DE4435996A1

DE4435996A1 - Drehantrieb

Info

Publication number: DE4435996A1
Application number: DE19944435996
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Dr Dobler; Rudolf Dr Ing Dr Heinz; Peter Dipl Ing Rehbein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-10-08
Filing date: 1994-10-08
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2014-10-09
Also published as: DE4435996C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Drehantriebe der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Neben den auf elektromagnetischen Prinzipien arbei tenden Drehantrieben sind als sogenannte Wanderwel lenmotoren ausgebildete Ultraschallmotoren bekannt. Bei diesen wird über Piezoaktoren in einem Schwin gungsmedium eine Wanderwelle erzeugt, die auf einen reibkraftschlüssig mit dem Schwingungsmedium in Kon takt stehenden Rotor übertragen wird. Hierbei ist nachteilig, daß zur Drehbewegung des Rotors eine um laufende Wanderwelle erzeugt werden muß, die einen komplizierten Aufbau eines derartigen Drehantriebes voraussetzt. Darüber hinaus kann es zu Reflexionen der erzeugten Schwingungen kommen, die den Wirkungs grad des Drehantriebes beeinträchtigen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehantrieb mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vor teil, daß durch einen einfach aufgebauten Drehantrieb sehr präzise Drehbewegungen des Rotors erzeugt werden können, wobei insbesondere mittels kleiner Drehzahlen große Drehmomente übertragbar sind. Dadurch, daß zur Erzeugung der Drehbewegung des Rotors ein den Rotor umgreifendes Gehäuseteil relativ zu dem Rotor bewegt wird, kann der Rotor selber von allen, die Drehbe wegung erzeugenden Bauteilen freigehalten werden, so daß dieser relativ einfach herstellbar und aufgebaut ist. Die relative Bewegung des Gehäuseteils kann von außen, außerhalb von rotierenden Teilen angeordneten Einrichtungen vorgenommen werden, so daß diese in einfacher Weise mit dem Gehäuseteil verbindbar sind.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor gesehen, daß das Gehäuseteil eine den Rotor aufneh mende Ausnehmung aufweist, deren Mantelfläche mit ei ner Mantelfläche des Rotors zur Erzeugung der Dreh bewegung zusammenwirkt, wobei die Mantelflächen vor zugsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit einander in Kontakt stehen. Hierdurch wird sehr vor teilhaft eine auf das Gehäuseteil wirkende Bewegung über dessen Mantelfläche auf den Rotor übertragen. Durch relativ geringe, vorzugsweise um 90° zueinander versetzte Linearbewegungen des Gehäuseteils können so diese Linearbewegungen auf den Rotor übertragen und in eine Drehbewegung umgewandelt werden. Aufgrund sehr geringer Linearbewegungen des Gehäuseteils kön nen Drehantriebe im "Mikromechanik-", das heißt im Millimeter- oder Submillimeterbereich, realisiert werden. Derartig kleine Drehantriebe sind vorteilhaft mit elektronischen Ansteuerungen zur Erzielung extrem kleiner und kompakter steuerbarer Drehantriebe kombi nierbar.

Ferner ist vorteilhaft, wenn die Linearbewegungen des Bauteils durch um 90° zueinander versetzte Linear aktoren, vorzugsweise Piezotranslatoren, erzeugt wer den. Diese Piezotranslatoren sind in einfacher Weise in eine elektronische Schaltung einbindbar, so daß zusätzliche, aufwendige Ansteuerelektroniken nicht notwendig sind. Über eine vorzugsweise phasenver setzte Ansteuerung der Piezotranslatoren können fort laufende, quer zueinander gerichtete Linearbewegungen des Bauteils in eine kontinuierliche Drehbewegung des Rotors umgesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Drehantrieb und

