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Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einer Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einer Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors
mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 bzw. auf eine Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines
Festkörperaktors einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung.
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Aus
DE 199 52 946 A1 ist
ein piezoelektrischer Antrieb bekannt, der auch als Piezoringmotor bezeichnet
wird. Dieser bildet eine Form einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
aus und besteht aus einem Gehäuse, welches weitere Komponenten
aufnimmt. In dem Gehäuse ist mittels einer Lageranordnung
eine Welle gelagert, wobei sich eine Wellenachse der Welle in axialer
Richtung aus dem Gehäuse heraus erstreckt. Zum Versetzen
der Welle um die Wellenachse in eine Wellenrotation dient eine Antriebsvorrichtung.
Die Antriebsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus vorzugsweise
zwei oder mehr Festkörperaktoren und einem Antriebskörper,
welcher über die Festkörperaktoren mechanisch
steif mit einer Innenwandung des Gehäuses verbunden ist. Die
Festkörperaktoren sind derart angeordnet, dass sie den
Antriebskörper relativ zu dem Gehäuse in eine
Translationsbewegung in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung
versetzen. Der Antriebskörper weist eine Öffnung
als Durchgangsöffnung auf. Durch die Öffnung führt
die Welle hindurch, wobei der Außendurchmesser der Welle
etwas geringer als der Innendurchmesser der Öffnung ist.
Der Antriebskörper wird durch die Festkörperaktoren
so verstellt, dass eine Wellen-Außenwandung mit einer Antriebskörper-Innenwandung
so in Reib- und Formschluss steht, dass durch die Bewegung des Antriebskörpers die
Welle in die Wellenrotation versetzt wird. Hinsichtlich der Ansteuerung
sind der erste und der zweite der Festkörperaktoren in
ihrer Wirkrichtung senkrecht zueinander in der Ebene senkrecht zur
Rotationsachse der Welle angeordnet.
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Zum
Ansteuern der Festkörperaktoren dient eine Steuereinrichtung,
welche über Leiter die einzelnen Festkörperaktoren
mit Spannungen bzw. Ladungen ansteuert. Entsprechend der Spannungen
bzw. Ladungen dehnen sich die Festkörperaktoren entsprechend
aus bzw. ziehen sich gegebenenfalls zusammen.
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Ein
solcher Piezoringmotor zeichnet sich unter anderem durch ein hohes
Drehmoment, eine hohe Stellgenauigkeit, eine flache Bauform und
inhärente Sensoreigenschaften aus. Die Kombination dieser
positiven Eigenschaften ist unter Stellantrieben einzigartig. Bisher
war es jedoch nur unzureichend möglich, die durch die verwendeten
piezoelektrischen Aktoren inhärenten Sensoreigenschaften während
des Motorbetriebes im vollen Umfang nutzbar zumachen.
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Bekannt
ist allgemein ein Verfahren zur Messung des Lastmomentes an einem
Piezoringmotor durch Aufstellen der Leistungsbilanz/Energiebilanz an
den piezoelektrischen Festkörperaktoren. Bei einer solchen
Messung steht den hohen Lade- und Entladeleistung an den piezoelektrischen
Festkörperaktoren eine um mindestens eine Größenordnung kleinere
abgegebene mechanische Leistung gegenüber. Das Mess-Signal
wird durch ein leistungsstarkes Ansteuersignal überdeckt.
Des Weiteren ist die Ladungsmessung als Messung des Stromintegrals über der
Zeit oft von einer starken Drift überlagert. Ein weiteres
Verfahren zur Drehmomentmessung im Motorbetrieb beruht auf der Messung
einer Phasenverschiebung. Es ist jedoch nur im laufenden Motorbetrieb
anwendbar.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einer Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors
bzw. auf eine entsprechende Schaltung vorzuschlagen, welche eine Überwachung von
Betriebszuständen und umfangreichere Rückschlussmöglich keiten
auf auftretende mechanische und/oder elektrische Lasten ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einer Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw.
