DEP0045577DA - Piezoelektrischer Umformer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Umformer, d.h. im vorliegenden Fall auf einen Gegenstand, der einen Körper aus dielektrischem Material enthält, welcher elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln kann oder umgekehrt. Solche Stoffe, die mono- oder polykristallinisch sein können, werden auch piezoelektrische Stoffe genannt. Polykristallinische Stoffe mit diesen Eigenschaften können z.B. aus Erdalkalititanaten, insbesondere aus Barium- oder Strontiumtitanaten bestehen. Es hat sich ergeben, dass die piezoelektrischen Eigenschaften bei den polykristallinischen Stoffen dadurch entstehen können, dass das Material mit Hilfe eines elektrischen Feldes konstanter Stärke polarisiert wird. Dieses Feld kann beim Betrieb des Elementes kontinuierlich vorhanden sein, in gewissen Fällen jedoch auch zeitweise angebracht werden, bevor das Element wirksam wird. Nach Ausschaltung des Feldes verbleibt dann eine remanente Vorpolarisation.

Das Umformungselement gemäss der Erfindung enthält einen langgestreckten Körper aus dem dielektrischen Material mit piezoelektrischen Eigenschaften, der gedrängt aufgewickelt in einem Raum untergebracht ist, dessen grösste Abmessung ein kleiner Bruchteil der Gesamtlänge des langgestreckten Körpers ist, wobei der Körper mit Mitteln gekuppelt ist, durch welche die Uebertragung der mechanischen Energie ermöglicht wird. In dieser Weise entsteht eine piezoelektrische Empfindlichkeit des Elementes, die wesentlich grösser als diejenige eines Elementes mit einem Körper aus dem gleichen Material ist, das den gleichen Querschnitt aufweist und in gerader Konfiguration eine Länge gleich der grössten Abmessung des Raumes hat, der das Element gemäss der Erfindung enthält.

Die gedrängt aufgewickelte Form des Körpers entsteht z.B. dadurch, dass dem Körper die Form einer Schraubenlinie oder einer flachen Spirale gegeben wird, deren eines Ende an einem Träger befestigt und deren anderes Ende beweglich angeordnet ist zur Uebertragung der mechanischen Energie, z.B. auf einen der Kontakte des Relais. Bei diesen Ausführungsformen wird der Körper vorzugsweise derart verwendet, dass die auftretende mechanische Formveränderung mit Biegespannungen im Material einhergeht. Es ist jedoch auch möglich, ausschliesslich die Längenänderung durch Ausdehnung oder Einschrumpfung zu benutzen; in diesem Fall kann der Körper z.B. aus einer Anzahl mechanisch aneinander gereihter, gerader, sich parallel zu einander erstreckender Teile bestehen.

Die Erfindung wird an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In dieser Zeichnung ist Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines piezoelektrischen Umformers in Form eines Spannungsrelais.

Die Fig. 2 und 3 sind vergrösserte Querschnitte verschiedener Ausführungsformen des in Fig. 1 dargestellten, langgestreckten Körpers aus dielektrischen Material.

Fig. 4 ist das Schaltbild eines Lumineszenzbeleuchtungssystems mit einem elektronischen Umformungselement von der Fig. 1 dargestellten Art.

Die Fig. 5 und 6 sind Auf- und Seitenansicht eines anderen piezoelektrischen Umformers nach der Erfindung.

Fig. 7 und 8 stellen in Aufsicht bezw. im Querschnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar; der Querschnitt nach Fig. 8 ist entlang der Linie VIII - VIII in Fig. 7 genommen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Relais mit einem piezoelektrischen Umformer nach der Erfindung. Dieses Umformungselement enthält einen langgestreckten Körper 11 aus piezoelektrischen, dielektrischen Material von gedrängt aufgewickelter Form. Der Körper ist insbesondere schrauben- linienförmig und beansprucht einen annähernd zylindrischen Raum mit einem Halbmesser gleich dem Halbmesser seiner einzelnen Windungen und einer axialen Länge gleich derjenigen der vom Körper gebildeten Schraubenlinie. Die richtige Windungszahl des Körpers ist von bei der Ausbildung geltenden, besonderen Erwägungen abhängig, wie z.B. die zur Verfügung stehende Spannung, die gewünschte Verschiebung des Relaiskontakts während des Betriebes, das Material und der Querschnitt des Körpers. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die axiale Länge des vom Körper beanspruchten, zylindrischen Raumes die grösste Abmessung dieses Raumes. Diese Abmessung bildet einen kleinen Bruchteil der Gesamtlänge des langgestreckten Körpers.

