WO2012045819A1 - Anordnung eines piezoaktors und verfahren zum betrieb eines piezoaktors - Google Patents

Anordnung eines piezoaktors und verfahren zum betrieb eines piezoaktors Download PDF

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WO2012045819A1
WO2012045819A1 PCT/EP2011/067476 EP2011067476W WO2012045819A1 WO 2012045819 A1 WO2012045819 A1 WO 2012045819A1 EP 2011067476 W EP2011067476 W EP 2011067476W WO 2012045819 A1 WO2012045819 A1 WO 2012045819A1
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WO
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fluid
piezoelectric actuator
housing
opening channel
arrangement
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PCT/EP2011/067476
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French (fr)
Inventor
Franz Rinner
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Epcos Ag
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    • 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
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details
    • H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification
    • 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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/707—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with means for avoiding fuel contact with actuators, e.g. isolating actuators by using bellows or diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to piezoactuators which are suitable for a high lift with minimum switching time.
  • a piezoelectric actuator as a piezoelectric actuator or
  • Piezoaktuator is constructed of piezoelectric material, usually a ceramic, and serves as
  • a piezoelectric actuator is typically constructed as a piezo stack in which piezoelectric ceramic layers
  • Electrodes made of metal.
  • the electrodes are alternated with one of two in the order of their arrangement
  • the piezo stack When applying an electrical voltage to the outer electrodes, the piezo stack is stretched in the direction in which the ceramic layers follow one another or excited to longitudinal vibrations.
  • piezo actuators are needed that allow very short switching times at high lift. If a piezoelectric actuator is to achieve a high stroke, the piezoelectric actuator in the relevant direction must be sufficiently long, since the ceramic used for the piezoactuator has only limited elasticity. The minimum switching time corresponds approximately to the quotient of the length of the
  • Piezoactors in the direction of elongation and the speed of sound in the piezoelectric actuator which is at about 2 km / s to 3 km / s and is essentially independent of the geometry. Therefore, if a particularly large stroke is required, the minimum possible switching time is already too long for many applications.
  • the object of the present invention is to specify how the switching time of a piezoelectric actuator, with which a proposed stroke is achieved, can be reduced.
  • the assembly comprises a housing, at least one
  • Piezoelectric actuator and a fluid wherein the piezoelectric actuator and the fluid in mechanical communication with each other in the housing
  • the housing has an opening channel through which the fluid can exit the housing or flow back into the housing.
  • the volume occupied by the fluid in the housing changes, so that a corresponding volume fraction of the fluid flows back into the opening channel or out of the opening channel.
  • Opening channel is dimensioned so that a path length traversed by the volume fraction of the fluid in the opening channel, each greater than the change in the dimension of the
  • Piezoelectric actuator A relatively small stroke of the piezoelectric actuator is in this way in a larger stroke, corresponding to the path traveled by the fluid in the opening channel path length,
  • At least one further piezoactuator is arranged in mechanical connection with the fluid in the housing, so that a change in a dimension of the further piezoactuator causes a further change of the volume occupied by the fluid in the housing.
  • the fluid may be, for example, an incompressible fluid or a gel.
  • the change of the dimension of the piezoactuator may be made in a direction that is not a longitudinal direction of the orifice passage. Instead, the change in dimension of the piezoactuator may be in a direction that is a longitudinal direction of the port passage.
  • the opening channel may in particular at least one bend or curve and thus sections with differently oriented
  • the piezoelectric actuator has a channel which extends the opening channel.
  • the change of the dimension of the piezoelectric actuator takes place in the
  • the mechanical connection of the piezoelectric actuator with a device operated by means of the piezoelectric actuator is achieved by a fluid
  • mediated which may be in particular an incompressible liquid or a gel.
  • the piezoactuator acts on a medium called fluid, which is gaseous, liquid or viscous and located in a cavity of a housing provided with an opening located. Actuation of the piezoactuator alters the volume occupied by the fluid, so that the fluid flows to the
  • the opening has a sufficiently small cross section, which is preferably substantially smaller than the surface of the piezoelectric actuator acting on the fluid, the fluid lays during the
  • the maximum possible length of the piezoelectric actuator is thus translated into a larger stroke of the fluid, so that in the short switching time of a relatively short piezoelectric actuator, a large stroke can be transferred to a device to be operated with the piezoelectric actuator.
