DE19644161C2 - Piezoelektrischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator aus mindestens zwei scheibenförmigen, koaxial übereinander angeordneten Biegeelementen, welche jeweils eine Trägerplatte aus hartelastischem Material mit ein- oder beidseitig aufgebrachter Schicht aus piezoelektrischem Material aufweisen, wobei jeweils zwei Biegeelemente über mindestens zwei am Umfang der Trägerplatten angeordneten Biegegelenke miteinander verbunden sind.

Zur Kraftübertragung mit derartigen Aktuatoren ist eine Abstützung der Biegeelemente am Rand erforderlich, wobei sich eine feste Einspannung des Randes, z. B. in einen Rahmen, bei größeren Hüben aufgrund der damit verbundenen radialen Verkürzung des Biegeelementes verbietet. Aus diesem Grund werden beispielsweise gemäß DD 287 813 A5 jeweils zwei Biegeelemente mit gegensinniger Krümmung über einen Distanzring verbunden, auf dem die einzelnen Biegeelemente ohne radiale Befestigung aufliegen. Ein solches Doppelscheiben-Biegeelement könnte jedoch nur Druck- und keine Zugkräfte ausüben. Deshalb sind entsprechend der o. g. Patentschrift mehrere derartiger Doppelscheiben-Biegeelemente in einem jochartigen Gehäuse zusammengefaßt, wobei jeweils eine Hälfte der Biegeelemente bei Anlegung einer Spannung gegen die andere, an die keine Spannung anliegt, arbeitet, so daß Zug- und Druckkräfte ausgeübt werden können; d. h., nur jeweils die Hälfte der Biegeelemente wird für die Krafterzeugung nutzbar.

Piezoelektrische Aktuatoren mit elastischen Randbefestigungen der Biegelemente sind weiterhin aus den US-Patentschriften 27 14 642, 33 60 664 oder 46 01 539 bekannt. Keine der bekannten Ausführungen löst jedoch das Problem, einerseits Druck- und Zugkräfte mit großem Hub Piezoelektrische Aktuatoren mit elastischen Randbefestigungen der Biegelemente sind weiterhin aus den US-Patentschriften 27 14 642, 33 60 664 oder 46 01 539 bekannt. Keine der bekannten Ausführungen löst jedoch das Problem, einerseits Druck- und Zugkräfte mit großem Hub ausführen zu können, ohne daß es dabei zu Verspannungen aufgrund der oben erwähnten radialen Verkürzungen am Rand eines Biegelementes kommt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Aktuator der o. g. Art zu schaffen, der in gleicher Weise für Druck- und Zugkräfte geeignet ist, in sich möglichst steif und spielfrei ist und als axiales Verbindungselement verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Aktuator nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein derartiger, schon aus zwei scheibenförmigen deckungsgleichen Biegeelementen aufgebauter Aktuator ist in der Lage sowohl Zug- als auch Druckkräfte zu erzeugen und ist dabei auch in axialer Richtung so steif, daß er als Verbindungselement eingesetzt werden kann. Die Kraftabnahme erfolgt dabei in einer Linie, nämlich über die Mittelachse der beiden Biegeelemente. Der Kraftschluß zwischen den Randbereichen der Biegeelemente erfolgt über Biegegelenke, so daß bei gleichzeitiger Ansteuerung beider Biegeelemente und gleichem axialen Hub die Randbereiche die gleiche radiale Bewegung ausführen und es somit trotz axial steifer Verbindung beider Scheiben zu keiner radialen Verspannung kommt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a und b in einem Querschnitt bzw. in einer Aufsicht den schematischen Aufbau eines Doppelscheiben-Aktuators und

Fig. 2a und b die konstruktive Ausführung eines Doppelscheiben-Aktuators gemäß Fig. 1a und 1b.

Der in den Fig. 1a und b dargestellte Doppelscheiben-Aktuator weist im wesentlichen zwei gegenüberliegende, deckungsgleiche Trägerplatten 1.1 und 1.2, z. B. aus Stahlblech auf, auf welchen jeweils beidseitig piezoelektrische Schichten 2.11, 2.12 bzw. 2.21, 2.22 aufgebracht sind. Die Trägerplatten 1.1 bzw. 1.2 können, wie dargestellt, rund ausgeführt sein oder auch andere Flächenformen haben und ausgeweisen jeweils vier symmetrisch über den Umfang verteilte, vom Rand in radialer Richtung abstehende Biegebalken 3.11, 3.21, 3.31, 3.41 bzw. 3.12, 3.22, 3.32, 3.42 auf, welche jeweils über axial verlaufende Stege 4.1 bis 4.4 starr miteinander verbunden sind. Anstelle der Stege können die Biegebalken zur Realisierung eines Abstandes der Biegeelemente entsprechend vorgeformt und an den freien Enden unmittelbar miteinander starr verbunden sein. Die Biegebalken 3.11 bis 3.42 weisen jeweils eine gleiche Höhe h, Breite b und Länge l auf. Bei einem Nennhub x des gesamten Aktuators vollführt jedes Biegeelemente 1 bzw. 2 den Hub 1/2x, wobei sich jeder Biegebalken 3.11 bis 3.42 um den Weg x_s deformiert. Der Abtrieb der Kraft F erfolgt dabei über Druck- bzw. Zugstangen 5.1 bzw. 5.2, welche in der Mittelachse der Trägerplatten 1.1 bzw. 1.2 angeordnet und mit diesen befestigt sind. Bei einem Elastizitätsmodul E des Biegebalkenmaterials bemessen sich die einzelnen Biegebalken nach der Beziehung

