-
Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Biegewandler mit zwei Piezokeramikplatten, die auf einander entgegengesetzten Oberflächen einer elektrisch leitfähig ausgebildeten Zwischenlage angeordnet sind und jeweils einen elektrischen Kondensator bilden, wobei an der Zwischenlage sowie an den Piezokeramikplatten jeweils elektrische Anschlussmittel ausgebildet sind, um eine elektrische Aufladung der jeweiligen Piezokeramikplatte zu ermöglichen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen piezokeramischen Biegewandlers.
-
Aus der
WO 2009/021530 A1 ist eine elektronische Steuerungseinrichtung für einen als Trimorph ausgebildeten piezokeramischen Biegewandler bekannt, der aus zwei Piezokeramikplatten mit dazwischen angeordneter passiver Zwischenlage besteht. Die Steuerungseinrichtung umfasst einen ersten, aus zwei Widerstandszweigen bestehenden und von einer ersten Spannungsquelle beaufschlagbaren Spannungsteiler, dessen erster Widerstandszweig die erste Piezokeramikplatte mit der Zwischenlage verbindet. Ferner umfasst die Steuerungseinrichtung einen zweiten, aus zwei Widerstandszweigen bestehenden Spannungsteiler, dessen erster Widerstandszweig die zweite Piezokeramikplatte mit der Zwischenlage verbindet. Dabei bildet der zweite Widerstandszweig des ersten Spannungsteilers auch den zweiten Widerstandszweig des zweiten Spannungsteilers.
-
Derartige piezokeramische Biegewandler werden beispielsweise für Fluidventile eingesetzt und dienen dort zur Bewegung eines Ventilkörpers zwischen einer Schließstellung, in der ein Ventilsitz des Fluidventils verschlossen wird, und einer Öffnungsstellung, in der der Ventilsitz freigegeben ist und einen Fluidstrom durch das Fluidventil ermöglicht. Derartige Fluidventile können ihrerseits aufgrund der geringen Baugröße und des geringen Energieverbrauchs sowie der hohen Zuverlässigkeit in kompakten, insbesondere batteriegetriebenen, Geräten eingesetzt werden.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen piezokeramischen Biegewandler und ein Verfahren zum Betreiben eines piezokeramischen Biegewandlers anzugeben, die eine verbesserte Energieausnutzung ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für einen piezokeramischen Biegewandler der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass zwischen dem Anschlussmittel der Zwischenlage und einem gemeinsamen elektrischen Bezugspunkt beider mit der Zwischenlage elektrisch verbundenen Piezokeramikplatten ein elektrisches Sperrmittel mit unidirektionaler elektrischer Leitfähigkeit eingeschleift ist.
-
Mit Hilfe des elektrischen Sperrmittels kann wahlweise, je nach äußerer Beschaltung der übrigen Anschlussmittel und in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Sperrmittels, ein Zuströmen oder ein Abströmen von elektrischen Ladungen zur Zwischenlage bzw. von der Zwischenlage verhindert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Ladungsmenge, die sich während des Betriebs des Biegewandlers an der Zwischenlage eingestellt hat, während des weiteren Betriebs des Biegewandlers maßgeblich verändert. Durch diese Maßnahme kann also ein unerwünschter elektrischer Zu- oder Abfluss von elektrischen Ladungen zur Zwischenlage oder von der Zwischenlage vermieden werden. Hierdurch wird erreicht, dass bei aufeinander folgenden Biegevorgängen für den Biegewandler nur solche elektrische Umladungen zwischen den Piezokeramikplatten stattfinden, die für die Funktion des Biegewandlers unabdingbar sind, während darüber hinausgehende Umladungen vermieden werden. Hierdurch wird eine Ausnutzung von elektrischer Energie, die beispielsweise von einer Spannungsquelle wie einer Batterie, einem Akkumulator oder einem Kondensator bereitgestellt wird, gegenüber bisher bekannten Biegewandlern erheblich verbessert. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn der Biegewandler in einem mobilen Gerät zum Antrieb eines Ventilkörpers eines Fluidventils eingesetzt wird.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Zweckmäßig ist es, wenn das elektrische Sperrmittel und eine erste Piezokeramikplatte zwischen dem Anschlussmittel der Zwischenlage und dem gemeinsamen elektrischen Bezugspunkt beider mit der Zwischenlage elektrisch verbundenen Piezokeramikplatten zueinander parallel geschaltet sind. Damit wird in schaltungstechnisch einfacher Weise erreicht, dass die erste Piezokeramikplatte in Abhängigkeit von einem an der zweiten Piezokeramikplatte angelegten elektrischen Potential entweder elektrisch kurzgeschlossen ist oder in einem Ladungsaustausch mit der ersten Piezokeramikplatte steht. Ein Kurzschluss der ersten Piezokeramikplatte während der Spannungsbeaufschlagung der zweiten Piezokeramikplatte ist vorteilhaft, um bei der dadurch von der zweiten Piezokeramikplatte bewirkten Biegebewegung des Biegewandlers ein Auftreten von elektromotorischen Kräften, die der Biegebewegung entgegengesetzt wirken, in der ersten Piezokeramikplatte zu vermeiden. Ein Ladungsaustausch zwischen der ersten und der zweiten Piezokeramikplatte nach Beendigung der Spannungsbeaufschlagung der ersten Piezokeramikplatte ist vorteilhaft, um bei einer Rückstellbewegung der zweiten Piezokeramikplatte, die bei Beendigung der Spannungsbeaufschlagung eingeleitet wird, einen Kräfteausgleich zwischen den Piezokeramikplatten herbeizuführen, ohne dass dabei sämtliche Ladungen von den Piezokeramikplatten abfließen müssen und bei einem neuerlichen Biegevorgang vollständig auf die zweite Piezokeramikplatte geladen werden müssen.
-
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sperrmittel als Diode ausgebildet ist. Hiermit wird eine einfache und kostengünstige Aufbauweise für den Biegewandler ermöglicht.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen einem Anschlussmittel einer zweiten Piezokeramikplatte und einer elektrischen Spannungsquelle ein erstes Schaltmittel eingeschleift, das für eine schaltbare Spannungsbeaufschlagung der zweiten Piezokeramikplatte ausgebildet ist. Das erste Schaltmittel, das beispielsweise als elektromechanischer Schalter oder als elektronischer Schalter, insbesondere als Transistor, ausgebildet sein kann, ermöglicht eine zeitweilige Bereitstellung elektrischer Energie an die zweite Piezokeramikplatte, um eine Biegebewegung des Biegewandlers hervorzurufen. Vorzugsweise ist dem Biegewandler genau eine elektrische Spannungsquelle zugeordnet, mit der die Biegebewegung hervorgerufen werden kann.
-
Bevorzugt ist zwischen dem Anschlussmittel der zweiten Piezokeramikplatte und dem gemeinsamen elektrischen Bezugspunkt beider mit der Zwischenlage elektrisch verbundenen Piezokeramikplatten ein zweites Schaltmittel eingeschleift, das für einen schaltbaren Ladungsausgleich zwischen den beiden Piezokeramikplatten ausgebildet ist. Das zweite Schaltmittel ermöglicht nach erfolgter Bereitstellung von elektrischer Energie an die zweite Piezokeramikplatte, die zu einer Biegebewegung des Biegewandlers in eine erste Biegerichtung in eine erste Biegestellung führt, einen Ladungsausgleich zwischen den beiden Piezokeramikplatten. Durch den Ladungsausgleich liegt an beiden Piezokeramikplatten die gleiche elektrische Potentialdifferenz an, so dass unter der Voraussetzung einer gleichartigen Ausgestaltung der beiden Piezokeramikplatten eine symmetrische Kraftverteilung im Biegewandler einstellt. Diese symmetrische Kraftverteilung bestimmt eine zweite Biegestellung, die insbesondere identisch mit einer Neutralstellung des Biegewandlers ist, in der die Piezokeramikplatten frei von elektrischen und mechanischen Spannungen sind.
