DE19730052C1 - Piezohydraulischer Antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezohydraulischen Antrieb für Schaltgetriebe, insbesondere für schwer zugängliche Räume, wie sie in der Tiefsee, dem Weltraum und in der Nähe von Kernreaktoren anzutreffen sind, aber auch für Schaltgetriebe in der Steuerungs- und Regeltechnik, für die Fernsteuerung von Schützen, Relais und ähnlichen Schaltern oder Steuerung chemischer Verfahrensabläufe u. ä.

Piezoaktuatoren haben sich einen festen Platz in der Antriebstechnik erobert und erschließen sich zunehmend neue Anwendungsgebiete, Sie vereinigen in sich solch extreme Gegensätze wie die Erschließung subatomarer Strukturen, die Bewegung tonnenschwerer Lasten, extreme Aktionszeiten im 10-µs-Bereich, Beschleunigungen von mehr als 1000 g und Wirkungsgrade von über 90% im Resonanzbetrieb.

Entsprechend vielschichtig sind die Anwendungsmöglichkeiten. In der "atom force microscopy" eröffneten Piezoelemente den Blick in atomare Dimensionen. Aktuatorstacks können diese Geräte wesentlich robuster gegen Vibrationen und um den Faktor 5 schneller machen.

In der Astronomie werden Teleskopspiegel aktiv auf Piezostapeln gelagert, mit denen sie in die ideale Form "verbogen" werden können. Dadurch wird es möglich, Teleskope wesentlich leichter zu bauen.

Die extreme Schnelligkeit findet ihre Anwendung z. B. in Nadeldruckern und Tintenstrahl­ druckern, bei denen Schaltzeiten von 20 µs erreicht werden.

Die geringen Hübe im Bereich zwischen 1 µm und 150 µm sind jedoch um ein Vielfaches zu steigern.

Piezoaktuatoren finden ihren Einsatz überall dort, wo kleine Wege mit höchster Präzision, extremer Schnelligkeit, großer Kraft und/oder gutem Wirkungsgrad zu realisieren sind. Piezoelektrische Aktuatoren nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt, d. h. ein piezo­ elektrisch aktives Material verändert seine Form beim Anlegen eines elektrischen Feldes.

Problematisch wird der Einsatz von Piezoaktuatoren unter extremen Bedingungen (z. B. Hitze, Vakuum, chemische Reaktoren) und in Bereichen, wo elektrische Ansteuerspannungen unmittelbar am Schaltglied nicht zur Verfügung stehen.

Mechanische Übersetzungsglieder wären erforderlich, Stellglieder dennoch bei solchen Einsatzbedingungen mit Piezoaktuatoren zu bewegen.

Hydraulische Systeme sind ein vorteilhaftes Mittel, bei derartigen Problemstellungen eingesetzt zu werden.

Dazu sind piezoelektrische Flüssigkeitspumpen (DE 195 25 087) bekannt geworden, die ein Piezostellelement aufweisen, das bei Anlegen einer elektrischen Spannung in Richtung seiner Längsachse einen Stellhub ausführt. Der Stellhub bewirkt eine Volumenverringerung eines die zu fördernde Flüssigkeit aufnehmenden Förderraumes, welcher von den Seitenwänden eines elastischen Elementes begrenzt ist.

Das elastische Element ist dabei eine zum Piezostellelement hin offene Ausnehmung eines Pumpengehäuses eingesetztes Formteil, wobei die Längsachsen der Ausnehmung und des Formteiles anähernd koaxial zur Längsachse des Piezostellelementes liegen. Die Seitenwände des Formteiles liegen dabei eng an den Seitenwänden der Ausnehmung des Pumpengehäuses an, so daß die axiale Verschiebung der Piezoelemente ein Zusammendrücken des Formelementes bewirkt und den Pumpenförderraum verringert. Über ein Einlaßventil einer Zufuhrleitung wird so Flüssigkeit angesaugt und über ein Auslaßventil in einer Förderleitung herausgepumpt.

Diese Einrichtung ist ihrem Zweck entsprechend nur zur Förderung von Flüssigkeiten in einer vorgegebenen Richtung bestimmt.

In der DE 30 37 380 wird ein hydraulischer Druckerzeuger und/oder Druckmittelversorgungs­ anordnung beschrieben, bei der die Längenausdehnung von Piezoelementen bei elektrischer Ansteuerung genutzt werden, um in einer Achsrichtung in einem Hohlzylinder entsprechende Kräfte auf einen Kolben mit Kolbenstange zu erzeugen. Die Sätze von piezoelektrischen Elementen sind dabei zu beiden Seiten des Kolbens im Zylinder angeordnet.

