DE19753754C1 - Piezoelektrischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aktuatoren dieser Art mit einem piezoelektrischen Festkörperelement, das sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in Längsrichtung ausdehnt und in Querrichtung kontrahiert, zeichnen sich durch hohe Stellgeschwindigkei­ ten, eine große Kraftentwicklung und eine hohe Auflösung aus, die elektrisch induzierten Längenänderungen des Festkörperelements sind jedoch so gering, daß diesem ein Übersetzungsmechanismus zugeordnet werden muß, um die Längenänderungen des Festkörperelements kinematisch in einen vielfach größeren Ausgangshub des Aktuators umzuwandeln. Bei dem z. B. aus der US 4 937 489 bekannten Aktuator der eingangs genannten Art besteht der Übersetzungsmechanismus aus einem Hebelsystem aus massiven Einzelhebeln und diese einstückig miteinander verbindenden, durch örtliche Einschnitte biegeelastisch ausgebildeten Gelenkstellen. Ein derartiges Hebelsystem erfordert eine äußerst aufwendige Präzisionsfertigung, um die Stellbewegungen des Festkörperelements mit hohem Übersetzungsverhältnis und großer Dauerfestigkeit hubverlustarm zu verstärken.

Aufgabe der Erfindung ist es, den piezoelektrischen Aktuator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Fertigungsaufwand wesentlich ver­ ringert und dennoch eine hochgradige, weitgehend hubverlustarme Stellwegvergrößerung des Festkörperelements erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichneten Aktuator gelöst.

Erfindungsgemäß werden die Hubbewegungen des piezoelektrischen Fest­ körperelements auf dem Wege über die Druckplatten und die kinematische Gliederkette in quer zur Plattenebene verlaufende Schiebebewegungen der Stellglieder der Gliederkette in der Weise umgesetzt, daß sich die Verschie­ bewege der einzelnen Stellglieder in Plattenlängsrichtung zu einem proportional zur Anzahl der Stellglieder verstärkten Ausgangshub des Aktuators aufaddieren, mit der Besonderheit, daß sich die Gliederkette selbsttätig an fertigungsbedingte Abstandsvariationen der Druckplatten und Längenunterschiede der Stellglieder anpaßt, wodurch selbst vergleichsweise größere Fertigungstoleranzen hubverlustfrei ausgeglichen werden und da­ durch der Herstellungsaufwand deutlich verringert wird, mit dem weiteren Vorteil, daß durch die unter Zwischenschaltung der Gliederkette plattenför­ mige Gestaltung des Übersetzungsmechanismus eine äußerst kompakte, flache Bauweise des erfindungsgemäßen Aktuators erzielt wird.

Nach Anspruch 2 ist die Gliederkette vorzugsweise in Richtung einer Druckbeaufschlagung des Festkörperelements federnd vorgespannt, so daß zusätzlich zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen eine ständige Druckbe­ aufschlagung des in Zugrichtung äußerst empfindlichen Festkörperelements, vor allem bei dynamischen Stellaufgaben des Aktuators, gewährleistet wird.

Da das Übersetzungsverhältnis des Aktuators nicht nur mit der Anzahl, sondern auch mit größerem Neigungswinkel der Stellglieder bezüglich der Platteninnenflächen ansteigt, wird der Neigungswinkel der Stellglieder nach Anspruch 3 im Hinblick auf ein möglichst großes Übersetzungsverhältnis vorzugsweise in die Nähe, aber mit ausreichendem Abstand außerhalb der Selbsthemmungsgrenze gelegt.

Eine baulich und kinematisch besonders bevorzugte Ausgestaltung der Er­ findung besteht nach Anspruch 4 darin, daß die Gelenkstellen zwischen den Stellgliedern als elastische Biegeelemente ausgebildet sind, wobei wegen des geringen Winkelverstellbereichs ohne weiteres eine hohe Dauerfestigkeit der elastischen Biegegelenke erzielbar ist. Eine solche biegeelastische Aus­ bildung der Gelenkstellen hat den weiteren Vorteil, daß sich die gesamte Gliederkette einschließlich der Biegeelemente und Stellglieder, wie nach Anspruch 5 bevorzugt, auf fertigungsmäßig äußerst einfache Weise als ein­ stückiges Zickzackband herstellen läßt, und zwar gemäß Anspruch 6 im Hinblick auf die für die mechanischen Anforderungen der Gliederkette günstigen Materialeigenschaften vorzugsweise aus Titan. Nach Anspruch 7 wird das Zickzackband aus Gründen einer kostengünstigen Serienfertigung als Teilstück eines wechselweise abgewinkelten Endlosbandes hergestellt.