-
Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt durch ein Verfahren zum Betreiben eines piezokeramischen Biegewandlers gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der piezokeramische Biegewandler zwei Piezokeramikplatten umfasst, die auf einander entgegengesetzten Oberflächen einer elektrisch leitfähig ausgebildeten Zwischenlage angeordnet sind, wobei in einem ersten Biegeschritt eine erste Piezokeramikplatte elektrisch kurzgeschlossen wird und eine erste elektrische Ladungsmenge an eine zweite Piezokeramikplatte bereitgestellt wird, um eine Biegedeformation in eine erste Biegerichtung in eine erste Biegestellung zu bewirken. Durch das Kurzschließen der ersten Piezokeramikplatte wird erreicht, dass sich bei einer Biegebewegung, die von der Spannungsbeaufschlagung der zweiten Piezokeramikplatte hervorgerufen wird, keine deformationsbedingten elektromotorischen Kräfte in der ersten Piezokeramikplatte aufbauen, die der Biegebewegung entgegengesetzt sind. Das Kurzschließen der zweiten Piezokeramikplatte, bei dem vorzugsweise eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Anschlussmittel an der Zwischenlage und dem direkt der ersten Piezokeramikplatte zugeordneten Anschlussmittel hergestellt wird, kann wahlweise durch ein passives oder aktives elektrisches oder elektronisches Bauelement bzw. eine elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung gewährleistet werden. Vorzugsweise wird hierzu ein passives elektronisches Bauelement wie eine Diode eingesetzt, die bei Vorliegen einer entsprechenden elektrischen Polung einer Potentialdifferenz auf der ersten Piezokeramikplatte einen Ladungsfluss zwischen den beiden Anschlussmitteln ermöglicht. Durch die Bereitstellung der ersten elektrischen Ladungsmenge an die zweite Piezokeramikplatte vollzieht diese eine Ausdehnungs- oder Kontraktionsbewegung, wodurch die gewünschte Biegespannung erzeugt und dadurch die Biegebewegung hervorgerufen wird.
-
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einem zweiten Biegeschritt eine in der zweiten Piezokeramikplatte gespeicherte elektrische Ladungsmenge auf beide Piezokeramikplatten verteilt wird, um eine Biegedeformation des Biegewandlers in eine zweite Biegestellung in eine zweite Biegerichtung zu bewirken, die der ersten Biegerichtung entgegengesetzt ist. Während des ersten Biegeschritts, bei dem die erste Piezokeramikplatte kurzgeschlossen ist und die zweite Piezokeramikplatte mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, wird die gewünschte Biegebewegung des Biegewandlers durch eine elektrische Potentialdifferenz in der zweiten Piezokeramikplatte bei gleichzeitiger Sicherstellung einer ladungsneutralen ersten Piezokeramikplatte erzielt.
-
Beim zweiten Biegeschritt soll beide Piezokeramikplatten mit gleichgerichteten Kräften gleichen Betrags beaufschlagt sein, damit der Biegewandler die zweite Biegestellung einnimmt. Dieses Ziel wird teilweise durch eine gezielte Entladung der zweiten Piezokeramikplatte, also durch einen Abbau der elektrischen Potentialdifferenz in der zweiten Piezokeramikplatte erreicht. Dabei wird jedoch in vorteilhafter Weise die in der zweiten Piezokeramikplatte gespeicherte elektrische Energie nicht vollständig abgeführt, sondern durch Ladungsausgleich mit der ersten Piezokeramikplatte im Biegewandler zwischengespeichert. Somit weisen beide Piezokeramikplatten am Ende des zweiten Biegeschritts jeweils die gleiche elektrische Potentialdifferenz auf und stellen somit die gleichen Biegekräfte bereit. Somit nimmt der Biegewandler am Ende des zweiten Biegeschrittes aufgrund der sich aufhebenden Biegekräfte der beiden Piezokeramikplatten eine Neutralstellung ein, wobei aufgrund der im Biegewandler gespeicherten elektrischen Energie eine innere Vorspannung vorliegt. Diese innere Vorspannung führt je nach vorliegender Potentialdifferenz zu einer symmetrischen Ausdehnung oder Verkürzung des Biegewandlers. Vorzugsweise ist der Biegewandler derart ausgebildet, dass diese Ausdehnung oder Verkürzung nicht zu einer Beeinträchtigung der Funktion, beispielsweise bei Verwendung des Biegewandlers zur Bewegung eines Ventilkörpers in einem Fluidventil, führt.
