EP1898087A2

EP1898087A2 - Piezoelectric pump assembly

Info

Publication number: EP1898087A2
Application number: EP07014364A
Authority: EP
Inventors: Siegfried Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2007-07-21
Publication date: 2008-03-12
Also published as: EP1898087A3; DE102006043219B3

Abstract

The piezo electric pump drive system has a membrane as pumping organ with a resonance oscillating system, which has a resonance mass (12/1), supported elastically by a resonance spring. The resonance mass oscillations are generated from an electrical active piezo element (1), which drives the pumping organ in oscillating manner. A flat spring is provided as resonance spring (11/1) and support of the resonance mass, where the piezo element acts on a small lever arm (23). The resonance mass carries a large lever arm (24).

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Pumpenantrieb, insbesondere für Luftpumpen mit einer Membran als Pumporgan, bei dem ein Resonanzschwingsystem, das wenigstens eine mittels einer Resonanzfeder federelastisch gelagerte Resonanzmasse aufweist und dessen Schwingungen von wenigstens einem elektrisch aktivierten Piezoelement erzeugt werden, das Pumporgan oszillierend antreibt, wobei das Piezoelement über die mit der Resonanzmasse versehene Resonanzfeder mit dem Pumporgan in kraft- und bewegungsübertragender Antriebsverbindung steht.The invention relates to a piezoelectric pump drive, in particular for air pumps with a diaphragm as a pump organ, in which a resonant oscillation system which has at least one by means of a resonant spring resiliently mounted resonant mass and whose vibrations are generated by at least one electrically activated piezoelectric element, the pumping organ oscillatingly drives, said Piezo element is on the resonant spring provided with the resonance mass with the pump member in force and motion transmitting drive connection.

Aus DE 102 34 584 B3 ist eine piezoelektrisch betätigbare Pumpe bekannt, die einen Piezo-Aktuator, ein Pumporgan und ein dazwischen angeordnetes, zur Übertragung und Verstärkung der Schwingungen des Piezo-Aktuators geeignetes Feder-Masse-System aufweist. Das Feder-Masse-System besteht aus zwei vorgespannten koaxial zueinander in Reihe geschalteten Federn und einer zwischen den Federn angeordneten und an den Federn aufgehängten Schwingmasse.Out DE 102 34 584 B3 For example, a piezoelectrically actuable pump is known, which has a piezoactuator, a pumping element, and an interposed, suitable for transmitting and amplifying the vibrations of the piezoactuator Has spring-mass system. The spring-mass system consists of two biased coaxially connected to each other in series springs and arranged between the springs and suspended from the springs oscillating mass.

Durch eine starre Kopplung zwischen der Schwingmasse und dem beispielsweise aus einer Membran bestehenden Pumporgan werden die vom Piezo-Aktuator über eine der Federn angeregten Längsschwingungen der Schwingmasse auf das Pumporgan übertragen, damit das Pumporgan seine Pumphübe ausführt. Dabei ist auch die Möglichkeit vorgesehen, dass das Pumporgan selbst als Schwingmasse ausgebildet ist, was allerdings mit einer Membran als Pumporgan nicht möglich sein dürfte.By a rigid coupling between the oscillating mass and the existing example of a diaphragm pumping element, the excited by the piezo actuator via one of the springs longitudinal vibrations of the oscillating mass are transmitted to the pump member, so that the pump organ executes its pump strokes. In this case, the possibility is provided that the pump body itself is designed as a vibrating mass, which, however, may not be possible with a membrane as a pump organ.

Bei dieser piezoelektrisch angetriebenen Pumpe wird der sich µm-Bereich liegende Arbeitshub des Piezo-Aktuators genutzt, um das Feder-Masse-System zum Schwingen in Resonanz anzuregen. Es soll damit nicht nur ein verbesserter Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, sondern auch eine erhebliche Vergrößerung des Arbeitshubs erzielt werden.In this piezo-electrically driven pump, the working range of the piezoelectric actuator, which lies in the range of μm, is used to stimulate the spring-mass system to vibrate. It should thus not only improved efficiency in the conversion of electrical energy into mechanical energy, but also a significant increase in the working stroke can be achieved.

Aufgrund der linearen Anordnung der beiden bei den offenbarten Ausführungsbeispielen angegebenen Schraubenfedern, welche in zueinander koaxialer Lage gemeinsam die Schwingmasse tragen, bedarf die Schwingmasse einer ihr Gewicht aufnehmenden Führung oder Lagerung, die nicht ohne Lagerreibung zu realisieren ist. Eine Lagerreibung hemmt ein freies Schwingen, so dass ein solches Feder-Masse-Schwingsystem nicht frei schwingen und leicht außer Tritt fallen kann. Der Resonanzeffekt, der die genannten Verbesserungen erbringen soll, ist somit bei diesem System nicht ohne weiteres zu gewährleisten.Due to the linear arrangement of the two coil springs indicated in the disclosed embodiments, which jointly carry the oscillating mass in a coaxial position, the oscillating mass requires a weight-bearing guide or bearing, which can not be realized without bearing friction. A bearing friction inhibits free swinging, so that such a spring-mass-vibration system does not swing freely and can easily fall out of step. The resonance effect, which is intended to provide the mentioned improvements, is thus not easily guaranteed in this system.

Aus EP 1 593 847 A2 ist ein Resonanzpumpensystem bekannt, bei dem ein Resonanzschwingsystem zur Ausführung oszillierender Bewegungen vorgesehen ist, das aus einer Schwingfeder besteht, die mit der Resonanzmasse verbunden ist.Out EP 1 593 847 A2 For example, there is known a resonant pump system in which a resonant vibration system is provided for performing oscillating motions consisting of a vibrating spring connected to the resonant mass.

Zur Aufrechterhaltung der oszillierenden Bewegungen des Resonanzschwingsystems ist eine Energiequelle in Form eines Piezoelementes vorgesehen, das über einen Übertragungsarm mit dem Pumporgan einer Fluid-Pumpe verbunden ist. Dabei besteht das Piezoelement aus einem Flachstab der als Bieger arbeitet und mit seinem einen schmalen Ende ortsfest eingespannt ist und an seinem anderen Ende die Resonanzmasse bzw. Schwingmasse trägt. Als Rückstellkraft dient dabei die dem flachstabförmigen Piezoelement innewohnende Elastizität. Als Pumporgan ist dort ein Kolben vorgesehen, der oszillierend in einem Pumpzylinder zu bewegen ist.To maintain the oscillating movements of the resonant oscillation system, an energy source in the form of a piezoelectric element is provided, which is connected via a transfer arm to the pumping element of a fluid pump. In this case, the piezoelectric element consists of a flat bar which works as a bender and is fixed in place with its one narrow end and at its other end carries the resonance mass or vibration mass. The restoring force used here is the inherent elasticity of the flat-rod-shaped piezo element. As a pump organ there is provided a piston which is oscillating in a pump cylinder to move.

Mit Hilfe der sog. Resonanz- bzw. Schwingmasse soll bei diesem System durch das in der Eigenfrequenz schwingende Piezoelement bei Schwingungsfrequenzen zwischen 200 Hz und 2 KHz ein Pumpkolben bestätigt werden, der einen Durchmesser von 0,1 mm bis 1 mm aufweist.With the help of the so-called resonant or oscillating mass is to be confirmed in this system by oscillating in the natural frequency piezoelectric element at vibration frequencies between 200 Hz and 2 KHz, a pump piston having a diameter of 0.1 mm to 1 mm.

Dass dabei keine großen Pumpleistungen erzielt werden können, liegt auf der Hand, zumal sog. piezoelektrische Biegeschwinger bei Schwingfrequenzen über 100 Hz nur sehr kleine Biegeamplituden ausführen können und die Resonanzmasse bzw. Schwingmasse mit zunehmender Schwingfrequenz potentiell abnimmt.The fact that no large pump powers can be achieved is obvious, especially since so-called piezoelectric bending vibrators can only perform very small bending amplitudes at oscillation frequencies above 100 Hz and the resonance mass or oscillating mass potentially decreases with increasing oscillation frequency.

Außerdem besteht bei diesen bekannten Schwingsystemen die Gefahr, dass sie schon bei geringen Kraftwiderständen außer Tritt fallen und stehen bleiben. Ein wesentlicher Grund für diese Gefahr des außer Tritt Fallens besteht darin, dass zwischen dem Pumporgan und dem Piezoelement eine direkte starre Gelenkverbindung besteht, die im mittleren Bereich des Piezoelementes an das Piezoelement angekuppelt ist. An diesem Punkt sind die Auslenkamplituden weniger als halb so groß wie an dem freischwingenden, mit der Resonanzmasse bzw. Schwingmasse versehenen Endabschnitt.In addition, there is the danger in these known oscillating systems that they fall out of step even at low force resistances and stop. An essential The reason for this risk of falling out of step is that between the pump member and the piezoelectric element there is a direct rigid joint connection which is coupled to the piezoelectric element in the middle region of the piezoelectric element. At this point, the deflection amplitudes are less than half the size of the free-running end portion provided with the resonance mass.

