-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung
zum Verstellen beweglicher Teile, insbesondere im Kraftfahrzeug,
nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
-
Mit
der
EP 1 091 074 B1 ist
ein Fenstersystem bekannt geworden, bei dem das Fenster mittels eines
Antriebsmittels verstellt wird, das einen Piezoantriebsbetätiger
umfasst. Der Piezoantriebsbetätiger weist ein Piezoelement
auf, das das Fenster entlang eines Führungsmittels mittels
des Piezowechseleffekts bewegt. Das Antriebsmittel weist hierbei als
Sensor einen Messwertgeber auf, der der elektrischen Steuereinheit
einen Messwert für die Antriebskraft zukommen lässt,
der auch für eine Einklemmschutzvorrichtung verwendet werden
kann. Ein solches Sensorsystem hat jedoch den Nachteil, dass die Position
des Fensters nicht erfasst werden kann, was aber für bestimmte
Funktionalitäten des Verstellvorgangs gewünscht
ist (beispielsweise Anfahren von gespeicherten Zielpositionen, Deaktivierung
des Einklemmschutzes in bestimmten Positionsbereichen). Außerdem
lässt sich für bestimmte Einklemmsituationen mit
einem solchen Sensorsignal das allein die Antriebskraft repräsentiert
keine ausreichende Sensibilität erreichen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
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 Ausbildung eines Lastmusters auf der
Reibfläche der Antriebsvorrichtung eindeutige Informationen über
die aktuelle Lage des zu verstellenden Teils gewonnen werden kann.
Hierzu ist die Reibfläche derart strukturiert ausgebildet,
dass die Last der Antriebsvorrichtung beim ungestörten Verstellvorgang
aufgrund der strukturierten Oberfläche der Reibfläche
eine Änderung erfährt. Durch die konkrete Ausgestaltung
dieses Lastmusters kann die Genauigkeit der Positionserfassung entsprechend vorgegeben
werden. Die durch das Lastmuster generierte Schwankungen der Antriebskraft
können mit unterschiedlichen Sensorsystemen erfasst werden und
einem bestimmten Ort auf der Reibfläche zugeordnet werden.
Dadurch ist eine hochauflösende, zuverlässige
Positionserkennung des Friktionselements gewährleistet.
-
Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Ausführungen möglich. In einer bevorzugten Ausführung
wird das Lastmuster durch Erhöhungen und/oder Vertiefungen
in der Reibfläche ausgebildet, wodurch sich entsprechend
die Anpresskraft des Friktionselement gegen die Reibfläche ändert.
Durch diese Variation des Niveaus der Reibfläche kann ein
so genanntes Lastprofil des Friktionselements detektiert werden,
dessen Verlauf eindeutig der räumlichen Erstreckung der Reibfläche
zugeordnet werden kann.
-
Ein
solches Lastmuster kann beispielsweise relativ einfach durch die
Materialbearbeitung der Reibfläche hergestellt werden,
indem an bestimmten Flächen Material der Reibfläche
abgetragen wird. Ebenso kann ein bestimmtes Material auf die Reibfläche
in strukturierter Form aufgebracht werden, wobei dieses Material
identisch mit dem Material der Reibfläche sein kann oder
andere Materialeigenschaften aufweisen kann.
-
So
ist es beispielsweise besonders günstig, ein Material als
Lastmuster aufzubringen, das unterschiedlichere Reibeigenschaften
aufweist als die Reibfläche. Bei dieser Ausführung
kann die Oberfläche des aufgetragenen Materials beispielsweise
sich auch auf gleichem Niveau mit dem der restlichen Reibfläche
befinden, da sich die Antriebskraft nicht aufgrund der Niveauunterschiede
(Erhöhungen, Vertiefungen) ergibt, sonder aufgrund der
unterschiedlichen Reibkoeffiienten der unterschiedlichen Materialien.
Daher kann sich die strukturierte Ausgestaltung des Lastmusters
anstelle der Niveauunterschiede auch auf die strukturierte Anordnung
unterschiedlicher Oberflächen entlang der Reibfläche
beziehen.
