DE10008752B4

DE10008752B4 - Piezoelektrischer Aktor

Info

Publication number: DE10008752B4
Application number: DE10008752A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. Balázs; Franz Dipl.-Ing. Hacker; Stefan Dipl.-Ing. Wiest
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: DE10008752A1

Abstract

Ein- oder mehrschichtiger piezoelektrischer Aktor, der durch eine an jede Schicht aus Piezokeramik angelegte Aktorspannung betrieben wird und der mit wenigstens einer der Schichten gleichzeitig als Sensor zur meßtechnischen Erfassung der durch die Aktorspannung ausgelösten Kräfte bzw. Verformungen der Piezokeramik betrieben wird, wobei an die Sensorschicht/en zusätzlich zur angelegten Aktorspannung eine Signalspannungsquelle angeschlossen ist, die als Hilfsanregungsspannung (U_S) ein frequenzcodiertes, ein mono- oder multifrequentes oder ein frequenzvariables Sensorsignal an die betreffende/n Sensorschicht/en abgibt, und wobei an die Sensorschicht/en außerdem eine Meßschaltung zur Auswertung des Frequenzverhaltens angeschlossen ist, das unter Anwendung des Meßprinzips "Resonator-Kraftwandler", dem die Ausnutzung der Änderung des Materialeigenschwingungsverhaltens bei Krafteinwirkung zu Grunde liegt, anhand eines von der Aktorspannung (U_A) entkoppelt abgenommenen Meßsignals (U_M) gewonnen wird, das ein das Frequenzverhalten beinhaltendes "Antwort"-Signal auf das Sensorsignal ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrschichtigen piezoelektrischen Aktor, der durch eine an jede Schicht aus Piezokeramik angelegte Aktorspannung betrieben wird und der mit wenigstens einer der Schichten gleichzeitig als Sensor zur meßtechnischen Erfassung der durch die Aktorspannung ausgelösten Kräfte bzw. Verformungen der Piezokeramik betrieben wird.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung mechanische Anordnungen, elektrische Beschaltungen und Systeme mit mehreren piezoelektrischen Aktoren, Reglerschaltungen unter Verwendung von piezoelektrischen Aktoren und Anwendungen von piezoelektrischen Aktoren.
Piezoelektrische Aktoren weisen eine hohe Energiedichte, ein schnelles Ansprechen sowie einen einfachen Aufbau auf. Sie können in Reihe oder parallel geschaltet betrieben werden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein piezokeramischer Festkörper verformt, wobei die Verformung proportional zur Spannung ist. Da piezokeramische Aktoren eine „elektromechanische Drift" besitzen, erfordert die Regelung derartiger Aktoren bislang – je nach Aufgabe – eine zusätzliche Weg- und/oder Kraftmessung, da mit ihnen ohne eine derartige Regelung Positionen nur grob gestellt werden können, wobei speziell der Verfahrweg mit relativ großem Fehler behaftet ist.
Darüber hinaus legt ein piezokeramischer Aktor üblicherweise nur geringe Verformwege zurück, weshalb eine externe zusätzliche Weg- und/oder Kraftmessung teuer, kompliziert und ungenau ist. Typische Anwendungen sind deswegen derzeit grobe, (hoch)dynamische Stellaufgaben mit hohem Kraftbedarf und kleinen Verstellwegen.

Die Verwendung einer Piezokeramik als piezoelektrischer Aktor ist beispielsweise aus US 5,473,214 A bekannt.

Sollte eine Piezokeramik als Sensor eingesetzt werden, wie dies z.B. aus US 4,831,304 A und US 4,835,436 A bekannt ist, so ergibt eine von außen aufgebrachte Verformung eine elektrische Spannung am Keramikkörper. Bleibt die aufgebrachte Kraft oder Verformung konstant, so ist es jedoch praktisch nicht möglich, ein proportionales Spannungssignal zu messen, da diese Spannung durch den Innenwiderstand der Meßelektronik und der Piezokeramik wieder abgebaut wird. Typische Meßaufgaben sind deswegen dynamische Messungen, die allerdings mit relativ großen Ungenauigkeiten verbunden sind.

Aus DE 31 03 061 A1 , DE 32 41 601 A1 sowie aus WO 98/3740 A1 sind Aktoren mit einem Piezokeramik-Plattenstapel mit wenigstens einer Piezoscheibe bekannt, bei denen zur Überwachung der Kräfte oder des Auslenkverhaltens des Aktors oder aber auch zur Gewinnung von Steuer- und Regelgrößen wenigstens ei- ne Piezoscheibe des Stapels zumindest teilweise als Meßsensor verwendet wird.

Aus DE 198 04 196 A1 ist bekannt, piezomechanische Systeme hinsichtlich ihres Schwing- und Frequenzverhaltens zu diagnostizieren, wobei eine Schwellenwertabfrage eines Piezosignals durchgeführt wird. Ein Ausgangssignal wird dann verändert, wenn vom Piezosignal ein Schwellenwert über- oder unterschritten wird.

Das Messprinzip eines Resonator-Kraftwandlers ist beispielsweise aus DE 30 13 185 A1 , US 3 479 536 A sowie US 3 470 400 A bekannt; hierbei wird in diesen Druckschriften die Verwendung eines Piezoelements als Schwinger zu diesem Zweck beschrieben. Zur Kraftmessung werden piezoelektrische Quarzresonatoren verwendet, die von einem Oszillator über Metallelektroden die notwendige Schwingungsenergie erhalten und deren wiederum am Oszillator abzunehmende Schwingfrequenz proportional zu jeweils von außen an das Piezoelement angelegten Kraft ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Aktor so auszubilden und zu gestalten, daß er bei einem Einsatz als Sensor zeitunabhängig genaue Meßergebnisse seiner Piezoverformung liefert, was dann dazu ausgenutzt werden soll, Aktor und Sensor bauteilmäßig zu verbinden und eine Regelung des Aktors bei örtlicher Nähe des Sensors problemlos durchzuführen. Darüber hinaus sollen durch die Erfindung vorteilhaft mit Sensorauswertung versehene elektrische Schaltungen und mechanische Anordnungen mit mehreren zusammenwirkenden piezoelektrischen Aktoren, Regelschaltungen, Systeme mit mehreren auch als Sensor wirksamen piezoelektrischen Aktoren und Anwendungsmöglichkeiten für zugleich als Sensor arbeitende piezoelektrische Aktoren angegeben werden.

