DE19859024A1

DE19859024A1 - Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE19859024A1
Application number: DE1998159024
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Schmoll; Peter Rehbein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-06-29
Also published as: JP2000201488A

Abstract

Es wird eine Antriebsvorrichtung (1) mit einem vorgespannten Piezo-Element (2) vorgeschlagen, bei dem der Anpressdruck an das anzutreibende Teil (10) unabhängig von der Vorspannkraft einzustellen ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass auf der zum anzutreibenden Teil (10) hinweisenden Seite des Piezo-Elementes (2) ein vom anzutreibenden Teil (10) verschiedenes Druckelement (4) vorhanden ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Antrieb für unterschiedlichste Zwecke werden mittlerweile neben elektromotorischen Antriebsvorrichtungen auch Antriebe unter Verwendung von Piezo-Elementen benutzt. Derartige Antriebsvorrichtungen werden bei linearen Verstellungen, beispielsweise als Schiebedachantrieb oder Einzugsvorrichtung für Magnet- oder Chipkarten oder auch als rotatorische Antriebe verwendet.

Bei solchen Antriebselementen werden Piezo-Kristalle verwendet, die aufgrund ihrer inneren Struktur in der Lage sind, nach entsprechender elektrischer Ansteuerung eine Stößelbewegung, zum Beispiel eine kreisförmige Bewegung oder elliptische Bewegung durchzuführen. Beim Anpressen solcher Elemente gegen das anzutreibende Teil wird dieses entsprechend bewegt.

Grundsätzlich ist mit Piezo-Elementen nur ein gewisser Anteil der eingebrachten Energie in mechanische Energie umzusetzen. Der hierfür relevante Verlustfaktor kann durch eine mechanische Vorspannung des Piezo-Elements reduziert werden. Mit zunehmender Vorspannung wird der Verlustfaktor kleiner. Damit verbunden ist eine Verringerung der Erwärmung des Piezo-Elements im Betrieb, wobei die maximale erzielbare Auslenkung des Piezo-Elementes hiervon kaum beeinflußt wird.

Bisherige Antriebselemente der beschriebenen Art erzeugen eine Vorspannung durch Anpressung des Piezo-Antriebselementes an das anzutreibende Teil. Hierdurch wird zum einen die Vorspannung des Antriebselementes und zum anderen die zur Erzeugung des für die Mitnahme des anzutreibenden Teils notwendige Reibung durch Anpressung des Antriebselementes an das anzutreibende Teil erzielt. Nicht immer ist jedoch ein hoher Anpressdruck an das anzutreibende Teil erwünscht. Falls ein niedriger Anpressdruck gewählt wird, so ist bislang ein entsprechend schlechter Verlustfaktor in Kauf zu nehmen.

Vorteile der Erfindung

Gegenüber einer Antriebsvorrichtung der beschriebenen Art hat die Erfindung die Aufgabe, einen Antrieb vorzuschlagen, bei dem auch bei niedrigem Anpressdruck des anzutreibende Teils ein guter Verlustfaktor erreicht wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Antriebsvorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend wird bei einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wenigstens auf der zum antreibenden Teil hinweisenden Seite des Piezo-Elementes ein vom anzutreibenden Teil verschiedenes Druckelement zum Vorspannen des Piezo- Elements vorgesehen.

Der Hintergrund dieser Maßnahme ist die Entkopplung der Funktion der Vorspannung des Piezo-Elementes und der Anpressung des Antriebselementes an das anzutreibende Teil. Hierdurch kann die Anpressung des Antriebselementes an das anzutreibende Teil, die sich auch auf die maximale Vortriebskraft bzw. die Geschwindigkeit der Antriebsvorrichtung auswirkt, unabhängig von der Vorspannung variiert werden, durch die der Verlustfaktor beeinflußt wird.

Zur Vorspannung des Piezo-Elementes wird bevorzugt auf der dem ersten Druckelement gegenüberliegenden Seite des Piezo- Elementes ein weiteres, zweites Druckelement vorgesehen, so daß das Piezo-Element durch Zusammenziehen oder -drücken der beiden Druckelemente vorgespannt wird. Hierzu wird wenigstens ein Spannelement zum Verspannen der Druckelemente vorgesehen.

