DE10121640A1 - Piezoelektrische Betätigungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung mit einer Vielzahl von Piezoelementen (1, 2, 3), die zur Wegvergrößerung mechanisch hintereinander geschaltet sind, vorgeschlagen. Die Piezoelemente (1, 2, 3) sind ringförmig ausgebildet und zur Platzeinsparung ineinander geschachtelt. Zwischen den Piezoelementen (1, 2, 3) sind Kraftübertragungshülsen (5, 6) angeordnet, die sich an den Stirnflächen der Piezoelemente (1, 2, 3) abstützen. Die Betätigungseinrichtung kann beispielsweise zum Antrieb von Ventilgliedern in elektrisch betätigten Ventilen dienen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Derartige Betätigungseinrichtungen sind beispielsweise zum Antrieb von Ventilgliedern in elektrisch gesteuer­ ten Ventilen bekannt. Solche Ventile werden beispiels­ weise als Einlaß/Auslaßventile in Verbrennungsmotoren eingesetzt.

Zur Betätigung werden die einzelnen Piezoelemente mit einer geeigneten Gleichspannung, beispielsweise 500 Volt, angesteuert. Hierdurch ergibt sich eine Längenän­ derung der Piezoelemente. Die Elemente erzeugen dabei eine relativ hohe Kraft. Nachteilig ist jedoch der ge­ ringe Betätigungsweg.

Um den Betätigungsweg zu erhöhen, sind verschiedene Me­ thoden bekannt.

So ist beispielsweise bekannt, die Piezoelemente über­ einander zu stapeln und hierdurch die Längenänderung der einzelnen Elemente zu addieren (DE 30 06 298 C2). Nachteilig ist hierbei die relativ große Bauhöhe des Piezo-Stapels.

Weiter ist bekannt, eine hydraulische Übersetzung vor­ zusehen (DE 198 39 732 A1). Dies hat jedoch den Nach­ teil, daß durch Undichtigkeiten die Gefahr besteht, daß Hydraulikflüssigkeit austritt.

Schließlich ist bekannt, durch Hebelanordnungen eine Wegverlängerung zu erzielen (DE 197 53 754 C1). Hierbei müssen jedoch die Hebelanordnungen besonders steif und spielfrei ausgebildet sein, um die gewünschte Überset­ zung bzw. Wegverlängerung zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezo­ elektrische Betätigungseinrichtung anzugeben, die einen ausreichend großen Betätigungsweg hat und die räumlich klein baut.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ange­ gebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schema­ tischen Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 einen Querschnitt durch die erfindunsgemäße Betätigungseinrichtung und in

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Betätigungseinrich­ tung.

Die Betätigungseinrichtung nach Fig. 1 besteht aus drei Piezoelementen (1, 2, 3). Die Elemente (1 und 2) sind ringförmig ausgebildet (vergl. Fig. 2). Das innere Ele­ ment (3) ist stabförmig ausgebildet. Die Piezoelemente (1, 2, 3) sind konzentrisch ineinander geschachtelt. Zwischen den Elementen sind Kraftübertragungshülsen (5, 6) angeordnet. Diese stützen sich an den Stirnflächen der Piezoelemente (1, 2, 3) ab.

Die Betätigungseinrichtung aus Fig. 1 als ganzes stützt sich auf einem ortsfest gelagerten Ring (4) ab. Dieser ist beispielsweise in einem Gehäuse befestigt. Durch eine elektrische Spannungsbeaufschlagung der Piezoele­ mente (1, 2, 3) mit einer Spannung U geeigneter Höhe dehnen sich diese aus und ein entsprechender Betäti­ gungshub kann an einem Stift (7), der auf dem inneren Piezoelement (3) angebracht ist, abgegriffen werden. Der Stift (7) wird dabei um einen Weg (s) nach oben be­ wegt und ist in der Lage, eine Kraft (F) auszuüben.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, können die Piezoelemente (1, 2, 3) einen kreisförmigen Querschnitt haben. Sie können jedoch auch rechteckförmig, insbesondere quadra­ tisch, ausgebildet sein (nicht dargestellt).

