DE4417158C1 - Piezoelektrische Verstellvorrichtung - Google Patents
Piezoelektrische VerstellvorrichtungInfo
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- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/101—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using intermittent driving, e.g. step motors
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Verstellvorrichtung zum Ausführen von
Drehbewegungen mit einem Drehteller und mit einem mindestens einen Piezoaktuator
aufweisenden Antriebselement (DE 40 23 311 A1).
Zum Ausführen von Drehbewegungen sind zahlreiche Verstellvorrichtungen bekannt.
Ein Hauptproblem für rotatorische Positionierungen besteht darin, daß es mit einem
Antriebsmechanismus für einen großen Drehbereich oft unmöglich ist oder aber zu
mindest eines erheblichen Aufwandes bedarf, um kleine präzise, insbesondere repro
duzierbare Bewegungen zu erzeugen. Demgegenüber ist es mit einem Antriebsme
chanismus, der kleine Bewegungen realisiert, selten möglich, einen großen Drehbe
reich abzudecken. Ein weiteres Problem für hochgenaue Positionierungen bei Rotati
onsbewegungen stellt die Lagerung des drehbeweglichen Teiles dar. Meist kommen
konventionelle Lager in Form von Kugellagern oder Zapfenlagern zum Einsatz, um
Wellen oder Scheiben so zu halten, daß ihnen bezüglich der Bewegbarkeit nur ein
Freiheitsgrad, nämlich der der Rotation verbleibt. Derartige Lager weisen jedoch ein
Spiel auf, das bei geforderten Präzisionseinstellungen zu Ungenauigkeiten führen
kann.
Vergleichsweise präzise Verstellbewegungen werden mit piezoelektrischen Verstell
vorrichtungen erreicht. So ist eine Dreh-Verstellvorrichtung für Mikrobewegungen be
kannt, die über einen Drehteller verfügt, der eine kegelstumpfförmige Gestalt auf
weist und mit seiner Kegelfläche auf Kugeln liegt, die jeweils von einem Kugelsitz
aufgenommen sind, die wiederum an eine Scherbewegung ausführenden Piezowand
lern befestigt sind (DE 40 23 311 A1). Die Piezowandler sind dabei an einem trog
förmigen Trägerelement fixiert und zwar so, daß sie die Scherbewegung in Drehrich
tung ausführen. Der Drehteller wird dabei von oben mit Hilfe einer Andruckvorrich
tung auf die Kugeln gedrückt.
Mit einer derartigen Verstellvorrichtung sind jedoch nur sehr kleine Drehwinkel reali
sierbar.
Es ist auch ein Ultraschallmotor bekannt, bei dem zur Erzeugung der Drehbewegung
zwei ringförmige, übereinander angeordnet piezoelektrische Elemente vorgesehen
sind, die mit einer Wechselspannung angesteuert werden und gegensinnig Torsions
schwingungen vollführen (DE 39 04 070 A1). Das angetriebene Element ist hierbei
ein Rotor, der auf einer Welle gelagert ist, zu der auch die ringförmigen piezoelektri
schen Elemente konzentrisch angeordnet sind. Zwischen dem Torsionsschwinger und
dem Rotor sind piezoelektrische Erreger vorgesehen, die bei Längung den Rotor an
den Torsionsschwinger kuppeln und die so angesteuert werden, daß nur das vorwärts
gerichtete Drehmoment vom Torsionsschwinger auf den Rotor übertragen wird.
Aufgrund der Ansteuerung des Torsionsschwingers im Ultraschallbereich in Kombina
tion mit der erforderlichen Reibpaarung zwischen den piezoelektrischen Erregern und
dem Rotor sind hierbei Probleme bei der Reproduzierbarkeit von insbesondere klein
sten Winkelverstellungen und Verschleißerscheinungen unvermeidlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvorrichtung der eingangs ge
nannten Art anzugeben, mit der es möglich ist, hochpräzise, reproduzierbare Drehbe
wegungen auszuführen, wobei auch Drehbewegungen mit einem Drehwinkel von
mehr als 360° ausführbar sein sollen. Die Verstellvorrichtung soll sich darüber hinaus
durch einen möglichst unkomplizierten und robusten Aufbau auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 an
gegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Verstellvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehö
rigen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung,
Fig. 2a bis 2c Details der Verstellvorrichtung,
Fig. 3a bis 3e die Verstellvorrichtung in verschiedenen Phasen, die bei Realisie
rung eines Verstellschrittes durchlaufen werden und
Fig. 4a bis 4g eine gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 modifiziert
ausgebildete Verstellvorrichtung in verschiedenen Phasen, die
bei Realisierung eines Verstellschrittes hierbei durchlaufen
werden.
