DE102007006400B4

DE102007006400B4 - Piezoelektrischer Antrieb mit Positionserkennung

Info

Publication number: DE102007006400B4
Application number: DE102007006400A
Authority: DE
Inventors: David Schalk
Original assignee: Elliptec Resonant Actuator AG
Current assignee: Pantec GmbH
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: DE102007006400A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb (2) mit wenigstens einem piezoelektrischen Element (1) und wenigstens einem Resonator (5) wobei das piezoelektrische Element (1) elektrisch gegenüber dem Resonator (5) isoliert ist, mit einem angetriebenen Element (3), welches von dem Resonator (5) über wenigstens eine an dem Resonator (5) angeordnete Kontaktstelle (6) angetrieben wird. Erfindungsgemäß weist das angetriebene Element (3) eine Positionsgebereinrichtung (31) und der piezoelektrische Antrieb ist derart gestaltet, dass ein an dem piezoelektrischen Element (1) anliegendes elektrisches Signal elektrisch kapazitiv in den Resonator (5) eingekoppelt wird. Daneben ist eine Signalübertragungseinrichtung vorgesehen, welche das in dem Resonator eingekoppelte Signal auf die Positionsgebereinrichtung (31) überträgt sowie wenigstens eine Positionsnehmereinrichtung (32), die geeignet ist, das auf die Positionsgebereinrichtung (31) übertragene Signal aufzunehmen, sobald der geometrische Abstand zwischen der Positionsgebereinrichtung (31) und der Positionsnehmereinrichtung (32) einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Antrieb. Derartige piezoelektrische Antriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen üblicherweise ein piezoelektrisches Element auf, welches mit Hilfe eines Resonators ein anzutreibendes Element antreibt.
Dabei ist es oftmals wünschenswert, eine Position dieses angetriebenen Elements, beispielsweise eine Drehstellung eines rotierenden angetriebenen Elements zu erfassen. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der Antrieb bzw. der piezoelektrische Motor in einer gewissen Endposition abschalten soll. Daneben sind jedoch auch weitere Anwendungsfelder für Positionssensoren denkbar, beispielsweise um eine Drehgeschwindigkeit für das angetriebene Element bestimmen zu können. Aus dem Stand der Technik sind herkömmliche elektrische Motorantriebe bekannt, die Endschalter, Lichtschranken oder ähnliche Positionssensoren aufweisen, welche angeben, ob der Antrieb eine bestimmte Position angefahren hat.
So beschreibt DE 601 15 220 T2 , deren Inhalt die Merkmale des Oberbegriffes gemäß den Ansprüchen 1 und 12 der vorliegenden Erfindung bildet, einen Bebrationsantrieb, bei dem die Positionserkennung durch das Messen der Zeit, welche ein vibratorischer Impuls von einem vibratorischen Element zu einem am anzutreibenden Element angeordneten Empfänger benötigt, verfolgt.
Ein piezoelektrisches Antriebssystem mit einer optischen bzw. magnetischen Positionsmessvorrichtung ist in der Druckschrift DE 10 2005 010 073 A1 offenbart.
Die US 60 64 140 A zeigt einen piezoelektrischen Mikromotor einschließlich eines Positionsgebers, wobei ein keramischer Abstandshalter zwischen einer Kante der Piezoplatten und dem zu bewegendem Körper angeordnet ist.
Ein piezoelektrisches Rastersondermikroskop mit Kapazitiver Abstandsmessung ist darüber hinaus aus DE 39 22 589 C2 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Motor zur Verfügung zu stellen, der einen Positionssensor für das angetriebene Element aufweist. Dabei soll insbesondere ein einfacher und kostengünstiger Sensor für einen derartigen piezoelektrischen Motor zur Verfügung gestellt werden. Auch soll es möglich sein, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, der möglichst wenige Bauteile enthält und von der Beschattung her einfach ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch einen piezoelektrischen Antrieb nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Antriebs nach Anspruch 12 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb weist wenigstens ein piezoelektrisches Element und wenigstens einen Resonator auf, wobei das piezoelektrische Element elektrisch gegenüber dem Resonator isoliert ist. Daneben ist ein angetriebenes Element vorgesehen, welches von dem Resonator über wenigstens eine an dem Resonator angeordnete Kontaktstelle angetrieben wird.
