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Piezoelektri scher Motor Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen
Motor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.
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Ein derartiger Motcsr ist beispielsweise aus der deutschen Offen legllngsscElrift
2 109 063 bekannt. Dieser bekannte Motor besitzt Biegeelemen-te, die beispielsweise
aus einer piezoelektrischen aktiven Lamelle und einer passiven Lamelle, z.B. aus
Metall, htescohen, die ein Laminat bilden. Eine andere Ausführungsform besitzt zuwindest
zwei piezokeramische Lamellen, die miteinander verbunden sind. Die piezckeramischen
Lamellen besitzen auf ihrer Ober- und Unterseite zumindest jeweils eine Elektrode.
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Durch Anlegen einer Wechselspannung an diese Elektroden werden die
piezokeramischen Lamellen alternierend zu Kontraktionen und Dilatationen angeregt.
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Die piezokeramischen Lamellen dieser Piegestreifen sind in Dickenrichtung
polarisiert. Liegt an den Elektroden der Lamelle eine elektrische Spannung in einer
die Polarisation unterstützenden Richtung, so darf die Spannung einen Wert annehmen,
der dicht unterhalb der Durchschlagsspannung für die Lamelle liegt, d.h. bei dieser
Spannungsrichtung ist die Lamelle mit mehreren 1000 vlrnin belastbar. Liegt die
Spazinung jedoch in einer Richtung an, die der Polarisation entgegen wirkt, so werden
bereits bei verhältnismäßig geringen Spannungswerten aufgrund der geringen Dicke
der piezokeramischen Lamellen innerhalb der Lamellen derartige elektrische Feldstärken
erzeugt, daß es zu einer Depolarisation der piezokeramischen Lamelle kommt, d.h.
die Lamelle verliert ihre piezoelektrischen Eigenschaften.
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Aus diesem Grunde ist in der oben genannten Druckschrift vorgeschlagen,
daß
zwischen einem Pol der zum Betrieb vorgesehenen Wechselspannungsquelle und einer
Elektrode jeder piezokeramischen Lamelle ein Widerstand und eine Diode liegen, die
elektrisch parallel geschaltet sind. Der andere Pol der Wechselspannungsquelle ist
mit der jeweils gegenüberliegenden Elektrode der Lamelle verbunden. Dabei ist die
Diode so gepolt, daß ihre Durchlaßrichtung elektrisch entgegengesetzt zur Richtung
der permanenten Polarisation in der Keramik zwischen dem betreffenden Elektrodenpaar
ist. Durcll diese Anordnung wird die an der Lamelle anliegende Spannung in depolarisierender
Rich-tugg begrenzt.
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Andererseits hat die an den Elektroden der piezokeramischen Lamellen
aiiliegende Wechse]spannung keinen sinusförmigen Verlauf und zwar auch dann,
wenn die Wechselspannungsquelle eine reine sirnisförmige Wechselspannung erzeugt.
Dies hat zur Folge, daß die Bewegung der Biegeelemente stark v3nharmonxschen Schwingungen
abweicht. Dadurch wird die Geräuschentwicklung eines derartigen Motors erhöht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Motor anzugeben,
der bei hoher Leistungsabgabe besonders geräuscharm arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Motor der angegebenen Art gelöst, der
entsprechend dem Kennzeichen des Anspruches 1 ausgebildet ist.
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Bei der Erfindung sind Dioden parallel zu einzelnen piezokeramischen
Lamellen der Biegeelemente geschaltet, d.h der eine Pol der Diode ist mit einer
Elektrode auf einer Seite der Lamelle verbunden, der andere Pol der Diode ist mit
der gegenüberliegenden Elektrode auf der anderen Seite der Lamelle verbunden. Die
Durchlaßrichtung der Diode ist so gewählt, daß die Diode sperrt, wenn an den Elektroden
der Lamelle eine Spannung anliegt, die die Polarisation der Lamelle verstärkt, d.h.
unterstützt.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt
mit der Diode eine Zenerdiode oder ein Zinkoxid-Varistor in Reihe.
