DE102008001405A1 - Piezoelektrische Antriebsvorrichtung, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen - Google Patents

Piezoelektrische Antriebsvorrichtung, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Download PDF

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H02N2/025Inertial sliding motors

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) zum Verstellen eines beweglichen Teils (11), insbesondere im Kraftfahrzeug, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen, mit mindestens einem Piezoaktor (18), der entlang einer Bewegungsrichtung (27) relativ zu einer Führungsschiene (12) verstellbar ist, und der Piezoaktor (18) ein Piezoelement (20) aufweist, das entlang der Bewegungsrichtung (27) in Längsschwingung (26) versetzt werden kann, wobei zwischen dem Piezoaktor (18) und der Führungsschiene (12) eine Sperrvorrichtung (34, 35) angeordnet ist, die entgegen der Bewegungsrichtung (Gegenrichtung 29) selbsthemmend ausgebildet ist und in Bewegungsrichtung (27) einen geringeren Reibwiderstand aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung sowie von einem Verfahren zum Betreiben einer solchen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Mit der EP 953 215 B1 ist ein Antriebssystem zum Verstellen von Fahrzeugkomponenten bekannt geworden, bei der ein piezoelektrischer Motor mit mindestens zwei piezoelektrischen Aktuatoren eine lineare Bewegung herbeiführt. Die beiden piezoelektrischen Aktuatoren wirken mit voneinander beabstandeten Blöcken zusammen, die mittels der Piezoaktuatoren an einer linearen Führungsstange festgeklemmt werden können. Ist beispielsweise der erste Block an der Führungsstange festgeklemmt, bewirkt ein weiteres als Piezoaktor ausgebildetes Verstellelement eine Verschiebung des zweiten nicht festgeklemmten Blockes gegenüber dem ersten Block entlang der Führungsschiene. Nach Beendigung der linearen Verschiebung des zweiten Blockes wird dieser an der Führungsschiene festgeklemmt (mittels piezoelektrischem Aktuator) und der erste Block gelöst, sodass der erste Block aufgrund der federnden Vorspannung zum zweiten Block hingezogen wird. Dieser Bewegungsablauf ist mit einer Raupenbewegung vergleichbar, für deren Funktion das Festklemmen des ersten und des zweiten Blockes mittels Piezoaktoren sehr genau koordiniert werden muss. Zusätzlich muss der dritte Piezoaktor für die Linearverschiebung genau zu den anderen beiden Piezoaktoren getaktet werden, wodurch die Verstellbewegung sehr unzuverlässig oder sehr langsam wird. Außerdem ist die elektronische Ansteuerung für die Anregung der drei Piezoaktoren für eine Bewegungsrichtung sehr teuer.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Anordnung einer Sperrvorrichtung ein Verschieben des Piezoaktors entgegen der Antriebsrichtung wirksam unterbunden wird. Hierzu ist die Sperrvorrichtung entgegen der Antriebsrichtung selbsthemmend ausgebildet, sodass die Sperrvorrichtung als passives Bauelement keine aktive Ansteuerung durch einen Aktuator während des Verstellbetriebs benötigt. In Verstellrichtung gleitet die Sperrvorrichtung entlang der Führungsschiene, sodass der Bewegungsrichtung des Piezoaktors nur ein geringer Reibwiderstand entgegenwirkt.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen möglich. Zur Ausbildung einer Selbsthemmung bezüglich nur einer Bewegungsrichtung sind an der Antriebsvorrichtung beispielsweise Sperrelemente angeordnet, die zur Führungsschiene in Bewegungsrichtung des Piezoaktors einen Winkel bilden, der kleiner als 90° ist. Dadurch können die Sperrelemente mit relativ geringer Reibung entlang der Bewegungsrichtung auf der Führungsschiene entlang schleifen, wohingegen sie durch ihren Anstellwinkel entgegen der Bewegungsrichtung (Gegenrichtung) auf der Führungsschiene verkanten oder darauf haften, und dadurch selbsthemmend eine Bewegung entgegen der Bewegungsrichtung unterbinden. Durch die Wahl des Anstellwinkels und die Ausbildung der Anlagekante der Sperrelemente an der Führungsschiene, bzw. durch die Formgebung der Sperrelemente kann das Maß der Selbsthemmung entgegen der Bewegungsrichtung, bzw. die Gleitfähigkeit in Bewegungsrichtung erhöht oder erniedrigt werden.
