WO2012084334A1 - Aktor, aktorsystem und ansteuerung eines aktors - Google Patents

Aktor, aktorsystem und ansteuerung eines aktors Download PDF

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WO2012084334A1
WO2012084334A1 PCT/EP2011/069853 EP2011069853W WO2012084334A1 WO 2012084334 A1 WO2012084334 A1 WO 2012084334A1 EP 2011069853 W EP2011069853 W EP 2011069853W WO 2012084334 A1 WO2012084334 A1 WO 2012084334A1
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actuator
electrode
outer electrode
time
internal electrodes
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PCT/EP2011/069853
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Christoph Auer
Reinhard Gabl
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Epcos Ag
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    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
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    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices

Definitions

  • Actuators for example multilayer actuators, are used in various fields, for example
  • Injection systems for engines One problem with very short switching times, that is with highly dynamic applications, is ensuring a permanent operation. This problem occurs, for example, in internal combustion engines. For efficient operation of internal combustion engines it is
  • the needle control can be done by piezoelectric actuators in injection systems.
  • these actuators must be able to operate permanently with very steep drive flanks. Problems with such highly dynamic actuation of actuators can result from inertial forces which lead to mechanical tensile stresses. These tensile stresses can cause uncontrolled crack growth in the ceramic body of the actuator and thus potentially lead to failure of the component.
  • Preload force can be the voltage level in the actuator in the
  • the mechanical preload can be applied via a spring system.
  • a reliable system with high preload force and low stiffness at the same time to reduce the additional load of the actuator is desired, and low movement of the mass to Reduction of additional inertial forces.
  • the deflection capacity of the actuators depends on the preload force. At high preload forces, the deflection of piezo actuators is reduced with the same electrical control, that is, with the same charging energy, strong.
  • the task is performed by an actuator with the characteristics of
  • Patent claim 1 solved. It is an actuator with stacked piezo elements, first and second
  • the actuator comprises a plurality of actuator sections, and the second outer electrode comprises separate electrode segments, each with the second internal electrodes in one of
  • Actuator sections are electrically connected. Each actuator section is only part of the second
  • Actuator sections offset in time, so that the stretching process is not set for all piezo elements at the same time, but offset in time.
  • the actuator comprises several sections, each with
  • Piezo elements and internal electrodes which are controlled with a time delay. The control does not take place
  • the time offset is chosen so that it corresponds exactly to the speed of sound in the actuator.
  • the elastic partial waves interfere with each other during expansion of the actuator so that a much shorter
  • Edge time results for the expansion of the actuator as would be the case with simultaneous control of the outer electrode.
  • the lower limit of the edge time is no longer limited by the length of the entire actuator, but by the length of the individual areas.
  • Actuator sections serve to reduce elastic
  • the time delay between the actuations of the Aktorabitese is chosen so that the elastic strains are compensated or reduced.
  • Actuator sections reduce the elastic strains, inertial forces in highly dynamic operation
  • Figure 1 shows an embodiment of an actuator without
  • Figure 2 shows an embodiment of an actuator with a
  • FIG. 3 shows a model for simulating the dynamic operation of an actuator with a segmented outer electrode in comparison to an actuator without a segmented one
  • FIG. 4 shows the control of the simulation model in FIG. 3, which is shown with current over time
  • FIG. 5 details from FIG. 4,
  • FIG. 6 shows the deflection over time
  • FIG. 7 shows the force over time on the fixed actuator foot
  • FIG. 9 details from FIG. 7.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of a conventional multilayer actuator 1 with a stacked shape
  • First internal electrodes 5 and second internal electrodes 3 are arranged alternately between the piezoelectric elements 16.
  • the first internal electrodes 5 are electrically conductive with a first external electrode 4
  • the second internal electrodes 3 are electrically conductively connected to a second external electrode 2.
  • the first and second internal electrodes 5 and 3 are each guided to an outside of the actuator 1 and are there with the first outer electrode 4 and second
  • External electrode 2 electrically connected. This can be done for example by printing a metal paste or by soldering metallic plates, which
  • the first outer electrode 4 is connected to a reference potential 7.
