EP1500183A2

EP1500183A2 - Piezomotor

Info

Publication number: EP1500183A2
Application number: EP03727325A
Authority: EP
Inventors: Kai Wolf; Peter C. Varadi; Björn MAGNUSSEN; Benjamin Hagemann; Dieter Schuler; Erick Davidson
Original assignee: Elliptec Resonant Actuator AG
Current assignee: Pantec GmbH
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2005-01-26
Also published as: EP1520338A2; WO2003090338A3; JP2005532769A; EP1520338B1; AU2003239810A1; AU2003233991A1; WO2003090339A2; WO2003090338A2; WO2003090339A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezomotor (1) mit einem mit einem Resonator (2) verbundenen piezoelektrischen Bauelement (3) und mit einem mit dem Piezomotor zusammenwirkenden bewegbaren Element (4), bei dem sich über die Betriebszeit wenigstens eine Zustandsgrösse verändert und ein Verfahren zur Vermeidung des Ausfalls des erfindungsgemässen Piezomotors.

Description

Piezomotor

Die Erfindung betrifft einen Piezomotor, bestehend aus einem mit einem Resonator verbundenen piezoelektrischen Bauelement und einem mit dem Resonator zusammenwirkenden bewegbaren Element. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vermeidung des Ausfalls eines solchen Piezomotors. Im Gegensatz zu bekannten Piezomotoren wird dabei nicht versucht Abrieb an der Kontaktstelle zwischen Resonator und angetriebenem Element zu vermeiden, sondern diesen gezielt zur Optimierung des Motorverhaltens und Erhöhung der Motorleistung auszunutzen

Piezomotoren der eingangs genannten Art sind in einer Vielzahl aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei werden piezoelektrische Bauelemente, die beim Anliegen einer geeigneten elektrischen Spannung mechanische Schwingungen ausführen an einen Resonator angekoppelt, welcher seinerseits wieder an einem bewegbaren Element anliegt. Der Resonator setzt die Schwingungen des piezoelektrischen Bauelements in vorzugsweise elliptischen Schwingungen des Kontaktbereichs des Resonators mit dem Läufer um. Das bewegbare Element bewegt sich vorzugsweise bei Anliegen einer ersten Spannung mit einer ersten Frequenz an dem piezoelektrischen Bauelement in eine erste Richtung, bei Anliegen einer zweiten Spannung mit einer zweiten Frequenz an dem piezoelektrischen Bauelement in eine vorzugsweise entgegengesetzte zweite Richtung.

Durch diese Piezomotoren können bei besonders niedrigem Energieverbrauch und besonders kostengünstiger Herstellung der Piezomotoren elektrisch betriebene Stellelemente für das menschliche Ohr geräuschlos über äußerst exakt einzustellende Wegstrecken bewegt werden. Anwendung finden diese Piezomotoren dann, wenn eine kompakte Bauweise einen Motor mit geringem Platzbedarf erfordert, oder auch, wenn beim Betrieb keine oder nur geringe Magnetfelder entstehen dürfen.

Piezomotoren sind Massenprodukte, die beispielsweise in Kinderspielzeug die Bewegung einzelner Elemente erzeugen oder aber in Fahrzeugen eine Vielzahl von Bauteilen, so zum Beispiel den Aschenbecher oder die Außenspiegel elektrisch ausfahren oder verstellen. Bei allen Anwendungen muss jedoch gewährleistet sein, dass die Motoren beim Betrieb keinen starken Leistungsverlust erleiden und somit bereits nach einer kurzen Betriebszeit ausfallen oder ihre Aufgabe nur noch unzureichend erfüllen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Piezomotor zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und ein Verfahren anzugeben, bei dem das Risiko des Ausfalls des Piezomotors während seiner Lebensdauer vermindert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Piezomotor mit den Merkmalen des Ansprüche 1 , 2 und 4 und ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 27 und 28 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird somit ein Piezomotor zur Verfügung gestellt, bei dem eine Änderung wenigstens einer Betriebszustandsgröße die Leistung des Motors verbessert oder verschlechtert. Der erfindungsgemäße Piezomotor kann dabei besonders einfach hergestellt werden und bietet eine konstante bzw. eine vorzugsweise über die Betriebsdauer ansteigende Leistungsabgabe. Bei einem anfänglichen Test des Piezomotors kann bereits vor Beginn der eigentlichen Betriebszeit dessen minimaler Wirkungsgrad ermittelt werden.

