DE2348169C3

DE2348169C3 - Piezoelektrischer Antrieb

Info

Publication number: DE2348169C3
Application number: DE2348169A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 6339 Fischbach Anders; Claus Christian Dipl.-Phys. 6374 Steinbach Cobarg; Max Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen Guntersdorfer
Original assignee: Braun GmbH; Siemens AG
Current assignee: Braun GmbH; Siemens AG
Priority date: 1973-09-25
Filing date: 1973-09-25
Publication date: 1978-09-28
Also published as: DE2348169A1; DE2348169B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Antrieb, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist und wie er in dem Hauptpatent P 2045 1O8J3 näher beschrieben ist

In der Hauptpatentanmeldung ist ein piezoelektrischer Antrieb zum Antreiben eines beweglichen Teiles, insbesondere des Untermessers eines Trockenrasierapparates beschrieben worden. Bei diesem Antrieb sind eine Anzahl piezoelektrisch anregbarer Biegestreifen zu zwei Paketen mechanisch miteinander parallelgeschaltet angeordnet Ein jeder Biegestreifen ist mit seinem einen Ende mit dem feststehenden Teil des Antriebs verbunden, z. B. durch Einklemmen, Einspannen oder Eingießen. Das jeweils andere Ende der Biegestreifen ist zusammen mit den weiteren Biegestreifen des jeweiligen Paketes in einem beweglichen Teil des Antriebs zusammengefaßt Bei piezoelektrischer Anregung der Biegestreifen eines Paketes, und zwar durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Elektrodenpaaren eines jeden Biegestreifens, führen diese Biegestreifen Biegebewegungen aus, die zu einer Hubbewegung eines beweglichen Teiles führen.

Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung werden periodische Hubbewegungen mit alternierendem Vorzeichen, d. h. Schwingungsbewegungen des beweglichen Teiles, hervorgerufen. Eine große Amplitude des Hubes erhält man bei gleichzeitiger Abgabe mechanischer Arbeit, wenn die Frequenz der anregenden elektrischen Spannung in der Nähe der Grundresonanzfrequenz des schwingenden Paketes liegt.

Die Biegestreifen für einen wie oben beschriebenen Antrieb sind im wesentlichen bekannt. Besonders vorteilhaft hierfür sind Biegestreifen, die einen Trägerstreifen aus piezoelektrisch nicht aktivem Material, insbesondere aus federelastischem Metall, aufweisen, auf deren einer oder vorteilhafterweise beiden Seiten (je) eine Belegung aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist. Vorzugsweise wird hierfür piezoelektrische Keramik verwendet, und zwar insbesondere solche auf der Basis des dotierten bzw. substituierten Bleizirkonat-Titanats. Spezielle Ausführungsformen eines piezoelektrischen Streifens für einen wie oben beschriebenen Antrieb, z. B. eines solchen mit einer im Betriebsfall S-förmigen, alternierenden Krümmung, sind in der Hauptpatentanmeldung näher beschrieben. Dort sind auch Einzelheiten über die Anordnung der bekannterweise notwendigen Elektroden auf den Oberflächen der piezoelektrischen Belegungen näher erläutert.

In dem Antrieb nach der Hauptpatentanmeldung ist die Gesamtheit der Biegestreifen des Antriebs auf zwei Pakete aufgeteilt. Die Aufteilung ist so gewählt, daß bei zueinander gegenphasiger Hubbewegung der Pakete ein praktisch vollständiger Schwingungsausgleich erreicht wird. Ein Antrieb dieser Bauart hat praktisch keine resultierende, d. h. nach außen wirksam werdende, Vibration. Die beiden feststehenden Teile der Pakete befinden sich nebeneinander und sind zu einer Einheit miteinander verbunden.

Sofern nur ein einziger Abtrieb gewünscht ist, empfiehlt es sich, die beiden einzelnen Abtriebe der Pakete miteinander abtriebsmäßig zu verbinden. Hierfür eignet sich beispielsweise eine kraftmäßige Verbindung mittels eines zweiarmigen Hebels, der auf einem Mittellager drehbar gelagert ist. Diese Verbindung bewirkt, daß eine mechanische Belastung, d. h. Abbremsung, eines der beiden Pakete automatisch auf die beiden Pakete aufgeteilt wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebe-

nen Antrieb zu schaffen, der verbessert nach außen hin vibrationsarm ausgebildet ist, d. h. bei dem eine verbesserte abtriebsmäßige Verbindung zwischen den zwei Paketen mit piezoelektrisch anregbaren Biegestreifen vorliegt.

