DE3006973C2

DE3006973C2 - Arrangement for executing a controllable linear movement

Info

Publication number: DE3006973C2
Application number: DE19803006973
Authority: DE
Inventors: Joachim Prof. Dr.-Ing. 8000 München Heinzl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-02-25
Filing date: 1980-02-25
Publication date: 1982-06-09
Also published as: DE3006973A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ausführung einer steuerbaren, linearen Bewegung mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, das durch elektrische Ansteuerung an seinen Kontaktflächen in seinen geometrischen Abmessungen veränderbar ist.The invention relates to an arrangement for performing a controllable, linear movement with a piezoelectric transducer element, which by electrical control at its contact surfaces in its geometric dimensions is changeable.

Bekanntlich steht mit einem Piezokristall ein Mittel zur Umwandlung elektrischer in mechanische Energie zur Verfügung. Der piezoelektrische Effekt beruht darauf, daß in einem polykristallinen Körper durch Anlegen eines starken äußeren Feldes bestimmter Polarität und unter dem Einfluß hoher, jedoch unterhalb des Curiepunktes liegender Temperaturen, die als Dipole aufzufassenden Kristalle sozusagen parallel gestellt werden, und daß diese Polarisation auch nach Abschalten des Feldes und Abkühlen des Körpers erhalten bleibt. Eine dann auf einen solchen kristallinen Körper ausgeübte und eine Deformation bewirkende mechanische Kraft führt zu einer Ladungsverschiebung im Kristall. Versieht man den Körper mit Elektroden, so tritt an diesem in diesem Falle eine Spannung auf. Umgekehrt bewirkt das Anlegen einer Spannung an die Elektroden eines solchen Körpers eine Deformation, die sich z. B. bei einem zylinderförmigen Piezokorper in einer Änderung der radialen und/oder der axialen Abmessungen äußert.As is known, a piezo crystal is a means for converting electrical into mechanical energy to disposal. The piezoelectric effect is based on the fact that in a polycrystalline body through Application of a strong external field of a certain polarity and under the influence of higher but below of the Curie point lying temperatures, the crystals to be understood as dipoles parallel, so to speak are made, and that this polarization also after switching off the field and cooling the body preserved. One then exerted on such a crystalline body and causing a deformation mechanical force leads to a charge shift in the crystal. If you provide the body with electrodes, so in this case a tension occurs at this. Conversely, applying a voltage to the Electrodes of such a body a deformation that z. B. with a cylindrical piezo body in expresses a change in the radial and / or axial dimensions.

