WO2018149714A1

WO2018149714A1 - Rotations-piezomotor mit schwinggehäuse

Info

Publication number: WO2018149714A1
Application number: PCT/EP2018/053083
Authority: WO
Inventors: Friedrich-Josef Sacher
Original assignee: Aspre Ag
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2018-08-23
Also published as: DE102017102884A1; CN110291711A; US20200059169A1; EP3583693A1; US11431266B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezomotor mit einem Stator (1), einem sich um eine Drehachse (5) drehenden Rotor (in Fig. 6, 7 nicht gezeigt) und mindestens einem vom Stator (1) gehaltenen und den Rotor antreibenden Piezoelement (20,21). Aufgabe der Erfindung ist es, die mechanische Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des Piezomotors zu erhöhen. Diese Aufgabe wird <b>dadurch</b> gelöst, dass das Piezoelement (20,21) in einem Schwinggehäuse (8) angeordnet ist, welches in Bezug auf den Stator (1) um eine Schwenkachse (16) schwingt.

Description

ROTATIONS-PIEZOMOTOR MIT SCHWINGGEHÄUSE

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Piezomotor mit einem Stator, einem sich um eine Drehachse drehenden Rotor und mindestens einem vom Stator gehaltenen und den Rotor antreibenden Piezoelement. Ein derartiger Piezomotor ist bekannt aus der WO 2012/022443 AI . Hier wirkt das Piezoelement mit einem Treibfinger zusammen, der mit seinem freien Ende eine gegen eine innere Ringfläche des Rotors andrückbare Mitnehmerbacke bewegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die mechanische Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des Piezomotors zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Piezoelement in einem Schwinggehäuse angeordnet ist, welches in Bezug auf den Stator um eine Schwingachse schwingt. In der Praxis kann der Stator topfförmig ausgebildet sein. Das Schwinggehäuse kann ebenfalls topfförmig sein und an dem Stator um eine zur Drehachse des Rotors parallele Achse verschwenkbar angeordnet sein.

Mit anderen Worten weist das Schwinggehäuse mindestens eine scheibenförmige Deckfläche auf. Diese scheibenförmige Deckfläche verleiht dem Schwinggehäuse eine sehr große Steifigkeit. Diese Steifigkeit ist erforderlich, um die durch die Piezokristalle erzeugte Bewegung sicher auf den Rotor zu übertragen.

In der Praxis kann das Schwinggehäuse um eine Schwenkachse schwingen, die zur Drehachse des Rotors parallel und radial hierzu versetzt ist. Aus dieser Anordnung ergeben sich, wie weiter unten erläutert, sehr günstige Hebeverhältnisse bei der Übertragung der Antriebsbewegung der Piezoelemen- te auf das Schwinggehäuse. Das Schwinggehäuse bildet das Kraftübertragungselement, welches die Antriebsbewegung des Piezoelementes auf den Rotor überträgt. Weiter unten wird ein bevorzugter Kraftübertragungsmechanismus angesprochen, mit dem die Bewegung des Schwinggehäuses auf den Rotor übertragen wird. Das Piezoelement kann in der Praxis ein Stapelaktor sein. Ein Stapelaktor kann aus mehreren Piezoke- ramikschichten in aufeinanderfolgenden Paketen bestehen, wobei jeweils zwischen zwei Paketen eine Wärmeleitplatte angeordnet ist. Die Wärmeleitplatten können zum Stator führen und die in den Piezokeramiken entstehende Wärme effektiv abführen.

Insbesondere kann in der Praxis ein Stapelaktor aus gestapelten Piezokeramikschichten bestehen, die auf beiden Seiten jeweils eine Elektrode aufweisen und voneinander über Isolierschichten getrennt sind, wobei die aufeinanderliegenden Piezokeramikschichten, Elektroden und Isolierschichten Öffnungen aufweisen, welche von Kühlkörpern durchragt werden.

Kühlkörper, welche in die plattenförmigen Piezokeramikschichten hineinragen, sind besonders effektiv, um im Inneren der Piezokeramikschichten entstehende Wärme abzuführen. Die Kühlkörper können an den oben erwähnten Wärmeleitplatten angeordnet sein und die Wärme aus dem Inneren der Stapelaktoren abführen.

Die Wärmeleitplatten können sich radial erstreckende Federarme bilden, welche an einem Innenring befestigt sind. Der Innenring kann die Drehachse des Rotors umgeben. Auf diese Weise können in Umfangsrichtung dehnbare Halbringe von Stapelaktoren gebildet werden, welche effektiv über die sich radial erstreckenden Wärmeleitplatten in ihrer Position gehalten werden und die Wärme nach innen zur Achse des Rotors und des Stators abführen.

Die Wärmeleitplatten können in der Praxis im Kontaktbereich mit den Piezokeramikschichten einen von innen nach außen keilförmig verlaufenden Querschnitt aufweisen. Dieser keilförmige Querschnitt ermöglicht es, Pakete von Piezokeramikschichten mit im Wesentlichen parallelen Flächen entlang eines Rings oder Halbrings anzuordnen, um auf diese Weise eine Drehschwingung zu erzeugen.