-
Wird
das Lastmuster durch eine Strukturierung gebildet, bei der die Erhöhungen
beziehungsweise die Vertiefungen eine Stufe bilden, kann an solch
einer Stufe relativ zuverlässig eine sprunghafte Änderung
der Antriebskraft detektiert werden. Durch die Ausbildung unterschiedlicher
Stufenhöhen können unterschiedliche Codierungs-Muster
auf der Reibfläche ausgebildet werden, wodurch beispielsweise
bestimmte Positionen auf der Reibfläche markiert werden
können.
-
Bei
einer weiteren Ausbildung sind die Erhöhungen und/oder
Vertiefungen gewölbt ausgebildet, so dass sich die Verstellkraft
kontinuierlich ändert. Eine solche Ausbildung kann optimal
an die Stoßfläche des Friktionselements angepasst
werden und bietet in Kombination mit der Ausbildung von Stufen die
Realisierung längerer Mustersequenzen, wodurch beispielsweise
auch eine absolute Zuordnung eines Lastprofils über den
gesamten Verstellweg möglich ist.
-
Kommen
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben
der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung mehrere Piezomotoren auf
der gleichen Reibfläche zum Einsatz, müssen alle
Piezomotoren das gleiche Lastmuster erkennen. Durch einen Vergleich
der von den unterschiedlichen Piezomotoren detektierten Lastmuster
kann somit die Zuverlässigkeit der Positionserkennung erhöht
werden.
-
Weist
ein piezoelektrisches Antriebssystem mehrere Piezomotoren auf, die
mit unterschiedlichen Reibflächen zusammenwirken und je
nach Anforderung kann zur Positionserfassung nur eine Reibfläche
oder mehrere Reibflächen mit einer Lastmuster-Codierung
ausgebildet werden. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Lastmustern
an den unterschiedlichen Reibflächen kann dadurch die Auflösung
der Positionserfassung erhöht werden. Bei der Verwendung
von gleichen Lastmustern hingegen kann wiederum die Zuverlässigkeit
der Positionserfassung erhöht werden. Bei mehr als zweiverwendeten
Reibflächen können die beiden Funktionen auch kombiniert
werden.
-
Durch
die Mikrostoßbewegung des Friktionselements gegenüber
der korrespondierenden Reibfläche 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
Reibfläche kann die Schwingung des Piezoaktors sehr verlustarm
in eine Linearbewegung oder Rotationsbewegung eines Antriebelements
umgesetzt werden. Zur Unterstützung der Kraftübertragung
kann neben dem Lastmuster zusätzlich zum Reibschluss ein
Formschluss zwischen dem Friktionselement und der Reibfläche
ausgebildet werden.
-
Das
Antriebselement mit der Reibfläche kann vorteilhaft als
lineare Antriebsschiene oder als Rotationskörper 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. Besonders günstig
ist es, den Piezomotor an dem beweglichen Teil zu befestigen, so
dass sich dieser gegenüber einer ortsfesten Reibfläche
mit dem beweglichen Teil wegbewegt. Beispielsweise kann der Piezomotor
an einer Fensterscheibe befestigt werden, und sich entlang einer
Reibfläche einer karosseriefesten Führungsschiene
abstoßen. Durch die direkte Erzeugung einer linearen Bewegung
ist eine sehr schnelle Ansprechzeit mit hoher Dynamik möglich.
-
Das
Lastmuster setzt sich vorteilhaft aus mehreren Mustersequenzen zusammen,
wobei die Länge der Mustersequenzen beziehungsweise die Anzahl
der Wiederholungen der Mustersequenzen den Anforderungen der Positionserfassung
angepasst werden kann.
-
Zur
Generierung eines einfachen inkrementalen Positionssignals genügt
die Ausbildung sehr kurzer Mustersequenzen, beispielsweise der Ausbildung
aufeinanderfolgender identischer Vertiefungen, beziehungsweise Erhöhungen.