Erfindungsgemäß ist an dem angetriebenen Element eine Positionsgebereinrichtung angeordnet und der piezoelektrische Antrieb ist derart gestaltet, dass ein an dem elektrischen Element anliegendes elektrisches Signal elektrisch kapazitiv in den Resonator gekoppelt wird. Weiterhin ist eine Signalübertragungseinrichtung vorgesehen, welche das in den Resonator eingekoppelte Signal auf die Positionsgebereinrichtung überträgt und ferner ist wenigstens eine Positionsnehmereinrichtung vorgesehen, die geeignet ist, das auf die Positionsgebereinrichtung übertragene Signal aufzunehmen, so bald der geometrische Abstand zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
Unter einer Positionsgebereinrichtung wird eine Einrichtung verstanden, welche ein für eine relative Position angetriebenen Elements charakteristisches Signal ausgibt. Dabei kann es sich bei dem Signal grundsätzlich um ein elektrisches Signal, ein optisches Signal oder auch ein mechanisches Signal handeln. Bevorzugt handelt es sich um ein elektrisches Signal.
Unter einer kapazitiven Einkopplung wird verstanden, dass sich die beiden Einrichtungen, über welche das elektrische Signal übertragen wird, nicht berühren müssen, sondern bevorzugt voneinander isoliert sind.
Unter einer Signalübertragungseinrichtung wird jegliche Einrichtung verstanden, welche ein insbesondere elektrisches Signal von einem Ausgangspunkt zu einem Endpunkt überträgt. Im vorliegenden Fall überträgt die Signalübertragungseinrichtung das in den Resonator eingekoppelte Signal auf die Positionsgebereinrichtung. Bevorzugt ist die Kontaktstelle Be standteil der Signalübertragungseinrichtung. Unter einer Positionsnehmereinrichtung wird eine Einrichtung verstanden, welche geeignet ist, das von der Positionsgebereinrichtung gegebene Signal aufzunehmen, bzw. welche das besagte Signal aufnimmt.
Diese Aufnahme erfolgt, sobald der geometrische Abstand zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Damit sind insoweit sowohl kapazitive Übertragungen als auch eine ohm'sche Übertragung, das heißt eine Übertragung durch unmittelbaren elektrischen Kontakt möglich. In beiden Fällen unterschreitet der geometrische Abstand einen vorgegebenen Wert.
Damit bezieht sich die Erfindung auf eine Gruppe von piezoelektrischen Motoren, in denen wenigstens ein piezoelektrisches Element mit einem elektrisch leitenden Resonator mechanisch verbunden ist. Bei einem derartigen piezoelektrischen Motor ist es möglich, ein elektrisches Signal kapazitiv vom piezoelektrischen Element in den elektrisch leitenden Resonator einzukoppeln, ohne dass dazu eine getrennte elektrische Verbindung (wie ein Kabel oder dergleichen) oder eine getrennte elektrische Signalquelle notwendig wären. Dieses elektrische Signal gelangt dann kapazitiv oder ohm'sch über die mechanische Kontaktstelle zu dem angetriebenen Element, sofern das angetriebene Element ebenfalls teilweise elektrisch leitend ist. Mit anderen Worten kann das piezoelektrische Element gemeinsam mit dem Resonator und einem elektrisch isolierenden zwischen diesen beiden Elementen liegenden Material ebenfalls als weitere Signalübertragungseinrichtung aufgefasst werden. Damit macht sich der erfindungsgemäße Antrieb spezifische Eigenschaften eines piezoelektrischen Antriebs zur Signalübertragung zu Nutzen.
Über eine geeignete Positionsgebereinrichtung, welche an dem angetriebenen Element angeordnet ist, kann dieses elektrische Signal dann kapazitiv und oder ohm'sch in eine bevorzugterweise stationär angeordnete Positionsnehmereinrichtung eingekoppelt werden. Anstelle des Begriffs Positionsnehmereinrichtung wird im Folgenden auch der Begriff Kontaktelektrode verwendet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erwähnte weitere Signalübertragungseinrichtung bzw. der piezoelektrische Antrieb ein an dem piezoelektrischen Element anliegendes keramisches Deckpaket auf. Ein derartiges keramisches Deckpaket ist einfach und kostengünstig in der Herstellung. Es können jedoch auch andere elektrisch ohm'sche Isolierun gen vorgenommen werden. Eine elektrisch ohm'sche Isolierung ist daher bevorzugt, um zu verhindern, dass das Piezoelement auf vorgegebenes Potenzial, wie beispielsweise die Erde, geschaltet wird, wodurch eine kapazitive Einkopplung bzw. Signalübertragung unterbunden werden würde.