Diese Aufgabe wird durch einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Antrieb gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, wie dies im Kennzeichen dieses Anspruches 1 angegeben ist

Die Bezeichnung »T-förmig« für die Verbindung charakterisiert die für die mechanische Kraftübertragung weseniiiche Form. Das »T« kann ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken durch ein Verbindungsteil realisiert sein, das z. B. die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat, wobei die Basis des Dreiecks den oberen Querbalken des T bildet und der senkrechte Balken des T mit der Höhe des Dreiecks übereinstimmt.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der die beiden Pakete 2 und 4 des Antriebs in der Schwingungsrichtung, angedeutet durch die Pfeile 3 und 5, nebeneinander angeordnet sind. Von den Biegestreifen 6 und 8 gibt die F i g. 1 nur die Seitenansicht wieder. Einzelheiten des Aufbaues der Biegestreifen sind mit Rücksicht auf deren Beschreibung in dem Hauptpatent hier weggelassen. Die einen Enden der Biegestreifen 6 bzw. 8 sind, wie aus der Figur ersichtlich, mit dem feststehenden Teil 1 des Antriebs, das z. B. ein Teilstück des Gehäuses ist, fest verbunden. Vorzugsweise sind die Biegestreifen wie in der DE-OS 21 07 590 angegeben fest eingespannt. Wie in der DE-OS 22 11751 beschrieben, ist es zweckmäßig, für diese Einspannung Stützlamellen vorzusehen.

An den jeweils gegenüberliegenden Enden der Biegestreifen eines Paketes befinden sich die beweglichen Teile 7 und 9 der Pakete 2 und 4. Diese Teile führen bei piezoelektrischer Anregung der Biegestreifen durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung, vorzugsweise der Netzspannung, Hubbewegungen nach Art eines Bifilarpendels in den Richtungen der bereits erwähnten Doppelpfeile 3 bzw. 5 aus. Für den Abtrieb des Paketes 2 ist an dem Teil 7 ein Arm 10 befestigt. Ein entsprechender Arm 12 befindet sich an dem Teil 9.

Zwischen den beiden, wie aus der Figur ersichtlich, einander gegenüberstehenden Armen 10 und 12 befindet sich eine Stange mit den beiden Anteilen 14 und 16. Diese beiden Anteile bilden zusammen mit einem Anteil 15 die erfindungsgemäß vorgesehene T-förmige Verbindung 13 zwischen den Armen 10 und 12 des jeweiligen Antriebs der Pakete 2 und 3 und dem Abtrieb am Ort 17 des in der F i g. 1 dargestellten Antriebs.

Das in der Figur rechtsseitige Ende des Anteils 14 und das linksseitige Ende des Anteils 16 der T-iörmigen Verbindung 13 sind durch je eine Kupplung mit dem Arm 10 bzw. 12 kraftschlüssig verbunden. Dieser Kraftschluß bewirkt eine Übertragung der Hubkräfte der Teile 3 und 5 auf das Ende des jeweiligen Anteiles 14 bzw. 16 der Verbindung 13. Die Kupplungen sind dabei so ausgeführt, daß eine Winkelbewegung zwischen dem Arm 10 und dem Anteil 14 bzw. zwischen dem Arm 12 und dem Anteil 16 ungehindert möglich ist. Für einen derartigen Kraftschluß hat sich insbesondere eine h> Kupplung mittels eines Zapfens in je einer entsprechenden Bohrung 100 bzw. 112 des Armes 10 bzw. 12 hewährt. Vorteilhafterweise ist in der Bohrung ein Gummi- oder Kunststofflager vorgesehen, in dem sich der jeweilige Zapfen befindet.

Am Ort 17 befindet sich der Abtrieb des in dieser Figur dargestellten Antriebs. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist an diesem Abtrieb ein Untermesser 18 eines Trockenrasierapparates angeschlossen. Weitere Einzelheiten, wie z. B. die Scherfolie eines derartigen Rasierapparates, die von diesbezüglich entsprechenden Rasierapparaten mit elektromagnetischem Antrieb her gut bekannt sind, sind der Übersichtlichkeit halber in der Darstellung der F i g. 1 weggelassen worden.