In der Fachliteratur werden solche Piezoelemente häufig auch Piezoaktoren genannt, die um möglichst große Auslenkungen zu erzielen, häufig als Vielschichtaktoren aufgebaut sind ( Piezokeramik, Karl Ruschmeier, ISBN 3-8169-1152-8 ).In the specialist literature, such piezoelectric elements are often also called piezoelectric actuators which, in order to achieve the greatest possible deflections, are often constructed as multilayer actuators ( Piezoceramics, Karl Ruschmeier, ISBN 3-8169-1152-8 ).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Pumpenantrieb, insbesondere für Luftpumpen mit einer Membran, der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem und funktionssicherem Aufbau eine gegenüber dem Bekannten wesentlich bessere Arbeitsleistung zu erbringen in der Lage und in unterschiedlichen, den jeweiligen Anwendungsbedürfnissen optimal anpassbaren baulichen Ausführungsformen realisierbar ist.The invention has for its object to provide a piezoelectric pump drive, in particular for air pumps with a membrane of the type mentioned above, to provide a simple and functionally reliable construction compared to the known much better performance in the situation and in different, the respective application needs optimally adaptable structural embodiments can be realized.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass als Resonanzfeder und Träger der Resonanzmasse wenigstens eine solche stab-, blatt- oder bandförmige Feder vorgesehen ist, auf welche das Piezoelement an einem kurzen Hebelarmeinwirkt, und die an einem längeren Hebelarm die Resonanzmasse trägt, so dass zwischen den antreibenden Bewegungsamplituden des Piezoelements und den resultierenden Bewegungsamplituden der Resonanzmasse eine positive mechanische Wegübersetzung besteht.This object is achieved according to the invention in that as resonant spring and carrier of the resonance mass at least one such rod, leaf or band-shaped spring is provided on which the piezoelectric element acts on a short lever arm, and the resonance mass carries on a longer lever arm, so that between the driving movement amplitudes of the piezoelectric element and the resulting movement amplitudes of the resonance mass is a positive mechanical path translation.

Durch das erfindungsgemäße Prinzip der wenigstens eine Hebelübersetzung aufweisenden Kraft- und Bewegungsübertragung vom Piezoelement auf das Pumporgan über die mit der Resonanzmasse versehene Resonanzfeder, wird zwangsläufig in der Weise eine höhere Leistungsabgabe erreicht, dass durch die Hebelübersetzung die relativ kleinen Bewegungsamplituden des an einem kurzen Hebelarm auf die Resonanzfeder einwirkenden Piezoelements zwangsläufig wesentlich größere Bewegungsamplituden der am längeren Hebelarm der Resonanzfeder sitzenden Resonanzmasse erzeugen.Due to the inventive principle of at least one lever transmission having force and motion transmission from the piezoelectric element to the pump organ on the resonant spring provided with the resonance mass, a higher power output is inevitably achieved in such a way that the relatively small movement amplitudes of the lever arm on a short lever arm on the resonant spring acting piezoelectric element inevitably much greater amplitude of movement of the longer lever arm generate resonant spring seated resonance mass.

Außerdem wird nicht nur die Gefahr des Außertrittfallens bei Auftreten einer Arbeitslast vermindert sondern es wird auch erreicht, dass die im Rhythmus des Piezoelementes schwingende Schwingmasse ihre kinetische Energie weitgehend als Arbeitsenergie an das Pumporgan weitergibt, so dass eine wesentlich höhere Pumpleistung und Funktionssicherheit erzielt werden kann, als dies bei den bekannten piezoelektrischen Antriebssystemen der Fall ist. Dabei kann die Resonanzfeder die Form eines geraden oder gebogenen Stabes oder die Form einer bandförmigen Feder haben. Dabei kann die Querschnittsform des Federstabes prinzipiell beliebig gewählt werden. Möglicherweise haben aber recheckige, und elliptische Querschnittsformen gegenüber rotationssymmetrischen, d.h. runden oder quadratischen, Querschnittsformen gewisse Vorteile bezüglich ihre Schwingungseigenschaften.
Unter bandförmigen Federn sind im Allgemeinen schmale, dünne Blattfedern zu verstehen.In addition, not only the risk of stepping outside is reduced when a workload occurs but it is also achieved that oscillating in the rhythm of the piezoelectric oscillating mass largely transfers its kinetic energy as working energy to the pumping organ, so that a significantly higher pumping capacity and reliability can be achieved as is the case with the known piezoelectric drive systems. In this case, the resonance spring may have the shape of a straight or curved rod or the shape of a band-shaped spring. In this case, the cross-sectional shape of the spring bar can be chosen arbitrarily in principle. However, rectangular and elliptical cross-sectional shapes may have certain advantages with respect to their oscillation properties compared to rotationally symmetrical, ie round or square, cross-sectional shapes.
Under band-shaped springs are generally narrow, thin leaf springs to understand.

Selbstverständlich ist Voraussetzung für diese effektive Arbeitsweise, dass Synchronizität zwischen dem Arbeitsrhythmus des beispielsweise mit der Netzfrequenz von 50 Hz arbeitenden Piezoelementes und der Eigenschwingung des Schwingsystems herrscht.Of course, the prerequisite for this effective mode of operation is that there is synchronicity between the working rhythm of the piezoelectric element operating, for example, with the mains frequency of 50 Hz and the natural oscillation of the oscillating system.

Für die Realisierung, d.h. die praktische Umsetzung des Erfindungsprinzips, stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, die in den Ansprüchen 2 bis 20 als vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung definiert sind.For the realization, i. the practical implementation of the inventive principle, there are several options available, which are defined in claims 2 to 20 as advantageous embodiments of the invention.

Gegenüber einer Schraubendruckfeder als Resonanzfeder hat die Verwendung einer stab-, blatt- oder bandförmigen Feder den Vorteil, dass diese nahezu lageunabhängig, d.h. in annähernd jeder beliebigen Lage, frei schwingen kann. Bei einer Schraubendruckfeder hingegen ist es erforderlich, dass diese zumindest annähernd in vertikaler Lage mit der Resonanzmasse schwingt und diese trägt. Eine das Gewicht der Resonanzmasse aufnehmende Lagerung oder Führung, die mit Lagerreibung behaftet ist, wird nicht benötigt. Die Resonanzschwingung kann somit allenfalls von den aufzubringenden Pumpkräften beeinflusst werden.Compared to a helical compression spring as a resonant spring, the use of a rod, leaf or band-shaped spring has the advantage that it can virtually swing independently of position, ie in almost any position. With a helical compression spring, however, it is necessary that this vibrates at least approximately in a vertical position with the resonance mass and this carries. A bearing the weight of the resonance mass bearing or guide, which is fraught with bearing friction is not needed. The resonance oscillation can thus be influenced at most by the pumping forces to be applied.

Erst durch die Verwendung einer Stabfeder, einer Blattfeder oder einer bandförmigen Feder ist auch die erfindungsgemäß genutzte Möglichkeit gegeben, Hebelübersetzungen und damit Bewegungsübersetzungen vorzusehen und sinnvoll zu nutzen. Gerade durch die Hebelübersetzungen lassen sich wesentlich höhere Arbeitsleistungen bei besseren Wirkungsgraden erzielen und die Gefahr des Außertrittfallens erheblich vermindern. Das ganze System ist auch bei hoher Arbeitsleistung weniger störanfällig.Only by the use of a bar spring, a leaf spring or a band-shaped spring and the possibility used in the invention is given to provide lever ratios and thus movement translations and make good use of. Especially through the lever ratios can be significantly higher performance at better efficiencies achieve and significantly reduce the risk of stepping out. The whole system is less prone to failure even with high workload.

Eine Blattfeder mit ausreichender Breite kann das schwingen der Resonanzfeder in einer Ebene gewährleisten, so dass keine zusätzlichen seitlichen Führungen erforderlich sind.A leaf spring with sufficient width can ensure the swing of the resonant spring in a plane, so that no additional lateral guides are required.

Dieses Schwingen in einer Ebene kann auch mit Stabfedern und mit bandförmigen Federn erreicht werden, wenn man diese in zumindest zweifacher Parallelanordnung als die Resonanzmasse tragende Resonanzfedern vorsieht.This vibration in a plane can also be achieved with rod springs and with band-shaped springs, if these are provided in at least two parallel arrangement as the resonance mass bearing resonance springs.

