DE10210257A1

DE10210257A1 - Piezoelektrischer Aktor

Info

Publication number: DE10210257A1
Application number: DE10210257A
Authority: DE
Inventors: Patrick Pertsch
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-03-09
Also published as: DE10210257B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor zur Erzeugung einer Dreh-, Kipp- oder Verschiebebewegung um einen Einspannpunkt mit mindestens einem Anschlußelektroden aufweisenden Scherschwinger. Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Scherschwinger plattenförmig ausgebildet, wobei die Plattenlängsseiten jeweils mit einem metallischen Körper oder einer metallischen Folie stoffschlüssig verbunden sind. Über ein Biegefedergelenk steht dann der metallische Körper bzw. die Folie und damit der Scherschwinger mit einem Träger in mechanischem Kontakt, wobei die Polarisationsrichtung des Scherschwingers parallel zu den Plattenlängsseiten und damit zum elektrischen Feld verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor zur Erzeugung einer Dreh-, Kipp oder Verschiebebewegung um einen Einspannpunkt mit mindestens einem Anschlußelektroden aufweisenden Scherschwinger gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 39 22 420 A1 ist ein elektroakustischer Wandler vorbekannt, welcher ein piezoelektrisches Element aufweist, das einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, dessen Richtung senkrecht zur Hauptpolarisationsrichtung des piezoelektrischen Materials verläuft, so daß dieses als Scherschwinger arbeitet. Der eigentliche Antrieb besteht aus quaderförmigen piezoelektrischen Elementen, die sich zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen eines Fußes und je einer Seite eines Schenkels befinden. Die Funktion als Scherschwinger stellt sich dann ein, wenn das piezoelektrische Material parallel zu den Elektroden polarisiert ist, wobei in dieser Betriebsart eine Deformation senkrecht zum elektrischen Feld und eine weitere parallel zu diesem möglich ist.

Eine Anordnung für einen Ultraschallmotor ist aus der DE 44 35 882 C2 bekannt. Dort wird ein Aktor über Antriebselemente in Bewegung versetzt. Die Antriebselemente wiederum stehen mit zwei im wesentlichen senkrecht zueinander wirkenden Piezokeramiken in Verbindung. Der Aktor ist zwischen Biegeschwingern eingespannt. Die Biegeschwinger selbst besitzen eine in etwa quaderförmige Gestalt und befinden sich zwischen dem vorerwähnten Aktor und einer Haltebrücke. Weiterhin sind Biegefedern vorhanden, die so dimensioniert werden, daß sie in Polarisationsrichtung eines Piezokeramikelements steif und in Richtung der Polarisation eines weiteren Piezokeramikelements weich aufgehängt sind. Damit kann ein Piezokeramikelement in Längsrichtung des Biegeschwingers und das weitere Piezokeramikelement in Querrichtung zum Biegeschwinger wirken.

Insbesondere zur Anwendung bei Tintenstrahldruckern sind Einrichtungen bekannt, die eine Druckkammer aufweisen, welche über Scheraktoren betätigt wird. Beispielsweise sei hier auf die US-PS 4,825,227 verwiesen.

Eine Einrichtung zur Phasenmodulation mit Hilfe von im Schermodus betriebenen Piezoelementen zeigt die US-PS 5,247,222.

Auf der Grundlage der bekannten Vorteile piezoelektrischer Scherschwinger ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiter entwickelten piezoelektrischen Aktor zur Erzeugung einer Dreh-, Kipp- oder Verschiebebewegung um einen Einspannpunkt anzugeben, wobei der Aktor eine hohe Zuverlässigkeit in einem breiten Temperaturbereich aufweisen soll und insbesondere als kompaktes, hochdynamisches Stellelement Anwendung finden kann.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem piezoelektrischen Aktor gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Demnach liegt der erfindungsgemäße Kern darin, daß eine oder mehrere Scher-Piezoelemente, die plattenförmig ausgebildet sind, einseitig senkrecht zur Polarisationsrichtung mittels eines Biegefedergelenks an einem Träger befestigt werden. Die Biegefedergelenke können z. B. mittels Erodiertechnik ausgebildet, aber auch z. B. als metallische Streifen oder Folien realisiert werden, die mit den Plattenlängsseiten in Verbindung stehen.