Ein erfindungsgemäß ausgestalteter Antrieb einer wie in F i g. 1 im Prinzip dargestellten Ausführungsform arbeitet in der wie folgt beschriebenen Weise.

Die Biegestreifen der Pakete 2 und 4 werden elektrisch so angeregt, daß die Teile 3 und 5 Hubbewegungen ausführen, die phasenmäßig derart zueinander synchronisiert sind, daß bei einem »Abwärtshub« des Armes 10 gleichzeitig ein »Aufwärtshub« des Armes 12 erfolgt. Entsprechend erfolgt ein Aufwärtshub des Armes 10 gleichzeitig mit einem Abwärtshub des Armes 12. Auf diese Weise wird die aus den Anteilen 14 und 16 gebildete stangenförmige Verbindung 13 des T wie ein zweiarmiger Hebel hin und her geschwenkt, der an der mit 19 bezeichneten Stelle drehbar gelagert sein könnte. Die Stelle 19 ist ein virtueller Drehpunkt der Stange aus den Anteilen 14 und 16, und zwar aufgrund des, bezogen auf das T, kraftmäßig symmetrischen Aufbaues.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß auch ein Antrieb mit einem bezüglich der beiden Pakete in deren Abmessungen unsymmetrischen Aufbau möglich ist, der, bezogen auf das T, durch Wahl zueinander unterschiedlicher Länge der Anteile 14 und 16 wieder derart symmetriert werden kann, daß der Punkt 19 wieder ein translatorischer Ruhepunkt ist.

Der Anteil 15 des T führt eine wie durch den Doppelpfeil 20 angedeutete Hubbewegung aus. Amplitude und Kraft dieser Hubbewegung kann durch Wahl der Länge des Anteils 15, bezogen auf die Längen der Anteile 14 und 16, in entsprechender Weise übersetzt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß eine Verlängerung des Anteils 15 zu einer Herabsetzung der mechanischen Eigenfrequenz, ζ. Β. Grundresonanzfrequenz, des Antriebs einschließlich des wie hier anzutreibenden Untermessers 18 führt. Eine Verlängerung führt zu entsprechend größerem Hub des Untermessers 18.

Aus den vorangehenden Ausführungen ist ohne weiteres ersichtlich, welche äquivalenten Formgebungen für die hier vorgesehene Verbindung 13 mit den Anteilen 14, 15 und 16 anstelle der T-Form verwendet werden kann, ohne das Prinzip der Erfindung zu verlassen.

Ebenfalls, ohne das Prinzip der Erfindung zu verlassen, kann am Ort 19 der Verbindung 13 auch ein Lager für diese Verbindung vorgesehen sein. Abgesehen von extremen Ungleichgewichten würde aber auf dieses Lager regelmäßig keine Kraft ausgeübt werden, so daß es entbehrlich ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind zum Zwecke der Vermeidung von nach außen tretenden, unerwünschten Vibrationen des Motors Ausgleichsgewichte an Hebelarmen vorgesehen. Solche Hebelarme und Ausgleichsgewichte sind in der Darstellung der Fig. 1 gestrichelt dargestellt, um die Figur möglichst übersichtlich zu halten. Es sind die Ausgleichsgewichte

22 und 24 vorgesehen, die an Armen 23 und 25 befestigt sind. Die Arme 23 und 25 sind mit dem beweglichen Teil 3 bzw. 5 fest verbunden. Bei 1 lubbewegungen der Teile 3 und 5 führen die Ausgleichsgewichte amplitudenmäßig gleichgroße parallelgerichtete und jjhasengleiche Hubbewegungen aus, wie sie durch die Doppelpfeile 26 und 28 angedeutet sind. Die Massen der Ausgleichsgewichte 22 und 24 sind zusammen mit den auf sie entfallenden und auf die Pakete entfallenden gewichtsmäßigen Anteile der Arme 23 und 25 so bemessen, daß ohne diese Ausgleichsgewichte sonst auftretende resultierende Rotationsschwingungen des Antriebs gemäß dieser Weiterbildung ausgeglichen sind. Die Ausgleichsgewichte bewirken ein Drehmoment um den Ort 19, das das resultierende Drehmoment der Pakete 2 und 4 und der Verbindung 13 und des Untermessers 18 ausgleicht. Wesentlich für diese Weiterbildung ist, daß sich das einem Paket (2 bzw. 4) zugehörige Ausgleichsgewicht (22 bzw. 24) im Bereich der, bezogen auf das feststehende Teil des Paketes, unteren Hälfte befindet. Die Länge des Armes 23 bzw. 25 geht in die vorzusehende Bemessung der für den Ausgleich notwendigen Masse der Ausgleichsgewichte 22 bzw. 24 in entsprechender Weise ein.

