DE1279172B - Verfahren und Geraet zur Spannungserzeugung durch Be- und Entlasten eines piezoelektrischen Elementes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H02k

H02n

Deutsche KL: 21 d2-5/01

Nummer: 1279172

Aktenzeichen: P 12 79 172.9-32 (C 28350)

Anmeldetag: 6. November 1962

Auslegetag: 3. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Gerät zur Spannungserzeugung durch Be- und Entlasten eines piezoelektrischen Elements innerhalb eines Schaltkreises.

Nach dem bisherigen Stand der Technik sind grundsätzlich zwei verschiedene Typen von piezoelektrischen Spannungsgeneratoren bekannt. Beim ersten Typ wird ein elektrisches Potential dadurch erzeugt, daß man das piezoelektrische Element stoßweise be- und entlastet. Die Schlagdauer auf das EIement ist dabei kürzer als die Zeitkonstante des Kreises. Die Stoßbelastung erzeugt in dem piezoelektrischen Element gleichzeitig zwei verschiedene Schwingungsformen. Die eine ist eine verdichtete Schallwelle, die zwischen den Enden des piezoelektrischen Elements hin- und herläuft und die an den Elektroden keine Ladung hervorbringt. Die zweite ist eine Schwingung in Längsrichtung, die dazu führt, daß sich das piezoelektrische Element außerordentlich rasch verkürzt und verlängert. Jede Längenände- ao rung stellt einen Wechsel in der Belastung dar und erzeugt eine Ladung auf den Elektroden. Diese Ladungen haben immer entgegengesetztes Vorzeichen wie die unmittelbar vor ihnen erzeugten Ladungen. Wenn der piezoelektrische Generator Teil einer Schal- as tung ist, die eine Funkenstrecke enthält, zündet jeder Funken von ausreichender Spannung die Funkenstrecke bei abwechselnder Polarität, mit außerordentlich schneller Folge. Der Überschlag der Funkenstrecke dauert dabei so lange, bis genügend Energie vernichtet worden ist und die erzeugte Spannung nicht mehr ausreicht, den Lichtbogen aufrechtzuerhalten.

Die Nachteile der stoßweisen Belastung sind sowohl mechanischer als auch elektrischer Natur.

Ein anderes Merkmal, das die Anwendbarkeit der Anordnungen des ersten Typs einschränkt, ist die Zusammensetzung der piezoelektrischen Elemente, die heute allgemein verwendet werden. Ein Beispiel ist Bariumtitanat. Aus einem solchen Material lassen sich keine Körper von hoher Druckfestigkeit herstellen. Das keramische Element muß vielmehr in dem Sinne als glasähnlich angesehen werden, da es, eine Druckbelastung ausgenommen, sehr leicht zerbrechlich ist. Das bedeutet, daß eine Stoßbelastung eines piezoelektrischen keramischen Elements seine Lebensdauer abkürzt.

Die Stoßbelastung hat noch einen anderen sehr ausgeprägten Nachteil, nämlich den, daß die Spannung, die sich durch eine solche Erregung des piezoelektrischen Elements erzeugen läßt, wesentlich kleiner als die maximal erreichbare Spannung ist.

Verfahren und Gerät zur Spannungserzeugung
durch Be- und Entlasten eines piezoelektrischen
Elementes

Anmelder:

Clevite Corporation, Cleveland, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
Robert Ridgley Slaymaker,
Cleveland Heights, Ohio;
Charles Byron Small, Elyria, Ohio;
Fred Charters Kelly, Chesterland, Ohio
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 7. November 1961
(150 808)

Infolge einer Stoßbelastung, die die Ausbreitung einer Druckwelle in dem piezoelektrischen Element hervorruft, ist das letztere nicht momentan gleichförmig belastet. Demzufolge rührt die hierdurch erzeugte Spannung ausschließlich aus dem piezoelektrischen Phänomen her. Diese Art der Spannungserzeugung schließt nämlich ein reversibles Umklappen der ferroelektrischen Polarisation aus.

Bei der zweiten bekannten Art der piezoelektrischen Spannungserzeugung wird das piezoelektrische Element statisch belastet, d. h., das Element wird allmählich zusammengedrückt und die Belastung allmählich wieder vermindert (USA.-Patentschrift 009 975). Die Belastung, die auf das piezoelektrische Element wirkt, erzeugt eine einzelne Zusammenziehung und eine einzelne Ausdehnung des Elements. Die Belastung wird langsam genug aufgebaut und zu jedem Zeitpunkt kontrolliert, so daß in dem piezoelektrischen Element keinerlei Schwingungen auftreten.

