DE102007021338A1

DE102007021338A1 - Piezoelectric drive device

Info

Publication number: DE102007021338A1
Application number: DE200710021338
Authority: DE
Inventors: Volker Rischmueller; Jörg WALLASCHEK; Peter Froehlich; Walter Haussecker; Vincent Rieger; Jens Twiefel; Dirk Guenther; Tobias Hemsel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008135350A2; WO2008135350A3

Abstract

Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen zum Verstellen von beweglichen Teilen (11), insbesondere im Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Piezomotor (12), der mindestens einen Piezoaktor (18) aufweist, wobei mittels mindestens eines Friktionselements (30) des Piezomotors (12) eine Relativbewegung bezüglich einer dem Friktionselement (30) gegenüberliegenden Reibefläche (14) erzeugbar ist, wobei der mindestens eine Piezoaktor (18) mit einer Elektronikeinheit (42) verbunden ist, die eine elektrische Abstimmschaltung (46) aufweist, die die piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) auf eine Resonanzfrequenz (44) regelt.Piezoelectric drive device (10) and method for operating such for adjusting moving parts (11), in particular in motor vehicles, with at least one piezomotor (12) having at least one piezoactuator (18), wherein by means of at least one friction element (30) of Piezo motor (12) is a relative movement with respect to a friction element (30) opposite Reibefläche (14) can be generated, wherein the at least one piezoelectric actuator (18) with an electronic unit (42) is connected, which has an electrical tuning circuit (46), the piezoelectric Drive device (10) to a resonance frequency (44) controls.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung sowie einem Verfahren zum Betreiben eines solchen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.The The invention is based on a piezoelectric drive device and a method of operating such a genus the independent claims.

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.With the WO 00/28652 A1 An ultrasonic motor has become known in which a rotor shaft is rotated by means of ultrasonic vibrators. In this case, two ultrasonic vibrators are connected at right angles to each other, both vibrators are supplied with an AC voltage such that the two vibrators vibrate to each other with a phase difference. This vibration generates a movement of a plunger that rotates the rotor shaft. A disadvantage of this ultrasonic motor that due to the design and operation of the vibrators many ultrasonic vibrators are necessary to produce sufficient drive torque. Such a motor is therefore very expensive and requires a complex electronic control and a correspondingly large space for the superposition of the various excited vibrations.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The piezoelectric driving device according to the invention, and the method for operating such a device have the features of the independent claims In contrast, the advantage that by the operation of the piezoelectric actuators in their resonance frequency their piezoceramic optimally utilized becomes. This can be done with relatively little use of materials the piezoceramic generate large deflection of the piezoelectric actuator, which means a big feed, or a big one Moment transferred to the corresponding friction surface can be. Due to the resonance mode, the piezoceramic is in Point operated at their highest efficiency, reducing the electrical Power loss is greatly reduced, thereby heating the piezoceramic is avoided. By exploiting the dielectricity The piezoceramic no disturbing electromagnetic Fields generated, nor is the operation of the piezoceramic by external Magnetic fields noticeably impaired. When operating the Piezoaktors in resonance mode, can by the design of the piezoelectric actuator the amplitude and power transmission of the piezoelectric actuator adapted to the corresponding friction surface. Due to the high power density of the piezoelectric actuator, the use of material the relatively expensive piezoceramic be reduced, or the performance of the piezo drive can be increased. Especially Advantageously, the resonance mode of the piezoelectric actuator by means of a electrical tuning circuit are generated which the excitation frequency of the piezoelectric actuator to the resonance frequency of the piezo motor controls. Advantageously, a load is avoided by the reactive power, whereby the electrical system is less burdened. Compared with conventional DC motors also have no start-up currents or blocking currents, so that a significantly higher efficiency of the piezo drive can be achieved.

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.By those listed in the dependent claims Measures are advantageous developments and improvements the embodiments specified in the dependent claims possible. By means of the tuning circuit of the electronic unit can the piezomotor, or the complete drive device be excited in their resonance frequency. By the regulation on the zero crossing of the phase characteristic of the drive system, the Resonance frequency are met very accurately, reducing the efficiency of the piezoelectric actuator can be significantly increased.

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.conveniently, the piezomotor is at the frequency of the zero crossing of the phase Operated impedance with positive slope, by the inventive Tuning circuit can be easily controlled.