Ein Antrieb in der wie dargestellten Ausführungsform kann grundsätzlich symmetrisch ausgeführt sein, und zwar bezogen auf eine Mittelebene, die parallel der Ebene der Darstellung der F i g. 1 ist und die mitten durch die Pakete der Biegestreifen hindurch verläuft. Eine solche symmetrische Ausführungsform hat den Vorzug besonders günstigen Kräfteausgleiches auf beiden Seiten des Antriebs von denen die Fig. 1 eine Seite zeigt. Bei einer solchen symmetrischen Ausführungsform sind dann zwei mechanisch parallel wirkende Verbindungen 13 vorgesehen, in entsprechender weise empfiehlt es sich auch Ausgleichsgewichte, wie sie mit 22 und 24 bezeichnet sind, symmetrisch auf beiden Seiten des Antriebs anzuordnen.

Fig. 2 zeigt lediglich schematisch das Prinzip einer Anordnung der Pakete m Schwingungsrichtung nebeneinander, und zwar in einer geschnittenen Darstellung. Die Schnittebene verläuft vergleichsweise zur Fig. 1 senkrecht und durch die Mitte des Antriebs hindurch. Der in F ι g. 2 dargestellte Längsschnitt ist aus einer vergleichsweise zu F i g. 1 seitlichen, waagrechten Richtung gesehen. Der Einfachheit halber sind die in der F i g. 2 verwendeten Bezeichnungen der F i g. 1 entnommen worden. Das zur Ausführungsform nach F i g. 1 Gesagte gilt sinngemäß für die Ausführungsform nach Fig. 2 101 ist das feststehende Teil.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Antriebs. Mit 32 und 34 sind die mn den Paketen 2 und 4 zu vergleichenden Pakete aus Biegestreifen dieser Ausführungsform bezeichnet. An dem linksseitigen Ende sind sie mit dem Gehäuse fest verbunden. Wie durch die Pfeile 33 und 35 angedeutet, führen die Pakete 32 und 34 bei bestimmungsgemäßem Gebrauch gtgenphasige Schwingbewegunpen aus. Mit 36 ist die mit 13 der Ausführungsform nach F i g. 1 vergleichbare Verbindung in T Form bezeichnet. An dem einen Ende dic-er Verbindung ist, wie die F i g. 3 zeigt, das s Unicrmesser 18 angekuppelt. Mit 37 und 39 sind diese Teile der Pakete 32 und 34 bezeichnet, die die Verbindung von den freischwingenden Enden der Pakete 32 und 34 zu den weiteren F.nden der T-förmigen Verbindung 36 herstellen. Bei der Ausführungsform

K; nach I ι g. 3 ergib; sich ebenso wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ein virtueller Drehpunkt für die T-formige Verbindung 36.

F i g. 4 zeigt eine weitere Variante einer Ausführungsform Die Pakete 42 und 44 aus Biegestreifen sind

I^s) jeweils über die Verbindungen 47 und 49 mit dem T-förmigen Verbindungsteil 46, wie die Fig.4 zeigt, verbunden. An dem drillen Ende der T-iörmigen Verbindung 46 befindet sich das angekuppelte Untermesser 18. Mit 43 und 45 sind die Bewegungen der Pakete 42 und 44 in einer Phase angedeutet. Entsprechend der jeweiligen Ausführungsformen nach den Fig. 1,2 und 3 schwingt auch bei der Ausführungsform nach F i g. 4 die T-förmige Verbindung46 um einen virtuellen Drehpunkt und versetzt das Untermesser 18 in im wesentlichen longitudinal Hin- und Herbewegungen bzw. Hubbewegungen. An ihrem linksseitigen Ende sind die Pakete 42 und 44 vergleichsweise zu den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen mit dem Gehäuse fest verbunden, z. B. in dasselbe eingespannt.

