DE3006973A1

DE3006973A1 - Precision control of linear movement - using electrically controlled contact surfaces of tubular piezoelectric element to exercise selective clamping effect on axle

Info

Publication number: DE3006973A1
Application number: DE19803006973
Authority: DE
Inventors: Joachim Prof. Dr.-Ing. 8000 München Heinzl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-02-25
Filing date: 1980-02-25
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE3006973C2

Abstract

The axle to be linearly moved (1) is concentrically surrounded by a tubular piezo-electric transducer element (2) having contact surfaces on its inner and outer sheath surface. One of the contact surfaces is divided into at least three contact sections (4,5,6). These can be independently electrically controlled by separate leads (U1,U2,U3). The change of inner dia. in the element (2) arising from initiated control of a contact section has a magnitude corresponding to a change between a press fit and a fitting with play between the transducer (2) and the axle (1). An elastic and incompressible material is pref. inserted between the element (2) and the axle (1) and having a high coefft. of friction w.r.t. the latter (1). This arrangement is suitable for a controllable linear motor, esp. for slow movements of extreme accuracy since reduction gearing, spindle etc. tolerances are obviated.

Description

Anordnung zur Erzeugung einer steuerbaren linearen Bewe-Arrangement for generating a controllable linear movement

gung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer steuerbaren linearen Bewegung mit einem elektromechanischen Wandler.The invention relates to an arrangement for generating a controllable linear movement with an electromechanical transducer.

Bekanntlich steht mit einem Piezokristall ein Mittel zur Umwandlung elektrischer in mechanischer Energie zur Verfügung. Der piezoelektrische Effekt beruht darauf, daß in einem polykristallinen Körper durch Anlegen eines starken äußeren Feldes bestimmter Polarität und unter dem Einfluß hoher, Jedoch unterhalb des Curiepunktes liegender Temperaturen, die als Dipole aufzufassenden Kristalle sozusagen parallel gestellt werden, und daß diese Polarisation auch nach Abschalten des Feldes und Abkühlen des Körpers erhalten bleibt. Eine dann auf einen solchen kristallinen Körper ausgeübte und eine Deformation bewirkende mechanische Kraft führt zu einer Ladungsverschiebung im Kristall.As is well known, a piezo crystal is a means of conversion electrical energy available in mechanical energy. The piezoelectric effect is based on the fact that in a polycrystalline body by applying a strong external field of certain polarity and under the influence of higher, but below the Curie point of lying temperatures, the crystals to be understood as dipoles be put in parallel, so to speak, and that this polarization also after switching off of the field and cooling of the body is maintained. One then on one mechanical force exerted by a crystalline body and causing a deformation leads to a charge shift in the crystal.

Versieht man den Körper mit Elektroden, so tritt an diesen in diesem Falle eine Spannung auf. Umgekehrt bewirkt das Anlegen einer Spannung an die Elektroden eines solchen Körpers eine Deformation, die sich z.B. bei einem zylinderförmigen Piezokörper in einer Änderung der radialen und/ oder der axialen Abmessungen äußert.If the body is provided with electrodes, then these occur in it Notice a tension. Conversely, applying a voltage to the electrodes causes it a deformation of such a body, which occurs e.g. in the case of a cylindrical Piezo body expresses itself in a change in the radial and / or axial dimensions.

Von dieser zuletzt genannten Eigenschaft piezokeramischer Körper, geht die Erfindung aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, mit der diese Eigenschaften zur Erzeugung einer steuerbaren, linearen Bewegung ausgenützt werden.Of this last-mentioned property of piezoceramic bodies, the invention proceeds. It is based on the task of specifying an arrangement with which these properties are used to generate a controllable, linear movement will.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine zu bewegende Achse von einem rohrförmig ausgebildeten, auf seiner inneren und seiner äußeren Mantelfläche Kontaktflächen aufweisenden piezoelektrischen Wandlerelement konzentrisch umschlossen ist, daß eine der Kontaktflächen in mindestens drei Kontaktabschnitte unterteilt ist, und daß die einzelnen Kontaktabschnitte unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind.This object is achieved according to the invention in that a to moving axis of a tubular, on its inner and its outer jacket surface having contact surfaces piezoelectric transducer element is concentrically enclosed that one of the contact surfaces in at least three contact sections is divided, and that the individual contact sections are electrically independent of one another are controllable.

