DE102015220291B4

DE102015220291B4 - Mikroelektromechanisches System und Steuerverfahren

Info

Publication number: DE102015220291B4
Application number: DE102015220291.7A
Authority: DE
Inventors: Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: US11056985B2; DE102015220291A1; JP6609046B2; CN108140718A; CN108140718B; WO2017067963A1; US20180358908A1; JP2019501514A

Abstract

Mikroelektromechanisches System (1; 11),mit einem piezoelektrischen Antrieb (2),mit einer Steuereinrichtung (3; 13), welche mit dem piezoelektrischen Antrieb (2) gekoppelt ist und ausgebildet ist, den piezoelektrischen Antrieb (2) basierend auf einer Änderung der Admittanz (10) und/oder der Impedanz des piezoelektrischen Antriebs (2) anzusteuern;mit einer Strommessvorrichtung (7), welche ausgebildet ist, den durch den piezoelektrischen Antrieb (2) fließenden Strom (9) zu erfassen und der Steuereinrichtung (3; 13) bereitzustellen,wobei die Steuereinrichtung (3; 13) ausgebildet ist, in einer Kalibierphase den piezoelektrischen Antrieb (2) ausschließlich mit einem Wechselspannungsanteil (6) anzuregen, dessen Frequenz außerhalb der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Antriebs (2) liegt, und bei dieser Anregung basierend auf dem Strom (9) eine erste Impedanz (8) des piezoelektrischen Antriebs (2) zu erfassen,wobei die Steuereinrichtung (3; 13) ausgebildet ist, dem piezoelektrischen Antrieb (2) in einem Normalbetrieb eine Steuersteuerspannung (4) bereitzustellen, welche einen Gleichspannungsanteil (5) und einen dem Gleichspannungsanteil (5) überlagerten Wechselspannungsanteil (6) aufweist, undwobei die Steuereinrichtung (3; 13) ferner ausgebildet ist, in einem Normalbetrieb des mikroelektromechanischen Systems (1, 11) basierend auf der ersten Impedanz (8) und einem im Normalbetrieb des piezoelektrischen Antriebs (2) erfassten elektrischen Strom (9), welcher durch den piezoelektrischen Antrieb (2) fließt, die Amplitude der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs (2) zu bestimmen,wobei die Steuereinrichtung (3; 13) einen Regler, insbesondere einen PI-Regler, aufweist, der ausgebildet ist, basierend auf der bestimmten Amplitude und einer vorgegebenen Sollamplitude eine Amplitudenregelung des piezoelektrischen Antriebs (2) durchzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikroelektromechanisches System und ein entsprechendes Steuerverfahren.
Stand der Technik
Mikroelektromechanische Systeme, auch MEMS genannt, werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen, z.B. in Sensoren oder Mikrospiegeln, eingesetzt. Insbesondere werden in solchen Systemen piezoelektrische Aktoren eingesetzt, um z.B. einen Mikrospiegel auszulenken. Zur exakten Ansteuerung solcher MEMS-Systeme bzw. der entsprechenden piezoelektrischen Aktoren muss deren Position bzw. Bewegung erfasst und dem jeweiligen Regler zugeführt werden.
Herkömmliche MEMS-Systeme weisen zur Positions- bzw. Bewegungserfassung solcher MEMS-Aktoren üblicherweise dedizierte Detektionselemente auf. Solche Detektionselemente können z.B. als kapazitive Strukturen ausgebildet sein, deren Kapazität sich bei einer Bewegung des MEMS-Aktors verändert. Durch eine Erfassung der sich verändernden Kapazität kann folglich auch auf die Position bzw. Bewegung des MEMS-Aktors geschlossen werden.
Die DE4442033 A1 zeigt beispielsweise einen solchen MEMS-basierten Drehratensensor, bei welchem kapazitive Elemente ausgewertet werden.
