WO2008037629A1 - Festkörperaktor-antriebsvorrichtung - Google Patents

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WO2008037629A1
WO2008037629A1 PCT/EP2007/059845 EP2007059845W WO2008037629A1 WO 2008037629 A1 WO2008037629 A1 WO 2008037629A1 EP 2007059845 W EP2007059845 W EP 2007059845W WO 2008037629 A1 WO2008037629 A1 WO 2008037629A1
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WO
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drive body
drive
shaft
axis
body opening
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Application number
PCT/EP2007/059845
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors

Definitions

  • the invention relates to a solid-state actuator ⁇ device with the Oberbegriffliehen features according to claim 1.
  • a solid-state actuator drive device in the form of a piezoelectric drive, which is also referred to as a piezo ring motor.
  • a drive body having an annular body has a drive body opening therethrough. Through the drive body opening leads a shaft, wherein an outer circumference of the shaft is slightly smaller than an inner circumference of the drive body opening.
  • a central longitudinal and rotational axis of the shaft so- ⁇ geninate a central axis of the drive body opening is offset in that the shaft with its outer periphery in operation to supply least one point of the inner circumference of the Antriebs redesignöff ⁇ voltage positively or frictionally engaged.
  • a first and a second solid-state actuator of the drive body is drivable in a two-dimensional translational movement in a plane perpendicular to the shaft axis, whereby the shaft is set in rotation.
  • the solid-state actuator drive device as an actuator is characterized among others by a high torque, a high positioning accuracy, a flat design and inherent sensor properties.
  • FIG. 4 shows an exemplary solid-state drive ⁇ device according to the prior art.
  • a drive body 1 has a central through it leading drive body opening 2 through which a shaft leads 3, the on ⁇ drive body opening 2 has a slightly larger internal diameter 3. than an outer diameter of the shaft, the drive body opening 2 and the shaft 3 are in frictional engagement and / or positive fit to each other, so that by a transla ⁇ toric movement of the drive body 1 in a plane x, y perpendicular to a shaft axis Z * and a drive body opening axis Z, the shaft 3 is set into rotation.
  • the drive body 1 is arranged adjustable via two or more actuators 4 relative to a housing 9 in the plane x, y. By a corresponding control of the actuators 4 of the drive body 1 is placed in the translational movement.
  • the piezoelectric elements combined in the actuators generate during operation a radial pressure force circulating about the axis Z of the drive body opening 2 between the inner surface of the drive body opening 2 and the shaft of currently typically approx. 500 N - 1000 N.
  • Such high pressure forces are required to generate high drive torques of approx. 3 Nm - 10 Nm.
  • Drive body dimensions of the drive body 1 can not be belie ⁇ big reduced. If the reduction was too great, the mechanical rigidity of the drive body 1 would become too low to be able to transmit such high forces to the shaft 3.
  • the object of the invention is to provide a drive unit for a solid-state actuator drive device and a solid-state actuator drive device having such a drive unit which allow a further reduction of Ge ⁇ samtab Wegen.
  • the stability of the actual drive body for transmitting higher torques to the shaft should be improved.
  • a solid-state actuator drive device with a drive body, with a drive body is particularly preferred.
  • a first wall thickness of the drive body from the perspective of the drive body opening axis in the direction of an actuator disposed in the direction of action actuator is smaller than a second wall thickness in egg ⁇ nem from the perspective of the drive body opening axis or from the perspective of the drive body opening to the opposite area of the drive body.
  • an on ⁇ drive unit for such a solid-state actuator drive device in which a first wall thickness of the drive body from the perspective of the drive body opening axis in the direction of an arranged in its direction of action on the actuator body actuator less than a second wall thickness in this lying opposite ⁇ area of the drive body is ,
  • the first wall thickness has a smaller width or depth between the drive body opening and the actuator than in the region of the second wall thickness in the same dimension direction in the region of the drive body opposite from the viewpoint of the drive body opening axis.
  • An axis of symmetry of the actuator extending in the direction of action of the actuator preferably does not intersect the drive body opening axis in a plane of movement of the drive body.
  • the drive body opening is arranged asymmetrically offset in the drive body relative to the alignment of the actuators on the drive body.
  • the drive body opening is preferably arranged asymmetrically to the outer contour of the drive body (in the drive body.
  • the first wall thickness according to a third execution ⁇ form in the axially parallel direction to the axis Antriebsharmö Maschinens- at a lower height than the second wall thickness.
