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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung
sowie einem Verfahren zum Betreiben eines solchen nach der Gattung
der unabhängigen Ansprüche.
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Mit
der
WO 00/28652 A1 ist
ein Ultraschall-Motor bekannt geworden, bei dem eine Rotorwelle
mittels Ultraschall-Vibratoren in Drehung versetzt wird. Dabei sind
zwei Ultraschall-Vibratoren rechtwinklig miteinander verbunden,
wobei beide Vibratoren derart mit einer Wechselspannung versorgt werden,
dass die beiden Vibratoren mit einer Phasendifferenz zueinander
schwingen. Diese Schwingung erzeugt eine Bewegung eines Stößels,
der die Rotorwelle in Drehung versetzt. Die Piezoaktoren sind dabei
mittels eines Befestigungselements gelagert, das die beiden Piezoaktoren
einstückig miteinander verbindet. Eine solche Befestigung
hat zur Folge, dass die elektrische Energie, die zur Schwingungsanregung
der Piezoaktoren aufgewendet wird, schlecht genützt wird,
da durch die Befestigung ein wesentlicher Teil der Schwingungsenergie
gedämpft wird. Daher sind viele Ultraschall-Vibratoren
notwendig, um ein ausreichendes Antriebsmoment zu erzeugen. Ein
solcher Piezoantrieb ist deshalb sehr teuer und benötigt
eine aufwändige elektronische Ansteuerung und einen entsprechend
großen Bauraum.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung,
sowie das Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung mit
den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber
den Vorteil, dass durch die Lagerung der Piezoaktoren in deren Schwingungsknoten
die Dämpfung der mechanischen Aktorschwingung minimiert
wird, wodurch deren Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden kann.
Dabei wird die mechanische Fixierung der Piezoaktoren im Lagerungselement,
der elektrischen Anregung der Piezoelemente angepasst, was insbesondere
durch die einphasige Anregung der Piezoaktoren ermöglicht
wird.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen
möglich. Führen die Piezoaktoren im angeregten
Zustand im wesentlichen eine überlagerte Biege-Längsschwingung
aus, ist der Schwingungsknoten als im Wesentlichen gerade Linie
ausgebildet, die das Aktorgehäuse in zwei gegenüberliegenden
Punkten schneidet. Wird der Piezoaktor näherungsweise punktförmig
in diesen Schnittpunkten gelagert, wird die Aktorschwingung durch
die Lagerung praktisch kaum gedämpft, wodurch sich deren
Wirkungsgrad deutlich steigern lässt.
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Wird
der Piezoaktor ausschließlich in Längsrichtung
in Schwingung versetzt, bildet sich eine Knotenebene die im Wesentlichen
senkrecht zur Längsrichtung ausgerichtet ist und das Aktorgehäuse
in einer Umfangslinie schneidet. Bei diesem Schwingungsknoten kann
der Piezoaktor vorteilhaft über dessen gesamten Umfang
entlang der Umfangslinie starr befestigt werden, wodurch eine sehr
stabile Lagerung erzielt wird.
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Besonders
günstig ist es direkt am Aktorgehäuse im Schwingungsknoten
eine Aufnahme auszubilden, in dem eine Vertiefung oder ein Fortsatz
in Querrichtung zur Längsrichtung an der Oberfläche des
Gehäuses angeformt wird.
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Für
eine präzise Lagerung des Piezoaktors in dessen Schwingungsknoten
wird der Fortsatz in Querrichtung vorteilhaft als separates Halterungselement
hergestellt, das auf dem Aktorgehäuse sehr präzise
verschoben werden kann.
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Je
nach Form des Schwingungsknotens kann der Fortsatz in Querrichtung
eher punktförmig oder ringförmig ausgebildet sein,
wobei beim Vorliegen einer Knotenebene der Fortsatz an beliebigen Stellen
entlang des Umfangs vom Lageelement aufgenommen werden kann.
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Alternativ
ist die Aufnahme als Nut, insbesondere als Ringnut ausgebildet,
deren axiale Ausdehnung sich idealer Weise möglichst auf
die Knotenebene konzentriert. In die Nut des Piezoaktors kann einerseits
das Lagerungselement direkt eingreifen, oder ein justierbares Halterungselement,
das wiederum im Lagerungselement eingespannt ist. Alternativ kann
das Halterungselement auch auf die glatte Oberfläche des
Aktorgehäuses verspannt und mittels einer Feinjustierung
positioniert werden.
