EP1198850A2 - Piezoaktor mit elementen zur bewegungsstabilisierung - Google Patents

Piezoaktor mit elementen zur bewegungsstabilisierung

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Publication number
EP1198850A2
EP1198850A2 EP00941926A EP00941926A EP1198850A2 EP 1198850 A2 EP1198850 A2 EP 1198850A2 EP 00941926 A EP00941926 A EP 00941926A EP 00941926 A EP00941926 A EP 00941926A EP 1198850 A2 EP1198850 A2 EP 1198850A2
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EP
European Patent Office
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piezo
housing
elements
stabilizing
actuator according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00941926A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Stoecklein
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP1198850A2 publication Critical patent/EP1198850A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • 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
    • 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
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/886—Mechanical prestressing means, e.g. springs

Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator, for example for actuating a mechanical component such as a valve or the like, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect.
  • an external electrical voltage is applied, there is a mechanical reaction of the piezo element which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predeterminable direction.
  • the aforementioned piezo actuators are often used for positioning valves. It should be noted here, among other things, that their lifting capacity for actuation, for example of a valve lifter, is relatively small, with a comparatively large force. To increase the useful stroke, it is therefore sometimes customary to provide a mechanical or hydraulic travel ratio. Such mechanical or hydraulic path translation systems mean more effort and therefore higher and higher costs.
  • the piezo actuator described at the outset advantageously has at least one piezo element which is suitable for acting on an actuating element with a tensile or compressive force.
  • stabilization elements are provided which are arranged parallel to the piezo element with a flexible intermediate layer lying between the elements, the piezo element and the stabilization elements having a length in the effective direction (z-axis) in relation to their width transverse to the effective direction (x, y direction) ) exhibit.
  • An advantageous order of magnitude would be, for example, a ratio of length (z direction) to width (x, y direction) of approximately 5: 1 to 50: 1.
  • the stabilizing elements are made of steel and are held in the housing between a base or support plate which is firmly clamped in the housing of the piezo actuator and a fixing edge.
  • the housing is usually also made of steel.
  • the piezo element is held between the base plate and a spring plate, which has a Preload spring also bears against the housing and guide the actuating element.
  • a long, narrow piezo actuator is created in a simple manner, which is mechanically relatively insensitive, e.g. for vibrations when used in the engine compartment of a motor vehicle. Due to the large stroke due to the long, narrow design, a stroke ratio can be omitted, with the piezo actuator being able to generate tensile or compressive forces in principle.
  • a flexible intermediate layer for example a plastic, such as a polymer or the like, is attached between the stabilizing elements and the piezo element.
  • a longitudinal movement which represents a relative movement between the piezo element and the stabilizing element.
  • An oscillating movement of the piezo element in the x or y direction can, however, be avoided. Bending stresses in the piezo element, which could possibly destroy the piezo actuator, can thus be prevented in a simple manner.
  • the piezo element and the stabilization elements are made of ceramic materials which have essentially the same thermal expansion coefficient, so that this embodiment is temperature-compensated.
  • the stabilizing element is also held here between a base plate and a fixing edge in the housing, but the base plate abuts the housing via a spring.
  • the stabilizing element is mechanically coupled to the piezo element in such a way that the temperature-related expansion of the piezo zoelements and the stabilizing elements cancel each other in the effective direction in such a way that the actuating element remains in its position, that is to say no zero point drift occurs.
  • the piezo element is held between the base plate and a spring plate, which also bears against the housing via a biasing spring and guides the actuating element.
  • the force of the biasing spring must be significantly higher than that of the spring on the base plate, so that the different temperature expansions between the housing and the material of the piezo element are compensated for by the spring. Additional measures of temperature compensation, as previously provided by hydraulic coupling, are no longer necessary.
  • the piezo element can be constructed from transversely layered piezo layers and thus exert a compressive force on the actuating element or can be constructed from longitudinally layered piezo layers and thus exert a tensile force on the actuating element.
  • the stabilization element consists of piezo layers lying perpendicular to the layer structure of the piezo element, which are controlled with a voltage in the same way as the piezo element.
  • the useful stroke is also increased by the additional stroke of the stabilizing elements in addition to temperature compensation.
  • the contacting of the piezo layers can be in the intermediate layer or outside.
