WO2008141884A1 - Elektromechanischer motor, insbesondere piezoelektrischer mikroschrittantrieb - Google Patents

Elektromechanischer motor, insbesondere piezoelektrischer mikroschrittantrieb Download PDF

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WO2008141884A1
WO2008141884A1 PCT/EP2008/054900 EP2008054900W WO2008141884A1 WO 2008141884 A1 WO2008141884 A1 WO 2008141884A1 EP 2008054900 W EP2008054900 W EP 2008054900W WO 2008141884 A1 WO2008141884 A1 WO 2008141884A1
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WO
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drive
shaft
drive ring
electromechanical
motor according
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PCT/EP2008/054900
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich-Jochen Blume
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Robert Wolfgang Kissel
Karl-Heinz Mittenbühler
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
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

  • Electromechanical motor in particular piezoelectric micro-stepper drive
  • the present invention relates to an electromechanical motor, in particular a piezoelectric actuator.
  • the cockpit of a motor vehicle tries to realize an optimal interplay of design and technology.
  • various pointer instruments In the driver's field of vision are various pointer instruments. These pointer instruments must meet different technical requirements as well as have a competitive price for the mass production of motor vehicles.
  • An example of such a pointer instrument is the "Messtechnik 2000" from Siemens VDO.
  • the "Messtechnik 2000” is based on a stepped motor drive with a single-stage worm gear drive.
  • the four-pole stepping motor is controlled by two sinusoidal coil current profiles phase-shifted by 90 ° in phase angle with each other as a function of time.
  • the sign of the phase shift determines the direction of rotation and the frequency the rotational speed of the motor shaft.
  • Within a full period of 360 ° of the sinusoidal current curves up to 128 intermediate stages can be set reproducibly. The use of these intermediates is called microstepping.
  • the stepper motor itself is composed of two coils with a common stator plate and a permanent magnet rotor.
  • the coils and the permanent magnet are the most significant.
  • Decisive for the price are, in addition to the cost of materials, also the production costs, which increase approximately propor ⁇ tional to the number of components of the actuator.
  • EP 1 098 429 B1 discloses an electromechanical motor operating according to a new motor principle, that is to say without rotating coils, in which a drive ring is circumferentially displaced during operation by a time-shifted actuation of at least two electromechanical drive elements.
  • piezoelectric, magnetostrictive, electrostrictive or electrodynamically driven actuator can be caused, so that in terms of material costs and manufacturing costs better suitable for mass production Stel lantrieb results.
  • the piezoelectric actuators are mounted on the drive ⁇ ring so that their respective stroke acts radially on the on ⁇ drive ring, where appropriate, further measures are taken to achieve the most symmetrical introduction of force ⁇ tion on the drive ring.
  • the object of the present invention is to provide a stepper drive, which is optimized with regard to the number of parts, production outlay, space requirement and functionality, in particular a miniature actuator for measuring mechanisms of cockpit instruments.
  • This object is achieved by an electromechanical motor, in particular a piezoelectric micro-stepping motor, according to claim 1.
  • the electromechanical step drive according to the invention has the following features:
  • drive elements can advantageously be arranged along the outer sides and shorter ones along the inner sides, that is to say in the interior, of the square frame structure.
  • the inventive stepper drive is further characterized by a very small number of simple components, so that it is particularly suitable for mass production. Furthermore, a occurring due to differential thermal expansion of plastic and actuator thermal detuning of the drive is safely intercepted constructive.
  • positive locking, z. B. by means of a formed between the drive ring and shaft teeth, a very high positioning accuracy of the inventive drive is achieved in the purely controlled operation, without having to take sensors and a control loop to complete.
  • the square frame structure consists of four anna arranged in the corners of a square corner elements, each connected by a pair of approximately parallel bar elements, wherein the connection of the rod elements to the corner elements is in each case by a Festkorpergelenk, and wherein a corner element is rigidly connected to the drive ring.
  • the pairwise approximately parallel arrangement of the rod elements in combination with their connection to the corner elements by Festkorpergelenke has the consequence that the ⁇ formed from approximately square frame structure easily (ie almost force-free) can be deformed in any direction of the plane in the form of a shear , A torsion of any two corner elements relative to each other, however, opposes the thus formed square frame structure high resistance. If a corner element fixed, z.
  • the drive ring is rigidly connected to this translatable corner element.
  • the drive ring is thus also easily displaced but not rotatable.
  • Each torque acting on it is absorbed by the torsion in essence Rah ⁇ men Modell and derived to the fixed corner element or to the housing without causing the drive ring is rotated significantly.
  • the Festkorpergelenke can each be formed by a taper of the cross section of the rod elements in a short section, which is particularly advantageous in terms of manufacturing technology.
  • This embodiment can be configured even more advantageously, namely with significantly greater torsional rigidity of the square frame structure as a whole.
  • at least one of Querterrorismsverjun ⁇ conditions of the pair in a manner offset from the center axis of the respective rod element is formed at least one pair of Querterrorismsverjungept that are associated with the same pair of rod elements and the same corner element that the distance of the through both of the pair formed pivot points relative to the distance is increased at each centrally arranged Querterrorismsverjung Institute.
  • an embodiment is advantageous in which the be ⁇ wegte end of each electromechanical drive element to each adjacent corner element of the verbun ⁇ with the drive ring which attacks Eckettis.
  • the train-pressure point may also ⁇ towards each have respectively on their two En which a flexure bearing.
  • the two electromechanical drive elements can be particularly advantageously configured as bending transducers, preferably piezoelectric bending transducers.
  • Such solid-state bending actuators based on piezoelectric ceramic materials are used in various types for many years versatile in industry. They are characterized by a small design, low energy consumption and high reliability. For example, a piezoelectric bending actuator shows a lifetime of at least 10 9 cycles in an industrial environment.
  • Stepping drive results from the arrangement of the two bending ⁇ converter outside or inside and approximately parallel to those two sides of the square frame structure, the connected to the drive ring corner element opposite each other, wherein the bending transducers attack each with its moving end to the respective neighboring corner element of the verbun ⁇ with the drive ring corner element, or at the free end of the respective train push rod.
  • the corner element opposite the corner element connected to the drive ring is fixed to a housing and has two receptacles which are each provided for the rigid attachment of a bending transducer at its stationary end.
  • the substantially strip-shaped bending transducers are mechanically rigidly clamped or fastened at one end.
  • the electrical contacting of the bending transducer is preferably made.
  • moving end a deflection is achieved in its direction of action according to the electrical control of Bie ⁇ converter.
  • the bending transducers used in a small actuator for, for example, pointer instruments are typically dimensioned such that they have a free deflection in the range of approximately 0.2 mm to 2 mm at their moving end.
  • a blocking force in the range of 0.5 N to 2 N is achieved.
  • the approximately geradli ⁇ nige deflection of the bending transducer takes place transversely with respect to their largest elongation.
  • the direction of the deflection which corresponds to the effective direction of the bending transducer, is thus approximately orthogonal to the longitudinal axis of the bending transducer.
  • the square frame structure and the drive ring together are a one-piece drive module produced in plastic injection molding technology, wherein the bending transducers are injected into the drive module.
  • the realization of the on ⁇ drive module in plastic injection molding is simple and inexpensive, with the inclusion of the bending actuators in the injection operation, the number of manufacturing steps is further reduced.
  • an annä ⁇ ing cuboid housing with a lid, where ⁇ in the housing a central bearing block with a contact surface and a first bearing bore and a second bearing bore in the lid is provided for the shaft, and wherein a provided for fixing corner element of the square frame structure is arranged in such a Gehauseecke and rigid and permanently fixed, that the at least one zy ⁇ - cylindrical rolling surface of the shaft can roll in an associated Ab ⁇ rolling surface of an annular bore of the drive ring ,
  • FIG. 1A and 1B show an embodiment of a drive module formed from a cuboid frame structure and drive ring for the step drive according to the invention, respectively in plan view and in perspective view,
  • FIG. 6 is a perspective view of a Bugelfeder, 7 shows a shaft for the step drive according to the invention,
  • Fig. 10 A and 10B each in the same view as Fig. 1, a further embodiment of an inventive drive module with can be arranged within the square frame structure bending transducers.
