DE102010047940B4 - Arrangement of a piezoelectric actuator - Google Patents

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Abstract

Anordnung eines Piezoaktors mit
- einem Gehäuse (1),
- einem Piezoaktor (2),
- einem Fluid (3) und
- einem Öffnungskanal (4) in dem Gehäuse (1), wobei
- der Piezoaktor (2) und das Fluid (3) in mechanischer Verbindung miteinander in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, so dass eine Änderung einer Abmessung (5) des Piezoaktors (2) eine Änderung eines von dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1) eingenommenen Volumens bewirkt und einen entsprechenden Volumenanteil des Fluids (3) in den Öffnungskanal (4) hinein oder aus dem Öffnungskanal (4) zurück strömen lässt,
- der Öffnungskanal (4) so bemessen ist, dass eine Weglänge, die der Volumenanteil des Fluids (3) in dem Öffnungskanal (4) zurücklegt, jeweils größer ist als die Änderung der Abmessung (5) des Piezoaktors (2), und
- mindestens ein weiterer Piezoaktor (2') in mechanischer Verbindung mit dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1) angeordnet ist, so dass eine Änderung einer Abmessung (5') des weiteren Piezoaktors (2') eine weitere Änderung des von dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1) eingenommenen Volumens bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die an das Fluid (3) angreifenden Grenzflächen der Piezoaktoren (2, 2') kreisförmig oder halbkreisförmig sind und
- die Piezoaktoren (2, 2') so angeordnet sind, dass die an das Fluid (3) angreifenden Grenzflächen der Piezoaktoren (2, 2') im Betrieb jeweils gegensinnig zueinander bewegt werden.

Figure DE102010047940B4_0000
Arrangement of a piezoelectric actuator with
a housing (1),
a piezoelectric actuator (2),
- A fluid (3) and
- An opening channel (4) in the housing (1), wherein
- The piezoelectric actuator (2) and the fluid (3) are arranged in mechanical connection with each other in the housing (1), so that a change of a dimension (5) of the piezoelectric actuator (2) a change of one of the fluid (3) in the Housing (1) causes volume and a corresponding volume fraction of the fluid (3) in the opening channel (4) into or out of the opening channel (4) flow back,
- The opening channel (4) is dimensioned such that a path length traversed by the volume fraction of the fluid (3) in the opening channel (4), each greater than the change in the dimension (5) of the piezoelectric actuator (2), and
- At least one further piezoelectric actuator (2 ') in mechanical connection with the fluid (3) in the housing (1) is arranged, so that a change in a dimension (5') of the further piezoelectric actuator (2 ') a further change of the Fluid (3) in the housing (1) occupied volume causes
characterized in that
- The to the fluid (3) engaging the boundary surfaces of the piezoelectric actuators (2, 2 ') are circular or semicircular and
- The piezoelectric actuators (2, 2 ') are arranged so that the to the fluid (3) engaging boundary surfaces of the piezoelectric actuators (2, 2') are moved in opposite directions in each case in operation.
Figure DE102010047940B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung eines Piezoaktors mit einem Gehäuse, einem Piezoaktor, einem Fluid und einem Öffnungskanal, die für einen hohen Hub bei minimaler Schaltzeit geeignet ist.The present invention relates to an arrangement of a piezoelectric actuator with a housing, a piezoelectric actuator, a fluid and an opening channel, which is suitable for a high lift with minimum switching time.

Ein piezoelektrischer Aktor, auch als Piezoaktor oder Piezoaktuator bezeichnet, ist aus piezoelektrischem Material, üblicherweise einer Keramik, aufgebaut und dient als mechanischer Antrieb unter Ausnutzung des inversen piezoelektrischen Effekts, indem durch Anlegen einer elektrischen Spannung die Länge des Piezoaktors verändert wird. Ein Piezoaktor ist typischerweise als Piezostapel aufgebaut, in dem piezoelektrische Keramikschichten alternierender Polarisationsrichtungen mit Elektroden aus Metall abwechseln. Die Elektroden sind in der Reihenfolge ihrer Anordnung abwechselnd mit einer von zwei Außenelektroden verbunden. Wenn man eine elektrische Spannung an die Außenelektroden anlegt, wird der Piezostapel in der Richtung, in der die Keramikschichten aufeinander folgen, gedehnt oder zu Längsschwingungen angeregt.A piezoelectric actuator, also referred to as piezoelectric actuator or piezoelectric actuator, is constructed of piezoelectric material, usually a ceramic, and serves as a mechanical drive utilizing the inverse piezoelectric effect by changing the length of the piezoelectric actuator by applying an electrical voltage. A piezoactuator is typically constructed as a piezo stack in which piezoelectric ceramic layers of alternating polarization directions alternate with electrodes made of metal. The electrodes are alternately connected to one of two outer electrodes in order of arrangement. When applying an electrical voltage to the outer electrodes, the piezo stack is stretched in the direction in which the ceramic layers follow one another or excited to longitudinal vibrations.

