DE4232225A1 - Verschiebungsverstaerker fuer ein piezoelektrisches element - Google Patents

Verschiebungsverstaerker fuer ein piezoelektrisches element

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Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eine Verschiebung eines piezoelektrischen Elementes verstärkt und zur Verwendung in Schwingungstilger und -betätigungsele­ menten vorgesehen ist.
Eine Befestigungseinrichtung zum Tragen eines Fahrzeugmotors an einem Fahrgestell auf solche Weise, daß eine Schwingung verhindert wird, und die ein piezoelektrisches Element umfaßt, das sich entsprechend einer angelegten Spannung deformiert, wurde in Tokkai Sho 59-23 139, Tokkai Sho 59-23 140 und Tokkai Hei 1-1 14 522, veröffentlicht durch das japanische Patentamt, offenbart.
In diesen Befestigungseinrichtungen sind piezoelektrische Elemente und Gummivibrationstilger in Reihe zwischen den Flanschen angeordnet und zwischen dem Motor und dem Fahrgestell mittels Schrauben befestigt.
Das piezoelektrische Element dehnt sich in axialer Richtung aus, wenn eine Spannung daran angelegt wird. Durch Bewirken, daß sich das Element im Gleichlauf mit der Frequenz einer Schwingung ausdehnt und zusammenzieht, um so der Verschiebung des Motors entgegenzuwirken, die durch die Schwingung erzeugt wurde, kann die Schwingung des Motors verhindert werden.
Diese Befestigungseinrichtungen jedoch bestehen aus einer aktiven Dämpfungseinrichtung, das heißt dem piezoelektrischen Element und einer passiven Dämpfungseinrichtung, das heißt den Gummischwingungstilgern, die in Reihe angeordnet sind. Ein Teil des Dämpfungseffektes der aktiven Dämpfungseinrichtung wird daher durch die Gummischwingungstilger absorbiert und der Gesamtdämpfungseffekt wurde folglich um einen entsprechenden Betrag beeinträchtigt.
Verschiebungen des Motors, die der Grund für ein Motorgeräusch oder Beschleunigungsgeräusch sind, haben im allgemeinen eine Größenordnung von 100 µm. Wenn ein piezoelektrisches Element verwendet wird, das eine Verformung von 0,1% oder weniger hat, um diese Schwingung zu verhindern, sollte die Länge des Elementes zumindest 10 cm sein. Die Größe der Vorrichtung erreicht deshalb unbrauchbar große Proportionen zum Befestigen in Kraftfahrzeugen.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, einen Verstärker zum Verstärken der Verschiebung eines piezoelektrischen Elementes zu schaffen.
Es ist außerdem ein Ziel der Erfindung, die Anordnung des zuvor erwähnten Verschiebungsverstärkers zu vereinfachen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine übermäßige Belastung, die auf das piezoelektrische Element in dem zuvor erwähnten Verschiebungsverstärker wirkt, zu verhindern.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Temperaturänderung des Verstärkungsfaktors des zuvor erwähnten Verschiebungsverstärkers zu verhindern.
Es ist ein noch weiteres Ziel der Erfindung, die Schwingung unter Verwendung des zuvor erwähnten Verschiebungsverstärkers wirksam zu tilgen.
Um die obigen Ziele zu erreichen, schafft diese Erfindung eine Verschiebungsverstärkungsvorrichtung zum Verstärken der Verschiebung eines piezoelektrischen Elementes entsprechend einer angelegten Spannung und Übertragen der Verschiebung auf ein Verschiebungsübertragungsteil.
Die Vorrichtung umfaßt ein Tragteil zum Tragen eines Endes des piezoelektrischen Elementes, ein erstes elastisches Abdichtteil, das sich zusammen mit den anderen Ende des piezoelektrischen Elementes bewegt, umfaßt ein zweites elastisches Abdichtteil, das mit dem Verschiebungsübertragungsteil verbunden ist und eine abgedichtete Kammer, die durch das erste und zweite elastische Abdichtteil abgedichtet sind und ein nichtkompressibles Fluid enthalten.
Diese Kammer hat solche Dimensionen, daß die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des ersten elastischen Abdichtteils größer ist, als die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des zweiten elastischen Abdichtteiles.
Es wird bevorzugt, daß das erste elastische Abdichtteil eine Membran und das zweite elastische Abdichtteil ein Balg ist.
Es wird auch bevorzugt, daß die Vorrichtung zudem ein Teil umfaßt, das das Tragteil daran hindert, sich an das Verschiebungsübertragungsteil näher als um einen vorbestimmten -stand anzunähern.
Diese Erfindung schafft außerdem eine Verschiebungsverstärkungseinheit, die ein Tragteil zum Tragen eines Endes des piezoelektrischen Elementes umfaßt, ein erstes elastisches Abdichtteil umfaßt, das sich zusammen mit dem anderen Ende des piezoelektrischen Elementes bewegt, ein zweites elastisches Abdichtteil umfaßt, das mit dem Verschiebungsübertragungsteil verbunden ist, ein Wandungsteil umfaßt, das dem ersten elastischen Abdichtteil gegenüberliegt, eine Kammer umfaßt, die durch das erste und zweite elastische Abdichtteil und das Wandungsteil abgedichtet wird und ein nicht-kompressibles Fluid enthält, und eine Temperaturausgleichseinrichtung umfaßt, die den Abstand zwischen dem Wandungsteil und dem Tragteil in Abhängigkeit von Temperatur ändert.
Die Kammer hat solche Abmessungen, daß die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des ersten elastischen Abdichtteiles größer ist, als die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des zweiten elastischen Abdichtteiles.
