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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor zur Erzeugung einer
Dreh-, Kipp oder Verschiebebewegung um einen Einspannpunkt mit mindestens
einem Anschlußelektroden
aufweisenden Scherschwinger gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 39 22 420 A1 ist
ein elektroakustischer Wandler vorbekannt, welcher ein piezoelektrisches
Element aufweist, das einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, dessen
Richtung senkrecht zur Hauptpolarisationsrichtung des piezoelektrischen Materials
verläuft,
so daß dieses
als Scherschwinger arbeitet. Der eigentliche Antrieb besteht aus
quaderförmigen
piezoelektrischen Elementen, die sich zwischen den einander gegenüberliegenden
Flächen
eines Fußes
und je einer Seite eines Schenkels befinden. Die Funktion als Scherschwinger
stellt sich dann ein, wenn das piezoelektrische Material parallel
zu den Elektroden polarisiert ist, wobei in dieser Betriebsart eine
Deformation senkrecht zum elektrischen Feld und eine weitere parallel
zu diesem möglich
ist.
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Eine
Anordnung für
einen Ultraschallmotor ist aus der
DE 44 35 882 C2 bekannt. Dort wird ein Aktor über Antriebselemente
in Bewegung versetzt. Die Antriebselemente wiederum stehen mit zwei
im wesentlichen senkrecht zueinander wirkenden Piezokeramiken in
Verbindung. Der Aktor ist zwischen Biegeschwingern eingespannt.
Die Biegeschwinger selbst besitzen eine in etwa quaderförmige Gestalt und
befinden sich zwischen dem vorerwähnten Aktor und einer Haltebrücke. Weiterhin
sind Biegefedern vorhanden, die so dimensioniert werden, daß sie in Polarisationsrichtung
eines Piezokeramikelements steif und in Richtung der Polarisation
eines weiteren Piezokeramikelements weich aufgehängt sind. Damit kann ein Piezokeramikelement
in Längsrichtung
des Biegeschwingers und das weitere Piezokeramikelement in Querrichtung
zum Biegeschwinger wirken.
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Insbesondere
zur Anwendung bei Tintenstrahldruckern sind Einrichtungen bekannt,
die eine Druckkammer aufweisen, welche über Scheraktoren betätigt wird.
Beispielsweise sei hier auf die
US 4,825,227 A verwiesen. Eine Einrichtung
zur Phasenmodulation mit Hilfe von im Schermodus betriebenen Piezoelementen
zeigt die
US 5,247,222
A .
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Aus
der
US 5,016,028 A ist
ein Mehrkanalarray von Piezoelementen speziell für den Druckkopf eines Ink-Jet-Druckers
vorbekannt. Durch eine spezielle Ausführungsform der Elektroden sollen
unerwünschte
Spannungen bzw. Kräfte
im jeweiligen Fußbereich
der einzelnen PZT-Elemente reduziert werden.
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Die
DE 196 46 710 A1 zeigt
eine optische Ablenkvorrichtung, welche piezoelektrische Antriebselemente
umfasst, die einen Schwinger und Schwingerhalter besitzen. Bei einer
Ausführungsform
soll der Schwingerhalter mittels Federlager, insbesondere einem
Biegefedergelenk, an einem Tragteil befestigt sein.
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Die
US 3,487,239 A betrifft
eine Anordnung von Scherschwingern mit antiparalleler Polarisationsrichtung.
Angaben hinsichtlich eines konkreten Anwendungsgebiets zur Erzeugung
einer Dreh-, Kipp- oder Verschiebebewegung um einen Einspannpunkt sind
in dieser Druckschrift nicht gegeben.
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Die
DE 39 22 420 A1 betrifft
einen elektroakustischen Wandler, der mit einer Einrichtung zur
Erzeugung einer Vorspannkraft versehen sein kann.
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Auf
der Grundlage der bekannten Vorteile piezoelektrischer Scherschwinger
ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiter entwickelten piezoelektrischen
Aktor zur Erzeugung einer Dreh-, Kipp- oder Verschiebebewegung um
einen Einspannpunkt anzugeben, wobei der Aktor eine hohe Zuverlässigkeit in
einem breiten Temperaturbereich aufweisen soll und insbesondere
als kompaktes, hochdynamisches Stellelement Anwendung finden kann.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem piezoelektrischen Aktor
gemäß den Merkmalen
nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
umfassen.
