DE102022134075A1

DE102022134075A1 - Drive system and control method for a piezoelectric motor

Info

Publication number: DE102022134075A1
Application number: DE102022134075.9A
Authority: DE
Inventors: Burhanettin Koc; Sebastian Kist; Ammar Hamada
Original assignee: Physik Instrumente PI Se and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI Se and Co KG
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-06-20
Also published as: CN120476541A; JP2026501213A; KR20250121082A; WO2024132303A1; EP4639749A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem und ein Steuerverfahren für einen piezoelektrischen Motor eines solchen Antriebssystems. Eine übertragende Induktivität ist elektrisch leitend mit mindestens zwei Schaltelementen verbunden. Eine Steuervorrichtung ist geeignet, ein periodisches Antriebssignal in ein Pulsweitenmodulations- (PWM) Signal umzuwandeln und durch Schalten der mindestens zwei Schaltelemente an die übertragende Induktivität weiterzugeben. Innerhalb einer Kammer befinden sich eine empfangende Induktivität und ein kapazitiver piezoelektrische Aktor, die einen Tiefpassfilter bilden. Mindestens eine Wand der Kammer ist als feste dielektrische Barriere ausgestaltet, und die übertragende Induktivität ist geeignet, das PWM-Signal an die empfangende Induktivität durch die feste dielektrische Barriere induktiv zu übertragen. Das bereitgestellte System und Verfahren ermöglichen eine drahtlose Übertragung von Signalen in eine versiegelte Umgebung wie eine Vakuumumgebung.

The present invention relates to a drive system and a control method for a piezoelectric motor of such a drive system. A transmitting inductance is electrically conductively connected to at least two switching elements. A control device is suitable for converting a periodic drive signal into a pulse width modulation (PWM) signal and passing it on to the transmitting inductance by switching the at least two switching elements. Within a chamber there are a receiving inductance and a capacitive piezoelectric actuator which form a low-pass filter. At least one wall of the chamber is designed as a solid dielectric barrier and the transmitting inductance is suitable for inductively transmitting the PWM signal to the receiving inductance through the solid dielectric barrier. The system and method provided enable wireless transmission of signals in a sealed environment such as a vacuum environment.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem und ein Steuerverfahren für einen piezoelektrischen Motor bei drahtloser Überragung des Steuersignals.The present invention relates to a drive system and a control method for a piezoelectric motor with wireless transmission of the control signal.

Piezoelektrische Resonanzmotoren (z.B. Ultraschallmotoren) oder Trägheitsmotoren, wie sie etwa in einem Positioniertisch benutzt werden, benötigen periodische Signale mit beispielsweise sinusförmigen, rechteckigen, oder sägezahnförmigen Wellenformen, um einen piezoelektrischen Aktor im Stator zu aktivieren, d.h. um eine Vibration oder periodische Deformation des Aktors hervorzurufen. Die vibrierende Bewegung oder Deformation des Aktors im Stator wird dann durch Reibungskopplung auf das bewegliche Element (Gleiter oder Rotor) übertragen, wodurch dieses in eine gewünschte Bewegung versetzt wird.Piezoelectric resonance motors (e.g. ultrasonic motors) or inertial motors, such as those used in a positioning table, require periodic signals with, for example, sinusoidal, rectangular, or sawtooth waveforms to activate a piezoelectric actuator in the stator, i.e. to cause a vibration or periodic deformation of the actuator. The vibrating movement or deformation of the actuator in the stator is then transmitted to the moving element (slider or rotor) by frictional coupling, causing it to move in a desired manner.

Bei piezoelektrischen Trägheitsantrieben erzeugt die tangentiale Komponente der Vor- und Zurückbewegung bei der Vibration bzw. Deformation des piezoelektrischen Aktors an einem Kontakt zwischen einem anzutreibenden Element und dem an einem Stator angeordneten Aktor eine Bewegung. In einer Richtung der Tangentialbewegung wird der Aktor langsam aktiviert, d.h. langsam deformiert. Während dieser Aktivierungszeit, der „Haftphase“ oder „langsamen Phase,“ besteht Haftreibung zwischen dem Aktor und dem anzutreibenden Element, so dass das anzutreibende Element der langsamen Deformationsbewegung des Aktors folgt. In der entgegengesetzten Richtung der Tangentialbewegung wird der piezoelektrische Aktor schneller deaktiviert bzw. deformiert, relativ zu seiner Anfangsposition. Während dieser Zeit, der „Gleitphase“ oder „schnellen Phase“, ist die auf das anzutreibende Element wirkende Trägheitskraft größer als die Reibungskraft zwischen dem Aktor und dem anzutreibenden Element, sodass es zwischen beiden zu Gleitreibung kommt und der Aktor am anzutreibenden Element entlanggleitet, ohne dass dieses der schnellen Bewegung des Aktors folgen kann. Während eines solchen Zyklus' von Haft- und Gleitphase macht das anzutreibende Element einen mikroskopisch kleinen Bewegungsschritt. Die Akkumulation dieser mikroskopischen Bewegungsschritte erzeugt eine makroskopische Bewegung des anzutreibenden Elements.In piezoelectric inertial drives, the tangential component of the back and forth movement when the piezoelectric actuator vibrates or deforms creates a movement at a contact between an element to be driven and the actuator arranged on a stator. In one direction of the tangential movement, the actuator is slowly activated, i.e. slowly deformed. During this activation time, the "sticking phase" or "slow phase," there is static friction between the actuator and the element to be driven, so that the element to be driven follows the slow deformation movement of the actuator. In the opposite direction of the tangential movement, the piezoelectric actuator is deactivated or deformed more quickly, relative to its initial position. During this time, the "sliding phase" or "fast phase", the inertial force acting on the element to be driven is greater than the frictional force between the actuator and the element to be driven, so that sliding friction occurs between the two and the actuator slides along the element to be driven without the latter being able to follow the rapid movement of the actuator. During such a cycle of sticking and sliding phases, the element to be driven makes a microscopically small movement step. The accumulation of these microscopic movement steps produces a macroscopic movement of the element to be driven.

1 zeigt einen Stator 10 eines piezoelektrischen Trägheitsmotors, welcher einen elastischen Rahmen 14, ein Reibelement 12, das für einen Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element vorgesehen ist, und Schrauben 13 zum Einstellen von Vorspannung bzw. zum Ausgleich von Toleranzen umfasst. Wie in 1 gezeigt, kann der Stator eines Trägheitsmotors zwei Aktoren 11a und 11b, beispielsweise mehrschichtige Aktoren mit mehreren übereinanderliegenden Schichten piezoelektrischen Materials und jeweils dazwischenliegenden Elektroden haben, welche jeweils Kapazitäten Ca1 und Ca2 aufweisen. Während sich im Betrieb einer der beiden Aktoren ausdehnt, zieht sich der andere Aktor zusammen, um die anhand eines Pfeils 15 illustrierte Vor-und-Zurück-Tangentialbewegung des Reibelements zu erzeugen. 1 shows a stator 10 of a piezoelectric inertia motor, which comprises an elastic frame 14, a friction element 12, which is provided for a frictional contact with an element to be driven, and screws 13 for adjusting preload or for compensating tolerances. As in 1 As shown, the stator of an inertia motor can have two actuators 11a and 11b, for example multilayer actuators with several superimposed layers of piezoelectric material and electrodes in between, each having capacitances Ca1 and Ca2. During operation, while one of the two actuators expands, the other actuator contracts to produce the back-and-forth tangential movement of the friction element illustrated by an arrow 15.

2 zeigt einen Stator 20 eines piezoelektrischen Trägheitsmotors mit einem einzelnen Aktor 21 als Antriebsquelle, wobei gleichartige Elemente dieselbe Bezeichnung haben wie in 1. Hier braucht nur ein elektronischer Kanal mit dem Aktor verbunden zu sein. 2 shows a stator 20 of a piezoelectric inertia motor with a single actuator 21 as a drive source, wherein similar elements have the same designation as in 1 Here only one electronic channel needs to be connected to the actuator.

3 zeigt die Darstellung eines piezoelektrischen Mehrschicht-Aktors. Piezoelektrische Aktoren können in elektronischen Schaltkreisen als kapazitive Elemente aufgefasst werden. Zur Verdeutlichung werden in der vorlegenden Beschreibung Aktoren als „kapazitive piezoelektrische Aktoren“ bezeichnet. Im Allgemeinen werden sie hierin gemäß einem Kondensator in einem Tiefpassfilter verwendet. 3 shows a representation of a piezoelectric multilayer actuator. Piezoelectric actuators can be considered as capacitive elements in electronic circuits. For clarity, actuators are referred to as "capacitive piezoelectric actuators" in the present description. In general, they are used herein in accordance with a capacitor in a low-pass filter.

In einem Trägheitsmotor gemäß 1 können die zwei piezoelektrischen Aktoren mit zwei gegenphasigen („gespiegelten“) sägezahnartigen Signalen angetrieben werden. Hierbei finden Ausdehnung und Zusammenziehen bzw. Expansion und Kontraktion der beiden Aktoren synchron in entgegengesetzten Richtungen statt. Während sich der eine Aktor also ausdehnt, zieht sich der andere Aktor zusammenIn an inertia motor according to 1 the two piezoelectric actuators can be driven with two antiphase (“mirrored”) sawtooth-like signals. The expansion and contraction of the two actuators take place synchronously in opposite directions. While one actuator expands, the other actuator contracts

Ein am Aktor eines piezoelektrischen Trägheitsmotors anliegendes Signal hat beispielsweiseweise die in 4 gezeigte idealisierte Sägezahn-Wellenform. Während der langsamen Phase oder Haftphase dehnt sich der eine der beiden Aktoren langsam aus, während sich der andere Aktor langsam zusammenzieht. Dieses langsame Ausdehnen und Zusammenziehen eines piezoelektrischen Aktors weist eine Analogie zum langsamen Aufladen oder Entladen eines Kondensators auf.For example, a signal applied to the actuator of a piezoelectric inertia motor has the 4 idealized sawtooth waveform shown. During the slow phase or stick phase, one of the two actuators slowly expands while the other actuator slowly contracts. This slow expansion and contraction of a piezoelectric actuator has an analogy to the slow charging or discharging of a capacitor.