  • the stroke ratio results in the simplest case from the quotient of the area, with which the piezoelectric actuator acts on the fluid, and the cross-sectional area of the opening.
  • An opening channel through which the displaced volume fraction of the fluid flows preferably has at least one
  • Effective direction of the arrangement can be mounted in the housing.
  • the effective direction of the arrangement can be adjusted independently of the orientation of the piezoelectric actuator and does not have to coincide with the longitudinal direction of the piezoelectric actuator. Under the longitudinal direction here is the
  • the stroke of the drive device constructed in this way and the switching time of the piezoelectric actuator used can with this Arrangement are decoupled from each other, so that at low switching time in principle arbitrarily high strokes can be realized.
  • the relatively small size of the piezoelectric actuator has the advantage that a low tendency to crack formation in the piezoelectric actuator and therefore a longer life of the drive device is to be expected.
  • Figure 1 shows a cross section through a
  • Figure 2 shows a cross section according to Figure 1 for a
  • Another embodiment with two piezo actuators.
  • FIG. 3 shows a cross section according to FIG. 2 for a
  • Another embodiment with a channel in the piezoelectric actuator.
  • FIG. 4 shows the section designated in FIG.
  • FIG. 5 shows a cross section according to FIG. 2 for a
  • Another embodiment with a bent or curved opening channel Another embodiment with a bent or curved opening channel.
  • FIG. 6 shows a detailed view of the cross sections of FIG
  • FIG. 7 shows the section marked in FIG 1 shows a cross section through an arrangement of a piezoelectric actuator 2 and a fluid 3 in a housing 1, which may be formed for example of steel.
  • the housing 1 has an opening channel 4 which communicates with the volume occupied by the fluid 3.
  • the piezoelectric actuator 2 is mounted in this embodiment in the interior of the housing 1 that during operation of the arrangement a
  • Expansion of the piezoelectric actuator 2 thus reduces the volume occupied by the fluid 3 in the housing 1, so that the corresponding volume fraction of the fluid 3 through the
  • Opening channel 4 flows out.
  • the fluid 3 is preferably an incompressible liquid or a gel, so that at the outlet of the opening channel 4, which may for example be provided there with a membrane, a correspondingly enlarged stroke can be transmitted to a mechanical device.
  • the sectional plane 7 marked in FIG. 1 is shown in FIG. In this embodiment, the
  • the relatively large semicircular surface, in which the piezoactuator 2 acts on the fluid 3 faces a relatively small cross section of the opening channel 4.
  • a small stroke of the piezoelectric actuator 2 when changing the dimension 5 ( Figure 1) is therefore transferred to a very large stroke of the path length travels the fluid 3 when flowing through the opening channel 4.
  • the opening channel 4 can be extended, for example, by a further channel attached to the housing 1 or by a thicker housing wall.
  • the opening channel 4 may have a sectionally constant cross section or also widen or taper.
  • the mechanical action of the outflowing fluid 3 on a device to be operated with the piezoelectric actuator 2 can in principle be configured as desired. This results in a wide range of
  • FIG. 6 shows the detail 9 marked in FIG. 1 in an enlarged detail view.
  • the piezoelectric actuator 2 should be arranged in the housing 1 so that the change of the dimension 5 without friction of the piezoelectric actuator 2 on the housing 1 is possible.
  • a small intermediate region 10 is preferably left free between the side surfaces of the piezoelectric actuator 2 and the housing 1, or optionally filled with a soft substance which allows a longitudinal expansion of the piezoelectric actuator 2.
  • the fluid 3 may be enveloped by a sheath 11, which leaves the opening channel 4 free and seals the volume occupied by the piezoactuator 2 and optionally the intermediate area 10 against the fluid 3.
  • Enclosure 11 may be, for example, a thin skin or a film, for example a metal film.
