DE2444647B2 - Piezoelektrischer biegewandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen ['?zoelektrischen Biegewandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Solch ein Biegewandler ist aus der DT-OS 20 48 899 bekannt. In Fig. 3 dieser Druckschrift ist ein Biegewandler abgebildet, der als aktive Elemente Lamellen aus Piezokeramik besitzt, und dessen passives Element durch eine Mittellamelle gebildet wird, deren Dicke zu einem Ende hin abnimmt. Dieser Biegewandler ist mit der dicken Seite der Mittellamelle in eine Halterung eingespannt. Bei dieser bekannten Konstruktion eines Biegewandlers können nur verhältnismäßig kleine Auslenkungen des freien Endes des Biegewandlers erreicht werden, da die Mittellamelle außerordentlich steif ist. Die piezoelektrisch erzeugten Kräfte dienen zu einem großen Teil nur dazu, die elastischen Rückstellkräfte der Mitellameüe zu überwinden.

In der gleichen Druckschrift ist auch ein Biegewandler beschrieben, der zwei aktive Lamellen aus Piezokeramik besitzt, zwischen denen ein Abstandshalter angeordnet ist, der aus einem gewellten Blech besteht. In diesem Fall besitzt der Abstandshalter zwar keine großen elastischen Rückstellkräfte, jedoch ist der Abstandshalter bezüglich seiner mechanischen Festigkeit begrenzt.

Aus dem weiteren einschlägigen Stand der Technik ist aus der US-PS 25 40 412 ein Biegewandler bekannt, der die Form eines Streifens mit konisch zulaufender Form, jedoch gleichbleibender Gesamtdicke hat. Dieser. Streifen besteht aus zwei entgegengesetzt zueinander, jeweils in Richtung parallel zur Schichtoberfläche, d. h. parallel zur Oberfläche des Biegewandlers, polarisierten Schichten. Aus der US-PS 29 00 536 ist u. a. mit Fig. 9 ein Biegewandler eines Tonabnehmers bekannt, der eine konisch zulaufende Formgebung hat, wobei, wie durch einen Doppelpfeil angedeutet, der den Biegewandler bildende relativ flache Streifen zu Biegebewegungen gezwungen wird. Das Mittelteil ist ähnlich wie beim Gegenstand der oben erwähnten DT-OS 20 48 899 massiv und besteht z. B. aus Messing, so daß das ganze Gebilde ebenfalls außerordentlich steif ist. Aus der GB-PS 10 83 477 geht ein Abregungswandler eines Lautsprechers hervor, der wie schon vorangehend beschriebene keil- oder konusförmige Querschnittsform haben kann, der aber als Längenschwinger arbeitet und bei dem diese Formgebung durch die damit zu erfüllende Funktion eines akustischen Transformators bestimmt ist. Es ist sogar ausdrücklich darauf hingewie

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<>o sen, daß als Störeffekt möglicherweise auftretende Vibrationen quer zur Länge vermieden werden sollen, und .zwar ersichtlich für alle Ausführjngsformen, gleichgültig ob sie keilförmig, konisch oder planparallel sind, ,

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Biegewandle.- mit hohem Wirkungsgrad und erhöhter Festigkeit anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Biegewandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches | angegeben ist, wobei dieser Biegewandler erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen dieses Anspruches ausgebildet ist.

Mit der wie erfindungsgemäßen Form des Trägerbleches wird für einen Biegewandler, der möglichst viel Arbeit bzw. Leistung elektromechanisch umwandeln soll, einerseits hohe mechanische Festigkeit und damit hohe Lebensdauer erreicht und andererseits der Anteil der Kraft gering gehalten, der in bloße Rückstellkraft der Mittellamelle geht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem aktiven Element,

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei aktiven Elementen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 besteht der Biegewandler, der einseitig in einer Halterung 100 eingespannt ist, aus dem aktiven Element 1, das aus einer Lamelle aus Piezokeramik besteht, die beidseitig mit den Metallisierungen 10, 11 versehen ist. Diese Metallisierungen können über die Anschlüsse 12,13 mit einer in der Figur nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden werden. Das passive Element besteht aus einem Trägerblech 2, welches auf seiner der piezokeramischen Lamelle zugewandten Seite Querrippen 20 besitzt. Diese Querrippen nehmen in ihrer Höhe zum freien Ende des Biegewandlers hin ab. Die Beweglichkeit des freien Endes des Biegewandlers ist durch einen Doppelpfeil angedeutet. Bei diesem Biegewandler ist die Biegeachse also parallel zu den Querrippen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besaß die piezokeramische Lamelle eine Dicke von 0,25 mm, das Trägerblech hatte die gleiche Dicke, die Höhe der Querrippen nahm von 0,7 mim auf 0,1 mm zum freien Ende hin ab. Gegenüber einem Biegewandler, der nur aus einer piezokeramischen Lamelle und einem Trägerblech ohne Querrippen besteht, wird mit dieser Ausführungsform der Erfindung eine Leistungszunahme von ca. 70 bis 80% erreicht.

