DE60317479T2

DE60317479T2 - Steuerung eines piezoelektrischen motors

Info

Publication number: DE60317479T2
Application number: DE60317479T
Authority: DE
Inventors: Peter C. Albany VARADI; Bjorn B. Magnussen; Dieter A. Schuler
Original assignee: Elliptec Resonant Actuator AG
Current assignee: Pantec GmbH
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: EP1483826B1; AU2003209048A1; NZ534848A; US20050110368A1; US7187102B2; DE60317479D1; EP1483826A1; EP1483826A4; ZA200406494B; ATE378724T1; AU2003209048B2; AU2003209048C1; MXPA04007674A; CA2472104A1; WO2003067746A1; HK1070187A1; CA2472104C

Description

TECHNISCHER BEREICH
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung piezoelektrischer Motoren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In piezoelektrischen Motoren werden eines oder mehrere piezoelektrische Elemente mit elektrischen Signalen erregt, damit sie sich ausdehnen und zusammenziehen, um in dem Motor eine mikroskopische mechanische Bewegung zu erzeugen, die in eine makroskopische Bewegung eines angetriebenen Elements umgewandelt wird. Die Konstruktionen piezoelektrischer Motoren unterscheiden sich teilweise in Bezug auf die zum Erregen der Bewegungen verwendeten elektrischen Signale, in Bezug auf die Form der mikroskopischen Bewegung und in Bezug auf den zum Umwandeln der mikroskopischen Bewegung in eine makroskopische Bewegung verwendeten Mechanismus.
Piezoelektrische Motoren nehmen verschiedene Formen an und haben verschiedene Steuersysteme. Einige piezoelektrische Motoren arbeiten prinzipiell mit sinusförmigen elektrischen Signalen mit einer einzelnen Frequenz, wobei auf sie hier als Einfrequenzmotoren Bezug genommen wird. Den piezoelektrischen Einfrequenzmotoren stehen piezoelektrische Motoren gegenüber, die für den Betrieb spezielle Signalformen wie etwa Dreiecksignalformen erfordern, wobei diese geformten Signalformen Frequenzspektren aufweisen, die die Zusammensetzung vieler Frequenzen sind, mit dem Gesamtergebnis, dass sie eine geformte Signalform sind. Einige piezoelektrische Einfrequenzmotoren können ebenfalls mit elektrischen Signalen betrieben werden, die weitere Frequenzkomponenten enthalten, wobei es für den richtigen Betrieb eines piezoelektrischen Einfrequenzmotors aber nicht notwendig ist, zusätzliche Frequenzkomponenten aufzunehmen. Außerdem können piezoelektrische Einfrequenzmotoren mehr als eine Betriebsfrequenz aufweisen, die, wenn sie zu verschiedenen Zeiten verwendet werden, zu diesen Zeiten zu verschiedenen makroskopischen Bewegungen des angetriebenen Elements führen. Zum Beispiel offenbart die US-Patentveröffentlichung Nr. 2002/0038987A1 Ausführungsformen, die piezoelektrische Einfrequenzmotoren enthalten, die zwei verschiedene Betriebsfrequenzen, eine für eine Vorwärtsbewegung und eine für eine Rückwärtsbewegung eines angetriebenen Elements, aufweisen.
In US 5 500 578 ist ein Verfahren offenbart, das eine Frequenzabtastung zur Bestimmung einer optimalen Frequenz umfasst.
Die optimale Betriebsfrequenz, d. h. diejenige Frequenz, bei der die mechanische Abgabe und das Betriebsverhalten eines piezoelektrischen Motors in gewissem Sinn optimal sind, hängt üblicherweise mit einer mechanischen Resonanz zusammen. Somit ändert sich die optimale Frequenz mit mehreren Faktoren wie etwa mit der Temperatur. Die Umgebungstemperatur kann sich ändern und das Betriebsverhalten verändern und piezoelektrische Motoren erwärmen sich während des Betriebs, was das Betriebsverhalten beeinflussen kann. Weitere Effekte, die die optimale Frequenz eines piezoelektrischen Motors während seiner Lebensdauer beeinflussen, enthalten die Ermüdung, den Verschleiß wie etwa den Abrieb zwischen dem piezoelektrischen Motor und dem angetriebenen Element und andere Faktoren. Darüber hinaus führen Unterschiede während der Herstellung und Montage und allgemeine Toleranzen für zwei beliebige piezoelektrische Motoren mit derselben Konstruktion und Herstellung zu einer anderen optimalen Frequenz. Selbst wenn die optimale Betriebsfrequenz zuvor bekannt war, ist schließlich nicht sichergestellt, dass die elektronische Schaltung, die das elektrische Signal zuführt, die optimale Frequenz genau erzeugen kann, da die Schaltungsanordnung selbst Effekten von Temperaturänderungen, Altern und Herstellungstoleranzen unterliegt.
Somit besteht ein Bedarf an einem elektrischen Ansteuerschema, das durch Nutzung von Steuermitteln einen piezoelektrischen Motor bei der oder in der Nähe der optimalen Betriebsfrequenz ansteuert. Der Stand der Technik enthält Phasenregelkreis-Rückkopplungsregelungslösungen (PLL-Rückkopplungsregelungslösungen). Es ist bekannt, dass dann, wenn ein typischer piezoelektrischer Motor in der Nähe seiner Betriebsresonanzfrequenz erregt wird, zwischen dem Erregungssignal und der Schwingung des piezoelektrischen Motors eine Phasendifferenz auftritt. Falls die Schwingung gemessen werden kann, kann eine PLL diese Phasendifferenz nutzen und die Betriebsfrequenz des piezoelektrischen Motors kontinuierlich verfolgen. Eine PLL erfordert eine dedizierte kontinuierlich arbeitende Steuerschaltung und ist durch den Frequenzbereich begrenzt, in dem eine Phasendifferenz unterscheidbar ist, und ist ferner durch verschiedene elektrische Rauschfaktoren begrenzt. Eine PLL funktioniert nur für piezoelektrische Motoren, bei denen es eine klare monotone Beziehung zwischen der gemessenen Phasendifferenz und der Qualität (Stärke, Geschwindigkeit usw.) der resultierenden makroskopischen Bewegung gibt. Diese Beziehung kann nicht für alle Konstruktionen piezoelektrischer Motoren existieren.
Somit besteht ein Bedarf an Steuerschemata, die einen piezoelektrischen Einfrequenzmotor ausreichend nahe seiner optimalen Betriebsfrequenz ansteuern können, die aber weniger von den Besonderheiten des piezoelektrischen Motors abhängen und die sich an eine stärkere Änderung der Konstruktion und Herstellung des piezoelektrischen Motors anpassen können.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In dem wie durch Anspruch 1 definierten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Motor geschaffen, der in antreibendem Kontakt mit einem angetriebenen Element ist, um das angetriebene Element in Reaktion auf ein an den Motor geliefertes elektrisches Signal zu bewegen. Der Motor weist wenigstens eine erste optimale Betriebsfrequenz auf, bei der der Motor das angetriebene Element um einen Betrag bewegt, der vorgegebene Betriebskriterien erfüllt. Der Motor und das angetriebene Element weisen gewünschte Betriebsverhaltenkriterien auf, wenn sie bei dieser ersten Betriebsfrequenz betrieben werden. Während sich der Motor und/oder das angetriebene Element verschlechtern oder während die Herstellungstoleranzen veranlassen, dass der Motor und das angetriebene Element weniger effizient als erwünscht funktionieren, oder während sich das Signal zu dem Motor von der optimalen Antriebsfrequenz verändert, beginnt sich das Betriebsverhalten über die gewünschten Grenzwerte hinaus zu verschlechtern und verschlechtert sich schließlich bis zu einem Punkt, an dem das Betriebsverhalten außerhalb eines akzeptablen Bereichs der Betriebsverhaltenskriterien liegt.
Um diese natürliche Betriebsverhaltensverschlechterung zu kompensieren, werden dem piezoelektrischen Motor mehrere verkettete Abtastfrequenzen zugeführt. Wenigstens eine der Abtastfrequenzen ist ausreichend nahe der ersten Betriebsfrequenz oder einer alternativen Resonanzfrequenz des Motors und/oder der Kombination aus Motor und angetriebenem Element, um eine erfassbare Bewegung des angetriebenen Elements zu veranlassen. Vorzugsweise führen die Abtastfrequenzen zu einem durchschnittlichen Betriebsverhalten, das das Betriebsverhalten des Motors und/oder des angetriebenen Elements, wenn sie von den gewünschten Betriebsverhaltenskriterien abzuweichen beginnen, übersteigt. Die Zusammensetzung der Abtastfrequenzen kann verändert werden, um das Betriebsverhalten maximal zu machen, sodass es sich den gewünschten Betriebsverhaltenskriterien annähert und vorzugsweise eng annähert oder sie erreicht.
Die erfassbare Bewegung wird vorzugsweise verwendet, um die Abtastfrequenzen zu verändern, um ein durchschnittliches Betriebsverhalten über die Zeitdauer, die es dauert, damit die Abtastfrequenzen einen Zyklus abschließen, optimieren zu helfen. Außerdem wird die erfassbare Bewegung vorzugsweise verwendet, um auswählen zu helfen, welche Frequenzen in den Abtastfrequenzen zu verwenden sind. Die Zusammensetzung der Abtastfrequenzen kann auf periodischer Grundlage oder unter Verwendung vorgegebener Kriterien verändert werden, um das durchschnittliche Betriebsverhalten optimieren zu helfen. Somit werden die Frequenzen in den mehreren verketteten Abtastfrequenzen vorzugsweise in Reaktion auf die Bewegung des Motors und/oder des angetriebenen Elements verändert, um für eine Zeit, die der Zeit für eine Abtastung der Frequenzen entspricht, in der das tatsächliche Betriebsverhalten des angetriebenen Elements für dieselbe Zeitdauer größer ist, während der das tatsächliche Betriebsverhalten kleiner als das gewünschte Betriebsverhalten ist, ein durchschnittliches Betriebsverhalten des Motors und des angetriebenen Elements zu erzeugen.
Vorzugsweise enthalten die gewünschten Betriebsverhaltenskriterien die Geschwindigkeit des angetriebenen Elements oder Motors und/oder die durch den Motor auf das angetriebene Element ausgeübte Kraft und/oder die durch das angetriebene Element ausgeübte Kraft und/oder die durch den Motor verbrauchte Leistung. Die mehreren verketteten Abtastfrequenzen können eine sich kontinuierlich erhöhende Reihe von Frequenzen, eine sich kontinuierlich verringernde Reihe Frequenzen oder eine Vielzahl von Frequenzen sein. Die zum Erzielen eines maximalen Betriebsverhaltens verwendeten ausgewählten Frequenzen variieren mit der besonderen Anwendung, sind aber vorzugsweise ausreichend nahe einer Resonanzbetriebsart des Motors, des angetriebenen Elements oder der Kombination aus Motor und angetriebenem Element, sodass das durchschnittliche Betriebsverhalten maximal gemacht wird und sich den gewünschten Betriebsverhaltenskriterien annähert. Die Kombination der Periode der abgetasteten Frequenzen und der Periode der einzelnen Frequenzen innerhalb der abgetasteten Frequenzen kann so verändert werden, dass sie sich den gewünschten Betriebsverhaltenskriterien annähert oder sie erreicht.
Vorzugsweise, aber optional, werden die Abtastfrequenzen periodisch oder gemäß einigen anderen Kriterien verändert, um die durchschnittlichen Betriebsverhaltenskriterien auf ihrem gewünschten Wert zu halten, wobei der gewünschte Wert den gewünschten Betriebsverhaltenskriterien üblicherweise so nahe wie möglich ist. Wenn die Abtastfrequenzen verändert werden, enthalten die veränderten Abtastfrequenzen vorzugsweise wenigstens eine Frequenz, die ausreichend Bewegung des Motors oder des angetriebenen Elements verursacht, damit sie durch einen Detektor erfasst wird, wobei eine Rückkopplung von diesem Sensor das durchschnittliche Betriebsverhalten optimieren helfen kann sowie identifizieren helfen kann, welche Frequenzen am besten in die Abtastfrequenzen aufgenommen werden können.
