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Piezoelektrischer Antrieb
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die erreichbare Längenänderung ist dabei nicht abhängig von der Anzahl
der mechanisch parallel angeordneten Plättchen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Herstellung und Kontaktierung kann wie folgt erfolgen: Aus einem
kalzinierten Pulver eines Ferroelektrikums (z.B.
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dotierter Blei-Zirkonat-Titanat-Mischkristall) wird durch
isostatisches
Pressen in einer geeigneten Form (z.B.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.