  • a piezoelectric stepping motor which makes it possible to produce a continuous and uniform rotation by superposing suitable periodic linear movements of the bending transducers.
  • the bending transducers 14, 15, cf. 2 coupled to a flat drive ring 10 by means of a shear-flexible square frame structure 31 such that it can be translated along the mutually perpendicular effective directions x and y (cf., FIG. 2) of the bending transducers 14, 15.
  • the square frame 31 together with the drive ring 10 and, if appropriate, the integrated bending transducers 14, 15, is referred to below as 'drive module'.
  • the An ⁇ drive module is ethylene using an injection molding technology from poly-, injection molded plastic, POM or can be prepared from other geeigne- th materials.
  • FIG. 1 shows the drive module in plan view and in perspective. It consists of four arranged approximately in the corners of a square corner elements 1, 2, 3, 4, which are connected to four pairs of rod elements 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b with ⁇ each other and together with the Corner elements 1, 2, 3, 4 form approximately a square frame 31.
  • the connection of the rod elements 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b to the corner elements 1, 2, 3, 4 by means of so-called Festkorpergelenke 9.
  • Festkorpergelenke allow as ge ⁇ habitable joints (but only within a limited angular range ) almost unimpeded rotation of the attached ⁇ closed elements relative to each other.
  • the local bending is achieved by a targeted reduction of the rod cross-section in a short section.
  • the reduced rod cross-section leads to a strong reducer ⁇ th bending stiffness. Since the cross-sectional curvature is very localized, the axial spring rate (stiffness) of the rod is hardly reduced.
  • the corner element 1 (as described later in connection with FIG. 5) is fixed, the corner element 4 can be displaced relative to it in the plane but not rotated. Therefore, the drive ring 10 is rigidly connected to the corner member 4.
  • the drive ring 10 is easily displaceable, but not rotatable.
  • Each acting on the drive ring 10 torque is absorbed by the torsion frame structure 31 and passes ⁇ 1 to to the fixing of the corner element without causing the drive ring 10 is appreciably ro ⁇ advantage.
  • the fixed corner element 1 contains receptacles 11 for the rigid attachment of two (only shown in Figure 2) bending actuators 14, 15 at its resting end.
  • 11 measures not shown here can be provided in the recordings, which serve the electrical connection of the bending actuators, z. B. by pressure pin, terminal contact or BugelfederAND.
  • the bending actuators 14, 15 can also be electrically contacted at their opposite, moving end or region.
  • the moving ends 15a, cf. 2A, the bending actuators 14, 15 are in the exemplary embodiment according to FIG 1 in each egg ⁇ nemquitkorper 12 is held, from which the drive motion, or its drive motor via in each case a tension-compression rod 13 to the corner member 4 and thus the On ⁇ driving ring 10 is mediated.
  • the tension-push rod 13 are also by means of Festkorpergelenken 9, so shear flexible, coupled to the corner member 4 and thenacper 12 so that the bending actuators 14, 15 can act completely independently of each other on the drive ring 10, or not against the relatively high mechanical Rigidity of the respective ⁇ bending transducer must work. The movements of the bending transducers 14, 15 are thus decoupled.
  • a bending actuator 14, 15 electrically actuated, it bends approximately in the form of a circular arc, whereby the tangent slope of the bending line changes at the moving bending end.
  • This type of "rotational movement” is safely intercepted by the solid body joints 9.
  • a change ⁇ tion of the bending length relative to the drive module eg., By different thermal expansion of the frame structure 31 and the bending material
  • Festkorpergelenken 9 safely intercepted by the train-push rod 13 is minimally rotated, without affecting the radio ⁇ tion is impaired.
  • Figure 2 shows the drive module with the bending actuators 14, 15, wherein the electrical contact of the bending actuators 14, 15 has not been shown.
  • a movement of the drive ring 10 in the y-direction and by means of the bending actuator 15, a movement of the drive ring 10 in the x-direction relative to the corner element 1 can be caused.
  • the deflection can thus take place in each case in the positive or negative x or y direction, as indicated in FIG. 2A.
  • Figure 3 shows a suitable therefor near approximately cuboid-shaped housing ⁇ in plan view ( Figure 3A) and in perspec ⁇ TiVi shear view ( Figure 3B). It contains a central bearing block 16 with a cylindrical sliding bearing bore 17, which is paired with the cylindrical sliding surface of a rotating shaft in it in the form of a tight clearance fit.
  • the edge lengths of two adjacent inner edges, for example, the inner edges 18, 19 and the position of the axis of the bearing bore 17 are dimensioned so that in a (stiff and permanent) fixation of the corner element 1, z. B. in the housing corner 20, the axis of the annular bore 10 a of the drive ring 10 is con ⁇ gruent to the axis of the bearing bore 17 sets.
  • the plant ⁇ flat 21 of the bearing block 16a is located such that the rolling surface of the shaft in the z-direction (perpendicular to the sheet plane) comes to lie in a height corresponding to the z-position of the ring bore 10a, so that the shaft at ge ⁇ suitable control of the bending actuators 14, 15 can roll in the cylindrical inner surface of the annular bore 10a.
  • Figure 4 shows a housing 16 matching lid 16b with a second bearing bore 22 which is paired to a second cylindrical sliding surface of the shaft in the form of a rotatable, but tight clearance fit, the bore axis with inserted into the housing 16 cover 16b congruent to the axis of the annular bore 10a and the axis of the first bearing bore 17 in the housing 16 comes to rest.
  • Figure 5 shows a partial assembly of the invention stepper drive with mounted in the housing 16 drive module, bending actuators used 14, 15, inserted shaft 23 and inserted Bugelfeder 24.
  • the Bugelfeder 24 is supported on the one hand on the shaft 23 and on the other hand with inserted cover 16b on a flat surface of the lid 16b with sufficient, but low force to keep the shaft 23 in contact with the surface 21 of the bearing block 16a, but without nen ⁇ nensevoke frictional forces that cause the rotation of the shaft 23 behin ⁇ countries. In this way, it is ensured that the rolling surfaces of drive ring 10 and shaft 23 remain sufficiently precisely localized in the z-direction under all operating conditions.
  • FIG. 6 shows a suitable bow spring 24.
  • the bow spring 24 contains a bore 25 for the passage of the shaft axis, which likewise ensures that it can not 'emigrate' during operation.
  • the nose spring 24 is supported by surfaces 26 near the bore axis in the form of a contact line on the shaft 23 in order to keep a braking torque generated by friction on the shaft 23 as small as possible.
  • the far outer surfaces 27 serve to deplete the Bugelfeder 24 on a flat surface.
  • Figure 7 shows a suitable shaft 23. It has two zy ⁇ -cylindrical slide bearing surfaces 28, 29 which are paired with the view cylindrical inner surfaces of the bearing bores 17, 22, and at least one cylindrical Abrollflache 30 coupled with at least one Abrollflache the annulus bore 10a is.
  • the axial extension of the surface 28 serves for Connection of the respective element to be driven by the stepper motor.
  • Figure 8 shows an axial cross section along the z-axis by the inventive drive in the assembled state. In particular, it shows the position of its components relative to one another.
  • the shaft 23 is at two points in the form of close clearance fits based on the Gleitflachenpase 28, 17 and 29, 22 around the z-axis friction rotatable, but stored free of play.
  • a suitable Bugelfeder 24 holds in cooperation with the contact surface 21, the shaft 23 fixed relative to the z-direction Rei ⁇ bungsarm.
