DE10303855A1

DE10303855A1 - Piezoactuator, especially for hydraulic pilot valves, has housing parts of materials with different coefficients of thermal expansion for compensation of thermal length changes of piezo-translator

Info

Publication number: DE10303855A1
Application number: DE10303855A
Authority: DE
Inventors: Sebastian M. Dr. Mundry; Jens Titschert; Franz-Heinrich Suilmann; Patrick Hantke; Torsten Boldt
Original assignee: DBT Automation GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19

Abstract

The device (10) has a piezo-translator (2) arranged in a housing that changes its length as a drive or switching device when a control voltage is applied. The housing is made in several parts (3-5) for compensation of thermal length changes of the piezo-translator and the housing parts consist of materials with different coefficients of thermal expansion. An independent claim is also included for the following: (a) a switching device for valves, especially hydraulic pilot valves.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezo-Aktor als Antriebs- oder Schaltvorrichtung, insbesondere als Schaltvorrichtung für Ventile, mit einem in einem Gehäuse angeordneten, bei Anlegen einer Steuerspannung seine Länge als Antriebs- oder Schalthub ändernden Piezo-Translator.The invention relates to a piezo actuator as a drive or switching device, in particular as a switching device for valves, with one in one case arranged, when applying a control voltage its length as Changing drive or switching stroke Piezo Translator.

Mit Piezo-Translatoren lassen sich, sofern die Gesamtlänge des Piezo-Aktors nicht übermäßig ausgedehnt wird, nur vergleichsweise geringe Antriebs- oder Schalthübe von meist weniger als 35 μm erzielen. Bei der Nutzung der Piezo-Aktoren als Antriebs- oder Schaltvorrichtungen muss gewährleistet sein, dass trotz dieses minimalen Schalthubs gleichwohl die gewünschte Verstell- oder Antriebsbewegung ausgeübt wird.With piezo translators, provided the total length of the piezo actuator is not excessively expanded is, only comparatively small drive or switching strokes of mostly achieve less than 35 μm. When using the piezo actuators as drive or switching devices must be guaranteed that despite this minimal switching stroke the desired adjustment or drive movement becomes.

Ein Beispiel für das Anwendungsgebiet von Piezo-Aktoren bilden Schaltvorrichtungen für Pilotventile für den Einsatz in untertägigen Bergbaubetrieben. Für dieses Anwendungsgebiet ist aus der DE 102 33 316 A1 der Anmelderin bekannt, zwischen dem Piezo-Aktor und dem Schließkörper des Ventils eine Wegübersetzung anzuordnen, um den notwendigen Schalthub für den Schließkörpers des Ventils erzielen zu können. Hierbei ist bekannt, dass die durch Temperaturschwankungen bedingten Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors kompensiert werden müssen. In untertägigen Bergbaubetrieben ergeben sich z.B. Temperaturschwankungen von bis zu etwa 50 K. Piezoelektrische Aktoren werden, u.a. da sie mit einer Steuerspannung angesteuert wer den, in geeigneten Gehäusen angeordnet. Dies verstärkt den Effekt von thermisch bedingten Längenänderungen, insbesondere wenn die für die Piezo-Aktoren eingesetzten Keramiken einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizient von etwa –2,6×10^–6 1/K aufweisen, mithin sich bei einer Temperaturerhöhung verkürzen, während sich die für die Gehäuse verwendeten Materialien bei einer Temperaturerhöhung ausdehnen.Switching devices for pilot valves for use in underground mining operations are an example of the field of application for piezo actuators. For this application area is from the DE 102 33 316 A1 the applicant is known to arrange a translation between the piezo actuator and the closing body of the valve in order to achieve the necessary switching stroke for the closing body of the valve. It is known here that the changes in length of the piezoelectric actuator caused by temperature fluctuations must be compensated for. In underground mining operations, for example, there are temperature fluctuations of up to about 50 K. Piezoelectric actuators are arranged in suitable housings, inter alia because they are controlled by a control voltage. This reinforces the effect of thermally induced changes in length, in particular if the ceramics used for the piezo actuators have a negative coefficient of thermal expansion of approximately -2.6 × 10 ^-6 1 / K, and therefore decrease with an increase in temperature, while those for the housing decrease expand the materials used when the temperature rises.

