DE2612099C2 - Mechanisch zu betreibender Hochspannungsgenerator mit piezokeramischem Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanisch zu betreibenden Hochspannungsgenerator, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Aus dem Stand der Technik ist bereits eine große Anzahl von Hochspannungsgeneratoren mit piezoelektrischer Keramik als merhanisch-eiektrische Wandler bekannt. Diesbezüglich und um ein weiteres Eingehen auf Einzelheiten zur Ausführung eines derartigen Hochspannungsgenerators entbehrlich zu machen, sei auf die französische Patentschrift 12 41541, auf die US-Patentschriften 29 17 670, 28 56 564, 29 54 506, auf die britsche Patentschrift 7 12 803 und auf die deutsche Patentschrift 12 94 736 verwiesen. In diesen Patentschriften sind die verschiedensten Möglichkeiten einer mechanischen Druckausübung auf einen piezokeramischen Körper angegeben. Zudem ist in der genannten deutschen Patentschrift eine Parallelschaltung einer Diode gezeigt, mit der die im Betrieb erforderliche Umladung des piezokeramischen Körpers verbessert wird.

Als Material für den piezokeramischen Körper wird in der Regel ein solches auf der Basis des Bariumtitanats oder noch besser auf der Basis des Bleizirkonat-Titanats verwendet. Solche Materialien sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Bei diesen Materialien handelt es sich in der kegel um ein solches mit tetragonaler Kristallstruktur, wobei die c-Achse die längste Achse der Elementarzelle, vergleichsweise zur a- und zur /vAchsc, ist. Die Elementarzelle ist also in Richtung der c-Achse uniaxial postreckt. Die permanente Polarisation der Elementarzelle ist bei diesen Materialien parallel zu dieser c-Achse. Bei einem ausgerichtet permanent polarisierten piezokeramischen Körper sind, wie an sich bekannt, die Elementarzellen weit überwiegend und im wesentlichen einheitlich ausgerichtet, was durch einen besonderen, an sich bekannten Polarisationsprozeß bei Anliegen einer elektrischen Spannung am Material des Körpers erreicht wird.

Bei den bekannten mechanisch zu betreibenden Hochspannungsgeneratoren mit piezokeramischem Körper ist der Nachteil festzustellen, daß sich im Lauf des Betriebs derselben eine Verminderung der Höhe der ausgerichteten permanenten Polarisation ergibt

Gegenstand des Hauptpatents 24 45 837 ist ein wie im

Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der vorliegenden Anmeldung angegebener, mechanisch zu betreibender Hochspannungsgenerator, mit dem zu einem wesentlichen Ausmaß der voranstehend erläuterte Nachteil von entsprechenden Hochspannungsgeneratoren des Standes der Technik behoben wird.

Aufgabe der Erfindung der vorliegenden Zusatzanmeldung ist es, die dem Hauptpatent gemäße technische Lösung dahingehend noch weiter zu verbessern, daß eine vollständige Beseitigung des Nachteiles einer wie beim Stand der Technik im Lauf der Betriebsdauer auftretenden Depolarisation erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Hochspannungsgenerator e.findungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Die Erfindung baut auf der zum Hauptpatent getroffenen Feststellung auf, daß die Abnahme der Höhe der ausgerichteten permanenten Polarisation bei vorbekannten Anordnungen mit zur Polarisationsrichtung der Keramik parallel bzw. antiparallel gerichteter Krafteinwirkung darauf beruht, daß durch die während des Betriebs auftretende mechanische Druckbelastung auf den piezokeramischen Körper die Ausrichtung dieser vorhandenen permanent polarisierten Elemen-

3S tarzellcn in dem Körper »mechanisch« verringert wird. Die Elementarzellen werden durch die immer wiederkehrende Druckbelastung zu einem Anteil im Lauf der Benutzungsdauer aus der zur Druckrichtung parallelen oder antiparallelen Richtung der eingeprägten Polarisation in eine dazu andere Richtung gedreht, d. h. der Polarisationsgrad des Körpers wird verringert.

