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Diese Erfindung betrifft einen piezoaktiven Aktor
mit Bewegungsverstärkung,
bestehend aus:
- – einem ersten Teilsystem,
das von einem mechanischen Bewegungsverstärker gebildet wird, der schalenartig
mit mindestens zwei Schenkeln aus einem verformbaren, elastischen
Werkstoff ausgeführt
ist, mit einer Hauptachse und einer kurzen Achse, die senkrecht
aufeinander stehen, mit einer Grenzfläche zu einer Last und einer
Grenzfläche
zu einer Basis, die an den jeweiligen Spitzen der kurzen Achse der
Schale angeordnet sind und dazu bestimmt sind, die Last gegenüber der
Basis zu bewegen, indem sie eine Manipulationsachse bilden,
- – einem
zweiten Teilsystem, das mit linearen piezoaktiven Elementen bestückt ist,
die im Inneren der Schale in der Richtung der Hauptachse angebracht
sind und durch einen Versorgungskreis elektrisch erregt werden,
um eine Longitudinalverformung der Hauptachse zu erzeugen sowie
eine Verformung der kurzen Achse zu induzieren, die dazu bestimmt
ist, an der Grenzfläche
zu der Last eine Verschiebung zu erzeugen, deren Komponente entlang
der kurzen Achse verstärkt
wird.
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In der Schrift
FR 2 740 276 wurde ein piezoaktiver
Aktor mit Bewegungsverstärkung
vorgeschlagen. Allgemein ausgedrückt
ist ein Aktor eine Vorrichtung, die Funktionen der Manipulation
einer Last, die an einer ihrer Grenzflächen befestigt ist, gewährleisten
soll. Diese Funktionen umfassen das Verschieben der Last, ihre Positionierung
bzw. ihre Stabilisierung.
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Die Manipulation der Last erfolgt über zwei Betätigungspunkte,
denen mechanische Grenzflächen
des Aktors entsprechen und die die Manipulationsachse bilden. Der
eine Betätigungspunkt
ist an der Last befestigt, während
der andere Punkt an einer Basis befestigt ist, die die Funktion
einer mechanischen Masse erfüllt,
um den Reaktionskräften
entgegenzuwirken.
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Die Manipulation erfolgt durch die
Verformung des Aktors zwischen den beiden Betätigungspunkten. Sie erfolgt
in mindestens einer Richtung, genannt Manipulationsrichtung, die
einem Freiheitsgrad des Aktors entspricht.
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Insbesondere umfasst der verstärkte Aktor der
Schrift
FR 2 740 276 eine
Schale mit annähernd elliptischem
Querschnitt sowie ein oder mehrere piezoelektrische lineare Elemente,
die auf einer Hauptachse der Schale angeordnet sind. Der Aktor weist keinen
Deckel auf, der die beiden Flanken der Schale schließt.
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Bei diesem Aktor wird die Schale
dazu verwendet, eine mechanische Vorspannung der piezoaktiven Elemente
zu gewährleisten.
Diese Schale dient auch dazu, von einem Betätigungspunkt aus, der sich
an einer der Spitzen der kurzen Achse befindet, eine verstärkte Verschiebung
in der Richtung der kurzen Achse zu erzeugen. Der zweite Betätigungspunkt
befindet sich bei der geläufigen
Anwendungsweise an der anderen Spitze der kurzen Achse.
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Dieser Aktor ist in der Lage, zwei
Freiheitsgrade zu gewährleisten,
wenn der zweite Betätigungspunkt
sich im Zentrum des Aktors befindet: Zusätzlich zu der Hauptbewegung
in der Richtung der kurzen Achse wird eine nicht verstärkte, zweite
Verschiebung in einer senkrecht zu der kurzen Achse verlaufenden
Richtung in der Hauptebene der Schale erzeugt. Diese Anwendungsweise
des Aktors, die einen zentral gelegenen Betätigungspunkt erfordert, bedeutet
eine Einschränkung,
da sie nicht mit der vorherigen vereinbar ist und es nicht zulässt, die
gesamte Verformung des Aktors zu erreichen.
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Bei den verstärkten piezoelektrischen Aktoren
kann das Problem einer ungenügenden
Festigkeit gegen dynamische äußere Kräfte und
eines ungenügenden
mechanischen Dämpfungsvermögens auftreten.
In der Tat zeigen verstärkte
piezoelektrische Aktoren manchmal hohe Gütefaktoren. Diese können die
Beständigkeit
der Aktoren unter Belastungen durch dynamische äußere Kräfte einschränken. Es kann sich also als
zweckmäßig erweisen, den
mechanischen Gütefaktor
herabzusetzen.
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Dies gilt auch bei der Positionierung.
Beispielsweise stabilisiert sich die Verschiebung des Aktors bei
einer stufenweisen elektrischen Erregung oder bei einer Störvibration
an der Basis mit um so weniger Schwingungen, je niedriger der Gütefaktor ist.
Bei Anwendungen, die darauf abzielen, den Aktor zur Dämpfung oder
Vibrationskontrolle von Strukturen zu verwenden, ist es ebenfalls
von Interesse, über
einen Aktor mit niedrigem Gütefaktor
zu verfügen.
