DE2305277C3 - Vorrichtung zum Erzeugen von Hochspannung mit piezoelektrischen Elementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht _;sich auf eine Vorrichtung zum . Erzeugen von Hochspannung mit einem Metalirahmen, 6b in dem eine aus piezoelektrischen Elementen bestehende Einheit zwischen einer sich an ihrem einen Ende abstützenden Schraube, die am Metallrahmen gehalten ist, and einer auf ihr anderes Ende Druck ausübenden Betätigungsvorrichtung angeordnet ist.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (DT-OS 25 945). Bei der bekannten Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung, bei der ein Hochspannungsimpuls 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 Hoch spannung zu erzeugen, gibt es noch eine veitere An. 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 8^), 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 Angriffs ρ kt der Nockenwelle am piezoelektrischen Element ν»., ugert 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 b/w dem Mittelpunkt der Endfläche heraus, so daß am pie zoelektrischen Element die Kraft exzentrisch angreift. In Anbetracht der Beschaffenheit der piezoelektrischen Elemente kommt es dabei durch die Bewegungen /um Aufbringen der Kraft häufig zum Bruch des piezoelek trischen Elementes.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung (DTOS 16 13 866 zum Erzeugen von Hochspannung mit Hilfe von statischem Druck ist in die Endfläche des pie/o elektrischen Elementes eine Führungswanne für eine Walze eingebracht, der^n Achse wiederum quer /ur Längsachse des piezoelektrischen Elementes liegt. Die Führung hat den Zweck, Verlagerungen der Walze aus der Mittellinie des piezoelektrischen Elementes in ge wiss::m Umfang zuzulassen, wie sie bei Auslenkungen des Elementes zur Spannungserzeugung auftreien Auch hierbei greift die Kraft wiederum exzentrisch am piezoelektrischen Element an, was häufig /um Bruch des Elementes führt.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine aus piezoeiektn sehen Elementen bestehende Einheit derart in ihrem Metallrahmen ?\i lagern und so mit der den statischen Druck aufbringenden Betätigungsvorrichtung /u ver binden, daß auch bei Auslenkung des piezoelektrischen Elementes aus seiner Mittellage der Druck ständig auf die Mitte des piezoelektrischen Elementes aufgebracht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch ge lözi. daß die B'*'?>ii<jtincr<Lvnrrichtung einen an dem einen inneren Ende des Metallrahmens gehaltenen Drehbolzen aufweist, an dem ein Paar von Betätigungshebeln befestigt ist. und der in seiner Umfangsfläehe 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 ausienkbaren Einheit in deren Mittellinie angreift.

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

ist und ihren Kontakt mit der Endfläche des piezoelektrischen Elementes genau in deren Zentrum nimmt. Eine Bewegung der Betätigungshebel hat so über eine Bewegung der Kugel eine Auslenkung des piezoelektrischen Elementes zur Folge, wobei die Hin- und Herbe- 5 wcgung dazu führt, daß auf die Endfläche des piezoelektrischen Elementes Druck ausgeübt wird. Die Druckübertragung erfolgt dabei durch die im Mittelnunkt des piezoelektrischen Elementes einerseits und in der Ausnehmung des Drehbolzcns andererseits ge- to halterte Kugel, wodurch der Kraftangriff jeweils /entrisch und ohne Biegebeanspruchung des bruchgefahrdeten piezoelektrischen Elementes erfolgt. Es kann also für die Erzeugung der Hochspannung erforderliche De formation des piezoelektrischen Elementes mit germ 15 gern Arbeitsaufwand und gutem Fühlkoniakt en 'yi, ohne daß eine Bruchgefahr besieht. Die LJoen ,.. luer wird somit bei guter Funktion beträchtlich verlängert.

!n der Zeichnung ist die Erfindung L_-ispielsweisc veranschaulicht, end zwar zeigen 2c

pig. 1 und 2 Schnittansichte: einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vui richtung zum Erzeugen von Hochspannung in verschiedenen Arbeits Stellungen,

Fig.3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß

F i g. 1 und 2,
Fig.4 eine Schniltansicht einer zweiten Ausfüh rungsform.

F i g- 5 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach F ι g. 4,

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

F i g. 7 eine dritte, eine wei.ee Verbesserung aufwei sende Ausfuhrungsform und

Fig. 8 eine Abwandlung des Au!¹-.us von Fig 7 ähnlich F1 g. 4.

Fig. i bis 3 /eigen 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 Metas'rahmens 1 drehbar befestigt ist. Der Drehbol/i-n 3 ist in einem Teil seiner Außenfläche mit einer Ausnehmung 5 verschen, in die ein zylindrisches Stahlteil z.B. eine Kugel 4 eingepaßt ist. In der Kam mer 2 des Metallrahmens 1 |st eine aus piezoelektrischen Elementen bestehende tmheit \i angeordnt Jie an beiden Enden der Einheit vorgesehene Metallp iffer 6 und 7. zwischen diesen angeordnete piezoelektrische Elemente 8 und 9. einen zwischen den pie/oelekiri sehen Elementen 8 und 9 angebr.u hten mittleren An Schluß 10 und ein Gehäuse S1 beispielsweise .ins Pl<i stikharz. aufweist, in das die jenannien Bauteile eingeschlossen sind. D-;r Metallpuffer f> der Finnen 12 ist mit einer Ausnehmung H zur Aufnahme dei Kugel 4 und der andere Melallpuffcr 7 mit einer \uspi.-hmu;ig zur