  • a control arrangement 6 attaches to the second
  • a drive signal for example, a time-variable drive potential, so that between the first and second internal electrodes is a drive voltage, in dependence of which the actuator 1 is stretched or
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a multilayer actuator 1 having a first outer electrode 4 and a segmented second outer electrode 2, which has separate electrode segments 21, 22, 23, 24, 25.
  • the separate electrode segments 21, 22, 23, 24, 25 are spatially separated from each other. she are neither directly electrically connected to each other nor touch each other.
  • the first outer electrode 4 is connected to a reference potential 7.
  • the electrode segments 21, 22, 23, 24, 25 each have a terminal 210, 220, 230, 240, 250 via which they are connected to a control arrangement 6. Via the terminals 210, 220, 230, 240, 250 are
  • the segmented outer electrode 2 may be formed, for example, by printing a metal paste and a subsequent one
  • Metallization penetration can be generated.
  • Further contacting may be accomplished, for example, by soldering metallic mesh pieces to the metallization segments or by soldering several individual wires.
  • the actuator 1 comprises first and second internal electrodes 5, 3, which are electrically conductively connected to the first external electrode 4 and the second external electrode 2, respectively.
  • the actuator 1 comprises a plurality of actuator sections 81, 82, 83, 84, 85. Each axially extending actuator section
  • 81, 82, 83, 84, 85 corresponds to the axial extent of the electrode segments 21, 22, 23, 24, 25.
  • Electrode segment 21 is electrically conductively connected to the second internal electrodes 3 in the first actuator section 81.
  • the second electrode segment 22 is electrically conductively connected to the second internal electrodes 3 in the second actuator section 82.
  • the third electrode segment 23 is electrically conductive with the second internal electrodes 3 in the third
  • the fourth electrode segment 24 is electrically conductively connected to the second internal electrodes 3 in the fourth actuator section 84.
  • the fifth electrode segment 24 is electrically conductively connected to the second internal electrodes 3 in the fourth actuator section 84.
  • Electrode segment 25 is electrically conductively connected to the second internal electrodes 3 in the fifth actuator section 85.
  • the first internal electrodes 5 in the Aktorabêten 81, 82, 83, 84, 85 with the same first, continuous outer electrode 4 electrically connected.
  • the first is also
  • the electrical activation of the actuator sections 81, 82, 83, 84, 85 by means of the control arrangement 6 can be carried out by a plurality of independent current sources 61, 62, 63, 64, 65. Alternatively, based on a current source, a time offset between the drive pulses for the
  • the actuator 1 is fixed to the actuator base 91 at the fifth section segment 85, so that when axially expanding actuator 1 of
  • Actuator 92 moves axially in a direction 93 away from the Aktorfuß 91.
  • the activation of the electrode segments 21, 22, 23, 24, 25 takes place in such a way that first the actuator head 81 next actuator section 81 is actuated, then with a time delay of the adjacent Aktorabites 82 and so on, until last of the Aktorfuß 91 next Aktorabites 85th
  • Movement change in the expansion of the actuator 1 experiences, which reduces the load.
  • the time delay described above can be impressed on both the signals by which the expansion of the actuator 1 is initiated, as well as the signals by means of which the compression of the actuator 1 is initiated, or only one of the two impressed.
  • Figure 3 shows an arrangement for illustrating the
  • Boundary conditions of an actuator operation in an In etationssystem simplified again.
  • the mechanical boundary conditions are on the one hand the support of the actuator 1 on an ideally rigid, solid base plate, namely the fixed clamping 12, and on the opposite side, the coupling to a system of spring 10 and flywheel 11, the at a
  • Aktorausschung is moved. On the spring 10, a force acts 9.
  • the electrical control of the actuator 1 via the specification of certain current pulses, ie current ⁇ or charge control by the control arrangement 6.
  • Aktorausschung and force as functions of time and position along calculated the actuator axis, and the actuator voltage.
  • actuators 1 which are driven by current pulses of 150 ⁇ switching time. It is an actuator 1 with non-segmented outer electrodes 4, 2, as shown in Figure 1, with an actuator 1 with a second outer electrode 2, which five separately controllable
  • Control signals for adjacent electrode segments is 2.5 ⁇ .
  • FIG. 4 shows the time profile of the control with sinusoidal-wave-shaped current pulses for the actuator 1 with segmented outer electrode 1. The currents over time are shown. The time course of the signal to
  • Actuation of the actuator 1 with continuous external electrodes corresponds to the signal for driving one of the segments.
