DE19753754C1

DE19753754C1 - Piezoelectric actuator

Info

Publication number: DE19753754C1
Application number: DE19753754A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Zeller
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: ITMI981972A1; IT1302048B1; ITMI981972A0; FR2772210A1

Abstract

The piezoelectric actuator has at least one solid state element whose length is varied by applying an electric voltage and a transmission mechanism (2,4,12) which amplifies the displacement stroke of the solid state element (6,8). The transmission mechanism has two pressure plates (2,4) whose separation is varied by the solid state element and a zigzag-shaped kinetic chain element (12) running between the plates with one end fixed to the housing and the other end connected to the actuator's output element (22). The chain element consists of stiff linked and longitudinally displaceable control elements (14) in contact with the inner plate surfaces.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric actuator according to the Preamble of claim 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.Actuators of this type with a piezoelectric solid element, the expands longitudinally when an electrical voltage is applied and contracted in the transverse direction, are characterized by high positioning speeds ten, a large power development and a high resolution from that are electrically induced changes in length of the solid element however so small that a translation mechanism is assigned to it must be kinematic to the changes in length of the solid element convert into a much larger output stroke of the actuator. At the z. B. from US 4 937 489 known actuator of the aforementioned Kind of consists of the translation mechanism from a lever system massive individual levers and integrally connecting them, through local incisions made of flexible joints. A such a lever system requires an extremely complex Precision manufacturing using the positioning movements of the solid element high gear ratio and high fatigue strength reinforce.

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.The object of the invention is the piezoelectric actuator at the beginning mentioned type so that the manufacturing effort ver ver wrestles and yet a high grade, largely low stroke loss Enlargement of travel of the solid element is achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 ge kennzeichneten Aktuator gelöst.This object is achieved by the ge in claim 1 identified actuator solved.

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. According to the stroke movements of the piezoelectric solid body element on the way over the pressure plates and the kinematic Link chain in transverse sliding movements of the Actuators of the link chain implemented in such a way that the different move the individual actuators in the longitudinal direction of the plate to one proportional to the number of actuators Add up the actuator, with the special feature that the link chain automatically on production-related spacing variations of the printing plates and Adjusting the length differences of the actuators, which means even comparative Larger manufacturing tolerances are compensated for without loss of stroke and there is significantly reduced by the manufacturing effort, with the further Advantage that through the interposition of the link chain plate-shaped design of the translation mechanism an extremely compact, flat design of the actuator according to the invention is achieved.

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.According to claim 2, the link chain is preferably in the direction of Pressurization of the solid element is resiliently biased so that in addition to compensating for manufacturing tolerances, a constant pressure opening of the solid element, which is extremely sensitive in the direction of pull, especially with dynamic actuation tasks of the actuator.

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.Since the gear ratio of the actuator does not only depend on the number, but also with a larger angle of inclination of the actuators with respect to If the inner surface of the plate increases, the angle of inclination of the actuators decreases Claim 3 with regard to the largest possible gear ratio preferably close, but at a sufficient distance outside the Self-locking limit set.

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. A structurally and kinematically particularly preferred embodiment of the Er Finding according to claim 4 is that the hinge points between the Actuators are designed as elastic bending elements, due to the small angular adjustment range means high fatigue strength the elastic bending joints can be achieved. Such a flexurally elastic Aus Formation of the joints has the further advantage that the entire Link chain including the bending elements and actuators, like after Claim 5 preferred, in an extremely simple manner as a production can produce lumpy zigzag tape, according to claim 6 in With regard to the mechanical requirements of the link chain Favorable material properties, preferably made of titanium. According to claim 7 becomes the zigzag band for reasons of cost-effective series production manufactured as a section of an alternately angled endless belt.

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.Preferably, the actuators according to claim 8 to improve the energetic efficiency of the actuator in the crown areas with little friction slidably pressed against the pressure plates. The printing plates can be arrange inclined to each other within wide limits, but there is In most cases, the most favorable installation of the printing plate arrangement in one after Claim 9 preferred parallel alignment.

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.In a further, particularly preferred embodiment of the invention, according to Claim 10 at least two, each acting on a printing plate hard body elements with opposite stroke directions hen. As a result, the changes in length of the two overlap separately controllable solid-state elements on the link chain and are by the together in an additively stroke-reinforced out by the actuators gear movement of the actuator implemented.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbin dung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:The invention is now based on an embodiment in Verbin dung explained in more detail with the drawings. It show in a highly schematic Presentation:

Fig. 1 einen piezoelektrischen Aktuator nach der Erfindung im Schnitt; und Figure 1 shows a piezoelectric actuator according to the invention in section. and

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung des Aktuators nach Fig. 1 im Bereich der kinematischen Gliederkette. Fig. 2 is an enlarged partial view of the actuator of FIG. 1 in the area of the kinematic link chain.