  • Solid-state actuators are not only piezoelectric solid-state actuators, but also different ones
  • Solid state actuators such as magnetostrictive or electrostrictive actuators. It is essential that they are drive systems, in particular linear drive systems, which can drive the drive bodies in a suitable translational movement in two dimensions of a plane spanned around the axes of rotation of the waves suitable. In particular, arrangements are also to be considered in which all solid state actuators are arranged axially parallel to each other on one side of the overall arrangement and set by a suitably suitable control the drive body in the required translational movement.
  • FIG. 1 is a plan view of a solid-state actuator drive device according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a plan view of a solid-state actuator drive device according to a second embodiment
  • Fig. 3 is a plan view of a drive unit of a fixed ⁇ body actuator drive device according to a third embodiment
  • Fig. 4 is a plan view of a solid-state actuator driving device according to the prior art.
  • preferred solid-state actuator drive devices consist of a large number of individual components, wherein the illustrated components can be supplemented by further components or can be exchanged for components of the same type with the same effect.
  • the same reference numerals in the representations of the various embodiments according to FIGS. 1-4 designate identical or equivalent components, features and functions, so that reference is accordingly also made to descriptions of the respective other figures.
  • the central component of the various exemplary embodiments is a drive body 1 extending in a plane x, y, through which a drive body opening 2 leads.
  • a drive body opening axis Z of the drive body opening 2 extends in a vertical direction z to the plane x, y.
  • Particularly preferred is a drive body 1 with a cuboid or square cross-section.
  • a shaft 3 at least into it.
  • the shaft 3 passes completely through the drive body opening 2, so that it can be mounted in the direction of its shaft axis Z * on both sides of the drive body 1, 1 °, 1 *.
  • the shaft axis Z * is operating position in a loading parallel to the drive body opening axis Z ge ⁇ leads, that is laterally offset from this.
  • the offset is chosen such that the shaft rests 3 with its outer periphery at least during operation in a positive and / or frictional engagement on a nen ingredient in ⁇ wall of the drive body opening. 2
  • Solid state actuators as linear acting actuators 4 are arranged between the drive body 1, 1 °, 1 * and an inner wall of a housing 9.
  • the actuators 4 serve in a manner known per se the drive body 1, 1 °, 1 * relative to the shaft 3, in particular relative to the housing 9 in the plane x, y perpendicular to the drive body opening axis Z in ei ⁇ ne translational movement to offset so that thereby the shaft 3 is set in a rotation about the shaft axis Z *.
  • actuators 4 are preferably monolithic piezoelectric multilayer actuators are used, which are preferably set by means of suitable measures under a mechanical compression bias.
  • the actuators 4 consist for example of a plurality of individual piezoelectric elements 5, which are clamped between two caps 6, 7. By way of example, one or more bands 8, these actuators 4 in the plane x, y against each side wall of the drive body 1, 1 °, 1 * stretched.
  • the attachment of the actuators 4 to the drive body 1, 1 °, 1 * and to the housing 9, however, can in principle be done in other ways.
  • Drive body 1 °, 1 * is preferably such that a symmetry line extending in expansion or contraction direction x or y of the actuators 4 intersects the drive body opening axis Z.
  • FIGS. 1-3 have in common that a wall thickness of the drive body 1, 1 °, 1 * in the plane x, y, that is in the radial direction of the drive body opening axis Z from the viewpoint of the drive body opening axis Z or the drive body opening 2 is not symmetrical.
  • a wall thickness of the drive body 1, 1 °, 1 * in the plane x, y that is in the radial direction of the drive body opening axis Z from the viewpoint of the drive body opening axis Z or the drive body opening 2 is not symmetrical.
  • one of the actuators 4 facing portion of the drive body 1, 1 °, 1 * has a smaller wall thickness, than on the opposite of view of the drive body opening axis Z side of the drive body 1, 1 °, 1 * .
  • Such a dimensioning or design of the drive body 1, 1 °, 1 * relative to the actuators 4 allows a further space reduction.
  • the wall thickness is increased by the fact that the width or Tie ⁇ fe of the drive body 1, l ° formed in the plane x, y perpendicular to the drive body opening axis Z on the respective actuators 4 opposite sides larger.
  • the structural outlined increasing the wall thickness is thereby he ⁇ sufficient that the wall thickness in its height z2 of Antriebskör- pers 1 * parallel to the drive body opening axis Z on the opposite sides of the actuators 4 of the drive body opening axis Z is formed higher.
  • a combination of the various aspects of these three embodiments is basically the ⁇ special implement.