  • the housing 1 need not be closed on all sides and may for example be a steel frame when the fluid 3 is enclosed by a sheath 11, as shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a cross section according to FIG. 1 for a further exemplary embodiment, in which in the housing 1 two cooperating piezoactuators 2, 2 'in mechanical
  • the piezo actuators 2, 2 ' are therefore preferably arranged so that in
  • Embodiment be aligned in particular according to the illustration of Figure 2, so that the surfaces of the piezoelectric actuators 2, 2 'bordering on the fluid 3 are in each case moved in opposite directions relative to one another during operation.
  • Embodiment of Figure 2 is an even larger
  • Piezo actuators can be arbitrary in principle. In this way, it is possible with a plurality of piezo actuators, each having a relatively small stroke, to produce a very large outward stroke.
  • FIG. 3 shows a further embodiment in which, according to the exemplary embodiment of FIG. 2, two
  • Opening channel 4 is arranged here in the direction of the changed in operation dimension 5 of the piezoelectric actuators 2 and is extended by a channel 12 in the relevant piezoelectric actuator 2.
  • the fluid 3 therefore flows with a reduction of the occupied volume through this channel 12 and further through the opening channel 4 of the housing 1 to the outside.
  • FIG. 4 shows a view of the cutting plane 8 marked in FIG. 3.
  • the position of the channel 12 in one of the two piezoactuators 2 can be seen.
  • Cross-sectional area of the piezoelectric actuator 2 is circular, so that the maximum distance 6 from the channel 12, which has a portion of the fluid 3, is present on a conical surface in the radial direction. This results from a comparison of
  • FIGS. 3 and 4. In FIG. 4, the projection of this maximum distance 6 into the sectional plane of FIG. 4 is shown
  • FIG. 5 shows a cross section according to FIG. 2 for a further exemplary embodiment, in which the opening channel 4 has a bend 13.
  • Piezoactuator 2 can be deflected in principle in any direction by the opening channel 4 is designed accordingly.
  • the opening channel 4 does not need this
  • the switching speed of the arrangement results from the expansion of the piezoelectric actuator 2 in the direction of movement, the switching speed of the piezoelectric actuator 2, the maximum
  • the housing 1 also generates the necessary for the piezoelectric actuator 2 mechanical bias corresponding to the pressure of the fluid 3. This mechanical bias can be adjusted by making either the amount of fluid 3 or the volume occupied by it variable, for example by a

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Abstract

Die Anordnung umfasst ein Gehäuse (1), mindestens einen Piezoaktor (2) und ein Fluid (3), wobei der Piezoaktor und das Fluid in mechanischer Verbindung miteinander in dem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse weist einen Öffnungskanal (4) auf, durch den das Fluid aus dem Gehäuse austreten oder in das Gehäuse zurückströmen kann. Bei einer Änderung der Abmessung des Piezoaktors in dessen Längsrichtung ändert sich das von dem Fluid in dem Gehäuse eingenommene Volumen, so dass ein entsprechender Volumenanteil des Fluids in den Öffnungskanal hinein oder aus dem Öffnungskanal zurück strömt. Der Öffnungskanal ist so bemessen, dass eine Weglänge, die der Volumenanteil des Fluids in dem Öffnungskanal zurücklegt, jeweils größer ist als die Änderung der Abmessung des Piezoaktors. Ein relativ kleiner Hub des Piezoaktors wird auf diese Weise in einen größeren Hub, entsprechend der von dem Fluid in dem Öffnungskanal zurückgelegten Weglänge, übersetzt.

Description

Beschreibung
Anordnung eines Piezoaktors und Verfahren zum Betrieb eines Piezoaktors
Die vorliegende Erfindung betrifft Piezoaktoren, die für einen hohen Hub bei minimaler Schaltzeit geeignet sind.
