EP1086499A1 - Drive device - Google Patents

Drive device

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Publication number
EP1086499A1
EP1086499A1 EP00903616A EP00903616A EP1086499A1 EP 1086499 A1 EP1086499 A1 EP 1086499A1 EP 00903616 A EP00903616 A EP 00903616A EP 00903616 A EP00903616 A EP 00903616A EP 1086499 A1 EP1086499 A1 EP 1086499A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive device
spring
switch
resonance frequency
piezo actuator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00903616A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hans Ritchter
Franz Peyr
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1086499A1 publication Critical patent/EP1086499A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/002—Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes

Definitions

  • the invention relates to a drive device according to the preamble of claim 1.
  • the starting point of the invention is an electroactic motor according to EP 0 552 346 B1 and DE 94 19 802 Ul.
  • the piezo actuators used there and the mechanical drive components they move form a first spring-mass system, the drive components of which drive a second spring-mass system.
  • Each of these spring-mass systems has a natural frequency, the spring-mass system comprising the piezo actuators having a relatively high resonance frequency in comparison to the other spring-mass system. It is assumed that the spring-mass system comprising the piezo actuator has the highest efficiency in resonance mode.
  • the piezo actuators constantly operate at the resonance frequency of their spring-mass system, but the drive components only drive the driven spring-mass system for a relatively short time, the efficiency of the drive device is thereby relatively low. Since the frequency difference between the two resonance frequencies is considerable, there is also the effect that the spring-mass system comprising the piezo actuators goes out of resonance and thus the advantages of resonance operation are canceled.
  • FIG. 1 shows a driving and driven spring-mass system with the piezo actuators contracted
  • FIG. 1 shows the device of Figure 1 expanding
  • FIG. 4 shows a first embodiment of a circuit
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a circuit
  • FIG. 6 shows a third embodiment of a circuit
  • FIGS. 7 to 10 different possible embodiments of the Hull curves
  • FIGS 11 to 15 further embodiments of the circuit
  • FIG. 16 shows a diagram to explain the mode of operation of the circuit according to FIG. 11
  • a first arch spring 3 is arranged on a rigid foundation 7, between which a stack 4 is held taut by piezo actuators.
  • a further arch spring 2 is arranged on the foundation, which carries a mass 1.
  • the arch spring 3 has a contact surface 9 on the end face, which has a contact surface 9 'the mass 1 stands opposite Stack 4 is supplied with current via lines 5, 6 by an oscillation circuit (not shown).
  • the bow spring 3 and the stack 4 form a first driving spring-mass system, while the bow spring 2 and the mass 1 form a second driven spring-mass system.
  • the mass 1 moves in the direction of the double arrow 10 to the left.
  • the stack 4 of the piezo actuators is drawn in here, that is to say without a power supply.
  • energy is supplied to the stack 4 so that it expands to the right.
  • the contact surface 9 ' is moved to the right, i. H. mass 1 moves in the direction of the double arrow to the right.
  • the stack 4 of the piezo actuators is put out of operation. After the maximum amplitude of mass 1 to the right is reached, mass 1 moves to the left again, repeating the procedure described.
  • the first spring-mass system oscillates in its natural frequency.
  • the stack 4 can be switched on and off by a sensor 8 which is arranged on one of the contact surfaces 9, 9 '.
  • the capacitors C1 and C2, the inductance L1 and the resistor R1 represent the equivalent circuit diagram of the first spring-mass system, which comprises the piezo actuator. Cl is inversely proportional to the spring constant of the arc spring 3, the inductance L1 is proportional to the moving mass of the first spring-mass system and Resistance R1 is proportional to the mechanical active power of the drive device.
  • the second capacitance C2 essentially represents the static piezo capacitance plus external switching capacitances.
  • the first spring-mass system is illustrated by M.
  • an inductor L2 is connected in parallel to the piezo actuator.
  • C2 and L2 thus form a parallel resonant circuit E with a predetermined resonance frequency.
  • This resonance frequency is chosen so that it corresponds to the resonance frequency of the second spring-mass system.
