WO2008135353A1

WO2008135353A1 - Piezoelektrische antriebsvorrichtung

Info

Publication number: WO2008135353A1
Application number: PCT/EP2008/054545
Authority: WO
Inventors: Walter Haussecker; Vincent Rieger; Jens Twiefel; Tobias Hemsel; Volker Rischmueller; Joerg Wallaschek; Dirk Guenther; Peter Froehlich
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2008-11-13
Also published as: DE102007021339A1

Abstract

Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen, zum Verstellen von beweglichen Teilen (11), insbesondere im Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Piezomotor (12), der einen ersten und einen zweiten Piezoaktor (18) aufweist, wobei mittels mindestens eines Friktionselements (30) des Piezomotors (12) eine Relativbewegung bezüglich einer dem Friktionselement (30) gegenüberliegenden Reibefläche (14) erzeugbar ist, wobei für eine erste Bewegungsrichtung (13) der Relativbewegung nur der erste Piezoaktor und für die entgegengesetzte Bewegungsrichtung (15) nur der zweite Piezoaktator angesteuert wird.

Description

Beschreibung

Titel

Piezoelektrische Antriebsvorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung sowie einem Verfahren zum Betreiben eines solchen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

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 eine aufwändige elektronische Ansteuerung und einen entsprechend großen Bauraum.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung, sowie das Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ansteuerung jeweils nur eines Piezoaktors eines Piezomotors dessen Ansteuerungselektronik wesentlich vereinfacht wird. Das Schwingverhalten des Piezomotors wird nur durch die eine einzige Anregungsfrequenz bestimmt, so dass die Bewegungsbahn des Stößels einfach vorgebbar ist. Bei äußeren Einflüssen, die die Resonanzfrequenz verstimmen, kann die Resonanzfrequenz wesentlich einfacher mit einer einphasigen Anregung nachgeführt werden. Der nicht angeregte Piezoaktor kann außerdem gleichzeitig als Einklemmschutzsensor genutzt werden, der eine mechanische Krafteinwirkung durch das zu verstellende Teil in ein elektrisches Sensorsignal umwandelt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen möglich. Aufgrund der einphasigen Anregung des Piezomotors kann auf eine zweite Elektronikeinheil/Abstimmsschaltung pro Piezomotor verzichtet werden. Es muss nur ein einziges Anregungssignal generiert werden, das abwechselnd auf den einen oder den anderen Piezoaktor gegeben wird. Dies vereinfacht die Signalaufbereitung und die Koordination verschiedener Piezomotoren.

Bevorzugt wird der Piezoaktor nur in Längsschwingungen versetzt, so dass nur

Schwingungskomponenten entlang der Längsrichtung mit der größten Ausdehnung des Piezoaktors angeregt werden. Dazu wird die Piezokeramik und die Ausbildung des Gehäuse des Piezoaktors entsprechend optimiert.

Ist die Längsrichtung des Piezoaktors im Ruhezustand im Wesentlichen senkrecht zur korrespondieren Reibefläche des Antriebelements ausgerichtet, so kann die Längsschwingung eines einzigen Piezoaktors effektiv in die eine oder die entgegengesetzte Bewegungsrichtungen der Relativbewegung gegenüber der Reibefläche umgesetzt werden.

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, so dass das Schwingsystem in Längsrichtung eine hohe Steifigkeit aufweist.

Aufgrund der Mikrostoßbewegung des Friktionselements gegenüber der korrespondierenden 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 und verschleißfest 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.

Aufgrund der Anordnung des Friktionselements gegenüber dem Piezoaktor kann die Längsschwingung des Piezoaktors in eine elliptische Bewegung des Friktionselements, insbesondere dessen der Reibefläche zugewandten Ende, erzielt werden. Eine solche elliptische Bewegung des Friktionselements kann sehr harmonisch auf das Antriebselement übertragen werden, wobei durch die Umkehrung des Umlaufsinns des Friktionselements die Richtung der Relativbewegung umgekehrt werden kann.

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.

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.

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.

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.

Beispielsweise kann das Lagerungselement für die Anwendung eines

Fensterheberantriebs im Kraftfahrzeug an einer Fensterscheibe befestigt werden. Durch die direkte Erzeugung einer linearen 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.

Durch den Betrieb der Piezoaktoren in ihrer Resonanzfrequenz wird deren Piezokeramik optimal ausgenutzt. 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. 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. 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 Schwingungsfrequenz des Piezomotors auf die Resonanzfrequenz des Piezoaktors 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.

Der Piezoaktor wird zweckmäßig einem elektrischen Schwingkreis nachgebildet, der zur Regelung auf die Resonanzfrequenz im Null-Durchgang des Phasenverlaufs des Schwingkreises betrieben wird.

Günstigerweise wird der Piezomotor bei der Frequenz des Null-Durchgangs des Phasenverlaufs (insbesondere der Impedanz) mit positiver Steigung betrieben, die durch die erfindungsgemäße Abstimmschaltung sehr einfach geregelt werden kann. Durch die Anordnung des zu verstellenden Teils an einer Seitenfläche des Piezoaktor- gehäuses kann die Kraft direkt entgegen der Verstellrichtung des Teils auf das Piezoelement einwirken, wodurch ein besonders sensibler Einklemmdetektor zu Verfügung gestellt wird. Durch die Ausbildung eines Verbindungselements zwischen dem zu verstellenden Teil und dem Piezoaktor, kann über die Steifigkeit, bzw. Elastizität des Verbindungselements die Federrate (für weiches oder hartes Einklemmobjekt) eingestellt werden.

Durch die doppelte Nutzung des Piezoaktors als Antrieb und als Sensor entfällt die

Verwendung eines zusätzlichen Detektors und dessen Versorgung, so dass die Anzahl der Bauteile deutlich reduziert wird, was zu einer Reduzierung des Gewichts führt.

Da beim Heben des Teils größere Kräfte erforderlich sind, als bei dessen Absenkung, kann das Volumen des Absenk- Piezoelements kleiner ausgebildet werden.

Vorzugsweise wir der Absenk- Piezoaktor als Einklemmschutzsensor beim Anheben des Teils betrieben, da beispielsweise beim Fensterheberantrieb nur beim Anheben der Scheibe die Gefahr eines Einklemmens besteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben piezoelektrischer Antriebsvorrichtungen hat den Vorteil, dass mittels der Abstimmschaltung der Elektronikeinheit der Piezomotor, beziehungsweise die komplette Antriebsvorrichtung in ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden kann. Durch die Regelung auf den Null-Durchgang des Phasenverlaufs des Antriebssystems kann die Frequenz im Bereich der Resonanzfrequenz sehr genau eingehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad des Piezoaktors deutlich gesteigert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Eine erfindungsgemäße piezoelektrische Antriebsvorrichtung,

Fig. 2 eine weitere Ausführung für einen Rotationsantrieb,

Fig. 3 ein Piezoelement für den Einbau in den Piezoaktor gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine schematische Darstellung zum Betreiben der Antriebsvorrichtung,

Fig. 5 eine Resonanzkurve des Piezomotors und Fig. 6 eine Impedanzkurve für das piezoelektrische Antriebs-System, und Fig. 7 eine weiteres Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung mit integriertem Lastsensor.

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 der dargestellten Ausführungen ist das Piezoelement 20 vom Aktorgehäuse 22 umschlossen. Der 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 gesamte 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 eine 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 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 beispiels- weise 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 oder eine Kreisbewegung 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.

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 der 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 das 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.

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. Die maximalen Amplituden 45 entsprechen hier der mechanische Resonanzfrequenz 44.

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.

In Fig. 3 ist vergrößert ein Piezoelement 20 abgebildet, wie es beispielsweise im Piezo- motor 12 der Fig. 1 oder 2 verwendet werden kann. Das Piezoelement 20 weist mehrere voneinander getrennte Schichten 50 auf, zwischen denen die jeweiligen 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 bzw. die Kontraktion der einzelnen Schichten 50 addiert sich auf, so dass durch die Anzahl der Schichten 50 die mechanische Gesamtamplitude 45 des Piezoelements 20 in Längsrichtung 19 vorgegeben werden kann. Die Schichten 20 sind dabei quer zur 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 hergestellt, dass im Resonanzbetrieb des Piezoelements 20 sehr große Amplituden 45 erzeugbar sind.

In Fig. 4 ist ein Modell der piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 dargestellt, das als

Grundlage zur Einstellung der Resonanzfrequenz 44 dient. Dabei ist 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 Anregungsspannung 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.

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 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 (PLL: Phase Locked Loop) 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 am ersten Null-Durchgang 65 und ein Maximum 72 am zweiten Null-Durchgang 66 aufweist.

