DE3530057C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Transport eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung, die in der US-PS 35 36 001
gezeigt ist, weist an einem stabartigen Element einen
Massenoszillator und einen Antriebsmotor auf. Beim Betrieb
des Antriebsmotors mit einer bestimmten Drehzahl bzw.
Frequenz wird in dem stabartigen Element mittels des
Massenoszillators eine umlaufende Auslenkung erzeugt. Ein
zu transportierender Gegenstand wird mittels eines elastischen
Andruckelementes gegen das stabartige Element
gedrückt, so daß das stabartige Element auf den Gegenstand
eine Transportkraft ausübt.
Das stabartige Element unterliegt dabei außer den Lasten
infolge des zu transportierenden Gegenstandes und den
Spannungen infolge seiner Auslenkung auch hohen dynamischen
Belastungen sowie auf es einwirkenden Massenkräften,
wodurch seine Lebensdauer bzw. Standzeit erheblich verringert
ist. Darüber hinaus sind für die Vorrichtung eine
Vielzahl von Bauteilen erforderlich. Diese erfordern einen
großen Bauraum und führen zu einem hohen Gesamtgewicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße
Vorrichtung zum Transport eines Gegenstandes zu
schaffen, die einen konstruktiv einfachen Aufbau aufweist
und kompakt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die Anbringung von elektrostriktiven Elemente, die
direkt an dem stabartigen Element befestigt werden,
benötigt die Vorrichtung im wesentlichen nur den Bauraum,
den das stabartige Element einnimmt. Die Vorrichtung ist
auf diese Weise sehr kompakt und kann auch dort Verwendung
finden, wo nur ein sehr geringer Bauraum zur Verfügung
steht. Des weiteren ergibt sich der Vorteil, daß das Maß
der umlaufenden Auslenkung unabhängig von ihrer Umlaufgeschwindigkeit
wird, wodurch eine bessere Anpassung der
Transportkraft an den fortzubewegenden Gegenstand möglich
ist.
Bei einer Anordnung von mehreren stabähnlichen Elementen
nebeneinander zur Bildung einer Transportbahn können die
Bewegungen bzw. die Umlaufgeschwindigkeiten der einzelnen
stabartigen Elemente in einfacher Weise synchronisiert
werden, indem die stabartigen Elemente mittels desselben
Signals erregt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Weitere Ziele, Anwendungen und Vorteile der Erfindung
werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen vollständig ersichtlich.
Es zeigt
Fig. 1A eine ausschnittsweise Perspektivansicht einer Transportvorrichtung
gemäß der Erfindung,
Fig. 1B einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1A,
Fig. 1C bis 1E das Prinzip zur Erzeugung einer Biegeverformung in
den stabartigen Elementen,
Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1A,
Fig. 3 und 5 Verläufe von an elektrostriktive Elemente
angelegten Spannungen,
Fig. 4A, 4B und 6 die Schwingungen der stabartigen Elemente,
Fig. 7 einen Querschnitt der Transportvorrichtung gemäß
der Linie VII-VII in Fig. 1A,
Fig. 8 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Transportvorrichtung
in einer abgewandelten Ausbildung,
Fig. 9A und 9B Abwandlungen der stabartigen Elemente und
Fig. 10 das Prinzip der Erzeugung einer umlaufenden
Auslenkung.
Gemäß den Fig. 1A, 1B und 2 sind
mehrere stabartige Elemente 2 parallel zueinander
angeordnet, die jeweils senkrecht
zu ihrer Längserstreckung einen quadratischen Querschnitt
aufweisen und aus einem Material mit gleichförmigem Elastizitätsmodul
gefertigt sind, so daß sie biegeelastisch sind.
Die stabartigen Elemente 2 werden jeweils an ihren entgegengesetzten
Enden von einer Tragkonstruktion 4, 4′ so gehalten, daß zwei
einander gegenüberliegende Querschnittsseiten a und b
parallel zu einer Horizontalen verlaufen, während die
beiden anderen Querschnittsseiten c und d zu der Horizontalen senkrecht
verlaufen. Auf eine die Querschnittsseite a und eine die Querschnittsseite c beinhaltende Fläche des
stabartigen Elementes 2 sind nahe dessen beiden Enden jeweils elektrostriktive
Elemente 6, 6′ und 7, 7′ geklebt. Die elektrostriktiven
Elemente können aus einer PZT-Piezoelektrikkeramik
bestehen und sind so an den stabartigen Elementen 2 befestigt, daß
bei Anlegen einer Spannung eine Verformung oder
mechanische Beanspruchung in der Längsrichtung der stabartigen
Elemente 2 auftritt.
