DE10158806A1 - Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Stapel zur Erzeugung oder Erfassung einer Schwenkbewegung - Google Patents

Abstract

Bei der Vorrichtung zur Erzeugung oder Erfassung von Kippbewegungen ist ein piezoelektrischer Stapel (4) in einen Bügel (2) eingespannt, dessen Mittellängsachse (24) versetzt zu der Mittellängsachse (14) des Stapels (4) angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung ist in einfacher Weise mit nur einem Stapel (4) die Erzeugung einer Kippbewegung ermöglicht. Bevorzugt weist der Bügel (2) ein an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Stapels angepassten Ausdehnungskoeffizienten auf, um bei variierenden Temperaturbedingungen ein unerwünschtes Auslenken zu vermeiden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Stapel zur Erzeugung oder Erfassung einer Schwenk- oder Kippbewegung.
• Aus der DE 196 46 511 C1 ist ein piezoaktuatorisches An triebs- oder Verstellelement zu entnehmen, bei dem zur Erzeugung einer Kippbewegung zwei piezoelektrische Stapel zwischen zwei Platten eingespannt sind. Bei einer asymmetrischen Ansteuerung der beiden piezoelektrischen Stapel dehnt sich der eine Stapel aus, während sich der andere Stapel kontrahiert, so dass insgesamt eine Kippbewegung der beiden Platten um eine zwischen den beiden Stapeln verlaufende Mittellängsachse erfolgt. Die Stapel weisen einzelne schichtweise angeordnete Piezoelemente auf, die jeweils einzeln elektrisch kontaktiert sind. Die Kontaktierung der einzelnen Piezoelemente der beiden Stapel erfolgt dabei im Bereich der Mittellängsachse. Hier ist die Längenänderung bei der Kippbewegung minimal, so dass eine Belastung der elektrischen Anschlüsse gering gehalten ist. Das bekannte piezoaktuatorische Antriebs- oder Verstellelement ist konstruktiv aufwändig.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach ausgebildete Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Stapel zur Erzeugung oder Erfassung von Kippbewegungen anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Stapel in einem Bügel eingespannt ist und dass die Mittellängsachse des Stapels versetzt zu der Mittellängsachse des Bügels angeordnet ist.
• Unter Bügel wird hier allgemein die einseitige Verbindung zweier voneinander beabstandeter Bügelenden über ein Bügelelement verstanden. Die beiden Bügelenden, beispielsweise als Spannflansche ausgebildet, sind also an einer Seite über das Bügelelement miteinander verbunden, während sie auf der anderen Seite nicht miteinander verbunden sind. Der Bügel ist also zu einer Seite hin offen.
• Durch diese Ausgestaltung und mit der Einspannung des piezoelektrischen Stapels versetzt zu der Mittellängsachse des Bügels werden die beiden Bügelenden bei einer Längenausdehnung des piezoelektrischen Stapels auseinander gedrückt und gegensinnig zueinander um die Mittellängsachse des Bügels verkippt oder verschwenkt. Prinzipiell ist es aufgrund des piezoelektrischen Effekts natürlich auch möglich, eine Schwenk- oder Kippbewegung durch den piezoelektrischen Stapel zu erfassen. Mit dieser Vorrichtung lässt sich in vorteilhafter Weise mit nur lediglich einem piezoelektrischen Stapel eine geeignete Schwenk- oder Kippbewegung erzeugen/erfassen. Durch die Verwendung des Bügels ist daher im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung mit den parallel nebeneinander angeordneten zwei piezoelektrischen Stapeln ein deutlich vereinfachter konstruktiver Aufbau erzielt. Zudem ist der elektrische Verdrahtungsaufwand geringer, da nur ein piezoelektrischer Stapel benötigt wird.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Material des Bügels einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der an den Ausdehnungskoeffizienten des Stapels angepasst ist. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung auch bei variabler Umgebungstemperatur eingesetzt werden kann, ohne dass die Gefahr einer unerwünschten Auslenkung aufgrund eines unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens besteht.
• Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Bügels und des Stapels unterscheiden sich dabei vorzugsweise um nicht mehr als 1,5.10^-6 1/K. Üblicherweise weisen piezoelektrische Stapel einen schichtweisen Aufbau von einzelnen Piezoelementen aus einem piezoelektrischen Material auf, insbesondere dotiertes PZT (Pb(Zr,Ti)O₃), die jeweils über Anschlusselektroden kontaktiert sind. Ein derartiger piezoelektrischer Stapel hat im betriebenen Zustand üblicherweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. α = -0,5.10^-6 1/K. und im unbetriebenen Zustand von ca. α = 2.10^-6 1/K. Ein geeignetes Material mit ähnlichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten ist beispielsweise eine so genannte Ni36- Legierung, die sich im Wesentlichen aus 36 Gew.-% Ni, 0,15 Gew.-% Mn, 0,15 Gew.-% Si, 0,02 Gew.-% C, Rest Fe, zusammensetzt. Dieses Material hat einen Ausdehnungskoeffizienten von α = 1,1.10^-6 1/K.
• Vorzugsweise erfolgt die Kontaktierung der einzelnen Piezoelemente des Stapels stapelrandseitig im Bereich der Mittellängsachse des Bügels. Da die Mittellängsachse des Bügels bei der Kippbewegung eine Art neutrale Faser bildet, also die Längenänderung im Bereich der Mittellängsachse minimal ist, werden die einzelnen elektrischen Kontaktierungen sowie die elektrischen Verbindungsleitungen zu den einzelnen Piezoelementen nur gering belastet.
• In einer zweckdienlichen Weiterbildung ist zumindest an einem der Spannflansche des Bügels ein Spannelement zum Einspannen des piezoelektrischen Stapels vorgesehen. Dieses Spannelement ermöglicht eine einfache Montage, insbesondere ein einfaches Einspannen des Stapels in den Bügel. Alternativ zu der Ausgestaltung mit dem Spannelement ist auch die direkte Einspannung des Stapels zwischen den beiden gegenüberliegenden Spannflansche möglich. Hierbei ist die Höhe des piezoelektrischen Stapels auf den Abstand zwischen den beiden Spannflanschen des Bügels geeignet abgestimmt.
• Bevorzugt ist das Spannelement dabei auf unterschiedliche Einspannlängen einstellbar, um in einfacher Weise auch unterschiedlich hohe piezoelektrische Stapel in einer einheitlichen Ausführungsform des Bügels einspannen zu können.
• Um eine möglichst große Schwenkauslenkung des Bügels zu erhalten, weist zweckdienlicherweise der Bügel zumindest an einer Seite eine als Hebel wirkende Verlängerung auf. Insbesondere beim Einsatz der Vorrichtung als ein Stellelement, beispielsweise zur Betätigung eines Ventils oder dergleichen, wird damit in einfacher Weise ein ausreichender Stellweg zur Betätigung des Ventils zur Verfügung gestellt.
• Im Hinblick auf eine möglichst einfache und stabile Ausgestaltung der gesamten Vorrichtung sind der Bügel und die Verlängerung einstückig ausgebildet. Der Bügel ist beispielsweise ein einheitliches Gussstück oder aus einem Block, beispielsweise einem Stahlblock, gefräst. Als Material wird hierbei ein ausreichend elastisches Material verwendet, so dass die vom piezoelektrischen Stapel ausgeübte Kraft auch tatsächlich zu einer Kippbewegung führt. Insbesondere muss das Bügelelement eine geeignete Biegeelastizität aufweisen.
• Die Vorrichtung wird vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich und dort insbesondere als piezoelektrisches Stellelement, Ventil oder Aktuator eingesetzt. Speziell findet die Vorrichtung Einsatz in einem piezoelektrischen Bremsventil. Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet ist der Einsatz als Positionierungshilfe in der Automatisierungstechnik.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
• Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem über ein Spannelement in einem Bügel eingespannten piezoelektrischen Stapel in einer Ausgangsstellung,
• Fig. 2 die Vorrichtung nach Anspruch 1 in einer ausgelenkten Stellung,
• Fig. 3 eine Vorrichtung, bei der der Stapel unmittelbar im Bügel eingespannt ist in einer Ausgangsstellung, und
• Fig. 4 die Vorrichtung nach Anspruch 3 in einer ausgelenkten Stellung.