Manche Körper von der in der Zeichnung, insbesondere in Fig. 6 und 7 dargestellten Art, lassen sich aus einem Monokristall piezoelektrischen Materials herstellen, aber angesichts der gewickelten Form der Körper ist es praktischer polykristallinische, dielektrische Stoffe zu verwenden. Körper aus derartigen Werkstoffen, insbesondere im wesentlichen aus Bariumtitanat, sind auf keramischem Wege herstellbar. Der Werkstoff ist wenig kostspielig und die dabei übliche Formgabetechnik kann verhältnismässig einfach sein. Weiter haben die polykristallinischen Werkstoffe den Vorteil, dass sie leicht in Dickenrichtung über die ganze Länge der aufgewickelten Form polarisierbar sind.

Zur Halterung des schraubenlinienförmigen Körpers 11 und der beweglichen Teile des Relais wird ein Gestell verwendet, das einen unteren Ring 12, drei Stäbe 13, 14, 16 die ebenfalls längs des Umfangs des zylindrischen Raumes angeordnet und deren unteres Ende vom Ring 12 begrenzt ist, und eine obere Scheibe 17 enthält. Am Rande dieser Scheibe sind die drei Stäbe befestigt. Beim Zusammenbau wird der Körper 11 über die Stäbe 13, 14 und 16 geschoben. Zum Zusammenbau des einen Endes des Körpers ist Joch 18 angeordnet. Das obere Ende des Joches 18 ist mit einer Oeffnung versehen, durch die der Stab 13 gesteckt ist, während das untere Ende am Ring 12 festgeschraubt ist, nachdem die Innenfläche des einen Endes des Körpers 11 gegen den Stab 13 angelegt ist. Bevor das Joch 18 am Ring 12 festgeschraubt wird, können Unterlegscheiben zwischen dem Joch und dem Ring angeordnet werden, sodass das Joch kaum die Aussen- fläche des Körpers 11 berührt. Kitt, wie z.B. polymerisierender Kitt auf Phenolbasis wird darauf zwischen dem Körper, dem Stab 13 und dem Joch 18 angebracht, um das Ende des Körpers zu verankern. Um das Anordnen des Körpers um die Stäbe 12, 14, 16 zu erleichtern, können die Aussenflächen der Stäbe mit einem weichen Stoff überzogen werden, vorzugsweise mit Filz oder einem anderen Gewebe, dessen Oberfläche aus einer grossen Anzahl von Fäden besteht, auf denen der Körper 11 aufruht. Stiftepaare, z.B. die Stifte 19,19 auf dem Stab 16 in der Nähe des montierten Endes des Körpers, und die Stifte 21,21 auf dem Stab 13 am freien Ende des Körpers, können zur Führung des Körpers in Löcher der Stäbe gesteckt werden.

Am anderen oder oberen Ende des Körpers 11 ist eine bewegliche Kontaktvorrichtung befestigt. Da die gewünschte Bewegung des freien Endes des Körpers praktisch tangential gegenüber dem vom Körper bedingten Zylinder verläuft, ist es vorteilhaft, diese Bewegung in eine Drehbewegung einer geeigneten Welle, im dargestellten Fall der Welle 22, umzuwandeln. Eine zentrale Oeffnung in der Scheibe 17 dient als eine Buchse für die Welle 22, und die Welle wird von einem Kragen 23, der auf der Welle oberhalb der Scheibe 17 festgeschraubt ist, und von einem zweiten Kragen (nicht dargestellt), der auf der Welle unterhalb der Scheibe festgeschraubt ist, in der Buchse gehalten. Das untere Ende der Welle 22 steckt durch die Oeffnung in einem Arm 24, der verstellbar auf der Welle sitzt. Ein Joch 26, das am Arm 24 mit Schrauben derart befestigt ist, dass es in geeigneter Weise radial verschiebbar ist, greift um den Körper 11. Darauf wird Kitt zwischen dem Körper, dem Joch 26 und dem Ende des Armes 24 gegossen. Ein Kontaktarm 27 aus elektrisch nicht leitendem Material ist am oberen Ende der Welle befestigt und erstreckt sich radial auswärts oberhalb der Scheibe 17. Ein Kontakt 28, der mit dem Arm 27 bewegbar ist, ist am Ende des Armes 27 befestigt. Ein Stab 29 aus elektrisch nicht leitendem Material, der an der Scheibe 17 mittels Schrauben verschiebbar befestigt ist, trägt am Ende einen Kontakt 31 in einer Lage, die derjenigen des Kontaktes 28 entgegengesetzt ist. Der Kontakt 28 kann zwei Lagen einnehmen. In einer derselben wird dem piezoelektrischen Umformer 11 Erregerspannung zugeführt, in der anderen Lage ist das elektrische Element nicht erregt. Eine weitere Bewegung des Armes 27 in in Richtung der nicht erregten Lage wird von einem Arretierorgan 32 verhindert, das am Rande der Scheibe 17 befestigt ist. Der feste Kontakt 31 kann den beweglichen Kontakt 28 berühren, wenn der den beweglichen Kontakt tragende Arm 27 in die elektrisch erregte Lage gelangt. Mit den Kontakten 28 und 31 sind Drahtleitungen 33 bezw. 34 verbunden, die zu den Klemmen 36 bezw. 37 führen.

