DE19646769A1 - Piezoelectric stepper drive with piezoelectric feed element - Google Patents

Piezoelectric stepper drive with piezoelectric feed element

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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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    • H02N2/023—Inchworm motors

Abstract

A piezoelectric stepping drive has a piezoelectric feed element and two clamping elements which transmit the generated force to a drive shaft. Not only the surfaces of the clamping elements (2) facing the shaft (1) and engaging it but also the drive shaft itself are provided with teeth, consisting of corrugations and a thread. The gripping pieces of the clamping elements are divided into several sections whose teeth are located around the periphery of the shaft in vernier fashion. The clamping elements are connected through flexible links (4) to the piezoelectric feed element (3).

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schrittan­ trieb mit einem piezoelektrischen Vorschubelement und mit zwei Klemmelementen, die die erzeugte Kraft auf eine An­ triebswelle übertragen.The invention relates to a piezoelectric step drove with a piezoelectric feed element and with two clamping elements that apply the generated force to one drive shaft transmitted.

Motorische Antriebe mit Piezowandlern, mit denen sich Stellwege im Millimeterbereich erzielen lassen, sind z. B. unter dem Begriff "Inch-worm"-Motor bekannt, bei dem eine glatte Welle, die axial positioniert werden soll, von einem Stator, der drei Piezokeramik-Elemente enthält, auf einem Teil ihrer Länge fest umschlossen ist (Technischer Einsatz neuer Aktoren: Grundlagen, Werkstoffe, Designregeln und An­ wendungsbeispiele von Daniel J. Jendritza et al, Bd. 484, 1985, S. 206, Expert-Verlag). Die beiden äußeren Elemente sind dabei in Form von Tubussen ausgestaltet und sitzen mit einer Spielpassung auf der Welle. Werden nun die Elemente elektrisch angesteuert, so klemmen sie die Welle fest. Das mittlere Piezokeramik-Element ist zylinderförmig ausgestal­ tet und ebenfalls konzentrisch zur Welle angeordnet, wobei es sich bei Anlegen einer Spannung in axialer Richtung aus­ dehnt, so daß bei einer minimalen Schrittweite von 2 nm ein Stellweg bis zu 200 mm erreicht wird, bei einer maximal er­ zielbaren Stellkraft von ca. 20 N. Motorized drives with piezo transducers with which Adjustments in the millimeter range can be achieved, for. B. known under the term "inch-worm" motor, in which a smooth shaft to be positioned axially by one Stator, which contains three piezoceramic elements, on one Part of its length is tightly enclosed (technical use new actuators: basics, materials, design rules and an application examples by Daniel J. Jendritza et al, Vol. 484, 1985, p. 206, Expert-Verlag). The two outer elements are designed in the form of tubes and sit with a game fit on the wave. Now become the elements electrically controlled, they clamp the shaft firmly. The middle piezoceramic element is cylindrical tet and also arranged concentrically to the shaft, wherein it turns out when a voltage is applied in the axial direction stretches so that with a minimum step size of 2 nm Travel up to 200 mm is reached, with a maximum of target force of approx. 20 N.  

Derartige Inch-worm-Motoren mit einem piezoelektrischen Vorschubelement und zwei Klemmelementen arbeiten auf Rei­ bung, wobei die Kraftübertragung vom Vorschubelement auf die Antriebswelle begrenzt ist, d. h. es müssen übermäßig hohe Normalkräfte aufgebracht werden, um eine genügend hohe Antriebskraft übertragen zu können. Dies ist jedoch äußerst nachteilig, da Piezoelemente aufgrund ihrer außerordentlich hohen gewichtsspezifischen Kraftentwicklung für die Reali­ sierung leichter und starker Antriebe prädestiniert sind.Such inch-worm motors with a piezoelectric Feed element and two clamping elements work on a row Exercise, the power transmission from the feed element the drive shaft is limited, d. H. it must be excessive high normal forces are applied to a sufficiently high To be able to transmit driving force. However, this is extreme disadvantageous because piezo elements due to their extraordinary high weight-specific power development for the Reali light and strong drives are predestined.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen starken piezoelektrischen Antrieb zu schaffen, dessen Klemmelemente eine hohe Kraftübertragung bei kleinen Normalkräften ermög­ lichen.The object of the present invention is a strong to create piezoelectric drive, its clamping elements a high power transmission with small normal forces lichen.

