WO2008135350A2 - Piezoelectric drive - Google Patents
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- H02N2/103—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor
Definitions
- the invention is based on a piezoelectric drive device and a method for operating such according to the preamble of the independent claims.
- an ultrasonic motor in which a rotor shaft is rotated by means of ultrasonic vibrators in rotation.
- two ultrasonic vibrators are connected at right angles to each other, both vibrators are supplied with an AC voltage such that the two vibrators vibrate to each other with a phase difference.
- This vibration generates a movement of a plunger that rotates the rotor shaft.
- a disadvantage of this ultrasonic motor that due to the design and operation of the vibrators many ultrasonic vibrators are necessary to produce sufficient drive torque. Such a motor is therefore very expensive and requires a complex electronic control and a correspondingly large space for the superposition of the various excited vibrations.
- the piezoelectric drive device as well as the method for operating such a device with the features of the independent claims have the advantage that the piezoceramic is optimally utilized by the operation of the piezoelectric actuators in their resonance frequency.
- large displacement of the piezoactuator can be produced with relatively little use of material of the piezoceramic, which results in a large feed, or a large moment on the piezoelectric actuator corresponding friction surface can be transferred.
- the piezoceramic is operated at the point of their highest efficiency, whereby the electrical power loss is greatly reduced and thus heating of the piezoceramic is avoided.
- the amplitude and the force transmission of the piezoelectric actuator can be adapted to the corresponding friction surface by the design of the piezoelectric actuator. Due to the high power density of the piezoelectric actuator, the use of materials of the relatively expensive piezoceramic can be reduced or the power of the piezoelectric drive can be increased.
- the resonance operation of the piezoelectric actuator can be generated by means of an electrical tuning circuit which regulates the excitation frequency of the piezoelectric actuator to the resonance frequency of the piezoelectric motor. In this case, a load is advantageously avoided by the reactive power, whereby the electrical system is less burdened. Compared with conventional DC motors, no starting currents or blocking currents occur, so that a significantly higher efficiency of the piezo drive can be achieved.
- the piezo motor is operated at the frequency of the zero crossing of the phase characteristic of the impedance with positive slope, which can be controlled very easily by the tuning circuit according to the invention.
- the piezoelectric actuator is operated in the region of the resonance of the electrical admittance, the reactive power can advantageously be minimized, whereby the efficiency of the piezo- is optimized.
- the piezo drive can also be operated in the electrical antiresonance (maximum of the impedance).
- the piezoelectric actuator is expediently simulated an electrical resonant circuit which is operated to control the resonance frequency in the zero crossing of the phase characteristic of the piezoelectric actuator resonant circuit.
- the piezoceramic, the electronics unit and the voltage source is not charged with a reactive power, whereby the electronics can be performed more easily and can be dispensed with, for example, additional switches and filter elements.
- phase locked loop PLL
- VCO voltage controlled oscillator
- a range of variance around the resonant frequency can be defined, within which the excitation frequency is constantly being scanned.
- the excitation frequency or the variance range of the variable resonance frequency is readjusted.
- a higher-level control unit By using a higher-level control unit, it can also optimally coordinate with one another as an operator a larger number of piezoactuators and / or piezomotors. By inputting a plurality of status signals to control the operator by the operator, the operator can also display error or maintenance information of the drive system.
- the piezoelectric actuator is only offset in longitudinal vibrations, so that only vibration components are excited along the longitudinal direction with the largest dimension of the piezoelectric actuator.
- the piezoceramic and the design of the housing of the piezoelectric actuator are optimized accordingly.
- the longitudinal direction of the piezoelectric actuator is oriented substantially perpendicular to the corresponding friction surface of the drive element, then the longitudinal - A - vibration of a single piezoelectric actuator can be effectively implemented in both opposite directions of movement of the relative movement relative to the friction surface.
- the piezoceramic is biased in the piezoelectric housing in such a way that no tensile forces arise in the piezoelectric ceramic during oscillation operation. This makes it possible to achieve a vibration system with a high rigidity in the longitudinal direction.
- a relative movement can be generated without additional inert masses having to be set in motion.
- the vibration of the piezoelectric actuator can be converted very low loss in a linear movement or rotational movement of a drive element.
- a form-fitting connection - for example a micro-toothing - can be formed between the friction element and the friction surface.
- the longitudinal vibration of the piezoelectric actuator can be converted into a linear, an elliptical or a circular movement of the friction element, in particular its end facing the friction surface.
- An elliptical movement of the friction element can be transmitted very harmoniously to the drive element, whereby the direction of the relative movement can be reversed by reversing the direction of rotation.
- the drive element with the friction surface can be advantageously designed as a linear drive rail or as a rotor shaft.
- the piezomotor can be fastened to a window pane and repel along a rubbing surface of a body-fixed guide rail.
- the piezoelectric motor can be arranged stationary and Accordingly, the friction surface move, which is arranged on a linear rail of the part to be adjusted.
- the piezoceramic is formed in several layers, between which electrons are connected, a larger oscillation amplitude can be generated with a predetermined voltage. If the layers are arranged transversely to the longitudinal direction of the piezoactuator, the longitudinal oscillation in the longitudinal direction is thereby maximized.
- the piezoelectric motor has exactly two piezoelectric actuators. These can be favorably operated such that in each case a piezoelectric actuator is excited for a direction of movement of the relative movement.
- This has the advantage that only exactly one piezoelectric actuator is vibrated by means of the electronic unit, and the second piezoelectric actuator resonates only as an inertial mass. As a result, a complicated superposition of the two simultaneously excited piezoactuator oscillations is prevented.
- a plurality of piezoelectric actuators can also be controlled simultaneously by means of an identical or by means of different excitation signals. Supply signals.
- the Peizomotor for a power window drive in the motor vehicle can be attached to a window pane.
- Motion is a very fast response time with high dynamics possible. Due to the micro-shock principle, an extremely precise positioning of the part to be adjusted can be achieved with low noise emission.
- the resonant frequency of the piezoelectric actuators can be changed very inexpensively by means of positive or negative balancing, in order for example to be able to operate a plurality of piezoactuators with exactly one excitation frequency.
- housing material can be removed at a corresponding point, or material can be added.
- FIG. 2 shows a further embodiment for a rotary drive
- FIG. 3 shows a piezo element for installation in the piezoelectric actuator according to FIG. 1, FIG.
- Fig. 5 is a resonance curve of the piezo motor and 6 shows an impedance curve for the piezoelectric drive system
- FIG. 7 a, b shows a course of the mechanical admittance with a corresponding phase curve
- FIG. 8 schematically shows the regulation of the excitation signal of the piezoactuator
- FIG. 9 shows a schematic illustration of a phase locked loop of the piezoelectric drive device.
- a piezoelectric drive device 10 in which a piezoelectric motor 12 performs a relative movement relative to a corresponding friction surface 14.
- the friction surface 14 is in this case formed as a linear rail 16, which is fastened, for example, to a body part 17.
- the piezomotor 12 has at least one piezoelectric actuator 18, which in turn contains a piezoelectric element 20.
- the piezoelectric actuator 18 has an actuator housing 22 which accommodates the piezoelectric element 20.
- the actuator housing 22 is formed, for example, sleeve-shaped. In the illustrated embodiments, the piezoelectric element 20 is enclosed by the actuator housing 22.
- Piezo actuator 18 has a longitudinal direction 19, in the direction of which the expansions of the piezoelectric actuator 18 is greater than in a transverse direction 24 thereto.
- the piezoelectric element 20 is preferably biased in the actuator housing 22 in the longitudinal direction 19, such that upon excitation of a longitudinal vibration 26 of the piezoelectric element 20 in this no tensile forces occur. Due to the vibration of the piezoelectric element 20, the entire
- Piezoelectric actuator 18 in longitudinal vibration 26 is offset and transmits a vibration amplitude 45 via a bridging web 28 on a friction element 30 which is in frictional contact with the friction surface 14.
- the bridge web 28 is set in a tilting movement or a bending movement, so that the friction surface 14 facing the end 31 of the friction element 30 a
- the interaction between the friction element 30 and the friction surface 14 is shown in the enlarged section, in which it can be seen that the bridging web 28, which is arranged in the rest position approximately parallel to the friction surface 14, tilted with respect to the friction surface 14 at the excited vibration of the piezoelectric actuator 18.
- the end 31 of the friction element 30 performs, for example, an elliptical movement 32 or circular movement, by means of which the piezomotor 12 abuts along the linear rail 16.
- the piezomotor 12 is mounted in the region of vibration nodes 34 of the piezoactuators 18 and connected, for example, to a part 11 to be moved.
- the piezomotor 12 is pressed against the rubbing surface 14 via a bearing 36 with a normal force 37.
- the end 31 of the friction element 30 now executes an elliptical movement 32 which, in addition to the normal force 37, has a tangential force component 38 which controls the advance of the Piezo motor 12 relative to the rubbing surface 14 causes.
- the friction element 30 performs only a linear pushing movement at a certain angle to the normal force 37. This also leads to a relative movement by means of micro-collisions.
- the piezomotor 12 has exactly two piezoactuators 18, which are both arranged approximately parallel to their longitudinal direction 19.
- the bridge web 28 is arranged transversely to the longitudinal direction 19 and connects the two piezo actuators 18 at their end faces 27.
- the bridging web 28 is formed for example as a flat plate 29, in the middle of the friction element 30 is arranged.
- only one of the two piezoactuators 18 is excited for a relative movement in a first direction 13.
- the second, non-excited piezoactuator 18 acts via the bridging web 28 as an oscillating mass, due to which the bridging web 28 is tilted or bent with the friction element 30 with respect to the longitudinal direction 19.
- Piezo element 20 of the other piezoelectric actuator 18 excited by means of the electronic unit 42 In this mode of operation, only one piezoelectric element 20 of the piezoelectric motor 12 is always excited, so that there can be no superimposition of two oscillatory excitations of the two piezoelectric actuators 18.
- the piezoelectric drive device is operated at its resonance frequency 44.
- the electronic unit 42 has a tuning circuit 46, which controls the corresponding piezoelectric element 20 in such a way that the entire system oscillates in resonance.
- the electronic unit 42 may be arranged, for example, at least partially within the actuator housing 18 or the bearing 36.
- the amplitudes 45 of the resonance frequency 44 of the longitudinal vibration 26 are shown in the two piezoelectric actuators 18, wherein the two piezoelectric actuators 18 are not excited simultaneously in this mode of operation.
- FIG. 2 shows a variation of the drive device 10, in which the piezomotor 12 is mounted in a body part 17.
- the friction surface 14 is formed as a circumferential surface of a rotary body 48, so that through the Plunger movement of the friction element 30 of the rotary body 48 is rotated.
- the direction of rotation 49 of the rotary body 48 can in turn be predetermined by the activation of only one piezoelectric element 20 on one of the two piezoactuators 18.
- Such a drive device 10 generates a rotation as a drive movement and can thus be used in place of an electric motor with a downstream transmission.
- a piezoelectric element 20 is shown enlarged, as it can be used for example in the piezoelectric motor 12 of FIG. 1 or 2.
- the piezoelectric element 20 has a plurality of separate layers 50, between which the respective
- Electrodes 40 are arranged. If a voltage 43 is applied to the electrodes 40 via the electronic unit 42, the piezoelectric element 20 expands in the longitudinal direction 19. The expansion and the contraction of the individual layers 50 add up, so that the total amplitude 45 of the piezoelectric element 20 in the longitudinal direction 19 can be predetermined by the number of layers 50.
- the layers 20 are transverse to
- the piezoelectric element 20 is preferably designed so that very large amplitudes 45 can be generated during resonance operation of the piezoelectric element 20.
- FIG. 4 shows a model of the piezoelectric drive device 10 which serves as the basis for adjusting the resonance frequency 44.
- an electrical equivalent circuit 51 of the piezoelectric actuator 18 is shown as a resonant circuit 52 in which an inductance 53 with a first capacitor 54 and a resistive load 55 are connected in series.
- a second capacitance 56 is connected in parallel.
- a voltage 43 is applied by means of the electronic unit 42.