Fig. 2 ist ein Querschnitt an einem beliebigen Punkt des Körpers 11. Bei der Ausbildung nach Fig. 2 ist der Körper zusammengesetzter Art und besteht aus einem inneren, sich in Längsrichtung erstreckenden schraubenlinienförmigen Streifen 41, der vorteilhaft aus polykristallinischem Material besteht, und aus einem äusseren sich in Längsrichtung erstreckenden, schraubenlinienförmigen Streifen 42, der aus dem gleichen Material bestehen kann. Der Streifen 41 passt genau in den Streifen 42 hinein und die Streifen sind längs der aneinander grenzenden, sich in Längsrichtung erstreckenden, mit Elektroden versehenen Flächen derselben miteinander verkittet, wodurch eine zentrale Elektrode 43 gebildet wird. Die Streifen 41 und 42 besitzen gleichfalls Elektroden 44 bezw. 46 an ihren freien Aussenflächen. Wenn Titanatmaterial verwendet wird, kann eine passende Polarisations- oder Vorspannung ständig an den Streifen 41 und 42 aufrecht erhalten werden. In gewissen Fällen lässt sich ständige Anlegung eines Vorspannungspotentials durch eine Vorpolarisationsbehandlung vermeiden. Für diese Behandlung kann eine zeitliche Verbindung mit der zentralen Elektrode 43 hergestellt und ein verhältnismässig hohes Polarisationspotential zwischen der Elektrode 43 und den Elektroden 44 und 46 angelegt werden, wo bei die zwei letztgenannten Elektroden zu diesem Zweck zeitlich miteinander verbunden werden. Für die Verwendung nach einer solchen Vorpolarisation in der Einrichtung nach Fig. 1, werden die zeitlichen Verbindungen unterbrochen und es können die Innen- und Aussenelektroden 44 bezw. 46 je mit Klemmen 49 bezw. 51 durch Drahtleitungen 47 bezw. 48 verbunden werden. Durch die erwähnte Behandlung wird das Titanatmaterial der Streifen 41 und 42 in entgegengesetzten Richtungen polarisiert, sodass das Anlegen einer Erregerspannung über die Klemmen 49 und 51 ein Erregerfeld in der Polarisationsrichtung eines der Streifen 41, 42 und gleichzeitig in der Polarisationsrichtung im anderen Streifen ent- gegengesetzten Richtungen erzeugt.

Fig. 3 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform des Körpers 11 nach Fig. 1. In diesem Fall ist der Körper rohrförmig und der Querschnitt also hohl. Zwei einander gegenüberliegende Wandteile 53 und 54 des Körpers bilden die flachen Seiten des Rohres, wobei der Teil 53 die Innenwand des Körpers sein kann. Letzterer hat eine zentrale oder innere Elektrode 56 und zwei am Umfang getrennte Elektroden 57 und 58, die sich in Längsrichtung des Körpers erstrecken. Ein aus passendem Titanatmaterial bestehendes Element von der Art nach Fig. 3 kann z.B. in Richtung der zentralen Elektrode 56 auf die zwei Aussenelektroden vorpolarisiert werden, indem die Aussenelektroden 57 und 58 zeitlich miteinander verbunden werden und ein verhältnismässig hohes Polarisationspotential zwischen diesen zwei miteinander verbundenen Elektroden und der mittleren Elektrode 56 angelegt wird. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Aussenelektroden werden dann entfernt und diese über die Drahtleitungen 47 bzw. 48 mit den Klemmen 49 bezw. 51 verbunden. Das Anlegen eines Erregerpotentials über die Klemmen 49 und 51 erzeugt dann ein Erregerfeld in einer Richtung vom Hohlraum auf einen der Wandteile 53, 54 und in einer Richtung von dem Hohlraum zum anderen Teil. Die mittlere Elektrode 56 erhält unter diesen Umständen ein sich selbsttätig einstellendes Zwischenpotential. Sowohl beim Körper nach Fig. 2 als auch bei demjenigen nach Fig. 3 können Elektroden 44, 46 oder 57, 58 dort, wo sich unter den Jochen 18 und 26 erstrecken, in der Nähe der Enden des Körpers der Vorrichtung nach Fig. 1 abgekratzt oder mit Isolierstoff überzogen werden, um Kurzschluss der Elektroden und Erdung des Gestells zu verhüten.