Die Druckelemente und Spannelemente müssen mit hohen Vorspannkräften arbeiten, ohne daß die Bewegungsfähigkeit des Piezo-Elementes, insbesondere quer zur Vorspannrichtung nennenswert beeinträchtigt wird. In Biegerichtung soll das Piezoelement seine volle Bewegungsfreiheit beibehalten.

Bei der momentan zur Verfügung stehenden Materialauswahl sind daher metallische Elemente zur Erzielung der hohen Vorspannkräfte von Vorteil, wobei grundsätzlich jede andere Art von Material, das die erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweist, verwendbar ist.

Das zweite, auf der der Antriebsseite gegenüberliegenden Seite des Piezo-Elementes angeordnete Druckelement kann beispielsweise durch die Lagerung gebildet werden. Das Piezo- Element ist auf dieser Lagerung montiert und wird dann durch das Druckelement und das Spannelement auf diese Lagerung gepreßt, wobei die Lagerung den für das Vorspannen erforderlichen Gegendruck aufbringt.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird ein von der Lagerung verschiedenes Druckelement verwendet. Hierdurch wird die Lagerung der Antriebsvorrichtung unabhängig von der Ausbildung der Vorspannung und muß dementsprechend auch die hohen Vorspannkräfte nicht aufnehmen. Die Konstruktion der Lagerung ist daher nicht mehr durch die Funktion als Druckelement beeinträchtigt.

Bevorzugt werden ein oder mehrere Druckelemente als Druckplatten ausgebildet, um einen flächigen Angriff der Vorspannkraft auf dem Piezo-Element zu verwirklichen.

Weiterhin empfiehlt es sich, wenigstens ein Spannelement als zwischen den Druckelementen wirkendes Zugelement auszubilden. Ein derartiges Zugelement wirkt unmittelbar auf die beidseits des Piezo-Elements angeordneten Druckelemente und ist daher konstruktiv erheblich einfacher zu gestalten, als beispielsweise ein Spannelement, das auf Druck arbeitet und zusätzlich ein weiteres Gegenlager benötigt.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein solches Spannelement in einem entsprechenden Durchlaß des Piezo- Elementes angeordnet. Diese Anordnung erlaubt zum einen eine gleichmäßige Druckverteilung der Vorspannkraft durch zentralen Angriff des Spannelements an den Druckelementen und benötigt zum anderen keinen Platz außerhalb des Piezo- Elementes.

In einer anderen Ausführungsart der Antriebsvorrichtung werden die Druckelemente seitlich über das Piezo-Element überstehend ausgebildet, so daß im Bereich dieses Überstandes ein Spannelement zum Zusammenziehen der Druckelemente angeordnet werden kann.

Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, zwei oder mehrere Piezo-Elemente mit einem oder mehreren gemeinsamen Druckelementen zu versehen. So kann beispielsweise eine gemeinsame Druckplatte sich über die Antriebsseite mehrerer benachbart zueinander angeordneter Piezo-Elemente erstrecken. In einer Weiterbildung dieser Ausbildungsform kann das Spannelement zum Aufbringen der Vorspannkraft zwischen zwei Piezo-Elementen angeordnet werden und bei Verwendung eines Druckelementes für zwei oder mehrere Piezo-Elemente die Vorspannkraft zugleich für eben diese Vielzahl von Piezo-Elementen erzeugen.

Bevorzugt wird das Spannelement zum Aufbringen der Vorspannkraft aus einem in Biegerichtung des Piezo-Elementes flexiblen Material gefertigt.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,

Fig. 2 eine Weiterbildung der Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Weiterbildung der Ausführungsform gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 6 eine Weiterbildung der Ausführungsform gemäß Fig. 5.

