DE102014225584A1 - Piezoelectric linear motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Linearmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Linearmotors. Der piezoelektrische Linearmotor (01) umfasst einen sich axial erstreckenden Träger (02) mit zwei gegenüberliegenden Enden, wobei an einem ersten Ende ein Befestigungsring (03) angeordnet ist. Er umfasst weiterhin eine erste und eine zweite elastische Klaue (04, 05) mit jeweils einem ringförmigen Grundkörper (07) mit einer Öffnung (08) im Umfang, einem Piezostapel (10, 11), welcher bei elektrischer Aktivierung an den Enden des Grundkörpers (07) tangentiale Kräfte einprägt. Die erste elastische Klaue (04) ist am zweiten Ende des Trägers (02) axial unbeweglich zu diesem angeordnet und die zweite elastische Klaue (05) ist zwischen Befestigungsring (03) und erster elastischer Klaue (04) axial verschiebbar positioniert. Durch Befestigungsring (03), elastische Klauen (04, 05) und zweites Federelement (13) erstreckt sich eine Stange (14), welche in einem ersten Bestromungszustand des ersten und/oder zweiten Piezostapels (10, 11) durch den ringförmigen Grundkörper (07) der ersten und/oder zweiten elastischen Klaue (04, 05) gehaltert ist. Eine Gruppe von dritten Piezostapeln (15) ist zwischen erster und zweiter elastischer Klaue (04, 05) angeordnet und erzeugt bei elektrischer Aktivierung eine axiale Verschiebekraft zwischen den beiden Klauen.The invention relates to a piezoelectric linear motor and a method for operating such a linear motor. The piezoelectric linear motor (01) comprises an axially extending support (02) with two opposite ends, wherein at a first end a fastening ring (03) is arranged. It further comprises a first and a second elastic claw (04, 05) each having an annular base body (07) with an opening (08) in the periphery, a piezo stack (10, 11), which at electrical activation at the ends of the body ( 07) imprint tangential forces. The first elastic claw (04) is arranged at the second end of the carrier (02) axially immovable to this and the second elastic claw (05) is axially slidably positioned between the fastening ring (03) and the first elastic claw (04). A rod (14) which extends through the annular base body (07 ) of the first and / or second elastic claw (04, 05) is held. A group of third piezo stacks (15) is disposed between first and second elastic claws (04, 05) and when actuated electrically generates an axial displacement force between the two jaws.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Linearmotor.The present invention relates to a piezoelectric linear motor.
Der erfindungsgemäße Motor kann beispielsweise bei Nivelliersystemen für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden. Nivelliersysteme dienen zur Einstellung der Fahrzeugbodenfreiheit und zum Ausgleich unterschiedlicher Beladesituationen.The motor according to the invention can be used for example in leveling systems for motor vehicles. Leveling systems are used to adjust the vehicle floor clearance and to compensate for different loading situations.
Aus dem Stand der Technik sind piezoelektrische Linearmotoren für verschiedene Einsatzgebiete bekannt, insbesondere für die Realisierung kleiner Verstellwege und bei Beaufschlagung mit kleinen Lasten. Die vorbekannten Motoren sind zumeist relativ teuer, aufgrund der für ihre Herstellung erforderlichen aufwändigen Fertigungstechnologien. From the prior art piezoelectric linear motors for various applications are known, in particular for the realization of small adjustment paths and when exposed to small loads. The previously known motors are usually relatively expensive, because of the time-consuming production technologies required for their production.