Ein piezoelektrischer Aktor, auch als Piezoaktor oder
Piezoaktuator bezeichnet, ist aus piezoelektrischem Material, üblicherweise einer Keramik, aufgebaut und dient als
mechanischer Antrieb unter Ausnutzung des inversen
piezoelektrischen Effekts, indem durch Anlegen einer
elektrischen Spannung die Länge des Piezoaktors verändert wird. Ein Piezoaktor ist typischerweise als Piezostapel aufgebaut, in dem piezoelektrische Keramikschichten
alternierender Polarisationsrichtungen mit Elektroden aus Metall abwechseln. Die Elektroden sind in der Reihenfolge ihrer Anordnung abwechselnd mit einer von zwei
Außenelektroden verbunden. Wenn man eine elektrische Spannung an die Außenelektroden anlegt, wird der Piezostapel in der Richtung, in der die Keramikschichten aufeinander folgen, gedehnt oder zu Längsschwingungen angeregt.
Für eine Vielzahl mechanischer Anwendungen, beispielsweise zum Zweck einer Treibstoffin ektion, werden Piezoaktoren benötigt, die sehr kurze Schaltzeiten bei hohem Hub erlauben. Wenn mit einem Piezoaktor ein hoher Hub erreicht werden soll, muss der Piezoaktor in der betreffenden Richtung ausreichend lang sein, da die für den Piezoaktor verwendete Keramik nur eine begrenzte Dehnbarkeit aufweist. Die minimale Schaltzeit entspricht in etwa dem Quotienten aus der Länge des
Piezoaktors in Dehnungsrichtung und der Schallgeschwindigkeit in dem Piezoaktor, die bei etwa 2 km/s bis 3 km/s liegt und im Wesentlichen von der Geometrie unabhängig ist. Wenn ein besonders großer Hub gefordert wird, ist daher die minimale mögliche Schaltzeit für viele Anwendungen bereits zu lang.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie die Schaltzeit eines Piezoaktors, mit dem ein vorgesehener Hub erreicht wird, verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit der Anordnung eines Piezoaktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise mit dem
Verfahren zum Betrieb eines Piezoaktors mit den Merkmalen de Anspruchs 9 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Anordnung umfasst ein Gehäuse, mindestens einen
Piezoaktor und ein Fluid, wobei der Piezoaktor und das Fluid in mechanischer Verbindung miteinander in dem Gehäuse
angeordnet sind. Das Gehäuse weist einen Öffnungskanal auf, durch den das Fluid aus dem Gehäuse austreten oder in das Gehäuse zurückströmen kann. Bei einer Änderung der Abmessung des Piezoaktors in dessen Längsrichtung ändert sich das von dem Fluid in dem Gehäuse eingenommene Volumen, so dass ein entsprechender Volumenanteil des Fluids in den Öffnungskanal hinein oder aus dem Öffnungskanal zurück strömt. Der
Öffnungskanal ist so bemessen, dass eine Weglänge, die der Volumenanteil des Fluids in dem Öffnungskanal zurücklegt, jeweils größer ist als die Änderung der Abmessung des
Piezoaktors. Ein relativ kleiner Hub des Piezoaktors wird au diese Weise in einen größeren Hub, entsprechend der von dem Fluid in dem Öffnungskanal zurückgelegten Weglänge,
übersetzt . Bei Ausgestaltungen der Anordnung ist mindestens ein weiterer Piezoaktor in mechanischer Verbindung mit dem Fluid in dem Gehäuse angeordnet, so dass eine Änderung einer Abmessung des weiteren Piezoaktors eine weitere Änderung des von dem Fluid in dem Gehäuse eingenommenen Volumens bewirkt.
Das Fluid kann zum Beispiel eine inkompressible Flüssigkeit oder ein Gel sein. Die Änderung der Abmessung des Piezoaktors kann in einer Richtung erfolgen, die nicht eine Längsrichtung des Öffnungskanals ist. Statt dessen kann die Änderung der Abmessung des Piezoaktors in einer Richtung erfolgen, die eine Längsrichtung des Öffnungskanals ist. Der Öffnungskanal kann insbesondere mindestens eine Biegung oder Krümmung und somit Abschnitte mit unterschiedlich ausgerichteten
Längsrichtungen aufweisen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist der Piezoaktor einen Kanal auf, der den Öffnungskanal verlängert. Hierbei erfolgt die Änderung der Abmessung des Piezoaktors in der
Längsrichtung des Öffnungskanals oder zumindest eines auf den Kanal des Piezoaktors folgenden Abschnitts des
Öffnungskanals .
