WO2006000118A1 - Antriebseinheit - Google Patents

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WO2006000118A1
WO2006000118A1 PCT/CH2005/000343 CH2005000343W WO2006000118A1 WO 2006000118 A1 WO2006000118 A1 WO 2006000118A1 CH 2005000343 W CH2005000343 W CH 2005000343W WO 2006000118 A1 WO2006000118 A1 WO 2006000118A1
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WO
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drive unit
arms
unit according
resonator
passive element
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PCT/CH2005/000343
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Inventor
Bonny Witteveen
Elmar Mock
Edwin Daamen
Florian Kaufmann
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Miniswys Sa
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Publication date
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Priority to CN2005800286224A priority patent/CN101019301B/zh
Priority to JP2007516936A priority patent/JP4690398B2/ja
Priority to KR1020077001542A priority patent/KR101175823B1/ko
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Priority to HK07113605.3A priority patent/HK1109247A1/xx

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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/103—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor

Definitions

  • the invention relates to the field of electric drives, in particular the piezoelectric drives. It relates to a drive unit, a drive method, a manufacturing method for producing a submodule for a drive unit and a positioning unit for positioning an optical element according to the preamble of the corresponding independent claims.
  • a piezoelectric motor in which a drive element consisting of a piezoelectric element and contact elements, is flexibly mounted and thereby in vibrations for driving a further body by the contact elements is displaceable.
  • WO 02/099 844 shows a drive in which a planar piezo element excites a likewise flat resonator to oscillate, which lie in the plane of the resonator or of the piezo element. A lying in this plane, tapered extension of the resonator is placed in an oscillating motion parallel to this plane, and thereby exerts a force on another body.
  • WO 03/036 786 shows a motor in which the piezoelectric element is arranged on a central part of a resonator and oscillates a plurality of arms arranged symmetrically about the central part with drive regions.
  • WO 03/079 462 shows a piezo drive with feed elements, on each of which a kink is formed, whereby they have two natural frequencies.
  • a contact region of a feed element oscillates along one elliptical path in one or the other direction and exerts a correspondingly directed force on another body.
  • the vibrations are excited by a flat piezoelectric element, and the movement of the contact areas runs parallel to this excitation plane.
  • No. 6,690,101 describes a piezo drive in which a stack of piezo elements is held in the resonator by clamping. Further elements are needed to position the resonator with a drive region relative to a body to be driven.
  • US 6,323,578 discloses a piezo drive in which a plurality of arms with drive portions act in a tangential direction on the surface of a rotatable disk.
  • the arms each have piezoelectric elements which cause a movement of the respective arm tip (with a drive region) perpendicular to the plane of the piezoelectric element.
  • Another object of the invention is to provide a drive which is suitable for linear drives with both short and any length, virtually endless strokes.
  • Another object of the invention is to provide a drive which allows combined and / or alternately linear and rotary movements.
  • Another object of the invention is to provide a drive which allows a production engineering favorable construction.
  • a further object of the invention is to provide a drive which permits reliable contacting and force transmission through at least two, preferably four contact areas.
  • Another object of the invention is to provide a drive which allows a simple compensation of manufacturing inaccuracies in the drive or the driven parts.
  • the drive according to the invention thus has a resonator which has at least two arms, preferably a pair of arms, wherein the at least two arms, are formed on the same side of the resonator starting from a connection region of the resonator.
  • the contact areas are formed, wherein the contact areas are movable towards each other by oscillating movements of the arm pair away from each other, whereby a relative movement of the passive element with respect to the active element is effected.
  • the active element is thus such that the two contact areas of an arm pair are formed like a tuning fork and surround a part of the passive element or are enclosed by a part of the passive element.
  • the arms preferably have a bias with respect to the passive element and thus hold it firmly.
  • the arms of a pair of arms are arranged symmetrically with respect to the passive element.
  • the oscillating movements of the arm pair preferably correspond to a fundamental mode of the arms, the fundamental mode having the lowest frequency of the different modes of vibration of the active element.
  • the active element forms a translationally and / or rotationally movable rotor. If the contact areas of an arm pair enclose a part of the passive element, then the runner is referred to as external runner. If, however, the contact areas of an arm pair are enclosed by a part of the passive element, then the runner is referred to as an inner rotor.
  • the passive element may be a hollow profile or a tube. Conversely, of course, the active element with respect to a reference system as solid, and the passive element can be considered as mobile.
  • the resonator has flat sections. Individual of these sections are thicker and / or are equipped with a preferably also planar excitation means, and are thus stiffer than other sections.
  • these other sections can act as bending or spring areas.
  • An arm is preferably connected in each case via such a spring portion with the rest of the resonator.
  • the spring portion and the adjacent portions of the arm are preferably integrally formed, the spring portion is thus integrally formed on the arm or on the resonator.
  • the spring region extends along a straight boundary of a subsequent flat section. The direction of this straight boundary corresponds to a preferred bending axis of the spring area. Accordingly, this bending axis is so .
  • the arm have a preferred basic mode of oscillation, in which individual material points of the arm move in each case in a plane (referred to below as fundamental oscillation plane) which lies both perpendicular to the plane of the arm or its flat section and perpendicular to the bending axis.
  • fundamental oscillation plane a plane which lies both perpendicular to the plane of the arm or its flat section and perpendicular to the bending axis.
  • the outer ends of the arm thus swing towards each other and away from each other.
  • a natural frequency or fundamental frequency according to this mode results from the stiffness of the spring area and the mass distribution at the swinging part of the arm.
  • the fundamental frequency of the arm as a whole is - considered across all vibrational modes - the lowest frequency with which the arm can swing. This corresponds to the fundamental vibration, which is typically a flexural vibration in flat arms.
  • the fundamental vibration levels are typically either parallel or at an angle to a plane of an excitation means, preferably perpendicular thereto, as will become apparent from the following:
  • one or more of the flat sections are provided with excitation means. It can each be on both arms of a Arm paires each have their own means of excitation be attached, or it may be mounted on the resonator only a single excitation means, preferably at a connection region between two arms.
  • the excitation means are in a preferred embodiment of the invention piezoelectric elements, or of a magnetostrictive material.
  • the excitation means are preferably substantially flat, in particular flat, and are each mounted on a likewise flat or planar region of the resonator, for example by gluing, growth of piezocrystals or by ligating technique.
  • the excitation means are configured to excite movements parallel to their plane. By cooperating with the resonator, in particular on a connecting surface such as the flat portion, while a bending of the two elements, ie the excitation means and the flat portion, causes.
  • the two elements form a bimorph exciter, ie one consisting of two elements with different material properties - for example piezo element and non-piezo element - existing exciter.
  • the oscillation properties of the system resonator excitation means change with respect to the resonator alone. Another influence is the interaction with the passive element: Depending on hardness, preload, coefficient of friction, surface quality, etc., a free vibration is damped. Basically, the natural frequency of the active element is slightly higher with contact with a passive element than with undamped oscillation.
  • a piezoelectric element mounted on an arm or leg is a monolayer or a multilayer element which is operated in the d31 mode.
  • a polarization direction of the piezoelectric element is perpendicular to the plane of the arm or its flat portion, and extend electrodes on the piezoelectric element parallel to the plane of the arm.
  • d31 mode also called transversal mode
  • the main movement direction of the piezoelectric element is perpendicular to the direction of the applied voltage.
  • one or more stacked elements may also be operated in d33 mode with the polarization direction parallel to the plane of the arm and the electrodes perpendicular to the plane of the arm.
  • d33 mode also called longitudinal mode
  • the main movement direction of the piezoelectric element is parallel to the direction of the applied voltage.
  • the piezo element shortens or lengthens when applying an alternating voltage, bends and / or lengthened and / or twisted thereby the arm at the corresponding flat portion and makes the arm or the resonator as a whole to vibrate.
  • a single piezocrystal can be replaced by a multilayer piezo. This can be done with lower voltages, but multilayer piezos are more expensive to produce and thus more expensive.
  • the arms preferably each have an asymmetric mass distribution at the free end, for example by the arm being bent toward the passive element or having a protruding projection in the direction of the passive element. When the arm is stretched, this mass is also moved toward the passive element or away from it by the acceleration of this asymmetrical mass outside the plane to which the piezoelectric element is attached. This movement is superimposed on the bending movement described above or the bimorph effect.
  • vibrations are produced at the end of the arm both parallel and perpendicular to the plane of the arm. Depending on the frequency of the excitation, these vibrations have different phase angles to each other.
  • the end of the arm and in particular a contact area at the end of the arm performs an approximately elliptical movement with a positive or negative direction of rotation.
  • the passive element In the presence of the passive element, the elliptical motion is limited by the passive element, and the passive element is driven one way or the other depending on the excitation frequency.
  • An amplitude of the movement is, for example, in the range below one micron or below 0.1 microns.
  • the description of the movement as elliptical is usually a simplification: different material points of the contact areas move along different trajectories, which can also run kidney-shaped, for example.
  • a trajectory may have discontinuous sections where the contact areas push the passive element or strike the passive element several times.
  • the oscillation often does not run exactly in one plane. It is therefore a three-dimensional movement of individual material points, and the approximately elliptical movement becomes visible when projecting onto a plane through a tangent to a desired movement in the region of the contacting.
  • the desired movement is predetermined by a guidance of the passive element with respect to the active element.
  • the movement components which in contact with the passive element in an allowable direction corresponding to the guide, become mechanically effective.
  • a force action is generated outside the plane of the arms. Therefore, it is possible to arrange the flat portions of a pair of arms and thus also the corresponding excitation means parallel to each other. This makes a very space-saving design possible.
  • the resonator and / or the excitation means are designed such that not only vibrations in the fundamental planes of vibration as described above can be excited, but also vibrations which are approximately perpendicular thereto. This is done by forming asymmetric features within the plane of each arm, for example by - several excitation means are arranged side by side on the same flat portion and are driven differently, and / or the arm has at least one lateral incision, ie with a sectional plane perpendicular to the arm plane and across to the longitudinal direction of the arm, and / or the arm in the plane of the arm, so when viewed perpendicular to the plane of the arm, in the region of the free end of the arm has an asymmetric recess and / or an asymmetric approach.
  • the passive element is preferably rotationally symmetrical and extends its axis of symmetry, which is identical to the axis of movement, in the direction of the longitudinal axis of the arm pair.
  • the passive element is set in rotation about its axis with respect to the arm pair or the active element. In this case, force components in a plane orthogonal to the axis of motion do not cancel each other out, but reinforce the movement.
  • the active element has two flat, for example rectangular arms, which are fastened parallel to one another and on opposite sides of a preferably flat excitation means.
  • the excitation means is arranged to generate vibrations substantially parallel to the plane of the arms.
  • a piezoelectric element is fed via the connecting surfaces to the arms and operated in the d31 mode, so that it oscillates mainly parallel to these connecting surfaces. It is mainly caused by vibrations in the arm level.
  • vibrations occur perpendicular to the plane of the arm.
  • the translationally effective movements of the arms respectively corresponding forces on the passive element, increase and cancel out the rotationally acting forces momentarily or in averaged time, or strengthen the rotationally effective movements of the Anne, and lift the translational acting Momentary or temporary forces, or reinforce both the translational and the rotationally effective movements of the arms, or exert the arms currently or on average over time neither a translational nor a rotary total effective force.
  • the result is a translatory or a rotary or a combined, helical movement. In the latter case, the passive and the active element are loosely movable against each other.
  • a major axis of the passive element coincides with the symmetry axis of the active element.
  • the active element has, in a connection region between the at least two arms, an aperture or an opening for receiving the passive element. The active element is thus supported, on the one hand, by this opening and, on the other hand, by the contact regions of at least one arm pair with respect to the passive element, and no further bearing elements, guide element or retaining elements are required.
  • the passive element has at least one rotating cylindrical body whose cylinder axis a Defined movement axis and the movement axis is perpendicular to an axis of symmetry of the at least one arm pair.
  • the passive element has a rotationally cylindrical body, which is arranged between the at least one arm pair and contacts it at contact areas which lie opposite one another with respect to the cylinder cross section.
  • the passive element is driven by the same direction rotations of the contact areas.
  • the passive element has two rotationally cylindrical bodies, which are arranged between the at least one arm pair. In each case one of the two bodies contacts one of the arms of the at least one arm pair at a contact region thereof, and the two rotationally cylindrical bodies are pressed against one another by these arms and rotate in opposite directions of rotation. The two cylinders are driven by opposing rotations of the contact areas.
  • the planes of the arms are substantially parallel to each other and to the excitation means.
  • the movement components of vibrations of the contact regions, which are effective for the drive, also run essentially in a plane parallel to the plane of the arms.
  • the resonator may preferably consist of a single flat or curved part, for example a punched sheet metal piece.
  • a movement axis of the relative movement between the active element and the passive element is parallel to said plane of the arms and preferably also of the connecting region.
  • a further preferred embodiment of the invention therefore has a passive element whose direction of movement is substantially perpendicular to the main extension direction of two elongate, flat arms of the active element, and at an angle to, preferably at least approximately perpendicular to the plane of the arms.
  • the resonator is preferably formed of a flat sheet and are a pair of arms respectively the arm plane and the connection area in the same plane.
  • the resonator is preferably made in one piece and by, for example, milling, electro-erosion, die-cutting and bending, molding sintering of powder material, etc.
  • a metal is preferably selected, for example, steel, aluminum, titanium, phosphor bronze, beryllium copper, etc., or a ceramic material.
  • a metallic resonator is preferably provided at the contact regions with a ceramic hard layer, for example made of a titanium nitride, or equipped with a ceramic body.
  • the resonator material is chosen according to the following criteria: High Q factor, ie little inner damping. Good coupling factor, so that the dynamic energy of the piezo can be transmitted on the transducer. Electrically conductive, since the resonator is usually used as an electrical connection for one or more piezo elements. - Ideal friction partner to the passive element Industrially malleable Cost-effective
  • the passive element is preferably made of one of said materials. However, since it does not have to have certain vibration properties, it may also consist of plastic or a plastic composite material, for example a plastic mixed with glass or ceramic.
  • the requirements for the passive material are the following: Ideal friction partner to the resonator, ie maximum friction coefficient with minimal abrasion. Optimal damping of the resonator at the point of contact, so that the elliptical movement can be converted into a propulsion.
  • the surface of the passive element as well as the active element is preferably hardened by, for example, rolling, nitriding, tempering, etc.
  • the surface of the areal larger contact partner, typically the passive element is polished, whereas the surface of the areal smaller contact partner, typically the active one Elements roughened or textured.
  • the resonator of the drive according to the invention is produced in another preferred embodiment of the invention from a sheet-metal sheet piece by punching and bending.
  • a sheet-metal sheet piece by punching and bending.
  • two ends of a single elongated piece of sheet metal are bent against each other, so that they run parallel and form a pair of arms.
  • tabs projecting laterally from the arms are bent toward the respective opposite arm and connected thereto. This stiffening of the pair of arms in the connection area without other parts can be achieved.
  • two substantially symmetrical sheet metal parts are bent to flat, in the same direction and in places parallel to each other extending arms and fastened in the connection area directly to each other or to a third body.
  • the drive has an arm pair which acts on the passive element
  • the resonator has at least one flat section
  • the at least one excitation means is mounted on the at least one flat section
  • the at least one excitation means corresponding to its flatness defines a plane of the at least one excitation means
  • the arms are also formed flat and the surface of the arms is substantially parallel to the flat portion and the excitation means.
  • the drive has a pair of arms acting on the passive element and the resonator has at least one flat section, wherein the at least one excitation means is mounted on the at least one flat section, the at least one excitation means according to its flatness defines a plane of the at least one excitation means, and wherein drive-operative components of a movement of individual material points of the contact regions extend substantially parallel to the flat section and to the excitation means.
  • the drive has an arm pair acting on the passive element and the resonator has at least one flat section, wherein the at least one excitation means is mounted on the at least one flat portion, the at least one excitation means according to its flatness defines a plane of the at least one excitation means, and wherein drive-effective components of a movement of individual material points of the contact areas at an angle, in particular perpendicular to a plane of the flat portion or the excitation means run.
  • the drive has at least two arms acting against each other via the passive element, wherein the resonator is formed from a single flat or locally curved part with a thickness which is essentially the same.
  • the resonator consists, for example, of a single stamped piece of sheet on which the excitation means is mounted and which comprises and / or is comprised by the passive element.
  • the passive element and the active element are resiliently connected to each other via a base body and a driven body.
  • the passive element is thus resiliently arranged as a whole relative to the active element.
  • the resilient connection may be formed on the active element or the passive element or on both, and is preferably formed integrally with a part thereof.
  • the resilient suspension of the active element preferably leads from the main body to a vibration node of oscillation modes of the resonator used in operation, so that the oscillation is unhindered and possible with little energy loss.
  • the region to which the suspension is connected to the resonator is, for example, at the center of the surface of the excitation means or at the center of one side of the excitation means.
  • the suspension in the region of the center of the Ariregungsstoffs the suspension preferably consists of a portion of the Resonatorbleches, which is bent out of the plane of the resonator and leads to a base member for attachment to the base body.
  • the base element, the suspension and the resonator are therefore preferably formed in one piece.
  • the passive element is resilient in itself. That is, a first element of the passive element, which contacts a contact region of a first arm of the active element, and a second element of the passive element, which contacts a contact region of a second arm of the active element, are resiliently arranged relative to one another.
  • a first element of the passive element which contacts a contact region of a first arm of the active element
  • a second element of the passive element which contacts a contact region of a second arm of the active element
  • the passive element with respect to a movement in the region of the contact regions within the plane of the resonator and substantially perpendicular to the axis of motion on a 100 or more than 1000 times smaller spring constant than the resonator.
  • the passive element is integrally formed, or preferably in several parts. It has at least two contact elements for the transmission of Driving forces from the contact areas on the driven body, and at least one spring element which presses the contact elements in opposite directions against the contact areas.
  • the passive element is resiliently connected to the driven body, and preferably this resilient connection is formed integrally with a contact plate of the passive element for receiving driving forces.
  • the resilient connection in one direction for the transmission of driving forces is rigid and yielding in orthogonal directions.
  • the direction of movement of the relative movement between the active and the passive element does not necessarily have to be in the direction of the plane of the sheets, but may also be at an angle to this plane or even perpendicular thereto.
  • a movement of the passive element is limited by guide means to a predetermined translational or rotational dimension. The direction of movement is thus restricted or predetermined by the guide means. In each case, those components of movement of the active element in the contact region contribute to the movement, which run along the predetermined dimension.
  • the drive has at least two resonators with at least two arm pairs arranged next to one another, preferably parallel to one another, which are passive on the same Element act.
  • at least one flat excitation means is arranged between two resonators arranged parallel to one another for excitation of oscillations of the two resonators.
  • At least one of the resonators preferably has an electrically conductive suspension for electrically contacting the excitation means with at least one base element.
  • the conductive suspension and the resonator are preferably integrally formed.
  • the drive has at least one intermediate electrode for electrical contacting of the excitation means, wherein between each two of the resonators at least two excitation means, and in each case between two excitation means an intermediate electrode are arranged.
  • the passive element consists of an electrically insulating material and the at least two resonators are electrically isolated from each other.
  • a base element made of sheet metal is preferably assigned to each of the resonators or integrally formed, and at least one of the base elements for electrical contacting of another base element is bent towards it.
  • the passive element has at least two contact plates, wherein each of the contact plates can be driven by contact areas of adjacent arms.
  • the two contact plates are pressed by a spring element against the contact areas, and the contact plates are rotated by the spring element to compensate for inaccuracies.
  • the spring Since the passive element is arranged between the arms of the active element, the spring, for example, pulls contact plates of the contact elements apart.
  • the points of attack of the spring force are, seen in the direction of movement, in the middle of the contact plates.
  • the contact plates are also rotatable about an axis parallel to the direction of movement, for which the support arms have a low rigidity with respect to this rotation.
  • the two contact plates are pressed against the contact regions of the two resonators on both sides, and there is a contact at all four contact areas. This improves the mechanical contact, and with it the driving force and life of the drive.
  • contact plates are bent outwards or inwards about an axis perpendicular to the connecting line between the contact areas which contact this contact plate. This results in a self-centering and compensating movement of the contact plates with respect to the contact areas.
  • the production of a drive according to the invention is very simple through the use of mostly flat parts: essentially the flat components have to be stacked and joined together.
  • the connection can usually be an electrically conductive: either parts are connected, which should contact each other electrically galvanic, or it will be a conductor with an insulator connected, with only the mechanical attachment of interest. Therefore, it is preferable to use an electrically conductive adhesive, in particular one with anisotropic conductivity, which thus, depending on the ax of the processing, conducts only in certain directions and at specific locations.
  • an adhesive is for example an epoxy adhesive with embedded metal balls, preferably of normalized size. The curing of the adhesive takes place under pressure, so that the nickel balls contact the conductors to be connected on both sides.
  • a conductive adhesive may be used, optionally surrounded by insulating adhesive. It is also possible to glue and / or rivet the resonators from both sides to the central plastic part.
  • the resonator plates can be bent toward one another in the region of the base elements and connected to one another mechanically and also electrically. It is also possible to form the two resonators from a single sheet, which is U-shaped bent around the excitation means, respectively, in which the excitation means are inserted.
  • the first resonator is not completely punched out, but is further promoted as part of a punching strip, and the individual parts are placed on the stamped strip during assembly, connected to each other and transported on with the punching strip.
  • a combination of the following measures is to be preferred: • thinest possible adhesive layer between resonators and piezos and intermediate electrode; • Same as possible resonators, ie same shape, same punching tool, same lot of the base material (sheet), so that the frequencies of the vibration modes used for both resonators are close to each other; • flexible transition area between the intermediate electrode and its electrical connection; • Suspension of the resonator at a vibration node of relevant vibration modes.
  • the supply voltage for the motor can be reduced from, for example, 80 V to less than 2.8 V and even less than 2 volts. It can be worked without using more expensive multilayer piezos with low voltages, as they are given in battery-powered devices.
  • the modulus of elasticity of the adhesive and optionally of the plastic carrier element is much smaller than that of the piezos and of the resonator made of metal or ceramic.
  • these relatively resilient parts have little effect on the vibration, but absorb energy.
  • the inventive drive is small - its length is in the range of 1 to 2 centimeters, or even less - light, industrially manufacturable and inexpensive, and allows a controlled moving with very small microsteps. Furthermore, it is very robust due to its simple construction.
  • the inventive drive is particularly suitable for miniaturized applications, for example as a linear actuator for optical focusing, zoom and iris devices.
  • optical applications are advantageous because the passive element can be made transparent or hollow. This makes it possible to perform the light waves directly in the symmetry axis of the drive.
  • a positioning unit for positioning an optical element according to the invention comprises: a base body and a holder displaceable thereto, which holder carries the optical element, wherein the positioning unit has a drive unit according to the invention.
  • the active element on the base body and the passive element is attached to the holder.
  • positioning systems such as XY tables, as well as micro manipulators for handling or influencing small objects.
  • the drive is also preferably used in the automotive sector, for example as a drive of pointers or ventilation flaps.
  • FIG. 1 shows a drive according to the invention in a side view and a view in the direction of a movement axis.
  • 2 shows a drive with two piezo elements per arm;
  • FIG. 3 shows a drive with two arm pairs pointing in the same direction;
  • FIG. 4 shows a drive with two piezo elements per arm arranged side by side in the same plane, in a plan view and in a view in the direction of the movement axis;
  • FIG. 5 shows a movement mode of a motor according to FIG. 4 for exciting a rotational movement;
  • Figure 6 shows a drive with an asymmetry in the plane of the arms;
  • Figure 7 shows a drive with a flat, rectangular passive element;
  • FIG. 8 shows a drive with a tubular passive element
  • 9 shows a drive in which the active element is designed as an internal rotor, in a side view and a view in the direction of the movement axis
  • Figures 10 to 12 different variants for attachment of an active element
  • FIG. 13 a piezomotor with piezo elements in the d31 mode, and a contacting of such piezo elements
  • FIG. 14 shows a piezomotor with piezo elements in d33 mode, and a contacting of such piezo elements
  • FIG. 15 shows a piezomotor with piezo elements in dl 5 mode
  • Figures 16 and 17 a piezoelectric motor according to Figure 15 in different states of motion
  • FIG. 18 shows an advantageous embodiment of a passive element;
  • Figures 19 and 20 advantageous embodiments of an active element;
  • FIG. 21 shows a drive with a magnetostrictive operating principle;
  • FIG. 22 shows a drive with a one-piece, curved resonator;
  • FIG. 23 shows a drive with only one excitation means;
  • Figure 24 shows a drive with two pairs of arms pointing in opposite directions;
  • Figure 28 shows a drive with a cylinder arranged perpendicular to the axis of symmetry of a pair of arms as a passive element;
  • FIG. 29 shows a drive in which the passive element has two counter-rotating cylinders;
  • FIG. 33 is a graph of drive forces or torque as a function of a drive frequency;
  • Figure 34 is a block diagram of a circuit for driving a piezo motor;
  • Figures 35 and 36 further preferred embodiments of the invention;
  • FIG. 37 shows a positioning unit for positioning a lens;
  • FIG. 38 shows a resonator with an integrally formed suspension and electrical contacting;
  • FIG. 39 shows a partially assembled active submodule of the positioning unit;
  • Figure 40 is an exploded view of the active sub-module;
  • FIG. 41 shows a passive element according to the invention;
  • FIG. 42 shows the positioning unit without the active submodule;
  • FIGS. 43-44 show further embodiments of an active submodule;
  • Figures 47-48 further embodiments of erf ⁇ ndungsgefflessen drives.
  • the drive has a passive element 1, which is enclosed by an active element 2.
  • the active element 2 has a resonator 3 with an arm pair 5 of two arms 6, which are connected to one another via a connection region 10.