  • FIG. 11 shows in detail the current pulses at
  • the corresponding signal curve is illustrated by a solid line.
  • the corresponding signal curve is illustrated by a dotted line.
  • Electrode segment 21 is driven next.
  • the adjacent electrode segment 23 is driven next and the adjacent 24 thereafter.
  • Electrode segment 25 which is the most firmly clamped Aktorfuß 91 next or the mass 11 at the farthest, is last driven.
  • the corresponding signal curve is illustrated by a solid line.
  • FIG. 6 the deflection or the stroke over time is at the free actuator end 92.
  • FIG. 7 shows the force on the fixedly clamped actuator foot 91. At this point, the largest force amplitudes occur.
  • the results for the actuator 1 with non-segmented outer electrodes is shown in FIGS. 6 to 9 as a dashed line.
  • Outer electrode 2 is shown in Figures 6 to 9 as a solid line.
  • FIG. 8 shows a time segment from FIG. 6.
  • Line 181 shows the activation of the first
  • Actuator section 81 shows the activation of the second actuator section 82.
  • Line 183 shows the activation of the third actuator section 83.
  • Line 184 shows the
  • Actuator 91 shown over time. A comparison of
  • Switching delay occurs in Aktorhub the actuator, but the switching process is even accelerated.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Aktor (1) mit - stapeiförmig angeordneten Piezoelementen (16), - ersten und zweiten Innenelektroden (5, 3), die zwischen den Piezoelementen (16) abwechselnd angeordnet sind, - einer ersten Außenelektrode (4), die elektrisch leitend mit den ersten Innenelektroden (5) verbunden ist, - einer zweiten Außenelektrode (2), die elektrisch leitend mit den zweiten Innenelektroden (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (1) eine Mehrzahl von Aktorabschnitten (81, 82, 83, 84, 85) umfasst und dass die zweite Außenelektrode (2) separate Elektrodensegmente (21, 22, 23, 24, 25) umfasst, die jeweils mit den zweiten Innenelektroden (3) in einem der Aktorabschnitte (81, 82, 83, 84, 85) elektrisch leitend verbunden sind.

Description

Beschreibung
Aktor, Aktorsystem und Ansteuerung eines Aktors
Aktoren, beispielsweise Vielschichtaktoren, werden auf verschiedenen Gebieten eingesetzt, ein Beispiel sind
Einspritzsysteme für Motoren. Ein Problem bei sehr kurzen Schaltzeiten, das heißt bei hochdynamischen Anwendungen, ist die Sicherstellung eines dauerhaften Betriebs. Dieses Problem tritt beispielsweise bei Verbrennungsmotoren auf. Für einen effizienten Betrieb von Verbrennungsmotoren ist es
vorteilhaft, wenn die Nadel des Einspritzsystems gut
regulierbar und schnell geöffnet und geschlossen werden kann. Zu diesem Zweck kann in Einspritzsystemen die Nadelsteuerung durch piezoelektrische Aktoren erfolgen. Bei Anwendungen in Automotoren müssen diese Aktoren dauerhaft mit sehr steilen Ansteuerflanken betrieben werden können. Probleme bei solch hochdynamischer Ansteuerung von Aktoren können sich auf Grund von Trägheitskräften, die zu mechanischen Zugspannungen führen, ergeben. Diese Zugspannungen können unkontrolliertes Risswachstum im Keramikkörper des Aktors bewirken und so potenziell zum Ausfall des Bauteils führen. Bei der
Direktsteuerung mit langen Aktoren und kurzen Schaltzeiten verschärft sich das Problem des Auftretens von Zugspannungen durch Trägheitskräfte.
Dieses Problem kann durch eine äußere mechanische Vorspannung des Aktors gelöst werden. Durch Anlegen einer äußeren
Vorspannkraft kann das Spannungsniveau im Aktor in den
Druckbereich verschoben werden. Die mechanische Vorspannung kann über ein Federsystem angelegt werden. Hier wird ein zuverlässiges System mit hoher Vorspannkraft und gleichzeitig niedriger Steifigkeit zur Verringerung der zusätzlichen Last des Aktors gewünscht, sowie geringe Bewegung der Masse zur Verringerung der zusätzlichen Trägheitskräfte. Zudem hängt das Auslenkungsvermögen der Aktoren von der Vorspannkraft ab. Bei hohen Vorspannkräften reduziert sich die Auslenkung von Piezoaktoren bei gleicher elektrischer Ansteuerung, das heißt bei gleicher Ladeenergie, stark.