In der EP 0 574 945 B1 ist ein Piezo-Translator als Aktor für untertägige Ventile beschrieben, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zwar positiv aber deutlich kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl ist. Um nichtelektrische Expansionseffekte wie insbesondere thermische Längenänderungen an einer Schaltvorrichtung zu kompensieren, wird in der EP 0 574 945 B1 vorgeschlagen, zwei piezoelektrische Translatoren mit antiparalleler Wirkungsrichtung zwischen einem Gehäusegrundkörper und einem schwenkbar gelagerten Betätigungshebel anzuordnen, und derart zwischen dem Grundkörper und dem Betätigungshebel einzuspannen, dass sie gegenüber dem Grundkörper und dem Betätigungshebel jeweils um eine zur Schwenk- oder Kippachse des Betätigungshebels parallelen Achse beweglich sind.In the EP 0 574 945 B1 describes a piezo translator as an actuator for underground valves, the thermal expansion coefficient of which is positive but significantly smaller than the thermal expansion coefficient of steel. In order to compensate for non-electrical expansion effects such as, in particular, thermal changes in length on a switching device, the EP 0 574 945 B1 proposed to arrange two piezoelectric translators with an anti-parallel direction of action between a housing base body and a pivotably mounted actuation lever, and to clamp between the base body and the actuation lever such that they are movable relative to the base body and the actuation lever about an axis parallel to the pivot or tilt axis of the actuation lever ,

Die Verwendung von zwei Piezo-Translatoren mit entgegengesetzten Wirkungsrichtungen erhöht jedoch die elektrische Gesamtleistungsaufnahme der Schaltvorrichtung. Die bekannte Lösung bedingt daher eine deutliche Minderung der mit piezoelektrischen Aktoren zu erzielenden Vorteile für deren Einsatz im untertägigen Bergbau. Diese Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass die piezoelektrischen Translatoren bei geringer Leistungsaufnahme mit einer eigensicheren Versorgungsspannung angesteuert werden können und dass sie ihren einmal erreichten Ausdehnungszustand im wesentlichen ohne Leistungsaufnahme beibehalten. Erst zum Rückstellen des Piezo-Translators in seine Ausgangslage muss ein Ansteuerstrom mit umgekehrtem Vorzeichen angelegt werden.The use of two piezo translators with opposite directions of action, however, increases the total electrical power consumption the switching device. The known solution therefore requires a clear one Reduction of the advantages to be achieved with piezoelectric actuators for their use in the underground Mining. These advantages can be seen in particular in that the Piezoelectric translators with low power consumption an intrinsically safe supply voltage can be controlled and that they essentially reached their expansion state once reached maintained without power consumption. Only to reset the piezo translator In its starting position, a control current with the opposite sign must be used be created.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Piezo-Aktor zu schaffen, der ohne elektrische Verluste eine Kompensation der nichtelektrischen Expansionseffekte, insbesondere der thermischen Längenänderungen, ermöglicht.The object of the invention is a Piezo actuator to create compensation without electrical losses the non-electrical expansion effects, especially the thermal Changes in length, allows.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse zur Kompensation der temperaturbedingten Längenänderungen des Piezo-Translators mehrteilig ausgeführt ist und Gehäuseteile aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Kernidee der Erfindung besteht mithin darin, den Piezo-Translator in ein Gehäuse einzubetten, das derart aus Gehäuseteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebaut ist, dass über den Arbeitstemperaturbereich des Piezo-Aktors von beispielsweise –10°C bis +40° C weitestgehend eine Egalisierung der Längenänderung des Piezo-Translators durch eine angepasste und diese Änderung ausgleichende Verformung des Gehäuses erreicht wird.This object is achieved according to the invention solved, that the housing to compensate for temperature-related changes in length of the piezo translator executed in several parts is and housing parts made of materials with different coefficients of thermal expansion having. The core idea of the invention is therefore the piezo translator in a housing embed that so from housing parts with different coefficients of thermal expansion is built up about that the working temperature range of the piezo actuator from -10 ° C to + 40 ° C for the most part an equalization of the change in length of the piezo translator through an adapted and compensating for this change Deformation of the housing is achieved.

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein einfaches Ausführungsbeispiel angegeben, wie durch den Gehäuseaufbau ein Ausgleich aller temperaturbedingten Verformungen erreicht werden kann. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse eine Außenhülse, eine den Piezo-Translator abstützende Innenhülse und eine zwischen der Außen- und Innenhülse angeordnete Zwischenhülse auf. Durch die geeignete Anpassung der Längen der einzelnen Hülsen und der für die Hülsen verwendeten Materialien kann, abgestimmt auf die thermischen Eigenschaften des verwendeten Piezo-Translators, eine Temperaturkompensation für den Arbeitsbereich des Piezo-Aktors erreicht werden. In bevorzugter Ausgestaltung stützt sich die Innenhülse, vorzugsweise mit einem Kragen, am einen Ende der Zwischenhülse ab und die Innenhülse ist über die Zwischenhülse an der Außenhülse abgestützt. Durch diesen Aufbau führt die thermische Längenänderung der Zwischenhülse zu einer Kompensation der thermischen Längenänderung des Piezo-Translators.In the description below is a simple embodiment specified as by the housing structure a compensation of all temperature-related deformations can be achieved can. In the preferred embodiment points the case an outer sleeve, a supporting the piezo translator inner sleeve and one between the outside and inner sleeve arranged intermediate sleeve. By the appropriate adjustment of the lengths of the individual sleeves and the for the sleeves The materials used can be tailored to the thermal properties of the piezo translator used, temperature compensation for the work area of the piezo actuator can be reached. In a preferred embodiment, supports the inner sleeve, preferably with a collar, at one end of the intermediate sleeve and the inner sleeve is over the intermediate sleeve supported on the outer sleeve. Through this Construction leads the thermal change in length of the intermediate sleeve to compensate for the thermal change in length of the piezo translator.