Ausgehend von einem piezoelektrischen Schrittantrieb der eingangs näher genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß sowohl die der Antriebswelle zugewandten und mit ihr in Eingriff gelangenden Flächen der Klemmele­ mente als auch die Antriebswelle mit einer Verzahnung ver­ sehen sind.Starting from a piezoelectric stepper drive type mentioned in the beginning will solve this problem proposed that both the drive shaft facing and surfaces of the clamps engaging with it elements as well as the drive shaft with teeth are seen.

Diese Verzahnung kann entweder eine Riffelung oder ein Ge­ winde sein; vorteilhafterweise ist die Verzahnung der An­ triebswelle in mehrere, entlang des Außenumfangs der An­ triebswelle angeordnete noniusförmige Abschnitte unter­ teilt.This toothing can either be a corrugation or a Ge be wind; advantageously, the toothing of the An drive shaft in several, along the outer circumference of the An drive shaft arranged nonius-shaped sections below Splits.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Klemme­ lemente über Biegegelenke mit dem piezoelektrischen Vor­ schubelement verbunden. In a preferred embodiment, the clamp elements via flexible joints with the piezoelectric pre thrust element connected.  

Die Erfindung bietet den Vorteil, aufgrund der erheblich besseren Kraftübertragung zwischen den Klemmelementen und der Antriebswelle durch den aufgrund der Verzahnung erhöh­ ten Formschluß einen piezoelektrischen Antrieb zu schaffen mit hoher Kraftübertragung bei kleinen Normalkräften.The invention offers the advantage of being significant better power transmission between the clamping elements and the drive shaft by increasing due to the toothing ten positive locking to create a piezoelectric drive with high power transmission with small normal forces.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.In the following the invention with reference to the drawing explained in the an advantageous embodiment is shown.

In der einzigen Figur ist mit 1 die Antriebswelle des pie­ zoelektrischen Schrittantriebes bezeichnet, mit 2 die bei­ den Klemmelemente und mit 3 das piezoelektrische Vorschube­ lement.In the single figure, 1 denotes the drive shaft of the piezoelectric stepper drive, 2 the element in the clamping elements and 3 the piezoelectric feed element.

Die der Antriebswelle 1 zugewandten Flächen der beiden Klemmelemente 2 sind nun mit einer Verzahnung 5 versehen, die entweder eine Riffelung oder aber ein Gewinde sein kann, wobei das Gewinde nur teilweise, d. h. auf den der An­ triebswelle zugewandten Flächen der Klemmelemente einge­ schnitten ist.The faces of the drive shaft 1 of the two clamping elements 2 are now provided with a toothing 5 , which can either be a corrugation or a thread, the thread only partially, ie on the drive shaft facing surfaces of the clamping elements is cut.

