DE4228974C2 - Piezoelektrischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Aktuatoren sind im Informations- bzw. Datenblatt der Fa. Physik Instrumente (PI) GmbH & Co., 7517 Waldbronn, Juni 1987, beschrieben. Die Vorspannung der Piezoelemente erfolgt dort mittels einer verschraubbaren Befestigungseinrichtung. Bei einer solchen Verschraubung ist es erforderlich, ein die mechanische Vorspannung bewirkendes mechanisches Drehmoment auszuüben. Dieses Drehmoment kann auf die Piezoelemente einwirken, was insbes. deshalb als Mangel angesehen werden muß, weil solche Piezoelemente üblicherweise nur auf Druck beansprucht werden. Auch kann sich ein solches mechanisches Drehmoment auf die Verklebung zwischen benachbarten Piezoelementen der Piezoelement-Säule eines solchen Aktuators nachteilig auswirken.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Aktuator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem zur mechanischen Vorspannung der Piezoelement-Säule kein mechanisches Drehmoment wirksam wird.

Diese Aufgabe wird bei einen piezoelektrischen Aktuator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Aktuators sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit Hilfe des mindestens einen Vorspannelementes aus einer Formgedächtnislegierung erfolgt die mechanische Vorspannung der Piezoelement-Säule einfach durch eine geeignete Formänderung des Vorspannelementes, d. h. durch Veränderung der axialen Abmessung des mindestens einen Vorspannelementes. Zum mechanischen Vorspannen der Piezoelement-Säule wird auf diese kein mechanisches Drehmoment ausgeübt, so daß drehmomentbedingte Beschädigungen einzelner Piezoelemente bzw. Beschädigungen der Verklebung zwischen benachbarten Piezoelementen in vorteilhafter Weise ausgeschlossen sind.

Zweckmäßig ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Aktuator die Piezoelement-Säule mechanisch derartig vorgespannt ist, daß in jedem Belastungs- bzw. Aktivierungszustand der Säule eine mechanische Vorspannung verbleibt. Ein solcher Aktuator eignet sich insbes. zum Einsatz bei zeitlich schnellen Schaltanwendungen. Infolge dieser Einsatzmöglichkeit eignet sich der erfindungsgemäße Aktuator insbes. zur Verwendung bei verformbaren Spiegeln für Teleskope, wie sie z. B. in der DE-Z "Phys. Bl. 44 (1988) Nr. 12, Seiten 439 bis 446 beschrieben sind. Werden bei derartigen Spiegeln nebeneinander und voneinander beabstandet mehrere Aktuatoren angewandt, so führt eine Betätigung eines bestimmten Aktuators dazu, daß mit ihm ungewollt benachbarte Aktuatoren mit betätigt, d. h. quasi in die falsche Richtung beansprucht werden. Um eine solche Beanspruchung in die falsche Richtung zu vermeiden, dient die entsprechende mechanische Vorspannung der Piezoelement- Säule des/jedes Aktuators, wobei die mechanische Vorspannung so groß gewählt wird, daß eine Belastung eines entsprechenden Aktuators gegen diese mechanische Vorspannung zu einem mechanischen Spannungszustand führt, der immer noch in Richtung der besagten Vorspannung wirkt. Das bedeutet jedoch, daß eine Beanspruchung in die falsche Richtung verhindert wird.

Die beiden Zwischenring an den Endabschnitten der Piezoelement-Säule des erfindungsgemäßen Aktuators dienen dazu, mechanische Beschädigungen insbes. der zu den Befestigungsorganen benachbarten, empfindlichen Piezoelemente zu vermeiden. Zu diesem Zweck können die Zwischenringe aus einem geeigneten Metall oder aus einer geeigneten Metallegierung bestehen. Durch den entsprechenden Zwischenring wird gleichzeitig das mindestens eine Vorspannelement von den benachbarten Piezoelementen der Piezoelement-Säule beabstandet, um eine durch das mindestens eine Vorspannelement mögliche Beschädigung der besagten Piezoelemente zu vermeiden, wenn der Aktuator mit Hilfe des Vorspannelementes mechanisch vorgespannt wird.