Die DE 10 2007 054 374 A1 zeigt ein Kalibrierverfahren für Piezo-Aktuatoren. Die DE 10 2005 007 327 A1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Injektoranordnung. Die Die US 2010 / 0 289 381 A1 zeigt eine automatische Frequenzsteuerung für resonante Antriebe. Die US 5 714 831 A zeigt ein Verfahren zur Steuerung von piezoelektrischen Aktoren. Die DE 44 42 033 A1 zeigt einen Drehratensensor. Weitere Steuerverfahren für ein mikroelektromechanisches System sind aus den Dokumenten US 2005/0219288 A1 , US 2008/0231141 A1 , WO 2014/145587 A1 und DE 10 2013 207 233 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein mikroelektromechanisches System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Steuerverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass eine separate Erfassung der Position bzw. Bewegung des piezoelektrischen Antriebs aufwändig ist und die Komplexität des mikroelektromechanischen Systems erhöht.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, einen piezoelektrischen Antrieb auch ohne eine separate Positionserfassung exakt regeln zu können.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, alleine die Admittanz bzw. die Impedanz des piezoelektrischen Antriebs selbst als Basis für die Ansteuerung des piezoelektrischen Antriebs zu nutzen.
Im Resonanzfall, also im resonanten Betrieb des mikroelektromechanischen Systems dehnt und staucht sich der piezoelektrische Antrieb bzw. das piezoelektrische Element, welches diesen Antrieb bildet. Eine Längenänderung des piezoelektrischen Elements führt automatisch auch zu einer Kapazitätsänderung des piezoelektrischen Elements. Diese Änderung kann durch eine Messung des durch den piezoelektrischen Antrieb fließenden Stroms bzw. durch die Messung der Admittanz oder Impedanz des piezoelektrischen Antriebs erfasst werden.
Die Steuereinrichtung ist folglich in der Lage, eine Änderung der Admittanz und/oder der Impedanz des piezoelektrischen Antriebs zu erfassen, ohne dafür separate Messelemente zu nutzen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht folglich die Ansteuerung des piezoelektrischen Antriebs ohne zusätzliche Elemente zur Erfassung der aktuellen Position des piezoelektrischen Antriebs. Dadurch werden bei der Herstellung des mikroelektromechanischen Systems zeitaufwändige und komplexe Prozessschritte eingespart. Ferner wird die für das mikroelektromechanische System benötigte Fläche reduziert, Verbindungsleitungen zu den sonst notwendigen Sensorelementen eingespart und sonst zur Kontaktierung der Sensorelemente notwendige Pads eingespart.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, dem piezoelektrischen Antrieb in einem Normalbetrieb eine Steuersteuerspannung bereitzustellen, welche einen Gleichspannungsanteil und einen dem Gleichspannungsanteil überlagerten Wechselspannungsanteil aufweist. Dabei ist regelmäßig der Wechselspannungsanteil betragsmäßig kleiner, als der Gleichspannungsanteil. Der Spannungsverlauf der Steuerspannung liegt also durchgängig im positiven Bereich. Unter Normalbetrieb ist dabei ein Betrieb zu verstehen, in dem das mikroelektromechanische System anwendungsgemäß betrieben wird, also z.B. ein Mikrospiegel in Oszillation versetzt wird. Durch die Gleichspannung kann ein permanentes Umpolen des piezoelektrischen Antriebs verhindert werden. Der Wechselspannungsanteil regt den piezoelektrischen Antrieb zu entsprechenden Schwingungen an.
