DE2542849C3 - Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrisch erregten Schwingantriebes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft em Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrisch erregten Schwingantriebes, wie er im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2 angegeben isi.

Aus der DE-AS 16 22 128 ist ein piezoelektrisch erregter Schwingantrieb bekannt, der von einer von einem Oszillator erzeugten Wechselspannung angeregt wird. Dabei ist der Oszillator mit dem Schwingungsantrieb in Rückkopplung verbunden, womit sich bei Belasturigsänderungen zwangsläufig eine Frequenzänderung des Oszillators ergibt. Bei diesem bekannten Schwingantrieb soll die Oszillatorfrequenz größer als die Antiresonanzfrequenz des Schwingantriebs sein.

Aus dem Stand der Technik, z. B. aus der DE-OS 45 108 oder DE-AS 20 32 433 sind eine Vielzahl von Biege-Scbwingantrieben mit piezoelektrischer Wechseispannungsanregung bekannt. Probleme ergeben sich bei diesen Schwingantrieben insbesondere dann, wenn wechselnde Belastung vorliegt, wobei speziell bei Leerlauf die Gefahr einer zu großen Leerlauf-Schwingungsamplitude besteht, die dann zu mechanischer Zerstörung des Schwingantriebes führen kann. Andererseits wird jedoch angestrebt, bei Belastung möglichst viel Antriebsleistung aus der piezoelektri* sehen Anregung zu erhalten, so daß man bestrebt ist, mit maximal möglicher elektrischer Schwingungsanregung zu arbeiten, d. h. so viel elektrische Spannungsamplitude anzulegen, wie mit Rücksicht auf elektrischen Durchschlag und Depolarisationseffekte der Keramik zulässig ist. Es ist dort angegeben, die Resonanzfrequenz des schwingfähigen Gebildes höher als die Frequenz der anregenden Wechselspannung zu wählen.
Zur Lösung des voranstehenden Problems ist bereits in der DE-OS 22 11 750 der Weg beschritten worden, der Schwingungsauslenkung entgegenwirkende progressive Federn vorzugsehen, mit denen eine zu große Schwingungsamplitude abgefangen werden kann, ohne daß eine Zerstörung des Schwingantriebes erfolgt

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen piezoelektrischen Schwingantrieb mit Biegelamellen ein solches Betriebsverfahren anzugeben, das gewährleistet, daß dieser Schwingantrieb bei allen in Frage korrmenden Betriebszuständen, insbesondere im Leerlauf keine mechanische Zerstörung erleidet

Diese Aufgabe wird mit einem wie im Oberbegriff der Patentansprüche angegebenen Verfahren gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 oder alternativ im Kennzeichen des Anspruches 2 angegeben ist.

Mit der Erfindung ist der Weg beschritten worden, eine optimale Betriebsweise des Schwingantriebes zur Lösung des oben dargelegten Problems zu nutzen. Die in den Ansprüchen 1 und 2 dargelegten Lösungen betreffen je eine Bemessungsregel, der ein und dasselbe erfindungsgemäße Prinz.p zugrunde liegt Im Anspruch 1 ist angegeben, wie der Wert der als veränderbar angenommenen Anregungsfrequenz bei vorgegebenem mechanischen Resonanzfrequenzwert des Schwingantriebes zu bemessen ist Für die Lehre des Anspruches 2 ist davon ausgegangen worden, daß die Frequenz der elektrischen Wechselspannungsanregurig festliegt z. B. die Netzfrequenz ist, und der mechanische Resonanzfrequenzwert des betreffenden Schwingantriebes danach erfindungsgemäß bemessen wird.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß zwischen der Frequenz der elektrischen Anregungswechselspannung und dem mechanische τ Resonanzfre-

w quenzwert des Schwingantriebes eine Beziehung besteht, die sich sehr vorteilhaft für optimalen Betrieb ausnutzen läßt, so daß das zur Aufgabe gestellte Problem sogar ohne mechanische Zusatzvorrichtungen zu lösen ist. Entsprechend der erfindungsgemäßen Bemessung liegt die Anregungsfrequenz immer oberhalb des Resonanzfrequenzwertes für maximal zulässige Auslenkung, d.h. für den Großsignal-Resonanzfrequenzwert Ausgehend von einer vorgegebenen Amplitude der Betriebs-Anregungswechselspannung. wobei diese Amplitude einerseits die verfügbare Spannung, andererseits die mit Rücksicht auf Depolarisationseffekt und/oder elektrischen Durchbruch maximal zulässige Spannung sein kann, wird durch die erfindungsgemäße Wahl des Frequenzabstandes der Anregungsfrequenz von dem Großsignal-Resonanzfrequenzwert erreicht, daß der variabler Last unterliegende Schwingantrieb mit derjenigen Anregungsfrequenz zu erzwungenen Schwingungen angeregt wird, bei der bei Leerlauf, d. h. bei Wegfall einer Belastung, nur die maximal zulässige Schwingungsamplitude, d. h. keine Schwingungsamplitude mit zerstörender Wirkung, bei diesem Antrieb auftreten kann.