  • the arms 6 are shaped substantially symmetrical to each other, similar to a tuning fork.
  • the active element 2 further comprises two excitation means 4, one of which is attached to a flat portion 9 of an arm 6, for example by gluing.
  • the adhesive preferably has the following properties: good energy transfer from the piezoelectric element 4 to the resonator 3, a constant thickness and electrical conductivity so that the bonded electrode can be contacted, for example with the addition of silver epoxy or electrically conductive microscopic metal beads, for example of nickel. Furthermore: fast hardenability, thermally stable, fatigue-resistant, easy to dose. The bonding allows to compensate for manufacturing inaccuracies between the resonator 3 and 4 excitation means.
  • the ceramic piezoelectric element In addition to the bonding technique, it is also possible to apply the ceramic piezoelectric element directly to a resonator and "grow" until it has reached the desired thickness. This has the advantage that no gluing operation has to be carried out and that no shear losses occur in the adhesive layer. On the other hand, it is also possible to attach metal to the piezoelectric element 4 by electroplating means, in particular by ligating technique, or by diffusion bonding or soldering.
  • the contact areas 7 face one another with respect to an axis of symmetry of the arm pair 5.
  • the passive element 1 is clamped by the arms 6 at the contact areas 7.
  • the passive element 1 is in this embodiment, a round rod, so rotationally cylindrical shaped.
  • the contact areas 7 of the arms 6 are preferably shaped similar to the shape of the passive element 1.
  • the contact regions 7 are concave and this concave shape has a weaker curvature than that of the periphery of the passive element 1.
  • the active element 2 or the resonator 3 has at the connection region 10 an opening 14 corresponding to the shape of the passive element 1, through which opening 14 the passive element 1 is guided.
  • the active element 2 is thus displaceable along the passive element 1 in the direction of the movement axis and also rotatable about the movement axis.
  • the direction of the movement axis is referred to as the X direction, a direction perpendicular thereto and perpendicular to the thigh plane extending direction as the Y direction, and a direction perpendicular to the X and Y directions Z direction.
  • Each of the arms 6 has a flat, flat portion 9, which is arranged in each case between the connecting region 10 and the free end of the arm 6 with the contact region 7.
  • the flat portions 9 extend in the XZ plane and are parallel to each other.
  • the flat portion 9 of each arm 6 is connected via a spring portion 8 with the connecting portion 10 and thus to a Z-direction extending bending axis with respect to the connecting portion 10th movable.
  • the flat portion 9 itself is stiffened by the excitation means 4 and therefore mainly deformed substantially when the excitation means 4 is excited. Otherwise, the arm 6 can essentially swing on the spring area 8 with respect to the connection area 10. This corresponds to a fundamental vibration of the arm.
  • individual material points of the arm 6 each move in planes parallel to the XY plane, which are referred to below as fundamental vibration planes.
  • the excitation means 4 are preferably also flat and arranged in parallel on the corresponding flat sections 9.
  • the excitation means 4 are preferably piezoelectric elements, and are polarized perpendicular to the plane of the excitation means 4 and the corresponding flat portion 9, respectively.
  • the piezoelectric elements have electrical connections on the surfaces running parallel to the main plane of the flat section 9 or of the piezoelement 4 in order to be operated in the d.31 mode. In d31 mode, the direction of expansion of the piezoelectric element is perpendicular to the applied electric field.
  • Piezo elements can also be designed as multilayer elements.
  • the piezoelectric elements 4 are preferably electrically connected in parallel, wherein, for example, the resonator 3 forms an electrical connection to a common first terminal 46, and the external electrodes of the two piezoelectric elements 4 are connected to each other and to a second terminal 47.
  • the two terminals are connected to a driver circuit, as shown schematically in Figure 33 and described below.
  • the electrical connection lines 46, 47 are not shown for the sake of clarity.
  • FIGS. 30 to 32 show various modes of vibration of an active element similar to that of FIG. 1, but where the connection region 10 is not one ⁇ ffhung 14 but has a central suspension.
  • material points essentially oscillate in fundamental vibration planes and therefore a cross-sectional drawing is sufficient for illustration.
  • the movable portions of the arms 6 are in the state of rest in the flat portion 9 in each case symmetrically in itself, so here essentially cuboid.
  • an asymmetrically shaped portion At the free ends of each of the arms 6 with respect to the flat portion 9, viewed in the Z direction, an asymmetrically shaped portion.
  • this is a formation perpendicular to the plane of the flat portion 9, ie in the Y direction, which forms the contact region 7.
  • the shape is in the figures inward, directed to the passive element 1 out. However, it can also be directed alternatively or in addition to the outside.
  • Figure 30 shows a typical condition at a particular first excitation frequency.
  • the arms 6 swing on the one hand in the longitudinal direction (X-direction) and on the other hand to each other. away from each other (Y direction).
  • the contact areas 7 perform an elliptical movement, for example, with a corresponding direction of rotation.
  • the contact regions 7 thereby exert a force in the positive or negative X direction on the passive element 1.
  • FIG. 31 corresponds to a second excitation frequency at which the contact areas predominantly oscillate in Y direction and strike one another. In the presence of the passive element 1, no force is exerted on the passive element 1, so it is only loose guided by externally acting forces.
  • FIG. 32 corresponds to a third excitation frequency at which the arms 6 perform a torsional movement about their longitudinal direction, that is to say about the X direction.
  • the arms are preferably of the same material but shaped differently in the Y-direction.
  • the result is a rotation of individual points of the contact areas 7 in the YZ plane, ie in the plane perpendicular to the axis of movement.
  • the direction of the rotation can in turn be determined by selecting the excitation frequency.
  • the contact areas 7 of both arms must rotate with the same direction of rotation.
  • Exemplary excitation frequencies are, for a one-piece resonator 3 according to Figure 30-32, with dimensions of 2.5x2.5x4.5 millimeters, are about 149 kHz (Figure 30) resp. 26 kHz (FIG. 31) resp. 148 kHz ( Figure 32).
  • the frequencies depend on the geometry of the resonator 3 and on material data such as modulus of elasticity, transverse contraction and density.
  • the resonator 3 can be made of steel and operated at frequencies between 300 kHz and 500 kHz, in particular with 420 kHz for a forward movement and 350 kHz for a backward movement.
  • the resonator 3 can be made of aluminum and operated at frequencies between 150 kHz and 300 kHz, in particular 165 kHz for forward movement and 250 kHz for backward movement.
  • the frequencies of different vibration modes are coordinated so that a desired overall motion results.
  • considerations such as the following are made: With separate consideration of the two deflection directions, in a uniform beam on the one hand oscillations in the longitudinal direction (without bending) and on the other hand pure bending movements. If one considers the frequency of the longitudinal vibrations, then the frequency with maximum deflection corresponds to a first vibration mode. The amplitude and thus a step size of the drive is maximum. At higher modes the frequency increases and the amplitude decreases.
  • the third bending mode can be set to the same frequency as the first oscillation mode of the longitudinal oscillation determined above. This allows a maximum lifting of a free end of the respective arm 6 from the passive element 1. Thus, at maximum step size, a large movement is achieved in the bending mode, and overall results in a reliable propulsion with maximum large steps.
  • the desired oscillation behavior is set by selecting the geometry.
  • the passive element 1 designed as a rod or pin has a diameter of 1.5 millimeters.
  • FIG. 33 shows a profile of driving forces or torque F (for example in Newton or Nm) as a function of a drive frequency f (for example in kHz).
  • Each movement type corresponds to at least one specific one Frequency f.
  • ⁇ 1 for a Losmoment, ie it occurs neither a clamping effect, nor is an overall force exerted.
  • - fl for a linear motion forward ß 2 for a Losmoment - f2 for a linear motion backwards f4 for a clockwise rotation - f5 for a counterclockwise rotation
  • a factor to be considered in the operation of a motor according to the invention is the stiffness of the arms.
  • Figure 2 shows a drive with two piezo elements per arm.
  • the two piezoelectric elements 4 fastened to the same arm 6 are preferably driven by the same supply, but connected such that the one piezoelectric element contracts when the other expands. This supports the curvature of the arm.
  • the Piezo elements 4 connected in such a way that each contract or expand at the same time.
  • the piezoelectric elements 4 primarily cause an extension or a shortening of the corresponding flat portion 9 in the direction of movement, and the movement of the contact areas perpendicular to the plane of the arms caused only by the asymmetric mass distribution at the end of the arms.
  • Figure 3 shows a drive with two pointing in the same direction arm pairs 5, which are rotated about the axis of movement by 90 ° from each other.
  • the arms 6 are formed from a single, cross-shaped piece of sheet metal by bending in the same direction.
  • Each arm 6 is provided with an excitation means 4.
  • the arms 6 are constructed mechanically identical, and the excitation means 4 are electrically connected in parallel.
  • each arm point oscillates in a plane perpendicular to the plane of the respective flat arm portion 9.
  • Each of the arms extends, for example, at an angle of at least approximately 45 degrees to the passive element 1.
  • FIG. 4 shows a drive with two piezo elements 4 per arm 6, arranged side by side in the same plane, in a plan view and a view in the direction of the movement axis 11.
  • the piezoelectric elements 4 on the same arm 6 are preferably polarized either in the same direction and are driven by signals of different polarity, or are driven with the same driver signal, but are reversed polarized on the flat portion 9 is arranged.
  • the piezoelectric elements 4 on the two arms 6 of an arm pair 5 are preferably arranged and / or controlled such that when one arm 6 bends in the positive Z direction, the other arm 6 bends in the negative Z direction.
  • FIG. 6 shows a drive with an asymmetry in the plane of the arms, instead of the asymmetrical drive according to FIGS. 4 and 5.
  • the arms are asymmetrically shaped when looking at the arm plane, ie at the XZ plane. This is done in the embodiment of the invention according to the figure by an incision or slots 49 in this arm plane. Alternatively, this can also be done by a shaping of the arms 6, in particular in the region of the free ends, in the plane of the arm and in the Z direction.
  • an oscillation of the contact areas 7 within the plane of the arms can be excited. This oscillation is superposed with an oscillation perpendicular to the plane of the arms, which leads to a rotation of individual points of the contact regions 7 in the YZ-Eb ene, as explained in connection with the figure 32.
  • Figure 7 shows a drive in which the passive element 1 is flat and substantially rectangular in shape. This only a translational movement is possible. Analogously, any other prismatic or cylindrical and non-rotationally symmetrical cross sections of the passive element 1 are possible.
  • the respective cylinder axis is parallel to the movement axis 11 and preferably coincides with the symmetry axis of the resonator 3.
  • Figure 8 shows a drive with a rohrfö ⁇ nigen passive element.
  • the passive element 1 is, for example, a carrier of an optical element, such as a camera lens 48, so that the drive for an autofocus or a Zoom function is usable.
  • the passive element 1 can also have a light guide such as a glass fiber and thus position.
  • FIG. 9 shows a drive in which the active element is designed as an internal rotor, in a side view and in a view in the direction of the movement axis.
  • the operating principle is basically the same as in the embodiment shown so far, only the biasing forces and driving forces are directed outwards, and encloses the passive element 1, the active element 2 at least partially.
  • rotatory, translational and combined, helical movements are possible.
  • tubular passive element 1 instead of a round, tubular passive element 1, this can also have another hollow profile such as a rectangular profile, or an open profile such as a U-shaped profile. This allows a clean linear motion without rotational share. In an open profile such as a U-profile and the active element 2 can be held and serve the passive element 1 as a runner.
  • FIGS. 10 to 12 show different variants for fixing an active element 2.
  • the active element 2 is intended to be fastened to a reference body, for example a mechanical device, of which the drive forms a part. Or the active element 2 is to be attached to a moving part to be moved.
  • the attachment is arranged in each case at nodes of the spatial oscillations of the resonator 3.
  • the nodal points are determined, for example, with a finite element (FEM) analysis of the vibration behavior of the active element 2, preferably at the drive frequencies used.
  • FEM finite element
  • fastening holes 17 for receiving fastening elements are arranged in an extension 18 of the arms 6 in a direction opposite to the arm direction with respect to the connecting area 10 and perpendicular to the plane of the arms 6.
  • fastening holes 17 are arranged parallel to the plane of the arms 6 in the connection region 10 and on both sides of the opening 14.
  • the fastening holes 17 are arranged as in FIG. 11, and the arms are extended beyond the connecting region 10 in the opposite direction.
  • the excitation means 4 extend from the arms 6 except for the extended arms 18. In this case, the excitation means 4 are arranged at least approximately centered, for example, with respect to the connection region 10. In principle, when adjusting the oscillation frequencies of the extended arms 18, also contact areas 7 can be arranged on the extended arms 18.
  • FIG. 13 shows a piezomotor with piezo elements 4 in d3 I mode in a multilayer structure.
  • the structure and an electrical contacting of such a piezoelectric element 4 are shown schematically in cross-section separately.
  • a multilayer consists of several layers of piezo-individual elements, between each of which a conductive intermediate layer of e.g. Silver, nickel, platinum etc. is located.
  • the liners are offset and laterally interconnected, so that z. B. the odd layers have a first electrical potential, and the straight layers have a second potential.
  • Typical layer thicknesses are in the range of 10 to 20 microns, which results in the voltage being lower compared to a monolayer to generate the same electric field.
  • the direction of the electric field is denoted by E, the direction of the change in length with dL.
  • a 0.25 mm thick monolayer piezo element requires 100 volts to make the E-field so large that the piezo effect becomes maximum.
  • One Multi-layer piezo with 20 layers, with a layer thickness of 12.5 microns each, can thus be operated with an electrical voltage of 5 volts.
  • FIG. 14 shows a piezomotor with piezo elements 4 in d33 mode, as well as a multilayer structure and contacting of such piezo elements 4.
  • the expansion direction dL of the piezo element runs parallel to the applied electric field E.
  • a plurality of piezo elements are placed next to each other and runs Polarization direction of the piezoelectric elements parallel to the plane corresponding flat portion 9.
  • the piezoelectric elements have electrical connections 46, 47 at the perpendicular to the main plane of the flat portion 9 and the piezoelectric element 4 as a whole, ie in the YZ-plane surfaces.
  • FIG. 15 shows a piezomotor with piezo elements in dl5 mode.
  • the piezoelectric elements 4 are on the one hand in each case attached to an arm 6, and fastened with the outer surface opposite the respective arm 6 on a common holding body 19.
  • FIGS. 16 and 17 show a piezomotor according to FIG. 15 in various states of motion: The shearing movement of the piezo elements 4 accelerates the resonator 3 back and forth along the axis of movement in the X direction, without the arms being substantially lengthened or shortened.
  • the free ends of the arms 6 can be set into a driving oscillation.
  • the arms have a free region 20 between the piezoelectric element 4 and the contact region 7, which is not connected to the piezoelectric element 4 and thereby stiffened.
  • the resonator 3 is in two parts and also has on the left side instead of the connection region 10 a swinging end with a free area and with their own contact areas 7 on. Similar to FIG. 13, a web can also be arranged between the two parts of the resonator 3 so that it is again in one piece.
  • FIG. 18 shows an advantageous embodiment of a passive element 1.
  • Grooves 21 are formed on the circumference of the passive element 1. These allow dirt and / or debris to be removed from the peripheral surface. This reduces fluctuations in driving force and speed.
  • the grooves 21 are preferably circular or helical on the circumference.
  • FIG. 19 shows grooves 21 which are formed on the contact region 7 of an active element 2.
  • the grooves 21 form in another preferred embodiment of the invention, a micro-toothing and thereby improve the power transmission between the active element 2 and the passive element. 1
  • FIG. 20 shows a U-shaped or tuning fork-shaped wiper 23, which is arranged within a pair of arms 5 and is fastened to the connecting region 10, so that the wiper 23 has no appreciable influence on the vibrations of the resonator 3.
  • the scraper 23 has cleaning means 24, such as felt or rubber strips, which move with the active element 2, thereby cleaning the passive element 1.
  • FIG. 21 shows a drive with a magnetostrictive operating principle.
  • either the passive element 1 or the active element 2 can be held in relation to an environment. If the passive element 1 is held, then the active element 2 is referred to as a rotor, with longer translational or sustained rotational movements, the power supply of the active element 2 becomes a problem.
  • This problem is solved in the embodiment of Figure 21, by one with the passive element. 1 mechanically connected device for generating a magnetic field along the passive element 1 is arranged. This device is, for example, a coil 25 whose windings extend around the passive element 1 and a space for the active element 2. In the coil 25, a magnetic field is generated.
  • the active element 2 has as excitation means 4 a magnetostrictive element, for example of terfenol, which mechanically deforms as a function of the magnetic flux denoted by ⁇ . As a result, vibrations of the resonator 3 can be excited.
  • excitation means 4 a magnetostrictive element, for example of terfenol, which mechanically deforms as a function of the magnetic flux denoted by ⁇ .
  • FIG. 22 shows a drive with a one-piece, curved resonator 3, similar to that of FIG. 3, but with only two arms 6.
  • the resonator 3 is bent from a single, flat, elongated sheet metal piece to two spring areas 8.
  • the area between the spring portions 8 is the connecting portion 10 to which the resonator 3 is attached to another body.
  • the two areas between the spring portions 8 and the ends of the sheet form the arms 6 with the flat portions 9.
  • the arms 6 extend for example at an angle of approximately 45 degrees with respect to the connecting portion 10 and are equipped with the excitation means 4 and 4 piezo elements.
  • the sheet is slightly bent, resulting in the one hand, the contact areas 7 and on the other hand, the above-mentioned asymmetry perpendicular to the plane of the arm.
  • the contact regions 7 are preferably adapted to the peripheral shape of the passive element 1 as shown in FIG.
  • the illustrated embodiment of the invention is designed for a limited linear movement of the passive element 1.
  • an opening 14 may be provided in the connection region 10.
  • FIG. 23 shows a drive with only one excitation means 4.
  • the drive is shaped similarly to that of FIG. 3, but has only one piezo element 4, which is arranged on the connection region 10, and also broader arms.
  • the four Arms 6 have the same orientation with respect to the axis of movement and are preferably designed mechanically the same. Since no active elements are attached to the swinging arms, their natural frequencies can be set very accurately. In the case of active arms as in FIGS. 3 and 22, if the excitation means 4 is electrically parallel-actuated, the same frequency is imposed on each of the arms 6. Passive arms as in Figures 23 and 24, however, swing freely. As a result, passive energy is generally associated with lower energy requirements. In reality, the passive arms 6 each have their own, slightly different resonant frequencies. These deviations are either in a tolerable size, or can be reduced by trimming. The trimming is done for example by erosion of material of the arm, for example with a laser.
  • Figure 24 shows a drive similar to that of Figure 23, but with two pairs of arms pointing in opposite directions and rotated 90 degrees about the axis of movement 11 against each other.
  • the natural frequencies and vibration modes of the arms 7 are matched to one another such that at a first frequency, for example, 200 kHz, the upper pair of arms 5 a pulling and the lower pair of arms 5 performs a pushing movement, and thereby moves the active element 2 upwards.
  • a second frequency for example 300 kHz
  • the lower arm pair 5 performs a pulling movement and the upper pair of arms 5 a pushing movement, and the active element 2 moves downwards.
  • the drive is preferably formed from a single, cross-shaped piece of sheet metal from which a first arm pair 5 is formed by bending two arms of the cross in a first direction from the plane of the sheet and a second pair of arms 5 by bending the other arms in the opposite direction.
  • a round shape of the contact regions 7 is shown by way of example. This shape forms part of a cylinder inner surface and thus corresponds to the shape of the cylindrical passive element 1. Corresponding formations can also be configured on the embodiments according to the other figures.
  • Figures 25 to 27 show active elements of bent sheet metal parts, each in different views.
  • the resonator 3 are each inexpensive to produce as stamped and bent parts.
  • FIG. 25 shows, in various views, a drive whose resonator 3 consists of two elongate metal sheets which are firmly connected to one another, for example welded, in the connection region 10.
  • the two sheets are parallel to each other and parallel to a plane of symmetry of the resonator 3.
  • the sheets are bent away from each other by a first bend 26 and then bent by a second kink 27 back to each other.
  • Both the first and the second kink and the intermediate sheet metal section act as spring region 8.
  • the flat sections 9 with excitation means 4 attached thereto lie substantially parallel to one another.
  • the sheets are bent asymmetrically with respect to the plane of the respective flat portion 9 out of this plane and form two mutually curved contact portions 28 with the contact areas 7.
  • the sheets are preferably wider than in the As a result, the contact portions 28 have a relatively large mass, outside the plane of the flat portions 9, which improves the characteristic vibrations in the context of the invention.
  • the oscillation frequencies of the arms 6 can be tuned.
  • the arms are for example about 4 mm long and punched from CuBe sheet, the operating frequencies are for example at 50 kHz to 300 kHz.
  • the piezoelectric elements 4 are contacted on the one hand via the arms 6 and on the other hand via wires (not shown). This is also the case for the following two embodiments according to FIGS. 26 and 27.
  • the laterally protruding parts 29 of the contact portions are of different lengths.
  • the arms 6 in the plan view of the plane of the flat portions 9, whereby a vibration for exciting a rotational movement can be generated, as explained in connection with Figures 5 and 6.
  • Figure 26 shows a drive in which the arms 6 are designed in the free area similar to the previous embodiment.
  • a connecting portion 10 As a connecting portion 10, however, a further body is provided, on which the arms 6 are each secured individually.
  • the arms 6 are formed in the vicinity of the connecting portion 10 with a smaller cross-sectional area, whereby a spring portion 8 is formed.
  • recesses 30 are provided on the arms, or the arms are thinner or narrower in shape.
  • FIG. 27 shows, in two different views and in a cross section, a further resonator 3 with a turn similar end region.
  • the resonator 3 is punched and bent from a single sheet. Out of a plane of the connection region 10, two arms are bent toward one another and run parallel to each other up to the contact sections 28. These parallel sections 9 are provided for attachment of the excitation means 4 (not shown). Attaching to the connecting region 10, the arms 6 Stiffening tabs 31, which are each bent to the opposite arm 6 and fixedly connected to an opposite stiffening tab 31. By the thus folded and interconnected metal tabs 31 of the resonator 3 is stiffened at the fixed end.
  • Figure 28 shows a drive with a cylinder arranged perpendicular to the axis of symmetry of a pair of arms as a passive element.
  • contact areas 7 on the left arm would rotate clockwise and contact areas 7 on the right arm would rotate counterclockwise.
  • This is desirable for an embodiment according to FIG. 29, but not for the present one. Therefore, by a slight asymmetry in the shape of the arms, as shown in Figure 28, a different vibration behavior of the arm 6 is generated.
  • the shown thickening of a spring portion 8 shortens the arm length and thus raises the natural frequency, and thus changes the phase shift between the vibrations perpendicular to respectively parallel to the plane of the arm and thus the direction of rotation of the contact area 7.
  • a separate control of Piezo elements 4 are made to achieve the reinforcing movements of the arms 6.
  • FIG. 29 shows a drive in which the passive element has two counterrotating cylinders as rotors 15.
  • the two rotors 15 have the same or different diameter and are each supported by holding elements 16.
  • the rotors 15 each have an axis of rotation which is perpendicular to the direction of the arms 6 (X-direction) and parallel to the plane of the arms 6 (XZ-plane).
  • the rotors 15 are biased by the contact areas 7 against each other and are driven by the contact areas 7 during operation of the motor.
  • the arms 6 are formed substantially mirror-symmetrical to each other, so that they also oscillate symmetrically to each other and thus cause an opposite rotation of the rotors 15, the rotors 15 roll at their common point of contact to each other.
  • One or both of the axes of the rotors 15 is / are adapted to drive another device.
  • Figure 35 shows a further preferred embodiment of the invention, which has a particularly flat design, in a plan view and a side view.
  • the active element 2 has flat arms 6 whose planes are parallel to each other and in the same plane. Parallel to this plane or in this plane itself, the flat portion 9 of the resonator 3 is arranged with the excitation means 4. The driving movements of the contact areas 7 also take place parallel to this plane.
  • the resonator 3 merges via transition regions 51 into two resilient arms of a Y-shaped holder 53. There, where the arms of the holder 53 unite, is a node 52 of vibrations of the resonator 3.
  • the resonator 3 and the holder 53 are preferably formed from a single flat sheet metal part.
  • the passive element 1 is elongate and is movably arranged along its main extension direction or movement axis 11 with respect to the active element 2.
  • the passive element 1 optionally has mutually opposite longitudinal grooves 54 for receiving the contact regions 7 of the active element 2.
  • the passive element 1 is preferably designed to be resilient in itself, so that the regions which come into contact with the contact regions 7 of the active element 2 are resiliently movable relative to each other.
  • the arms 6 can have a relatively high rigidity in the plane of the arm.
  • the spring serves to compensate for wear of the contact regions 7 and of the passive element 1.
  • the arms 6 of a pair of arms 5 counteract each other with respect to the passive element 2 in directions which deviate from the permissible direction of movement of the passive element 2, and act in the direction of movement with each other, thus reinforcing their action in the direction of movement.
  • the contact regions 7 can also move outside the plane of the flat arms 6 and / or the resonator 3 in accordance with the excitation frequency, ie, they can execute an oscillation running in three dimensions.
  • the passive element 1 is preferably designed without the groove shown in FIG. 35, for example with flat plates sprung against one another.
  • the plane of the plates, and also their direction of movement preferably runs perpendicular to a connecting straight line between the contact regions 7 in the state of rest.
  • the direction of movement is also parallel to the plane of the Armbleche, but it can also be perpendicular or at an angle to this plane.
  • a pair of corresponding excitation frequencies - one for forward, one for reverse - are chosen which are close to each other. This has the advantage that the same coil can be used for both frequencies to increase the voltage.