Erfindungsgemäß weist das mikroelektromechanische System eine Strommessvorrichtung auf, welche ausgebildet ist, den durch den piezoelektrischen Antrieb fließenden Strom zu erfassen und der Steuereinrichtung bereitzustellen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, in einer Kalibierphase den piezoelektrischen Antrieb ausschließlich mit einem Wechselspannungsanteil anzuregen und bei dieser Anregung basierend auf dem erfassten Strom eine erste Impedanz des piezoelektrischen Antriebs zu erfassen. Die Frequenz des Wechselspannungsanteils kann dabei außerhalb der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Antriebs liegen. Wird allerdings der Anteil des piezoelektrischen Antriebs kalibriert, der proportional zur Frequenz der anregenden Spannung ist, kann der gesamte Frequenzbereich durchfahren werden, inklusive der Frequenzen in denen die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Antriebs liegt. Bei einem piezoelektrischen Antrieb führt eine Anregung mit einem Wechselspannungsanteil, dessen Frequenz bei der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Antriebs liegt, zu Verschiebeströmen in dem piezoelektrischen Antrieb. Um diese Verschiebströme auswerten zu können ist es aber nötig, die Eigenschaften des piezoelektrischen Antriebs zu kennen. Dies kann durch eine Messung der Impedanz des piezoelektrischen Antriebs erfolgen. Das dadurch zu bestimmenden Merkmal des piezoelektrischen Antriebs kann z.B. die Kapazitätsänderung des piezoelektrischen Antriebs pro Längenänderung dCdx sein. Beispielsweise kann diese Größe mit Hilfe einer Kapazitäts-Spannungs-Messung oder einer optischen Messung an dem piezoelektrischen Antrieb bestimmt werden. Für die optische Messung kann z.B. die Auslenkung des piezoelektrischen Antriebs optisch erfasst werden.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, in einem Normalbetrieb des mikroelektromechanischen Systems basierend auf der ersten Impedanz und einem im Normalbetrieb des piezoelektrischen Antriebs erfassten elektrischen Strom, welcher durch den piezoelektrischen Antrieb fließt, die Amplitude der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs zu bestimmen.
Zur Modellierung des piezoelektrischen Antriebs kann das sog. Butterworth-Van Dyke Modell genutzt werden. Dieses Modell geht davon aus, dass ein piezoelektrischer Antrieb aus einer parasitären Kapazität und einem dazu parallelen Serienschwingkreis aus L, C und R besteht, dessen Resonanzfrequenz üblicherweise im Bereich einiger Megahertz liegt. Eine Ankopplung des piezoelektrischen Antriebs an ein anzutreibendes Element, welche üblicherweise selbst eine Resonanz bei nur wenigen kHz aufweisen, stellt eine Anregung außerhalb der Resonanz des piezoelektrischen Antriebs dar. Auf Grund der mechanischen Bewegung des Gesamtaufbaus wird der piezoelektrische Antrieb deformiert, wodurch sich die Kapazität C des piezoelektrischen Antriebs ändert. In dem oben erwähnten Modell kann dies lediglich als Änderung der Kapazität C gesehen werden, da L vernachlässigbar klein ist und R üblicherweise auch sehr gering ausfällt. Der piezoelektrische Antrieb kann folglich näherungswiese als Kapazität C modelliert werden.
Formal können die Mechanik und die Elektronik wie folgt verknüpft werden:
Die mechanische Bewegung des piezoelektrischen Antriebs kann wie folgt beschreiben werden $x : = A (Ω) cos (Ω t - ϕ (Ω))$
Wobei A(Ω) die Amplitude der Auslenkung des piezoelektrischen Antriebs ist und der Cosinus-Term die zeitliche Veränderung kennzeichnet.
Die Kapazität C des piezoelektrischen Antriebs kann wie folgt beschrieben werden: $C : = - d C d x A (Ω) cos (Ω t - ϕ (Ω)) + C 0$
Wobei C0 die Grundkapazität des piezoelektrischen Antriebs kennzeichnet.