Vorteilhaft wird außerdem ein Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Motors geschaffen, in dem der piezoelektrische Motor so konfiguriert ist, dass er ein angetriebenes Element bewegt, wenn dem piezoelektrischen Motor ein sinusförmiges elektrisches Signal mit einer ersten Frequenz mit einer Amplitude, die ausreicht, ein angetriebenes Element über eine vorgegebene Strecke zu bewegen, zugeführt wird. Das Verfahren enthält das Auswählen einer vorgegebenen ersten Reihe von Frequenzen, wobei die erste Reihe von Frequenzen wenigstens zwei wechselweise voneinander verschiedene sinusförmige Frequenzen umfasst. Es werden einzelne Signalformen erzeugt, die jeder Frequenz der ersten Folge von Frequenzen entsprechen, sodass jede einzelne Signalform eine vorgegebene endliche Dauer und Amplitude hat und mit einer Periode, die das Inverse der entsprechenden Frequenz ist, periodisch ist. Die einzelnen Signalformen werden zu einem ersten elektrischen Signal verkettet und dieses erste Signal wird dem piezoelektrischen Motor wiederholt zugeführt, um das angetriebene Element zu bewegen. Die ausgewählte erste Folge von Frequenzen enthält eine ausreichende Anzahl von Frequenzen, die so verteilt sind, dass sie veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element selbst dann bewegt, wenn sich die Eigenschaften des piezoelektrischen Motors innerhalb eines vorhersagbaren Bereichs ändern.
Somit sichert die erste Folge von Frequenzen, während der Motor, das angetriebene Element, die Signalquelle oder andere Komponenten veranlassen, dass das Betriebsverhalten von den gewünschten Betriebsverhaltenskriterien abweicht, ein Betriebsverhalten, das sich, wenn es über die Dauer des einzelnen ersten elektrischen Signals gemittelt wird, vorzugsweise, aber optional, nicht mehr als 30% verändert, wenn sich die Eigenschaften des piezoelektrischen Motors ändern. Vorzugsweise, aber optional, veranlasst das einzelne erste elektrische Signal, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element mit einem veränderlichen Betriebsverhalten bewegt.
Darüber hinaus enthält das Verfahren ferner vorteilhaft, aber optional das Überwachen der Bewegung des angetriebenen Elements. Ferner wird die erste Folge von Frequenzen vorzugsweise so gewählt, dass sie eine ausreichende Anzahl von Frequenzen enthält, die so verteilt sind, dass sie veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element so antreibt, dass die Bewegung des angetriebenen Elements innerhalb eines vorgegebenen Werts gehalten wird, wie er durch die Überwachung des angetriebenen Elements bestimmt wird. Vorteilhaft, aber optional, verwendet die Überwachung einen Bewegungsdetektor, der ein Rückkopplungssignal liefert, wenn die Bewegung des angetriebenen Elements wenigstens durch einen ausgewählten Schwellenwert geht.
Das Rückkopplungssignal kann analysiert werden, um eine geschätzte Frequenz zu bestimmen, bei der der piezoelektrische Motor das angetriebene Element bewegen kann, wenn dem piezoelektrischen Motor ein sinusförmiges elektrisches Signal mit der geschätzten Frequenz zugeführt wird. Es kann eine zweite Folge von Frequenzen ausgewählt werden, die vorzugsweise wenigstens die geschätzte Frequenz und eine weitere Frequenz, die von der geschätzten Frequenz verschieden ist, umfasst, um in Übereinstimmung mit dem Verfahren zum Erzeugen des ersten elektrischen Signals ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, das veranlasst, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element mit einem durchschnittlichen Betriebsverhalten bewegt, das höher ist als das durchschnittliche Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors war, bevor die geschätzte Frequenz bestimmt wurde. Die Schritte des Analysierens des Rückkopplungssignals und des Auswählens einer zweiten Folge von Frequenzen kann so oft wie notwendig wiederholt werden, um eine gewünschte Dauer und eine gewünschte Bewegungsstrecke und ein gewünschtes durchschnittliches Betriebsverhalten zu erzielen. Vorteilhaft umfasst die zweite Folge von Frequenzen wenigstens eine Frequenz, die kleiner als die geschätzte Frequenz ist, und wenigstens eine Frequenz, die größer als die geschätzte Frequenz ist.
Außerdem umfasst das Verfahren vorteilhaft das Analysieren des Rückkopplungssignals, um zu bestimmen, ob die Bewegung des angetriebenen Elements für eine vorgegebene Zeitdauer kleiner als ein vorgegebener Wert war. Die zweite Folge von Frequenzen kann geändert werden, wenn die vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist, sodass es wenigstens eine Differenz zwischen der größten und der kleinsten Frequenz der Folge gibt, die größer als die Differenz zwischen der größten und der kleinsten Frequenz der ungeänderten zweiten Folge ist. Diese Schritte des Analysierens des Rückkopplungssignals und des Änderns der zweiten Folge – bis bestimmt wird, dass die Bewegung des angetriebenen Elements für die vorgegebene Zeitdauer nicht mehr kleiner als der vorgegebene Wert ist – kann nach Bedarf wiederholt werden, vorzugsweise, bis die gewünschten Betriebsverhaltenskriterien so nah wie möglich angenähert werden.
Vorzugsweise wählt das obige Verfahren die erste Folge von Frequenzen aus, um zu veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element selbst dann um eine definierte Strecke bewegt, wenn sich die Eigenschaften des piezoelektrischen Motors wegen vorhersagbarer Ursachen ändern. Das Verfahren kann ferner das Zuführen des elektrischen Signals in einer vorgegebenen Anzahl pro Sekunde enthalten, um zu veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element mit einer definierten Geschwindigkeit bewegt. Darüber hinaus erzeugen vorteilhaft zwei beliebige aufeinanderfolgende Frequenzen jeweils ein Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors, das wenigstens eines von (die Geschwindigkeit des angetriebenen Elements, die Bewegung des angetriebenen Elements und der Leistungsverbrauch des Motors) umfasst, mit einer Betriebsverhaltensdifferenz zwischen jeweils zwei der genannten aufeinanderfolgenden Frequenzen, die nicht mehr als ein vorgegebener Wert ist.
In einigen Ausführungsformen werden die Frequenzen so ausgewählt, dass sie veranlassen, dass der piezoelektrische Motor einen vorgegebenen hörbaren Klang erzeugt. Dies könnte in verschiedenen Arten von Spielzeug und Unterhaltungsanwendungen eine Vielzahl von Anwendungen haben.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Verfahren das Auswählen wenigstens zweier sinusförmiger Frequenzen, die wechselweise verschieden sind, um eine Folge von Frequenzen zu bilden, die veranlasst, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element bewegt, wenn einzelne Signalformen, die jeder Frequenz der Folge von Frequenzen entsprechen, verkettet werden, um ein elektrisches Signal zu bilden, das dem piezoelektrischen Motor wiederholt zugeführt wird, um das angetriebene Element zu bewegen. Jede dieser einzelnen Signalformen besitzt eine vorgegebene endliche Dauer und Amplitude und ist periodisch mit einer Periode, die das Inverse der entsprechenden Frequenz ist. Die wenigstens zwei sinusförmigen Frequenzen werden so gewählt, dass sie ferner veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element selbst dann bewegt, wenn sich die Eigenschaften des piezoelektrischen Motors innerhalb eines vorhersagbaren Bereichs ändern. Eine solche Änderung wäre eine Abweichung von den gewünschten Betriebsverhaltenskriterien um einen vorgegebenen Betrag.
In weiteren Änderungen dieser weiteren Ausführungsform werden die wenigstens zwei Frequenzen so ausgewählt, dass sie veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element um eine definierte Strecke bewegt. Darüber hinaus kann die Dauer jeder der einzelnen Signalformen so ausgewählt werden, dass veranlasst wird, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element mit einer definierten Geschwindigkeit bewegt. Nochmals weiter können die wenigstens zwei Frequenzen jeweils veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element mit einem anderen Betriebsverhalten bewegt.
Wie bei den obigen Ausführungsformen kann diese weitere Ausführungsform das Überwachen der Bewegung des angetriebenen Elements und das Auswählen der Folge der wenigstens zwei Frequenzen enthalten, um ferner eine ausreichende Anzahl von Frequenzen aufzunehmen, die so verteilt sind, dass sie veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element so bewegt, dass die überwachte Bewegung des angetriebenen Elements vorgegebene Kriterien erfüllt. Vorzugsweise enthält diese weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Motors einen Bewegungsdetektor, der ein Rückkopplungssignal liefert, wenn die Bewegung des angetriebenen Elements wenigstens einen ausgewählten Schwellenwert übersteigt. Das Rückkopplungssignal kann analysiert werden, um eine geschätzte Frequenz zu bestimmen, bei der der piezoelektrische Motor das angetriebene Element bewegen kann, wenn dem piezoelektrischen Motor ein sinusförmiges elektrisches Signal mit der geschätzten Frequenz zugeführt wird. Die wenigstens zwei Frequenzen werden vorzugsweise so ausgewählt, dass sie die geschätzte Frequenz umfassen, um zu veranlassen, dass der piezoelektrische Motor das angetriebene Element mit einem durchschnittlichen Betriebsverhalten bewegt, das höher als ein durchschnittliches Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors ist, bevor die geschätzte Frequenz bestimmt wurde.