Gemäß der Erfindung, die sich auf einen ein- oder mehrschichtigen piezoelektrischen Aktor der eingangs genannten Art bezieht, ist an eine Sensorschicht/en zusätzlich zur angelegten Aktorspannung eine Signalspannungsquelle angeschlossen, die als Hilfsanregungsspannung ein frequenzcodiertes, ein mono- oder multifrequentes oder ein frequenzvariables Sensorsignal an die betreffende/n Sensorschicht/en abgibt. An die Sensor schicht/en ist außerdem eine Meßschaltung zur Auswertung des Frequenzverhaltens angeschlossen, das unter Anwendung des Meßprinzips "Resonator-Kraftwandler", dem die Ausnutzung der Änderung des Materialeigenschwingungsverhaltens bei Krafteinwirkung zu Grunde liegt, anhand eines von der Aktorspannung entkoppelt abgenommenen Meßsignals gewonnen wird, das ein das Frequenzverhalten beinhaltendes "Antwort"-Signal auf das Sensorsignal ist.

Ein Problem beim Einsatz von Piezokeramik als Sensor lag bisher darin, daß bei relativer Messung von Wegen bzw. Kräften einigermaßen genaue Meßergebnisse nur durch Auswerten der Piezospannung zu erzielen sind. Dieses Problem läßt sich entsprechend dem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip durch eine andere Messung der Piezoverformung umgehen, der ein weiterer physikalischer Effekt zugrunde liegt, nämlich das von einer mechanischen Belastung abhängige Schwingverhalten der Piezokeramik. Ein ähnliches Verhalten ist beispielsweise von einer Gitarrensaite bekannt, wobei gilt: Je höher die mechanische Spannung ist, desto höher liegen die Eigenfrequenzen der Saite. Der analoge Effekt tritt auch bei starren Körpern unter mechanischer Belastung auf; ferner steigen mit wachsender mechanischer Belastung die Eigenfrequenzen proportional an.

Dieser Effekt ist zeitunabhängig. Jeder mechanischen Belastung ist damit eindeutig ein spezifisches Frequenzspektrum zugeordnet. Absolute Messungen sind daher durch Auswerten der aktiv angeregten Eigenfrequenz-Schwingung bzw. des Schwingungsfrequenzspektrums sehr präzise möglich.

Hierzu kann der Aktorspannung direkt ein Sensorsignal aufmoduliert werden und die Aktorspannung kann beispielsweise durch Frequenzfilterung ausgewertet werden. Um gegenseitige Beeinflussungen zu verhindern, sind in vorteilhafter Weise Aktorspannung und Sensorsignalspannung schaltungstechnisch voneinander getrennt. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, den Sensor örtlich nahe am Aktor auszuwerten und ebenso die Regelung des Aktors lokal durchzuführen, beispielsweise durch eine Reglerschaltung, die, außer daß sie die Sensorauswertung durchführt, gleichzeitig auch die Aktorspannung regelt. Als Eingangsgröße erhält eine solche Reglerschaltung über einen Signaleingang eine Regelvorgabe, so daß sie wahlweise über einen Signalausgang auch ein Weg- bzw. Kraftsignal abgeben kann.

Der piezoelektrische Aktor und Sensor nach der Erfindung vereinigt die bekannten elektromechanischen Eigenschaften piezokeramischer Bauelemente, wobei er gleichzeitig als Sensor und als Aktor dient. Der Sensor liefert in diesem System ein belastungsproportionales Absolutsignal, das nicht von der Zeit abhängt. Durch Aufbau eines Regelkreises kann dieses Bauele ment als voll regelbares mechatronisches Linearstellglied mit Sensorrückführung betrieben werden, mit dem sowohl ein weggeregeltes als auch ein kraftgeregeltes bzw. ein weg- und kraftgeregeltes Verhalten erzielt wird.

Zur Auswertung der Sensorinformation wird noch folgendes ausgeführt:
Die Information über die am piezoelektrischen Aktor/Sensor-Stellglied wirkende Kraft und die damit verbundene Verformung wird aus der Veränderung des Eigenschwingverhaltens der Piezokeramik ermittelt. Das Eigenschwingverhalten läßt sich auf verschiedene Weisen analysieren.

• Vermessung der Eigenfrequenz und der Dämpfung durch Anregung und Beobachtung der Sprung- und Impulsantwort des Sensors.
• Anregung mit einer oder mehreren frequenzkonstanten Sinusschwingungen und Beobachtung der Veränderungen von Amplitude und/oder Phase der Antwort.
• Anregung mit einem Wobbelsignal und Beobachtung der Amplitudenantwort. Vermessung von charakteristischen Merkmalen, wie z.B. steilen Kanten, Maxima, ..., im Amplitudengang.
• Anregung mit breitbandigem, in idealer Weise weißem Rauschen und Beobachtung der Antwort im Frequenzbereich.
• Auswertung des Phasenganges.