auf eine Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors
einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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Bevorzugt
wird somit eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit
einem Antriebskörper, einer Öffnung in dem Antriebskörper,
einer in die Öffnung zumindest hineinführenden
Welle, einem ersten Festkörperaktor und zumindest einem
weiteren Festkörperaktor zum Antreiben des Antriebskörpers
zu einer die Welle in Rotation versetzenden translatorischen Bewegung,
einer Treiberschaltung zum Ansteuern der Festkörperaktoren
mittels eines Treibersignals und Schaltungskomponenten in der Treiberschaltung
oder einer weiteren Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals des
ersten der Festkörperaktoren, wobei die Schaltungskomponenten
ausgelegt sind als Erfassungsanordnung zum Erfassen eines Mess-Signals
als dem Aktorsignal und zum Bestimmen einer elektrischen und/oder
mechanischen Resonanzfrequenz der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
aus dem Mess-Signal. Das Bestimmen der Resonanzfrequenz erfolgt
vorzugsweise während des Betriebs der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
kann aber z. B. bei externen Kräften, welche im Stillstand
auf die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung einwirken,
auch im Stillstand bestimmt werden.
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Bevorzugt
weist die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung einen Signalgenerator
auf, der ein sinusförmiges Signal mit einer sich während
des Betriebs verändernden Frequenz ausgibt, welches als ein
Anregungssignal über eine Übertrageranordnung an
den Festkörperaktor zusätzlich zu dem Treibersignal
angelegt wird.
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Der
Signalgenerator gibt das sinusförmige Signal bevorzugt
mit sich kontinuierlich verändernder Frequenz derart aus,
dass sich die Frequenz während eines Zyklus von einer Startfrequenz
zu einer Endfrequenz und optional auch wieder zurück ändert.
Der Signalgenerator ändert insbesondere beim Anlegen eines
Takts eines Taktsignals an den Signalgenerator einen Frequenzwert
der sich verändernden Frequenz.
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Der
Signalgenerator gibt insbesondere bei jedem Anlegen eines Taktes
eines Taktsignals an den Signalgenerator einen momentanen Abtastwert
des sinusförmigen Signals an einen Digital-Analog-Umsetzer
aus, wobei der Digital-Analog-Umsetzer das aus dem sinusförmigen
Signal analog umgesetzte Anregungssignal über die Übertrageranordnung
an den Festkörperaktor anlegt. Das sinusförmige
Signal ist vorteilhaft relativ zu dem Treibersignal ausreichend
schwach dimensioniert ist, den Festkörperaktor nicht abweichend
zu einer von dem Treibersignal angesteuerten Bewegung in Bewegung
zu versetzen.
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Die Übertrageranordnung
weist insbesondere zwei induktive Komponenten auf, die magnetisch gekoppelt
geschaltet sind zum Anlegen des Anregungssignals an den Festkörperaktor.
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Die
Erfassungsanordnung weist bevorzugt einen Eingangstiefpass und einen
Analog-Digital-Umsetzer auf, die ausgestaltet sind, über
zwei in der Übertrageranordnung eingerichtete induktive Komponenten
ein Empfangssignal von dem Festkörperaktor abzugreifen
und auf den Frequenzbereich des Anregungssignals gefiltert und digitalisiert
als das Mess-Signal bereitzustellen.
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Die
Erfassungsanordnung weist insbesondere einen Signalprozessor auf,
welcher ausgestaltet ist zum Bestimmen der Resonanzfrequenz der
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung aus dem Mess-Signal
und/oder zum Bestimmen einer die Resonanzfrequenz relativ zu dem
Anregungssignal auslesbar enthaltenden physikalischen Größe
in Form eines Pegels und/oder einer Phase aus dem Mess-Signal. Der Signalprozessor
ist dazu insbesondere ausgelegt zum Durchführen einer Fourier-Transformation.
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Eine
Taktquelle stellt vorzugsweise einen Takt bereit zum gemeinsamen
Takten sowohl des Signalgenerators zum Bereitstellen des Anregungssignals
als auch des Analog-Digital-Umsetzers zum Bereitstellen des Mess-Signals.
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Ein
Messzyklus der Resonanzmessung ist zweckmäßig
mit einem Phasenwinkel des Treibersignals des Festkörperaktors
synchronisiert und/oder eine Rotationsfrequenz des Antriebskörpers und/oder
der Welle ist genügend klein, so dass die Resonanzmessung
in einem so kleinen Zeitfenster abläuft, dass die Veränderung
des Drehwinkels des Antriebskörpers und/oder der Welle
vernachlässigbar ist. Vorteilhaft ist eine Begrenzung des
Frequenzbereiches der Resonanzmessung auf weniger als 200 kHz, vorzugsweise
weniger als 100 kHz, insbesondere auf 10 kHz bis 50 kHz.
