DE10008752B4 - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Ein- oder mehrschichtiger piezoelektrischer Aktor, der durch eine an jede Schicht aus Piezokeramik angelegte Aktorspannung betrieben wird und der mit wenigstens einer der Schichten gleichzeitig als Sensor zur meßtechnischen Erfassung der durch die Aktorspannung ausgelösten Kräfte bzw. Verformungen der Piezokeramik betrieben wird, wobei an die Sensorschicht/en zusätzlich zur angelegten Aktorspannung eine Signalspannungsquelle angeschlossen ist, die als Hilfsanregungsspannung (US) ein frequenzcodiertes, ein mono- oder multifrequentes oder ein frequenzvariables Sensorsignal an die betreffende/n Sensorschicht/en abgibt, und wobei an die Sensorschicht/en außerdem eine Meßschaltung zur Auswertung des Frequenzverhaltens angeschlossen ist, das unter Anwendung des Meßprinzips "Resonator-Kraftwandler", dem die Ausnutzung der Änderung des Materialeigenschwingungsverhaltens bei Krafteinwirkung zu Grunde liegt, anhand eines von der Aktorspannung (UA) entkoppelt abgenommenen Meßsignals (UM) gewonnen wird, das ein das Frequenzverhalten beinhaltendes "Antwort"-Signal auf das Sensorsignal ist.Single or multi-layered piezoelectric actuator which is operated by an actuator voltage applied to each layer of piezoceramic and which is simultaneously operated with at least one of the layers as a sensor for measuring the detection of the actuated by the actuator voltage forces or deformations of the piezoceramic, wherein the sensor layer / s in addition to the applied actuator voltage, a signal voltage source is connected, which emits as auxiliary excitation voltage (U S ) a frequency-coded, a mono- or multifrequent or a frequency-variable sensor signal to the respective sensor layer / s, and wherein the sensor layer / s also a measuring circuit connected to the evaluation of the frequency response, which is based on the measurement principle "Resonator force transducer", the exploitation of the change in the material's own vibration behavior when force is based on a decoupled from the actuator voltage (U A ) measured signal (U M ) is obtained, which is a "response" signal containing the frequency response to the sensor signal.
Description
Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrschichtigen piezoelektrischen Aktor, der durch eine an jede Schicht aus Piezokeramik angelegte Aktorspannung betrieben wird und der mit wenigstens einer der Schichten gleichzeitig als Sensor zur meßtechnischen Erfassung der durch die Aktorspannung ausgelösten Kräfte bzw. Verformungen der Piezokeramik betrieben wird.The The invention relates to a single or multilayer piezoelectric Actuator, created by a piezoceramic layer applied to each layer Actuator voltage is operated and that with at least one of the layers at the same time as a sensor for metrological Detection of the actuated by the actuator voltage forces or deformation of the piezoceramic is operated.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung mechanische Anordnungen, elektrische Beschaltungen und Systeme mit mehreren piezoelektrischen Aktoren, Reglerschaltungen unter Verwendung von piezoelektrischen Aktoren und Anwendungen von piezoelektrischen Aktoren.Furthermore The invention relates to mechanical arrangements, electrical circuits and systems with multiple piezoelectric actuators, regulator circuits using piezoelectric actuators and applications of piezoelectric actuators.
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 piezokeramischer Festkörper verformt, wobei die Verformung proportional zur Spannung ist. Da piezokeramische Aktoren eine „elektromechanische Drift" besitzen, erfordert die Regelung derartiger Aktoren bislang – je nach Aufgabe – eine zusätzliche Weg- und/oder Kraftmessung, da mit ihnen ohne eine derartige Regelung Positionen nur grob gestellt werden können, wobei speziell der Verfahrweg mit relativ großem Fehler behaftet ist.piezoelectric Actuators have a high energy density, a fast response as well as a simple construction. They can be in series or in parallel be operated switched. By applying an electrical voltage becomes a piezoceramic solid deformed, wherein the deformation is proportional to the voltage. There piezoceramic actuators an "electromechanical Drift ", requires the control of such actuators so far - depending on Task - one additional Displacement and / or force measurement, since with them without such a scheme Positions can only be roughly made, especially the travel path with a relatively big mistake is afflicted.
