DE2109063B2 - Piezoelektrischer Antrieb - Google Patents
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Description
55
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1
angegeben ist
Im Hauptpatent 20 45 108 ist ein piezoelektrischer Antrieb zur Erzeugung im wesentlichen geradliniger
Hubbewegungen mit mehreren im Abstand voneinander als Paket zusammengefaßten piezoelektrisch
anregbaren Biegestreifen beschrieben, die zwischen einem feststehenden Körper des Antriebs und einem
anzutreibenden Körper angeordnet sind. Diese Biegestreifen sind mit ihrem jeweils einen Ende in einem der
Körper fest eingespannt. Sie weisen wenigstens eine Belegung aus keramischem, piezoelektrischem Werkstoff
auf, auf dem sich Elektroden eines Elektrodenpaares einander gegenüberliegend befinden. An die
Elektroden dieses Elektrodenpaares wird für Schwingungsanregung in beiden Richtungen der Hubbewegung
eine elektrische Spannung mit zeitlich wechselnder Polarität angelegt
Zur Erzielung hoher Antriebsleistung ist bei dem piezoelektrischen Antrieb des Hauptpatents vorgesehen,
daß die Biegestreifen an ihren jeweils beiden Enden in dem feststehenden Körper und in dem anzutreibenden
Körper einschließlich der erwähnten Belegung aus keramischem piezoelektrischem Werkstoff fest eingespannt
sind. Weiter ist dazu vorgesehen, daß die in Richtung der Dicke ausgerichtete permanente Polarisation
der Belegung der Biegestreifen in Längsrichtung der Biegestreifen aufgeteilte Hälften einander entgegengesetzt
ist oder rtaß bei in Richtung der Dicke der Keramikbelegung in einheitlicher Richtung permanent
ausgerichteter Polarisation die auf jeweils einer Belegung vorgesehene eine Elektrode, bezogen auf die
Längsrichtung des Biegestreifens, in Hälften geteilt ist. Mit diesen beiden alternativen Maßnahmen wird
erreicht, daß im Betrieb ein Wendepunkt der Krümmung des Biegestreifens etwa am Ort seiner halben
Länge auftritt.
Die Besonderheit des Aufbaues nach dem Hauptpatent ist die feste Einspannung der Biegestreifen an
dessen beiden Enden. Damit kann die elektrische Anregungsspannung an diesen beiden Enden des
einzelnen Biegestreifens im piezoelektrischen Werkstoff optimal Kraftwirkung durch erzwungene Biegung
des Streifens erzielen.
Sonstige Einzelheiten eines Aufbaues eines Biegestreifens mit piezoelektrischem Werkstoff mit darauf
befindlichen Elektrodenpaaren sind an sich bekannt. Z. B. ist es üblich, zwei streifenförmige Belegungen aus
piezoelektrischem Keramikwerkstoff miteinander zu verbinden, jedoch beide Streifen phasenentgegengesetzt
Kontraktionen und Dilatationen ausführen zu lassen, so daß bei Anlegen elektrischer Wechselspannung
zwischen den Elektroden Biegebewegungen des Streifens resultieren. Vorzugsweise ist, wie ebenfalls
bekannt, in der Mitte zwischen den Keramikstreifen noch ein piezoelektrisch nicht aktiver Trägerstreifen
vorzusehen, der insbesondere aus Metall ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen piezoelektrischen Antrieb mit Biegestreifen aus permanent
polarisiertem, piezoelektrischem Keramikwerkstoff, insbesondere für einen bereits leistungsverbesserten
piezoelektrischen Antrieb nach dem Hauptpatent Maßnahmen anzugeben, mit denen eine (weitere)
Leistungssteigerung zu erzielen ist.
Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen erreicht. Mit
besonderem Vorteil ist die erfindungsgemäße Verbesserung der Leistungsfähigkeit beim piezoelektrischen
Antrieb nach dem Hauptpatent anzuwenden, weil dort bereits optimale Voraussetzungen für die Umsetzung
angelegter elektrischer Spannung in Arbeitsleistung gegeben ist Mit den Maßnahmen der vorliegenden
Erfindung ist es möglich, außerdem noch die an das eine oder an die mehreren Elektrodenpaare anzulegende
elektrische Spannung in derjenigen Phase zu erhöhen, in der die anliegende Spannung auf die permanente
Polarisation des keramischen, piezoelektrischen Werkstoffes nicht depolarisierend wirkt.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen bekannten piezoelektrischen Antrieb bzw. auf den
piezoelektrischen Antrieb nach dem Hauptpatent führt entweder zu einer Leistungssteigerung oder sie
ermöglicht es, für gleichbleibenden Kraft- bzw. Leistungsbedarf den Antrieb zu verkleinern und insbesondere
eine Verringerung der Anzahl der für einen Antrieb vorzusehenden Biegestreifen des Pakets vorzunehmen.
