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.

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Figure 00000001

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 US 5,473,214 A bekannt.The use of a piezoceramic as a piezoelectric actuator is for example off US 5,473,214 A known.

Sollte eine Piezokeramik als Sensor eingesetzt werden, wie dies z.B. aus US 4,831,304 A und US 4,835,436 A bekannt ist, so ergibt eine von außen aufgebrachte Verformung eine elektrische 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 Meßaufgaben sind deswegen dynamische Messungen, die allerdings mit relativ großen Ungenauigkeiten verbunden sind.If a piezoceramic is used as a sensor, as for example US 4,831,304 A and US 4,835,436 A is known, then results from an externally applied deformation an electrical voltage on the ceramic body. If the applied force or deformation remains constant, however, it is practically impossible to measure a proportional voltage signal, since this voltage is reduced again by the internal resistance of the measuring electronics and the piezoceramic. Typical measurement tasks are therefore dynamic measurements, which, however, are associated with relatively large inaccuracies.

Aus DE 31 03 061 A1 , DE 32 41 601 A1 sowie aus WO 98/3740 A1 sind Aktoren mit einem Piezokeramik-Plattenstapel mit wenigstens einer Piezoscheibe bekannt, bei denen zur Überwachung der Kräfte oder des Auslenkverhaltens des Aktors oder aber auch zur Gewinnung von Steuer- und Regelgrößen wenigstens ei- ne Piezoscheibe des Stapels zumindest teilweise als Meßsensor verwendet wird.Out DE 31 03 061 A1 . DE 32 41 601 A1 and WO 98/3740 A1 actuators with a piezoceramic plate stack with at least one piezoelectric disc are known in which for monitoring the forces or the Auslenkverhaltens of the actuator or to obtain control and controlled variables at least one piezoelectric disk of the stack at least partially is used as a measuring sensor.

Aus DE 198 04 196 A1 ist bekannt, piezomechanische Systeme hinsichtlich ihres Schwing- und Frequenzverhaltens zu diagnostizieren, wobei eine Schwellenwertabfrage eines Piezosignals durchgeführt wird. Ein Ausgangssignal wird dann verändert, wenn vom Piezosignal ein Schwellenwert über- oder unterschritten wird.Out DE 198 04 196 A1 It is known to diagnose piezo-mechanical systems with regard to their oscillation and frequency behavior, wherein a threshold value query of a piezoelectric signal is performed. An output signal is then changed if the piezo signal exceeds or falls below a threshold value.

Das Messprinzip eines Resonator-Kraftwandlers ist beispielsweise aus DE 30 13 185 A1 , US 3 479 536 A sowie US 3 470 400 A bekannt; hierbei wird in diesen Druckschriften die Verwendung eines Piezoelements als Schwinger zu diesem Zweck beschrieben. Zur Kraftmessung werden piezoelektrische Quarzresonatoren verwendet, die von einem Oszillator über Metallelektroden die notwendige Schwingungsenergie erhalten und deren wiederum am Oszillator abzunehmende Schwingfrequenz proportional zu jeweils von außen an das Piezoelement angelegten Kraft ist.The measuring principle of a resonator force transducer is for example off DE 30 13 185 A1 . US 3 479 536 A such as US Pat. No. 3,470,400 known; In this case, the use of a piezoelectric element is described as a vibrator for this purpose in these publications. To measure force piezoelectric quartz resonators are used, which receive the necessary vibration energy from an oscillator via metal electrodes and their turn to be taken on the oscillator oscillation frequency is proportional to each applied externally to the piezoelectric element force.

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.
To evaluate the sensor information, the following is executed:
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:

1 das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Aktors anhand einer in einem Bild zusammengefaßten mechanischen Anordnung und deren Beschaltung; 1 the functional principle of a piezoelectric actuator based on a summarized in a picture mechanical arrangement and its wiring;

2 das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Sensors anhand einer in einem Bild zusammengefaßten mechanischen Anordnung und deren Beschaltung; 2 the functional principle of a piezoelectric sensor based on a summarized in a picture mechanical arrangement and its wiring;

3 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor ohne Kompensation; 3 the mechanical arrangement and wiring of a component combination of piezoelectric actuator and sensor without compensation;

4 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch eine differentiell aufgeschaltete Sensorsignalspannung; 4 the mechanical arrangement and wiring of a component combination of piezoelectric actuator and sensor with compensation by a differentially applied sensor signal voltage;

5 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch differentielle Aufschaltung der Aktorspannung; 5 the mechanical arrangement and wiring of a component combination of piezoelectric actuator and sensor with compensation by differential connection of the actuator voltage;

6 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit vollständiger Trennung von Sensorsi gnal und Aktorspannung mittels einer Brückenschaltung; 6 the mechanical arrangement and wiring of a component combination of piezoelectric actuator and sensor with complete separation of Sensorsi signal and actuator voltage by means of a bridge circuit;

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 7a and 7b an application example of the invention, in which are combined to form a caused by a piezoelectric actuator beam deflection two plano-convex lenses in an optical beam path, and

8a und 8b ein gegenüber den 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. 8a and 8b one opposite the 7a and 7b extended application example of the invention, in which a field of plano-convex lens pairs in an optical beam path is to form a caused by a piezoelectric actuator beam deflection.

