DE4236574A1 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau eines Linearaktuators zum Erzeugen einer Antriebskraft unter Benutzung von elastischen Schwingungen, die durch Piezoelemente erzeugt werden, sowie auf ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Aktuators.

In den letzten Jahren sind Linearaktuatoren bekannt geworden, bei denen elastische Schwingungen an einem Schwingungserzeuger erzeugt wurden, der aus einem Piezo­ element aus Keramik oder dergleichen besteht, um eine Antriebskraft zu erzeugen.

Nachfolgend soll ein solcher konventioneller Linearak­ tuator unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines kon­ ventionellen Linearaktuators, wie er in der JP-A-63-2 83 473 beschrieben ist. Auf einer Fläche eines Grundkörpers 3 ist ein Antriebselement 2 integral an­ geordnet, während auf die anderen drei Flächen Piezoele­ mente 4a, 4b, 4c aufgeklebt sind, siehe hierzu auch Fig. 2. Das ganze bildet einen Schwingungserzeuger 1.

Der Schwingungserzeuger 1 wird in Diagonalrichtung ent­ weder in Richtung der Diagonale E-F oder der Diagonale G-H erregt, so daß ein Gleitstück (nicht gezeigt), das gegen das Antriebselement 2 gepreßt wird, angetrieben werden kann. Dem Piezoelement 4a wird eine Spannung V₁ entsprechend der nachfolgenden Gleichung (1) zugeführt, während die Piezoelemente 4b und 4c eine Spannung V₂ erhalten, die durch die Gleichung (2) ausgedrückt ist:

V₁ = V₀ × sin (ωt) (1)

V₂ = V₀ × cos (ωt) (2)

Hierbei ist V₀ der Augenblickswert einer Spannung, ω ist die Kreisfrequenz und t die Zeit.

Durch die nachfolgende Gleichung (3) werden die Biege­ schwingungen zum Erzeugen einer elliptischen Bewegung ausgedrückt, die auf das Antriebselement 2 des Schwin­ gungserzeugers 1 auf der Oberseite erzeugt werden.

ξ = ξ₀ × (cos (ωt) + sin (ω)) (3)

Hierbei ist ξ eine Maßstabskonstante der Biegeschwingun­ gen und ξ₀ ist der Augenblickswert der Biegeschwingungen.

Das mit dem Antriebselement 2 des Schwingungserzeugers 1 in Druckkontakt befindliche Gleitstück wird durch Rei­ bungskraft in einer elliptischen Bahn bewegt. Diese Bewegung kann auch in entgegengesetzter Richtung ausge­ führt werden, indem die Phase umgekehrt wird.

Bei diesem Aufbau des konventionellen Linearaktuators ist die Biegesteifigkeit des Schwingungserzeugers in der Y-Richtung beim Antrieb durch das Piezoelement anders als die Biegesteifigkeit des Schwingungserzeugers in der X-Richtung, und zwar aufgrund der Anordnung der Piezo­ elemente 4 und des Antriebselementes 2. Dies hat zur Folge, daß die Resonanzfrequenz und die Impedanz des Piezoelementes 4a von der Seite des Antriebselementes deutlich andere Werte aufweisen, als die Resonanzfre­ quenzen und Impedanzen der Piezoelemente 4b und 4c.

Dies bedeutet, daß auch dann, wenn die Spannungen V₁ und V₂ entsprechend der Gleichungen (1) und (2) angelegt werden, die Schwingungsamplituden in den X- und Y-Rich­ tungen voneinander abweichen, so daß der Antriebswir­ kungsgrad des Gleitstückes erniedrigt wird. Hierdurch müssen Treiberschaltung, Steuerschaltung usw. kompli­ ziert aufgebaut sein, wenn die Schwingungsamplituden in den X- und Y-Richtungen etwa gleich sein sollen. Da die Änderung der Biegesteifigkeit durch das Antriebselement 2 auch eine Verschiebung der Schwingungstäler aufgrund der Schwingungsamplitudenverteilung in den X- und Y-Rich­ tungen bewirkt, bereitet die Aufhängung des Schwin­ gungserzeugers Schwierigkeiten, was wiederum den An­ triebswirkungsgrad herabsetzt.