Darüber hinaus legt ein piezokeramischer Aktor üblicherweise nur geringe Verformwege zurück, weshalb eine externe zusätzliche Weg- und/oder Kraftmessung teuer, kompliziert und ungenau ist. Typische Anwendungen sind deswegen derzeit grobe, (hoch)dynamische Stellaufgaben mit hohem Kraftbedarf und kleinen Verstellwegen.Furthermore sets a piezoceramic actuator usually only slight deformation paths back, which is why an external extra Displacement and / or force measurement is expensive, complicated and inaccurate. typical Applications are therefore currently rough, (highly) dynamic positioning tasks with high power requirement and small adjustment paths.
Die
Verwendung einer Piezokeramik als piezoelektrischer Aktor ist beispielsweise
aus
Sollte
eine Piezokeramik als Sensor eingesetzt werden, wie dies z.B. aus
Aus
Aus
Das
Messprinzip eines Resonator-Kraftwandlers ist beispielsweise aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen 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 Regelung des Aktors bei örtlicher Nähe des Sensors problemlos durchzuführen. Darüber hinaus sollen durch die Erfindung vorteilhaft mit Sensorauswertung versehene elektrische Schaltungen und mechanische Anordnungen mit mehreren zusammenwirkenden piezoelektrischen Aktoren, Regelschaltungen, Systeme mit mehreren auch als Sensor wirksamen piezoelektrischen Aktoren und Anwendungsmöglichkeiten für zugleich als Sensor arbeitende piezoelektrische Aktoren angegeben werden.Of the Invention is based on the object, a piezoelectric actuator so educate and shape that he in a use as Sensor independent of time accurate measurement results its piezoforming provides what is then to be exploited Actuator and sensor component to connect and to perform a control of the actuator at local proximity of the sensor easily. In addition, supposedly by the invention advantageously provided with sensor evaluation electrical Circuits and mechanical arrangements with several cooperating piezoelectric actuators, control circuits, systems with several also as a sensor effective piezoelectric actuators and applications for at the same time as a sensor working piezoelectric actuators are specified.
Gemäß der Erfindung, die sich auf einen ein- oder mehrschichtigen piezoelektrischen Aktor der eingangs genannten Art bezieht, ist an eine Sensorschicht/en zusätzlich zur angelegten Aktorspannung eine Signalspannungsquelle angeschlossen, die als Hilfsanregungsspannung ein frequenzcodiertes, ein mono- oder multifrequentes oder ein frequenzvariables Sensorsignal an die betreffende/n Sensorschicht/en abgibt. An die Sensor schicht/en ist außerdem eine Meßschaltung zur Auswertung des Frequenzverhaltens angeschlossen, das unter Anwendung des Meßprinzips "Resonator-Kraftwandler", dem die Ausnutzung der Änderung des Materialeigenschwingungsverhaltens bei Krafteinwirkung zu Grunde liegt, anhand eines von der Aktorspannung entkoppelt abgenommenen Meßsignals gewonnen wird, das ein das Frequenzverhalten beinhaltendes "Antwort"-Signal auf das Sensorsignal ist.According to the invention, which relates to a single- or multi-layer piezoelectric actuator of the type mentioned above, a signal voltage source is connected to a sensor layer (s) in addition to the applied actuator voltage, the auxiliary excitation voltage being a frequency-coded, mono- or multifrequency or frequency-variable sensor signal delivers the relevant sensor layer (s). On the sensor layer / s also a measuring circuit for the evaluation of the frequency response is connected, the application under tion of the measuring principle "resonator force transducer", which is based on the utilization of the change in the material inherent vibration behavior when force is obtained on the basis of a decoupled from the actuator voltage taken measuring signal, which is a frequency behavior containing "response" signal to the sensor signal.