Die Verstellvorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt einen Drehteller 1, der an seiner Unter
seite unter Bildung eines ringförmigen Bundes mit einem koaxial zur Drehachse 2 des
Drehtellers 1 angeordneten kegelstumpfförmig ausgebildeten Bodenteil 3 und auf sei
ner Oberseite mit einer ebenen Trägerfläche 4 versehen ist. Die Verstellvorrichtung
weist ferner ein Antriebselement 5 für die Drehbewegung auf, das aus einem um die
Drehachse 2 drehbeweglichen, mit einem Konus 6 versehenen Aufnahmeteil 7, einem
gegenüber einer Grundplatte 8 in Drehrichtung fixierten Halteteil 9 sowie einem in
gleicher Art fixierten Stützteil 10 besteht, wobei
das Aufnahmeteil 7 über ein Drehgelenk 11 mit dem fixierten Halteteil 9 verbunden
ist und der Drehpunkt des Drehgelenkes 11 auf der Drehachse 2 liegt (Fig. 2a bis
2c). Das Drehgelenk 11 ist als Festkörpergelenk ausgebildet. Ein außerhalb des
Drehpunktes einerseits am fixierten Stützteil 10 und andererseits am
drehbeweglichen Aufnahmeteil 7 angreifender Piezoaktuator 12 komplettiert das
Antriebselement 5, das auf einer Zwischenplatte 13 angeordnet ist, die wiederum
von einem auf der Grundplatte 8 befestigten zweiten Antriebselement 14 getragen
wird. Mit Hilfe dieses zweiten Antriebselementes 14, das einen Piezoelementestapel
beinhaltet, ist die Zwischenplatte 13 einschließlich ersten Antriebselementes 5 mit
dem drehbeweglichen Aufnahmeteil 7 heb- und senkbar. Im angehobenen Zustand
des Antriebselementes 5 sitzt der Drehteller 1 mit seinem kegelstumpfförmigen
Bodenteil 3 im Konus 6 des Aufnahmeteiles 7, in das er allein durch die Schwerkraft
gedrückt wird. Dabei findet eine Selbstzentrierung statt, wobei die verhältnismäßig
große Auflagefläche zwischen Bodenteil 3 einerseits und Konus 6 andererseits einer
Achskippung entgegenwirkt. Im abgesenkten Zustand des Antriebselementes 5 ruht
der Drehteller 1 dagegen in seinem Randbereich auf drei bezüglich der Drehachse 2
um 120° versetzt angeordneten Lagerpunkten 15, die sich jeweils am oberen Ende
einer Stütze 16 befinden, deren unteres Ende mit der Grundplatte 8 verbunden ist.
Mit Hilfe der Antriebselemente 5 und 14 sowie einer in der Zeichnung nicht darge
stellten Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Piezoaktuators 12 und des Piezoele
mentestapels lassen sich schrittweise Drehbewegungen des Drehtellers 1 erzeugen.
In den Fig. 3a bis 3e sind die verschiedenen Phasen eines solchen Bewegungszy
kluses dargestellt.
Fig. 3a zeigt die Ausgangsposition, bei der der Drehteller 1 auf den Lagerpunkten 15
ruht (wovon in der Zeichnung lediglich ein solcher Lagerpunkt 15 dargestellt ist). Das
kegelstumpfförmige Bodenteil 3 des Drehtellers 1 und der Konus 6 des Aufnahmetei
les 7 sind dabei außer Eingriff.
