DE10321705A1 - Piezoelectric drive element with several identical stacks of layers of piezoelectric material with electrodes, including electrical breakdown protection stack segments - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Antriebselement mit zumindest einem Stapel mit Schichten aus einem piezoelektrischen Material, die mit Elektroden versehen sind.The The present invention relates to a piezoelectric drive element with at least one stack with layers of a piezoelectric material, which are provided with electrodes.
Derartige
Antriebselemente sind grundsätzlich
bekannt (vgl. beispielsweise
Die im Betrieb erforderlichen hohen elektrischen Feldstärken in Verbindung mit der auftretenden mechanischen Spannung und Dehnung sowie Störungen in den keramischen Schichten aus piezoelektrischem Material aber auch mechanische Überlastung, beispielsweise durch Anregung von Resonanzen, können vereinzelt zu Ermüdungsrissen führen. Als Folge ergeben sich Kurzschlüsse und Lichtbogenerscheinungen, über die sich die in der Versorgungselektronik und in den Antriebselementen selbst gespeicherte elektrische Energie entlädt. Sind diese Entladungsenergien zu hoch, so entstehen niederohmige Abbrandkanäle, die den gesamten Aktuator unbrauchbar machen und einen störungsfreien Betrieb verhindern.The high electrical field strengths required in operation Connection with the occurring mechanical tension and elongation as well as disorders in the ceramic layers made of piezoelectric material also mechanical overload, for example by stimulating resonances, can occasionally lead to fatigue cracks to lead. As a result, short circuits occur and arcing, about which are those in the supply electronics and in the drive elements even stored electrical energy discharges. Are these discharge energies Too high, low-resistance burn-up channels are created that cover the entire actuator make it unusable and a trouble-free Prevent operation.
Eine weitere Folge der ungewünschten elektrischen Entladungen kann eine Beschädigung der Versorgungselektronik sein.A further consequence of the unwanted Electrical discharges can damage the supply electronics his.
Ebenfalls problematisch sind die in bestimmten Anwendungsfällen auftretenden mechanischen Beschleunigungen, die zur Anregung von Eigenresonanzerscheinungen und zum Überschwingen mit Hubamplituden führen können, die um ein Vielfaches höher als der Normalwert des Hubes liegen können. Dies kann zur Überlastung und zur Zerstörung aller beteiligten Aktuatoren sowie einer vorgesehenen Antriebsmechanik führen.Likewise the mechanical accelerations occurring in certain applications are problematic, those to stimulate self-resonance phenomena and to overshoot lead with stroke amplitudes can, which is many times higher than the normal value of the stroke. This can lead to overload and to destruction all involved actuators as well as a proposed drive mechanism to lead.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Antriebselement der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine hohe Standzeit aufweist.It is the object of the present invention, a piezoelectric To create drive element of the type mentioned, the one has a long service life.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass zur Ausfallsicherung zumindest zwei im Wesentlichen gleichartige und elektrisch parallel geschaltete Stapelsegmente vorgesehen sind.The solution this object is achieved by the features of claim 1 and in particular in that at least two are essential for failover similar and electrically parallel stack segments are provided.
Erfindungsgemäß ist das Antriebselement nicht nur mit einem einzigen Stapel aus piezoelektrischen Schichten versehen, sondern es sind mindestens zwei elektrisch parallel geschaltete Stapelsegmente vorgesehen, die im Wesentlichen gleichartig sind, d.h. im Wesentlichen die gleiche Leistung aufweisen und die gleiche Funktion ausüben. Hierdurch ist es möglich, bei Ausfall eines Stapelsegmentes auf das andere, noch ordnungsgemäß funktionierende Stapelsegment zurückzugreifen. Hierbei kann das Antriebselement im Normalbetrieb entweder mit nur einem der Stapelsegmente oder aber mit beiden Stapelsegmenten betrieben werden. Auch ist es möglich, das noch ordnungsgemäß arbeitende Stapelsegment so anzusteuern, dass das Antriebselement trotz Ausfall eines Stapelsegments den gewünschten Hub durchführt, beispielsweise durch Erhöhung der Versorgungsspannung.According to the invention Drive element not only with a single stack of piezoelectric Layers provided, but there are at least two electrically parallel switched stack segments are provided which are essentially similar, i.e. have essentially the same performance and the same Perform function. This makes it possible in the event of failure of one stack segment on the other, still functioning properly recourse. In normal operation, the drive element can either use only one of the stack segments or operated with both stack segments become. It is also possible the one still working properly To control the stack segment so that the drive element despite failure the desired stroke of a stack segment performs, for example by increasing the supply voltage.