DE60021659T2

DE60021659T2 - Bewegungsmechanismus mit piezoelektrischem Antrieb

Info

Publication number: DE60021659T2
Application number: DE60021659T
Authority: DE
Inventors: Norbert Beyrard
Original assignee: NORBERT BEYRARD FRANCE (SARL); NORBERT BEYRARD FRANCE SARL DI
Current assignee: NORBERT BEYRARD FRANCE (SARL), DIVONNE-LES-BAINS,
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: ATE301333T1; US6429572B1; FR2794581B1; EP1058322A1; EP1058322B8; EP1058322B9; EP1058322B1; FR2794581A1; DE60021659D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, die mindestens einen piezoelektrischen Motor und ein bewegliches Teil unter Einwirkung des piezoelektrischen Motors aufweist.
Das Dokument EP-A-0 633 616 beschreibt eine solche Vorrichtung, bei der der Motor ein piezoelektrisches Element aufweist, das mehrere Elektroden auf seiner Fläche aufweist.
Das Dokument US 5 049 775 offenbart eine Betätigungsvorrichtung, die wenigstens einen piezoelektrischen Motor und ein bewegliches Teil umfasst. Der piezoelektrische Motor besteht aus wenigstens zwei piezoelektrischen Elementen, die mit Versorgungsmitteln verbunden sind, um sich jeweils in Biegung zu verformen. Ein Übertragungselement in V-Form ist an den zwei piezoelektrischen Elementen befestigt, um in eine Mikro-Zahnstange, die auf dem beweglichen Teil 2 vorgesehen ist, einzuklinken und aus ihr auszuklinken. In einem Teil des Verformungszyklus übt das Übertragungselement in V-Form eine Belastung auf eine Wand der Mikro-Zahnstange aus, um das bewegliche Teil zu verschieben. Um keine Belastung auf das bewegliche Teil in einem zweiten Teil des Verformungszyklus auszuüben, wird das V-förmige Übertragungselement durch eine gleichzeitige Verformung in Biegung der zwei piezoelektrischen Elemente über die Mikro-Zahnstange gehoben.
Das Dokument JP 62 254 669 offenbart eine Vorrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels eines Rotors. Ein Stator umfasst ein bimorphes piezoelektrisches Element, das vorgesehen ist, um in eine Mikro-Zahnstange einzuklinken, die auf dem Rotor vorgesehen ist, und um eine Anzahl elektrischer Impulse zu erzeugen, die der Anzahl der Lücken der Minizahnstange, die im Laufe der Drehung des Rotors eingeklinkt und ausgeklinkt werden, entspricht. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht auf diesem Dokument.
Das Dokument JP 04 14 0074 offenbart eine Betätigungsvorrichtung, die insbesondere wenigstens einen piezoelektrischen Motor und ein bewegliches Teil umfasst, bei der der piezoelektrische Motor aus wenigstens einem piezoelektrischen Element gebildet ist, das mit Mitteln zum Versorgen mit elektrischem Strom verbunden ist, die es erlauben, schwingende Verformungen in Dehnung des piezoelektrischen Elements zu bewirken, wobei das bewegliche Teil wenigstens eine Mikro-Zahnstange umfasst, die dazu bestimmt ist, die Übertragung der Antriebskraft, die von den schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements erzeugt wird, auf das bewegliche Teil zu erlauben, wobei die Mikro-Zahnstange aus einer Abfolge von V-Winkeln ausgebildet ist, die eine erste Wand mit einer Höhe in der Größenordnung der Amplitude der schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements hat und eine zweite Wand aufweist, die einen spitzen Winkel mit der ersten Wand bildet, wobei eine Stange zum Übertragen der Verformungen mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist, um in die Mikro-Zahnstange einzuklinken und aus ihr auszuklinken, wenn sich das piezoelektrische Element schwingend verformt.
Auf einer Seite dieses piezoelektrischen Elements ist ein Teil zum Übertragen der Bewegung in Berührung mit dem beweglichen Teil angeordnet, und auf der anderen Seite eine Feder.
Durch entsprechende Versorgung des piezoelektrischen Elements bewirkt die Kombination der Biegung des piezoelektrischen Elements und der Rückholkraft der Feder eine elliptische Drehung des piezoelektrischen Elements, dessen Antriebskraft durch Reibung auf das bewegliche Teil über das Übertragungsteil übertragen wird.
Das Problem dieses Typs von Motoren liegt in ihrer Umsetzungskomplexheit, insbesondere auf der Ebene der Einstellung zwischen der elektrischen Versorgung und der mechanischen Kraft, die von der Feder angelegt wird.
