DE2848812A1 - Stellglied aus piezoelektrischen elementen - Google Patents

Description

• Stellglied aus piezoelektrischen Elementen
• ie Erfindung betrifft ein Stellglied aus piezoelektrischen Elementen die geschichtet tibereinander angeordnet sind, wobei der Stellweg des Stellgliedes durch die Sumnie der Linzelstellwege hcstimmt ist, die sich durch Anlegen einer Spannung ergeben.
• Bei bekannten Stellgliedern dieser Art sind die scheibenflrinigen, piezoelektrischen Elemente zu einem Stapel zusammengefügt, wobei aufeinanderfolgende Scheiben ieweils entgegengesetzt gepolt angeschlossen sind. Die piezoelektrischen Elemente sind dabei derart polarisiert, daß sie unter Spannung eine Dickenänderung erfahren, so daß sich die Einzelstellwege summieren. Der ,esaintstellweg ist bei einer derartigen bekannten Lösung vergleichsweise gering, da die Dickenänderungen der Scheiben nur geringfügig sind, weswegen auch bereits für minimale Stellwege von einigen Ilundertstel Millimetern bereits Stapel mit hundert und mehr Scheiben erforderlich sind. I)ie bekannten Stellglieder ermöglichen daher aufgrund der physikalischen Eigenschaften der piezoelektrischen Elemente zwar ein nahezu trägheitsloses Arbeiten und erbringen auch große Kräfte, ermöglichen aber nur sehr geringe Stellwege und bauen verhältnismäßig lang (Tehnical Note 036, NV Philips Glühlampenfabriken vom 11. Oktober 1976).
• Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Stellglied zu schaffen, das in seinen physikalischen Eigenschaften dem vorerwähnten bekannten Stellglied entspricht, aber wesentlich größere Stellwege bei ebenfalls sehr einfachem Aufbau ermcoglicht.
• Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die piezoelektrischen Elemente als an sich bekannte Biegeelemente ausgebildet sind.
• Bei der erfindungsgemlßen Lösung wird davon Gebrauch gemacht, daß bei einem zweischichtigen Aufbau der piezoelektrischen Elemente aus zwei entgegengesetzt polarisierten und unter Anlegen einer Spannung entgegengesetzt längenveränderlichen Elementen Ithnlich wie bei Bimetallen eine Krümmung des Elementes eintritt, wobei die Größe des durch die Krümmung erreichbaren Verstellweges wesentlich größer ist als der Verstellweg, der durch Dickenänderung eines piezoelektrischen Elementes gleicher Ausgangsgröße erreichbar ist. Durch die Erfindung wird somit ein Stellglied geschaffen, das bei gleicher Ausgangsgröße etwa um den Faktor 100 größere Stellwege ermöglicht, wobei auch hier ausreichend hohe Stellkräfte aufgebaut werden, um beispielsweise hydraulische Steuerelemente unmittelbar betätigen zu können. Mit Vorteil lassen sich so beispielsweise Dosiereinrichtungen, insbesondere Dos ierventile in Kraftstoffeinspritzanlagen für Brennkraftmaschinen unmittelbar betätigen.
• Im hinblick auf die Aufbringung möglichst großer Kräfte bei möglichst geringem Bauvolumen werden die Biegeelemente zweckmäßigerweise scheibenförmig ausgestaltet.
• Eine Vervielfachung der Stellwege der piezoelektrischen Elemente entsprechend der Anzahl der verwendeten Elemente ist in einfacher Weise dadurch zu erreichen, daß sich jeweils gegeneinander abstützende Elemente paarweise so angeordnet und polarisiert sind, daß sie unter Spannung sich entgegengesetzt krümmen.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines konstruktiven Ausführungsbeispieles einer Stellvorrichtung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Stellvorrichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Stellgliedes in ihrer Ausschaltstellung, u n d Fig. 2 eine entsprechende Schnittdarstellung der Stellvorrichtung in deren Einschaltstellung.
• Die in den Figuren dargestellte Stellvorrichtung umfaßt ein Gehäuse mit einer Basisplatte 1 und einer haubenartigen Abdeckung 2. Die Abdeckung 2 ist gegenüber der Basisplatte 1 über Verschraubungen 3 od. dgl. fixiert.
• In der Basisplatte 1 ist ein Schaltstift 4 geführt, der an seinem innerhalb der Abdeckung 2 liegenden I Ende mit einem Kragen 5 versehen ist und der zwischen Kragen 5 und Basisplatte 1 von einer Feder 6 umschlossen ist, die teilweise in einem erweiterten Bereich 7 der Führungsbohrung 8 des Schaltstiftes 4 liegt. Die Tiefe des erweiterten Bereiches 7 der Führungsbohrung ist dabei so bemessen, daß die Feder 6 in zusammengedrücktem Zustand, sie aus Fig. 2 ersichtlich ist, voll innerhalb des erweiterten Bereiches liegt, so daß der Kragen 5 auf der Innenseite der Basisplatte 1 sich abstützt.