Insbesondere, wenn zwei Stapelaktoren von zwei unterschiedlichen Seiten auf das Schwinggehäuse wirken, kann dieses durch abwechselndes Anlegen von Spannung an den linken Stapelaktor und den rechten Stapelaktor in Schwingung versetzt werden. In der Praxis kann eine Wärmeleitpaste den Zwischenraum zwischen den Öffnungen und den Kühlkörpern ausfüllen. Wärmeleitpasten sind in der Halbleitertechnik stark verbreitet, um einen guten

Wärmeübergang zwischen sich erwärmenden Halbleitern und Kühlelementen zu gewährleisten. Im vorliegenden Fall gewährleisten sie die Abführung von in dem Piezoelement entstehender Wärme über die Kühlkörper zu den Wärmeleitplatten hin. In der Praxis können die Piezokeramikschichten des Stapelaktors mit einer Spannungsquelle verbunden sein, welche auf die einzelnen Piezokeramikschichten des Stapelaktors zeitversetzt eine elektrische Spannung aufbringt. In einem praktischen Beispiel kann jedes Paket zwischen zwei Wärmeleitplatten aus zehn Piezokeramikschichten bestehen. Diese können individuell an die Spannungsquelle ange- schlössen sein und sukzessive mit Spannung beaufschlagt werden. Dies hat den Vorteil, dass nicht alle Keramikschichten eines Stapelaktors gleichzeitig mit Spannung beaufschlagt werden und bei einer sehr großen Kraft eine große Ausdehnung erfahren. Vielmehr dehnen sich die Keramikschichten nacheinander aus, so dass ihr Hub und die Kraft stetig und sanft erzeugt werden. Die Spannungsquelle kann Spannungsimpulse mit einer Frequenz von 500 kHz erzeugen, welche weit über der Resonanzfrequenz des Schwinggehäuses liegt. In der Praxis liegt die Frequenz der Spannungspulse etwa bei dem zehnfachen der Resonanzfrequenz. Es ist folglich ohne weiteres möglich, Schwingungen im Resonanzbereich zu erzeugen, die mit sukzessiv gepulster Ansteuerung der individuellen Keramikschichten hervorgerufen werden. In der Praxis kann das Kraftübertragungselement die Bewegung über ein Antriebssystem auf den Rotor übertragen, welches aus mindestens einer Mitnehmerkralle und einer Verzahnung besteht, in welche die Mitnehmerkralle eingreift. Ein Krallenantrieb für den Rotor kann sehr viel höhere Drehmomente übertragen, da eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kraftübertragungselement und dem Rotor entsteht. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Mitnehmerkrallen an dem Schwinggehäuse befestigt während sich die Verzahnung an dem Rotor befindet. Selbstverständlich können aber auch die Mitnehmerkrallen an dem Schwinggehäuse befestigt sein und die Verzahnung ist am Rotor.

In der Praxis kann die Mitnehmerkralle federnd ausgebildet sein und die Verzahnung aus Sägezähnen bestehen, welche eine schräge Flanke und eine im Wesentlichen in radialer Richtung des Rotors verlaufende Halteflanke aufweisen. Die Mitnehmerkralle weist eine entsprechende Form mit einer Antriebsflanke auf, welche beim Einrasten gegen die Halteflanke der Sägezähne anliegt. Hierdurch ist eine große Übertragungskraft und damit ein großes auf den Rotor wirkendes Drehmoment sichergestellt. Bei der Rückbewegung der Mitnehmerkralle gleitet deren schräge Flanke über die entsprechende schräge Flanke der Verzahnung, bis die Halte flanke der Verzahnung wieder hintergriffen wird.

In der Praxis können mehrere Mitnehmerkrallen in Umfangsrichtung des Rotors zueinander versetzt angeordnet sein. Piezoelemente erzeugen nur sehr kleine Bewegungen. Das Schwinggehäuse führt folglich trotz der günstigen Hebelwirkung, welche die Schwingamplitude verstärkt, nur Bewegungen in der Größenordnung von 50 μιη aus. Diese Bewegungen können zu klein sein, um eine wirksame

Krallenform in diesen kleinen Dimensionen zu bilden. Statt dessen werden beispielsweise zwei oder drei Krallen jeweils im Abstand von 50 μιη zueinander versetzt angeordnet, wobei der Zahnabstand der Verzahnung, mit der diese Kralle zusammenwirkt, 100 μιη oder 150 μιη groß sein kann. Dennoch rastet bei jeder Schwingbewegung eine Kralle ein, weil ihre Rastpunkte, nämlich die Positionen, in denen die zueinander versetzten Halteflanken der Krallen die Sägezähne hintergreifen, um 50 μιη, d.h. um das Maß der Schwingamplitude voneinander entfernt sind.

Das Antriebssystem kann zwei unterschiedliche Verzahnungen aufweisen, wobei die Flächennormale der Halteflanke der ersten Verzahnung eine erste Umfangsrichtung des Rotors weist und die Flächennormale der Halteflanke der zweiten Verzahnung in eine entgegen gerichtete zweite Umfangsrichtung des Rotors weist. Diese Ausbildung ermöglicht es, einen Antrieb durch die Krallen in beide Drehrichtungen des Rotors vorzusehen.

In der Praxis kann das Antriebssystem Ausrücker aufweisen, mit welchen die Mitnehmerkrallen außer Eingriff mit der Verzahnung gebracht werden können. Durch die Ausrücker können selektiv die Krallen, die mit der ersten Verzahnung zusammenwirken, welche den Rotor in die erste Drehrichtung antreiben, außer Eingriff gebracht werden, während die Krallen, welche den Rotor in die zweite Drehrichtung antreiben, in die entsprechende Verzahnung eingreifen. Wenn beide Krallen außer Eingriff gebracht werden, kann der Rotor sich um die Rotorachse frei drehen. Wenn beide Krallen in Eingriff sind, ist der Rotor undrehbar am Stator festgelegt.