Durch die besonders vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 9, nach der eine Regulierfeder vorgesehen ist, besteht die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz des Schwingsystems auf die Arbeitsfrequenz des Piezoelements einzujustieren, um optimale Arbeitsverhältnisse zu erhalten.Due to the particularly advantageous embodiment according to claim 9, according to which a regulating spring is provided, it is possible to adjust the resonant frequency of the oscillating system to the operating frequency of the piezoelectric element in order to obtain optimum working conditions.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau eines piezoelektrischen Pumpantriebs mit einer als Blattfeder ausgebildeten Resonanzfeder in isometrischer Darstellung;
Fig. 1a: eine besondere Ausführungsform der Resonanzfeder aus Fig. 1;
Fig. 1/1: eine Ausführungsform gemäß Fig. 1, jedoch mit einer Stabfeder als Resonanzfeder;
Fig. 1/1a: einen Teil der stabförmigen Resonanzfeder aus Fig. 1/1 mit daran befestigter Resonanzmasse;
Fig. 1/1b: in isometrischer Darstellung ein Schwingsystem mit zwei gleichen bandförmigen Federn in Parallelanordnung als Resonanzfeder mit daran befestigter Resonanzmasse;
Fig. 1/1c: in isometrischer Darstellung ein Schwingsystem mit zwei gleichen stabförmigen Federn in Parallelanordnung als Resonanzfeder ohne die Resonanzmasse;
Fig. 2: die Prinzipdarstellung der Ausführungsform der Fig. 1 in vereinfachter Seitenansicht;
Fig. 2a und Fig. 2b: den piezoelektrischen Pumpenantrieb der Fig. 2 in zwei anderen Arbeitspositionen;
Fig. 2c: eine Stirnansicht IIc aus Fig. 2;
Fig. 2d: die Ausführungsform der Fig. 2 in Stirnansicht gemäß Fig. IIc, jedoch in Seitenlage;
Fig. 3: eine andere Ausführungsform des piezoelektrischen Pumpenantriebes in Seitenansicht;
Fig. 3a und 3b: den piezoelektrischen Pumpenantrieb der Fig. 3 in zwei anderen Arbeitspositionen;
Fig. 3c: eine Stirnansicht IIIc aus Fig. 3;
Fig. 3d: die Ausführungsform der Fig. 3 in Stirnansicht gemäß Fig. IIIc, jedoch in Seitenlage;
Fig. 4: eine weitere Ausführungsform in schematischer Seitenansicht;
Fig. 4a und 4b: den piezoelektrischen Pumpenantrieb der Fig. 4 in zwei anderen Arbeitspositionen;
Fig. 4c: eine Stirnansicht IVc aus Fig. 4;
Fig. 4d: die Ausführungsform der Fig. 4 in Stirnansicht gemäß Fig. 4c, jedoch in Seitenlage;
Fig. 5: eine Variante der Fig. 5 in schematischer Seitenansicht;
Fig. 5a und Fig. 5b: den piezoelektrischen Pumpenantrieb der Fig. 5 in zwei anderen Arbeitspositionen;
Fig. 5c: ein Funktionsschema der unterschiedlichen Hebelarme;
Fig. 6: in schematischer Stirnansicht ein Doppelpumpensystem mit einer zwei Resonanzmassen tragenden Blattfeder als Resonanzfeder;
Fig. 7: ein Doppelpumpsystem bestehend aus zwei in Parallelanordnung zusammengefügten piezoelektrischen Pumpenantrieben gemäß Fig. 1 und 2;
Fig. 8: in einem gemeinsamen Gestell zwei Antriebs-systeme gemäß den Fig. 1 und 2, die auf eine Doppelpumpe arbeiten, in schematischer Draufsicht IX aus Fig. 9;
Fig. 9: die Stirnansicht X aus Fig. 8;
Fig. 10: ein weiteres Doppelpumpsystem in schematischer Draufsicht und
Fig. 11: ein weiteres Doppelpumpsystem in schematischer Draufsicht.

Reference to the drawings, the invention is explained in more detail in several embodiments. It shows:

Fig. 1: the basic structure of a piezoelectric pump drive with a formed as a leaf spring resonant spring in isometric view;
Fig. 1a: a particular embodiment of the resonant spring of FIG. 1;
Fig. 1/1: an embodiment of Figure 1, but with a bar spring as resonance spring.
Fig. 1 / 1a: a portion of the rod-shaped resonant spring of Figure 1/1 with resonant mass attached thereto;
Fig. 1 / 1b: in isometric view, a vibrating system with two equal band-shaped springs in parallel arrangement as a resonant spring with attached resonance mass;
Fig. 1 / 1c: in isometric view a vibrating system with two equal rod-shaped springs in parallel arrangement as resonance spring without the resonance mass;
Fig. 2: the schematic diagram of the embodiment of Figure 1 in a simplified side view.
Fig. 2a and Fig. 2b: the piezoelectric pump drive of Figure 2 in two other working positions.
Fig. 2c: an end view IIc of Fig. 2;
Fig. 2d: the embodiment of Figure 2 in front view of FIG. IIc, but in side position.
Fig. 3: another embodiment of the piezoelectric pump drive in side view;
Fig. 3a and 3b: the piezoelectric pump drive of Figure 3 in two other working positions.
Fig. 3c: an end view IIIc of Fig. 3;
Fig. 3d: the embodiment of Figure 3 in front view of FIG. IIIc, but in side position.
Fig. 4: a further embodiment in a schematic side view;
Fig. 4a and 4b: the piezoelectric pump drive of Figure 4 in two other working positions.
Fig. 4c: an end view IVc of Fig. 4;
Fig. 4d: the embodiment of Figure 4 in end view of Figure 4c, but in side position.
Fig. 5: a variant of Figure 5 in a schematic side view.
Fig. 5a and Fig. 5b: the piezoelectric pump drive of Figure 5 in two other working positions.
Fig. 5c: a functional diagram of the different lever arms;
Fig. 6: in a schematic end view of a double pump system with a two resonance masses bearing leaf spring as resonance spring;
Fig. 7: a double pumping system consisting of two assembled in parallel arrangement piezoelectric pump drives according to Figures 1 and 2.
Fig. 8: in a common frame, two drive systems according to Figures 1 and 2, which operate on a double pump, in a schematic plan view IX of Fig. 9.
Fig. 9: the front view X of Fig. 8;
Fig. 10: another double pumping system in a schematic plan view and
Fig. 11: another double pumping system in a schematic plan view.

Bei allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen bestehen die verwendeten Piezoelemente 1 bevorzugt aus Vielschichtaktoren, die als Stapelaktoren ausgebildet sind.In all embodiments described below, the piezo elements 1 used preferably consist of multilayer actuators which are designed as stack actuators.

In den Fig. 1 und 2 ist ein piezoelektrischer Pumpantrieb schematisch vereinfacht dargestellt, bei dem das aus einem unteren horizontalen Schenkel 3, einem oberen horizontalen Schenkel 4 und dem vertikalen Verbindungsstück 5 bestehende Gestell 2 auf einem massiven Sockel 2' angeordnet ist, der dem Gestell 2 die nötige Stabilität und Trägheitsmasse verleiht um Eigenschwingungen des Gestells zu vermeiden.1 and 2, a piezoelectric pump drive is shown schematically simplified, in which the from a lower horizontal leg 3, an upper horizontal leg 4 and the vertical connector. 5 existing frame 2 on a solid base 2 'is arranged, which gives the frame 2 the necessary stability and inertial mass to avoid natural vibration of the frame.

Als Resonanzfeder 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Blattfeder 21 vorgesehen, die mit einem Ende 22 im vertikalen Verbindungsstück 5 des Gestells 2 festsitzend befestigt ist. Dabei ist diese Resonanzfeder 11 bzw. Blattfeder 21 so angeordnet, dass sie mit einem kurzen Hebelarm 23 federnd auf dem Piezoelement 1 aufliegt. Dieses ist seinerseits in geringem Abstand vom vertikalen Verbindungsstück 5 des Gestells 2 auf dem unteren Horizontalschenkel 3 angeordnet, so dass zwischen dem Auflagepunkt A und dem eingespannten Ende 22 der Blattfeder 21 ein kurzer Hebelarm 23 besteht. Diese Blattfeder 21 ist bei dieser Ausführungsform auf der anderen Seite des Auflagepunktes A mit einem längeren Hebelarm 24 versehen, der den kurzen Hebelarm 23 mit umfasst und der einen rückwärts gebogenen Endabschnitt 25 aufweist, an dem eine Resonanzmasse 12 unterseitig befestigt ist. Dieser durch den Bogen 26 einstückig mit dem längeren Hebelarm 24 verbundene Endabschnitt 25 ist mit einer parallel zum Hebelarm 24 verlaufenden Verlängerung 25' versehen, an welcher eine Balancemasse 27 befestigt ist, die eine zumindest annähernde Parallelschwingung des Endabschnitts 25 bzw. 25' zu seiner Erstreckungsrichtung in Richtung des Doppelpfeils 31 bewirkt.As a resonant spring 11, a leaf spring 21 is provided in this embodiment, which is fixedly secured with one end 22 in the vertical connector 5 of the frame 2. In this case, this resonant spring 11 or leaf spring 21 is arranged so that it rests resiliently on the piezoelectric element 1 with a short lever arm 23. This is in turn arranged at a small distance from the vertical connecting piece 5 of the frame 2 on the lower horizontal leg 3, so that between the support point A and the clamped end 22 of the leaf spring 21 is a short lever arm 23. This leaf spring 21 is provided in this embodiment on the other side of the support point A with a longer lever arm 24, which includes the short lever arm 23 and which has a rearwardly bent end portion 25 to which a resonance mass 12 is attached to the underside. This connected by the arc 26 in one piece with the longer lever arm 24 end portion 25 is parallel to the lever arm 24 extending extension 25 'is provided on which a balance mass 27 is fixed, which causes an at least approximately parallel vibration of the end portion 25 and 25' to its extension direction in the direction of the double arrow 31.