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Durch
das Einspannen des Fortsatzes in Querrichtung zwischen zwei Befestigungsplatten können
Fertigungstoleranzen sehr einfach ausgeglichen werden und durch
das Verspannen der beiden Platten eine sehr hohe Steifigkeit der
Lagerungselemente erzielt werden, die höher ist, als die
Steifigkeit der Piezoaktoren. Dabei können die Befestigungsplatten
näherungsweise parallel zu dem Brückensteg angeordnet
werden.
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Das
Lagerungselement, insbesondere die Befestigungsplatten können
sich auch in Querrichtung weg vom jeweils gegenüberliegenden
Piezoaktors erstrecken, so dass dort genügend Bauraum für die
Verspannung des Lagerungselements, bzw. für dessen Befestigung
an der Karosserie bzw. am zu verstellenden Teil vorhanden ist.
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Die
Anpresskraft mit der der Piezomotor gegen die Reibfläche
gepresst wird, kann sehr einfach durch eine Einstellvorrichtung
des Lageelements vorgegeben werden, wodurch die Normalkraft besonders
günstig an die Schwingungsbewegung des Piezomotors angepasst
werden kann.
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Besonders
günstig ist es, wenn die erfindungsgemäße
piezoelektrische Antriebsvorrichtung in ihrer Resonanzfrequenz angesteuert
wird, insbesondere mit einer einphasigen Anregungsfrequenz, da sich
dann in den Piezoaktoren definierte Schwingungsknoten ausbilden,
in denen dann sehr präzise das Lagerungselement fixiert
werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind genau zwei Piezoaktoren
in etwa parallel zueinander angeordnet, wobei der Brückensteg
in etwa parallel zu den befestigungsplatten angeordnet ist, zwischen
denen die Aufnahmen eingespannt sind. Bei dieser Ausbildung, kann
das Friktionselement auf dem Brückensteg wahlweise durch
einen der beiden Piezoaktoren oder durch eine gemeinsame Anregung
der beiden Piezoaktoren in eine Stoß- oder eine Ellipsenbewegung
versetzt werden.
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Wird
der Brückensteg im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung
des Piezoaktors angeordnet, wird die größte Verstärkung
der Stößelbewegung erzielt. Dabei kann der Brückensteg
einerseits als freier Hebelarm oder andererseits als Verbindungssteg
zu einem zweiten Piezoaktor ausgebildet sein. Ist das Friktionselement
als Fortsatz in Längsrichtung ausgebildet, kann die Längsschwingung
des Piezoaktors besonders effektiv in eine Stoßbewegung
in Längsrichtung umgesetzt werden. Über die Festlegung
des Abstands des Friktionselements senkrecht zur Mittelachse des
Piezoaktors kann die Verstärkung bzw. die zu übertragende
Stoßkraft eingestellt werden, wodurch eine Anpassung für
unterschiedliche Anwendungen möglich ist. Der Brückensteg
kann je nach gewünschtem Funktionsprinzip der Stößelbewegung eher
biegeweich oder eher biegesteif ausgebildet werden. Die Steifigkeit
des Brückenstegs kann durch dessen Materialwahl und Formgebung
beeinflusst werden. Zur Realisierung eines biegeweichen Brückenstegs
kann an diesem beispielsweise ein oder mehrere Bereiche mit entsprechenden
Aussparungen ausgeformt werden, so dass dessen Materialquerschnitt
reduziert wird.
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Aufgrund
der einphasigen Anregung des Piezomotors muss nur ein einziges Anregungssignal generiert
werden, das abwechselnd auf den einen oder den anderen Piezoaktor
gegeben wird. Das Schwingverhalten des Piezomotors wird nur durch die
eine einzige Anregungsfrequenz bestimmt, so dass die Bewegungsbahn
des Stößels einfach vorgebbar ist, und die Lagerung
der Piezoaktoren auf diese eine Anregungsfrequenz abgestimmt werden kann.
Bei äußeren Einflüssen, die die Resonanzfrequenz
verstimmen, kann die Resonanzfrequenz wesentlich einfacher mit einer
einphasigen Anregung nachgeführt werden.