- the resonance frequency 44 of the entire drive device 10 depends on the load 58, which is determined for example by the weight of the part 11 to be adjusted. Furthermore, the resonance frequency depends on the coupling of the power transmission 57, which is essentially determined by the friction condition between the friction element 30 and the friction surface 14.
- the adjusting device 10 when the adjusting device 10 is excited by means of the electronic unit 42, a frequency response occurs, as shown in FIG. 5.
- the power 59 is plotted against the frequency 69.
- At zero-crossing 61 of the shown reactive power 62 results in a maximum 63 of the active power 64.
- the maximum 63 of the active power 64 occurs at the resonance frequency 44, to which the piezoelectric drive device 10 is controlled by means of the tuning circuit 46.
- the resonance frequency 44 is for example in the range between 30 and 80 kHz, preferably between 30 and 50 kHz.
- FIG. 6 shows the associated impedance behavior of the piezo motor 12 via the frequency response.
- the phase characteristic 60 of the impedance of the adjusting device 10 represented by the oscillatory circuit 52 according to FIG. 4 has a first positive-slope zero-crossing 65 and a second negative-zero zero crossing 66 corresponding to the series resonance and the parallel resonance of the oscillating circuit 52 ,
- the phase angle 68 is shown on the Y-axis on the right side of the diagram.
- the tuning circuit 46 controls the frequency 69, for example, on the zero-crossing 65 with a positive slope, which electronically relatively easily by means of a phase locked loop 47 (Phase Locked Loop, PLL). is feasible.
- the left Y-axis 74 represents the magnitude 70 of the impedance, wherein the impedance curve 70 over the frequency 69 is a minimum 71 (antiresonance, corresponds to the maximum of the electrical admittance) at the first zero crossing 65 and a maximum 72 at the second zero crossing 66 has.
- Fig. 7a the course of the mechanical admittance 76 is shown, as it results from the quotient of the mechanical vibration speed of the piezoelectric actuator 18 by the electrical supply voltage 43.
- the mechanical admittance 76 represents the reciprocal of the mechanical impedance (not shown), which results from the quotient of the supply voltage 43 by the mechanical oscillation speed of the piezoelectric actuator 18.
- the mechanical admittance 76 is shown over the frequency range 69 and forms a maximum at a resonance frequency 44 and a minimum at an anti-resonance frequency 77.
- phase curve 60 of the mechanical phase angle 68 between the mechanical oscillation speed and the electrical supply voltage 43 is recorded accordingly.
- the phase curve 60 has a zero slope 66 with a negative slope, and with the anti-resonance frequency 77 a corresponding zero passage 65 with a positive slope.
- the tuning circuit 46 controls the excitation frequency 93 of the piezoelectric actuator 18, for example, to the resonance frequency 44th the mechanical admittance 76, being used as a controlled variable of the zero-crossing 66 with a negative slope of the corresponding phase curve 60.
- the reciprocal of the mechanical admittance 76 forms the mechanical impedance (not shown), which then has a very similar course as the electrical impedance curve 70 according to FIG. 6.
- the phase characteristic (not shown) corresponding to the mechanical impedance is likewise given by the reciprocal value 7b and thus has a very similar course as the phase characteristic 60 of the electrical impedance of Fig. 6.
- the electrical impedance curve 70 of FIG. 6 can also by the formation of the
- the electrical impedance can be formed with a corresponding phase curve.
- the resonant frequencies 44 and the anti-resonant frequencies 77 may differ between the mechanical admittance 76 and the electrical admittance. Therefore, according to the requirements of the piezoelectric driving device 10, the piezoactuator 18 can be controlled to the resonance frequency 44 or the anti-resonant frequency 76 of the electrical or mechanical impedance.
- a piezo motor 12 is shown, which is controlled by means of a tuning circuit 46 having the electronic unit 42.
- a manipulated variable 80 for example, the excitation frequency 93 of the supply voltage 43 is used, but also the amplitude or other parameters of the excitation signal 94 can be specified.
- an excitation signal 94 a rectangular, triangular, sinusoidal or trapezoidal voltage can be applied to the piezoelectric actuator 18 whose frequency and / or its amplitude is regulated.
- a setpoint 83 for example, a specific resonance frequency 44, or a certain
- Variance range 82 given around the resonant frequency 44, which controls the tuning circuit 46. Furthermore, additional signals 91 can be supplied to the electronic unit 42, which, for example, reflect environmental influences or input instructions.
- the actual values 84 of the piezomotor 12 or of the adjusting device 10 for example the actual oscillation frequency, are returned to the tuning circuit 46.
- a phase-locked loop 47 (Phased Locked Loop, PLL) is shown, which is particularly adapted to a zero-crossing 65, 66 of the phase curve 60, 78 as Rule size 79 to use.
- a phase detector 85 identifies the frequency 69 of the zero crossing 65, 66 and supplies the signal to a filter 86.
- the actual signal 84 is fed to a voltage controlled oscillator (VCO) 87, which provides a voltage signal 43 with a specific frequency as the manipulated variable 80.
- VCO voltage controlled oscillator
- the output signal of the VCO 87 is correspondingly amplified by means of an amplifier 88 and supplied to the piezoelectric actuator 18, which converts this voltage signal 43 into a corresponding mechanical oscillation of the piezoelectric element 20.
- both the mechanical vibration signal of the piezoelectric actuator 18 can be used, or directly the electrical excitation signal, so that the phase detector 85, the zero crossing 65, 66 of the mechanical admittance or electrical admittance, or the electrical or mechanical impedance detected.
- the piezo motors 12 When using a plurality of piezo motors 12 as a drive of a window (Part 11), the piezo motors 12 must be coordinated to ensure the synchronization of the part 11.
- the networking of the individual piezoelectric actuators 18 is intended to provide an accumulation of the driving forces at the same feed rate.
- the control should tune the operation behavior of the respective piezo motors 12 with each other automatically during operation.
- the required synchronization of the piezo motors 12 is ensured via the electronic unit 42.
- the piezomotor positions can optionally be detected by suitable sensors.
- the control of a single piezo motor 12 involves a real-time measurement of its actual electro-mechanical state, which is influenced by external parameters such as aging, load, wear or temperature.
- each piezo motor 12 is controlled by a separate control unit 42, or in more demanding drive devices 10, the following method can be used.
- the information processing of the mechatronics is superimposed on self-optimized information processing.
- This superordinate unit or so-called operator 90 includes a mathematical modeling of the overall drive system 10, consisting of electrical drive, the piezoelectric material behavior, the mechanical vibration system and a friction element / friction surface contact model. By capturing and returning all necessary quantities into this overall model, it is possible to draw conclusions about the overall behavior and to configure a process control for the entire system.
- the operator 90 receives information from the individual motor controls and from the driven part 11 on the one hand and receives state signals from the outside on the other hand (user input,
- the operator 90 provides the separate electronics units 42 with changed parameters and setpoints, and provides the user with system information, such as information. Drive status or due maintenance, back. In the event of a failure of the operator 90, the individual piezomotors 90 are still able to move the part 11.
- system information such as information. Drive status or due maintenance, back.
- the individual piezomotors 90 are still able to move the part 11.
- all the piezo actuators 18 of the drive device 10 are operated at a fixed frequency, which is in the resonance range of all piezoelectric actuators 18 or in the immediate vicinity of the piezoactuators.
- the excitation frequency 93 is varied continuously over the variance region 82.
- the piezoelectric drive 10 reaches its greatest efficiency.
- the resonant frequency 44 of the piezoelectric actuator 18 depends on the structure of the piezoelectric motor 12, the materials used and the external influences, such as temperature, aging and the load by the movable member 11 from. Further, the piezoelectric actuators 18 may have different resonance frequencies 44, even if the piezoelectric actuators 18 were made identical.
- the piezo actuators 18 can be mechanically manipulated to shift their resonance frequency 44. In this case, for example, material 95 is removed from the actuator housing 22 (see FIG. 2).
- material 95 on the piezoelectric actuator 18 can be reduced at attractive locations of the piezoelectric housing 22 by means of milling, drilling, eroding or grinding.
- additional material 96 may be attached to the piezoactuator 18 at another piezoelectric actuator 18, for example by means of bonding, welding, coating. This positive or negative balancing can be realized at all accessible locations of the piezoactuator 18 to shift the resonant frequency 44 in the desired direction.
- the specific design of the piezoelectric actuators 18, the actuator housing 22, the piezoelectric elements 20 (monobloc, stack or multilayer), the bridging web 28 and the friction element 30 can be varied according to the application.
- the plunger movement may be formed as a pure pushing movement or as a substantially elliptical trajectory, wherein according to the transverse component of the power transmission, the friction pairing between the friction element 30 and the friction surface 14 has a higher or lower coefficient of friction.
- the friction element 30 engages without friction in corresponding recesses of the drive element, for example, the linear guide rail 16 or the rotary body 48.
- the piezoelectric actuator 18 may also be operated with a bending vibration, which overlaps, for example, with the longitudinal vibration 26.
- the corresponding vibrations of a plurality of piezoelectric actuators 18 of a piezoelectric motor 12 can be excited simultaneously (single-phase or multi-phase), whereby a superposition of these vibrations a
- the drive unit 10 is used for adjusting movable parts 11 in the motor vehicle, but is not limited to such an application.
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Piezoelectric drive (10) and method of operating same to move movable parts (11), in particular in a motor vehicle. The drive (10) has at least one piezoelectric motor (12) with at least one piezo-actuator (18). At least one friction element (30) of the piezoelectric motor (12) can generate a relative movement relative to a friction surface (14) opposite the friction element (30). The at least one piezo-actuator (18) is connected to an electronic unit (42) having an electric tuning circuit (46) that tunes the piezoelectric drive (10) to a resonance frequency (44).
Description
Beschreibung description
Titeltitle
Piezoelektrische AntriebsvorrichtungPiezoelectric drive device
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung sowie einem Verfahren zum Betreiben eines solchen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention is based on a piezoelectric drive device and a method for operating such according to the preamble of the independent claims.