Das Funktionsprinzip der unterschiedlich langen Hebelarme 23 und 24 ist aus Fig. 5c erkennbar. Die Schwingungsamplitude a2 am Ende des längeren Hebelarms s2, der dem Hebelarm 24 entspricht, ist größer als die Schwingungsamplitude a1 am Ende des kurzen Hebelarms s1, der dem Hebelarm 23 entspricht. Dabei gilt: $a 2 = \frac{s 2 • a 1}{s 1}$

The principle of operation of the different

length lever arms

23 and 24 can be seen from Fig. 5c. The oscillation amplitude a2 at the end of the longer lever arm s2, which corresponds to the lever arm 24, is greater than the oscillation amplitude a1 at the end of the short lever arm s1, which corresponds to the lever arm 23. Where:

a 2 = \frac{s 2 • a 1}{s 1}

Diese Formel gilt auch für die nachfolgend beschriebenen Hebelverhältnisse der weiteren Ausführungsformen.This formula also applies to the lever ratios of the other embodiments described below.

Durch einen Stößel 13 ist der Endabschnitt 25 direkt mit einem Pumporgan 14 einer auf dem Horizontalschenkel 4 des Gestells angeordneten Fluidpumpe 15 verbunden. Diese Fluidpumpe 15 hat einen horizontalen Auslass 16, durch den das gepumpte Fluid nach außen strömt.By a plunger 13, the end portion 25 is connected directly to a pump member 14 of a arranged on the horizontal leg 4 of the frame fluid pump 15. This fluid pump 15 has a horizontal outlet 16 through which the pumped fluid flows outwardly.

Bei dieser Anordnung und dieser aus einer gebogenen Blattfeder 21 bestehenden Resonanzfeder 11 steht das Piezoelement 1 über die Resonanzfeder 11 und den Verbindungsstößel 13 unmittelbar mit dem Pumporgan 14 der Fluidpumpe 15 in kraft- und bewegungsübertragender Verbindung.In this arrangement and this consisting of a curved leaf spring 21 resonant spring 11 is the piezoelectric element 1 via the resonant spring 11 and the connecting rod 13 directly with the pump member 14 of the fluid pump 15 in force and motion transmitting connection.

Diese Kraftflußbedingung ist auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen, die nachfolgend noch näher beschrieben werden, erfüllt.This power flow condition is met in the other embodiments, which will be described in more detail below.

Um eine Möglichkeit zu haben, die Eigenfrequenz des aus der Resonanzfeder 11 und der Resonanzmasse 12 sowie der Balancemasse 27 bestehenden Schwingsystems auf den Arbeitsrhythmus des Piezoelementes 1 einjustieren zu können, ist eine Regulierfeder 30 vorgesehen, die in geringem Abstand von dem Auflagepunkt A, an dem die Blattfeder 21 auf dem Piezoelement 1 aufliegt, auf den längeren Hebelarm 24 der Blattfeder 21 einwirkt. Die Druckkraft dieser Regulierfeder 30 ist mittels einer im oberen Horizontalschenkel 4 sitzenden Stellschraube 29 mit Kontermutter 28 justierbar und fixierbar. Diese Stellschraube 29 ist an ihrem unteren Ende mit einer zylindrischen Aufnahmehülse 33 versehen, in der das obere Ende der Regulierfeder 30 geführt ist. Das untere Ende dieser Regulierfeder 30 stützt sich über ein Druckstück 34 auf dem längeren Hebelarm 24 der Blattfeder 21 ab, so dass die Blattfeder 21 insgesamt dauernd unter einer gewissen Vorspannung, also federnd, auf dem Piezoelement 1 aufliegt.In order to have a possibility of being able to adjust the natural frequency of the resonant spring 11 and the resonant mass 12 as well as the balance mass 27 existing oscillating system on the working rhythm of the piezoelectric element 1, a regulating spring 30 is provided, which is at a small distance from the support point A, at the the leaf spring 21 rests on the piezoelectric element 1, acts on the longer lever arm 24 of the leaf spring 21. The compressive force of this regulating spring 30 is adjustable and fixable by means of a seated in the upper horizontal leg 4 screw 29 with lock nut 28. This set screw 29 is provided at its lower end with a cylindrical receiving sleeve 33 in which the upper end of the regulating spring 30 is guided. The lower end of this regulating spring 30 is supported by a pressure piece 34 on the longer lever arm 24 of the leaf spring 21 so that the leaf spring 21 rests permanently on the piezoelectric element 1 under a certain prestress, that is to say resiliently.

Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Pumpenantriebs kann sowohl in der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Arbeitslage betrieben werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die in den Fig. 2a bzw. 2b bzw. 2d dargestellten Arbeitslagen zu wählen. In Fig. 2a ist die Arbeitslage derart, dass die Blattfeder 21 eine stehende vertikale Lage einnimmt, während sie in Fig. 2b eine hängende vertikale Lage einnimmt. In diesen Positionen liegt das Gewicht der Resonanzmasse 12 bzw. Balancemasse 27 nicht auf dem Piezoelement 1 auf.This embodiment of the piezoelectric pump drive according to the invention can be operated both in the working position shown in FIGS. 1 and 2. However, it is also possible to choose the working positions shown in FIGS. 2a, 2b and 2d. In Fig. 2a, the working position is such that the leaf spring 21 assumes a vertical standing position, while it assumes a hanging vertical position in Fig. 2b. In these positions, the weight of the resonance mass 12 or balance mass 27 does not lie on the piezoelectric element 1.

Dasselbe kann auch erreicht werden, indem das Gestell 2, gemäß Fig. 2d, seitlich gelagert wird, so dass der Hebelarm 24 der Blattfeder 21 mit seiner Flachseite eine vertikale Lage einnimmt, seine Längsseiten jedoch horizontal verlaufen.The same can also be achieved by the frame 2, according to FIG. 2d, is mounted laterally so that the lever arm 24 of the leaf spring 21 assumes a vertical position with its flat side, but its longitudinal sides are horizontal.

Die Abbildungen 2a und 2b stellen in diesem Falle jeweils eine Draufsicht von oben dar.Figures 2a and 2b represent in this case each a top view from above.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1/1 ist an Stelle der Blattfeder 21, jedoch in gleicher Anordnung, als Resonanzfeder 11 eine gebogene Stabfeder 21/4 aus rundem Federdraht vorgesehen. Diese Stabfeder 21/4 ist mit einem Ende 22/4 im vertikalen Verbindungsstück 5 des Gestells festsitzend befestigt. Mit einem kurzen Hebelarm 23/4 liegt sie federnd auf dem Piezoelement 1 auf. Der längere Hebelarm 24/4, der auch hier den kurzen Hebelarm 23/4 mit umfasst, weist einen rückwärts gebogenen Endabschnitt 25/4 auf, an dem die Resonanzmasse 12 unterseitig befestigt ist. Auch hier ist der durch den Bogen 26/4 mit dem längeren Hebelarm 24/4 verbundene Endabschnitt 25/4 mit einer parallel zum Hebelarm 24/4 verlaufenden Verlängerung versehen, an welcher eine Balancemasse 27 befestigt ist. Durch den Stößel 13 ist auch der Endabschnitt 25/4 mit der Fluidpumpe 15 verbunden.In the embodiment of Fig. 1/1, instead of the leaf spring 21, but in the same arrangement, as a resonant spring 11, a bent bar spring 21/4 provided from round spring wire. This bar spring 21/4 is fixedly secured with one end 22/4 in the vertical connector 5 of the frame. With a short lever arm 23/4 it rests resiliently on the piezoelectric element 1. The longer lever arm 24/4, which here also includes the short lever arm 23/4, has a rearwardly bent end portion 25/4, on which the resonance mass 12 is attached on the underside. Again, the connected by the arc 26/4 with the longer lever arm 24/4 end portion 25/4 is provided with a parallel to the lever arm 24/4 extending extension to which a balancing mass 27 is attached. By the plunger 13 and the end portion 25/4 is connected to the fluid pump 15.

Bei dem in Fig. 1/1b dargestellten Schwingsystem ist die Blattfeder 21 der Fig. 1 und 2 ersetzt durch zwei in Parallelanordnung angebrachte, bandförmige Federn 21/5.In the oscillating system shown in Fig. 1 / 1b, the leaf spring 21 of FIGS. 1 and 2 replaced by two in parallel arrangement, band-shaped springs 21/5.

Diese beiden Federn 21/5 sind durch einen Verbindungssteg 120 miteinander verbunden. Dieser Verbindungssteg 120 ist so angeordnet, dass die beiden gemeinsam die Resonanzfeder 11 bildenden Federn 21/5 über kurze Hebelarme 23/5 auf dem Piezoelement 1 aufliegen und die jeweils längeren Hebelarme 24/5 an den oberen Enden der Bogen 26/5 mittels zweier Trägerplatten 121 die Resonanzmasse 12 tragen. Auch hierbei sind Verlängerungen 25' vorgesehen, an denen eine Balancemasse 27 befestigt ist.These two springs 21/5 are connected by a connecting web 120 with each other. This connecting web 120 is arranged so that the two together form the resonance spring 11 forming springs 21/5 via short lever arms 23/5 on the piezoelectric element 1 and the respective longer lever arms 24/5 at the upper ends of the sheet 26/5 by means of two support plates 121 carry the resonant mass 12. Here, too, extensions 25 'are provided on which a balancing mass 27 is fastened.