Für Piezo-Translatoren aus Keramiken, die einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweisen, ist vorzugsweise der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials, aus dem die Zwischenhülse besteht, größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Innenhülse und/oder der Außenhülse. Zur Vereinfachung der Auslegung des Gehäuses des Piezo-Aktors bestehen vorzugsweise die Innenhülse und die Außenhülse aus demselben Material. Hierbei kann es sich als besonders günstig erweisen, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Zwischenhülse etwa doppelt so groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Außen- und Innenhülse. Eine bevorzugte Materialkombination für die Innen- und Außenhülsen und die Zwischenhülse besteht aus Stahl oder einer Stahllegierung, insbesondere Edelstahl, für die Innen- und Außenhülse sowie einem Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, insbesondere einem Aluminium, für die Zwischenhülse. Mit den entsprechenden Materialien wird zugleich aufgrund der erheblich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei geringen Kosten eine kurze Bauform der Piezo-Aktoren ermöglicht. Zur weiteren Minimierung der Baulänge der Piezo-Aktoren können zwischen der Innen- und Außenhülse in Längenänderungsrichtung wirksame Federn wie Federdichtungen, Federringe oder Tellerfedern angeordnet sein. Mit den Federn kann zugleich eine Vorkomprimierung des Piezo-Translators erzielt werden, um Spannungen im keramischen Piezo-Translator während seines Betriebs zu verhindern. Die Außenhülse kann insbesondere becherförmig ausgebildet sein und im Bodenabschnitt eine Durchgriffsöffnung für einen Steuerstößel aufweisen, wobei am offenen Ende der Außenhülse ein am freien Ende der Zwischenhülse anliegender Verschlussdeckel angeschraubt sein kann, um die einzelnen Gehäuseteile montieren zu können. Bei der insbesondere bevorzugten Ausgestaltung ist der Verschlussdeckel dann mit wenigstens einem Justiermittel, insbesondere mit mehreren Justierschrauben einerseits für die Justierung der Gehäuseteile in der Außenhülse und andererseits zur zusätzlichen Vorkomprimierung des Piezo-Translators versehen.For piezo translators made of ceramics that have a negative coefficient of thermal expansion, the coefficient of thermal expansion of the material from which the intermediate sleeve is made is preferred there is greater than the coefficient of thermal expansion of the material of the inner sleeve and / or the outer sleeve. To simplify the design of the housing of the piezo actuator, the inner sleeve and the outer sleeve are preferably made of the same material. It can prove to be particularly advantageous if the coefficient of thermal expansion of the material of the intermediate sleeve is approximately twice as large as the coefficient of thermal expansion of the material of the outer and inner sleeves. A preferred material combination for the inner and outer sleeves and the intermediate sleeve consists of steel or a steel alloy, in particular stainless steel, for the inner and outer sleeve and a light metal or a light metal alloy, in particular an aluminum, for the intermediate sleeve. With the appropriate materials, a short design of the piezo actuators is made possible at the same time due to the significantly different coefficients of thermal expansion. To further minimize the overall length of the piezo actuators, effective springs such as spring seals, spring washers or disc springs can be arranged between the inner and outer sleeves in the direction of change in length. The springs can also be used to pre-compress the piezo translator in order to prevent stresses in the ceramic piezo translator during its operation. The outer sleeve can in particular be cup-shaped and have a through opening for a control tappet in the base section, it being possible for a closure cover which rests on the free end of the intermediate sleeve to be screwed onto the open end of the outer sleeve in order to be able to mount the individual housing parts. In the particularly preferred embodiment, the closure cover is then provided with at least one adjusting means, in particular with a plurality of adjusting screws, on the one hand for adjusting the housing parts in the outer sleeve and on the other hand for additional pre-compression of the piezo translator.

