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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. Nachteilig ist bei diesem
Ultraschall-Motor, dass aufgrund der Ausbildung und der Betriebsweise
der Vibratoren viele Ultraschall-Vibratoren notwendig sind, um ein
ausreichendes Antriebsmoment zu erzeugen. Ein solcher Motor ist
daher 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 Ansteuerung jeweils nur eines Piezoaktors
eines Piezomotors dessen Ansteuerungselektronik wesentlich vereinfacht
wird. Das Schwingverhalten des Piezomotors wird nur durch die eine
einzige Anregungsfrequenz bestimmt, so dass die Bewegungsbahn des
Stößels einfach vorgebbar ist. Bei äußeren Einflüssen,
die die Resonanzfrequenz verstimmen, kann die Resonanzfrequenz wesentlich
einfacher mit einer einphasigen Anregung nachgeführt werden.
Der nicht angeregte Piezoaktor kann außerdem gleichzeitig
als Einklemmschutzsensor genutzt werden, der eine mechanische Krafteinwirkung
durch das zu verstellende Teil in ein elektrisches Sensorsignal
umwandelt.
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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. Aufgrund der einphasigen Anregung des Piezomotors
kann auf eine zweite Elektronikeinheit/Abstimmsschaltung pro Piezomotor
verzichtet werden. Es muss nur ein einziges Anregungssignal generiert werden,
das abwechselnd auf den einen oder den anderen Piezoaktor gegeben
wird. Dies vereinfacht die Signalaufbereitung und die Koordination
verschiedener Piezomotoren.
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Bevorzugt
wird der Piezoaktor nur in Längsschwingungen versetzt,
so dass nur Schwingungskomponenten entlang der Längsrichtung
mit der größten Ausdehnung des Piezoaktors angeregt
werden. Dazu wird die Piezokeramik und die Ausbildung des Gehäuse
des Piezoaktors entsprechend optimiert.
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Ist
die Längsrichtung des Piezoaktors im Ruhezustand im Wesentlichen
senkrecht zur korrespondieren Reibefläche des Antriebelements
ausgerichtet, so kann die Längsschwingung eines einzigen
Piezoaktors effektiv in die eine oder die entgegengesetzte Bewegungsrichtungen
der Relativbewegung gegenüber der Reibefläche
umgesetzt werden.
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Zur
Erzeugung einer großen Schwingungsamplitude des Piezoaktors
in Längsrichtung ist die Piezokeramik im Piezogehäuse
derart vorgespannt, dass im Schwingbetrieb in der Piezokeramik keine Zugkräfte
auftauchen, so dass das Schwingsystem in Längsrichtung
eine hohe Steifigkeit aufweist.
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Aufgrund
der Mikrostoßbewegung des Friktionselements gegenüber
der korrespondierenden Reibefläche kann eine Relativbewegung
erzeugt werden, ohne dass zusätzliche träge Massen
in Bewegung gesetzt werden müssen. Durch eine geeignete
Wahl der Reibpartner zwischen dem Friktionselement und der korrespondierenden
Reibefläche kann die Schwingung des Piezoaktors sehr verlustarm
und verschleißfest in eine Linearbewegung oder Rotationsbewegung
eines Antriebelements umgesetzt werden.
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Zur
Unterstützung der Kraftübertragung kann zusätzlich
zum Reibschluss ein Formschluss – beispielsweise eine Mikroverzahnung – zwischen dem
Friktionselement und der Reibefläche ausgebildet werden.
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Aufgrund
der Anordnung des Friktionselements gegenüber dem Piezoaktor
kann die Längsschwingung des Piezoaktors in eine elliptische
Bewegung des Friktionselements, insbesondere dessen der Reibefläche
zugewandten Ende, erzielt werden. Eine solche elliptische Bewegung
des Friktionselements kann sehr harmonisch auf das Antriebselement übertragen
werden, wobei durch die Umkehrung des Umlaufsinns des Friktionselements
die Richtung der Relativbewegung umgekehrt werden kann.
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Das
Antriebselement mit der Reibefläche kann vorteilhaft als
lineare Antriebsschiene oder als Rotorwelle ausgebildet werden.
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.
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Besonders
günstig ist es, den Piezomotor an dem beweglichen Teil
zu befestigen, so dass sich dieser gegenüber einer ortsfesten
Reibefläche mit dem beweglichen Teil wegbewegt. Beispielsweise
kann der Piezomotor an einer Fensterscheibe befestigt werden, und
sich entlang einer Reibefläche einer karosseriefesten Führungsschiene
abstoßen.