Eine Auswertung im Frequenzbereich kann schaltungstechnisch z.B. durch ein durchstimmbares oder mehrere frequenzkonstante Filter erfolgen, welche die Beurteilung der Amplitude in bestimmten Frequenzbereichen zulassen. Eine andere Möglichkeit ist die Auswertung des Spektrums durch Berechnung der Fou rier-Transfomierten. Hierzu kann beispielsweise ein digitaler Signalprozessor eingesetzt werden, mit dem die Fast-Fourier-Transformation des Antwortsignals berechnet und bewertet wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Aktors anhand einer in einem Bild zusammengefaßten mechanischen Anordnung und deren Beschaltung;
2 das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Sensors anhand einer in einem Bild zusammengefaßten mechanischen Anordnung und deren Beschaltung;
3 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor ohne Kompensation;
4 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch eine differentiell aufgeschaltete Sensorsignalspannung;
5 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch differentielle Aufschaltung der Aktorspannung;
6 die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit vollständiger Trennung von Sensorsi gnal und Aktorspannung mittels einer Brückenschaltung;
7a und 7b ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, bei dem zur Bildung einer durch einen piezoelektrischen Aktor bewirkten Strahlauslenkung zwei plankonvexe Linsen in einem optischen Strahlengang kombiniert sind, und
8a und 8b ein gegenüber den 7a und 7b erweitertes Anwendungsbeispiel der Erfindung, bei dem zur Bildung einer durch einen piezoelektrischen Aktor bewirkten Strahlauslenkung ein Feld plankonvexer Linsenpaare in einem optischen Strahlengang liegt.
In 1 ist das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Aktors dargestellt. An den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' einer Piezokeramik 1 wird eine Aktorspannung U_A zugeführt. Die von der Piezokeramik 1 nach außen an ihren beiden Endflächen abgegebene Kraft F ist zur Aktorspannung U_A proportional. Bei konstanter Kraft F ist die Aktorspannung U_A proportional zur Längenänderung der Piezokeramik 1. Die Aktorspannung U_A ist nach Betrag und Vorzeichen veränderlich.
In 2 ist das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Sensors dargestellt. Hier wirkt eine Kraft F von außen auf die Endflächen der Piezokeramik 1. Eine an den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' abgenommene Meßsignalspannung U_M verändert sich bei gleichbleibender Sensoranregung durch eine Hilfsanregungsspannung U_S in Abhängigkeit von der von außen auf die Piezokeramik 1 wirkenden Kraft F. Die zusätzliche, das Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung U_S wird an die beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' zum Messen des Frequenzverhaltens der Piezokeramik 1 angelegt. Sie kann in Abhängigkeit von der jeweils angewandten Meßmethode beispielsweise eine Pulsspannung, ein Rauschsignal oder eine irgendwie geartete Wechselspannung mit gegebenenfalls veränderlicher Frequenz sein.
Das Abgreifen der Meßsignalspannung U_M ist in unterschiedlicher Weise möglich. So kann dies beispielsweise im gleichen Zweig erfolgen, in dem die zusätzliche Hilfsanregungsspannung U_S angelegt wird; ebenso ist aber auch ein Abgriff an einer zusätzlich auf einer Piezokeramikplatte aufgebrachten Hilfselektrode oder an einem separaten, mechanisch gekoppelten Piezoelement möglich.
In 3 ist die mechanische Anordnung und Beschaltung einer bauteilmäßigen Kombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor ohne Kompensation dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Minimalanordnung eines sensierenden Aktors, ohne daß eine Kompensationsschaltung vorgesehen ist. An den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' der Piezokeramik 1 wird die Aktorspannung U_A zugeführt. Die von der Piezokeramik 1 nach außen an ihren beiden Endflächen abgegebene Kraft F ist zur Aktorspannung U_A proportional. Bei konstanter Kraft F ist die Aktorspannung U_A proportional zur Längenänderung der Piezokeramik 1. Die Aktorspannung U_A ist nach Betrag und Vorzeichen veränderlich.
Eine an den beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' von der Aktorspannung U_A abgenommene Meßsignalspannung U_M verändert sich bei gleichbleibender Sensoranregung durch eine Hilfsanregungsspannung U_S in Abhängigkeit von der von außen auf die Piezokeramik 1 wirkenden Kraft F. Die das Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung U_S wird an die beiden endseitigen Anschlußflächen 10 und 10' zum Messen des Frequenzverhaltens der Piezokeramik 1 angelegt. In dem Funktionsprinzip nach 2 sowie der Anordnung nach 3 ist die Aktorspannung U_A nicht von der Hilfsanordnungsspannung U_S bzw. der Meßssignalspannung U_M entkoppelt. In 2 und 3 sind zwar getrennte Elektroden vorgesehen, mechanisch sind jedoch alle Elektroden gleich und damit auch alle elektrischen Wege gleich belastet, d.h. verkoppelt.
Sie kann genauso wie bei 2 in Abhängigkeit von der jeweils angewandten Meßmethode beispielsweise eine Pulsspannung, ein Rauschsignal oder eine irgendwie geartete Wechselspannung mit gegebenenfalls veränderlicher Frequenz sein. Das Abgreifen des Meßsignals U_M ist in unterschiedlicher Weise möglich. So kann dies beispielsweise im gleichen Zweig erfolgen, in dem die zusätzliche Hilfsanregungsspannung U_S angelegt wird; ebenso ist aber auch ein Abgriff an einer zusätzlich auf einer Piezokeramikplatte aufgebrachten Hilfselektrode oder an einem separaten, mechanisch gekoppelten Piezoelement möglich.
In den 2 und 3 ist der Meßabgriff zur Abnahme der Meßsignalspannung U_M nur schematisch als ein zur Hilfsanregung parallel liegendes Meßinstrument dargestellt, dessen technische Ausführung für prinzipielle Überlegungen unerheblich ist. Die grundsätzliche Entkopplung von Sensor und Aktor, welche dieselbe Piezokeramik 1 verwenden, ist von entscheidender Bedeutung. So soll einerseits die angelegte Hilfsanregungsspannung U_S nicht zu einer nach außen sichtbaren Verfor mung der Gesamtanordnung führen, andererseits soll die Meßsignalspannung U_M frei von Überlagerungen durch die angelegte Aktorspannung U_A sein. Dies gilt auch für die nachfolgend beschriebenen Anordnungen.
Bei den anschließend beschriebenen Anordnungen nach den 4 bis 6 sind mehrere Piezokeramiken mechanisch in Reihe angeordnet, was im allgemein als Piezostapel bezeichnet wird.
Hierbei muß die Aktorspannung U_A so an den Piezostapel angelegt werden, daß sich die durch die Aktorspannung U_A hervorgerufenen Verformungen der piezokeramischen Einzelelemente (1 und 2 in den 4 und 5; 1 bis 4 in 6) über den ganzen Stapel summieren, während die Hilfsanregungsspannung U_S so angelegt werden muß, daß sich die dadurch hervorgerufenen Einzelverformungen über den ganzen Stapel gegenseitig auslöschen.
