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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung
sowie einem Verfahren zum Betreiben eines solchen nach der Gattung
der unabhängigen Ansprüche.
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Mit
der
WO 00/28652 A1 ist
ein Ultraschall-Motor bekannt geworden, bei dem eine Rotorwelle
mittels Ultraschall-Vibratoren in Drehung versetzt wird. Dabei sind
zwei Ultraschall-Vibratoren rechtwinklig miteinander verbunden,
wobei beide Vibratoren derart mit einer Wechselspannung versorgt werden,
dass die beiden Vibratoren mit einer Phasendifferenz zueinander
schwingen. Diese Schwingung erzeugt eine Bewegung eines Stößels,
der die Rotorwelle in Drehung versetzt. Nachteilig ist bei diesem
Ultraschall-Motor, dass aufgrund der Ausbildung und der Betriebsweise
der Vibratoren viele Ultraschall-Vibratoren notwendig sind, um ein
ausreichendes Antriebsmoment zu erzeugen. Ein solcher Motor ist
daher sehr teuer und benötigt für die Überlagerung der
verschiedenen angeregten Schwingungen eine aufwändige elektronische
Ansteuerung und einen entsprechend großen Bauraum.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung,
sowie das Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung mit
den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben
demgegenüber den Vorteil, dass durch den Betrieb der Piezoaktoren
in ihrer Resonanzfrequenz deren Piezokeramik optimal ausgenutzt
wird. Dadurch lässt sich bei relativ geringem Materialeinsatz
der Piezokeramik große Auslenkung des Piezoaktors erzeugen,
wodurch ein großer Vorschub, beziehungsweise ein großes
Moment auf die korrespondierende Reibefläche übertragen
werden kann. Durch den Resonanzbetrieb wird die Piezokeramik im
Punkt ihrer höchsten Effizienz betrieben, wodurch die elektrische
Verlustleistung stark reduziert wird und dadurch eine Erwärmung
der Piezokeramik vermieden wird. Durch die Ausnützung der Dielektrizität
der Piezokeramik werden keine störenden elektromagnetischen
Felder erzeugt, noch wird der Betrieb der Piezokeramik durch äußere
Magnetfelder merklich beeinträchtigt. Beim Betrieb des
Piezoaktors im Resonanzbetrieb, kann durch das Design des Piezoaktors
die Amplitude und die Kraftübertragung des Piezoaktors
an die korrespondierende Reibefläche angepasst werden.
Aufgrund der hohen Leistungsdichte des Piezoaktors kann der Materialeinsatz
der relativ kostenintensiven Piezokeramik reduziert werden, bzw.
die Leistung des Piezoantriebs erhöht werden. Besonders
vorteilhaft kann der Resonanzbetrieb des Piezoaktors mittels einer
elektrischen Abstimmschaltung erzeugt werden, die die Anregungsfrequenz
des Piezoaktors auf die Resonanzfrequenz des Piezomotors regelt.
Dabei wird vorteilhaft eine Belastung durch die Blindleistung vermieden,
wodurch das Bordnetz weniger belastet wird. Verglichen mit herkömmlichen
DC-Motoren treten auch keine Anlaufströme oder Blockierströme auf,
so dass ein deutlich höherer Wirkungsgrad des Piezoantriebs
erzielt werden kann.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen
möglich. Mittels der Abstimmschaltung der Elektronikeinheit kann
der Piezomotor, beziehungsweise die komplette Antriebsvorrichtung
in ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden. Durch die Regelung auf
den Null-Durchgang des Phasenverlaufs des Antriebssystems kann die
Resonanzfrequenz sehr genau eingehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad
des Piezoaktors deutlich gesteigert werden kann.
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Günstigerweise
wird der Piezomotor bei der Frequenz des Null-Durchgangs des Phasenverlaufs der
Impedanz mit positiver Steigung betrieben, die durch die erfindungsgemäße
Abstimmschaltung sehr einfach geregelt werden kann.
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Zur
Maximierung der mechanischen Schwingungsamplitude des Piezoaktors
wird dieser vorteilhaft im Bereich der Resonanzfrequenz der mechanischen
Admittanz bzw. der mechanischen Impedanz angesteuert.
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Wird
der Piezoaktor im Bereich der Resonanz der elektrischen Admittanz
betrieben, kann die Blindleistung vorteilhaft minimiert werden,
wodurch der Wirkungsgrad des Piezoan triebs optimiert wird. Alternativ
kann der Piezoantrieb aber auch in der elektrischen Antiresonanz
(Maximum der Impedanz) betrieben werden.
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Der
Piezoaktor ist zweckmäßig einem elektrischen Schwingkreis
nachgebildet, der zur Regelung auf die Resonanzfrequenz im Null-Durchgang des
Phasenverlaufs des Piezoaktor-Schwingkreises betrieben wird.
