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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Vielschichtaktor (Piezomotor) gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Verstellantrieb gemäß Anspruch
13.
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Aus
der
WO 0200028652
A1 ist ein Vielschichtaktor mit zwei voneinander getrennten
Aktorstapeln bekannt, die über eine metallische Brücke miteinander
verbunden sind. Werden beide Aktoren durch eine elektrische Ansteuerung
zu Schwingungen angeregt, so kommt es je nach Anregung zu einer
entsprechenden Schwingung der metallischen Brücke, wodurch
ein mittig auf der Brücke angeklebter Stößel
eine elliptische Bewegung erzeugt, die als Antrieb verwendet werden
kann.
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Nachteilig
bei dem bekannten Vielschichtaktor ist dessen aufwändiger,
aus vielen mit präzise miteinander zu verbauenden Einzelbauteilen
bestehender, Aufbau. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dann, wenn
der bekannte Vielschichtaktor in Resonanz betrieben werden soll,
da für einen resonanten Betrieb die Resonanzfrequenzen
beider separater Aktoren in Übereinstimmung gebracht werden
müssen, was nur schwer möglich ist, insbesondere
vor dem Hintergrund sich ändernder Umgebungsbedingungen,
beispielsweise aufgrund der Eigenerwärmung der Piezoelelemente
während des Betriebs. Dies führt zu erheblichen
Anforderungen an die Steuerelektronik.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen alternativen, einfach
aufgebauten Vielschichtaktor (Piezomotor) vorzuschlagen. Bevorzugt
soll der Vielschichtaktor auf einfache Weise in Resonanzfrequenz
betrieben werden können. Ferner besteht die Aufgabe darin,
einen entsprechend optimierten, einen Vielschichtaktor aufweisenden
Verstellantrieb, insbesondere für eine verstellbare Kraftfederungskomponente
vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einem Vielschichtaktor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Hinsichtlich des Verstellantriebs wird die Aufgabe
mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder
den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die im Stand der Technik separaten
Aktoren zu einem gemeinsamen Aktor zu vereinen, der ganz besonders
bevorzugt mit einer gemeinsamen Resonanzfrequenz für beide
sich ergebenden Aktorbereiche betrieben werden kann. Insgesamt wird
hierdurch ein wesentlich vereinfachter Aufbau erreicht sowie die Möglichkeit
zur vereinfachten Ansteuerung des Vielschichtaktors, insbesondere
im Resonanzfrequenzbereich, vorzugsweise im Ultraschallfrequenzbereich (> 20 kHz) geschaffen.
Der Kerngedanke besteht darin, einen, insbesondere hälftig,
unter teilten Aktor dadurch bereitzustellen, dass mindestens eine
Elektrodenebene (Elektrodenschicht) zwischen zwei Piezoebenen (vorzugsweise
Piezokristallschichten) zwei unabhängig voneinander ansteuerbare,
elektrisch voneinander isolierte, Elektrodenabschnitte aufweist, die
gemeinsam, alternierend oder phasenversetzt auf jeweils ein elektrisches
Potenzial legbar sind. In Abhängigkeit davon, welcher Elektrodenabschnitt von
einer vorzugsweise vorgesehenen Steuerelektronik (Steuereinrichtung)
angesteuert wird, kann eine Krümmung des Aktors, im Wesentlichen
quer zu dessen Stapelrichtung realisiert werden. Die Krümmungsrichtung
ist abhängig davon, welcher bzw. welche Elektrodenabschnitt(e)
angesteuert, d. h. mit Potential verbunden ist/sind. Die Krümmungsstärke
ist dabei abhängig von der Größe des
angelegten elektrischen Feldes. Die erzielbaren Krümmungen
können zum Antrieb, vorzugsweise eines beweglichen Teils,
beispielsweise eines Fensters, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug
genutzt werden.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Vielschichtaktors,
bei der mindestens jede zweite Elektrodenebene, vorzugsweise ausschließlich
jede zweite Elektrodenebene, zwei unabhängig voneinander
ansteuerbare Elektrodenabschnitte aufweist, um somit eine gleichförmige
Krümmung des Vielschichtaktors über seine Längserstreckung
zu ermöglichen.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Elektrodenabschnitte einer Elektrodenebene
elektrisch leitend mit jeweils einer Sammelelektrode verbunden sind.