Die Kräfte F, deren Betrag veränderlich ist, sind Druckkräfte, da Zugkräfte die Piezokeramik mechanisch zerstören könnten. Bei herkömmlichen keramischen Piezoaktoren wird eine mechanische Vorspannung auf den Aktor aufgebracht, um ihn mit ähnlich hohen positiven wie negativen Spannungen beaufschlagen zu können, ohne dadurch ein Umpolarisieren zu riskieren. Nachstehend wird auf diesen Aufbau zurückgegriffen werden, wenngleich die nachfolgend noch vorgestellten Beschaltungen auch auf elektrostriktive Materialien angepaßt werden können, deren Ausdehnung nur vom Betrag, nicht aber vom Vorzeichen der angelegten Aktorspannung U_A abhängt.
In der 4 ist die mechanische Anordnung und die Beschaltung einer Piezostapel-Bausteinkombination von piezoelektri schem Aktor und Sensor mit Kompensation durch eine differentiell aufgeschaltete Sensorsignalspannung dargestellt. Der Piezostapel besteht in der 4 aus zwei mechanisch in Reihe angeordneten piezokeramischen Einzelelementen 1 und 2. Die endseitige Anschlußfläche 11 des piezokeramischen Einzelelements 1 ist mit der endseitigen Anschlußfläche 20 des piezokeramischen Einzelelements 2 elektrisch und mechanisch unmittelbar verbunden. Die aus zwei Hilfsanregungsspannungen U_S1 und U_S2 bestehende Sensorsignalspannung wird der angelegten, die Kraft F außen am Piezostapel erzeugenden Aktorspannung U_A differentiell überlagert.
Dies erfolgt dadurch, daß der eine Pol der Aktorspannung U_A mit den Anschlußflächen 11 und 20 und der andere Pol mit jeweils einem Pol der Quellen der Hilfsanregungsspannungen U_S1 und U_S2 verbunden ist, deren anderer Pol an der endseitigen Anschlußfläche 10 des piezokeramischen Einzelelements 1 bzw. an der endseitigen Anschlußfläche 21 des piezokeramischen Einzelelements 2 angeschlossen ist. Sind die beiden Hilfsanregungsspannungen U_S1 und U_S2 gleich, so hebt sich die durch sie hervorgerufene Verformung der beiden piezokeramischen Einzelelemente 1 und 2 in der Summe über den Piezostapel auf.
Bei der in 4 dargestellten Anordnung ist die Sensorsignalspannung in Form der Hilfsanregungsspannungen U_S1 und U_S2 zur differentiellen Aufschaltung zweimal zu erzeugen. Zur Auswertung muß die Differenz der von der Aktorspannung U_A entkoppelt abgenommenen Meßsignalspannungen U_M1 und U_M2 gebildet werden, um das Meßergebnis von Einflüssen der veränderlichen Aktorspannung U_A zu entkoppeln.
In der 5 ist die mechanische Anordnung und die Beschaltung einer Piezostapel-Bausteinkombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit Kompensation durch differentielle Aufschaltung der Aktorspannung U_A dargestellt. Der Piezostapel besteht in der 5 aus zwei mechanisch in Reihe angeordneten piezokeramischen Einzelelementen 1 und 2. Die endseitige Anschlußfläche 11 des piezokeramischen Einzelelements 1 und die endseitige Anschlußfläche 20 des piezokeramischen Einzelelements 2 sind elektrisch und mechanisch unmittelbar miteinander verbunden. Die angelegte, die Kraft F am Piezostapel erzeugende Aktorspannung U_A wird der Sensorsignalspannung U_S1 differentiell überlagert.
Dies erfolgt dadurch, daß der eine Pol der Sensorsignalspannung U_S1 mit den Anschlußflächen 11 und 20 und der andere Pol mit jeweils einem Pol der beiden Quellen der Aktorspannung U_A verbunden ist, deren anderer Pol an der endseitigen Anschlußfläche 10 des piezokeramischen Einzelelements 1 bzw. an der endseitigen Anschlußfläche 21 des piezokeramischen Einzelelements 2 angeschlossen ist. Die Aktoren sind so angeordnet, daß sie sich bei gleicher Aktorspannung U_A gleichartig verhalten, sich beispielsweise beide ausdehnen. Hierbei beeinflußt die Sensorsignalspannung US1 die Gesamtverformung nicht. Die Meßsignalspannung U_M wird parallel liegend zur Sensorsignalspannung U_S1 entkoppelt von der Aktorspannung U_A abgenommen. Bei der in der 5 dargestellten Anordnung sind die Aktorspannungen U_A zur differentiellen Aufschaltung zweimal zu erzeugen.
In der 6 ist die mechanische Anordnung und Beschaltung einer Piezostapel-Bauteilkombination von piezoelektrischem Aktor und Sensor mit vollständiger Trennung von Sensorsignal und Aktorspannung mittels einer Brückenschaltung dargestellt. Der Piezostapel in der 6 besteht aus vier mechanisch in Reihe angeordneten piezokeramischen Einzelelementen 1, 2, 3 und 4. Es sind zum ersten die endseitige Anschlußfläche 11 des piezokeramischen Einzelelements 1 und die endseitige Anschlußfläche 20 des piezokeramischen Einzelelements 2, zum zweiten die endseitige Anschlußfläche 21 des piezokeramischen Einzelelements 2 und die endseitige Anschlußfläche 30 des piezokeramischen Einzelelements 3 und zum dritten die endseitige Anschlußfläche 31 des piezokeramischen Einzelelements 3 und die endseitige Anschlußfläche 40 des piezokeramischen Einzelelements 4 elektrisch und mechanisch unmittelbar miteinander verbunden.
Die Aktorspannungen U_A wirken auf die vier piezokeramischen Einzelelemente 1 bis 4, so daß diese gleiches Verhalten zeigen, sich beispielsweise alle ausdehnen. Die Sensorsignalspannungen US sind so gerichtet, daß sich die Verformungen von je zwei piezokeramischen Einzelelementen 1, 2 bzw. 3, 4 gegenseitig aufheben und somit in ihrer Summe über den gesamten Piezostapel keine Längenänderung bewirken. Bei dieser Anordnung wird vermieden, daß eine der Spannungen doppelt erzeugt werden muß. Es ist auch nur eine Sensorsignalspannung auszuwerten.
Um gleich große Verformungen wie bei den in den 4 und 5 dargestellten Anordnungen zu erzielen, müssen die anzulegenden Spannungen in der Brückenanordnung doppelt so groß sein, also 2U_A und 2U_S sein, da sie jeweils auf zwei in Serie geschaltete piezokeramische Einzelelemente 1, 2 bzw. 3, 4 wirken. Bei dieser in 6 dargestellten mechanischen Anordnung und elektrischen Beschaltung erfolgt eine vollständige Kompensation aller unerwünschten Einflüsse durch eine innere Verkopplung vom Sensor auf den Aktor, und umgekehrt. Die Meßsignalspannung U_M wird in entkoppelter Weise parallel liegend zur Sensorsignalspannung U_S abgenommen.
Die Spannungen U_S und U_A liegen gewöhnlich auf verschieden hohem Niveau. Meist sind die Sensorsignalspannungen US wesentlich geringer als die Aktorspannungen U_A, weswegen erstere, also U_S, auch schon ohne Kompensation, nur einen geringen bis vernachlässigbaren Einfluß auf den Aktor haben.
