DE3241601A1 - Elektrisch zu betaetigendes stellglied - Google Patents

Elektrisch zu betaetigendes stellglied

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DE3241601A1 DE19823241601 DE3241601A DE3241601A1 DE 3241601 A1 DE3241601 A1 DE 3241601A1 DE 19823241601 DE19823241601 DE 19823241601 DE 3241601 A DE3241601 A DE 3241601A DE 3241601 A1 DE3241601 A1 DE 3241601A1
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Peter Dipl.-Phys. 8000 München Kleinschmidt
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen. Berlin und München -3- YPA .$2 P "1 0.0 3 OE ■
Elektrisch zu betätigendes Stellglied. '
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stellglied, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Aus den deutschen Offenlegungsschriften 30 40 563 (80 P 7188) und 30 48 631 (80 P 806t) sind piezoelektrische Stellglieder bekannt 7 die ein oder mehrere Lamellenpakete haben, in denen die Lamellen sich mit ihrer Längsrichtung in Betätigungsrichtung des Stellgliedes erstrekken und nebeneinanderliegend miteinander verbunden sind. Zwischen den Lamellen bzw. auf den Hauptflächen der einzelnen Lamellen sind Elektroden vorhanden, mit denen ein in Dickenrichtung der Lamellen gerichtetes jeweiliges elektrisches Feld im Material der Lamellen (durch Anlegen entsprechender elektrischer Spannung } erzeugt werden kann« Man kann mit solchen Stellgliedern mit Lamellenpaketen trotz der Tatsache, daß nur der d-z^·-Effekt ausgenutzt wird, erhebliche mechanische Stellgrößen durch Anlegen elektrischer Spannungen erreichen« Diese Stellgrößen sind aber im Regelfall dennoch so klein, daß sie nicht ohne weiteres mit Skalen oder dergleichen erfaßt werden können.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein Stellglied nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Maßnahme anzugeben, mit deren Hilfe die augenblickliche betriebsmäßige Stellauslenkung bzw. -geschwin- digkeir des Lamellenpaketes in einfacher Weise ermittelt werden kann, und zwar insbesondere auch dann, wenn sich
/* und/oder Stellkraft
Bts 1 BIa / 2.11".1982
82 P 20 03 DE
.4-
die Kräfte bzw. Stellauslenkungen in rascher Folge ändern. Mit den weiteren Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe insgesamt erfindungsgemäß gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Ein Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung war die Erkenntnis, daß zuverlässige Messungen nur direkt am Lamellenpaket ausgeführt werden können und etwaige denkbare mechanische Ankopplungen weder die gewünschte Zuverlässigkeit noch Dauerhaftigkeit und Anzeigegenauigkeit erreichen lassen..
Die einzelnen Lamellen des Stellgliedes erzeugen Kraft und mechanische Stellauslenkung bei anliegendem elektrischen Feld aufgrund des piezoelektrischen Effekts. Dieser Effekt ermöglicht aber auch umgekehrt, eine mechanisch erzwungene Auslenkung eines piezoelektrischen Körners mit Hilfe der" dabei auftretenden. LaHting_sverschiebung und seine Kraftwirkung durch die Aufladung quantitativ zu erfassen. Aufbaumäßig und in der Handhabung ist es besonders vorteilhaft, eine der ansonsten zur Erzeugung der Stellauslenkung verwendeten Lamellenals'Meßelement zu reservieren und zu verwenden und dazu wenigstens die eine der-Lamellen-Elektroden gesondert bzw. für gesonderten Anschluß aus dem Lamellenpaket herauszuführen. Die elektrische Messung der augenblicklichen Stellauslenküng erfolgt dann elektrisch zwischen diesem herausgeführten Anschluß und der zugehörigen Gegenelektrode der Lamelle^ die mit den übrigen Gegenelektroden der weiteren Lamellen elektrisch verbunden sein kann. Es können auch beide einander gegenüberliegende Elektroden der für die Messung reservierten Lamelle getrennt herausgeführt sein. /*Um möglichst wenig Stellauslenkung 'bzw. Stellkraft durch die erfindungsgemaße Maßnahme einzubüßen, kann es von Torteil sein, lediglich /* Entsprechendes gilt für eine Kraftmessung. .
auf einem Anteil der Hauptfläche der reservierten Lamelle eine getrennte Elektrode vorzusehen und herauszuführen. Für eine elektrische Messung: genügt nämlich im Regelfall bereits die Aufladung bzw. Ladungsverschiebung, die im Bereich eines Anteils einer einzelnen Lamelle des Lamellenpakets auftritt.