Diese Kombination hängt in der Tat von der Ausbildung der elliptischen Drehung des Übertragungsteils ab. Dieses darf mit dem beweglichen Teil nur auf dem Teil des Zyklus in Kontakt kommen, der der gewünschten Verschiebungsrichtung entspricht.
Ferner bewirkt die Übertragung der Antriebskraft durch Reibung zwischen dem Übertragungsteil und dem beweglichen Teil einen großen Energieverlust.
Diese Vorrichtung weist auch eine relativ große Größe angesichts ihrer Anwendung auf, insbesondere für elektrische Relais.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, diesen oben erwähnten Nachteilen abzuhelfen, indem sie eine Betätigungsvorrichtung mit Hilfe eines beweglichen Teils liefert, das von einem piezoelektrischen Motor verschoben wird, die kleiner und einfacher in ihrer Umsetzung ist als die des früheren Stands der Technik. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, eine solche Betätigungsvorrichtung zu liefern, deren Funktionieren den Gebrauch einer äußeren mechanischen Kraft wie die nicht erfordert, die von einer Feder geliefert wird, um das Verschieben des beweglichen Teils zu bewirken.
Dazu schlägt die Erfindung eine Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 vor.
Die Mikro-Zahnstange weist eine Fläche auf, auf die das piezoelektrische Element in einem Teil des Verformungszyklus eine Belastung ausübt, die das Verschieben des beweglichen Teils erlaubt, und eine zweite Fläche, entlang welcher das piezoelektrische Element auf einem zweiten Teil des Verformungszyklus im Wesentlichen keine Belastung auf das bewegliche Element ausübt.
Die Mikro-Zahnstange ist zum Beispiel aus einer Abfolge von V-Winkeln ausgebildet, deren Höhe in der Größenordnung der Amplitude der schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements liegt.
Eine Stange zum Übertragen der Verformungen ist mit dem piezoelektrischen Element verbunden, um, während sich das piezoelektrische Element schwingend verformt, in die Mikro-Zahnstange einzuklinken und aus ihr auszuklinken.
Bei einer ersten Ausführungsform des piezoelektrischen Elements verformt sich dieses im Wesentlichen durch Dehnung.
Eine Feder kann daher mit der Übertragungsstange verbunden werden, um den Übergang der Übertragungsstange von einem V-Winkel zum benachbarten V-Winkel bei der Verschiebung des beweglichen Teils zu erleichtern.
Bei einer zweiten Ausführungsform des piezoelektrischen Elements verformt sich dieses im Wesentlichen durch Dehnen und durch Biegen.
Bei einer ersten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Mikro-Zahnstange und einen piezoelektrischen Motor, wobei eine Rückholfeder mit dem beweglichen Element verbunden ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei Mikro-Zahnstangen und zwei piezoelektrische Motoren.
Als Variante dieser zwei Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner Mittel zum Arretieren des beweglichen Teils in Position.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich bei der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsformen darstellen, in welchen:
1 eine vereinfachte flache Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Betätigungsvorrichtung ist, deren bewegliches Teil eine Mikro-Zahnstange umfasst und von einem piezoelektrischen Motor verschoben wird,
2 eine vereinfachte flache Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung ist, deren bewegliches Teil zwei Mikro-Zahnstangen umfasst und von zwei piezoelektrischen Motoren verschoben wird,
3 und 4 jeweils den Einklink- und Ausklinkschritt der Übertragungsstange darstellen, die mit einer ersten Variante eines piezoelektrischen Elements, das sich im Wesentlichen durch Dehnen verformt, verbunden ist,
5 und 6 jeweils den Schritt des Einklinkens und Ausklinkens der Übertragungsstange, die mit einer zweiten Variante eines piezoelektrischen Elements, das sich durch Dehnen und Biegen verformt, verbunden ist, darstellt.
Eine Betätigungsvorrichtung umfasst wenigstens einen piezoelektrischen Motor 1 und ein bewegliches Teil 2 unter Einwirkung des piezoelektrischen Motors 1.
Der piezoelektrische Motor 1 umfasst wenigstens ein Element 3, 4, das aus piezoelektrischem Werkstoff ausgebildet und mit einem elektrischen Versorgungsmittel 5 verbunden ist, das mindestens einen Resonanzmodus des piezoelektrischen Elements 3, 4 erregen kann, um schwingenden Verformungen dieses Letzteren zu bewirken. Die Frequenz des abgegebenen Stroms kann zum Beispiel zwischen 10 und 200 kHz liegen, und die Spannung zwischen 30 und 500 V.