Bei dem Verfahren zum Betrieb eines Piezoaktors wird die mechanische Verbindung des Piezoaktors mit einer mittels des Piezoaktors betriebenen Vorrichtung durch ein Fluid
vermittelt, das insbesondere eine inkompressible Flüssigkeit oder ein Gel sein kann.
Ein wesentlicher Aspekt der Anordnung des Piezoaktors ist, dass der Piezoaktor auf ein als Fluid bezeichnetes Medium einwirkt, das gasförmig, flüssig oder viskos ist und sich in einem mit einer Öffnung versehenen Hohlraum eines Gehäuses befindet. Eine Betätigung des Piezoaktors verändert das von dem Fluid eingenommene Volumen, so dass das Fluid zum
Ausgleich der Volumenänderung durch die Öffnung strömt. Da die Öffnung einen ausreichend kleinen Querschnitt aufweist, der vorzugsweise wesentlich kleiner ist als die auf das Fluid wirkende Fläche des Piezoaktors, legt das Fluid beim
Durchströmen der Öffnung eine Weglänge zurück, die wesentlich größer ist als der Hub des Piezoaktors. Die maximal mögliche Längenausdehnung des Piezoaktors wird somit in einen größeren Hub des Fluids übersetzt, so dass in der kurzen Schaltzeit eines relativ kurzen Piezoaktors ein großer Hub auf eine mit dem Piezoaktor zu betreibende Vorrichtung übertragen werden kann. Die Hubübersetzung ergibt sich im einfachsten Fall aus dem Quotienten aus der Fläche, mit der der Piezoaktor auf das Fluid einwirkt, und der Querschnittsfläche der Öffnung. Ein Öffnungskanal, durch den der verdrängte Volumenanteil des Fluids strömt, besitzt vorzugsweise zumindest einen
Abschnitt, in dem der Querschnitt des Öffnungskanals konstant bleibt .
Die Anordnung hat insbesondere den Vorteil, dass der
Piezoaktor weitgehend unabhängig von der vorgesehenen
Wirkrichtung der Anordnung in dem Gehäuse montiert werden kann. Durch eine geeignete Ausrichtung des Öffnungskanals, gegebenenfalls mittels einer in dem Öffnungskanal vorhandenen Biegung oder Krümmung, kann die Wirkrichtung der Anordnung unabhängig von der Ausrichtung des Piezoaktors eingestellt werden und muss nicht mit der Längsrichtung des Piezoaktors übereinstimmen. Unter der Längsrichtung ist hierbei die
Richtung zu verstehen, in der die maximale Änderung der
Abmessung des Piezoaktors (Längenausdehnung) erfolgt. Der Hub der auf diese Weise konstruierten Antriebsvorrichtung und die Schaltzeit des verwendeten Piezoaktors können mit dieser Anordnung voneinander entkoppelt werden, so dass bei geringer Schaltzeit im Prinzip beliebig hohe Hübe realisierbar sind. Abgesehen von der niedrigen Schaltzeit hat die relativ geringe Abmessung des Piezoaktors den Vorteil, dass eine geringe Neigung zu Rissbildung in dem Piezoaktor und daher eine größere Lebensdauer der Antriebsvorrichtung zu erwarten ist .
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen der
Anordnung und des Verfahrens anhand der beigefügten Figuren.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein
Ausführungsbeispiel der Anordnung. Figur 2 zeigt einen Querschnitt gemäß Figur 1 für ein
weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Piezoaktoren .
Figur 3 zeigt einen Querschnitt gemäß Figur 2 für ein
weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Kanal in dem Piezoaktor.
Figur 4 zeigt den in der Figur 3 bezeichneten Schnitt.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt gemäß Figur 2 für ein
weiteres Ausführungsbeispiel mit einem abgeknickten oder gebogenen Öffnungskanal.
