DE19961068C1

DE19961068C1 - Piezoelektrisches Aktorsystem

Info

Publication number: DE19961068C1
Application number: DE19961068A
Authority: DE
Inventors: Peter Jaenker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: IT1319145B1; GB2360126B; ITMI20002570A1; US20010004181A1; GB2360126A; GB0030389D0; US6411009B2

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein leistungssparendes, periodisch angesteuertes, piezoelektrisches Aktorsystem zu schaffen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Piezo-Aktoren (1 und 2) in einer Halbbrücke einer getakteten Verstärkerbrücke (21) angeordnet sind und dass eine Drossel (22) zwischen dem Steueranschluß der Piezo-Aktoren (1 und 2), der sich zwischen den beiden Piezo-Aktoren befindet, und dem Ausgang der anderen Halbbrücke der Verstärkerbrücke (21), in der die beiden elektronischen Schalter (23 und 24) der Verstärkerbrücke (21) seriell angeordnet sind, geschaltet ist. DOLLAR A Die Erfindung findet Anwendung in einem piezoelektrischen Aktorsystem, das aus zwei mechanisch und elektrisch seriell angeordneten Piezo-Aktoren und einer Ansteuerschaltung besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktorsystem bestehend aus zwei mechanisch seriell angeordneten Piezo-Aktoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Piezo-Aktoren haben den Vorteil einer hohen Stellpräzision bei schneller Reaktion. Es sind Bauteile mit einer hohen elektrischen Kapazität, die dazu führt, dass nur ein Teil der zugeführten elektrischen Energie in mechanische Energie umgewandelt werden kann; ein großer Teil dieser Energie wird im Piezo-Aktor gespeichert.

Im dynamischen, frequenten Betrieb eines Piezo-Aktors fließt eine hohe elektrische Leistung in der Form von Scheinleistung über den Aktor. Diese elektrische Leistung ist von der Ansteuerschaltung des Aktors aufzubringen. Handelt es sich um eine periodische Ansteuerung, so wird der Piezo-Aktor abwechselnd elektrisch geladen und entladen; dem Piezo-Aktor wird zyklisch elektrische Energie zugeführt und entzogen. In den bekannten Ansteuerschaltungen für eine periodische Ansteuerung des Piezo-Aktors wird dabei im Entladezyklus die gespeicherte elektrische Energie in der Ansteuerschaltung dissipiert; z. B. mit einem ohmschen Widerstand.

Der Einsatz von Ansteuerschaltungen, in denen im Entladezyklus Energie dissipiert wird, ist an Aktorensystemen bekannt geworden, in denen zur Erzielung einer höheren Abtriebskraft und/oder thermischen Kompensation zwei Piezo-Aktoren mechanisch seriell zueinander angeordnet und gegeneinander verspannt sind (DE 197 39 594 C1). Die Piezo- Aktoren werden in diesem System elektrisch gegensinnig, symmetrisch angesteuert, so dass sich bei gleichbleibendem Hub die Abtriebskräfte der beiden Piezo-Aktoren addieren. Thermische Ausdehnungen an den Piezo-Aktoren kompensieren sich in dieser Anordnung selbsttätig und eine sonst bei Piezo-Aktoren übliche Vorspannfeder entfällt.

Weiterhin bekannt sind Trimorph-Biege-Aktoren (EP 0 676 036 B1) mit einer dissipierenden Ansteuerschaltung. Ein Trimorph-Biege-Aktor besteht aus einer Trägerplatte mit beidseitig aufgeklebten Piezoplatten. Beide Piezoplatten stellen elektrische Kondensatoren dar, die elektrisch wechselsinnig angesteuert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein leistungssparendes, periodisch angesteuertes, piezo elektrisches Aktorsystem zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass die in den Piezo-Aktoren gespeicherte elektrische Energie nicht in der Ansteuerschaltung des Aktorsystemes dissipiert, sondern zurückgewonnen wird. Weiterhin kommen die obengenannten Vorteile der selbsttätigen thermischen Kompensation in der erfindungsgemäßen Lösung zum Tragen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine geeignete mechanische Anordnung von zwei Piezo-Aktoren für die erfindungsgemäße Lösung,

Fig. 2 zeigt eine alternative mechanische Anordnung und

Fig. 3 zeigt ein elektrisches Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung.

Das in Fig. 1 gezeigte Aktorsystem weist zwei Piezo-Aktoren 1 und 2 auf, von denen jeder aus einem Piezo-Stapel 3, einem Gelenkrahmen 4 mit einer Stützplatte 5 und einer gegenüberliegenden Abtriebsplatte 6 und einer Kalibrierschraube 11 besteht.

Bei der Änderung einer anliegenden elektrischen Spannung dehnen sich oder kontrahieren die Piezo-Stapel 3 im Sinne des Richtungspfeiles 9 und übertragen diese Bewegung auf den sie umfassenden Gelenkrahmen 4, dessen Stützplatte 5 und Abtriebsplatte 6 sich in bekannter Weise mit einer verstärkenden Übersetzung im Sinne des Richtungspfeiles 10 aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Die Piezo-Aktoren 1 und 2 sind in einem gemeinsamen Stützrahmen 7 mechanisch seriell angeordnet und gegeneinander verspannt. Dazu sind ihre Stützplatten 5 voneinander abweisend an den beiden Enden des Stützrahmens 7 gelagert und ihre Abtriebsplatten 6 wirken gegeneinander und bilden einen gemeinsamen Abtrieb für das Aktorsystem, der seinen Arbeitshub in einem Führungsschlitz 8 des Stützrahmens 7 ausführt. Die Piezo-Aktoren 1 und 2 sind elektrisch gegensinning angesteuert. Mit den Kalibrierschrauben 11 lassen sich die Null-Lagen der Piezo-Aktoren nachjustieren.