  • the arms 6 may be resiliently formed and for the passive element 1 may be formed without suspension.
  • the arms 6, the flat portion 9 with the piezoelectric element 4 and the holder 53 are preferably formed on a single part.
  • the holder can connect without the Y-f ⁇ rmigen arms directly to the side of the flat portion 9, which is opposite to the arms 6.
  • the excitation means 4 are arranged with their direction of extension parallel to the plane of the resonator 3. It may also be present only a single piezoelectric element 4 on one side of the resonator 3. At sufficiently high excitation frequencies, in particular the vibrations in the resonator or arm plane are excited, and lower-frequency bending oscillations of the resonator 3 are not significantly excited.
  • FIG. 34 shows a block diagram of a circuit for controlling a piezo motor.
  • the driver circuit has a signal generator or multi-frequency generator 41 for generating signals of different frequencies.
  • the multi-frequency generator 41 has, for example, a plurality of individual frequency generators 42, one of whose output signals can be selected by a changeover switch 43. This signal is fed as an output signal of the multi-frequency generator 41 to an amplifier 44. With the output signal of the amplifier, the motor 45 is driven.
  • the individual frequency generators 42 can also generate signals with a plurality of superimposed frequency components.
  • the signal generator 41 may be constructed conventionally (analogously) or numerically (digitally). Depending on the application, integration and complexity of the control signal, the appropriate control is selected. Frequency, waveform and amplitude can be varied. The amplitude essentially determines the travel speed.
  • the amplifier 44 or driver adjusts the generated signal from the generator 41 to the piezomotor 45.
  • a required driver topology is selected.
  • a bridge circuit is sufficient.
  • a linear amplifier or a digital amplifier is needed, eg a "Class D" amplifier for pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • an inductance is switched between piezomotor 45 and drive electronics 44.
  • the inductance is designed to form a series resonant circuit with the piezo motor capacitance at a preferred motor operating frequency.
  • the series resonant circuit also serves as a filter and signal converter: The piezomotor fed by a square-wave signal is driven by the interposition of an inductance with an amplified sinusoidal signal.
  • the resonant circuit consisting of piezo module and coil, allows - depending on its quality - around a quadrupling of the voltage. By reversing the polarity of the power supply, the effective voltage can be doubled. Thus, a total of, for example, a supply voltage of 2.5 V, a voltage of 20 V at the piezo module can be generated.
  • the frequencies for the different directions of movement are preferably selected close to each other, so that the coil is as effective as possible for both frequencies.
  • the maximum voltage of the resonant circuit is thereby placed at least approximately in the middle between the two frequencies.
  • Typical frequencies for a resonator 3 according to FIGS. 37 to 44 with, for example, expansions of 3 to 6 mm are in the range between 400 and 600 kHz.
  • Figure 37 shows a positioning unit for positioning a lens.
  • Mounted on a base body 83 is an active sub-module 90 of the drive which drives a driven body 82 via a passive element 1 of the drive.
  • the driven body 82 is mounted on the main body 83 via a parallel mechanism 85.
  • Above the driven body 82 is a cover part 84 as part of the Body 83 mounted.
  • the driven body 82 has a mount with a lens, while the base 83 carries an imaging chip onto which the lens can be focused by movement of the driven body 82.
  • the parallel mechanism 85 allows a substantially linear or straight movement of the driven body 82 with the passive element 1 with respect to the main body 83 and the active sub-module 90. Strictly speaking, this movement is a parallel displacement along a circular arc, for practical purposes in connection with the drive but they are also considered straight.
  • the active sub-module 90 has two resonators 3, 3 'arranged parallel to one another, each acting essentially according to the principle of FIG. 35.
  • the contact regions 7 of the resonators 3, 3 ' act on contact plates 72 of the passive element 1, which are arranged resiliently relative to one another and are pressed against the contact regions 7 by this spring action.
  • the four contact regions 7 of the two resonators 3, 3 ' are set in spatial oscillations, which drive the contact plates 72 and thus the driven body 82 in one direction or the other, depending on the excitation frequency.
  • the oscillations typically include components in three dimensions, as explained in connection with the embodiment of FIG. Of these, preferably a forward and backward movement is used parallel to the planes of the resonators 3,3 'and corresponding frequencies are selected for excitation.
  • Figure 38 shows a first resonator 3 with integrally molded suspension 32.
  • the suspension 32 leads from the resonator 3 to a base member 33 and amaschinetechnikslasche 34 for electrical contacting.
  • the components mentioned are in one piece of a thin part with a substantially constant Thickness made, for example punched from sheet metal.
  • this part is called resonator plate 37.
  • a second resonator plate 37 'with a second resonator 3' is preferably identically shaped and arranged mirror-symmetrically with respect to the first resonator 3, as can be seen in FIG.
  • a connecting tab 38 leads the base elements 33,33 'to the opposite resonator 3,3' and serves for the electrical connection of the resonators 3,3 '.
  • FIG. 39 shows a partially mounted active partial module 90 of the positioning unit: a carrier element 60 is mounted on the resonator 3, and in an opening of the carrier element 60, parallel to the plane of a flat section of the resonator 3, a first piezo plate 64, thereon an intermediate electrode 62 and in turn, a second piezo plate 64 'arranged.
  • the piezoplates 64, 64 'and the intermediate electrode 62 are centered on the opening in the same by distancing lugs, with the piezo plates 64, 64' still remaining capable of oscillating.
  • the carrier element 60 is preferably made of plastic and injection-molded.
  • FIG. 40 shows an exploded view of the active submodule.
  • the second resonator plate 37 ' is also shown here, as well as a coil 35 and two connecting lugs 36, 36'.
  • a first connecting lug 36 is arranged for electrical contacting of the intermediate electrode 62
  • a second connecting lug 36 ' is arranged for making electrical contact with a first connection of the coil 35.
  • a second terminal of the coil 35 contacts the contacting tab 34 'of the second resonator plate 37'.
  • the active sub-module 90 thus has a resonant circuit formed by the coil 35 and a double piezo between the resonators 3, 3 '.
  • the structure of the excitation means 4 as a two-layered piezoelectric element of two parallel plates around the intermediate electrode 62 allows the resonators 3, 3 ', which form the outer electrodes of the piezoelectric element, to be at the same electrical potential.
  • the passive element 1, which contacts the contact regions 7 of both resonators 3, 3 ' may be electrically conductive.
  • the suspension 32 of the resonators 3, 3 ' is at the same time an electrical connection, there are no wires and no bonding for contacting the excitation means 4 is required.
  • the suspension 32 leads out of the plane of the resonator 3 and away from it, this preferably occurring in a region of the resonator 3 which corresponds to a preferred vibration node of the drive. In the present embodiment of the invention, this area is at least approximately at the center of the piezo plate 64. In another embodiment of the invention, for example according to FIG 43, this area lies at the center of one side of a rectangular piezo plate 64. In both embodiments, the vibrations of Resonators 3,3 'and the piezo plates 64, 64' from the remaining parts of the active sub-module 90 decoupled.
  • the intermediate electrode 62 is corrugated and resilient in a transition region. The transition region leads from the piezoplates 64, 64 'to the carrier element 60, where the intermediate electrode 62 is contacted by the first connecting lug 36.
  • the modulus of elasticity of the resonators 3,3 'and the piezo plates 64, 64' is many times higher than that of the adhesive and the carrier element 60. Thus, the modes and vibration frequencies are not significantly affected by the latter, but at most attenuated.
  • the following parts are preferably mounted on one another in the stated sequence: a first resonator 3; A support element 60; • a first piezo plate 64; Optionally an intermediate electrode 62 and a second piezo plate 64 ', and a second resonator 3'.
  • an electrically conductive adhesive is placed between the superposed parts between two steps.
  • the adhesive is, for example, a heat-curable adhesive with microscopic nickel spheres standardized largest.
  • the conductivity of the adhesive only arises when two conductors are pressed against each other, so that the nickel balls bridge the distance between the conductors. In other directions, the adhesive remains non-conductive. Therefore, the adhesive can be applied generously and, for example, also around the piezoplates 64, 64 'and into the intermediate space between the piezoplates 64, 64' and the carrier element 60, without causing a short circuit.
  • the said parts are thus stacked, each with adhesive therebetween, and then heated while being compressed. During curing, the adhesive shrinks and contracts the conductors, so that a permanent pressure on the nickel balls and thus a permanent electrical connection is formed.
  • an adhesive with flakes of a conductive material such as silver is used.
  • This adhesive is conductive in all directions and even without being under pressure. Therefore, he will only be in the middle of contact areas between each other, for example mounted parts, and is each surrounded by an area with a different, insulating adhesive.
  • the said parts are inserted, for example manually or automatically in a mounting bracket.
  • the coil 35 can also be inserted into the holder before the second resonator 3 'is inserted and then glued to the second resonator 3'.
  • the active sub-module 90 is made without the coil and the adhesive is cured.
  • selected electromechanical properties of the active sub-module 90 are determined to detect deviations from the norm. For example, it is known that a vibration mode to be used should correspond to one of the directions of movement at a certain ideal frequency. In the individual drives, however, the exact frequency will vary due to manufacturing inaccuracies. An excitation at the ideal frequency would not be energy-efficient or even ineffective.
  • the actual natural frequency for the desired oscillation mode is the actual natural frequency for the desired oscillation mode. The same happens for the other direction of movement.
  • the actual capacity of the piezoelectric element or the stimulation means 4 is measured.
  • the natural frequency of the resonant circuit piezo element coil should be at least approximately in the middle between the necessary excitation frequencies, so that the voltage increase by the resonant circuit at all excitation frequencies as high as possible and balanced.
  • an inductance of the coil 35 is determined, which sets the natural frequency of the resonant circuit accordingly.
  • a concrete inductor 35 having the closest inductance value is selected from a set of selectable inductors 35 and mounted to the active sub-module 90 by, for example, soldering or gluing.
  • FIG. 41 shows a passive element 2 according to the invention.
  • This has two parallel contact elements 71, which are each connected to the driven body 82 via a contact arm 73.
  • the contact elements 71 are resiliently arranged against the contact regions 7. So that they can move against the contact regions 7, the contact arms 73 are relatively long and flat.
  • the surface of the contact arms and the contact plates 72 extends substantially perpendicular to the surface of the resonators 3,3 'and parallel to the direction of movement of the drive.
  • a lateral displacement of the passive element 1 relative to the active element 2 can be compensated by the contact plates 72 move synchronously and parallel to each other.
  • the contact arms 73 are relatively stiff, so that a power transmission to the driven body 82 is possible.
  • the contact plates 72 are thus slightly movable against the contact areas 7.
  • an additional spring is used.
  • the spring is realized by a one-piece spring element 74, which around like a bracket around the two contact plates 72 around, each engages from outside into the contact plates 72 and pulls them apart ,
  • one end surface of the spring element 74 is adhesively bonded or soldered to the respective contact plate 72.
  • the ends of the spring element 74 are each hooked with corresponding holding elements such as tabs of the contact plates 72. This gives an additional impact protection.
  • the contact arms 73 to a contact plate 72 preferably have a torsion region 75, which is a rotation of the contact plate 72 about an axis perpendicular to a connecting line between the two contact regions 7, the act on the contact plate 72 allows.
  • This mobility coupled with the fact that the force of the spring element 74 engages between the contact regions 7 on the contact plate 72, causes the contact plate 72 is used on both contact areas 7, possibly slightly twisted and thus contacted both contact areas 7 reliable.
  • a contact arm 73 with contact plate 72 and mounting portion 76 is preferably integral and formed from a sheet by stamping and bending.
  • FIG. 42 shows the positioning unit without the active submodule and with the cover part 84 removed. It can be seen how the passive element 1, formed from spring element 74, contact plates 72, and contact arms 73 with fastening regions 76, is arranged on the driven body 82. In order to prevent excessive shock or impact securing excessive movement of the flexible contact arms 73, the contact arms 73 are partially guided in slots around driven body 82, but free. In normal operation, therefore, the contact arms 73 do not touch the side walls of the slots, and it is prevented that the contact arms 73 are loaded in the case of impacts on the yield point or get caught or jammed in a wrong position.
  • the driven body 82 is guided in parallel between two supports 86 of the main body 83.
  • Each of the supports 86 has a slot for the drive holder 87.
  • a respective corresponding element of the active submodule 90 is displaceable in these slots.
  • inaccuracies due to summed manufacturing tolerances compensated by the active sub-module 90 is pushed against the base body 83 until the terminal lugs 36, 36 'contact the base body 83.
  • FIGS. 43-44 show further embodiments of active submodules.
  • FIG. 43 shows a lateral suspension of the resonators 3, 3 'in the region of the middle of one side of the piezo plates 64, 64'.
  • the first resonator 3 is suspended on at least one side
  • the second resonator 3 ' is suspended at least approximately midway on two sides.
  • the carrier element 60 is used here for the insulating attachment of the first connection tab 36 with the Needlesticianslasche 34 and the base member 33.
  • the sheets are placed on plastic pins of the support member 60 and riveted to them.
  • Figure 44 shows contact plates 72 of the passive element 1 which are attached directly to the driven body 82 (not shown) without further suspension, and a two-sided suspension of the intermediate electrode 62.
  • a support member 60 is the resonator laminations 37, 37 ', the intermediate electrode 62 and connecting tabs 36, 36' connects, not shown.
  • FIG. 45 shows schematically a further embodiment of the invention in which the contact regions 7 act outwards.
  • the suspension 32 and the excitation means 4 are designed in principle as in the previous embodiments and can be varied accordingly.
  • a plurality of identically shaped resonators 3 may be arranged parallel to each other.
  • the drive-effective oscillations here also preferably run mainly in planes parallel to the one or the plurality of resonators 3.
  • the contact regions 7 are directed outwards instead of inwards. This makes it possible for the passive element 1 to surround the active element 2, in particular also in the region of the excitation means 4 and the suspension 32. As a result, a longer path of the passive element 1 can be achieved.
  • the passive element 1 is resilient in itself and preferably also with respect to the active element 2 resiliently arranged.
  • the contact elements 71 themselves may be resilient over the entire length or have only a resilient region corresponding to a contact arm 73, and / or a part of the driven body 82 which connects the contact elements 71 is resilient.
  • FIG. 46 shows an active submodule of a further embodiment of the invention, in which the contact regions 7 act outwards.
  • the resonator plates 37, 37 ' are arranged as electrodes of a piezoelectric element 4 at this and extend parallel to the piezoelectric surface.
  • the drive-effective vibrations are mainly in planes perpendicular to the sheet plane.
  • the two resonators 3, 3 ' are at different electrical potentials, for which reason the two parts of the passive element 1 which come into contact with the resonators, are electrically isolated from each other.
  • the passive element 1 is not shown; it extends the contact areas 7 from the outside.
  • the active sub-module 90 also has a sensor 39, which is electrically connected to one of the contacting tabs 34, 34 'and other terminals. The sensor is used to measure the position of the (not shown) driven body 82, for example, according to an optical, capacitive or inductive etc. principle of action.
  • FIG. 47 shows a further embodiment of the invention, in which the resonator 3 consists of a slotted flat sheet metal part.
  • the slot separates two parallel, for example, substantially rectangular arms 6, between which the passive element 1 is clamped.
  • the arms 6 each have at one point an extension of the slot, which corresponds to the cross-sectional shape of the passive element 1.
  • the contact regions 7 are formed on this extension.
  • the movement of the passive element 1 is linear and / or rotational, along an axis, or about an axis which is preferably perpendicular to the plane of the arms 6.
  • FIG. 48 shows a further embodiment of the invention, in which the resonator 3 has two separate arms 6, each of which consists only of a flat, unbent, preferably rectangular piece.
  • the connection region 10 consists of the excitation means 4, for example a piezoelement of one or more piezo crystals, which form a cuboid stack.
  • the arms 6 are fixed to opposite parallel surfaces of the piezoelectric element and extend parallel to each other in the same direction.
  • At the free ends of the passive element 1 between the arms 6 is arranged.
  • the passive element 1 is drawn in the figure as a rotary cylinder, but may also have a different cylindrical or prismatic shape, and may also be a flat plate which is clamped between the arms 6.
  • the movement of the passive element 1 is parallel to the plane of the arms 6, and preferably perpendicular to the direction in which the arms extend from the connection region 10. But it can also be parallel or at an angle to this direction. In another variant, only a single arm 6 may be present.
  • the passive element 1 is alternatively also a disk or a ring and protrudes, rotatably mounted, with its periphery between the arms 6. This also a very simple rotary drive can be realized.
  • the piezoelements are preferably operated in the d31 mode.
  • REFERENCE LIST 36 Terminal Lug 37 Resonator Sheet 1 Passive Element 38 Link Plate 2 Active Element 39 Sensor 3 Resonator 40 41 Multi Frequency Generator 5 4 Stimulator 42 Frequency Generator 5 Arm Pair 43 Switch 6 Arm 44 Amplifier 7 Contact Area 45 Motor 8 Spring Area 45 46, 47 Electrical 10 9 Flat Section Connecting lines 10 Connecting region 48 Lens 11 Movement axis 49 Incision 12 Symmetry axis 51 Transition region 14 Opening 50 52 Junction 15 15 Rotor 53 Holder 16 Holding element 54 Longitudinal groove 17 Fixing hole 60 Carrier element 18 Extended arms 61 Connecting surface 19 Holding body 55 Free region 62 Intermediate electrode 20 20 64 64 ' Piezoplate 21 grooves 22 holder 71 contact element 72 contact plate 23 wiper 73 contact arm 24 cleaning agent 60 74 spring element 25 25 coil 75 torsion region 26 first bend 76 attachment region 27 second bend 82 driven body 28 contact section 83 main body

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit zur Bewegung eines aktiven Elements (2) bezüglich eines passiven Elements (1), wobei das aktive Element (2) einen Resonator (3) und mindestens ein Anregungsmittel (4) zur Anregung von Oszillationen des Resonators (3) aufweist, der Resonator (3) Kontaktbereiche (7) zum Ausüben von Kräften auf das passive Element (1) aufweist, und das aktive Element (2) bezüglich des passiven Elements (1) durch oszillierende Bewegungen der Kontaktbereiche (7) antreibbar ist. Der Resonator (3) weist mindestens zwei Arme, vorzugsweise ein Paar (5) von Armen (6) auf, und die mindestens zwei Arme (6) eines Armpaares (5) sind, ausgehend von einem Verbindungsbereich des Resonators, an derselben Seite des Resonators ausgebildet. An den äusseren Enden der Arme (6) sind jeweils die Kontaktbereiche (7) ausgebildet, wobei die Kontaktbereiche (7) durch oszillierende Bewegungen des Armpaares (5) aufeinander zu respektive voneinander weg bewegbar sind. Dabei ist eine Relativbewegung des passiven Elements (1) bezüglich des aktiven Elements (2) bewirkbar.

Description

ANTRIEBSEINHEIT
Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Antriebe, insbesondere der piezoelektrischen Antriebe. Sie bezieht sich auf eine Antriebseinheit, ein Antriebsverfahren, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Teilmoduls für eine Antriebseinheit und eine Positionierungseinheit zur Positionierung eines optischen Elementes gemäss dem Oberbegriff der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.
STAND DER TECHNIK
Aus der Druckschrift WO 01/041 228 ist ein piezoelektrischer Motor bekannt, bei welchem ein Antriebselement, bestehend aus einem Piezoelement und Kontaktelementen, flexibel montiert ist und dadurch in Schwingungen zum Antrieb eines weiteren Körpers durch die Kontaktelemente versetzbar ist.
WO 02/099 844 zeigt einen Antrieb, in welchem ein flächiges Piezolement einen ebenfalls flachen Resonator zu Schwingungen anregt, die in der Ebene des Resonators respektive des Piezoelementes liegen. Ein in dieser Ebene liegender, sich verjüngender Fortsatz des Resonators wird in eine oszillierende Bewegung parallel zu dieser Ebene versetzt, und übt dadurch eine Kraft auf einen weiteren Körper aus. WO 03/036 786 zeigt einen Motor, bei welchem das Piezoelement auf einem zentralen Teil eines Resonators angeordnet ist und mehrere symmetrisch um den zentralen Teil angeordnete Arme mit Antriebsbereichen zum Schwingen bringt.
WO 03/079 462 zeigt einen Piezoantrieb mit Vorschubelementen, an welchen jeweils ein Knick ausgeformt ist, wodurch sie zwei Eigenfrequenzen aufweisen. Je nach der Anregungsfrequenz schwingt ein Kontaktbereich eines Vorschubelementes entlang einer elliptischen Bahn in die eine oder andere Richtung und wirkt eine entsprechend gerichtete Kraft auf einen weiteren Körper aus. Die Anregung der Schwingungen geschieht durch ein flaches Piezolelement, und die Bewegung der Kontaktbereiche verläuft parallel zu dieser Anregungsebene.
US 6,690,101 beschreibt einen Piezoantrieb, bei welchem ein Stapel von Piezoelementen im Resonator durch Einklemmen gehalten ist. Es werden weitere Elemente benötigt, um den Resonator mit einem Antriebsbereich bezüglich eines anzutreibenden Körpers zu positionieren.
US 6,323,578 offenbart einen Piezoantrieb, bei welchem mehrere Arme mit Antriebsbereichen in tangentialer Richtung auf die Oberfläche einer drehbaren Scheibe wirken. Die Arme weisen jeweils Piezoelemente auf, die eine Bewegung der jeweiligen Armspitze (mit einem Antriebsbereich) senkrecht zur Ebene des Piezoelementes verursachen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Antrieb zu schaffen, welcher sich besonders gut zur Miniaturisierung eignet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Antrieb zu schaffen, welcher für Linearantriebe mit sowohl kurzen als auch beliebig langen, quasi endlosen Hüben geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Antrieb zu schaffen, welcher kombinierte und/oder äbwechslungsweise lineare und rotatorische Bewegungen ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Antrieb zu schaffen, welcher eine fertigungstechnisch günstige Konstruktion zulässt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Antrieb zu schaffen, welcher eine zuverlässige Kontaktierung und Kraftübertragung durch mindestens zwei, vorzugsweise vier Kontaktbereiche zulässt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Antrieb zu schaffen, welcher einen einfachen Ausgleich von Fertigungsungenauigkeiten beim Antrieb oder den angetriebenen Teilen zulässt.
Diese Aufgaben löst ein Antrieb, ein Antriebsverfahren, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Teilmoduls für eine Antriebseinheit und eine Positionierungseinheit zur Positionierung eines optischen Elementes mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemässe Antrieb weist also einen Resonator auf, der mindestens zwei Arme, vorzugsweise ein Paar von Armen aufweist, wobei die mindestens zwei Arme, ausgehend von einem Verbindungsbereich des Resonators, an derselben Seite des Resonators ausgebildet sind. An den äusseren Enden der Arme sind jeweils die Kontaktbereiche ausgebildet, wobei die Kontaktbereiche durch oszillierende Bewegungen des Armpaares aufeinander zu respektive voneinander weg bewegbar sind, wodurch eine Relativbewegung des passiven Elements bezüglich des aktiven Elements bewirkbar ist.
Das aktive Element ist also dergestalt, dass die beiden Kontaktbereiche eines Armpaares stimmgabelartig geformt sind und einen Teil des passiven Elements umschliessen respektive durch einen Teil des passiven Elements umschlossen sind. Im Ruhezustand weisen die Arme vorzugsweise eine Vorspannung bezüglich des passiven Elements auf und halten dieses somit fest. Vorzugsweise sind die Arme eines Armpaares symmetrisch bezüglich des passiven Elements angeordnet.
Die oszillierenden Bewegungen des Armpaares entsprechen vorzugsweise einem Grundschwingungsmodus der Arme, wobei der Grundschwingungsmodus die niedrigste Frequenz der verschiedenen Schwingungsmodi des aktiven Elements aufweist.
Wenn das passive Element festgehalten wird, so bildet das aktive Element einen translatorisch und/oder rotatorisch bewegbaren Läufer. Wenn dabei die Kontaktbereiche eines Armpaares einen Teil des passiven Elements umschliessen, so wird der Läufer als Aussenläufer bezeichnet. Wenn hingegen die Kontaktbereiche eines Armpaares durch einen Teil des passiven Elements umschlossen sind, so wird der Läufer als Innenläufer bezeichnet. Dabei kann das passive Element ein Hohlprofil oder ein Rohr sein. Umgekehrt kann natürlich auch das aktive Element bezüglich eines Bezugssystems als fest, und das passive Element als beweglich betrachtet werden. Der Resonator weist flächige Abschnitte auf. Einzelne dieser Abschnitte sind dicker ausgebildet und/oder sind mit einem vorzugsweise ebenfalls flächigen Anregungsmittel bestückt, und sind dadurch steifer als andere Abschnitte. Dadurch können diese anderen Abschnitte als Biege- respektive Federbereiche wirken. Ein Arm ist vorzugsweise jeweils über einen solchen Federbereich mit dem Rest des Resonators verbunden. Der Federbereich und die angrenzenden Abschnitte des Armes sind vorzugsweise einstückig geformt, der Federbereich ist also integriert am Arm respektive am Resonator ausgebildet. Der Federbereich erstreckt sich entlang einer geraden Begrenzung eines anschliessenden flachen Abschnitts. Die Richtung dieser geraden Begrenzung entspricht einer bevorzugten Biegeachse des Federbereiches. Entsprechend dieser Biegeachse wird also . der Arm einen bevorzugten Grundschwingungsmodus aufweisen, bei welchem einzelne Materialpunkte des Armes sich jeweils in einer Ebene (im Folgenden Grundschwingungsebene genannt) bewegen, welche sowohl senkrecht zur Ebene des Armes respektive seines flachen Abschnittes, als auch senkrecht zur Biegeachse liegt. Die äusseren Enden des Armes schwingen dabei also aufeinander zu und voneinander weg. Eine natürliche Frequenz oder Grundfrequenz entsprechend diesem Modus ergibt sich aus der Steifigkeit des Federbereiches und der Massenverteilung am schwingenden Teil des Armes. Die Grundfrequenz des Armes als ganzem ist - über alle Schwingungsmodi betrachtet - die tiefste Frequenz, mit welcher der Arm schwingen kann. Dem entspricht die Grundschwingung, die bei flachen Armen typischerweise eine Biegeschwingung ist.
