DE4140676A1 - Zeitlich versetzte ansteuerung von piezo-scheiben eines piezo-stapel-aktuators - Google Patents

Zeitlich versetzte ansteuerung von piezo-scheiben eines piezo-stapel-aktuators

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DE4140676A1
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DE4140676A
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Werner Dipl Phys Kraeussling
Franz Peyr
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KRAEUSSLING SYSTEMS GmbH
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KRAEUSSLING SYSTEMS GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Landscapes

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

Description

Piezo-Aktuatoren wandeln elektrische Ladung annähernd proportional in eine mechanische Längenänderung um. Die erzielbare Längenänderung ist relativ gering. Für Anwendungen, bei denen Wege im Millimeterbereich gefordert sind, werden mehrere Piezo-Scheiben - unter Einbringung einer isolierenden Schicht zwischen den einzelnen Piezo-Aktuator-Scheiben - kaskadiert aneinander gereiht. Durch die Kumulation der Einzelausdehnungen wird eine Vervielfachung des erzielbaren Hubes erreicht.
Diese Struktur weist Nachteile auf, die durch physikalische und elektrische Effekte hervorgerufen werden. Durch den herkömmlichen Aufbau der Stapel-Aktuatoren ergibt sich eine Parallelschaltung der Kapazitäten der einzelnen Piezo-Scheiben. Durch die Variation der Scheiben ergibt sich beim Einwirken der erforderlichen Energie und des daraus resultierenden Stromes bei sehr hoher Spannung (ca. 1 kV) unterschiedliches Zeitverhalten der Ausdehnung der einzelnen Piezo-Scheiben. Insbesondere weisen die einzelnen Piezo-Scheiben, bedingt durch Fertigungsstreuung, unterschiedliche Dielektrizitäts-Konstanten aus. Dies führt zu unterschiedlichen Ausdehnungen bei gleicher angelegter Spannung.
Der Patentanspruch besteht darin, daß ein Stapel-Piezo (1) so mit elektrischer Energie versorgt wird, daß zu einem Zeitpunkt jeweils nur eine Piezo-Scheibe (2) mit der elektrischen Energie beaufschlagt wird und die Energie in einen mechanischen Weg umgeformt wird.
Nachdem die Piezo-Aktuator-Scheibe nach Umformung der elektrischen Energie ihre Ladung, sowie auch ihren mechanischen Hub beibehält, kann die aktuelle Piezo-Aktuator-Scheibe galvanisch getrennt (3), und eine andere z. B. die nächste mit Energie beaufschlagt werden.
Der mechanische Hub von kaskadierten Piezo-Aktuator-Scheiben wird demzufolge in zeitlichen Teilschritten durchgeführt. Bei der Dynamik einer Piezo-Aktuator-Scheibe, welche im Mikrosekunden-Bereich zugeführte elektrische Energie in mechanische Längenänderung wandelt, wird für die meisten Praxisfälle eine ausreichende zeitliche Änderung der Stapellänge erreicht.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Ansteuerung von Stapel-Piezo-Aktuatoren (1) aufgebaut aus n-Einzelscheiben (2), dadurch gekennzeichnet:
    • (1) daß jede einzelne Piezo-Scheibe (2) eines Piezo-Stapel-Aktuators (1) zeitlich versetzt mit einer elektrischen Energie beaufschlagt wird,
    • (2) daß durch die serielle Aufbringung der elektrischen Energie der erforderliche Strom auf ein n-tel des ansonst für den Gesamt-Stapel erforderlichen Stromes reduziert wird,
    • (3) daß durch die serielle Ansteuerung der einzelnen Piezo-Aktuator- Scheiben (2) die Kapazität des Stapel-Aktuators (1) auf die Kapazität einer einzelnen Piezo-Scheibe (2) reduziert wird. Dies führt zu einer annähernd proportionalen Erhöhung der Strom­ anstiegsgeschwindigkeit,
    • (4) daß durch die zeitversetzte Ansteuerung der einzelnen Piezo-Aktuator- Scheiben eines Piezo-Stapel-Aktuators (1) die unterschiedlichen physikalischen Kenngrößen der einzelnen Aktuator-Scheiben, bedingt durch die unter­ schiedliche Feinstruktur der Kristalle bei den Ansteuerungs- Methoden berücksichtigt werden können. Dabei erfolgt die Umformung der elektrischen Energie in mechanischen Hub mit optimalem Wirkungsgrad,
    • (5) daß z. B. durch die Verwendung von Isolatoren (3) mit Elektroden (4) zwischen den Piezo-Aktuator-Scheiben (2) in Verbindung mit gesteuerten Halbleitern ohne Leistungszuführung an jede Piezo-Aktuator- Scheibe (2) der gesamte Piezo-Aktuator-Stapel (1) über zwei Leitungen gesteuert und versorgt werden kann,
    • (6) daß z. B. durch die gesteuerten Halbleiter-Schalter über die im Wechselstrombereich niederohmigen (nicht mit elektrischer Energie beaufschlagten) Piezo-Aktuator-Scheiben (2) mit elektrischer Energie versorgt werden,
    • (7) daß z. B. die Energiezuführung zu den Halbleiterschaltern so ausgeführt ist, daß der durchgeschaltete Halbleiter nicht abgeschaltet (hochohmig) werden muß. Dies wird erreicht dadurch, daß die mit elektrischer Energie beaufschlagte Piezo-Aktuator- Scheibe (2) im Wechselstrombereich hochohmig wird und somit keine Energie aufnimmt,
    • (8) daß z. B. die Halbleiterschalter zwischen den Elektroden (4) des Isolators (3) extern oder innerhalb der Isolator-Scheiben (3) angebracht sein können,
    • (9) daß z. B. die Halbleiterschalter nur die zugeführte, extern gesteuerte Spannung und den begrenzten Strom schalten müssen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010055620A1 (de) * 2010-12-22 2012-06-28 Epcos Ag Aktor, Aktorsystem und Ansteuerung eines Aktors
US9419199B2 (en) 2010-12-22 2016-08-16 Epcos Ag Actuator, actuator system, and control of an actuator

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US9419199B2 (en) 2010-12-22 2016-08-16 Epcos Ag Actuator, actuator system, and control of an actuator
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