Eine solche Anordnung kann mit besonderem Vorteil als s steuerbarer Linearmotor, insbesondere für langsame Bewegungen eingesetzt werden. Ein derart aufgebauter Linearmotor gewährleistet eine extreme Genauigkeit auch bei sehr kleinen Bewegungen, da keine üblicherweise die Genauigkeit begrenzenden Untersetzungsgetriebe, Spindeln usw. erforderlich sind.Such an arrangement can be particularly advantageous as s controllable Linear motor, especially used for slow movements. One of those The built-in linear motor ensures extreme accuracy even with very small ones Movements, as there are no reduction gears that usually limit the accuracy, Spindles etc. are required.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprechen gekennzeichnet.Further advantageous refinements are identified in the sub-references.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Dort zeigt Fig. 1 in vereinfachter Darstellung das Prinzip des Linearmotors, .The invention is explained below with reference to the drawings. There Fig. 1 shows in a simplified representation the principle of the linear motor.

Fig. 2 ein Beispiel für die Ansteuerung, Fig. 3 den Bewegungsablauf bei der Ansteuerung nach Fig. 2, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, mit dem eine Vergrößerung der Durchmesseränderung erreichbar ist.FIG. 2 shows an example of the control, FIG. 3 shows the sequence of movements in the control according to FIG. 2, FIG. 4, an exemplary embodiment with which an enlargement the change in diameter is achievable.

In Fig. 1 ist eine Achse von einem rohrförmigen piezoelektrischen Wandlerelement 2 zylinderförmig umgeben.In Fig. 1, an axis is of a tubular piezoelectric Transducer element 2 surrounded in a cylindrical shape.

Das piezoelektrische Wandlerelement 2, das im folgenden als Piezorohr bezeichnet wird, besitzt an seiner inneren Mantelfläche eine Kontaktschicht 3. Die Kontaktfläche an der äußeren Mantelfläche ist hier in drei Kontaktabschnitte 4, 5 und 6 unterteilt, die jeweils mit getrennten Steueranschlüssen versehen sind. Durch eine getrennte Ansteuerung der einzelnen Kontaktabscbnitte 4, 5 und 6, wird auf Grund des piezoelektrischen Effektes das die Achse 1 zylinderförmig umschließende Piezorohr 2 Jeweils im Bereich des angesteuerten Kontaktabschnittes sowohl axial als auch radial verformt. Das führt sowohl zu einer Verlängerung bzw. zu einer Verkürzung in axialer Richtung als auch zu einer Veränderung des Innendurchmessers des Piezorohres in radialer Richtung. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Dimensionierung der Passung zwischen dem Piezorohr 2 und der Achse 1 so gewählt, daß im Ruhezustand, d.h. bei fehlender Ansteuerung das Piezorohr 2 die Achse 1 im Pressitz (Presspassung), bei Ansteuerung eines Kontaktabschnittes im Bereich dieses Abschnittes jedoch im Speilsitz (Spielpassung) umfaßt. Bei einer Achse, die z.B. einen Durchmesser von 3mm aufweist, kann eine Umschaltung zwischen einem Pressitz und einem Spielsitz bereits durch eine Änderung des Innendurchmessers des Piezorohres in der Größenordnung von 2 Promill erreicht werden.The piezoelectric transducer element 2, hereinafter as Piezo tube is referred to, has a contact layer on its inner surface 3. The contact surface on the outer jacket surface is here in three contact sections 4, 5 and 6, which are each provided with separate control connections. By controlling the individual contact sections 4, 5 and 6 separately, due to the piezoelectric effect that enclosing the axis 1 in the shape of a cylinder Piezo tube 2 each in the area of the controlled contact section, both axially as well as radially deformed. This leads to both an extension and a shortening in the axial direction as well as to a change in the inner diameter of the piezo tube in the radial direction. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the dimensioning is the fit between the piezo tube 2 and the axis 1 is chosen so that in the rest state, i.e. if the piezo tube 2 is not activated, the axis 1 is press fit (press fit), when activating a contact section in the area of this section, however, in Speilsitz (game fit) includes. For an axis with a diameter of, for example 3mm, it is possible to switch between a press fit and a play fit by changing the inside diameter of the piezo tube in the order of magnitude of 2 per mill can be achieved.