Zur Maximierung der mechanischen Schwingungsamplitude des Piezoaktors wird dieser vorteilhaft im Bereich der Resonanzfrequenz der mechanischen Admittanz bzw. der mechanischen Impedanz angesteuert.to Maximizing the mechanical vibration amplitude of the piezoelectric actuator this is advantageous in the range of the resonance frequency of the mechanical Admittance or the mechanical impedance driven.

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.Becomes the piezoelectric actuator in the range of the resonance of the electrical admittance operated, the reactive power can be advantageously minimized, whereby the efficiency of the Piezoan drive is optimized. alternative but the piezo drive can also in the electrical anti-resonance (Maximum of impedance) are operated.

Der Piezoaktor ist zweckmäßig einem elektrischen Schwingkreis nachgebildet, der zur Regelung auf die Resonanzfrequenz im Null-Durchgang des Phasenverlaufs des Piezoaktor-Schwingkreises betrieben wird.Of the Piezoelectric actuator is expedient an electrical resonant circuit emulated to control the resonance frequency in the zero-crossing of Phase characteristic of the piezoelectric actuator resonant circuit is operated.

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.in the Resonance mode is the piezoceramic, the electronic unit and the voltage source is not loaded with a reactive power, whereby the electronics can be made simpler and, for example dispensed with additional switches and filter elements can be.

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.The control of a zero-crossing of a phase curve is particularly easy by means of a phase locked loop (PLL), which with a Volta Controlled Oscillator (VCO) as the manipulated variable provides an excitation frequency for the piezoelectric element.

Zur Vereinfachung des Regelaufwands kann ein Varianzbereich um die Resonanzfrequenz herum definiert werden, innerhalb dessen die Anregungsfrequenz ständig gescannt wird.to Simplification of the control effort may include a range of variance around the resonant frequency be defined around, within which the excitation frequency is constantly is scanned.

Da sich die Resonanzfrequenz der Piezoaktoren aufgrund äußerer Einflüsse verändern kann, wird die Anregungsfrequenz bzw. der Varianzbereich der veränderlichen Resonanzfrequenz nachgeregelt.There the resonance frequency of the piezoelectric actuators due to external Influences can change the excitation frequency or the variance range of the variable resonance frequency readjusted.

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.By the use of a parent control unit, can these as an operator also a larger number of Coordinate piezo actuators and / or piezo motors optimally with each other. By entering a variety of status signals for control of the drive by the operator, this can also error or maintenance information of the drive system.

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.Prefers the piezoelectric actuator is only set in longitudinal vibrations, leaving only vibration components along the longitudinal direction excited with the largest extent of the piezoelectric actuator become. These are the piezoceramic and the formation of the housing the piezoelectric actuator optimized accordingly.

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.is the longitudinal direction of the piezoelectric actuator in the idle state substantially perpendicular to the corresponding friction surface of the drive element aligned, so can the longitudinal vibration of a single Piezoaktors effectively in both opposite directions of movement the relative movement relative to the rubbing surface be implemented.

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.to Generation of a large oscillation amplitude of the piezoelectric actuator in the longitudinal direction, the piezoceramic is in the piezo housing biased such that in the vibrating operation in the piezoceramic no tensile forces Pop up. This allows a vibration system with a achieve high rigidity in the longitudinal direction.

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.by virtue of the micro-shock movement of the friction element opposite the corresponding friction surface can be a relative movement be generated without additional inertial masses have to be set in motion. By a suitable Choice of friction partners between the friction element and the corresponding Friction surface, the vibration of the piezoelectric actuator very low loss in a linear movement or rotational movement of a drive element be implemented. To support the power transmission can in addition to the frictional engagement a positive connection - for example, a Mikroverzahnung - between the friction element and the Frictional surface are formed.

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.by virtue of the arrangement of the friction element relative to the piezoelectric actuator can the longitudinal vibration of the piezoelectric actuator in a linear, an elliptical or a circular movement of the friction element, in particular its rubbing surface facing the end, implemented become. An elliptical movement of the friction element can be very harmonious be transferred to the drive element, wherein the inversion of the sense of circulation reverses the direction of the relative movement can be.

