DE2848812A1

DE2848812A1 - Adjusting unit with layers of piezoelectric elements - which bend one application of voltage and thus move sprung rod

Info

Publication number: DE2848812A1
Application number: DE19782848812
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Schmidt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1978-11-10
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1980-05-22

Abstract

The adjusting unit has several layers of piezoelectric elements. The travel of the element is given by the sum of individual setting travels resulting from the application of a voltage. The piezoelectric elements are constructed as conventional bending elements, which are disc shaped. At least two bending elements are present that rest against one another and curve in opposite directions when a voltage is applied. The advantage lies in the setting element's having the same physical properties as prior art but a much larger setting travel and a very simple construction. The elements are connected in parallel by electrical side couplings. The lowest element has a central spigot (4) extending through the casing, with a compression spring around the outside.

Description

Stellglied aus piezoelektrischen ElementenActuator made of piezoelectric elements

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.The invention relates to an actuator made of piezoelectric elements which are arranged in layers one above the other, the travel of the actuator is correct by the sum of the Linzelstellwege, which can be achieved by creating a Tension.

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).In known actuators of this type, the disc-shaped, Piezoelectric elements assembled into a stack, with successive Panes are connected with opposite polarity. The piezoelectric Elements are polarized in such a way that they change their thickness under tension experienced, so that the individual travel distances add up. The, esaintstellweg is at a known solution of this type is comparatively small, since the changes in thickness of the discs are only slightly, which is why even for minimal travel stacks of a few hundredths of a millimeter with a hundred or more discs necessary are. I) he known actuators therefore make it possible due to the physical properties of the piezoelectric elements almost inertia-free work and also produce great forces, but make it possible only very short travel ranges and are relatively long (Tehnical Note 036, NV Philips incandescent lamp factories of October 11, 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.In contrast, the invention is based on the object of an actuator to create that known in its physical properties to the aforementioned Actuator corresponds, but much larger travel ranges with also very simple Construction possible.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die piezoelektrischen Elemente als an sich bekannte Biegeelemente ausgebildet sind.According to the invention this is achieved in that the piezoelectric Elements are designed as bending elements known per se.

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.The solution according to the invention makes use of the fact that in the case of a two-layer structure of the piezoelectric elements from two opposing polarized and inversely variable in length when a voltage is applied Elements It is similar to that of bimetallic metals that a curvature of the element occurs, whereby the size of the adjustment path that can be achieved through the curvature is much greater than the displacement that is achieved by changing the thickness of a piezoelectric element same output size is achievable. The invention thus becomes an actuator created that with the same output size about a factor of 100 larger travel ranges allows, with sufficiently high actuating forces are built up here too, for example hydraulic controls to be able to operate immediately. With In this way, for example, metering devices, in particular metering valves, can be advantageous Activate directly in fuel injection systems for internal combustion engines.

Im hinblick auf die Aufbringung möglichst großer Kräfte bei möglichst geringem Bauvolumen werden die Biegeelemente zweckmäßigerweise scheibenförmig ausgestaltet.With a view to applying the greatest possible forces at as much as possible With a small overall volume, the bending elements are expediently designed in the shape of a disk.

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.A multiplication of the travel ranges of the piezoelectric elements accordingly the number of elements used can be easily achieved by that each mutually supporting elements are arranged in pairs and are polarized in that they curve in opposite directions under tension.

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.The invention is described below with the aid of a constructive embodiment an adjusting device explained. The figures show: FIG. 1 a sectional illustration of a Adjusting device using an actuator according to the invention in their Switch-off position, and FIG. 2 shows a corresponding sectional view of the adjusting device in their on position.

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.The adjusting device shown in the figures comprises a housing with a base plate 1 and a hood-like cover 2. The cover 2 is opposite the base plate 1 fixed via screw connections 3 or the like.

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.In the base plate 1, a switching pin 4 is guided on his inside the cover 2 lying I end is provided with a collar 5 and the between collar 5 and base plate 1 is enclosed by a spring 6, which is partially lies in an enlarged area 7 of the guide bore 8 of the switching pin 4. The depth of the extended area 7 of the guide hole is dimensioned so that that the spring 6 in the compressed state, it can be seen from Fig. 2, full lies within the enlarged area, so that the collar 5 is on the inside the base plate 1 is supported.

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.Between the switching pin 4 and the opposite inner side 9 the cover 2 is an inventive example in the illustrated embodiment Actuator 10 is arranged, which is formed by piezoelectric bending elements 11. Fleeces are each formed in two layers and consist of two disks 11a, lib of opposite polarization, which are glued together and from which the one disk lib when a voltage is applied, moving in the direction of its diameter expands while the other disk iia contracts, so that starting from one flat basic shape before applying the voltage (Fig. 1) a bowl-shaped bulge of the bending element 11 is achieved by applying the voltage (Fig. 2). Corresponding the size of the bulge results in a travel, the size of the total travel for the switching pin 4 the sum of the travel ranges of the four bending elements provided here 11 corresponds.

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.For the bending elements 11 an arrangement is provided at which work together in pairs in such a way that they each belong to a pair Bending elements 11 are elongated when the voltage is applied, as can be seen from FIG their scope against each other.

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.This is achieved in that the respective interacting bending elements 11 are arranged symmetrically to a plane lying between them, the facing disks 11a to one pole, here the negative pole, and from each other facing disks 1 ib are connected to the other pole, here the positive pole.

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.The disks lia and lib forming the bending elements 11 are herefilr on their sides facing away from each other centrally provided with contact surfaces 12, while they each have one on their mutually facing sides along their circumference Have contact ring 13, so that over the contact surfaces 12 or contact rings 1 the axial support also takes place at the same time. By stacking several, Pairs of bending elements constructed in the manner described above - in the exemplary embodiment two pairs of bending elements are provided, which over the facing each other Contact surfaces 12 are supported against each other - results in an actuator with correspondingly increased travel.

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.In principle, according to the invention, an actuator can also only be switched off consist of a bending element, this bending element then also of two Discs consists, but on the one hand centrally and on the other hand along its circumference supported against systems, at least one of which corresponds to the direction of deformation of the bending element is compliant.

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.The pairs of bending elements are preferably connected in the same way, so that, as can be seen from Fig. 2, simple connection paths result. Each outermost, so in the embodiment top and bottom bending element 11 is over its contact surface 12 is supported against the cover 2 or the switch pin 4, namely with the interposition of an insulating layer 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.Instead of disc-shaped bending elements, basically the same Structure also find strip-shaped bending elements use. Preferred in the Within the scope of the invention, however, disc-shaped bending elements, as in the exemplary embodiments are shown and denoted by 11, use, as these allow the proportionally to safely transmit high, achievable actuating forces without further centering.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Claims 1. Actuator made of piezoelectric elements that are layered are arranged, the travel of the actuator being the sum of the individual travel is determined, which result from the application of a voltage, d a d u r c h g c k E n n z e i c 10 n e t that the piezoelectric elements are known as bending elements (loa, 101) are formed.

2. Actuator according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the bending elements (loa, 10b) are disk-shaped.

3. Actuator according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least two bending elements are provided, which are one on top of the other support and curve in the opposite direction under tension.

4. Actuator according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the actuator is opposite to its actuating direction is arranged resiliently braced.