  • this ratio of small wall thicknesses x1, y2 in sections of the drive body 1 ° is opposite to sides facing the actuators 4
  • the actuators 4 in comparison to the embodiment of FIG. 1 also has a non-symmetrically centered in the drive ⁇ body 1, 1 ° drive body opening 2.
  • the embodiment according to FIG. 2 offers the advantage that in this arrangement a line of symmetry 1 extending in the direction of action of the actuators 4 intersects the drive body opening axis Z, so that a symmetrical force transmission from the actuators 4 to the drive body 1 ° and to the drive body opening 2 he follows.
  • FIG. 1 a line of symmetry 1 extending in the direction of action of the actuators 4 intersects the drive body opening axis Z, so that a symmetrical force transmission from the actuators 4 to the drive body 1 ° and to the drive body opening 2 he follows.
  • the drive body 1 * has a smaller wall thickness z 1 in the vertical direction on the sides facing the actuators 4, ie parallel to the drive body opening axis Z than in the case of the wall thickness z 2 of the section of FIG Drive body 1 *, which is opposite to the corresponding actuator 4 from the perspective of the drive body opening axis Z.
  • the different wall thicknesses of the various embodiments thus result from a displacement of the drive body opening 2 from a symmetrical within the drive body 1 position, by the addition of lateral strip-shaped sections on the actuators 4 opposite portions of the drive body 1 ° or by increasing the wall thickness in the axially parallel direction of the drive body opening axis Z of the actuator 4 from gels ⁇ genes wall portions of the drive body 1 *.
  • An optimal geometry of the drive body 1, 1 °, 1 *, which allows a predetermined high rigidity with respect to the acting circumferential force in the region of the drive body opening 2 with the least possible use of material can be found in particular with known means of numerical simulations.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einem Antriebskörper (1; 1°; 1*), mit einer Antriebskörperöffnung (2) mit einer Antriebskörperöffnungsachse (Z) in dem Antriebskörper (1; 1°; 1*), mit einer Welle (3), mit einer Wellenachse, wobei die Welle (3) zumindest teilweise in die Antriebskörperöffnung (2) hineinragt, und mit Aktoren (4) als Festkörperaktoren zum Erregen des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) und der Welle (3) relativ zueinander zum Versetzen der Welle (3) in eine Rotation relativ zum Antriebskörper (1; 1°; 1*) um die Wellenachse. Vorteilhaft wird diese dadurch, dass eine erste Wandstärke (xl, y2; zl) des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse (Z) in Richtung eines am Antriebskörper (1; 1°; 1*) in dessen Wirkrichtung angeordneten der Aktoren (4) kleiner als eine zweite Wandstärke (x2, yl; z2) in einem aus Sicht der Antriebskörperöf fnungsachse (Z) oder aus Sicht der Antriebskörperöffnung (2) dazu gegenüberliegenden Bereich des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) ist. Eigenständig vorteilhaft ist eine Antriebseinheit für eine solche Festkörperaktorantriebsvorrichtung.

Description

Beschreibung
Festkörperaktor-AntriebsVorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebs¬ vorrichtung mit den Oberbegriffliehen Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
DE 199 52 946 Al beschreibt eine Festkörperaktor-Antriebs- Vorrichtung in Form eines piezoelektrischen Antriebs, der auch als Piezoringmotor bezeichnet wird. Ein Antriebskörper, welcher einen ringförmigen Körper aufweist, hat eine durch diesen hindurchführende Antriebskörperöffnung. Durch die Antriebskörperöffnung führt eine Welle, wobei ein Außenumfang der Welle geringfügig geringer als ein Innenumfang der Antriebskörperöffnung ist. Im Betrieb zum Antreiben der Welle ist eine zentrale Längs- bzw. Rotationsachse der Welle so ge¬ genüber einer zentralen Achse der Antriebskörperöffnung versetzt, dass die Welle mit ihrem Außenumfang im Betrieb an zu- mindest einem Punkt des Innenumfangs der Antriebskörperöff¬ nung form- oder reibschlüssig anliegt. Mittels eines ersten und eines zweiten Festkörper-Aktors ist der Antriebskörper in eine zweidimensionale translatorische Bewegung in einer Ebene senkrecht zu der Wellenachse antreibbar, wodurch die Welle in Rotation versetzt wird.