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Im folgenden werden Ausführungsbe,spiele der Erfindung anhand der
Figuren erläutert.
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Die Figuren 1 bis 3 zeigen prinzipielle Beispiele für den Aufbau der
Biegeelemente für die Motoren. Anhand der übrigen Figuren wird die Wirkungsweise
der Motoren erläutert.
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Die Figur 1 zeigt ein Biegeelement, welches aus einer aktiven piezokeramischen
Lamelle 1 und einer passiven Metallamelle 3 beste1lt. Auf der Ober- und Unterseite
der Keramiklamelle ist jeweils mindestens eine Metallisierung aufgebracht, die als
Elektrode zum Anlegen einer elektrischen Spanmmg an diese Lamelle dient. Wird die
Spannung so angelegt, daß die permanente Polarisation der Keramiklamelle unterstützt
wird, so vergrößert die Lamelle ihre Länge. Bei entgegengesetzt gerichteter Spannung
verkürzt sich dementsprechend die Lamelle, in diesem Falle darf jedoch die Depolarisationsspannung
nicht überschritten werden.
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Die Keramiklamelle ist in Dickenrichtung polarisiert. Die Polarisation
ist durch die Pfeile 10 angedeutet. Eine der Metallisierungen kann beispielsweise
durch die Metallamelle 3 gebildet sein, auf der anderen Seite der Lamelle liegt
die Elektrode 11, die beispielsweise durch Einbrennversilberung hergestellt werden
kann.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen ein Biegeelement, welches aus zwei piezokeramischen
Lamellen 1, 2 besteht. Die Lamelle 1 besitzt wiederum auf einer Seite die Metallisierung
11, auf der anderen Seite eine Metallisierung 13, die gleichfalls als eine der Metallisierungen
der Lamelle 2 dienen kann. Auf der Unterseite besitzt die Lamelle 2 eine Metallisierung
12. Die Metallisierung 13 zwischen den Lamellen kann auch als Metallamelle, z.B.
aus Federstahl ausgebildet sein. Die Position 10 bezeichnet wiederum
die
Polarisation in den Keramiklamellen, wobei die Polarisationen der beiden Lamellen
gleichgerichtet sein können, wie es in der Figur 2 dargestellt ist. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, wie es in der Figur 3 dargestellt ist, daß die Polarisationen
der bei(1en Keramiklamellen zueinander entgegengesetzt, d.h.
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antiparallel, sind Die Biegeelemente sind zumindest mit einem Ende
in einer Halterlmg 100 eingespannt, in diesem Falle wird die mechanische Arbeit
am freien Ende der Biegeelemente abgegriffen, sind die Biegeelernentc an beiden
Enden in Halterungen eingespamltS so wird die mechanische Arbeit vorzugsweise in
der Mitte der Biegeerer,1ente abgegriffen.
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In der Figur 4 ist nun ein piezoelektrischer Motor dargestellt5 der
ein Biegeelement, wie es in Figur 1 dargestellt ist, besitzt.
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Die Metallisierung 11 ist über einen Kondensator 40 mit einem Pol
der Wechselspannung 41 verbunden, die Metallamelle 3 mit dem anderen Pol der Wechselspannungsquelle.
Parallel zum Biegeelement liegt eine Diode 42, die depolarisierende Spannungen kurzschließt.
Für die Kapazität C40 des Kondensators 40 sollte gelten: 0,1 C1<C40 < 100
C1. Dabei ist C1 die Kapazität der Keramiklamelle 1.
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Figur 5 zeigt in einem U-t-Dj.agramm (mit U = Spannung, t = Zeit),
welche Spannungen zwischen der Metallamelle 3 und der Metallisierung 11 beim Betrieb
dieses Biegeelementes legen können.
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Dabei ist Ua die Amplitude der von der Wechselspannungsquelle erzeugten
Spannung. An der Lamelle liegt also eine elektrische Wechselspannung, die von einer
Gleichspannung, deren Wert Ua entspricht, überlagert ist.