Obwohl die Bewegungsrichtung des Gleitstückes sich mit der sich ergebenden Resonanz aus dem in einer orthogona­ len Ebene angeordneten Piezoelement und der Phase der Schwingungen in den X- und Y-Richtungen ändert, kann nicht erwartet werden, daß sich der Wirkungsgrad erhöht, weil etwa doppelte Eingangsleistungen wegen der Änderung der Bewegungsrichtungen erforderlich sind. Dies sind die Gründe dafür, daß die Schwingungsamplitude durch Anord­ nung von zwei Schwingungserzeugern nicht vergrößert wird.

Das Antriebselement und das Gleitstück kommen in einer Ebene in Kontakt, und hier tritt das Problem auf, daß der Antriebswirkungsgrad erniedrigt wird und Geräusche auftreten, wenn die Genauigkeit der Ebene nicht ausrei­ chend ist. Wird die Genauigkeit der Ebene verbessert, so erschwert dies eine Massenproduktion und führt zu Erhö­ hungen der Herstellkosten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bei den bisher bekannten Aktuatoren auftretenden Nachteile zu vermeiden und einen verbesserten Linear­ aktuator vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierten Mittel gelöst, durch die die Antriebskraft durch Benut­ zung von elastischen Schwingungen der Piezoelemente verbessert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Antriebsmethode vorgeschlagen, die mit einem stabförmi­ gen Schwingungserzeuger mit polygonalem Querschnitt, wie z. B. quadratischem Querschnitt, dreieckigem Querschnitt oder dergleichen, arbeitet, wobei ein Bewegungselement in Druckkontakt mit dem Kantenbereich des Polygons ge­ bracht wird und das Bewegungselement durch Anschalten einer Wechselspannung an ein Paar von Piezoelementen in der einen Richtung und durch entgegengesetztes Anschal­ ten der Piezoelemente in der anderen Richtung bewegt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines konventionellen Li­ nearaktuators;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips des konventionellen Aktuators;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Auf­ baus eines Linearaktuators ent­ sprechend einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Perspektivdarstellung des praktischen Aufbaus eines Linear­ aktuators nach der ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung der Schwingungs­ amplitudenverteilung eines Schwin­ gungsstabes;

Fig. 6a u. 6b Darstellungen des Arbeitsprinzips der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei zum einen erstes Piezoelement und zum anderen ein zweites Piezoelement erregt wird;

Fig. 7 eine Darstellung der ersten Aus­ führungsform mit entsprechender Anordnung von Piezoelementen;

Fig. 8 eine Schnittdarstellung des Auf­ baus eines Linearaktuators in ei­ ner zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9a u. 9b Darstellungen der Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform, zum einen bei Erregung eines ersten Piezo­ elementes und zum anderen bei Er­ regung eines zweiten Piezoelemen­ tes;

Fig. 10 perspektivische Darstellung des Aufbaus eines Schwingungserzeugers für einen Linearaktuator entspre­ chend einer dritten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 11 Schnittdarstellungen von Beispie­ len des in der Erfindung verwende­ ten Schwingungserzeugers; und

Fig. 12 Schnittdarstellungen des Schwin­ gungserzeugers mit Beispielen für die Aufhängung.

Bevor die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wei­ tergeht, wird bemerkt, daß gleiche und ähnliche Teile in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen wurden.

Zunächst soll das erste Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 3 bis 7 beschrieben werden.

In den Fig. 3 und 4 zur ersten Ausführungsform der Er­ findung ist ein elastischer Stab 5 mit quadratischem Querschnitt vorgesehen, der aus Keramik, Metall oder dergleichen bestehen kann. Ein erstes und ein zweites Piezoelement 6a, 6b sind auf Seitenflächen A, B des elastischen Stabes 5 aufgeklebt und bilden einen Schwin­ gungserzeuger 7. Der Schwingungserzeuger 7 weist im Bereich der Schwingungstäler 16 (Fig. 5) Aufhängebohrun­ gen 8 auf, in denen er mittels Aufhängeelemente 12 auf­ gehängt ist. Die Aufhängeelemente 12 sind in die Auf­ hängebohrungen 8 des Schwingungserzeugers 7 eingesteckt und mittels einer Halterung 13 an einem Gestell 14 ge­ haltert. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Bewegungs­ element, das mit einer Öffnung versehen ist. Mit dieser Öffnung ist das Bewegungselement 9 auf einer Führungs­ stange 15 gelagert und kann auf dieser verschoben wer­ den. Weiterhin sind Federn 11 vorgesehen, mit denen der Schwingungserzeuger in Richtung des Bewegungselementes 9 in einen stabilen Zustand gedrückt wird. Der Schwin­ gungserzeuger 7 wird von einer Steuerschaltung 10 ange­ steuert, wobei das Bewegungselement 9 entlang der Füh­ rungsstange 15 bewegt wird.