Die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung als ein Stellantrieb zeichnet sich unter anderem durch ein hohes Drehmoment, eine hohe Stellgenauigkeit, eine flache Bauform und inhärente Sen- soreigenschaften aus.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Festkörperaktor-Antriebs¬ vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Ein Antriebskörper 1 weist eine zentrale durch diesen hindurchführende Antriebs- körperöffnung 2 auf, durch welche eine Welle 3 führt, die An¬ triebskörperöffnung 2 hat einen geringfügig größeren Innendurchmesser als ein Außendurchmesser der Welle 3. Die Antriebskörperöffnung 2 und die Welle 3 stehen in Reibschluss und/oder Formschluss zueinander, so dass durch eine transla¬ torische Bewegung des Antriebskörpers 1 in einer Ebene x, y senkrecht zu einer Wellenachse Z* und einer Antriebskörper- Öffnungsachse Z die Welle 3 in eine Rotation versetzbar ist. Der Antriebskörper 1 ist über zwei oder mehr Aktoren 4 gegenüber einem Gehäuse 9 in der Ebene x, y verstellbar angeordnet. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktoren 4 wird der Antriebskörper 1 in die translatorische Bewegung versetzt .
Wie aus Fig. 4 erkennbar ist, weisen derartige Anordnungen insbesondere auch mit Blick auf den eigentlichen Antriebskörper 1 einen hohen Grad an Symmetrie auf. So hat der darge¬ stellte typische Antriebskörper 1 in Draufsicht die Form ei- nes Quadrates mit einer symmetrisch in diesem angeordneten zylindrischen Bohrung. Der Diagonalen-Schnittpunkt des Quad¬ rates schneidet somit die Achse Z der Antriebskörperöffnung 2. Üblicherweise ist die Kraftübertragung der radialen Um- fangskraft zwischen der Antriebskörperöffnung 2 und der Welle 3 nahezu unabhängig von der Berührungsposition am Umfang der Antriebskörperöffnung 2, wenn der Antriebskörper 1 sehr steif gebaut ist. Dies ist insbesondere im Fall einer sehr hohen Antriebskörperhöhe und z. B. bei einer Kantenlänge des Quad¬ rates mehr als doppelt so lang wie der Durchmesser der An- triebskörperöffnung 2 gegeben.
Bei anfänglichen Entwicklungen derartiger Festkörperaktor- Antriebsvorrichtungen lag der Schwerpunkt auf der Sicherstel¬ lung einer zuverlässigen Funktion. Randbedingungen hinsicht- lieh des benötigten Bauraums innerhalb des Gehäuses traten diesbezüglich in den Hintergrund. Im Rahmen von Weiterentwicklungen einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung wurden Anordnungen entwickelt, welche unter Beibehaltung der erreichten Leistungsdaten eine Reduzierung des Bauraums und der zu bewegenden Masse bezweckten. Aus Anwendersicht erschienen insbesondere solche Reduzierungen vorteilhaft für weitere Applikationen. Bauraum-Reduktionen zielten dabei auf die Abmessungen des Antriebskörpers und von Halteelementen sowie auf die Gehäuse-Dimensionen.
Unter der notwendigen Voraussetzung, dass der Antriebskörper eine wesentlich höhere mechanische Steifigkeit aufweisen soll als die Aktoren, generieren die in den Aktoren zusammenge- fassten piezoelektrischen Elemente während des Betriebs eine um die Achse Z der Antriebskörperöffnung 2 umlaufende radiale Andruckkraft zwischen der Innenfläche der Antriebskörperöff- nung 2 und der Welle von derzeit typischerweise ca. 500 N - 1000 N. Zur Erzeugung hoher Antriebsdrehmomente von ca. 3 Nm - 10 Nm sind derart hohe Andruckkräfte erforderlich.
Nachteilhaft mit Blick auf weitere Reduzierungsmöglichkeiten der Abmessungen einer solchen Gesamtanordnung ist, dass die
Antriebskörper-Abmessungen des Antriebskörpers 1 nicht belie¬ big reduziert werden können. Bei einer zu großen Reduzierung würde die mechanische Steifigkeit des Antriebskörpers 1 zu gering werden, um derart hohe Kräfte auf die Welle 3 übertra- gen zu können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebseinheit für eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung und eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer solchen Antriebs- einheit vorzuschlagen, welche eine weitere Reduktion der Ge¬ samtabmessungen ermöglichen. Außerdem soll die Stabilität des eigentlichen Antriebskörpers zur Übertragung höherer Drehmomente auf die Welle verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch eine Antriebseinheit für eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger An- Sprüche.