Das Schaltbild nach Fig. 4 stellt eine vorteilhafte Verwendung des Spannungsrelais nach Fig. 1 dar; bei der Beschreibung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 wird es näher erläutert. Der piezoelektrische Umformer ist im Schaltbild nach Fig.4 mit einem Kasten 15 angedeutet, der einen spannungsempflindliches Element darstellt. Die mechanische Kupplung über den Arm 24 (vergl.Fig.1), die Welle 22 und den Arm 27 mit dem beweglichen Kontakt 28 ist in Fig. 4 mit einer gestrichelten Linie 61 angedeutet. Diese mechanische Kupplung ermöglicht die Bewegung des beweglichen Kontaktes 28 gegenüber dem festen Kontakt 31 in Fig. 1. Die Relaisklemmen 36 und 37 und die Erregerklemmen 49 und 51 sind im Schaltbild nach Fig.4 dargestellt.

Das Relais bildet einen Teil einer Lumineszentlampenvorrichtung, die mit einer Fluoreszenzlampe 62 mit Glühfäden 63, 64 an den einander gegenüberliegenden Enden derselben und den Glühfäden zugeordneten, mit ihnen elektrisch verbundenen Anoden 66 und 67 versehen ist. Ein Ende des Glühfadens 63 ist mit der Klemme 37 und über eine Glimmentladungsröhre 68 mit der Klemme 51 verbunden. Ein Ende des Glühfadens 64 ist mit den Klemmen 36 und 49 verbunden. Das Fluoreszenzlampensystem wird durch eine Wechselstromleitung 71 gespeist, mit der es durch Schliessung eines Leitungsschalters 72 verbunden werden kann. Insbesondere kann die Leitung 71 durch den Leitungsschalter 72 mit einem hinauftransformierenden Spartransformator 73 verbunden werden. Eine strombeschränkende Selbstinduktionsspule 74 ist in den Kreis mit den Sekundärklemmen des Spartransformators 73 aufgenommen. Die Sekundärwicklung des Transformators und die Selbstinduktionsspule 74 sind mit denjenigen Enden Glühfäden 63 bezw. 64 verbunden, die nicht mit dem Relais verbunden sind.

Wenn der Leitungsschalter 72 geschlossen ist, wird eine gegenüber der Spannung der Leitung 71 hohe Spannung über die Lampe 62 geschaltet. Da die Lampe nicht leitend und der Glühfadenkreis über die Relaiskontakte unterbrochen ist, tritt diese Spannung auch über die Glimmlichtröhre 68 am Element 15 auf, wodurch eine Glimmentladung in der Glimmlichtröhre entsteht. Nach der Einleitung der Glimmentladung tritt der größte Teil der Sekundärspannung des Spartransformators 73 am Element 15 auf. Während der Halbperiode der Wechselstromwelle, die die richtige Polarität hat, wird ein Erregerfeld an das Element 15 angelegt, wodurch sich der innere Teil 41 oder 53 (Fig.2 oder Fig. 3) des Titanatkörpers ausdehnt, während der äussere Teil 42 oder 54 einschrumpft. Dies führt eine seitliche Abbiegung eines jeden Teiles der Länge des schraubenlinienförmig gewickelten Körpers herbei mit einer damit einhergehenden Zunahme des Krümmungsradius über die ganze Länge des Körpers. Der Körper wird gleichsam etwas zurückgewunden und hierdurch wird bei einer Auswärtsbewegung des Schraubenendes gegenüber dem Stab 13, an dem das untere Ende der Schraube befestigt ist, nicht nur die

Schraubenwindungsfläche vergrössert, sondern auch eine Bewegung am Umfang der Schraube nach links von der Schraubenspitze aus gesehen, herbeigeführt. Da das untere Ende der Schraube unbeweglich und die Schraube aufwärts rechts gewickelt ist, ist diese Linksbewegung zum Ausgleichen des vergrösserten Umfanges einer jeden Windung der Schraube erforderlich. Die resultierende Umfangsbewegung einer jeden Windung wird derjenigen der folgenden, höheren Windung zugesetzt.