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht des Schwingungserzeu­ gers 7 in der Form eines elastischen Stabes 5 sowie die dazugehörige Verteilung der Schwingungsamplituden der Biegeschwingung des Schwingungserzeugers 7. Das Bezugs­ zeichen 16 zeigt die Schwingungstäler der Biegeschwin­ gung an, an denen die Amplitude an den entsprechenden Positionen der Aufhängebohrungen 8 bzw. der Aufhängeele­ mente 12 gleich Null ist. Erfolgt die Aufhängung des Schwingungserzeugers 7 in den Bereichen der Aufhängeboh­ rungen 8, also in den Schwingungstälern 16, so sind hier die Schwingungsverluste klein. Für den Fall, daß der Schwingungserzeuger 7 die Form eines elastischen Stabes 5 hat und Biegeschwingungen erzeugt, so liegt bei einer Länge von 1 der Abstand der Schwingungstäler 16 von den Enden bei dem Wert 0,2241. Wird der Schwingungserzeuger in den Aufhängebohrungen 8 durch Aufhängeelemente 12 aufgehängt, deren Material einen niedrigen Young-Modul oder eine niedrige Schallgeschwindigkeit hat, wie z. B. Kunststoff, so kann der Schwingungserzeuger 7 mit nied­ rigen Schwingungsverlusten fest aufgehängt werden. In einem solchen Fall ist es von Vorteil, die Aufhängeboh­ rungen 8 symmetrisch anzuordnen, so daß die Biegestei­ figkeit des Schwingungserzeugers 7 in den X- und Y-Rich­ tungen gleich ist. Diese Bedingung ist jedoch nicht unbedingt einzuhalten, wenn die Größe der Aufhängeboh­ rungen 8 klein ist, so daß der Einfluß auf die Biege­ steifigkeit des Schwingungserzeugers 7 gering bleibt.

Da die Bewegungsgeschwindigkeit des Bewegungselementes 9 proportional zur Schwingungsamplitude ist, steht das Bewegungselement 9 aufgrund des Federdruckes der Federn 11 mit einem der Kantenbereiche 21 des Schwingungserzeu­ gers 7 an einer Position im Kontakt, die möglichst nahe an dem Schwingungsbauch, d. h. dem Maximum der Schwin­ gungsamplitude, zwischen den Schwingungstälern 16 liegt (siehe Fig. 5). Beim Erregen des Schwingungserzeugers 7 bewegt sich das Bewegungselement 9 praktisch mit der Maximalgeschwindigkeit entlang der Führungsstange 15. Aus Fig. 3 ist zu sehen, daß sich das Bewegungselement 9 in Druckkontakt mit dem Kantenbereich 21 des Schwin­ gungserzeugers 7 befindet, wobei die Kontaktposition im Maximum der Schwingungsamplitude in der Mitte des Schwingungserzeugers 7 liegt.

Der Schwingungserzeuger 7 weist einen elastischen Stab 5 aus Kunststoff oder dergleichen auf, wobei ein Material gewählt wird, das einen niedrigen Young-Modulus oder eine niedrige Schallgeschwindigkeit hat. Der Stab 5 ist mittels Aufhängebohrungen 8 befestigt. Die Aufhängeboh­ rungen 8 sollen möglichst symmetrisch angeordnet sein, damit die Biegesteifigkeit des Schwingungserzeugers 7 in den X- und Y-Richtungen gleich ist. Dies ist jedoch nicht so kritisch, wenn die Aufhängebohrungen 8 vernach­ lässigbar klein sind.