Das piezoelektrische Element 3, 4 besteht zum Beispiel aus Keramik des Typs PZT (Bleititanat und -zirkonat) und hat die Form einer Rechteck-Parallelepiped-Platte, deren Länge größer ist als die Stärke, zum Beispiel in der Größenordnung von 10 Mal größer.
Das bewegliche Teil 2 ist dazu bestimmt, sich unter der Einwirkung der Antriebskraft zu verschieben, die von den schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements 3, 4 erzeugt wird.
Die Übertragung der von dem schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements 3, 4 erzeugten Antriebskraft auf das bewegliche Teil 2 wird mittels wenigstens einer Mikro-Zahnstange 6, 7 durchgeführt, die zum Beispiel durch Gravieren auf dem beweglichen Teil 2 ausgeführt ist.
Die Geometrie der Mikro-Zahnstange 6, 7 ist so, dass sie eine Fläche aufweist, auf die das piezoelektrische Element 3, 4 in einem Teil des Verformungszyklus eine Kraft ausübt, die das Verschieben des beweglichen Teils 2 erlaubt, und eine zweite Fläche, entlang welcher auf einem zweiten Teil des Verformungszyklus das piezoelektrische Element 3, 4 im Wesentlichen keine Belastung auf das bewegliche Teil 2 ausübt.
Bei den präsentierten Ausführungsformen hat das bewegliche Teil 2 Rechteck-Parallelepipedform und die Mikro-Zahnstange 6, 7 ist gemäß einer Achse des beweglichen Teils 2 angeordnet. Die Bewegung des beweglichen Teils 2 ist daher linear.
Bei einer Variante (nicht dargestellt) hat das bewegliche Teil 2 keine Rechteck-Parallelepipedform und/oder die Mikro-Zahnstange 6, 7 ist nicht gemäß einer Achse des beweglichen Teils 2 angeordnet, so dass eine Betätigungsvorrichtung geliefert wird, deren Bewegung des Teils 2 nicht linear ist. Das Teil 2 hat zum Beispiel zylindrische Form, und die Mikro-Zahnstange 6, 7 ist gemäß seinem Umfang so angeordnet, dass das bewegliche Teil 2 in Drehung verschoben wird. Bei einem zusätzlichen Beispiel ist die Mikro-Zahnstange 6, 7 auf dem Umkreis eines beweglichen Teils 2 in beliebiger Form gemäß einer Helix angeordnet, so dass das bewegliche Teil 2 gleichzeitig in Drehung und Verschiebung verschoben wird.
Solche Verformungen erlauben das Betätigen aller Arten von Systemen durch die Verschiebung des beweglichen Teils 2. Wir erwähnen unter den möglichen Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Anwendung auf das Betätigen elektrischer Kontakte in Überlastschaltern des Typs Relais.
Unten werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen zwei Ausführungsformen einer Betätigungsvorrichtung beschrieben.
Auf den Figuren entspricht die Achse XX' der Verschiebungsachse des beweglichen Teils 2 und die Achse YY ist in der Ebene der Figuren senkrecht zu der Achse XX'. Diese Achsen definieren für das bewegliche Teil 2 die Glieder: oberes Ende 8 (auf der X-Seite), unteres Ende 9 (auf der X'-Seite) rechte Seite 10 (auf der Y-Seite) und linke Seite 14 (auf der Y'-Seite).
Bei der ersten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, umfasst das bewegliche Teil eine Mikro-Zahnstange 6 und wird von einem piezoelektrischen Motor 1 verschoben, während das bewegliche Teil in der zweiten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, zwei Mikro-Zahnstangen 6, 7 umfasst und von zwei piezoelektrischen Motoren 1 verschoben wird.
Das bewegliche Teil 2, das zum Beispiel aus einem Keramikwerkstoff hergestellt ist, hat Rechteck-Paxallelepipedform. Auf der rechten Seite 10 des beweglichen Teils 2 wurde eine Mikro-Zahnstange 6 gemäß der Richtung XX' graviert.
Bei der zweiten Ausführungsform ist eine zweite Mikro-Zahnstange 7 auf der linken Seite 11 des beweglichen Teils 2 ausgebildet. Die zwei Mikro-Zahnstangen 6, 7 sind in Bezug auf die Mitte O des beweglichen Teils 2 symmetrisch eingerichtet.
Bei den dargestellten Ausführungsformen entspricht die Richtung XX' der großen Länge des beweglichen Teils 2.
Die Bewegung des beweglichen Teils ist daher gemäß der Richtung XX' des Ausbreitens der Mikro-Zahnstange 6, 7 linear.