Auf diese Weise erteilt der Arm 24 der Welle 32 eine beträchtliche Linksdrehung, wodurch der bewegliche Kontakt 28 den festen Kontakt 31 berührt, bevor die Wechselspannung ihren Scheitelwert in der betreffenden Halbperiode erreicht. Wenn sich die Relaiskontakte schliessen, fliesst ein Stromimpuls über die Kontakte und die Glühfäden 63, 64 der Lampe. Durch Schliessung der Relaiskontakte wird die Erregung des Elementes 15 behoben und die Glimmlichtröhre 68 erlischt. Es werden jedoch die Nachgiebigkeit des Kontaktarmes 27 und die Masse der beweglichen Kontaktteile derart gewählt, dass der Kontakt nicht unmittelbar unterbrochen wird, sondern während mehrerer Wechselstromperioden geschlossen bleibt. Infolgedessen werden die Glühfäden 63 und 64 stark geheizt. Vorzugsweise ist die Lumineszenzlampe 62 von einer Art, die gezündet werden kann, bevor die Glühfäden besonders heiss sind. Infolgedessen werden die Glühfäden zum Betreiben der Lampe während weniger Wechselstromperioden hinreichend geheizt. Wenn sich die Relaiskontakte während dieser Perioden öffnen, wird der die nunmehr heissen Glühfäden und die Selbstinduktionsspulen 74 durchfliessende Strom unterbrochen. Durch diese Stromunterbrechung wird eine hohe Spannung in der Selbstinduktionsspule 74 induziert und die Lampe 64 wird gezündet.

Der die Lampe durchfliessende Strom führt darauf einen solchen Spannungsabfall über die Induktionsspule 74 herbei, dass die über die Glimmlichtröhre 68 wirksame Spannung zur Zündung der Röhre nicht hinreicht und das Relais bleibt offen solange die Lampe gezündet bleibt. Da diese Fluoreszentlampenvorrichtung ausser den Glühfäden 63 und 64 der Lampe selbst keine thermisch betriebenen Elemente enthält, ist die Anlaufperiode der Lampe im wesentlichen nur durch das erwünschte Heizungsmass des Glühfadens beschränkt. Aus diesen Gründen arbeiten Lampenanlasser unter Verwendung eines Spannungsrelais schneller als der übliche Anlasser mit einem Bimetallelement im Anlasskreis. Der schraubenlinienförmige Körper 11, entweder von der Art nach Fig. 2 oder nach Fig. 3, ist ein biegungsempfindliches Element infolge der gleichzeitig auftretenden Neigungen der einen Seite des Elementes zum Einschrumpfen und der anderen Seite zum Ausdehnen. Wenn das Element ausgerichtet werden würde, wäre seine Länge praktisch gleich dem Umfang des zylindrischen Wickelraumes multipliziert mit der Windungszahl der Schraubenlinie, und dieses sehr lange gerade Element, an einem Ende befestigt oder eingeklemmt, würde bei elektrischer Erregung eine Biegung über die ganze Länge aufweisen mit einer entsprechenden seitlichen Verschiebung des freien Endes. Diese Verschiebung wäre von der gleichen Grössenordnung wie die Verschiebung des freien Endes des schraubenlinienförmigen Körpers 11, der danach trachtet, den Arm 24 zu bewegen und die Welle 22 zu dehnen. Jedoch wäre ein Körper dieser besonders grossen Länge und gerader Gestalt für die meisten Verwendungen praktisch vollkommen ungeeignet. Da die grösste Abmessung üblicherweise die Verwendung eines Umformungselementes beschränkt, muss das Ergebnis des schraubenlinienförmigen Körpers mit dem Ergebnis eines Elementes aus dem gleichen Material und vom gleichen Querschnitt mit einer Länge gleich der grössten Abmessung verglichen werden, d.h. die axiale Abmessung der Schraubenlinie, jedoch mit gerader Gestalt. Der mit dem schraubenlinienförmigen Körper erzielte Wert der piezoelektrischen Empfindlichkeit ist dabei beträchtlich grösser als der Empfindlichkeitswert eines geraden Körpers des letztgenannten Länge, obgleich die Maximalabmessung des schraubenlinienförmigen Elementes die gleiche ist. Es ist dem Fachmann klar, dass ein piezoelektrischer Umformer mit einem gedrängten Element, wie der Körper 11, leicht ausgebildet werden kann, um auf elektrische Signale verschiedener Amplitude verschiedenartig anzusprechen, da die Verschiebung des freien Endes des Elementes praktisch proportional zur Amplitude der angelegten Spannung ist und weiter, dass die umgekehrte elektromechanische Empfindlichkeit benutzt werden kann, wobei die Bewegung des freien Endes des

Elementes eine Spannung an den Klemmen 49 und 51 erzeugt.