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.The piezoelectric actuator shown in the figures contains two pressure plates 2 , 4 arranged one above the other in parallel, each of which is supported on the actuator housing 10 via a piezoceramic double element 6 or 8 . The double elements 6 , 8 are electrically controllable separately from one another and expand when an electrical voltage is applied in the longitudinal direction, so that the distance A between the pressure plates 2 and 4 is reduced. Between the pressure plates 2 , 4 , a zigzag link chain 12 is used, which consists of surfaces which are alternately inclined with respect to the inside of the plates, rigid actuators 14 , which are flexible in the apex areas of the link chain 12 via integrally formed bending elements 16 , but in the longitudinal direction of the train and rigidly connected. At one end, the link chain 12 is fixedly connected to the actuator housing 10 via an adjusting screw 18 , while the other end of the link chain 12 acts via an intermediate piece 20 rigidly fastened to the last actuator 14 on the output member 22 of the actuator which is guided in a longitudinally displaceable manner in the actuator housing 10 .

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.The link chain 12 is manufactured as a section of an alternately angled endless belt, e.g. B. made of titanium, in an initially uniform, the wall thickness of the actuators 14 corresponding wall thickness, which at closing, approximately in the way of wire erosion, is reduced in the apex areas of the link chain 12 according to the flexural softness of the bending elements 16 re.

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.In the untensioned state, the overall height of the link chain 12 is slightly larger than the mutual plate spacing A, so that the link chain 12 is placed under tension during installation between the pressure plates 2 , 4 and is thus pressed resiliently against the inside of the plates in the region of the bending elements 16 . To reinforce the spring preload, a preload spring 24 acting between actuator housing 10 and output member 22 is additionally provided. In this way it is ensured, on the one hand, that the link chain 12 is kept in constant, play-free contact on the plat inner surfaces in all apex areas regardless of production-related length differences of the actuators 14 or spacing variations of the pressure plates 2 , 4 , and, on the other hand, the tension-sensitive solid-state elements 6 , 8 pretensioned in the direction of pressure and thereby effectively protected against external tensile loads, especially in the case of dynamic actuating tasks of the actuator.

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.If an electrical voltage is applied to the solid-state elements 6 and / or 8 , the plate spacing A and the actuators 14 are reduced, which spreads apart, ie the stroke movement of the solid-state elements 6 , 8 is converted into a sliding movement of the link chain 12 with respect to the inner surfaces of the plates. in such a way that starting from the end of the link chain 12 fixed to the housing, the displacement movements at the individual apex regions add up in the direction of the output link 22 , so that the stroke of the solid elements 6 , 8 is converted into a linear stroke of the output link 22 which is proportional to the number of actuators 14 . As a result of the additive lifting reinforcement, the bending elements 16 work only in a very small angular adjustment range, so that the edge strains of the bending elements 16 resulting from the bending deformation are kept extremely low and consequently high fatigue strengths can be achieved.

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.In view of a smooth longitudinal displacement of the pressure plates 2 , 4 adjacent vertex areas of the link chain 12 , the plat teninnenflächen are designed with low friction. In order to reduce the surface pressure, the link chain 12 - as indicated in FIG. 2 at 26 - can also be designed in the form of a sliding shoe. The adjusting screw 18 is provided for adjusting the zero position of the output member 22 .

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.The degree of stroke amplification of the transmission mechanism 2 , 4 , 12 is dependent not only on the number but also on the angle of inclination α of the actuators 14 with respect to the inner surface of the plate. For a high stroke amplification, the angle α is chosen to be as large as possible, but with a sufficient amount from below the self-locking angle in order to prevent blocking of the actuators 14 under the effect of the plate stroke with certainty.

Claims

1. Piezoelectric actuator, with at least one length-adjustable solid element upon application of an electrical voltage and a reinforcing the lifting movements of the solid element translation mechanism, characterized in that the translation mechanism ( 2 , 4 , 12 ) two superimposed, by means of the solid element ( 6 , 8 ) variable-distance pressure plates ( 2 , 4 ) and a zigzag between the pressure plates, fixed at one end to the housing and at the other end to the output link ( 22 ) of the actuator, kinematic link chain ( 12 ) made of stiff, articulated in the apex areas of the link chain Coupled together and longitudinally sliding on the plate inner surfaces adjuster ( 14 ) contains.

2. Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the link chain ( 12 ) is resiliently biased in the direction of pressurization of the solid element ( 6 , 8 ).

3. Piezoelectric actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the inclination angle (α) of the actuators ( 14 ) with respect to the plates inner surfaces is slightly outside the self-locking angle.

4. Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the actuators ( 14 ) are pivotally connected to one another via elastic bending elements ( 16 ).

5. Piezoelectric actuator according to claim 4, characterized in that the actuators ( 14 ) and the bending elements ( 16 ) are designed as a one-piece zigzag band with a reduced wall thickness in the region of the bending elements.

6. Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the link chain ( 12 ) is made of titanium.

7. Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the link chain ( 12 ) is made as a section of an alternately angled endless belt.

8. Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the actuators ( 14 ) are supported in the apex regions with low-friction displacement on the pressure plates ( 2 , 3 ).

9. Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure plates ( 2 , 4 ) are aligned parallel to one another.

10. Piezoelectric actuator according to one of the preceding claims, characterized by at least two, each on a pressure plate ( 2 , 4 ) acting solid body elements ( 6 , 8 ) with mutually opposite Hubrichtun conditions.