DE3833158A1 - Bistable bending (flexural) transducer - Google Patents

Bistable bending (flexural) transducer

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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezo-electric relays
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type

Abstract

A bistable bending transducer having a piezoelectric, strip-shaped bending element, in which it is provided that the bending element (B) is clamped in a longitudinally guided and movable fashion between two edges opposite one another in its longitudinal extent by means of bearing elements (D, D) held by a holder (H). The clamping is performed under the exertion of compressive forces (F, F) and is such that by bending the bending element assumes one of two stable positions which are defined by stops (A, A'), that there are provided on the bending element (B) in a manner known per se electric terminals via which a control (operating) voltage (u) can be applied to the bending element, and that the bistable bending transducer (W) can be shifted into one or other of the two stable positions by a control voltage pulse of predetermined amplitude and predetermined polarity. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bistabilen Biege­ wandler mit einem piezoelektrischen, streifenförmigen Biege­ element, das durch Anlegen einer Spannung durchbiegbar ist.The present invention relates to a bistable bend transducer with a piezoelectric, strip-shaped bend element that can be deflected by applying a voltage.

Für Ventile, Relais und Vakuumschalter werden häufig piezo­ elektrische Biegewandler eingesetzt. Ein Biegewandler besteht im allgemeinen aus zwei dünnen piezokeramischen Schichten, die durch Klebung zu einer Doppelschicht verbunden sind. Durch An­ legen einer elektrischen Spannung an eine derartige Struktur entstehen in den einzelnen Schichten des Biegewandlers entgegen­ gesetzte Deformationen, die ähnlich wie bei einem Bimetall eine starke Krümmung des Verbundes bewirken. Besonders nachteilig wirkt sich bei dieser Art von Biegewandlern aus, daß bei Zurücknahme der elektrischen Spannung auf den Wert Null eine in ihrer Größe von den vorangegangenen Elongationszyklen abhängige Restauslenkung bestehen bleibt, die darüber hinaus zeitlich nicht konstant bleibt (Nullpunktdrift).For valves, relays and vacuum switches, piezo are often used electric bending transducers used. A bending transducer exists in generally of two thin piezoceramic layers that are bonded to form a double layer. By To apply an electrical voltage to such a structure arise in the individual layers of the bending transducer set deformations, similar to a bimetal one cause strong curvature of the composite. Particularly disadvantageous affects this type of bending transducers that at Reduction of the electrical voltage to the value zero one in their size depends on the previous elongation cycles Residual deflection remains, which is also temporal does not remain constant (zero point drift).

Zur Vermeidung dieser Restauslenkung und der Nullpunktdrift werden in bekannten Anordnungen aufwendige, regelbare piezo­ elektrische Biegewandler mit integrierten Dehnungsmeßstreifen mit zugehöriger Elektronik verwendet.To avoid this residual deflection and zero drift are complex, controllable piezo in known arrangements electric bending transducers with integrated strain gauges used with associated electronics.

Es sind auch Bimetall-Anordnungen zur Verwendung in Ventilen, Relais und Vakuumschalter bekannt, die jedoch eine große An­ sprechzeit, einen hohen Energieverbrauch und eine starke Temperaturabhängigkeit besitzen.There are also bimetallic arrangements for use in valves, Relays and vacuum switches are known, but they are a major concern talk time, high energy consumption and strong Have temperature dependency.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bi­ stabilen Biegewandler zu schaffen, der bei sehr einfachem und damit kostengünstigem Aufbau die eingangs genannten Nachteile bekannter Biegewandler vermeidet. The present invention has for its object a bi to create stable bending transducer that is very simple and thus inexpensive construction the disadvantages mentioned above known bending transducer avoids.  

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein bistabiler Biegewandler der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 vorgeschlagen, der durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.A bistable bending transducer is used to solve this task type mentioned and according to the preamble of the patent claim 1 proposed by the in the characterizing Characterized part of claim 1 specified features is.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are characterized by the in the features specified in the subclaims.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur im einzelnen beschrieben.In the following the invention with reference to a figure in described.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen Biegewandlers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.The figure shows a schematic representation of an invention according bending transducer according to a preferred embodiment.