Der Umformer der Spannungsrelaisart, wie der in Aufsicht und Seitenansicht Fig. 5 und 6 dargestellt ist, enthält eine langgestreckten Körper 81, der etwa in Form einer flachen Spirale gewickelt ist, die einen praktischen kreis- oder scheibenförmigen Raum beansprucht, dessen Durchmesser einen kleinen Bruchteil der Länge hat, die die Spirale des Körpers aufweist. Der Körper kann wieder eine der Querschnittsformen haben, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind. Das eine Ende des Körpers 81 ist durch einen Arm 82 gestreckt, der mit Schrauben verstellbar auf einer festen Halterung 83 befestigt ist. Der Arm 82 ist derart eingestellt, dass er nur leicht die Seiten des Elementes 81 berührt. Der Arm wird an der Halterung 83 befestigt und Kitt wird zwischen den aneinander grenzenden Flächen des Körpers und des Armes und der Halterung angebracht. Das andere Ende des spiralenförmigen Elementes liegt zwischen den Armen einer Jochkontruktion 84, der einen Teil des Kontaktarmes 86 bildet und mit dem Joch 84 verkittet ist. Der Arm 86 ist an einer drehbaren Welle 87 befestigt, die beweglich in einem Kragenblock 88 gelagert ist. Das andere Ende des Armes 86 ist tordiert, um einen beweglichen Kontakt 91 Raum zu bieten, der elektrisch gegen den Arm isoliert ist.

Die elektrische Erregung der Elektroden an der Oberfläche des spiralförmigen Körpers erfolgt durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Klemmen 49 und 51, von denen die Erregerspannung über Leitungen 47 bezw. 48 zu den Innen- bezw. Aussenelektroden des Elementes 81 verläuft, gemäss der Einrichtung nach Fig. 1. Diese Elektroden sind gemäss den Querschnitten der Fig. 2 oder 3 angeordnet, jedoch in den Fig. 5 und 6 übersichtlichkeitshalber weggelassen. Wenn die Polarität der Erregerspannung derart ist, dass ein Element gekrümmt wird, sodass der Krümmungsradius eines jeden Spiralenteiles zunimmt, trachten die Windungen der Spirale danach, wie in Fig. 5 dargestellt ist, nicht nur ihren Querschnitt zu vergrössern, sondern auch eine Linksdrehung zu vollführen. Dies hat eine Linksdrehung der Welle 87 zur Folge und macht, dass der bewegliche Kontakt 91 einen festen Kontakt 92 berührt, der an einem isolierenden Halterungsteil 93 befestigt ist. Der Relaiskreis wird durch Drahtleitungen 33, 34 und Klemmen 36, 37 geschlossen, ähnlich wie bei der Einrichtung nach Fig. 1.

Aehnlich wie beim schraubenlinienförmigen Element nach Fig. 1, wird die Bewegung einer jeden Windung des spiralenförmigen Elementes 81 der Bewegung der nächstfolgenden Windung hinzugefügt, was eine Gesamtverschiebung des freien Endes des Elementes bewirkt, die wesentlich grösser ist als die Verschiebung einer einzelnen Windung oder eines Teiles einer Windung. Wenn die grösste Abmessung des Umformerelementes im wesentlichen seine Wirkung bestimmt, wie es häufig der Fall ist, muss die elektromechanische Empfindlichkeit des spiralenförmigen Körpers mit der Empfindlichkeit eines geraden Körpers verglichen werden, dessen Länge gleich der grössten Abmessung des spiralenförmigen Körpers ist, welche Abmessung gleich dem Durchmesser des von der Spirale beanspruchten praktisch kreisförmigen Raumes ist. Die gewundene Form ergibt eine wesentlich grössere Empfindlichkeit der Spirale.

