DE19732571A1 - Tapered piezo-actuator device for engineering esp automobile engineering, optics and control - Google Patents

Abstract

The device can be of layered structure and narrows towards the side contg. a negative pole (1) in the form of a cone, pyramid etc. The device has a narrow actuation surface (5) which is adequate for its requirements. More ceramic presses on less ceramic from stack layer to stack layer in the direction of the actuator surface, which increases the displacement. The convergence of the field lines towards the negative pole also causes the displacement to increase.

Description

Translated fromGerman

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Anwendungsgebiete der Erfindung gibt es im Maschinenbau, der Optik, der Steuerungs- und Regeltechnik, des Fahrzeugbaus, sowie für allgemeine Positionieraufgaben und der Präzisionsbearbeitung.Areas of application of the invention are in mechanical engineering, optics,of control and regulation technology, vehicle construction, and forgeneral positioning tasks and precision machining. 

Ziel der ErfindungAim of the invention

Ziel der Erfindung ist es, einen piezokeramischen Stapelaktor zu bauen, der ein besseres Grundflächen-Höhenverhältnis aufweist. In kleinen Geräten, Anlagen und Vorrichtungen besteht die Forderung, möglichst kurze Aktoren einzusetzen. Gleichzeitig soll mit dieser Erfindung ein besserer Hub erreicht werden. Zum Positionieren von Gegenständen und Vorrichtungen wird nur ein kleiner Punkt auf der Oberfläche des Aktors gebraucht, was eine bessere material­ökonomische Position bedeutet.The aim of the invention is to provide a piezoceramic stack actuatorbuild that has a better base-height ratio. InSmall devices, systems and devices are requireduse actuators as short as possible. At the same time with thisInvention a better stroke can be achieved. To positionObjects and devices will only be a small point on theSurface of the actuator used, which is a better materialeconomic position means. 

Darstellung des Wesens der ErfindungPresentation of the nature of the invention

Verjüngte Stapelaktoren (3) haben eine kleinere Aktorarbeitsfläche (5), die für ihre Aufgabe adäquat ist. Verjüngte Stapelaktoren (3) oder Piezoaktoren sind nach der Seite des negativen Pols (1) hin verjüngt, das heißt, daß sie massemäßig wie ein Kegel, eine Pyramide oder ein Tetraeder nach oben hin abnehmen. Von Schicht zu Schicht drückt mehr Piezokeramik auf weniger Piezokeramik des Stapelaktors (3), was eine Steigerung des Hubes erreichen soll. Desweiteren soll die Feldlinienkonvergenz ebenfalls zur Steigerung des Hubes, des Stapelaktors (3) beitragen. Dadurch, daß die Masse des Stapelaktors (3) ungleichmäßig verteilt ist, ist es möglich den Stapelaktor (3) kürzer zu bauen, das heißt, daß die Stapelaktorhöhe (8) wesentlich kleiner ist, als bei herkömmlichen Stapelaktoren. Kürzere Stapelaktoren können unter Umständen platzsparend sein und sind in kleinen Geräten oder Vorrichtungen von Vorteil. Der Feldlinienkonvergenzwinkel (7) ist ein Maß für die Konvergenz der Feldlinien (6). Durch die besondere kegelmantelförmige Konstruktion des negativen Pols (1) ist es möglich, daß die Polarisation des Stapelaktors (3) insbesondere der Arbeitsfläche (5), innerhalb der kegelmantelförmigen Konstruktion des negativen Pols (1) stattfindet. Das Verhältnis von Aktorgrundfläche (4) zur Aktorarbeitsfläche (5), was durch die Stapelaktorhöhe (8) determiniert ist, entscheidet über die Effektivität des Stapelaktors (3). Die Gesamtmasse ist, wie bei herkömmlichen Stapelaktoren entscheidend für den Hub. Ein Vorteil der Erfindung ist, daß die Orientierung der polykristallinen Struktur des Stapelaktors (3), durch die Konvergenz der Feldlinien in Richtung Aktorarbeitsfläche (5) determiniert ist.Tapered stack actuators (3 ) have a smaller actuator work surface (5 ) that is adequate for their task. Tapered stack actuators (3 ) or piezo actuators are tapered towards the side of the negative pole (1 ), which means that they decrease in mass like a cone, a pyramid or a tetrahedron. From layer to layer, more piezoceramic presses on less piezoceramic of the stack actuator (3 ), which should increase the stroke. Furthermore, the field line convergence should also contribute to increasing the stroke, the stack actuator (3 ). Because the mass of the stack actuator (3 ) is distributed unevenly, it is possible to build the stack actuator (3 ) shorter, which means that the stack actuator height (8 ) is significantly smaller than in conventional stack actuators. Shorter stack actuators can be space-saving under certain circumstances and are advantageous in small devices or devices. The field line convergence angle (7 ) is a measure of the convergence of the field lines (6 ). The special cone-shaped construction of the negative pole (1 ) makes it possible for the stack actuator (3 ), in particular the working surface (5 ), to be polarized within the cone-shaped construction of the negative pole (1 ). The ratio of the actuator base area (4 ) to the actuator work area (5 ), which is determined by the stack actuator height (8 ), determines the effectiveness of the stack actuator (3 ). As with conventional stack actuators, the total mass is decisive for the stroke. An advantage of the invention that the orientation of the polycrystalline structure of the stack actuator(3) is determined by the convergence of the field lines in the direction Aktorarbeitsfläche(5).

