DE19817802B4

DE19817802B4 - Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement

Info

Publication number: DE19817802B4
Application number: DE19817802A
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2018-04-22
Also published as: DE19817802A1

Abstract

Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement auf der Basis von piezoelektrischen Stapeln (S₁...S₃') mit rechteckiger Grundfläche, die aus einer Vielzahl jeweils beidseitig, flächig kontaktierter piezoelektrischer Lamellen bestehen, wobei die äußere Kontaktierung der Lamellen untereinander durch durchgängige Elektroden (6) erfolgt, wobei piezoelektrisch aktive Bereiche (4) solcher piezoelektrischen Stapel vorgesehen sind, an deren einer Seite ein piezoelektrisch passiver Bereich (5) angeordnet ist, der Gebiete beinhaltet, die vom elektrischen Feld, herrührend von den spannungsbeaufschlagten flächigen Kontaktierungen, nur teilweise erfaßt oder unerfaßt sind und die äußeren Elektroden (6) der Bereiche weitestgehend in Richtung der genannten feldreduzierten bzw. feldfreien Gebiete verlagert sind nach DE 196 46 511 C1 , wobei mindestens drei piezoelektrische Stapel (S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃') sternförmig verteilt derart angeordnet sind, daß die piezoelektrisch passiven Bereiche (5) im Zentrum (12) des Systems einander zugeordnet sind, wobei die piezoelektrischen Stapel (S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃') gemeinsam von einer biegesteifen Grundplatte (8) und einer Deckplatte...