  • the drive module holds the rolling surface of the annular bore 10 a both concentrically and in the z direction in a suitable position relative to the rolling surface 30 of the shaft 23.
  • Figure 9 shows a particularly advantageous variant of the An ⁇ operating module.
  • This embodiment offers over the execution shown in Figure 1 the advantage that the distance of all pivot points of adjacent rod elements of the frame structure 31 -. B. the fulcrums 32, 33 of the Festkorpergelenke 9 be ⁇ neighboring bar elements 34, 35 - is increased, without affecting the a- xiale rigidity of the rod elements and oh ⁇ ne the extent of the drive module to influence altogether.
  • the Festkorpergelenke 9 a significantly increased torsional stiffness of the compassionkon ⁇ constructive tion is opposite to that of the embodiment achieves 31 posted for acting on the drive ring 10 torques as shown in FIG. 1
  • Figures 10A and 10B show a further variant of the drive ⁇ module, in which the bending transducers, in contrast to the previously illustrated embodiments, not outside but within the square frame structure 31 can be arranged.
  • a particularly compact design of the stepper drive can be realized, in particular for short-sized actuators.
  • the corner elements 1, 2, 3, 4 are formed in this variant more or less strip-shaped.
  • the Festkorpergelenke 32, 33 can be realized in the ⁇ in FIG 9 ⁇ ⁇ nen, 'asymmetric' embodiment.
  • the power transmission from the drive ring 10 takes place on the shaft 23 by friction.
  • the slip is preferably reduced by the introduction of a form ⁇ circuit between the Abrollflachen of drive ring 10 and shaft 23, in particular by a toothing is applied to the inner surface 10 a of the drive ring 10 and on the outer surface of the shaft 23.
  • have drive ring 10 and shaft 23 preferably has a tooth difference of Minim ⁇ least one on. This means that the toothing of the inner ⁇ flat of the drive ring 10 includes at least one tooth more than the outer surface of the shaft 23. If drive ring 10 and shaft 23 are operated within the actuator such that the toothing does not disengage, the actuator ideally operates without slip.
  • a cycloidal toothing of drive ring 10 and shaft 23 is considered.
  • the cycloidal toothing almost half of all teeth is engaged where ⁇ by a high torque between the drive ring 10 and shaft 23 is transferable.
  • About the number of on the inner surface of the drive ring 10 and the outer surface of the shaft 23 befind ⁇ union teeth is first set a reduction of the actuator 1, which is typically in a range of 20: 1 to 200: 1.
  • the actuator only one tooth, that is the shaft to rotate by the drive ring 10 by one tooth 23 has preferably a full Life-time period of the driving signal of the sine Stellan ⁇ drive 1 are run through.
  • the actuator Since a cycle of the drive signal must be passed through to a tooth to continue, the actuator is characterized by a high accuracy and high repeatability.
  • a high angular resolution of the Stellan ⁇ drive is realized on the number of teeth and the use of one cycle of the drive signal per tooth.
  • the actuator gives a high efficiency, a high reduction ratio, a high transmissible torque based operating ring on the teeth of arrival 10 and shaft 23, slip freedom in Studentstra ⁇ supply of the torque, any interpolation of the rotary ⁇ angle within a Tooth the shaft 23 (Mikro suitsbe ⁇ drive), low drive torque fluctuations (ripple) and a low tooth flank load for drive ring 10 and shaft 23, so that also the wear is reduced.

Abstract

Der erfindungsgemaße Mikroschrittmotor umfasst zwei elektromechanische Antriebselemente (14, 15), insbesondere Piezo-Biegewandler, mit senkrecht zueinander ausgerichteten Wirkrichtungen. Diese Aktoren (14, 15) greifen an einem Antriebsring (10) an, um darüber eine Welle (23) zu drehen. Die Aktoren (14, 15) sind über eine scherflexible und torsionssteife annähernd quadratische Rahmenstruktur (31) nichtradial an den innerhalb des Rahmens (31) angeordneten und mit ihm steif verbundenen Antriebsring (10) angelenkt. Es resultiert ein kompakter Antrieb, bei dem Rahmen (31) und Antriebsring (10) einstuckig als Spritzguss-Antriebsmodul ausgeführt sind.

Description

Beschreibung
Elektromechanischer Motor, insbesondere piezoelektrischer Mikroschrittantrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Motor, insbesondere einen piezoelektrischen Stellantrieb.
Das Cockpit eines Kraftfahrzeugs versucht ein optimales Zu- sammenspiel von Design und Technik zu realisieren. Im Blickfeld des Fahrers liegen dabei verschiedene Zeigerinstrumente. Diese Zeigerinstrumente müssen sowohl unterschiedlichen technischen Anforderungen genügen als auch einen konkurrenzfähigen Preis für die Massenproduktion von Kraftfahrzeugen besit- zen. Ein Beispiel für ein derartiges Zeigerinstrument ist das "Messwerk 2000" der Firma Siemens VDO.
Das "Messwerk 2000" basiert auf einem mit einem einstufigen Schneckenradgetriebe untersetzten Schrittmotorantrieb. Der vierpolige Schrittmotor wird durch zwei um 90° im Phasenwinkel zueinander phasenverschobene sinusartige Spulenstromver- laufe als Funktion der Zeit angesteuert. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung bestimmt die Drehrichtung und die Frequenz die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle. Im Rahmen einer vol- len Periode von 360° der sinusartigen Stromverlaufe können bis zu 128 Zwischenstufen reproduzierbar eingestellt werden. Die Nutzung dieser Zwischenstufen wird als Mikroschrittbe- trieb bezeichnet.
Ein kompletter Stellantrieb "Messwerk 2000", der den oben charakterisierten Schrittmotor beinhaltet, besteht aus zwölf Einzelteilen. Der Schrittmotor selbst setzt sich aus zwei Spulen mit einem gemeinsamen Statorblech und einem Permanentmagnetrotor zusammen. Hinsichtlich der Bauteilkosten schlagen die Spulen und der Permanentmagnet am stärksten zu Buche. Entscheidend für den Preis sind neben den Materialkosten ebenfalls die Herstellungskosten, die naherungsweise propor¬ tional zur Anzahl der Komponenten des Stellantriebs zunehmen. Aus der EP 1 098 429 Bl ist ein nach einem neuen Motorprinzip, das heißt ohne rotierende Spulen, arbeitender elektrome- chanischer Motor bekannt, bei dem wahrend des Betriebs durch eine zeitlich versetzte Betätigung von mindestens zwei elekt- romechanischen Antriebselementen ein Antriebsring umlaufend verschoben wird, so dass durch einen unmittelbaren Kraftuber- trag vom Antriebsring auf die - insbesondere innerhalb des Antriebsrings befindliche - Welle diese gedreht wird. Die um- laufenden Verschiebebewegungen des Antriebsrings können durch einen z. B. piezoelektrisch, magnetostriktiv, elektrostriktiv oder elektrodynamisch angetriebenen Aktor hervorgerufen werden, so dass ein hinsichtlich der Materialkosten und Herstellungskosten besser für die Massenproduktion geeigneter Stel- lantrieb resultiert. Die Piezoaktoren werden so am Antriebs¬ ring angebracht, dass ihr jeweiliger Hub radial auf den An¬ triebsring wirkt, wobei gegebenenfalls noch weitere Maßnahmen ergriffen werden, um eine möglichst symmetrische Krafteinlei¬ tung auf den Antriebsring zu erreichen.