Für eine Vielzahl mechanischer Anwendungen, beispielsweise zum Zweck einer Treibstoffinjektion, werden Piezoaktoren benötigt, die sehr kurze Schaltzeiten bei hohem Hub erlauben. Wenn mit einem Piezoaktor ein hoher Hub erreicht werden soll, muss der Piezoaktor in der betreffenden Richtung ausreichend lang sein, da die für den Piezoaktor verwendete Keramik nur eine begrenzte Dehnbarkeit aufweist. Die minimale Schaltzeit entspricht in etwa dem Quotienten aus der Länge des Piezoaktors in Dehnungsrichtung und der Schallgeschwindigkeit in dem Piezoaktor, die bei etwa 2 km/s bis 3 km/s liegt und im Wesentlichen von der Geometrie unabhängig ist. Wenn ein besonders großer Hub gefordert wird, ist daher die minimale mögliche Schaltzeit für viele Anwendungen bereits zu lang.For a variety of mechanical applications, for example for the purpose of fuel injection, piezo actuators are required, which allow very short switching times at high lift. If a piezoelectric actuator is to achieve a high stroke, the piezoelectric actuator in the relevant direction must be sufficiently long, since the ceramic used for the piezoactuator has only limited elasticity. The minimum switching time corresponds approximately to the quotient of the length of the piezoelectric actuator in the direction of elongation and the speed of sound in the piezoelectric actuator, which lies at about 2 km / s to 3 km / s and is essentially independent of the geometry. Therefore, if a particularly large stroke is required, the minimum possible switching time is already too long for many applications.

In WO 99/54626 A1 ist ein Aktuatorsystem mit piezokeramischen Elementen beschrieben, bei denen flexible Membranen, die mit einem piezokeramischen Material beschichtet sind und zylindrische Formen unterschiedlicher Radien aufweisen, koaxial um einen zentralen Zylinder angeordnet sind. In dem Zylinder befindet sich ein Kolben, der mit einem Fluid angetrieben wird, das in den Zylinder gepumpt wird, indem die Membranen piezoelektrisch bewegt werden. In einem ersten Schritt werden die Membranen aufeinander zu bewegt; in einem zweiten Schritt werden die Membranen voneinander weg bewegt.In WO 99/54626 A1 an actuator system is described with piezoceramic elements in which flexible membranes, which are coated with a piezoceramic material and having cylindrical shapes of different radii, are arranged coaxially about a central cylinder. Within the cylinder is a piston which is driven by a fluid which is pumped into the cylinder by piezoelectrically moving the diaphragms. In a first step, the membranes are moved towards each other; in a second step, the membranes are moved away from each other.

In DE 2 422 941 A ist eine Pumpvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff beschrieben, die einen Piezoaktor aus einem Stapel piezoelektrischer Kristalle und ein Ventil mit einer im Vergleich zu dem Piezoaktor kleineren Querschnittsfläche aufweist. Es wird eine Übersetzung zwischen der auf die Flüssigkeit wirkenden größeren Aktorfläche und der kleineren Querschnittsfläche des Ventiles bewirkt. Zwischen dem Piezoaktor und dem Ventil wird Kraftstoff gehalten, wozu ein Rückschlagventil vorgesehen ist.In DE 2 422 941 A a pumping device for injecting fuel is described, which has a piezoelectric actuator of a stack of piezoelectric crystals and a valve with a smaller compared to the piezoelectric actuator in the cross-sectional area. A translation is effected between the larger actuator area acting on the liquid and the smaller cross-sectional area of the valve. Fuel is held between the piezoelectric actuator and the valve, for which purpose a check valve is provided.

In DE 100 03 252 A1 ist eine Einspritzdüse mit einem Piezoaktor zur Betätigung eines Ventilelementes beschrieben. Der Piezoaktor wirkt auf einen Eingangskolben, der über eine hydraulische Koppelkammer auf einen Ausgangskolben einwirkt. In DE 100 03 252 A1 an injection nozzle with a piezoelectric actuator for actuating a valve element is described. The piezoelectric actuator acts on an input piston, which acts via a hydraulic coupling chamber on an output piston.

Der hydraulische Koppelraum zusammen mit dem Eingangs- und dem Ausgangskolben dient dazu, den vergleichsweise geringen Hub des Piezoaktors in einen größeren Hub des Ventilelementes zu übersetzen.The hydraulic coupling chamber together with the input and the output piston serves to translate the relatively small stroke of the piezoelectric actuator in a larger stroke of the valve element.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie die Schaltzeit eines Piezoaktors, mit dem ein vorgesehener Hub erreicht wird, verringert werden kann.The object of the present invention is to specify how the switching time of a piezoelectric actuator, with which a proposed stroke is achieved, can be reduced.