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Ferner darf bei einer Schale mit
hohem Verstärkungsverhältnis der
Grad der Vorspannung der piezoaktiven Elemente nicht die Elastizitätsgrenze des
Materials der Schale übersteigen.
Es kann zusätzlich
eine Hilfs-Vorspannvorrichtung an der Schale eingesetzt werden,
um die Leistungen zu erhöhen.
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Dem Fachmann sind mehrere Vorspannvorrichtungen
piezoelektrischer Komponenten bekannt. Sie werden zum größten Teil
für direkte
piezoaktive Aktoren verwendet. In der Patentschrift
DE 19650900 beispielsweise wird eine
Feder vorgeschlagen, die von einem Stahldraht gebildet wird, der mehrfach
eingerollt ist und parallel zu der piezoelektrischen Komponente
angeordnet ist. Es wird dort auch ein Faltenbalg mit Umdrehungssymmetrie
vorgeschlagen, der eingerollt ist und in dem die piezoelektrische
Komponente angeordnet ist. Die Steife der Feder oder des Faltenbalgs
sowie die Einstellungen der Schale ermöglichen es, die piezoelektrischen Komponenten
unter eine Vorspannung zu setzen.
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Ein direkter piezoaktiver Aktor,
der über
eines der obengenannten, im Inneren des mechanischen Verstärkers angeordneten
Mittel vorgespannt wird, hat zwei Nachteile:
- – die mechanische
Verbindung zwischen dem vorgespannten, direkten piezoaktiven Aktor
und dem mechanischen Verstärker
muss einer hohen Zugkraft standhalten, die gleich der Vorspannungskraft
ist, und führt
zu einer platzraubenden Verbindung,
- – diese
Lösung
ist kaum mit der Möglichkeit,
den Freiheitsgrad des piezoaktiven Aktors in Vorschubrichtung zu
steuern, zu vereinbaren.
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Verstärkte piezoelektrische Aktoren,
in denen die Vorspannung der piezoelektrischen Komponente durch
eine Zusatzvorrichtung gewährleistet wird,
gibt es bereits. In der Schrift
DE
1 9625921 beispielsweise ist ein verstärkter elektrostriktiver Aktor beschrieben,
bei dem die Vorspannung durch eine Feder gewährleistet wird, die auf die
kurze Achse des Verstärkers
einwirkt. Wenn der Verstärker
ein hohes Verstärkungsverhältnis aufweist,
kann er die Vorspannungskraft nicht besonders wirksam auf das piezoaktive
Element übertragen.
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Es ist ferner ein verstärkter piezoelektrischer Aktor
bekannt, bei dem die Vorspannung des piezoaktiven Elements mit einem
Kabel hergestellt wird, das aus einem Werkstoff mit Formgedächtnis besteht (in
den Handel gebracht von Dynamic Structure Materials®). Die Kabelhalter
sind jedoch problematisch in den Griff zu bekommen, vor allem bei
den kleineren Abmessungen.
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Bei diesen Zusatzmitteln muss außerdem die
Steuerung mit mehreren Freiheitsgaden des Aktors berücksichtigt
werden.
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Diese Erfindung hat die Aufgabe,
diese Nachteile zu beseitigen und insbesondere die Dämpfungseigenschaften
eines piezoaktiven Aktors sowie dessen Festigkeit gegen dynamische äußere Kräfte zu verbessern.
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Gemäß dieser Erfindung wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Aktor zumindest im wesentlichen entlang der Manipulationsachse
mindestens einen Bereich aus einem Elastomerstoff aufweist, der dazu
bestimmt ist, Verformungen des Aktors zu dämpfen und die Fähigkeit
des Aktors, äußeren Kräften standzuhalten,
zu erhöhen,
wobei der Aktor angrenzend an den Bereich aus Elastomerstoff rechtwinkelig
zur Manipulationsachse mindestens einen freien Raum aufweist.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist
der Bereich aus Elastomerstoff zwischen den piezoaktiven Elementen
und den Schenkeln der Schale im Zentrum der Schale entlang der kurzen
Achse angeordnet.
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Gemäß einer weiteren besonderen
Ausführungsform
füllt der
Bereich aus Elastomerstoff den Raum zwischen den piezoaktiven Elementen
und den Schenkeln der Schale vollständig aus, wobei der Freiraum
in senkrechter Richtung zu der Ebene angeordnet ist, die durch die
kurze Achse und die Hauptachse definiert wird.
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Gemäß einer Entwicklung der Erfindung
liegt der Bereich aus Elastomerstoff im Zentrum der Schale an einem
Mechanismus zur Einstellung des Spiels an.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind
zwei Bereiche aus Elastomerstoff im wesentlichen parallel zur kurzen
Achse auf der einen bzw. auf der anderen Seite des zweiten Teilsystems
dergestalt angeordnet, dass sie Innenflächen der Schenkel miteinander
verbinden.