Mit der WO 00/28652 Al ist ein Ultraschall-Motor bekannt geworden, bei dem eine Rotorwelle mittels Ultraschall-Vibratoren in Drehung versetzt wird. Dabei sind zwei Ultraschall-Vibratoren rechtwinklig miteinander verbunden, wobei beide Vibratoren derart mit einer Wechselspannung versorgt werden, dass die beiden Vibratoren mit einer Phasendifferenz zueinander schwingen. Diese Schwingung erzeugt eine Bewegung eines Stößels, der die Rotorwelle in Drehung versetzt. Nachteilig ist bei diesem Ultraschall-Motor, dass aufgrund der Ausbildung und der Betriebsweise der Vibratoren viele Ultraschall-Vibratoren notwendig sind, um ein ausreichendes Antriebsmoment zu erzeugen. Ein solcher Motor ist daher sehr teuer und benötigt für die Überlagerung der verschiedenen angeregten Schwingungen eine aufwändige elektronische Ansteuerung und einen entsprechend großen Bauraum.With WO 00/28652 Al an ultrasonic motor has become known, in which a rotor shaft is rotated by means of ultrasonic vibrators in rotation. In this case, two ultrasonic vibrators are connected at right angles to each other, both vibrators are supplied with an AC voltage such that the two vibrators vibrate to each other with a phase difference. This vibration generates a movement of a plunger that rotates the rotor shaft. A disadvantage of this ultrasonic motor that due to the design and operation of the vibrators many ultrasonic vibrators are necessary to produce sufficient drive torque. Such a motor is therefore very expensive and requires a complex electronic control and a correspondingly large space for the superposition of the various excited vibrations.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung, sowie das Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch den Betrieb der Piezoaktoren in ihrer Resonanzfrequenz deren Piezokeramik optimal ausgenutzt wird. Dadurch lässt sich bei relativ geringem Materialeinsatz der Piezokeramik große Auslenkung des Piezoaktors erzeugen, wodurch ein großer Vorschub, beziehungsweise ein großes Moment auf die
korrespondierende Reibefläche übertragen werden kann. Durch den Resonanzbetrieb wird die Piezokeramik im Punkt ihrer höchsten Effizienz betrieben, wodurch die elektrische Verlustleistung stark reduziert wird und dadurch eine Erwärmung der Piezokeramik vermieden wird. Durch die Ausnützung der Dielektrizität der Piezokeramik werden keine störenden elektromagnetischen Felder erzeugt, noch wird der Betrieb der Piezokeramik durch äußere Magnetfelder merklich beeinträchtigt. Beim Betrieb des Piezoaktors im Resonanzbetrieb, kann durch das Design des Piezoaktors die Amplitude und die Kraftübertragung des Piezoaktors an die korrespondierende Reibefläche angepasst werden. Aufgrund der hohen Leistungsdichte des Piezoaktors kann der Materialeinsatz der relativ kostenintensiven Piezokeramik reduziert werden, bzw. die Leistung des Piezoantriebs erhöht werden. Besonders vorteilhaft kann der Resonanzbetrieb des Piezoaktors mittels einer elektrischen Abstimmschaltung erzeugt werden, die die Anregungsfrequenz des Piezoaktors auf die Resonanzfrequenz des Piezomotors regelt. Dabei wird vorteilhaft eine Belastung durch die Blindleistung vermieden, wodurch das Bordnetz weniger belastet wird. Verglichen mit herkömmlichen DC- Motoren treten auch keine Anlaufströme oder Blockierströme auf, so dass ein deutlich höherer Wirkungsgrad des Piezoantriebs erzielt werden kann.The piezoelectric drive device according to the invention, as well as the method for operating such a device with the features of the independent claims have the advantage that the piezoceramic is optimally utilized by the operation of the piezoelectric actuators in their resonance frequency. As a result, large displacement of the piezoactuator can be produced with relatively little use of material of the piezoceramic, which results in a large feed, or a large moment on the piezoelectric actuator corresponding friction surface can be transferred. By the resonance operation, the piezoceramic is operated at the point of their highest efficiency, whereby the electrical power loss is greatly reduced and thus heating of the piezoceramic is avoided. By exploiting the dielectric of the piezoceramic no disturbing electromagnetic fields are generated, nor is the operation of the piezoceramic significantly affected by external magnetic fields. When operating the piezoelectric actuator in resonant mode, the amplitude and the force transmission of the piezoelectric actuator can be adapted to the corresponding friction surface by the design of the piezoelectric actuator. Due to the high power density of the piezoelectric actuator, the use of materials of the relatively expensive piezoceramic can be reduced or the power of the piezoelectric drive can be increased. Particularly advantageously, the resonance operation of the piezoelectric actuator can be generated by means of an electrical tuning circuit which regulates the excitation frequency of the piezoelectric actuator to the resonance frequency of the piezoelectric motor. In this case, a load is advantageously avoided by the reactive power, whereby the electrical system is less burdened. Compared with conventional DC motors, no starting currents or blocking currents occur, so that a significantly higher efficiency of the piezo drive can be achieved.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen möglich. Mittels der Abstimmschaltung der Elektronikeinheit kann der Piezomotor, beziehungsweise die komplette Antriebsvorrichtung in ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden. Durch die Regelung auf den Null-Durchgang des Phasenverlaufs des Antriebssystems kann die Resonanzfrequenz sehr genau eingehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad des Piezoaktors deutlich gesteigert werden kann.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the embodiments specified in the dependent claims are possible. By means of the tuning circuit of the electronics unit of the piezoelectric motor, or the entire drive device can be excited in its resonant frequency. By regulating the zero crossing of the phase characteristic of the drive system, the resonance frequency can be maintained very accurately, whereby the efficiency of the piezoelectric actuator can be significantly increased.
Günstigerweise wird der Piezomotor bei der Frequenz des Null-Durchgangs des Phasenverlaufs der Impedanz mit positiver Steigung betrieben, die durch die erfindungsgemäße Abstimmschaltung sehr einfach geregelt werden kann.Conveniently, the piezo motor is operated at the frequency of the zero crossing of the phase characteristic of the impedance with positive slope, which can be controlled very easily by the tuning circuit according to the invention.
Zur Maximierung der mechanischen Schwingungsamplitude des Piezoaktors wird dieser vorteilhaft im Bereich der Resonanzfrequenz der mechanischen Admittanz bzw. der mechanischen Impedanz angesteuert.To maximize the mechanical oscillation amplitude of the piezoelectric actuator, it is advantageously driven in the region of the resonance frequency of the mechanical admittance or the mechanical impedance.
Wird der Piezoaktor im Bereich der Resonanz der elektrischen Admittanz betrieben, kann die Blindleistung vorteilhaft minimiert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Piezoan-
triebs optimiert wird. Alternativ kann der Piezoantrieb aber auch in der elektrischen Antiresonanz (Maximum der Impedanz) betrieben werden.If the piezoelectric actuator is operated in the region of the resonance of the electrical admittance, the reactive power can advantageously be minimized, whereby the efficiency of the piezo- is optimized. Alternatively, the piezo drive can also be operated in the electrical antiresonance (maximum of the impedance).
Der Piezoaktor ist zweckmäßig einem elektrischen Schwingkreis nachgebildet, der zur Regelung auf die Resonanzfrequenz im Null-Durchgang des Phasenverlaufs des Piezoaktor-Schwingkreises betrieben wird.The piezoelectric actuator is expediently simulated an electrical resonant circuit which is operated to control the resonance frequency in the zero crossing of the phase characteristic of the piezoelectric actuator resonant circuit.
Im Resonanzbetrieb wird die Piezokeramik, die Elektronikeinheit und die Spannungsquelle nicht mit einer Blindleistung belastet, wodurch die Elektronik einfacher ausgeführt werden kann und beispielsweise auf zusätzliche Schalter und Filterelemente verzichtet werden kann.In resonance mode, the piezoceramic, the electronics unit and the voltage source is not charged with a reactive power, whereby the electronics can be performed more easily and can be dispensed with, for example, additional switches and filter elements.
Die Regelung auf einen Null-Durchgang eines Phasenverlaufs erfolgt besonders einfach mittels eines Phase Locked Loop (PLL), die mit einem Voltage Controlled Oscillator (VCO) als Stellgröße eine Anregungsfrequenz für das Piezoelement bereitstellt.The control of a zero crossing of a phase curve is particularly simple by means of a phase locked loop (PLL), which provides a voltage controlled oscillator (VCO) as a manipulated variable an excitation frequency for the piezoelectric element.
Zur Vereinfachung des Regelaufwands kann ein Varianzbereich um die Resonanzfrequenz herum definiert werden, innerhalb dessen die Anregungsfrequenz ständig gescannt wird.To simplify the control effort, a range of variance around the resonant frequency can be defined, within which the excitation frequency is constantly being scanned.
Da sich die Resonanzfrequenz der Piezoaktoren aufgrund äußerer Einflüsse verändern kann, wird die Anregungsfrequenz bzw. der Varianzbereich der veränderlichen Resonanzfrequenz nachgeregelt.Since the resonance frequency of the piezoelectric actuators can change due to external influences, the excitation frequency or the variance range of the variable resonance frequency is readjusted.
Durch die Verwendung einer übergeordneten Steuereinheit, kann diese als Operator auch eine größere Anzahl von Piezoaktoren und/oder Piezomotoren optimal miteinander koordinieren. Durch die Eingabe einer Vielzahl von Zustandssignalen zur Steuerung des Antriebs durch den Operator, kann dieser auch Fehler- oder Wartungsinformationen des Antriebssystems anzeigen.By using a higher-level control unit, it can also optimally coordinate with one another as an operator a larger number of piezoactuators and / or piezomotors. By inputting a plurality of status signals to control the operator by the operator, the operator can also display error or maintenance information of the drive system.
Bevorzugt wird der Piezoaktor nur in Längsschwingungen versetzt, so dass nur Schwingungskomponenten entlang der Längsrichtung mit der größten Ausdehnung des Piezoaktors angeregt werden. Dazu werden die Piezokeramik und die Ausbildung des Gehäuses des Piezoaktors entsprechend optimiert.Preferably, the piezoelectric actuator is only offset in longitudinal vibrations, so that only vibration components are excited along the longitudinal direction with the largest dimension of the piezoelectric actuator. For this purpose, the piezoceramic and the design of the housing of the piezoelectric actuator are optimized accordingly.
Ist die Längsrichtung des Piezoaktors im Ruhezustand im Wesentlichen senkrecht zur korrespondieren Reibefläche des Antriebelements ausgerichtet, so kann die Längs-
- A - schwingung eines einzigen Piezoaktors effektiv in beide entgegengesetzten Bewegungsrichtungen der Relativbewegung gegenüber der Reibefläche umgesetzt werden.If, in the rest state, the longitudinal direction of the piezoelectric actuator is oriented substantially perpendicular to the corresponding friction surface of the drive element, then the longitudinal - A - vibration of a single piezoelectric actuator can be effectively implemented in both opposite directions of movement of the relative movement relative to the friction surface.
Zur Erzeugung einer großen Schwingungsamplitude des Piezoaktors in Längsrichtung ist die Piezokeramik im Piezogehäuse derart vorgespannt, dass im Schwingbetrieb in der Piezokeramik keine Zugkräfte auftauchen. Dadurch lässt sich ein Schwingsystem mit einer hohen Steifigkeit in Längsrichtung erzielen.To generate a large oscillation amplitude of the piezoelectric actuator in the longitudinal direction, the piezoceramic is biased in the piezoelectric housing in such a way that no tensile forces arise in the piezoelectric ceramic during oscillation operation. This makes it possible to achieve a vibration system with a high rigidity in the longitudinal direction.
Aufgrund der Mikrostoßbewegung des Friktionselements gegenüber der korrespondieren- den Reibefläche kann eine Relativbewegung erzeugt werden, ohne dass zusätzliche träge Massen in Bewegung gesetzt werden müssen. Durch eine geeignete Wahl der Reibpartner zwischen dem Friktionselement und der korrespondierenden Reibefläche kann die Schwingung des Piezoaktors sehr verlustarm in eine Linearbewegung oder Rotationsbewegung eines Antriebelements umgesetzt werden. Zur Unterstützung der Kraftübertragung kann zusätzlich zum Reibschluss ein Formschluss - beispielsweise eine Mikroverzahnung - zwischen dem Friktionselement und der Reibefläche ausgebildet werden.Due to the micro-pushing movement of the friction element relative to the corresponding friction surface, a relative movement can be generated without additional inert masses having to be set in motion. By a suitable choice of the friction partner between the friction element and the corresponding friction surface, the vibration of the piezoelectric actuator can be converted very low loss in a linear movement or rotational movement of a drive element. To support the power transmission, in addition to the frictional engagement, a form-fitting connection - for example a micro-toothing - can be formed between the friction element and the friction surface.
Aufgrund der Anordnung des Friktionselements gegenüber dem Piezoaktor kann die Längsschwingung des Piezoaktors in eine lineare, eine elliptische odereine kreisförmige Bewegung des Friktionselements, insbesondere dessen der Reibefläche zugewandten Ende, umgesetzt werden. Eine elliptische Bewegung des Friktionselements kann sehr harmonisch auf das Antriebselement übertragen werden, wobei durch die Umkehrung des Umlaufsinns die Richtung der Relativbewegung umgekehrt werden kann.Due to the arrangement of the friction element relative to the piezoelectric actuator, the longitudinal vibration of the piezoelectric actuator can be converted into a linear, an elliptical or a circular movement of the friction element, in particular its end facing the friction surface. An elliptical movement of the friction element can be transmitted very harmoniously to the drive element, whereby the direction of the relative movement can be reversed by reversing the direction of rotation.
Das Antriebselement mit der Reibefläche kann vorteilhaft als lineare Antriebsschiene oder als Rotorwelle ausgebildet werden. Durch die Haltekraft, mit dem das Friktionselement gegen die lineare Schiene oder den Rotationskörper gepresst wird, wird die tangentiale Bewegungskomponente des Friktionselements auf das Antriebselement übertragen.The drive element with the friction surface can be advantageously designed as a linear drive rail or as a rotor shaft. By the holding force with which the friction element is pressed against the linear rail or the rotating body, the tangential movement component of the friction element is transmitted to the drive element.