Ferner kann der durch den piezoelektrischen Antrieb fließende Strom dargestellt werden als: $i (t) = \frac{d Q (t)}{d t} = \frac{d (C (t) \cdot U (t))}{d t} = \frac{d C (t)}{d t} \cdot U (t) + \frac{d U (t)}{d t} \cdot C (t)$
Wird nun die erste Formel (1) in die zweite Formel (2) eingesetzt und u:= AC cos (Ωt) + DC angenommen, ergibt sich: $A C A (Ω) Ω d C d x sin (- ϕ (Ω) + 2 Ω t) + D C sin (Ω t - ϕ (Ω)) A (Ω) Ω d C d x - A C Ω sin (Ω t) C 0$
Um die Amplitude der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs zu bestimmen, wir der Anteil der Formel (3) betrachtet, der proportional zur Frequenz des Wechselspannungsanteils der Steuerspannung und dCdx ist. Ferner ist der Anteil AC*Ω*sin(*Ω*t)*C0 störend und muss durch eine geeignete Kalibrierung berücksichtigt werden: $D C sin (Ω t - ϕ (Ω)) A (Ω) Ω d C d x$
Die Multiplikation mit cos(Ωt) führt zu: $\frac{1}{2} D C A (Ω) Ω d C d x sin (- ϕ (Ω) + 2 Ω t) - \frac{1}{2} D C A (Ω) Ω d C d x sin (ϕ (Ω))$
Um den In-Phase-Anteil X zu erhalten, werden die zu 2Q proportionalen Terme gestrichen! Zu beachten ist lediglich der letzte Term X = - 1/2*DC*A(Ω)*dCdx*sin(Φ(Ω)). Um den Außerphase-Anteil Y zu ermitteln wird Formel (3.1) mit sin(Ω*t) multipliziert. und es ergibt sich Y = +1/2*DC*A(Ω)*Ω*dCdx*cos(Omega*t).
Die Wurzel aus der Summe der Quadrate von X und Y ergibt sich zu: $\sqrt{X^{2} + Y^{2}} = \frac{1}{2} D C A (Ω) Ω d C d x$
Bekannt sind DC, Ω und dCdx. Dabei ist DC die Amplitude des Gleichspannungsanteils, Ω die Anregungsfrequenz, also die Frequenz des Wechselspannungsanteils und dCdx die Kapazitätsänderung pro Längenänderung des piezoelektrischen Antriebs. Folglich kann die aktuelle Amplitude A(Ω) durch einfaches Umstellen der Gleichung berechnet werden.
Erfindungsgemäß weist die Steuereinrichtung einen Regler, insbesondere einen PI-Regler, auf, der ausgebildet ist, basierend auf der bestimmten Amplitude und einer vorgegebenen Sollamplitude eine Amplitudenregelung des piezoelektrischen Antriebs durchzuführen. Ein PI-Regler ermöglicht eine exakte und einfache Regelung der Amplitude.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, im Normalbetrieb basierend auf der ersten Impedanz und einem im Normalbetrieb des piezoelektrischen Antriebs erfassten elektrischen Strom, welcher durch den piezoelektrischen Antrieb fließt, die Phase der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs zu bestimmen.
Die Terme X und Y aus der obigen Formel (4) können auch zur Berechnung der Phase der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs genutzt werden. $- \frac{X}{Y} = tan (ϕ (Ω))$
Die Phase ergibt sich folglich zu: $- arctan (\frac{X}{Y}) = ϕ (Ω)$
In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung einen Regler, insbesondere einen PI-Regler, aufweisen, der ausgebildet ist, basierend auf der bestimmten Phase und einer vorgegebenen Sollphase eine Phasenregelung des piezoelektrischen Antriebs durchzuführen.
Für die Regelung insbesondere des Anteils der Steuerspannung, der proportional zur Frequenz des Wechselspannungsanteils der Steuerspannung ist, ist dabei wichtig, dass der Term - AC Ω sin (Ω 1) C0 aus Formel (3) kompensiert wird. Dieser Anteil kann z.B. beim Ansteuern des piezoelektrischen Antriebs ohne eine Gleichspannung ermittelt werden, da er lediglich von dem Wechselspannungsanteil der Steuerspannung abhängig ist. Der Term kann also z.B. durch eine Impedanz/Admitanz-Messung bzw. eine Messung des durch den piezoelektrischen Antriebs fließenden Stroms bestimmt werden.
Besitzt der piezoelektrische Antrieb nicht nur einen Aktor sondern zwei Aktoren, also z.B. zwei piezoelektrische Antriebselemente, die differentiell angeregt werden, kann eine Selbstkompensation erfolgen, wenn die Gleichspannungsanteile jeweils zueinander negiert sind.
