DE29616945U1 - Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler - Google Patents
Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und WegwandlerInfo
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- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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Description
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrisch angetriebenen Winkel- und Wegwandler, insbesondere
einen solchen mit einem oder mehreren piezoelektrischen Linearaktuatoren in Stapel- bzw.
Multilayerbauweise als Antriebselemente, welche durch eine angelegte veränderliche elektrische
Spannung bekannterweise zu einer entsprechenden Längenänderung gebracht werden können, die
aber nur im Durchschnitt ca. 1 Mikrometer pro Millimeter Aktuatorlänge erreicht und für viele
Anwendungsfalle nicht ausreicht. Die Verbesserung der Zusammenhänge zwischen der Spannung
und der Längenänderung des Aktuators durch Veränderung der piezoelektrischen Materialeigenschaften sowie der Ansteuerungsmöglichkeiten der Aktuatoren und ihr innerer
Aufbau sind nicht Gegenstand der Erfindung.
Für die Anwendung der Aktuatoren haben sich einige feste Einsatzgebiete ergeben, bei denen
unterschiedliche kleine Hübe mittels wechselnder elektrischer Spannung hochfrequent ausgeführt
werden müssen, wie bei Ventilsteuerungen (z.B. EP 0568902, EP 0619210, EP0693382, US
5239319, WO 94/00696, WO 94/09912), oder wo Positionierungen von Körpern im
Mikrometer- und Nanometerbereich, wie in der Optik u.a. (z.B. in den Patenten EP 0594362, EP
0608900, US 5.394.049, US 5.465021, WO 94/06160) erforderlich sind.
Bei erforderlichen größeren Wegen ist die Baulänge der Stapelaktuatoren oft unzulässig groß, so
daß die Wege mechanisch, hydraulisch, pneumatisch o.a. vergrößert werden müssen (z.B. nach
DE 3618544). Bekannt ist auch die Verwendung eines einfachen Hebels, auf dessen kürzerem
Schenkel der Aktuator wirkt und an dessem längeren Hebelarm der Weg (Kreisbogen) verwendet
wird. Es gibt Einzellösungen, bei denen auch gelenkig verbundene Glieder objektangepaßt als
Wegwandler wirken (z.B. DE 4312937, DE 4401496, EP 0655736, EP 0696821, US 5111101,
US 5410207, US 5479064).
Beim Ausweichen aufsog, piezoelektrische Bimorphe (Biegewandler) wird bei deren
Einspannung das freie Ende eine Bewegung bis zum Millimeterbereich ausführen, die nutzbaren
Kräfte sind aber gegenüber den Stapelaktuatoren und Multilayern sehr viel geringer (z.B. DE
4408618, EP 0622771, US 5350966). Bei der Wegvergrößerung von Stapelakruatorwegen ist
deshalb auch noch eine größere Nutzkraft zu erhalten. Die Verwendung von piezoelektrisch
angetriebenen Motoren für fortlaufende translatorische (z.B. DE 4124717, DE 4236574, EP
0635719, EP 0640855, US 5332942, US 5404066) oder rotatorische Bewegungen durch Wegaddition (Inch-Worm-Prinzip, Schwingungserregung im Resonanzbereich, z.B. DE 4243323,
DE 4434926, EP 0680854, EP 0696072) stellt prinzipiell zwar auch eine Wegvergrößerung dar,
ist aber wegen des Reibschlusses oft ungenauer und kraftübertragungsbeschränkter.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß piezoelektrisch angetriebene Winkel- und Wegwandler
fehlen, die mit dem elementaren piezoelektrischen Aktuator in Einheit mit einem Wegvergrößerungssystem, einen Hub bis zu einigen Millimetern erreichend, allgemein eingesetzt
werden können und eine kleine Bauweise bei dieser großen Wegübersetzung aufweisen. Ein
derartiger Mangel ist insbesondere bei der Lösung von Aufgabenstellungen aus dem Problemkreis
des Maschinen- und allgemeinen Gerätebaus nachteilig.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein mittels vorzugsweise piezoelektrischem
Linearaktuator in Stapel- oder Multilayerbauweise angetriebenes vorzugsweise formschlüssiges
Weg- oder Winkelvergrößerungssystem mit geeigneter Anzahl und geeigneten Abmessungen von
Übertragungsgliedern zu entwickeln, die zusammen mit einem piezoelektrischen Aktuator eine
kompakte, modulartige Baueinheit bilden. Diese modulartige Baueinheit soll - unter Verzicht auf
eine Optimierung für einen Einsatz bei höheren Frequenzen der Längenänderung - als schlanker
Aktuator mit Antriebshüben bis zu einigen Millimetern oder Antriebswinkeln bis zu mehreren
Grad bei zielorientierten Übertragungsfunktionen vielseitig einsetzbar sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen piezoelektrisch angetriebenen Winkel- und
Wegwandler gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.
