DE1266357B

DE1266357B - Piezoelectric alternating voltage generator

Info

Publication number: DE1266357B
Application number: DEC28368A
Authority: DE
Inventors: George Hiram Hufferd; Robert Heidler Josephson; Alfred Leslie Warwick Williams
Original assignee: Clevite Corp
Current assignee: Clevite Corp
Priority date: 1961-11-06
Filing date: 1962-11-03
Publication date: 1968-04-18

Description

Piezoelektrischer Wechselspannungserzeuger Die Erfindung betrifft einen umlaufenden Wechselspannungserzeuger mit einem mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Element zur Umformung von Druckschwankungen in eine elektrische Wechselspannung.Piezoelectric alternating voltage generator The invention relates to a rotating alternating voltage generator with a piezoelectric one provided with electrodes Element for converting pressure fluctuations into an electrical alternating voltage.

Es sind im wesentlichen zwei Verfahren zum Erzeugen einer Spannung in einem piezoelektrischen Element bekannt. Bei dem einen Verfahren wird das piezoelektrische Element mit einem Hammer angeschlagen, was periodisch geschehen kann. Hierbei werden im piezoelektrischen Element Schwingungen und als Folge davon an seinen Elektroden unterschiedliche Potentiale erzeugt. Die Nachteile dieses Verfahrens zux Spannungserzeugung sind mechanischer und elektrischer Natur. Einerseits sind die heute verwendeten piezoelektrischen Materialien, z. B. Bariumtitanat, leicht zerbrechlich, so daß das ständige Gegenschlagen eines Hammers ihre Lebensdauer stark vermindert. Andererseits sind die an den Elektroden abnehmbaren Spannungen kleiner als man theoretisch berechnet, weil sich auf Grund der Hammerschläge einige elektrische Phänomene, die ebenfalls zur Spannung zwischen den Elektroden beitragen können, nichtausbilden.There are essentially two methods of creating a voltage known in a piezoelectric element. One method is the piezoelectric Element struck with a hammer, which can happen periodically. Here will be vibrations in the piezoelectric element and, as a result, on its electrodes different potentials generated. The disadvantages of this method in terms of voltage generation are mechanical and electrical in nature. On the one hand are those used today piezoelectric materials, e.g. B. barium titanate, easily fragile, so that the constant hitting of a hammer greatly reduces their service life. on the other hand the voltages that can be picked up at the electrodes are lower than theoretically calculated, because there are some electrical phenomena due to the hammer blows can contribute to the voltage between the electrodes.

Bei dem zweiten Verfahren zum Erzeugen eineT Spannung in einem piezoelektrischen Element wird dieses stetig zunehmend be- oder entlastet, und zwar so, daß in ihm keinerlei Schwingungen auftreten. Zur Ausübung dieses Verfahrens sind jedoch noch keine zufriedenstellend arbeitenden Vorrichtungen vorgeschlagen worden. Insbesondere weisen die bekannten Vorrichtungen den Nachteil auf, daß der Druck nur auf einen relativ kleinen Bereich des piezoelektrischen Elementes Übertragen wird und der Verschleiß der zum übertragen des Drucks verwendeten Bauteile relativ groß ist.In the second method of generating a T voltage in a piezoelectric Element this is steadily increasingly burdened or relieved, in such a way that in it no vibrations occur. To practice this procedure, however, are still no satisfactorily operating devices have been proposed. In particular the known devices have the disadvantage that the pressure is only on one relatively small area of the piezoelectric element is transmitted and the Wear of the components used to transfer the pressure is relatively large.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum periodischen Be- und Entlasten eines piezoelektrischen Elementes zu schaffen, die die genannten Nachteile nicht aufweist.The invention is based on the object of a device for periodic To create loading and unloading of a piezoelectric element, the said Does not have any disadvantages.

Ausgehend von dem eingangs erwähnten umlaufenden Wechselspannungserzeuger besteht dazu die Erfindung darin, daß zum übertragen der Druckschwankungen auf das piezoelektrische Element ein Radiallager, insbesondere ein Kugel- oder Rollenlager, verwendet wird, dessen einer Laufring aus elastisch deformierbarern Material besteht und an einer oder mehreren Stellen unmittelbar oder mittelbar in mechanischer Verbindung mit einer Seite eines fest gelagerten piezoelektrischen Elementes steht, und dessen anderer Laufring entweder unrund ist und aus einem nicht deformierbaren Material besteht oder aber ebenfalls aus einem elastisch defonnierbaren Material besteht und durch eine Verspannungsvorrichtung mehr oder weniger in einen unrunden Zustand verspannt ist.Starting from the rotating alternating voltage generator mentioned at the beginning the invention consists in that to transfer the pressure fluctuations to the piezoelectric element a radial bearing, in particular a ball or roller bearing, is used, one of which is a race made of elastically deformable material and at one or more points directly or indirectly in mechanical connection stands with one side of a fixedly mounted piezoelectric element, and its other race is either out of round and made of a non-deformable material consists or also consists of an elastically defonnable material and by a bracing device more or less in a non-round state is tense.