Die Mikro-Zahnstangen 6, 7 bestehen aus einer Abfolge von V-Winkeln 12, die eine Wand 13 aufweisen, die zu der Richtung XX' (Richtung YY) im rechten Winkel liegt, und eine zweite Wand 14, die einen spitzen Winkel β (Richtung ZZ'), zum Beispiel in der Größenordnung von 45° mit der ersten Wand 13 bildet.
Bei den dargestellten Ausführungsformen sind die piezoelektrischen Elemente 3, 4 jeweils gegenüber der Mikro-Zahnstange 6, 7 gemäß der Richtung ZZ' angeordnet, so dass sie zu den zweiten Wänden 14 parallel sind.
Ein Generator 5 für Wechselstrom, der in Frequenz und Amplitude einstellbar ist, versorgt die piezoelektrischen Elemente 3, 4 über zwei Elektroden E1, E2, die zu beiden Seite des piezoelektrischen Elements 3, 4 angeordnet sind. Die zwei Elektroden E1, E2 sind zum Beispiel zu beiden Seiten des kleinsten Maßes des piezoelektrischen Elements 3, 4 angeordnet.
Auf dem Ende 15 der piezoelektrischen Elemente 3, 4, die dem beweglichen Teil 2 gegenüber liegen, wird zum Beispiel durch Kleben oder Ähnliches eine Stange 16 zum Übertragen der schwingenden Verformung des piezoelektrischen Elements angeordnet. Die Übertragungsstange 16 ist insbesondere hinsichtlich ihrer Größe so ausgebildet, dass sie sich in die Mikro-Zahnstange 6, 7 unter der Einwirkung der Verformungen des piezoelektrischen Elements 3, 4 einklinken und aus ihr ausklinken kann.
Obwohl die dargestellten Ausführungsformen vorsehen, dass die piezoelektrischen Motoren 1 eine solche Übertragungsstange 16 enthalten, kann man in Betracht ziehen, dass sich das piezoelektrische Element 3, 4 direkt in die Mikro-Zahnstange 6, 7 einklinkt.
Die piezoelektrischen Elemente 3, 4 sind an ihren Enden 17, die der Übertragungsstange 16 entgegengesetzt sind, an einem Träger (nicht dargestellt) befestigt, so dass sie in Bezug auf das bewegliche Teil 2 stationär sind.
Die relative Anordnung eines piezoelektrischen Elements 3, 4 mit einer Mikro-Zahnstange 6, 7 ist derart, dass die schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements 3, 4 auf einem Teil des Verformungszyklus das Einklinken der Übertragungsstange 16 in die Mikro-Zahnstange 6, 7 und auf dem anderen Teil des Zyklus ihr Ausklinken bewirken.
Die Mikro-Zahnstange 6, 7 besteht zum Beispiel aus einer Abfolge von V-Winkeln 12, die eine Höhe (das heißt die Entfernung AB gemäß der Richtung YY', die in den 3 bis 6 dargestellt ist) in der Größenordnung der Amplitude der schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements 3, 4 haben. Die Höhe der V-Winkel liegt zum Beispiel zwischen 0,5 und 5 μm.
Eine Vorrichtung 18 zum Arretieren in Stellung kann vorgesehen werden, um das bewegliche Teil 2 zurückzuhalten, wenn die Übertragungsstange 16 aus der Mikro-Zahnstange 6, 7 ausgeklinkt ist, und insbesondere, wenn das piezoelektrische Element 3, 4 nicht mit Strom versorgt wird.
Die Arretiervorrichtung 18 besteht zum Beispiel aus einer biegsamen Klinge 19, von welcher ein Ende in die aufeinander folgenden V-Winkel bei der Verschiebung des beweglichen Teils 2 einklinkt. Diese Klinge 19 ist ausreichend starr, um das bewegliche Teil 2 in Position zu halten, während die Übertragungsstange 16 ausgeklinkt ist.
Die Arretiervorrichtung 18 kann auch aus einer Platte ausgebildet sein, die an dem beweglichen Teil 2 reibt, wenn man einen kleinen Energieverlust durch Reibung zulassen kann.
Die Klinge 19 ist in der Nähe eines piezoelektrischen Motors 1 vorgesehen, ohne jedoch die schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements 3, 4 und der Übertragungsstange 16, die mit ihr verbunden ist, zu stören. Die Klinge 19 befindet sich zum Beispiel gegenüber dem V-Winkel 12, der mit dem benachbart ist, in den die Übertragungsstange 16 einklinkt.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Klinge 19 in Drehung um eine Achse 20 montiert und wird zum Beispiel von einem Elektromagneten 27 oder von einem zusätzlichen piezoelektrischen Motor, jeweils in einer aktiven oder in einer passiven Stellung angetrieben.