Ein Problem beim Einsatz von Piezokeramik als Sensor lag bisher darin, daß bei relativer Messung von Wegen bzw. Kräften einigermaßen genaue Meßergebnisse nur durch Auswerten der Piezospannung zu erzielen sind. Dieses Problem läßt sich entsprechend dem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip durch eine andere Messung der Piezoverformung umgehen, der ein weiterer 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 mechanische Spannung ist, desto höher liegen die Eigenfrequenzen der Saite. Der analoge Effekt tritt auch bei starren Körpern unter mechanischer Belastung auf; ferner steigen mit wachsender mechanischer Belastung die Eigenfrequenzen proportional an.One Problem with the use of piezoceramic as a sensor was so far, that at Relative measurement of paths or forces reasonably accurate measurement results can only be achieved by evaluating the piezo voltage. This problem let yourself in accordance with the principle underlying the invention bypass another measurement of the piezoforming, another one physical effect is based, namely that of a mechanical Burden dependent Oscillation behavior of the piezoceramic. A similar behavior is for example known from a guitar string, where: the higher the mechanical stress is, the higher are the natural frequencies the string. The analogue effect is lost even with rigid bodies mechanical load on; furthermore, they increase with increasing mechanical Load the natural frequencies proportionally.
Dieser Effekt ist zeitunabhängig. Jeder mechanischen Belastung ist damit eindeutig ein spezifisches Frequenzspektrum zugeordnet. Absolute Messungen sind daher durch Auswerten der aktiv angeregten Eigenfrequenz-Schwingung bzw. des Schwingungsfrequenzspektrums sehr präzise möglich.This Effect is time independent. Any mechanical load is thus clearly a specific one Frequency spectrum assigned. Absolute measurements are therefore through Evaluation of the actively excited natural frequency oscillation or the Vibration frequency spectrum very precise possible.
Hierzu kann der Aktorspannung direkt ein Sensorsignal aufmoduliert 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 Regelung des Aktors lokal durchzuführen, beispielsweise durch eine 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.For this The actuator voltage can be directly modulated on a sensor signal and the actuator voltage can be, for example, by frequency filtering be evaluated. In order to prevent mutual influences, are advantageously actuator voltage and sensor signal voltage separated by circuitry. In addition, it is appropriate to the Sensor locally close to the actuator evaluate and also the regulation of the actuator locally perform, for example, by a regulator circuit which, except that they Performs sensor evaluation, simultaneously controls the actuator voltage. As input receives a such regulator circuit over a signal input a rule, so that they either have a Signal output can also deliver a path or force signal.
Der piezoelektrische Aktor und Sensor nach der Erfindung vereinigt die bekannten elektromechanischen Eigenschaften piezokeramischer Bauelemente, wobei er gleichzeitig als Sensor und als Aktor dient. Der Sensor liefert in diesem System ein belastungsproportionales Absolutsignal, das nicht von der Zeit abhängt. Durch Aufbau eines Regelkreises kann dieses Bauele ment als voll regelbares mechatronisches Linearstellglied mit Sensorrückführung betrieben werden, mit dem sowohl ein weggeregeltes als auch ein kraftgeregeltes bzw. ein weg- und kraftgeregeltes Verhalten erzielt wird.Of the Piezoelectric actuator and sensor according to the invention combines the known electromechanical properties of piezoceramic components, where he also serves as a sensor and actor. The sensor provides a load-proportional absolute signal in this system, that does not depend on time. By building a control loop, this compo can ment as full adjustable mechatronic linear actuator operated with sensor feedback be with both a weggeregeltes as well as a force-controlled or a weg- and force-controlled behavior is achieved.
Zur
Auswertung der Sensorinformation wird noch folgendes ausgeführt:
Die
Information über
die am piezoelektrischen Aktor/Sensor-Stellglied wirkende Kraft und die damit verbundene
Verformung wird aus der Veränderung des
Eigenschwingverhaltens der Piezokeramik ermittelt. Das Eigenschwingverhalten
läßt sich
auf verschiedene Weisen analysieren.
- • Vermessung der Eigenfrequenz und der Dämpfung durch Anregung und Beobachtung der Sprung- und Impulsantwort des Sensors.
- • Anregung mit einer oder mehreren frequenzkonstanten Sinusschwingungen und Beobachtung der Veränderungen von Amplitude und/oder Phase der Antwort.
- • Anregung mit einem Wobbelsignal und Beobachtung der Amplitudenantwort. Vermessung von charakteristischen Merkmalen, wie z.B. steilen Kanten, Maxima, ..., im Amplitudengang.
- • Anregung mit breitbandigem, in idealer Weise weißem Rauschen und Beobachtung der Antwort im Frequenzbereich.
- • Auswertung des Phasenganges.
