DE19648726A1

DE19648726A1 - Piezoelektrisches Antriebselement

Info

Publication number: DE19648726A1
Application number: DE19648726A
Authority: DE
Inventors: Bernt Dr Goetz; Thomas Martin
Original assignee: Piezosystem Jena Praezisionsjustierelemente 07745 Jena De GmbH; PIEZOSYSTEM JENA PRAEZISIONSJU
Current assignee: Piezosystem Jena 07745 Jena De GmbH
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: DE19648726C2

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Antriebselement mit mindestens einem in x-, y- und/oder z-Richtung beweglichen Schwinger aus piezoelektrischer Keramik oder aufgebrachten piezoelektrischen Erregern, wobei der mindestens eine Schwinger auf einem Schwingerhalter befestigt ist, sowie mit einem Trag teil.

Piezoelektrische Antriebselemente mit piezoelektrischen Elementen, an die eine hochfrequente Spannung angelegt wird, um eine Hin- und Her- oder Rotationsbewegung zu erzeugen, sowie zur Bereitstellung einer mechanischen Antriebskraft in Abhän gigkeit von dieser Bewegung sind beispielsweise aus der DE 37 03 676 A1 bekannt.

Die dort gezeigten piezoelektrischen Antriebselemente können mechanische Antriebskräfte erzeugen und finden Anwendung z. B. als Aktuator für Linearantriebe, zum Verkippen optischer Ele mente oder als Antrieb für Relais und dergleichen.

Das grundlegende Wirkungsprinzip von Piezoelementen besteht darin, daß in dem Falle, wenn an piezoelektrisches Material eine Spannung angelegt wird, dieses Material eine Ausdehnung in Längs- oder eine Kontraktion in Querrichtung erfährt. Bekannt sind Piezoelemente z. B. für die Schallerzeugung oder, wie in der DE 37 03 676 A1 gezeigt, zur Bewegungsänderung bzw. Ver schiebung. Die erreichbare Wegverschiebung beträgt etwa 0,1% der Baulänge der Piezoelemente.

Mit einem Element von Abmessungen in der Größenordnung von 10 mm ist ein Verschiebeweg von ca. 10 µm zu erreichen. Um größere Verschiebungswege piezoelektrisch zu erzielen, werden mehrere piezoelektrische Keramikscheiben als sogenannter Piezostapel elektrisch parallelgeschaltet. Mit derartigen Elementen lassen sich Verschiebewege in einer Größenordnung bis zu 100 µm erzeugen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, durch die Ver wendung von Hebelübersetzungen mittels Piezostellelementen Wege im Bereich bis zu 1 mm zu erzeugen. Da mit der Wegübersetzung gleichzeitig eine Kraftuntersetzung verbunden ist, sind größere Verschiebungen durch den direkten Antrieb eines Piezoelementes nicht zweckmäßig.

Größere Wege lassen sich mit Piezoelementen durch eine Kaska dierung der Bewegung erreichen. Hierfür treibt ein Piezoelement mit einem Hub im Mikrometer-Bereich ein mechanisch geführtes Element an und schiebt es durch Wiederholung seiner Bewegung über größere Wege. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bewe gungen wird das mechanisch geführte Element in seiner erreich ten Position festgehalten. Derartige Antriebe greifen auf das sogenannte Klemm-Dehn-Prinzip zurück. Alternativ kann das mechanisch geführte Element aufgrund seiner Trägheit so ausgerichtet sein, daß es an der jeweiligen Position verharrt.

Bei einem bekanntgewordenen piezoelektrischen Antriebselement, wie in der Fig. 1 gezeigt, ist ein Schwingerhalter vorgesehen, auf dem ein oder mehrere Piezoschwinger angeordnet sind. Die Piezo-Schwinger werden mit einer Wechselspannung angesteuert, so daß die Stirnseite des Schwingers bei annähernder Ruhelage des Schwingerhalters in eine gezielte Schwingung versetzt wird. Durch die Gestaltung von Schwingerhalter und Schwinger sowie die elektrische Ansteuerung werden bestimmte Schwingungsmoden angeregt, dergestalt, daß der Piezoschwinger an seinem freien Ende eine kreisförmige oder elliptische Bewegung ausführen kann. Mit der erwähnten kreisförmigen oder elliptischen Bewegung an seinem Ende treibt die Stirnseite des Schwingers bzw. ein dort vorgesehener Stößel 15 eine ihm gegenüber ange ordnete, in einer Führung gelagerte mechanische Bewegungs plattform 14 an. Dabei kann das entsprechende Ende des Stößels 15, welches mit der Bewegungsplattform 14 zusammenwirkt, mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen sein oder aus einem verschleißfesten Material bestehen.