Ein Paar von Elektroden ist an zwei Seiten
des elektrostriktiven Elements
6, 6′ befestigt. Die eine Elektrode ist mit
einer Spannungsquelle 8 bzw. 8′ verbunden, während
die andere Elektrode über das stabartige Element 2 und einen durch die Tragkonstruktion
4, 4′ führenden Leiter geerdet ist.
Die Spanungsquelle 8, 8′ ist ebenfalls geerdet,
so daß ein Kreis gebildet wird, über den an das elektrostriktive
Element 6, 6′ eine Wechselspannung gelegt wird. In gleichartiger
Weise wird an die elektrostriktiven Elemente 7, 7′
eine Wechselspannung mittels der Spannnungsquellen 9, 9′ angelegt.
Mit einem derartigen Aufbau kann eine Verformung eines stabartigen Elementes 2
in der folgenden Weise erzielt werden:
Das elektrostriktive Element 7 sei an
einem Ende des stabartigen Elementes 2 befestigt, wie es in Fig. 1C gezeigt ist.
Wenn an das elektrostriktive Element 7 eine positive
Spannung gelegt wird, dann erfährt es in der Längsrichtung des stabartigen Elements 2 eine Schrumpfung von seiner Ausgangslänge
l₁ auf eine Länge l₂,
so daß das stabartige Element 2 aufwärts gebogen wird, wie es in Fig. 1D gezeigt ist. Wird an
das elektrostriktive Element 7 eine negative Spannung angelegt,
so wird es von seiner Ausgangslänge l₁ in Längsrichtung
des stabartigen Elementes 2 auf eine Länge l₃ gedehnt, so daß das stabartige Element 2 abwärts gebogen wird. Wenn
mittels der Spannungsquelle 8 an das elektrostriktive Element 6
eine Wechselspannung Vx mit einer Frequenz fx, die einer spezifischen
Frequenz einer Biegeschwingung in einer Richtung x
des stabartigen Elementes 2 entspricht,
angelegt wird, so wird im stabartigen Element 2
eine Biegeoszillation in der Richtung x erzeugt. Eine Wechselspannung
Vx′ mit der Frequenz f x wird mittels der Spannungsquelle
8′ an das elektrostriktive Element 6′ angelegt. Die an das
elektrostriktive Element 6 angelegte Spannung Vx und die an das
elektrostriktive Element 6′ angelegte Spannung Vx′ weisen einen
Phasenunterschied von 180° zueinander auf, so
daß im stabartigen Element 2 eine stehende Wellenschwingung
erzeugt wird,
wie es in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, wobei die Schwingung
in diesem Fall eine Schwingung vierter Ordnung ist.
An die elektrostriktiven Elemente 6, 6′, 7 und 7′ wird eine Wechselspannung
mit einer Frequenz gelegt, die einer spezifischen Schwingungsfrequenz
f des stabartigen Elementes 2 entspricht (ν=λ f, l=λ, worin
ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge und
l die Länge des stabartigen Elements 2 sind).
Obwohl bei der gezeigten Ausführungsform zwei elektrostriktive Elemente 6 und 6′
an den entgegengesetzten Enden des stabartigen
Elements 2 angeordnet sind, ist die Zahl der elektrostriktiven
Elemente nicht auf zwei beschränkt, sondern es
kann auch ein einzelnes elektrostriktives Element zur Erzeugung der
stehenden Wellenschwingung verwendet werden. Der Phasenunterschied
zwischen den an die elektrostriktiven Elemente 6 und 6′
gelegenen Wechselspannungen beträgt 180°, weil die elektrostriktiven Elemente
6 und 6′ an Schwingungsbäuchen angeordnet sind und ihr gegenseitiger Abstand
ein ungerades Vielfaches einer
halben Wellenlänge ist, was allerdings nicht notwendigerweise der Fall ist.
Die stehende Wellenschwingung wird durch eine Überlagerung der von
den elektrostriktiven Elementen erzeugten wandernden Wellen
bzw. der einen von einem elektrostriktiven Element erzeugten wandernden
Welle mit der von den festen Enden des stabartigen Elements reflektierten
Wellen bewirkt.