  • Die Sperrelemente können beispielsweise starr ausgebildet sein, wobei sie dann vorzugsweise drehbar am Piezoaktor gelagert sind. In einer weiteren Ausführung können die Sperrelemente auch elastisch verformbar ausgebildet sein, sodass durch eine Krafteinwirkung die Sperrelemente von der Führungsschiene abgehoben werden können.
  • Um nach dem Verstellvorgang in eine erste Bewegungsrichtung mittels des antreibenden Piezoaktors eine Zurückverstellung des zu bewegenden Teils zu ermöglichen, weist die Antriebsvorrichtung mindestens ein Betätigungselement auf, mittels der die Selbsthemmung der Sperrvorrichtung aufgehoben werden kann. Dazu wird der Kontakt des mindestens einen Sperrelements relativ zur Führungsschiene mittels des Betätigungselements aufgehoben, wobei das Sperrelement entweder zur Führungsschiene gedreht oder elastisch verbogen wird.
  • Zur antreibenden Verstellbewegung des beweglichen Teils weist der Piezoaktor ein Piezoelement auf, das zwischen zwei Massen angeordnet ist. Durch die Ausbildung einer Längsschwingung des Piezoelements werden die zwei Massen entlang der Führungsschiene relativ zueinander beschleunigt, wodurch aufgrund deren Massenträgheit eine Antriebsbewegung in Bewegungsrichtung erzeugt wird.
  • An einer der beiden Massen ist die Sperrvorrichtung angeordnet, sodass sich die andere frei bewegliche Masse über die Sperrvorrichtung der ersten Masse an der Führungsschiene abstützen kann. Beispielsweise ist die Masse, an dem die Sperrvorrichtung angeordnet ist, mit dem Aktorgehäuse verbunden. Das Aktorgehäuse nimmt beispielsweise das Piezoelement und die gegenüberliegende frei schwingbar angeordnete Masse auf.
  • Um das bewegliche Teil zu verstellen, wird eine der beiden Massen mit dem beweglichen Teil verbunden, wobei vorzugsweise die zweite Masse, die durch das Piezoelement abgetrennt ist, frei schwingbar angeordnet ist. Bevorzugt ist das bewegliche Teil am Gehäuse des Piezoaktors und/oder an der Masse, an dem die Sperrvorrichtung angeordnet ist, befestigt.
  • Bevorzugt ist die Führungsschiene als linearer Stab ausgebildet, der beispielsweise einen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweist. Bei einer solchen stabförmigen Führungsschiene ist das Piezoelement und die beiden Massen des Piezoaktors günstigerweise ringförmig um die Führungsschiene ausgebildet. Dadurch kann der gesamte Piezoaktor näherungsweise rotationssymmetrisch hergestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführung weist die Führungsschiene zwei gegenüberliegende Flächen auf, zwischen denen der Piezoaktor angeordnet ist. Dabei liegen beispielsweise zwei gegenüberliegende Sperrelemente einer Sperrvorrichtung an den gegenüberliegenden Flächen der Führungsschiene an.
  • Soll das bewegliche Teil entlang zwei entgegengesetzter Bewegungsrichtungen kontrolliert verstellt werden, weist die Antriebsvorrichtung beispielsweise zwei Piezoaktoren mit jeweils einer Sperrvorrichtung auf. Bei dieser Vorrichtung ist je ein Piezoaktor für eine Verstellrichtung in Betrieb, insbesondere wirkt jeweils nur eine Sperrvorrichtung selbsthemmend, während die Sperrvorrichtungen des nichtaktivierten Piezoaktors sich im gelösten (näherungsweise reibungsfreien) Zustand befindet. Bei dieser Ausführung sind beide Piezoaktoren beispielsweise in einem gemeinsamen Aktorgehäuse angeordnet.