Zur Erhöhung des Hubes soll zusätzlich ein Mantel (9) inFig. 2 um den kegel-, pyramiden- oder tetraederförmigen Stapelaktor (3) gelegt sein, welcher paßgenau und ständig, auch im stromlosen Zustand einen Druck auf den Stapelaktor (3) ausübt. Beim Anlegen einer Spannung entsteht durch die Keilwirkung des Mantels (9) eine Druckwirkung (10), welche in Richtung der Längsachse wirkt und eine Steigerung des Hubes zur Folge hat.In order to increase the stroke of a jacket(9) is intended to additionally inFig. Be placed around the cone, pyramid or tetrapod-like stack actuator(3) 2, which snugly and continually exerts pressure on the stack actuator(3) also in the currentless state. When a voltage is applied, the wedge effect of the jacket (9 ) creates a pressure effect (10 ), which acts in the direction of the longitudinal axis and increases the stroke.

AusführungsbeispielEmbodiment

Ein Piezoaktor (3), der als lineares Stellglied für allgemeine Positionieraufgaben oder zur Präzisionsbearbeitung Verwendung finden soll, soll erfindungsgemäß einen höheren Hub erreichen. Durch verjüngte Stapelaktoren (3), die eine kleinere Arbeitsfläche (5) haben, soll ein besserer Nutzeffekt erzielt werden. Bei der Polarisation sind verjüngte Stapelaktoren (3) oder Piezoaktoren nach der Seite des negativen Pols (1) hin verjüngt, was heißt, daß sie wie ein Kegel, eine Pyramide oder ein Tetraeder massemäßig nach oben hin abnehmen. In Richtung Aktorarbeitsfläche (5) drückt von Stapelschicht zu Stapelschicht mehr Piezokeramik auf weniger Piezokeramik des Stapelaktors (3), was eine Steigerung des Hubes bewirken soll. Durch die Feldlinienkonvergenz soll ebenfalls eine Steigerung des Hubes des Stapelaktors erreicht werden. Dadurch, daß die Masse des Stapelaktors (3) gemäß der Verjüngung verteilt ist, ergibt sich die Möglichkeit den Stapelaktor (3) kürzer zu bauen, was dadurch zum Ausdruck kommt, daß die Stapelaktorhöhe (8) viel kleiner ist, als bei konventionellen Stapelaktoren.A piezo actuator (3 ), which is to be used as a linear actuator for general positioning tasks or for precision machining, is intended to achieve a higher stroke according to the invention. Tapered stack actuators (3 ), which have a smaller working surface (5 ), are said to achieve a better efficiency. In the polarization, tapered stack actuators (3 ) or piezo actuators are tapered towards the side of the negative pole (1 ), which means that they decrease in mass like a cone, a pyramid or a tetrahedron. In Aktorarbeitsfläche direction(5) more piezoceramic suppressed by stacking layer on layer stack to less of the piezoceramic stack actuator(3), which is intended to bring about an increase of the stroke. The field line convergence is also intended to increase the stroke of the stack actuator. Because the mass of the stack actuator (3 ) is distributed according to the taper, there is the possibility of building the stack actuator (3 ) shorter, which is reflected in the fact that the stack actuator height (8 ) is much smaller than in conventional stack actuators.

