DE19535481C1 - Vibrating indirect piezoelectric effect type drive unit for forming rotary or translational output movements - Google Patents
Vibrating indirect piezoelectric effect type drive unit for forming rotary or translational output movementsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Antriebseinheit zur Erzeugung rotatorischer oder translatorischer Abtriebsbewegungen mittels längsschwingender piezoelektrischer Aktoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric drive unit for generating rotary or translatory output movements by means of longitudinally vibrating piezoelectric actuators according to the preamble of claim 1.
Unter einer piezoelektrischen Antriebseinheit soll im folgenden eine Antriebseinheit verstanden werden, in der der indirekte piezoelektrische Effekt genutzt wird, um durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Feldstärke eine mechanische Deformation eines piezoelektrischen Aktors zu erzeugen.In the following, a piezoelectric drive unit is understood to mean a drive unit in which the indirect piezoelectric effect is used to act on mechanical deformation of a piezoelectric actuator to an electric field strength produce.
Aus der US-PS 5068565 ist eine piezoelektrische Antriebseinheit bekannt, bei der die oszillierende translatorische Bewegung von Aktoren einem profilierten Rotor eine kontinuierliche Drehbewegung verleiht. Hierzu sind die Aktoren jeweils zwischen einer Schwinge eines ebenen Koppelgetriebes und einem Gestellpunkt angeordnet. Dabei ist ein Rollenhebel als Glied des Koppelgetriebes so ausgelegt, daß ein Punkt des Rollenhebels während eines Schwingungszyklus der Aktoren eine Koppelkurve beschreibt, die mindestens in einem Kurvenabschnitt näherungsweise ein Kreis ist.From US-PS 5068565 a piezoelectric drive unit is known in which the oscillating translatory movement of actuators a profiled rotor a continuous Gives rotational movement. For this purpose, the actuators are each between a rocker on a level Coupling gear and a frame point arranged. Here is a roller lever as a link of Coupling gear designed so that a point of the roller lever during an oscillation cycle the actuators describe a coupling curve that is at least in one curve section is approximately a circle.
Die Bewegungsumwandlung entsprechend der US-PS 5068565 beruht, wie insbesondere aus der dortigen Fig. 3 hervorgeht, auf einer auf Kraftschluß beruhenden Keilwirkung. Die Verwendung von kreisförmig um einen Rotor herum angeordneten Aktoren setzt im übrigen eine größere Anzahl von Aktoren voraus, was den Preis der Antriebseinheit nachteilig beeinflußt. Da die Lösung gem. US-PS 5068565 nach ihrer eindeutigen Zweckbestimmung der Konversion von Oszillationsbewegungen im Mikroamplituden-Bereich dient, erfordert sie zudem sehr große Übersetzungen und damit, auch wegen der großen Aktoranzahl, eine aufwendige Steuerung.The movement conversion in accordance with US Pat. No. 5,068,565 is based, as can be seen in particular from FIG. 3 there, on a wedge effect based on frictional engagement. The use of actuators arranged in a circle around a rotor also requires a larger number of actuators, which adversely affects the price of the drive unit. Since the solution acc. US Pat. No. 5,068,565 serves for the conversion of oscillation movements in the micro-amplitude range after its clear purpose, it also requires very large translations and thus, also because of the large number of actuators, a complex control.
