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EP1520338B1

Piezo motor

Abstract

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EP1520338B1, drawing sheet 1
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Expired 22 April 2023, 3.4 years ago.

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36 claims: 21 independent, 15 dependent

  1. 1
    Plezomotor(1) mit mindestens einem Piezoelement (3), das mit einem Resonator (2) verbundenen ist und diesen in Schwingungen versetzt und gegebenenfalis einem elastischen Element (12) zum Andruck des Resonators an ein bewegbares Element (4), wobei der Resonator (2) eine Symmetrieebene (8) aufweist und der Resonator (2) bei mindestens zwei Betriebsfrequenzen (f 1 , f 2 ) in Schwingungen versetzbar ist, wobei das Piezoelement (3) und/oder das elastische Element (12) so an dem Resonator (2) angeordnet sind, dass die Symmetrieebene (8) keine Symmetrieebene des Piezomotors darstellt , so dass mit dem Resonator (2) das bewegbare Element (4) bei der unteren der beiden Betriebsfrequenzen (f1, f2) in eine erste Richtung antreibbar ist und bei der oberen der beiden Betriebsfrequenzen (f1, f2) in eine zweite Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (3) aus einer zur gennanten Symmetrie ebene parallelen Hauptfläche (6, 7) des Resonators (2) herausragt, damit das Piezoelement (3) exzentrisch zu mindestens einer Symmetrieebene (8) des Resonators (2) angeordnet ist.
  2. 2
    Piezomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Betriebsfrequenz die untere um nicht mehr als das 1,5-fache übersteigt.
  3. 3
    Piezomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Betriebsfrequenzen unterhalb der Hälfte des Frequenzwertes liegen, der sich aus der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit für Longitudinalwellen des Resonatormaterials geteilt durch die grösste Resonatorabmessung ergibt.
  4. 4
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) zwei im wesentlichen parallel zueinander und zur Symmetrieebene stehende, gleichförmige sowie im wesentlichen gleich große Hauptflächen (6, 7) aufweist.
  5. 5
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Resonators (2) zwischen den Hauptflächen konstant ist.
  6. 6
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (3) zwei Terminals aufweist und mit vorzugsweise einem Signal anregbar ist.
  7. 7
    Piezomotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Betrieb des Motors mit einem elektrischen Signal von Sinus- oder Rechteckform eine makroskopische Bewegungen des bewegbaren Elementes erzeugbar ist.
  8. 8
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Element (4) zumindest teilweise aus einem verstärkten Kunststoff, vorzugsweise Glaskugel-, Mineralfaser-, Kohlefaser- und/oder Glasfaser-verstärktem Kunststoff, besteht.
  9. 9
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) Schwingungen, die nicht reine Longitudinal-Torsions- oder Biegemoden sind, ausführt.
  10. 10
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) eine Öffnung (14) zur Aufnahme des piezoelektrischen Bauelements (3) aufweist und die von dem Resonator (2) gebildeten Seitenwände (25, 26) dieser Öffnung zumindest über eine Teillänge unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
  11. 11
    Piezomotor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnung (14) Kerben (9) angeordnet sind.
  12. 12
    Piezomotor (1) nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Seitenwände in Längsrichtung des Resonators (2) ungerade, insbesondere gekrümmt oder wellenförmig, ist.
  13. 13
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezomotor (1) eine oder mehrere Zusatzmassen aufweist.
  14. 14
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezomotor (1) eine oder mehrere Versteifungen oder Schwächungen aufweist.
  15. 15
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmoden des Piezomotors (1) bei den Betriebsfrequenzen (f 1 , f 2 ) im Kontaktbereich mit dem bewegbaren Element (4) für unterschiedliche Bewegungsrichtungen des bewegbaren Elements (4) nicht zueinander parallel verlaufende Vibrationsgeschwindigkeitsprofile aufweisen.
  16. 16
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Bauelement (3) eine schichtweise Anordnung von Elektroden und Keramik aufweist.
  17. 17
    Piezomotor (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden im wesentlichen aus Kupfer bestehen.
  18. 18
    Piezomotor nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet , das die Keramik einstückig ausgeführt ist.
  19. 19