Ein besonderer Vorteil des Wandlers gemäß dem Hauptanspruch besteht in der kompakten
Bauweise mit einer großen Übersetzungsdichte.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind am Gehäuse 3 Paßflächen zur Befestigung
mindestens eines der weiteren Wegübersetzung bzw. -Wandlung dienenden Zusatzmoduls 12
angeordnet. Dieser Zusatzmodul 12 weist mindestens eine Öffnung für den Durchtritt mindestens
eines dem Zusatzmodul 12 zugeordneten Abtriebsgliedes 9; 13 auf. Mittels dieses bedarfsweise verwendbaren Zusatzmoduls ist der Winkel- und Wegwandler an eine
breite Palette von Einsatzbedingungen kostengünstig anpaßbar. Diese Anpaßbarkeit an
unterschiedliche Einsatzbedingungen kann noch dadurch verbessert werden, daß der Zusatzmodul
mit einem eigenen treibenden piezoelektrischen Aktuator ausgerüstet ist.
In einer anderen speziellen Ausführungsform, die ebenfalls der kostengünstigen Anpassung an
unterschiedliche Einsatzbedingungen dient, weist das Wegvergrößerungssystem -gegebenenfalls
zusätzlich durch den vorgenannten Zusatzmodul ergänzt, eine im Gehäuse zusätzlich angeordnete
Übersetzungserweiterung mit mindestens einem Abtriebsschwenk- oder Abtriebsschubglied und
einem Koppelglied auf.
Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand eines
Ausfuhrungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. la bis· Id : Grundmodul des Winkel- und Wegwandlers mit schwingendem Abtriebsglied bei
Anordnung des Aktuators zwischen Gehäuse und gestellgelagertem Hebel,
Fig. 2 : Grundmodul des Winkel- und Wegwandlers mit schiebendem Abtriebsglied bei
Anordnung des Aktuators zwischen Gehäuse und gestellgelagertem Hebel,
Fig. 3 : Variante des Grundmoduls nach Fig. la bis Id zur Nutzung eines größeren Kreisbogens
des Abtriebsgliedes,
Fig. 4 : Variante des Grundmoduls nach Fig. 2 mit langer Führung des schiebenden
Abtriebsgliedes,
Fig. 5 : Grundmodul nach Fig. 3 mit weiterer Winkelvergrößerung durch ein zusätzlich
nachgeordnetes schwingendes Abtriebsglied,
Fig. 6 : Grundmodul nach Fig. 3 mit weiterer Schubvergrößerung durch zwei zusätzlich
nachgeschaltete Glieder,
Fig. 7 : Aufsteckbares Zusatzmodul zur weiteren Schwingwinkelvergrößerung mit angepaßtem
Abtriebsglied des Grundmoduls nach Fig. la bis Id,
Fig. 8 : Aufsteckbares Zusatzmodul zur Schubwegvergrößerung mit angepaßtem Abtriebsglied
des Grundmoduls nach Fig. la bis Id,
Fig. 9 : Grundmodul des Winkel- und Wegwandlers mit schwingendem Abtriebsglied bei
Anordnung des Aktuators zwischen gestellgelagertem Hebel und Koppelglied,
Fig. 10 : Grundmodul des Winkel- und Wegwandlers mit zwei schwingenden Abtriebsgliedern bei
Anordnung des Aktuators zwischen diesen gestellgelagerten Hebeln,
Fig. 11 : Grundmodul des Winkel- und Wegwandlers mit schwingendem Abtriebsglied bei
Anordnung des Aktuators zwischen Gehäuse und Koppelglied,
Fig. 12 : Grundmodul mit aufgestecktem Zusatzmodul und Spannstellen.
