DE19640108C1

DE19640108C1 - Piezoelektrischer Antriebsmodul

Info

Publication number: DE19640108C1
Application number: DE19640108A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Ing Goetze; Carsten Dipl Ing Haertel
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Haertel Carsten Dipl-Ing 70734 Fellbach De
Priority date: 1996-09-28
Filing date: 1996-09-28
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2016-09-29

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrisch angetriebenen Antriebsmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Modul ist z. B. aus der EP 0696821 A2 bekannt. Die Erfindung betrifft auch insbesondere einen Antriebsmodul mit einem oder mehreren piezoelektrischen Linearaktuatoren in Stapel- bzw. Multilayerbauweise als Antriebselemente, welche durch eine angelegte veränderliche elektrische Spannung bekannterweise zu einer entsprechenden Längenänderung gebracht werden können, die aber nur im Durchschnitt ca. 1 Mikrometer pro Millimeter Aktuatorlänge erreicht und für viele Anwendungsfälle nicht ausreicht. Die Verbesserung der Zusammenhänge zwischen der Spannung und der Längenänderung des Aktuators durch Veränderung der piezoelektrischen Materialeigenschaften sowie der Ansteuerungsmöglichkeiten der Aktuatoren und ihr innerer Aufbau sind nicht Gegenstand der Erfindung.

Für die Anwendung der Aktuatoren haben sich einige feste Einsatzgebiete ergeben, bei denen unterschiedliche kleine Hübe mittels wechselnder elektrischer Spannung hochfrequent ausgeführt werden müssen, wie bei Ventilsteuerungen (z. B. EP 0568902, EP 0619210, EP 0693382, US 5239319, WO 94/00696, WO 94/09912), oder wo Positionierungen von Körpern im Mikrometer- und Nanometerbereich, wie in der Optik u. a. (z. B. in den Patenten EP 0594362, EP 0608900, US 5.394.049, US 5.465021, WO 94/06160) erforderlich sind. Bei erforderlichen größeren Wegen ist die Baulänge der Stapelaktuatoren oft unzulässig groß, so daß die Wege mechanisch, hydraulisch, pneumatisch o. ä. vergrößert werden müssen (z. B. nach DE 36 18 544). Bekannt ist auch die Verwendung eines einfachen Hebels, auf dessen kürzerem Schenkel der Aktuator wirkt und an dessem längeren Hebelarm der Weg (Kreisbogen) verwendet wird. Es gibt Einzellösungen, bei denen auch gelenkig verbundene Glieder objektangepaßt als Wegwandler wirken (z. B. DE 43 12 937, DE 44 01 496, EP 0655736, EP 0696821, US 5111101, US 5410207, US 5479064).

Beim Ausweichen auf sog. piezoelektrische Bimorphe (Biegewandler) wird bei deren Einspannung das freie Ende eine Bewegung bis zum Millimeterbereich ausführen, die nutzbaren Kräfte sind aber gegenüber den Stapelaktuatoren und Multilayern sehr viel geringer (z. B. DE 44 08 618, EP 0622771, US 5350966). Bei der Wegvergrößerung von Stapelaktuatorwegen ist deshalb auch noch eine größere Nutzkraft zu erhalten. Die Verwendung von piezoelektrisch angetriebenen Motoren für fortlaufende translatorische (z. B. DE 41 24 717, DE 42 36 574, EP 0635719, EP 0640855, US 5332942, US 5404066) oder rotatorische Bewegungen durch Wegaddition (Inch-Worm-Prinzip, Schwingungserregung im Resonanzbereich, z. B. DE 42 43 323, DE 44 34 926, EP 0680854, EP 0696072) stellt prinzipiell zwar auch eine Wegvergrößerung dar, ist aber wegen des Reibschlusses oft ungenauer und kraftübertragungsbeschränkter.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß Module fehlen, die mit dem elementaren piezoelektrischen Aktuator in Einheit mit einem Wegvergrößerungssystem, einen Hub bis zu einigen Millimetern erreichend, allgemein eingesetzt werden können und eine kleine Bauweise bei dieser großen Wegübersetzung aufweisen. Ein derartiger Mangel ist insbesondere bei der Lösung von Aufgabenstellungen aus dem Problemkreis des Maschinen- und allgemeinen Gerätebaus nachteilig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein mittels vorzugsweise piezoelektrischem Linearaktuator in Stapel- oder Multilayerbauweise angetriebenes vorzugsweise formschlüssiges Weg- oder Winkelvergrößerungssystem mit geeigneter Anzahl und geeigneten Abmessungen von Übertragungsgliedern zu entwickeln, die zusammen mit diesem piezoelektrischen Aktuator eine kompakte, modulartige Baueinheit bilden. Diese modulartige Baueinheit soll - unter Verzicht auf eine Optimierung für einen Einsatz bei höheren Frequenzen der Längenänderung - als schlanker Aktuator mit Antriebshüben bis zu einigen Millimetern oder Antriebswinkeln bis zu mehreren Grad bei zielorientierten Übertragungsfunktionen vielseitig einsetzbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen piezoelektrischen Antriebsmodul gemäß dem Kennzeichen des 1. Anspruchs gelöst.