Besonders günstig ist es, den Piezomotor an dem beweglichen Teil zu befestigen, so dass sich dieser gegenüber einer ortsfesten Reibefläche mit dem beweglichen Teil wegbewegt. Beispielsweise kann der Piezomotor an einer Fensterscheibe befestigt werden, und sich entlang einer Reibefläche einer karosseriefesten Führungsschiene abstoßen. Alternativ kann der Piezomotor ortsfest angeordnet werden und sich
entsprechend die Reibefläche bewegen, die an einer linearen Schiene des zu verstellenden Teils angeordnet ist.It is particularly advantageous to fix the piezomotor to the movable part, so that it moves away from a stationary friction surface with the movable part. For example, the piezomotor can be fastened to a window pane and repel along a rubbing surface of a body-fixed guide rail. Alternatively, the piezoelectric motor can be arranged stationary and Accordingly, the friction surface move, which is arranged on a linear rail of the part to be adjusted.
Wird die Piezokeramik in mehreren Schichten ausgebildet, zwischen denen Elektronen angeschlossen werden, lässt sich mit einer vorgegebenen Spannung eine größere Schwingungsamplitude erzeugen. Werden die Schichten quer zur Längsrichtung des Piezoaktors angeordnet, wird dadurch die Längsschwingung in Längsrichtung maximiert.If the piezoceramic is formed in several layers, between which electrons are connected, a larger oscillation amplitude can be generated with a predetermined voltage. If the layers are arranged transversely to the longitudinal direction of the piezoactuator, the longitudinal oscillation in the longitudinal direction is thereby maximized.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Piezomotor exakt zwei Piezoaktoren auf. Diese können günstigerweise derart betrieben werden, dass jeweils ein Piezoaktor für eine Bewegungsrichtung der Relativbewegung angeregt wird. Dies hat den Vorteil, dass immer nur exakt ein Piezoaktor mittels der Elektronikeinheit in Schwingung versetzt wird, und der zweite Piezoaktor lediglich als träge Masse mitschwingt. Dadurch wird eine komplizierte Überlagerung der beiden gleichzeitig angeregten Piezoaktor- Schwingungen unterbunden. Alternativ können mehrere Piezoaktoren auch gleichzeitig angesteuert werden mittels eines identischen oder mittels unterschiedlicher Anregungsbzw. Versorgungssignale.In a preferred embodiment of the invention, the piezoelectric motor has exactly two piezoelectric actuators. These can be favorably operated such that in each case a piezoelectric actuator is excited for a direction of movement of the relative movement. This has the advantage that only exactly one piezoelectric actuator is vibrated by means of the electronic unit, and the second piezoelectric actuator resonates only as an inertial mass. As a result, a complicated superposition of the two simultaneously excited piezoactuator oscillations is prevented. Alternatively, a plurality of piezoelectric actuators can also be controlled simultaneously by means of an identical or by means of different excitation signals. Supply signals.
Beispielsweise kann der Peizomotor für einen Fensterheberantrieb im Kraftfahrzeug an einer Fensterscheibe befestigt werden. Durch die direkte Erzeugung einer linearenFor example, the Peizomotor for a power window drive in the motor vehicle can be attached to a window pane. By directly generating a linear
Bewegung ist eine sehr schnelle Ansprechzeit mit hoher Dynamik möglich. Durch das Mikrostoßprinzip kann eine äußerst präzise Positionierung des zu verstellenden Teils bei geringer Geräuschemission erzielt werden.Motion is a very fast response time with high dynamics possible. Due to the micro-shock principle, an extremely precise positioning of the part to be adjusted can be achieved with low noise emission.
Die Resonanzfrequenz der Piezoaktoren kann sehr kostengünstig mittels positivem oder negativen Auswuchten verändert werden, um beispielsweise mehrere Piezoaktoren mit genau einer Anregungsfrequenz betreiben zu können. Dazu kann Gehäusematerial an einer entsprechenden Stelle abgetragen werden, oder Material hinzugefügt werden.The resonant frequency of the piezoelectric actuators can be changed very inexpensively by means of positive or negative balancing, in order for example to be able to operate a plurality of piezoactuators with exactly one excitation frequency. For this purpose, housing material can be removed at a corresponding point, or material can be added.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it
Fig. 1 Eine erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung,1 is a piezoelectric drive device according to the invention,
Fig. 2 eine weitere Ausführung für einen Rotationsantrieb, Fig. 3 ein Piezoelement für den Einbau in den Piezoaktor gemäß Fig. 1,2 shows a further embodiment for a rotary drive, FIG. 3 shows a piezo element for installation in the piezoelectric actuator according to FIG. 1, FIG.
Fig. 4 eine schematische Darstellung zum Betreiben der Antriebsvorrichtung,4 shows a schematic illustration for operating the drive device,
Fig. 5 eine Resonanzkurve des Piezomotors und
Fig. 6 eine Impedanzkurve für das piezoelektrische Antriebssystem Fig. 7a,b ein Verlauf der mechanischen Admittanz mit korrespondierendem Phasenverlauf,Fig. 5 is a resonance curve of the piezo motor and 6 shows an impedance curve for the piezoelectric drive system FIG. 7 a, b shows a course of the mechanical admittance with a corresponding phase curve,
Fig. 8 schematisch die Regelung des Anregungssignals des Piezoaktors, und Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Phasenregelschleife der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung.8 schematically shows the regulation of the excitation signal of the piezoactuator, and FIG. 9 shows a schematic illustration of a phase locked loop of the piezoelectric drive device.
In Fig. 1 ist eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 dargestellt, bei der ein Piezomotor 12 eine Relativbewegung gegenüber einer korrespondierenden Reibefläche 14 ausführt. Die Reibefläche 14 ist hierbei als lineare Schiene 16 ausgebildet, die beispielsweise an einem Karosserieteil 17 befestigt ist. Der Piezomotor 12 weist mindestens einen Piezoaktor 18 auf, der wiederum ein Piezoelement 20 enthält. Hierzu weist der Piezoaktor 18 ein Aktorgehäuse 22 auf, das das Piezoelement 20 aufnimmt. Das Aktorgehäuse 22 ist beispielsweise hülsenförmig ausgebildet. In den dargestellten Ausführungen ist das Piezoelement 20 vom Aktorgehäuse 22 umschlossen. DerIn Fig. 1, a piezoelectric drive device 10 is shown, in which a piezoelectric motor 12 performs a relative movement relative to a corresponding friction surface 14. The friction surface 14 is in this case formed as a linear rail 16, which is fastened, for example, to a body part 17. The piezomotor 12 has at least one piezoelectric actuator 18, which in turn contains a piezoelectric element 20. For this purpose, the piezoelectric actuator 18 has an actuator housing 22 which accommodates the piezoelectric element 20. The actuator housing 22 is formed, for example, sleeve-shaped. In the illustrated embodiments, the piezoelectric element 20 is enclosed by the actuator housing 22. Of the
Piezoaktor 18 weist eine Längsrichtung 19 auf, in deren Richtung die Ausdehnungen des Piezoaktors 18 größer ist als in einer Querrichtung 24 dazu. Das Piezoelement 20 ist vorzugsweise im Aktorgehäuse 22 in Längsrichtung 19 vorgespannt, derart, dass bei einer Anregung einer Längsschwingung 26 des Piezoelements 20 in diesem keine Zugkräfte auftreten. Durch die Schwingung des Piezoelements 20 wird der gesamtePiezo actuator 18 has a longitudinal direction 19, in the direction of which the expansions of the piezoelectric actuator 18 is greater than in a transverse direction 24 thereto. The piezoelectric element 20 is preferably biased in the actuator housing 22 in the longitudinal direction 19, such that upon excitation of a longitudinal vibration 26 of the piezoelectric element 20 in this no tensile forces occur. Due to the vibration of the piezoelectric element 20, the entire
Piezoaktor 18 in Längsschwingung 26 versetzt und überträgt eine Schwingungsamplitude 45 über einen Brückensteg 28 auf ein Friktionselement 30, das in Reibkontakt zur Reibefläche 14 steht. Durch die Längsschwingung 26 des Piezoaktors 18 wird der Brückensteg 28 in eine Kippbewegung oder eine Biegebewegung versetzt, so dass ein der Reibefläche 14 zugewandtes Ende 31 des Friktionselements 30 einePiezoelectric actuator 18 in longitudinal vibration 26 is offset and transmits a vibration amplitude 45 via a bridging web 28 on a friction element 30 which is in frictional contact with the friction surface 14. By the longitudinal vibration 26 of the piezoelectric actuator 18, the bridge web 28 is set in a tilting movement or a bending movement, so that the friction surface 14 facing the end 31 of the friction element 30 a
Mikrostoßbewegung ausführt. Die Wechselwirkung zwischen dem Friktionselement 30 und der Reibefläche 14 ist in dem vergrößerten Ausschnitt dargestellt, in dem ersichtlich ist, dass der Brückensteg 28, der in Ruhestellung näherungsweise parallel zur Reibefläche 14 angeordnet ist, bei angeregter Schwingung des Piezoaktors 18 gegenüber der Reibefläche 14 verkippt. Dabei führt das Ende 31 des Friktionselements 30 beispielsweise eine Ellipsenbewegung 32 oder Kreisbewegung aus, mittels derer sich der Piezomotor 12 entlang der linearen Schiene 16 abstößt. Der Piezomotor 12 ist im Bereich von Schwingungsknoten 34 der Piezoaktoren 18 gelagert und beispielsweise mit einem zu bewegenden Teil 11 verbunden. Gleichzeitig wird der Piezomotor 12 über eine Lagerung 36 mit einer Normalkraft 37 gegen die Reibefläche 14 gedrückt. Dadurch führt das Ende 31 des Friktionselements 30 nun eine Ellipsenbewegung 32 aus, die zusätzlich zur Normalkraft 37 eine tangentiale Kraftkomponente 38 aufweist, die den Vorschub des
Piezomotors 12 gegenüber der Reibefläche 14 bewirkt. In einer alternativen Ausführung führt das Friktionselement 30 lediglich eine lineare Stoßbewegung unter einem gewissen Winkel zur Normalkraft 37 aus. Dadurch kommt es ebenfalls zu einer Relativbewegung mittels Mikrostößen.Performs micro-momentum motion. The interaction between the friction element 30 and the friction surface 14 is shown in the enlarged section, in which it can be seen that the bridging web 28, which is arranged in the rest position approximately parallel to the friction surface 14, tilted with respect to the friction surface 14 at the excited vibration of the piezoelectric actuator 18. In this case, the end 31 of the friction element 30 performs, for example, an elliptical movement 32 or circular movement, by means of which the piezomotor 12 abuts along the linear rail 16. The piezomotor 12 is mounted in the region of vibration nodes 34 of the piezoactuators 18 and connected, for example, to a part 11 to be moved. At the same time, the piezomotor 12 is pressed against the rubbing surface 14 via a bearing 36 with a normal force 37. As a result, the end 31 of the friction element 30 now executes an elliptical movement 32 which, in addition to the normal force 37, has a tangential force component 38 which controls the advance of the Piezo motor 12 relative to the rubbing surface 14 causes. In an alternative embodiment, the friction element 30 performs only a linear pushing movement at a certain angle to the normal force 37. This also leads to a relative movement by means of micro-collisions.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 weist der Piezomotor 12 genau zwei Piezoaktoren 18 auf, die beide näherungsweise parallel zu ihrer Längsrichtung 19 angeordnet sind. Dabei ist der Brückensteg 28 quer zur Längsrichtung 19 angeordnet und verbindet die beiden Piezoaktoren 18 an ihren Stirnseiten 27. Der Brückensteg 28 ist beispielsweise als ebene Platte 29 ausgebildet, in deren Mitte das Friktionselement 30 angeordnet ist. In einer bevorzugten Betriebsweise der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 wird für eine Relativbewegung in eine erste Richtung 13 nur einer der beiden Piezoaktoren 18 angeregt. Dabei wirkt der zweite, nicht angeregte Piezoaktor 18 über den Brückensteg 28 als Schwingmasse, aufgrund derer der Brückensteg 28 mit dem Friktionselement 30 gegenüber der Längsrichtung 19 verkippt oder verbogen wird. Entsprechend derIn the exemplary embodiment according to FIG. 1, the piezomotor 12 has exactly two piezoactuators 18, which are both arranged approximately parallel to their longitudinal direction 19. In this case, the bridge web 28 is arranged transversely to the longitudinal direction 19 and connects the two piezo actuators 18 at their end faces 27. The bridging web 28 is formed for example as a flat plate 29, in the middle of the friction element 30 is arranged. In a preferred mode of operation of the piezoelectric drive device 10, only one of the two piezoactuators 18 is excited for a relative movement in a first direction 13. In this case, the second, non-excited piezoactuator 18 acts via the bridging web 28 as an oscillating mass, due to which the bridging web 28 is tilted or bent with the friction element 30 with respect to the longitudinal direction 19. According to the
Steifigkeit des Aufbaus des Piezomotors 12 wird somit die Längsschwingung 26 des Piezoelements 20 in eine Mikrostoßbewegung mit einer tangentialen Kraftkomponente 38 umgewandelt. Die elektrische Anregung des Piezoelements 20 erfolgt über Elektroden 40, die mit einer Elektronikeinheit 42 verbunden sind. Für eine Bewegung des Piezomotors 12 in die entgegengesetzte Richtungen 15 wird entsprechend dasStiffness of the structure of the piezoelectric motor 12 thus the longitudinal vibration 26 of the piezoelectric element 20 is converted into a micro-shock movement with a tangential force component 38. The electrical excitation of the piezoelectric element 20 via electrodes 40, which are connected to an electronic unit 42. For a movement of the piezo motor 12 in the opposite directions 15 is accordingly the
Piezoelement 20 des anderen Piezoaktors 18 mittels der Elektronikeinheit 42 angeregt. Bei dieser Betriebsweise ist immer nur ein Piezoelement 20 des Piezomotors 12 angeregt, so dass es zu keiner Überlagerung von zwei Schwingungsanregungen beider Piezoaktoren 18 kommen kann.Piezo element 20 of the other piezoelectric actuator 18 excited by means of the electronic unit 42. In this mode of operation, only one piezoelectric element 20 of the piezoelectric motor 12 is always excited, so that there can be no superimposition of two oscillatory excitations of the two piezoelectric actuators 18.
