DE10008752A1

DE10008752A1 - Piezoelektrischer Aktor

Info

Publication number: DE10008752A1
Application number: DE10008752A
Authority: DE
Inventors: Matthias Balazs; Franz Hacker; Stefan Wiest
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: DE10008752B4

Abstract

Der piezoelektrische Aktor, der als mechanisches Piezokeramikbauteil ausgeführt ist und durch eine daran angelegte elektrische Aktorspannung (U¶A¶) nach außen eine Kraft (F) abgibt und dadurch verformt wird, zeichnet sich durch seine gleichzeitige Einsatzfähigkeit als piezoelektrischer Sensor aus, wozu dem Piezokeramikbauteil (1) zur Messung des Frequenzverhaltens in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung ein frequenzcodiertes, mono- oder multifrequentes oder frequenzvariables Sensorsignal in Form einer Hilfsanregungsspannung (U¶S¶) aufgeschaltet ist, deren von der mechanischen Belastung abhängiges "Antwort"-Signal entkoppelt von der Aktorspannung als Meßsignal (U¶M¶) ausgewertet wird, wobei dieses abgenommene Meßsignal zeitunabhängig ist und sich nur durch die aufgebrachte mechanische Belastung bzw. elektrische Aktorspannung verändert. Der Aktor/Sensor nach der Erfindung läßt sich insbesondere in Kraft-Regleranordnungen, z. B. für Bremsen, Dosiereinrichtungen, optischen Spiegel- und Linsengeräten, Einspritzanlagen oder Ventilverstellungen, einsetzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, der als mechanisches Piezokeramikbauteil ausgeführt ist und durch ei ne daran angelegte elektrische Aktorspannung nach außen eine Kraft abgibt und dadurch verformt wird.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung mechanische Anordnun gen, elektrische Beschaltungen und Systeme mit mehreren pie zoelektrischen Aktoren, Reglerschaltungen unter Verwendung von piezoelektrischen Aktoren und Anwendungen von piezoelek trischen Aktoren.

Piezoelektrische Aktoren weisen eine hohe Energiedichte, ein schnelles Ansprechen sowie einen einfachen Aufbau auf. Sie können in Reihe oder parallel geschaltet betrieben werden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein piezokera mischer Festkörper verformt, wobei die Verformung proportio nal zur Spannung ist. Da piezokeramische Aktoren eine "elektromechanische Drift" besitzen, erfordert die Regelung derartiger Aktoren bislang - je nach Aufgabe - eine zusätzli che Weg- und/oder Kraftmessung, da mit ihnen ohne eine derar tige Regelung Positionen nur grob gestellt werden können, wo bei speziell der Verfahrweg mit relativ großem Fehler behaf tet ist.

Darüber hinaus legt ein piezokeramischer Aktor üblicherweise nur geringe Verformwege zurück, weshalb eine externe zusätz liche Weg- und/oder Kraftmessung teuer, kompliziert und unge nau ist. Typische Anwendungen sind deswegen derzeit grobe, (hoch)dynamische Stellaufgaben mit hohem Kraftbedarf und kleinen Verstellwegen.

Die Verwendung einer Piezokeramik als piezoelektrischer Aktor ist beispielsweise aus US 5,473,214 bekannt.

Sollte eine Piezokeramik als Sensor eingesetzt werden, wie dies z. B. aus US 4,831,304 und US 4,835,436 bekannt ist, so ergibt eine von außen aufgebrachte Verformung eine elektri sche Spannung am Keramikkörper. Bleibt die aufgebrachte Kraft oder Verformung konstant, so ist es jedoch praktisch nicht möglich, ein proportionales Spannungssignal zu messen, da diese Spannung durch den Innenwiderstand der Meßelektronik und der Piezokeramik wieder abgebaut wird. Typische Meßaufga ben sind deswegen dynamische Messungen, die allerdings mit relativ großen Ungenauigkeiten verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektri schen Aktor so auszubilden und zu gestalten, daß er bei einem Einsatz als Sensor zeitunabhängig genaue Meßergebnisse seiner Piezoverformung liefert, was dann dazu ausgenutzt werden soll, Aktor und Sensor bauteilmäßig zu verbinden und eine Re gelung des Aktors bei örtlicher Nähe des Sensors problemlos durchzuführen. Darüber hinaus sollen durch die Erfindung vor teilhaft mit Sensorauswertung versehene elektrische Schaltun gen und mechanische Anordnungen mit mehreren zusammenwirken den piezoelektrischen Aktoren, Regelschaltungen, Systeme mit mehreren auch als Sensor wirksamen piezoelektrischen Aktoren und Anwendungsmöglichkeiten für zugleich als Sensor arbei tende piezoelektrische Aktoren angegeben werden.

Gemäß der Erfindung, die sich auf einen piezoelektrischen Ak tor der eingangs genannten Art bezieht, ist die Lösung dieser Aufgabe durch den Betrieb des mechanischen Piezokeramikbau teils als piezoelektrischer Sensor gekennzeichnet, wozu dem Piezokeramikbauteil zur Messung seines Frequenzverhaltens in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung ein frequenzco diertes, mono- oder multifrequentes oder frequenzvariables Sensorsignal in Form einer Hilfsanregungsspannung aufgeschal tet ist, deren von der mechanischen Belastung abhängiges "Antwort"-Signal entkoppelt von der Aktorspannung als Meßsi gnal ausgewertet wird. Dieses abgenommene Meßsignal ist zei tunabhängig und wird nur durch die aufgebrachte mechanische Belastung und die Verformung beeinflußt.

Ein Problem beim Einsatz von Piezokeramik als Sensor lag bis her darin, daß bei relativer Messung von Wegen bzw. Kräften einigermaßen genaue Meßergebnisse nur durch Auswerten der Piezospannung zu erzielen sind. Dieses Problem läßt sich ent sprechend dem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip durch eine andere Messung der Piezoverformung umgehen, der ein wei terer physikalischer Effekt zugrunde liegt, nämlich das von einer mechanischen Belastung abhängige Schwingverhalten der Piezokeramik. Ein ähnliches Verhalten ist beispielsweise von einer Gitarrensaite bekannt, wobei gilt: Je höher die mecha nische Spannung ist, desto höher liegen die Eigenfrequenzen der Saite. Der analoge Effekt tritt auch bei starren Körpern unter mechanischer Belastung auf; ferner steigen mit wachsen der mechanischer Belastung die Eigenfrequenzen proportional an.

Dieser Effekt ist zeitunabhängig. Jeder mechanischen Bela stung ist damit eindeutig ein spezifisches Frequenzspektrum zugeordnet. Absolute Messungen sind daher durch Auswerten der aktiv angeregten Eigenfrequenz-Schwingung bzw. des Schwin gungsfrequenzspektrums sehr präzise möglich.