In Fig. 1/1c ist beispielhaft eine Ausführungsform dargestellt, bei der als Resonanzfeder 11 zwei gebogene Stabfedern 21/4 in Parallellage vorgesehen sind, die gemeinsam an den längeren Hebelarmen 24/4 die Resonanzmasse 12 tragen und deren kurze Hebelarme 23/4 durch einen auf dem Piezoelement 1 aufliegenden Quersteg 122 miteinander verbunden sind. Wie bei der Ausführung der Fig. 1/1 sind auch die beiden Stabfedern 21/4 mit Verlängerungen 25/4 versehen, die gemeinsam die Balancemasse 27 tragen. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1/1, bei der nur eine Stabfeder 21/4 vorgesehen ist, hat diese Verwendung zweier Stabfedern 21/4 den Vorteil, dass das Schwingsystem in seiner Schwingebene stabiler ist und erheblich weniger zu seitlichen Schwingungsausschlägen neigt. Dasselbe gilt auch für die Ausführungsform der Fig. 1/1b.
Es ist hier anzumerken, dass ohne Weiteres auch mehr als zwei Stabfedern 21/4 oder bandförmige Federn 21/6 in Parallellage zur Anwendung kommen können.In Fig. 1 / 1c an embodiment is shown by way of example in which two curved bar springs 21/4 are provided in parallel position as resonant spring 11, 24 and 4 carry the resonance mass 12 together on the longer lever arms and their short lever arms 23/4 by a resting on the piezoelectric element 1 transverse web 122 are interconnected. As in the embodiment of Fig. 1/1, the two rod springs 21/4 are provided with extensions 25/4, which together carry the balancing mass 27. Compared to the embodiment according to FIG. 1/1, in which only one bar spring 21/4 is provided, this use of two bar springs 21/4 has the advantage that the oscillating system is more stable in its oscillating plane and is less prone to lateral oscillations of vibration. The same thing also applies to the embodiment of Fig. 1 / 1b.
It should be noted here that also more than two rod springs 21/4 or band-shaped springs 21/6 can be used in parallel position without further notice.

Es versteht sich, dass bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen die dort vorgesehenen Blattfedern ohne Weiteres durch entsprechend geformte Stabfedern oder bandförmige Federn einzeln oder in mehrfacher Parallelanordnung ersetzt werden können, ohne dass sich am Funktionsprinzip etwas ändert.It is understood that in the embodiments described below, the leaf springs provided there can readily be replaced by correspondingly shaped bar springs or band-shaped springs individually or in multiple parallel arrangement, without changing the operating principle something.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind zwei gleiche Blattfedern 21/1 und 21/2 in geringem Abstand übereinander angeordnet, deren Enden 22 jeweils im vertikalen Verbindungsstück 5 des Gestells 2 starr befestigt sind. Dabei liegt die untere Blattfeder 21/1 in der gleichen Weise wie der Hebelarm 24 der Blattfeder 21 auf dem Piezoelement 1 auf, das auch die gleiche Lage einnimmt wie in Fig. 2.In the embodiment of Fig. 3, two identical leaf springs 21/1 and 21/2 are arranged one above the other at a small distance, the ends 22 are each rigidly fixed in the vertical connecting piece 5 of the frame 2. In this case, the lower leaf spring 21/1 is in the same manner as the lever arm 24 of the leaf spring 21 on the piezoelectric element 1, which occupies the same position as in Fig. 2nd

Die freien Enden dieser Blattfedern 21/1 und 21/2 sind gelenkig durch einen Verbindungssteg 36 miteinander verbunden. Dieser Verbindungssteg 36 ist einerseits durch ein Winkelstück 37 und den Stößel 13 mit dem Pumporgan 14 der Fluidpumpe 15 verbunden.The free ends of these leaf springs 21/1 and 21/2 are hinged together by a connecting web 36. This connecting web 36 is on the one hand by an angle piece 37 and the plunger 13 connected to the pump member 14 of the fluid pump 15.

Auch bei dieser Ausführungsform ist eine Regulierfeder 30 vorgesehen, die in analoger Weise auf die obere Blattfeder 21/2 einwirkt und deren Vorspannung mittels einer Stellschraube 29 zur Einjustierung der Eigenfrequenz des Schwingsystems einstellbar ist. Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist zur Fixierung der Einstellschraube 29 eine Kontermutter 28 vorgesehen. Im übrigen ist der Aufbau gleich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2.Also in this embodiment, a Regulierfeder 30 is provided which acts in an analogous manner to the upper leaf spring 21/2 and whose bias is adjustable by means of a screw 29 for Einjustierung the natural frequency of the oscillating system. As in the embodiment of FIGS. 1 and 2, a lock nut 28 is provided for fixing the adjusting screw 29. Otherwise, the structure is the same as in the embodiment of FIG. 2.

Die Schwingungen des Schwingsystems erfolgen, wie bei allen anderen Ausführungsbeispielen, jeweils in Richtung des Doppelpfeils 31.The oscillations of the oscillating system take place, as in all other exemplary embodiments, in each case in the direction of the double arrow 31.

Auch bei dieser Ausführungsform sind verschiedene Arbeitspositionen möglich. Außer der in Fig. 3 dargestellten Arbeitsposition, bei der das Verbindungsstück 5 des Gestells 2 vertikal verläuft, sind auch die in Fig. 3a und 3b dargestellten Arbeitsstellungen möglich, in denen dieses Verbindungsstück 5 jeweils eine horizontale Lage einnimmt und die Schenkel 3 und 4 zusammen mit dem Sockel 2' jeweils vertikal verlaufen. In diesen Arbeitsstellungen verlaufen auch die Blattfedern 21/1 und 21/2 vertikal, wobei sie in der Arbeitsstellung der Fig. 3a eine stehende und in der Arbeitsstellung der Fig. 3b eine hängende Lage einnehmen.Also in this embodiment, different working positions are possible. In addition to the working position shown in Fig. 3, in which the connecting piece 5 of the frame 2 extends vertically, the working positions shown in Fig. 3a and 3b are possible in which this connecting piece 5 occupies a horizontal position and the legs 3 and 4 together each run vertically with the base 2 '. In these working positions also extend the leaf springs 21/1 and 21/2 vertically, taking a standing in the working position of Fig. 3a and a standing in the working position of Fig. 3b a hanging position.

Eine weitere, in Fig. 3d dargestellte Arbeitsposition ist dadurch möglich, dass das Gestell 2 mit der Sockelplatte 2' auf der Seite liegend positioniert wird, so dass die Fig. 3 eine Draufsicht darstellt.A further working position shown in FIG. 3d is possible in that the frame 2 is positioned on the side with the base plate 2 ', so that FIG. 3 shows a plan view.

In Fig. 4 ist eine weitere sehr einfache Ausführungsform schematisch vereinfacht dargestellt, diese unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 lediglich dadurch, dass die Resonanzmasse 12 auf einer völlig flachen ebenen Resonanzfeder 11 in Form einer Blattfeder 21/3 vorgesehen ist. Das Gestell 2 ist in diesem Fall etwas niedriger ausgebildet, was bedeutet, dass der obere Horizontalschenkel 4 einen geringeren vertikalen Abstand vom unteren Horizontalschenkel 3 aufweist und dementsprechend das vertikale Verbindungsstück 5 kürzer ausgestaltet ist. Bei dieser Ausführungsform der Blattfeder 21/3 ist die Resonanzmasse über einen Stößel 13 wiederum mit dem Pumporgan 14 der Fluidpumpe 15 kraft- und bewegungsübertragend verbunden und auf einem längeren Hebelarm 24 der Blattfeder 21/3 angeordnet. Außerdem besitzt diese Blattfeder eine die Resonanzmasse 12 nach außen überragende Verlängerung 25', die mit einer Balancemasse 27 versehen ist.In Fig. 4, another very simple embodiment is shown schematically simplified, this differs from the embodiment of FIGS. 1 and 2 only in that the resonance mass 12 is provided on a completely flat planar resonance spring 11 in the form of a leaf spring 21/3. The frame 2 is formed slightly lower in this case, which means that the upper horizontal leg 4 has a smaller vertical distance from the lower horizontal leg 3 and, accordingly, the vertical connector 5 is made shorter. In this embodiment, the leaf spring 21/3, the resonance mass via a plunger 13 in turn with the pump member 14 of the fluid pump 15 is force and motion transmitting connected and arranged on a longer lever arm 24 of the leaf spring 21/3. It also has this Leaf spring a resonance mass 12 outwardly projecting extension 25 ', which is provided with a balance mass 27.

Auch hier finden die Schwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 31 statt und zwar im Arbeitsrhythmus des Piezoelements 1, die der Eigenfrequenz dieses Schwingungssystems entspricht.Again, the vibrations take place in the direction of the double arrow 31 and that in the working rhythm of the piezoelectric element 1, which corresponds to the natural frequency of this vibration system.