Als Stellglied ist u. a. aber auch ein geschlossenes Wellrohr vorgesehen.

Bei Anordnung von Ventilen ist der Druckerzeuger auch als Flüssigkeitspumpe einsetzbar. Diese Einrichtung ist jedoch nicht geeignet für schwer zugängliche Räume, wie Tiefsee, Weltraum und in der Nähe von Kernreaktoren oder chemischen Prozeßanlagen.

Vereinfachend hat der Anmelder in der DE 196 47 752 bereits vorgeschlagen, den Förderraum direkt in die Piezoaktuatoren zu verlegen.

Die beschriebenen Lösungen sind zweckentsprechend jedoch für Förderpumpen für nur eine Förderrichtung bestimmt und so nicht oder nur bedingt für externe Stellantriebe geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen piezohydraulischen Antrieb zu schaffen, der ein externes Stellglied zwischen zwei Stellungen bewegen kann.

Diese Aufgabe wird durch einen piezohydraulischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Der zylindrische Piezoaktuator besteht aus zwei übereinander angeordneten Teilen, an die jeweils eine Spannung angelegt wird. Die aufeinanderliegenden Stirnseiten der Zylinder­ flächen sind so halbkugelförmig ausgeformt, daß sie zusammen einen kugelförmigen Hohlraum bilden. In den kugelförmigen Hohlraum mündet eine kapillare Hydraulikleitung, die auf einen Doppelkolbenzylinder führt und auf dem Doppelkolben wirkend an diesem Doppelkolbenzylinder angeflanscht ist. Auf der Ausgangsseite des Doppelkolbenzylinders ist wiederum eine kapillare Hydraulikleitung angeflanscht, die zum Piezoaktuator führt.

Die Rückführung der Hydraulikleitung mündet auf der Mantelfläche eines Hohlzylinders, in dem die Piezoaktuatoren fest angeordnet sind, wobei zwischen der Mantelfläche des Hohlzylinders und der Außenfläche der Piezoaktuatoren ein Zwischenraum zur Aufnahme zurückfließender Hydraulikflüssigkeit existiert. Die Anordnung bildet so ein geschlossenes Hydrauliksystem.

Verringert sich bei Anlegen einer Spannung das Volumen der kugelförmigen Aussparung, so vergrößert sich gleichzeitig das Volumen des Hohlzylinderzwischenraumes.

Die verdrängte Hydraulikflüssigkeit in der Kugel bewegt dabei den Doppelkolben im Kolbengehäuse in die vorgegebene Richtung. Der Doppelkolben wiederum verdrängt die Hydraulikflüssigkeit über die Rückführleitung in den größerwerdenden Hohlzylinder­ zwischenraum zwischen Hohlzylinder und Piezoaktuator. Der Hohlzylinderzwischenraum wirkt gleichzeitig als Saugelement.

Der Doppelkolben ist mit Stellelementen verbunden, so daß auf diese Weise vielseitige Anwendungen für Stellantriebe realisiert werden können.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung näher dargestellt ist, erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Piezoaktuatoranordnung;

Der in Fig. 1 gezeigte piezohydraulische Antrieb kann für schnelle und präzise Schalt- bzw. Stellvorgänge, insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen, wie Tiefsee, Weltraum, Schütze in Hochspannungsschaltanlagen, aber auch in Verfahrensanlagen der Chemie oder Fernsteuerungen von Antrieben eingesetzt werden, um nur einige beispielhafte Anwendungen zu nennen.

Der piezohydraulische Antrieb besteht dabei aus einer oberen Aktuatorhälfte 1 und einer unteren Aktuatorhälfte 2, die miteinander verbunden sind. In den Verbindungsflächen 1a und 2a der Aktuatorhälften 1 und 2 sind halbkugelförmige Aussparungen 1b und 2b eingearbeitet, die zusammen einen kugelförmigen Hohlraum 1b/2b bilden.

In den Hohlraum 1b/2b führt durch den Aktuator 1 eine Leitung, insbesondere eine Hydraulik­ leitung 6. Die Aktuatorhälften 1, 2 sind so zentrisch in einem Hohlzylinder 3 eingesetzt, daß sich zwischen der Innenwand des Hohlzylinders 3 und der Außenfläche der Aktuatorhälften 1; 2 ein Zwischenraum 9 bildet. In diesen Zwischenraum 9 führt durch den Hohlzylinder 3 wiederum eine Hydraulikleitung 6a.

