DE19937209A1

DE19937209A1 - Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE19937209A1
Application number: DE19937209A
Authority: DE
Inventors: Hans Richter; Franz Peyr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2000-08-10
Also published as: AU2543400A; CN1300447A; JP2002536146A; WO2000045444A1; WO2000045444A8; EP1086499A1

Abstract

Bei einer Antriebsvorrichtung werden Piezoaktoren (4) von einer Schwingschaltung angetrieben, wobei die Piezoaktoren (4) zusammen mit den von ihnen bewegten mechanischen Antriebsbauteilen ein erstes Feder-Masse-System bilden, das von den Piezoaktoren (4) in einer ersten Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt wird. Dessen Antriebsbauteile treiben ein zweites Feder-Masse-System (1, 2) an, was eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, die kleiner ist als die erste Resonanzfrequenz. Die zweite Resonanzfrequenz bestimmt eine Hüllkurve gleicher Frequenz, während der die Piezoaktoren (4) der ersten Resonanzfrequenz betrieben werden. Die Piezoaktoren (4) werden eingeschaltet, wenn die Masse (1) des zweiten Feder-Masse-Systems (1, 2) in mechanische Wirkverbindung mit den Antriebsbauteilen des zweiten Feder-Masse-Systems kommt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ausgangspunkt der Erfindung ist eine elektroaktischer Motor nach der EP 0 552 346 B1 und der DE 94 19 802 U1. Die dort verwendeten Piezoaktoren und die von ihnen bewegten mechanischen Antriebsbauteile bilden ein erstes Feder-Masse-System, dessen Antriebsbauteile ein zweites Feder-Masse-System antreiben. Jedes dieser Feder-Masse- Systeme weist eine Eigenfrequenz auf, wobei das die Piezoaktoren umfassende Feder- Masse-System eine im Vergleich zum anderen Feder-Masse-System eine relativ hohe Resonanzfrequenz aufweist. Hierbei wird als bekannt vorausgesetzt, daß das den Piezoaktor umfassende Feder-Masse-System im Resonanzbetrieb den höchsten Wirkungsgrad aufweist.

Da die Piezoaktoren ständig bei der Resonanzfrequenz ihres Feder-Masse-Systems arbeiten, die Antriebsbauteile jedoch nur relativ kurzzeitig das angetriebene Feder- Masse-System antreiben, ist hierdurch der Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung relativ gering. Da der Frequenzunterschied zwischen den beiden Resonanzfrequenzen erheblich ist, tritt zusätzlich der Effekt auf, daß das die Piezoaktoren umfassende Feder- Masse-System außer Resonanz gerät und damit die Vorteile des Resonanzbetriebs aufgehoben werden.

Es besteht die Aufgabe, die Antriebsvorrichtung so auszubilden, daß sie mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.

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

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

Fig. 1 ein antreibendes und angetriebenes Feder-Masse-System bei zusammengezogenen Piezoaktoren;

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 bei sich ausdehnenden Piezoaktoren;

Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung der nachfolgenden elektrischen Ausführungsbeispiele;

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer Schaltung;

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Schaltung;

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Schaltung;

Fig. 7 bis 10 verschiedene mögliche Ausführungsformen der Hüllkurven;

Fig. 11 bis 15 weitere Ausführungsformen der Schaltung und

Fig. 16 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 11.

Nachfolgend wird die mechanische Lösung der Aufgaben erläutert.

An einem starren Fundament 7 ist eine erste Bogenfeder 3 angeordnet, zwischen der ein Stapel 4 von Piezoaktoren gespannt gehalten wird. Am Fundament ist eine weitere Bogenfeder 2 angeordnet, die eine Masse 1 trägt. Die Bogenfeder 3 weist stirnseitig eine Kontaktfläche 9 auf, der eine Kontaktfläche 9' der Masse 1 gegenübersteht. Der Stapel 4 wird über die Leitungen 5, 6 von einer nicht dargestellten Schwingungsschaltung mit Strom versorgt.

Die Bogenfeder 3 und der Stapel 4 bilden ein erstes antreibendes Feder-Masse-System, während die Bogenfeder 2 und die Masse 1 ein zweites angetriebenes Feder-Masse- System bilden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung bewegt sich die Masse 1 in Richtung des Doppelpfeils 10 nach links. Der Stapel 4 der Piezoaktoren ist hierbei eingezogen, also ohne Stromversorgung. Sobald bei ihrer Bewegung nach links die Kontaktfläche 9' die Kontaktfläche 9 berührt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wird dem Stapel 4 Energie zugeführt, so daß er nach rechts expandiert. Hierdurch wird die Kontaktfläche 9' nach rechts bewegt, d. h. die Masse 1 führt eine Bewegung in Richtung des Doppelpfeils nach rechts aus. Sobald die Beschleunigung der Masse 10 so groß ist, daß die beiden Kontaktflächen 9, 9' außer Kontakt miteinander treten, wird der Stapel 4 der Piezoaktoren außer Betrieb gesetzt. Nachdem die Maximalamplitude der Masse 1 nach rechts erreicht ist, findet wiederum eine Bewegung der Masse 1 nach links statt, womit sich die beschriebene Arbeitsweise wiederholt.

