WO2000017944A1 - Verfahren zur kompensation von schallwellen und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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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
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/101—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using intermittent driving, e.g. step motors

Definitions

  • the invention relates to a method for compensating sound waves emanating from electro-actuator drives, in particular piezo drives, according to the preamble of claim 1, and devices for carrying out the method.
  • Piezo actuators are used that compensate for the vibrations of the wings by generating counter-vibrations on them, controlled accordingly.
  • electro-actuator motors which generate rotary movements or linear movements with oscillating piezo actuators. These or similar motors have the disadvantage that they emit undesirable noises that hinder their use.
  • the task is to improve electro-actuator motors so that they largely do not emit any noise to the environment.
  • Figure 1 is a side view of an electro-actuator motor according to the principle of DE 94 19 802.0 Ul with a separate actuator for sound compensation.
  • FIG. 2 shows a section A - A through FIG. 1;
  • Fig. 2a shows a section BB through Fig. 1;
  • FIG. 3 shows a side view of an embodiment with a noise-compensating second drive element
  • Fig. 4 shows a section A - A through Fig. 4;
  • FIG. 5 shows a side view of an embodiment with a noise-compensating integrated second drive element
  • FIG. 5a shows a section BB through FIG. 5;
  • FIG. 6 shows a section A - A through FIG. 5;
  • FIG. 9 is a view of a preferred embodiment of the cages and FIG. 10 is a view corresponding to FIG. 9 to explain a further mode of operation
  • the drive element 1 according to FIG. 1 consists of two pairs of lifting piezos Hl and H2 and two pairs of clamping piezos Kl and K2, each of which is clamped in a cage 4 and a cage 4 'running at right angles thereto .
  • this piezo arrangement is connected axially four times in a common drive element body 5 to drive element 1.
  • the drive element body 5 is continuous in the area of the outer bridges 6 and 6 'and axially and radially separated in the rest of the area by three slots 8, so that the four partial areas 14 thus formed can oscillate independently of one another, driven by the stroke piezos H1 and H2.
  • the bridge 6 for the Klemmpiezos Kl and K2 is pressed by the wedge tension 7 and 7 'over a rubber intermediate layer 11 in the direction of the output drum 10 and is supported against the housing 9.
  • the four running shoes 12 of the four partial areas 14 of the drive element body 5 come into cyclical contact with the drive drum 10.
  • the running shoes 12 of the drive element body 5 take the driven drum 10 by friction so that it rotates.
  • the clamping piezos Kl and K2 alternately generate an air gap 13 between the running shoe 12 and the driven wheel 10.
  • the running shoes 12, each relieved by an air gap 13 can swing back without contact by actuating the associated lifting piezos H2 or Hl, while the clamping clamping piezos Kl or K2 are moved in the drive direction (see arrow) by the associated lifting piezos Hl or H2.
  • the noise generated during this process can be compensated for by the additional piezo 15, which is accommodated in the housing 9.
  • this type of compensation can only be optimally designed with an optimally functioning electronic control which detects the emitting sound waves without a significant time delay and converts them in the piezo 15 in such a way that they can compensate the emitting sound waves in good time.
  • the sound waves arise primarily when the pairs of running shoes hit the drum 10 cyclically.
  • a counter-phase sound wave is preferably generated by the compensation piezo 15.
  • the direction of action of the piezo 15 preferably runs in the direction of action of the clamping piezos K1 and K2.
  • a second drive element 17 is added to a first drive element 16.
