DE2109063A1 - Piezoelektrischer Motor - Google Patents

Piezoelektrischer Motor

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DE2109063A1 DE19712109063 DE2109063A DE2109063A1 DE 2109063 A1 DE2109063 A1 DE 2109063A1 DE 19712109063 DE19712109063 DE 19712109063 DE 2109063 A DE2109063 A DE 2109063A DE 2109063 A1 DE2109063 A1 DE 2109063A1
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Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrisch angeregten Motor mit einem Biegestreifen oder mit mehreren, zu einem oder mehreren Paketen zusammengefaßten, mechanisch jeweils parallel geschalteten Biegestreifen mit piezoelektrischer Keramik, wobei der oder die Biegestreifen Biege- und/oder Torsionsverformungen ausführen, wenn eine elektrische Spannung mit zeitlich wechselnder Polarität an ein oder mehrere Elektrodenpaare auf der Keramik angelegt wird, wobei die Spannung zeitweise parallele oder antiparallele Richtung zur Polarisation der Keramik zwischen den Elektrodenpaaren hat.
Es ist bekannt, eine Klingel mit einem als piezoelektrischen Biegeschv/inger ausgebildeten Klöppel zu versehen. Pur eine Uhr wurde vorgeschlagen, als Antrieb die Arbeitsleistung einer piezoelektrisch angeregten Stimmgabel heranzuziehen. In der DOS 1 906 94-7 ist ein piezoelektrischer Motor mit einem Biegestreifen mit piezoelektrischer Keramik beschrieben.
In einer älteren Anmeldung P 20 45 108.5 vom 11.9.1970 ist ein piezoelektrischer Motor beschrieben, bei dem mehrere piezoelektrisch anregbare Biegestreifen, als Paket mechanisch miteinander parallel geschaltet, zwischen dem zu bewegenden Teil und einem anderen, vorzugsweise feststehenden, Teil des Motors parallel nebeneinander angeordnet sind, wobei die Biegestreifen im wesentlichen aus mit Streifen aus Piezokeramik belegten
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Trägerstreifen bestehen und an Einspannstellen mit Trägerund Keramikstreifen zusammengespannt sind.
In einer weiteren älteren Patentanmeldung P 21 07 590.1 vom 17.2.1971 ist beschrieben, in welcher T/eise durch mechanische Maßnahmen eine Kraft- "bzw. Leistungssteigerung bei einem piezoelektrischen Motor erreicht werden kann, nämlich durch eine feste und harte, auf der gesamten Einspannfläche tragende Einspannung und/oder durch zwei oder mehrfache Einspannung der Biegestreifen.
Als Biegestreifen kommen Ausführungen in Betracht, bei denen beispielsweise ein Streifen aus piezoelektrischer Keramik mit einem nicht piezoelektrischen, d.h. nicht aktiven Trägerstreifen fest verbunden ist.
Andere Ausführungen sind die, bei denen zwei Streifen aus piezoelektrischer Zeramk miteinander verbunden sind, jedoch beide Streifen phasenentgegengesetzte Kontraktionen und Dilat. at ionen ausführen, so daß bei Anlegen geeignet gerichteter elektrischer Spannungen zwischen Elektroden auf den Keramikstreifen Biegebewegungen des zusammengesetzten Streifens resultieren. Gegebenenfalls ist wie bekannt in der Mitte zwischen den Keramikstreifen noch ein piezoelektrisch nicht aktiver Trägerstreifen, insbesondere aus Metall, vorgesehen.
