DE3236244A1 - Piezoelektrischer antrieb - Google Patents

Piezoelektrischer antrieb

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DE3236244A1
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DE
Germany
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drive
piezoelectric
piezoelectric drive
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individual
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Withdrawn
Application number
DE19823236244
Other languages
English (en)
Inventor
Johann Dr.rer.nat. 7307 Aichwald Springer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel Lucent Deutschland AG
Original Assignee
Standard Elektrik Lorenz AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/206Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using only longitudinal or thickness displacement, e.g. d33 or d31 type devices

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

  • Piezoelektrischer Antrieb
  • Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb mit zwei zueinander parallelen Stempeln, deren gegenseitiger Abstand durch ein Antriebselement oder mehrere mechanisch parallel angeordnete Antriebselemente veränderbar ist, indem über Elektrodenbeläge an jedes Antriebselement ein elektrisches Feld angelegt wird und durch den sich daraus ergebenden piezoelektrischen Effekt jedes Antriebselement seine Länge ändert.
  • Piezoelektrische Antriebe (auch als piezoelektrische Aktuatoren bekannt) werden in zunehmendem Maße dort eingesetzt, wo schnelle Bewegungen mit kurzem Hub gefordert sind. Dies ist z.B. bei Schwenk-&piegeln der Fall, wie sie zur optischen Abtastung von Bildplatten erforderlich sind. Bei Tintenstrahlschreibern muß in sehr kurzer Zeit eine kleine Flüssigkeitsmenge auf einen hohen Druck gebracht werden. Auch hierfür eignen sich piezoelektrische Antriebe. Piezoelektrische Antriebe sind auch in der Lage, schnell große Kräfte aufzubringen. Sie können damit etwa für schnelle Ventile in Systemen mit hohem Druck eingesetzt werden. Einen guten überblick, sowohl über die Grundlagen, wie auch über Anwendungsbeispiele geben C.G.O'eilL et al. im Artikel Piezomotors - Elektromechanical Muscle" der Society of Automotive Engineers, Inc. (SAH); veröffentlicht in deren "Technical Paper" 800 502 vom Februar 1980.
  • Bei einer bekannten Anordnung ist eine Mehrzahl von Kreisscheiben oder rechteckigen Plättchen aus einem KeramiQ-material mit piezoelektrischen Eigenschaften übereinandergestapelt. Dazwischen sind jeweils elektrische Kontakte angebracht. Die Scheiben oder Plättchen sind senkrecht zu den Kontaktflächen permament polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung von Scheibe zu Scheibe bzw. von Plättchen zu Plättchen abwechselt. An die einzelnen Scheiben oder Plättchen ist über deren Kontaktflächen eine elektrische Spannung anlegbar, deren Polarität der Polarisationsrichtung der einzelnen Scheiben bzw. Plättchen entspricht.
  • Beim Anlegen einer Spannung wird jede Scheibe bzw. jedes Plättchen dünner oder dicker, womit der gesamte Stapel kürzer oder länger wird. Die gesamte Längenänderung ist abhängig von der Anzahl der Scheiben bzw. Plättchen, ihrer Dicke und von der daran angelegten Spannung. Es werden Spannungen im kV-Bereich verwendet An den Rändern besteht die Gefahr von überschlägen bzw. zu hohen Kriec#hströmen. Auch aus schaltungstechnischen Gründen (Schalten hoher Spannungen in kürzester Zeit) sind noch höhere Spannungen unerwünscht.
  • Um möglichst große Gesamtlängenänderungen zu erreichen, muß die Anzahl der Scheiben oder Plättchen möglichst groß sein Der piezoelektrische Effekt wirkt sich nicht nur so aus, daß in Richtung einer angelegten Spannung eine Längenänderung erfolgt, es erf#olgt vielmehr gleichzeitig eine Längenänderung quer zur angelegten Spannung. Bei anderen Ausführungsformen wird diese Längenänderung ausgenutzt.
  • Die erreichbare Längenänderung ist dabei nicht abhängig von der Anzahl der mechanisch parallel angeordneten Plättchen.