Diese Leistungszunahme ist noch größer, ca. 100%, wenn die Höhe der Querrippen nach einem Wurzelgesetz abfällt, vgl. z. B. Hütte: Des Ingenieurs Taschenbuch, Bd. I, Berlin 1955, S. 902, Tafel 3,1.

F i g. 2 zeigt einen Biegewandler mit zwei piezokeramischen Lamellen 101,102 und einem Trägerblech 200, welches zwischen diesen Lamellen angeordnet ist Die piezokeramischen Lamellen 101, 102 weisen auf ihren Oberflächen wiederum Metallisierungen und dazu Anschlüsse zum Anschluß an eine Spannungsquelle auf. Die Metallisierungen und die Anschlüsse sind in F i g. 2 der Übersichtlichkeit hailber weggelassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Trägerblech auf beiden Seiten Querrippen 201,21)2.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 2 besaß eine Dicke der piezokeramischen Lamellen und des Trägerbleches von ebenfalls 0,25 mm. Die Höhe der Querrippen nahm ebenfalls von 0,7 mm auf 0,1 mm ab.

Die piezokeramischen Lamellen sind verhältnismäßig

dünn, so daß sie bereits mit verhältnismäßig geringen Feldstärken polarisiert werden können. Um eine Depolarisierung sicher zu vermeiden, werden an die Metallisierungen der piezokeramischen Lamellen nur Spannungen einer solchen Polung angelegt, daß die s Polarisation unterstützt wird. Beim Betrieb der Biegewandier gemäß der Erfindung können also an den piezokeramischen Lamellen Spannungen in polarisa tionsunterstützender Richtung liegen, die eine Feldstärke von 0 bis 2400 V/cm in der piezokeramischen ι υ Lamelle erzeugen. Die piezokeramischen Lamellen sind in Dickenrichtung polarisiert.

Bei einem idealen Trägerblech ohne Biegesteifigkeit, aber mit unendlich großer Druck- und Schersteifigkeit wären die gemäß der Erfindung vorgesehenen Querrippen nicht erforderlich;, es würde genügen, wenn das Trägerblech keilförmig ausgebildet wäre. Für reelle Bleche ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad für den Fall, daß das Trägerblech die gleiche Dicke wie die piezokeramische Lamelle besitzt. Diese Forderung wird durch die Querrippen, die gemäß der Erfindung vorgesehen sind, besonders gut erfüllt. Dadurch wird ein Trägerblech erreicht, dessen Biegesteifigkeit bei hoher Drucksteifigkeit sehr gering ist.

Durch die in ihrer Höhe abnehmenden Querrippen wird erreicht, daß die piezokeramische Lamelle auf ihrer gesamten Länge einer nahezu konstanten Biegespannung ausgesetzt ist. Das gleiche gilt für das Trägerblech.

Da die piezokeramischen Lamellen eine konstante Dicke besitzen, ist es besonders leicht, innerhalb der Lamellen eine konstante elektrische Feldstärke zu erzeugen.

In den Figuren ist der Biegewandler mit einem Ende in eine Halterung eingespannt. Man kann ihn auch mit beiden Enden einspannen; in diesem Fall besitzt eine Querrippe zwischen den Halterungen, vorzugsweise die mittlere Querrippe, die maximale Höhe, und die Höhe der Querrippen nimmt zu den Enden des Biegewandlers hin ab. Die Abnahme der mechanischen Energie erfolgt in der Mitte des Wandlers.

Die Biegewandler der Erfindung können z. B. als Motoren für Elektrorasierer oder zur Betätigung elektrischer Schalter dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Piezokeramischer Biegewandler, der ein passives und mindestens ein aktives Element besitzt, · dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente piezokeramische Lamellen (1, 101, 102) sind, auf die ein Trägerblech (2,200) auflaminiert ist, wobei dieses Trägerblech auf seiner, der piezokerarnischen Lamelle zugewandten Seite Querrippen (20, iu 201, 202) besitzt, die in ihrer Höhe, bei einer Querrippe mit maximaler Höhe beginnend, abnehmen und parallel zu einer vorgegebenen Biegeachse verlaufen.

2. Biegewandler nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerblech mil den Querrippen einstückig hergestellt ist.