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Es
wird davon ausgegangen, daß eine
oder mehrere Scher-Piezoelemente,
die plattenförmig ausgebildet
sind, einseitig senkrecht zur Polarisationsrichtung mittels eines
Biegefedergelenks an einem Träger
befestigt werden. Die Biegefedergelenke können z. B. mittels Erodiertechnik
ausgebildet, aber auch z. B. als metallische Strei-fen oder Folien
realisiert werden, die mit den Plattenlängsseiten in Verbindung stehen.
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Herstellungsseitig
können
ein oder zwei mit Elektroden und mit mindestens einer einseitigen
Isolierung versehene Keramikfolien mit dem z. B. Glaskörper, Siliziumkörper, Lithiumniobatkörper oder
metallischen Körper
oder dem Metallteil bzw. den metallischen Folien z. B. verklebt
oder anderweitig stoffschlüssig
verbunden werden. Thermisch induzierte Fehlauslenkungen finden nicht
statt, da der Aufbau symmetrisch ist und Materialen mit angepaßtem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.
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Im
Vergleich zu einem unimorphen Sieger ergibt sich ein weiterer Vorteil,
der darin besteht, daß keine
Energieverluste, Querbewegungen und innere mechanische Spannungen
durch die Erzeugung einer Querkontraktion im Verbund mit einem passiven elastischen
Material resultieren. Letztendlich kann auf der gesamten Länge des
Hebels ein zu drehendes Lastobjekt befestigt werden, da die Kippbewegung,
d. h. die Krümmung
nicht über
die Länge,
sondern nur in der Gelenkzone, d. h. im Bereich des Biegefedergelenks
erzeugt wird. Dies wiederum ermöglicht
eine sehr kompakte Bauweise des Aktors. Bei einer Ausführungsform
der Befestigung des zu bewegenden Objekts bzw. der zu bewegenden
Last auf der Stirnseite bzw. der Schmalseite der Keramikfolie kann
eine verdrehungsfreie Linearbewegung ohne zusätzliche Führungsmechanik erzeugt werden.
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Der
bei unimorphen Siegern bestehende funktionale Widerspruch bezüglich der
Auswahl und Dimensionierung des passiven Materials mit Blick auf Elastizitätsmodul
und Abmessungen besteht bei dem erfindungsgemäßen Aktor nicht. Bei gleichbleibender Auslenkung
ist die Höhe
des gebildeten Hebels sowie der Elastizitätsmodul des Materials des passiven Elements
quasi frei wählbar,
wodurch bei entsprechender Dimensionierung Elemente mit guten dynamischen
Eigenschaften und vergleichsweise hohen Lastmassen realisiert werden
können.
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Durch
die definierte einfache Einspannmöglichkeit mittels der Träger des
erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Aktors treten keine Energieverluste oder innere Spannungen auf.
Durch die gegebene Einspannmöglichkeit
können
die einzelnen Elemente modulartig übereinander geschichtet oder
in Reihe angeordnet werden.
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Weitere
Vorteile des erfindungsgemäßen Aktors
kommen insbesondere bei geringen Baugrößen zum Tragen, da die Auslenkungsübersetzung
mit zunehmender Baulänge
nur linear ansteigt bzw. der Drehwinkel konstant bleibt. Im Gegensatz
zu Siegern nach dem Stand der Technik wird der Winkel auch bei geringen
Längenausdehnungen
sofort realisiert, wobei ein längere
Scherplatte die erzeugte Kraft erhöht. Bei Siegern nach dem Stand
der Technik ist immer eine Mindestbaulänge zur Erzeugung eines vergleichbaren
Winkels erforderlich.
