DE10121640A1

DE10121640A1 - Piezoelectric actuator for driving valve elements comprises annular piezo elements nested within each other with force transfer sleeves arranged between piezo elements

Info

Publication number: DE10121640A1
Application number: DE2001121640
Authority: DE
Inventors: Juergen Beimel; Joachim Feldmann
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2002-11-07

Abstract

The piezoelectric actuator device has a number of piezoelectric elements (1,2,3) that are mechanically connected in series. The piezo elements are annular and nested within each other. Force transfer sleeves (5,6) arranged between the piezo elements are supported on the end surfaces of the piezo elements.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric Actuator according to the preamble of Pa claim 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.Such actuators are for example for driving valve elements in electrically controlled ten valves known. Such valves are for example as intake / exhaust valves in internal combustion engines used.

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.The individual piezo elements are used for actuation a suitable DC voltage, for example 500 volts, driven. This results in a length change of the piezo elements. The elements create a relatively high force. The disadvantage, however, is the ge rings actuation path.

Um den Betätigungsweg zu erhöhen, sind verschiedene Me thoden bekannt. In order to increase the actuation path, different me known methods.

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.For example, it is known that the piezo elements stacking each other and thereby changing the length to add the individual elements (DE 30 06 298 C2). The disadvantage here is the relatively large overall height of the Piezo stack.

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.It is also known to provide a hydraulic translation watch (DE 198 39 732 A1). However, this has the aftermath partly that there is a risk of leaks that Hydraulic fluid leaks.

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.Finally, it is known through lever arrangements To achieve path extension (DE 197 53 754 C1). in this connection however, the lever assemblies must be particularly stiff and be designed free of play to the desired translation to enable extension or path extension.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezo elektrische Betätigungseinrichtung anzugeben, die einen ausreichend großen Betätigungsweg hat und die räumlich klein baut.The invention has for its object a piezo electrical actuator to specify a has a sufficiently large actuation path and the spatial builds small.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ange gebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.This object is achieved by the in claim 1 existing invention solved. The sub-claims included appropriate training.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schema tischen Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt inThe invention is based on a schematic table drawing explained. This shows in

Fig. 1 einen Querschnitt durch die erfindunsgemäße Betätigungseinrichtung und in Fig. 1 shows a cross section through the actuating device according to the invention and in

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Betätigungseinrich tung. Fig. 2 is a plan view of the actuating device.

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.The actuating device according to Fig. 1 consists of three piezoelectric elements (1, 2, 3). The elements ( 1 and 2 ) are annular (see FIG. 2). The inner element ( 3 ) is rod-shaped. The piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) are nested concentrically. Power transmission sleeves ( 5 , 6 ) are arranged between the elements. These are supported on the end faces of the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ).

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.The actuating device from FIG. 1 as a whole is supported on a stationary ring ( 4 ). This is fastened, for example, in a housing. By applying an electrical voltage to the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) with a voltage U of a suitable height, they expand and a corresponding actuation stroke can be tapped on a pin ( 7 ) which is attached to the inner piezo element ( 3 ) , The pin ( 7 ) is moved up one path (s) and is able to exert a force (F).

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).As shown in FIG. 2, the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) can have a circular cross section. However, they can also be rectangular, in particular quadratic, (not shown).

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.Furthermore, the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) can have a uniform wall thickness, as shown in FIG. 2 Darge. However, they can also be designed with an outwardly decreasing wall thickness (not shown). This has the advantage that the diameter of the actuator is smaller while the load capacity of the individual piezo elements remains the same.

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.The arranged between the individual piezo elements force transmission sleeves ( 5 , 6 ) are mechanically stressed and can z. B. parts made of metal as a punch. However, it is also possible to produce the force transmission sleeves ( 5 , 6 ) from a suitable tensile and pressure-resistant plastic.

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.The number of pie nested in a ring zoelemente depends on the desired movement stroke (s) of the actuator. Typically, z. B. ten piezo elements can be provided.

Die elektrische Ansteuerung der Elemente kann entweder parallel oder in Serie erfolgen. Die Elemente sind hierzu an ihren Stirnflächen zweckmäßigerweise metalli siert.The electrical control of the elements can either in parallel or in series. The elements are for this purpose expediently metalli on their end faces 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.In series control of the piezo elements, a voltage (U) of a suitable height is applied between the ring ( 4 ) and the pin ( 7 ). For this purpose, the force transmission sleeves ( 5 , 6 ) must be conductive and contacted with the end faces of the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ).

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.If the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) are actuated in parallel, their upper end faces must be connected together to one pole, and their lower end faces jointly to the other pole of the actuating voltage (U) (not shown). The power transmission sleeves ( 5 , 6 ) must be made of a non-conductive material. A parallel electrical control has the advantage that an actuation voltage (U) of low rer height is sufficient to control the actuation device.

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.It is also possible to apply a voltage with reverse polarization. In this case, the pin ( 7 ) moves in the opposite direction, i.e. downwards. In this operating state, the force transmission sleeves ( 5 , 6 ) are subjected to pressure and must therefore be firmly attached to the end faces of the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ). be connected, for example by gluing. Since a conductive adhesive can be used if necessary.

Durch die spannungsmäßige Ansteuerung mit positiver und negativer Polung läßt sich der erzielbare Hub (s) der Betätigungseinrichtung erhöhen.Due to the voltage control with positive and negative polarity, the achievable stroke (s) of the Increase actuator.

Die Betätigungseinrichtung läßt sich schließlich auch in bekannter Weise zur Spannungserzeugung verwenden, wenn von außen auf den Stift (7) eine entsprechende Kraft ausgeübt wird.Finally, the actuating device can also be used in a known manner to generate voltage if a corresponding force is exerted on the pin ( 7 ) from the outside.

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.The actuating device according to the invention has the The advantage of a particularly low overall height. Next lets the facility is special because of its round design well in a suitably shaped round valve body install housing.

Claims

1. Piezoelectric actuating device, with a plurality of piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) which are mechanically connected in series, characterized by the following features:

a) the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) are formed from a ring and nested one inside the other;
b) force transmission sleeves ( 5 , 6 ) are arranged between the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) and are supported on the end faces of the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) have a circular cross section.

3. Device according to claim 1, characterized in that the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) have a right corner-shaped cross section.

4. Device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) have a uniform wall thickness.

5. Device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) have an outwardly decreasing wall thickness.

6. Device according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) are electrically scarfed one behind the other.

7. Device according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the piezo elements ( 1 , 2 , 3 ) are electrically connected in parallel.