DE19928140A1

DE19928140A1 - Verfahren zur Kompensation von Schallwellen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19928140A1
Application number: DE19928140A
Authority: DE
Inventors: Hans Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1999-06-19
Publication date: 2000-03-23
Also published as: WO2000017944A1; EP1116283A1; US20010011861A1; AU5979399A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Schallwellen, die von elektroaktorischen Antrieben, insbesondere Piezoantrieben ausgehen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannt ist, daß Schallwellen durch phasenverschobene Gegenschallwellen ausgelöscht werden können, indem die Gegenschallwellen gegenüber der Schallwelle um einen sogenannten Phasengang, in der Regel 180°, so verschoben wird, daß sich Maxima und Minima decken. Vorausgesetzt ist, daß der Gegenschallwellenerzeuger entsprechend genau der zu kompensierenden Schwingung folgt.

Bekannt ist weiter, daß zu dieser Schallwellenkompensation an lärmerzeugenden Vorrichtungen wie Hubschrauberflügeln ect. Piezoaktoren angesetzt werden, die die Schwingungen der Flügel kompensieren, in dem sie auf diese, entsprechend gesteuert, Gegenschwingungen erzeugen.

In den Dokumenten EP 0 552 344 B1 und DE 94 19 802.0 U1 sind elektroaktorische Motoren beschrieben, die mit schwingenden Piezoaktoren Drehbewegungen oder Linearbewegungen erzeugen. Diese oder ähnliche Motoren haben den Nachteil, daß sie unerwünschte Geräusche abgeben, die den Einsatz behindern.

Es besteht die Aufgabe, elektroaktorische Motoren so zu verbessern, daß diese weitestgehend keine Geräusche an die Umwelt abgeben.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines elektroaktorischen Motors nach dem Prinzip der DE 94 19 802.0 U1 mit einem gesonderten Aktor zur Schallkompensation;

Fig. 2 einen Schnitt A-A durch Fig. 1;

Fig. 2a einen Schnitt B-B durch Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Ausführung mit einem lärmkompensierenden zweiten Antriebselement;

Fig. 4 einen Schnitt A-A durch Fig. 4;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Ausführung mit einem lärmkompensierenden integrierten zweiten Antriebselement;

Fig. 5a einen Schnitt B-B durch Fig. 5;

Fig. 6 einen Schnitt A-A durch Fig. 5;

Fig. 7 eine Übersicht der Ansteuerungen der einzelnen Aktoren der Antriebselemente zur Schallkompensation;

Fig. 8 zwei um 90° verschobene sinusförmige Schallwellen, die sich gegenseitig aufheben und

Fig. 9 eine Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Käfige.

Ausgehend von einem Motor nach dem DE 94 19 802.0 U1 besteht das Antriebselement 1 nach Fig. 1 aus zwei Paar Hubpiezos H1 und H2 und zwei Paar Klemmpiezos K1 und K2, die jeweils in einem Käfig 4 und einem dazu rechtwinklig verlaufenden Käfig 4' eingespannt sind. Diese Piezoanordnung ist nach Fig. 2 viermal axial nebeneinander in einem gemeinsamen Antriebselementkörper 5 zum Antriebselement 1 verbunden. Der Antriebselementkörper 5 ist im Bereich der äußeren Brücken 6 und 6' durchgehend und im übrigen Bereich axial und radial getrennt durch drei Schlitze 8, so daß die so gebildeten vier Teilbereiche 14 unabhängig voneinander, angetrieben durch die Hubpiezos H1 und H2, schwingen können. Die Brücke 6 für die Klemmpiezos K1 und K2 wird durch die Keilverspannung 7 und 7' über eine Gummizwischenlage 11 in Richtung der Abtriebstrommel 10 gepreßt und stützt sich gegen das Gehäuse 9 ab. Die vier Laufschuhe 12 der vier Teilbereiche 14 des Antriebselementkörpers 5 kommen zyklisch in Kontakt mit der Antriebstrommel 10.