Wie eingangs dargelegt betrifft die Erfindung insbesondere auch eine Schaltvorrichtung für Ventile, insbesondere hydraulische Pilotventile, mit einem Ventilgehäuse, einem Piezo-Aktor mit Aktorgehäuse, einem einen Schaltstößel umfassenden Ventil, einem die Schaltbewegung des Aktors auf den Schaltstößel mit Wegübersetzung übertragenden Betätigungshebel und einer Justiereinrichtung, wobei erfindungsgemäß das Aktorgehäuse mehrteilig ausgeführt ist und Gehäuseteile aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie weiter oben dargelegt, aufweist, und wobei zusätzlich der Betätigungshebel über ein Festkörpergelenk mit einem Lagerkörper verbunden ist, dessen Position und Ausrichtung im Ventilgehäuse mittels einer Justiereinrichtung verstellbar und/oder einstellbar ist. Die Ausgestaltung eines Betätigungshebels mit Festkörpergelenk und Lagerkörper, dessen Position und Ausrichtung einstellbar ist, ist Gegenstand einer separaten Anmeldung der Anmelderin, auf die diesbezüglich Bezug genommen wird. Insbesondere die Kombination der Temperaturkompensation am Gehäuse des Piezo-Aktors und der Kompensation für Fertigungs- und Montagetoleranzabweichungen durch die Justierbarkeit des Betätigungshebels ermöglichen eine Verwendung der Schaltvorrichtung für Pilotventile in der Wasserhydraulik oder im untertägigen Bergbau.As stated at the beginning, the Invention in particular also a switching device for valves, in particular hydraulic pilot valves, with a valve housing, a Piezo actuator with Actuator housing, one comprising a switching plunger Valve, one with the switching movement of the actuator on the switching plunger Transferring path actuating lever and an adjusting device, the actuator housing according to the invention in several parts accomplished is and housing parts from materials with different coefficients of thermal expansion, as set forth above, and wherein additionally the Actuating lever via a Solid joint with a bearing body is connected, its position and orientation in the valve housing by means of an adjusting device is adjustable and / or adjustable. The Design of an operating lever with solid body joint and bearing body, whose position and orientation is adjustable is the subject a separate application by the applicant, to which reference is made in this regard is taken. In particular the combination of temperature compensation on the housing of the Piezo actuator and compensation for manufacturing and assembly tolerance deviations due to the adjustability of the operating lever enable a use of the switching device for pilot valves in water hydraulics or in the underground Mining.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch gezeigten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:Further advantages and configurations the invention emerge from the following description of Exemplary embodiments shown schematically in the drawing. In the drawing demonstrate:

1 stark vereinfacht und schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau eines Gehäuses für einen Piezo-Aktor mit Temperaturkompensation; und 1 greatly simplified and schematically the construction of a housing according to the invention for a piezo actuator with temperature compensation; and

2 im Vertikalschnitt eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung mit Piezo-Aktor mit Temperaturkompensation und Pilotventil gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. 2 in vertical section an inventive switching device with piezo actuator with temperature compensation and pilot valve according to a preferred embodiment.

1 zeigt stark vereinfacht einen insgesamt mit 10 bezeichneten Piezo-Aktor, wobei in der linken Hälfte der 1 der Zustand des Piezo-Aktors bei einer niedrigen Temperatur und in der rechten Hälfte der 1 der Zustand desselben Piezo-Aktors 10 bei deutlich höherer Temperatur dargestellt ist. Der Temperaturunterschied zwischen der linken Hälfte und der rechten Hälfte der 1 kann beispielsweise etwa 50 K betragen. Auf der linken und rechten Hälfte der 1 sind die Teile des Piezo-Aktors-10 trotz ihrer unterschiedlichen Längenausdehnungen mit identischen Bezugszeichen versehen. 1 shows, greatly simplified, a piezo actuator designated overall by 10, the left half of the 1 the state of the piezo actuator at a low temperature and in the right half of the 1 the state of the same piezo actuator 10 is shown at a significantly higher temperature. The temperature difference between the left half and the right half of the 1 can be, for example, about 50 K. On the left and right half of the 1 the parts of the piezo actuator 10 are provided with identical reference numerals despite their different linear dimensions.

Der Piezo-Aktor 10 umfasst einen zentral in einem insgesamt mit 1 bezeichneten Gehäuse angeordneten Piezo-Translator 2, der beispielsweise aus stapelweise hintereinander geschalteten Piezo-Keramiken besteht und der seine Länge bei Anlegen einer Steuerspannung in Pfeilrichtung P ändert, um einen Schalthub zu bewirken. Das Gehäuse 1, welches den Piezo-Translator 2 aufnimmt, umfasst im wesentlichen drei Gehäuseteile, nämlich eine Außenhülse 3, eine Zwischenhülse 4 und eine Innenhülse 5. Die Innenhülse 5 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist einen nach außen überstehenden Kragen 6 auf. Der Piezo-Translator 2 stützt sich am Boden 7 der Innenhülse 5 ab. Der Kragen 6 der Innenhülse 5 wiederum stützt sich an dem inThe piezo actuator 10 comprises a piezo translator arranged centrally in a housing designated overall by 1 2 , which consists for example of stacked piezo-ceramics and which changes its length in the direction of arrow P when a control voltage is applied in order to bring about a switching stroke. The housing 1 , which uses the piezo translator 2 receives, essentially comprises three housing parts, namely an outer sleeve 3 , an intermediate sleeve 4 and an inner sleeve 5 , The inner sleeve 5 is essentially cylindrical and has an outwardly projecting collar 6 on. The piezo translator 2 leans on the ground 7 the inner sleeve 5 from. The collar 6 the inner sleeve 5 in turn is based on the in