Bevorzugterweise umfaßt die Temperaturausgleichseinrichtung ein Laminat einer Formerinnerungslegierung, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der die Wärmeausdehnung der Kammer und die thermische Kontraktion des piezoelektrischen Elementes ausgleicht.
Diese Erfindung schafft auch eine Verschiebungsverstärkungsvorrichtung, die ein Tragteil zum Tragen eines Endes des piezoelektrischen Elementes umfaßt, ein erstes elastisches Abdichtteil umfaßt, das sich zusammen mit dem anderen Ende des piezoelektrischen Elementes bewegt, ein zweites elastisches Abdichtteil umfaßt, das mit dem Verschiebungsübertragungsteil verbunden ist, eine abgedichtete Kammer umfaßt, die durch das erste und zweite elastische Abdichtteil abgedichtet wird und ein nicht kompressibles Fluid enthält, und ein elastisches Teil umfaßt, das das Verschiebungsübertragungsteil auf dem Tragteil außerhalb der Kammer trägt.
Die Kammer hat solche Abmessungen, daß die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des ersten elastischen Abdichtteiles größer ist, als die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des zweiten elastischen Abdichtteiles.
Die Einzelheiten sowie andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind in der übrigen Beschreibung angegeben und in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Motorschwingungstilgers entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Motorschwingung und dem Anteil der Verschiebung des Schwingungstilgers zeigt,
Fig. 3 eine Schnittansicht in Längsrichtung eines Betätigungselementes entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine Ansicht in die Fig. 3, die aber eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, die aber eine vierte Ausführungsform dieser Erfindung zeigt,
Fig. 6 eine Ansicht, ähnlich Fig. 3, die aber eine fünfte Ausführungsform dieser Erfindung zeigt,
Fig. 7 eine Perspektivansicht einer Temperaturaus­ gleichseinrichtung entsprechend einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung,
Fig. 8 ein Diagramm, das die Schwingung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Temperaturausgleichseinrichtung zur Temperatur zeigt,
Fig. 9 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, die aber eine sechste Ausführungsform dieser Erfindung zeigt,
Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der Fig. 3, die aber eine siebte Ausführungsform dieser Erfindung zeigt, und
Fig. 11 eine Ansicht ähnlich der Fig. 3, die aber eine achte Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
Fig. 1 zeigt einen Motorschwingungstilger entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dieser Schwingungstilger ist mit einem piezoelektrischen Element 1 und einem Verschiebungsverstärker 20 ausgerüstet. Der Schwingungstilger ist mit einem Fahrzeuggestell über eine Grundplatte 4 und einer Befestigungsschraube 21 verbunden, und eine Scheibe 5 ist mit dem Motor mittels einer Befestigungsschraube 25 verbunden. Die Grundplatte 4 und die Scheibe 5 wirken jeweils als ein Tragteil und ein Verschiebungsübertragungsteil.
Das piezoelektrische Element 1 ist mit der Grundplatte 4 auf der gegenüberliegenden Seite der Befestigungsschraube 21 befestigt. Das Element 1 kann z. B. ein zylindrisches Teil sein, das dünne Platten eines keramischen Materials, wie z. B. PZT (Blei-Zirkonium-Titanit) und Plattenelektroden umfaßt, die abwechselnd mit den Elektroden in Achsrichtung liegend angeordnet sind. Wenn eine Spannung zwischen die Platten angelegt wird, wird eine Verformung erzeugt, die von der Größe der Spannung solcher Art abhängt, das die Plattendicke vergrößert wird, wobei bewirkt wird, daß sich das Element dehnt. Bei einem 20 mm Element beträgt diese Dehnung ungefähr 10 µm.
Ein überwiegender Anteil des piezoelektrischen Elementes 1 wird von der Spitze des Elementes bis nahe an seine Basis von einer Halterung 2 aufgenommen, welche ein zylindrisches Teil ist und die mit einem Flansch 2c an ihrer Bodenöffnung versehen ist. Der Verschiebungsverstärker 20 umfaßt diese Halterung 2 und eine Membran 3, die ein erstes elastisches Abdichtteil ist, umfaßt einen Metallbalg 11, der ein zweites elastisches Abdichtteil ist, und umfaßt ein Gehäuse 7. Diese Bauteile bilden zusammen eine abgedichtete Kammer 9, die ein Fluidmedium 10 enthält. Bevorzugterweise ist dieses Fluidmedium 10 ein Öl mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Silikonöl oder Glyzerinöl.
Das Gehäuse 7 ist ein flaches zylindrisches Teil mit einem großen Durchmesser, und die Basis des Balges 11 ist an einer Öffnung mit dem Oberteil des Gehäuses 7 verschweißt. Die Halterung 2 springt durch diese Öffnung innerhalb des Balges 11 hervor.
Der Balg 11 weist ein ebenes oberes Stück auf, das die Scheibe 5 auf der Unterseite der Befestigungsschraube 25 trägt.
Die Membran 3 ist kreisförmig, und ist aus einem biegsamen Material, wie z. B. einer Grünkupferplatte, ausgebildet. Ihr äußerer Rand ist mit dem Innenumfang des Gehäuses 7 verschweißt, und ihr Innenumfang ist mit dem Flansch 2c der Halterung 2 verschweißt. Der Durchmesser der Membran 3 ist um einen vorbestimmten Betrag größer festgelegt, als der Durchmesser des Balges 11. Die Verschiebung des Balges 11 wird deshalb im Vergleich zur Verschiebung der Membran 3 um ein nachstehend beschriebenes Verhältnis verstärkt.