-
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einem dritten Biegeschritt durch Bereitstellung einer, betragsmäßig insbesondere der zweiten Ladungsmenge entsprechenden, dritten Ladungsmenge an die zweite Piezokeramikplatte eine Biegedeformation in die erste Biegerichtung bis zur ersten Biegestellung bewirkt wird. Aufgrund der elektrischen Energie, die am Ende des zweiten Biegeschritts noch in den beiden Piezokeramikplatten gespeichert ist, ist für ein Erreichen der ersten Biegestellung nicht die volle Ladungsmenge erforderlich, die bereitgestellt werden müsste, um die zweite Piezokeramikplatte ausgehend von einem ladungsfreien Zustand aufzuladen. Vielmehr wird die gewünschte Biegedeformation mit einer Ladungsmenge erreicht, die betragsmäßig einer am Ende des zweiten Biegeschritts im Biegewandler gespeicherten Ladungsmenge entspricht. Da ferner die erste Piezokeramikplatte beim dritten Biegeschritt durch Kurzschluss wieder vollständig entladen wird, wozu keine Energiezufuhr erforderlich ist, reicht es für das Erreichen der ersten Biegestellung aus, eine entsprechend geringere Anzahl von Ladungsträgern an die zweite Piezokeramikplatte bereitzustellen. Dies resultiert daraus, dass die zweite Piezokeramikplatte zu Beginn des dritten Biegeschritts bereits einen erheblichen Bruchteil,. insbesondere ca. 50 Prozent, der zum Erreichen der ersten Biegestellung erforderlichen Ladungen trägt und somit eine geringe Anzahl von Ladungsträgern ausreicht, um den Biegewandler in die erste Biegestellung zu bringen.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines piezokeramischen Biegewandlers, der einen Trimorph und eine elektrische Ansteuerschaltung umfasst, in einer Neutralstellung,
-
2 den Biegewandler gemäß der 1 in einer Biegestellung,
-
3 ein Blockschaltbild des Biegewandlers gemäß den 1 und 2,
-
4 ein Spannungs-Zeitdiagramm für die elektrischen Potentialdifferenzen an den beiden Piezokeramikplatten des Biegewandlers gemäß den 1 und 2 und
-
5 ein Blockschaltbild eines Biegewandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Ein in den 1 und 2 schematisch dargestellter Biegewandler 1 umfasst einen Trimorph 2 und eine elektrische Ansteuerschaltung 3. Der Trimorph 2 umfasst exemplarisch zwei Piezokeramikplatten 4, 5, die auf einander entgegengesetzten Oberflächen 6, 7 einer elektrisch leitfähig ausgebildeten Zwischenlage 8 angeordnet sind. Bei der Zwischenlage 8 kann es sich exemplarisch um ein Plättchen aus Metall oder elektrisch leitfähigem Kunststoff handeln. Die Piezokeramikplatten 4, 5 sind vorzugsweise stoffschlüssig und elektrisch leitend mit der Zwischenlage 8 verbunden und weisen exemplarisch jeweils die gleiche Geometrie und Beschaffenheit auf.