  • two piezo elements are arranged in the housing of the piezo actuator symmetrically to a tension rod which represents the actuating element and is surrounded by the intermediate layer.
  • the piezo elements are here between a support plate connected to the tension rod and a fixing edge in the Housing held and the support plate rests on the spring for biasing the housing.
  • FIG. 1 shows a section through a non-temperature compensated piezo actuator with stabilizing elements made of steel
  • FIG. 2 shows a detail section along a section line A-A from FIG. 1 with a first possibility of contacting the piezo element
  • FIG. 3 shows a detail section along a section line A-A from FIG. 1 with a second possibility of contacting the piezo element
  • FIG. 4 shows a section through a temperature-compensated, cross-layered piezo element of the piezo actuator with a stabilizing element made of ceramic;
  • FIG. 5 shows a section through a temperature-compensated, longitudinally layered piezo element of the piezo actuator with a stabilizing element made of ceramic; - o -
  • FIG. 6 shows a detail section along a section line A-A from FIG. 5 with a first possibility of contacting the piezo element
  • FIG. 7 shows a detail section along a section line A-A from FIG. 5 with a second possibility of contacting the piezo element
  • Figure 8 shows a section through a non-temperature compensated piezo actuator with two piezo elements which are arranged on both sides of a tension rod.
  • FIG. 1 shows a piezo actuator 1 which has a piezo element 2 which is constructed in a manner known per se from piezo foils of a quartz material with a suitable crystal structure, so that using the so-called piezo effect when an external electrical voltage is applied to electrodes 3 and 4 there is a mechanical reaction of the piezo actuator 1 in the form of a force F util .
  • the embodiment according to Figure 1 is not temperature-compensated and provides a compressive force F L Usable •
  • the relatively long and thin piezo element 2 is pressed with the upper end against a base plate or support plate 8 by a biasing spring 6 and a spring plate 7 arranged above it.
  • the support plate 8 is clamped with stabilizing elements 9 arranged symmetrically to the piezo element 2 on both sides, which are supported at the top and bottom of the housing 10 of the piezo actuator 1.
  • stabilizing elements 9 and the piezo element 2 there is a flexible plastic, for example polymer, along the intermediate layer 11.
  • the flexible intermediate layer 11 has the task of a longitudinal movement, ie to allow the relative movement between the piezo element 2 and the stabilizing elements 9, but to prevent an oscillatory movement of the piezo element in the x or y direction.
  • FIG. 4 A second exemplary embodiment of a piezo actuator 20 is shown in FIG. 4, the components having the same effect being provided with the same reference numerals as in FIG. 1.
  • a piezo element 21 and there are stabilizing elements 22 which are made from a ceramic material with approximately the same thermal expansion coefficient as the piezo element 21.
  • the plattetützplatte 8 is biased by a spring 23 in the housing 10, the biasing force of the spring 23 must be significantly higher than that of the bias spring 6 so that the different temperature expansions between the housing 10 and the piezo element 21 can be compensated for by the spring 23 .
  • the spring 23 could also be dispensed with.
  • the piezo element 21 would be held together by the upper support plate 8 and possibly a lower support plate, as shown in FIG.
  • the upper support plate 8 would, as in FIG. 1, rest on a shoulder of the housing 10.
  • the spring 23 prevents the stabilizing element 22 from coming under tensile stress, which can be caused by the pretensioning of the piezo element. This preload is brought about by means of the spring 6.
  • actuation of the piezo actuator 20 also leads to an axial expansion of the piezo zoelements 21 and thus to a compressive force F Usable against the bias of the biasing spring 6. Since here the piezoelectric element 21 and the stabilizing elements 22 have substantially the same temperature expansion coefficients, the temperature-induced expansions of the piezoelectric element 21 and the stabilizing element 22 at the proposed mechanical installation leads to a cancellation of the influences of the two elements 21 and 22 in the effective direction. Thus, the actuating element connected to the spring plate 7 of the piezo element 21 can remain in its position.
  • FIG. 5 A third exemplary embodiment of a piezo actuator 30 is shown in FIG. 5, the components having the same effect also being provided with the same reference numerals as in FIG. 1 or 4.
  • An actuation of the piezoelectric actuator 30 supplies in this embodiment to an axial shortening of the piezo element 31 and thus useful to a force acting on the actuating element tension F.
  • FIG. 8 A further exemplary embodiment of a piezo actuator 40 can be seen from FIG. 8, the components having the same effect also being provided with the same reference numerals here as in FIG. 1, 4 or 5.
  • two piezo elements 41 and 42 are arranged symmetrically to a pull rod 43 representing the actuating element.
  • Piezo elements 41 and 42 and the tension rod 43 are arranged in the housing 10 of the piezo actuator 40 surrounded by the intermediate layer 11.
  • the piezo elements 41 and 42 are also held here between a support plate 44 connected to the tension rod and via the spring 23 on an upper fixing edge in the housing 10 and a lower fixing edge in the housing 10. This arrangement provides a force F nutz a pulling force and is not temperature compensated.