Das Antriebsprinzip soll nun anhand der Fig. 6a und 6b beschrieben werden. Fig. 6a zeigt die Schwingungen am Kantenabschnitt 21 des Schwingungserzeugers 7 an, wenn die Schwingungen in der X-Richtung durch ein erstes Piezoelement 6a erzeugt werden. Der Auslenkungsbetrag ξ_x am Kantenbereich 21 des Schwingungserzeugers 7 kann in Verschiebungskomponenten ξ_x1, und ξ_x2 zerlegt werden, wobei die erste Komponente vertikal zur Bewegungsrichtung des Bewegungselementes 9 und die zweite Komponente horizon­ tal, also in Bewegungsrichtung des Bewegungselementes 9 liegt. Dementsprechend wird das mit dem Kantenbereich 21 im Kontakt stehende Bewegungselement 9 in der Richtung ξ_x2 auf der Führungsstange 15 verschoben, und zwar auf­ grund der Komponente ξ_x2 der durch das Piezoelement 6a erzeugten Schwingung ξ_x.

In ähnlicher Weise zeigt Fig. 6b die Schwingungen des Kantenbereiches 21 des Schwingungserzeugers 7, wenn die Schwingungen in der Y-Richtung durch das zweite Piezo­ element 6b erzeugt werden. Die Schwingungs-Auslenkung ξ_y im Kantenbereich kann in die beiden Komponenten ξ_y1 und ξ_y2 zerlegt werden. Das mit dem Kantenbereich 21 in Druckberührung stehende Bewegungselement 9 wird durch die Komponente ξ_y2 in Richtung ξ_y2 bewegt, und zwar auf­ grund der durch das zweite Piezoelement 6b erzeugten Auslenkung ξ_y.

Da die Kosinus-Komponenten ξ_x2 und ξ_y2 der durch das erste und zweite Piezoelement 6a, 6b erzeugten Schwingungen entgegengesetzte Richtungen aufweisen, kann die Bewe­ gungsrichtung des Bewegungselementes 9 durch Erregung entweder des oder des anderen Piezoelementes gesteuert werden. Durch Zuführen durch entsprechend geschalteten, abwechselnden Wechselspannungen an jedes der Piezoele­ mente ist es möglich, die Bewegungsrichtung umzukehren. Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, daß keine besonderen Vorschriften für die mechanische Genau­ igkeit der Parallelität und Ebenengenauigkeit zwischen dem Bewegungselement 9 und dem Schwingungserzeuger 7 eingehalten werden müssen, wenn die Ebene des Schwin­ gungserzeugers 7 im Kontakt mit der Ebene des Bewegungs­ elementes 9 steht. Dies kommt daher, daß bei der erfin­ dungsgemäßen Konstruktion das Bewegungselement 9 mit dem Kantenbereich 21 des Schwingungserzeugers 7 in Druckkon­ takt steht. Hierdurch kann ein Linearaktuator mit nied­ rigen Kosten realisiert werden, der sich außerordentlich gut für die Massenproduktion eignet und eine höhere Zuverlässigkeit aufweist. Da die Bewegungsrichtung des Bewegungselementes 9 auf einfache Weise dadurch umge­ schaltet werden kann, daß jeweils ein Piezoelement wahl­ weise angesteuert wird, können eine entsprechende Trei­ berschaltung und eine Steuerschaltung besonders einfach aufgebaut werden.

Da durch Ansteuerung eines Piezoelementes die gleiche Schwingungs-Auslenkung erzielt werden kann, erfordert dies eine geringere Eingangsleistung, und der Antriebs­ wirkungsgrad kann deutlich verbessert werden. Da der Antrieb nur auf einer einzigen Seite durch Schwingungen des Piezoelementes mit Resonanzfrequenz erfolgt, kann dieser Vorgang einfach gesteuert werden, auch wenn die Resonanzfrequenzen der X- und Y-Richtungen verschieden sind, indem der elastische Stab 5 in Form und Größen­ genauigkeit verändert wird. Genaue Maße usw. sind nicht notwendig. Auf diese Weise kann ein Linearaktuator mit stabilen Eigenschaften durch eine außerordentlich ein­ fache Konstruktion und durch eine einfache Treiberschal­ tung realisiert werden.