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Wird
die Piezokeramik in mehreren Schichten ausgebildet, zwischen denen
Elektronen angeschlossen werden, lässt sich mit einer vorgegebenen Spannung
eine größere Schwingungsamplitude erzeugen. Werden
die Schichten quer zur Längsrichtung des Piezoaktors angeordnet,
wird dadurch die Längsschwingung in Längsrichtung
maximiert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Piezomotor
exakt zwei Piezoaktoren auf. Diese können günstigerweise
derart betrieben werden, dass jeweils ein Piezoaktor für
eine Bewegungsrichtung der Relativbewegung angeregt wird. Dies hat
den Vorteil, dass immer nur exakt ein Piezoaktor mittels der Elektronikeinheit
in Schwingung versetzt wird, und der zweite Piezoaktor lediglich
als träge Masse mitschwingt. Dadurch wird eine komplizierte Überlagerung
der beiden gleichzeitig angeregten Piezoaktor-Schwingungen unterbunden.
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Beispielsweise
kann das Lagerungselement für die Anwendung eines Fensterheberantriebs
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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Durch
den Betrieb der Piezoaktoren in ihrer Resonanzfrequenz wird deren
Piezokeramik optimal ausgenutzt. Dadurch lässt sich bei
relativ geringem Materialeinsatz der Piezokeramik große
Auslenkung des Piezoaktors erzeugen, wodurch ein großer
Vorschub, beziehungsweise ein großes Moment auf die korrespondierende
Reibefläche übertragen werden kann. Durch den
Resonanzbetrieb wird die Piezokeramik im Punkt ihrer höchsten
Effizienz betrieben, wodurch die elektrische Verlustleistung stark
reduziert wird und dadurch eine Erwärmung der Piezokeramik
vermieden wird. Im Resonanzbetrieb wird die Piezokeramik, die Elektronikeinheit
und die Spannungsquelle nicht mit einer Blindleistung belastet, wodurch
die Elektronik einfacher ausgeführt werden kann und beispielsweise
auf zusätzliche Schalter und Filterelemente verzichtet
werden kann. Durch die Ausnützung der Dielektrizität
der Piezokeramik werden keine störenden elektromagnetischen
Felder erzeugt, noch wird der Betrieb der Piezokeramik durch äußere
Magnetfelder merklich beeinträchtigt. Beim Betrieb des
Piezoaktors im Resonanzbetrieb, kann durch das Design des Piezoaktors
die Amplitude und die Kraftübertragung des Piezoaktors
an die korrespondierende Reibefläche angepasst werden.
Aufgrund der hohen Leistungsdichte des Piezoaktors kann der Materialeinsatz
der relativ kostenintensiven Piezokeramik reduziert werden, bzw.
die Leistung des Piezoantriebs erhöht werden.
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Besonders
vorteilhaft kann der Resonanzbetrieb des Piezoaktors mittels einer
elektrischen Abstimmschaltung erzeugt werden, die die Schwingungsfrequenz
des Piezomotors auf die Resonanzfrequenz des Piezoaktors regelt.
Dabei wird vorteilhaft eine Belastung durch die Blindleistung vermieden,
wodurch das Bordnetz weniger belastet wird. Verglichen mit herkömmlichen
DC-Motoren treten auch keine Anlaufströme oder Blockierströme
auf, so dass ein deutlich höherer Wirkungsgrad des Piezoantriebs
erzielt werden kann.
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Der
Piezoaktor wird zweckmäßig einem elektrischen
Schwingkreis nachgebildet, der zur Regelung auf die Resonanzfrequenz
im Null-Durchgang des Phasenverlaufs des Schwingkreises betrieben wird.
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Günstigerweise
wird der Piezomotor bei der Frequenz des Null-Durchgangs des Phasenverlaufs (insbesondere
der Impedanz) mit positiver Steigung betrieben, die durch die erfindungsgemäße
Abstimmschaltung sehr einfach geregelt werden kann.
