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Die vorliegende Erfindung betrifft
Antriebe aus einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material.
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Sie findet vorteilhaft Anwendung
bei der Herstellung von primären
oder sekundären
Flugsteuerungen von Luftfahrzeugen.
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Aus verschiedenen Gründen (Instandhaltung,
Verschmutzung, Feuergefahr, etc.) ist es wünschenswert, den hydraulischen
Anteil in der Flugsteuerung zugunsten von elektrischen Steuerungen zu
vermindern.
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Nun führt die Technik, die auf der
Verwendung von elektromagnetischen Motoren mit zugehörigen ein
Reduktionsgetriebe bildenden Mitteln beruht, zu Geräten mit
zu hoher Masse.
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Um die Nachteile elektromagnetischer
Motoren zu beheben, ist bereits vorgeschlagen worden, Motoren auf
der Basis piezoelektrischer oder elektrostriktiver Materialien zu
verwenden, die zum Liefern erhöhter
Energiedichten und zum Aushalten starker Belastungen geeignet sind,
wie Vibrationsmotoren oder Antriebe mit Verstärkern.
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Hierzu kann sich vorteilhaft auf
folgende Artikel bezogen werden:
"Actionneurs – Des matériaux
piezo-électriques
pour les commandes du futur" – Usine
nouvelle – 31.
Oktober 1996 – Nr.
2568
"Des commandes de vol piezo-electriques" – Air et Cosmos/Aviation
International – Nr.
1602 – 28.
Februar 1997
"A new amplifier piezoelectric actuator for precise
positioning and semi-passive damping" R. Le Letty, F. Claeyssen,
G. Thomin – 2nd space microdynamics and accurate control
symposium – 13.–16. Mai
1997 – Toulouse.
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Jedoch sind die Lösungen, auf die sich in diesen
Veröffentlichungen
bezogen wird, nicht zufriedenstellend.
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Die Vibrationsmotoren können nämlich nur zum
Realisieren primärer
Steuerungen verwendet werden, in Anbetracht der Tatsache, daß der Permanentbetrieb
zu einer zu starken Abnutzung der Schnittstelle und zu einem Aufrechterhalten
der zuletzt eingenommenen Position im Falle eines Energieausfalles
führt.
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Was die Antriebe mit Verstärkern betrifft,
so erfordern diese massive Wandlerstrukturen, was den anfänglichen
Vorteil an Leichtigkeit und Energiedichte erheblich vermindert.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Antriebsaufbau
vorzuschlagen, der starr und leicht ist, und die geringen piezoelektrischen
oder elektrostriktiven Grundverschiebungen in große Verschiebungen
umwandeln kann.
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Es wird zum besseren Verständnis der
hier vorliegenden Erfindung auf die ältere Patentanmeldung
EP 0 908 961 A1 verwiesen,
die selbstverständlich
nicht zur Berücksichtigung
der erfinderischen Tätigkeit
der nachstehend beschriebenen Erfindung heranzuziehen ist, da sie
nach dem Hinterlegungsdatum der vorliegenden Erfindung veröffentlicht
ist.
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Diese Anmeldung beschreibt einen
Antrieb, der mehrere Stapelungen an Grundblöcken aus piezoelektrischem
oder elektrostriktivem aktiven Material umfaßt, die derart nebeneinander
liegen, daß sie eine
röhrenförmige Struktur bilden,
die aus einer Überlagerung
von Schichten an Blöcken
aus aktivem Material gebildet ist, die von einer Schicht zur anderen
Schicht eine unterschiedliche Polarisation haben.
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Trennbänder – die über den gesamten Umfang der
Struktur verteilt sind und von denen sich jedes Trennband über die
gesamte Höhe
dieser Struktur erstrecken – trennen
paarweise die aufeinanderfolgenden Grundblöcke der Schichten der Struktur. Jedes
Trennband ist seinerseits aus mehreren Trennelementen zusammengesetzt,
die in die Höhe der
Struktur übereinander
angeordnet sind. Diese Trennelemente erstrecken sich jedes durch
zwei Schichten aktiver Blöcke
hindurch und sind geeignet, sich gegeneinander zu verschieben. Sie
haben eine höhere
Steifigkeit als die Grundblöcke
aus aktivem Material. Diese Trennbänder sind beispielsweise aus Metallbändern gebildet,
die über
ihre Höhe
verteilte Schlitze aufweisen, wobei diese Schlitze die aufeinanderfolgenden
Trennelemente trennen.
