DE2045108C3 - Piezoelektrischer Antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Es ist bekannt, eine Klingel mit einem als piezoelektrischer Biegeschwinger ausgebildeten Klöppel zu versehen. Für eine Uhr ist aus der US-PS 3225226 bekannt, als Antrieb die Arbeitsleistung eines piezoelektrisch angeregten Biegestreifens heranzuziehen.

Aus der US-PS 2325238 ist ein piezoelektrischer Antrieb zur Einstellung eines Mikroskops bekannt. Es sind dort mehrere parallel im Abstand zueinander angeordnete piezoelektrische Biegestreifen verwendet worden, die mit ihrem jeweils einen Ende in einem Körper fest gehaltert sind, z. B. mit Wachs oder einem zementartigen Material. Die jeweils anderen Enden der Biegestreifen greifen in Schlitze ein, die so bemessen sind, daß diese Enden dort Spiei haben. Di Antrieb ist nicht zur Erzeugung mechanischer Leistungen mit Schwingbewegung geeignet. Beim Gegenstand dieser Patentschrift spielt insbesondere auch das Problem einer ausreichenden Wärmeabfuhr keine Rolle, da bei der bloßen Verstellung infolge der Einmaiigkeit des jeweiligen Stellvorganges keinerlei interessierende Wärmeentwicklung auftritt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Antrieb mit piezoelektrisch anregbaren Biegestreifen so auszubilden, daß eine vergleichsweise zum Stand der Technik erhöhte Leistungsfähigkeit, z. B. für den Antrieb von Kleingeräten zur kosmetischen Körperpflege, erreicht ist. Zweck einer Weiterbildung der Erfindung ist es, die- !5 sen Antrieb mit erhöhter Leistung als schwingenden Antrieb nach außen hin vibrationsarm aufzubauen. Diese Aufgabe wird mit einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen piezoelektrischen Antrieb erfindungsgemäß gelöst, wie dies im »o Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben ist. Die erwähnte Weiterbildung geht aus dem Anspruch 2 hervor.

Ein wie erfindungsgemäßer piezoelektrischer Antrieb eignet sich insbesondere für Geräte mit kleiner »5 mechanischer Antriebsleistung, z. B. kleiner als K) Watt, jedoch vorzugsweise größer als 0,2 Watt. Ein wie erfindungsgemäßer Antrieb hat vergleichsweise z. B. einem elektromagnetischen Schwingantrieb ein geringeres Gewicht.

Als Biegestreifen sind für einen wie erfindungsgetnäßen Antrieb Elemente mit piezoelektrischer Keramik vorgesehen, die infolge permanent ausgerichteter elektrischer Polarisation bei entsprechender elektrischer Anregung Biegebewegungen ausführen. Vorzugsweise sind solche an sich bekannte Biegestreifen vorgesehen, bei denen je ein Metallstreifen beidseitig mit Streifen aus Piezokeramik fest belegt ist. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Aufteilung der Richtung der Polarisation und in den einzelnen ♦o piezokeramischen Belegungen oder aufgrund der erfindungsgemäßen Aufteilung der auf einer Seite befindlichen Elektrode der einzelnen Belegungen ergibt sich die Möglichkeit, bei einem wie erfindungsgemäßen Antrieb die jeweils beiden Enden der einzelnen Biegestreifen einschließlich der piezokeramischen Belegung fest einzuspannen, weil aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Aufteilungen diese Biegestreifen im Betrieb eine S-förmige Biegung mit einem Wendepunkt erfahren, so daß an den eingespannten Enden der Biegestreifen keine aufgrund der Einspannung auftretenden Biegungen des Biegestreifens vorliegen. Die Grenze der Aufteilung liegt vorzugsweise beil« Ort der halben Länge des Biegestreifens. Mit diesen Maßnahmen läßt sich ein großes Maß der Durchbiegung mit entsprechend hoher Hubamplitude und hoher Antriebsleistung realisieren, und zwar ohne daß für die piezokeramischen Anteile des Biegestreifens besondere Bruchgefahr besteht.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen Aufteilung können darüber hinaus auch relativ lange Biegestreifen verwendet werden. Die S-förmige Biegung der Streifen hat dabei den Vorteil, daß relativ größere Hubkraft an den die Antriebsleistung abgebenden Enden auftritt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines wie eriinuungsgeiiiäßen piezoelektrischen Antriebs;

Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten zur festen Einspannung der Biegestreifen

Fig. 4 zeigt Einzelheiten in bezug auf dk bereits erwähnte Aufteilung, hier für die Alternative mit Aufteilung der Polarisation, so daß in den jeweiligen Hälften einer jeweiligen Belegung eines Biegestreifens einander entgegengesetzt gerichtete permanente Polarisation vorliegt.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform ist mit Biegestreifen 42 ausgerüstet, deren Krümmung im Betrieb einen Wendepunkt etwa auf halber Länge des jeweiligen Biegestreifens aufweist. Es ist vorteilhaft, wie dargestellt, die Biegestreifen 42 an ihren jeweils beiden Enden in dem Teil 4 einerseits und in den Teilen 41 und 141 andererseits durch Einklemmen oder Verbinden fest einzuspannen, und zwar einschließlich der Belegungen 6 aus piezoelektrischer Keramik. Die Teile 41, 141 schwingen wie mit dem Doppelpfeil 3 angedeutet.

Die einzelnen Biegestreifen 42 bestehen aus je einem Metallstreifen 5, vorzugsweise aus Bronze, der insbesondere beidseitig mit aus Piezokeramik bestehenden Belegungen 6, die die Form von keramischen Streifen haben, belegt ist. Diese Belegungen 6 sind für beide Seiten des Metallstreifens 5 insbesondere gleich dick gewählt. Der Metallstreifen 5 befindet sich bei einer solchen Ausführung im wesentlichen im \icreich der neutralen Phase des Biegestreifens 42. Wie dies für einen Biegestreifen üblich ist, sind die zwei Belegungen 6 des Metallstreifens 5 des einzelnen Biegestreifens bei elektrischer Anregung mechanisch einander entgegengesetzt wirksam, so daß die jeweilige Biegung des Streifens auftritt. Mit 47 und 147 sind auf der jeweiligen Belegung 6 angebrachte Metallelektroden bezeichnet, die gerade so dick sind, wie es zu einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit notwendig ist. Diese Elektroden sind mit den in dieser Fig. 1 nicht dargestellten elektrischen Anschlußdrähten versehen, die hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind.

An Stelle von Metallstreifen 5 können auch Streifen aus einem für die vorgesehene Anwendung mit Metall angenähert vergleichbarem Kunststoff, etwa Hartpapier oder glasfaserverstärktem Polyester, verwendet werden.

D'e Belegungen 6 sind auf dem Metall- oder Kunststoffstreifen 5 vorzugsweise aufgeklebt. Hierzu empfiehlt es sich, den die Belegung 6 bildenden jeweiligen Keramikstreifen auf der dem Metall oder dem Kunststoff zugewandten Seite insbesondere durch Aufdampfen mit einer Schicht 8 zu metallisieren, damit ein elektrischer Kontakt unmittelbar zur Keramik, d. h. ohne Zwischenschaltung der mechanisch verbindenden Klebschicht, besteht. Um einen elektrischen Kontakt zum Metallstreifen zu erreichen, ist außerdem an wenigstens einer Stelle der Klebeverbindung elektrisch leitfähiger Kleber vorgesehen.

Mit der wie bereits erwähnten mechanisch festen Einspannung der Biegestreifen 42 an ihren jeweils beiden Enden läßt sich eine möglichst große und kräftige Biegung des Streifens infolge der auftretenden piezoelektrischen Kräfte bewirken, und zwar gerade auch am Ort der jeweiligen Einspannung.