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.advantageous embodiments the invention are in the description, the drawing and the dependent claims described.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform können die Stapelsegmente mechanisch parallel oder in Serie geschaltet sein. Durch eine mechanische Parallelschaltung wird ein ordnungsgemäßer Betrieb auch dann aufrechterhalten, wenn eines der Stapelsegmente ausfällt, da dann die noch verbleibenden Stapelsegmente den gewünschten Hub durchführen können. Wenn mehrere Stapelsegmente mechanisch in Serie geschaltet werden, kann bei Ausfall eines Stapelsegmentes die Ansteuerung des oder der verbleibenden Stapelsegmente so angepasst werden, dass der von der Gesamtanordnung durchgeführte Hub unverändert bleibt.To a first advantageous embodiment can the stack segments are connected mechanically in parallel or in series his. A mechanical parallel connection ensures proper operation maintained even if one of the stack segments fails because then the remaining stack segments the desired ones Carry out a stroke can. If several stack segments are mechanically connected in series, can the control of the or in the event of failure of a stack segment of the remaining stack segments so that the of of the overall arrangement Stroke unchanged remains.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Stapelsegmente können Bestandteil eines einzigen Stapels sein, indem beispielsweise die Elektroden der piezoelektrischen Schichten zu einzelnen Gruppen zusammengefasst werden. Auch ist es möglich, mehrere Stapelsegmente in einer mechanisch parallelen Anordnung zu verwenden, um die erfindungsgemäße Redundanz zu erzielen.The provided according to the invention Stack segments can Be part of a single stack, such as the Electrodes of the piezoelectric layers into individual groups be summarized. It is also possible to have several stack segments to be used in a mechanically parallel arrangement in order to achieve the redundancy according to the invention to achieve.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann zur Begrenzung eines Kurzschlussstromes innerhalb eines Stapelsegmentes für zumindest ein Stapelsegment ein Strombegrenzerelement vorgesehen sein. Ein solches Strombegrenzerelement kann beispielsweise ein Widerstand und/oder eine Überstromsicherung sein, die in die Zuleitung eines Stapelsegmentes geschaltet ist.To a further advantageous embodiment of the invention to limit a short-circuit current within a stack segment for at least a current limiter element can be provided in a stack segment. On such a current limiter element can be a resistor, for example and / or an overcurrent fuse be connected in the feed line of a stack segment.
Durch das elektrische Parallelschalten der Stapelsegmente fließt im Falle eines Kurzschlusses die gesamte gespeicherte elektrische Energie sämtlicher Stapelsegmente sowie die von einer Ansteuerelektronik maximal lieferbare Energie über den Kurzschluss ab, was zur Schädigung bzw. zur Zerstörung der Versorgungselektronik und unter Umständen auch der mit dem Antriebselement verbundenen Mechanik führt. Erfindungsgemäß kann der Anteil des Kurzschlussstromes aus der Versorgungselektronik durch übliche Strombegrenzungsmaßnahmen begrenzt werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Entladestrom aus den parallel geschalteten Stapelsegmenten kann beispielsweise durch geeignet dimensionierte Vorwiderstände begrenzt werden, die zumindest in jeder Zuleitung eines Stapelsegmentes vorgesehen werden und den Entladestrom beispielsweise um den Faktor 1000 verringern.By the electrical parallel connection of the stack segments flows in the case of a short circuit the entire stored electrical energy all Stack segments and the maximum that can be supplied by control electronics Energy over the short circuit, causing damage or to destroy the Supply electronics and possibly also with the drive element connected mechanics. According to the Share of short-circuit current from the supply electronics through usual current limiting measures limited, which are known from the prior art. The Discharge current from the stack segments connected in parallel can limited, for example, by suitably dimensioned series resistors are provided at least in each feed line of a stack segment and reduce the discharge current by a factor of 1000, for example.
Erfindungsgemäß können die Widerstände in der Spannungsversorgung, der Zuleitung zu den einzelnen Stapelsegmenten oder in den Stapelsegmenten selbst vorgesehen sein, beispielsweise als in die Endscheiben integrierte Dünn- oder Dickschichtwiderstände.According to the Resistances in the power supply, the supply line to the individual stack segments or be provided in the stack segments themselves, for example as thin or thick film resistors integrated in the end plates.