1 oberen, freien Ende der Zwischenhülse 4 ab, während das untere Ende 8 der Zwischenhülse 4 an einem Bodenabschnitt der Außenhülse 3 bzw. einem Verschlussdeckel, wie weiter unten zu 2 noch erläutert wird, anliegt. Die Außenhülse 3 ist im wesentlichen becherförmig ausgebildet und umfasst einen Bodenabschnitt 9 mit einer Durchgriffsöffnung 11, durch die hindurch der Schalthub des Piezo-Translators 2 auf einen Steuerstößel übertragen werden kann. 1 upper, free end of the intermediate sleeve 4 off while the lower end 8th the intermediate sleeve 4 on a bottom portion of the outer sleeve 3 or a cover, as below 2 still to be explained. The outer sleeve 3 is essentially cup-shaped and comprises a bottom section 9 with a passage opening 11 through which the switching stroke of the piezo translator 2 can be transferred to a control tappet.

Die Darstellung in 1 zeigt den Piezo-Aktor 10 in der Ausgangslage, d.h. bei nicht angelegter Steuerspannung. Diese Ausgangslage ist mit der Bezugslinie N in 1 symbolisiert, wobei die Linie N die hier fluchtende Nulllage des vorderen Endes 12 des Piezo-Translators 2 mit der Vorderseite 13 des Bodenabschnitts 9 der Außenhülse 3 verdeutlichen soll. Die Stirnseite 12 des Piezo-Translators 2 und die Vorderseite 13 der Außenhülse 3 behalten, wie 1 verdeutlicht, unabhängig von der Umgebungstemperatur ihre mit der Linie N übereinstimmende Nulllage. Dies wird durch die Wahl der Materialien für die Außenhülse 3 und Innenhülse 5 bzw. die Zwischenhülse 4 erreicht, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmedehnungskoeffizient der Zwischenhülse 4 größer ist als der der Außen- und Innenhülse 3, 5, während der Piezo-Translator 2 einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Durch die gewählte Anordnung und die gewählten Materialien dehnt sich bei einem Temperaturanstieg, wie die rechte Hälfte in 1 zeigt, die Zwischenhülse 4 in Pfeilrichtung P stärker aus als die Außen- und Innenhülsen 3, 5. Durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die gewählte Länge der Zwischenhülse 4 wird zugleich die negative Längenausdehnung mithin Verkürzung des Piezo-Translators 2 ausgeglichen, so dass der maximale Schalthub gegenüber der Nulllage N temperaturunabhängig ist. Die Zwischenhülse 4 kann beispielsweise aus Aluminium mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von α_Al _u = 2,34·10^–5 1/K und die Außenhülse 3 und Innenhülse 5 können jeweils aus V2A-Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von α_Stahl = 1,17·10^–5 1/K bestehen. Bei einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Piezokeramik von α_Piezo = –2,6·10^–6 1/K kann dann eine vollständige Temperaturkompensation über einen Temperaturbereich von 50K erreicht werden, sofern die Längen der Hülsen 3,5 aus Stahl und die Länge der Kompensationszwischenhülse 4 aus Aluminium derart aufeinander abgestimmt werden, dass die thermisch bedingte Längenänderung des Piezo-Translators 2 ausgeglichen wird.The representation in 1 shows the piezo actuator 10 in the starting position, ie when not in use Control voltage. This starting position is with the reference line N in 1 symbolizes, where the line N is the flush zero position of the front end 12 of the piezo translator 2 with the front 13 of the bottom section 9 the outer sleeve 3 should clarify. The face 12 of the piezo translator 2 and the front 13 the outer sleeve 3 keep how 1 makes clear, regardless of the ambient temperature, its zero position, which corresponds to line N. This is due to the choice of materials for the outer sleeve 3 and inner sleeve 5 or the intermediate sleeve 4 reached, in the embodiment shown the thermal expansion coefficient of the intermediate sleeve 4 is larger than that of the outer and inner sleeve 3 . 