DE2305277B2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Hochspannung mit piezoelektrischen Elementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum zeugen von Hochspannung mit einem Metallrahmen, dem eine aus piezoelektrischen Elementen bestehen- : Einheit zwischen einer sich an ihrem einen Ende !Stützenden Schraube, die am Metallrahmen gehalten ., und einer auf ihr anderes Ende Druck ausübenden :tätigungsvorrichtung angeordnet ist.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (DT-OS 25 94j). Bei der bekannten Vorrichtung handelt es :h um eine Vorrichtung, bei der ein Hochspannungsimpiils dadurch erzeugt werden kann, daß man ein Schlagstück auf das nicht von der verstellbaren Schraube abgestützte Ende der Einheit aus piezoelektrischen Elementen auftreffen läßt. Neben dieser Art von Vorrichtungen, mit piezoelektrischen Elementen Hochspannung zu erzeugen, gibt es noch eine weitere Art, bei der man am piezoelektrischen Element einen statischen Druck angreifen läßt und dabei nicht nur einen Hochspannungsimpuls erzeugt, sondern kontinuierlich Hochspannung abgreifen kann. Letzteres ist in vielen Fällen vorteilhaft.

Auch bei Vorrichtungen zum Erzeugen von Hochspannung mit Hilfe einer statischen Belastung eines piezoelektrischen Elementes ist es bekannt (DT-OS 14 88 892), das piezoelektrische Element in einen Metallrahmen einzusetzen, an seinem einen Ende auslenkbar abzustützen und an seinem anderen Ende eine Nokkenwelle mit Betätigungshebeln angreifen zu lassen. Die Nockenwelle liegt dabei quer zur Längserstrekkung des piezoelektrischen Elementes. Der Angriffspunkt der Nockenwelle am piezoelektrischen Element verlagert sich bei der Betätigung des Betätigungshebels auf der Endfläche des piezoelektrischen Elementes. Bei dieser Verlagerung bewegt sich der Angriffspunkt des piezoelektrischen Elemmentes aus dessen Achse bzw. dem Mittelpunkt der Endfläche heraus, so daß am piezoelektrischen Element die Kraft exzentrisch angreift. In Anbetracht der Beschaffenheit der piezoelektrischen Elemente kommt es dabei durch die Bewegungen zum Aufbringen der Kraft häufig zum Bruch des piezoelektrischen Elementes.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung (DT-OS 16 13 866 zum Erzeugen von Hochspannung mit Hilfe von statischem Druck ist in die Endfläche des piezoelektrischen Elementes eine Führungswanne für eine Walze eingebracht, deren Achse wiederum quer zur Längsachse des piezoelektrischen Elementes liegt. Die Führung hat den Zweck, Verlagerungen der Walze aus der Mittellinie des piezoelektrischen Elementes in gewissem Umfang zuzulassen, wie sie bei Auslenkungen des Elementes zur Spannungserzeugung auftreten. Auch hierbei greift die Kraft wiederum exzentrisch am piezoelektrischen Element an, was häufig zum Bruch des Elementes führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine aus piezoelektrischen Elementen bestehende Einheit derart in ihrem Metallrahmen zu lagern und so mit der den statischen Druck aufbringenden Betätigungsvorrichtung zu verbinden, daß auch bei Auslenkung des piezoelektrischen Elementes aus seiner Mittellage der Druck ständig auf die Mitte des piezoelektrischen Elementes aufgebracht wird

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Betätigungsvorrichtung einen an dem einen inneren Ende des Metallrahmens gehaltenen Drehbolzen aufweist, an dem ein Paar von Betätigungshebeln befestigt ist, und der in seiner Umfangsfläche mit einer Ausnehmung versehen ist, in der eine Kugel gehalten ist, die ihrerseits an der Endfläche der aus piezoelektrischen Elementen bestehenden und in Bezug zu der den Drehbolzen und die Schraube verbindenden Mittellinie des Metallrahmens auslenkbaren Einheit in deren Mittellinie angreift.

