DE1945448A1

DE1945448A1 - Piezoelektrisch anzutreibender Biegekoerper,insbesondere fuer Uhren und Relais

Info

Publication number: DE1945448A1
Application number: DE19691945448
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Rer Nat Dipl-P Brauer; Jutta Mohaupt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-08
Filing date: 1969-09-08
Publication date: 1971-03-11

Description

Piezoelektrisch anzutreibender Biegekörper, insbesondere für Uhren und Relais.

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrisch anzutreibenden elektromechanischen Biegekörper, geeignet für einen elektromechanischen Antrieb vorzugsweise einer elektrischen Uhr, sowie insbesondere für ein Relais mit elektrischen Schaltkontakten, bei dein die durch mechanische Spannung hervorgerufene steuerbare Biegung eines zungenähnlichen piezoelektrischen Biegeelementes mechanische Arbeit zu verrichten bzw. Kontaktgabe bzw. -unterbrechung zu bewirken verraago

Bekannt sind elektrische Uhren mit* einem Antrieb nach dem Ratschenprinzip mit einer elektromagnetisch angetriebenen Schwingerzunge und piezoelektrische Relais, bei denen die Relaiszunge, die einen oder mehrere Kontakte trägt, als Biegeelement aus einem sogenannten Bimorph besteht, der im allgemeinen entweder aus zwei miteinander fest verbundenen Streifen- aus piezoelektrischer Keramik oder einem Metallstreifen mit einem darauf angebrachten Streifen aus Piezokeramik besteht. Me Keramik selbst ist derart mit einer oder mehreren Elektroden belegt, daß eine elektrische Spannung angelegt werden kann, die in der Keramik ein elektrisches Feld v/irksam werden läßt. Im ialle zweier Keramikstreifen sind diese voneinander verschieden gerichtet, polarisiert oder werden voneinander verschieden gepolt angeregt.

Bei in prinzipiell bekannter Weise vorgenommener elektrischer Anregung eines derartigen Elementes tritt eine Biegung der

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Zunge auf. Im allgemeinen ist das Biegeelement einseitig fest eingespannt, so daß die ganze aus der Biegung resultierende Auslenkung am Ort des Ratschenantriebes bzw, des öder der Kontakte voll wirksam ist»

Ein wesentlicher Nachteil der bisher bekannt gewordenen piezoelektrischen Relais liegt, abhängig von der jeweiligen länge der Zunge bzw_o des Bimorphs, in dem entweder absolut nur sehr geringen erreichbaren Öffnungsabstand ader in der nur sehr geringen für die Kontaktgabe benötigten Kraft, die das Element mit dem ausgelenkten Ende der Zunge auszuüben vermag» Pur den Uhrenantrieb ist eine ausreichende Auslenkung mit genügender Antriebskraft bei elektromagnetischem Antrieb unter Zuhilfenahme einer Übersetzung erreicht worden₅ jedoch birgt der elektromagnetische Antrieb den gerade für eine Armbanduhr äußerst störenden Nachteil in sich, einen hohen elektrischen ieistungsverbrauch zu haben_o Außerdem stellen die für diesen Antrieb erforderlichen Spulen einen erheblichen technischen Aufwand darο

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Biegekörper mit piezoelektrischem Antrieb zu finden, bei dem sowohl eine gi"oße Auslenkung als auch eine ausreichende mechanische Arbeitsleistung bzw. Kontaktdruckkraft auftritt, ohne daß der Körper, insbesondere in einer seiner linearen Abmessungen, unangemessen groß wird₀

Diese Aufgabe wird durch einen wie oben umrissenen Biege- ^! körper gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus mehreren einzelnen zungenähnlichen piezoelektrischen Biegeelementen zusammengesetzt ist, die mechanisch so miteinander verbunden sind, daß sie zusammen einen mäander- oder wendeiförmigen Körper ergeben, wobei die einzelnen Biegeelemente so angeordnet sind, daß die in jeweils einer bestimmten Arbeitaphase auftretenden Biegungen jedes

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einzelnen der Elemente so zusammenwirken, daß eine maximale resultierende Auslenkung wenigstens eines der an diesem Biegekörper angeordneten Arbeitsmittel, ZcB= Schaltkontakte eines Kontaktpaares, bewirkt ist»

Für den speziellen Fall des Uhrenantriebes oder eines Schrittschaltwerkes ist das Arbeitsmittel eine Klinke, die zu einem Ratschen- oder Ankerrad gehört.