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Im
Resonanzbetrieb wird die Piezokeramik, die Elektronikeinheit und
die Spannungsquelle nicht mit einer Blindleistung belastet, wodurch
die Elektronik einfacher ausgeführt werden kann und beispielsweise
auf zusätzliche Schalter und Filterelemente verzichtet
werden kann.
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Die
Regelung auf einen Null-Durchgang eines Phasenverlaufs erfolgt besonders
einfach mittels eines Phase Locked Loop (PLL), die mit einem Voltage
Controlled Oscillator (VCO) als Stellgröße eine Anregungsfrequenz
für das Piezoelement bereitstellt.
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Zur
Vereinfachung des Regelaufwands kann ein Varianzbereich um die Resonanzfrequenz
herum definiert werden, innerhalb dessen die Anregungsfrequenz ständig
gescannt wird.
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Da
sich die Resonanzfrequenz der Piezoaktoren aufgrund äußerer
Einflüsse verändern kann, wird die Anregungsfrequenz
bzw. der Varianzbereich der veränderlichen Resonanzfrequenz
nachgeregelt.
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Durch
die Verwendung einer übergeordneten Steuereinheit, kann
diese als Operator auch eine größere Anzahl von
Piezoaktoren und/oder Piezomotoren optimal miteinander koordinieren.
Durch die Eingabe einer Vielzahl von Zustandssignalen zur Steuerung
des Antriebs durch den Operator, kann dieser auch Fehler- oder Wartungsinformationen
des Antriebssystems anzeigen.
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Bevorzugt
wird der Piezoaktor nur in Längsschwingungen versetzt,
so dass nur Schwingungskomponenten entlang der Längsrichtung
mit der größten Ausdehnung des Piezoaktors angeregt
werden. Dazu werden die Piezokeramik und die Ausbildung des Gehäuses
des Piezoaktors entsprechend optimiert.
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Ist
die Längsrichtung des Piezoaktors im Ruhezustand im Wesentlichen
senkrecht zur korrespondieren Reibefläche des Antriebelements
ausgerichtet, so kann die Längs schwingung eines einzigen
Piezoaktors effektiv in beide entgegengesetzten Bewegungsrichtungen
der Relativbewegung gegenüber der Reibefläche
umgesetzt werden.
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Zur
Erzeugung einer großen Schwingungsamplitude des Piezoaktors
in Längsrichtung ist die Piezokeramik im Piezogehäuse
derart vorgespannt, dass im Schwingbetrieb in der Piezokeramik keine Zugkräfte
auftauchen. Dadurch lässt sich ein Schwingsystem mit einer
hohen Steifigkeit in Längsrichtung erzielen.
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Aufgrund
der Mikrostoßbewegung des Friktionselements gegenüber
der korrespondierenden Reibefläche kann eine Relativbewegung
erzeugt werden, ohne dass zusätzliche träge Massen
in Bewegung gesetzt werden müssen. Durch eine geeignete
Wahl der Reibpartner zwischen dem Friktionselement und der korrespondierenden
Reibefläche kann die Schwingung des Piezoaktors sehr verlustarm
in eine Linearbewegung oder Rotationsbewegung eines Antriebelements
umgesetzt werden. Zur Unterstützung der Kraftübertragung
kann zusätzlich zum Reibschluss ein Formschluss – beispielsweise eine
Mikroverzahnung – zwischen dem Friktionselement und der
Reibefläche ausgebildet werden.
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Aufgrund
der Anordnung des Friktionselements gegenüber dem Piezoaktor
kann die Längsschwingung des Piezoaktors in eine lineare,
eine elliptische odereine kreisförmige Bewegung des Friktionselements,
insbesondere dessen der Reibefläche zugewandten Ende, umgesetzt
werden. Eine elliptische Bewegung des Friktionselements kann sehr harmonisch
auf das Antriebselement übertragen werden, wobei durch
die Umkehrung des Umlaufsinns die Richtung der Relativbewegung umgekehrt
werden kann.
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Das
Antriebselement mit der Reibefläche kann vorteilhaft als
lineare Antriebsschiene oder als Rotorwelle ausgebildet werden.
Durch die Haltekraft, mit dem das Friktionselement gegen die lineare Schiene
oder den Rotationskörper gepresst wird, wird die tangentiale
Bewegungskomponente des Friktionselements auf das Antriebselement übertragen.