Ausgehend von der Lösung gem. US-PS 5068565 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit zur Erzeugung rotatorischer oder translatorischer Abtriebsbewegungen mittels längsschwingender piezoelektrischer Aktoren zu schaffen, die eine auf Kraftschluß beruhende Keilwirkung bei der Wandlung der Bewegung der oszillierenden Aktoren vermeidet. Diese Aufgabe soll insbesondere mit einer sehr kleinen Anzahl von Aktoren gelöst werden. Zugleich soll mit der Erfindung erreicht werden, daß die Antriebseinheit nicht an bestimmte Erregerfrequenzen gebunden ist oder die Nachteile einer Friktionskopplung (Verschleiß usw.) aufweist. Die Ansteuerung der Aktoren ist nicht Gegenstand der Erfindung.Based on the solution acc. US-PS 5068565, the invention has for its object a Drive unit for generating rotational or translational output movements by means of longitudinally vibrating piezoelectric actuators to create a non-positive based Avoids wedge effect when converting the movement of the oscillating actuators. This The task is to be solved in particular with a very small number of actuators. At the same time can be achieved with the invention that the drive unit is not at certain excitation frequencies is bound or has the disadvantages of a friction coupling (wear, etc.). The control of the actuators is not the subject of the invention.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine piezoelektrische Antriebseinheit gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by a piezoelectric drive unit according to the Characteristic of the main claim solved. Various advantageous embodiments of the The device according to the invention are specified in the associated subclaims.
Die erfindungsgemäße Losung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The solution according to the invention, including its mode of operation, is described below using Exemplary embodiments explained in more detail. In the accompanying drawing:
Fig. 1a bis Fig. 1d eine schematische Darstellungen zur Verdeutlichung der Funktion wesentlicher Baugruppen bei einer Grundkonfiguration sowie verschiedenen Varianten der piezoelektrischen Antriebseinheit, Fig. 1a to Fig. 1d is a schematic diagrams for illustrating the function of essential modules, in a basic configuration as well as different variations of the piezoelectric drive unit
Fig. 2a eine Prinzipdarstellung einer konstruktiven Ausführungsform der piezoelektrischen Antriebseinheit, konzipiert für eine umlaufende Koppelebene, FIG. 2a is a schematic diagram of a constructive embodiment of the piezoelectric driving unit, designed for a circumferential coupling plane,
Fig. 2b die Seitenansicht zu Fig. 2a, FIG. 2b shows the side view of FIG. 2a,
Fig. 3a eine Prinzipdarstellung einer konstruktiven Ausführungsform der piezoelektrischen Antriebseinheit, konzipiert für eine nicht umlaufende Koppelebene, Fig. 3a shows a schematic view of a constructive embodiment of the piezoelectric driving unit, designed for a non-rotating coupling plane,
Fig. 3b die Seitenansicht zu Fig. 3a. FIG. 3b shows the side view of FIG. 3a.
Gemäß Fig. Ia wird ein Koppelgetriebe in der Konfiguration einer symmetrischen Doppelschwinge als Übertragungseinheit verwendet wird, deren gleichlange Schwingen b und c sich so kreuzen, daß der Kreuzungsmittelpunkt auf der Mittelsenkrechten der Strecke B₀C₀ liegt. Die Schwingen b und c sind in den Punkten C und B der Koppelebene CBD mit dem Koppelglied d verbunden.Ia is a coupling gear in the configuration of a symmetrical Double swing arm is used as a transmission unit, the swing arms of the same length b and c intersect in such a way that the center of the intersection lies on the central perpendicular of the B₀C₀ line. The wings b and c are in points C and B of the coupling plane CBD with the Coupling element d connected.
Wird nun ein piezoelektrischer Aktor 1, der zwischen dem Gestellpunkt A₀ und der Schwinge b angeordnet ist, so erregt, daß er in Längsrichtung schwingt, so wird die Schwinge b oder c ebenfalls in eine Schwingbewegung um den Punkt B₀ oder C₀ versetzt.If a piezoelectric actuator 1 , which is arranged between the frame point A₀ and the rocker b, is excited so that it swings in the longitudinal direction, the rocker b or c is also set into a rocking motion around the point B₀ or C₀.