Bei Ansteuerung des Antriebselementes 14 wird durch Längung des Piezoelemente
stapels das Antriebselement 5 und damit das Aufnahmeteil 7 angehoben. Dabei
nimmt der Konus 6 das Bodenteil 3 auf, und der Drehteller 1 wird von den Lagerstel
len 15 abgehoben (Fig. 3b).
Wird nun der Piezoaktuator 12 angesteuert, so wird aufgrund der Längung desselben
und der Hebelwirkung das drehbewegliche Aufnahmeteil 7 und mit diesem der mit
seinem Bodenteil 3 im Konus 6 sitzende Drehteller 1 um einen Winkelschritt um die
gemeinsame Drehachse 2 gedreht - wie dies die Pfeile in Fig. 3c andeuten.
In dieser gedrehten Stellung wird danach durch Abschalten der Spannung am Pie
zoelementestapel das Antriebselement 5 mit dem Aufnahmeteil 7 abgesenkt, so daß
der Drehteller 1 wieder auf den Lagerpunkten 15 zu liegen kommt (Fig. 3d).
Mit dem Abschalten der Spannung am Piezoaktuator 12 wird schließlich das drehbe
wegliche Aufnahmeteil 7 in seine Ausgangslage zurückgedreht (Fig. 3e).
Durch eine fortlaufende Wiederholung dieses Zykluses ist eine schrittweise Drehbe
wegung des Drehtellers um beliebige Drehwinkel, die auch größer als 360° sein kön
nen, möglich.
Während bei dieser Verstellvorrichtung die Höhe des Drehtellers 1 und damit dessen
Trägerfläche 4 über der Grundplatte 8 bei der Ausführung des beschriebenen Bewe
gungszykluses verändert wird, ist bei der nachfolgend erläuterten modifizierten Ver
stellvorrichtung gewährleistet, daß die Höhe des Drehtellers 1 über der Grundplatte 8
stets unverändert bleibt. Dies wird erreicht, indem die Lagerpunkte 15 angehoben
bzw. abgesenkt werden können, wie dies beispielsweise mit Hilfe von in die Stützen
16 eingebauten, gleichzeitig ansteuerbaren Piezoelementestapeln 17 möglich ist.
In den Fig. 4a bis 4g sind die verschiedenen Phasen, die bei Ausführung eines
Drehbewegungs-Verstellschrittes bei einer derartig modifizierten Ausbildungsform der
Verstellvorrichtung durchlaufen werden, dargestellt.
Fig. 4a zeigt die Ausgangssituation. Der Drehteller 1 ruht auf den Lagerpunkten 15,
die sich durch Längung der Piezoelementestapel 17 und damit quasi einer Verlänge
rung der Stützen 16 in der oberen Stellung befinden. D.h., die Piezoelementestapel
17 sind hierbei über die in der Zeichnung nicht dargestellte Steuereinrichtung mit ei
ner elektrischen Spannung beaufschlagt.
Der Bewegungszyklus wird eingeleitet, indem zudem an den Piezoelementestapel des
Antriebselementes 14 eine Spannung gelegt wird. Durch Längung des Piezoelemen
testapels dieses Antriebselementes 14 wird das Antriebselement 5 samt Aufnahme
teil 7 angehoben und zwar gerade soweit, daß der Drehteller 1 noch auf den Lager
punkten 15 aufliegt, zusätzlich aber auch mit seinem Bodenteil 3 vom Konus 6 des
Aufnahmeteiles 7 getragen wird (Fig. 4b).
In der nächsten Phase werden die Lagerpunkte 15 durch Abschalten der Spannung an
den Piezoelementestapeln 17 abgesenkt, so daß der Drehteller 1 nur noch vom Auf
nahmeteil 7 gehalten wird (Fig. 4c).
Anschließend wird der Piezoaktuator 12 angesteuert, mit der Folge, daß das drehbe
wegliche Aufnahmeteil 7 und mit diesem der mit seinem Bodenteil 3 im Konus 6 sit
zende Drehteller 1 um einen Winkelbetrag um die gemeinsame Drehachse 2 gedreht
werden (Fig. 4d).
