DE19845134A1 - Piezoelektrische Antriebsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung mit wenigstens einem im wesentlichen quaderförmigen piezoelektrischen Element und mit Mitteln zur Erzeugung einer Schwingung des piezoelektrischen Elements in einer Schwingungsebene (x/y-Ebene), wobei an wenigstens einer Mantelfläche des piezoelektrischen Antriebselementes ein Stößel zum Aufbringen einer Stoßkraft in einer Stoßrichtung (x-Richtung) vorgesehen ist. DOLLAR A Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist innerhalb des Volumens des Piezoelementes ausschließlich ein im Zentrum des Piezoelementes angeordnetes zentrales Aufhängeelement vorgesehen, welches eine Vorspannkraft in der Stoßrichtung auf das piezoelektrische Element ausübt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung mit wenigstens einem im wesentlichen quaderförmigen piezoelektrischen Element und mit Mitteln zur Erzeugung einer Schwingung des piezoelektrischen Elements in einer Schwingungsebene (x/y-Ebene), wo bei an wenigstens einer Mantelfläche des piezoelektrischen Antriebselementes ein Stößel zum Aufbringen einer Stoßkraft in einer Stoßrichtung (x-Richtung) vorgesehen ist.

Eine derartige Antriebsvorrichtung ist beispielsweise aus der EP 633 616 A2 bekannt. Diese bekannte Antriebsvorrichtung weist als Piezoelement eine rechteckförmige Platte mit einem Stößel auf, mittels dessen eine Kraft in Stoßrichtung beispielsweise auf eine anzutreibende Welle übertragen werden kann. Das Piezoelement weist vier elektrisch ansteuerbare Elektroden auf, mittels derer das piezoelektrische Element zu einer Schwingung in einer Schwingungsebene anregbar ist. Der Stößel bewegt sich bei dieser Schwingung etwa auf einer elliptischen Kurve. Bei der bekannten elektrischen Antriebsvorrichtung ist ein Vorspannelement vorgesehen, welches mittels einer Federkraft auf die dem Stößel gegenüberliegenden Mantelfläche des piezoelektrischen Elementes drückt. Außerdem sind vier Einspannelemente vorgesehen, welche auf die seitlichen Mantelflächen des Piezoelementes einwirken, wobei zwei der Einspannelemente steif ausgebildet sind und die anderen beiden Einspannelemente mittels einer Federkraft auf eine der seitlichen Mantelflächen des Piezoelementes drücken. Das Vorspannelement drückt den Stößel des piezoelektrischen Elementes gegen das anzutreibende Element, beispielsweise die anzutreibende Welle. Die federnden Einspannelemente bewirken eine Vorspannung zwischen dem Piezoelement und einem Motorgehäuse, um zu verhindern, daß das in zur Schwingungsebene senkrechter Richtung verhältnismäßig dünn ausgebildete Piezoelement um eine zur Stoßrichtung senkrechte oder parallele Achse rotieren bzw. seine Lage verändern kann. Die federnden Einspannelemente führen jedoch dazu, daß zwischen allen Einspannelementen und dem Piezoelement immer eine Reibkraft auftritt, durch die die Schwingungsgüte und damit die Leistung des Motors reduziert werden. Auch durch die mittels des Vorspannelementes in der Stoßrichtung aufgebrachte Vorspannungskraft wird die Schwingung des piezoelektrischen Elementes wesentlich bedämpft, da die Vorspannkraft in einem Schwingungsbauch der Längsschwingung des piezoelektrischen Elementes eingeleitet wird.

Bei einer Ausführungsform der aus der EP 633 616 A2 bekannten Antriebsvorrichtung sind innerhalb der piezoelektrischen Platte drei Löcher zur mechanischen Einspannung vorhanden, an denen drei Einspannhebel ansetzen. Zusätzlich sind noch zwei senkrecht zu der Stoßrichtung auf die seitlichen Mantelflächen des piezoelektrischen Elementes einwirkende Einspannfedern sowie eine in der Vorspannrichtung auf die dem Stößel gegenüberliegende Mantelfläche einwirkende Vorspannfeder vorhanden. Auch diese Ausführungsform ist sehr aufwendig und weist einen geringen Wirkungsgrad auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen höheren Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb des Volumens des Piezoelementes ausschließlich ein im Zentrum des Piezoelementes an geordnetes zentrales Aufhängeelement vorgesehen ist und daß das zentrale Aufhängeelement zum Aufbringen einer Vorspannkraft in der Stoßrichtung vorgesehen ist.