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Eigenständig
vorteilhaft ist eine Schaltung, insbesondere integrierte Schaltung,
mit diesen Schaltungskomponenten einer solchen der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
zum Erfassen des Mess-Signals als dem Aktorsignal und zum Bestimmen
der elektrischen und/oder mechanischen Resonanzfrequenz der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
während des Betriebs der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
aus dem Mess-Signal.
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Der
Festkörperaktor ist besonders bevorzugt als piezoelektrischer
Festkörperaktor ausgebildet.
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Verfahrensgemäß wird
somit eine Messung von elektrischen und mechanischen Resonanzfrequenzen
eines piezoelektrischen Aktors auch während des Betriebes
durch Verwendung einer integrierten Schaltung zur Impedanzmessung
durchgeführt. Eine solche Schaltung zur Impedanzmessung besteht
insbesondere aus einem Sinus-Generator mit veränderlicher
Frequenz und einer Aufnahmeschaltung zur Messung eines Sinus-Signales
bezüglich Pegel und Phase in Bezug auf den Sinus-Generator.
Hervorzuhe ben ist eine elektrische Übertrageranordnung
zur Ein- und Auskopplung des Mess-Signals in eine Ansteuerschaltung
des piezoelektrischen Aktors. Weiter von besonderem Vorteil ist,
wenn mindestens eine der Induktivitäten der Übertrageranordnung
in Serie zum entsprechend beschalteten Festkörperaktor
geschaltet ist.
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Das
bevorzugte Verfahren stellt somit einen weiteren Zugang zu Informationen
aus insbesondere einem piezoelektrischen Motor als einer beispielhaften
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung während des
Motorbetriebes dar. Dabei wird nicht nur der Festkörperaktor
analysiert, sondern es werden auch mechanisch und elektrisch an
den Festkörperaktor gekoppelte Komponenten analysiert.
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Das
Verfahren stellt dabei einen neuen Ansatz zur Gewinnung von Messwerten
aus z. B. dem piezoelektrischen Ringmotor als der beispielhaften Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
dar. Grundlage bildet die Messung der elektrischen und mechanischen
Resonanzfrequenzen der im Piezo-Ringmotor verbauten piezoelektrischen
Festkörperaktoren mit der gekoppelten Mechanik. Die elektrische
Resonanzfrequenz wird bestimmt durch die elektrischen Eigenschaften
des Festkörperaktors und die Schaltung in welcher der Festkörperaktor
betrieben wird. Die mechanischen Resonanzen werden durch die an den
Festkörperaktor gekoppelten Massen, Federkonstanten und
Hebellängen bestimmt. So verkürzt eine auf den
Festkörperaktor wirkende Kraft den Festkörperaktor
und vergrößert so dessen Kapazität, wodurch
die elektrische Resonanzfrequenz hin zu tieferen Frequenzen verschoben
wird. Vorteilhaft wird diese Erkenntnis vorliegend durch eine Resonanzmessung
für einen piezoelektrischen Motor umgesetzt.
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Somit
ergeben sich deutliche Vorteile gegenüber dem derzeit weniger
vorteilhaft komplizierten Aufbau. Jedoch bietet der Aufbau die Möglichkeit
zur Integration, z. B. im Rahmen eines integrierten Impedanz-Konverters.
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Vorteile
der Resonanzmessung an der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
insbesondere dem Piezoringmotor, bestehen insbesondere darin, dass verschiedene
Komponenten der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung unterschiedliche
Resonanzen haben und daher unterscheidbar sind, wodurch sich ein großer
Informationsgehalt ergibt. Eine solche Anordnung und Schaltung bietet
eine hohe Empfindlichkeit. Da Amplitudenmessung nicht erforderlich
ist, ist eine entsprechende Anordnung und Schaltung daher unempfindlich
gegenüber einer Amplitudendrift.
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Dabei
wird unter einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung eine
Antriebsvorrichtung verstanden, welche mit Hilfe von in Erregung
versetzten Festkörperaktoren ein elektrisches Ansteuersignal
in eine mechanische Bewegung eines anzutreibenden Körpers
umsetzt.
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Neben
Festkörperaktoren in insbesondere mehrschichtiger PMA-Bauweise
als piezoelektrische Aktoren sind auch Ausführungen mit
andersartigen Festkörperaktoren einsetzbar, beispielsweise
magnetostriktive, elektrostriktive oder elektromagnetisch wirkende
Festkörperaktoren.