Die Grundschwingungsebenen liegen typischerweise entweder parallel oder aber im Winkel zu einer Ebene eines Anregungsmittels, vorzugsweise senkrecht dazu, wie aus dem Folgenden ersichtlich wird:
Zur Anregung der Oszillationen des Resonators sind eine oder mehrere der flachen Abschnitte mit Anregungsmitteln versehen. Es kann jeweils an beiden Armen eines Armpaares ein jeweils eigenes Anregungsmittel angebracht sein, oder es kann nur ein einziges Anregungsmittel am Resonator angebracht sein, vorzugsweise an einem Verbindungsbereich zwischen zwei Armen.
Die Anregungsmittel sind in einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung Piezoelemente, oder aber aus einem magnetostriktiven Material. Die Anregungsmittel sind vorzugsweise im Wesentlichen flach, insbesondere eben, und sind jeweils auf einen ebenfalls flachen respektive ebenen Bereich des Resonators angebracht, beispielsweise durch Kleben, Anwachsen von Piezokristallen oder durch Ligatechnik. Die Anregungsmittel sind derart konfiguriert, dass sie Bewegungen parallel zu ihrer Ebene anregen. Durch das Zusammenwirken mit dem Resonator, insbesondere an einer Verbindungsfläche wie dem flachen Abschnitt, wird dabei eine Biegung der beiden Elemente, also des Anregungsmittels und des flachen Abschnitts, bewirkt. Die beiden Elemente bilden einen bimorphen Erreger, also einen aus zwei Elementen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften - zum Beispiel Piezo- Element und Nicht-Piezo-Element - bestehenden Erreger.
Je nach Steifigkeit und Masse des Anregungsmittels ändern sich die Schwingungseigenschaften des Systems Resonator-Anregungsmittel gegenüber dem Resonator alleine. Einen weiteren Einfluss hat die Interaktion mit dem passiven Element: Je nach Härte, Vorspannung, Reibkoeffizient, Oberflächengüte etc. wird eine freie Schwingung gedämpft. Grundsätzlich ist die natürliche Frequenz des aktiven Elementes mit Kontakt mit einem passiven Element leicht höher als bei ungedämpfter Schwingung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein auf einem Arm oder Schenkel befestigtes Piezoelement ein Monolayer- oder ein Multilayer-Element, welches im d31 -Modus betrieben wird. Dabei liegt eine Polarisationsrichtung des Piezoelements senkrecht zur Ebene des Armes respektive seines flachen Abschnitts, und verlaufen Elektroden am Piezoelement parallel zur Ebene des Armes. Im d31- Modus (auch Transversalmodus genannt) liegt die Hauptbewegungsrichtung des Piezoelementes senkrecht zur Richtung der angelegten Spannung. Umgekehrt können auch eines oder mehrere aneinander geschichtete Elemente im d33-Modus-betrieben werden, wobei die Polarisationsrichtung parallel zur Ebene des Armes und die Elektroden senkrecht zur Ebene des Armes verlaufen. Im d33 -Modus (auch Longitudinalmodus genannt) liegt die Hauptbewegungsrichtung des Piezoelementes parallel zur Richtung der angelegten Spannung. In beiden Fällen verkürzt respektive verlängert sich das Piezoelement beim Anlegen einer Wechselspannung, biegt und/oder verlängert und/oder tordiert dabei den Arm am entsprechenden ebenen Abschnitt und bringt den Arm oder den Resonator als Ganzes zum Schwingen.
Grundsätzlich kann in allen Ausführungsformen ein einzelner Piezokristall durch einen Multilayer-Piezo ersetzt werden. Damit kann mit kleineren Spannungen gearbeitet werden, jedoch sind Multilayer-Piezos aufwendiger herzustellen und dadurch kostspieliger.
Die Arme weisen vorzugsweise am freien Ende jeweils eine asymmetrische Massenverteilung auf, beispielsweise indem der Arm zum passiven Element hin gebogen ist, oder einen hervorstehenden Ansatz in Richtung zum passiven Element hin aufweist. Beim Strecken des Armes wird durch die Beschleunigung dieser asymmetrischen, ausserhalb der Ebene, an welche das Piezoelement angebracht ist, liegenden Masse, diese Masse auch zum passiven Element hin respektive von diesem weg bewegt. Diese Bewegung überlagert sich der oben beschriebenen Biegebewegung respektive dem Bimorph-Effekt.
Es entstehen bei kontinuierlicher Anregung des Anregungsmittels Schwingungen am Ende des Armes sowohl parallel als auch senkrecht zur Ebene des Armes. Je nach Frequenz der Anregung weisen diese Schwingungen unterschiedliche Phasenlagen zueinander auf. Je nach Phasenlage führt, im Betrieb ohne das passive Element, das Ende des Armes und insbesondere ein Kontaktbereich am Ende des Armes eine annähernd elliptische Bewegung mit einer positiven oder negativen Drehrichtung aus. Beim Vorhandensein des passiven Elements ist die elliptische Bewegung durch das passive Element begrenzt, und das passive Element wird je nach Anregungsfrequenz in die eine oder andere Richtung angetrieben. Eine Amplitude der Bewegung liegt beispielsweise im Bereich unter einem Mikrometer oder unter 0.1 Mikrometer.
Die Beschreibung der Bewegung als elliptisch ist in der Regel eine Vereinfachung: unterschiedliche Materialpunkte der Kontaktbereiche bewegen sich entlang verschiedener Trajektorien, die zum Beispiel auch nierenförmig verlaufen können. Beim Kontakt mit dem passiven Element kann eine Trajektorie unstetige Abschnitte aufweisen, bei denen die Kontaktbereiche das passive Element schieben oder mehrmals gegen das passive Element schlagen.
Aufgrund von weiteren Asymmetrien des Resonators in sich, aufgrund der gegenseitigen Anordnung von Resonator(en) und Anregungsmitteln, und/oder aufgrund der Interaktion mit weiteren Teilen verläuft die Schwingung oftmals auch nicht exakt in einer Ebene. Es ist also eine dreidimensionale Bewegung einzelner Materialpunkte, und die ungefähr elliptische Bewegung wird bei der Projektion auf eine Ebene durch eine Tangente an eine gewünschte Bewegung im Bereich der Kontaktierung sichtbar. Meist ist die gewünschte Bewegung durch eine Führung des passiven Elements bezüglich des aktiven Elements vorgegeben. Mechanisch wirksam werden jeweils die Bewegungskomponenten (vektoriell gesehen), welche beim Kontakt der Kontaktbereiche mit dem passiven Element in eine zulässige Richtung entsprechend der Führung verlaufen. Es wird also eine Kraftwirkung ausserhalb der Armebenen erzeugt. Deshalb ist es möglich, die flachen Abschnitte eines Armpaares und damit auch die entsprechenden Anregungsmittel parallel zueinander anzuordnen. Damit ist ein sehr platzsparender Aufbau möglich.
In einem Ruhezustand üben die Kontaktbereiche eines Armpaares einander entgegenwirkende Vorspannkräfte bezüglich des passiven Elements aus und halten dadurch das passive Element fest. Es liegt dabei ein Kraftschluss über das passive und das aktive Element vor, an dem keine weiteren Teile oder Halterungen beteiligt sind: Die Kräfte und Momente zwischen dem Resonator und dem passiven Element heben sich im Stillstand gegenseitig auf.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind der Resonator und/oder die Anregungsmittel derart ausgebildet, dass nicht nur Schwingungen in den Grundschwingungsebenen, wie oben beschrieben, angeregt werden können, sondern auch Schwingungen, die annähernd senkrecht dazu verlaufen. Dies geschieht durch Ausbildung von asymmetrischen Merkmalen innerhalb der Ebene jeweils eines Armes beispielsweise indem - mehrere Anregungsmitteln nebeneinander auf demselben flachen Abschnitt angeordnet sind und verschieden angesteuert werden, und/oder der Arm mindestens einen seitlichen Einschnitt aufweist, also mit einer Schnittebene senkrecht zur Armebene und quer zur Längsrichtung des Armes, und/oder der Arm in der Ebene des Armes, also bei Betrachtung senkrecht auf die Ebene des Armes, im Bereich des freien Endes des Armes eine asymmetrische Einbuchtung und/oder einen asymmetrischen Ansatz aufweist. Jede dieser Massnahmen führt dazu, dass bei geeigneter Anregungsfrequenz die Bewegung des freien Endes des Armes auch Komponenten in Richtung senkrecht zur Grundschwingungsebene aufweist. Bei entsprechender symmetrischer Gestaltung von zwei gegenüberliegenden Armen eines Armpaares fuhren die beiden Kontaktbereiche im Wesentlichen symmetrisch zueinander oszillierende Bewegungen aus. Dabei ist das passive Element vorzugsweise rotationssymmetrisch und verläuft seine Symmetrieachse, die identisch mit der Bewegungsachse ist, in Richtung der Längsachse des Armpaares. Durch die beschriebene Bewegung der Kontaktbereiche wird das passive Element bezüglich des Armpaares respektive des aktiven Elementes in eine Drehung um seine Achse versetzt. Dabei heben sich Kraftkomponenten in einer Ebene orthogonal zur Bewegungsachse nicht auf, sondern verstärken die Bewegung.
In einer vereinfachten Variante der eben beschriebenen Ausführungsform weist das aktive Element zwei flache, beispielsweise rechteckförmige Arme auf, die parallel zueinander und an gegenüberliegenden Seiten eines vorzugsweise flachen Anregungsmittels befestigt sind. Das Anregungsmittel ist zur Erzeugung von Schwingungen im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Arme angeordnet. Beispielsweise wird dazu eine Piezoelement über die Verbindungsflächen zu den Armen gespeist und im d31 -Modus betrieben, so dass es hauptsächlich parallel zu diesen Verbindungsflächen schwingt. Es werden dadurch vor allem Schwingungen in der Armebene angeregt. Aber auch wenn keine, wie oben beschrieben, speziell ausgelegten Asymmetrien vorliegen, so treten auch Schwingungen senkrecht zur Armebene auf. Durch systematisches Variieren der Anregungsfrequenz lässt sich experimentell oder durch rechnerische Analyse mittels FEM-Modellen eine Kombination von Schwingungsmodi finden, welche eine resultierende Antriebskraft auf ein passives Element bewirkt, die parallel zur Ebene der beiden Arme liegt. Diese Bewegung kann, je nach Frequenz, in einer solchen Ebene in der Hauptausdehnungsrichtung der Arme, aber auch senkrecht oder im Winkel zur Hauptausdehnungsrichtung liegen. Mit einem rotationszylindrischen passiven Element sind sowohl eine translatorische wie auch eine rotatorische Relativbewegung des aktiven bezüglich des passiven Elements möglich. Durch geeignete Wahl der Anregungsfrequenz können bei einer wie oben beschriebenen Armkonstruktion verschiedene Schwingungsmodi angeregt werden. Je nach Schwingungsmodus verstärken sich die translatorisch wirksamen Bewegungen der Arme, respektive entsprechende Kräfte auf das passive Element, und heben sich die rotatorisch wirkenden Kräfte momentan oder im zeitlichen Mittel auf, oder verstärken sich die rotatorisch wirksamen Bewegungen der Anne, und heben sich die translatorisch wirkenden Kräfte momentan oder im zeitlichen Mittel auf, oder verstärken sich sowohl die translatorisch als auch die rotatorisch wirksamen Bewegungen der Arme, oder üben die Arme momentan oder im zeitlichen Mittel weder eine translatorisch noch eine rotatorisch wirksame Gesamtkraft aus. Entsprechend entsteht eine translatorische oder eine rotatorische oder eine kombinierte, schraubenartige Bewegung. Im letzten Fall sind das passive und das aktive Element lose gegeneinander bewegbar.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung fällt eine Hauptachse des passiven Elements mit der Symmetrieachse des aktiven Elements zusammen. Vorzugsweise weist femer das aktive Element in einem Verbindungsbereich zwischen den mindestens zwei Armen einen Durchbruch respektive eine Öffnung zur Aufnahme des passiven Elements auf. Das aktive Element ist somit einerseits durch diese Öffnung und anderseits durch die Kontaktbereiche mindestens eines Armpaares bezüglich des passiven Elements gelagert, und es sind keine weiteren Lagerelemente, Führungselement oder Halterungselemente erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das passive Element mindestens einen rotationszylinderförmigen Körper auf, dessen Zylinderachse eine Bewegungsachse definiert und die Bewegungsachse senkrecht zu einer Symmetrieachse des mindestens einen Armpaares verläuft.
In einer ersten Variante dieser Ausfuhrungsform weist das passive Element einen rotationszylinderförmigen Körper auf, der zwischen dem mindestens einen Armpaar angeordnet ist und dieses an Kontaktbereichen kontaktiert, die sich bezüglich des Zylinderquerschnitts gegenüberliegen. Das passive Element wird durch gleichsinnige Drehungen der Kontaktbereiche angetrieben.
In einer zweiten Variante dieser Ausführungsform weist das passive Element zwei rotationszylinderförmige Körper auf, die zwischen dem mindestens einen Armpaar angeordnet sind. Jeweils einer der beiden Körper kontaktiert jeweils einen der Arme des mindestens einen Armpaares an einem Kontaktbereich desselben, und die beiden rotationszylinderförmigen Körper sind durch diese Arme gegeneinander gedrückt und mit gegenläufigen Drehrichtungen rotierbar. Die beiden Zylinder werden durch gegensinnige Drehungen der Kontaktbereiche angetrieben.
In einer weiteren Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die Ebenen der Arme im Wesentlichen parallel zueinander und zum Anregungsmittel. Vorzugsweise verlaufen auch die für den Antrieb wirksamen Bewegungskomponenten von Schwingungen der Kontaktbereiche im Wesentlichen in einer Ebene parallel zur Ebene der Arme. Damit ist eine besonders flache Ausführung möglich und kann der Resonator vorzugsweise aus einem einzigen flachen oder gebogenen Teil, beispielsweise einem ausgestanzten Blechstück bestehen. In dieser Ausführungsfoπn der Erfindung verläuft eine Bewegungsachse der Relativbewegung zwischen dem aktiven Element und dem passiven Element parallel zu der genannten Ebene der Arme und vorzugsweise auch des Verbindungsbereichs . Es können aber die für den Antrieb wirksamen Bewegungskomponenten von Schwingungen der Kontaktbereiche im Wesentlichen auch in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Arme verlaufen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist deshalb ein passives Element auf, dessen Bewegungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung von zwei länglichen, flachen Armen des aktiven Elements verläuft, und im Winkel zu, vorzugsweise zumindest annähernd senkrecht zu den Armebenen verläuft. Auch hier ist vorzugsweise der Resonator aus einem flachen Blech gebildet und liegen ein Armpaar respektive die Armebene und der Verbindungsbereich in derselben Ebene.
Der Resonator wird vorzugsweise einstückig und durch beispielsweise Fräsen, Elektroerodieren, Formstanzen und Biegen, Formsintern von Pulvermaterial, etc. hergestellt. Als Material für den Resonator wird vorzugsweise ein Metall gewählt, beispielsweise Stahl, Aluminium, Titan, Phosphorbronze, Berylliumkupfer etc., oder ein keramischer Werkstoff. Ein metallischer Resonator ist vorzugsweise an den Kontaktbereichen mit einer keramischen Hartschicht versehen, beispielsweise aus einem Titaniumnitrid, oder mit einem keramischen Körper bestückt.
Das Resonatormaterial wird gemäss den folgenden Kriterien gewählt: - Hoher Q-Faktor, d.h. wenig innere Dämpfung. Guter Kopplungsfaktor, damit die dynamische Energie des Piezos auf dem Schwinger übertragen werden kann. Elektrisch leitend, da der Resonator in der Regel als elektrischer Anschluss für ein oder mehrere Piezoelemente dient. - Idealer Reibpartner zum passiven Element Industriell formbar Kostengünstig Das passive Element ist vorzugsweise aus einem der genannten Materialien hergestellt. Es kann aber, da es nicht bestimmte Schwingungseigenschaften aufweisen muss, auch aus Kunststoff oder einem Kunststoffkompositwerkstoff bestehen, beispielsweise aus einem mit Glas oder Keramik versetzten Kunststoff.
Die Anforderungen an das passive Material sind die Folgenden: Idealer Reibpartner zum Resonator, das heisst, maximaler Reibungskoeffizient mit minimalem Abrieb. Optimale Dämpfung des Resonators am Berührungspunkt, damit die elliptische Bewegung in einen Vortrieb umgesetzt werden kann.
Die Oberfläche des passiven Elements wie auch des aktiven Elements ist vorzugsweise gehärtet durch beispielsweise Rollen, Nitrieren, Vergüten etc.. Vorzugsweise ist die Oberfläche des flächenmässig grosseren Kontaktpartners, typischerweise des passiven Elements, poliert, wohingegen die Oberfläche des flächenmässig kleineren Kontaktpartners, typischerweise des aktiven Elements aufgerauht oder strukuriert ist.
Der Resonator des erfindungsgemässen Antriebs ist in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem flächigen Blechstück durch Formstanzen und Biegen hergestellt. Dazu werden beispielsweise zwei Enden eines einzigen länglichen Blechstücks gegeneinander gebogen, so dass sie parallel verlaufen und ein Armpaar bilden. Vorzugsweise sind seitlich an den Armen hervorstehende Laschen zum jeweils gegenüberliegenden Arm hin gebogen und mit diesem verbunden. Damit ist eine Versteifung des Armpaares im Verbindungsbereich ohne weitere Teile erreichbar. In einer anderen Variante der Erfindung sind zwei im Wesentlichen symmetrische Blechteile zu flachen, in dieselbe Richtung und stellenweise parallel zueinander verlaufenden Armen gebogen und im Verbindungsbereich unmittelbar aneinander oder an einem dritten Körper befestigt. In einer bevorzugten Ausfuhrungsfoim der Erfindung weist der Antrieb ein Armpaar auf welches auf das passive Element wirkt, und weist der Resonator mindestens einen flachen Abschnitt auf, wobei das mindestens eine Anregungsmittel auf dem mindestens einen flachen Abschnitt angebracht ist, das mindestens eine Anregungsmittel entsprechend seiner Flächigkeit eine Ebene des mindestens einen Anregungsmittels definiert, und die Arme ebenfalls flächig geformt sind und die Fläche der Arme im Wesentlichen parallel zum flachen Abschnitt und zum Anregungsmittel verläuft.
Damit ist es möglich, einen extrem flachen Linearantrieb zu bilden, wobei die Bewegungsrichtungen des passiven Elements in der Ebene der Fläche des Antriebs, senkrecht oder im Winkel zu dieser Fläche liegen können.
In einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung weist der Antrieb ein Armpaar auf welches auf das passive Element wirkt und weist der Resonator mindestens einen flachen Abschnitt auf, wobei das mindestens eine Anregungsmittel auf dem mindestens einen flachen Abschnitt angebracht ist, das mindestens eine Anregungsmittel entsprechend seiner Flächigkeit eine Ebene des mindestens einen Anregungsmittels definiert, und wobei antriebswirksame Komponenten einer Bewegung von einzelnen Materialpunkten der Kontaktbereiche im Wesentlichen parallel zum flachen Abschnitt und zum Anregungsmittel verlaufen.
Damit ist es möglich, einen flachen Linearantrieb mit begrenztem Hub, dessen Bewegungsrichtung in der Ebene der Fläche des Antriebs liegt, zu bilden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Antrieb ein Armpaar auf welches auf das passive Element wirkt und weist der Resonator mindestens einen flachen Abschnitt auf, wobei das mindestens eine Anregungsmittel auf dem mindestens einen flachen Abschnitt angebracht ist, das mindestens eine Anregungsmittel entsprechend seiner Flächigkeit eine Ebene des mindestens einen Anregungsmittels definiert, und wobei antriebswirksame Komponenten einer Bewegung von einzelnen Materialpunkten der Kontaktbereiche im Winkel, insbesondere senkrecht, zu einer Ebene des flachen Abschnitts respektive des Anregungsmittels verlaufen.
Damit ist es möglich, einen flachen Linearantrieb mit extrem einfachem Aufbau und mit im Wesentlichen unbegrenztem Hub zu bilden. In einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung weist der Antrieb mindestens zwei über das passive Element gegeneinander wirkende Arme auf, wobei der Resonator aus einem einzigen flachen oder stellenweise gekrümmten Teil mit im Wesenüichen gleichbleibender Dicke gebildet ist.
Damit ist es möglich, einen flachen Antrieb mit extrem einfachem Aufbau zu bilden, bei dem der Resonator beispielsweise aus einem einzigen ausgestanzten Blechstück besteht, auf welchem das Anregungsmittel angebracht ist und welches das passive Element umfasst und/oder von diesem umfasst wird.
In einer bevorzugten Variante der vorgenannten Ausführungsformen sind das passive Element und das aktive Element über einen Grundkörper und einen angetriebenen Körper federnd miteinander verbunden. Das passive Element ist also als Ganzes gegenüber dem aktiven Element federnd angeordnet. Durch diese federnde Verbindung können Ungenauigkeiten in der Herstellung, oder Verschiebungen zwischen dem Grundkörper und dem angetriebenen Körper im Betrieb ausgeglichen werden. Die federnde Verbindung kann am aktiven Element oder am passiven Element oder an beiden ausgebildet sein, und ist vorzugsweise einstückig mit einem Teil derselben geformt. Die federnde Aufhängung des aktiven Elements führt vom Grundkörper vorzugsweise zu einem Schwingungsknoten von im Betrieb verwendeten Schwingungsmodi des Resonators, so dass die Schwingung ungehindert und mit wenig Energieverlust möglich ist. Der Bereich, an welchem die Aufhängung mit dem Resonator verbunden ist, liegt beispielsweise bei der Mitte der Fläche des Anregungsmittels oder bei der Mitte einer Seite des Anregungsmittels.
Bei der Aufhängung im Bereich der Mitte des Ariregungsmittels besteht die Aufhängung vorzugsweise aus einem Abschnitt des Resonatorbleches, welches aus der Ebene des Resonators herausgebogen ist und zu einem Basiselement zur Befestigung am Grundkörper führt. Das Basiselement, die Aufhängung und der Resonator sind also vorzugsweise einstückig ausgebildet.
In weiteren bevorzugten Ausfuhrungsformen der Erfindung ist das passive Element in sich federnd ausgebildet. Das heisst, dass ein erstes Element des passiven Elements, welches einen Kontaktbereich eines ersten Armes des aktiven Elements kontaktiert, und ein zweites Element des passiven Elements, welches einen Kontaktbereich eines zweites Armes des aktiven Elements kontaktiert, gegeneinander federnd angeordnet sind. Damit wird die Kontaktierung der Kontaktbereiche verbessert, und werden Abnutzungen der Kontaktbereiche und der genannten Elemente am passiven Element ausgeglichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung weist das passive Element bezüglich einer Bewegung im Bereich der Kontaktbereiche innerhalb der Ebene des Resonators und im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsachse eine über 100 oder über 1000 mal kleinere Federkonstante als der Resonator auf.
Das passive Element ist einstöckig ausgebildet, oder aber vorzugsweise mehrteilig. Dabei weist es mindestens zwei Kontaktelemente zur Übertragung von Antriebskräften von den Kontaktbereichen auf den angetriebenen Körper auf, sowie mindestens ein Federelement, welches die Kontaktelemente in entgegengesetzte Richtungen gegen die Kontaktbereiche drückt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das passive Element federnd mit dem angetriebenen Körper verbunden, und ist vorzugsweise diese federnde Verbindung einstückig mit einer Kontaktplatte des passiven Elements zur Aufnahme von Antriebskräften geformt. Vorzugsweise ist dabei die federnde Verbindung in einer Richtung zur Übertragung von Antriebskräften starr und in dazu orthogonalen Richtungen nachgiebig. Damit können auch in diesem Bereich Ungenauigkeiten kompensiert werden und ist durch die selektive Steifheit der Verbindung gleichwohl eine präzise Bewegungsübertragung auf den angetriebenen Körper möglich. Zur Vermeidung von Schäden bei Schlägen weisen der angetriebene Körper und/oder weitere Elemente des Antriebs eine Begrenzung von Bewegungen der federnden Verbindung auf.
Die Bewegungsrichtung der Relativbewegung zwischen dem aktiven und dem passiven Element muss nicht zwingend in Richtung der Ebene der Bleche erfolgen, sondern kann auch im Winkel zu dieser Ebene oder sogar senkrecht dazu verlaufen. Vorzugsweise ist eine Bewegung des passiven Elements durch Führungsmittel auf eine vorgegebene translatorische oder rotatorische Dimension eingeschränkt. Die Bewegungsrichtung ist also durch die Führungsmittel eingeschränkt respektive vorgegeben. Es tragen jeweils diejenigen Bewegungskomponenten des aktiven Elements im Kontaktbereich zur Bewegung bei, die entlang der vorgegebenen Dimension verlaufen.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist der Antrieb mindestens zwei Resonatoren mit mindestens zwei nebeneinander, vorzugsweise parallel zueinander angeordneten Armpaaren auf, welche auf dasselbe passive Element wirken. Damit kann eine höhere Antriebskraft erzielt und eine bessere Zuverlässigkeit des Antriebs gewährleistet werden. Vorzugsweise ist mindestens ein flaches Anregungsmittel, zwischen zwei parallel zueinander angeordneten Resonatoren zur Anregung von Schwingungen der beiden Resonatoren angeordnet. Mindestens einer der Resonatoren weist vorzugsweise eine elektrisch leitende Aufhängung zur elektrischen Kontaktierung des Anregungsmittels mit mindestens einem Basiselement auf. Die leitende Aufhängung und der Resonator sind vorzugsweise einstückig ausgebildet. Damit ist ein einfacher Sandwich-artiger Aufbau des aktiven Elements möglich, und können Anschlussdrähte und deren Bonding dank der leitenden Aufhängung(en) eliminiert werden, da die Konkaktierung an einer nicht bewegten Stelle des Resonatorbleches geschieht.