  • C2 and L2 generate a sinusoidal envelope 10 for the high-frequency vibrations 11 of the first spring-mass system.
  • the frequency of the oscillating circuit E consisting of C2 and L2 corresponds approximately to the resonance frequency of the second spring-mass system in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2 formed by the mass 1 and the arc spring 2.
  • the resonance frequency of the oscillating circuit M can be 50 kHz, for example amount, while that of the resonant circuit E is, for example, 5 kHz.
  • the inductance L2 is formed by a transformer T, the side of which can be connected to a DC voltage source V via a switch S1.
  • the switch S1 is controlled by a control circuit 12, to which the current actual amplitudes of the high-frequency oscillation 11 and the desired amplitude of the low-frequency oscillation 10 are supplied.
  • the actual and target amphtudes are compared with one another and, depending on this comparison, the switches S1 are opened or closed.
  • the energy supplied to the resonant circuit E and thus the shape of the envelope 10 are thus determined. This is illustrated by the different shape of the envelopes 10 m in FIGS. 7, 8 and 9.
  • the energy supply to the resonant circuit E by closing the switch S1 takes place when the envelope curve 10 has its amplitude minimum If an amount of energy 12 is fed in, an envelope 10 is obtained. If a larger amount of energy 12 'is added, an envelope 10' of greater amplitude results.
  • the actual amplitude is tapped directly at the piezo actuator itself.
  • a further piezo element C3 can be attached to and isolated from the piezo actuator, to which the vibrations of the piezo actuator are pressed and which thus supplies the control circuit 12 with a value that is proportional to the actual amplitude.
  • FIG. 11 corresponds to that of FIG. 4, but with the difference that a switch S2 is additionally connected in the resonant circuit E. Its mode of operation is discussed in connection with FIG. 16.
  • the circuit according to FIG. 12 differs from that according to FIG. 11 in that several piezo actuators C2], C2 2 , C2 3 and C2 are connected in parallel, which can be a stack 4 in each case. These are preferably the feed actuators and the spread actuators according to EP 0 552 346 B1.
  • the circuit according to FIG. 13 differs from that according to FIG. 11 in that four piezo actuators or four stacks of such actuators are connected in series.
  • these actuators are connected in a star connection.
  • both the frequency of the resonant circuit E and that of the resonant circuit M can be changed.
  • the secondary winding of the transformer T has a number of taps which can be switched separately into the resonant circuit E via switches S2j, S2 2 ,..., S2 m , which means that the size of the inductance L2 can be changed.
  • the frequency of the envelope 10 can be changed.
  • the change in the size of the inductance L2 takes place gradually.
  • a continuous change in the inductance L2 is shown in FIG. 6, where an inductor D is additionally arranged on the transformer T.
  • the current flow through the choke D can be changed by means of a stepless switch S3, represented here by a transistor which is controlled by the control circuit 12.
  • 16 has a sinusoidal rising edge 14, a rectilinear section 15 and a sinusoidal falling edge 16.
  • the switch S2 is closed and the sinusoidal curve is determined by the desired amplitude. If the maximum amplitude of the envelope 10 is reached, the switch S2 is opened, whereby the resonant circuit M is interrupted and all the energy of this resonant circuit is stored in the capacitance C2.
  • the switch S2 is closed and the sinusoidal falling edge 16 results from the specification of the target amplitude.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

The invention relates to a drive device. Piezo actuators (4) are driven by an oscillating circuit and move the mechanical drive components. Said piezo actuators (4) and said drive components form a first spring-mass system which is caused to oscillate by the piezo actuators (4) at a first natural frequency. The drive components drive a second spring-mass system (1, 2) that is provided with a second natural frequency which is smaller than the first natural frequency. The second natural frequency determines an envelope curve of the same frequency during which the piezo actuators (4) are driven by the first natural frequency. The piezo actuators (4) are switched on when the mass (1) of the second spring-mass system (1, 2) interacts mechanically with the drive components of the second spring-mass system.

Description

Antriebsvorrichtung Drive device
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a drive device according to the preamble of claim 1.