Bei mehreren zu einem einzigen Stellglied gehörenden Lamellenpaketen und insbesondere bei einem Tandem-Elongatorder DE-OS 30 46 631 empfiehlt es sich, in jedem einzelnen Lamellenpaket eine der Lamellen bzw. einen integralen Anteil einer einzelnen Lamelle als Meßelement zu reservieren und diese einzelnen Meßelemente der vorhandenen Lamellenpakete elektrisch additiv miteinander zu verbinden, nämlich so wie die einzelnen Pakete im gesamten Elongator zusammenwirken. Zum Beispiel für einen Elongator nach der Fig.1 der vorgenannten DE-OS, bei dem gleichzeitig das eine Lamellenpaket zur Kontraktion und das andere zur Dilatation angeregt wird, ergibt sich die Gesamt-Meßgröße aus den einzelnen Teil-Meßgrößen der einzelnen Lamellenpakete.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Deteilbeschreibung hervor.
Fi£.1 zeigen ein Stellglied mit nur einem Lamellenpaket, Fig.2 zeigt eine Elektrodenanordnung zur Stellwert-Mes»
. sung. -.-...--Fig.3 zeigt eine Elektrodenanordnung zur Eraftmessung.
Fig.4 zeigt ein Tandem-Stellglied mit mehreren Lamellenpaketen.
Das Stellglied 2 in Fig.1 enthält eine Anzahl wie ersicht-
BAD ORiGiNAL
-^ 82 P 2 0 0 3 DE
. 6-
lieh angeordneter Lamellen 3 aus piezokeramischem Material, zwischen denen sich Zwischenräume 6 befinden, die mit einem die Lamellen 3 verbindenden mechanischen Material ausgefüllt sein können. Solche Zwischenräume 6 sind im Regelfall vergleichsweise zur Dicke der Lamellen 3 - abweichend von der Darstellung der Fig.1 — relativ klein. Es kann für ein solches Lamellenpaket jedoch auch eine Anordnung vorgesehen sein, wie sie zur Fig.1 der DE-OS 30 40 563 beschrieben ist, bei der die Keramiklaraelle-n dicht an dicht liegen.
Die Keramiklamellen 3, 3', 3" sind an ihren Enden in Endstücken 4 und 5 mechanisch gehalten, so daß sie bezüglich ihrer mechanischen Aktivität eine Einheit bilden. Die Lamellen 3 haben auf ihren jeweiligen Hauptflächen die dargestellten Elektroden 7 bzw. 8. Diese Elektroden
7 und 8 sind Elektrode und Gegenelektrode zur betreffenden Lamelle 3. Auf der einen Hauptfläche der einen Lamelle 3' sind eine Elektrode 7' und eine in der FIg.1 nicht sichtbare Elektrode 17 vorgesehen, deren Ausführung aus der Schnittdarstellung der Fig.2 näher ersichtlich ist.
Auf der Elektrode 3" sind (anstelle der Elektrode 7) die Elektroden 7" und 27 vorgesehen, deren Ausführung aus Fig.3 näher ersichtlich ist.
· Für den Betrieb eines Stellgliedes nach Fig,1 werden alle Elektroden 7, 7', 7" einerseits und alle Elektroden
8 andererseits elektrisch untereinander verbunden und elektrisch parallelgeschaltet mit der vorgesehenen elektrischen Stellspannung beaufschlagt. Die Polarisation der Lamellen 3, 3', 3" ist so gewählt, daß für alle diese Lamellen jeweils einheitliches mechanisches Verhalten (Kontraktion oder Dilatation je nach Vorzeichen der elektischen Stellspannung) vorliegt.