Im Zentrum des piezoelektrischen Elementes haben sowohl die Längsschwingung als auch die Biegeschwingung des piezoelektrischen Elementes einen Knoten. Das zentrale Aufhängeelement behindert daher weder die Längs- noch die Biegeschwingung. Auch das Aufbringen der Vorspannkraft in der Stoßrichtung an dem zentralen Aufhängeelement verursacht keine Reibungsverluste. Dadurch, daß das zentrale Aufhängeelement ausschließlich im Zentrum angeordnet wird, steht außerhalb dieses Zentrums das gesamte Volumen des piezoelektrischen Elementes als aktives Resonatorvolumen zur Verfügung. Daher hat die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung einen hohen Wirkungsgrad.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, das piezoelektrische Element ausschließlich mittels des zentralen Aufhängeelementes zu lagern und keine weiteren Einspannelemente vorzusehen. Eine derartige Konstruktion ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Piezoelement genügend groß gewählt werden kann, so daß auch für das zentrale Aufhängeelement genügend Platz zur Verfügung steht. Vorzugsweise ist in dem Piezoelement ein zentrales rechteckförmiges Loch vorgesehen, in den ein rechteckförmiger Bolzen eingepreßt oder eingeklebt ist. Ein derartiges rechteckförmiges Loch ist insbesondere für das Aufnehmen hoher Drehmomente, welche um eine senkrecht oder parallel zur Stoßrichtung in der Schwingungsebene verlaufende Achse wirken, geeignet.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist insbesondere für Anwendungen vorteilhaft, in denen das zur Verfügung stehende Volumen des piezoelektrischen Elementes begrenzt ist. Bei derartigen Applikationen steht vielfach im Zentrum des Piezoelementes nicht genügend Platz zur Verfügung, um eine derart stabile Aufhängung vorzusehen, welche auch hohe Drehmomente aufnehmen kann, da dadurch das zur Verfügung stehende aktive Piezovolumen zu sehr eingeschränkt würde und demzufolge nicht genügend Leistung mittels der Antriebsvorrichtung aufgebracht werden könnte. Daher ist gemäß Anspruch 2 das Piezoelement zusätzlich mittels Einspannelementen eingespannt, welche auf die Mantelflächen des Piezoelementes in der y-Richtung und/oder der z-Richtung einwirken. Diese Einspannelemente verhindern insbesondere, daß das Piezoelement um eine senkrecht oder parallel zur Stoßrichtung in der Schwingungsebene verlaufende Achse rotieren kann. Bei einer derartigen Anordnung ist es möglich, das zentrale Aufhängeelement relativ klein auszubilden, so daß das zentrale Aufhängeelement nur wenig Piezovolumen beansprucht. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich auch Kleinstantriebe mit gutem Wirkungsgrad realisieren.

Bei der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist das Piezoelement zwar in den zur Stoßrichtung (x-Richtung) senkrechten Richtungen (y, z) eingespannt. Diese Einspannung wird jedoch vorzugsweise möglichst gleitfähig und ohne Aufbringung einer Vorspannungskraft auf das Piezoelement ausgebildet. Bei möglichst gleitfähiger Einspannung treten keine Reibkräfte zwischen dem Piezoelement und den Einspannelementen auf. Dadurch wird die Güte der Schwingung des Piezoelementes erhöht und der Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung verbessert.

Mittels der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 läßt sich eine größere Positionierpräzision der Antriebsvorrichtung erreichen. Mittels der Vorspannkraft wird das zwischen den Einspannelementen vorhandene Spiel weitgehend beseitigt und dadurch die Präzision des Antriebs erhöht. Allerdings treten infolge der Vorspannkraft Reibkräfte zwischen dem Piezoelement und den Einspannelementen auf, welche die Güte der Schwingung und damit den Wirkungsgrad etwas vermindern.