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Durch
die Haltekraft, mit dem das Friktionselement gegen die lineare Schiene
oder den Rotationskörper gepresst wird, wird die tangentiale
Bewegungskomponente des Friktionselements auf das Antriebselement übertragen.
Besonders günstig ist es, den Piezomotor mittels des Lagerungselements an
dem beweglichen Teil zu befestigen, so dass sich dieser gegenüber
einer ortsfesten Reibfläche mit dem beweglichen Teil wegbewegt.
Beispielsweise kann das Lagerungselement für einen Fensterheberantrieb
im Kraftfahrzeug an einer Fensterscheibe befestigt werden. Durch
die direkte Erzeugung einer linearen Bewegung ist eine sehr schnelle
Ansprechzeit mit hoher Dynamik möglich. Durch das Mikrostoßprinzip
kann eine äußerst präzise Positionierung des
zu verstellenden Teils bei geringer Geräuschemission erzielt
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 Eine
erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung,
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2 eine
weitere Ausführung für einen Rotationsantrieb,
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3 ein
Piezoelement für den Einbau in den Piezoaktor gemäß 1,
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4 eine
schematische Darstellung zum Betreiben der Antriebsvorrichtung,
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5 eine
Resonanzkurve des Piezomotors,
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6 eine
Impedanzkurve für das piezoelektrische Antriebs-System,
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7, 8 die
schematische Erzeugung verschiedener Schwingungsformen
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9 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Piezomotorlagerung,
und
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10a, b die Explosionsdarstellungen zweier erfindungsgemäßer
Piezomotoren.
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In 1 ist
eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
bei der ein Piezomotor 12 eine Relativbewegung gegenüber
einer korrespondierenden Reibfläche 14 ausführt.
Die Reibfläche 14 ist hierbei als lineare Schiene 16 ausgebildet,
die beispielsweise an einem Karosserieteil 17 befestigt
ist. Der Piezomotor 12 weist mindestens einen Piezoaktor 18 auf,
der wiederum ein Piezoelement 20 enthält. Hierzu
weist der Piezoaktor 18 ein Aktorgehäuse 22 auf,
das das Piezoelement 20 aufnimmt. Das Aktorgehäuse 22 ist
beispielsweise hülsenförmig ausgebildet. In den
dargestellten Ausführungen ist das Piezoelement 20 vom
Aktorgehäuse 22 umschlossen. Der Piezoaktor 18 weist
eine Längsrichtung 19 auf, in deren Richtung die
Ausdehnungen des Piezoaktors 18 größer
ist als in einer Querrichtung 24 dazu. Das Piezoelement 20 ist
vorzugsweise im Aktorgehäuse 22 in Längsrichtung 19 vorgespannt,
derart, dass bei einer Anregung einer Längsschwingung 26 des
Piezoelements 20 in diesem keine Zugkräfte auftreten. Durch
die Schwingung des Piezoelements 20 wird der gesamte Piezoaktor 18 in
Längsschwingung 26 versetzt und überträgt
eine Schwingungsamplitude 45 über einen Brückensteg 28 auf
ein Friktionselement 30, das in Reibkontakt zur Reibfläche 14 steht. Durch
die Längsschwingung 26 des Piezoaktors 18 wird
der Brückensteg 28 in eine Kippbewegung oder eine
Biegebewegung versetzt, so dass ein der Reibfläche 14 zugewandtes
Ende 31 des Friktionselements 30 eine Mikrostoßbewegung
ausführt. Die Wechselwirkung zwischen dem Friktionselement 30 und
der Reibfläche 14 ist in dem vergrößerten
Ausschnitt dargestellt, in dem ersichtlich ist, dass der Brückensteg 28,
der in Ruhestellung näherungsweise parallel zur Reibfläche 14 angeordnet
ist, bei angeregter Schwingung des Piezoaktors 18 gegenüber der
Reibfläche 14 verkippt. Dabei führt das
Ende 31 des Friktionselements 30 beispielsweise
näherungsweise eine Ellipsenbewegung 32 oder Kreisbewe gung
aus, mittels derer sich der Piezomotor 12 entlang der linearen
Schiene 16 abstößt. Der Piezomotor 12 ist
im Bereich von einem Schwingungsknoten 34 der Piezoaktoren 18 gelagert
und beispielsweise mit einem zu bewegenden Teil 11 verbunden.