Um jegliche Beschädigung der Keramikteile des Biegestreifens zu vermeiden, sind besondere Maßnahmen vorgesehen, die aus der vergrößerten Detaildarstellung in Fig. 2 näher zu ersehen sind. Der Körper 4, das gilt sinngemäß auch für die Körper 41 und 141, besteht aus einer der Zahl der Biegestreifen entsprechenden Anzahl einzelner Klemmbacken 14, 24, die durch einen Bolzen 23 miteinander fest zusammengehalten werden. Zur Aufnahme des Biegestreifens ist im Bereich der Trennfuge zwischen 14 und 24 eine Aussparung vorgesehen, die gerade so bemessen ist, daß der Biegestreifen und zwei voizugsweise zusätzlich vorgesehene elastische Kunststoffzwischenlagen 28 derart Platz finden, daß der Biegestrei-

fen beim Zusammensetzen der Backen 14 und 24 fest, aber nicht völlig unelastisch und daher bruchfrei eingeklemmt werden. Insbesondere sind an der oberen Kante der Einklemmstelle Abrundungen 29 an den Klemmbacken 14 und 24 vorgesehen. Als gute elastisehe Zwischenlage hat sich eine Folie, und zwar vorzugsweise aus Polytetrafluuräthylen, mit einer Dicke von insbesondere etwa 0,1 mm erwiesen. Der Körper 41 bzw. die Klemmbacken 14, 24 usw. sind vorzugsweise aus PoJyacryJatgJas gefertigt.

Fig. 3 zeigt eine andere Befestigung der Biegestreifen 2 in dem Körper 4, und zwar durch Eingießen mit einem Gießharz 32. Dieses stellt im Bereich der zur Aufnahme des Biegestreifens im Körper 4 vorgesehenen Aussparungen, die im wesentlichen denjeni-

s5 gen in Fig. 2 entsprechen, eine feste, aber nicht völlig unelastische und daher bruchsichere Einspannung der Biegestreifen 2 in dem Körper 4 her. Besonders vorteilhaft ist es auch, den ganzen Körper 4 aus dem Gießharz herzustellen, und zwar in einem Arbeitsgang mit dem Eingießen der Biegestreifen. Damit erübrigt sich auch die Herstellung der speziellen Aussparungen. Auf der Oberfläche des Körpers 4 ist ein Wulst aus Gießharz 32 vorgesehen, der in seiner mechanischen Wirkung im wesentlichen der Abrundung 29 nach der Ausführung gemäß der Fig. 2 entspricht. Fig. 4 zeigt in einer Einzeldarstellung zum Zwecke der deutlicheren Darstellung des Wesentlichen der Art der erfindungsgemäßen Aufteilung von Polarisation oder Elektrode einen einzelnen Biegestreifen 42, und zwar mit noch stärkerer Dehnung des Maßstabes in Richtung der Dicke des Streifens. Mit der Fig. 1 übereinstimmende Bezeichnungen sind übernommen. Damit in der unteren Hälfte des Biegestreifens erfindungsgemäß die während einer Phase der Anreg^un8 jeweils zur oberen Hälfte entgegengesetzte Krümmung der Biegestreifen erreicht wird, ist es notwendig, dort entweder die permanente Polarisation der Keramik oder die elektrische Anregung mit der oberen Hälfte des Biegestreifens verglichen jeweils umgekehrt gerichtet zu wählen. Abhängig vom Einzelfall kann die eine oder die andere Möglichkeit Vorteile bringen. Im Falle der Darstellung nach Fig. 4 sind die Polarisationen 55 und 56 in der unteren Hälfte gegenüber 51 und 52 in der oberen Hälfte entgegengesetzt gerichtet gewählt, damit die Anregung in beiden Hälften jeweils einheitliche Ausrichtungen 53 und 54 haben kann. Diese Wahl bringt den Vorteil, daß die Elektrodenbelegungen 47,147 auf jeder Seite des Biegestreifens nach erfolgter Polarisation der Keramik elektrisch miteinander verbunden werden können, dies wird durch die Verbindungen 57 schematisch angedeutet. Vorzugsweise wird eine solche Verbindung du. jh Aufbringen einer leitenden Bahn auf der Keramik realisiert. Wird eine für jeden Keramikstreifen durchgehend gleichbleibende Polarisation gewählt, bleiben die Elektroden 47 und 147 im Betrieb wegen der entgegengesetzten Anregung voneinander getrennt.