Entsprechend dehnt sich während der schnellen Phase oder Gleitphase der eine piezoelektrische Aktor schnell aus, während sich der andere piezoelektrische Aktor schnell zusammenzieht. Dieses schnelle Ausdehnen oder Zusammenziehen weist ebenfalls eine Analogie zum schnellen Aufladen bzw. Entladen eines Kondensators auf. In der vorliegenden Offenbarung werden piezoelektrische Aktoren weitgehend wie Kondensatorelemente, die in Filterkomponenten von Antriebsschaltkreisen verwendet werden, behandelt.Accordingly, during the fast phase or sliding phase, one piezoelectric actuator expands rapidly while the other piezoelectric actuator contracts rapidly. This rapid expansion or contraction also has an analogy to the rapid charging or discharging of a capacitor. In the present disclosure, piezoelectric actuators are treated largely like capacitor elements used in filter components of drive circuits.

In 4 entsprechen die beiden skizzierten Wellenformen den Steuersignalen für zwei sich entgegengesetzt ausdehnende und zusammenziehende Aktoren in einem Stator eines piezoelektrischen Trägheitsmotors. Für Aktoren mit nur einem einzelnen piezoelektrischen Aktor genügt es, eine der beiden Sägezahn-Wellenformen zu betrachten.In 4 The two waveforms sketched correspond to the control signals for two oppositely expanding and contracting actuators in a stator of a piezoelectric inertia motor. For actuators with only a single piezoelectric actuator, it is sufficient to consider one of the two sawtooth waveforms.

Sägezahnförmige Signal-Wellenformen der Steuersignale für die Aktoren können abgeflachte Abschnitte zwischen der langsamen und schnellen Phase bzw. am Übergang von der langsamen zur schnellen Phase haben. Dies ist in idealisierter Weise in 5 gezeigt.Sawtooth-shaped signal waveforms of the control signals for the actuators can have flattened sections between the slow and fast phases or at the transition from the slow to the fast phase. This is idealized in 5 shown.

Auch wenn Ultraschallmotoren bzw. piezoelektrische Ultraschallmotoren gewöhnlich mit sinusförmigen oder sinusform-artigen Signal-Wellenformen angesteuert werden, können die vorstehend beschriebenen Signal-Wellenformen ebenfalls für die Ansteuerung eines Ultraschallmotors bzw. eines Resonanztyp-Motors im Allgemeinen verwendet werden.Although ultrasonic motors or piezoelectric ultrasonic motors are usually driven with sinusoidal or sinusoidal-like signal waveforms, the signal waveforms described above can also be used to drive an ultrasonic motor or a resonance type motor in general.

6 entspricht 22 der DE102020132640B3 , welche einen drahtlosen Antrieb eines piezoelektrischen Motors beschreibt. Hierbei wir ein periodisches Antriebssignal für den Motor auf eine übertragende Spule angewendet. Die empfangende Spule empfängt das Antriebssignal berührungslos und versorgt die Aktoren des Motors mit Energie. Das empfangene Signal wird durch die LC-Konfiguration aus empfangender Spule und Aktorkapazitäten gefiltert. Spannungsabfälle in den Aktoren sind die Antriebssignale für den piezoelektrischen Motor. 6 corresponds 22 the DE102020132640B3 , which describes a wireless drive of a piezoelectric motor. Here, a periodic drive signal for the motor is applied to a transmitting coil. The receiving coil receives the drive signal without contact and supplies the motor's actuators with energy. The received signal is filtered by the LC configuration of the receiving coil and actuator capacitances. Voltage drops in the actuators are the drive signals for the piezoelectric motor.

Die periodischen Antriebssignale, die die Bewegung des Stators verursachen, werden durch Pulsweitenmodulationssignale (PWM-Signale, auch „Pulsbreitenmodulation“) erzeugt, wobei die Frequenz der PWM-Signale 5 bis 10 mal höher ist als die Betriebsfrequenz des piezoelektrischen Motors.The periodic drive signals that cause the movement of the stator are generated by pulse width modulation (PWM) signals, where the frequency of the PWM signals is 5 to 10 times higher than the operating frequency of the piezoelectric motor.

Bei Verwendung des vorgenannten piezoelektrischen Motors in einer geschützten oder gar abgedichteten Umgebung, beispielsweise in einer Vakuumkammer, ist es in der Regel wünschenswert, dass Antrieb und Steuerelektronik außerhalb der geschützten bzw. abgedichteten Umgebung angeordnet sind. Auf jeden Fall sind hierbei die entsprechenden Kabel oder Kabelverbindungen zu berücksichtigen. Bei einer Vakuum-Umgebung etwa wird die Kabelverbindung durch spezielle Schnittstellen-Verbindungen vorgenommen.When using the aforementioned piezoelectric motor in a protected or even sealed environment, for example in a vacuum chamber, it is generally desirable for the drive and control electronics to be located outside the protected or sealed environment. In any case, the corresponding cables or cable connections must be taken into account. In a vacuum environment, for example, the cable connection is made using special interface connections.

Mit der vorliegenden Erfindung wird nun zur Überwindung von Schwierigkeiten bei der Verwendung von Kabeln bzw. Drähten ein drahtloses Antriebsverfahren oder Ansteuerungsverfahren und ein Antriebssystem für einen piezoelektrischen Motor oder Aktor vorgeschlagen, wobei die Antriebs- oder Ansteuerungssignale für den Motor oder Aktor, durch eine Glaswand oder ähnliche Wand hindurch in eine geschützte Umgebung wie eine Kammer, und insbesondere in eine abgedichtete Kammer, übertragen werden.In order to overcome difficulties in the use of cables or wires, the present invention proposes a wireless drive method or control method and a drive system for a piezoelectric motor or actuator, wherein the drive or control signals for the motor or actuator are transmitted through a glass wall or similar wall into a protected environment such as a chamber, and in particular into a sealed chamber.

Mit dem vorgeschlagenen drahtlosen Senden der Signale zum Antrieb des piezoelektrischen Motors und möglicherweise auch weiterer Signale wie Positionsrückmeldungssignale zur Übermittlung der Position eines durch den Motor oder Aktor anzutreibenden oder zu positionierenden Elements, etwa der Plattform eines Positioniertisches, kann beispielsweise auf eine Versiegelung der Kabeldurchführung in die Kammer bzw. der Kabelverbindung verzichtet werden. Zudem können Kabelstörungen oder von den Kabeln verursachte störende Signale oder Felder reduziert bzw. minimiert werden. Als Beispiel sei hier ein kleiner, in einer Vakuumkammer eingesetzter Positioniertisch genannt.With the proposed wireless transmission of the signals for driving the piezoelectric motor and possibly also other signals such as position feedback signals for transmitting the position of an element to be driven or positioned by the motor or actuator, such as the platform of a positioning table, it is possible to dispense with the need to seal the cable feedthrough into the chamber or the cable connection. In addition, cable interference or interfering signals or fields caused by the cables can be reduced or minimized. One example here is a small positioning table used in a vacuum chamber.

Mit der vorliegenden Offenbarung werden ein Antriebssystem und ein Verfahren bereitgestellt, welche es ermöglichen, codierte Antriebssignale für einen piezoelektrischen Motor bzw. Aktor von sendenden Spulen bzw. Induktivitäten an empfangende Spulen bzw. Induktivitäten drahtlos durch eine gläserne oder dielektrische Barriere in eine Kammer, insbesondere eine versiegelte bzw. hermetisch abgedichtete Kammer wie beispielsweise eine Vakuumkammer, zu übertragen.The present disclosure provides a drive system and a method which enable coded drive signals for a piezoelectric motor or actuator to be transmitted wirelessly from transmitting coils or inductors to receiving coils or inductors through a glass or dielectric barrier into a chamber, in particular a sealed or hermetically sealed chamber such as a vacuum chamber.

Wenn hierin von Induktivitäten oder Kapazitäten die Rede ist, so ist darunter jeweils - soweit nicht explizit anders beschrieben - ein Bauteil mit induktiven bzw. kapazitiven Eigenschaften zu verstehen. Unter einer Induktivität wird hierin insbesondere eine Spule verstanden, während unter einer Kapazität hierin insbesondere ein sich elektrisch wie ein Kondensator verhaltender piezoelektrischer Aktor verstanden wird.When inductances or capacitances are mentioned here, this means - unless explicitly stated otherwise - a component with inductive or capacitive properties. An inductance is understood here to mean a coil in particular, while a capacitance is understood here to mean a piezoelectric actuator that behaves electrically like a capacitor.

Der Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens kann wie folgt zusammengefasst werden:

1) Gleichstrom-, sägezahnartige oder sinusartige Ansteuerungssignal-Wellenformen in einem Bereich von Gleichstrom (DC) oder in einem Bereich zwischen 20 kHz bis etwa 200 kHz werden zuerst in PWM-Signale mit Frequenzen von über 1 MHz umgewandelt zur Ansteuerung der sendenden Spule bzw. der sendenden Spulen. Im Falle von Gleichstrom- bzw. DC-Signalen ist die Breite der PWM-Signale entweder konstant oder aber sie ändert sich nur sehr langsam.
2) Diese PWM-Signale werden an die sendende Spule oder sendenden Spulen bzw. Induktivitäten weitergegeben. Die erzeugte elektrische Energie wird dann von der oder den empfangende(n) Spule(n) bzw. Induktivitäten auf der anderen Seite der gläsernen oder dielektrischen Barriere innerhalb der geschlossenen Umgebung bzw. Kammer aufgenommen. Die aufgenommenen Signale werden auf der Seite der empfangenden Spule(n) gefiltert. Auf der Empfängerseite können empfangende Spulen und piezoelektrische Aktor(en) im Stator parallel oder in Reihe verbunden sein. Dabei können auch verschiedene elektrische Netz- und Filterverfahren angewendet werden. Die LC-Konfiguration der empfangenden Spule (L) und der Kapazität (C) der piezoelektrischen Elemente im Stator wirkt als Filter. Die durch Akkumulation an den piezoelektrischen Aktoren entstehenden Spannungswellenformen stellen sinus- oder sägezahnartige Wellenformen dar. Diese Signale ermöglichen den Betrieb des Motors ohne physische (kabel- oder drahtgebundene) Verbindung zwischen den Seiten von Antrieb- bzw. Ansteuerung und Motor.