Erfindungsgemäß wird die piezoelektrische Antriebsvorrichtung in ihrer Resonanzfrequenz 44 betrieben. Dazu weist die Elektronikeinheit 42 eine Abstimmschaltung 46 auf, die das entsprechende Piezoelement 20 derart ansteuert, dass das gesamte System in Resonanz schwingt. Die Elektronikeinheit 42 kann beispielsweise zumindest teilweise auch innerhalb des Aktorgehäuses 18 oder der Lagerung 36 angeordnet sein. In Fig. 1 sind in den beiden Piezoaktoren 18 jeweils die Amplituden 45 der Resonanzfrequenz 44 der Längsschwingung 26 dargestellt, wobei die beiden Piezoaktoren 18 bei dieser Betriebsweise nicht gleichzeitig angeregt werden.According to the invention, the piezoelectric drive device is operated at its resonance frequency 44. For this purpose, the electronic unit 42 has a tuning circuit 46, which controls the corresponding piezoelectric element 20 in such a way that the entire system oscillates in resonance. The electronic unit 42 may be arranged, for example, at least partially within the actuator housing 18 or the bearing 36. In Fig. 1, the amplitudes 45 of the resonance frequency 44 of the longitudinal vibration 26 are shown in the two piezoelectric actuators 18, wherein the two piezoelectric actuators 18 are not excited simultaneously in this mode of operation.
In Fig. 2 ist eine Variation der Antriebsvorrichtung 10 dargestellt, bei der der Piezomotor 12 in einem Karosserieteil 17 gelagert ist. Hingegen ist die Reibefläche 14 als Umfangsfläche eines Rotationskörpers 48 ausgebildet, so dass durch die
Stößelbewegung des Friktionselements 30 der Rotationskörper 48 in Drehung versetzt wird. Entsprechend der zu Fig. 1 beschriebenen Betriebsweise kann die Drehrichtung 49 des Rotationskörpers 48 wiederum durch die Ansteuerung von jeweils nur einem Piezoelement 20 an einem der beiden Piezoaktoren 18 vorgegeben werden. Eine solche Antriebsvorrichtung 10 erzeugt eine Rotation als Antriebsbewegung und kann somit an Stelle eines Elektromotors mit nachgeschaltetem Getriebe eingesetzt werden.FIG. 2 shows a variation of the drive device 10, in which the piezomotor 12 is mounted in a body part 17. By contrast, the friction surface 14 is formed as a circumferential surface of a rotary body 48, so that through the Plunger movement of the friction element 30 of the rotary body 48 is rotated. According to the mode of operation described with reference to FIG. 1, the direction of rotation 49 of the rotary body 48 can in turn be predetermined by the activation of only one piezoelectric element 20 on one of the two piezoactuators 18. Such a drive device 10 generates a rotation as a drive movement and can thus be used in place of an electric motor with a downstream transmission.
In Fig. 3 ist vergrößert ein Piezoelement 20 abgebildet, wie es beispielsweise im Piezomotor 12 der Fig. 1 oder 2 verwendet werden kann. Das Piezoelement 20 weist mehrere voneinander getrennte Schichten 50 auf, zwischen denen die jeweiligenIn Fig. 3, a piezoelectric element 20 is shown enlarged, as it can be used for example in the piezoelectric motor 12 of FIG. 1 or 2. The piezoelectric element 20 has a plurality of separate layers 50, between which the respective
Elektroden 40 angeordnet sind. Wird an den Elektroden 40 über die Elektronikeinheit 42 eine Spannung 43 angelegt, dehnt sich das Piezoelement 20 in Längsrichtung 19 aus. Die Ausdehnung und die Kontraktion der einzelnen Schichten 50 addiert sich auf, so dass durch die Anzahl der Schichten 50 die Gesamtamplitude 45 des Piezoelement 20 in Längsrichtung 19 vorgegeben werden kann. Die Schichten 20 sind dabei quer zurElectrodes 40 are arranged. If a voltage 43 is applied to the electrodes 40 via the electronic unit 42, the piezoelectric element 20 expands in the longitudinal direction 19. The expansion and the contraction of the individual layers 50 add up, so that the total amplitude 45 of the piezoelectric element 20 in the longitudinal direction 19 can be predetermined by the number of layers 50. The layers 20 are transverse to
Längsrichtung 19 im Aktorgehäuse 22 angeordnet, so dass der gesamte Piezoaktor 18 durch das Piezoelement 20 in Längsschwingung 26 versetzt wird. Das Piezoelement 20 ist vorzugsweise so ausgelegt, so dass im Resonanzbetrieb des Piezoelements 20 sehr große Amplituden 45 erzeugbar sind.Longitudinal direction 19 arranged in the actuator housing 22, so that the entire piezoelectric actuator 18 is offset by the piezoelectric element 20 in longitudinal vibration 26. The piezoelectric element 20 is preferably designed so that very large amplitudes 45 can be generated during resonance operation of the piezoelectric element 20.
In Fig. 4 ist ein Modell der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 dargestellt, das als Grundlage zur Einstellung der Resonanzfrequenz 44 dient. Dabei ist in form einer elektrischen Ersatzschaltung 51 der Piezoaktor 18 als Schwingkreis 52 dargestellt, in dem eine Induktivität 53 mit einer ersten Kapazität 54 und einer ohmschen Last 55 in Reihe geschaltet sind. Dazu ist eine zweite Kapazität 56 parallel geschaltet. An diesem Schwingkreis 52 wird eine Spannung 43 mittels der Elektronikeinheit 42 angelegt. Durch die Umwandlung der Längsschwingung 26 des Piezoaktors 18 in die Stößelbewegung des Friktionselements 30 wird die Resonanzfrequenz 44 des Piezoaktors 18 beeinflusst. Weiterhin hängt die Resonanzfrequenz 44 der gesamten Antriebsvorrichtung 10 von der Last 58 ab, die beispielsweise durch das Gewicht des zu verstellenden Teils 11 bestimmt wird. Weiterhin ist die Resonanzfrequenz von der Ankopplung der Kraftübertragung 57 abhängig, die wesentlich durch die Reibbedingung zwischen dem Friktionselement 30 und der Reibefläche 14 bestimmt wird.FIG. 4 shows a model of the piezoelectric drive device 10 which serves as the basis for adjusting the resonance frequency 44. In this case, in the form of an electrical equivalent circuit 51 of the piezoelectric actuator 18 is shown as a resonant circuit 52 in which an inductance 53 with a first capacitor 54 and a resistive load 55 are connected in series. For this purpose, a second capacitance 56 is connected in parallel. At this oscillation circuit 52, a voltage 43 is applied by means of the electronic unit 42. By converting the longitudinal vibration 26 of the piezoelectric actuator 18 in the plunger movement of the friction element 30, the resonance frequency 44 of the piezoelectric actuator 18 is influenced. Furthermore, the resonance frequency 44 of the entire drive device 10 depends on the load 58, which is determined for example by the weight of the part 11 to be adjusted. Furthermore, the resonance frequency depends on the coupling of the power transmission 57, which is essentially determined by the friction condition between the friction element 30 and the friction surface 14.
Gemäß diesem Schaltbild stellt sich bei der Anregung der Verstellvorrichtung 10 mittels der Elektronikeinheit 42 ein Frequenzgang ein, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Hierbei ist die Leistung 59 über der Frequenz 69 aufgetragen. Beim Null-Durchgang 61 der
dargestellten Blindleistung 62 ergibt sich ein Maximum 63 der Wirkleistung 64. Das Maximum 63 der Wirkleistung 64 tritt bei der Resonanzfrequenz 44 auf, auf die die piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 mittels der Abstimmschaltung 46 geregelt wird. Die Resonanzfrequenz 44 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 30 und 80 kHz, vorzugsweise zwischen 30 und 50 kHz.In accordance with this circuit diagram, when the adjusting device 10 is excited by means of the electronic unit 42, a frequency response occurs, as shown in FIG. 5. Here, the power 59 is plotted against the frequency 69. At zero-crossing 61 of the shown reactive power 62 results in a maximum 63 of the active power 64. The maximum 63 of the active power 64 occurs at the resonance frequency 44, to which the piezoelectric drive device 10 is controlled by means of the tuning circuit 46. The resonance frequency 44 is for example in the range between 30 and 80 kHz, preferably between 30 and 50 kHz.
In Fig. 6 ist das dazugehörige Impedanzverhalten des Piezomotors 12 über den Frequenzgang dargestellt. Der Phasenverlauf 60 der Impedanz der durch den Schwingkreis 52 gemäß Fig. 4 dargestellten Verstellvorrichtung 10 weist einen ersten Null-Durchgang 65 mit positiver Steigung und einen zweiten Null-Durchgang 66 mit negativer Steigung auf, die der Serien- und der Parallelresonanz des Schwingkreises 52 entsprechen. Der Phasenwinkel 68 ist auf der Y-Achse auf der rechten Seite des Diagramms dargestellt. Um die Antriebsvorrichtung 10 im Resonanzbetrieb zu halten - beispielsweise auch bei einer veränderlichen Last 58 - regelt die Abstimmschaltung 46 die Frequenz 69 beispielsweise auf den Null-Durchgang 65 mit positiver Steigung, was elektronisch relativ einfach mittels einer Phasenregelschleife 47 (Phase Locked Loop, PLL) realisierbar ist. Die linke Y-Achse 74 stellt den Betrag 70 der Impedanz dar, wobei der Impedanzverlauf 70 über der Frequenz 69 ein Minimum 71 (Antiresonanz, entspricht dem Maximum der elektrischen Admittanz) am ersten Null-Durchgang 65 und ein Maximum 72 am zweiten Null-Durchgang 66 aufweist.FIG. 6 shows the associated impedance behavior of the piezo motor 12 via the frequency response. The phase characteristic 60 of the impedance of the adjusting device 10 represented by the oscillatory circuit 52 according to FIG. 4 has a first positive-slope zero-crossing 65 and a second negative-zero zero crossing 66 corresponding to the series resonance and the parallel resonance of the oscillating circuit 52 , The phase angle 68 is shown on the Y-axis on the right side of the diagram. In order to keep the drive device 10 in resonance mode - for example, even with a variable load 58 - the tuning circuit 46 controls the frequency 69, for example, on the zero-crossing 65 with a positive slope, which electronically relatively easily by means of a phase locked loop 47 (Phase Locked Loop, PLL). is feasible. The left Y-axis 74 represents the magnitude 70 of the impedance, wherein the impedance curve 70 over the frequency 69 is a minimum 71 (antiresonance, corresponds to the maximum of the electrical admittance) at the first zero crossing 65 and a maximum 72 at the second zero crossing 66 has.
