DE4318978C2 - Piezoelektrischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator mit mindestens einem piezoelektrischen Element, dem Elektroden zum Anlegen einer Ansteuerspannung zugeordnet sind nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 41 16 990 ist ein piezoelektrisch bewegter Linearaktuator bekannt, der mehrere Piezoelemente aufweist, die zur Erzielung eines möglichst großen Stellbereichs in besonderer Weise zueinander angeordnet sind. In Abhängigkeit von einer Ansteuerspannung läßt sich der Stellweg des Aktuators variieren, wobei die Auslegung auf einen besonders großen Stellweg dazu führt, daß nur relativ geringe Stellkräfte aufgebracht werden können.

Aus dem Stand der Technik (z. B. JP 63-169 779 A) sind piezoelektrische Aktuatoren bekannt, bei denen zwischen dem Piezoelement und dem zugehörigen Gehäuse eine bewegliche Abdichtung erforderlich ist. Diese Abdichtung unterliegt einer kontinuierlichen Belastung, was die Lebensdauer und damit die Funktionssicherheit nachteilig beeinträchtigt.

Ferner ist aus der DD 1 40 946 ein gattungsgemäßer Aktuator bekannt, der zwar keine bewegliche Abdichtung benötigt, bei dem das Piezoelement selbst jedoch mechanisch weich gestaltet sein muß, was sich ebenfalls nachteilig auswirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Aktuator der eingangs genannten Art zu schaffen bei dem die Möglichkeit besteht, bei einfacher Herstellung und Konstruktion durch simple Maßnahmen den maximalen Stellweg vorgeben zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorzugsweise handelt es sich um ein Piezoröhrchen, also um ein Röhrchen aus piezoelektrischem Material. Wird ein derartiges Röhrchen, das die eine Elektrode auf der Mantelaußenfläche und die andere Elektrode auf der Mantelinnenfläche aufweist, elektrisch angesteuert, so verändern sich Längen- und Durchmesserverhältnisse, das heißt, wird die Längenerstreckung größer, so wird der Durchmesser kleiner; wird die Längenabmessung kleiner, so wird der Durchmesser größer. Durch einfache Längendimensionierung und Durchmesserdimensionierung sowie auch Flächendimensionierung der Membran kann somit der gewünschte Stellweg des Aktuators festgelegt werden. Vorzugsweise ist dem einen Ende des Röhrchens die Membran zugeordnet. Dies kann direkt erfolgen, indem sie quasi die Stirnfläche des Röhrchens bildet oder aber indirekt unter Verwendung eines Zwischenstückes. Das Zwischenstück ermöglicht es, die Stellbewegungsrichtung gegenüber der Hauptachse des Aktuators, also der Röhrchenlängsachse, in gewünschter Weise zu verändern, indem das Zwischenstück kommunizierend mit dem Hohlraum des Hohlkörpers verbunden und ebenfalls mit inkompressibler Flüssigkeit gefüllt ist. An geeigneter Stelle, also auch unter einem Winkel zur Hauptachse des Aktuators versetzt, ist die Membran angeordnet, so daß die gewünschte Stellbewegungsrichtung erzielt werden kann. Dabei ist von Vorteil, daß die "Kraftrichtungsumlenkung" aufgrund der inkompressiblen Flüssigkeit völlig unproblematisch ist.

Nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Hohlkörper von zwei vorzugsweise koaxial ineinandergreifenden Röhrchen gebildet. Der Hohlraum erstreckt sich im wesentlichen zwischen der Außenmantelfläche des inneren Röhrchens und der Innenmantelfläche des äußeren Röhrchens. Beide Röhrchen bestehen aus piezoelektrischem Material und weisen an ihren Innenmantelflächen sowie Außenmantelflächen die Elektroden zum Anlegen der Ansteuerspannung auf. Vorzugsweise ist das innere Röhrchen kürzer als das äußere Röhrchen ausgebildet, wobei das eine, erste Ende des Inneren Röhrchens verschlossen ist und die so ausgebildete Schließfläche einen Abschnitt der Hohlraum-Wandung bildet. Die beiden anderen Enden der ineinander greifenden Röhrchen fluchten miteinander. Dem ersten Ende des Inneren Röhrchens, also der Schließfläche, liegt die Membran mit Abstand gegenüber, welche an dem zugeordneten ersten Ende des äußeren Röhrchens angebracht oder diesem Ende zugeordnet ist. Zugeordnet bedeutet, daß auch hier - sofern erforderlich - ein Zwischenstück vorgesehen sein kann, welches die Membran trägt.