Demselben Zweck, d. h. einer Vermeidung einer Beschädigung der genannten Piezoelemente an den Endabschnitten der Piezoelement-Säule ist es dienlich, wenn jeder der beiden Zwischenringe mit dem zugehörigen, d. h. mit dem unmittelbar benachbarten Piezoelement verklebt ist. Zu diesem Zweck, d. h. zur Verklebung jedes Zwischenringes mit dem unmittelbar benachbarten Piezoelement kann derselbe Kleber verwendet werden, wie er zur Verklebung der einzelnen Piezoelemente zur Piezoelement-Säule verwendet wird.

Eine einfache Ausbildung des Aktuators wird erzielt, wenn das mindestens eine Vorspannelement von mindestens einem aufgewölbten Tellerring gebildet ist. Das Vorspannelement bzw. der aufgewölbte Tellerring kann aus einer NiTi- Formgedächtnislegierung bestehen.

Eine derartige Formgedächtnislegierung ist bspw. in der DE-Z "Magazin Neue Werkstoffe" 1/87, Seiten 20 bis 22, in der Zeitschrift "JEE", February 1984, Seiten 96 ff oder in der DE-Z der Fa. G. Rau GmbH & Co., "Gedächtnis-Effekt und technisch anwendbare Legierungen" beschrieben, so daß es entbehrlich ist, hierauf detailliert einzugehen. Die besagten Formgedächtnislegierungen ergeben aufgrund einer thermoelastischen Gefügeumwandlung zwischen austenitischem und martensitischem Gefüge nach einer mechanischen Behandlung eine temperaturabhängige Gestaltsänderung. Durch Temperaturänderung kann also zwischen zwei unterschiedlichen Formzuständen des entsprechenden Vorspannelementes hin- und hergeschaltet werden. Wird ein im martensitischen Zustand verformtes Vorspannelement daran gehindert, bei einer Erwärmung über die sog. Austenit- Starttemperatur in ihre ursprüngliche Gestalt umzukehren, so spricht man von dem oben erwähnten unterdrückten Formgedächtnis. Insbes. bei Vorspannelementen aus einer NiTi-Formgedächtnislegierung hat sich gezeigt, daß durch das besagte unterdrückte Formgedächtnis eine erhebliche drehmomentfreie Vorspannkraft erzeugbar ist, die bei einseitiger Anwendung größenordnungsmäßig 800 N und bei beidseitiger Anwendung folglich größenordnungsmäßig bei 1600 N liegen kann.

Um das Vorspannelement auf einfache Weise einer entsprechenden Temperaturänderung unterziehen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das mindestens eine Vorspannelement ein elektrisches Widerstandsheizungselement aufweist. Bei diesem Widerstandsheizungselement kann es sich um eine an sich bekannte Heizfolie handeln, die am Vorspannelement bzw. am aufgewölbten Tellerring an dessen einer Grundfläche befestigt ist.

Ein mit einer relativ hohen Leistung belastbarer Aktuator ergibt sich, wenn der Zentralraum der Piezoelement-Säule zur Kühlung der Piezoelemente vorgesehen ist.

Zur Vermeidung elektrischer Überschläge entlang der Piezoelement-Säule ist es zweckmäßig, wenn die Piezoelement-Säule an ihrem Außenmantel, entlang welchem die einzelnen Piezoelemente miteinander geeignet elektrisch kontaktiert sind, eine elektrisch isolierende Umhüllung aufweist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktuators. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht des Aktuators, und

Fig. 2 eine Diagrammdarstellung der Abhängigkeit der Form des Vorspannelementes aus einer Formgedächtnislegierung in Abhängigkeit von der Temperatur T derselben.