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Aufgrund
der optimalen Wärmeableitung
der z. B. metallischer Körper,
den geringen Feldstärken und
den minimalen Kapazitäten,
die es ermöglichen, mit
geringeren Treiberleistungen zu arbeiten, ist der vorgestellte piezoelektrische
Aktor aufgabengemäß prädestiniert
für den
Einsatz als sehr kompaktes, hochdynamisches Kipp- oder Stellelement.
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Wie
eingangs erläutert,
ist der mindestens eine Scherschwinger plattenförmig ausgebildet, wobei die
Plattenlängsseiten
jeweils mit einem z. B. metallischen Körper oder einer metallischen
Folie stoffschlüssig
verbunden sind. Diese Verbindung kann durch Kleben, aber auch Löten erfolgen,
wobei bei einer thermischen Behandlung die Curie-Temperatur der
Piezokeramik zu beachten ist.
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Weiterhin
sind die Scherschwinger über
ein Biegefedergelenk, das Teil der z. B. metallischen Körper ist,
mit einem Träger
in mechanischem Kontakt stehend. Die Polarisationsrichtung des Scherschwingers
ist parallel zu den Plattenlängsseiten
verlaufend orientiert.
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Das
oder die Biegefedergelenke, der Träger und der z. B. metallische
Körper
sind einstückig,
z. B. durch Erodieren ausgeführt.
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An
dem dem Biegefedergelenk gegenüberliegenden
Ende des gebildeten Aktorhebels oder den Längsseiten greift dann die zu
bewegende Last an oder ist dort befestigt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der metallische Körper auf einer der Plattenseiten über das
obere Ende des Scherschwingers hinaus erstreckend ausgebildet und
stellt einen Befestigungspunkt oder eine Befestigungsfläche für eine zu bewegende
Last, z. B. einen Spiegel dar.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
sind zwei plattenförmige
Scherschwinger mit antiparallel verlaufender Polarisation zwischen
zwei metallischen Körpern
angeordnet, wobei eine gemeinsame Anschlußelektrode im Bereich der aneinander
stoßenden
Scherschwingerplatten und eine Gegenelektrode über den metallischen Körper gebildet
wird. Bei dieser Lösung
ist eine separate Isolation nicht notwendig, d. h. der elektrische
Anschluß vereinfacht sich
wesentlich.
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Zur
Erzeugung einer mechanischen Vorspannung kann bei einer Ausführungsform
ein schraubenförmiges
Befestigungsmittel vorgesehen sein, das sich innerhalb einer Durchgangsbohrung der
Scherschwingerplatten befindet und das weiterhin mit den beiden
metallischen Körpern
in Verbindung steht. Das schraubenförmige Befestigungsmittel ist
dabei in Scherrichtung elastisch, d. h. die Vorspannung wirkt lediglich
senkrecht zur Polarisationsrichtung.
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Der
erwähnte
Träger
kann als metallischer Block ausgebildet sein und Mittel zum Befestigen oder
Montieren des Aktors, z. B. eine Befestigungsbohrung aufweisen.
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Das
schraubenförmige
Befestigungsmittel zur Erzeugung einer Vorspannung kann gleichzeitig zum
Fixieren einer Last dienen, die an einer der Plattenlängsseiten
gehalten wird.
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Zum
Bilden einer Parallel-Kippvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform
ist an der dem ersten Biegefedergelenk gegenüberliegenden Schmalseite ein
weiteres Biegefedergelenk ausgebildet, wobei das zweite Biegefedergelenk
mit einem weiteren Träger
zum Befestigen der zu verschiebenden Last verbunden ist.
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Bei
dieser Variante der Erfindung können auch
mehrere, beabstandet angeordnete Einzelaktoren mit Biegefedergelenken
auf einen gemeinsamen, weiteren Träger zum Befestigen der zu verschiebenden
Last wirken.