Diese Aufgabe wird mit der Anordnung eines Piezoaktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the arrangement of a piezoelectric actuator with the features of claim 1. Embodiments emerge from the dependent claims.

Die Anordnung umfasst ein Gehäuse, mindestens einen Piezoaktor und ein Fluid, wobei der Piezoaktor und das Fluid in mechanischer Verbindung miteinander in dem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse weist einen Öffnungskanal auf, durch den das Fluid aus dem Gehäuse austreten oder in das Gehäuse zurückströmen kann. Bei einer Änderung der Abmessung des Piezoaktors in dessen Längsrichtung ändert sich das von dem Fluid in dem Gehäuse eingenommene Volumen, so dass ein entsprechender Volumenanteil des Fluids in den Öffnungskanal hinein oder aus dem Öffnungskanal zurück strömt. Der Öffnungskanal ist so bemessen, dass eine Weglänge, die der Volumenanteil des Fluids in dem Öffnungskanal zurücklegt, jeweils größer ist als die Änderung der Abmessung des Piezoaktors. Ein relativ kleiner Hub des Piezoaktors wird auf diese Weise in einen größeren Hub, entsprechend der von dem Fluid in dem Öffnungskanal zurückgelegten Weglänge, übersetzt.The assembly includes a housing, at least one piezoactuator and a fluid, wherein the piezoactuator and the fluid are disposed in mechanical connection with each other in the housing. The housing has an opening channel through which the fluid can exit the housing or flow back into the housing. When the dimension of the piezoactuator is changed in its longitudinal direction, the volume occupied by the fluid in the housing changes, so that a corresponding volume fraction of the fluid flows back into the opening channel or out of the opening channel. The opening channel is dimensioned so that a path length traversed by the volume fraction of the fluid in the opening channel, each greater than the change in the size of the piezoelectric actuator. A relatively small stroke of the piezoactuator is thus translated into a larger stroke, corresponding to the path length traveled by the fluid in the orifice passage.

Bei Ausgestaltungen der Anordnung ist mindestens ein weiterer Piezoaktor in mechanischer Verbindung mit dem Fluid in dem Gehäuse angeordnet, so dass eine Änderung einer Abmessung des weiteren Piezoaktors eine weitere Änderung des von dem Fluid in dem Gehäuse eingenommenen Volumens bewirkt.In embodiments of the arrangement, at least one further piezoactuator is arranged in mechanical connection with the fluid in the housing, so that a change in a dimension of the further piezoactuator causes a further change of the volume occupied by the fluid in the housing.

Das Fluid kann zum Beispiel eine inkompressible Flüssigkeit oder ein Gel sein. Die Änderung der Abmessung des Piezoaktors kann in einer Richtung erfolgen, die nicht eine Längsrichtung des Öffnungskanals ist. Statt dessen kann die Änderung der Abmessung des Piezoaktors in einer Richtung erfolgen, die eine Längsrichtung des Öffnungskanals ist. Der Öffnungskanal kann insbesondere mindestens eine Biegung oder Krümmung und somit Abschnitte mit unterschiedlich ausgerichteten Längsrichtungen aufweisen.The fluid may be, for example, an incompressible fluid or a gel. The change of Dimension of the piezoactuator can be made in a direction that is not a longitudinal direction of the orifice passage. Instead, the change in dimension of the piezoactuator may be in a direction that is a longitudinal direction of the port passage. The opening channel may in particular have at least one bend or curve and thus sections with differently oriented longitudinal directions.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist der Piezoaktor einen Kanal auf, der den Öffnungskanal verlängert. Hierbei erfolgt die Änderung der Abmessung des Piezoaktors in der Längsrichtung des Öffnungskanals oder zumindest eines auf den Kanal des Piezoaktors folgenden Abschnitts des Öffnungskanals.In further embodiments, the piezoelectric actuator has a channel which extends the opening channel. Here, the change of the dimension of the piezoelectric actuator in the longitudinal direction of the opening channel or at least one subsequent to the channel of the piezoelectric actuator portion of the opening channel.

Bei dem Verfahren zum Betrieb eines Piezoaktors wird die mechanische Verbindung des Piezoaktors mit einer mittels des Piezoaktors betriebenen Vorrichtung durch ein Fluid vermittelt, das insbesondere eine inkompressible Flüssigkeit oder ein Gel sein kann.In the method for operating a piezoelectric actuator, the mechanical connection of the piezoelectric actuator with a device operated by means of the piezoelectric actuator is mediated by a fluid, which may in particular be an incompressible fluid or a gel.