82 P 20 0 3 DE
In der Fig.2 ist die Elektrode 71 von vorn sichtbar. Es ist zu erkennen, daß die Elektrode 7f - im Gegensatz zu den übrigen Elektroden 7 (und den Gegenelektroden 8) - nur einen Anteil der ganzen Hauptfläche der Lamelle 3 bedeckt. Abgesehen von einem der elektrischen Isolation dienenden Abstandsstreifen 117 ist ein weiterer Teil dieser Hauptfläche der Lamelle 3 mit einer weiteren Elektrode 17 bedeckt. Dieser weiteren Elektrode 17 steht ein Anteil der auf der Rückseite der in der Fig.2 sichtbaren Lamelle 3 befindlichen Gegenelektrode 3 gegenüber, die auch.Gegenelektrode zur Elektrode 7' ist.
Die Elektrode 7' und der ihr gegenüberliegende Anteil der Gegenelektrode 8 (sowie die übrigen Elektroden 7 und Gegenelektrode 8 der übrigen Lamellen 3) gehören elektrisch und mechanisch zum eigentlichen Stellglied und sind in an sich bekannter Weise elektrisch miteinander, verschaltet.
Die neben der Elektrode 7' vorgesehene weitere Elektrode 17 ist ein Längsstreifen auf der betreffenden -Hauptfläche der Lamelle 3r. Mit dem dieser Elektrode 17 gegenüberliegenden Anteil der (in Fig.2 nicht sichtbaren und auf der Rückseite der Lamelle 3' vorhandenen) Gegenelektrode 8 liegt ein Elektrodenpaar vor, das als ein erfindungsgemäß vorgesehenes, für Messung dar augenblicklichen Stellauslenkung bzw. -geschwindigkeit angepaßtes Meßelement ausgestaltet ist, das derart mechanisch mit dem Rest dieser Lamelle 3' gekoppelt ist, daß auch in dem unter der Elektrode 17 befindlichen Anteil der Lamelle 3! die im Betrieb des Stellgliedes auftretende Dilatation und Kontraktion vorliegt. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts resultiert aus dieser mechanischen Verzerrung
BAD ORIGINAL
eine elektrische LadungsverSchiebung im Material der Lamelle 3f unterhalb der Elektrode 17, die mit Hilfe eines Ladungsverstärkers 200 oder für dynamische Vorgänge mit einem Stromverstärker verstärkt wird. In einem Ladungsverstärker ist die Impedanz Z ein Kondensator und in einem Stromverstärker ein ohmscher Widerstand, Da die Elektrode 17 sich über diejenige gesamte Länge L der Lamelle 3f erstreckt, die im Betrieb einer mechanischen Verzerrung ausgesetzt ist, ergibt sich bei wie vorgesehener Messung der jeweiligen Ladungsverschiebung als ein Integralwert die Stellauslenlcung bzw. .-geschwindigkeit, der für die Lamelle 3' und damit für das gesamte Lamellenpaket gilt. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die Elektrode 17 auch die gesamte betreffende Hauptfläche dieser Elektrode 3' bedecken kann. Es ergibt sich dann zwar ein proportional größeres Ladungssignal für den Verstärker 200, aber diese Lamelle 3' würde dann für den Stellantrieb keinen Beitrag liefern. Für den Fall, daß eine Elektrode 17 kurzer als die Länge L gemacht v/erden würde, muß für die Messung der Stellauslenkung eine entsprechende Korrektur bezüglich des integralen Gesamtverhaltens dieser Lamelle 3' im Paket des Stellgliedes berücksichtigt werden.
Wegen der zur Verfugung stehenden genügend empfindlichen elektronischen Verstärker genügt im allgemeinen, daß die v/eitere Elektrode 17 - wie aus Fig.2 ersichtlich - nur einen Streifenanteil der Lamelle 3' bedeckt. Der Ausgang des Verstärkers 200 ist mit 11 bezeichnet. Bei einem wie lediglich beispielsweise dargestellten misjmmetrischen Anschluß des Verstärkers 200 ist im Regelfall der mit der Gegenelektrode 8 verbundene Anschluß gemeinsamer Massepol.