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In der Figur 6 wird ein piezoelektrischer Motor mit einem Biegeelement
mit zwei zueinander gleichgerichtet polarisierten Keramiklamellen, vergl. Figur
2, in seinem Aufbau beschrieben. Dabei
besitzen einandar entsprechende
Elemente die gleichen Bezugszei&:ien wie in den Figuren 2 und 4. Man erkennt,
daß die Metallisierungen der Keramiklamelle 2 parallel zu den Metallisicrungen der
Keramiklamelle 1 geschaltet sind. Die für beide Y.erar,lilrlamellen gemeinsame Metallisierung
13 ist direkt mit einen Pol der Spannungsquelle 41 verbunden. Die beiden anderen
Metallsierungen 11 und 12 sind üb'#r die Kondensatoren 40 bzw. 43 mit dfm anderen
Pol der Spannungsquelle verbunden. Die Metallisierungen 12 und 13 sind eRektriscil
Woher die Diode 44 verbundes.
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In der Figur 7 ist dargestellt, welche Spannungenavischen der Metallisierung
13 und der Metallisierung 11 liegen, dies ist die Kurve 110, und welche Spannungen
zwischen der Metallisierung 13 und der Metallisierung 12 liegen, dies ist die Kurve
120. Die KeramiI,lamellen 1 und 2 werden also mit einer Spannung, die die Polarisation
der jeweiligen Lamelle unterstützt, beaufschlagt.
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In der Figur 8 ist ein piezoelektrischer Motor beschrieben, der ein
Biegeelement mit zwei zueinander antiparallel polarisierten Keramiklamellen besitzt.
Hier ist die Metallisierung 11 mit dem einen Pol der Spannungsquelle 41 und die
Metallisierung 12 der anderen Keramiklamelle mit dem anderen Pol der Spannungsquelle
41 verbunden. Die gemeinsame Metallisierung 13 ist über eine Diode 45 mit dem einen
Pol der Spannungsquelle und über eine Diode 46 mit dem anderen Pol der Spannungsquelle
41 verbunden.
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Hier werden also keine Kondensatoren benötigt, da die Kapazität der
Keramiklamellen ausgenutzt wird.
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Die Figur 9 zeigt, welche Spannung zwischen der Metallisierung 13
und der Metallisierung 11 liegt, dies ist die Kurve 1101, und welche Spannung Jeweils
zwischen der Metallisierung 13 und der Metallisierung 12 liegt, dies ist die Kurve
1201. Auf die Lamellen wirken also nur Spannungen, die die Polarisation unterstützen.
Da die Lamellen zueinander antiparallel polarisiert sind, und die beiden Spannungskurven
gegenphasig zueinander sind, bewegt sich das Biegeelement entweder in der einen
oder der
anderen möglichen Bwegungsrichtung.
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In Figur 10 ist ein Beispiel für einen Motor mit mehreren Biegeelementen
dargestellt. Die elektrische Schaltung dieses Motors ist in gleicher Weise aufgebaut
wie die Schaltung des in Figur 6 dargestellten Beispiels. Dementsprechend werden
gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Biegeelemente sind hier für eine 5-förmige
Auslenkung ausgelegt. Aus diesem Grunde besitzt jede Keramiklamelle 81 bis 84 zwei
Bereiche, deren Polarisationen einander entgegengerichtet sind, wie es mit Pfeilen
symbolisiert ist. Jedes Biegeelement besitzt eine mittlere Metallisierung 91, 92,
die direkt mit einem Pol der Spannungsquelle 41 elektrisch verbunden sind. Auf den
Außenflächen besitzt jedes Biegeelement jeweils zwei Metallisierungen 94 bis 100,
damit können die einander entgegengesetzt polarisierten Bereiche der Lamellen unabhnngig
voneinander einer elektrischen Spannung ausgesetzt werden. Man erkemlt aus der Schaltung,
daß die eine Hälfte eines jeden Biegeelementes eine RechtskrUmMung ausführt, während
die andere Hälfte des Biegeelementes eine Linkskrümmung ausführt. Die Biegeelemente
sind in Halterungen 80, 90 eingespannt, die beim Betrieb des Motors gegeneinander
verschoben werden, wie es mit einem Pfeil 89 symbolisiert ist. Aus Gründen der zeichnerischen
Einfachheit ist nur ein Motor mit zwei Biegeelementen dargestellt, es ist ersichtlich,
daß auch mehr Biegeelemente zusammengeschaltet werden können. Für die Kapazität
der Kondensatoren 4D, 43 sollte bei dieser Schaltung gelten: n . 0,1 CL < C43
<n. 100 CL X C40 = C Wobei n die Zahl der Biegeelemente ist, die, wie in der
Figur 10 dargesbilt, mit jeweils zwei Keramiklamellen aufgebaut sind.