Es stellt sich die Aufgabe einen hinsichtlich der oben genannten Aspekte verbesserten Aktor bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch einen Aktor mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Es ist ein Aktor mit stapeiförmig angeordneten Piezoelementen, ersten und zweiten
Innenelektroden, die zwischen den Piezoelementen abwechselnd angeordnet sind, einer ersten Außenelektrode, die elektrisch leitend mit den ersten Innenelektroden verbunden ist, und einer zweiten Außenelektrode, die elektrisch leitend mit den zweiten Innenelektroden verbunden ist, vorgesehen. Der Aktor umfasst eine Vielzahl von Aktorabschnitten, und die zweite Außenelektrode umfasst separate Elektrodensegmente, die jeweils mit den zweiten Innenelektroden in einem der
Aktorabschnitte elektrisch leitend verbunden sind. Jeder Aktorabschnitt ist nur mit einem Teil der zweiten
Innenelektroden elektrisch leitend verbunden. Die separaten, sich nicht berührenden oder nicht direkt elektrisch leitend miteinander verbundenen Elektrodensegmente erlauben die
Aktorabschnitte zeitlich versetzt anzusteuern, sodass der Dehnungsvorgang nicht für alle Piezoelemente zeitgleich in Gang gesetzt wird, sondern zeitlich versetzt. Der Aktor umfasst mehrere Abschnitte, jeweils mit
Piezoelementen und Innenelektroden, welche zeitversetzt angesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt nicht
gleichzeitig für alle Bereiche des gesamten Aktors, sondern erfolgt zeitversetzt für deren einzelne Abschnitte. In vorteilhafter Weise wird der Zeitversatz so gewählt, dass er exakt der Schallgeschwindigkeit im Aktor entspricht. Dadurch überlagern sich beim Ausdehnen des Aktors die elastischen Teilwellen derart, dass sich eine wesentlich kürzere
Flankenzeit ergibt für die Ausdehnung des Aktors als dies bei gleichzeitiger Ansteuerung der Außenelektrode der Fall wäre. Die untere Grenze der Flankenzeit wird nicht mehr durch die Länge des gesamten Aktors begrenzt, sondern durch die Länge der einzelnen Bereiche.
Auf Grund der zeitlich versetzten elektrischen Ansteuerung von örtlich getrennten Elektrodensegmenten können somit die elastischen Dehnungen im Aktor, die im hochdynamischen
Betrieb auf Grund von Trägheitskräften entstehen, gezielt mit den piezoelektrischen Dehnungen kompensiert werden. Die zeitversetzte Ansteuerung ermöglicht das mechanische
Spannungsniveau im Aktor besser zu kontrollieren, und ein dauerhafter Betrieb mit kurzen Schaltzeiten wird
sichergestellt. Eine solche sequentielle Ansteuerung der Aktorabschnitte wird durch die segmentierte Außenelektrode erreicht. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist, dass keine Erhöhung einer statischen Vorspannkraft erforderlich ist und diesbezüglich auch keine konstruktiven Maßnahmen an einem Vorspannsystem und dem Aktor anfallen. Diese Möglichkeit zur Vermeidung von Zugspannung ist gut geeignet für lange
Aktoren, wie sie zur Direktsteuerung der Ventilnadel benötigt werden. Die gezielte elektrische Ansteuerung von
Aktorabschnitten dient zur Reduzierung von elastischen
Dehnungen, die durch Trägheitskräfte im hochdynamischen
Betrieb verursacht werden. Die Zeitverzögerung zwischen den Ansteuerungen der Aktorabschnitte wird so gewählt, dass die elastischen Dehnungen kompensiert oder reduziert werden.