Bei der Erfindung sind die Erkenntnisse ausgewertet, daß eine erzwungene Anregung oberhalb der Eigenresonanz für Großsignai des Schwingantriebes Wesentlich günstiger ist. Dabei ist die festgestellt NichtHnearität der Eigenresonanz in Abhängigkeit von der erzwungenen Auslenkung, d.h. von der Signalgrößc, besonders

vorteilhaft ausgenutzt

F i g. 1 zeigt in einem Schaubild eine als Kurve 1 dargestellte Abhängigkeit einer auf der Ordinate 2 aufgetragenen Resonanzfrequenz über der zugehörigen, als Abszisse 3 aufgetragenen Auslenkung des Schwingantriebes.

Fig.2 zeigt schematisch einen an sich bekannten Biege-Schwingantrieb, auf den die Erfindung anwendbar ist.

Aus der Kurve 1 der F i g. 1 ist ersichtlich, daß für kleine Auslenkung der höchste Resonanzfrequenzwert vorliegt, der zudem noch bei kleiner Auslenkung von dieser praktisch unabhängig ist Dieser Resonanzfrequenzwert wird als Kleinsignal-Resonanzfrequenz bezeichnet Bei größerer Auslenkung des der Kurve 1 zugrunde gelegten Schwingantriebes stellt man ein Absinken des Wertes der Resonanzfrequenz fest wobei 4 der Großsignal-Resonanzfrequenzwert ist der für die maximal zulässige Auslenkung 5 des Schwingantriebes gilt Mit 6 ist in dem Schaubild ein Frequenzwert bezeichnet, der den erfindungsgernäß vorgesehenen Frequenzabstar.d von dem Resonanzfrequenz^^ 4 hat wobei im Betrieb die Anregung bei diesem Frequenzwert 6 mit der wie oben erläuterten vorgegebenen Spannungsamplitude erfolgt.

Eine wie im Schaubild der F i g. 1 angegebene Kurve 1 läßt sich in folgender Weise ermitteln: Ein in der Art seines Aufbaues vorgegebener Schwingantrieb, wie er z. B. aus der F i g. 2 hervorgeht und wie er beispielsv/eise in der Offenlegungsschrift 20 45 108 bis ins einzelne beschrieben ist wird gemäß einer Möglichkeit mechanisch, d. h. nicht elektrisch, angeregt was z. B. auf einem Rütteltisch erfolgen kann. Die Anregung erfolgt für die einzelnen Meßpunkte der Kurve 1 mit von Punkt zu Punkt unterschiedlich hoher mechanischer Anregungsamplitude (des Rütteltisches), wobei die Frequenz der Anregung kontinuierlich variiert wird. Für eine vorgegebene Anregungsamplitude ergibt sich jeweils für einen Frequenzwert eine maximale Auslenkung des mechanisch angeregten Schwingantriebes, wobei der Zustand dieser maximalen Auslenkung anzeigt daß bei dieser Anregungsfrequenz und dieser Auslenkung der Resonanzfrequenzwert des Schwingantriebes vorliegt Durch unterschiedliche Anregungsamplitude und durch Frequenzveränderung läßt sich so die Kurve 1 Punkt für Punkt experimentell bestimmen.

Dieselbe Kurve 1 läßt sich auch durch elektrische Anregung — anstelle der vorangehend beschriebenen mechanischen Anregung — ermitteln, nämlich indem man eine Anregungs-Wechst/spannungsamplitude unterschiedlicher Höhe, und zwar zum Erreichen verschieden großer Auslenkung des Schwingantriebes und veränderbarer Frequenz, an den Schwingantrieb anlegt. Auch hier ergibt sich für jeden Punkt der Kurve 1 ein Resonanzfrequenzwert für die jeweilige erreichte Auslenkung des Schwingantriebes.