In 1 ist das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Aktors dargestellt. An den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' einer Piezokeramik 1 wird eine Aktorspannung UA zugeführt. Die von der Piezokeramik 1 nach außen an ihren beiden Endflächen abgegebene Kraft F ist zur Aktorspannung UA proportional. Bei konstanter Kraft F ist die Aktorspannung UA proportional zur Längenänderung der Piezokeramik 1. Die Aktorspannung UA ist nach Betrag und Vorzeichen veränderlich.In 1 is the principle of operation of a piezoelectric actuator shown. At the two end connection surfaces 10 and 10 ' a piezoceramic 1 an actuator voltage U A is supplied. The of the piezoceramic 1 externally output at its two end faces force F is proportional to the actuator voltage U A. At a constant force F, the actuator voltage U A is proportional to the change in length of the piezoceramic 1 , The actuator voltage U A is variable according to magnitude and sign.

In 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 endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' abgenommene Meßsignalspannung UM verändert sich bei gleichbleibender Sensoranregung durch eine Hilfsanregungsspannung US in Abhängigkeit von der von außen auf die Piezokeramik 1 wirkenden Kraft F. Die zusätzliche, das Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung US wird an die beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' zum Messen des Frequenzverhaltens der Piezokeramik 1 angelegt. Sie kann in Abhängigkeit von der jeweils angewandten Meßmethode beispielsweise eine Pulsspannung, ein Rauschsignal oder eine irgendwie geartete Wechselspannung mit gegebenenfalls veränderlicher Frequenz sein.In 2 is the principle of operation of a piezoelectric sensor shown. Here, a force F acts from the outside on the end faces of the piezoceramic 1 , One at the two end connection surfaces 10 and 10 ' With the sensor excitation unchanged, the measured signal voltage U M changes due to an auxiliary excitation voltage U S as a function of the externally applied piezoceramic 1 acting force F. The additional, the sensor signal forming auxiliary excitation voltage U S is at the two end-side pads 10 and 10 ' for measuring the frequency behavior of the piezoceramic 1 created. Depending on the measuring method used in each case, it can be, for example, a pulse voltage, a noise signal or any kind of alternating voltage with a possibly variable frequency.

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 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 UA zugeführt. Die von der Piezokeramik 1 nach außen an ihren beiden Endflächen abgegebene Kraft F ist zur Aktorspannung UA proportional. Bei konstanter Kraft F ist die Aktorspannung UA proportional zur Längenänderung der Piezokeramik 1. Die Aktorspannung UA ist nach Betrag und Vorzeichen veränderlich.In 3 is the mechanical arrangement and wiring of a component combination of piezoelectric actuator and sensor shown without compensation. This is a minimal arrangement of a sensory actuator, without a compensation circuit is provided. At the two end connection surfaces 10 and 10 ' the piezoceramic 1 the actuator voltage U A is supplied. The of the piezoceramic 1 externally output at its two end faces force F is proportional to the actuator voltage U A. At a constant force F, the actuator voltage U A is proportional to the change in length of the piezoceramic 1 , The actuator voltage U A is variable according to magnitude and sign.

Eine an den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' von der Aktorspannung UA abgenommene Meßsignalspannung UM verändert sich bei gleichbleibender Sensoranregung durch eine Hilfsanregungsspannung US in Abhängigkeit von der von außen auf die Piezokeramik 1 wirkenden Kraft F. Die das Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung US wird an die beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' zum Messen des Frequenzverhaltens der Piezokeramik 1 angelegt. In dem Funktionsprinzip nach 2 sowie der Anordnung nach 3 ist die Aktorspannung UA nicht von der Hilfsanordnungsspannung US bzw. der Meßssignalspannung UM entkoppelt. In 2 und 3 sind zwar getrennte Elektroden vorgesehen, mechanisch sind jedoch alle Elektroden gleich und damit auch alle elektrischen Wege gleich belastet, d.h. verkoppelt.One at the two end connection surfaces 10 and 10 ' From the actuator voltage U A removed measuring signal voltage U M changes with constant sensor excitation by an auxiliary excitation voltage U S as a function of the outside of the piezoceramic 1 acting force F. The auxiliary signal excitation voltage U S forming the sensor signal is applied to the two terminal pads 10 and 10 ' for measuring the frequency behavior of the piezoceramic 1 created. In the principle of operation 2 and the arrangement according to 3 If the actuator voltage U A is not decoupled from the auxiliary arrangement voltage U S or the measurement signal voltage U M. In 2 and 3 Although separate electrodes are provided, but mechanically all electrodes are the same and thus all electrical paths equally burdened, ie coupled.