Vorzugsweise weist der Antrieb mindestens eine Zwischenelektrode zur elektrischen Kontaktierung des Anregungsmittels auf, wobei zwischen jeweils zwei der Resonatoren mindestens zwei Anregungsmittel, und jeweils zwischen zwei Anregungsmitteln eine Zwischenelektrode angeordnet sind. Damit ist es möglich, die mindestens zwei Resonatoren auf demselben elektrischen Potential zu betreiben, so dass elektrisch leitende passive Elemente verwendbar sind. Andernfalls besteht das passive Element aus einem elektrisch isolierenden Material und sind die mindestens zwei Resonatoren elektrisch voneinander isoliert.
Zur elektrischen Kontaktierung zwischen zwei der Resonatoren ist vorzugsweise jedem der Resonatoren ein Basiselement aus Metallblech zugeordnet oder einstöckig angeformt, und ist mindestens eines der Basiselemente zur elektrischen Kontaktierung eines anderen Basiselements auf dieses hin gebogen ist.
Bei der Verwendung von zwei oder mehr parallel angeordneten und jeweils über ein Armpaar wirkende Resonatoren sind die folgenden Ausführungsformen von passiven Elementen bevorzugt: Vorzugsweise weist das passive Element mindestens zwei Kontaktplatten auf, wobei jede der Kontaktplatten durch Kontaktbereiche von nebeneinander liegenden Armen antreibbar ist. Vorzugsweise sind die beiden Kontaktplatten durch ein Federelement gegen die Kontaktbereiche gedrückt, und sind die Kontaktplatten durch das Federelement zum Ausgleich von Ungenauigkeiten verdrehbar.
Da das passive Element zwischen den Armen des aktiven Elements angeordnet ist, zieht die Feder beispielsweise Kontaktplatten der Kontaktelemente auseinander. Die Angriffspunkte der Federkraft liegen, in Bewegungsrichtung gesehen, in der Mitte der Kontaktplatten. Die Kontaktplatten sind dabei auch um eine Achse parallel zur Bewegungsrichtung drehbar, wofür die Haltearme bezüglich dieser Drehung eine geringe Steifigkeit aufweisen. Somit werden die beiden Kontaktplatten an beiden Seiten gegen die Kontaktbereiche der beiden Resonatoren gedrückt, und es findet ein Kontakt an allen vier Kontaktbereichen statt. Dadurch verbessert sich die mechanische Kontaktierung, und mit ihr die Antriebskraft und Lebensdauer des Antriebs.
Eine andere Variante zur Verbesserung der Kontaktierung der Kontaktbereiche besteht darin, dass die Kontaktplatten um eine Achse senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den Kontaktbereichen, welche diese Kontaktplatte kontaktieren, nach aussen oder nach innen gebogen sind. Dadurch ergibt sich eine selbstzentrierende und ausgleichende Bewegung der Kontaktplatten bezüglich der Kontaktbereiche.
Die Herstellung eines Antriebes gemäss der Erfindung ist durch die Verwendung von mehrheitlich flachen Teilen sehr einfach: es müssen im Wesentlichen die flachen Komponenten aufeinander gestapelt und verbunden werden. Die Verbindung kann meist eine elektrisch leitende sein: entweder werden Teile verbunden, die einander elektrisch galvanisch kontaktieren sollen, oder es wird ein Leiter mit einem Isolator verbunden, wobei nur die mechanische Befestigung von Interesse ist. Deshalb wird vorzugsweise ein elektrisch leitender Klebstoff verwendet werden, insbesondere einer mit anisotroper Leitfähigkeit, welcher also je nach Axt der Verarbeitung nur in bestimmte Richtungen und an bestimmten Stellen leitet. Ein solcher Klebstoff ist beispielsweise ein Epoxy-Kleber mit eingelagerten Metallkugeln, vorzugsweise von normierter Grosse. Die Aushärtung des Klebers geschieht unter Druck, so dass die Nickelkugeln die zu verbindenden Leiter beiderseits kontaktieren. Durch das Schwinden des Klebers während der Aushärtung werden die Leiter permanent gegeneinander gezogen. Alternativ dazu kann auch ein leitender Klebstoff, gegebenenfalls umgeben von isolierendem Klebstoff, eingesetzt werden. Es ist auch möglich, die Resonatoren von beiden Seiten an mittiges Kunststoffteil zu kleben und/oder nieten.
Die Resonatorbleche können im Bereich der Basiselemente zueinander hin gebogen und miteinander mechanisch und auch elektrisch verbunden werden. Es ist auch möglich, die beiden Resonatoren aus einem einzigen Blech zu formen, das U-fδrmig um die Anregungsmittel gebogen wird, respektive in welches die Anregungsmittel eingeschoben werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der erste Resonator nicht vollständig ausgestanzt, sondern wird als Teil eines Stanzstreifens weiter gefördert, und werden die einzelnen Teile bei der Montage auf den Stanzstreifen gelegt, miteinander verbunden und mit dem Stanzstreifen weiterbefördert.
Zur Minimierung der Antriebsenergie und auch der benötigten Spannung ist eine Kombination der folgenden Massnahmen zu bevorzugen: • möglichst dünne Kleberschicht zwischen Resonatoren und Piezos und Zwischenelektrode; • möglichst gleiche Resonatoren, d.h. gleiche Form, gleiches Stanzwerkzeug, gleiches Los des Grundmaterials (Blech), so dass die Frequenzen der benutzten Schwingungsmodi für beide Resonatoren nahe beieinander liegen; • flexibler Übergangsbereich zwischen der Zwischenelektrode und deren elektrischem Anschluss; • Aufhängung des Resonators bei einem Schwingungsknoten von relevanten Schwingungsmodi. Mit allen Massnahmen zusammen kann die Speisespannung für den Motor von beispielsweise 80 V auf weniger als 2.8 V und sogar weniger als 2 Volt reduziert werden. Es kann dadurch ohne Verwendung teurere Multilayerpiezos mit niedrigen Spannungen gearbeitet werden, wie sie in batteriebetriebenen Geräten vorgegeben sind.
Das Elastizitätsmodul von Klebstoff und gegebenenfalls des Kunststoff- Trägerelementes ist viel kleiner als jenes des Piezos und des Resonators aus Metall oder Keramik. Somit wirken sich diese vergleichsweise nachgiebigen Teile wenig auf die Schwingung aus, absorbieren aber Energie. Der erfindungsgemässe Antrieb ist klein - seine Länge liegt im Bereich von 1 bis 2 Zentimetern, oder sogar noch weniger - leicht, industriell herstellbar und kostengünstig, und erlaubt ein kontrolliertes Bewegen mit sehr kleinen Mikroschritten. Ferner ist er aufgrund seines einfachen Aufbaus sehr robust.
Der erfindungsgemässe Antrieb ist für miniaturisierte Anwendungen besonders geeignet, beispielsweise als linearer Stellantrieb für optische Fokussier-, Zoom- und Blendeneinrichtungen. Grundsätzlich sind optische Anwendungen vorteilhaft, da das passive Element transparent oder hohl ausgeführt werden kann. Dies erlaubt es, die Lichtwellen direkt in der Symmetrieachse des Antriebs durchzuführen. Vorteilhaft sind beispielsweise Anwendungen mit Glasfaserkabeln, das Verstellen von Fokuspunkten, Lichtleiter für Zeiger etc. Eine Positionierungseinheit zur Positionierung eines optischen Elementes gemäss der Erfindung weist auf: einen Grundkörper und eine dazu verschiebbare Halterung, welche Halterung das optische Element trägt, wobei die Positionierungseinheit eine Antriebseinheit gemäss der Erfindung aufweist. Vorzugsweise ist dabei das aktive Element am Grundkörper und das passive Element an der Halterung befestigt.
Weitere bevorzugte Anwendungen sind Positioniersysteme wie zum Beispiel XY- Tische, sowie Mikro-Manipulatoren zur Handhabung oder Beeinflussung kleiner Objekte.
Aufgrund seiner Robustheit wird der Antrieb auch bevorzugt im Automobilbereich eingesetzt, beispielsweise als Antrieb von Zeigern oder Lüftungsklappen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 einen Antrieb gemäss der Erfindung in einer Seitenansicht und einer Ansicht in Richtung einer Bewegungsachse; Figur 2 einen Antrieb mit jeweils zwei Piezoelementen je Arm; Figur 3 einen Antrieb mit zwei in die gleiche Richtung zeigenden Armpaaren; Figur 4 einen Antrieb mit je zwei in derselben Ebene nebeneinander angeordneten Piezoelementen je Arm, in einer Aufsicht und einer Ansicht in Richtung der Bewegungsachse; Figur 5 einen Bewegungsmodus eines Motors gemäss Figur 4 zur Anregung einer Rotationsbewegung; Figur 6 einen Antrieb mit einer Asymmetrie in der Ebene der Arme; Figur 7 einen Antrieb mit einem flachen, rechteckigen passiven Element; Figur 8 einen Antrieb mit einem rohrförmigen passiven Element; Figur 9 einen Antrieb, bei welchem das aktive Element als Innenläufer ausgebildet ist, in einer Seitenansicht und einer Ansicht in Richtung der Bewegungsachse; Figuren 10 bis 12 verschiedene Varianten zur Befestigung eines aktiven Elements; Figur 13 einen Piezomotor mit Piezoelementen im d31 -Mode, und eine Kontaktierung solcher Piezoelemente; Figur 14 einen Piezomotor mit Piezoelementen im d33-Mode, und eine Kontaktierung solcher Piezoelemente; Figur 15 einen Piezomotor mit Piezoelementen im dl 5-Mode; Figuren 16 und 17 einen Piezomotor gemäss Figur 15 in verschiedenen Bewegungszuständen; Figur 18 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines passiven Elements; Figuren 19 und 20 vorteilhafte Ausgestaltungen eines aktiven Elements; Figur 21 einen Antrieb mit einem magnetostriktiven Wirkprinzip Figur 22 einen Antrieb mit einem einstückigen, gebogenen Resonator; Figur 23 einen Antrieb mit nur einem Anregungsmittel; Figur 24 einen Antrieb mit zwei Armpaaren, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen; Figuren 25 bis 27 aktive Elemente aus gebogenen Blechteilen, jeweils in verschiedenen Ansichten; Figur 28 einen Antrieb mit einem senkrecht zur Symmetrieachse eines Armpaares angeordneten Zylinders als passivem Element; Figur 29 einen Antrieb, bei welchem das passive Element zwei gegenläufig drehbare Zylinder aufweist; Figuren 30 bis 32 verschiedene Schwingungsmodi eines aktiven Elements gemäss Figur 1; Figur 33 einen Verlauf von Antriebskräften respektive Momenten in Abhängigkeit einer Ansteuerfrequenz; Figur 34 ein Blockschema einer Schaltung zur Ansteuerung eines Piezomotors; Figuren 35 und 36 weitere bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung; Figur 37 eine Positionierungseinheit zur Positionierung einer Linse; Figur 38 einen Resonator mit einstückig angeformter Aufhängung und elektrischer Kontaktierung; Figur 39 ein teilweise montiertes aktives Teilmodul der Positionierungseinheit; Figur 40 eine Explosionszeichnung des aktiven Teilmoduls; Figur 41 ein erfindungsgemässes passives Element; Figur 42 die Positionierungseinheit ohne das aktive Teilmodul; Figuren 43 - 44 weitere Ausfuhrungsformen eines aktiven Teilmoduls; Figuren 45 - 46 Antriebe mit Aussenläufem; und Figuren 47 - 48 weitere Ausfuhrungsformen von erfϊndungsgemässen Antrieben.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Figur 1 zeigt einen Antrieb gemäss der Erfindung in einer Seitenansicht und einer Ansicht in Richtung einer Bewegungsachse 11. Der Antrieb weist ein passives Element 1 auf, das von einem aktiven Element 2 umschlossen ist. Das aktive Element 2 weist einen Resonator 3 mit einem Armpaar 5 aus zwei Armen 6, die über einen Verbindungsbereich 10 miteinander verbunden sind. Die Arme 6 sind im Wesentlichen symmetrisch zueinander geformt, ähnlich einer Stimmgabel. Das aktive Element 2 weist ferner zwei Anregungsmittel 4 auf, von denen jeweils eines an einem flachen Abschnitt 9 eines Armes 6 befestigt ist, beispielsweise durch Kleben.
Der Klebstoff weist vorzugsweise folgende Eigenschaften auf: Gute Energieübertragung vom Piezoelement 4 an den Resonator 3, eine konstante Dicke und elektrische Leitfähigkeit, damit die verklebte Elektrode kontaktiert werden kann, zum Beispiel unter Zugabe von Silberepoxy oder von elektrisch leitenden mikroskopischen Metallkügelchen, beispielsweise aus Nickel. Ferner: schnelle Aushärtbarkeit, thermisch beständig, ermüdungsarm, gut dosierbar. Das Kleben erlaubt, Fertigungsungenauigkeiten zwischen Resonator 3 und Anregungsmittel 4 auszugleichen.
Neben der Klebetechnik gibt es auch die Möglichkeit, das keramische Piezoelement direkt auf einen Resonator aufzutragen und "wachsen" zu lassen, bis es die gewünschte Dicke erreicht hat. Dies hat den Vorteil, dass keine Klebeoperation vorgenommen werden muss, und dass keine Scherverluste in der Klebeschicht auftreten. Andererseits kann auch Metall mit galvanotechnischen Mitteln, insbesondere durch Ligatechnik, oder durch Diffusionsbonding oder Löten am Piezoelement 4 angebracht werden.
An den freien Enden der Arme 6 befinden sich Kontaktbereiche 7. Die Kontaktbereiche 7 liegen einander bezüglich einer Symmetrieachse des Armpaares 5 gegenüber. In einem Ruhezustand ohne Anregung der Anregungsmittel 4 ist das passive Element 1 durch die Arme 6 an den Kontaktbereichen 7 eingeklemmt. Das passive Element 1 ist in dieser Ausfuhrungsform ein Rundstab, also rotationszylindrisch geformt. Die Kontaktbereiche 7 der Arme 6 sind vorzugsweise ähnlich der Form des passiven Elements 1 geformt. Bei einem rotationszylindrischen passiven Element 1 sind die Kontaktbereiche 7 konkav und weist diese konkave Form eine schwächere Krümmung als jene des Umfangs des passiven Elements 1 auf. Das aktive Element 2 respektive der Resonator 3 weist am Verbindungsbereich 10 eine Öffnung 14 entsprechend der Form des passiven Elements 1 auf, durch welche Öffnung 14 das passive Element 1 geführt ist. Das aktive Element 2 ist somit entlang des passiven Elements 1 in Richtung der Bewegungsachse verschiebbar und auch um die Bewegungsachse drehbar.
Die Richtung der Bewegungsachse ist als X-Richtung bezeichnet, eine senkrecht dazu und senkrecht zur Schenkelebene verlaufende Richtung als Y-Richtung, und eine zur X und Y-Richtung senkrecht verlaufende Richtung als Z-Richtung.
Jeder der Arme 6 weist einen flachen, ebenen Abschnitt 9 auf, der jeweils zwischen dem Verbindungsbereich 10 und dem freien Ende des Armes 6 mit dem Kontaktbereich 7 angeordnet ist. Die flachen Abschnitte 9 erstrecken sich in der XZ- Ebene und sind parallel zueinander. Der flache Abschnitt 9 jedes Armes 6 ist über einen Federbereich 8 mit dem Verbindungsbereich 10 verbunden und damit um eine in Z-Richtung verlaufende Biegeachse bezüglich des Verbindungsbereiches 10 bewegbar. Der flache Abschnitt 9 selber ist durch das Anregungsmittel 4 versteift und deshalb vorwiegend dann wesentlich deformierbar, wenn das Anregungsmittel 4 angeregt wird. Ansonsten kann der Arm 6 im Wesentlichen am Federbereich 8 bezüglich des Verbindungsbereiches 10 schwingen. Dies entspricht einer Grundschwingung des Armes. Dabei bewegen sich einzelne Materialpunkte des Armes 6 jeweils in Ebenen parallel zur XY-Ebene, die im Folgenden Grundschwingungsebenen genannt werden.
Die Anregungsmittel 4 sind vorzugsweise ebenfalls flach und parallel auf den entsprechenden flachen Abschnitten 9 angeordnet. Die Anregungsmittel 4 sind vorzugsweise Piezoelemente, und sind senkrecht zur Ebene des Anregungsmittels 4 respektive des entsprechenden flachen Abschnitts 9 polarisiert. Die Piezoelemente weisen elektrische Anschlüsse an den parallel zur Hauptebene des flachen Abschnitts 9 respektive des Piezoelements 4 verlaufenden Flächen auf, um im d.31 -Modus betrieben zu werden. Beim d31 -Modus verläuft die Ausdehnungsrichtung des Piezoelementes senkrecht zum angelegten elektrischen Feld. Piezoelemente können auch als Multilayer-Elemente ausgebildet sein.
Die Piezoelemente 4 sind vorzugsweise elektrisch parallel geschaltet, wobei beispielsweise der Resonator 3 eine elektrische Verbindung zu einem gemeinsamen ersten Anschluss 46 bildet, und die aussenliegenden Elektroden der beiden Piezoelemente 4 miteinander und mit einem zweiten Anschluss 47 verbunden sind. Die beiden Anschlüsse sind mit einer Treiberschaltung verbunden, wie sie in Figur 33 schematisch dargestellt und weiter unten beschrieben ist. In den weiteren Figuren sind der Klarheit halber die elektrischen Anschlussleitungen 46, 47 nicht eingezeichnet.
Figuren 30 bis 32 zeigen verschiedene Schwingungsmodi eines aktiven Elements ähnlich jenem von Figur 1, wobei jedoch der Verbindungsbereich 10 nicht eine Öffhung 14 sondern eine zentrale Aufhängung aufweist. In den Modi gemäss den Figuren 30 und 31 schwingen Materialpunkte im Wesentlichen in Grundschwingungsebenen und ist deshalb eine Querschnittszeichnung zur Darstellung ausreichend. Die beweglichen Abschnitte der Arme 6 sind im Ruhezustand im flachen Abschnitt 9 jeweils in sich symmetrisch, hier also im Wesentlichen quaderförmig. An den freien Enden weist jeder der Arme 6 bezüglich des flachen Abschnitts 9, in Z-Richtung gesehen, einen asymmetrisch geformten Abschnitt auf. Hier ist dies eine Ausformung senkrecht zur Ebene des flachen Abschnitts 9, also in Y-Richtung, welche den Kontaktbereich 7 bildet. Die Ausformung ist in den Figuren nach innen, zum passiven Element 1 hin gerichtet. Sie kann jedoch auch alternativ oder zusätzlich dazu nach aussen gerichtet sein.
Bei Verlängerung oder Verkürzung des Armes 6 in der XZ-Ebene durch Anregung des Piezoelements 4 bewirkt die Ausformung senkrecht zu dieser Ebene durch ihre Massenträgheit eine Verdrehung der Ausformung um die Z-Richtung und ein Anheben oder Andrücken des Kontaktbereiches 7 in Y-Richtung. Dieser Bewegung überlagert ist ein Bimorph-Effekt, also eine Krümmung des Armes 6 aufgrund der • unterschiedlichen Ausdehnung von Piezoelement 4 und flachem Abschnitt 9.
Figur 30 zeigt einen typischen Zustand bei einer bestimmten ersten Anregungsfrequenz. Die Arme 6 schwingen einerseits in Längsrichtung (X-Richtung) und andererseits aufeinander zu resp. voneinander weg (Y-Richtung). Je nachdem, welche der beiden Schwingungen der anderen voreilt, führen die Kontaktbereiche 7 eine beispielsweise elliptische Bewegung mit einem entsprechenden Drehsinn aus. Beim Vorliegen des passiven Elements 1 üben dadurch die Kontaktbereiche 7 eine Kraft in positiver oder negativer X-Richtung auf das passive Element 1 aus.
Figur 31 entspricht einer zweiten Anregungsfrequenz, bei welcher die Kontaktbereiche vorwiegend in Y-Richτung schwingen und aufeinander schlagen. Beim Vorliegen des passiven Elements 1 wird insgesamt keine Kraft auf das passive Element 1 ausgeübt, es ist also nur lose geführt ist durch von aussen wirkende Kräfte bewegbar.
Figur 32 entspricht einer dritten Anregungsfrequenz, bei welcher die Arme 6 eine Torsionsbewegung um ihre Längsrichtung, also um die X-Richtung ausführen. Die Arme sind vorzugsweise aus demselben Material, aber in Y-Richtung gesehen verschieden geformt.
Es resultiert eine Rotation von einzelnen Punkten der Kontaktbereiche 7 in der YZ- Ebene, also in der Ebene senkrecht zur Bewegungsachse. Die Richtung der Rotation ist wiederum durch Wahl der Anregungsfrequenz bestimmbar. Dabei müssen die Kontaktbereiche 7 beider Arme mit demselben Drehsinn rotieren.
Beispielhafte Anregungsfrequenzen sind, für einen einstückigen Resonator 3 gemäss Figur 30-32, mit Dimensionen von 2.5x2.5x4.5 Millimetern, sind ca. 149 kHz (Figur 30) resp. 26 kHz (Figur 31) resp. 148 kHz (Figur 32). Grundsätzlich sind die Frequenzen von der Geometrie des Resonators 3 und von Materialdaten wie Elastizitätsmodul, Querkontraktion und Dichte abhängig. Beispielsweise kann der Resonator 3 aus Stahl gefertigt und mit Frequenzen zwischen 300 kHz und 500 kHz betrieben werden, insbesondere mit 420 kHz für eine Vorwärtsbewegung und 350 kHz für eine Rückwärtsbewegung. Oder der Resonator 3 kann aus Aluminium gefertigt und mit Frequenzen zwischen 150 kHz und 300 kHz betrieben werden, insbesondere mit 165 kHz für eine Vorwärtsbewegung und 250 kHz für eine Rückwärtsbewegung.
Die Frequenzen verschiedener Schwingungsmodi sind aufeinander abgestimmt, so dass eine gewünschte Gesamtbewegung resultiert. Beim Entwurf des aktiven Elementes 2 werden beispielsweise Überlegungen wie die folgenden angestellt: Bei getrennter Betrachtung der beiden Auslenkungsrichtungen, liegen bei einem uniformen Balken einerseits Schwingungen in Längsrichtung (ohne Biegung) und andererseits reine Biegebewegungen vor. Betrachtet man die Frequenz der Längsschwingungen, so entspricht die Frequenz mit maximaler Auslenkung einem erstem Schwingungsmode. Die Amplitude und damit eine Schrittweite des Antriebs ist maximal. Bei höheren Moden nimmt die Frequenz zu und nimmt die Amplitude ab.
Betrachtet man die reine Biegebewegung, so kann beispielsweise der dritte Biegemode auf dieselbe Frequenz gelegt werden, wie der oben bestimmte erste Schwingungsmode der Längsschwingung. Dies erlaubt ein maximales Abheben eines freien Endes des jeweiligen Arms 6 vom passiven Element 1. Es wird also bei maximaler Schrittweite eine grosse Bewegung im Biegemode erreicht, und insgesamt resultiert ein zuverlässiger Vortrieb mit maximal grossen Schritten.
Da die Eigenresonanz in Längsrichtung bei einem uniformen Balken in erster Näherung linear mit der Länge korreliert, die Biegeschwingung hingegen in höheren Potenzen von der Dicke des Resonators abhängt, liegen unabhängige Parameter vor, mit denen das Gesamt- Schwingungsverhalten eines Resonators 3 eingestellt werden kann. Bei gegebenem Material wird durch Wahl der Geometrie das gewünschte Schwingverhalten eingestellt. In diesem Beispiel hat das als Stange oder Stift ausgebildete passive Element 1 einen Durchmesser von 1.5 Millimetern. Mit dem beschriebenen Motor mit zwei Piezoelementen 4 können Transportkräfte von über 1 N erzeugt werden.
Figur 33 zeigt einen Verlauf von Antriebskräften respektive Momenten F (beispielsweise in Newton oder Nm) in Abhängigkeit einer Ansteuerfrequenz f (beispielsweise in kHz). Jede Bewegungsart entspricht mindestens einer spezifischen Frequenz f. Mit zunehmender Frequenz treten beispielsweise die folgenden spezifischen Frequenzen auf: ß 1 für ein Losmoment, d.h. es tritt weder eine Klemmwirkung auf, noch wird insgesamt eine Kraft ausgeübt. - fl für eine Linearbewegung vorwärts ß 2 für ein Losmoment - f2 für eine Linearbewegung rückwärts f4 für eine Rotation im Uhrzeigersinn - f5 für eine Rotation im Gegenuhrzeigersinn
Ein zu beachtender Faktor im Betrieb eines Motors gemäss der Erfindung ist die Steifigkeit der Arme. Je steifer ein Arm gebildet wird, desto genauer müssen aktives und passives Element zusammenpassen, und desto grösser ist der Einfluss von Wärmeausdehnungskoeffizienten, Fertigungstoleranzen und Abrieb.