Bei zyklischem Ansteuern der einzelnen Hub- und Klemmpiezos entsprechend dem Diagramm nach Fig. 7 mit den Bezeichnungen K1, H1, K2, H2 nehmen die Laufschuhe 12 des Antriebselementenkörpers 5 durch Friktion die Abtriebstrommel 10 mit, so daß sich diese dreht. Die Klemmpiezos K1 und K2 erzeugen dabei abwechselnd einen Luftspalt 13 zwischen Laufschuh 12 und Abtriebsrad 10. So wird die Anpreßkraft gegen das Abtriebsrad 10 einmal über K1 und im nächsten Zyklus über K2 erzeugt. Die jeweils durch einen Luftspalt 13 entlasteten Laufschuhe 12 können durch Ansteuern der zugehörigen Hubpiezos H2 bzw. H1 berührungslos zurückschwingen, während die klemmenden Klemmpiezos K1 bzw. K2 durch die zugehörigen Hubpiezos H1 bzw. H2 in Antriebsrichtung (siehe Pfeil) bewegt werden. So entsteht quasi ein Laufeffekt, ähnlich dem menschlichem Laufen, der das Abtriebsrad 10 antreibt. Im einzelnen erfolgt dies wie folgt: Klemmen die Klemmpiezos K1 die Laufschuhe 12 ihrer zwei Teilbereiche 14 gegen die Trommel 10, werden durch die zugeordneten Hubpiezos H1 diese Teilbereiche 14 in Antriebsrichtung verschoben. Gleichzeitig bilden die Laufschuhe 12 der beiden anderen Teilbereiche 14 einen Luftspalt 13 mit der Trommel 10 und diese Laufschuhe 12 bewegen sich entgegen der Antriebsrichtung. Im nächstfolgenden Takt ist dies umgekehrt.

Die bei diesem Vorgang entstehenden Geräusche können durch den zusätzlichen Piezo 15, der im Gehäuse 9 untergebracht ist, kompensiert werden. Allerdings ist diese Art der Kompensation nur optimal zu gestalten mit einer optimal arbeitenden elektronischen Steuerung, die ohne wesentliche Zeitverzögerung die emittierenden Schallwellen erfaßt und in dem Piezo 15 so umsetzt, daß sie rechtzeitig die emittierenden Schallwellen kompensieren können.

Die Schallwellen entstehen primär beim zyklischen Auftreffen der Laufschuhpaare auf der Trommel 10. Bevorzugt wird hierbei eine gegenphasige Schallwelle durch den Kompensationspiezo 15 erzeugt. Die Wirkrichtung des Piezos 15 verläuft bevorzugt in Wirkrichtung der Klemmpiezos K1 und K2.

Gemäß Fig. 3 und 4 wird ein zweites Antriebselementes 17 zu einem ersten Antriebselement 16 hinzugefügt. Beide Antriebselemente, die jeweils dem Antriebselement 1 nach den Fig. 1 und 2 entsprechen, werden gemäß dem Diagramm nach Fig. 7 um ca. 90° phasenverschoben angesteuert, so daß sich deren Schallwellen weitgehend kompensieren. Dies bedeutet, daß der Klemmpiezo K3 des Antriebselements 17 um 90° versetzt zum Klemmpiezo K1 des Antriebselements 16 angesteuert wird, was auch für H3 in Bezug auf H1, für K4 in Bezug auf K2 und H4 in Bezug auf H2 gilt. Bei dieser Anordnung, die sowohl für Rotationsantriebe als auch für Linearantriebe möglich ist und bei der das Antriebselement 16 um 180° versetzt zum Antriebselement 17 angeordnet ist, ist jedoch der Schall nicht völlig zu kompensieren. Der Grund liegt darin, daß die beiden Antriebselemente nur mit endlichem Abstand zueinander angeordnet werden können und somit der Schall nicht am Ort des Entstehens direkt kompensiert werden kann. Durch den unvermeidlichen Zwischenraum entstehen unkompensierbare Abstrahlungen.

Bei Fig. 5 sind die Antriebselemente 1 und 1' ineinander gefügt und arbeiten gewissermaßen ohne räumlichen Abstand miteinander. Eine sehr weitgehende Schallkompensation ist damit möglich. Zu diesem Zwecke sind die Klemm- und Hubpiezos nur halb so breit als wie bei der Anordnung bei Fig. 1 und Fig. 2. Die Teilbereiche 14, jeweils durch einen Klemmpiezo K und einen Hubpiezo H mit zugehörigem Laufschuh 12 gebildet, sind entsprechend durch die Schlitze 8 getrennt. Gemäß dem Diagramm 7 schwingt bei entsprechender Ansteuerung der Schwingbereich der Piezos K1, K2, H1, H2 um 90° phasenverschoben zu dem Schwingbereich der Piezos K3, K4, H3, H4. Damit ist eine optimale Schallkompensation am Ort der Entstehung durch völlige Auslöschung der Schallwellen gemäß Fig. 8 gegeben.