Mit: $C 1 : = - d C d x A (Ω) cos (Ω t - ϕ (Ω)) + C 0 U 1 : = A C cos (Ω t) + D C$
$C 2 : = d C d x A (Ω) cos (Ω t - ϕ (Ω)) + C 0 U 2 : = - A C cos (Ω t) - D C$
ergibt sich der Summenstrom zu: $2 A C A (Ω) Ω d C d x sin (2 Ω t - ϕ (Ω)) + 2 D C A (Ω) sin (Ω t - ϕ (Ω)) Ω d C d x$
Verglichen mit Formel 3 weisen die Terme die doppelte Amplitude auf und die Abhängigkeit von der Kapazität C₀ entfällt.. Ferner sind hier die zu dem Gleichspannungsanteil der Steuerspannung proportionalen Terme zu beachten. Für den Anteil der Steuerspannung, der proportional zur Frequenz des Wechselspannungsanteils der Steuerspannung ist, ergeben sich X und Y analog zu der obigen Darstellung.
Für den Anteil des Stroms durch den piezoelektrischen Aktor, der proportional zur doppelten Frequenz des Wechselspannungsanteils der Steuerspannung ist, ergeben sich X und Y zu: $X = - \frac{1}{2} A C A (Ω) Ω d C d x sin (ϕ (Ω))$
$Y = \frac{1}{2} A C A (Ω) Ω d C d x cos (ϕ (Ω))$
Diese Beziehung gilt auch für lediglich ein Antriebselement. Es folgt: $\sqrt{X^{2} + Y^{2}} = \frac{1}{2} A C A (Ω) Ω d C d x$
Woraus sich wieder die Amplitude A(Ω) ergibt.
Für den Phasenwinkel bzw. die Phase ergibt sich entsprechend: $- arctan (\frac{X}{Y}) = ϕ (Ω)$
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Systems;
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Systems;
4 ein Ablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
5 Diagramme mit Strommessungen zur Veranschaulichung des Erfindungsgegenstands.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Systems 1 mit einem piezoelektrischen Antrieb 2 und einer Steuereinrichtung 3, welche den piezoelektrischen Antrieb 2 antreibt.
Dazu erzeugt die Steuereinrichtung 3 eine Steuersteuerspannung 4. Die Steuerspannung 4 weist einen Gleichspannungsanteil 5 und einen dem Gleichspannungsanteil 5 überlagerten Wechselspannungsanteil 6 auf (siehe 3). So kann der piezoelektrische Antrieb 2 sozusagen in positiver oder negativer Richtung durch den Gleichspannungsanteil vorgespannt werden. Die eigentliche Schwingung des piezoelektrischen Antriebs 2 wird dann durch den überlagerten Wechselspannungsanteil 6 der Steuerspannung 4 hervorgerufen. Dadurch kann ein permanentes Umpolen des piezoelektrischen Antriebs vermieden werden.
Zur Erzeugung der Steuerspannung 4 erfasst die Steuereinrichtung 3 die Admittanz 10 des piezoelektrischen Antriebs 2 und stellt basierend auf dieser Größe die Steuerspannung 4 ein.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens für ein mikroelektromechanisches System 1, 11.
Das Verfahren beginnt mit dem Erfassen S1 einer Änderung der Admittanz 10 und/oder der Impedanz eines piezoelektrischen Antriebs 2 des mikroelektromechanischen Systems 1,11. Basierend auf der Änderung der Admittanz 10 und/oder der Impedanz kann, wie oben bereits beschrieben, die Amplitude bzw. die Phase des piezoelektrischen Antriebs berechnet werden.
In einem zweiten Schritt S2 wird daher der piezoelektrische Antrieb 2 basierend auf der erfassten Änderung der Admittanz 10 und/oder der Impedanz des piezoelektrischen Antriebs 2 gesteuert.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Systems 11. Das mikroelektromechanische System 11 basiert auf dem mikroelektromechanischen System 1 der 1 und erweitert dieses um eine Strommessvorrichtung 7, welche den durch den piezoelektrischen Antrieb 2 fließenden Strom 9 erfasst und der Steuereinrichtung 13 bereitstellt. Die Erfassung der Admittanz 10 bzw. der Impedanz kann folglich auch als Strommessung ausgebildet sein.
Die Steuereinrichtung 13 unterscheidet sich von der Steuereinrichtung 3 dahingehend, dass sie einen Regler 12 aufweist, welcher eine Gleichspannungsquelle 16 und eine Wechselspannungsquelle 17 ansteuert, deren Ausgangsspannungen vereint werden, um die Steuerspannung 4 zu bilden. In 3 sind die Gleichspannungsquelle 16 und eine Wechselspannungsquelle 17 lediglich beispielhaft in der Steuereinrichtung 13 dargestellt. Selbstverständlich sind auch Gleichspannungsquellen 16 und Wechselspannungsquellen 17 außerhalb der Steuereinrichtung 13 möglich, die von dieser angesteuert werden.
In der Steuereinrichtung 13 ist ferner ein Umschalter 15 vorgesehen. In einer tatsächlichen Ausführungsform kann der Umschalter 15 auch einfach eine Softwareabfrage in einem Betriebsprogramm der Steuereinrichtung 13 sein. Der Umschalter 15 kann in einer Kalibierphase des mikroelektromechanischen Systems 11 die Steuereinrichtung 13 derart umschalten, dass diese die Impedanz 8 des piezoelektrischen Antriebs 2 detektiert und speichert. Aus der Impedanz 8 kann die Steuereinrichtung 13 auch Merkmale des piezoelektrischen Antriebs 2 extrahieren, die für die spätere Steuerung im Normalbetrieb benötigt werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 13 in der Kalibrierphase basierend auf der Impedanz 8 die - oben bereits erwähnte - Kapazitätsänderung pro Längenänderung dCdx bestimmen.
Befindet sich die Steuereinrichtung 13 im Normalbetrieb, also außerhalb der Kalibrierphase, wird der Strom 9 direkt dem Regler 12 bereitgestellt, welcher daraus, wie oben beschrieben, die Amplitude und die Phase des piezoelektrischen Antriebs 2 berechnet und eine entsprechende Regelung ausführt.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren verzweigt zu Beginn entweder in den Normalbetrieb S1, S3, S2 oder in die Kalibrierphase S5, S4, S6. Die Kalibrierphase kann z.B. beim Start des mikroelektromechanischen Systems 1, 11 automatisch ausgeführt werden, wenn dies noch nicht der Fall war.
In der Kalibrierphase wird der piezoelektrische Antrieb 2 ausschließlich mit einem Wechselspannungsanteil 6 angeregt S5. In Schritt S4 wird der durch den piezoelektrischen Antrieb 2 fließende Strom erfasst und daraus in Schritt S6 eine erste Impedanz 8 des piezoelektrischen Antriebs 2 bestimmt. Aus der Impedanz 8 kann, wie oben beschrieben, die Kapazitätsänderung pro Längenänderung dCdx bestimmt werden, die nötig ist, um später die Amplitude und Phase der Bewegung des piezoelektrischen Antriebs 2 zu berechnen.
Nach Abschluss der Kalibierphase wird das Verfahren bei Schritt S1 fortgesetzt. Dabei wird in Schritt S1, wie bereits erläutert, die Änderung der Admittanz 10 und/oder der Impedanz 8 eines piezoelektrischen Antriebs 2 erfasst.
In Schritt S3 wird zum Betrieb des piezoelektrischen Aktors 2 eine Steuersteuerspannung 4 bereitgestellt, die einen Gleichspannungsanteil 5 und einen dem Gleichspannungsanteil 5 überlagerten Wechselspannungsanteil 6 aufweist.