BAD ORIGINAL
-/- 82 P 2 0 03 DE
A-
Fig.3 zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemäß vorgesehenen weiteren Elektrode 27, die speziell"für die Erfassung der Stellkraft "bzw. Beschleunigungskraft des Stellglieds nach Fig.1 ausgebildet und bemessen ist.
Der noch zur Verfügung stehende Anteil der in Fig.3 in Aufsicht zu sehenden Hauptfläche der Lamelle 3' ist mit einer Elektrode 7" bedeckt, die zusammen mit den Elektroden 7 (und 7') dem eigentlichen Stellbetrieb zur Verfügung steht.
Die weitere Elektrode 27 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite der Lamelle 3" und "vorteilhafterweise nur über einen Anteil der Länge L. Ein-der Fläche der Elektrode 27 entsprechender Anteil der Elektrode 8, die sich auf der Rückseite der Lamelle 3" befindet, ist die Gegenelektrode zur Elektrode 27.
Je nach Anordnung der weiteren Elektrode 27 Bn dem in Fig.3 (v/ie dargestellt) oberen Ende der Lamelle 3" oder am unteren Ende dieser Lamelle wird die dynamische Stellkraft am betreffenden Ende des Stellglieds gemessen, nämlich mit oder ohne Berücksichtigung der Trägheitskräfte des Lamellenpakets selbst. Ist das Endstück 7 das ruhende Teil des Stellglieds, so wird durch die PIazierung der weiteren Elektrode 27 am entgegengesetzten Ende der Lamelle 3" die Beschleunigungskraft am gegenüberliegenden oberen Endteil 4, d.h. ohne die Trägheitskräfte der Lamellen 3, gemessen.
Mit 300 ist ein Spannungsverstärker dargestellt, der die (bei hochohmigem Eingang des Verstärkers 300) auftretende elektrische Spannung zwischen der Elektrode 27 und dem erwähnten Anteil der Gegenelektrode 8 (bei verhindertem
BAD. ORIGINAL :
f 82 P 2 0 0 3 DE
.AO-
Ladungsausgleich) aufnimmt und als verstärktes Leerlaufspannungssignal am Ausgang 311 abgibt*
Durch die oben erläuterte Anordnung der jeweiligen weiteren Lamelle 17 bzw. 27 kann zwischen den beiden Meßgrößen Stellauslenkung und Stellkraft zuverlässig unterschieden werden. Durch Messung der Ladungsverschiebung für die Auslenkung oder der Leerlaufspannung für die Kraft findet auch im dynamischen Fall, bei dem inhomogene mechanische Spannungsverläufe auftreten, eine exakte elektrische Integration über die Elektrodenlänge statt. Weiterhin werden im Großsignalbetrieb Fehler, die durch die Nichtlinearität der elastischen Konstanten auftreten, verringert.
Soweit eine ausreichend große Anzahl von Lamellen in
einem Lamellenpaket 2 eines Stellglieds vorhanden ist, - wird man vorteilhafterweise wie oben erörterte getrennte Lamellen 3' und 3" verwenden, wenn sowohl die Messung der Stellauslenkung als auch der Stellkraft gefordert ist. Prinzipiell können aber entsprechend ausgestaltete weitere Elektroden 17 und 27 auch auf ein und derselben Hauptfläche einer einzigen Lamelle (mit den entsprechenden Anschlüssen für die Verstärker 200 und 300) vorgesehen sein, nämlich indem man die Elektrode 17 um etwas mehr als das Maß der Länge der Elektrode 27"kürzer als die Länge L macht und für die Elektrode 27 die. gesamte Breite der Lamelle zur Verfügung stellt oder daß man die weitere Elektrode 27 um etwas mehr als- das Maß der Breite der Elektrode 17 schmäler als die Breite der Lamelle macht. " .