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Durch
die Anordnung des zu verstellenden Teils an einer Seitenfläche
des Piezoaktorgehäuses kann die Kraft direkt entgegen der
Verstellrichtung des Teils auf das Piezoelement einwirken, wodurch ein
besonders sensibler Einklemmdetektor zu Verfügung gestellt
wird. Durch die Ausbildung eines Verbindungselements zwischen dem
zu verstellenden Teil und dem Piezoaktor, kann über die
Steifigkeit, bzw. Elastizität des Verbindungselements die
Federrate (für weiches oder hartes Einklemmobjekt) eingestellt
werden.
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Durch
die doppelte Nutzung des Piezoaktors als Antrieb und als Sensor
entfällt die Verwendung eines zusätzlichen Detektors
und dessen Versorgung, so dass die Anzahl der Bauteile deutlich
reduziert wird, was zu einer Reduzierung des Gewichts führt.
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Da
beim Heben des Teils größere Kräfte erforderlich
sind, als bei dessen Absenkung, kann das Volumen des Absenk-Piezoelements
kleiner ausgebildet werden.
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Vorzugsweise
wir der Absenk-Piezoaktor als Einklemmschutzsensor beim Anheben
des Teils betrieben, da beispielsweise beim Fensterheberantrieb nur
beim Anheben der Scheibe die Gefahr eines Einklemmens besteht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben piezoelektrischer
Antriebsvorrichtungen hat den Vorteil, dass mittels der Abstimmschaltung
der Elektronikeinheit der Piezomotor, beziehungsweise die komplette
Antriebsvorrichtung in ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden kann.
Durch die Regelung auf den Null-Durchgang des Phasenverlaufs des
Antriebssystems kann die Frequenz im Bereich der Resonanzfrequenz
sehr genau eingehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad des Piezoaktors
deutlich gesteigert werden kann.
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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 und
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6 eine
Impedanzkurve für das piezoelektrische Antriebs-System,
und
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7 eine
weiteres Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung
mit integriertem Lastsensor.
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In 1 ist
eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
bei der ein Piezomotor 12 eine Relativbewegung gegenüber
einer korrespondierenden Reibefläche 14 ausführt.
Die Reibefläche 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 der
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 Reibefläche 14 steht. Durch
die Längsschwingung 26 des Piezoaktors 18 wird
der Brückensteg 28 in eine Kippbewegung oder eine
Biegebewegung versetzt, so dass ein der Reibefläche 14 zugewandtes
Ende 31 des Friktionselements 30 eine Mikrostoßbewegung
ausführt. Die Wechselwirkung zwischen dem Friktionselement 30 und
der Reibefläche 14 ist in dem vergrößerten
Ausschnitt dargestellt, in dem ersichtlich ist, dass der Brückensteg 28,
der in Ruhestellung näherungsweise parallel zur Reibefläche 14 angeordnet
ist, bei angeregter Schwingung des Piezoaktors 18 gegenüber
der Reibefläche 14 verkippt. Dabei führt
das Ende 31 des Friktionselements 30 beispielsweise
eine Ellipsenbewegung 32 aus, mittels derer sich der Piezomotor 12 entlang
der linearen Schiene 16 abstößt. Der
Piezomotor 12 ist im Bereich von Schwingungsknoten 34 der
Piezoaktoren 18 gelagert und beispielsweise mit einem zu bewegenden
Teil 11 verbunden. Gleichzeitig wird der Piezomotor 12 über
eine Lagerung 36 mit einer Normalkraft 37 gegen
die Reibefläche 14 gedrückt. Dadurch
führt das Ende 31 des Friktionselements 30 nun
eine Ellipsenbewegung 32 oder eine Kreisbewegung aus, die
zusätzlich zur Normalkraft 37 eine tangentiale
Kraftkomponente 38 aufweist, die den Vorschub des Piezomotors 12 gegenüber
der Reibefläche 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.
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 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 Reibefläche 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.