Während des Einschaltens des Stapels 4 schwingt das erste Feder-Masse-System in seiner Eigenfrequenz.

Das Ein- und Abschalten des Stapels 4 kann durch einen Sensor 8 bewirkt werden, der an einer der Kontaktflächen 9, 9' angeordnet ist.

Nachfolgend werden die elektrischen Lösungen der gestellten Aufgabe beschrieben.

Die Kondensatoren C1 und C2, die Induktivität L1 und der Widerstand R1 stellen das Ersatzschaltbild des ersten Feder-Masse-Systems dar, das den Piezoaktor umfaßt. C1 ist hierbei umgekehrt proportional der Federkonstante der Bogenfeder 3, die Induktivität L1 ist proportional der bewegten Masse des ersten Feder-Masse-Systems und der Widerstand R1 ist proportional der mechanischen Wirkleistung der Antriebsvorrichtung. Die zweite Kapazität C2 stellt im wesentlichen die statische Piezokapazität zuzüglich externer Schaltkapazitäten dar. Das erste Feder-Masse-System wird durch M verdeutlicht.

Das Wesen der elektrischen Lösung besteht darin, daß parallel zum Piezoaktor eine Induktivität L2 geschaltet wird. C2 und L2 bilden somit einen Parallelschwingkreis E mit einer vorgegebenen Resonanzfrequenz. Diese Resonanzfrequenz wird so gewählt, daß sie der Resonanzfrequenz des zweiten Feder-Masse-Systems entspricht. Bezugnehmend auf die Fig. 7 erzeugen C2 und L2 eine sinusförmige Hüllkurve 10, für die hochfrequenten Schwingungen 11 des ersten Feder-Masse-Systems. Die Frequenz des aus C2 und L2 bestehenden Schwingkreises E entspricht hierbei in etwa der Resonanzfrequenz des zweiten Feder-Masse-Systems im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 gebildet von der Masse 1 und der Bogenfeder 2. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises M kann beispielsweise S0 kHz betragen, während diejenige des Schwingkreises E beispielsweise 5 kllz beträgt.

Gemäß dem praktischen Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 4 wird die Induktivität L2 gebildet durch einen Transformator T, dessen Primärseite über einen Schalter S1 mit einer Gleichspannungsquelle V verbindbar ist. Der Schalter S1 wird angesteuert durch eine Steuerschaltung 12, der die augenblickliche Istamplituden der hochfrequenten Schwingung 11 und die Sollamplitude der niederfrequenten Schwingung 10 zugeführt werden. Ist- und Sollamplitude werden miteinander verglichen und in Abhängigkeit dieses Vergleichs der Schaltern S1 geöffnet oder geschlossen. Die dem Schwingkreis E zugeführte Energie und damit die Form der Hüllkurve 10 werden somit bestimmt. Dies wird durch die unterschiedliche Form der Hüllkurven 10 in den Fig. 7, 8 und 9 verdeutlicht.

Die Energiezufuhr zum Schwingkreis E durch Schließen des Schalters S1 erfolgt jeweils, wenn die Hüllkurve 10 ihr Amplitudenminimum aufweist. Wird eine kleine Energiemenge 12 zugeführt, dann ergibt sich eine Hüllkurve 10. Wird eine dazu größere Energiemenge 12' zugeführt, ergibt sich eine Hüllkurve 10' größerer Amplitude.

Gemäß Fig. 4 wird die Istamplitude direkt abgegriffen am Piezoaktor selbst. Gemäß Fig. 5 kann am Piezoaktor und vom ihm isoliert ein weiteres Piezoelement C3 befestigt sein, dem die Schwingungen des Piezoaktors aufgedrückt werden und der somit einen der Istamplitude Proportionalwert der Steuerschaltung 12 zuführt.

Die Schaltung nach Fig. 11 entspricht derjenigen Fig. 4, jedoch mit dem Unterschied, daß im Schwingkreis E zusätzlich ein Schalter S2 geschaltet ist. Auf dessen Funktionsweise wird in Zusammenhang mit der Fig. 16 eingegangen.

Die Schaltung nach Fig. 12 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 11 dadurch, daß mehrere Piezoaktoren C21, C22, C23 und C24 parallel geschaltet sind, wobei es sich jeweils um einen Stapel 4 handeln kann. Es handelt sich hierbei bevorzugt um die Vorschubaktoren und die Spreizaktoren nach der EP 0 552 346 B1.

Die Schaltung nach Fig. 13 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 11 dadurch, daß vier Piezoaktoren bzw. vier Stapel solcher Aktoren in Serie geschaltet sind.

Gemäß Fig. 14 sind diese Aktoren in Sternschaltung geschaltet.