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Drehantrieb nach einer weiteren Ausführungsvariante.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten Drehantrieb. Der Drehantrieb 10 besitzt ein Gehäuse 12, das von in Fig. 1 nicht gezeigten Lagerschalen und einem zwischen den Lagerschalen angeordneten Gehäuseteil 14 gebildet wird. Das Gehäuseteil 14 be sitzt eine axiale Ausnehmung 16, die eine Mantel fläche 18 aufweist. Zur Ausbildung der Ausnehmung 16 kann in das Gehäuseteil 14 ein Ringelement 20 einge setzt sein. Das Ringelement 20 ist dabei fest mit dem Gehäuseteil 12 verbunden. Nach einer weiteren - nicht dargestellten Ausführung - können das Ringelement 20 und das Gehäuseteil 12 einstückig ausgebildet sein. Die Mantelfläche 18 besitzt eine Innenverzahnung 22, die eine Anzahl n + 1 Zähne 24 besitzt. Innerhalb der Ausnehmung 16 ist ein Rotor 26 angeordnet, der dreh fest mit einer Welle 28 verbunden ist. Die Welle 28 ist dabei in den nicht dargestellten Lagerschalen des Gehäuses 12 gelagert. Der Rotor 26 weist eine Mantel fläche 30 auf, die eine Außenverzahnung 32 besitzt. Die Außenverzahnung 32 besitzt n Zähne 34. Die Zähne 24 und 34 sind dabei derart ausgebildet, daß diese formschlüssig ineinandergreifen können. Die Mantel fläche 18 des Gehäuseteils 14 besitzt einen größeren Durchmesser als die Mantelfläche 30 des Rotors 28, so daß sich eine Durchmesserdifferenz d ergibt. Hier durch wird erreicht, daß lediglich kreissegmentweise die Außenverzahnung 32 des Rotors 26 mit der Innen verzahnung 22 des Gehäuseteils 14 formschlüssig in einandergreift, während diametral gegenüberliegend die Zähne 34 des Rotors 26 und die Zähne 24 des Gehäuseteils 14 sich gegenüberliegen. Die Durchmes serdifferenz d entspricht hierbei der Höhe der Zähne 24, so daß die Zähne 34 des Rotors 28 an den Zähnen 24 des Gehäuseteils 12 vorbeibewegbar sind.

Das Gehäuseteil 12 besitzt im wesentlichen rechtwink lig zueinander angeordnete Außenflächen 36. An zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Flächen 36 greift jeweils ein Linearaktor 38 an. Die Linear aktoren 38 können beispielsweise von Piezotransla toren 40 gebildet sein. Zwischen den Linearaktoren 38 und dem Gehäuseteil 12 ist jeweils eine elastische Kupplung 42 angeordnet. Die elastische Kupplung 42 stellt somit eine mechanische Verbindung zwischen den Linearaktoren 38 und den Flächen 36 des Gehäuseteils 14 her. Die elastischen Kupplungen 42 sind so auf gebaut, daß diese in Wirkrichtung des zugehörigen Linearaktors 38 steif und quer zur Wirkrichtung des zugehörigen Linearaktors 38 weich sind.

Der in Fig. 1 gezeigte Drehantrieb übt folgende Funktion aus:

Die als Piezotranslatoren 40 ausgebildeten Linear aktoren 38 sind mit einer Ansteuerelektronik verbun den. Diese Ansteuerelektronik stellt eine Betäti gungsspannung bereit. Hierbei ist ein Piezotranslator 40 mit einer Sinus-Spannungsquelle und ein zu diesen um 90° versetzt angeordneter Piezotranslator 40 mit einer cosinus-Spannungsquelle verbunden. Die Betäti gungsspannung der um 90° zueinander versetzt an geordneten Piezotranslatoren 40 ist somit um eben falls 90° phasenverschoben. Aufgrund der anliegenden Spannung an den Piezotranslatoren führen diese - in an sich bekannter Weise - die mit den Doppelpfeilen 44 angegebenen Linearschwingungen aus. Entsprechend einem sinusförmigen Verlauf der Betätigungsspannungen erfolgt eine Schwingung der Piezotranslatoren 40 mit einer von der Betätigungsspannung vorgegebenen Fre quenz mit einer wählbaren Amplitude. Diese Schwingun gen der Piezotranslatoren 40 werden über die elasti schen Kupplungen 42 auf das Gehäuseteil 14 über tragen. Das Gehäuseteil 14 erfährt somit eine aus den Schwingungen der Piezotranslatoren 40 resultierende Bewegung, die einer kreisförmigen, ebenen Bewegung entspricht. Bei dieser Bewegung wird das Gehäuseteil 12 derart auf einer Kreisbahn hin- und herbewegt, daß sich die gegenüberliegenden Flächen 36 des Gehäuse teils 12 jeweils immer parallel zueinander ver schieben. Eine derartige Parallelverschiebung der Flächen 36 ist durch die teilweise gestrichelte Dar stellung des Gehäuseteils 12 angedeutet. Durch diese quasi Hin- und Herbewegung des Gehäuseteils 12 auf einer Kreisbahn wird die Außenverzahnung 32 des Ro tors 26 an der Innenverzahnung 22 des Gehäuseteils 14 abgewälzt. Durch die fortlaufende Abwälzung der Ver zahnung erfolgt eine Drehbewegung des Rotors 26, wobei die Welle 28 als Drehachse wirkt. Die Welle 28 kann mit Mitteln versehen sein, die ein Abgreifen der Drehbewegung gestatten. Das Gehäuseteil 14 wird somit zwischen den nicht dargestellten Lagerschalen, mit denen dieses nicht verbunden ist, in der erwähnten Weise bewegt. Die Lagerschalen bilden somit gleich zeitig eine Führung für das Gehäuseteil 14. Bei ent sprechendem Einbau des Drehantriebs 10 in ein ge samtes Modul, das beispielsweise den Drehantrieb 10 und die Ansteuerelektronik aufweist, kann bei geeig neter Ausgestaltung auf die Lagerschilde verzichtet werden. Durch die in Wirkrichtung der Piezotransla toren 40 steifen und quer zu den Wirkrichtungen weichen elastischen Kupplungen 42 wird die ebene Kreisbewegung des Gehäuseteils 14 ermöglicht und bei der entsprechenden Zurückbewegung in die Ausgangslage unterstützt. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Piezotranslatoren 40 kann eine Drehrichtung des Ro tors 32 gewählt werden. Dieser kann also sowohl vor wärts als auch rückwärts drehen.