Der Schwingungsknoten 34 ist bei der Längsschwingung 26 des
Piezoaktors 18 als Knotenebene 111 ausgebildet,
die sich in etwa senkrecht zur Längsrichtung 19 erstreckt.
Der Piezoaktor 18 ist an einer äußeren Umfangslinie 112,
die durch den Schnitt der Kontenebene 111 durch den Piezoaktor 18 gebildet
wird von einem Lagerungselements 36 aufgenommen. Der Schwingungsknoten 34 wird
hierzu mittels Simulation und/oder empirisch ermittelt. Gleichzeitig
wird der Piezomotor 12 über ein Lagerungselement 36 mit
einer Normalkraft 37 gegen die Reibfläche 14 gedrückt. Dadurch
führt das Ende 31 des Friktionselements 30 nun
eine Ellipsenbewegung 32 aus, die zusätzlich zur Normalkraft 37 eine
tangentiale Kraftkomponente 38 aufweist, die den Vorschub
des Piezomotors 12 gegenüber der Reibfläche 14 bewirkt.
In einer alternativen Ausführung führt das Friktionselement 30 lediglich
eine lineare Stoßbewegung unter einem gewissen Winkel zur
Normalkraft 37 aus. Dadurch kommt es ebenfalls zu einer
Relativbewegung mittels Mikrostößen.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der
Piezomotor 12 genau zwei Piezoaktoren 18 auf, die
beide näherungsweise parallel zu ihrer Längsrichtung 19 angeordnet
sind. Dabei ist der Brückensteg 28 quer zur Längsrichtung 19 angeordnet
und verbindet die beiden Piezoaktoren 18 an ihren Stirnseiten 27.
Dabei kann der Brückensteg auch aus einem stück
mit den Aktorgehäusen 22 gefertigt werden. Der
Brückensteg 28 ist beispielsweise als ebene Platte 29 ausgebildet,
in deren Mitte das Friktionselement 30 angeordnet ist.
In einer bevorzugten Betriebsweise der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 wird
für eine Relativbewegung in eine erste Richtung 13 nur
einer der beiden Piezoaktoren 18 angeregt. Dabei wirkt
der zweite, nicht angeregte Piezoaktor 18 über
den Brückensteg 28 als Schwingmasse, aufgrund
derer der Brückensteg 28 mit dem Friktionselement 30 gegenüber
der Längsrichtung 19 verkippt oder verbogen wird.
Entsprechend der Steifigkeit des Aufbaus des Piezomotors 12 wird
somit die Längsschwingung 26 des Piezoelements 20 in eine
Mikrostoßbewegung mit einer tangentialen Kraftkomponente 38 umgewandelt.
Die elektrische Anregung des Piezoelements 20 erfolgt über
Elektroden 40, die über ein Kontaktierelement 41 mit
einer Elektronikeinheit 42 verbunden sind. Für
eine Bewegung des Piezomotors 12 in die entgegengesetzte Richtungen 15 wird
entsprechend das Piezoelement 20 des anderen Piezoaktors 18 mittels
der Elektronikeinheit 42 angeregt. Bei dieser Betriebsweise
ist immer nur ein Piezoelement 20 des Piezomotors 12 angeregt,
so dass es zu keiner Überlagerung von zwei Schwingungsanregungen
beider Piezoaktoren 18 kommen kann.
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Erfindungsgemäß wird
die piezoelektrische Antriebsvorrichtung in ihrer Resonanzfrequenz 44 betrieben.
Dazu weist die Elektronikeinheit 42 eine Abstimmschaltung 46 auf,
die das entsprechende Piezoelement 20 derart ansteuert,
dass das gesamte System in Resonanz schwingt. Die Elektronikeinheit 42 kann
beispielsweise zumindest teilweise auch innerhalb des Aktorgehäuses 18 oder
der Lagerung 36 angeordnet sein. In 1 sind in
den beiden Piezoaktoren 18 jeweils die Amplituden 45 der
Resonanzfrequenz 44 der Längsschwingung 26 dargestellt, wobei
die beiden Piezoaktoren 18 bei dieser Betriebsweise nicht
gleichzeitig angeregt werden. Die maximalen Amplituden 45 entsprechen
hier der mechanische Resonanzfrequenz 44.