Anders ausgedrückt ist es bevorzugt, wenn die Elektrodenabschnitte
sämtlicher geteilter Elektrodenebenen auf insgesamt zwei
Sammelelektroden verteilt sind, sodass die elektrisch leitend miteinander verbundenen,
in unterschiedlichen Ebenen angeordneten Elektrodenabschnitte auf
einfache Weise angesteuert werden können. Besonders bevorzugt
ist es dabei, wenn die jeweils übereinander angeordneten
Elektrodenabschnitte der geteilten Elektrodenebenen auf das gleiche
Potential legbar, d. h. mit einer gemeinsamen Sammelelektrode verbunden
sind. Um nun eine Krümmung des Vielschichtaktors hervorzurufen,
ist es von Vorteil, wenn die ungeteilten Elektrodenebenen elektrisch
leitend mit einer weiteren, gemeinsamen Sammelelektrode verbunden sind,
sodass sich insgesamt ein Vielschichtaktoraufbau mit drei Sammelelektroden,
nämlich zwei Sammelelektroden für die Elektrodenabschnitte
der geteilten Elektrodenebene und eine Sammelelektrode für
die ungeteilten Elektrodenebenen, ergibt. Wird nun die mit der ungeteilten
Elektrodenebene verbundene Sammelelektrode (vorzugsweise eine Außenelektrode)
mit Minuspotential (Masse) verbunden und eine der beiden anderen
Sammelelektroden (vorzugsweise Außenelektroden) mit einem
Pluspotential, so führt dies zu einer Längung
dieses Bereichs und damit zu einer Verkrümmung des gesamten
Vielschichtaktors. Die nicht auf Pluspotential gelegte Sammelelektrode
der beiden anderen Sammelelektroden liegt dabei bevorzugt auf Masse.
Wird der andere Bereich, d. h. werden die anderen Elektrodenabschnitte,
mit dem Pluspotential verbunden, so wird eine Verkrümmung
in die entgegengesetzte Richtung erzielt. Dabei kann der Vielschichtaktor
als sogenannter Woodpacker-Antrieb bidirektional oder unidirektional
genutzt werden. Bei mehr als zwei Elektrodenabschnitten in einer
Elektrodenebene kann der Vielschichtaktor in beliebige Richtungen
gekrümmt werden. Für den Fall, dass sich das angetriebene Objekt
beispielsweise nach rechts bewegen soll, wird bevorzugt der linke
Teil des Vielschichtaktors periodisch an- und ausgeschaltet, beispielsweise
mit einem Sinus- oder Rechtecksignal und für eine nach links
gerichtete Bewegung alternativ der rechte Teil. Eine alternative
Ansteuerung ergibt sich, wenn beide Aktorteile, insbesondere Aktorhälften,
phasenverschoben angesteuert werden. Dabei kann mit einer um 90° versetzten
Ansteuerung eine elliptische Bewegung der Stirnfläche des
Vielschichtaktors und damit eines ggf. vorgesehenen Abtriebselementes
erreicht werden, wobei die Bewegungsrichtung von der Phasenlage
abhängt, wenn der Vielschichtaktor an seinem hinteren Ende
gelagert ist. Selbstverständlich kann der Vielschichtaktor
auch wie ein herkömmlicher Vielschichtaktor ausschließlich
zur Ausnutzung der Längung genutzt werden, indem die Elektrodenabschnitte
einer geteilten Elektrodenebene gleich gepolt, jedoch unterschiedlich
von benachbarten Elektrodenebenen gepolt werden.
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Alternativ
zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist es möglich,
dass sämtliche Elektrodenebenen zwei unabhängig
voneinander ansteuerbare Elektrodenabschnitte aufweisen, wobei es
bevorzugt ist, jede zweite Elektrodenebene in der Art einer ungeteilten
Elektrodenebene anzusteuern, d. h. die Elektrodenabschnitte dieser
Elektrodenebene immer mit dem gleichen Potential zu belegen. Für
diese Ausführungsform werden insgesamt vier Sammelelektroden
(vorzugsweise Außenelektroden) benötigt.
