DE4232225C2

DE4232225C2 - Verschiebungsverstärkungsvorrichtung zum Verstärken der Verschiebung eines piezoelektrischen Elements

Info

Publication number: DE4232225C2
Application number: DE4232225A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Yoshioka
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: DE4232225A1; US5333455A; JPH0587189A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verschiebungsverstärkungsvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einer solchen, aus der JP-A 63-169779 bekannten Verschiebungsverstärkungs vorrichtung ist die Kammer durch ein die ersten und zweiten elastischen Abdichtteile bildendes Abdichtmaterial begrenzt, das im oberen Teil eine einem Kolben zuge wandte größere zylindrische Querschnittsfläche bildet, der von dem zweiten Ende des piezoelektrischen Elements beaufschlagt wird. Der untere Teil des Abdicht materials umschließt ein oberes etwa kugelförmiges Ende des Verschiebungsüber tragungsteils, das bei einer Beaufschlagung der Kammer vom piezoelektrischen Element über den Kolben her nach unten verdrängt wird, wodurch das Verschie bungsübertragungsteil gegen die Kammer einer mechanischen Feder nach unten verschoben wird. Da die zylindrische Querschnittsfläche des Abdichtungsmaterials sehr viel größer ist als die Fläche des den kugelförmigen Teil des Verschiebungs übertragungsteil umgebenden Abdichtmaterials, erfolgt eine Verschiebungsver stärkung, da das Verschiebungsübertragungsteil über ein Vielfaches der Verschie bungsstrecke der zylinderförmigen Querschnittsfläche verschoben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Verschiebungsverstärkungsvorrichtung derart weiterzubilden, daß sie gegenüber Temperaturschwankungen unabhäng ist.

Bei einer Verschiebungsverstärkungsvorrichtung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Verschiebungsverstärkungsvorrichtung zeichnet sich durch die Temperaturausgleichseinrichtung aus, die den Abstand zwischen dem die Kammer oben begrenzenden Wandungsteil und dem das piezoelektrische Element tragenden Tragteil in Abhängigkeit von der Temperatur derart ändert, daß die Verschiebungsverstärkung unabhängig von der jeweils herrschenden Temperatur erfolgt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Perspektivansicht einer Temperaturausgleichseinrichtung entsprechend dieser Ausführungsform,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Variation der Wärmeausdehnung der Temperaturausgleichseinrichtung zur Temperatur zeigt,

Fig. 4 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 6 eine Ansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Motorschwingungstilger entsprechend einer ersten Ausführungs form der Erfindung. Dieser Schwingungstilger ist mit einem piezoelektrischen Ele ment 1 und einem Verschiebungsverstärker 20 ausgerüstet. Der Schwingungstilger ist mit einem Fahrzeuggestell über eine Grundplatte 4 verbunden, und ein Verschie bungsübertragungsteil 18 ist mit dem Motor verbunden. Die Grundplatte 4 und die Scheibe 5 wirken jeweils als ein Tragteil und ein Verschiebungsübertragungsteil.

Das piezoelektrische Element 1 kann z. B. ein zylindrisches Teil sein, das dünne Plättchen 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, daß die Plattendicke vergrößert wird, wobei bewirkt wird, daß sich das Element dehnt. Bei einem 20 mm Element beträgt diese Dehnung ungefähr 10 µm.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Verschiebungsverstärkungseinrichtung, bei dem die Verschiebung des Elements 1 verstärkt und auf einen das Verschie bungsübertragungsteil bildenden Kolben 18 übertragen wird. Ein nicht-kompressibles Fluid 10 füllt eine Kammer 9 aus, die durch den Kolben 18, den das zweite elastische Abdichtteil bildenden Balg 11, das Gehäuse 7, die das erste elastische Abdichtteil bildende Membran 3 und eine Halterung 2 gebildet wird.

Das Element 1 wird zwischen der Grundplatte 4 und der Halterung 2 festgelegt. Wenn sich das Element 1 aufgrund einer angelegten Spannung dehnt, wird die Halterung 2 angehoben, und der Kolben 18 bewegt sich nach oben, um die entsprechende Kontraktion der Kammer 9 zu kompensieren.

Der Verschiebungsanteil des Kolbens 18 ist eine verstärkte Dehnung des Elementes 1 entsprechend dem Flächeninhalteverhältnis der Flächen, der jeweiligen Durchmes ser des mittleren Durchmessers des Balges 11 und des Durchmessers der Membran 3.

Das Fluid 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 ein Relais angelegt wird, besteht die Gefahr, daß das Ventil oder Relais aufgrund einer Temperaturänderung arbeitet, sogar wenn keine Spannung an das Element 1 angelegt wird.

In dieser Vorrichtung umfaßt daher ein Teil des unteren Gehäuses 7b eine Temperaturausgleichseinrichtung 19.

Diese Temperaturausgleichseinrichtung 19 kann aus einer Formgedächtnislegierung (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 K, wenn der Anteil des Nickels sich um 0,1 Atomprozent ändert. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besteht die Temperaturausgleichseinrichtung 19 aus einem Stapel Schichten einer Ni-Ti-Legierung, wobei die Formänderungstemperatur jeder Schicht um 10 K 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 Verfor mung gegeben und auf ihre Formgedächtnistemperatur erwärmt. Durch 30 bis 40maliges Wiederholen dieses Verfahrens erwirbt die Legierung reversible Formge dächtniseigenschaften, so daß sich ihre Höhe um annähernd 0,02% bezüglich einer Temperaturänderung ändert. Die so erzielte Temperaturausgleichseinrichtung 19, die durch Aufeinanderstapeln der Formgedächtnislegierungen gebildet wird, hat das in Fig. 3 gezeigte Wärmeausdehnungsverhalten, wobei der Ausdehnungskoeffizient 200 × 10^-6 1/K beträgt, was wesentlich größer ist, als der Wärmeausdehnungs koeffizient von rostfreiem Stahl.