Durch die Erfindung wird auch das Problem gelöst, einen pie zoelektrischen Aktor und Sensor in einem Bauteil zu verbinden. Hierbei ist eine reine, mechanisch getrennte Reihenan ordnung von Sensor und Aktor grundsätzlich möglich. Eine Al ternative zum elektrisch entkoppelten Hintereinanderschalten von Aktor und Sensor stellt eine Beschaltung dar, bei der das selbe piezokeramische Bauteil gleichzeitig als Sensor und Ak tor verwendet wird. Das gleiche mechanische piezokeramische Bauteil ist zugleich als Aktor und als Sensor betrieben, wozu elektrische und/oder mechanische Maßnahmen vorgesehen sind, welche zum einen dem piezokeramische Bauteil das Sensorsignal zusätzlich zur Aktorspannung zuführen und zum anderen das ab genommene Meßsignal von der Aktorspannung entkoppeln.

Hierzu kann der Aktorspannung direkt ein Sensorsignal aufmo duliert werden und die Aktorspannung kann beispielsweise durch Frequenzfilterung ausgewertet werden. Um gegenseitige Beeinflussungen zu verhindern, sind in vorteilhafter Weise Aktorspannung und Sensorsignalspannung schaltungstechnisch voneinander getrennt. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, den Sensor örtlich nahe am Aktor auszuwerten und ebenso die Rege lung des Aktors lokal durchzuführen, beispielsweise durch ei ne Reglerschaltung, die, außer daß sie die Sensorauswertung durchführt, gleichzeitig auch die Aktorspannung regelt. Als Eingangsgröße erhält eine solche Reglerschaltung über einen Signaleingang eine Regelvorgabe, so daß sie wahlweise über einen Signalausgang auch ein Weg- bzw. Kraftsignal abgeben kann.

Der piezoelektrische Aktor und Sensor nach der Erfindung ver einigt die bekannten elektromechanischen Eigenschaften piezo keramischer Bauelemente, wobei er gleichzeitig als Sensor und als Aktor dient. Der Sensor liefert in diesem System ein be lastungsproportionales Absolutsignal, das nicht von der Zeit abhängt. Durch Aufbau eines Regelkreises kann dieses Bauelement als voll regelbares mechatronisches Linearstellglied mit Sensorrückführung betrieben werden, mit dem sowohl ein wegge regeltes als auch ein kraftgeregeltes bzw. ein weg- und kraftgeregeltes Verhalten erzielt wird.

Zur Auswertung der Sensorinformation wird noch folgendes aus geführt:

Die Information über die am piezoelektrischen Aktor/Sensor- Stellglied wirkende Kraft und die damit verbundene Verformung wird aus der Veränderung des Eigenschwingverhaltens der Pie zokeramik ermittelt. Das Eigenschwingverhalten läßt sich auf verschiedene Weisen analysieren.

- Vermessung der Eigenfrequenz und der Dämpfung durch Anre gung und Beobachtung der Sprung- und Impulsantwort des Sen sors.
- Anregung mit einer oder mehreren frequenzkonstanten Sinus schwingungen und Beobachtung der Veränderungen von Ampli tude und/oder Phase der Antwort.
- Anregung mit einem Wobbelsignal und Beobachtung der Ampli tudenantwort. Vermessung von charakteristischen Merkmalen, wie z. B. steilen Kanten, Maxima, . . ., im Amplitudengang.
- Anregung mit breitbandigem, in idealer Weise weißem Rau schen und Beobachtung der Antwort im Frequenzbereich.
- Auswertung des Phasenganges.

Eine Auswertung im Frequenzbereich kann schaltungstechnisch z. B. durch ein durchstimmbares oder mehrere frequenzkonstante Filter erfolgen, welche die Beurteilung der Amplitude in be stimmten Frequenzbereichen zulassen. Eine andere Möglichkeit ist die Auswertung des Spektrums durch Berechnung der Fourier-Transfomierten. Hierzu kann beispielsweise ein digitaler Signalprozessor eingesetzt werden, mit dem die Fast-Fourier- Transformation des Antwortsignals berechnet und bewertet wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Aktors anhand einer in einem Bild zusammengefaßten mechani schen Anordnung und deren Beschaltung;

Fig. 2 das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Sensors anhand einer in einem Bild zusammengefaßten mechani schen Anordnung und deren Beschaltung;

Fig. 3 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bau teilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor ohne Kompensation;

Fig. 4 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bau teilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch eine differentiell aufgeschaltete Sensorsignalspannung;

Fig. 5 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bau teilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch differentielle Auf schaltung der Aktorspannung;

Fig. 6 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bau teilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit vollständiger Trennung von Sensorsignal und Aktorspannung mittels einer Brückenschal tung;

Fig. 7a und 7b ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, bei dem zur Bildung einer durch einen piezoelektrischen Aktor bewirkten Strahlauslenkung zwei plankonvexe Linsen in einem optischen Strahlengang kombiniert sind, und

Fig. 8a und 8b ein gegenüber den Fig. 7a und 7b erweitertes Anwendungsbeispiel der Erfindung, bei dem zur Bildung einer durch einen piezoelektrischen Aktor bewirkten Strahlauslenkung ein Feld plankonvexer Linsenpaare in einem optischen Strahlengang liegt.

In Fig. 1 ist das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Ak tors dargestellt. An den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' einer Piezokeramik 1 wird eine Aktorspannung U_A zugeführt. Die von der Piezokeramik 1 nach außen an ihren beiden Endflächen abgegebene Kraft F ist zur Aktorspannung U_A proportional. Bei konstanter Kraft F ist die Aktorspannung U_A proportional zur Längenänderung der Piezokeramik 1. Die Ak torspannung U_A ist nach Betrag und Vorzeichen veränderlich.

In Fig. 2 ist das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Sensors dargestellt. Hier wirkt eine Kraft F von außen auf die Endflächen der Piezokeramik 1. Eine an den beiden endsei tigen Anschlußflächen 10 und 10' abgenommene Meßsignalspan nung U_M verändert sich bei gleichbleibender Sensoranregung durch eine Hilfsanregungsspannung U_S in Abhängigkeit von der von außen auf die Piezokeramik 1 wirkenden Kraft F. Die zu sätzliche, das Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung U_S wird an die beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' zum Messen des Frequenzverhaltens der Piezokeramik 1 ange legt. Sie kann in Abhängigkeit von der jeweils angewandten Meßmethode beispielsweise eine Pulsspannung, ein Rauschsignal oder eine irgendwie geartete Wechselspannung mit gegebenen falls veränderlicher Frequenz sein.

Das Abgreifen der Meßsignalspannung U_M ist in unterschiedli cher Weise möglich. So kann dies beispielsweise im gleichen Zweig erfolgen, in dem die zusätzliche Hilfsanregungsspannung U_S angelegt wird; ebenso ist aber auch ein Abgriff an einer zusätzlich auf einer Piezokeramikplatte aufgebrachten Hilfs elektrode oder an einem separaten, mechanisch gekoppelten Piezoelement möglich.