Ein wesentlicher Aspekt der Anordnung des Piezoaktors ist, dass der Piezoaktor auf ein als Fluid bezeichnetes Medium einwirkt, das gasförmig, flüssig oder viskos ist und sich in einem mit einer Öffnung versehenen Hohlraum eines Gehäuses befindet. Eine Betätigung des Piezoaktors verändert das von dem Fluid eingenommene Volumen, so dass das Fluid zum Ausgleich der Volumenänderung durch die Öffnung strömt. Da die Öffnung einen ausreichend kleinen Querschnitt aufweist, der vorzugsweise wesentlich kleiner ist als die auf das Fluid wirkende Fläche des Piezoaktors, legt das Fluid beim Durchströmen der Öffnung eine Weglänge zurück, die wesentlich größer ist als der Hub des Piezoaktors. Die maximal mögliche Längenausdehnung des Piezoaktors wird somit in einen größeren Hub des Fluids übersetzt, so dass in der kurzen Schaltzeit eines relativ kurzen Piezoaktors ein großer Hub auf eine mit dem Piezoaktor zu betreibende Vorrichtung übertragen werden kann. Die Hubübersetzung ergibt sich im einfachsten Fall aus dem Quotienten aus der Fläche, mit der der Piezoaktor auf das Fluid einwirkt, und der Querschnittsfläche der Öffnung. Ein Öffnungskanal, durch den der verdrängte Volumenanteil des Fluids strömt, besitzt vorzugsweise zumindest einen Abschnitt, in dem der Querschnitt des Öffnungskanals konstant bleibt.An essential aspect of the arrangement of the piezoactuator is that the piezoactuator acts on a medium called fluid, which is gaseous, liquid or viscous and located in a cavity of a housing provided with an opening. Actuation of the piezoactuator alters the volume occupied by the fluid such that the fluid flows through the aperture to compensate for the volume change. Since the opening has a sufficiently small cross-section, which is preferably substantially smaller than the area of the piezoactuator acting on the fluid, the fluid as it flows through the opening retracts a path length which is substantially greater than the stroke of the piezoactuator. The maximum possible length of the piezoelectric actuator is thus translated into a larger stroke of the fluid, so that in the short switching time of a relatively short piezoelectric actuator, a large stroke can be transferred to a device to be operated with the piezoelectric actuator. The stroke ratio results in the simplest case from the quotient of the area, with which the piezoelectric actuator acts on the fluid, and the cross-sectional area of the opening. An opening channel, through which the displaced volume fraction of the fluid flows, preferably has at least one section in which the cross-section of the opening channel remains constant.

Die Anordnung hat insbesondere den Vorteil, dass der Piezoaktor weitgehend unabhängig von der vorgesehenen Wirkrichtung der Anordnung in dem Gehäuse montiert werden kann. Durch eine geeignete Ausrichtung des Öffnungskanals, gegebenenfalls mittels einer in dem Öffnungskanal vorhandenen Biegung oder Krümmung, kann die Wirkrichtung der Anordnung unabhängig von der Ausrichtung des Piezoaktors eingestellt werden und muss nicht mit der Längsrichtung des Piezoaktors übereinstimmen. Unter der Längsrichtung ist hierbei die Richtung zu verstehen, in der die maximale Änderung der Abmessung des Piezoaktors (Längenausdehnung) erfolgt. Der Hub der auf diese Weise konstruierten Antriebsvorrichtung und die Schaltzeit des verwendeten Piezoaktors können mit dieser Anordnung voneinander entkoppelt werden, so dass bei geringer Schaltzeit im Prinzip beliebig hohe Hübe realisierbar sind. Abgesehen von der niedrigen Schaltzeit hat die relativ geringe Abmessung des Piezoaktors den Vorteil, dass eine geringe Neigung zu Rissbildung in dem Piezoaktor und daher eine größere Lebensdauer der Antriebsvorrichtung zu erwarten ist.The arrangement has the particular advantage that the piezoelectric actuator can be mounted in the housing largely independent of the intended effective direction of the arrangement. By suitable alignment of the opening channel, optionally by means of a bend or curvature present in the opening channel, the effective direction of the arrangement can be adjusted independently of the orientation of the piezoelectric actuator and does not have to coincide with the longitudinal direction of the piezoelectric actuator. The longitudinal direction here is to be understood as the direction in which the maximum change in the dimension of the piezoelectric actuator (longitudinal expansion) takes place. The stroke of the drive device designed in this way and the switching time of the piezoelectric actuator used can be decoupled from one another with this arrangement, so that in principle arbitrarily high strokes can be achieved with a short switching time. Apart from the low switching time, the relatively small size of the piezoelectric actuator has the advantage that a low tendency to crack formation in the piezoelectric actuator and therefore a longer life of the drive device is to be expected.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen der Anordnung und des Verfahrens anhand der beigefügten Figuren.