Ein besonderer Vorteil des piezoelektrischen Antriebsmoduls gemäß Anspruch 1 besteht in der kompakten Bauweise mit einer großen Übersetzungsdichte.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind am Gehäuse 3 Paßflächen zur Befestigung mindestens eines der weiteren Wegübersetzung bzw. -wandlung dienenden Zusatzmoduls 12 angeordnet. Dieser Zusatzmodul 12 weist mindestens eine Öffnung für den Durchtritt mindestens eines dem Zusatzmodul 12 zugeordneten Abtriebsgliedes 9; 13 auf Mittels dieses bedarfsweise verwendbaren Zusatzmoduls ist der Antriebsmodul an eine breite Palette von Einsatzbedingungen kostengünstig anpaßbar. Diese Anpaßbarkeit an unterschiedliche Einsatzbedingungen kann noch dadurch verbessert werden, daß der Zusatzmodul mit einem eigenen treibenden piezoelektrischen Aktuator ausgerüstet ist.

In einer anderen speziellen Ausführungsform, die ebenfalls der kostengünstigen Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen dient, weist das Wegvergrößerungssystem - gegebenenfalls zusätzlich durch den vorgenannten Zusatzmodul ergänzt, eine im Gehäuse zusätzlich angeordnete Übersetzungserweiterung mit mindestens einem Abtriebsschwenk- oder Abtriebsschubglied und einem Koppelglied auf.

Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1a bis 1d Grundmodul des piezoelektrischen Antriebsmoduls mit schwingendem Abtriebsglied bei Anordnung des Aktuators zwischen Gehäuse und gestellgelagertem Hebel,

Fig. 2 Grundmodul des piezoelektrischen Antriebsmoduls mit schiebendem Abtriebsglied bei Anordnung des Aktuators zwischen Gehäuse und gestellgelagertem Hebel,

Fig. 3 Variante des Grundmoduls nach Fig. 1a bis 1d zur Nutzung eines größeren Kreisbogens des Abtriebsgliedes,

Fig. 4 Variante des Grundmoduls nach Fig. 2 mit langer Führung des schiebenden Abtriebsgliedes,

Fig. 5 Grundmodul nach Fig. 3 mit weiterer Winkelvergrößerung durch ein zusätzlich nachgeordnetes schwingendes Abtriebsglied,

Fig. 6 Grundmodul nach Fig. 3 mit weiterer Schubvergrößerung durch zwei zusätzlich nachgeschaltete Glieder,

Fig. 7 Aufsteckbares Zusatzmodul zur weiteren Schwingwinkelvergrößerung mit angepaßtem Abtriebsglied des Grundmoduls nach Fig. 1a bis 1d,

Fig. 8 Aufsteckbares Zusatzmodul zur Schubwegvergrößerung mit angepaßtem Abtriebsglied des Grundmoduls nach Fig. 1a bis 1d,