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Als Ausführungsbeispiel ist eine Struktur
dieser Art in fortgeschrittener Form in 1 dargestellt. In dieser Figur sind die
Grundblöcke
aus aktivem Material mit 1 bezeichnet, die Trennelemente
mit 2. Die Pfeile in den Blöcken 1 zeigen
die Polarisationsrichtung an.
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Mit einer solchen Struktur erhält man eine Torsionsdeformation
des Antriebs unter Wirkung einer angelegten Spannung mit abwechselndem
Vorzeichen an die metallischen Trennbänder.
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Dies stellt die 2 dar.
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Diese Torsionsdeformation kann bis
zu 15° gehen,
oder sogar höher.
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Die Herstellung eines solchen Antriebs
erfordert die Vorspannung von Keramiken, die die aktiven Blöcke bilden.
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In der von der vorgenannten Patentanmeldung
vorgeschlagenen Lösung
wird diese Vorspannung mittels Ringen aus einer Legierung mit Formgedächtnis verwirklicht,
die elektrisch gegeneinander isoliert sind, um jeglichen Kurzschluß zu vermeiden. Die
Montage findet daher wie in den 3a bis 3c dargestellt statt:
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- – man
stapelt bei niedriger Temperatur in einer externen Röhre T abwechselnd
Ringe mit Vorspannung BP und isolierende Scheiben R (3a);
- – man
klebt entlang von Mantellinien eines zylindrischen Innenkerns N
geschlitzte metallische Trennbänder;
- – man
führt den
Kern und die Bänder
in die Röhre,
die aus den Scheiben mit Vorspannung gebildet ist;
- – in
den so definierten Anordnungen führt
man Keramikblöcke 1 zwischen
die Ringe, die Bänder
und den Kern ein;
- – man
erhitzt das Ensemble, um eine Phasenänderung der Ringe mit Vorspannung
BP hervorzurufen, wobei die Ringe somit eine Kraft auf die Metallbänder ausüben.
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Jedoch hat eine solche Durchführung mehrere
technische Probleme.
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Sie stellt sich als sehr schwer kompatibel
mit herkömmlichen
Fertigungstoleranzen bei Keramiken her. Insbesondere stellt sich
die Herstellung von Keramiken mit der Toleranz, die erforderlich
ist, damit die Metallbänder
und die Keramikblöcke
genau aufeinander liegen, um zuverlässige und steuerbare Vorspannungen
zur Verfügung
zustellen, als schwierig heraus und führt zu erheblichen Mehrkosten.
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Zudem sind die Ringe mit Vorspannung
vom Ursprung her ein Übergewicht,
das für
die Antriebsröhre
nachteilig ist.
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Ebenso hat die Tatsache, mit Materialien
mit Formgedächtnis
zu arbeiten, Probleme zum Ursprung, die insbesondere im überelastischen
Verhalten dieser Materialien und in der Verschiebung ihrer überelastischen
Stufe abhängig
von der Temperatur liegen.
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Ein Ziel der Erfindung liegt darin,
diese Nachteile zu beheben.
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Hierzu schlägt die Erfindung einen piezoelektrischen
oder elektrostriktiven Antrieb vor, der folgendes umfaßt: mehrere
Stufen aktiver piezoelektrischer oder elektrostriktiver Blöcke, die
derart verteilt sind, daß sie
eine röhrenförmige Struktur
bilden, wobei die Polarisation der aktiven Blöcke sich von einer Stufe zur
anderen abwechselt, Trennelemente, die paarweise die aktiven Grundblöcke einer
Stufe trennen, wobei diese Elemente in die Höhe der Struktur übereinander
angeordnet sind, und geeignet sind, aufeinander zu gleiten, und
eine höhere
Steifigkeit als die der aktiven Grundblöcke haben, wobei sich ein Trennelement
in die Höhe
von zwei Stufen der aktiven Blöcke
erstreckt, die Trennelemente beiderseits eines aktiven Grundblockes
sich durch die eine bzw. die andere der beiden Stufen beiderseits
des aktiven Grundblockes erstrecken, ein Trennelement aus zwei miteinander
verschweißten
Pflasterelementen gebildet ist, die jeweils zu einer anderen Stufe