The process of the proposed procedure can be summarized as follows:

1) Direct current, sawtooth or sinusoidal drive signal waveforms in a range of direct current (DC) or in a range of 20 kHz to about 200 kHz are first converted into PWM signals with frequencies above 1 MHz to drive the transmitting coil(s). In the case of direct current (DC) signals, the width of the PWM signals is either constant or changes very slowly.
2) These PWM signals are sent to the sending coil or coils or inductances The electrical energy generated is then picked up by the receiving coil(s) or inductors on the other side of the glass or dielectric barrier within the closed environment or chamber. The picked up signals are filtered on the receiving coil(s). On the receiving side, receiving coils and piezoelectric actuator(s) in the stator can be connected in parallel or in series. Various electrical network and filtering techniques can also be used. The LC configuration of the receiving coil (L) and the capacitance (C) of the piezoelectric elements in the stator acts as a filter. The voltage waveforms resulting from accumulation at the piezoelectric actuators are sinusoidal or sawtooth waveforms. These signals enable the motor to operate without a physical (cable or wired) connection between the drive or control and motor sides.

Zur Steuerung der Position und Geschwindigkeit eines durch den Motor anzutreibenden bzw. zu positionierenden Elements, etwa der Plattform eines Positioniertisches, können bei piezoelektrischen Motoren mehrere Parameter verwendet werden, beispielsweise: i) Signalstärken der elektronischen Schaltelemente, wie Quellenspannung einer Halb- oder Vollbrückentopologie, welche die sendende Induktivität ansteuert, ii) Betriebsfrequenz des piezoelektrischen Motors oder Frequenz des PWM-Signals, oder iii) Antrieb der sendenden Induktivität(en) mit Wellenformen plötzlicher Amplitudenanhäufung (englisch „burst“), um kleine Schritte des Motors zu erhalten, wozu die Induktivitäten für eine kurze Zeit aktiviert werden. Die vorstehend aufgeführten Parameter werden hierbei auch noch angepasst an den spezifischen Anwendungsfall, etwa an den Abstand zwischen sendender und empfangender Spule, an die Dicke der gläsernen oder dielektrischen Barriere, an das Material der gläsernen oder dielektrischen Barriere etc.To control the position and speed of an element to be driven or positioned by the motor, such as the platform of a positioning table, several parameters can be used in piezoelectric motors, for example: i) signal strengths of the electronic switching elements, such as the source voltage of a half- or full-bridge topology, which drives the transmitting inductor, ii) operating frequency of the piezoelectric motor or frequency of the PWM signal, or iii) driving the transmitting inductor(s) with waveforms of sudden amplitude accumulation (English "burst") in order to obtain small steps of the motor, for which the inductors are activated for a short time. The parameters listed above are also adapted to the specific application, such as the distance between the transmitting and receiving coil, the thickness of the glass or dielectric barrier, the material of the glass or dielectric barrier, etc.

Zusätzlich zum Antriebssignal des Motors können auch Signale oder Informationen zur Position des anzutreibenden bzw. zu positionierenden Elements für eine Regelung, insbesondere der Position, bzw. einen entsprechenden geschlossenen Regelkreis drahtlos, etwa durch optische Kommunikation, übertragen werden. Die Energie für die Komponenten einer entsprechenden Positionsbestimmungseinrichtung kann an die signalgebende Seite in einer dem drahtlosen Laden ähnlichen Weise übertragen werden.In addition to the drive signal of the motor, signals or information on the position of the element to be driven or positioned for control, in particular the position, or a corresponding closed control loop can also be transmitted wirelessly, for example by optical communication. The energy for the components of a corresponding position-determining device can be transmitted to the signaling side in a manner similar to wireless charging.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Antriebssystem bereitgestellt, umfassend einen piezoelektrischen Motor, mindestens zwei Schaltelemente, eine übertragende Induktivität, die elektrisch leitend mit den mindestens zwei Schaltelementen verbunden ist, eine Steuereinrichtung, die geeignet ist, ein periodisches Antriebssignal in ein Pulsweitenmodulations- (PWM) Signal umzuwandeln und durch Schalten der mindestens zwei Schaltelemente an die übertragende Induktivität weiterzugeben, eine Kammer, bevorzugt eine hermetisch abgedichtete Kammer, die eine Wand aufweist, die mindestens teilweise als feste dielektrische Barriere ausgestaltet ist, und eine empfangende Induktivität, wobei der piezoelektrische Motor einen kapazitiven piezoelektrischen Aktor umfasst, wobei sich die empfangende Induktivität und der kapazitive piezoelektrische Aktor innerhalb der Kammer befinden und einen Tiefpassfilter bilden, und die übertragende Induktivität geeignet ist, das PWM-Signal an die empfangende Induktivität durch die feste dielektrische Barriere induktiv zu übertragen.According to a first aspect of the present invention, a drive system is provided, comprising a piezoelectric motor, at least two switching elements, a transmitting inductance which is electrically conductively connected to the at least two switching elements, a control device which is suitable for converting a periodic drive signal into a pulse width modulation (PWM) signal and passing it on to the transmitting inductance by switching the at least two switching elements, a chamber, preferably a hermetically sealed chamber, which has a wall which is at least partially designed as a solid dielectric barrier, and a receiving inductance, wherein the piezoelectric motor comprises a capacitive piezoelectric actuator, wherein the receiving inductance and the capacitive piezoelectric actuator are located within the chamber and form a low-pass filter, and the transmitting inductance is suitable for inductively transmitting the PWM signal to the receiving inductance through the solid dielectric barrier.

Beispielsweise umfasst das Antriebssystem außerdem eine durch den piezoelektrischen Motor anzutreibende Positioniervorrichtung, etwa in Form eines Positioniertischs mit einer ortsfesten und als Stator fungierenden Basis und mit einer gegenüber der Basis bewegbaren Plattform, wobei sich die Positioniervorrichtung innerhalb der Kammer befindet.For example, the drive system also comprises a positioning device to be driven by the piezoelectric motor, for example in the form of a positioning table with a stationary base acting as a stator and with a platform movable relative to the base, wherein the positioning device is located within the chamber.

Beispielsweise sind die übertragende Induktivität und die empfangende Induktivität eine erste übertragende Induktivität und eine erste empfangende Induktivität, und das Antriebssystem umfasst außerdem eine zweite übertragende Induktivität, eine zweite empfangende Induktivität, eine Positionssignalsendevorrichtung, die geeignet ist, auf der Grundlage eines Ausgangssignales eines der Positioniervorrichtung zugeordneten Positionsbestimmungsmittels Signale entsprechend der Position eines zu positionierenden Elements der Positioniervorrichtung zu erzeugen und zu senden, und eine Positionssignalempfangsvorrichtung, die geeignet ist, die von der Positionssignalsendevorrichtung erzeugten und gesendeten Signal zu detektieren und daraus eine Information des über die Position des zu positionierenden Elements abzuleiten, wobei sich die zweite empfangende Induktivität und die Positionssignalsendevorrichtung innerhalb der Kammer, und sich die Positionssignalempfangsvorrichtung außerhalb der Kammer befinden, und die Steuereinrichtung geeignet ist, ein Signal zur Energieversorgung der Positionssignalsendevorrichtung oder des Positionsbestimmungsmittels zu erzeugen und an die zweite übertragende Induktivität weiterzugeben, und die zweite übertragende Induktivität geeignet ist, das Signal zur Energieversorgung an die zweite empfangende Induktivität durch die feste dielektrische Barriere induktiv zu übertragen, und die Positionssignalsendevorrichtung geeignet ist, die Lichtsignale durch die feste dielektrische Barriere an die Positionssignalempfangsvorrichtung zu übertragen.For example, the transmitting inductance and the receiving inductance are a first transmitting inductance and a first receiving inductance, and the drive system also comprises a second transmitting inductance, a second receiving inductance, a position signal transmitting device which is suitable for generating and transmitting signals corresponding to the position of an element of the positioning device to be positioned on the basis of an output signal of a position determination means assigned to the positioning device, and a position signal receiving device which is suitable for detecting the signals generated and transmitted by the position signal transmitting device and deriving therefrom information about the position of the element to be positioned, wherein the second receiving inductance and the position signal transmitting device are located inside the chamber and the position signal receiving device is located outside the chamber, and the control device is suitable for generating a signal for supplying energy to the position signal transmitting device or the position determination means and for passing it on to the second transmitting inductance, and the second transmitting inductance is suitable for passing the signal for supplying energy to the second receiving inductance through the solid dielectric barrier, and the position signal transmitting device is adapted to transmit the light signals through the solid dielectric barrier to the position signal receiving device.

Beispielsweise kann die Positionssignalsendevorrichtung durch eine Mehrzahl an Leuchtdioden, und die Positionssignalempfangsvorrichtung durch eine Mehrzahl an Fotodetektoren gebildet sein.For example, the position signal transmitting device may be formed by a plurality of light-emitting diodes and the position signal receiving device by a plurality of photodetectors.

Beispielsweise kann das Positionsbestimmungsmittel durch einen optischen Encoder gebildet sein.For example, the position determining means can be formed by an optical encoder.

Beispielsweise umfasst das Antriebssystem einen Speicher elektrischer Energie zur Energieversorgung der Positionssignalsendevorrichtung oder des Positionsbestimmungsmittels, wobei sich der Speicher elektrischer Energie innerhalb der Kammer befindet und geeignet ist, elektrische Energie von der zweiten empfangenden Induktivität aufzunehmen.For example, the drive system comprises a storage of electrical energy for supplying energy to the position signal transmitting device or the position determining means, wherein the storage of electrical energy is located within the chamber and is suitable for receiving electrical energy from the second receiving inductance.

Beispielsweise ist der Speicher elektrischer Energie eine wiederaufladbare Batterie oder ein Superkondensator.For example, the storage of electrical energy is a rechargeable battery or a supercapacitor.

Beispielsweise ist der piezoelektrische Motor ein Trägheitsmotor und der kapazitive piezoelektrische Aktor ein Mehrschichtaktor.For example, the piezoelectric motor is an inertia motor and the capacitive piezoelectric actuator is a multilayer actuator.