Unter den zuletzt genannten technischen Umstanden ergibt sich zwar ein hinsichtlich der Funktion optimierter Antrieb mit besten Gleichlaufeigenschaften (Konstanz der Drehgeschwindigkeit unabhängig von der momentanen Stellung der Welle) ohne Drehmomentschwankungen. Insbesondere die Langserstreckung und die radiale Anordnung der Biegeaktoren bringt es dabei jedoch mit sich, dass die ebenen Antriebsvarianten einen erheblichen Platzbedarf in der Ebene erfordern und zumeist wenig kompakt erscheinen. Kompakte ebene Antriebe werden aber aufgrund der in Cockpitinstrumenten vorgegebenen sehr beengten Bauraumverhaltnisse dringend benotigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen hinsichtlich Teilezahl, Fertigungsaufwand, Bauraumbedarf und Funktionalitat optimierten Schrittantrieb, insbesondere einen Kleinststellantrieb für Messwerke von Cockpitinstrumenten, bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Motor, insbesondere einen piezoelektrischen Mikroschrittmotor, gemäß Patentanspruch 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhangigen Ansprüchen hervor.
Der erfindungsgemaße elektromechanische Schrittantrieb weist die folgenden Merkmale auf:
Zwei elektromechanische, vorzugsweise piezoelektrische, An¬ triebselemente (Aktoren) , die annähernd senkrecht zueinander ausgerichtete Wirkrichtungen aufweisen, eine in einem Antriebsring derart drehbar gelagerte Welle, dass der Antriebs- ring durch eine Auslenkung der piezoelektrischen Antriebselemente in die jeweilige Wirkrichtung zu einer unmittelbar auf die Welle übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, so dass die Welle im Antriebsring abrollt und dadurch rotiert, wahrend die zwei elektromechanischen Antriebselemente über eine scherflexible und torsionssteife annähernd quadratische Rahmenstruktur nichtradial an den innerhalb der quadratischen Rahmenstruktur angeordneten und mit ihr steif verbundenen Antriebsring angelenkt sind.
Aufgrund der scherflexiblen aber torsionssteifen quadratischen Rahmenstruktur braucht erfindungsgemaß, im Gegensatz zum Stand der Technik, nicht mehr auf die radiale Krafteinleitung der durch die Biegeaktoren bereitgestellten Kräfte in den Antriebsring bezuglich des Mittelpunktes der Ringbohrung geachtet werden, da das durch eine nichtradiale, exzentrische Krafteinleitung hervorgerufene Drehmoment auf den Antriebs¬ ring durch die scherflexible Rahmenstruktur und deren Fixierung an einer ihrer Ecken, beispielsweise in einem Gehäuse, im Wesentlichen torsionsfrei aufgenommen wird. Dies eröffnet die Möglichkeit einer platzsparenden Anordnung der Antriebselemente, insbesondere entlang der Außen- oder Innenseiten der quadratischen Rahmenstruktur. Dadurch ist ein sehr kompakter, bauraumsparender Aufbau des Schrittantriebes reali- sierbar. Je nach vorgegebener Dimensionierung der Antriebselemente lassen sich längere Antriebselemente vorteilhaft entlang der Außenseiten und kürzere entlang der Innenseiten, also im Innenraum, der quadratischen Rahmenstruktur anordnen. Der erfindungsgemaße Schrittantrieb zeichnet sich weiterhin durch eine sehr geringe Anzahl von einfachen Bauteilen aus, so dass der für die Massenproduktion besonders geeignet ist. Ferner wird eine aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung von Kunststoff und Aktor auftretende thermische Verstimmung des Antriebs konstruktiv sicher abgefangen. Durch Formschluss, z. B. mittels einer zwischen Antriebsring und Welle ausgebildeten Verzahnung, wird eine sehr hohe Stellgenauigkeit des erfindungsgemaßen Antriebs im rein gesteuerten Betrieb erreicht, ohne Sensoren und einen Regelkreis in Anspruch nehmen zu müssen.
Darüber hinaus ergibt sich aus der scherflexiblen Anlenkung der beiden elektromechanischen, vorzugsweise piezoelektrischen, Antriebselemente der Vorteil, dass ihre Bewegungsrich- tungen entkoppelt voneinander sind, so dass sich die An¬ triebselemente in ihrer Bewegung nicht oder vernachlassigbar gering behindern. Es treten also, aufgrund der Flexstruktur des quadratischen Rahmens, bei der Krafteinleitung keine Verlustenergien auf.
Erfindungsgemaß wird - zugunsten der Optimierung der Kompakt¬ heit - keine unbedingt vollkommene symmetrische Krafteinlei¬ tung auf den Antriebsring angestrebt. Die sich hinsichtlich der Funktion daraus gegebenenfalls ergebenden Konsequenzen, z. B. leichte Gleichlauf- und Drehmomentschwankungen, können durch weitere Maßnahmen soweit reduziert werden, dass die Kundenspezifikationen weiterhin eingehalten werden. Insbesondere können kleine Drehmomente durch eine den reinen Sinus¬ verlauf modulierende Ansteuerung der Antriebselemente ausge- glichen werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung besteht die quadratische Rahmenstruktur aus vier anna- hernd in den Ecken eines Quadrates angeordneten Eckelementen, die jeweils durch ein Paar annähernd paralleler Stabelemente miteinander verbunden sind, wobei die Anbindung der Stabelemente an die Eckelemente jeweils durch ein Festkorpergelenk erfolgt, und wobei ein Eckelement steif mit dem Antriebsring verbunden ist. Die paarweise in etwa parallele Anordnung der Stabelemente in Kombination mit ihrer Anbindung an die Eckelemente durch Festkorpergelenke hat zur Folge, dass die dar¬ aus gebildete in etwa quadratische Rahmenstruktur leicht (d. h. nahezu kraftefrei) in jede Richtung der Ebene in Form einer Scherung verformt werden kann. Einer Torsion zweier beliebiger Eckelemente relativ zueinander hingegen setzt die so ausgebildete quadratische Rahmenstruktur hohen Widerstand entgegen. Wird ein Eckelement fixiert, z. B. in einem Gehau- se, lasst sich das gegenüberliegende Eckelement relativ dazu in der Ebene verschieben aber nicht rotieren. Daher wird der Antriebsring steif mit diesem translatierbaren Eckelement verbunden. Der Antriebsring ist dadurch ebenfalls leicht verschiebbar aber nicht rotierbar. Jedes an ihm angreifende Drehmoment wird durch die im Wesentliche torsionssteife Rah¬ menstruktur aufgenommen und an das fixierte Eckelement bzw. an das Gehäuse abgeleitet, ohne dass dabei der Antriebsring nennenswert rotiert wird.
Die Festkorpergelenke können jeweils durch eine Verjüngung des Querschnittes der Stabelemente in einem kurzen Abschnitt gebildet sein, was insbesondere fertigungstechnisch von Vorteil ist. Diese Ausfuhrungsform kann noch vorteilhafter, nämlich mit deutlich größerer Torsionssteifigkeit der quadrati- sehen Rahmenstruktur insgesamt ausgestaltet werden. Dazu ist bei mindestens einem Paar von Querschnittsverjungungen, die dem gleichen Paar von Stabelementen und dem gleichen Eckelement zugeordnet sind, mindestens eine der Querschnittsverjun¬ gungen des Paares in der Weise versetzt zur Mittelachse des jeweiligen Stabelements ausgebildet, dass der Abstand der durch die beiden des Paares gebildeten Drehpunkte gegenüber dem Abstand bei jeweils mittig angeordneten Querschnittsverjungungen vergrößert ist. Wenn die Krafteinleitung nicht durch Biegeaktoren erfolgen soll, ist eine Ausfuhrungsform vorteilhaft, bei der das be¬ wegte Ende je eines elektromechanischen Antriebselementes an je einem Nachbar-Eckelement des mit dem Antriebsring verbun¬ denen Eckelementes angreift.