Fig. 9 Grundmodul des piezoelektrischen Antriebsmoduls mit schwingendem Abtriebsglied bei Anordnung des Aktuators zwischen gestellgelagertem Hebel und Koppelglied,

Fig. 10 Grundmodul des piezoelektrischen Antriebsmoduls mit zwei schwingenden Abtriebsgliedern bei Anordnung des Aktuators zwischen diesen gestellgelagerten Hebein,

Fig. 11 Grundmodul des piezoelektrischen Antriebsmoduls mit schwingendem Abtriebsglied bei Anordnung des Aktuators zwischen Gehäuse und Koppelglied,

Fig. 12 Grundmodul mit aufgestecktem Zusatzmodul und Spannstellen.

Für alle in den verschiedenen Figuren dargestellten Varianten gilt, daß das Verhältnis zwischen dem am Winkelhebel 2 erzeugten Winkel psi und dem Abtriebswinkel phi des Moduls als Bewertungsparameter dienen kann.

Ein piezoelektrischer Linearaktuator 1 nach Fig. 1a bewegt einen Winkelhebel 2, der im Gehäuse 3 gelagert ist, indem er durch eine angelegte Spannung eine Längenänderung erfährt und sich dabei zwischen dem Gehäuse 3 und dem Winkelhebel 2 abstützt. Der Winkelhebel 2 treibt über ein Koppelglied 4 ein im Gehäuse gelagertes Abtriebsschwenkglied 5 unter Verwendung möglichst spielfreier Gelenke an. Die maßgeblichen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung beruhen u. a. darauf, daß die Hebellängen und die Gestalt des Winkelhebels 2 so gewählt sind, daß die Hebelform sich an den Linearaktuator 1 anschmiegt, wie auch Koppelglied 4 und Abtriebsschwenkglied 5 den Linearaktuator 1 eng umgeben bzw. an der Aktuatorlängsachse ausgerichtet sind. Der gesamte Übersetzungsmechanismus erhält somit eine schlanke Form, die vorzugsweise einem röhrenförmigen Gehäuse 3 mit vorzugsweisem kreisrunden Querschnitt angepaßt ist (Fig. 1b bis d). In zur leichteren Montage Lagerungen als Einschubhülsen 6 eingebracht. Das Gehäuse 3 ist mit einem Einschraubboden 7 o. ä. verschlossen, und die beweglichen Glieder werden mittels eines Federelements 8 unter Vorspannung gehalten. Der gewählte Gehäusequerschnitt bestimmt auch die Querschnittsform der Glieder, um entsprechend der Aufgabe, einen kompakten Antriebsmodul zu schaffen, möglichst wenig freien und ungenutzten Raum zu belassen (Fig. 1c, d).

Nach Fig. 2 bewegt der Winkelhebel 2, angetrieben durch einen Aktuator 1, über das Koppelglied 4 ein Abtriebsschubglied 11, wobei die Neigung des Koppelgliedes 4 zum Winkelhebel 2 entscheidend ist für die Arbeit des Moduls als Druck- oder Zugeinheit, da ein Stapelaktuator in der Regel gegen eine Druckkraft arbeitend verwendet werden muß und daher eine Rückstellkraft bzw. Vorspannung, wie z. B. ein Federelement 8, benötigt. Bei vorgespannten Aktuatoren kann ein Federelement entfallen.

Als Varianten zu den piezoelektrischen Antriebsmodulen nach Fig. 1 und Fig. 2 zeigen die Fig. 3 und 4 in schematischer Darstellung Flachmodelle, deren Bauelemente unter den o.g. erfindungsgemäßen Gesichtspunkten in ein z. B. röhrenförmiges Gehäuse um eine zentrale Achse zu positionieren sind.