Die vorstehend anhand der 4 bis 6 beschriebenen mechanischen Anordnungen gleichartiger piezokeramischer Elemente mit den dargestellten Beschaltungen sind besonders gut geeignet, um gegenseitige Beeinflussungen von Aktor und Sensor auszugleichen und damit die Auflösung des Linearaktors zu steigern. Auf rein physikalischem Weg wird hier eine vollständige elektrische und mechanische Kompensation erzielt und damit sowohl die Sensorauswertung als auch die Aktoransteuerung stark vereinfacht. Auch muß nicht auf eine Signalnachbearbeitung zurückgegriffen werden; es sind auch keine Kompensationstabellen oder ähnliche Hilfswerkzeuge nötig, die eine Regelung stark verlangsamen würden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich dahingehend erweitern, daß es beispielsweise um eine absolute Längenmessung der Piezokeramik auf Basis der Körperschall-Laufzeitmessung ergänzt werden kann. Dann ist das mechatronische Linearstellglied vollständig kraft-, weg- und spannungsregelbar.
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist nicht nur bei piezokeramischen Linearaktoren anwendbar, sondern läßt sich auch auf alle anderen Piezoaktoren übertragen, wie beispielsweise auf Biege-, Dreh- oder Schubaktoren.
Es können auch andere Materialien als piezokeramisches Material verwendet werden. Der Aktor/Sensor nach der Erfindung kann aus einem der Piezokeramik hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften ähnlichem Material bestehen, bei dem das Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes zu einer Verformung führt. Als Material kommen vor allem magnetostriktive Festkörper, Quarze, Bimetallanordnungen und Werkstoffe, bei denen die Wärmedehnung oder Gefügeumwandlung als aktorischer Effekt genutzt werden (elektrorheologische Flüssigkeiten), in Betracht.
Im folgenden werden Ausführungsmöglichkeiten und Weiterbildungen der Erfindung erläutert. Darüber hinaus sind noch vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen, Reglerausführungen und Anwendungsmöglichkeiten in den Ansprüchen angegeben.
Bei einer Reihenschaltung mehrerer piezoelektrischer Aktoren kann in einer Variante das Sensorsignal nur einem dieser Aktoren aufgeschaltet werden, wobei das Meßsignal bevorzugt nur an diesem einen Aktor abgenommen und ausgewertet wird. Damit kann in direkter Reihenanordnung das Spannungsniveau des Sensor- und Meßsignals deutlich unter dem Spannungsniveau der Aktorspannung liegen.
Die Pegel der Aktorspannung können bei einem unter mittelhoher Betriebslast arbeitenden Aktor vorteilhaft so bemessen werden, daß sie gegenüber dem Pegel der Sensorsignalspannung und der Meßsignalspannung deutlich höher liegen.
Es kann eine Anordnung mehrerer piezoelektrischer Aktoren in Form einer Reihenanordnung oder Parallelschaltung einer beliebigen Anzahl von Sensoren/Aktoren vorgesehen werden, wobei bevorzugte Bauformen gleich viele gleichartige seriell angeordnete Aktoren in parallelen Zweigen aufweisen Piezoelektrische Aktoren nach der Erfindung lassen sich in vorteilhafter Weise zum Aufbau einer Reglerschaltung, beispielsweise zur Kraftregelung, vorsehen, was im folgenden erläutert werden soll.
In einer solchen Reglerschaltung sind bevorzugt eine Einrichtung zur Erzeugung der ein frequenz- und eventuell amplitudenmoduliertes Sensorsignal bildenden Hilfsanregungsspannung und eine Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude und Frequenz vorgesehen. Die Einrichtung zur Erzeugung der ein frequenz- und eventuell amplitudenmoduliertes Sensorsignal bildenden Hilfsanregungsspannung ist bevorzugt ein Wobbelgenerator oder ein durchstimmbarer Schwingkreis. Die Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude und Frequenz ist in zweckmäßiger Weise so ausgelegt, daß sie zur deutlicheren Hervorhebung der Charakteristik des Eigenschwingungsverhaltens einen Vergleich mit dem Sensorsignal ausführt.
Die Meßschaltung besteht aus mindestens einem Sensorsignaleingang, mindestens einem Meßsignaleingang, mindestens einem Komparator zum Vergleich von Sensorsignal und Meßsignal und mindestens einer zur Steuerung der Aktorspannung dienenden Ausgabeschnittstelle. Es kann ein Trägerfrequenzgenerator vorgesehen werden, der eine in bevorzugter Weise nahe der auszuwertenden Frequenz gelegene Trägerfre quenz generiert, wodurch eine Schwebung zwischen Sensor- bzw. Meßsignal bzw. deren differentiellem Spannungssignal und dem Spannungssignal der Trägerfrequenz angeregt wird, die dann in einem anderen Frequenzbereich ausgewertet wird. In der Meßschaltung kann auch noch eine Ausgabeschnittstelle zur externen Anzeige des Spannungs- bzw. Wegmeßsignals vorgesehen werden.
Bei einer Reglerschaltung nach der Erfindung ist die das frequenz- und eventuell amplitudenmodulierte Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung in einem Frequenzband angeregt, in welchem charakteristische Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Aktors liegen. Je deutlicher sich eine Eigenfrequenz im umliegenden Frequenzband durch die Höhe der Meßsignalamplitude abhebt, desto einfacher ist die Auswertung. Für jede Bauart und Baugröße können die geeigneten Frequenzen mühelos experimentell bestimmt werden. Bei der Auswertung der belastungsabhängigen Eigenfrequenzverschiebung kann gegebenenfalls auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, wie z.B. auf die Schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform; FFT), die frequenzselektive Anregung von Schwingkreisen oder die Auswertung der Amplitude über der Frequenz durch einen digitalen Signalprozessor (DSP). Das Sensorsignal kann in der Anregung eines Spannungssprungs, eines Spannungsimpulses oder eines Rauschsignals bestehen, wobei dann die Antwort als Meßsignal ausgewertet wird.
Es sind Systeme mehrerer Sensor/Aktoren möglich, die zwei oder mehr parallel wirkende Sensoren/Aktoren enthalten, die voneinander unabhängig geregelt angesteuert werden können. Bei zwei parallel angeordneten gleichartigen Aktoren kann beispielsweise eine gleichzeitige Ausdehnung beider Aktoren zum parallelen Vorschub und eine Kombination aus Ausdehnung des einen Aktors und gleichzeitiger Verkürzung des anderen Aktors für eine Drehung genutzt werden. Beliebige Kombinationen daraus sind ansteuerbar.
Durch den Betrieb von mehr als zwei parallel oder räumlich angeordneten, miteinander direkt oder über Zwischenglieder verbundenen Aktoren können Stellglieder mit mehreren Freiheitsgraden aufgebaut werden, wobei die Anzahl unabhängiger Freiheitsgrade maximal so hoch wie die Anzahl der Aktoren ist. Als Anwendungsbeispiel kann eine Kombination von sechs räumlich miteinander verkoppelten Aktoren vorgesehen werden, die eine sogenannte Steward-Plattform (= Hexapod) bilden, welche mit dem durch die Erfindung gegebenen Aktor/Sensor-Prinzip erstmals einfach vollgeregelt realisierbar wird.
Im folgenden werden einige besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung angegeben.