wobei n die Anzahl der Gelenkverbindungen, im gezeigte Fall also n = 4 ist.

Bei dem in Fig. 2a in einer Querschnittszeichnung dargestellten konkreten Ausführungsbeispiel eines Doppelscheiben-Aktuators sind in den Mitten zweier Biegeelemente 21 bzw. 22 aus Trägerplatten 21.1 bzw. 22.1, welche beidseitig mit piezoelektrischem Material beschichtet und entsprechend kontaktiert sind, jeweils zwei Rohrstücke 25.1 bzw. 25.2 angeordnet und mittels einer Schraub-Klemmverbindung mit den Biegeelementen 21 bzw. 22 verbunden. Diese Rohrstücke 25.1 und 25.2 liegen in einer gemeinsamen Achse M und ermöglichen so die Verwendung des Aktuators als Verbindungselement zwischen zwei relativ zueinander verschiebbaren Teilen, z. B. einem Ventilkörper und einer Dichtungsplatte, welche eine Öffnung verschließt bzw. freigibt.

Zur Realisierung von Biegegelenken weist, wie in Fig. 2b in einer Aufsicht dargestellt ist, jede Trägerplatte 21.1 bzw. 22.1 der Biegeelemente 21 bzw. 22 zwölf über den Umfang gleichmäßig verteilte Befestigungsösen 21.11, 21.12, . . . bzw. 22.11, . . . auf, welche über Verbindungsstege 23.11, 23.12, . . . bzw. 23.21, . . . mit den Trägerplatten 21.1 bzw. 22.1 verbunden sind. Die Befestigungsösen und die Verbindungsstege sind vorteilhafterweise aus dem gleichen Material wie die Trägerplatte und können beispielsweise durch Schneiden oder Stanzen aus einer Scheibe hergestellt sein.

Die beiden Biegeelemente 21 und 22 sind nun über die Befestigungsösen 21.11, 21.12 . . . bzw. 22.11, 22.12, . . . über Abstandshülsen 24.11, . . . mittels Schraub-Klemmverbindungen starr miteinander verbunden. Auf diese Weise entsteht ein piezoelektrischer Aktuator mit geringem Gewicht, geringem Bauvolumen, hohem Arbeitsvermögen in Zug- und Druckrichtung, kurzen Reaktionszeiten und geringem Energiebedarf. Zur Vergrößerung des Nennhubes oder der Nennkraft können mehrere solcher Aktuatoren in Reihe oder parallel angeordnet und geschaltet sein.

Claims (3)

1. Piezoelektrischer Aktuator aus mindestens zwei scheibenförmigen, koaxial übereinander angeordneten Biegeelementen (1; 2), welche jeweils eine Trägerplatte (1.1; 1.2) aus hartelastischem Material mit ein- oder beidseitig aufgebrachter Schicht (2.11, 2.12; 2.21, 2.22) aus piezoelektrischem Material aufweisen, wobei jeweils zwei Biegeelemente (1; 2) über mindestens zwei am Umfang der Trägerplatten angeordneten Biegegelenke miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Biegegelenk mindestens einen Biegebalken (3.11, 3.12) und ein dazu im wesentlichen senkrechtes, starres Abstandsstück (4.1) aufweist und, daß der Biegebalken nach der Beziehung
bemessen ist,
wobei b, l, h und E die Breite, Länge, Höhe und der Elastizitätsmodul des Biegebalkens,
F die Nennkraft des Aktuators,
x_s die Deformation eines Biegebalkens bei dem Nennhub x des Aktuators mit x_s < 0,2x und
n die Anzahl der Biegegelenke zwischen zwei Biegeelementen ist.

2. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Biegebalken (3.11 bis 3.42) aus einem seitlichen Fortsatz der Trägerplatte (1.1; 1.2) gebildet ist.

3. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (23.11, 23.12, . . .) eine Befestigungsöse (21.11, 21.12, . . .) für das Abstandsstück (24.11, . . .) aufweist.