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Besonders
günstig ist es, den Piezomotor an dem beweglichen Teil
zu befestigen, so dass sich dieser gegenüber einer ortsfesten
Reibefläche mit dem beweglichen Teil wegbewegt. Beispielsweise
kann der Piezomotor an einer Fensterscheibe befestigt werden, und
sich entlang einer Reibefläche einer karosseriefesten Führungsschiene
abstoßen. Alternativ kann der Piezomotor ortsfest angeordnet
werden und sich entsprechend die Reibefläche bewegen, die
an einer linearen Schiene des zu verstellenden Teils angeordnet
ist.
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Wird
die Piezokeramik in mehreren Schichten ausgebildet, zwischen denen
Elektronen angeschlossen werden, lässt sich mit einer vorgegebenen Spannung
eine größere Schwingungsamplitude erzeugen. Werden
die Schichten quer zur Längsrichtung des Piezoaktors angeordnet,
wird dadurch die Längsschwingung in Längsrichtung
maximiert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Piezomotor
exakt zwei Piezoaktoren auf. Diese können günstigerweise
derart betrieben werden, dass jeweils ein Piezoaktor für
eine Bewegungsrichtung der Relativbewegung angeregt wird. Dies hat
den Vorteil, dass immer nur exakt ein Piezoaktor mittels der Elektronikeinheit
in Schwingung versetzt wird, und der zweite Piezoaktor lediglich
als träge Masse mitschwingt. Dadurch wird eine komplizierte Überlagerung
der beiden gleichzeitig angeregten Piezoaktor-Schwingungen unterbunden. Alternativ
können mehrere Piezoaktoren auch gleichzeitig angesteuert
werden mittels eines identischen oder mittels unterschiedlicher
Anregungs- bzw. Versorgungssignale.
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Beispielsweise
kann der Peizomotor für einen Fensterheberantrieb im Kraftfahrzeug
an einer Fensterscheibe befestigt werden. Durch die direkte Erzeugung
einer linearen Bewegung ist eine sehr schnelle Ansprechzeit mit
hoher Dynamik möglich. Durch das Mikrostoßprinzip
kann eine äußerst präzise Positionierung
des zu verstellenden Teils bei geringer Geräuschemission
erzielt werden.
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Die
Resonanzfrequenz der Piezoaktoren kann sehr kostengünstig
mittels positivem oder negativen Auswuchten verändert werden,
um beispielsweise mehrere Piezoaktoren mit genau einer Anregungsfrequenz
betreiben zu können. Dazu kann Gehäusematerial
an einer entsprechenden Stelle abgetragen werden, oder Material
hinzugefügt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 Eine
erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung,
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2 eine
weitere Ausführung für einen Rotationsantrieb,
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3 ein
Piezoelement für den Einbau in den Piezoaktor gemäß 1,
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4 eine
schematische Darstellung zum Betreiben der Antriebsvorrichtung,
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5 eine
Resonanzkurve des Piezomotors und
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6 eine
Impedanzkurve für das piezoelektrische Antriebssystem
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7a,
b ein Verlauf der mechanischen Admittanz mit korrespondierendem
Phasenverlauf,
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8 schematisch
die Regelung des Anregungssignals des Piezoaktors, und
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9 eine
schematische Darstellung einer Phasenregelschleife der piezoelektrischen
Antriebsvorrichtung.
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In 1 ist
eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
bei der ein Piezomotor 12 eine Relativbewegung gegenüber
einer korrespondierenden Reibefläche 14 ausführt.
Die Reibefläche 14 ist hierbei als lineare Schiene 16 ausgebildet,
die beispielsweise an einem Karosserieteil 17 befestigt ist.
Der Piezomotor 12 weist mindestens einen Piezoaktor 18 auf,
der wiederum ein Piezoelement 20 enthält. Hierzu
weist der Piezoaktor 18 ein Aktorgehäuse 22 auf,
das das Piezoelement 20 aufnimmt. Das Aktorgehäuse 22 ist
beispielsweise hülsenförmig ausgebildet. In den
dargestellten Ausführungen ist das Piezoelement 20 vom
Aktorgehäuse 22 umschlossen. Der Piezoaktor 18 weist
eine Längsrichtung 19 auf, in deren Richtung die
Ausdehnungen des Piezoaktors 18 größer
ist als in einer Querrichtung 24 dazu. Das Piezoelement 20 ist
vorzugsweise im Aktorgehäuse 22 in Längsrichtung 19 vorgespannt,
derart, dass bei einer Anregung einer Längsschwingung 26 des
Piezoelements 20 in diesem keine Zugkräfte auftreten.