Sie kann genauso wie bei 2 in Abhängigkeit von der jeweils angewandten Meßmethode beispielsweise eine Pulsspannung, ein Rauschsignal oder eine irgendwie geartete Wechselspannung mit gegebenenfalls veränderlicher Frequenz sein. Das Abgreifen des Meßsignals 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.It can be just like at 2 depending on the particular measuring method used, for example, be a pulse voltage, a noise signal or any kind of alternating voltage with optionally variable frequency. The tapping of the measuring signal 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 den 2 und 3 ist der Meßabgriff zur Abnahme der Meßsignalspannung UM nur schematisch als ein zur Hilfsanregung parallel liegendes Meßinstrument dargestellt, dessen technische Ausführung für prinzipielle Überlegungen unerheblich ist. Die grundsätzliche Entkopplung von Sensor und Aktor, welche dieselbe Piezokeramik 1 verwenden, ist von entscheidender Bedeutung. So soll einerseits die angelegte Hilfsanregungsspannung US nicht zu einer nach außen sichtbaren Verfor mung der Gesamtanordnung führen, andererseits soll die Meßsignalspannung UM frei von Überlagerungen durch die angelegte Aktorspannung UA sein. Dies gilt auch für die nachfolgend beschriebenen Anordnungen.In the 2 and 3 the Meßabgriff for the decrease of the Meßsignalspannung U M is shown only schematically as a parallel to the auxiliary excitation measuring instrument whose technical Aus management is irrelevant to fundamental considerations. The basic decoupling of sensor and actuator, which is the same piezoceramic 1 use is crucial. So on the one hand, the applied auxiliary excitation voltage U S should not lead to an outwardly visible defor determination of the overall arrangement, on the other hand, the measuring signal voltage U M should be free of superimpositions by the applied actuator voltage U A. This also applies to the arrangements described below.

Bei den anschließend beschriebenen Anordnungen nach den 4 bis 6 sind mehrere Piezokeramiken mechanisch in Reihe angeordnet, was im allgemein als Piezostapel bezeichnet wird.In the subsequently described arrangements according to the 4 to 6 several piezoceramics are mechanically arranged in series, which is generally referred to as a piezo stack.

Hierbei muß die Aktorspannung UA so an den Piezostapel angelegt werden, daß sich die durch die Aktorspannung UA hervorgerufenen Verformungen der piezokeramischen Einzelelemente (1 und 2 in den 4 und 5; 1 bis 4 in 6) über den ganzen Stapel summieren, während die Hilfsanregungsspannung US so angelegt werden muß, daß sich die dadurch hervorgerufenen Einzelverformungen über den ganzen Stapel gegenseitig auslöschen.In this case, the actuator voltage U A must be applied to the piezo stack so that caused by the actuator voltage U A deformations of the piezoceramic individual elements ( 1 and 2 in the 4 and 5 ; 1 to 4 in 6 ) throughout the stack, while the auxiliary excitation voltage U S must be applied so that the individual deformations caused thereby over the entire stack cancel each other out.

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 4 ist die mechanische Anordnung und die Beschaltung einer Piezostapel-Bausteinkombination von piezoelektri schem Aktor und Sensor mit Kompensation durch eine differentiell aufgeschaltete Sensorsignalspannung dargestellt. Der Piezostapel besteht in der 4 aus zwei mechanisch in Reihe angeordneten piezokeramischen Einzelelementen 1 und 2. Die endseitige Anschlußfläche 11 des piezokeramischen Einzelelements 1 ist mit der endseitigen Anschlußfläche 20 des piezokeramischen Einzelelements 2 elektrisch und mechanisch unmittelbar verbunden. Die aus zwei Hilfsanregungsspannungen US1 und US2 bestehende Sensorsignalspannung wird der angelegten, die Kraft F außen am Piezostapel erzeugenden Aktorspannung UA differentiell überlagert.In the 4 is the mechanical arrangement and wiring of a piezo stack combination of piezoelectric actuator actuator and sensor shown with compensation by a differentially applied sensor signal voltage. The piezo stack consists in the 4 from two piezoceramic individual elements arranged mechanically in series 1 and 2 , The end connection surface 11 of the piezoceramic single element 1 is with the end-side pad 20 of the piezoceramic single element 2 electrically and mechanically directly connected. The sensor signal voltage consisting of two auxiliary excitation voltages U S1 and U S2 is differentially superimposed on the applied actuator voltage U A which generates the force F on the outside of the piezo stack.

Dies erfolgt dadurch, daß der eine Pol der Aktorspannung UA mit den Anschlußflächen 11 und 20 und der andere Pol mit jeweils einem Pol der Quellen der Hilfsanregungsspannungen US1 und US2 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 Hilfsanregungsspannungen US1 und US2 gleich, so hebt sich die durch sie hervorgerufene Verformung der beiden piezokeramischen Einzelelemente 1 und 2 in der Summe über den Piezostapel auf.This is done by the one pole of the actuator voltage U A with the pads 11 and 20 and the other pole is connected to one pole of each of the sources of the auxiliary excitation voltages U S1 and U S2 , the other pole of which is connected to the end-side pad 10 of the piezoceramic single element 1 or at the end-side pad 21 of the piezoceramic single element 2 connected. If the two auxiliary excitation voltages U S1 and U S2 are the same, then the deformation of the two piezoceramic individual elements caused by them rises 1 and 2 in the sum over the piezostack.