Wenn andererseits die Krafteinleitung mit Biegeaktoren erfolgen soll, so ist eine Ausfuhrungsform von besonderem Vorteil, bei der am mit dem Antriebsring verbundenen Eckelement zwei annähernd senkrecht zueinander angeordnete Zug-Druckstabe an¬ gebunden sind, die außerhalb oder innerhalb der quadratischen Rahmenstruktur und parallel zu den jeweiligen, am genannten Eckelement angebundenen, Stabelementen verlaufend sich mit ihren freien Enden jeweils mindestens bis in den Bereich des zugehörigen Nachbar-Eckelementes des mit dem Antriebsring verbundenen Eckelementes erstrecken, wobei das bewegte Ende je eines elektromechanischen Antriebselementes am freien Ende je eines Zug-Druckstabes angreift. Gemäß einer Weiterbildung können ferner die Zug-Druckstabe jeweils zu ihren beiden En¬ den hin jeweils ein Festkorpergelenk aufweisen.
Die zwei elektromechanischen Antriebselemente können besonders vorteilhaft als Biegewandler, vorzugsweise piezoelektri- sehe Biegewandler, ausgestaltet sein.
Derartige Festkorper-Biegeaktoren auf Basis piezoelektrischer Keramikwerkstoffe werden in verschiedenartigen Bauformen seit vielen Jahren vielseitig in der Industrie eingesetzt. Sie zeichnen sich durch eine kleine Bauform, einen niedrigen Energiebedarf und eine hohe Zuverlässigkeit aus. So zeigt beispielsweise ein piezoelektrischer Biegeaktor eine Lebensdauer von mindestens 109 Zyklen im industriellen Umfeld.
Eine besonders kompakte Variante des erfindungsgemaßen
Schrittantriebs ergibt sich durch Anordnung der zwei Biege¬ wandler außerhalb oder innerhalb und annähernd parallel zu jenen zwei Seiten der quadratischen Rahmenstruktur, die dem mit dem Antriebsring verbundenen Eckelement gegenüberliegen, wobei die Biegewandler jeweils mit ihrem bewegten Ende an das jeweilige Nachbar-Eckelement des mit dem Antriebsring verbun¬ denen Eckelementes, oder am freien Ende des jeweiligen Zug- Druckstabes angreifen.
Bei einer Weiterbildung der letztgenannten Ausfuhrungsform ist das dem mit dem Antriebsring verbundenen Eckelement gegenüberliegende Eckelement an einem Gehäuse fixiert und weist zwei Aufnahmen auf, die jeweils zur steifen Befestigung eines Biegewandlers an seinem ruhenden Ende vorgesehen sind. Bei dieser bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung werden die im Wesentlichen streifenförmigen Biegewandler an einem Ende mechanisch steif eingespannt oder befestigt. An diesem Ende wird auch bevorzugt die elektrische Kontaktierung der Biegewandler vorgenommen. Am entgegengesetzten, bewegten Ende wird entsprechend der elektrischen Ansteuerung des Bie¬ gewandlers eine Auslenkung in seine Wirkrichtung erzielt. Die in einem Kleinstellantrieb für beispielsweise Zeigerinstru- mente zum Einsatz kommenden Biegewandler werden typischerweise so dimensioniert, dass sie an ihrem bewegten Ende eine freie Auslenkung im Bereich von ca. 0,2 mm bis 2 mm aufweisen. Zudem wird im Fall der Auslenkungsblockierung des frei bewegbaren Endes des Biegewandlers eine Blockierkraft im Be- reich von 0,5 N bis 2 N erreicht. Die naherungsweise geradli¬ nige Auslenkung der Biegewandler erfolgt jeweils transversal bezogen auf ihre größte Langserstreckung. Die Richtung der Auslenkung, die der Wirkrichtung des Biegewandlers entspricht, ist somit annähernd orthogonal zur Langsachse des Biegewandlers.
Bei allen Varianten der Erfindung ist es vorteilhaft, die quadratische Rahmenstruktur und den Antriebsring gemeinsam als einstuckig in Kunststoffspritzgusstechnik gefertigtes An- triebsmodul auszubilden, wobei die Biegewandler mit in das Antriebsmodul eingespritzt sind. Die Realisierung des An¬ triebsmoduls in Kunststoffspritzgusstechnik ist einfach und kostengünstig, wobei durch die Einbeziehung der Biegeaktoren in den Einspritz-Arbeitsgang die Anzahl der Fertigungsschritte noch weiter reduziert wird.
Zur steifen Lagerung des Antriebsmoduls bzw. zur drehbaren Lagerung der zugehörigen Welle ist es vorteilhaft, ein annä¬ hernd quaderförmiges Gehäuse mit einem Deckel vorzusehen, wo¬ bei im Gehäuse ein zentraler Lagerblock mit einer Anlageflache und mit einer ersten Lagerbohrung und im Deckel eine zweite Lagerbohrung für die Welle vorgesehen ist, und wobei ein zur Fixierung vorgesehenes Eckelement der quadratischen Rahmenstruktur derart in einer Gehauseecke angeordnet und steif und dauerfest fixiert ist, dass die mindestens eine zy¬ lindrische Abrollflache der Welle in einer zugehörigen Ab¬ rollflache einer Ringbohrung des Antriebsringes abrollen kann.
Die bevorzugten Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 A und IB eine Ausfuhrungsform eines aus quaderförmiger Rahmenstruktur und Antriebsring gebildeten Antriebsmoduls für den erfindungsgemaßen Schrittantrieb jeweils in Draufsicht bzw. in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 A und 2B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, das dortige Antriebsmodul, jedoch mit eingesetzten Biegeaktoren,
Fig. 3 A und 3B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, ein Gehäuse zur Lagerung der Welle und des Antriebsmoduls,
Fig. 4 und 4B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, einen zum Gehäuse gemäß Figur 3 passenden Deckel,
Fig. 5 A und 5B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, ei¬ nen Teilzusammenbau des erfindungsgemaßen Schrittantriebs,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Bugelfeder, Fig. 7 eine Welle für den erfindungsgemaßen Schrittantrieb,
Fig. 8 einen axialen Querschnitt entlang der z-Achse durch den Antrieb im zusammengebauten Zustand,
Fig. 9 A und 9B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, eine weitere Ausfuhrungsform eines Antriebsmoduls für den erfin- dungsgemaßen Schrittantrieb,
Fig. 10 A und 10B, jeweils in gleicher Ansicht wie Fig. 1, eine weitere Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Antriebsmoduls mit innerhalb der quadratischen Rahmenstruktur anordenbaren Biegewandlern.
Erfindungsgemaß wird ein piezoelektrischer Schrittmotor vorgestellt, der es erlaubt, durch eine Überlagerung geeigneter periodischer Linearbewegungen der Biegewandler eine kontinuierliche und gleichförmige Rotation zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden die Biegewandler 14, 15, vgl. Figur 2, mittels einer scherflexiblen quadratischen Rahmenstruktur 31 derart an einen flachen Antriebsring 10 angekoppelt, dass dieser entlang der zueinander senkrechten Wirkrichtungen x und y (vgl. Figur 2) der Biegewandler 14, 15 translatierbar ist. Der quadratische Rahmen 31 zusammen mit dem Antriebsring 10 und, gegebenenfalls, den integrierten Biegewandlern 14, 15, wird im Folgenden als 'Antriebsmodul' bezeichnet. Das An¬ triebsmodul ist mit Hilfe einer Spritzgusstechnik aus PoIy- ethylen, Spritzguss-Kunststoff, POM oder aus anderen geeigne- ten Werkstoffen herstellbar.