The information about the force acting on the piezoelectric actuator / sensor actuator and the associated deformation is determined from the change in the natural vibration behavior of the piezoceramic. The natural vibration behavior can be analyzed in different ways.
- • Measurement of the natural frequency and the damping by excitation and observation of the jump and impulse response of the sensor.
- Excitation with one or more frequency-constant sinusoids and observation of the changes in amplitude and / or phase of the response.
- Excitation with a sweep signal and observation of the amplitude response. Measurement of characteristic features, such as steep edges, maxima, ..., in the amplitude response.
- • Excitation with broadband, ideally white noise and observation of the response in the frequency domain.
- • Evaluation of the phase response.
Eine Auswertung im Frequenzbereich kann schaltungstechnisch z.B. durch ein durchstimmbares oder mehrere frequenzkonstante Filter erfolgen, welche die Beurteilung der Amplitude in bestimmten Frequenzbereichen zulassen. Eine andere Möglichkeit ist die Auswertung des Spektrums durch Berechnung der Fou rier-Transfomierten. Hierzu kann beispielsweise ein digitaler Signalprozessor eingesetzt werden, mit dem die Fast-Fourier-Transformation des Antwortsignals berechnet und bewertet wird.A Evaluation in the frequency domain may be circuitically, e.g. by a tunable or multiple frequency constant filter, which the assessment of the amplitude in certain frequency ranges allow. Another possibility is the evaluation of the spectrum by calculation of the Fourier transformers. For this purpose, for example, a digital signal processor used with which the Fast Fourier transform of the response signal is calculated and evaluated.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:The Invention will be further explained below with reference to drawings. It demonstrate:
In
In
Das Abgreifen der Meßsignalspannung UM ist in unterschiedlicher Weise möglich. So kann dies beispielsweise im gleichen Zweig erfolgen, in dem die zusätzliche Hilfsanregungsspannung US angelegt wird; ebenso ist aber auch ein Abgriff an einer zusätzlich auf einer Piezokeramikplatte aufgebrachten Hilfselektrode oder an einem separaten, mechanisch gekoppelten Piezoelement möglich.The tapping of the Meßsignalspannung U M is possible in different ways. For example, this can be done in the same branch in which the additional auxiliary excitation voltage U S is applied; but also a tap on an additionally applied on a piezoceramic plate auxiliary electrode or on a separate, mechanically coupled piezoelectric element is possible.
In
Eine
an den beiden endseitigen Anschlußflächen
Sie
kann genauso wie bei
In
den
Bei
den anschließend
beschriebenen Anordnungen nach den
Hierbei
muß die
Aktorspannung UA so an den Piezostapel angelegt
werden, daß sich
die durch die Aktorspannung UA hervorgerufenen
Verformungen der piezokeramischen Einzelelemente (
Die Kräfte F, deren Betrag veränderlich ist, sind Druckkräfte, 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 beaufschlagen zu können, ohne dadurch ein Umpolarisieren zu riskieren. Nachstehend wird auf diesen Aufbau zurückgegriffen werden, wenngleich die nachfolgend noch vorgestellten Beschaltungen auch auf elektrostriktive Materialien angepaßt werden können, deren Ausdehnung nur vom Betrag, nicht aber vom Vorzeichen der angelegten Aktorspannung UA abhängt.The forces F, the amount of which is variable, are compressive forces, since tensile forces could mechanically destroy the piezoceramic. In conventional ceramic piezo actuators, a mechanical bias is applied to the actuator in order to be able to apply it to similarly high positive and negative voltages, without risking a Umpolarisieren. Hereinafter, this structure will be used, although the circuits presented below can also be adapted to electrostrictive materials, the extent of which depends only on the amount, but not on the sign of the applied actuator voltage U A.
In
der
Dies
erfolgt dadurch, daß der
eine Pol der Aktorspannung UA mit den Anschlußflächen
Bei
der in
In
der
Dies
erfolgt dadurch, daß der
eine Pol der Sensorsignalspannung US1 mit
den Anschlußflächen
In
der
Die
Aktorspannungen UA wirken auf die vier piezokeramischen
Einzelelemente
Um
gleich große
Verformungen wie bei den in den
Die Spannungen US und UA liegen gewöhnlich auf verschieden hohem Niveau. Meist sind die Sensorsignalspannungen US wesentlich geringer als die Aktorspannungen UA, weswegen erstere, also US, auch schon ohne Kompensation, nur einen geringen bis vernachlässigbaren Einfluß auf den Aktor haben.The voltages U S and U A are usually at a different level. Most of the sensor signal voltages US are much lower than the actuator voltages U A , so the former, ie U S , even without compensation, have only a small to negligible influence on the actuator.
