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Dokumentenidentifikation DE202007009544U1 31.10.2007
Titel Piezoelektrisches Antriebssystem mit einem elastischen Mittel
Anmelder Elliptec Resonant Actuator AG, 44379 Dortmund, DE
DE-Aktenzeichen 202007009544
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 31.10.2007
Registration date 27.09.2007
Application date from patent application 07.07.2007
IPC-Hauptklasse H02N 2/00(2006.01)A, F, I, 20070707, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02N 2/02(2006.01)A, L, I, 20070707, B, H, DE   H02N 2/12(2006.01)A, L, I, 20070707, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Antriebssystem, in welchem ein elastisches Mittel einen piezoelektrischen Motor an ein angetriebenes Element drückt. Derartige piezoelektrische Antriebssysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das elastische Mittel bewirkt, dass die auf Reibung basierenden Antriebskräfte vom piezoelektrischen Motor auf das angetriebene Element übertragen werden und dieses in Bewegung versetzen. Das elastische Mittel bewirkt weiterhin, dass Fertigungstoleranzen und Abnutzung des piezoelektrischen Motors und/oder des angetriebenen Elementes ohne Nachjustage ausgeglichen werden können. Das elastische Mittel wird typischerweise so gewählt und ausgelegt, dass mechanische Schwingungen des piezoelektrischen Motors nicht in eine Basis, auf welche das piezoelektrische Antriebssystem montiert ist, eingekoppelt werden. Die Art und Bausweise des elastischen Mittels sind für den Bauraum und die Gesamtkosten des piezoelektrischen Antriebssystems mitbestimmende Faktoren.

Aus der US 6,664,714 ist beispielsweise ein piezoelektrisches Antriebssystem bekannt, in welchem ein piezoelektrischer Motor so ausgelegt ist, dass er ein angetriebenes Element linear (im Falle eines Stabes) oder rotierend (im Falle eines Rades) in zwei entgegen gesetzte Richtungen bewegen kann. Als elastisches Mittel weist dieses piezoelektrische Antriebssystem beispielsweise eine Blattfeder auf, welche in eine Öffnung eines, den piezoelektrischen Motor bildenden Rahmens eingepresst ist. Dies hat den Nachteil, dass die vibrationstechnisch einwandfreie mechanische Verbindung zwischen der Blattfeder und dem piezoelektrischen Motor mit einfachen Mitteln nicht ohne weiteres gewährleistet werden kann. Außerdem ist die Blattfeder über einen, im Vergleich zum piezoelektrischen Motor relativ großen Bereich mit dem piezoelektrischen Motor verbunden, so dass die Krafteinleitung nicht eindeutig definiert ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, in welchem ein elastisches Mittel einen piezoelektrischen Motor an ein angetriebenes Element drückt. Das elastische Mittel kontaktiert den piezoelektrischen Motor in einem eng definierten Bereich und drückt damit in definierter Weise den piezoelektrischen Motor an das angetriebene Element. Das elastische Mittel ist aber nicht fest mit dem piezoelektrischen Motor verbunden. Im Vergleich zum Stand der Technik ist weiterhin vorteilhaft, dass sich die Lastverhältnisse am elastischen Mittel mit einfachsten Mitteln beim und nach dem Einbau in das piezoelektrische Antriebssystem einstellen lassen.

Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand von Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebssystem besteht aus einem piezoelektrischen Motor, welcher ein angetriebenes Element antreibt, sowie einem elastischen Mittel, welches den piezoelektrischen Motor gegen das angetriebene Element drückt. Das elastische Mittel der Erfindung ist eine Schraubenfeder.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Endbereiche der Schraubenfeder an einer Grundplatte befestigt. Die Schraubenfeder berührt den piezoelektrischen Motor im Bereich einer gewählten Windung der Schraubenfeder und drückt den piezoelektrischen Motor mit dieser gewählten Windung an das angetriebene Element. Auf diese Art und Weise können je nach gewählter Windung und je nach gewähltem Kontaktpunkt am piezoelektrischen Motor unterschiedliche Lastverhältnisse eingestellt werden. Insbesondere kann die Schraubenfeder auf Zug, Druck, Scherung und Biegung beansprucht werden.

Bevorzugt drückt die gewählte Windung in einer zur Schraubenfeder seitlichen Richtung an den piezoelektrischen Motor an, d.h., die Richtung der Andruckkraft liegt nicht parallel zur Längsachse der Schraubenfeder.