Die gemäß dem Hauptpatent Ausrichtung der Polarisationsachse des piezokeramischen Körpers in bezug auf die Richtung der einwirkenden Druckkraft stellt sicher, daß eine solche mechanische Depolarisation nicht mehr eintreten kann. Durch die Druckkraft wird der Körper in einer Achsenrichtung mechanisch beansprucht, die ohnehin verkürzt gegenüber der quer dazu liegenden c-Achse, nämlich der Polarisationsachse, ist. Die mechanische Druckbeanspruchung des Körpers unterstützt nun sogar die Einhaltung der gemeinsamen Ausrichtung der einzelnen permanent polarisierten Elementarzellen.

Nun hat sich aber gezeigt, daß in sich hier zunächst weniger günstig erweisenden Fällen, z. B. bei weniger hoher Koerzitivfeldstärke des piezoelektrischen Materials — aus diesem Grunde ist das Material als piezoelektrischer Werkstoff keineswegs minderwertiger, hf.ufig dagegen sogar besonders brauchbar — auch

ίο bei wie gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgesehener Druckeinwirkung in Querrichtung im Laufe der Zeit sich doch noch eine gewisse Depolarisation ergibt. Durch weitere Untersuchungen konnte festgestellt werden, daß dies auf einer elektrisch bedingten Depolarisation beruht, die speziell auf dieser vorgesehenen Druckeinwirkung in Querrichtung beruht, und zwar auf Grund einer im Körper auftretenden, zur DruckeinwirHng quergerichteten und damit zur

eingeprägten Polarisation antiparallelen elektrischen Spannung. Diese zu einem gewissen Grade, abhängig von spezieller Materialeigenschaft, depolarisierend wirkende elektrische Spannung tritt in jeweils einer der Phasen der abwechselnden mechanischen Druckeinwirkungen und -entlastungen auf.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Diode, die elektrisch gesehen parallel zu denjenigen Elektroden des piezoelektrischen Körpers liegt, zwischen denen die piezoelektrisch zu erzeugende elektrische Spannung abzunehmen ist, ist so gepoit, daß sie jeweils diejenige zwischen diesen Elektroden auftretende piezoelektrische Spannung wenigstens weitgehend kurzschließt, die depolarisierend wirken könnte. Dagegen ist diese Diode für die dazu entgegengesetzt gerichtet, piezoelektrisch auftretende elektrische Spannung möglichst hochsperrend, so daß weitestgehend die gesamte elektrische Spannung, genauer die gesamte piezoelekfisch erzeugte Ladung, und zwar die in dieser Phase der mechanischen Belastung erzeugte Spannung bzw. Ladung, zur nutzbringenden Verwertung zur Verfügung steht Wesentlich ist also, daß diese gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehene Diode in bezug auf die im Betrieb auftretenden Phasen der elektrischen Spannung so gepolt ist, daß eine möglicherweise depolarisierend wirkende elektrische Snannung abgeleitet wird. Mit dieser Diode wird weiterhin derjenige die Umladung des piezoelektrischen Körpers verbessernde Effekt erreicht, der in der älteren deutschen Patentschrift 12 94 736 näher beschrieben ist.

Die Figur zeigt eine im Hauptpatent 24 45 837 beschriebene Ausführungsform eines mechanisch zu betreibenden Hochspannungsgenerators 1, der eine gemäß dem einen Merkmal der Erfindung gerichtete Druckeinwirkung auf den piezoelektrischen Körper 10 hat. Mit 3 ist eine Betätigungseinrichtung, z. B. eine Hebemechanik, mit einem Hebel 4 und einem Nockenrad 6 angegeben. Die vom Nockenrad 6 auf das freie Ende des Hebels 4 einwirkende Kraft übt eine durch den Pfeil 5 angedeutete Druckkraft auf ein Zwischenlageteil 7 aus. Mit dem Pfeil 5' ist die zu der Druckkraft 5 gehörige Gegenkraft angedeutet. Sie wird von einer Unterlage 20 ausgeübt, wobei im vorliegenden Fall noch eine Blattfeder 21 dazwischengeschaltet ist. Durch diese Blattfeder 21 wird eine ständige Vorspannung auf den Körper 10 aufrechterhalten. Zwischen dem Zwischenlageteil 7 und einem weiteren Zwischenlageteil 8 befindet sich gemäß dem einen Merkmal der Erfindung angeordnet der bereits erwähnte piezokeramische Körper, der eine wie durch den Pfeil 12 angedeutete ausgerichtete permanente Polarisation hat. Der Körper 10 ist beispielsweise ein Parallelepiped mil in Richtung des Pfeils 12 größter Abmessung. An zwei gegenüberliegenden Endflächen des Körpers 10, im wesentlichen senkrecht zur Polarisatwnsrichtung 12, befinden sich Elektroden 14 und 16 zur Abnahme der piezoelektrisch erzeugten Spannung.