Abstract

Es wird ein Piezoaktor vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft vorhanden ist. Es sind weiterhin Stabilisierungselemente (9; 22) angeordnet, die parallel zum Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) mit einer zwischen den Elementen liegenden flexiblen Zwischenschicht (11) angebracht sind. Das Piezoelement (2; 21; 31; 41, 42) und die Stabilisierungselemente (9; 22) weisen dabei eine in Wirkrichtung (z-Achse) grosse Länge im Verhältnis zu ihrer Breite quer zur Wirkrichtung (x, y-Richtung) auf.

Description

Piezoaktor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor, beispielsweise zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs .
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements , die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Bei der Positionierung von Ventilen werden die zuvor genannten Piezoaktoren häufig eingesetzt. Dabei ist hier unter anderem zu beachten, dass ihr Hubvermögen zur Betätigung, beispielsweise eines Ventilstössels , relativ klein ist, bei vergleichsweise großer Kraft. Zu einer Vergrößerung des Nutzhubes ist es deshalb zum Teil üblich eine mechanische oder hydraulische Wegübersetzung vorzusehen. Solche mechanischen oder hydraulischen Wegübersetzungssysteme bedeuten aber einen höheren Aufwand und damit höhere auch höhere Kosten.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor weist in vorteilhafter Weise mindestens ein Piezoelement auf, das zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zug- oder Druckkraft geeignet ist. Erfindungsgemäß sind Stabilisierungselemente vorhanden, die parallel zum Piezoelement mit einer zwischen den Elementen liegenden flexiblen Zwischenschicht angeordnet sind, wobei das Piezoelement und die Stabilisierungselemente eine in Wirkrichtung (z- Achse) große Länge im Verhältnis zu ihrer Breite quer zur Wirkrichtung (x, y-Richtung) aufweisen. Eine vorteilhafte Größenordnung wäre beispielsweise ein Verhältnis von Länge (z -Richtung) zu Breite (x, y-Richtung) in etwa von 5:1 bis zu 50:1.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform sind die Stabilisierungselemente aus Stahl und zwischen einer im Gehäuse des Piezoaktors fest eingespannten Grund- oder Stützplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten. Das Gehäuse ist hier in der Regel ebenfalls aus Stahl hergestellt . Das Piezoelement ist dabei zwischen der Grundplatte und einem Federteller gehalten, der über eine Vorspannfeder ebenfalls am Gehäuse anliegt und das Betätigungselement führ .
Mit der Erfindung ist auf einfache Weise ein langer schmaler Piezoaktor geschaffen, der mechanisch relativ unempfindlich, z.B. bei Vibrationen bei einer Anwendung im Motorraum eines Kraftfahrzeuges, ist. Durch den großen Hub aufgrund der langen schmalen Bauweise kann eine Hubübersetzung entfallen, wobei mit dem Piezoaktor prinzipiell Zug- oder Druckkräfte erzeugbar sind.
Dadurch, dass zwischen den Stabilisierungselementen und dem Piezoelement eine flexible Zwischenschicht, beispielsweise ein Kunststoff, wie ein Polymer oder ähnliches, angebracht ist, kann eine Längsbewegung, die eine Relativbewegung zwischen dem Piezoelement und dem Stabilisierungselement darstellt, zugelassen werden. Eine Schwingbewegung des Piezoelements in x- oder y-Richtung kann dabei jedoch vermieden werden. Es können somit auf einfache Weise Biegespannungen im Piezoelement verhindert werden, welche eventuell zur Zerstörung des Piezoaktors führen könnten.
Die zuvor erwähnte konkrete Ausführungsform liefert nach unten gerichtete Druckkräfte und ist nicht temperaturkompensiert. Bei einer zweiten Ausführungsform sind das Piezoelement und die Stabilisierungselemente aus Keramikmaterialien, die im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, so dass diese Ausführungsform temperaturkompensiert ist. Das Stabilisierungselement ist auch hier zwischen einer Grundplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten, wobei die Grundplatte jedoch über eine Feder am Gehäuse anliegt.