Durch die gezielte elektrische Ansteuerung der
Aktorabschnitte werden die elastischen Dehnungen reduziert, die durch Trägheitskräfte im hochdynamischen Betrieb
verursacht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen erklärt. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Aktors ohne
segmentierte Außenelektroden, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Aktors mit einer
segmentierten Außenelektrode,
Figur 3 ein Modell zur Simulation des dynamischen Betriebs eines Aktors mit segmentierter Außenelektrode im Vergleich zu einem Aktor ohne segmentierte
Außenelektrode,
Figur 4 die Ansteuerung des Simulationsmodells in Figur 3, wobei der mit Strom über der Zeit dargestellt ist,
Figur 5 Details aus Figur 4,
Figur 6 die Auslenkung über der Zeit, Figur 7 die Kraft über der Zeit am fixierten Aktorfuß,
Figur 8 Details aus Figur 6, und
Figur 9 Details aus Figur 7. Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines konventionellen Vielschichtaktors 1 mit stapeiförmig
angeordneten Piezoelementen 16. Erste Innenelektroden 5 und zweite Innenelektroden 3 sind zwischen den Piezoelementen 16 abwechselnd angeordnet. Die ersten Innenelektroden 5 sind elektrisch leitend mit einer ersten Außenelektrode 4
verbunden. Die zweiten Innenelektroden 3 sind elektrisch leitend mit einer zweiten Außenelektrode 2 verbunden. Die ersten und zweiten Innenelektroden 5 und 3 sind jeweils zu einer Außenseite des Aktors 1 geführt und werden dort mit der ersten Außenelektrode 4 beziehungsweise zweiten
Außenelektrode 2 elektrisch leitend verbunden. Dies kann beispielsweise durch Aufdrucken einer Metallpaste oder durch Anlöten von metallischen Platten erfolgen, welche die
Außenelektroden 4, 2 bilden.
Die erste Außenelektrode 4 ist mit einem Bezugspotenzial 7 verbunden. Eine Steueranordnung 6 legt an die zweite
Außenelektrode 2 ein Ansteuersignal , beispielsweise ein zeitveränderliches Ansteuerpotenzial an, sodass zwischen den ersten und zweiten Innenelektroden eine Ansteuerspannung liegt, in Abhängigkeit derer der Aktor 1 gedehnt oder
gestaucht wird. Durch Anlegen der Ansteuerspannung erfährt der Aktor 1 einen Hub. Die Ausdehnung des Aktors 1 erfolgt in endlicher Zeit. Durch Anlegen einer entgegen gesetzten Spannung wird der Aktor 1 gestaucht. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Vielschichtaktors 1 mit einer ersten Außenelektrode 4 und einer segmentierten zweiten Außenelektrode 2, welche separate Elektrodensegmente 21, 22, 23, 24, 25 aufweist. Die separaten Elektrodensegmente 21, 22, 23, 24, 25 sind räumlich voneinander getrennt. Sie sind weder direkt elektrisch leitend miteinander verbunden noch berühren sie sich. Die erste Außenelektrode 4 ist mit einem Bezugspotenzial 7 verbunden. Die Elektrodensegmente 21, 22, 23, 24, 25 haben jeweils ein Terminal 210, 220, 230, 240, 250 über das sie mit einer Steueranordnung 6 verbunden sind. Uber die Terminals 210, 220, 230, 240, 250 sind
Ansteuersignale anlegbar.
Die segmentierte Außenelektrode 2 kann zum Beispiel durch Aufdrucken einer Metallpaste und einem darauf folgenden
Metallisierungseinbrand erzeugt werden. Die
Weiterkontaktierung kann beispielsweise durch Anlöten von metallischen Siebgewebestücken an die Metallisierungssegmente oder durch Anlöten von mehreren, einzelnen Drähten erfolgen.