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass bei Überstrom bzw. bei zu langen Ladezeiten durch Kurzschluss das betroffene Stapelsegment dauerhaft abgeschaltet wird, beispielsweise durch Schmelzsicherungen oder elektronische Überstromsicherungen. Auch können die oben genannten Vorwiderstände so dimensioniert werden, dass sie durch einen durch sie fließenden Kurzschlussstrom zerstört werden und hierdurch die elektrische Verbindung sicher trennen.According to the invention can also be provided that overcurrent or if the loading times are too long due to a short circuit, the affected stack segment permanently is switched off, for example by fuses or electronic overcurrent protection. Can too the series resistors mentioned above be dimensioned such that they are caused by a short-circuit current flowing through them be destroyed and thereby safely disconnect the electrical connection.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Stellelement mit einer Überwachungseinrichtung versehen sein, wel che die Leistung der Stapelsegmente überwacht und einzelne Stapelsegmente abschaltet, wenn diese eine Leistung aufweisen, die einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Neben den eingangs genannten passiven Überstromsicherungen kann zu diesem Zweck auch eine Messanordnung vorgesehen sein, die den Gesamtladestrom integriert oder Spannung und/oder Ladestrom jedes einzelnen Stapelsegmentes detektiert, um einen Leistungsabfalls bzw. einen Ausfall zu ermitteln.To a further advantageous embodiment of the invention the control element with a monitoring device be provided which monitors the performance of the stack segments and turns off individual stack segments when this is performing have, which falls below a predetermined limit. Next the passive overcurrent protection devices mentioned at the beginning For this purpose, a measuring arrangement can also be provided integrated the total charging current or voltage and / or charging current of each individual stack segment is detected in order to identify a failure.
Wenn mehrere Stapelsegmente mechanisch in Serie hintereinander geschaltet sind, kann im Falle einer Leistungsverminderung oder eines Ausfalls eines einzelnen Stapelsegmentes eine Kompensation der Gesamtleistung des Stellelementes erfolgen, indem beispielsweise die Ansteuerspannung entsprechend erhöht wird. Durch eine Regelung kann diese Erhöhung automatisch erfolgen. Sind beispielsweise insgesamt zehn Stapelsegmente mechanisch in Serie geschaltet und fällt eines dieser Stapelsegmente aus, so kann die Ansteuerspannung des Stellelementes nach Ausfall um 10 % erhöht werden, wodurch das Stellelement nach wie vor einen Hub und eine Kraft von 100 % bewirken kann.If several stack segments mechanically connected in series in the event of a reduction in performance or a failure compensation of the overall performance of a single stack segment of the control element take place, for example, by the control voltage increased accordingly becomes. This increase can take place automatically by means of a regulation. For example, a total of ten stack segments are mechanically in Series switched and falls one of these stack segments, the drive voltage of the Control element can be increased by 10% after failure, which results in the control element can still cause a stroke and a force of 100%.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die erfindungsgemäß vorgesehene Parallelschaltung der Stapelsegmente schaltbar sein. Hierdurch kann das Antriebselement beispielsweise in einem Normalzustand nur mit einem Stapelsegment betrieben werden. Wird von der Überwachungseinrichtung jedoch festgestellt, dass das Stapelsegment eine Leistungsverringerung aufweist, so kann auf das andere Stapelsegment umgeschaltet werden. Selbstverständlich. können stets eine Vielzahl von Stapelsegmenten vorgesehen sein, die im Normalbetrieb oder bei Ausfall eines Stapelsegmentes aktiviert werden.To Another advantageous embodiment can be the parallel connection provided according to the invention the stack segments can be switched. This allows the drive element for example in a normal state with only one stack segment operate. Is used by the monitoring device however, found that the stack segment was a performance degradation can be switched to the other stack segment. Of course. can always be provided a plurality of stack segments in normal operation or activated if a stack segment fails.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:following the present invention will become more advantageous by way of example Embodiments and with reference to the attached Described drawings. Show it:
Wie
Da
sämtliche
Stapelsegmente S1 bis S4 elektrisch parallel geschaltet sind, führt das
Antriebselement
Die
Bei
der in
Wie
Wenn
bei der in
Das
in
- 1010
- Antriebselementdriving element
- 2020
- Antriebselementdriving element
- 2222
- Brückebridge
- 3030
- Kippelementtilt element
- 4040
- Kippelementtilt element
- 4242
- Brückebridge
- R1-R4R1-R4
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- Widerständeresistors
- S1-S4S1-S4
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- Stapelsegmentestack segments
- T 11, T 12, T21, T22T 11, T 12, T21, T22
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