Bei der in 4 dargestellten Anordnung ist die Sensorsignalspannung in Form der Hilfsanregungsspannungen US1 und US2 zur differentiellen Aufschaltung zweimal zu erzeugen. Zur Auswertung muß die Differenz der von der Aktorspannung UA entkoppelt abgenommenen Meßsignalspannungen UM1 und UM2 gebildet werden, um das Meßergebnis von Einflüssen der veränderlichen Aktorspannung UA zu entkoppeln.At the in 4 The arrangement shown is to generate the sensor signal voltage in the form of the auxiliary excitation voltages U S1 and U S2 for differential connection twice. To evaluate the difference of the decoupled from the actuator voltage U A Meßsignalspannungen U M1 and U M2 must be formed to decouple the measurement result of influences of the variable actuator voltage U A.

In der 5 ist die mechanische Anordnung und die Beschaltung einer Piezostapel-Bausteinkombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch differentielle Aufschaltung der Aktorspannung UA dargestellt. Der Piezostapel besteht in der 5 aus zwei mechanisch in Reihe angeordneten piezokeramischen Einzelelementen 1 und 2. Die endseitige 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 Piezostapel erzeugende Aktorspannung UA wird der Sensorsignalspannung US1 differentiell überlagert.In the 5 the mechanical arrangement and the wiring of a piezo stack combination of piezoelectric actuator and sensor with compensation by differential connection of the actuator voltage U A is shown. The piezo stack consists in the 5 from two piezoceramic individual elements arranged mechanically in series 1 and 2 , The end connection surface 11 of the piezoceramic single element 1 and the terminal pad 20 of the piezoceramic single element 2 are electrically and mechanically connected directly. The applied, the force F at the piezo stack generating actuator voltage U A is differentially superimposed on the sensor signal voltage U S1 .

Dies erfolgt dadurch, daß der eine Pol der Sensorsignalspannung US1 mit den Anschlußflächen 11 und 20 und der andere Pol mit jeweils einem Pol der beiden Quellen der Aktorspannung UA 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. Die Aktoren sind so angeordnet, daß sie sich bei gleicher Aktorspannung UA gleichartig verhalten, sich beispielsweise beide ausdehnen. Hierbei beeinflußt die Sensorsignalspannung US1 die Gesamtverformung nicht. Die Meßsignalspannung UM wird parallel liegend zur Sensorsignalspannung US1 entkoppelt von der Aktorspannung UA abgenommen. Bei der in der 5 dargestellten Anordnung sind die Aktorspannungen UA zur differentiellen Aufschaltung zweimal zu erzeugen.This is done by the one pole of the sensor signal voltage U S1 with the pads 11 and 20 and the other pole is connected to one pole of the two sources of the actuator voltage U A , whose other pole at the end-side pad 10 of the piezoceramic single element 1 or at the end-side pad 21 of the piezoceramic single element 2 connected. The actuators are arranged so that they behave the same at the same actuator voltage U A , for example, both expand. Here, the sensor signal voltage US1 does not affect the overall deformation. The measuring signal voltage U M is decoupled in parallel to the sensor signal voltage U S1 decoupled from the actuator voltage U A. When in the 5 arrangement shown are the actuator voltages U A for differential connection twice to produce.

In der 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 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 Anschlußfläche 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 endseitige Anschlußfläche 31 des piezokeramischen Einzelelements 3 und die endseitige Anschlußfläche 40 des piezokeramischen Einzelelements 4 elektrisch und mechanisch unmittelbar miteinander verbunden.In the 6 is the mechanical arrangement and wiring of a piezo stack component combination of piezoelectric actuator and sensor with complete separation of sensor signal and actuator Voltage represented by a bridge circuit. The piezo stack in the 6 consists of four piezoceramic individual elements arranged mechanically in series 1 . 2 . 3 and 4 , There are the first end face 11 of the piezoceramic single element 1 and the terminal pad 20 of the piezoceramic single element 2 , to the second, the terminal pad 21 of the piezoceramic single element 2 and the terminal pad 30 of the piezoceramic single element 3 and third, the end pad 31 of the piezoceramic single element 3 and the terminal pad 40 of the piezoceramic single element 4 electrically and mechanically connected directly.

Die Aktorspannungen UA wirken auf die vier piezokeramischen Einzelelemente 1 bis 4, so daß diese gleiches Verhalten zeigen, sich beispielsweise alle ausdehnen. Die Sensorsignalspannungen US sind so gerichtet, daß sich die Verformungen von je zwei piezokeramischen Einzelelementen 1, 2 bzw. 3, 4 gegenseitig aufheben und somit in ihrer Summe über den gesamten Piezostapel keine Längenänderung bewirken. Bei dieser Anordnung wird vermieden, daß eine der Spannungen doppelt erzeugt werden muß. Es ist auch nur eine Sensorsignalspannung auszuwerten.The actuator voltages U A act on the four piezoceramic individual elements 1 to 4 so that they show the same behavior, for example, all expand. The sensor signal voltages US are directed so that the deformations of two piezoceramic individual elements 1 . 2 respectively. 3 . 4 cancel each other out and thus cause no change in length in their total over the entire piezo stack. In this arrangement, it is avoided that one of the voltages must be generated twice. It is also only a sensor signal voltage to evaluate.

