DE19905726C2

DE19905726C2 - Method for adjusting the mechanical preload of piezoelectric drive elements

Info

Publication number: DE19905726C2
Application number: DE19905726A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Augustin; Wilhelm Frank; Wendelin Kluegl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Aumovio Germany GmbH
Priority date: 1999-02-11
Filing date: 1999-02-11
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2019-02-12
Also published as: WO2000048256A1; DE19905726A1

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.The invention relates to a method for adjusting the me mechanical bias of two electrically opposite phases dender, arranged between two plates, piezoelectric Drive elements using preloading elements.

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.A piezoelectric drive is known from EP 0 800 220 A1 knows, the actuator designed as a rocker arm over two piezoelectric double-stack drives excited and in Schwin can be moved. The actuator and the double stack drive is held under a defined preload, whereby several piezoelectric individual stacks each with their first base surfaces on a rigid support and with its two th base areas each via articulated connections to one Grip the rocker arm or actuator.

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.Another piezo actuator drive or adjustment ment is known from DE 196 46 511 C1, in the piezoelectric cal stack elements preferably for the direct transmission of Tilting movements are used. With this drive is a first and second piezoelectric stack provided, between where a third stack is arranged, the areas includes that are kept largely field-free. The third Stack is preferably fabric with the first and second stacks conclusively connected. By a clamping device is the third Prestressed stack with a defined force. At the same time however, there is also a certain elasticity in the longitudinal direction give.

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.A piezoelectric actuator, which is used both for the over Carrying pure translation as well as rotational movements Can be used, for example, from WO 96/19836 known and includes at least two antiphase to be loading, between a base plate and a top plate ordered, piezoelectric drive elements, the me mechanical bias of the piezoelectric drive elements is applied from the outside by tie rods or by springs. This actuator, also known as the torque block, is an actuator ves swivel with axis of rotation in its center of area watch. The fact that the electrical supply to the An drive elements provided conductor tracks in the neutral me chanic phase, cracks due to alternation Avoid selling loads in the conductor tracks. So it becomes a Piezoelectric actuator created, which in particular also fulfills the high requirements in automotive technology. A disadvantage of the known arrangement, however, is that the desired mechanical preload is not set precisely can be used because the tie rods and springs used are considerable tolerances.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Einstellen der mechanischen Vorspannung derartiger Aktuatoren anzugeben, bei dem eine hohe Genauigkeit der Vorspannung erzielt wird. The object of the invention is therefore a method for setting to specify the mechanical preload of such actuators, in which a high accuracy of the preload is achieved.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentan spruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungs gedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.The object is achieved by a method according to Patentan Proverb 1. Refinements and developments of the invention thoughts are the subject of subclaims.

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.The method according to the invention provides for flexible bending, in In the longitudinal direction, however, inelastic prestressing elements with a the plates are non-positive, positive or fixed bind a mounting device to the biasing elements attach a defined force to the other plate bring the prestressing elements with the other plate if connected positively, positively or firmly, withdraw the defined force and finally the mon remove the day device. The assembly device is used tion to counteract the force on the other plate to generate the defined force. The invention The method is particularly characterized in that a ge less material effort is necessary, only a few procedures steps are required and yet a high level of accuracy speed is achieved.

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.The prestressing elements are preferably connected to egg ner or both plates by welding and / or at con stanter, upper temperature. The upper temperature is included to indicate the maximum permissible temperature of the entire arrangement see.

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.Bending-elastic, in the longitudinal direction can be used as prestressing elements direction, however, inelastic rods, one on the sides of the piezoelectric drive elements tab-shaped down drawn plate or strip can be provided. Preferably white sen the biasing elements thickening, tabs or Similar on which the mounting device is attached becomes. Specifically come as mounting device all brackets or bearings. The defined one Force is preferably applied to one of the plates weight generated. In the same way, the defined one Power but also through an elastic element such as wise a spring, which with the mounting device via egg a rigid frame is connected. Advantageous is in this context in the inventive method ren that the same weights or springs for adjustment several actuators are used and thus the relative Accuracy of these actuators among themselves is very high. The invention is based on the in the figures of the Drawing illustrated embodiments explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit stabförmigen Vorspannelementen, Fig. 1 shows a first embodiment of an arrangement for implementing the method according to the invention with bar-shaped biasing members,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit streifenförmig ausgebildeten Vorspannelementen und Fig. 2 shows a second embodiment for performing the method according to the invention with strip-shaped biasing elements and

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer laschenför mig heruntergezogenen Platte als Vorspannelement. Fig. 3 shows a third embodiment for performing the method according to the invention with a laschenför mig pulled plate as a biasing element.

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. In Fig. 1, a torque block is shown, which consists of piezoelectric drive elements 2 , 3 to be loaded in phase opposition, a base plate 4 and an upper plate 5 . The piezoelectric drive elements 2 , 3 are formed by laminated stacks of individual discs made of piezoelectric ceramic. Connected to the top plate 5 is an actuator lever 6 which , in the exemplary embodiment, is designed triangularly and is placed with one of its three triangular legs on the top plate 5 in the direction from one to the other drive element 2 , 3 . Between the two driving elements 2 and 3 is a neutral axis A, wherein a minimum tensile stress occurs and in their immediate surroundings preferably a range 1 Zvi rule the drive members 2, 3 is connected to an unillustrated in individual electrical contact with the drive elements 2, 3 .