In der aktiven Stellung klinkt die Klinge 19 in die aufeinander folgenden V-Winkel 12 so ein, dass das bewegliche Teil 2 in Position zurückgehalten wird, während die Übertragungsstange 16 nicht in einen V-Winkel 12 eingeklinkt ist.
In der passiven Position ist die Klinge 19 um einen Winkel gedreht, der ausreicht, um von der Mikro-Zahnstange 6, 7 entfernt zu sein und daher die Bewegung des beweglichen Teils 2 nicht zu stören.
Bei einer Variante (nicht dargestellt) kann die Klinge 19 durch 2 Hubendschläge betätigt werden, die auf jedem der Enden, jeweils dem oberen 8 und dem unteren 9 des beweglichen Teils 2 vorgesehen sind. Diese zwei Anschläge und die Klinge befinden sich auf einer Achse, die in Bezug auf den piezoelektrischen Motor 1 versetzt ist, so dass diese Elemente den piezoelektrischen Motor 1 bei dem Bewegen des beweglichen Teils 2 nicht stören. Die Arretiervorrichtung 18 geht daher an jedem Hubende der Übertragungsstange 16 in der Mikro-Zahnstange 6 von einer aktiven Position auf eine passive Position und umgekehrt über.
Das Funktionsprinzip eines solchen Motors besteht daher darin, das piezoelektrische Element 3 mit Strom zu versorgen, um das bewegliche Teil 2 in die Richtung X zu verschieben. Während dieser Verschiebung ist die Klinge 19 in die Mikro-Zahnstange 6 eingeklinkt (aktive Position), so dass sie das bewegliche Teil 2 zurückhält, insbesondere bei einem Stromausfall.
Eine Feder 22 ist einerseits mit dem unteren Ende 9 des beweglichen Teils 2 und andererseits mit einem stationären Träger (nicht dargestellt) verbunden. Bei der Verschiebung des beweglichen Teils 2 in die Richtung X spannt sich die Feder 22 allmählich.
Am Hubende des beweglichen Teils 2 in die Richtung X wird die elektrische Versorgung des piezoelektrischen Elements 3 abgeschaltet. Die Arretiervorrichtung 18 wird daher zu einer passiven Position betätigt, so dass sie das bewegliche Teil 2 freigibt.
Die Rückkehr in die Richtung X' des beweglichen Teils 2 wird daher von der mechanischen Kraft sichergestellt, die von der Feder 22 auf das bewegliche Teil 2 ausgeübt wird. Am Hubende in die Richtung X' wird die Arretiervorrichtung 18 zu einer aktiven Position betätigt. Das piezoelektrische Element 3 kann daher wieder mit Strom versorgt werden, so dass es eine neue Verschiebung des beweglichen Teils 2 in die Richtung X sicherstellt.
Man erzielt daher eine Doppelrichtungsverschiebung des beweglichen Teils 2 in die Richtung X, indem man das piezoelektrische Element 3 mit Strom versorgt, wobei sich die Arretiervorrichtung 18 in aktiver Position befindet, und in die Richtung X', indem man den elektrischen Strom des piezoelektrischen Elements 3 abschaltet, wobei sich die Arretiervorrichtung 18 in passiver Stellung befindet.
Sollte die Arretiervorrichtung 18 von zwei Anschlägen betätigt werden, erfolgt das Kippen der Arretiervorrichtung 18 automatisch an jedem Hubende des beweglichen Teils 2 in die Richtung X oder in die Richtung X'. Das Abschalten der Stromversorgung des piezoelektrischen Elements 3 erfolgt daher nach dem Kippen der Arretiervorrichtung 18.
Bei der zweiten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, ist das Ende der Klinge, das der Mikro-Zahnstange 6 entgegengesetzt ist, an einem Träger befestigt, zum Beispiel an dem gleichen Träger wie dem, an dem das piezoelektrische Element 3 befestigt ist. Bei dieser Konfiguration befindet sich die Arretiervorrichtung 18 immer in aktiver Position.
Die Doppelrichtungsverschiebung wird durch aufeinander folgendes Versorgen des ersten piezoelektrischen Elements 3, um die Verschiebung gemäß X zu erzielen, und dann des zweiten piezoelektrischen Elements 4, um die Verschiebung in die Richtung X' zu erzielen, erzielt.
In der Tat weisen die zwei Mikro-Zahnstangen 6, 7, insbesondere dadurch, dass sie in Bezug auf die Mitte O des beweglichen Teils 2 symmetrisch sind, Profile auf, die das Verschieben des beweglichen Teils 2 jeweils in eine andere Richtung erlauben können.