Weiterhin können die Piezoelemente (1, 2, 3) eine gleichförmig Wandstärke haben, wie in der Fig. 2 darge­ stellt. Sie können jedoch auch mit einer nach außen ab­ nehmenden Wandstärke ausgebildet sein (nicht dargestellt). Dies hat den Vorteil, daß bei gleichbleibender Tragfähigkeit der einzelnen Piezoelemente der Durchmes­ ser der Betätigungseinrichtung kleiner ist.

Die zwischen den einzelnen Piezoelementen angeordneten Kraftübertragungshülsen (5, 6) werden mechanisch auf Zug beansprucht und können z. B. aus Metall als Stanz­ teile hergestellt sein. Es ist aber auch möglich die Kraftübertragungshülsen (5, 6) aus einem geeigneten zug- und druckfesten Kunststoff herzustellen.

Die Zahl der ringförmig ineinander geschachtelten Pie­ zoelemente ist abhängig von dem gewünschten Bewegungs­ hub (s) der Betätigungseinrichtung. Typischerweise kön­ nen z. B. zehn Piezoelemente vorgesehen sein.

Die elektrische Ansteuerung der Elemente kann entweder parallel oder in Serie erfolgen. Die Elemente sind hierzu an ihren Stirnflächen zweckmäßigerweise metalli­ siert.

Bei einer Serien-Ansteuerung der Piezoelemente wird eine Spannung (U) geeigneter Höhe zwischen den Ring (4) und den Stift (7) gelegt. Hierzu müssen die Kraftüber­ tragungshülsen (5, 6) leitfähig und mit den Stirn­ flächen der Piezoelemente (1, 2, 3) kontaktiert sein.

Bei einer Parallel-Ansteuerung der Piezoelemente (1, 2, 3) sind deren obere Stirnflächen gemeinsam an den einen Pol, und deren untere Stirnflächen gemeinsam an den anderen Pol der Betätigungsspannung (U) anzuschlie­ ßen (nicht dargestellt). Dabei müssen die Kraftübertragungshülsen (5, 6) aus einem nicht-leitenden Material sein. Eine parallele elektrische Ansteuerung hat den Vorteil, daß eine Betätigungsspannung (U) von geringe­ rer Höhe zur Ansteuerung der Betätigungseinrichtung ausreicht.

Es ist auch möglich, eine Spannung mit umgekehrter Po­ lung anzulegen. In diesem Fall bewegt sich der Stift (7) in entgegengesetzter Richtung, also nach un­ ten. In diesen Betriebszustand werden die Kraftüber­ tragungshülsen (5, 6) auf Druck beansprucht und müssen deshalb fest mit den Stirnseiten der Piezoelemente (1, 2, 3) verbunden sein, beispielsweise durch Klebung. Da­ bei kann gegebenenfalls ein leitfähiger Kleber verwen­ det werden.

Durch die spannungsmäßige Ansteuerung mit positiver und negativer Polung läßt sich der erzielbare Hub (s) der Betätigungseinrichtung erhöhen.

Die Betätigungseinrichtung läßt sich schließlich auch in bekannter Weise zur Spannungserzeugung verwenden, wenn von außen auf den Stift (7) eine entsprechende Kraft ausgeübt wird.

Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung hat den Vorteil einer besonders geringen Bauhöhe. Weiter läßt sich die Einrichtung wegen ihrer runden Bauform beson­ ders gut in ein entsprechend geformtes rundes Ventilge­ häuse einbauen.

Claims (7)

1. Piezoelektrische Betätigungseinrichtung, mit einer Vielzahl von Piezoelementen (1, 2, 3), die mechani­ sch hintereinander geschaltet sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Piezoelemente (1, 2, 3) sind ringförmig aus­ gebildet und ineinander geschachtelt;
• b) zwischen den Piezoelementen (1, 2, 3) sind Kraftübertragungshülsen (5, 6) angeordnet, die sich an den Stirnflächen der Piezoelemente (1, 2, 3) abstützen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Piezoelemente (1, 2, 3) einen kreis­ förmigen Querschnitt haben.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Piezoelemente (1, 2, 3) einen recht­ eckförmigen Querschnitt haben.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoele­ mente (1, 2, 3) eine gleichförmige Wandstärke ha­ ben.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoele­ mente (1, 2, 3) eine nach außen abnehmende Wand­ stärke haben.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoele­ mente (1, 2, 3) elektrisch hintereinander geschal­ tet sind.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoele­ mente (1, 2, 3) elektrisch parallel geschaltet sind.