Eine Betriebszustandsgröße ist jede Größe, die den Betriebszustand eines Motors beeinflußt. Vorzugsweise ist die Betriebszustandsgröße die Betriebsfrequenz, die Stromaufnahme, die Schwingungsmoden des Resonators, die Druckspannung und/oder das Reibverhalten zwischen Resonator und bewegbarem Element, die Orientierung und/oder der Auftreffwinkel des Resonators im Kontaktbereich mit dem bewegbaren Element, oder die Form, die Lage und/oder die Orientierung des Kontaktbereichs sind. Vorzugsweise erfolgt die Änderung der Betriebszustandsgröße relativ langsam im Vergleich zu der Lebensdauer des Motors. Zumindest wird mehr als eine Schwingungsperiode, vorzugsweise mehr als 5 Schwingungsperioden, des Erregersignals des piezoelektrischen Elementes benötigt, um die jeweilige Betriebszustandsgröße zu verändern. Die Betriebszustandsgrößen werden vorzugsweise als über mindestens 10 Perioden des Ansteuersignais gemittelte Größen verstanden. Vorzugsweise erfolgt die Änderung irreversibel. Die Änderung der Betriebszustandsgröße erfolgt erfindungsgemäß ohne Fremdeinwirkung. Dies bedeutet vorzugsweise, dass die Änderung der jeweiligen Betriebszustandsgröße ohne eine Änderung des Ansteuersignais des Piezoelementes erreicht wird.

Die Elemente des Piezomotors sind vorzugsweise so gestaltet, dass der Betrieb, insbesondere das Einlaufen des Motors das Motorverhalten gezielt verändert. Dies geschieht vorzugsweise zum einen durch eine gegenseitige und wenigstens beinahe gänzliche Kompensation verschiedener Änderungen von Betriebszustandsgrößen, zum anderen vorzugsweise durch Verwendung von Bauelementen und/oder Materialien, die beim Einlaufvorgang die Leistung des Piezomotors konstant halten oder vorzugsweise vergrößern. Insgesamt kann sich die Motorleistung durch die Änderung der Betriebszustandsgröße aber auch verschlechtern.

Insbesondere dann, wenn das Einlaufverhalten der Bauelemente und die Abhängigkeit des Betriebsverhaltens von der Betriebszeit des Piezomotors bekannt sind, kann vorzugsweise durch gezielte Änderung einer oder mehrerer anderer Betriebszustandsgrößen die vom Einlaufvorgang bzw. der Betriebszeit hervorgerufene Änderung des Motorverhaltens kompensiert oder aber, sofern dies gewünscht ist, auch unterstützt werden.

Das piezoelektrische Bauelement und der Resonator sind beispielhaft in der DE 100 62 672 A1 und der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 101 41 820.5 beschrieben. Der Resonator ist mit dem piezoelektrischen Bauelement gekoppelt und überträgt dessen Schwingungen auf das bewegbare Element. Der Resonator schwingt dabei bevorzugt im Bereich seiner Eigenschwingungen. Der Resonator besitzt vorzugsweise eine flache und im wesentlichen zweidimensionale Form, bei die Gestalt des Resonators in der dritten Dimension, vorzugsweise der Dickenrichtung, nahezu unverändert ist. Eine beispielhafte Gestaltungsform des Piezomotors ist bereits in der WO 01/41228A1 oder in der Parallelanmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/E P01/03245 beschrieben. Diese Patentanmeldungen werden hiermit als Referenz eingeführt und gelten somit als Teil der Offenbarung. Das piezoelektrische Bauelement ist dabei in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in monolithischer Bauweise hergestellt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in diese monolithische Piezokeramik Elektroden ans Kupfer eingebracht, die kammartig ineinandergreifen. Derartige piezoelektrische Bauelemente sind in der Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 101 46 704.4 beschrieben. Diese Patentanmeldung wird hiermit als Referenz eingeführt und gilt somit als Teil der Offenbarung. Vorzugsweise ist die Piezokeramik einstückig ausgeführt.

Der Piezomotor wird in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung von einem einzigen piezoelektrischen Bauelement mit zwei Anschlüssen zum Anlegen des Erregersignals angeregt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Signal ein Sinus- oder Rechtecksignal. Durch diese besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, einfach zu erzeugende Signale zu verwenden und auf die Erzeugung eines sägezahnförmigen Signals zu verzichten.