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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 bzw. die Kontraktion 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 so hergestellt,
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. Durch die Umwandlung
der Längsschwingung 26 des Piezoaktors 18 in
die Stößelbewegung des Friktionselements 30 wird
die Resonanzfrequenz 44 des Piezoaktors 18 beeinflusst. Weiterhin
hängt die Resonanzfrequenz 44 der gesamten Antriebsvorrichtung 10 von
der Last 58 ab, die beispielsweise durch das Gewicht des
zu verstellenden Teils 11 bestimmt wird. Weiterhin ist
die Resonanzfrequenz von der Ankopplung der Kraftübertragung 57 abhängig,
die wesentlich durch die Reibbedingung zwischen dem Friktionselement 30 und
der Reibefläche 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
ein weiteres Beispiel einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
bei dem die lineare Schiene 16 als vertikale Führung 9 ausgebildet
ist. Der Piezomotor 12 weist ebenso wie in 1 und 2 zwei
Piezoaktoren 18 auf, die in Längsrichtung 19 angeordnet
sind. Die beiden Piezoaktoren 18 sind mittels eines Brückenstegs 28 miteinander
verbunden, wobei dieser beispielsweise einstückig mit den
beiden Aktorgehäusen 22 ausgebildet ist. Am Brückensteg 28 ist
wiederum ein Friktionselement 30 ausgebildet, das mit seinem
Ende 31 in Reibverbindung mit der Reibfläche 14 der
linearen Schiene 16 steht. Das Friktionselement 30 ist
hier beispielsweise als gewölbter Stößel 94 ausgebildet, der
eine Mikrostoßbewegung gegenüber der Schiene 16 ausführt.
Im Inneren der beiden Aktorgehäusen 22 ist als
Piezoelement 20 jeweils eine Piezokeramik 21 angeordnet,
die in Längsrichtung 19 eine größere Ausdehnung
aufweist, als in der Querrichtung 24. Die Piezoelemente 20 sind
in Längsrichtung 19 mechanisch vorgespannt, wozu
diese innerhalb eines Hohlraums 23 mittels Spannelementen 95 festgeklemmt sind.
Die Spannelemente 95 sind beispielsweise als Schrauben 96 ausgebildet,
die direkt in ein Gewinde des Aktorgehäuses 22 einschraubbar
sind. Die Antriebsvorrichtung 10 ist hier als Fensterheberantrieb ausgebildet,
bei dem der Piezomotor 12 mit dem zu verstellenden Teil 11 verbunden
ist, das hier als Scheibe ausgebildet ist. Zur Ausführung
einer Relativbewegung in erster Bewegungsrichtung 13 (Heben)
wird gemäß dieser Ausführung nur der
untere Piezoaktor 18u mittels der Elektronikeinheit 42 angesteuert.
Durch die Anregung des unteren Piezoelements 20 führt
das Friktionselement 30 eine Stoßbewegung oder
Ellipsenbewegung 32 bzw. Kreisbewegung aus, wodurch sich
der Piezomotor 12 mittels einer tangentialen Kraftkomponente 38 entlang
der ersten Bewegungsrichtung 13 abstößt.
Aufgrund der mechanischen Hysterese des am Piezoaktor 18 angeordneten
Brückenstegs 28 wird die angeregte Längsschwingung 26 in
eine elliptische Bewegung des Stößels 94 umgewandelt,
die entsprechend den Systemparametern von einer reinen Linearbewegung
abweicht. Während der untere Piezoaktor 20 angeregt
wird, wird an den oberen Piezoaktor 18o kein Anregungssignal 93 angelegt.
Vielmehr übt das zu verstellende Teil 11 bei der
Bewegung in Richtung 13 eine Kraft 97 in Querrichtung 24 auf
das Piezoelement 20 des oberen Piezoaktors 18o aus.
Dadurch wird das Piezoelement 20 in Querrichtung 24 mechanisch
belastet, wodurch an den Elektroden 40 ein Sensorsignal 91 abgegriffen
werden kann. Das Sensorsignal 91 wird in der Elektronikeinheit 42 ausgewertet,
und beim Überschreiten einer vorgebbaren Schwelle kann
dann der piezoelektrische Antrieb 10 gestoppt oder reversiert
werden. Für das Absenken des zu verstellenden Teils 11 entlang
der zweiten Bewegungsrichtung 15 wird dann nur der obere
Piezoaktor 18o angeregt, ohne dass an den unteren Piezoaktor 18u ein
Anregungssignal 93 angelegt wird. Auf diese Weise ist für
jede Bewegungsrichtung 13, 15 jeweils nur ein
Piezoaktor 18u, 18o angesteuert. Daher gibt es
keine Überlagerung mehrerer Anregungssignale 93,
wodurch der Piezomotor 12 immer nur einphasig angesteuert
wird. Dabei kann für die Anregung des unteren Piezoaktors 18u und
für die Anregung des oberen Piezoaktors 18o das
identische Anregungssignal 93 verwendet werden, das durch
die Abstimmschaltung 46 der Elektronikeinheit 42 generiert
wird. Beim Absenken des beweglichen Teils 11 kann der untere
Piezoaktor 18u wahlweise ebenfalls als Sensor 92 betrieben
werden, wobei bei einem Fensterheberantrieb hierfür keine
Notwendigkeit besteht, da beim Absenken keine Einklemmgefahr besteht.