Den erwähnten beiden anderen Enden der beiden Röhrchen, die vorzugsweise miteinander fluchten, ist ein Dichtring zugeordnet. Dieser erstreckt sich zwischen der Außenmantelfläche des inneren Röhrchens und der Innenmantelfläche des äußeren Röhrchens und dichtet so den Hohlraum zwischen den beiden Röhrchen ab. Der Dichtring bildet vorzugsweise ein elektrisches Anschlußelement für die Elektroden, von denen sich eine auf der Außenmantelfläche des inneren Röhrchens und eine andere auf der Innenmantelfläche des äußeren Röhrchens befindet.

Eine weitere Elektrode befindet sich auf der Außenmantelfläche des äußeren Röhrchens und eine vierte Elektrode auf der Innenmantelfläche des inneren Röhrchens.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß dem Hohlkörper mehrere, vorzugsweise zwei, Membranen zugeordnet sind. Die Membranen sind bevorzugt derart am Hohlkörper angeordnet, daß sich ihre Verformungsauslenkungen addieren bzw. etwa addieren, sofern sie unter einem Winkel zueinander liegen. Liegen sich zwei Membranen diametral gegenüber, so erfolgt eine Addition ihrer Auslenkungen. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt in einer weniger großen Dehnung der einzelnen Membran, wobei jedoch dennoch ein entsprechend großer Gesamtstellweg des Aktuators erzielt ist.

Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindungen anhand von Ausführungsbeispielen und zwar zeigt:

Fig. 1 einen piezoelektrischen Aktuator (Aktor, insbesondere Linearaktor), der als Röhrchen ausgebildet ist,

Fig. 2 einen piezoelektrischen Aktuator nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, der zwei koaxiale Röhrchen aufweist,

Fig. 3 einen piezoelektrischen Aktuator gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2, jedoch mit einem Wirkrichtungs-Umlenk-Adapter und

Fig. 4 einen piezoelektrischen Aktuator mit zwei Membranen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 1 zeigt einen piezoelektrischen Aktuator, der als Linearaktor ausgebildet ist. Er weist einen Hohlkörper 1 auf, der als Röhrchen 2 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist. Das Röhrchen 2 besteht aus piezoelektrischem Material, so daß es ein piezoelektrisches Element 3 bildet. Auf der Außenmantelfläche 4 des Röhrchens 2 ist eine Elektrode 5 angeordnet, die über eine elektrische Leitung 6 an den einen Pol einer Ansteuerspannung (nicht dargestellt) anschließbar ist. An dem einen, ersten Ende 7 des Röhrchens 2 ist ein Membranträger 8 angeordnet. Dieser ist als Ringkörper ausgebildet, wobei er in das Innere des Röhrchens 2 dichtend eingesteckt ist und einen mittleren Durchbruch 9 aufweist Er trägt eine elastische Membran 10, die das Röhrchen 2 dichtend im Bereich des ersten Endes 7 verschließt. Am anderen, zweiten Ende 11 des Röhrchens 3 ist ein Dichtkörper 12 angeordnet, der das Röhrchen 2 verschließt, so daß innerhalb des Röhrchens 2 ein Hohlraum 13 ausgebildet wird. Dieser Hohlraum 13 ist mit einer inkompressiblen Flüssigkeit 14 gefüllt. Die Innenmantelfläche 15 ist mit einer Elektrode 16 versehen, die in elektrischer Verbindung mit dem Dichtkörper 12 steht, der an eine elektrische Leitung 17 angeschlossen ist, welche mit dem anderen Pol der bereits erwähnten Ansteuerspannung verbunden werden kann.

Wird eine Ansteuerspannung an die beiden Elektroden 5 und 16 gelegt, so wird aufgrund des piezoelektrischen Effekts die Geometrie des Röhrchens 2 derart verändert, daß sich das Volumen des Hohlraums 13 verkleinert. Da der Hohlraum 13 mit der inkompressiblen Flüssigkeit 14 gefüllt ist und somit das Flüssigkeitsvolumen konstant bleibt, wird die Membran 10 ausgelenkt, wie dies in der Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Die Membran 10 wölbt sich also nach außen, so daß sich die Gesamtlänge des Aktuators vergrößert. Je nach Größe der Auslenkung der Membran 10 stellt sich ein entsprechender Stellweg des piezoelektrischen Aktuators ein. Die Größe der Auslenkung ist von der Höhe der angelegten Ansteuerspannung abhängig. Wird die Ansteuerspannung ausgeschaltet, so nimmt der Hohlkörper 1 wieder seine ursprüngliche Form an, das heißt, die Membran 10 tritt in ihre Ursprungslage zurück.

