DE19905726C2 - Verfahren zum Einstellen der mechanischen Vorspannung piezoelektrischer Antriebselemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der me­ chanischen Vorspannung zweier elektrisch gegenphasig zu bela­ dender, zwischen zwei Platten angeordneter, piezoelektrischer Antriebselemente mittels Vorspannelementen.

Aus der EP 0 800 220 A1 ist ein piezoelektrischer Antrieb be­ kannt, dessen als Kipphebel ausgebildeter Aktor über zwei piezoelektrische Doppelstapelantriebe erregt und in Schwin­ gungen versetzt werden kann. Der Aktor und der Doppelstapel­ antrieb wird unter definierter Vorspannung gehalten, wobei mehrere piezoelektrische Einzelstapel jeweils mit ihren ers­ ten Basisflächen an einer starren Auflage und mit ihren zwei­ ten Basisflächen jeweils über gelenkige Anbindungen an einen Kipphebel bzw. Aktor angreifen.

Ein weiteres piezoaktuatorisches Antriebs- bzw. Verstellele­ ment ist aus DE 196 46 511 C1 bekannt, bei dem piezoelektri­ sche Stapelelemente vorzugsweise zur direkten Übertragung von Kippbewegungen eingesetzt werden. Bei diesem Antrieb ist ein erster und zweiter piezoelektrischer Stapel vorgesehen, zwi­ schen denen ein dritter Stapel angeordnet ist, der Gebiete beinhaltet, die weitgehend feldfrei gehalten sind. Der dritte Stapel ist mit dem ersten und zweiten Stapel bevorzugt stoff­ schlüssig verbunden. Durch ein Spannmittel ist der dritte Stapel mit einer definierten Kraft vorgespannt. Gleichzeitig ist jedoch auch eine gewisse Elastizität in Längsrichtung ge­ geben.

Ein piezoelektrischer Aktuator, welcher sowohl für die Über­ tragung reiner Translations- als auch Rotationsbewegungen Verwendung finden kann, ist beispielsweise aus der WO 96/19836 bekannt und umfaßt zumindest zwei gegenphasig zu be­ ladende, zwischen einer Bodenplatte und einer Oberplatte an­ geordnete, piezoelektrische Antriebselemente, wobei die me­ chanische Vorspannung der piezoelektrischen Antriebselemente durch Zuganker oder durch Federn von außen aufgebracht wird. Dieser auch Torqueblock genannter Aktuator ist als ein akti­ ves Drehgelenk mit Drehachse in seinem Flächenschwerpunkt an­ zusehen. Dadurch, daß die zur elektrischen Versorgung der An­ triebselemente vorgesehenen Leiterbahnen in die neutrale me­ chanische Phase gezogen sind, werden Risse aufgrund von Wech­ sellasten in den Leiterbahnen vermieden. Es wird somit ein piezoelektrische Aktuator geschaffen, der insbesondere auch die hohen Anforderungen in der Automobiltechnik erfüllt. Nachteilig bei der bekannten Anordnung ist jedoch, daß die angestrebte mechanische Vorspannung nicht präzise eingestellt werden kann, da die verwendeten Zuganker und Federn beträcht­ liche Toleranzen aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Einstellen der mechanischen Vorspannung derartiger Aktuatoren anzugeben, bei dem eine hohe Genauigkeit der Vorspannung erzielt wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentan­ spruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungs­ gedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, biegeelastische, in Längsrichtung jedoch unelastische Vorspannelemente mit einer der Platten kraftschlüssig, formschlüssig oder fest zu ver­ binden, eine Montagevorrichtung an den Vorspannelementen zu befestigen, eine definierte Kraft auf die andere Platte auf­ zubringen, die Vorspannelemente mit der anderen Platte eben­ falls kraftschlüssig, formschlüssig oder fest zu verbinden, die definierten Kraft zurückzunehmen und schließlich die Mon­ tagevorrichtung zu entfernen. Dabei dient die Montagevorrich­ tung dazu, die Gegenkraft für die auf die andere Platte auf­ gebrachte definierte Kraft zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein ge­ ringer materieller Aufwand notwendig ist, nur wenige Verfah­ rensschritte benötigt werden und dennoch eine hohe Genauig­ keit erzielt wird.

Bevorzugt erfolgt das Verbinden der Vorspannelemente mit ei­ ner oder beiden Platten durch Verschweißen und/oder bei kon­ stanter, oberer Temperatur. Als obere Temperatur ist dabei die maximal zulässige Temperatur der gesamten Anordnung anzu­ sehen.