Piezoelektrische Sensoren/Aktoren nach der Erfindung lassen sich insbesondere im Rahmen einer PKW-Bremsanlage mit einer piezoelektrischen Bremse einsetzen, die auf mindestens einem Sensor/Aktor als Linearvorschub-, Scher- oder Biegeaktor z.B. zum geregelten Verstellen der Bremsbeläge einer Scheibenbremse im Kraftfahrzeug-, aber auch im Eisenbahnbereich beruht.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht bei Linearantrieben in Feinpositionierungen, beispielsweise in Präzisionsbearbeitungsmaschinen. Hier ist vorrangig eine Kombination des Aktors bzw. der Aktoren mit einem Elektromotor und/oder gegebenenfalls mit Getrieben möglich, beispielsweise als Linearaktor oder Drehsteller für Roboterantriebe, Bearbeitungszentren, Werkzeugmaschinen und dergleichen, wobei der Aktor bzw. die Aktoren nicht als Hauptantrieb eingesetzt sind, sondern dazu dienen, als Ergänzung zum Antriebsmotor zu bremsen bzw. im Stillstand eine Selbsthemmung des Antriebs zu bewirken. Die Selbsthemmung kann dabei über eine mechanisch vorgespannte "Sicherheits"-Bremse vorgenommen werden, die nur durch Bestromung des Aktors bzw. der Aktoren geregelt zu öffnen ist.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Feindosierung von Stoffen, insbesondere von Medikamenten im klinischen Bereich oder bei der Mischung zur Erzeugung von Medikamentengemischen, z.B. in Apotheken.
Die Erfindung kann auch bei Schwingungsanregungs- und -dämpfungsanordnungen in mechanischen Strukturen benutzt werden, wie insbesondere bei Flugzeugflügeln, Hubschrauberrotoren, bei Flugzeug-, Eisenbahn- oder PKW-Fahrwerken, bei schwingungsentkoppelten Aufhängungen von Aggregaten, Motoren, Generatoren und Bremsen, bei Gebäudefundamenten und bei Gleisanlagen.
Des weiteren lassen sich Sensor/Aktor-Elemente gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise bei Einspritzanlagen, insbesondere bei solchen, die als Benzin- oder Diesel-Einspritzpumpen für den Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmotorbereich ausgeführt sind, und bei solchen für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich anwenden.
Auch bei Ventilverstellungen sowohl im Feineinstellbereich als auch für hochdynamische Antriebe, wie Ventile beim Verbrennungsmotor, angetrieben durch einen Piezostapel von Aktoren oder durch einen Piezobiege-Aktor, sowie für den Kraft fahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmotorbereich sowie für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich läßt sich die Erfindung mit Erfolg einsetzen.
Bei Farbspritzsystemen, insbesondere für Druckaufgaben, z.B. der Farbdosierung und dem "Spritzen" bei PC-Schwarzweiß- und Farbdruckern oder bei Lackieraufgaben im Verpackungs-, Druck oder Fahrzeuglackierbereich können Sensor/Aktor-Elemente nach der Erfindung ebenfalls erfolgreich eingesetzt werden.
Eine Gebrauchsmöglichkeit des piezoelektrischen Aktors nach der Erfindung besteht auch bei der Spiegelfeinverstellung, insbesondere um eine oder zwei unabhängige orthogonale Achsen, beispielsweise für optische Meßgeräte, Strahlablenkungssysteme, Scanner, Laser-Bearbeitungsmaschinen, Dia- oder ähnliche Projektoren sowie Meßaufbauten.
Ebenso ist mit piezoelektrischen Sensor/Aktor-Elementen eine problemlos ausführbare Feineinstellung eines Mikrolinsenarrays oder eines Spiegels zur zweidimensionalen Strahlablenkung möglich, beispielsweise einsetzbar für die adaptive PKW-Scheinwerferverstellung oder in der Lichttechnik für die Gebäude- und Landschaftsbeleuchtung.
In den 7a und 7b ist noch ein Anwendungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem zur Bildung einer durch einen piezoelektrischen Aktor bewirkten Strahlauslenkung zwei plankonvexe Linsen L1 und L2 in einem optischen Strahlengang kombiniert sind. Wie 7a für den noch unausgelenkten Strahl zeigt, liegen die beiden Linsen L1 und L2 mit ihren planen Flächen aufeinander auf. Wie die 7b zeigt, sind die beiden konvexen Linsen L1 und L2 im Strahlengang gegenüber dem ursprünglichen, gestrichelt dargestellten Zustand gemeinsam nach unten verschoben, was mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktor/Sensor-Element nach der Erfindung ausgeführt wird. Der Strahl wird nach unten abgelenkt. Dies ist auch dann der Fall, wenn nur eine der beiden Linsen L1 und L2 bewegt wird. In der Anordnung zur Linsenverschiebung ist in den 7a und 7b der Aktor als Zylinder Z schematisiert dargestellt.
Diese Auslenkung funktioniert auch mit mehreren parallel angeordneten Linsen L1 und L2, wie die 8a und 8b in einem gegenüber den 7a und 7b erweiterten Anwendungsbeispiel der Erfindung zeigen, bei dem zur Bildung einer durch ein piezoelektrisches Aktor/Sensor-Element bewirkten Strahlauslenkung ein Feld plankonvexer Linsenpaare in einem optischen Strahlengang liegt. Wie 8a für den noch unausgelenkten Strahl zeigt, liegen die zwei parallelen, jeweils aus Linsen L1 bzw. L2 bestehenden Linsenfelder F1 und F2 oder Linsenscheiben im Strahlengang, wobei die jeweils gepaarten Linsen L1 und L2 mit ihren planen Flächen aufeinander aufliegen Die Linsen L1 und L2 eines Paares liegen sich bei unausgelenktem Strahl genau gegenüber. Wie die 8b zeigt, sind die beiden konvexen Linsenfelder F1 und F2 im Strahlengang gegenüber dem ursprünglichen, gestrichelt dargestellten Zustand gegeneinander verschoben, was mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktor/Sensor-Element nach der Erfindung ausgeführt wird. Der Strahl wird nach unten abgelenkt.
Kleine Wege können auch durch Verformung eines Festkörpers zurückgelegt werden. Zur präzisen und schnellen Verformung eines Festkörpers läßt sich ein entsprechend der Erfindung ausgebildetes Aktor/Sensor-Element einsetzen. Die zu bewegenden Massen sind dabei im Vergleich zu einer herkömmlichen Optik minimal. Der Festkörper besteht aus zwei miteinander verbundenen durchsichtigen Kunststoff-Linsenfeldern oder -scheiben F1 und F2. Wenn die Anordnung so gewählt wird, wie dies in den 8a und 8b dargestellt ist, kann eine Verformung in nur einer Richtung zu einer relativen Strahlablenkung in einer Richtung führen. Soll der Strahl in zwei Richtungen abgelenkt werden, so müssen die beiden Linsenfelder F1 und F2 in zwei Richtungen gegeneinander bewegt werden.
In 8a und 8b ist ein Zylinder beispielsweise aus Glas als optisches Medium verwendet. Mittels eines Aktors werden zwei Linsenfelder bzw. zwei Einzel- oder zwei Fresnellinsen gegeneinander verschoben. Dabei können die Linsen voneinander getrennt aufgenommen sein oder aber vorzugsweise in einem Festkörper untergebracht sein. Dadurch ist eine relative Lage in einer Grundstellung beispielsweise ohne eine Strahlablenkung geschaffen.
Bei einer Betätigung des Aktors werden die Linsenfelder gegeneinander verschoben und der Strahl wird dadurch abgelenkt. Da die Linsenfelder bzw. die zwei Einzel- oder die zwei Fresnellinsen besonders einfach in einem derartigen Festkörper zueinander ausgerichtet hergestellt und mit besonders kleinen Wegen große Strahlablenkungen bewirkt werden können, ist diese Anordnung bekannten herkömmlichen Verfahren überlegen.