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Vorteile
der derart aufgebauten Schaltung bzw. einer solchen Verfahrensweise
beim Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung bestehen in einer Nutzung
der Sensoreigenschaften bei insbesondere Piezoantrieben zur Messung
von Alterung, Justageproblemen und einwirkenden Lasten in Anwendungsfelder
wie beispielsweise der Robotik, z. B. im Rahmen einer Mensch-Maschine-Interaktion,
der Automobiltechnik, z. B. für eine Klappenverstellung
mit integriertem Luftmassensensor, oder der Luft- und Raumfahrttechnik,
z. B. in Verbindung mit Steuerklappen für einen Abgasstrahl.
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Ein
Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer bevorzugten
Schaltung zum Durchführen einer Resonanzmessung eines Festkörperaktors in
einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung;
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2 eine
Erzeugung einer Linksdrehung in einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung;
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3 vergrößert
dargestellt die Ansteuer-Schaltung aus 1;
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4 eine
Simulationsschaltung zum Aufbau gemäß 1 und 3;
und
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5 ein
Simulationsergebnis zum Veranschaulichen von Signalverläufen
entsprechend der bevorzugten Ausführungsform.
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1 zeigt
eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 mit
einer Ansteuer-Schaltung 8 zum Ansteuern eines Festkörperaktors
P1 in einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0.
Zweckmäßigerweise ist auch für weitere
Festkörperaktoren P2 einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 jeweils
eine entsprechende Ansteuer-Schaltung oder eine gemeinsame kombinierte
Ansteuer-Schaltung angeordnet.
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Wie
dies aus 1 ersichtlich ist, besteht die beispielhafte
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 aus einer
Vielzahl von Einzelkomponenten, wobei die dargestellten Komponenten
um weitere Komponenten ergänzbar sind bzw. gegen gleich
wirkende Komponenten anderer Bauart austauschbar sind. Die Festkör peraktor-Antriebsvorrichtung 0 weist
ein Gehäuse 1 auf, welches die weiteren Komponenten
aufnimmt.
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In
dem Gehäuse 1 ist mittels einer Lageranordnung
eine Welle 2 gelagert, wobei sich eine Wellenachse X der
Welle 2 in axialer Richtung z aus dem Gehäuse 1 heraus
erstreckt. Zum Versetzen der Welle 2 in eine Wellenrotation
um die Wellenachse X herum dient eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung. Die
Antriebsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus vorzugsweise den
zwei oder mehr Festkörperaktoren 8, 8* und
einem Antriebskörper 3. Der Antriebskörper 3 ist über
die Festkörperaktoren 8, 8* mechanisch, insbesondere
mechanisch steif mit einer Wandung des Gehäuses 1 verbunden.
Insbesondere sind die Festkörperaktoren 8, 8* über
Lagerelemente 7 am Gehäuse befestigt. Die Festkörperaktoren 8, 8* sind dabei
derart angeordnet, dass sie den Antriebskörper 3 relativ
zu dem Gehäuse 1 in eine Translationsbewegung
in einer Ebene x, y senkrecht zur axialen Richtung z versetzen.
Die Translationsbewegung versetzt den Antriebskörper 3 dabei
in eine Hin- und Herbewegung, vorteilhafterweise eine kreisförmige Bewegung.
Der Antriebskörper 3 weist eine Öffnung 5 auf,
welche insbesondere als Durchgangsöffnung ausgebildet ist.
Durch die Öffnung 5 des Antriebskörpers 3 führt
die Welle 2 hindurch, wobei der Außendurchmesser
der Welle 2 geringer als der Innendurchmesser der Öffnung 5 des
Antriebskörpers 3 ist. Der Antriebskörper 3 wird
durch die Festkörperaktoren 8, 8* derart
verstellt, dass eine Wellen-Außenwandung vorzugsweise durchgehend
mit einer Antriebskörper-Innenwandung in Reib- und Formschluss
steht, so dass durch die Bewegung des Antriebskörpers 3 die
Welle 2 in die Wellenrotation versetzt wird.
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Hinsichtlich
der Ansteuerung sind der erste und der zweite der Festkörperaktoren 8, 8* in
ihrer Wirkrichtung senkrecht zueinander in der Ebene x, y senkrecht
zur Rotationsachse der Welle 2 angeordnet.