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine elektroaktischer Motor nach der EP 0 552 346 Bl und der DE 94 19 802 Ul. 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.The starting point of the invention is an electroactic motor according to EP 0 552 346 B1 and DE 94 19 802 Ul. The piezo actuators used there and the mechanical drive components they move form a first spring-mass system, the drive components of which drive a second spring-mass system. Each of these spring-mass systems has a natural frequency, the spring-mass system comprising the piezo actuators having a relatively high resonance frequency in comparison to the other spring-mass system. It is assumed that the spring-mass system comprising the piezo actuator has the highest efficiency in resonance mode.
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.Since the piezo actuators constantly operate at the resonance frequency of their spring-mass system, but the drive components only drive the driven spring-mass system for a relatively short time, the efficiency of the drive device is thereby relatively low. Since the frequency difference between the two resonance frequencies is considerable, there is also the effect that the spring-mass system comprising the piezo actuators goes out of resonance and thus the advantages of resonance operation are canceled.
Es besteht die Aufgabe, die Antriebsvorrichtung so auszubilden, daß sie mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.It is the task to design the drive device so that it works with optimal efficiency.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Ausfuhrungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen naher erläutert Es zeigenThis object is achieved with the features of claim 1. Advantageous refinements can be found in the subclaims. Exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to the drawings
Figur 1 ein antreibendes und angetriebenes Feder-Masse-System bei zusammengezogenen Piezoaktoren,FIG. 1 shows a driving and driven spring-mass system with the piezo actuators contracted,
Figur 2 die Vorrichtung nach Figur 1 bei sich ausdehnendenFigure 2 shows the device of Figure 1 expanding
Piezoaktoren,Piezo actuators,
Figur 3 em Schaltbild zur Erläuterung der nachfolgenden elektrischenFigure 3 em circuit diagram to explain the following electrical
Ausfuhrungsbeispiele,Exemplary embodiments,
Figur 4 eine erste Ausfuhrungsform einer Schaltung,FIG. 4 shows a first embodiment of a circuit,
Figur 5 eine zweite Ausfuhrungsform einer Schaltung,FIG. 5 shows a second embodiment of a circuit,
Figur 6 eine dritte Ausfuhrungsform einer Schaltung,FIG. 6 shows a third embodiment of a circuit,
Figuren 7 bis 10 verschiedene mögliche Ausführungsformen der Hullkurven,FIGS. 7 to 10 different possible embodiments of the Hull curves,
Figuren 11 bis 15 weitere Ausführungsformen der Schaltung undFigures 11 to 15 further embodiments of the circuit and
Figur 16 em Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 1116 shows a diagram to explain the mode of operation of the circuit according to FIG. 11
Nachfolgend wird die mechanische Losung der Aufgaben erläutertThe mechanical solution to the tasks is explained below
An einem starren Fundament 7 ist eine erste Bogenfeder 3 angeordnet, zwischen der em Stapel 4 von Piezoaktoren gespannt gehalten wird Am Fundament ist eine weitere Bogenfeder 2 angeordnet, die eine Masse 1 tragt Die Bogenfeder 3 weist stirnseitig eine Kontaktflache 9 auf, der eine Kontaktflache 9' der Masse 1 gegenübersteht Der Stapel 4 wird über die Leitungen 5, 6 von einer nicht dargestellten Schwingungsschaltung mit Strom versorgt.A first arch spring 3 is arranged on a rigid foundation 7, between which a stack 4 is held taut by piezo actuators. A further arch spring 2 is arranged on the foundation, which carries a mass 1. The arch spring 3 has a contact surface 9 on the end face, which has a contact surface 9 'the mass 1 stands opposite Stack 4 is supplied with current via lines 5, 6 by an oscillation circuit (not shown).
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.The bow spring 3 and the stack 4 form a first driving spring-mass system, while the bow spring 2 and the mass 1 form a second driven spring-mass system.