Beispielsweise besteht die feste dielektrische Barriere aus Glas oder aus für Infrarotstrahlung durchlässigem Material.For example, the solid dielectric barrier is made of glass or of a material that is permeable to infrared radiation.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuerverfahren für einen piezoelektrischen Motor bereitgestellt, umfassend die Schritte: Umwandeln eines periodischen Antriebssignals in ein Pulsweitenmodulations (PWM) -Signal, das eine höhere Frequenz aufweist als das Antriebssignal, Weitergabe des PWM-Signals an eine übertragende Induktivität, induktives Übertragen des PWM-Signals von der übertragenden Induktivität an eine empfangende Induktivität durch eine feste dielektrische Barriere, wobei die empfangende Induktivität mit einem kapazitiven piezoelektrischen Aktor des piezoelektrischen Motors einen Tiefpassfilter bildet.According to a second aspect of the present invention, there is provided a control method for a piezoelectric motor, comprising the steps of: converting a periodic drive signal into a pulse width modulation (PWM) signal having a higher frequency than the drive signal, passing the PWM signal to a transmitting inductor, inductively transmitting the PWM signal from the transmitting inductor to a receiving inductor through a solid dielectric barrier, the receiving inductor forming a low-pass filter with a capacitive piezoelectric actuator of the piezoelectric motor.

Beispielsweise umfasst das Steuerverfahren außerdem die Schritte:

Erzeugen eines Signals zur Energieversorgung eines Positionsbestimmungsmittels zur Bestimmung der Position eines durch den piezoelektrischen Motor zu positionierenden Elements einer Positioniervorrichtung oder zur Energieversorgung einer Positionssignalsendevorrichtung, die geeignet ist, auf der Grundlage eines Ausgangssignales des der Positioniervorrichtung zugeordneten Positionsbestimmungsmittels Signale entsprechend der Position des zu positionierenden Elements zu erzeugen und zu senden;
Weitergabe des Signals zur Energieversorgung des Positionsbestimmungsmittels oder der Positionssignalsendevorrichtung an eine zweite übertragende Induktivität;
Induktives Übertragen des Signals zur Energieversorgung des Positionsbestimmungsmittels oder der Positionssignalsendevorrichtung an eine zweite empfangende Induktivität durch die feste dielektrische Barriere;
Übertragen der Signale der Positionssignalsendevorrichtung durch die feste dielektrische Barriere an eine Positionssignalempfangsvorrichtung, die geeignet ist, die von der Positionssignalsendevorrichtung erzeugten und gesendeten Signale zu detektieren und daraus eine Information über die Position des zu positionierenden Elements abzuleiten; und
Detektieren der Signale der Positionssignalsendevorrichtung durch die Positionssignalempfangsvorrichtung.

For example, the tax procedure also includes the steps:

Generating a signal for supplying energy to a position determining means for determining the position of an element of a positioning device to be positioned by the piezoelectric motor or for supplying energy to a position signal transmitting device which is suitable for generating and transmitting signals corresponding to the position of the element to be positioned on the basis of an output signal of the position determining means associated with the positioning device;
Passing on the signal for supplying power to the position determining means or the position signal transmitting device to a second transmitting inductance;
Inductively transmitting the signal for powering the position determining means or the position signal transmitting device to a second receiving inductance through the solid dielectric barrier;
Transmitting the signals of the position signal transmitting device through the solid dielectric barrier to a position signal receiving device which is suitable for detecting the signals generated and transmitted by the position signal transmitting device and for deriving therefrom information about the position of the element to be positioned; and
Detecting the signals of the position signal transmitting device by the position signal receiving device.

Beispielsweise umfasst das Steuerverfahren außerdem den Schritt des Speicherns der durch die zweite empfangende Induktivität empfangenen elektrischen Energie zur Energieversorgung des Positionsbestimmungsmittels und/oder der Positionssignalsendevorrichtung.For example, the control method further comprises the step of storing the electrical energy received by the second receiving inductance for supplying energy to the position determining means and/or the position signal transmitting device.

Beispielsweise ist die Positionssignalsendevorrichtung durch eine Mehrzahl von Leuchtdioden und die Positionssignalempfangsvorrichtung durch eine Mehrzahl von Fotodetektoren gebildet.For example, the position signal transmitting device is formed by a plurality of light-emitting diodes and the position signal receiving device is formed by a plurality of photodetectors.

Beispielsweise ist das Positionsbestimmungsmittel durch einen optischen Encoder gebildet.For example, the position determining means is formed by an optical encoder.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die bezüglich aller nicht im Text beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

1 einen Stator eines piezoelektrischen Trägheitsmotors mit zwei Aktoren.
2 einen Stator eines piezoelektrischen Trägheitsmotors mit einem Aktor.
3 einen piezoelektrischen Mehrschicht-Aktor.
4 eine idealisierte Wellenform eines Signals für einen piezoelektrischen Trägheitsmotor.
5 eine idealisierte Wellenform eines Signals für einen piezoelektrischen Trägheitsmotor.
6 eine Schaltkreistopologie.
7 ein Antriebssystem für einen piezoelektrischen Motor.
8 eine Schaltkreistopologie.
9 einen Positioniertisch.
10 eine Schaltkreistopologie.
11 eine Schaltkreistopologie.
12 Positionierungssignale.
13 Positionierungssignale.
14 Komponenten für den Betrieb eines Inkrementalgebers.

Further details, advantages and features of the invention emerge from the following description and the drawings, to which reference is expressly made for all details not described in the text. They show:

1 a stator of a piezoelectric inertia motor with two actuators.
2 a stator of a piezoelectric inertia motor with an actuator.
3 a piezoelectric multilayer actuator.
4 an idealized waveform of a signal for a piezoelectric inertia motor.
5 an idealized waveform of a signal for a piezoelectric inertia motor.
6 a circuit topology.
7 a drive system for a piezoelectric motor.
8th a circuit topology.
9 a positioning table.
10 a circuit topology.
11 a circuit topology.
12 Positioning signals.
13 Positioning signals.
14 Components for operating an incremental encoder.

Ein Antriebssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist in 7 gezeigt. Wie zu sehen ist, umfasst das Antriebssystem eine Steuereinrichtung 710, die geeignet ist, ein periodisches Antriebssignal für einen piezoelektrischen Motor zu erzeugen oder einzulesen und in ein PWM-Signal umzuwandeln. Bei dem periodischen Antriebssignal handelt es sich zum Beispiel um eine der weiter oben genannten Signal-Wellenformen wie Sägezahn oder sinusartiges Signal oder Rechteck. Mit diesem PWM-Signal schaltet die Steuereinrichtung mindestens zwei Schaltelemente S1 und S2, die in 8 gezeigt sind. Durch Schalten der Schaltelemente S1 und S2 gibt die Steuereinrichtung 710 das PWM-Signal an eine übertragende Spule bzw. Induktivität 730 weiter, die elektrisch leitend mit den beiden Schaltelementen S1 und S2 verbunden ist.A drive system according to an exemplary embodiment is shown in 7 shown. As can be seen, the drive system comprises a control device 710 which is suitable for generating or reading a periodic drive signal for a piezoelectric motor and converting it into a PWM signal. The periodic drive signal is, for example, one of the signal waveforms mentioned above, such as a sawtooth or sinusoidal signal or square wave. With this PWM signal, the control device switches at least two switching elements S1 and S2, which are in 8th are shown. By switching the switching elements S1 and S2, the control device 710 transmits the PWM signal to a transmitting coil or inductance 730, which is electrically connected to the two switching elements S1 and S2.

Wie außerdem in den 7 und 8 gezeigt ist, umfasst das Antriebssystem eine Kammer 750, bei der es sich zum Beispiel um eine Vakuum-Kammer handelt und die dann also eine Vakuum-Umgebung umschließt.As also in the 7 and 8th As shown, the drive system comprises a chamber 750, which is, for example, a vacuum chamber and which therefore encloses a vacuum environment.

An mindestens einer Seite weist die Kammer eine feste dielektrische Barriere auf, die zumindest teilweise eine Seitenwand der Kammer bildet. Zum Beispiel besteht die feste dielektrische Barriere aus einem lichtdurchlässigen Material wie Glas oder einem für Infrarotstrahlung transparenten Dielektrikum. Selbstverständlich muss das dielektrische Material der Barriere für das von der übertragenden Induktivität abgestrahlte Signal durchlässig sein.On at least one side, the chamber has a solid dielectric barrier which at least partially forms a side wall of the chamber. For example, the solid dielectric barrier consists of a light-transmissive material such as glass or a dielectric transparent to infrared radiation. Of course, the dielectric material of the barrier must be transparent to the signal radiated by the transmitting inductance.

Innerhalb der Kammer befinden sich eine empfangende Spule bzw. Induktivität 735 und mindestens ein kapazitiver piezoelektrischer Aktor 820. Die empfangende Induktivität 735 nimmt das PWM-Signal auf, das von der übertragenden Induktivität 730 induktiv durch die dielektrische Barriere der Kammer 750 übertragen wird.Within the chamber are a receiving coil or inductor 735 and at least one capacitive piezoelectric actuator 820. The receiving inductor 735 receives the PWM signal that is inductively transmitted by the transmitting inductor 730 through the dielectric barrier of the chamber 750.

Wie in 8 zu sehen ist, sind die empfangende Induktivität 735 und zwei piezoelektrische Aktoren 820, 825 elektrisch leitend miteinander verbunden. Hierbei bilden die empfangende Induktivität 735 und die kapazitiven piezoelektrischen Aktoren 820, 825 einen Tiefpassfilter für das PWM-Signal, das im Falle einer sinusförmigen Ausgangsspannung nach der PWM-Umwandlung eine Rechteckform aufweist. Der Tiefpassfilter aus empfangender Induktivität 735 und kapazitiven piezoelektrischen Aktoren 820, 825 filtert, bedingt durch das Be- und Entladen der Aktorkapazität, das empfangende PWM-Signal und erzeugt dadurch ein Antriebssignal für den piezoelektrischen Motor, das das von der Steuereinrichtung 710 erzeugte oder eingegebene Antriebssignal nachbildet, indem bei der Filterung die Ecken des rechteckförmigen Signals abgerundet werden. Möglich ist ebenfalls eine Modulation mit einer Vielzahl von sinusförmigen Wellenformen.As in 8th As can be seen, the receiving inductance 735 and two piezoelectric actuators 820, 825 are electrically connected to one another. The receiving inductance 735 and the capacitive piezoelectric actuators 820, 825 form a low-pass filter for the PWM signal, which in the case of a sinusoidal output voltage has a rectangular shape after the PWM conversion. The low-pass filter consisting of the receiving inductance 735 and capacitive piezoelectric actuators 820, 825 filters the received PWM signal due to the charging and discharging of the actuator capacitance and thereby generates a drive signal for the piezoelectric motor, which emulates the drive signal generated or input by the control device 710 by rounding off the corners of the rectangular signal during filtering. Modulation with a variety of sinusoidal waveforms is also possible.