Bei einem Biegestreifen mit zwei miteinander verbundenen Belegungen aus piezoelektrischem Werkstoff,
bei dem die beiden Belegungen wenigstens in einem bestimmten Längenabschnitt des Biegestreifens
phasenentgegengesstzt zu Kontraktion bzw. Dilatation angeregt werden, sind zwei Parallelschaltungen mit je
einem Gleichrichter und einem Widerstand vorzusehen. Von diesen ist die eine Schaltung mit dem Elektrodenpaar
der einen Belegung und die andere mit dem Elektrodenpaar der anderen Belegung elektrisch in
Reihe geschaltet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Figuren näher erläutert.
F i g. 1 zeigt einen Aufbau eines einzelnen Biegestreifens, wie er in einem piezoelektrischen Antrieb nach
dem Hauptpatent vorgesehen ist und der eine S-förmige Krümmung aufgrund der Anordnung der
Elektrodenpaare und deren elektrischer Zusammenschaltung ausführt.
F i g. 2 zeigt die elektrische Zusammenschaltung mehrerer Biegestreifen eines Pakets, wie es bei einem
piezoelektrischen Antrieb nach dem Hauptpatent vorgesehen ist.
F i g. 1 zeigt einen Biegestreifen 2, der mit dem einen Ende in einer nur teilweise dargestellten Einspannvorrichtung
4 und mit dem anderen Ende in einer ebenfalls nur teilweise dargestellten zweiten Einspannvorrichtung
5 fest eingespannt ist. Die Darstellung in F i g. 1 ist in der Richtung der Dicke des Streifens stark gedehnt.
Der als Beispiel in F i g. 1 wiedergegebene Biegestreifen besteht im wesentlichen aus zwei Belegungen 6 und
8 aus keramischem, piezoelektrischem Werkstoff, die miteinander fest verbunden sind. Für diese Verbindung
ist insbesondere eine Verklebung oder Lötung vorgesehen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Biegestreifen zwischen den Belegungen
6 und 8 einen Trägerstreifen 10, insbesondere aus Metall, auf, in dem die neutrale Zone des Biegestreifens
liegt. Im Falle eines elektrisch leitfähigen Trägerstreifens wird dieser vorteilhafterweise auch als elektrischer
Anschluß verwendet. Sind die Belegungen 6 und 8 mit einem elektrisch isolierenden Mittel, z. B. einem
elektrisch nichtleitfähigen Klebstoff, mit diesem Trägerstreifen verbunden, so sind zum unmittelbaren elektrischen
Anschluß der vorgesehenen elektrischen Spannung an die Keramik der Belegungen 6 und 8 weitere
elektrische Belegungen 11 und 12 auf den einander zugewandten Seiten der Belegungen 6 und Ü, und zwar
direkt auf der Oberfläche des keramischen Werkstoffes, vorgesehen. Diese Elektrodenbelegungen 11 und 12 sind
z. B. durch eine Stelle mit leitfähigem Kleber miteinander bzw. mit dem Material eines elektrisch leitenden
Trägerstreifens galvanisch verbunden.
Auf den äußeren Flächen der Belegungen 6 und 8 sind beispielsweise weitere Elektroden 13, 14, 15 und 16
angeordnet. Der in der F i g. 1 zur Erläuterung der Erfindung dargestellte Biegestreifen weist somit die
Elektrodenoaare 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 nach dem Hauptpatent
des an beiden Enden eingespannten Biegestreifens vorgesehen.
Die in den Längsschnittsflächen der Belegungen 6 und 8 eingetragenen Pfeile 21, 22, 23 und 24 zeigen die für
einen sich S-förmig krümmenden, an beiden Enden
ίο eingespannten Biegestreifen beispielsweise gewählten
Richtungen der permanenten Polarisation des piezoelektrischen Werkstoffes der Belegungen 6 und 8. Die
permanenten Polarisationen sind, wie bekannt, durch einen Polarisationsprozeß bewirkt.
Einem Merkmal der Erfindung gemäß sind für den dargestellten Biegestreifen zwei Gleichrichter 25 und 26
mit jeweils dazu parallel geschalteten elektrischen Widerständen 27 und 28 vorgesehen. Eine derartige
Schaltung aus Gleichrichter und Widerstand ist mit den miteinander parallelgeschalteten Elektrodenpaaren 11,
13 und 12,16 in Reihe geschaltet. Die andere Schaltung 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, j4 für die Anregungsspannung
verbunden.