Fig.3 zeigt ein Tandem-Stellglied der DE-OS 30 48 631, mit einem ersten Lamellenpaket 10 und zwei weiteren
BAD ORfGiNAL
rf 82 P 2 0 03 OE
Lamellenpaketen 11 und 12« Die beiden Lamellenpakete 11 und 12 sind mechanisch miteinander parallelgeschaltet und in Gegenphase zum Lamellenpaket 10 betrieben. Damit erhält man eine resultierende Bewegung des Stellkörpers 34, auf die mit dem Doppelpfeil 20 hingewiesen ist.
Auch in der Fig.3 sind die einzelnen Lamellen unabhängig von ihrer Zugehörigkeit zu einem jeweiligen Paket mit 3 bezeichnet. Eine jede dieser Lamellen hat wiederum Elektroden 7 und Gegenelektroden 8, die in der in der Fig.3 dargestellten Weise elektrisch miteinander für den (gegenphasigen) Tandem-Betrieb verschaltet sind. Mit a, b und f sind die nach, außen geführten elektrischen Anschlüsse zur Zuführung der Stellspannungen bezeichnet, wobei hier drei äußere Anschlüsse vorgesehen sind, um den in der zugehörigen DE-OS 30 48 631 beschriebenen Betrieb mit Energie-Rückgewinnung durchzuführen.
Mit 14 ist auf die Polarisation in den einzelnen Lamellen 3 für das eine Paket 11 hingewiesen.
Mit 25 ist ein Material bezeichnet, das Zwischenräume zwischen Lamellen ausfüllt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Fig.4 hat z.B.. die in der Mitte des Lamellenpakets 10 befindliche Lamelle auf ihrer einen Hauptfläche eine erfindungsgemäß vorgesehene Elektrode 17, der die übliche Gegenelektrode 8 gegenübersteht. Die Elektrode 17 kann wieder ein schmaler Längsstreifen (wie in Fig.2) oder auch eine die gesamte Lamelle 3' bedeckende Elektrode sein. Mit 9 ist wie in Fig.2 der elektrische Anschluß dieser dem Meßelement zugehörenden weiteren Elektrode 17 bezeichnet.
BAD ORIGINAL
82 P 2 0 0 3 DE
Im allgemeinen ist es für einen wie dargestellten und in der DE-OS 30 48 631 beschriebenen Tandem-Elongator ausreichend, eine solche weitere, der Stellwertmessung vorbehaltene Elektrode 17 auf nur einer Lamelle 3' des einen Lamellenpakets 10 vorzusehen, da die beiden anderen Teilpakete 11 und 12 in Funktion mit dem Paket 10 betrieben werden. Das in Fig.4 dargestellte Ausführungsbeispiel hat aber noch eine solche weitere Elektrode 17' auch im Paket 12, die vorzugsweise (wie beim Beispiel der Fig.2) einen Streifen der Hauptfläche der betreffenden Lamelle 3 bedeckt. Damit bleiben die Teilpakete .11 und 12 elektromechanisch im Stellglied praktisch gleichwertig. Bei gleichzeitiger Kontraktion des Pakets 10 und Dilatation der Pakete 11 und 12 werden von den Elektroden 17 und 17' an ihren Anschlüssen 9 und 9' Vorzeichen-entgegengesetzte (bzw. phasenentgegengesetzte Wechsel-)Spannungssignale gegenüber den Gegenelektroden 8 abgegeben, die zur resultierenden Auswertung entsprechend verschaltet der Elektronik des erfindungsgemäß, vorgesehenen Meßelements zugeführt werden.
Die Verwendung einer als ein Meßelement dienenden weiteren Elektrode 17 im einen Lamellenpaket 10 und die Verwendung einer anderen weiteren Elektrode 17' in einem gegenphasig betriebenen Lamellenpaket 12 des Tandem-Elongator s bietet bei der zugehörigen Zusammenschaltung der Anschlüsse 9 und 9' den Vorzug, daß das elektrische Gesamt-Meßergebnis aus den Elektroden 17 und 17' temperaturkompensiert ist.
An die Anschlüsse 9, 9' ist, wie zu Fig.2 beschrieben, ein Verstärker 200 anzuschließen.