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Gemäß einer weiteren besonderen
Ausführungsform
sind zwei Bereiche aus Elastomerstoff im wesentlichen parallel zur
Manipulationsachse beiderseits des ersten und des zweiten Teilsystems
dergestalt angeordnet, dass sie die Last und die Basis miteinander
verbinden.
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Gemäß einer weiteren besonderen
Ausführungsform
sind mindestens zwei Bereiche aus Elastomerstoff im wesentlichen
in der Ebene der Hauptachse und der kurzen Achse zwischen der Schale und
der Last bzw. zwischen der Schale und der Basis angeordnet.
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Der Bereich aus Elastomerstoff kann
außerhalb
der Schale in Kontakt mit den Schenkeln der Schale und einem weiteren
Körper
angeordnet sein.
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Drei Aktoren können dergestalt ausgeführt sein,
dass sie einen isostatischen Mechanismus mit sechs Freiheitsgraden
bilden.
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Vier Aktoren können dergestalt ausgeführt sein,
dass sie einen Mechanismus mit zwei Drehbewegungs-Freiheitsgaden
und einem Vorschubbewegungs-Freiheitsgrad bilden, oder einen Mechanismus
mit zwei Vorschubbewegungs-Freiheitsgraden oder einen Mechanismus
mit zwei Vorschubbewegungs-Freiheitsgraden und einem Drehbewegungs-Freiheitsgrad.
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Der Aktor kann dergestalt ausgeführt sein, dass
er Vibrationen einer Struktur dämpft,
an der er befestigt ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale gehen
näher aus
der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung
hervor, die als nicht einschränkende
Beispiele gelten und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
sind, wobei
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1 einen
verstärkten
piezoaktiven Aktor nach dem bisherigen Stand zeigt, der in der Schrift
FR 2 740 276 beschrieben
ist,
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2 einen
verstärkten
piezoaktiven Aktor mit zwei Freiheitsgraden nach dem bisherigen
Stand zeigt, der in der Schrift
FR
2 740 276 beschrieben ist,
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3 bis 6 vier besondere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Aktors
zeigen,
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7 einen
verstärkten
piezoaktiven Aktor zeigt, der eine zusätzliche Vorspann-Vorrichtung aufweist,
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8 einen
verstärkten
piezoelektrischen Aktor zeigt, der es ermöglicht, zwei Freiheitsgrade
zu bieten,
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9 einen
verstärkten
piezoelektrischen Aktor zeigt, der zwei Freiheitsgrade bietet und
ein zusätzliches
System zur parallelen Vorspannung enthält,
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10 in
einer perspektivischen Ansicht einen Positionierungs-Aktor zeigt,
der sechs Freiheitsgrade bietet, und zwar mittels drei verstärkten piezoelektrischen
Aktoren mit zwei Freiheitsgaden,
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11 in
einer perspektivischen Ansicht einen Positionierungs-Aktor zeigt,
der drei Freiheitsgrade bietet, und zwar mittels vier verstärkten piezoelektrischen
Aktoren, bei denen die Biege-Drehzapfen in den Aktoren gummiert
sind,
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12 in
einer perspektivischen Ansicht einen Positionierungs-Aktor zeigt,
der drei Freiheitsgrade bietet, und zwar mittels vier verstärkten piezoelektrischen
Aktoren, wobei die Aktoren mittels Federschrauben mit einer bewegbaren
Plattform verbunden sind,
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13 einen
Positionierungs-Aktor mit zwei Freiheitsgraden zeigt, der auf Grundlage
von vier verstärkten
piezoelektrischen Aktoren gedämpft
wird,
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14 einen
Positionierungs-Aktor mit drei Freiheitsgraden zeigt, der auf Grundlage
von vier verstärkten
piezoelektrischen Aktoren gedämpft
wird,
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15 eine
besondere Ausführungsform
eines piezoelektrischen Aktors mit einer Schwungmasse zeigt,
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Es wird nun Bezug auf 1 genommen. Der piezoaktive
Aktor 10 weist ein erstes Teilsystem 12 auf, das
von einem mechanischen Bewegungsverstärker 14 gebildet wird,
der in Form einer Schale mit zwei Schenkeln n1 und n2 ausgeführt ist,
wobei jeder Schenkel ungefähr
halbelliptisch geformt ist, beispielsweise in der Form eines symmetrischen Korbbogens.
Der mechanische Bewegungsverstärker 14 besteht
aus einem oder mehreren verformbaren, elastischen Werkstoffen, beispielsweise
aus einer Stahl-, Aluminium- oder Titanlegierung oder aus einem
Verbundstoff, und er weist keinerlei sich verjüngende Bereiche auf.
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Die elliptische Schale des mechanischen
Bewegungsverstärkers 14 hat
eine Hauptachse 16, die sich in der Richtung x erstreckt,
und eine im rechten Winkel zur Hauptachse 16 verlaufende
kurze Achse 17, die sich in der Richtung z erstreckt.
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Das zweite Teilsystem 18 beinhaltet
piezoaktive Elemente 20, 20a und eventuell eine
Vorrichtung 22 zur Einstellung des Spiels, die zusammen
innerhalb des mechanischen Bewegungsverstärkers 14 ausgeführt sind.