Vorzugsweise ist die Positionsnehmereinrichtung an einer Basis für das angetriebene Element angeordnet. Bei dieser Lösung wird die Positionsnehmereinrichtung fest und vergleichsweise verschleißunanfällig an der Basis bzw. einer Grundplatte für das angetriebene Element angeordnet. Das angetriebene Element, beispielsweise ein Rad, dreht sich gegenüber der Basis.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die elektrische Ankopplung zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung erst, wenn die Positionsgebereinrichtung und die Positionsnehmereinrichtung sich berühren. In diesem Falle berührt damit die Positionsgebereinrichtung die Positionsnehmereinrichtung. In diesem Falle ist sowohl eine kapazitive als auch eine ohm'sche Übertragung des elektrischen Signals von der Positionsgebereinrichtung an die Positionsnehmereinrichtung möglich. Infolge einer Übertragung dieses Signals kann beispielsweise der Motor angehalten bzw. ein entsprechender Befehl ausgegeben werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrische Ankopplung zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung kapazitiv. In diesem Falle ist es möglich, dass sich die Positionsgebereinrichtung und die Positionsnehmereinrichtung berühren, jedoch elektrisch isoliert sind. Es ist jedoch auch möglich, dass das Signal übertragen wird, sobald die Positionsgebereinrichtung nahe genug an der Positionsnehmereinrichtung liegt und erst dann eine elektrische Ankopplung erfolgt und damit ein "Anschlagen" erkannt wird, obwohl gegebenenfalls kein Anschlagen in mechanischer Hinsicht vorliegt. In dem oben genannten Fall, in dem die elektrische Ankopplung erst erfolgt, wenn sich die Positionsnehmereinrichtung und die Positionsgebereinrichtung berühren, wird bevorzugterweise die weitere Bewegung des angetriebenen Elements in der jeweiligen Richtung auf mechanische Weise verhindert. In diesem Falle wirkt die Positionsnehmereinrichtung auch als Anschlagelement für die Positionsgebereinrichtung.
Die Positionsnehmereinrichtung kann auch so angeordnet sein, dass sie die elektrische bzw. kapazitive Koppelung mit der Positionsgebereinrichtung ermöglicht, wenn diese an der Positionsnehmereinrichtung vorbeibewegt wird. In diesem Falle ergibt sich eine elektrische oder virtuelle Ankopplung. Diese Ausführungsform ist einerseits als Endschalter geeignet, aber auch, um beispielsweise eine Bestimmung einer Umdrehungszahl des angetriebenen Elements zu gewährleisten. Weiterhin wäre es auch möglich, an dem angetriebenen Element eine Vielzahl von Positionsgebereinrichtungen vorzusehen, um auf diese Weise beispielsweise eine Drehgeschwindigkeitsmessung zu verfeinern. Auch können mehrere Positionsnehmereinrichtungen vorgesehen sein.
Vorzugsweise beträgt der elektrische Kontaktwiderstand zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung mehr als 1 MOhm. Vorteilhafterweise ist die Positionsnehmereinrichtung mit einem elektrischen Isolator beschichtet. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass es zu einem ohm'schen Kontakt zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung kommt, selbst wenn sich diese beiden Elemente mechanisch berühren. Das Erscheinen des elektrischen Signals an der Positionsnehmereinrichtung zeigt somit an, dass der Antrieb in die gewünschte Stellung gefahren worden ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Positionsnehmereinrichtung als Leiterbahn auf einer elektrischen Leiterplatte ausgeführt. Diese Ausführungsform ist besonders kostengünstig. Bevorzugt stellt die elektrische Leiterplatte gleichzeitig die oben erwähnte Basis des piezoelektrischen Antriebs dar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform enthält die elektrische Leiterplatte auch die Treiberelektronik für den piezoelektrischen Motor und/oder eine Anschlags-Auswerteelektronik. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das piezoelektrische Element eine quaderförmige und mehrschichtige Struktur auf.
Vorzugsweise ist das piezoelektrische Element über zwei sich gegenüber liegende keramische Deckpakete mechanisch an den Resonator angekoppelt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Positionsgebereinrichtung derart angeordnet, dass die weitere Bewegung des angetriebenen Elements über eine vorbestimmte Position oder Orientierung hinaus behindert wird. Dies kann einerseits durch einen Kon takt zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung erfolgen, es wäre jedoch auch möglich, dass zusätzlich bei der gleichen oder einer anderen Drehstellung ein mechanischer Kontakt zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Basis auftritt, der beispielsweise ein weiteres Drehen des angetriebenen Elements verhindert.
Vorteilhaft ist der Positionsnehmereinrichtung eine Schutzschaltung zur Spannungsbegrenzung nachgeschaltet. Diese weist besonders vorteilhaft möglichst wenige Bauteile auf, wie beispielsweise zwei in Serie geschaltete elektrische Widerstände, wobei einem der elektrischen Widerstände besonders bevorzugt eine Zenerdiode parallel geschaltet ist.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Antriebs gerichtet, wobei dieser piezoelektrische Antrieb wenigstens ein piezoelektrisches Element und wenigstens einen Resonator aufweist, und wobei das piezoelektrische Element elektrisch gegenüber diesem Resonator isoliert ist. Weiterhin weist der piezoelektrische Antrieb ein angetriebenes Element auf, welches von dem Resonator über wenigstens eine an dem Resonator angeordnete Kontaktstelle angetrieben wird.