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) für beide Betriebsfrequenzen an der Kontaktstelle (13) Schwingungen mit Amplituden der gleichen Größenordnung ausführt.
  20. 20
    Piezomotor (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen im Bereich der Kontaktstelle (13) Amplituden von 50 nm - 50 µm, vorzugsweise 500 nm - 20 µm, insbesondere 1 µm - 5 µm aufweisen.
  21. 21
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenzen jeweils innerhalb zweier Frequenzbänder (Δf 1 , Δf 2 ), mit einem Mindestabstand (Δf) und innerhalb einer maximalen Bandbreite (Δf max ), liegen.
  22. 22
    Piezomotor (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass für den Mindestabstand (Δf) und eine Betriebsfrequenz (f 1 ) folgende Abhängigkeiten bestehen:0 , 025 ⋅ f 1 ≤ Δf ≤ 1 ⋅ f 1 vorzugsweise 0 , 1 ⋅ f 1 ≤ Δf ≤ 0 , 3 ⋅ f 1
  23. 23
    Piezomotor (1) nach einem der Ansprüche 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromaufnahme des Piezomotors (1) innerhalb der Frequenzbänder (Δf 1 , Δf 2 ) nur bei den jeweiligen Betriebsfrequenzen maximal ist.
  24. 24
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) im Bereich eines ganzzahligen Vielfachen, insbesondere bei niedrigzahligem Vielfachen der Frequenzen (f 1 , f 2 ) keine Resonanzen oder aber Resonanzen mit nur geringer Ankopplung und/oder Amplitude aufweist.
  25. 25
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Element (4) bei zwei verschiedenen Frequenzen, vorzugsweise zwei Resonanzfrequenzen (f 1 , f 2 ), in zwei entgegengesetzte Richtungen angetrieben wird und dass die Phase von Strom (I) und Spannung (U) innerhalb der Resonanz-Antiresonanz-Paare (f 1 , f 1 ') und (f 2 , f 2 ') abfällt.
  26. 26
    Piezomotor (1) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes von f1 zu f1' zum Abstand f2 zu f2' zwischen 0,25 und 4 liegt.
  27. 27
    Piezomotor (1) nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische Kopplung des piezoelektrischen Bauelementes an die Betriebsmoden des Resonators gross ist, bzw. der Abstand von f 1 zu f 1 ' bzw. f 2 zu f 2 ' mindestens 500 Hz, vorzugsweise mehr als 2 kHz, insbesondere mehr als 5 kHz beträgt.
  28. 28
    Piezomotor (1) nach einem der Ansprüche 25 - 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase innerhalb der Resonanz-Antiresonanz-Paaren (f 1 , f 1 ') und (f 2 , f 2 ') um mindestens 30°, vorzugsweise um mehr als 45°, insbesondere um mehr als 60° abfällt und dass der Phasenabfall für beide Betriebsmoden in der gleichen Größenordnung liegt.
  29. 29
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Kopplungsfaktor (EMCF) der einzelnen Betriebsmoden des Piezomotors (1) mindestens 0,01, vorzugsweise mehr als 0,04, insbesondere mehr als 0,1 beträgt und dass der Kopplungsfaktor für beide Betriebsmoden in der gleichen Größenordnung liegt.
  30. 30
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) über ein elastisches Element (12), vorzugsweise eine Feder, an das bewegbare Element (4) gedrückt wird, wobei die Resonanzen des elastischen Elements (12), bei denen ein Großteil der kinetischen Energie des Piezomotors (1) von dem elastischen Element (12) aufgenommen wird, außerhalb der Betriebsfrequenzen liegt.
  31. 31
    Piezomotor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , das der Federquerschnitt zumindest teilweise nicht rund ist.
  32. 32
    Piezomotor (1) nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (12) Windungen (23) aufweist, die nicht aneinander anliegen.
  33. 33
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Impedanzen oder Admittanzen des Piezomotors (1), insbesondere die mechanischen Impedanz oder Admittanz an der Kontaktstelle des Resonators (2) mit dem bewegbaren Element (4) so groß ist, dass die vom Resonator (2) ausgeführten Schwingungen im wesentlichen unabhängig von der Größe, Ausrichtung und/oder Bewegung des bewegbaren Elements (4) sind.
  34. 34
    Piezomotor nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit < 10% ist.
  35. 35
    Piezomotor (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) über ein vorzugsweise mit einem Rahmen (18) verbundenes elastisches Element (12), vorzugsweise einer Feder gegen das bewegbare Element (4) gedrückt wird, wobei bei allen Betriebsfrequenzen der größte Anteil der bei Betrieb des Piezomotors (1) erzeugten Formänderungsenergie im Resonator (2) gespeichert ist.
  36. 36
    Piezomotor (1) nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der im Resonator (2) gespeicherte Energieanteil mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 90 % der bei Betrieb des Piezomotors (1) erzeugten mechanischen Energie beträgt.
Independent claims36