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Die piezoaktiven Elemente 20, 20a werden von
geradlinigen, auf der Hauptachse 16 innerhalb der Schale
ausgerichteten Stäbchen
gebildet, die durch Anwenden einer elektrischen Erregung einer Längenänderung
unterzogen werden können.
Sie sind auf Basis von piezoelektrischen, magnetostriktiven oder
elektrostriktiven Werkstoffen hergestellt.
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Die beiden Teilsysteme 12 und 18 sind
an einander entgegengesetzten Verbindungspunkten A und A' mit einander verbunden,
wobei die Länge
des zweiten Teilsystems 18 eventuell mittels der Vorrichtung 22 zur
Einstellung des Spiels während
des Zusammenbaus des Aktors 10 an den Raumbedarf angepasst
eingestellt wird.
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In dem Beispiel von 1 befindet sich die Vorrichtung 22 zur
Einstellung des Spiels in dem zentralen Bereich zwischen den beiden
piezoaktiven Elementen 20, 20a.
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Bei der geläufigen Arbeitsweise sind die
Betätigungspunkte
an der Last und an der feststehenden Basis die Punkte C bzw. C', die an den Spitzen der
kurzen Achse 17 angeordnet sind. Die Gerade durch diese
Punkte C und C' bildet
eine Manipulationsachse D. Die Stromversorgung der piezoaktiven Werkstoffe 20, 20a bewirkt
deren Verformung entlang der Hauptachse 16, was eine relative
Verschiebung des Punkts C gegenüber
C' auf einer Strecke
hervorruft, die gegenüber
denen der piezoaktiven Werkstoffe verstärkt wird. Die Strecke des Punkts
C verläuft auf
der Manipulationsachse D.
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In 2 ist
die Arbeitsweise des Aktors von 1 mit
einer Bewegung mit zwei Freiheitsgaden dargestellt. Das System ist
dabei von einem Organ der Vorrichtung 22 zur Einstellung
des Spiels aus im Zentrum B des Aktors befestigt.
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Die elektrische Erregung der beiden
piezoaktiven Elemente 20, 20a erfolgt mittels
eines Versorgungskreises 25 mit zwei getrennten Bahnen,
wobei jede Bahn geeignet ist, ein Spannungssignal V1, V2 anzulegen,
um die piezoaktiven Elemente 20, 20a zu steuern.
Die Verschiebungsrichtung des Punkts C der Schale des Bewegungsverstärkers 14 hängt von der
Art der an die Stäbchen
angelegten Spannungssignale ab, z. B. als Folge der Phasen- oder
der Amplitudeneinstellung.
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Um den manchmal sehr hohen Gütefaktor der
verstärkten
piezoelektrischen Aktoren zu reduzieren, kann es von Interesse sein,
ein dämpfendes Material
in Kombination mit dem Verstärkungsmechanismus
zu verwenden. Es kann beispielsweise ein Elastomer oder ein Polymer
mit viskoelastischem Verhalten verwendet werden, d. h. ein Material,
das ein niedriges Elastizitätsmodul
und zugleich einen hohen Dämpfungsfaktor
aufweist. Durch Einwirkung dergestalt, dass Verformungen des Elastomers
in einer Richtung z verursacht werden, wird eine Dämpfungswirkung
in Verbindung mit den mechanischen Verlusten erzielt, die mit der
Verformung auf dieser Achse z verbunden sind. Wenn das Elastomer
die Möglichkeit
hat, sich in einer senkrecht zu der Verformungsachse z verlaufenden
Richtung x zu verformen, dann verformt es sich auch auf dieser Achse
x, und zwar durch den Poisson-Effekt, der bei den Elastomer-Stoffen von Bedeutung
ist. Diese in der Richtung x induzierten Verformungen bewirken einen Dämpfungseffekt
zusätzlich
zu dem, der durch die Verformung auf der Achse z erzeugt wird. Falls
jedoch das Elastomer nicht die Möglichkeit
hat, sich in wenigstens einer senkrecht zur Achse z verlaufenden
Richtung zu verformen, z. B. wegen Wänden, dann entstehen diese
zusätzlichen
Dämpfungseffekte
nicht. Außerdem
wird die offensichtliche Steife längs der Achse z erhöht. Bei
einem Aktor hat diese erhöhte
Steife die Tendenz, die Strecke des Aktors im statischen Betrieb
zu reduzieren, was nicht wünschenswert
ist. Es ist daher bei einem Aktor wichtig für die Optimierung der Verwendung
des Elastomer-Stoffs, ihm in einer Richtung Bewegungsfreiheit zu
lassen.
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In 3 wird
durch eine Grenzfläche 28 zu der
Last L1 und eine Grenzfläche 29 zu
der Basis L2, die sich an den jeweiligen Spitzen C, C' der kurzen Achse
der Schale befinden und für
die Manipulation der Last L1 gegenüber der Basis L2 bestimmt sind, eine
Manipulationsachse D gebildet.