Als Vorspannelemente können dabei biegeelastische, in Längs­ richtung jedoch unelastische Stäbe, eine an den Seiten der piezoelektrischen Antriebselemente laschenförmige herunterge­ zogene Platte oder Streifen vorgesehen werden. Bevorzugt wei­ sen die Vorspannelemente dabei Verdickungen, Laschen oder ähnliches auf, an denen die Montagevorrichtung angesetzt wird. Als Montagevorrichtung kommen dabei insbesondere spezi­ elle Halterungen oder Lagerungen in Betracht. Die definierte Kraft wird bevorzugt durch ein auf eine der Platten aufgeleg­ tes Gewicht erzeugt. In gleicher Weise kann die definierte Kraft aber auch durch ein elastisches Element wie beispiels­ weise eine Feder, welche mit der Montagevorrichtung über ei­ nen starren Rahmen verbunden ist, erzeugt werden. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang bei dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren, daß die gleichen Gewichte oder Federn zur Einstellung mehrerer Aktuatoren verwendet werden und damit die relative Genauigkeit dieser Aktuatoren untereinander sehr hoch ist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit stabförmigen Vorspannelementen,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit streifenförmig ausgebildeten Vorspannelementen und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer laschenför­ mig heruntergezogenen Platte als Vorspannelement.

In Fig. 1 ist ein Torqueblock gezeigt, der aus gegenphasig zu beladenden piezoelektrischen Antriebselementen 2, 3, einer Bodenplatte 4 sowie einer Oberplatte 5 besteht. Die piezo­ elektrische Antriebselemente 2, 3 werden dabei durch lami­ nierte Stapel einzelner, aus piezoelektrischer Keramik gefer­ tigter Scheiben gebildet. Mit der Oberplatte 5 verbunden ist ein Aktuatorhebel 6, der beim Ausführungsbeispiel im wesent­ lichen dreiecksförmig ausgeführt und mit einer seiner drei Dreiecksschenkel auf die Oberplatte 5 in Richtung von einem zum anderen Antriebselement 2, 3 aufgesetzt ist. Zwischen den beiden Antriebselementen 2 und 3 liegt eine neutrale Faser A, bei der eine minimale Dehnungsbeanspruchung auftritt und in deren unmittelbarem Umfeld sich bevorzugt ein Bereich 1 zwi­ schen den Antriebselementen 2, 3 mit einer im einzelnen nicht dargestellten elektrischen Kontaktierung der Antriebselemente 2, 3 befindet.

Bei der vorliegenden Erfindung sind insbesondere in einem Ke­ ramiklaminat durch integrierte Elektrodenstrukturierung ein­ gebrachte, separat ansteuerbare Antriebseinheiten 2, 3 vorge­ sehen. Durch Reduzierung der Belastung äußerer Kontaktbahnen durch Anordnen der Kontakte im Bereich 1 wird eine hohe Zu­ verlässigkeit erreicht. Die Wandlung der Translation in eine Winkelverkippung erfolgt direkt im Keramiklaminat und kann als wegübersetzte Auslenkung am Ende des dreieckförmigen Ak­ tuatorhebels 6 abgegriffen werden. Auslenkung und Steifigkeit sind durch Gestaltung der Hebellänge, der Blockhöhe und des Blockquerschnitts variierbar. Die elektrische Ansteuerung der beiden Antriebselemente erfolgt antisymmetrisch durch eine nicht näher dargestellte Ansteuerschaltung.

Zur Einstellung einer genauen mechanischen Vorspannung der Antriebselemente 2 und 3 sind erfindungsgemäß die nachfolgend beschriebenen Schritte vorgesehen. Zunächst werden die biege­ elastischen Vorspannelemente 7, 8 mit der Bodenplatte 4 bei­ spielsweise durch Verschweißen an Schweißnähten 9 fest ver­ bunden. Die Vorspannelemente 7, 8 sind dabei als biegeelasti­ sche, in Längsrichtung jedoch unelastische Stäbe mit jeweils einer Verdickung 12, 13 ausgebildet. Anstelle einer Schweiß­ verbindung können aber auch andere geeignete kraftschlüssige Verbindungen wie zum Beispiel Schraubverbindungen verwendet werden. Danach werden die Antriebselemente 2, 3 auf der Bo­ denplatte 4 angeordnet, indem diese mit der Bodenplatte 4 beispielsweise durch Kleben fest verbunden oder alternativ nur auf diese ohne feste Verbindung aufgesetzt werden. Dar­ über wird die Oberplatte 5 gesetzt.

Falls noch nicht vor der Anordnung der Antriebselemente 2, 3 erfolgt, wird nun eine Montagevorrichtung 11 unter den Ver­ dickungen 12, 13 der Vorspannelemente 7, 8 angesetzt derart, daß die Verdickungen 12, 13 die Montagevorrichtung 11 auf der der Oberplatte 5 abgewandten Seite berühren.

Sodann wird an der Oberplatte 5 eine definierte Kraft F auf­ gebracht, die beispielsweise durch in der Zeichnung nicht dargestellte, aufgelegte Gewichte erzeugt wird. Die Gegen­ kraft wird von der Montagevorrichtung 11 aufgebracht, indem die Oberplatte 5 über die piezoelektrischen Antriebselemente 2, 3 auf die Bodenplatte 4 drückt, wodurch auf die Vorspan­ nelemente 7, 8 eine Zugkraft in Längsrichtung gegen die Mon­ tagevorrichtung 11 ausgeübt wird. In diesem Zustand werden die Vorspannelemente 7, 8 mit der Oberplatte 5 an den Schweißnähten 10 verschweißt. Anstelle einer Schweißverbin­ dung können aber auch andere geeignete kraftschlüssige Ver­ bindungen wie zum Beispiel Schraubverbindungen verwendet wer­ den.