Der Aktor 1 umfasst erste und zweite Innenelektroden 5, 3, welche mit der ersten Außenelektrode 4 beziehungsweise der zweiter Außenelektrode 2 elektrisch leitend verbunden sind. Der Aktor 1 umfasst eine Mehrzahl von Aktorabschnitten 81, 82, 83, 84, 85. Jeder sich axial erstreckte Aktorabschnitt
81, 82, 83, 84, 85 korrespondiert mit der axialen Ausdehnung der Elektrodensegmente 21, 22, 23, 24, 25. Das erste
Elektrodensegment 21 ist elektrisch leitend mit den zweiten Innenelektroden 3 im ersten Aktorabschnitt 81 verbunden. Das zweite Elektrodensegment 22 ist elektrisch leitend mit den zweiten Innenelektroden 3 im zweiten Aktorabschnitt 82 verbunden. Das dritte Elektrodensegment 23 ist elektrisch leitend mit den zweiten Innenelektroden 3 im dritten
Aktorabschnitt 83 verbunden. Das vierte Elektrodensegment 24 ist elektrisch leitend mit den zweiten Innenelektroden 3 im vierten Aktorabschnitt 84 verbunden. Das fünfte
Elektrodensegment 25 ist elektrisch leitend mit den zweiten Innenelektroden 3 im fünften Aktorabschnitt 85 verbunden. Dagegen sind die ersten Innenelektroden 5 in den Aktorabschnitten 81, 82, 83, 84, 85 mit derselben ersten, durchgehenden Außenelektrode 4 elektrisch leitend verbunden. In einem anderem Ausführungsbeispiel ist auch die erste
Außenelektrode 4 segmentiert.
Die elektrische Ansteuerung der Aktorabschnitte 81, 82, 83, 84, 85 mittels der Steueranordnung 6 kann durch mehrere unabhängige Stromquellen 61, 62, 63, 64, 65 durchgeführt werden. Alternativ kann ausgehend von einer Stromquelle ein zeitlicher Versatz zwischen den Ansteuerpulsen für die
Aktorabschnitte 81, 82, 83, 84, 85 durch Vorschalten
entsprechender Impedanzen realisiert werden.
Der Aktor 1 ist am Aktorfuß 91 beim fünften Abschnittssegment 85 fixiert, sodass sich beim axial dehnenden Aktor 1 der
Aktorkopf 92 in eine Richtung 93 axial vom Aktorfuß 91 weg bewegt. Die Ansteuerung der Elektrodensegmente 21, 22, 23, 24, 25 erfolgt derart, dass zuerst der dem Aktorkopf 92 nächste Aktorabschnitt 81 angesteuert wird, dann zeitversetzt der dazu benachbarte Aktorabschnitt 82 und so weiter, bis als letztes der dem Aktorfuß 91 nächste Aktorabschnitt 85
angesteuert wird. Durch diese Ansteuerung werden die durch die Trägkeitskräfte auftretenden Belastungen reduziert, da zuerst der Abschnitt 81 des Aktors 1 in Bewegung versetzt wird oder Dehnung erfährt, welcher die größte
Bewegungsänderung bei der Dehnung des Aktors 1 erfährt, was die Belastung mindert. Die oben beschriebene Zeitverzögerung kann sowohl bei den Signalen, mittels derer die Dehnung des Aktors 1 initiert wird, als auch bei den Signalen, mittels derer die Stauchung des Aktors 1 initiiert wird, oder nur bei einem von beiden aufgeprägt werden.
Figur 3 zeigt eine Anordnung zur Veranschaulichung der
Funktionsweise der vorgeschlagenen sequentiellen elektrischen Ansteuerung von Aktoren 1, die eine Simulation der Aktordynamik ermöglicht. Das Simulationsmodell spiegelt
Randbedingungen eines Aktorbetriebs in einem In ektionssystem vereinfacht wieder. Die mechanischen Randbedingungen sind einerseits die Auflage des Aktors 1 auf einer ideal steifen, festen Untergrundplatte, nämlich der festen Einspannung 12, und auf der gegenüberliegenden Seite die Kopplung an ein System aus Feder 10 und Schwungmasse 11, das bei einer
Aktorauslenkung mitbewegt wird. Auf die Feder 10 wirkt eine Kraft 9. Die elektrische Ansteuerung des Aktors 1 erfolgt über die Vorgabe bestimmter Strompulse, das heißt Strom¬ beziehungsweise Ladungssteuerung durch die Steueranordnung 6. In dem zugrundeliegenden eindimensionalen Simulationsmodell werden Aktorauslenkung und Kraft als Funktionen der Zeit und der Position entlang der Aktorachse berechnet, sowie die Aktorspannung .