Da die Bewegung des Stößels 15 im Bereich weniger Mikrometer liegt, muß der Abstand zwischen Stößel 15 und Bewegungsplatt form 14 kleiner als der Schwingungsbereich des Schwingers 1 bzw. des Stößels 15 sein. Da eine derartige Genauigkeit über größere Strecken nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar ist, werden die Schwinger 1, die auf dem Schwingerhalter 2 befestigt sind, durch eine Feder 11 unter Vorspannung gegen die Bewegungsplattform 14 gepreßt. Entsprechende Führungsschienen 12 sind vorgesehen, um eine Bewegung des Schwingerhalters 2 senkrecht zur Bewegungsplattform 14 zuzulassen und unerwünschte Bewegungen in z- und y-Richtung zu unterdrücken. Um eine der artige Bewegung in x-Richtung bei gleichzeitiger Unterdrückung der Bewegung in y- und z-Richtung zu ermöglichen, ist eine aufwendige Führungskonstruktion mit entsprechendem Aufwand beim Justieren mittels der Justier- und Einstellschrauben 13 erforderlich.

Eine derartige mechanische Führung erfordert also bei der Herstellung einen großen Material- und Justageaufwand, ist darüber hinaus sehr wartungsintensiv und führt letztendlich zu erheblichen Kosten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes piezoelektrisches Antriebselement mit mindestens einem in x-, y- und/oder z-Richtung beweglichen Schwinger aus piezoelektrischer Keramik oder aufgebrachten piezoelektrischen Erregern anzugeben, wobei ein Schwingerhalter an einem Tragteil oder einem Gehäuse so befestigt und geführt ist, daß eine möglichst ungehinderte Bewegung in x-Richtung bei gleichzei tiger Unterdrückung der Bewegung in y- und z-Richtung erfolgen kann, wobei der Schwingerhalter mit geringem konstruktiven Aufwand eine Vorspannung in Richtung einer anzutreibenden Bewegungsplattform aufweist. Darüber hinaus soll die Herstel lung und Montage des piezoelektrischen Antriebselementes in einfacher und kostengünstiger Weise möglich sein.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen stand nach den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Gemäß einem ersten Grundgedanken der Erfindung wird das Gehäuse oder das Tragteil so ausgebildet, daß der Schwingerhalter mittels Federlager, insbesondere Biegefedergelenken, am Tragteil oder Gehäuse befestigbar ist.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung bestehen Schwingerhalter und Tragteil einschließlich der Biegefeder gelenke aus einer monolithischen Baugruppe, die beispielsweise durch Elektroerosion gefertigt, im Spritzgußverfahren oder Laserstrahlverfahren herstellbar ist.

Die erfindungsgemäßen Biegefedergelenke sind als versteifte oder unversteifte Parallelfederführung für den Schwingerhalter ausgebildet, so daß sich sowohl die ungehinderte Bewegung in x-Rich tung einstellt als auch die Bewegungen in z- und y-Richtung unterdrückt werden.

Durch die Biegefedergelenke ist die gewünschte Vorspannung des Schwingerhalters gegenüber einer Bewegungsplattform gewähr leistet, ohne daß zusätzliche Vorspannfedern, die sich zwischen Schwingerhalter und Tragteil oder Gehäuse abstützen, notwendig sind.

Durch die erfindungsgemäße Federlagerung sind keinerlei Justier- oder Wartungsarbeiten beim Einsatz des piezoelek trischen Antriebselementes mehr erforderlich.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist die Parallelfeder führung des Federlagers als Doppelparallelogramm- oder Parallelogrammführung ausgebildet.

Im Falle einer Parallelogrammführung, die herstellungsseitig besonders einfach zu realisieren ist, kann am biegefederfreien Ende zur Kennlinienbeeinflussung ein Feder- oder Massensystem angekoppelt werden.

Hierdurch ist sichergestellt, daß die Federführung bei Aus lenkung keine extrem ansteigenden Rückstellkräfte aufweist. Durch die angekoppelten Systeme läßt sich die Kraft-Weg-Kenn linie so beeinflussen, daß innerhalb des x-Auslenkungsbereiches die Auslenkkraft annähernd konstant bleibt.