Vorzugsweise enthält der piezoelektrische Motor dieser weiteren Ausführungsform einen Bewegungsdetektor, der ein Rückkopplungssignal liefert, wenn die Bewegung des angetriebenen Elements einen ausgewählten Schwellenwert übersteigt. Das Rückkopplungssignal kann wieder analysiert werden, um zu bestimmen, ob die Bewegung des angetriebenen Elements für eine vorgegebene Zeitdauer kleiner als eine vorgegebene Bewegung war. Wenn die vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist, kann die Folge der wenigstens zwei Frequenzen geändert werden, um wenigstens eine Differenz zwischen der größten und der kleinsten Frequenz der Folge zu veranlassen, die größer als die Differenz zwischen der größten und der kleinsten Frequenz der ungeänderten Folge ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Diese sowie weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen besser aus der Zeichnung hervor, in der sich gleiche Bezugszeichen überall auf gleiche Teile beziehen und in der:
1 eine graphische Darstellung ist, die das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt, um den Einfluss von Folgen von Frequenzen auf das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors zu veranschaulichen;
2 übliche durch Rückkopplung erhaltene Betriebsverhaltenskurven veranschaulicht;
3 ein Rückkopplungsregelungsverfahren veranschaulicht;
4 ein konzeptioneller Blockschaltplan mit einer Rückkopplungsschleife für einen piezoelektrischen Einfrequenzmotor ist, der in antreibender Verbindung mit einem angetriebenen Element steht;
5 mehrere digitale Signale zeigt;
6 ein Blockschaltplan mit mehreren piezoelektrischen Einfrequenzmotoren ist, die in antreibender Verbindung mit demselben angetriebenen Element sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Anhand von 4 wird ein piezoelektrischer Motor 20 geschaffen, der so konfiguriert ist, dass er in antreibendem Kontakt mit einem angetriebenen Element 22 ist. Der piezoelektrische Motor 20 ist von dem Typ, der so gesteuert werden kann, dass er durch Anlegen eines einzelnen elektrischen Signals 25, das mit einer bestimmten Frequenz sinusförmig ist, an den piezoelektrischen Motor 20 so gesteuert werden kann, dass er eine nützliche makroskopische Bewegung des angetriebenen Elements 22 erzeugt. Der Begriff sinusförmig, wie er hier verwendet wird, enthält Signalformen, die phasenverschoben sind, wie etwa Kosinusschwingungen. Der Bereich von Frequenzen, für die eine nützliche Bewegung erzeugt wird, wird hier als der Betriebsbereich bezeichnet. Der Betriebsbereich ist üblicherweise ein zusammenhängendes Intervall von Frequenzen, innerhalb dessen die makroskopische Bewegung des angetriebenen Elements 22 in derselben Richtung stattfindet. Für die piezoelektrischen Motoren des hier diskutierten Typs wird die Bewegung des angetriebenen Elements 22 als eine makroskopische Bewegung des angetriebenen Elements 22 verstanden, die die Zusammensetzung einer Vielzahl kleiner Verlagerungen des angetriebenen Elements 22 ist, wobei die kleinen Verlagerungen durch den piezoelektrischen Motor 20 verursacht werden und im Wesentlichen in derselben Richtung erfolgen. Der dicke Pfeil an dem angetriebenen Element 22 in 4 gibt eine mögliche Richtung an, wobei die entgegengesetzte Richtung aber ebenfalls möglich sein kann. Das angetriebene Element 22 ist als ein Rad gezeigt, wobei aber andere angetriebene Elemente wie etwa Stäbe, Platten und Kugeln verwendet werden können, die weitere Möglichkeiten für Bewegungsrichtungen liefern. Ein piezoelektrischer Motor 20 kann mehrere unzusammenhängende Betriebsbereiche haben, in denen sich das angetriebene Element 22 in verschiedene Richtungen bewegt. Die sich aus dem Betrieb des piezoelektrischen Motors 20 ergebende makroskopische Bewegung des angetriebenen Elements 22 ist üblicherweise bei einer auf die Optimalfrequenz innerhalb des Betriebsbereichs in Bezug auf ein gewisses Betriebsverhaltenskriterium optimal. Das Betriebsverhaltenskriterium kann variieren, enthält üblicherweise aber die Geschwindigkeit des angetriebenen Elements 22 und/oder die Kraft, die der piezoelektrische Motor 20 erzeugt, und/oder eine Kombination der beiden, wobei die Kriterien aber ebenfalls den elektrischen Leistungsverbrauch enthalten können. Ein üblicher piezoelektrischer Motor 20 besitzt im Allgemeinen ein besseres Betriebsverhalten, falls dieselbe Bewegung des angetriebenen Elements 22 mit weniger elektrischem Leistungsverbrauch erzielt wird. Es könnten weitere Betriebsverhaltenskriterien zutreffen. Wegen Konstruktions- und Herstellungstoleranzen, Materialschwankungen usw. wird erwartet, dass sich die Optimalfrequenz und die Grenzen des Betriebsbereichs des piezoelektrischen Motors 20 zwischen zwei beliebigen piezoelektrischen Motoren derselben Bauart unterscheiden. Es wird erwartet, dass sich der piezoelektrische Motor 20 selbst und die zur Herstellung des piezoelektrischen Motors 20 verwendeten Werkstoffe und irgendeine ihm zugeordnete Steuerschaltungsanordnung wegen Verschleiß, Erwärmung, Altern usw. ebenfalls mit der Zeit ändern.
Der Blockschaltplan in 4 zeigt ferner den piezoelektrischen Motor 20, der eines oder mehrere piezoelektrische Elemente 21, die von dem Ein- oder Mehrschichttyp sein können, und ein mechanisches Resonanzelement 28 umfasst. Ferner sind Mittel 24 zum Erzeugen eines elektrischen Signals 25, das dem einen oder den mehreren piezoelektrischen Elementen 21 zugeführt werden soll, und eine Steuereinheit 23, die die Mittel 24 steuert, gezeigt. Im Gebiet sind eine breite Vielfalt von Frequenzgeneratoren, Treibern und Steuerschaltungen bekannt, wobei eine große Anzahl zur Verwendung als die Signalerzeugungsmittel 24 und die Steuereinheit 23 kommerziell verfügbar sind. Der Steuereinheit 23 kann ein Rückkopplungssignal 27 von einer Bewegungserfassungsvorrichtung 26, die die Bewegung des angetriebenen Elements 22 erfasst, und/oder ein Rückkopplungssignal 30, das von dem piezoelektrischen Motor 20 oder von den zugeordneten elektrischen Komponenten erhalten wird, zugeführt werden oder nicht zugeführt werden. Für die hier offenbarten Steuerverfahren arbeitet die Steuereinheit 23 auf Vorwärtssteuerungsweise, wobei die Steuereinheit 23 aber die Rückkopplungssignale 27 und/oder 30 intermittierend verwenden kann, um ihre Vorwärtssteuerungsstrategie anzupassen.
Das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20, wie es durch ein ausgewähltes Leistungskriterium gemessen wird, ändert sich innerhalb des Betriebsbereichs. Üblicherweise nimmt das Betriebsverhalten von den Grenzen des Betriebsbereichs zu der Optimalfrequenz hin zu. In 1 ist die allgemeine Form einer Betriebsverhaltenskurve eines repräsentativen piezoelektrischen Motors 20 zu einem Zeitpunkt in Abhängigkeit von der Frequenz durch die Kurve 102 angegeben. Die Form der Betriebsverhaltenskurve widerspiegelt, wie das Betriebsverhalten von der Erregungsfrequenz f₁ bis f₅ oder von irgendeiner bestimmten Frequenz f_n abhängt. Die Form der Betriebsverhaltenskurve kann ebenfalls mit der Zeit variieren.
Die Steuerverfahren nutzen zum Erregen des piezoelektrischen Motors 20 vorgegebene Folgen von null verschiedener Frequenzen. Die Frequenzen einer bestimmten Folge werden aus einem Steuerbereich von Frequenzen ausgewählt, wobei der Steuerbereich üblicherweise wenigstens den oben erwähnten Betriebsbereich enthält, sodass die Folge wenigstens eine Frequenz aus dem Betriebsbereich umfasst. In einer Folge von Frequenzen sind wenigstens zwei Frequenzen wechselweise verschieden, was heißt, dass sie eher eine andere Frequenz als dieselbe Frequenz haben, mit verschiedenen Dauern der zugeordneten Signalformen, wobei die genannten Signalformen im Folgenden erläutert werden. Zum Beispiel würden sich wechselweise ausschließende Frequenzen keine zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Signale jeweils mit derselben Frequenz, jedoch mit verschiedenen Zeitdauern, enthalten. Sich wechselweise ausschließende Frequenzen würden zwei aufeinanderfolgende Signale enthalten, die jeweils eine Frequenz hätten, die sich von der anderen nur um wenige Hertz unterscheiden würde, die aber dieselbe Dauer oder sogar verschiedene Dauern hätten.
Um mit den Mitteln zum Steuern 23 aus einer solchen Folge von Frequenzen ein elektrisches Signal 25 zum Steuern des piezoelektrischen Motors 20 zu erzeugen, wird zunächst für jede Frequenz der Folge eine Signalform erzeugt, wobei jede Signalform eine vorgegebene endliche Dauer und Amplitude aufweist und wobei jede Signalform ferner periodisch mit einer Periode ist, die das Inverse der entsprechenden Frequenz ist. Die genannte vorgegebene endliche Dauer wird so verstanden, dass sie wenigstens so lang wie eine Periode der entsprechenden Signalform ist. Daraufhin werden die Signalformen unter Verwendung geeigneter elektronischer Mittel 24 der Reihe nach miteinander verknüpft (verkettet), um das elektrische Signal 25 zu bilden.
Wenn z. B. {f₁, f₂, f₃} eine vorgegebene Folge von Frequenzen ist, bildet {w₁, w₂, w₃} das elektrische Signal, wobei w₁, w₂ und w₃ periodische Signalformen mit den Perioden 1/f₁, 1/f₂, 1/f₃ sind, wobei jede Signalform eine Dauer T₁, T₂, T₃ bzw. eine Amplitude A₁, A₂, A₃ aufweist. Nützliche periodische Signalformen sind die sinusförmige (harmonische), die dreieckförmige (Sägezahn), die rechteckförmige (digitale) Signalform. Diese Liste ist nicht erschöpfend.
Signalformen können dadurch erzeugt werden, dass die Phase einer anderen Signalform geändert wird. Zum Beispiel ist ein Kosinus ein Sinus mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad. Eine Folge oder äquivalent des entsprechenden elektrischen Signals 25 kann sooft wie notwendig wiederholt werden. Ein weiteres Beispiel einer Folge, die in dem vorgeschlagenen Verfahren verwendet werden kann, ist die periodische Frequenzabtastung. In einer solchen Abtastung besteht die Folge aus Frequenzen, die zwischen den zwei Rändern des Steuerbereichs monoton zunehmen oder abnehmen.
Die Folgen sind vorzugsweise vorgegeben oder zufällig, jedoch innerhalb einer vorgegebenen Verteilung. Geeignete Folgen enthalten periodisch wiederholte Abtastungen von niedrigen zu hohen Frequenzen (Aufwärtsabtastungen) oder von hohen zu niedrigen Frequenzen (Abwärtsabtastungen) oder oszillierende Abtastungen (eine Aufwärtsabtastung, gefolgt von einer Abwärtsabtastung usw.). Wenn das elektrische Signal 25 dem piezoelektrischen Motor 20 zugeführt wird, kann das durchschnittliche Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20, d. h. die durchschnittliche Geschwindigkeit oder Antriebskraft, die er in dem angetriebenen Element 22 erzeugt, z. B. eine Kombination der beiden, oder der elektrische Leistungsverbrauch, durch geeignete Wahl der Frequenzverteilung der entsprechenden Folge, z. B. durch Auswählen einer Anfangs- und Endfrequenz einer Abtastung, reguliert werden.
Die Geschwindigkeit, in der eine Folge ausgeführt wird, hängt von den Dauern der Signalformen des entsprechenden elektrischen Signals 25 ab. Die Geschwindigkeit, in der eine Folge ausgeführt werden kann, kann ebenfalls verwendet werden, um das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 weiter einzustellen und die akustische Geräuscherzeugung zu beeinflussen. Ein akustisches Geräusch in Form eines Tickens oder eines ähnlichen Schalls kann z. B. auftreten, wenn die Folge der Frequenzen, die dem dem piezoelektrischen Motor 20 zugeführten elektrischen Signal 25 entsprechen, zwei Frequenzen g₁ und g₂ umfasst, wobei g₂ in der Folge unmittelbar auf g₁ folgt oder ihm vorausgeht, wobei g₁ nahe der Optimalfrequenz ist und g₂ in dem Nichtbetriebsbereich liegt. Eine Frequenz g₁ folgt auf g₂, wenn g₁ am Beginn der Folge ist und g₂ am Ende der Folge ist und umgekehrt. Je nachdem, wie häufig der Übergang von g₁ zu g₂ oder umgekehrt pro Sekunde auftritt, d. h. je nach der Häufigkeit der Übergänge, kann ein unterschiedliches akustisches Geräusch erzeugt werden.
Es wird davon ausgegangen, dass eine Frequenz von Übergängen in der Größenordnung von 2 kHz im Vergleich zu anderen Frequenzen, wenn dieselbe Schallintensität gegeben ist, einen Geräuschpegel erzeugt, der für das menschliche Gehör als besonders unangenehm wahrgenommen wird. Durch Erhöhen oder Verringern der Frequenz der Übergänge, z. B. durch Erhöhen oder Verringern der Dauern der Signalformen, die die Frequenzen g₁ und g₂ aufweisen, wird das Geräusch nicht beseitigt, kann aber in Bezug auf die Frequenz in einen Bereich verschoben werden, der für das menschliche Gehör, für das tierische Gehör oder möglicherweise für eine schallempfindliche Ausrüstung weniger störend ist. Alternativ kann diese Art Schallerzeugung durch Vermeiden oder Begrenzen der genannten Übergänge insgesamt minimiert oder beseitigt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass gefordert wird, dass zwei beliebige aufeinanderfolgende Frequenzen einer Folge ein Betriebsverhalten eines piezoelektrischen Motors 20 mit einer Betriebsverhaltensdifferenz oder -änderung erzeugen, die, gemessen durch das ausgewählte Betriebsverhaltenskriterium, nicht größer als ein vorgegebener Wert ist, wenn dem piezoelektrischen Motor 20 ein elektrisches Signal 25 zugeführt wird, das sinusförmig bei einer dieser Frequenzen ist.