Mittels der Verspannungsvorrichtung, die einen den äußeren Laufring konzentrisch umgebenden Verspannungsring aufweisen kann, ist das Maß der Verspannung vorzugsweise veränderbar. Als piezoelektrisches Element kann man eine bezüglich der Achse der Laufringe koaxial angeordnete Scheibe verwenden" die bezüglich der Achse in radialer Richtung polarisiert sein kann. Diese Scheibe besitzt vorzugsweise eine mittlere öffnung und ist in eine Anzahl von Kreissektoren geteilt, wobei benachbarte Kreissektoren in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind.By means of the tensioning device, one of the outer race may have concentrically surrounding bracing ring, is the degree of bracing preferably changeable. As a piezoelectric element, one can refer to the axis of the races use coaxially arranged washer "with respect to the Axis can be polarized in the radial direction. This disc preferably has has a central opening and is divided into a number of circular sectors, with adjacent ones Circular sectors are polarized in opposite directions.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das piezoelektrische Element aus mindestens einem länglichen, bezüglich der Achse senkrecht angeordneten Körper bestehen, der z. B. als Sehne in den inneren Laufring eingesetzt und von diesem unverschieblich gehaltert ist.According to a further embodiment, the piezoelectric Element composed of at least one elongate, arranged perpendicularly with respect to the axis Body exist that z. B. used as a tendon in the inner race and from this is immovable.

Das piezoelektrische Element kann jedoch auch außerhalb der Ebene des Lagers angeordnet sein. In diesem Fall kann eine Endfläche des piezoelektrischen Elementes über ein Medium, das einen Druck nach allen Richtungen fortpflanzen kann, z. B. Gummi, oder über einen starren Stempel mit dem einen elastisch deformierbaren- Laufriing in Verbindung stehen. Längliche piezoelektrische Elemente sind vorzugsweise in Richtung der Längsachse polarisiert.However, the piezoelectric element can also be out of plane of the camp be arranged. In in this case, an end face of the piezoelectric element over a medium that exerts pressure in all directions can reproduce, e.g. B. rubber, or a rigid stamp with one elastic deformable raceway in connection. Elongated piezoelectric elements are preferably polarized in the direction of the longitudinal axis.

Als unrunder Lagerring eignet sich vorzugsweise eine Nockenscheibe.A cam disk is preferably suitable as the non-circular bearing ring.

Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben.The invention is described below in conjunction with the drawings described in more detail on the basis of some exemplary embodiments.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Schnitt längs der Linie 1-1 der F i g. 2; F i g. 1 a zeigt Einzelheiten des Ausführungsbeispiels nach der F i g. 1; F i g. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1; Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung als Schnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 4; F i g. 4 ist ein Schnitt längs der Linie 4-4 der F i g. 3; Fig. 5 ist ein Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung; F i g. 6 ist ein Schnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung; F i g. 7 zeigt schematisch die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach der F i g. 6. F i g. 1 shows an embodiment of the invention as a section along the line 1-1 of FIG. 2; F i g. FIG. 1 a shows details of the exemplary embodiment according to FIG. 1; F i g. Figure 2 is a section taken on line 2-2 of Figure 1; Fig. 3 shows a further embodiment of the invention as a section along the line 3-3 of FIG. 4; F i g. Figure 4 is a section taken along line 4-4 of Figure 4 . 3; Fig. 5 is a section through a third embodiment of the invention; F i g. 6 is a section through a fourth embodiment of the invention; F i g. 7 schematically shows the mode of operation of the exemplary embodiment according to FIG. 6th

In den Fig. 1 und 2 ist ein piezoelektrischer' Wechselspannungserzeugerl gezeigt. Er enthält ein radiales Kugellager2 mit einem inneren Laufring3 und einem äußeren Laufring5. Die Laufringe, sind koaxial zueinander angeordnet und bestehen bevorzugt aus einem elastisch deformierbaren metallischen Material- Jeder Laufring stellt eine Lagerfläche dar. Zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring sind eine Anzahl von Kugellagern 7 so angeordnet, daß sie abrollen können bzw. daß die beiden Laufringe mit geringer Reibung relativ zueinander gedreht worden können. Ein Verspannungsring 9 aus einem starren Material umgibt den äußeren Laufring 5. Er dient dazu, die Laufringe bezüglich der gemeinsamen: Achse unrund zu verspannen. Sein innerer Durchmesser ist etwas größer als der Außendurchmesser des äußeren Laufringes 5. Eine SteRschraube 11, die in radialer Richtung durch den Ring 9 geführt ist, liegt am äußeren Laufring 5 an. Die Verspannung des äußeren Laufringes wird dadurch erreicht, daß man die Stellschraube 11 so lange gegen den äußeren Laufring anzieht, bis dieser eine unrunde Gestalt von vorbestimmter Form aufweist.In FIGS. 1 and 2, a piezoelectric alternating voltage generator is shown. It contains a radial ball bearing2 with an inner race3 and an outer race5. The races are arranged coaxially to each other and are preferably made of an elastically deformable metallic material. Each race represents a bearing surface. Between the inner and outer race, a number of ball bearings 7 are arranged so that they can roll or that the two races can be rotated relative to each other with low friction. A bracing ring 9 made of a rigid material surrounds the outer race 5. It is used to brace the races in a non-circular manner with respect to the common axis. Its inner diameter is somewhat larger than the outer diameter of the outer race 5. A steering screw 11, which is guided in the radial direction through the ring 9 , rests on the outer race 5 . The tensioning of the outer race is achieved by tightening the adjusting screw 11 against the outer race until it has a non-circular shape of a predetermined shape.