In der Praxis kann zu beiden Seiten des Schwinggehäuses eine um die Rotorachse drehbare Antriebsscheibe angeordnet sein, auf der mindestens eine Mitnehmerkralle befestigt ist. Vorzugsweise sind auf der Antriebsscheibe mehrere in Umfangsrichtung versetzte Mitnehmerkrallen angeordnet. Es können auch mehrere (drei oder vier) Gruppen von Mitnehmerkrallen auf der Antriebsscheibe angeordnet sein, welche gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt sind und den Rotor an verschiedenen Stellen seines Umfangs antreiben.

In der Praxis können die Mitnehmerkrallen der ersten Mitnehmerscheibe den Rotor in die erste Drehrichtung drehen und die Mitnehmerkrallen der zweiten Antriebsscheibe den Rotor in die zweite, entgegengesetzte Drehrichtung drehen. Entsprechend ist der Rotor in den Bereichen, in denen sich die Mitnehmerkrallen befinden, auf der einen Seite mit der Verzahnung versehen, bei denen die Flächennormale der Halteflanken in die erste Umfangsrichtung weist. Im Bereich der zweiten Antriebsscheibe weisen die Flächennormalen der Halteflanken der Verzahnung des Rotors in die zweite Umfangsrichtung. Alternativ ist es möglich, dass eine oder mehrere Mitnehmerkrallen jeder Antriebsscheibe in die erste Richtung und eine andere oder mehrere andere Mitnehmerkrallen der gleichen Antriebsscheibe in die zweite Richtung antreiben. Eine Rücklaufsperre kann mit dem Rotor verbunden sein, um ein Zurückdrehen des Rotors zu vermeiden. Die Drehrichtung der Rücklaufsperre muss änderbar sein, wenn die Antriebsrichtung des Rotors mittels der Ausrücker geändert wird.

Da die Piezoelemente auch als Stapelaktoren sehr kleine Bewegungsamplituden erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn der Piezomotor eine Anordnung aufweist, welche das Spiel des sich am Stator und am Schwinggehäuse abstützenden Piezoelements beseitigt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die gesamte Kraft und der gesamte Weg der Längung des Piezoelements auf das Schwinggehäuse übertragen wird. Die Anordnung kann ein Exzenter sein, der in einem Befestigungsblock des Stators drehbar angeordnet ist und dessen exzentrische Umfangsfläche gegen ein Druckelement am Ende eines Stapelaktors anliegt. Durch die Beseitigung des Spiels ist es auch möglich, mehrere Stapelaktoren übereinander anzuordnen und auf das gleiche Schwinggehäuse wirken zu lassen, wenn es erforderlich ist, die Kraft der Piezoelemente zu erhöhen. Vorzugsweise weist jeder in dem Piezomotor angeordnete Stapelaktor eine separate Vorrichtung zur Beseitigung des Spiels auf, die individuell einstellbar ist. Praktische Ausführungsformen des Piezomotors werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Statorgehäuses eines hier beschriebenen Piezomotors. Fig. 2 zeigt das Statorgehäuse mit eingefügtem Schwinggehäuse und darin befindlichen Piezoaktoren.

Fig. 3 zeigt einen Innenring mit daran angeordneten strahlenförmigen Wärmeleitplatten zur Bildung zweier halbringförmiger Stapelaktoren. Fig. 4 zeigt eine schematische Explosionsansicht eines Pakets von Piezokeramikplatten zwischen zwei Wärmeleitplatten.

Fig. 5 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf der Beaufschlagung des Pakets aus Fig. 4 mit Spannung.

. 6 zeigt eine Vorderansicht des Statorgehäuses mit Schwinggehäuse. Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie B-B aus Figur 6.

Fig. 8 zeigt das Statorgehäuse mit Schwinggehäuse aus den Figuren 6 und 7 in dreidimensionaler Ansicht.

Fig. 9 zeigt das Statorgehäuse und Schwinggehäuse aus Figur 8 mit auf der Rotorachse drehbar angebrachten Antriebsscheiben.

Fig. 10 zeigt den Piezomotor mit Rotor und Abdeckung. Die Abdeckung weist zur Verdeutlichung Fenster auf, die in der Praxis nicht vorhanden sein müssen.

Fig. 11 zeigt das vergrößerte Detail G aus Figur 10.

Fig. 12 zeigt eine weiter vergrößerte Darstellung des Details H aus Fig. 11.

Fig. 13 zeigt eine zur Darstellung der Figur 12 ähnliche Darstellung eines Antriebssystems zum Antrieb in die entgegengesetzte Drehrichtung des Rotors.

Fig. 14 zeigt schematisch eine Gegenüberstellung der Formen der zwei an dem Rotor angeordneten Innenverzahnungen.

Fig. 15 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes des Statorgehäuses mit eingefügtem Schwinggehäuse, in dem die Abstützung der Stapelaktoren besser zu erkennen ist. Fig. 16 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Befestigungsblocks, gegen den sich ein Stapelaktor abstützt.