Das Stabilisierungselement ist bei der letztgenannten Ausführungsform mechanisch derart mit dem Piezoelement gekoppelt, dass die temperaturbedingte Dehnungen des Pie- zoelements und der Stabilisierungselemente sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement in seiner Lage verbleibt, also keine Nullpunktdrift auftritt. Das Piezoelement ist zwischen der Grundplatte und einem Federteller gehalten, der über eine Vorspannfeder ebenfalls am Gehäuse anliegt und das Betätigungselement führt. Hierbei muss die Kraft der Vorspannfeder wesentlich höher als die der Feder an der Grundplatte, so dass die unterschiedlichen Temperaturdehnungen zwischen dem Gehäuse und dem Material des Piezoelements über die Feder ausgeglichen werden. Zusätzliche Maßnahmen der Temperaturkompensation, wie bisher vielfach durch hydraulische Kopplung vorgesehen, sind hier nicht mehr nötig.
Das Piezoelement kann bei der Erfindung aus quer geschichteten Piezolagen aufgebaut sein und somit eine Druckkraft auf das Betätigungselement ausüben oder aus längs geschichteten Piezolagen aufgebaut sein und somit eine Zugkraft auf das Betätigungselement ausüben.
Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen besteht das Stabiliserungselement aus jeweils senkrecht zum Schicht - aufbau des Piezoelements liegenden Piezolagen, die in gleicher Weise mit einer Spannung angesteuert werden wie das Piezoelement. Mit diesen Ausführungsformen wird durch den zusätzlichen Hub der Stabilisierungselemente zusätzlich zur Temperaturkompensation auch noch der Nutzhub vergrößert . Die Kontaktierung des Piezolagen kann dabei in der Zwischenschicht liegen oder auch außerhalb.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zwei Piezoelemente symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstellenden Zugstab von der Zwischenschicht umgeben im Gehäuse des Piezoaktors angeordnet. Die Piezoelemente sind hier zwischen einer mit dem Zugstab verbundenen Stützplatte und einer Fixierkante im Gehäuse gehalten und die Stützplatte liegt über eine Feder zur Vorspannung am Gehäuse an.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs- form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors in schmaler Bauweise, beispielsweise zur Positionierung eines Ventils, werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch einen nicht temperaturkompensierten Piezoaktor mit Stabilisierungselementen aus Stahl;
Figur 2 einen Detailschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus der Figur 1 mit einer ersten Kontaktie- rungsmδglichkeit des Piezoelements;
Figur 3 einen Detailschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus der Figur 1 mit einer zweiten Kontaktie- rungsmöglichkeit des Piezoelements;
Figur 4 einen Schnitt durch ein temperaturkompensiertes, quergeschichtetes Piezoelement des Piezoaktors mit einem Stabilisierungselement aus Keramik;
Figur 5 einen Schnitt durch ein temperaturkompensiertes längsgeschichtetes Piezoelements des Piezoaktors mit einem Stabilisierungselement aus Keramik; - o -
Figur 6 einen Detailschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus der Figur 5 mit einer ersten Kontaktie- rungsmöglichkeit des Piezoelements;
Figur 7 einen Detailschnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus der Figur 5 mit einer zweiten Kontaktie- rungsmöglichkeit des Piezoelements und
Figur 8 einen Schnitt durch einen nicht temperaturkompensierten Piezoaktor mit zwei Piezoelementen die beidseitig eines Zugstabes angeordnet sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der ein Piezoelement 2 aufweist, das in an sich bekannter Weise aus Piezofolien eines Quarzmaterials mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts bei Anlage einer äußeren e- lektrischen Spannung an Elektroden 3 und 4 eine mechanische Reaktion des Piezoaktors 1 in Form einer Kraft Fnutz erfolgt. Das Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 ist nicht temperaturkompensiert und liefert eine Druckkraft F L nutz •
Das relativ lange und dünne Piezoelement 2 wird durch eine Vorspannfeder 6 und einen darüber angeordneten Federteller 7 am unteren Ende mit dem oberen Ende an eine Grund- oder Stützplatte 8 angedrückt. Die Stützplatte 8 wird mit beidseitig symmetrisch zum Piezoelement 2 angeordneten Stabilisierungselementen 9 verspannt, die sich oben und unten am Gehäuse 10 des Piezoaktors 1 abstützen. Zwischen den Stabilisierungselementen 9 und dem Piezoelement 2 befindet sich längs als Zwischenschicht 11 ein flexibler Kunststoff, z.B. Polymer. Die flexible Zwischenschicht 11 hat die Aufgabe, eine Längsbewegung, d.h. die Relativbewegung zwischen dem Piezoelement 2 und den Stabilisierungselementen 9, zuzulassen, eine Schwingbewegung des Piezoelements in x- oder y-Richtung jedoch zu verhindern .
