DE3833109A1

DE3833109A1 - Piezoelektrisches stellglied

Info

Publication number: DE3833109A1
Application number: DE3833109A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Meixner; Dieter Stein; Max Goepfert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-09-29
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1990-04-05

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Stell glied mit einer Vielzahl übereinander angeordneter Keramikscheiben.

Bekannte piezoelektrische Stellglieder oder Weggeber besitzen bei einer Keramikscheiben-Dicke von 1 mm eine elektrische Spannungsfestigkeit von ca. 2500 Volt. Dieser Wert liegt im allgemeinen unter der Spannungsfestigkeit des verwendeten Keramik-Materials (größer 5000 Volt). Er wird begrenzt durch:

- Die Spannungsfestigkeit der isolierenden Umhüllung (Epoxid harz) des Weggebers (Elongators) (Kurzschluß über die Kanten der piezoelektrischen Keramiken),
- Hohlräume in der Klebung (gasgefüllte Hohlräume, Kurzschluß über die Kanten der Keramik),
- die Porosität der Keramik (Kurzschluß in der piezoelektrischen Keramik).

Die einschlägigen Hersteller begrenzen die Betriebsspannung derartiqer Weggeber bezogen auf eine Keramik-Scheibendicke von 1 mm auf 1500 bis 2000 Volt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Stellglied oder einen piezoelektrischen Weg geber zu schaffen, der eine Konstruktion aufweist, durch die eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Spannungsfestigkeit gegeben ist, einen vereinfachten technischen Aufbau besitzt und im Vergleich zu einem verklebten Weggeber oder Elongator größere Hübe gestattet.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein piezoelektrisches Stellglied der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Stapel aus Keramikscheiben (Fig. 1) ohne Klebung mittels mechanischer Vor spannung zusammenzuhalten, wobei eine Ausrichtung der Keramik scheiben senkrecht zur Arbeitsachse (Fig. 1a) oder parallel da zu (Fig. 1b) realisierbar ist.

Eine bekannte Lösung (Firma Valvo, Fig. 2) sieht eine äußere metallische Spannhülse zum Zusammenhalten eines Stapels von Keramikscheiben vor.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung (Fig. 1a) der Ausrichtung von piezoelektrischen Scheiben senkrecht zur Arbeitsrichtung (Dickeneffekt d ₃₃) sowie (Fig. 1b) einer Anordnung von piezoelektrischen Streifen parallel zur Arbeitsrichtung (Quereffekt d ₃₁).

Fig. 2 zeigt perspektivische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von auf dem Markt befindlichen Elon gatoren mit Durchmessern von 15 mm, 20 mm, 30 mm.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine strukturierte metallische Elektrode.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, piezoelektrischen Stellgliedes.

Wie in Fig. 4 gezeigt, besteht das piezoelektrische Stellglied aus einem Stapel 1 mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Scheiben, der in einem gas- beziehungsweise flüssigkeitsdichten Gehäuse 2 mit einer mit Flansch versehenen Bodenplatte 2 a und einer vorzugsweise zylindrischen, patronenförmigen Hülse 2 b mit einem Einfüllstutzen 2 c angeordnet ist, wobei der Deckelteil der Hülse 2 b eine Durchlaßöffnung für einen Arbeitsstutzen 3 des Stell gliedes aufweist. Die patronenförmige Hülse 2 b ist gas- bzw. flüssigkeitsdicht mittels eines Dichtungsringes 4 auf den Flansch der Bodenplatte 2 a gesetzt. Der Einfüllstutzen 2 c der Hülse 2 b wird nach einer Füllung mit z. B. S F ₆ oder einem ähnlichen spannungsfesten Medium, gas- bzw. flüssigkeitsdicht verschlos sen. Der Keramikscheiben-Stapel 1 wird mittels eines zwischen dem Deckelteil der Hülse 2 b und den Stapel 1 eingefügten Feder ringes oder einer Schraubenfeder 5 mechanisch vorgespannt. Der Arbeitsstutzen 3 des Stellgliedes ist durch die Durchlaßöffnung unter Verwendung eines weiteren Dichtungsringes 6, der die Hülse 2 b ebenfalls gas- beziehungsweise flüssigkeitsdicht ab schließt, geführt. Die erforderlichen elektrischen Anschlüsse 7, 7′ zur Betätigung des Stellgliedes sind jeweils durch gas- beziehungs weise flüssigkeitsdichte Gehäusedurchführungen nach außen ge führt.