gehören, wobei
die Pflasterelemente einer Stufe abwechselnd Pflasterelemente sind,
die aus einem Stück
mit einer Vorspannstruktur sind, die sich in das Innere der Stufe
erstreckt, und Pflasterelemente, die mit den Pflasterelementen der
vorhergehenden Stufe verschweißt sind,
die aus einem Stück
mit der Vorspannstruktur dieser anderen Stufe sind, und Elektroden
bildende Mittel, die es ermöglichen,
Wechselspannungen an die verschiedenen Stapel aktiver Blöcke anzulegen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren
für die
Herstellung eines solchen piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Antriebs, das gemäß einer
ersten Variante die folgenden verschiedenen Vorgänge umfaßt:
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- – zwischen
die Trennpflasterelemente, die aus einem Stück mit der Vorspannstruktur
einer Stufe sind, werden Module eingesetzt, die zwei aktive Blöcke beiderseits
eines Trennpflasterelementes umfassen,
- – an
die Trennpflasterelemente dieser Stufe, die nicht aus einem Stück mit der
Vorspannstruktur sind, wird eine Vorspannkraft angelegt, die radial
in das Innere der besagten Stufe gerichtet ist,
- – auf
der so erhaltenen Stufe wird die Vorspannstruktur der nachfolgenden
Stufe positioniert, indem die Trennpflasterelemente, die aus einem
Stück mit
dieser Vorspannstruktur sind, auf denjenigen der Trennpflasterelemente
der vorhergehenden Stufe angeordnet werden, die Teil von Modulen
sind, die zwischen den Trennpflasterelementen eingesetzt sind, die
aus einem Stück
mit der Vorspannstruktur der besagten Stufe sind,
- – die
so übereinander
angeordneten Trennpflasterelemente werden verschweißt,
- – die
auf die Pflasterelemente der vorhergehenden Stufe ausgeübte Vorspannkraft
wird aufgehoben,
- – die
Montage der neuen Stufe wird fortgeführt, indem zwischen die Trennpflasterelemente,
die aus einem Stück
mit ihrer Vorspannstruktur sind, Module eingesetzt werden, die zwei
aktive Blöcke
beiderseits eines Trennpflasterelementes umfassen.
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Gemäß einer weiteren Variante:
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- – zwischen
die Trennpflasterelemente, die aus einem Stück mit der Vorspannstruktur
einer Stufe sind, werden Module eingesetzt, die zwei aktive Blöcke beiderseits
eines Trennpflasterelementes umfassen,
- – zwei
so erhaltene Stufen werden übereinander
angeordnet, indem eine Vorspannkraft, die radial in das Innere der
besagten Stufen gerichtet ist, einerseits auf diejenigen der Trennpflasterelemente
der einen der Stufen, die nicht aus einem Stück mit der Vorspannstruktur
sind, und andererseits auf die Trennpflasterelemente der anderen
Stufe angelegt wird, die über
diesen Vorspanntrenn pflasterelementen angeordnet sind, und die aus
einem Stück
mit der Vorspannstruktur dieser anderen Stufe sind,
- – die
so übereinander
angeordneten Vorspanntrennpflasterelemente werden verschweißt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich, die
rein beispielhaft und nicht einschränkend ist, und die in Verbindung
mit der beigefügten
Zeichnung zu lesen ist, in der:
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- – die
bereits analysierte 1 eine
fortgeschrittene Darstellung einer aktiven Struktur gemäß der in
der EP 0 908 961 A beschriebenen
Struktur ist;
- – die 2 eine fortgeschrittene
Darstellung ist, die die Torsionsfunktionsweise der aktiven Struktur
aus 1 darstellt,
- – die 3a bis 3c schematische Darstellungen sind, die
unterschiedliche Etappen der in der EP 0 908 961 A vorgeschlagenen Herstellung
sind;
- – die 4 eine Darstellung, ähnlich derjenigen
der 1, einer Antriebsstruktur
gemäß einem
möglichen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist,
- – die 5 eine Darstellung von oben
auf eine Stufe der Struktur aus 4 ist;
- – die 6a bis 6d die Montage einer Struktur vom Typ
derjenigen aus den 4 und 5 darstellen;
- – die 7a und 7b die Anordnung von Plättchen darstellen,
die es ermöglichen,
die aktiven Blöcke
unter Spannung zu setzen, einerseits, wenn die Struktur sich in
Ruhe befindet, und andererseits, wenn sie torsionsbelastet ist.
