DD208433A1

DD208433A1 - Piezoelektrische biegeanordnung

Info

Publication number: DD208433A1
Application number: DD24309982A
Authority: DD
Inventors: Guenter Pfeifer
Original assignee: Guenter Pfeifer
Priority date: 1982-09-08
Filing date: 1982-09-08
Publication date: 1984-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Biegeanordnung fuer Stellelemente in der Feingeraetetechnik fuer Stellwege von etwa 10 bis 100 mikrometer bei mittleren Kraeften. Das Ziel und die Aufgabe der Erfindung sind es, bei minimalem Aufwand fuer die Ansteuerung eine maximale Ausnutzung der aktiven Werkstoffe zu ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die Polarisationsvektoren in mindestens zwei fest miteinander verbunden mit Elektroden belegten piezokeramischen Biegeplatten in die gleichee Richtung weisen und dass die beiden aeusseren Elektroden an solchen Potentialen liegen, dass deren Potentialdifferenz etwa so gross ist wie die durch die Spannungsfestigkeit ueber einer der beiden Platten zulaessige Spannung und dass die beiden einander zugewandten Elektrodenbelegungen gemeinsam auf ein Potential gelegt werden und dieses Potential um einen nur durch das Einsetzten von Depolarisationserscheinungen begrenzten Wert groesser als das groesste Potential der aeusseren Elektroden oder um diesen Wert kleiner als das kleinste Potential der aeusseren Elektroden ist oder einen beliebigen Wert zwischen diesen Grenzwerten annimmt.

Description

L *ί ti υ ti ti

Piezoelektrische Biege anordnung An we nd um s κ e b i e t

Die Erfindung ist zur Anwendung in der Feingerätetechnik., in der Vakuumtechnik, im Bearbeitungsmaschinenbau und in anderen Bereichen der 'Technik vorgesehen, wo Linearbewegungen im Bereich von einigen zehn bis- einigen hundert Mikrometern bei mittleren Kräften zu realisieren sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ss sind Anordnungen bekannt, bei denen piezoelektrische Biegeeleisente als Biegestreifen oder als kreisförmige- Ma-. geplatten zur Urzeugung von Linearbewegungen eingesetzt . werden. Eine besonders wichtige Ausführungsform ist als Bimorph aufgebaut. Dieser wird beschrieben in Keiler, H,: ' "Der piezoelektrische Biegestreifen als elektrofiiechanischer V/andlar^!1, Hochfrequenztechnik und Elektrotechnik; 60 (1942), 7, S. 5 - 10. Dabei sind zwei piezokerainische Platten so aiteinander fest verbunden, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung die eine Platte sich in den Quarabmeasungen verringert und die andere sich dehnt. Der Nachteil eines 3i,morpha besteht darin., dai3 eine der beiden piesokeramisehen Platten stets entgegen der Polarisationsrichtung beansprucht wird, was au Depolarisat-ionserscheinungen führen kann oder die aa^imale Auslenkung begrenzt. Waiter sind Biegeeleiaente bekannt, bei denen .eine piezokeraai3ch3. Platte sit eines metallischen Träger fest ver-

Jt

•J

— 2 —

bunden ist. Brauer; Urankar: Zur Durchbiegung piezokeramischer Doppelscheiben und Einzelscheiben mit Trägerplatte, Zeitschrift für angewandte Physik, 29(1970)., 2, S. 125 129. Dabei wird die elektrische Spannung so angelegt, daß die elektrische Feldstärke nur in Polarisationsrichtung wirkt. Sie kann'deshalb sehr hohe Werte annehmen, die nur durch die elektrische Festigkeit der Piezokeramikscheibe begrenzt wird. Dadurch ist ein relativ großer Biegeeffekt erreichbar, obwohl nur eines der beiden für die Erzielung des Biegeeffektes notwendigen Elemente piezoelektrisch aktiv ist.