Auch zu diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zeigen die Fig. 4a und 4b, dass außer der in Fig. 4 dargestellten vertikalen Arbeitslage, wenigstens zwei weitere Arbeitslagen möglich sind, in denen die Blattfeder 21 eine vertikale Lage einnimmt, wobei das Gestell 2 jeweils um 90° in der einen oder anderen Richtung verdreht ist. Auch die in Fig. 4d dargestellte Seitenlage ist hier möglich.Also for this embodiment of Fig. 4, Figs. 4a and 4b, that in addition to the vertical working position shown in Fig. 4, at least two other working positions are possible in which the leaf spring 21 assumes a vertical position, wherein the frame 2 in each case 90 ° is twisted in one direction or the other. The lateral position shown in FIG. 4d is also possible here.

Wie Versuche gezeigt haben, kann es von Vorteil sein, wenn der auf dem Piezoelement 1 aufliegende Abschnitt der Blattfeder 21 über einen Bereich, der einen Teil des kurzen Hebelarms 23 und wenigstens einen Teil des längeren Hebelarms 24 umfasst, als in sich starres Teil ausgebildet bzw. durch ein- oder beidseitig aufgelegte starre Plattenkörper oder durch Längssicken versteift ist, so dass zwar die Schwingfähigkeit der Blattfeder 21 insgesamt erhalten bleibt, aber in diesem versteiften Bereich keine Durchbiegung der Blattfeder 21 erfolgen kann.As tests have shown, it may be advantageous if the portion of the leaf spring 21 lying on the piezo element 1 is formed as a rigid part over a region which comprises a part of the short lever arm 23 and at least part of the longer lever arm 24 is stiffened by one or both sides launched rigid plate body or by longitudinal corrugations, so that while the oscillating ability of the leaf spring 21 is maintained overall, but in this stiffened region no deflection of the leaf spring 21 can be carried out.

Diese Ausführungsform kann bei allen mit Blattfedern 21 ausgerüsteten Ausführungsbeispielen angewandt werden.This embodiment can be applied to all embodiments equipped with leaf springs 21.

Bei der Ausführungsform in Fig. 5 ist eine dreischenklige Blattfeder 21/3 mit ihrem unteren zum vertikalen Verbindungsstück 5 des Gestells 2 hin verlängert und mit ihrem Ende 22 festsitzend auf die gleiche Weise befestigt, wie die Blattfeder 21 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Diese Blattfeder 21/3 weist somit drei in Parallellage übereinander angeordnete Schenkel 41, 42 und 43 auf. Dabei sind an den Schenkeln 42 und 43 jeweils Resonanzmassen 12/1 und 12' angeordnet. Der verlängerte Schenkel 43 trägt zudem die Balancemasse 27.In the embodiment in Fig. 5, a three-legged leaf spring 21/3 is extended with its lower to the vertical connector 5 of the frame 2 out and fixed with its end 22 fixed in the same manner as the leaf spring 21 in the embodiment of FIG Leaf spring 21/3 thus has three in parallel position one above the other arranged legs 41, 42 and 43. In this case, resonance masses 12/1 and 12 'are arranged on the legs 42 and 43, respectively. The extended leg 43 also carries the balancing mass 27th

Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 steht der untere horizontale Schenkel 41 der Blattfeder 21/3 unter dem Einfluss eines Zugstiftes 44', dem eine Regulierfeder 30' zugeordnet ist. Diese Regulierfeder 30' sitzt in einer zylindrischen unterseitigen Ausnehmung 48' des unteren Horizontalschenkels 3 des Gestells 2 und kann mit einer Stellmutter 52 bezüglich ihrer Vorspannung eingestellt werden. Mit Hilfe dieser Reguliereinrichtung kann die Eigenfrequenz des Schwingsystems beeinflusst und auf die Arbeitsfrequenz bzw. auf den Arbeitszyklus des Piezoelements 1 einjustiert werden.In this embodiment according to FIG. 5, the lower horizontal leg 41 of the leaf spring 21/3 is under the influence of a pull pin 44 ', which is assigned a regulating spring 30'. This regulating spring 30 'is seated in a cylindrical underside recess 48' of the lower horizontal leg 3 of the frame 2 and can with a Adjusting nut 52 are adjusted with respect to their bias. With the aid of this regulating device, the natural frequency of the oscillating system can be influenced and adjusted to the operating frequency or to the working cycle of the piezoelectric element 1.

Der Vollständigkeit halber sei auch hier erwähnt, dass die Ausführungsform gemäß der Fig. 5 jeweils unterschiedliche Arbeitspositionen einnehmen kann und zwar, wie die Fig. 5a, 5b zeigen, im Wesentlichen die gleichen wie die Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4.For the sake of completeness, it should also be mentioned here that the embodiment according to FIG. 5 can each assume different working positions and indeed, as FIGS. 5a, 5b show, essentially the same as the embodiments of FIGS. 2 to 4.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Pumpenantriebs in schematischer Vereinfachung dargestellt, bei der die Resonanzfeder 11 als ebene Blattfeder 21/5 ausgebildet ist. Diese Blattfeder 21/5 ist in einem Gestell 2/1 gelagert, das aus einem horizontalen massiven Unterteil 60 besteht, auf welches ein brückenartiges Oberteil 61 mittels zweier vertikaler Stützen 62 und 63 aufgesetzt ist. An der planebenen Unterseite 64 ist das Piezoelement 1 zentrisch angeordnet und zwar so, dass es sich federnd auf der Längsmitte M der Blattfeder 21/5 abstützt. Diese Blattfeder 21/5 liegt dabei auf den Schneiden zweier prismenartiger Stützlager 65 und 66 auf, die symmetrisch zur Längsmitte M in einem seitlichen Abstand von dieser angeordnet sind, der dem kurzen Hebelarm 23 der Blattfeder 21/5 entspricht. Die jeweils längeren Hebelarme 24 durchragen fensterartige Ausnehmungen 67 und 68 der vertikalen Stützen 62 und 63 und sind an ihren jeweils außerhalb des Gestells 2/1 liegenden Enden mit den Resonanzmassen 12 versehen. Zugleich sind diese äußeren Enden jeweils über die Stößel 13 mit dem Pumporgan 14 einer Fluidpumpe 15 kraft-und bewegungsübertragend verbunden. Auch hier finden die Schwingungen der längeren Hebelarme 24 der Blattfeder 21/5 jeweils in Richtung der Doppelpfeile 31 statt und zwar wiederum synchron zu den Arbeitszyklen bzw. der Arbeitsfrequenz des Piezoelements 1.In Fig. 6, a further embodiment of the piezoelectric pump drive according to the invention is shown in a schematic simplification, in which the resonant spring 11 is formed as a flat leaf spring 21/5. This leaf spring 21/5 is mounted in a frame 2/1, which consists of a horizontal solid lower part 60, on which a bridge-like upper part 61 by means of two vertical supports 62 and 63 is placed. On the flat bottom 64, the piezoelectric element 1 is arranged centrally and indeed so that it is resiliently supported on the longitudinal center M of the leaf spring 21/5. This leaf spring 21/5 rests on the cutting edges of two prism-like support bearings 65 and 66, which are symmetrical to the longitudinal center M are arranged at a lateral distance from this, which corresponds to the short lever arm 23 of the leaf spring 21/5. The respective longer lever arms 24 project through window-like recesses 67 and 68 of the vertical supports 62 and 63 and are provided with the resonance masses 12 at their respective ends lying outside the frame 2/1. At the same time these outer ends are each connected via the plunger 13 with the pump member 14 of a fluid pump 15 force and motion transmitting. Again, the vibrations of the longer lever arms 24 of the leaf spring 21/5 take place in each case in the direction of the double arrows 31, again in synchronism with the working cycles or the operating frequency of the piezoelectric element. 1

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind die beiden Fluidpumpen 15 durch Verbindungsleitungen 17 und 18 an einen gemeinsamen Ausgang 19 angeschlossen.In this embodiment of FIG. 6, the two fluid pumps 15 are connected by connecting lines 17 and 18 to a common output 19.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem zwei piezoelektrische Pumpantriebe gemäß Fig. 1 und 2 in Parallellage zu einem gemeinsamen Doppelpumpsystem zusammengefügt sind. Dabei sind jeweils die beiden unteren Schenkel 3 der Gestelle 2 unterseitig bündig aneinandergefügt und die beiden Fluidpumpen 15 sind ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 durch Verbindungsleitungen 17 und 18 auf einen gemeinsamen Ausgang 19 geschaltet.In Fig. 7, an embodiment is shown in which two piezoelectric pump drives according to FIGS. 1 and 2 are assembled in parallel position to form a common double pumping system. In each case, the two lower legs 3 of the racks 2 are joined together flush on the underside and the two fluid pumps 15 are similar to the embodiment of FIG. 6 connected by connecting lines 17 and 18 to a common output 19.

Ob dabei die beiden Schwingsysteme exakt synchron schwingen, spielt für die erzielte doppelte Pumpleistung, die am gemeinsamen Ausgang 19 zur Verfügung steht, keine wesentliche Rolle.Whether the two oscillating systems swing exactly synchronously does not play a significant role in achieving the double pumping power available at the common output 19.