Infolge dieser Schwingbewegung beschreibt der Koppelpunkt D des Koppelgliedes d bei entsprechender Wahl der Gliedlängen und der Gelenkpunkte eine Koppelkurve kd, die in ihrem oberen Teil einem Kreisbogen angenähert ist, dessen Krümmungsmittelpunkt M auf der Mittelsenkrechten der Geraden B₀C₀ liegt. Im unteren Teil der Koppelkurve wird der Koppelpunkt D wieder zurückgeführt, so daß sich ein geschlossener Kurvenzug ergibt. Die Länge des kreisförmigen Bogenstückes wird durch die Gliedlängen bestimmt. Versieht man einen Teil der Koppelebene CBD so mit einer Verzahnung oder einem adäquaten, ebenfalls Formschluß gewährleistenden Profil in der Weise, daß dieses in ein innenprofiliertes Rad eingreift, dessen Drehpunkt mit dem Punkt M identisch ist, so wird die Schwingbewegung in eine Rotation umgewandelt, die über das Rad abgegriffen werden kann.As a result of this oscillating movement, the coupling point D of the coupling element d describes, with appropriate selection of the link lengths and the articulation points, a coupling curve k d , which in its upper part approximates an arc of a circle whose center of curvature M lies on the perpendicular line of the straight line B₀C₀. In the lower part of the coupling curve, coupling point D is returned so that a closed curve is obtained. The length of the circular arc is determined by the length of the limbs. If you provide part of the coupling plane CBD with a toothing or an adequate, also form-fitting profile in such a way that it engages in an internally profiled wheel whose pivot point is identical to the point M, the oscillating movement is converted into a rotation that can be tapped via the wheel.
Über die Erregerfrequenz ist die Drehzahl des Abtriebsrades zu beeinflussen.The speed of the driven wheel is to be influenced via the excitation frequency.
Der Schwingenwinkel der Doppelschwinge kann erweitert werden, wenn der Weg des piezoelektrischen Aktors durch eine Wegübersetzung, beispielsweise einen Winkelhebel a₁ gemäß Fig. Ib, vergrößert wird.The swing arm angle of the double swing arm can be extended if the path of the piezoelectric actuator by a translation, for example an angle lever according to A₁ Fig. Ib, is enlarged.
Um Strecklagen des Getriebes zu überfahren, kann gemäß Fig. 1c jede der Schwingen b und c durch je einen Aktor 1a und 1b phasenverschoben in Schwingung versetzt werden. In order to drive over the stretched positions of the transmission, each of the rockers b and c can be set in vibration by an actuator 1 a and 1 b in accordance with FIG. 1c.
Um den Koppelpunkt D auch bei kleineren Schwingenwinkel außer Eingriff zu bringen, wird ein weiterer Aktor 1h so angeordnet, daß die Lage des Gestellpunktes C₀ verändert werden kann, wie Fig. 1d zeigt.In order to disengage the coupling point D even with a smaller rocker angle, a further actuator 1 h is arranged so that the position of the frame point Cpunkt can be changed, as shown in FIG. 1d.
Da es sich bei dieser Konstruktion der Antriebseinheit um ein ebenes Getriebe handelt, ist die Kontaktzone Koppel/Abtriebsrad in dem Bereich, wo die Krümmungsradien des Kontaktpunktes des Rades 9 (vgl. Fig. 2a) und des Koppelpunktes D übereinstimmen, als Fläche ausgebildet. Durch Wahl der Breite der Zone kann die Flächenpressung so reduziert werden, daß der Verschleiß minimiert ist.Since this construction of the drive unit is a flat gear, the coupling / output gear contact zone is designed as a surface in the area where the radii of curvature of the contact point of the wheel 9 (see FIG. 2a) and the coupling point D coincide. By choosing the width of the zone, the surface pressure can be reduced so that wear is minimized.
In den beiden folgenden Beispielen werden anhand der Fig. 2a bis Fig. 3b weitere Details der Erfindung beschrieben, wobei auf eine Darstellung der Ansteuerung und Verdrahtung der Aktoren verzichtet wird.In the following two examples 3b further details of the invention wherein the actuator is omitted representation of the control wiring and be reference to FIGS. 2a to FIG. Described.