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Zum
Ansteuern der Festkörperaktoren 8, 8* dient
zumindest eine Steuereinrichtung 6, welche über
Leiter 60 die einzelnen Festkörperaktoren 8, 8* mit
Spannungen u, insbesondere v(t) bzw. Ladungen ansteuert. Vorzugsweise
ist für jeden der Festkörperaktoren 8, 8* eine
eigene derartige Steuereinrichtung bereitgestellt. Entsprechend
der Spannungen u bzw. Ladungen dehnen sich die Festkörperaktoren 8, 8* entsprechend
aus bzw. ziehen sich gegebenenfalls zusammen.
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Außerdem
können diese Leiter 60 oder zusätzliche
Leiter dazu dienen, von den Festkörperaktoren 8, 8* in
umgekehrter Richtung Signale, insbesondere Spannungen oder Ladungen,
zu der Steuereinrichtung 6 zu übertragen. Dies
ermöglich die Ausnutzung der Doppelfunktionalität
der Festkörperaktoren 8, 8*, um diese
nicht nur als Festkörperaktoren sondern auch als Sensoren
einzusetzen. Auf die Festkörperaktoren 8, 8* einwirkende
Kräfte verursachen in diesen eine Ladungsverschiebung bzw.
Potenzialänderung, welche dem von der Steuereinrichtung 6 angelegten
Spannungs- oder Ladungswert überlagert wird.
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1 und 3 zeigen
eine besonders bevorzugte Schaltungskomponenten 10, welche
eigenständig oder als Bestandteil der Steuereinrichtung 6 bereitgestellt
sein können.
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In 1 sind
somit in einem Motorgehäuse als dem Gehäuse 1 in
aus Sicht der Welle 2 axialer Schnittansicht die funktionswichtigen
Bestandteile eines beispielhaften Piezoringmotors aufgenommen dargestellt
in Form eines Rings als dem Antriebskörper 3,
der Welle 2 und zwei piezoelektrische Aktoren als den Festkörperaktoren 8, 8*.
Die biegesteife Welle 2 ist drehbar aber transversal, d.
h. senkrecht zu ihrer Zylinderachse, z. B. durch Gleit- oder Wälzlager steif
in dem Gehäuse 1 eingebaut. Die Welle 2 wird von
dem mechanisch steifen und zylindrischen ausgestalteten Ring umfasst,
dessen Innendurchmesser den Wellendurchmesser um z. B. derzeit typisch
10 µm–30 µm übersteigt. Um ein
möglichst hohes Antriebs-Drehmoment erreichen zu können,
wird ein Übermaß des Ring-Innendurchmessers wesentlich kleiner
als die maximal erreichbare Auslenkung als einem Stellweg der piezoelektrischen
Linearaktoren von derzeit typisch 50 µm–90 µm
gehalten. Die beiden piezoelektrische Festkörperaktoren 8, 8* sind
im Winkel von 90° relativ zueinander mechanisch steif an
einem Ende mit dem Antriebskörper 3 in Form des Rings
und z. B. durch Schweißen, eine Schraub- oder eine Klemmverbindung
am entgegen gesetzten Ende mit dem Gehäuse 1 verbunden.
Durch die Ansteuerung der Festkörperaktoren 8, 8* mit
zwei sinusförmigen Spannnungs-Zeit-Funktionen mit einem Phasenversatz
von Δγ = +/– 90° wird der Antriebskörper 3 kreisförmig
translatiert. Die Welle 2 rollt, getrieben von der Translation
des Antriebskörpers 3, auf der Innenfläche
des Antriebskörpers 3 ab, wie dies anhand 2 beispielhaft
zur Erzeugung einer Linksdrehung im Piezomotor skizziert ist. Über
das Vorzeichen des Phasenversatzes Δγ wird die
Drehrichtung der Welle 2 kontrolliert.
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Die
in 1 und 3 skizzierte schematische Schaltung 10 besteht
aus drei Blöcken, die über eine Übertrageranordnung 20 zusammengeführt werden.
Die drei Blöcke sind eine Treiberschaltung 19 mit
dem nachgeschalteten Festkörperaktor 8, einer
Signalgeneratorschaltung und eine Erfassungsanordnung.