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in da-, andere Fnde des MetallrjhmcMs I emgesi hrauht ist. leweils ein Fnde von Betätigungshebeln Ib irul 17 ist an den Enden des Drehbolzen ] Kt ugt und emc Hcbcl.'üüe Ϊ9 wird /vnst-hi-n .k-n .mieten I n.lcn vier Betätigungshebel 16 und 17 miiicK ones suites 18 ge fto halten. Ein Hochspannung UitungvlKiht 20 w.r-l von, mittleren Anschluß 10der Einheit 12 tur.ius^ *·.· , 1

Bei dieser Anordnung ist jIso du· aus pi./niliki-: sehen Elementen besuhcntk I >nhr · 12 /λ -. r--<- ti Stahlkugel 4 und der Scir-auU. !4 ,-eh.·,!·..·'· -■.:>"■ ■ ^- <-s mit der Mittellinie des M(M,>!lrahim-Ms I d ί tier du-Mitte des Drehbolzen·. 3 um' da M 'u .In S. t,t j.:r 14 miteinander verbindend·.· ! im \ V ....

Winkel einschließt.

Diese Ausführungsform arbeitet wie folgt: Wenn eine Kraft in Richtung F(F ig. 1) auf die Hebelroüe 19 aufgebracht wird, werden die Betätigungshebel 16 und 17 im Uhrzeigersinn um den Drehbolzen 3 ver schwenkt, 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 piezoelektrische-ii 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 cen Hochspannungs-Leitungsdraht 20 geliefert werden kann.

Wenn die in Richtung F auf die Hebelrolle 19 wirkende Kraft aufgehoben wird, kehrt di f-inheit 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, wahrend 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 b zeigen eine zweite Ausführungsform, die teilweise den gleichen Aufbau wie die vorher beschriebene erste Ausführungsform aufweist, wobei für die einander entsprechenden Teile gleiche Be igszeichen verwendet sind. Hier sind nun auch an rühren Lanrsende 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 -V zwischen ihnen befindet. Eine Seite des Drehbc'.zens 5' hegt an der Spitze der Preßschraube 14 an, durch die dir Stärke des auf die Einheit 12 der piezoelektrischen Elemente aufzubringende Kraft eingestellt werden kann. Zum Befestigen der Preß-Schraube 14 am Metallrahmen ist eine Stellmutter 21 vorgesehen.

Bei diesem Aufbau wird die Einheit 12 der piezoelektrischen Elemente zwischen den Stahlkugeln 4 und 4' gehauen, wobei sie nut d-;r Mittellinie des Metallrahmens 1. d h. einer die Mitte des Drehbolzens 3 mn der -Ut nr*>hhi>l/i»n>, V verbindende Linie einen kleinen Winkel einschließt

IcwfiU ein Ende von Betätigungshebels If). 17 und 22 ist an den mn mamlc; /u verbindenden Enden der Drehbolzen i h/A Ϊ 'u-fesiigt. wobei die· Betätigungshebel 22 mit den Betätigungshebeln 16 und \7 durch einen Stift 23 verbunden sind In den Betätigungshebeln lh 'ind 17 ist jeweils eir, Schlitz 24 ausgebildet, in dem Mch der Stift 23 gleitend bewegt. Die an den anderen luden der Betätigungshebel 16 und 17 vorgesehene In-belrolk· m stellt eine gleichförmige Betätigung si

ι her

Die /ue'tte Ausdihrungsform arbeitet wie folgt Vv ι im t mc Kraft :ri Richtung des Pfeiles /auf die Bct.i

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

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 Sund 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 Metallrahmen 1 zur Aufnahme des Drchbolzcns 3 ausgebildeten Ausnehmung 25 größer ist als die des Drehbolzens 3, wie ■beispielsweise in den Fi 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 <6 und 17 aufgebracht wird, verschwenkt siel· der Drehbolzen 3, indem er entlang einer Fläche 25a der Ausnehmung rollt. Die gleiche Anordnung kann auch in die Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 6 eingebaut werden, bei der zwei Kugeln verwendet werden, wie schematisch in

jo 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 stehen und daher einer Gleitreibung unterworfen sind, wird bei dieser Anordnung gemäß den F i g. 7 und 8 zwischen der Ausnehmung und dem Drehbolzen die aufeinander abgestimmt sind. _.n Rollkontakt erzeugt, wodurch die eroforderliche Betriebskraft verengert und das Arbeiten der Vorrichtung r.och gleichförmiger gemacht 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, dadurch 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 Umfangsflache 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-X¹) des Metallrahmens (1) ausltt.kbaren Einheit (12) in deren Mittellinie angreift.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der am anderen Ende des Metalirahmens (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 I. dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kugel (4') zwischen der am anderen Ende des fvietaMrahmens (1) befestigten Schraube (14) und der aus piezoelektrischen Elementen bestehenden Einheit (12) angeordnet ist, die teilweise in eine in einem (7) von zwtri eär :n Teil der Einheit (12) bildenden Metallpuffer (6.7) au&gebildete 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 K.ugei (4') ausgebildet ist, die in eine i>i einem (7) von zwei einen Teil der Einheit (12) bildenden Metallpuffern

(6. 7) ausgebildete Ausnehmung (15) eingepaßt ist und daU 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 b).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der inneren Enden des Metallrahmens (1) eine Ausnehmung i.?5) ausgebildet ist in der der Drehbolzen roiieiiu gxhaiicii isi (ί ι g. 7 und S).

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