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Der erfindungsgemäße piezoaktive Aktor weist
zumindest im wesentlichen entlang der Manipulationsachse D mindestens
einen Bereich aus Elastomerstoff auf, der dazu bestimmt ist, Verformungen
des Aktors 10 zu dämpfen
und die Fähigkeit
des Aktors, äußeren Kräften standzuhalten,
zu erhöhen, wobei
der Aktor angrenzend an den Bereich aus Elastomerstoff rechtwinkelig
zur Manipulationsachse D mindestens einen freien Raum aufweist.
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Ein Mittel zur Dämpfung von piezoelektrischen
Strukturen mit im wesentlichen elliptischer Schale ist dem Fachmann
bekannt. Zum Beispiel in der Schrift
EP
0 363 032 , die piezoelektrische Sonar-Transduktoren zur
Verwendung unter Wasser betrifft, stellt sich das Problem der Festigkeit
gegen den hydrostatischen Druck bei einem tiefen Eintauchen. Zur
Kompensierung der statischen Druckkräfte, die auf die gesamte Oberfläche der
Schale und auf die Deckel, die die beiden Seiten der Schale verschließen, wirken,
arbeitet dieser Transduktor mit einem Helmholtzschen Flüssigkeitshohlraum,
der innerhalb des Transduktors angeordnet ist und durch Leitungen,
die durch die Deckel des Transduktors verlaufen, mit dem flüssigen Medium
außerhalb
verbunden ist. Dieser Hohlraum ist entweder mit Wasser oder mit
Elastomeren gefüllt,
was den zusätzlichen
Vorteil bietet, dass die Resonanz nach Art und Weise des Helmholtz-Resonators
gedämpft
wird. Die Zunahme an Masse durch das Elastomer wirkt sich nicht
negativ aus, da das System untergetaucht ist. Das vollständige Füllen eines
in dem Transduktor befindlichen Helmholtzschen Hohlraums mit Elastomer
ist für
einen untergetauchten Transduktor geeignet, dessen Aufgabe es ist, über die
Oberfläche
seiner Schale akustische Energie zu erzeugen.
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Umgekehrt ist es bei einem Aktor
wichtig, um seine Gesamtmasse nicht zu erhöhen und seine Ansprechzeit
nicht zu senken, Elastomer nur in bestimmten Bereichen vorzusehen,
in denen seine Dämpfungseigenschaften
in optimaler Weise in Kombination mit seinen Manipulationsfunktionen
genutzt werden. Um einen optimalen Dämpfungseinsatz des Elastomers
angesichts dessen hohen Poisson-Koeffizienten
zu ermöglichen,
ist es außerdem
wichtig, ihm zumindest in einer der drei Richtungen Bewegungsfreiheit
zu lassen, so dass er sich in dieser Richtung bei Belastungen in
der einen oder der anderen der nicht bewegungsfreien Richtungen
ausdehnen kann. Vom Standpunkt der Einfachheit der Herstellung dieser
Elastomerbereiche ist es ferner zweckmäßig, in den leichter zugänglichen
Bereichen vorzusehen, um die Herstellungskosten zu senken.
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Eine erste Methode besteht darin,
zwei Teile 30a aus Elastomer- oder Polymermaterial auf
der kurzen Achse 17 der Schale anzuordnen, wie in 3 dargestellt. In diesem
Fall komprimiert oder streckt der verstärkte piezoelektrische Aktor
im Betrieb das dämpfende
Material in der Manipulationsrichtung 17 zwischen den Punkten
C und C', die auf den
Grenzflächen 28 und 29 liegen.
Das Elastomermaterial hat die Möglichkeit,
sich unter dem Poisson-Effekt in den beiden senkrecht zur kurzen
Achse 17 verlaufenden Richtungen zu verformen, wodurch die
maximale Dämpfungswirkung
seitens des Elastomers erzielt werden kann. Außerdem erreicht die Verformung
des Aktors zwischen den Punkten C und C' ihren Maximalwert und ist deutlich
größer als
die Verformung zwischen A, das auf der Grenzfläche 26 zwischen der
Schale und dem piezoaktiven Element 20 liegt, und A', das auf der Grenzfläche 26b zwischen der
Schale und dem piezoaktiven Element 20a liegt. Die Verwendung
des Elastomermaterials 30a zwischen C und C' führt also
zu einer Optimierung des Verhältnisses
der Dämpfungswirksamkeit
zum Volumen des erforderlichen Materials. Außerdem ermöglicht sie eine Begrenzung
der hinzugefügten
Masse, was vorteilhaft hinsichtlich der Ansprechzeit des Aktors
ist. Allgemein betrachtet, kann sich das Elastomermaterial in den
an den Bereich 30a angrenzenden Bereichen 30b und 30c zwischen
den Schenkeln der Schale und den piezoaktiven Elementen ausdehnen,
wobei es an den piezoaktiven Elementen 20, 20a anliegt.