Insbesondere empfiehlt es sich, als zungenähnliche Biegeelemente solche zu verwenden, die im wesentlichen aus je einer Metallzunge mit einer Belegung aus piezoelektrischer Keramik hergestellt sind» Vorzugsweise ist die Länge des

zungenförmigen Teiles wesentlich größer als seine Breite bemessene

Ein der Erfindung gemäß ausgeführtes Relais kann auch derart beschaffen sein, daß es in der Arbeitsphase nicht nur einen Ruhekontakt löst oder einen Arbeitskontakt herstellt, sondern daß es in zwei verschiedenen Arbeitsphasen unterschiedliche Kontaktschlüsse bewirkt»

Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen: Wie bereits oben erwähnt, sind die bisher bekannt gewordenen piezoelektrischen Relais insoweit verbesserungsbedürftig, als sie bei noch konkurrenzfähiger Größe nur mehr oder weniger unzulänglich großen Kontaktdruck und/oder Öffnungsabstand erreichen lassen» Hierbei spielt insbesondere auch die zur Verfügung stehende maximale elektrische Spannung eine Rolle, die für Relais der Vermittlungstechnik im allgemeinen nur 60 Volt beträgt« Die Vorteile der piezoelektrischen Anregung gegenüber der elektromagnetischen sind aber andererseits so groß, daß die Lösung des Problems ausreichenden Kontaktdruckes bei ausreichendem öffnungsabstand auch dann schon einen weiteren technischen Fortschritt

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bringt, wenn der Aufbau des elektromechanischen Körpers etwas aufwendiger als die derzeit bekannte Ausführung mit nur einer sich biegenden Zunge werden sollte.

Was den elektrischen IJhrenantrieb von insbesondere Armbanduhren betrifft, ist mit einem möglichst kleinen Biegekörper ein ausreichend großer Hub der Klinke zu erreichen,, Hinzu kommt, daß der Biegekörper in diesem Falle auch als frequenzbestimmendes Mittel wirksam sein soll, und zwar mit möglichst niedriger Eigenfrequenz, damit ein möglichst kleines Ankerrad verwendbar ist. Als ganz besonders günstig erweist sich hier der erfindungsgemäße Biegekörper₉ da er bei kleiner geometrischer Abmessung eine niedrige Grund-Resonanzfrequenz hat ο

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Figuren und der Beschreibung zu besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor»

Fig. 1 zeigt den Prinzipaufbau eines Biegekörpers 1 nach der Erfindung. Mit 2 sind die als piezoelektrisches Biegeelement ausgebildeten zungenähnlichen Teile bezeichnet«. Wie erwähnt und wie an sich bekannt, können,diese entweder aus einem Metallstreifen mit einer darauf angebrachten Piezokeramik zusammengesetzt sein oder vollständig aus zwei aufeinander befestigten piezoelektrischen Streifen bestehen. Durch gegebenenfalls elektrisch isolierende Abstandsstücke 3 sind jeweils zwei der zungenähnlichen Biegeelemente an einem ihrer Enden miteinander fest verbunden. Mit 4 ist ein Fixpunkt für den ganzen Körper und mit 5 ein elektrisches Kontaktteil, wie es für ein Relais in Frage kommt,bezeichnet.

Der Biegekörper 1 ist vorzugsweise so aufgebaut» daß er eine wie in der Figur gezeigte mäanderförmige Gestalt hat. Die Erfindung ist aber auf diese bevorzugte Art des Aufbaues

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nicht beschränkt, denn die Elemente 2 können.auch derart miteinander verbunden sein, daß der Biegekörper die Gestalt einer (aus der Zeiohnungsebene heraustretenden) Wendel annimmt ο Die Keramikstreifen 22 tragen auf der dem Metallstreifen 21 abgev/andten Seite eine Elektrodenbelegung 23. Mittels eines elektrischen Anschlusses 24 kann eine elektrische Spannung wählbarer Polarität zwischen dem Metallteil 21 und der Elektrode 23 derart angelegt werden, daß in dem Keramikplättchen 22 ein entsprechend ausgerichtetes elektrisches Feld wirkt ο Die Arbeitsweise eines erfindungsjgeraäßen piezoelektrischen Biegekörpers"1 ist die folgende:

Durch Anlegen der erwähnten elektrischen Spannung, d„h. durch das in der elektrisch polarisierten Piezokeramik erzeugte Feld tritt eine Kontraktion oder Dilatation der Keramik ein,· die infolge der festen Verbindung mit der Metallzunge 21 zwangsweise zu einer Biegung des Elementes führt. Nachdem erfindungsgemäß alle zum Biegekörper 1 gehörigen Elemente 2 einander angepasst polarisiert sind bzw„ in ein und derselben Arbeitsphase aufeinander abgestimmt erregt werden, ergibt sich eine maximale resultierende Auslenkung, ζ.Β» des Kontaktteiles 5, aus den Biegungsauslenkungen der einzelnen in 1 enthaltenen Elemente 2»

Pig. 2 zeigt zwei Betriebsphasen eines piezoelektrischen Relais mit einem der Erfindung gemäßen Biegekörper 1, wobei das Relais in der hier dargestellten besonderen Ausführungsform zwei Kontaktpaare 5/15 zur abweselnden Kontaktgebe aufweist. Die in der Figur 2 dargestellten Abmessungen und die den Endlagen entsprechenden Verbiegungen sind zum Zwecke des besseren Verständnisses übertrieben groß dargestellte Die tatsächlichen Auslenkungen ergeben bei einem nach der Erfindung ausgeführten Relais Kontakt-Öffnungs-Abstände, die bei einer S+'&HeEspannung 25 von 60 V ca= 0,2 mm betragen, und zwar bei f: erfindungagemäß miteinander verbundenen

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Elementen 2 mit jeweils einer Länge derselben von 25' bis 3Q mm und einer Dicke der Keramik 22 von 0,2 mm. Der Kontaktdruck beträgt bei einer Breite der Elemente 2 von 6 mm etwa V

In der Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene können die Körper 2 für die entsprechenden Anforderungen verschieden breit bemessen sein. Mit 2unehmender Breite nimmt der erforderliche Aufladestrom und die vom Kontakt 5 auf den Gegenkontakt 15 ausübbare Druckkraft entsprechend zu,

Die Figur 3 zeigt einen mechanischen Antrieb vorzugsweise für eine Uhr oder für ein Schrittschaltwerk mit einem der /Erfindung gemäßen Biegekörper 1. Mit 31 ist die Klinke bezeichnet, die durch die Bewegung des .sich im Betrieb biegen- · den Körpers 1 das Zahnrad 32 ruckartig weiterbewegt. Anstelle der Klinke kann insbesondere auch ein zum Antrieb des Zahnrades ausreichend steifes an 21 eingespanntes Federblatt verwendet werden»

Im Falle der Anwendung eines Antriebs nach Fig. 3 für eine Uhr, übernimmt der Biegekörper vorteilhafterweise auch die Bestimmung der Frequenz.- Mit Rücksicht auf diese Eigenschaft ist der Biegekörper für diese Anwendungen aus einem Material hergestellt, das eine nur geringe Temperaturabhängigkeit der die Eigenresonanz des Biegekörpers 1 bestimmenden Materialkonstanten aufweist. Aber auch für die Keramik 22 empfiehlt es sich, eine solche zu verwenden, die sich durch hohe Frequenzkonstanz auszeichnete

Mit einemder Erfindung gemäßen ührenantrieb läßt sich auch bei der Größe für eine Armbanduhr eine Eigenfrequenz des Körpers von nur 360 Hz erreichen,,

Ebenso wie für ein Relais läßt sich auch, für eine Uhr ein

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Körper 1 aus Biegeelementen 2, die vollständig aus Piezokeramik bestehen, verwenden.

Bei der Anwendung von metallenen 2_ungen können Keramikstreifen sowohl einseitig, wie die Figuren zeigen, als auch beidseitig angeordnet werden, wobei darauf zu achten ist, daß die Polarisation der Keramik und die Anregung im Betrieb jeweils in aufeinander abgestimmter Weise wirksam sind.