• Gemäß den Figuren umfasst eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Erfassung einer Schwenk- oder Kippbewegung einen Bügel 2, in dem ein piezoelektrischer Stapel 4 eingespannt ist. Der Bügel 2 wiederum umfasst zwei gegenüberliegende Spannflansche 6A, 6B, die an einer Seite über ein Bügelelement 8 verbunden sind. Zwischen den beiden Spannflanschen 6A, B ist ein Einspannraum 10 für den Stapel 4 gebildet, der zu der vom Bügelelement 8 abgelegenen Seite offen ist. Die beiden Spannflansche 6A, 6B und das Bügelelement sind daher miteinander nach Art eines "U" verbunden. Der linke Spannflansch 6A ist das endseitige Teil eines langgestreckten Blocks, der als Verlängerung 12 dient. Der Bügel 2 zusammen mit der Verlängerung 12 ist einstückig ausgebildet und ist beispielsweise ein einheitliches Gussstück. Der Bügel 2 erstreckt sich entlang einer Mittellängsachse 14.
• Im Einspannraum 10 ist der piezoelektrische Stapel 4 angeordnet. Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist zum Einspannen des Stapels 4 ein separates Spannelement 16 in Form einer Gewindestange vorgesehen, die durch den rechten Spannflansch 6B hindurchgeführt ist und an diesem durch Muttern 18 gesichert ist. Das Spannelement 16 weist endseitig zum Stapel 4 orientiert eine Spannplatte 20 auf. Über diese wird die vom Spannelement 16 ausgeübte Spannkraft gleichmäßig auf die Oberfläche des Stapels 4 verteilt. Die Spannplatte 20 kann zum Schutz des Stapels 4 eine dem Stapel 4 zugewandte elastische Schicht aufweisen, beispielsweise eine Gummierung, oder insgesamt elastisch ausgebildet sein. Als Alternative zu dem als Gewindestange oder als Spannschraube ausgebildeten Spannelement kann auch eine Spannfeder vorgesehen sein.
• Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 ist der Stapel 4 unmittelbar im Einspannraum 10 eingespannt. In diesem Fall ist die Länge L des Einspannraums 10 an die Stapelhöhe H angepasst, die zusammen mit der Dicke der Spannplatte 20 der Länge L entspricht. Auch hier ist wiederum eine Spannplatte 20 vorgesehen, die zwischen dem Stapel 4 und dem rechten Spannflansch 6B angeordnet ist. Eine elastische Ausbildung der Spannplatte unterstützt eine einfache Montage und sichere Halterung des Stapels 4 im Einspannraum 10.
• Der Stapel 4 ist gebildet aus einzelnen Piezoelementen 22, die schichtweise aneinander anliegen. Ihre Flächennormalen erstrecken sich dabei parallel zu einer Mittellängsachse 24 des Stapels 4. Diese Mittellängsachse 24 ist im Falle des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1 und 2 zugleich identisch mit der Mittellängsachse des Spannelements 16.
• Die Mittellängsachse 24 des Stapels 4 verläuft beabstandet von der Mittellängsachse 14 des Bügels 2 parallel zu dieser. Die Mittellängsachse 24 ist also versetzt zu der Mittellängsachse 14 des Bügels 2 angeordnet, d. h. sie verläuft auf der dem Bügelelement 8 abgewandten Seite der Mittellängsachse 14. Die beiden Mittellängsachsen 14, 24 spannen eine Ebene auf, die in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 identisch mit der Papierebene ist.