Auf diesen Eigenschaften piezoelektrischer Elemente beruht eine bekannte Anordnung zur Erzeugung einer linearen Bewegung (US-PS 35 51 764). Dabei sind im Inneren eines Doppelrohres zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr zwei räumlich getrennte piezoelektrische Elemente vorgesehen, die unabhängig voneinander angesteuert werden, wobei eines ausschließlich zum Festhalten und das andere ausschließlich zur Erzeugung einer Bewegung dient Als problematisch ist das Einlegen der beiden piezoelektrischen Elemente unter Einhaltung dafür notwendiger Toleranzforderungen in das Rohr und die Führung der notwendigen Verdrahtung im Inneren des Rohres für die getrennten piezoelektrischen Elemente anzusehen. Weiterhin wirkt sich auch der durch die Verwendung von zwei getrennten piezoelektrischen Elementen, von denen eines durch eine Vielzahl von stapeiförmig aneinandergereihten Einzelelementen gebildet ist bedingte Aufwand als nachteilig aus.A known arrangement for generating a is based on these properties of piezoelectric elements linear motion (US-PS 35 51 764). There are inside a double pipe between the inner and the outer tube two spatially separated piezoelectric elements are provided, which are independent of each other be controlled, one exclusively for holding and the other exclusively for generating a movement is problematic is the insertion of the two piezoelectric elements underneath Compliance with the necessary tolerance requirements in the pipe and the routing of the necessary wiring view inside the tube for the separate piezoelectric elements. Still works also differ by the use of two separate piezoelectric elements, one of which one formed by a large number of individual elements lined up in a stack is required effort as disadvantageous.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den bekannten Eigenschaften piezokeramischer Körper, eine Anordnung zur Erzeugung einer steuerbaren, linearen Bewegung anzugeben, die nur ein einziges Piezoelement erfordert, und damit sowohl den Aufwand reduziert als auch einen einfachen Aufbau gestattet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß das piezoelektrische Wandlerelement eine zu bewegende Achse rohrförmig umfaßt, daß eine der an seiner inneren und äußeren Mantelfläche angeordneten Kontaktflächen in mindestens drei axial aufeinanderfolgende Kontaktabschnitte unterteilt ist, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind, und daß die den einzelnen Kontaktabschnitten zugeordneten Bereiche des piezoelektrischen Wandlerelementes derart dimensioniert sind, daß bei Ansteuerung der äußeren Kontaktabschnitte der Innendurchmesser des piezoelektrischen Wandlerelementes in dem Bereich dieser Kontaktrbschnitte vergrößert ist und bei Ansteuerung des mittleren Kontaktabschnittes sich die Länge des piezoelektrischen Wandlerelementes in dem Bereich dieses Kontaktabschnitts ändert.The invention is based on the object of specifying, based on the known properties of piezoceramic bodies, an arrangement for generating a controllable, linear movement which requires only a single piezo element and thus both reduces the effort and allows a simple structure.
This object is achieved according to the invention in that the piezoelectric transducer element comprises a tubular axis to be moved, that one of the contact surfaces arranged on its inner and outer circumferential surface is subdivided into at least three axially successive contact sections which can be controlled independently of one another, and that the individual Areas of the piezoelectric transducer element assigned to contact sections are dimensioned in such a way that when the outer contact sections are activated, the inner diameter of the piezoelectric transducer element in the area of these contact sections is increased and when the central contact section is activated, the length of the piezoelectric transducer element changes in the area of this contact section.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen darin, daß nur ein einziges piezoelektrisches Wandlerelement zur Erzeugung sowohl eines Preßsitzes als auch eines Spielsitzes zwischen Achse und Rohr erforderlich ist. Auch ist die Anzahl von elektrischen Zuleitungen erheblich reduziert, und die Verdrahtung insgesamt kann in einfacher Weise aufwandsarm erfolgen. Die Anordnung nach der Erfindung stellt somit einen Linearmotor, insbesondere für langsame Bewegungen dar, der eine extreme Genauigkeit auch bei sehr kleinen Bewegungen gewährleistet, und diese Vorteile mit den Vorteilen eines einfachen, aufwandsarmen Aufbaues verbindet.The advantages of the arrangement according to the invention are that only a single piezoelectric Converter element for generating both a press fit and a clearance fit between the axis and the tube is required. The number of electrical supply lines and the wiring are also considerably reduced overall can be done in a simple manner with little effort. The arrangement according to the invention thus provides a linear motor, especially for slow movements, which offers extreme accuracy even with very small movements guaranteed, and these advantages with the advantages of a simple, low-effort Structure connects.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous refinements are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert. Dort zeigtThe invention is explained below with reference to the drawings. There shows

F i g. 1 in vereinfachter Darstellung das Prinzip des Linearmotors,
F i g. 2 ein Beispiel für die Ansteuerung,F i g. 1 a simplified representation of the principle of the linear motor,
F i g. 2 an example for the control,

F i g. 3 den Bewegungsablauf bei der Ansteuerung nach F i g. 2,F i g. 3 shows the sequence of movements in the control according to FIG. 2,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, mit dem eine Vergrößerung der Durchmesseränderung erreichbar ist.4 shows an exemplary embodiment with which an increase in the change in diameter can be achieved.