Durch die Schwingung des Piezoelements 20 wird der gesamte
Piezoaktor 18 in Längsschwingung 26 versetzt
und überträgt eine Schwingungsamplitude 45 über
einen Brückensteg 28 auf ein Friktionselement 30,
das in Reibkontakt zur Reibefläche 14 steht. Durch
die Längsschwingung 26 des Piezoaktors 18 wird
der Brückensteg 28 in eine Kippbewegung oder eine
Biegebewegung versetzt, so dass ein der Reibefläche 14 zugewandtes
Ende 31 des Friktionselements 30 eine Mikrostoßbewegung
ausführt. Die Wechselwirkung zwischen dem Friktionselement 30 und
der Reibefläche 14 ist in dem vergrößerten
Ausschnitt dargestellt, in dem ersichtlich ist, dass der Brückensteg 28,
der in Ruhestellung näherungsweise parallel zur Reibefläche 14 angeordnet
ist, bei angeregter Schwingung des Piezoaktors 18 gegenüber
der Reibefläche 14 verkippt. Dabei führt
das Ende 31 des Friktionselements 30 beispielsweise
eine Ellipsenbewegung 32 oder Kreisbewegung aus, mittels
derer sich der Piezomotor 12 entlang der linearen Schiene 16 abstößt. Der
Piezomotor 12 ist im Bereich von Schwingungsknoten 34 der
Piezoaktoren 18 gelagert und beispielsweise mit einem zu
bewegenden Teil 11 verbunden. Gleichzeitig wird der Piezomotor 12 über eine
Lagerung 36 mit einer Normalkraft 37 gegen die Reibefläche 14 gedrückt.
Dadurch führt das Ende 31 des Friktionselements 30 nun
eine Ellipsenbewegung 32 aus, die zusätzlich zur
Normalkraft 37 eine tangentiale Kraftkomponente 38 aufweist,
die den Vorschub des Piezomotors 12 gegenüber
der Reibefläche 14 bewirkt. In einer alternativen
Ausführung führt das Friktionselement 30 lediglich
eine lineare Stoßbewegung unter einem gewissen Winkel zur Normalkraft 37 aus.
Dadurch kommt es ebenfalls zu einer Relativbewegung mittels Mikrostößen.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der
Piezomotor 12 genau zwei Piezoaktoren 18 auf, die
beide näherungsweise parallel zu ihrer Längsrichtung 19 angeordnet
sind. Dabei ist der Brückensteg 28 quer zur Längsrichtung 19 angeordnet
und verbindet die beiden Piezoaktoren 18 an ihren Stirnseiten 27.
Der Brückensteg 28 ist beispielsweise als ebene
Platte 29 ausgebildet, in deren Mitte das Friktionselement 30 angeordnet
ist. In einer bevorzugten Betriebsweise der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 wird
für eine Relativbewegung in eine erste Richtung 13 nur
einer der beiden Piezoaktoren 18 angeregt. Dabei wirkt
der zweite, nicht angeregte Piezoaktor 18 über
den Brückensteg 28 als Schwingmasse, aufgrund
derer der Brückensteg 28 mit dem Friktionselement 30 gegenüber
der Längsrichtung 19 verkippt oder verbogen wird.
Entsprechend der Steifigkeit des Aufbaus des Piezomotors 12 wird
somit die Längsschwingung 26 des Piezoelements 20 in eine
Mikrostoßbewegung mit einer tangentialen Kraftkomponente 38 umgewandelt.
Die elektrische Anregung des Piezoelements 20 erfolgt über
Elektroden 40, die mit einer Elektronikeinheit 42 verbunden sind.
Für eine Bewegung des Piezomotors 12 in die entgegengesetzte
Richtungen 15 wird entsprechend das Piezoelement 20 des
anderen Piezoaktors 18 mittels der Elektronikeinheit 42 angeregt.
Bei dieser Betriebsweise ist immer nur ein Piezoelement 20 des Piezomotors 12 angeregt,
so dass es zu keiner Überlagerung von zwei Schwingungsanregungen
beider Piezoaktoren 18 kommen kann.
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Erfindungsgemäß wird
die piezoelektrische Antriebsvorrichtung in ihrer Resonanzfrequenz 44 betrieben.
Dazu weist die Elektronikeinheit 42 eine Abstimmschaltung 46 auf,
die das entsprechende Piezoelement 20 derart ansteuert,
dass das gesamte System in Resonanz schwingt. Die Elektronikeinheit 42 kann
beispielsweise zumindest teilweise auch innerhalb des Aktorgehäuses 18 oder
der Lagerung 36 angeordnet sein. In 1 sind in
den beiden Piezoaktoren 18 jeweils die Amplituden 45 der
Resonanzfrequenz 44 der Längsschwingung 26 dargestellt, wobei
die beiden Piezoaktoren 18 bei dieser Betriebsweise nicht
gleichzeitig angeregt werden.