Herstellungsseitig können ein oder zwei mit Elektroden und mit mindestens einer einseitigen Isolierung versehene Keramikfolien mit dem z. B. Glaskörper, Siliziumkörper, Lithiumniobatkörper oder metallischen Körper oder dem Metallteil bzw. den metallischen Folien z. B. verklebt oder anderweitig stoffschlüssig verbunden werden. Thermisch induzierte Fehlauslenkungen finden nicht statt, da der Aufbau symmetrisch ist und Materialen mit angepaßtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden. Im Vergleich zu einem unimorphen Bieger ergibt sich ein weiterer Vorteil, der darin besteht, daß keine Energieverluste, Querbewegungen und innere mechanische Spannungen durch die Erzeugung einer Querkontraktion im Verbund mit einem passiven elastischen Material resultieren. Letztendlich kann auf der gesamten Länge des Hebels ein zu drehendes Lastobjekt befestigt werden, da die Kippbewegung, d. h. die Krümmung nicht über die Länge, sondern nur in der Gelenkzone, d. h. im Bereich des Biegefedergelenks erzeugt wird. Dies wiederum ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise des Aktors. Bei einer Ausführungsform der Befestigung des zu bewegenden Objekts bzw. der zu bewegenden Last auf der Stirnseite bzw. der Schmalseite der Keramikfolie kann eine verdrehungsfreie Linearbewegung ohne zusätzliche Führungsmechanik erzeugt werden.

Der bei unimorphen Biegern bestehende funktionale Widerspruch bezüglich der Auswahl und Dimensionierung des passiven Materials mit Blick auf Elastizitätsmodul und Abmessungen besteht bei dem erfindungsgemäßen Aktor nicht. Bei gleichbleibender Auslenkung ist die Höhe des gebildeten Hebels sowie der Elastizitätsmodul des Materials des passiven Elements quasi frei wählbar, wodurch bei entsprechender Dimensionierung Elemente mit guten dynamischen Eigenschaften und vergleichsweise hohen Lastmassen realisiert werden können.

Durch die definierte einfache Einspannmöglichkeit mittels der Träger des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors treten keine Energieverluste oder innere Spannungen auf. Durch die gegebene Einspannmöglichkeit können die einzelnen Elemente modulartig übereinander geschichtet oder in Reihe angeordnet werden.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Aktors kommen insbesondere bei geringen Baugrößen zum Tragen, da die Auslenkungsübersetzung mit zunehmender Baulänge nur linear ansteigt bzw. der Drehwinkel konstant bleibt. Im Gegensatz zu Biegern nach dem Stand der Technik wird der Winkel auch bei geringen Längenausdehnungen sofort realisiert, wobei ein längere Scherplatte die erzeugte Kraft erhöht. Bei Biegern nach dem Stand der Technik ist immer eine Mindestbaulänge zur Erzeugung eines vergleichbaren Winkels erforderlich.

Aufgrund der optimalen Wärmeableitung der z. B. metallischen Körper, den geringen Feldstärken und den minimalen Kapazitäten, die es ermöglichen, mit geringeren Treiberleistungen zu arbeiten, ist der vorgestellte piezoelektrische Aktor aufgabengemäß prädestiniert für den Einsatz als sehr kompaktes, hochdynamisches Kipp- oder Stellelement.

Wie eingangs erläutert, ist der mindestens eine Scherschwinger plattenförmig ausgebildet, wobei die Plattenlängsseiten jeweils mit einem z. B. metallischen Körper oder einer metallischen Folie stoffschlüssig verbunden sind. Diese Verbindung kann durch Kleben, aber auch Löten erfolgen, wobei bei einer thermischen Behandlung die Curie-Temperatur der Piezokeramik zu beachten ist.

Weiterhin sind die Scherschwinger über ein Biegefedergelenk, das Teil der z. B. metallischen Körper ist, mit einem Träger in mechanischem Kontakt stehend. Die Polarisationsrichtung des Scherschwingers ist parallel zu den Plattenlängsseiten verlaufend orientiert.

Das oder die Biegefedergelenke, der Träger und der z. B. metallische Körper können bevorzugt einstückig, z. B. durch Erodieren ausgeführt sein.