  • 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Anordnung.
  • 2 zeigt einen Querschnitt gemäß 1 für ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Piezoaktoren.
  • 3 zeigt einen Querschnitt gemäß 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Kanal in dem Piezoaktor.
  • 4 zeigt den in der 3 bezeichneten Schnitt.
  • 5 zeigt einen Querschnitt gemäß 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem abgeknickten oder gebogenen Öffnungskanal.
  • 6 zeigt eine Detailansicht aus den Querschnitten der 1 und 2.
  • 7 zeigt den in der 1 markierten Schnitt.
The following is a more detailed description of examples of the arrangement and method with reference to the attached figures.
  • 1 shows a cross section through an embodiment of the arrangement.
  • 2 shows a cross section according to 1 for a further embodiment with two piezo actuators.
  • 3 shows a cross section according to 2 for a further embodiment with a channel in the piezoelectric actuator.
  • 4 shows the in the 3 designated section.
  • 5 shows a cross section according to 2 for a further embodiment with a bent or bent opening channel.
  • 6 shows a detailed view of the cross sections of 1 and 2 ,
  • 7 shows the in the 1 marked section.

Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung eines Piezoaktors 2 und eines Fluids 3 in einem Gehäuse 1, das zum Beispiel aus Stahl gebildet sein kann. Das Gehäuse 1 besitzt einen Öffnungskanal 4, der mit dem von dem Fluid 3 eingenommenen Volumen in Verbindung steht. Der Piezoaktor 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel so in den Innenraum des Gehäuses 1 montiert, dass im Betrieb der Anordnung eine Ausdehnung des Piezoaktors 2 in der durch den einfachen Pfeil dargestellten Richtung erfolgt. Die durch den Doppelpfeil bezeichnete Abmessung 5 wird dadurch verändert. Bei einer Ausdehnung des Piezoaktors 2 vermindert sich folglich, das von dem Fluid 3 in dem Gehäuse 1 eingenommene Volumen, so dass der entsprechende Volumenanteil des Fluids 3 durch den Öffnungskanal 4 ausströmt. Das Fluid 3 ist vorzugsweise eine inkompressible Flüssigkeit oder ein Gel, so dass am Ausgang des Öffnungskanals 4, der dort zum Beispiel mit einer Membran versehen sein kann, ein entsprechend vergrößerter Hub auf eine mechanische Vorrichtung übertragen werden kann.The 1 shows a cross section through an arrangement of a piezoelectric actuator 2 and a fluid 3 in a housing 1 , which can be made of steel, for example. The housing 1 has an opening channel 4 that with the fluid 3 occupied volume. The piezo actuator 2 is in this embodiment in the interior of the housing 1 mounted that during operation of the arrangement, an expansion of the piezoelectric actuator 2 takes place in the direction shown by the simple arrow. The dimension indicated by the double arrow 5 is changed by it. At an expansion of the piezoelectric actuator 2 consequently, that of the fluid decreases 3 in the case 1 occupied volume, so that the corresponding volume fraction of the fluid 3 through the opening channel 4 flows. The fluid 3 is preferably an incompressible liquid or gel such that at the exit of the orifice channel 4 which may be provided there with a membrane, for example, a corresponding one enlarged stroke can be transferred to a mechanical device.

Die in der 1 markierte Schnittebene 7 ist in der 7 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Grenzfläche zwischen dem Piezoaktor 2 und dem Fluid 3 halbkreisförmig. Der maximale Abstand 6 von dem Öffnungskanal 4, den ein Anteil des Fluids 3 aufweist, ist daher in der Projektion in diese Schnittebene 7 der Radius der halbkreisförmigen Grenzfläche. In der 7 ist deutlich erkennbar, dass der relativ großen Halbkreisfläche, in der der Piezoaktor 2 an dem Fluid 3 angreift, ein relativ kleiner Querschnitt des Öffnungskanals 4 gegenübersteht. Ein geringer Hub des Piezoaktors 2 bei Änderung der Abmessung 5 (1) wird daher in einen sehr großen Hub der Weglänge übertragen, die das Fluid 3 beim Durchströmen des Öffnungskanals 4 zurücklegt.The in the 1 marked cutting plane 7 is in the 7 shown. In this embodiment, the interface between the piezoelectric actuator 2 and the fluid 3 semicircular. The maximum distance 6 from the opening channel 4 containing a portion of the fluid 3 is therefore in the projection in this cutting plane 7 the radius of the semicircular interface. In the 7 is clearly seen that the relatively large semicircular surface in which the piezoelectric actuator 2 on the fluid 3 engages, a relatively small cross-section of the opening channel 4 faces. A small stroke of the piezo actuator 2 when changing the dimension 5 ( 1 ) is therefore transferred to a very large stroke of the path length that the fluid 3 when flowing through the opening channel 4 travels.