Der Begriff einer Grundplatte ist hier im weitesten Sinne gemeint. Die Grundplatte muss insbesondere nicht eine Plattenform haben, sondern kann andere Ausführungsformen haben, welche zur Befestigung der Endbereiche der Schraubenfeder dienen.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der piezoelektrische Motor einen ersten Vorsprung auf, gegen welchen sich die gewählte Windung der Schraubenfeder verstemmen kann.

Der piezoelektrische Motor ist vorteilhaft drehbar gelagert, zum Beispiel mittels eines Stiftes, welcher bevorzugt an einem zweiten Vorsprung des piezoelektrischen Motors angeordnet ist. Der erste Vorsprung ist bezüglich der drehbaren Lagerung des piezoelektrischen Motors vorteilhaft so angeordnet, dass die Schraubenfeder über die gewählte Windung am ersten Vorsprung eine elastische Hebelwirkung bezüglich der Längs- oder Drehachse der Stiftes erzeugt.

Die gewählte Windung unterteilt die Schraubenfeder in einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Windungen im ersten Teilbereich der Schraubenfeder verschieden von der Anzahl der Windungen im zweiten Teilbereich. Besonders vorteilhaft sind die Windungen der unbelasteten Schraubenfeder in gleichen Abständen gewunden. Solche Schraubenfedern sind standardmäßig industriell erhältlich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Schraubenfeder durch die gewählte Windung derart in einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich unterteilt, dass sich der statische Lastzustand im ersten Teilbereich der Schraubenfeder vom statischen Lastzustand im zweiten Teilbereich unterscheidet. Insbesondere können die Teilbereiche unterschiedlichen Zug- oder Druckbelastungen unterworfen sein.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

2 eine weitere Ansicht der bevorzugten Ausführungsform aus 1; und

3 eine weitere Ansicht der bevorzugten Ausführungsform aus 1.

1 zeigt ein piezoelektrisches Antriebssystem (1), welches einen piezoelektrischen Motor (2), ein angetriebenes Element (11), sowie ein elastisches Mittel (20) zum Andrücken des piezoelektrischen Motors (2) gegen das angetriebene Element (11) aufweist.

2 und 3 zeigen weitere Ansichten des in 1 gezeigten piezoelektrischen Antriebssystems (1).

Der gezeigte piezoelektrische Motor (2) besteht aus einem Resonator (3) und einem piezoelektrischen Element (4). Im Betrieb erzeugt das piezoelektrische Element (4) mechanische Schwingungen im Resonator (3). Am Resonator (3) ist ein Antriebskörper (8) angeformt, welcher mit dem angetriebenen Element (11) in Kontakt steht und dieses mittels der mechanischen Schwingungen des Resonators (3) antreibt. Das piezoelektrische Antriebssystem (1) der Erfindung kann aber auch mit anderen Arten und Bauweisen von piezoelektrischen Motoren (2) als dem gezeigten aufgebaut werden, ohne den Sinn und Zweck der Erfindung zu verletzen.

Das elastische Mittel (20) besteht aus einer Schraubenfeder (21), welche in ihren zwei Endbereichen (22a), (22b) an einer Grundplatte (10) befestigt ist. Hierzu sind die Endbereiche (22a), (22b) geeignet umgebogen und unterscheiden sich damit von den restlichen Windungen der Schraubenfeder (21). Die Grundplatte (10) dient hier gleichzeitig zur Befestigung und Lagerung des piezoelektrischen Motors (2) sowie des angetriebenen Elementes (11).

Bei der Schraubenfeder (21) handelt es sich um eine, im unbelasteten Zustand gerade Schraubenfeder, welche gleichmäßig gewundene Windungen aufweist, die im unbelasteten Zustand gleichen Abstand zueinander haben. Eine gewählte Windung (25) der Schraubenfeder (21) drückt gegen einen, am Resonator (3) angeformten, ersten Vorsprung (7). Hierdurch wird die Schraubenfeder (21) seitlich belastet und wird, da die Endbereiche (22a), (22b) festgehalten werden, entlang dieser Richtung durchgebogen.

Die gewählte Windung (25) unterteilt die Schraubenfeder (21) in einen ersten Teilbereich (23) und einen zweiten Teilbereich (24). Die Anzahl von Windungen im ersten Teilbereich (23) muss nicht dieselbe sein wie die Anzahl von Windungen im zweiten Teilbereich (24). Je nach Wahl der gewählten Windung (25) können somit gezielt die auf den piezoelektrische Motor (2) wirkenden Lastverhältnisse eingestellt werden. Dies ist auch noch nach dem Aufbau des piezoelektrischen Antriebssystems (1) leicht möglich, indem die gewählte Windung (25) über den ersten Vorsprung (7) hinweg gehoben wird und die nächste Windung der Schraubenfeder (21) zur gewählten Windung (25) gemacht wird.