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Die
Treiberschaltung 19 weist eine Spannungsquelle v(t) oder
eine Stromquelle auf und ist insbesondere als ein Piezo-Treiber
zum Antreiben des als piezoelektrischer Festkörperaktor 8 ausgestalteten
Festkörperaktors 8 mittels eines Treibersignals
tr(t) ausgebildet. Das Treibersignal tr(t) bewirkt, dass der Festkörperaktor 8 den
Antriebskörper mit der entsprechenden Richtungskomponente
in dessen translatorische Bewegung versetzt. Der Festkörperaktor 8 ist
mit seinem zweiten Anschluss mit einer ersten Spule L1 bzw. induktiven
Komponente der Übertrageranordnung 20 verbunden.
Die erste Spule L1 ist mit ihrem zweiten Anschluss an eine Basisspannung,
insbesondere Masse bzw. einen Erdanschluss geschaltet.
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Die
Signalgeneratorschaltung ist zur Erzeugung eines sinusförmigen
Signals s(t) ausgebildet und besteht aus einem digitalen Signalgenerator 15 bzw.
DDS (Direct Digital Synthesis) und einem diesem nachgeschalteten
Digital-Analog-Wandler DAC 16. Der Digital-Analog-Wandler
DAC 16 setzt das digitale sinusförmige Signal
s(t) des Signalgenerators 15 in ein analoges Signal um
und legt dieses als ein Anregungssignal as(t) an einen ersten Anschluss
einer zweiten Spule L2 bzw. induktiven Komponente der Übertrageranordnung 20 an.
Die zweite Spule L2 ist mit ihrem zweiten Anschluss an die Basisspannung,
insbesondere Masse bzw. den Erdanschluss geschaltet. Die erste Spule
L1 der Übertrageranordnung 20 empfängt
analoge Mess-Signal ms(t) von dem Digital-Analog-Wandler DAC 16 bzw.
der zweiten Spule L2 und überträgt dieses Anregungssignal as(t)
an den Festkörperaktor 8.
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Der
digitale Signalgenerator 15 ist ausgelegt, das sinusförmige
Signal s(t) mit sich kontinuierlich verändernder Frequenz,
einen sogenannten Sweep, zu erzeugen. Dabei ändert sich
die Frequenz während eines Zyklus von einer Startfrequenz
zu einer Endfrequenz. Vorzugsweise, aber nicht notwendig ändert
sich die Frequenz danach während des Zyklus von der Endfrequenz
zur Startfrequenz wieder zurück. Die Änderungsrate
wird dabei konstruktiv durch entsprechend dimensionierte Komponenten
fest vorgegeben oder kann durch Einstellung eines variablen Frequenzanstiegs-
bzw. Frequenzabfallswert eingestellt werden. Bei jedem Anlegen eines
Taktes t, der von einer Taktquelle 13 bereitgestellt wird,
wird ein momentaner Abtastwert des sinusförmigen Signals s(t)
ausgegeben.
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Die
Erfassungsanordnung ist ausgebildet zur Mess-Signalaufnahme eines
Mess-Signals ms(t), zur Auswertung des Mess-Signals ms(t) und zur
Kommunikation mit weiteren, insbesonde re zur Schaltung extern angeordneten
Komponenten. Die Erfassungsanordnung besteht aus einem Eingangstiefpass 17, dem
ein Analog-Digital-Umsetzer ADC bzw. 14 nachgeschaltet
ist, einem Signalprozessor 12 oder einer geeigneten Schaltung
zur Durchführung einer diskreten Fourier-Transformation
DFT und einer Schnittstelle 11. Der Eingangstiefpass 17 ist
an einen ersten Anschluss einer dritten Spule L3 bzw. induktiven Komponente
der Übertrageranordnung 20 angeschlossen und empfängt
von diesem einen Empfangssignal e(t), welches als Basis für
das Mess-Signal ms(t) dient. Die dritte Spule L3 ist mit ihrem zweiten
Anschluss an die Basisspannung, insbesondere Masse bzw. den Erdanschluss
geschaltet. Der Signalprozessor 12 ist dem Analog-Digital-Umsetzer 14 nachgeschaltet.
Der Analog-Digital-Umsetzer ADC bzw. 14 setzt das momentan
anliegende gefilterte Empfangssignal ef(t) in das eigentliche Mess-Signal ms(t)
um und stellt dieses dem Signalprozessor 12 bereit. Die
Schnittstelle 11 ist insbesondere als ein Benutzerinterface
UI ausgestaltet und ausgelegt zur Ausgabe von einem oder mehreren
vom Signalprozessor 12 bereitgestellten Ausgabe-Signalen.