In den älteren Anmeldungen sind Ausführungen beschrieben, bei denen ein Biegestreifen so ausgeführt ist und angeregt wird, daß ein- oder mehrfach S-förmige Biegebewegungen resultieren. Dazu ist ein solcher Streifen bzgl. seiner Längsrichtung abschnittweise zueinander entgegengesetzt polarisiert ccler wird in seiner Längsrichtung abschnittweise mit ε^wechselnd gerichteter elektrischer Spannung angeregt. Die Anregung erfolgt durch Anlegen elektrischer Spannung zwischen üv/v-üü svvei Elektroden, die auf einander gegenüberliegeixueji Selten de-s
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Keramikstreifer^ angeordnet sind und die zusammen jeweils ein Blektrodenpaar bilden. Dabei können mehrere Elektrodenpaare miteinander eine gemeinsame Elektrode haben.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen für eine Kraftbzw. Leistungssteigerung bei einem piezoelektrischen Motor, und zwar insbesondere wie er in der einen und/oder der anderen der obengenannten älxeren Anmeldungen beschrieben ist, anzugeben, und zwar vorzugsweise bei gleichbleibenden geometrischen Abmessungen und/oder im wesentlichen unverändertem Aufbau £-~ Liotcrs. Ξ3 ist auch eine Aufgabe der Erfindung, durch die erfindungsgemäß erzielte Kraft- bzw. Leistungssteigerung, ev.va im Falle gleichbleibenden Kraft- bzw. Leiuvar-gsbeaarfes, eii-ie Verkleinerung dec Ilctors, insbesondere eine Verringerung der Anzahl der für einen Ko.tor vorzusehenden Biegestreifen, zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrisch angeregten Lictor gelöst, der erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch einen aufbau, bei dem einem Elektrodeinpaar eine Kombination, bestehend aus Gleichrichter und elektrisch parallel geschaltetem V/iderstand, elektrisch in Eeihe geschaltet ist, wobei der Gleichrichter so gepolt ist, daß seine Durchlaßrichtung elektrisch entgegengesetzt zur Sichtung der permanenten Polarisation in der Keramik zwischen zwischen dem betreffenden Slektrodenpaar gerichtet ist und der \.riderstar_d se groß bemessen ist, daß die Scheitelspani'-uiig zwischen einem Slektrodenpaar während der Sperrphase des G-leichrichters einen vorgegebenen Bruchteil des Scheitelwertes der angelegten 'wechselspannung nicht übersteigt.
Bei einem Biegestreifen nit zwei miteinander verbundenen Streifen aus piezoelektrisch aktiver Keramik, bei dem in den beiden Keramikstreifen wenigstens in einem bestimmten Längenabschnitt des Biegesxreifens phasenentgegengesetzt Kontraktion bzw. Dilatation angeregt wird, sind erfindungsgemäS zwei Gleich-
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richter mit je einem, parallel geschalteten Widerstand vorgesehen. Yon diesen ist der eine mit dem Blektrodenpaar des einen Keramikstreifens elektrisch in Reihe geschaltet und der andere mit dem Elektrodenpaar des anderen Keramikstreifens in Reihe geschaltet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung zu den Figuren hervor.
Figur 1 zeigt einen Biegestreifen 2, der mit dsm'einen Ende in einer nur teilweise dargestellten Einspannvorrichtung 4 und siit dem anderen Ende in einer ebenfalls nur teilweise dargestellten zweiten Einspannvorrichtung 5 fest eingespannt ist. Besonders bevorzugte Ausführungsformen für eine derartige Sinspannung sind insbesondere in der älteren Anmeldung P 21 07 590.1 vom 17.2.1971 beschrieben. Die Darstellung in Figur 1 ist in der Richtung der Dicke des Streifens stark gedehnt.
Der als Beispiel in Figur 1 wiedergegebene Biegestreifen besteht im wesentlichen aus zwei Streifen 6 und 8 aus Piezokeramik, die miteinander mechanisch fest verbunden sind. Für diese Verbindung ist insbesondere eine Verklebung oder Lötung vorgesehen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Biegestreifen zwischen den Streifen 6 und 8 einen Träger-Streifen 10, insbesondere aus Metall, auf, in dem die neutrale Zone des Biegestreifens liegt. Im Falle eines elektrisch leitfähigen Trägerstreifens wird dieser vcrteilhafterwej.se auch als elektrischer Anschluß verwendet. Sind die Streifen 6 und 8 mit einem elektrisch isolierenden Mittel, z.B. einem elektrisch niehtleitfähigen Klebstoff, mit diesem Trägerstreifen verbunden, so sind zum unmittelbaren elektrischen Anschluß der vorgesehenen elektrischen Spannung, an die Keramik der Streifen 6 und 8 weitere elektrische Belegungen 11 und 12 auf den einander zugewandten Seiten der Streifen 6 und 8, und zwar direkt auf der Oberfläche der Keramik, vorgesehen. Diese Elektrodenbelegungen
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11 und 12 sind in geeigneter Weise, z.B. durch eine Stelle mit leitfähigem Kleber, miteinander bzw. mit dem Material eines elektrisch leitenden Irägerstreifens galvanisch verbunden.