Durch die Feststellung der SteRschraube 11 wird die unrunde Verspannung des normalerweise ringförmigen äußeren Laufringes 5 aufrechterhalten. Wenn der Laufring verspannt ist, dann liegt sein kleinster Durchmesser in einer Ebene, die durch die Mittelachse und den Mittelteil der Stellschrauhe 11 verläuft, während sein größter Durchmesser etwa senkrecht zum kleinsten Durchmesser steht. Da der innere Laufring 3 aus einem elastisch deformierbaren Material besteht und sich zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring Kugellagerkugeln befinden, wird der innere Laufring in dem gleichen Maß wie der äußere Laufring unrund verzerrt.By fixing the steering screw 11 , the non-circular tensioning of the normally annular outer race 5 is maintained. When the race is clamped, its smallest diameter lies in a plane which runs through the central axis and the central part of the adjusting screw 11 , while its largest diameter is approximately perpendicular to the smallest diameter. Since the inner race 3 is made of an elastically deformable material and there are ball bearing balls between the inner and outer races, the inner race is distorted out of round to the same extent as the outer race.

Innerhalb des inneren Laufringes 3 ist koaxial ein piezoelektrisches Element 13 angeordnet, das als Kreisscheibe mit einer Mittelöffnung 14 ausgebildet ist. Der durch die öffnung 14 begrenzte Raum ist mit 15a überlappt und zu dessen Halterung dient. Mit der Hülse 17 werden somit die übeTzüge15a und 15 b an ihrem Platz gehalten, und es wird eine feste Verbindung zwischen der Welle 21 und dem Element 13 hergestellt, so daß bei einer Drehung der Welle die Scheibe 13, die Hülse 17 und der innere Laufring 3 mitgedreht werden. Der äußere Laufring 5 und der Verspannungsring 9 werden dagegen mittels einer nicht gezeigten Vorrichtung ortsfest gehalten,' Die Hülse 17 besteht aus einem elastisch deformierbaren Material, damit sie eine radiale Belastung übertragen kann.A piezoelectric element 13 , which is designed as a circular disk with a central opening 14, is arranged coaxially within the inner race 3. The space delimited by the opening 14 is with 15a overlaps and serves to hold it. With the sleeve 17 thus the übeTzüge15a and 15 b held in place, and there is a fixed connection between the shaft 21 and the element 13 made, so that upon rotation of the shaft, the disc 13, the sleeve 17 and the inner race 3 can also be rotated. The outer race 5 and the tension ring 9 , however, are held stationary by means of a device (not shown). The sleeve 17 consists of an elastically deformable material so that it can transmit a radial load.

Die piezoelektrische Scheibe 13 kann aus einem Kristall oder aus einer piezoelektrischen keramischen Masse bestehen. Mit Vorzug besteht die Scheibe aus einem polykristallinen keramischen Material,' wie beispielsweise Bariumtitanat oder Blei-Zirkontitanat. Außerdem ist es günstig, wenn die Scheibe in eine Anzahl von Kreissektoren 13 a, 13 b, 13 c und 13 d geteilt ist, die in abwechselnden Richtungen polari, siert sind. Im einzelnen (F ig. la) werden die Sektoren 13 a und 13 c dadurch polarisiert, daß man beispielsweise an Elektroden26a und 26c auf dem inneren Umfang des Elementes 13 den positiven Pol und an Elektroden 28 a und 28 c auf dem äußeren Umfang des Elementes 13 den negativen Pol einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle legt. Die angrenzenden Kreissektoren 13 b und 13 d sind beide identgegengesetzter Richtung polarisiert, d. h., der negative Pol der SpannungsqueRe wird mit Elektroden 26 b und 26 d auf dem inneren Umfang und der positive Pol mit Elektroden 28b und 28d%uf dem äußeren Umfang des Elementes 13 verbunden.The piezoelectric disc 13 can consist of a crystal or a piezoelectric ceramic mass. The disk preferably consists of a polycrystalline ceramic material such as barium titanate or lead zirconate titanate. In addition, it is advantageous if the disk is divided into a number of circular sectors 13 a, 13 b, 13 c and 13 d , which are polarized in alternating directions. In detail (Fig. La) the sectors 13 a and 13 c are polarized by, for example, electrodes 26 a and 26 c on the inner circumference of the element 13, the positive pole and electrodes 28 a and 28 c on the outer circumference of the element 13 sets the negative pole of a voltage source (not shown). The adjoining circular sectors 13 b and 13 d are both polarized identically in opposite directions, d. h., the negative pole of the voltage interfere b d connected to electrodes 26 and 26 on the inner periphery and the positive pole to electrodes 28b and 28d% uf the outer circumference of member 13.

Damit das Element 13 polarisiert werden kann, müssen alle Elektroden voneinander getrennt sein. Ist die Polarisierung einmal durchgeführt, so ist es dagegen nicht mehr notwendig, die einzelnen Elek- troden auf dem inneren Umfang 26 bzw. die einzelnen Elektroden auf dem äußeren Umfang 28 voneinander zu trennen, da das piezoelektrisch erzeugte elektrische Feld in allen vier Kreissektoren parallel und nicht antiparaHel, steht.So that the element 13 can be polarized, all electrodes must be separated from one another. Is the polarization performed once, it is, however, no longer necessary to separate the individual electrodes on the inner periphery 26 and the individual electrodes on the outer periphery 28 of each other, since the electric field piezo-electrically generated in all four sectors of a circle parallel and not antiparaHel, stands.