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In 2 ist
eine Variation der Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
bei der der Piezomotor 12 in einem Karosserieteil 17 gelagert
ist. Hingegen ist die Reibefläche 14 als Umfangsfläche
eines Rotationskörpers 48 ausgebildet, so dass
durch die Stößelbewegung des Friktionselements 30 der
Rotationskörper 48 in Drehung versetzt wird. Entsprechend
der zu 1 beschriebenen Betriebsweise kann die Drehrichtung 49 des
Rotationskörpers 48 wiederum durch die Ansteuerung
von jeweils nur einem Piezoelement 20 an einem der beiden
Piezoaktoren 18 vorgegeben werden. Eine solche Antriebsvorrichtung 10 erzeugt eine
Rotation als Antriebsbewegung und kann somit an Stelle eines Elektromotors
mit nachgeschaltetem Getriebe eingesetzt werden.
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In 3 ist
vergrößert ein Piezoelement 20 abgebildet,
wie es beispielsweise im Piezomotor 12 der 1 oder 2 verwendet
werden kann. Das Piezoelement 20 weist mehrere voneinander
getrennte Schichten 50 auf, zwischen denen die jeweiligen
Elektroden 40 angeordnet sind. Wird an den Elektroden 40 über
die Elektronikeinheit 42 eine Spannung 43 angelegt,
dehnt sich das Piezoelement 20 in Längsrichtung 19 aus.
Die Ausdehnung und die Kontraktion der einzelnen Schichten 50 addiert
sich auf, so dass durch die Anzahl der Schichten 50 die Gesamtamplitude 45 des
Piezoelement 20 in Längsrichtung 19 vorgegeben
werden kann. Die Schichten 20 sind dabei quer zur Längsrichtung 19 im
Aktorgehäuse 22 angeordnet, so dass der gesamte
Piezoaktor 18 durch das Piezoelement 20 in Längsschwingung 26 versetzt
wird. Das Piezoelement 20 ist vorzugsweise so ausgelegt,
so dass im Resonanzbetrieb des Piezoelements 20 sehr große
Amplituden 45 erzeugbar sind.
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In 4 ist
ein Modell der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
das als Grundlage zur Einstellung der Resonanzfrequenz 44 dient.
Dabei ist in form einer elektrischen Ersatzschaltung 51 der
Piezoaktor 18 als Schwingkreis 52 dargestellt,
in dem eine Induktivität 53 mit einer ersten Kapazität 54 und
einer ohmschen Last 55 in Reihe geschaltet sind. Dazu ist
eine zweite Kapazität 56 parallel geschaltet. An
diesem Schwingkreis 52 wird eine Spannung 43 mittels
der Elektronikeinheit 42 angelegt. Durch die Umwandlung
der Längsschwingung 26 des Piezoaktors 18 in
die Stößelbewegung des Friktionselements 30 wird
die Resonanzfrequenz 44 des Piezoaktors 18 beeinflusst.
Weiterhin hängt die Resonanzfrequenz 44 der gesamten
Antriebsvorrichtung 10 von der Last 58 ab, die
beispielsweise durch das Gewicht des zu verstellenden Teils 11 bestimmt
wird. Weiterhin ist die Resonanzfrequenz von der Ankopplung der
Kraftübertragung 57 abhängig, die wesentlich
durch die Reibbedingung zwischen dem Friktionselement 30 und
der Reibefläche 14 bestimmt wird.
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Gemäß diesem
Schaltbild stellt sich bei der Anregung der Verstellvorrichtung 10 mittels
der Elektronikeinheit 42 ein Frequenzgang ein, wie er in 5 dargestellt
ist. Hierbei ist die Leistung 59 über der Frequenz 69 aufgetragen.
Beim Null-Durchgang 61 der dargestellten Blindleistung 62 ergibt
sich ein Maximum 63 der Wirkleistung 64. Das Maximum 63 der
Wirkleistung 64 tritt bei der Resonanzfrequenz 44 auf,
auf die die piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 mittels
der Abstimmschaltung 46 geregelt wird. Die Resonanzfrequenz 44 liegt
beispielsweise im Bereich zwischen 30 und 80 kHz, vorzugsweise zwischen
30 und 50 kHz.
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In 6 ist
das dazugehörige Impedanzverhalten des Piezomotors 12 über
den Frequenzgang dargestellt. Der Phasenverlauf 60 der
Impedanz der durch den Schwingkreis 52 gemäß 4 dargestellten
Verstellvorrichtung 10 weist einen ersten Null-Durchgang 65 mit
positiver Steigung und einen zweiten Null-Durchgang 66 mit
negativer Steigung auf, die der Serien- und der Parallelresonanz
des Schwingkreises 52 entsprechen. Der Phasenwinkel 68 ist
auf der Y-Achse auf der rechten Seite des Diagramms dargestellt.