Das Elastomermaterial kann den komplementären Raum zwischen der Schale 12 und
dem Manipulations-Teilsystem 18 einnehmen,
wobei angemerkt wird, dass dieser Raum in der im rechten Winkel
weisenden Richtung offen ist, wodurch er dem Elastomer in dieser
Richtung die Möglichkeit gibt,
sich unter dem Poisson-Effekt zu verformen und wirksam zu dämpfen. So
füllen
die Bereiche 30a, 30b und 30c aus Elastomermaterial
den Raum zwischen den piezoaktiven Elementen 20, 20a und
den Schenkeln n1, n2 der Schale vollständig aus, wobei der freie Raum
senkrecht zu der Ebene angeordnet ist, die von der kurzen Achse 17 und
der Hauptachse 16 gebildet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Elastomermaterial auf den Bereich 30a entlang der
kurzen Achse 17 beschränkt
und liegt nur an den Keilen zur Einstellung des Spiels 22a und 22b aus
inaktiven Materialien an, so dass man sich nicht um die chemische
Verträglichkeit
und die Adhäsion
zwischen den piezoaktiven Werkstoffen und den Elastomerstoffen kümmern muss.
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Eine zweite Methode besteht darin,
zwei symmetrische Teile 32 aus Elastomer- oder Polymermaterial
im wesentlichen parallel zur kurzen Achse 17 der Schale 31 anzuordnen,
wie in 4 dargestellt,
ohne dass sie sich auf die Keile 22 oder das aktive Material 20 stützen. Die
beiden symmetrische Teile 32 aus Elastomermaterial werden
beiderseits des zweiten Teilsystems 18 angeordnet, so dass
sie Innenflächen
der Schenkel n1 und n2 miteinander verbinden. Wie im vorherigen
Fall komprimiert der in der Kontraktionsfunktion längs seiner
kurzen Achse 17 verstärkte
piezoelektrische Aktor das dämpfende Material
in der Manipulationsrichtung 17 zwischen den Punkten C
und C'.
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Weitere Methoden bestehen darin,
das dämpfende
Material zwischen der Struktur, an der der Aktor befestigt ist,
und der Schale 31 des Aktors oder zwischen den Schalen
von zwei in einem und demselben Mechanismus benachbarten Aktoren
anzuordnen, wobei dafür
gesorgt wird, dass das dämpfende
Material in der Manipulationsrichtung des Aktors zur Wirkung kommt.
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5 zeigt
eine Methode dieser Art, bei der das dämpfende Material 33 in
Form von zwei Teilen 33 eingesetzt wird, die im wesentlichen
parallel zur Manipulationsachse D und beiderseits des ersten Teilsystems 12 und
des zweiten Teilsystems 18 dergestalt befestigt werden,
dass sie die Last L1 mit der Basis L2 verbinden. Die Teile 33 sind über die
Stücke L1
und L2, die die Funktion von Verbindungsstücken erfüllen, indirekt an dem Aktor
befestigt. Hinsichtlich der Dämpfung
ist diese Konfiguration praktisch identisch mit der von 4: Das dämpfende Material ist längs in der
Manipulationsrichtung des Aktors angeordnet. Es ist also von vergleichbarer
Wirksamkeit. Es liegt auf der Hand, dass die gleiche Wirkung mit einer
Vielzahl von parallel angeordneten Elementen 33 erzielt
würde.
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6 zeigt
eine weitere Methode dieser Art, bei der das dämpfende Material in Form von
zwölf Bereichen 34 aus
Elastomermaterial eingesetzt wird, die im wesentlichen in der Ebene
der Hauptachse 16 und der kurzen Achse 17 zwischen
der Schale 31 und der Last L1 bzw. zwischen der Schale 31 und
der Basis L2 angeordnet sind. Um die Kosten zu senken, kann das
dämpfende
Material auf die Bereiche 34a beschränkt werden, die entlang der
Manipulationsachse D angeordnet sind, wobei sie in der Form von überformten
Elastomerklötzchen
oder -ringen entlang der Grenzflächen 28, 29 des
Aktors ausgeführt werden.
Um das Verhältnis
der Wirksamkeit zum Elastomer-Volumen
zu erhöhen,
wird das dämpfende Material
vorzugsweise nur in den Bereichen 34c an den Enden der
Schale 31 angeordnet. Zudem kann das Elastomermaterial
in Zwischenbereichen zwischen den Bereichen 34a und 34c angeordnet
werden. Hinsichtlich der Dämpfung
ist diese Konfiguration praktisch identisch mit der der 3, 4 und 5:
Das dämpfende
Material ist längs
in der Manipulationsrichtung des Aktors angeordnet. Es wird zusammengedrückt, wenn
der Aktor sich auf seiner kurzen Achse 17 komprimiert.
Es ist also von vergleichbarer Wirksamkeit.
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Mit der einen oder der anderen der
in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsformen
ergibt sich ein Aktor, der einen Gütefaktor von etwa 5 aufweist,
der also in der Lage ist, hohen Belastungen mit Frequenzen standzuhalten,
die im Bereich der Resonanzfrequenz des von dem Aktor mit seiner
mechanischen Last gebildeten Systems liegen.