Bei der in Figur 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 Figur 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 fuhrt 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.In the position shown in Figure 1, the mass 1 moves in the direction of the double arrow 10 to the left. The stack 4 of the piezo actuators is drawn in here, that is to say without a power supply. As soon as the contact surface 9 'touches the contact surface 9 during its movement to the left, as shown in FIG. 2, energy is supplied to the stack 4 so that it expands to the right. As a result, the contact surface 9 'is moved to the right, i. H. mass 1 moves in the direction of the double arrow to the right. As soon as the acceleration of the mass 10 is so great that the two contact surfaces 9, 9 'come out of contact with one another, the stack 4 of the piezo actuators is put out of operation. After the maximum amplitude of mass 1 to the right is reached, mass 1 moves to the left again, repeating the procedure described.
Während des Einschaltens des Stapels 4 schwingt das erste Feder-Masse-System in seiner Eigenfrequenz.When the stack 4 is switched on, the first spring-mass system oscillates in its natural frequency.
Das Ein- und Abschalten des Stapels 4 kann durch einen Sensor 8 bewirkt werden, der an einer der Kontaktflächen 9, 9' angeordnet ist.The stack 4 can be switched on and off by a sensor 8 which is arranged on one of the contact surfaces 9, 9 '.
Nachfolgend werden die elektrischen Lösungen der gestellten Aufgabe beschrieben.The electrical solutions to the task are described below.
Die Kondensatoren Cl und C2, die Induktivität Ll und der Widerstand Rl stellen das Ersatzschaltbild des ersten Feder-Masse-Systems dar, das den Piezoaktor umfaßt. Cl ist hierbei umgekehrt proportional der Federkonstante der Bogenfeder 3, die Induktivität Ll ist proportional der bewegten Masse des ersten Feder-Masse-Systems und der Widerstand Rl 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.The capacitors C1 and C2, the inductance L1 and the resistor R1 represent the equivalent circuit diagram of the first spring-mass system, which comprises the piezo actuator. Cl is inversely proportional to the spring constant of the arc spring 3, the inductance L1 is proportional to the moving mass of the first spring-mass system and Resistance R1 is proportional to the mechanical active power of the drive device. The second capacitance C2 essentially represents the static piezo capacitance plus external switching capacitances. The first spring-mass system is illustrated by M.
Das Wesen der elektrischen Lösung besteht dann, 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 entspπcht. Bezugnehmend auf die Figur 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 Figuren 1 und 2 gebildet von der Masse 1 und der Bogenfeder 2. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises M kann beispielsweise 50 kHz betragen, während diejenige des Schwingkreises E beispielsweise 5 kHz beträgt.The essence of the electrical solution is that an inductor L2 is connected in parallel to the piezo actuator. C2 and L2 thus form a parallel resonant circuit E with a predetermined resonance frequency. This resonance frequency is chosen so that it corresponds to the resonance frequency of the second spring-mass system. Referring to FIG. 7, C2 and L2 generate a sinusoidal envelope 10 for the high-frequency vibrations 11 of the first spring-mass system. The frequency of the oscillating circuit E consisting of C2 and L2 corresponds approximately to the resonance frequency of the second spring-mass system in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2 formed by the mass 1 and the arc spring 2. The resonance frequency of the oscillating circuit M can be 50 kHz, for example amount, while that of the resonant circuit E is, for example, 5 kHz.
Gemäß dem praktischen Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Figur 4 wird die Induktivität L2 gebildet durch einen Transformator T, dessen Pπmärseite über einen Schalter Sl mit einer Gleichspannungsquelle V verbmdbar ist. Der Schalter Sl wird angesteuert durch eine Steuerschaltung 12, der die augenblickliche Istamphtuden der hochfrequenten Schwingung 11 und die Sollamplitude der niederfrequenten Schwingung 10 zugeführt werden. Ist- und Sollamphtude werden miteinander verglichen und in Abhängigkeit dieses Vergleichs der Schaltern Sl geöffnet oder geschlossen. Die dem Schwingkreis E zugefϊihrte Energie und damit die Form der Hullkurve 10 werden somit bestimmt. Dies wird durch die unterschiedliche Form der Hüllkurven 10 m den Figuren 7, 8 und 9 verdeutlicht.According to the practical embodiment of the circuit according to FIG. 4, the inductance L2 is formed by a transformer T, the side of which can be connected to a DC voltage source V via a switch S1. The switch S1 is controlled by a control circuit 12, to which the current actual amplitudes of the high-frequency oscillation 11 and the desired amplitude of the low-frequency oscillation 10 are supplied. The actual and target amphtudes are compared with one another and, depending on this comparison, the switches S1 are opened or closed. The energy supplied to the resonant circuit E and thus the shape of the envelope 10 are thus determined. This is illustrated by the different shape of the envelopes 10 m in FIGS. 7, 8 and 9.