Eine alternative Möglichkeit für eine erfindungsgemäß geeignete mechanisch serielle Anordnung von zwei Piezo-Aktoren mit wechselsinniger elektrischer Ansteuerung besteht in dem bekannten Trimorph-Biege-Aktor 12 mit zwei Piezoplatten, die beidseitig auf einer metallischen Trägerplatte elektrisch leitend angeordnet sind und elektrisch wechselsinnig angesteuert werden. Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze dazu mit den beiden Piezoplatten 13 und 14, der gemeinsamen Trägerplatte 15 und den elektrischen Anschlüssen 16, 17 und 18.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf die voranstehend beschriebenen mechanischen Anordnungen beschränkt. Dem Fachmann stehen weitere alternative Anordnungen von zwei Piezo-Aktoren zur Verfügung, mit denen die erfindungsgemäße Lösung ausführbar ist.

Fig. 3 zeigt das elektrische Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung. Das piezo elektrische Aktorsystem ist als ein sogenanntes Gegenspielersystem ausgebildet, das aus einer getakteten Verstärkerbrücke 21 mit den beiden elektrisch und mechanisch seriell geschalteten Piezo-Aktoren 1 und 2 und aus einer Drossel 22 zwischen den Halbbrücken der Verstärkerbrücke 21 besteht. Die Piezo-Aktoren 1 und 2 sind entsprechend ihrer elektrischen Wirkung im Schaltbild als Kondensatoren 19 und 20 angegeben. Die Piezo- Aktoren sind von einer externen Versorgungsspannungen U₊ gespeist und die beiden elektronischen Schalter 23 und 24 werden von einer Puls-Weiten-Modulationsschaltung 25 des Aktorsystemes gegensinnig durchgeschaltet. Die Puls-Weiten-Modulation wird von einer vorgebbaren Sollspannung U_soll und von einem Zustandsregler 26 angesteuert, der den Strom- und Spannungs-Istwert I_L und U_L an der Drossel 22 erfaßt und aufbereitet.

In dem Gegenspielersystem werden die Kondensatoren 19 und 20 bei frequentem Betrieb mittels der getakteten Verstärkerbrücke 21 umgeladen. Dabei liegt über den Kondensatoren 19 und 20 die Versorgungsspannung U₊, die von einer nicht gezeigten Spannungsquelle und einem Stützkondensator 27 aufrechterhalten wird. Die Drossel 22 ist zwischen dem Ausgang der Halbbrücke mit den beiden elektronischen Schaltern 23 und 24 und dem Steueranschluß der beiden Piezo-Aktoren in der anderen Halbbrücke der Verstärkerbrücke 21 geschaltet. Die Drossel 22 hat die Aufgabe, die verlustfreie Umladung der Kondensatoren 19 und 20 durch Potentialausgleich zwischen dem Steueranschluß und der Versorgungsspannung U₊ bei getakteten Betrieb sicherzustellen.

Dadurch ist es möglich, die Kondensatoren 19 und 20 ohne äußere Energiezufuhr umzuladen. Dabei hat die Drossel 22 die Funktion eines Energie-Zwischenspeichers. Es müssen lediglich die Verluste in den Kondensatoren und Dissipationen von außen über die Versorgung ausgeglichen werden. Durch den erfindungsgemäß beinahe energielosen Umladevorgang der Kondensatoren wird der elektrische Leistungsbedarf für die Ansteuerung der Piezo-Aktoren 1 und 2 gegenüber bisher bekannten Lösungen erheblich abgesenkt.

Claims

1. Piezoelektrisches Aktorsystem bestehend aus zwei mechanisch und elektrisch seriell angeordneten Piezo-Aktoren und einer Ansteuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Aktoren (1 und 2) in einer Halbbrücke einer getakteten Verstärkerbrücke (21) angeordnet sind und dass eine Drossel (22) zwischen dem Steueranschluß der Piezo-Aktoren (1 und 2), der sich zwischen den beiden Piezo-Aktoren befindet, und dem Ausgang der anderen Halbbrücke der Verstärkerbrücke (21), in der die beiden elektronischen Schalter (23 und 24) der Verstärkerbrücke(21) seriell angeordnet sind, geschaltet ist.

2. Piezoelektrisches Aktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktung der Verstärkerbrücke (21) mit einer Puls-Weiten-Modulationsschaltung (25) erfolgt.

3. Piezoelektrisches Aktorsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Piezo-Aktoren (1 und 2) jeweils einen Gelenkrahmen (4) mit einer Stützplatte (5) und einer Abtriebsplatte (6) aufweisen, mit diesen Gelenkrahmen (4) mechanisch in einem gemeinsamen Stützrahmen (7) so gegeneinander verspannt sind, dass ihre Abtriebsplatten (6) einen für beide Aktoren gemeinsamen Abtrieb bilden und dass die Piezo-Aktoren (1 und 2) in der Verstärkerbrücke (21) elektrisch gegensinnig durchgeschaltet sind.

4. Piezoelektrisches Aktorsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorsystem ein Trimorph-Biege-Aktor ist, in dem Piezoplatten (13 und 14) beidseitig auf eine metallische Trägerplatte (15) elektrisch leitend aufgebracht sind und mit ihren elektrischen Anschlüssen (16, 17 und 18) in der getakteten Verstärkerbrücke (21) elektrisch angesteuert sind.