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.The Drive element with the friction surface can be advantageous as be formed linear drive rail or as a rotor shaft. By the holding force with which the friction element against the linear rail or the rotational body is pressed, the tangential Movement component of the friction element transmitted to the drive element.

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.Especially It is favorable, the piezomotor on the moving part to attach, so that this against a fixed Frictional surface moved away with the moving part. For example the piezo motor can be attached to a window pane, and along a rubbing surface of a body-mounted guide rail repel. Alternatively, the piezomotor can be arranged in a stationary manner be and move according to the rubbing surface, the arranged on a linear rail of the part to be adjusted is.

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.Becomes the piezoceramic formed in several layers, between them Electrons can be connected to a predetermined voltage generate a larger vibration amplitude. Become the layers are arranged transversely to the longitudinal direction of the piezoactuator, is characterized the longitudinal vibration in the longitudinal direction maximized.

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.In a preferred embodiment of the invention, the piezomotor exactly two piezo actuators. These can conveniently be operated such that in each case a piezoelectric actuator for a direction of movement of the relative movement is excited. this has the advantage that only ever exactly one piezoelectric actuator by means of the electronic unit is vibrated, and the second piezoelectric actuator only as an inert mass resonates. This will create a complicated overlay the two simultaneously stimulated piezoactuator oscillations prevented. alternative Several piezo actuators can also be activated simultaneously be by means of an identical or different Excitation or supply signals.

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.For example, the Peizomotor for a power window drive in the motor vehicle can be attached to a window pane. By the direct Generating a linear motion is a very fast response time with high dynamics possible. Due to the micro-shock principle, an extremely precise positioning of the part to be adjusted can be achieved with low noise emission.

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.The Resonant frequency of the piezoelectric actuators can be very inexpensive be changed by means of positive or negative balancing, for example, several piezo actuators with exactly one excitation frequency to be able to operate. This can be housing material be removed at a corresponding location, or material to be added.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenembodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail. Show it

1 Eine erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung, 1 A piezoelectric drive device according to the invention,

2 eine weitere Ausführung für einen Rotationsantrieb, 2 another embodiment for a rotary drive,

3 ein Piezoelement für den Einbau in den Piezoaktor gemäß 1, 3 a piezoelectric element for installation in the piezoelectric actuator according to 1 .

4 eine schematische Darstellung zum Betreiben der Antriebsvorrichtung, 4 a schematic representation for operating the drive device,

5 eine Resonanzkurve des Piezomotors und 5 a resonance curve of the piezo motor and

6 eine Impedanzkurve für das piezoelektrische Antriebssystem 6 an impedance curve for the piezoelectric drive system

7a, b ein Verlauf der mechanischen Admittanz mit korrespondierendem Phasenverlauf, 7a , b is a course of the mechanical admittance with a corresponding phase progression,

8 schematisch die Regelung des Anregungssignals des Piezoaktors, und 8th schematically the regulation of the excitation signal of the piezoelectric actuator, and

9 eine schematische Darstellung einer Phasenregelschleife der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung. 9 a schematic representation of a phase locked loop of the piezoelectric drive device.

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.In 1 is a piezoelectric drive device 10 shown in which a piezomotor 12 a relative movement relative to a corresponding friction surface 14 performs. The rubbing surface 14 is hereby a linear rail 16 formed, for example, on a body part 17 is attached. The piezomotor 12 has at least one piezoelectric actuator 18 on, in turn, a piezoelectric element 20 contains. For this purpose, the piezoelectric actuator 18 an actuator housing 22 on, that is the piezo element 20 receives. The actuator housing 22 is, for example, sleeve-shaped. In the illustrated embodiments, the piezoelectric element 20 from the actuator housing 22 enclosed. The piezo actuator 18 has a longitudinal direction 19 in whose direction the expansions of the piezoelectric actuator 18 is greater than in a transverse direction 24 to. The piezo element 20 is preferably in the actuator housing 22 longitudinal 19 biased, such that upon excitation of a longitudinal vibration 26 of the piezoelectric element 20 in this no tensile forces occur. By the vibration of the piezoelectric element 20 becomes the entire piezo actuator 18 in longitudinal vibration 26 displaces and transmits a vibration amplitude 45 over a bridge bridge 28 on a friction element 30 , in frictional contact with the friction surface 14 stands. By the longitudinal vibration 26 of the piezo actuator 18 becomes the bridge bridge 28 offset in a tilting movement or a bending movement, so that one of the friction surface 14 facing end 31 of the friction element 30 performs a micro-shock movement. The interaction between the friction element 30 and the rubbing surface 14 is shown in the enlarged section, in which it can be seen that the bridge web 28 , in the rest position approximately parallel to the friction surface 14 is arranged, with excited vibration of the piezoelectric actuator 18 opposite the rubbing surface 14 tilted. This leads to the end 31 of the friction element 30 for example, an elliptical motion 32 or circular motion, by means of which the piezomotor 12 along the linear rail 16 Repelling. The piezomotor 12 is in the range of vibration nodes 34 the piezo actuators 18 stored and for example with a moving part 11 connected. At the same time the piezo motor becomes 12 about a storage 36 with a normal force 37 against the rubbing surface 14 pressed. This leads to the end 31 of the friction element 30 now an elliptical motion 32 out, in addition to the normal force 37 a tangential force component 38 having the advance of the piezo motor 12 opposite the rubbing surface 14 causes. In an alternative embodiment, the friction element leads 30 only a linear pushing movement at a certain angle to the normal force 37 out. This also leads to a relative movement by means of micro-collisions.