In den Anordnungen der letzten Kategorie ist es das Ziel, eine Ladung langsam aufzubauen und die

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Ladung über eine gewisse Zeitdauer festzuhalten und Die bemerkenswerten Vorzüge dieser Erfindung anschließend die Ladung durch einen Schalter wieder über den bisherigen Stand der Technik werden durch freizugeben, was üblicherweise im Zeitpunkt der die folgenden wichtigen Gesichtspunkte klargestellt: Maximalspannung geschieht. Die Schaltung muß sehr 1. Die Belastung eines piezoelektrischen Elements, gut isoliert sein, um Kriechströme während der 5 die durch ein allmähliches Zusammendrücken und Ladeperiode zu verhindern. Die Zeit, während der plötzliches Freigeben erzeugt wird, ist etwa halb so die Druckbelastung auf das piezoelektrische Element groß wie die Belastung, die durch Hämmern unter einwirkt, muß kürzer sein als der Wert der Zeitkon- ähnlichen Bedingungen entsteht. Piezoelektrische stante der Schaltung, da andererseits die Ladung be- keramische Massen, die normalerweise in solchen reits abfließen könnte, bevor die Maximalspannung io Anordnungen verwendet werden, sind von Natur zererreicht ist, die sich mit der bekannten Anordnung brechlich und sind nicht in der Lage, hohe Schlagerreichen ließe. Dies gilt ebenfalls für die Zeitdauer belastungen auszuhalten.

des Nachlassens der Druckbelastung. Der Druck muß 2. Die Vorrichtung macht einen Schalter, der das

während einer Zeitdauer nachlassen, die kürzer ist piezoelektrische Element und den Verbraucher im

als die Zeitkonstante. Diese Anordnung erzeugt wäh- 15 Augenblick der höchsten Spannung verbindet und

rend des Zusammendrückens ein elektrisches Poten- trennt, entbehrlich. Dieses ist ein Vorzug über eine

tial der einen Polarität, während ein anderes elek- Anordnung, die mit allmählichem Zusammendrücken

irisches Potential von entgegengesetzter Polarität und allmählichem Freigeben arbeitet,

während des Nachlassens der Druckbelastung auftritt. 3. Es wird eine größere Spannung erzeugt, und

Wiederum wird das Einsetzen eines Schalters zwi- ao zwar durch

sehen das piezoelektrische Element und die Funken- a) die Verwendung des reversiblen Umklappens der strecke, beispielsweise eine Zündkerze, nötig, um ein- ferroelektrischen Polarisation; dies ist ein Vormal während des Zeitraumes, in dem die Druck- zug gegenüber der Schlagbelastung,
belastung auf das piezoelektrische Element wirkt, b) das Erzeugen einer Spannung während einer dieses Element von der Funkenstrecke zu trennen, 25 Zeitdauer, die einen Spannungsverlust entweder und zum anderen, um die Funkenstrecke im Zeit- vermindert oder ganz verhindert,
punkt der Maximalspannung mit dem piezoelek- c) einen verbesserten Wirkungsgrad des Systems, irischen Element zu verbinden. Ohne diesen Schalter Kompaktheit der Vorrichtung, Minderung der wird die Spannung während der verhältnismäßig Energieverluste usw.

langen Zeitdauer, während der das piezoelektrische 30 4. Während der Druckbelastung und Druckent-Element zusammengedrückt wird, über die Funken- lastung des piezoelektrischen Elements treten im Gestrecke vernichtet. gensatz zur Schlagbelastung keinerlei Schwingungen

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die auf.

Spannungserzeugung mit einem innerhalb eines Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines

Schaltkreises eingeschalteten piezoelektrischen EIe- 35 Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeich-

ment dadurch, daß die zunehmende Belastung des nungen näher beschrieben.

piezoelektrischen Elements über eine Zeitdauer er- F i g. 1 ist ein Aufriß der Anordnung, teilweise gefolgt, die länger als die Entlastungszeitdauer ist, die schnitten; die Frontplatte ist dabei abgenommen;
ihrerseits kürzer als die Zeitkonstante des Schalt- Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt kreises ist. 40 Einzelteile aus Fig. 1.