In F i g. 1 ist eine Achse von einem rohrförmigen piezoelektrischen Wandlerelement, dem Piezorohr 2 zylinderförmig umgeben. Das Piezorohr 2 besitzt an seiner inneren Mantelfläche eine Kontaktschicht 3. Die Kontaktfläche an der äußeren Mantelfläche ist hier in drei Kontaktabschnitten 4,5 und 6 unterteilt, die jeweils mit getrennten Steueranschlüssen versehen sind. Durch eine getrennte Ansteuerung der einzelnen Kontaktabschnitte 4,5 und 6, wird auf Grund des piezoelektrischen Effektes das die Achse 1 zylinderförmig umschließende Piezorohr 2 jeweils im Bereich des angesteuerten Kontaktabschnittes sowohl axial als auch radial verformt. Das führt sowohl zu einer Verlängerung bzw. zu einer Verkürzung in axialer Richtung als auch zu einer Veränderung des Innendurchmessers des Piezo- is rohres in radialer Richtung. Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist die Dimensionierung der Passung zwischen dem Piezorohr 2 und der Achse 1 so gewählt, daß im Ruhezustand, d. h. bei fehlender Ansteuerung das Piezorohr 2 die Achse 1 im Preßsitz (Preßp-issung), bei Ansteuerung eines Kontaktabschnittes im Bereich dieses Abschnittes jedoch im Spielsitz (Spielpassung) umfaßt. Bei einer Achse, die z. B. einen Durchmesser von 3 mm aufweist, kann eine Umschaltung zwischen einem Preßsitz und einem Spielsitz bereits durch eine Änderung des Innendurchmessers des Piezorohres in der Größenordnung von 2 PromilJ erreicht werden.In Fig. 1 is an axis of a tubular piezoelectric transducer element, the piezo tube 2 surrounded cylindrically. The piezo tube 2 has its inner jacket surface a contact layer 3. The contact surface on the outer jacket surface is here in three contact sections 4,5 and 6 divided, respectively are provided with separate control connections. Through separate control of the individual contact sections 4, 5 and 6, due to the piezoelectric effect, that which encloses axis 1 becomes cylindrical Piezo tube 2 both axially and radially in the area of the controlled contact section deformed. This leads to an elongation or a shortening in the axial direction as well as to a change in the inner diameter of the piezo tube in the radial direction. In the exemplary embodiment according to FIG. 1 the dimensioning of the fit between the piezo tube 2 and the axis 1 is chosen so that that at rest, d. H. if the piezo tube 2 is not actuated, the axis 1 is in a press fit (press fit) Control of a contact section in the area of this section, however, in a play fit (play fit) includes. In an axis that z. B. has a diameter of 3 mm, a switch between a press fit and a play fit by changing the inside diameter of the piezo tube in of the order of 2 per cent can be achieved.

Das Prinzip und die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung wird im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 2 und 3 näher erläutert, wobei in F i g. 2 drei zeitlich aufeinanderfolgende Ansteuerimpulse dargestellt sind und in Fig. 3 die einzelnen Phasen einer Bewegung während eines in Fig.2 dargestellten Ansteuerzyklus angegeben sind. Dabei sind der Übersichtlichkeit wegen die Ansteuerelektroden teilweise nicht mehr dargestellt.The principle and the function of the arrangement according to the invention are described below with reference to FIG F i g. 2 and 3 explained in more detail, with FIG. 2 shows three consecutive triggering pulses and in Fig. 3 the individual phases of a movement during a shown in Fig.2 Control cycle are specified. For the sake of clarity, some of the control electrodes are in this case no longer shown.

Wie in F i g. 2 dargestellt, erfolgt die Ansteuerung der Anordnung an den drei Kontaktabschnitten 4, 5 und 6 zeitlich aufeinanderfolgend mit den Impulsen Ui, U2 und i/3.As in Fig. 2, the control of the arrangement takes place at the three contact sections 4, 5 and 6 in chronological order with the pulses Ui, U2 and i / 3.