Für alle in den verschiedenen Figuren dargestellten Varianten gilt, daß das Verhältnis zwischen
dem am Winkelhebel 2 erzeugten Winkel psi und dem Abtriebswinkel phi des Moduls als
Bewertungsparameter dienen kann.
Ein piezoelektrischer Linearaktuator 1 nach Fig. la bewegt einen Winkelhebel 2, der im Gehäuse
gelagert ist, indem er durch eine angelegte Spannung eine Längenänderung erfährt und sich dabei
zwischen dem Gehäuse 3 und dem Winkelhebel 2 abstützt. Der Winkelhebel 2 treibt über ein
Koppelglied 4 ein im Gehäuse gelagertes Abtriebsschwenkglied 5 unter Verwendung möglichst
spielfreier Gelenke an. Die maßgeblichen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung beruhen u.a.
darauf, daß die Hebellängen und die Gestalt des Winkelhebels 2 so gewählt sind, daß die
Hebelform sich an den Linearaktuator 1 anschmiegt, wie auch Koppelglied 4 und Abtriebsschwenkglied 5 den Linearaktuator 1 eng umgeben bzw. an der Aktuatorlängsachse
ausgerichtet sind. Der gesamte Übersetzungsmechanismus erhält somit eine schlanke Form, die
vorzugsweise einem röhrenförmigen Gehäuse 3 mit vorzugsweisem kreisrunden Querschnitt
angepaßt ist (Fig. Ib bis d). In zur leichteren Montage Lagerungen als Einschubhülsen 6
eingebracht. Das Gehäuse 3 ist mit einem Einschraubboden 7 o.a. verschlossen, und die
beweglichen Glieder werden mittels eines Federelements 8 unter Vorspannung gehalten. Der
gewählte Gehäusequerschnitt bestimmt auch die Querschnittsform der Glieder, um entsprechend
der Aufgabe, einen kompakten, piezoelektrisch angetriebenen Winkel- und Wegwandler zu
schaffen, möglichst wenig freien und ungenutzten Raum zu belassen (Fig. lc,d). Nach Fig.2 bewegt der Winkeihebel 2, angetrieben durch einen Aktuator 1, über das Koppelglied
4 ein Abtriebsschubglied 11, wobei die Neigung des Koppelgliedes 4 zum Winkelhebel 2
entscheidend ist für die Arbeit des Moduls als Druck- oder Zugeinheit, da ein Stapelaktuator in
der Regel gegen eine Druckkraft arbeitend verwendet werden muß und daher eine Rückstellkraft
bzw. Vorspannung, wie z.B. ein Federelement 8, benötigt. Bei vorgespannten Aktuatoren kann
ein Federelement entfallen.
Als Varianten zu den piezoelektrisch angetriebenen Winkel- und Wegwandlern nach Fig. 1 und
Fig.2 zeigen die Fig.3 und 4 in schematischer Darstellung Flachmodelle, deren Bauelemente unter
den o.g. erfindungsgemäßen Gesichtpunkten in ein z.B. röhrenförmiges Gehäuse um eine zentrale
Achse zu positionieren sind.
Fig.5 und 6 stellen eine Erweiterung der Module nach Fig. la und 2 um eine weitere
Übersetzungsstufe dar. Dabei kann für einen Winkelweg ein Abtriebsschwenkglied 14 (Fig. 5)
oder für einen linearen Abtriebsweg ein über ein zusätzliches Koppelglied 15 angetriebenes
Abtriebsschubglied 14 (Fig. 6) eingesetzt werden. In der Weiterentwicklung dieses Moduls kann
die weitere Übersetzungsstufe auch als auf das Gehäuse 3 aufsteckbarer Zusatzmodul ausgebildet
sein, wie dies in Fig. 7 mit dem Aufsteckgehäuse 12 und dem darin gelagerten
Abtriebsschwenkglied 9 dargestellt ist, wobei die Bewegungsübertragung z.B. reibungsarm durch
eine Rolle 10 vorgenommen wird. Die Teile 1 bis 6 sind Elemente der als Grundmodul zu
bezeichnenden erfinderischen Lösung. Fig. 8 zeigt einen auf den Grundmodul aufsteckbaren
Zusatzmodul mit seinem Gehäuse 12 zur Ableitung einer Schubbewegung an einem verdrehgesicherten Abtriebsschubglied 13 mit unter Federvorspannung stehendem Kurvengelenk
mit der Rolle 10, die mit den angedeuteten Gliedern 2 bis 6 zum Grundmodul gehört.