Figur 1 zeigt das Antriebsmodul in der Draufsicht und in der Perspektive. Es besteht aus vier ungefähr in den Ecken eines Quadrates angeordneten Eckelementen 1, 2, 3, 4, die mit vier Paaren von Stabelementen 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b mit¬ einander verbunden sind und zusammen mit den Eckelementen 1, 2, 3, 4 in etwa einen quadratischen Rahmen 31 bilden. Die Anbindung der Stabelemente 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b an die Eckelemente 1, 2, 3, 4 erfolgt mittels sogenannter Festkorpergelenke 9. Festkorpergelenke ermöglichen, wie ge¬ wohnliche Gelenke (allerdings nur innerhalb eines begrenzten Winkelbereiches) eine nahezu ungehinderte Rotation der ange¬ schlossenen Elemente relativ zueinander. Ihre Funktion basiert auf dem Biegeprinzip. Erreicht wird die lokale Biegung, wie in Figur 1 deutlich erkennbar, durch eine gezielte Verringerung des Stabquerschnittes in einem kurzen Abschnitt. Der reduzierte Stabquerschnitt fuhrt zu einer stark reduzier¬ ten Biegesteifigkeit . Da die Querschnittsverjungung sehr lokalisiert ist, wird die axiale Federrate (Steifigkeit) des Stabes aber kaum verringert.
Die paarweise in etwa parallele Anordnung der Stabelemente 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b in Kombination mit ihrer An¬ bindung an die Eckelemente 1, 2, 3, 4 durch Festkorpergelenke 9 hat zur Folge, dass die daraus gebildete, in etwa quadrati¬ sche Rahmenstruktur 31 leicht (d. h. nahezu kraftefrei) in jede Richtung der Ebene in Form einer Scherung verformt werden kann. Einer Torsion zweier beliebiger Eckelemente relativ zueinander hingegen setzt die Rahmenstruktur 31 hohen Widerstand entgegen.
Wird beispielshalber das Eckelement 1 (wie spater im Zusammenhang mit Figur 5 beschrieben) fixiert, lasst sich Eckelement 4 relativ dazu in der Ebene verschieben aber nicht rotieren. Daher wird der Antriebsring 10 steif mit dem Eckelement 4 verbunden. Der Antriebsring 10 ist leicht verschieb- bar, aber nicht rotierbar. Jedes am Antriebsring 10 angreifende Drehmoment wird durch die torsionssteife Rahmenstruktur 31 aufgenommen und an die Fixierung des Eckelementes 1 abge¬ leitet, ohne dass dabei der Antriebsring 10 nennenswert ro¬ tiert wird.
Infolgedessen muss erfindungsgemaß nicht mehr auf die radiale Krafteinleitung der durch die Biegeaktoren 14, 15 bereitgestellten Kräfte in den Antriebsring 10 bezuglich des Mittel- punktes der Ringbohrung 10a, vgl. Figur IB, geachtet werden, da das durch eine nichtradiale Krafteinleitung hervorgerufene Drehmoment auf den Antriebsring 10 durch die Rahmenstruktur 31 und die Fixierung des Eckelementes 1 im Wesentlichen tor- sionsfrei aufgenommen wird.
Das fixierte Eckelement 1 enthalt Aufnahmen 11 zur steifen Befestigung zweier (erst in Figur 2 dargestellten) Biegeaktoren 14, 15 an ihrem ruhenden Ende. Zusatzlich können in den Aufnahmen 11 hier nicht gezeigte Maßnahmen vorgesehen sein, die dem elektrischen Anschluss der Biegeaktoren dienen, z. B. durch Druckkontaktstift, Klemmkontakt oder Bugelfederkontakt . Optional können die Biegeaktoren 14, 15 auch an ihrem entgegengesetzten bewegten Ende bzw. Bereich elektrisch kontak- tiert werden.
Die bewegten Enden 15a, vgl. Figur 2A, der Biegeaktoren 14, 15 werden im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 1 in jeweils ei¬ nem Aufnahmekorper 12 gehalten, von dem aus dessen Antriebs- bewegung bzw. dessen Antriebskraft via jeweils eines Zug- Druckstabes 13 auf das Eckelement 4 und somit auf den An¬ triebsring 10 vermittelt wird. Die Zug-Druckstabe 13 sind ebenfalls mittels Festkorpergelenken 9, also scherflexibel, an das Eckelement 4 bzw. an die Aufnahmekorper 12 gekoppelt, damit die Biegeaktoren 14, 15 völlig unabhängig voneinander auf den Antriebsring 10 wirken können, bzw. nicht gegen die vergleichsweise hohe mechanische Steifigkeit des jeweils an¬ deren Biegewandlers arbeiten müssen. Die Bewegungen der Biegewandler 14, 15 sind also entkoppelt.
Wird ein Biegeaktor 14, 15 elektrisch angesteuert, so biegt er sich naherungsweise in Form eines Kreisbogens, wodurch sich die Tangentensteigung der Biegelinie am bewegten Biegerende ändert. Diese Art der "Drehbewegung", wird durch die Festkorpergelenke 9 sicher abgefangen. Ebenso wird eine Ände¬ rung der Biegerlange relativ zum Antriebsmodul (z. B. durch unterschiedliche thermische Dehnung der Rahmenstruktur 31 und des Biegermaterials) durch die Zug-Druckstabkopplung 13 mit Festkorpergelenken 9 sicher abgefangen, indem der Zug-Druckstab 13 minimal rotiert wird, ohne dass hierdurch die Funk¬ tion beeinträchtigt wird.
Figur 2 zeigt das Antriebsmodul mit den Biegeaktoren 14, 15, wobei die elektrische Kontaktierung der Biegeaktoren 14, 15 nicht dargestellt wurde. Mittels des Biegeaktors 14 kann eine Bewegung des Antriebsringes 10 in y-Richtung und mittels des Biegeaktors 15 kann eine Bewegung des Antriebsringes 10 in x-Richtung relativ zum Eckelement 1 hervorgerufen werden. Die Auslenkung kann also jeweils, wie in Figur 2A angedeutet, in positiver oder negativer x- bzw. y-Richtung erfolgen.
Zur Realisierung des mit dem Antriebsmodul verbundenen kine- matischen Prinzips im Schrittmotor sind des Weiteren eine
Welle und eine möglichst spielfreie, aber drehbare Lagerung derselben, sowie eine steife Lagerung des Antriebsmoduls er¬ forderlich :
Figur 3 zeigt ein hierfür geeignetes naherungsweise quader¬ förmiges Gehäuse in der Draufsicht (Figur 3A) und in perspek¬ tivischer Ansicht (Figur 3B) . Es enthalt einen zentralen Lagerblock 16 mit einer zylindrischen Gleitlagerbohrung 17, die mit der zylindrischen Gleitflache einer in ihr rotierenden Welle in Form einer engen Spielpassung gepaart ist. Die Kantenlangen zweier benachbarter Innenkanten, beispielsweise der Innenkanten 18, 19 und die Lage der Achse der Lagerbohrung 17 sind so bemessen, dass bei einer (steifen und dauerfesten) Fixierung des Eckelementes 1, z. B. in der Gehauseecke 20, die Achse der Ringbohrung 10a des Antriebsringes 10 sich kon¬ gruent zur Achse der Lagerbohrung 17 einstellt. Die Anlage¬ flache 21 des Lagerblocks 16a ist derart lokalisiert, dass die Abrollflache der Welle in z-Richtung (senkrecht zur Blattebene) in einer Hohe zu liegen kommt, die zur z-Position der Ringbohrung 10a korrespondiert, so dass die Welle bei ge¬ eigneter Ansteuerung der Biegeaktoren 14, 15 in der zylindrischen Innenflache der Ringbohrung 10a abrollen kann. Figur 4 zeigt einen zum Gehäuse 16 passenden Deckel 16b mit einer zweiten Lagerbohrung 22, die zu einer zweiten zylindrischen Gleitflache der Welle in Form einer drehbaren, aber engen Spielpassung gepaart ist, deren Bohrungsachse bei in das Gehäuse 16 eingesetztem Deckel 16b kongruent zur Achse der Ringbohrung 10a und der Achse der ersten Lagerbohrung 17 im Gehäuse 16 zu liegen kommt.