In Fig. 7a ist der Verlauf der mechanischen Admittanz 76 dargestellt, wie sie sich aus dem Quotienten der mechanischen Schwingungsgeschwindigkeit des Piezoaktors 18 durch die elektrische Versorgungsspannung 43 ergibt. Die mechanische Admittanz 76 stellt den Kehrwert der mechanischen Impedanz dar (nicht dargestellt), die sich entsprechend aus dem Quotienten der Versorgungsspannung 43 durch die mechanische Schwingungsgeschwindigkeit des Piezoaktors 18 ergibt. Die mechanische Admittanz 76 ist über dem Frequenzbereich 69 dargestellt und bildet bei einer Resonanzfrequenz 44 ein Maximum und bei einer Antiresonanzfrequenz 77 ein Minimum.In Fig. 7a, the course of the mechanical admittance 76 is shown, as it results from the quotient of the mechanical vibration speed of the piezoelectric actuator 18 by the electrical supply voltage 43. The mechanical admittance 76 represents the reciprocal of the mechanical impedance (not shown), which results from the quotient of the supply voltage 43 by the mechanical oscillation speed of the piezoelectric actuator 18. The mechanical admittance 76 is shown over the frequency range 69 and forms a maximum at a resonance frequency 44 and a minimum at an anti-resonance frequency 77.
In Fig. 7b ist entsprechend ein Phasenverlauf 60 des mechanischen Phasenwinkels 68 zwischen der mechanischen Schwingungsgeschwindigkeit und der elektrischen Versorgungsspannung 43 aufgezeichnet. Im Bereich der Resonanz 44 der mechanischen Admittanz 76 weist der Phasenverlauf 60 einen Null-Durchgang 66 mit negativer Steigung auf, und bei der Antiresonanzfrequenz 77 einen entsprechenden Null- Durchgang 65 mit positiver Steigung. Die Abstimmschaltung 46 regelt die Anregungsfrequenz 93 des Piezoaktors 18 beispielsweise auf die Resonanzfrequenz 44
der mechanischen Admittanz 76, wobei als Regelgröße der Null-Durchgang 66 mit negativer Steigung des korrespondierenden Phasenverlaufs 60 herangezogen wird.In FIG. 7b, a phase curve 60 of the mechanical phase angle 68 between the mechanical oscillation speed and the electrical supply voltage 43 is recorded accordingly. In the region of the resonance 44 of the mechanical admittance 76, the phase curve 60 has a zero slope 66 with a negative slope, and with the anti-resonance frequency 77 a corresponding zero passage 65 with a positive slope. The tuning circuit 46 controls the excitation frequency 93 of the piezoelectric actuator 18, for example, to the resonance frequency 44th the mechanical admittance 76, being used as a controlled variable of the zero-crossing 66 with a negative slope of the corresponding phase curve 60.
Der Kehrwert der mechanischen Admittanz 76 bildet die mechanische Impedanz (nicht dargestellt), die dann einen sehr ähnlichen Verlauf hat, wie der elektrische Impedanzverlauf 70 gemäß der Fig. 6. Der zur mechanischen Impedanz korrespondierende Phasenverlauf (nicht dargestellt) ergibt sich ebenfalls durch den Kehrwert des Phasenverlaufs 60 des mechanischen Phasenwinkels 78 aus Fig. 7b und hat damit einen sehr ähnlichen Verlauf wie der Phasenverlauf 60 der elektrischen Impedanz der Fig. 6. Im elektrischen Impedanzverlauf 70 der Fig. 6 kann ebenfalls durch die Bildung desThe reciprocal of the mechanical admittance 76 forms the mechanical impedance (not shown), which then has a very similar course as the electrical impedance curve 70 according to FIG. 6. The phase characteristic (not shown) corresponding to the mechanical impedance is likewise given by the reciprocal value 7b and thus has a very similar course as the phase characteristic 60 of the electrical impedance of Fig. 6. In the electrical impedance curve 70 of FIG. 6 can also by the formation of the
Kehrwerts die elektrische Impedanz mit entsprechendem Phasenverlauf gebildet werden. Die Resonanzfrequenzen 44 und die Antiresonanzfrequenzen 77 können zwischen der mechanischen Admittanz 76 und der elektrischen Admittanz voneinander abweichen. Entsprechend den Anforderungen der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 kann daher der Piezoaktor 18 auf die Resonanzfrequenz 44 oder die Antiresonanzfrequenz 76 der elektrischen oder mechanischen Impedanz geregelt werden.Inverse, the electrical impedance can be formed with a corresponding phase curve. The resonant frequencies 44 and the anti-resonant frequencies 77 may differ between the mechanical admittance 76 and the electrical admittance. Therefore, according to the requirements of the piezoelectric driving device 10, the piezoactuator 18 can be controlled to the resonance frequency 44 or the anti-resonant frequency 76 of the electrical or mechanical impedance.
In Fig. 8 ist der Regelprozess eines Piezomotors 12 dargestellt, der mittels einer die Abstimmschaltung 46 aufweisende Elektronikeinheit 42 angesteuert wird. Als Stellgröße 80 wird beispielsweise die Anregungsfrequenz 93 der Versorgungsspannung 43 verwendet, wobei aber auch die Amplitude oder andere Parameter des Anregungssignals 94 vorgegeben werden können. Beispielsweise kann als ein Anregungssignal 94 eine Rechteck-, Dreieck, Sinus- oder Trapez-Spannung an den Piezoaktor 18 angelegt werden, deren Frequenz und/oder deren Amplitude geregelt wird. Als Sollwert 83 wird beispielsweise eine bestimmte Resonanzfrequenz 44, oder ein bestimmterIn Fig. 8, the control process of a piezo motor 12 is shown, which is controlled by means of a tuning circuit 46 having the electronic unit 42. As a manipulated variable 80, for example, the excitation frequency 93 of the supply voltage 43 is used, but also the amplitude or other parameters of the excitation signal 94 can be specified. For example, as an excitation signal 94, a rectangular, triangular, sinusoidal or trapezoidal voltage can be applied to the piezoelectric actuator 18 whose frequency and / or its amplitude is regulated. As a setpoint 83, for example, a specific resonance frequency 44, or a certain
Varianzbereich 82 um die Resonanzfrequenz 44 herum vorgegeben, auf den die Abstimmschaltung 46 regelt. Weiterhin können zusätzliche Signale 91 der Elektronikeinheit 42 zugeführt werden, die beispielsweise Umgebungseinflüsse, oder Eingabeanweisungen widerspiegeln. Der Piezomotor 12, der einen oder mehrere Piezoaktoren 18 aufweist, bewirkt eine mechanische Schwingung 99, die mit einer bestimmten Frequenz eine Relativbewegung zwischen dem Piezomotor 12 und der Reibefläche 14 bewirkt. Als Regelgröße 79 werden die Istwerte 84 des Piezomotors 12 bzw. der Verstellvorrichtung 10, beispielsweise die tatsächliche Schwingungsfrequenz an die Abstimmschaltung 46 zurückgegeben.Variance range 82 given around the resonant frequency 44, which controls the tuning circuit 46. Furthermore, additional signals 91 can be supplied to the electronic unit 42, which, for example, reflect environmental influences or input instructions. The piezomotor 12, which has one or more piezo actuators 18, effects a mechanical oscillation 99, which causes a relative movement between the piezomotor 12 and the rubbing surface 14 at a specific frequency. As a controlled variable 79, the actual values 84 of the piezomotor 12 or of the adjusting device 10, for example the actual oscillation frequency, are returned to the tuning circuit 46.
In Fig. 9 ist eine Phasenregelschleife 47 (Phased Locked Loop, PLL) dargestellt, die besonders dafür geeignet ist, einen Null-Durchgang 65, 66 des Phasenverlaufs 60, 78 als
Regelgröße 79 zu verwenden. Ein Phasendetektor 85 identifiziert die Frequenz 69 des Null-Durchgangs 65, 66 und führt das Signal einem Filter 86 zu. Das IST-Signal 84 wird einem Voltage Controlled Oszillator (VCO) 87 zugeführt, das ein Spannungssignal 43 mit einer bestimmten Frequenz als Stellgröße 80 zur Verfügung stellt. Das Ausgangssignal des VCO 87 wird mittels eines Verstärkers 88 entsprechend verstärkt und dem Piezoaktor 18 zugeführt, der dieses Spannungssignal 43 in eine entsprechende mechanische Schwingung des Piezoelements 20 umsetzt. Für die Regelung auf die Resonanzfrequenz 44 kann sowohl das mechanische Schwingungssignal des Piezoaktors 18 herangezogen werden, oder direkt das elektrische Anregungssignal, so dass der Phasendetektor 85 den Null-Durchgang 65, 66 der mechanischen Admittanz oder der elektrischen Admittanz, beziehungsweise der elektrischen oder mechanischen Impedanz detektiert.In Fig. 9, a phase-locked loop 47 (Phased Locked Loop, PLL) is shown, which is particularly adapted to a zero-crossing 65, 66 of the phase curve 60, 78 as Rule size 79 to use. A phase detector 85 identifies the frequency 69 of the zero crossing 65, 66 and supplies the signal to a filter 86. The actual signal 84 is fed to a voltage controlled oscillator (VCO) 87, which provides a voltage signal 43 with a specific frequency as the manipulated variable 80. The output signal of the VCO 87 is correspondingly amplified by means of an amplifier 88 and supplied to the piezoelectric actuator 18, which converts this voltage signal 43 into a corresponding mechanical oscillation of the piezoelectric element 20. For the control of the resonance frequency 44, both the mechanical vibration signal of the piezoelectric actuator 18 can be used, or directly the electrical excitation signal, so that the phase detector 85, the zero crossing 65, 66 of the mechanical admittance or electrical admittance, or the electrical or mechanical impedance detected.
Bei dem Einsatz mehrerer Piezomotoren 12 als Antrieb eines Fensters (Teil 11) müssen die Piezomotoren 12 koordiniert werden um den Gleichlauf des Teils 11 zu gewährleisten. Die Vernetzung der einzelnen Piezoaktoren 18 soll für eine Aufsummierung der Antriebskräfte bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit sorgen. Die Ansteuerung soll im Betrieb das Betriebsverhalten der jeweiligen Piezomotoren 12 untereinander automatisch abstimmen. Der erforderliche Gleichlauf der Piezomotoren 12 wird über die Elektronikeinheit 42 sichergestellt. Bei dem Einsatz von zwei Schienen 16 mit je einem oder mehreren Piezomotoren 18 pro Schiene 16 können die Piezomotorpositionen ggf. durch geeignete Sensoren erfasst werden. Die Regelung eines einzelnen Piezomotors 12 beinhaltet eine Echtzeitmessung seines tatsächlichen elektromechanischen Zustandes, welcher durch externe Parameter wie Alterung, Last, Abnutzung oder Temperatur beeinflusst wird. Je nach Anforderungen an die Qualität des Antriebs 10 sind unterschiedliche Strategien möglich: Jeder Piezomotor 12 wird mit einer eigenen Steuereinheit 42 angesteuert, oder bei anspruchsvolleren Antriebsvorrichtungen 10 kann auch die folgende Methode zum Einsatz kommen. Sobald mehrere Piezomotoren 12 im Verbund arbeiten wird die Informationsverarbeitung der Mechatronik einer selbst-optimierten Informationsverarbeitung überlagert. Diese Erweiterung des Gesamtantriebsystems in Form von einer übergeordnete Komponente entscheidet welche Piezomotoren 12 wie betrieben werden, welche Parameter und Sollwerte angepasst werden müssen und trifft Fehlerdiagnosen und Wartungsentscheidungen. Diese übergeordnete Einheit oder so genannter Operator 90 beinhaltet eine mathematische Modellierung des Gesamtantriebsystems 10, bestehend aus elektrischer Ansteuerung, dem piezoelektrischen Materialverhalten, dem mechanischen Schwingungssystem sowie einem Modell zum Friktionselement- Reibflächen- Kontakt.