Die Hülse 17 ist mit dem inneren Laufring 3 geeignet fest verbunden. Die EinsteRschraube 1-1 wird gegen den äußeren Laufring gedrückt, so daß für den inneren und für den äußeren Laufring, die Hülse und die piezoelektrische Scheibe ein unrunder Zustand erzwungen wird. Der auf das piezoelektrische Element ausgeübte Druck wirkt dann so, daß die Sektoren 13 a und 13 c in radialer Richtung auf Druck und die Sektoren 13 d und 13 b in radialer Richtung auf Zug beansprucht sind und das piezoelektrisch erzeugte Feld bei der oben angegebenen Vorpolarisierung gleichmäßig radial gerichtet ist. Die negativen Ladungen sammeln sich auf der äußeren Elektrode 28, die positiven Ladungen auf der inneren Elektrode 26. Die Elektroden 28a bis 28d auf dem äußeren Umfang sind durch Berührung mit der Hülse 17 kurzgeschlossen und bilden einen Anschluß, der geerdet wird. Die Elektroden 26 a bis 26 d auf dem inneren Umfang sind durch Berührung mit dem Körper 23 ebenfalls kurzgeschlossen.The sleeve 17 is securely connected to the inner race 3 in a suitable manner. The adjusting screw 1-1 is pressed against the outer race, so that an out-of-round state is forced for the inner and outer races, the sleeve and the piezoelectric disc. The pressure exerted on the piezoelectric element then acts in such a way that the sectors 13 a and 13 c are subjected to pressure in the radial direction and the sectors 13 d and 13 b are subjected to tension in the radial direction and the piezoelectrically generated field with the above-mentioned pre-polarization is uniform is directed radially. The negative charges accumulate on the outer electrode 28, the positive charges on the inner electrode 26. The electrodes 28a to 28d on the outer circumference are short-circuited by contact with the sleeve 17 and form a connection which is earthed. The electrodes 26 a to 26 d on the inner circumference are also short-circuited by contact with the body 23.

Nach einer Drehung um 900 stehen die Sektoren 13 b und 13 d unter Druck und die Sektoren. 13 a und 13 c unter Zug. Dadurch wird die Polarität der piezoelektrisch erzeugten Spannung umgekehrt. Nach jeder Drehung um jeweils 901 tritt ein Polaritätswechsel ein, wodurch bei fortlaufender Drehung der Scheibe eine stationäre Wechselspannung erzeugt wird. Auf jede Umdrehung der Welle 21 fallen dabei zwei vollständige Spannungsperioden.After a rotation of 900 , the sectors 13 b and 13 d are under pressure and the sectors. 13 a and 13 c under tension. This reverses the polarity of the piezoelectrically generated voltage. After each rotation of 901 , a polarity change occurs, whereby a steady alternating voltage is generated as the disk continues to rotate. There are two complete voltage periods for each revolution of the shaft 21.

Die relative Drehung zwischen den beiden Laufringen kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Man kann entweder den inneren Laufring für sich allein drehen, wie-es oben beschrieben ist. Man kann aber auch den äußeren Laufring gemeinsam mit dem Verspannungsring 9 drehen oder den inneren und den äußeren Laufring gleichzeitig mit entgegengesetztem Drehsinn drehen. Eine entgegengesetzte Drehung der Laufringe mit der gleichen Drehzahl wirkt theoretisch so, als ob man eine zweifach geteilte Anordnung durch eine vierfach geteilte Anordnung ersetzt.The relative rotation between the two races can be accomplished in a number of ways. You can either turn the inner race on its own, as described above. But you can also rotate the outer race together with the bracing ring 9 or rotate the inner and outer race at the same time with opposite directions of rotation. An opposite rotation of the races at the same speed theoretically acts as if one were to replace a two-part arrangement with a four-part arrangement.

Wenn man den beschriebenen Wechselspannungserzeuger für die Zündanlage zum Herstellen der Zündfunken eines Verbrennungsmotors verwendet und dabei die Welle 21 in zeitlicher Beziehung zur Drehung der Nockenwelle des Motors antreibt, dann kann man den Punkt maximaler Kompression des piezoelektrisehen Elementes 13 im Verhältnis zur Lage des Kolbens leicht per Hand dadurch einstellen und damit den Zündzeitpunkt vorverlegen oder verzögern, daß man den normalerweise ortsfesten äußeren Laufring in der einen oder anderen Richtung relativ zur Welle 21 dreht.If one uses the described alternating voltage generator for the ignition system to produce the ignition sparks of an internal combustion engine and thereby drives the shaft 21 in relation to the rotation of the camshaft of the engine, then the point of maximum compression of the piezoelectric element 13 in relation to the position of the piston can easily be achieved by Set by hand and thus advance or delay the ignition point by rotating the normally stationary outer race in one direction or the other relative to the shaft 21.

Die F i g. 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall werden die Druckschwankungen mit Hilfe eines verspannbaren radialen Rollenlagers 2a auf ein piezoelektrisches Element 40 übertragen.The F i g. 3 and 4 show a further embodiment of the invention. In this case, the pressure fluctuations are transmitted to a piezoelectric element 40 with the aid of a tensionable radial roller bearing 2a.