In der Figur 1 ist der Stator 1 des Piezomotors zu erkennen, genauer gesagt, das Statorgehäuse 1. Das Statorgehäuse 1 ist im Wesentlichen topfformig ausgebildet, es weist eine zylindrische Umfangswand 2 und einen kreisscheibenformigen Boden 3 auf. Im Boden 3 ist eine Lagerung 4 für einen Schwenkzapfen 15 des Schwinggehäuses 8 angeordnet. In der Mitte des Statorgehäuses 1 befindet sich die Drehachse 5 des Rotors, nachfolgend Rotorachse genannt. Diametral gegenüber der Lagerung 4 für das Schwinggehäuse 8 befinden sich Befestigungsblöcke 6, 7, an denen jeweils ein Stapelaktor befestigt wird. Die Figur 2 zeigt das Statorgehäuse 1 aus Fig. 1 mit eingefügtem Schwinggehäuse 8 und darin befindlichen Piezoaktoren 20, 21, welche Piezoelemente zum Antrieb des Rotors bilden. Auch das Schwinggehäuse 8 weist eine Topfform mit einer Umfangswand 9 und einem kreisscheibenförmigen Boden 10 auf. Der Boden 10 des Schwinggehäuses 8 weist ein Fenster 11 auf, welches von den Befestigungsblöcken 6, 7 durchragt wird. Die Befestigungsblöcke 6, 7 dienen der Abstützung der Piezoaktoren 20, 21. Die Umfangswand 9 des Schwinggehäuses 8 weist Innengewinde 12 zur

Aufnahme von Befestigungsschrauben 13 (siehe Figur 8) auf, mit denen ein kreisscheibenförmiger Deckel 14 des Schwinggehäuses 8 festgeschraubt wird. In Fig. 8 ist auch zu erkennen, dass der Deckel 14 einen Schwenkzapfen 15 aufweist. Ein zweiter Schwenkzapfen 15, welcher mit dem Schwenkzap- fen 15 des Deckels 14 fluchtet, ist am Boden 10 des Schwinggehäuses 8 auf der von den Piezoaktoren 20, 21 abgewandten Seite angeordnet, wie in Figur 7 zu erkennen ist. Die zwei Schwenkzapfen 15 bilden gemeinsam die Schwenklagerung um die Schwenkachse 16 des Schwinggehäuses 8.

In Figur 2 ist ferner zu erkennen, dass auf der den Befestigungsblöcken 6, 7 in etwa diametral gegenüberliegenden Seite des Schwinggehäuses 8 ein Krafteinleitungsblock 17 angeordnet ist. Der

Krafteinleitungsblock 17 ist am Boden 10 des Schwinggehäuses 8 befestigt und dient der Kraftübertragung von den Piezoaktoren 20, 21, die sich über die Befestigungsblöcke 6,7 am Stator abstützen. Die Stapelaktoren 20, 21 wirken über Festkörpergelenke 18, 19 auf diesen Krafteinleitungsblock 17. Wie in Figur 7 zu erkennen, befindet sich die Schwenkachse 16 in etwa am radial innenliegenden Ende des Krafteinleitungsblocks 17. Das Schwinggehäuse 8 schwingt folglich um diese Schwenkachse 16. Der Boden 10 und der Deckel 14 des Schwinggehäuses 8 weisen mittig Öffnungen 28, 29 auf, welche die Rotorachse 5 mit erheblichem radialem Spiel von mehr als 1 mm umgeben. Diese Öffnungen 28, 29 sind in Figur 7 zu erkennen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Rotorachse 5 die freie Bewegung des Schwinggehäuses 8 nicht behindert. Über die Umfangswand 9 des Schwinggehäuses 8 und weitere Festkörpergelenke 22 - 24 wird die Bewegung des Schwinggehäuses 8 auf einen Anschlussblock 25 (s. Fig. 2) mit aus dem Schwinggehäuse 8 herausragenden Anschlussplatten 26, 27 übertragen.

Zwischen den Festkörpergelenken 18, 19, mit denen die Bewegung der Stapelaktoren 20, 21 auf den Krafteinleitungsblock 17 übertragen wird und der Schwenkachse 16 des Schwinggehäuses 8 liegt ein kurzer Hebelarm. Dagegen existiert ein langer Hebelarm zwischen der Schwenkachse 16 des Schwinggehäuses und den Anschlussplatten 26, 27, über die die Schwingbewegung auf den Rotor übertragen wird. Folglich ist die Amplitude der Anschlussplatten 26, 27 sehr viel größer als die Amplitude des Krafteinleitungsblocks 17. Diese Hebelgeometrie wird dadurch erreicht, dass die Schwenkachse des Schwinggehäuses parallel zur Drehachse des Rotors 53 (Fig. 10) verläuft und radial zur Drehachse des Rotors 53 zum Punkt der Krafteinleitung der Piezoelemente in das Schwinggehäuse 8 hin versetzt ist. Der Aufbau und die Funktion der zwei Stapelaktoren 20, 21 geht insbesondere aus den Fig. 2 bis 6 hervor. Jeder der Stapelaktoren 20, 21 weist dreizehn Pakete 30 bestehend aus übereinander geschichteten Piezokeramikschichten auf. Der Aufbau jedes Paketes 30 ist schematisch in Fig. 4 als Explosi- onszeichnung dargestellt. Jedes Paket besteht beispielsweise aus fünf bis zehn Piezokeramikschichten 31. Auf der Oberseite der Piezokeramikschicht 31 ist eine erste Elektrode 32 angeordnet. Die Fläche der ersten Elektrode 32 entspricht im Wesentlichen der Fläche der Piezokeramikschicht 31. An der Unterseite der Piezokeramikschicht 31 ist eine zweite Elektrode 33 angeordnet. Auf jede der Elektroden 31, 32 folgt eine Isolierschicht 34, so dass die Piezokeramikschicht 31 über die Elektroden 32, 33 jeweils einzeln aktiviert werden können.