Es ist bereits aui den Begriff »Schwingungsrnodus« hingewiesen worden. Ein Schwingantrieb kann sowohl in seiner Grundresonanz als auch in Oberschwingungsformen angeregt werden. Welche Schwingungsform im einzelnen gewünscht ist« hängt vom jeweiligen Anwendungsfal! bzw. vom bestimmungsgemäßen Gebrauch des Schwingantriebes ab. Die Erfindung gilt sowohl für einen Betrieb des Schwingantriebes im Grundschwingungsmodus als auch ir/ einem vorgegebenen anderen Schwingungsmodus.

Unter Ausnutzung der frorstehenden erläuterten Erkenntnis geht man in der Praxis für den Fall, daß der Frequenzwert der Anregungs-Wechselspannung frei wählbar ist (ein solcher Fall liegt z. B. bei Erzeugung der Wechselspannung aus Gleichstrom-Batterien vor), vorteilhafterweise so vor, daß man bei einem Schwingantrieb der vorgesehenen Bauform, d. h. bei einem Schwingantriieb, bei dem die Resonanzfrequenzwerte durch die geometrischen Abmessungen festliegen, eine Wechselspannungs-Anregung mit der für den praktischen Betrieb vorgesehen bzw. vorgegebenen Spannungsamplitude durchführt, jedoch bei diesem Versuch von einem mit Sicherheit zu hohen Frequenzwert der Wechselspannung ausgeht der z. B. der Kleinsignal-Resonanzfrequenzwert ist Dieser Versuch wird mit Leerlauf, d. h. ohne Belastung des Schwingantriebes,

durchgeführt Während dieses Versuches verringert man die Anregungsfrequenz, womit eine Annäherung an den Großüignal-Resonanzfrequenzwert erfolgt Bei der am Schwingantrieb anliegenden vorgegebenen Spannungsamplitude und bei Leerlauf des Schwingantnebes ergibt sich bei einem dem Großsi^ fal-Resonanzfrequenzweri angenäherten Frequenzwen e^;ie Auslenkung des Schwingantriebes, die der Größe der bereits oben erörterten maximal zulässigen Auslenkung gleich ist Der Abstand dieses Frequenzwertes von dem Großsigna) Resonanzfrequenzwen ist der erfindungsgemäß vorgesehene Frequenzabstand für den prakti sehen Betrieb des Schwingantriebes dieser Bauform (für den betreffenden Schwingungsmodus). Für den Fall, daß die Frequenz der Anregungs-Wechselspannung vorge-

geben ist z. B. die Netzfrequenz ist geht man prinzipiell genauso vor wie voranstehend beschrieben, nämlich daß man den erfindungsgemäßen Frequenzabstand bei einem Muster der vorgesehenen Bauform feststellt Im allgemeinen Falle wird jedoch der ermittelte Frequenz-

wert, bei dem bei vorgegebener Anregungsamplitude maximale Leerlauf-Auslenkung erreicht ist von dem vorgegebenen Frequenzwert der zur Verfugung stehenden Anregungsspanr.ung verschieden sein. Die Frequenzabweichung wird einen bestimmten Prozentsatz betragen. Das Maß des Frequenzabstandes ist aber in nicht Ij weiten Grenzen unabhängig vom jeweils erreichten Frequenzwert und im wesentlichen nur abhängig von (kr Bauform. In weiteren Grenzen ändert sich der Wert des Frequenzabstandes proportional dem relativen Unterschied zwischen dem ermittelten Frequenzwert und der vorgegebenen Frequenz der Anregungsspannung. Ausgehend von dem ermittelten Maß des Frequenzabstandes werden dann einige oder mehrere für die vorgesehene Bauform frequenzbeslim

mende Abmessungen so verändert, daß der Großsignal-Resonanzfrequenzwert derart verändert ist daß für diese Bauform in der abgeänderten Bemessung der erfindun^'gcmäß für den Betrieb mit vorgegebener Anregungsamplitude vorgesehene Frequenzwert, bei

5¹J dem dann bei dieser ve !gegebenen Anregungsarr piitude und Leerlauf-Betrieb sich, wie dies die Erfindung vorsieht, höchstens die maximale Auslenkung einstellt, genau auf dem Frsquen/wert der zur Verfügung stehenden Spannung, die insbesondere die Netzfre

eo quenz ist, liegt

Fig.2 zeig« einen, wie oben bereits erwähnten, bekannten Sdhwingantrieb für ein anzutreibendes Element 41. Diieser Antrieb hat Biegestreifen 42, die mit piezokeramischen Belegungen 46 und mit Elektroden 47

bzw. 147 und 418 versehen sind. Im Falle dieses Beispiels ist zwischen den piezoelektrisch aktiven Belegungen 46 ein zugehöriger Trägerstreifen 45 eingefügt, der z. B. aus einem federelastischen Material besteht. Die

Biegestreifen 42 sind in einem vorzugsweise feststehenden Sockel 44 eingesetzt, z. B. eingeklemmt. Beim dargestellten Ausfühfüngsbeispiel sind die Biegestreifen 42 auch am anderen (oberen) Ende fest eingeklemmt, so daß sich für die Biegestreifen 42 im Betrieb eine ebenfalls an sich bekannte S-förmige Auslenkung ergibt.