Das Rollenlager 2 a enthält einen äußeren Laufring 5a und einen inneren Laufring in Form einer Hülse 17a. Zwischen der Hülse 17a und dem äußeren Laufring 5a sind Lagerrollen 36 angeordnet. Auf diese Weise kann man auf die Verwendung eines inneren Laufringes verzichten.The roller bearing 2a includes an outer race 5a and an inner race in the form of a sleeve 17a. Bearing rollers 36 are arranged between the sleeve 17a and the outer race 5a. In this way you can do without the use of an inner race.

Innerhalb der Hülse 17a ist eine runde Montageplatte 38 angeordnet, die jedoch die innere Oberfläche der Hülse 17a nicht berührt. Die Montageplatte 38 wird vom Stützkörper 19 a an einer Welle 21a getragen, wozu sie mit diesem geeignet verbunden ist. Die Montageplatte besteht aus einem starren Material und ist mit einem in Richtung einer Sehne verlaufenden Schlitz 39 versehen (als solcher nicht sichtbar), in welchem das piezoelektrische Element 40 und Schutzumhüllungen 52, 53 und 54 untergebracht sind. Das piezoelektrische Element 40 besteht aus zwei getrennten, zylindrischen Körpern 40 a und 40 b, die sich mit ihren Enden gegenüberstehen und aus einem der obengenannten polykristallinen Materialien bestehen.A round mounting plate 38 is arranged within the sleeve 17a, but does not touch the inner surface of the sleeve 17a. The mounting plate 38 is carried by the support body 19 a on a shaft 21 a, for which purpose it is suitably connected to this. The mounting plate consists of a rigid material and is provided with a slot 39 (not visible as such) running in the direction of a chord, in which the piezoelectric element 40 and protective sheaths 52, 53 and 54 are accommodated. The piezoelectric element 40 consists of two separate, cylindrical bodies 40 a and 40 b, which are opposite at their ends and consist of one of the above-mentioned polycrystalline materials.

Während der Herstellung werden die piezoelektrisehen Körper 40 a und 40 b geeignet polarisiert, damit sie bei Druckbeanspruchung piezoelektrisch ansprechen. Sie sind außerdem mit Elektroden versehen und elektrisch geerdet, so daß beim Einwirken eines Drucks auf die Körper eine Hochspannung erzeugt wird. Die zwei Körper 40 a und 40 b sind mechanisch in Reihe und elektrisch parallel geschaltet. Das läßt sich dadurch erreichen, daß man die gleichartigen Pole der beiden Elemente zur Mitte hin anordnet. Um eine geeignete elektrische Verbindung der Elemente mit einem Anschlußkabel 27a zu ermöglichen, ist zwischen den keramischen Körpern 40 a und 40 b eine Anzahl dünner Aluminiumscheiben 42 angeordnet. Die äußeren Endflächen der keramischen Körper 40 a und 40 b liegen dagegen gegen Aluminiumscheiben 44 und 46 an, so daß sie geerdet werden können.During manufacture, the piezoelectric bodies 40 a and 40 b are suitably polarized so that they respond piezoelectrically to compressive stress. They are also provided with electrodes and electrically grounded so that a high voltage is generated when pressure is applied to the body. The two bodies 40 a and 40 b are mechanically connected in series and electrically in parallel. This can be achieved by arranging the poles of the same kind of the two elements towards the center. In order to enable a suitable electrical connection of the elements with a connecting cable 27a is provided between the ceramic bodies 40 and 40b a number of thin aluminum discs 42 are arranged. The outer end surfaces of the ceramic body 40 a and 40 b , however, lie against aluminum disks 44 and 46 so that they can be grounded.

Jeder Körper 4,0 a und 40 b ist in geeigneter Weise mit einer zylindrischen Schutzumhüllung 52 bzw. 53 umgeben, die aus feuchtigkeitsbeständigem Isoliermaterial besteht. Eine Schutzumhüllung 54 aus elektrisch isolierendem Kunststoff umschließt außerdem die Körper 40 a und 40 b und die Schutzumhüllungen 52 und 53. Die Schutzumhüllung 54 besitzt in der ähe der Aluminiumscheiben 42 eine schmale Bohrung 56 und einen Ansatz 58 (F i g. 4), durch die das Anschlußkabel 27a geführt ist.Each body 4.0 a and 40 b is surrounded in a suitable manner with a cylindrical protective cover 52 or 53 , which consists of moisture-resistant insulating material. A protective sheath 54 made of electrically insulating plastic also encloses the bodies 40 a and 40 b and the protective sheaths 52 and 53. The protective sheath 54 has a narrow bore 56 and a shoulder 58 ( FIG. 4) through near the aluminum disks 42 which the connection cable 27a is guided.

Die Aluminiumscheiben 42, 44 und 46 dienen zur eichmäßigen Verteilung der auf die Körper 40 a und 40b wirkenden Druckkräfte. Dadurch soll eine symmetrische Ausrichtung der mechanischen Achse bezüglich der elektrischen Achse der piezoelektrischen örper sichergestellt werden.The aluminum disks 42, 44 and 46 are used for calibrated distribution the pressure forces acting on the body 40 a and 40 b. This is supposed to be a symmetrical Alignment of the mechanical axis with respect to the electrical axis of the piezoelectric body are ensured.