Die
vorstehend anhand der
Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich dahingehend erweitern, daß es beispielsweise um eine absolute Längenmessung der Piezokeramik auf Basis der Körperschall-Laufzeitmessung ergänzt werden kann. Dann ist das mechatronische Linearstellglied vollständig kraft-, weg- und spannungsregelbar.The Method according to the invention can be said to that effect expand that for example, an absolute length measurement of the piezoceramic based on the structure-borne sound transit time measurement be supplemented can. Then the mechatronic linear actuator is completely powerful, Distance and voltage controllable.
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist nicht nur bei piezokeramischen Linearaktoren anwendbar, sondern läßt sich auch auf alle anderen Piezoaktoren übertragen, wie beispielsweise auf Biege-, Dreh- oder Schubaktoren.The underlying principle of the invention is not only piezoceramic Linear actuators applicable, but also applies to all others Transfer piezo actuators, such as on bending, turning or pushing actuators.
Es können auch andere Materialien als piezokeramisches Material verwendet werden. Der Aktor/Sensor nach der Erfindung kann aus einem der Piezokeramik hinsichtlich der physikalischen 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, Bimetallanordnungen und Werkstoffe, bei denen die Wärmedehnung oder Gefügeumwandlung als aktorischer Effekt genutzt werden (elektrorheologische Flüssigkeiten), in Betracht.It can also uses other materials than piezoceramic material become. The actuator / sensor according to the invention can be made of one of the piezoceramics exist in terms of the physical properties of similar material, in which the application of an electrical voltage or an electrical Current leads to a deformation. Magnetostrictive solids, quartz, Bimetallic arrangements and materials where the thermal expansion or structural transformation used as an actoric effect (electrorheological fluids), into consideration.
Im folgenden werden Ausführungsmöglichkeiten und Weiterbildungen der Erfindung erläutert. Darüber hinaus sind noch vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen, Reglerausführungen und Anwendungsmöglichkeiten in den Ansprüchen angegeben.in the following are execution options and further developments of the invention explained. In addition, are still advantageous and appropriate further education, Type of control and applications in the claims specified.
Bei einer Reihenschaltung mehrerer piezoelektrischer Aktoren kann in einer Variante das Sensorsignal nur einem dieser Aktoren aufgeschaltet werden, wobei das Meßsignal bevorzugt nur an diesem einen Aktor abgenommen und ausgewertet wird. Damit kann in direkter Reihenanordnung das Spannungsniveau des Sensor- und Meßsignals deutlich unter dem Spannungsniveau der Aktorspannung liegen.at a series connection of a plurality of piezoelectric actuators can in a variant, the sensor signal is switched only one of these actuators, wherein the measurement signal preferably only at this one actuator removed and evaluated. Thus, in direct series arrangement, the voltage level of the sensor and measuring signal significantly below the voltage level of the actuator voltage.
Die Pegel der Aktorspannung können bei einem unter mittelhoher Betriebslast arbeitenden Aktor vorteilhaft so bemessen werden, daß sie gegenüber dem Pegel der Sensorsignalspannung und der Meßsignalspannung deutlich höher liegen.The Level of the actuator voltage can advantageous for a working under medium operating load actuator be sized so that they compared to the Level of the sensor signal voltage and the Meßsignalspannung are significantly higher.
Es kann eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Aktoren in Form einer Reihenanordnung oder Parallelschaltung einer beliebigen Anzahl von Sensoren/Aktoren vorgesehen werden, wobei bevorzugte Bauformen gleich viele gleichartige seriell angeordnete Aktoren in parallelen Zweigen aufweisen Piezoelektrische Aktoren nach der Erfindung lassen sich in vorteilhafter Weise zum Aufbau einer Reglerschaltung, beispielsweise zur Kraftregelung, vorsehen, was im folgenden erläutert werden soll.It may be an arrangement of a plurality of piezoelectric actuators in the form of a series arrangement or parallel connection of any number of Sensors / actuators are provided, wherein preferred designs have the same number of similar serially arranged actuators in parallel branches Piezoelectric actuators according to the invention can be advantageously for the construction of a regulator circuit, for example, for force control, provide what will be explained below.