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.In the embodiment according to 1 points the piezomotor 12 exactly two piezo actuators 18 on, both approximately parallel to their longitudinal direction 19 are arranged. This is the bridge bridge 28 transverse to the longitudinal direction 19 arranged and connects the two piezo actuators 18 on their faces 27 , The bridge footbridge 28 is for example as a flat plate 29 formed, in the middle of the friction element 30 is arranged. In a preferred mode of operation of the piezoelectric drive device 10 is for a relative movement in a first direction 13 only one of the two piezo actuators 18 stimulated. The second, unexcited piezoelectric actuator acts 18 over the bridge jetty 28 as oscillating mass, due to which the bridge web 28 with the friction element 30 opposite to the longitudinal direction 19 is tilted or bent. According to the Stei the structure of the piezo motor 12 thus becomes the longitudinal vibration 26 of the piezoelectric element 20 in a micro-shock movement with a tangential force component 38 transformed. The electrical excitation of the piezoelectric element 20 via electrodes 40 that with an electronics unit 42 are connected. For a movement of the piezo motor 12 in the opposite directions 15 becomes the piezo element accordingly 20 of the other piezo actuator 18 by means of the electronic unit 42 stimulated. In this mode of operation is always only one piezoelectric element 20 of the piezo motor 12 excited, so that there is no superimposition of two vibration excitations of both piezo actuators 18 can come.

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.According to the invention, the piezoelectric drive device is at its resonance frequency 44 operated. This is indicated by the electronics unit 42 a tuning circuit 46 on which the corresponding piezo element 20 such that the entire system resonates. The electronics unit 42 For example, at least partially within the actuator housing 18 or storage 36 be arranged. In 1 are in the two piezo actuators 18 in each case the amplitudes 45 the resonant frequency 44 the longitudinal vibration 26 shown, with the two piezoelectric actuators 18 not be stimulated at the same time in this mode.

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.In 2 is a variation of the drive device 10 shown in which the piezomotor 12 in a body part 17 is stored. On the other hand, the friction surface 14 as the peripheral surface of a rotating body 48 formed so that by the plunger movement of the friction element 30 the rotation body 48 is set in rotation. According to the 1 described operation, the direction of rotation 49 of the rotational body 48 again by the control of only one piezoelectric element 20 on one of the two piezo actuators 18 be specified. Such a drive device 10 generates a rotation as a drive movement and can thus be used instead of an electric motor with downstream transmission.

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.In 3 is an enlarged piezo element 20 shown, as for example in the piezo motor 12 of the 1 or 2 can be used. The piezo element 20 has several separate layers 50 on, between which the respective electrodes 40 are arranged. Will be at the electrodes 40 via the electronics unit 42 a tension 43 created, the piezo element expands 20 longitudinal 19 out. The expansion and contraction of the individual layers 50 adds up, so by the number of layers 50 the total amplitude 45 of the piezo element 20 longitudinal 19 can be specified. The layers 20 are doing transverse to the longitudinal direction 19 in the actuator housing 22 arranged so that the entire piezoelectric actuator 18 through the piezo element 20 in longitudinal vibration 26 is offset. The piezo element 20 is preferably designed so that in resonance mode of the piezoelectric element 20 very large amplitudes 45 can be generated.