In dem Schlitz 39 ist zwischen der Aluminiumscheibe 44 und der Hülse:17a (innerer Laufring) eine schwere Metallplatte 48 und zwischen die Aluminiumscheibe 46 und der Hülse eine ähnliche Platte 50 angeordnet. Die beiden Metallplatten 48 und 50 befinden sich mit der Hülse 17 a an diametral entgegengesetzten Seiten in Anlage.A heavy metal plate 48 is arranged in the slot 39 between the aluminum disc 44 and the sleeve: 17a (inner race) and a similar plate 50 is arranged between the aluminum disc 46 and the sleeve. The two metal plates 48 and 50 are in contact with the sleeve 17 a on diametrically opposite sides.

Der Durchmesser über die äußeren radialen Flächen der Metallplatten 48 und 50 ist größer als der Durchmesser der Montageplatte 38. Dadurch ragen die Metallplatten in radialer Richtung etwas über die Montageplatte heraus und bilden Schultern, die zum übertragen von Belastungen dienen.The diameter over the outer radial surfaces of the metal plates 48 and 50 is greater than the diameter of the mounting plate 38. As a result, the metal plates protrude somewhat in the radial direction over the mounting plate and form shoulders which serve to transfer loads.

Die Betriebsweise dieses Wechselspannungserzeugers ist die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels. Eine Drehung der Welle 21a verursacht eine relative Drehung zwischen der Hülse 17a und dem äußeren Laüfring 5a. Mit einem Verspannungsring 9 a wird ein fester unrunder Zustand des äußeren Laufringes 5a aufrechterhalten. Die Mantelfläche der Hülse 17a verläuft parallel zu der des äußeren Laufringes, da die Lagerrollen 36 gegen sie drücken. Wiederum ändert sich der radiale Abstand zwischen einem beliebigen vorgegebenen Punkt auf dem Umfang der Hülse 17a und der Mittelachse, wenn der Umfang der Hülse 17a eine fortlaufende Bewegung durchführt, da die Verspannung der Hülse nicht starr ist. Eine Änderung des radialen Abstands bedeutet, daß eine Belastung auf die Metallplatten 46 und 48 wirkt. Durch die Metallplatten wird diese Belastung auf die Körper 40 a und 40 b übertragen, so daß man im Augenblick des größten Druckes eine elektrische Hochspannung erhält. Eine weitere Drehung der Montageplatte38 relativ zum äußeren Laufrin be-. 9 wirkt, daß der Druck auf die Elemente allmählich nachläßt. Nach einer Drehung von 90' bezüglich der Richtung des maximalen Druckes hört die Belastung vollständig auf, so daß ein anderes elektrisches Potential erzeugt wird.The operation of this AC voltage generator is the same as that of the first embodiment. Rotation of the shaft 21a causes relative rotation between the sleeve 17a and the outer runner ring 5a. With a bracing ring 9 a, a firm, non-round state of the outer race 5 a is maintained. The jacket surface of the sleeve 17a runs parallel to that of the outer race because the bearing rollers 36 press against it. Again, the radial distance between any given point on the circumference of the sleeve 17a and the central axis changes when the circumference of the sleeve 17a performs a continuous movement, since the bracing of the sleeve is not rigid. A change in the radial distance means that a load is applied to the metal plates 46 and 48. Through the metal plates, this load is transferred to the body 40 a and 40 b , so that you get a high electrical voltage at the moment of greatest pressure. A further rotation of the mounting plate38 relative to the outer running ring is loading. 9 acts to gradually release the pressure on the elements. After a rotation of 90 ' with respect to the direction of the maximum pressure, the loading ceases completely, so that another electrical potential is generated.

Mit dieser Einrichtung können pro Umdrehung vier elektrische Potentiale erzeugt und über das Anschlußkabel 27a abgenommen werden.With this device, four electrical potentials can be generated per revolution and taken off via the connecting cable 27a.

Die F i g. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es enthält ein hohles Gehäuse 60, das bezüglich des inneren und des äußeren Laufringes 3 b und 5b koaxial angeordnet ist und zusammen mit der Welle 21 b aus einem Stück besteht. Im Gehäuse ist ein piezoelektrisches Element 40 c longitudinal angeordnet, welches von Schutzumhüllungen53a und 54a aus Isoliermaterial umgeben ist.The F i g. 5 shows a third embodiment of the invention. It includes a hollow housing 60 with respect to the inner and the outer race 3b and 5b disposed coaxially and integrally with the shaft 21b is made of one piece. A piezoelectric element 40c is arranged longitudinally in the housing and is surrounded by protective sheaths 53a and 54a made of insulating material.

Eine Aluminiumscheibe44a, die an einer Endfläche des Elementes 40 c anliegt, stellt die spannungsführende Seite des piezoelektrischen Elementes dar. Eine Gewindepfropfen 62, der abschraubbar in das Gehäuse 60 eingesetzt ist, verhindert eine Längsverschiebung des piezoelektrischen Elementes. Der Raum zwischen der Aluminiumscheibe 44a und dem Pfropfen 62 ist mit einer schweren Metallplatte 48 a gefüllt. Der Pfropfen kan auch dazu verwendet werden, das piezoelektrische Element vorzuspannen. An der anderen Endfläche des Elementes 40 c liegt eine zweite Aluminiumscheibe 46a an, die als Erdverbindung dient.A Aluminiumscheibe44a abutting c to an end face of the element 40, represents the live side of the piezoelectric element. A threaded plug 62 is unscrewed inserted into the housing 60 to prevent longitudinal displacement of the piezoelectric element. The space between the aluminum disc 44a and the plug 62 is filled with a heavy metal plate 48 a. The plug can also be used to preload the piezoelectric element. A second aluminum disk 46a, which serves as a ground connection, rests on the other end face of the element 40c.