-
Jede der Piezokeramikplatten 4, 5 bildet einen elektrischen Kondensator, wobei an der Zwischenlage 8 sowie an den Außenoberflächen 9, 10 der Piezokeramikplatten 4, 5 jeweils elektrische Anschlussmittel 11, 12, 15 ausgebildet sind. Die Anschlussmittel 11, 12, 15 ermöglichen die Bereitstellung elektrischer Energie an die beiden Piezokeramikplatten 4, 5, um diese jeweils mit einer vorgebbaren elektrischen Potentialdifferenz beaufschlagen zu können. Je nach Betrag und Richtung der jeweiligen elektrischen Potentialdifferenz über den Piezokeramikplatten 4, 5 erfolgt eine Ausdehnung oder Verkürzung der jeweiligen Piezokeramikplatte 4, 5 im Wesentlichen längs einer in der 1 eingezeichneten Gestaltänderungsachse 16. Aufgrund dieser Längenveränderung der Piezokeramikplatten 4, 5 stellt sich eine Biegedeformation des Biegewandlers 1 in eine Biegerichtung ein. Die Biegedeformation setzt sich fort, bis die von der jeweiligen Piezokeramikplatte 4, 5 bereitgestellten Kräfte mit den Rückverformungskräften des Biegewandlers 1, die sich durch die elastische Deformation des Biegewandlers 1 einstellen, im Gleichgewicht stehen. Dadurch ergibt sich eine gekrümmte Biegestellung, wie sie exemplarisch in der 2 dargestellt ist.
-
Bei Veränderung der Potentialdifferenzen in den beiden Piezokeramikplatten 4, 5 ändert sich auch die Biegestellung. Wird beispielsweise die Potentialdifferenz in beiden Piezokeramikplatten 4, 5 vollständig abgebaut, so dass beide Piezokeramikplatten 4, 5 frei von Potentialdifferenzen und inneren Spannungen sind und keine Kräfte ausüben, stellt sich exemplarisch die Biegestellung gemäß der 1 ein. Die in der 1 dargestellte Biegestellung stellt sich auch ein, wenn beide Piezokeramikplatten 4, 5 derart mit elektrischen Potentialen beaufschlagt werden, dass sie gleichwirkende, also in Betrag und Richtung identische innere Spannungen aufweisen und dementsprechende Kräfte ausüben. Dieser Effekt wird, wie nachstehend näher ausgeführt wird, genutzt, um den Biegewandler 1 energieeffizient betreiben zu können.
-
Die elektrische Ansteuerschaltung 3 umfasst exemplarisch eine Spannungsquelle 17, die vorzugsweise als Gleichspannungsquelle ausgebildet ist und die für eine Bereitstellung von elektrischen Ladungen an die Piezokeramikplatten 4, 5, die nachstehend auch als erste Piezokeramikplatte 4 und als zweite Piezokeramikplatte 5 bezeichnet werden, ausgebildet ist. Ferner umfasst die Ansteuerschaltung 3 eine Steuereinheit 18, die für die Bewegungssteuerung des Trimorph 2 ausgebildet ist und bei der es sich um eine elektrische oder elektronische Schaltung. Die Steuereinheit 18 kann über nicht näher dargestellte Kommunikationsmittel, insbesondere eine drahtlose Kommunikationsverbindung, mit einer übergeordneten Steuerung und/oder mit einem oder mehreren Sensoren kommunizieren, um zu einem gegebenen Zeitpunkt eine Bewegung, insbesondere einen Betrag einer Biegebewegung, für den Trimorph 2 vorzugeben. Die Ansteuerschaltung 3 umfasst zudem ein elektrisches Sperrmittel 21 mit unidirektionaler elektrischer Leitfähigkeit, das vorliegend als Diode ausgebildet ist. Das Sperrmittel 21 ist derart ausgebildet, dass es einen Ladungsfluss elektrischer Ladungen zwischen dem Anschlussmittel 15 und einem gemeinsamen elektrischen Bezugspunkt 22 der beiden Piezokeramikplatten 4, 5 nur in einer vorgebbaren Richtung ermöglicht. Alternativ zu der exemplarisch dargestellten Diode kann das Sperrmittel 21 auch als Schalter, der von der Ansteuerschaltung 3 angesteuert wird, oder als elektronische Schaltungsanordnung realisiert werden.