In Fig. 3 ist die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor ohne Kompensation dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Minimalanordnung eines sensierenden Aktors, ohne daß eine Kompensationsschaltung vorgesehen ist. An den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' der Piezokeramik 1 wird die Aktorspannung U_A zugeführt. Die von der Piezokeramik 1 nach außen an ihren beiden Endflächen abgegebene Kraft F ist zur Aktorspannung U_A proportional. Bei konstanter Kraft F ist die Aktorspannung U_A proportional zur Längenänderung der Piezokeramik 1. Die Aktorspannung U_A ist nach Betrag und Vor zeichen veränderlich.

Eine an den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' von der Aktorspannung U_A abgenommene Meßsignalspannung U_M verän dert sich bei gleichbleibender Sensoranregung durch eine Hilfsanregungsspannung U_S in Abhängigkeit von der von außen auf die Piezokeramik 1 wirkenden Kraft F. Die das Sensorsi gnal bildende Hilfsanregungsspannung U_S wird an die beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' zum Messen des Fre quenzverhaltens der Piezokeramik 1 angelegt. In dem Funkti onsprinzip nach Fig. 2 sowie der Anordnung nach Fig. 3 ist die Aktorspannung U_A nicht von der Hilfsanordnungsspannung U_S bzw. der Meßssignalspannung U_M entkoppelt. In Fig. 2 und 3 sind zwar getrennte Elektroden vorgesehen, mechanisch sind jedoch alle Elektroden gleich und damit auch alle elektri schen Wege gleich belastet, d. h. verkoppelt.

Sie kann genauso wie bei Fig. 2 in Abhängigkeit von der je weils angewandten Meßmethode beispielsweise eine Pulsspan nung, ein Rauschsignal oder eine irgendwie geartete Wechsels pannung mit gegebenenfalls veränderlicher Frequenz sein. Das Abgreifen des Meßsignals U_M ist in unterschiedlicher Weise möglich. So kann dies beispielsweise im gleichen Zweig erfol gen, in dem die zusätzliche Hilfsanregungsspannung U_S ange legt wird; ebenso ist aber auch ein Abgriff an einer zusätz lich auf einer Piezokeramikplatte aufgebrachten Hilfselektro de oder an einem separaten, mechanisch gekoppelten Piezoele ment möglich.

In den Fig. 2 und 3 ist der Meßabgriff zur Abnahme der Meßsi gnalspannung U_M nur schematisch als ein zur Hilfsanregung parallel liegendes Meßinstrument dargestellt, dessen techni sche Ausführung für prinzipielle Überlegungen unerheblich ist. Die grundsätzliche Entkopplung von Sensor und Aktor, welche dieselbe Piezokeramik 1 verwenden, ist von entschei dender Bedeutung. So soll einerseits die angelegte Hilfsanre gungsspannung U_S nicht zu einer nach außen sichtbaren Verformung der Gesamtanordnung führen, andererseits soll die Meßsi gnalspannung U_M frei von Überlagerungen durch die angelegte Aktorspannung U_A sein. Dies gilt auch für die nachfolgend be schriebenen Anordnungen.

Bei den anschließend beschriebenen Anordnungen nach den Fig. 4 bis 6 sind mehrere Piezokeramiken mechanisch in Reihe ange ordnet, was im allgemein als Piezostapel bezeichnet wird.

Hierbei muß die Aktorspannung U_A so an den Piezostapel ange legt werden, daß sich die durch die Aktorspannung U_A hervor gerufenen Verformungen der piezokeramischen Einzelelemente (1 und 2 in den Fig. 4 und 5; 1 bis 4 in Fig. 6) über den ganzen Stapel summieren, während die Hilfsanregungsspannung U_S so angelegt werden muß, daß sich die dadurch hervorgerufenen Einzelverformungen über den ganzen Stapel gegenseitig auslö schen.

Die Kräfte F, deren Betrag veränderlich ist, sind Druck kräfte, da Zugkräfte die Piezokeramik mechanisch zerstören könnten. Bei herkömmlichen keramischen Piezoaktoren wird eine mechanische Vorspannung auf den Aktor aufgebracht, um ihn mit ähnlich hohen positiven wie negativen Spannungen be aufschlagen zu können, ohne dadurch ein Umpolarisieren zu riskieren. Nachstehend wird auf diesen Aufbau zurückgegriffen werden, wenngleich die nachfolgend noch vorgestellten Be schaltungen auch auf elektrostriktive Materialien angepaßt werden können, deren Ausdehnung nur vom Betrag, nicht aber vom Vorzeichen der angelegten Aktorspannung U_A abhängt.

In der Fig. 4 ist die mechanische Anordnung und die Beschal tung einer Piezostapel-Bausteinkombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch eine differen tiell aufgeschaltete Sensorsignalspannung dargestellt. Der Piezostapel besteht in der Fig. 4 aus zwei mechanisch in Reihe angeordneten piezokeramischen Einzelelementen 1 und 2. Die endseitige Anschlußfläche 11 des piezokeramischen Einzel elements 1 ist mit der endseitigen Anschlußfläche 20 des pie zokeramischen Einzelelements 2 elektrisch und mechanisch un mittelbar verbunden. Die aus zwei Hilfsanregungsspannungen U_S1 und U_S2 bestehende Sensorsignalspannung wird der angeleg ten, die Kraft F außen am Piezostapel erzeugenden Aktorspan nung U_A differentiell überlagert.

Dies erfolgt dadurch, daß der eine Pol der Aktorspannung U_A mit den Anschlußflächen 11 und 20 und der andere Pol mit je weils einem Pol der Quellen der Hilfsanregungsspannungen U_S1 und U_S2 verbunden ist, deren anderer Pol an der endseitigen Anschlußfläche 10 des piezokeramischen Einzelelements 1 bzw. an der endseitigen Anschlußfläche 21 des piezokeramischen Einzelelements 2 angeschlossen ist. Sind die beiden Hilfsan regungsspannungen U_S1 und U_S2 gleich, so hebt sich die durch sie hervorgerufene Verformung der beiden piezokeramischen Einzelelemente 1 und 2 in der Summe über den Piezostapel auf.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ist die Sensorsi gnalspannung in Form der Hilfsanregungsspannungen U_S1 und U_S2 zur differentiellen Aufschaltung zweimal zu erzeugen. Zur Auswertung muß die Differenz der von der Aktorspannung U_A entkoppelt abgenommenen Meßsignalspannungen U_M1 und U_M2 gebil det werden, um das Meßergebnis von Einflüssen der veränderli chen Aktorspannung U_A zu entkoppeln.