Die in Fig. 2a dargestellte Variante betrifft den Fall, daß die Koppelebene 8 bei der Rückkehrbewegung außer Eingriff ist. Fig. 2b zeigt die zugehörige Seitenansicht. Ein Ständer 3 nimmt zwei piezoelektrische Aktoren 1 auf, die wechselseitig so auf den Winkelhebel 2 wirken, daß dieser eine Schwingbewegung um die Achse 4 ausführt. Diese Schwingung wird durch das Verbindungsstück 5 auf die symmetrische Doppelschwinge mit den Schwingen 6 und 7 übertragen, die ihrerseits mit der Koppel 8 verbunden sind. Diese Koppel 8 ist als Ebene ausgebildet, die an ihrem oberen Punkt D eine Keilverzahnung besitzt, die formschlüssig in eine gleichartige Verzahnung des innenverzahnten Rades 9 eingreift. Das Rad 9 ist auf einem Wälzlager 10 gelagert, wobei der Lagermittelpunkt so angeordnet ist, daß er mit dem Krümmungsmittelpunkt des Koppelpunktes D übereinstimmt, d. h. auf der Mittelsenkrechten der Verbindungslinie der Gestellpunkte B₀ und C₀ liegt. Das Rad 9 ist fliegend im Ständer 3 gelagert, wird über die Scheibe 11 und die Schraube 12 fixiert und dient als Abtriebselement, an das weitere Glieder angeschlossen werden können.The variant shown in Fig. 2a relates to the case that the coupling plane 8 is disengaged during the return movement. FIG. 2b shows the side view thereof. A stand 3 receives two piezoelectric actuators 1 , which act alternately on the angle lever 2 so that it performs an oscillating movement about the axis 4 . This vibration is transmitted through the connecting piece 5 to the symmetrical double rocker with the rockers 6 and 7 , which in turn are connected to the coupling 8 . This coupling 8 is designed as a plane which has a spline at its upper point D, which positively engages in a similar toothing of the internally toothed wheel 9 . The wheel 9 is mounted on a roller bearing 10 , the bearing center being arranged so that it coincides with the center of curvature of the coupling point D, ie lies on the perpendicular to the connecting line of the frame points B₀ and C₀. The wheel 9 is overhung in the stator 3 , is fixed via the disk 11 and the screw 12 and serves as an output element to which further links can be connected.
Die Doppelschwinge gewährleistet, daß der Punkt D der Koppel 8 sich auf einer zyklischen Bahn bewegt, die teilweise einen kreisförmigen Abschnitt aufweist. Auf diesem Abschnitt greift der Punkt D infolge der Verzahnung in das Rad 9 ein und bewegt dies weiter. Dann verläßt er den kreisförmigen Abschnitt und kehrt außer Eingriff zurück, um dort mit dem Rad 9 wieder in Eingriff zu kommen. Der Vorgang wiederholt sich. Damit bei kleinem Schwingenwinkel die Verzahnung sicher außer Eingriff kommt, ist ein weiterer piezoelektrischer Aktor 13 so angeordnet, daß in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Aktoren 1 die Lage des Gestellpunktes C₀ entsprechend verändert wird.The double rocker ensures that the point D of the coupling 8 moves on a cyclic path, which partially has a circular section. In this section, the point D engages in the wheel 9 as a result of the toothing and moves this further. Then he leaves the circular section and returns out of engagement to come back into engagement with the wheel 9 . The process is repeated. So that the teeth come out of engagement with a small swing angle, a further piezoelectric actuator 13 is arranged so that the position of the frame point C₀ is changed accordingly depending on the actuation of the actuators 1 .
Auf diese Weise rotiert das Rad 9 und kann seinerseits als Antrieb für weitere Übertragungsglieder oder Effektoren dienen.In this way, the wheel 9 rotates and can in turn serve as a drive for further transmission elements or effectors.