In einer solchen Reglerschaltung sind bevorzugt eine Einrichtung zur Erzeugung der ein frequenz- und eventuell amplitudenmoduliertes Sensorsignal bildenden Hilfsanregungsspannung und eine Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude und Frequenz vorgesehen. Die Einrichtung zur Erzeugung 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 Eigenschwingungsverhaltens einen Vergleich mit dem Sensorsignal ausführt.In Such a regulator circuit is preferably a device for Generation of a frequency and possibly amplitude modulated Sensor signal forming auxiliary excitation voltage and a measuring circuit for evaluation of the measuring signal provided according to amplitude and frequency. The device for production the frequency and possibly amplitude modulated sensor signal forming auxiliary excitation voltage is preferably a wobble generator or a tunable resonant circuit. The measuring circuit for evaluating the Measuring signal after Amplitude and frequency is expediently designed so that they clearer emphasis on the characteristic of the natural vibration behavior performs a comparison with the sensor signal.
Die Meßschaltung besteht aus mindestens einem Sensorsignaleingang, mindestens einem Meßsignaleingang, mindestens einem Komparator zum Vergleich von Sensorsignal und Meßsignal und mindestens einer zur Steuerung der Aktorspannung dienenden Ausgabeschnittstelle. Es kann ein Trägerfrequenzgenerator vorgesehen werden, der eine in bevorzugter Weise nahe der auszuwertenden Frequenz gelegene Trägerfre quenz 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 Meßschaltung kann auch noch eine Ausgabeschnittstelle zur externen Anzeige des Spannungs- bzw. Wegmeßsignals vorgesehen werden.The measuring circuit consists of at least one sensor signal input, at least one measuring signal input, at least one comparator for comparing the sensor signal and the measurement signal and at least one output interface for controlling the actuator voltage. It can be a carrier frequency generator be provided, the one to be evaluated in a preferred manner close to the Frequency carrier frequency generated, whereby a beating between sensor or measuring signal or their differential voltage signal and the voltage signal of the carrier frequency is stimulated, which is then evaluated in a different frequency range becomes. In the measuring circuit can also have an output interface for external display of the voltage or Wegmeßsignals be provided.
Bei einer Reglerschaltung nach der Erfindung ist die das frequenz- und eventuell amplitudenmodulierte Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung in einem Frequenzband angeregt, in welchem charakteristische Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Aktors liegen. Je deutlicher sich eine Eigenfrequenz im umliegenden Frequenzband durch die Höhe der Meßsignalamplitude 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 gegebenenfalls auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, wie z.B. auf die Schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform; FFT), die frequenzselektive Anregung von Schwingkreisen oder die Auswertung der Amplitude über der Frequenz durch einen digitalen Signalprozessor (DSP). Das Sensorsignal kann in der Anregung eines Spannungssprungs, eines Spannungsimpulses oder eines Rauschsignals bestehen, wobei dann die Antwort als Meßsignal ausgewertet wird.at a regulator circuit according to the invention is the frequency and possibly amplitude-modulated sensor signal forming auxiliary excitation voltage excited in a frequency band in which characteristic natural frequencies lie of the piezoelectric actuator. The clearer a natural frequency in the surrounding frequency band by the height of Meßsignalamplitude stands out, the the evaluation is easier. For each type and size can suitable frequencies effortlessly be determined experimentally. In the evaluation of the load-dependent natural frequency shift Optionally, known methods may be used, e.g. Fast Fourier Transform (Fast Fourier Transform; FFT), the frequency-selective excitation of oscillating circuits or the Evaluation of the amplitude over the frequency through a digital signal processor (DSP). The sensor signal can be in the excitation of a voltage jump, a voltage pulse or a noise signal, in which case the response as a measurement signal is evaluated.