Der Vorteil der Ausführungsformen nach den F i g. 3 und 4 ist der, daß für einen praktisch vollständigen Massenausgleich der schwingenden Massen, d. h. für die Vibrationsfreiheit des Antriebs nach außen, Gegengewichte entbehrlich sind. Grundgedanke hierbei ist. daß zwei am gleichen Teilstück des Gehäuses befestigte Lamellenpakete vorgesehen sind, die mit entgegengesetzter Phase schwingen.

Fig. 5 zeigt im Schema eine Weiterbildung einer

■»o Ausführungsform nach F i g. 3. Entsprechenderweise läßt sich diese Weiterbildung auch für die anderen Ausführungsformen anwenden. Wie die F i g. 5 zeigt, ist eine leichte Schrägstellung der Pakete 52 und 54 zueinander vorgesehen, und zwar durch deren Einspan-

"5 nung in den Gehäuseteil 51. Die Pakete 52 und 54 entsprechen ansonsten ganz den Paketen 32 und 34.

Durch die leichte Schrägstellung der Lamellenpakete 52 und 54 zueinander ist es bei dieser Anordnung nach F i g. 5 sogar möglich, einen wenigstens teilweisen

so Ausgleich für die Bewegungs-Reaktionskräfte des angekuppelten Untermessers 18 zu schaffen.

Ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Antrieb ist außer für die Verwendung als Antrieb eines Trockenrasierapparates auch für andere Geräte wie Nagelfeilen.

Massageapparate und für solche Zwecke verwendbar, bei denen Hubbewegungen erforderlich sind

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Antrieb zur Erzeugung im wesentlichen geradliniger Hubbewegungen mit zwei ⁵ mechanisch miteinander parallelgeschalteten, phasenentgegengesetzt schwingenden Paketen, die jeweils aus piezoelektrisch anregbaren Biegestreifen, die zwischen einem feststehenden Körper des Antriebs und einem anzutreibenden Körper angeordnet und mit ihrem jeweils einen Ende in einem der Körper fest eingespannt sind, bestehen, wobei die Biegestreifen jeweils wenigstens eine Belegung aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit darauf befindlichen Elektroden haben und wobei die beiden Pakete bezüglich ihrer Masse aufeinander abgestimmt bemessen sind, gekennzeichnet dadurch, daß ein im wesentlichen T-fönniges Übertragungsgestänge ohne Mittellager (13,36; 46) vorgesehen ist, dessen einander gegenüberliegende Enden (14, 16) durch Kupplungen mit je einem der Abtriebe (10,12; 37,39; 47,49) der Pakete (2,4; 32, 34; 42,44) kraftschlüssig verbunden sind, und dessen drittes Ende (15) der Abtrieb für das anzutreibende bewegliche Teil (18) ist.

2. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pakete in Schwingungsrichtung (3, 5; 33, 35; 43, 45) hintereinander angeordnet sind (F i g. 1,3,4,5).

3. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pakete in Schwingungsrichtung (3,5) nebeneinander angeordnet sind (Fig-2).

4. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupplungen für die Abtriebe der Pakete (2,4; 32,34; 42, 44) Bohrungen (in Fig. 1 110, 112) mit Gummioder Kunststofflager vorgesehen sind.

5. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pakete (2, 4) mit Ausgleichsgewichten (22. 24) versehen sind, die an Armen (23,25) angeordnet sind, die mit je einem der beweglichen Teile (7, 9) der Pakete fest verbunden sind.

6. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der « Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verbindungen (13) und gegebenenfalls zwei Paare Ausgleichsgewichte (22, 24) vorgesehen und symmetrisch, bezogen auf den Antrieb, angeordnet sind.

7. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei den einander gegenphasig schwingenden Paketen die mit dem feststehenden Teil (31, 41, 51) des Antriebs verbundenen Enden der Pakete auf ein und derselben Seite des Antriebs befinden (F i g. 3,4,5).

8. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pakete (52,54) eine leichte Schrägstellung 7ueinander haben (F i g. 5).

9. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das anzutreibende bewegliche Teil (18) das Untermesser eines Trockenrasierers ist.