Die Schwingungsmoden des Resonators resultieren zum einen aus der Lage und Einspannung des piezoelektrischen Bauelements, zum anderen aber aus der Form und Masse des Resonators. Der Einlauf bzw. die Betriebszeit des Resonators hat einen direkten Einfluss auf die Schwingungsmoden. An den unterschiedlichen Bereichen des Resonators führt dieser zudem unterschiedliche Schwingungen aus. Der Kontaktbereich zwischen Resonator und bewegbarem Element verändert sich beim Einlaufen bzw. während der Betriebszeit des Piezomotors. So kann bei einer Anpassung des Kontaktbereichs ein Bereich des Resonators Schwingungen an das bewegbare Element übertragen, die sich deutlich von den Schwingungsmoden des Kontaktbereichs zu Beginn des Betriebs des erfindungsgemäßen Piezomotors unterscheiden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dieses Einlauf- bzw. Betriebsverhalten des Resonators vorzugsweise über eine Messung der sich verändernden Schwingungsmoden, der Frequenzen, des Wirkungsgrads etc. gemessen. Somit kann mit besonders einfachen Mitteln das Einlaufverhalten des Resonators bestimmt werden. Anschließend kann über eine gezielte Veränderung einer Betriebszustandsgröße, vorzugsweise über eine Anpassung der Betriebsfrequenz an die veränderte Resonanzfrequenz, die Schubleistung des erfindungsgemäßen Piezomotors zumindest konstant gehalten werden.

Der Kontaktbereich zwischen dem bewegbaren Element und dem Resonator ist bei einer vorzugsweise erfolgenden exakten Anpassung der Geometrien beider Bauelemente aufeinander flächenförmig. Während des Betriebs des Piezomotors kommt es beim Einlaufen zur Veränderung des Kontaktbereichs, der dann eine veränderte Fläche darstellt, deren Lage, Form und/oder Orientierung im Vergleich zum ursprünglichen Zustand verändert ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt daher die Veränderung der Kontaktfläche derart, dass sich die Schubkraft des Piezomotors erhöht. Vorzugsweise vergrößert sich die Kontaktfläche im Vergleich zum Einbauzustand und/oder der Kontaktwinkel zwischen dem Resonator und dem anzutreibenden Element verändert sich während der Betriebszeit des Motors.

Die Druckspannung zwischen dem Resonator und dem bewegbaren Element tritt an deren Kontaktbereich auf und hat mit der Reibkraft einen direkten Einfluss auf die vom Piezomotor auf das bewegbare Element übertragene Leistung. Die Andruckkraft ist von der Steifigkeit des elastischen Elements abhängig und von dem Weg, den das elastische Element den Resonator bewegt, um Verschleiss an der Resonatorspitze auszugleichen. In bekannten Systemem tritt oft das Problem auf, dass diese Andruckkraft mit der Zeit so stark abnimmt, dass der Motor nicht mehr genug Kraft erzeugt. Als Gegenmassnahme sind die Verwendung sehr harter Abriebfester Materialien bekannt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Federelement ein Element mit geringer Steifigkeit verwendet, welches über eine grosse Strecke vorgespannt wird, wie von Zeichnung 1 b zu Zeichnung 3 im Vergleich erkennbar ist. Eine Abnutzung der Kontaktfläche führt dabei nur zu einer geringen Änderung der Andruckkraft.

Vorteilhafter Weise kann diese Änderung der im Laufe des Motorlebens erzeugten Kraft gezielt beeinflusst werden, indem die Kontaktfläche so ausgelegt wird, dass sie sich durch Abrieb verändert, wodurch sich gezielt eine Zunahme, Abnahme oder Konstanthaltung von Eigenschaften erreichen lässt.

Vorteilhafter Weise kann die Kontaktfläche so ausgelegt sein, dass sie anfangs klein ist, was z.B. den Vorteil eines schnellen Einlaufens des Motors bewirkt, dann aber durch Abnutzung grösser wird, was eine starke Abnahme des Verschleisses bewirkt. Vorteilhafter Weise kann die Kontaktfläche so gross werden, dass der Druck bei leicht abnehmender Andruckkraft aufgrund der Zunahme der Kontaktfläche soweit abnimmt, dass der Verschleiss praktisch zum erliegen kommt. Vorteilhafter Weise nimmt die Kontaktfläche mindestens um einen Faktor 1 ,5 zu. Noch vorteilhafter ist eine Zunahme um mindestens den Faktor 10. Vorteilhafter Weise erreicht die Kontaktfläche eine Grosse von mindestend *LG*L5.

Vorteilhafter Weise kommen bei der Verlagerung der Kontaktfläche andere Punkte des Resonators in Kontakt zum angetriebenen Element. Diese können, wie Figur 7 zeigt, andere Bewegungsvektoren aufweisen. Dadurch ist ebenfalls eine gezielte Beeinflussung des Verhaltens über die Betriebszeit des Motors möglich. Vorteilhafter Weise kann der Winkel der Bewegungsvektoren durch Wahl einer geeigneten Andruckfeder 7 als Funktion der Betriebszeit ausgelegt werden. Vorteilhafter Weise wird die Winkeländerung bei Abrieb der Kontaktfläche so ausgelegt, dass die Bewegungsvektoren für den entsprechenden Abriebzustand in einem gezielten Winkel zum angetriebenen Element stehen. Vorzugsweise ist dieser Winkel so, dass der Motor entweder optimalen Schub erzeugt oder einen vorgegebenen zeitlichen Schubverlauf aufweist.