Je weniger steif der Resonator respektive die Arme sind, desto unkritischer sind diese Einflüsse, aber desto grösser muss die Vorspannung sein, um eine optimale Flächenpressung zu gewährleisten.
Eine optimale Flächenpressung ist dann gewährleistet, wenn die punktuelle Kraft gerade so hoch ist, als dass sie keinen Abrieb verursacht. Ist die punktuelle Last zu hoch dann ist die Lebensdauer beschränkt, ist die punktuelle Last zu niedrig, dann ist eigentlich das maximale Potential des Motors nicht ausgeschöpft.
Figur 2 zeigt einen Antrieb mit jeweils zwei Piezoelementen pro Arm. Die beiden am selben Arm 6 befestigten Piezoelemente 4 sind vorzugsweise durch dieselbe Versorgung angesteuert, aber derart geschaltet, dass sich das eine Piezoelement zusammenzieht, wenn sich das andere ausdehnt. Dadurch wird die Krümmung des Armes unterstützt. In einer anderen Variante dieser Ausführungsform sind die Piezoelemente 4 derart geschaltet, dass sich jeweils gleichzeitig zusammenziehen respektive ausdehnen. In diesem Fall bewirken die Piezoelemente 4 primär eine Verlängerung respektive eine Verkürzung des entsprechenden flachen Abschnitts 9 in der Bewegungsrichtung, und wird die Bewegung der Kontaktbereiche senkrecht zur Ebene der Arme erst durch die asymmetrische Masseverteilung am Ende der Arme hervorgerufen.
Figur 3 zeigt einen Antrieb mit zwei in die gleiche Richtung zeigenden Armpaaren 5, die um die Bewegungsachse um 90° gegeneinander verdreht sind. Die Arme 6 sind aus einem einzigen, kreuzförmigen Blechstück durch Biegen in dieselbe Richtung geformt. Jeder Arm 6 ist mit einem Anregungsmittel 4 versehen. Die Arme 6 sind mechanisch identisch aufgebaut, und die Anregungsmittel 4 sind elektrisch parallel geschaltet. Im Betrieb schwingt jeder Armpunkt in einer Ebene senkrecht zu der Ebene des jeweiligen flachen Armabschnittes 9. Jeder der Arme verläuft beispielsweise in einem Winkel von mindestens annähernd 45 Grad zum passiven Element 1.
Figur 4 zeigt einen Antrieb mit je zwei in derselben Ebene nebeneinander angeordneten Piezoelementen 4 je Arm 6, in einer Aufsicht und einer Ansicht in Richtung der Bewegungsachse 11. Durch eine phasenverschobene Ansteuerung der beiden nebeneinanderliegenen Piezoelemente 4 wird eine Bewegungskomponente des Armes 6 innerhalb der XZ-Ebene angeregt. Dies ist in Figur 5 veranschaulicht. Dadurch wird eine Rotation des passiven Elements 1 um die Bewegungsachse angeregt.
Die Piezoelemente 4 auf demselben Arm 6 sind dabei vorzugsweise entweder in dieselbe Richtung polarisiert und werden mit Signalen unterschiedlicher Polarität angesteuert, oder werden mit demselben Treibersignal angesteuert, sind aber umgekehrt polarisiert auf dem flachen Abschnitt 9 angeordnet. Die Piezoelemente 4 auf den beiden Armen 6 eines Armpaares 5 sind vorzugsweise derart angeordnet und/oder angesteuert, dass wenn der eine Arm 6 sich in die positive Z-Richtung biegt, der andere Arm 6 sich in die negative Z-Richtung biegt.
Figur 6 zeigt einen Antrieb mit einer Asymmetrie in der Ebene der Arme, anstelle der asymmetrischen Ansteuerung gemäss den Figuren 4 und 5. Die Arme sind, beim Blick auf die Armebene, also auf die XZ-Ebene, asymmetrisch geformt. Dies geschieht in der Ausführungsform der Erfindung gemäss der Figur durch einen Einschnitt oder durch Schlitze 49 in dieser Armebene. Alternativ kann dies auch durch eine Ausformung der Arme 6, insbesondere im Bereich der freien Enden, in der Armebene und in Z-Richtung geschehen. Durch solche Asymmetrien wird auch eine Oszillation der Kontaktbereiche 7 innerhalb der Ebene der Arme anregbar. Diese Oszillation überlagert sich mit einer Oszillation senkrecht zur Ebene der Arme, was zu einer Rotation von einzelnen Punkten der Kontaktbereiche 7 in der YZ-Eb ene führt, wie sie im Zusammenhang mit der Figur 32 erklärt ist.
Figur 7 zeigt einen Antrieb, bei welchem das passive Element 1 flach und im Wesentlichen rechteckig geformt ist. Damit ist nur eine translatorische Bewegung möglich. Analog sind auch beliebige andere prismatische respektive zylinderförmige und nicht rotationssymmetrische Querschnitte des passiven Elements 1 möglich. Die jeweilige Zylinderachse ist dabei parallel zur Bewegungsachse 11 und koinzidiert vorzugsweise mit der Symmetrieachse des Resonators 3.
Figur 8 zeigt einen Antrieb mit einem rohrföπnigen passiven Element. Das passive Element 1 ist beispielsweise Träger eines optischen Elementes, wie zum Beispiel einer Kameralinse 48, so dass der Antrieb für eine Autofokus- oder eine Zoomfunktion verwendbar ist. Das passive Element 1 kann auch einen Lichtleiter wie eine Glasfaser aufweisen und somit positionieren.
Figur 9 zeigt einen Antrieb, bei welchem das aktive Element als Innenläufer ausgebildet ist, in einer Seitenansicht und einer Ansicht in Richtung der Bewegungsachse. Das Wirkprinzip ist grundsätzlich dasselbe wie bei den bisher gezeigten Ausfuhrungsform, nur sind der Vorspannkräfte und Antriebskräfte nach aussen gerichtet, und umschliesst das passive Element 1 das aktive Element 2 zumindest teilweise. Auch hier sind rotatorische, translatorische und kombinierte, schraubenförmige Bewegungen möglich. Anstelle eines runden, rohrförmigen passiven Elements 1 kann dieses auch ein anderes Hohlprofil wie ein rechteckiges Profil, oder ein offenes Profil wie beispielsweise ein U-förmiges Profil aufweisen. Dies erlaubt eine saubere Linearbewegung ohne rotatorischen Anteil. Bei einem offenen Profil wie einem U-Profil kann auch das aktive Element 2 festgehalten werden und das passive Element 1 als Läufer dienen.
Figuren 10 bis 12 zeigen verschiedene Varianten zur Befestigung eines aktiven Elements 2. Das aktive Element 2 soll an einem Bezugskörper, beispielsweise einem mechanischen Gerät, von dem der Antrieb einen Teil bildet, befestigt werden. Oder das aktive Element 2 soll an einem zu bewegenden weiteren Teil befestigt werden. Dazu ist die Befestigung jeweils an Knotenpunkten der räumlichen Schwingungen des Resonators 3 angeordnet. Dadurch werden die Schwingungen wenig beeinflusst und geht wenig Energie über die Befestigung verloren, und treten auch weniger störende akustische Reflexionen über die Befestigung übertragen. Die Knotenpunkte werden beispielsweise mit einer Finite-Elemente (FEM) Analyse des Schwingungsverhaltens des aktiven Elements 2, vorzugsweise bei den verwendeten Antriebsfrequenzen ermittelt. _
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Gemäss Figur 10 sind Befestigungslöcher 17 zur Aufnahme von Befestigungs¬ elementen, wie beispielsweise von Stiften, in einer Verlängerung 18 der Arme 6 in eine Richtung, die der Armrichtung bezüglich des Verbindungsbereiches 10 gegenüberliegt, und senkrecht zur Ebene der Arme 6 angeordnet. Gemäss Figur 11 sind Befestigungslöcher 17 parallel zur Ebene der Arme 6 im Verbindungsbereich 10 und beiderseits der Öffnung 14 angeordnet. Gemäss Figur 12 sind die Befestigungslöcher 17 wie in Figur 11 angeordnet, und sind die Arme über den Verbindungsbereich 10 hinaus in die entgegengesetzte Richtung verlängert. Die Anregungsmittel 4 erstrecken sich von den Armen 6 bis auf die verlängerten Arme 18. Dabei sind die Anregungsmittel 4 beispielsweise bezüglich des Verbindungsbereiches 10 zumindest annähernd zentriert angeordnet. Im Prinzip können, bei Anpassung der Schwingfrequenzen der verlängerten Arme 18, auch Kontaktbereiche 7 an den verlängerten Armen 18 angeordnet sein.
Figur 13 zeigt einen Piezomotor mit Piezoelementen 4 im d3 I-Mode in einem Multilayer-Aufbau. Der Aufbau und eine elektrische Kontaktierung eines solchen Piezoelementes 4 sind schematisch im Querschnitt separat dargestellt. Ein Multilayer besteht aus mehreren Lagen von Piezo-Einzelelementen, zwischen welchen jeweils eine leitende Zwischenlage aus z.B. Silber, Nickel, Platin etc. liegt. Die Zwischenlagen sind versetzt und seitlich miteinander verbunden, so, dass z. B. die ungeraden Lagen ein erstes elektrisches Potential aufweisen, und die geraden Lagen ein zweites Potential. Typische Schichtdicken liegen im Bereich von 10 bis 20 Mikron, was dazu führt, dass die elektrische Spannung im Vergleich zum einem Monolayer niedriger sein kann, um dasselbe elektrische Feld zu generieren. Die Richtung des elektrischen Feldes ist mit E bezeichnet, die Richtung der Längenänderung mit dL.
Zum Beispiel benötige ein 0.25 mm dickes Monolayer Piezoelement 100 Volt, um das E-FeId so gross werden zu lassen, dass der Piezoeffekt maximal wird. Ein Multilayer-Piezo mit 20 Schichten, mit einer Schichtdicke von jeweils 12.5 Mikron kann somit mit einer elektischen Spannung von 5 Volt betrieben werden.
Figur 14 zeigt einen Piezomotor mit Piezoelementen 4 im d33-Mode, sowie einen Multilayer- Aufbau und eine Kontaktierung solcher Piezoelemente 4. Beim d33- Modus verläuft die Ausdehnungsrichtung dL des Piezoelementes parallel zum angelegten elektischen Feld E. Entsprechend sind mehrere Piezoelemente aneinandergelegt und verläuft die Polarisierungsrichtung der Piezoelemente parallel zur Ebene entsprechenden flachen Abschnitts 9. Die Piezoelemente weisen elektrische Anschlüsse 46, 47 an den senkrecht zur Hauptebene des flachen Abschnitts 9 respektive des Piezoelements 4 als ganzem, also in der YZ-Ebene verlaufenden Flächen auf.
Figur 15 zeigt einen Piezomotor mit Piezoelementen im dl5-Mode. Beim dl5-Mode entstehen Scherkräfte im Piezoelement und resultiert eine Scherbewegung. Um diese Scherbewegung zu nutzen, sind die Piezoelemente 4 einerseits wie bisher jeweils an einem Arm 6 befestigt, und mit der dem jeweiligen Arm 6 gegenüberliegenden Aussenfläche an einem gemeinsamen Haltekörper 19 befestigt. Figuren 16 und 17 zeigen einen Piezomotor gemäss Figur 15 in verschiedenen Bewegungszuständen: Durch die Scherbewegung der Piezoelemente 4 wird, ohne dass sich dabei die Arme wesentlich verlängern oder verkürzen, der Resonator 3 entlang der Bewegungsachse in X-Richtung hin und her beschleunigt. Dadurch sind, wie weiter oben beschrieben, die freien Enden der Arme 6 in eine antreibende Schwingung versetzbar. Um diese Schwingung zu ermöglichen, weisen die Arme einen freien Bereich 20 zwischen dem Piezoelement 4 und dem Kontaktbereich 7 auf, der nicht mit dem Piezoelement 4 verbunden und dadurch versteift ist.
Gemäss einer Variante dieser Ausführungsform ist der Resonator 3 zweiteilig und weist auch an der linken Seite anstelle des Verbindungsbereiches 10 ein schwingfähiges Ende mit einem freien Bereich und mit eigenen Kontaktbereichen 7 auf. Ahnlich wie in der Figur 13 kann auch ein Steg zwischen den beiden Teilen des Resonators 3 angeordnet sein, so dass dieser wieder einstückig ist.
Figur 18 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines passiven Elements 1. Es sind am Umfang des passiven Elements 1 Rillen 21 eingeformt. Diese ermöglichen, dass Schmutz und/oder Abriebpartikel von der Umfangsfläche abgeführt werden. Dadurch werden Schwankungen der Antriebskraft und der Geschwindigkeit verringert. Die Rillen 21 verlaufen vorzugsweise kreisförmig oder schraubenförmig am Umfang.
Figuren 19 zeigt analog dazu Rillen 21, die am Kontaktbereich 7 eines aktiven Elements 2 geformt sind. Die Rillen 21 bilden in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Mikroverzahnung und verbessern dadurch die Kraftübertragung zwischen dem aktiven Element 2 und den passiven Element 1.
Figur 20 zeigt einen U-förmigen oder stimmgabelförmigen Abstreifer 23, der innerhalb eines Armpaares 5 angeordnet ist, und am Verbindungsbereich 10 befestigt ist, so dass der Abstreifer 23 keinen merkbaren Einfluss auf die Schwingungen des Resonators 3 hat. Der Abstreifer 23 weist Reinigungsmittel 24 wie beispielsweise Filz- oder Gummistreifen auf, welche sich mit dem aktiven Element 2 mit bewegen und dabei das passive Element 1 reinigen.
Figur 21 zeigt einen Antrieb mit einem magnetostriktiven Wirkprinzip. Im Allgemeinen kann entweder das passive Element 1 oder das aktive Element 2 bezüglich einer Umgebung festgehalten werden. Wird das passive Element 1 festgehalten, so wird das aktive Element 2 als Läufer bezeichnet, bei längeren translatorischen oder andauernden rotatorischen Bewegungen wird die Energieversorgung des aktiven Elements 2 zum Problem. Dieses Problem wird in der Ausfuhrungsform nach Figur 21 gelöst, indem eine mit dem passiven Element 1 mechanisch verbundene Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes entlang des passiven Elements 1 angeordnet ist. Diese Vorrichtung ist beispielsweise eine Spule 25, deren Windungen um das passive Element 1 und einen Raum für das aktive Element 2 herum verlaufen. In der Spule 25 wird ein Magnetfeld erzeugt. Das aktive Element 2 weist als Anregungsmittel 4 ein magnetostriktives Element, beispielsweise aus Terfenol auf, welches sich in Abhängigkeit des mit Φ bezeichneten magnetischen Flusses mechanisch deformiert. Dadurch sind Schwingungen des Resonators 3 anregbar.
Figur 22 zeigt einen Antrieb mit einem einstückigen, gebogenen Resonator 3, ähnlich jenem aus Figur 3, jedoch mit nur zwei Armen 6. Der Resonator 3 ist aus einem einzigen flachen, länglichen Blechstück an zwei Federbereichen 8 gebogen. Der Bereich zwischen den Federbereichen 8 ist der Verbindungsbereich 10, an welchem der Resonator 3 an einem anderen Körper befestigt ist. Die beiden Bereiche zwischen den Federbereichen 8 und den Enden des Bleches bilden die Arme 6 mit den flachen Abschnitten 9. Die Arme 6 verlaufen beispielsweise im Winkel von ca. 45 Grad bezüglich des Verbindungsbereiches 10 und sind mit den Anregungsmitteln 4 respektive Piezoelementen 4 bestückt. An den freien Enden der Arme 6 ist das Blech leicht aufgebogen, wodurch sich einerseits die Kontaktbereiche 7 und andererseits die weiter oben erwähnte Asymmetrie senkrecht zur Armebene ergeben. Die Kontaktbereiche 7 sind vorzugsweise an die Umfangsform des passiven Elements 1 angepasst wie in der Figur 24 gezeigt ist. Die gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist für eine begrenzte Linearbewegung des passiven Elements 1 ausgelegt. Für grossere Bewegungen kann im Verbindungsbereich 10 eine Öffnung 14 vorgesehen sein.
Figur 23 zeigt einen Antrieb mit nur einem Anregungsmittel 4. Der Antrieb ist ähnlich zu jenem der Figur 3 geformt, weist aber nur ein Piezoelement 4 auf, welches am Verbindungsbereich 10 angeordnet ist, sowie breitere Arme. Die vier Arme 6 weisen dieselbe Orientierung bezüglich der Bewegungsachse auf und sind vorzugsweise mechanisch gleich gestaltet. Da keine aktiven Elemente an den schwingenden Armen angebracht sind, können deren Eigenfrequenzen sehr genau eingestellt werden. Bei aktiven Armen wie in den Figuren 3 und 22 wird, bei elektrischer Parallelansteuerung der Anregungsmittel 4, jedem der Arme 6 dieselbe Frequenz aufgezwungen. Passive Arme wie in den Figuren 23 und 24 schwingen hingegen frei. Daher tritt bei passiven Armen in der Regel ein geringerer Energiebedarf auf. In der Realität weisen die passiven Arme 6 jeweils eigene, leicht voneinander abweichende Resonanzfrequenzen auf. Diese Abweichungen sind entweder in einer tolerierbaren Grosse, oder sind durch Trimmen reduzierbar. Das Trimmen geschieht zum Beispiel durch Erosion von Material des Arms, beispielsweise mit einem Laser.
Figur 24 zeigt einen Antrieb, ähnlich zu jenem der Figur 23, aber mit zwei Armpaaren, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen und um 90 Grad um die Bewegungsachse 11 gegeneinander verdreht sind. Die Eigenfrequenzen und Schwingungsmodi der Arme 7 sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei einer ersten Frequenz, beispielsweise 200 kHz, das obere Armpaar 5 eine ziehende und das untere Armpaar 5 eine stossende Bewegung ausführt, und sich dadurch das aktive Element 2 nach oben bewegt. Bei einer zweiten Frequenz, beispielsweise 300 kHz führt das untere Armpaar 5 eine ziehende und das obere Armpaar 5 eine stossende Bewegung aus, und das aktive Element 2 bewegt sich nach unten.
Der Antrieb ist vorzugsweise aus einem einzigen, kreuzförmigen Blechstück geformt, aus welchem ein erstes Armpaar 5 durch Biegen zweier Arme des Kreuzes in eine erste Richtung aus der Blechebene und ein zweites Armpaar 5 durch Biegen der anderen Arme in die entgegengesetzte Richtung entsteht. In einer Detailansicht zur Figur 24 ist beispielhaft eine runde Ausformung der Kontaktbereiche 7 gezeigt. Diese Ausformung bildet einen Teil einer Zylinderinnenfläche und korrespondiert somit mit der Form des zylindrischen passiven Elements 1. Entsprechende Ausformungen können auch an den Ausfuhrungsformen gemäss den anderen Figuren ausgestaltet sein.
Figuren 25 bis 27 zeigen aktive Elemente aus gebogenen Blechteilen, jeweils in verschiedenen Ansichten. Die Resonator 3 sind jeweils als Stanz- und Biegeteile kostengünstig herstellbar.
Figur 25 zeigt, in verschiedenen Ansichten, einen Antrieb, dessen Resonator 3 aus zwei länglichen Blechen besteht, die im Verbindungsbereich 10 fest miteinander verbunden, beispielsweise verschweisst sind. Im Verbindungsbereich 10 verlaufen die beiden Bleche parallel zueinander und parallel zu einer Symmetrieebene des Resonators 3. Daran anschliessend sind die Bleche durch jeweils einen ersten Knick 26 voneinander weggebogen und anschliessend durch einen zweiten Knick 27 wieder aufeinander zu gebogen. Sowohl der erste als der zweite Knick und der dazwischen liegende Blechabschnitt wirken als Federbereich 8. Anschliessend an den zweiten Knick 27 liegen die flachen Abschnitte 9 mit daran befestigten Anregungsmitteln 4 im Wesentlichen parallel zueinander. Anschliessend an die flachen Abschnitte 9 sind die Bleche asymmetrisch bezüglich der Ebene des jeweiligen flachen Abschnitts 9 aus dieser Ebene heraus aufeinander zu gebogen und bilden zwei gegeneinander gewölbte Kontaktabschnitte 28 mit den Kontaktbereichen 7. Im Bereich dieser Kontaktabschnitte 28 sind die Bleche vorzugsweise breiter als in den flachen Abschnitten 9. Dadurch weisen die Kontaktabschnitte 28 eine relativ grosse Masse, ausserhalb der Ebene der flachen Abschnitte 9 auf, was die charakteristischen Schwingungen im Sinne der Erfindung verbessert. Durch Abschleifen der seitlich hervorstehenden Teile 29 der Kontaktabschnitte 28 können die Schwingfrequenzen der Arme 6 abgestimmt werden. Die Arme sind beispielsweise ca. 4 mm lang und aus CuBe-Blech gestanzt, wobei die Betriebsfrequenzen beispielsweise bei 50 kHz bis 300 kHz liegen. Die Piezoelemente 4 sind einerseits über die Arme 6 und andererseits über (nicht gezeichnete) Drähte kontaktiert. Dies ist auch für die folgenden beiden Ausführungsformen gemäss den Figuren 26 und 27 der Fall.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die seitlich hervorstehenden Teile 29 der Kontaktabschnitte unterschiedlich lang. Damit liegt also eine Asymmetrie der Arme 6 in der Aufsicht auf die Ebene der flachen Abschnitte 9 vor, wodurch eine Schwingung zur Anregung einer rotatorischen Bewegung erzeugbar ist, wie im Zusammenhang mit Figuren 5 und 6 erklärt ist.
Figur 26 zeigt einen Antrieb, bei dem die Arme 6 im freien Bereich ähnlich wie in der vorangehenden Ausführungsform ausgestaltet sind. Als Verbindungsbereich 10 ist jedoch ein weiterer Körper vorgesehen, an dem die Arme 6 jeweils einzeln befestigt sind. Zur Verminderung der Steifigkeit zwischen den Armen 6 und dem Verbindungsbereich 10 sind die Arme 6 in der Nähe des Verbindungsbereiches 10 mit einer geringeren Querschnittsfläche geformt, wodurch ein Federbereich 8 gebildet wird. Beispielsweise sind an den Armen Ausnehmungen 30 vorgesehen, oder die Arme sind dünner oder schmaler geformt.
Figur 27 zeigt, in zwei verschiedenen Ansichten und in einem Querschnitt, einen weiteren Resonator 3 mit einem wiederum ähnlichen Endbereich. Der Resonator 3 ist jedoch aus einem einzigen Blech gestanzt und gebogen. Aus einer Ebene des Verbindungsbereiches 10 heraus sind zwei Arme aufeinander zu gebogen und verlaufen bis zu den Kontaktabschnitten 28 parallel zueinander. Diese parallelen Abschnitte 9 sind zur Befestigung der Anregungsmittel 4 (nicht eingezeichnet) vorgesehen. Anschli essend an den Verbindungsbereich 10 weisen die Arme 6 Versteifungslaschen 31 auf, die jeweils zum gegenüberliegenden Arm 6 hin gebogen und mit einer gegenüberliegenden Versteifungslasche 31 fest verbunden sind. Durch die derart gefalteten und miteinander verbundenen Blechlaschen 31 ist der Resonator 3 am festen Ende versteift.
Aus der Ebene des Verbindungsbereiches 10 heraus sind vorzugsweise zwei Befestigungslaschen in eine den Armen 6 entgegengesetzte Richtung gebogen.
Figur 28 zeigt einen Antrieb mit einem senkrecht zur Symmetrieachse eines Armpaares angeordneten Zylinders als passivem Element. Bei völlig symmetrischen Armen 6 und bei gleicher Ansteuerung würden beispielsweise Kontaktbereiche 7 am linken Arm im Uhrzeigersinn und Kontaktbereiche 7 am rechten Arm im Gegenuhrzeigersinn rotieren. Dies ist für eine Ausführungsform gemäss Figur 29 erwünscht, für die vorliegende jedoch nicht. Deshalb wird durch eine leichte Asymmetrie in der Form der Arme, wie in der Figur 28 gezeigt, ein unterschiedliches Schwingungsverhalten der Arm 6 erzeugt. Die gezeigte Verdickung an einen Federbereich 8 verkürzt die Armlänge und hebt somit die Eigenfrequenz, und ändert damit die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen senkrecht zu respektive parallel zur Ebene des Armes und damit auch die Drehrichtung des Kontaktbereiches 7. Alternativ oder ergänzend kann auch eine separate Ansteuerung der Piezoelemente 4 vorgenommen werden, um die sich verstärkenden Bewegungen der Arme 6 zu erreichen.
Figur 29 zeigt einen Antrieb, bei welchem das passive Element zwei gegenläufig drehbare Zylinder als Rotoren 15 aufweist. Die beiden Rotoren 15 weisen denselben oder verschiedene Durchmesser auf und sind jeweils durch Halteelemente 16 gelagert. Die Rotoren 15 weisen je eine Drehachse auf, die senkrecht zur Richtung der Arme 6 (X-Richtung) und parallel zur Ebene der Arme 6 (XZ-Ebene) verläuft. Die Rotoren 15 sind durch die Kontaktbereiche 7 gegeneinander vorgespannt und werden im Betrieb des Motors durch die Kontaktbereiche 7 angetrieben. Dazu sind die Arme 6 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander geformt, so dass sie ebenfalls symmetrisch zueinander oszillieren und so eine gegenläufige Drehung der die Rotoren 15 bewirken, wobei die Rotoren 15 an ihrem gemeinsamen Berührungspunkt aneinander abrollen. Eine oder beide der Achsen der Rotoren 15 ist/sind zum Antrieb eines weiteren Gerätes eingerichtet.