Wie die Figur zeigt, besteht ein erfindungsgemäßer Biegewandler W gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einem längsgeführten, beweglich gelagerten Biegeelement B, des durch Federkräfte F, F′ so belastet ist, daß es sich auswölbt. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung u springt die Auswölbung des Biege­ elements B in die entgegengesetzte Lage. Zur Vermeidung eines Bruchs durch eine zu weitgehende Biegung ist auf jeder Seite des Biegeelements B ein Anschlag A bzw. A′ vorgesehen. Zur Rückführung des Biegeelements B in die Ursprungslage wird eine Spannung umgekehrter Polarität an das Biegeelement B gelegt. Zum Umschalten der Lage auf der einen Anschlagseite zu der Lage auf der anderen Anschlagseite ist jeweils nur ein kurzer elektrischer Impuls notwendig.As the figure shows, a bending transducer W according to the preferred embodiment consists of a longitudinally guided, movably mounted bending element B , which is loaded by spring forces F , F 'so that it bulges. When an electrical voltage u is applied , the bulge of the bending element B jumps into the opposite position. To avoid breakage due to excessive bending, a stop A or A 'is provided on each side of the bending element B. In order to return the bending element B to the original position, a voltage of reversed polarity is applied to the bending element B. To switch the position on one side of the stop to the position on the other side of the stop, only a short electrical pulse is required.

Unter anderem besteht der Vorteil des erfindungsgemäßen Biege­ wandlers darin, daß ein im Bereich der weitestgehenden Auswölbung befestigter Kontakt oder eine Ventilplatte mit Vorspannung an dem Gegenkontakt oder der Ventilöffnung anliegt, um eine sichere Kontaktgabe oder eine sichere Ventilschließung zu bewirken. Among other things, there is the advantage of the bending according to the invention converter in that one in the area of the most extensive bulge attached contact or a valve plate with preload the mating contact or the valve opening to ensure a safe To make contact or secure valve closure.  

Praktische Versuche haben folgende Werte ergeben:
Keramik: VIBRIT 420 - Einzellamelle, Abmessungen 0,3×8×90 mm
Knickgrenzlast: 18 N, Knickauslenkung: 0,9 mm
Längsverkürzung: 24 µm, Spannungsimpuls: 150 V
Anschlagkraft: einige 10 p
Diese Versuchsergebnisse beziehen sich auf einen funk­ tionsfähigen Prototyp. Die Auswahl des Keramik-Werk­ stoffs sowie der Abmessungen des Biegeelementes ist jeweils vom Anwendungsfall bestimmt.Practical tests have shown the following values:
Ceramic: VIBRIT 420 - single lamella, dimensions 0.3 × 8 × 90 mm
Buckling limit load: 18 N, buckling deflection: 0.9 mm
Longitudinal shortening: 24 µm, voltage pulse: 150 V
Velocity: some 10 p
These test results relate to a functional prototype. The selection of the ceramic material and the dimensions of the bending element is determined by the application.

Claims (13)