Fig. 1 zeigt teilweise aufgeschnitten einen piezoelektrischen Aktuator 10 mit Piezoelementen 12, die als Ringe ausgebildet sind, und die zu einer Piezoelement- Säule zusammengeklebt sind. Eine Befestigungseinrichtung 14 dient dazu, die Piezoelement-Säule mechanisch auf Druck vorzuspannen. Zu diesem Zweck erstreckt sich durch den Zentralraum 16 der Piezoelement-Säule ein Stangenelement 18 der Befestigungseinrichtung 14 hindurch, das an seinen beiden Endabschnitten 20 und 22 jeweils ein Befestigungsorgan 24 aufweist. Zwischen jedem der beiden Befestigungsorgane 24 und dem jeweils zu diesem benachbarten Piezoelement 12 ist ein Zwischenring 26 aus einem geeigneten Metall bzw. aus einer geeigneten Metallegierung vorgesehen. Zwischen dem in Fig. 1 unteren Zwischenring 26 und dem zu diesem zugehörigen Befestigungsorgan 24 der Befestigungseinrichtung 14 ist ein Vorspannelement 28 aus einer Formgedächtnislegierung vorgesehen, das in Fig. 1 in der die mechanische Vorspannung der Piezoelement-Säule bewirkenden aktiven Stellung gezeichnet ist.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Vorspannelement 28 in der aktiven, d. h. vorspannenden Form einen aufgewölbten Tellerring bildet. In der inaktiven Form bildet das Vorspannelement 28 einen ebenen Ring. Am Vorspannelement 28 ist ein elektrisches Widerstandsheizungselement 30 vorgesehen, das mittels Anschlußelementen 32 an eine Spannungsquelle anlegbar ist, um mit Hilfe des stromdurchflossenen Widerstandsheizelementes 30 das Vorspannelement 28 zu erhitzen, wie nachfolgend in Verbindung mit Fig. 2 noch erläutert wird.

Mit der Bezugsziffer 34 sind die elektrischen Anschlußelemente der Piezoelement-Säule bezeichnet, wobei die die Piezoelement-Säule bildenden Piezoelemente 12 mittels Kontaktelementen 36 geeignet zusammengeschaltet sind. Eine an den Anschlußelementen 34 anliegende elektrische Spannung bewirkt durch Ausnutzung des inversen piezoelektrischen Effektes eine Änderung der entsprechenden Abmessungen der einzelnen Piezoelemente 12. Durch geeignete Polarisation der Piezoelemente 12 wird durch die an den Anschlußelementen 34 anliegende elektrische Spannung einer Dickenänderung der Piezoelemente 12 bewirkt. Auf diese Weise ist es möglich, mit dem Aktuator 10 feinste Stellbewegungen im Bereich einiger Nanometer bis zu einigen Mikrometern auszuführen.

In Abhängigkeit von den Querschnittsabmessungen des Aktuators bzw. der Piezoelemente der Piezoelement-Säule ist es möglich, mit dem Aktuator 10 Druckkräfte bis zu einigen 10³ N aufzunehmen, während Zugkräfte auf kleinere Werte beschränkt bleiben. Die mechanische Vorspannung des Aktuators 10 bewirkt in vorteilhafter Weise eine Vergrößerung der möglichen Zugkräfte, die am Aktuator 10 angreifen können. Das bedeutet, daß der erfindungsgemäße Aktuator 10 insbes. für dynamische Anwendungen z. B. bei Spiegeln für Spiegelteleskope, bei welchen vergleichsweise große Zugbeanspruchungen auftreten können, geeignet ist.

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Form des Vorspannelementes 28 und der jeweiligen Temperatur T am Vorspannelement 28 (sh. Fig. 1). Das Vorspannelement 28 in Form eines Ringes weist im Ausgangszustand bei Raumtemperatur T_R eine ebene Gestalt A, d. h. kleine axiale Abmessungen auf. Wird das ringförmige Vorspannelement 28 mit Hilfe des Widerstandsheizungselementes 30 auf die Temperatur T_2,1 erwärmt, so beginnt die Formgedächtnislegierung austenitisch zu werden. Wird das Vorspannelement 28 weiter erhitzt, so ist bei der Temperatur T_2,2 das gesamte Gefüge der Formgedächtnislegierung austenitisch, wobei sich die Form des Formspannelementes 28 infolge des Formgedächtnisses in die in Fig. 1 gezeichnete eingedellte Tellerringform verändert. Hierdurch wird gleichzeitig eine entsprechende mechanische Vorspannung der Piezoelement-Säule des Aktuators 10 bewirkt. Die Temperatur T_2,2 liegt bei einer NiTi-Formgedächtnislegierung bei ca. 160°C.