Für den Uhrenantrieb ist es zweckmäßig, den Biegekörper 1 bzw. seine elektrischen Eigenschaften mit in den Schwingkreis des Oszillators mit einzubeziehen, wie dies das Schaltschema nach Fig. 4 zeigt. 41 sind Transistoren in der besonders bevorzugten Tandem (Darlington)-Schaltung. 42 sind Widerstände zur Erzeugung der erforderlichen Vorspannungen und 43 ist cter frequenzbestimmende Resonanzkreis, der in diesem Falle durch den Biegekörper 1 gegeben ist. (Bekanntlich wirkt ein piezoelektrischer Schwinger wie ein Reihenschwingkreis mit parallel geschalteter Kapazität). 44 ist eine Gleichspannungsquelle

Insbesondere mit einer wie angegebenen Darlington-Schaltung ist es möglich, einen Uhrenantrieb bereits mit einer elektrischen Spannung von 1,5 V bei einer Schwingungsamplitude von 0,05 mm und ausreichender Schubkraft zu realisieren. Dabei erweist sich ein derartiger Antrieb einem elektromagnetischen gegenüber sehr viel energiesparender, was sich vorteilhafterweise auf eine hohe wartungsfreie Betriebsdauer einer nach der Erfindung ausgerüsteten Uhr niederschlägt.

4 Figuren

11 Patentansprüche

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Claims

- 8 Patentansprüche ■

Piezoelektrisch anzutreibender elektromechanischer Biegekörper, geeignet für einen elektromechanischen Antrieb, vorzugsweise einer elektrischen Uhr, sowie insbesondere für ein Relais mit elektrischen Schaltkontakten, bei dem die durch mechanische Spannung hervorgerufene steuerbare Biegung eines zungenähnlichen piezoelektrischen Biegeelementes mechanische Arbeit zu verrichten bzw. Kontaktgabe oder -unterbrechung zu bewirken vermag, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus mehreren einzelnen Biegeelementen (2) zusammengesetzt ist, die mechanisch so miteinander verbunden sind, daß sie zusammen einen mäander- oder wendeiförmigen Körper (1) ergeben, wobei die einzelnen Biegeelemente so angeordnet sind, daß die in jeweils einer bestimmten Arbeitsphase auftretenden Biegungen jedes einzelnen der Elemente so zusammenwirken, daß eine maximale resultierende Auslenkung wenigstens eines der an diesem Biegekörper angeordneten Arbeitsmittel (5> 31) bewirkt ist»

2. Biegekörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (2) im wesentlichen eine Metallzunge (21) mit einer Belegung (22) aus piezoelektrischer Keramik ist.

3. Biegekörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Biegeelementes (2) wesentlich größer als seine Breite ist.

4. Biegekörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das daran angeordnete Arbeitsmittel eine Klinke (31) oder ein Federblatt zum Antrieb eines Zahnrades (32) ist.

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Biegekörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das daran angeordnete Arbeitsmittel ein oder mehrere elektrische Kontakte-Cf^) Vising» ^&#*i'-

6. Biegekörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, d-aß

er so ausgebildet ist, daß der oder die darauf angebrachten Kontakte (5) in zwei verschiedenen Arbeitsphasen unterschiedliche Kontaktschlüsse auszuführen vermögen»

7. Elektrisch angetriebene Uhr, insbesondere Armbanduhr, dadurch gekennzeichnet, daß sie für ihren Antrieb einen Biegekörper (1) mit Klinke (.31) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält«

8. Elektrisch angetriebene Uhr nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Biegekörper das frequenzbestimmende Glied ist.

9ο Elektrisch angetriebene Uhr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegekörper nach einem im wesentlichen den Schwingkreis einer Oszillatorschaltung mit zwei Transistoren (41) in liarlington-Schaltung bildet.

10. Schrittschaltwerk, dadurch gekennzeichnet, daß es zu seinem Antrieb einen Biegekörper (1) mit Arbeitsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis β enthält.,

11. Elektrisches Relais, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Biegekörper nach einem der Ansprüche 1 bis β enthält»

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