Mittels der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 5 lassen sich eventuell auftretende Reibkräfte zwischen den Einspannelementen und dem Piezoelement vermindern, da sich das Piezoelement an den Stellen der Einspannung nur in der Stoßrichtung bewegt.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist kostengünstig und einfach zu fertigen. Das eine Einspannelement des ersten Paares verhindert eine Bewegung des Piezoelementes in der positiven y-Richtung und das andere Einspannelement des ersten Paares eine Bewegung des Piezoelementes in der entgegengesetzten negativen y-Richtung. In entsprechender Weise wird die Bewegung des piezoelektrischen Elementes in der z-Richtung mittels des zweiten Paares begrenzt.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 7 gewährleistet einen guten Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung bei gleichzeitig hoher Verstellpräzision. Dadurch, daß nur ein einziges Einspannelement zur Aufbringung einer Vorspannkraft vorgesehen ist, werden die Reibungskräfte zwischen den Einspannelementen und dem Piezoelement minimiert. Gleichzeitig gewährleistet jedoch die mittels des einzigen Einspannelementes aufgebrachte Vorspannkraft eine hohe Stellpräzision.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 8 läßt sich besonders einfach und kostengünstig fertigen. Wenn das piezoelektrische Element bei der Schwingung gegen die elastischen Einspannelemente stößt, so halten diese elastischen Einspannelemente das piezoelektrische Element zurück, bis dieses infolge der elektrischen Ansteuerung an dem anderen Paar von Einspannelementen zum Anschlag kommt. Die elastischen Einspannelemente üben keine Vorspannkraft auf das piezoelektrische Element aus.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Antriebsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 9 und 10 ermöglichen eine einfache und kostengünstige Herstellung des Motors.

Die Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 11 hat den Vorteil, daß in der Stoßrichtung der Abstand zwischen dem zentralen Aufhängeelement und den in y-Richtung steifen Einspannungen auch bei einem Abrieb des Stößels infolge Verschleiß konstant bleibt. Dadurch wird gewährleistet, daß die in y-Richtung steifen Einspannungen auch bei Abrieb des Stößels immer genau an den Knoten der Biegeschwingung positioniert sind. Dadurch wird auch bei längerem Betrieb des Antriebes eine geringe Reibung zwischen den Einspannelementen und dem Piezoelement erzielt und damit ein gleichbleibend guter Wirkungsgrad des Antriebs gewährleistet. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 12 ermöglicht eine einfache Anbringung der elektrischen Anschlüsse an die Ansteuerelektroden des Piezoelementes.

Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung bieten sich insbesondere bei Laufwerken zum Antrieb der Lese- oder Schreibeinheit, insbesondere bei optischen Laufwerken wie CD- oder DVD-Laufwerken, bei denen mit möglichst hoher Geschwindigkeit bei gleichzeitig geringem Platz- und Leistungsbedarf die optische Einheit in radialer Richtung über den optischen Datenträger bewegt werden muß. Die Positionierung eines Positioniertisches eines Elektronenmikroskops stellt eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit dar. Außerdem bieten sich Einsatzmöglichkeiten überall dort, wo die von herkömmlichen Elektromotoren erzeugten Magnetfelder die Gerätefunktion stören können, wie beispielsweise bei medizinischen Anwendungen, oder wo solche Magnetfelder aus anderen Gründen unerwünscht sind, wie beispielsweise bei Rasierapparaten.

Einige schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung in den Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine Antriebsvorrichtung mit einem quaderförmigen piezoelektrischen Element, welches mittels eines einzigen im Zentrum angeordneten zentralen Aufhängeelementes in einem Gehäuse gelagert ist,

Fig. 2a eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung, dessen Piezoelement sowohl mittels eines zentralen Aufhängeelementes als auch mittels auf die Mantelflächen des Piezoelementes einwirkender Einspannelemente in dem Gehäuse gelagert ist,

Fig. 2b die Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 2a in Seitenansicht,

Fig. 2c den Schwingungsverlauf der Längsschwingung des piezoelektrischen Elementes,