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach DE 196 46 511 C1 , welches insbesondere zur Erzeugung mehrachsiger Kippbewegungen und/oder mehrachsiger Translationsbewegungen bis in hohe Frequenzbereiche Verwendung findet.
Piezoelektrische Antriebs- und Verstellelemente sind bereits bekannt. Die vorliegender Erfindung zugrundeliegenden Antriebs- bzw. Verstellelemente sind solche, welchen als aktuatorischen Körper piezoelektrische Stapelantriebe eisetzen. Solche Antriebe sind mit Ihren Vorteilen z. B. ausführlich in Voigt, Konrad: Piezoaktuatorische Antriebe für den industriellen Einsatz. In: F & M Feinwerktechnik, Mikrotechnik, Messtechnik, Jg. 104 1996, Carl Hanser Verlag München, S. 68f–72f. beschrieben. Ebenfalls beschreibt DE 44 45 642 A1 einen solchen Antrieb, bei dem eng benachbarte piezoelektrische Doppelstapel zum Einsatz gelangen und der für vielfältigste Antriebsaufgaben einsetzbar ist. Ein grundsätzlicher Nachteil bei allen bekannten Stapelantrieben besteht darin, daß die erforderlichen äußeren elektrischen Stapelkontaktierungen (vgl. z. B. DE 42 24 284 A1 ) einer erheblichen mechanischen Belastung sowohl im statischen als auch im dynamischen Betrieb unterliegen. Die Stapel sind aus einer Vielzahl übereinander geschichteter, miteinander verbundener und jeweils beidseitig flächig kontaktierter piezoelektrischer Folien aufgebaut. Die äußere Kontaktierung der einzelnen Folien untereinander erfolgt jeweils an sich gegenüberliegenden Längsseiten der Stapel durch eine durchgängige Elektrode, insbesondere eine Lotschicht. Diese Elektroden, als auch feldfreie interaktive Isolationsbereiche sind während der Dehnung und Kontraktion der Stapel höchsten mechanischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt. Beim Betrieb solcher Stapel mit Impulsströmen im Amperebereich und Frequenzen im kHz-Bereich erfahren übliche Stapel Dehnungen von 1...2‰, was die Lastwechselzyklen auf kleiner als 10⁹ deutlich begrenzt. Weiterhin nachteilig bei diesen bekannten Antrieben ist der nicht unerhebliche mechanische Aufwand, um die durch die Stapel erzeugten reinen Translationsbewegungen in Kippbewegungen umzusetzen (vgl. bspw. DE 44 45 642 A1 oder EP 0 574 945 A1 ).
Aus der DE 34 12 014 C1 ist ein aus einzelnen Scheiben aufgebautes piezoaktuatorisches Antriebselement bekannt, bei dem die einzelnen Scheiben einseitig mit einer Kontaktierung in Form von vier Sektoren versehen und mit einer Zentralbohrung versehen sind, durch die ein Spannmittel hindurchgeführt ist.
Aus der US 4,471,256 ist ein hohlzylindrischer Stapel aus piezoelektrischen Keramikelementen bekannt, wobei der Stapel eine äußere sowie eine innere Elektrode aufweist.
Aus der US 5,455,477 ist ein piezoelektrisches Stellelement bekannt, das zwei hintereinander gekoppelte Piezoelemente aufweist.
Die EP 0 790 480 A1 zeigt eine piezoelektrische Kippvorrichtung, mit der Kippbewegungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen realisiert werden können.
Aus der DE 691 19 460 T2 ist es bekannt, innerhalb eines piezoelektrischen Elementes inaktive Abschnitte vorzusehen.
Weiterhin sind nach dem Stand der Technik Bauformen für andere Anwendungen bekannt. Beispielsweise beschreibt DE 196 05 214 A1 ein Ultraschallantriebselement, das typischerweise bei Frequenzen von > 20 kHz arbeitet. In dieser Betriebsart treten nur sehr geringe Hübe und damit geringe mechanische Dehnungen der äußeren Kontakte auf, weshalb dort auch keine besondere Vorschrift für die Anordnung der Elektroden angegeben und erforderlich ist.
Weiterhin sind mehrachsige Kippspiegel der Fa. Physik Instrumente bekannt, bei denen jedoch nur drei einfache piezoelektrische Stapelelemente mit den oben beschriebenen Nachteilen eingesetzt sind.
In DE 196 46 511 C1 ist ein piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement mit einer Laminatstruktur angegeben, das im d₃₃-Modus betrieben, die erforderlichen elektrischen Anschlußkontaktierungen einer wesentlich verminderten mechanischen Belastung aussetzt und insbesondere direkte Kippbewegungen, ohne weitere Mittel zur Bewegungswandlung realisiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Einsatz von piezoaktuatorischen Antriebs- oder Verstellelementen nach DE 196 46 511 C1 ein piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement anzugeben, das eine mehrachsige Kippbewegung um eine beliebige Achse in der x-y-Ebene und/oder mehrachsige Translationsbewegungen in der x-y-Ebene oder in z-Richtung bis in hohe Frequenzbereiche ermöglicht, ohne die Nachteile des Standes der Technik aufzuweisen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsmöglichkeit der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
2 eine Draufsicht auf eine Ausführung nach 1, ergänzt um eine biegesteife Grundplatte und mechanische Spannmittel,
3 eine weitere Ausführungsvariante nach 1 in Draufsicht,
4 eine Anordnungsmöglichkeit von elektrischen Kontaktierungen von piezoelektrischen Stapel bei einer Ausführung nach 3,
5 eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung in Draufsicht,
6 eine Ausführung nach 1 in seitlicher Ansicht mit einem aufgesetztem Hebel zur Erzeugung einer quasi Translationsbewegung und
7 eine modifizierte Ausführungsmöglichkeit nach 1.
Im Rahmen der Erfindung gelangen Antriebs- oder Verstellelemente auf der Basis von piezoelektrischen Stapeln, die aus einer Vielzahl jeweils beidseitig, flächig kontaktierter piezoelektrischer Lamellen bestehen, zum Einsatz, wobei die äußere Kontaktierung der Laminatstrukturen untereinander durch durchgängige Elektroden 6 erfolgt, wobei wenigstens drei piezoelektrisch aktive Bereiche 4 solcher piezoelektrischer Stapel vorgesehen sind, zwischen denen oder an deren einer Seite ein piezoelektrisch passiver Bereich 5 angeordnet ist, der Gebiete beinhaltet, die vom elektrischen Feld, herrührend von den spannungsbeaufschlagten flächigen Laminatkontaktierungen, nur teilweise erfaßt oder unerfaßt sind und die äußeren Elektroden 6 der Bereiche weitestgehend in Richtung der genannten feldreduzierten bzw. feldfreien Gebiete verlagert sind, wobei die piezoelektrischen Stapel S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃' sternförmig verteilt derart angeordnet sind, daß die piezoelektrisch passiven Bereiche 5 im Zentrum 12 des Systems einander zugeordnet sind, wobei die piezoelektrischen Stapel S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃' gemeinsam von einer biegesteifen Grundplatte 8 und einer biegesteifen Deckplatte 9 erfaßt sind, welche miteinander über elastische Spannmittel 10 verbunden und mechanisch vorgespannt sind.
1 zeigt eine erste Ausführungsmöglichkeit eines piezoaktuatorischen Antriebs- oder Verstellelementes in perspektivischer Ansicht, welches als wesentlichste Elemente der Erfindung drei piezoelektrische Stapel S₁, S₂ und S₃ enthält, die sternförmig um eine Achse 12 des Gesamtsystems in einem Winkel von jeweils 120° angeordnet sind. Die einzelnen piezoelektrischen Stapel S₁, S₂, S₃ sind in Laminatstruktur entsprechend DE 196 46 511 C1 ausgebildet und mittig formschlüssig miteinander verbunden. Dabei besitzen die einzelnen Stapel S₁, S₂, S₃ jeweils einen piezoelektrisch aktiven Bereich 4 (schraffierte Darstellung in den Figuren) und einen im Zentrum 12 angeordneten inneren piezoelektrisch passiven Bereich 5, wie es in 2 angedeutet ist. Die einzelnen flächigen Kontaktierungen der piezoelektrischen Lamellen der Stapel sind jeweils durch durchgängige äußere Elektroden 6 miteinander elektrisch verbunden, an die elektrische Zuleitungen 7 angelötet sind. Weiterhin sind in 2 eine biegesteife Grundplatte 8 und Spannmittel 10 ersichtlich. Dabei sind die piezoelektrischen Stapel S₁, S₂, S₃ an ihren Stirnflächen gemeinsam von der biegesteifen Grundplatte 8 und einer biegesteifen Deckplatte 9 erfaßt und miteinander über elastische Spannmittel 10 verbunden und mechanisch vorgespannt, wie es in 6 verdeutlicht ist. Bei einer Ausführung nach den 2 und 5 sollen die Spannmittel 10, die durch federnden Mitteln, z. B. Dehnschrauben, gebildet sind, soweit wie technisch möglich an das Zentrum 12 des Systems verlagert angeordnet sein, wobei sie symmetrisch um einen halben Teilungswinkel zwischen den Stapeln versetzt vorgesehen sind (vgl. 2 und 5).
Wird von einer Ausführung nach 1 geringfügig derart abgewichen, daß die einzelnen piezoelektrischen Stapel S₁, S₂, S₃ geringfügig vom Zentrum 12 des Systems beabstandet sind, wie es in 3 überzeichnet angedeutet ist, lassen sich die äußeren Elektroden 6 an der inneren Schmalseite der Stapel anordnen (vgl. 4) und die elastischen Spannmittel können vorteilhaft durch ein einziges, im Zentrum 12 des zentralsymmetrischen Systems angeordnetes Spannmittel 10 gebildet sein (vgl. 3). Hier ist bei geringem Abstand der Stapelinnenkanten von der Symmetrieachse 12 des Systems eine formschlüssige Verbindung der Stapel S₁, S₂, S₃ über die Vorspannmittel gegeben. Im übrigen weisen in den Beispielen die Stapel S₁, S₂, S₃ Höhe h = 16 mm, Breite b = 7 mm und Tiefe t = 2,5 mm auf und sind jeweils mit einer Maximalspannung von 200 V spannungsbeaufschlagt.
Im Rahmen der Erfindung soll weiterhin gelten, daß die piezoelektrischen Stapel jeweils mit einer variierbaren elektrischen Spannung derart beaufschlagbar sind, daß die Summe der an den einzelnen piezoelektrischen Stapeln anliegenden Spannungen konstant ist, was für reine Verkippungen gilt. Für Translationen in z-Richtung werden die an allen Stapeln anliegenden elektrischen Spannungen um gleiche Beträge geändert.
Im nachstehenden sind beispielhaft unterschiedliche Betriebsweisen des vorgeschlagenen piezoaktuatorischen Antriebs- oder Verstellelementes beschrieben:

1. Eine relative Verkippung zwischen der biegesteifen Grundplatte 8 und der Deckplatte 9 in der x-z-Ebene bei Einsatz von drei Stapeln S₁, S₂, S₃ gemäß den 1, 2, 3, 6. Werden nach obiger Maßgabe die piezoelektrischen Stapel spannungsbeaufschlagt, wobei insbesondere gelten soll: U₁ + U₂ + U₃ = 3·U_max/2, ergibt sich für U₁ = U₂ = U₃ = 100 V eine Parallelstellung von Grundplatte 8 und Deckplatte 9; der Kippwinkel ϕ ist damit ϕ = 0°. Werden n Stapel eingesetzt (n > 3), gilt: U₁ + U₂ + U₃ + ... U_n = n·U_max/2 = konstant. Für U₁ = 200 V, U₂ = U₃ = 50 V ergibt sich Kippung um die y-Achse mit einem Kippwinkel von ϕ_y = +0,17°. Für U₁ = 0 V, U₂ = U₃ = 150 V ergibt sich ϕ_y – 0,17°. Für U₁ = 100 V U₂ = 0 V U₃ = 200 V ergibt sich Kippung um die x-Achse mit ϕ_x = +0,2°. Für U₁ = 100 V U₂ = 200 V U₃ = 0 V ergibt sich ϕ_x = –0,2°.
2. Eine reine Translation in z-Richtung ergibt sich beispielsweise bei einer Ausführung nach 1 und oben genannten Dimensionierungen der Stapel S₁, S₂, S₃, wenn alle Spannungen U₁ U₂ U₃ um einen gleichen Betrag geändert werden: ΔU₁ = ΔU₂ = ΔU₃ = +100 V, dann ergibt sich ein Hub von Δz = 10 μm.
3. Wird, wie in 6 angedeutet, die Deckplatte 9 mit einem hinreichend langen Hebel 13 versehen, um eine übersetzte Bewegung zu erzeugen, kann bei entsprechender Spannungsbeaufschlagung der Stapel quasi eine Translation in der x-y-Ebene am systemabseitigen Hebelende 131 erreicht werden, wohingegen das Gesamtsystem eine Verkippung um den Punkt P erfährt.