Mit. derartigen Elementen lassen sich bei kreisförmigen Biegeplatten von etwa 0,2 bis 1 mm Dicke und 20 bis 40 mm Durchmesser Auslenkungen In der Größenordnung von 20 bis um erreichen* Bei Biegestreifen mit Längen, über 40 mm. sind Auslenkungen bis über 1 am erreichbar. Im letzteren Palle ist jedoch die Nachgiebigkeit gegenüber äußeren Kräften bereits so groß,- daß ein praktischer Einsatz zu Stellzwecken bei mittleren Kräften nicht möglich ist. Um 'diese'..Nachteil a zu beseitigen/ sind Lösungen bekannt, bei denen durch Reihenschaltung von Biegealamanten, vorzugsweise kreisförmigen Biegeplatten, die Auslenkung erhöht wird*. Durch Parallelschaltung derartiger Biegeelernente kann die Stellkraft- erhöht werden. Dieses Prinzip liegt den in den Patentschriften DB-AS 2045108, DE-AS 2045152 und DS-AS 234.31-S9 beschriebenen Antrieben für Troc.kenrasierapparate zugrunde. Die Reihenschaltung von Biege elementen wurde in ΏΏ-WP 119141 beschrieben und ist auch in dein DD-W? 128025 enthalten* In D3-ÖS 2S4SS12 ist ein spezielles Stellglied beschrieben, bei dem der Stellweg aus der ouünne der Sinzelsteilwege mehrerer sich .gegensinnig wölbender Siegeeiemente gebildet wird.

Die Reihenschaltung, von mehreren Sl einen ten bringt, aber erhebliche Stabilitäts- und Pührungsproblese mit sich, besonders wenn zur Erzielung der erforderlichen Auslenkungen raehr als vier- Sinzelbiegeeleaente erforderlich sind. Außerdem ist die unerwünschte Nachgiebigkeit um so größer, .je oiehr Elementa in Reihe geschaltet werden.

Das Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist dia Schaffung einer piezoelektrischen Biegeanordnung, die mit geringem Aufwand eine maximale Ausnutzung des piezoelektrischen Werkstoffes ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe besteht darin, zwei-piezoelektrische Platten so zu verbinden und mit einfachen Mitteln anzusteuern, daß einerseits wie beim Biegeelement mit passiver Trägerplatte die Beanspruchung des piezoelektrischen Materials nur in Richtung des Polarisationsvektors mit hoher Feldstärke und entgegen der Richtung des Polarisationsvektors mit geringer Peldstärke möglich ist, daß aber die Nachteils einer Biegeanordnung mit nicht aktiven Trägerplatten vermieden v/erden und wie beim Bimorph zwei fest verbundene piezokeramische Platten den Biegeeffekt bewirken. Brfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer piezoelektrischen Biege.anOrdnung dadurch gelost, daß die Polarisationsvektoren in mindestens zwei fest miteinander verbundenen und mit elektroden belegten piezokeramischsn Biegeplatten in die gleiche Richtung weisen und daß die beiden äußeren Elektroden an solchen Potentialen liegen, daß deren Potentialdifferenz etwa so groß ist wie die durch die Spannungsfestigkeit über einer der beiden Platten zulässigen Soan χι uns und daß die beiden einander zugewandten Slektrodenbelegungen gemeinsam auf ein Potential gelegt werden und dieses Potential um einen nur durch das Einsetzen von Lep0larisat.i0.n3-erspheinungen begrenzten Wert großer als das größte Potential der äußeren Elektroden und um diesen ^:,7ert kleiner als das kleinste Potential ist oder einen beliebigen wert zwischen diesen Grenzwerten annimmt.

sind die beiden einander zugewandten Slektrodenbslegungan verbunden mit einer metallischen Zwischenlage, die vorzugsweise wesentlich dünner ist als dia piezoelektrischen Biegeplatten und deren überstehender Teil zur mechanischen

7 -Q₁. 4 im H ι:

Kopplung mit einer zweiten Biegeplatte eingesetzt werden kann. Die neue äußere Elektrode wird dann auf das Massepotential gelegt, wodurch schutztechnische Forderungen leichter erfüllbar werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Pig. T- zeigt die erfindungsgemäße piezoelektrische BiegeanOrdnung» Fig. 2 zeigt eine Biegeanordnung mit einer äußeren Elektrode auf Massepotential, Zwei piezoelektrische Biegeplatten 1, 1* mit den Elektroden 2, 2¹, 3, 3^f sind über einen metallischen Träger 4 mit den Elektroden 2' und 3 elektrisch leitend verbunden. Der elektrisch leitfähige Träger 4 bildet dadurch einen gemeinsamen Anschluß für die Slektroden 2' und 3, 3ine Spannungsquelle 5 ist mit einem Potentiometer β mit mehreren Abgriffen 7, 8, 9 verbunden., Die Abgriffe 7, 3,' 9 werden mit ,je einer Elektrode 2, 3¹ und mit dem Träger 4 verbunden, ium die erforderlichen Potentiale anzulegen. Im Ausführungabe ispiel ist der feste Abgriff 9 mit der Elektrode 3' verbunden und auf Massepotential gelegt, während der feste Abgriff S mit der 3Iektrode 2 verbunden ist, Der Abgriff 3 wird so eingestellt, daß das Potential der Elektrode 2 um eine Spannung &f kleiner ist als das maximale Potential f am Potentiometer 6, die durch das Einsetzen von Depolarisationserscheinungen in der Piezokeramik begrenzt ist und beispielsweise bei etwa 10 % des maximalen Potentials liegt, Der Abgriff 9 und damii das Potential der Elektrode 3¹ werden entsprechend gewählt. In der gezeichneten Stellung des veränderlichen Abgriffes 7 wird die Biegeplatte 1 mit einer Spannung Δ-f entgegen der Richtung des Polarisationsvektors P beansoracht, während an der Biegeplatte 1 eine Spannung anliegt, welche um die Spannung Δ/ größer ist als die Spannung zwischen den festen Abgriffen S und 9 '-nid die Biegeplatte 2 in Richtung des PoIarisationavektors P beansprucht, Beim Verändern des Abgriffes .7 bis zum anderen Potentiome-

£ ^ y y ö ü— ~j —

terende erhöht sich die Potentialdiff arena über der "Biegeplatte 1, während sich die Potentialdifferenz über der Biegeplatte 1 ' im entsprechenden ilaße verringert. Es sind somii beide Biegeplatten 1, 1 ^T piezoelektrisch aktiv und tragen zur Auslenkung bei, In Mittelstellung des Abgriffes 7 liegt an beiden Biegeplatten 1,1' eine gleichgroße Spannung an, und es findet keine Auslenkung statt. Gegenüber dem spannungslosen Zustand tritt an den beiden Grenzstellungen das Abgriffes 7 eine Auslenkung in unterschiedlichen Richtungen auf.

3ine Vereinfachung der Ansteuerung kommt dadurch zustande, daß man auf die festen Abgriffe 7 und 9 verzichtet und die Elektroden 2 und 3' direkt an das Potentiometer 6 anschließt. In den Grenzstellungen de3 Abgriffes 7 ist dann jeweils eine Biegeplatte 1 oder 1' kurzgeschlossen. Ohne Abweichung voin erfindungsgesäßen Gedanken kann dann das Potentiometer 6 durch einen einfachen Umschalter ersetzt werden, wenn nur die beiden Sindstellungen der Auslenkungen benötigt werden.

Uacn der erfindungsgemäßen Lösung ist es auch möglich, die Spannungsquelle 5 und das Potentiometer β durch eine elektronische Schaltung zu ersetzen und somit den Binbau in eine elektrisch gesteuerte Stellanordnung zu ermöglichen. Pig. 2 zeigt j wie die Auslenkung zweier Biegeeleniente durch Reihenschaltung vergrößert wird. Bie aberstehenden Träger der beiden Biegeelemente werden dazu über ein Distanzstück 10 fest miteinander verbunden. Als vorteilhaft erweist es sich, daß die nunmehr entstehenden neuen Außenelektroden gemeinsam auf .".lassepctential liegen..

Claims

-S-

srf indungsansr>ruch

Piezoelektrische Biegsanordnung aus mindestens zwei mit Elektroden versehenen? fest 'miteinander verbundenen piezoelektrischen Biegeplatten ähnlich einem Bimorph, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsvektoren

(P) in mindestens zwei fest miteinander verbundenen und mit Elektroden (2, 2^r, 3, 3') belegten piezoelektrischen Biegeplatten (1, 1^!) in die gleiche räumliche Richtung weisen und daß zwischen den äußeren Elektroden (2 und 3') eine Spannung angelegt wird, die nur durch die Spannungsfestigkeit einer Biegeplatte (1 oder 1') begrenzt wird und daß die einander zugewandten Elektroden (2^} und 3) elektrisch leitend verbunden sind und deren'gemeinsamea Potential um einen nur durch das Einsetzen von Depolarisationserscheinungen begrenzten 77e.rt größer als das größte Potential der äußeren 31ektröden (2 oder 3^!) ist odar um diesen-Wert kleiner als das kleinste Potential der äußeren Elektroden (3 oder 2) ist oder einen beliebigen fert zwischen diesen Grenzwerten annimmt.

Hierzu...