-
Eine Biegebewegung des Trimorph 2 kann durch wahlweise Aktivierung eines der beiden Schaltmittel 19, 20 hervorgerufen werden, wobei jeweils nur eines der beiden Schaltmittel 19, 20 geschlossen wird und einen Ladungsfluss ermöglicht. Die Ansteuerungsschaltung 3 gemäß den 1 bis 3 ist für eine Biegebewegung des Trimorph 2 ausgebildet, die durch Energiezufuhr in den Trimorph 2 ausgehend von der Neutralstellung gemäß der 1 in genau eine Biegerichtung wirksam ist und zur Biegestellung gemäß der 2 führt. Die Biegebewegung aus der in 2 dargestellten Biegestellung zurück in die Neutralstellung gemäß der 1 erfordert keine weitere Energiezufuhr durch die Ansteuerschaltung 3, sondern lediglich die Herbeiführung eines Kräftegleichgewichts zwischen den beiden Piezokeramikplatten 4, 5.
-
Das Kräftegleichgewicht im Trimorph 2 wird in vorteilhafter Weise mit der Ansteuerschaltung 3 erreicht, indem ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Piezokeramikplatten 4, 5 herbeigeführt wird. Exemplarisch ist vorgesehen, dass beide Piezokeramikplatten 4, 5 identisch ausgebildet sind, so dass bei Vorliegen einer identischen Ladungsdichte auf beiden Piezokeramikplatten 4, 5 auch ein Kräftegleichgewicht eintritt, das zu der Biegestellung gemäß der 1 führt.
-
Zur Durchführung der Biegebewegung des Trimorph 2 aus der Biegestellung gemäß der 1 in die Biegestellung gemäß der 2 wird in einem ersten Schritt von der Ansteuerschaltung 3 das Schaltmittel 19 geschlossen, so dass ein Ladungsfluss von der Spannungsquelle 17 zum Anschlussmittel 12 der Piezokeramikplatte 5 erfolgt. Da die Piezokeramikplatte 5 wie auch die Piezokeramikplatte 4 elektrisch als Kondensator betrachtet werden kann, wie dies auch im Ersatzschaltbild gemäß der 3 dargestellt ist, erfolgt durch den Ladungsfluss von der Spannungsquelle 17 ein Aufbau eines elektrischen Potentials an der Piezokeramikplatte 5. Dabei stellen sich eine elektrische Ladung an der Außenoberfläche 10 der Piezokeramikplatte 5 und eine entgegengesetzte elektrische Ladung an der Oberfläche 7 der Zwischenlage 8 ein. Aufgrund der vorliegenden elektrischen Potentialdifferenz erfährt die Piezokeramikplatte 5 eine Längenausdehnung.
-
Das Sperrmittel 21 ist derart zwischen dem Anschlussmittel 15 und dem Bezugspunkt 22 angeordnet, dass es bei der Längenausdehnung der Piezokeramikplatte 5, die aufgrund der mechanischen Kopplung mit einer Biegebewegung der Piezokeramikplatte 4 einhergeht, einen Ladungsfluss vom Bezugspunkt 22 zur Zwischenlage 8 ermöglicht. Damit ist sichergestellt, dass den elektrischen Ladungen auf der Außenoberfläche 10 der Piezokeramikplatte 5 eine entsprechende, entgegengesetzte Ladungsmenge an der Oberfläche der Zwischenlage 8 gegenübersteht.