Ferner ist es möglich, Folgen von Frequenzen auszuwählen, um einen piezoelektrischen Motor 20 so zu steuern, dass von dem piezoelektrischen Motor 20 gezielt ein hörbarer Klang erzeugt wird. Außerdem und als ein weiteres Beispiel können periodische Unterbrechungen des Treibersignals 25 zu geeigneten Zeiten ein hörbares Geräusch erzeugen, falls die Frequenz der Unterbrechung in dem Hörbereich von Lebewesen einschließlich Menschen, Tieren, Fischen, Reptilien oder Insekten liegt. Der Hörbereich für Menschen liegt üblicherweise zwischen etwa 20 Hz bis etwa 18000 Hz, ändert sich aber mit dem Alter. Diese absichtliche Erzeugung eines Antriebsgeräuschs kann verwendet werden, um Maschinenklänge in Spielzeug zu simulieren oder um andere Geräusche zu erzeugen, die Anwendungen für Spielzeug oder für andere Verwendungen haben. Ferner können die Geschwindigkeit und das Geräusch des piezoelektrischen Motors 20 dadurch gesteuert werden, dass die Amplitude oder die Signalform des Antriebssignals 25 moduliert wird. Die Verfahren können allein oder in Kombination verwendet werden. Somit werden Mittel geschaffen, um einen piezoelektrischen Motor 20 zum Erzeugen einer nützlichen Bewegung und/oder hörbarer Signale mit Verwendung in spezifischen Anwendungen wie etwa Spielzeug oder in anderen Bereichen, in denen hörbare Signale verwendet werden, zu verwenden.
Die Dauer einer Signalform von einer entsprechenden Folge von Frequenzen ist ein sehr nützlicher Konstruktionsfaktor. Falls z. B. eine Folge wiederholt zwischen einer ersten, nahezu optimalen Frequenz und einer zweiten Frequenz, die außerhalb des Betriebsbereichs liegt, umschaltet, ist die resultierende Bewegung des angetriebenen Elements 22 prinzipiell eine Stop-and-Go-Bewegung. Falls die Dauern der der genannten Folge entsprechenden Signalformen sehr lang sind, z. B. mehrere Sekunden, ist diese Stop-and-Go-Bewegung deutlich erkennbar. Allerdings kann die Stop-and-Go-Bewegung auch vorhanden sein, falls die genannten Dauern äußerst kurz, z. B. nur wenige Vielfache der Inversen der genannten ersten oder zweiten Frequenz, sind. Dies liegt an der äußersten Ansprechempfindlichkeit piezoelektrischer Motoren. Mit anderen Worten, piezoelektrische Motoren haben üblicherweise äußerst kurze Einschwingvorgänge. Falls die Stop-and-Go-Bewegung schneller ist, als das menschliche Auge wahrnehmen kann, z. B. näherungsweise schneller als etwa 25-Hz-Stop-and-Go-Zyklen pro Sekunde ist, erscheint die resultierende Bewegung des angetriebenen Elements 22 für das unbewaffnete menschliche Auge stetig. Je nach der Anzahl der Stop-and-Go-Zyklen pro Sekunde kann die resultierende Bewegung auch der menschlichen Berührung stetig erscheinen oder in Bezug auf andere Maße stetig erscheinen. In diesem Sinn widerspiegelt der Begriff "stetig" eine durchschnittliche Bewegungsqualität des angetriebenen Elements 22.
Wie es hier verwendet wird, wird das gleichförmige Erhöhen oder Verringern der Dauern der Signalformen für eine Folge von Frequenzen als schnelleres oder langsameres Ausführen der Folge bezeichnet.
Falls eine Folge von Frequenzen ausreichend schnell ausgeführt wird und falls sie innerhalb des Betriebsbereichs ausreichend viele Frequenzen enthält, wird eine Mittelungswirkung geschaffen, in der die makroskopische Bewegung des angetriebenen Elements 22 mit einem durchschnittlichen Betriebsverhalten, das kleiner als das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 bei der optimalen Frequenz ist, stetig erscheint.
Eine durch den piezoelektrischen Motor 20 verursachte Bewegung des angetriebenen Elements 22 wird dann als stetig betrachtet, wenn die Betriebsverhaltensfluktuationen des piezoelektrischen Motors 20 während der Ausführung einer Folge von Frequenzen mit den Mitteln und Kriterien der Beobachtung oder Überwachung des angetriebenen Elements 22, wie sie durch eine bestimmte Anwendung dargelegt sind, nicht wahrgenommen werden können. Mit anderen Worten, eine Bewegung des angetriebenen Elements 22 wird dann als stetig betrachtet, wenn die genannten Überwachungsmittel und -kriterien nicht besagen können, dass tatsächlich Betriebsverhaltensfluktuationen des piezoelektrischen Motors 20 auftreten. Zum Beispiel kann es in einem Spielzeug ausreichen, dass die Betriebsverhaltensfluktuationen des piezoelektrischen Motors 20 mit einer Rate auftreten, die schneller als näherungsweise 25 Hz ist, damit die Bewegung des angetriebenen Elements 22 als stetig wahrgenommen wird, wenn die Überwachung durch den durchschnittlichen menschlichen Beobachter ausgeführt wird. Falls angenommen wird, dass die Bewegung einem nicht menschlichen Beobachter wie etwa einem Haustier stetig erscheint, können andere Raten zutreffen. Gleichfalls könnte eine stetige Bewegung durch einen stetigen und kontinuierlichen Schall identifiziert werden, der durch den Betrieb des piezoelektrischen Motors 20 erzeugt wird, wie er durch ein menschliches Ohr wahrgenommen wird, was verschieden von dem sein kann, was ein Hund oder eine Katze wahrnimmt. In nochmals weiteren Anwendungen können die Stetigkeitskriterien auf Betriebsverhaltenskriterien beruhen, die durch Instrumente überwacht werden. Somit könnte die Stetigkeit der Bewegung des angetriebenen Elements 22 ebenfalls durch elektrische Elemente wie etwa optische Sensoren, Bewegungsdetektoren oder andere Instrumente, die einen Parameter abfühlen, der sich aus der Bewegung des piezoelektrischen Elements 20 oder des angetriebenen Elements 22 ergibt, überwacht werden. Zum Beispiel kann es in einigen Anwendungen erforderlich sein, dass die Bewegung des angetriebenen Elements 22 als stetig, d. h. als fluktuationsfrei, wahrgenommen wird, wenn das Mittel zur Beobachtung der Bewegung des angetriebenen Elements 22 die menschliche oder nichtmenschliche Berührung ist. Eine Bewegung kann ebenfalls mit indirekten Mitteln als stetig oder ausreichend stetig bestimmt werden. Zum Beispiel kann das angetriebene Element selbst mit anderen Elementen oder Trägern verbunden sein, die auf Schwingungen oder Ähnliches überwacht werden, um eine Stetigkeit der Bewegung zu bestimmen. Eine Folge von Frequenzen wird somit als ausreichend schnell ausgeführt betrachtet und als ausreichend viele Frequenzen innerhalb des Betriebsbereichs enthaltend betrachtet, falls die resultierende Bewegung des angetriebenen Elements 22 durch Überwachungsmittel und -kriterien zur Beobachtung des angetriebenen Elements 22, wie sie durch die bestimmte Anwendung dargelegt wird, als stetig wahrgenommen wird.
Üblicherweise wird der Steuerbereich von Frequenzen so ausgewählt, dass er eine Frequenz enthält, bei der der piezoelektrische Motor 20 eine Antwortbewegung oder ein Antwortsignal mit einer gewünschten Eigenschaft wie etwa Amplitude, Frequenz oder Phase erzeugt. Falls der Steuerbereich der Frequenzen ausreichend groß gewählt wird, sollte er immer den Betriebsbereich enthalten, selbst wenn sich der Betriebsbereich wegen vorhersagbarer und unvorhersagbarer Schwankungen im Betrieb des piezoelektrischen Motors 20, die Herstellungs- und Produktionstoleranzen zuzuschreiben sind und die ferner Betriebsverhaltensänderungen und einer Verschlechterung des piezoelektrischen Motors 20 und zugeordneter elektronischer Komponenten zuzuschreiben sind, verschiebt. Darüber hinaus sollte der Betriebsbereich auch dann in dem Steuerbereich enthalten sein, wenn die elektronische Schaltung 24, die das elektrische Signal 25 erzeugt und es dem piezoelektrischen Motor 20 zuführt, wegen Änderungen, die Herstellungs- und Produktionstoleranzen zuzuschreiben sind und die ferner Betriebsverhaltensänderungen und der Verschlechterung der zugeordneten elektronischen Komponenten zuzuschreiben sind, ungenau ist. Falls eine Folge von Frequenzen so ausgewählt wird, dass die Frequenzen der Folge innerhalb des Steuerbereichs ausreichend dicht sind, kann somit die oben erwähnte Mittelungswirkung ein Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors erzeugen, das üblicherweise weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20%, noch bevorzugter weniger als 10% und noch besser weniger als 5% variiert, wenn sich die Eigenschaften des piezoelektrischen Motors 20 innerhalb eines vorhersagbaren Bereichs ändern. Gleichzeitig kann es ebenfalls vorteilhaft sein, eine Betriebsverhaltensschwankung zu wünschen, die mehr als 5%, 10%, 20% oder sogar 30% ist. Somit kann ohne die Notwendigkeit einer Rückkopplungsregelung ein verhältnismäßig konstantes Betriebsverhalten erzielt werden.
Der Begriff "ausreichend dicht", wie er hier verwendet wird, ist schematisch anhand von 1 veranschaulicht, die graphische Darstellungen des Betriebsverhaltens in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt. Das maximal erreichbare Betriebsverhalten auf der vertikalen Achse ist mit 1 bezeichnet, wobei 1 gleich 100% ist. Die Kurve 101 veranschaulicht in 1 das Betriebsverhalten eines idealisierten piezoelektrischen Motors 20, während sich die Erregungsfrequenz ändert. Die Kurve 101 dient als eine Referenzkurve zur Auswahl einer geeigneten Folge von Frequenzen und wird üblicherweise unter genormten Bedingungen für eine repräsentative Gruppe eines oder mehrerer piezoelektrischer Motoren gemessen, die repräsentativ für eine gesamte Gruppe piezoelektrischer Motoren mit derselben Konstruktion und Herstellung sind. Die gesamte genannte Gruppe kann z. B. einen Tag der Produktionsmenge eines Herstellungswerks umfassen, das die piezoelektrischen Motoren 20 produziert. Die Kurve 101 kann als der Durchschnitt aller Betriebsverhaltenskurven der repräsentativen Gruppe piezoelektrischer Motoren berechnet werden oder kann als das minimale Betriebsverhalten berechnet werden, das jeder piezoelektrische Motor der repräsentativen Gruppe unter den genannten genormten Bedingungen liefern kann. Andere Berechnungsverfahren für die Kurve 101 können ebenfalls nützlich sein. Die Kurve 102 veranschaulicht die Betriebsverhaltenskurve des piezoelektrischen Motors eines bestimmten piezoelektrischen Motors 20 aus der gesamten Gruppe piezoelektrischer Motoren zu einer gegebenen Zeit. Üblicherweise ist die Kurve 102 nicht explizit gemessen worden oder bekannt. Wegen der immer vorhandenen Parameterschwankungen piezoelektrischer Motoren stimmen die Kurven 101 und 102 üblicherweise nicht überein. Darüber hinaus ändert sich die Kurve 102 mit der Zeit. Die optimale Frequenz der Kurve 101 ist durch eine vertikale Linie 103 gekennzeichnet, die festgesetzt ist. Die optimale Frequenz der Kurve 102 ist mit f₀ bezeichnet und durch eine vertikale Linie 104 gekennzeichnet, wobei sich beide mit der Kurve 102 bewegen, während sich die Kurve 102 mit der Zeit ändert.