  • Wenn dennoch in der Praxis mehrere Plättchen mechanisch parallel angeordnet werden, so zum einen, um größere Kräfte erzielen zu können, zum anderen aber vor allem wegen der damit erzielbaren größeren mechanischen Stabilität. In diesem Fall ist nämlich die erzielbare Längenänderung abgesehen von der Spannung auch proportional zur Länge in Ruhelage. Bei einem langen, dünnen, streifenartigen Plättchen könnte sich zwar eine große Längenänderung ergeben, jedoch würde diese eher zu einem Durchbiegen des Streifens führen als zu einem Auseinanderschieben seiner beiden Enden. Die Schwierigkeiten mit der überschlags- und Kriechstromfestigkeit sind dabei dieselben wie beim ersten Beispiel.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Antrieb zu schaffen, bei dem ein Åntriebselement allein und gegebenenfalls im Zusammenhang mit mehreren eine hohe mechanische Stabilität besitzt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Antriebselement ein Hohizylinder ist, der im wesentlichen senkrecht zu seinen Mantelflächen permanent polarisiert ist, daß auch das angelegte elektrische Feld im wesentlichen senkrecht zu den Mantelflächen orientiert ist und daß die Stempel senkrecht zur Richtung der Mantellinien angeordnet sind.
  • Eine besonders große mechanische Stabilität ergibt sich, wenn der Hohlzylinder kreisringförmigen Querschnitt aufweist. Soll ein möglichst gleichmäßiger Druck über eine größere Fläche ausgeübt werden, so ist es zweckmäßig, mehrere einzelne Antriebseleme#nte nebeneinander anzuordnen, um sie möglichst gleichmäßig über diese Fläche zu verteilen. Bei einer quadratischen Fläche etwa ist eine Anordnung sinnvoll, wie bei den Augen eines die "Fünf'' zeigenden Würfels.
  • Eine sehr kompakte Anordnung, die gleichzeitig eine große Kraft ausüben kann, ergibt sich, wenn mehrere einzelne Hohlzylinder ineinander verschachtelt sind, insbesondere bei einer konzentrischen Anordnung mehrerer kreiszylindrischer Hohlzylinder.
  • Im Falle der ineinander verschachtelten Hohlzylinder, insbesondere wenn deren Abstand voneinander sehr gering ist, ergeben sich Vorteile, wenn die Polarisationsrichtungen der einzelnen Hohlzylinder von innen nach außen abwechseln.
  • In diesem Falle muß auch die Richtung des angelegten elektrischen Felds von innen nach außen jeweils abwechseln Benachbarte und nur durch eine Luftstrecke voneinander getrennten Kontaktflächen tragen damit dasselbe Potential, so daß zum einen die Kontaktierung vereinfacht ist und zum andern keine überschläge auftreten können.
  • In jedem Fall, in dem zwischen zwei zueinander parallelen Flächen zwei oder mehr hohlzylindrische Antriebselemente eingesetzt werden, sollten diese auch untereinander gleiche Wandstärke aufweisen. Werden sie dann auch jeweils an die gleiche Spannung angelegt, so ergibt sich auch immer dieselbe Längenänderung Ein erfindungsgemäß aufgebauter Antrieb hat zudem den Vorteil, daß mit einfachen Maßnahmen verhindert werden kann, daß elektrische überschläge auftreten oder hohe Kriechströme fließen. Erreicht wird dies dadurch, daß jeder Hohlzylinder an seinen beiden ManteLfLächen Elektrodenbeläge zum Anlegen einer Spannung trägt und daß diese Elektrodenbeläge nicht ganz bis an die Stirnseiten heranreichen. Schon durch die hohlzylindrische Form sind freie Ränder weitgehend reduziert. Ränder treten überhaupt nur noch an den beiden Stirnseiten auf. Auch an den Stirnseiten sind die Elektrodenbeläge trotz sehr dünner Wandstärken ausreichend weit voneinander getrennt, wenn sie nicht, oder jedenfalls nicht auf beiden Seiten gleichzeitig, bis an die Stirnseiten heranreichen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.
  • Die Figur zeigt als Ausführungsbeispiel einen in der Länge verkürzten Schnitt durch einen erfindungsgemäß aufgebauten piezoelektrischen Antrieb aus mehreren konzentrisch angeordneten kreiszylindrischen Hohlkörpern. Die Schnittebene ist eine der die Längsachse enthaltenden Symmetrieebenen.