Die in Fig. 3a dargestellte Variante betrifft den Fall, daß die Koppelebene 8 keine umlaufende Bewegung ausführt sondern nur schwingt. Fig. 3b zeigt die zugehörige Seitenansicht. Die Koppelebene 8 ist in diesem Fall mit einem verzahnten Rad 14 versehen, bei dem durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. ein Gesperre 15, nur eine Drehrichtung zugelassen wird. Im gesperrten Zustand wird das Rad 9 mitgenommen, im ungesperrten Zustand dreht sich das Rad 14 nur um seine Achse. The variant shown in Fig. 3a relates to the case that the coupling plane 8 does not perform a circumferential movement but only vibrates. FIG. 3b shows the corresponding side view. The coupling plane 8 is provided in this case with a toothed wheel 14 , in which by a suitable device, for. B. a locking mechanism 15 , only one direction of rotation is permitted. In the locked state, the wheel 9 is taken along, in the unlocked state the wheel 14 only rotates about its axis.
Weitere vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich unmittelbar aus den Unteransprüchen.Further advantageous design options of the invention result directly from the Subclaims.
Claims (8)
- - ein oder mehrere translatorisch oszillierende, piezoelektrische Aktoren (1; 1a; 1b) einzeln oder kombiniert jeweils zwischen mindestens einer Schwinge (b; c; 6; 7) eines ebenen, im Grundaufbau zwangsläufigen Koppelgetriebes mit Dreh-, Schub-, und/oder Kurvengelenken und einem Gestellpunkt angeordnet sind,
- - ein Glied (d; 8) des Koppelgetriebes, so ausgelegt ist, daß ein Punkt (D) dieses Gliedes während eines Schwingungszyklus der vorgenannten Aktoren eine Koppelkurve kd beschreibt, die mindestens in einem Kurvenabschnitt näherungsweise ein Kreisbogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem vorgenannten Glied (d; 8) im Bereich des mindestens abschnittsweise annähernd einen Kreisbogen beschreibenden Punktes (D) ein profiliertes Element angeordnet ist, das während eines vorgenannten Schwingungszyklus
- a) mit seinem Profil im Bereich des von ihm durchlaufenen näherungsweise kreisabschnittsförmigen Kurvenbereichs der Koppelkurve kd formschlüssig in Eingriff mit einem entsprechend gestaltetem Profil eines Abtriebsgliedes (9) oder einer Abtriebsgliedergruppe tritt,
- b) dieser Eingriff nach Verlassen des näherungsweise kreisabschnittsförmigen Kurvenbereichs der Koppelkurve kd gelöst wird und
- c) dieser Vorgang mit dem nächsten Schwingungszyklus der vorgenannten Aktoren wiederholt wird, um eine Abtriebsbewegung zu erzeugen.
- - One or more translationally oscillating, piezoelectric actuators ( 1 ; 1 a; 1 b) individually or combined in each case between at least one rocker (b; c; 6 ; 7 ) of a flat, in the basic structure inevitable coupling gear with rotary, thrust, and / or curved joints and a frame point are arranged,
- - A link (d; 8 ) of the coupling gear is designed so that a point (D) of this link describes a coupling curve k d during an oscillation cycle of the aforementioned actuators, which is approximately a circular arc in at least one curve section, characterized in that a profiled element is arranged in the area of the point (D), which at least partially describes a circular arc, in the area of the above-mentioned link (d; 8 ) during a previously mentioned oscillation cycle
- a) positively engages with its profile in the area of the approximately circular segment-shaped curve region of the coupling curve k d it traverses with a correspondingly designed profile of an output element ( 9 ) or an output element group,
- b) this intervention is released after leaving the approximately circular segment-shaped curve area of the coupling curve k d and
- c) this process is repeated with the next oscillation cycle of the aforementioned actuators in order to generate an output movement.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |