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WO2008135353A1 - Piezoelectric drive unit - Google Patents

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Publication number
WO2008135353A1
WO2008135353A1 PCT/EP2008/054545 EP2008054545W WO2008135353A1 WO 2008135353 A1 WO2008135353 A1 WO 2008135353A1 EP 2008054545 W EP2008054545 W EP 2008054545W WO 2008135353 A1 WO2008135353 A1 WO 2008135353A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric
drive device
piezoelectric actuator
piezoelectric drive
actuator
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/054545
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Walter Haussecker
Vincent Rieger
Jens Twiefel
Tobias Hemsel
Volker Rischmueller
Joerg Wallaschek
Dirk Guenther
Peter Froehlich
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2008135353A1 publication Critical patent/WO2008135353A1/en

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/002Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/0075Electrical details, e.g. drive or control circuits or methods
    • H02N2/008Means for controlling vibration frequency or phase, e.g. for resonance tracking
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/026Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors by pressing one or more vibrators against the driven body
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/103Electric 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.
  • the piezoelectric drive device as well as the method for operating such a device with the features of the independent claims has the advantage that by controlling only one piezoelectric actuator of a piezo motor whose drive electronics is substantially simplified.
  • the vibration behavior of the piezoelectric motor is determined only by a single excitation frequency, so that the movement path of the plunger is easily predetermined.
  • the resonant frequency can be tracked much easier with a single-phase excitation.
  • the non-excited piezoelectric actuator can also be used at the same time as anti-pinch sensor, which converts a mechanical force by the part to be adjusted in an electrical sensor signal.
  • the piezoelectric actuator is only offset in longitudinal vibrations, so that only
  • Vibrating components along the longitudinal direction are excited with the largest dimension of the piezoelectric actuator.
  • the piezoceramic and the design of the housing of the piezoelectric actuator is optimized accordingly.
  • the longitudinal direction of the piezoactuator is oriented substantially perpendicular to the corresponding friction surface of the drive element, then the longitudinal vibration of a single piezoactuator can be effectively converted into one or the opposite directions of movement of the relative movement with respect to the friction surface.
  • the piezoceramic is biased in the piezoelectric housing in such a way that no tensile forces occur in the piezoceramic during oscillation operation, so that the oscillating system has a high rigidity in the longitudinal direction.
  • a relative movement can be generated without additional inertial masses must be set in motion.
  • the vibration of the piezoelectric actuator can be implemented very low loss and wear resistant 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 achieved in an elliptical movement of the friction element, in particular its end facing the friction surface.
  • Such 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 of the friction element.
  • 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 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.
  • bearing element for the application of a
  • Power window drive in the motor vehicle to be fixed to a window pane.
  • a linear 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 piezoelectric actuators By operating the piezoelectric actuators in their resonance frequency their piezoceramic is optimally utilized. As a result, a large deflection of the piezoelectric actuator can be produced with a relatively small use of material of the piezoceramic, whereby a large feed, or a large moment, can be transmitted to the corresponding rubbing surface.
  • the piezoceramic 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.
  • 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.
  • 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 oscillation frequency of the piezoelectric motor to the resonance frequency of the piezoelectric actuator.
  • a load is advantageously avoided by the reactive power, whereby the electrical system is less burdened.
  • no starting currents or blocking currents occur, so that a significantly higher efficiency of the piezo drive can be achieved.
  • 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 resonant circuit.
  • the piezo motor is operated at the frequency of the zero crossing of the phase curve (in particular the impedance) with a positive slope, which can be controlled very easily by the tuning circuit according to the invention.
  • the force Due to the arrangement of the part to be adjusted on a side surface of the Piezoaktor- housing, the force can act directly opposite to the adjustment of the part on the piezoelectric element, whereby a particularly sensitive pinching detector is provided.
  • the spring rate for soft or hard clamping object
  • the connecting element for soft or hard clamping object
  • the volume of the lowering piezoelectric element can be made smaller.
  • the piezoelectric actuator operated as anti-pinch sensor when lifting the part, since for example in the window lift drive only when lifting the disc there is a risk of pinching.
  • the inventive method for operating piezoelectric drive devices has the advantage that by means of the tuning circuit of the electronic unit of the piezoelectric motor, or the entire drive device can be excited in its resonant frequency. By controlling the zero crossing of the phase characteristic of the drive system, the frequency in the region of the resonance frequency can be maintained very accurately, whereby the efficiency of the piezoelectric actuator can be significantly increased.
  • FIG. 3 is a piezoelectric element for installation in the piezoelectric actuator according to FIG. 1
  • FIG. 4 is a schematic representation for operating the drive device
  • Fig. 5 is a resonance curve of the piezo motor and 6 shows an impedance curve for the piezoelectric drive system
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a drive device with integrated load sensor.
  • a piezoelectric drive device 10 is shown in which a
  • Piezomotor 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.
  • the piezoelectric actuator 18 has a longitudinal direction 19 in the direction of which the expansions of the piezoactuator 18 are greater than in a transverse direction 24.
  • 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 is set in longitudinal vibration 26 and transmits a vibration amplitude 45 via a bridging web 28 to a friction element 30 which is in frictional contact with the rubbing surface 14. Due to the longitudinal vibration 26 of the piezoelectric actuator 18, the bridging web 28 is set into a tilting movement or a bending movement, so that an end 31 of the friction element 30 facing the rubbing surface 14 performs a micro-pushing movement.
  • 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, by means of which the piezomotor 12 abuts along the linear rail 16.
  • the piezomotor 12 is mounted in the region of oscillation nodes 34 of the piezoactuators 18 and, for example, connected 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 or a circular movement which, in addition to the normal force 37, has a tangential force component 38 which effects the advance of the piezoelectric motor 12 with respect to the friction surface 14.
  • the friction element 30 leads only a linear thrust movement at a certain angle to the normal force 37 from. 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.
  • the longitudinal vibration 26 of the piezoelectric element 20 is thus converted into a micro-impact 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.
  • the piezoelectric element 20 of the other piezoelectric actuator 18 is excited accordingly 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 is none
  • 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.
  • the maximum amplitudes 45 here correspond to the mechanical resonance frequency 44.
  • 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 the rotary body 48 is set in rotation by the plunger movement of the friction element 30.
  • the direction of rotation 49 of the rotary body 48 can again be predetermined by the control of only one piezoelectric element 20 on one of the two piezoelectric actuators 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.
  • FIG. 3 shows a magnified view of a piezoelectric element 20, as 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 or contraction of the individual layers 50 adds up, so that the total mechanical 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 arranged transversely to the longitudinal direction 19 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 produced in such a way that very large amplitudes 45 can be generated during resonance operation of the piezoelectric element 20.
  • 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.
  • an excitation voltage 43 is applied by means of the electronic unit 42.
  • the resonance frequency 44 of the piezoelectric actuator 18 is influenced.
  • 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.
  • the resonant frequency of the coupling of the power transmission 57 depends, which significantly by the
  • Friction condition between the friction member 30 and the friction surface 14 is determined.
  • 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 , Of 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 positive slope, which is relatively easy by means of a phase locked loop 47 (PLL: Phase Locked Loop) is feasible.
  • the left Y-axis 74 represents the magnitude 70 of the impedance, wherein the impedance curve 70 over the frequency 69 has a minimum 71 at the first zero-crossing 65 and a maximum 72 at the second zero-crossing 66.
  • FIG. 7 shows a further example of a piezoelectric drive device 10, in which the linear rail 16 is designed as a vertical guide 9.
  • the piezomotor 12 has two piezoactuators 18, which are arranged in the longitudinal direction 19.
  • the two piezoelectric actuators 18 are connected to each other by means of a bridge web 28, wherein this is formed, for example, in one piece with the two actuator housings 22.
  • bridge bridge 28 is again a
  • Friction element 30 is formed, which is in frictional connection with the friction surface 14 of the linear rail 16 with its end 31.
  • the friction element 30 is formed here, for example, as a curved plunger 94, which performs a micro-pushing movement relative to the rail 16.
  • a piezoceramic 21 which has a greater extent in the longitudinal direction 19 than in the transverse direction 24, is arranged as the piezoelectric element 20.
  • the piezoelectric elements 20 are mechanically prestressed in the longitudinal direction 19, for which purpose they are clamped within a cavity 23 by means of clamping elements 95 are clamped.
  • the clamping elements 95 are formed for example as screws 96 which are screwed directly into a thread of the actuator housing 22.
  • the drive device 10 is designed here as a window lift drive, in which the piezomotor 12 is connected to the part 11 to be adjusted, which is designed here as a disc.
  • the piezomotor 12 is connected to the part 11 to be adjusted, which is designed here as a disc.
  • the lower piezoactuator 18 u is actuated by means of the electronic unit 42.
  • the friction element 30 performs a pushing movement or elliptical movement 32 or circular motion, whereby the piezoelectric motor 12 repels along the first direction of movement 13 by means of a tangential force component 38.
  • the excited longitudinal oscillation 26 is converted into an elliptical movement of the plunger 94, which deviates from a pure linear movement in accordance with the system parameters. While the lower piezoelectric actuator 20 is excited, is at the top
  • Piezo actuator 18o no excitation signal 93 applied. Rather, the part 11 to be adjusted exerts a force 97 in the transverse direction 24 on the piezoelectric element 20 of the upper piezoactuator 18o during the movement in the direction 13. As a result, the piezoelectric element 20 is mechanically loaded in the transverse direction 24, as a result of which a sensor signal 91 can be tapped off the electrodes 40. The sensor signal 91 is evaluated in the electronic unit 42, and when a predeterminable threshold is exceeded, the piezoelectric drive 10 can then be stopped or reversed.
  • the lower piezoelectric actuator 18u When lowering the movable part 11, the lower piezoelectric actuator 18u can optionally also be operated as a sensor 92, wherein there is no need for a window lift drive since there is no risk of trapping when lowering.
  • the lower piezo actuator 18u for lifting the member 11 or the upper piezo actuator 18u for lowering the member 11 can be driven one after the other.
  • the mounting of the piezomotor 12 is not shown in detail in FIG. 7, but may for example be similar to that in FIG. 1. In this case, the piezomotor 12 is pressed against the friction surface 14 in the longitudinal direction 19 with a normal force 37.
  • the movable part 11 is connected by means of a connecting element 90 with the upper piezoelectric actuator 18 o, wherein the connecting element 90 is preferably arranged directly in the region of the piezoelectric element 20.
  • the connecting element 90 is elastically formed, for example as a spring element, wherein the stiffness of the spring rate for an anti-trap protection can be specified. This makes it possible to set how soft obstacles can still be detected (eg fingers or neck).
  • the upper piezoelectric element 20 is formed with a smaller volume than the lower piezoelectric element 20, since lower driving forces are necessary for the lowering than for raising the part 11 by means of the longer trained lower piezoelectric element 20.
  • Piezoelement 20 for generating a sensor signal 91 are mechanically loaded in the same direction, as the piezoelectric element 20 is also excited to drive the part 11.
  • the part 11 could be connected by means of a connecting element 90 with the upper piezoelectric actuator 18o such that the upper piezoelectric element 20 is mechanically loaded in the longitudinal direction 19 in order, for example, to generate a sensor voltage.
  • the specific design of the piezo actuators 18, 8 whose actuator housing 22, the piezo elements 20 (monoblock, stack or Multilyer), the bridge web 28 and the friction element 30 can be varied according to the application.
  • the plunger movement may be formed as a linear thrust 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 friction coefficient.
  • the pure linear plunger movement is the limiting case of the elliptical motion.
  • a training with a pure positive fit is possible, in which the
  • Friction element 30 engages in a corresponding recess of the drive element, for example, the linear guide rail 16 or the rotary body 48.
  • the positive connection can be designed as a micro-toothing. A combination of form and friction is possible.
  • 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 piezo actuators of a piezo motor 12 are excited simultaneously, whereby a superposition of these oscillations causes a plunger movement which causes the drive element in motion.
  • the piezoelectric actuators 18 can be operated in single-phase or multi-phase.
  • the drive unit 10 is preferably used for adjusting moving parts 11 (seat parts, window, roof) in the motor vehicle, in which the piezomotor can be operated with the vehicle electrical system voltage, however, is not limited to such an application.
  • the piezomotor 12 can also be fastened to the bodywork, for example, and the friction surface 14 can be moved with the part 11 to be adjusted, for example a belt feeder or a headrest.

Landscapes

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

Abstract

Disclosed are a piezoelectric drive unit (10) and a method for operating such a drive unit in order to adjust movable parts (11), especially in a motor vehicle. Said piezoelectric drive unit (10) comprises at least one piezo motor (12) that is fitted with a first and a second piezo actuator (18). At least one frictional element (30) of the piezo motor (12) makes it possible to generate a relative movement in relation to a frictional surface (14) located across from the frictional element (30). Only the first piezo actuator is triggered to generate the relative movement in a first direction (13) while only the second piezo actuator is triggered to generate the relative movement in the opposite direction (15).

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 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.
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 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.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 has the advantage that by controlling only one piezoelectric actuator of a piezo motor whose drive electronics is substantially simplified. The vibration behavior of the piezoelectric motor is determined only by a single excitation frequency, so that the movement path of the plunger is easily predetermined. At outer Influences that detune the resonant frequency, the resonant frequency can be tracked much easier with a single-phase excitation. The non-excited piezoelectric actuator can also be used at the same time as anti-pinch sensor, which converts a mechanical force by the part to be adjusted in an electrical sensor signal.
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.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the embodiments specified in the dependent claims are possible. Due to the single-phase excitation of the piezo motor can be dispensed with a second Elektronikeinheil / Abstimmsschaltung per piezoelectric motor. Only a single excitation signal has to be generated, which is alternately applied to one or the other piezo actuator. This simplifies the signal processing and the coordination of different piezo motors.
Bevorzugt wird der Piezoaktor nur in Längsschwingungen versetzt, so dass nurPreferably, the piezoelectric actuator is only offset in longitudinal vibrations, so that only
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.Vibrating components along the longitudinal direction are excited with the largest dimension of the piezoelectric actuator. For this purpose, the piezoceramic and the design of the housing of the piezoelectric actuator is optimized accordingly.
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.If, in the rest state, the longitudinal direction of the piezoactuator is oriented substantially perpendicular to the corresponding friction surface of the drive element, then the longitudinal vibration of a single piezoactuator can be effectively converted into one or the opposite directions of movement of the relative movement with respect 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, so dass das Schwingsystem in Längsrichtung eine hohe Steifigkeit aufweist.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 occur in the piezoceramic during oscillation operation, so that the oscillating system has a high rigidity in the longitudinal direction.
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.Due to the micro-impact movement of the friction element relative to the corresponding friction surface, a relative movement can be generated without additional inertial masses must 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 implemented very low loss and wear resistant 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 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.Due to the arrangement of the friction element with respect to the piezoelectric actuator, the longitudinal vibration of the piezoelectric actuator can be achieved in an elliptical movement of the friction element, in particular its end facing the friction surface. Such 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 of the friction element.
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.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.
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.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.
Beispielsweise kann das Lagerungselement für die Anwendung einesFor example, the bearing element for the application of a
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.Power window drive in the motor vehicle to be fixed to a window pane. By the direct generation of a linear 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.
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.By operating the piezoelectric actuators in their resonance frequency their piezoceramic is optimally utilized. As a result, a large deflection of the piezoelectric actuator can be produced with a relatively small use of material of the piezoceramic, whereby a large feed, or a large moment, can be transmitted to the corresponding rubbing surface. 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. 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. 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.
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.Particularly advantageously, the resonance operation of the piezoelectric actuator can be generated by means of an electrical tuning circuit which regulates the oscillation frequency of the piezoelectric motor to the resonance frequency of the piezoelectric actuator. In this case, a load is advantageously avoided by the reactive power, whereby the electrical system is less burdened. Compared to conventional DC motors, no starting currents or blocking currents occur, so that a significantly higher efficiency of the piezo drive can be achieved.
Der Piezoaktor wird zweckmäßig einem elektrischen Schwingkreis nachgebildet, der zur Regelung auf die Resonanzfrequenz im Null-Durchgang des Phasenverlaufs des 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 resonant circuit.
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.Conveniently, the piezo motor is operated at the frequency of the zero crossing of the phase curve (in particular the impedance) with a positive slope, which can be controlled very easily by the tuning circuit according to the invention. Due to the arrangement of the part to be adjusted on a side surface of the Piezoaktor- housing, the force can act directly opposite to the adjustment of the part on the piezoelectric element, whereby a particularly sensitive pinching detector is provided. By forming a connecting element between the part to be adjusted and the piezoelectric actuator, the spring rate (for soft or hard clamping object) can be set via the rigidity or elasticity of the connecting element.
Durch die doppelte Nutzung des Piezoaktors als Antrieb und als Sensor entfällt dieThe double use of the piezo actuator as a drive and as a sensor eliminates the
Verwendung eines zusätzlichen Detektors und dessen Versorgung, so dass die Anzahl der Bauteile deutlich reduziert wird, was zu einer Reduzierung des Gewichts führt.Using an additional detector and its supply, so that the number of components is significantly reduced, resulting in a reduction in weight.
Da beim Heben des Teils größere Kräfte erforderlich sind, als bei dessen Absenkung, kann das Volumen des Absenk- Piezoelements kleiner ausgebildet werden.Since greater forces are required when lifting the part than when it is lowered, the volume of the lowering piezoelectric element can be made smaller.
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.Preferably, we lowered the piezoelectric actuator operated as anti-pinch sensor when lifting the part, since for example in the window lift drive only when lifting the disc there is a risk of pinching.
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.The inventive method for operating piezoelectric drive devices has the advantage that by means of the tuning circuit of the electronic unit of the piezoelectric motor, or the entire drive device can be excited in its resonant frequency. By controlling the zero crossing of the phase characteristic of the drive system, the frequency in the region of the resonance frequency can be maintained very accurately, whereby the efficiency of the piezoelectric actuator can be significantly increased.
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,2 shows another embodiment for a rotary drive,
Fig. 3 ein Piezoelement für den Einbau in den Piezoaktor gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine schematische Darstellung zum Betreiben der Antriebsvorrichtung,3 is a piezoelectric element for installation in the piezoelectric actuator according to FIG. 1, FIG. 4 is a schematic representation for operating the drive device,
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.Fig. 5 is a resonance curve of the piezo motor and 6 shows an impedance curve for the piezoelectric drive system, and FIG. 7 shows a further embodiment of a drive device with integrated load sensor.
In Fig. 1 ist eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung 10 dargestellt, bei der einIn Fig. 1, a piezoelectric drive device 10 is shown in which a
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.Piezomotor 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. The piezoelectric actuator 18 has a longitudinal direction 19 in the direction of which the expansions of the piezoactuator 18 are greater than in a transverse direction 24. 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 is set in longitudinal vibration 26 and transmits a vibration amplitude 45 via a bridging web 28 to a friction element 30 which is in frictional contact with the rubbing surface 14. Due to the longitudinal vibration 26 of the piezoelectric actuator 18, the bridging web 28 is set into a tilting movement or a bending movement, so that an end 31 of the friction element 30 facing the rubbing surface 14 performs a micro-pushing movement. 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, by means of which the piezomotor 12 abuts along the linear rail 16. The piezomotor 12 is mounted in the region of oscillation nodes 34 of the piezoactuators 18 and, for example, connected 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 or a circular movement which, in addition to the normal force 37, has a tangential force component 38 which effects the advance of the piezoelectric motor 12 with respect to the friction surface 14. In an alternative embodiment, the friction element 30 leads only a linear thrust movement at a certain angle to the normal force 37 from. 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 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 keinerIn 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. In accordance with the rigidity of the structure of the piezo motor 12, the longitudinal vibration 26 of the piezoelectric element 20 is thus converted into a micro-impact 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, the piezoelectric element 20 of the other piezoelectric actuator 18 is excited accordingly 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 is none
Überlagerung von zwei Schwingungsanregungen beider Piezoaktoren 18 kommen kann.Overlay of two vibration excitations of both piezoelectric actuators 18 can come.
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.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. The maximum amplitudes 45 here correspond to the mechanical resonance frequency 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.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 the rotary body 48 is set in rotation by the plunger movement of the friction element 30. Corresponding 1, the direction of rotation 49 of the rotary body 48 can again be predetermined by the control of only one piezoelectric element 20 on one of the two piezoelectric actuators 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 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.FIG. 3 shows a magnified view of a piezoelectric element 20, as 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 or contraction of the individual layers 50 adds up, so that the total mechanical 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 arranged transversely to the longitudinal direction 19 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 produced in such a way 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 als4, a model of the piezoelectric drive device 10 is shown as
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 dieBasis for setting the resonance frequency 44 is used. In this case, 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, an excitation 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 resonant frequency of the coupling of the power transmission 57 depends, which significantly by the
Reibbedingung zwischen dem Friktionselement 30 und der Reibefläche 14 bestimmt wird.Friction condition between the friction member 30 and the friction surface 14 is determined.
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 the zero crossing 61 of the illustrated reactive power 62 results in a maximum 63 of the active power 64th Das 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. DerFIG. 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 , Of the
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.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 resonant 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 positive slope, which is relatively easy by means of a phase locked loop 47 (PLL: Phase Locked Loop) is feasible. The left Y-axis 74 represents the magnitude 70 of the impedance, wherein the impedance curve 70 over the frequency 69 has a minimum 71 at the first zero-crossing 65 and a maximum 72 at the second zero-crossing 66.
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 einFIG. 7 shows a further example of a piezoelectric drive device 10, in which the linear rail 16 is designed as a vertical guide 9. As in FIGS. 1 and 2, the piezomotor 12 has two piezoactuators 18, which are arranged in the longitudinal direction 19. The two piezoelectric actuators 18 are connected to each other by means of a bridge web 28, wherein this is formed, for example, in one piece with the two actuator housings 22. At bridge bridge 28 is again a
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 oberenFriction element 30 is formed, which is in frictional connection with the friction surface 14 of the linear rail 16 with its end 31. The friction element 30 is formed here, for example, as a curved plunger 94, which performs a micro-pushing movement relative to the rail 16. In the interior of the two actuator housings 22, a piezoceramic 21, which has a greater extent in the longitudinal direction 19 than in the transverse direction 24, is arranged as the piezoelectric element 20. The piezoelectric elements 20 are mechanically prestressed in the longitudinal direction 19, for which purpose they are clamped within a cavity 23 by means of clamping elements 95 are clamped. The clamping elements 95 are formed for example as screws 96 which are screwed directly into a thread of the actuator housing 22. The drive device 10 is designed here as a window lift drive, in which the piezomotor 12 is connected to the part 11 to be adjusted, which is designed here as a disc. To carry out a relative movement in the first direction of movement 13 (lifting), according to this embodiment, only the lower piezoactuator 18 u is actuated by means of the electronic unit 42. By the excitation of the lower piezoelectric element 20, the friction element 30 performs a pushing movement or elliptical movement 32 or circular motion, whereby the piezoelectric motor 12 repels along the first direction of movement 13 by means of a tangential force component 38. Due to the mechanical hysteresis of the bridge web 28 arranged on the piezoactuator 18, the excited longitudinal oscillation 26 is converted into an elliptical movement of the plunger 94, which deviates from a pure linear movement in accordance with the system parameters. While the lower piezoelectric actuator 20 is excited, is at the top
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.Piezo actuator 18o no excitation signal 93 applied. Rather, the part 11 to be adjusted exerts a force 97 in the transverse direction 24 on the piezoelectric element 20 of the upper piezoactuator 18o during the movement in the direction 13. As a result, the piezoelectric element 20 is mechanically loaded in the transverse direction 24, as a result of which a sensor signal 91 can be tapped off the electrodes 40. The sensor signal 91 is evaluated in the electronic unit 42, and when a predeterminable threshold is exceeded, the piezoelectric drive 10 can then be stopped or reversed. For the lowering of the part 11 to be adjusted along the second movement direction 15, only the upper piezoactuator 18o is then excited, without an excitation signal 93 being applied to the lower piezoactuator 18u. In this way, only one piezoactuator 18u, 18o is driven for each movement direction 13, 15. Therefore, there is no superposition of a plurality of excitation signals 93, whereby the piezo motor 12 is always driven only single-phase. It can be used for the excitation of the lower piezoelectric actuator 18u and for the excitation of the upper piezoelectric actuator 18o the identical excitation signal 93, which is generated by the tuning circuit 46 of the electronic unit 42. When lowering the movable part 11, the lower piezoelectric actuator 18u can optionally also be operated as a sensor 92, wherein there is no need for a window lift drive since there is no risk of trapping when lowering. Thus, with a single electronic unit 42, with a single tuning circuit 46, either the lower piezo actuator 18u for lifting the member 11 or the upper piezo actuator 18u for lowering the member 11 can be driven one after the other. The mounting of the piezomotor 12 is not shown in detail in FIG. 7, but may for example be similar to that in FIG. 1. In this case, the piezomotor 12 is pressed against the friction surface 14 in the longitudinal direction 19 with a normal force 37. The movable part 11 is connected by means of a connecting element 90 with the upper piezoelectric actuator 18 o, wherein the connecting element 90 is preferably arranged directly in the region of the piezoelectric element 20. in the Embodiment, the connecting element 90 is elastically formed, for example as a spring element, wherein the stiffness of the spring rate for an anti-trap protection can be specified. This makes it possible to set how soft obstacles can still be detected (eg fingers or neck). In the exemplary embodiment, the upper piezoelectric element 20 is formed with a smaller volume than the lower piezoelectric element 20, since lower driving forces are necessary for the lowering than for raising the part 11 by means of the longer trained lower piezoelectric element 20. In a further variation of the invention can Piezoelement 20 for generating a sensor signal 91 are mechanically loaded in the same direction, as the piezoelectric element 20 is also excited to drive the part 11. For example, the part 11 could be connected by means of a connecting element 90 with the upper piezoelectric actuator 18o such that the upper piezoelectric element 20 is mechanically loaded in the longitudinal direction 19 in order, for example, to generate a sensor voltage.
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 dasIt should be noted that with regard to the embodiment shown in the figures and in the description, a variety of possible combinations of the individual features with each other are possible. Thus, for example, the specific design of the piezo actuators 18, 8 whose actuator housing 22, the piezo elements 20 (monoblock, stack or Multilyer), the bridge 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 linear thrust 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 friction coefficient. In this case, the pure linear plunger movement is the limiting case of the elliptical motion. As a limiting case, a training with a pure positive fit is possible, in which the
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. Friction element 30 engages in a corresponding recess of the drive element, for example, the linear guide rail 16 or the rotary body 48. The positive connection can be designed as a micro-toothing. A combination of form and friction is possible. 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, in more than two piezo actuators 18, the corresponding vibrations of a plurality of piezo actuators of a piezo motor 12 are excited simultaneously, whereby a superposition of these oscillations causes a plunger movement which causes the drive element in motion. In this case, the piezoelectric actuators 18 can be operated in single-phase or multi-phase. The drive unit 10 according to the invention is preferably used for adjusting moving parts 11 (seat parts, window, roof) in the motor vehicle, in which the piezomotor can be operated with the vehicle electrical system voltage, however, is not limited to such an application. In this case, the piezomotor 12 can also be fastened to the bodywork, for example, and the friction surface 14 can be moved with the part 11 to be adjusted, for example a belt feeder or a headrest.

Claims

Ansprüche claims
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.1. Piezoelectric drive device (10) for adjusting moving parts (11), in particular in motor vehicles, with at least one piezomotor (12) having a first and a second piezoelectric actuator (18, 8), wherein by means of at least one friction element (30) a relative movement with respect to a friction surface (14) opposite the friction element (30) can be generated, characterized in that for a first movement direction (13) of the relative movement only the first piezoelectric actuator (18) and for the opposite direction of movement (15) only the second piezoelectric actuator (8) is driven.
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.2. Piezoelectric drive device (10) according to claim 1, characterized in that the piezoelectric drive device (10) has an electronic unit (42), which always drive the piezoelectric actuators (18, 8) with a single-phase excitation signal (93), in particular if the piezoelectric motor (12) has three or more piezo actuators (18, 8).
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.3. Piezoelectric drive device (10) according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the first and the second piezoelectric actuator (18, 8) have a common electronic unit (42) with a common tuning circuit (46) alternately only the first or only the second piezoelectric actuator (18, 8) with a - in particular identical - excitation signal (93) acted upon.
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 Elektronikeinheit4. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuator (18) has a longitudinal direction (19) along which the 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 Längsschwingung (26) - insbesondere ausschließlich in Längsrichtung (19) ohne Querkomponenten - versetzt wird.(42) in longitudinal vibration (26) - in particular only in the longitudinal direction (19) without transverse components - is added.
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.5. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezomotor (12) has exactly two piezo actuators (18) whose longitudinal direction (19) in the idle state approximately are arranged parallel to each other, and by means of a bridge web (28) are interconnected.
6. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsrichtung (19) des6. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the longitudinal direction (19) of the
Piezoaktors (18) im Ruhezustand näherungsweise senkrecht zur Reibefläche (14) erstreckt.Piezoactuator (18) in the idle state approximately perpendicular to the friction surface (14).
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.7. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuator (18) has a piezo housing (22), in which a piezoceramic (21) is arranged as a piezo element (20), wherein the piezoceramic (21) in the piezo housing (22) in the longitudinal direction (19) is biased.
8. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Friktionselement (30) eine dynamische8. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the friction element (30) has a dynamic
Mikrostoß- Bewegung ausführt und sich mittels Reibschluß und/oder Formschluß an der Reibefläche (14) abstößt.Performs micro-shock movement and repels by means of friction and / or positive engagement of the friction surface (14).
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.9. Piezoelectric drive device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the friction element (30) is geometrically arranged on the piezomotor (12) such that the longitudinal vibration (26) of the piezoelectric actuator (18) into an elliptical path movement (32). or converted into a linear pushing movement of the friction element (30).
10. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden10. Piezoelectric drive device (10) according to one of the preceding
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.Claims, characterized in that the friction surface (14) as a linear rail (16) or as a rotational body (48) is formed, against which the piezomotor (12) with the friction element (30) resiliently with a holding force (37) is pressed.
11. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden11. Piezoelectric drive device (10) according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezomotor (12) an dem beweglichen Teil (11) angeordnet ist, und die Reibfläche (14) karossieriefest ausgebildet ist.Claims, characterized in that the piezomotor (12) on the movable part (11) is arranged, and the friction surface (14) is formed karossieriefest.
12. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokeramik (21) mehrere getrennte12. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoceramic (21) a plurality of separate
Schichten (50) aufweist, zwischen denen Elektroden (40) angeordnet sind, wobei sich die Schichten (50) vorzugsweise quer zur Längsrichtung (19) des Piezoaktors (18) erstrecken.Layers (50), between which electrodes (40) are arranged, wherein the layers (50) preferably extend transversely to the longitudinal direction (19) of the piezoactuator (18).
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.13. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the tuning circuit (46) the piezoelectric motor (12) to a resonance frequency (44) of the piezoelectric adjusting device (10) by the tuning circuit (46) a Zero crossing (65) of a phase curve (60) used as a controlled variable for the excitation frequency (93) in which in particular approximately no reactive power occurs.
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.14. Piezoelectric drive device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that one of the two piezo actuators (18, 8) by means of a connecting element (90) in the transverse direction (24) is connected to the part to be adjusted (11), wherein the Connecting element (90) is arranged in particular in the region of the piezoelectric element (20).
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.15. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the connecting element (90) is rigid or elastic, in particular along the transverse direction (24) is resilient.
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.16. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that during the driving of the first piezoelectric actuator (18, 8) on the second piezoelectric actuator (8, 18) an electrical sensor signal (91) - in particular a sensor voltage - is tapped, which is generated by the mechanical force of the part to be adjusted (11) on the piezoelectric element (20) of the second piezoelectric actuator (8, 18).
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.17. Piezoelectric drive device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that for generating the relative movement of the piezoelectric element (20) is electrically excited in the longitudinal direction (19), and for detecting the force by the part to be adjusted (11) the piezoelectric element (20) is mechanically acted upon in the transverse direction (24) with a force (97).
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.18. Piezoelectric drive device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first piezoelectric actuator (18, 8) raises the part (11) to be adjusted along a vertical rail (16) during the second piezoelectric actuator (8, 18) simultaneously detected a movement-dependent and / or load-dependent force (97) of the part to be adjusted (11).
19. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (20) des ersten19. Piezoelectric drive device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element (20) of the first
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.Piezoactuator (18, 8), which raises the part to be adjusted (11) has a larger volume than the piezoelectric element (20) of the second piezoelectric actuator (8, 18), which lowers the part to be adjusted (11).
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. 20. Method for operating a piezoelectric drive device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuator (8, 18) not actuated for the drive of the relative movement is a piezoelectric sensor (92) for a closing force limitation of the part (11) to be adjusted. is used.
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