Vorteilhafter Weise kann an der Kontaktstelle eine Abnutzung grösser als 0,05 * LG auftreten, ohne, dass sich der Schub um mehr als 25% ändert. Noch vorteilhafter Weise kann eine Abnutzung von grösser als 0,3 * LG auftreten, ohne das sich der Schub um mehr als 15% ändert. Vorteilhafter Weise kann der Motor so ausgelegt werden, dass die Motorleistung über eine spezifizierte Betriebsdauer nur zunimmt. Die Verwendung eines Federelementes mit geringer Steifigkeit hat auch Vorteile bei den Genauigkeitsanforderungen der Montage des Motors. Vorteilhafter Weise können auch Federelemente mit nichtlinearen Kennlinien verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dieses elastische Element eine mit dem Resonator verbundene Schenkelfeder mit vorzugsweise im wesentlichen runden Federelementen. In einer überaus bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schenkelfeder überdies gedämpft, vorzugsweise mit einem in die Windungen eingepressten Schaumstoff. Hierdurch wird in besonders einfacher Weise eine Lagerung des Piezomotors geschaffen, welche zum einen in der Lage ist, die einlaufbedingte Veränderung der Betriebszustandsgrößen des Piezomotors auszugleichen und die Anpresskraft im Kontaktbereich konstant zu halten. Zum anderen werden so die Schwingungen der Feder, welche sich mit den Schwingungen des Resonators überlagern, vermindert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schenkelfeder jedoch so ausgestaltet, dass die Federwindungen nicht aneinanderliegen Dies erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass die Feder im Bereich ihrer Windungen eine definierte Neigung der von den einzelnen Windungen aufgespannten Ebenen aufweisen. Hierdurch wird sicher vermieden, dass die von der Feder aufgenommenen Schwingungen des Resonators reibungsbehaftet sind und nicht in Schubkraft des Piezomotors umgesetzt werden können.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Schenkelfeder überdies in am Resonator befindliche Ausnehmungen eingepresst. Die Federn werden dabei in diese Ausnehmungen eingepresst, indem ein flacher Stempel gegen den Draht der Feder drückt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser des Drahts der Feder dabei etwas größer als die Weite der Ausnehmung, so dass eine formschlüssige Verbindung des Resonators mit der Feder ohne Luftspalt entsteht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Resonator zudem eine über den Rand des Resonators erhabene Auswölbung in direkter Nachbarschaft zur Ausnehmung auf. Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird durch den Einpressstempel das Material der Auswölbung um den Draht herum gepresst, wodurch ein teilweises Umschließen des Drahtes ermöglicht wird. Somit wird mit besonders einfachen Mitteln ein Kraft- und Formschluss zwischen der Schenkelfeder und dem Resonator erzielt, der einen Leistungsverlust durch von der Fassung aufgenommene und resorbierte Schwingungsanteile sicher verhindert.

In einer überaus bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Draht einen zumindest im Verbindungsbereich mit dem Resonator unrunden Querschnitt auf. Auch kann es überaus vorteilhaft sein, den Verbindungsbereich mit einem zusätzlichen Verbindungsmittel, beispielsweise Klebstoff, zu beaufschlagen. Hierdurch wird auf besonders einfache Weise eine auch drehfeste Verbindung mit dem Resonator geschaffen.

Der Auftreffwinkel des Resonators auf das bewegbare Element wird im Kontaktbereich beider Bauelemente gemessen. Er wird zum einen von der Oberfläche des bewegbaren Elements im Antriebspunkt, zum anderen von der vibratorischen Bewegungsrichtung des Resonators am korrespondierenden Kontaktpunkt aufgespannt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei Einsatz von mit dem Resonator verbundenen Schenkelfedern die Orientierung des Resonators und somit der Auftreffwinkel, also die Orientierung einer Hauptachse des Resonators relativ zum Kontaktbereich, über die Betriebszeit verändert werden, um ein gewünschtes Motorverhalten zu erreichen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Resonator und /oder das bewegbare Element zumindest im Kontaktbereich mehrere Materialien auf. Beispielsweise weist der Resonator und/oder das Bewegbare Element im Kontaktbereich einen gehärteten Kern auf. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt zu einem vergleichsweise schnellen Einfahrverhalten des Piezomotors, weil sich die vergleichsweise weiche Schicht relativ schnell abreibt und dann aufgrund des härteren Kerns über einen längeren Zeitraum konstante Bedingungen vorherrschen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Oberflächen des Resonators und/oder des bewegbaren Elements im Kontaktbereich mit einer Oberflächenbeschichtung mit einem bestimmten Reibverhalten versehen. Nach Abnutzung dieser Oberflächenbeschichtung während des Betriebs des Piezomotors bestimmt das Reibverhalten des Basismaterials die Schubleistung des Piezomotors. So kann mit besonders einfachen Mitteln von einem Reibverhalten zu einem anderen Reibverhalten übergegangen werden, wodurch die Schubleistung des Piezomotors vorzugsweise positiv beeinflusst wird.