Das Prinzip und die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 und Fig. 3 näher erläutert, wobei in Fig. 2 drei zeitlich aufeinanderfolgende Ansteuerimpulse dargestellt sind und in Fig. 3 die einzelnen Phasen einer Bewegung während eines in Fig. 2 dargestellten Ansteuerzyklus agegeben sind. Dabei sind der Übersichtlichkeit wegen die Ansteuerelektroden teilweise nicht mehr dargestellt.The principle and function of the arrangement according to the invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3, with FIG. 2 three consecutive control pulses are shown and in Fig. 3 the individual phases of a movement during a control cycle shown in FIG are given. For the sake of clarity, some of the control electrodes are in this case no longer shown.

Wie in Fig. 2 dargestellt, erfolgt die Ansteuerung der Anordnung an den drei Kontaktabschnitten 4, 5 und 6 zeitlich aufeinanderfolgend mit den Impulsen U1, U2 und U3.As shown in Fig. 2, the control of the arrangement takes place the three contact sections 4, 5 and 6 successively in time with the pulses U1, U2 and U3.

Zum Zeitpunkt to ist die Achse 1 vollständig von dem Piezorohr im Pressitz umfaßt (Fig. 3, Zeile 1). Wird zum Zeitpunkt t1 der erste Kontaktabschnitt 4 angesteuert, so erweitert sich der Innendurchmesser des Piezorohres 2 in diesem Bereich um einen Betrag, der einer Umschaltung von der Presspassung in eine Spielpassung entspricht und gleichzeitig verlängert sich dieser Bereich um den Wert 11 (Fig. 3, Zeile 2). Zum Zeitpunkt t2 wird auch der zweite Kontaktabschnitt 5 angesteuert, wodurch nun auch in diesem Bereich der Pressitz aufgehoben und das Piezorohr wiederum um den Betrag 11 verlängert wird (Fig. 3, Zeile 3). Zum Zeitpunkt t3, zu dem die Ansteuerung des ersten Kontaktabschnittes 4 abgeschaltet wird, umfaßt das Piezorohr 2 in diesem Bereich die Achse 1 wieder im Presssitz unter gleichzeitiger axialer Verkürzung um den Wert 11. Die Achse 1 ist nun beidseitig festgeklemmt (Fig. 3, Zeile 4). Zum Zeitpunkt t4 wird der Kontäktabschnitt 6 erregt und in seinem Bereich ein Spielsitz zwischen Achse und Piezorohr hergestellt; so daß eine axiale Längenänderung des Piezorohres nunmehr nach links um den Wert 11 stattfinden kann (Fig. 3, Zeile 5). Mit der darauf folgenden Abschaltung der Ansteuerung des Kontaktabschnittes 5 zum Zeitpunkt t5, verkürzt sich das Piezorohr um den Wert 11 (Fig. 3, Zeile 6). Schließlich stellt sich zum Zeitpunkt t6 mit der Abschaltung der Ansteuerung am Kontaktabschnitt 6 der ursprüngliche Zustand wieder ein, bei dem das Piezorohr 2 der Achse 1 vollständig den Pressitz umfaßt (Fig. 3, Zeile 7). Allerdings hat während des beschriebenen Ablaufes eine Verschiebung des Piezorohres 2 längs der Achse 1 um den Wert 11 stattgefunden bzw. die Achse 1 ist um den Wert 11 bewegt worden.At the time to the axis 1 is completely from the piezo tube in Press fit includes (Fig. 3, line 1). Becomes the first contact section at time t1 4, the inner diameter of the piezo tube 2 expands in this Range by an amount sufficient to switch from an interference fit to a clearance fit corresponds and at the same time this range is extended by the value 11 (Fig. 3, line 2). At time t2, the second contact section 5 is also activated, As a result, the press fit is now also canceled in this area and the piezo tube in turn is extended by the amount 11 (Fig. 3, line 3). At time t3 at which the Control of the first contact section 4 is switched off, includes the piezo tube 2 in this area the axis 1 again in the press fit with simultaneous axial Reduction by the value 11. Axle 1 is now clamped on both sides (Fig. 3, Line 4). At time t4, the contact section 6 is excited and in its area a play fit between the axis and the piezo tube is made; so that an axial change in length of the piezo tube can now take place to the left by the value 11 (Fig. 3, line 5). With the subsequent shutdown of the control of the contact section 5 at time t5, the piezo tube is shortened by the value 11 (FIG. 3, line 6). Finally, at time t6, when the control is switched off on Contact section 6 returns to its original state in which the piezo tube 2 the axis 1 completely includes the press fit (Fig. 3, line 7). However, has during of the sequence described, a displacement of the piezo tube 2 along the axis 1 has taken place by the value 11 or axis 1 has been moved by the value 11.