Nach Zurücknahme der Belastung durch die Kraft F und Entfer­ nen der Montagevorrichtung 11 ist der Torqueblock durch die Vorspannelemente 7, 8 dauerhaft mit hoher Genauigkeit fest­ gehalten, insbesondere wenn die Montage bei konstanter oberer Temperatur wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durchge­ führt wird. Zumindest aber sollte zum Zeitpunkt des letzten Verschweißens die gesamte Anordnung eine homogene obere Tem­ peratur aufweisen. Da die neutrale Faser A sich bei Aktuator­ betrieb längenmäßig kaum ändert, sollen die Vorspannelemente 7, 8 in Längsrichtung möglichst unelastisch sein, aber genü­ gend biegeelastisch sein, um die Kippbewegung der Oberplatte 5 aufnehmen zu können.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist gegenüber der nach Fig. 1 dahingehend abgeändert, daß streifenförmig und nicht stab­ förmig ausgebildete Vorspannelemente 14, 15 vorgesehen sind, wobei die Vorspannelemente 14, 15 Laschen 16 und 17 aufwei­ sen, an denen sich die Montagevorrichtung (in Fig. 2 nicht gezeigt) abstützen kann. Die Vorspannelemente 14, 15 sind dabei mittels Schweißnähten 18 bis 21 an der Bodenplatte 4 beziehungsweise die Oberplatte 5 seitlich befestigt. Strei­ fenförmige Vorspannelemente 14, 15 gemäß Fig. 2 haben gegen­ über den stabförmigen Vorspannelementen 7, 8 aus Fig. 1 den Vorteil, daß bei gleicher Querschnittsfläche die selbe Stei­ figkeit in Längsrichtung, jedoch eine wesentlich höhere Bie­ geelastizität erreicht wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann bei entsprechender Anbringung der (nicht gezeig­ ten) Montagevorrichtung die Kraft F entweder an der Boden­ platte 4 oder der Oberplatte 5 angreifen.

In Fig. 3 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform nach Fig. 2 dargestellt, wobei die biegeelastischen Vorspannele­ mente 22 ebenfalls streifenförmig ausgebildet sind. Jedoch sind die Vorspannelemente 22 nicht separat ausgeführt, son­ dern gehen aus der Oberplatte 5 hervor, indem diese seitlich laschenförmig heruntergezogen und an Schweißnähten 24 an der Bodenplatte 4 seitlich durch Verschweißen befestigt sind. Die laschenförmigen Vorspannelemente 22 haben ihrerseits seitlich ausgebildete Laschen 23 zum Ansetzen der (in Fig. 3 nicht gezeigten) Montagevorrichtung. Die Montagevorrichtung wird dabei so angesetzt, daß sie in Richtung der Bodenplatte 4 ab­ stützt und die Kraft F in Richtung der Oberplatte 5 auf die Bodenplatte 4 einwirkt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Einstellen der mechanischen Vorspannung zwei­ er elektrisch gegenphasig zu beladenden, zwischen zwei Plat­ ten (4, 5) angeordneten, piezoelektrischen Antriebselemente (2, 3) mittels biegeelastischen, in Längsrichtung jedoch mög­ lichst unelastischen Vorspannelementen (7, 8, 14, 15, 22) un­ ter Verwendung einer Montagevorrichtung (11) mit den Verfah­ rensschritten:

• a) Verbinden der Vorspannelemente (7, 8, 14, 15, 22) mit ei­ ner der Platten (4);
• b) Befestigen der Montagevorrichtung (11) an den Vorspannele­ menten (7, 8, 14, 15, 22);
• c) Aufbringen einer definierten Kraft auf die andere Platte (5), wobei die Gegenkraft von der Montagevorrichtung (11) aufgebracht wird;
• d) Verbinden der Vorspannelemente (7, 8, 14, 15, 22) mit der anderen Platte (5); und
• e) Zurücknahme der definierten Kraft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verbinden durch Verschweißen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest das Aufbringen einer definierten Kraft auf eine der Platten (5) und das Verbinden der Vorspannelemente (7, 8, 14, 15, 22) mit der anderen Platte (5) bei konstanter, oberer Temperatur erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Vorspannelemente (7, 8) Stäbe sind.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Vorspannelemente (14, 15, 22) streifenförmig ausgebildet sind.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Vorspannelemente (22) durch eine an den Seiten der piezo­ elektrischen Antriebselemente (2, 3) laschenförmig herunter­ gezogene Platte (5) gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Montagevorrichtung (11) an Verdickungen (12, 13) der Vor­ spannelemente (7, 8, 14, 15, 22) angesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Montagevorrichtung (11) an Laschen (16, 17, 23) der Vorspann­ elemente (14, 15, 22) angesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die definierte Kraft durch auf eine der Platten (5) aufgelegte Gewichte erzeugt wird.