Somit kann mit einer einzigen Elektronikeinheit 42, mit
einer einzigen Abstimmschaltung 46 zeitlich nacheinander
entweder der untere Piezoaktor 18u zum Heben des Teils 11 oder
der obere Piezoaktor 18u zum Senken des Teils 11 angesteuert
werden. Die Lagerung des Piezomotors 12 ist in 7 nicht näher
dargestellt, kann aber beispielsweise ähnlich erfolgen
wie in 1. Dabei wird der Piezomotor 12 in Längsrichtung 19 mit
einer Normalkraft 37 gegen die Reibefläche 14 gepresst.
Das bewegliche Teil 11 ist mittels eines Verbindungselements 90 mit
dem oberen Piezoaktor 18o verbunden, wobei das Verbindungselement 90 vorzugsweise
direkt im Bereich des Piezoelements 20 angeordnet ist.
Im Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 90 elastisch ausgebildet,
beispielsweise als Federelement, wobei durch deren Steifigkeit die
Federrate für einen Einklemmschutz vorgebbar ist. Dadurch
kann eingestellt werden, wie weiche Hindernisse noch detektiert
werden können (z. B. Finger oder Hals). Im Ausführungsbeispiel
ist das obere Piezoelement 20 mit einem geringeren Volumen
als das untere Piezoelement 20 ausgebildet, da für
das Absenken geringere Antriebskräfte notwendig sind, als
für das Anheben des Teils 11 mittels des länger
ausgebildeten unteren Piezoelements 20. In einer weiteren
Variation der Erfindung kann das Piezoelement 20 für
das Generieren eines Sensorsignals 91 auch in der gleichen
Richtung mechanisch belastet werden, wie das Piezoelement 20 auch
zum Antrieb des Teils 11 angeregt wird. Beispielsweise
könnte das Teil 11 mittels eines Verbindungselements 90 derart
mit dem oberen Piezoaktor 18o verbunden sein, dass das
obere Piezoelement 20 mechanisch in Längsrichtung 19 belastet
wird, um beispielsweise eine Sensorspannung zu erzeugen.
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Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der in der
Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiel vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich
sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung der Piezoaktoren 18, 8 deren
Aktorgehäuse 22, der Piezolemente 20 (Monoblock,
Stapel- oder, Multilyer), des Brückenstegs 28 und
des Friktionselements 30 entsprechend der Anwendung variiert
werden. Dabei kann die Stößelbewegung als lineare
Stoßbewegung oder als im wesentlichen elliptische 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 in eine entsprechende Aussparung des
Antriebselements, z. B. der linearen Führungsschiene 16 oder
des Rotationskörpers 48 greift. Der Formschluss
kann dabei als Mikroverzahnung ausgebildet sein. Auch eine Kombination
aus Form- und Reibschluss ist möglich. In einer weiteren
Variation kann der Piezoaktor 18 auch mit einer Biegeschwingung
betrieben werden, die sich beispielsweise mit der Längsschwingung 26 überlagert.
Ebenso können bei mehr als zwei Piezoaktoren 18 die
entsprechenden Schwingungen mehrerer Piezoaktoren eines Piezomotors 12 gleichzeitig
angeregt werden, wodurch eine Überlagerung dieser Schwingungen
eine Stößelbewegung bewirkt, die das Antriebselement
in Bewegung versetzt. Dabei können die Piezoaktoren 18 einphasig
oder mehrphasig betrieben werden. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße
Antriebseinheit 10 zu Verstellung beweglicher Teile 11 (Sitzteile,
Fenster, Dach) im Kraftfahrzeug verwendet, bei der der Piezomotor
mit der Bordnetzspannung betrieben werden kann, ist jedoch nicht
auf eine solche Anwendung beschränkt. Dabei kann auch der
Piezomotor 12 z. B. an der Karosserrie befestigt werden,
und die Reibefläche 14 mit dem zu verstellenden
Teil 11, beispielweise einem Gurtbringer oder einer Kopfstütze, bewegt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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