Fig. 2d den Schwingungsverlauf der Biegeschwingung des piezoelektrischen Elementes,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 2, wobei die Einspannelemente vorspannungsfrei auf das piezoelektrische Element einwirken,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf einen Rahmen, der zur Aufhängung und Einspannung des piezoelektrischen Elementes in dem Gehäuse vorgesehen ist,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht auf den Rahmen gemäß Fig. 4 zusammen mit dem an dem Rahmen aufgehängten piezoelektrischen Element,

Fig. 6 ein CD-Laufwerk mit einem erfindungsgemäßen Motor,

Fig. 7 eine weitere Ausführung eines CD-Laufwerks mit dem erfindungsgemäßen Motor und

Fig. 8 eine dritte Ausführung eines CD-Laufwerks mit einem erfindungsgemäßen Motor.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine elektrische Antriebsvorrichtung mit einem Piezoelement 1, welches an einer ersten Mantelfläche 2 einen Stößel 3 aufweist. Das Piezoelement 1 ist in einem Gehäuse 4 mittels eines zentralen Aufhängeelementes 5 gelagert. Das zentrale Aufhängeelement 5 weist einen rechteckförmigen Bolzen 6 auf, der in ein rechteckförmiges Loch 7 des piezoelektrischen Elementes 1 eingreift. Der Bolzen 6 kann in dem Loch 7 mittels einer Preßverbindung oder mittels eines Klebstoffes befestigt werden. An dem Bolzen 6 greift eine Vorspannfeder 8 an, welche das Piezoelement 1 in der Stoßrichtung (x-Richtung) des piezoelektrischen Elementes 1 gegen das Gehäuse 4 vorspannt. Auf der Oberseite 9 des piezoelektrischen Elementes 1 sind vier rechteckförmige Ansteuerelektroden 10, 11, 12 und 13 flächig aufgebracht. Auf der gegenüberliegenden Unterseite des Piezoelementes 1 ist eine nicht näher dargestellte gemeinsame Bezugselektrode aufgebracht. Die Polarisierungsrichtung des Piezoelementes 1 unterhalb der Ansteuerelektroden 10, 11, 12 und 13 ist überall gleich. Mittels nicht näher dargestellter Ansteuerungsmittel wird das Piezoelement 1 über die Ansteuerelektroden 10, 11, 12 und 13 so angesteuert, daß das Piezoelement 1 in der Schwingungsebene (x/y-Ebe­ ne) schwingt, wobei die Schwingung sich als Überlagerung zweier orthogonaler Schwingungen (in x- bzw. y-Richtung) ergibt. Durch geeignete Ansteuerung und durch geeignete Wahl der Geometrie des Piezoelementes 1 können die Resonanzfrequenzen der beiden orthogonalen Schwingungen so eingestellt werden, daß beide Schwingungen mit ausreichender Amplitude und gewünschter Phasenlage angeregt werden und daß der Stößel 3 sich auf einer in der x/y-Ebene liegenden Kurve, insbesondere auf einer ellipsenförmigen Kurve E, deren Hauptachse einen Winkel von z. B. 30° mit der x-Achse bildet, bewegt. Infolge dieser ellipsenförmigen Bewegung kann mittels des Stößels 3 ein anzutreibendes Element 14 in der y-Richtung durch periodisches Stoßen gegen das anzutreibende Element 14 bewegt werden.

Das zentrale Aufhängeelement 5 kann infolge der rechteckförmigen Ausbildung des Bolzens 6 und des Loches 7 große Kräfte und Drehmomente aufnehmen. Daher ist die ausschließliche zentrale Lagerung mittels des zentralen Aufhängeelementes 5 möglich. Das zentrale Aufhängeelement 5 befindet sich im Schwingungsknoten sowohl der Längs- als auch der Biegeschwingung des Piezoelementes 1. Da sich das Piezoelement somit im Bereich des zentralen Aufhängeelementes 5 nicht bewegt, wird die Güte der Schwingung des Piezoelementes durch das zentrale Aufhängeelement 5 sowie die mittels der Vorspannfeder 8 aufgebrachte Vorspannkraft in der Stoßrichtung x nicht gemindert. Es treten keine Reibungsverluste auf. Der Motor gemäß Fig. 1 hat daher einen hohen Wirkungsgrad.