Für einen wie in Fig.2 als Anwendungsbeispiel für die vorliegende Erfindung angegebenen Schwingantrieb beträgt die maximal zulässige Auslenkung des Elementes 41 gegenüber dem Sockel 44 in den ,Richtungen 43 aus der mittleren Ruhelage heraus bei 70 mm freier Länge der Biegestreiferi 42 etwa 6 mm. Bei einer solchen Auslenkung besteht Gewähr dafür, daß

• keinerlei mechanische Beschädigung der piezokeramisehen Belegungen 46 bei Ausführung der Biegebewe-

* gungen auftritt Für ein Muster dieser Ausführüngsform mit Biegestreifen 42, auf denen sich beiderseits niezokeramische RnlRcrnnggn 46 mit 'CWeÜS einer Dicke von ca. 0,25 mm befinden) ist beispielsweise eine Großsignal-Resonanzfrequenz, nämlich für die Auslenkung mit 6 mm, festgestellt worden, die 54 Hz beträgt.

Ein Sehwingäfilfieb dieses Muster soll mit einer Betriebsspannung von 110 V_crr betrieben werden. Gemäß der erfindungsgemäßen Bemessung des zu wählenden Frequenzabstandes ergibt sich hierfür ein Werf von 4 Hz, d. h. die Betriebsspannung müßte eine Frequenz von 58 Hz haben, damit der Schwingantrieb, der die Großsignal-Resortanzffequenz 54 Hz hat, bei dieser Anregungsspannung mit 110 V_c//· mit 58 Hz im Leerlauf eine Auslenkung von höchstens 6 mm hat. Bei Belastung, nämlich kleinerer Auslenkung des Schwingantriebes, nähen sich dessen Resonanzfrequenz an den Frequenzwert der AnregUrigsspanriung. Wenn ein solcher Schwingantrieb mit Netzspannung mit 50 Hz betrieben werden soll, ist der Schwingantrieb bezüglich seines Resonanzfrequenzwertes dann so abzuändern, daß die Großsignal-Resorianzfrequenz bei 46 Hz liegt, d. h. der SchWingäntrieb auf diesen Frequenzwert abgestimmt ist. Bei einer Anregung mit 110 V_err und Hz Frs^usnz er^ibl

abgestimmten Schwingantrieb bei Leerlauf wiederum eine maximale Auslenkung von höchstens 6 mrti.

Hierzu I HIaII Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I. Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrisch erregten, in seinen Abmessungen vorgegebenen Schwingantriebs für variable Last, eingeschlossen Leerlaufbetrieb, mit in einem Schwingungsmodus erfolgender Wechselspannungsanregung vorgegebener Spannungsamplitude mit einer gegenüber einer Resonanzfrequenz des Antriebs erhöhten Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Antrieb mit piezoelektrischen Biegeelement für die Anregungsfrequenz ein beizubehaltender Wert gewählt wird, der in einem solchen Frequenzabstand oberhalb des Resonanz-Eigenfrequenzwertes für maximal zulässige Auslenkung dieses Schwingantriebs in diesem Schwingungsmodus Hegt, daß sich bei Wechseispannungsanregung mit dieser Anregungsfrequenz bei Leerlauf nur maximal zulässige Auslenkung einstellt

   Z Verfahren -«im Betrieb eines piezoelektrisch erregten Schwingantriebes für variable Last, eingeschlossen Leerlaufbetrieb, mit in einem Schwingungsmodus erfolgender Wechselspannungsanregung vorgegebener Spannungsamplitude und gegenüber einer Resonanzfrequenz des Antriebs erhöhter vorgegebener Anregungsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der Scnwingantrieb mit piezoelektrischem Biegeelement in bezug auf den gewählten Schwingungsmodus eo bemessen wird, daß der für maximal zulässige Auslenkung geltende Resonanzfrequenzwert dieses Schwingantriebes in einem solchen ADStand unterhalb der fest vorgegebenen beizubehaltenden nnregui.gsfrequenz liegt, daß sich bei Wechselspannui.gfanregung mit dieser Anregungsfrequenz bei Leerlauf m. dmal zulässige Auslenkung einstellt.