5 while the piezo translator 2 has a negative coefficient of thermal expansion. Due to the selected arrangement and the selected materials, the temperature rises like the right half in 1 shows the intermediate sleeve 4 in the direction of arrow P more than the outer and inner sleeves 3 . 5 , By the coefficient of thermal expansion and the chosen length of the intermediate sleeve 4 at the same time, the negative linear expansion and shortening of the piezo translator 2 balanced, so that the maximum switching stroke is independent of temperature compared to the zero position N. The intermediate sleeve 4 can for example be made of aluminum with a coefficient of thermal expansion of α _Al _u = 2.34 · 10 ^-5 1 / K and the outer sleeve 3 and inner sleeve 5 can each consist of V2A steel with a thermal expansion coefficient of α _steel = 1.17 · 10 ^-5 1 / K. With a thermal expansion coefficient of the piezoceramic of α _Piezo = -2.6 · 10 ^-6 1 / K, complete temperature compensation can then be achieved over a temperature range of 50K, provided the lengths of the sleeves 3 . 5 made of steel and the length of the compensation intermediate sleeve 4 made of aluminum so that the thermally induced change in length of the piezo translator 2 is balanced.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schaltventil 50 mit einem Ventilgehäuse 51, das zwei zueinander parallele Aufnahmebohrungen 53, 54 aufweist, wobei in der Aufnahmebohrung 53 ein insgesamt mit 80 bezeichnetes Pilotsteuerventil und in der Aufnahmebohrung 54 ein Piezo-Aktor 10 angeordnet ist, dessen Aufbau funktionell dem des in 1 gezeigten Piezo-Aktors 10 entspricht und dessen Bau- und Funktionsteile mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind. Abweichend gegenüber der schematischen Darstellung in 1 wird die beim Anlegen einer Steuerspannung bewirkte Längenänderung des Piezo-Translators 2 auf einen Steuerstößel 14 übertragen, der die Durchgangsbohrung 11 durchgreift und über die Außenhülse 3 des Gehäuses des Piezo-Aktors 10 hinausragt. Zwischen der Außenhülse 3 und der Innenhülse 4 ist in Wirkungsrichtung der Längenänderung des Piezo-Translators eine Tellerfeder 15 zum Vorspannen des Piezo-Translators 2 angeordnet und am offen Ende der Außenhülse 3 ist ein Verschlussdeckel 16 angeschraubt, um das mehrteilige Gehäuse des Piezo-Aktors montieren zu können. Der Verschlussdeckel 16 wird von mehreren, in diesen verstellbar einschraubbaren Justierschrauben 17 durchgriffen, über die die Vorspannung des Piezo-Translators 2 zusammen mit der Feder 15 eingestellt werden kann. 2 shows an embodiment of a switching valve according to the invention 50 with a valve housing 51 , the two mutually parallel mounting holes 53 . 54 has, being in the receiving bore 53 a pilot control valve designated 80 in total and in the receiving bore 54 a piezo actuator 10 is arranged, the structure of which is that of the in 1 shown piezo actuator 10 corresponds and its components and functional parts with the same reference numerals as in 1 are designated. Deviating from the schematic representation in 1 becomes the change in length of the piezo translator caused when a control voltage is applied 2 on a tappet 14 transferred to the through hole 11 reaches through and over the outer sleeve 3 of the housing of the piezo actuator 10 protrudes. Between the outer sleeve 3 and the inner sleeve 4 is in the direction of action of the change in length of the piezo translator a plate spring 15 for biasing the piezo translator 2 arranged and at the open end of the outer sleeve 3 is a sealing cover 16 screwed on in order to be able to mount the multi-part housing of the piezo actuator. The sealing cover 16 is made of several adjustable screws that can be screwed into these 17 through which the bias of the piezo translator 2 along with the feather 15 can be adjusted.