Durch erneutes Beaufschlagen der Piezoelementestapel 17 mit einer Spannung wer
den sodann die Lagerpunkte 15 wieder in ihre obere Stellung gebracht, um nunmehr
den Drehteller 1 in der gedrehten Stellung zu halten (Fig. 4e).
Danach wird die Spannung am Piezoelementestapel des Antriebselementes 14 abge
schaltet und damit das Antriebselement 5 mit dem Aufnahmeteil 7 abgesenkt, so daß
das Bodenteil 3 und der Konus 6 wieder außer Eingriff sind (Fig. 4f).
Durch Abschalten der Spannung am Piezoaktuator 12 bewegt sich schließlich das
drehbewegliche Aufnahmeteil 7 in seine Ausgangsstellung zurück (Fig. 4g).
Durch eine fortlaufende Wiederholung dieses Zykluses ist auch hier eine schrittweise
Drehbewegung des Drehtellers 1 um beliebige Drehwinkel möglich.
Mit den beschriebenen Verstellvorrichtungen gelingt es, kleine Winkel präzise einzu
stellen und somit auf der Trägerfläche 4 des Drehtellers 1 befestigte Objekte genau
zu positionieren. Die Verstellvorrichtungen sind durch ständige Wiederholung der be
schriebenen Bewegungszyklen aber auch in einem Drehwinkel-Bereich von mehr als
360° nutzbar, wobei auch dann eine Feinpositionierung gewährleistet ist und zwar
mit Hilfe der möglichen feinfühligen Steuerung des Piezoaktuators 12 innerhalb des
zuletzt auszuführenden Zykluses. Die Drehrichtung wird nur durch die Ansteuerung
bestimmt.
Die Verstellvorrichtungen zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, wobei
keinerlei Wälz- oder Gleitlager Anwendungen finden. Die zu positionierenden Objekte
können direkt an der freien Trägerfläche 4 des Drehtellers 1 befestigt werden, so daß
keine weiteren Elemente zur Übertragung der Rotationsbewegung nötig sind, die
sonst zusätzliche Fehlerquellen darstellen.
Claims (7)
1. Piezoelektrische Verstellvorrichtung zum Ausführen von Drehbewegungen mit
einem Drehteller und mit einem mindestens einen Piezoaktuator aufweisenden
Antriebselement,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehteller (1) an seiner Unterseite unter Bildung eines ringförmigen Bundes mit einem koaxial zur Drehachse (2) des Drehtellers (1) angeordneten und kegelstumpfförmig ausgebildeten Bodenteil (3) versehen ist,
daß das Antriebselement (5) aus einem um einen Winkelbetrag drehbewegli chen, einen Konus (6) zur Aufnahme des Bodenteiles (3) aufweisenden Auf nahmeteil (7) und einem gegenüber einer Grundplatte (8) in Drehrichtung fi xierten Halteteil (9) sowie einem in gleicher Art fixierten Stützteil (10) besteht,
wobei das Aufnahmeteil (7) mit dem in Drehrichtung fixierten Halteteil (9) über ein Drehgelenk (11) verbunden ist, dessen Drehpunkt auf der Drehachse (2) des Drehtellers (1) liegt, und wobei der Piezoaktuator (12) einerseits am fixierten Stützteil (10) und andererseits außerhalb des Drehpunktes unter Bil dung eines Hebels am Aufnahmeteil (7) angreift,
daß ein zweites Antriebselement (14) vorgesehen ist, mit dem das Antriebs element (5) für die Drehbewegung heb- und absenkbar ist, derart, daß im an gehobenen Zustand das Bodenteil (3) des Drehtellers (1) vom Konus (6) des Aufnahmeteiles (7) aufgenommen ist, und
daß wenigstens drei mit der Grundplatte (8) in Verbindung stehende Lager punkte (15) vorgesehen sind, auf denen der Drehteller (1) im abgesenkten Zu stand des die Drehbewegung ausführenden Antriebselementes (5) zu liegen kommt.