In den Figuren 4 bis 9 sind die Ergebnisse von zwei
Simulationen von 40 mm langen Aktoren 1 dargestellt, die mit Strompulsen von 150 με Schaltzeit angesteuert werden. Es wird ein Aktor 1 mit nicht segmentierten Außenelektroden 4, 2, wie in Figur 1 dargestellt, mit einem Aktor 1 mit einer zweiten Außenelektrode 2, welche fünf getrennt ansteuerbare
Elektrodensegmente 21, 22, 23, 24, 25, wie in Figur 2
dargestellt, umfasst, verglichen. Der Zeitversatz zwischen
Steuersignalen für benachbarte Elektrodensegmente beträgt 2,5 με .
Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ansteuerung mit sinushalbwellenförmigen Strompulsen für den Aktor 1 mit segmentierter Außenelektrode 1. Es sind die Ströme über der Zeit dargestellt. Der zeitliche Verlauf des Signals zur
Ansteuerung des Aktors 1 mit durchgehenden Außenelektroden entspricht dem Signal zur Ansteuerung eines der Segmente. Figur 11 zeigt detailliert die Strompulse beim
Ausschaltvorgang. Das Elektrodensegment 25, welches dem fest eingespannten Aktorfuß 91 am Nächsten ist, wird zuletzt angesteuert. Der entsprechende Signalverlauf ist mit einer durchgezogenen Linie veranschaulicht. Das Elektrodensegment 21, welches dem fest eingespannten Aktorfuß 91 am Fernsten beziehungsweise der Masse 11 am Nächsten ist, wird zuerst angesteuert. Der entsprechende Signalverlauf ist mit einer gepunkteten Linie veranschaulicht. Das Elektrodensegment 22, welches benachbart zum dem Aktorfuß 91 fernsten
Elektrodensegment 21 ist, wird als nächstes angesteuert. Das dazu benachbarte Elektrodensegment 23 wird als nächstes angesteuert und das dazu benachbarte 24 danach. Das
Elektrodensegment 25, welches dem fest eingespannten Aktorfuß 91 am Nächsten beziehungsweise der Masse 11 am Fernsten ist, wird zuletzt angesteuert. Der entsprechende Signalverlauf ist mit einer durchgezogenen Linie veranschaulicht.
In der Figur 6 ist die Auslenkung oder der Hub über der Zeit am freien Aktorende 92. In Figur 7 ist die Kraft am fest eingespannten Aktorfuß 91 dargestellt. An dieser Stelle treten die größten Kraftamplituden auf. Die Ergebnisse für den Aktor 1 mit nicht segmentierten Außenelektroden ist in den Figuren 6 bis 9 als gestrichelte Linie dargestellt. Die Ergebnisse für den Aktor 1 mit einer segmentierten
Außenelektrode 2 ist in den Figuren 6 bis 9 als durchgezogene Linie dargestellt. Figur 8 zeigt einen zeitlichen Ausschnitt aus Figur 6. Linie 181 zeigt die Ansteuerung des ersten
Aktorabschnitts 81. Linie 182 zeigt die Ansteuerung des zweiten Aktorabschnitts 82. Linie 183 zeigt die Ansteuerung des dritten Aktorabschnitts 83. Linie 184 zeigt die
Ansteuerung des vierten Aktorabschnitts 84. Linie 185 zeigt die Ansteuerung des fünften Aktorabschnitts 85. In dem angeführten Simulationsbeispiel ist die zeitliche Abfolge der Ansteuersignale für die Abschnitte bei Dehnung umgekehrt im Vergleich zur Abfolge bei Stauchung.
In Figur 7 sind die Kraftverläufe am fest eingespannten
Aktorfuß 91 über der Zeit gezeigt. Ein Vergleich der
Kraftverläufe zeigt, dass der Unterschwinger, der beim
Ausschaltvorgang auftritt, im Fall des sequentiell
angesteuerten Aktors 1 deutlich reduziert ist wie in Figur 9, die einen zeitlichen Ausschnitt aus Figur 7 im Detail zeigt, deutlich zu erkennen ist. Ausgeprägte Kraftunterschwinger mit beinahe vollständigem Verlust der Druckvorspannung, wie sie beim herkömmlichen Aktor auftreten, sind für einen
Dauerbetrieb von Aktoren zu vermeiden. Die Simulation zeigt, dass auf Grund der sequentiellen Ansteuerung die minimale Vorspannkraft deutlich angehoben werden kann. Die Graphen in den Figuren 6 und 8 zeigen, dass durch die sequentielle
Ansteuerung der verschiedenen Aktorabschnitte keine
Schaltverzögerung im Aktorhub des Aktors auftritt, sondern der Schaltvorgang sogar beschleunigt wird.