ί Auf den äußeren flächen der Keramikstreifen 6 und 8 sind beispielsweise weitere Elektroden 13, 14> 15 und 16 angeordnet. Der in der Figur 1 zur Erläuterung der Erfindung dargestellte Biegestreifen weist somit die Slektrodenpaare 11-13, 11-15, 12-14 und 12-16 auf. Die in Längsrichtung des Biegestreifens erfolgte Aufteilung in die Elektrodenpaare 11-13 und 11-15 bzw. 12-14 und 12-16 ist zur Erzeugung gewünschter S-förmig gekrümmter Biegebewegungen des an beiden Enden eingespannten Biegestreifens vorgesehen.
Die in den Längsschnittsflächen der Streifen 6 und 8 eingetragenen Pfeile 21, 22, 23 und 24 zeigen die für einen sich S-förmig krümmenden, an beiden Enden eingespannten Biegestreifen beispielsweise gewählten Richtungen der permanenten Polarisation in der piezoelektrischen Keramik der Streifen 6 und 8. Die permanenten Polarisationen sind, wie bekannt, durch einen Polarisationsprozess bewirkt.
Erfindungsgemäß sind für den dargestellten Biegestreifen zwei Gleichrichter 25 und 26 mit jeweils parallel geschalteten elektrischen Y/iderständen 27 und 28 vorgesehen. Eine Kombination aus Gleichrichter und Yifiderstand ist mit den miteinander parallelgeschalteten Elektrodenpaaren 11-13 und 12-16 in Reihe geschaltet. Die andere Kombination ist in gleicher Weise für ■die Elektrodenpaare 11-15 und 12-14 vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind diese beiden Reihenschaltungen wiederum zueinander parallel geschaltet und . mit. den Anschlüssen 32, 34 für die Anregungsspannung verbunden.
Erfindungsgemäß ist die Polung der Gleichrichter 25 bzw. 26 so gewählt, daß die Durchlaßrichtung des einzelnen Gleichrichters, in der Figur durch die Pfeile 29 bzw. 30 angedeutet, elektrisch
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entgegengesetzt gerichtet ist der Polarisation der Keramik zwischen den Elektrodenpaaren desjenigen elektrischen Stromkreises, in dem sich der jeweilige Gleichrichter 25 "bzw. 26 befindet. Die zum Anschluß der jeweiligen oberen Elektrodenpaare'vorgesehenen galvanischen Verbindungen sind nur schematise: und zwar mit 35 und 36 bezeichnet, dargestellt.
Die sich gemäß dem Erfindungsgedanken ergebende Wirkung einer Anordnung nach der Erfindung ist die folgende: Bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung, z.B. der Ne tzwechselspannung mit 220 Volt an den Anschlüssen 32 und 34- treten am Elektrodenpaar 11-13, infolge des in einer Richtung sperrenden Gleichrichters 25 in beiden Phasen der Wechselspannung unterschiedlich hohe Werte der Scheitelspannung auf. Dasselbe gilt sinngemäß für die Elektrodenpaare 11-15, 12-14 und 12-16. Pliesst der Ladestrom der zwischen den einzelnen Elektrödenpaaren liegenden Kapazitäten in Durchlaßrichtung des in Reihe geschalteten Gleichrichters, so steigt die Spannung zwischen den Elektroden bis auf einen Wert nahe dem Scheitelwert der zwischen 32 und 34 angelegten Wechselspannung an. Bei demgegenüber umgekehrter Polarität der Spannung, d.h. in der Sperrphase des Gleichrichters, sperrt dieser und der Ladestrom fliesst erfxndungsgemäß im wesentlichen nur durch den Widerstand. Der Widerstand ist an die Größe der Kapazität zwischen den parallelgeschalteten Elektrodenpaaren angepaßt, und zwar erfindungsgemäß derart, daß die Scheitelspannung an den Elektrodenpaaren in dieser Phase, wie oben erwähnt, um ein vorgegebenes Maß unter dem Scheitelwert des? angelegten Spannung bleibt. Die Größe des erfindungsgemäß angepaßten Widerstandes hängt im wesentlichen von der gesamten mit dem jeweiligen Gleichrichter in ReSihe liegenden Kapazität ab. Beim Beispiel der Pig,1 ist dies die Gesamtkapazität der Elektrodenpaare 11-13 und 12-16 bzw. 12 - 14 und 11-15. Weiter hängt dieser Viert von der Frequenz der angelegten Spannung ab.
