DE4417158C1 - Piezoelektrische Verstellvorrichtung - Google Patents

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.

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.