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.In 4 is a model of the piezoelectric drive device 10 shown as the basis for setting the resonance frequency 44 serves. It is in the form of an electrical equivalent circuit 51 the piezoelectric actuator 18 as a resonant circuit 52 shown in which an inductance 53 with a first capacity 54 and a resistive load 55 are connected in series. This is a second capacity 56 connected in parallel. At this resonant circuit 52 becomes a tension 43 by means of the electronic unit 42 created. By converting the longitudinal vibration 26 of the piezo actuator 18 in the plunger movement of the friction element 30 becomes the resonance frequency 44 of the piezo actuator 18 affected. Furthermore, the resonance frequency depends 44 the entire drive device 10 from the load 58 For example, by the weight of the part to be adjusted 11 is determined. Furthermore, the resonance frequency of the coupling of the power transmission 57 dependent, essentially by the friction condition between the friction element 30 and the rubbing surface 14 is determined.

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.According to this diagram arises in the excitation of the adjustment 10 by means of the electronic unit 42 a frequency response, as in 5 is shown. Here's the performance 59 over the frequency 69 applied. At zero-crossing 61 the illustrated reactive power 62 results in a maximum 63 the active power 64 , The maximum 63 the active power 64 occurs at the resonant frequency 44 on which the piezoelectric drive device 10 by means of the tuning circuit 46 is regulated. The resonance frequency 44 is for example in the range between 30 and 80 kHz, preferably between 30 and 50 kHz.

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.In 6 is the associated impedance behavior of the piezo motor 12 represented by the frequency response. The phase course 60 the impedance of the resonant circuit 52 according to 4 illustrated adjusting device 10 indicates a first zero crossing 65 with a positive slope and a second zero crossing 66 with negative slope on, the series and the parallel resonance of the resonant circuit 52 correspond. The phase angle 68 is shown on the Y-axis on the right side of the diagram. To the drive device 10 in resonant mode - for example, even with a variable load 58 - controls the tuning circuit 46 the frequency 69 for example, on the zero crossing 65 with positive slope, which is relatively easy by electronic means of a phase locked loop 47 (Phase Locked Loop, PLL) is feasible. The left Y-axis 74 represents the amount 70 of the Impedance, where the impedance curve 70 over the frequency 69 a minimum 71 (Antiresonance, corresponds to the maximum of the electrical admittance) at the first zero crossing 65 and a maximum 72 at the second zero crossing 66 having.

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.In 7a is the course of mechanical admittance 76 as shown by the quotient of the mechanical vibration speed of the piezoelectric actuator 18 through the electrical supply voltage 43 results. The mechanical admittance 76 represents the reciprocal of the mechanical impedance (not shown), which is equal to the quotient of the supply voltage 43 by the mechanical vibration speed of the piezoelectric actuator 18 results. The mechanical admittance 76 is over the frequency range 69 represented and forms at a resonant frequency 44 a maximum and at an anti-resonant frequency 77 a minimum.

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.In 7b is accordingly a phase progression 60 the mechanical phase angle 68 between the mechanical vibration speed and the electrical supply voltage 43 recorded. In the field of resonance 44 the mechanical admittance 76 indicates the phase progression 60 a zero-crossing 66 with negative slope on, and at the antiresonant frequency 77 a corresponding zero crossing 65 with positive slope. The tuning circuit 46 regulates the excitation frequency 93 of the piezo actuator 18 for example, to the resonant frequency 44 the mechanical admittance 76 , where as a controlled variable the zero crossing 66 with negative slope of the corresponding phase curve 60 is used.

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.The reciprocal of the mechanical admittance 76 forms the mechanical impedance (not shown), which then has a very similar course as the electrical impedance curve 70 according to the 6 , The phase characteristic corresponding to the mechanical impedance (not shown) likewise results from the inverse of the phase characteristic 60 the mechanical phase angle 78 out 7b and thus has a very similar course as the phase progression 60 the electrical impedance of the 6 , In the electrical impedance curve 70 of the 6 can also be formed by the formation of the reciprocal electrical impedance with a corresponding phase characteristic. The resonance frequencies 44 and the antiresonant frequencies 77 can be between the mechanical admittance 76 and the electrical admittance differ from each other. According to the requirements of the piezoelectric drive device 10 can therefore be the piezoelectric actuator 18 to the resonant frequency 44 or the antiresonant frequency 76 the electrical or mechanical impedance are regulated.