Durch Erfassung und Rückführung aller notwendigen Größen in dieses Gesamtmodell ist es möglich, Rückschlüsse auf das Gesamtverhalten zu ziehen und eine Prozessregelung für das gesamte System zu konfigurieren. Der Operator 90 erhält zum einen Informationen von den einzelnen Motorregelungen und vom angetriebenen Teil 11 und nimmt zum anderen Zustandssignale von Außen auf (Benutzereingabe,When using a plurality of piezo motors 12 as a drive of a window (Part 11), the piezo motors 12 must be coordinated to ensure the synchronization of the part 11. The networking of the individual piezoelectric actuators 18 is intended to provide an accumulation of the driving forces at the same feed rate. The control should tune the operation behavior of the respective piezo motors 12 with each other automatically during operation. The required synchronization of the piezo motors 12 is ensured via the electronic unit 42. When using two rails 16, each with one or more piezo motors 18 per rail 16, the piezomotor positions can optionally be detected by suitable sensors. The control of a single piezo motor 12 involves a real-time measurement of its actual electro-mechanical state, which is influenced by external parameters such as aging, load, wear or temperature. Depending on the requirements of the quality of the drive 10 different strategies are possible: each piezo motor 12 is controlled by a separate control unit 42, or in more demanding drive devices 10, the following method can be used. As soon as several piezo motors 12 work together, the information processing of the mechatronics is superimposed on self-optimized information processing. This expansion of the overall drive system in the form of a higher-level component decides which piezo motors 12 will be operated, what parameters and setpoints need to be adjusted, and will make fault diagnoses and maintenance decisions. This superordinate unit or so-called operator 90 includes a mathematical modeling of the overall drive system 10, consisting of electrical drive, the piezoelectric material behavior, the mechanical vibration system and a friction element / friction surface contact model. By capturing and returning all necessary quantities into this overall model, it is possible to draw conclusions about the overall behavior and to configure a process control for the entire system. The operator 90 receives information from the individual motor controls and from the driven part 11 on the one hand and receives state signals from the outside on the other hand (user input,
Umgebungseinflüsse, ...). Der Operator 90 gibt den separaten Elektronikeinheiten 42 geänderte Parameter und Sollwerte vor, und dem Benutzer Systeminformationen wie z.B. Antriebsstatus oder fällige Wartung, zurück. Im Falle eines Ausfalls des Operators 90 sind die einzelnen Piezomotoren 90 noch in der Lage, das Teil 11 zu bewegen. Durch die Integration von weiterer Intelligenz in das Antriebssystem (embedded Systems) sind weitergehende wichtige Funktionen realisierbar wie z.B. Diagnosefähigkeit, Fernparametrierbarkeit und Zustandsprotokollierung der Verstellvorrichtung 10. Bei einer alternativen, vereinfachten Ausführung werden alle Piezoaktoren 18 der Antriebsvorrichtung 10 bei einer Festfrequenz betrieben, die im Resonanzbereich aller Piezoaktoren 18 oder in unmittelbarer Nähe zu diesem liegt. In einer weiteren Ausführung wird die Anregungsfrequenz 93 über dem Varianzbereich 82 kontinuierlich variiert.Environmental influences, ...). The operator 90 provides the separate electronics units 42 with changed parameters and setpoints, and provides the user with system information, such as information. Drive status or due maintenance, back. In the event of a failure of the operator 90, the individual piezomotors 90 are still able to move the part 11. By integrating further intelligence into the drive system (embedded systems), further important functions can be realized, such as In an alternative, simplified embodiment, all the piezo actuators 18 of the drive device 10 are operated at a fixed frequency, which is in the resonance range of all piezoelectric actuators 18 or in the immediate vicinity of the piezoactuators. In a further embodiment, the excitation frequency 93 is varied continuously over the variance region 82.
An der Resonanzfrequenz 44 erreicht der piezoelektrische Antrieb 10 seinen größten Wirkungsgrad. Die Resonanzfrequenz 44 des Piezoaktors 18 hängt dabei von dem Aufbau des Piezomotors 12, den eingesetzten Werkstoffen und den äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Temperatur, Alterung und die Last durch das bewegliche Teil 11 ab. Weiter besitzen die Piezoaktoren 18 unter Umständen voneinander abweichende Resonanzfrequenzen 44, selbst wenn die Piezoaktoren 18 baugleich hergestellt wurden. Um mehrere Piezoaktoren 18 mit einer einzigen Resonanzfrequenz 44 anzusteuern, und dadurch die Abstimmschaltung 46 zu vereinfachen, können die Piezoaktoren 18 mechanisch manipuliert werden, um deren Resonanzfrequenz 44 zu verschieben. Dabei wird beispielsweise Material 95 aus dem Aktorgehäuse 22 abgetragen (siehe Fig. 2). Hierzu kann an ansprechenden Stellen des Piezogehäuses 22 mittel Abfräsen, Bohren, Erodieren oder Schleifen Material 95 am Piezoaktor 18 reduziert werden. Als weitere Möglichkeit kann beispielsweise an einem anderen Piezoaktor 18 zusätzliches Material 96 am Piezoaktor 18 befestigt werden, beispielsweise mittel Kleben, Schweißen, Beschichten. Dieses positive oder negative Auswuchten kann an allen zugänglichen Stellen des Piezoaktors 18 realisiert werden, um die Resonanzfrequenz 44 in die gewünschte Richtung zu verschieben.At the resonance frequency 44, the piezoelectric drive 10 reaches its greatest efficiency. The resonant frequency 44 of the piezoelectric actuator 18 depends on the structure of the piezoelectric motor 12, the materials used and the external influences, such as temperature, aging and the load by the movable member 11 from. Further, the piezoelectric actuators 18 may have different resonance frequencies 44, even if the piezoelectric actuators 18 were made identical. To drive a plurality of piezoelectric actuators 18 with a single resonance frequency 44, and thereby simplify the tuning circuit 46, the piezo actuators 18 can be mechanically manipulated to shift their resonance frequency 44. In this case, for example, material 95 is removed from the actuator housing 22 (see FIG. 2). For this purpose, material 95 on the piezoelectric actuator 18 can be reduced at attractive locations of the piezoelectric housing 22 by means of milling, drilling, eroding or grinding. As a further option, additional material 96 may be attached to the piezoactuator 18 at another piezoelectric actuator 18, for example by means of bonding, welding, coating. This positive or negative balancing can be realized at all accessible locations of the piezoactuator 18 to shift the resonant frequency 44 in the desired direction.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen
Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung der Piezoaktoren 18, deren Aktorgehäuse 22, der Piezoelemente 20 (Monoblock, Stapeloder, Multilayer), des Brückenstegs 28 und des Friktionselements 30 entsprechend der Anwendung variiert werden. Dabei kann die Stößelbewegung als reine Stoßbewegung oder als im wesentlichen elliptische Bewegungsbahn ausgebildet sein, wobei entsprechend der Querkomponente der Kraftübertragung die Reibpaarung zwischen dem Friktionselement 30 und der Reibfläche 14 eine höhere oder geringere Reibzahl aufweist. Als Grenzfall ist auch eine Ausbildung mit reinem Formschluss beispielsweise mittels einer Mikroverzahnung möglich, bei dem das Friktionselement 30 ohne Reibung in entsprechende Aussparungen des Antriebselements, z.B. der linearen Führungsschiene 16 oder des Rotationskörper 48 greift. In einer weiteren Variation kann der Piezoaktor 18 auch mit einer Biegeschwingung betrieben werden, die sich beispielsweise mit der Längsschwingung 26 überlagert. Ebenso können die entsprechenden Schwingungen mehrerer Piezoaktoren 18 eines Piezomotors 12 gleichzeitig angeregt werden (einphasig oder mehrphasig), wodurch eine Überlagerung dieser Schwingungen eineIt should be noted that with regard to the embodiments shown in the figures and in the description of diverse combination options of the individual Characteristics are possible with each other. Thus, for example, the specific design of the piezoelectric actuators 18, the actuator housing 22, the piezoelectric elements 20 (monobloc, stack or multilayer), the bridging web 28 and the friction element 30 can be varied according to the application. In this case, the plunger movement may be formed as a pure pushing movement or as a substantially elliptical trajectory, wherein according to the transverse component of the power transmission, the friction pairing between the friction element 30 and the friction surface 14 has a higher or lower coefficient of friction. As a limiting case, training with a pure form-fitting, for example by means of a micro-toothing is possible in which the friction element 30 engages without friction in corresponding recesses of the drive element, for example, the linear guide rail 16 or the rotary body 48. In a further variation of the piezoelectric actuator 18 may also be operated with a bending vibration, which overlaps, for example, with the longitudinal vibration 26. Likewise, the corresponding vibrations of a plurality of piezoelectric actuators 18 of a piezoelectric motor 12 can be excited simultaneously (single-phase or multi-phase), whereby a superposition of these vibrations a
Stößelbewegung bewirkt, die das Antriebselement in Bewegung versetzt. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Antriebseinheit 10 zu Verstellung beweglicher Teile 11 im Kraftfahrzeug verwendet, ist jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt.
Causes plunger movement, which sets the drive element in motion. Preferably, the drive unit 10 according to the invention is used for adjusting movable parts 11 in the motor vehicle, but is not limited to such an application.
Claims
1. Verfahren zum Betreiben einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung (10) zum Verstellen von beweglichen Teilen (11), insbesondere im Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Piezomotor (12), der mindestens einen Piezoaktor (18) aufweist, wobei mittels mindestens eines Friktionselements (30) des Piezomotors (12) eine Relativbewegung bezüglich einer dem Friktionselement (30) gegenüberliegenden1. A method for operating a piezoelectric drive device (10) for adjusting moving parts (11), in particular in the motor vehicle, with at least one piezomotor (12) having at least one piezoelectric actuator (18), wherein by means of at least one friction element (30) of the Piezo motor (12) has a relative movement with respect to a friction element (30) opposite
Reibefläche (14) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Piezoaktor (18) mit einer Elektronikeinheit (42) verbunden ist, die eine elektrische Abstimmschaltung (46) aufweist, die die piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) auf eine Resonanzfrequenz (44) regelt.Friction surface (14) is generated, characterized in that the at least one piezoelectric actuator (18) is connected to an electronic unit (42) having an electrical tuning circuit (46) which controls the piezoelectric drive device (10) to a resonant frequency (44) ,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) eine Anregungsfrequenz (93) zur Einhaltung der Resonanzfrequenz (44) auf einen Null-Durchgang (65, 66) eines Phasenverlaufs (60) einer Regelgröße (79) regelt.2. The method according to claim 1, characterized in that the tuning circuit (46) controls an excitation frequency (93) for maintaining the resonance frequency (44) to a zero crossing (65, 66) of a phase characteristic (60) of a controlled variable (79).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) den Null-Durchgang (65, 66) des Phasenverlaufs (60) mit positiver Steigung und/oder mit negativer Steigung identifiziert.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the tuning circuit (46) identifies the zero crossing (65, 66) of the phase characteristic (60) with a positive slope and / or negative slope.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) die piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) im Bereich der Resonanzfrequenz (44) der mechanischen Admittanz (Schwingung über Spannung) oder der mechanischen Impedanz (Kehrwert) betreibt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit (46) the piezoelectric drive device (10) in the region of the resonance frequency (44) of the mechanical admittance (vibration over voltage) or the mechanical impedance (reciprocal) operates.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) die piezoelektrischen Antriebsvorrichtung (10) im Bereich der Resonanzfrequenz (44) der elektrischen Admittanz oder der elektrischen Impedanz betreibt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit (46), the piezoelectric drive device (10) in the region of the resonance frequency (44) of the electrical admittance or the electrical impedance operates.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) ein Anregungssignal (94) auf ein Maximum oder ein Minimum eines elektrischen oder mechanischen Admittanz- oder Impedanzverlaufs regelt.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit (46) an excitation signal (94) to a maximum or a Minimum of an electrical or mechanical admittance or impedance curve controls.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass ihre7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric drive device (10) is designed such that their
Ersatzschaltung (51) durch eine Induktivität (53), eine Kapazität (54) und einen ohmscher Widerstand (55) nachgebildet wird, die zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei eine weitere Kapazität (56) hierzu parallel geschaltet ist, und die Abstimmschaltung (46) die Anregungsfrequenz (93) zur Einhaltung der elektrischen Resonanzfrequenz (44) auf den Null-Durchgang (65, 66) des Phasenverlaufs (60) der Ersatzschaltung (51) regelt.Equivalent circuit (51) is simulated by an inductor (53), a capacitor (54) and an ohmic resistor (55) which are connected in series with each other, wherein a further capacitor (56) is connected in parallel thereto, and the tuning circuit (46 ) controls the excitation frequency (93) to maintain the electrical resonance frequency (44) on the zero crossing (65, 66) of the phase characteristic (60) of the equivalent circuit (51).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) die piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) auf die Resonanzfrequenz (44) regelt, derart, dass näherungsweise keine Blindleistung auftritt.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit (46) controls the piezoelectric drive device (10) to the resonant frequency (44), such that approximately no reactive power occurs.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) eine Phasenregelschleife 47 (Phase Locked Loop, PLL) aufweist, die mittels eines VCO 87 (Voltage Controlled Oscillator) die9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit (46) comprises a phase locked loop 47 (phase locked loop, PLL), by means of a VCO 87 (Voltage Controlled Oscillator) the
Anregungsfrequenz (93) für den Piezoaktor (18) als Stellgröße (80) vorgibt.Excitation frequency (93) for the piezoelectric actuator (18) as the manipulated variable (80).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Anregungsspannung (43) als Anregungssignal (94) vorgegeben werden kann, insbesondere als Cascaden- Regelung zusammen mit einem weiteren Anregungssignal (94).10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amplitude of the excitation voltage (43) as an excitation signal (94) can be specified, in particular as a cascade control together with a further excitation signal (94).