Der in 1 gezeigte piezoelektrische Motor (2) vermag das angetriebene Element (11) in zwei Richtungen anzutreiben. Die Kraft und Geschwindigkeit der Bewegung des angetriebenen Elementes (11) in der jeweiligen Richtung hängt auch von der durch das elastische Mittel (20) erzeugten, statischen Vorlast ab. Dadurch, dass eine gewählte Windung (25) der Schraubenfeder (21) bestimmt werden kann und diese während oder nach dem Zusammenbau des piezoelektrischen Antriebssystems (1) auf einfachste Weise geändert werden kann, ist es möglich, die Kraft und Geschwindigkeit der Bewegung des angetriebenen Elementes (11) in der jeweiligen Richtung gezielt einzustellen. Je mehr Windungen die Schraubenfeder (21) aufweist, umso feiner lassen sich Kraft und Geschwindigkeit in der jeweiligen Richtung einstellen. Somit lassen sich gewisse fertigungsbedingte Toleranzen des piezoelektrischen Motors (2) durch das hier gewählte elastische Mittel (20) ausgleichen.

An dem Resonator (3) ist ein zweiter Vorsprung (6) angeformt. Dieser dient zur Aufnahme eines zylindrischen Stiftes (5), um den piezoelektrischen Motor (2) um die Längsachse des Stiftes (5) drehbar zu lagern. Der Stift (5) ist an der Grundplatte (10) befestigt. Durch die Distanz zwischen der Längsachse des Stiftes (5) und der Stelle, wo die gewählte Windung (25) den ersten Vorsprung (7) angreift, ergibt sich ein Hebelarm, so dass die gewählte Windung (25) um die Längsachse des Stiftes (5) ein gezieltes Moment aufbringt und damit den Antriebskörper (8) in definierter Weise an das angetriebene Element (11) andrückt.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1
piezoelektrisches Antriebssystem
2
piezoelektrischer Motor
3
Resonator
4
piezoelektrisches Element
5
Stift
6
zweiter Vorsprung
7
erster Vorsprung
8
Antriebskörper
10
Grundplatte
11
angetriebenes Element
20
elastisches Mittel
21
Schraubenfeder
22a, 22b
Endbereiche der Schraubenfeder (21)
23
erster Teilbereich der Schraubenfeder (21)
24
zweiter Teilbereich der Schraubenfeder (21)
25
gewählte Windung der Schraubenfeder (21)


Anspruch[de]
Piezoelektrisches Antriebssystem (1), bestehend aus einem piezoelektrischen Motor (2), welcher ein angetriebenes Element (11) antreibt, sowie einem elastischen Mittel (20), welches den piezoelektrischen Motor (2) gegen das angetriebene Element (11) drückt, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Mittel (20) eine Schraubenfeder (21) ist. Piezoelektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche (22a), (22b) der Schraubenfeder (21) an einer Grundplatte (10) befestigt sind und die Schraubenfeder (21) im Bereich einer gewählten Windung (25) an den piezoelektrischen Motor (2) andrückt. Piezoelektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Windung (25) in zur Schraubenfeder (21) seitlichen Richtung an den piezoelektrischen Motor (2) andrückt. Piezoelektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Motor (2) einen ersten Vorsprung (7) aufweist, gegen welchen sich die gewählte Windung (25) verstemmen kann. Piezoelektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Motor (2) um einen Stift (5) so drehbar gelagert ist, dass die Schraubenfeder (21) über die gewählte Windung (25) am ersten Vorsprung (7) eine elastische Hebelwirkung bezüglich der Längsachse des Stiftes (5) erzeugt. Piezoelektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Windung (25) die Schraubenfeder (21) in einen ersten Teilbereich (23) und einen zweiten Teilbereich (24) unterteilt, wobei die Anzahl der Windungen im ersten Teilbereich (23) sich von der Anzahl der Windungen im zweiten Teilbereich (24) unterscheidet. Piezoelektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der unbelasteten Schraubenfeder (21) in gleichen Abständen gewunden sind. Piezoelektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Windung (25) die Schraubenfeder (21) derart in einen ersten Teilbereich (23) und einen zweiten Teilbereich (24) unterteilt, dass sich die statische Last im ersten Teilbereich (23) von der statischen Last im zweiten Teilbereich (24) unterscheidet.






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