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In 2 ist
eine Variation der Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
bei der der Piezomotor 12 in einem Karosserieteil 17 gelagert
ist. Hingegen ist die Reibfläche 14 als Umfangsfläche
eines Rotationskörpers 48 ausgebildet, so dass
durch die Stößelbewegung des Friktionselements 30 der
Rotationskörper 48 in Drehung versetzt wird. Entsprechend
der zu 1 beschriebenen Betriebsweise kann die Drehrichtung 49 des
Rotationskörpers 48 wiederum durch die Ansteuerung
von jeweils nur einem Piezoelement 20 an einem der beiden
Piezoaktoren 18 vorgegeben werden. Eine solche Antriebsvorrichtung 10 erzeugt eine
Rotation als Antriebsbewegung und kann somit an Stelle eines Elektromotors
mit nachgeschaltetem Getriebe eingesetzt werden. In 8 führen
die Piezoaktoren 18 beispielsweise eine überlagerte
Biege-Längsschwingung aus. Dabei ist der Schwingungsknoten 34 als
Knotenlinie 113 (in die Zeichenebene hineinragend) ausgebildet,
die im Schnitt mit dem Aktorgehäuse 22 jeweils
zwei gegenüberliegende Schnittpunkte 114 ergibt,
in denen der Piezoaktor 18 mittels einer Aufnahme 107 näherungsweise punktförmig
mittels des Lagerungselements 36 gelagert ist.
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In 3 ist
vergrößert ein Piezoelement 20 abgebildet,
wie es beispielsweise im Piezomotor 12 der 1 oder 2 verwendet
werden kann. Das Piezoelement 20 weist mehrere voneinander
getrennte Schichten 50 auf, zwischen denen die jeweiligen
Elektroden 40 angeordnet sind. Wird an den Elektroden 40 über
die Elektronikeinheit 42 eine Spannung 43 angelegt,
dehnt sich das Piezoelement 20 in Längsrichtung 19 aus.
Die Ausdehnung der einzelnen Schichten 50 addiert sich
auf, so dass durch die Anzahl der Schichten 50 die mechanische
Gesamtamplitude 45 des Piezoelements 20 in Längsrichtung 19 vorgegeben
werden kann. Die Schichten 20 sind dabei quer zur Längsrichtung 19 im
Aktorgehäuse 22 angeordnet, so dass der gesamte
Piezoaktor 18 durch das Piezoelement 20 in Längsschwingung 26 versetzt
wird. Das Piezoelement 20 ist vorzugsweise aus einer Keramik 21 hoher
Güte hergestellt, so dass im Resonanzbetrieb des Piezoelements 20 sehr
große Amplituden 45 erzeugbar sind.
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In 4 ist
ein Modell der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
das als Grundlage zur Einstellung der Resonanzfrequenz 44 dient.
Dabei ist der Piezoaktor 18 als Schwingkreis 52 dargestellt,
in dem eine Induktivität 53 mit einer ersten Kapazität 54 und
einer ohmschen Last 55 in Reihe geschaltet sind. Dazu ist
eine zweite Kapazität 56 parallel geschaltet.
An diesem Schwingkreis 52 wird eine Anregungsspannung 43 mittels
der Elektronikeinheit 42 angelegt. Weiterhin hängt
die Resonanzfrequenz 44 der gesamten Antriebsvorrichtung 10 von
der Last 58 ab, die beispielsweise durch das Gewicht des
zu verstellenden Teils 11 und/oder der Reibbedingung zwischen
dem Friktionselement 30 und der Reibfläche 14 bestimmt
wird.
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Gemäß diesem
Schaltbild stellt sich bei der Anregung der Verstellvorrichtung 10 mittels
der Elektronikeinheit 42 ein Frequenzgang ein, wie er in 5 dargestellt
ist. Hierbei ist die Leistung 59 über der Frequenz 69 aufgetragen.
Beim Null-Durchgang 61 der dargestellten Blindleistung 62 ergibt
sich ein Maximum 63 der Wirkleistung 64. Das Maximum 63 der
Wirkleistung 64 tritt bei der Resonanzfrequenz 44 auf,
auf die die piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 mittels
der Abstimmschaltung 46 geregelt wird. Die Resonanzfrequenz 44 liegt
beispielsweise im Bereich zwischen 30 und 80 kHz, vorzugsweise zwischen
30 und 50 kHz.