ίο Mit 17 ist die gemäß der Erfindung vorgesehene Diode bezeichnet, mit der hier nicht nur eine wie im Hauptpatent beschriebene Verbesserung der Umladung des piezoelektrischen Körpers 10 erreicht wird. Bereits oben ist physikalisch erläutert, in welcher Polungsrichtung die Diode 17 in bezug auf die Polarisationsrichtung 12 des Körpers 10 anzugeben ist. Für eine zeichnerische Darstellung ist zu beachten, daß die Angabe des Polarisationspfeils 12 in der Literatur nicht einheitlich ist. Inder Figur sind dementsprechend + und —Zeichen zu dem Fall der Polarisationsrichtung 12 hinzugefügt, die die hier gewählte Definition kenntlich machen. Beim quergerichteten Drücken des Körpers 10 tritt piezoelektrisch eine Erhöhung des Dipolmoments im Körper 10 auf, so daß zwischen den Elektroden 14 und 16 eine piezoelektrische Spannung auftritt. Diese durch Kurzschluß an sich zu beseitigende elektrische Spannung bzw. die diese Spannung verursachende Aufladung der Elektroden 14, 16 läßt sich über die Diode 17 in dieser Phase ableiten, da die Diode 17 für einen Stromfluß positiver Ladung von der Elektrode 14 auf die Elektrode 16 und einen Stromfluß negativer Ladung von der Elektrode 16 auf die Elektrode 14 leitend ist. Für die entgegengesetzte Nutzphase ist die Diode dann sperrend und es tritt an den Elektroden 14, 16 die volle piezoelektrisch erzeugte Spannung auf, die dann zur Verwertung, z. B. zum Zünden der Zündkerze 18, ungemindert zur Verfügung steht. Diese auszuwertende. zwischen den Elektroden 14. 16 liegende elektrische Spannung ist in Polarisationsrichtung 12 des Körpers 10 gerichtet und unterstützt sogar die Aufrechlerhaltung der eingeprägten Ausrichtung der permanenten Polarisation.

Der erfindungsgemäße Hochspannungsgenerator eignet sich insbesondere für die Zündung von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kleinmotoren, wo es auf besondere Einfachheit des Zündmechanismus ankommt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mechanisch zu betreibender Hochspannungsgenerator mit einem ausgerichtet permanent polarisierten piezokeramischen Körper und mit einer Betätigungseinrichtung zur Druckbeaufschlagung dieses Körpers, wobei der Körper infolge der ausgerichteten Polarisation parallel zur Richtung derselben uniaxial gestreckt ist und der piezokeramische Körper in dem Generator mit seiner Richtung der Polarisation im wesentlichen quer zu oer auf den Körper einwirkenden Druckrichtung der Betätigungseinrichtung angeordnet ist, nach Patent 24 45 837, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden (14, 16) im Nebenschluß zum Nufzstromkreis (14, 18, 16) über eine Diode (17) miteinander verbunden sind, wobei die Diode (17) bezogen auf die Richtung der Polarisation (12) derart gerichtet ist, daß sie diejenige in einer Betriebsphase auftretende piezoelektrisch erzeugte Spannung kurzschließt, die auf die Polarisation des Körpers (10) depolarisierend wirken würde.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am piezokeramischen Körper vorgesehenen Elektroden (14, 16) zur Abnahme der piezoelektrische Spannung an dem Körper (10) quer zur Richtung der Polarisation angebracht sind.