Die dritte Spule L3 der Übertrageranordnung 20 empfängt
analoge Signale von dem Festkörperaktor 8 bzw.
der ersten Spule L1 und überträgt diese als die Empfangsignale
e(t) an den Eingangstiefpass 17.
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Ein
zentraler Oszillator 13 dient als die Taktquelle 13 bzw.
als eine Zeitbasis für den Signalgenerator 15 und
den Analog-Digital-Wandler 14 und legt diesen den Takt
t an.
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Ein
weiteres zentrales Element für die Signalverarbeitung ist
der Signalprozessor 12. Auf einfache Art kann der Signalprozessor 12 durch
eine Schaltung zur Durchführung einer Fourier-Transformation,
insbesondere diskreten Fourier-Transformation DFT ausgestaltet sein.
In diesem Fall gibt der Signalprozessor 12 ein frequenzabhängiges
Signal als das oder die Ausgabe-Signale f aus. Vorzugsweise bestimmt
oder berechnet der Signalprozessor 12 aus dem analogen
Mess-Signal ma(t) als das oder die Ausgabe-Signale f den Pegel und
die Phase bezüglich des Signals des Signalgenerators 15.
Aus beiden Werten lassen sich im Frequenzgang eine Resonanzfrequenz
rf oder mehrere Resonanzfrequenzen rf (siehe 5) bestimmen.
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Nachfolgend
wird die Funktion der Resonanzmessung an dem z. B. piezoelektrischen
Festkörperaktor 8 beschrieben. Zur genauen Messung der
Resonanzfrequenzen rf werden die Randbedingungen von Messung zu
Messung konstant gehalten. Wesentlichen Einfluss auf die Resonanzen
hat als eine entscheidende solche Randbedingung z. B. die Lage des
in 1 und 2 gezeigten Berührungs-
bzw. Kontaktpunktes k zwischen Welle 2 und Antriebskörper 3.
Daher wird der Messzyklus der Resonanzmessung mit dem Phasenwinkel γ der
Ansteuerfunktionen des Festkörperaktors 8 synchronisiert
und/oder die Rotationsfrequenz des Motors ist genügend
klein, so dass sie bezüglich der Resonanzmessung quasi
statisch ist. Unter quasi statisch wird verstanden, dass die Resonanzmessung
in einem so kleinen Zeitfenster abläuft, dass die Veränderung
des Motordrehwinkels als der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 vernachlässigt
werden kann.
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In
jedem Fall kann die Messzeit zur Aufnahme der Resonanzen ein Problem
darstellen und sollte zur Problemreduzierung oder Problemvermeidung möglichst
kurz gehalten werden. Um die Messzeit möglichst kurz zu
halten kann z. B. eine Begrenzung des Frequenzbereiches der Resonanzmessung
vorgenommen werden. Die Begrenzung des Frequenzbereiches der Resonanzmessung
erfolgt z. B. in dem Signalgenerator 15 durch die Festlegung
einer Start- und Endfrequenz und gegebenenfalls einem variablen
Frequenzanstiegs- bzw. Frequenzabfallswert. Bei der in 5 beispielhaften
Simulation wurde lediglich beispielhaft ein Frequenzbereich von
100 Hz bis 100 kHz gewählt, welcher für derzeit
typisch dimensionierte Piezoringmotoren geeignet ist.
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4 zeigt
eine Simulationsschaltung eines bevorzugten Schaltungsaufbaus. Ein
Festkörperaktor P1* als der erste Festkörperaktor 8 ist
darin durch eine Vielzahl von Komponenten nachgebildet, so dass
die weiteren Komponenten für einen Einsatz mit einem realistischen
Festkörperaktor einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
zum elektromechanischen Antreiben eines Körpers getestet
werden können. Die vereinfachte Schaltung der Simulationsschaltung
besteht aus drei Blöcken mit der Piezo-Treiberstufe, dem
Model des piezoelektrischen Aktors als dem Festkörperaktor 8 mit
angekoppelter mechanischer Last und der Schaltung zur Resonanzmessung.