Die Fig. 2a und 2b zeigen eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung. Für gleiche Elemente werden die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet. Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2a ist das piezoelektrische Element 1 mittels eines zentralen Aufhängeelementes 20 an dem Gehäuse 4 gelagert. Das zentrale Aufhängeelement 20 weist einen kreisförmigen Bolzen 21 auf, welcher in einem kreisförmigen Loch 22 des piezoelektrischen Elementes 1 befestigt ist. Dieses zentrale Aufhängeelement 20 ist besonders einfach zu fertigen. Insbesondere können der kreisförmige Bolzen 21 und das kreisförmige Loch 22 auch mit sehr geringem Durchmesser ausgebildet werden. Dadurch geht durch das zentrale Aufhängeelement 5 nur sehr wenig aktives Piezovolumen verloren. Dies ist insbesondere für Kleinstantriebe vorteilhaft, bei denen nur sehr wenig Piezovolumen zur Verfügung steht. Auf den kreisförmigen Bolzen 21 wirkt eine Vorspannfeder 23 ein, welche das Piezoelement 1 in der Stoßrichtung (x-Richtung) gegen das Gehäuse 1 verspannt. Um die Aufhängung mittels des zentralen Aufhängeelementes 20 zu unterstutzen, weist die Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 2a ein erstes, an dem Gehäuse 4 befestigtes steifes Einspannelement 24 auf, welches die Bewegung des Piezoelementes 1 in der y-Richtung begrenzt. Dem ersten steifen Einspannelement 24 gegenüberliegend ist ein zweites federndes Einspannelement 25 angeordnet, welches in der y-Richtung eine Vorspannkraft auf das piezoelektrische Element 1 ausübt. Das erste steife Einspannelement 24 wirkt auf die Mantelfläche 26 und das zweite federnde Einspannelement 25 auf die gegenüberliegende Mantelfläche 27 des piezoelektrischen Elementes 1 ein.

Fig. 2b zeigt die Anordnung gemäß Fig. 2a in der Seitenansicht. Zur Begrenzung der Schwingung des piezoelektrischen Elementes 1 in der z-Richtung sind ein elastisches Einspannelement 28 und ein elastisches Einspannelement 29 vorgesehen. Das elastische Einspannelement 28 ist zur Einwirkung auf eine obere Mantelfläche 30 und das elastische Einspannelement 29 zur Einwirkung auf eine untere Mantelfläche 31 des Piezoelementes 1 vorgesehen, wobei diese keine Vorspannkraft auf das piezoelektrische Element 1 ausüben. Die elastischen Einspannelemente 28 und 29 sind nicht zur Aufnahme großer Kräfte ausgelegt. Wenn das Piezoelement 1 bei seinen Schwingungen gegen die elastischen Einspannelemente 28 und 29 stößt, wirken diese elastisch auf das Piezoelement 1 in der z-Richtung ein und halten das Piezoelement 1 zurück. Durch die elektrische Ansteuerung wird das Piezoelement 1 dann gegen die in der y-Richtung wirkenden Einspannelemente 24 bzw. 25 gedrückt wird, welche zur Aufnahme größerer Kräfte vorgesehen sind.

Die Fig. 2c und 2d zeigen den Verlauf der Amplituden der beiden orthogonalen Schwingungen des Piezoelementes 1 in x- bzw. y-Richtung bei Betrieb der elektrischen Antriebsvorrichtung entlang der Längsrichtung x des Piezoelementes 1. Fig. 2c zeigt den Verlauf der Longitudinalschwingung und Fig. 2d zeigt den Verlauf der Biegeschwingung. Durch Überlagerung dieser beiden orthogonalen Schwingungen ergibt sich die oben beschriebene elliptische Kurve, auf der sich der Stößel 3 bewegt. Die Einspannelemente 24, 25, 28 und 29 sind allesamt in den Schwingungsknoten A der Biegeschwingung angeordnet, d. h. an den Stellen in x-Richtung, an denen die Schwingung in y-Richtung eine Nullstelle hat. Durch die Positionierung der Einspannelemente in den Schwingungsknoten der Biegeschwingung werden die an diesen Einspannelementen auftretenden Reibungsverluste minimiert.