Die Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Aktuators, das im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 entspricht. Insoweit wird auf die vorstehenden Ausführungen bezug genommen. Zusätzlich weist der Aktuator des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 jedoch ein weiteres Röhrchen 18 auf, das ein inneres Röhrchen bildet, während das Röhrchen 2 ein äußeres Röhrchen darstellt. Die Röhrchen 2 und 18 sind koaxial ineinander angeordnet, wobei das innere Röhrchen 18 kürzer als das äußere Röhrchen ausgebildet ist. Auch das Röhrchen 18 besteht - ebenso wie das Röhrchen 2 - aus piezoelektrischem Material. Das erste Ende 7 des äußeren Röhrchens 2 ist - ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 - mit einem Membranträger 8 sowie einer Membran 10 versehen. Dem Membranträger 8 liegt mit Abstand das erste Ende 19 des inneren Röhrchens 18 gegenüber, wobei dieses Ende mittels eines Schließkörpers 20 verschlossen ist. Das zweite Ende 11 des äußeren Röhrchens 2 fluchtet mit dem zweiten Ende 21 des inneren Röhrchens 18. Zwischen der Innenmantelfläche 15 des äußeren Röhrchens 2 und der Außenmantelfläche 22 des Inneren Röhrchens 18 befindet sich im Bereich der Enden 11 und 21 ein zwischen den Röhrchen 2 und 18 gebildeten Hohlraum 13 abschließender Dichtring 23.

Die Außenmantelfläche 22 des Inneren Röhrchens 18 ist mit einer Elektrode 24 und die Innenmantelfläche 25 des Inneren Röhrchens 18 mit einer Elektrode 26 versehen. Der Dichtring 23 ist elektrisch leitend und an eine elektrische Leitung 27 angeschlossen. Eine weitere elektrische Leitung 28 steht mit der Elektrode 26 in Verbindung. Insofern führt eine Leitung 6 zur Elektrode 5 an der Außenmantelfläche 4 des äußeren Röhrchens 2; die Leitung 27 führt über den elektrisch leitenden Dichtring zur Elektrode 16 an der Innenmantelfläche 15 des äußeren Röhrchens 2 und auch zur Elektrode 24 an der Außenmantelfläche 22 des inneren Röhrchens 18; und die Leitung 28 führt zur Elektrode 26 an der Innenmantelfläche 25 des inneren Röhrchens 18. Die im Zuge dieser Anmeldung genannten Elektroden können beispielsweise als metallische Beschichtungen auf die piezoelektrischen Elemente aufgebracht sein.

An die Leitungen 6, 27 und 28 wird eine Ansteuerspannung derart angelegt, daß sich das Volumen des im wesentlichen zwischen den Röhrchen 2 und 18 befindlichen Hohlraums 13 verkleinert, wodurch die in dem Hohlraum 13 befindliche inkompressible Flüssigkeit 14 die Membran 10 - wie in der Fig. 2 gestrichelt angedeutet - auslenkt. Vorzugsweise wird die Ansteuerspannung derart gepolt, daß sich der Durchmesser des äußeren Röhrchens 2 verkleinert, wobei sich gleichzeitig der Durchmesser des Inneren Röhrchens 18 vergrößert. Dies führt zu einer relativ großen Volumenverkleinerung des Hohlraums 13 und somit zu einem relativ großen Stellweg, da sich die Membran 10 entsprechend weit nach außen durchwölbt.

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 entspricht, so daß auf die vorstehenden Ausführungen bezug genommen wird. Unterschiedlich zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist jedoch die Ausgestaltung im Bereich des ersten Endes 7. Hier ist ein spezieller Membranträger verwendet, der als Wirkrichtungs-Umlenk-Adapter 29 ausgebildet ist. Er weist einen Stutzen 30 auf, mit dem er dichtend in das Ende 7 des äußeren Röhrchens 2 eingreift. Ferner ist er mit einem Winkelkanal 31 versehen, wobei der eine Schenkel 32 des Winkelkanals 31 in Richtung der Längsachse 33 der Röhrchen 2, 18 verläuft und der andere Schenkel 34 in einem Winkel zu der Längsachse 33 steht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt dieser Winkel 90°; er kann jedoch - nach anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen - auch von 90° abweichend sein. Am Ende des Schenkels 34 des Winkelkanals 31 ist die Membran 10 angeordnet, das heißt, ihre Membranfläche liegt in einem Winkel zur Stirnfläche des äußeren bzw. inneren Röhrchens 2, 18. Damit ist ein Aktor mit einer Stellbewegungsrichtung geschaffen, die senkrecht zur Hauptachse (Längsachse 33) des von den Röhrchen 2 und 18 gebildeten Hohlkörpers 1 verläuft. Die Funktionsweise entspricht der zur Fig. 2 beschriebenen Funktionsweise, so daß hierauf nicht nochmals eingegangen zu werden braucht.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 entspricht. Es gelten daher die Ausführungen der Fig. 1 entsprechend. In Abweichung von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 vorgesehen, daß nicht nur das erste Ende 7 mit einer Membran 10, sondern daß auch das zweite Ende 11 mit einer weiteren Membran 10 versehen ist. Anstelle des Dichtkörpers 12 (Fig. 1) ist am zweiten Ende 11 ein Membranträger 8 im Röhrchen 2 angeordnet, der die weitere Membran 10 aufweist. Die Ausführungsform der Fig. 4 hat den Vorteil, daß bei gleichem Stellweg, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1, die beiden Membranen 10 nur jeweils eine geringere Auslenkung, vorzugsweise nur den halben Auslenkweg, aufweisen müssen, so daß die Dehnung der einzelnen Membran 10 nicht so groß sein muß.