Wir beschreiben nun unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 zwei Ausführungsformen des piezoelektrischen Motors 1 sowie das Funktionsprinzip der Übertragung der in den Verformungen des piezoelektrischen Elements 3, 4 erzeugten Antriebskraft über die Mikro-Zahnstange 6, 7 auf das bewegliche Teil 2.
Bei der folgenden Beschreibung entspricht der Punkt A einem gemeinsamen Gipfel von zwei benachbarten V-Winkeln 12, und der Punkt B entspricht einer gemeinsamen Basis von zwei benachbarten V-Winkeln 12.
Bei dieser Ausführungsform kann der Übergang von einem V-Winkel 12 zu dem nächsten auf der Ebene des Punkts A durch die Einwirkung einer Feder 23 erleichtert werden, die auf das piezoelektrische Element 3, 4 oder direkt auf der Übertragungsstange 161 in die Richtung [...] einwirkt.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Verformung des piezoelektrischen Elements 3, 4 im Wesentlichen eine Verformung durch Dehnung. Die Übertragungsstange wird daher von einer linearen periodischen Bewegung betätigt.
Dazu wird der Werkstoff, der das piezoelektrische Element 3, 4 bildet, ausgewählt, um schwingende Verformungen im Wesentlichen durch Dehnung bei der verwendeten Erregungsfrequenz unterworfen zu werden. Solche Werkstoffe sind im Handel je nach den erwünschten Merkmalen erhältlich.
Das Übertragungsprinzip der von dem piezoelektrischen Element 3, 4 erzeugten Antriebskraft, das sich im Wesentlichen durch Dehnung verformt, ist daher das Folgende.
In einem ersten Teil des Verformungszyklus (siehe 3) dehnt sich das piezoelektrische Element 3, 4. Das Ende der Übertragungsstange 16 geht daher aus der Nähe des Punkts A in die Nähe des Punkts B über.
Dieser Übergang vom Punkt A zum Punkt B erfolgt entlang der Wand 13 des V-Winkels 12, der mit der Übertragungsstange 16 einen Winkel β (Richtung XX') bildet. Im Laufe dieses Übergangs dehnt sich die Übertragungsstange 16 und schiebt daher die Wand 13, so dass das bewegliche Teil 2 verschoben wird.
In einem zweiten Teil des Verformungszyklus (siehe 4) zieht sich das piezoelektrische Element 3, 4 zusammen, und das Ende der Übertragungsstange 16 geht aus der Nähe des Punkts B in die Nähe des Punkts A über.
Dieser Übergang vom Punkt B zum Punkt A erfolgt entlang der Wand 14 des V-Winkels 12 parallel zu der Übertragungsstange 16 (Richtung ZZ'). Im Laufe dieses Übergangs zieht sich die Übertragungsstange 16 zusammen und klinkt daher aus der Mikro-Zahnstange 6, 7 aus, ohne eine wesentliche Bewegung des beweglichen Teils 2 zu verursachen.
Bei dieser Ausführungsform kann der Übergang von einem V-Winkel 12 auf ein Niveau des Punkts A durch die Einwirkung einer Feder 43 erleichtert werden, die auf das piezoelektrische Element 3, 4 oder direkt auf die Übertragungsstange 16 eine Kraft in die umgekehrte Richtung der Verschiebung des beweglichen Teils 2 ausübt, zum Beispiel im rechten Winkel zur Achse ZZ.
Die Abfolge der Dehnungs- und Zusammenziehzyklen des piezoelektrischen Elements 3, 4 bewirkt daher eine kontinuierliche lineare Bewegung des beweglichen Teils 2 in die Richtung X und X'.
Die Verschiebungsgeschwindigkeit des beweglichen Teils 2 wird daher von der Frequenz der schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements 3, 4 auferlegt.
Ein Mittel, um diesen Zwang zu beseitigen, besteht zum Beispiel darin, den Versorgungsstrom des piezoelektrischen Elements 3, 4 mittels einer elektronischen Steuerung zu pulsieren.
Der gepulste Strom bewirkt daher Perioden, während welcher das piezoelektrische Element 3, 4 mit Strom versorgt wird, und während welcher sich das bewegliche Teil 2 daher verschiebt (aktive Zeiten), und Perioden, in welchen der Strom gleich Null ist und sich das bewegliche Teil 2 daher nicht verschiebt (Totzeit).