Figur 6 zeigt eine Detailansicht aus den Querschnitten der
Figuren 1 und 2.
Figur 7 zeigt den in der Figur 1 markierten Schnitt Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung eines Piezoaktors 2 und eines Fluids 3 in einem Gehäuse 1, das zum Beispiel aus Stahl gebildet sein kann. Das Gehäuse 1 besitzt einen Öffnungskanal 4, der mit dem von dem Fluid 3 eingenommenen Volumen in Verbindung steht. Der Piezoaktor 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel so in den Innenraum des Gehäuses 1 montiert, dass im Betrieb der Anordnung eine
Ausdehnung des Piezoaktors 2 in der durch den einfachen Pfeil dargestellten Richtung erfolgt. Die durch den Doppelpfeil bezeichnete Abmessung 5 wird dadurch verändert. Bei einer
Ausdehnung des Piezoaktors 2 vermindert sich folglich das von dem Fluid 3 in dem Gehäuse 1 eingenommene Volumen, so dass der entsprechende Volumenanteil des Fluids 3 durch den
Öffnungskanal 4 ausströmt. Das Fluid 3 ist vorzugsweise eine inkompressible Flüssigkeit oder ein Gel, so dass am Ausgang des Öffnungskanals 4, der dort zum Beispiel mit einer Membran versehen sein kann, ein entsprechend vergrößerter Hub auf eine mechanische Vorrichtung übertragen werden kann. Die in der Figur 1 markierte Schnittebene 7 ist in der Figur 7 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die
Grenzfläche zwischen dem Piezoaktor 2 und dem Fluid 3
halbkreisförmig. Der maximale Abstand 6 von dem Öffnungskanal 4, den ein Anteil des Fluids 3 aufweist, ist daher in der Projektion in diese Schnittebene 7 der Radius der
halbkreisförmigen Grenzfläche. In der Figur 7 ist deutlich erkennbar, dass der relativ großen Halbkreisfläche, in der der Piezoaktor 2 an dem Fluid 3 angreift, ein relativ kleiner Querschnitt des Öffnungskanals 4 gegenübersteht. Ein geringer Hub des Piezoaktors 2 bei Änderung der Abmessung 5 (Figur 1) wird daher in einen sehr großen Hub der Weglänge übertragen, die das Fluid 3 beim Durchströmen des Öffnungskanals 4 zurücklegt . Der Öffnungskanal 4 kann zum Beispiel durch einen an dem Gehäuse 1 angebrachten weiteren Kanal oder durch eine dickere Gehäusewand verlängert sein. Der Öffnungskanal 4 kann einen abschnittsweise konstanten Querschnitt aufweisen oder sich auch verbreitern oder verjüngen. Die mechanische Einwirkung des ausströmenden Fluids 3 auf eine mit dem Piezoaktor 2 zu betreibende Vorrichtung kann im Prinzip beliebig ausgestaltet sein. Damit ergibt sich ein weiter Bereich von
Anwendungsmöglichkeiten.