-
Da die Piezokeramikplatte 4 zwischen dem Bezugspunkt 22 und der Zwischenlage 8 parallel zum Sperrmittel 21 geschaltet ist und das unidirektional wirksame Sperrmittel 21 so ausgebildet ist, dass es einen Ladungsfluss vom Bezugspunkt 22 zur Zwischenlage 8 ermöglicht, wenn die Piezokeramikplatte 5 mit der Spannung der Spannungsquelle 17 beaufschlagt wird, sind die Anschlussmittel 11 der Piezokeramikplatte 4 mit der Zwischenlage 8 kurzgeschlossen. Dadurch ist sichergestellt, dass sich in der Piezokeramikplatte 4, die aufgrund der Biegebewegung der Piezokeramikplatte 5 deformiert wird, kein elektrisches Potential aufbauen kann, das der Biegebewegung entgegenwirken würde. Vielmehr können die aufgrund der Deformation der Piezokeramikplatte 4 im piezoelektrischen Material freigesetzten elektrischen Ladungen frei abfließen, so dass sich keine elektromotorische Kraft in der Piezokeramikplatte 4 einstellt. Die Piezokeramikplatte 4 setzt der Biegekraft der Piezokeramikplatte 5 lediglich ihre mechanisch bedingen Rückverformungskräfte entgegen.
-
Mit dem Öffnen des Schaltmittels 19 bleibt die elektrische Potentialdifferenz über der Piezokeramikplatte 5 erhalten, so dass diese auch ihre Biegestellung beibehält, solange das Schaltmittel 20 ebenfalls geöffnet bleibt.
-
Mit dem Schließen des Schaltmittels 20 können die Ladungen von der Außenoberfläche 10 der Piezokeramikplatte 5 abfließen. Da das Sperrmittel 21 jedoch ein Abfließen der korrespondierenden Ladungen von der Zwischenlage 8 verhindert, da die Diode diesbezüglich in Sperrrichtung geschaltet ist, können sich die Ladungen nur zwischen den beiden Piezokeramikplatten 4, 5 verteilen. Somit weisen diese jeweils die gleiche elektrische Potentialdifferenz auf. Aus diesem Grund stellt sich in beiden Piezokeramikplatten 4, 5 die gleiche innere mechanische Spannung ein und die beiden Piezokeramikplatten 4, 5 üben in Betrag und Richtung gleiche Kräfte auf die Zwischenlage 8 aus. Durch dieses Kräftegleichgewicht zwischen den beiden Piezokeramikplatten 4, 5 nimmt der Trimorph 2 wieder die Biegestellung gemäß der 1 ein. Allerdings ist für einen neuerlichen Biegevorgang in die Biegestellung gemäß der 2 aufgrund der bereits in den beiden Piezokeramikplatten 4, 5 gespeicherten elektrischen Energie nur noch ein Bruchteil der ursprünglich notwendigen Energiemenge notwendig, da ein Teil der für den Biegevorgang notwendigen elektrischen Ladungen bereits auf den Piezokeramikplatten 4, 5 gespeichert ist.
-
Sofern also das Schaltmittel 20 wieder geöffnet wird und das Schaltmittel 19 geschlossen wird, können erneut Ladungen an die Außenoberfläche 10 der Piezokeramikplatte 5 zugeführt werden, die zu den im vorausgegangenen Schritt verbliebenen Ladungen zu addieren sind und somit bei geringem Energieeinsatz einen raschen Aufbau der zum Erreichen der Biegestellung gemäß 2 notwendigen elektrischen Potentialdifferenz ermöglichen.
-
Wie aus dem elektrischen Ersatzschaltbild für den Biegewandler 1 gemäß der 3 entnommen werden kann, sind die Schaltmittel 19, 20 exemplarisch jeweils als Transistoren ausgebildet, wobei das Schaltmittel 19 als PNP-Transistor und das Schaltmittel 20 als NPN-Transistor verwirklicht sind.