Die Energiezufuhr zum Schwingkreis E durch Schließen des Schalters Sl erfolgt jeweils, wenn die Hüllkurve 10 ihr Amplitudenmimmum 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.The energy supply to the resonant circuit E by closing the switch S1 takes place when the envelope curve 10 has its amplitude minimum If an amount of energy 12 is fed in, an envelope 10 is obtained. If a larger amount of energy 12 'is added, an envelope 10' of greater amplitude results.
Gemäß Figur 4 wird die Istamplitude direkt abgegriffen am Piezoaktor selbst. Gemäß Figur 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.According to FIG. 4, the actual amplitude is tapped directly at the piezo actuator itself. According to FIG. 5, a further piezo element C3 can be attached to and isolated from the piezo actuator, to which the vibrations of the piezo actuator are pressed and which thus supplies the control circuit 12 with a value that is proportional to the actual amplitude.
Die Schaltung nach Figur 11 entspricht derjenigen Figur 4, jedoch mit dem Unterschied, daß im Schwingkreis E zusätzlich ein Schalter S2 geschaltet ist. Auf dessen Funktionsweise wird in Zusammenhang mit der Figur 16 eingegangen.The circuit according to FIG. 11 corresponds to that of FIG. 4, but with the difference that a switch S2 is additionally connected in the resonant circuit E. Its mode of operation is discussed in connection with FIG. 16.
Die Schaltung nach Figur 12 unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 11 dadurch, daß mehrere Piezoaktoren C2], C22, C23 und C2 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 Bl.The circuit according to FIG. 12 differs from that according to FIG. 11 in that several piezo actuators C2], C2 2 , C2 3 and C2 are connected in parallel, which can be a stack 4 in each case. These are preferably the feed actuators and the spread actuators according to EP 0 552 346 B1.
Die Schaltung nach Figur 13 unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 11 dadurch, daß vier Piezoaktoren bzw. vier Stapel solcher Aktoren in Serie geschaltet sind.The circuit according to FIG. 13 differs from that according to FIG. 11 in that four piezo actuators or four stacks of such actuators are connected in series.
Gemäß Figur 14 sind diese Aktoren in Sternschaltung geschaltet.According to FIG. 14, these actuators are connected in a star connection.
Je nach Parallel-, Serien- oder Sternschaltung gemäß den Figuren 12, 13 und 14 ist sowohl die Frequenz des Schwingkreises E als auch diejenige des Schwingkreises M veränderbar.Depending on the parallel, series or star connection according to FIGS. 12, 13 and 14, both the frequency of the resonant circuit E and that of the resonant circuit M can be changed.
Nach Figur 15 weist die Sekundärwicklung des Transformators T mehrere Abgriffe auf, die über Schalter S2j, S22, ..., S2m 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 Figur 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.According to FIG. 15, the secondary winding of the transformer T has a number of taps which can be switched separately into the resonant circuit E via switches S2j, S2 2 ,..., S2 m , which means that the size of the inductance L2 can be changed. As a result, the frequency of the envelope 10 can be changed. The change in the size of the inductance L2 takes place gradually. A continuous change in the inductance L2 is shown in FIG. 6, where an inductor D is additionally arranged on the transformer T. The current flow through the choke D can be changed by means of a stepless switch S3, represented here by a transistor which is controlled by the control circuit 12.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Figuren 1 1 und 16 und die Wirkungsweise des Schalters S2 erläutert. Die Hüllkurve 10 nach Figur 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.In the following, reference is made to FIGS. 11 and 16 and the mode of operation of switch S2 is explained. 16 has a sinusoidal rising edge 14, a rectilinear section 15 and a sinusoidal falling edge 16. During the rising edge 14, the switch S2 is closed and the sinusoidal curve is determined by the desired amplitude. If the maximum amplitude of the envelope 10 is reached, the switch S2 is opened, whereby the resonant circuit M is interrupted and all the energy of this resonant circuit is stored in the capacitance C2. At the end of the straight section 15, the switch S2 is closed and the sinusoidal falling edge 16 results from the specification of the target amplitude.