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Der in der 4 dargestellte Antrieb umfaßt einen
allgemeinen Aufbau vom gleichen Typ wie derjenige, der in den 1 und 2 dargestellt ist, und umfaßt mehrere
piezoelektrische oder elektrostriktive aktive Blöcke 1, die entsprechend
einem Stapel aus mehreren Schichten verteilt sind, sowie mehrere Trennelemente 2,
die zwischen den aktiven Blöcken 1 liegen.
Die Polarisationsrichtung der Blöcke 1 wechselt
sich von einer Stapelschicht zur anderen ab.
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Im Gegensatz zu der in der älteren Anmeldung
EP 0 908 961 A von
der Anmeldern vorgeschlagenen und obenstehend mit Bezug auf
1,
2 und
3a bis
3c beschriebenen Realisierung
sind die in die Höhe
der Struktur aufeinanderfolgenden Trennelemente
2 nicht
aus einem Stück.
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Jedes Trennelement 2 ist
aus zwei Pflasterelementen 2a, 2b in Trapezform
gebildet, die durch Schweißen
bzw. eine feste Verbindung zusammengefügt sind, und jedes Pflasterelement 2a, 2b hat eine
Höhe, die
der Höhe
einer Stapelschicht der aktiven Blöcke 1 entspricht.
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In der gleichen Schicht des Stapels
wechseln sich die Unter- 2a mit den Pflasterelementen 2b ab. Die
Pflasterelemente 2a einer Stapelschicht sind starr miteinander über eine
Struktur 3 (5)
verbunden, die sich in das Innere des Antriebs erstreckt und mit
der sie aus einem Stück
sind. Die Pflasterelemente 2b sind ihrerseits nicht untereinander
verbunden.
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Das Stück, das die Struktur 3 bildet,
und die Pflasterelemente 2a sind dazu bestimmt, die Vorspannung
der Keramiken sicherzustellen, die die aktiven Blöcke 1 bilden.
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Wie in 5 dargestellt,
ist die Vorspannstruktur 3 vorteilhaft aus mehreren Armen 3a gebildet,
die sich radial kreuzförmig
(im Falle eines röhrenförmigen Antriebs,
der acht aktive Blöcke 1 pro Stufe
umfaßt) – und allgemein
sternförmig – zwischen
einem zentralen Element 3b und den Unterpflasterelementen 2a erstrecken.
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Das zentrale Element 3b hat
vorzugsweise eine Ringform.
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Die Montage des röhrenförmigen Stapels, der dem in 5 dargestellten Aufbau entspricht,
ist wie folgt.
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In einem ersten Stadium baut man
Module 4 zusammen, die aus zwei Keramikblöcken 1 und
einem trapezförmigen
Stahlpflasterelement 2b gebildet sind, an dessen beiden
Seiten man die beiden Blöcke 1 anordnet
(6a).
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Dann positioniert man die so erhaltenen
Module 4 zwischen den trapezförmigen Pflasterelementen 2a,
die die Arme 3a des kreuzförmigen Verbindungsaufbaus abschließen.
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An die trapezförmigen Pflasterelementen 2b legt
man eine Vorspannkraft an, die radial ins Innere des röhrenförmigen Aufbaus
(6b) gerichtet ist.
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Dann positioniert man auf der so
erhaltenen Stufe ein neues Vorspannstück (Pflasterelemente 2a, die
miteinander über
eine Verbindungsstruktur 3 verbunden sind), indem die Pflasterelemente 2a dieses Vorspannstückes auf
die Pflasterelemente 2b der vorhergehenden Stufe gelegt
werden. Im Falle eines Antriebs mit acht aktiven Blöcken 1 pro
Stufe und kreuzförmigen
Vorspannstücken
sind die Vorspannstücke
von einer Stufe zur nächsten
um 45° verdreht (6c).
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Man schweißt dann die Pflasterelemente 2a dieser
neuen Stufe an die Pflasterelemente 2b der vorhergehenden
Stufe (schraffierter Bereich in 6d).
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Dann hebt man die auf diese Pflasterelemente 2b ausgeübte geeichte
Vorspannung auf. Man kann dann die Montage der neuen Stufe fortsetzen, indem
zwischen die Pflasterelemente 2a der neuen Stufe Module 4 eingesetzt
werden, die aus zwei aktiven Blöcken
gebildet sind, die beiderseits eines Trennpflasterelementes 2b angeordnet
werden.
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Am Ende der Montage der verschiedenen Stufen
werden metallische Plättchen 6 (7a, 7b) auf die metalli schen Pflasterelemente 2a, 2b geschweißt, um jede
Stufe des Antriebs mit Spannung versorgen zu können.