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.In 8th is the control process of a piezo motor 12 represented by a the tuning circuit 46 having electronic unit 42 is controlled. As a manipulated variable 80 becomes, for example, the excitation frequency 93 the supply voltage 43 but also the amplitude or other parameters of the excitation signal 94 can be specified. For example, as an excitation signal 94 a square, triangle, sine or trapezoidal voltage to the piezoelectric actuator 18 be created, the frequency and / or their amplitude is controlled. As setpoint 83 becomes, for example, a certain resonant frequency 44 , or a certain range of variance 82 around the resonance frequency 44 given to the tuning circuit 46 regulates. Furthermore, additional signals 91 the electronics unit 42 which, for example, reflect environmental influences or input instructions. The piezomotor 12 , one or more piezo actuators 18 has, causes a mechanical vibration 99 that with a certain frequency a relative movement between the piezomotor 12 and the rubbing surface 14 causes. As a controlled variable 79 become the actual values 84 of the piezo motor 12 or the adjusting device 10 For example, the actual oscillation frequency to the tuning circuit 46 returned.

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.In 9 is a phase locked loop 47 (Phased Locked Loop, PLL), which is particularly suitable for a zero-crossing 65 . 66 the phase course 60 . 78 as a controlled variable 79 to use. A phase detector 85 identifies the frequency 69 the zero crossing 65 . 66 and passes the signal to a filter 86 to. The actual signal 84 is a Voltage Controlled Oscillator (VCO) 87 fed, which is a voltage signal 43 with a certain frequency as manipulated variable 80 provides. The output signal of the VCO 87 is by means of an amplifier 88 amplified accordingly and the piezoelectric actuator 18 fed, this voltage signal 43 in a corresponding mechanical vibration of the piezoelectric element 20 implements. For the regulation to the resonance frequency 44 can both the mechanical vibration signal of the piezoelectric actuator 18 are used, or directly the electrical excitation signal, so that the phase detector 85 the zero-crossing 65 . 66 the mechanical admittance or the electrical admittance, or the electrical or mechanical impedance detected.

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.When using several piezomotors 12 as drive of a window (part 11 ) have the piezo motors 12 be coordinated by the synchronization of the part 11 to ensure. The networking of the individual piezo actuators 18 should provide for a summation of the driving forces at the same feed rate. The control should be in Be drove the operating behavior of the respective piezomotors 12 vote automatically with each other. The required synchronization of the piezomotors 12 is via the electronics unit 42 ensured. When using two rails 16 with one or more piezo motors each 18 per rail 16 If necessary, the piezo motor positions can be detected by suitable sensors. The regulation of a single piezomotor 12 involves a real-time measurement of its actual electromechanical condition, which is influenced by external parameters such as aging, load, wear or temperature. Depending on the requirements of the quality of the drive 10 Different strategies are possible: every piezomotor 12 comes with its own control unit 42 driven, or in more demanding drive devices 10 The following method can also be used. As soon as several piezo motors 12 Working together, information processing in mechatronics is superimposed on self-optimized information processing. This expansion of the overall drive system in the form of a higher-level component decides which piezo motors 12 how to operate, which parameters and setpoints need to be adjusted and make fault diagnoses and maintenance decisions. This parent unit or so-called operator 90 includes a mathematical modeling of the overall drive system 10 consisting of electrical control, the piezoelectric material behavior, the mechanical vibration system and a model for friction element-friction surface contact.

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.By capturing and returning all necessary quantities into this overall model, it is possible to draw conclusions about the overall behavior and to configure a process control for the entire system. The operator 90 receives information from the individual engine controls and the driven part 11 and on the other hand receives state signals from outside (user input, environmental influences, ...). The operator 90 gives the separate electronic units 42 changed parameters and setpoints, and the user system information such. Drive status or due maintenance. In case of a failure of the operator 90 are the individual piezomotors 90 still able to do the part 11 to move. Through the integration of further intelligence in the drive system (embedded systems) further important functions can be realized such. B. diagnostics capability, remote parameterization and state logging of the adjustment 10 , In an alternative, simplified design, all piezo actuators become 18 the drive device 10 operated at a fixed frequency, in the resonance range of all piezo actuators 18 or in the immediate vicinity of this. In a further embodiment, the excitation frequency 93 over the variance range 82 varies continuously.