Figur 35 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, welche eine besonders flache Gestaltung aufweist, in einer Aufsicht und einer Seitenansicht. Das aktive Element 2 weist flache Arme 6 auf, deren Ebenen parallel zueinander und in derselben Ebene liegen. Parallel zu dieser Ebene oder in dieser Ebene selber ist der flache Abschnitt 9 des Resonators 3 mit dem Anregungsmittel 4 angeordnet. Die antreibenden Bewegungen der Kontaktbereiche 7 finden ebenfalls parallel zu dieser Ebene statt. Der Resonator 3 geht über Übergangsbereiche 51 in zwei federnde Arme einer Y-förmigen Halterung 53 über. Dort, wo die Arme der Halterung 53 sich vereinigen, liegt ein Knotenpunkt 52 von Schwingungen des Resonators 3. Der Resonator 3 und die Halterung 53 sind vorzugsweise aus einem einzigen flachen Blechteil geformt.
Das passive Element 1 ist länglich und ist entlang seiner Hauptausdehnungsrichtung oder Bewegungsachse 11 bezüglich des aktiven Elements 2 beweglich angeordnet. Zur Führung weist das passive Element 1 optional einander gegenüberliegende Längsnuten 54 zur Aufnahme der Kontaktbereiche 7 des aktiven Elements 2 auf.
Das passive Element 1 ist vorzugsweise in sich federnd konstruiert, so dass die Bereiche, welche mit den Kontaktbereichen 7 des aktiven Elements 2 in Berührung kommen, gegeneinander federnd bewegbar sind. Dadurch können die Arme 6 eine relativ grosse Steifigkeit in der Armebene aufweisen. Die Feder dient unter anderem zur Kompensation von Abnützungen der Kontaktbereiche 7 und des passiven Elements 1.
Die Arme 6 eines Armpaares 5 wirken einander bezüglich des passiven Elementes 2 in Richtungen, die von der zulässigen Bewegungsrichtung des passiven Elementes 2 abweichen, entgegen, und wirken in der Bewegungsrichtung miteinander, verstärken also ihre Wirkung in der Bewegungsrichtung. Die Kontaktbereiche 7 können sich nach Massgabe der Anregungsfrequenz auch ausserhalb der Ebene der flachen Arme 6 respektive des Resonators 3 bewegen, also eine in drei Dimensionen verlaufende Schwingung ausführen. Um solche Schwingungsmodi für einen Antrieb zu nutzen ist das passive Element 1 vorzugsweise ohne die in Figur 35 gezeigte Nut ausgeführt, beispielsweise mit flachen Platten, die gegeneinander gefedert sind. Die Ebene der Platten, und auch ihre Bewegungsrichtung verläuft vorzugsweise senkrecht zu einer Verbindungsgeraden zwischen den Kontaktbereichen 7 im Ruhezustand. Vorzugsweise verläuft die Bewegungsrichtung auch parallel zur Ebene der Armbleche, sie kann aber auch senkrecht oder im Winkel zu dieser Ebene verlaufen. Es existieren meist mehrere Schwingungsmodi, die eine Bewegung vorwärts oder rückwärts parallel zur Ebene der Arme ergeben. Für den Betrieb wird ein Paar von entsprechenden Anregungsfrequenzen - eine für vorwärts, eine für rückwärts - gewählt, die nahe beieinander liegen. Dies hat den Vorteil, dass dieselbe Spule für beide Frequenzen zur Spannungserhöhung verwendet werden kann.
Alternativ dazu, wie in Figur 36 gezeigt, können die Arme 6 federnd geformt und dafür das passive Element 1 ohne Federung ausgebildet sein. Auch in diesen Ausführungsformen sind die Arme 6, der flache Abschnitt 9 mit dem Piezoelement 4 sowie die Halterung 53 vorzugsweise an einem einzigen Teil ausgebildet. Die Halterung kann auch ohne die Y-fδrmigen Arme direkt an der Seite des flachen Abschnitts 9 anschliessen, welche den Armen 6 gegenüberliegt. Zur Anregung der Schwingungen in den Ausfuhrungsformen gemäss den Figuren 35 und 36 sind die Anregungsmittel 4 mit ihrer Ausdehnungsrichtung parallel zur Ebene des Resonators 3 angeordnet. Es kann auch nur ein einzelnes Piezoelement 4 auf einer Seite des Resonators 3 vorliegen. Bei genügend hohen Anregungsfrequenzen werden dabei vor allem die Schwingungen in der Resonator- respektive Armebene angeregt, und tieferfrequente Biegeschwingungen des Resonators 3 werden nicht signifikant angeregt.
Figur 34 zeigt ein Blockschema einer Schaltung zur Ansteuerung eines Piezomotors. Die Treiberschaltung weist einen Signalgenerator oder Mehrfrequenz-Generator 41 zur Erzeugung von Signalen unterschiedlicher Frequenzen auf. Der Mehrfrequenz- Generator 41 weist dazu beispielsweise mehrere einzelne Frequenzgeneratoren 42 auf, von deren Ausgangssignalen eines durch einen Umschalter 43 ausgewählt werden kann. Dieses Signal wird als Ausgangssignal des Mehrfrequenz-Generators 41 auf einen Verstärker 44 gefuhrt. Mit dem Ausgangssignal des Verstärkers wird der Motor 45 angesteuert. Zur Anregung von kombinierten, z.B. schraubenförmigen Bewegungen können die einzelnen Frequenzgeneratoren 42 auch Signale mit mehreren überlagerten Frequenzkomponenten erzeugen. Der Signalgenerator 41 kann konventionell (analog) oder numerisch (digital) aufgebaut sein. Je nach Anwendung, Integration und Komplexität des Ansteuersignals wird die geeignete Ansteuerung gewählt. Dabei können Frequenz, Signalform und Amplitude variiert werden. Die Amplitude bestimmt im Wesentlichen die Verfahrgeschwindigkeit.
Der Verstärker 44 oder Treiber passt das erzeugte Signal vom Generator 41 an den Piezomotor 45 an. Je nach Form und Grosse des Ansteuersignals wird eine benötigte Treibertopologie gewählt. Für Rechteckansteuerung reicht eine Brückenschaltung. Für alle anderen Signalformen wird ein linearer Verstärker oder ein digitaler Verstärker benötigt, z.B. ein "Class D" Verstärker für Pulsbreitenmodulation (PWM). Bei Verwendung von Mulitlayer-Piezolementen kann unter Umständen ganz auf den Verstärker 44 verzichtet werden.
Je nach Ansteuermodus wird zwischen Piezomotor 45 und Treiberelektronik 44 eine Induktivität geschaltet. Im Idealfall wird die Induktivität so ausgelegt, dass sie mit der Piezomotorkapazität einen Serien-Resonanzschwingkreis in einer bevorzugten Motorbetriebsfrequenz bildet. Dadurch kann eine Erhöhung der Spannung über den Piezoelementen 4 erzielt werden. Bei einer Rechteckansteuerung dient der Serienresonanzkreis zudem als Filter und Signalumformer: Der von einem Rechtecksignal gespeiste Piezomotor wird durch das Zwischenschalten einer Induktivität mit einem in der Amplitude erhöhten Sinussignal angesteuert.
Der Schwingkreis, bestehend aus Piezomodul und Spule, erlaubt - in Abhängigkeit seiner Güte - rund eine Vervierfachung der Spannung. Durch Umpolen der Spannungsversorgung kann die wirksame Spannung verdoppelt werden. Somit kann insgesamt mit beispielsweise einer Versorgungsspannung von 2.5 V eine Spannung von 20 V am Piezomodul erzeugt werden.
Die Frequenzen für die verschiedenen Bewegungsrichtungen werden vorzugsweise nahe zueinander ausgewählt, so dass die Spule für beide Frequenzen möglichst wirksam ist. Die maximale Spannung des Schwingkreises wird dabei mindestens annähernd in die Mitte zwischen die beiden Frequenzen gelegt. Typische Frequenzen für einen Resonator 3 gemäss den Figuren 37 bis 44 mit beispielsweise Ausdehnungen von 3 bis 6 mm liegen im Bereich zwischen 400 und 600 kHz.
Figur 37 zeigt eine Positionierungseinheit zur Positionierung einer Linse. Auf einem Grundkörper 83 ist ein aktives Teilmodul 90 des Antriebs montiert, welches einen angetriebenen Körper 82 über ein passive Element 1 des Antriebs antreibt. Der angetriebene Körper 82 ist über eine Parallelmechanik 85 am Grundkörper 83 montiert. Über dem angetriebenen Körper 82 ist ein Deckelteil 84 als Teil des Grundkörpers 83 montiert. Der angetriebene Körper 82 weist eine Halterung mit einer Linse auf, währenddem der Grundkörper 83 einen Bilderfassungschip trägt, auf den die Linse durch Bewegung des angetriebenen Körpers 82 fokussierbar ist. Die Parallelmechanik 85 erlaubt eine im wesentlichen lineare respektive gerade Bewegung des angetriebenen Körpers 82 mit dem passiven Element 1 bezüglich dem Grundkörper 83 respektive dem aktiven Teilmodul 90. Streng genommen ist diese Bewegung eine Parallelverschiebung entlang eines Kreisbogens, für praktische Zwecke im Zusammenhang mit dem Antrieb kann sie aber auch als gerade betrachtet werden.
Das aktive Teilmodul 90 weist zwei zueinander parallel angeordnete Resonatoren 3,3' auf, die jeder für sich im Wesentlichen gemäss dem Prinzip der Figur 35 wirkt. Die Kontaktbereiche 7 der Resonatoren 3,3' greifen an Kontaktplatten 72 des passiven Elements 1 an, die gegeneinander federnd angeordnet sind und durch diese Federwirkung gegen die Kontaktbereiche 7 gedrückt werden. Bei Anregung eines gemeinsamen Anregungsmittels 4 werden die vier Kontaktbereiche 7 der beiden Resonatoren 3,3' in räumliche Schwingungen versetzt, welche die Kontaktplatten 72 und damit den angetriebenen Körper 82 - je nach Anregungsfrequenz -in die eine oder andere Richtung treiben. Die Schwingungen weisen in der Regel Komponenten in drei Dimensionen auf, wie im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Figur 35 erklärt ist. Davon wird vorzugsweise eine Vor- und Rückwärtsbewegung parallel zu den Ebenen der Resonatoren 3,3' genutzt und werden entsprechende Frequenzen zur Anregung ausgewählt.
Der Aufbau des aktiven Teilmoduls 90 wird anhand der folgenden Figuren 38 bis 40 erklärt: Figur 38 zeigt einen ersten Resonator 3 mit einstückig angeformter Aufhängung 32. Die Aufhängung 32 fuhrt vom Resonator 3 zu einem Basiselement 33 und einer Kontaktierungslasche 34 zur elektrischen Kontaktierung. Die genannten Komponenten sind einstückig aus einem dünnen Teil mit im Wesentlichen konstanter Dicke gefertigt, beispielsweise aus Blech gestanzt. Im Folgenden wird dieses Teil Resonatorblech 37 genannt. Ein zweites Resonatorblech 37' mit einem zweiten Resonator 3' ist vorzugsweise identisch geformt und spiegelsymmetrisch zum ersten Resonator 3 angeordnet, wie in der Figur 37 sichtbar ist. Durch die identische Gestaltung werden die Herstellungskosten verringert, und können die mechanischen Eigenschaften der beiden Resonatoren 3,3' nahe beieinander gehalten werden. Jeweils eine Verbindungslasche 38 führt den Basiselementen 33,33' zum gegenüberliegenden Resonator 3,3' und dient zur elektrischen Verbindung der Resonatoren 3,3'.
Figur 39 zeigt ein teilweise montiertes aktives Teilmodul 90 der Positionierungseinheit: Auf dem Resonator 3 ist ein Trägerelement 60 angebracht, und in einer Öffnung des Trägerelementes 60 sind, parallel zur Ebene eines flachen Abschnitts des Resonators 3 eine erste Piezoplatte 64, darauf eine Zwischenelektrode 62 und darauf wiederum eine zweite Piezoplatte 64' angeordnet. Die Piezoplatten 64, 64' und die Zwischenelektrode 62 sind durch Distanzierungsnasen an der Öffnung in derselben zentriert, wobei die Piezoplatten 64, 64' immer noch schwingfähig bleiben. Das Trägerelement 60 ist vorzugsweise aus Kunststoff und im Spritzgussverfahren hergestellt.
Figur 40 zeigt eine Explosionszeichnung des aktiven Teilmoduls. Nebst den bereits erwähnten Komponenten sind hier auch noch das zweite Resonatorblech 37' dargestellt, sowie eine Spule 35 und zwei Anschlusslaschen 36, 36'. Eine erste Anschlusslasche 36 ist zur elektrischen Kontaktierung der Zwischenelektrode 62 angeordnet, eine zweite Anschlusslasche 36' ist zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Anschlusses der Spule 35 angeordnet. Ein zweiter Anschluss der Spule 35 kontaktiert die Kontaktierungslasche 34' des zweiten Resonatorbleches 37'. Das aktive Teilmodul 90 weist also einen Schwingkreis, gebildet aus der Spule 35 und einem Doppelpiezo zwischen den Resonatoren 3,3' auf. Der Aufbau des Anregungsmittels 4 als zweischichtiges Piezoelement aus zwei parallelen Platten um die Zwischenelektrode 62 erlaubt, dass die Resonatoren 3,3', welche die äusseren Elektroden des Piezoelementes bilden, auf dem gleichen elektrischen Potential sind. Dies bedeutet wiederum, dass das passive Element 1 , welches die Kontaktbereiche 7 von beiden Resonatoren 3,3' berührt, elektrisch leitend sein darf.
Da die Aufhängung 32 der Resonatoren 3,3' zugleich eine elektrische Verbindung ist, sind keine Drähte und ist kein Bonding zur Kontaktierung des Anregungsmittels 4 erforderlich. Die Aufhängung 32 führt aus der Ebene des Resonators 3 heraus und von diesem weg, wobei dies vorzugsweise in einem Bereich des Resonators 3 geschieht, der einem bevorzugten Schwingungsknoten des Antriebs entspricht. In der vorliegenden Ausfuhrungsform der Erfindung liegt dieser Bereich zumindest annähernd bei der Mitte der Piezoplatte 64. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, beispielsweise gemäss Figur 43 liegt dieser Bereich an der Mitte einer Seite einer rechteckigen Piezoplatte 64. In beiden Ausfuhrungsformen werden so die Schwingungen der Resonatoren 3,3' und der Piezoplatten 64, 64' von den übrigen Teilen des aktiven Teilmoduls 90 entkoppelt. Zum gleichen Zweck ist die Zwischenelektrode 62 in einem Übergangsbereich gewellt und federnd ausgeführt. Der Übergangsbereich führt von den Piezoplatten 64, 64' zum Trägerelement 60, wo die Zwischenelektrode 62 durch die erste Anschlusslasche 36 kontaktiert wird.
Das Elastizitätsmodul der Resonatoren 3,3' und der Piezoplatten 64, 64' ist um ein Vielfaches höher als jenes des Klebstoffes und des Trägerelementes 60. Somit werden die Modi und Schwingungsfrequenzen durch letztere nicht wesentlich beeinflusst, sondern allenfalls gedämpft. Zur Herstellung des aktiven Teilmoduls 90 werden vorzugsweise die folgenden Teile in der angegebenen Reihenfolge aufeinander montiert: • ein erster Resonator 3 ; • ein Trägerelement 60; • eine erste Piezoplatte 64; • optional eine Zwischenelektrode 62 und eine zweite Piezoplatte 64';und • ein zweiter Resonator 3'.
Dabei wird jeweils zwischen zwei Schritten zumindest stellenweise ein elektrisch leitender Klebstoff zwischen die aufeinandergelegten Teile gebracht. Der Klebstoff ist beispielsweise ein durch Erwärmung aushärtbarer Kleber mit mikroskopischen Nickelkugeln genormter Grösste. Die Leitfähigkeit des Klebers entsteht nur, wenn zwei Leiter gegeneinander gedrückt werden, so dass die Nickelkugeln den Abstand zwischen den Leitern überbrücken. In andere Richtungen bleibt der Klebstoff nichtleitend. Deshalb kann der Klebstoff grosszügig aufgetragen werden, und beispielsweise auch um die Piezoplatten 64, 64' herum und in den Zwischenraum zwischen den Piezoplatten 64, 64' und dem Trägerelement 60 gelangen, ohne dass ein Kurzschluss entsteht.
Die genannten Teile werden also, jeweils mit Klebstoff dazwischen, aufeinandergestapelt, und dann, währenddem sie zusammengedrückt werden, erwärmt. Beim Aushärten schwindet der Klebstoff und zieht die Leiter zusammen, so dass ein dauernder Druck auf die Nickelkugeln und damit eine permanente elektrische Verbindung entsteht.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Klebstoff mit Flocken aus einem leitenden Material wie Silber verwendet. Dieser Klebstoff ist in alle Richtungen und auch ohne unter Druck zu stehen leitend. Deshalb wird er nur beispielsweise in der Mitte von Kontaktbereichen zwischen den aufeinander montierten Teilen angebracht, und wird jeweils von einem Bereich mit einem anderen, isolierenden Klebstoff umgeben.
Die genannten Teile werden beispielsweise manuell oder automatisch in eine Montagehalterung eingelegt. Die Spule 35 kann auch noch vor dem Einlegen des zweiten Resonators 3' ebenfalls in die Halterung eingelegt und dann mit dem zweiten Resonator 3' verklebt werden. Vorzugsweise wird in einer anderen Vorgehensweise zuerst das aktive Teilmodul 90 ohne die Spule hergestellt und der Klebstoff ausgehärtet. Dann werden ausgewählte elektromechanischen Eigenschaften des aktiven Teilmoduls 90 bestimmt, um Abweichungen von der Norm festzustellen. Beispielsweise ist bekannt, dass ein zu verwendender Schwingungsmodus entsprechend einer der Bewegungsrichtungen bei einer bestimmten Idealfrequenz liegen sollte. In den einzelnen Antrieben wird aber die genaue Frequenz aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten variieren. Eine Anregung bei der Idealfrequenz wäre nicht energieeffizent oder gar unwirksam. Deshalb wird durch Messungen bestimmt oder indirekt abgeschätzt, welches beim gegebenen Exemplar die tatsächliche Eigenfrequenz für den gewünschten Schwingungsmodus ist. Dasselbe geschieht für die andere Bewegungsrichtung. Ebenso wird die tatsächliche Kapazität des Piezoelements respektive Anregungsmittels 4 gemessen. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises Piezoelement-Spule sollte zumindest annähernd in der Mitte zwischen den notwendigen Anregungsfrequenzen liegen, damit die Spannungserhöhung durch den Schwingkreis bei allen Anregungsfrequenzen möglichst hoch und ausgeglichen ist. Damit wird eine Induktivität der Spule 35 bestimmt, welche die Eigenfrequenz des Schwingkreises entsprechend legt. Eine konkrete Spule 35 mit dem nächstliegenden Induktivitätswert wird aus einem Satz von zur Auswahl stehenden Spulen 35 wird ausgewählt und durch beispielsweise Löten oder Kleben am aktiven Teilmodul 90 montiert. Figur 41 zeigt ein erfindungsgemässes passives Element 2. Dieses weist zwei parallele Kontaktelemente 71 auf, welche jeweils über einen Kontaktarm 73 mit dem angetriebenen Körper 82 verbunden sind. Um die mechanische Kontaktierung zwischen den Kontaktbereichen 7 der Resonatoren 3,3' und den Kontaktelementen 71 zu optimieren, sind die Kontaktelemente 71 gegen die Kontaktbereiche 7 hin federnd angeordnet. Damit sie sich gegen die Kontaktbereiche 7 hin bewegen können, sind die Kontaktarme 73 relativ lang und flach ausgebildet. Die Fläche der Kontaktarme und der Kontaktplatten 72 verläuft dabei im Wesentlichen senkrecht zur Fläche der Resonatoren 3,3' und parallel zur Bewegungsrichtung des Antriebs. Damit kann auch - zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen - eine seitliche Verschiebung des passiven Elements 1 gegenüber dem aktiven Element 2 kompensiert werden, indem die Kontaktplatten 72 sich synchron und parallel miteinander verschieben. In der Bewegungsrichtung des Antriebs selber sind die Kontaktarme 73 vergleichsweise steif, so dass eine Kraftübertragung auf den angetriebenen Körper 82 möglich ist.
Die Kontaktplatten 72 sind also leicht gegen die Kontaktbereiche 7 bewegbar. Um eine Kraft gegen die Kontaktbereiche 7 aufzubringen, wird eine zusätzliche Feder eingesetzt. Diese kann zwischen den Kontaktplatten 72 angeordnet sein, in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird die Feder durch ein einstückiges Federelement 74 realisiert, das wie ein Bügel aussen um die beiden Kontaktplatten 72 herumführt, jeweils von aussen in die Kontaktplatten 72 eingreift und sie so auseinander zieht. Vorzugsweise ist jeweils eine Endfläche des Federelementes 74 mit der jeweiligen Kontaktplatte 72 verklebt oder verlötet. Vorzugsweise sind die Enden des Federelementes 74 jeweils mit korrespondierenden Halteelementen wie Laschen der Kontaktplatten 72 verhakt. Dies ergibt einen zusätzlichen Schlagschutz.
Die Kontaktarme 73 zu einer Kontaktplatte 72 weisen vorzugsweise einen Torsionsbereich 75 auf, der eine Verdrehung der Kontaktplatte 72 um eine Achse senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den beiden Kontaktbereichen 7, die auf die Kontaktplatte 72 wirken, zulässt. Diese Bewegbarkeit, gekoppelt mit der Tatsache, dass die Kraft des Federelementes 74 zwischen den Kontaktbereichen 7 an der Kontaktplatte 72 angreift, bewirkt dass die Kontaktplatte 72 an beide Kontaktbereiche 7 herangezogen wird, sich gegebenenfalls leicht verdreht und dadurch beide Kontaktbereiche 7 zuverlässig kontaktiert.
Am Ende eines Kontaktarme 73, welches der Kontaktplatte 72 gegenüberliegt, ist ein Befestigungsbereich 76 ausgeformt, welcher in eine korrespondierende Öffnung des angetriebenen Körpers 82 gesteckt ist. Ein Kontaktarm 73 mit Kontaktplatte 72 und Befestigungsbereich 76 ist vorzugsweise einstückig und aus einem Blech durch Stanzen und Biegen geformt.
Figur 42 zeigt die Positionierungseinheit ohne das aktive Teilmodul und mit entferntem Deckelteil 84. Es ist ersichtlich, wie das passive Element 1, gebildet aus Federelement 74, Kontaktplatten 72, und Kontaktarmen 73 mit Befestigungs¬ bereichen 76, am angetriebenen Körper 82 angeordnet ist. Um zur Stoss- oder Schlagsicherung eine übermässige Bewegung der flexiblen Kontaktarme 73 zu verhindern, sind die Kontaktarme 73 teilweise in Schlitzen um angetriebenen Körper 82 geführt, aber freigestellt. Im Normalbetrieb berühren also die Kontaktarme 73 die Seitenwände der Schlitze nicht, und es wird verhindert, dass die Kontaktarme 73 bei Schlägen über die Streckgrenze belastet werden oder sich in einer falschen Position verhaken oder verklemmen.
Femer ist ersichtlich, wie der angetriebene Körper 82 zwischen zwei Stützen 86 des Grundkörpers 83 parallel geführt ist. Jede der Stützen 86 weist einen Schlitz zur Antriebshalterung 87 auf. Bei der Montage des aktiven Teilmoduls 90 ist jeweils ein korrespondierendes Element des aktiven Teilmoduls 90 in diesen Schlitzen verschiebbar. Dadurch sind Ungenauigkeiten durch summierte Fertigungstoleranzen kompensierbar, indem das aktive Teilmodul 90 gegen den Grundkörper 83 geschoben wird, bis die Anschlusslaschen 36, 36' den Grundkörper 83 berühren.
Figuren 43 - 44 zeigen weitere Ausfuhrungsformen von aktiven Teilmodulen. Figur 43 zeigt wie bereits erwähnt eine seitliche Aufhängung der Resonatoren 3,3' im Bereich der Mitte einer Seite der Piezoplatten 64, 64'. Dabei ist der erste Resonator 3 an nur einer Seite, und der zweite Resonator 3' an zwei Seiten jeweils zumindest annährernd mittig aufgehängt. Das Trägerelement 60 dient hier der isolierenden Befestigung der ersten Anschlusslasche 36 mit der Kontaktierungslasche 34 respektive dem Basiselement 33. Dazu sind, wie auch bei der zweiten Anschlusslasche 36', die Bleche auf Kunststoffstifte des Trägerelementes 60 gelegt und mit diesen vernietet. Figur 44 zeigt Kontaktplatten 72 des passiven Elements 1, die ohne weitere Federung direkt am (nicht gezeigten) angetriebenen Körper 82 befestigt sind, und eine zweiseitige Aufhängung der Zwischenelektrode 62. Um den inneren Aufbau sichtbar zu machen, ist ein Trägerelement 60, welches die Resonatorbleche 37, 37', die Zwischenelektrode 62 und Anschlusslaschen 36, 36' verbindet, nicht eingezeichnet.