Diese Bedingungen bewirken, daß die Ladung, die Die Erfindung verkörpert eine elektrische Spandurch die Anwendung einer Druckbelastung erzeugt nungsquelle 1 mit einem Gehäuse 3, das aus mehrewird, in einem hohen Maß abfließen kann. Jede ren Teilen aufgebaut ist. Es enthält eine obere Deckübrigbleibende Ladung gleicht sich mit derjenigen platte S₃ eine Bodenplatte 7 und Seitenwände 9 und Ladung aus, die durch das plötzliche Wegnehmen der 45 11. Die Bodenplatte ist mit Schraubenbolzen 13 ver-Druckbelastung erzeugt wird, die von entgegengesetz- sehen, die sich durch diese Bodenplatte hindurch erter Polarität ist, d. h., wenn die Zeit während der strecken, mit denen man die Anordnung 1 auf einen das piezoelektrische Element unter Druck steht, der Stützkörper aufschrauben kann, der nicht gezeigt ist. Zeitkonstante selbst gleicht, können 63 % der Span- Zwischen der oberen Deckplatte 5 und der Bodennung abfließen, während 37% sich mit dem Potential 5° platte 7 des Gehäuses 3 befindet sich eine Kniehebelvon entgegengesetzter Polarität ausgleichen. Umge- anordnung IS. Diese Anordnung 15 enthält ein Gekehrt: Die Wegnahme der Druckbelastung muß sehr lenk 16, mit zwei Druckstreben 19 und 21, die aus schnell erfolgen während einer Zeitperiode, die klei- einem formstabilen Material hergestellt sind. Die ner ist als. die Zeitkonstante, um eine Vernichtung Druckstreben sind in dem Gehäuse 3 so angeordnet, von wesentlichen Teilen der Ladung zu vermeiden. 55 daß ihre Längsachsen miteinander einen stumpfen

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Winkel bilden. Zwischen die Druckstreben 19 und 21 piezoelektrische Element und eine Funkenstrecke, ist ein Nockenstößel23 (Fig. 2) eingesetzt, der aus beispielsweise eine Zündkerze, ohne einen dazwi- einem länglichen Zylinder gebildet und an die Druckschenliegenden Schaltmechanismus zur Aufrecht- strebe 19 angeschweißt ist. Der Nockenstößel 23 hat erhaltung der Spannung direkt elektrisch miteinander 60 äußere Enden 24, die als Halbzylinder ausgebildet verbunden werden können. Das allmähliche Zusam- sind. Der Mittelteil 25 des Nockenstößels 23 hat eine mendrücken bewirkt eine einzige Kontraktion und die zylindrische Lageroberfläche, an der gleitend das plötzliche Freigabe eine einzige Ausdehnung des äußere Ende 22 der Druckstrebe 21 formschlüssig piezoelektrischen Elements, das jedoch nicht von angreift.

irgendwelchen merklichen Schwingungen begleitet ist. 65 Ein zylindrischer Lagerzapfen 27 ist ein Auflager

Darüber hinaus addiert sich noch die Wirkung des und stellt mit dem Endteil 29 der Druckstrebe 21 ein

reversiblen Umklappens der ferroelektrischen PoIa- Gelenk dar. Ein entsprechendes Gelenk bildet der

risation mit dem piezoelektrischen Effekt. Lagerzapfen 31 mit der Druckstrebe 19. Die Zapfen

27 und 31 sind in gleiche Drehzapfenblöcke 33 bzw. 35 eingesetzt, die, mit einer U-förmigen Längsnut 37 versehen, auf einer Führungsleiste 39 verschiebbar sind, die zusammen mit der Platte 9 des Gehäuses 3 ein Stück bildet.

Der Lagerbolzenblock 33 hat eine halbkugelige Ausnehmung, die einen entsprechend geformten Einstellkörper 36 aufnimmt. Eine Einstellschraube 17 erstreckt sich durch die obere Deckplatte 5 und greift an dem halbkugeligen Körper 36 an, um eine Bewegung des Blockes 33 in Längsrichtung bzw. nach oben zu verhindern. Die Schraube 17 gestattet es, die Anordnung vorzuspannen.

An dem entgegengesetzten Ende der Anordnung 15 ist zwischen den Block 35 und die Bodenplatte 7 ein piezoelektrisches Element 41 eingesetzt. Dieses Element enthält zwei getrennte zylindrische Elemente 41a und 416, die so eingesetzt sind, daß sie sich mit ihren Enden gegenüberstehen. Die piezoelektrischen Elemente sind entweder aus einem Kristall hergestellt oder aus einer piezoelektrischen keramischen Masse, wie beispielsweise aus Bariumtitanat, Bleititanat, Zironat od. ä.

Die piezoelektrischen Elemente 41a und 41 b sind geeignet polarisiert, um auf Druckbelastung einen piezoelektrischen Effekt zu erzeugen. Sie sind mit Elektroden versehen und elektrisch geerdet. Die beiden Elemente 41a und 41 b sind, so wie es gezeigt ist, mechanisch hintereinander und elektrisch parallel geschaltet. In der Zeichnung ist dicht neben dem piezoelektrischen Element ein elektrischer Schaltkreis angegeben, der anzeigen soll, daß die Elemente einen gewissen inneren Widerstand r_a+r_b und eine Kapazität C besitzen. Der gesamte Widerstand und die Kapazität des gesamten Kreises bestimmen die Zeitkonstante der Schaltung, die von einer vorbestimmten Größe sein muß. Mit Vorzug hat das keramische Element eine solche chemische Zusammensetzung, daß es einen niedrigen inneren Widerstand besitzt. Wenn nicht, so kann in dem Schaltkreis ein äußerer Widerstand verwendet werden, wenn der Widerstand des keramischen Elements zu groß ist. In diesem letzteren Fall müssen die Elemente 41a und 41 b sehr gut isoliert sein.

