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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Antriebssystem,
in welchem ein elastisches Mittel einen piezoelektrischen Motor
an ein angetriebenes Element drückt.
Derartige piezoelektrische Antriebssysteme sind aus dem Stand der Technik
bekannt. Das elastische Mittel bewirkt, dass die auf Reibung basierenden
Antriebskräfte
vom piezoelektrischen Motor auf das angetriebene Element übertragen
werden und dieses in Bewegung versetzen. Das elastische Mittel bewirkt
weiterhin, dass Fertigungstoleranzen und Abnutzung des piezoelektrischen
Motors und/oder des angetriebenen Elementes ohne Nachjustage ausgeglichen
werden können.
Das elastische Mittel wird typischerweise so gewählt und ausgelegt, dass mechanische
Schwingungen des piezoelektrischen Motors nicht in eine Basis, auf
welche das piezoelektrische Antriebssystem montiert ist, eingekoppelt
werden. Die Art und Bausweise des elastischen Mittels sind für den Bauraum und
die Gesamtkosten des piezoelektrischen Antriebssystems mitbestimmende
Faktoren.
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Aus
der
US 6,664,714 ist
beispielsweise ein piezoelektrisches Antriebssystem bekannt, in
welchem ein piezoelektrischer Motor so ausgelegt ist, dass er ein
angetriebenes Element linear (im Falle eines Stabes) oder rotierend
(im Falle eines Rades) in zwei entgegen gesetzte Richtungen bewegen
kann. Als elastisches Mittel weist dieses piezoelektrische Antriebssystem
beispielsweise eine Blattfeder auf, welche in eine Öffnung eines,
den piezoelektrischen Motor bildenden Rahmens eingepresst ist. Dies
hat den Nachteil, dass die vibrationstechnisch einwandfreie mechanische
Verbindung zwischen der Blattfeder und dem piezoelektrischen Motor
mit einfachen Mitteln nicht ohne weiteres gewährleistet werden kann. Außerdem ist
die Blattfeder über
einen, im Vergleich zum piezoelektrischen Motor relativ großen Bereich
mit dem piezoelektrischen Motor verbunden, so dass die Krafteinleitung
nicht eindeutig definiert ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches
Antriebssystem zur Verfügung
zu stellen, in welchem ein elastisches Mittel einen piezoelektrischen
Motor an ein angetriebenes Element drückt. Das elastische Mittel kontaktiert
den piezoelektrischen Motor in einem eng definierten Bereich und
drückt
damit in definierter Weise den piezoelektrischen Motor an das angetriebene
Element. Das elastische Mittel ist aber nicht fest mit dem piezoelektrischen
Motor verbunden. Im Vergleich zum Stand der Technik ist weiterhin
vorteilhaft, dass sich die Lastverhältnisse am elastischen Mittel mit
einfachsten Mitteln beim und nach dem Einbau in das piezoelektrische
Antriebssystem einstellen lassen.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand von Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße piezoelektrische
Antriebssystem besteht aus einem piezoelektrischen Motor, welcher
ein angetriebenes Element antreibt, sowie einem elastischen Mittel,
welches den piezoelektrischen Motor gegen das angetriebene Element drückt. Das
elastische Mittel der Erfindung ist eine Schraubenfeder.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die beiden Endbereiche der Schraubenfeder an
einer Grundplatte befestigt. Die Schraubenfeder berührt den
piezoelektrischen Motor im Bereich einer gewählten Windung der Schraubenfeder und
drückt
den piezoelektrischen Motor mit dieser gewählten Windung an das angetriebene
Element. Auf diese Art und Weise können je nach gewählter Windung
und je nach gewähltem
Kontaktpunkt am piezoelektrischen Motor unterschiedliche Lastverhältnisse
eingestellt werden. Insbesondere kann die Schraubenfeder auf Zug,
Druck, Scherung und Biegung beansprucht werden.