Erfindungsgemäß wird ein an dem piezoelektrischen Element anliegendes elektrisches Signal elektrisch kapazitiv in den Resonator eingekoppelt, das in den Resonator eingekoppelte Signal auf eine an dem angetriebenen Element angeordnete Positionsgebereinrichtung übertragen und das auf die Positionsgebereinrichtung übertragene Signal von einer Positionsnehmereinrichtung aufgenommen, sobald der geometrische Abstand zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
Damit ist in einem Vergleich zu einem Motorantrieb eines piezoelektrischen Motors ohne ein Positionsfeedback für dieses zusätzliche Positionsfeedback im einfachsten Fall nur ein einziger zusätzlicher elektrischer Anschluß notwendig, nämlich von der Kontaktelektrode zu einer Auswerteelektronik. Vorteilhaft ist der Resonator in seiner Gesamtheit elektrisch leitend. Es wäre jedoch auch möglich, dass der Resonator lediglich teilweise elektrisch leitend ist, um die nötigen Signalwege zur Verfügung zu stellen.
In einfachsten Fall ist auch das angetriebene Element zumindest teilweise und bevorzugt in seiner Gesamtheit elektrisch leitend, so dass keine gesonderte elektrisch leitende Struktur, beispielsweise eine elektrisch leitende Oberflächenbeschichtung, an dem angetriebenen Element notwendig ist.
Vorzugsweise wird die Positionsnehmereinrichtung direkt als Leiterbahn auf der elektrischen Leiterplatte oder einer Bestückungsplatine ausgeführt und zwar besonders bevorzugt auf derjenigen Platine, auf der auch der Motortreiber und/oder die Positions-Auswerteelektronik angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Positionsnehmereinrichtung beim Ätzen der Platine miterzeugt werden, was abgesehen vom Platzbedarf für die Positionsnehmereinrichtung einfach und ohne Mehraufwand geschehen kann.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Antrieb weist gegenüber herkömmlichen Positionssensoren verschiedene Vorteile auf. Einerseits ist der erfindungsgemäße Positionssensor sehr einfach im Aufbau und kostengünstig. Die elektrischen Anschlüsse sowie die Ansteuerelektronik für den piezoelektrischen Antrieb bestehen bereits unabhängig von dem Positionssensor, so dass kein separater Beschaltungsaufwand nötig ist, um ein vom Positionssensor bzw. der Positionsnehmereinrichtung messbares elektrisches Signal zu erzeugen. Weiterhin ist, wie oben erwähnt, nur ein zusätzlicher Anschluß von der Positionsnehmereinrichtung zu einer Auswerteelektronik nötig und der bestehende z. B. komerziell erhältliche piezoelektrische Motor muß nicht modifiziert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen.
Darin zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Antriebs,
2 die innere Struktur eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes,
3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Antriebs,
4 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Ausgestaltung der Erfindung,
5 eine elektromechanische Schematik einer Ausgestaltung der Erfindung, und
6 eine elektromechanische Schematik einer Ausgestaltung der Erfindung mit zwei Anschlagelementen.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsnummern jeweils vergleichbare Elemente.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand eines piezoelektrischen Motors 2 erläutert, welcher von der Anmelderin kommerziell angeboten und vertrieben wird. Dieser piezoelektrische Motor 2 ist in 1 gezeigt. Elektrische Anschlüsse für den piezoelektrischen Motor 2 (die Anschlussdrähte) sind der Einfachheit halber nicht gezeigt. Der piezoelektrische Motor 2 treibt ein angetriebenes Element 3 an und ist auf einer Basis 4 montiert, welche auch zur Montage und Halterung des angetriebenen Elementes 3 dient. Das angetriebene Element 3 ist hier als drehbar gelagertes Rad ausgeführt. Die Bewegungsrichtung des angetriebenen Elementes 3 ist durch einen Doppelpfeil P angedeutet. Das angetriebene Element 3 kann aber beispielsweise auch als linear beweglicher Stab ausgeführt sein. Andere angetriebene Elemente 3 sind im Stand der Technik bekannt.
Der piezoelektrische Motor 2 beinhaltet mindestens ein piezoelektrisches Element 1 und einen Resonator, oder Rahmen, 5 welche gemeinsam mechanisch verbunden sind. Der Resonator 5 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Metall, und hat eine Kontaktstelle 6 mit der er das angetriebene Element 3 berührt und vibratorisch antreibt. Es wäre jedoch auch möglich, dass der Resonator nur teilweise elektrisch leitend ausgeführt ist.