Der piezoelektrische Motor ist beispielsweise Bestandteil einer Positioniervorrichtung in Form eines Positioniertischs 760 und dazu geeignet, dessen Plattform bzw. dessen Tisch als zu positionierendes Element zu bewegen bzw. zu positionieren. Wie in 7 gezeigt, befindet sich der Positioniertisch („Piezotisch“ 760), inklusive dem piezoelektrischen Motor, der den kapazitiven piezoelektrischen Aktor umfasst, innerhalb der Kammer 750.The piezoelectric motor is, for example, part of a positioning device in the form of a positioning table 760 and is suitable for moving or positioning its platform or table as an element to be positioned. As in 7 As shown, the positioning table (“piezo table” 760), including the piezoelectric motor that includes the capacitive piezoelectric actuator, is located within the chamber 750.

8 zeigt eine Schaltkreistopologie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der gezeigten Anordnung handelt es sich um eine Vollbrücken-Schalttopologie (oder H-Brücken-Schalttopologie), bei der die übertragende bzw. sendende Induktivität mit zwei Schaltelementen S1 und S2 auf der einen Seite bezüglich der übertragenden Induktivität und mit zwei weiteren Schaltelementen S1` und S2' auf der anderen, gegenüberliegenden Seite elektrisch verbunden ist. Die übertragende Induktivität 730 ist durch die Schaltelemente S1 und S1` mit einem ersten Potenzial +Vin1 und über die Schaltelemente S2 und S2' mit einem zweiten Potenzial, hier als Erdpotenzial dargestellt, verbunden. 8th shows a circuit topology according to an exemplary embodiment of the present invention. The arrangement shown is a full-bridge switching topology (or H-bridge switching topology) in which the transmitting inductance is electrically connected to two switching elements S1 and S2 on one side with respect to the transmitting inductance and to two further switching elements S1` and S2' on the other, opposite side. The transmitting inductance 730 is connected through the switching elements S1 and S1` to a first potential +Vin1 and through the switching elements S2 and S2' to a second potential, shown here as ground potential.

Im Hochfrequenz-Schaltbetrieb (mindestens 1 MHz) steuern die Schaltelemente die übertragende Induktivität 730 in ihrer Betriebsfrequenz an. Bei den Schaltelementen kann es sich zum Beispiel um GaN- (Galliumnitrid-)Transistoren handeln, da diese für den Hochfrequenzbetrieb geeignet sind. Das PWM-Signal bewirkt, dass die übertragende Energie gemäß der eingegebenen Wellenform des Ausgangssignals variiert wird. Die empfangende Induktivität 735 nimmt das übertragene Signal auf und führt es den piezoelektrischen Aktoren 820 und 825 zu.In high frequency switching mode (at least 1 MHz), the switching elements drive the transmitting inductor 730 at its operating frequency. The switching elements can be GaN (gallium nitride) transistors, for example, as these are suitable for high frequency operation. The PWM signal causes the transmitted energy to be transmitted according to the input waveform of the output output signal is varied. The receiving inductance 735 receives the transmitted signal and supplies it to the piezoelectric actuators 820 and 825.

Die Schaltelemente S1 und S2 werden einander entgegengesetzt wiederholt zwischen zwei Schaltzuständen Ein und Aus geschaltet. Beispielsweise ist bei einem Sägezahnsignal der Zeitanteil des Schaltzustandes An für das Schaltelement S1 an der schräg aufsteigenden Flanke größer als der Zeitanteil des Schaltsignals aus, um ein Beladen der Aktorkapazität während der Haftphase des piezoelektrischen Motors herbeizuführen. Am steilen Abfall des Sägezahnprofils überwiegt dann der Zeitanteil des Schaltzustandes Aus am Schaltelement S1, was das Entladen während der Gleitphase bewirkt. Für Entladen in der Haftphase und Beladen in der Gleitphase sind die Zeitanteile der Schaltzustände am Schaltelement S1 jeweils umzukehren.The switching elements S1 and S2 are repeatedly switched in opposite directions between two switching states, on and off. For example, with a sawtooth signal, the time portion of the switching state on for the switching element S1 on the diagonally rising edge is greater than the time portion of the switching signal off in order to bring about charging of the actuator capacitance during the adhesion phase of the piezoelectric motor. At the steep drop in the sawtooth profile, the time portion of the switching state off on the switching element S1 then predominates, which causes discharging during the sliding phase. For discharging in the adhesion phase and charging in the sliding phase, the time portions of the switching states on the switching element S1 must be reversed.

Es ist auch möglich, dass die Zeitanteile der beiden Schaltzustände, entsprechend der Wellenform des zu Grunde liegenden (periodischen) Antriebssignals, innerhalb der Haftphase variieren. Zum Beispiel kann der Zeitanteil des ersten Schaltzustandes (An bzw. Aus) am Schaltelement S1 gegenüber dem Zeitanteil des anderen, zweiten Schaltzustandes innerhalb der Haftphase anwachsen, und am Beginn der Gleitphase werden dann die Zeitanteile getauscht bzw. umgekehrt.It is also possible that the time components of the two switching states vary within the sticking phase, depending on the waveform of the underlying (periodic) drive signal. For example, the time component of the first switching state (on or off) on the switching element S1 can increase compared to the time component of the other, second switching state within the sticking phase, and at the beginning of the sliding phase the time components are then swapped or vice versa.

Außerdem ist die Wellenform des periodischen Antriebssignals nicht auf die oben genannten Wellenformen sinusartig, Sägezahn und Rechteck eingeschränkt, und es sind auch Mischformen oder Kombinationen der genannten Wellenformen möglich. Beispielsweise kann ein Rechteck oder ein Sägezahn durch sinusartige Funktionen in einer Fourier-Summe oder einer ähnlichen Summe angenähert werden.In addition, the waveform of the periodic drive signal is not limited to the above-mentioned sinusoidal, sawtooth and square waveforms, and hybrids or combinations of the above-mentioned waveforms are also possible. For example, a square or sawtooth can be approximated by sinusoidal functions in a Fourier sum or a similar sum.

In der H-Schalttopologie von 8 wird das Schaltelement S1` gleich dem Schaltelement S1 und das Schaltelement S2' gleich dem Schaltelement S2 geschaltet.In the H-switching topology of 8th the switching element S1` is switched equal to the switching element S1 and the switching element S2' is switched equal to the switching element S2.

Je nach Ausgestaltung des piezoelektrischen Motors kann dieser einen oder mehrere kapazitive piezoelektrische Aktoren umfassen. Die 8 und 10 zeigen eine Anordnung, wo die empfangende Induktivität 735 mit zwei kapazitiven piezoelektrischen Aktoren 820 und 825 elektrisch leitend verbunden ist, und die beiden Aktoren in Reihe verbunden sind. Die Polarisationsrichtungen der beiden Aktoren können einander entgegengesetzt angeordnet sein, so dass der eine Aktor während einer Haftphase beladen und der andere entladen wird, und jeweils umgekehrte Ladevorgänge in der Gleitphase stattfinden. In einer solchen Konfiguration zieht sich der eine Aktor zusammen, während sich der andere Aktor ausdehnt.Depending on the design of the piezoelectric motor, it can comprise one or more capacitive piezoelectric actuators. The 8th and 10 show an arrangement where the receiving inductance 735 is electrically connected to two capacitive piezoelectric actuators 820 and 825, and the two actuators are connected in series. The polarization directions of the two actuators can be arranged opposite to each other, so that one actuator is charged and the other discharged during a sticking phase, and reverse charging processes take place in the sliding phase. In such a configuration, one actuator contracts while the other actuator expands.

Alternativ können zwei kapazitive piezoelektrische Aktoren auch parallel geschaltet und mit der empfangenden Induktivität 735 verbunden sein. Dies ist in 11 gezeigt.Alternatively, two capacitive piezoelectric actuators can also be connected in parallel and connected to the receiving inductance 735. This is shown in 11 shown.

Außer der in 8 gezeigten H-bzw. Vollbrücken-Topologie sind andere Schalttopologien möglich. Zum Beispiel kann anstelle der Vollbrücke auch eine Halbbrücke verwendet werden, wie in 10 gezeigt. Außerdem ist auch eine doppelte Vollbrücke mit weiteren Schaltelementen auf beiden Seiten der übertragenden Induktivität 730 möglich.Except for the 8th In addition to the H- or full-bridge topology shown, other switching topologies are possible. For example, a half-bridge can be used instead of the full bridge, as in 10 shown. In addition, a double full bridge with additional switching elements on both sides of the transmitting inductance 730 is also possible.

Ferner ist es möglich, dass mehrere Aktoren oder Elektroden in einem Trägheits- oder Ultraschallmotor individuell von separaten Schaltelementen und über separate Paare übertragender und empfangender Induktivitäten angeregt bzw. angetrieben werden.Furthermore, it is possible for multiple actuators or electrodes in an inertial or ultrasonic motor to be individually excited or driven by separate switching elements and via separate pairs of transmitting and receiving inductors.

Wie in den 8 und 11 gezeigt, können die kapazitiven piezoelektrischen Aktoren parallel oder in Reihe verbunden sein. In beiden Verbindungen sind ihre Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt angeordnet. Dies hat zur Folge, dass die erzeugte Spannung an der empfangenden Induktivität den einen Aktor dazu veranlasst, sich auszudehnen, während sich der andere Aktor zur zeitgleich zusammenzieht.As in the 8th and 11 As shown, the capacitive piezoelectric actuators can be connected in parallel or in series. In both connections, their polarization directions are opposite to each other. This means that the voltage generated at the receiving inductance causes one actuator to expand while the other actuator contracts at the same time.

