DE2109063C3 - Piezoelektrischer Antrieb - Google Patents

Description

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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 <>o 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 Biege- ^b5 streifen 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 daß 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 Biegestrrifen 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 depoiarisierend 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 ein&n Biegestreifen mit zwei miteinander verbundenen Belegungen aus piezoelektrischem Werkstoff, bei dem die beiden Belegungen wenigstens in einem bestimmten Lädgenabschnitt des Biegestreifens phasenentgegengesetzt 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

Fig.2 zeigt die elektrische Zusammenschaltung mehrerer Biegestreifen eines Pakets, wie es bei eiiran 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 unmittelbare.i 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 8, und zwar direkt auf der Oberfläche des keramischen Werkstoffes, vorgesehen. Diese Elektrodenbelegungen 11 und 12 sind z. B. durch eine Steile 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 Elektrodenpasre !!, 13, !1,15,12, !4 und !2, !6 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 s 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 U, 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.

Einem Merkmal der Erfindung gemäß 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 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:

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

4> 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 paralielgeschalteten Eiektrodenpaaren 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 Größe des erfindungsgemäß angepaßten Widerstandes hängt im wesentlichen von der gesamten mit

b5 dem jeweiligen Gleichrichter in Reihe liegenden Kapazität ab. Beim Beispiel der F i g. 1 ist dies die Gesamtkapazität der Elektrodenpaare U, 13 und 12,16 bzw. !2_t !4 und H₈ !5. 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 Polarisa ι ionsnchtung 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 Werkstoffes 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/oder 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 aufgabengemäB 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

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 die S-förmige Durchbiegung zu verstehen ist Die Elektroden 13 und 15 bzw. 14 und 16 reichen, wie ersichtlich, bis in die Nähe des Wendepunktes 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 ausgeführt wie dies für die untere bzw. die obere Hälfte mit den Elektrodenpaaren U, 13 und 11,15 bzw. 12, 14 und 12, 16 des in Fig. 1 dargestellten Biegestreifens beschrieben ist

Die in der Fig. 1 erläuterte Aufteilung der äußeren Elektroden und die zugehörige spezielle Schaltung der Elektroden ist insbesondere für Biegestreifen eines

i'i piezoelektrischen Antriebs nach dem Hauptpatent geeignet, bei dem eine Anzahl derartiger Biegestreifen zu einer Einheit nebeneinander angeordnet und mechanisch parallel geschaltet sind, wobei jeder Biegestreifen an beiden Enden fest eingespannt ist.

2" Die F i g. 2 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines derartigen, aus vier mechanisch parallel geschalteten Biegestreifen zusammengesetzten Block eines piezoelektrischen Antriebs mit der dazugehörigen Schaltung der einzelnen Elektroden mit zwei wie erfindungsgemäß vorzusehenden Gleichrichter-Widerstandsschaltungen. Die mit F i g. 1 übereinstimmenden Einzelheiten sind mit den zugehörigen Bezeichnungen in die Fig.2 übernommen. Bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Anschlüsse 32 und

3» 34 führt der in Fig.2 dargestellte Antriebsblock Schwingbewegungen aus, bei denen sich die obere Einspannung 5 gegenüber der unteren Einspannung 4 der Biegestreifen im wesentlichen gradlinig Hubbewegungen ausführt Dies ist durch den Doppelpfeil 41

S3 angedeutet Bei mechanischer Festlegung der unteren Einspannvorrichtung kann beispielsweise an dem Zapfen 42 an der oberen Spannvorrichtung 5 mechanische Arbeit abgenommen werden. Die galvanischen Verbindungen der in F i g. 2 nicht näher dargestellten,

■"' jedoch in F i g. 1 ausführlich beschriebenen Elektrodenpaare ist in F i g. 2 im Prinzip angegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprache:

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 ^,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 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektrodenpaare (U, 13 und 12, 16 bzw. 12, 14 und 11, 15), die parallel geschaltet mit Spannung jeweils gleicher Polarität zu betreiben sind, zusammengefaßt einem Gleich- « richter (25 bzw. 26) mit parallel geschaltetem Widerstand (27 bzw. 28) in Reihe geschaltet sind (Fig.1).

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).