Für Veranschaulichungszwecke wird eine erste Folge von Frequenzen {f₁, f₂, f₃, f₄, f₅} ausgewählt, die fünf äquidistante Frequenzen umfasst. Die Folge wird so oft wiederholt, wie es notwendig ist, um eine gewünschte Gesamtbetriebsdauer des piezoelektrischen Motors 20 zu erzielen. In diesem Beispiel wird jede Frequenz der ersten Folge von Frequenzen mit einer gleichen Dauer ausgeführt. Das genannte Gesamtbetriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20, gemittelt über die Gesamtbetriebsdauer des piezoelektrischen Motors 20 für die erste Folge von Frequenzen, ist näherungsweise ein Fünftel der Summe der Werte der Kurve 102 bei den fünf Frequenzen der Folge. Das Gesamtbetriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 ändert sich mit der Kurve 102, d. h. mit dem Ort der Kurve 104 oder äquivalent mit der Frequenz f₀. Das sich ändernde Gesamtbetriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 in Abhängigkeit von der Frequenz f₀ ist graphisch durch eine Kurve 106 dargestellt. Wie gezeigt ist, erreicht das Betriebsverhalten einen Maximalwert von näherungsweise 0,3, wobei dieser Wert kleiner als der Maximalwert von 1,0 der Kurve 102 ist. Die Kurve 106 schwankt zwischen 0,2 und 0,3. Mit anderen Worten, falls der piezoelektrische Motor 20 seine Eigenschaften wegen der Temperatur usw. ändert und sich die Kurve 102 folglich zwischen den Frequenzen f₁ und f₅ zu einer unbekannten Position bewegt, stellt das Ausführen der Folge von Frequenzen {f₁, f₂, f₃, f₄, f₅} sicher, dass das Gesamtbetriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 innerhalb des Bereichs von 0,25 ± 0,05 bleibt, d. h. zu 0,05/0,25 = 20% konstant bleibt.
Zum Vergleich der Gesamtbetriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 wird die gleiche Prozedur nun für eine beispielhafte Folge von Frequenzen {f₁, f₂, f₃, f₄, f₅, f₆, f₇, f₈, f₉}, die neun äquidistante Frequenzen umfasst, wiederholt. Das Gesamtbetriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20, gemittelt über die Gesamtbetriebsdauer des piezoelektrischen Motors 20 für die zweite Folge von Frequenzen, ist näherungsweise ein Neuntel der Summe der Werte der Kurve 102 bei den neun Frequenzen der Folge. Das sich ändernde Gesamtbetriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 in Abhängigkeit von der Frequenz f₀ ist durch die Kurve 105 gezeigt. Die Änderung der Kurve 105 ist näherungsweise 0,29 ± 0,01, d. h., die Kurve ist innerhalb 0,01/0,29 = 3,5% konstant. Die Kurven 105 und 106 haben dieselben Maxima, wobei die Kurve 105 aber einen kleineren Schwankungsbereich und einen höheren Mittelwert hat. Somit ist die zweite Folge von Frequenzen, die dadurch, dass sie mehr Frequenzen innerhalb derselben Bandbreite hat, dichter als die erste Folge von Frequenzen ist, wobei die Bandbreite sowohl der ersten als auch der zweiten Folge von Frequenzen die Differenz (f₅ – f₁) ist, robuster in Bezug auf Schwankungen der Parameter des piezoelektrischen Motors 20 und der zugeordneten Komponenten. Zum Beispiel würde die zweite Folge von Frequenzen als ausreichend dicht betrachtet, falls ein Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 erforderlich wäre, das angenommen besser als 10% konstant und angenommen über 0,25 bleibt.
Dadurch, dass die Frequenzen innerhalb des Betriebsbereichs abgetastet werden, wird an den piezoelektrischen Motor 20 ein Erregungssignal 25 geliefert, das vorzugsweise immer das optimale Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 einschließt. Obgleich ein Teil der Frequenzen weniger als optimal sind, ist der Bereich der Betriebsfrequenzen vorteilhaft nahe genug zu der Frequenz, die dem optimalen Betriebsverhalten des Motors 20 entspricht, sodass das Gesamtbetriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 wahrscheinlich größer ist, als wenn keine abgetastete Frequenz geliefert wird. Dies tritt auf, da das Betriebsverhalten eines piezoelektrischen Motors üblicherweise für einen Frequenzbereich beiderseits der optimalen Frequenz sehr hoch ist und durch Abtasten dieser Frequenzen ein durchschnittliches Betriebsverhalten erzielt wird, das wahrscheinlich höher ist als das, das auftritt, wenn eine einzelne feste Erregungsfrequenz ohne frühere Kenntnis der Kurve 102 ausgewählt und geliefert wird. Das erhöhte Betriebsverhalten durch Abtasten eines Steuerbereichs von Frequenzen ermöglicht ebenfalls ein weiteres hohes Betriebsverhalten, wenn der piezoelektrische Motor 20 heiß wird, altert oder auf andere Weise eine Änderung erfährt, die veranlasst, dass sich die optimale Frequenz ändert. Somit wird ein Vorwärtssteuerungsverfahren geschaffen, das unabhängig von Parameterfluktuationen eines piezoelektrischen Motors 20 ein konstantes Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 erzeugen kann.
Die Verwendung von Folgen von Frequenzen zum Ansteuern des piezoelektrischen Motors 20 kann eine Anzahl weiterer Vorteile und Verwendungen schaffen. Die Reihenfolge der Frequenzen in einer Folge kann umgeordnet werden, um weitere Bedingungen zu erfüllen. Zum Beispiel kann die oben erwähnte Folge {f₁, ... f₉} als die Zusammensetzung zweier Aufwärtsabtastungen verstanden werden. Dieselbe Folge, geschrieben als {f₁, f₆, f₂, f₇, f₃, f₈, f₄, f₉, f₅}, ist eine stetige Aufwärtsabtastung, die zwischen den Wiederholungen vorteilhaft kleine Frequenzschritte, aber einen großen Frequenzsprung von f₅ zu f₁ aufweist. Dieselbe Folge, geschrieben als {f₁, f₂, f₃, f₄, f₅, f₉, f₈, f₇, f₆} ist eine überall stetige Zusammensetzung einer Aufwärtsabtastung mit einer Abwärtsabtastung, die in Anwendungen vorteilhaft sein kann, in denen Frequenzsprünge zu unerwünschten hörbaren Geräuschen führen können. In diesem Kontext wird angemerkt, dass eine monotone Folge mit vielen eng beabstandeten Frequenzen zulässt, dass der piezoelektrische Motor 20 der Folge 102 selbst dann dicht folgt, wenn sie verschoben wird. Jede solche Abtastung veranlasst, dass der piezoelektrische Motor 20 einen wohldefinierten Schritt des angetriebenen Elements 22 ausführt, der mit der Fläche unter den Kurven 101 oder 102 zusammenhängt. Falls die Abtastung wiederholt und ausreichend schnell ausgeführt werden kann, vermischen sich die einzelnen Schritte miteinander zu etwas, das in dem Sinn, dass durch eine Anwendung angegebene Überwachungsmittel und -kriterien nicht besagen können, dass die Bewegung tatsächlich aus vielen einzelnen und verschiedenen Schritten zusammengesetzt ist, als eine stetige Bewegung des angetriebenen Elements 22 erscheint. Die Geschwindigkeit der genannten stetigen Bewegung ist durch das Produkt aus der Schrittweite und der Anzahl der Wiederholungen pro Sekunde gegeben. Wie oben diskutiert wurde, ändern sich die Kriterien für die Bestimmung dessen, was eine "stetige" Bewegung bildet, mit der bestimmten Anwendung, wobei die Frequenzen ausreichend schnell wiederholt ausgeführt werden, um die gewünschte Stetigkeit der Bewegung zu erzielen.
Somit wird ein Vorwärtssteuerungsverfahren geschaffen, das definierte Schrittweiten des angetriebenen Elements 22 mit einer konstanten Rate erzeugt, die unabhängig von Parameterschwankungen eines piezoelektrischen Motors 20 ist.
Außer der Ausführung einer Abtastung oder irgendeiner anderen Folge kann der piezoelektrische Motor 20 ferner periodisch oder nicht periodisch verlangsamt werden, wobei er z. B. durch Unterbrechen des elektrischen Treibersignals 25 zu dem piezoelektrischen Motor 20 zu vorgegebenen Zeitpunkten für vorgegebene Zeitdauern ein- und ausgeschaltet wird. Ein bevorzugter Moment für die Unterbrechung des elektrischen Signals 25 für ein Abtasten ist der, wenn die Abtastung ihr Ende erreicht hat und bevor sie erneut beginnt. Falls die erste und die letzte Frequenz einer Abtastung beide außerhalb des Betriebsbereichs liegen, hat der piezoelektrische Motor 20 zu diesem Zeitpunkt ohnehin angehalten. Somit sollte die Signalunterbrechung kein hörbares Geräusch erzeugen. Außerdem kann die Ausführung der Folge von Frequenzen unterbrochen werden, wenn das angetriebene Element z. B. ein vorgegebenes Ziel erreicht hat oder wenn die momentane Folge von Frequenzen nicht das gewünschte Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 liefert. Im letzteren Fall kann eine Folge von Frequenzen unter Verwendung eines wie später diskutierten Rückkopplungsverfahrens geändert oder durch eine geeignetere Folge von Frequenzen ersetzt werden.
Die Änderungsrate einer Frequenzabtastung, die durch die Dauern der zugeordneten Signalformen gegebene Änderungsrate, braucht nicht konstant zu sein. Sofern möglich, ist es tatsächlich vorteilhaft, langsam abzutasten, wo bekannt ist oder geschätzt wird, dass der piezoelektrische Motor 20 durch einen Übergang von außer Betrieb zu in Betrieb geht, um ein hörbares Geräusch, das üblicherweise erzeugt wird, wenn der piezoelektrische Motor 20 plötzlich in Betrieb genommen wird oder plötzlich den Betrieb anhält, zu verringern oder zu beseitigen. Somit wird vorzugsweise die Abtastrate verlangsamt oder die Dauer der zugeordneten Signalform erhöht, sodass der Übergang des piezoelektrischen Motors 20 von einer In-Betrieb-Betriebsart zu einer Außer-Betrieb-Betriebsart entweder keinen hörbaren Klang erzeugt oder einen vorgegebenen hörbaren Klang erzeugt. Diese Änderung der Abtastrate oder Änderung der Dauer der zugeordneten Signalform kann ebenfalls verwendet werden, um andere Kriterien an dem gewünschten Übergangspunkt zu erfüllen. Ein Beispiel wäre das Erzeugen eines Klangs mit einer vorgegebenen Lautstärke oder Amplitude oder das Erzeugen eines vorgegebenen Signals, das mit der Verwendung, in die der Motor 20 genommen wird, variieren kann.