Indem man die Impulsfrequenz des Versorgungsstroms des piezoelektrischen Elements 3, 4 steuert, kann man daher die mittlere Geschwindigkeit der Verschiebung des beweglichen Teils 2 regulieren. Je größer die Gesamtdauer der Totzeiten nämlich ist, desto mehr wird die mittlere Verschiebungsgeschwindigkeit verringert.
Bei der zweiten Ausführungsform ist die Verformung des piezoelektrischen Elements 3, 4 eine Verformung durch Dehnung und durch Biegung. Die Übertragungsstange 16 erfährt eine elliptische periodische Bewegung aufgrund der Kombination zwischen einer linearen Bewegung und einer Streichbewegung, die jeweils durch das periodische Dehnen und durch das Biegen des piezoelektrischen Elements 3, 4 bewirkt wird.
Dazu besteht das piezoelektrische Element 3, 4 aus piezoelektrischen Platten 24, 25, die auf einem Teil ihrer jeweiligen Fläche aneinander gefügt sind, zum Beispiel durch Kleben. Jede dieser zwei Platten 24, 25 umfasst zwei Elektroden E1, E2, die zu beiden Seiten ihrer jeweiligen Fläche liegen, sowie ein elektrisches Versorgungsmittel 5, zum Beispiel ein weiteres.
Bei einer ersten Variante werden die zwei Platten 24, 25 mit einem Strom mit einer gegebenen Frequenz versorgt. Die zwei elektrischen Versorgungsmittel 5 erlauben daher das Liefern zweier elektrischer Signale mit unterschiedlicher Spannung.
Der Werkstoff der ersten Platte 24 ist derart, dass die angelegte Frequenz im Wesentlichen ihren Verformungsresonanzmodus durch Dehnen erregt, während der Werkstoff der zweiten Platte 25 im Wesentlichen bei der betrachteten Frequenz in Biegung erregt wird.
Diese beiden Werkstoffe sind zum Beispiel aus PZT mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen und/oder Struktureigenschaften.
Bei dieser Ausführungsform beschreibt die Übertragungsstange 16 eine Ellipse, deren Periode von der an die zwei Platten angelegten Frequenz abhängt.
Ebenso wie bei der vorhergehenden Ausführungsform kann die Verschiebungsgeschwindigkeit des beweglichen Teils 2 durch eine elektronische Steuerung der Impulsfrequenz des Versorgungsstroms reguliert werden.
Bei einer zweiten Variante bestehen die zwei Platten 24, 25 aus dem gleichen Keramikwerkstoff.
Die zweite Platte 25 wird mit elektrischem Strom mit einer ersten Frequenz versorgt, die es erlaubt, hauptsächlich ihren Verformungsresonanzmodus durch Biegen zu erregen, und die erste Platte 24 wird mit einem Strom mit einer zweiten Oberschwingungsfrequenz der ersten Frequenz versorgt, die es erlaubt, im Wesentlichen den Verformungsresonanzmodus durch Dehnen zu erregen.
Die Synchronisierung zwischen der Dehnungs- und der Biegebewegung erfolgt mittels einer elektronischen Steuerung, so dass die Übertragungsstange 16 periodisch eine Ellipse beschreibt.
Das Übertragungskonzept der Antriebskraft, die von dem piezoelektrischen Element 3, 4, das sich im Wesentlichen durch Dehnung und Biegung verformt, erzeugt wird, ist das Folgende.
In einem ersten Teil des Verformungszyklus (siehe 5) dehnt und biegt sich das piezoelektrische Element 3, 4 in die Verschiebungsrichtung des beweglichen Elements 2. Das Ende der Übertragungsstange 16 geht daher aus der Nähe des Punkts A in die Nähe des Punkts B über.
Dieser Übergang vom Punkt A zum Punkt B erfolgt entlang der Wand 13 des V-Winkels 12, die mit der Übertragungsstange 16 einen Winkel β bildet (Richtung ZZ'). Im Laufe dieses Übergangs schiebt die Übertragungsstange 16 die Wand 13 so, dass das bewegliche Teil 2 verschoben wird.
In einem zweiten Teil des Verformungszyklus (siehe 6) zieht sich das piezoelektrische Element 3, 4 zusammen und biegt sich in die entgegengesetzte Richtung der Bewegung des beweglichen Elements 2. Das Ende der Übertragungsstange 16 geht daher aus der Nähe des Punkts B in die Nähe des Punkts A über.
Dieser Übergang vom Punkt B zum Punkt A erfolgt entlang der Wand 14 des V-Winkels 12 parallel zu der nicht verformten Übertragungsstange 16 (Richtung ZZ'). Im Laufe dieses Übergangs klinkt die Übertragungsstange 16 aus der Mikro-Zahnstange 6, 7 aus, ohne eine wesentliche Bewegung des beweglichen Teils 2 zu verursachen.