Im dargestellten piezoelektrischen Motor 2 ist das piezoelektrische Element 1 quaderförmig. Es ist schematisch im Querschnitt in 2 dargestellt. Es sind jedoch andere piezoelektrische Motoren 2 bekannt, in welchen das piezoelektrische Element 1 nicht quaderförmig ist, welche aber in der Erfindung auch verwendet werden können.
Mit Bezug auf 2 ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung das piezoelektrische Element 1 mehrschichtig ausgeführt. Im piezoelektrischen Element 1 sind Lagen aus piezoelektrischem Material 11 durch elektrisch leitende Innenelektroden 14a und 14b getrennt. Die Innenelektroden 14a und 14b wechseln sich ab, die Innenelektroden 14a sind an einer Aussenelektrode 16a elektrisch miteinander verbunden und die Innenelektroden 14b sind an einer Aussenelektrode 16b elektrisch miteinander verbunden. Im Motorbetrieb wird ein elektrisches Signal an den Aussenelektroden 16a und 16b angelegt. Die Aussenelektroden 16a und 16b sind voneinander und vom Resonator 5 des piezoelektrischen Motors 2 elektrisch ohm'sch isoliert. Das piezoelektrische Element 1 hat keramische Deckpakete 11a und/oder 11b und es steht mit mindestens einem dieser Deckpakete mit dem Resonator 5 in mechanischem Kontakt (dies hängt vom gewählten Motortyp ab).
Bei dem in 2 gezeigten piezoelektrischen Element 11 liegen die Innenelektoden 14a direkt neben den Deckpaketen 11a und 11b. Je nach Struktur des mehrschichtigen piezoelektrischen Elementes 1 kann neben den Deckpaketen 11a oder 11b aber auch eine Innenelektrode 14b liegen.
Wird nun an den Aussenelektroden 16a und 16b eine elektrische Spannung angelegt, so wird über die Deckpakete 11a und/oder 11b eine elektrische Spannung kapazitiv in den elektrisch leitenden Resonator 5 eingekoppelt sofern die keramischen Deckpakete 11a und/oder 11b mit dem elektrisch leitenden Resonator 5 in mechanischem Kontakt stehen aber elektrisch (ohm'sch) von ihm isoliert sind.
3 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, welche einen piezoelektrischen Motorantrieb mit Anschlagsensor beinhaltet. Diese Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass am elektrisch leitenden, angetriebenen Element 3 eine ebenfalls elektrisch leitende Positionsgebereinrichtung 31 und an der Basis 4 eine Positionsnehmereinrichtung bzw. ein Sensorfeld 32 ausgebildet sind. Die Positionsgebereinrichtung 31 ist so dimensioniert und platziert, dass sie in einer vorbestimmten Lage und/oder Orientierung des angetriebenen Elementes 3 nahe an der Positionsnehmereinrichtung 32 zu liegen kommt oder die Positionsnehmereinrichtung 32 sogar berührt. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die weitere Bewegung des angetriebenen Elementes 3 in diese Richtung durch die Positionsnehmereinrichtung 32 behindert. Die Positionsgebereinrichtung 31 ist hier als Vorsprung ausgebildet, der sich in radialer Richtung bezüglich des angetriebenen Elements erstreckt und bevorzugt einteilig mit dem angetriebenen Element ausgebildet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Basis 4 eine elektronische Leiterplatte, oder die Basis 4 beinhaltet eine solche, und die Positionsnehmereinrichtung 32 ist als flächige Leiterbahn auf oder in dieser elektronischen Leiterplatte ausgebildet. Besonders bevorzugt beträgt der elektrische Kontaktwiderstand zwischen dem Anschlagelement 31 und der Kontaktelektrode 32 mehr als 1 MOhm und ist für praktische Zwecke als unendlich groß anzusehen. Dies ist durch eine geeignete Materialwahl zu erreichen.
Die Positionsgebereinrichtung kann jedoch auch derart ausgeführt sein, dass eine Volldrehung des angetriebenen Elements 3 möglich ist. In einer derartigen Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung beispielsweise zur Drehzahlmessung eingesetzt werden.
Sobald die Positionsgebereinrichtung 31 die Positionsnehmereinrichtung 32 berührt, oder ihr zumindest (sehr) nahe kommt, wird eine elektrische Einkoppelung möglich, wobei die dazu nötige elektrische Spannung vom piezoelektrischen Element 1 kapazitiv in den Resonator 5 eingespeist wird. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Positionsgebereinrichtung 31 und die Positionsnehmereinrichtung 32 voneinander elektrisch isoliert auch wenn sie sich berühren, so dass eine elektrisch kapazitive Einkoppelung erfolgen kann.