1. Bistabiler Biegewandler mit einem piezoelektrischen streifen­ förmigen Biegeelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Biege­ element (B) längsgeführt und beweglich zwischen zwei sich in seiner Längsausdehnung gegenüberliegenden Kanten durch von einer Halterung (H) gehaltenen Lagerelemente (D, D), von denen zu­ mindest eines ein Funktionselement darstellt, derart unter Ausübung von Druckkräften (F, F) eingespannt ist, daß es durch Biegung eine von zwei stabilen Lagen, die durch Anschläge (A, A′) definiert sind, einnimmt, daß in an sich bekannter Weise elektrische Anschlüsse an dem Biegeelement (B) vorgesehen sind, über die eine Betätigungsspannung (u) an das Biegeelement anlegbar ist, und daß der bistabile Biegewandler (W) durch einen Betätigungsspannungs-Impuls vorbestimmter Amplitude und vorbestimmter Polarität in die eine oder die andere der zwei stabilen Lagen umlegbar ist.1. Bistable bending transducer with a piezoelectric strip-shaped bending element, characterized in that the bending element ( B ) is guided longitudinally and movably between two edges lying opposite one another in its longitudinal extent by bearing elements ( D , D ) held by a holder ( H ), of which too at least one is a functional element, so clamped under the application of compressive forces ( F , F ) that it bends one of two stable positions, which are defined by stops ( A , A '), that electrical in a conventional manner Connections are provided on the bending element ( B ), via which an actuating voltage ( u ) can be applied to the bending element, and that the bistable bending transducer ( W ) is stable in one or the other of the two by an actuating voltage pulse of predetermined amplitude and predetermined polarity Layers can be moved. 2. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Lagerelemente (D, D) eine Druckfeder ist.2. Bistable bending transducer according to claim 1, characterized in that at least one of the bearing elements ( D , D ) is a compression spring. 3. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei stabilen Lagen gleiche Abstände von der durch die Druckkräfte (F, F) gebildeten Kraftachse haben.3. Bistable bending transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the two stable layers have the same distances from the force axis formed by the compressive forces ( F , F ). 4. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei stabilen Lagen unterschiedliche Abstände von der durch die Druckkräfte (F, F) gebildeten Kraftachse haben.4. Bistable bending transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the two stable layers have different distances from the force axis formed by the pressure forces ( F , F ). 5. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck­ federn (D, D) als Blattfedern mit an ihren freien Enden zur be­ weglichen Lagerung der Kanten des Biegeelements (B) ausgebildeten, quer zu der Blattfeder-Längsachse verlaufenden, im wesentlichen V-förmigen Einsenkungen ausgeführt sind.5. Bistable bending transducer according to claim 3 or 4, characterized in that the compression springs ( D , D ) as leaf springs with trained at their free ends for be movable storage of the edges of the bending element ( B ), transverse to the longitudinal axis of the leaf spring, are essentially V-shaped depressions. 6. Bistabiler Biegewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (A, A′) stiftförmig sind und aus einem hartelastischen, vorzugs­ weise elektrisch nichtleitenden Material bestehen.6. Bistable bending transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the stops ( A , A ') are pin-shaped and consist of a hard elastic, preferably electrically non-conductive material. 7. Bistabiler Biegewandler nach Anpruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Biege­ element (B) aus einem Piezo-Keramikmaterial, z.B. "VIBRIT 420", in sog. Einzellamellen-Ausführung mit den Abmessungen 0,3×8×90 mm hergestellt ist.7. Bistable bending transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the bending element ( B ) made of a piezo-ceramic material, for example "VIBRIT 420", in a so-called single-lamella version with the dimensions 0.3 × 8 × 90 mm is. 8. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Biege­ grenzlast von 18N auf das Biegeelement (B) ausgeübt wird.8. Bistable bending transducer according to claim 7, characterized in that a bending limit load of 18N is exerted on the bending element ( B ). 9. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine maximale Biegeauslenkung des Biegeelements (B) von 0,9 mm bei einer Längsverkürzung, nämlich der Differenz zwischen Bogen und Sehne des gebogenen Biegeelements (B), von 24 µm vorbestimmt ist.9. Bistable bending transducer according to claim 8, characterized in that a maximum bending deflection of the bending element ( B ) of 0.9 mm with a longitudinal shortening, namely the difference between the bow and tendon of the bent bending element ( B ), is predetermined by 24 microns. 10. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Betätigungsspannungs-Impulse 150V beträgt.10. Bistable bending transducer according to claim 8 or 9, characterized in that the amplitude the actuation voltage pulse is 150V. 11. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungs­ spannungs-Impulse rechteckförmig sind.11. Bistable bending transducer according to claim 10, characterized in that the actuation voltage pulses are rectangular. 12. Bistabiler Biegewandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungs­ spannungs-Impulse sägezahnförmig mit auf einer auf einen unteren Amplitudenwert absinkende Rückflanke sind. 12. Bistable bending transducer according to claim 11, characterized in that the actuation voltage pulses sawtooth-shaped with on one on a lower Falling edge falling amplitude value.   13. Bistabiler Biegewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Anschläge (A, A′) ein Betätigungselement, z. B. für einen elektrischen Kontakt oder einen Ventilteller, bildet.13. Bistable bending transducer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the stops ( A , A ') is an actuating element, for. B. for an electrical contact or a valve plate.
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