In der
Die
Die
Aus dem Stand der Technik sind Nivellierungssysteme zur Einstellung der Bodenfreiheit bei Kraftfahrzeugen bekannt. Die
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen piezoelektrischen Linearmotor zur Verfügung zu stellen, welcher in Zwischenstellungen blockiert werden kann, ein kompaktes Design aufweist und unter rauen Bedingung, wie starken Temperaturschwankungen, Staub, Wasser, Vibrationen, Stöße, zuverlässig arbeitet. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Linearmotors zur Verfügung gestellt werden.The object of the present invention is to provide a piezoelectric linear motor which can be locked in intermediate positions, has a compact design and operates reliably under severe conditions such as high temperature fluctuations, dust, water, vibration, impact. Furthermore, a method for operating such a linear motor is to be made available.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein piezoelektrischer Linearmotor gemäß dem beigefügtem Anspruch 1.To achieve the object according to the invention is a piezoelectric linear motor according to the appended claim. 1
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Linearmotor umfasst einen Träger mit abgewinkelten Enden. An einem Ende des Trägers ist ein Befestigungsring angeordnet. Der piezoelektrische Linearmotor umfasst weiterhin eine erste und eine zweite elastische Klaue. Beide Klauen weisen jeweils einen in Umfangsrichtung nicht geschlossenen ringförmigen Grundkörper mit einem Schlitz bzw. einer Öffnung auf. In der Öffnung ist ein Piezostapel angeordnet, welcher an den Enden des Grundkörpers anliegt, wobei der ersten elastischen Klaue ein erster Piezostapel und der zweiten elastischen Klaue ein zweiter Piezostapel zugeordnet ist. Die Klauen weisen des Weiteren ein erstes Federelement zum Vorbelasten des Grundkörpers mit einer Federkraft auf. Die erste elastische Klaue ist am zweiten Ende des Trägers angeordnet. Die zweite elastische Klaue befindet sich zwischen Befestigungsring und erster elastischer Klaue. Zwischen Befestigungsring und zweiter elastischer Klaue ist ein zweites Federelement zum Vorbelasten der zweiten elastischen Klaue mit einer Federkraft angeordnet. Durch Befestigungsring, elastische Klauen und zweites Federelement erstreckt sich eine Stange, welche im unbestromten Zustand des ersten und/oder zweiten Piezostapels durch den ringförmigen Grundkörper der ersten und/oder zweiten elastischen Klaue gehaltert ist. Der Befestigungsring weist einen geringfügig größeren Durchmesser als die Stange auf und dient zur Führung der Stange. Zwischen erster und zweiter elastischer Klaue ist eine Gruppe von dritten Piezostapeln angeordnet, welche an der ersten elastischen Klaue gehaltert sind und an der zweiten elastischen Klaue anliegen. Eine Energiequelle dient zum Versorgen der ersten und zweiten Piezostapel mit elektrischer Energie.The piezoelectric linear motor according to the invention comprises a support with angled ends. At one end of the carrier, a fastening ring is arranged. The piezoelectric linear motor further comprises a first and a second elastic claw. Both jaws each have an annular body not closed in the circumferential direction with a slot or an opening. In the opening, a piezo stack is arranged, which bears against the ends of the base body, wherein the first elastic claw, a first piezo stack and the second elastic claw, a second piezo stack is associated. The claws furthermore have a first spring element for preloading the basic body with a spring force. The first elastic claw is disposed at the second end of the carrier. The second elastic claw is located between the fastening ring and the first elastic claw. Between the fastening ring and the second elastic claw, a second spring element for preloading the second elastic claw is arranged with a spring force. By fastening ring, elastic claws and second spring element extends a rod which is supported in the de-energized state of the first and / or second piezo stack by the annular base body of the first and / or second elastic claw. The mounting ring has a slightly larger diameter than the rod and serves to guide the rod. Between the first and second elastic claws, a group of third piezo stacks are mounted, which are supported on the first elastic claw and abut the second elastic claw. An energy source serves to supply the first and second piezoelectric stacks with electrical energy.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Linearmotor zeichnet sich durch eine einfache und kompakte Bauweise aus, wodurch er auch unter rauen Umgebungsbedingungen eine hohe Funktionssicherheit aufweist. Er kann problemlos entfernt von der Energiequelle positioniert werden. Zur Energieversorgung der Piezostapel werden lediglich entsprechende Kabel benötigt. The piezoelectric linear motor according to the invention is characterized by a simple and compact design, whereby it has a high reliability even under harsh environmental conditions. It can be easily positioned away from the power source. For power supply of the piezo stack only appropriate cables are needed.