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Bevorzugt
drückt
die gewählte
Windung in einer zur Schraubenfeder seitlichen Richtung an den piezoelektrischen
Motor an, d.h., die Richtung der Andruckkraft liegt nicht parallel
zur Längsachse
der Schraubenfeder.
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Der
Begriff einer Grundplatte ist hier im weitesten Sinne gemeint. Die
Grundplatte muss insbesondere nicht eine Plattenform haben, sondern
kann andere Ausführungsformen
haben, welche zur Befestigung der Endbereiche der Schraubenfeder
dienen.
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In
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
der piezoelektrische Motor einen ersten Vorsprung auf, gegen welchen
sich die gewählte
Windung der Schraubenfeder verstemmen kann.
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Der
piezoelektrische Motor ist vorteilhaft drehbar gelagert, zum Beispiel
mittels eines Stiftes, welcher bevorzugt an einem zweiten Vorsprung
des piezoelektrischen Motors angeordnet ist. Der erste Vorsprung
ist bezüglich
der drehbaren Lagerung des piezoelektrischen Motors vorteilhaft
so angeordnet, dass die Schraubenfeder über die gewählte Windung am ersten Vorsprung
eine elastische Hebelwirkung bezüglich
der Längs-
oder Drehachse der Stiftes erzeugt.
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Die
gewählte
Windung unterteilt die Schraubenfeder in einen ersten Teilbereich
und einen zweiten Teilbereich. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Anzahl der Windungen im ersten Teilbereich der Schraubenfeder
verschieden von der Anzahl der Windungen im zweiten Teilbereich.
Besonders vorteilhaft sind die Windungen der unbelasteten Schraubenfeder
in gleichen Abständen
gewunden. Solche Schraubenfedern sind standardmäßig industriell erhältlich.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Schraubenfeder durch die gewählte Windung
derart in einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich
unterteilt, dass sich der statische Lastzustand im ersten Teilbereich der
Schraubenfeder vom statischen Lastzustand im zweiten Teilbereich
unterscheidet. Insbesondere können
die Teilbereiche unterschiedlichen Zug- oder Druckbelastungen unterworfen
sein.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
weitere Ansicht der bevorzugten Ausführungsform aus 1;
und
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3 eine
weitere Ansicht der bevorzugten Ausführungsform aus 1.
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1 zeigt
ein piezoelektrisches Antriebssystem (1), welches einen
piezoelektrischen Motor (2), ein angetriebenes Element
(11), sowie ein elastisches Mittel (20) zum Andrücken des
piezoelektrischen Motors (2) gegen das angetriebene Element (11)
aufweist.
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2 und 3 zeigen
weitere Ansichten des in 1 gezeigten piezoelektrischen
Antriebssystems (1).
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Der
gezeigte piezoelektrische Motor (2) besteht aus einem Resonator
(3) und einem piezoelektrischen Element (4). Im
Betrieb erzeugt das piezoelektrische Element (4) mechanische
Schwingungen im Resonator (3). Am Resonator (3)
ist ein Antriebskörper
(8) angeformt, welcher mit dem angetriebenen Element (11)
in Kontakt steht und dieses mittels der mechanischen Schwingungen
des Resonators (3) antreibt. Das piezoelektrische Antriebssystem
(1) der Erfindung kann aber auch mit anderen Arten und Bauweisen
von piezoelektrischen Motoren (2) als dem gezeigten aufgebaut
werden, ohne den Sinn und Zweck der Erfindung zu verletzen.
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Das
elastische Mittel (20) besteht aus einer Schraubenfeder
(21), welche in ihren zwei Endbereichen (22a),
(22b) an einer Grundplatte (10) befestigt ist.
Hierzu sind die Endbereiche (22a), (22b) geeignet umgebogen
und unterscheiden sich damit von den restlichen Windungen der Schraubenfeder
(21). Die Grundplatte (10) dient hier gleichzeitig
zur Befestigung und Lagerung des piezoelektrischen Motors (2) sowie
des angetriebenen Elementes (11).