Die Figur 6 zeigt den in der Figur 1 markierten Ausschnitt 9 in einer vergrößerten Detailansicht. Der Piezoaktor 2 sollte in dem Gehäuse 1 so angeordnet sein, dass die Änderung der Abmessung 5 ohne Reibung des Piezoaktors 2 an dem Gehäuse 1 möglich ist. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise zwischen den Seitenflächen des Piezoaktors 2 und dem Gehäuse 1 ein kleiner Zwischenbereich 10 frei gelassen oder gegebenenfalls mit einer weichen Substanz gefüllt, die eine Längenausdehnung des Piezoaktors 2 gestattet. Das Fluid 3 kann mit einer Umhüllung 11 umhüllt sein, die den Öffnungskanal 4 frei lässt und das von dem Piezoaktor 2 eingenommene Volumen und gegebenenfalls den Zwischenbereich 10 gegen das Fluid 3 abdichtet. Die
Umhüllung 11 kann zum Beispiel eine dünne Haut oder ein Film, beispielsweise ein Metallfilm, sein. Das Gehäuse 1 braucht nicht allseitig geschlossen zu sein und kann zum Beispiel ein Stahlrahmen sein, wenn das Fluid 3 durch eine Umhüllung 11, wie in Figur 6 dargestellt, umschlossen ist. Die Figur 2 zeigt einen Querschnitt gemäß Figur 1 für ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem in dem Gehäuse 1 zwei zusammenwirkende Piezoaktoren 2, 2' in mechanischer
Verbindung mit dem Fluid 3 angeordnet sind und bei einer Längenausdehnung und somit einer Vergrößerung der in der Figur 2 markierten Abmessungen 5, 5' das von dem Fluid 3 eingenommene Volumen verkleinern. Die dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 entsprechenden Komponenten des
Ausführungsbeispiels der Figur 2 sind mit denselben
Bezugszeichen versehen und brauchen nicht eigens erläutert zu werden. Die zusammenwirkenden Piezoaktoren 2, 2' sind dafür vorgesehen, während des Betriebes eine gleichsinnige
Veränderung des Gehäusevolumens zu bewirken. Die Piezoaktoren 2, 2' sind deshalb vorzugsweise so angeordnet, dass im
Betrieb jeweils gleichzeitig das Gehäusevolumen verkleinert beziehungsweise gleichzeitig das Gehäusevolumen vergrößert wird. Die Piezoaktoren 2, 2' können bei diesem
Ausführungsbeispiel insbesondere entsprechend der Darstellung der Figur 2 ausgerichtet sein, so dass die an das Fluid 3 grenzenden Flächen der Piezoaktoren 2, 2' im Betrieb jeweils gegensinnig zueinander bewegt werden. Bei dem
Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist eine noch größere
Übersetzung des Hubs möglich als bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1. Die Anzahl der in dem Gehäuse angeordneten
Piezoaktoren kann im Prinzip beliebig sein. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer Mehrzahl von Piezoaktoren, die jeweils einen relativ geringen Hub aufweisen, einen sehr großen nach außen wirkenden Hub zu erzeugen.
Die Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 zwei
zusammenwirkende Piezoaktoren 2, 2' vorhanden sind. Der
Öffnungskanal 4 ist hier in der Richtung der im Betrieb geänderten Abmessung 5 eines der Piezoaktoren 2 angeordnet und ist durch einen Kanal 12 in dem betreffenden Piezoaktor 2 verlängert. Das Fluid 3 strömt daher bei einer Verringerung des eingenommenen Volumens durch diesen Kanal 12 und weiter durch den Öffnungskanal 4 des Gehäuses 1 nach außen.
Die Figur 4 zeigt eine Ansicht der in der Figur 3 markierten Schnittebene 8. In der Figur 4 ist die Position des Kanals 12 in dem einen der beiden Piezoaktoren 2 erkennbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist die an das Fluid 3 angreifende
Querschnittsfläche des Piezoaktors 2 kreisförmig, so dass der maximale Abstand 6 von dem Kanal 12, den ein Anteil des Fluids 3 aufweist, auf einem Kegelmantel in radialer Richtung vorhanden ist. Das ergibt sich aus einem Vergleich der
Figuren 3 und 4. In der Figur 4 ist die Projektion dieses maximalen Abstands 6 in die Schnittebene der Figur 4
eingezeichnet .
Die Figur 5 zeigt einen Querschnitt gemäß Figur 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Öffnungskanal 4 eine Biegung 13 aufweist. An diesem Ausführungsbeispiel ist erkennbar, dass die Richtung der Längenausdehnung des
Piezoaktors 2 im Prinzip in jede beliebige Richtung umgelenkt werden kann, indem der Öffnungskanal 4 entsprechend gestaltet wird. Der Öffnungskanal 4 braucht hierzu nicht
notwendigerweise vollständig in dem Gehäuse 1 ausgebildet zu sein. Es kann zum Beispiel an die Mündung des Öffnungskanals 4 eine entsprechend gebogene Röhre angebracht sein, mit deren Hilfe die Wirkrichtung der Anordnung umgelenkt wird.