Figur 5 zeigt einen Teilzusammenbau des erfindungsgemaßen Schrittantriebs mit im Gehäuse 16 montierten Antriebsmodul, eingesetzten Biegeaktoren 14, 15, eingesetzter Welle 23 und eingesetzter Bugelfeder 24. Die Bugelfeder 24 stutzt sich einerseits auf der Welle 23 und andererseits bei eingesetztem Deckel 16b auf einer Flache des Deckels 16b mit hinreichen- der, aber geringer Kraft ab, um die Welle 23 auf Anlage mit der Flache 21 des Lagerblocks 16a zu halten, ohne aber nen¬ nenswerte Reibungskräfte, die die Drehung der Welle 23 behin¬ dern zu verursachen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Abrollflachen von Antriebsring 10 und Welle 23 unter allen Betriebsbedingungen hinreichend genau in z-Richtung zueinander lokalisiert bleiben.
Figur 6 zeigt eine geeignete Bugelfeder 24. Die Bugelfeder 24 enthalt eine Bohrung 25 zum Durchtritt der Wellenachse, wo- durch ebenfalls sichergestellt wird, dass sie im Betrieb nicht 'Auswandern' kann. Die Bugelfeder 24 stutzt sich über Flachen 26 nahe der Bohrungsachse in Form einer Beruhrungsli- nie auf der Welle 23 ab, um ein durch Reibung erzeugtes Bremsdrehmoment auf die Welle 23 möglichst klein zu halten. Die weit außenliegenden Flachen 27 dienen zur Abstutzung der Bugelfeder 24 auf einer Deckelflache.
Figur 7 zeigt eine geeignete Welle 23. Sie besitzt zwei zy¬ lindrische Gleitlagerflachen 28, 29, die mit den zylindri- sehen Innenflachen der Lagerbohrungen 17, 22 gepaart sind, und mindestens eine zylindrische Abrollflache 30, die mit mindestens einer Abrollflache der Ringbohrung 10a gepaart ist. Hierbei dient die axiale Verlängerung der Flache 28 zum Anschluss des jeweiligen, vom Schrittmotor anzutreibenden Elementes .
Figur 8 zeigt einen axialen Querschnitt entlang der z-Achse durch den erfindungsgemaßen Antrieb im zusammengebauten Zustand. Sie zeigt insbesondere die Lage seiner Bestandteile zueinander. Die Welle 23 ist an zwei Stellen in Form enger Spielpassungen anhand der Gleitflachenpaare 28, 17 und 29, 22 um die z-Achse reibungsarm drehbar, aber spielfrei gelagert. Eine geeignete Bugelfeder 24 halt im Zusammenwirken mit der Anlageflache 21 die Welle 23 bezuglich der z-Richtung rei¬ bungsarm fixiert. Das Antriebsmodul halt im Ruhezustand die Abrollflache der Ringbohrung 10a sowohl konzentrisch, als auch in z-Richtung in geeigneter Lage relativ zur Abrollfla- che 30 der Welle 23.
Figur 9 zeigt eine besonders vorteilhafte Variante des An¬ triebsmoduls. Diese Ausfuhrungsform bietet gegenüber der in Figur 1 gezeigten Ausfuhrung den Vorteil, dass der Abstand aller Drehpunkte benachbarter Stabelemente der Rahmenstruktur 31 - z. B. der Drehpunkte 32, 33 der Festkorpergelenke 9 be¬ nachbarter Stabelemente 34, 35 - vergrößert ist, ohne die a- xiale Steifigkeit der Stabelemente zu beeinträchtigen und oh¬ ne die Ausdehnung des Antriebsmoduls insgesamt zu beeinflus- sen. Durch diese Modifikation der Festkorpergelenke 9 wird eine deutlich gesteigerte Torsionssteifigkeit der Rahmenkon¬ struktion 31 bezuglich auf den Antriebsring 10 wirkender Drehmomente gegenüber derjenigen der Ausfuhrungsform gemäß Figur 1 erzielt.
Figur 10A und 10B zeigen eine weitere Variante des Antriebs¬ moduls, bei dem die Biegewandler, im Gegensatz zu den zuvor dargestellten Ausfuhrungsformen, nicht außerhalb sondern innerhalb der quadratischen Rahmenstruktur 31 angeordnet werden können. Dadurch kann insbesondere für kurzer dimensionierte Aktoren ein besonders kompakter Aufbau des Schrittantriebs realisiert werden. Die Eckelemente 1, 2, 3, 4 sind bei dieser Variante mehr oder weniger streifenförmig ausgebildet. Die Festkorpergelenke 32, 33 sind in der in Figur 9 beschriebe¬ nen, 'asymmetrischen' Ausfuhrungsform realisierbar.
Mit Hilfe geeigneter elektrischer Ansteuerfunktionen vollzie- hen die Biegeaktoren 14, 15 jeweils an ihrem bewegten Ende 15a Auslenkungen mit sinus- bzw. kosinusformigen zeitlichem Verlauf um die Ruhelage, wodurch die Abrollflache der Ring¬ bohrung 10a auf Anlage mit der Abrollflache 30 der Welle 23 gehalten und in Form einer kreisförmigen Verschiebebewegung um die Abrollflache 30 der Welle 23 bewegt wird und dadurch die Welle 23 in Rotation versetzt. Mittels der relativen Pha¬ senlage der x- bzw. y-Auslenkungen des Antriebsringes 10 wird die Drehrichtung festgelegt und mit Hilfe der Steuerfrequenz die Drehgeschwindigkeit.
Im einfachsten Fall erfolgt die Kraftübertragung vom Antriebsring 10 auf die Welle 23 durch Reibung. Dabei kann es in Abhängigkeit vom auf die Welle 23 wirkenden Lastdrehmoment eines derartig aufgebauten Stellantriebs zu Schlupf kommen, wodurch die Genauigkeit des Stellantriebs reduziert wird. Der Schlupf wird vorzugsweise durch die Einfuhrung eines Form¬ schlusses zwischen den Abrollflachen von Antriebsring 10 und Welle 23 verringert, insbesondere indem auf die Innenflache 10a des Antriebsrings 10 und auf die Außenflache der Welle 23 eine Verzahnung aufgebracht wird. Dabei weisen Antriebsring 10 und Welle 23 vorzugsweise eine Zahndifferenz von mindes¬ tens eins auf. Das bedeutet, dass die Verzahnung der Innen¬ flache des Antriebsrings 10 mindestens einen Zahn mehr als die Außenflache der Welle 23 umfasst. Werden Antriebsring 10 und Welle 23 innerhalb des Stellantriebs derart betrieben, dass die Verzahnung nicht außer Eingriff gerat, arbeitet der Stellantrieb idealerweise schlupffrei.