-
Alternativ
kann auch ein absolutes Positionssignal generiert werden, bei dem
jede Stelle des Lastprofils einer bestimmten Position der Reibfläche zugeordnet
werden kann. Hierzu weist das Lastmuster längere Mustersequenzen
auf, beziehungsweise kann das Lastmuster als Grey-Code, BCD-Code oder
Binär-Code ausgebildet werden.
-
Besonders
günstig ist es, für die Lastdetektion die Amplitude
des Stromsignals, bzw. deren Änderung zu messen. Dabei
kann vorteilhaft die Amplitude der Anregungsspannung beispielsweise
auf ihrem maximalen Wert konstant gehalten werden. Hierbei stellt
die Änderung der Stromamplitude eine Vergleichsgröße
dar, die zur Erkennung eines Einklemmfalls mit einem Grenzwert verglichen
werden kann. Ebenso kann auch die Amplitude der Spannung zur Erkennung
der Laständerung gemessen werden, wobei vorzugsweise die
maximale Amplitude des Anregungsstroms konstant gehalten wird. Da der
Piezoaktor vorzugsweise bei einer bestimmten Resonanzfrequenz als
Anregungssignal betrieben wird, kann als Antwortsignal auch eine Änderung
dieser Anregungsfrequenz durch eine Laständerung des Systems
detektiert werden. Dabei stellt eine Verschiebung dieser Anregungsfrequenz
des Strom-/Spannungssignals ein Maß für die Laständerung
dar.
-
Der
Auswertung des Antwortsignals zur Lastdetektion wird vorteilhaft
ein Modell zu Grunde gelegt, das das piezoelektrische Antriebssystem
abbildet. Dabei kann das System als Schwingkreis angesehen werden,
wobei die Änderung des Antwortsignals durch eine Änderung
der Komponenten des Schwingkreises abgebildet werden.
-
Zur
Auslösung des Einklemmschutzes, beispielsweise einem Stoppen
und/oder Reversieren des beweglichen Teils, wird das die Antriebskraft
repräsentierende Sensorsignal – bzw. dessen Änderung über
die Zeit oder über den Verstellweg – kontinuierlich
mit einem Grenzwert verglichen. Dieser Grenzwert kann empirisch
ermittelt werden und/oder durch einen Lernprozess aufgrund der Änderung
der vorherigen Verstellvorgänge ermittelt werden.
-
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. Das Antriebselement mit
der Reibefläche kann dabei vorteilhaft als lineare Antriebsschiene oder
als Rotorwelle ausgebildet werden. Zur Unterstützung der
Kraftübertragung kann zusätzlich zum Reibschluss
ein Formschluss – beispielsweise eine Mikroverzahnung – zwischen
dem Friktionselement und der Reibefläche ausgebildet werden.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
-
1 Eine
erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung,
-
2 eine
weitere Ausführung für einen Rotationsantrieb,
-
3 eine
Ausführung mit einem Lastdetektor,
-
4 eine
schematische Darstellung zum Betreiben der Antriebsvorrichtung,
-
5 bis 7 verschiedene
Ausführungen von Lastmustern mit den dazugehörigen
Lastprofilen.
-
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 – insbesondere
einer Fahrzeugtür – 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.
-
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
Richtung 15 wird entsprechend das Piezoelement 20 des
anderen Piezoaktors 18 mittels der Elektronikeinheit 42 angeregt.
Erfindungsgemäß wird die piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 in
ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Dazu weist die Elektronikeinheit 42 eine
Abstimmschaltung 46 auf, die das entsprechende Piezoelement 20 derart ansteuert,
dass das gesamte System in Resonanz schwingt. In 1 sind
in den beiden Piezoaktoren 18 jeweils die Amplituden 45 der
Resonanzfrequenz der Längsschwingung 26 dargestellt,
wobei die beiden Piezoaktoren 18 bei dieser Betriebsweise
nicht gleichzeitig angeregt werden. Die maximalen Amplituden 45 entsprechen
hier der mechanischen Resonanzfrequenz.