Das Fluidmedium 10 wird in die Kammer 9 aus einer Einfüllöffnung 13 eingebracht, die in dem Gehäuse 7 vorgesehen ist, und die Kammer 9 wird dann durch Einpressen einer Kugel 14 in die Öffnung 13 abgedichtet.
Der Raum zwischen der Membran 3 und der Grundplatte 4 ist zur Atmosphäre hin offen.
Ein Gummischwingungstilger 6 ist außerhalb des Gehäuses 7 und des Balges 11 vorgesehen. Der Schwingungstilger 6, der zwischen der Grundplatte 4 und der Scheibe 5 eingespannt ist, trägt die Grundplatte 4 und die Scheibe 5 parallel zu dem Verschiebungsverstärker 20.
Die Verdrahtung zur Zuführung an das piezoelektrische Element 1 wird von außerhalb durch das Gehäuse 7 und den Gummischwingungstilger 6 geführt. Der Strom, der dem Element 1 zugeführt wird, wird mittels einer Steuereinheit gesteuert, die einen Kurbelwinkelsensor 30, einen Steuerkreis 31 für das piezoelektrische Element und einen Hochgeschwindigkeits-Leistungsverstärker 32 umfaßt.
Der Kurbelwinkelsensor 30 weist den Kurbelwinkel nach und gibt ein Kurbelwinkelsignal basierend auf dem nachgewiesenen Wert an den Steuerkreis 31 ab. Der Steuerkreis 31 gibt ein synchronisiertes Spannungssteuersignal basierend auf dem Kurbelwinkelsignal ab. Der Hochgeschwindigkeits-Leistungsverstärker 32 verstärkt das Spannungssteuersignal und legt die verstärkte Spannung an das piezoelektrische Element 1 an.
Wenn eine Spannung an das piezoelektrische Element 1 von dem Hochgeschwindigkeits-Leistungsverstärker 32 angelegt wird, dehnt sich das Element 1 in Abhängigkeit von der Größe der Spannung, und die Halterung 2 bewegt sich in der Richtung, wie sie durch den Pfeil in Fig. 1 gezeigt wird, während sich die Membran 3 verformt.
Als ein Ergebnis dessen vermindert sich das Volumen des Raumes, der von der Membran 3 und dem Gehäuse 7 umschlossen ist, und eine Menge des Fluidmediums 10 entsprechend dieser Minderung wird in Balg 11 durch den Spalt zwischen der Halterung 2 und dem Gehäuse 7 gedrückt. Das Fluidmedium 10, das in den Balg 11 geströmt ist, drückt die Scheibe 5 nach oben, wenn sich der Balg 11 dehnt, und der Zwischenraum zwischen der Grundplatte 4 der Scheibe 5 wird größer.
Der mittlere Durchmesser des Balges 11 (Mittelwert des Außendurchmessers und Innendurchmessers) ist kleiner als der Durchmesser der Membran 3 (Innendurchmesser des Gehäuses 7). Die Verschiebung der Halterung 2 wird deshalb durch das Flächeninhaltsverhältnis der Kreise, die diese Durchmesser haben, vergrößert und wird auf die Grundplatte 4 übertragen.
Wenn z. B. der Durchmesser der Membran 3 30 mm beträgt und der mittlere Durchmesser des Balges 11 9,5 mm ist, beträgt das Flächeninhaltsverhältnis annähernd 10 : 1. Die Grundplatte 4 wird deshalb annähernd um 100 µm verschoben, wenn die Halterung 2 um 10 µm verschoben wird.
In dem Fall einer Motorschwingung, die ein Motorgeräusch und ein Beschleunigungsgeräusch bewirkt, ist die maximale Verschiebung, die hinsichtlich dieser Schwingung auftritt, annähernd 100 µm. Um diese Schwingung zu unterdrücken, sollte deshalb an der Motorbefestigung eine Verschiebung von annähernd 100 µm phasenverschoben aufgebracht werden, und der Verstärkungsfaktor des Verschiebungsverstärkers 20 sollte in der Größenordnung von 10 liegen.
Fig. 2 ist ein vergleichendes Diagramm, das die Motorschwingungsamplitude und den Dehnungsbetrag des piezoelektrischen Elementes basierend auf ihrer Beziehung zum Kurbelwinkel zeigt. Diese Kurve ist der Ausgang, der durch Passieren relativ hoher Frequenzschwingungen durch einen Hochpaßfilter erzielt wird, die das Motorgeräusch und Beschleunigungsgeräusch bewirken. In einem Vierzylinder-Viertaktmotor sind die meisten Schwingungen zweiter Ordnung. Durch Bewirken, daß sich das piezoelektrische Element 1 der Befestigungseinrichtung in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel, der von dem Kurbelwinkelsensor 30 nachgewiesen wird, dehnt, wird eine Schwingung mit entgegengesetzter Phase zur Schwingung zweiter Ordnung des Motors erzeugt, so daß die Motorschwingung unterdrückt wird. In dem Maße, wie die Schwingungsamplitude sich mit der Motordrehzahl ändert, ändert der Steuerkreis 31 für das piezoelektrische Element das Spannungssteuersignal in Abhängigkeit von der Motordrehzahl solcher Art, daß ein verbesserter Dämpfungseffekt erzielt wird.
Die Schwingungen relativ geringer Frequenz, wie z. B. jene, die auftreten, wenn der Motor im Leerlauf befindlich ist oder holpert, werden durch den Gummischwingungstilger 6 absorbiert.