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Besonders
bevorzugt ist es, den Vielschichtaktor als monolithischen Vielschichtaktor
zu realisieren. Alternativ ist ein nicht monolithischer, (kein Stoffschluss)
aus einzelnen Piezoscheiben und Elektrodenscheiben zusammengesetzter
Aufbau realisierbar, wobei die, vorzugsweise fertig gesinterten,
Piezoscheiben mit den Elektrodenscheiben verklebt werden. Alternativ
kann auch ein Aufbau aus einzelnen, vor zugsweise fertig gesinterten,
Piezoscheiben mit dazwischen angeordneten Elektrodenscheiben über
eine mechanische Vorspannung gehalten werden. Diese kann beispielsweise
durch eine, insbesondere als metallische Stabfeder ausgebildete,
vorzugsweise den Stapel durchsetzende Feder realisiert werden, die
den Stapel axial vorspannt. Beim Einsatz von Piezo- und/oder Elektrodenringen
anstelle von Scheiben ist die Möglichkeit gegeben, die
Vorspannung durch einen zentralen Bolzen zu realisieren, an dessen
Enden Stirnplatten befestigt werden, die eine axiale Vorspannung
aufrechterhalten. Alternativ kann eine mechanische Vorspannung auch
durch eine metallische Hülse (Rohrfeder) eingebracht werden,
die axial über den Aktor gestülpt werden kann.
Ebenso ist es möglich, den Vielschichtaktor ohne mechanische
Vorspannung zu betreiben, insbesondere dann, wenn auf einen resonanten
Betrieb verzichtet wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass dem
Vielschichtaktor eine Steuereinrichtung (Steuerelektronik) zugeordnet
ist, mit der die Elektrodenebenen mit einer elektrischen Spannung
beaufschlagbar sind. Dabei kann die Steuereinrichtung beispielsweise
derart ausgebildet sein, dass zwei Aktorseiten von Elektrodenabschnitten
alternierend ansteuerbar sind, um eine Rechts-/Linksbewegung zu
realisieren. Zur Realisierung einer, beispielsweise ellipsenförmig
rotierenden Bewegung des Vielschichtaktors ist es von Vorteil, wenn
die Steuereinrichtung die Elektrodenabschnitte bzw. Seiten von Elektrodenabschnitten
phasenverschoben, vorzugsweise um 90° phasenverschoben
ansteuert.
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Die
Erfindung führt auch auf die Verwendung eines zuvor beschriebenen
Vielschichtaktors (Piezomotor) als Bestandteil eines Verstellantriebs,
vorzugsweise eines Kraftfahrzeug-Verstellantriebs, insbesondere
eines Fensterheberantriebs in einem Kraftfahrzeug.
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Bevorzugt
umfasst der Verstellantrieb mehrere, vorzugsweise gleichmäßig
in Umfangsrichtung um ein Abtriebsrad, oder linear nebeneineander
angeordnete, wie zuvor ausgebildete Vielschichtaktoren. Durch eine
derartige Anordnung von mehr als einem Vielschichtaktor kann das
maximal erzielbare Abtriebsmoment bzw. die maximal erzielbare Abtriebskraft
entsprechend erhöht werden.
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Ferner
führt die Erfindung auf einen Verstellantrieb in einem
Kraftfahrzeug mit mindestens einem zuvor beschriebenen Vielschichtaktor,
wobei es besonders bevorzugt ist, wie zuvor erwähnt, mehrere Vielschichtaktoren
zu einem Verstellantrieb zusammenzusetzen, vorzugsweise derart,
dass die Vielschichtaktoren ein gemeinsames Abtriebselement antreibend
angeordnet sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines rechteckig konturierten
Piezo-Vielschichtaktors, und
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Vielschichtaktors mit
kreisrunder Querschnittskontur.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein Vielschichtaktor 1 (Piezomotor) gezeigt. Der Vielschichtaktor 1 umfasst
eine Vielzahl von alternierend angeordneten, aus Piezokristallen
ausgebildeten Piezoebenen 2 (Piezoschichten) und Elektrodenebenen
(Elektrodenschicht), die unterteilt werden können in erste,
durchgängige bzw. im Wesentlichen vollflächige
Elektrodenebenen 3, sowie zweite, jeweils zwei elektrisch
isoliert voneinander angeordnete Elektrodenabschnitte 4, 5 aufweisende
Elektrodenebenen 6. Wie sich aus dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ergibt, sind die ersten und
zweiten Elektrodenebenen 3, 6 alternierend angeordnet,
d. h. jede zweite Elektrodenebene ist als eine erste, großflächige
Elektrodenebene 3 und ebenfalls jede zweite Elektrodenebene
als eine von zwei Elektrodeabschnitten 4, 5 gebildete,
zweite Elektrodenebene 6 ausgebildet.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind
die Elektrodenabschnitte 4, 5 jeder zweiten Elektrodenebene 6 gleich
groß ausgebildet, wobei die Elektrodenabschnitte 4, 5 jeder
zweiten Elektrodenebene 6 mit Abstand quer zur Stapelrichtung
zueinander angeordnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 befindet
sich dabei zwischen den Elektrodenabschnitten 4, 5 jeder
zweiten Elektrodenebene 6 piezoelektrisches Material.