-
Auf
der Reibfläche 14 ist ein sogenanntes Lastmuster 100 ausgebildet,
das beim Verstellvorgang von dem Friktionselement 30 abgetastet
wird. Dabei ändert sich über den Verstellweg 8 entlang
der Richtungen 13, 15 die erforderliche Antriebskraft 103 für
das zu verstellende Teil 11. Diese Antriebskraft 103 wird
mit einem Lastsensor 92 ermittelt, der in diesem Ausführungsbeispiel
durch den Piezoaktor 18 gebildet wird. Dabei wird ein sogenanntes
Antwortsignal 130 auf ein Anregungssignal 93 detektiert,
mit dem die Piezoaktoren 18 zum normalen Verstellbetrieb
angeregt werden. Hierbei können unterschiedliche Messgrößen
mittels unterschiedlicher Messverfahren erfasst werden, wobei vorteilhaft
die Piezoaktoren 18 gleichzeitig als Lastsensoren 92 genutzt werden.
Das Sensor- bzw. Antwortsignal 130 wird in der Elektronikeinheit 42 ausgewertet
und mittels einer Positionserfassung 102 aufgrund des Lastmusters 100 die
aktuelle Position des Friktionselements 30 auf der Reibfläche 14 ermittelt.
Damit ist auch die Position des zu verstellenden Teils 11 eindeutig
festgelegt. Die Positionserfassung 102 generiert ein sogenanntes
Lastprofil 104 des Friktionselements 30, aus dem
in Abhängigkeit der Ausbildung des Lastmusters 100 ein
inkrementales oder ein absolutes Positionssignal generiert werden
kann. Das gemessene Lastprofil 104 kann dabei als digitales
oder analoges Signal abgespeichert werden. Die konkreten Ausbildungen
der Lastmuster 100 mit ihren Lastprofilen 104 sind
in 5 bis 7 näher ausgeführt.
-
In 2 ist
eine Variation der Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
bei der der Piezomotor 12 in einem Karosserieteil 17 gelagert
ist. Hier ist die Reibefläche 14 als Umfangsfläche
eines als Rotationskörpers 48 ausgebildeten Antriebselement 57 ausgebildet,
so dass durch die Stößelbewegung des Friktionselements 30 der
Rotationskörper 48 in Drehung versetzt wird. Das
Friktionselement 30 weist hier eine gewölbte Stoßfläche 98 auf,
insbesondere mit einer Oberfläche mit einem erhöhten
Reibwert. 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. Zur Positionserkennung
ist auf der als Umfangsfläche ausgebildeten Reibfläche 14 wiederum
ein Lastmuster 100 angeordnet, das über den Piezoaktor 18,
der gleichzeitig als Sensor 92 wirkt, entsprechend der
Ausführung in 1 detektiert werden kann.
-
In 3 ist
eine alternative Ausführung dargestellt, bei dem der Sensor 92 als
separat ausgebildeter Lastdetektor 132 ausgebildet ist.
Dabei ist der Lastdetektor 132 zusätzlich zum
Piezoaktor 18 am piezoelektrischen Antriebssystems 10 angeordnet, vorzugsweise
zwischen dem verstellten Teil 11 und dem Piezoaktor 18.
Der Lastdetektor 132 ist beispielsweise als Weg-, Geschwindigkeits-
oder Beschleunigungssensor ausgebildet, dessen Sensorsignal 91 ausgewertet
wird, um die Last des zu verstellenden Teils 11, bzw. die
Verstellkraft 102 zu ermitteln. Alternativ kann der Lastdetektor 132 direkt
als Kraftsensor 134 ausgebildet sein, der als Sensorsignal 91 ein
die Antriebskraft 102 repräsentierendes Signal
der Elektronikeinheit 42 zuführt. Die Elektronikeinheit 42 weist
hierzu ein Einklemmschutzmodul 136 auf, in dem das Sensorsignal 91,
oder eine daraus ermittelte Größe mit einem Grenzwert
verglichen wird. Der Grenzwert ist beispielsweise in einem Speicher
eines Einklemmschutzmoduls 136 hinterlegt, beispielsweise
als konstanter Wert, oder als Grenzwert-Kurve über die
Zeit, bzw. über den Verstellweg 8. Wird der Grenzwert
für den Einklemmschutz überschritten, gibt die
Elektronikeinheit 42 ein entsprechendes Signal an den Piezoaktor 18,
der den Verstellvorgang des Teils 11 stoppt oder reversiert.