Die statische Belastung des Motors wird durch den Gummischwingungstilger 6 und das piezoelektrische Element 1 aufgeteilt, und die statische Belastung, die von dem Element 1 getragen wird, ist so festgelegt, daß eine optimale Spannungs-Verschiebungs-Kennlinie erzielt wird. Diese Belastungsaufteilung verhindert darüberhinaus eine Ermüdungserscheinung des Balges 11 hinsichtlich des hohen Druckes innerhalb der Kammer 9 und verlängert die Lebensdauer der Vorrichtung.
Die Zugbeanspruchung und die Scherspannung, die zwischen der Grundplatte 4 und Scheibe 5 erzeugt werden, wirken nicht direkt auf das Element 1, da das Fluidmedium 10 und der Balg 11 als Polster wirken, um eine Schädigung des Elementes 1 zu verhindern.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform dieser Erfindung, bei der der Verschiebungsverstärker für ein piezoelektrisches Betätigungselement angewendet wird.
In dieser Ausführungsform ist das Gehäuse 7 in ein oberes Gehäuse 7a und ein unteres Gehäuse 7b unterteilt, und das obere Ende des Balges 11 ist mit dem Außenumfang der Scheibe 5 verschweißt. Die Bodenfläche der Halterung 2 steht in engem Kontakt mit der oberen Fläche des piezoelektrischen Elementes 1, und die untere Fläche des Elementes 1 ist mit der Grundplatte 4 befestigt.
Die Grundplatte 4 ist in das untere Gehäuse 7b eingeschraubt, und ihre Drehung wird mittels einer Feststellmutter 12 festgelegt.
Wenn eine Spannung in die Zuführungsdrähte 1a angelegt wird, dehnt sich das piezoelektrische Element 1, und die Halterung 2 bewegt sich in der Richtung, wie das durch den Pfeil in Fig. 3 gezeigt ist.
In der Halterung 2 ist ein zylindrisches hohles Teil 2b ausgebildet, und ein Positionsbegrenzungsstab 8 ist in dem zylindrischen Hohlraum 2b solcherart befestigt, daß sein oberes Ende über die Halterung 2 hervorsteht.
Eine kreisförmige Nut 2a ist ebenfalls in der Halterung 2 ausgebildet, wobei der innere Rand der Membran 3 in dieser kreisförmigen Nut 2a befestigt ist. Der äußere Rand der Membran 3 ist zwischen dem oberen Gehäuse 7a und dem unteren Gehäuse 7b eingespannt.
Die Kammer 9, die sich innerhalb des Balges 11 erstreckt, ist oberhalb der Membran 3 ausgebildet, und eine atmosphärische Kammer 15 ist unterhalb der Membran innerhalb des Gehäuses 7 ausgebildet.
Die Länge, um die der Positionsbegrenzungsstab 8 von der Halterung 2 hervorsteht, ist solcherart festgelegt, daß er gerade die Scheibe 5 berührt, wenn die Membran 3 und der Balg 11 in ihrer Anfangsposition befindlich sind, das heißt, wenn kein Strom durch das piezoelektrische Element 1 hindurchtreten und keine äußeren Kräfte zwischen der Grundplatte 4 und der Scheibe 5 wirken.
Das piezoelektrische Betätigungselement wird deshalb in der folgenden Reihenfolge montiert.
(1) Die Membran 3, die Halterung 2 und Balg 11 werden an dem unteren Gehäuse 7b angebracht.
(2) Die Überlappung zwischen der Scheibe 5 und dem Balg 11 wird eingestellt, und die beiden Teile werden miteinander verschweißt, wobei der Balg in seiner Anfangsposition befindlich ist, währenddessen der Zwischenraum zwischen der oberen Fläche 7d des oberen Gehäuses 7a und der oberen Fläche 5a der Scheibe 5 mittels einer Vorrichtung beibehalten wird.
(3) Mit der noch fixierten Vorrichtung wird der Positionsbegrenzungsstab 8 durch die Unterseite des zylindrischen hohlen Teiles 2b eingesetzt. Das obere Ende des Stabes 8 wird im Kontakt mit der unten Fläche 5b der Scheibe 5 gebracht, während die Membran 3 so gehalten wird, daß sie sich nicht biegen kann und ein Lötmittel wird dann auf die Innenseite des hohlen Teiles 2b aufgebracht, um den Stab 8 festzulegen.
(4) Mit der noch fixierten Vorrichtung wird Luft aus der Kammer 9 durch Anlegen eines verminderten Druckes an die Einfüllöffnung 13 herausgezogen, ein Fluidmedium 10 wird in die Kammer 9 eingeführt, und die Öffnung 13 wird mittels einer Kugel abgedichtet.
(5) Mit der noch fixierten Vorrichtung wird das piezoelektrische Element 1 gegen die Halterung 2 gedrückt, die Grundplatte 4 wird in das Gehäuse 7 hochgeschraubt, und die Befestigungsmutter 12 wird festgedreht.
Durch Befolgen der obigen Stufen (1) bis (4), wird die Bedingung, daß "der Positionsbegrenzungsstab in Kontakt mit der Scheibe 5 sein soll, wenn die Membran 3 und der Balg 11 in ihrer Anfangsposition sind" erfüllt. Da außerdem der Stab 8 und die Scheibe 5 miteinander in Kontakt sind, steigt der Druck in der Kammer 9 nicht an, sogar wenn ein Zusammendrücken der Halterung 2 und der Scheibe 5 in dieser Position erfolgt.