Wenn eine Anpassung des Kontaktbereichs beim Betrieb des Piezomotors erwünscht ist, so kann es von Vorteil sein, wenn die Oberfläche des Resonators und/oder des bewegbaren Elements eine Schicht mit abrasiven Partikeln, beispielsweise Glasfaser oder Glaskugel, Kohlefaser oder mineralische Füllstoffe für Kunststoffe, aufweist. Das Einlaufen des Piezomotors und eine Anpassung der jeweiligen Kontaktflächen aufeinander erfolgt in diesem Fall besonders schnell. Der Gleichgewichtszustand, bei dem nahezu keine Veränderung der Kontaktflächen über die Betriebszeit zu beobachten ist, wird ebenfalls besonders schnell erreicht.

In einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lebensdauer des Piezomotor bei Verlassen eines für wenigstens einen Betriebszustand oder die erzeugte Schubleistung definierten Wertebereichs zwangsweise beendet ist und eine Auswechslung des Piezomotors ansteht. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist hierzu das elastische Element, über das der Resonator an das bewegbare Element gedrückt wird, mit einem Anschlag ausgestattet, so dass ab einer zuvor definierten Auslenkung keine Kräfte mehr übertragen werden. In einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Piezomotor mit einem Betriebsstundenzähler ausgestattet, der bei einer zuvor definierten Laufzeit den Piezomotor abschaltet. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln der Einsatz von Piezomotoren mit einer für den jeweiligen Verwendungszweck durchgehend ausreichenden Schubleistung ohne unkontrollierten Abfall der Leistung gewährleistet.

Die Betriebsstunden des Piezomotors können durch die Messung der sich verändernden Betriebszustandsgrößen bestimmt werden. Die Messung kann beispielsweise durch einen elektrischen Kontakt, welcher bei Erreichen einer bestimmten Abweichung von einzelnen Anfangsgrößen geschlossen oder geöffnet wird, erfolgen. Ebenso kann die sich über die Betriebsdauer verändernde Resonanzfrequenz des Piezomotors bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermeidung eines Ausfalls des Piezomotors sieht durch die gezielte Veränderung wenigstens einer Betriebszustandsgröße eine Änderung, vorzugsweise eine Erhöhung, des Wirkungsgrades des Piezomotors vor. Somit wird ein Leistungsverlust des Piezomotors sicher und effektiv verhindert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wirkt die Veränderung wenigstens einer Betriebszustandsgröße einer ohne Fremdeinwirkung erfolgten Veränderung einer anderen Betriebszustandsgröße entgegen. Hiermit wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dessen Durchführung ein konstanter Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Piezomotors über dessen gesamte Lebensdauer gewährleistet ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist Verfahren zum Einlaufen eines Piezomotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator und das bewegbare Element unter Fremdeinwirkung gegeneinander bewegt werden, bevor der Motor seinen eigentlichen bestimmungsgemäßen Betrieb aufnimmt, so dass dich der Kontaktbereich zwischen Resonator und dem angetriebenen Element einschleift.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren 1 - 7 erläutert. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsformen der Erfindung dar und schränken den Erfindungsgedanken in keiner Weise ein. Im einzelnen werden dargestellt:

Figur 1a zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Piezomotor, bei dem eine elastische Feder mit dem Resonator verbunden ist,

Figur 1b zeigt eine entlang der Linie BB aus Figur 1d geschnittene

Seitenansicht des erfindungsgemäßen Piezomotors mit eingepasstem piezoelektrischem Bauelement, Figur 1c zeigt eine entlang der Linie BB aus Figur 1d geschnittene

Seitenansicht des erfindungsgemäßen Piezomotors ohne piezoelektrisches Bauelement,

Figur 1d zeigt eine Untersicht des in der Figur 1a dargestellten erfindungsgemäßen Piezomotors,