Wie in Figur 4 zu erkennen, weisen sowohl die Piezokeramikschichten 31, als auch die Elektroden 32, 33 und die Isolierschichten 34 drei als Langlöcher ausgebildete Öffnungen 35 auf. Die Öffnungen 35 werden von Kühlkörpern 36 durchragt. Auf jedem der Kühlkörper 36 ist Wärmeleitpaste 37 angeord- net, welche eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen den Öffnungen 35 und den Kühlkörpern 36 erzeugt. Die Kühlkörper 36 sind mit einer Wärmeleitplatte 38 zumindest über die Wärmeleitpaste 37 verbunden, so dass in den Piezokeramikschichten 31 entstehende Wärme über die Wärmeleitpaste 37, die Kühlkörper 36 und die Wärmeleitplatte 38 abgeführt werden kann. Die Wärmeleitplatten 38 sind in der schematischen Darstellung der Figur 4 eben ausgebildet, so dass bei Aufeinanderstapeln mehrerer Pakete 30 ein gerader Stapelaktor entstehen würde. Die Stapelaktoren 20, 21 weisen aber eine

Ringform auf, welche das Schwinggehäuse 8 in dem Statorgehäuse 1 zu Drehschwingungen anregt. Damit die Mittellinie der Stapelaktoren 20, 21 einen gebogenen Verlauf erhält, sind die Wärmeleitplatten 38' keilförmig ausgebildet mit von außen nach innen abnehmender Plattendicke. Die Wärme leitplatten 38' sind insbesondere in den Figuren 2 und 3 zu erkennen. Im Anschluss an den keilförmigen äußeren Bereich der Wärme leitplatten 38' befinden sich radial nach innen verlaufende Federarme 39, welche an einem gemeinsamen Innenring 40 befestigt sind. Der Innenring 40 ist im Bereich der Rotorachse 5 an dem Statorgehäuse 1 befestigt.

Auf diese Weise wird die Wärme der Piezokeramikschichten 31 über die Wärmeleitplatten 38' radial zum innenliegenden Ring 40 abgeleitet. Da die inneren Bereiche der Wärme leitplatten 38' Federarme 39 bilden, können sie in Umfangsrichtung verlagert werden. Sie können sich folglich hinreichend verformen, um Ausdehnungen der zwei Stapelaktoren 20, 21 aufgrund der Beaufschlagung der Piezokeramikschichten 31 mit elektrischer Spannung zuzulassen. Wenn alle Piezokeramikschichten 31 eines Stapelaktors 20, 21 gleichzeitig mit einer Spannung beaufschlagt werden, entsteht eine sehr hohe Druckkraft. Die Abmessung des Piezo-Stapelaktors ändert sich schlagartig vom minimalen zum maximalen Wert. Um die Ausdehnung der Stapelaktoren 20, 21 sanfter zu gestalten, werden die einzelnen Piezokeramikschichten 31 jedes Pakets 30 der Stapelaktoren 20, 21 gemäß dem Schema aus Fig. 5 nacheinander mit Spannung beaufschlagt.

Fig. 5 zeigt elf zeitlich aufeinander folgende Darstellungen der aufeinander gestapelten Keramikschich- ten eines Pakets 30, im vorliegenden Fall eines Pakets mit zehn Piezokeramikschichten. Liegt keine Spannung an, so hat das Paket die geringste Erstreckung. Dies ist in dem linken Paket zu erkennen, welches mit der Ziffer 0 gekennzeichnet ist. Die Ziffer 1 kennzeichnet ein Paket zu einem späteren Zeitpunkt, in dem die erste Piezokeramikschicht mit Spannung beaufschlagt ist. Die anderen Schichten sind spannungsfrei. Das gesamte Paket verformt sich also nur um das geringe Maß, mit dem sich die eine Keramikschicht des Pakets verformt.

Die mit der Ziffer„2" gekennzeichnete Darstellung folgt Zeitlich auf die Darstellung mit der Ziffer "1 ". Bei "2" sind zwei Keramikschichten mit Spannung beaufschlagt, so dass die Ausdehnung des gesamten Pakets doppelt so groß ist wie bei der Darstellung mit Ziffer "1 ". Entsprechend liegt die Darstellung mit der Ziffer„3" zeitlich nach der Darstellung "2" und weist drei Piezokeramikschichten mit Spannung auf. Bei der Darstellung mit Ziffer„4" sind vier Piezokeramikschichten beaufschlagt usw. Es ist zu erkennen, dass die gesamte Ausdehnung des Pakets über einen gestreckten Zeitraum sanft und in Stufen erfolgt. Die Figuren 6 bis 8 zeigen die Einheit bestehend aus Statorgehäuse 1 , Schwinggehäuse 8 mit aufgeschraubtem Deckel 14, wobei die unter dem Deckel 14 liegenden Stapelaktoren 20, 21 als unsichtbare Bauteile gestrichelt dargestellt sind.