Die nach oben gerichtete Verschiebung der Halterung 2 wird durch Festlegen des Positionsbegrenzungsstabes 8 innerhalb des zylindrischen hohlen Teiles 2b begrenzt. Wenn deshalb in Stufe (5) das Element 1 in Kontakt mit der unteren Fläche der Halterung 2 gebracht wird, und die Grundplatte 4 in dem unteren Gehäuse 7 mit einem vorbestimmten Drehmoment befestigt wird, wird das Element 1 automatisch in der gleichen Position ohne die Verwendung von Speziallehren fixiert.
Nachdem das obige Montageverfahren abgeschlossen ist, wird die Vorrichtung entnommen. Wenn die Befestigungseinrichtung verwendet wird, verstärkt die Verschiebung der Scheibe 5 die Verschiebung der Halterung 2, und es gibt keine störende Beeinflussung zwischen dem Positionsbegrenzungsstab 8 und der Scheibe 5, wenn eine Spannung an das Element 1 angelegt wird. Sogar wenn ein unerwartet hohes Zusammendrücken auf die Grundplatte 4 und die Scheibe 5 wirkt, gestattet der Stab 8 nicht die Verschiebung der Scheibe 5 in Richtung des Zusammendrückens, um einen gewissen Wert zu überschreiten, und folglich wächst der Druck des Fluidmediums 10 nicht übermäßig an. Es gibt daher eine nur sehr geringe Wahrscheinlichkeit, daß der Balg 11 hinsichtlich eines angewachsenen Druckes des Mediums 10 brechen wird.
Da der Druckbegrenzungsstab 8 in dem zylindrischen hohlen Teil 2b gelötet ist, beeinflußt die Lötwärme nicht den umgebenden Balg 11 oder die dünnen ebenen Bauelemente, wie z. B. die Membran 3, und deshalb kann die Halterung 2 und das piezoelektrische Element 1 präzise positioniert werden.
Fig. 4 zeigt ein Betätigungselement entsprechend einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung. In diesem Betätigungselement ist der Positionsbegrenzungsstab wie ein Rohr ausgeformt, und der obere Teil des piezoelektrischen Elementes 1 wird in dieses Rohr eingesetzt. Wenn dieser Aufbau gewählt wird, ist der Außendurchmesser des Elementes 1 kleiner und eine geringere Dehnungskraft wird erzeugt. Das Element 1 kann jedoch länger gemacht werden, um eine genügende Verschiebung bereitzustellen. Als ein Ergebnis dessen kann bei der gleichen Verschiebung, wie bei der von der zweiten Ausführungsform, die Gesamthöhe des Betätigungselementes vermindert werden.
Fig. 5 zeigt ein Betätigungselement entsprechend einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung. In diesem Betätigungselement hat die Scheibe 5 einen rohrartigen Vorsprung 5a, der nach unten gerichtet ist. Der Vorsprung 5a wird in den kreisförmigen Zwischenraum zwischen der Halterung 2 und dem Balg 11 eingesetzt, und berührt das obere Gehäuse 7a, wenn der Balg 11 in seiner Anfangsposition befindlich ist, das heißt, wenn kein Strom durch das piezoelektrische Element 1 hindurchtritt, und keine äußeren Kräfte zwischen der Grundplatte 4 und der Scheibe 5 wirken.
In der zuvor erwähnten zweiten Ausführungsform werden die Schweißpositionen der Scheibe 5 und des Balges 11 unter Verwendung einer Vorrichtung bestimmt, aber bei diesem Betätigungselement ist der Vorsprung 5a der Scheibe 5 vorgesehen, um das obere Gehäuse 7a zu berühren, so daß die Vorrichtung unnötig ist. Die Montage ist deshalb einfacher.
Sogar wenn eine übermäßige Kompressionsbelastung auf die Scheibe 5 wirkt, trägt der Vorsprung 5a die Scheibe 5, so daß keine übermäßige Belastung auf das Element 1 übertragen wird.
Fig. 6 zeigt ein Betätigungselement entsprechend einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung. Bei diesem Betätigungselement wird die Verschiebung des Elementes 1 verstärkt und auf einen Kolben 18 übertragen. Ein Fluidmedium 10 füllt eine Kammer 9 aus, die durch den Kolben 18, dem Balg 11, das Gehäuse 7, Membran 3 und Halterung 2 gebildet wird.
Das Element 1 wird zwischen der Grundplatte 4 und der Halterung 2 festgelegt. Wenn sich das Element 1 hinsichtlich einer angelegten Spannung dehnt, wird die Halterung 2 angehoben, und der Kolben 18 bewegt sich nach oben, um die entsprechende Kontraktion der Kammern 9 zu kompensieren.
Der Verschiebungsanteil des Kolbens 18 ist eine verstärkte Dehnung des Elementes 1 entsprechend dem Flächeninhaltsverhältnis der Kreise, der jeweiligen Durchmesser des mittleren Durchmessers des Balges 11 und des Durchmessers der Membran 3.
Das Fluidmedium 10 dehnt sich auch mit einem Temperaturanstieg aus, um so den Kolben 18 anzuheben. Wenn diese Verschiebungsverstärkung an eine Öffnungs-/Schließungsvorrichtung, wie z. B. ein hydraulisches Ventil oder Relais angelegt wird, gibt es ein Risiko, daß das Ventil oder Relais hinsichtlich einer Temperaturänderung arbeitet, sogar wenn keine Spannung an das Element 1 angelegt wird.
In diesem Betätigungselement umfaßt daher ein Teil des unteren Gehäuses 7b eine Temperaturausgleichseinrichtung 19.