An dem dem Biegefedergelenk gegenüberliegenden Ende des gebildeten Aktorhebels oder den Längsseiten greift dann die zu bewegende Last an oder ist dort befestigt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der metallische Körper auf einer der Plattenseiten über das obere Ende des Scherschwingers hinaus erstreckend ausgebildet und stellt einen Befestigungspunkt oder eine Befestigungsfläche für eine zu bewegende Last, z. B. einen Spiegel dar.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind zwei plattenförmige Scherschwinger mit antiparallel verlaufender Polarisation zwischen zwei metallischen Körpern angeordnet, wobei eine gemeinsame Anschlußelektrode im Bereich der aneinander stoßenden Scherschwingerplatten und eine Gegenelektrode über den metallischen Körper gebildet wird. Bei dieser Lösung ist eine separate Isolation nicht notwendig, d. h. der elektrische Anschluß vereinfacht sich wesentlich.

Zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung kann bei einer Ausführungsform ein schraubenförmiges Befestigungsmittel vorgesehen sein, das sich innerhalb einer Durchgangsbohrung der Scherschwingerplatten befindet und das weiterhin mit den beiden metallischen Körpern in Verbindung steht. Das schraubenförmige Befestigungsmittel ist dabei in Scherrichtung elastisch, d. h. die Vorspannung wirkt lediglich senkrecht zur Polarisationsrichtung.

Der erwähnte Träger kann als metallischer Block ausgebildet sein und Mittel zum Befestigen oder Montieren des Aktors, z. B. eine Befestigungsbohrung aufweisen.

Das schraubenförmige Befestigungsmittel zur Erzeugung einer Vorspannung kann gleichzeitig zum Fixieren einer Last dienen, die an einer der Plattenlängsseiten gehalten wird.

Zum Bilden einer Parallel-Kippvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an der dem ersten Biegefedergelenk gegenüberliegenden Schmalseite ein weiteres Biegefedergelenk ausgebildet, wobei das zweite Biegefedergelenk mit einem weiteren Träger zum Befestigen der zu verschiebenden Last verbunden ist.

Bei dieser Variante der Erfindung können auch mehrere, beabstandet angeordnete Einzelaktoren mit Biegefedergelenken auf einen gemeinsamen, weiteren Träger zum Befestigen der zu verschiebenden Last wirken.