Zum Zeitpunkt ί 0 ist die Achse 1 vollständig von dem Piezorohr im Preßsitz umfaßt (Fig.3, Zeile 1). Wird zum Zeitpunkt 11 der erste Kontaktabschnitt 4 angesteuert, so erweitert sich der Innendurchmesser des Piezorohres 2 in diesem Bereich um einen Betrag, der einer Umschaltung von der Preßpassung in eine Spielpassung entspricht und gleichzeitig verlängert sich dieser Bereich um den Wert /1 (F i g. 3, Zeile 2). Zum Zeitpunkt 12 wirJ auch der zweite Kontaktabschnitt 5 angesteuert, wodurch nun auch in diesem Bereich der Preßsitz aufgehoben und das Piezorohr wiederum um den Betrag /1 verlängert wird (Fig.3, Zeile 3). Zum Zeitpunkt f3, zu dem die Ansteuerung des ersten Kontaktabschnittes 4 abgeschaltet wird, umfaßt das Piezorohr 2 in diesem Bereich die Achse 1 wieder im Preßsitz unter gleichzeitiger axialer Verkürzung um den Wert /1. Die Achse 1 ist nun beidseitig festgeklemmt (Fig.3, Zeile 4). Zum Zeitpunkt f4 wird der Kontaktabschnitte erregt und in seinem Bereich ein Spielsitz zwischen Achse und Piezorohr hergestellt, so daß eine axiale Längenänderung des Piezorohres nunmehr nach links um den Wert /1 stattfinden kann (F i g. 3, Zeile 5). Mit der darauf folgenden Abschaltung der Ansteuerung des Kontaktabschnittes 5 zum Zeitpunkt t5 verkürzt sich das Piezorohr um den Wert /1 (F i g. 3, Zeile 6). Schließlich stellt sich zum Zeitpunkt 16 mit der Abschaltung der Ansteuerung am Kontaktabschnitt 6 der ursprüngliche Zustand wieder ein, bei dem das Piezorohr 2 der Achse 1 vollständig den Preßsitz umfaßt (Fig.3, Zeile 7). Allerdings hat während des beschriebenen Ablaufes eine Verschiebung des Piezorohres 2 längs der Achse 1 um den Wert /1 stattgefunden bzw. die Achse 1 ist um den Wert /1 bewegt worden. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jedem Ansteuerzyklus. Es ist somit eine schrittweise axiale Verschiebung erreichbar, wobei die Größenordnung der Verschiebung von den Eigenschaften des für das Piezorohr verwendeten Materials abhängig ist Praktisch lassen sich Längenänderungen in der Größenordnung von 03 Promill pro Schritt erzielen.At the time ί 0, the axis 1 is completely surrounded by the piezo tube in a press fit (FIG. 3, line 1). Is driven at time 1 1 of the first contact portion 4, then the inner diameter of the piezo-tube 2 extends in this area by an amount corresponding to a change of the interference fit in a clearance fit and at the same time, this range is extended by the value / 1 (F i g. 3, line 2). At time 12 , the second contact section 5 is also activated, as a result of which the press fit is now also canceled in this area and the piezo tube is again lengthened by the amount / 1 (FIG. 3, line 3). At the point in time f3, at which the activation of the first contact section 4 is switched off, the piezo tube 2 again encompasses the axis 1 in this area in a press fit with simultaneous axial shortening by the value / 1. The axis 1 is now clamped on both sides (Fig. 3, line 4). At time f4, the contact section is excited and a clearance fit between the axis and the piezo tube is established in its area, so that an axial change in length of the piezo tube can now take place to the left by the value / 1 (FIG. 3, line 5). When the activation of the contact section 5 is subsequently switched off at time t5, the piezo tube is shortened by the value / 1 (FIG. 3, line 6). Finally, at time 1 6 by the closure of the control at the contact portion 6, the original state again, wherein the piezo-tube 2 of the axle 1 is completely the press fit comprises (Figure 3, line 7). However, during the sequence described, a displacement of the piezo tube 2 along the axis 1 by the value / 1 has taken place or the axis 1 has been moved by the value / 1. This process is repeated with each control cycle. A step-by-step axial displacement can thus be achieved, the magnitude of the displacement being dependent on the properties of the material used for the piezo tube.

Unter Berücksichtigung der Eigenfrequenz eines Piezorohres mit einer Länge von z. B. 15 mm können Verschiebungsgeschwindigkeiten bis zu 0,1 m/s erzielt werden.Taking into account the natural frequency of a piezo tube with a length of z. B. 15 mm Displacement speeds of up to 0.1 m / s can be achieved.

Zur Ansteuerung kann ein auf die Eigenfrequenz des verwendeten Piezorohres abgestimmter Impulsgeber verwendet werden. Für langsamere Bewegungen ist es auch möglich, direkt die Phasen des Drehstromes zu verwenden.A pulse generator that is matched to the natural frequency of the piezo tube used can be used for control be used. For slower movements it is also possible to switch the phases of the three-phase current directly use.

Eine Umkehr der Bewegungsrichtung ist ohne weiteres durch eine entsprechende Ansteuerung dadurch erreichbar, daß die einzelnen Ansteuerimpuise Ul, U2 und t/3 in umgekehrter Reihenfolge an die einzelnen Kontaktabschnitte 4, 5 und 6 angelegt werden.A reversal of the direction of movement can easily be achieved by a corresponding control in that the individual control pulses U1, U2 and t / 3 are applied to the individual contact sections 4, 5 and 6 in the reverse order.