  • In einer alternativen Ausführung sind an einer der beiden Massen Sperrelemente derart angeordnet, dass diese wahlweise derart positioniert werden können, dass sie entgegen der ersten Bewegungsrichtung selbsthemmend wirken, oder alternativ derart positioniert werden können, dass sie entgegen der zweiten entgegengesetzten Bewegungsrichtung selbsthemmend wirken. Die Selbsthemmung bezüglich der beiden unterschiedlichen Bewegungsrichtungen kann dabei durch identische Sperrelemente oder mittels zusätzlicher Sperrelemente realisiert werden.
  • Um das bewegliche Teil fest gegenüber der Führungsschiene zu fixieren und eine Bewegung des verstellenden Teils zu blockieren, können die Sperrelemente derart betätigt werden, dass sowohl Sperrelemente selbsthemmend bezüglich der einen Bewegungsrichtung an der Führungsschiene anliegen, als auch bezüglich der entgegengesetzten Bewegungsrichtung.
  • Besonders vorteilhaft ist es, dass während der Antriebsbewegung der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung die Sperrelemente nicht betätigt werden müssen. Dabei ist es ausreichend, wenn während des Verstellvorgangs nur ein einziges Piezoelement einphasig in Schwingung versetzt wird, wodurch keine unterschiedlichen Anregungsfrequenzen unterschiedlicher Piezoelemente getaktet oder aufeinander abgestimmt werden müssen. Lediglich bei der Umkehrung der Bewegungsrichtung des zu verstellenden Teils ist eine Betätigung der Sperrvorrichtung erforderlich. Zum Verstellen des beweglichen Teils wird die Schwingungsenergie des Piezoelements in eine Trägheitsbewegung der beiden gegenüberliegenden Massen umgesetzt, wodurch das Piezoelement vorteilhaft im Resonanzbetrieb bei einer hohen Frequenz angeregt werden kann. Durch diesen Resonanzbetrieb kann die Antriebsvorrichtung dynamisch betrieben werden, wodurch deutlich größere Verstellamplituden und dadurch eine höhere Verstellgeschwindigkeit erzielt werden kann, als beispielsweise bei einem Piezomotor, der nach dem statischen Raupenbewegungsprinzip arbeitet. Verglichen mit anderen dynamischen Piezoantrieben nach dem Stoßprinzip, bei denen in der Regel mindestens zwei Piezoschwingungen aufeinander abgestimmt werden müssen, ist der erfindungsgemäße dynamische Piezoantrieb sehr robust und unanfällig gegen Störungen, da aufgrund der selbsthemmenden Sperrvorrichtung nur eine einzige Piezoschwingung (in Resonanz) angeregt werden muss.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten einer ersten erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung und
  • 2 eine weitere erfindungsgemäße Ausführung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 dargestellt, bei dem ein bewegliches Teil 11 entlang einer Führungsschiene 12 verstellt werden kann. Die Führungsschiene 12 ist ortsfest ausgebildet, beispielsweise an einem Karosserieteil 14 befestigt. Die Führungsschiene 12 kann als Teil eines Rahmens 15 einer nicht näher dargestellten Öffnung ausgebildet werden, die mit einem flächig ausgebildeten beweglichen Teil 11 verschließbar ist. Beispielsweise ist das verstellbare Teil 11 als Fensterscheibe oder Schiebedach ausgebildet.