Die Hohlkörper 1 der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind derart dimensioniert, daß durch den erzeugten Flüssigkeitsdruck im wesentlichen nur eine Verformung der Membran 10, nicht jedoch des Gehäuses stattfindet. Durch einfache Vorgabe der Längen- und Durchmesserdimensionierung des Röhrchens 2 bzw. der Röhrchen 2 und 18 und/oder einer entsprechenden Flächendimensionierung der Membran 10 kann der gewünschte maximale Verstellweg vorgegeben werden. Es ist ohne weiteres möglich, mittels des Erfindungsgegenstandes Verstellwege zu erzielen, die größer als 100 µm sind. Durch geringe konstruktive Änderungen, beispielsweise mittels des in der Fig. 3 beschriebenen Wirkrichtungs-Umlenk-Adapters, ist es möglich, daß die Verstellbewegungsrichtung beliebig zur Hauptachse des Aktors veränderbar ist. Der erfindungsgemäße Aktor erfordert nur geringe Herstellungskosten und ermöglicht einen breiten Einsatz. Insbesondere ist es möglich, ihn als Verstellelement bei Druckmaschinen einzusetzen. Beispielsweise können mit ihm Farbzonendosierungen vorgenommen werden. Es lassen sich also die Farbzonen einer Druckmaschine mittels erfindungsgemäß gestalteter Aktuatoren fernverstellen. Ferner ist auch der Einsatz derartiger Aktoren als Bewegungsantrieb für Greifer bei Druckmaschinen, beispielsweise für den Papiertransport vornehmenden Greifern derartiger Druckmaschinen, möglich.

Claims (11)

1. Piezoelektrischer Aktuator mit mindestens einem piezoelektrischen Element, das als Hohlkörper ausgebildet ist, in den eine inkompressible Flüssigkeit eingebracht wurde, wobei an dem Hohlkörper Elektroden zum Anlegen einer Ansteuerspannung angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der das piezoelektrische Element bildende Hohlkörper ein aus piezoelektrischem Material hergestelltes Röhrchen ist, welches mindestens mit einer Membrane versehen ist, auf die die im Röhrchen befindliche Flüssigkeit wirkt.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem einen Ende (7) des Röhrchens (2) die Membran (10) zugeordnet ist.

3. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) von zwei vorzugsweise koaxial ineinander greifenden Röhrchen (2, 18) gebildet ist.

4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Außenmantelfläche (22) des inneren Röhrchens (18) und der Innenmantelfläche (15) des äußeren Röhrchens (2) zumindest ein Teil des Hohlraums (13) ausgebildet ist.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Röhrchen (18) kürzer als das äußere Röhrchen (2) ausgebildet ist und daß das eine, erste Ende (19) des inneren Röhrchens (18) verschlossen ist, wobei die Schließfläche einen Abschnitt der Hohlraum-Wandung bildet.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Ende (19) des inneren Röhrchens (18) die Membran (10) mit Abstand gegenüberliegt, welche an einem ersten Ende (7) des äußeren Röhrchens (2) angeordnet oder diesem ersten Ende (7) zugeordnet ist.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der beiden anderen, zweiten Enden (11, 21) der beiden vorzugsweise koaxialen Röhrchen (2, 18) ein den Hohlraum (13) absperrender Dichtring (23) angeordnet ist, der sich zwischen der Außenmantelfläche (22) des inneren Röhrchens (18) und der Innenmantelfläche (15) des äußeren Röhrchens (2) befindet.

8. Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (23) ein elektrisches Anschlußelement für die sich auf der Außenmantelfläche (22) des inneren Röhrchens (18) und der Innenmantelfläche (15) des äußeren Röhrchens (2) befindlichen Elektroden (24, 16) bildet.

9. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Wirkrichtungs-Umlenk-Adapter (29), der die Membran (10) aufweist und derart am Hohlkörper (1) befestigt ist, daß er mit dem Hohlraum (13) kommunizierend in Verbindung steht.

10. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hohlkörper (1) mehrere, insbesondere zwei, Membranen (10) zugeordnet sind.

11. Aktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (10) derart am Hohlkörper (1) angeordnet sind, daß sich ihre Verformungsauslenkungen zumindest etwa addieren.