Einem Merkmal der Erfindung gemäß ist die Polung der Gleichrichter 25 bzw. 26 so gewählt, daß die
jo Durchlaßrichtung des einzelnen Gleichrichters, in der
Figur durch die Pfeile 29 bzw. 30 angedeutet, elektrisch entgegengesetzt gerichtet ist der Polarisation des
Werkstoffes 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 schematisch, und zwar mit 35 und 36 bezeichnet, dargestellt.
Die sich gemäß dem Erfindungsgedanken ergebende Wirkung ist die folgende:
Die sich gemäß dem Erfindungsgedanken ergebende Wirkung ist die folgende:
Bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung, z. B. der Netzwechselspannung 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. Fließt der Ladestrom der zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren 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 im wesentlichen nur durch den Widerstand. Der Widerstand ist an die Größe der
Kapazität zwischen den parallelgeschalteten Elektrodenpaaren angepaßt, und zwar derart, daß die
bo Scheitelspannung an den Elektrodenpaaren in dieser
Phase, wie oben erwähnt, um ein vorgegebenes Maß unter dem Scheitelwert der angelegten Spannung bleibt.
Die Oröße des erfindungsgemäß angepaßten Widerstandes hängt im wesentlichen von der gesamten mit
t>5 dem jeweiligen Gleichrichter in Reihe liegenden
Kapazität ab. Beim Beispiel der Fig. 1 ist dies die Gesamtkapazität der Elektrodenpaare 11,13 und 12,16
bzw. 12,14 und 11,15. Weiter hängt dieser Wert von der
Frequenz der angelegten Spannung ab.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Wahl der Durchlaßrichtung des einzelnen Gleichrichters in bezug
auf die Richtung der permanenten Polarisation der Keramik zwischen den jeweils zugehörigen Elektrodenpaaren
wird erreicht, daß in der Phase mit zur Polarisationsrichtung antiparallel gerichtetem elektrischen
Feld der angelegten Wechselspannung die Feldstärke nur einen solchen vorgegebenen Wert
erreicht, der auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen noch keine depolarisierende Wirkung für die Keramik
hat. Als ungünstige Betriebsbedingung kommt insbesondere stärkere Erwärmung des Werkstoffes in Betracht.
In der Phase, in der die Feldstärke der anregenden Spannung parallel zur Polarisationsrichtung des Werk- is
stoffes gerichtet ist, kann man die Feldstärke dagegen auf Werte ansteigen lassen, die lediglich durch die zur
Verfügung stehende Höhe der zwischen 32 und 34 angelegten Wechselspannung und/cder durch die
elektrische Durchschlagsfestigkeit und Leitfähigkeit des piezoelektrischen Werkstoffes bestimmt ist. In dieser
Phase kann eine dementsprechend besonders hohe Arbeitsleistung des Antriebs erreicht werden. Die Dicke
der Keramikstreifen wird entsprechend der Höhe des Scheitelwerts der zur Verfügung stehenden elektrischen
Anregungsspannung gewählt.
Abgesehen von der aufgabengemäß erreichbaren Kraft- bzw. Leistungssteigerung wird durch die Lehre
nach der Erfindung auch eine Verringerung der in der Keramik auftretenden Verlustwärme erreicht. Durch
die Herabsetzung der Größe der depolarisierend wirkenden Feldstärke wird das Ausmaß der auftretenden
Domänenbewegungen, die einen wesentlichen Anteil der in dem piezoelektrischen Werkstoff entstehenden
Verlustwärme liefern, herabgesetzt. s >
Die in der F i g. 1 angegebene Parallelschaltung der Elektrodenpaare 11,13,12,16 einerseits und 12,14 und
11, 15 andererseits berücksichtigt die bereits oben erwähnte S-förmige Biegebewegung, die der dargestellte
Biegestreifen ausführen soll.
Durch die in der F i g. 1 gestrichelte Darstellung 37,38
soll für eine Phase gezeigt sein, in welcher Weise di S-förmige Durchbiegung zu verstehen ist. Die Elektro
den 13 und 15 bzw. 14 und 16 reichen, wie ersichtlich, bii in die Nähe des Wendepunktes der Krümmung.