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) die Anregungsfrequenz (93) über einen Varianzbereich (82) um die Resonanzfrequenz (44) eines Piezoaktors (18) kontinuierlich variiert, und insbesondere der Varianzbereich (82) bei Abweichungen der einzelnen Resonanzfrequenzen (44) unterschiedlicher Piezoaktoren (18) alle Resonanzfrequenzen (44) umfasst.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit (46) continuously varies the excitation frequency (93) over a variance region (82) about the resonance frequency (44) of a piezoactuator (18), and in particular the variance region (82). in case of deviations of the individual resonance frequencies (44) of different piezo actuators (18) all resonance frequencies (44).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) die Anregungsfrequenz (93), bzw. deren Varianzbereich (82) bei veränderlichen Betriebsbedingungen nachführt. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit (46) tracks the excitation frequency (93), or its variance region (82) under varying operating conditions.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung mehrerer Piezomotoren (12) ein Operator (90) mittels einer mathematischen Modellierung unter Zuführung von Zustandsignalen der einzelnen Piezoaktoren (18), und/oder von Umgebungseinflüssen und und/oder von13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for driving a plurality of piezo motors (12) an operator (90) by means of a mathematical modeling under supply of state signals of the individual piezo actuators (18), and / or environmental influences and / or of
Benutzereingaben und/oder von Fehlerdiagnosen die Stellgrößen (80) des Anregungssignals (94) der einzelnen Piezoaktoren (18) vorgibt.User inputs and / or error diagnoses the manipulated variables (80) of the excitation signal (94) of the individual piezo actuators (18) pretends.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (18) eine Längsrichtung (19) aufweist, entlang der der14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuator (18) has a longitudinal direction (19), along which the
Piezoaktor (18) eine größere Ausdehnung aufweist als in einer Querrichtung (24) dazu, und der Piezoaktor (18) mittels der Elektronikeinheit (42) in Längsschwingung (26) - insbesondere ausschließlich in Längsrichtung (19) ohne Querkomponenten - versetzt wird.Piezoelectric actuator (18) has a greater extent than in a transverse direction (24) thereto, and the piezoelectric actuator (18) by means of the electronic unit (42) in longitudinal vibration (26) - in particular only in the longitudinal direction (19) without transverse components - is added.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Friktionselement (30) eine dynamische Mikrostoßbewegung ausführt und sich mittels Reibschluß und/oder Formschluß an der Reibefläche (14) abstößt.15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the friction element (30) performs a dynamic micro-shock motion and repels by means of frictional engagement and / or positive engagement of the friction surface (14).
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Friktionselement (30) geometrisch derart am Piezomotor (12) angeordnet ist, dass die Längsschwingung (26) des Piezoaktors (18) in eine elliptische Bahnbewegung (32) oder lineare Stoßbewegung des Friktionselements (30) umgewandelt wird.16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the friction element (30) is geometrically arranged on the piezomotor (12) that the longitudinal vibration (26) of the piezoelectric actuator (18) in an elliptical path movement (32) or linear thrust movement of Friction element (30) is converted.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine erste Bewegungsrichtung (13) der Relativbewegung nur genau ein erster Piezoaktor (18) und für die entgegengesetzte Bewegungsrichtung (15) nur genau ein zweiter Piezoaktator (18) betätigt wird, und die Piezoaktoren (18) dabei insbesondere mit einem identischen Anregungssignal (94) beaufschlagt werden.17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that only a first piezoelectric actuator (18) and for the opposite direction of movement (15) only a second piezoelectric actuator (18) is actuated for a first movement direction (13) of the relative movement, and the piezo actuators (18) in particular are subjected to an identical excitation signal (94).
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) eine Elektronikeinheit (42) aufweist, die zwei oder mehrere Piezoaktoren (18) des Piezomotors (12) immer mit einem einphasigen Anregungssignal (94) ansteuert. 18. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric drive device (10) has an electronic unit (42) which always drives two or more piezo actuators (18) of the piezo motor (12) with a single-phase excitation signal (94).
19. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) zur Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsrichtung (19) des Piezoaktors (18) näherungsweise senkrecht zur Reibefläche (14) erstreckt.19. Piezoelectric drive device (10) for applying the method according to one of the preceding claims, characterized in that the longitudinal direction (19) of the piezoelectric actuator (18) extends approximately perpendicular to the friction surface (14).
20. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (18) ein Aktorgehäuse (22) aufweist, in dem eine Piezokeramik (21) angeordnet ist, wobei die Piezokeramik (21) im Aktorgehäuse (22) in Längsrichtung (19) vorgespannt ist.20. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuator (18) has an actuator housing (22) in which a piezoceramic (21) is arranged, wherein the piezoceramic (21) in the actuator housing (22). is biased in the longitudinal direction (19).
21. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Vorspannen des Piezoelements (20) dessen Dämpfung und damit die Resonanzfrequenz (44) des Piezoaktors (18) einstellbar ist.21. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that by means of the biasing of the piezoelectric element (20) whose damping and thus the resonance frequency (44) of the piezoelectric actuator (18) is adjustable.
22. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz (44) des Piezoaktors (18) mittels eines gezielten Materialausgleichs am Piezogehäuse (22) einstellbar ist, insbesondere um die Resonanzfrequenzen (44) unterschiedlicher Piezoaktoren (18) aneinander anzugleichen.22. Piezoelectric drive device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the resonance frequency (44) of the piezoelectric actuator (18) by means of a targeted material compensation on the piezoelectric body (22) is adjustable, in particular to the resonance frequencies (44) of different piezoelectric actuators (18 ) to match.
23. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gezielte Materialausgleich durch Auftragen von Material oder Abtragen von Material am Aktorgehäuse (22) realisierbar ist.23. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the targeted material compensation by application of material or removal of material on the actuator housing (22) can be realized.
24. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezomotor (12) an dem beweglichen Teil (11) angeordnet ist, und die Reibfläche (14) karossieriefest ausgebildet ist. 24. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezomotor (12) on the movable part (11) is arranged, and the friction surface (14) is designed karossieriefest.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10312831B2 (en) | 2015-03-31 | 2019-06-04 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Method for controlling an ultrasound motor and corresponding control arrangement |
WO2021156239A1 (en) * | 2020-02-07 | 2021-08-12 | Dmg Mori Ultrasonic Lasertec Gmbh | Method and system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for machining a workpiece |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009027688A1 (en) * | 2009-01-05 | 2010-07-08 | Robert Bosch Gmbh | Hand held power tool |
DE102009003270A1 (en) | 2009-05-20 | 2010-11-25 | Robert Bosch Gmbh | Piezoactuator i.e. longitudinal resonator, for use in piezomotor, has energy storage element adjusting mechanical resonant frequency and storing energy at electrical input of stack arrangement |
JP6891619B2 (en) * | 2017-04-27 | 2021-06-18 | セイコーエプソン株式会社 | Vibration actuator control device, vibration actuator control method, robot, electronic parts transfer device, printer and projector |
DE102020132282B3 (en) * | 2020-12-04 | 2022-02-24 | Physik Instrumente (PI) GmbH & Co KG | Frictional contact motor having a light element for emitting laser beams |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5469011A (en) * | 1993-12-06 | 1995-11-21 | Kulicke & Soffa Investments, Inc. | Unibody ultrasonic transducer |
DE19750187A1 (en) * | 1997-11-13 | 1999-06-02 | Bosch Gmbh Robert | Rotating or linear ultrasound motor |
EP1081772A2 (en) * | 1999-09-04 | 2001-03-07 | Philips Patentverwaltung GmbH | Piezoelectric driving device |
WO2003090339A2 (en) * | 2002-04-22 | 2003-10-30 | Elliptec Resonant Actuator Ag | Piezo motor and methods for the production and excitement thereof |
US6661154B2 (en) * | 2000-09-29 | 2003-12-09 | Minolta Co., Ltd. | Driving apparatus and method using electromechanical conversion elements |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000152671A (en) | 1998-11-05 | 2000-05-30 | Japan Science & Technology Corp | Ultrasonic motor |
-
2007
- 2007-05-07 DE DE200710021338 patent/DE102007021338A1/en not_active Withdrawn
-
2008
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5469011A (en) * | 1993-12-06 | 1995-11-21 | Kulicke & Soffa Investments, Inc. | Unibody ultrasonic transducer |
DE19750187A1 (en) * | 1997-11-13 | 1999-06-02 | Bosch Gmbh Robert | Rotating or linear ultrasound motor |
EP1081772A2 (en) * | 1999-09-04 | 2001-03-07 | Philips Patentverwaltung GmbH | Piezoelectric driving device |
US6661154B2 (en) * | 2000-09-29 | 2003-12-09 | Minolta Co., Ltd. | Driving apparatus and method using electromechanical conversion elements |
WO2003090339A2 (en) * | 2002-04-22 | 2003-10-30 | Elliptec Resonant Actuator Ag | Piezo motor and methods for the production and excitement thereof |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
HEMSEL T ET AL: "A novel approach for high power ultrasonic linear motors" 2004 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, 23-27. AUGUST 2004, MONTREAL, CANADA, Bd. 2, 2004, Seiten 1161-1164, XP010784164 ISBN: 0-7803-8412-1 * |
HEMSEL T ET AL: "Piezoelectric linear motor concepts based on coupling of longitudinal vibrations" ULTRASONICS, Bd. 44, 2006, Seiten e591-e596, XP005819657 * |
HEMSEL T ET AL: "Ultrasonic motors for linear positioning tasks in automobile" 30TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON AUTOMOTIVE TECHNOLOGY AND AUTOMATION, 16-19 JUNE 1997, FLORENCE, ITALY, 1997, Seiten 631-637, XP002514094 * |
SCHAAF U ET AL: "Piezoelectric motor fed by a PLL-controlled series resonant converter" 6TH EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS, 19-21 SEPTEMBER 1995, SEVILLE, SPAIN, Bd. 3, 1995, Seiten 845-850, XP000538416 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10312831B2 (en) | 2015-03-31 | 2019-06-04 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Method for controlling an ultrasound motor and corresponding control arrangement |
WO2021156239A1 (en) * | 2020-02-07 | 2021-08-12 | Dmg Mori Ultrasonic Lasertec Gmbh | Method and system for controlling an ultrasonic generator of a machine tool for machining a workpiece |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2008135350A3 (en) | 2009-04-16 |
DE102007021338A1 (en) | 2008-11-13 |
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