• Zwischen dem Schaltstift 4 und der gegeMiberliegenden Innenseite 9 der Abdeckung 2 ist im dargestellten Ausftihrungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Stellglied 10 angeordnet, das durch piezoelektrische Biegeelemente 11 gebildet ist. Vliese sind jeweils zweischichtig ausgebildet und bestehen aus zwei Scheiben 11a, lib entgegengesetzter Polarisation, die miteinander verklebt sind und von denen die eine Scheibe lib bei Anlegen einer Spannung sich in Richtung ihres Durchmessers dehnt, während sich die andere Scheibe iia zusammenzieht, so daß ausgehend von einer ebenen Grundform vor Anlegen der es Spannung (Fig. 1) eine schüsselförmige Wölbung des Biegeelementes 11 durch Anlegen der Spannung (Fig. 2) erreicht wird. Entsprechend der Größe der Wölbung ergibt sich ein Stellweg, wobei die Größe des Gesamtstellweges für den Schaltstift 4 der Summe der Stellwege der hier vorgesehenen vier Biegeelemente 11 entspricht.
• Für die Biegeelemente 11 ist dabei eine Anordnung vorgesehen, bei der diese paarweise zusammenwirken und zwar derart, daß die Jeweils einem Paar zugehörigen Biegeelemente 11 sich heim Anlegen der Spannung, wie aus Fig. 2 ersichtlich, llngs ihres Umfangs gegeneinander anlegen.
• Erreicht wird dies dadurch, daß die jeweils zusammenwirkenden Biegeelemente 11 zu einer zwischen ihnen liegenden Ebene symmetrisch angeordnet sind, wobei die einander zugewandten Scheiben 11a an den einen Pol, hier den Minuspol, und die voneinander abgewandten Scheiben 1 ib an den anderen Pol, hier den Pluspol, angeschlossen sind.
• Die die Biegeelemente 11 bildenden Scheiben lia und lib sind hierfilr an ihren voneinander abgewandten Seiten zentral mit Kontaktflächen 12 versehen, während sie an ihren einander zugewandten Seiten längs ihres Umfanges jeweils einen Kontaktring 13 aufweisen, so daß über die Kontaktflächen 12 bzw. Kontaktringe 1 auch gleichzeitig die axiale Abstützung erfolgt. Durch stapelförmige Anordnung mehrerer, in vorbeschriebener Weise aufgebauter Paare von Biegeelementen - im Ausführungsbeispiel sind zwei Paare von Biegeelementen vorgesehen, die über die einander zugewandten Kontaktflächen 12 gegeneinander abgestützt sind - ergibt sich ein Stellglied mit entsprechend vervielfachtem Stellweg.
• Prinzipiell kann erfindungsgemäß ein Stellglied auch lediglich aus einem Biegeelement bestehen, wobei dieses Biegeelement dann zwar ebenfalls aus zwei Scheiben besteht, sich aber einerseits zentral und andererseits längs seines Umfangs gegen Anlagen abstützt, von denen zumindest eine entsprechend der Verformungsrichtung des Biegeelementes nachgiebig ist.
• Die Biegeelementenpaare sind dabei bevorzugt in gleicher Weise angeschlossen, so daß sich, wie aus Fig. 2 ersichtloch, einfache Anschlußwege ergeben. Das Jeweils äußerste, also im Ausführungsbeispiel oberste und unterste Biegeelement 11 ist über seine Kontaktfläche 12 gegen die Abdeckung 2 bzw, den Schaltstift 4 abgestützt, und zwar jeweils unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht 14.
• Anstelle scheibenförmiger Biegeelemente können bei grundsätzlich gleichem Aufbau auch streifenförmige Biegeelemente Verwendung finden. Bevorzugt finden im Rahmen der Erfindung aber scheibenförmige Biegeelemente, wie sie in den Ausführungsbeispielen gezeigt und mit 11 bezeichnet sind, Verwendung, da diese es ermöglichen, die verhaltnismäßig hohen, erreichbaren Stellkräfte ohne weitere Zentrierung sicher zu übertragen.
• L e e r s e i t e

Claims (4)

1. Ansprüche 1. Stellglied aus piezoelektrischen Elementen, die geschichtet angeordnet sind, wobei der Stellweg des Stellgliedes durch die Summe der Einzelstellwege hestimmt ist, die sich durch Anlage einer Spannung ergeben, d a d u r c h g c k e n n z e i c 10 n e t daß die piezoelektrischen Elemente als ansich bekannte Biegeelemente (loa, 101) ausgebildet sind.
2. 2. Stellglied nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Biegeelemente (loa, 10b) scheibenförmig sind.
3. 3. Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens zwei Biegeelemente vorgesehen sind, die sich aufeinander abstützen und unter Spannung entgegengesetzt krümmen.
4. 4. Stellglied nach einem der vorhergehenden Anspriiche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Stellglied entgegen seiner Stellrichtung nachgiebig verspannt angeordnet ist.