-
Wie aus dem Spannungs-Zeitdiagramm für die elektrischen Potentialdifferenzen an den beiden Piezokeramikplatten 4, 5 hervorgeht, ist bei einer erstmaligen Spannungsbeaufschlagung der Piezokeramikplatte 5, beispielsweise bei einer ersten Inbetriebnahme des Biegewandlers 1, wie sie im Zeitintervall zwischen t0 und t1 dargestellt wird, eine Aufladung der Piezokeramikplatte 5 ausgehend von einer verschwindenden Potentialdifferenz U0 bis zu einer Potentialdifferenz U1 erforderlich. Da die Piezokeramikplatte 4 während dieses Zeitintervalls aufgrund der entsprechenden Ausrichtung des Sperrmittels 21 kurzgeschlossen ist, findet dort kein Aufbau einer Potentialdifferenz statt. Zum Zeitpunkt t1 wird das Schaltmittel 19 geöffnet und das Schaltmittel 20 wird geschlossen. Dadurch kommt es zu einem Ladungsabfluss an der Außenoberfläche 10 der Piezokeramikplatte 5, ferner erfolgt ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Piezokeramikplatten 4, 5 an den Oberflächen 6, 7. Dadurch stellt sich zum Zeitpunkt t2 in der Piezokeramikplatte 4 die gleiche Potentialdifferenz wie in der Piezokeramikplatte 5 ein, somit liegt zu diesem Zeitpunkt ein Kräftegleichgewicht zwischen den beiden Piezokeramikplatten 4, 5 vor, das zur Biegestellung gemäß 1 führt. Wenn nun zum Zeitpunkt t2 das Schaltmittel 20 geöffnet und erneut das Schaltmittel 19 geschlossen wird, ist für die Biegebewegung des Trimorph 2 in die Biegestellung gemäß 2 nur eine Potentialänderung von ca. 50 Prozent erforderlich, da auf der Piezokeramikplatte 5 bereits eine Potentialdifferenz vorliegt. Ferner wird der Biegevorgang des Trimorph 2 dadurch unterstützt, dass die Ladungen von der Piezokeramikplatte 4 über die Zwischenlage 8 auf die Piezokeramikplatte 5 verlagert werden und dass Ladungen an der Außenoberfläche 9 der Piezokeramikplatte 4 einfach abfließen können.
-
Somit wird der Energieaufwand für die Wiederholung des Biegevorgangs ausgehend vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 gegenüber dem im Zeitintervall zwischen t0 und t1 vorgenommenen Biegevorgang zumindest nahezu halbiert.
-
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform eines Biegewandlers sind mit dem Ersatzschaltbild gemäß 3 funktionsgleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern versehen und werden nachstehend auch nicht nochmals beschrieben. Abweichend vom Blockschaltbild gemäß der 3 ist beim Blockschaltbild gemäß der 5 eine Reihenschaltung des Sperrmittels 21 mit einer vorzugsweise als Zenerdiode ausgebildeten Spannungsstufe 30 vorgesehen. Abweichend von der Ausführungsform gemäß der 3 stellt die Spannungsstufe 30 für den Fall, dass die elektrische Potentialdifferenz über dem Sperrmittel 21 einen elektrische Ladungsfluss durch das Sperrmittel 21 ermöglicht, ein vorgebbares, insbesondere von der Zenerspannung der Spannungsstufe 30 abhängiges, Mindestpotential an der Zwischenlage 8 des Trimorph 2 gemäß den 1 und 2 sicher. Vorliegend ist sind die Sperrrichtungen des Sperrmittels 21 und der Spannungsstufe 30 gegensinnig angeordnet, so dass ein Abfluss von elektrischen Ladungen über das Sperrmittel 21 nur so lange möglich ist, bis die diesbezüglich in Sperrrichtung geschaltete Spannungsstufe 30 bei Erreichen einer vorgebbaren Sperrspannung (vorliegend Zenerspannung) ein weiteres Abfließen von elektrischen Ladungen unterbindet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