Dabei sind die Elemente, über die sich die Stapelaktoren 21,20 an den Befestigungsblöcken 6,7 des Stators 1 abstützen, in den Figuren 15 und 16 vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, dass an den Enden der Stapelaktoren 21,20 Druckelemente 62,63 angeordnet sind, die z.B. aus Stahl bestehen. Diese Druckelemente 62,63 stützen sich über einen Justiermechanismus gegen die Befestigungsblöcke 6,7 des Stators ab, der es ermöglicht Schwankungen und Toleranzen bei den Dimensionen des Stapelaktors 20 bzw. 21 aber auch bei den Maßen des Stators 1 oder des Schwinggehäuses 8 auszuglei- chen. Insbesondere in Fig. 16 ist zu erkennen, dass die Befestigungsblöcke 6,7 jeweils eine Bohrung 68 aufweisen, in die ein Exzenter 64 eingefügt ist. Die Bohrung 68 wird mit einer Deckplatte 65 abge- deckt, die nur in Fig. 15 auf dem Befestigungsblock 7 dargestellt ist und mit der der Exzenter 64 drehfest festgeklemmt werden kann. Die Deckplatte 65 weist eine Öffnung 69 aus, durch welche ein Verstellschlitz 70 in der Stirnseite des Exzenters 64 erreichbar ist. Die Umfangsfläche des Exzenters 64, die zu dessen Lagerung in dem Befestigungsblock 6 bzw. 7 exzentrisch ist, liegt gegen das Druckelement 62 bzw. 63 an. Durch Verdrehen des Exzenters 64 kann jegliches Spiel zwischen dem Druckelement 62 bzw. 63 und dem benachbarten Befestigungsblock 6 bzw. 7 ausgeglichen werden. Die Deckplatte 65 klemmt den Exzenter 64 nach dem Einstellen der optimalen Position fest, indem die Verschlussschrauben 66 festgeschraubt werden. Wie erwähnt, ist die Deckplatte 65 mit der Öffnung 69, welche durch die Verschlussschrauben 66 auf dem Befestigungsblock 7 festgeschraubt ist, nur in der rechten Hälfte der Fig. 15 zu erkennen. In der linken Hälfte auf dem Befestigungsblock 6 fehlt die Deckplatte mit den Verschlussschrauben. Dadurch ist die Oberseite des Befestigungsblocks 6 mit der Bohrung 68 zur Aufnahme des Exzenters 64 und den Gewindebohrungen 67 zu erkennen, in die die Verschlussschrauben 66 einschraubbar sind. Der Spielausgleich ist erforderlich, um die geringen Bewegungsamplituden der Stapelaktoren 21,20 zuverlässig an den Befestigungsblöcken 6,7 abzustützen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Spielausgleich mit anderen Mitteln als Exzentern, z.B. beweglichen Keilen, zu erzielen. Auch könnte der im Bereich des Krafteinleitungsblocks 17 (s. Fig. 2) am gegenüberliegenden Ende der Stapelaktoren 20,21 angeordnet werden.

Insbesondere in Figur 7 ist zu erkennen, dass einerseits der Deckel 14 von Anschlussplatten 26, 27 und andererseits der Boden 3 des Statorgehäuses 1 von Anschlussplatten 41, 42 durchragt wird, welche an dem Anschlussblock 25 befestigt sind und die Bewegung des Schwinggehäuses 8 nach außen übertragen.

In Fig. 9 ist eine schaubildliche Darstellung des Statorgehäuses mit daran befestigten einer Antriebsscheiben 43, 44 zu erkennen. Die Antriebsscheibe 43 liegt auf dem Boden 3 des Statorgehäuses 1 aufliegt. Die Antriebsscheibe 43 hat zwei Aussparungen 45, 46, in welchen die Anschlussplatten 41, 42 in Umfangsrichtung spielfrei aufgenommen sind. Die Anschlussplatten 41, 42 übertragen die Schwing- bewegungen des Schwinggehäuses 8 auf die Antriebsscheibe 43. Die Antriebsscheibe 44 ist um die Rotorachse 5 drehbar gehalten. Über die Anschlussplatten 41, 42 wird die Antriebsscheibe 43 in Drehschwingungen mit einer Amplitude von etwa 50 μιη um die Rotorachse 5 herum versetzt.

An der Antriebsscheibe 43 sind vier Antriebsblöcke 47 festgeschraubt. Jeder Antriebsblock 47 weist zwei nebeneinander angeordnete Mitnehmerkrallen 48, 49 auf. Jede Mitnehmerkralle 48, 49 ist durch eine Blattfeder 50 an dem zugeordneten Antriebsblock 47 befestigt. In Figur 9 ist zu erkennen, dass eine zweite Antriebsscheibe 44 auf der gegenüberliegenden Seite des Stators angeordnet ist, welche ebenfalls über die Rotorachse 5 drehbar befestigt ist. Auch hier sind Mitnehmerkrallen 51, 52 vorgesehen, welche über Blattfedern 50 an entsprechenden Antriebsblöcken 47 befestigt sind. Die zweite Antriebsplatte 44 wird über die Anschlussplatten 26, 27 in Schwingung versetzt, welche den Deckel 14 des Schwinggehäuses 8 durchragen.