Der Öffnungskanal 4 kann zum Beispiel durch einen an dem Gehäuse 1 angebrachten weiteren Kanal oder durch eine dickere Gehäusewand verlängert sein. Der Öffnungskanal 4 kann einen abschnittsweise konstanten Querschnitt aufweisen oder sich auch verbreitern oder verjüngen. Die mechanische Einwirkung des ausströmenden Fluids 3 auf eine mit dem Piezoaktor 2 zu betreibende Vorrichtung kann im Prinzip beliebig ausgestaltet sein. Damit ergibt sich ein weiter Bereich von Anwendungsmöglichkeiten.The opening channel 4 for example, by one on the housing 1 attached further channel or be extended by a thicker housing wall. The opening channel 4 may have a sectionally constant cross section or also widen or taper. The mechanical action of the outflowing fluid 3 on one with the piezoelectric actuator 2 to be operated device can be configured in principle arbitrary. This results in a wide range of possible applications.

Die 6 zeigt den in der 1 markierten Ausschnitt 9 in einer vergrößerten Detailansicht. Der Piezoaktor 2 sollte in dem Gehäuse 1 so angeordnet sein, dass die Änderung der Abmessung 5 ohne Reibung des Piezoaktors 2 an dem Gehäuse 1 möglich ist. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise zwischen den Seitenflächen des Piezoaktors 2 und dem Gehäuse 1 ein kleiner Zwischenbereich 10 frei gelassen oder gegebenenfalls mit einer weichen Substanz gefüllt, die eine Längenausdehnung des Piezoaktors 2 gestattet. Das Fluid 3 kann mit einer Umhüllung 11 umhüllt sein, die den Öffnungskanal 4 frei lässt und das von dem Piezoaktor 2 eingenommene Volumen und gegebenenfalls den Zwischenbereich 10 gegen das Fluid 3 abdichtet. Die Umhüllung 11 kann zum Beispiel eine dünne Haut oder ein Film, beispielsweise ein Metallfilm, sein. Das Gehäuse 1 braucht nicht allseitig geschlossen zu sein und kann zum Beispiel ein Stahlrahmen sein, wenn das Fluid 3 durch eine Umhüllung 11, wie in 6 dargestellt, umschlossen ist.The 6 shows the in the 1 marked section 9 in an enlarged detail view. The piezo actuator 2 should be in the case 1 be arranged so that the change in dimension 5 without friction of the piezoelectric actuator 2 on the housing 1 is possible. For this purpose is preferably between the side surfaces of the piezoelectric actuator 2 and the housing 1 a small intermediate area 10 left free or optionally filled with a soft substance, which is a linear expansion of the piezoelectric actuator 2 allowed. The fluid 3 can with a serving 11 be wrapped around the opening channel 4 leaves free and that of the piezoelectric actuator 2 occupied volume and optionally the intermediate area 10 against the fluid 3 seals. The serving 11 For example, it may be a thin skin or a film such as a metal film. The housing 1 need not be closed on all sides and can be, for example, a steel frame when the fluid 3 by a serving 11 , as in 6 represented, is enclosed.

Die 2 zeigt einen Querschnitt gemäß 1 für ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem in dem Gehäuse 1 zwei Piezoaktoren 2, 2' in mechanischer Verbindung mit dem Fluid 3 angeordnet sind und bei einer Längenausdehnung und somit einer Vergrößerung der in der 2 markierten Abmessungen 5, 5' das von dem Fluid 3 eingenommene Volumen verkleinern. Die dem Ausführungsbeispiel der 1 entsprechenden Komponenten des Ausführungsbeispiels der 2 sind mit denselben Bezugszeichen versehen und brauchen nicht eigens erläutert zu werden. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist eine noch größere Übersetzung des Hubs möglich als bei dem Ausführungsbeispiel der 1. Die Anzahl der in dem Gehäuse angeordneten Piezoaktoren kann im Prinzip beliebig sein. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer Mehrzahl von Piezoaktoren, die jeweils einen relativ geringen Hub aufweisen, einen sehr großen nach außen wirkenden Hub zu erzeugen.The 2 shows a cross section according to 1 for a further embodiment, wherein in the housing 1 two piezo actuators 2 . 2 ' in mechanical communication with the fluid 3 are arranged and at a length extension and thus an increase in the 2 marked dimensions 5 . 5 ' that of the fluid 3 reduce occupied volume. The the embodiment of the 1 corresponding components of the embodiment of 2 are provided with the same reference numerals and need not be explained specifically. In the embodiment of the 2 is an even larger translation of the stroke possible than in the embodiment of 1 , The number of piezoelectric actuators arranged in the housing can in principle be arbitrary. In this way, it is possible with a plurality of piezo actuators, each having a relatively small stroke, to produce a very large outward stroke.

Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 2 zwei Piezoaktoren 2, 2' vorhanden sind. Der Öffnungskanal 4 ist hier in der Richtung der im Betrieb geänderten Abmessung 5 eines der Piezoaktoren 2 angeordnet und ist durch einen Kanal 12 in dem betreffenden Piezoaktor 2 verlängert. Das Fluid 3 strömt daher bei einer Verringerung des eingenommenen Volumens durch diesen Kanal 12 und weiter durch den Öffnungskanal 4 des Gehäuses 1 nach außen.The 3 shows a further embodiment, in accordance with the embodiment of the 2 two piezo actuators 2 . 2 ' available. The opening channel 4 is here in the direction of the dimension changed during operation 5 one of the piezo actuators 2 arranged and is through a channel 12 in the relevant piezoelectric actuator 2 extended. The fluid 3 therefore flows with a reduction in the volume taken through this channel 12 and further through the opening channel 4 of the housing 1 outward.

Die 4 zeigt eine Ansicht der in der 3 markierten Schnittebene 8. In der 4 ist die Position des Kanals 12 in dem einen der beiden Piezoaktoren 2 erkennbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist die an das Fluid 3 angreifende Querschnittsfläche des Piezoaktors 2 kreisförmig, so dass der maximale Abstand 6 von dem Kanal 12, den ein Anteil des Fluids 3 aufweist, auf einem Kegelmantel in radialer Richtung vorhanden ist. Das ergibt sich aus einem Vergleich der 3 und 4. In der 4 ist die Projektion dieses maximalen Abstands 6 in die Schnittebene der 4 eingezeichnet.The 4 shows a view of the in the 3 marked cutting plane 8th , In the 4 is the position of the channel 12 in one of the two piezo actuators 2 recognizable. In this embodiment, the to the fluid 3 engaging cross-sectional area of the piezoelectric actuator 2 circular, leaving the maximum distance 6 from the channel 12 containing a portion of the fluid 3 has, on a conical surface in the radial direction is present. This results from a comparison of 3 and 4 , In the 4 is the projection of this maximum distance 6 in the cutting plane of the 4 located.

Die 5 zeigt einen Querschnitt gemäß 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Öffnungskanal 4 eine Biegung 13 aufweist. An diesem Ausführungsbeispiel ist erkennbar, dass die Richtung der Längenausdehnung des Piezoaktors 2 im Prinzip in jede beliebige Richtung umgelenkt werden kann, indem der Öffnungskanal 4 entsprechend gestaltet wird. Der Öffnungskanal 4 braucht hierzu nicht notwendigerweise vollständig in dem Gehäuse 1 ausgebildet zu sein. Es kann zum Beispiel an die Mündung des Öffnungskanals 4 eine entsprechend gebogene Röhre angebracht sein, mit deren Hilfe die Wirkrichtung der Anordnung umgelenkt wird.The 5 shows a cross section according to 2 for a further embodiment, wherein the opening channel 4 a bend 13 having. In this embodiment, it can be seen that the direction of the linear expansion of the piezoelectric actuator 2 in principle can be deflected in any direction by the opening channel 4 is designed accordingly. The opening channel 4 this does not necessarily completely in the housing 1 to be educated. It can, for example, to the mouth of the opening channel 4 a correspondingly curved tube may be attached, with the aid of which the effective direction of the arrangement is deflected.

Die Schaltgeschwindigkeit der Anordnung ergibt sich aus der Ausdehnung des Piezoaktors 2 in dessen Bewegungsrichtung, der Schaltgeschwindigkeit des Piezoaktors 2, dem maximalen Abstand 6 zwischen dem Öffnungskanal 4 und Anteilen des Fluids 3, der Schaltgeschwindigkeit in dem Fluid 3 und der Steifigkeit des Materials des Gehäuses 1. Das Gehäuse 1 erzeugt auch die für den Piezoaktor 2 notwendige mechanische Vorspannung, die dem Druck des Fluids 3 entspricht. Diese mechanische Vorspannung lässt sich einstellen, indem man entweder die Menge des Fluids 3 oder das davon eingenommene Volumen variabel gestaltet, zum Beispiel durch eine Verschraubung an der Austrittsöffnung des Öffnungskanals 4.The switching speed of the arrangement results from the expansion of the piezoelectric actuator 2 in the direction of movement, the switching speed of the piezoelectric actuator 2 , the maximum distance 6 between the opening channel 4 and proportions of the fluid 3 , the switching speed in the fluid 3 and the rigidity of the material of the housing 1 , The housing 1 also generates the for the piezoelectric actuator 2 necessary mechanical preload, the pressure of the fluid 3 equivalent. This mechanical preload can be adjusted by either the amount of fluid 3 or the volume occupied by it variable, for example by a screw at the outlet opening of the opening channel 4 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Gehäusecasing
22
Piezoaktorpiezo actuator
33
Fluidfluid
44
Öffnungopening
55
Abmessungdimension
66
maximaler Abstandmaximum distance
77
Schnittebene der 7 Cutting plane of 7
88th
Schnittebene der 4 Cutting plane of 4
99
Ausschnitt gemäß 6 Clipping according to 6
1010
Zwischenbereichintermediate area
1111
Umhüllungwrapping
1212
Kanal in dem PiezoaktorChannel in the piezoelectric actuator
1313
Biegung des ÖffnungskanalsBend of the opening channel