Wird das Vorspannelement 28 nach dieser Erhitzung auf die Temperatur T_2,2 wird auf Raumtemperatur T_R abgekühlt, so bleibt die eingedellte Tellerringform des Vorspannelementes, die in Fig. 2 mit B bezeichnet ist, aufrechterhalten.

Eine mechanische Entlastung der Piezoelement-Säule des Aktuators 10 ist möglich, wenn das Vorspannelement 28 von der Raumtemperatur T_R über eine Temperatur T_3,1 auf eine Temperatur T_3,2 abgekühlt wird, wobei das Gefüge der Formgedächtnislegierung bei der Temperatur T_3,1 martensitisch zu werden beginnt und bei der Temperatur T_3,2 das gesamte Gefüge martensitisch ist. Hierbei ergibt sich wiederum eine Formänderung von der die mechanische Vorspannung der Säule bewirkenden eingedellten Ringform B zur ebenen Ringform A, in der dann keine mechanische Vorspannung vorhanden ist. Diese Form wird dann aufrechterhalten, wenn das Vorspannelement 28 von der tiefen Temperatur T_3,2 auf Raumtemperatur T_R erwärmt wird. Die Temperatur T_3,2 beträgt für die erwähnte NiTi- Formgedächtnislegierung ca. -60°C. Eine Abkühlung des Vorspannelementes 28 auf die zuletzt genannte tiefe Temperatur von ca. -60°C kann mittels flüssigen Stickstoffs erfolgen. Durch den zum Vorspannelement 28 benachbarten Zwischenring 26 wird bei einer solchen Abkühlung außerdem eine Beschädigung der zum Vorspannelement 28 benachbarten temperaturempfindlichen Piezoelemente 12 verhindert.

Eine elektrisch isolierende Umhüllung 38 bedeckt den Außenmantel der Piezoelement-Säule, d. h. den Außenmantel des Aktuators 10 und schützt diesen gegen Spannungsüberschläge und Kriechströme.

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Aktuator mit aneinander anliegenden Elementen (12) aus piezokeramischem Material, die mittels einer Befestigungseinrichtung (14) zu einer mechanisch vorgespannten Piezoelement-Säule kombiniert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (12) als Ringe ausgebildet sind, und daß sich durch den Zentralraum (16) der Piezoelement-Säule ein Stangenelement (18) erstreckt, das an seinen beiden Endabschnitten (20, 23) gegen die entsprechenden Piezoelemente (12) drückende Befestigungsorgane (24) aufweist, wobei mindestens eines der Befestigungsorgane (24) mit einem Vorspannelement (28) aus einer Formgedächtnislegierung versehen ist, das bei geeigneter Temperaturänderung (T) zur mechanischen Vorspannung der Piezoelement-Säule seine axiale Abmessung ändert.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelement-Säule mechanisch derartig vorgespannt ist, daß in jedem Belastungs- bzw. Aktivierungszustand der Säule eine mechanische Vorspannung verbleibt.

3. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem der beiden Befestigungsorgane (24) und dem entsprechenden Piezoelement (12) ein Zwischenring (26) vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Vorspannelement (28) zwischen dem Befestigungsorgan (24) und dem zugehörigen Zwischenring (26) angeordnet ist.

4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zwischenring (26) mit dem zugehörigen Piezoelement (12) verklebt ist.

5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Vorspannelement (28) von mindestens einem aufwölbbaren Tellerring gebildet ist.

6. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Vorspannelement (28) aus einer NiTi-Formgedächtnislegierung besteht.

7. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Vorspannelement (28) ein elektrisches Widerstandsheizungselement (30) aufweist.

8. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralraum (16) der Piezoelement-Säule zur Kühlung der Piezoelement (12) vorgesehen ist.

9. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelement-Säule an ihrem Außenmantel eine elektrisch isolierende Umhüllung (38) aufweist.