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.At the resonant frequency 44 reaches the piezoelectric drive 10 its greatest efficiency. The resonance frequency 44 of the piezo actuator 18 depends on the structure of the piezo motor 12 , the materials used and the external influences, such as temperature, aging and the load through the moving part 11 from. Next have the piezo actuators 18 possibly different resonant frequencies 44 even if the piezo actuators 18 were made identical. To several piezo actuators 18 with a single resonance frequency 44 to drive, and thereby the tuning circuit 46 To simplify, the piezo actuators 18 be mechanically manipulated to their resonance frequency 44 to move. In this case, for example, material 95 from the actuator housing 22 removed (see 2 ). This can be done in attractive places of the piezoelectric housing 22 Medium milling, drilling, eroding or grinding material 95 on the piezoelectric actuator 18 be reduced. As another option, for example, on another piezoelectric actuator 18 additional material 96 on the piezoelectric actuator 18 be attached, for example, medium gluing, welding, coating. This positive or negative balancing can be done at all accessible locations of the piezo actuator 18 be realized to the resonant frequency 44 to move in the desired direction.

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.It should be noted that with regard to the exemplary embodiments shown in the figures and in the description, a variety of possible combinations of the individual features with each other are possible. For example, the concrete design of the piezoelectric actuators 18 , whose actuator housing 22 , the piezo elements 20 (Monoblock, stack or multilayer), the bridge dock 28 and the friction element 30 be varied according to the application. In this case, the plunger movement may be formed as a pure shock movement or as a substantially elliptical trajectory, wherein according to the transverse component of the power transmission, the friction pairing between the friction element 30 and the friction surface 14 has a higher or lower friction coefficient. As a limiting case, a training with pure form-fitting, for example by means of a micro-toothing is possible in which the friction element 30 without friction in corresponding recesses of the drive element, for. B. the linear guide rail 16 or the rotational body 48 attacks. In a further variation of the piezoelectric actuator 18 be operated with a bending vibration, for example, with the longitudinal vibration 26 superimposed. Likewise, the corresponding vibrations of several piezo actuators 18 a piezo motor 12 be stimulated simultaneously (single-phase or multi-phase), whereby a superposition of these vibrations a tappet causes movement, which sets the drive element in motion. The drive unit according to the invention is preferred 10 for adjustment of moving parts 11 used in the motor vehicle, however, is not limited to such an application.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 00/28652 A1 [0002]

Claims

Method for operating a piezoelectric drive device ( 10 ) for adjusting moving parts ( 11 ), in particular in the motor vehicle, with at least one piezoelectric motor ( 12 ), the at least one piezoelectric actuator ( 18 ), wherein by means of at least one friction element ( 30 ) of the piezo motor ( 12 ) a relative movement with respect to a friction element ( 30 ) opposite rubbing surface ( 14 ) is producible, characterized in that the at least one piezoelectric actuator ( 18 ) with an electronic unit ( 42 ) having an electrical tuning circuit ( 46 ) comprising the piezoelectric drive device ( 10 ) to a resonant frequency ( 44 ) regulates.