In der Fig. 5 ist die mechanische Anordnung und die Beschal tung einer Piezostapel-Bausteinkombination von piezoelektri schem Aktor und Sensor mit Kompensation durch differentielle Aufschaltung der Aktorspannung U_A dargestellt. Der Piezosta pel besteht in der Fig. 5 aus zwei mechanisch in Reihe ange ordneten piezokeramischen Einzelelementen 1 und 2. Die end seitige Anschlußfläche 11 des piezokeramischen Einzelelements 1 und die endseitige Anschlußfläche 20 des piezokeramischen Einzelelements 2 sind elektrisch und mechanisch unmittelbar miteinander verbunden. Die angelegte, die Kraft F am Pie zostapel erzeugende Aktorspannung U_A wird der Sensorsi gnalspannung U_S1 differentiell überlagert.

Dies erfolgt dadurch, daß der eine Pol der Sensorsignalspan nung U_S1 mit den Anschlußflächen 11 und 20 und der andere Pol mit jeweils einem Pol der beiden Quellen der Aktorspannung U_A verbunden ist, deren anderer Pol an der endseitigen Anschluß fläche 10 des piezokeramischen Einzelelements 1 bzw. an der endseitigen Anschlußfläche 21 des piezokeramischen Einzelele ments 2 angeschlossen ist. Die Aktoren sind so angeordnet, daß sie sich bei gleicher Aktorspannung U_A gleichartig ver halten, sich beispielsweise beide ausdehnen. Hierbei beein flußt die Sensorsignalspannung U_S1 die Gesamtverformung nicht. Die Meßsignalspannung U_M wird parallel liegend zur Sensorsignalspannung U_S1 entkoppelt von der Aktorspannung U_A abgenommen. Bei der in der Fig. 5 dargestellten Anordnung sind die Aktorspannungen U_A zur differentiellen Aufschaltung zwei mal zu erzeugen.

In der Fig. 6 ist die mechanische Anordnung und Beschaltung einer Piezostapel-Bauteilkombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit vollständiger Trennung von Sensorsignal und Aktorspannung mittels einer Brückenschaltung dargestellt. Der Piezostapel in der Fig. 6 besteht aus vier mechanisch in Reihe angeordneten piezokeramischen Einzelelementen 1, 2, 3 und 4. Es sind zum ersten die endseitige Anschlußfläche 11 des piezokeramischen Einzelelements 1 und die endseitige An schlußfläche 20 des piezokeramischen Einzelelements 2, zum zweiten die endseitige Anschlußfläche 21 des piezokeramischen Einzelelements 2 und die endseitige Anschlußfläche 30 des piezokeramischen Einzelelements 3 und zum dritten die endsei tige Anschlußfläche 31 des piezokeramischen Einzelelements 3 und die endseitige Anschlußfläche 40 des piezokeramischen Einzelelements 4 elektrisch und mechanisch unmittelbar mit einander Verbunden.

Die Aktorspannungen U_A wirken auf die vier piezokeramischen Einzelelemente 1 bis 4, so daß diese gleiches Verhalten zei gen, sich beispielsweise alle ausdehnen. Die Sensorsi gnalspannungen U_S sind so gerichtet, daß sich die Verformun gen von je zwei piezokeramischen Einzelelementen 1, 2 bzw. 3, 4 gegenseitig aufheben und somit in ihrer Summe über den ge samten Piezostapel keine Längenänderung bewirken. Bei dieser Anordnung wird vermieden, daß eine der Spannungen doppelt er zeugt werden muß. Es ist auch nur eine Sensorsignalspannung auszuwerten.

Um gleich große Verformungen wie bei den in den Fig. 4 und 5 dargestellten Anordnungen zu erzielen, müssen die anzulegen den Spannungen in der Brückenanordnung doppelt so groß sein, also 2U_A und 2U_S sein, da sie jeweils auf zwei in Serie ge schaltete piezokeramische Einzelelemente 1, 2 bzw. 3, 4 wir ken. Bei dieser in Fig. 6 dargestellten mechanischen Anordnung und elektrischen Beschaltung erfolgt eine vollständige Kom pensation aller unerwünschten Einflüsse durch eine innere Verkopplung vom Sensor auf den Aktor, und umgekehrt. Die Meß signalspannung U_M wird in entkoppelter Weise parallel liegend zur Sensorsignalspannung U_S abgenommen.

Die Spannungen U_S und U_A liegen gewöhnlich auf verschieden hohem Niveau. Meist sind die Sensorsignalspannungen U_S we sentlich geringer als die Aktorspannungen U_A, weswegen er stere, also U_S, auch schon ohne Kompensation, nur einen ge ringen bis vernachlässigbaren Einfluß auf den Aktor haben.

Die vorstehend anhand der Fig. 4 bis 6 beschriebenen mechani schen Anordnungen gleichartiger piezokeramischer Elemente mit den dargestellten Beschaltungen sind besonders gut geeignet, um gegenseitige Beeinflussungen von Aktor und Sensor auszu gleichen und damit die Auflösung des Linearaktors zu stei gern. Auf rein physikalischem Weg wird hier eine vollständige elektrische und mechanische Kompensation erzielt und damit sowohl die Sensorauswertung als auch die Aktoransteuerung stark vereinfacht. Auch muß nicht auf eine Signalnachbearbei tung zurückgegriffen werden; es sind auch keine Kompensa tionstabellen oder ähnliche Hilfswerkzeuge nötig, die eine Regelung stark verlangsamen würden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich dahingehend er weitern, daß es beispielsweise um eine absolute Längenmessung der Piezokeramik auf Basis der Körperschall-Laufzeitmessung ergänzt werden kann. Dann ist das mechatronische Linearstell glied vollständig kraft-, weg- und spannungsregelbar.

Das der Erfindung zugrunde legende Prinzip ist nicht nur bei piezokeramischen Linearaktoren anwendbar, sondern läßt sich auch auf alle anderen Piezoaktoren übertragen, wie beispiels weise auf Biege-, Dreh- oder Schubaktoren.

Es können auch andere Materialien als piezokeramisches Mate rial verwendet werden. Der Aktor/Sensor nach der Erfindung kann aus einem der Piezokeramik hinsichtlich der physikali schen Eigenschaften ähnlichem Material bestehen, bei dem das Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes zu einer Verformung führt. Als Material kommen vor allem magnetostriktive Festkörper, Quarze, Bimetallanord nungen und Werkstoffe, bei denen die Wärmedehnung oder Gefü geumwandlung als aktorischer Effekt genutzt werden (elektrorheologische Flüssigkeiten), in Betracht.

Im folgenden werden Ausführungsmöglichkeiten und Weiterbil dungen der Erfindung erläutert. Darüber hinaus sind noch vor teilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen, Reglerausführungen und Anwendungsmöglichkeiten in den Ansprüchen angegeben.

Bei einer Reihenschaltung mehrerer piezoelektrischer Aktoren kann in einer Variante das Sensorsignal nur einem dieser Ak toren aufgeschaltet werden, wobei das Meßsignal bevorzugt nur an diesem einen Aktor abgenommen und ausgewertet wird. Damit kann in direkter Reihenanordnung das Spannungsniveau des Sen sor- und Meßsignals deutlich unter dem Spannungsniveau der Aktorspannung liegen.