Um die Antriebsvorrichtung 10 im Resonanzbetrieb zu halten – beispielsweise
auch bei einer veränderlichen Last 58 – regelt
die Abstimmschaltung 46 die Frequenz 69 beispielsweise auf
den Null-Durchgang 65 mit positiver Steigung, was elektronisch
relativ einfach mittels einer Phasenregelschleife 47 (Phase
Locked Loop, PLL) realisierbar ist. Die linke Y-Achse 74 stellt
den Betrag 70 der Impedanz dar, wobei der Impedanzverlauf 70 über der
Frequenz 69 ein Minimum 71 (Antiresonanz, entspricht
dem Maximum der elektrischen Admittanz) am ersten Null-Durchgang 65 und
ein Maximum 72 am zweiten Null-Durchgang 66 aufweist.
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In 7a ist
der Verlauf der mechanischen Admittanz 76 dargestellt,
wie sie sich aus dem Quotienten der mechanischen Schwingungsgeschwindigkeit
des Piezoaktors 18 durch die elektrische Versorgungsspannung 43 ergibt.
Die mechanische Admittanz 76 stellt den Kehrwert der mechanischen
Impedanz dar (nicht dargestellt), die sich entsprechend aus dem
Quotienten der Versorgungsspannung 43 durch die mechanische
Schwingungsgeschwindigkeit des Piezoaktors 18 ergibt. Die
mechanische Admittanz 76 ist über dem Frequenzbereich 69 dargestellt
und bildet bei einer Resonanzfrequenz 44 ein Maximum und
bei einer Antiresonanzfrequenz 77 ein Minimum.
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In 7b ist
entsprechend ein Phasenverlauf 60 des mechanischen Phasenwinkels 68 zwischen
der mechanischen Schwingungsgeschwindigkeit und der elektrischen
Versorgungsspannung 43 aufgezeichnet. Im Bereich der Resonanz 44 der
mechanischen Admittanz 76 weist der Phasenverlauf 60 einen
Null-Durchgang 66 mit negativer Steigung auf, und bei der
Antiresonanzfrequenz 77 einen entsprechenden Null-Durchgang 65 mit
positiver Steigung. Die Abstimmschaltung 46 regelt die
Anregungsfrequenz 93 des Piezoaktors 18 beispielsweise
auf die Resonanzfrequenz 44 der mechanischen Admittanz 76,
wobei als Regelgröße der Null-Durchgang 66 mit negativer
Steigung des korrespondierenden Phasenverlaufs 60 herangezogen
wird.
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Der
Kehrwert der mechanischen Admittanz 76 bildet die mechanische
Impedanz (nicht dargestellt), die dann einen sehr ähnlichen
Verlauf hat, wie der elektrische Impedanzverlauf 70 gemäß der 6.
Der zur mechanischen Impedanz korrespondierende Phasenverlauf (nicht
dargestellt) ergibt sich ebenfalls durch den Kehrwert des Phasenverlaufs 60 des
mechanischen Phasenwinkels 78 aus 7b und
hat damit einen sehr ähnlichen Verlauf wie der Phasenverlauf 60 der
elektrischen Impedanz der 6. Im elektrischen
Impedanzverlauf 70 der 6 kann ebenfalls
durch die Bildung des Kehrwerts die elektrische Impedanz mit entsprechendem
Phasenverlauf gebildet werden. Die Resonanzfrequenzen 44 und
die Antiresonanzfrequenzen 77 können zwischen
der mechanischen Admittanz 76 und der elektrischen Admittanz
voneinander abweichen. Entsprechend den Anforderungen der piezoelektrischen
Antriebsvorrichtung 10 kann daher der Piezoaktor 18 auf
die Resonanzfrequenz 44 oder die Antiresonanzfrequenz 76 der
elektrischen oder mechanischen Impedanz geregelt werden.
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In 8 ist
der Regelprozess eines Piezomotors 12 dargestellt, der
mittels einer die Abstimmschaltung 46 aufweisende Elektronikeinheit 42 angesteuert
wird. Als Stellgröße 80 wird beispielsweise die
Anregungsfrequenz 93 der Versorgungsspannung 43 verwendet,
wobei aber auch die Amplitude oder andere Parameter des Anregungssignals 94 vorgegeben
werden können. Beispielsweise kann als ein Anregungssignal 94 eine
Rechteck-, Dreieck, Sinus- oder Trapez-Spannung an den Piezoaktor 18 angelegt
werden, deren Frequenz und/oder deren Amplitude geregelt wird. Als
Sollwert 83 wird beispielsweise eine bestimmte Resonanzfrequenz 44, oder
ein bestimmter Varianzbereich 82 um die Resonanzfrequenz 44 herum
vorgegeben, auf den die Abstimmschaltung 46 regelt. Weiterhin
können zusätzliche Signale 91 der Elektronikeinheit 42 zugeführt werden,
die beispielsweise Umgebungseinflüsse, oder Eingabeanweisungen
widerspiegeln. Der Piezomotor 12, der einen oder mehrere
Piezoaktoren 18 aufweist, bewirkt eine mechanische Schwingung 99, die
mit einer bestimmten Frequenz eine Relativbewegung zwischen dem
Piezomotor 12 und der Reibefläche 14 bewirkt.