Eine Folge diskreter Frequenzen ist geeignet für Mittel der Signalerzeugung 23, die digital sind, wobei die Signalformen im Gegensatz zu sinusförmig rechteckig oder digital sind. Die Digitalsignalerzeugung 23 kann z. B. mit einem geeignet programmierten Mikrocontroller oder mit einer Pulsbreitenmodulationseinheit (PWM-Einheit), die häufig in einem Mikrocontroller enthalten ist, erzielt werden. Digitalsignalgeneratoren sind durch die Tatsache beschränkt, dass die Zeitauflösung des erzeugten Signals das Produkt einer signalgeneratorspezifischen Zeitkonstante und einer ganzen Zahl ist. Somit sind streng periodische Signale nur bei bestimmten diskreten Frequenzen möglich. Diese Eigenschaft der Digitalsignalerzeugung ist anhand von 5 erläutert. In dieser Figur ist die Zeitauflösung eines Digitalsignalgenerators 23 durch eine Konstante ΔT gegeben. Ein erstes streng periodisches Signal ist eines, das z. B. wie im Digitalsignal 80 wiederholt für eine Periode 4ΔT hoch ist und für eine gleiche Periode tief ist. Somit ist die Grundfrequenz des Digitalsignals 80 1/(8ΔT). Ein zweites streng periodisches Signal mit der Grundfrequenz 1/(10ΔT) ist das Digitalsignal 81, das Tief- und Hochperioden von 5ΔT hat. Ein drittes streng periodisches Signal mit der Grundfrequenz 1/(9ΔT) ist das Digitalsignal 82, das Tiefperioden von 5ΔT und Hochperioden von 4ΔT hat. Somit ist die Grundfrequenz eines streng periodischen Signals 1/(NΔT), wobei N eine positive ganze Zahl ist. Wie aus der früheren Diskussion von 1 und aus den Unterschieden des Betriebsverhaltens, die durch die zuvor diskutierten Folgen {f₁ ... f₉} und {f₁ ... f₅} verursacht werden, verstanden werden kann, ist dies ein begrenzender Faktor bei der Auswahl von Folgen von Frequenzen und kann ferner ein begrenzender Faktor beim Erzielen eines konstanten Betriebsverhaltens des piezoelektrischen Motors 20 sein. Mit anderen Worten, falls die Frequenzauflösung des Digitalsignalgenerators in Bezug auf die Breite des Betriebsbereichs schlecht ist, kann das resultierende Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 weniger robust in Bezug auf Änderungen der Parameter des piezoelektrischen Motors 20 wie etwa Temperatur usw. sein.
Die schnelle Umschaltung zwischen benachbarten Frequenzen, z. B. zwischen 1/(NΔT) und 1/((N + 1)ΔT), schafft ein Verfahren für den Betrieb eines piezoelektrischen Motors 20 bei Frequenzen, die ein Digitalsignalgenerator in reiner Form nicht leicht erzeugen kann. In diesem Verfahren ist eine Folge von Frequenzen {F₁, F₂, F₁, F₂ ...} aus zwei Nachbarfrequenzen F₁ und F₂ in wiederholten Paaren zusammengesetzt, die der Digitalsignalgenerator in reiner Form leicht erzeugen kann. Es wurde zuvor diskutiert, dass das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 zwischen den Betriebsverhalten, die den Frequenzen F₁ und F₂ entsprechen, umschaltet, falls sowohl F₁ als auch F₂ für eine verhältnismäßig lange Dauer ausgeführt wird. Falls das Umschalten dagegen schnell auftritt, d. h., falls die Dauer, für die sowohl F₁ als auch F₂ ausgeführt wird, kleiner als die Abfallszeit für Einschwingvorgänge des piezoelektrischen Motors 20 ist, wird dem Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 keine Zeit gelassen, in eines der Betriebsverhalten auszuregeln, sondern kann der piezoelektrische Motor 20 stattdessen so gesehen werden, dass er durch ein Signal 25 dargestellt wird, das einen Hauptfrequenzinhalt F₃ hat, der zwischen F₁ und F₂ liegt. Der genaue Ort von F₃ hängt vom Verhältnis der Dauern ab, für die F₁ und F₂ einzeln erregt werden, und kann mit einem mathematischen Standardhilfsmittel bestimmt werden, das als Fourier-Analyse bekannt ist. Falls z. B. sowohl F₁ als auch F₂ für dieselbe Dauer erregt wird, was ein Verhältnis der Dauern von 1:1 repräsentiert, liegt F₃ in der Mitte zwischen F₁ und F₂. Im Prinzip können irgendwelche weiteren Frequenzen F₃ unter Verwendung anderer Verhältnisse der Dauern ausreichend nahe genähert werden. Realistisch sind die Verhältnisse der Dauern allerdings durch die Dauer der Einschwingvorgänge des piezoelektrischen Motors 20 und durch die Zeitauflösung des Digitalsignalgenerators 23 beschränkt. Allgemein sind piezoelektrische Motoren 20 sehr reaktionsschnell und können Einschwingvorgänge haben, die nicht länger als vier oder fünf Schwingungsperioden sind.
Falls die Einschwingvorgänge des mechanischen piezoelektrischen Motors 20 z. B. innerhalb von 4 Oszillationsperioden stattfinden, sollte die Dauer, für die sowohl F₁ als auch F₂ angewendet wird, kleiner oder gleich diesen 4 Oszillationsperioden sein. Falls die Dauern zweckmäßig als ganzzahlige Vielfache der Schwingungsperioden gewählt werden, sind die Verhältnisse der Dauern in diesem Beispiel näherungsweise 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 2:1, 2:3, 3:1, 3:2, 3:4, 4:1 und 4:3, was Anlass zu einer gleichen Anzahl von Frequenzen F₃ gibt, die zwischen F₁ und F₂ liegen. Die genannten Verhältnisse der Dauern sind in dem Sinn näherungsweise, dass die Dauer, für die eine Frequenz angewendet wird, in einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens vorteilhaft ein ganzzahliges Vielfaches der Periode dieser Frequenz ist. Insbesondere haben vier Perioden mit zwei angrenzenden Frequenzen nahezu, jedoch nicht genau, dieselbe Dauer. Es ist vorteilhaft, die genannten ganzzahligen Vielfachen der Schwingungsperioden zu verwenden, um plötzliche Sprünge des Signals 25 und möglicherweise daraus resultierende Rüttelgeräusche des piezoelektrischen Motors 20 zu vermeiden, wobei die Dauern aber keine ganzzahligen Vielfachen zu sein brauchen. Außerdem kann es zweckmäßig sein, Dauern zu verwenden, die ganzzahlige Vielfache einer halben Periode sind.
Somit wird unter Verwendung von Mitteln der Digitalsignalerzeugung 23 zur Lieferung einer Folge von Frequenzen an den piezoelektrischen Motor 20 in vorgegebenen Intervallen innerhalb eines Frequenzbereichs, der ausreicht, um zu veranlassen, dass der piezoelektrische Motor 20 weniger als optimal, aber zuverlässig arbeitet, ein Mittel geschaffen, um selbst dann einen nützlichen Betrieb von einem piezoelektrischen Motor 20 zu erzielen, wenn sich die optimale Betriebsfrequenz dieses piezoelektrischen Motors 20 geändert hat. Die Folge von Frequenzen kann Unterfrequenzen von Frequenzen enthalten, die der Digitalsignalgenerator 23 in reiner Form erzeugen kann, die aber jeweils eine Dauer haben, die kürzer als die typische Dauer eines Einschwingvorgangs des piezoelektrischen Motors 20 ist, um den piezoelektrischen Motor 20 mit Frequenzen zu betreiben, die der Digitalsignalgenerator 23 in reiner Form nicht erzeugen kann.
Die vorgeschlagenen Steuerverfahren können durch einen geeigneten Rückkopplungsmechanismus, durch den der (optimale oder nicht optimale) Betrieb irgendeines piezoelektrischen Motors 20 erfasst wird, ergänzt und verbessert werden. Es können mehrere verschiedene Verfahren verwendet werden. Die Tatsache, dass der piezoelektrische Motor 20 arbeitet, d. h., dass er ein angetriebenes Element 22 angemessen bewegt, kann in einigen Fällen aus einer elektrischen Antwort 30 des piezoelektrischen Motors 20, z. B. aus einer Phasen verschiebung zwischen Spannung und Strom oder aus einer Zunahme/Abnahme des Stromverbrauchs oder aus einer Zunahme/Abnahme der Spannung an dem piezoelektrischen Element, abgeleitet werden. Weitere Quellen von Rückkopplungsinformationen 27 sind einzelne oder Kombinationen von Sensoren 26, die die Bewegung des angetriebenen Elements direkt erfassen, wie etwa Hall-Sensoren oder Lichtschranken oder auch Kraftsensoren. Ein Hall-Sensor oder eine Lichtschranke kann verwendet werden, um jedes Mal, wenn sich das angetriebene Element eine definierte Strecke bewegt hat und/oder ausgewählte Schwellenwerte überschritten hat, Impulse zu liefern. Die Strecke kann für ein sich linear bewegendes angetriebenes Element als Länge oder für sich drehende angetriebene Elemente wie etwa Räder als Winkel gemessen werden. Die Zählung der Anzahl der Impulse während einer vorgegebenen Zeitdauer kann ein Maß für die Geschwindigkeit des angetriebenen Elements 22 liefern.
In einem weiteren Beispiel umfasst ein piezoelektrischer Motor 20 einen elektrisch leitenden Resonator 28, der in antreibendem Kontakt mit einem elektrisch leitenden angetriebenen Element 22 ist. Die Messung des elektrischen Widerstands zwischen dem Resonator 28 und dem angetriebenen Element 22 kann in einem piezoelektrischen Motor 20, in dem der Resonator während des Betriebs des piezoelektrischen Motors 20 intermittierend teilweise oder vollständig von dem angetriebenen Element 22 angehoben wird, die gewünschte Rückkopplung 30 liefern. In diesen Fällen kann das elektrische Rückkopplungssignal 30 wegen vollständigen Abhebens diskret oder wegen teilweisen Abhebens und/oder Änderns des Kontaktdrucks analog sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Resonator 28 oder das angetriebene Element 22 aus einem halbleitenden Werkstoff wie etwa aus einem Kunststoff, der Kohlenstoffpartikel oder -fasern enthält, hergestellt. In dieser Ausführungsform kann ein analoges Signal, das den elektrischen Widerstand repräsentiert, verwendet werden, um hinsichtlich der Frequenzen, bei denen der piezoelektrische Motor 20 arbeitet und bei denen die Frequenz des piezoelektrischen Motors 20 in einem optimalen Sinn arbeitet, eine Rückkopplung 30 zu liefern.
Für einen bestimmten piezoelektrischen Motor 20 bildet das Analysieren des Rückkopplungssignals 30 und/oder 27 von einem einzelnen Sensor 26 oder von einer Kombination von Sensoren 26 bei einer Erregungsfrequenz und das Ableiten eines numerischen Betriebsverhaltenskriteriums, das das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 wie etwa die Geschwindigkeit oder die Kraft bei dieser Frequenz beschreibt, unter Verwendung geeigneter Elektronik und Algorithmen in einer Steuereinheit 23 ein Rückkopplungsverfahren. Falls dem piezoelektrischen Motor 20 ein elektrisches Signal 25 zugeführt wird, das eine einzelne langsame kontinuierliche Frequenzabtastung umfasst, verfolgt das Betriebsverhaltenskriterium eine Betriebsverhaltenskurve in Abhängigkeit von der momentanen Erregungsfrequenz.
Typische Kurven, die erhalten werden können, sind in 2 veranschaulicht. Die Kurve 51 repräsentiert ein Rückkopplungsverfahren, das kontinuierliche Informationen über das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 liefert. Die Kurve 52 repräsentiert ein Rückkopplungsverfahren, das einen minimalen Bewegungsschwellenwert und/oder eine Hysterese aufweist und somit diskontinuierliche Informationen über das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 liefert. Die Kurve 53 repräsentiert ein Rückkopplungsverfahren, das nur Informationen über die Anwesenheit einer Bewegung wenigstens mit einem minimalen Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 liefert. Falls eine Betriebsverhaltenskurve des Typs der Kurve 51 oder 52 gemessen wird, kann eine optimale Betriebsfrequenz beim Maximum der Betriebsverhaltenskurve bestimmt werden. Falls eine Betriebsverhaltenskurve des Typs der Kurve 53 gemessen wird, kann eine optimale Betriebsfrequenz, z. B. in der horizontalen Mitte des rechteckförmigen Abschnitts der Kurve 53, nur geschätzt werden.