Die Pegel der Aktorspannung können bei einem unter mittelho her Betriebslast arbeitenden Aktor vorteilhaft so bemessen werden, daß sie gegenüber dem Pegel der Sensorsignalspannung und der Meßsignalspannung deutlich höher liegen.

Es kann eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Aktoren in Form einer Reihenanordnung oder Parallelschaltung einer be liebigen Anzahl von Sensoren/Aktoren vorgesehen werden, wobei bevorzugte Bauformen gleich viele gleichartige seriell ange ordnete Aktoren in parallelen Zweigen aufweisen.

Piezoelektrische Aktoren nach der Erfindung lassen sich in vorteilhafter Weise zum Aufbau einer Reglerschaltung, bei spielsweise zur Kraftregelung, vorsehen, was im folgenden er läutert werden soll.

In einer solchen Reglerschaltung sind bevorzugt eine Einrich tung zur Erzeugung der ein frequenz- und eventuell amplitu denmoduliertes Sensorsignal bildenden Hilfsanregungsspannung und eine Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude und Frequenz vorgesehen. Die Einrichtung zur Erzeu gung der ein frequenz- und eventuell amplitudenmoduliertes Sensorsignal bildenden Hilfsanregungsspannung ist bevorzugt ein Wobbelgenerator oder ein durchstimmbarer Schwingkreis. Die Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude und Frequenz ist in zweckmäßiger Weise so ausgelegt, daß sie zur deutlicheren Hervorhebung der Charakteristik des Eigen schwingungsverhaltens einen Vergleich mit dem Sensorsignal ausführt.

Die Meßschaltung besteht aus mindestens einem Sen sorsignaleingang, mindestens einem Meßsignaleingang, minde stens einem Komparator zum Vergleich von Sensorsignal und Meßsignal und mindestens einer zur Steuerung der Aktorspan nung dienenden Ausgabeschnittstelle. Es kann ein Trägerfre quenzgenerator vorgesehen werden, der eine in bevorzugter Weise nahe der auszuwertenden Frequenz gelegene Trägerfrequenz generiert, wodurch eine Schwebung zwischen Sensor- bzw. Meßsignal bzw. deren differentiellem Spannungssignal und dem Spannungssignal der Trägerfrequenz angeregt wird, die dann in einem anderen Frequenzbereich ausgewertet wird. In der Meß schaltung kann auch noch eine Ausgabeschnittstelle zur exter nen Anzeige des Spannungs- bzw. Wegmeßsignals vorgesehen wer den.

Bei einer Reglerschaltung nach der Erfindung ist die das fre quenz- und eventuell amplitudenmodulierte Sensorsignal bil dende Hilfsanregungsspannung in einem Frequenzband angeregt, in welchem charakteristische Eigenfrequenzen des piezoelek trischen Aktors liegen. Je deutlicher sich eine Eigenfrequenz im umliegenden Frequenzband durch die Höhe der Meß signalamplitude abhebt, desto einfacher ist die Auswertung. Für jede Bauart und Baugröße können die geeigneten Frequenzen mühelos experimentell bestimmt werden. Bei der Auswertung der belastungsabhängigen Eigenfrequenzverschiebung kann gegebe nenfalls auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, wie z. B. auf die Schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform; FFT), die frequenzselektive Anregung von Schwing kreisen oder die Auswertung der Amplitude über der Frequenz durch einen digitalen Signalprozessor (DSP). Das Sensorsignal kann in der Anregung eines Spannungssprungs, eines Span nungsimpulses oder eines Rauschsignals bestehen, wobei dann die Antwort als Meßsignal ausgewertet wird.

Es sind Systeme mehrerer Sensor/Aktoren möglich, die zwei oder mehr parallel wirkende Sensoren/Aktoren enthalten, die voneinander unabhängig geregelt angesteuert werden können. Bei zwei parallel angeordneten gleichartigen Aktoren kann beispielsweise eine gleichzeitige Ausdehnung beider Aktoren zum parallelen Vorschub und eine Kombination aus Ausdehnung des einen Aktors und gleichzeitiger Verkürzung des anderen Aktors für eine Drehung genutzt werden. Beliebige Kombinatio nen daraus sind ansteuerbar.

Durch den Betrieb von mehr als zwei parallel oder räumlich angeordneten, miteinander direkt oder über Zwischenglieder verbundenen Aktoren können Stellglieder mit mehreren Frei heitsgraden aufgebaut werden, wobei die Anzahl unabhängiger Freiheitsgrade maximal so hoch wie die Anzahl der Aktoren ist. Als Anwendungsbeispiel kann eine Kombination von sechs räumlich miteinander verkoppelten Aktoren vorgesehen werden, die eine sogenannte Steward-Plattform (= Hexapod) bilden, welche mit dem durch die Erfindung gegebenen Aktor/Sensor- Prinzip erstmals einfach vollgeregelt realisierbar wird.

Im folgenden werden einige besonders vorteilhafte Anwendungs möglichkeiten der Erfindung angegeben.

Piezoelektrische Sensoren/Aktoren nach der Erfindung lassen sich insbesondere im Rahmen einer PKW-Bremsanlage mit einer piezoelektrischen Bremse einsetzen, die auf mindestens einem Sensor/Aktor als Linearvorschub-, Scher- oder Biegeaktor z. B. zum geregelten Verstellen der Bremsbeläge einer Scheiben bremse im Kraftfahrzeug-, aber auch im Eisenbahnbereich be ruht.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht bei Linearantrieben in Feinpositionierungen, beispielsweise in Präzisionsbearbei tungsmaschinen. Hier ist vorrangig eine Kombination des Ak tors bzw. der Aktoren mit einem Elektromotor und/oder gegebe nenfalls mit Getrieben möglich, beispielsweise als Linearak tor oder Drehsteller für Roboterantriebe, Bearbeitungszen tren, Werkzeugmaschinen und dergleichen, wobei der Aktor bzw. die Aktoren nicht als Hauptantrieb eingesetzt sind, sondern dazu dienen, als Ergänzung zum Antriebsmotor zu bremsen bzw. im Stillstand eine Selbsthemmung des Antriebs zu bewirken. Die Selbsthemmung kann dabei über eine mechanisch vorgespann te "Sicherheits"-Bremse vorgenommen werden, die nur durch Be stromung des Aktors bzw. der Aktoren geregelt zu öffnen ist.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung des piezoelektrischen Ak tors nach der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Fein dosierung von Stoffen, insbesondere von Medikamenten im kli nischen Bereich oder bei der Mischung zur Erzeugung von Medi kamentengemischen, z. B. in Apotheken.

Die Erfindung kann auch bei Schwingungsanregungs- und -dämpfungsanordnungen in mechanischen Strukturen benutzt wer den, wie insbesondere bei Flugzeugflügeln, Hubschrauberroto ren, bei Flugzeug-, Eisenbahn- oder PKW-Fahrwerken, bei schwingungsentkoppelten Aufhängungen von Aggregaten, Motoren, Generatoren und Bremsen, bei Gebäudefundamenten und bei Gleisanlagen.