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Grundsätzlich gilt,
daß das
Verhältnis
zwischen den Schmalseiten bzw. den Stirnflächen und den Längsseiten
der Scherschwinger den typischen Vorstellungen einer Platte nahekommt
und vorzugsweise zwischen im wesentlichen 1:5 bis 1:15 liegt.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 verschiedene
Piezo-Aktoren nach dem Stand der Technik;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
mit einem piezoelektrischen Aktor unter Verwendung eines Scherschwingers
und einer Last im Ruhezustand sowie im Auslenkungszustand;
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3 ein
nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
mit zwei an den Plattenlängsseiten
befindlichen Metallfolien sowie einem seitlich aufgeklebten Spiegel
als zu bewegender Last;
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4 eine
Ausführungsform
des piezoelektrischen Aktors mit längerem, erodierten metallischen Körper und
Anordnung einer Last, insbesondere eines Spiegels oberhalb des Scherelements;
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5 eine
Ausführungsform
mit jeweils zwei plattenförmigen
Scherschwingern und antiparallel verlaufender Polarisation, die
zwischen zwei metallischen Körpern
angeordnet sind, auch in einer Variante mit einem schraubenförmigen Befestigungsmittel zur
Erzeugung einer Vorspannung;
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6 mögliche Befestigungsvarianten
unter Nutzung des Trägers;
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7 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Parallel-Kippvorrichtung mit einem oder mehreren Scherschwingern;
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8 eine
Ausführungsform
mit Befestigung einer Last auf der oberen Stirnfläche des
Scherschwingers und
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9 Darstellungen
eines Anwendungsbeispiels des piezoelektrischen Aktors für einen Schreib-/Lesekopf einer Festplatte
zur Dreh- und/oder Höhenkorrektur.
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Gemäß 2 umfaßt der piezoelektrische Aktor
nach den Ausführungsbeispielen
einen Scherschwinger 1 in Plattenform, wobei die Plattenlängsseiten
mit jeweils einem metallischen Körper 2 bzw. einer
metallischen Folie nach 3 in Verbindung stehen. Der
metallische Körper 2 ist
z. B. durch Kleben oder Löten
mit den jeweiligen Oberflächen
des Scherschwingers 1 verbunden. Über eine nicht gezeigte Isolation
und eine elektrische Kontaktfläche wird
eine Verbindung zu den Elektroden auf den Plattenoberflächen hergestellt.
Die Struktur des Aktors ist bevorzugt streng symmetrisch gewählt, wobei sich
durch die wärmeleitfähige, z.
B. metallische Masse des jeweiligen metallischen Körpers 2 eine ausgezeichnete
Wärmeableitung
mit der Folge einer verbesserten Langzeitstabilität des Aktors
und ein dynamischer Betrieb bei hohen Frequenzen ergibt bzw. möglich wird.
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Im
unteren Bereich des Aktors sind Biegefedergelenke 3 ausgebildet,
die in einen Träger 4 übergehen.
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Sowohl
die beim Ausführungsbeispiel
metallischen Körper 2 als
auch die Biegefedergelenke 3 und der Träger 4 sind einstückig, bevorzugt
in Erodiertechnik hergestellt.
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Beim
Anlegen einer elektrischen Spannung stellt sich dann aufgrund der
Scherkräfte
ein Verkippen um den Träger 4ein,
der in diesem Fall den Einspannpunkt der Anordnung darstellt. Eine
Last 5 bewegt sich dann um die Strecke Δl bei der zeichnerischen Darstellung
nach 2 nach rechts und vollzieht hier eine Kippung
um einen resultierenden Winkel.
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Die
Polarisationsrichtung P0 gemäß Pfeildarstellung
verläuft
im wesentlichen parallel zu den metallischen Körpern 2 bzw. senkrecht
zur Schmalseite des Scherschwingers.
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Bei
dem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 3 sind zwei Metallfolien 2 und ein relativ
langes Scherschwingerelement 1 vorgesehen. Auf der einen
Seite des Aktors befindet sich ein z. B. aufgeklebter Spiegel 6,
der die zu bewegende Last darstellt. Nach Anlegen einer elektrischen
Spannung vollzieht sich dann eine Dreh- oder Kippbewegung Δϕ um
den Einspannpunkt am Träger 4.
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Wird
der metallische Körper 2 als
längeres und
kürzeres
Teil gemäß 4 ausgebildet,
kann am längeren, überstehenden
Teil des metallischen Körpers 2 eine
Last 5 angebracht werden und es stellt sich nach Herstellen
einer elektrischen Verbindung und Anlegen der erforderlichen Spannung
die gewünschte
Drehung oder Kippbewegung ein.