Dieser Vorgang wiederholt sich mit Jedem Ansteuerzyklus; Es ist somit eine schrittweise axiale Verschiebung erreichbar, wobei die Größenordnung der Verschiebung von den Eigenschaften des für das Piezorohr verwendete Materials abhängig ist. Praktisch lassen sich Längenänderungen in der Größenordnung von 0,3 Promill pro Schritt erzielen.This process is repeated with each control cycle; So it is a gradual axial displacement can be achieved, with the magnitude of the displacement depends on the properties of the material used for the piezo tube. Practically changes in length of the order of 0.3 per mil per step can be achieved.

Unter Berücksichtigung der Eigenfrequenz eines Piezorohres mit einer Länge von z.B. 15mm können Verschebungsgeschwindigkeiten bis zu 0,1m/s erzielt werden.Taking into account the natural frequency of a piezo tube with a Length of e.g. 15mm, displacement speeds of up to 0.1m / s can be achieved.

Zur Ansteuerung kann ein auf die Eigenfrequenz des verwendeten Piezorohres abgestimmter Impulsgeber verwendet werden. Für langsamere Bewegungen ist es auch möglich, direkt die Phasen des Drehstromes zu verwenden.For control purposes, a sensor based on the natural frequency of the piezo tube used can be used matched pulse generator can be used. For slower movements it is too possible to use the phases of the three-phase current directly.

Eine Umkehr der Bewegungsrichtung ist ohne weiteres durch eine entsprechende Ansteuerung dadurch erreichbar, daß die einzelnen Ansteuerimpulse Ul, U2 und U3 in umgekehrter Reihenfolge an die einzelnen Kontaktabschnitte4, 5 und 6 angelegt werden.A reversal of the direction of movement is easily possible with a corresponding one Control can be achieved in that the individual control pulses Ul, U2 and U3 applied to the individual contact sections 4, 5 and 6 in reverse order will.

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel geht davon aus, daß im Ruhezustand das Piezorohr die Achse im Pressitz umfaßt. Es ist selbstverständlich auch möglich, einen Ruhezustand in der Weise festzulegen, daß wäh rend dieses Zustandes ein Spielsitz zwischen dem Piezorohr und der zu bewegenden Achse besteht.The embodiment shown in FIGS. 1 to 3 is based on this from the fact that the piezo tube surrounds the axis in a press fit in the idle state. It goes without saying also possible to set an idle state in such a way that during this state rend there is a play fit between the piezo tube and the axis to be moved.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die Änderung des Innendurchmessers des Piezorohres dadurch vergrößert werden, daß der Durchmesser der Achse erheblich kleiner ist als der Innendurchmesser des Piezorohres, und daß in dem entstehenden Ringspalt ein inkompressibles, elastisches Material eingebracht wird. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt Fig. 4. Hier ist der Durchmesser der Achse 1 erheblich kleiner als der Innendurchmesser des die Achse umgebenden Piezorohres 2. Der verbleibende Ringspalt ist mit einem inkompressiblen, elastischen Materiatr7, z.B. mit Gummi angefüllt, das einen hohen Reibwert gegenüber der Achse 1 besitzt. In axialer Richtung wird ein Ausweichen des Materials 7 durch Scheiben 8 verhindert, die zur Achse 1 eine Spielpassung besitzen und aus einem Material be- stehen, das mit der Achse gute Gleiteigenschaften und einen niedrigen Reibwert aufweist. Damit wird erreicht, daß die -Fläche eines Kreisringes im Schnitt normal zur Achse konstant bleibt, so daß folgende Beziehung gilt dr1 = r2.In an embodiment of the invention, the change in the inside diameter of the piezo tube are increased in that the diameter of the axis is considerable is smaller than the inner diameter of the piezo tube, and that in the resulting Annular gap an incompressible, elastic material is introduced. An embodiment FIG. 4 shows this. Here the diameter of the axis 1 is considerably smaller than that Inner diameter of the piezo tube surrounding the axis 2. The remaining annular gap is filled with an incompressible, elastic material7, e.g. with rubber, which has a high coefficient of friction compared to axis 1. In the axial direction an evasion of the material 7 prevented by disks 8, which to the axis 1 a Have a clearance fit and are made of one material stand with the axle has good sliding properties and a low coefficient of friction. So that will achieves that the surface of a circular ring is constant in the section normal to the axis remains, so that the following relationship applies dr1 = r2.