Das Einklemmschutzmodul 136 ist beispielsweise als Teil der
Elektronikeinheit 42 ausgebildet.
-
In 4 ist
ein Modell der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 dargestellt,
das als Grundlage zur Einstellung der Resonanzfrequenz und zur Auswertung
des Antwortsignals 130 für die Lastdetektion 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 des Piezoaktors 18 beeinflusst. Weiterhin
hängt die Resonanzfrequenz der gesamten Antriebsvorrichtung 10 von
einer 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. Das Ersatzschaltbild
in 4 stellt in erster Näherung gleichzeitig
das elektrische Klemmenverhalten des dynamischen piezoelektischen
Antriebs 10 dar, wobei dieser beispielsweise im Bereich
der Resonanzfrequenz betrieben wird. Die Rückkopplung der
Laständerung des zu verstellenden Teils 11 ist
dabei von der Art der Kraftübertragung 57 abhängig,
so dass das Antwortsignal 130 auf das Anregungssignal 93 von
der Art der mechanischen Kopplung zwischen dem Piezoaktor 18 und dem
zu verstellenden Teil 11 abhängt. Dabei kann das
elektrische Klemmenverhalten gemäß den Ersatzschaltungen 51 auch
für die Auswertung des Antwortsignals 130 durch
ein Einklemmschutzmodul 136 verwendet werden. Aufgrund
einer langsamen, allmählichen Änderung des Antwortsignals 130 über die
Zeit oder den Ort kann das Einklemmschutzmodul 136 erkennen,
dass kein Einklemmfall vorliegt, sondern beispielsweise eine Lasterhöhung
auf Grund einer Zunahme der Reibung des beweglichen Teils 11 in
seiner Führungsschiene. Wird beispielsweise die zeitliche Änderung
des Antwortsignals 130 mit einem abgespeicherten Grenzwert
verglichen, kann bei einem überschreiten der Änderungsgeschwindigkeit
des Antwortsignals 130 ein Einklemmfall erkannt werden
und der Piezomotor 12 gestoppt oder reversiert werden.
-
In 5 ist
eine Reibfläche 14, beispielsweise einer linearen
Schiene 16 gezeigt, auf der ein Lastmuster 100 angeordnet
ist. Das Lastmuster 100 weist mehrere Erhöhungen 106 auf,
die beispielsweise in regelmäßigen Abständen
entlang der Verstellrichtung 13, 15 angeordnet
sind. Die Erhöhungen 106 sind beispielsweise gewölbt
ausgebildet (Wölbungen 116), so dass sich das
Friktionselement 30 relativ sanft über die Erhöhungen 106 hinweg
bewegen kann. Durch den Anpressdruck, mit dem das Friktionselement 30 gegen
die Reibfläche 14 gepresst wird (entspricht der
Normalkraft 37), erzeugen die Erhöhungen 106 eine
höhere Last, und erfordern dadurch eine höhere
Antriebskraft 103. dies ist in dem korrespondierenden Lastprofil 104 dargestellt. Das
ermittelte Lastprofil 104 kann zur Positionserkennung des
Friktionselements 30 auf der Reibfläche 14 verwendet
werden, in dem beispielsweise die regelmäßigen
Lasterhöhungen 111 als inkrementale Pulse gezählt
werden und somit beispielsweise von einem definiertem Startpunkt
aus die aktuelle Position auf der Reibfläche 14 ermittelt
werden kann. Beispielhaft ist hier eine Folge von fünf
Erhöhungen 106 als eine Mustersequenz 101 zusammengefasst,
die gegebenenfalls mit einem gewissen Abstand beliebig oft wiederholt
werden kann. In einem alternativen Ausführungsbeispiel
sind über den gesamten Stellbereich auf der Reibfläche 14 entsprechende
Erhöhungen 106 oder Vertiefungen 108 in
gleichmäßigen Abständen angeordnet, so
dass die Mustersequenz praktisch nur aus einem einzigen Typ von
Erhöhungen 106 bzw. Vertiefungen 108 besteht.