Aus Figuren 2 und 3 sind Möglichkeiten eines Anschlusses der Kontakte 3 und 4 des Piezoelements 2 angedeutet, der entweder in x- oder y-Richtung erfolgen kann und dabei entweder in der Zwischenschicht 11 oder auch außerhalb liegt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 20 ist in Figur 4 gezeigt, wobei hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Figur 1 versehen sind. Bei der Anordnung nach der Figur 4 ist ein Piezoelement 21 und es sind Stabilisierungselemente 22 vorhanden, die aus einem Keramikwerkstoff mit annähernd gleichem Temperaturdehnungkoeffizienten wie das Piezoelement 21 hergestellt sind. Die Ξtützplatte 8 ist hier über eine Feder 23 im Gehäuse 10 vorgespannt, wobei die Vorspannkraft der Feder 23 dabei wesentlich höher sein muss als die der Vorspannfeder 6, damit die unterschiedlichen Temperaturdehnungen zwischen dem Gehäuse 10 und dem Piezoelement 21 über die Feder 23 ausgeglichen werden können. Auf die Feder 23 könnte aber auch verzichtet werden. Dann würde das Piezoelement 21 analog der Darstellung in Figur 1 durch die obere Stützplatte 8 und eventuell einer unteren Stützplatte zusammengehalten. Die obere Stützplatte 8 würde, wie in Figur 1, an einer Schulter des Gehäuses 10 anliegen. Die Feder 23 verhindert, dass das Stabilisierungselement 22 unter Zugspannung gelangt, die durch die Vorspannung des Piezoelements bedingt sein kann. Diese Vorspannung wird mit Hilfe der Feder 6 bewirkt .
Eine Betätigung des Piezoaktors 20 führt auch bei diesem Ausführungsbeispiel zu einer axialen Ausdehnung des Pie- zoelements 21 und damit zu einer Druckkraft Fnutz gegen die Vorspannung der Vorspannfeder 6. Da auch hier das Piezoelement 21 und die Stabilisierungselemente 22 im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, führt die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements 21 und des Stabilisierungselements 22 bei der vorgeschlagenen mechanischen Anbringung zu einer Aufhebung der Einflüsse der beiden Elemente 21 und 22 in Wirkrichtung. Somit kann das mit der Federplatte 7 des Piezoelements 21 verbundene Betätigungselement in seiner Lage verbleiben.
Ein drittes Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 30 ist in Figur 5 gezeigt, wobei auch hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Figur 1 oder 4 versehen sind. Bei der Anordnung nach der Figur 5 ist lediglich ein Piezoelement 31 im Unterschied zu der Anordnung nach der Figur 4 mit längsgeschichteten Piezolagen versehen. Eine Betätigung des Piezoaktors 30 führt bei diesem Ausführungsbeispiel zu einer axialen Verkürzung des Piezoelements 31 und damit zu einer auf das Betätigungselement wirkenden Zugkraft Fnutz .
Aus Figuren 6 und 7 sind hier ebenfalls Möglichkeiten eines Anschlusses der Kontakte 3 und 4 des Piezoelements 31 angedeutet, die mit entsprechend ausgerichteten Piezolagen auch entweder in x- oder y-Richtung erfolgen können und dabei entweder in der Zwischenschicht 11 oder auch außerhalb liegen.
Aus Figur 8 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Piezoaktors 40 ersichtlich, wobei auch hier die gleich wirkenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie anhand der Figur 1, 4 oder 5 versehen sind. Bei der Anordnung nach der Figur 8 sind zwei Piezoelemente 41 und 42 symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstellenden Zugstab 43 angeordnet. Die Piezoelemente 41 und 42 und der Zugstab 43 sind von der Zwischenschicht 11 umgeben im Gehäuse 10 des Piezoaktors 40 angeordnet. Die Piezoelemente 41 und 42 sind hier außerdem zwischen einer mit dem Zugstab verbundenen Stützplatte 44 und über die Feder 23 an einer oberen Fixierkante im Gehäuse 10 und einer unteren Fixierkante im Gehäuse 10 gehalten. Diese Anordnung liefert als Kraft Fnutz eine Zugkraft und ist nicht temperaturkompensiert .