Es sei bemerkt, dass die Merkmale der Ausführungsbeispiele kombinierbar sind.
Bezugs zeichen
1 Aktor
4, 2 Außenelektrode
5, 3 Innenelektrode
6 Steueranordnung
7 Bezugspotenzial
9 Kraft
10 Feder
11 Masse
12 Einspannung
16 Piezoelement
21, 21, Elektrodensegment
61, 62, Stromquellen
81, 82, !3, 84, 85 Aktorabschnitt
91 Aktorfuß
92 Aktorkopf
93 Richtung
210, 210, 230, 410, 420, Terminal
181, 182, 183, 184, 185 Linie

Claims

Patentansprüche
Aktor (1) mit
- stapeiförmig angeordneten Piezoelementen (16),
- ersten und zweiten Innenelektroden (5, 3), die zwischen den Piezoelementen (16) abwechselnd angeordnet sind,
- einer ersten Außenelektrode (4), die elektrisch leitend mit den ersten Innenelektroden (5) verbunden ist,
- einer zweiten Außenelektrode (2), die elektrisch leitend mit den zweiten Innenelektroden (3) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor (1) eine Mehrzahl von Aktorabschnitten (81, 82, 83, 84, 85) umfasst und dass die zweite Außenelektrode (2) separate Elektrodensegmente (21, 22, 23, 24, 25) umfasst, die jeweils mit den zweiten Innenelektroden (3) in einem der Aktorabschnitte (81, 82, 83, 84, 85) elektrisch leitend verbunden sind. 2. Aktor (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Außenelektrode (4) separate Elektrodensegmente umfasst, die jeweils mit den ersten Innenelektroden (5) in einem der Aktorabschnitte (81, 82, 83, 84, 85) elektrisch leitend verbunden sind.
Aktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrodensegmente (21, 22, 23, 24, 25) der zweiten Außenelektrode (2) jeweils ein Terminal (210, 220, 230, 240, 250) umfassen, an denen ein Ansteuersignal (Ul, U2, U3, U4, U5) anlegbar ist. Aktorsystem mit einem Aktor (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche und einer Steueranordnung (6), mittels derer ein erstes Ansteuersignal an einem der Aktorabschnitte (81, 82, 83, 84, 85) und ein zweites Ansteuersignal zeitversetzt an einem weiteren
Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84, 85) anlegbar ist.
Aktorsystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor (1) in eine Richtung (93) ausdehnbar ist und dass ein erster Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84, 85) in dieser Richtung (93) relativ zu einem zweiten
Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84, 85) angeordnet ist, wobei die Steueranordnung (6) geeignet ist, das zweite
Ansteuersignal am zweiten Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84, 85) zeitverzögert zum ersten Ansteuersignal am ersten Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84, 85) anzulegen.
Aktorsystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zeitversatz in Abhängigkeit der Trägheitskräfte im Aktor (1) gewählt wird.
Ansteuerung eines Aktors (1) mit stapeiförmig
angeordneten Piezoelementen (16), ersten und zweiten Innenelektroden (5, 3), die zwischen den Piezoelementen (16) abwechselnd angeordnet sind, wobei der Aktor (1) eine Vielzahl von Aktorabschnitten (81, 82, 83, 84, 85) umfasst und zwischen den ersten und den zweiten
Innenelektroden (5, 3) in einem ersten Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84, 85) eine erste Ansteuerspannung
zeitversetzt zu einer zweiten Ansteuerspannung zwischen den ersten und den zweiten Innenelektroden (5, 3) in einem zweiten Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84 85) angelegt wird .
8. Ansteuerung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor (1) in eine Richtung ausdehnbar ist, wobei der erste Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84, 85) in der Richtung relativ zu dem zweiten Aktorabschnitt (81, 82, 83, 84, 85) angeordnet ist, und wobei die zweite Ansteuerspannung zur ersten Ansteuerspannung zeitverzögert ist.
9. Ansteuerung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zeitversatz in Abhängigkeit der Trägheitskräfte im Aktor (1) gewählt wird.
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