Zwischen dem Element 41 b und der Bodenplatte 7 ist eine Scheibe 45 eingesetzt, während eine Scheibe 47 zwischen dem Element 41a und einem halbkugelförmigen Auflager 51 liegt. Auf dieses halbkugelige Lager 51 wirkt der Block 35 in gleicher Weise wie der Block 33 auf den Körper 36. Wie hier gezeigt ist, ist mit der Scheibe 43 ein Anschluß 49 verbunden. Über diesen Anschluß wird ein elektrisches Potential einem Verbraucher zugeführt, der hier in Form einer geerdeten Funkenstrecke dargestellt ist.

Die senkrechte Platte 11 besitzt eine Öffnung 53, in der eine bewegliche Stützvorrichtung 55 gleitet. In der Vorrichtung 55 ist die Welle 57 mit zwei Abfallnocken 62 gelagert. Über die Nocken 62 (in F i g. 2 mit 62 a und 62 b bezeichnet) wird das Kniegelenk 16 der Anordnung 15 beeinflußt. Die Welle 57 kann durch beliebige Mittel angetrieben werden.

Eine Einstellschraube 63 dient dazu, die Lage des beweglichen Stützkörpers 55 in der Öffnung 53 der senkrechten Platte 11 einzustellen. Die Schraube 63 kann dazu verwendet werden, die Kraft zu ändern, die auf die Elemente 41a und 416 einwirkt.

Um den piezoelektrischen Spannungsgenerator 1 zu betreiben, wird zuerst das geeignete Winkelverhältnis zwischen den Druckstreben 19 und 21 bestimmt. Anschließend wird der Nocken 62 und speziell sein zylindrischer Teil gegen den Nockenstößel 23 gesetzt.

Der Nocken wird in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Programm gedreht. Die Nockenoberflächen 62a und 62 b bewegen den Nockenstößel 23 zur Seite. Dadurch wird bewirkt, daß der stumpfe Winkel zwischen den Druckstreben 19 und 21 und damit die auf die Piezoelemente übertragene Kraft größer wird.

Wenn der Nocken 62 direkt neben der flachen Oberfläche 24 a und 246 der äußeren Enden 24 des Nockenstößels liegt, wird die Kraft, die gegen den Nockenstößel wirkt und den Nockenstößel 23 abstützt, plötzlich aufgehoben. Der Nockenstößel kehrt augenblicklich in seine entspannte Stellung zurück, worauf der Nocken wiederum beginnt, den Nockenstößel in der vorbestimmten Bahn zu bewegen. Die F i g. 1 zeigt die Stellung des Nockens 62 gerade in dem Punkt dieses Abfalls. Der plötzliche Abfall der Druckbelastung des piezoelektrischen Elements bewirkt, daß ein Potential von entgegengesetzter Polarität erzeugt wird. Um ein genaues und wiederholbar gleichförmiges Potential zu erhalten ist es notwendig, daß die Entlastung in einer Zeitdauer geschieht, die klein gegen die Zeitkonstante des Schaltkreises ist. Wenn der Verbraucher durch eine Funkenstrecke dargestellt ist, muß die Ladung, die durch das Abfallen der Druckbelastung erzeugt wird, von ausreichender Energie sein, um die Funkenstrecke und den Funken über diese Strecke ausreichend zu ionisieren.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Spannungserzeugung durch Belasten und Entlasten eines piezoelektrischen Elements innerhalb eines Schaltkreises, dadurch gekennzeichnet, daß die zunehmende Belastung des piezoelektrischen Elements über eine Zeitdauer erfolgt, die länger als die Entlastungszeitdauer ist, die ihrerseits kürzer als die Zeitkonstante des Schaltkreises ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Belasten und Entlasten des piezoelektrischen Elements periodisch erfolgt.

3. Gerät zur Ausführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Belasten und Entlasten des Piezoelements einen Kniehebel (19, 21) enthält, dessen eines freies Ende in einem Auflager (33) festgelegt ist und dessen anderes freies Ende mit dem piezoelektrischen Element (41) gekoppelt ist, die Kniehebel einen stumpfen Winkel zueintander bilden und das Kniegelenk durch einen rotierenden Nocken (62) bewegt werden kann.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflager (33) einstellbar ist.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken einen steilen Absatz (62) aufweist.

6. Gerät nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit dem Schaltkreis als Belastung eine Funkenstrecke eingeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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