Die Betriebsverhaltenskurven des piezoelektrischen Motors 20 können für kontinuierliche Abtastungen von niedrigen Frequenzen zu hohen Frequenzen und umgekehrt verschieden sein.
Kurven wie etwa die Kurven 51–53 können teilweise einen Weg oder das Mittel zur Bestimmung einer Betriebsverhaltenskurve 102 liefern. Eine Kurve 102 kann so gewählt werden, dass sie mit einer der Kurven 51–53 zusammenfällt, oder es können zusätzliche Informationen, z. B. von einem Rückkopplungssignal 30, aufgenommen werden, um eine Kurve 102 zu berechnen. Wie zuvor diskutiert wurde, kann von den Kurven 102, die unter genormten Bedingungen für viele piezoelektrische Motoren 20 erhalten worden sind, eine idealisierte Betriebsverhaltenskurve 101 abgeleitet werden.
Näherungen an Kurven wie etwa an die Kurven 51–53 werden unter Verwendung von Folgen von Frequenzen zum Erzeugen des dem piezoelektrischen Motors 20 zugeführten elektrischen Signals 25 anstelle der kontinuierlichen Frequenzabtastung erhalten. Zum Beispiel kann eine Kurve wie etwa die beispielhafte Kurve 54 unter Verwendung einer Folge von Frequenzen {f₆, f₇, f₈, f₉}, Analysieren des Rückkopplungssignals 27 bei jeder dieser Frequenzen und graphische Darstellung der resultierenden Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 als Punkte, die z. B. durch Geraden verbunden sind, erhalten werden.
Wenn ein piezoelektrischer Motor 20 mit einer Folge von Frequenzen betrieben wird, die veranlasst, dass der piezoelektrische Motor 20 ein angetriebenes Element bewegt, liefert das Rückkopplungsverfahren Informationen über das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20, während jede Frequenz der Folge ausgeführt wird. Wie zuvor erwähnt wurde, ist ein piezoelektrischer Motor 20 (im Gegensatz zu, angenommen, elektromagnetischen Gleichstrommotoren mit hoher Trägheit) äußerst reaktionsschnell. Somit verfolgen die Informationen, die mit einem Rückkopplungsverfahren erhalten werden, sofern die Verzögerung in der Rückkopplungsschleife ausreichend klein ist, den zeitlichen Ablauf der Ausführung der Folgen der Frequenzen mit einer Verzögerung von nur wenigen Schwingungsperioden. Somit wird ein Verfahren geschaffen, um eine Folge von Frequenzen auszuführen, die wenigstens den Betriebsbereich eines piezoelektrischen Motors 20 umfassen, um ein angetriebenes Element zu bewegen und um gleichzeitig ein Rückkopplungsverfahren zum Identifizieren des Betriebsverhaltens des piezoelektrischen Motors 20 zu verwenden, das sich mit der Zeit ändert, und um eine geeignete Folge vorteilhaft innerhalb weniger als näherungsweise 1/20 einer Sekunde zu wiederholen, um zu veranlassen, dass die resultierende Bewegung des angetriebenen Elements dem menschlichen Auge ausreichend stetig erscheint, oder um die Folge schneller zu wiederholen, falls eine stetigere Bewegung des angetriebenen Elements 22 erforderlich ist, oder um die Folge langsamer zu wiederholen, falls auf diese Weise ein geeignetes Betriebsverhalten und eine geeignete Stetigkeit der Bewegung erzielt werden können. Ferner können die Rückkopplungsinformationen 27 und/oder 30 verwendet werden, um die Folge der Frequenzen zu ändern, um den sich ändernden Betriebsbereich des piezoelektrischen Motors 20 dichter zu verfolgen.
Das Rückkopplungsverfahren kann verwendet werden, um eine Folge von Frequenzen intermittierend anzupassen, sodass veranlasst wird, dass der piezoelektrische Motor 20 das angetriebene Element 22 mit einem besseren Betriebsverhalten bewegt, selbst wenn sich die Eigenschaften des piezoelektrischen Motors 20 wegen der Temperatur, wegen der Alterung oder aus anderen Gründen geändert haben. Die Prozedur ist anhand der Beispiele in 3 veranschaulicht. 3 zeigt eine hypothetische Betriebsverhaltenskurve 102, die ein piezoelektrischer Motor 20 zu einem bestimmten Zeitpunkt haben kann. In einem ersten Beispiel der intermittierenden Anpassung einer Folge von Frequenzen verursacht eine erste Folge von Frequenzen {f₁, f₂, f₃, f₄, f₅} Signalformen w₁–w₅, die dem piezoelektrischen Motor 20 in der gezeigten Folge wiederholt zugeführt werden. Während der Ausführung der ersten Folge von Frequenzen kann ein Rückkopplungsverfahren eine Betriebsverhaltensablesung in Abhängigkeit von der Zeit wie etwa die beispielhafte Kurve 61a liefern. Aus der Kurve 61a kann durch graphische Darstellung der Messwerte als Scheitel über der momentanen Erregungsfrequenz und Verbinden der Scheitel mit Geraden, wie es etwa in der Kurve 55a erfolgt ist, die Kurve 102 geschätzt werden. Es wird angemerkt, dass die Scheitel der Kurve 55a oder anderer solcher Kurven, die eine Kurve 102 schätzen, zum Teil wegen Messfehlern usw., nicht notwendig auf der hypothetischen Kurve 102 liegen. Aus der Kurve 55a kann geschätzt werden, dass die Frequenz f₁ weit von dem Betriebsbereich entfernt ist und dass die Kurve 102 ein Maximum aufweist, das sich wahrscheinlich in der Nähe von f₈ befindet. Obgleich sich diese Beispiele auf die graphische Darstellung beziehen und verschiedene graphische Bilder zeigen, erfolgt die Erzeugung dieser graphischen Darstellungen auf mathematischer Grundlage, sodass die Analyse vollständig durch geeignete Software unter Verwendung eines Computers oder geeigneter integrierter Schaltungen oder anderer elektronischer Systeme ausgeführt werden kann. Dies betrifft die obigen und die folgenden Graphen, die zur Veranschaulichung der Prinzipien der beschriebenen Motorsteuerung verwendet werden.
Diese Informationen können verwendet werden, um z. B. eine zweite Folge von Frequenzen {f₂, f₃, f₈, f₄, f₅} zu bestimmen, die, wenn sie ausgeführt wird, eine Betriebsverhaltensablesung in Abhängigkeit von der Zeit ähnlich der Kurve 61b und in dem Prozess eine Schätzung an die Kurve 102 in Form der Kurve 55b veranlasst. Die zweite Folge von Frequenzen veranlasst eindeutig, dass der piezoelektrische Motor 20 das angetriebene Element 22 mit einem verbesserten Betriebsverhalten bewegt, da sie innerhalb des Betriebsbereichs mehr Frequenzen und außerdem eine schmalere Bandbreite als die erste Folge von Frequenzen hat, wobei die Bandbreite als die Differenz zwischen der größten und der kleinsten der Frequenzen einer Folge definiert ist. Da die zweite Folge von Frequenzen den Betriebsbereich des piezoelektrischen Motors 20 abdeckt, kann der piezoelektrische Motor außerdem selbst dann zuverlässig betrieben werden, wenn sich der Betriebsbereich und somit die Kurve 102 um einen kleinen Betrag verschieben sollte.
In einem zweiten Beispiel des intermittierenden Anpassens einer Folge von Frequenzen wird angenommen, dass das Rückkopplungsverfahren Impulse erzeugt, wenn sich das angetriebene Element 22 um eine ausreichende Strecke bewegt hat. Falls z. B. eine erste Folge {f₁, f₂, f₃, f₄, f₅} wiederholt ausgeführt wird, wie es in dem vorigen Beispiel erfolgt, kann eine Betriebsverhaltensablesung in Abhängigkeit von der Zeit wie etwa die Kurve 62a erhalten werden. Die Kurve 62a veranschaulicht, dass Impulse wahrscheinlich in schnellerer Aufeinanderfolge auftreten, je näher die Frequenz, mit der der piezoelektrische Motor 20 erregt wird, der optimalen Frequenz ist. Die Dichte der Impulsverteilung in der Kurve 62a kann daraufhin verwendet werden, um eine ähnliche Kurve wie die Kurve 55a graphisch darzustellen. Anhand der Kurve 55a kann eine zweite Folge von Frequenzen ausgewählt werden, um zu veranlassen, dass der piezoelektrische Motor 20 das angetriebene Element 22 mit einem besseren Betriebsverhalten und mit einer angemessenen Robustheit hinsichtlich Parameteränderungen des piezoelektrischen Motors 20 bewegt, wenn die zweite Folge von Frequenzen ausgeführt wird. Eine mögliche zweite Folge von Frequenzen ist {f₂, f₃, f₈, f₄, f₅}. In einem weiteren Verfahren wird nur das erste Auftreten eines Impulses verwendet, um eine wahrscheinliche Betriebsfrequenz zu bestimmen. In der beispielhaften Kurve 62a tritt der erste Impuls auf, während dem piezoelektrischen Motor 20 f₃ zugeführt wird. Anhand dieser Informationen kann eine zweite Folge von Frequenzen wie etwa {f₂, f₃, f₈, f₄, f₅} ausgewählt werden, die eine Betriebsverhaltensablesung in Abhängigkeit von der Zeit wie etwa die Kurve 62b mit einer zugeordneten Schätzung der Kurve 102 veranlassen kann, die z. B. durch die Kurve 55b gegeben ist. Die zweite Folge von Frequenzen besitzt eine schmalere Bandbreite als die erste Folge und veranlasst, dass der piezoelektrische Motor 20 mit einem besseren Betriebsverhalten arbeitet, während eine bestimmte Robustheit hinsichtlich Änderungen der Eigenschaften des piezoelektrischen Motors 20 erhalten bleibt. Dieses Verfahren ist besonders nützlich in Ausführungsformen, bei denen angenommen werden kann, dass der piezoelektrische Motor 20 am wahrscheinlichsten eine Antwort des Sensors 26 auslöst, wenn der piezoelektrische Motor 20 veranlasst, dass sich das angetriebene Element 22 mit einem Betriebsverhalten bewegt, das nahe dem Optimalen ist. In allen obigen Verfahren kann die zweite Folge von Frequenzen weiter geändert oder durch nachfolgende Folgen von Frequenzen ersetzt werden, um die sich wegen sich ändernder Parameter des piezoelektrischen Motors 20 ändernden Kurven 102 zu verfolgen, während ein bestimmter Grad der Robustheit hinsichtlich sich ändernder Parameter des piezoelektrischen Motors 20 durch die Auswahl von Folgen von Frequenzen, die Bandbreiten haben, die wenigstens den Betriebsbereich enthalten, erhalten bleibt.