Figur 1e zeigt eine stimseitige Ansicht eines erfindungsgemäßen

Piezomotors,

Figur 2a zeigt eine Draufsicht auf einen Resonator mit Ausnehmungen zur

Aufnahme einer Schenkelfeder und Aussparungen zur Einspannung eines piezoelektrischen Bauelements,

Figur 2b zeigt eine entlang der Linie AA aus Figur 2a geschnittene

Seitenansicht eines Resonators,

Figur 2c zeigt eine weitere Draufsicht auf einen Resonator,

Figur 2g zeigt eine vergrößerte Darstellung des in Figur 2a umrissenen

Ausschnitts,

Figur 3 zeigt die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Piezomotors, dessen Resonator über eine Schenkelfeder an ein bewegtes Element gedrückt wird,

Figur 4a zeigt eine Seitenansicht einer ersten Schenkelfeder,

Figur 4b zeigt eine Draufsicht auf eine erste Schenkelfeder,

Figur 4c zeigt eine Perspektivansicht einer ersten Schenkelfeder,

Figur 5 zeigt eine Perspektivansicht einer zweiten Schenkelfeder, Figur 6a zeigt eine entlang der Linie AA geschnittene Querschnittsansicht der Schenkelfeder gemäß Figur 8d,

Figur 6b zeigt eine Seitenansicht einer dritten Schenkelfeder,

Figur 6c zeigt eine stirnseitige Ansicht auf eine dritte Schenkelfeder,

Figur 6d zeigt eine Draufsicht auf eine dritte Schenkelfeder,

Figur 7 zeigt eine diagrammartige Übersicht über die von den einzelnen

Bereichen eines Resonators ausgeführten Schwingungen mit x- und y-Komponenten der Auslenkungen während des Betriebs eines erfindungsgemäßen Piezomotors.

In den Figuren 1a - 1e wird ein Piezomotor 1 , bestehend aus einem zwei zumindest teilweise kreisabschnittsförmige Schenkel 8 aufweisenden Resonator 2 mit der Länge LA und einem piezoelektrischen Bauelement 3 gezeigt. Die kreisabschnittsförmigen Schenkel weisen dabei eine maximale Breite LF auf. Das piezoelektrische Bauelement 3 besitzt eine Breite LD, eine Höhe LC und eine Länge LB und wird derart in die von den Schenkeln 8 umgriffene Aussparung des Resonators 2 eingespannt, dass eine Teilhöhe LE des piezoelektrischen Bauelements 3 aus der von der Resonatoroberfläche gebildeten Ebene hinausragt. Mit dem Resonator 2 ist zudem eine Schenkelfeder 7 formschlüssig verbunden.

In den Figuren 2a - 2g wird ein Resonator 2 mit einer Gesamtlänge LA und einer Höhe LG dargestellt. Der dem bewegbaren Element (nicht gezeigt) zugeordnete lange Schenkel des Resonators 2 hat eine Länge L9 und eine Breite L5. Im Kontaktbereich zum bewegbaren Element ist zudem eine kreisabschnittsförmige Aussparung mit der Breite L8 vorgesehen, deren Verlauf im wesentlichen der Oberfläche eines bewegbaren Elements (nicht gezeigt) angepasst ist. Im Einspannbereich des Resonators 2 für das piezoelektrische Bauelement (nicht gezeigt) weist der Resonator 2 an den gegenüberliegenden Seiten zu einer Oberfläche des Resonators 2 hin eingebrachte Einkerbungen auf. An dem dem bewegbaren Element (nicht gezeigt) abgewendeten Schenkel des Resonators 2 sind unterhalb der Rückseite seitliche Ausnehmungen zur Aufnahme von jeweils einem Schenkel der elastischen Elemente (nicht gezeigt) vorgesehen. Diese Ausnehmungen haben eine Tiefe L13 und eine Breite L17; ihre Mitte weist einen Abstand L14 von der Stirnseite des Resonators 2 auf. In direkter Nachbarschaft zu den Ausnehmungen sind in den Seiten des Resonators Materialwulste R7 vorgesehen, welche eine maximale Höhe L16, gemessen vom tiefsten Punkt der Ausnehmung aufweisen. Die Materialwulste beim Einpressen der Schenkel der elastischen Elemente (nicht gezeigt) unterstützen den Formschluss der Verbindung.

In Figur 3 wird ein über eine Schenkelfeder 7 und eine Schraube 9 an einer Basis 10 angebrachter Piezomotor 1 , dessen Resonator 2 an einem bewegbaren Element 4 anliegt. Während des Betriebs des Piezomotors 1 führt der Kontaktbereich 11 des Resonators 2 vorzugsweise elliptische oder lineare Schwingungen aus, die das bewegbare Element 4 in Bewegung, vorzugsweise in rotatorische oder lineare Bewegung, versetzt. Das Kontaktelement 6 ist im Beispiel als Kontaktfeder ausgeführt, die bei starkem Abrieb der Kontaktfläche 11 den elektrischen Kontakt zum Resonator schließt.