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Bei
den Darstellungen nach 5 wird von mindestens zwei plattenförmigen Scherschwingern mit
antiparallel verlaufender Polarisation P0 ausgegangen,
die zwischen zwei metallischen Körpern 2 angeordnet
sind.
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An
der Grenzfläche
der aneinander stoßenden
Scherschwinger 1 ist eine erste Anschlußelektrode ausgebildet. Die
Gegenelektrode wird über
die metallischen Körper 2 realisiert.
Bei dieser Lösung
ist eine separate elektrische Isolation nicht erforderlich.
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Zur
Erzeugung einer Vorspannung kann ein schraubenförmiges Befestigungsmittel 7 vorgesehen sein,
das sich innerhalb einer Durchgangsbohrung 8 der Scherschwinger 1 befindet.
Das schraubenförmige
Befestigungsmittel 7 erzeugt eine Kraft senkrecht zur Polarisationsrichtung
P0. Um den Schereffekt nicht nachteilig
zu beeinflussen, ist das schraubenförmige Befestigungsmittel elastisch
ausgebildet, z. B. durch eine Abdünnung. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 8 ist
dabei größer als
der Außendurchmesser
des schraubenförmigen
Befestigungsmittel 7, um unerwünschte Kräfte auf die Scherschwinger 1 in
Polarisationsrichtung auszuschließen.
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Das
schraubenförmige
Befestigungsmittel 7 kann, wie ebenfalls in der 5 gezeigt,
gleichzeitig zum Halten eines Trägers
für eine
Last 5 Verwendung finden.
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Der
Träger 4 des
piezoelektrischen Aktors kann eine Bohrung aufweisen, um eine Schraube 9 aufzunehmen,
um auf diese Weise den Aktor montieren zu können, und zwar ohne nachteilige
Auswirkungen auf das Verhalten des Aktors bzw. des Scherschwingers
selbst.
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Zur
Bildung einer Parallel-Kippvorrichtung nach 7 ist ein
weiteres Biegefedergelenk 10 an der dem ersten Biegefedergelenk
gegenüberliegenden
Schmalseite des Scherschwingers 1 vorgesehen, wobei das
zweite Biegefedergelenk 10 mit einem weiteren Träger 11 zum
Befestigen der zu verschiebenden Last verbunden ist.
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Die
Parallel-Kippvorrichtung kann mit einem Scherschwinger, aber auch
mit mehreren Scherschwingern realisiert werden, wobei die Einzelaktoren
dann auf einem gemeinsamen weiteren Träger 11 wirken. Trotz
der Verwendung von nur wenigen, z. B. zwei aktiven Elementen und
sich hieraus ergebender einfachster Montage treten keine Querbewegungen
durch Querkontraktion auf, so daß bei XY-Anordnungen ein durch
Fehler erster Ordnung bedingtes Übersprechen
ausgeschlossen wird.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der Parallel-Kippvorrichtung kann neben einfachen Platten auch auf
die Ausführung
zweier plattenförmiger Scherschwinger
analog der in der 5 gezeigten Variante zurückgegriffen
werden mit der Folge, daß der
elektrische Anschluß vereinfacht
ist.
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8 zeigt
ein Beispiel der Befestigung einer Last auf der oberen Stirnfläche des
Scherschwingers 1, z. B. durch Verkleben.
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Eine
Anwendungsmöglichkeit
des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Aktors ist in der 9 dargestellt. Hier kann über ein
oder mehrere Aktoren ein Schreib-/Lesekopf einer Festplatte sowohl
zur Drehlage als auch Höhenkorrektur
genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Scherschwinger
- 2
- metallischer
Körper
bzw. Folie
- 3
- Biegefedergelenk
- 4
- Träger
- 5
- Last
- 6
- Spiegel
- 7
- schraubenförmiges Befestigungsmittel
- 8
- Durchgangsbohrung
- 9
- Schraube
- 10
- weiteres
Biegefedergelenk
- 11
- weiterer
Träger