Die angekoppelten Zusatzsysteme erzeugen eine wegabhängige Kraft, die der Rückstellkraft entgegenwirkt, so daß sich eine Kompensation ergibt, mit der Folge der oben erwähnten nahezu konstanten Kräfte innerhalb eines größeren Auslenkbereiches.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung kann das Federlager eine Membranfederführung bilden, wobei der Schwin gerhalter an der Membranenmitte und die Umrandung der Membranen am Tragteil befestigt ist.

Mit dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebselement wird also Führung und Vorspannung durch Federgelenke erreicht, die den Schwingerhalter und das Tragteil bzw. das Gehäuse miteinander verbinden.

Die Ausführung der erwähnten Federgelenke kann unterschiedlich sein dergestalt, daß diese aus Metall oder einem anderen Werkstoff bestehen, und die am Tragteil einerseits und am Schwingerhalter andererseits befestigt bzw. eingespannt werden.

Besonders vorteilhaft ist eine Realisierungsform der Erfindung, wenn die Federgelenke monolithisch ausgebildet sind. Dabei bilden Federgelenke und Schwingerhalter sowie Tragteil bzw. Gehäuse eine einheitliche Baugruppe. Wie erwähnt, sind als Herstellungsverfahren erosive Verfahren, z. B. Drahterosion oder Spritzguß oder dergleichen, vorteilhaft.

Der besondere Vorteil dieser Federlagerung mit Biegefederge lenken besteht in der einfachen Montage, der spielfreien, verschleißfreien Führung sowie der außerordentlich kosten günstigen Herstellung.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei spieles und unter Zuhilfenahme von Fig. näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein piezoelektrisches Antriebselement mit mechanischer Führung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen An triebselementes mit Biegefedergelenken nach Art einer Doppelparallelogrammführung und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Antriebselementes mit Biegefedergelenk nach Art einer Parallelogrammführung und der Möglichkeit des Einsatzes angekoppelter Zusatzsysteme zur Kennlinienbeein flussung.

Die bekannte mechanische Führung für piezoelektrische An triebselemente weist einen Schwingerhalter 2 auf, der Schwinger 1 aus piezoelektrischer Keramik oder aufgebrachten piezoelek trischen Erregern umfaßt. Ein Tragteil 3 ist mit Führungs schienen 12 versehen, so daß der Schwingerhalter 2 in x-Rich tung bewegbar ist, bei gleichzeitiger Unterdrückung der Bewe gung in z- und y-Richtung. Der Schwingerhalter 2 ist gegenüber dem Gehäuse 10 mit einer Vorspannfeder 11 abgestützt. Justier- und Einstellschrauben 13 dienen der möglichst spielfreien Führung des Schwingerhalters 2 in den Führungsschienen 12.

Beim ersten Ausführungsbeispiel, wie anhand der Fig. 2 gezeigt, wird unter Verzicht auf mechanisch aufwendige Führungsschienen mit Justier- und Einstellschrauben ein spezielles Federlager, insbesondere realisiert durch Biegefedergelenke, vorgesehen. Die Biegefedergelenke 4 verbinden den Schwingerhalter 2 mit dem Tragteil 3, das wiederum Bestandteil des Gehäuses 10 ist.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird von einer Doppelparallelogrammführung 5 ausgegangen. In diesem Falle ist der Schwingerhalter 2 mit paarweise angeordneten Biegefederge lenken 4 am Tragteil 3 befestigt, so daß Bewegungen in z- und y-Richtung unterdrückt werden können, gleichzeitig aber eine freie Bewegung in x-Richtung hin zu einer nicht gezeigten Bewegungsplattform möglich wird.

Durch die Biegefedergelenke 4 ergibt sich gleichzeitig eine vorteilhafte Vorspannung des Schwingerhalters 2, ohne daß die Notwendigkeit besteht, eine separate Vorspannfeder einzusetzen.

Zur Einstellung der Federkennlinie der Biegefedergelenke 4 kann eine Versteifung 7 vorgesehen sein.

Um eine entsprechende Reproduzierbarkeit der Nullage und Federkennlinien der Biegefedergelenke zu erreichen, können bestimmte Einspannungen gewählt werden. Vorteilhaft ist beispielsweise eine Abrundung an der Einspannkante oder auch ein Versatz der Einspannbacken.