In den Figuren 4a - 4c sind verschiedene Ansichten einer Schenkelfeder 7 gezeigt. Die dem Resonator (nicht gezeigt) zugeordneten Schenkel der Schenkelfeder 7 weisen über eine Teillänge 12 einen veränderten, vorzugsweise unrunden, hier quadratischen Querschnitt (vgl. Figur 6a) auf, über den eine drehfeste Lagerung im Resonator sichergestellt werden kann. Die Windungen 15 der Schenkelfeder 7 beschreiben im Verlauf von einem Schenkel zum anderen beinahe zwei vollständige Kreise. Beide Seiten der Schenkelfeder 7 sind über zwei abgeknickte Schenkelelemente 14 und einen geraden Steg 13 miteinander verbunden.

In Figur 5 ist eine weitere Schenkelfeder 7 dargestellt, die sich von der in den Figuren 4a - 4c gezeigten dadurch unterscheidet, dass die jeweiligen Schenkel drei beinahe vollständigen Windungen 15 aufweisen und der Steg 13 im wesentlichen die Form eines Kreisabschnitts hat.

In den Figuren 6a - 6d wird eine dritte Schenkelfeder 7 in mehreren Ansichten dargestellt. Diese dritte Schenkelfeder 7 besitzt ebenfalls beinahe drei vollständigen Windungen 15, die jedoch aus der Kreisebene gekippt sind. Die beiden Schenkel sind über einen Steg 13 miteinander verbunden, der im wesentlichen eine Omega- Form besitzt.

In Figur 7 sind diagrammartig die Schwingungen dargestellt, die ein jeder Bereich des Resonators 2 mit eingespanntem piezoelektrischem Bauelement 3 bei Betrieb des Piezomotors 1 mit einem ersten Signal mit einer ersten Frequenz ausführt. Deutlich erkennbar ist eine starke örtliche Veränderung der Bewegungsrichtung im Kontaktbereich 11.

Liste der Bezugszeichen:

1 Piezomotor

2 Resonator

3 piezoelektrisches Bauelement

4 bewegbares Element

5 elastisches Element

6 Kontaktelement

7 Schenkelfeder

8 Schenkel

9 Schraube

10 Basis

11 Kontaktbereich

12 Teillänge der Schenkel

13 Steg

14 Schenkelelemente

15 Windungen

LF Breite des Resonators im Bereich der kreisabschnittsförmigen Schenkel

LD Breite des piezoelektrischen Bauelements

LC Höhe des piezoelektrischen Bauelements

LB Länge des piezoelektrischen Bauelements

LE Teilhöhe des piezoelektrischen Bauelements

LA Gesamtlänge des Resonators

L9 Schenkellänge des Resonators

L5 Schenkelbreite des Resonators

L8 Breite der Aussparung

L13 Tiefe der Ausnehmung

L17 Breite der Ausnehmung

L14 Abstand Rückseite - Mitte der Ausnehmung

R7 Materialwulst

L16 Höhe des Materialwulstes

Claims

Patentansprüche:

1. Piezomotor (1 ) mit mindestens einem mit einem Resonator (2) verbundenen piezoelektrischen Bauelement (3) und mit einem mit dem Resonator (2) zusammenwirkenden bewegbaren Element (4), dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest über Teile der Betriebszeit wenigstens eine der Betriebszustandsgrößen des Piezomotors (1) ohne Fremdeinwirkung verändert und sich dadurch dessen Wirkungsgrad verbessert oder verschlechtert, wobei die Änderungen der Betriebszustandsgröße langsamer als die Dauer einer Schwingungsperiode der Erregerfrequenz, vorzugsweise 5 mal langsamer als die Dauer einer Schwingungsperiode der Erregerfrequenz erfolgt.

2. Piezomotor (1 ) mit mindestens einem mit einem Resonator (2) verbundenen piezoelektrischen Bauelement (3) und mit einem mit dem Resonator (2) zusammenwirkenden bewegbaren Element (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) über einen Kontaktbereich (11 ) mit dem bewegbaren Element zusammenwirkt und sich der Kontaktbereich (11) zumindest über Teile der Betriebszeit des Piezomotors (1) ohne Fremdeinwirkung verändert, wobei die Änderungen der Betriebszustandsgröße langsamer als die Dauer einer Schwingungsperiode der Erregerfrequenz, vorzugsweise 5 mal langsamer als die Dauer einer Schwingungsperiode der Erregerfrequenz erfolgt.

3. Piezomotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktfläche und/oder der Auftreffwinkel des Resonators auf das bewegbare Element verändert.

4. Piezomotor (1 ) mit mindestens einem Resonator (2) und einem damit verbundenen piezoelektrischen Bauelement (3), das zwei elektrische Anschlüsse aufweist und mit einem mit dem Resonator (2) zusammenwirkenden bewegbaren Element (4), dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest über Teile der Betriebszeit wenigstens eine der Betriebszustandsgrößen des Piezomotors (1 ) ohne Fremdeinwirkung

J verändert, wobei die Änderungen der Betriebszustandsgröße langsamer als die Dauer einer Schwingungsperiode der Erregerfrequenz, vorzugsweise 5 mal langsamer als die Dauer einer Schwingungsperiode der Erregerfrequenz erfolgt.

5. Piezomotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsgrößen die Betriebsfrequenz, die Stromaufnahme, die Schwingungsmoden des Resonators (2), die Druckspannung und/oder das Reibverhalten zwischen Resonator (2) und bewegbarem Element (4), die Orientierung und/oder der Auftreffwinkel des Resonators (2) im Kontaktbereich (6) mit dem bewegbaren Element (4), oder die Form, die Lage und/oder die Orientierung des Kontaktbereichs (11 ) sind.

6. Piezomotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsgröße nicht durch Änderung des Ansteuersignais des Piezoelementes erfolgt.

7. Piezomotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung irreversibel ist.

8. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Betriebszustandsgrößen in Abhängigkeit von gemessenen Veränderungen einzelner Betriebszustandsgrößen oder von der Betriebszeit gezielt geregelt wird.

9. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Bauelement (3) eine monolithische Struktur aufweist.

10. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schichtweise im piezoelektrischen Bauelement (3) angeordneten Elektroden im wesentlichen aus Kupfer bestehen.

11. Piezoelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik einstückig ausgeführt ist.

12. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezomotor (1 ) von einem einzigen piezoelektrischen Bauelement (3) mit zwei Anschlüssen (8, 9) und mit vorzugsweise einem Signal angeregt wird.

13. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor bei Betrieb mit einem Sinus- oder Rechtecksignal makroskopische Bewegung erzeugt.

14. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) eine im wesentlichen längliche Form aufweist.

15. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (1) das bewegte Element (4) bei verschiedenen Betriebsfrequenzen in zwei entgegengesetzte Richtungen antreibt.

16. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (6) des Resonators (2) elliptische oder lineare Schwingungen ausführt.

17. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) über ein elastisches Element (5) gegen das bewegbare Element (4) gedrückt wird.

18. Piezomotor (1 ) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (5) eine vorzugsweise in den Resonator (2) eingepresste Schenkelfeder (7) ist.

19. Piezomotor (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelfeder (7) vorzugsweise im Bereich ihrer Windungen gedämpft ist.

20. Piezomotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Schenkelfeder (7) über in die Windungen der Schenkelfeder (7) eingepressten Schaumstoff erfolgt.

21. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) und /oder das bewegbare Element (4) zumindest im Kontaktbereich (11) mehrere Materialien aufweist.

22. Piezomotor nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) und /oder das bewegbare Element (4) zumindest im Kontaktbereich (11 ) eine Oberflächenbeschichtung aufweist.

23. Piezomotor (1 ) nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator und/oder das bewegbare Element (4) zumindest im Kontaktbereich (11 ) eine Randschicht mit abrasiven Partikeln aufweist.

24. Piezomotor (1 ) nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator und/oder das bewegbare Element (4) zumindest im Kontaktbereich (11) eine Randschicht mit Schmierstoffen aufweist.

25. Piezomotor (1 ) nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator und/oder das Bewegbare Element im Kontaktbereich einen härteren Kern aufweist.

26. Piezomotor (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unter- oder Überschreiten eines Grenzwertes einer Betriebszustandsgröße oder der Schubleistung die Lebensdauer des Piezomotors (1) beendet ist.

27. Verfahren zur Vermeidung des Ausfalls eines Piezomotors (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung wenigstens einer Betriebszustandsgröße eine Änderung, vorzugsweise eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Piezomotors (1 ) bewirkt.

28. Verfahren zur Vermeidung des Ausfalls eines Piezomotors (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem die Veränderung wenigstens einer Betriebszustandsgröße einer ohne Fremdeinwirkung erfolgten Veränderung einer anderen Betriebszustandsgröße entgegenwirkt.

29. Verfahren zum Einlaufen eines Piezomotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) und das bewegbare Element (4) unter Fremdeinwirkung gegeneinander bewegt werden.