1 bis 4: Piezokeramik, piezokeramisches Einzelelement
10, 10', 11: Anschlußfläche
20, 21,: Anschlußfläche
30, 31, 40, 41: Anschlußfläche
F: Kraft
F₁, F₂: Linsenfläche
L₁, L₂: Linse
U_A: Aktorspannung
U_M, U_M1, U_M2: Meßsignalspannung
U_S, U_S1, U_S2: Sensorsignalspannung, Hilfsanregungsspannung
Z: Zylinder, der einen Aktor schematisiert

Claims

Ein- oder mehrschichtiger piezoelektrischer Aktor, der durch eine an jede Schicht aus Piezokeramik angelegte Aktorspannung betrieben wird und der mit wenigstens einer der Schichten gleichzeitig als Sensor zur meßtechnischen Erfassung der durch die Aktorspannung ausgelösten Kräfte bzw. Verformungen der Piezokeramik betrieben wird, wobei an die Sensorschicht/en zusätzlich zur angelegten Aktorspannung eine Signalspannungsquelle angeschlossen ist, die als Hilfsanregungsspannung (U_S) ein frequenzcodiertes, ein mono- oder multifrequentes oder ein frequenzvariables Sensorsignal an die betreffende/n Sensorschicht/en abgibt, und wobei an die Sensorschicht/en außerdem eine Meßschaltung zur Auswertung des Frequenzverhaltens angeschlossen ist, das unter Anwendung des Meßprinzips "Resonator-Kraftwandler", dem die Ausnutzung der Änderung des Materialeigenschwingungsverhaltens bei Krafteinwirkung zu Grunde liegt, anhand eines von der Aktorspannung (U_A) entkoppelt abgenommenen Meßsignals (U_M) gewonnen wird, das ein das Frequenzverhalten beinhaltendes "Antwort"-Signal auf das Sensorsignal ist.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Reihenschaltung mehrerer piezoelektrischer Schichten die die Hilfsanregungsspannung (U_S) abgebende Signalspannungsquelle und die Meßschaltung nur an einer Schicht angeschlossen sind.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsniveau der Signalspannungsquelle und der Meßschaltung deutlich unter dem Spannungsniveau der Aktorspannung liegen.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungsquelle und die Meßschaltung an den gleichen Anschlüssen der Sensorschichten angeschlossen sind.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung an einer zusätzlich auf die Piezokeramik aufgebrachten Hilfselektrode angeschlossen ist.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung an einem separaten, mechanisch gekoppelten Piezoelement angeschlossen ist.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung von der Aktorspannung (U_A) durch frequenzselektive Filterung entkoppelt ist.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer als Aktor betriebenen piezoelektrischen Schicht eine als Sensor betriebene piezoelektrische Schicht mechanisch getrennt in Reihe angeordnet ist.
Mehrschichtiger piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sensorschichten die die Hilfsanregungsspannung (U_S) abgebende Signalspannungsquelle derart angeschlossen ist, daß sich die durch die Hilfsanregungsspannung hervorgerufenen Einzelverformungen gegenseitig auslöschen, und daß an die Sensorschichten die Meßschaltung zur Auswertung des Frequenzverhaltens angeschlossen ist.
Aktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten piezokeramischen Schichten (1, 2) bauartgleich sind.
Mehrschichtiger piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß vier piezokeramische Schichten (1, 2, 3, 4) mechanisch in Reihe zu einer Gruppe angeordnet sind und daß eine derart ausgebildete Brückenschaltung vorgesehen ist, daß die Signalspannungsquelle und die Aktorspannung (U_A) vollständig getrennt sind, indem sie unterschiedliche Anschlussflächen der piezokeramischen Schichten kontaktieren (6).
Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Reglerschaltung, beispielsweise zur Kraftregelung.
Reglerschaltung unter Verwendung eines piezoelektrischen Aktors nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungsquelle einen Wobbelgenerator oder einen durchstimmbaren Schwingkreis enthält.
Reglerschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung zur Auswertung des Meßsignals nach Amplitude und Frequenz so ausgelegt ist, daß sie zur deutlicheren Hervorhebung der Charakteristik des Eigenschwingungsverhaltens einen Vergleich mit dem Sensorsignal ausführt.
Reglerschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung aus mindestens einem Sensorsignaleingang, mindestens einem Meßsignaleingang, mindestens einem Komparator zum Vergleich von Sensorsignal und Meßsignal und mindestens einer zur Steuerung der Aktorspannung dienenden Ausgabeschnittstelle besteht.
Reglerschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungsquelle einen Trägerfrequenzgenerator aufweist, der eine in bevorzugter Weise nahe der auszuwertenden Frequenz gelegene Trägerfrequenz generiert, wodurch eine Schwebung zwischen Sensor- bzw. Meßsignal bzw. deren differentiellem Spannungssignal und dem Spannungssignal der Trägerfrequenz angeregt wird, die dann in einem anderen Frequenzbereich ausgewertet wird.
Reglerschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßschaltung noch eine Ausgabeschnittstelle zur externen Anzeige des Spannungs- bzw. Wegmeßsignals vorgesehen ist.
Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die das frequenz- und eventuell amplitudenmodulierte Sensorsignal bildende Hilfsanregungsspannung in einem Frequenzband angeregt ist, in welchem charakteristische Eigenfrequenzen des piezoelektrischen Aktors liegen.
Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung der belastungsabhängigen Eigenfrequenzverschiebung auf bekannte Verfahren zurückgegriffen wird, wie z.B. die Schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform; FFT), die frequenzselektive Anregung von Schwingkreisen oder die Auswertung der Amplitude über der Frequenz durch einen digitalen Signalprozessor (DSP).
Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungsquelle eine Hilfsanregungsspannung als Sensorsignal abgibt, das in der Anregung eines Spannungssprungs, eines Spannungsimpulses oder eines Rauschsignals besteht, und daß die Antwort in der Meßschaltung ausgewertet wird.
System mit mehreren piezoelektrischen Aktoren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Verwendung in der Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 20 möglich ist, gekennzeichnet durch gleich viele gleichartige seriell angeordnete Aktoren in parallelen Zweigen.
System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Parallelanordnung von zwei oder mehr piezoelektrischen Aktoren diese Aktoren voneinander unabhängig geregelt angesteuert sind.
System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei parallel angeordneten gleichartigen Aktoren eine gleichzeitige Ausdehnung beider Aktoren zum parallelen Vorschub und eine Kombination aus Ausdehnung des einen Aktors und gleichzeitiger Verkürzung des anderen Aktors für eine Drehung genutzt wird.
System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Kombination von mehr als zwei parallel oder räumlich angeordneten, miteinander direkt oder über Zwischenglieder verbundenen Aktoren Stellglieder mit mehreren Freiheitsgraden aufgebaut werden, wobei die Anzahl unabhängiger Freiheitsgrade maximal so hoch wie die Anzahl der Aktoren ist.
System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von sechs räumlich miteinander verkoppelten Aktoren vorgesehen ist, die eine sogenannte Steward-Plattform (= Hexapod) bilden.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einer piezoelektrischen Bremse, die auf mindestens einem Aktor als Linearvorschub-, Scher- oder Biegeaktor z.B. zum geregelten Verstellen der Bremsbeläge einer Scheibenbremse im Kraftfahrzeug- oder Eisenbahnbereich beruht.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 bei Linearantrieben in Feinpositionierungen, z.B. in Präzisionsbearbeitungsmaschinen.
Anwendung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine Kombination des Aktors bzw. der Aktoren mit einem Elektromotor und/oder gegebenenfalls mit Getrieben.
Anwendung nach Anspruch 28 als Linearaktor oder Drehsteller für Roboterantriebe, Bearbeitungszentren, Werkzeugmaschinen und dergleichen, wobei der Aktor bzw. die Aktoren nicht als Hauptantrieb eingesetzt sind, sondern dazu dienen, als Ergänzung zum Antriebsmotor zu bremsen bzw. im Stillstand eine Selbsthemmung des Antriebs zu bewirken.
Anwendung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbsthemmung über eine mechanisch vorgespannte "Sicherheits"-Bremse vorgenommen wird, die nur durch Bestromung des Aktors bzw. der Aktoren geregelt zu öffnen ist.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Feindosierung von Stoffen, insbesondere von Medikamenten im klinischen Bereich oder bei der Mischung von Medikamentengemischen, z.B. in Apotheken.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 bei Schwingungsanregungs- und -dämpfungsanordnungen in mechanischen Strukturen, wie insbesondere bei Flugzeugflügeln, Hubschrauberrotoren, bei Flugzeug-, Eisenbahn- oder PKW-Fahrwerken, bei schwingungsentkoppelten Aufhängungen von Aggregaten, Motoren, Generatoren und Bremsen, bei Gebäudefundamenten und bei Gleisanlagen.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 bei Einspritzanlagen, insbesondere bei solchen, die als Benzin- oder Diesel-Einspritzpumpen für den Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmotorbereich ausgeführt sind, und bei solchen für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 bei Ventilverstellungen sowohl im Feineinstellbereich als auch für hochdynamische Antriebe, wie Ventile beim Verbrennungsmotor, angetrieben durch einen Piezostapel von Aktoren oder durch einen Piezobiege-Aktor, sowie für den Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Flugzeug- und Stationärmotorbereich sowie für Anwendungen im Chemie-, Kraftwerks- und Anlagenbereich.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 bei Farbspritzsystemen, insbesondere für Druckaufgaben, z.B. der Farbdosierung und dem "Spritzen" bei PC-Schwarzweiß- und Farbdruckern oder bei Lackieraufgaben im Verpackungs-, Druck oder Fahrzeuglackierbereich.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Spiegelfeinverstellung insbesondere um eine oder zwei unabhängige orthogonale Achsen, beispielsweise für optische Meßgeräte, Strahlablenkungssysteme, Scanner, Laser-Bearbeitungsmaschinen, Dia- oder ähnliche Projektoren sowie Meßaufbauten.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 für die Feineinstellung eines Mikrolinsenarrays oder eines Spiegels zur zweidimensionalen Strahlablenkung, beispielsweise einsetzbar für die adaptive PKW-Scheinwerferverstellung oder in der Lichttechnik für die Gebäude- und Landschaftsbeleuchtung.
Anwendung des piezoelektrischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Strahlablenkung unter Verwendung eines oder mehrerer im Strahlengang angeordneter Paare plankonvexer, jeweils mit ihrer planen Fläche aufeinander liegender Linsen (L1, L2), wobei das Linsenpaar bzw. die in zwei Flächen (F1, F2) liegenden Linsenpaare zu einem Festkörper verbunden sein können und die jeweils ein Paar bildenden Linsen durch den Aktor (Z) gegeneinander in einer Richtung oder in zwei Richtungen verschoben werden.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem der Piezokeramik hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften ähnlichen Material besteht, bei dem das Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes entsprechend einem aktuatorischen Effekt zu einer Verformung führt und das Meßprinzip "Resonator-Kraft wandler", dem die Ausnutzung der Änderung des Materialeigenschwingungsverhaltens bei Krafteinwirkung zu Grunde liegt, zur Messung eines Sensorsignals nutzbar ist.