Figur 45 zeigt schematisch eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung, in welcher die Kontaktbereiche 7 nach aussen hin wirken. Die Aufhängung 32 und die Anregungsmittel 4 sind im Prinzip wie bei den vorangehenden Ausführungsformen gestaltet und entsprechend variierbar. Auch können mehrere, gleich geformte Resonatoren 3 parallel zueinander angeordnet sein. Die antriebswirksamen Schwingungen verlaufen auch hier vorzugsweise hauptsächlich in Ebenen parallel zu dem einen respektive den mehreren Resonatoren 3. Jedoch sind die Kontaktbereiche 7 nach aussen statt nach innen gerichtet. Damit ist es möglich, dass das passive Element 1 das aktive Element 2 insbesondere auch im Bereich der Anregungsmittel 4 und der Aufhängung 32 umschliesst. Dadurch kann ein längerer Fahrweg des passiven Elements 1 erreicht werden. Das passive Element 1 ist in sich federnd und vorzugsweise auch bezüglich des aktiven Elements 2 federnd angeordnet. Dazu können die Kontaktelemente 71 selber über die ganze Länge federnd ausgebildet sein oder nur einen federnden Bereich entsprechend einem Kontaktarm 73 aufweisen, und/oder ein Teil des angetriebenen Körpers 82, der die Kontaktelemente 71 verbindet, ist federnd ausgebildet.
Figur 46 zeigt ein aktives Teilmodul einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Kontaktbereiche 7 nach aussen hin wirken. Auch hier sind die Resonatorbleche 37, 37' als Elektroden eines Piezoelementes 4 an diesem angeordnet und verlaufen parallel zur Piezofläche. Die antriebswirksamen Schwingungen verlaufen aber hauptsächlich in Ebenen senkrecht zur Blechebene. Die Aufhängung der Resonatoren 3,3' geschieht an beiden Seite in der Mitte des Piezoelementes 4, senkrecht zur Längsachse der Resonatoren 3,3', und ist ebenfalls elektrisch leitend. Die Aufhängung führt jeweils zu einer einstückig angeformten Kontaktierungslasche 34. Bei Verwendung eines einzigen Piezoelementes 4 ohne Zwischenelektrode befinden sich die beiden Resonatoren 3,3' auf unterschiedlichem elektrischen Potential, weshalb die beiden Teile des passiven Elements 1, welche mit den Resonatoren in Kontakt treten, voneinander elektrisch isoliert sind. Das passive Element 1 ist nicht eingezeichnet; es umfangt die Kontaktbereiche 7 von aussen her. Nebst der Spule 35 weist das aktive Teilmodul 90 auch einen Sensor 39 auf, der elektrisch mit einer der Kontaktierungslaschen 34, 34' sowie weiteren Anschlüssen verbunden ist. Der Sensor dient zur Messung der Position des (nicht eingezeichneten) angetriebenen Körpers 82, beispielsweise gemäss einem optischen, kapazitiven oder induktiven etc. Wirkungsprinzip.
Figur 47 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Resonator 3 aus einem geschlitzten flachen Blechteil besteht. Der Schlitz trennt zwei parallele, beispielsweise im Wesentlichen rechteckige Arme 6, zwischen denen das passive Element 1 eingeklemmt ist. Zur Aufnahme des passiven Elements 1 weisen die Arme 6 jeweils an einer Stelle eine Erweiterung des Schlitzes auf, die mit der Querschnittsform des passiven Elements 1 korrespondiert. Die Kontaktbereiche 7 sind an dieser Erweiterung ausgebildet. Die Bewegung des passiven Elements 1 ist linear und/oder rotatorisch, entlang einer Achse, respektive um eine Achse, die vorzugsweise senkrecht zur Ebene der Arme 6 verläuft.
Figur 48 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Resonator 3 zwei separate Arme 6 aufweist, die jeweils lediglich aus einem flachen, ungebogenen, vorzugsweise rechteckigen Stück bestehen. Der Verbindungsbereich 10 besteht aus dem Anregungsmittel 4, beispielsweise einem Piezoelement aus einem oder mehreren Piezokristallen, die einen quaderförmigen Stapel bilden. Die Arme 6 sind an gegenüberliegenden parallelen Flächen des Piezoelementes befestigt und erstrecken sich parallel zueinander in dieselbe Richtung. An den freien Enden ist das passive Element 1 zwischen den Armen 6 angeordnet. Das passive Element 1 ist in der Figur als Rotationszylinder gezeichnet, kann aber auch eine andere zylindrische oder prismatische Form aufweisen, und kann auch eine flache Platte sein, die zwischen die Arme 6 eingeklemmt ist. Die Bewegung des passiven Elements 1 ist parallel zur Ebene der Arme 6, und vorzugsweise senkrecht zur Richtung, in welcher sich die Arme vom Verbindungsbereich 10 aus gesehen erstrecken. Sie kann aber auch parallel oder im Winkel zu dieser Richtung verlaufen. In einer anderen Variante kann auch nur ein einziger Arm 6 vorliegen.
Bei den Ausführungsformen gemäss den Figuren 47 und 48 ist das passive Element 1 alternativ auch eine Scheibe oder ein Ring und ragt, drehbar gelagert, mit seiner Peripherie zwischen die Arme 6 hinein. Damit ist auch ein sehr einfacher rotatorischer Antrieb realisierbar.
In den Ausführungsform der Erfindung gemäss den Figuren 35 bis 47 werden die Piezoelemente vorzugsweise im d31 -Modus betrieben. BEZUGSZEICHENLISTE 36 Anschlusslasche 37 Resonatorblech 1 passives Element 38 Verbindungslasche 2 aktives Element 39 Sensor 3 Resonator 40 41 Mehrfrequenz-Generator 5 4 Anregungsmittel 42 Frequenzgenerator 5 Armpaar 43 Umschalter 6 Arm 44 Verstärker 7 Kontaktbereich 45 Motor 8 Federbereich 45 46, 47 elektrische 10 9 flacher Abschnitt Anschlussleitungen 10 Verbindungsbereich 48 Linse 11 Bewegungsachse 49 Einschnitt 12 Symmetrieachse 51 Übergangsbereich 14 Öffnung 50 52 Knotenpunkt 15 15 Rotor 53 Halterung 16 Halteelement 54 Längsnut 17 B efestigungsloch 60 Trägerelement 18 verlängerte Arme 61 Verbindungsfläche 19 Haltekörper 55 freier Bereich 62 Zwischenelektrode 20 20 64, 64' Piezoplatte 21 Rillen 22 Halter 71 Kontaktelement 72 Kontaktplatte 23 Abstreifer 73 Kontaktarm 24 Reinigungsmittel 60 74 Federelement 25 25 Spule 75 Torsionsbereich 26 erster Knick 76 Befestigungsbereich 27 zweiter Knick 82 angetriebener Körper 28 Kontaktabschnitt 83 Grundkörper 29 seitlich hervorstehender Teil 65 84 Deckelteil 30 30 Ausnehmung 85 Parallelmechanik 31 Versteifungslaschen 86 Stütze mit Parallelführung 32 Aufhängung 87 Antriebshalterung 33 Basiselement 90 aktives Teilmodul 34 Kontaktierungslasche 70 35 35 Spule

Claims

PATENT ANSPRÜCHE 1. Antriebseinheit zur Bewegung eines aktiven Elements (2) bezüglich eines passiven Elements (1), wobei das aktive Element (2) einen Resonator (3) und mindestens ein Anregungsmittel (4) zur Anregung von Oszillationen des Resonators (3) aufweist, der Resonator (3) Kontaktbereiche (7) zum Ausüben von Kräften auf das passive Element (1) aufweist, und das aktive Element (2) bezüglich des passiven Elements (1) durch oszillierende Bewegungen der Kontaktbereiche (7) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) mindestens zwei Arme (6), vorzugsweise ein Paar (5) von Armen (6) aufweist, und die mindestens zwei Arme (6) ausgehend von einem Verbindungsbereich (10) des Resonators (3) an derselben Seite des Resonators (3) ausgebildet sind, an den äusseren Enden der Arme (6) jeweils die Kontaktbereiche (7) ausgebildet sind, die Kontaktbereiche (7) durch oszillierende Bewegungen des Armpaares (5) aufeinander zu respektive voneinander weg bewegbar sind und dabei eine Relativbewegung des passiven Elements (1) bezüglich des aktiven Elements (2) bewirkbar ist.
2. Antriebseinheit gemäss Anspruch 1 , wobei das mindestens eine Armpaar (5) im Wesentlichen symmetrisch geformt ist und die Kontaktbereiche (7) eines Armpaares (5) einander bezüglich des Armpaares (5) symmetrisch gegenüberliegen.
3. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei die Kontaktbereiche (7) eines Armpaares (5) und das passive Element (2) in einem Ruhezustand einander entgegenwirkende Vorspannkräfte aufeinander ausüben.
4. Antriebseinheit gemäss Anspruch 3, wobei die Arme (6) eines Armpaars (5) das passive Element (1) umschliessen und die Kontaktbereiche (7) im Ruhezustand jeweils eine Kraft nach innen auf das passive Element (1) ausüben.
5. Antriebseinheit gemäss Anspruch 3, wobei das passive Element (1) die Arme (6) eines Armpaars (5) umschliesst und die Kontaktbereiche (7) im Ruhezustand jeweils eine Kraft nach aussen auf das passive Element (1) ausüben.
6. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei in einem Betriebszustand, in einer orthogonal zur Bewegungsachse (11) verlaufenden Ebene, einander entgegenwirkende Kräfte durch die Kontaktbereiche (7) auf das passive Element (1) ausübbar sind.
7. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei die Antriebseinheit einen Linearantrieb bildet.
8. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche , wobei der Resonator (3) mindestens einen flachen Abschnitt (9) aufweist, das mindestens eine Anregungsmittel (4) auf dem mindestens einen flachen Abschnitt (9) angebracht ist, das mindestens eine Anregungsmittel (4) entsprechend seiner Flächigkeit eine Ebene des mindestens einen Anregungsmittels (4) definiert, die Arme (6) ebenfalls flächig geformt sind und die Fläche der Arme (6) im Wesentlichen parallel zum flachen Abschnitt (9) und zum Anregungsmittel (4) verläuft.
9. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei der Resonator (3) mindestens einen flachen Abschnitt (9) aufweist, das mindestens eine Anregungsmittel (4) auf dem mindestens einen flachen Abschnitt (9) angebracht ist, das mindestens eine Anregungsmittel (4) entsprechend seiner Flächigkeit eine Ebene des mindestens einen Anregungsmittels (4) definiert, antriebswirksame Komponenten einer Bewegung von einzelnen Materialpunkten der Kontaktbereiche (7) im Wesentlichen parallel zum flachen Abschnitt (9) und zum Anregungsmittel (4) verlaufen.
10. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei der Resonator (3) mindestens einen flachen Abschnitt (9) aufweist, das mindestens eine Anregungsmittel (4) auf dem mindestens einen flachen Abschnitt (9) angebracht ist, das mindestens eine Anregungsmittel (4) entsprechend seiner Flächigkeit eine Ebene des mindestens einen Anregungsmittels (4) definiert, antriebswirksame Komponenten einer Bewegung von einzelnen Materialpunkten der Kontaktbereiche (7) im Winkel, insbesondere senkrecht, zu einer Ebene des flachen Abschnitts (9) respektive des Anregungsmittels (4) verlaufen.
11. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei der Resonator (3) aus einem einzigen flachen oder stellenweise gekrümmten Teil mit im Wesentlichen gleichbleibender Dicke gebildet ist.
12. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei das passive Element (1) und das aktive Element (2) über einen Grundkörper (83) und einen angetriebenen Körper (82) federnd miteinander verbunden sind.
13. Antriebseinheit gemäss Anspruch 12, wobei das aktive Element (2) über eine Aufhängung (32) federnd mit dem Grundkörper (83) verbunden ist, und vorzugsweise diese federnde Aufhängung (32) einstückig mit dem Resonator (3) geformt ist.
14. Antriebseinheit gemäss Anspruch 13, wobei ein Anregungsmittel (4) über eine Verbindungsfläche (61) mit dem Resonator (3) verbunden ist, und die federnde Aufhängung (32) zumindest annähernd zu der Mitte der Verbindungsfläche (61) führt.
15. Antriebseinheit gemäss Anspruch 14, wobei die federnde Aufhängung (32) aus einem Abschnitt des Resonatorbleches besteht, welches zumindest annähernd in der Mitte der Verbindungsfläche (61) aus der Ebene des Resonators (3) herausgebogen ist und zu einem Basiselement (33) zur Befestigung am Grundkörper (83) fuhrt.
16. Antriebseinheit gemäss Anspruch 13, wobei ein Anregungsmittel (4) rechteckig ist und über eine rechteckige Verbindungsfläche (61) mit dem Resonator (3) verbunden ist, und mindestens eine federnde Aufhängung (32) ausgehend von einem Bereich, der zumindest annähernd in der Mitte einer Seite der rechteckigen Verbindungsfläche (61) liegt, zu einem Basiselement (33) zur Befestigung am Grundkörper (83) führt.
17. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei das passive Element (1) in sich federnd ausgebildet ist.
18. Antriebseinheit gemäss Anspruch 17, wobei das passive Element (1) bezüglich einer Bewegung im Bereich der Kontaktbereiche (7) innerhalb der Ebene des Resonators (3) und im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsachse (11) eine über 100, vorzugsweise über 1000 mal kleinere Federkonstante als der Resonator (3) aufweist.
19. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei das passive Element (1) einstückig ausgebildet ist.
20. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei das passive Element (1) mehrteilig ausgebildet ist und mindestens zwei Kontaktelemente (71) zur Übertragung von Antriebskräften von den Kontaktbereichen (7) auf einen angetriebenen Körper (82) sowie mindestens ein Federelement (74), welches die Kontaktelemente (71) in entgegengesetzte Richtungen gegen die Kontaktbereiche (7) drückt.
21. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei das passive Element (1) federnd mit dem angetriebenen Körper (82) verbunden ist, und vorzugsweise diese federnde Verbindung (73) einstückig mit einer Kontaktplatte (72) des passiven Elements (1) zur Aufnahme von Antriebskräften geformt ist.
22. Antriebseinheit gemäss gemäss Anspruch 21, wobei die federnde Verbindung (73) in einer Richtung zur Übertragung von Antriebskräften starr und in dazu orthogonalen Richtungen nachgiebig ist.
23. Antriebseinheit gemäss gemäss Anspruch 22, aufweisend Mittel zur Begrenzung von Bewegungen der federnden Verbindung (73) zur Vermeidung von Schäden bei Schlägen.
24. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, aufweisend mindestens zwei Resonatoren (3,3') mit mindestens zwei nebeneinander, vorzugsweise parallel zueinander angeordneten Armpaaren (5, 5'), welche auf dasselbe passive Element (1) wirken.
25. Antriebseinheit gemäss Anspruch 24, aufweisend mindestens ein flaches Anregungsmittel (4), welches zwischen zwei parallel zueinander angeordneten Resonatoren (3, 3') zur Anregung von Schwingungen der beiden Resonatoren (3, 3') angeordnet ist.
26. Antriebseinheit gemäss Anspruch 25, wobei der Resonator über eine elektrisch leitende Aufhängung (32) zur elektrischen Kontaktierung des Anregungsmittels (4) mit mindestens einem Basiselement (33) verbunden ist, und die leitende Aufhängung (32) und der Resonator (3) einstückig ausgebildet sind.
27. Antriebseinheit gemäss Anspruch 25 oder 26, aufweisend mindestens eine Zwischenelektrode (62) zur elektrischen Kontaktierung des Anregungsmittels (4), wobei zwischen jeweils zwei der Resonatoren (3,3') mindestens zwei Anregungsmittel (4), und jeweils zwischen zwei Anregungsmitteln (4) eine Zwischenelektrode (62) angeordnet sind.
28. Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei das passive Element (1) aus einem elektrisch leitenden Material besteht und die mindestens zwei Resonatoren (3, 3') elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
29. Antriebseinheit gemäss Anspruch 28, wobei jedem von zwei der Resonatoren (3,3') ein Basiselement (33) aus Metallblech zugeordnet ist, und mindestens eines der Basiselemente (33) zur elektrischen Kontaktierung des anderen Basiselements (33) auf dieses hin gebogen ist.
30. Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei das passive Element (1) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und die mindestens zwei Resonatoren (3, 3') elektrisch voneinander isoliert sind.
31. Antriebseinheit gemäss Anspruch 24 bis (30), wobei das passive Element (1) zwei Kontaktplatten (72) aufweist, wobei jede der Kontaktplatten (72) durch Kontaktbereiche (7) von nebeneinander liegenden Armen (6) antreibbar ist.
32. Antriebseinheit gemäss Anspruch 31, wobei die beiden Kontaktplatten (72) durch ein Federelement (74) gegen die Kontaktbereiche (7) gedrückt werden, und die Kontaktplatten (72) durch das Federelement (74) zum Ausgleich von Ungenauigkeiten verdrehbar sind.
33. Antriebseinheit gemäss Anspruch 1, wobei die Relativbewegung durch oszillierende Bewegungen des Armpaares (5) entsprechend einem Grundschwingungsmodus der Arme (6) bewirkbar ist, wobei der Grundschwingungsmodus die niedrigste Frequenz der verschiedenen Schwingungsmodi des aktiven Elements (2) aufweist.
34. Antriebseinheit gemäss Anspruch 1 oder 33, wobei der Resonator (3) mindestens einen flachen Abschnitt (9) aufweist, das mindestens eine Anregungsmittel (4) auf dem mindestens einen flachen Abschnitt (9) angebracht ist, das mindestens eine Anregungsmittel (4) entsprechend seiner Flächigkeit eine Ebene des mindestens einen Anregungsmittels (4) definiert, der Resonator (3) einen Grundschwingungsmodus aufweist, und sich in diesem Grundschwingungsmodus einzelne Materialpunkte der Kontaktbereiche (7) sich jeweils in entsprechenden, im Wesentlichen parallelen Grundschwingungsebenen bewegen, und die Grundschwingungsebenen im Winkel zu der Ebene des mindestens einen Anregungsmittels (4) verlaufen.
35. Antriebseinheit gemäss Anspruch 34, wobei die Grundschwingungsebenen und die Ebene des mindestens einen Anregungsmittels (4) im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
36. Antriebseinheit gemäss Anspruch 34 oder 35, wobei der Resonator (3) weitere ebene Abschnitte (9) aufweist welche im Wesentlichen senkrecht zu den Grundschwingungsebenen angeordnet sind.
37. Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche 33 bis 36, wobei ein Bereich jeweils eines Armes (6) als integrierter Federbereich (8) ausgebildet ist.
38. Antriebseinheit gemäss Anspruch 37, wobei der Resonator (3) einstückig ist.
39. Antriebseinheit gemäss Anspruch 37 oder 38, wobei der Resonator (3) aus einem oder mehreren gebogene Blechteilen gebildet ist.
40. Antriebseinheit gemäss Anspruch 39, wobei Federbereiche (8) durch Biegestellen der gebogenen Blechteile gebildet sind.
41. Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche 33 bis 40, wobei ein Arm (6) jeweils einen flachen Abschnitt (9) zwischen dem Federbereich (8) und dem Kontaktbereich (7) aufweist, dieser flache Abschnitt (9) in sich symmetrisch ist, und der Kontaktbereich (7) asymmetrisch bezüglich dieses flachen Abschnitts (9) geformt ist.
42. Antriebseinheit gemäss Anspruch 41, wobei die flachen Abschnitte (9) eben sind, und eine asymmetrische Ausformung senkrecht zu dieser Ebene am Ende des jeweiligen Armes (6) ausgebildet ist.
43. Antriebseinheit gemäss Anspruch 41 oder 42, wobei die flachen Abschnitte (9) eben sind, und eine asymmetrische Ausformung innerhalb dieser Ebene am Ende des jeweiligen Armes (6) ausgebildet ist.
44. Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche 41 bis 43, wobei die flachen Abschnitte (9) der beiden Arme (6) eines Armpaares (5) im Wesentlichen parallel zu einander verlaufen.
45. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei an einem Arm (6) an einem flachen Abschnitt (9) ein Anregungsmittel (4) parallel zum flachen Abschnitt (9) an diesem angebracht ist.
46. Antriebseinheit gemäss Anspruch 45, wobei das an einem Arm (6) angebrachte Anregungsmittel (4) eines ist von: • einem senkrecht zur Ebene des Anregungsmittels (4) respektive des entsprechenden flachen Abschnitts (9) polarisierten Piezoelement, welches elektrische Anschlüsse aufweist, um im (d31)-Modus betrieben zu werden, oder • einem parallel zur Ebene des Anregungsmittels (4) respektive des entsprechenden flachen Abschnitts (9) polarisierten Piezoelement, welches elektrische Anschlüsse aufweist, um im d33 -Modus betrieben zu werden, • einem im dl5-Modus betreibbaren Piezoelement (4), welches mit der dem entsprechenden Arm (6) gegenüberliegenden Fläche des Piezoelements (4) an einem Haltekörper (19) befestigt ist., • einem Körper aus magnetostriktiven Material, das zur Anregung einer Schwingung des Armes (6) konfiguriert ist, insbesondere durch Ausdehnung respektive Verkürzung innerhalb einer Ebene parallel zu jener des entsprechenden flachen Abschnitts (9), und wobei die Antriebseinheit mindestens eine Spule (25) zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Bereich des Anregungsmittels (4) aufweist.
47. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei mindestens ein Anregungsmittel (4) an einem die mindestens zwei Arme (6) eines Armpaares (5) verbindenden Verbindungsbereich (10) des Resonators (3), angeordnet ist.
48. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, aufweisend mindestens zwei Armpaare (5) welche in entgegengesetzte Richtungen zeigen und optional um eine Bewegungsachse (11) gegeneinander verdreht sind.
49. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, aufweisend mindestens zwei Armpaare (5) welche in dieselbe Richtung zeigen und um eine Bewegungsachse (11) gegeneinander verdreht sind.
50. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei an einem die mindestens zwei Arme (6) eines Armpaares (5) verbindenden Verbindungsbereich (10) eine Öffnung (14) angeordnet ist, durch welche das passive Element (1) geführt ist.
51. Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei das passive Element (1) zylinderförmig ist und die Zylinderachse im Wesentlichen mit einer Symmetrieachse des mindestens einen Armpaares (5) koinzidiert.
52. Antriebseinheit gemäss Anspruch 51 wobei das passive Element (1) eines ist von: einer Stange mit im Wesentlichen rundem Querschnitt, einer Stange mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt, oder einem Rohr.
53. Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche 1 bis 50, wobei das passive Element (1) einen rotationszylinderfÖrmigen Körper aufweist, der zwischen dem mindestens einen Armpaar (5) angeordnet ist und dessen Zylinderachse senkrecht zu einer Symmetrieachse des mindestens einen Armpaares (5) verläuft.
54. Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche 1 bis 50, wobei das passive Element (1) zwei rotationszylinderfoπnige Körper aufweist, die zwischen dem mindestens einen Armpaar (5) angeordnet sind und deren Zylinderachsen senkrecht zu einer Symmetrieachse des mindestens einen Armpaares (5) verlaufen, und wobei jeweils einer der beiden Körper jeweils einen der Arme (6) des mindestens einen Armpaares (5) kontaktiert und die beiden rotationszylinderfδrmigen Körper durch diese Arme (6) gegeneinander gedrückt sind und mit gegenläufigen Drehrichtungen rotierbar sind.
55. Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche (1) bis (54), wobei die Arme (6) flach und eben, respektive ungebogen sind, und die Arme (6) an gegenüberliegenden parallelen Flächen des Anregungsmittels (4) befestigt sind sich parallel zueinander in dieselbe Richtung erstrecken, wobei an den freien Enden das passive Element (1) zwischen den Armen (6) angeordnet ist.
56. Verfahren zur Herstellung eines Teilmoduls (90) für eine Antriebseinheit gemäss einem der bisherigen Ansprüche, aufweisend die Schritte des Aufeinanderlegens von mindestens den folgenden Teilen: • einem ersten Resonator (3); • einem Trägerelement (60); • einer ersten Piezoplatte (64); • optional einer Zwischenelektrode (62) und einer zweiten Piezoplatte (64'); • einem zweiten Resonator (3'); wobei jeweils zwischen zwei Schritten zumindest stellenweise ein elektrisch leitender Klebstoff zwischen die aufeinandergelegten Teile gebracht wird.
57. Verfahren gemäss Anspruch 56, mit dem weiteren Schritt: • Zusammendrücken der genannten Teile und Aushärten des Klebstoffes durch Erhöhen von dessen Temperatur.
58. Verfahren gemäss Anspruch 57, mit den weiteren Schritten: • Messen von Eigenschaften der bisher montierten Anordnung; • Auswählen einer Spule (35) nach Massgabe von Ergebnissen der Messung; • Verbinden einer Spule mit einer Kontaktierungslasche (34) eines der Resonatoren (3,3').
59. Verfahren zur Herstellung eines Teilmoduls (90) für eine Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche (1) bis (55), aufweisend die folgenden Schritte: • Ausstanzen eines ersten Resonators (3) mit einer Aufhängung (32), einem Basiselement (33) sowie einer ersten Kontaktierungslasche (34) aus einem Stanzstreifen, wobei eine Verbindung zum Stanzstreifen bestehen bleibt; • aufeinanderlegen und Verbinden zumindest der folgenden Bauteile: • ein Trägerelement (60) aus elektrisch isolierendem Material; • ein Anregungsmittel (4), welches den ersten Resonator elektrisch kontaktiert; • eine Elektrode (62) oder ein zweiter Resonator (3'), wobei die genannten Bauteile auf den mittels des Stanzstreifens geförderten ersten Resonator (3) aufgelegt werden.
60. Positionierungseinheit zur Positionierung eines optischen Elementes, aufweisend einen Grundkörper (83) und eine dazu verschiebbare Halterung (82), welche Halterung (82) das optische Element trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinheit eine Antriebseinheit gemäss einem der Ansprüche (1) bis (55) aufweist.
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