Von Vorteil ist, daß kürzere Stapelaktoren bei gleicher Masse unter Umständen platzsparend in kleinen Geräten und Vorrichtungen eingesetzt werden können. Der Feldlinienkonvergenzwinkel (7) stellt ein adäquates Maß für die Konvergenz der Feldlinien (6) dar. Durch die besondere kegelmantelförmige Konstruktion des negativen Pols (1) wird erreicht, daß die Polarisierung des Stapelaktors (3) insbesondere die Aktorarbeitsfläche (5) innerhalb der kegelmantelförmigen Gestalt des negativen Pols (1) stattfindet. Die Relation von Aktorgrundfläche (4) und Aktorarbeitsfläche (5), ist durch die Stapelaktorhöhe (8) determiniert und entscheidet über den Wirkungsgrad des Stapelaktors (3). Die Orientierung der polykristallinen Struktur des Stapelaktors (3) ist durch die Konvergenz der Feldlinien in Richtung Aktorarbeitsfläche (5) determiniert. Die Herstellung der äußeren Form einer verjüngten Piezoaktorvorrichtung am kegelförmigen Beispiel des Stapelaktors (3) geschieht vor der Polarisierung mechanisch und kann hier beispielsweise durch Abdrehen an einer Spitzendrehmaschine erfolgen. Die Erzeugung anderer äußerer Formen von verjüngten Piezoaktorvorrichtungen, wie zum Beispiel die von Pyramiden, können ebenfalls mechanisch oder mit Hilfe von Laserbearbeitung erzeugt werden.It is advantageous that shorter stack actuators with the same mass can under certain circumstances be used to save space in small devices and devices. The field line convergence angle (7 ) represents an adequate measure for the convergence of the field lines (6 ). The special cone-shaped construction of the negative pole (1 ) ensures that the polarization of the stack actuator (3 ) in particular the actuator work surface (5 ) within the cone-shaped Shape of the negative pole (1 ) takes place. The relationship between the actuator base area (4 ) and the actuator work area (5 ) is determined by the stack actuator height (8 ) and determines the efficiency of the stack actuator (3 ). The orientation of the polycrystalline structure of the stack actuator (3 ) is determined by the convergence of the field lines in the direction of the actuator work surface (5 ). The manufacture of the outer shape of a tapered piezo actuator device using the conical example of the stack actuator (3 ) takes place mechanically before the polarization and can be done here, for example, by turning on a tip lathe. The creation of other external shapes of tapered piezo actuator devices, such as that of pyramids, can also be created mechanically or using laser processing.

Zur Hubsteigerung soll zusätzlich ein Mantel (9) inFig. 2 um den Stapelaktor (3) gelegt sein, der paßgenau den Stumpf des Stapelaktors (3) umgibt und im stromlosen Zustand ständig einen Druck auf den Stapelaktor (3) ausübt.Hubsteigerung to a jacket(9) is intended to additionally inFig. 2 to be placed around the stack actuator(3) which snugly surrounds the stub of the stack actuator(3) and constantly exerts a pressure on the stack actuator(3) in the currentless state.

Durch die Keilwirkung des Mantels (9) entsteht beim Anlegen einer Spannung eine Druckwirkung (10), die in Längsrichtung wirkt und eine Hubsteigerung zur Folge hat.The wedge effect of the jacket (9 ) creates a pressure effect (10 ) when a voltage is applied, which acts in the longitudinal direction and increases the stroke.

BezugszeichenlisteReference list

Fig.Fig.

1
1

11

negativer Pol
negative pole

22nd

positiver Pol
positive pole

33rd

Stapelaktor
Stack actuator

44th

Aktorgrundfläche
Actuator footprint

55

Aktorarbeitsfläche
Actuator work area

66

Feldlinie
Field line

77

Feldlinienkonvergenzwinkel
Field line convergence angle

88th

Stapelaktorhöhe
Stack actuator height

 

Fig.Fig.

2
2nd

99

Mantel
coat

1010th

Druckwirkung
Pressure effect

Claims (13)