Nach Fig. 9 bewegt ein piezoelektrischer Linearaktuator 1 ein Abtriebsschwenkglied 5, das im
Gehäuse 3 gelagert ist, indem der Linearaktuator 1 durch eine angelegte Spannung eine
Längenänderung erfährt und sich dabei zwischen dem Winkelhebel 2 und dem Koppelglied 4
abstützt. Das Koppelglied 4 treibt somit ein im Gehäuse gelagertes Abtriebsschwenkglied 5
formschlüssig an. Die Hebellängen und die Gestalt der Glieder sind wiederum so gewählt, daß die
genannten erfindungsgemäßen Raumbedingungen an den Modul erfüllt werden.
Nach Fig. 10 bewegt ein piezoelektrischer Linearaktuator 1 einen Winkelhebel 2 und ein
Abtriebsschwenkglied 5, die beide im Gehäuse 3 gelagert sind und auch beide als Abtriebsglieder
mit vergrößertem Abtriebswinkel genutzt werden können, indem der Linearaktuator 1 durch eine
angelegte Spannung eine Längenänderung erfährt und sich dabei zwischen dem Winkelhebel 2
und dem im Gehäuse 3 gelagerten Abtriebsschwenkglied 5 abstützt.
Nach Fig. 11 bewegt ein piezoelektrischer Linearaktuator 1 ein Abtriebsschwenkglied 5, das im
Gehäuse 3 gelagert ist, indem der Linearaktuator 1 durch eine angelegte Spannung eine
Längenänderung erfahrt und sich dabei zwischen dem Gehäuse 3 und dem Koppelglied 4 abstützt.
Bezeichnet man die Ausführungsformen nach Fig. 9, 10 und 11 wie die nach Fig. 1 und 2 wegen
der grundsätzlich unterschiedlichen inneren Struktur als Grundmodule, so können diese
Ausfuhrungsformen der erfinderischen Lösung mit den aufsteckbaren Zusatzmodulen nach Fig.7
und 8 zur weiteren mechanischen Vergrößerung des Abtriebsweges bzw. -winkeis bei gleicher
Zielstellung erweitert werden (auch mehrfach), Fig. 12, während bei den Lösungen nach Fig. 5 und
6 alle Glieder in einem Gehäuse integriert sind. Damit und mit der Anpassung aller Module in
ihrer Größe an einen Linearaktuator gewählter Länge durch einen Längenmaßstab, ist die
Möglichkeit der Entwicklung von Baureihen gegeben, die auch mehrere Linearaktuatoren als
Antriebe enthalten und bei denen auch Punkte von Koppelgliedern aus dem Gehäuse als
Abtriebspunkte herausgeführt sein können.
Claims (11)
1. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler, enthaltend einen vorzugsweise in
Stapel- oder Multilayerbauweise ausgeführten piezoelektrischen Aktuator und einen als quasi
mehrstufiges Wegvergrößerungssystem ausgebildeten Hebelmechanismus zur Erzeugung ebener,
vorzugsweise Schub- oder Winkelbewegungen eines Abtriebsgliedes, wobei sich der piezoelektrische Aktuator mit seinen Enden am Gehäuse und einem bewegten Glied oder an zwei
bewegten Gliedern des Hebelmechanismus abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß
• innerhalb eines Gehäuses (3), das als länglicher Hohlzylinder mit rundem oder eckigem
Querschnitt ausgebildet ist, der piezoelektrische Aktuator (1) und das mindestens ein
Abtriebsglied (5; 11) enthaltende Wegvergrößerungssystem angeordnet sind,
• das Gehäuse (3) Spannstellen (16; 17) auf seiner Mantel- und/oder seiner Stirnfläche zur
Befestigung bzw. Abstützung des Winkel- und Wegwandlers am Einsatzort besitzt sowie
mindestens eine Öffnung für den Durchtritt mindestens eines schwingenden oder schiebenden
Abtriebsgliedes (5; 11) aufweist,
• die im Gehäuse (3) gelagerten Glieder des Wegvergrößerungssystems als unterschiedlich lange
Schwinghebel und/oder Schiebestücke ausgebildet und über ein an ihnen angelenktes Koppelglied
(4) miteinander verbunden sind, wobei Querschnitt und Gestalt mindestens des bezüglich des
Kraftflusses dem piezoelektrischen Aktuator (1) am nächsten gelegenen Hebels so ausgebildet
sind, daß der Hebel zum Linearaktor (1) und zur Wandung des Gehäuses (3) eng beabstandet ist,
• die Längsachse des piezoelektrischen Aktuators (1) und die Längsachsen der gehäusegelagerten
Hebel und Abtriebsglieder (5; 11) an der Längsrichtung des Gehäuses (3) für eine stabförmig
kompakte Bauweise orientiert sind.
2. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß am Gehäuse (3) Paßflächen zur Befestigung mindestens eines der weiteren
Wegübersetzung bzw. -Wandlung dienenden Zusatzmoduls (12) angeordnet sind, wobei der
Zusatzmodul (12) mindestens eine Öfihung für den Durchtritt mindestens eines dem
Zusatzmoduls(12) zugeordneten Abtriebsgliedes (9; 13) aufweist.
3. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zusatzmodul (12) mit einem eigenen treibenden piezoelektrischen
Aktuator ausgrastet ist.
4. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegvergrößerungssystem eine im Gehäuse (3)
zusätzlich angeordnete Übersetzungserweiterung mit mindestens einem Abtriebsschwenk- oder
Abtriebsschubglied (14) und einem Koppelglied (15) aufweist, wobei das Gehäuse (3) mindestens
eine Öfihung für den Durchtritt dieser Abtriebsschwenk- oder Abtriebsschubglieder (14) aufweist.
5. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere piezoelektrische Aktuatoren (1) gleicher oder unterschiedlicher
Länge und Bauart hintereinander angeordnet und abhängig oder unabhängig voneinander
angesteuert sind oder paarweise gleichlang nebeneinander angeordnet und diese Paare mit gleicher
Funktion angesteuert sind.
6. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als nach den Zwanglaufbedingungen erforderliche
Aktuatoren (1) abhängig gesteuert zwischen den Gliedern des Wegvergrößerungssystems als
Antriebe angeordnet sind.
7. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht im Gehäuse (3) gelagertes Koppelglied (4; 15)
als Abtriebsglied verwendet wird.
8. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gegenüber dem Gehäuse (3) bewegliche
Glieder als Abtriebsglieder angeordnet sind.
9. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gelenke offene (kraftschlüssige) oder geschlossene
(formschlüssige) Elementenpaare, Feststoffgelenke oder Federgelenke verwendet werden.
10. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingende oder schiebende Abtriebsglied eine
Rolle trägt oder mit einem Reibbelag versehen ist oder eine bestimmte geometrische Form wie
Kreisbogen, Spitze, Gabel, gerade Kante aufweist.
11. Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung unterschiedlich langer Aktuatoren (1)
Paßstücke für den Längenausgleich zwischen der verwendeten Aktuatorlänge und der Entfernung
zwischen den Abstützpunkten des Aktuators vorgesehen sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE29616945U DE29616945U1 (de) | 1996-09-28 | 1996-09-28 | Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE29616945U DE29616945U1 (de) | 1996-09-28 | 1996-09-28 | Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE29616945U1 true DE29616945U1 (de) | 1996-11-14 |
Family
ID=8029896
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE29616945U Expired - Lifetime DE29616945U1 (de) | 1996-09-28 | 1996-09-28 | Piezoelektrisch angetriebener Winkel- und Wegwandler |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE29616945U1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102017222866A1 (de) * | 2017-12-15 | 2019-06-19 | Richard Wolf Gmbh | Antriebssystem für ein längliches Schaftinstrument |
-
1996
- 1996-09-28 DE DE29616945U patent/DE29616945U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102017222866A1 (de) * | 2017-12-15 | 2019-06-19 | Richard Wolf Gmbh | Antriebssystem für ein längliches Schaftinstrument |
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Legal Events
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---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 19970102 |
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Effective date: 20000701 |