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel geht davon aus, daß im Ruhezustand das Piezorohr die Achse im Preßsitz umfaßt. Es ist selbstverständlich auch möglich, einen Ruhezustand in der Weise festzulegen, daß während dieses Zustandes ein Spielsitz zwischen dem Piezorohr und der zu bewegenden Achse besteht.The embodiment shown in Figs assumes that the piezo tube encompasses the axis in a press fit when at rest. It goes without saying also possible to set a state of rest in such a way that a play seat during this state exists between the piezo tube and the axis to be moved.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die Änderung des Innendurchmessers des Piezorohres dadurch vergrößert werden, daß der Durchmesser der Achse erheblich kleiner ist als der Innendurchmesser des Piezorohres, und daß in dem entstehenden Ringspalt ein inkompressibles, elastisches Material eingebracht wird. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt F i g. 4. Hier ist der Durchmesser der Achse 1 erheblich kleiner als der Innendurchmesser des die Achse umgebenden Piezorohres 2. Der verbleibende Ringspalt ist mit einem inkompressiblen, elastischen Material 7, z. B. mit Gummi angefüllt, das einen hohen Reibwert gegenüber der Achse 1 besitzt. In axialer Richtung wird ein Ausweichen des Materials 7 durch Scheiben 8 verhindert, die zur Achse 1 eine Spielpassung besitzen und aus einem Material bestehen, das mit der Achse gute Gleiteigenschaften und einen niedrigen Reibwert aufweist. Damit wird erreicht, daß die Fläche eines Kreisringes im Schnitt normal zur Achse konstant bleibt, so daß folgende Beziehung giltIn an embodiment of the invention, the change in the inner diameter of the piezo tube can thereby be increased be that the diameter of the axis is significantly smaller than the inner diameter of the Piezo tube, and that an incompressible, elastic material is introduced into the resulting annular gap. An exemplary embodiment for this is shown in FIG. 4. Here the diameter of axis 1 is considerably smaller than that Inner diameter of the piezo tube surrounding the axis 2. The remaining annular gap is with a incompressible, elastic material 7, e.g. B. filled with rubber, which has a high coefficient of friction compared to the Axis 1 owns. In the axial direction, the material 7 is prevented from escaping by disks 8, which to axis 1 have a clearance fit and consist of a material that has good sliding properties with the axis and has a low coefficient of friction. This ensures that the area of a circular ring in Section normal to the axis remains constant, so that the following relationship applies

drldrl _ rl (ti rl_ rl (ti rl

In dieser Gleichung ist mit r 1 der Radius der Achse 1, mit r2 der Innenradius des Piezorohres 2, mit drl die Änderung des Radius des Piezorohres und mit dr 1 die Änderung des Radius des elastischen Materials bezeichnet. 1st der Innendurchmesser des Piezorohres 2 beispielsweise dreimal so groß wie der Durchmesser der Achse 1, so ergibt sich eine Verdreifachung der Innendurchmesseränderung bezogen auf die Achse 1.In this equation, r 1 denotes the radius of the axis 1, r2 denotes the inner radius of the piezo tube 2, drl denotes the change in the radius of the piezo tube and dr 1 denotes the change in the radius of the elastic material. If the inside diameter of the piezo tube 2 is, for example, three times as large as the diameter of the axis 1, the result is a tripling of the change in the inside diameter in relation to the axis 1.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for executing a controllable, linear movement with a piezoelectric Converter element, which by electrical control on its contact surfaces in its geometric Dimensions can be changed, characterized in that the piezoelectric transducer element (2) comprises a tubular axis (1) to be moved,

that one of the contact surfaces arranged on its inner and outer circumferential surface is subdivided into at least three axially consecutive contact sections (4, 5, 6) which can be controlled independently of one another,
and that the areas of the piezoelectric transducer element (2) assigned to the individual contact sections (4, 5, 6) are dimensioned in such a way that when the outer contact sections (4, 6) are activated, the inner diameter of the piezoelectric transducer element (2) in the areas of these Contact sections is enlarged and when the central contact section (5) is activated, the length of the piezoelectric transducer element (2) changes in the area of this contact section.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that between the piezoelectric Converter element (2) and the axis (1) an elastic and incompressible material (7) is introduced, which has a high coefficient of friction in relation to the axis (1).

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that to limit an axial expansion of the elastic material (7) disc-shaped delimiting elements (8) are provided, which in the transducer element (2) are arranged and with reference to the axis (1) good sliding properties exhibit.

4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the control by time offset impulses of a pulse generator takes place.