Bevorzugt wird demgemäß insbesondere eine Festkörperaktor- Antriebsvorrichtung mit einem Antriebskörper, mit einer An- triebskörperöffnung mit einer Antriebskörperöffnungsachse in dem Antriebskörper, mit einer Welle, mit einer Wellenachse, wobei die Welle zumindest teilweise in die Antriebskörperöff¬ nung hineinragt, und mit Aktoren als Festkörperaktoren zum Erregen des Antriebskörpers und der Welle relativ zueinander zum Versetzen der Welle in eine Rotation relativ zum Antriebskörper um die Wellenachse, welche dabei vorzugsweise so genau wie möglich parallel zur Antriebskörperachse verläuft. Vorteilhaft wird diese dadurch, dass eine erste Wandstärke des Antriebskörpers aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse in Richtung eines am Antriebskörper in dessen Wirkrichtung angeordneten Aktors kleiner als eine zweite Wandstärke in ei¬ nem aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse oder aus Sicht der Antriebskörperöffnung dazu gegenüberliegenden Bereich des Antriebskörpers ist. Eigenständig vorteilhaft ist eine An¬ triebseinheit für eine solche Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, bei der eine erste Wandstärke des Antriebskörpers aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse in Richtung eines am Antriebskörper in dessen Wirkrichtung angeordneten Aktors kleiner als eine zweite Wandstärke in einem dazu gegenüber¬ liegenden Bereich des Antriebskörpers ist.
Die erste Wandstärke weist gemäß einer ersten Ausführungsform eine geringere Breite bzw. Tiefe zwischen der Antriebskörper- Öffnung und dem Aktor auf als im Bereich der zweiten Wandstärke in gleicher Dimensionsrichtung in dem aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse gegenüberliegenden Bereich des Antriebskörpers. Eine in Wirkrichtung des Aktors verlaufende Symmetrieachse des Aktors verläuft dabei vorzugsweise in ei- ner Bewegungsebene des Antriebskörpers die Antriebskörperöff- nungsachse nicht schneidend.
Die Antriebskörperöffnung ist gemäß einer zweiten Ausführungsform relativ zur Ausrichtung der Aktoren am Antriebskör- per asymmetrisch versetzt im Antriebskörper angeordnet. Die Antriebskörperöffnung ist vorzugsweise asymmetrisch zur Außenkontur des Antriebskörpers (im Antriebskörper angeordnet .
Die erste Wandstärke weist gemäß einer dritten Ausführungs¬ form in achsparalleler Richtung zur Antriebskörperöffnungs- achse eine geringere Höhe als die zweite Wandstärke auf.
Unter Festkörperaktoren sind nicht nur piezo-elektrische Festkörperaktoren zu verstehen, sondern auch andersartige
Festkörperaktoren, wie beispielsweise magnetostriktive oder elektrostriktive Aktoren. Wesentlich ist, dass es sich um Antriebssysteme, insbesondere lineare Antriebssysteme handelt, welche die Antriebskörper in eine geeignete translatorische Bewegung in zwei Dimensionen einer aufgespannten Ebene um die Rotationsachsen der Wellen herum geeignet antreiben können. Insbesondere sind dabei auch Anordnungen zu berücksichtigen, bei welchen alle Festkörperaktoren achsparallel zueinander auf einer Seite der Gesamtanordnung angeordnet sind und durch eine entsprechend geeignete Ansteuerung den Antriebskörper in die erforderliche translatorische Bewegung setzen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Festkörperaktor-Antriebsvor- richtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Antriebseinheit einer Fest¬ körperaktor-Antriebsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform und
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Wie dies aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, bestehen beispielhaft bevorzugte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtungen aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, wobei die dargestellten Komponenten um weitere Komponenten ergänzbar sind bzw. gegen gleich wirkende Komponenten anderer Bauart austauschbar sind. Gleiche Bezugszeichen in den Darstellungen der verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Fig. 1 - 4 bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Komponenten, Merkmale und Funktionen, so dass entsprechend auch auf Beschreibungen der jeweils anderen Figuren Bezug nehmbar ist.
Zentrale Komponente der verschiedenen Ausführungsbeispiele ist ein sich in einer Ebene x, y erstreckender Antriebskörper 1, durch welchen eine Antriebskörperöffnung 2 führt. Eine An- triebskörperöffnungsachse Z der Antriebskörperöffnung 2 erstreckt sich in einer senkrechten Richtung z zu der Ebene x, y. Besonders bevorzugt wird ein Antriebskörper 1 mit einem quaderförmigen oder quadratischen Querschnitt.