Die Fig. 7 und 8 stellen in Aufsicht und Querschnitt ein Umformungselement dar, das einen langgestreckten Körper 100 aus dielektrischem Material enthält, der, obgleich er nicht gewunden ist wie die spiralenförmigen Körper der Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 3 bezw. 5 und 6, auf andere gedrängte Weise in den Raum untergebracht ist, dessen grösste Abmessung einen kleinen Bruchteil der Gesamtlänge des Körpers ist. Der Körper kann aus einer Platte oder aus einem Block geschnitten werden, der aus einem der zu Verfügung stehenden, piezoelektrischen Materialien besteht. Der Körper 100 enthält eine Reihe von sieben praktisch geraden Teilen oder Schenkeln 101 bis 107. Die unteren Enden des Schenkel 101 und 102 sind mit einander verbunden, ähnlich wie die oberen Enden der Schenkel 102 und 103, die unteren Enden der Schenkel 103, 104 usw., was eine gedrängte Bauart ergibt.

Leitende Elektroden sind auf jeder Seite eines jeden Schenkels des Körpers d.h. an den einander gegenüberliegenden Oberflächen angrenzender Schenkel und auf den Aussenflächen der ersten und letzten Schenkel 101 und 107 angeordnet. Ein geeignetes Material für diese Elektroden ist eine leitende, gebundene Graphitverbindung, die auf dem dielektrischen Material in sehr dünnen Schichten angebracht werden kann. Derartige Elektroden können auch bei den Vorrichtungen nach den anderen Figuren verwendet werden. In Fig. 7 sind die dort nicht dargestellten Elektroden 111, 112, 113, 114 und 115 links bezw. rechts vom Schenkel 101, links und rechts vom Schenkel 102 und links vom Schenkel 103 angeordnet. Aehnliche Elektroden sind an den übrigen Seiten der verschiedenen Schenkel angeordnet. Die Elektroden sind in folgender Weise verbunden (vgl. Fig. 7). Die Endelektrode 111, die Elektroden 114 und 115 zwischen den Schenkeln 102, 103 und die Elektroden zwischen den Schenkeln 104, 105 und zwischen den Schenkeln 106, 107 sind miteinander und weiter mit einer Erregerklemme 49 verbunden. Die übrigen Elektroden d.h. die Elektroden 112, 113 zwischen den Schenkeln 101, 102 und die Endelektrode auf dem Schenkel 107 sind miteinander und ebenfalls mit der anderen Erregerklemme 51 verbunden. In dieser Weise sind abwechselnd Schenkel des Elementes 100 zu einem bestimmten Zeitpunkt mit entgegengesetzter Polarität erregbar. Der Anfang oder das obere Ende des ersten Schenkels 101 ist in einem Joch 117 festgekittet, das einen Teil einer festen Halterung bildet, während das Ende oder das untere Ende des letzten Schenkels 107 in einem Joch 118 festgekittet ist, an dem ein beweglicher Kontakt 119 befestigt ist.

Durch Anlegen einer Erregerspannung richtiger Polarität über die Klemmen 49 und 51 wird ein Feld über den Schenkel 101 durch die Elektroden 111, 112 erzeugt, was eine Ausdehnung in Längsrichtung dieses Schenkels und eine Abwärtsverschiebung des von den Schenkeln 101 und 102 gemeinsamen unteren Teiles zur Folge hat. Der Schenkel 102 wird jedoch über die Elektroden 113, 114 durch ein elektrisches Feld entgegengesetzter Polarität erregt, sodass der den Schenkeln 102 und 103 gemeinsame obere Teil herabbewegt wird und nicht nur über einen Abstand gleich der Herabbewegung des unteren Teiles des Schenkels 102, sondern auch über einen etwa gleichen, weiteren Abstand wegen Einschrumpfung des Schenkels 102. Der Schenkel 103 wird erregt und dehnt sich, sodass der den Schenkeln 103 und 104 gemeinsame untere Teil über einen Abstand bewegt wird, der etwa das 3-fache der Verschiebung des unteren gemeinsamen Teiles der Schenkel 101, 102 beträgt. In dieser Weise werden die unteren und oberen Teile eines jeden folgenden Schenkels in steigendem Masse herabbewegt. Demnach erteilt das untere Ende des letzten Schenkel 107 dem beweglichen Kontakt 119 eine Verschiebung, die wesentlich grösser ist als diejenige des unteren Endes des ersten Schenkels 101, obgleich der erste Schenkel eine

Länge hat, die der grössten Abmessung des gedrängten Umformungselementes entspricht.