Vorzugsweise wird jedoch das Tragteil 10 mit Biegefedergelenken 4 und Schwingerhalter 2 aus dem Vollen gefertigt, beispiels weise durch elektroerosive Verfahren oder durch Spritzguß. In diesem Falle ist es nicht notwendig, die Federgelenke einer seits am Schwingerhalter 2 und andererseits am Tragteil 3 einzuspannen, wodurch sich die Herstellungs- und Montagekosten verringern.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind Biegefedergelenke 4 nach Art einer Parallelogrammführung 6 vorgesehen. Bei einer derartigen Ausführungsform lassen sich die Herstellungskosten weiter reduzieren, wobei der geringfügige Bewegungsversatz in y-Richtung vernachlässigbar ist.

Insbesondere bei dieser Ausführungsform kann am freien Ende des Schwingerhalters 2 ein angekoppeltes Feder- oder Massezusatz system 8 vorgesehen sein. Diese angekoppelten Zusatzsysteme dienen dem Ziel, eine wegabhängige Kraft zu erzeugen, die der Rückstellkraft kompensierend entgegenwirkt, so daß innerhalb des Auslenkbereiches nahezu konstante Kräfte gegeben sind.

Ein nicht gezeigtes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel umfaßt ein Federlager, das eine Membranfederführung bildet, wobei der Schwingerhalter an der Membranenmitte und die Umrandung der Membranen am Tragteil befestigt sind. Wie bei den Ausführungs beispielen zu erkennen, kann das Tragteil 3 einen Teil des Gehäuses 10 bilden.

Allen voranstehend geschilderten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Montage der mittels Federlager befestigten Schwingerhalter wesentlich einfacher im Vergleich zu mecha nischen Führungen ist und daß aufgrund der in den Biegefeder gelenken innewohnenden Vorteile auf ansonsten notwendig wer dende Justage und Wartungsarbeiten weitgehend verzichtet werden kann. Durch die vielfältigen Möglichkeiten der Beeinflussung der Federkennlinien, z. B. durch Versteifung, durch Einspannen oder durch Membranfederführungen, die z. B. konzentrisch profiliert oder eben sind, lassen sich ganz unterschiedliche Anforderungen an piezoelektrische Antriebselemente erfüllen. Der besondere Vorteil der Membranfederführung des Schwinger halters besteht darin, daß dort, wo erforderlich, ein Versatz quer zur Führungsrichtung nahezu vollständig vermieden werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Schwinger

2

Schwingerhalter

3

Tragteil

4

Biegefedergelenk

5

Doppelparallelogrammführung

6

Parallelogrammführung

7

Versteifung

8

abgekoppeltes Feder- oder Massezusatzsystem

10

Gehäuse

11

Vorspannfeder

12

Führungsschienen

13

Justier- und Einstellschrauben

14

Bewegungsplattform

15

Stößel

Claims

1. Piezoelektrisches Antriebselement mit mindestens einem in x-, y- und/oder z-Richtung beweglichen Schwinger aus piezo elektrischer Keramik oder aufgebrachten piezoelektrischen Erregern, wobei der mindestens eine Schwinger auf einem Schwingerhalter befestigt ist, sowie mit einem Tragteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingerhalter (2) mittels Federlager, insbesondere Biegefedergelenken (4) am Tragteil (3) derart befestigt ist, daß die Bewegung des Schwingerhalters (2) in y- und/oder z-Richtung unterdrückbar ist.

2. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingerhalter (2), Biegefedergelenk (4) und Tragteil (3) einstückig als monolithische Baugruppe ausgebildet sind.

3. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Biegefedergelenken (4) bestehende Federlager eine versteifte (7) oder unversteifte Parallelfederführung für den Schwingerhalter (2) bildet.

4. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelfederführung als Doppelparallelogramm- (5) oder Parallelogrammführung (6) ausgebildet ist.

5. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federlager eine Membranfederführung bildet, wobei der Schwingerhalter an der Membranenmitte und die Umrandung der Membranen am Tragteil befestigt ist.

6. Piezoelektrisches Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung annähernd konstanter Auslenkkräfte des Federlagers die Federgeometrie und/oder die Einspannung variierbar ist.

7. Piezoelektrisches Antriebselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei einer Parallelogrammführung die wegabhängige Rückstellkraft der Federführung durch ein angekoppeltes Feder- oder Massezusatzsystem (8) reduziert ist.

8. Piezoelektrisches Antriebselement nach einem der vorange gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (3) mindestens einen Abschnitt eines Gehäuses (10) des Antriebselementes bildet.