Der Schritt S2 der 4 weist eine Reihe von Unterschritten S7 - S10 auf. Der Schritt S7 sieht vor, dass basierend auf der ersten Impedanz 8 und einem erfassten elektrischen Strom 9, welcher durch den piezoelektrischen Antrieb 2 fließt, die Amplitude der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs 2 bestimmt wird. Anschließend wird basierend auf der bestimmten Amplitude und einer vorgegebenen Sollamplitude eine Amplitudenregelung des piezoelektrischen Antriebs 2 durchführt, S8. Dazu kann z.B. der Gleichspannungsanteil 5 und/oder der Wechselspannungsanteil 6 der Steuerspannung 4 gesteuert werden.
Um nicht nur die Amplitude regeln zu können, sondern auch die Phase des piezoelektrischen Antriebs 2 regeln zu können, wird im Schritt S9 basierend auf der ersten Impedanz 8 und dem erfassten elektrischen Strom 9 die Phase der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs 2 bestimmt. Dies kann so, wie oben bereits beschrieben erfolgen. Anschließend wird basierend auf der bestimmten Phase und einer vorgegebenen Sollphase eine Phasenregelung des piezoelektrischen Antriebs 2 durchführt, S10. Dazu kann ebenfalls z.B. der Gleichspannungsanteil 5 und/oder der Wechselspannungsanteil 6 der Steuerspannung 4 gesteuert werden.
5 zeigt vier Diagramme mit Strommessungen zur Veranschaulichung des Erfindungsgegenstands. Es zeigen in den Diagrammen die Abszissenachsen jeweils die Frequenz in kHz. Bei den oberen zwei Diagrammen zeigen die Ordinatenachsen jeweils den Strom in mA und bei den unteren zwei Diagrammen zeigen die Ordinatenachsen jeweils den Strom in µA.
Die zwei oberen Diagramme zeigen dabei den Stromanteil der oben bereits erwähnten Gleichung (3), welche von der Anregungsfrequenz also der Frequenz des Wechselspannungsanteils 6 abhängig sind. Die unteren zwei Diagramme zeigen den Stromanteil der oben bereits erwähnten Gleichung (3), welcher zu der doppelten Anregungsfrequenz proportional ist. Die linken zwei Diagramme zeigen dabei jeweils den In-Phase-Anteil Y des Stroms und die rechten zwei Diagramme den entsprechenden Außerphase-Anteil X.
In allen vier Diagrammen ist deutlich diejenige Frequenz zu erkennen, bei welcher das mikroelektromechanische System 1, 11 in resonantem Betrieb ist.
Es wird aus diesen Diagrammen und der obigen Beschreibung deutlich, wie alleine durch eine Strommessung bzw. eine Impedanz- oder Admittanzbestimmung eine Amplituden- und Phasenregelung in dem mikroelektromechanischen System 1, 11 durchgeführt werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Mikroelektromechanisches System (1; 11), mit einem piezoelektrischen Antrieb (2), mit einer Steuereinrichtung (3; 13), welche mit dem piezoelektrischen Antrieb (2) gekoppelt ist und ausgebildet ist, den piezoelektrischen Antrieb (2) basierend auf einer Änderung der Admittanz (10) und/oder der Impedanz des piezoelektrischen Antriebs (2) anzusteuern; mit einer Strommessvorrichtung (7), welche ausgebildet ist, den durch den piezoelektrischen Antrieb (2) fließenden Strom (9) zu erfassen und der Steuereinrichtung (3; 13) bereitzustellen, wobei die Steuereinrichtung (3; 13) ausgebildet ist, in einer Kalibierphase den piezoelektrischen Antrieb (2) ausschließlich mit einem Wechselspannungsanteil (6) anzuregen, dessen Frequenz außerhalb der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Antriebs (2) liegt, und bei dieser Anregung basierend auf dem Strom (9) eine erste Impedanz (8) des piezoelektrischen Antriebs (2) zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung (3; 13) ausgebildet ist, dem piezoelektrischen Antrieb (2) in einem Normalbetrieb eine Steuersteuerspannung (4) bereitzustellen, welche einen Gleichspannungsanteil (5) und einen dem Gleichspannungsanteil (5) überlagerten Wechselspannungsanteil (6) aufweist, und wobei die Steuereinrichtung (3; 13) ferner ausgebildet ist, in einem Normalbetrieb des mikroelektromechanischen Systems (1, 11) basierend auf der ersten Impedanz (8) und einem im Normalbetrieb des piezoelektrischen Antriebs (2) erfassten elektrischen Strom (9), welcher durch den piezoelektrischen Antrieb (2) fließt, die Amplitude der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs (2) zu bestimmen, wobei die Steuereinrichtung (3; 13) einen Regler, insbesondere einen PI-Regler, aufweist, der ausgebildet ist, basierend auf der bestimmten Amplitude und einer vorgegebenen Sollamplitude eine Amplitudenregelung des piezoelektrischen Antriebs (2) durchzuführen.