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. If the switch S2 is opened when the minimum amplitude of the envelope is reached, whereby the resonant circuit M is interrupted, then the energy is stored in the inductor L2.

Claims

Patentansprüche 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.1. Drive device with at least one piezo actuator driven by an oscillating circuit, which, together with the mechanical drive components moved by it, forms a first spring-mass system (3, 4), which is set into vibration by the piezo actuator at a first resonance frequency and whose drive components drives the second spring-mass system (1, 2), which has a second resonance frequency that is lower than the first resonance frequency, characterized in that the second resonance frequency determines an envelope (10) of approximately the same frequency during which the piezo actuator with the first resonance frequency (11) is operated.
2. Antriebsvoπϊchtung 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.2. Antriebsvoπϊchtung according to claim 1, characterized in that the piezo actuator is switched on, in the mass (1) of the second of the spring-mass system (1, 2) comes in mechanical operative connection with the drive components and remains switched on as long as this active connection exists .
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.3. Drive device according to claim 2, characterized in that between the oscillating circuit and the piezo actuator, a switch (8) is arranged, which is closed as long as seen in the drive direction, the drive components in operative connection with the mass (1) of the second spring-mass system (1, 2).
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.4. Drive device according to claim 1, characterized in that an inductor (L2) is connected in parallel to the piezo actuator and the parallel resonance frequency of the piezo actuator and inductor (L2) corresponds approximately to the second resonance frequency.
5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L2) von der Sekundärseite eines Transformators (T) gebildet wird, dessen Primärseite über einen Schalter (Sl) mit einer Gleichspannungsquelle (V) anschließbar ist, eine den Schalter (Sl) steuernde Steuerschaltung (12) vorgesehen ist und die Steuerschaltung (12) durch Ansteuern des Schalters (Sl) die Hüllkurvenform bestimmt.5. Drive device according to claim 4, characterized in that the inductance (L2) is formed by the secondary side of a transformer (T), whose primary side can be connected to a DC voltage source (V) via a switch (Sl), a control circuit (12) controlling the switch (Sl) is provided, and the control circuit (12) determines the envelope shape by actuating the switch (Sl).
6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die6. Drive device according to claim 5, characterized in that the
Steuerschaltung (12) die Spannungsistamplitude der Schwingung (11) der ersten Resonanzfrequenz mit einer Sollamplitude vergleicht und der Schalter (Sl) in Abhängigkeit des Soll-Ist-Vergleichs angesteuert wird.Control circuit (12) compares the actual voltage amplitude of the oscillation (11) of the first resonance frequency with a target amplitude and the switch (S1) is controlled as a function of the target / actual comparison.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Induktivität (L2) veränderbar ist.7. Drive device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the size of the inductor (L2) is variable.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (Sl) geschlossen wird, wenn die Hüllkurve (10) ein Amplitudenminimum aufweist.8. Drive device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the switch (Sl) is closed when the envelope (10) has an amplitude minimum.
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.9. Drive device according to one of claims 4 to 8, characterized in that in the circuit formed from piezo actuator and inductance (L2) (E) an at least one further switch (S2) is interposed, which is controlled by the control circuit (12).
10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalter (S2) geöffnet wird, wenn die Hüllkurve (10) ein Amplitudenmaximum oder -minimum aufweist.10. Drive device according to claim 9, characterized in that the further switch (S2) is opened when the envelope (10) has an amplitude maximum or minimum.
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. 11. Drive device according to one of claims 1 to 10, characterized in that a plurality of piezo actuators are provided, which are optionally connected in series connection, parallel connection or star connection.
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