  • Both drive elements each of which corresponds to drive element 1 according to FIGS. 1 and 2, are driven out of phase by approximately 90 ° according to the diagram according to FIG. 7, so that their sound waves largely compensate.
  • the clamping piezo K3 of the drive element 17 is driven offset by 90 ° to the clamping piezo Kl of the drive element 16, which also applies to H3 in relation to Hl, to K4 in relation to K2 and H4 in relation to H2.
  • the drive element 16 is arranged offset by 180 ° to the drive element 17 the sound cannot be completely compensated for.
  • the two drive elements can only be arranged at a finite distance from one another and thus the sound cannot be compensated for directly at the point of origin.
  • the inevitable space creates uncompensatable radiation.
  • the drive elements 1 and 1 ' are inserted into one another and work with each other to a certain extent without a spatial distance.
  • the clamping and lifting piezos are only half as wide as in the arrangement in FIGS. 1 and 2.
  • the partial regions 14, each formed by a clamping piezo K and a lifting piezo H with associated running shoe 12, are correspondingly formed by the Slots 8 separated.
  • the oscillation range of the piezos K1, K2, Hl, H2 oscillates 90 ° out of phase with the oscillation range of the piezos K3, K4, H3, H4. This provides optimal sound compensation at the point of origin by completely extinguishing the sound waves according to FIG. 8.
  • FIG. 9 shows a section through a drive element body 5 along a slot 8.
  • the cage 4 for the clamping piezos K is elastic in the direction of action of these clamping piezos and has the shape of an O.
  • This cage 4 is connected to the running shoe 12 via two thin webs 20. These webs 20 taper towards one another in the direction of the running shoe 12.
  • the cage 4 'for the lifting piezos H also has the shape of an O and is thus designed to be elastic in the direction of action of the lifting piezos H.
  • the end of the cage 4 'facing away from the bridge 6' bears against another O-shaped cage 21, which is likewise designed to be elastic in the effective direction of the lifting piezos H.
  • This further cage 21 is connected to the running shoe 12 via a thin web 22. It is also possible to connect the cage 4 'directly to the running shoe 12 via the web 22.
  • each column of the lifting piezo pairs H1 and H2 is divided into halves HA and HB, which are controlled separately from one another, with a phase response corresponding to the desired respective drive speed.
  • the piezos of the halves HA and HB can have different polarities. All piezos of the halves HA and HB resonate at full stroke, but in mutually different phases that can be changed.
  • the effective stroke is the sum of the stroke of the one half HA or HB plus that by the Phase difference of reduced hubs of the other half HB or HA.
  • Mechanical step size can thus be adjusted by changing the phase difference. This means that all piezos can vibrate above the hearing threshold of 20 kHz.
  • One of the halves HA or HB can thus be regarded as a further actuator 15.
  • the phase shift between HA and HB can be one or more oscillation periods large, so that in successive strokes of z.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Bei einem elektroaktischen Antrieb sind in einem Gehäuse (9) schwingende Aktoren angeordnet, die ein Antriebselement (1) bilden, bestehend aus zwei Aktorenpaaren (K, H), die jeweils einen Klemmaktor (K) und einen Hubaktor (H) umfassen, welche rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Die Klemmaktoren (K) wirken zyklisch gegen ein anzutreibendes Bauteil (10), wobei die Klemm- und Hubaktoren (K, H) eines Aktorenpaares um 90° versetzt zueinander angeordnet sind und die Aktorenpaare um 180° versetzt zueinander angesteuert werden. Um die hierbei auftretenden Schallwellen zu kompensieren, ist im Gehäuse (9) ein weiterer Aktor (15) angeordnet, der etwa gegenphasig zu den Klemmaktoren (K) angesteuert wird und etwa parallel zur Wirkrichtung der Klemmaktoren (K) im Gehäuse (9) angeordnet ist.