Mikroelektromechanisches System (1; 11) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (3; 13) ausgebildet ist, im Normalbetrieb basierend auf der ersten Impedanz (8) und einem im Normalbetrieb des piezoelektrischen Antriebs (2) erfassten elektrischen Strom (9), welcher durch den piezoelektrischen Antrieb (2) fließt, die Phase der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs (2) zu bestimmen.
Mikroelektromechanisches System (1; 11) nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (3; 13) einen Regler, insbesondere einen PI-Regler, aufweist, der ausgebildet ist, basierend auf der bestimmten Phase und einer vorgegebenen Sollphase eine Phasenregelung des piezoelektrischen Antriebs (2) durchzuführen.
Steuerverfahren für ein mikroelektromechanisches System (1; 11), aufweisend die Schritte: Erfassen (S1) einer Änderung der Admittanz und/oder der Impedanz eines piezoelektrischen Antriebs (2) des mikroelektromechanischen Systems (1, 11), Steuern (S2) des piezoelektrischen Antriebs (2) basierend auf der erfassten Änderung der Admittanz und/oder der Impedanz des piezoelektrischen Antriebs (2); Erfassen (S4) des durch den piezoelektrischen Antrieb (2) fließenden Stroms (9), wobei in einer Kalibierphase der piezoelektrische Antrieb (2) ausschließlich mit einem Wechselspannungsanteil (6) angeregt wird (S5), dessen Frequenz außerhalb der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Antriebs (2) liegt, und basierend auf dem Strom (9) bei dieser Anregung eine erste Impedanz (8) des piezoelektrischen Antriebs (2) erfasst wird (S6), Bereitstellen (S3) einer Steuersteuerspannung (4) für den piezoelektrischen Antrieb (2) in einem Normalbetrieb, welche einen Gleichspannungsanteil (5) und einen dem Gleichspannungsanteil (5) überlagerten Wechselspannungsanteil (6) aufweist, wobei beim Steuern (S2) in einem Normalbetrieb des mikroelektromechanischen Systems (1, 11) basierend auf der ersten Impedanz (8) und einem im Normalbetrieb des piezoelektrischen Antriebs (2) erfassten elektrischen Strom (9), welcher durch den piezoelektrischen Antrieb (2) fließt, die Amplitude der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs (2) bestimmt wird (S7), wobei beim Steuern (S2) ein Regler, insbesondere ein PI-Regler, basierend auf der bestimmten Amplitude und einer vorgegebenen Sollamplitude eine Amplitudenregelung des piezoelektrischen Antriebs (2) durchführt (S8).
Steuerverfahren nach Anspruch 4, wobei beim Steuern (S2) im Normalbetrieb basierend auf der ersten Impedanz (8) und einem im Normalbetrieb des piezoelektrischen Antriebs (2) erfassten elektrischen Strom (9), welcher durch den piezoelektrischen Antrieb (2) fließt, die Phase der Schwingung des piezoelektrischen Antriebs (2) bestimmt wird (S9).
Steuerverfahren nach Anspruch 5, wobei beim Steuern ein Regler, insbesondere einen PI-Regler, basierend auf der bestimmten Phase und einer vorgegebenen Sollphase eine Phasenregelung des piezoelektrischen Antriebs (2) durchführt (S10).