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In 6 ist
das dazugehörige Impedanzverhalten des Piezomotors 12 über
den Frequenzgang dargestellt. Der Phasenverlauf 60 der
Impedanz der durch den Schwingkreis 52 gemäß 4 dargestellten
Verstellvorrichtung 10 weist einen ersten Null-Durchgang 65 mit
positiver Steigung und einen zweiten Null-Durchgang 66 mit
negativer Steigung auf, die der Serien- und der Parallelresonanz
des Schwingkreises 52 entsprechen. Der Phasenwinkel 68 ist
auf der Y-Achse auf der rechten Seite des Diagramms dargestellt.
Um die Antriebsvorrichtung 10 im Resonanzbetrieb zu halten – beispielsweise
auch bei einer veränderlichen Last 58 – regelt
die Abstimmschaltung 46 die Frequenz 69 beispielsweise auf
den Null-Durchgang 65 mit positiver Steigung, was elektronisch
relativ einfach mittels einer Phasenregelschleife 47 (PLL:
Phase Locked Loop) realisierbar ist. Die linke Y-Achse 74 stellt
den Betrag 70 der Impedanz dar, wobei der Impedanzverlauf 70 über der
Frequenz 69 ein Minimum 71 am ersten Null-Durchgang 65 und
ein Maximum 72 am zweiten Null-Durchgang 66 aufweist.
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In 7 ist
schematisch die Längsschwingung 26 dargestellt,
wie diese beispielsweise in den Piezoaktoren 18 gemäß 1 angeregt
wird. In der oberen Bildhälfte ist die Amplitude 45 der
Längsschwingung 26 dargestellt, die der Amplitude 45 in 1 entspricht.
Im Schwingungsknoten 34 ist die Amplitude 45 gleich
null, wobei die Längenausdehnung des Piezoaktors 18 ausgehend
vom Schwingungsknoten 34 unterschiedliche Beträge
a, b aufweisen kann. Die Beträge a und b und deren Verhältnis
zueinander können insbesondere durch die Anordnung des
Piezoelements 20 im Piezoaktor 18 bestimmt werden.
Im mittleren Bildteil ist die maximale Längenausdehnung
des Piezoaktors 18 bei freier Längsschwingung 26 dargestellt.
Im unteren Bildteil ist der Piezoaktor 18 ohne elektrische
Anregung oder bei bipolarem Material mit einer negativen Anregungsspannung
und daher mit minimaler Auslenkung in Längsrichtung 19 gezeigt.
Das Fiktionselement 30 ist beispielsweise an der rechten
Stirnseite 27 des Piezoaktors 18 angeordnet, so
dass dieses einen maximalen Hub 115 auf der Mittelachse 89 des Piezoaktors
von erfährt. Der Schwingungsknoten 34 ist bei
dieser Längsschwingung 26 als Knotenebene 111 ausgebildet,
die sich quer zur Längsrichtung 19 erstreckt.
Bei dieser Längsschwingung 26 ergibt sich ein
Schwingungsknoten 34 auf der Oberfläche des Aktorgehäuses 22 die
Umfangslinie 112 an der der Piezoaktor 18 starr
mit dem Lagerelement 36 verbunden ist, wie dies im Detail
beispielsweise in 9 dargestellt ist.
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8 hingegen
zeigt schematisch eine überlagerte Biege-Längsschwingung,
bei der der Piezoaktor 18 zusätzlich zur Schwingung
in Längsrichtung 19 eine Schwingung in Querrichtung 24 vollzieht.
Im Piezoaktor 18 wird dabei beispielsweise das Piezoelement 20 in
vier Bereichen angeordnet, die derart angeregt werden, dass sich
eine Biege-Längsschwingung einstellt. Bei einer solchen
Schwingung stellt der Schwingungsknoten 34 eine Knotenlinie 113 dar,
die in diesem Beispiel senkrecht zur Zeichenebene verläuft.
Im Schnitt mit dem Aktorgehäuse 22 ergeben sich
die beiden gegenüberliegenden Schnittpunkte 114,
in denen der Piezoaktor 18 näherungsweise punktförmig
starr im Lageelement 36 aufgenommen ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Friktionselement 30 beispielsweise direkt an der Stirnseite 27 des
Piezoaktors 18 angeordnet und führt aufgrund der
Biege-Längsschwingung eine Ellipsenbewegung 32 oder
Kreisbewegung aus.