Im Bereich um den Wendepunkt ist in der Keramik keine Anregung erforderlich. Dazu bleibt dort, wie in Fig. 4 angedeutet, die Keramik unpolarisiert oder es werden dort die Elektrodenbclegungen der Keramikstreifen weggelassen.

Mit 58 sind Anschlußleitungen für die Elektroden und mit 59 ist eine z. B. an der Außenseite des Biegestreifens angebrachte elektrische Zuleitung für den Metallstreifen bezeichnet. Die elektrische Anregungsspannung für den einzelnen Streifen wird zwischen 58 und 59 angelegt.

Antriebe der erfindungsgemäßen Art lassen sich vorteilhaft für Kleingeräte zur kosmetischen Körperpflege, wie z. B. für elektrisch angetriebene Nagelfeiien, Haarschneidemaschinen, Zahnbürsten und Massagegeräte verwenden. Teil 41, 141 ist dann für diese Anwendungen als Feile oder als Messer, Bürste oder in anderer passender Weise auszubilden. Insbesondere ist ein Antrieb der erfindungsgemäßen Art für einen Trockenrasierer geeignet, bei dem dann das Teil 41, 141 im wesentlichen der Scherkopf mit seinem Kupplungsglied ist. In der kommerziellen Technik, z. B. in der Nachrichten- und Vermittlungstechnik, ist die Anwendung von Antrieben nach der Erfindung vorzugsweise überall dort angezeigt, wo mechanische Schwingbewegungen gefordert werden.

Die Dicken der Keramikbelegungen der Streifen 42 sind insbesondere bei der Verwendung des Antriebs für wie angegebene Kleingeräte mit Netzbetrieb so gewählt, daß für einen einzelnen Streifen ein Betrieb mit 1 K) bzw. 125 Volt möglich ist. Für den üblichen Betrieb mit 220/250 Volt werden jeweils zwei Biegeslreifen elektrisch in Reihe geschaltet, st) daß jeder einzelne wieder mit 110/125 Volt beaufschlagt ist. Die Reihenschaltung von jeweils zwei Biegestreifen hintereinander ermöglicht es, durch einfaches Umschalten den Antrieb für die verschiedenen Netzwechselspannungen wahlweise betriebsfähig zu machen.

Für derartige Bedingungen haben sich, noch abhängig von der speziell ausgewählten Keramik, für die Dickenabmessungen der Keramikstreifen Werte zwischen etwa 0,15 und 0,25 mm, vorzugsweise von 0,22 mm, als besonders passend erwiesen. Daraus ergeben sich für den Metallstreifen zweckmäßige Dikken zwischen etwa 0,8 und 0,15 mm, vorzugsweise 0,1mm. Die Längenabmessungen der Biegestreifen sind bei einem erfindungsgemäßen Antrieb für Schwingbewegungen so gewählt, daß die Streifen zusammen mit der schwingenden Masse des zugehörigen zu bewegenden Teiles, z. B. des Scherkopfes, ein schwingfähiges Gebilde sind, und zwar mit einer Grundresonanzfrequenz, die höher, vorzugsweise um den Faktor 1,5 bis 2 höher als die Betriebsfrequenz, im Regelfall die Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz, liegt. Ein Antrieb nach der Erfindung kann so bemcssen werden, daß er für beide Frequenzwerte praktisch gleich hohe Leistungsfähigkeit hat.

Fig. 1 zeigt außer der bereits oben erläuterten Einspannung an beiden Enden auch Einzelheiten für einen erfindungsgemäßen Antrieb, der gemäß einer

ίο Weiterbildung der Erfindung besonders vibrationsarm arbeitet. Die Teile 41 und 141 sind zusammen mit den jeweils zugehörigen Biegestreifen 42 bezüglich ihrer Massen so abgestimmt, daß sich bei gegenphasigen Schwingbewegungen praktisch keine resultierenden Kräfte ergeben, d. h. von außen bemerkbar sind.