Die Fig. 10 zeigt den fertig gestellten Piezomotor in Seitenansicht. Ein Rotor 53 umgibt die Anordnung bestehend aus Statorgehäuse 1, Schwinggehäuse 8 und den zwei Antriebsscheiben 43, 44 mit den Antriebsblöcken 47. Innerhalb des ringförmigen Rotors 53 ist eine Abdeckung 54 angeordnet. Die

Abdeckung 54 weist Fenster 55 auf, die im Bereich der Mitnehmerkrallen angeordnet sind, von denen in Seitenansicht nur die außenliegende Mitnehmerkralle 48 erkennbar ist. Die Fenster 55 dienen der Verdeutlichung der Funktion des Motors und können bei der tatsächlichen Ausführungsform des Motors entfallen. Unterhalb der Abdeckung 54 sind um die Rotorachse 5 drehbar Ausrücker 56 angeordnet, die jeweils mit der nächstliegenden Mitnehmerkralle 48 zusammenwirken. Wenn die

Ausrücker 56 zu den Mitnehmerkrallen 48 hin verdreht werden, heben die Ausrücker 56 die Mitnehmerkrallen 48 von der Innenverzahnung des Rotors 53 ab und bringen diese außer Eingriff.

Eine vergrößerte Ansicht der Mitnehmerkralle 48 und des Ausrückers 56 gemäß dem Detail G aus Fig. 10 ist in Fig. 11 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass jede Mitnehmerkralle 48, 49 mit einer Innenverzahnung 57 des Rotors 53 zusammenwirkt. Die Mitnehmerkrallen 48, 49 sind in Umfangsrichtung des Rotors 53 leicht zueinander versetzt, so dass immer eine der beiden Mitnehmerkralle 48,49 einen Zahn der Innenverzahnung 57 des Rotors 53 hintergreift. Folglich kann die Länge der Verzahnung doppelt so lang sein wie die Schwingamplitude, so dass jeweils durch eine halbe Bewegung entlang der Verzahnung ein Einrasten der nächsten Mitnehmerkralle 48, 49 bewirkt wird.

Dies ist insbesondere in der noch einmal gegenüber Fig. 11 vergrößerten Fig. 12 zu erkennen. In Fig. 12 ist ebenfalls zu erkennen, dass eine in die Gegenrichtung verlaufende Innenverzahnung 58 vorgesehen ist. Diese Innenverzahnung ist in axialer Richtung des Rotors 53 zur Innenverzahnung 57 versetzt. Die Innenverzahnung 58 wirkt mit zwei Mitnehmerkrallen 59, 60 zusammen. In Figur 13 ist zu erkennen, dass die Mitnehmerkrallen 59, 60 durch den Ausrücker 61 von der Innenverzahnung 58 fortgezogen sind. Das Drehen in der Richtung, die durch den Pfeil in Figur 12 markiert ist, wird von der umgekehrt orientierten Innenverzahnung 58 nicht behindert. Wird die Drehrichtung umgekehrt, so müssen die Ausrücker 56 die Mitnehmerkrallen 48, 49 abheben und der Ausrücker 61 die Mitnehmerkrallen 59, 60 freigeben, damit diese mit der Innenverzahnung 58 den Rotor 53 in die andere Richtung ziehen können. Die Figur 14 zeigt eine Gegenüberstellung der zwei an dem Rotor 53 angeordneten Verzahnungen. Es ist erkennbar, dass jede Verzahnung aus Sägezähnen besteht, welche eine schräge Flanke aufweisen, entlang der die Mitnehmerkrallen bei einer Relativbewegung zur Verzahnung gleiten, und welche eine Halteflanke aufweisen, welche von den Mitnehmerkrallen hintergriffen werden. Die Halteflanken der zwei Verzahnungen weisen in entgegengesetzte Richtungen, so dass ihre Flächennormalen Ni und N₂ in entgegengesetzte Umfangsrichtungen des Rotors 53 gerichtet sind. Auf diese Weise kann der Rotor je nach Aktivierung des Ausrückers 56 oder 61 in verschiedene Drehrichtungen angetrieben werden.

Um ein Zurückdrehen des Rotors 53 entgegen der Antriebsrichtung zu vermeiden, kann der Rotor 53 mit einer gewissen Reibung oder einer permanent wirkenden Rücklaufsperre auf der Rotorachse 5 gehalten sein. Die Rücklaufsperre muss selbstverständlich auch ihre Drehrichtung ändern, wenn die Antriebsrichtung des Rotors 53 mittels der Ausrücker 56, 61 geändert wird.

Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die

Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.