Claims

Patentansprüche
1) Piezoaktor, mit
- Mindestens einem Piezoelement (2 ;21; 31;41, 42) zur Beaufschlagung eines Betätigungselements mit einer Zugoder Druckkraft und mit
Stabilisierungselementen (9,-22), die parallel zum Piezoelement (2 ; 21; 31 ; 41, 42) mit einer zwischen den Elementen liegenden flexiblen Zwischenschicht (11) angeordnet sind, wobei das Piezoeelement (2 ; 21 ; 31 ; 41, 2) und die Stabilisierungselemente (9,-22) eine in Wirkrichtung (z-Achse) große Länge im Verhältnis zu ihrer Breite quer zur Wirkrichtung (x, y-Richtung) aufweisen.
2) Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich.net, dass das Verhältnis von Länge (z-Richtung) zu Breite (x,y- Richtung) in etwa 5:1 bis zu 50:1 beträgt. 3) Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungselemente (9) aus Stahl sind und zwischen einer im Gehäuse (10) des Piezoaktors (1) fest eingespannten Grund- oder Stützplatte (8) und einer Fixierkante im Gehäuse (10) gehalten ist und dass das Piezoelement (2 ; 21; 31; 41, 42) zwischen der Grundplatte (8) und einem Federteller (7) gehalten ist, der über eine Vorspannfeder (6) ebenfalls am Gehäuse (10) anliegt und das Betätigungselement führt.
4) Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (21; 31) und die Stabilisierungselemente (22) aus Keramikmaterialien sind, die im wesentlichen den gleichen Temperaturdehnungkoeffizienten aufweisen, wobei die Stabilisierungselemente (22) zwischen einer Grund- oder Stützplatte (8) und einer Fixierkante im Gehäuse (10) gehalten ist, dass das Piezoelement (21; 31) zwischen der Grundplatte (8) und einem Federteller (7) gehalten ist, der über eine Vorspannfeder (6) ebenfalls am Gehäuse (10) anliegt und das Betätigungselement führt, wobei das Stabilisierungselement (22) mechanisch derart mit dem Piezoelement (21 ;31) gekoppelt ist, dass die temperaturbedingte Dehnungen des Piezoelements (21,-31) und des Stabilisierungselements (22) sich in Wirkrichtung derart aufheben, dass das Betätigungselement in seiner Lage verbleibt . 5) Piezoaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (8) über eine Feder (23) am Gehäuse (10) anliegt.
6) Piezoaktor nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (21) aus quer geschichteten Piezolagen aufgebaut ist und somit eine Druckkraft auf das Betätigungselement ausübt.
7) Piezoaktor nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (31) aus längs geschichteten Piezolagen aufgebaut ist und somit eine Zugkraft auf das Betätigungselement ausübt.
8) Piezoaktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabiliserungselement (22) aus jeweils senkrecht zum Schichtaufbau des Piezoelements (21,-31) liegenden Piezolagen bestehen die in gleicher Weise mit einer Spannung angesteuert werden wie das Piezoelement (21; 31) .
9) Piezoaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Piezoelemente (41,42) symmetrisch zu einem das Betätigungselement darstellenden Zugstab (43) von der Zwischenschicht (11) umgeben im Gehäuse (10) des Piezoaktors (40) angeordnet sind, wobei die Piezoelemente (41,42) zwischen einer mit dem Zug- stab (43) verbundenen Stützplatte (44) und einer Fixierkante im Gehäuse (10) gehalten sind und die Stütz - platte (44) über eine Feder (23) am Gehäuse (10) anliegt .
EP00941926A 1999-06-19 2000-05-24 Piezoaktor mit elementen zur bewegungsstabilisierung Withdrawn EP1198850A2 (de)

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DE19928185 1999-06-19
DE19928185A DE19928185B4 (de) 1999-06-19 1999-06-19 Piezoaktor
PCT/DE2000/001671 WO2000079606A2 (de) 1999-06-19 2000-05-24 Piezoaktor mit elementen zur bewegungsstabilisierung

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Publication Number Publication Date
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ID=7911887

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP00941926A Withdrawn EP1198850A2 (de) 1999-06-19 2000-05-24 Piezoaktor mit elementen zur bewegungsstabilisierung

Country Status (8)

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US (1) US6617766B1 (de)
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