In der Fig. 2 ist eine weitere Variante eines Dreh antriebs 10 gezeigt, bei dem gleiche Teile trotz eines teilweise unterschiedlichen Aufbaus zur bes seren Verdeutlichung der Erfindung mit gleichen Be zugszeichen versehen sind.

Der hier gezeigte Drehantrieb 10 besitzt ebenfalls das Gehäuseteil 12, in dessen Ausnehmung 16 der Rotor 26 angeordnet ist. Sowohl die Mantelfläche 18 des Gehäuseteils 12 als auch die Mantelfläche 30 des Ro tors 26 besitzen eine glatte Oberfläche und verlaufen demnach koaxial zu der Welle 28. Die Oberflächen der Mantelflächen 18 und 30 können eine Mikrorauhigkeit besitzen, die einen besseren Reibschluß zwischen dem Gehäuseteil 12 und dem Rotor 26 ermöglichen. Die Aus nehmung 16 besitzt wiederum einen größeren Durchmes ser als der Rotor 26.

An wenigstens zwei Flächen 36 des Gehäuseteils 12 greifen die Linearaktoren 38 an. Diese sind über Stege 46 mit den Flächen 36 verbunden. Im gezeigten Beispiel sind wiederum zwei Linearaktoren 38 an zwei im wesentlichen im rechten Winkel zueinander angeord neten Flächen 36 des Gehäuseteils 12 angeordnet. Die Stege 46 sind hierbei derart angeordnet, daß diese in Wirkrichtung 44 des jeweiligen Linearaktors 38 steif und quer zur Wirkrichtung des jeweiligen Linearaktors 38 weich aufgehängt sind. Dies kann durch eine ent sprechende geometrische Gestaltung der Stege 46 erreicht werden, indem diese in Wirkrichtung 44 eine große Länge und quer zur Wirkrichtung eine relativ kleine Höhe aufweisen.

Die Wirkungsweise des in Fig. 2 gezeigten Drehan triebs 10 entspricht der des in Fig. 1 gezeigten Drehantriebs 10. Durch Aktivierung der Piezotransla toren 40 werden diese entsprechend der Betätigungs spannung in Schwingungen versetzt, die eine kreis förmige, ebene Bewegung des Gehäuseteils 12 bewirken. Über den Reibschluß der Mantelfläche 18 des Gehäuse teils 12 mit der Mantelfläche 30 des Rotors 26 wird dieser hierbei in Rotation versetzt. Die Drehrichtung des Rotors 26 ist wiederum über die Wahl der Betä tigungsspannungen der Piezotranslatoren 40 einstell bar.