Man erkennt, daß hier der quer zur Längserstrekkung des piezoelektrischen Elementes liegende Drehbolzen nicht unmittelbar an diesen angreift. Das gescheht vielmehr über eine Kugel, die in einer Ausnehmung der Umfangsfläche des Drehbolzens eingesetzt

ist und ihren Kontakt mit der Endfläche des piezoelektrischen Elementes genau in deren Zentrum nimmt. ^c.ine Bewegung der Betätigungshebel hat so über eine Bewegung der Kugel eine Auslenkung des piezoelektrischen Elementes zur Folge, wobei die Hin· und Herbewegung dazu führt, daß auf die Endfläche des piezoelektrischen Elementes Druck ausgeübt wird. Die Druckübertragung erfolgt dabei durch die im Mittelpunkt des piezoelektrischen Elementes einerseits und in der Ausnehmung des Drehbolzens andererseits gehalterte Kugel, wodurch der Kraftangriff jeweils zentrisch und ohne Biegebeanspruchung des bruchgefährdeten piezoelektrischen Elementes erfolgt. Es kann also für die Erzeugung Jer Hochspannung erforderliche Deformation des piezoelektrischen Elementes mit geringern Arbeitsaufwand und gutem Fühlkontakt erfolgen, ohne daß eine Bruchgefahr besteht. Die Lebensdauer wird somit bei guter Funktion beträchtlich verlängert.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen

F i g. 1 und 2 Schnittansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäben Vorrichtung zum Erzeugen von Hochspannung in verschiedenen Arbeitsstellungen,

F i g. 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß F i g. 1 und 2,

Fig.4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform,

F i g. 5 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach F ig. 4, J₀

F i g. 6 eine F i g. 4 ähnliche Ansicht in einer anderen Arbeitsstellung,

F i g. 7 eine dritte, eine weitere Verbesserung aufweisende Ausführungsform und

Fig. 8 eine Abwandlung des Aufbaus von F i g. 7 ähnlich F i g. 4.

Fig. 1 bis 3 zeigen einen Metallrahmen 1, in dem eine Kammer 2 ausgebildet ist, die an beiden Seiten offen ist, und einen Drehbolzen 3, der an einem inneren Ende des Metallrahmens 1 drehbar befestigt ist. Der Drehbolzen 3 ist in einem Teil seiner Außenfläche mit einer Ausnehmung 5 versehen, in die ein zylindrisches Stahlteil z. B. eine Kugel 4 eingepaßt ist. In der Kammer 2 des Metallrahmens 1 ist eine aus piezoelektrischen Elementen bestehende Einheit 12 angeordnet, die an beiden Enden der Einheit vorgesehene Metallpuffer 6 und 7, zwischen diesen angeordnete piezoelektrische Elemente 8 und 9, einen zwischen den piezoelektrischen Elementen 8 und 9 angebrachten mittleren Anschluß 10 und ein Gehäuse 11, beispielsweise aus Piastikharz, aufweist, in das die genannten Bauteile eingeschlossen sind. Der Metallpuffer 6 der Einheit 12 ist mit einer Ausnehmung 13 zur Aufnahme der Kugel 4 und der andere Metallpuffer 7 mit einer Ausnehmung zur Aufnahme der Spitze einer Schraube 14 versehen, die in das andere Ende des Metallrahmens 1 eingeschraubt ist. Jeweils ein Ende von Betätigungshebeln 16 und 17 ist an den Enden des Drehbolzens 3 befestigt und eine Hebelrolle 19 wird zwischen den anderen Enden der Betätigungshebel 16 und 17 mittels eines Stiftes 18 gehalten. Ein Hochspannungs-Leitungsdraht 20 wird vom mittleren Anschluß 10 der Einheit 12 herausgefühlt.

Bei dieser Anordnung ist also die aus piezoelektrischen Elementen bestehende Einheit 12 zwischen der Stahlkugel 4 und der Schraube 14 gehalten, wobei sie mit der Mittellinie des Metallrahmens 1, d.h. der die Mitte des Drehbolzens 3 und die Mitte der Schraube 14 miteinander verbindenden Linie X-X einen kleinen Winkel einschließt.

Diese Ausführungsform arbeitet wie folgt: Wenn eine Kraft in Richtung F(F i g. 1) auf die Hebelrolle 19 aufgebracht wird, werden die Betätigungshebel 16 und 17 im Uhrzeigersinn um den Drehbolzen 3 verschwenkt, und diese Schwenkbewegung der Betätigungshebel 16 und 17 wird auf den Drehbolzen 3 übertragen mit dem Ergebnis, daß die Verschwenkung des Drehbolzens 3 in Richtung A bewirkt, daß die Kugel 4 mit dem gleichen Drehwinkel bewegt wird. Diese Bewegung der Kugel 4 bewirkt, daß die aus piezoelektrischen Elementen bestehende Einheit 12 ebenfalls, und zwar in Richtung des Pfeils B bewegt wird, wobei die Spitze der Schraube 14 als Stützpunkt dient. Das heißt, daß die Einheit 12 ihre Stellung aus der in F i g. 1 dargestellten in die in F i g. 2 dargestellte Lage verändert.