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9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auf dem Piezoaktor 18 ein
Fortsatz 116 in Querrichtung 24 angeordnet ist.
Dieser Fortsatz 116 ist beispielsweise auf der Umfangslinie 112 der Knotenebene 111 mit
dem Aktorgehäuse 22 angeordnet. Der Fortsatz 116 ist
hier als separat gefertigtes Halterungselement 117 ausgebildet,
das mittels einer Feinjustierung 118 auf dem Aktorgehäuse 22 sehr
präzise verstellbar ist. Somit kann das separate Halterungselement 117 sehr
exakt auf die Knotenebene 111 justiert werden, wobei das
Halterungselement 117 wiederum fest im Lagerungselement 36 gelagert
ist. Das Halterungselement 117 ist beispielsweise als Wellensicherungsring
ausgebildet. Das Lagerungselement 36 weist zwei Befestigungsplatten 119 auf,
zwischen denen der Fortsatz 116 eingespannt ist. Die Befestigungsplatten 119 sind
hierbei in etwa parallel zum Brückensteg 28 angeordnet.
Dabei werden die beiden Befestigungsplatten 119 mittels Verbindungselementen 120,
beispielsweise Schrauben 121 in Längsrichtung 19 miteinander
verspannt. In 9 sind die beiden Piezoaktoren 18 zwischen gleichartigen
Befestigungsplatten 119 eingespannt, die wiederum durch
das Lagerungselement 36 mit einer Normalkraft 37 gegen
die Reibefläche 14 gepresst werden. Die Normalkraft 37,
mit der der gesamte Piezomotor 12 gegen die Reibefläche 14 gepresst
wird, kann variabel eingestellt werden. Hierzu weist das Lagerelement 36 eine
Vorrichtung 122 zur Einstellung der Anpresskraft auf, die
beispielsweise als Einstellschraube 123 ausgebildet ist,
die sich beispielsweise an einem Karosserieteil 17 abstützt.
In einer alternativen Ausführung ist der Fortsatz 116 nicht
als separates Halterungselement 117 ausgebildet, sondern
einstückig mit dem Aktorgehäuse 22.
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In 10a und 10b ist
jeweils ein Piezomotor 12 in Explosionsdarstellung gezeigt,
wobei zwei Piezoaktoren 18 mittels dem Brückensteg 28 miteinander
verbunden sind. Die Piezoaktoren 18 weisen in Längsrichtung 19 eine
größere Ausdehnung auf als in Querrichtung 24 und
sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Das Brückenelement 28 ist
näherungsweise senkrecht zur Längsrichtung 19 angeordnet
und erstreckt sich in etwa parallel zur korrespondierenden Reibfläche 14,
wie dies in 1 dargestellt ist. In den Ausführungsbeispielen der 10a und 10b ist
der Brückensteg 28 und das Friktionselement 30 jeweils
als separates Bauteil ausgebildet, das dann mit dem Aktorgehäuse 22 zusammenmontiert
wird. Dazu weist der Brückensteg 28 Aussparungen 4 auf,
in die Spannelement 95 zur Erzeugung einer Vorspannung
für das Piezoelement 20 einfügbar sind.
In 8a besteht das Piezoelement 20 aus
einer Stapel-Keramik 103, bei der mehrere Keramikringe 105 in
Längsrichtung 19 aufeinander gestapelt werden
und mittels dem Spannelement 95 gegeneinander verklemmt
werden. Das Spannelement 95 ist beispielsweise als Schraube 96 ausgebildet,
die einerseits in die Aussparung 4 einschraubbar oder einfügbar
ist, und andererseits im Aktorgehäuse 22 eingeschraubt
werden kann. Das Aktorgehäuse 22 ist beispielsweise
als zylindrische Gehäusehülse 25 ausgebildet,
die in 8a etwa einen gleichen Außendurchmesser
aufweist, wie die Stapel-Keramik 103. In 8b hingegen
ist das Piezoelement 20 als Multilager-Keramik 104 ausgebildet, die
einen geringeren Außendurchmesser aufweist als das Aktorgehäuse 22.