Als besonders bevorzugt wird eine zykloidische Verzahnung von Antriebsring 10 und Welle 23 angesehen. Bei der zykloidischen Verzahnung ist nahezu die Hälfte aller Zahne im Eingriff, wo¬ durch ein hohes Drehmoment zwischen Antriebsring 10 und Welle 23 übertragbar ist. Über die Anzahl der auf der Innenflache des Antriebsrings 10 und der Außenflache der Welle 23 befind¬ lichen Zahne ist zunächst eine Untersetzung des Stellantriebs 1 festgelegt, die typischerweise in einem Bereich von 20:1 bis 200:1 liegt. Um den Stellantrieb um nur einen Zahn weiter zu stellen, das heißt die Welle 23 durch den Antriebsring 10 um einen Zahn weiter zu drehen, muss vorzugsweise eine voll- standige Periode des ansteuernden Sinussignals des Stellan¬ triebs 1 durchlaufen werden. Da zum Weiterstellen um einen Zahn ein Zyklus des Ansteuersignals durchlaufen werden muss, zeichnet sich der Stellantrieb durch eine hohe Genauigkeit und durch eine hohe Wiederholgenauigkeit aus. Zudem wird über die Anzahl der Zahne und die Nutzung von einem Zyklus des Ansteuersignals pro Zahn eine hohe Winkelauflosung des Stellan¬ triebs realisiert. Ergänzend dazu kann beliebig innerhalb ei- ner Periode des Ansteuersignals interpoliert werden, um einen Mikroschrittbetrieb des Stellantriebs zu gewahrleisten. Somit liefert der Stellantrieb gemäß bevorzugter Konstruktionen eine hohe Effizienz, eine hohe Untersetzung, ein hohes übertragbares Drehmoment basierend auf der Verzahnung von An- triebsring 10 und Welle 23, Schlupffreiheit bei der Übertra¬ gung des Drehmoments, eine beliebige Interpolation des Dreh¬ winkels innerhalb eines Zahns der Welle 23 (Mikroschrittbe¬ trieb) , geringe Antriebsdrehmomentschwankungen (Ripple) und eine niedrige Zahnflankenbelastung für Antriebsring 10 und Welle 23, so dass ebenfalls der Verschleiß reduziert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanischer Motor, insbesondere piezoelektrischer Mikroschrittantrieb, aufweisend: - zwei elektromechanische Antriebselemente (14, 15), die annähernd senkrecht zueinander ausgerichtete Wirkrichtun¬ gen aufweisen, eine in einem Antriebsring (10) derart drehbar gelagerte Welle (23), dass der Antriebsring (10) durch eine Auslen- kung der elektromechanischen Antriebselemente (14, 15) in die jeweilige Wirkrichtung zu einer unmittelbar auf die Welle (23) übertragbaren Verschiebebewegung anregbar ist, so dass die Welle (23) im Antriebsring (10) abrollt und dadurch rotiert, wahrend - die zwei elektromechanischen Antriebselemente (14, 15) über eine scherflexible und torsionssteife annähernd quadratische Rahmenstruktur (31) nichtradial an den in¬ nerhalb der quadratischen Rahmenstruktur (31) angeordneten und mit ihr steif verbundenen Antriebsring (10) ange- lenkt sind.
2. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 1, bei dem die quadratische Rahmenstruktur (31) aus vier annähernd in den Ecken eines Quadrates angeordneten Eckelementen (1, 2, 3, 4) besteht, die jeweils durch ein Paar annähernd paralleler Stabelemente (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b) miteinander verbunden sind, wobei die Anbindung der Stabelemente an die Eckelemente jeweils durch ein Festkorpergelenk (9) erfolgt, und wobei ein Eckelement (4) steif mit dem Antriebsring (10) verbunden ist.
3. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 2, bei dem die Festkorpergelenke (9) jeweils durch eine Querschnittsverjun- gung der Stabelemente (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b) in ei- nem kurzen Abschnitt gebildet sind.
4. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 3, bei dem bei mindestens einem Paar von Querschnittsverjungungen, die dem gleichen Paar von Stabelementen (34, 35) und dem gleichen Eckelement (1, 2, 3, 4) zugeordnet sind, mindestens eine der Querschnittsverj ungungen des Paares in der Weise versetzt zur Mittelachse des jeweiligen Stabelements (34, 35) ausgebildet ist, dass der Abstand der durch die beiden Querschnittsver- ]ungungen des Paares gebildeten Drehpunkte (32, 33) gegenüber dem Abstand bei jeweils mittig angeordneten Querschnittsver- j ungungen vergrößert ist.
5. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das bewegte Ende (15a) je eines elektromechani- schen Antriebselementes (14, 15) an je einem Nachbar-Eckelement (2, 3) des mit dem Antriebsring (10) verbundenen Eckelementes (4) angreift.
6. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem am mit dem Antriebsring (10) verbundenen Eckelement (4) zwei annähernd senkrecht zueinander angeordnete Zug- Druckstabe (13) angebunden sind, die außerhalb oder innerhalb der quadratischen Rahmenstruktur (31) und parallel zu den jeweiligen, am genannten Eckelement (4) angebundenen, Stabelementen (6a, 6b, 7a, 7b) verlaufend sich mit ihren freien En¬ den jeweils mindestens bis in den Bereich eines dem genannten Eckelement (4) zugehörigen Nachbar-Eckelementes (2, 3) er- strecken, wobei das bewegte Ende (15a) je eines elektromecha- nischen Antriebselementes (14, 15) am freien Ende je eines Zug-Druckstabes (13) angreift.
7. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 6, bei dem die Zug-Druckstabe (13) jeweils zu ihren beiden Enden hin jeweils ein Festkorpergelenk (9) aufweisen.
8. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dessen zwei elektromechanische Antriebselemente (14, 15) Biegewandler, vorzugsweise piezoelektrische Biegewandler, sind.
9. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 8, bei dem die zwei Biegewandler (14, 15) außerhalb oder innerhalb der quad¬ ratischen Rahmenstruktur (31) und annähernd parallel zu den zwei Seiten der quadratischen Rahmenstruktur (31) angeordnet sind, die dem mit dem Antriebsring (10) verbundenen Eckelement (4) gegenüberliegen, wobei die Biegewandler (14, 15) jeweils mit ihrem bewegten Ende (15a) an das jeweilige Nachbar- Eckelement (2, 3) des mit dem Antriebsring (10) verbundenen Eckelementes (4), oder am freien Ende des jeweiligen Zug- Druckstabes (13) angreifen.
10. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 9, bei dem das dem mit dem Antriebsring (10) verbundenen Eckelement (4) gegenüberliegende Eckelement (1) an einem Gehäuse (16) fixiert ist und zwei Aufnahmen (11) aufweist, die jeweils zur steifen Befestigung eines Biegewandlers (14, 15) an seinem ruhenden Ende vorgesehen sind.
11. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die quadratische Rahmenstruktur (31) und der An¬ triebsring (10) ein einstuckig in Kunststoffspritzgusstechnik gefertigtes Antriebsmodul bilden, wobei die Biegewandler (14, 15) mit in das Antriebsmodul eingespritzt sind.
12. Elektromechanischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein annähernd quaderförmiges Gehäuse (16) mit ei¬ nem Deckel (16b) vorgesehen ist, wobei im Gehäuse (16) ein zentraler Lagerblock (16a) mit einer Anlageflache (21) und mit einer ersten Lagerbohrung (17) und im Deckel (16b) eine zweite Lagerbohrung (22) für die Welle (23) vorgesehen ist, und wobei ein zur Fixierung vorgesehenes Eckelement (1) der quadratischen Rahmenstruktur (31) derart in einer Gehauseecke (20) angeordnet und steif und dauerfest fixiert ist, dass die mindestens eine zylindrische Abrollflache (30) der Welle (23) in einer zugehörigen Abrollflache einer Ringbohrung (10a) des Antriebsringes (10) abrollen kann.
13. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 12, bei dem die Welle (23) mit einem scheibenförmigen Mittelstuck ausgebildet ist, dessen erste ringförmige Stirnflache auf dem Lagerblock (16a) aufliegt und dessen Mantelflache die zylindrische Ab- rollflache (30) der Welle (23) bildet.
14. Elektromechanischer Motor nach Anspruch 13, bei dem zur Sicherstellung der Fixierung in z-Richtung der Achse der Welle (23) eine mit einer Bohrung (25) zum Durchtritt der Welle (23) versehene Bugelfeder (24) vorgesehen ist, die sich einerseits auf der zweiten ringförmigen Stirnflache des schei¬ benförmigen Mittelstucks der Welle (23) und andererseits bei aufgesetztem Deckel (16b) auf einer Flache des Deckels (16b) so abstutzt, dass die Drehung der Welle (23) nicht nennens- wert behindert wird.
PCT/EP2008/054900 2007-05-18 2008-04-23 Elektromechanischer motor, insbesondere piezoelektrischer mikroschrittantrieb WO2008141884A1 (de)

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