Die Aktuatorhälften 1; 2 sind so polarisiert, daß bei Anlegen einer Spannung eine Kontraktion in dem kugelförmigen Hohlraum 1b; 2b stattfindet, die eine Verminderung des Kugelvolumens bewirkt. Gleichzeitig verringert sich der Außendurchmesser der Aktuatoren 1 und 2, so daß sich der Hohlzylinderzwischenraum 9 im Hohlzylinder 3 vergrößert. Die Hydraulikleitungen 6 und 6a führen auf einen Hydraulikzylinder 7, in dem ein Doppelkolben 12 angeordnet ist. Die Hydraulikleitungen 6 und 6a sind so am Hydraulikzylinder 7 angeflanscht, daß je nach Fließrichtung der in den Leitungen 6 und 6a befindlichen Hydraulikflüssigkeit 4 sich der Doppelkolben 12 in eine oder dieser entgegengesetzte Richtung bewegt. An dem Doppelkolben 12 sind ein oder mehrere Stellglieder 11 angeordnet, die aus dem Hydraulikzylinder 7 herausragen und für Stell- bzw. Antriebsbewegungen eingesetzt werden. Der Doppelkolben 12 bewegt sich dabei in einer Kolbenführung 8.

Der kugelförmige Hohlraum 1b; 2b, die Hydraulikleitungen 6; 6a, der Hohlzylinderzwischen­ raum 9 sowie der Hubraum 10 im Hydraulikzylinder 7 bilden ein geschlossenes System und sind mit der Hydraulikflüssigkeit 4 gefüllt.

Bei Anlegen einer Spannung an die Aktuatoren 1; 2 bewegt die verdrängte Hydraulikflüssig­ keit 4 aus dem Hohlzylinder 3 den Doppelkolben 12 um einen Verstellhub "h".

Gleichzeitig drückt der Doppelkolben 12 die Hydraulikflüssigkeit 4 über die Rückführleitung 6a in den größer werdenden Hohlzylinderzwischenraum 9.

Der Doppelkolben 12 kann so zu einer Hin- und Herbewegung mit zwei definierten Endstellungen veranlaßt und zur Lösung vielseitiger Antriebsprobleme eingesetzt werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Flüssigkeitsverdrängung unmittelbar in den Piezoaktuatoren 1, 2 erfolgt und dabei auf zusätzliche Hydraulikaggregate verzichtet werden kann. Einem Verschleiß unterliegende Teile werden ebenfalls vermieden.

Claims (4)

1. Piezohydraulischer Antrieb unter Verwendung von mindestens zwei übereinander angeordneten Piezoaktuatoren mit einem Hohlraum, wobei die Piezoaktuatoren bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Kontraktion ausführen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (1b; 2b) kugelförmig und geschlossen ist und aus zwei Halbschalen (1b und 2b) besteht und in den Hohlraum (1b; 2b) eine Öffnung führt, an die eine Hydraulikleitung (6) angeschlossen ist und die Piezoaktuatoren (1; 2) mittig in einem Hohlzylinder (3) angeordnet sind und daß zwischen Außendurchmesser der Aktuatoren (1; 2) und Innendurchmesser des Hohlzylinders (3) ein Zwischenraum besteht, in den durch eine Öffnung im Hohlzylinder (3) eine zweite Hydraulikleitung (6a) führt und beide Hydraulikleitungen (6; 6a) an einem Hydraulikzylinder (7) mit einem Doppelkolben (12) angeflanscht sind, wobei der kugelförmige Hohlraum (1b; 2b) und die Leitungen (6; 6a) mit Hydraulikflüssigkeit (4) gefüllt sind, und die Hydraulikleitung (6) den Doppel­ kolben (12) in die eine Richtung und die zweite Hydraulikleitung (6a) den Doppelkolben (12) in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

2. Piezohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (1b; 2b), die Hydraulikleitung (6), der Hubraum im Hydraulikzylinder (7), die Hydraulik­ leitung (6a) und der Hohlzylinderzwischenraum (9) ein geschlossenes Hydrauliksystem sind.

3. Piezohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anlegen einer Spannung an die Piezoaktuatoren (1; 2) die Volumendifferenz in dem kugel­ förmigem Hohlraum (1b und 2b) und die Volumendifferenz in dem Hohlzylinderzwischen­ raum (9) gleich groß sind.

4. Piezohydraulischer Antrieb nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelkolben (12) im Hydraulikzylinder (7) nach außen führende Stellglieder (11) aufweist.