Wie die Fig. 8 und 9 zeigen, besteht auch die Möglichkeit, zwei Pumpsysteme der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art so anzuordnen, dass ihre Resonanzfedern 11 auf eine gemeinsame Fluidpumpe 15/1 arbeiten und an deren Ausgang 16 die doppelte Pumpleistung zur Verfügung stellen. Dabei sind die jeweils oberen und unteren Schenkel 3 und 4 durch einen gemeinsamen rückseitigen Verbindungssteg 5/2 zu einem gemeinsamen Gestell 2/2 zusammengefügt. Die Fluidpumpe 15/1 ist zwischen den Schenkeln 4 des Gestells 2/2 angeordnet. Die Schwingungen der beiden Resonanzfedern 11 erfolgen in Richtung der Doppelpfeile 31.As FIGS. 8 and 9 show, it is also possible to arrange two pumping systems of the type shown in FIGS. 1 and 2 such that their resonance springs 11 operate on a common fluid pump 15/1 and at the output 16 twice the pumping power is available put. In this case, the respective upper and lower legs 3 and 4 are joined by a common rear connecting web 5/2 to form a common frame 2/2. The fluid pump 15/1 is arranged between the legs 4 of the frame 2/2. The vibrations of the two resonance springs 11 take place in the direction of the double arrows 31.

Während Fig. 8 diese Anordnung in Draufsicht zeigt, gibt die Fig. 9 eine Stirnansicht X aus Fig. 8 wieder.While FIG. 8 shows this arrangement in plan view, FIG. 9 shows an end view X from FIG. 8 again.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 10 sind ebenfalls zwei jeweils auf eine Fluidpumpe 15 wirkende Resonanzschwingsysteme vorgesehen, deren prinzipieller Grundaufbau demjenigen der Fig. 8 bzw. den Fig. 1 und 2 entspricht. Aufbaumäßig ist jedoch dadurch eine Vereinfachung erzielt, dass das Gestell 2 lediglich einen linken und einen rechten Schenkel 73 und 74 aufweist, die vertikal erstreckend an einem unteren horizontalen Verbindungsstück 5' befestigt sind. An den oberen Enden dieser Schenkel 73 und 74 sind außenseitig jeweils die Fluidpumpen 15 angebracht, deren Pumporgane 14 über die Stößel 13 mit den Endabschnitten 25 der jeweils einen Bogen 26 aufweisenden Resonanzfedern 11 verbunden sind. Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 tragen diese Endabschnitte 25 jeweils die Resonanzmasse 12 und an den, in diesem Falle nach unten gerichteten Verlängerungen 25', die Balancemassen 27.In the exemplary embodiment of FIG. 10, two resonant oscillation systems each acting on a fluid pump 15 are also provided, the fundamental basic construction of which corresponds to that of FIG. 8 or FIGS. 1 and 2. In terms of structure, however, a simplification is achieved in that the frame 2 has only one left and one right leg 73 and 74, which are fastened vertically to a lower horizontal connecting piece 5 '. At the upper ends of these legs 73 and 74, the fluid pumps 15 are mounted on the outside, the pump members 14 are connected via the plunger 13 with the end portions 25 of each of a bow 26 having resonant springs 11. As in the embodiment of FIGS. 1 and 2, these end sections 25 each carry the resonance mass 12 and the balancing masses 27 on the extensions 25 'which are directed downwards in this case.

Zur wesentlichen baulichen Vereinfachung trägt auch die Tatsache bei, dass die beiden sich in diesem Falle vertikal erstreckenden Schenkel 21' der Blattfedern 21 durch einen Verbindungsbogen 75 einstückig miteinander verbunden sind. Dieser Verbindungsbogen 75 ist mittels eines halbrunden Spannstückes 76 und einer Spannschraube 77 in einem kalottenartigen Lagerteil 78 eingespannt. Mittels dieser Schraube 77 ist das Lagerteil 78 zugleich auch an der Innenseite des Verbindungsstücks 5' fixiert. Über eine Brücke 79 ist ein vertikaler, schenkelartiger Träger 80 mittig zwischen den beiden Schenkeln 21' der Resonanzfedern 11 angeordnet, an dem beidseitig die Piezoelemente 1 befestigt sind, an welchen die Federschenkel 21' federnd anliegen. Auch hier bilden die Federschenkel 21' wieder einen kurzen Hebelarm 23 zwischen dem Lagerteil 78 und der Auflagestelle A, an dem sie an den Piezoelementen 1 federnd anliegen sowie längere Hebelarme 24, die über die Bogenabschnitte 26 mit den Endabschnitten 25 verbunden sind.Significant structural simplification also contributes to the fact that the two in this case vertically extending legs 21 'of the leaf springs 21 are integrally connected by a connecting sheet 75 with each other. This connecting arc 75 is by means of a semi-circular clamping piece 76 and a clamping screw 77 in clamped a dome-shaped bearing part 78. By means of this screw 77, the bearing part 78 is also fixed to the inside of the connecting piece 5 'at the same time. Via a bridge 79, a vertical, thigh-type carrier 80 is arranged centrally between the two legs 21 'of the resonant springs 11, on which the piezo elements 1 are fastened on both sides, against which the spring legs 21' bear resiliently. Again, the spring legs 21 'again form a short lever arm 23 between the bearing part 78 and the support point A , on which they rest on the piezoelectric elements 1 resiliently and longer lever arms 24 which are connected via the arcuate portions 26 with the end portions 25.

Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 sind auch hier Justiereinrichtungen mit je einer Regulierfeder 30 und Stellschrauben 29 sowie Kontermuttern 28 vorgesehen, die in analoger Weise wie die Ausführungsform der Fig. 2 angeordnet sind und funktionieren.As in the embodiment of Figs. 1 and 2 adjusting devices are also provided with a respective regulating spring 30 and screws 29 and lock nuts 28 which are arranged in an analogous manner as the embodiment of FIG. 2 and work.

Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind auch hier die beiden Fluidpumpen 15 über Verbindungsleitungen 17 und 18 auf einen gemeinsamen Ausgang 19 geschaltet.As in the embodiment of FIG. 7, the two fluid pumps 15 are also connected via connecting lines 17 and 18 to a common output 19 here.

Bei allen Ausführungsbeispielen, bei denen die Resonanzfeder als Blattfeder 21 ausgebildet ist und das Aufbauprinzip der Fig. 1 und 2 verwirklicht ist, d. h. bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 bis 4 sowie 5 bis 10, wird in vorteilhafter Weise zur Erhöhung der Arbeitsleistung die Hebelübersetzung ausgenutzt, die zwischen dem kurzen Hebel 23 und dem längeren Hebel 24 der Blattfeder besteht und die dazu führt, dass das Schwingsystem, das die Fluidpumpe 15 zu betätigen hat, auch bei minimalen Auslenkungen des Piezoelements 1 wesentlich größere Schwingungsamplituden ausführt, die zur Betätigung des Pumporgans 14 genutzt werden.In all embodiments in which the resonance spring is formed as a leaf spring 21 and the construction principle of Figs. 1 and 2 is realized, d. H. in the embodiments of FIGS. 2 to 4 and 5 to 10, the leverage is advantageously used to increase the work, which consists between the short lever 23 and the longer lever 24 of the leaf spring and which causes the oscillating system, the has to actuate the fluid pump 15, even at minimum deflections of the piezoelectric element 1 substantially larger vibration amplitudes executes that are used to actuate the pumping organ 14.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 11 wird eine solche Hebelübersetzung ausgenutzt. Dabei sind zwei in einem horizontalen unteren Schenkel 81 festsitzend befestigte, als Blattfedern 21/6 ausgebildete Resonanzfedern 11/2 vorgesehen. Zwischen diesen vertikalen Blattfedern 21/6 ist auf dem Schenkel 81 mittig ein Piezoelement 1 angeordnet, das seine Auslenkungen in vertikaler Richtung, also parallel zu den Blattfedern 21/6 ausführt.Also in the embodiment of FIG. 11, such a leverage is utilized. Two fixed in a horizontal lower leg 81 fixed, designed as a leaf springs 21/6 resonant springs 11/2 are provided. Between these vertical leaf springs 21/6 a piezoelectric element 1 is centrally arranged on the leg 81, which performs its deflections in the vertical direction, ie parallel to the leaf springs 21/6.

Zur Übertragung der vertikalen Auslenkungen des Piezoelements 1 auf die beiden Blattfedern 21/6 sind zwei zueinander rautenartig angeordnete gleichschenklige Kniegelenke vorgesehen, die jeweils aus einem unteren Hebel 85 und einem oberen Hebel 86 sowie einem diese beiden Hebel 85 und 86 miteinander verbindenden Gelenk 87 bestehen, wobei das Gelenk.87 durch einen Verbindungsstab 88 jeweils mit einer Blattfeder 21/6 verbunden ist. Durch diese Kniegelenke werden die vertikalen Auslenkungen des Piezoelements 1 in horizontale Bewegungen umgesetzt, so dass die beiden Blattfedern 21/6 jeweils eine nach außen gerichtete Auslenkung erfahren.To transfer the vertical deflections of the piezoelectric element 1 to the two leaf springs 21/6, two isosceles-like isosceles knee joints are provided, each consisting of a lower lever 85 and an upper lever 86 and a joint 87 connecting these two levers 85 and 86, wherein the Gelenk.87 is connected by a connecting rod 88 each with a leaf spring 21/6. Through these knee joints, the vertical deflections of the piezoelectric element 1 are converted into horizontal movements, so that the two leaf springs 21/6 each experience an outward deflection.