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 Kombinationen daraus sind ansteuerbar.It Systems of several sensors / actuators are possible, two or more in parallel Acting sensors / actuators contain independently controlled can be controlled. In the case of two similar actuators arranged in parallel, for example a simultaneous expansion of both actuators for parallel feed and a combination of expansion of the one actor and simultaneous shortening of the other actor for a turn can be used. Any combinations of these are controllable.
Durch den Betrieb von mehr als zwei parallel oder räumlich angeordneten, miteinander direkt oder über Zwischenglieder verbundenen Aktoren können Stellglieder mit mehreren Freiheitsgraden 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.By the operation of more than two parallel or spatially arranged, with each other directly or via Intermediate links associated actuators can actuators with multiple Degrees of freedom are built, the number of independent degrees of freedom maximum as high as the number of actuators. As an application example can couple a combination of six spatially Actuators are provided, which is a so-called steward platform (= Hexapod), which with the given by the invention Actuator / sensor principle for the first time simply fully realizable becomes feasible.
Im folgenden werden einige besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung angegeben.in the Following are some particularly advantageous applications of the invention.
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 Scheibenbremse im Kraftfahrzeug-, aber auch im Eisenbahnbereich beruht.piezoelectric Sensors / actuators according to the invention can be particularly in Frame of a car brake system with a piezoelectric brake used on at least one sensor / actuator as Linearvorschub-, Shearing or bending actuator e.g. for controlled adjustment of the brake pads Disc brake in motor vehicle, but also in the railway sector based.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht bei Linearantrieben in Feinpositionierungen, beispielsweise in Präzisionsbearbeitungsmaschinen. Hier ist vorrangig eine Kombination des Aktors bzw. der Aktoren mit einem Elektromotor und/oder gegebenenfalls mit Getrieben möglich, beispielsweise als Linearaktor oder Drehsteller für Roboterantriebe, Bearbeitungszentren, 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 vorgespannte "Sicherheits"-Bremse vorgenommen werden, die nur durch Bestromung des Aktors bzw. der Aktoren geregelt zu öffnen ist.A further possible use exists in linear actuators in fine positioning, for example in precision machining machines. Here, priority is a combination of the actuator or the actuators with an electric motor and / or possibly with transmissions possible, for example as a linear actuator or turntable for robot drives, machining centers, Machine tools and the like, wherein the actuator or the actuators are not used as the main drive, but serve as complement to brake the drive motor or at standstill self-locking to effect the drive. The self-locking can be done via a mechanical preloaded "safety" brake made be regulated only by energizing the actuator or the actuators to open is.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Feindosierung von Stoffen, insbesondere von Medikamenten im klinischen Bereich oder bei der Mischung zur Erzeugung von Medikamentengemischen, z.B. in Apotheken.A further advantageous application of the piezoelectric actuator according to The invention consists in the possibility the fine dosing of substances, especially of drugs in the clinical area or in the mixture for generating drug mixtures, e.g. in pharmacies.
Die Erfindung kann auch bei Schwingungsanregungs- und -dämpfungsanordnungen in mechanischen Strukturen benutzt werden, wie insbesondere bei Flugzeugflügeln, Hubschrauberrotoren, bei Flugzeug-, Eisenbahn- oder PKW-Fahrwerken, bei schwingungsentkoppelten Aufhängungen von Aggregaten, Motoren, Generatoren und Bremsen, bei Gebäudefundamenten und bei Gleisanlagen.The The invention can also be applied to vibration excitation and damping arrangements be used in mechanical structures, such as in particular Aircraft wings, Helicopter rotors, in aircraft, railway or passenger car chassis, with vibration-decoupled suspensions of aggregates, motors, generators and brakes, in building foundations and at railway tracks.
Des weiteren lassen sich Sensor/Aktor-Elemente gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise bei Einspritzanlagen, insbesondere bei solchen, die als Benzin- oder Diesel-Einspritzpumpen für den Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmotorbereich ausgeführt sind, und bei solchen für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich anwenden.Of further can be sensor / actuator elements according to the invention in an advantageous In the case of injection systems, in particular those or diesel injection pumps for the motor vehicle, ship, aircraft and stationary engine area accomplished are, and at such for Apply applications in the chemical, power plant and plant area.