Infolge der Abwärtsbewegung des Kontaktes 119 berührt er einen festen Kontakt 120. Wie bei den Vorrichtungen nach den vorhergehenden Figuren, sind die beweglichen und festen Kontakte 119 und 120 mit Drahtleitungen 33 bezw. 34 versehen, die mit Klemmen 36 bezw. 37 für die üblichen Relaisverbindungen verbunden sind. Zur Halterung und Führung des Körpers 100 sind zwei nockenförmige Organe 122 und 123 in der Nähe des oberen und des unteren Endes des Körpers fest angebracht. Die Räume zwischen den Nockenzähnen können mit elastischem Gewebe ausgefüllt werden, um die Schenkel des Körpers derart aufzunehmen und zu haltern, dass ihrer Ausdehnung zum Schliessen und Oeffnen der Relaiskontakte möglichst wenig Widerstand entgegengesetzt wird.

Der Körper 11 nach den Fig. 1 und 2 lässt sich durch die Herstellung zweier Hohlzylinder aus Titanatmaterial erhalten, wobei der Aussendurchmesser des einen Zylinders gleich dem Innendurchmesser des anderen ist. Die Aussenfläche des kleinen Zylinders und die Innenfläche des grossen Zylinders sind mit einer Kittmasse überzogen und der kleine Zylinder wird in den grösseren geschoben. Nachdem der Kitt erhärtet ist, werden schraubenlinienförmige Rillen im zusammengesetzten Zylinder vorgesehen, wodurch ein spiralenförmiger Körper verbleibt, dessen Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist. Zur Erzielung des in Fig. 3 dargestellten Querschnittes kann eine Schicht Titanatmaterial aus einer Suspension auf eine flachen Form angebracht werden, die zu einer spiralförmigen Gestalt gekrümmt ist. Die so entstandene Form kann auf in der keramischen Industrie übliche Temperaturen aufgeheizt werden, zur Herstellung des spiralenförmigen rohrförmigen Elementes unter Verdampfung des Materials der Form. Ein Hohlelement spiralförmiger Gestalt, wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt, ist auch nach diesem Verfahren herstellbar. Ein Block aus dem dielektrischen Material kann zur Herstellung des gedrängten Elementes nach den Fig. 7 und 8 verwendet werden, wobei die Rillen, welche die benachbarten Schenkelpaare des Elementes von einander trennen, mit Hilfe einer Diamantsäge ausgeschnitten werden.

Claims (8)

1.) Piezoelektrischer Umformer, dadurch gekennzeichnet, dass er einen langgestreckten Körper aus dielektrischem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften enthält, der in gedrängt aufgewickelter Form in einem Raum untergebracht ist, dessen grösste Abmessung ein kleiner Bruchteil der Länge des piezoelektrischen Körpers ist, der mit Mitteln gekuppelt ist, die die Übertragung der mechanischen Energie ermöglichen.

2.) Piezoelektrischer Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper schraubenlinienförmig gestaltet ist.

3.) Piezoelektrischer Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper die Form einer flachen Spirale hat.

4.) Piezoelektrischer Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einer Anzahl sich parallel zu einander erstreckender, gerader Teile (Schenkel) besteht, und die entsprechenden Enden von je zwei aufeinander folgenden Teilen durch Organe aus dem gleichen Material derart abwechselnd mechanisch miteinander verbunden sind, dass die Teile in Reihe geschaltet sind.

5.) Piezoelektrischer Umformer nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einem flachen Rohr besteht, das an den flachen Aussen- und Innenwänden mit je einer Elektrode versehen ist und die Innen- und die Aussenelektroden mit je einer der Anschlussklemmen des Elementes verbunden sind.

6.) Piezoelektrischer Umformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden auf der Innenwand einen Teil einer leitenden Belegung bilden, die sich ununterbrochen auf der ganzen Innenwand erstreckt.

7.) Piezoelektrischer Umformer nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus zwei Bändern besteht, die über wenigstens eine Elektrode an den flachen Seiten miteinander mechanisch verbunden sind, dass jede der flachen Aussenflächen ebenfalls mit einer Elektrode versehen ist und dass diese beiden Aussenelektroden je mit einer der Anschlussklemmen des Elementes verbunden sind.

8.) Piezoelektrischer Umformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Schenkel an beiden Seiten mit einer Elektrode versehen sind, die derart miteinander und mit den Anschlussklemmen des Elementes elektrisch verbunden sind, dass die mechanische Energieübertragung mit Ausdehnung bezw. Einschrumpfung der aufeinanderfolgenden Schenkeln einhergeht.