Das Piezoelement 20 ist hierbei komplett im Hohlraum 23 des
Aktorgehäuses 22 aufgenommen. Dabei ist das Piezoelement 20 mittels
eines Isolierelements 106 gegenüber dem Aktorgehäuse 22 elektrisch
isoliert. Das Aktorgehäuse 22 weist beispielsweise
ein Innengewinde auf, in das die schraubenförmige Spannelemente 95 eingeschraubt
werden. Das Brückenelement 28 weist eine weitere
Aussparung 5 auf, in die das Friktionselement 30 eingefügt
wird. Das Friktionselement 30 ist als Stößel 94 ausgebildet,
der in Längsrichtung 19 eine größere
Ausdehnung aufweist als in Querrichtung 24. Der Stößel 94 weist
eine Stoßfläche 101 auf, die sich im
wesentlichen parallel zum Brückensteg 28 und parallel
zur korrespondierenden Reibfläche 14 erstreckt.
Das Friktionselement 30 ist etwa in der Mitte zwischen
den beiden Piezoaktoren 18 angeordnet und weist einen Abstand 2 zur
Mittelachse 89 der Piezoaktoren 18 auf. Zur Lagerung
der Piezoaktoren 18 mittels des Lagerelements 36 ist
am Aktorgehäuse 22 in 10a eine
Aufnahme 107 ausgeformt, die als Fortsatz 116 in
Querrichtung 24 ausgebildet ist. Die Aufnahme 107 ist
im Bereich des Schwingungsknoten 34 des Piezoaktors 18 angeordnet
und erstreckt sich über den gesamten Umfang entlang der Umfangslinie 112.
In 10b ist die Aufnahme 107 für
das Lagerungselement 36 als Nut 108 ausgeformt,
in die das Lagerungselement 36 eingreifbar ist. Die Nut 108 erstreckt
sich hier als Ringnut über die gesamte Umfangslinie 112,
in die das Lagerungselement 36 direkt eingreift. Alternativ
zur zylindrischen Ausbildung des Aktorgehäuses 22 kann
dieses auch einen viereckigen Querschnitt aufweisen, wie dies beispielsweise
in 1 und 2 gezeigt ist. Dabei kann die
Aufnahme 107 auch nur an bestimmten Punkten 114,
bzw. an Teilbereichen des Umfangs oder an bestimmten Außenflächen
angeordnet sein.
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Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der in der
Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispielen vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich
sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung der Piezoaktoren 18 deren
Aktorgehäuse 22, der Piezoelemente 20 (Monoblock,
Stapel- oder, Multilayer), des Brückenstegs 28 und
des Friktionselements 30 entsprechend der Anwendung variiert werden.
Dabei kann die Stößelbewegung als reine Stoßbewegung
oder als im wesentlichen elliptische oder kreisförmige
Bewegungsbahn ausgebildet sein, wobei entsprechend der Querkomponente
der Kraftübertragung die Reibpaarung zwischen dem Friktionselement 30 und
der Reibfläche 14 eine höhere oder geringere
Reibzahl aufweist. Dabei stellt die reine lineare Stößelbewegung
den Grenzfall der Ellipsenbewegung dar. Als Grenzfall ist auch eine
Ausbildung mit reinem Formschluss möglich, bei dem das Friktionselement 30 ohne
Reibung in eine entsprechende Aussparung, bei spielsweise in eine
Mikroverzahnung des Antriebselements, z. B. der linearen Führungsschiene 16 oder
des Rotationskörpers 48 greift. Ebenso können
die entsprechenden Schwingungen mehrerer Piezoaktoren 18 eines
Piezomotors 12 gleichzeitig ein- oder mehrphasig angeregt werden,
wodurch eine Überlagerung dieser Schwingungen eine Stößelbewegung
bewirkt, die das Antriebselement in Bewegung versetzt. Dabei können alle
Piezoaktoren in einem gemeinsamen Lagerungselement 36 aufgenommen
werden, oder jeweils nur einzelne Piezoaktoren 18 starr
befestigt werden. Die konkrete Ausgestaltung der Aufnahmen 107 ist von
der Form des Aktorgehäuses 22 und der angeregten
Schwingungsform abhängig. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße
Antriebseinheit 10 zu Verstellung beweglicher Teile 11 (Sitzteile,
Fenster, Dach, Klappen) im Kraftfahrzeug verwendet, ist jedoch nicht
auf eine solche Anwendung beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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