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Dokumentenidentifikation DE102004002249A1 29.07.2004
Titel Piezoaktiver Aktor mit Bewegungsverstärkung
Anmelder CEDRAT TECHNOLOGIES, Meylan, FR
Erfinder Le Letty, Ronan, Grenoble, FR;
Claeyssen, Frank, Meylan, FR;
Barillot, Francois, Grenoble, FR
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 15.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004002249
Offenlegungstag 29.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.07.2004
IPC-Hauptklasse H02N 2/04
Zusammenfassung Der piezoaktive Aktor mit Bewegungsverstärkung besteht aus einem ersten Teilsystem, das von einem mechanischen Bewegungsverstärker gebildet wird, und einem zweiten Teilsystem, das mit linearen piezoaktiven Elementen bestückt ist. Eine Grenzfläche zu einer Last und eine Grenzfläche (29) zu einer Basis, die sich an den entsprechenden Spitzen (C, C') einer kurzen Achse (17) der Schale befinden und dazu bestimmt sind, die Last gegenüber der Basis zu bewegen, bilden eine Manipulationsachse (D). Mittels einer Longitudinalverformung der Hauptachse (16) kann eine Verformung der kurzen Achse (17) induziert werden, die dazu bestimmt ist, an der Grenzfläche zu der Last eine Verschiebung zu erzeugen, deren Komponente entlang der kurzen Achse (17) verstärkt wird. Mindestens ein Bereich (30a, 30b, 30c) aus einem Elastomerstoff ist zumindest im wesentlichen entlang der Manipulationsachse (D) angeordnet, um Verformungen zu dämpfen und die Fähigkeit des Aktors, äußeren Kräften standzuhalten, zu erhöhen. Der Aktor weist angrenzend an die Bereiche aus Elastomerstoff (30a, 30b, 30c) rechtwinkelig zur Manipulationsachse (D) mindestens einen freien Raum auf.

Beschreibung[de]

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bei diesen Zusatzmitteln muss außerdem die Steuerung mit mehreren Freiheitsgaden des Aktors berücksichtigt werden.

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.

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.

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.

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.

Gemäß einer Entwicklung der Erfindung liegt der Bereich aus Elastomerstoff im Zentrum der Schale an einem Mechanismus zur Einstellung des Spiels an.

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.

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.

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.

Der Bereich aus Elastomerstoff kann außerhalb der Schale in Kontakt mit den Schenkeln der Schale und einem weiteren Körper angeordnet sein.

Drei Aktoren können dergestalt ausgeführt sein, dass sie einen isostatischen Mechanismus mit sechs Freiheitsgraden bilden.

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.

Der Aktor kann dergestalt ausgeführt sein, dass er Vibrationen einer Struktur dämpft, an der er befestigt ist.

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

1 einen verstärkten piezoaktiven Aktor nach dem bisherigen Stand zeigt, der in der Schrift FR 2 740 276 beschrieben ist,

2 einen verstärkten piezoaktiven Aktor mit zwei Freiheitsgraden nach dem bisherigen Stand zeigt, der in der Schrift FR 2 740 276 beschrieben ist,

3 bis 6 vier besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors zeigen,

7 einen verstärkten piezoaktiven Aktor zeigt, der eine zusätzliche Vorspann-Vorrichtung aufweist,

8 einen verstärkten piezoelektrischen Aktor zeigt, der es ermöglicht, zwei Freiheitsgrade zu bieten,

9 einen verstärkten piezoelektrischen Aktor zeigt, der zwei Freiheitsgrade bietet und ein zusätzliches System zur parallelen Vorspannung enthält,

10 in einer perspektivischen Ansicht einen Positionierungs-Aktor zeigt, der sechs Freiheitsgrade bietet, und zwar mittels drei verstärkten piezoelektrischen Aktoren mit zwei Freiheitsgaden,

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,

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,

13 einen Positionierungs-Aktor mit zwei Freiheitsgraden zeigt, der auf Grundlage von vier verstärkten piezoelektrischen Aktoren gedämpft wird,

14 einen Positionierungs-Aktor mit drei Freiheitsgraden zeigt, der auf Grundlage von vier verstärkten piezoelektrischen Aktoren gedämpft wird,

15 eine besondere Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktors mit einer Schwungmasse zeigt,

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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'.

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.

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.

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.

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.

Es liegt auf der Hand, dass die Konfigurationen der 3 bis 6 untereinander kombiniert werden können, um das Dämpfungsvermögen des Aktors zu erhöhen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.