• Die einzelnen Piezoelemente 22 sind jeweils elektrisch kontaktiert. Hierzu sind - in nicht dargestellter Weise - Elektroden zwischen den einzelnen Piezoelementen 22 vorgesehen. Deren Kontaktierung erfolgt über nicht dargestellte Anschlusskontakte und Anschlussleitungen, die randseitig auf der dem Bügelelement 8 zugewandten Innenseite des Stapels 4 verlaufen. Die Anschlussleitungen verlaufen also im Bereich eines Zwischenraums 26 zwischen dem Stapel 4 und dem Bügelelement 8. Die seitliche Ausdehnung und die Lage des Stapels 4 ist dabei derart gewählt, dass die Anschlusskontakte und die Anschlussleitungen im Bereich der Mittellängsachse 14 des Bügels liegen. Da die Mittellängsachse 24 zugleich eine neutrale Fase bezüglich einer Schwenk- oder Kippbewegung mit einem Kippwinkel γ (Fig. 2) definiert, erfahren die Anschlusskontakte und Anschlussleitung keine oder nur geringe Auslenkungen. Ihre mechanische Belastung ist daher gering.
• Bei geeigneter elektrischer Ansteuerung des Stapels 4 dehnt sich dieser in Längsrichtung, d. h. in Richtung seiner Mittellängsachse 24 aus. Aufgrund der versetzten Anordnung seiner Mittellängsachse 24 zu der Mittellängsachse 14 des Bügels erfährt der Bügel 2 eine Biegung in einer von den Mittellängsachsen 14,24 aufgespannten Ebene. D. h. die parallel zur Mittellängsachse 14 des Bügels verlaufende Flächennormale erfährt eine Kippbewegung um den Kippwinkel γ bezüglich einer gedachten Mittellängsachse 14' der in Fig. 1 dargestellten Ausgangsposition. Durch die Verlängerung 12 wird die durch den Kippwinkel γ hervorgerufene Auslenkung der Verlängerung 12 in Richtung des Pfeils 28 erhöht. Zugleich wirkt diese Verlängerung 12 nach Art eines Hebels. Über die Einstellung der Länge der Verlängerung 12 in Relation zu der Stapelhöhe H lässt sich daher eine geeignete Kraft-Weg-Übersetzung einstellen.
• Der Bügel 2 besteht bevorzugt aus einer metallischen Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der an den Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Stapels 4 angepasst ist. Das Material des Spannelements 16 besteht dabei vorzugsweise aus der gleichen Legierung. Durch die aneinander angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist sichergestellt, dass auch bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen keine unerwünschten Verbiegungen der Vorrichtung auftreten. Alternativ zu der in den Figuren dargestellten einstückigen Ausbildung des Bügels 2 kann dieser auch aus mehreren einzelnen Teilen zusammengefügt, beispielsweise zusammengeschraubt, sein. In diesem Fall ist von entscheidender Bedeutung, dass zumindest das Bügelelement 8 in den Fig. 3 und 4 sowie das Bügelelement 8 zusammen mit dem Spannelement 16 im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 einen zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Stapels 4 vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
• Um eine möglichst große Auslenkung oder Kippbewegung zu erhalten, ist der rechte Spannflansch 6B zweckdienlicherweise entweder als sehr biegesteifes Element ausgebildet oder die gesamte Vorrichtung ist an der Seite des rechten Spannflansches 6B biegefest gehalten.

Claims (9)

1. Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Stapel (4) zur Erzeugung oder Erfassung einer Schwenkbewegung, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (4) in einem Bügel (2) eingespannt ist und dass die Mittellängsachse (14) des Stapels (4) versetzt zu der Mittellängsachse (24) des Bügels (2) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Bügels (2) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an den des Stapels (4) angepasst ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (4) eine Vielzahl von einzelnen Piezoelementen (22) aufweist, die in Richtung der Mittellängsachse (14) des Stapels (4)flächig aneinanderliegen und die randseitig im Bereich der Mittellängsachse (14) des Bügels (2) elektrisch kontaktiert sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bügel (2) zwei über ein Bügelelement (8) verbundene Spannflansche (6A, 6B) aufweist und dass zumindest an einem der Spannflansche (6B) ein Spannelement (16) zum Einspannen des Stapels (4) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (16) auf unterschiedliche Einspannlängen einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bügel (2) zumindest an einer Seite eine als Hebel wirkende Verlängerung (12) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bügel (2) zusammen mit der Verlängerung (12) einstückig ausgebildet ist.

8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug, insbesondere als Stellelement, zur Ventilsteuerung oder als Aktuator.

9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Positionierungshilfe in der Automatisierungstechnik.