Die Antriebswelle 1 ist zumindest auf ihren den Klemmele­ menten 2 zugewandten Flächen ebenfalls mit einer an die Verzahnung der Klemmelemente angepaßten Verzahnung entweder in Form einer Riffelung oder in Form eines Gewindes 5 ver­ sehen; vorteilhafterweise sind Greifstücke der Klemmelemente 2 in mehrfache Ab­ schnitte unterteilt, deren Verzahnungen entlang des Umfangs des Eingriffs in die Antriebswelle noniusförmig angeordnet sind, wodurch im Vergleich zu einer Ausführung mit unge­ teilten Greifstücken bei gleichem Arbeitshub des Vor­ schubaktors eine Verzahnung von Welle und Greifstücken mit mehrfach größerem Abschnitt resultiert, wodurch eine erheb­ lich höhere Kraftübertragung im Größenordnungsbereich von 4000 N möglich wird; bei einem Hub von 80 bis 100 µm der Antriebsweile hat sich eine Verzahnung von weniger als 80 bis 100 µm als besonders vorteilhaft herausgestellt.The drive shaft 1 is at least on their clamping elements 2 facing surfaces also with a toothing adapted to the toothing of the clamping elements either in the form of corrugation or in the form of a thread 5 see ver; Advantageously, gripping pieces of the clamping elements 2 are divided into multiple sections, the toothings of which are arranged along the circumference of the engagement in the drive shaft in a nonius shape, as a result of which, in comparison to an embodiment with undivided gripping pieces with the same working stroke of the front actuator, a toothing of shaft and gripping pieces with multiple Larger section results, whereby a significantly higher power transmission in the order of 4000 N is possible; with a stroke of 80 to 100 µm of the drive shaft, a toothing of less than 80 to 100 µm has proven to be particularly advantageous.

Anstelle des piezoelektrischen Antriebes kann auch ein elektromagnetischer Antrieb vorgesehen werden.Instead of the piezoelectric drive, a electromagnetic drive can be provided.

Die Fig. läßt noch erkennen, daß die Klemmelemente 2 vor­ teilhafterweise über Biegegelenke 4 mit dem Vorschubelement 3 verbunden sind, um so dem piezoelektrischen Schrittan­ trieb eine gewisse Flexibilität zu verleihen, wie es durch den Pfeil F angedeutet ist; mit f ist die Wirkungsrichtung des Vorschubelementes 3 bezeichnet. Figs. Reveals yet, that the clamping elements 2 are connected via bending joints 4 with the feed element 3 from geous enough, so as to drive to impart a certain flexibility to the piezoelectric Schrittan, as indicated by the arrow F; with f the direction of action of the feed element 3 is designated.

Claims (5)

1. Piezoelektrischer Schrittantrieb mit einem piezoelek­ trischen Vorschubelement und mit zwei Klemmelementen, die die erzeugte Kraft auf eine Antriebswelle übertra­ gen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die der An­ triebswelle (1) zugewandten und mit ihr in Eingriff ge­ langenden Flächen der Klemmelemente (2) als auch die Antriebswelle (1) mit einer Verzahnung (5) versehen sind.1. Piezoelectric stepper drive with a piezoelectric tric feed element and with two clamping elements which transmit the generated force to a drive shaft, characterized in that both the drive shaft ( 1 ) facing and engaging with it engaging surfaces of the clamping elements ( 2 ) and the drive shaft ( 1 ) are provided with a toothing ( 5 ). 2. Piezoelektrischer Schrittantrieb nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verzahnung (5) aus einer Riffelung besteht.2. Piezoelectric stepper drive according to claim 1, characterized in that the toothing ( 5 ) consists of a corrugation. 3. Piezoelektrischer Schrittantrieb nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verzahnung aus einem Ge­ winde besteht.3. Piezoelectric stepper drive according to claim 1, there characterized in that the toothing from a Ge winch exists. 4. piezoelektrischer Schrittantrieb nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifstücke der Klemmelemente 2 in mehrfache Abschnitte unterteilt sind, deren Verzahnungen entlang des Umfangs des Eingriffs in die Antriebswelle noniusförmig angeordnet sind. 4. piezoelectric stepper drive according to one of the preceding claims, characterized in that the gripping pieces of the clamping elements 2 are divided into multiple sections, the teeth of which are arranged along the circumference of the engagement in the drive shaft nonius-shaped. 5. Piezoelektrischer Schrittantrieb nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmelemente (2) über Biegegelenke (4) mit dem piezo­ elektrischen Vorschubelement (3) verbunden sind.5. Piezoelectric stepper drive according to one of the preceding claims, characterized in that the clamping elements ( 2 ) via bending joints ( 4 ) with the piezoelectric feed element ( 3 ) are connected.
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