Vorzugsweise sind die Stellglieder gemäß Anspruch 8 zur Verbesserung der energetischen Effizienz des Aktuators in den Scheitelbereichen reibungsarm verschieblich an die Druckplatten angedrückt. Die Druckplatten lassen sich in weiten Grenzen beliebig geneigt zueinander anordnen, jedoch besteht die in den meisten Fällen einbaugünstigste Druckplattenanordung in einer nach Anspruch 9 bevorzugten Parallelausrichtung.

In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind nach Anspruch 10 mindestens zwei, jeweils auf eine Druckplatte wirkende Fest­ körperelemente mit zueinander entgegengesetzten Hubrichtungen vorgese­ hen. Hierdurch überlagern sich die Längenänderungen der beiden getrennt ansteuerbaren Festkörperelemente an der Gliederkette und werden von die­ ser gemeinsam in eine durch die Stellglieder additiv hubverstärkte Aus­ gangsbewegung des Aktuators umgesetzt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbin­ dung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 einen piezoelektrischen Aktuator nach der Erfindung im Schnitt; und

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung des Aktuators nach Fig. 1 im Bereich der kinematischen Gliederkette.

Der in den Figur gezeigte piezoelektrische Aktuator enthält zwei übereinan­ derliegend parallel angeordnete Druckplatten 2, 4, die jeweils über ein pie­ zokeramisches Doppelelement 6 bzw. 8 am Aktuatorgehäuse 10 abgestützt sind. Die Doppelelemente 6, 8 sind getrennt voneinander elektrisch ansteu­ erbar und dehnen sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in Längs­ richtung aus, so daß sich der Abstand A zwischen den Druckplatten 2 und 4 verringert. Zwischen die Druckplatten 2, 4 ist eine zickzackförmige Glieder­ kette 12 eingesetzt, die aus wechselweise gegenüber den Platteninnen­ flächen geneigten, in sich starren Stellgliedern 14 besteht, welche in den Scheitelbereichen der Gliederkette 12 über einstückig angeformte Biegeele­ mente 16 biegeweich, in Plattenlängsrichtung jedoch zug- und drucksteif miteinander verbunden sind. Am einen Ende ist die Gliederkette 12 über eine Stellschraube 18 fest mit dem Aktuatorgehäuse 10 verbunden, während das andere Ende der Gliederkette 12 über ein starr am letzten Stellglied 14 befestigtes Zwischenstück 20 auf das im Aktuatorgehäuse 10 längsver­ schieblich geführte Ausgangsglied 22 des Aktuators einwirkt.

Hergestellt wird die Gliederkette 12 als Teilstück eines wechselweise abge­ winkelten Endlosbandes, z. B. aus Titan, in einer zunächst gleichmäßigen, der Wandstärke der Stellglieder 14 entsprechenden Wanddicke, welche an­ schließend, etwa im Wege der Drahterosion, in den Scheitelbereichen der Gliederkette 12 entsprechend der Biegeweichheit der Biegeelemente 16 re­ duziert wird.

Im ungespannten Zustand ist die Bauhöhe der Gliederkette 12 geringfügig größer als der gegenseitige Plattenabstand A, so daß die Gliederkette 12 beim Einbau zwischen die Druckplatten 2, 4 unter Vorspannung gesetzt und dadurch im Bereich der Biegeelemente 16 federnd an die Platteninnen­ flächen angedrückt wird. Zur Verstärkung der Federvorspannung ist zusätz­ lich eine zwischen Aktuatorgehäuse 10 und Ausgangsglied 22 wirkende Vorlastfeder 24 vorgesehen. Auf diese Weise wird zum einen sichergestellt, daß die Gliederkette 12 in sämtlichen Scheitelbereichen ungeachtet ferti­ gungsbedingter Längenunterschiede der Stellglieder 14 oder Abstandsvaria­ tionen der Druckplatten 2, 4 in ständigem, spielfreiem Kontakt an den Plat­ teninnenflächen gehalten wird, und zum anderen werden die zugspannungs­ empfindlichen Festkörperelemente 6, 8 in Druckrichtung vorgespannt und dadurch, vor allem bei dynamischen Stellaufgaben des Aktuators, wirksam gegen äußere Zuglasten geschützt.