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.In the present invention, a brought, separately controllable drive units 2 , 3 can be seen in particular in a ceramic laminate by integrated electrode structuring. By reducing the load on external contact tracks by arranging the contacts in area 1 , a high level of reliability is achieved. The conversion of the translation into an angular tilt takes place directly in the ceramic laminate and can be tapped as a translated displacement at the end of the triangular actuator lever 6 . Deflection and rigidity can be varied by designing the lever length, the block height and the block cross-section. The electrical control of the two drive elements takes place antisymmetrically by means of a control circuit (not shown in more detail).

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.The steps described below are provided according to the invention for setting an exact mechanical preload of the drive elements 2 and 3 . First, the bending elastic biasing elements 7 , 8 with the base plate 4 in example by welding on welds 9 firmly connected. The biasing elements 7 , 8 are designed as biegeelasti cal, but inelastic in the longitudinal direction, each with a thickening 12 , 13 . Instead of a welded connection, other suitable non-positive connections such as screw connections can also be used. Thereafter, the drive elements 2 , 3 on the Bo denplatte 4 are arranged by these firmly connected to the base plate 4, for example by gluing or alternatively only be placed on this without a fixed connection. The top plate 5 is placed over it.

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. If not done before the arrangement of the drive elements 2 , 3 , a mounting device 11 is now under the Thickenings 12 , 13 of the biasing elements 7 , 8 in such a way that the thickenings 12 , 13 touch the mounting device 11 on the side facing away from the top plate 5 .

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.Then a defined force F is applied to the top plate 5 , which is generated, for example, by weights not shown in the drawing. The counterforce is applied by the mounting device 11 by pressing the top plate 5 over the piezoelectric drive elements 2 , 3 on the base plate 4 , whereby on the biasing elements 7 , 8 a tensile force in the longitudinal direction is exerted against the mounting device 11 . In this state, the prestressing elements 7 , 8 are welded to the top plate 5 at the weld seams 10 . Instead of a welded connection, other suitable non-positive connections, such as screw connections, can also be used.

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.After removal of the load by the force F and removal NEN of the mounting device 11 , the torque block by the biasing elements 7 , 8 is permanently held with high accuracy, especially if the assembly is carried out at a constant upper temperature as in the present embodiment. At least at the time of the last welding, however, the entire arrangement should have a homogeneous upper temperature. Since the neutral fiber A hardly changes in length with the operation of the actuator, the prestressing elements 7 , 8 should be as inelastic as possible in the longitudinal direction, but be sufficiently flexible to accommodate the tilting movement of the top plate 5 .

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.The embodiment of FIG. 2 is modified compared to that of FIG. 1 in that strip-shaped and not rod-shaped biasing elements 14 , 15 are provided, the biasing elements 14 , 15 tabs 16 and 17 on which the mounting device (in Fig. 2 not shown) can support. The prestressing elements 14 , 15 are fastened to the bottom plate 4 or the top plate 5 laterally by means of weld seams 18 to 21 . Strei fenförmige biasing members 14, 15 of FIG. 2 are compared with the rod-shaped biasing members 7, 8 from Fig. 1 the advantage that with the same cross-sectional area the same sti is stiffness achieved in the longitudinal direction, but geelastizität a substantially higher Bie. In the embodiment according to FIG. 2, with appropriate mounting of the (not shown) mounting device, the force F can either act on the base plate 4 or the top plate 5 .

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.In Fig. 3, a development of the embodiment of FIG. 2 is shown, wherein the resilient pretensioning elements 22 are also strip-shaped. However, the biasing elements 22 are not carried out separately, but son go out of the top plate 5 by pulling them laterally tab-shaped and laterally attached to welds 24 on the bottom plate 4 by welding. The tab-shaped prestressing elements 22 in turn have tabs 23 formed laterally for attaching the mounting device (not shown in FIG. 3). The mounting device is set so that it supports in the direction of the base plate 4 and the force F acts in the direction of the top plate 5 on the base plate 4 .

Claims

1. Method for adjusting the mechanical pretensioning of two piezoelectric drive elements ( 2 , 3 ) arranged between two plates ( 4 , 5 ), which are to be loaded electrically in opposite phase, by means of flexurally elastic, but in the longitudinal direction as much as possible inelastic pretensioning elements ( 7 , 8 , 14 , 15 , 22 ) using a mounting device ( 11 ) with the method steps:

a) connecting the biasing elements ( 7 , 8 , 14 , 15 , 22 ) with egg ner of the plates ( 4 );
b) attaching the mounting device ( 11 ) to the pretensioning elements ( 7 , 8 , 14 , 15 , 22 );
c) applying a defined force to the other plate ( 5 ), the counterforce being applied by the mounting device ( 11 );
d) connecting the biasing elements ( 7 , 8 , 14 , 15 , 22 ) to the other plate ( 5 ); and
e) withdrawal of the defined force.

2. The method of claim 1, wherein the connecting by Welding takes place.

3. The method according to claim 1 or 2, wherein at least the application of a defined force to one of the plates ( 5 ) and the connection of the biasing elements ( 7 , 8 , 14 , 15 , 22 ) with the other plate ( 5 ) at a constant, temperature.

4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the biasing elements ( 7 , 8 ) are rods.

5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the biasing elements ( 14 , 15 , 22 ) are strip-shaped.

6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the biasing elements ( 22 ) is formed by a plate ( 5 ) which is pulled down on the sides of the piezoelectric drive elements ( 2 , 3 ).

7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the mounting device ( 11 ) on thickenings ( 12 , 13 ) of the pre-tensioning elements ( 7 , 8 , 14 , 15 , 22 ) is attached.

8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the mounting device ( 11 ) on tabs ( 16 , 17 , 23 ) of the biasing elements ( 14 , 15 , 22 ) is attached.

9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the defined force is generated by weights placed on one of the plates ( 5 ).