In die Antriebskörperöffnung 2 führt eine Welle 3 zumindest hinein. Vorzugsweise führt die Welle 3 vollständig durch die Antriebskörperöffnung 2 hindurch, so dass sie in Richtung ihrer Wellenachse Z* beidseitig des Antriebskörpers 1, 1°, 1* gelagert werden kann. Die Wellenachse Z* ist in einer Be- triebsstellung parallel zur Antriebskörperöffnungsachse Z ge¬ führt, d.h. seitlich zu dieser versetzt. Der Versatz ist derart gewählt, dass die Welle 3 mit ihrem Außenumfang zumindest im Betrieb formschlüssig und/oder reibschlüssig an einer in¬ nenseitigen Wandung der Antriebskörperöffnung 2 anliegt.
Festkörperaktoren als linear wirkende Aktoren 4 sind zwischen dem Antriebskörper 1, 1°, 1* und einer Innenwandung eines Gehäuses 9 angeordnet. Die Aktoren 4 dienen dazu, in für sich bekannter Art und Weise den Antriebskörper 1, 1°, 1* relativ zu der Welle 3, insbesondere relativ zu dem Gehäuse 9 in der Ebene x, y senkrecht zur Antriebskörperöffnungsachse Z in ei¬ ne translatorische Bewegung zu versetzen, so dass dadurch die Welle 3 in eine Rotation um die Wellenachse Z* versetzt wird. Als Aktoren 4 kommen bevorzugt monolithische piezoelektrische Vielschichtaktoren zum Einsatz, die vorzugsweise mit Hilfe geeigneter Maßnahmen unter eine mechanische Druckvorspannung gesetzt werden.
Die Aktoren 4 bestehen beispielsweise aus einer Vielzahl einzelner piezoelektrischer Elemente 5, welche zwischen zwei Kappen 6, 7 eingespannt sind. Mittels beispielsweise eines oder mehrerer Bänder 8 sind diese Aktoren 4 in der Ebene x, y gegen jeweils eine seitliche Wandung des Antriebskörpers 1, 1°, 1* gespannt. Die Befestigung der Aktoren 4 an dem Antriebskörper 1, 1°, 1* und an dem Gehäuse 9 kann jedoch prinzipiell auch in anderer Art und Weise erfolgen. Die Ausrich- tung der Aktoren 4 relativ zur Antriebskörperöffnung 2 des
Antriebskörpers 1°, 1* erfolgt bevorzugt so, dass eine in Ex- pansions- bzw. Kontraktionsrichtung x bzw. y der Aktoren 4 verlaufende Symmetrie-Linie die Antriebskörperöffnungsachse Z schneidet .
Die beispielhaften Ausführungsformen der Fig. 1 - 3 haben gemeinsam, dass eine Wandstärke des Antriebskörpers 1, 1°, 1* in der Ebene x, y, das heißt in radialer Richtung der Antriebskörperöffnungsachse Z aus Sicht der Antriebskörperöff- nungsachse Z bzw. der Antriebskörperöffnung 2 nicht symmetrisch ist. In den aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z jeweils einem der Aktoren 4 zugewandten Abschnitt weist der Antriebskörper 1, 1°, 1* eine geringere Wandstärke auf, als auf der aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z gegenü- berliegenden Seite des Antriebskörpers 1, 1°, 1*. Eine solche Dimensionierung bzw. Ausgestaltung des Antriebskörpers 1, 1°, 1* relativ zu den Aktoren 4 ermöglicht eine weitere Bauraum- Reduzierung .
Befindet sich der Kontaktpunkt zwischen der Welle 3 und der Innenwandung der Antriebskörperöffnung 2 aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z in Richtung eines der Aktoren 4, so erfolgt die Kraftübertragung unter Beibehaltung einer ho- hen Steifigkeit, da der entsprechende Aktor 4 den Antriebs¬ körper 1, 1°, 1* auch über den Abschnitt mit der geringeren Wandstärke gegen die Welle 3 drückt und die unter hoher me¬ chanischer Vorspannkraft am Antriebskörper 1, 1°, 1* anlie- gende Keramik des Festkörperaktors diesen Antriebskörperbe¬ reich des Antriebskörpers 1, 1°, 1* stützt.