Wie außerdem in 7 gezeigt ist, kann das Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Positionssignalsendevorrichtung, gebildet durch eine Mehrzahl an Leuchtdioden 770 bis 772, umfassen, die sich innerhalb der Kammer befinden und die geeignet sind, Lichtsignale entsprechend einer durch ein Positionsbestimmungsmittel ermittelten Position des zu positionierenden Elements der Positioniervorrichtung in Form eines Positioniertisches, welches im vorliegenden Fall die Plattform bzw. der Tisch des Positioniertisches ist und durch den piezoelektrischen Motor bewegt wird, zu erzeugen. Die Lichtsignale werden hierbei auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Positionsbestimmungsmittels erzeugt.As also in 7 As shown, the drive system according to an embodiment of the present invention can comprise a position signal transmitting device formed by a plurality of light-emitting diodes 770 to 772, which are located inside the chamber and which are suitable for generating light signals corresponding to a position determined by a position determining means of the element to be positioned of the positioning device in the form of a positioning table, which in the present case is the platform or the table of the positioning table and is moved by the piezoelectric motor. The light signals are generated on the basis of an output signal of the position determining means.

Außerhalb der Kammer umfasst das System gemäß der beschriebenen Ausführungsform eine Positionssignalempfangsvorrichtung, gebildet durch eine Mehrzahl an Fotodetektoren bzw. Fotosensoren 780 bis 782, die geeignet sind, die Lichtsignale der Leuchtdioden 770 bis 772 zu detektieren. Jeder der Fotosensoren 780 bis 782 entspricht einer jeweiligen Leuchtdiode aus der Mehrzahl von Leuchtdioden 770 bis 772 und ist geeignet, ein Lichtsignal der entsprechenden Leuchtdiode zu detektieren, das von der jeweiligen Leuchtdiode durch die feste dielektrische Barriere an den entsprechenden Fotodetektor übertragen wird.Outside the chamber, the system according to the described embodiment comprises a position signal receiving device formed by a plurality of photodetectors or photosensors 780 to 782, which are suitable for detecting the light signals of the light-emitting diodes 770 to 772. Each of the photosensors 780 to 782 corresponds to a respective light-emitting diode from the plurality of light-emitting diodes 770 to 772 and is suitable for detecting a light signal of the corresponding light-emitting diode, which is emitted by the respective light-emitting diode through the solid dielectric. chemical barrier to the corresponding photodetector.

Zusätzlich zum bereits beschriebenen Paar einer ersten übertragenden Induktivität und ersten empfangenden Induktivität 730 und 735 zur Übermittlung des Antriebssignals für den piezoelektrischen Motor enthält das Antriebssystem der beschriebenen Ausführungsform eine zweite übertragende Induktivität 740 außerhalb der Kammer 750 und eine zweite empfangende Induktivität 745 innerhalb der Kammer 750.In addition to the previously described pair of first transmitting inductance and first receiving inductance 730 and 735 for transmitting the drive signal for the piezoelectric motor, the drive system of the described embodiment includes a second transmitting inductance 740 outside the chamber 750 and a second receiving inductance 745 inside the chamber 750.

Die Steuereinrichtung 710 ist geeignet, ein Signal zumindest zur Energieversorgung der Leuchtdioden 770 bis 772 zu erzeugen und an die zweite übertragende Induktivität 740. weiterzugeben. Die zweite übertragende Induktivität 740 ist geeignet, das Signal zur Energieversorgung der Fotodioden 770 bis 772 durch die feste dielektrische Barriere 755 induktiv zu übertragen.The control device 710 is suitable for generating a signal at least for supplying energy to the light-emitting diodes 770 to 772 and for passing it on to the second transmitting inductance 740. The second transmitting inductance 740 is suitable for inductively transmitting the signal for supplying energy to the photodiodes 770 to 772 through the solid dielectric barrier 755.

Bei dem der Positioniervorrichtung in Form eines Positioniertischs zugeordneten Positionsbestimmungsmittel, handelt es sich zum Beispiel um einen Encoder, etwa einen optischen Encoder wie z.B. einen optischen Inkrementalgeber. In einem optischen Inkrementalgeber werden elektronische Komponenten dazu verwendet, eine Lichtquelle, zum Beispiel in Form einer Leuchtdiode (LED) oder eines Lasers, und einen Fotodetektor des Inkrementalgebers zu aktivieren. Diese werden im Folgenden auch als Inkrementalgeber-Lichtquelle und Inkrementalgeber-Detektor bezeichnet werden, um sie von der Mehrzahl an Leuchtdioden 770 bis 772 und Fotodetektoren 780 bis 782 zur Signalübermittlung durch die Barriere 755 für die Positionsbestimmung der Plattform des Positioniertischs durch die Steuereinheit 710 zu unterscheiden. Inkrementalgeber-Lichtquelle und Inkrementalgeber-Detektor können sich auf gegenüberliegenden Seiten einer linearen Skala oder Teilscheibe befinden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch auf keinen Inkrementalgebertypen eingeschränkt. Auch der Einsatz von Skalenfacetten, von denen das Licht der Inkrementalgeber-Lichtquelle reflektiert wird und durch ein Indexgitter zum Inkrementalgeber-Detektor gelangt, ist denkbar.The position determination means associated with the positioning device in the form of a positioning table is, for example, an encoder, such as an optical encoder such as an optical incremental encoder. In an optical incremental encoder, electronic components are used to activate a light source, for example in the form of a light-emitting diode (LED) or a laser, and a photodetector of the incremental encoder. These will also be referred to below as incremental encoder light source and incremental encoder detector to distinguish them from the plurality of light-emitting diodes 770 to 772 and photodetectors 780 to 782 for signal transmission through the barrier 755 for determining the position of the platform of the positioning table by the control unit 710. Incremental encoder light source and incremental encoder detector can be located on opposite sides of a linear scale or graduated disk. However, the present disclosure is not limited to any type of incremental encoder. The use of scale facets from which the light from the incremental encoder light source is reflected and passes through an index grating to the incremental encoder detector is also conceivable.

Neben der Inkrementalgeber-Lichtquelle, z.B. in Form einer LED oder eines Lasers und dem Inkrementalgeber-Detektor, z.B. in Form eines optischen Sensors umfasst ein Inkrementalgeber typischerweise elektronische Komponenten zur Signalkonditionierung. Alle diese Komponenten müssen mit elektrischer Energie versorgt werden. Zur Versorgung des Inkrementalgebers mit der benötigten Energie wird beispielsweise eine Leistungsquelle mit einer Spannung von 3,5 V oder 5 V verwendet.In addition to the incremental encoder light source, e.g. in the form of an LED or a laser, and the incremental encoder detector, e.g. in the form of an optical sensor, an incremental encoder typically includes electronic components for signal conditioning. All of these components must be supplied with electrical energy. To supply the incremental encoder with the required energy, a power source with a voltage of 3.5 V or 5 V is used, for example.

Mit der beschriebenen Ausführungsform wird einerseits die elektrische Energie sowohl für die Positionssignalsendevorrichtung bzw. die Leuchtdioden 770 bis 772, als auch für das der Positioniervorrichtung zugeordnete Positionsbestimmungsmittel drahtlos mittels der zweiten übertragenden und empfangenden Induktivitäten 740 und 745 durch die dielektrische Barriere in die Kammer übertragen.With the described embodiment, on the one hand the electrical energy for both the position signal transmitting device or the light-emitting diodes 770 to 772, as well as for the position determining means assigned to the positioning device is transmitted wirelessly by means of the second transmitting and receiving inductances 740 and 745 through the dielectric barrier into the chamber.

Andererseits wird zudem das Ausgangssignal des Inkrementalgeber-Detektors, das zum Beispiel von der linearen Skala stammt, drahtlos übertragen. Das Ausgangssignal kann in Form dreier Kanäle A, B und Z vorliegen und wird als Feedback bzw. Regelungssignale an die Steuereinrichtung 710 übertragen, sodass diese die Position der Plattform des Positioniertisches bestimmen und auf ihrer Grundlage zur geregelten Positionierung der Plattform die kapazitiven piezoelektrischen Aktoren 820 und 825 entsprechend ansteuern kann. Hierzu werden die Regelungssignale (A, B, Z) durch die Leuchtdioden 770 bis 772, zum Beispiel in Form von LEDs oder Lasern, in ein optisches Signal umgewandelt, durch die dielektrische Barriere übertragen und außerhalb der Kammer 750 durch die Fotodetektoren 780 bis 782 wieder in elektrische Signale überführt, die an die Steuereinrichtung 710 weitergeleitet werden. Mit dieser drahtlosen, optischen Übertragung der Regelungssignale für die Positionsbestimmung an die Steuereinrichtung 710 können die Regelungssignale A, B, und Z kabellos aus der Kammer 750 übertragen werden.On the other hand, the output signal of the incremental encoder detector, which comes from the linear scale, for example, is also transmitted wirelessly. The output signal can be in the form of three channels A, B and Z and is transmitted as feedback or control signals to the control device 710 so that the latter can determine the position of the platform of the positioning table and, on this basis, control the capacitive piezoelectric actuators 820 and 825 accordingly for the controlled positioning of the platform. For this purpose, the control signals (A, B, Z) are converted into an optical signal by the light-emitting diodes 770 to 772, for example in the form of LEDs or lasers, transmitted through the dielectric barrier and converted back into electrical signals outside the chamber 750 by the photodetectors 780 to 782, which are forwarded to the control device 710. With this wireless, optical transmission of the control signals for position determination to the control device 710, the control signals A, B, and Z can be transmitted wirelessly from the chamber 750.

Bei einem kabelgebundenen Inkrementalgeber werden typischerweise mindestens die folgenden 5 Leitungen benötigt: Vcc, GRN (Erde), Kanal A, Kanal B und Kanal Z. Die Kabel für Vcc und Erde stellen dabei die elektrische Quellenspannung für die Energieversorgung der Inkrementalgeber-Komponenten bereit, während die Kanäle A, B und Z zur Positionsbestimmung durch die Steuervorrichtung verwendet werden.A wired incremental encoder typically requires at least the following 5 wires: Vcc, GRN (ground), channel A, channel B and channel Z. The Vcc and ground wires provide the electrical source voltage for powering the incremental encoder components, while channels A, B and Z are used for position determination by the control device.