Die Antriebsvorrichtung gemäß den Fig. 2a und 2b ist besonders für Applikationen geeignet, bei denen einerseits wenig Platz für das piezoelektrische Element zur Verfügung steht und andererseits eine hohe Verstellgenauigkeit gefordert ist. Die hohe Verstellgenauigkeit wird mittels des federnden Einspannelementes 25 gewährleistet, welche das Spiel zwischen den Einspannelementen 24, 25, 28 und 29 herausdrückt. Da die Einspannelemente 24, 25, 28 und 29 das zentrale Aufhängeelement 20 unterstützen, kann das zentrale Aufhängeelement 20 sehr dünn ausgeführt werden, so daß es nur wenig Piezovolumen beansprucht. Die Einspannelemente 24, 25, 28 und 29 verhindern insbesondere eine Rotation des Piezoelementes 1 sowohl um eine in y-Richtung als auch um eine in x-Richtung verlaufende Achse.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in Draufsicht. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform gemäß den Fig. 2a und 2b. Daher sind auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. Als einziger Unterschied zu der Ausführungsform gemäß den Fig. 2a und 2b weist die Ausführungsform gemäß Fig. 3 anstelle des federnden Einspannelementes 25 ein steifes Einspannelement 32 auf. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist somit das Piezoelement mittels der in y-Richtung wirkenden steifen Einspannelemente 24 und 32 sowie mittels der in Fig. 3 nicht gezeigten in z-Richtung wirkenden elastischen Einspannelemente 28 und 29 vorspannungsfrei in den zur Stoßrichtung (x-Richtung) senkrechten Richtungen (y, z) eingespannt. Bei Betrieb der Antriebsvorrichtung bewegt sich das Piezoelement 1 relativ zu den Einspannelementen 24, 32, 28 und 29 in der x-Richtung. Diese Bewegung in x-Richtung wird bei der Anordnung gemäß Fig. 3 am Ort der Einspannelemente 24, 32, 28 und 29 aufgrund der gleitenden Ausführung der Einspannelemente nicht behindert. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung im Vergleich zu der Antriebsvorrichtung gemäß den Fig. 2a und 2b. Infolge des Spiels zwischen den Einspannelementen 24, 32, 28 und 29 muß jedoch eine geringere Verstellgenauigkeit in Kauf genommen werden.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Rahmen 40, der zur Aufhängung und Einspannung eines nicht dargestellten piezoelektrischen Elementes vorgesehen ist. Mittels des Rahmens 40 kann beispielsweise die in der Fig. 3 dargestellte Aufhängung und Einspannung des piezoelektrischen Elementes 1 auf besonders vorteilhafte Weise realisiert werden. Der Rahmen 40 weist ein rechteckförmiges Grundgestell 41 mit vier Schenkeln 41a, 41b, 41c und 41d auf. In der Mitte des Schenkels 41a ist der kreisförmige Bolzen 21 gemäß Fig. 3 befestigt. An den gegenüberliegenden Ecken sind das erste steife Einspannelement 24 und das zweite steife Einspannelement 32 befestigt. An dem ersten steifen Einspannelement 24 ist seitlich abstehend das elastische Einspannelement 28 sowie an dem zweiten steifen Einspannelement 32 das elastische Einspannelement 29 befestigt. Die elastischen Einspannelemente 28 und 29 sind als federnde Nasen ausgebildet, welche nicht zur Aufnahme großer Kräfte ausgelegt sind. Vielmehr haben die elastischen Einspannelemente 28 und 29 die Aufgabe, bei Bewegungen des Piezoelementes in der z-Richtung das Piezoelement in der z-Richtung etwas zurückzuhalten, bis es, verursacht durch die elektrische Ansteuerung, an den steifen Einspannelementen 24 und 32 zum Anschlag kommt. Die steifen Einspannelemente 24 und 32 sind zur Aufnahme größerer Kräfte ausgelegt. Der kreisförmige Bolzen 21 ist zur Befestigung in dem kreisförmigen Loch 22 gemäß Fig. 3 vorgesehen. Der Rahmen 40 ist verschiebbar in der x-Richtung in dem Gehäuse 4 der Antriebsvorrichtung gelagert, wobei in der y-Richtung nicht dargestellte Führungen vorzusehen sind. In der x-Richtung ist der Rahmen 40 mittels der Vorspannfeder 23 gegen das Gehäuse 4 vorgespannt. Die Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 lassen sich in äquivalenter Weise auch mittels eines Einbaurahmens realisieren.