Je nach Parallel-, Serien- oder Sternschaltung gemäß den Fig. 12, 13 und 14 ist sowohl die Frequenz des Schwingkreises E als auch diejenige des Schwingkreises M veränderbar.

Nach Fig. 15 weist die Sekundärwicklung des Transformators T mehrere Abgriffe auf, die über Schalter S2₁, S2₂, . . ., S2_m getrennt in den Schwingkreis E schaltbar sind, womit sich die Größe der Induktivität L2 verändern läßt. Hierdurch ist die Frequenz der Hüllkurve 10 veränderbar. Die Veränderung der Größe der Induktivität L2 erfolgt hierbei stufenweise.

Eine stufenlose Veränderung der Induktivität L2 ist in Fig. 6 gezeigt, wo auf dem Transformator T zusätzlich eine Drossel D angeordnet ist. Der Stromfluß durch die Drossel D ist veränderbar durch einen stufenlosen Schalter S3, hier dargestellt durch einen Transistor, der von der Steuerschaltung 12 angesteuert wird.

Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Fig. 11 und 16 und die Wirkungsweise des Schalters S2 erläutert. Die Hüllkurve 10 nach Fig. 16 weist eine sinusförmige Anstiegsflanke 14 auf, einen geradlinigen Abschnitt 15 und eine sinusförmige Abfallflanke 16. Während der Anstiegsflanke 14 ist der Schalter S2 geschlossen und der sinusförmige Verlauf wird durch die Sollamplitude bestimmt. Ist die Maximalamplitude der Hüllkurve 10 erreicht, wird der Schalter S2 geöffnet, womit der Schwingkreis M unterbrochen ist und alle Energie dieses Schwingkreises in der Kapazität C2 gespeichert ist. Am Ende des geradlinigen Abschnitts 15 wird der Schalter S2 geschlossen und die sinusförmige Abfallflanke 16 ergibt sich durch die Vorgabe der Sollamplitude.

Wird der Schalter S2 geöffnet, wenn die Minimalamplitude der Hüllkurve erreicht ist, womit der Schwingkreis M unterbrochen wird, dann erfolgt die Speicherung der Energie in der Induktivität L2.

Claims

1. Antriebsvorrichtung mit mindestens einem von einer Schwingschaltung angetriebenen Piezoaktor, der zusammen mit den von ihm bewegten mechanischen Antriebsbauteilen ein erstes Feder-Masse-System (3, 4) bildet, das vom Piezoaktor in einer ersten Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt wird und dessen Antriebsbauteile ein zweites Feder-Masse-System (1, 2) antreibt, das eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, die kleiner ist als die erste Resonanzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Resonanzfrequenz eine Hüllkurve (10) etwa gleicher Frequenz bestimmt, während der der Piezoaktor mit der ersten Resonanzfrequenz (11) betrieben wird.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoaktor eingeschaltet wird, in die Masse (1) des zweiten des Feder-Masse- Systems (1, 2) in mechanischer Wirkverbindung mit den Antriebsbauteilen kommt und eingeschaltet bleibt, solange diese Wirkverbindung besteht.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schwingschaltung und dem Piezoaktor ein Schalter (8) angeordnet ist, der geschlossen ist, solange in Antriebsrichtung gesehen die Antriebsbauteile in Wirkverbindung mit der Masse (1) des zweiten Feder-Masse-Systems (1, 2) stehen.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Piezoaktor eine Induktivität (L2) geschaltet ist und die Parallelresonanzfrequenz von Piezoaktor und Induktivität (L2) etwa der zweiten Resonanzfrequenz entspricht.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L2) von der Sekundärseite eines Transformators (T) gebildet wird, dessen Primärseite über einen Schalter (S1) mit einer Gleichspannungsquelle (V) anschließbar ist, eine den Schalter (S1) steuernde Steuerschaltung (12) vorgesehen ist und die Steuerschaltung (12) durch Ansteuern des Schalters (S1) die Hüllkurvenform bestimmt.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (12) die Spannungsistamplitude der Schwingung (11) der ersten Resonanzfrequenz mit einer Sollamplitude vergleicht und der Schalter (S1) in Abhängigkeit des Soll-Ist-Vergleichs angesteuert wird.

7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Induktivität (L2) veränderbar ist.

8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S1) geschlossen wird, wenn die Hüllkurve (10) ein Amplitudenminimum aufweist.

9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den aus Piezoaktor und Induktivität (L2) gebildeten Schaltkreis (E) ein mindestens weiterer Schalter (S2) zwischengeschaltet ist, der von der Steuerschaltung (12) angesteuert wird.

10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalter (S2) geöffnet wird, wenn die Hüllkurve (10) ein Amplitudenmaximum oder -minimum aufweist.

11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Piezoaktoren vorgesehen sind, die wahlweise in Serienschaltung, Parallelschaltung oder Sternschaltung geschaltet werden.