Im Gegensatz zu der kabelgebundenen Technik stellt die vorliegende Ausführungsform eine Technik bereit, durch welche die in der Kammer benötigte Energie für den Antrieb und die Positionsbestimmung bzw. die entsprechende Signalübermittlung, durch die dielektrische Barriere drahtlos in die Kammer hinein bzw. aus der Kammer heraus, transportiert und bereitgestellt werden. Somit kann auf Kabel oder Drähte, die durch die Begrenzung der Kammer führen, sowie eine entsprechende Abdichtung der Kammer verzichtet werden.In contrast to the wired technology, the present embodiment provides a technology by which the energy required in the chamber for the drive and position determination or the corresponding signal transmission is transported and provided wirelessly through the dielectric barrier into or out of the chamber. This means that cables or wires leading through the boundary of the chamber and a corresponding sealing of the chamber can be dispensed with.

Beispielhafte Inkrementalgeber-Signale sind schematisch in den 12 und 13 gezeigt. Die Kanäle A und B sind jeweils rechteckartige Wellenformen, die die Positionsdaten angeben. Wenn das Signal von Kanal A dem Signal von Kanal B vorausläuft, wie in 12 gezeigt, dann bewegt sich die Plattform des Positioniertisches in eine bestimmte Richtung, zum Beispiel nach rechts. Wenn Kanal B vorausläuft, wie in 13 gezeigt, bewegt sich die Plattform des Positioniertischs in die entgegengesetzte Richtung, zum Beispiel nach links. Kanal Z ist ein Einzelpuls, der als Referenzimpuls dient. Zur Positionsbestimmung zählt wird die Anzahl an Pulsen der Signale A und B gezählt mit dem Referenzsignal verglichen. Die resultierende Zahl gibt eine Information über die Position der Plattform des Positioniertischs an.Example incremental encoder signals are shown schematically in the 12 and 13 Channels A and B are each rectangular waveforms that indicate the position data. If the signal from channel A is ahead of the signal from channel B, runs, as in 12 shown, the platform of the positioning table moves in a certain direction, for example to the right. If channel B is running ahead, as shown in 13 shown, the platform of the positioning table moves in the opposite direction, for example to the left. Channel Z is a single pulse that serves as a reference pulse. To determine the position, the number of pulses of signals A and B is counted and compared with the reference signal. The resulting number provides information about the position of the platform of the positioning table.

Wie beschrieben, werden in der vorliegenden Ausführungsform die Signale für die Kanäle A, B und Z drahtlos mittels Leuchtdioden und Fotosensoren durch die dielektrische Barriere übertragen, anstatt sie mit Kabeln aus der Kammer 750 an die Steuereinrichtung 710 zu übermitteln. Hierzu steuern die Rechtecksignale der Kanäle A, B und Z die Leuchtdioden 770 bis 772 an, indem sie diese ein- und ausschalten und somit Lichtsignale bzw. optische Signale erzeugen. Die optischen Signale werden durch die Fotodetektoren 780 bis 782 in elektrische Signale zurückverwandelt. Diese elektrischen Signale werden dann von der Steuereinrichtung 710 als Regelungssignale bzw. Feedback zur Positionierung der Plattform des Positioniertischs verwendet.As described, in the present embodiment, the signals for channels A, B and Z are transmitted wirelessly through the dielectric barrier using light-emitting diodes and photo sensors, instead of transmitting them via cables from the chamber 750 to the control device 710. To this end, the square wave signals of channels A, B and Z control the light-emitting diodes 770 to 772 by switching them on and off and thus generating light signals or optical signals. The optical signals are converted back into electrical signals by the photodetectors 780 to 782. These electrical signals are then used by the control device 710 as control signals or feedback for positioning the platform of the positioning table.

Somit werden in der vorliegenden Ausführungsform Leuchtdioden 770 bis 772 und Fotodetektoren 780 und 782 zur Übertragung des Ausgangssignals des Inkrementalgebers, zusätzlich zur Inkrementalgeber-Lichtquelle und zum Inkrementalgeber-Detektor bereitgestellt.Thus, in the present embodiment, light-emitting diodes 770 to 772 and photodetectors 780 and 782 for transmitting the output signal of the incremental encoder are provided in addition to the incremental encoder light source and the incremental encoder detector.

Neben dem Inkrementalgeber werden auch die Leuchtdioden 770 bis 772 durch das Signal zur Energieversorgung, dass mittels zweiter Induktivitäten 740 und 745 in die Kammer übertragen wird und dort, falls vorhanden, vom Speicher elektrischer Energie gespeichert wird, mit Energie versorgt.In addition to the incremental encoder, the light-emitting diodes 770 to 772 are also supplied with energy by the power supply signal, which is transmitted into the chamber by means of second inductors 740 and 745 and is stored there, if present, by the electrical energy storage device.

Alternativ ist es auch möglich, einen Inkrementalgeber so anzuordnen, dass sich Inkrementalgeber-Lichtquelle und/oder Skala innerhalb der Kammer befinden und Inkrementalgeber-Detektor außerhalb der Kammer, sodass Inkrementalgeber-Lichtquelle und Inkrementalgeber-Detektor selbst als Leuchtdioden und Fotosensoren zur Bestimmung der Position des durch den piezoelektrischen Motor zu positionierenden Elements der Positioniervorrichtung verwendet werden, die als Kanäle A, B und Z dann an die Steuereinrichtung 710 weitergeleitet werden.Alternatively, it is also possible to arrange an incremental encoder such that the incremental encoder light source and/or scale are located inside the chamber and the incremental encoder detector is outside the chamber, so that the incremental encoder light source and incremental encoder detector themselves are used as light-emitting diodes and photo sensors for determining the position of the element of the positioning device to be positioned by the piezoelectric motor, which are then forwarded to the control device 710 as channels A, B and Z.

Generell ist ebenfalls denkbar, dass die Positionsdaten innerhalb der Kammer prozessiert und dann mittels eines einzelnen Kanals, d.h. seriell, nach außerhalb der Kammer gesendet werden.In general, it is also conceivable that the position data is processed within the chamber and then sent outside the chamber via a single channel, i.e. serially.

Wie außerdem beschrieben, wird die Energie für die Quellenspannung Vcc drahtlos durch das hierfür vorgesehene zweite Paar übertragender und empfangender Induktivitäten 740 und 745 übertragen. Da das Feedback für die Positionierung benötigt wird, wenn der Positioniertisch in Gebrauch ist, wird die Energie für die elektronischen Komponenten des Inkrementalgebers zeitnah vor Gebrauch benötigt.As also described, the power for the source voltage Vcc is transmitted wirelessly through the dedicated second pair of transmitting and receiving inductors 740 and 745. Since feedback is needed for positioning when the positioning table is in use, the power for the electronic components of the incremental encoder is required shortly before use.

Hierfür kann das Antriebssystem, wie in 14 gezeigt, innerhalb der Kammer 750 einen Speicher elektrischer Energie 1410 umfassen, der geeignet ist, elektrische Energie von der zweiten empfangenden Induktivität 745 aufzunehmen. Beispielsweise kann der Speicher elektrischer Energie 1410 eine wiederaufladbare Batterie oder ein Superkondensator sein.For this purpose, the drive system can be used as in 14 shown, may include within the chamber 750 an electrical energy storage device 1410 adapted to receive electrical energy from the second receiving inductor 745. For example, the electrical energy storage device 1410 may be a rechargeable battery or a supercapacitor.

Das zweite Paar Induktivitäten 740 und 745 kann also beispielsweise verwendet werden, um eine wiederaufladbare Batterie oder einen Superkondensator als Speicher elektrischer Energie vor dem Systemstart oder zum Systemstart aufzuladen. Wenn das Positionierungssystem angeschaltet wird, können die zweiten Induktivitäten 740 und 745, gesteuert zum Beispiel durch die Steuereinrichtung 710, direkt beginnen, die Batterie oder den Superkondensator auf der Seite des Positioniertisches aufzuladen. Hierzu kann eine Initialisierungszeit verwendet werden, bevor das System mit der Positionierung beginnt.The second pair of inductors 740 and 745 can thus be used, for example, to charge a rechargeable battery or a supercapacitor as a storage of electrical energy before or at system start-up. When the positioning system is switched on, the second inductors 740 and 745, controlled, for example, by the controller 710, can immediately start charging the battery or the supercapacitor on the side of the positioning table. An initialization time can be used for this before the system starts positioning.

14 zeigt schematisch Komponenten für die Versorgung der Inkrementalgeber-Elektronik mit elektrischer Energie. Eine Halbbrücken-Schaltkonfiguration mit Schaltelementen S3 und S4, die durch die Steuereinrichtung 710 geschaltet werden, beschaltet die zweite übertragende Induktivität 740 und einen Kondensator 1450. Die zweite übertragende Spule gibt ein Signal zur Energieversorgung der Inkrementalgeber-Elektronik an die zweite empfangende Induktivität 740 durch die dielektrische Barriere 755 weiter. Das Signal wird mittels Gleichrichter 1420 gleichgerichtet und kann zudem gefiltert werden. Die gleichgerichtete Spannung lädt eine Batterie oder einen Superkondensator als Speicher 1410 elektrischer Energie auf. Diese gespeicherte elektrische Energie versorgt die elektronischen Komponenten des Inkrementalgebers 1430 mit elektrischer Energie. 14 shows schematically components for supplying the incremental encoder electronics with electrical energy. A half-bridge switching configuration with switching elements S3 and S4, which are switched by the control device 710, connects the second transmitting inductance 740 and a capacitor 1450. The second transmitting coil passes a signal for supplying energy to the incremental encoder electronics to the second receiving inductance 740 through the dielectric barrier 755. The signal is rectified by means of a rectifier 1420 and can also be filtered. The rectified voltage charges a battery or a supercapacitor as a storage device 1410 for electrical energy. This stored electrical energy supplies the electronic components of the incremental encoder 1430 with electrical energy.