Die Abfolge der Verformungszyklen des piezoelektrischen Elements 3, 4 bewirkt daher eine kontinuierliche lineare Bewegung des beweglichen Teils 2 jeweils in die Richtung X und X'.
Bei dieser Ausführungsvariante kann die elektronische Steuerung, die mit den Versorgungsmitteln 5 verbunden ist, einerseits die Verschiebungsgeschwindigkeit regulieren und andererseits die Dehnungsbewegung der Platte 24 mit der Biegungsbewegung der Platte 25 synchronisieren.
Wenn die Verformungsfrequenz durch Biegen zum Beispiel niedriger ist als die Verformungsfrequenz durch Dehnen, pulsiert die elektronische Steuerung den Strom des Versorgungsmittels 5, so dass die zwei Verformungen in passenden Augenblicken synchronisiert werden, um die Verschiebung des beweglichen Teils 2 zu bewirken.
Eine Betätigungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform erlaubt ferner dank der Biegung des piezoelektrischen Elements 3, 4 das Übergehen der Übertragungsstange 16 von einem V-Winkel 12 zum benachbarten V-Winkel ohne Hilfe einer äußeren mechanischen Kraft, die auf die Übertragungsstange 16 angelegt wird.

Claims

Betätigungsvorrichtung enthaltend wenigstens einen piezoelektrischen Motor (1) und ein bewegliches Teil (2), wobei der piezoelektrische Motor (1) gebildet ist durch wenigstens ein piezoelektrisches Element (3, 4), das mit Versorgungsmitteln (5) für elektrischen Strom verbunden ist, die es erlauben, schwingende Verformungen im Sinne einer Dehnung des piezoelektrischen Elements (3, 4) hervorzubringen, wobei das bewegliche Teil (2) wenigstens eine Mikro-Zahnstange (6, 7) aufweist, die dazu bestimmt ist, eine Übertragung der durch die schwingenden Verformungen des piezoelektrischen Elements (3, 4) hervorgerufenen Bewegungskraft auf das bewegliche Teil (2) zu ermöglichen, wobei die Mikro-Zahnstange (6, 7) durch eine Folge von V-Winkeln (12) gebildet ist, die eine erste Wand (13) mit einer Höhe in der Größenordnung der Amplitude der schwingenden Deformationen des piezoelektrischen Elements (3, 4) aufweisen und die eine zweite Wand (14) aufweisen, welche mit der ersten Wand (13) einen spitzen Winkel (β) bildet, wobei eine Stange (16) zur Übertragung der Verformungen mit dem piezoelektrischen Element (3, 4) verbunden ist, um sich in die Mikro-Zahnstange (6, 7) einzuklinken und auszuklinken, wenn das piezoelektrische Element (3, 4) sich in schwingender Weise verformt, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (3, 4) relativ zur Mikro-Zahnstange (6, 7) in einer Richtung (ZZ') parallel zur zweiten Wand (14) angeordnet ist, damit die Übertragungsstange (16) in einem Teil des Verformungszyklus eine Kraft auf die erste Wand (13) ausüben kann, um eine Bewegung des beweglichen Teiles (2) zu ermöglichen, und in einem zweiten Teil des Verformungszyklus beim Bewegen entlang der zweiten Wand (14) keine Belastung auf das bewegliche Teil (2) ausübt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (23) mit der Übertragungsstange (16) verbunden ist, um die Bewegung der Übertragungsstange (16) von einem V-Winkel (12) zum benachbarten V-Winkel während der Verschiebung des beweglichen Teils (2) zu erleichtern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des piezoelektrischen Elements (3, 4) eine Verformung durch Dehnung und durch Biegung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Versorgungsmitteln verbundene elektronische Steuerung geeignet ist, die Verformung durch Dehnung und die Verformung durch Biegung des piezoelektrischen Elementes (3, 4) zu synchronisieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückholfeder (22) mit dem beweglichen Teil (2) verbunden ist und dass sie Mittel (18) zur Arretierung in einer Stellung des beweglichen Teils (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Mikro-Zahnstangen (6, 7), welche Profile aufweisen, die geeignet sind, eine Verschiebung des beweglichen Teils (2) jeweils in eine unterschiedliche Richtung zu ermöglichen, und zwei piezoelektrische Motoren (1), die nacheinander gespeist werden, um eine Verschiebung des beweglichen Teils (2) in die zwei unterschiedlichen Richtungen zu erhalten, aufweist und dass sie Mittel (18) zur Arretierung in einer Stellung des beweglichen Teils (2) aufweist.