In gleichartiger Weise wird an das elektrostriktive Element 7 mittels der Spannungsquelle 9 eine Wechselspannung Vy mit einer
Frequenz fy angelegt, die einer spezifischen Frequenz einer Biegeschwingung
in der y-Richtung des stabartigen Elements 2 entspricht,
während mittels der Spannungsquelle
9′ an das elektrostriktive Element 7′ eine
Wechselspannung Vy′ mit der Frequenz fy und einem Phasenunterschied
von 180° gemäß Fig. 5
angelegt wird, so
daß im stabartigen Element 2 in der y-Richtung eine stehende Wellenschwingung erzeugt wird, die derjenigen in der
x-Richtung gleichartig ist.
Es sei angenommen, daß
das stabartige Element 2 in der x- sowie y-Richtung eine symmetrische
Gestalt hat sowie aus einem Material mit gleichförmigem
Elastizitätsmodul gebildet ist und daß die Frequenzen
fx sowie fy gleich sind.
Wenn die an die elektrostriktiven Elemente 6 und 6′ angelegten
Spannungen Vx sowie Vx′ und die an die elektrostriktiven
Elemente 7, 7′ angelegten Spannungen Vy sowie Vy′
einen Phasenunterschied von 90° haben, wie die Fig. 3 und 5
zeigen, und wenn diese Spannungen gleichzeitig
angelegt werden, so wird
im stabartigen Element 2 eine drehende Schwingung hervorgerufen, d. h.,
durch Überlagerung der Biegeschwingung in der x-Richtung
und der Biegeschwingung in der y-Richtung
wird das stabartige Element 2 um seine Längsachse X mit konstanter Winkelgeschwindigkeit
gedreht, wie es in Fig. 6 durch Pfeile angedeutet
ist, während es seine Wellenform beibehält.
Das Prinzip der Erzeugung einer umlaufenden Schwingung wird
anhand von Fig. 10 erläutert, in der der zeitliche Verlauf der Schwingung eines
Punkts des stabartigen Elements 2 dargestellt ist. Durch
die Überlagerung der in den elektrostriktiven Elementen 7
sowie 7′ bzw. 6 sowie 6′ erzeugten Wellen wird das stabartige Element
unter Einhaltung seiner Wellenform um seine Längsachse gedreht.
Wenn die Richtungen der Schwingungen der
elektrostriktiven Elemente zueinander senkrecht sind, muß der
Phasenunterschied 90° sein, um eine Schwingung mit konstanter
Amplitude zu erhalten.
Wenn die
Richtungen der Schwingungen nicht senkrecht zueinander sind,
wie Fig. 9B zeigt, gelten die zuvor gegebenen Erläuterungen nicht.
Wenn die stabartigen
Elemente 2 gemäß Fig. 7 jeweils eine oben beschriebene umlaufende Schwingung in der gleichen Richtung ausführen,
kann ein auf den
stabartigen Elementen 2 gelagerter Gegenstand 10 in Anordnungsrichtung
der stabarigen Elemente 2, d. h. gemäß Fig. 7 nach links, infolge einer
an Berührungsbereichen (Schwingungsbäuchen) der stabartigen
Elemente 2 auftretenden Reibungskraft transportiert werden. Der Radius der umlaufenden
Schwingung der stabartigen Elemente 2 kann durch die Amplitude
der an die elektrostriktiven Elemente angelegten Spannungen gesteuert
werden, so daß die Transportgeschwindigkeit des Gegenstandes
10 variiert werden kann.
Bei der erläuterten Ausführungsform haben die stabartigen Elemente
2 jeweils einen quadratischen Querschnitt. Wie die Fig.
9A und 9B zeigen, können die stabartigen Elemente 2 jedoch auch jeweils
einen kreisförmigen oder andersgestalteten, z. B. dreieckförmigen Querschnitt
aufweisen. Bevorzugterweise sollte der Querschnitt allerdings bezüglich einer
90°-Drehung eine symmetrische Gestalt aufweisen, wenn ein Material mit
einem gleichförmigen Elastizitätsmodul verwendet wird. Wenngleich
bei der erläuterten Ausführungsform die Phasenunterschiede
der angelegten Spannungen 90° und 180° betragen, so können auch
andere Phasenunterschiede zur Anwendung kommen, um ein gleichartiges
Ergebnis zu erlangen.
Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die elektrostriktiven
Elemente an den entgegengesetzten Enden der stabartigen
Elemente 2 angebracht. Alternativ dazu können sie auch an einem
Ende des stabartigen Elements 2 gehalten sein. Wie Fig. 8 zeigt, kann
das elektrostriktive Element 6 a über die gesamte Länge des stabartigen
Elements 2 angebracht sein, während Elektroden 12, 12′
12′′ und 12′′′ in Übereinstimmung mit einem Schwingungsschema
des stabartigen Elements 2 angeordnet sind. An benachbarte Elektroden werden
mittels Spannungsquellen 13 und 14 Wechselspannungen mit einem Phasenunterschied
von 180° angelegt.
Auf diese Weise
wird ein großer Radius für die umlaufende Schwingung unter
Anlage relativ geringer Spannungen erhalten, womit die
Transportgeschwindigkeit erhöht werden kann.
Die stabartigen Elemente 2 werden bei der besprochenen Ausführungsform
von der Tragkonstruktion 4 und 4′ so gehalten, daß
an ihren entgegengesetzten Enden keine Biegemomente auftreten.
Jedoch können die stabartigen Elemente auch drehfest gehalten sein,
wie es in Fig. 8 gezeigt ist, wodurch die Tragkonstruktion
4, 4′ im Aufbau einfach wird.
Wenn ein Transport des Gegenstandes 10 bewirkt werden soll, müssen die stabartigen
Elemente 2 in die gleiche Richtung drehen.
Um den Gegenstand 10 stetig mit einer
konstanten Geschwindigkeit zu transportieren, müssen die
stabartigen Elemente Drehschwingungen mit konstanter und gleicher Geschwindigkeit
ausführen, indem beispielsweise stabartige Elemente
gleicher Gestalt sowie Struktur parallel
zueinander angeordnet und durch das gleiche Signal erregt
werden.
Die stabartigen Elemente müssen allerdings nicht parallel zueinander angeordnet werden.
Wenn es erwünscht ist, den Gegenstand längs einer gekrümmten
Bahn zu transportieren, werden die stabartigen Elemente unter
einem gegenseitigen Winkel in Übereinstimmung mit der gekrümmten Bahn angeordnet.
Die Frequenzen der Biegeschwingungen im stabartigen Element in den zwei unterschiedlichen Richtungen
können auch verschieden sein, was jedoch
zu einer Verminderung der Transportleistung führt, da der Anteil der Schwingungsenergie,
der den Transport bewirkt, erniedrigt ist.
Claims (12)
1. Vorrichtung zum Transport eines Gegenstandes mittels
stabartiger Elemente in einer vorbestimmten Richtung,
wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die
stabartigen Elemente rechtwinklig zu ihrer Längsachse
gerichtet aus ihrer Ruhelage auslenkbar sind und den
ausgelenkten Punkten zur Erzeugung einer umlaufenden
Auslenkung eine Bewegungskomponente in Umfangsrichtung zur
Längsachse erteilbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere in Transportrichtung gestaffelte, stabartige
Elemente (2) vorgesehen sind, auf denen der zu transportierende
Gegenstand (10) aufliegt, und daß die Einrichtung
elektrostriktive Elemente (6, 6′, 7, 7′) umfaßt, die
winkelversetzt an der Außenseite der jeweiligen stabartigen
Elemente (2) angebracht sind und mit denen die
stabartigen Elemente (2) in zumindest zwei Radialebenen
einer wellenförmigen Biegeverformung unterworfen werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die stabartigen Elemente (2) im wesentlichen parallel
zueinander angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) einen
kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) einen
polygonartigen Querschnitt aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) einen
quadratischen Querschnitt aufweisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) einen
dreieckförmigen Querschnitt aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Elemente
(6, 6′, 7, 7′) in einem Endbereich der stabartigen
Elemente (2) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Elemente
(6, 6′, 7, 7′) in beiden Endbereichen der stabartigen
Elemente (2) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die wellenförmige Biegeverformung
der stabartigen Elemente (2) zumindest einen Krümmungswendepunkt
aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die wellenförmige Biegeverformung der stabartigen
Elemente (2) zwei Krümmungswendepunkte aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeverformungen, der
einzelnen stabartigen Elemente (2) miteinander synchronisiert
sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Elemente
(6, 6′, 7, 7′) piezoelektrische Elemente sind.
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