rotor 6 ge drückt, der durch einen Reibschluß mit den oberen Be reichen 12 der Bögen 3 des Antriebselementes 2 ange trieben werden kann. Die Oberflächen der oberen Be reiche 12 der Bögen 3 und/oder die mit diesen in Kon takt stehende Unterseite des Rotors 6 können zur bes seren reibschlüssigen Übertragung der Antriebskraft mit einem Reibbelag versehen sein. In den nicht ge krümmten Abschnitten, das heißt in den geraden Berei chen des Antriebselementes 2 zwischen den gekrümmten oberen und unteren Bereichen 12, 16 der Bögen 3, er folgt die piezoelektrische Anregung. Diese geraden Bereiche stellen somit jeweils den aktiven Bereich 14 des Antriebselementes 2 dar. Die oberen und unteren Bereiche der Bögen werden im folgenden dementspre chend als passive Bereiche 12, 16 bezeichnet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung werden in den ak tiven Bereichen 14 Längsdehnungen in Richtung des elektrischen Feldes erzeugt. Durch eine Dehnung und Kontraktion dieser aktiven Bereiche 14 wird das ge samte Antriebselement 2 in seiner Längsausdehnungs richtung gedehnt und verkürzt. Das Antriebselement 2 kann aus Metall oder einem anderen inaktiven Material gefertigt sei, auf welchem piezoaktives Material und Elektroden zu dessen Ansteuerung von außen aufge bracht sind. Ebenso möglich ist eine Fertigung des Antriebselementes 2 aus Piezokeramik, in dessen akti ven Bereichen 14 die Elektroden aufgebracht sind. Beispielsweise kann zur Herstellung ungesinterte Fo lie mit den erforderlichen Elektroden bedruckt wer den, diese Folie anschließend geformt beziehungsweise geprägt und im geformten Zustand gesintert werden. Alternativ können die aktiven und die inaktiven (passiven) Bereiche als Multilayer ausgebildet sein, bei der die Folien wie beschrieben bedruckt und ge formt, anschließend aufeinander gestapelt, gepreßt und in einem Stück gesintert werden.

Für die Erzeugung einer translatorischen Bewegung des anzutreibenden Rotors 6 kann das Antriebselement 2, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, geradlinig geformt sein. Ebenso möglich sind jedoch auch andere, beispielsweise kreisförmige, Konturen. Damit können rotatorische Bewegungen erzeugt werden. Das Antriebs element 2 kann bei einer gebogenen oder kreisförmigen Kontur sowohl geschlossen sein als auch offen. Die Konturen der Bögen 3 des Antriebselementes 2 können sowohl sinusförmig oder kreisförmig, das heißt aus aneinander gesetzten Kreisbögen bestehend, sein. Auch ist die Einfügung gerader Abschnitte zwischen den Kreisbögen möglich. Es ist jedoch auch jede andere beliebige Form möglich.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Ausschnitt eines Antriebselementes 2 aus Fig. 1, bestehend aus zwei an einem Gehäuse 4 fixierten (unteren) passiven Bereichen 16 sowie dazwischen lie genden aktiven Bereichen 14 und einem diese verbin denden (oberen) passiven Bereich 12. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen verse hen und nicht noch einmal erläutert. Erkennbar sind hier die (unteren) passiven Bereiche 16, die mit ei nem Gehäuse 4 oder einem Boden fest verbunden sind und die dazwischen liegenden (geraden) aktiven Berei che 14, die durch Anlegen einer äußeren Spannung eine Dehnung oder Kontraktion erfahren können und durch geeignete Ansteuerung den oberen gebogenen passiven Bereich 12 und damit die Kontaktfläche zum hier nicht dargestellten Rotor eine elliptische Bewegung erfah ren lassen können. Diese Bewegung ist durch ein Pfeilsymbol 20 verdeutlicht. In der gezeigten Ausfüh rungsform besitzen die gebogenen passiven Bereiche 12, 16 des Antriebselementes 2 eine kreisförmige Kon tur, ebenso möglich sind jedoch auch andere, bei spielsweise sinusförmige oder ähnliche, Konturen. Durch eine Kontraktion der (geraden) aktiven Ab schnitte 14 verkürzen sich diese und ziehen den (oberen) passiven Bereich 12 in Richtung des Gehäuses 4 und dehnen ihn dabei gleichzeitig. Die unteren pas siven Bereiche 16 sind jeweils fest am Gehäuse 4 fi xiert. Durch eine geeignete Ansteuerung der beiden an einen (oberen) passiven Bereich 12 angrenzenden akti ven Bereiche 14 sowie der weiteren aktiven Bereiche 14 des gesamten Antriebselementes 2 ist eine ellipti sche Bewegung der Kontaktflächen der (oberen) passi ven Bereiche 12 zu dem anzutreibenden Rotor möglich, wodurch dieser in lineare Bewegung versetzbar ist.

Claims

1. Piezoelektrischer Antrieb mit einem gelagerten, eine Reibschlußverbindung zu einem anzutreibenden Teil (Rotor) herzustellenden, Antriebselement, wobei das Antriebselement wenigstens zwei piezoelektrische anregbare aktive Bereiche und wenigstens einen, zwi schen den aktiven Bereichen angeordneten, die Reib schlußverbindung zum Rotor herstellenden, passiven Bereich aufweist, und wobei die aktiven Bereiche bei einer elektrischen Ansteuerung alternierende Längs bewegungen ausführen und den zwischen ihnen liegenden passiven Bereich zu elliptischen Bewegungen anregen, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (2) eine Vielzahl piezoelektrischer anregbarer aktiver Bereiche (14) mit jeweils dazwischen angeordneten passiven Bereichen (12, 16) aufweist und eine regel mäßige wellenartige Kontur besitzt.

2. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (2) eine si nusförmige Kontur aufweist.

3. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das An triebselement (2) eine konstante Dicke und eine kon stante Breite aufweist.

4. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven und aktiven Bereiche (12, 14, 16) des An triebselementes (2) eine unterschiedliche Dicke und/oder Breite aufweisen.

5. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das An triebselement (2) aus Keramik besteht.

6. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Bereiche (14) des An triebselementes (2) mit aufgedruckten Elektroden ver sehen sind.

7. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das An triebselement (2) aus geformter und gesinterter Folie hergestellt ist.

8. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (2) aus mehreren bedruckten, geform ten, übereinander gestapelten und anschließend gesin terten Folien hergestellt ist.

9. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (2) eine geradlinige Längsausdehnung aufweist.

10. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprü che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das An triebselement (2) eine gekrümmte Längsausdehnung auf weist.

11. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprü che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das An triebselement (2) eine kreisförmige Außenkontur auf weist.

12. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Bereiche (12, 16) an ihren dem anzutreiben den Teil (6) und/oder an ihrem dem abstützenden Teil (4) zugewandten Flächen einen Reibbelag aufweisen.