Befindet sich der Kontakt- bzw. Berührungspunkt zwischen der Welle 3 und der Innenwandung der Antriebskörperöffnung 2 hin- gegen auf der aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z ei¬ nem der Aktoren 4 gegenüberliegenden Seite des Antriebskörpers 1, entfällt diese stützende Wirkung. Ein dünnwandiger Antriebskörperabschnitt mit einer geringen Wandstärke würde in diesem Bereich eine wesentlich geringere mechanische Stei- figkeit aufweisen, so dass aufgrund von Elastizitätsverlus¬ ten, die durch die Aktoren 4 erzeugbaren und zur Erreichung der geforderten Antriebsdrehmomente notwendigen Andruckkräfte aufgrund der geringeren mechanischen Steifigkeit nicht mehr erreicht werden. Um dies auszugleichen, wird die Wandstärke in einem solchen Bereich, welcher von den Aktoren 4 aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z abgewandt ist, entsprechend größer dimensioniert. Mit anderen Worten wird von einer üblichen symmetrischen Ausgestaltung des Antriebskörpers und der darin angeordneten Antriebskörperöffnung 2 gezielt abgewi- chen, um die Struktur an derartigen strukturellen Schwachstellen in den von Aktoren 4 abgewandten Bereichen durch eine lokale Verstärkung der Struktur des Antriebskörpers 1, 1°, 1* zu verstärken.
Anhand der ersten beiden bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Wandstärke dadurch erhöht, dass die Breite bzw. Tie¬ fe des Antriebskörpers 1, l°in der Ebene x, y senkrecht zur Antriebskörperöffnungsachse Z auf den jeweiligen Aktoren 4 gegenüberliegenden Seiten größer ausgebildet wird.
Gemäß der dritten anhand Fig. 3 skizzierten Ausführungsform wird die strukturelle Erhöhung der Wandstärke dadurch er¬ reicht, dass die Wandstärke in ihrer Höhe z2 des Antriebskör- pers 1* parallel zur Antriebskörperöffnungsachse Z auf den den Aktoren 4 gegenüberliegenden Seiten der Antriebskörper- Öffnungsachse Z höher ausgebildet wird. Prinzipiell ist ins¬ besondere auch eine Kombination der verschiedenen Aspekte dieser drei Ausführungsformen umsetzbar.
Während bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 die Breite xl, x2 bzw. Tiefe yl, y2 der Wandungsabschnitte des Antriebskörpers 1 auf den aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z den Ak- toren 4 zugewandten und auch den Aktoren 4 abgewandten Seiten gleich ist, ist bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 und 2 durch eine Verlagerung der Antriebskörperöffnung 2 und damit auch der Antriebskörperöffnungsachse Z im Antriebskörper 1 in der Ebene x, y senkrecht zur Antriebskörperöffnungsachse Z diese Gleichheit nicht mehr gegeben.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind die Abschnitte des Antriebskörpers 1, welche auf den aus Sicht der Antriebskör¬ peröffnungsachse Z den Aktoren 4 zugewandten Seite liegen, mit einer geringeren Wandstärke xl, y2 ausgebildet als die diesen gegenüberliegenden Wandstärken x2 bzw. yl .
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird dieses Verhältnis geringer Wandstärken xl, y2 in Abschnitten des Antriebskör- pers 1° auf den Aktoren 4 zugewandten Seiten gegenüber aus
Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z den Aktoren 4 gegenü¬ berliegenden Seiten größer dimensionierten Wandstärken x2 bzw. yl dadurch erreicht, dass der Antriebskörper 1° in diesen Richtungen breiter dimensioniert ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ebenfalls eine nicht symmetrisch mittig im Antriebs¬ körper 1, 1° liegende Antriebskörperöffnung 2 auf. Jedoch bietet die Ausführungsform gemäß Fig. 2 den Vorteil, dass bei dieser Anordnung eine in Wirkrichtung der Aktoren 4 verlau- fende Symmetrielinie 1 die Antriebskörperöffnungsachse Z schneidet, so dass eine symmetrische Kraftübertragung von den Aktoren 4 auf den Antriebskörper 1° und auf die Antriebskörperöffnung 2 erfolgt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist der Antriebskörper 1* auf den aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse Z den Aktoren 4 zugewandten Seiten eine geringere Wandstärke zl in Höhenrichtung auf, das heißt parallel zur Antriebskörperöff- nungsachse Z, als im Fall der Wandstärke z2 des Abschnitts des Antriebskörpers 1*, welcher aus Sicht der Antriebskörper- Öffnungsachse Z dem entsprechenden Aktor 4 gegenüberliegt.