Ist eine Durchbiegung des Streifens mit in einer Phas der angelegten Spannung gleichbleibendem Vorzeiche
der Krümmung gefordert, so wird der ganze Biegestrei fen so ausgeführt, wie dies für die untere bzw. die ober
Hälfte mit den Elektrodenpaaren 11,13 und 11,15 bzw
12, 14 und 12, 16 des in Fig. 1 dargestellte Biegestreifens beschrieben ist.
Die in der F i g. 1 erläuterte Aufteilung der äußere
Elektroden und die zugehörige spezielle Schaltung de; Elektroden ist insbesondere für Biegestreifen eine:
piezoelektrischen Antriebs nach dem Hauptpaten geeignet, bei dem eine Anzahl derartiger Biegestreife
zu einer Einheit nebeneinander angeordnet uni mechanisch parallel geschaltet sind, wobei jede
Biegestreifen an beiden Enden fest eingespannt ist.
Die F i g. 2 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbai
eines derartigen, aus vier mechanisch parallel geschalte ten Biegestreifen zusammengesetzten Block eine:
piezoelektrischen Antriebs mit der dazugehörige Schaltung der einzelnen Elektroden mit zwei wi
erfindungsgemäß vorzusehenden Gleichrichter-Wider Standsschaltungen. Die mit F i g. 1 übereinstimmende
Einzelheiten sind mit den zugehörigen Bezeichnunge in die F i g. 2 übernommen. Bei Anlegen einei
elektrischen Wechselspannung an die Anschlüsse 32 un< 34 führt der in Fig.2 dargestellte Antriebsblocl·
Schwingbewegungen aus, bei denen sich die ober Einspannung 5 gegenüber der unteren Einspannung '
der Biegestreifen im wesentlichen gradlinig Hubbewe gungen ausführt. Dies ist durch den Doppelpfeil 4
angedeutet. Bei mechanischer Festlegung der unterer Einspannvorrichtung kann beispielsweise an den
Zapfen 42 an der oberen Spannvorrichtung 5 mechani sehe Arbeit abgenommen werden. Die galvanischer
Verbindungen der in F i g. 2 nicht näher dargestellten jedoch in F i g. 1 ausführlich beschriebenen Elektroden
paare ist in F i g. 2 im Prinzip angegeben.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Piezoelektrischer Antrieb mit einem oder mit mehreren im Abstand voneinander als Paket
zusammengefaßten piezoelektrisch anregbaren Biegestreifen, der bzw. 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,
piezoelektrischem Werkstoff wenigstens ein Elektrodenpaar aus einander gegenüberliegenden Elektroden
mit dazwischen befindlichem piezoelektrischem Werkstoff aufweisen, wobei an das Elektrodenpaar
eine elektrische Spannung mit zeitlich wechselnder Polarität anzulegen ist, so daß diese
Spannung zeitweise parallele und zeitweise antiparallele Richtung zur Polarisation des piezoelektrischen
Werkstoffes zwischen den Elektroden des jeweiligen Elektrodenpaares hat, insbesondere nach
Patent2045 108,gekennzeichnet dadurch,
daß einem Elektrodenpaar (11, 13) eine Parallelschaltung aus Gleichrichter (25) und Widerstand (27)
elektrisch in Reihe geschaltet ist, daß der Gleichrichter so gepolt ist, daß seine Durchlaßrichtung (29)
elektrisch entgegengesetzt zur Richtung der permanenten Polarisation (21) in der Belegung (6) zwischen
dem betreffenden Elektrodenpaar (11,13) gerichtet ist und daß der Widerstand so groß bemessen ist, daß
die Scheitelspannung zwischen dem Elektrodenpaar (11,13) während der Sperrphase des Gleichrichters
einen vorgegebenen Bruchteil des Scheitelwertes der an Anschlüsse (32, 34) angelegten elektrischen
Spannung wechselnder Polarität nicht übersteigt.
2. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch I1
dadurch gekennzeichnet, daß Elektrodenpaare (11, 13 und 12, 16 bzw. 12, 14 und 11, 15), die parallel
geschaltet mit Spannung jeweils gleicher Polarität zu betreiben sind, zusammengefaßt einem Gleichrichter
(25 bzw. 26) mit parallel geschaltetem Widerstand (27 bzw. 28) in Reihe geschaltet sind
(i)
3. Piezoelektrischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Spannung
jeweils gleicher Polarität betriebene Elektrodenpaare eines Biegestreifens mit mit Spannung jeweils
gleicher Polarität zu betreibenden Elektrodenpaaren anderer Biegestreifen eines Pakets von Biegestreifen
in bezug auf die Parallelschaltung aus Gleichrichter (25 bzw. 26) und Widerstand (27 bzw.
28) einander parallel geschaltet sind (F i g. 2).
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