Um gleich große Verformungen wie bei den in den 4 und 5 dargestellten Anordnungen zu erzielen, müssen die anzulegenden Spannungen in der Brückenanordnung doppelt so groß sein, also 2UA und 2US sein, da sie jeweils auf zwei in Serie geschaltete piezokeramische Einzelelemente 1, 2 bzw. 3, 4 wirken. Bei dieser in 6 dargestellten mechanischen Anordnung und elektrischen Beschaltung erfolgt eine vollständige Kompensation aller unerwünschten Einflüsse durch eine innere Verkopplung vom Sensor auf den Aktor, und umgekehrt. Die Meßsignalspannung UM wird in entkoppelter Weise parallel liegend zur Sensorsignalspannung US abgenommen.To the same size deformations as in the in the 4 and 5 To achieve arrangements shown, the voltages to be applied in the bridge arrangement must be twice as large, so be 2U A and 2U S , as they are each connected to two series piezoceramic elements 1 . 2 respectively. 3 . 4 Act. At this in 6 shown mechanical arrangement and electrical wiring is a complete compensation of all unwanted influences by an internal coupling from the sensor to the actuator, and vice versa. The measuring signal voltage U M is removed in a decoupled manner lying parallel to the sensor signal voltage U S.

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 4 bis 6 beschriebenen mechanischen Anordnungen gleichartiger piezokeramischer Elemente mit den dargestellten Beschaltungen sind besonders gut geeignet, um gegenseitige Beeinflussungen von Aktor und Sensor auszugleichen und damit die Auflösung des Linearaktors zu steigern. 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 Signalnachbearbeitung zurückgegriffen werden; es sind auch keine Kompensationstabellen oder ähnliche Hilfswerkzeuge nötig, die eine Regelung stark verlangsamen würden.The above based on the 4 to 6 described mechanical arrangements of similar piezoceramic elements with the circuits shown are particularly well suited to compensate for mutual interference of the actuator and sensor and thus to increase the resolution of the linear actuator. In a purely physical way, a complete electrical and mechanical compensation is achieved here and thus greatly simplifies both the sensor evaluation and the actuator control. Also, there is no need to resort to signal post-processing; There are also no compensation tables or similar auxiliary tools needed that would slow down a scheme greatly.

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 7a und 7b ist noch ein Anwendungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem zur Bildung einer durch einen piezoelektrischen Aktor bewirkten Strahlauslenkung zwei plankonvexe Linsen L1 und L2 in einem optischen Strahlengang kombiniert sind. Wie 7a für den noch unausgelenkten Strahl zeigt, liegen die beiden Linsen L1 und L2 mit ihren planen Flächen aufeinander auf. Wie die 7b zeigt, sind die beiden 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 7a und 7b der Aktor als Zylinder Z schematisiert dargestellt.In the 7a and 7b is still an application example of the invention shown in which two plano-convex lenses L1 and L2 are combined in an optical beam path to form a caused by a piezoelectric actuator beam deflection. As 7a for the still undeflected beam shows, the two lenses L1 and L2 lie with their flat surfaces on each other. As the 7b shows, the two convex lenses L1 and L2 in the beam path relative to the original state shown in dashed lines down together, which is carried out by means of a piezoelectric actuator / sensor element according to the invention. The beam is deflected downwards. This is also the case when only one of the two lenses L1 and L2 is moved. In the arrangement for lens shift is in the 7a and 7b the actuator shown as a cylinder Z schematized.

Diese Auslenkung funktioniert auch mit mehreren parallel angeordneten Linsen L1 und L2, wie die 8a und 8b in einem gegenüber den 7a und 7b erweiterten Anwendungsbeispiel der Erfindung zeigen, bei dem zur Bildung einer durch ein piezoelektrisches Aktor/Sensor-Element bewirkten Strahlauslenkung ein Feld plankonvexer Linsenpaare in einem optischen Strahlengang liegt. Wie 8a für den noch unausgelenkten Strahl zeigt, liegen die zwei parallelen, jeweils aus Linsen L1 bzw. L2 bestehenden Linsenfelder F1 und F2 oder Linsenscheiben 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 8b zeigt, sind die beiden konvexen Linsenfelder F1 und F2 im Strahlengang gegenüber dem ursprünglichen, gestrichelt dargestellten Zustand gegeneinander verschoben, was mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktor/Sensor-Element nach der Erfindung ausgeführt wird. Der Strahl wird nach unten abgelenkt.This deflection also works with several parallel lenses L1 and L2, like the 8a and 8b in one opposite the 7a and 7b show extended application example of the invention, in which for forming a caused by a piezoelectric actuator / sensor element beam deflection is a field plano-convex lens pairs in an optical beam path. As 8a shows for the still undeflected beam, the two parallel, each consisting of lenses L1 and L2 lens fields F1 and F2 or lens discs in the beam path, the paired lenses L1 and L2 with their flat surfaces rest on each other The lenses L1 and L2 of a pair lie exactly opposite with undeflected jet. As the 8b shows, the two convex lens panels F1 and F2 in the beam path relative to the original, dashed state shown shifted from each other, which is carried out by means of a piezoelectric actuator / sensor element according to the invention. The beam is deflected downwards.