Das als Ventilpatrone ausgeführte Pilotventil 80 kann über die Feststellbuchse 81 in Anschlag mit dem Grund der Aufnahmebohrung 53 gebracht und in dieser Stellung fixiert werden. Das Pilotventil 80 entspricht im wesentlichen dem aus der DE 102 03 886 bekannten Pilotventil, auf die hierzu Bezug genommen wird. Der Schaltstößel 82 für den Ventilschieber 83 des Pilotventils 80 ragt aus der Aufnahmebohrung 53 heraus und in einen Aufnahmeraum 55 für einen Betätigungshebel 61 hinein. Zum Schalten des Pilotventils 80 ist ein Schalthub von etwa 100 μm erforderlich. Da der Piezo-Aktor 10 einen geringen maximalen Schalthub von weniger als 35 μm erzeugt, ist der Betätigungshebel 61 mit unterschiedlichen Hebelarmen zur Erzielung einer Wegübersetzung an einem Festkörpergelenk 62 schwenkbar gelagert. Über das Festkörpergelenk 62 ist der Betätigungshebel 61 zwar lagestabil, jedoch elastische und schwenkbeweglich mit einem klotz- oder schlittenförmigen Lagerkörper 63 verbunden. Da das Pilotventil 80 und der Piezo-Aktor 10 nachträglich im Gehäuseblock 51 montiert werden und sich daher montagebedingte und auch fertigungstechnisch bedingte Abweichungen zwischen der Position und Ausschubweite des Steuerstößels 14 und denen des Schaltstößels 82 ergeben können, ist beim Schaltventil 50 die Lage, Ausrichtung und Position des Betätigungshebels 61 auf die Lage und Position der Enden des Schaltstößels 82 und des Steuerstößels 14 einstellbar. Diese Einstellung bzw. Justierung des Betätigungshebels 61 erfolgt durch eine Veränderung der Position und Ausrichtung des das Festkörpergelenk 62 tragenden Lagerkörpers 63. Da das Festkörpergelenk 62 für eine spielfreie Verbindung des Betätigungshebels 61 mit dem Lagerkörper 63 sorgt, wirken sich Veränderungen der Position und Lage des Lagerkörpers 63 unmittelbar auf die Stellung und Ausrichtung des Betätigungshebels 61 aus.The pilot valve designed as a valve cartridge 80 can via the locking bush 81 in contact with the bottom of the location hole 53 brought and fixed in this position. The pilot valve 80 corresponds essentially to that from the DE 102 03 886 known pilot valve, to which reference is made here. The shift plunger 82 for the valve spool 83 of the pilot valve 80 protrudes from the mounting hole 53 out and into a recording room 55 for an operating lever 61 into it. For switching the pilot valve 80 a switching stroke of around 100 μm is required. Because the piezo actuator 10 generates a low maximum switching stroke of less than 35 μm is the operating lever 61 with different lever arms to achieve a translation at a solid body joint 62 pivoted. About the solid body joint 62 is the operating lever 61 Although stable in position, but elastic and pivotable with a block-shaped or sled-shaped bearing body 63 connected. Because the pilot valve 80 and the piezo actuator 10 subsequently in the housing block 51 be assembled and there are therefore assembly-related and manufacturing-related deviations between the position and extension of the control tappet 14 and those of the shift plunger 82 can result is the switching valve 50 the position, orientation and position of the operating lever 61 on the location and position of the ends of the switch plunger 82 and the tappet 14 adjustable. This adjustment or adjustment of the operating lever 61 is done by changing the position and orientation of the solid-state joint 62 supporting bearing body 63 , Because the solid body joint 62 for a play-free connection of the operating lever 61 with the bearing body 63 changes in the position and location of the bearing body 63 directly on the position and orientation of the operating lever 61 out.

Der Lagerkörper 63 ist mit zwei Freiheitsgraden in seinem Aufnahmeraum 68 angeordnet und kann eine Linearverschiebung und eine Drehung durchführen, wobei diese Veränderungen mittels der beiden Stellschrauben 65, 66 bewirkt werden, die in Gewindebohrungen im Gehäusedeckel 69 eingeschraubt sind. Die beiden Stellschrauben 65, 66 sind im Aufnahmeraum 68 für den Lagerkörper 63 gegen diesen angestellt. Die Stellschraube 66 bewirkt im gezeigten Ausführungsbeispiel ausschließlich die Linearverschiebung des Lagerkörpers 63 auf den Schaltstößel 82 bzw. Steuerstößel 14 zu. Der Lagerkörper 63 sitzt hierzu in Vertikalrichtung frei verschiebbar im Aufnahmeraum 68 im Gehäusekopf 69, während die in Ansicht vorderen und hinteren Seitenwände des Aufnahmeraums 68 den Lagerbock 63 quer zum Betätigungshebel 61 fixieren. Beide Seitenwände sind mit vertikal verlaufenden Nuten 71 versehen, in die die freien und seitlich über den Lagerkörper 63 hinausragenden Zapfenenden eines Drehstiftes 72 eingreifen. Der in den Nuten 71 geführte Drehstift 72 verhindert Verschiebungen des Lagerkörpers 63 parallel zum Betätigungshebel 61. Zwischen dem Drehstift 72 und den Nuten 71 besteht ein gerade ausreichendes Spiel, dass der Lagerkörper 63 um den Drehstift 72 verschwenkt wird, wenn die Stellschraube 65 verstellt wird. Über die Stellschrauben 65, 66 kann daher die Position und Ausrichtung des Betätigungshebels genau auf die Ausschubstellungen der Stößel 14, 82 eingestellt werden.The bearing body 63 is in his recording room with two degrees of freedom 68 arranged and can perform a linear displacement and a rotation, these changes by means of the two adjusting screws 65 . 66 are caused in threaded holes in the housing cover 69 are screwed in. The two set screws 65 . 66 are in the recording room 68 for the bearing body 63 hired against this. The set screw 66 causes only the linear displacement of the bearing body in the embodiment shown 63 on the shift plunger 82 or control tappet 14 to. The bearing body 63 For this purpose, it can be freely moved in the vertical direction in the receiving space 68 in the housing head 69 . while the front and rear side walls of the recording space in view 68 the bearing block 63 across the operating lever 61 fix. Both side walls have vertical grooves 71 provided in which the free and laterally over the bearing body 63 protruding pin ends of a pivot pin 72 intervention. The one in the grooves 71 led pivot pin 72 prevents displacements of the bearing body 63 parallel to the operating lever 61 , Between the pivot pin 72 and the grooves 71 there is just enough clearance that the bearing body 63 around the pivot pin 72 is pivoted when the set screw 65 is adjusted. About the set screws 65 . 66 Therefore, the position and orientation of the operating lever can be precisely adjusted to the extension positions of the plunger 14 . 82 can be set.