Im unbestromten Zustand des ersten und zweiten Piezostapels besteht aufgrund der mechanischen Vorspannung ein Presssitz zwischen den elastischen Klauen und der Stange, d. h. die Stange wird sicher durch die elastischen Klauen gehaltert. Durch Bestromen der in der Öffnung der elastischen Klauen angeordneten Piezostapel dehnen sich die Piezostapel aus, wodurch auf die Enden des ringförmigen Grundkörpers eine Kraft ausgeübt wird, welche den Grundkörper weitet und somit den Presssitz zwischen den elastischen Klauen und der Stange aufhebt. In abgewandelten Ausführungen wäre natürlich auch der umgekehrte Betrieb denkbar, d. h. im unbestromten Zustand sind die Klauen geweitet und im bestromten Zustand wird der Presssitz zur Stange hergestellt.In the de-energized state of the first and second piezo stack is due to the mechanical bias an interference fit between the elastic claws and the rod, d. H. The rod is held securely by the elastic claws. By energizing the piezoelectric stack arranged in the opening of the elastic claws, the piezoelectric stacks expand, whereby a force is exerted on the ends of the annular basic body, which expands the basic body and thus releases the press fit between the elastic claws and the rod. In modified versions, of course, the reverse operation would be conceivable d. H. in the de-energized state, the claws are widened and in the energized state, the press fit is made to the rod.
Zum Verschieben der Stange werden die ersten und zweiten Piezostapel wechselweise bestromt. Außerdem müssen die dritten Piezostapel zum entsprechenden Zeitpunkt ebenfalls bestromt werden. Der während eines Hubvorgangs zurückgelegte Verschiebeweg der Stange wird durch den Hub der dritten Piezostapel bestimmt. Beim Absenkvorgang wird der zurückgelegte Verschiebeweg der Stange bei einer entgegen der Absenkrichtung wirkenden Kraft ebenfalls durch den Hub der dritten Piezostapel bestimmt. Durch Absenken der zum Laden der dritten Piezostapel dienenden Spannung kann der während eines einzelnen Hub- bzw. Absenkvorgangs zurückgelegte Verschiebeweg der Stange verringert werden, wodurch mehr Hub- bzw. Absenkvorgänge zum vollständigen Anheben bzw. Absenken der Stange benötigt werden. Adäquat kann die zum Laden der dritten Piezostapel dienende Spannung erhöht werden, wodurch weniger Hub- bzw. Absenkvorgänge benötigt werden. Mit dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Linearmotor können somit aufwandsarm mehrstufige Hub- bzw. Absenkvorgänge realisiert werden.To move the rod, the first and second piezo stacks are alternately energized. In addition, the third piezo stack must also be energized at the appropriate time. The distance traveled during a lifting displacement of the rod is determined by the stroke of the third piezo stack. When lowering the distance traveled displacement of the rod is also determined by the stroke of the third piezo stack in a force acting against the lowering direction. By lowering the voltage used to charge the third piezo stack, the displacement travel of the rod that is traveled during a single lifting or lowering operation can be reduced, thereby requiring more lifting or lowering operations to fully raise or lower the rod. Adequately, the voltage used to charge the third piezo stack can be increased, thereby requiring less lifting or lowering operations. Thus, with the piezoelectric linear motor according to the invention, multi-stage lifting or lowering operations can be realized with little effort.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind Befestigungsring und erste elastische Klaue an den Enden des Trägers angeformt, wodurch eine aufwandsarme Fertigung ermöglicht wird.According to an advantageous embodiment, fastening ring and first elastic claw are integrally formed on the ends of the carrier, whereby a low-cost production is made possible.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform erstreckt sich von der Öffnung des Grundkörpers der elastischen Klauen beidseitig jeweils eine Kante nach außen. Das erste Federelement greift hierbei an den Kanten zur Festlegung der elastischen Klauen an der Stange an. In an advantageous embodiment extends from the opening of the main body of the elastic claws on both sides in each case an edge to the outside. The first spring element acts on the edges to fix the elastic claws on the rod.