Beim Antrieb nach Fig. 1 sind 41 und 141 beispielsweise als Scherköpfe eines Trockenrasierers ausgebildet. Der Abstand der Scherköpfe 41 und 141 voneinander ist so groß gewählt, daß die Scherköpfe sich bei gegenläufigen Bewegungen höchstens geradi berühren. Gegebenenfalls ist auch ein hier nicht dargestellter dünner Kunststoffkörper zur unelastischen Aufnahme von Stoßenergie zwischen 41 und 141 vor-

J₅ gesehen. Die Ausführungsform mit zwei Scherköpfen kann auch bei einem Schwingantrieb mit anderen Befestigungen der Biegestreifen angewandt werden.

Um bei einem Rasierer für das Scherblatt auch im Bereich des Zwischenraumes zwischen den beiden Scherköpfen eine ausreichende Unterstützung zu haben, werden an den einander zugewandten Seiten der Teile 41 und 141 stift- oder rippenartige Ansätze vorgesehen. Die Ansätze sind bei beiden Köpfen zueinander derart versetzt angeordnet, daß sie auf Lücke ineinandergreifen. Sie haben selbst eine Länge, die so groß ist, daß sie beim maximalen Schwingabstand der Scherköpfe voneinander gerade noch etwas ineinandergreifen. Die dem Scherblatt zugewandte Oberfläche der Ansätze ist so ausgebildet, daß die Ansätze das Scherblatt im Betrieb gegen Durchbiegungen schützen.

Anstatt die Teile 41 und 141 in einer Achse hintereinander anzuordnen, können diese auch nebeneinander angeordnet werden.

4j Gegebenenfalls sind zum Massenausgleich sogai drei oder mehr Teile wie 41, 141 in entsprechender Anordnung vorgesehen.

Als Piezokeramik wird vorzugsweise Bleizirkonattitanatkeramik oder eine Keramik mit ähnlich hohem

_so Kopplungsfaktor verwendet.

Vorteilhaft ist es, wenn die Keramik eine hohe Dielektrizitätskonstante hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Pate ntansprüche:

1. Piezoelektrischer Antrieb zur Erzeugung im wesentlichen gradliniger Hubbewegungen mit mehreren im Abstand voneinander als Paket zusammengefaßten piezoelektrisch anregbaren Biegestreifen, die zwischen einem feststehenden Körper des Antriebs und einem anzutreibenden Körper angeordnet und mit ihrem jeweils einen Ende in einem der Körper fest eingespannt sind, und die auf wenigstens einer Belegung aus keramischem, piezoelektrischen Werkstoff Elektroden aufweisen, gekennzeichnet dadurch, daß die Biegestreifen (42) an ihren jeweils beiden Enden in dem feststehenden Körper (4) und in dem anzutreibenden Körper (41 bzw. 141) einschließlich dieser Belegung (6) aus keramischem, piezoelektrischen Werkstoff fest eingespannt sind, und daß die in Richtung der Dicke ausgerichtete permanente Polarisation (53,54) der Belegungen (6) der Biegestreifen (42) in in Längsrichtung der Biegestreifen aufgeteilten Hälften einander entgegengesetzt ist, oder daß bei in Richtung der Dicke der Keramikbelegung (6) in einheitlicher Richtung permanent ausgerichteter Polarisation die auf jeweils einer Belegung (6) vorgesehene eine Elektrode (47, 147), bezogen auf die Längsrichtung des Biegestreifens (42), in Hälften geteilt ist, so daß die Biegestreifen (42) im Betrieb einen Wendepunkt ihrer Krümmung etwa am Ort ihrer halben Länge haben.

2. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1, Bekennzeichnet dadurch, daß zwei mechanisch miteinander parallelgeschaltete, phasenentgegengesetzt schwingende Pakete solcher Biegestreifen (42) vorgesehen sind, und daß die beiden bezüglich ihrer Masse aufeinander abgestimmt bemessenen Pakete mit jeweils einem Ende im feststehenden Körper (4) miteinander mechanisch fest verbunden sind.

3. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die zwei Pakete in einer Achse parallel nebeneinander angeordnet sind.