BAD
82P 2003DE '43*
Das Stellglied der Fig.4 enthält auch noch eine Lamelle 3", die sich von den Lamellen 3 durch eine Elektrode 27 zur Kraftmessung, diese bezogen auf den Ventilkegel 34, und durch die restliche Elektrode 7" unterscheidet. Der Anschluß der Elektrode 27 ist mit 9" "bezeichnet, an den ein Verstärker 300.anzuschließen ist. ' Übrige Einzelheiten bezüglich der Elektroden 27, 7" gehen aus der Beschreibung zu Fig.3 hervor.
BAD ORlGIiMAL

Claims (7)

  1. 82 P 2 O 03 OE
    Patentansprüche:
    Elektrisch zu betätigendes Stellglied mit Lamellen (3) aus piezoelektrischem Material, deren Längsrichtung sich in Betätigungsrichtung des Stellgliedes erstreckt und die zu wenigstens einem Lamellenpaket miteinander verbunden sind, wobei an den Lamellen auf beiden Hauptflächen Elektroden zum Anlegen der elektrischen Betätigungsspannung vorhanden sind, ge kenn ze ichnet dadurch, daß als Meßelement für die augenblickliche betriebsmäßige Stellauslenkung und/oder -geschwindigkeit wenigstens ein Lamellenpaket (2; 10, 12) wenigstens eine Lamelle (3) enthält, auf deren einer Hauptfläche eine weitere Elektrode (17, 17'), die sich über wenigstens einen wesentlichen Anteil der Länge (L) der Lamelle (3) erstreckt, vorhanden ist, und der auf der gegenüberliegenden Hauptfläche der Lamelle (3) eine Gegenelektrode (8) gegenüberliegt, wobei diese weitere Elektrode (17, 17') einen gesondert herausgeführten elektrischen Anschluß '(9, 9') hat.
  2. 2. Elektrisch zu betätigendes Stellglied mit Lamellen aus piezoelektrischem Material, deren Längsrichtung sich in Betätigungsrichtung des Stellgliedes erstreckt und die zu wenigstens einem Lamellenpaket miteinander verbunden sind, wobei an den Lamellen auf beiden Hauptflächen Elektroden zum Anlegen der elektrischen Betätigungsspannung vorhanden sind, g e k e η η ζ e ichnet dadurch, daß als Meßelement für die augenblickliche betriebsmäßige Stellkraft wenigstens ein Lamellenpaket (2; 10, 12) wenig stens eine Lamelle (3") enthält, auf deren einer Hauptfläche eine weitere Elektrode (27), die sich nur über einen Anteil der Länge (L) und über wenigstens einen
    BAD ORiGlNAL
    wesentlichen Anteil der Breite der Lamelle (3") erstreckt, vorhanden ist, und der auf der gegenüberliegenden Hauptfläche der Lamelle (3") eine Gegenelektrode (8) gegenüberliegt, wobei diese weitere Elektrode (27) einen gesondert herausgeführten elektrischen Anschluß (9") hat.
  3. 3. Stellglied nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die weitere Elektrode (17, 17') nur eine Teilfläche (Fig.2) der betreffenden Lamelle (3) bedeckt.
  4. 4. Stellglied nach Anspruch 1 oder 3,, bekenn-
    Ladungs- bzwr zeichnet dadurch, daß ein/Stromverstärker (200) zur Auswertung am Anschluß (9, 9') der v/eiteren Elektrode (17, 17') vorgesehen ist.
  5. 5. .Stellglied nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die weitere Elektrode (27) nahe demjenigen Ende der Lamelle (3") des Lamellenpakets angeordnet ist, dessen dynamische Stellkraft zu messen ist.
  6. 6. Stellglied nach Anspruch 2 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß ein Spannungsverstärker (300).zur Auswertung am Anschluß (9") der v/eiteren Elektrode (27) vorgesehen ist.
  7. 7. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Lamellenpaket (Fig.1, 4) sowohl eine weitere Elektrode (17, 17') zur Stellwertmessung als auch eine weitere Elektrode.(27) zur Kraftmessung enthält.
    BAD ORiGiNAL
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