Bezugszeichenliste

1 Stator, Statorgehäuse

2 Umfangswand

3 Boden

4 Lagerung für Schwinggehäuse

5 Rotorachse, Drehachse des Rotors

6 Befestigungsblock

7 Befestigungsblock

8 Schwinggehäuse

9 Umfangswand des Schwinggehäuses

10 Boden des Schwinggehäuses

11 Fenster 12 Innengewinde

13 Befestigungsschraube

14 Deckel des Schwinggehäuses

15 Schwenkzapfen

16 Schwenkachse

17 Krafteinleitungsblock

18 Festkörpergelenk

19 Festkörpergelenk

20 Stapelaktor, Piezoelement

21 Stapelaktor, Piezoelement

22 Festkörpergelenk

23 Festkörpergelenk

24 Festkörpergelenk

25 Anschlussblock

26 Anschlussplatte

27 Anschlussplatte

28 Öffnung des Bodens

29 Öffnung des Deckels

30 Paket aus Piezokeramikschichten

31 Piezokeramikschicht

32 erste Elektrode

33 zweite Elektrode

34 Isolierschicht

35 Öffnung

36 Kühlkörper

37 Wärmeleitpaste

38,38' Wärmeleitplatte

39 Federarm

40 Innenring

41 Anschlussplatte

42 Anschlussplatte

43 Antriebsscheibe

44 Antriebsscheibe

45 Aussparung

46 Aussparung

47 Antriebsblock Mitaehmerkralle

Mitnehmerkralle

Blattfeder

Mitnehmerkralle

Mitaehmerkralle

Rotor

Abdeckung

Fenster

Ausrücker

Innenverzahnung

Mitaehmerkralle

Mitnehmerkralle

Ausrücker

Druckelement

Exzenter

Deckplatte

Verschlussschraube

Gewindebohrung

Bohrung

Öffnung

Verstellschlitz

Flächennormale Flächennormale

Claims

Patentansprüche

1. Piezomotor mit

• einem Stator (1) ,

· einem sich um eine Drehachse (5) drehenden Rotor (53) und

• mindestens einem vom Stator (1) gehaltenen und den Rotor (53) antreibenden Piezoelement (20,21),

dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (20,21) in einem Schwinggehäuse (8) angeordnet ist, welches in Bezug auf den Stator (1) um eine Schwenkachse (16) schwingt.

2. Piezomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (16) zur Drehachse (5) des Rotors parallel verläuft und radial versetzt ist.

3. Piezomotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwinggehäuse (8) ein Kraftübertragungselement bildet, welches die Antriebsbewegung des Piezoelements (20,21) auf den

Rotor (53) überträgt.

4. Piezomotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement ein Stapelaktor (20,21) ist.

5. Piezomotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelaktor (20,21) aus gestapelten und Piezokeramikschichten (31) besteht, die auf beiden Seiten jeweils eine Elektrode (32,33) aufweisen und voneinander über Isolierschichten (34) getrennt sind, wobei die aufeinander liegenden Piezokeramikschichten(31) , Elektroden (32,33) und Isolierschichten (34) Öffnungen (35) aufweisen, welche von Kühlkörpern (36) durchragt werden.

6. Piezomotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist:

• die Kühlkörper (36) sind an Wärmeleitplatten (38) angeordnet;

· die Wärmeleitplatten (38') bilden sich radial erstreckende Federarme (39), welche an einem

Innenring (40) befestigt sind;

• der Innenring (40) umgibt die Drehachse (5) des Rotors (1);

• die Wärmeleitplatten (38') weisen im Kontaktbereich mit den Piezokeramikschichten (31) einen von innen nach außen keilförmig verlaufenden Querschnitt auf;

· eine Wärme leitpaste (37) füllt den Zwischenraum zwischen den Öffnungen (35) und den

Kühlkörpern (36).

7. Piezomotor nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokeramikschichten (31) des Stapelaktors mit einer Spannungsquelle verbunden sind, welche auf die Piezokeramikschichten (31) des Stapelaktors zeitversetzt eine elektrische Spannung aufbringt.

8. Piezomotor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement die Bewegung über ein Antriebssystem auf den Rotor (53) überträgt, welches aus mindestens einer Mitnehmerkralle (48,49,59,60) und einer Verzahnung (57,58) besteht, in welche die Mitnehmerkralle (48,49,59,60) eingreift.

9. Piezomotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmerkralle (48,49,59,60) federnd ausgebildet ist und die Verzahnung (57,58) aus Sägezähnen besteht, welche eine schräge Flanke und eine im Wesentlichen in radialer Richtung des Rotors (53) verlaufende Halteflanke aufweisen.

10. Piezomotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mitnehmerkrallen (48,49,59,60) in Umfangsrichtung des Rotors (53) zueinander versetzt angeordnet sind.

11. Piezomotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem zwei Verzahnungen (57,58) aufweist, wobei die Flächennormale der Halteflanken der ersten Verzahnung

(57) in eine erste Umfangsrichtung des Rotors (53) weist und die Flächennormale der Halteflanken der zweiten Verzahnung (58) in eine entgegen gerichtete, zweite Umfangsrichtung des Rotors (53) weist.

12. Piezomotor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssys- tem Ausrücker (56,61) aufweist, mit welchen die Mitnehmerkrallen (48,49,59,60) außer Eingriff mit der Verzahnung (57,58) gebracht werden können.

13. Piezomotor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten des Schwinggehäuses (8) jeweils eine um die Rotorachse (5) drehbare Antriebsscheibe (43,44) angeordnet ist, auf der mindestens eine Mitnehmerkralle (48,49,59,60) befestigt sind.

14. Piezomotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmerkrallen (48,49) der ersten Antriebsscheibe (43) den Rotor (53) in die erste Richtung drehen und die Mitnehmerkrallen (59,60) der zweiten Antriebsscheibe (44) den Rotor (53) in die zweite, entgegengesetzte Richtung drehen.

15. Piezomotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Anordnung (64) aufweist, welche das Spiel des sich am Stator (1) und am Schwinggehäuse (8) abstützenden Piezoelements (20,21) beseitigt. 16. Piezomotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein Exzenter (64) ist.