Grundsätzlich gilt, daß das Verhältnis zwischen den Schmalseiten bzw. den Stirnflächen und den Längsseiten der Scherschwinger den typische n Vorstellungen einer Platte nahekommt und vorzugsweise zwischen im wesentlichen 1 : 5 bis 1 : 15 liegt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 verschiedene Piezo-Aktoren nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem piezoelektrischen Aktor unter Verwendung eines Scherschwingers und einer Last im Ruhezustand sowie im Auslenkungszustand;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit zwei an den Plattenlängsseiten befindlichen Metallfolien sowie einem seitlich aufgeklebten Spiegel als zu bewegender Last;
Fig. 4 eine Ausführungsform des piezoelektrischen Aktors mit längerem, erodierten metallischen Körper und Anordnung einer Last, insbesondere eines Spiegels oberhalb des Scherelements;
Fig. 5 eine Ausführungsform mit jeweils zwei plattenförmigen Scherschwingern und antiparallel verlaufender Polarisation, die zwischen zwei metallischen Körpern angeordnet sind, auch in einer Variante mit einem schraubenförmigen Befestigungsmittel zur Erzeugung einer Vorspannung;
Fig. 6 mögliche Befestigungsvarianten unter Nutzung des Trägers;
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel für eine Parallel-Kippvorrichtung mit einem oder mehreren Scherschwingern;
Fig. 8 eine Ausführungsform mit Befestigung einer Last auf der oberen Stirnfläche des Scherschwingers und
Fig. 9 Darstellungen eines Anwendungsbeispiels des piezoelektrischen Aktors für einen Schreib- /Lesekopf einer Festplatte zur Dreh- und/oder Höhenkorrektur.
Gemäß Fig. 2 umfaßt der piezoelektrische Aktor nach den Ausführungsbeispielen einen Scherschwinger 1 in Plattenform, wobei die Plattenlängsseiten mit jeweils einem metallischen Körper 2 bzw. einer metallischen Folie nach Fig. 3 in Verbindung stehen. Der metallische Körper 2 ist z. B. durch Kleben oder Löten mit den jeweiligen Oberflächen des Scherschwingers 1 verbunden. Über eine nicht gezeigte Isolation und eine elektrische Kontaktfläche wird eine Verbindung zu den Elektroden auf den Plattenoberflächen hergestellt. Die Struktur des Aktors ist bevorzugt streng symmetrisch gewählt, wobei sich durch die wärmeleitfähige, z. B. metallische Masse des jeweiligen metallischen Körpers 2 eine ausgezeichnete Wärmeableitung mit der Folge einer verbesserten Langzeitstabilität des Aktors und ein dynamischer Betrieb bei hohen Frequenzen ergibt bzw. möglich wird.
Im unteren Bereich des Aktors sind Biegefedergelenke 3 ausgebildet, die in einen Träger 4 übergehen.
Sowohl die beim Ausführungsbeispiel metallischen Körper 2 als auch die Biegefedergelenke 3 und der Träger 4 können einstückig, bevorzugt in Erodiertechnik hergestellt werden.
Beim Anlegen einer elektrischen Spannung stellt sich dann aufgrund der Scherkräfte ein Verkippen um den Träger 4 ein, der in diesem Fall den. Einspannpunkt der Anordnung darstellt. Eine Last 5 bewegt sich dann um die Strecke Δ1 bei der zeichnerischen Darstellung nach Fig. 2 nach rechts und vollzieht hier eine Kippung um einen resultierenden Winkel.
Die Polarisationsrichtung P₀ gemäß Pfeildarstellung verläuft im wesentlichen parallel zu den metallischen Körpern 2 bzw. senkrecht zur Schmalseite des Scherschwingers.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind zwei Metallfolien 2 und ein relativ langes Scherschwingerelement 1 vorgesehen. Auf der einen Seite des Aktors befindet sich ein z. B. aufgeklebter Spiegel 6, der die zu bewegende Last darstellt. Nach Anlegen einer elektrischen Spannung vollzieht sich dann eine Dreh- oder Kippbewegung Δφ um den Einspannpunkt am Träger 4.
Wird der metallische Körper 2 als längeres und kürzeres Teil gemäß Fig. 4 ausgebildet, kann am längeren, überstehenden Teil des metallischen Körpers 2 eine Last 5 angebracht werden und es stellt sich nach Herstellen einer elektrischen Verbindung und Anlegen der erforderlichen Spannung die gewünschte Drehung oder Kippbewegung ein.
Bei den Darstellungen nach Fig. 5 wird von mindestens zwei plattenförmigen Scherschwingern mit antiparallel verlaufender Polarisation P₀ ausgegangen, die zwischen zwei metallischen Körpern 2 angeordnet sind.
An der Grenzfläche der aneinander stoßenden Scherschwinger 1 ist eine erste Anschlußelektrode ausgebildet. Die Gegenelektrode wird über die metallischen Körper 2 realisiert. Bei dieser Lösung ist eine separate elektrische Isolation nicht erforderlich.
Zur Erzeugung einer Vorspannung kann ein schraubenförmiges Befestigungsmittel 7 vorgesehen sein, das sich innerhalb einer Durchgangsbohrung 8 der Scherschwinger 1 befindet. Das schraubenförmige Befestigungsmittel 7 erzeugt eine Kraft senkrecht zur Polarisationsrichtung P₀. Um den Schereffekt nicht nachteilig zu beeinflussen, ist das schraubenförmige Befestigungsmittel elastisch ausgebildet, z. B. durch eine Abdünnung. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 8 ist dabei größer als der Außendurchmesser des schraubenförmigen Befestigungsmittel 7, um unerwünschte Kräfte auf die Scherschwinger 1 in Polarisationsrichtung auszuschließen.
Das schraubenförmige Befestigungsmittel 7 kann, wie ebenfalls in der Fig. 5 gezeigt, gleichzeitig zum Halten eines Trägers für eine Last 5 Verwendung finden.
Der Träger 4 des piezoelektrischen Aktors kann eine Bohrung aufweisen, um eine Schraube 9 aufzunehmen, um auf diese Weise den Aktor montieren zu können, und zwar ohne nachteilige Auswirkungen auf das Verhalten des Aktors bzw. des Scherschwingers selbst.
Zur Bildung einer Parallel-Kippvorrichtung nach Fig. 7 ist ein weiteres Biegefedergelenk 10 an der dem ersten Biegefedergelenk gegenüberliegenden Schmalseite des Scherschwingers 1 vorgesehen, wobei das zweite Biegefedergelenk 10 mit einem weiteren Träger 11 zum Befestigen der zu verschiebenden Last verbunden ist.
Die Parallel-Kippvorrichtung kann mit einem Scherschwinger, aber auch mit mehreren Scherschwingern realisiert werden, wobei die Einzelaktoren dann auf einem gemeinsamen weiteren Träger 11 wirken. Trotz der Verwendung von nur wenigen, z. B. zwei aktiven Elementen und sich hieraus ergebender einfachster Montage treten keine Querbewegungen durch Querkontraktion auf, so daß bei XY-Anordnungen ein durch Fehler erster Ordnung bedingtes Übersprechen ausgeschlossen wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Parallel-Kippvorrichtung kann neben einfachen Platten auch auf die Ausführung zweier plattenförmiger Scherschwinger analog der in der Fig. 5 gezeigten Variante zurückgegriffen werden mit der Folge, daß der elektrische Anschluß vereinfacht ist.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel der Befestigung einer Last auf der oberen Stirnfläche des Scherschwingers 1, z. B. durch Verkleben.
Eine Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors ist in der Fig. 9 dargestellt. Hier kann über ein oder mehrere Aktoren ein Schreib-/Lesekopf einer Festplatte sowohl zur Drehlage als auch Höhenkorrektur genutzt werden. Bezugszeichenliste 1 Scherschwinger
2 metallischer Körper bzw. Folie
3 Biegefedergelenk
4 Träger
5 Last
6 Spiegel
7 schraubenförmiges Befestigungsmittel
8 Durchgangsbohrung
9 Schraube
10 weiteres Biegefedergelenk
11 weiterer Träger