Durch das Gehäuse sind zwei zylindrische Stäbe 64 und 66 geführt, die auf entgegengesetzten Seiten angeordnet sind und sich radial nach innen erstrecken. Die äußeren radialen Enden der Stäbe liegen am Innenrand des inneren Laufringes 3 b an. Die inneren Enden der Stäbe 64 und 66 ragen gemäß der F i g. 5 in eine Kammer 68, die mit einem Medium 69, das einen Druck nach allen Richtungen fortpflanzen kann, wie beispielsweise Gummi, gefüllt ist. Das Gummi ist so angeordnet, daß es eine Belastung auf das keramische Element übertragen kann. Im freien, unbelasteten Zustand ragen die äußeren radialen Enden der Stäbe über das zylindrische Gehäuse 60 hinaus. Werden der innere und der äußere Laufring 3 b und 5 b relativ zueinander gedreht, dann werden die Stäbe in radialer Richtung in das Medium 69 gedrückt, wodurch dieses gegen das piezoelektrische Element gepreßt wird. Das piezoelektrische Element wird somit in Richtung seiner Längsachse auf Druck beansprucht, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird. Wenn der Druck auf das Element 40 c wieder aufgehoben wird, wird eine umgekehrte elektrische Spannung erzeugt.Two cylindrical rods 64 and 66 are passed through the housing, which are arranged on opposite sides and extend radially inward. The outer radial ends of the rods rest on the inner edge of the inner race 3 b . The inner ends of the rods 64 and 66 protrude as shown in FIG. 5 into a chamber 68 which is filled with a medium 69 which can propagate pressure in all directions, such as rubber, for example. The rubber is arranged so that it can transmit a load to the ceramic element. In the free, unloaded state, the outer radial ends of the rods protrude beyond the cylindrical housing 60 . If the inner and outer races 3 b and 5 b are rotated relative to one another, then the rods are pressed in the radial direction into the medium 69 , whereby this is pressed against the piezoelectric element. The piezoelectric element is thus subjected to pressure in the direction of its longitudinal axis, as a result of which an electrical voltage is generated. When the pressure on the element 40 c is released again, a reverse electrical voltage is generated.

Von dem in der F i g. 6 gezeigten Wechselspannungserzeuger 1 d ist in der F i g. 7 ein Teil vergrößert dargestellt, wobei die gleichen, jedoch mit Strichen versehenen Bezugszeichen verwendet sind.From the one shown in FIG. 6 shown alternating voltage generator 1 d is in F i g. 7 shows a part enlarged, the same reference numerals being used, but with dashes.

Der Spannungserzeuger ld enthält ein Gehäuse 60a. In diesem Gehäuse befindet sich eine Kammer 72, die immer halbwegs kreisförmig bleibt, sowie, eine Kammer 74, die bezüglich der Kammer 72 in radialer Richtung angeordnet ist. Die beiden Kammern 72 und 74 sind durch eine Bohrung.76, die sich ebenfalls in radialer Richtung erstreckt, verbunden.The voltage generator 1d contains a housing 60a. In this housing there is a chamber 72, which always remains semi-circular, and a chamber 74, which is arranged with respect to the chamber 72 in the radial direction. The two chambers 72 and 74 are connected by a bore.76, which also extends in the radial direction.

Innerhalb der kreisförmigen Kammer 72 sind koaxial ein zylindrischer, äußerer Lagerlaufring 5 c und ein innerer Laufring 3 c angeordnet. Der äußere Lauf- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ab- stand der Vorsprünge vom Mittelpunkt der Scheibe etwa 0,25 mm größer als der Abstand der Täler zwischen den Vorsprüngen vom Mittelpunkt. Um # eine übermäßige Reibung zu vermeiden, sind zwischen den inneren und den äußeren Laufringen Kugellagerkugeln 7a eingesetzt.Within the circular chamber 72 , a cylindrical, outer bearing race 5 c and an inner race 3 c are arranged coaxially. The outer running In a preferred embodiment, the distance of the protrusions from the center of the disk is about 0.25 mm greater than the spacing of the valleys between the protrusions from the center. In order to avoid excessive friction, ball bearing balls 7a are inserted between the inner and outer races.

In der Kammer 74 ist ein sich längs erstreckendes piezoelektrisches Element 40 d mit einer Kunststoffumhüllung 54 b gemäß den F i g. 3 und 4 angeordnet. Am äußeren Endes des Elementes 40d liegt eine schwere Metallplatte 48 b an, deren Lage durch eine Einstellschraube 78 vorgegeben ist, welche eine Kappe 80 mit einer mittleren durchgehenden Gewindebohrung82 enthält. Die Kappe80 weist einen Ansatz 84 mit Innengewinde auf, das mit einem Endteil 86 des Gehäuses 60 a im Eingriff steht. In die Bohrung 82 ist eine Schraube 88 eingesetzt, deren Endteil durch die Bohrung ragt und gegen die schwere Metallplatte 48 b drückt. Durch Verstellung der Schraube 88 kann die Metallplatte 48 b entsprechend den jeweiligen Erfordernissen vorgespannt werden.In the chamber 74 there is a longitudinally extending piezoelectric element 40 d with a plastic casing 54 b according to FIGS. 3 and 4 arranged. At the outer end of the element 40d is a heavy metal plate 48 b, whose location is specified by a set screw 78 which includes a cap 80 having a central through Gewindebohrung82. The cap 80 has an internally threaded extension 84 which engages with an end portion 86 of the housing 60 a. A screw 88 is inserted into the bore 82 , the end part of which protrudes through the bore and presses against the heavy metal plate 48 b. By adjusting the screw 88 , the metal plate 48 b can be pretensioned according to the respective requirements.