Die Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch einen Antriebselementenkörper 5 längs eines Schlitzes 8. Der Käfig 4 für die Klemmpiezos K ist in Wirkrichtung dieser Klemmpiezos elastisch ausgebildet und weist die Form eines O auf. Dieser Käfig 4 ist über zwei dünne Stege 20 mit dem Laufschuh 12 verbunden. Diese Stege 20 verlaufen in Richtung des Laufschuhs 12 verjüngend zueinander.

Der Käfig 4' für die Hubpiezos H weist ebenfalls die Form eines O auf und ist somit in Wirkrichtung der Hubpiezos H elastisch ausgebildet. Das der Brücke 6' abgewandte Ende des Käfigs 4' liegt gegen einen weiteren O-förmigen Käfig 21 an, der ebenfalls in Wirkrichtung der Hubpiezos H elastisch ausgebildet ist. Dieser weitere Käfig 21 ist über einen dünnen Steg 22 mit dem Laufschuh 12 verbunden. Es ist auch möglich, den Käfig 4' über den Steg 22 direkt mit dem Laufschuh 12 zu verbinden.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation von Schallwellen bei einem elektroaktischen Antrieb mit in einem Gehäuse (9) angeordneten schwingenden Aktoren, die mindestens ein Antriebselement (1') bilden, bestehend aus mindestens zwei Aktorenpaaren (K1, H1; K2, H2), die jeweils einen Klemmaktor (K1, K2) und eine Hubaktor (H1, H2) umfassen, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind, die Klemmaktoren (K1, K2) zyklisch gegen ein anzutreibendes Bauteil wirken und die Klemm- und Hubaktoren eines Aktorenpaares um 90° zueinander versetzt und die Aktorenpaare um 180° versetzt zueinander angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Aktor (15) vom Gehäuse (9) getragen wird, der etwa gegenphasig zu den Klemmaktoren (K1, K2) angesteuert wird und etwa parallel zur Wirkrichtung der Klemmaktoren (K1, K2) im Gehäuse (9) angeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des weiteren Aktors (15) etwa mit der doppelten Frequenz der Ansteuerung eines Klemmaktors (K1 bzw. K2) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Ansteuerung des weiteren Aktors (15) einstellbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum einen Antriebselement (16) im wesentlichen identisches zweites Antriebselement (17) vorgesehen ist, die Antriebselemente (16, 17) mit der gleichen Frequenz angesteuert werden und die Ansteuerung der Klemmaktoren (K3, K4) und der Hubaktoren (H3, H4) des zweiten Antriebselements (17) um 90° phasenverschoben zur Ansteuerung der Klemmaktoren (K1, K2) und der Hubaktoren (H1, H2) des einen Antriebselements (16) erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (16, 17) um 180° versetzt zueinander im Gehäuse (9) angeordnet sind.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (1, 1') hintereinander an der gleichen Gehäuseseite angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (K1, K2, H1, H2) des einen Antriebselements (1) abwechselnd ineinander geschachtelt zu den Aktoren (K3, K4, H3, H4) des anderen Antriebselements (1') angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Antriebselement (1, 1', 16, 17) einen Antriebselementenkörper (5) aufweist, der für alle Hubpiezos (H) und alle Klemmpiezos (K) an der einem Laufschuh (12) abgewandten Seite der Piezos (H, K) jeweils eine starre Brücke (6, 6') aufweisen, der Antriebselementenkörper (5) durch Schlitze (8) in Teilbereiche (14) unterteilt ist und in jedem Teilbereich (14) ein Hubpiezo (H1) und rechtwinklig dazu ein Klemmpiezo (K1) jeweils in einem Käfig (4, 4') angeordnet sind, die in Wirkrichtung der Piezos (H1, H2) elastisch ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfige (4, 4') über elastische Stege (20, 22) mit dem Laufschuh (12) verbunden sind, die in Wirkrichtung der jeweiligen Piezos (H, K) rechtwinklig zueinander verlangen.