Des weiteren lassen sich Sensor/Aktor-Elemente gemäß der Er findung in vorteilhafter Weise bei Einspritzanlagen, insbe sondere bei solchen, die als Benzin- oder Diesel-Einspritz pumpen für den Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Sta tionärmotorbereich ausgeführt sind, und bei solchen für An wendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich anwen den.

Auch bei Ventilverstellungen sowohl im Feineinstellbereich als auch für hochdynamische Antriebe, wie Ventile beim Ver brennungsmotor, angetrieben durch einen Piezostapel von Akto ren oder durch einen Piezobiege-Aktor, sowie für den Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmotorbereich so wie für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbe reich läßt sich die Erfindung mit Erfolg einsetzen.

Bei Farbspritzsystemen, insbesondere für Druckaufgaben, z. B. der Farbdosierung und dem "Spritzen" bei PC-Schwarzweiß- und Farbdruckern oder bei Lackieraufgaben im Verpackungs-, Druck oder Fahrzeuglackierbereich können Sensor/Aktor-Elemente nach der Erfindung ebenfalls erfolgreich eingesetzt werden.

Eine Gebrauchsmöglichkeit des piezoelektrischen Aktors nach der Erfindung besteht auch bei der Spiegelfeinverstellung, insbesondere um eine oder zwei unabhängige orthogonale Ach sen, beispielsweise für optische Meßgeräte, Strahlablenkungs systeme, Scanner, Laser-Bearbeitungsmaschinen, Dia- oder ähn liche Projektoren sowie Meßaufbauten.

Ebenso ist mit piezoelektrischen Sensor/Aktor-Elementen eine problemlos ausführbare Feineinstellung eines Mikrolinsen arrays oder eines Spiegels zur zweidimensionalen Strahlablen kung möglich, beispielsweise einsetzbar für die adaptive PKW-Scheinwerferverstellung oder in der Lichttechnik für die Gebäude- und Landschaftsbeleuchtung.

In den Fig. 7a und 7b ist noch ein Anwendungsbeispiel der Er findung dargestellt, bei dem zur Bildung einer durch einen piezoelektrischen Aktor bewirkten Strahlauslenkung zwei plan konvexe Linsen L1 und L2 in einem optischen Strahlengang kom biniert sind. Wie Fig. 7a für den noch unausgelenkten Strahl zeigt, liegen die beiden Linsen L1 und L2 mit ihren planen Flächen aufeinander auf. Wie die Fig. 7b zeigt, sind die bei den konvexen Linsen L1 und L2 im Strahlengang gegenüber dem ursprünglichen, gestrichelt dargestellten Zustand gemeinsam nach unten verschoben, was mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktor/Sensor-Element nach der Erfindung ausgeführt wird. Der Strahl wird nach unten abgelenkt. Dies ist auch dann der Fall, wenn nur eine der beiden Linsen L1 und L2 bewegt wird. In der Anordnung zur Linsenverschiebung ist in den Fig. 7a und 7b der Aktor als Zylinder Z schematisiert dargestellt.

Diese Auslenkung funktioniert auch mit mehreren parallel an geordneten Linsen L1 und L2, wie die Fig. 8a und 8b in einem gegenüber den Fig. 7a und 7b erweiterten Anwendungsbeispiel der Erfindung zeigen, bei dem zur Bildung einer durch ein piezoelektrisches Aktor/Sensor-Element bewirkten Strahlaus lenkung ein Feld plankonvexer Linsenpaare in einem optischen Strahlengang liegt. Wie Fig. 8a für den noch unausgelenkten Strahl zeigt, liegen die zwei parallelen, jeweils aus Linsen L1 bzw. L2 bestehenden Linsenfelder F1 und F2 oder Linsen scheiben im Strahlengang, wobei die jeweils gepaarten Linsen L1 und L2 mit ihren planen Flächen aufeinander aufliegen. Die Linsen L1 und L2 eines Paares liegen sich bei unausgelenktem Strahl genau gegenüber. Wie die Fig. 8b zeigt, sind die beiden konvexen Linsenfelder F1 und F2 im Strahlengang gegenüber dem ursprünglichen, gestrichelt dargestellten Zustand gegen einander verschoben, was mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktor/Sensor-Element nach der Erfindung ausgeführt wird. Der Strahl wird nach unten abgelenkt.

Kleine Wege können auch durch Verformung eines Festkörpers zurückgelegt werden. Zur präzisen und schnellen Verformung eines Festkörpers läßt sich ein entsprechend der Erfindung ausgebildetes Aktor/Sensor-Element einsetzen. Die zu bewegen den Massen sind dabei im Vergleich zu einer herkömmlichen Op tik minimal. Der Festkörper besteht aus zwei miteinander ver bundenen durchsichtigen Kunststoff-Linsenfeldern oder -scheiben F1 und F2. Wenn die Anordnung so gewählt wird, wie dies in den Fig. 8a und 8b dargestellt ist, kann eine Verfor mung in nur einer Richtung zu einer relativen Strahlablenkung in einer Richtung führen. Soll der Strahl in zwei Richtungen abgelenkt werden, so müssen die beiden Linsenfelder F1 und F2 in zwei Richtungen gegeneinander bewegt werden.

In Fig. 8a und 8b ist ein Zylinder beispielsweise aus Glas als optisches Medium verwendet. Mittels eines Aktors werden zwei Linsenfelder bzw. zwei Einzel- oder zwei Fresnellinsen gegen einander verschoben. Dabei können die Linsen voneinander ge trennt aufgenommen sein oder aber vorzugsweise in einem Fest körper untergebracht sein. Dadurch ist eine relative Lage in einer Grundstellung beispielsweise ohne eine Strahlablenkung geschaffen.

Bei einer Betätigung des Aktors werden die Linsenfelder ge geneinander verschoben und der Strahl wird dadurch abgelenkt. Da die Linsenfelder bzw. die zwei Einzel- oder die zwei Fres nellinsen besonders einfach in einem derartigen Festkörper zueinander ausgerichtet hergestellt und mit besonders kleinen Wegen große Strahlablenkungen bewirkt werden können, ist die se Anordnung bekannten herkömmlichen Verfahren überlegen.