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Der
Festkörperaktor 8 ist als Modell vereinfacht nachgebildet
als eine kapazitive Anordnung. Zwischen Masse und einen ersten Knoten
sind ein erster und ein vierter Kondensator C1, C4 in Reihe geschaltet.
Parallel zum ersten Kondensator C1 ist zwischen Masse und den vierten
Kondensator C4 eine Spule L4 geschaltet. Außerdem ist ein
zweiter Kondensator C2 zwischen den Knoten und die Treiberstufe
geschaltet. Parasitäre Parallel- und Serienwiderstände
werden hier vernachlässigt. Die an den Festkörperaktor 8 gekoppelte
mechanische Last ist über den Sensoreffekt der z. B. Piezokeramik
auch elektrisch an den Festkörperaktor 8 gekoppelt. Über den
vierten Kondensator C4 ist diese Kopplung in der Simulationsschaltung
nach 4 berücksichtigt. Die mechanische Resonanz,
der an den Festkörperaktor 8 gekoppelten Massen
ist durch den Resonanzkreis bestehend aus den Elementen der vierten
Spule L4 und den ersten Kondensator C1 nachgebildet.
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Die
Piezo-Treiberstufe bzw. Treiberschaltung 19 ist als Emitterfolger
ausgeführt und ermöglicht eine spannungsgeregelte Ansteuerung
des Festkörperaktors 8 über den zweiten
Kondensator C2. Die Piezo-Treiberstufe besteht vereinfacht aus zwei
Transistoren Q1, Q2, deren Basisanschlüsse an den positiven
Pol einer zweiten, auf Masse geschalteten Spannungsquelle V2 geschaltet
sind. Eine dritte Spannungsquelle V3 ist zwischen Masse und Kollektor
des ersten Transistors Q1 geschaltet. Emitter des ersten Transistors
Q1 und Emitter des zweiten Transistors Q2 sind elektrisch verbunden
und über einen ersten Widerstand R1 auf den zweiten Kondensator
C2 geschaltet. Der Kollektor des zweiten Transistors Q2 ist auf
Masse geschaltet.
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Die
Resonanzmessung wird als Resonanzmess-Schaltung 10 umgesetzt.
Dazu wird durch die Übertrageranordnung 20, bestehend
aus drei magnetisch gekoppelten Induktivitäten bzw. den
Spulen L1, L2 und L3, über die zweite Spule L2 ein sinusförmiges
Signal in die Piezo-Treiberschaltung eingekoppelt und durch die
dritte Spule L3 wieder ausgekoppelt. Eine an die zweite Spule L2
geschaltete Spannungsquelle V1 stellt den Signalgenerator 15 für
das sinusförmige Testsignal dar. Ein an die dritte Spule
L3 geschalteter Widerstand R3 stellt die Last stellvertretend für
die eigentliche Messschaltung dar. Der genaue Aufbau, die Komponenten
der Resonanzmessung können 3 entnommen
werden. Der dargestellte Aufbau dient lediglich zur Simulation.
Die Analyse der Resonanzfrequenzen durch Berechnung des Pegel- und
Phasenfrequenzganges aus den Spannungen Vin und Vout erfolgt durch
eine Simulationssoftware. Im realen Aufbau werden diese Berechnungen
durch Baublöcke wie in 3 dargestellt ausgeführt.
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Kern
der Resonanzmessung ist ein integrierter Netzwerkanalysator. Ein
solcher integrierter Schaltkreis besteht aus einer Signalquelle,
einem digitalen Signalgen ges Signal mit steigender Frequenz generiert.
Das sinusförmige Signal wird verstärkt an einem
Ausgang zur Verfügung gestellt und bildet die Spannungsquelle
V1 in 4 aus. Zweiter Teil der integrierten Schaltung
ist ein Empfangsteil zur Aufnahme des sinusförmigen Mess-Signals.
Der Eingang dieser Schaltung ist hier durch den dritten Widerstand
R3 repräsentiert. Das Signal wird gefiltert, die Amplitude
und die Phase bezüglich des Generatorsignals gemessen. Über
eine digitale Schnittstelle wird der Amplituden- und Phasenfrequenzgang ausgegeben
und kann mit einem Computer ausgewertet werden.
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In 5 ist
ein Simulationsergebnis der Simulation der Schaltung nach 4 dargestellt.
Deutlich ist die Resonanz im Amplituden- und Phasenfrequenzgang
bei einer Frequenz von f = 19 kHz zu sehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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