Für das erste Federelement hat sich eine Ausbildung als Hufeisenfeder als vorteilhaft erwiesen. Das zweite Federelement ist vorzugsweise eine Spiralfeder.For the first spring element has a training as horseshoe spring proved to be advantageous. The second spring element is preferably a spiral spring.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der piezoelektrische Linearmotor einen Mikrocontroller zum Steuern des den Piezostapeln zugeführten Stroms umfasst. Hierdurch kann der den Piezostapeln zugeführte Strom entsprechend den jeweiligen Erfordernissen aufwandsarm angepasst werden.It has proved to be advantageous if the piezoelectric linear motor comprises a microcontroller for controlling the current supplied to the piezo stack. In this way, the current supplied to the piezo stack can be adjusted with little effort, depending on the respective requirements.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Linearmotor ist vorzugsweise Bestandteil eines Nivelliersystems zum Einstellen der Fahrzeugbodenfreiheit eines Kraftfahrzeugs. Er kann jedoch ohne weiteres auch auf anderen Anwendungsgebieten Verwendung finden. Denkbar wäre beispielsweise die Anwendung im Bergbau, wo der Linearmotor bei Fahrwerken von Bohr-Geräten eingesetzt werden könnte.The piezoelectric linear motor according to the invention is preferably part of a leveling system for adjusting the vehicle floor clearance of a motor vehicle. However, it can readily be used in other fields of application. It would be conceivable, for example, the application in mining, where the linear motor could be used in chassis of drilling equipment.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient auch ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Linearmotors gemäß Anspruch 8 bzw. 9. Das Verfahren gemäß Anspruch 8 dient zum Ausführen eines Hubvorgangs und umfasst nachfolgend genannte Schritte. Zunächst erfolgt ein Lösen der ersten elastischen Klaue von der Stange durch Bestromen des ersten Piezostapels. Anschließend werden die dritten Piezostapel bestromt. Infolgedessen dehnen sich die dritten Piezostapel aus und üben damit eine entgegen der Federkraft des zweiten Federelements wirkende Kraft auf die zweite elastische Klaue aus. Da zwischen zweiter elastischer Klaue und Stange ein Presssitz besteht, bewegen sich zweite elastische Klaue und Stange gemeinsam entgegen der Wirkungsrichtung der Federkraft des zweiten Federelements. Der von Stange und zweiter elastischer Klaue zurückgelegte Verschiebeweg ist abhängig vom Hub der dritten Piezostapel. Nachfolgend wird die erste elastische Klaue an der Stange festgelegt, indem die Bestromung des ersten Piezostapels beendet wird. Es erfolgt nun ein Lösen der zweiten elastischen Klaue von der Stange durch Bestromung des zweiten Piezostapels. Die Bestromung der dritten Piezostapel wird anschließend beendet, wodurch die zweite elastische Klaue mittels zweiten Federelements in ihre Ausgangsposition zurückgeführt wird. Abschließend wird der Presssitz zwischen zweiter elastischer Klaue und Stange wieder hergestellt, indem die Bestromung des zweiten Piezostapels beendet wird. Die beschriebenen Schritte können mehrfach wiederholt werden, um ein stufenweises und vollständiges Heben der Stange zu ermöglichen. A method for operating a piezoelectric linear motor according to claim 8 or 9 is also used to achieve the object according to the invention. The method according to claim 8 serves for carrying out a lifting operation and comprises the following steps. First, a release of the first elastic claw from the rod by energizing the first piezo stack occurs. Subsequently, the third piezo stacks are energized. As a result, the third piezoelectric stacks expand and thus exert a force acting against the spring force of the second spring element on the second elastic claw. Since a press fit exists between the second elastic claw and the rod, the second elastic claw and the rod move together against the direction of action of the spring force of the second spring member. The distance traveled by the rod and the second elastic claw displacement depends on the stroke the third piezostack. Subsequently, the first elastic claw is fixed to the rod by the energization of the first piezo stack is terminated. There is now a release of the second elastic claw of the rod by energizing the second piezo stack. The energization of the third piezo stack is then terminated, whereby the second elastic claw is returned by means of second spring element to its original position. Finally, the interference fit between the second elastic claw and rod is restored by the energization of the second piezo stack is terminated. The described steps can be repeated several times to allow a stepwise and complete lifting of the rod.