Ein elektrisches Signal kann sodann beispielsweise über eine elektrische Zuleitung 33 von der Positionsnehmereinrichtung 32 abgegriffen werden. Dieses elektrische Signal steht mit dem am piezoelektrischen Element 1 anliegenden elektrischen Steuersignal in einem bestimmten Zusammenhang. Insbesondere lässt sich über das an der Kontaktelektrode 32 abgegriffene elektrische Signal bestimmen, ob der piezoelektrische Motor 2 das angetriebene Element 3 in die vorbestimmte Lage gefahren hat.
Ein stark vereinfachtes, elektrisches Ersatzschaltbild der Erfindung ist zur Verdeutlichung in 4 dargestellt. ZP bezeichnet die elektrische Impedanz des piezoelektrischen Elementes 1. Die Einkoppelungskapazitäten der Deckpakete 11a und 11b des piezoelektrischen Elementes 1 sind durch die Kapazitäten C11a und C11b wiedergegeben (hier unter der Annahme, dass direkt unter dem Deckpaket 11a eine Innenelektrode 14a des piezoelektrischen Elementes 1 liegt, und direkt unter dem Deckpaket 11b eine Innenelektrode 14b). Über diese Kapazitäten C11a und C11b erfolgt die kapazitive Einkopplung des Signals von dem Piezoelement 1 in den Resonator 5.
Die elektrische Kontaktimpedanz an der Kontaktstelle 6 zwischen dem Resonator 5 und dem angetriebenen Element 3 wird durch die Kapazität C6 und den Widerstand R6 repräsentiert, je nach Art der Signalübertragung. Die kapazitive Einkoppelung zwischen der Positionsgebereinrichtung 31 und der Positionsnehmereinrichtung 32 ist durch die Kapazität C31/32 verdeutlicht. Liegt am piezoelektrischen Element 1 eine Wechselspannung Uin an, so kann an der Kontaktelektrode 32 eine Wechselspannung Uout erkannt werden, sobald das Anschlagelement 31 und die Kontaktelektrode 32 sich genügend nahe kommen. Die Wechselspannung Vin kann hierbei das zum Betrieb des piezoelektrischen Motors 2 nötige Betriebs sgnal sein, oder es kann ein anderes Signal sein, welches nur zum Erkennen der mechanischen Kontaktsituation zwischen dem Anschlagelement 31 und der Kontaktelektrode 32 dient.
5 illustriert schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung basierend auf Testergebnissen mit piezoelektrischen Motoren 2 der Anmelderin. Auch hier wird die kapazitive Kopplung zwischen den (äußersten) Innenelektroden 14a, 14b des piezoelektrischen Elementes 1 und dem Rahmen bzw. Resonator 5 ausgenutzt. Über die Anschlussdrähte 51 wurde ein hochfrequentes, elektrisches, Eingangs-Signal 52 am piezoelektrischen Element 1 angelegt. Getestet wurde mit einem, in etwa sinusförmigen, Eingangs-Signal 52 mit einer Spitze-Spitze Amplitude von 6 Volt und einem DC Anteil von 2,5 Volt. Die für den Motorbetrieb nötigen Frequenzen lagen im Bereich 80 kHz–100 kHz, so dass die relativ kleinen Koppelkapazitäten C11a, C11b zwischen dem piezoelektrischen Element 1 und dem Resonator 5 für die beabsichtigte Anwendung ausreichten. Die Koppelkapazitäten C11a, C11b lagen jeweils in der Größenordung 500 pF.
Die in den Rahmen bzw. Resonator 5 eingekoppelte Wechselspannung breitete sich kapazitiv (Kapazität C6) und zum Teil auch ohm'sch (Widerstand R6) über die Kontaktstelle 6 am Resonator 5 auf das angetriebene Element 3 aus. Beim angetriebenen Element 3 handelte es sich in diesem Ausführungsbeispiel um ein Radsegment mit zwei potentiellen Anschlagelementen (Positionsgebereinrichtungen) 31a und 31b an den Segmentschenkeln (radiale Querschnitte des Rades 3). Das angetriebene Element 3 war aus einem elektrisch leitenden Verbundwerkstoff gefertigt.
Die Positionsnehmereinrichtung 32 wurde direkt auf der gleichen Elektronikplatine (nicht gezeigt) geätzt wie die Steuerelektronik (nicht gezeigt) für den piezoelektrischen Motor 2. Wenn das Anschlagelement 31a (d. h. einer der Radsegmentschenkel) die Kontaktelektrode 32 berührte, reichte die kapazitive Kopplung (Kapazität C31/32) aus, um über die elektrische Zuleitung 33 die elektrische Spannung an der Positionsnehmereinrichtung 32 zu detektieren. Es erwies sich, dass die normal korrodierte Metalloberfläche der Kontaktelektrode 32 ausreichende kapazitive Kopplung (Kapazität C31/32) zuließ.