Für den Fachmann ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung vielfältige Modifikationen, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen. Der Aufbau und die Materialien des mit Temperaturkompensation ausgeführten Aktorgehäuses können variieren. Als Pilotventile können auch andere als die gezeigten Ventile eingesetzt werden.For Various modifications result from the preceding description for the person skilled in the art, which are within the scope of the attached Expectations should fall. The construction and materials of the with temperature compensation executed actuator housing can vary. Can be used as pilot valves valves other than those shown are also used.

Claims

Piezo actuator as a drive or switching device, in particular as a switching device for valves, with a piezo translator arranged in a housing and changing its length as a driving or switching stroke when a control voltage is applied, characterized in that the housing is used to compensate for thermal changes in length of the piezo -Translators ( 2 ) is made in several parts and housing parts ( 3 ; 4 ; 5 ) made of materials with different coefficients of thermal expansion.

Piezo actuator according to claim 1, characterized in that the housing has an outer sleeve ( 3 ), the piezo translator ( 2 ) supporting inner sleeve ( 5 ) and one between the outer and inner sleeve ( 3 . 5 ) arranged intermediate sleeve ( 4 ) having.

Piezo actuator according to claim 2, characterized in that the inner sleeve ( 5 ) preferably with a collar ( 6 ) at one end of the intermediate sleeve ( 4 ) is supported and over the intermediate sleeve ( 4 ) on the outer sleeve ( 3 ) is supported.

Piezo actuator according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the coefficient of thermal expansion of the material from which the intermediate sleeve ( 4 ) is greater than the coefficient of thermal expansion of the material of the inner sleeve ( 5 ) and / or the outer sleeve ( 3 ).

Piezo actuator according to one of claims 2 to 4, characterized in that the inner and outer sleeve ( 3 . 5 ) consist of the same material.

Piezo actuator according to one of claims 2 to 5, characterized in that the thermal expansion coefficient of the material of the intermediate sleeve ( 4 ) is approximately twice the thermal expansion coefficient of the material of the outer and inner sleeve ( 3 . 5 ).

Piezo actuator according to one of claims 2 to 6, characterized in that the inner and outer sleeve ( 3 . 5 ) made of steel or a steel alloy, in particular stainless steel, and the intermediate sleeve ( 4 ) consist of a light metal or a light metal alloy, in particular aluminum.

Piezo actuator according to one of claims 2 to 7, characterized in that between the inner and outer sleeve ( 3 . 5 ) at least one in the length change direction of the piezo translator ( 2 ) acting spring ( 15 ) is arranged.

Piezo actuator according to one of Claims 2 to 8, characterized in that the outer sleeve ( 3 ) is cup-shaped, in the bottom section ( 9 ) a passage opening ( 11 ) for a control tappet ( 14 ), and that at the open outer sleeve end a at the free end of the intermediate sleeve ( 4 ) sealing cap ( 16 ) is screwed on.

Piezo actuator according to claim 9, characterized in that the closure cover ( 16 ) with at least one adjustment means, in particular with adjustment screws ( 17 ) for the adjustment and / or pre-compression of the piezo translator ( 2 ) and / or the intermediate sleeve ( 4 ) and the inner sleeve ( 5 ) is provided.

Switching device for valves, in particular hydraulic pilot valves, with a valve housing, an actuator with actuator housing, a valve comprising a switching plunger, an actuating lever which transmits the switching movement of the actuator to the switching plunger with displacement translation, and an adjusting device, characterized in that the actuating lever ( 61 ) via a solid-state joint ( 62 ) with a bearing body ( 63 ) is connected, its position and orientation in the valve housing ( 51 ) using the adjustment device ( 65 . 66 ) is adjustable and / or adjustable, and that the actuator is a piezo actuator ( 10 ), whose actuator housing ( 1 ) is made in several parts and housing parts ( 3 . 4 . 5 ), which consists of materials with different coefficients of thermal expansion.

Switching device according to claim 11, characterized in that the piezo actuator ( 10 ) is designed according to one of claims 1 to 10.