Method according to Claim 1, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) an excitation frequency ( 93 ) for maintaining the resonance frequency ( 44 ) to a zero crossing ( 65 . 66 ) of a phase course ( 60 ) of a controlled variable ( 79 ) regulates.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) the zero-crossing ( 65 . 66 ) of the phase course ( 60 ) with positive slope and / or with negative slope.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) the piezoelectric drive device ( 10 ) in the region of the resonance frequency ( 44 ) of the mechanical admittance (oscillation over voltage) or the mechanical impedance (reciprocal value).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) the piezoelectric drive device ( 10 ) in the region of the resonance frequency ( 44 ) of electrical admittance or electrical impedance.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) an excitation signal ( 94 ) to a maximum or minimum of an electrical or mechanical admittance or impedance curve.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric drive device ( 10 ) is designed such that its equivalent circuit ( 51 ) by an inductance ( 53 ), a capacity ( 54 ) and an ohmic resistance ( 55 ), which are connected in series with each other, wherein a further capacity ( 56 ) is connected in parallel thereto, and the tuning circuit ( 46 ) the excitation frequency ( 93 ) to comply with the electrical resonance frequency ( 44 ) on the zero crossing ( 65 . 66 ) of the phase course ( 60 ) of the equivalent circuit ( 51 ) regulates.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) the piezoelectric drive device ( 10 ) to the resonant frequency ( 44 ) controls, so that approximately no reactive power occurs.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) a phase locked loop 47 (Phase Locked Loop, PLL), which by means of a VCO 87 (Voltage Controlled Oscillator) the excitation frequency ( 93 ) for the piezoelectric actuator ( 18 ) as manipulated variable ( 80 ) pretends.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the amplitude of the excitation voltage ( 43 ) as an excitation signal ( 94 ), in particular as a cascade control together with a further excitation signal ( 94 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) the excitation frequency ( 93 ) over a range of variance ( 82 ) around the resonance frequency ( 44 ) of a piezoelectric actuator ( 18 ) varies continuously, and in particular the variance range ( 82 ) in case of deviations of the individual resonance frequencies ( 44 ) of different piezo actuators ( 18 ) all resonant frequencies ( 44 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit ( 46 ) the excitation frequency ( 93 ), or their variance range ( 82 ) nachfährt under varying operating conditions.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for controlling a plurality of piezo motors ( 12 ) an operator ( 90 ) by means of a mathematical modeling under supply of state signals of the individual piezo actuators ( 18 ), and / or environmental influences and / and user inputs and / or fault diagnostics, the control variables ( 80 ) of the excitation signal ( 94 ) of the individual piezo actuators ( 18 ) pretends.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuator ( 18 ) a longitudinal direction ( 19 ), along which the piezoelectric actuator ( 18 ) has a greater extent than in a transverse direction ( 24 ), and the piezoelectric actuator ( 18 ) by means of the electronic unit ( 42 ) in longitudinal vibration ( 26 ) - in particular finally in the longitudinal direction ( 19 ) without transverse components - is added.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the friction element ( 30 ) performs a dynamic micro-shock movement and by means of frictional engagement and / or positive engagement of the friction surface ( 14 ) repels.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the friction element ( 30 ) geometrically on the piezomotor ( 12 ) is arranged that the longitudinal vibration ( 26 ) of the piezo actuator ( 18 ) in an elliptical orbital motion ( 32 ) or linear impact movement of the friction element ( 30 ) is converted.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for a first direction of movement ( 13 ) of the relative movement only exactly a first piezoelectric actuator ( 18 ) and for the opposite direction of movement ( 15 ) only exactly one second piezoactuator ( 18 ), and the piezo actuators ( 18 ) in particular with an identical excitation signal ( 94 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric drive device ( 10 ) an electronic unit ( 42 ), the two or more piezo actuators ( 18 ) of the piezo motor ( 12 ) always with a single-phase excitation signal ( 94 ).

Piezoelectric drive device ( 10 ) for applying the method according to any one of the preceding claims, characterized in that the longitudinal direction ( 19 ) of the piezo actuator ( 18 ) approximately perpendicular to the rubbing surface ( 14 ).

Piezoelectric drive device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuator ( 18 ) an actuator housing ( 22 ), in which a piezoceramic ( 21 ), wherein the piezoceramic ( 21 ) in the actuator housing ( 22 ) longitudinal ( 19 ) is biased.

Piezoelectric drive device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that by means of the biasing of the piezoelectric element ( 20 ) whose damping and thus the resonance frequency ( 44 ) of the piezo actuator ( 18 ) is adjustable.

Piezoelectric drive device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the resonance frequency ( 44 ) of the piezo actuator ( 18 ) by means of a targeted material compensation on the piezo housing ( 22 ) is adjustable, in particular around the resonance frequencies ( 44 ) of different piezo actuators ( 18 ) to match.

Piezoelectric drive device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the targeted material compensation by application of material or removal of material on the actuator housing ( 22 ) is feasible.

Piezoelectric drive device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezomotor ( 12 ) on the moving part ( 11 ) is arranged, and the friction surface ( 14 ) body-formed.