Gegen das andere Ende des piezoelektrischen El&-mentes 40 b drückt eine weitere Metallplatte 46b, die teilweise gewölbt ist, damit eine gleichmäßige Lastverteilung ermöglicht wird.Against the other end of the piezoelectric El & -mentes 40 b expresses an additional metal plate 46b, which is partially curved, so that an even load distribution is made possible.

In die Bohrung 76 ist zum übertragen von Druckschwankungen mit Schiebesitz ein länglicher Stempel 90 eingesetzt, der am Laufring 5c und an der schweren Metallplatte 46b anliegt, Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 1 bis 5 wird der innere Laufring durch eine Belastung Eine Nockenscheibe mit drei Vorsprüngen kann entsprechend die sechs Zündfunken pro Umdrehung für einen Sechszylinder-Verbrennungsmotor und eine Nockenscheibe mit vier Vorsprüngen die acht Zündfunken für einen Achtzylinder-Verbrennungsmotor liefern, sofern sie mit der gleichen Drehzahl wie die Nockenwelle umlaufen.In order to transmit pressure fluctuations with a sliding fit, an elongated punch 90 is inserted into the bore 76 , which rests against the race 5c and the heavy metal plate 46b. In the exemplary embodiments according to FIGS . 1 to 5 , the inner race is subjected to a load A cam disk with three projections can supply the six ignition sparks per revolution for a six-cylinder internal combustion engine and a cam disk with four projections the eight ignition sparks for an eight-cylinder internal combustion engine, provided they rotate at the same speed as the camshaft.

Claims

Claims: 1. Rotating alternating voltage generator with a piezoelectric element provided with electrodes for converting pressure fluctuations into an electrical alternating voltage, characterized by a radial bearing, in particular a ball or roller bearing, one of which is a raceway (3, 17a., 3b, 5c, 5c ') consists of elastically deformable material and is in direct mechanical communication with one side of a displaceably mounted piezoelectric element (13, 40a d to 40) at one or more points, and the other race of either non-round (3 c, 3 c ') and is selected from a non-deformable material or also consists of an elastically deformable material (5, 5 a, 5 b) and is more or less braced in a non-round state by a bracing device (9, 11).

2. AC voltage generator according to claim 1, characterized in that the amount of tension can be changed by means of the tensioning device (11). 3. AC voltage generator according to claims 1 or 2, characterized in that the tensioning device has a tensioning ring (9) concentrically surrounding the outer race. 4. AC voltage generator according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the piezoelectric element (13) is arranged coaxially with respect to the axis of the races. 5. AC voltage generator according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the piezoelectric element has the shape of a disk. 6. AC voltage generator according to claims 4 and / or 5, characterized in that the piezoelectric element is polarized with respect to the axis in the radial direction. 7. AC voltage generator according to one of claims 4 to 6, characterized in that the piezoelectric element has a central opening (14) and is divided into a number of circular sectors (13 a to 13 d), adjacent circular sectors being polarized in opposite directions. 8. AC voltage generator according to claim 7, characterized in that the piezoelectric element contains at least four circular sectors. 9. AC voltage generator according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the piezoelectric element consists of at least one elongated body (40a, 40b) arranged perpendicularly with respect to the axis. 10. AC voltage generator according to claim 9, characterized in that the elongate body is inserted as a tendon in the inner race (17a) and is held immovably by this. 11. AC voltage generator according to one or more of claims 1 to 3 and 9 to 10, characterized in that the piezoelectric element (40 c) is arranged outside the plane of the bearing. 12. AC voltage generator according to one of claims 1 to 3 and 9 to 11, characterized in that one end face of the piezoelectric element (40 c) via a medium (68) which can propagate a pressure in all directions, with the one elastically deformed race (3 b) is in connection. 13. AC voltage generator according to claim 12, characterized in that the medium (69) and the piezoelectric element (40c) are accommodated in a cylindrical vessel (60) which is coaxial with respect to the races (3 b, 5 b) and rigid with respect to longitudinal expansions, the other end face of the piezoelectric element is supported by a vessel wall. 14. AC voltage generator according to one of claims 11 to 13, characterized in that the medium (69) is rubber. 15. AC voltage generator according to one of claims 1, 9 and 11, characterized in that one end face of the piezoelectric element (40 d) is connected via a rigid stamp (90) to the one elastically deformable race (5 c) . 16. AC voltage generator according to one of claims 9 to 15, characterized in that the piezoelectric element is polarized in the direction of its longitudinal axis. 17. AC voltage generator according to claim 1, characterized in that the non-circular bearing ring (3 c, 3 c) consists of a cam disk.