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Es liegt auf der Hand, dass die Konfigurationen
der 3 bis 6 untereinander kombiniert
werden können,
um das Dämpfungsvermögen des
Aktors zu erhöhen.
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Um das Vermögen des Aktors, höheren äußeren Kräften standzuhalten,
zu erhöhen,
kann auch die Vorbelastung der piezoelektrischen Komponenten erhöht werden.
Diese Vorbelastung wird normalerweise durch die Schale 31 des
Aktors gewährleistet,
jedoch ist ihr Wert in der Praxis durch die Elastizitätsgrenze
des Materials der Schale 31 begrenzt. Es kann daher von
Interesse sein, eine zusätzliche Vorspannungs-Vorrichtung 35 hinzuzufügen, die
parallel zur Hauptachse 16 des Aktors dergestalt angeordnet
wird, dass sie das Vermögen
des Aktors, äußeren Kräften standzuhalten,
erhöht. 7 zeigt einen Aktor mit
einer zusätzlichen
Vorspannungs-Vorrichtung 35. Um ein solches System zu verwenden, ist
der Einsatz einer extrudierten Schale 31 besonders zweckmäßig. So
können
zwei Lampionfedern auf der Hauptachse der Schale 31 mit
dieser verbunden werden, um die Vorspannung der piezoelektrischen
Komponenten zu erhöhen.
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Die oben angeführten Verbesserungen bleiben
vereinbar mit der Fähigkeit
eines verstärkten
piezoaktiven Aktors, einen zweiten Freiheitsgrad in der Richtung
der Hauptachse der verstärkenden
Schale 31 zu erzeugen.
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So ist es möglich, einen verstärkten piezoaktiven
Aktor zu konzipieren, der zwei Freiheitsgrade erzeugt, wobei die
Betätigungspunkte
sich an den Spitzen C an der Grenzfläche 28 und C' an der Grenzfläche 29 der
kurzen Achse 17 befinden. Dazu ist es wichtig, dass das
Zentrum des Aktors sich frei entlang der kurzen Achse 17 des
Aktors bewegen kann, in der Richtung von dessen Hauptachse 16 jedoch
blockiert ist. Diese Möglichkeit
ist mit dem oben beschriebenen Dämpfungssystem
vereinbar. In 8 ist
ein Aktor mit zwei Freiheitsgraden dargestellt, der eine mechanische
Vorrichtung 36 aufweist, die im Zentrum 37 des
Aktors wirkt, indem sie eine Bewegung des Zentrums des Aktors in
der zum Aktor normalen Richtung Z zulässt und eine Bewegung in der
zum Aktor tangentialen Richtung X verhindert. Beispielsweise kann
die mechanische Vorrichtung zwei biegsame Blättchen enthalten, die parallel
zur Hauptachse des Aktors angeordnet sind und die Basis des Aktors einerseits
und das Zentrum des Aktors andererseits miteinander verbinden. Durch
Verändern
der an die Stäbchen 20 und 20a angelegten Spannungssignale,
beispielsweise ihrer Amplituden und ihrer Phasen, werden zwei Manipulationsrichtungen
entlang der Achsen X und Z im Bereich des Betätigungspunkts C gegenüber dem
Punkt C' erzielt.
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Ferner wird man feststellen, dass
die Möglichkeit
des Zentrums des Aktors, sich einerseits entlang der kurzen Achse 17 des
Aktors zu bewegen und andererseits die Unmöglichkeit, sich auf dessen Hauptachse 16 zu
bewegen, vereinbar mit dem oben beschriebenen parallelen Vorspannungs-System
ist. In 9 ist ein Aktor
mit einer zusätzlichen
Vorspannungs-Vorrichtung 35 dargestellt, die von Federn 38 gebildet
wird, die mit dem Zentrum 37 des Aktors verbunden sind,
und eine mechanische Vorrichtung 36 aufweist, die im Zentrum
des Aktors wirkt.
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Der Aufbau der Aktoren in 8 und 9 ist ebenfalls mit Elastomerstücken wie
den anhand der 3 bis 6 beschriebenen vereinbar
und ermöglicht
es, den Aktor in seinen beiden Manipulationsrichtungen zu dämpfen. Elastomerstücke verformen sich
dann in Dehnung bzw. Kompression bei der Manipulation auf Z und
in einer Scherbewegung bei der Manipulation auf X.
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Die oben beschriebenen Verbesserungen sind
verträglich
mit der Ausführung
mehrerer Aktoren zur Bildung von Mechanismen mit mehreren Freiheitsgraden.
So können
drei Aktoren, die im Dreieck angeordnet sind, einen Aktor mit drei
Freiheitsgaden bilden. Bezugnehmend auf 10 können
drei Aktoren 10 mit zwei Freiheitsgraden, die im Dreieck
angeordnet sind, einen Mechanismus 39 mit sechs Freiheitsgaden
bilden. Diese Anordnungen haben den Vorteil, dass sie isostatische
Mechanismen bilden, die besonders auf dem Gebiet der Optik von Interesse
sind. Bei derartigen Vorrichtungen ist es nämlich von besonderer Wichtigkeit,
dass der Spiegel nicht verformt wird. Dennoch ist es notwendig,
Drehzapfen zum Abkoppeln zwischen den verstärkten piezoelektrischen Aktoren
und dem Spiegelhalter anzuordnen.