Diese Temperaturausgleichseinrichtung 19 kann aus einem Formerinnerungsmetall (Ni-Ti-Legierung) bestehen. Wenn die Ti-Ni-Legierung Ti bis zu einem Ausmaß von 50 Atomprozent enthält, ändert sich die Temperatur, bei der die Legierung die Form ändert, um annähernd 10°C, wenn der Anteil des Nickels sich in 0,1 Atomprozent ändert. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, besteht die Temperaturausgleichseinrichtung 19 aus einem Stapel Schichten einer Ni-Ti-Legierung, wobei die Formänderungstemperatur jeder Schicht um 10°C bezüglich der angrenzenden Schicht verschoben wird.
Diese Legierungsschichten werden zuerst im Vakuum bei 500°C 30 Minuten lang erwärmt und in Wasser abgeschreckt. Jeder Schicht wird dann eine 3%ige Verformung gegeben und auf ihre Formerinnerungstemperatur erwärmt. Durch 30 bis 40 maliges Wiederholen dieses Verfahrens erwirbt die Legierung reversible Formerinnerungseigenschaften, so daß sich ihre Höhe um annäherend 0,02% bezüglich einer Temperaturänderung ändert. Die so erzielte Temperaturausgleichseinrichtung 19, die durch Aufeinanderstapeln der Formerinnerungslegierungen gebildet wird, hat das in Fig. 8 gezeigte Wärmeausdehnungsverhalten, wobei der Ausdehnungskoeffizient 200×10-6(/°C) beträgt, was wesentlich größer ist, als der Wärmeausdehnungskoeffizient von rostfreiem Stahl.
Ein besonderes Beispiel wird nun beschrieben, wo diese Temperaturausgleichseinrichtung 19 als ein Teil des Gehäuses 7 verwendet wird.
Wenn das Fluidmedium 10 Silikonöl ist, sein Anfangsvolumen V=1,6 cm3, der Temperaturanstieg Δt=100°C und der Volumenausdehnungskoeffizient β=1,05×10-3 ist, beträgt der Volumenzuwachs ΔV des Fluidmediums 10 bezüglich des Temperaturanstieges Δt:
ΔV=β×V×Δt=0,168 (cm3).
Wenn der mittlere Durchmesser des Balges 11 0,9 cm beträgt, ist die effektive Querschnittsfläche A gleich 0,64 cm3. Die Verschiebung Lt des Kolbens 18 beträgt dann, wenn die Temperatur um 100°C ansteigt:
Lt=ΔV/A=2600 (µm).
Das Element 1 ist ein rechteckiges Parallelepiped, dessen Länge, Breite und Höhe 10×10×18 (mm) beträgt, und besteht aus einem laminierten piezoelektrischen Keramikmaterial, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten α)=-6,0×10-6 (/°C) hat. Wenn die Höhe des piezoelektrischen Elementes 1 gleich L ist, beträgt der Anteil ΔL, um den sich die Höhe vermindert, wenn die Temperatur des Elementes um 100°C ansteigt:
ΔL = α × L × Δt
= - 6,0 × 10-6 × 18 × 100
= 0,01 (mm) = 10 (µm).
Wenn der Verstärkungsfaktor Z des Verschiebungsverstärkers 20 10 ist, trägt der Anteil Lp, um den sich die Verschiebung des Kolbens 18 vermindert, wenn die Temperatur des Elementes um 100°C ansteigt:
Lp = Z × ΔL
= 10 × 10 = 100 (µm).
Der Anteil Lr, um den die Verschiebung des Kolbens 18 ansteigt, wenn die Temperatur des Verstärkers 20 um 100°C ansteigt, ist dann das Ergebnis des Subtrahierens der Verschiebungsverminderung hinsichtlich der Kontraktion des Elementes 1, 100 µm, von der Verschiebungserhöhung hinsichtlich der Wärmeausdehnung des Silikonöls 2600 µm, d. h. 2500 µm. Dieser Verschiebungsanstieg von 2500 µm muß auf Null reduziert werden.
Wenn der Abstand von der Befestigungsposition der Membran 3 zum unteren Ende des Elementes 1 Lk ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, und Lk als Ergebnis des Dividierens des Anstiegs Lr der Verschiebung des Kolbens 18 um den Verschiebungsverstärkungsfaktor Z ansteigt, das heißt 2500 : 10=250 µm bei einem Temperaturanstieg von 100°C. Die Halterung 2 bewegt sich relativ zum Gehäuse 7 nach unten, da es von dem Element 1 getragen wird. Das Volumen der Kammer 9 wächst daher, wenn die Verschiebung des Kolbens 18 um 2500 µm vermindert wird.
Der Verschiebungsanstieg hinsichtlich der Ausdehnung des Silikonöls wird daher aufgehoben, und die Temperaturänderung hat keine Wirkung auf die Verschiebung des Kolbens 18.
In der Praxis dehnt sich jedoch der Verstärker 20 um den Anstieg von Lk, das heißt 250 µm, und diese Dehnung muß ebenfalls kompensiert werden.
Wenn das untere Gehäuse 7b vollständig aus rostfreiem Stahl besteht, gilt folgende Gleichung:
γ × Δt × Lk × Z = Lr + γ × Δt × Lk
wobei γ = ein linearer Ausdehnungskoeffizient von rostfreiem Stahl ist,
= 7 × 10-6 (/°C)
Z = Verschiebungsverstärkungsfaktor = 10
Δ = Temperaturanstieg = 100 (°C)
ist.
Setzt man Lr = 250 µm = 2,5 mm in die obige Gleichung ein, dann ist Lk:
Lk = 397 (mm).