Fig. 5 und 6 stellen eine Erweiterung der Module nach Fig. 1a und 2 um eine weitere Übersetzungsstufe dar. Dabei kann für einen Winkelweg ein Abtriebsschwenkglied 14 (Fig. 5) oder für einen linearen Abtriebsweg ein über ein zusätzliches Koppelglied 15 angetriebenes Abtriebsschubglied 14 (Fig. 6) eingesetzt werden. In der Weiterentwicklung dieses Moduls kann die weitere Übersetzungsstufe auch als auf das Gehäuse 3 aufsteckbarer Zusatzmodul ausgebildet sein, wie dies in Fig. 7 mit dem Aufsteckgehäuse 12 und dem darin gelagerten Abtriebsschwenkglied 9 dargestellt ist, wobei die Bewegungsübertragung z. B. reibungsarm durch eine Rolle 10 vorgenommen wird. Die Teile 1 bis 6 sind Elemente der als Grundmodul zu bezeichnenden erfinderischen Lösung. Fig. 8 zeigt einen auf den Grundmodul aufsteckbaren Zusatzmodul mit seinem Gehäuse 12 zur Ableitung einer Schubbewegung an einem verdrehgesicherten Abtriebsschubglied 13 mit unter Federvorspannung stehendem Kurvengelenk mit der Rolle 10, die mit den angedeuteten Gliedern 2 bis 6 zum Grundmodul gehört.

Nach Fig. 9 bewegt ein piezoelektrischer Linearaktuator 1 ein Abtriebsschwenkglied 5, das im Gehäuse 3 gelagert ist, indem der Linearaktuator 1 durch eine angelegte Spannung eine Längenänderung erfährt und sich dabei zwischen dem Winkelhebel 2 und dem Koppelglied 4 abstützt. Das Koppelglied 4 treibt somit ein im Gehäuse gelagertes Abtriebsschwenkglied 5 formschlüssig an. Die Hebellängen und die Gestalt der Glieder sind wiederum so gewählt, daß die genannten erfindungsgemäßen Raumbedingungen an den Modul erfüllt werden.

Nach Fig. 10 bewegt ein piezoelektrischer Linearaktuator 1 einen Winkelhebel 2 und ein Abtriebsschwenkglied 5, die beide im Gehäuse 3 gelagert sind und auch beide als Abtriebsglieder mit vergrößertem Abtriebswinkel genutzt werden können, indem der Linearaktuator 1 durch eine angelegte Spannung eine Längenänderung erfährt und sich dabei zwischen dem Winkelhebel 2 und dem im Gehäuse 3 gelagerten Abtriebsschwenkglied 5 abstützt.

Nach Fig. 11 bewegt ein piezoelektrischer Linearaktuator 1 einen Abtriebsschwenkglied 5, das im Gehäuse 3 gelagert ist, indem der Linearaktuator 1 durch eine angelegte Spannung eine Längenänderung erfährt und sich dabei zwischen dem Gehäuse 3 und dem Koppelglied 4 abstützt. Bezeichnet man die Ausführungsformen nach Fig. 9, 10 und 11 wie die nach Fig. 1 und 2 wegen der grundsätzlich unterschiedlichen inneren Struktur als Grundmodule, so können diese Ausführungsformen der erfinderischen Lösung mit den aufsteckbaren Zusatzmodulen nach Fig. 7 und 8 zur weiteren mechanischen Vergrößerung des Abtriebsweges bzw. -winkels bei gleicher Zielstellung erweitert werden (auch mehrfach), Fig. 12, während bei den Lösungen nach Fig. 5 und 6 alle Glieder in einem Gehäuse integriert sind. Damit und mit der Anpassung aller Module in ihrer Größe an einen Linearaktuator gewählter Länge durch einen Längenmaßstab, ist die Möglichkeit der Entwicklung von Baureihen gegeben, die auch mehrere Linearaktuatoren als Antriebe enthalten und bei denen auch Punkte von Koppelgliedern aus dem Gehäuse als Abtriebspunkte herausgeführt sein können.