Auch bei Ventilverstellungen sowohl im Feineinstellbereich als auch für hochdynamische Antriebe, wie Ventile beim Verbrennungsmotor, angetrieben durch einen Piezostapel von Aktoren oder durch einen Piezobiege-Aktor, sowie für den Kraft fahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmotorbereich sowie für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich läßt sich die Erfindung mit Erfolg einsetzen.Also for valve adjustments both in the fine adjustment range and for highly dynamic Drives, such as valves in internal combustion engines, powered by a piezo stack of actuators or a piezo-bending actuator, also for the force vehicle, ship, aircraft and stationary engine area as well for applications in the chemical, power plant and equipment sector, the invention can be successfully deploy.
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.at Paint spraying systems, in particular for printing tasks, e.g. the color dosage and the "splash" in PC black and white and color printers or for painting jobs in packaging, printing or vehicle painting can Sensor / actuator elements according to the invention also used successfully become.
Eine Gebrauchsmöglichkeit des piezoelektrischen Aktors nach der Erfindung besteht auch bei der Spiegelfeinverstellung, insbesondere um eine oder zwei unabhängige orthogonale Achsen, beispielsweise für optische Meßgeräte, Strahlablenkungssysteme, Scanner, Laser-Bearbeitungsmaschinen, Dia- oder ähnliche Projektoren sowie Meßaufbauten.A use possibility the piezoelectric actuator according to the invention is also in the Mirror fine adjustment, in particular by one or two independent orthogonal Axes, for example optical measuring instruments, beam deflection systems, Scanners, laser processing machines, slide or similar projectors as well as measuring setups.
Ebenso ist mit piezoelektrischen Sensor/Aktor-Elementen eine problemlos ausführbare Feineinstellung eines Mikrolinsenarrays oder eines Spiegels zur zweidimensionalen Strahlablenkung möglich, beispielsweise einsetzbar für die adaptive PKW-Scheinwerferverstellung oder in der Lichttechnik für die Gebäude- und Landschaftsbeleuchtung.As well is a problem with piezoelectric sensor / actuator elements executable Fine adjustment of a microlens array or a mirror for two-dimensional beam deflection possible, for example, used for the adaptive car headlight adjustment or in the lighting technology for the building and Landscape lighting.
In
den
Diese
Auslenkung funktioniert auch mit mehreren parallel angeordneten
Linsen L1 und L2, wie die
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 bewegenden Massen sind dabei im Vergleich zu einer
herkömmlichen
Optik minimal. Der Festkörper
besteht aus zwei miteinander verbundenen durchsichtigen Kunststoff-Linsenfeldern
oder -scheiben F1 und F2. Wenn die Anordnung so gewählt wird,
wie dies in den
In
Bei einer Betätigung des Aktors werden die Linsenfelder gegeneinander verschoben und der Strahl wird dadurch abgelenkt. Da die Linsenfelder bzw. die zwei Einzel- oder die zwei Fresnellinsen besonders einfach in einem derartigen Festkörper zueinander ausgerichtet hergestellt und mit besonders kleinen Wegen große Strahlablenkungen bewirkt werden können, ist diese Anordnung bekannten herkömmlichen Verfahren überlegen.at an operation of the actuator, the lens fields are shifted against each other and the beam is thereby deflected. Since the lens fields or the two single or two Fresnel lenses particularly easy in one such solid Made aligned with each other and with particularly small ways size Beam deflections can be effected, this arrangement is known usual Process superior.
- 1 bis 41 to 4
- Piezokeramik, piezokeramisches EinzelelementPiezoceramic, Piezoceramic single element
- 10, 10', 1110 10 ', 11
- Anschlußflächepad
- 20, 21,20 21
- Anschlußflächepad
- 30, 31, 40, 4130 31, 40, 41
- Anschlußflächepad
- F F
- Kraftforce
- F1, F2 F 1 , F 2
- Linsenflächelens surface
- L1, L2 L 1 , L 2
- Linselens
- UA U A
- Aktorspannungactuator voltage
- UM, UM1, UM2 U M , U M1 , U M2
- Meßsignalspannungmeasured signal
- US, US1, US2 U S , U S1 , U S2
- Sensorsignalspannung, HilfsanregungsspannungSensor signal voltage Auxiliary excitation voltage
- ZZ
- Zylinder, der einen Aktor schematisiertCylinder, which schematized an actor
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