Die ersten und zweiten Piezoelemente können nicht nur in zwei orthogonalen Ebenen wie in Fig. 3 angeordnet wer­ den. Wie Fig. 7 zeigt, können Piezoelemente 6a, 6b bzw. 6a′, 6b′ auf einander gegenüberliegenden Flächen ange­ ordnet werden, wobei die Pfeile 22 in den Piezoelementen die Polarisierungsrichtung angeben. Von den Antriebs­ anschlüssen gesehen, ergeben sich niedrige Impedanzen und hohe Kopplungskoeffizienten bei der Umwandlung von elektrischen zu mechanischen Signalen, wenn der Antrieb mit einem Satz von Piezoelementen 6a, 6a′ und Piezoele­ menten 6b, 6b′ erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß die Steuerschaltung 10 zum Nachführen der Antriebsfrequenz mit niedriger Spannung arbeiten kann und Laständerungen vereinfacht werden.

Nachfolgend soll eine zweite Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben werden.

Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung des Aufbaus eines Linearaktuators der zweiten Ausführungsform. Es wird bemerkt, daß der praktische Aufbau des Linearaktuators dadurch realisiert werden kann, daß der Schwingungser­ zeuger 7 der ersten Ausführungsform nach Fig. 4 durch den Schwingungserzeuger 7 der zweiten Ausführungsform nach Fig. 8 ersetzt wird. Ein elastischer Stab 5 hat einen dreieckförmigen Querschnitt, und die Bezugszeichen 6a und 6b weisen auf ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement hin, die auf die schrägen Ebenen A und B des elastischen Stabes 5 aufgeklebt sind und zu­ sammen mit diesem einen Schwingungserzeuger 7 bilden. Das Bewegungselement 9, das entlang der Führungsstange 15 bewegt werden soll, steht durch die Druckfedern 11 mit dem Kantenabschnitt 21 des dreieckigen elastischen Stabes 5 in Druckkontakt, wobei der Kantenabschnitt 21 zwischen den beiden Piezoelementen 6a und 6b liegt. Da die Auslenkungsverteilung freier Primärschwingungen in dem dreieckigen Stab 5 ähnlich wie die nach Fig. 5 ist, treten die Spannungstäler 16 im Abstand von 0,2241 von beiden Enden des Schwingungserzeugers 7 auf, wenn die Gesamtlänge gleich 1 ist. Die Aufhängung des Schwin­ gungserzeugers erfolgt in den Schwingungstälern 16 wie bei der ersten Ausführungsform, so daß der Schwingungs­ erzeuger 7 auf gleiche Weise mittels einer Halterung 13 auf einem Gestell 14 gehaltert werden kann.

Nachfolgend soll die Arbeitsweise dieser Ausführungsform in Verbindung mit den Fig. 9a und 9b beschrieben werden, obwohl sie der Arbeitsweise der Anordnung nach der ersten Ausführungsform ähnlich ist. Fig. 9a zeigt die Schwingungen am Kantenabschnitt 21 des Schwingungs­ erzeugers 7, die durch Schwingungen in einer Richtung rechtwinklig zu der schrägen Fläche A auftreten und durch das erste Piezoelement 6a ausgelöst werden. Im Kantenabschnitt 21 tritt die Schwingungsauslenkung ξ_A auf, die in die Komponenten ξ_A1 und ξ_A2 zerlegt werden kann. Das mit dem Kantenabschnitt 21 in Druckkontakt be­ findliche Bewegungselement (in dieser Zeichnung nicht gezeigt) wird durch die Komponenten ξ_A2 in Richtung ξ_A2 bewegt aufgrund der Erregung des ersten Piezoelementes 6a. In ähnlicher Weise zeigt Fig. 9b die Schwingungen des Kantenabschnittes 21 des Schwingungserzeugers 7, wenn Schwingungen rechtwinklig zu der schrägen Fläche B durch das zweite Piezoelement 6b erzeugt werden. Im Kantenabschnitt 21 tritt die Schwingungsauslenkung ξ_B auf, die wiederum in die beiden Komponenten ξ_B1 und ξ_B, zerlegt werden kann. Das nicht gezeigte Bewegungselement 9, das mit dem Kantenabschnitt 21 in Druckkontakt steht, wird durch die Komponente ξ_B2 in der Richtung ξ_B2 bewegt, und zwar aufgrund der Schwingungsamplitude ξ_B durch das zweite Piezoelement 6b.