Infolge dieser Bewegung werden die piezoelektrischen Elemente 8 und 9 mit einem Druck zusammengepreßt, der ihrer Lageveränderung entspricht, so daß eine Hochspannung fortlaufend über den Hocbspannungs-Leitungsdraht 20 geliefert werden kann.

Wenn die in Richtung F auf die Hebelrolle 19 wirkende Kraft aufgehoben wird, kehrt die Einheit 12 auf Grund der federnden Eigenschaften der piezoelektrischen Elemente 8 und 9 aus der in F i g. 2 dargestellten Lage in ihre Ausgangslage nach F i g. 1 zurück. Dabei wird, während die piezoelektrischen Elemente 8 und 9 aus dem zusammengedrückten in den früheren Zustand zurückgebracht werden, fortlaufend die gleiche hohe Spannung erzeugt.

Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform eine Stahlkugel verwendet wird, können auch irgendwelche andere Kugeln aus leitendem Material verwendet werden, das hart, nicht leicht zerbrechlich und in hohem Maße stabil ist.

F i g. 4, 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform, die teilweise den gleichen Aufbau wie die vorher beschriebene erste Ausführungsform aufweist, wobei für die einander entsprechenden Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Hier sind nun auch am anderen Längsende des Metallrahmens 1 ein zylindrischer Drehbolzen 3' und der an der Endfläche des anderen piezoelektrischen Elementes 9 befestigte Metallpuffer 7 so zusammengebaut, daß sich eine Kugel 4' zwischen ihnen befindet. Eine Seite des Drehbolzens 3' liegt an der Spitze der Preß-Schraube 14 an, durch die die Stärke des auf die Einheit 12 der piezoelektrischen Elemente aufzubringende Kraft eingestellt werden kann. Zum Befestigen der Preß-Schraube 14 am Metallrahmen 1 ist eine Stellmutter 21 vorgesehen.

Bei diesem Aufbau wird die Einheit 12 der piezoelektrischen Elemente zwischen den Stahlkugeln 4 und 4 gehalten, wobei sie mit der Mittellinie des Metallrahmens 1, d. h. einer die Mitte des Drehbolzens 3 mit der des Drehbolzens 3' verbindende Linie einen kleinen Winkel einschließt.

Jeweils ein Ende von Betätigungshebeln 16, 17 und 22 ist an den miteinander zu verbindenden Enden der Drehbolzen 3 bzw. 3' befestigt, wobei die Betätigungshebel 22 mit den Betätigungshebeln 16 und 17 durch einen Stift 23 verbunden sind. In den Betätigungshebeln 16 und 17 ist jeweils ein Schlitz 24 ausgebildet, in dem sich der Stift 23 gleitend bewegt. Die an den anderen Enden der Betätigungshebel 16 und 17 vorgesehene Hebelrolle 19 stellt eine gleichförmige Betätigung sicher.

Die zweite Ausführungsform arbeitet wie folgt: Wenn eine Kraft in Richtung des Pfeiles Fauf die Beta-

tigungshebel 16 und 17 aufgebracht wird, werden die Betätigungshebel 22 mit Hilfe des Verbindungs-Stiftes 23 und der Schlitze 24 gleichzeitig in Richtung des Pfeiles Fverschwenkt.

Diese Schwenkbewegung der Betätigungshebel 16, 17 und 22 in Richtung des Pfeils F veranlaßt die Drehbolzen 3 und 3' sich in Richtung des Pfeils A zu drehen, so daß die Einheit der piezoelektrischen Elemente in Richtung der Pfeile Äund B bewegt und zusammengedrückt wird, wodurch fortlaufend Hochspannung erzeugt wird. Die sich daraus ergebenden Bedingungen sind in F i g. 6 dargestellt. Wenn die in Richtung des Pfeils F wirkende Kraft aufgehoben wird, werden alle Bestandteile durch die Rückstellkraft der Einheit der piezoelektrischen Elemente in ihre Ausgangsstellungen zurückgebracht, wobei die Hochspannung auch während dieser Rückstellperiode fortlaufend erzeugt wird.

Es ergibt sich, daß bei einer Vorrichtung zum Erzeugen der Hochspannung oben beschriebener Konstruktion, bei der die Enden der Einheit der piezoelektrischen Elemente gleitend bewegt werden können, im Vergleich zu den Fällen, bei denen ein Ende einer Einheit aus piezoelektrischen Elementen befestigt ist, mit einem geringeren Ausschlag eine starke Deformationskomponente in den piezoelektrischen Elementen entwickelt und somit eine Hochspannung leicht erzeugt werden kann. Daher kann, im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen, der zum Erzeugen der gleichen Spannung benötigte Ausschlag auf etwa die Hälfte verringert werden, mit dem Ergebnis größerer Wirksamkeit im Betrieb. Ferner wird durch die Gleitbewegung der Enden der Einheit der piezoelektrischen Elemente eine Vorrichtung geschaffen, die ein ausgezeichnetes Berührungsgefühl für die Bedienungsperson sicherstellt und daher von großem praktischem Wert ist.