Zum Schutz vor Überspannung ist eine elektrische Schutzschaltung 54 zwischen der Positionsnehmereinrichtung 32 und dem Anschlusspin 55 des für die Auswertung verwendeten Mikrocontrollers vorgesehen. Die Schutzschaltung 54 weist einen 1,5 kOhm-Widerstand in Serie mit einem 6,8 kOhm-Widerstand auf, wobei dem letzteren eine 3,3 V-Zenerdiode parallelgeschaltet ist. Der Mikrocontroller-Pin 55 wird zwischen die zwei Widerstände geschaltet. Basierend auf dem sinusförmigen Eingangssignal 52 am piezoelektrischen Element 1 konnte bei Anschlagen des angetriebenen Elementes 3 am Mikrocontroller-Pin 55 ein zwischen –0,6 V und 3,3 V oszillierendes elektrisches Signal erkannt werden. Damit kann dieses Signal erkannt werden, wenn der geometrische Abstand zwischen der Positionsgebereinrichtung und der Positionsnehmereinrichtung der vorgegebene Wert unterschreitet.
Die Schutzschaltung 54 legt auch das DC-Potential am Mikrocontroller-Pin 55 anliegenden Wechselspannung fest. Wenn das angetriebene Element 3 nicht anschlägt, so ist das Potential am Mikrocontroller-Pin 55 0 V.
Es hat sich erwiesen, dass eine einfache Anschlag-Detektierung in weniger als 10 Mikrosekunden erfolgen kann, da ein einzelner Pegelwechsel an der Kontaktelektrode 32 für die Detektierung bereits ausreicht.
Bei einem geeigneten mechanischen Aufbau des angeführten Ausführungsbeispieles kann eine einzige Kontaktelektrode 32 benutzt werden, um das Anschlagen eines oder beider potentiellen Anschlagelemente 31a und 31b zu erkennen, obwohl im letzteren Fall nicht eindeutig erkennbar ist, in welcher Orientierung sich das angetriebene Element befindet.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zweifacher Positionserkennung, d. h. mit zwei separaten Positionserkennungen. Im Vergleich zu dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel hat das angetriebene Element 3 zwei Positionsgebereinrichtungen 31a und 31b, und es gibt zwei getrennte Positionsnehmereinrichtungen 32a, 32b für die getrennte Erkennung von zwei möglichen Anschlagpositionen des angetriebene Elementes 3. Ebenso sind in dieser Ausführung zwei Schutzschaltungen 54a, 54b und zwei Mikrocontroller- oder ähnliche Anschlüsse 55a, 55b gezeigt. Diese Ausführung zeigt weiterhin, dass die elektrische Einkoppelung zwischen einem Anschlagelement 31a, 31b und einer Kontaktelektrode 32a, 32b durchaus sowohl kapazitiv (Kapazität C31/32a, C31/32a) als auch ohm'sch (Widerstand R31/32a, R31/32b) erfolgen kann. Dies hängt von der Auswahl der jeweiligen Kontaktverhältnisse und -Materialien ab.
Das Ausführungsbeispiel zeigt auch, dass der piezoelektrische Motor 2 mit einem elektrischen Rechtecksignal 61 betrieben werden kann und dass dem piezoelektrischen Element 1 dann bevorzugterweise eine induktive Impedanz L nachgeschaltet ist. Die Details der elektrischen Beschaltung zum Antrieb des piezoelektrischen Motors 2 hängen allerdings nicht zuletzt auch vom Typ des piezoelektrischen Motors 2 ab. Zum Beispiel sind piezoelektrischen Motoren 2 bekannt, welche mit Hilfe von Dreiecksignalen betrieben werden müssen.