Bezugszeichenliste

1

bis

4

Piezokeramik, piezokeramisches Einzelelement

10

,

10

',

11

Anschlußfläche

20

,

21

Anschlußfläche

30

,

31

,

40

,

41

Anschlußfläche
F Kraft
F₁

, F₂

Linsenfläche
L₁

, L₂

Linse
U_A

Aktorspannung
U_M

, U_M1

, U_M2

Meßsignalspannung
U_S

, U_S1

, U_S2

Sensorsignalspannung, Hilfsanregungsspannung
Z Zylinder, der einen Aktor schematisiert

Claims

1. Piezoelektrischer Aktor, der als mechanisches Piezokera mikbauteil ausgeführt ist und durch eine daran angelegte elektrische Aktorspannung nach außen eine Kraft abgibt und dadurch verformt wird, gekennzeichnet durch den Betrieb des mechanischen Piezokeramikbauteils (1) als piezoelektrischer Sensor, wozu dem Piezokeramikbauteil zur Messung des Fre quenzverhaltens in Abhängigkeit von der mechanischen Bela stung ein frequenzcodiertes, mono- oder multifrequentes oder frequenzvariables Sensorsignal in Form einer Hilfsanregungs spannung (U_S) aufgeschaltet ist, deren von der mechanischen Belastung abhängiges "Antwort"-Signal entkoppelt von der Ak torspannung (U_A) als Meßsignal (U_M) ausgewertet wird, wobei dieses abgenommene Meßsignal zeitunabhängig ist und sich nur durch die aufgebrachte mechanische Belastung bzw. elektrische Aktorspannung verändert.

2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das gleiche mechanische piezokeramische Bauteil zugleich als Aktor und als Sensor betrieben ist, wozu elek trische und/oder mechanische Maßnahmen vorgesehen sind, wel che zum einen dem piezokeramische Bauteil das Sensorsignal (U_S) zusätzlich zur Aktorspannung (U_A) zuführen und zum ande ren das abgenommene Meßsignal (U_M) von der Aktorspannung ent koppeln.

3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sensorsignal (U_S) additiv auf die Aktor spannung (U_A) aufmoduliert ist.

4. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einer Reihenschaltung mehrerer piezoelek trischer Aktoren das Sensorsignal nur einem dieser Aktoren aufgeschaltet ist und das Meßsignal bevorzugt nur an diesem einen Aktor abgenommen und ausgewertet wird und daß in direk ter Reihenanordnung das Spannungsniveau des Sensor- und Meß signals deutlich unter dem Spannungsniveau der Aktorspannung liegt.

5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Meßsi gnals (U_M) im gleichen Zweig vorgenommen ist, in dem das Sen sorsignal (U_S) angelegt ist.

6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Meßsignals (U_M) an einer zusätzlich auf die Piezokeramik aufgebrachten Hilfs elektrode vorgenommen ist.

7. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Meßsignals (U_M) an einem separaten, mechanisch gekoppelten Piezoelement vor genommen ist.

8. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsmaßnah men darin bestehen, daß das Meßsignal (U_M) von der Aktorspan nung (U_A) durch frequenzselektive Filterung abgenommen wird.

9. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel der Aktorspannung (U_A) unter mittelhoher Betriebslast des Aktors so bemes sen ist, daß er den Pegel des Sensorsignals (U_S) und des Meß signals (U_M) erheblich überschreitet.

10. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zu einem als Aktor betriebenen piezoelektri schen Bauteil ein als Sensor betriebenes piezoelektrisches Bauteil mechanisch getrennt in Reihe angeordnet ist.

11. Mechanische Anordnung und elektrische Beschaltung von mindestens zwei piezoelektrischen Aktoren nach einem der An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb als Sensor und/oder Aktor die mindestens zwei piezokeramischen Bauteile (1, 2) mechanisch in Reihe zu einer Gruppe angeord net sind, daß die elektrische Beschaltung so ausgebildet ist, daß das Sensorsignal (U_S1, U_S2) der Aktorspannung (U_A) diffe rentiell überlagert ist, und daß zur Entkopplung des Meßer gebnisses von der Aktorspannung die Differenz der an den pie zokeramischen Bauteilen erzeugten Meßsignale (U_M1, U_M2) gebil det wird (Fig. 4).

12. Anordnung und Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die eingesetzten piezokeramischen Bauteile (1, 2) bauartgleich sind und daß nach Amplitude und Phase gleich artige Sensorsignale (U_S1, U_S2) angelegt sind.

13. Mechanische Anordnung und elektrische Beschaltung von mindestens zwei piezoelektrischen Aktoren nach einem der An sprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb als Sensor und/oder Aktor die mindestens zwei piezokeramischen Bauteile (1, 2) mechanisch in Reihe zu einer Gruppe angeordnet sind, daß die elektrische Beschaltung so ausgebildet ist, daß die Aktorspannung (U_A) dem Sensorsignal (U_S1) differenti ell überlagert ist, und daß die piezokeramischen Bauteile so angeordnet sind, daß sie sich bei gleicher Aktorspannung gleichartig verhalten, z. B. ausdehnen (Fig. 5).

14. Anordnung und Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die eingesetzten piezokeramischen Bauteile (1, 2) bauartgleich sind.

15. Mechanische Anordnung und elektrische Bechaltung von min destens vier piezoelektrischen Aktoren nach einem der Ansprü che 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb als Sen sor und/oder Aktor die mindestens vier piezokeramischen Bau teile (1, 2, 3, 4) mechanisch in Reihe zu einer Gruppe ange ordnet sind und daß die elektrische Beschaltung unter Verwen dung einer Brückenschaltung so ausgebildet ist, daß das Sen sorsignal (U_S) und die Aktorspannung (U_A) vollständig ge trennt sind (Fig. 6).

16. Anordnung und Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die eingesetzten piezokeramischen Bauteile (1, 2, 3, 4) bauartgleich sind.

17. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch einen Aufbau als Kompensationsschal tung.

18. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Reglerschal tung, beispielsweise zur Kraftregelung.

19. Reglerschaltung unter Verwendung eines piezoelektrischen Aktors nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erzeugung der ein frequenz- und eventuell amplitudenmoduliertes Sensorsignal bildenden Hilfsanregungs spannung und eine Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude, Frequenz und/oder Phase vorgesehen sind.

20. Reglerschaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der ein frequenz- und even tuell amplitudenmoduliertes Sensorsignal bildenden Hilfsanre gungsspannung ein Wobbelgenerator ist.

21. Reglerschaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der ein frequenz- und even tuell amplitudenmoduliertes Sensorsignal bildenden Hilfsanre gungsspannung ein durchstimmbarer Schwingkreis ist.

22. Reglerschaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude und Frequenz so ausgelegt ist, daß sie zur deutli cheren Hervorhebung der Charakteristik des Eigenschwingungs verhaltens einen Vergleich mit dem Sensorsignal ausführt.

23. Reglerschaltung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung aus mindestens einem Sensorsignalein gang, mindestens einem Meßsignaleingang, mindestens einem Komparator zum Vergleich von Sensorsignal und Meßsignal und mindestens einer zur Steuerung der Aktorspannung dienenden Ausgabeschnittstelle besteht.

24. Reglerschaltung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägerfrequenzgenerator vorgesehen ist, der eine in bevorzugter Weise nahe der auszuwertenden Frequenz gelegene Trägerfrequenz generiert, wodurch eine Schwebung zwischen Sensor- bzw. Meßsignal bzw. deren differentiellem Spannungs signal und dem Spannungssignal der Trägerfrequenz angeregt wird, die dann in einem anderen Frequenzbereich ausgewertet wird.