Die Antriebsvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 umfaßt ein Piezo- Element 2, das auf einem Lagerblock 3 aufgesetzt ist. Eine Druckplatte 4 ist auf das Piezo-Element 2 aufgesetzt. Eine Zugstange 5 ist mit einem Gewindeabschnitt 6 im Innengewinde 7 des Lagerblocks 3 verschraubt. Die Zugstange 5 durchsetzt eine entsprechende Bohrung im Innern des Piezo-Elementes 2. Eine Schraubenmutter 8 ist auf der gegenüberliegenden Seite auf die Zugstange 5 aufgeschraubt und erzeugt über die Druckplatte 4 die erforderliche Vorspannkraft. Weiterhin ist ein Reibelement 9 vorgesehen, um die Vortriebskraft durch Reibung auf ein anzutreibendes Teil 10 aufzubringen.

Durch die innere Struktur des Piezo-Elementes 2 kann mittels Strombeaufschlagung an nicht näher dargestellten Kontaktelementen das Piezo-Element 2 sowohl in eine Hubbewegung in Richtung des Doppelpfeils V als auch in eine Biegebewegung in Richtung des Doppelpfeils H im Bereich des Reibelementes 9 versetzt werden. Durch Überlagerung beider Bewegungen H, V mit entsprechender Phasenkopplung läßt sich beispielsweise eine elliptische Bewegung des Reibelementes 9 erzeugen, wobei im Bereich des oberen Totpunkts das Reibelements 9 auf das zu bewegende Teil 10 angepresst wird und dieses in der Seitwärtsbewegung mitnimmt. Durch Wiederholung dieser Bewegung steht ein linear Antrieb für das zu bewegende Teil 10.

Die Geschwindigkeit dieses Linearantriebs hängt zum einen natürlich von der Frequenz dieser periodischen Bewegung ab. Zum anderen hängt die maximale Vortriebsgeschwindigkeit jedoch auch von der Zeitdauer der Kontaktierung zwischen dem Reibelement 9 und dem anzutreibenden Teil 10 ab. Im Bereich des oberen Totpunkts bezüglich der Bewegungsrichtung V ist die Vortriebsgeschwindigkeit in Querrichtung H am größten. Bei geringer Anpresskraft des anzutreibenden Teils 10 auf das Reibelement 9 ist der Winkelbereich dieser Kontaktphase um den oberen Totpunkt kleiner als bei größerer Anpresskraft. Somit ist die maximale Vortriebsgeschwindigkeit bei kleiner Anpresskraft groß, die maximale Vortriebskraft jedoch aufgrund der geringeren Reibung kleiner. Umgekehrt wird bei größerer Anpresskraft die maximale Vortriebskraft größer, wobei jedoch die maximale Vortriebsgeschwindigkeit reduziert ist.

Diese Einstellung kann nunmehr aufgrund der vom Anpressdruck des zu bewegenden Teils 10 auf das Reibelement 9 unabhängigen Vorspannung des Piezo-Elementes 2 mit Hilfe der Druckplatte 4 und der Zugstange 5 nach Belieben eingestellte werden. Unabhängig von der Einstellung der Anpresskraft kann die Vorspannung möglichst hoch gewählt werden, um die Energieverluste im Antriebssystem zu reduzieren.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 entspricht im wesentlichen dem vorgenannten Beispiel, wobei nun eine zweite Druckplatte 11 zwischen dem Lagerblock 3 und dem Piezo-Element 2 angeordnet ist. Dementsprechend ist die Zugstange 5 dieser Ausführungsform zwischen die Druckplatten 4 und 11 gespannt. In dieser Ausführungform dient der Lagerblock 2 nicht mehr als Druckelement für das Piezo-Element 2. Zum einen ergibt sich hierbei eine größere Freiheit in der konstruktiven Ausgestaltung des Lagerblocks 3, da die aufzubringenden Vorspannkräfte nicht mehr berücksichtigt werden müssen. Zum anderen ist in diesem Fall die Antriebsvorrichtung 1 unabhängig vom Montageort 3 und kann als separate, vorgespannte Einheit gehandhabt werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 umfaßt eine Druckplatte 12, die einen seitlichen Überstand 13, 14 über das Piezo-Element 2 aufweist. Zwei Zugstangen 15, 16 beidseits des Piezo- Elementes 2 sorgen ähnlich wie im erstgenannten Ausführungsbeispiel für eine Verspannung der Druckplatte 12 gegenüber dem Lagerblock 3, wobei sie in entsprechende Innengewinde 17, 18 eingeschraubt sind. Zur Verspannung ist wiederum jeweils eine Schraubenmutter 19, 20 vorgesehen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist eine zweite Druckplatte 21 zwischen dem Lagerblock 3 und dem Piezo- Kristall 2 angeordnet ist, die wiederum seitliche Überstände 22, 23 aufweist. Die Druckplatten 12, 21 werden über die Zugstangen 15, 16 im Bereich der seitlichen Überstände 13, 14, 22, 23 verspannt. In dieser Ausführungsform findet die Verspannung seitlich des Piezo-Elementes 2 ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 statt, wobei sich eine vom Lagerblock 3 unabhängige Ausführungsvariante ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ergibt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sind zwei Piezo-Elemente 24, 25 mit Hilfe einer Druckplatte 26 und einer Zugstange 27 am Lagerblock 3 verspannt. Die Zugstange 27 befindet sich hierbei zwischen den Piezo-Elementen 24, 25 und ermöglicht somit in Verbindung mit der Druckplatte 26 eine gleichmäßige Druckverteilung auf beide Piezo-Elemente durch eine einzige Zugstange 27. Die Vorspannung wird wiederum über eine auf die Zugstange 27 aufgeschraubte Schraubenmutter 28 erzeugt.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 weist gegenüber der Antriebseinheit gemäß Fig. 5 eine zweite Druckplatte 29 auf, so daß auch hier eine Anordnung mit mehreren Piezo-Elementen 24, 25 und nur einer Zugstange 27 unabhängig vom Lagerblock 3 zu verspannen und handzuhaben ist.