Anspruch[de]
  1. Piezoaktiver Aktor (10) mit Bewegungsverstärkung, bestehend aus einem ersten Teilsystem (12), das von einem mechanischen Bewegungsverstärker (14) gebildet wird, der schalenartig mit mindestens zwei Schenkeln (n1 und n2) aus einem verformbaren, elastischen Werkstoff ausgeführt ist, mit einer Hauptachse (16) und einer kurzen Achse (17), die senkrecht aufeinander stehen, mit einer Grenzfläche (28) zu einer Last (L1) und einer Grenzfläche (29) zu einer Basis (L2), die an den jeweiligen Spitzen (C, C') der kurzen Achse der Schale angeordnet sind und dazu bestimmt sind, die Last (L1) gegenüber der Basis (L2) zu bewegen, indem sie eine Manipulationsachse (D) bilden, und einem zweiten Teilsystem (18), das mit linearen piezoaktiven Elementen (20 und 20a) bestückt ist, die im Inneren der Schale in der Richtung der Hauptachse (16) angebracht sind und durch einen Versorgungskreis (25) elektrisch erregt werden, um eine Longitudinalverformung der Hauptachse (16) zu erzeugen sowie eine Verformung der kurzen Achse (17) zu induzieren, die dazu bestimmt ist, an der Grenzfläche (28) zu der Last (L1) eine Verschiebung zu erzeugen, deren Komponente entlang der kurzen Achse (17) verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest im wesentlichen entlang der Manipulationsachse (D) mindestens einen Bereich (30, 32, 33, 34, 43, 45, 48) aus einem Elastomerstoff aufweist, 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 (30, 32, 33, 34, 43, 45, 48) rechtwinkelig zur Manipulationsachse (D) mindestens einen freien Raum aufweist.
  2. Piezoaktiver Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (30a, 30b) aus Elastomerstoff zwischen den piezoaktiven Elementen (20 und 20a) und den Schenkeln (n1 und n2) der Schale im Zentrum der Schale entlang der kurzen Achse (17) angeordnet ist.
  3. Piezoaktiver Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (30a, 30b, 30c) aus Elastomerstoff den Raum zwischen den piezoaktiven Elementen (20 und 20a) und den Schenkeln (n1 und n2) der Schale vollständig ausfüllt, wobei der Freiraum in senkrechter Richtung zu der Ebene angeordnet ist, die durch die kurze Achse (17) und die Hauptachse (16) definiert wird.
  4. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (30a) aus Elastomerstoff im Zentrum der Schale an einem Mechanismus zur Einstellung des Spiels (22a, 22b) anliegt.
  5. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Bereiche (32) aus Elastomerstoff im wesentlichen parallel zur kurzen Achse (17) auf der einen bzw. auf der anderen Seite des zweiten Teilsystems (18) dergestalt angeordnet sind, dass sie Innenflächen der Schenkel (n1 und n2) miteinander verbinden.
  6. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Bereiche (33) aus Elastomerstoff im wesentlichen parallel zur Manipulationsachse (D) beiderseits des ersten Teilsystems (12) und des zweiten Teilsystems (18) dergestalt angeordnet sind, dass sie die Last (L1) und die Basis (L2) miteinander verbinden.
  7. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bereiche (34) aus Elastomerstoff im wesentlichen in der Ebene der Hauptachse (16) und der kurzen Achse (17) zwischen der Schale und der Last (L1) bzw. zwischen der Schale und der Basis (L2) angeordnet sind.
  8. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (43) aus Elastomerstoff außerhalb der Schale in Kontakt mit den Schenkeln (n1 und n2) der Schale und einem weiteren Körper (44, 10, L1, L2) angeordnet ist.
  9. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er eine zusätzliche Vorspannungs-Vorrichtung (35) aufweist, die parallel zur Hauptachse (16) des Aktors dergestalt angeordnet wird, dass sie das Vermögen des Aktors, äußeren Kräften standzuhalten, erhöht.
  10. Piezoaktiver Aktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Vorspannungs-Vorrichtung (35) zwei Federn enthält.
  11. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er eine mechanische Vorrichtung (36) aufweist, die im Zentrum des Aktors wirkt, indem sie eine Bewegung des Zentrums (37) des Aktors in einer zum Aktor normalen Richtung zulässt und eine Bewegung in der zum Aktor tangentialen Richtung verhindert, so dass zwei Freiheitsgrade ermöglicht werden.
  12. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorspannungs-Vorrichtung (35) auch mit dem Zentrum (37) des Aktors verbunden ist.
  13. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorrichtung (36) zwei biegsame Blättchen enthält, die parallel zur Hauptachse (16) des Aktors angeordnet sind und die Basis (L2) des Aktors einerseits und das Zentrum (37) des Aktors andererseits miteinander verbinden.
  14. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass drei Aktoren (10) dergestalt ausgeführt sind, dass sie einen isostatischen Mechanismus (39) mit sechs Freiheitsgaden bilden.
  15. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier Aktoren (10) dergestalt ausgeführt sind, dass sie einen Mechanismus (40) mit zwei Drehfreiheitsgraden und einem Vorschubbewegungsfreiheitsgrad bilden.
  16. Piezoaktiver Aktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Biege-Drehzapfen (41) in den Aktoren dergestalt gummiert sind, dass die statische Überbestimmtheit des Aktors vermieden wird.
  17. Piezoaktiver Aktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren über Federschrauben (42) dergestalt mit einer bewegbaren Platte verbunden sind, dass die statische Überbestimmtheit des Aktors vermieden wird.
  18. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier Aktoren (10) dergestalt ausgeführt sind, dass sie einen Mechanismus mit zwei Vorschubbewegungsfreiheitsgraden bilden.
  19. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier Aktoren (10) dergestalt ausgeführt sind, dass sie einen Mechanismus mit zwei Vorschubbewegungsfreiheitsgraden und einem Drehfreiheitsgrad bilden.
  20. Piezoaktiver Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass er dergestalt ausgeführt ist, dass er Vibrationen einer Struktur 44 dämpft, an der er befestigt ist.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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