25. Reglerschaltung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßschaltung noch eine Ausgabeschnittstelle zur externen Anzeige des Spannungs- bzw. Wegmeßsignals vorgesehen ist.

26. Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, da durch gekennzeichnet, daß die das frequenz- und eventuell amplitudenmodulierte Sensorsignal bildende Hilfsanregungs spannung in einem Frequenzband angeregt ist, in welchem cha rakteristische Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Aktors liegen.

27. Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, da durch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung der belastungs abhängigen Eigenfrequenzverschiebung auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden kann, wie z. B. die Schnelle Fourier- Transformation (Fast Fourier Transform; FFT), die frequenzse lektive Anregung von Schwingkreisen oder die Auswertung der Amplitude über der Frequenz durch einen digitalen Signalpro zessor (DSP).

28. Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, da durch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal in der Anregung eines Spannungssprungs, eins Spannungsimpulses oder eines Rauschsignals besteht und daß die Antwort als Meßsignal aus gewertet wird.

29. Anordnung mehrerer piezoelektrischer Aktoren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 17 und 18, wobei eine Verwendung in der Schaltung und Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16 oder in der Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 28 möglich ist, gekennzeichnet durch eine Reihenanordnung oder Parallelschaltung einer beliebigen Anzahl von Aktoren.

30. System nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch gleich vie le gleichartige seriell angeordnete Aktoren in parallelen Zweigen.

31. System nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Parallelanordnung von zwei oder mehr piezoelek trischen Aktoren diese Aktoren voneinander unabhängig gere gelt angesteuert sind.

32. System nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei parallel angeordneten gleichartigen Aktoren eine gleich zeitige Ausdehnung beider Aktoren zum parallelen Vorschub und eine Kombination aus Ausdehnung des einen Aktors und gleich zeitiger Verkürzung des anderen Aktors für eine Drehung ge nutzt wird.

33. System nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Kombination von mehr als zwei parallel oder räum lich angeordneten, miteinander direkt oder über Zwischenglie der verbundenen Aktoren Stellglieder mit mehreren Freiheitsgraden aufgebaut werden, wobei die Anzahl unabhängiger Frei heitsgrade maximal so hoch wie die Anzahl der Aktoren ist.

34. System nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von sechs räumlich miteinander verkoppelten Akto ren vorgesehen ist, die eine sogenannte Steward-Plattform (= Hexapod) bilden.

35. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 bei einer piezoelektrischen Brem se, die auf mindestens einem Aktor als Linearvorschub-, Scher- oder Biegeaktor z. B. zum geregelten Verstellen der Bremsbeläge einer Scheibenbremse im Kraftfahrzeug- oder Ei senbahnbereich beruht.

36. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 bei Linearantrieben in Feinpo sitionierungen, z. B. in Präzisionsbearbeitungsmaschinen.

37. Anwendung nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch eine Kombination des Aktors bzw. der Aktoren mit einem Elektromo tor und/oder gegebenenfalls mit Getrieben.

38. Anwendung nach Anspruch 37 als Linearaktor oder Drehstel ler für Roboterantriebe, Bearbeitungszentren, Werkzeugmaschi nen und dergleichen, wobei der Aktor bzw. die Aktoren nicht als Hauptantrieb eingesetzt sind, sondern dazu dienen, als Ergänzung zum Antriebsmotor zu bremsen bzw. im Stillstand ei ne Selbsthemmung des Antriebs zu bewirken.

39. Anwendung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbsthemmung über eine mechanisch vorgespannte "Sicherheits"-Bremse vorgenommen wird, die nur durch Bestro mung des Aktors bzw. der Aktoren geregelt zu öffnen ist.

40. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 zur Feindosierung von Stoffen, insbesondere von Medikamenten im klinischen Bereich oder bei der Mischung von Medikamentengemischen, z. B. in Apotheken.

41. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 bei Schwingungsanregungs- und -dämpfungsanordnungen in mechanischen Strukturen, wie insbe sondere bei Flugzeugflügeln, Hubschrauberrotoren, bei Flug zeug-, Eisenbahn- oder PKW-Fahrwerken, bei schwingungsentkop pelten Aufhängungen von Aggregaten, Motoren, Generatoren und Bremsen, bei Gebäudefundamenten und bei Gleisanlagen.

42. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 bei Einspritzanlagen, insbeson dere bei solchen, die als Benzin- oder Diesel-Einspritzpumpen für den Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmo torbereich ausgeführt sind, und bei solchen für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich.

43. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 bei Ventilverstellungen sowohl im Feineinstellbereich als auch für hochdynamische Antriebe, wie Ventile beim Verbrennungsmotor, angetrieben durch einen Pie zostapel von Aktoren oder durch einen Piezobiege-Aktor, sowie für den Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Statio närmotorbereich sowie für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich.

44. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 bei Farbspritzsystemen, insbe sondere für Druckaufgaben, z. B. der Farbdosierung und dem "Spritzen" bei PC-Schwarzweiß- und Farbdruckern oder bei Lac kieraufgaben im Verpackungs-, Druck oder Fahrzeuglackierbe reich.

45. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 zur Spiegelfeinverstellung ins besondere um eine oder zwei unabhängige orthogonale Achsen, beispielsweise für optische Meßgeräte, Strahlablenkungssy steme, Scanner, Laser-Bearbeitungsmaschinen, Dia- oder ähnli che Projektoren sowie Meßaufbauten.

46. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 für die Feineinstellung eines Mi krolinsenarrays oder eines Spiegels zur zweidimensionalen Strahlablenkung, beispielsweise einsetzbar für die adaptive PKW-Scheinwerferverstellung oder in der Lichttechnik für die Gebäude- und Landschaftsbeleuchtung.

47. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der An sprüche 1 bis 10, 17 und 18 zur Strahlablenkung unter Ver wendung eines oder mehrerer im Strahlengang angeordneter Paa re plankonvexer, jeweils mit ihrer planen Fläche aufeinander liegender Linsen (L1, L2), wobei das Linsenpaar bzw. die in zwei Flächen (F1, F2) liegenden Linsenpaare zu einem Fest körper verbunden sein können und die jeweils ein Paar bilden den Linsen durch den Aktor (Z) gegeneinander in einer Rich tung oder in zwei Richtungen verschoben werden.

48. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 17 und 18, da durch gekennzeichnet, daß er aus einem der Piezokeramik hin sichtlich der physikalischen Eigenschaften ähnlichem Material besteht, bei dem das Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes zu einer Verformung führt.

49. Aktor nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß als Material vor allem magnetostriktive Festkörper, Quarze, Bime tallanordnungen und Werkstoffe, bei denen die Wärmedehnung oder Gefügeumwandlung als aktorischer Effekt genutzt werden (elektrorheologische Flüssigkeiten), in Betracht kommen.