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Die 11 und 12 stellen Mechanismen 40 dar,
die mittels vier Aktoren 10 zwei Drehfreiheitsgrade und
einen Vorschubbewegungsfreiheitsgrad bieten. Das Problem der statischen Überbestimmtheit kann
dabei auf mehrere Weisen gelöst
werden, die darauf abzielen, vier elastische Verbindungen gleicher
Länge zu
erzielen. Bezugnehmend auf 11 kann
in einer ersten Ausführung
die Verbindung 41 zwischen dem Drehzapfen und dem verstärkten piezoelektrischen
Aktor gummiert sein. Eine alternative Lösung, die in 12 dargestellt ist, besteht darin, die
Aktoren über
Federschrauben 42 (Prony-Schrauben) mit dem Spiegelhalter
zu verbinden.
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13 stellt
einen Aktor mit zwei Vorschubbewegungsfreiheitsgraden mittels vier
Aktoren 10 dar. Die mechanische Grenzfläche 44 ermöglicht es, die
Grenzflächen 28 der
Aktoren 10 aneinander zu befestigen und die mechanische
Last L1 zu befestigen. Diese mechanische Grenzfläche kann hohl sein, um dort
eine optische Linse anzubringen und Licht hindurch zu lassen. Die
Push-Pull-Konfiguration der Aktoren 10 ermöglicht es,
einen thermisch kompensierten und mechanisch bezogen auf die Manipulationsrichtungen
X und Y zentrierten Aktor zu erzielen. Der Elastomerbereich 43,
der im wesentlichen in der Ebene der kurzen Achse und der Hauptachse
der Aktoren 10 zwischen den Aktoren 10 und der
mechanischen Grenzfläche 44 angeordnet
ist, kann durch Überformen
hergestellt werden. Jeder Elastomerabschnitt 43a dämpft den
entsprechenden Aktor 10a wie in der in 6 beschriebenen Konfiguration, was entsprechend
auch für
die Abschnitte 43b, 43c, 43d mit den
Aktoren 10b, 10c, 10d gilt. Wie bei der
Konfiguration von 6 kann
auch zwischen die Schale 31 des Aktors 10 und
den an der Grenzfläche 29 befestigten
Rahmen Elastomer vorgesehen werden (nicht), wobei dieser Rahmen
die Aufgabe einer festen Basis L2 erfüllt.
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Bei der in 14 dargestellten Konfiguration sind die
Manipulationsrichtungen von zwei einander gegenüberliegenden Aktoren 10a und 10c,
und 10d und 10d parallel und in einem gleichen
Abstand zueinander angeordnet. Sie ermöglichen die Erzeugung einer
begrenzten Drehbewegung der mechanischen Grenzfläche 44 um die Achse
Z, z. B. wenn die Aktoren 10 alle dergestalt mit Strom
versorgt werden, dass sie eine identische Verschiebung erzeugen. Wenn
die Verschiebung jedes Aktors eines Paares 10a, 10c oder 10b, 10d entgegengesetzt
erfolgt, ergibt sich eine lineare Verschiebung auf X oder Y. In dieser
Konfiguration sind die Elastomerstücke 45a, 45b, 45c und 45d in
den Manipulationsrichtungen jedes Aktors eines Paares 10a, 10b, 10c, 10d angeordnet,
um diese Aktoren und damit den gesamten Mechanismus zu dämpfen.
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Die Mechanismen der 10 bis 14 sowie jeder
andere Mechanismus können
vorteilhaft mit dämpfenden
Materialien versehen werden, die innerhalb der Aktoren wie mit Bezugnahme
auf die 3 bis 6 beschrieben angebracht
werden, aber auch mit dämpfenden
Materialien, die bezogen auf die Schale 31 der Aktoren 10 wirken.
Dieser Fall ist in 13 dargestellt,
wo die dämpfenden
Materialien 43 zwischen der Schale 31 der Aktoren 10 und
der Grenzfläche 44,
die die Last trägt,
oder zwischen zwei benachbarten Aktoren 10 angeordnet sind.
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15 zeigt
eine Anwendung der Aktoren als Vibrationsdämpfer einer Struktur. Der Aktor 10 ist zwischen
der zu dämpfenden
Struktur 46, die die Funktion der Last L1 inne hat, und
einer Schwungmasse 47, die dynamisch die Funktion der Basis
L2 erfüllt,
befestigt. Das dämpfende
Material 48 kann außerhalb
der Schale 31 angeordnet sein oder auch innerhalb der Schale 31 der
Aktoren wie in den 3 bis 6 beschrieben. Der Aktor 10 kann
ein Aktor mit zwei Freiheitsgraden sein, wie zuvor in 8 oder 9 beschrieben, um Vibrationen der Struktur 46 auf
den Achsen x und z zu steuern.