Die Schaltgeschwindigkeit der Anordnung ergibt sich aus der Ausdehnung des Piezoaktors 2 in dessen Bewegungsrichtung, der Schaltgeschwindigkeit des Piezoaktors 2, dem maximalen
Abstand 6 zwischen dem Öffnungskanal 4 und Anteilen des Fluids 3, der Schaltgeschwindigkeit in dem Fluid 3 und der Steifigkeit des Materials des Gehäuses 1. Das Gehäuse 1 erzeugt auch die für den Piezoaktor 2 notwendige mechanisch Vorspannung, die dem Druck des Fluids 3 entspricht. Diese mechanische Vorspannung lässt sich einstellen, indem man entweder die Menge des Fluids 3 oder das davon eingenommene Volumen variabel gestaltet, zum Beispiel durch eine
Verschraubung an der Austrittsöffnung des Öffnungskanals 4.
Bezugs zeichenliste
1 Gehäuse
2 Piezoaktor
3 Fluid
4 Öffnung
5 Abmessung
6 maximaler Abstand
7 Schnittebene der Figur 7
8 Schnittebene der Figur 4
9 Ausschnitt gemäß Figur 6
10 Zwischenbereich
11 Umhüllung
12 Kanal in dem Piezoaktor
13 Biegung des Öffnungskanals

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung eines Piezoaktors mit
- einem Gehäuse (1),
- einem Piezoaktor (2),
- einem Fluid (3) und
- einem Öffnungskanal (4) in dem Gehäuse (1), wobei
- der Piezoaktor (2) und das Fluid (3) in mechanischer Verbindung miteinander in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, so dass eine Änderung einer Abmessung (5) des
Piezoaktors (2) eine Änderung eines von dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1) eingenommenen Volumens bewirkt und einen entsprechenden Volumenanteil des Fluids (3) in den
Öffnungskanal (4) hinein oder aus dem Öffnungskanal (4) zurück strömen lässt, und
- der Öffnungskanal (4) so bemessen ist, dass eine
Weglänge, die der Volumenanteil des Fluids (3) in dem Öffnungskanal (4) zurücklegt, jeweils größer ist als die Änderung der Abmessung (5) des Piezoaktors (2) .
2. Anordnung eines Piezoaktors nach Anspruch 1, bei der mindestens ein weiterer Piezoaktor (2') in mechanischer Verbindung mit dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1)
angeordnet ist, so dass eine Änderung einer Abmessung (5') des weiteren Piezoaktors (2') eine weitere Änderung des von dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1) eingenommenen Volumens bewirkt.
3. Anordnung eines Piezoaktors nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Fluid (3) eine inkompressible Flüssigkeit ist.
4. Anordnung eines Piezoaktors nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Fluid (3) ein Gel ist.
5. Anordnung eines Piezoaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Änderung der Abmessung (5) des
Piezoaktors (2) in einer Richtung erfolgt, die nicht eine Längsrichtung des Öffnungskanals (4) ist.
6. Anordnung eines Piezoaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Änderung der Abmessung (5) des
Piezoaktors (2) in einer Richtung erfolgt, die eine
Längsrichtung des Öffnungskanals (4) ist.
7. Anordnung eines Piezoaktors nach Anspruch 6, bei der
der Piezoaktor (2) einen Kanal (12) aufweist, der den Öffnungskanal (4) verlängert.
8. Anordnung eines Piezoaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Öffnungskanal (4) mindestens eine Biegung (13) aufweist.
9. Verfahren zum Betrieb eines Piezoaktors, bei dem eine mechanische Verbindung eines Piezoaktors (2) mit einer mittels des Piezoaktors (2) betriebenen Vorrichtung durch ein Fluid (3) vermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Fluid (3) eine inkompressible Flüssigkeit oder ein Gel ist.
PCT/EP2011/067476 2010-10-08 2011-10-06 Anordnung eines piezoaktors und verfahren zum betrieb eines piezoaktors WO2012045819A1 (de)

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DE102010047940.3 2010-10-08
DE102010047940.3A DE102010047940B4 (de) 2010-10-08 2010-10-08 Anordnung eines Piezoaktors

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