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 8a und 8b dargestellt ist, kann eine Verformung 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.Small paths can also be covered by deformation of a solid. For precise and rapid deformation of a solid can be used according to the invention trained actuator / sensor element. The masses to be moved are minimal in comparison to a conventional optics. The solid body consists of two interconnected transparent plastic lens panels or disks F1 and F2. If the arrangement is chosen as in the 8a and 8b As shown, deformation in only one direction can lead to relative beam deflection in one direction. If the beam is to be deflected in two directions, the two lens fields F1 and F2 must be moved in two directions against each other.

In 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 gegeneinander verschoben. Dabei können die Linsen voneinander getrennt aufgenommen sein oder aber vorzugsweise in einem Festkörper untergebracht sein. Dadurch ist eine relative Lage in einer Grundstellung beispielsweise ohne eine Strahlablenkung geschaffen.In 8a and 8b For example, a cylinder made of glass is used as the optical medium. By means of an actuator two lens fields or two single or two Fresnel lenses are shifted from each other. In this case, the lenses may be received separately from each other or preferably housed in a solid. As a result, a relative position is created in a basic position, for example, without a beam deflection.

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

Claims (39)

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. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Reihenschaltung mehrerer piezoelektrischer Schichten die die Hilfsanregungsspannung (US) abgebende Signalspannungsquelle und die Meßschaltung nur an einer Schicht angeschlossen sind.Piezoelectric actuator according to Claim 1, characterized in that, in the case of a series connection of a plurality of piezoelectric layers, the signal voltage source emitting the auxiliary excitation voltage (U S ) and the measuring circuit are connected to only one layer. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsniveau der Signalspannungsquelle und der Meßschaltung deutlich unter dem Spannungsniveau der Aktorspannung liegen.Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized characterized in that Voltage level of the signal voltage source and the measuring circuit clearly are below the voltage level of the actuator voltage. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungsquelle und die Meßschaltung an den gleichen Anschlüssen der Sensorschichten angeschlossen sind.Piezoelectric actuator according to one of the preceding Claims, characterized in that the Signal voltage source and the measuring circuit to the same connections the sensor layers are connected. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung an einer zusätzlich auf die Piezokeramik aufgebrachten Hilfselektrode angeschlossen ist.Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring circuit at an additional connected to the piezoceramic applied auxiliary electrode is. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung an einem separaten, mechanisch gekoppelten Piezoelement angeschlossen ist.Piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring circuit connected to a separate, mechanically coupled piezo element is. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung von der Aktorspannung (UA) durch frequenzselektive Filterung entkoppelt ist.Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring circuit is decoupled from the actuator voltage (U A ) by frequency-selective filtering. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer als Aktor betriebenen piezoelektrischen Schicht eine als Sensor betriebene piezoelektrische Schicht mechanisch getrennt in Reihe angeordnet ist.Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized characterized in that a driven as an actuator piezoelectric layer as a sensor operated piezoelectric layer mechanically separated in series is arranged. Mehrschichtiger piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sensorschichten die die Hilfsanregungsspannung (US) abgebende Signalspannungsquelle derart angeschlossen ist, daß sich die durch die Hilfsanregungsspannung hervorgerufenen Einzelverformungen gegenseitig auslöschen, und daß an die Sensorschichten die Meßschaltung zur Auswertung des Frequenzverhaltens angeschlossen ist.Multilayer piezoelectric actuator according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the signal voltage source which supplies the auxiliary excitation voltage (U S ) is connected to the sensor layers in such a way that the individual deformations caused by the auxiliary excitation voltage cancel each other out, and the measuring circuit is connected to the sensor layers Evaluation of the frequency response is connected. Aktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten piezokeramischen Schichten (1, 2) bauartgleich sind.Actuator according to Claim 9, characterized in that the piezoceramic layers ( 1 . 2 ) are identical in construction. Mehrschichtiger piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß vier piezokeramische Schichten (1, 2, 3, 4) mechanisch in Reihe zu einer Gruppe angeordnet sind und daß eine derart ausgebildete Brückenschaltung vorgesehen ist, daß die Signalspannungsquelle und die Aktorspannung (UA) vollständig getrennt sind, indem sie unterschiedliche Anschlussflächen der piezokeramischen Schichten kontaktieren (6).Multilayer piezoelectric actuator according to claim 9 or 10, characterized in that four piezoceramic layers ( 1 . 2 . 3 . 4 mecha nisch arranged in series to form a group and that a bridge circuit formed in such a way is provided that the signal voltage source and the actuator voltage (U A ) are completely separated by contacting different pads of the piezoceramic layers ( 6 ). Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Reglerschaltung, beispielsweise zur Kraftregelung.Piezoelectric actuator according to one of the preceding Claims, characterized by use in a regulator circuit, for example for force control. Reglerschaltung unter Verwendung eines piezoelektrischen Aktors nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungsquelle einen Wobbelgenerator oder einen durchstimmbaren Schwingkreis enthält.Regulator circuit using a piezoelectric Actuator according to Claim 12, characterized in that the signal voltage source contains a sweep generator or a tunable resonant circuit. Reglerschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude und Frequenz so ausgelegt ist, daß sie zur deutlicheren Hervorhebung der Charakteristik des Eigenschwingungsverhaltens einen Vergleich mit dem Sensorsignal ausführt.Regulator circuit according to Claim 13, characterized that the measuring circuit for evaluation of the measuring signal according to amplitude and frequency is designed so that they are more prominent the characteristic of the natural vibration behavior a comparison with the sensor signal. Reglerschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung 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 besteht.Regulator circuit according to Claim 14, characterized that the measuring circuit from at least one sensor signal input, at least one measurement 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 consists. Reglerschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungsquelle einen Trägerfrequenzgenerator aufweist, 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.Regulator circuit according to Claim 15, characterized that the Signal voltage source, a carrier frequency generator having one to be evaluated in a preferred manner near 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. Reglerschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßschaltung noch eine Ausgabeschnittstelle zur externen Anzeige des Spannungs- bzw. Wegmeßsignals vorgesehen ist.Regulator circuit according to Claim 15, characterized that in the measuring circuit another output interface for external display of the voltage or Wegmeßsignals is provided. Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die das frequenz- und eventuell amplitudenmodulierte Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung in einem Frequenzband angeregt ist, in welchem charakteristische Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Aktors liegen.Regulator circuit according to one of claims 13 to 17, characterized in that the the frequency and possibly amplitude modulated sensor signal forming Auxiliary excitation voltage is excited in a frequency band, in which characteristic natural frequencies of the piezoelectric actuator are. Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung der belastungsabhängigen Eigenfrequenzverschiebung auf bekannte Verfahren zurückgegriffen wird, wie z.B. 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).Regulator circuit according to one of claims 13 to 18, characterized in that at the evaluation of the load-dependent Natural frequency shift resorted to known methods is such. Fast Fourier Transformation (Fast Fourier Transform; FFT), the frequency-selective excitation of oscillating circuits or the evaluation of the amplitude over the frequency by a digital signal processor (DSP). Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungsquelle eine Hilfsanregungsspannung als Sensorsignal abgibt, das in der Anregung eines Spannungssprungs, eines Spannungsimpulses oder eines Rauschsignals besteht, und daß die Antwort in der Meßschaltung ausgewertet wird.Regulator circuit according to one of claims 13 to 19, characterized in that the Signal voltage source an auxiliary excitation voltage as a sensor signal in the excitation of a voltage jump, a voltage pulse or a noise signal, and that the response in the measuring circuit is evaluated. System mit mehreren piezoelektrischen Aktoren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Verwendung in der Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 20 möglich ist, gekennzeichnet durch gleich viele gleichartige seriell angeordnete Aktoren in parallelen Zweigen.System with several piezoelectric actuators after one of the claims 1 to 12, wherein a use in the regulator circuit after a the claims 13 to 20 possible is characterized by the same number of similar serially arranged actuators in parallel branches. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Parallelanordnung von zwei oder mehr piezoelektrischen Aktoren diese Aktoren voneinander unabhängig geregelt angesteuert sind.System according to claim 21, characterized that at a parallel arrangement of two or more piezoelectric actuators these actors are independent of each other controlled are controlled. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei parallel angeordneten gleichartigen Aktoren 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 wird.System according to claim 22, characterized in that that at two parallel arranged similar actuators a simultaneous Extension of both actuators to parallel feed and a combination from extension of the one actor and simultaneous shortening of the another actor for one Rotation is used. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Kombination von mehr als zwei parallel oder räumlich angeordneten, miteinander direkt oder über Zwischenglieder verbundenen Aktoren Stellglieder mit mehreren Freiheitsgraden aufgebaut werden, wobei die Anzahl unabhängiger Freiheitsgrade maximal so hoch wie die Anzahl der Aktoren ist.System according to claim 22, characterized in that that by a combination of more than two arranged in parallel or spatially, with each other directly or via Intermediate links connected actuators actuators constructed with multiple degrees of freedom where the number of independent degrees of freedom maximum as high as the number of actuators. System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von sechs räumlich miteinander verkoppelten Aktoren vorgesehen ist, die eine sogenannte Steward-Plattform (= Hexapod) bilden.System according to claim 24, characterized that one Combination of six spatially Coupled actuators are provided, which is a so-called steward platform (= Hexapod) form. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einer piezoelektrischen Bremse, die auf mindestens einem Aktor als Linearvorschub-, Scher- oder Biegeaktor z.B. zum geregelten Verstellen der Bremsbeläge einer Scheibenbremse im Kraftfahrzeug- oder Eisenbahnbereich beruht.Application of the piezoelectric actuator after a of the preceding claims in a piezoelectric brake acting on at least one actuator as linear feed, shear or Bending reactor e.g. for controlled adjustment of the brake pads Disc brake based in the automotive or railway sector. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 bei Linearantrieben in Feinpositionierungen, z.B. in Präzisionsbearbeitungsmaschinen.Application of the piezoelectric actuator according to one of claims 1 to 25 in linear drives in fine positioning, eg in precision machining. Anwendung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine Kombination des Aktors bzw. der Aktoren mit einem Elektromotor und/oder gegebenenfalls mit Getrieben.Application according to claim 27, characterized by a combination of the actuator or the actuators with an electric motor and / or optionally with gears. Anwendung nach Anspruch 28 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.Application according to claim 28 as a linear actuator or Turntable for Robot drives, machining centers, machine tools and the like, wherein the actuator or actuators are not used as the main drive, but serve as a supplement to brake the drive motor or at standstill self-locking to effect the drive. Anwendung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbsthemmung über eine mechanisch vorgespannte "Sicherheits"-Bremse vorgenommen wird, die nur durch Bestromung des Aktors bzw. der Aktoren geregelt zu öffnen ist.Application according to claim 29, characterized that the Self-locking over made a mechanically biased "safety" brake which is regulated only by energizing the actuator or the actuators to open is. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Feindosierung von Stoffen, insbesondere von Medikamenten im klinischen Bereich oder bei der Mischung von Medikamentengemischen, z.B. in Apotheken.Application of the piezoelectric actuator after a the claims 1 to 25 for the fine dosing of substances, in particular drugs in the clinical area or when mixing drug mixtures, e.g. in pharmacies. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 bei Schwingungsanregungs- und -dämpfungsanordnungen in mechanischen Strukturen, 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.Application of the piezoelectric actuator after a the claims 1 to 25 in Schwingungsanregungs- and -dämpfungsanordnungen in mechanical Structures, in particular aircraft wings, helicopter rotors, in aircraft, railway or passenger car chassis, vibration-decoupled suspensions of aggregates, motors, generators and brakes, in building foundations and at railway tracks. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 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.Application of the piezoelectric actuator after a the claims 1 to 25 in injection systems, in particular those which as Gasoline or diesel injection pumps for the motor vehicle, ship, Aircraft and stationary engine area accomplished are, and at such for Applications in the chemical, power plant and plant sectors. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 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 Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmotorbereich sowie für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich.Application of the piezoelectric actuator after a the claims 1 to 25 at valve adjustments in both the fine adjustment as also 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 motor vehicle, ship, aircraft and stationary engine area also for Applications in the chemical, power plant and plant sectors. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 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.Application of the piezoelectric actuator after a the claims 1 to 25 in paint spraying systems, in particular for printing tasks, e.g. the color dosage and "splash" on PC black and white and color printers or for painting jobs in packaging, printing or vehicle painting. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Spiegelfeinverstellung insbesondere um eine oder zwei unabhängige orthogonale Achsen, beispielsweise für optische Meßgeräte, Strahlablenkungssysteme, Scanner, Laser-Bearbeitungsmaschinen, Dia- oder ähnliche Projektoren sowie Meßaufbauten.Application of the piezoelectric actuator after a the claims 1 to 25 for mirror fine adjustment in particular by one or two independent orthogonal axes, for example for optical measuring instruments, beam deflection systems, Scanners, laser processing machines, slide or similar projectors as well as measuring setups. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 für die Feineinstellung eines Mikrolinsenarrays oder eines Spiegels zur zweidimensionalen Strahlablenkung, beispielsweise einsetzbar für die adaptive PKW-Scheinwerferverstellung oder in der Lichttechnik für die Gebäude- und Landschaftsbeleuchtung.Application of the piezoelectric actuator after a the claims 1 to 25 for the fine adjustment of a microlens array or a mirror for two-dimensional beam deflection, for example, used for the adaptive Car headlight adjustment or in the lighting technology for the building and Landscape lighting. Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Strahlablenkung unter Verwendung eines oder mehrerer im Strahlengang angeordneter Paare 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 Festkörper verbunden sein können und die jeweils ein Paar bildenden Linsen durch den Aktor (Z) gegeneinander in einer Richtung oder in zwei Richtungen verschoben werden.Application of the piezoelectric actuator after a the claims 1 to 25 for beam deflection using one or more arranged in the beam path pairs plankonvexer, each with their plan area lying on one another lenses (L1, L2), wherein the lens pair or in two planes (F1, F2) lying lens pairs can be connected to a solid and each forming a pair of lenses by the actuator (Z) against each other be moved in one direction or in two directions. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem der Piezokeramik hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften ähnlichen Material besteht, bei dem das Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes entsprechend einem aktuatorischen Effekt zu einer Verformung führt und das Meßprinzip "Resonator-Kraft wandler", dem die Ausnutzung der Änderung des Materialeigenschwingungsverhaltens bei Krafteinwirkung zu Grunde liegt, zur Messung eines Sensorsignals nutzbar ist.Actuator according to one of claims 1 to 12, characterized that he from one of the piezoceramics in terms of physical properties similar Material consists of applying an electrical voltage or an electric current corresponding to an actuator Effect leads to a deformation and the measuring principle "resonator force transducer", the exploitation the change the material inherent vibration behavior under force basis is used for measuring a sensor signal.
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