Da die Kosinus-Komponenten ξ_A2 und ξ_B2 der Schwingungen durch das erste und das zweite Piezoelement 6a, 6b Kom­ ponenten mit entgegengesetzter Richtung sind, kann die Bewegungsrichtung des Bewegungselementes 9 durch Erregen entweder des einen oder des anderen Piezoelementes ge­ steuert werden. Durch einen entsprechenden Schaltvorgang kann eine Wechselspannung abwechselnd jedem der Piezo­ elemente zugeführt werden, um das Bewegungselement 9 in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen.

Durch die zweite Ausführungsform kann die gleiche Wir­ kung wie mit der ersten Ausführungsform erzielt werden, um einen Linearaktuator mit hohem Wirkungsgrad und ein­ fachem Aufbau zu realisieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung treten in der Resonanz­ frequenz keine Probleme auf, wenn sich eine Verschiebung der Schwingungen in den X- und Y-Richtungen ergibt. Um die Steuerzeit für den Durchlauf der Frequenz zu ver­ kürzen, sollten die beiden Resonanzfrequenzen gleich sein. Bei dem Schwingungserzeuger mit quadratischem Querschnitt können die Resonanzfrequenzen nicht unabhän­ gig voneinander justiert werden, da die Piezoelemente in den X- und Y-Richtungen miteinander gekoppelt sind. Da diese beiden Elemente sich einander beeinflussen, ist eine Justierung äußerst schwierig. Jedoch bei einem Schwingungserzeuger mit dreieckigem Querschnitt ist die Kopplung durch die Piezoelemente gering. Die Resonanz­ frequenz kann auf einfache Weise dadurch justiert wer­ den, daß z. B. die Ecken der entgegengesetzten Kanten­ abschnitte auf jeder Seite abgeschliffen werden.

Wird in Fig. 9 der Winkel zwischen einer schrägen Seite A oder B und der Bodenfläche R genannt, so ergeben sich die Werte ξ_A2 und ξ_B2 aus den nachfolgenden Gleichungen (4) und (5):

ξ_A = ξ_A2 × cos (π/2 - R) (4)

u_B = ξ_B2 × cos (π/2 - R) (5)

Wird im vorliegenden Fall angenommen, daß der Quer­ schnitt des Schwingungserzeugers 7 die Form eines gleichseitigen Dreieckes hat, so ergibt sich ein Winkel R = 60°, so daß die Werte ξ_A2, ξ_B2 ca. 87% der Werte ξ_A, ξ_B betragen. Es ergibt sich eine größere Amplitude, als es möglich wäre mit einem Schwingungserzeuger mit qua­ dratischem Querschnitt, also mit einem Winkel von R = 45° zwischen jeder der Seitenflächen A, B und der Unterseite des Bewegungselementes 9, wo die Amplitude nur ca. 71% beträgt. Auf diese Weise wird also ein Linearaktuator mit hohem Antriebswirkungsgrad geschaf­ fen.

Obwohl es wünschenswert ist, daß der dreieckige Quer­ schnitt des Schwingungserzeugers 7 die Form eines gleichseitigen oder eines gleichschenkligen Dreieckes hat, so ist die Form nicht hierauf beschränkt, wenn die Impedanzen oder Resonanzfrequenzen an einem Paar von Antriebsanschlüssen einander nicht gleich sind.

Nachfolgend soll eine dritte Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung in Verbindung mit den Fig. 10 bis 12 beschrieben werden.

Bei dieser Ausführungsform eines Linearaktuators sind zumindest die Kantenabschnitte 21 des Schwingungserzeu­ gers 7 mit einer Abrundung 20 versehen, die mit dem Bewegungselement 9 in Kontakt stehen. Die anderen Ein­ zelheiten dieser Ausführungsformen sind ähnlich wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Da der Abrieb an dem Bewegungselement 9 aufgrund der Hin- und Herbewegung beim Kontakt mit dem Kantenab­ schnitt 21 des Schwingungserzeugers 7 während des An­ triebs in jedem der vorstehenden Ausführungsbeispiele extrem reduziert wird, ergibt sich bei dem Linearaktua­ tor eine deutliche Verbesserung der Lebensdauer. Für den Aktuator ergibt sich eine hohe Zuverlässigkeit über lange Zeiträume, so daß die vorliegende Erfindung eine deutliche Bereicherung der Industrie darstellt.