  • In 1 ist die Führungsschiene 12 als linearer Stab 13 ausgebildet, der beispielsweise einen runden oder viereckigen Querschnitt aufweist. In der unteren Bildhälfte ist ein erster Piezoaktor 18 dargestellt, der ein Piezoelement 20 aufweist, das eine erste Masse 22 mit einer zweiten Masse 24 verbindet. Die erste Masse 22 ist bezüglich einer Längsrichtung 26 am freien Ende 28 des Piezoelements 20 angeordnet und bildet daher eine frei schwingende Masse 23. Am gegenüberliegenden Ende 30 ist das Piezoelement 20 mit einem Aktorgehäuse 32 verbunden, das hier die zweite Masse 24 bildet. Am Aktorgehäuse 32 bzw. an der zweiten Masse 24 ist eine Sperrvorrichtung 34 angeordnet, die Sperrelemente 36 aufweist, die beim Verstellvorgang in Bewegungsrichtung 27 an der Führungsschiene 12 anliegen. Die Sperrelemente 36 sind beispielsweise als Lamellen 38 ausgebildet, die bezüglich der Bewegungsrichtung 27 des Piezoaktors 18 einen Winkel 40 kleiner als 90° bilden. Der Winkel 40 liegt bevorzugt im Bereich von 60° bis 89°. Die Sperrelemente 36 sind im Ausführungsbeispiel an einem Ende 42 fest mit der zweiten Masse 24 verbunden und bilden an ihrem anderen Ende eine Kontaktfläche 44 zur Führungsschiene 12. Indem die Sperrelemente 36 unter dem spitzen Winkel 40 an der Führungsschiene 12 anliegen, wirken sie entgegen der Bewegungsrichtung 27 (Gegenrichtung (29) des Piezoaktors selbsthemmend. In Bewegungsrichtung 27 hingegen weisen die Sperrelemente 36 einen deutlich geringeren Bewegungswiderstand auf, sodass die Sperrelemente 36 in Bewegungsrichtung 27 gut gleiten. Zum Abheben der Sperrelemente 36 von der Führungsschiene 12 sind Betätigungsmittel 46 angeordnet, womit die Selbsthemmung der Sperrelemente 36 aufgehoben werden kann. In der unteren Bildhälfte der 1 (unterhalb der Linie 8) sind die Sperrelemente 36 als biegbare Lamellen 38 ausgebildet, die durch die Betätigungsmittel 46 derart elastisch verformt werden, dass die Selbsthemmung entgegen der Bewegungsrichtung 27 aufgehoben wird. Vorzugsweise berühren dann die Kontaktflächen 44 der Sperrelemente 36 die Führungsschiene 12 nicht mehr.
  • Zum Verstellen des beweglichen Teils 11 in Bewegungsrichtung 27 wird das Piezoelement 20 einphasig angeregt. Dazu weist das Piezoelement 20 zwei Elektroden 48 auf, die mit einer Elektronikeinheit 50 verbunden sind. Dabei wird das Piezoelement 20 in einer Längsschwingung angeregt, die näherungsweise parallel zur Führungsschiene 12 ausgerichtet ist. Durch die Anlegung einer elektrischen periodischen Spannung an das Piezoelement 20 wird dieses zusammen mit den beiden Massen 22 und 24 zu einer resonanten Schwingung angeregt. Dehnt sich beispielsweise das Piezoelement 20 im in 1 dargestellten Zustand in Längsrichtung 26 aus, bewegt sich die erste Masse 22 von der zweiten Masse 24 weg. Da sich die zweite Masse 24 über die Sperrelemente 36 selbsthemmend entgegen der Bewegungsrichtung 27 an der Führungsschiene 12 abstützt, kommt es hierbei zu keiner Relativbewegung des zu verstellenden Teils 11 gegenüber der Führungsschiene 12. Zieht sich anschließend das Piezoelement 20 wieder zusammen, wirkt auf die erste Masse 22 eine Kraft in Gegenrichtung 29 und auf die zweite Masse 24 eine Kraft in Bewegungsrichtung 27, wodurch sich die beiden Massen 22 und 24 aufeinander zu bewegen. Da die Sperrelemente 36 in Bewegungsrichtung 27 keine Selbsthemmung aufweisen, bewegen sich die Sperrelemente 36 zusammen mit der Masse 24 relativ zur Führungsschiene 12 in Bewegungsrichtung 27. Damit kommt es zu einer Verstellbewegung des beweglichen Teils 11 in Bewegungsrichtung 27. Durch den hochfrequenten resonanten Antrieb des Piezoelements 20 summieren sich die vielen kleinen Einzelbewegungen der zweiten Masse 24 während der Kontraktionsphase des Piezoelements 20 zu einer Verstellbewegung in die eingezeichnete Bewegungsrichtung 27. Besteht der piezoelektrische Antrieb 10 nur aus dem Piezoaktor 18 in der unteren Bildhälfte (unterhalb der gestrichelten Linie 8), ist eine kontrollierte Stellbewegung nur in der einen Bewegungsrichtung 27 möglich. Um das bewegliche Teil 11 zurückzustellen, werden die Sperrelemente 36 mittels der Betätigungsvorrichtung 46 gelöst, sodass das bewegliche Teil 11 beispielsweise aufgrund der Schwerkraft oder einer Federkraft entgegen der Bewegungsrichtung 27 zurückbewegt wird.