In den Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 6 sind beide Piezo-Elemente 24, 25 mit Reibelementen 30, 31 versehen wodurch die maximal auf das anzutreibende Teil 10 aufzubringende Vortriebskraft entsprechend vervielfacht ist.

Bezugszeichenliste

1

Antriebsvorrichtung

2

Piezo-Element

3

Lagerblock

4

Druckplatte

5

Zugstange

6

Gewindeabschnitt

7

Innengewinde

8

Schraubenmutter

9

Reibelement

10

anzutreibendes Teil

11

zweite Druckplatte

12

Druckplatte

13

Überstand

14

Überstand

15

Zugstange

16

Zugstange

17

Innengewinde

18

Innengewinde

19

Schraubenmutter

20

Schraubenmutter

21

zweite Druckplatte

22

Überstand

23

Überstand

24

Piezo-Element

25

Piezo-Element

26

Druckplatte

27

Zugstange

28

Schraubenmutter

29

Druckplatte

30

Reibelement

31

Reibelement

Claims

1. Antriebsvorrichtung mit einem Piezo-Element und einem anzutreibenden Teil, wobei eine Vorspannung für das Piezo- Element vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zum anzutreibenden Teil (10) hinweisenden Antriebsseite des Piezo-Elementes (2) ein vom anzutreibenden Teil (10) verschiedenes Druckelement (4) zur Vorspannung des Piezo- Elements (2) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem ersten Druckelement (4) gegenüberliegenden Seite des Piezo-Elementes (2) ein zweites Druckelement (3, 11) angeordnet ist und wenigstens ein Spannelement (5) zum Verspannen der Druckelemente (3, 4, 11) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der dem ersten Druckelement (4) gegenüberliegenden Seite des Piezo-Elementes (2) angeordnete Lagerung (3) als zweites Vorspannelement dient.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Druckelement (11) von der Lagerung (3) verschieden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Druckelement (4, 11) als Druckplatte ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Spannelement (5) als zwischen den Druckelementen (3, 4, 11) wirkendes Zugelement ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Spannelement (5) das Piezo-Element (2) durchsetzt.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Druckelemente (3, 12, 21) seitlich über das Piezo-Element überstehen und wenigstens ein Spannelement (15, 16) im Bereich des Überstandes (13, 14, 22, 23) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Piezo-Elemente (24, 25) mit einem gemeinsamen Druckelement (26) versehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Spannelement (27) zwischen zwei Piezo-Elementen (24, 25) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine in Querrichtung H flexibles Spannelement (5, 15, 16, 27) vorhanden ist.