Werden hingegen die Sternförmig angeordneten einzelnen piezoelektrischen Stapel jeweils durch je zwei stirnseitig miteinander fest verbundene und voneinander getrennt mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbare piezoelektrische Stapel S₁, S₁'; S₂, S₂'; S₃, S₃' gebildet, wie es in 7 dargestellt ist, sind reine Translationsbewegungen in der x-y-Ebene realisierbar. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die erforderliche Grund- und Deckplatte als auch die Spannmittel in 7 nicht dargestellt. Werden die Stapel S1, S1' und S2, S2' und S3, S3' jeweils antisymmetrisch zu einer konstanten mittleren Spannung von beispielsweise U_max/2 = 100 V angesteuert, so ergibt sich eine Kippung (vgl. 7) des unteren Elementes um den Drehpunkt P und eine genau entgegengesetzte Verkippung des oberen Elementes um den Drehpunkt P'. Die beiden Kippungen kompensieren sich vollständig und es verbleibt ein Parallelversatz der Deckplatte zur Grundplatte.
Werden beispielsweise die Stapel S1–S3 und S1'–S3' in folgender Weise angesteuert: U₁ = 200 V, U₂ = U₃ = 50 V und U₁' = O V, U₂' = U₃' = 150 V, dann ergibt sich eine reine Translation in x-Richtung von 50 μm. Bei einer Ansteuerung U₁ = 100 V, U₂ = 200 V, U₃ = O V und U₁' = 100 V, U₂' = O V, U₃' = 200 V ergibt sich eine reine Translation in y-Richtung von 50 μm.
Das piezoaktuatorische Antriebs- oder Verstellelement kann selbstverständlich auch wie im Beispiel nach den 1 und 2 als reines Kippelement oder z-Translationselement betrieben werden, indem die Stapel S1/S1', S2/S2', S3/S3' jeweils identisch angesteuert werden. Dann verdoppeln sich der Hub in z-Richtung und die Kippwinkel. Der gemeinsame Drehpunkt ist dann nach 7 P''.
Ebenso können passive Verbindungsteile 14 durch Dickenvariation ebenfalls zur Vergrößerung der Translation in der x-y-Ebene im Beispiel nach 7 zwischen den Stirnflächen der piezoelektrischen Stapel eingesetzt sein.
Ein im Rahmen der Erfindung liegendes, konstruktiv aufwendigeres piezoaktuatorsiches Antriebs- oder Verstellelement ist in Draufsicht in 5 angedeutet. Die hier vorgesehenen vier Stapel S₁, S₂, S₃, S₄ bieten jedoch den Vorteil einer leichteren elektrischen Ansteuerung und damit einer problemloseren Translation in nur einer Dimension; x- oder y-Richtung.
Alle Mischformen der drei Grundbewegungen sind möglich und frei kombinierbar. Das piezoaktuatorische Antriebs- oder Verstellelement bietet also die Möglichkeit einer Bewegung in fünf Freiheitsgraden; Translation in x-y-z-Richtung und Kippung in der x-y-Ebene und kann somit bei vielfältigen Einsatzformen Anwendung finden.