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Bei
der Schraubenfeder (21) handelt es sich um eine, im unbelasteten
Zustand gerade Schraubenfeder, welche gleichmäßig gewundene Windungen aufweist,
die im unbelasteten Zustand gleichen Abstand zueinander haben. Eine
gewählte
Windung (25) der Schraubenfeder (21) drückt gegen
einen, am Resonator (3) angeformten, ersten Vorsprung (7). Hierdurch
wird die Schraubenfeder (21) seitlich belastet und wird,
da die Endbereiche (22a), (22b) festgehalten werden,
entlang dieser Richtung durchgebogen.
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Die
gewählte
Windung (25) unterteilt die Schraubenfeder (21)
in einen ersten Teilbereich (23) und einen zweiten Teilbereich
(24). Die Anzahl von Windungen im ersten Teilbereich (23)
muss nicht dieselbe sein wie die Anzahl von Windungen im zweiten Teilbereich
(24). Je nach Wahl der gewählten Windung (25)
können
somit gezielt die auf den piezoelektrische Motor (2) wirkenden
Lastverhältnisse
eingestellt werden. Dies ist auch noch nach dem Aufbau des piezoelektrischen
Antriebssystems (1) leicht möglich, indem die gewählte Windung
(25) über
den ersten Vorsprung (7) hinweg gehoben wird und die nächste Windung
der Schraubenfeder (21) zur gewählten Windung (25)
gemacht wird.
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Der
in 1 gezeigte piezoelektrische Motor (2)
vermag das angetriebene Element (11) in zwei Richtungen
anzutreiben. Die Kraft und Geschwindigkeit der Bewegung des angetriebenen
Elementes (11) in der jeweiligen Richtung hängt auch
von der durch das elastische Mittel (20) erzeugten, statischen Vorlast
ab. Dadurch, dass eine gewählte
Windung (25) der Schraubenfeder (21) bestimmt
werden kann und diese während
oder nach dem Zusammenbau des piezoelektrischen Antriebssystems
(1) auf einfachste Weise geändert werden kann, ist es möglich, die
Kraft und Geschwindigkeit der Bewegung des angetriebenen Elementes
(11) in der jeweiligen Richtung gezielt einzustellen. Je
mehr Windungen die Schraubenfeder (21) aufweist, umso feiner
lassen sich Kraft und Geschwindigkeit in der jeweiligen Richtung
einstellen. Somit lassen sich gewisse fertigungsbedingte Toleranzen
des piezoelektrischen Motors (2) durch das hier gewählte elastische
Mittel (20) ausgleichen.
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An
dem Resonator (3) ist ein zweiter Vorsprung (6)
angeformt. Dieser dient zur Aufnahme eines zylindrischen Stiftes
(5), um den piezoelektrischen Motor (2) um die
Längsachse
des Stiftes (5) drehbar zu lagern. Der Stift (5)
ist an der Grundplatte (10) befestigt. Durch die Distanz
zwischen der Längsachse
des Stiftes (5) und der Stelle, wo die gewählte Windung
(25) den ersten Vorsprung (7) angreift, ergibt
sich ein Hebelarm, so dass die gewählte Windung (25)
um die Längsachse
des Stiftes (5) ein gezieltes Moment aufbringt und damit
den Antriebskörper
(8) in definierter Weise an das angetriebene Element (11)
andrückt.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- piezoelektrisches
Antriebssystem
- 2
- piezoelektrischer
Motor
- 3
- Resonator
- 4
- piezoelektrisches
Element
- 5
- Stift
- 6
- zweiter
Vorsprung
- 7
- erster
Vorsprung
- 8
- Antriebskörper
- 10
- Grundplatte
- 11
- angetriebenes
Element
- 20
- elastisches
Mittel
- 21
- Schraubenfeder
- 22a,
22b
- Endbereiche
der Schraubenfeder (21)
- 23
- erster
Teilbereich der Schraubenfeder (21)
- 24
- zweiter
Teilbereich der Schraubenfeder (21)
- 25
- gewählte Windung
der Schraubenfeder (21)