dr2 r1 r In dieser Gleichung ist mit r1 der Radius der Achse 1, mit r2 der Innenradius des Piezorohres 2, mit dr2 die Änderung des Radius des Piezorohres und mit drl die Änderung des Radius des elastischen Materials bezeichnet. dr2 r1 r In this equation, r1 is the radius of axis 1, with r2 is the inner radius of the piezo tube 2, with dr2 the change in the radius of the piezo tube and with drl denotes the change in the radius of the elastic material.

Ist der Innendurchmesser des Piezorohres 2 beispielsweise dreimal so groß wie der Durchmesser der Achse 1, so ergibt sich eine Verdreifachung der Innendurchmesseränderung bezogen auf die Achse 1.If the inside diameter of the piezo tube 2 is three times, for example as large as the diameter of the axis 1, the result is a tripling of the Change in inside diameter in relation to axis 1.

8 Patentansprüche 4 Figuren8 claims 4 figures

Claims

Arrangement for generating a controllable linear Movement with an electromechanical transducer, d u r c h e k e n n z e i c h n e t that a movable axis (1) of its tubular shape 5 having contact surfaces on its inner and outer circumferential surface piezoelectric transducer element (2) is concentrically enclosed that one of the Contact surfaces is divided into at least three contact sections (4,5,6), 10 and that the individual contact sections (4,5,6) can be controlled electrically independently of one another are (using U1, U2, U3).

2. Arrangement according to claim 1, 15 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that caused by activation on a contact section (4,5,6) Change in the inner diameter of the piezoelectric transducer element (2) an order of magnitude that a change between an interference fit and a clearance fit 20 between the piezoelectric transducer (2) and the axis (1).

3. Arrangement according to claims 1 and 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the 25 control of the individual contact sections (4,5,6) takes place in such a way that in each case at least one of the outer contact sections (4, 6) associated area of the piezoelectric transducer element (2) in a press fit is connected to the axis (1).

30 4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, d d a d u r c h it is noted that between the piezoelectric transducer element (2) and the axis (1) an elastic and taw w ## ssible material (7) brought in is, which has a high coefficient of friction in relation to the axis (1).

5. Arrangement according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t that to limit axial expansion of the elastic material (7) disk-shaped delimiting elements (8) are provided in the transducer element (2) are arranged and which have good sliding properties in relation to the axis (1).

6. Arrangement according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the control by time-shifted pulses of a pulse generator he follows.

7. Arrangement according to claim 1 to 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the control is carried out by three-phase three-phase current.

8. The arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e ke nn z e i c h n e t that the areas associated with the two outer contact sections (4, 6) of the piezoelectric transducer element (2) are dimensioned such that when activated of the relevant contact section (4,6) the inner diameter of the piezoelectric Converter element (2) is enlarged, and that the central contact portion (5) associated area of the piezoelectric transducer element (2) dimensioned in this way is that when the middle contact section (5) is controlled, the length of this Area changes.