  • Soll das bewegliche Teil 11 mittels der Antriebsvorrichtung 10 in beide Richtungen verstellt werden (Bewegungsrichtung 27 und Gegenrichtung 29), weist die Antriebsvorrichtung 10 einen zweiten Piezoaktor 18' auf, der mit einer entsprechenden Sperrvorrichtung 35 zusammenwirkt. In der oberen Bildhälfte sind die Sperrelemente 36 beispielsweise starr ausgebildet und um eine Drehachse 52 drehbar gelagert. Durch die Aktivierung der Betätigungsmittel 46 kann hierdurch die Selbsthemmung der Sperrelemente 36 in Bewegungsrichtung 27 aufgehoben werden. Dies ist notwendig, wenn das bewegliche Teil 11 in Bewegungsrichtung 27 verstellt wird. Soll das bewegliche Teil 11 hingegen in die Gegenrichtung 29 angetrieben werden, liegen die Sperrelemente 36 in der oberen Bildhälfte selbsthemmend an der Führungsschiene 12 an, während die Selbsthemmung der Sperrelemente 36 in der unteren Bildhälfte mittels der Betätigungsmittel 46 aufgehoben wird (die Sperrelemente 36 werden von der Führungsschiene 12 abgehoben). Wird nun das obere Piezoelement 20 einphasig angeregt, kommt es zu einer Vorschubbewegung des Teils 11 in Gegenrichtung 29. Bei dieser Betriebsweise ist bezüglich einer Bewegungsrichtung 27, 29 immer nur ein Piezoaktor 18, 18' mit einem Piezoelement 20 aktiviert, wodurch ein günstiger einphasiger Betrieb möglich ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform gemäß 1 weist die Antriebsvorrichtung 10 – wie in der zuerst beschriebenen Variante – nur den unteren Piezoaktor 18 auf, hat aber zusätzlich zu der unteren Sperrvorrichtung 34 eine zweite Sperrvorrichtung 35, wie sie in der oberen Bildhälfte dargestellt ist. Mittels der Betätigungsmittel 46 kann so die Selbsthemmung der ersten Sperrvorrichtung 34 oder der zweiten Sperrvorrichtung 35 in Kraft gesetzt werden. Der Vorschub erfolgt hierbei in beiden Richtungen 27 und 29 durch den einen Piezoaktor 18, wobei die Bewegungsrichtung ausschließlich durch die Stellung der Sperrvorrichtungen 34, 35 bestimmt wird. Durch wahlweises Aktivieren der Betätigungsmittel 46 kann dadurch die Bewegungsrichtung umgekehrt werden.