Wird an die Festkörperelemente 6 und/oder 8 eine elektrische Spannung an­ gelegt, so verringert sich der Plattenabstand A und die Stellglieder 14 wer­ den auseinandergespreizt, d. h. die Hubbewegung der Festkörperelemente 6, 8 wird in eine Verschiebebewegung der Gliederkette 12 bezüglich der Plat­ teninnenflächen umgesetzt, derart, daß sich ausgehend vom gehäusefesten Ende der Gliederkette 12 die Verschiebebewegungen an den einzelnen Scheitelbereichen in Richtung des Ausgangsgliedes 22 aufaddieren, so daß der Hubweg der Festkörperelemente 6, 8 in einen proportional zur Anzahl der Stellglieder 14 verstärkten Linearhub des Ausgangsgliedes 22 umgesetzt wird. Infolge der additiven Hubverstärkung arbeiten die Biegeelemente 16 nur in einem sehr kleinen Winkelverstellbereich, so daß die aus der Biegeverformung resultierenden Randdehnungen der Biegeelemente 16 äußerst gering gehalten und demzufolge hohe Dauerfestigkeiten erzielt werden können.

Im Hinblick auf eine leichtgängige Längsverschieblichkeit der an den Druck­ platten 2, 4 anliegenden Scheitelbreiche der Gliederkette 12 sind die Plat­ teninnenflächen reibungsarm ausgebildet. Um die Flächenpressung zu ver­ ringern, kann ferner die Gliederkette 12 - wie in Fig. 2 bei 26 angedeutet - in den Scheitelbereichen gleitschuhförmig gestaltet sein. Zur Einstellung der Nullage des Ausgangsgliedes 22 ist die Stellschraube 18 vorgesehen.

Der Hubverstärkungsgrad des Übersetzungsmechanismus 2, 4, 12 ist nicht nur von der Anzahl, sondern auch vom Neigungswinkel α der Stellglieder 14 bezüglich der Platteninnenflächen abhängig. Für eine hohe Hubverstärkung wird der Winkel α möglichst groß gewählt, jedoch mit ausreichendem Ab­ stand unterhalb des Selbsthemmungswinkels, um ein Blockieren der Stell­ glieder 14 unter der Wirkung des Plattenhubs mit Sicherheit zu verhindern.

Claims (10)

1. Piezoelektrischer Aktuator, mit mindestens einem bei Anlegen einer elektrischen Spannung län­ genveränderlichen Festkörperelement und einem die Hubbewegungen des Festkörperelements verstärkenden Übersetzungsmechanismus, dadurch gekennzeichnet, daß der Übersetzungsmechanismus (2, 4, 12) zwei übereinander angeord­ nete, mittels des Festkörperelements (6, 8) abstandsvariable Druck­ platten (2, 4) und eine zickzackförmig zwischen den Druckplatten verlaufende, am einen Ende gehäusefest und am anderen Ende mit dem Ausgangsglied (22) des Aktuators verbundene kinematische Gliederkette (12) aus in sich steifen, in den Scheitelbereichen der Gliederkette drehgelenkig miteinander verkoppelten und längsver­ schieblich an den Platteninnenflächen anliegenden Stellgliedern (14) enthält.

2. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gliederkette (12) in Richtung einer Druckbeaufschlagung des Festkörperelements (6, 8) federnd vorgespannt ist.

3. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) der Stellglieder (14) bezüglich der Platten­ innenflächen geringfügig außerhalb des Selbsthemmungswinkels liegt.

4. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (14) über elastische Biegeelemente (16) drehgelenkig miteinander verbunden sind.

5. Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (14) und die Biegeelemente (16) als einstückiges Zickzackband mit einer im Bereich der Biegeelemente reduzierten Wandstärke ausgebildet sind.

6. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gliederkette (12) aus Titan hergestellt ist.

7. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gliederkette (12) als Teilstück eines wechselweise abgewinkelten Endlosbandes hergestellt ist.

8. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (14) in den Scheitelbereichen reibungsarm verschieb­ lich an den Druckplatten (2, 3) abgestützt sind.

9. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatten (2, 4) parallel zueinander ausgerichtet sind.

10. Piezoelektrischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei, jeweils auf eine Druckplatte (2, 4) wirkende Fest­ körperelemente (6, 8) mit zueinander entgegengesetzten Hubrichtun­ gen.