Die Erfindung kann auch auf andere piezoelektrische Motoren 2 angewendet werden als den in den Figuren dargestellten. Die Erfindung bringt den Vorteil, dass ein existierender piezoelektrischer Motor 2 auf einfachste Weise mit einer Positionsbestimmung ausgerüstet werden kann, wobei nur ein einziger zusätzlicher elektrischer Anschluss ohne zusätzliche elektrische Signal- oder Spannungsquelle nötig ist. Durch die kapazitive Einkoppelung bleiben elektrische Isolierwiderstände hoch. Der Positionssensor kostet sehr wenig, insbesondere wenn die Kontaktelektrode 32 direkt als Leiterbahn auf einer elektronischen Leiterplatte ausgebildet wird.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Piezoelement
2: Motor
3: angetriebenes Element
4: Basis
5: Resonator
6: Kontaktstelle
11: Material
11a, 11b: Deckpakete
14a, 14b: Innenelektroden
16a, 16b: Augenelektroden
31a, 31b: Positionsgebereinrichtungen (5)
32: Positionsnehmereinrichtung
32a, 32b: Positionsnehmereinrichtung (6)
33: elektrische Zuleitung
51: Anschlußdrähte
52: Eingangs-Signal
54, 54a, 54b: Schutzschaltungen
55: Mikrocontroller-Pin
55a, 55b: Anschlüsse
61: Rechtecksignal
C6: Kapazität
C11a, C11b: Kapazitäten
C31, C32: Kapazitäten
L: induktive Impedanz
R6: Widerstand
Uout: Wechselspannung (Ausgang)
Uin: Wechselspannung (Eingang)
R6: Widerstand
R31/32a, R31/32b: Widerstand
ZP: elektrische Impedanz des piezoelektrischen Elements 1

Claims

Piezoelektrischer Antrieb (2) mit wenigstens einem piezoelektrischen Element (1) und wenigstens einem Resonator (5), wobei das piezoelektrische Element (1) elektrisch gegenüber dem Resonator (5) isoliert ist, mit einem angetriebenen Element (3), welches von dem Resonator (5) über wenigstens eine an dem Resonator (5) angeordnete Kontaktstelle (6) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem angetriebenen Element eine Positionsgebereinrichtung (31) angeordnet ist und der piezoelektrische Antrieb derart gestaltet ist, dass ein an dem piezoelektrischen Element (1) anliegendes elektrisches Signal elektrisch kapazitiv in den Resonator (5) einkoppelt wird und eine Signalübertragungseinrichtung vorgesehen ist, welche das in den Resonator eingekoppelte Signal auf die Positionsgebereinrichtung (31) überträgt, und dass wenigstens eine Positionsnehmereinrichtung (32) vorgesehen ist, die geeignet ist, das auf die Positionsgebereinrichtung (31) übertragene Signal aufzunehmen, sobald der geometrische Abstand zwischen der Positionsgebereinrichtung (31) und der Positionsnehmereinrichtung (32) einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Antrieb ein an dem piezolelektrischen Element (1) anliegendes keramisches Deckpaket (11a, 11b) aufweist.
Piezoelektrischer Antrieb nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsnehmereinrichtung (32) an einer Basis (4) für das angetriebene Element (3) angeordnet ist.
Piezoelektrischer Antrieb nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ankoppelung zwischen der Positionsgebereinrichtung (31) und der Positionsnehmereinrichtung (32) erst erfolgt, wenn die Positionsgebereinrichtung (31) und die Positionsnehmereinrichtung (32) sich berühren.
Piezoelektrischer Antrieb nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ankoppelung zwischen der Positionsgebereinrichtung (31) und der Positionsnehmereinrichtung (32) kapazitiv ist.
Piezoelektrischer Antrieb nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsnehmereinrichtung (32) mit einem elektrischen Isolator beschichtet ist.
Piezoelektrischer Antrieb nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsnehmereinrichtung (32) als Leiterbahn auf einer elektrischen Leiterplatte ausgeführt ist.
Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leiterplatte die Basis (4) darstellt.
Piezoelektrischer Antrieb nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 7–8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leiterplatte auch die Treiberelektronik für den piezoelektrischem Motor (2) und/oder eine Anschlags-Auswertelektronik enthält.
Piezoelektrischer Antrieb nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1) über zwei, sich gegenüberliegende, keramische Deckpakete (11a) und (11b) mechanisch an den Resonator (5) angekoppelt ist.
Piezoelektrischer Antrieb nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsgebereinrichtung (31) derart angeordnet ist, dass die weitere Bewegung des angetriebenen Elementes (3) über eine vorbestimmte Position oder Orientierung hinaus behindert wird.
Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Antriebs (2) mit wenigstens einem piezoelektrischen Element (1) und wenigstens einem Resonator (5), wobei das piezoelektrische Element (1) elektrisch gegenüber dem Resonator (5) isoliert ist und mit einem angetriebenen Element (3), welches von dem Resonator (5) über wenigstens eine an dem Resonator (5) angeordnete Kontaktstelle (6) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein an dem piezoelektrischen Element (1) anliegendes elektrisches Signal elektrisch kapazitiv in den Resonator (5) eingekoppelt wird, das in den Resonator eingekoppelte Signal auf eine Positionsgebereinrichtung (31) übertragen wird und dass das auf die Positionsgebereinrichtung (31) übertragene Signal von einer Positionsnehmereinrichtung (32) aufgenommen wird, sobald der geometrische Abstand zwischen der Positionsgebereinrichtung (31) und der Positionsnehmereinrichtung (32) einen vorgegebenen Wert unterschreitet.