Description

Verfahren zur Kompensation von Schallwellen
und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
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 Durchfuhrung 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 Bl und DE 94 19 802.0 Ul 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 Ul 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,
Fig. 9 eine Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Käfige und Fig. 10 eine der Fig. 9 entsprechende Ansicht zur Erläuterung einer weiteren Arbeitsweise
Ausgehend von einem Motor nach dem DE 94 19 802.0 Ul besteht das Antriebselement 1 nach Fig. 1 aus zwei Paar Hubpiezos Hl und H2 und zwei Paar Klemmpiezos Kl 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 Hl und H2, schwingen können. Die Brücke 6 für die Klemmpiezos Kl 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 Kl, Hl, K2, H2 nehmen die Laufschuhe 12 des Antriebselementenkörpers 5 durch Friktion die Abtriebstrommel 10 mit, so daß sich diese dreht. Die Klemmpiezos Kl und K2 erzeugen dabei abwechselnd einen Luftspalt 13 zwischen Laufschuh 12 und Abtriebsrad 10. So wird die Anpreßkraft gegen das Abtriebsrad 10 einmal über Kl und im nächsten Zyklus über K2 erzeugt. Die jeweils durch einen Luftspalt 13 entlasteten Laufschuhe 12 können durch Ansteuern der zugehörigen Hubpiezos H2 bzw. Hl berührungslos zurückschwingen, während die klemmenden Klemmpiezos Kl bzw. K2 durch die zugehörigen Hubpiezos Hl 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 Kl die Laufschuhe 12 ihrer zwei Teilbereiche 14 gegen die Trommel 10, werden durch die zugeordneten Hubpiezos Hl 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 Kl 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 Kl des Antriebselements 16 angesteuert wird, was auch für H3 in Bezug auf Hl, 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 Ab Strahlungen. 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 Kl, K2, Hl, 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 Figur 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.
Gemäß Figur 10 ist jede Säule der Hubpiezopaare Hl und H2 unterteilt die Hälften HA und HB, die getrennt voneinander angesteuert werden und zwar mit einem der gewünschten jeweiligen Antriebsgeschwindigkeit entsprechendem Phasengang. Die Piezos der Hälften HA und HB können unterschiedliche Polungen aufweisen. Alle Piezos der Hälften HA und HB schwingen mit vollem Hub in Resonanz, jedoch in zueinander unterschiedlicher Phase, die veränderbar ist. Der effektive Hub ist jeweils die Summe aus dem Hub der einen Hälfte HA bzw. HB zuzüglich des durch den Phasenunterschied verminderten Hubs der anderen Hälfte HB bzw. HA. Mechanische Schrittweite ist somit durch Verändern des Phasenunterschieds einstellbar. Damit können alle Piezos über der Gehörschwelle von 20 kHz schwingen. Eine der Hälften HA bzw. HB ist somit als weiterer Aktor 15 anzusehen.
Die Phasenverschiebung zwischen HA und HB kann eine oder mehrere Schwingungsperioden groß sein, so daß bei aufeinander folgenden Hüben von z. B. HA der Hub HA durch denjenigen von HB verdoppelt oder aufgehoben wird, so daß der Gesamthub verdoppelt oder zu 0 wird.
Somit besteht auch eine weitere Möglichkeit darin, daß alle Piezos über der Gehörschwelle von 20 kHz mit vollem Hub schwingen, wenn die Hubpiezos im Aussetzbetrieb arbeiten, d. h. bei jeder zweiten, dritten, vierten usw. Schwingung der Klemmpiezos angesteuert werden.

Claims

Patentansprüche
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 (Kl, Hl; K2, H2), die jeweils einen Klemmaktor (Kl, K2) und eine Hubaktor (Hl, H2) umfassen, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind, die Klemmaktoren (Kl, 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 phasenverschoben zu den Klemmaktoren (Kl, K2) angesteuert wird und etwa parallel zur Wirkrichtung der Klemmaktoren (Kl, K2) im Gehäuse (9) angeordnet ist.
2. Verfahen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des weiteren Aktors (15) etwa mit der doppelten Frequenz der Ansteuerung eines Klemmaktors (Kl 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 (Kl, K2) und der Hubaktoren (Hl, H2) des einen Antriebselements (16) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubpiezopaare (Hl, H2) jeweils in zwei Hälften (HA, HB) unterteilt sind, die mit unterschiedlicher und veränderbarer Phase angesteuert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung zwischen den Hälften (HA, HB) mindestens eine oder mehrere Schwingungsperioden groß ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubpiezos (H) bei jeder zweiten, dritten, vierten usw. Ansteuerung der Klemmpiezos (K) angesteuert werden.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (16, 17) um 180° versetzt zueinander im Gehäuse (9) angeordnet sind.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (1, 1') hintereinander an der gleichen Gehäuseseite angordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (Kl, K2, Hl, H2) des einen Antriebselements (1) abwechselnd ineinander geschachtelt zu den Aktoren (K3, K4, H3, H4) des anderen Antriebselements (1 ') angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, 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 (Hl) und rechtwinklig dazu ein Klemmpiezo (Kl) jeweils in einem Käfig (4, 4') angeordnet sind, die in Wirkrichtung der Piezos (Hl, H2) elastisch ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, 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 verlaufen.
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