  • Die Betätigungsmittel 46 können dabei als Piezoelement 54 oder als andere Aktoren (Magnet, Formgedächtnis-Element, elektroaktives Material) ausgebildet sein. Gemäß 1 ist das Piezoelement 20 und die Massen 22, 24 ringförmig um die Führungsschiene 12 angeordnet, sodass der Piezoaktor 18 näherungsweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Das Aktorgehäuse 32 ist beispielsweise als zylindrisches Rohr ausgebildet, in dem ein oder zwei Piezoaktoren 18, 18' angeordnet sind. Um das bewegliche Teil 11 entlang der Führungsschiene 12 zu führen, weist die zweite Masse 24 bzw. das Aktorgehäuse 32 eine Führungsöffnung 58 auf, die die Führungsschiene 12 aufnimmt. Das Piezoelement 20 ist in diesem Beispiel ringförmig ausgebildet. Dabei können einzelne zylinderförmige Piezoscheiben in Längsrichtung 26 aufeinandergestapelt, und insbesondere axial verspannt werden.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Antriebsvorrichtung 10 innerhalb einer Führungsschiene 12 angeordnet ist. Die Führungsschiene 12 kann dabei rohrförmig, u-förmig oder als zwei beabstandete Führungsflächen 16 ausgebildet sein. Innerhalb dieser Führungsschiene 12 wird der Piezoaktor 18 mittels Gleitflächen 56 und/oder der Sperrelemente 36 geführt. Das Piezoelement 20 ist wiederum zwischen einer ersten Masse 22 und einer zweiten Masse 24 angeordnet und wird mit einer Längsschwingung in Längsrichtung 26 angeregt. Das Piezoelement 20 kann in dieser Ausführung beispielsweise auch einen viereckigen Querschnitt aufweisen. Die erste Masse 22 ist als freischwingende Masse 23 ausgebildet, die innerhalb der Führungsschiene 12 in eine Längsschwingung versetzt wird. Die zweite Masse 24 ist mit dem zu verstellenden Teil 11 verbunden und weist die erste Sperrvorrichtung 34 und die zweite Sperrvorrichtung 35 auf, die wahlweise eine Selbsthemmung der zweiten Masse 24 bezüglich der Führungsschiene 12 in Bewegungsrichtung 27 oder in Gegenrichtung 29 bewirken können. Hierzu weisen die Sperrvorrichtungen 35, 34 Betätigungsmittel 46 auf, die die Sperrelemente 36 unter dem Winkel 40 an die Führungsschiene 12 anlegen. Dabei kann die erste Sperrvorrichtung 34 mit der zweiten Sperrvorrichtung 35 kombiniert ausgeführt sein, sodass beispielsweise ein konkretes Sperrelement 36 unter unterschiedlichen Winkeln 40 gegenüber der Führungsschiene 12 zum Anliegen kommen kann. Ebenso können beispielsweise zwei Sperrelemente 36 paarweise mittels einer Betätigungsvorrichtung 46 aktiviert werden, sodass zwei Sperrelemente 36, die in einer Ebene quer zur Bewegungsrichtung 27 angeordnet sind, gleichzeitig in den selbsthemmenden Zustand versetzt werden oder aus dem selbsthemmenden Zustand gelöst werden. Alternativ können zwei in Verstellrichtung 27 hintereinander angeordnete Sperrelemente 36 miteinander gekoppelt werden, sodass mittels einer Betätigungsvorrichtung 46 die Selbsthemmung wahlweise entweder in Bewegungsrichtung 27 aktiviert wird oder in Gegenrichtung 29 aktiviert wird. Die Sperrelemente 36 können starr ausgebildet sein und in Drehachsen 52 gelagert werden, oder als biegbare Lamellen 38 ausgebildet werden. Bei dieser Ausführung weist der Piezoaktor 18 kein Aktorgehäuse 32 auf, wobei beide Sperrvorrichtungen 34, 35 räumlich integriert an der zweiten Masse 24 angeordnet sind.
  • Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der in der Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann die räumliche Integration der beiden Sperrvorrichtungen 34, und 35 aus 2 auch bei einer stabförmigen Führungsschiene 12 gemäß 1 angewendet werden. Außerdem kann beispielsweise die konkrete Ausbildung der Piezoaktoren 18, 18' deren Aktorgehäuse 32, der Piezoelemente 20 (Monoblock, Stapel- oder, Multilayer), der Sperrelemente 36 und deren Betätigungsmittel 46 entsprechend der Anwendung variiert werden. Eine Sperrvorrichtung 34, 35 bezüglich einer Bewegungsrichtung 27, 29 kann dabei ein Sperrelement 36 oder mehrere – insbesondere identische – Sperrelemente 36 aufweisen. Die Ausbildung und die Reibpaarung (Wahl der Haftreibung) der Kontaktfläche 44 zur Führungsschiene 12 – sowie die Geometrie der Lamelle der Sperrvorrichtung – kann den erforderlichen Verstell- oder Haltekräften des Teils 11 angepasst werden. In einer weiteren Variante ist das bewegliche Teil 11 an der Führungsschiene 12 befestigt, die relativ zum ortsfest schwingenden Piezoaktor 18 verschoben wird. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Antriebseinheit 10 zu Verstellung beweglicher Teile 11 im Kraftfahrzeug verwendet, ist jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt.