Als Regelgröße 79 werden die Istwerte 84 des
Piezomotors 12 bzw. der Verstellvorrichtung 10,
beispielsweise die tatsächliche Schwingungsfrequenz an
die Abstimmschaltung 46 zurückgegeben.
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In 9 ist
eine Phasenregelschleife 47 (Phased Locked Loop, PLL) dargestellt,
die besonders dafür geeignet ist, einen Null-Durchgang 65, 66 des
Phasenverlaufs 60, 78 als Regelgröße 79 zu
verwenden. Ein Phasendetektor 85 identifiziert die Frequenz 69 des
Null-Durchgangs 65, 66 und führt das Signal
einem Filter 86 zu. Das IST-Signal 84 wird einem
Voltage Controlled Oszillator (VCO) 87 zugeführt,
das ein Spannungssignal 43 mit einer bestimmten Frequenz
als Stellgröße 80 zur Verfügung
stellt. Das Ausgangssignal des VCO 87 wird mittels eines Verstärkers 88 entsprechend
verstärkt und dem Piezoaktor 18 zugeführt,
der dieses Spannungssignal 43 in eine entsprechende mechanische
Schwingung des Piezoelements 20 umsetzt. Für die
Regelung auf die Resonanzfrequenz 44 kann sowohl das mechanische
Schwingungssignal des Piezoaktors 18 herangezogen werden,
oder direkt das elektrische Anregungssignal, so dass der Phasendetektor 85 den Null-Durchgang 65, 66 der
mechanischen Admittanz oder der elektrischen Admittanz, beziehungsweise der
elektrischen oder mechanischen Impedanz detektiert.
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Bei
dem Einsatz mehrerer Piezomotoren 12 als Antrieb eines
Fensters (Teil 11) müssen die Piezomotoren 12 koordiniert
werden um den Gleichlauf des Teils 11 zu gewährleisten.
Die Vernetzung der einzelnen Piezoaktoren 18 soll für
eine Aufsummierung der Antriebskräfte bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit
sorgen. Die Ansteuerung soll im Betrieb das Betriebsverhalten der
jeweiligen Piezomotoren 12 untereinander automatisch abstimmen.
Der erforderliche Gleichlauf der Piezomotoren 12 wird über
die Elektronikeinheit 42 sichergestellt. Bei dem Einsatz
von zwei Schienen 16 mit je einem oder mehreren Piezomotoren 18 pro
Schiene 16 können die Piezomotorpositionen ggf.
durch geeignete Sensoren erfasst werden. Die Regelung eines einzelnen
Piezomotors 12 beinhaltet eine Echtzeitmessung seines tatsächlichen
elektromechanischen Zustandes, welcher durch externe Parameter wie
Alterung, Last, Abnutzung oder Temperatur beeinflusst wird. Je nach Anforderungen
an die Qualität des Antriebs 10 sind unterschiedliche
Strategien möglich: Jeder Piezomotor 12 wird mit
einer eigenen Steuereinheit 42 angesteuert, oder bei anspruchsvolleren
Antriebsvorrichtungen 10 kann auch die folgende Methode
zum Einsatz kommen. Sobald mehrere Piezomotoren 12 im Verbund
arbeiten wird die Informationsverarbeitung der Mechatronik einer
selbst-optimierten Informationsverarbeitung überlagert.
Diese Erweiterung des Gesamtantriebsystems in Form von einer übergeordnete
Komponente entscheidet welche Piezomotoren 12 wie betrieben
werden, welche Parameter und Sollwerte angepasst werden müssen
und trifft Fehlerdiagnosen und Wartungsentscheidungen. Diese übergeordnete
Einheit oder so genannter Operator 90 beinhaltet eine mathematische
Modellierung des Gesamtantriebsystems 10, bestehend aus
elektrischer Ansteuerung, dem piezoelektrischen Materialverhalten,
dem mechanischen Schwingungssystem sowie einem Modell zum Friktionselement-Reibflächen-Kontakt.