Wie zuvor beschrieben, wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung elektrische Energie zum Antrieb eines oder mehrerer kapazitiver elektrischer Aktoren 820 und 825 drahtlos mittels sendender und empfangender Induktivitäten 730 und 735 durch eine dielektrische feste Barriere 755, die die Außenwand einer Kammer 730, in der sich ein Positioniertisch 760 befindet, übertragen. Die kapazitiven piezoelektrischen Aktoren können Aktoren eines piezoelektrischen Trägheitsmotors sein, die mit der empfangenden Induktivität 735 einen Tiefpassfilter bilden und das hochfrequente PWM-Signal filtern, wobei ein Antriebssignal für den Trägheitsmotor erhalten wird.As previously described, according to an embodiment of the present invention, electrical energy for driving one or more capacitive electrical actuators 820 and 825 is transmitted wirelessly by means of transmitting and receiving inductors 730 and 735 through a dielectric solid barrier 755 forming the outer wall of a chamber 730 in which a positioning table 760 is located. The capacitive piezoelectric actuators may be actuators a piezoelectric inertia motor, which form a low-pass filter with the receiving inductance 735 and filter the high-frequency PWM signal, thereby obtaining a drive signal for the inertia motor.

Alternativ kann der beschriebene drahtlose Energietransport mittels (erster) sendender und empfangender Induktivitäten durch eine dielektrische Barriere auch für den Antrieb eines Aktors eines Ultraschallmotors verwendet werden.Alternatively, the described wireless energy transport by means of (first) transmitting and receiving inductances through a dielectric barrier can also be used to drive an actuator of an ultrasonic motor.

Sowohl bei Trägheitsmotoren, als auch bei Ultraschallmotoren kann es sich bei dem oder den kapazitiven piezoelektrischen Aktoren um Mehrschichtaktoren handeln. Mehrschichtaktoren wirken elektrisch wie eine vergleichsweise große Kapazität, und können zusammen mit einer Spule effektiver als ein Einschicht- oder Bulk-Aktor einen Tiefpassfilter bilden. Daher ist bei der Verwendung von Mehrschicht- oder Multilayeraktoren für den piezoelektrischen Motor und insbesondere für einen piezoelektrischen Ultraschallmotor ein zusätzlicher Energiekompensationsschaltkreis überflüssig. So kann beispielsweise ein PWM-Signal mit einer Frequenz von 1 M Hz durch den entsprechend gebildeten Tiefpassfilter in eine Betriebsfrequenz eines piezoelektrischen Ultraschallmotors mit einem Mehrschichtaktor von etwa 20kHz gefiltert bzw. umgewandelt werden.In both inertial motors and ultrasonic motors, the capacitive piezoelectric actuator(s) can be multilayer actuators. Multilayer actuators act electrically like a comparatively large capacitance and, together with a coil, can form a low-pass filter more effectively than a single-layer or bulk actuator. Therefore, when using multilayer actuators for the piezoelectric motor and in particular for a piezoelectric ultrasonic motor, an additional energy compensation circuit is superfluous. For example, a PWM signal with a frequency of 1 M Hz can be filtered or converted by the correspondingly formed low-pass filter into an operating frequency of a piezoelectric ultrasonic motor with a multilayer actuator of around 20 kHz.

Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung ein Antriebssystem sowie ein Steuerverfahren für einen piezoelektrischen Motor eines solchen Antriebssystems. Eine übertragende Induktivität ist elektrisch leitend mit mindestens zwei Schaltelementen verbunden. Eine Steuervorrichtung ist geeignet, ein periodisches Antriebssignal in ein Pulsweitenmodulations- (PWM) Signal umzuwandeln und durch Schalten der mindestens zwei Schaltelemente an die übertragende Induktivität weiterzugeben. Innerhalb einer Kammer befinden sich eine empfangende Induktivität und ein kapazitiver piezoelektrische Aktor, die einen Tiefpassfilter bilden. Mindestens eine Wand der Kammer ist als feste dielektrische Barriere ausgestaltet, und die übertragende Induktivität ist geeignet, das PWM-Signal an die empfangende Induktivität durch die feste dielektrische Barriere induktiv zu übertragen. Hierdurch gelingt ein drahtloser Transport bzw. eine drahtlose Übertragung von Signalen zum Antrieb, aber auch zur Positionsbestimmung eines in einer Kammer und insbesondere einer hermetisch abgedichteten Kammer angeordneten zu positionierenden Elements einer Positioniervorrichtung.In summary, the present invention relates to a drive system and a control method for a piezoelectric motor of such a drive system. A transmitting inductance is electrically connected to at least two switching elements. A control device is suitable for converting a periodic drive signal into a pulse width modulation (PWM) signal and passing it on to the transmitting inductance by switching the at least two switching elements. Inside a chamber there is a receiving inductance and a capacitive piezoelectric actuator, which form a low-pass filter. At least one wall of the chamber is designed as a solid dielectric barrier, and the transmitting inductance is suitable for inductively transmitting the PWM signal to the receiving inductance through the solid dielectric barrier. This enables wireless transport or wireless transmission of signals to the drive, but also for determining the position of an element of a positioning device to be positioned, which is arranged in a chamber and in particular a hermetically sealed chamber.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102020132640 B3 [0013]

Claims

Drive system comprising: a piezoelectric motor; at least two switching elements (S1, S2); a transmitting inductance (730) which is electrically connected to the at least two switching elements (S1, S2); a control device (710) which is suitable for converting a periodic drive signal into a pulse width modulation (PWM) signal and passing it on to the transmitting inductance by switching the at least two switching elements (S1, S2), a chamber (750) which has a wall which is at least partially designed as a solid dielectric barrier (755); and a receiving inductance (735); wherein the piezoelectric motor comprises a capacitive piezoelectric actuator (820); wherein the receiving inductance (735) and the capacitive piezoelectric actuator (820) are located within the chamber (750) and form a low-pass filter, and the transmitting inductance (730) is adapted to inductively transmit the PWM signal to the receiving inductance (735) through the solid dielectric barrier (755).

Drive system according to Claim 1 , whereby the chamber is a hermetically sealed chamber.

Drive system according to Claim 1 or 2 , further comprising a positioning device (760) to be driven by the piezoelectric motor and located within the chamber (750).

Drive system according to Claim 3 , wherein the transmitting inductance (730) and the receiving inductance (735) are a first transmitting inductance and a first receiving inductance, further comprising: a second transmitting inductance (740); a second receiving inductance (745); a position signal transmitting device which is suitable for generating and transmitting signals corresponding to the position of an element of the positioning device to be positioned on the basis of an output signal of a position determination means assigned to the positioning device, and a position signal receiving device which is suitable for detecting the signals generated and transmitted by the position signal transmitting device and deriving therefrom information about the position of the element to be positioned, wherein the second receiving inductance (745) and the position signal transmitting device are located inside the chamber and the position signal receiving device is located outside the chamber, and the control device (710) is suitable for generating a signal for supplying energy to the position signal transmitting device or the position determination means and for passing it on to the second transmitting inductance, the second transmitting inductance (740) is suitable for inductively transmitting the signal for supplying energy to the second receiving inductance (745) through the solid dielectric barrier (755), and the position signal transmitting device is suitable for To transmit light signals through the solid dielectric barrier (755) to the position signal receiving device (780-782).

Drive system according to Claim 4 , wherein the position signal transmitting device is formed by a plurality of light-emitting diodes (770-772), and the position signal receiving device is formed by a plurality of photodetectors (780-.

Drive system according to Claim 4 or 5 , wherein the position determining means is formed by an optical encoder.

Drive system according to one of the Claims 4 until 6 , further comprising an electrical energy storage device (1410) for supplying energy to the position signal transmitting device or the position determining means, the electrical energy storage device being located within the chamber and being adapted to receive electrical energy from the second receiving inductance (745).

Drive system according to Claim 7 , where the electrical energy storage device is a rechargeable battery or a supercapacitor.

Drive system according to one of the Claims 1 until 8th , wherein the piezoelectric motor is an inertial motor or an ultrasonic motor, and the capacitive piezoelectric actuator is a multilayer actuator.

Drive system according to one of the Claims 1 until 9 , where the solid dielectric barrier consists of glass or of a material transparent to infrared radiation.

A control method for a piezoelectric motor, comprising the steps of: converting a periodic drive signal into a pulse width modulation (PWM) signal having a higher frequency than the drive signal, passing the PWM signal to a transmitting inductance, and inductively transmitting the PWM signal from the transmitting inductance to a receiving inductance through a fixed dielectric barrier, wherein the receiving inductance is provided with a capacitance citive piezoelectric actuator of the piezoelectric motor forms a low-pass filter.

Tax procedure according to Claim 11 , wherein the PWM signal is transmitted from a first transmitting inductance to a first receiving inductance, further comprising the steps of: generating a signal for supplying power to a position determining means for determining the position of an element of a positioning device to be positioned by the piezoelectric motor or for supplying power to a position signal transmitting device which is suitable for generating and transmitting signals corresponding to the position of the element to be positioned on the basis of an output signal of the position determining means associated with the positioning device; forwarding the signal for supplying power to the position determining means or the position signal transmitting device to a second transmitting inductance; inductively transmitting the signal for supplying power to the position determining means or the position signal transmitting device to a second receiving inductance through the solid dielectric barrier; Transmitting the signals of the position signal transmitting device through the solid dielectric barrier to a position signal receiving device which is suitable for detecting the signals generated and transmitted by the position signal transmitting device and for deriving therefrom information about the position of the element to be positioned; and detecting the signals of the position signal transmitting device by the position signal receiving device.

Tax procedure according to Claim 12 , further comprising: storing the electrical energy received by the second receiving inductance for supplying power to the position determining means or the position signal transmitting device.

Tax procedure according to Claim 12 or 13 , wherein the position signal transmitting device is formed by a plurality of light-emitting diodes and the position signal receiving device is formed by a plurality of photodetectors.

Tax procedure according to one of the Claims 12 until 14 , wherein the position determining means is formed by an optical encoder.

Tax procedure according to one of the Claims 11 until 15 , wherein the piezoelectric motor is an inertial motor or an ultrasonic motor, and the capacitive piezoelectric actuator is a multilayer actuator.

Tax procedure according to one of the Claims 11 until 16 , where the solid dielectric barrier consists of glass or of a material transparent to infrared radiation.