Den zu den mit einem der Linearaktoren 38 bestückten Flächen 36 des Gehäuseteils 12 parallelliegenden Flächen 36 ist ein elastisches Element 48 zugeordnet. Das elastische Element 48 kann beispielsweise durch eine Feder 50 gebildet sein. Die Federn 50 stützen sich einerseits an einem Festpunkt 52 und anderer seits an der Fläche 36 des Gehäuseteils 12 ab. Die Federn 50 besitzen eine Vorspannung, so daß das Gehäuseteil 12 von den Festpunkten 52 jeweils in Richtung auf die Linearaktoren 38 gedrückt wird. Die Federkraft der Federn 50 ist hierbei so bemessen, daß diese in Betrieb des Drehantriebs 10 von den Linear kräften der Linearaktoren 38 überwunden werden kön nen. Durch die Anordnung der Federn 50 wird erreicht, daß bei einem sich außer Betrieb befindlichen Dreh antrieb 10 der Rotor 26 durch das Gehäuseteil 12 festgeklemmt wird und somit in einer definierten Position verbleibt und die Linearaktoren 38 mit einer Druckkraft vorgespannt sind.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Anordnung der Linearaktoren 38 ist lediglich beispielhaft. So kön nen anstelle von zwei Linearaktoren 38 auch mehrere Linearaktoren 38 angeordnet sein. So können bei spielsweise auf jeder Fläche 36 des Gehäuseteils 12 jeweils ein oder auch mehrere, parallel wirkende Linearaktoren 38 angeordnet sein. Durch eine Erhöhung der Anzahl der Linearaktoren 38 ist eine Erhöhung des übertragbaren Drehmomentes mit dem Drehantrieb 10 möglich. Darüber hinaus ist möglich, zwischen den Linearaktoren 38 und dem Gehäuseteil 12 Hebelan ordnungen anzuordnen, die eine mechanische Über setzung der Linearbewegung der Linearaktoren 38 be wirken. So sind mit relativ kleinen Amplituden der Linearbewegungen der Linearaktoren 38 am Gehäuseteil 12 größere Hubbewegungen möglich. Weiterhin ist der Einsatz von Piezotranslatoren 40 als Linearaktor 38 lediglich beispielhaft. So können anstelle der Piezo translatoren 40 beispielsweise auch magnetostriktive Aktoren oder andere, eine entsprechende Linearbe wegung bewirkende Aktoren eingesetzt werden.

Claims

1. Drehantrieb mit einem in einem Gehäuse auf einer Welle drehfest gelagerten Rotor, dadurch gekennzeich net, daß zur Erzeugung einer Drehbewegung des Rotors (26) ein den Rotor (26) umgreifendes Gehäuseteil (12) relativ zu dem Rotor (26) bewegbar ist.

2. Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Gehäuseteil (12) eine den Rotor (26) aufnehmende Ausnehmung (16) aufweist, dessen Mantel fläche (18) mit einer Mantelfläche (30) des Rotors (26) zur Erzeugung der Drehbewegung zusammenwirkt.

3. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen (18, 30) formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit einander in Kontakt stehen.

4. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchmesser der Ausnehmung (16) um eine Durchmesserdifferenz (d) grö ßer ist als ein Durchmesser des Rotors (26).

5. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen (18, 30) eine ineinandergreifende Verzahnung (22, 32) aufweisen.

6. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenverzahnung (22) der Mantelfläche (18) eine Anzahl (n+1) Zähne (24) gegenüber einer Anzahl (n) Zähne (34) der Außen verzahnung (32) der Mantelfläche (30) aufweist.

7. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen (18, 30) eine rauhe oder glatte Oberfläche aufweisen.

8. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß an das Gehäuseteil (14) zur Erzeugung der Relativbewegung wenigstens zwei Linearaktoren (38) angreifen.

9. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearaktoren (38) um 90° zueinander versetzt angeordnet sind.

10. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearaktoren (38) über eine elastische Kupplung (42, 46) an um 90° zueinander versetzt angeordneten Flächen (36) des Ge häuseteils (12) angreifen.

11. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearaktoren (38) von Piezotranslatoren (40) gebildet werden.

12. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils um 90° ver setzt angeordnete Piezotranslatoren (40) mit einer um 90° phasenverschobenen Betätigungsspannung aktivier bar sind.

13. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearaktoren (38) über eine Hebelanordnung zur Vergrößerung des Hubweges an das Gehäuseteil (12) angreifen.

14. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gehäuseteil (12) jeweils ein der Wirkrichtung (44) der Linearaktoren (38) entgegenwirkendes, elastisches Element (48) zu geordnet ist.

15. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (12) eine kreisförmige, ebene Bewegung erfährt.