Claims (7)

Anordnung eines Piezoaktors mit - einem Gehäuse (1), - einem Piezoaktor (2), - einem Fluid (3) und - einem Öffnungskanal (4) in dem Gehäuse (1), wobei - der Piezoaktor (2) und das Fluid (3) in mechanischer Verbindung miteinander in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, so dass eine Änderung einer Abmessung (5) des Piezoaktors (2) eine Änderung eines von dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1) eingenommenen Volumens bewirkt und einen entsprechenden Volumenanteil des Fluids (3) in den Öffnungskanal (4) hinein oder aus dem Öffnungskanal (4) zurück strömen lässt, - der Öffnungskanal (4) so bemessen ist, dass eine Weglänge, die der Volumenanteil des Fluids (3) in dem Öffnungskanal (4) zurücklegt, jeweils größer ist als die Änderung der Abmessung (5) des Piezoaktors (2), und - mindestens ein weiterer Piezoaktor (2') in mechanischer Verbindung mit dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1) angeordnet ist, so dass eine Änderung einer Abmessung (5') des weiteren Piezoaktors (2') eine weitere Änderung des von dem Fluid (3) in dem Gehäuse (1) eingenommenen Volumens bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass - die an das Fluid (3) angreifenden Grenzflächen der Piezoaktoren (2, 2') kreisförmig oder halbkreisförmig sind und - die Piezoaktoren (2, 2') so angeordnet sind, dass die an das Fluid (3) angreifenden Grenzflächen der Piezoaktoren (2, 2') im Betrieb jeweils gegensinnig zueinander bewegt werden. Arrangement of a piezoelectric actuator with - a housing (1), - a piezoelectric actuator (2), - a fluid (3) and - an opening channel (4) in the housing (1), wherein - the piezoelectric actuator (2) and the fluid (3 ) are arranged in mechanical connection with each other in the housing (1) so that a change in a dimension (5) of the piezoactuator (2) causes a change in volume occupied by the fluid (3) in the housing (1) and a corresponding volume fraction the fluid (3) flows back into the opening channel (4) or out of the opening channel (4), the opening channel (4) is dimensioned so that a path length which corresponds to the volume fraction of the fluid (3) in the opening channel (4 ), in each case larger than the change in the dimension (5) of the piezoactuator (2), and - at least one further piezoactuator (2 ') is arranged in mechanical connection with the fluid (3) in the housing (1), so that a change of a dimension (5 ') of the further piezoelectric actuator (2') is another change causes the volume occupied by the fluid (3) in the housing (1), characterized in that - the interfaces of the piezoactuators (2, 2 ') acting on the fluid (3) are circular or semi-circular and - the piezoactuators (2 , 2 ') are arranged such that the interfaces of the piezo actuators (2, 2') acting on the fluid (3) are in each case moved in opposite directions relative to one another during operation. Anordnung eines Piezoaktors nach Anspruch 1, bei der der Öffnungskanal (4) mindestens eine Biegung (13) aufweist.Arrangement of a piezo actuator according to Claim 1 in which the opening channel (4) has at least one bend (13). Anordnung eines Piezoaktors nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Fluid (3) eine inkompressible Flüssigkeit ist.Arrangement of a piezo actuator according to Claim 1 or 2 in which the fluid (3) is an incompressible fluid. Anordnung eines Piezoaktors nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Fluid (3) ein Gel ist.Arrangement of a piezo actuator according to Claim 1 or 2 in which the fluid (3) is a gel. Anordnung eines Piezoaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Änderung der Abmessung (5) des Piezoaktors (2) in einer Richtung erfolgt, die nicht eine Längsrichtung des Öffnungskanals (4) ist.Arrangement of a piezoelectric actuator according to one of Claims 1 to 4 in which the change of the dimension (5) of the piezoactuator (2) takes place in a direction which is not a longitudinal direction of the opening channel (4). Anordnung eines Piezoaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Änderung der Abmessung (5) des Piezoaktors (2) in einer Richtung erfolgt, die eine Längsrichtung des Öffnungskanals (4) ist.Arrangement of a piezoelectric actuator according to one of Claims 1 to 4 in which the change of the dimension (5) of the piezoactuator (2) takes place in a direction which is a longitudinal direction of the orifice passage (4). Anordnung eines Piezoaktors nach Anspruch 6, bei der der Piezoaktor (2) einen Kanal (12) aufweist, der den Öffnungskanal (4) verlängert.Arrangement of a piezo actuator according to Claim 6 in which the piezoelectric actuator (2) has a channel (12) which extends the opening channel (4).
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