F i g. 7 zeigt eine weitere Verbesserung, bei der die Abmessung einer im inneren Ende des Metallrahmens 1 zur Aufnahme des Drehbolzens 3 ausgebildeten Ausnehmung 25 größer ist als die des Drehbolzens 3, wie beispielsweise in den F i g. 7 bzw. 8 dargestellt, so daß

ίο bei Betätigung der Betätigungshebel 16 und 17 der Drehbolzen 3 in der Ausnehmung 25 rollt, wodurch ein Druck auf die Einheit der piezoelektrischen Elemente ausgeübt wird. Mit anderen Worten, wenn die Kraft in Richtung des Pfeils F auf die Betätigungshebel 16 und 17 aufgebracht wird, verschwenkt sich der Drehbolzen 3, indem er entlang einer Fläche 25a der Ausnehmung rollt. Die gleiche Anordnung kann auch in die Ausführungsform nach den F i g. 3 bis 6 eingebaut werden, bei der zwei Kugeln verwendet werden, wie schematisch in F i g. 8 dargestellt. Die Wirkung dieser Anordnung besteht darin, daß, während bei den in den F i g. 1 bis 3 und 4 bis 6 dargestellten Ausführungsformen die Ausnehmung und der Drehbolzen einander entsprechend nach Art eines Lagers miteinander in Eingriff steher und daher einer Gleitreibung unterworfen sind, wire bei dieser Anordnung gemäß den F i g. 7 und 8 zwi sehen der Ausnehmung und dem Drehbolzen die aufeinander abgestimmt sind, ein Rollkontakt erzeugt, wo durch die eroforderliche Betriebskraft verringert unc das Arbeiten der Vorrichtung noch gleichförmiger ge macht werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Hochspannung mit einem Metallrahmen (1), in dem eine aus piezoelektrischen Elementen bestehende Einheit (12) zwischen einer sich an ihrem einen Ende abstützenden Schraube (14), die am Metallrahmen gehalten ist, und einer auf ihr anderes Ende Druck ausübenden Betätigungsvorrichtung angeordnet ist, da- to durch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung einen an dem einen inneren Ende des Metallrahmens gehaltenen Drehbolzen (3) aufweist, an dem ein Paar von Betätigungshebeln (16, 17) befestigt ist, und der in seiner Umfangsfläche mit einer Ausnehmung (5) versehen ist, in der eine Kugel (4) gehalten ist, die ihrerseits an der Endfläche der aus piezoelektrischen Elementen bestehenden und in Bezug zu der den Drehbolzen (3) und die Schraube (14) verbindenden Mittellinie (X-X) des Metallrahmens (1) auslenkbaren Einheit (12) in deren Mittellinie angreift.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der am anderen Ende des Metallrahmens (1) befestigten Schraube (14) in eine in einem (7) von zwei einen Teil der Einheit (12) bildenden Metallpuffern (6, 7) ausgebildeten Ausnehmung (15) eingepaßt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kugel (4') zwischen der am anderen Ende des Metallrahmens (1) befestigten Schraube (14) und der aus piezoelektrischen Elementen bestehenden Einheit (12) angeordnet ist, die teilweise in eine in einem (7) von zwei einen Teil der Einheit (12) bildenden Metallpuffer (6,7) ausgebildete Ausnehmung (15) eingepaßt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Drehbolzen (3') zwischen der am anderen Ende des Metallrahmens (1) befestigten Schraube (14) und der Einheit (12) der piezoelektrischen Elemente angeordnet ist, in dem eine Ausnehmung zur Aufnahme einer zweiten Kugel (4') ausgebildet ist, die in eine in einem (7) von zwei einen Teil der Einheit (12) bildenden Metallpuffern (6, 7) ausgebildete Ausnehmung (15) eingepaßt ist und daß ein am zweiten Drehbolzen (3') befestigtes zweites Paar von Betätigungshebeln (22) mit dem ersten Paar von Betätigungshebeln (16, 17) verbunden ist (F i g. 4 bis 6).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der inneren Enden des Metallrahmens (1) eine Ausnehmung (25) ausgebildet ist, in der der Drehbolzen (3) rollend gehalten ist (F i g. 7 und 8).

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