Claims

1. Piezoelektrischer Antriebsmodul, enthaltend einen vorzugsweise in Stapel- oder Multilayerbauweise ausgeführten piezoelektrischen Aktuator und einen als quasi mehrstufiges Wegvergrößerungssystem ausgebildeten Hebelmechanismus zur Erzeugung ebener, vorzugsweise Schub- oder Winkelbewegungen eines Abtriebsgliedes, wobei sich der piezoelektrische Aktuator mit seinen Enden am Gehäuse und einem bewegten Glied oder an zwei bewegten Gliedern des Hebelmechanismus abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß

- innerhalb eines Gehäuses (3), das als länglicher Hohlzylinder mit rundem oder eckigem Querschnitt ausgebildet ist, der piezoelektrische Aktuator (1) und das mindestens ein Abtriebsglied (5; 11) enthaltende Wegvergrößerungssystem angeordnet sind,
- das Gehäuse (3) Spannstellen (16; 17) auf seiner Mantel- und/oder seiner Stirnfläche zur Befestigung bzw. Abstützung des piezoelektrischen Antriebsmoduls am Einsatzort besitzt sowie mindestens eine Öffnung für den Durchtritt mindestens eines schwingenden oder schiebenden Abtriebsgliedes (5; 11) aufweist,
- die im Gehäuse (3) gelagerten Glieder des Wegvergrößerungssystems als unterschiedlich lange Schwinghebel und/oder Schiebestücke ausgebildet und über ein an ihnen angelenktes Koppelglied (4) miteinander verbunden sind, wobei Querschnitt und Gestalt mindestens des bezüglich des Kraftflusses dem piezoelektrischen Aktuator (1) am nächsten gelegenen Hebels so ausgebildet sind, daß der Hebel zum Linearaktor (1) und zur Wandung des Gehäuses (3) eng beabstandet ist,
- die Längsachse des piezoelektrischen Aktuators (1) und die Längsachsen der gehäusegelagerten Hebel und Abtriebsglieder (5; 11) an der Längsrichtung des Gehäuses (3) für eine stabförmig kompakte Bauweise orientiert sind.

2. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (3) Paßflächen zur Befestigung mindestens eines der weiteren Wegübersetzung bzw. -wandlung dienenden Zusatzmoduls (12) angeordnet sind, wobei der Zusatzmodul (12) mindestens eine Öffnung für den Durchtritt mindestens eines dem Zusatzmoduls (12) zugeordneten Abtriebsgliedes (9; 13) aufweist.

3. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzmodul (12) mit einem eigenen treibenden piezoelektrischen Aktuator ausgerüstet ist.

4. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegvergrößerungssystem eine im Gehäuse (3) zusätzlich angeordnete Übersetzungserweiterung mit mindestens einem Abtriebsschwenk- oder Abtriebsschubglied (14) und einem Koppelglied (15) aufweist, wobei das Gehäuse (3) mindestens eine Öffnung für den Durchtritt dieser Abtriebsschwenk- oder Abtriebsschubglieder (14) aufweist.

5. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere piezoelektrische Aktuatoren (1) gleicher oder unterschiedlicher Länge und Bauart hintereinander angeordnet und abhängig oder unabhängig voneinander angesteuert sind oder paarweise gleichlang nebeneinander angeordnet und diese Paare mit gleicher Funktion angesteuert sind.

6. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als nach den Zwanglaufbedingungen erforderliche Aktuatoren (1) abhängig gesteuert zwischen den Gliedern des Wegvergrößerungssystems als Antriebe angeordnet sind.

7. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht im Gehäuse (3) gelagertes Koppelglied (4; 15) als Abtriebsglied verwendet wird.

8. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gegenüber dem Gehäuse (3) bewegliche Glieder als Abtriebsglieder angeordnet sind.

9. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gelenke offene (kraftschlüssige) oder geschlossene (formschlüssige) Elementenpaare, Feststoffgelenke oder Federgelenke verwendet werden.

10. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingende oder schiebende Abtriebsglied eine Rolle trägt oder mit einem Reibbelag versehen ist oder eine bestimmte geometrische Form wie Kreisbogen, Spitze, Gabel, gerade Kante aufweist.

11. Piezoelektrischer Antriebsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung unterschiedlich langer Aktuatoren (1) Paßstücke für den Längenausgleich zwischen der verwendeten Aktuatorlänge und der Entfernung zwischen den Abstützpunkten des Aktuators vorgesehen sind.