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9 dient zum Ausführen eines Absenkvorgangs, wobei bei einer in Absenkrichtung wirkenden Kraft ein Lösen der ersten und zweiten elastischen Klaue von der Stange durch Bestromung des ersten und zweiten Piezostapels erfolgt. Die Stange würde sich in diesem Fall aufgrund der wirkenden Kraft vollständig absenken. Falls eine entgegen der Absenkrichtung wirkende Kraft vorliegt, werden während des Absenkvorgangs nachfolgend beschriebene Schritte durchlaufen. In einem ersten Schritt wird die zweite elastische Klaue durch Bestromung des zweiten Piezostapels von der Stange gelöst. Nachfolgend werden die dritten Piezostapel bestromt, wodurch die zweite elastische Klaue entgegen der Federkraft des zweiten Federelements bewegt wird. Die zweite elastische Klaue wird anschließend festgelegt, indem die Bestromung des zugehörigen zweiten Piezostapels beendet wird. Es erfolgt nun ein Lösen der ersten elastischen Klaue von der Stange durch Bestromung des ersten Piezostapels. Die Bestromung der dritten Piezostapel wird anschließend beendet, wodurch die Stange gemeinsam mit der zweiten elastischen Klaue aufgrund der durch das zweite Federelement wirkenden Federkraft bewegt wird. Abschließend wird der Presssitzt zwischen erster elastischer Klaue und Stange wieder hergestellt, indem die Bestromung des ersten Piezostapels beendet wird. Die beschriebenen Schritte können mehrfach wiederholt werden, um ein stufenweises und vollständiges Absenken der Stange zu ermöglichen. The method according to claim 9 is used to perform a lowering operation, wherein a release force acting in the lowering direction, the first and second elastic claw of the rod is carried out by energizing the first and second piezo stack. The rod would in this case completely lower due to the force acting. If there is a force acting counter to the lowering direction, the steps described below are performed during the lowering process. In a first step, the second elastic claw is released by energizing the second piezo stack from the rod. Subsequently, the third piezo stack are energized, whereby the second elastic claw is moved against the spring force of the second spring element. The second elastic claw is then determined by the energization of the associated second piezo stack is terminated. There is now a release of the first elastic claw of the rod by energizing the first piezo stack. The energization of the third piezo stack is then terminated, whereby the rod is moved together with the second elastic claw due to the force acting by the second spring element spring force. Finally, the press fit between the first elastic claw and rod is restored by the energization of the first piezo stack is terminated. The described steps can be repeated several times to allow a gradual and complete lowering of the rod.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying figures. Show it:
Der Aufbau des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Linearmotors wird nachfolgend anhand der
Beide elastischen Klauen
Bei der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich von der Öffnung
Zwischen Befestigungsring
Zwischen erster und zweiter elastischer Klaue
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Linearmotor funktioniert folgendermaßen. Zunächst werden die während eines Hubvorgangs ablaufenden Verfahrensschritte erläutert. Der erste Piezostapel
In einem zweiten Schritt werden die dritten Piezostapel
Im nächsten Schritt wird die erste elastische Klaue
Nachfolgend wird die zweite elastische Klaue
Durch mehrfaches Wiederholen der beschriebenen Verfahrensschritte kann die Stange
Nachfolgend wird der Absenkvorgang erläutert. Zunächst ist zu unterscheiden, ob eine in Absenkrichtung wirkende Kraft vorhanden ist, beispielsweise eine Gewichtskraft bei Nivelliersystemen. In diesem Fall werden erste und zweite elastische Klaue
Falls eine entgegen der gewünschten Absenkrichtung wirkende Kraft vorhanden ist, werden nachfolgend beschriebene Schritte durchlaufen. In einem ersten Schritt wird der zweite Piezostapel
Durch mehrmaliges wiederholen der beschriebenen Verfahrensschritte kann die Stange
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- piezoelektrischer Linearmotor piezoelectric linear motor
- 0202
- Träger carrier
- 0303
- Befestigungsring fixing ring
- 0404
- erste elastische Klaue first elastic claw
- 0505
- zweite elastische Klaue second elastic claw
- 0606
- 0707
- ringförmiger Grundkörper annular body
- 0808
- Öffnung opening
- 0909
- Kanten edge
- 1010
- erste Piezostapel der ersten elastischen Klaue first piezo stack of the first elastic claw
- 1111
- zweite Piezostapel der zweiten elastischen Klaue second piezo stack of the second elastic claw
- 1212
- erstes Federelement first spring element
- 1313
- zweites Federelement second spring element
- 1414
- Stange pole
- 1515
- dritte Piezostapel third piezo stack
- 1616
- 1717
- Energiequelle energy
- 1818
- Spannungsverstärker voltage amplifier
- 1919
- Mikrocontroller microcontroller
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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