In einer weiteren Ausführung sind auf der rechten Seite
als eine Strukturierung 110 des Lastmusters 100 Oberflächenelemente 112 mit
unterschiedlichen Reibeigenschaften angeordnet. So weist beispielsweise
die Oberfläche 113 einen höheren Reibungskoeffizienten
auf, wodurch die Last erhöht wird und die Oberfläche 114 einen
geringeren Reibungskoeffizient, wodurch die Last erniedrigt wird.
Die Oberflächen der Elemente 113, 114 können
beispielsweise auf einem Niveau 115 mit der Reibfläche 14 ausgebildet
sein, so dass die Oberflächenelemente 112 in die Reibfläche 14 eingelassen
sind. Die Ausdehnung der einzelnen Oberflächenelemente 112 kann
dabei variieren, wie in 5 dargestellt, oder gleiche
Abmessungen aufweisen.
-
6 zeigt
eine weitere Variation eines Lastmusters 100, bei dem die
Erhöhungen 106 Stufen 107 aufweisen,
so dass sich die Last sprungartig ändert, wie dies im Lastprofil 104 gezeichnet
ist. Durch unterschiedliche Abstände 109 zwischen
den Erhöhungen 106 (beziehungsweise zwischen Vertiefungen 108)
können wiederum unterschiedliche Mustersequenzen 101 ausgebildet
werden.
-
In 7 ist
als weitere Mustersequenz 101 eine Kombination verschiedener
Erhöhungen 106 dargestellt, wobei sich Erhöhungen 106 mit
unterschiedlicher Höhe 118 und unterschiedlicher
Oberflächenform (eckig, gewölbt) abwechseln. Durch
die Kombination unterschiedlicher Erhöhungen 106 und/oder
Vertiefungen 108 – und/oder strukturierter Oberflächen 112 – können
beliebig komplexe Mustersequenzen 101 gebildet werden,
so dass sich beispielsweise eine einzige Mustersequenz 101 über den
gesamten Verstellbereich der Reibfläche 14 erstreckt.
Dabei ist ohne einen markierten Startpunkt auf der Reibfläche 14 jederzeit
die absolute Position des Friktionselements 30 auf der
Reibfläche 14 bestimmbar, indem die Mustersequenz 101 in
der Positionserfassung 102 der Elektronikeinheit 42 hinterlegt wird.
Die dargestellten Erhöhungen 106 der Beispiele in 5 bis 7 können
alternativ auch als Vertiefungen 108 ausgebildet werden,
wie dies auf der linken Seite in 7 dargestellt
ist.
-
Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der in der
Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich
sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung der Lastmuster 100 – insbesondere
der Erhöhungen 106, die Vertiefungen 108 und
der strukturiert angeordneten Oberflächen 112 und
deren Materialeigenschaften – sowie die Form und Anordnung des
Friktionselements 30 entsprechend der Anwendungen variiert
werden. So können die Erhöhungen 106 und
Vertiefungen 108 beipielsweise auch dreieckig, trapezförmig
oder entsprechend einem beliebigen Profil ausgebildet sein. Bevorzugt
wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung
der Laständerung bei der Verstellung beweglicher Teile 11 (Sitzteile,
Fenster, Dach, Klappen) im Kraftfahrzeug verwendet, bei der der
Piezomotor 12 mit der Bordnetzspannung betrieben werden
kann, ist jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt.
Der Piezomotor 12 kann an der Karosserie 17, beispielsweise
an der Fahrzeugtür befestigt werden, und die Reibefläche 14 integral
mit dem zu verstellenden Teil 11, beispielweise einer Fensterscheibe,
einem Gurtbringer oder einer Kopfstütze, ausgebildet sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-