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Durch
Erfassung und Rückführung aller notwendigen Größen
in dieses Gesamtmodell ist es möglich, Rückschlüsse
auf das Gesamtverhalten zu ziehen und eine Prozessregelung für
das gesamte System zu konfigurieren. Der Operator 90 erhält
zum einen Informationen von den einzelnen Motorregelungen und vom
angetriebenen Teil 11 und nimmt zum anderen Zustandssignale
von Außen auf (Benutzereingabe, Umgebungseinflüsse,
...). Der Operator 90 gibt den separaten Elektronikeinheiten 42 geänderte
Parameter und Sollwerte vor, und dem Benutzer Systeminformationen
wie z. B. Antriebsstatus oder fällige Wartung, zurück.
Im Falle eines Ausfalls des Operators 90 sind die einzelnen
Piezomotoren 90 noch in der Lage, das Teil 11 zu
bewegen. Durch die Integration von weiterer Intelligenz in das Antriebssystem
(embedded Systems) sind weitergehende wichtige Funktionen realisierbar
wie z. B. Diagnosefähigkeit, Fernparametrierbarkeit und
Zustandsprotokollierung der Verstellvorrichtung 10. Bei einer
alternativen, vereinfachten Ausführung werden alle Piezoaktoren 18 der
Antriebsvorrichtung 10 bei einer Festfrequenz betrieben,
die im Resonanzbereich aller Piezoaktoren 18 oder in unmittelbarer Nähe
zu diesem liegt. In einer weiteren Ausführung wird die
Anregungsfrequenz 93 über dem Varianzbereich 82 kontinuierlich
variiert.
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An
der Resonanzfrequenz 44 erreicht der piezoelektrische Antrieb 10 seinen
größten Wirkungsgrad. Die Resonanzfrequenz 44 des
Piezoaktors 18 hängt dabei von dem Aufbau des
Piezomotors 12, den eingesetzten Werkstoffen und den äußeren
Einflüssen, wie beispielsweise Temperatur, Alterung und die
Last durch das bewegliche Teil 11 ab. Weiter besitzen die
Piezoaktoren 18 unter Umständen voneinander abweichende
Resonanzfrequenzen 44, selbst wenn die Piezoaktoren 18 baugleich
hergestellt wurden. Um mehrere Piezoaktoren 18 mit einer
einzigen Resonanzfrequenz 44 anzusteuern, und dadurch die Abstimmschaltung 46 zu
vereinfachen, können die Piezoaktoren 18 mechanisch
manipuliert werden, um deren Resonanzfrequenz 44 zu verschieben.
Dabei wird beispielsweise Material 95 aus dem Aktorgehäuse 22 abgetragen
(siehe 2). Hierzu kann an ansprechenden Stellen des Piezogehäuses 22 mittel Abfräsen,
Bohren, Erodieren oder Schleifen Material 95 am Piezoaktor 18 reduziert
werden. Als weitere Möglichkeit kann beispielsweise an
einem anderen Piezoaktor 18 zusätzliches Material 96 am
Piezoaktor 18 befestigt werden, beispielsweise mittel Kleben, Schweißen,
Beschichten. Dieses positive oder negative Auswuchten kann an allen
zugänglichen Stellen des Piezoaktors 18 realisiert
werden, um die Resonanzfrequenz 44 in die gewünschte
Richtung zu verschieben.
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Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der in der
Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich
sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung der Piezoaktoren 18,
deren Aktorgehäuse 22, der Piezoelemente 20 (Monoblock,
Stapel- oder, Multilayer), des Brückenstegs 28 und
des Friktionselements 30 entsprechend der Anwendung variiert
werden. Dabei kann die Stößelbewegung als reine
Stoßbewegung oder als im wesentlichen elliptische Bewegungsbahn
ausgebildet sein, wobei entsprechend der Querkomponente der Kraftübertragung
die Reibpaarung zwischen dem Friktionselement 30 und der
Reibfläche 14 eine höhere oder geringere
Reibzahl aufweist. Als Grenzfall ist auch eine Ausbildung mit reinem
Formschluss beispielsweise mittels einer Mikroverzahnung möglich,
bei dem das Friktionselement 30 ohne Reibung in entsprechende Aussparungen
des Antriebselements, z. B. der linearen Führungsschiene 16 oder
des Rotationskörper 48 greift. In einer weiteren
Variation kann der Piezoaktor 18 auch mit einer Biegeschwingung
betrieben werden, die sich beispielsweise mit der Längsschwingung 26 überlagert.
Ebenso können die entsprechenden Schwingungen mehrerer
Piezoaktoren 18 eines Piezomotors 12 gleichzeitig
angeregt werden (einphasig oder mehrphasig), wodurch eine Überlagerung
dieser Schwingungen eine Stößelbewegung bewirkt,
die das Antriebselement in Bewegung versetzt. Bevorzugt wird die
erfindungsgemäße Antriebseinheit 10 zu
Verstellung beweglicher Teile 11 im Kraftfahrzeug verwendet,
ist jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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