  • 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
    • - EP 953215 B1 [0002]

Claims (15)

  1. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) zum Verstellen eines beweglichen Teils (11), insbesondere im Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Piezoaktor (18), der entlang einer Bewegungsrichtung (27) relativ zu einer Führungsschiene (12) verstellbar ist, und der Piezoaktor (18) ein Piezoelement (20) aufweist, das entlang der Bewegungsrichtung (27) in Längsschwingung (26) versetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoaktor (18) und der Führungsschiene (12) eine Sperrvorrichtung (34, 35) angeordnet ist, die entgegen der Bewegungsrichtung (Gegenrichtung 29) selbsthemmend ausgebildet ist und in Bewegungsrichtung (27) einen geringeren Reibwiderstand aufweist.
  2. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (34, 35) mindestens ein Sperrelement (36) aufweist, das unter einem Winkel kleiner als 90° bezüglich der Bewegungsrichtung (27) an der Führungsschiene (12) anliegt.
  3. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sperrelement (36) drehbar oder biegbar am Piezoaktor (18) befestigt ist.
  4. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sperrelement (36) mittels eines Betätigungselements (46) derart verstellbar ist, dass die Selbsthemmung zwischen dem Sperrelement (36) und der Führungsschiene (12) aufgehoben werden kann.
  5. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (20) zwischen zwei Massen (22, 24) angeordnet ist, deren Abstand durch die Längsschwingung des Piezoelements (20) variierbar ist.
  6. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (18) ein Aktorgehäuse (32) aufweist, das mit einer der beiden Massen (24) verbunden ist.
  7. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Massen (24) mit dem zu verstellenden Teil (11) verbunden ist.
  8. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Massen (22) frei schwingbar gegenüber dem Piezoelement (20) ausgebildet ist.
  9. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschiene (12) stabförmig ausgebildet ist, und der Piezoaktor (18) quer zur Bewegungsrichtung – insbesondere ringförmig – um die Führungsschiene (12) angeordnet ist.
  10. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (18) innerhalb der Führungsschiene (12) – insbesondere zwischen zwei näherungsweise parallelen Führungsflächen (16) der Führungsschiene (12) – angeordnet ist.
  11. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der beiden Massen (24) des Piezoaktors (18) mindestens eine Sperrvorrichtung (34, 35) angeordnet ist, die wahlweise nur in eine erste Bewegungsrichtung (27) oder nur in eine zweite entgegengesetzte Gegenrichtung (29) selbsthemmend an der Führungsschiene (12) anliegt.
  12. Verfahren zum Betreiben der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Verstellvorgangs des beweglichen Teils (11) in ausschließlich eine Bewegungsrichtung (27) das mindestens eine Sperrelement (36) nicht aktiv betätigt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (10) zwei – insbesondere baugleiche – Piezoaktoren (18, 18') mit jeweils einer Sperrvorrichtung (34, 35) aufweist, wobei für eine Bewegungsrichtung (27) nur ein erster Piezoaktor (18) aktiviert und eine erste korrespondierenden Sperrvorrichtung (34) selbsthemmend an die Führungsschiene (12) angelegt wird, und für die Gegenrichtung (29) nur der zweite Piezoaktor (18') aktiviert und eine zweite korrespondierenden Sperrvorrichtung (35) selbsthemmend an die Führungsschiene (12) angelegt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Halteposition des Teils (11) die mindestens eine Sperrvorrichtung (34, 35) derart betätigt wird, dass die Sperrelemente (36) gleichzeitig in beide Bewegungsrichtungen (27, 29) selbsthemmend an der Führungsschiene (12) anliegen.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (18, 18') einphasig im Resonanzbetrieb – insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 30 und 70 kHz – angeregt wird.
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