  • twischen einer Deckplatte 2 und einer Grundplatte 3, die jeweils in der Lage sind, Kräfte aufzunehmen und weiterzugeben, sind mehrere (im Beispiel vier) zueinander konzentrische permanent polarisierte Keramikrohre 1 angeordnet. Sie tragen an ihren Mantelflächen Elektrodenbeläge 4, die am oberen und unteren Ende jeweils nicht ganz bis an die Stirnseiten heranreichen. Die von innen nach außen abwechselnde Richtung der permamenten Polarisation t ist durch Pfeile angezeigt.
  • Auf diese Weise können zur Erhöhung der erreichbaren Kraft beliebig viele Keramikrohre konzentrisch ineinander angeordnet werden. Aber auch schon ein einzelnes Keramikrohr 1 wirkt sich, abgesehen von der geringeren Kraft, genauso aus.
  • Sind Deckplatte 2 und Grundplatte 3 nicht rund oder quadratisch, sondern rechteckig, so können statt Hohlzylindern mit kreisförmigem Querschnitt solche mit ellipsenförmigem Querschnitt verwendet werden.
  • Bei größeren Flächen oder, um nicht eine Vielzahl von Keramikrohren 1 mit jeweils verschiedenem Durchmesser herstellen zu müssen, können auch mehrere einzelne Keramikrohre verwendet werden, die möglichst gleichmäßig über die Fläche verteilt werden. Zur weiteren Erhöhung der Kraft können auch mehrere Bündel aus konzentrisch zueinander angeordneten Rohren nebeneinander gestellt werden.
  • Die Herstellung und Kontaktierung kann wie folgt erfolgen: Aus einem kalzinierten Pulver eines Ferroelektrikums (z.B.
  • dotierter Blei-Zirkonat-Titanat-Mischkristall) wird durch isostatisches Pressen in einer geeigneten Form (z.B.
  • Glasstab als Kern und Kunststoffschlauch als Mantel) mit oder ohne Binder ein Rohr gepreßt. Dieses "grüne" Rohr kann durch Drehen und Schleifen auf das gewünschte Maß von z B 5 mm Innendurchmesser und 6 mm Außendurchmesser bei 70 mm Länge gebrauch werden. Anschließend wird das Rohr gesintert und schr-umpft dabei auf se~in Endmaß; Die Wandstärke beträgt dann im Beispiel ca. 0,4 mm. Die Elektroden werden bevorzugt durch chemische Abscheidung aufgebracht (z.B. eine Abfolge von Nickel und Gold). An den Stirnseiten des Rohrs muß das abgeschiedene Material abgeätzt werden, um den Elektrodenbelag auf der Innenseite von dem auf der Außenseite zu trennen. Gleichzeitig kann dabei erreicht werden, daß die Elektrodenbeläge 4 nicht ganz bis an die Stirnseiten heranreichen.
  • Die Verbindung der Keramikrohre 1 mit der Deckplatte 2 und der Grundplatte 3 kann durch Verkleben erfolgen. Dabei kann auch der gesamte Antrieb in Kunstharz eingegossen werden.
  • Zur Kontaktierung können feine Drähtchen an die Elektrodenbeläge angebondet werden. Zum Herausführen der Drähte wird an jeder Stirnseite ein radial verlaufender Schlitz in die Keramikrohre eingefräst.
  • Ist es zulässig, daß Deckplatte 2 und Grundplatte 3 Spannung führen, so können zur Kontaktierung auch Kontaktfedern verwendet werden, welche an der Deckplatte bzw. der Grundplatte befestigt sind.
  • Es ist auch möglich, die Elektrodenbeläge 4 jeweils auf einer Seite bis ganz an die Stirnfläche heranzuführen, möglicherweise sogar die Stirnfläche selbst noch als Elektrodenbelag auszubilden und den Anschluß durch Verlöten von Deckplatte 2 bzw. Grundplatte 3 mit den Elektrodenbelägen herzustellen. In diesem Fall wird damit gleichzeitig auch die mechanische Verbindung hergestellt.
  • Die permanente Polarisation wird dadurch erzeugt, daß ein mit Elektrodenbelägen versehenes Keramikrohr oder auch schon ein fertig montierter piezoelektrischer Antrieb auf eine Temperatur von etwa 200 0c gebracht wird und durch Anlegen einer Spannung von etwa 2000 V polarisiert wird. Wird die Spannung nach dem Abkühlen wieder abgetrennt, so bleibt eine permanente Polarisation zurück.
  • Erfolgt die Polarisierung erst beim fertig montierten Antrieb, so ergibt sich damit von selbst auch die abwechselnde Polarisationsrichtung Im Betrieb wird dann über dieselben Anschlüsse eine Spannung bis zu etwa 1000 V angelegt.
  • Werden die einzelnen Keramikrohre schon vor dem Zusammenbau permanent polarisiert, so ist darauf zu achten, daß sie, auch bei unterschiedlichen Durchmessern, jeweils die gleiche Wandstärke aufweisen, damit im späteren Betrieb bei der gleichen angelegten Spannung auch an allen Keramikrohren die gleiche Längenausdehnung erfolgt.