Die unterschiedlichen Wandstärken der verschiedenen Ausführungsformen ergeben sich somit durch eine Verlagerung der Antriebskörperöffnung 2 aus einer innerhalb des Antriebskörpers 1 symmetrischen Lage heraus, durch das Anfügen seitlicher z.B. streifenförmiger Abschnitte auf den Aktoren 4 gegenüber- liegenden Abschnitten des Antriebskörpers 1° bzw. durch eine Erhöhung der Wandstärke in achsparalleler Richtung zur Antriebskörperöffnungsachse Z auf den Aktoren 4 gegenüber gele¬ genen Wandabschnitten des Antriebskörpers 1*. Eine optimale Geometrie des Antriebskörpers 1, 1°, 1*, welche bei möglichst geringem Materialeinsatz eine vorgegebene hohe Steifigkeit bezüglich der wirkenden Umfangskraft im Bereich der Antriebskörperöffnung 2 ermöglicht, lässt sich insbesondere mit für sich bekannten Mitteln numerischer Simulationen finden.

Claims

Patentansprüche
1. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit
- einem Antriebskörper (1; 1°; 1*), - einer Antriebskörperöffnung (2) mit einer Antriebskörper- Öffnungsachse (Z) in dem Antriebskörper (1; 1°; 1*),
- einer Welle (3) mit einer Wellenachse (Z*), wobei die Welle (3) zumindest teilweise in die Antriebskörperöffnung (2) hineinragt, und - Aktoren (4) als Festkörperaktoren zum Erregen des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) und der Welle (3) relativ zueinander zum Versetzen der Welle (3) in eine Rotation relativ zum Antriebskörper (1; 1°; 1*) um die Wellensachse (Z*), dadurch gekennzeichnet, dass - eine erste Wandstärke (xl, y2; z2) des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse (Z) in Richtung eines am Antriebskörper (1; 1°; 1*) in dessen Wirkrichtung angeordneten der Aktoren (4) kleiner als eine zweite Wandstärke (x2, yl; z2) in einem aus Sicht der Antriebskör- peröffnungsachse (Z) oder aus Sicht der Antriebskörperöffnung (2) dazu gegenüberliegenden Bereich des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) ist.
2. Antriebseinheit für eine Festkörperaktor- Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, mit
- einem Antriebskörper (1; 1°; 1*),
- einer Antriebskörperöffnung (2) mit einer Antriebskörper- Öffnungsachse (Z) in dem Antriebskörper (1; 1°; 1*),
- einer Welle (3) mit einer Wellenachse (Z*), wobei die Welle (3) zumindest teilweise in die Antriebskörperöffnung (2) hineinragt, und
- Aktoren (4) als Festkörperaktoren zum Erregen des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) und der Welle (3) relativ zueinander zum Versetzen der Welle (3) in eine Rotation relativ zum An- triebskörper (1; 1°; 1*) um die Wellenachse (Z*), dadurch gekennzeichnet, dass
- eine erste Wandstärke (xl, y2; zl) des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse (Z) in Richtung eines am Antriebskörper (1; 1°; 1*) in dessen Wirkrichtung angeordneten der Aktoren (4) kleiner als eine zweite Wandstärke (x2, yl; z2) in einem dazu gegenüberliegenden Bereich des Antriebskörpers (1; 1°; 1*) ist.
3. Antriebseinheit nach Anspruch 2, bei der die erste Wand¬ stärke (xl, y2) eine geringere Breite bzw. Tiefe zwischen der Antriebskörperöffnung (2) und dem Aktor (4) aufweist als im Bereich der zweiten Wandstärke (x2, yl) in dem aus Sicht der Antriebskörperöffnungsachse (Z) gegenüberliegenden Bereich des Antriebskörpers (1; 1°).
4. Antriebseinheit nach Anspruch 3, bei der eine in Wirk¬ richtung des Aktors (4) verlaufende Symmetrieachse (1) des Aktors (4) in einer Bewegungsebene (x, y) des Antriebskörpers (1) die Antriebskörperöffnungsachse (Z) nicht schneidend ver¬ läuft.
5. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Antriebskörperöffnung (2) relativ zur Ausrichtung der Aktoren (4) am Antriebskörper (1) asymmetrisch versetzt im Antriebskörper (1) angeordnet ist.
6. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die Antriebskörperöffnung (2) asymmetrisch zur Außenkontur des Antriebskörpers (1; 1°) im Antriebskörper angeordnet ist .
7. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der die erste Wandstärke (zl) in achsparalleler Richtung zur
Antriebskörperöffnungsachse (Z) eine geringere Höhe als die zweite Wandstärke (z2) aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3719362A1 (de) * 1986-06-11 1987-12-17 Canon Kk Drehstellmotor
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DE4435996A1 (de) * 1994-10-08 1996-04-11 Bosch Gmbh Robert Drehantrieb

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