Bei der Füllung mit dem hochspannungsfesten Gas (z.B. SF ₆, Spannungsfestigkeit 30 KV/mm oder einer entsprechenden Flüssig keit (z.B. Freon) werden sämtliche Hohlräume des zusammenge bauten Weggebers oder Stellgliedes sowie die Poren in dem Keramik- Material gefüllt. Der große Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die Spannungsfestigkeit des Stellgliedes oder Elongators nur noch durch die des piezoelektrischen Materials begrenzt ist.

Vorteilhafterweise ergeben sich

- eine erhöhte Spannungsfestigkeit (größer 5000 Volt/mm),
- ein vereinfachter technischer Aufbau,
- im Vergleich zu einem verklebten Stellglied oder Elongator größere Auslenkungen oder Hübe.

Claims

1. Piezoelektrisches Stellglied mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneten piezoelektrischen Scheiben, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Stapel aufnehmendes gas- bzw. flüssigkeitdichtes Gehäuse (2) mit einer mit einem Flansch versehenen Bodenplatte (2 a) und ei ner formmäßig an die Bodenplatte (2 a) angepaßten, vorzugsweise zylindrischen, patronenartigen Hülse (2 b), vorzugsweise mit einem Einfüllstutzen (2 c) vorgesehen ist, daß die Hülse (2 b) mittels eines Dichtungsringes (4) gas- bzw. flüssigkeitsdicht auf die Bodenplatte (2 a) aufgesetzt ist, daß der Stapel (1) die Vielzahl piezoelektrischer Scheiben in loser Schichtung enthält, wobei auf der obersten Scheibe ein Arbeitsstutzen (3) sitzt, der einen vorzugsweise zylindrischen, mittels eines weiteren Dichtungs rings (6) gas- bzw. flüssigkeitsdicht durch eine Öffnung in dem Deckelteil der Hülse (2) nach außen geführten Stößelteil und einen Fußteil mit größerem Durchmesser hat, auf dem ein gegen die innere Oberfläche des Deckelteils abgestütztes Druckfeder element (5) sitzt, das eine feste Packung der Scheiben bewirkt, daß elektrische Anschlußelemente (7, 7′) zur Betätigung des Stellgliedes gas- bzw. flüssigkeitsdicht durch betreffende Öffnungen in der Hülsenwandung nach außen geführt sind und daß das Gehäuse über den gas- bzw. flüssigkeitsdicht verschließbaren Einfüllstutzen (2 c) mit einem hochspannungsfesten gasförmigen oder flüssigen Medium gefüllt ist.

2. Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druck federelement (5) ein Federring ist.

3. Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druck federelement (5) eine Schraubenfeder ist.

4. Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußteil des Arbeitsstutzens (3) auf der dem Druckfederelement (5) zu gewandten Seite eine zum Umfang hin geneigte Oberfläche auf weist.

5. Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) eine innendruckfeste Konstruktion aufweist.

6. Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllung des Gehäuses (1) ein hochspannungsfestes Gas, vorzugsweise SF ₆, verwendet ist.

7. Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllung des Gehäuses (1) eine hochspannungsfeste Flüssigkeit, vorzugs weise Siliconöl, verwendet ist.

8. Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen zwei Scheiben einzulegende metallische Elektroden eine die Feldverteilung begünstigende strukturierte Geometrie (Fig. 3) aufweisen und einen Zutritt des Gases oder der Flüssigkeit zu der Isolation und den Oberflächen der piezoelektrischen Scheiben ermöglichen (Fig. 3).