Claims (8)

  1. Patentansprüche Piezoelektrischer Antrieb mit zwei zueinander parallelen Stempeln, deren gegenseitiger Abstand durch ein Antriebselement oder mehrere mechanisch parallel angeordnete Antriebselemente veränderbar ist, indem über Elektrodenbeläge an jedes Antriebselement ein elektrisches Feld angelegt wird und durch den sich daraus ergebenden piezoelektrischen Effekt jedes Antriebselement seine Länge ändert, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jedes Antriebselement ein Hohlzylinder ist, der im wesentlichen senkrecht zu seinen Mantelflächen permanent polarisiert ist, daß auch das angelegte elektrische Feld im wesentlichen senkrecht zu den Mantelflächen orientiert ist und daß die Stempel senkrecht zur Richtung der Mantellinien angeordnet sind.
  2. 2. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Antriebselement kreisringförmigen Querschnitt aufweist.
  3. 3. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Antriebselemente nebeneinander angeordnet sind.
  4. 4. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Antriebselemente ineinander verschachtelt sind.
  5. 5. Piezoelektr-ischer Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet-, daß die Polarisationsrichtungen der einzelnen Antriebselemente von innen nach außen abwechseln.
  6. 6. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Antriebselemente gleiche Wandstärke aufweisen und an die gleiche Spannung angelegt sind.
  7. 7. Piezoelektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die El#ektrodenbeläge (4) auf die Mantelflächen jedes Hohizylinders aufgebracht sind.
  8. 8. Piezolektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenbeläge (4) nicht ganz bis an die Stirnseiten heranreichen.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4302457A1 (de) * 1993-01-29 1994-08-04 Schlattl Werner Bavaria Tech Punktschweißzange und Betätigungselement für eine solche Zange
DE4323148A1 (de) * 1993-07-10 1995-01-12 Audi Ag Vorrichtung zum Widerstandsschweißen von Blechen
CN103018502A (zh) * 2012-12-13 2013-04-03 江苏达胜加速器制造有限公司 一种用于电子枪试验装置的可变长度绝缘管

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4302457A1 (de) * 1993-01-29 1994-08-04 Schlattl Werner Bavaria Tech Punktschweißzange und Betätigungselement für eine solche Zange
DE4323148A1 (de) * 1993-07-10 1995-01-12 Audi Ag Vorrichtung zum Widerstandsschweißen von Blechen
DE4323148B4 (de) * 1993-07-10 2004-04-22 Audi Ag Vorrichtung zum Widerstandsschweißen von Blechen
CN103018502A (zh) * 2012-12-13 2013-04-03 江苏达胜加速器制造有限公司 一种用于电子枪试验装置的可变长度绝缘管
CN103018502B (zh) * 2012-12-13 2015-02-04 江苏达胜加速器制造有限公司 一种用于电子枪试验装置的可变长度绝缘管

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