S₁–S₄, S₁'–S₃': piezoelektrische Stapel
4: piezoelektrisch aktive Bereiche
5: piezoelektrisch passive Bereiche
6: Elektroden
7: elektrische Zuleitungen
8: Grundplatte
9: Deckplatte
10: Spannmittel
12: Zentrum (Achse)
13: Hebel
131: Hebelende
14: Verbindungsplatte

Claims

Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement auf der Basis von piezoelektrischen Stapeln (S₁...S₃') mit rechteckiger Grundfläche, die aus einer Vielzahl jeweils beidseitig, flächig kontaktierter piezoelektrischer Lamellen bestehen, wobei die äußere Kontaktierung der Lamellen untereinander durch durchgängige Elektroden (6) erfolgt, wobei piezoelektrisch aktive Bereiche (4) solcher piezoelektrischen Stapel vorgesehen sind, an deren einer Seite ein piezoelektrisch passiver Bereich (5) angeordnet ist, der Gebiete beinhaltet, die vom elektrischen Feld, herrührend von den spannungsbeaufschlagten flächigen Kontaktierungen, nur teilweise erfaßt oder unerfaßt sind und die äußeren Elektroden (6) der Bereiche weitestgehend in Richtung der genannten feldreduzierten bzw. feldfreien Gebiete verlagert sind nach DE 196 46 511 C1 , wobei mindestens drei piezoelektrische Stapel (S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃') sternförmig verteilt derart angeordnet sind, daß die piezoelektrisch passiven Bereiche (5) im Zentrum (12) des Systems einander zugeordnet sind, wobei die piezoelektrischen Stapel (S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃') gemeinsam von einer biegesteifen Grundplatte (8) und einer Deckplatte (9) erfaßt sind, welche miteinander über elastische Spannmittel (10) verbunden und mechanisch vorgespannt sind.
Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Spannmittel (10) soweit wie technisch möglich zum Zentrum (12) des Systems angeordnet sind.
Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Spannmittel (10) durch ein einziges, im Zentrum (12) des zentralsymmetrischen Systems angeordnetes Spannmittel gebildet sind.
Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen piezoelektrischen Stapel jeweils durch je zwei stirnseitig miteinander verbundene und voneinander getrennt mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbare piezoelektrische Stapel (S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃') gebildet sind.
Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Stapel zur Erzeugung einer reinen Verkippung jeweils mit einer variierbaren elektrischen Spannung derart beaufschlagbar sind, daß die Summe der an den einzelnen piezoelektrischen Stapeln anliegenden Spannungen konstant ist.
Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der jeweils anliegenden elektrischen Spannungen entsprechend der Beziehung n·U_max/2 = konstant festgelegt ist, wobei n für die Anzahl der eingesetzten Stapel steht und U_max die maximal an einen piezoelektrischen Stapel anlegbare Spannung ist.
Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den stirnseitig miteinander verbundenen Stapeln (S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃') Verbindungsteile (14) vorgesehen sind.