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CL ist die Kapazität einer Lamelle; C40, C43 sind die Kapazitäten
der Kondensatoren 40t 43.
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Bei den bislang gezeigten Beispielen muß die Amplitude Ua der von
der Wechselspannungsquelle erzeugten Wechselspannung k3e iner als 1/2 Ud sein, wobei
Ud die elektrische Durchbruchsspannung der Keramiklamellen ist. Eine Erhöhung der
maximalen Amplitude ist möglich, denn soweit Spannungen in depolarisierender Richtung
die
Depolarisationsspannung nicht überschreiten, können auch sie ausgenutzt werden.
Dazu ist notwendig, die bisher gezeigten Motoren so abzuwandeln, daß auf die Keratuiklamellen
auch depolarisierende Spannungen einwirken können, daß jedoch sicher verhindert
wird, daß diese Spannungen die Depolarisationsspannung überschreiten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind deshalb zu den Dioden
42 bis 46, vgl. Figur 6 und 8, Zenerdioden bzw. Zinkoxid-Varistoren in Reihe geschaltet.
In der Figur 11 sind in einem I-U-Diagramm die Kennlinien dieser Elemente aufgezeichnet.
Dabei zeigt die Kurve 160 die Kennlinie einer Zenerdiode, die Kurve 161 die Kennlinie
eines Zinkoxid-Varistors. Man erkennt, daß eine Zenerdiode nahezu keinen Widerstand
mehr besitzt, sobald eine Einsatz spannung Uk unterschritten wird. Bei einem Zinkoxid-Varistor
gilt das entsprechende, beim Überschreiten der positiven Einsatz spannung +Uk und
beim Unterschreiten der negativen Einsatzspannung Uk.
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In der Figur 12 ist nun ein der Figur 8 entsprechender Motor gezeigt,
der mit Zenerdioden 450, 460 abgewandelt ist. Im übrigen entspricht dieser Motor
dem in der Figur 8 dargestellten Motor.
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In der Figur 13 zeigt die Kurve 1101a, welche Spannungen an der Metallisierung
11, siehe Figur 12, anliegt, die Kurve 1201a zeigt, welche Spannung an der Metallisierung
12, siehe Figur 12, anliegt.
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Die Figur 14 zeigt einen Motor, der dem in Figur 6 dargestellten Motor
entspricht, äedach mittels eines Zinkoxid-Varistors 4000 abgewandelt ist. In der
Figur 15 zeigt die Kurve 110a,welche Spannung an der Metallisierung 11 anliegt,
die Kurve 120a, welche Spannung an der Metallisierung 12 anliegt.
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Für die zulässige maximale Amplitude der von der Spannungsquelle
erzeugten
Wechselspannung gilt also für die Motoren mit Zenerdioden bzw. Zinkoxid-Varistoren:
Ua 1/2 (Ud + Uk).
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Dabei ist Ud die Durchbruchsspannung der Keramiklmellen.
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Die in den Figuren 8 und 12 dargestellten Motoren können dadurch abgewandelt
werden, daß die Diode 45 b#'i. die Diode 45 und die Zenerdiode 450 weggelassen werden.
An den Kurven 1101, 1201 bzw. 1101a, 1201a ändert sich dadurch nichts.
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3 Patentansprüche 15 Figuren