Mit anderen Worten, wenn das untere Gehäuse 7b vollständig aus rostfreiem Stahl besteht und ein Temperaturausgleich in Betracht gezogen wird, beträgt die Höhe des unteren Gehäuses 7b dann 397 mm. Dieser Wert ist sehr viel größer, als die Höhe des piezoelektrischen Elementes 1 oder des Balges 11, und es würde die gesamte Vorrichtung größer machen, was nicht praktisch ist.
Wenn andererseits das untere Gehäuse 7b vollständig aus der Temperaturausgleichseinrichtung 19 besteht, gilt folgende Gleichung:
δ × Δt × Lk × Z = Lr + δ × Δt × Lk,
wobei δ=linearer Ausdehnungskoeffizient des Formerinnerungsmetalls = 200×10-6 (°C) ist.
Setzt man für Δt=100°C, Z=10 und Lr=2,5 mm in die obige Gleichung ein, dann ist Lk:
Lk = 13,8 (mm).
Mit anderen Worten, wenn das untere Gehäuse 7b vollständig aus der Temperaturausgleichseinrichtung 19 besteht und ein Temperaturausgleich in Betracht gezogen wird, beträgt die Höhe des unteren Gehäuses 7b 13,8 mm. Dieser Wert ist jedoch kleiner, als das piezoelektrische Element 1 oder der Balg 11, so daß die Vorrichtung nicht mit einem unteren Gehäuse 7b mit dieser Höhe aufgebaut werden kann.
Aus diesem Grund besteht das untere Gehäuse 7b teilweise aus rostfreiem Stahl und teilweise aus der Temperaturausgleichseinrichtung 19.
Wenn die Summe der Höhen des Elementes 1 und des Balges 11 Lq ist und der lineare Ausdehnungskoeffizient des unteren Gehäuses 7b ε ist, gilt folgende Gleichung:
ε × Δt × Lq × Z = Lr + ε × Δt × Lq.
Wenn die Höhe des Balges 11 8 mm beträgt, ist Lq=18+ 8=26 mm, und deshalb gilt:
ε = 107 × 10-6 (/°C)
Als nächstes wird eine Berechnung ausgeführt, um die Verhältnisse des rostfreien Stahles und der Temperaturausgleichseinrichtung 19, die das untere Gehäuse 7b bilden, zu bestimmen.
Wenn das Verhältnis des rostfreien Stahlteiles zur Höhe des Temperaturausgleichsteiles 19 x: 1-x ist, dann gilt:
ε = γ × x + δ × (1-x)
wobei ε = ein linearer Ausdehnungskoeffizient des unteren Gehäuses 7b
= 107 × 10-6 (/°C) ist,
γ = ein linearer Ausdehnungskoeffizient des rostfreien Stahlteiles
= 7 × 10-6 (/°C) ist,
δ = ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Formerinnerungsmetalls
= 200 × 10-6 (/°C) ist.
Somit ist x:
x = 0,48.
Mit anderen Worten berechnet sich das rostfreie Stahlteil mit 48% und das Temperaturausgleichsteil 19 mit 52% der Höhe des unteren Gehäuses 7b.
Durch Bauen des unteren Gehäuses 7b aus Materialien der oben berechneten Verhältnisse, kann die Vorrichtung kompakter und leichter gemacht werden, weil die Temperaturänderung des Silikonöls kompensiert wird.
Mit der vorgenannten Berechnung wurde die thermische Ausdehnung des Silikonöls und die thermische Kontraktion des piezoelektrischen Elementes 1 kompensiert. Wenn die thermische Ausdehnung der Halterung 2 ebenfalls in Betracht gezogen wird, kann ein noch präziserer Temperaturausgleich ausgeführt werden.
Das Material, das für das untere Gehäuse 7b verwendet wird, ist nicht auf rostfreiem Stahl begrenzt, und kann auch aus anderen Metallen, wie z. B. Nickel, Eisen oder Gelbkupfer bestehen.
Fig. 9 zeigt ein Betätigungselement entsprechend einer sechsten Ausführungsform dieser Erfindung. Bei diesem Betätigungselement ist der Balg 11 außerhalb des oberen Gehäuses 10a angeordnet, und die Kontraktion des Balges 11 über einen gewissen Punkt hinaus wird durch einen Positionsbegrenzungsstab 8 verhindert, der auf dem oberen Gehäuse 7a befestigt ist.
Durch Anordnen des Balges 11 außerhalb des oberen Gehäuses 7a kann die Höhe des unteren Gehäuses 7b auf diese Weise unabhängig von der Höhe des Balges 11 gestaltet werden.
Fig. 10 zeigt ein Betätigungselement entsprechend einer siebten Ausführungsform dieser Erfindung. Bei diesem Betätigungselement umfaßt das Gehäuse 7 ein oberes Gehäuse 7a, ein unteres Gehäuse 7b, und einen Gehäuseboden 7c. Der Gehäuseboden 7c und die Temperaturausgleichseinrichtung 19 sind über Schrauben verbunden, und die Grundplatte 4, die das untere Ende des Elementes 1 trägt, ist frei nach oben und unten bezüglich des Gehäusebodens 7b beweglich. Wenn sich die Temperaturausgleichseinrichtung 19 hinsichtlich einer thermischen Ausdehnung verlängert, wird die Grundplatte 4 nach unten gedrückt, und der Abstand von der Halterung 2 wächst an.
Die Höhe Li des unteren Gehäuses 7b wächst ebenfalls hinsichtlich einer Wärmeausdehnung, und damit steigt der Abstand zwischen der Halterung 2 und der Platte 4 weiter an.