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht den Einbaurahmen 40 gemäß Fig. 4 zusammen mit dem an dem Rahmen 40 aufgehängten und eingespannten Piezoelement 1. Der kreisförmige Bolzen 21 des Rahmens 40 ist in dem kreisförmigen Loch 22 des Piezoelementes 1 befestigt. In der y-Richtung ist das Piezoelement 1 mittels der steifen Einspannelemente 24 und 32 eingespannt. In der z-Richtung ist das Piezoelement 1 mittels der elastischen Einspannelemente 28 und 29 eingespannt. Die Einspannelemente 24, 32, 28 und 29 sind so dimensioniert, daß sie im Ruhezustand des Piezoelementes 1 dieses nicht berühren. Auch bei den mikroskopischen Schwingungen des Piezoelementes 1 tritt im wesentlichen keine Reibung zwischen den steifen Einspannelementen 24 und 32 und dem Piezoelement 1 auf, da sich die steifen Einspannelemente 24 und 32 an den Knoten der Biegeschwingung des Piezoelementes 1 befinden. Daher treten bei den mikroskopischen Schwingungen des Piezoelementes 1 im wesentlichen keine Reibungskräfte zwischen dem Piezoelement 1 und den Einspannelementen 24, 32, 28 und 29 auf. Die Einspannung und Aufhängung des Piezoelementes 1 mittels des Rahmen 40 hat insbesondere den Vorteil, daß der Abstand D zwischen dem kreisförmigen Bolzen 21 und den steifen Einspannelementen 24 und 32 auch bei Verschleiß des Stößels 3 immer konstant bleibt. Dadurch wird gewährleistet, daß auch bei Verschleiß des Stößels 3 sich die steifen Einspannelemente 24 und 32 immer in den Schwingungsknoten der Biegeschwingung des Piezoelementes 1 befinden. Damit wird während der gesamten Betriebsdauer der elektrischen Antriebsvorrichtung gewährleistet, daß keine Reibungskräfte zwischen den steifen Einspannelementen 24 und 32 und dem Piezoelement 1 auftreten. Dies gewährleistet einen gleichbleibend hohen Wirkungsgrad.

Die Anwendung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung bei einem CD-Laufwerk ist in Fig. 6 dargestellt. Bei solchen Laufwerken muß ein mit einem Lese-/Schreibkopf 53, 54 versehener Arm 52 in radialer Richtung über eine CD 51 bewegt werden, welche von einem Motor 50 angetrieben ist. Der Arm 52 ist auf einer um eine Drehachse 56 drehbaren Welle 55 angeordnet, die von einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung angetrieben wird. Hierzu ist ein Piezoelement 1 in einem Gehäuse 4 angeordnet, welches gegen die Welle 55 vorgespannt ist. Über den Stößel 3 wird eine Kraft auf die Welle 55 übertragen, welche dadurch je nach Ansteuerung des Piezoelementes 1 in beiden Drehrichtungen drehbar ist, so daß sich der Arm 52 in der gewünschten Richtung über die CD 51 bewegt.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines CD-Laufwerks mit einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 65. Dabei ist der Lese-/Schreibkopf hinter einer Linse 60 verborgen. Die gesamte Lese-/Schreibeinheit ist auf einem Schlitten 61 untergebracht und wird mittels der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 65 entlang zweier Führungen 62, 63 linear in radialer Richtung der CD 51 bewegt. Dabei kann das piezoelektrische Antriebselement 65 fest im Gehäuse des CD-Laufwerks eingebaut sein und über den Stößel 3 gegen den Schlitten 61 stoßen und diesen bewegen.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 8 gezeigt, bei der die piezoelektrische Antriebseinheit 65 auf dem Schlitten 61 angebracht ist. Der Stößel 3 stößt gegen ein Teil des Laufwerkgehäuses 64, und die piezoelektrische Antriebsvorrichtung 65 und der Schlitten 61 bewegen sich gemeinsam.