In Figur 7 ist ein weiteres Beispiel einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung 10 dargestellt, bei dem die lineare Schiene 16 als vertikale Führung 9 ausgebildet ist. Der Piezomotor 12 weist ebenso wie in Figur 1 und 2 zwei Piezoaktoren 18 auf, die in Längsrichtung 19 angeordnet sind. Die beiden Piezoaktoren 18 sind mittels eines Brückenstegs 28 miteinander verbunden, wobei dieser beispielsweise einstückig mit den beiden Aktorgehäusen 22 ausgebildet ist. Am Brückensteg 28 ist wiederum ein

Friktionselement 30 ausgebildet, das mit seinem Ende 31 in Reibverbindung mit der Reibfläche 14 der linearen Schiene 16 steht. Das Friktionselement 30 ist hier beispielsweise als gewölbter Stößel 94 ausgebildet, der eine Mikrostoßbewegung gegenüber der Schiene 16 ausführt. Im Inneren der beiden Aktorgehäusen 22 ist als Piezoelement 20 jeweils eine Piezokeramik 21 angeordnet, die in Längsrichtung 19 eine größere Ausdehnung aufweist, als in der Querrichtung 24. Die Piezoelemente 20 sind in Längsrichtung 19 mechanisch vorgespannt, wozu diese innerhalb eines Hohlraums 23 mittels Spannelementen 95 festgeklemmt sind. Die Spannelemente 95 sind beispielsweise als Schrauben 96 ausgebildet, die direkt in ein Gewinde des Aktorgehäuses 22 einschraubbar sind. Die Antriebsvorrichtung 10 ist hier als Fensterheberantrieb ausgebildet, bei dem der Piezomotor 12 mit dem zu verstellenden Teil 11 verbunden ist, das hier als Scheibe ausgebildet ist. Zur Ausführung einer Relativbewegung in erster Bewegungsrichtung 13 (Heben) wird gemäß dieser Ausführung nur der untere Piezoaktor 18u mittels der Elektronikeinheit 42 angesteuert. Durch die Anregung des unteren Piezoelements 20 führt das Friktionselement 30 eine Stoßbewegung oder Ellipsenbewegung 32 bzw. Kreisbewegung aus, wodurch sich der Piezomotor 12 mittels einer tangentialen Kraftkomponente 38 entlang der ersten Bewegungsrichtung 13 abstößt. Aufgrund der mechanischen Hysterese des am Piezoaktor 18 angeordneten Brückenstegs 28 wird die angeregte Längsschwingung 26 in eine elliptische Bewegung des Stößels 94 umgewandelt, die entsprechend den Systemparametern von einer reinen Linearbewegung abweicht. Während der untere Piezoaktor 20 angeregt wird, wird an den oberen

Piezoaktor 18o kein Anregungssignal 93 angelegt. Vielmehr übt das zu verstellende Teil 11 bei der Bewegung in Richtung 13 eine Kraft 97 in Querrichtung 24 auf das Piezoelement 20 des oberen Piezoaktors 18o aus. Dadurch wird das Piezoelement 20 in Querrichtung 24 mechanisch belastet, wodurch an den Elektroden 40 ein Sensorsignal 91 abgegriffen werden kann. Das Sensorsignal 91 wird in der Elektronikeinheit 42 ausgewertet, und beim Überschreiten einer vorgebbaren Schwelle kann dann der piezoelektrische Antrieb 10 gestoppt oder reversiert werden. Für das Absenken des zu verstellenden Teils 11 entlang der zweiten Bewegungsrichtung 15 wird dann nur der obere Piezoaktor 18o angeregt, ohne dass an den unteren Piezoaktor 18u ein Anregungssignal 93 angelegt wird. Auf diese Weise ist für jede Bewegungsrichtung 13, 15 jeweils nur ein Piezoaktor 18u, 18o angesteuert. Daher gibt es keine Überlagerung mehrerer Anregungssignale 93, wodurch der Piezomotor 12 immer nur einphasig angesteuert wird. Dabei kann für die Anregung des unteren Piezoaktors 18u und für die Anregung des oberen Piezoaktors 18o das identische Anregungssignal 93 verwendet werden, das durch die Abstimmschaltung 46 der Elektronikeinheit 42 generiert wird. Beim Absenken des beweglichen Teils 11 kann der untere Piezoaktor 18u wahlweise ebenfalls als Sensor 92 betrieben werden, wobei bei einem Fensterheberantrieb hierfür keine Notwendigkeit besteht, da beim Absenken keine Einklemmgefahr besteht. Somit kann mit einer einzigen Elektronikeinheit 42, mit einer einzigen Abstimmschaltung 46 zeitlich nacheinander entweder der untere Piezoaktor 18u zum Heben des Teils 11 oder der obere Piezoaktor 18u zum Senken des Teils 11 angesteuert werden. Die Lagerung des Piezomotors 12 ist in Figur 7 nicht näher dargestellt, kann aber beispielsweise ähnlich erfolgen wie in Figur 1. Dabei wird der Piezomotor 12 in Längsrichtung 19 mit einer Normalkraft 37 gegen die Reibefläche 14 gepresst. Das bewegliche Teil 11 ist mittels eines Verbindungselements 90 mit dem oberen Piezoaktor 18o verbunden, wobei das Verbindungselement 90 vorzugsweise direkt im Bereich des Piezoelements 20 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 90 elastisch ausgebildet, beispielsweise als Federelement, wobei durch deren Steifigkeit die Federrate für einen Einklemmschutz vorgebbar ist. Dadurch kann eingestellt werden, wie weiche Hindernisse noch detektiert werden können (z. B. Finger oder Hals). Im Ausführungsbeispiel ist das obere Piezoelement 20 mit einem geringeren Volumen als das untere Piezoelement 20 ausgebildet, da für das Absenken geringere Antriebskräfte notwendig sind, als für das Anheben des Teils 11 mittels des länger ausgebildeten unteren Piezoelements 20. In einer weiteren Variation der Erfindung kann das Piezoelement 20 für das Generieren eines Sensorsignals 91 auch in der gleichen Richtung mechanisch belastet werden, wie das Piezoelement 20 auch zum Antrieb des Teils 11 angeregt wird. Beispielsweise könnte das Teil 11 mittels eines Verbindungselements 90 derart mit dem oberen Piezoaktor 18o verbunden sein, dass das obere Piezoelement 20 mechanisch in Längsrichtung 19 belastet wird, um beispielsweise eine Sensorspannung zu erzeugen.

Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiel vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung der Piezoaktoren 18, 8 deren Aktorgehäuse 22, der Piezolemente 20 (Monoblock, Stapeloder, Multilyer), des Brückenstegs 28 und des Friktionselements 30 entsprechend der Anwendung variiert werden. Dabei kann die Stößelbewegung als lineare 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. Dabei stellt die reine lineare Stößelbewegung den Grenzfall der Ellipsenbewegung dar. Als Grenzfall ist auch eine Ausbildung mit reinem Formschluss möglich, bei dem das

Friktionselement 30 in eine entsprechende Aussparung des Antriebselements, z.B. der linearen Führungsschiene 16 oder des Rotationskörpers 48 greift. Der Formschluss kann dabei als Mikroverzahnung ausgebildet sein. Auch eine Kombination aus Form- und Reibschluss ist möglich. In einer weiteren Variation kann der Piezoaktor 18 auch mit einer Biegeschwingung betrieben werden, die sich beispielsweise mit der Längsschwingung 26 überlagert. Ebenso können bei mehr als zwei Piezoaktoren 18 die entsprechenden Schwingungen mehrerer Piezoaktoren eines Piezomotors 12 gleichzeitig angeregt werden, wodurch eine Überlagerung dieser Schwingungen eine Stößelbewegung bewirkt, die das Antriebselement in Bewegung versetzt. Dabei können die Piezoaktoren 18 einphasig oder mehrphasig betrieben werden. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Antriebseinheit 10 zu Verstellung beweglicher Teile 11 (Sitzteile, Fenster, Dach )im Kraftfahrzeug verwendet, bei der der Piezomotor mit der Bordnetzspannung betrieben werden kann, ist jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt. Dabei kann auch der Piezomotor 12 z.B. an der Karosserrie befestigt werden, und die Reibefläche 14 mit dem zu verstellenden Teil 11, beispielweise einem Gurtbringer oder einer Kopfstütze, bewegt werden.

Claims

Ansprüche

1. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) zum Verstellen von beweglichen Teilen (11), insbesondere im Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Piezomotor (12), der einen ersten und einen zweiten Piezoaktor (18, 8) aufweist, wobei mittels mindestens eines Friktionselements (30) des Piezomotors (12) eine Relativbewegung bezüglich einer dem Friktionselement (30) gegenüberliegenden Reibefläche (14) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass für eine erste Bewegungsrichtung (13) der Relativbewegung nur der erste Piezoaktor (18) und für die entgegengesetzte Bewegungsrichtung (15) nur der zweite Piezoaktator (8) angesteuert wird.

2. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) eine Elektronikeinheit (42) aufweist, die die Piezoaktoren (18, 8) immer mit einem einphasigen Anregungssignal (93) ansteuern, insbesondere wenn der Piezomotor (12) drei oder mehr Piezoaktoren (18, 8) aufweist.

3. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Piezoaktor (18, 8) eine gemeinsame Elektronikeinheit (42) mit einer gemeinsamen Abstimmschaltung (46) aufweisen, die abwechselnd nur den ersten oder nur den zweiten Piezoaktor (18, 8) mit einem - insbesondere identischen - Anregungssignal (93) beaufschlagt.

4. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (18) eine Längsrichtung (19) aufweist, entlang der der 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.

5. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezomotor (12) genau zwei Piezoaktoren (18) aufweist, deren Längsrichtung (19) im Ruhezustand näherungsweise parallel zueinander angeordnet sind, und mittels eines Brückenstegs (28) miteinander verbunden sind.

6. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsrichtung (19) des

Piezoaktors (18) im Ruhezustand näherungsweise senkrecht zur Reibefläche (14) erstreckt.

7. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (18) ein Piezogehäuse (22) aufweist, in dem eine Piezokeramik (21) als Piezoelement (20) angeordnet ist, wobei die Piezokeramik (21) im Piezogehäuse (22) in Längsrichtung (19) vorgespannt ist.

8. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Friktionselement (30) eine dynamische

Mikrostoß- Bewegung ausführt und sich mittels Reibschluß und/oder Formschluß an der Reibefläche (14) abstößt.

9. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) 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 in eine lineare Stoßbewegung des Friktionselements (30) umgewandelt wird.

10. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibefläche (14) als lineare Schiene (16) oder als Rotationskörper (48) ausgebildet ist, gegen die der Piezomotor (12) mit dem Friktionselement (30) federnd mit einer Haltekraft (37) angepresst wird.

11. 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.

12. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokeramik (21) mehrere getrennte

Schichten (50) aufweist, zwischen denen Elektroden (40) angeordnet sind, wobei sich die Schichten (50) vorzugsweise quer zur Längsrichtung (19) des Piezoaktors (18) erstrecken.

13. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmschaltung (46) den Piezomo- tor (12) auf eine Resonanzfrequenz (44) der piezoelektrischen Verstellvorrichtung (10) regelt, indem die Abstimmschaltung (46) einen Nulldurchgang (65) eines Phasenverlaufs (60) als Regelgröße für die Anregungsfrequenz (93) verwendet, bei der insbesondere näherungsweise keine Blindleistung auftritt.

14. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Piezoaktoren (18, 8) mittels eines Verbindungselements (90) in Querrichtung (24) mit dem zu verstellenden Teil (11) verbunden ist, wobei das Verbindungselement (90) insbesondere im Bereich des Piezoelements (20) angeordnet ist.

15. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (90) starr oder elastisch, insbesondere entlang der Querrichtung (24) federnd ausgebildet ist.

16. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ansteuerns des ersten Piezoaktors (18, 8) am zweiten Piezoaktor (8, 18) ein elektrisches Sensorsignal (91) - insbesondere eine Sensorspannung - abgegriffen wird, das durch die mechanische Krafteinwirkung des zu verstellenden Teils (11) auf das Piezoelement (20) des zweiten Piezoaktors (8, 18) erzeugt wird.

17. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Generierung der Relativbewegung das Piezoelement (20) elektrisch in Längsrichtung (19) angeregt wird, und zur Detektion der Krafteinwirkung durch das zu verstellende Teil (11) das Piezoelement (20) mechanisch in Querrichtung (24) mit einer Kraft (97) beaufschlagt wird.

18. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Piezoaktor (18, 8) das zu verstellende Teil (11) entlang einer vertikalen Schiene (16) anhebt, während der zweite Piezoaktor (8, 18) gleichzeitig eine bewegungsabhängige und/oder lastabhängige Kraft (97) des zu verstellenden Teils (11) detektiert.

19. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (20) des ersten

Piezoaktors (18, 8), das das zu verstellende Teil (11) anhebt, ein größeres Volumen aufweist, als das Piezoelement (20) des zweiten Piezoaktors (8, 18), das das zu verstellende Teil (11) absenkt.

20. Verfahren zum Betreiben einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der für den Antrieb der Relativbewegung nicht angesteuerte Piezoaktor (8, 18) als piezoelektrischer Sensor (92) für eine Schließkraftbegrenzung des zu verstellenden Teils (11) verwendet wird.