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Diese Plättchen 6 werden in
Aussparungen 7 aufgenommen, die die Trennpflasterelemente 2a, 2b aufweisen.
Diese Aussparungen 7 ermöglichen eine Durchfederung
dieser Plättchen 6,
während
die Struktur torsionsbelastet ist, und weisen eine hierfür ausgewählte Breite
und Tiefe auf. Die Schweißzonen,
die mit 8 bezeichnet sind, dieser Plättchen 6 sind über jedes
zweite Pflasterelement 2a, 2b verteilt, die nicht
geschweißte
Länge zwischen
zwei Zonen ist so groß wie
möglich.
Diese Schweißzonen 8 wechseln
sich in die Höhe
des Antriebs von einem Stapel an Trennelementen zum nächsten ab.
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Wie verständlich wurde, kann eine solche Montage
die Toleranzprobleme vermeiden, die bei den Montagen des Typs angetroffen
wird, wie er in der EP 0908961A dargestellt ist.
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Es kann insbesondere eine bestimmte
Dimensionierungstoleranz an den die Module 4 bildenden
Elementen akzeptiert werden. Es kann insbesondere eine radiale oder
tangentiale Verschiebung der Blöcke 1 und
der Pflasterelemente 2b bezüglich einer theoretischen Nennseite
toleriert werden.
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Außerdem erstreckt sich die Vorspannstruktur
in das Innere der Stufen des Antriebs und weist eine weniger ausgeprägte Masse
auf als die Vorspannringe.
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Ebenso ermöglicht die vorgeschlagene Lösung, eine
Legierung mit einem Formgedächtnis
zum Fertigen der Vorspannstruktur nicht verwenden zu müssen.
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Weitere Varianten des Herstellungsverfahrens
des vorgeschlagenen Aufbaus durch die Erfindung sind denkbar.
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Insbesondere kann man zwei Stufen überlagern,
die durch Montage von Modulen 4 auf Vorspannstrukturen
erhalten wurden, indem eine Vorspannkraft, die radial ins Innere
dieser Stufen gerichtet ist, einerseits an diejenigen der Trennpflasterelemente
der einen der Stufe, die nicht aus einem Stück mit der Vorspannstruktur
sind, und andererseits an die Trennpflasterelemente der anderen
Stufe angelegt wird, die diesen Vorspanntrennpflasterelementen überlagert
sind und aus einem Stück
mit der Vorspannstruktur dieser anderen Stufe sind. Man verschweißt dann
die so überlagerten
Vorspanntrennpflasterelemente.
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Ein mögliches Dimensionierungsbeispiel
für eine
Stufe eines von der Erfindung vorgeschlagenen Antriebsaufbaus ist
wie folgt:
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- – Innendurchmesser
des zentralen kreuzförmigen Vorspannringelementes 3b:
6 mm
- – Innendurchmesser
des Keramikkranzes: 15 mm
- – Außendurchmesser
des Keramikkranzes: 22 mm
- – Höhe h des
Kranzes: 2.3 mm
- – Höhe h des
Kreuzes: 2.1 mm
- – Breite
der Arme des Kreuzes: 1.2 mm
- – Höhe eines
Keramikblockes: 2 mm
- – Arbeitsspiel
zwischen den Stufen: 0.3 mm
- – Länge (aktive
Richtung) eines Keramikblockes: 4.5 mm
- – Breite
eines Keramikblockes: 3.6 mm
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Die Anzahl an Keramiken pro Stufe
ist vorteilhaft 8, wobei der Antrieb 364 Stufen umfaßt.
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Die Verbindungsstrukturen 3 und
die Pflasterelemente 2a, 2b werden aus Stahl mit
hohen mechanischen Eigenschaften gefertigt.
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Die verwendeten Keramiken sind entweder massive
Keramiken, entweder Mehrschichtblöcke, wie PZ26-Keramiken, deren
Wert für
das Young-Modul 50000 Mpa ist, und deren Deformationshöhe etwa
+/–1E–3 ist
und einem praktisch linea ren Verhalten folgen. Das elektrische Nennfeld
ist etwa [-1500 Volt/mm;
+1500 Volt/mm].
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Die verwendeten Plättchen zum
Versorgen der Metallstrukturen sind Phynox-Plättchen mit 4 mm Dicke und 2
mm Breite.