Ein besonderes Beispiel wird nun beschrieben, wo diese Temperaturausgleichsein richtung 19 als ein Teil des Gehäuses 7 verwendet wird.

Wenn das Fluid 10 Silikonöl ist, sein Anfangsvolumen V = 1,6 cm³, der Temperatur anstieg Δt = 100 K und der Volumenausdehnungskoeffizient β = 1,05 × 10^-3 1/K ist, beträgt der Volumenzuwachs ΔV des Fluid 10 bezüglich des Temperaturanstiegs 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 ∂ = -6,0 × 10^-6 1/K 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 K ansteigt:

ΔL= ∂ × L × Δt
= -6,0 × 10^-6 × 18 × 100
= 0,01 mm = 10 µm.

Wenn der Verstärkungsfaktor Z der Verschiebungsverstärkungsvorrichtung 20 10 ist, trägt der Anteil Lp, um den sich die Verschiebung des Kolbens 18 vermindert, wenn die Temperatur des Elementes um 100 K ansteigt:

Lp = Z × ΔL
= 100 µm.

Der Anteil Lr, um den die Verschiebung des Kolbens 18 ansteigt, wenn die Temperatur des Verstärkers 20 um 100 K ansteigt, ist dann das Ergebnis des Subtrahierens der Verschiebungsverminderung hinsichtlich der Kontraktion des Elementes 1 100 µm, von der Verschiebungserhöhung hinsichtlich der Wärmeaus dehnung 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. 1 gezeigt ist, und Lk als Ergebnis des Dividierens des Anstiegs Lr der Verschiebung des Kolbens 18 um den Verschiebungsverstär kungsfaktor Z ansteigt, d. h. 2500/10 = 250 µm bei einem Temperaturanstieg von 100 K. 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 verhindert 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, d. h. 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 1/K
Z = Verschiebungsverstärkungsfaktor = 10
Δt = Temperaturanstieg = 100 K
ist.

Setzt man Lr = 2500 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 Temperaturaus gleichseinrichtung 19 besteht, gilt folgende Gleichung:

δ × Δt × Lk × Z = Lr + δ × Δt × Lk,

wobei δ = linearer Ausdehnungskoeffizient des Formerinnerungsmetalls = 200 × 10^-6 1/K ist.

Setzt man für Δt = 100 K, 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 Temperatur ausgleichseinrichtung 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 Größe 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 1/K.

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 Temperaturausgleichs teiles 19 × 1 - x ist, dann gilt:

ε = γ × x + δ × (1 - x)

wobei ε = ein linearer Ausdehnungskoeffizient des unteren Gehäuses 7b
= 107 × 10^-6 1/K ist,
γ = ein linearer Ausdehnungskoeffizient des rostfreien Stahlteiles
= 7 × 10^-6 1/K ist,
δ = ein linearer Ausdehnungskoeffizient der Formgedächtnislegierung
= 200 × 10^-6 1/K 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 rostfreien Stahl begrenzt, und kann auch aus anderen Metallen, wie z. B. Nickel, Eisen oder Gelbkupfer bestehen.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung entsprechend einer zweiten Ausführungsform. Bei dieser Vorrichtung 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. 5 zeigt eine Vorrichtung entsprechend einer dritten Ausführungsform. Bei dieser Vorrichtung 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 Temperatur ausgleichseinrichtung 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 Wärme ausdehnung, 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 1/K
γ = 7 × 10^-6 1/K
Z = 10
Δt= 100 K
Li = 15 mm
LK = 30 mm
dann ist Lm = 12 mm.

Mit anderen Worten, um einen Temperaturausgleich mit einer Vorrichtung mit den obigen Abmessungen auszuführen, sollte die Höhe der Temperaturausgleichs einrichtung 19 12 mm sein.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung entsprechend einer vierten Ausführungsform. Bei diesem Betätigungselement ist der Aufbau der Temperaturausgleichseinrichtung 19 identisch zu der der vierten 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 zweiten 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.

Claims

1. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung zum Verstärken der Verschiebung eines piezoelektrischen Elements (1) entsprechend einer angelegten Spannung und Übertragen derselben auf ein Verschiebungsübertragungsteil (18) mit:
einem Tragteil (4) zum Tragen eines Endes des piezoelektrischen Elements (1),
einem ersten elastischen Abdichtteil (3), das sich zusammen mit dem anderen Ende des piezoelektrischen Elements (1) bewegt,
einem zweiten elastischen Abdichtteil (11), das mit dem Verschiebungsübertra gungsteil (18) verbunden ist, und
einer 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 (9) pro Verschiebungseinheit des ersten elastischen Abdichtteils (3) größer ist als die Volumenänderung der Kammer pro Verschiebungseinheit des zweiten elastischen Abdichtteils (11),
gekennzeichnet durch
ein Wandungsteil (7a), das dem ersten elastischen Abdichtteil (3) gegenüberliegt, und
eine Temperaturausgleichseinrichtung (10), die den Abstand zwischen dem Wandungsteil (7a) und dem Tragteil (4) abhängig von der Temperatur ändert.

2. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperaturausgleichseinrichtung (19) ein Laminat einer Formgedächtnislegierung umfaßt, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der die thermische Ausdehnung des Fluids und die thermische Kontraktion des piezoelektrischen Elements (1) kompensiert.

3. Verschiebungsverstärkungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein elastisches Teil (11), das das Verschiebungsübertragungsteil (18) auf dem Tragteil (4) außerhalb der Kammer (9) trägt.