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Slit epr sehend der erfirjIurigsgemaBen Y/ahl der LurchlaBrichirang .des einzelnen Gleichrichters in Bezug auf die Richtung der permanenten Polarisation der Keramik zwischen den jeweils zugehörigen Slektrodenpaareii wird erreicht, daß in der Phase nit zur Polarisationsrichtung antiparallel gerichtetem elektrischen PeId der angelegten Wechselspannung 'r solchen vorgegebenen Y/ert erreicht, der auch "bei ungünstigen Betriebsbedingungen noch keine depolarisierende liiivt..^ für die Keramik hat. Als ungünstige Betriebsbedingung kommt insbesondere stärkere Z3rv/ärnung der Keramik in Betracht.
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der Phase, in der die Feldstärke der anregenden Spannung parallel zur Polarisationsrichtung der Keramik gerichtet ist, kann man die Feldstärke dagegen auf vierte ansteigen lassen, die lediglich durch die zur Verfügung stehende Höhe der zwischen 32 und 34 angelegten Wechselspannung und/oder durch die elektrische Durchschlagsfestigkeit und Leitfähigkeit der Keramik bestimmt ist. Indieser Phase kann eine dementsprechend besonders hohe Arbeitsleistung des Hotors erreicht werden. Die Dicke der Kerainikstreifen wird- entsprechend der Höhe des Scheitelwerts der 2ur Verfugung stehenden elektrischen Anregungs spannung gewählt;.
Abgesehen von der erfindungsgenäS erreichbaren Kraft- bzw. Leistungssteigerung wird durch die Lehre nach der Erfindung auch eine Verringerung der in der Keramik auftretenden Verlus'C-wärme erreicht. Durch die Herabsetzung der G-rcSe der depolarisierend wirkenden feldstärke wird das Ausnaß der auftretenden Domäneiiceweguiigens die einen wesentlichen Anteil der in der Keramik entstehenden Verlustwärme liefern, herabgesetzt.
Die in der Figur 1 angegebene Parallelschaltung der Elaktrodonpaare 11-13, 12-16 einerseits und 12-14 und 11-15 andererseits berücksichtigt die bereits oben erwähnte S-förmige Bicgev/egung, die der dargestellte B ie gestreif en ausführen soll. *'die Feldstärke nur einen
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Durch die in der Figur 1 gestrichelte Darstellung 37, 38 soll für eine Phase gezeigt sein, in welcher Weise die S-förmige Durchbiegung zu verstehen ist. Die Elektroden 15U· 15 bzw. 14 und 16 reichen, wie ersichtlich, bis in die Fähe des Y/endepunktes der Krümmung.
Ist eine Durchbiegung des Streifens mit in einer Phase der angelegten Spannung gleichbleibendem Vorzeichen der Krümmung gefordert, so wird der ganze Biegestreifen so ausgeführt5 wie dies für die untere bzw. die obere Hälfte mit den Elektrodeiipaaren 11-15 und 11-15 bzw. 12-14 und 12-16 des in Figur 1 dargestellten Biegestreifens beschrieben ist.
Die in der Figur 1 erläuterte Aufteilung der äußeren Elektroden und die zugehörige spezielle Schaltung der Elektroden ist incbesciidere für Biegesxreifen eines piezoelektrischen Motors geeignet; wie er in den obengenannten älteren Patentanmeldungen bereits beschrieben ist und bei dem eine Anzahl derartiger Biegestreifen zu einer Einheit nebeneinander angeordnet und mechanisch parallel geschaltet sind, wobei die Biegestreifen an beiden Enden vorzugsweise fest zusammengespannt sind.