Falls das resultierende Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 in einem gemittelten Sinn ausreichend konstant sein muss, ist es nicht notwendig, dass jedes Mal, wenn eine Folge von Frequenzen, z. B. eine Abtastung, ausgeführt wird, ein Rückkopplungssignal entweder erzeugt oder bewertet wird, um eine geänderte Folge von Frequenzen zu erzeugen. In Ausführungsformen, in denen ein Mikrocontroller verwendet wird, kann es vorteilhaft sein, die Rückkopplungsroutine verhältnismäßig selten, um Betriebsmittel freizusetzen, jedoch ausreichend oft, um wegen der Rückkopplung eine geeignete Verbesserung des Betriebsverhaltens des piezoelektrischen Motors 20 zu erzielen, zu nutzen. Insbesondere ist eine Anpassung einer Folge von Frequenzen notwendig, falls eine wesentliche Betriebsverhaltensverschlechterung beobachtet wird, z. B., falls über eine vorgegebene Zeitdauer kein Impuls des Sensors 26 gemessen wird. Die Impulse des Sensors 26 können verwendet werden, um in einer Steuereinheit 23 wie etwa in einem Mikrocontroller, der Unterbrechungen empfangen und bewerten kann und hierfür konfiguriert ist, Unterbrechungen auszulösen, um zu ermöglichen, dass die Steuereinheit 23 an die Folge von Frequenzen anpasst. Die Verwendung eines Unterbrechungsmechanismus kann ferner Mikrocontrollerbetriebsmittel freisetzen helfen. Außerdem kann eine Unterbrechung verwendet werden, um jedes Mal, wenn ein Impuls des Sensors 26 empfangen wird, einen Überwachungszeitgeber zurückzusetzen. Der Überwachungszeitgeber könnte daraufhin automatisch eine Mikrocontrollerunterbrechung auslösen, falls in einer vorgegebenen Zeitdauer kein Impuls des Sensors 26 gemessen wird, und somit ermöglichen, dass ein Mikrocontrollerprogramm zu dieser Zeit eine neue Folge von Frequenzen auswählt, um das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 zu verbessern.
Weitere Hinzufügungen zu den Steuerverfahren enthalten das gelegentliche Umschalten zwischen der ersten Folge von Frequenzen und irgendeiner nachfolgenden Folge, um die erste Folge erneut zu verwenden, um den möglicherweise geänderten Betriebsbereich des piezoelektrischen Motors 20 zu bestimmen. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass sich der Betriebsbereich wegen vorhersagbarer und gelegentlich unvorhersagbarer Änderungen der Eigenschaften des piezoelektrischen Motors 20 oder wegen einer unklugen Wahl einer Folge von Frequenzen nur teilweise mit der Bandbreite einer Folge von Frequenzen überlappt, was somit das Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors 20 verringert. Wenn dies auftritt, kann die erste Folge von Frequenzen erneut ausgewählt werden oder kann eine neue Folge von Frequenzen ausgewählt werden, die eine breitere Bandbreite als die zweite Folge von Frequenzen aufweist. Dies sollte insbesondere der Fell sein, wenn für eine bestimmte Zeitdauer, angenommen für die Dauer einer Frequenzabtastung, kein Rückkopplungssignal oder ein unzureichendes Rückkopplungssignal erhalten wird. Falls immer noch kein Rückkopplungssignal erzeugt wird, vermutlich, da das angetriebene Element 22 unzureichend bewegt wird, kann die genannte Bandbreite nachfolgend noch weiter verbreitert werden, bis ein Rückkopplungssignal beobachtet wird, vermutlich, da sich das angetriebene Element 22 wieder ausreichend bewegt, um ein Rückkopplungssignal zu veranlassen.
Die hier diskutierten Vorwärtssteuerungs- und Rückkopplungsregelungsverfahren sind besonders nützlich, falls der Betriebsbereich des piezoelektrischen Motors 20 nur ungenau bekannt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese Art der Rückkopplungsregelung vorteilhaft mit einem Mikrocontroller ausgeführt. Somit werden Verfahren geschaffen, um die Betriebsfrequenzen des piezoelektrischen Motors 20 zu identifizieren und um eine oder mehrere dieser Betriebsfrequenzen zu verwenden, um einen piezoelektrischen Motors 20 in einer Weise anzusteuern, die geeignet ist, ein akzeptables Betriebsverhalten zu erzielen.
Die hier beschriebenen Steuersysteme und -verfahren sind besonders geeignet zum Steuern piezoelektrischer Einfrequenzmotoren 20. Die Steuerschemata können für sich selbst, in Kombination miteinander oder in verschiedenen Kombinationen mit anderen vorhandenen Steuerschemata verwendet werden. Im Wesentlichen ist die Steuerung des piezoelektrischen Motors 20 eine Vorwärtssteuerung, wobei die Steuerverfahren aber die wiederholte und intermittierende Aktualisierung der im Wesentlichen Vorwärtssteuerung mittels Rückkopplung zulassen. Die Steuerverfahren sichern eine Menge Robustheit hinsichtlich vorhersagbarer und nicht vorhersagbarer Änderungen der Parameter des piezoelektrischen Motors 20, die teilweise ebenfalls von der von dem angetriebenen Element 22 festgestellten mechanischen Last abhängen können. Vorhersagbare Parameteränderungen des piezoelektrischen Motors 20 sind vorhersehbare Änderungen, die zur Zeit der Steuerungskonstruktion des piezoelektrischen Motors bekannt sind. Vorhersagbare Parameteränderungen sind Änderungen, die während der beabsichtigten Verwendung des piezoelektrischen Motors 20 und des angetriebenen Elements 22 vernünftig erwartet werden und die Anwendung der hier offenbarten Steuerverfahren prinzipiell nicht stören. Zum Beispiel sind Änderungen der Temperatur, der Umgebungstemperatur, des Motorverschleißes des piezoelektrischen Motors 20 vorhersagbare Parameteränderungen, während es der Motorbruchschaden nicht ist.
Bevorzugte Ausführungsformen können mehrere piezoelektrische Motoren 20 zum Bewegen eines einzelnen angetriebenen Elements 22 enthalten. In dem Prinzipschaltbild aus 6 ist eine solche Mehrmotorkonfiguration veranschaulicht, in der drei piezoelektrische Motoren 22a, 22b, 22c in gleichzeitig antreibendem Kontakt mit einem einzelnen angetriebenen Element 22 sind. Den piezoelektrischen Motoren 22a, 22b, 22c können von getrennten elektrischen Ansteuerschaltungen 24a, 24b, 24c, die von getrennten Steuereinheiten 23a, 23b, 23c gesteuert werden, einzelne elektrische Steuersignale 25a, 25b, 25c zugeführt werden. Alternativ kann den piezoelektrischen Motoren 22a, 22b, 22c von einer elektrischen Treiberschaltung 24 und von einer Steuereinheit 23 dasselbe elektrische Steuersignal 25 zugeführt werden, wobei in diesem Fall die Signale 25a, 25b, 25c gleich sind, die Treiber 24a, 24b, 24c ein und derselbe sind und die Steuereinheiten 23a, 23b, 23c ein und dieselbe sind.
Alternativ kann eine einzelne Steuereinheit 23 die einzelnen Treiberschaltungen 24a, 24b, 24c steuern, die elektrische Signale 25a, 25b, 25c erzeugen, wobei in diesem Fall die Steuereinheiten 23a, 23b, 23c ein und dieselbe sind. Die piezoelektrischen Motoren 22a, 22b, 22c weisen einzelne Rückkopplungswege 30a, 30b, 30c auf. Die Steuereinheiten 23a, 23b, 23c nutzen dieselbe Rückkopplung von einer Vorrichtung 26, die die Bewegung des angetriebenen Elements 22 erfasst, gemeinsam. In Mehrmotoranwendungen wird eine vorteilhafte Mittelung der mechanischen Abgabe der piezoelektrischen Motoren 20a, 20b, 20c über alle piezoelektrischen Motoren 20a, 20b, 20c, die mit dem angetriebenen Element 22 in Eingriff sind, wirksam. Außerdem kann eine Mehrmotorkonfiguration zwei oder mehr piezoelektrische Motoren 20 in antreibendem Kontakt mit einem einzelnen angetriebenen Element 22 aufweisen. Die einzelnen piezoelektrischen Motoren 20 können die gleiche Konstruktion und Herstellung aufweisen, können aber auch verschieden sein, was weiter eine vorteilhafte Mittelungswirkung erzeugen kann, bei der sich die Stärken und die Schwächen der Konstruktionen und Herstellungen der verschiedenen piezoelektrischen Motoren 20 ausgleichen.
Die obige Beschreibung wird beispielhaft und nicht als Beschränkung gegeben. Ausgehend von der obigen Offenbarung kann der Fachmann Änderungen erdenken, die verschiedene Arten der Anordnung des piezoelektrischen Motors 20 und der Auswahl geeigneter Folgen von Frequenzen und des Abtastens dieser Frequenzen enthalten. Ferner können die verschiedenen Merkmale dieser Erfindung allein oder in veränderlichen Kombinationen miteinander verwendet werden und sollen nicht auf die hier beschriebene spezifische Kombination beschränkt sein. Somit soll die Erfindung nicht durch die veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern durch die folgenden Ansprüche definiert sein.

Claims

Vorwärtssteuerungsverfahren für den Betrieb eines piezoelektrischen Motors (20) zum Bewegen eines angetriebenen Elements (22), wobei das Steuerverfahren Folgendes umfasst: – Vorgeben eines Steuerbereichs von Frequenzen; – Auswählen einer Menge von wenigstens zwei wechselweise voneinander verschiedenen und von null verschiedenen Frequenzen aus dem Steuerbereich von Frequenzen; – Vorgeben einer ersten Folge {f₁, ..., f_n} von Frequenzen f_i (i = 1, ..., n) aus der genannten Menge von Frequenzen, wobei wenigstens zwei der Frequenzen f_i wechselweise voneinander verschieden sind; – Erzeugen einzelner Signalformen w_i, die jeweils vorgegebene endliche Dauern aufweisen, wobei jede einzelne Signalform w_i der Frequenz f_i der ersten Folge {f₁, ..., f_n} entspricht, in der Weise, dass jede einzelne Signalform w_i periodisch mit einer Periode 1/f_i ist; – Verketten der einzelnen Signalformen w_i zu einem einzigen ersten elektrischen Signal (25); und – wiederholtes und ununterbrochenes Zuführen des ersten elektrischen Signals zu dem piezoelektrischen Motor (20) zum Bewegen des angetriebenen Elements (22); wobei die erste Folge {f₁, ..., f_n} und das entsprechende erste elektrische Signal (25) so oft wie notwendig und mit einer vorgegebenen Anzahl pro Sekunde wiederholt werden, um eine gewünschte Betriebsdauer des piezoelektrischen Motors zu erzielen und um über die Zeitdauer, die es dauert, bis das erste elektrische Signal (25) einen Zyklus abgeschlossen hat, ein durchschnittliches Betriebsverhalten des piezoelektrischen Motors (20) zu erzielen.
Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: – Bereitstellen eines Motordetektors (26), der ein Rückkopplungssignal (27) liefert, wenn die Bewegung des angetriebenen Elements (22) wenigstens durch einen ausgewählten Schwellenwert geht; – Analysieren des Rückkopplungssignals (27) zum Bestimmen einer geschätzten Frequenz, mit der der piezoelektrische Motor (20) das angetriebene Element (22) bewegen kann, wenn dem piezoelektrischen Motor (20) ein sinusförmiges elektrisches Signal mit dieser geschätzten Frequenz zugeführt wird; – intermittierendes Anpassen der ersten Folge von Frequenzen, damit sie eine zweite Folge von Frequenzen, wenigstens mit der geschätzten Frequenz und wenigstens mit einer weiteren Frequenz, umfasst; – Erzeugen einzelner Signalformen, die der zweiten Folge von Frequenzen entsprechen, und Verketten der genannten Signalformen der zweiten Folge zu einem zweiten elektrischen Signal (25), um ein zweites elektrisches Signal (25) zu erzeugen: – wenigstens dreimaliges wiederholtes Zuführen des zweiten elektrischen Signals zu dem piezoelektrischen Motor (20) zum Bewegen des angetriebenen Elements (22).
Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 2, das ferner das intermittierende Anpassen der ersten Folge von Frequenzen in der Weise, dass sie wenigstens eine Frequenz, die kleiner als die geschätzte Frequenz ist, und wenigstens eine Frequenz, die größer als die geschätzte Frequenz ist, umfasst.
Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Folge von Frequenzen eine sich wiederholende Folge von wenigstens zwei Frequenzen umfasst, deren Dauer jeweils kleiner als die Abklingzeit für Einschwingvorgänge des piezoelektrischen Motors (20) ist.