Claims

1. Piezoelektrischer Aktor zur Erzeugung einer Dreh-, Kipp- oder Verschiebebewegung um einen Einspannpunkt mit mindestens einem Anschlußelektroden aufweisenden Scherschwinger, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Scherschwinger plattenförmig ausgebildet ist, weiterhin die Plattenlängsseiten jeweils mit einem Körper oder einer vorzugsweise metallischen Folie stoffschlüssig verbunden sind und über ein Biegefedergelenk mit einem Träger in mechanischem Kontakt stehen, wobei die Polarisationsrichtung des Scherschwingers parallel zu den Plattenlängsseiten verläuft.

2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegefedergelenk, der Träger und der Körper einstückig ausgeführt sind.

3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem dem Biegefedergelenk gegenüberliegenden Ende des gebildeten Aktorhebels eine zu bewegende Last angreift oder dort befestigt ist.

4. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper auf einer der Plattenseiten sich über das obere Ende des Scherschwingers hinaus erstreckt und einen Befestigungspunkt oder eine Befestigungsfläche für eine zu bewegende Last bildet.

5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei plattenförmige Scherschwinger mit antiparallel verlaufender Polarisationsrichtung zwischen zwei Körpern angeordnet sind, wobei eine gemeinsame Anschlußelektrode im Bereich der aneinander stoßenden Scherschwinger und eine Gegenelektrode über den Körper gebildet ist.

6. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung senkrecht zur Polarisationsrichtung die Scherschwinger mindestens eine Durchgangsbohrung aufweisen, welche ein schraubenförmiges Befestigungsmittel aufnimmt, das weiterhin mit den beiden Körpern in Verbindung steht, wobei das Befestigungsmittel in Scherrichtung elastisch ist.

7. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger als metallischer Block ausgebildet ist und Mittel zum Befestigen oder Montieren des Aktors aufweist oder aufnimmt.

8. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenförmige Befestigungsmittel gleichzeitig zum Fixieren einer Last, insbesondere eines Spiegels an mindestens einer der Plattenlängsseiten dient.

9. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Parallel-Kippvorrichtung ein weiteres Biegefedergelenk an der dem ersten Biegefedergelenk gegenüberliegenden Schmalseite des Scherschwingers vorgesehen ist, wobei das zweite Biegefedergelenk mit einem weiteren Träger zum Befestigen der zu verschiebenden Last verbunden ist.

10. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, beabstandet angeordnete Einzelaktoren mit Biegefedergelenken auf einen gemeinsamen, weiteren Träger zum Befestigen der zu verschieb enden Last wirken.

11. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Last unmittelbar an der oberen Schmalseite oder Stirnfläche des Scherschwingers befestigt ist.

12. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verhältnis zwischen den Schmalseiten bzw. Stirnflächen und den Längsseiten der Scherschwinger im Bereich zwischen im wesentlichen 1 : 5 bis 1 : 15.

13. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Körper aus einem metallischen Material, Glas, Silizium, Lithiumniobat oder dergleichen Material mit mindestens minimalelastischen Eigenschaften bestehen.