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Aus 1 ist
zu entnehmen, dass sämtliche ersten, ungeteilten Elektrodenebenen 3 einer
gemeinsamen, als Außenelektrode ausgebildeten ersten Sammelelektrode 7 zugeordnet,
d. h. elektrisch leitend mit dieser verbunden sind. Ferner sind
die eine linke Hälfte 8 bildenden Elektrodenabschnitte 4 der
zweiten Elektrodenebenen 6 einer gemeinsamen, zweiten,
ebenfalls als Außenelektrode ausgebildeten Sammelelektrode 9 zugeordnet,
d. h. elektrisch leitend mit dieser verbunden. Eine dritte, ebenfalls
als Außenelektrode ausgebildete Sammelelektrode 10 verbindet
elektrisch leitend miteinander die eine rechte Hälfte 11 bildenden
Elektrodenabschnitte 5 der geteilten zweiten Elektrodenebenen 6.
Sämtliche Sammelelektroden 7, 9, 10 sind
zu einer elektronischen Steuereinrichtung 12 (Steuerelektronik)
geführt, mit der die Sammelelektroden 7, 9, 10 jeweils auf
das gewünschte Potential legbar sind. Wird von der Steuereinrichtung 12 beispielsweise
die erste, die ersten Elektrodenebenen 3 miteinander elektrisch
leitend verbindende, Sammelelektrode 7 auf Masse und die
zweite Sammelelektrode 9 auf ein positives Potential und
die dritte Sammelelektrode 10 genauso wie die erste Sammelelektrode 7 auf
Masse gelegt, führt dies zu einer Längung der
linken Vielschichtaktorhälfte und damit zu einer Biegung
nach rechts. Wird das Potential der zweiten und der dritten Sammelelektrode 9, 10 vertauscht,
resultiert eine Biegung nach links. Mit Hilfe der Steuereinrichtung 12 können
die zweite und die dritte Sammelelektrode 9, 10 alternierend
mit einem Pluspol bzw. mit einem Minuspol verbunden, oder phasenverschoben
mit einem Plus- und einem Minuspol verbunden werden. Auch ist es
möglich, die zweite oder die dritte Sammelelektrode 9, 10 jeweils
mehrfach hintereinander mit einem Pluspol zu verbinden, um immer
wieder eine Biegung in die eine bzw. andere Richtung zu bewirken.
Auch ist es möglich, die zweite und die dritte Sammelelektrode 9, 10 gemeinsam
auf Pluspotential zu legen um eine gleichmäßige
Längung des Vielschichtaktors 1 zu erzielen.
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Die
aus einer entsprechenden Polung der Elektrodenebenen 3, 6 resultierende
Verbiegung des Vielschichtaktors 1 kann über ein
stirnseitig angeordnetes, stoßelförmiges Abtriebselement 13 abgegriffen
werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, mehrere wie in 1 gezeigt
ausgebildete Vielschichtaktoren 1, vorzugsweise gleichmäßig
in Umfangsrichtung verteilt anzuordnen, um ein gemeinsames Bauteil,
insbesondere rotierend (alternativ translatorisch) anzutreiben.
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In 2 ist
ein alternativer Vielschichtaktor 1 gezeigt. Dieser entspricht
von seinem Aufbau her im Wesentlichen der Ausführungsform
gemäß 1, mit dem wesentlichen Unterschied,
dass die Querschnittsfläche des Vielschichtaktors 1 bzw.
der Piezoebenen 2 sowie der ersten und zweiten Elektrodenebenen 3, 6 kreisrund
konturiert ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, die Elektrodenebenen 3, 6 von in
der Zeichnungsebene oben her betrachtet mit einer zweiten, d. h.
in Elektrodenabschnitte 4, 5 unterteilten Elektrodenebene 6 und
nicht wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit
einer ersten, nicht unterbrochenen Elektrodenebene 3 beginnen.
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Aus Übersichtlichkeitsgründen
wurde bei beiden Ausführungsformen auf die Darstellung
von Mitteln zur Aufbringung einer axialen Vorspannkraft verzichtet.
Diese können bei Bedarf, beispielsweise wie im allgemeinen
Beschreibungsteil beschrieben ausgebildet, und vorgesehen werden.
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Grundsätzlich
sind Vielschichtaktoren realisierbar, bei dem die zweite geteilte
Elektrodenebene 6 mehr als zwei Elektrodenabschnitte, insbesondere zur
Realisierung von Schwenkbewegungen in beliebige Richtungen, aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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