Um eine federnde Belastung des Piezoelements 1 durch die beiden sich darauf abstützenden Hebel 85 zu erhalten, sind beide Gelenke 87 durch eine Zugfeder 91, die justierbar sein sollte, miteinander verbunden. Die beiden oberen Hebel 86 der beiden Kniegelenke stützen sich an der Unterseite des Schenkels 4 ab.In order to obtain a resilient loading of the piezoelectric element 1 by the two lever 85 supporting thereon, both joints 87 are connected to one another by a tension spring 91, which should be adjustable. The two upper levers 86 of the two knee joints are supported on the underside of the leg 4.

Oberhalb des oberen Schenkels 4 sind die Enden der jeweils längeren Hebelarme 24 der Blattfedern 21/6 mit außenseitig angebrachten Resonanzmassen 12 versehen und zugleich über Stößel 13 mit den Pumporganen 14 einer Doppelfluidpumpe 15/1 kraft- und bewegungsübertragend verbunden, so dass ihre Schwingbewegungen die Pumporgane 14 betätigen.Above the upper leg 4, the ends of each longer lever arms 24 of the leaf springs 21/6 are provided with externally mounted resonance masses 12 and at the same time via plunger 13 with the pump members 14 of a double fluid pump 15/1 force and motion-transmitting connected, so that their swinging movements actuate the pumping members 14.

Dabei durchragen die Blattfedern 21/6 jeweils Ausnehmungen 89 und 90 des oberen Schenkels 4, auf dem die Doppelfluidpumpe 15/1 mittig angeordnet ist.In this case, the leaf springs 21/6 each protrude through recesses 89 and 90 of the upper leg 4, on which the double fluid pump 15/1 is arranged centrally.

Mit Hilfe von auch bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehener Regulierfedern 30 und Stellschrauben 29, lässt sich die Eigenfrequenz der beiden Blattfedern 21/6 jeweils in gewissem Umfang justieren, so dass auch hierbei in einfacher Weise Synchronismus zwischen der Eigenfrequenz der beiden Schwingsysteme und dem Arbeitszyklus bzw. der Arbeitsfrequenz des Piezoelements 1 erreicht werden kann.With the help of also provided in this embodiment regulating springs 30 and screws 29, the natural frequency of the two leaf springs 21/6 can each be adjusted to some extent, so that here in a simple manner synchronism between the natural frequency of the two oscillating systems and the duty cycle or Working frequency of the piezoelectric element 1 can be achieved.

Bei der in Fig. 11 dargestellten Anordnung ist die Auslenkamplitude der oberen Blattfederenden etwa sechsmal größer als die vertikale Auslenkung des Piezoelementes 1.In the arrangement shown in FIG. 11, the deflection amplitude of the upper leaf spring ends is approximately six times greater than the vertical deflection of the piezoelement 1.

Zu erwähnen ist noch, dass als Pumporgane statt der in den Ausführungsbeispielen erwähnten Pumpmembranen auch Pumpkolben verwendet werden können.It should also be mentioned that pumping pistons can also be used as pumping elements instead of the pumping diaphragms mentioned in the exemplary embodiments.

Claims

Piezoelectric pump drive, in particular for air pumps with a diaphragm as a pump member, in which a resonance vibration system having at least one by means of a resonant spring (11) resiliently mounted resonant mass (12) and the vibrations of at least one electrically activated piezoelectric element (1) are generated, the pump organ (14) drives in an oscillating manner, the piezoelectric element (1) being in force and motion-transmitting drive connection with the pumping element (14) via the resonance spring (11) provided with the resonance mass (12),
characterized,
in that as resonant spring (11/1) and carrier of the resonance mass (12) at least one such rod-shaped, sheet-shaped or band-shaped spring (21, 21/1 to 21/6) is provided on which the piezo element (1) is connected to a short Lever arm (23, 23/4, 23/6) acts, and on a longer lever arm (24, 24/4, 24/6) carries the resonance mass (12), so that between the driving movement amplitudes of the piezoelectric element (1) and the resulting movement amplitudes of the resonance mass (12) is a positive mechanical path translation.

Piezoelectric pump drive according to claim 1, characterized in that the resonance spring (11) consists of a leaf spring (21, 21/1 to 21/3).

Piezoelectric pump drive according to claim 1, characterized in that the resonance spring (11) consists of a at least one straight section having spring wire.

Piezoelectric pump drive according to claim 2 or 3, characterized in that consisting of at least one leaf spring (21) or at least one spring wire resonant spring (11) with its one end (22) fixed to a piezoelectric element (1) and the pump (15 ) supporting rigid frame (2) is clamped so that it rests resiliently with a short lever arm (23) at a short distance from the clamped end (22) on the piezoelectric element (1) and that the longer, the resonance mass (12) supporting lever arm ( 24) is connected to the pump member (14).

Piezoelectric pump drive according to Claim 4, characterized in that the portion of the resonant spring (21) resting resiliently on the piezoelement (1) covers an area which comprises part of the short lever arm (23) and at least part of the longer lever arm (24), is formed as a rigid part in itself.

Piezoelectric pump drive according to claim 4 or 5, characterized in that the resonance spring (21) on a longer lever arm (24) extending portion (25 ') carries a balance mass (27) which is smaller than the resonance mass (12).

Piezoelectric pump drive according to claim 4 or 5, characterized in that the longer lever arm (24) of the resonant spring (11) has a rearwardly bent end portion (25) on which the resonance mass (12) is fixed.

Piezoelectric pump drive according to claim 7, characterized in that at the free end of the rearwardly bent end portion (25) of the resonant spring (11) at a distance from the resonance mass (12) additionally a smaller balance mass (27) is arranged, which causes an at least approximately parallel vibration of the end portion (25, 25 ') to its extension direction.

Piezoelectric pump drive according to claim 4 or 5, characterized in that on the frame (2) clamped first resonant spring (21/1) on the side facing away from the piezoelectric element (1) side a second likewise on the frame (2) clamped resonant spring (21/2) is associated in parallel position, whose or the free end in the manner of a parallelogram via a connecting web (36) is pivotally connected to the free end of the first resonant spring (21/1).

Piezoelectric pump drive according to claim 9, characterized in that the two resonance springs (21/1, 21/2) are in force-transmitting connection via the connecting web (36) with the pumping member (14).

Piezoelectric pump drive according to one of Claims 4 to 10, characterized in that a regulating spring (30) acts on the longer lever arm (24) of the resonant spring (11) whose pretension on the resonant spring (21) can be adjusted by means of an adjusting screw (29) ,

Piezoelectric pump drive according to claim 11, characterized in that the distance of the point of application of the regulating spring (30) on the resonance spring (11) from the point ( A ) of the piezoelectric element (1) approximately the length of between the clamped end (22) of the resonant spring ( 21) and the point ( A ) of the piezoelectric element (1) lying short lever arm (23).

Piezoelectric pump drive according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the resonant spring (21/3) has three leg sections (41, 42, 43) which are parallel to one another and are connected to one another in pairs by arc sections (26, 26 ').

Piezoelectric pump drive according to claim 13, characterized in that the three parallel leg sections (41, 42, 43) are at least approximately the same length below each other.

Piezoelectric pump drive according to claim 13, characterized in that a first one of the ends of the resonant spring (21/3) forming leg portion (41) under the influence of a pressing force with the piezoelectric element (1) is in force and motion transmitting connection and a third, the second end of the resonant spring forming leg portion (43) with the pump member (14) of a pump (15) is in force and motion transmitting connection.

Piezoelectric pump drive according to one of Claims 13 to 15, characterized in that the leg section (43) connected to the pump element (14) is provided with a resonance mass (12 ') and a balance mass (27).

Piezoelectric pump drive according to claim 16, characterized in that also the middle leg portion (42) is provided with a resonance mass (12/1).

Piezoelectric pump drive according to one of claims 1 to 3, characterized in that the piezoelectric element (1) between two parallel position in a frame (2/4) clamped resonance springs (21/6) is arranged and two opposite isosceles knee joints with the resonance springs (21/6) is in force and motion transmitting connection.

Piezoelectric pump drive according to claim 18, characterized in that the respectively with resonance masses (12/1) provided ends of the two resonance springs (21/6) each force and motion transmitting with a pumping member (14) of a pump (15/1) are connected.

Piezoelectric pump drive according to one of claims 1 to 3, characterized in that a flat, provided at its two ends with resonance masses (12/1) and each having a pump member (14) Force and motion transmitting associated resonant spring (21/5) rests on two between the resonance masses (12/1) symmetrically to its longitudinal center arranged support bearings and on the support bearings (65) opposite side in the longitudinal center of the force-transmitting with the piezoelectric element (1) in combination stands.

Piezoelectric pump drive according to one of claims 1 to 20, characterized in that two identical resonance vibration systems, each with a piezoelectric element (1) in a spatial parallel arrangement in each case operate a pump (15, 15/1) and that the two pumps (15) to a common output (16) are switched.

Piezoelectric pump drive according to claim 21, characterized in that the pump (15/1) has two pumping elements (14) which are in each case in force and motion-transmitting connection with the resonance spring (21) of a vibration system.