Die obigen Beziehungen werden durch die folgende Gleichung repräsentiert:
δ × Δt × Lm × Z + γ × Li × Z = Lr + γ × Δt × Lk.
Setzt man ein:
δ = 200 × 10-6 (/°C)
γ = 7 × 10-6 (/°C)
Z = 10
Δt = 100 (°C)
Li = 15 (mm)
Lk = 30 (mm)
dann ist Lm:
Lm = 12 (mm).
Mit anderen Worten um einen Temperaturausgleich mit einem Betätigungselement mit den obigen Abmessungen auszuführen, sollte die Höhe der Temperaturausgleichseinrichtung 19 12 mm sein.
Fig. 11 zeigt ein Betätigungselement entsprechend einer achten Ausführungsform dieser Erfindung. Bei diesem Betätigungselement ist der Aufbau der Temperaturausgleichseinrichtung 19 identisch zu der der siebten Ausführungsform, aber der Balg 11 ist außerhalb des oberen Gehäuses 7a angeordnet und die Kontraktion des Balges 11 über einen bestimmten Punkt hinaus wird durch einen Positionsbegrenzungsstab 8 verhindert, der an dem oberen Gehäuse 7a befestigt ist, wie in der sechsten Ausführungsform.
Durch Anordnen des Balges 11 außerhalb des oberen Gehäuses 7a kann auf diese Weise die Höhe des unteren Gehäuses 7b unabhängig von der Höhe des Balges 11 gestaltet werden.
Die vorangegangene Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zum Zwecke der Veranschaulichung dieser Erfindung beabsichtigt nicht, die Erfindung zu begrenzen oder zu beschränken, da viele Modifikationen durch den Fachmann gemacht werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Ausführungsformen dieser Erfindung, in der ausgezeichnete Eigenschaften oder Vorzüge beansprucht werden, werden durch die Patentansprüche definiert.

Claims (6)

1. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung zum Verstärken der Verschiebung eines piezoelektrischen Elementes entsprechend einer angelegten Spannung und Übertragen dieser auf ein Verschiebungsübertragungsteil, gekennzeichnet durch
ein Tragteil (4) zum Tragen eines Endes des piezoelektrischen Elementes (1),
ein erstes elastisches Abdichtteil (3), das sich zusammen mit dem anderen Ende des piezoelektrischen Elementes (1) bewegt,
ein zweites elastisches Abdichtteil (11), das mit dem Verschiebungsübertragungsteil (5) verbunden ist, und eine abgedichtete Kammer (9), die durch das erste und zweite elastische Abdichtteil (3, 11) abgedichtet ist und ein nicht-kompressibles Fluid (10) enthält, wobei die Kammer (9) solche Abmessungen hat, daß die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des ersten elastischen Abdichtteiles (3) größer ist als die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des zweiten elastischen Abdichtteiles (11).
2. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste elastische Abdichtteil (3) eine Membran und das zweite elastische Abdichtteil (11) ein Balg ist.
3. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Teil (8), das verhindert, daß das Tragteil (4) sich dem Verstärkungsübertragungsteil (5) mehr als auf einen vorbestimmten Abstand nähert.
4. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung zum Verstärken der Verschiebung eines piezoelektrischen Elementes entsprechend einer angelegten Spannung und Übertragen derselben auf ein Verschiebungsübertragungsteil, gekennzeichnet durch
ein Tragteil (4) zum Tragen eines Endes des piezoelektrischen Elementes (1),
ein erstes elastisches Abdichtteil (3), das sich zusammen mit dem anderen Ende des piezoelektrischen Elementes (1) bewegt,
ein zweites elastisches Abdichtteil (11), das mit dem Verschiebungsübertragungsteil (18) verbunden ist,
ein Wandungsteil (7a), das dem ersten elastischen Abdichtteil gegenüberliegt,
eine Kammer (9) die durch das erste und zweite elastische Abdichtteil (3, 11) und das Wandungsteil (7a) abgedichtet ist und ein nicht-kompressibles Fluid (10) enthält, wobei die Kammer solche Abmessungen hat, daß die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des ersten elastischen Abdichtteiles größer ist als die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des zweiten elastischen Abdichtteiles, und
eine Temperaturausgleichseinrichtung (10), die den Abstand zwischen dem Wandungsteil (7a) und dem Tragteil (4) abhängig von der Temperatur ändert.
5. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturausgleichseinrichtung (19) ein Laminat einer Formerinnerungslegierung umfaßt, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der die thermische Ausdehnung des Fluids und die thermische Kontraktion des piezoelektrischen Elementes (1) kompensiert.
6. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung zum Verstärken der Verschiebung eines piezoelektrischen Elementes entsprechend einer angelegten Spannung und Übertragen derselben auf ein Verschiebungsübertragungsteil, gekennzeichnet durch
ein Tragteil (4) zum Tragen eines Endes des piezoelektrischen Elementes (1),
ein erstes elastisches Abdichtteil (3), das sich zusammen mit dem anderen Ende des piezoelektrischen Elementes (1) bewegt,
ein zweites elastisches Abdichtteil (11), das mit Verschiebungsübertragungsteil (18) verbunden ist,
eine abgedichtete Kammer, die durch das erste und zweite elastische Abdichtteil abgedichtet ist und ein nichtkompressibles Fluid enthält, wobei die Kammer solche Abmessungen hat, das die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des ersten elastischen Abdichtteiles größer ist als die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des zweiten elastischen Abdichtteiles, und
ein elastisches Teil, das das Verschiebungsübertragungsteil auf dem Tragteil außerhalb der Kammer trägt.
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