Claims (16)

1. Antriebsvorrichtung mit wenigstens einem im wesentlichen quaderförmigen piezoelektrischen Element und mit Mitteln zur Erzeugung einer Schwingung des piezoelektrischen Elements in einer Schwingungsebene (x/y-Ebene), wobei an wenigstens einer Mantelfläche des piezoelektrischen Antriebselementes ein Stößel zum Aufbringen einer Stoßkraft in einer Stoßrichtung (x-Richtung) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Volumens des Piezoelementes ausschließlich ein im Zentrum des Piezoelementes angeordnetes zentrales Aufhängeelement vorgesehen ist und daß das zentrale Aufhängeelement zum Aufbringen einer Vorspannkraft in der Stoßrichtung vorgesehen ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement mittels zur Einwirkung auf die Mantelflächen vorgesehener Einspannelemente in den zur Stoßrichtung (x-Richtung) senkrechten Richtungen (y, z) eingespannt ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement mittels der Einspannelemente vorspannungsfrei in den zur Stoßrichtung (x-Richtung) senkrechten Richtungen (y, z) eingespannt ist.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement mittels einer Vorspannkraft zwischen den Einspannelementen eingespannt ist.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannelemente jeweils in den Schwingungsknoten der Biegeschwingung des Piezoelementes angeordnet sind.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu den Mantelflächen des Piezoelementes zur Begrenzung der Bewegung des piezoelektrischen Elementes in der y-Richtung ein erstes Paar von Einspannelementen und zur Begrenzung der Bewegung des piezoelektrischen Elementes in der z-Richtung ein zweites Paar von Einspannelementen vorgesehen sind.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich eines der Einspannelemente in den zur Stoßrichtung (x-Richtung) senkrechten Richtungen (y, z) zur Aufbringung einer Vorspannkraft vorgesehen ist.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar der Einspannelemente elastisch ausgebildet ist, daß das eine Einspannelement des anderen Paares steif ausgebildet ist und daß das andere Einspannelement des anderen Paares zur Aufbringung einer Vorspannkraft vorgesehen ist.

9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufhängeelement und die Einspannelemente als einstückiger Rahmen ausgebildet sind.

10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des piezoelektrischen Elementes ein Loch vorgesehen ist, in dem ein Befestigungsstift angeordnet ist, und daß die Vorspannkraft in der Stoßrichtung an dem Befestigungsstift angreift.

11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen zwei sich gegenüberliegende, in y-Richtung steife Einspannungen am Ort eines Knotens der Biegeschwingung aufweist und daß der Befestigungsstift in dem Loch des piezoelektrischen Elementes sowohl in der Stoßrichtung (x-Richtung) als auch in der y-Richtung steif befestigt ist.

12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement auf einer sich parallel zur Schwingungsebene (x/y-Ebene) erstreckenden Mantelfläche vier Ansteuerelektroden aufweist und daß vier Kontaktelemente für die Ansteuerelektroden etwa in den Schwingungsknoten der in Stoßrichtung (x) verlaufenden Biegeschwingung des Piezoelements oder etwa mittig zwischen den Mantelflächen des Piezoelements angeordnet sind.

13. Verwendung des Motors nach Anspruch 1 zum Antrieb eines Elements in zur Stoßrichtung (x) senkrechter Richtung (y) oder eines um eine senkrecht zur Schwingungsebene (x/y-Ebene) verlaufende Drehachse drehbaren Elements.

14. Elektronisches Gerät zum Lesen von auf einem Datenträger gespeicherten Informationen und/oder zum Schreiben von Informationen auf einen Datenträger, insbesondere einen optischen Datenträger wie eine CD oder eine DVD, mit einer Le­ se- und/oder Schreibeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät eine elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 zum Antrieb der Lese- und/oder Schreibeinheit aufweist.

15. Elektrischer Rasierer mit einem rotierenden Scherkopf, dadurch gekennzeichnet, daß der Rasierer eine elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 zum Antrieb des Scherkopfes aufweist.

16. Elektronenmikroskop mit einem verstellbaren Positioniertisch zur Positionierung eines zu untersuchenden Objektes, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung des Positioniertisches eine Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgesehen ist.