Die Figur 2 zeigt schematise!! den prinzipiellen Aufbau eines derartigen, aus vier mechanisch parallel geschatteten Biegestreifen zusammengesetzten Antriebsblock eines piezoelektrischen Llotors mit der dazugehörigen Schaltung der einzelnen Elektroden mit zwei erfindungsgemäßen G-leichrichter-'-./iderstandskombir-ationei-: Die mit Figur 1 übereinstimmenden Einzelheiten sind mit den zugehörigen Bezeichnungen in die Figur 2 übernommen. Eei AnIe0On einer elektrischen Wechselspannung an die Anschlüsse 32 und 34 führt der in Figur 2 dargestellte Antriebsblock Sehwingbeweguiije·:: aus, bei denen sich die obere-Einspannung 5 gegenüber der unterer Einspannung 4 der Eiegestreifen im wesentlichen gradlinig hin- und herbewegt. Dies ist durch den Doppelpfeil 41 angedeutet. Bei mechanischer Festlegung der unteren Einspannvor-
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richtung kann beispielsweise ah dem Zapfen 42 an der oberen Spannvorrichtung 5 mechanische Arbeit abgenommen v/erden. Sie galvanischen Verbindungen der in Figur 2 nicht näher dargestellten, jedoch in Figur 1 ausführlich beschriebenen Elektrode: paare ist in Figur 2 im Prinzip angegeben.
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Claims (7)

  1. Pate η tans prüche
    Piezoelektrischer Hotor mit einem Biegestreifen oder mit mehreren, zu einem oder mehreren Paketen zusammengefaßten mechanisch jeweils parallel geschalteten Biegestreifen mi'u" piezoelektrischer Keramik, wobei der oder die Biegestreifi:i Biege- und/oder Sorosionsverformungeii ausführen, wenn eine elektrische Spannung mit zeitlich wechselnder Polarität ar. ein oder mehrere Slektrodenpaare auf der Keramik angelegt wird, wobei die Spannung zeitweise parallele oder antipardl-./. Richtung zur Polarisation der Keramik zwischen den Elek-jrc^.ipaaren hat, gekennzeichnet durch einen Auf οετα, bei dem einem Slektrodenpaar (11-15) eine Kombination "bestehend aus Gleichrichter (25) und elektrisch parallel geschaltetem V/iderstand (27) elektrisch in Reihe geschaltet ist, wobei der Gleichrichter so gepolt ist, daß seine Durchlaßrichtung (29) elektrisch entgegengesetzt zur Richtung der permanenten Polarisation (21) in der Keramik (6) zwischen de:u betreffenden Elektrodenpaar (11-13) gerichtet ist und der Widerstand so groß bemessen ist, daß die Scheitelspannung zwisch. einem Elektrodenpaar (11-13) während der Sperrphase des Gleichrichters einen vorgegebenen Bruchteil des Scheitelv/ertes der an Anschlüsse (32, 34) angelegten elektrischen Spannung wechselnder Polarität nicht übersteigt.
  2. 2. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1,gekennzeich net dadurch, daß mehrere Elektrodenpaare (11-13» 12-14) \>z\f (11-13, 11-15) vorgesehen sind, bei denen die elektrische Spannung in derselben Phase bei wenigstens einem Elektrodenpaar (11-13) parallel (oder antiparallel) und bei wenig£to:is einem weiteren Elektrodenpaar (11-13) bzw. (11-15) &ntiparalel (oder parallel) zur Richtung der permanenten Polarisation in der Keramik zwischen-den jeweiligen Elektrodenpaaren gerichtet ist.'
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  3. 3. Piezoelektrischer Llotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwei miteinander verbundene ICeramikstreifen (6 und S) vorgesehen sind, auf denen sich wenigstens je ein Slektrodenpaar (11-13) und (12-14) "befindet.
  4. 4. Piezoelektrischer Motor nach einem, der Ansprüche 1 Ms 3, gele ennzeich η e t dadurch, daß für einen Biegestreifen für S-förmig gekrümmte Biegebewegungen auf einem Keramikstircifen zwei Elektrodenpaare (11-13 und 11-15) in Längsrichtung des Streifens nebeneinander angeordnet sind und jedem dieser Hlektrodenpaare eine G-leichrichter-Widerstandslcombination (25i< 26 Γ, 28) elektrisch in Eeihe geschaltet ist.
  5. 5. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Kerainikstreifen (6, 8) nit je zwei ülektrodenpaaren vorgesehen sind,
  6. 6. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 4 oder 5, g e k e η η zeichnet dadurch, da-s für mehrfach S-fcrciig £ekrür.u:;te 3iegeb<3V/egungen mehrfach doppelte Slektredenpaare (11-13, 11-15) in Längsrichtung des Biegestreifens nebeneinander angeordnet sind.
  7. 7. Piezoelektrischer Llotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere mechanisch und elektrisch parallel geschaltete Biegestreifen zu einem Paket zusammengefaßt sind. (Pig. 2)
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    Lee rseite
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