Translated fromGerman

1. Verjüngte Piezoaktorvorrichtunggekennzeichnet dadurch, daß diese verjüngten Stapelaktoren (3) oder Piezoaktoren nach der Seite des negativen Pols (1) hin verjüngt sind, daß heißt, daß sie massemäßig wie ein Kegel, eine Pyramide oder ein Tetraeder nach oben hin abnehmen.1. Tapered piezo actuator devicecharacterized in that these tapered stack actuators (3 ) or piezo actuators are tapered towards the side of the negative pole (1 ), which means that they decrease in mass like a cone, a pyramid or a tetrahedron towards the top.2. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß diese eine kleine Aktorarbeitsfläche (5) besitzt, welche für deren Aufgabe adäquat ist.2. Tapered piezo actuator device according to item 1, characterized in that it has a small actuator work surface (5 ), which is adequate for its task.3. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 2 gekennzeichnet dadurch, daß in Richtung Aktorarbeitsfläche (5), von Stapelschicht zu Stapelschicht mehr Piezokeramik auf weniger Piezokeramik des Stapelaktors (3) drückt, was eine Steigerung des Hubes bewirken soll.3. Tapered piezo actuator device according to point 2, characterized in that in the direction of the actuator work surface (5 ), from stack layer to stack layer, more piezoceramic presses on less piezoceramic of the stack actuator (3 ), which is intended to increase the stroke.4. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 3 gekennzeichnet dadurch, daß durch die Feldlinienkonvergenz zum negativen Pol (1) hin ebenfalls eine Steigerung des Hubes erreicht werden soll.4. Tapered piezo actuator device according to point 3, characterized in that an increase in the stroke is also to be achieved by the field line convergence towards the negative pole (1 ).5. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 4 gekennzeichnet dadurch, daß die Masse des Stapelaktors (3) gemäß der Verjüngung verteilt ist und sich somit die Möglichkeit ergibt, den Stapelaktor (3) kürzer zu bauen, was dadurch zum Ausdruck kommt, daß die Stapelaktorhöhe (8) viel kleiner ist, als bei konventionellen Stapelaktoren.5. Tapered piezo actuator device according to point 4, characterized in that the mass of the stack actuator (3 ) is distributed according to the taper and thus there is the possibility of building the stack actuator (3 ) shorter, which is expressed in that the stack actuator height (8 ) is much smaller than with conventional stack actuators.6. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 5 gekennzeichnet dadurch, daß kürzere Stapelaktoren bei gleicher Masse unter Umständen platzsparend in kleinen Geräten und Vorrichtungen eingesetzt werden können.6. Tapered piezo actuator device marked according to point 5in that shorter stack actuators with the same mass belowSpace-saving in small devices and devicescan be used.7. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 6 gekennzeichnet dadurch, daß der Feldlinienkonvergenzwinkel (7) ein adäquates Maß für die Konvergenz der Feldlinien (6) darstellt.7. Tapered piezo actuator device according to point 6, characterized in that the field line convergence angle (7 ) represents an adequate measure for the convergence of the field lines (6 ).8. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 7 gekennzeichnet dadurch, daß durch die besondere kegelmantelförmige Konstruktion des negativen Pols (1) erreicht wird, daß die Polarisierung des Stapelaktors (3) insbesondere die Aktorarbeitsfläche (5) innerhalb der kegelmantelförmigen Gestalt des negativen Pols (1) stattfindet.8. Tapered piezo actuator device according to point 7, characterized in that the special cone-shaped construction of the negative pole (1 ) ensures that the polarization of the stack actuator (3 ), in particular the actuator work surface (5 ) takes place within the cone-shaped shape of the negative pole (1 ) .9. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 8 gekennzeichnet dadurch, daß die Relation von Aktorgrundfläche (4) und Aktorarbeitsfläche (5) durch die Stapelaktorhöhe (8) determiniert ist und über den Wirkungsgrad des Stapelaktors (3) entscheidet.9. Tapered piezo actuator device according to point 8, characterized in that the relation of the actuator base area (4 ) and the actuator work surface (5 ) is determined by the stack actuator height (8 ) and decides on the efficiency of the stack actuator (3 ).10. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 9 gekennzeichnet dadurch, daß die Orientierung der polykristallinen Struktur des Stapelaktors (3) durch die Konvergenz der Feldlinien in Richtung Aktorarbeitsfläche (5) determiniert ist.10. Tapered piezo actuator device according to item 9, characterized in that the orientation of the polycrystalline structure of the stack actuator (3 ) is determined by the convergence of the field lines in the direction of the actuator work surface (5 ).11. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 10 gekennzeichnet dadurch, daß die Herstellung der äußeren Form einer verjüngten Piezoaktorvorrichtung am kegelförmigen Beispiel des Stapelaktors (3) vor der Polarisierung mechanisch geschieht und durch Abdrehen an einer Spitzendrehmaschine erfolgen kann.11. Tapered piezo actuator device according to point 10, characterized in that the manufacture of the outer shape of a tapered piezo actuator device on the conical example of the stack actuator (3 ) happens mechanically before polarization and can be done by turning on a tip lathe.12. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 11 gekennzeichnet dadurch, daß zur Hubsteigerung zusätzlich ein Mantel (9) inFig. 2 um den Stapelaktor (3) gelegt ist, der paßgenau den Stumpf des Stapelaktors (3) umgibt und im stromlosen Zustand ständig einen Druck auf den Stapelaktor (3) ausübt.12. Tapered Piezoaktorvorrichtung characterized according to item 11, in addition, a jacket(9) inFig. 2 is placed around the stack actuator(3) for Hubsteigerung which snugly surrounds the stub of the stack actuator(3) and constantly in the currentless state, a pressure on exercises the stack actuator (3 ).13. Verjüngte Piezoaktorvorrichtung nach Punkt 12 gekennzeichnet dadurch, daß durch die Keilwirkung des Mantels (9) beim Anlegen einer Spannung eine Druckwirkung (10) entsteht, welche in Arbeitsrichtung wirkt und eine Hubsteigerung zur Folge hat.13. Tapered piezo actuator device according to item 12, characterized in that the wedge action of the casing (9 ) when a voltage is applied creates a pressure action (10 ) which acts in the working direction and results in an increase in stroke.