daß der Drehteller (1) an seiner Unterseite unter Bildung eines ringförmigen Bundes mit einem koaxial zur Drehachse (2) des Drehtellers (1) angeordneten und kegelstumpfförmig ausgebildeten Bodenteil (3) versehen ist,
daß das Antriebselement (5) aus einem um einen Winkelbetrag drehbewegli chen, einen Konus (6) zur Aufnahme des Bodenteiles (3) aufweisenden Auf nahmeteil (7) und einem gegenüber einer Grundplatte (8) in Drehrichtung fi xierten Halteteil (9) sowie einem in gleicher Art fixierten Stützteil (10) besteht,
wobei das Aufnahmeteil (7) mit dem in Drehrichtung fixierten Halteteil (9) über ein Drehgelenk (11) verbunden ist, dessen Drehpunkt auf der Drehachse (2) des Drehtellers (1) liegt, und wobei der Piezoaktuator (12) einerseits am fixierten Stützteil (10) und andererseits außerhalb des Drehpunktes unter Bil dung eines Hebels am Aufnahmeteil (7) angreift,
daß ein zweites Antriebselement (14) vorgesehen ist, mit dem das Antriebs element (5) für die Drehbewegung heb- und absenkbar ist, derart, daß im an gehobenen Zustand das Bodenteil (3) des Drehtellers (1) vom Konus (6) des Aufnahmeteiles (7) aufgenommen ist, und
daß wenigstens drei mit der Grundplatte (8) in Verbindung stehende Lager punkte (15) vorgesehen sind, auf denen der Drehteller (1) im abgesenkten Zu stand des die Drehbewegung ausführenden Antriebselementes (5) zu liegen kommt.
2. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Drehgelenk (11) als Festkörpergelenk ausgebildet ist.
3. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Antriebselement (14) einen Piezoelementestapel beinhaltet und
es sich einerseits an der Grundplatte (8) und andererseits an einer das
Antriebselement (5) für die Drehbewegung tragenden Zwischenplatte (13)
abstützt.
4. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß drei bezüglich der Drehachse (2) um 120° versetzt angeordnete Lager
punkte (15) vorgesehen sind, die sich jeweils am oberen Ende einer Stütze
(16) befinden, deren unteres Ende mit der Grundplatte (8) verbunden ist.
5. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein weiteres Antriebselement vorgesehen ist, mit dessen Hilfe
die Lagerpunkte (15) in ihrer Höhe bezüglich der Grundplatte (8) heb- und
absenkbar sind.
6. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebselemente zum Heben und Senken der Lagerpunkte (15) aus
jeweils mit den Stützen (16) verbundenen Piezoelementstapeln (17) bestehen.
7. Piezoelektrische Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, über die die Antriebselemente (5,
14, 17) nach einem vorgebbaren Regime ansteuerbar sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944417158 DE4417158C1 (de) | 1994-05-17 | 1994-05-17 | Piezoelektrische Verstellvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944417158 DE4417158C1 (de) | 1994-05-17 | 1994-05-17 | Piezoelektrische Verstellvorrichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4417158C1 true DE4417158C1 (de) | 1996-01-18 |
Family
ID=6518225
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944417158 Expired - Fee Related DE4417158C1 (de) | 1994-05-17 | 1994-05-17 | Piezoelektrische Verstellvorrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4417158C1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19712919C1 (de) * | 1997-03-27 | 1998-09-03 | Fraunhofer Ges Forschung | Antriebsvorrichtung zur Ausführung von Drehbewegungen |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3904070A1 (de) * | 1988-02-12 | 1989-09-14 | Ngk Spark Plug Co | Ultraschallmotor |
DE4003670A1 (de) * | 1990-02-07 | 1991-08-14 | Siemens Ag | Einrichtung zur tomographischen messung dreidimensionaler mikromagnetischer oder mikroelektrischer felder mit einer drehvorrichtung |
DE4023311A1 (de) * | 1990-07-21 | 1992-01-23 | Omicron Vakuumphysik | Verstellvorrichtung fuer mikrobewegungen |
-
1994
- 1994-05-17 DE DE19944417158 patent/DE4417158C1/de not_active Expired - Fee Related
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