Obwohl in den vorstehend beschriebenen ersten und zwei­ ten Ausführungsformen die Querschnittsform des Schwin­ gungserzeugers quadratisch oder dreieckig ist, versteht es sich von selbst, daß der Querschnitt auch die Form eines Polygons annehmen kann. Die Form kann sogar kreis­ förmig gemacht werden, wie es Fig. 11 zeigt, jedoch mit der Ausnahme der Klebeflächen A und B für die Piezoele­ mente 6a und 6b.

Die Aufhängebohrungen 8 können so geformt sein, daß ihre Größe reduziert wird, wobei sie im Bereich der Schwin­ gungstäler 16 liegen und eine runde Form oder die Form wie in den Fig. 12b, c gezeigt ist. In diesem Fall sind die Aufhängebohrungen bzw. Aussparungen an jeder Kante und jeder Ebene in einem Maß angeordnet, daß die ent­ sprechende Aussparung nicht von einer Diagonallinie in Richtung der X-, Y-Achsen der Schwingungserzeuger 7 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchdringen, wenn der Schwingungserzeuger im Zentralbe­ reich fest gehaltert werden soll. Die Halterung erfolgt in der Position der Schwingungstäler 16 der Schwingungs­ erzeuger 7, wie in Fig. 12a gezeigt. Auch wenn Fig. 12 einen Schwingungserzeuger mit quadratischem Querschnitt zeigt, ist es jedoch auch möglich, andere Formen zu ver­ wenden.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Linearaktuator geschaffen, der nur niedrige Kosten erfordert, vorteil­ haft in der Massenproduktion ist und stabile Eigenschaf­ ten aufweist. Dies kommt daher, daß gemäß der vorliegen­ den Erfindung Einschränkungen bezüglich der Genauigkeit der Ebene und der Parallelität zwischen dem Bewegungs­ element 9 und dem Kantenabschnitt 21 des Schwingungs­ erzeugers 7 existieren, wenn der Schwingungserzeuger einen quadratischen, dreieckförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweist. Das Bewegungselement 9 kann in einer Richtung mit einer Kosinus-Richtungskomponente des Schwingungshubes angetrieben werden, indem einem ein­ zigen Piezoelement 6a oder 6b eine Wechselspannung zu­ geführt wird. Durch Umschalten der Wechselspannung auf das andere Piezoelement 6b oder 6a kann die Bewegungs­ richtung des Bewegungselementes 9 umgekehrt werden. Auf diese Weise wird ein Linearaktuator erhalten, der einen hohen Wirkungsgrad und einen extrem hohen Nutzwert in der Industrie hat, da er mit niedrigen Eingangssignalen auskommt.

Claims (11)

1. Linearaktuator mit Piezoelementen zum Antrieb eines Bewegungselementes, dadurch gekennzeichnet, daß
ein elastischer Stab (5) als Biegeschwinger vorgesehen ist, der an mindestens zwei zueinander geneigten Seiten­ flächen (A, B) je ein Piezoelement (6a, 6b) aufweist,
daß symmetrisch zu den beiden geneigten Seitenflächen (A, B) ein in Längsrichtung verlaufender Kantenabschnitt (21) vorgesehen ist, mit dem das Bewegungselement (9) in Druckkontakt steht, und
daß eine Steuerschaltung zum Zuführen einer Wechselspan­ nung an das eine der Piezoelemente (6a, 6b) vorgesehen ist, um das Bewegungselement (9) in einer Richtung zu bewegen, und zum Zuführen der Wechselspannung an das andere Piezoelement (6b, 6a), um das Bewegungselement (9) in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen.

2. Linearaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Stab 5 einen quadratischen Querschnitt aufweist und auf zwei neben­ einanderliegenden Seitenflächen (A, B) Piezoelemente (6a, 6b) angeordnet sind.

3. Linearaktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungselement (5) auf den dem beiden Seitenflächen (A, B) gegenüberliegenden Kantenabschnitt (21) unter Druck aufliegt.

4. Linearaktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf allen vier Seitenflächen Piezoelemente (6a, 6b, 6a′, 6b′) vorgesehen sind, von den jeweils zwei sich gegenüberliegende Piezoelemente (6a, 6a′ bzw. 6b, 6b′) paarweise gegenphasig zueinander von der Steuerschaltung (10) erregt werden.

5. Linearaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Stab (5) einen dreieckigen Querschnitt, vorzugsweise in Form eines gleichschenkligen oder gleichseitigen Dreiecks, aufweist und daß das Bewegungselement (9) mit dem von den Seitenflächen (A, B), auf denen die Piezoelemente angeordnet sind, eingeschlossenen Kantenabschnitt (21) in Druckkontakt steht.

6. Linearaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Stab (5) einen polygonalen Querschnitt aufweist und auf zwei zueinandergeneigten Seitenflächen (A, B) Piezoelemente (6a, 6b) angeordnet sind, und daß mit einem symmetrisch zu den beiden Seitenflächen (A, B) liegenden Kantenab­ schnitt (21) das Bewegungselement (9) in Druckkontakt steht.

7. Linearaktuator mit einem elastischen Stab (5) qua­ dratischen Querschnittes, mit ersten und zweiten Piezo­ elementen (6a, 6b) auf mindestens zwei orthogonal zuein­ anderliegenden Seitenflächen (A, B) des elastischen Stabes (5), mit einem Bewegungselement (9), das mit einem Kantenabschnitt zwischen den orthogonalen Seiten­ flächen des elastischen Stabes (5) in Druckkontakt steht, und mit einer Steuerschaltung (10) zum Zuführen einer Wechselspannung an das erste oder zweite Piezoele­ ment (6a, 6b), um das Bewegungselement (9) in einer Richtung zu bewegen, und zum Zuführen der Wechselspan­ nung an das andere Piezoelement (6b, 6a), um das Bewe­ gungselement (9) in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen.

8. Linearaktuator mit einem elastischen Stab (5) drei­ eckigen Querschnittes, mit ersten und zweiten Piezoele­ menten (6a, 6b) auf zwei geneigt zueinanderliegenden Seitenflächen (A, B) des elastischen Stabes (5), mit einem Bewegungselement (9), das mit einem Kantenab­ schnitt zwischen den beiden die Piezoelemente tragenden Seitenflächen (A, B) des elastischen Stabes (5) in Druckkontakt steht, und mit einer Steuerschaltung (10) zum Zuführen einer Wechselspannung an das erste oder zweite Piezoelement (6a, 6b), um das Bewegungselement (9) in einer Richtung zu bewegen, und zum Zuführen der Wechselspannung an das andere Piezoelement (6b, 6a), um das Bewegungselement (9) in die entgegengesetzte Rich­ tung zu bewegen.

9. Linearaktuator mit einem elastischen Stab (5) poly­ gonalen Querschnittes, mit ersten und zweiten Piezoele­ menten (6a, 6b) auf zwei geneigt zueinanderliegenden Seitenflächen (A, B) des elastischen Stabes, mit einem Bewegungselement (9), das mit einem Kantenabschnitt (21) zwischen den geneigten Seitenflächen des elastischen Stabes in Druckkontakt steht, und mit einer Steuerschal­ tung (10) zum Zuführen einer Wechselspannung an das erste oder zweite Piezoelement (6a, 6b), um das Bewe­ gungselement (9) in einer Richtung zu bewegen, und zum Zuführen der Wechselspannung an das andere Piezoelement (6b, 6a), um das Bewegungselement (9) in die entgegen­ gesetzte Richtung zu bewegen.

10. Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Kantenabschnitt (21) auf dem das Bewegungselement (9) in Druckkontakt auf­ liegt, mit einer Abrundung (20) versehen ist.

11. Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Stab (5) im Bereich der Schwingungstäler (16) seiner Biegeschwingung mit Aufhängebohrungen oder -öffnungen (8) versehen ist.